超高效率色彩组合装置和方法
【专利说明】
[0001 ] 本申请是申请日为2011年9月16日的中国专利申请号为201180056979.9 (国际申 请号为PCT/US2011/051916)的题为"超高效率色彩混合和色彩分离"的国际申请的分案。
[0002] 本申请要求申请日为2010年9月27日的美国临时专利申请序列第61/404,062号的 优先权，在此结合该申请作为参考。
技术领域
[0003] 本发明大体涉及用于组合或分离光的光谱成分的装置和方法，更具体地涉及为了 任一上述目的使用多色物质。
【背景技术】
[0004] 对于应用于街道和汽车照明，至家用、IXD显示器和娱乐照明范围的多种应用中的 白光照明的实现，色彩混合是必须的。通常通过以蓝光照射发出红和绿光的荧光材料而得 到白光。当三种颜色混合时，总体发出的光看起来是白色的。在图1中示出了该方法，其中从 p-n结发出的蓝光101照射发出红光103和绿光104的荧光体102。这三种颜色的混合产生白 光。
[0005] 上述用于将不同颜色的光混合的方法具有以下三个主要缺点：
[0006] ?该荧光体随着时间趋于劣化。这对色彩输出寿命以及装置的整体效率造成不利 影响。
[0007] ?该整体的装置的效率低于常规的3-色LED系统。这主要由于斯托克斯频移(非弹 性散射)的热损失和与荧光体有关的劣化(degradation)问题。因此，没有实现LED的高固有 效率。
[0008] ?该系统遭受差的色彩稳定性和渲染之害。利用此方法对高质量的照明进行色彩 控制是很难的，因为其几乎不能控制不同颜色的相关光的输出。
[0009] 产生白光的另一个方法是使用三个为原色:红、绿和蓝(RGB)色的分离的LED。这允 许独立地控制每种颜色的强度，从而实现输出光的更好的色域。在最简单的情况中，仅将三 个LED封装在单个、密封的壳体里。由于没有提出高效率的三色混合的方法，因此三种颜色 在传播期间混合并且产生白光。这在白光输出中产生了显著的非均匀性，且很难控制白光 的质量。包括使用漫射体的调色方法受到由于漫射体中的光吸收和散射引起的固有效率损 失。
【发明内容】
[0010] 本发明的实施例提供，与诸如发光二极管的彩色光源相结合地使用多色物质，用 于照明、显示、光谱学和相关的应用中的非常有效的色彩混合。
[0011]根据本发明的优选实施方式，提供了色彩组合装置，其具有多个照射源，每个照射 源发出的射束特征在于不同的光谱范围。共同地，射束构成射束组。该装置还具有多色物 质，其被配置成在多个照射源对该多色物质照射时定义在至少一个容积中的光输出特性。
[0012] 在本发明的多个实施方式中，多色物质被配置成在多个照射源对该多色物质照射 时定义不仅仅是一个容积而是多个容积中的光输出特性。在多个容积中的至少两个容积中 定义的光输出特性可以是相互不同的光输出特性。
[0013] 在本发明的另一个实施方式中，多色物质可用于将射束组结合到输出射束中。该 多色物质可被进一步配置成定义输出射束的传播方向。
[0014] 在本发明的另一个实施方式中，该多色物质可被配置成定义在空间的特定容积中 的至少一个光特性，其中一个特性选自包括以下特性的组：（i)亮度；（i i)色彩；（i i i )色均 匀性；（iv)偏振。其中形成输出射束，该多色物质可被配置成定义输出射束的至少一种特 性，该一种特性选自包括以下特性的组：（i)亮度；（ii)色彩；（iii)色均匀性；（iv)发散角； (>)准直度；(>；〇偏振 ；(>；[；0焦距;和(>；[；[；0束腰。
[0015] 在本发明的另一个实施方式中，各所述照射源的不同光谱范围在光谱上基本不重 叠。所述色彩组合装置还包括设置在各照射源和所述多色物质之间的计算机生成的全息底 板。所述多个源可以，但并不必须是，设置在非平面基底上。可提供至少一个控制器用于独 立地控制各光源。所述多个源的子集至其整体，可共享公共电极。所述多色物质可制造在透 明的材料上或在吸收材料上。所述多色物质可配置成以透射模式或以反射模式工作。所述 多色物质可以是二元的、多级的或具有渐变的折射率分布指数。所述多色物质还包括镶拼 的多色物质。
[0016] 本发明的另一实施方式还提供一种隐私增强显示器，其包括发出电磁辐射的多个 源像素，各像素的特征在于发散角;和与各像素相邻设置的多色物质，用于将从远离所述源 像素的位置看的辐射视野变窄。
[0017] 本发明的另一实施方式提供一种高效率LCD显示器，包括:偏振背光的源;基本设 置在一个平面中的多个LCD像素；和设置在偏振背光的源与LCD像素的平面之间的多色物 质，用于将背光分为一定的光谱成分。
[0018] 根据本发明的另一方面，提供一种方法用于组合色彩。该方法包括以下步骤：
[0019] a.以来自多个源的电磁辐射照射多色物质，各源的特征在于不同的光谱范围；以 及
[0020] b.将来自多个源的电磁辐射组合，使得来自所述多色物质的辐射具有特定的色彩 和功率均匀性以及准直度。
[0021] 在本发明的可选实施方式中，还可包括控制输出射束空间分布以产生要求的图案 或纹理的步骤。
[0022] 根据本发明的另一方面，提供了用于对光信号进行复用和解复中的至少一个操作 的方法，所述方法包括：
[0023] a.以来自多个源的电磁辐射照射多色物质，各源的特征在于不同的光谱范围并发 出不同的光谱成分；
[0024] b.将来所述自多个源的电磁辐射组合以耦合至具有出口的光管道;以及
[0025] c.将所述光管道的输出耦合至第二多色物质，用于将所述电磁辐射分离成不同的 光谱成分。
[0026] 在本发明的另一方面，提供了一种用于高分辨率成像的方法，该方法包括：
[0027] a.在样本中激发辐射，该辐射包括多个指示不同功能性的光谱成分；
[0028] b.通过多色物质将所述多个光谱成分分离；
[0029] c.将所述不同的光谱成分分别成像。
[0030] 根据本发明的另一实施方式，提供了对具有色散元件的光谱仪的改进，该色散元 件用于将输入光的光谱成分分散，该改进包括以多色物质替代所述色散元件。所述多色物 质被最优化用于实现特定的衍射效率或将光谱带指引至特定的探测器像素。所述多色物质 被最优化以抑制特定的衍射级以及增加所述光谱仪的输入光接收。所述多色物质可用作被 供能的衍射光学元件，将衍射光聚焦至探测器阵列上。
【附图说明】
[0031] 本发明或申请文件包括以色彩绘制的至少一幅附图。可通过请求和支付必须的费 用由专利和商标局（Patent and Trademark Office)提供该专利的具有色彩附图的复印 件。
[0032] 参考附图，根据以下详细说明，本发明的前述特征将更容易理解，其中：
[0033] 图1示意性示出现有技术的LED，其具有蓝光源和用于产生其他色彩成分的荧光 体，以得到色彩混合输出；
[0034] 图2是色混合系统的一个实施方式的示意性图示，根据本发明的一个实施方式，其 中来自光源(如LED)阵列的不同色彩的光照射一组中间计算机生成的全息图（CGH)，其预处 理光以接着照射多色物质，该多色物质将颜色混合产生混色输出；
[0035] 图3示出了根据本发明的另一实施方式的安装在非平面基底上的光源，该多色物 质被设计成进行色混合；
[0036]图4(a)和图4(b)是分别示出了根据本发明的多个实施方式的源的配置的剖视图， 其中每个源具有各自的底部电极，并且所有的源具有公共底部电极；
[0037]图5是根据本发明的实施方式，基于图2的排列，将用于RGB色混合系统中的中间 CGH最优化的相位图；
[0038]图6是根据本发明的实施方式，基于图2的排列，将