Светодиодный проектор и способ предоставления информации на экране

Светодиодный проектор и способ предоставления информации на экране

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявленное изобретение относится к оптико-электронным устройствам, предназначенным для отображения цветной информации на поверхности (экране) в виде символов или изображений, и может найти применение в различных устройствах, отображающих информацию в качестве дисплея или телевизора.

Известен проектор, предназначенный для цветных изображений, который содержит две группы источников света, рефлектор, сменный цветофильтр, систему смены изображения на экране. Информация на экране освещается прямым светом одной группы источников света и лучами, прошедшими через цветофильтр от другой группы источников. Изменение цвета и смена информации производятся механическим путем. См., например, патент США N 4057129, МПК G 09 F 13/12, НКИ 40-563 "Демонстрационный прибор со специальным цветовым эффектом (Display apparatus having means for creating a spectral color effect)", опубл. 10.01.78.

Известное устройство имеет недостатки, связанные с необходимостью вручную изменять информационное поле экрана, что усложняет работу с прибором. В известном устройстве число допустимых цветовых оттенков ограничено возможностями цветофильтра. Кроме того необходим специальный привод для смены цветофильтров, что снижает его надежность.

Более близким по технической сущности и принятым за прототип является проектор, описанный в патенте Российской федерации N 2113066 "Система видеодисплея", МПК H 04 N 5/74, G 02 B 17/06, опубл. 10.06.98.

Известный кинескоп содержит источник света, рефлектор, оптичеcкую систему, коллиматор, световод, цветную жидкокристаллическую матрицу, средства для получения изображения на матрице, а также оптическую систему для проекции изображения на экране.

Недостаток известного цветного проектора заключается в том, что он имеет высокую трудоемкость изготовления, высокие габаритные размеры и вес, определяемые необходимостью отводить тепло от источника cвета, невысокую надежность и сложности в настройке цветовой гаммы изображения в процессе эксплуатации. Кроме того, выход из строя источника cвета может привести к возгоранию прибора.

Целью данного изобретения является снижение трудоемкости изготовления, уменьшение стоимости изделия, его габаритных размеров и веса, обеспечение более качественной цветопередачи изображения, получение возможности регулирования цвета изображения и повышение надежности и безопасности при эксплуатации. Кроме того, в предлагаемом дисплее снижено энергопотребление, расширен диапазон применения и повышен срок службы прибора.

Указанная цель достигается тем, что в проекторе, содержащем источник света, оптическую систему, включающую рефлектор, коллиматор, световод, цветную жидкокристаллическую матрицу, средства для получения изображения на матрице и экран для проецирования изображения, согласно предложению, источник света представляет собой плату со cветодиодами, расположенными так, что световые потоки от них концентрируются на оптической системе.

В варианте технического решения плата со светодиодами выполнена в виде параболоида.

В варианте технического решения плата выполнена в виде узкой полосы, изогнутой в форме параболы.

В варианте технического решения источник света со светодиодами располагается в cплошном прозрачном пластмассовом корпусе, заполняющем пространство между платой и оптической системой.

В варианте технического решения плата представляет собой плоскость и располагается на стороне, противоположной рефлектору.

В варианте технического решения светодиоды состоят на трех групп красного, зеленого и синего цветов, каждая группа имеет регулятор тока.

В варианте технического решения дисплей снабжен датчиком внешней освещенности, связанным с общим регулятором тока, включенным в цепь питания светодиодов.

В варианте технического решения датчик внешней освещенности связан с общим регулятором и регуляторами, включенными в цепи питания групп светодиодов через микропроцессор.

В варианте технического решения информация на экране проецируется за счет пропускания светового потока через цветную жидкокристаллическую матрицу, причем световой поток формируется путем суммирования трех световых потоков от светодиодов, имеющих три цвета излучения - красный, зеленый, синий, каждый из световых потоков регулируется с помощью регулятора тока по сигналам от датчика внешней освещенности.

В варианте технического решения спектральный состав излучения и величина светового потока изменяются в зависимости от показаний датчика внешней освещенности.

В варианте технического решения светодиоды каждой группы расположены в своем отдельном блоке, составляющем общий корпус.

Использование светодиодной платы в качестве источника света обеспечивает небольшие габаритные размеры кинескопа, 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 плату, может выполняться на принципах печатной схемы, что ведет к сокращению трудоемкости изготовления аппарата. Кроме того, в проекторе обеспечивается высокая степень безопасности, поскольку выход из строя светодиодов не вызывает каких-либо опасных эффектов. Достоинством светодиодного источника света является также и то, что он состоит из нескольких групп, соединенных по последовательно-параллельной схеме, что позволяет легко переключать его в зависимости от напряжения источника питания.

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

Выполнение платы в виде узкой полосы, изогнутой в форме параболы, дает возможность уменьшить габаритные размеры источника света.

Расположение источников света в сплошном прозрачном пластмассовом корпусе, заполняющем пространство между платой и оптической системой, обеспечивает большую прочность и влагозащищенность кинескопа.

Выполнение светодиодной платы в виде плоскости, расположенной на стороне, противоположной рефлектору, позволит создавать источники света с повышенным световым потоком.

Подбор cветодиодов из трех групп краcного, зеленого и синего цветов, в которой каждая группа имеет регулятор тока, дает возможность регулировать цвет суммарного светового потока, что необходимо при изменении внешней освещенности по сигналам датчика внешней освещенности.

Применение микропроцессора, связанного с датчиком внешней освещенности, позволяет регулировать цвет и величину светового потока в зависимости от внешней освещенности при отображении информации на полупрозрачном экране так, чтобы не ослеплять наблюдателя и, в тоже время, обеспечивать наилучшее восприятие информации.

Применение отдельных блоков для каждой группы светодиодов с определенным спектром излучения упрощает монтаж осветителя и индивидуальную подстройку оптических систем.

Изобретение иллюстрируется 16-ю фигурами.

На фиг.1 представлена структурная схема проектора со светодиодами, располагаемыми на плате в виде узкой полосы, изогнутой по форме параболы.

На фиг.2 - вид сечения А-А по стрелке расположения светодиодов на плате.

На фиг.3 изображен источник света из светодиодов, выполненный в виде сплошной конструкции из пластмассы.

На фиг.4 представлена структурная схема устройства со светодиодами, расположенными на поверхности, противоположной рефлектору.

На фиг.5 изображен вариант проектора с внешним экраном.

На фиг.6 нарисована схема соединения светодиодов с различными спектрами излучения с регуляторами тока.

На фиг.7 представлена зависимость силы света излучения светодиода от величины протекающего по нему тока.

На фиг.8 дано расположение датчика света внешней освещенности экрана.

На фиг.9 показана принципиальная схема регулирования светового потока светодиодов с помощью датчика света.

На фиг.10 имеется график изменения светового потока, излучаемого экраном, в зависимости от внешней освещенности.

На фиг.11 приведен график изменения спектрального состава светового потока, излучаемого экраном, в зависимости от внешней освещенности.

На фиг.12 показано расположение датчика внешней освещенности при проецировании изображения на полупрозрачный экран.

На фиг.13 представлен вариант передачи изображения непосредственно на стекло очков или защитное стекло шлема.

На фиг.14 дана принципиальная электрическая схема регулирования тока для светодиодов с различным спектром излучения.

На фиг.15 имеется график изменения светового потока Ф светодиодов в зависимости от внешней подсветки Е полупрозрачного экрана.

На фиг.16 показана структурная схема расположения светодиодов в различных блоках.

Общие для всех фигур элементы обозначены одинаково.

Светодиодный проектор выполнен следующим образом. Источники света 1 (фиг.1) из светодиодов располагаются в ряд на плате 2, представляющей собой узкую полосу, изготовленную из пластмассы, например из плексигласа, и изогнутую по параболе так, чтобы сконцентрировать световой поток от светодиодов на рассеиващей пластинке 3, после которой он попадает на коллиматор 4. Эти элементы находятся в корпусе 5. Световод 6 подводит световой поток к рассеиващей линзе 7, которая равномерно распределяет световой поток на цветную жидкокристаллическую матрицу 8. Последняя имеет средства для получения изображения (на фиг. не показаны). После этого световой поток попадает на экран 9. Экран 9 может иметь отдельный корпус 10.

Вид сечения А-А по стрелке (фиг.2) дает представление о плате 2 со оветодиодами 1.

При необходимости обеспечения больших световых потоков светодиоды располагаются и на трехмерной поверхности, имеющей форму, например, параболоида, а сама поверхность с наружной стороны дополнительно покрыта светоотражающим слоем, направляющим световой поток в сторону пластинки 3 и коллиматора 4.

В варианте технического решения светодиоды 1 вместе с платой 2 располагаются в сплошном прозрачном корпусе 11 (фиг.3), плоская часть которого представляет собой подобие сектора. Выпуклая сторона 12 корпуса 11 со светодиодами 1 имеет вид параболы, а узкая сторона 13 усечена и направлена в сторону оптической системы, состоящей из пластинки 3, коллиматора 4 и оптической линзы 7. В качестве материала корпуса может быть применен прозрачный пластик, например поликарбонат. Внешняя поверхность корпуса 11 покрывается светоотражающим слоем, обращенным внутрь корпуса.

В варианте технического решения световые приборы 1 располагаются на плоской плате 14 (фиг.4) на поверхности, противоположной сферическому рефлектору 15. В фокусе рефлектора находится оптическая система, состоящая, например, из рассеивающей пластины 3 и рассеивающей линзы 16. Оптическая система расположена в центре платы 14. Световой поток от линзы 16 поступает на цветную жидкокристаллическую матрицу 8 Световой поток, после прохождения матрицы, поступает на экран 9, находящейся в корпусе 5.

В варианте технического решения изображение после цветной жидкокристаллической матрицы 8 поступает на внешний экран 17 (фиг.5).

В варианте технического решения светодиоды разделены на три группы со спектрами излучения - красным (1′), зеленым (1’’) и синим (1’’’) (фиг.6). В цепи питания светодиодов различной цветности имеются регуляторы тока, соответственно для красных 18, для зеленых - 19, а для синих - 20. В качестве регуляторов могут применяться транзисторы. Общее количество диодов зависит от вышеприведенных вариантов конструкции и требуемого максимального светового потока. Их соотношение во цвету определяется необходимостью получения суммарного белого стандартного света. Светодиоды соединены по последовательно-параллельной схеме. В каждой отдельной цепи по 4 последовательно соединенных светодиода 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. Цепь может содержать переключатель для изменения схемы их включения. Это позволяет адаптировать аппарат к различным источникам питания. Расположение светодиодов с различным спектром излучения на плате определяется удобствами монтажа. В цепи имеется общий регулятор напряжения 20.

При изменении величины тока, протекающего через светодиод, его световой поток изменяется. С увеличением тока I сила света I_Ф, излучаемого светодиодом, возрастает практически прямолинейно (22), как это показано на фиг.7, где по оси абсцисс обозначен ток I, а по оси ординат - сила света I_Ф в относительных единицах.

Датчик света 23 (фиг.8) располагается так, чтобы на него не попадал свет от экрана растрового дисплея, и может быть установлен, как это показано на фиг 5, на верхней поверхности корпуса 5 или сбоку (23’) на поверхности экрана. При этом датчик снабжен защитным козырьком 24, перекрывающим световой поток, идущий от экрана 9.

Электрически датчик 23 соединен с общим регулятором тока 20 (фиг.6, 9), который находится в общей цепи трех параллельно включенных групп светодиодов 1’, 1’’, 1’’’ с различным цветом излучения.

Световой поток Ф (25, фиг.10), излучаемый экраном 9, изменяется в прямой зависимости от внешней освещенности Е. При внешней освещенности выше определенного порога, составляющей, например, 500 лк, величина светового потока равна 1 в относительных единицах. Эта зависимость может быть и нелинейной и определяется экспериментально. Любой вид этой характеристики выполняется за счет соответствующего подбора параметров регулятора 21.

Спектральный состав общего светового потока Ф определяется соотношением трех световых потоков Ф_i, исходящих от cветодиодов c различным цветом излучения. Их возможные изменения в зависимости от внешней освещенности имеют буквенные индексы (фиг.11), которые распределены следующим образом: для красного спектра - R (26), для зеленого - G (27) и для cинего - В (28).

При проецировании изображения на полупрозрачный экран, например на фонарь самолета или лобовое стекло автомобиля 29, датчик внешней освещенности 23 (фиг.12) устанавливается так, чтобы он не мешал обзору, например рядом с проецирующей плоскостью 29, на которую высвечивается информация после матрицы 8 и линзы 7. Экраном на лобовом стекле или фонаре самолета служит поверхность, покрытая полупрозрачным зеркальным слоем 30. Экран располагается так, чтобы он позволял наблюдателю 31 получать требуемую информацию, не отвлекаясь от внешнего вида.

Экраном может служить одно из стекол очков или защитное стекло шлема 32 (фиг.13), имеющее полупрозрачное покрытие 30. Изображение проецируется аналогично фиг.12. Световой поток на матрицу 8 подается через световод 6.

Датчик внешней освещенности 23 электрически связан через микропроцессор 33 с общим регулятором 21 и регуляторами 18, 19 и 20 (фиг.14). Последние электрически соединены с соответствующими цепями со светодиодами с различными цветами излучения. Так, регулятор 18 находится в цепи светодиодов с красным спектром излучения, 19 - с зеленым, а 20 - в цепи питания светодиодов с синим спектром.

В зависимости от внешней освещенности изменяется и спектральный состав помещаемой на прозрачном экране информации, как это показано на фиг.15, где имеется логарифмическая шкала по оси абсцисс для внешней освещенности Е, лк, а по ординате - составляющие потока излучения Ф в относительных единицах. Кривые для каждой составляющей имеют те же обозначения, что и на фиг.10.

Светодиоды с различным спектром излучения соответственно 1’, 1’’, 1’’’ могут располагаться в отдельных блоках 34, 35, 36 (фиг.16). Каждый блок снабжен собирающей линзой, соответственно 37, 38 и 39. Световые потоки, исходящие из линз, концентрируются на пластинке 3. Блоки установлены в общем корпусе 40. Этот вариант предпочтителен, когда в качестве источников света используются одиночные сверхяркие светодиоды. Пространство между светодиодами и линзами может быть залито прозрачным пластиком. Электрическая схема соединения элементов системы аналогична фиг.6 и 14.

Светодиодный проектор действует следующим образом. Световой поток от светодиодов 1 (фиг.1, 3), расположенных на плате 2, согнутой в виде, например, параболоида или параболы, концентрируется на рассеивающей пластине 3, на которой происходит смешивание и равномерное распределение световых потоков, поступающих от светодиодов, имеющих различный спектр излучения. Далее смешанный и равномерно распределенный световой поток попадает на коллиматор 4 и по световоду 6 поступает на рассеивающую линзу 7. Проходя через жидкокристаллическую матрицу 8, он попадает на экран 9. Экран 9 может быть расположен в отдельном корпусе 10. На матрице 8 формируется цветное изображение за счет средств для получения изображений.

Поскольку световой поток от светодиодов сосредоточен в небольшом телесном угле, то рефлектор может и не потребоваться, а сама плата 2 может быть выполнена из недорогостоящей пластмассы. Конструкция платы, выполненной в виде полосы с источниками света, тепловое выделение которых невелико, позволяет существенно снизить габаритные размеры кинескопа.

При наличии сплошного пластмассового корпуса 11 (фиг.3) сокращаются потери на поглощение и рассеивание светового потока.

В варианте технического решения световой поток от светодиодов 1, располагаемых на плоской плате 14 (фиг.4), отражаясь от параболического рефлектора 15, концентрируется на пластине 3 и далее поступает на рассеивающую линзу 16. После прохождения через цветную жидкокристаллическую матрицу 8 световой поток с информацией, имеющейся на матрице 8, попадает на экран 9. Этот вариант используется при получении больших световых потоков, где требуется большое число светодиодов.

Настоящее техническое решение предусматривает проецирование изображения и на внешний экран 17, как это показано на фиг.5. Таким внешним экраном может служить потолок, стена и т.д.

В варианте технического решения светодиоды разделены на три группы цветности, красные – 1’, зеленые – 1’’ и синие – 1’’’ (фиг.6), и каждая группа имеет регуляторы тока 18, 19 и 20, с помощью которых можно изменять величину тока отдельной группы и тем самым изменять световой поток (фиг.7) одного из компонентов цвета.

Как известно, результирующий цвет, излучаемый источником, может быть образован путем смешения трех цветов. Изменяя световой поток одного из компонентов, красного - R (26), зеленого - G (27) и синего - В (28) (фиг.11), можно изменять и суммарный цвет излучения. В данном случае появляется возможность более просто и тонко корректировать цвета изображения.

Для улучшения зрительной адаптации световой поток, идущий от экрана, желательно регулировать в зависимости от внешнего освещения.

Так, в темноте яркость экрана должна быть понижена, а при солнечном свете наоборот повышена, что важно для адаптации зрения. Для того, чтобы яркость экрана регулировалась в зависимости от внешнего излучателя, светодиодный кинескоп снабжен датчиком внешнего света 23 (фиг.8). Датчик 23 (фиг.8, 9) воздействует на регулятор тока 21, который и изменяет общий световой поток (фиг.8), излучаемый светодиодами всех трех световых групп 1’, 1’’, 1’’’ одновременно, обеспечивая тем самым изменение яркости экрана в соответствии с примерным графиком 25, фиг.10.

Ощущение цвета зависит от условий зрительной адаптации. Например, световой поток лампы накаливания ночью вызывает ощущение белого цвета. Тот же световой поток днем воспринимается как желтый. Свет люминесцентной лампы воспринимается как белый днем и как голубоватый ночью. (Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света. - М.: Энергоатомиздат, с.118). Это обстоятельство подчеркивает, что и цветовая гамма изображения тоже должна изменяться в зависимости от внешней подсветки. Характер этих изменений точно не установлен и требует экспериментальных исследований. Однако необходимость коррекции цветовых характеристик на экране в зависимости от внешней подсветки очевидна. Данное техническое решение позволяет это осуществить, изменяя цветовые компоненты света. Примерная зависимость изменения цветовой гаммы приведена на фиг.11. При нормальной внешней освещенности в пределах от 150-1000 лк общий световой поток, излучаемый тремя группами 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), и варьируется согласно фиг.11 (кривые 26, 27, 28) при изменении внешнего освещения. В перспективе возможно и регулирование цвета при внешней подсветки с различной цветовой окраской.

Соотношение светодиодов на фиг.6 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 18, 19 и 20 и путем подбора соответствующих световых приборов.

Для регулирования излучения экрана в зависимости от внешней подсветки может быть применена схема согласно фиг.9. Характеристика регулятора 21 при этом может иметь нелинейные зависимости.

Проблема изменения цвета информации при внешнем дополнительном освещении особенно актуальна в случае, когда информация проецируется на полупрозрачном экране. Это имеет место, в частности, при выводе изображения на лобовое стекло автомобиля или фонарь самолета. Внешний источник света - солнце или часто изменяющееся уличное освещение, а также возможная полная темнота вынуждают регулировать как яркость, так и цвет изображения с тем, чтобы информация не ослепляла при низкой освещенности и была заметна и при полной темноте и при ярком свете. Так, при ярком солнечном свете цвет информации, чтобы она была заметна, желательно сделать, например, красно-оранжевой, а при полной темноте, например, слабо голубоватой. Датчик внешней освещенности 23 (фиг.12, 13) устанавливается так, чтобы он не мешал внешнему обзору оператора 31.

Датчик 23 воздействует на регуляторы тока 21, 18, 19 и 20, имеющие нелинейные зависимости, через микропроцессорную систему 33 (фиг.15). Изменения пропорций цветовых составляющих, 26, 27, 28, обеспечивающих суммарную цветовую гамму, осуществляется на основе программы, заложенной в микропроцессор, который, воздействуя на регуляторы 18-21, обеспечивает требуемый суммарный световой поток и спектральный состав света, излучаемого светодиодами. Одновременно изменяется и спектральный состав и величина светового потока в соответствии с наилучшей воспринимаемостью изображения. Изменяя настройку регуляторов 18, 19 и 20, можно обеспечить индивидуальную подстройку яркости и цветности изображения в зависимости от внешней освещенности.

Вариант технического решения, в котором светодиоды, различающиеся по спектру распределения светового потока 1’, 1’’, 1’’’, распределены в различные блоки, 34, 35 и 36 (фиг.16), позволяет более тонко производить настройку светораспределения и предпочтителен для случаев, когда в качестве источников света использованы одиночные сверхяркие светодиоды. При этом также упрощается монтаж осветительной системы проектора.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении обеспечивается коррекция яркости изображения и автоматическая подстройка цвета по мере изменения параметров внешней подсветки.

Технико-экономические преимущества предлагаемого световой трубки заключаются в следующем:

1. Снижена трудоемкость изготовления и вес изделия.

2. Снижена стоимость изделия за счет снижения трудоемкости.

3. Расширена номенклатура возможного применения изделия.

4. Повышены возможности более точной цветопередачи изображения.

5. Повышены влагозащищенность и взрывобезопасность изделия за счет полной герметичности демонстрационного прибора и снижения тепловой нагрузки на систему.

6. Улучшена возможность восприятия информации при наличии внешнего освещения.

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

8. Снижено энергопотребление.

1. Светодиодный проектор, включающий источник света, оптическую систему, цветную жидкокристаллическую матрицу, средства для получения изображения на матрице и экран для проецирования изображения, отличающийся тем, что источник света представляет собой плату со светодиодами, расположенными так, что световые потоки от них концентрируются на оптической системе, в которой предусмотрена рассеивающая линза для распределения светового потока на цветную жидкокристаллическую матрицу, при этом светодиоды разделены на три группы со спектрами излучения - красным, зеленым, синим и каждая группа имеет регулятор тока, а экран снабжен датчиком внешней освещенности, связанным с общим регулятором тока, включенным в цепь питания светодиодов.

2. Светодиодный проектор по п.1, отличающийся тем, что плата со светодиодами выполнена в виде параболоида.

3. Светодиодный проектор по п.1, отличающийся тем, что плата выполнена в виде узкой полосы, изогнутой в форме параболы.

4. Светодиодный проектор по п.1 или 3, отличающийся тем, что источник света со светодиодами располагается в сплошном прозрачном пластмассовом корпусе.

5. Светодиодный проектор по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что датчик внешней освещенности связан с общим регулятором и регуляторами, включенными в цепь питания групп светодиодов через микропроцессор.

6. Светодиодный проектор по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что группы светодиодов с определенным спектром излучения расположены в отдельном блоке, входящем в общий корпус.

7. Способ представления информации на экране, заключающийся в проецировании информации с помощью пропускания светового потока через цветную жидкокристаллическую матрицу, отличающийся тем, что световой поток формируют путем суммирования трех световых потоков от светодиодов, имеющих три цвета излучения - красный, зеленый, синий, при этом каждый из световых потоков регулируется по сигналам от датчика внешней освещенности, источник света представляет собой плату со светодиодами, расположенными так, что световые потоки от них концентрируются на оптической системе, в которой предусматривается рассеивающая линза для распределения светового потока на цветную жидкокристаллическую матрицу, а экран снабжен датчиком внешней освещенности, связанным с общим регулятором тока.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что спектральный состав излучения и величина светового потока изменяется в зависимости от показаний датчика внешней освещенности.