Волоконно-оптический осветитель

Волоконно-оптический осветитель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявленное изобретение относится к волоконно-оптическим устройствам, предназначенным для подсветки локальных поверхностей, и может найти применение при подсветке объектов, для которых требуется высокое качество освещения, например в микроскопах, для освещения внутренних полостей, например в медицинских целях.

Известен осветитель, используемый для подсветки объектов в микроскопах, содержащий источник света, рефлектор и рассеиватель. (См., например, патент РФ N 2153692, МПК G 02 В 21/06, "Способ формирования излучения для микроскопа и устройство для его осуществления", опубл. 27.07.2000, БИ N 21.)

Недостаток известного осветителя заключается в том, что подсветка осуществляется только с одной стороны, а спектральный состав освещения изменять сложно. При наблюдении объекта возможно возникновение хроматической аберрации.

Известен также волоконно-оптическое осветитель, предназначенный для освещения локальных поверхностей объектов, который содержит источник света, волоконно-оптический жгут, выполненный из волоконных световодов, скрепленных между собой. (См., например, патент РФ N 1285947, МПК G 02 В 6/04, "Осветитель", опубл. 20.11.95 в БИ N 32.)

Известное устройство имеет недостатки, связанные с наличием сложной оптической системы, необходимой для формирования светового пучка, концентрирующегося на волоконных световодах.

Более близким по технической сущности и принятым за прототип является волоконно-оптический осветитель, описанный в патенте Российской федерации N 2020376 "Декоративный светильник", МПК F 21 P 3/00, опубл. 30.09.94 в БИ N 18.

Известный волоконно-оптический осветитель содержит корпус, многоцветные источники света, расположенные в разных камерах, волоконно-оптический жгут из волоконных световодов, закрепленных в выходном отверстии корпуса, выходные концы жгутов, подводящие световой поток к освещаемому объекту, блок управления и блок питания. Результирующий цвет на выходе жгута формируется путем изменения яркости отдельных источников света.

Недостаток известного волоконно-оптического осветителя заключается в том, что в нем используются три источника света, расположенных в разных камерах, что усложняет конструкцию, ведет к повышению габаритных размеров. Кроме того, при освещении объектов возникает хроматическая аберрация, что мешает наблюдению.

Целью данного изобретения является уменьшение хроматической аберрации, уменьшение габаритных размеров, упрощение конструкции, улучшение эксплуатационных свойств изделия, получение возможности точного регулирования цвета изображения, повышение надежности и безопасности при эксплуатации. Кроме того, в предлагаемом осветителе снижено энергопотребление, расширен диапазон применения и повышен срок службы прибора.

Указанная цель достигается тем, что в известном волоконно-оптическом осветителе, содержащем корпус, волоконно-оптический жгут, состоящий из волоконных световодов, закрепленных в выходном отверстии корпуса, выходные концы жгута, подводящие световой поток к освещаемому объекту, многоцветные источники света, блок управления и блок питания, согласно предложению, источники света представляет собой общую плату со светодиодами с красным, зеленым и синим спектрами излучения, указанные источники света расположены на общей плате, плата установлена в дно корпуса, корпус покрыт светоотражающим слоем, направляющим световой поток внутрь и выполнен симметричным относительно центральной оси, имеет вогнутую поверхность, описываемую уравнением второго порядка, причем донное отверстие корпуса имеет диаметр, больший, чем диаметр выходного отверстия.

В варианте технического решения плата со светодиодами выполнена сферической, вогнутой стороной, обращенной к выходному отверстию корпуса так, чтобы оптические оси светодиодов были направлены на входные концы жгута световодов.

В варианте технического решения две поверхности корпуса выполнены плоскими и параллельными друг другу, а донное и выходное отверстия имеют вид прямоугольников, причем площадь донного больше, чем площадь выходного отверстия, а две другие поверхности вогнуты и описываются уравнением второго порядка.

В варианте технического решения плата со светодиодами выполнена в виде узкой полосы.

В варианте технического решения плата выполнена в виде изогнутой полосы, причем вогнутая сторона, оснащенная светодиодами, обращена в сторону выходного отверстия.

В варианте технического решения корпус выполнен из сплошного прозрачного материала.

В варианте технического решения блок управления содержит микропроцессорный блок задания цвета.

В варианте технического решения между выходным концом жгута световодов и освещаемым объектом имеется распределитель света в виде цилиндрической трубы, покрытой светоотражающим слоем, направляющим световой поток внутрь корпуса трубы, а одна сторона корпуса, обращенная к освещаемому объекту, выполнена из прозрачного материала со скосом, концентрирующим световой поток на объекте.

В варианте технического решения распределитель света выполнен в виде тора.

В варианте технического решения распределитель света выполнен в виде армированного шланга с фиксацией формы, в теле которого вдоль него прорезаны окна.

Использование светодиодной платы в качестве источника света обеспечивает снижение хроматической аберрации, малые габаритные размеры осветителя и низкое тепловыделение, позволяя тем самым уменьшить вес и габаритные размеры аппарата. Кроме того, за счет высокого срока службы светодиодов (достигающей 100 тыс.часов) увеличивается надежность системы. Весь источник света, представляющий собой общую плату, может выполняться на принципах печатной схемы, что ведет к сокращению трудоемкости изготовления аппарата. Кроме того, в осветителе обеспечивается высокая степень безопасности, поскольку выход из строя светодиодов не вызывает каких-либо опасных эффектов.

Выполнение корпуса источника света, покрытого с внутренней стороны светоотражающим слоем, и выполнение его симметричным относительно центральной оси с поверхностью, описываемой уравнением второго порядка, при котором дно корпуса имеет диаметр, больший, чем диаметр выходного отверстия, позволяет более полно использовать световой поток от источников света.

Выполнение общей платы со светодиодами в виде полусферы позволяет не производить специального отбора световых приборов по их параметрам, что упрощает технологию изготовления.

Применение микропроцессорного блока задания цвета и яркости позволяет обеспечить точную необходимую цветовую подстройку осветителя.

Выполнение корпуса с двумя поверхностями плоскими и параллельными друг другу, с донным и выходным отверстиями, имеющими вид прямоугольников, с площадью донного отверстия большей, чем площадь выходного отверстия, и имеющего две другие поверхности, вогнутые и описываемые уравнением второго порядка, позволяет уменьшить габаритные размеры корпуса.

Выполнение платы со светодиодами в виде узкой полосы предназначена для второго варианта исполнения корпуса.

Выполнение платы в виде изогнутой полосы, вогнутая сторона которой оснащена светодиодами и обращена в сторону выходного отверстия, позволяет использовать светодиоды, не подвергая их предварительному отбору по распределению светового потока.

Выполнение корпуса из сплошного прозрачного материала обеспечивает большую прочность и надежность конструкции.

Использование распределителя света, расположенного между выходом световодного жгута и освещаемым объектом, выполненного в виде цилиндрической трубы, покрытой светоотражающим слоем, направляющим световой поток внутрь корпуса трубы, позволяет концентрировать световой поток на освещаемом объекте. Весь световой поток при этом проходит через скошенную прозрачную поверхность трубы.

Качество освещения для некоторых типов объектов улучшается.

В некоторых случаях выполнение распределителя света в виде тора также может дать лучший эффект от освещения.

Выполнение распределителя света в виде армированного шланга обеспечивает широкую универсальность осветителя.

Наличие вышеприведенных приставок расширяет область применения изделия.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция волоконно-оптического осветителя, вид сбоку.

На фиг.2 показана плоская плата со светодиодами.

На фиг.3 изображен источник света из светодиодов, расположенных на плате, имеющей сферическую поверхность.

На фиг.4 дан вариант исполнения корпуса, выходное и донное отверстия которого имеют вид прямоугольников.

На фиг.5 имеется модификация корпуса согласно фиг.4, на которой плата со светодиодами выгнута.

На фиг.6 представлен вариант схемы устройства освещения для микроскопа, в котором световой поток подводится снизу от объекта исследования.

На фиг.7 изображен вариант подсветки, в котором световой поток осветителя соосен с линией зрения.

На фиг.8 дан вариант подсветки объекта исследования сбоку.

На фиг.9 представлен вариант исполнения распределителя света в виде цилиндрической трубы.

На фиг.10 показано распределение света от цилиндрической трубы (вид сбоку).

На фиг.11 представлен вариант исполнения распределителя света в виде тора.

На фиг.12 имеется вид распределителя света в виде армированного шланга в двух проекциях.

На фиг.13 изображен армированный шланг в изогнутом состоянии.

На фиг.14 показан армированный шланг, изогнутый в виде кольца.

На фиг.15 нарисована схема соединения светодиодов с различными спектрами излучения с микропроцессорным блоком задания цвета.

На фиг.16 представлена зависимость силы света излучения светодиода от величины протекающего по нему тока.

На фиг.17 имеется график изменения силы света, излучаемого в зависимости от величины прямого тока, проходящего по светодиоду.

Общие для всех фигур элементы обозначены одинаково.

Волоконно-оптический осветитель выполнен следующим образом. Источники света из светодиодов 1 (фиг.1, 2) располагаются на поверхности общей платы 2, представляющей собой плоскость в виде диска, изготовленную из пластмассы, например из плексигласа или гетинакса. Плата 2 крепится с помощью клея в дно корпуса 3. Корпус изготовлен из пластмассы. Корпус и плата покрыты светоотражающим слоем 4, направляющим световой поток внутрь корпуса. Корпус выполнен симметричным относительно центральной оси. Он имеет вогнутую поверхность, описываемую уравнением второго порядка. Донное отверстие корпуса (не обозначено) имеет диаметр больший, чем диаметр выходного отверстия. (Если корпус выполнен из прозрачного материала, то светоотражающий слой 4 может наноситься сверху (на фиг. не обозначено). В верхней части корпуса укреплены, например, с помощью клея входные концы жгута световодов 5.)

В варианте технического решения общая плата выполнена сферической 6 (фиг.3), вогнутой стороной, обращенной к выходному отверстию корпуса так, чтобы оптические оси светодиодов 1 попадали на входные концы жгутов световодов 5. Плата имеет светоотражающее покрытие (не обозначено).

В варианте технического решения корпус выполнен плоским и состоящим из двух поверхностей 7, параллельных друг другу. Две другие поверхности 8 вогнуты и также описываются уравнением второго порядка. В донное отверстие (не обозначено) вставлена прямоугольная плата 9 (в виде полосы) со светодиодами 1, установленными в ряд. В выходном отверстии корпуса, имеющего вид прямоугольника, площадь которого меньше, чем площадь донного отверстия, установлены световоды 5, укрепленные, например, с помощью клея.

Плата 4 со светодиодами 1 может быть изогнута (фиг.5) и вогнутой стороной обращена в сторону световодов 5. При этом оптические оси светодиодов направлены в сторону световодов. Поверхность корпуса и плата покрыты светоотражающим слоем, направляющим световой поток внутрь корпуса.

Корпус в любом варианте может быть выполнен из сплошного прозрачного материала, например путем заливки внутрь корпуса прозрачного пластика.

Световой поток от светодиодов 1 по выходным концам жгута световодов 5 направлен снизу в сторону освещаемого объекта 10 (фиг.6), расположенного между предметным и покровным стеклами 11 и 12. Возможно использование рассеивателя 13.

Наличие гибкого световода 5 позволяет, при необходимости, освещать объект 10 так, чтобы световой поток попадал на него по оси зрения. Для этого используется полупрозрачная пластина 14 (фиг.7), направляющая отраженный световой поток через линзу 15. Ось линии глаза 16 совпадает с оптической осью линзы 15.

Световой поток по световодам 5 может поступать на освещаемый объект 10 под углом к оси зрения (фиг.8). Световодный жгут у выходного конца скреплен обечайкой 17. Выходной конец световодного жгута может быть снабжен линзой 18.

В варианте технического решения между выходным концом жгута световодов 5 и освещаемым объектом 10 имеется распределитель света в виде ограниченной по высоте цилиндрической трубы с корпусом 19 (фиг.9, 10). Корпус в сечении представляет собой трапецию с параллельными внутренней и внешней сторонами. Один бок трапеции скошен так, что угол, образованный между скосом и внутренней стороной, больше 90°. Труба покрыта светоотражающим слоем 20, направляющим световой поток внутрь корпуса трубы. Поверхность 21, образованная скосом, обращена к освещаемому объекту, светоотражающего покрытия не имеет и концентрирует световой поток на объекте 10. Корпус цилиндрической трубы выполнен из прозрачного материала, например из поликарбоната.

Фиг.10 показывает распределение светового потока, поступающего на объект через распределитель света 19.

В варианте технического решения распределитель света, идущего от источника 1 по световодам 5, выполнен в виде тора 22 (фиг.11), изготовленного из прозрачного материала и также покрытого снаружи светоотражающим слоем 20. Часть поверхности тора 23 (рассеиватель), обращенная к объекту 10, светоотражающего слоя не имеет. Для обеспечения объемного изображения исследуемого объекта подсветку можно организовать согласно, например, фиг.6 и 7 или 6 и 8, когда световой поток от выходных концов жгута световода 5 поступает на объект двояким образом, за счет того, что световодный жгут разделен на два пучка.

Возможны и другие сочетания подсветки, представленные на фиг.6, 7, 8, 10, 11.

В варианте технического решения распределитель света выполнен в виде армированного шланга 24 (фиг.12) с фиксацией формы. В теле шланга вдоль него прорезаны прямоугольные окна 25. Внутренняя поверхность шланга выполнена блестящей (не показано). Световой поток поступает внутрь шланга с торца от световодного жгута 5. Шланг сохраняет ту форму, которую ему придают в зависимости от потребностей в освещении. В частности, на фиг.13 шланг 24 изогнут в форме дуги. Окна 25 располагаются на внутренней поверхности сгиба. Шлангу 24 можно придать форму кольца (фиг.14). При этом поверхность с окнами 25 может быть направлена в любую сторону, например, как это показано на фиг.11.

Светодиоды 1 разделены на три группы со спектрами излучения: красным (1’), зеленым (1’’) и синим (1’’’) (фиг.15). В цепи питания светодиодов различной цветности имеются регуляторы тока, соответственно для красных 26, для зеленых 27, а для синих 28. Общее количество диодов зависит от вышеприведенных вариантов конструкции и требуемого максимального светового потока. Их соотношение по цвету определяется необходимостью получения суммарного белого стандартного света. В каждой отдельной цепи светодиоды соединены по последовательной схеме. Для примера, на схеме по 4 последовательно соединенных светодиодов определенного спектра излучения. Однако, при необходимости, светодиоды могут переключаться по последовательно-параллельной схеме, где последовательно соединены только 2 прибора или все светодиоды могут быть соединены параллельно. Расположение светодиодов с различным спектром излучения на плате определяется удобствами монтажа. В цепи имеется микропроцессорный блок задания цвета и яркости 29. Блок содержит регулятор цвета 30 и регулятор яркости 31 с цифровыми индикаторами (не обозначены).

При изменении величины прямого тока I_f, протекающего через светодиод, его световой поток Ф и, соответственно, сила света I_v излучаемого светодиодом изменяются практически прямолинейно (32), как это показано на фиг.16, где по оси абсцисс обозначен ток I_f, а по оси ординат сила света I_v в относительных единицах.

Спектральный состав общего светового потока определяется соотношением трех световых потоков Ф_i, исходящих от светодиодов с различным цветом излучения. Их примерные изменения в зависимости от прямого тока имеют буквенные индексы (фиг.17), которые распределены следующим образом: для красного спектра - R (33), для зеленого - G (34) и для синего - В (35).

Волоконно-оптический осветитель действует следующим образом. Световой поток от светодиодов 1, расположенных на плоской плате 2 (фиг.1, 2) или сферической (фиг.3), концентрируется на входных концах жгута световодов 5. Часть светового потока, многократно отражаясь от светоотражающего слоя 4, также в конечном итоге поступает на световоды, благодаря сложной поверхности корпуса 3. Причем на входных концах световодов происходит смешивание и равномерное распределение световых потоков, поступающих от светодиодов, имеющих различный спектр излучения. Далее, смешанный и равномерно распределенный световой поток попадает, в зависимости от требуемой системы подсветки, через выходные концы жгута световодов на объект 10 (фиг.6, 7, 8).

Аналогичные процессы происходят при наличии плоского корпуса (фиг.4 и 5). Число светодиодов 1 при этом уменьшено, а сам корпус имеет меньшие габариты. Плоский корпус применим при наличии ярких светодиодов.

Применение сферической платы (фиг.5) или платы в виде дуги (фиг.5) позволяет использовать светодиоды с небольшими углами светораспределения.

Наличие гибкого световода 5 позволяет обеспечить подвод светового потока к освещаемому объекту 10 под различными углами (фиг.6, 7, 8). Световодный жгут можно разделить на пучки и подводить световой поток одновременно с разных направлений, чем обеспечивается насыщенность светом и объемность изображения.

Хроматическая аберрация практически исключена, поскольку освещение производится параллельными лучами, кроме того, подсветку можно обеспечить и одним цветом.

Поскольку световой поток от светодиодов сосредоточен в небольшом телесном угле, то рефлектор и не потребуется, а сама плата 2 может быть выполнена из недорогостоящей пластмассы. Тепловое выделение светодиодов невелико, что позволяет существенно снизить габаритные размеры осветителя.

В распределителе света, выполненном в виде цилиндрической трубы (фиг.9, 10), световой поток от светодиодов 1 через выходные концы жгута световодов 5 поступает во внутренние полости трубы и, многократно отражаясь от светоотражающего слоя 20, проходит через прозрачную поверхность рассеивателя 21 практически равномерно по всему ее периметру. Скос рассеивателя выполнен таким образом, чтобы распределить поток света на поверхности освещаемого объекта 10.

Аналогично действует торовидный распределитель светового потока 22 (фиг.11). При этом световой поток в конечном итоге поступает на объект 10 через поверхность 23.

Наибольшей универсальностью обладает распределитель света, выполненный в виде армированного шланга 24 (фиг.12). Шлангу можно придать любую форму (фиг.13, 14) и направлять световой поток от световодов 5 через окна 25 в любом направлении,

Как известно, результирующий цвет, излучаемый источником, может быть образован путем смешения трех цветов. Изменяя световой поток одного из компонентов, красного - R (33), зеленого - G (34) и синего - В (35) (фиг.17), можно изменять и суммарный цвет излучения. В данном случае появляется возможность просто и тонко корректировать цвета подсветки. Общий световой поток светодиодов 1’, 1’’, 1’’’ соответствует стандартному белому (МОК), складываясь в пропорциях, красный/зеленый/синий - R/G/B=1/4,6/0,06 (см. Гуторов М.М., стр.122-124). Соотношение светодиодов на фиг.15 не соответствует этой пропорции. В частности, количество синих светодиодов больше, чем требуется для получения стандартного белого света. Схема подобрана так, чтобы была определенная симметрия, т.е. в каждой цепи по 4 светодиода, включенных последовательно. Точная пропорция соблюдается за счет регуляторов тока 26, 27 и 28 и путем подбора соответствующих световых приборов.

В некоторых случаях объект лучше рассматривать при цвете излучения, отличном от белого. В данном предложении это относительно легко осуществить путем регулирования тока в одной из цепей (фиг.15). Блок задания цвета 30 позволяет автоматически обеспечить нужный цвет и яркость подсветки. Для этого регулятор цвета 25 и регулятор яркости 31 устанавливаются в положение, соответствующее цифре соответствующего индикатора. (Предполагается наличие таблицы с указанием соответствия между цифрами, яркостью и цветом.)

Таким образом, в предлагаемом техническом решении обеспечивается коррекция яркости и цвета.

Технико-экономические преимущества предлагаемого волоконно-оптического осветителя заключаются в следующем:

1. Снижена хроматическая аберрация.

2. Снижена трудоемкость изготовления и вес изделия.

3. Снижена стоимость изделия за счет снижения трудоемкости.

4. Расширена номенклатура возможного применения изделия.

5. Повышены возможности цветовой подстройки освещения.

6. Повышена влагозащищенность и взрывобезопасность изделия за счет полной герметичности прибора и снижения тепловой нагрузки на систему.

7. Снижены потери светового потока и увеличен срок службы прибора.

8. Снижено энергопотребление.

1. Волоконно-оптический осветитель, содержащий корпус, жгут волоконных световодов, закрепленных в выходном отверстии корпуса, выходные концы жгута, подводящие световой поток к освещаемому объекту, многоцветные источники света, блок управления и блок питания, отличающийся тем, что источники света представляют собой общую плату со светодиодами с красным, зеленым и синим спектрами излучения, расположенными на общей плате, плата установлена в дно корпуса, причем корпус покрыт светоотражающим слоем, направляющим световой поток внутрь, и выполнен симметричным относительно центральной оси, имеет вогнутую поверхность, описываемую уравнением второго порядка, а донное отверстие корпуса имеет диаметр, больший, чем диаметр выходного отверстия.

2. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что плата со светодиодами выполнена в виде полусферы так, чтобы оптические оси источников света были направлены на входные концы жгута световодов.

3. Осветитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что блок управления содержит микропроцессорный блок задания цвета и яркости.

4. Осветитель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что корпус выполнен сплошным из прозрачного материала.

5. Осветитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что между выходом световодов и освещаемым объектом имеется распределитель света в виде цилиндрической трубы, покрытой светоотражающим слоем, направляющим световой поток внутрь корпуса цилиндрической трубы, а одна сторона корпуса распределителя, обращенная к освещаемому объекту, выполнена из прозрачного материала со скосом, концентрирующим световой поток на объекте.

6. Осветитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что между выходом световодов и освещаемым объектом имеется распределитель света, выполненный в виде тора.

7. Осветитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что между выходом световодов и освещаемым объектом имеется распределитель света, выполненный в виде армированного шланга с фиксацией формы, в теле которого вдоль него прорезаны окна.

8. Волоконно-оптический осветитель, содержащий корпус, жгут волоконных световодов, закрепленных в выходном отверстии корпуса, выходные концы жгута, подводящие световой поток к освещаемому объекту, многоцветные источники света, блок управления и блок питания, отличающийся тем, что источники света представляют собой общую плату со светодиодами с красным, зеленым и синим спектрами излучения, расположенными на общей плате, плата установлена в дно корпуса, причем корпус покрыт светоотражающим слоем, направляющим световой поток внутрь, две поверхности корпуса выполнены плоскими и параллельными друг другу, а донное и выходное отверстия имеют вид прямоугольников, причем площадь донного больше, чем площадь выходного отверстия, а две другие поверхности вогнуты и описываются уравнением второго порядка.

9. Осветитель по п.8, отличающийся тем, что плата выполнена в виде изогнутой полосы, причем вогнутая сторона оснащена светодиодами, оптические оси которых направлены в сторону выходного отверстия.

10. Осветитель по любому из пп.8 и 9, отличающийся тем, что блок управления содержит микропроцессорный блок задания цвета и яркости.

11. Осветитель по любому из пп.8-10, отличающийся тем, что корпус выполнен сплошным из прозрачного материала.

12. Осветитель по любому из пп.8-11, отличающийся тем, что между выходом световодов и освещаемым объектом имеется распределитель света в виде цилиндрической трубы, покрытой светоотражающим слоем, направляющим световой поток внутрь корпуса цилиндрической трубы, а одна сторона корпуса распределителя, обращенная к освещаемому объекту, выполнена из прозрачного материала со скосом, концентрирующим световой поток на объекте.

13. Осветитель по любому из пп.8-11, отличающийся тем, что между выходом световодов и освещаемым объектом имеется распределитель света, выполненный в виде тора.

14. Осветитель по любому из пп.8-11, отличающийся тем, что между выходом световодов и освещаемым объектом имеется распределитель света, выполненный в виде армированного шланга с фиксацией формы, в теле которого вдоль него прорезаны окна.