專利名稱：光收集照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光收集照明系統(tǒng)，其可以用于例如投影和背光系統(tǒng)中。更具體地講，本發(fā)明涉及用于收集來(lái)自一個(gè)或多個(gè)光源的光、并且將光導(dǎo)向照明目標(biāo)的照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
照明系統(tǒng)具有多種用途，包括投影顯示器、液晶顯示器(LCD)的背光等等。投影系統(tǒng)通常包括光源、照明光學(xué)器件、成像器件、投影光學(xué)器件和投影屏幕。照明光學(xué)器件收集來(lái)自光源的光并且按照預(yù)定的方式將光導(dǎo)向一個(gè)或多個(gè)成像器件。經(jīng)過(guò)電子調(diào)節(jié)和處理的數(shù)字視頻信號(hào)控制該一個(gè)或多個(gè)成像器件，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于視頻信號(hào)的圖像。投影光學(xué)器件繼而放大該圖像，并且將其投影到投影屏幕上。已經(jīng)將與色輪結(jié)合的白光源(例如電弧燈)用作投影顯示系統(tǒng)的光源，并且其仍然占主導(dǎo)地位。然而，最近采用了發(fā)光二極管(LED)作為其替代產(chǎn)品。LED光源的一些優(yōu)點(diǎn)包括壽命更長(zhǎng)、效率更高以及突出的熱特性。
經(jīng)常用于數(shù)字光處理系統(tǒng)中的成像器件的一個(gè)實(shí)例是數(shù)字微反射鏡器件(DMD)。DMD的主要特征是可旋轉(zhuǎn)的微反射鏡陣列。每個(gè)反射鏡的傾斜由裝載到與每個(gè)反射鏡相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立控制，從而引導(dǎo)反射光并且將視頻數(shù)據(jù)的像素空間映射到投影屏幕上。處于ON狀態(tài)的反射鏡反射的光穿過(guò)投影光學(xué)器件，并且投影到屏幕上，從而生成明亮區(qū)域。另一方面，處于OFF狀態(tài)的反射鏡反射的光未到達(dá)投影光學(xué)器件，從而導(dǎo)致了黑暗區(qū)域。還可以利用DMD來(lái)生成彩色圖像，例如利用色彩排序，或者可選的是利用三個(gè)DMD，每種原色使用一個(gè)DMD。
成像器件的其它實(shí)例包括液晶板諸如硅基液晶器件(LCOS)等。在液晶板中，根據(jù)對(duì)應(yīng)于視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)遞增地(像素到像素)控制液晶材料的配向。根據(jù)液晶材料的配向，液晶結(jié)構(gòu)可以改變?nèi)肷涔獾钠?。因此，如果適當(dāng)利用偏振片或者偏振分光器，可以生成對(duì)應(yīng)于輸入視頻數(shù)據(jù)的黑暗和明亮區(qū)域。此外，已經(jīng)按照類似于DMD的方式利用液晶板形成了彩色圖像。
傳統(tǒng)上，LCD背光包括一個(gè)或多個(gè)光源諸如冷陰極熒光燈(CCFL)等。典型的直接發(fā)光背光通常包括位于LCD之后的光源陣列或者單個(gè)擴(kuò)展光源。該背光產(chǎn)生的光通常是發(fā)散的，以提高均勻度，并且如果需要彩色圖像，則將光引導(dǎo)到與LCD的紅色、綠色和藍(lán)色像素對(duì)應(yīng)的紅色、綠色和藍(lán)色濾光器陣列。該紅色、綠色和藍(lán)色像素根據(jù)輸入的圖像數(shù)據(jù)調(diào)制所發(fā)送的紅色、綠色和藍(lán)色成分。
諸如投影和背光系統(tǒng)等的光學(xué)系統(tǒng)的性能可以表征為多個(gè)參數(shù)，其中一個(gè)是集光率?？梢岳靡韵碌仁絹?lái)計(jì)算集光率εε＝A*Ω≌π*A*sin2θ＝π*A*NA2其中Ω是發(fā)射或接收的立體角(單位球面度)；A是接收器或者發(fā)射器的面積，θ是發(fā)射角或接收角，NA是數(shù)值孔徑。
如果光學(xué)系統(tǒng)的某個(gè)元件的集光率小于上游光學(xué)元件的集光率，則這種失配會(huì)導(dǎo)致光損失，這將減小光學(xué)系統(tǒng)的效率。因此，光學(xué)系統(tǒng)的性能通常受到具有最小集光率的元件的限制。通常用于減小光學(xué)系統(tǒng)中集光率降低的技術(shù)包括提高系統(tǒng)的效能(lm/w)、減小光源尺寸、減小光束立體角，以及避免引入額外的孔徑光闌。
用于照明系統(tǒng)中的傳統(tǒng)光學(xué)器件包括各種構(gòu)成，但是其離軸性能僅僅在很窄的特定范圍內(nèi)才能令人滿意。這種及其他缺陷促使光學(xué)元件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，這包括例如利用復(fù)雜的非球面以及大量元件的復(fù)雜組合。此外，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中的光學(xué)器件已經(jīng)表現(xiàn)出不足的集光特性。尤其是，如果光源的大部分輸出以遠(yuǎn)離光軸的角度發(fā)出(對(duì)于大多數(shù)LED是這種情況)，則傳統(tǒng)照明系統(tǒng)不能捕捉到絕大部分的這種光。
而且，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)通常具有相對(duì)較差的成像特性，這是由例如像差造成的。具體地說(shuō)，對(duì)于投影和背光用途中用于將幾種不同波長(zhǎng)的光源組合起來(lái)的大多數(shù)傳統(tǒng)反射器和/或集光器而言，都是這種情況。此外，盡管一些傳統(tǒng)反射準(zhǔn)直器具有可接受的集光特性，例如橢圓和拋物面反射器，但是這些反射器通常具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱偏離的特點(diǎn)。這種偏離通常會(huì)導(dǎo)致合成圖像的舍入(rounding)，以及光源上的點(diǎn)與目標(biāo)平面上的點(diǎn)之間缺乏整體對(duì)應(yīng)性，從而造成無(wú)序和集光率的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及包括光源組件、第一彎月透鏡和第二彎月透鏡的照明系統(tǒng)。所述第二彎月透鏡的凹側(cè)與所述第一彎月透鏡的凸側(cè)相鄰，所述第一彎月透鏡的凹側(cè)面對(duì)所述光源組件，以接收從所述光源組件發(fā)出的光。所述第一彎月透鏡可以與所述第二彎月透鏡相接觸，并且所述第一彎月透鏡和所述第二彎月透鏡可以由光學(xué)透明材料固定在一起。
適用于本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中的光源組件包括發(fā)射表面(發(fā)光表面)和設(shè)置在所述發(fā)射表面上方的基本上光學(xué)透明的圓頂。適用于本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例中的光源組件包括發(fā)射表面和設(shè)置在所述發(fā)射表面上方的角錐體集光器。所述角錐體集光器可以具有基本上為方形的近端和基本上為矩形的遠(yuǎn)端，但是角錐體集光器的其它構(gòu)成也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
可選擇的是，適用于本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中的光源組件包括多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的發(fā)射表面，并且第一彎月透鏡的凹側(cè)面對(duì)光源組件的發(fā)射表面。至少兩個(gè)發(fā)射表面可以具有不同的顏色。例如，示例性光源組件可以具有第一顏色、第二顏色和第三顏色的發(fā)射表面，這些顏色可以是原色。
本發(fā)明還涉及包括多個(gè)光源組件和光學(xué)元件系統(tǒng)諸如多個(gè)彎月透鏡對(duì)等的照明系統(tǒng)，所述每個(gè)彎月透鏡對(duì)與光源組件相關(guān)聯(lián)。每個(gè)第二彎月透鏡的凹側(cè)與每個(gè)第一彎月透鏡的凸側(cè)相鄰，并且每個(gè)第一彎月透鏡的凹側(cè)面對(duì)相關(guān)聯(lián)的光源組件。所述多個(gè)彎月透鏡對(duì)可以基本上構(gòu)成為雙層六邊形或者矩形密集陣列，所述多個(gè)光源組件設(shè)置為基本上跟隨透鏡的構(gòu)成。
所述多個(gè)光源組件可以設(shè)置在非徑向?qū)ΨQ孔內(nèi)。例如，照明系統(tǒng)包括成像器件，所述成像器件設(shè)置為以一定角度照明并且具有多個(gè)可以圍繞樞軸線旋轉(zhuǎn)的反射鏡，該照明系統(tǒng)可以具有非徑向?qū)ΨQ孔，所述孔具有長(zhǎng)尺寸和短尺寸，并且定向?yàn)檫@樣，即所述長(zhǎng)尺寸與所述成像器件的反射鏡的樞軸線對(duì)準(zhǔn)。這些實(shí)施例中的每個(gè)光源組件可以包括發(fā)射表面和基本上光學(xué)透明的圓頂，或者設(shè)置在所述發(fā)射表面上方的角錐體集光器。
在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的包括角錐體集光器的示例性照明系統(tǒng)中，每個(gè)角錐體集光器可以具有基本上為方形的近端和基本上為矩形的遠(yuǎn)端。然而，角錐體集光器的其它構(gòu)成也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的照明系統(tǒng)可以另外包括照明目標(biāo)，并且光學(xué)元件系統(tǒng)可以構(gòu)成為將每個(gè)角錐體集光器的近端成像到所述照明目標(biāo)上。
在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，每個(gè)光源組件具有多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的發(fā)射表面，因此每個(gè)第一彎月透鏡的凹側(cè)面對(duì)相關(guān)聯(lián)的光源組件的發(fā)射表面。至少兩個(gè)發(fā)射表面可以具有不同的顏色。例如，示例性光源組件可以具有第一顏色、第二顏色和第三顏色的發(fā)射表面，這些顏色可以是原色。利用這種光源組件的示例性照明系統(tǒng)可以另外包括具有第一色區(qū)、第二色區(qū)和第三色區(qū)的照明目標(biāo)，并且光學(xué)元件系統(tǒng)可以將第一顏色、第二顏色和第三顏色的發(fā)射表面成像到照明目標(biāo)的各個(gè)色區(qū)上。光學(xué)元件系統(tǒng)還可以包括設(shè)置在所述照明目標(biāo)與所述多個(gè)彎月透鏡對(duì)之間的微透鏡陣列。
根據(jù)以下的詳細(xì)說(shuō)明以及附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易明白本發(fā)明照明系統(tǒng)的這些及其他方面。


因此，以下將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更容易理解如何制造和使用本發(fā)明，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例構(gòu)成的照明系統(tǒng)的示意性橫截面圖；
圖2A是具有相關(guān)光學(xué)元件的光源組件陣列的示意性前視圖，其基本上設(shè)置為接近非對(duì)稱對(duì)比度增強(qiáng)孔的形狀；圖2B是六邊形密集透鏡陣列的放大前視圖，其可以包含在本發(fā)明的適當(dāng)示例性實(shí)施例中；圖3是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例構(gòu)成的照明系統(tǒng)的一部分的放大橫截面圖，其顯示光源組件及相關(guān)的小透鏡；圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例構(gòu)成的照明系統(tǒng)的一部分的放大橫截面圖，其顯示具有角錐體集光器和相關(guān)小透鏡的光源組件；圖4B是穿過(guò)示例性角錐體集光器前面的示例性光源組件的發(fā)射表面的示意性前視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例構(gòu)成的照明系統(tǒng)的示意性橫截面圖，其尤其適用于背光用途；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例構(gòu)成的照明系統(tǒng)的示意性橫截面圖，其尤其適用于投影用途；圖7是本發(fā)明的示例性實(shí)施例的一部分的示意圖，其顯示如何使用具有不同顏色發(fā)射表面的光源組件；圖8是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例構(gòu)成的照明系統(tǒng)的示意性橫截面圖，其利用了具有不同顏色發(fā)射表面的光源組件；以及圖9是根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例構(gòu)成的照明系統(tǒng)的示意性橫截面圖，其利用了具有不同顏色發(fā)射表面的光源組件。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，圖1示意性顯示本發(fā)明的照明系統(tǒng)的示例性實(shí)施例，其可以用于投影用途。圖1中所示的照明系統(tǒng)10包括由光源72、72’、72”表示的一組光源組件12，以及光學(xué)元件系統(tǒng)15。一個(gè)或多個(gè)光源組件可以包括LED光源，諸如目前市場(chǎng)上可以買到的LED光源等。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，隨著具有更高效率和輸出的LED的發(fā)展和完善，這些LED將可以有利地用于本發(fā)明的示例性實(shí)施例，這是因?yàn)橥ǔ?yōu)選具有高的最大輸出的LED的緣故?？蛇x擇的是，可以使用有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)或者其它適當(dāng)?shù)陌l(fā)光器件。
光源組件組12可以以陣列形式構(gòu)成，并且可以將光源組件(例如72、72’、72”)共同地或單獨(dú)地安裝到一個(gè)或多個(gè)襯底上，使得光源組件產(chǎn)生的熱量可以容易地通過(guò)(多個(gè))襯底的材料消散。適用于安裝光源組件的襯底的實(shí)例包括印刷電路板(諸如金屬芯印刷電路板等)、柔性電路(諸如具有銅跡線的聚酰亞胺膜等)、陶瓷襯底等。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，光源組件組12和單獨(dú)的光源組件(例如72、72’、72”)的許多構(gòu)成都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，光源組件的數(shù)量和類型可以根據(jù)用途、希望的系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)的尺寸以及系統(tǒng)的輸出亮度來(lái)改變。
在圖1所示的示例性實(shí)施例中，光學(xué)元件系統(tǒng)15包括第一透鏡組14、第二透鏡組16和聚光器18，第一透鏡組包括小透鏡74、74’、74”，第二透鏡組包括小透鏡76、76’、76”。與光源組件的數(shù)量相似，透鏡組14和16中小透鏡的數(shù)量可以根據(jù)用途、希望的系統(tǒng)構(gòu)成和希望的系統(tǒng)尺寸改變。聚光器18可以是平凸透鏡或者可以包括平凸透鏡?？蛇x擇的是，聚光器可以是或者可以包括彎月透鏡，以便減少像差，或者根據(jù)希望的輸出光特性，其可以是或可以包括任何其它類型的一個(gè)或多個(gè)透鏡。光學(xué)元件系統(tǒng)15可以包括除聚光器18之外、或者取代聚光器18的其它組件，由此可以用于具體用途，例如其可以包括用于分離或者組合不同顏色光束的分色鏡。
在本發(fā)明的適當(dāng)實(shí)施例中，每個(gè)光源組件具有與其相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，以便促進(jìn)光的收集，并且獲得希望的成像特性。例如，在圖1所示的示例性實(shí)施例中，一對(duì)小透鏡(一個(gè)來(lái)自透鏡組14，另一個(gè)來(lái)自透鏡組16)與來(lái)自光源組件組12的每個(gè)光源組件相關(guān)聯(lián)。具體地說(shuō)，圖1顯示與光源組件72相關(guān)聯(lián)的小透鏡74和76、與光源組件72’相關(guān)聯(lián)的小透鏡74’和76’，以及與光源組件72”相關(guān)聯(lián)的小透鏡74”和76”。透鏡組14和16可以構(gòu)成為具有基本上跟隨光源組件組12的構(gòu)成的雙層密集陣列。
圖2A顯示光源組件組的示例性構(gòu)成，其顯示照明系統(tǒng)的理論圓形入瞳2和通過(guò)適當(dāng)定位光源組件組12’而形成的非徑向?qū)ΨQ孔4，該孔表示入瞳。在利用光源與成像器件之間未插入光隧道(以下描述)并且以一定角度照射的一個(gè)或多個(gè)DMD的投影系統(tǒng)中，這種構(gòu)成及類似構(gòu)成是特別有利的。一般而言，在這些系統(tǒng)中，在照明角度與通過(guò)反射從反射鏡框、處于OFF狀態(tài)的反射鏡下面以及處于平面或轉(zhuǎn)變狀態(tài)的反射鏡散射到投影光瞳中的光量之間存在很大的相關(guān)性。增大照明角度會(huì)增大對(duì)比度，但是如果沒(méi)有相應(yīng)增大投影光學(xué)器件的數(shù)值孔徑，也會(huì)造成照明光瞳相對(duì)于投影光瞳的偏離，從而引起漸暈。然而，如果增大投影光學(xué)器件的孔徑來(lái)避免漸暈，則能夠收集來(lái)自DMD周圍的更多平面狀態(tài)或者轉(zhuǎn)變狀態(tài)(既不處于ON狀態(tài)也不處于OFF狀態(tài))的反射和雜散光，并且將其傳遞到屏幕上，從而潛在地破壞增大對(duì)比度的初始目的。
在利用電弧燈的傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中，通過(guò)在照明光瞳中放置截頂孔徑光闌，以遮擋與ON狀態(tài)反射光重疊的至少一部分平面狀態(tài)反射光，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。然而，最近已經(jīng)披露了可以利用非對(duì)稱孔徑光闌增強(qiáng)DMD投影系統(tǒng)的對(duì)比度。美國(guó)專利No.5,442,414描述了增強(qiáng)對(duì)比度的非對(duì)稱孔，其具有長(zhǎng)尺寸和短尺寸，其中長(zhǎng)尺寸與反射鏡的樞軸線對(duì)準(zhǔn)，在此將該專利的內(nèi)容以引用的方式并入本文。
因此，在本發(fā)明的適當(dāng)?shù)氖纠詫?shí)施例中，可以選擇光源組件組12’的構(gòu)成，使得各個(gè)光源組件基本上設(shè)置在具有最高對(duì)比度的光瞳區(qū)域之內(nèi)，該光瞳區(qū)域顯示為非徑向?qū)ΨQ孔4，從而保存照明能量并且減少所使用的光源組件數(shù)量?？梢韵鄳?yīng)選擇與光源組件相關(guān)聯(lián)的光學(xué)元件組13的構(gòu)成，并且優(yōu)選的是該構(gòu)成將跟隨光源組件組12’的構(gòu)成，使得光學(xué)元件組13也具有基本上接近非徑向?qū)ΨQ孔的一般形狀，這如圖2A所示。光源組件組和光學(xué)元件組(例如圖1所示的透鏡組14和16)的其它構(gòu)成也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，諸如通常為矩形或方形的陣列等，這取決于具體的用途和其它考慮，諸如照明目標(biāo)的形狀和尺寸以及成本等。
圖2B顯示透鏡組14和16的示例性構(gòu)成58的前視圖。在構(gòu)成58中，透鏡組14的小透鏡(例如74、74’、74”)可以基本上為相同的形狀和尺寸，例如基本上具有約為18mm的外徑。透鏡組16的小透鏡(例如小透鏡76、76’、76”)也可以具有基本上相同的形狀和尺寸，例如短對(duì)角線約為20mm、長(zhǎng)對(duì)角線約為23mm的基本上為六邊形的形狀。透鏡組14的小透鏡的外部尺寸應(yīng)當(dāng)大至足以從光源組件組12收集希望的光量，并且透鏡組16的小透鏡的外部尺寸應(yīng)當(dāng)大至足以捕捉從透鏡組14射出的希望的光量。在一些示例性實(shí)施例中，透鏡組14和16中的單獨(dú)小透鏡可以具有相同的一般形狀和構(gòu)成，但邊緣細(xì)節(jié)除外，這是因?yàn)閮?yōu)選的是應(yīng)當(dāng)加工第二陣列以使空隙區(qū)域最小化的緣故。
透鏡組14和16的小透鏡(例如小透鏡74、74’、74”和76、76’、76”)優(yōu)選地基本上構(gòu)成為如圖3所示小透鏡74和76的彎月透鏡。圖3還顯示光源組件72，在本示例性實(shí)施例中光源組件72包括基部722、發(fā)射表面724和基本上光學(xué)透明的圓頂726。市場(chǎng)上可以買到的LED光源組件可以用于本發(fā)明的適當(dāng)實(shí)施例中，這會(huì)使這種照明系統(tǒng)相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)、緊湊而且使用方便。該發(fā)射表面724可以是或可以包括LED的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面、熒光體層，或者任意其它的發(fā)光材料。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，術(shù)語(yǔ)“發(fā)射表面”可以用于表示光源組件的任意發(fā)光表面，諸如封裝到基本上光學(xué)透明的材料中的發(fā)光半導(dǎo)體層或芯片的任意表面部分等。
作為一個(gè)實(shí)例，小透鏡74和76的尺寸包括大約8.8mm的中心厚度、半徑約為-55mm的凹面，以及半徑約為-10mm、圓錐常數(shù)約為-0.55的非球面凸面(由一般非球面等式描述)。將該凸面制作成非球面的，以便減少像差，并且避免所產(chǎn)生的光損失?？蛇x的是，可以將凹面也制作成非球面的。然而，這種透鏡的性能會(huì)受到凸面形狀的更嚴(yán)重的影響。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，小透鏡的整體形狀和尺寸可以根據(jù)該系統(tǒng)的具體用途、構(gòu)成和系統(tǒng)的尺寸改變。該透鏡的材料優(yōu)選為丙烯酸酯樹(shù)脂，但是也可以使用聚碳酸酯、聚苯乙烯、玻璃或者任何其它適當(dāng)?shù)牟牧稀Ｒ话愣?，?yōu)選使用折射率較高的材料，但是最終將根據(jù)對(duì)于具體用途而言重要的因素來(lái)進(jìn)行選擇，諸如成本、成型性、折射率與光學(xué)膠或環(huán)氧樹(shù)脂等相匹配的容易性等。
在本發(fā)明的適當(dāng)實(shí)施例中，在光源組件72的前面設(shè)置具有凹側(cè)74a和凸側(cè)74b的小透鏡74，使得凹側(cè)74a通常面對(duì)發(fā)射表面724。設(shè)置具有凹側(cè)76a和凸側(cè)76b的小透鏡76，使得凹側(cè)76a與凸側(cè)74b相鄰。優(yōu)選的是，小透鏡76的凹側(cè)76a與小透鏡74的凸側(cè)74b直接接觸，以便使光收集效率最大化，但是在一些實(shí)施例中，小透鏡可以隔開(kāi)至大約4mm的距離，并且仍然具有可以接受的光收集特性。更大的間隔也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，但是如果增大該間隔而沒(méi)有同時(shí)增大小透鏡76的外部尺寸，則這種構(gòu)成很可能會(huì)具有更低的集光效率。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，將小透鏡74和76更靠近地放置在一起并且增大小透鏡的76的直徑通常可以收集更寬角度范圍內(nèi)的光，反之亦然。利用折射率與小透鏡的材料基本上相匹配的適當(dāng)光學(xué)膠或者環(huán)氧樹(shù)脂，可以將小透鏡固定在一起。
進(jìn)一步參照?qǐng)D1和3，在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，光學(xué)元件系統(tǒng)15將光源組件的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面(例如光源組件72的發(fā)射表面724)成像到照明目標(biāo)17上。照明目標(biāo)17的種類將根據(jù)具體用途改變。例如，僅僅為了舉例說(shuō)明，圖1中所示的照明目標(biāo)17為光隧道19的入口。
例如，在美國(guó)專利No.5,625,738和No.6,332,688中描述了適用于本發(fā)明的適當(dāng)實(shí)施例的光隧道，在此將該兩項(xiàng)專利的內(nèi)容以引用的方式并入本文。光隧道用于使發(fā)光組件(例如72、72’、72”)的輸出均勻，并且因此在利用光隧道的示例性實(shí)施例中就不再需要發(fā)射表面的精確成像。光隧道19可以是反射鏡通道，例如實(shí)心或者中空的矩形通道，或者由實(shí)心玻璃棒構(gòu)成的伸長(zhǎng)通道，其依賴全內(nèi)反射來(lái)使光傳播通過(guò)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解，光隧道輸入端和輸出端的大量形狀組合都是可能的。
在其它示例性實(shí)施例中，照明目標(biāo)17可以是成像器件，例如DMD、液晶板、或者液晶顯示器的一個(gè)或多個(gè)像素或者色區(qū)。在這些實(shí)施例中，可以得到更精確的成像。此外，如果將這些實(shí)施例用于利用一個(gè)或多個(gè)DMD的投影系統(tǒng)中，則會(huì)得益于將光源組件設(shè)置為基本上接近圖2A中所示的對(duì)比度增強(qiáng)非對(duì)稱孔的形狀。
能夠賦予光源組件的發(fā)射表面(例如光源組件72、72’、72”的發(fā)射表面)特定的形狀，以提高照明系統(tǒng)10的性能。例如，一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面可以形成為基本上匹配目標(biāo)17的形狀。具體地說(shuō)，如果目標(biāo)17是光隧道19的方形入口，則光源組件的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面通常也可以形成為方形。另一方面，如果目標(biāo)17是高寬比約為16∶9(高清晰電視通常是這種情況)的矩形成像器件，則光源組件的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面通常也可以形成為矩形，優(yōu)選的是該矩形具有大約相同的高寬比。可選擇的是，可以使得通常為方形的發(fā)射表面的圖像密集，以便基本上填滿通常為矩形的照明目標(biāo)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，發(fā)射表面和照明目標(biāo)的其它一般形狀也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
進(jìn)一步參照?qǐng)D1，光學(xué)元件系統(tǒng)15可以設(shè)計(jì)并構(gòu)成為適當(dāng)?shù)胤糯蟀l(fā)射表面的圖像。典型的投影顯示器的性能通常獲益于或者在一些情況下甚至需要照明拼接小片(illumination patch)一定量地過(guò)度填滿照明目標(biāo)，在這些示例性實(shí)施例中，該照明拼接小片是由發(fā)光組件的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面的疊加圖像構(gòu)成的。例如，對(duì)于大約20.0×12.0mm的成像器件而言，該照明拼接小片在每條軸上可以大出約10％，或者約為22.0×13.2mm。在一些示例性實(shí)施例中，例如希望使過(guò)度填滿的量在所有邊上基本上相同，從而適應(yīng)機(jī)械偏差。在這些情況下，可以使發(fā)光組件的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面的高寬比與照明目標(biāo)的高寬比略微不同，以便產(chǎn)生具有希望的形狀的圖像。可選擇的是，光學(xué)元件系統(tǒng)可以包括能夠?qū)⒁粋€(gè)或多個(gè)發(fā)射表面的一個(gè)或多個(gè)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橄Ｍ囊话阈螤罨蚋邔挶鹊闹嫱哥R或者其它非圓形對(duì)稱光學(xué)器件。而且，如果希望，可以將具有不同顏色諸如紅色、綠色和藍(lán)色或其它原色等的發(fā)射表面的圖像組合起來(lái)，或者與下面表示并說(shuō)明的二向色組合反射鏡疊置。
圖4A顯示適用于本發(fā)明適當(dāng)實(shí)施例的光源組件的另一種示例性構(gòu)成。圖4A所示的光源組件82包括基部822、一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面、(例如發(fā)射表面824)、以及安裝在發(fā)射表面824上的短角錐體集光器827。該短角錐體集光器827優(yōu)選是基本上光學(xué)透明制品，例如由丙烯酸酯樹(shù)脂、聚碳酸酯、玻璃或者其它適當(dāng)?shù)牟牧现瞥桑摷馄鞯膫?cè)面起到簡(jiǎn)單反射器的作用，用于以足夠引起光在該角錐體集光器內(nèi)進(jìn)行全內(nèi)反射的角度反射從一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面發(fā)出的光。
如果發(fā)射表面824是LED(其可以具有幾個(gè)發(fā)射表面，即幾個(gè)LED晶粒)的發(fā)射表面，則優(yōu)選將該角錐體集光器827放置在所述一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面上面，并且利用基本上光學(xué)透明的適當(dāng)粘合材料將其附著到基部822上，或者直接模制到該基部上，使得該集光器接觸并且覆蓋光源組件82的整個(gè)發(fā)射表面824或者多個(gè)發(fā)射表面。應(yīng)當(dāng)根據(jù)角錐體集光器的材料的折射率來(lái)選擇粘合材料。如果粘合材料的折射率大于角錐體集光器材料的折射率，則由于在其界面處的反射會(huì)損失大部分的發(fā)射光。因此，優(yōu)選的是，該粘合材料的折射率基本上匹配或者略微小于該角錐體集光器的折射率，以便促進(jìn)更有效的光收集。使LED的發(fā)射表面與角錐體集光器之間的空氣間隙最小化或者去除該空氣間隙也可以增強(qiáng)集光效率。
圖4B顯示通過(guò)角錐體集光器827的前方觀察到的光源組件的發(fā)射表面，例如發(fā)射表面824，在本示例性實(shí)施例中，該角錐體集光器具有面對(duì)發(fā)射表面824的通常為方形的近端825，和背對(duì)發(fā)射表面824的通常為矩形的遠(yuǎn)端829。對(duì)于具有邊長(zhǎng)約為1mm的通常為方形外形的發(fā)射器，諸如InGaN LED的放射表面等，角錐體集光器827的示例性適當(dāng)尺寸包括邊長(zhǎng)約為1mm的通常為方形的近端825、約為4.3mm×2.4mm的通常為矩形的遠(yuǎn)端829，以及約為4至5mm的角錐體集光器高度(近端和遠(yuǎn)端之間的距離)。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，使近端825的外部尺寸和形狀與發(fā)射器的尺寸和形狀匹配，并且將其安裝到一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面周圍，然而遠(yuǎn)端829應(yīng)當(dāng)是更大的矩形，例如高寬比約為16∶9(特別是用于HDTV用途)。可選擇的是，遠(yuǎn)端829可以具有通常為方形的形狀，并且在適當(dāng)?shù)氖纠詫?shí)施例中，可以堆疊這些光源組件，從而形成通常為矩形的照明器，并且相關(guān)的光學(xué)器件基本上符合該構(gòu)成。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，根據(jù)發(fā)射表面的尺寸和形狀、集光光學(xué)器件諸如小透鏡84和86等的尺寸和形狀以及其它相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)，該角錐體集光器的其它適當(dāng)?shù)某叽绾蜆?gòu)成也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
如果發(fā)射表面824是未表現(xiàn)出足夠均勻性的LED發(fā)射表面，或者如果例如方形發(fā)射表面需要整形以匹配矩形照明目標(biāo)或者矩形色區(qū)或像素，則使用角錐體集光器諸如角錐體集光器827等是特別有利的。此外，角錐體集光器827可以使發(fā)射表面824發(fā)出的至少一部分光重新定向，使其相對(duì)于光軸以較小角度射出角錐體集光器827，從而更易于由下游光學(xué)元件諸如透鏡84和86等進(jìn)行收集。在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，放置在LED發(fā)射表面頂上的角錐體集光器允許以約88％的集光率值收集LED發(fā)光總量的約70％。然而，在本發(fā)明的不同示例性實(shí)施例中，根據(jù)各個(gè)部件的尺寸和類型、系統(tǒng)的整體構(gòu)成以及成本考慮，可以認(rèn)為集光效率與集光率的其它關(guān)系也是合適的。此外，角錐體集光器827的遠(yuǎn)場(chǎng)輸出形成了可以相互密集(如果希望，具有一定的重疊)以形成組合照明場(chǎng)的圖案，該組合照明場(chǎng)尤其適用于投影和背光用途。
進(jìn)一步參照?qǐng)D1和4A，在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，光學(xué)元件系統(tǒng)15將光源組件的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面，例如光源組件82的發(fā)射表面824成像到照明目標(biāo)17上。這種情況在圖4A中由軌跡穿過(guò)角錐體集光器827的光線1表示。如圖4B所示，角錐體集光器827的側(cè)面反射至少一部分從發(fā)射表面824發(fā)出的光。該反射光造成發(fā)射表面824的圖像復(fù)合，從而產(chǎn)生了LED圖像陣列，諸如圖4B中示意性表示的圖像824a、824b、824c和824d等。如果將角錐體集光器827的近端825基本上安裝到發(fā)射表面824周圍，則當(dāng)通過(guò)遠(yuǎn)端829觀察時(shí)，該圖像陣列密集。
因此，在一些示例性實(shí)施例中，有利的是將集光器角錐體827的遠(yuǎn)端829成像到照明目標(biāo)17上。這種情況在圖4A中由按照從該角錐體側(cè)面反射的方式軌跡穿過(guò)角錐體集光器827的光線2表示。使遠(yuǎn)端829取代發(fā)射表面自身成像，允許發(fā)射表面保持其初始形狀，諸如方形或者典型的市場(chǎng)上可以買到的LED的條紋集合，并且角錐體集光器會(huì)有效地產(chǎn)生矩形光圖案，該圖案繼而可以成像到矩形照明目標(biāo)上，而無(wú)需利用附加光學(xué)器件進(jìn)行均勻化和整形。此外，這種構(gòu)成有助于保存集光率，這是因?yàn)榕c從該角錐體集光器的近端到遠(yuǎn)端的面積增加成比例地減小了照明角度。
圖5顯示本發(fā)明的照明系統(tǒng)的另一個(gè)示例性實(shí)施例。該示例性實(shí)施例可以用于LCD的直接背光。具體地說(shuō)，圖5所示的照明系統(tǒng)30可以用于照明LCD 85。該照明系統(tǒng)30包括可以為L(zhǎng)ED光源組件的光源組件組32(例如光源組件72、72’、72”)以及光學(xué)元件系統(tǒng)35。在該示例性實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)使用足夠數(shù)量的光源組件(例如72、72’、72”)來(lái)生成覆蓋LCD 85足夠表面部分的照明拼接小片，從而獲得具有希望的尺寸、亮度和質(zhì)量的合成圖像。在該示例性實(shí)施例中，光學(xué)元件系統(tǒng)35包括第一透鏡組34，其包括小透鏡74、74’、74”；第二透鏡組36，其包括小透鏡76、76’、76”，并且光學(xué)元件系統(tǒng)35可以進(jìn)一步包括準(zhǔn)直光學(xué)器件諸如菲涅爾透鏡、漸變折射率透鏡等。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，光學(xué)元件系統(tǒng)35可以包括對(duì)于具體用途可能需要的其它附加部件。
進(jìn)一步參照?qǐng)D5，在適當(dāng)實(shí)施例中，可以使一對(duì)小透鏡與每個(gè)光源組件(例如72)相關(guān)聯(lián)，該小透鏡對(duì)中一個(gè)來(lái)自透鏡組34，另一個(gè)來(lái)自透鏡組36，例如小透鏡74和76。透鏡組34和36可以構(gòu)成為類似于圖2B所示陣列的雙層密集陣列，其中改變了構(gòu)成58的數(shù)量和整體結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)希望數(shù)量的光源組件72、72’、72”等以及所要照明的表面的形狀，諸如LCD顯示器85等，所述形狀通?；旧蠟榫匦位蚍叫?。透鏡組34和36中的小透鏡的一般形狀和各自的定位，以及光源組件的一般形狀和定位可以與參照?qǐng)D1至圖4B所示的實(shí)施例所述的基本上相同，或者具有其它適當(dāng)?shù)臉?gòu)成。
光學(xué)元件系統(tǒng)35可以構(gòu)成為將光源組件組32的光源組件的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面成像到LCD 85的一個(gè)或多個(gè)像素(例如像素850、850’、850”)上，在這些示例性實(shí)施例中，所述像素構(gòu)成了一個(gè)或多個(gè)照明目標(biāo)(參見(jiàn)圖1，元件17)。在一些示例性實(shí)施例中，優(yōu)選的是，將發(fā)射表面成像到LCD 85上，同時(shí)相鄰圖像至少存在一定量的重疊，從而生成基本上連續(xù)的照明拼接小片。因此，在這些實(shí)施例中，發(fā)射表面的圖像重疊，或者至少部分重疊，以便構(gòu)成來(lái)自多個(gè)發(fā)射器的基本上均勻的圖案，其中各個(gè)元件可以具有非均勻的形狀。此外，在適用于直視背光的示例性實(shí)施例中，圖像可以僅具有少量重疊，以至于它們基本上填滿了所要照明的區(qū)域。此處，正像大多數(shù)投影用途的情況一樣，不需要充分的圖像重疊?？蛇x擇的是，可以將單個(gè)的發(fā)射表面成像到分立像素或者一定量的像素上。
可選擇的是，光學(xué)元件系統(tǒng)35可以收集并處理從光源組件組32發(fā)出的光，使得光以基本上準(zhǔn)直的狀態(tài)入射到LCD 85。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，當(dāng)離軸觀察LCD 85時(shí)，可以添加擴(kuò)散器、散射媒質(zhì)或者其它增強(qiáng)部件87，來(lái)增強(qiáng)LCD 85之下或之上的離軸可觀看性。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，也可以根據(jù)具體用途的需要添加其它顯示部件。此外，在照明系統(tǒng)30中，在光源組件的亮度、尺寸以及通道數(shù)量(此處為具有相關(guān)光學(xué)器件的單獨(dú)受控光源的數(shù)量)之間尋找折衷方案。
圖6示意性顯示本發(fā)明照明系統(tǒng)的另一個(gè)示例性實(shí)施例。這種照明系統(tǒng)40可以用于投影系統(tǒng)150中。用于照明投影屏幕154的照明系統(tǒng)40包括光源組件組42(例如如圖1至圖5所示的光源組件72、72’、72”)和光學(xué)元件系統(tǒng)45。在圖6所示的示例性實(shí)施例中，光學(xué)元件系統(tǒng)45包括第一透鏡組44，其具有與參照?qǐng)D1至圖5所示和所述的相類似的小透鏡；第二透鏡組46，其具有與參照?qǐng)D1至圖5所示和所述的相類似的小透鏡。緊跟照明系統(tǒng)40之后的可以是成像器件141諸如LCD透射器件等，其后是場(chǎng)鏡143諸如菲涅爾透鏡等?？梢詫⒄郫B式反射鏡145、149和152用于使投影系統(tǒng)150的光路折疊，由此提高其緊密度，所述折疊式反射鏡可以是普通的前表面反射鏡。投影系統(tǒng)還可以包括用于將成像器件141生成的圖像投影到屏幕152上的投影光學(xué)器件147。
進(jìn)一步參照?qǐng)D6，可以使小透鏡對(duì)與每個(gè)光源組件相關(guān)聯(lián)，該小透鏡對(duì)中一個(gè)來(lái)自透鏡組44，另一個(gè)來(lái)自透鏡組46，例如圖3所示的小透鏡74和76，光源組件為例如也在圖3中示出的光源組件72。透鏡組44和46可以構(gòu)成為與圖2B所示陣列相類似的雙層密集陣列，其中可以改變構(gòu)成58的數(shù)量和整體結(jié)構(gòu)，以使屏幕154上形成的合成圖像獲得希望的亮度、分辨率和尺寸。優(yōu)選的是，透鏡組44和46的小透鏡的一般形狀和尺寸，以及光源組件組42的光源組件的一般形狀和尺寸與參照?qǐng)D1至圖5所示的實(shí)施例所述的基本上相類似。圖6所示的示例性實(shí)施例特別適用于大型LCD板投影用途，這是因?yàn)樗鼈兛梢詼p少機(jī)殼的尺寸，并且利用較少的部件的緣故。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，圖7顯示具有多種顏色的發(fā)射表面的光源組件。例如，在圖7中，光源組件172包括彼此相鄰放置的三個(gè)發(fā)射表面194R、194G和194B(分別為紅色、綠色和藍(lán)色，或者其它適當(dāng)?shù)脑?。這些發(fā)光組件可以是三片式LED模塊，并且任意一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面可以是或包括LED發(fā)射表面、熒光體層，或者任何其它的發(fā)射材料。準(zhǔn)直光學(xué)器件174和176可以包括類似于參照?qǐng)D1至圖6所示的實(shí)施例所示并描述的小透鏡，或者任何其它適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件。優(yōu)選的是，每個(gè)小透鏡接收來(lái)自所有三個(gè)發(fā)射表面194R、194G和194B的光。因此，可以降低照明系統(tǒng)的成本和尺寸，這是因?yàn)槎鄠€(gè)光源共用相同的光學(xué)器件的緣故。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，發(fā)射表面194R、194G和194B應(yīng)當(dāng)充分接近地設(shè)置在一起。此外，發(fā)射表面應(yīng)當(dāng)充分接近小透鏡設(shè)置，從而確保有效地收集光。
光源組件172和準(zhǔn)直光學(xué)器件174、176構(gòu)成為按照如下方式為發(fā)射表面194R、194G和194B實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直即，使得相對(duì)于特定顏色“索引”照明。這可以通過(guò)接近準(zhǔn)直光學(xué)器件的焦平面放置發(fā)射表面194R、194G和194B以使得不同顏色發(fā)射器的空間間隔變換為具有不同顏色的光束的角距來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，對(duì)于圖7所示的布置而言，綠光可以以相對(duì)于光軸大約0度的角度射出準(zhǔn)直光學(xué)器件，而紅光可以以相對(duì)于光軸大約+2度的角度射出準(zhǔn)直光學(xué)器件，藍(lán)光可以以大約-2度的角度射出。
圖8示意性顯示本發(fā)明的照明系統(tǒng)的另一示例性實(shí)施例。圖8所示的照明系統(tǒng)100包括光源組件組112，諸如光源組件172、172’、172”等，以及光學(xué)元件系統(tǒng)115，每個(gè)光源組件分別具有多個(gè)發(fā)射表面194R、194G、194B，194R’、194G’、194B’和194R”、194G”、194B”。在圖8所示的示例性實(shí)施例中，光學(xué)元件系統(tǒng)115包括第一透鏡組114、第二透鏡組116、分色鏡120R、120B和120G以及聚光器118，第一透鏡組包括小透鏡174、174’、174”，第二透鏡組包括小透鏡176、176’、176”。聚光器118可以是或可以包括優(yōu)選具有非球面凸面表面的平凸透鏡，還可以是或可以包括彎月透鏡或者漸變折射率透鏡。根據(jù)具體用途的需要，光學(xué)元件系統(tǒng)115除了所示元件之外、或者取代這些元件，還可以包括其它部件。
在本發(fā)明的適當(dāng)實(shí)施例中，包括小透鏡174、174’、174”的透鏡組114和包括小透鏡176、176’、176”的透鏡組116可以具有與參照本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例所述的透鏡組類似的構(gòu)成，或者它們可以具有適用于具體用途的其它適當(dāng)構(gòu)成。例如，小透鏡對(duì)可以與每個(gè)光源組件相關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)小透鏡來(lái)自透鏡組114，另一個(gè)來(lái)自透鏡組116。例如，在圖8中，小透鏡174和176與光源組件172相關(guān)聯(lián)，小透鏡174’和176’與光源組件172’相關(guān)聯(lián)，小透鏡174”和176”與光源組件172”相關(guān)聯(lián)。如結(jié)合圖7所述的那樣，發(fā)射表面194R、194G、194B、194R’、194G’、194B’和194R”、194G”、194B”中的任意一個(gè)或全部可以是紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)LED模塊的發(fā)射表面、熒光體層、任何其它發(fā)射材料，或者任意數(shù)量的上述材料或其組合。
進(jìn)一步參照?qǐng)D8，光學(xué)元件系統(tǒng)115可以構(gòu)成為將光源組件(例如172、172’、172”)的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面成像到照明目標(biāo)117上。如參照其它示例性實(shí)施例所述的那樣，照明目標(biāo)117的種類會(huì)根據(jù)具體用途改變。例如，照明目標(biāo)117可以是光隧道的入口、成像器件、LCD或者LCD的特定色區(qū)或像素。如果需要疊置的或者至少部分重疊的彩色照明拼接小片，則可以使用分色鏡120R、120B和120G在照明目標(biāo)117上組合不同顏色的發(fā)射表面的圖像。
與本文中描述的其它示例性實(shí)施例類似，可以賦予光源組件172、172’、172”等的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面194R、194G、194B、194R’、194G’、194B’、194R”、194G”、194B”等特定的形狀，從而提高照明系統(tǒng)100的性能。例如，一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面可以形成為基本上匹配照明目標(biāo)117的一般形狀。具體地說(shuō)，如果該目標(biāo)117是光隧道的方形入口，則光源組件，諸如172、172’、172”等的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面通常也可以形成為方形。另一方面，如果該目標(biāo)117為矩形成像器件或者LCD的矩形色區(qū)或像素，則光源組件的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面通常也可以形成為矩形。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，發(fā)射表面和照明目標(biāo)的其它形狀也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
圖9顯示本發(fā)明的照明系統(tǒng)的另一示例性實(shí)施例。該示例性實(shí)施例可以用于LCD背光。照明系統(tǒng)200包括一個(gè)或多個(gè)可以為三片式LED模塊的光源組件，例如光源組件272和272’，以及諸如準(zhǔn)直透鏡組等的光學(xué)元件系統(tǒng)，例如211和211’，其中每個(gè)準(zhǔn)直透鏡與至少一個(gè)光源組件相關(guān)聯(lián)。該照明系統(tǒng)200可以用于照明成像器件185。在該示例性實(shí)施例中，具有不同顏色的發(fā)射表面(例如294R、294G、294B和294’R、294’G、294’B)的足夠數(shù)量的光源組件(例如272和272’)應(yīng)當(dāng)用于覆蓋成像器件185的足夠表面部分，以獲得具有希望尺寸和質(zhì)量的合成圖像，成像器件185可以是LCD顯示器。該成像器件可以具有色區(qū)或者像素陣列，例如像素385R、385G、385B、385’R、385’G、385’B和385”R、385”G、385”B。
微透鏡陣列165包括可以接近成像器件185設(shè)置的單獨(dú)的柱透鏡，諸如365、365’、365”等，該微透鏡陣列可以用于將一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面，諸如294R、294G、294B、294R’、294G’、294B’等成像到相應(yīng)的色區(qū)或像素上，諸如385R、385G、385B、385’R、385’G、385’B、385”R、385”G和385”B等。該微透鏡可以是雙凸或平凸透鏡。在一些示例性實(shí)施例中，可以將一個(gè)或多個(gè)發(fā)射表面成像到濾色條上。在這種情況下，每個(gè)單獨(dú)的微透鏡將與從不同發(fā)射器發(fā)出到不同地方的不同顏色對(duì)應(yīng)的光束聚焦到成像器件185上，例如成像到不同的色區(qū)或像素上。具體地說(shuō)，微透鏡365”可以將從發(fā)射表面294R、294G和294B發(fā)出的紅色、綠色和藍(lán)色的光束聚焦到成像器件185的色區(qū)或像素385”R、385”G和385”B上。此外，如結(jié)合其它示例性實(shí)施例所述的那樣，發(fā)射表面的形狀可以匹配色區(qū)或像素的形狀。因此，每個(gè)光源組件可以照明成像器件的包含多個(gè)色區(qū)或像素的預(yù)定區(qū)域，從而基本上照明其有效表面。通過(guò)將所有發(fā)光模塊及其組成多色發(fā)射器校正到適當(dāng)?shù)妮敵黾?jí)，從而獲得均勻性。
進(jìn)一步參照?qǐng)D9，在一些示例性實(shí)施例中，微透鏡陣列165以及像素或色區(qū)，諸如385R、385G、385B、385’R、385’G、385’B、385”R、385”G、385”B等的間距約為0.2mm。發(fā)光表面，諸如294B、294G和294R等可以是中心到中心間隔約為0.4mm的發(fā)射條，例如LED條?？梢詫?zhǔn)直透鏡，諸如211和211’等小心地接合在一起，從而產(chǎn)生均勻的照明光束，從而對(duì)成像器件185進(jìn)行照明而基本上無(wú)中斷?？蛇x擇的是，發(fā)光表面之間的間隔可以約為0.6mm，并且其中微透鏡之間的間距約為0.3mm，成像器件185的色區(qū)或像素之間的間距約為0.1mm。根據(jù)具體用途的需要，可以將準(zhǔn)直透鏡，諸如211、211’等和相關(guān)的光源組件，諸如272和272’等按照六邊形的形狀壓縮，或壓縮到笛卡爾格柵(cartesian grid)中。
進(jìn)一步參照?qǐng)D9，該照明系統(tǒng)200產(chǎn)生根據(jù)其顏色角度間隔的光束。因此，可以將紅光引導(dǎo)通過(guò)成像器件的一個(gè)或多個(gè)紅色區(qū)，并且類似地，可以將藍(lán)光和綠光分別引導(dǎo)通過(guò)藍(lán)色區(qū)和綠色區(qū)。根據(jù)引導(dǎo)的純度，可以對(duì)本發(fā)明的該實(shí)施例使用或者不使用濾光器。利用本發(fā)明的一些實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)純引導(dǎo)，或者基本上無(wú)串?dāng)_的引導(dǎo)，這是因?yàn)樘囟ǖ念伾珪?huì)傳播到特定的像素，例如只有紅光通過(guò)紅色區(qū)。此外，本發(fā)明允許利用光源組件諸如LED模塊等以獲得最佳的遠(yuǎn)場(chǎng)照明分布。
本發(fā)明的方法簡(jiǎn)化了用于各種具體用途的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且允許光源組件、光學(xué)器件和成像器件的許多種不同構(gòu)成。本發(fā)明的示例性實(shí)施例能夠比傳統(tǒng)系統(tǒng)更有效地收集來(lái)自朗伯(lambertian)型發(fā)射器諸如LED等的光。因此，更多的光可以傳播到照明目標(biāo)，從而產(chǎn)生更高的整體效率。此外，本發(fā)明的示例性實(shí)施例可以具有更好的成像特性。此外，本發(fā)明允許制造使用更少部件、緊湊、通用并且制造更容易、成本更低的照明系統(tǒng)。
盡管已經(jīng)參照具體的示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明的照明系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以對(duì)其進(jìn)行改變和修改。例如，用于本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例中的光學(xué)元件系統(tǒng)的尺寸和構(gòu)成能夠根據(jù)具體用途和照明目標(biāo)的種類和尺寸改變。此外，本發(fā)明的示例性實(shí)施例可以包括同時(shí)提交的名稱為“照明系統(tǒng)(Illumination System)”、代理備案No.59373US002的美國(guó)申請(qǐng)以及名稱為“光源組件的整形(Reshaping Light SourceModules)”、代理備案No.59526US002的美國(guó)申請(qǐng)中所述的光學(xué)元件、部件和系統(tǒng)，在此將上述申請(qǐng)的內(nèi)容以引用的方式并入本文。此外，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知，本發(fā)明預(yù)想到在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的照明系統(tǒng)的示例性實(shí)施例中包含其它光學(xué)元件。
此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，本發(fā)明的實(shí)施例可以與多種光源，包括白色LED、彩色LED(例如，紅色、藍(lán)色、綠色或者其它顏色)和多片式LED模塊(例如RGB LED模塊)一起使用。RGB LED通常允許實(shí)現(xiàn)最佳的彩色性能，但是白色LED對(duì)于許多用途而言都是可以接受的。
權(quán)利要求
1.一種照明系統(tǒng)，包括光源組件；第一彎月透鏡，其具有凸側(cè)和凹側(cè)；以及第二彎月透鏡，其具有凸側(cè)和凹側(cè)；其中，所述第二彎月透鏡的凹側(cè)與所述第一彎月透鏡的凸側(cè)相鄰，并且所述第一彎月透鏡的凹側(cè)面對(duì)所述光源組件，以從所述光源組件接收光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述第一彎月透鏡與所述第二彎月透鏡相接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述第一彎月透鏡和所述第二彎月透鏡由光學(xué)透明材料固定在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組件包括發(fā)射表面和設(shè)置在所述發(fā)射表面上方的基本上光學(xué)透明的圓頂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組件包括發(fā)射表面和設(shè)置在所述發(fā)射表面上方的角錐體集光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)，其中，所述角錐體集光器具有基本上為方形的近端和基本上為矩形的遠(yuǎn)端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組件包括多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的發(fā)射表面，并且所述第一彎月透鏡的凹側(cè)面對(duì)所述光源組件的發(fā)射表面，以從所述光源組件接收光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其中，至少兩個(gè)發(fā)射表面具有不同的顏色。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組件具有第一顏色、第二顏色和第三顏色的發(fā)射表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的照明系統(tǒng)，其中，所述第一顏色、第二顏色和第三顏色是原色。
11.一種照明系統(tǒng)，包括多個(gè)光源組件，以及光學(xué)元件系統(tǒng)，其包括多個(gè)彎月透鏡對(duì)，每個(gè)彎月透鏡對(duì)與光源組件相關(guān)聯(lián)，并且包括具有凸側(cè)和凹側(cè)的第一彎月透鏡以及具有凸側(cè)和凹側(cè)的第二彎月透鏡；其中，每個(gè)第二彎月透鏡的凹側(cè)與每個(gè)第一彎月透鏡的凸側(cè)相鄰，并且每個(gè)第一彎月透鏡的凹側(cè)面對(duì)相關(guān)聯(lián)的光源組件，以從所述光源組件接收光。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，每個(gè)第一彎月透鏡與每個(gè)第二彎月透鏡相接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)彎月透鏡對(duì)基本上構(gòu)成為雙層六邊形密集陣列，并且所述多個(gè)光源組件設(shè)置為基本上跟隨所述構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)彎月透鏡對(duì)基本上構(gòu)成為雙層矩形密集陣列，并且所述多個(gè)光源組件設(shè)置為基本上跟隨所述構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)光源組件設(shè)置在非徑向?qū)ΨQ孔中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的照明系統(tǒng)，還包括成像器件，所述成像器件設(shè)置為以一定角度照明并且具有多個(gè)可以圍繞樞軸線旋轉(zhuǎn)的反射鏡，其中，所述非徑向?qū)ΨQ孔具有長(zhǎng)尺寸和短尺寸并且定向?yàn)檫@樣即所述長(zhǎng)尺寸與所述成像器件的反射鏡的樞軸線對(duì)準(zhǔn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，每個(gè)光源組件包括發(fā)射表面和設(shè)置在所述發(fā)射表面上方的基本上光學(xué)透明的圓頂。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，每個(gè)光源組件包括發(fā)射表面和設(shè)置在所述發(fā)射表面上方的角錐體集光器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的照明系統(tǒng)，其中，每個(gè)角錐體集光器具有基本上為方形的近端和基本上為矩形的遠(yuǎn)端。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，還包括成像器件，所述成像器件設(shè)置為以一定角度照明并且具有多個(gè)可以圍繞樞軸線旋轉(zhuǎn)的反射鏡，其中，所述多個(gè)光源組件以陣列形式設(shè)置，所述陣列的形狀基本上與具有長(zhǎng)尺寸和短尺寸的非徑向?qū)ΨQ孔近似，所述非徑向?qū)ΨQ孔定向?yàn)檫@樣即所述長(zhǎng)尺寸與所述成像器件的反射鏡的樞軸線對(duì)準(zhǔn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，還包括照明目標(biāo)，其中，所述光學(xué)元件系統(tǒng)構(gòu)成為將每個(gè)角錐體集光器的遠(yuǎn)端成像到所述照明目標(biāo)上。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，每個(gè)光源組件包括多個(gè)彼此相鄰設(shè)置的發(fā)射表面，使得每個(gè)第一彎月透鏡的凹側(cè)面對(duì)相關(guān)聯(lián)的光源組件的發(fā)射表面，以從所述光源組件接收光。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的照明系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)光源組件的至少兩個(gè)發(fā)射表面具有不同的顏色。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的照明系統(tǒng)，其中，每個(gè)光源組件具有第一顏色、第二顏色和第三顏色的發(fā)射表面。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的照明系統(tǒng)，其中，所述第一顏色、第二顏色和第三顏色是原色。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的照明系統(tǒng)，還包括照明目標(biāo)，所述照明目標(biāo)包括第一色區(qū)、第二色區(qū)和第三色區(qū)，其中，所述光學(xué)元件系統(tǒng)將第一顏色、第二顏色和第三顏色的發(fā)射表面成像到所述照明目標(biāo)的各個(gè)色區(qū)上。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)元件系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述照明目標(biāo)與所述多個(gè)彎月透鏡對(duì)之間的微透鏡陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光收集照明系統(tǒng)，其包括光源組件(72)、具有凸側(cè)(74b)和凹側(cè)(74a)的第一彎月透鏡(74)以及具有凸側(cè)(76b)和凹側(cè)(76a)的第二彎月透鏡(76)。第二彎月透鏡(76)的凹側(cè)(76a)與第一彎月透鏡(74)的凸側(cè)(74b)相鄰，并且第一彎月透鏡(74)的凹側(cè)(74a)面對(duì)光源組件(72)，以從該光源組件接收光。此外，本發(fā)明還公開(kāi)了一種光收集照明系統(tǒng)，其包括多個(gè)光源組件和光學(xué)元件系統(tǒng)，該光學(xué)元件系統(tǒng)包括多個(gè)彎月透鏡對(duì)，每個(gè)彎月透鏡對(duì)與光源組件相關(guān)聯(lián)。
文檔編號(hào)G02B26/00GK1914520SQ200480041559
公開(kāi)日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月11日
發(fā)明者阿利·R·康納 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司