照明系统、图案照明系统以及图案投影系统的制作方法

专利名称：照明系统、图案照明系统以及图案投影系统的制作方法
技术领域：
本实用新型总体上涉及照明和投影领域，具体来说，涉及一种提供均匀照明的照明系统、图案照明系统、图案投影系统。
背景技术：
随着图案投射技术的发展，投射出各种图案的图案投射系统已经得到了越来越广泛的应用。功率较大的图案投射系统可以在歌舞厅中或舞台上作为效果灯。功率较小的图案投射系统可以用作装饰性的射灯，或者用在公司前台处，用于投射公司的标志等。对于图案投射系统而言，其照明系统提供的照明光线的均匀性非常重要。如果照明光线不均匀，则图案投射系统投射的图案的亮度也会不均匀，因而影响图案投射的效果。

实用新型内容鉴于以上问题，作出了本实用新型。需要说明的是，虽然本实用新型针对上述问题而提出，但是本领域的技术人员应该理解，本实用新型所提出的照明系统、图案照明系统、图案投影系统不限于用于图案投射灯，而是可用于任何需要均匀照明、图案照明或图案投影的场合。具体地，本实用新型意在提出一种具有均匀照明的照明系统、图案照明系统、图案投影系统。根据本实用新型的一个方面，提出了一种照明系统，包括:光源；光线约束元件，放置在所述光源的下游，以将所述光源发射的光的出射角度约束到预定范围内；以及均匀化元件，放置在所述光线约束元件的下游，接受所述光线约束元件出射的光线并射出，从而使光线的分布均匀。根据本实用新型的另一个方面，提出了一种图案照明系统，包括上述照明系统以及由非均匀透射率形成的图案的图案板，其中，所述图案板放置在所述均匀化元件的下游，以接收从所述均匀化元件射出的光线。根据本实用新型的又一个方面，提出了一种图案投影系统，包括上述图案照明系统以及放置在所述图案照明系统的图案板的下游的成像系统。通过
以下结合附图对本实用新型的优选实施方式的详细说明，本实用新型的这些以及其他优点将更加明显。

为了进一步阐述本实用新型的以上和其它优点和特征，
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的说明。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。应当理解，这些附图仅描述本实用新型的典型示例，而不应看作是对本实用新型的范围的限定。在附图中:图1是根据本实用新型的一个实施方式的照明系统100的结构框图；[0012]图2a_2c是分别示出了作为光线约束元件的示例的棱镜、反光杯、透镜组的工作原理的图；图3a_3d是示出了作为均匀化元件的示例的双层复眼透镜的工作原理的图；图4是示出了根据本实用新型的另一个实施方式的照明系统100A的结构框图；图5a_5c是照明系统100的一个具体不例系统100’的不意图；图6是分别使用照明系统100’以及现有技术的照明系统获得的照明效果的对比示意图；图7是根据本实用新型的另一实施方式的图案照明系统200的结构框图，其中图案照明系统200包括照明系统100 ；图8是图案照明系统200的一个具体示例系统200’的示意图，其中图案照明系统200，包括照明系统100，。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本实用新型的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。此外，为了便于说明，在所描述的一些示例性实施例中使用了具体的元件。但是应当明白，本实用新型所应用的照明系统、图案照明系统、图案投影系统结构不限于此，这里所描述的实施例只是用于说明，而不构成对本实用新型的限制。本实用新型的范围仅由所附权利要求及其等效含义来限定。图1是根据本实用新型的一个实施方式的照明系统100的结构框图。照明系统100包括光源101、放置在光源101的下游的光线约束元件102、以及放置在光线约束元件102的均匀化元件103。光线约束元件102将光源101发出的光的出射角度约束到预定范围内。均匀化元件103接受光线约束元件102出射的光线并射出，从而使光线的分布均匀。应该合理地选择和布置光源101和光线约束元件102，以将光源101发出的光尽量多地入射到光线约束元件102中。这样，可以提高对光源101的利用效率。类似地，希望将均匀化元件103与光线约束元件102设置为使从光线约束元件102出射的光线尽量多地入射到均匀化元件103。希望光源101发出出射角度在一定范围内的光线，以有利于光线约束元件102尽量接收其发出的光线。光源101的优选不例包括发光二极管。相对于360度发光的点光源，发光二极管只在发光面发光，即在180度或更小的范围内发光，因此是一个较好的选择。但本领域技术人员可以理解，尽管此处将发光二极管作为光源101的优选示例，任何合适的其它发光元件都可以用作光源101。光线约束元件102的优选示例包括光导、反光杯(反射腔)、透镜或透镜组，目的均在于将入射光的出射角度限制在一定范围内。光导的不例可以包括全内反射(TIR)光学器件，全内反射光学器件可以包括棱镜或者由芯和包覆层构成的器件，其中芯的折射率高于包覆层的折射率。下面参照图2a-2c简要说明棱镜、反光杯、透镜作为光线约束元件102的
工作原理。棱镜是一种由折射率比空气高的材料制成的柱状透明物体，其入射光表面和出射光表面彼此平行并且可为圆形、多边形等，侧面母线可为直线、折线或曲线。图2a示出了侧面母线为直线的棱镜的工作原理。如该图所示，由于棱镜的材料折射率比空气高，所以光线在入射面进行折射，使入射光角度减少。在光线进入棱镜内部后，将在侧面发生全反射，从出射面射出(图2a中未不出)。可见，棱镜能够缩减光线的出射角度。反射腔(也称为反光杯)是一种通过反射来缩减光线的出射角度的器件。反射腔通常实现为中空结构，在一侧具有开口，开口形状可为圆形，多边形等；母线可为直线，折线或曲线。图2b示出了反光杯的工作原理。如该图所示，反光杯通过侧面反射来收集入射光，以缩减光线的出射角度。另外，透镜也可以用作光线约束元件102。理论上，透镜可以将焦点位置的点光源发射出的光线出射为平行光线。但是由于实际使用的光源101并不是理想的点光源而是具有一定的发光面积，因此，可能需要包含两个或更多个透镜的透镜组来将光源101出射的光线的角度缩减到一定范围。图2C示出了通过使用由两个透镜构成的透镜组来缩减光线角度的示意图。注意，尽管此处通过上述优选示例来说明光线约束元件102，但本领域技术人员可以理解，只要能够将光源101发出的光的出射角度约束到预定范围内，任何合适的其它元件都可以用作光线约束元件102。均匀化元件103的优选示例包括双层复眼透镜。复眼透镜是由一系列微透镜排列形成的阵列。双层复眼透镜是前后布置的两个复眼透镜，第一复眼透镜(位置在前)中的各个微透镜的焦点与第二复眼透镜(位置在后)中对应的微透镜的中心重合，并且两个复眼透镜的光轴彼此共线。下面参照图3a-3d简要说明双层复眼透镜作为光线均匀化元件103的
工作原理。如图3a所示，理想情况下，对双层复眼透镜的入射光是与光轴平行的光束。与光轴平行的光束通过第一复眼透镜的每个微透镜后会聚在第二复眼透镜的每个对应微透镜的光心处。由于通过光心的光线出射方向不会改变，因此这些会聚光线从光心按原路射出后形成多个小光束。出射小光束的角度范围为2 Φ，其由每个微透镜的高度和焦距决定。参照示出了双层复眼透镜的一对对应微透镜的示意图的图3b，可以看出，tan(ct)=h/(2f)，其中h和f分别为微透镜的高度和焦距。为方便描述，以下也将Φ称为复眼透镜的特征角度。这些小光束在第二复眼透镜的每个微透镜的焦距之后开始相互交叉并彼此叠加。根据图3a可以想到，在第二复眼透镜的微透镜的一倍焦距到二倍焦距之间，每个微透镜的小光束只与相邻微透镜的小光束发生叠加。到了二倍焦距到三倍焦距之间，每个微透镜的小光束开始与间隔一个微透镜的小光束发生叠加。以此类推，距离第二复眼透镜越远，则每个微透镜的小光束与越多数目的其它微透镜的小光束进行叠加。假设第二复眼透镜的下游有一个“接收平面”，用于接收从第二复眼透镜出射的光，则对于接收平面的一点而言，其接收的光是由第二复眼透镜的多个微透镜出射的光线叠加到该点的效果。各点的照度由每个点接收从多少个微透镜出射的光线来决定。可以想至IJ，当“接收平面”距离复眼透镜较远时，在“接收平面”上与复眼透镜中心相对应的一定范围内的每个点都可以从数目相近的微透镜接收到光线，因此叠加后的结果是这个范围内的每一个点的亮度之间的差异变小，甚至近似相同。这样，认为在这个范围内，双层复眼透镜改善了入射光线的均匀性，射出的光线近似均匀，因此将这个范围称为双层复眼透镜的均匀范围。注意，这里使用的术语“均匀范围”并非指该范围内获得绝对均匀的效果，而是均匀性改善效果较好，因此可以认为近似均匀。离开该范围向外，则每一点都从数目较少的微透镜接收到光线。并且，离开该范围越远，每一点就接收越少数目的微透镜的光线，因而亮度越小，直到接收不到任何微透镜的光线为止。因此，由于均匀范围内外的照度的区别，可以认为均匀范围在接收平面上近似构成了一个“光斑”，可以将这个“光斑”称作为双层复眼透镜对于平行于光轴入射的光线的响应。根据以上描述可知，“接收平面”距离第二复眼透镜越远，则均匀范围内的每个点就从数目越多的微透镜接收到光线，各个微透镜出射小光束之间的差异对该点的整个照度的影响就越小。这样，均匀性改善的效果就越好，整个均匀范围内各个点的照度就越均匀。一般而言，只要接收平面与第二复眼透镜的之间的距离相对于每个微透镜的尺寸而言最够大(例如超过单个微透镜焦距/高度的若干倍)，就可以认为可以双层复眼透镜改善入射光线的均匀性的效果较好，并在该接收平面上获得上述均匀范围。在极限情况下，接收平面位于无限远处，则可以将双层复眼透镜看作一个发光角度为2Φ的点光源，此时从双层复眼透镜以2Φ角度出射的光线照到这个无限远的“接收平面”上所得到的区域，即为上述均匀范围，该区域同时也就是作为双层复眼透镜的响应的上述“光斑”。此时如果以角度的方式来衡量均匀范围，则整个复眼透镜出射光线的均匀角度范围Θ大小等于一个小光束的角度范围2Φ。上述作用过程相当于复眼透镜将光源的整个宽光束分为多个细光束照明，且整个宽光束范围内的不均匀性由于各个细光束扩散后的相互叠加而得以改善，从而使复眼透镜的整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。下面考虑入射光束不是平行于双层复眼透镜的光轴的情况。如果入射光不是与光轴平行的光束，只要入射角度范围小于复眼透镜的特征角度Φ，就可以认为双层复眼透镜对入射光线均匀性的改善效果较好，因此也能实现均匀照明。如图3c所示，先分别考虑从左下方入射的光线以及从左上方入射的光线。此时，从左下方入射的光线通过双层复眼透镜的微透镜后相对于平行光入射的情况向上倾斜，导致在“接收平面”上获得的各个微透镜的光线叠加后得到的均匀范围相对于平行于光轴入射的情况向上偏移。对于从左上方入射到双层复眼透镜的光线，情况正好相反，即，使得“接收平面”上获得的均匀范围相对于平行于光轴入射的情况向下偏移。可以理解，光线的入射角度越大，其均匀范围的偏移程度越大。对于入射光线包括了来自光轴的左下方、来自光轴的左上方、以及平行光轴的方向三种入射光线的情况，如果来自光轴的左下方和左上方的光线的入射角度都较小(例如小于复眼透镜的特征角度Φ )，也就是全部入射光线的角度范围较小，则可以认为其各自的均匀范围相对于平行于光轴入射的情况的偏移程度都较小，因此三种入射光线的均匀范围有较大重合，则双层复眼透镜对全部入射光线的整体均匀性的改善效果较好，可以获得一个针对全部入射光线的整体均匀范围。根据上述讨论可知，此时的整体均匀范围相对于光线平行光轴入射的情况下的均匀范围向其中心收缩，即整体均匀范围变小。这样，在无穷远处考察，整个双层复眼透镜的出射光束的均匀角度范围Θ变得小于与光轴平行的入射光的情况。另一方面，如果入射光的入射角度范围过大(例如大于复眼透镜的特征角度Φ)，则入射光当中入射角度较大的这部分光线在“接收平面”上获得的均匀范围相对于平行于光轴入射的情况下的偏移过多。此时，该部分光线的均匀范围与其它光线的均匀范围重合较少，全部入射光线的整体均匀性变差。由于特征角度Φ反映了双层复眼透镜的微透镜的特征，因此经常以该角度作为标准来衡量入射角度的范围。但是，这并不是一个绝对的标准。本领域技术人员可以理解，可以根据系统需要的均匀效果而设定双层复眼透镜的入射角度范围。当将双层复眼透镜用作均匀化元件103时，光线约束元件102将光源101发出的光的出射角度约束到的目标范围就是能够使双层复眼透镜实现较佳均匀化效果的复眼透镜的入射角度范围。另一方面，除了均匀照明之外，具有不同微结构的复眼透镜还能够使出射光线投射在接收平面上的“光斑”形状不同。该光斑形状由构成复眼透镜的每个微透镜的形状决定。图3d中的上图示出了微透镜的形状分别为六边形和正方形的复眼透镜，而下图则相应地示出了这两个复眼透镜在入射光为平行光时得到的光斑，其形状与复眼透镜的微透镜的形状一致。鉴于复眼透镜的这一特性，可以根据具体应用所要求的“光斑”形状，来选择具有不同微结构的复眼透镜。此外，在照明系统100中，光源101可以包括至少两个子光源，而光线约束元件102可以包括与子光源数量相对应的子约束元件。此时，均匀化元件103将来自多个子约束元件的光线进行混合，并出射均匀的光线。这些子光源的颜色可以相同或不同。当子光源的颜色不同时，均匀化元件103射出的是混合光，其颜色由各个子光源的颜色决定。可以将这些子光源中的至少一个的亮度设置为可调，以在子光源颜色相同时改变均匀化元件103射出的光线的强度，并在子光源颜色不同时改变均匀化元件103射出的光线的强度和颜色。例如，子光源的数目可以是至少三个，并且包括红光子光源、绿光子光源、蓝光子光源。此时，可以通过调节各个子光源的颜色来获得任意颜色的混合光。类似地，子光源的数目也可以是至少四个，并且包括白光子光源、红光子光源、绿光子光源、蓝光子光源。本领域技术人员已知如何将不同颜色的光进行混合以获得需要颜色的光的方法，在此将不进行详细描述。另外，可以设计子光源的布置方式。例如，当子光源包括三种颜色的子光源时，可以将子光源按颜色分组布置，每组子光源分别布置成三角形或一列等。类似地，当子光源包括四种颜色的子光源时，也可以将子光源按颜色分组布置，每组子光源分别布置成正方形、平行四边形或一列等。当然，也可以将子光源布置为常规的阵列。本领域技术人员可以根据本公开的内容想到如何将根据不同的系统需要和其他设计因素来排列这些子光源，在此将不进行详细描述。图4示出了根据本实用新型的另一个实施方式的照明系统100A的结构框图。照明系统100A与照明系统100的区别在于，进一步包括放置在均匀化元件103的下游的会聚元件105。会聚元件105用于会聚从均匀化元件103射出的光线,使得相较于没有会聚元件105的情况下，能够在距均匀化元件103更近的距离处获得均匀的光线。只要能够实现对光线的会聚作用的元件都可以用作会聚元件，例如透镜等。以双层复眼透镜作为均匀化元件103的情况为例，参照以上对双层复眼透镜工作原理的描述，如果使用会聚元件105对从双层复眼透镜出射的各个小光束进行会聚，则可以在会聚元件105的下游距双层复眼透镜较近的“接收平面”上使得较多微透镜的小光束参加叠加，从而获得上述“均匀范围”。例如，假如没有会聚元件105的情况下“接收平面”需要距双层复眼透镜十倍微透镜焦距，则使用会聚元件105的情况下“接收平面”可能只需要距双层复眼透镜五倍微透镜焦距。注意，此处距离相对微透镜焦距的举例只是说明性的而非意在限制。在实际应用中，可以根据系统需要选择合适的距离。以下参照图5a_5c描述照明系统100的一个具体示例系统100’。图5a是具体示例系统100’的示意图，该系统100’包括四个LED、四个对应的棱镜以及一个双层复眼透镜。图5b是示出照明系统100’中的一对LED和棱镜的参数的示意图。图5c是示意性示出照明系统100’中最上方的LED与双层复眼透镜之间的光路的示意图。在照明系统100’中，作为举例，使用了具有图3d上图的右侧所示的微结构的双层复眼透镜，作为作均匀化元件103。这个双层复眼透镜的形状也是正方形。在光源一侧，使用了四个LED用作光源101，每个LED的出光角度是a。此处，LED的出光角度定义为亮度下降到峰值的一半时的角度。这些LED光源的颜色可以分别是红、蓝、绿、绿。为了容易获得混合的白光，可以将其发光亮度之比设为是1:1:1:1。当需要改变复眼透镜出射的混合光的颜色时，只需要调节LED的亮度即可。在每个LED与双层复眼透镜之间均放置了一个棱镜，用作光线约束元件102。在这个具体实施方式
中，棱镜截面为正方形、母线为折线。母线为折线的棱镜能够比母线为直线的棱镜更好地缩减光线的出射角度。通过适当的选择棱镜，使得棱镜的出射光的角度范围β <2Φ，即棱镜的出射光线对复眼透镜的入射角β/2< Φ，以满足双层复眼透镜的特征角度范围。各个LED发出的光通过棱镜后入射到复眼透镜，由于棱镜的出射光线对复眼透镜的入射角β/2< Φ，因此参照以上对于复眼透镜工作原理的描述，可知此时经过双层复眼透镜的作用，能够在距离复眼透镜一定距离(例如超过单个微透镜焦距/高度的若干倍(例如10倍))处的接收平面上实现复眼透镜出射光线的均匀。图5a中仅示意性地示出了第一个LED经过棱镜后发出的两束光线入射到复眼透镜后出射的小光束。具体地，如图5c中所示，第一个LED经过棱镜后发出的光束可以分别照射到复眼透镜的不同位置处，并分别发出图中所示的小光束。其他LED和棱镜的情况与之类似。参照以上对于复眼透镜工作原理的描述，全部四个LED出射的光线在第二复眼透镜之后出射的各个小光束在每个微透镜的焦距之后开始与相邻小光束叠加。这样，在距离双层复眼透镜一定距离处实现了光线的均匀。另外，为了实现颜色的混合(即获得均匀的白光)，需要该均匀范围内的每一点都接收到分别来自四个LED、再分别经过第一复眼透镜和第二复眼透镜的光线。此时，如果四个LED光源之间的距离较为分散，即入射到复眼透镜的位置较为分散，则为了满足混合全部四个LED的光线以获得均匀白光的条件，需要接收平面距第二复眼透镜的距离比仅仅实现光线均匀的距离更远。注意，尽管图中未示出，但是参照图4所示的照明系统100A，此时同样可在照明系统100’中加入会聚元件105 (例如透镜)，以减小接收平面距第二复眼透镜的距离。此外，为了提高对LED发出的光的利用率，可以根据LED的出光角度α与棱镜入射面的边长a，来设置每个LED与对应棱镜之间的距离LI < Safligia/2),使得出光角度α范围内的光线全部照射到棱镜上。类似地，可以根据从棱镜出射的光线的角度β与复眼透镜的边长d、边缘LED据光源中心的距离c (图中未示出)，设置棱镜与复眼透镜之间的距离
权利要求1.一种照明系统，包括: 光源； 光线约束元件，放置在所述光源的下游，以将所述光源发射的光的出射角度约束到预定范围内；以及 均匀化元件，放置在所述光线约束元件的下游，接受所述光线约束元件出射的光线并射出，从而使光线的分布均匀。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中，所述光源包括发光二极管。
3.如权利要求1所述的照明系统，其中，所述光线约束元件包括以下元件中的一个:光导、反射腔、透镜或者透镜组。
4.如权利要求3所述的照明系统，其中，所述光导包括全内反射光学器件。
5.如权利要求4所述的照明系统，其中，所述全内反射光学器件包括棱镜或者由芯和包覆层构成的器件，所述芯的折射率高于所述包覆层的折射率。
6.如权利要求1所述的照明系统，其中，将所述光源设置为使其发出的光尽量多地入射到所述光线约束元件中。
7.如权利要求1所述的照明系统，其中，所述均匀化元件包括双层复眼透镜。
8.如权利要求1所述的照明系统，进一步包括放置在所述均匀化元件的下游的会聚元件。
9.如权利要求1到8之一所述的照明系统，其中，所述光源包括至少两个子光源，并且所述光线约束元件包括相应数量的子约束元件。
10.如权利要求9所述的照明系统，其中，所述至少两个子光源的颜色相同或不同。
11.如权利要求9所述的照明系统，其中，所述至少两个子光源中的至少一个的亮度可以调节，以改变所述均匀化元件射出的光线的强度和/或颜色。
12.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述子光源的数目是至少三个，并且包括红光子光源、绿光子光源、蓝光子光源。
13.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述子光源的数目是至少四个，并且包括白光子光源、红光子光源、绿光子光源、蓝光子光源。
14.一种图案照明系统，包括如权利要求1-13中任意一项所述的照明系统以及由非均匀透射率形成图案的图案板，其中，所述图案板放置在所述均匀化元件的下游，以接收从所述均匀化元件射出的光线。
15.如权利要求14所述的图案照明系统，其中，所述均匀化元件与所述图案板被设置为使所述均匀化元件射出的光线尽量入射到所述图案板。
16.根据权利要求15所述的图案照明系统，其中，所述均匀化元件射出的光的覆盖范围的形状与所述图案板的形状匹配。
17.一种图案投影系统，包括如权利要求14-16中任意一项所述的图案照明系统以及放置在所述图案照明系统的图案板的下游的成像系统。
专利摘要本实用新型公开了照明系统、图案照明系统以及图案投影系统。所述照明系统包括光源；光线约束元件，放置在所述光源的下游，以将所述光源发射的光的出射角度约束到预定范围内；以及均匀化元件，放置在所述光线约束元件的下游，接受所述光线约束元件出射的光线并射出，从而使光线的分布均匀。所述图案照明系统，包括上述的照明系统以及由非均匀透射率形成图案的图案板，其中，所述图案板放置在所述均匀化元件的下游，以接收从所述均匀化元件射出的光线。所述图案投影系统，包括上述的图案照明系统以及放置在所述图案照明系统的图案板的下游的成像系统。
文档编号G02B27/09GK203037980SQ20122028692
公开日2013年7月3日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者苏志林, 谌伟煌, 曾思雄, 杨龙山 申请人:欧司朗股份有限公司