光收集照明系统的制作方法

专利名称：光收集照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光收集照明系统，其可以用于例如投影和背光系统中。更具体地讲，本发明涉及用于收集来自一个或多个光源的光、并且将光导向照明目标的照明系统。
背景技术：
照明系统具有多种用途，包括投影显示器、液晶显示器(LCD)的背光等等。投影系统通常包括光源、照明光学器件、成像器件、投影光学器件和投影屏幕。照明光学器件收集来自光源的光并且按照预定的方式将光导向一个或多个成像器件。经过电子调节和处理的数字视频信号控制该一个或多个成像器件，产生对应于视频信号的图像。投影光学器件继而放大该图像，并且将其投影到投影屏幕上。已经将与色轮结合的白光源(例如电弧灯)用作投影显示系统的光源，并且其仍然占主导地位。然而，最近采用了发光二极管(LED)作为其替代产品。LED光源的一些优点包括寿命更长、效率更高以及突出的热特性。
经常用于数字光处理系统中的成像器件的一个实例是数字微反射镜器件(DMD)。DMD的主要特征是可旋转的微反射镜阵列。每个反射镜的倾斜由装载到与每个反射镜相关联的存储器单元中的数据进行独立控制，从而引导反射光并且将视频数据的像素空间映射到投影屏幕上。处于ON状态的反射镜反射的光穿过投影光学器件，并且投影到屏幕上，从而生成明亮区域。另一方面，处于OFF状态的反射镜反射的光未到达投影光学器件，从而导致了黑暗区域。还可以利用DMD来生成彩色图像，例如利用色彩排序，或者可选的是利用三个DMD，每种原色使用一个DMD。
成像器件的其它实例包括液晶板诸如硅基液晶器件(LCOS)等。在液晶板中，根据对应于视频信号的数据递增地(像素到像素)控制液晶材料的配向。根据液晶材料的配向，液晶结构可以改变入射光的偏振。因此，如果适当利用偏振片或者偏振分光器，可以生成对应于输入视频数据的黑暗和明亮区域。此外，已经按照类似于DMD的方式利用液晶板形成了彩色图像。
传统上，LCD背光包括一个或多个光源诸如冷阴极荧光灯(CCFL)等。典型的直接发光背光通常包括位于LCD之后的光源阵列或者单个扩展光源。该背光产生的光通常是发散的，以提高均匀度，并且如果需要彩色图像，则将光引导到与LCD的红色、绿色和蓝色像素对应的红色、绿色和蓝色滤光器阵列。该红色、绿色和蓝色像素根据输入的图像数据调制所发送的红色、绿色和蓝色成分。
诸如投影和背光系统等的光学系统的性能可以表征为多个参数，其中一个是集光率。可以利用以下等式来计算集光率εε＝A*Ω≌π*A*sin2θ＝π*A*NA2其中Ω是发射或接收的立体角(单位球面度)；A是接收器或者发射器的面积，θ是发射角或接收角，NA是数值孔径。
如果光学系统的某个元件的集光率小于上游光学元件的集光率，则这种失配会导致光损失，这将减小光学系统的效率。因此，光学系统的性能通常受到具有最小集光率的元件的限制。通常用于减小光学系统中集光率降低的技术包括提高系统的效能(lm/w)、减小光源尺寸、减小光束立体角，以及避免引入额外的孔径光阑。
用于照明系统中的传统光学器件包括各种构成，但是其离轴性能仅仅在很窄的特定范围内才能令人满意。这种及其他缺陷促使光学元件和系统的设计复杂化，这包括例如利用复杂的非球面以及大量元件的复杂组合。此外，传统照明系统中的光学器件已经表现出不足的集光特性。尤其是，如果光源的大部分输出以远离光轴的角度发出(对于大多数LED是这种情况)，则传统照明系统不能捕捉到绝大部分的这种光。
而且，传统照明系统通常具有相对较差的成像特性，这是由例如像差造成的。具体地说，对于投影和背光用途中用于将几种不同波长的光源组合起来的大多数传统反射器和/或集光器而言，都是这种情况。此外，尽管一些传统反射准直器具有可接受的集光特性，例如椭圆和抛物面反射器，但是这些反射器通常具有旋转对称偏离的特点。这种偏离通常会导致合成图像的舍入(rounding)，以及光源上的点与目标平面上的点之间缺乏整体对应性，从而造成无序和集光率的降低。

发明内容
本发明涉及包括光源组件、第一弯月透镜和第二弯月透镜的照明系统。所述第二弯月透镜的凹侧与所述第一弯月透镜的凸侧相邻，所述第一弯月透镜的凹侧面对所述光源组件，以接收从所述光源组件发出的光。所述第一弯月透镜可以与所述第二弯月透镜相接触，并且所述第一弯月透镜和所述第二弯月透镜可以由光学透明材料固定在一起。
适用于本发明的一些示例性实施例中的光源组件包括发射表面(发光表面)和设置在所述发射表面上方的基本上光学透明的圆顶。适用于本发明的其它示例性实施例中的光源组件包括发射表面和设置在所述发射表面上方的角锥体集光器。所述角锥体集光器可以具有基本上为方形的近端和基本上为矩形的远端，但是角锥体集光器的其它构成也在本发明的范围之内。
可选择的是，适用于本发明的一些示例性实施例中的光源组件包括多个彼此相邻设置的发射表面，并且第一弯月透镜的凹侧面对光源组件的发射表面。至少两个发射表面可以具有不同的颜色。例如，示例性光源组件可以具有第一颜色、第二颜色和第三颜色的发射表面，这些颜色可以是原色。
本发明还涉及包括多个光源组件和光学元件系统诸如多个弯月透镜对等的照明系统，所述每个弯月透镜对与光源组件相关联。每个第二弯月透镜的凹侧与每个第一弯月透镜的凸侧相邻，并且每个第一弯月透镜的凹侧面对相关联的光源组件。所述多个弯月透镜对可以基本上构成为双层六边形或者矩形密集阵列，所述多个光源组件设置为基本上跟随透镜的构成。
所述多个光源组件可以设置在非径向对称孔内。例如，照明系统包括成像器件，所述成像器件设置为以一定角度照明并且具有多个可以围绕枢轴线旋转的反射镜，该照明系统可以具有非径向对称孔，所述孔具有长尺寸和短尺寸，并且定向为这样，即所述长尺寸与所述成像器件的反射镜的枢轴线对准。这些实施例中的每个光源组件可以包括发射表面和基本上光学透明的圆顶，或者设置在所述发射表面上方的角锥体集光器。
在根据本发明构成的包括角锥体集光器的示例性照明系统中，每个角锥体集光器可以具有基本上为方形的近端和基本上为矩形的远端。然而，角锥体集光器的其它构成也在本发明的范围之内。根据本发明构成的照明系统可以另外包括照明目标，并且光学元件系统可以构成为将每个角锥体集光器的近端成像到所述照明目标上。
在本发明的一些示例性实施例中，每个光源组件具有多个彼此相邻设置的发射表面，因此每个第一弯月透镜的凹侧面对相关联的光源组件的发射表面。至少两个发射表面可以具有不同的颜色。例如，示例性光源组件可以具有第一颜色、第二颜色和第三颜色的发射表面，这些颜色可以是原色。利用这种光源组件的示例性照明系统可以另外包括具有第一色区、第二色区和第三色区的照明目标，并且光学元件系统可以将第一颜色、第二颜色和第三颜色的发射表面成像到照明目标的各个色区上。光学元件系统还可以包括设置在所述照明目标与所述多个弯月透镜对之间的微透镜阵列。
根据以下的详细说明以及附图，本领域技术人员将很容易明白本发明照明系统的这些及其他方面。


因此，以下将参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域普通技术人员将更容易理解如何制造和使用本发明，在附图中图1是根据本发明示例性实施例构成的照明系统的示意性横截面图；
图2A是具有相关光学元件的光源组件阵列的示意性前视图，其基本上设置为接近非对称对比度增强孔的形状；图2B是六边形密集透镜阵列的放大前视图，其可以包含在本发明的适当示例性实施例中；图3是根据本发明示例性实施例构成的照明系统的一部分的放大横截面图，其显示光源组件及相关的小透镜；图4A是根据本发明另一示例性实施例构成的照明系统的一部分的放大横截面图，其显示具有角锥体集光器和相关小透镜的光源组件；图4B是穿过示例性角锥体集光器前面的示例性光源组件的发射表面的示意性前视图；图5是根据本发明另一示例性实施例构成的照明系统的示意性横截面图，其尤其适用于背光用途；图6是根据本发明另一示例性实施例构成的照明系统的示意性横截面图，其尤其适用于投影用途；图7是本发明的示例性实施例的一部分的示意图，其显示如何使用具有不同颜色发射表面的光源组件；图8是根据本发明示例性实施例构成的照明系统的示意性横截面图，其利用了具有不同颜色发射表面的光源组件；以及图9是根据本发明另一示例性实施例构成的照明系统的示意性横截面图，其利用了具有不同颜色发射表面的光源组件。
具体实施例方式
现在参照附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1示意性显示本发明的照明系统的示例性实施例，其可以用于投影用途。图1中所示的照明系统10包括由光源72、72’、72”表示的一组光源组件12，以及光学元件系统15。一个或多个光源组件可以包括LED光源，诸如目前市场上可以买到的LED光源等。本领域普通技术人员可以理解，随着具有更高效率和输出的LED的发展和完善，这些LED将可以有利地用于本发明的示例性实施例，这是因为通常优选具有高的最大输出的LED的缘故。可选择的是，可以使用有机发光二极管(OLED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或者其它适当的发光器件。
光源组件组12可以以阵列形式构成，并且可以将光源组件(例如72、72’、72”)共同地或单独地安装到一个或多个衬底上，使得光源组件产生的热量可以容易地通过(多个)衬底的材料消散。适用于安装光源组件的衬底的实例包括印刷电路板(诸如金属芯印刷电路板等)、柔性电路(诸如具有铜迹线的聚酰亚胺膜等)、陶瓷衬底等。本领域普通技术人员可以理解，光源组件组12和单独的光源组件(例如72、72’、72”)的许多构成都在本发明的范围之内。此外，光源组件的数量和类型可以根据用途、希望的系统构成、系统的尺寸以及系统的输出亮度来改变。
在图1所示的示例性实施例中，光学元件系统15包括第一透镜组14、第二透镜组16和聚光器18，第一透镜组包括小透镜74、74’、74”，第二透镜组包括小透镜76、76’、76”。与光源组件的数量相似，透镜组14和16中小透镜的数量可以根据用途、希望的系统构成和希望的系统尺寸改变。聚光器18可以是平凸透镜或者可以包括平凸透镜。可选择的是，聚光器可以是或者可以包括弯月透镜，以便减少像差，或者根据希望的输出光特性，其可以是或可以包括任何其它类型的一个或多个透镜。光学元件系统15可以包括除聚光器18之外、或者取代聚光器18的其它组件，由此可以用于具体用途，例如其可以包括用于分离或者组合不同颜色光束的分色镜。
在本发明的适当实施例中，每个光源组件具有与其相关联的一个或多个光学元件，以便促进光的收集，并且获得希望的成像特性。例如，在图1所示的示例性实施例中，一对小透镜(一个来自透镜组14，另一个来自透镜组16)与来自光源组件组12的每个光源组件相关联。具体地说，图1显示与光源组件72相关联的小透镜74和76、与光源组件72’相关联的小透镜74’和76’，以及与光源组件72”相关联的小透镜74”和76”。透镜组14和16可以构成为具有基本上跟随光源组件组12的构成的双层密集阵列。
图2A显示光源组件组的示例性构成，其显示照明系统的理论圆形入瞳2和通过适当定位光源组件组12’而形成的非径向对称孔4，该孔表示入瞳。在利用光源与成像器件之间未插入光隧道(以下描述)并且以一定角度照射的一个或多个DMD的投影系统中，这种构成及类似构成是特别有利的。一般而言，在这些系统中，在照明角度与通过反射从反射镜框、处于OFF状态的反射镜下面以及处于平面或转变状态的反射镜散射到投影光瞳中的光量之间存在很大的相关性。增大照明角度会增大对比度，但是如果没有相应增大投影光学器件的数值孔径，也会造成照明光瞳相对于投影光瞳的偏离，从而引起渐晕。然而，如果增大投影光学器件的孔径来避免渐晕，则能够收集来自DMD周围的更多平面状态或者转变状态(既不处于ON状态也不处于OFF状态)的反射和杂散光，并且将其传递到屏幕上，从而潜在地破坏增大对比度的初始目的。
在利用电弧灯的传统照明系统中，通过在照明光瞳中放置截顶孔径光阑，以遮挡与ON状态反射光重叠的至少一部分平面状态反射光，来解决这个问题。然而，最近已经披露了可以利用非对称孔径光阑增强DMD投影系统的对比度。美国专利No.5,442,414描述了增强对比度的非对称孔，其具有长尺寸和短尺寸，其中长尺寸与反射镜的枢轴线对准，在此将该专利的内容以引用的方式并入本文。
因此，在本发明的适当的示例性实施例中，可以选择光源组件组12’的构成，使得各个光源组件基本上设置在具有最高对比度的光瞳区域之内，该光瞳区域显示为非径向对称孔4，从而保存照明能量并且减少所使用的光源组件数量。可以相应选择与光源组件相关联的光学元件组13的构成，并且优选的是该构成将跟随光源组件组12’的构成，使得光学元件组13也具有基本上接近非径向对称孔的一般形状，这如图2A所示。光源组件组和光学元件组(例如图1所示的透镜组14和16)的其它构成也在本发明的范围之内，诸如通常为矩形或方形的阵列等，这取决于具体的用途和其它考虑，诸如照明目标的形状和尺寸以及成本等。
图2B显示透镜组14和16的示例性构成58的前视图。在构成58中，透镜组14的小透镜(例如74、74’、74”)可以基本上为相同的形状和尺寸，例如基本上具有约为18mm的外径。透镜组16的小透镜(例如小透镜76、76’、76”)也可以具有基本上相同的形状和尺寸，例如短对角线约为20mm、长对角线约为23mm的基本上为六边形的形状。透镜组14的小透镜的外部尺寸应当大至足以从光源组件组12收集希望的光量，并且透镜组16的小透镜的外部尺寸应当大至足以捕捉从透镜组14射出的希望的光量。在一些示例性实施例中，透镜组14和16中的单独小透镜可以具有相同的一般形状和构成，但边缘细节除外，这是因为优选的是应当加工第二阵列以使空隙区域最小化的缘故。
透镜组14和16的小透镜(例如小透镜74、74’、74”和76、76’、76”)优选地基本上构成为如图3所示小透镜74和76的弯月透镜。图3还显示光源组件72，在本示例性实施例中光源组件72包括基部722、发射表面724和基本上光学透明的圆顶726。市场上可以买到的LED光源组件可以用于本发明的适当实施例中，这会使这种照明系统相对比较经济、紧凑而且使用方便。该发射表面724可以是或可以包括LED的一个或多个发射表面、荧光体层，或者任意其它的发光材料。本领域普通技术人员可以理解，术语“发射表面”可以用于表示光源组件的任意发光表面，诸如封装到基本上光学透明的材料中的发光半导体层或芯片的任意表面部分等。
作为一个实例，小透镜74和76的尺寸包括大约8.8mm的中心厚度、半径约为-55mm的凹面，以及半径约为-10mm、圆锥常数约为-0.55的非球面凸面(由一般非球面等式描述)。将该凸面制作成非球面的，以便减少像差，并且避免所产生的光损失。可选的是，可以将凹面也制作成非球面的。然而，这种透镜的性能会受到凸面形状的更严重的影响。但是，本领域普通技术人员容易理解，小透镜的整体形状和尺寸可以根据该系统的具体用途、构成和系统的尺寸改变。该透镜的材料优选为丙烯酸酯树脂，但是也可以使用聚碳酸酯、聚苯乙烯、玻璃或者任何其它适当的材料。一般而言，优选使用折射率较高的材料，但是最终将根据对于具体用途而言重要的因素来进行选择，诸如成本、成型性、折射率与光学胶或环氧树脂等相匹配的容易性等。
在本发明的适当实施例中，在光源组件72的前面设置具有凹侧74a和凸侧74b的小透镜74，使得凹侧74a通常面对发射表面724。设置具有凹侧76a和凸侧76b的小透镜76，使得凹侧76a与凸侧74b相邻。优选的是，小透镜76的凹侧76a与小透镜74的凸侧74b直接接触，以便使光收集效率最大化，但是在一些实施例中，小透镜可以隔开至大约4mm的距离，并且仍然具有可以接受的光收集特性。更大的间隔也在本发明的范围之内，但是如果增大该间隔而没有同时增大小透镜76的外部尺寸，则这种构成很可能会具有更低的集光效率。本领域普通技术人员可以理解，将小透镜74和76更靠近地放置在一起并且增大小透镜的76的直径通常可以收集更宽角度范围内的光，反之亦然。利用折射率与小透镜的材料基本上相匹配的适当光学胶或者环氧树脂，可以将小透镜固定在一起。
进一步参照图1和3，在本发明的一些示例性实施例中，光学元件系统15将光源组件的一个或多个发射表面(例如光源组件72的发射表面724)成像到照明目标17上。照明目标17的种类将根据具体用途改变。例如，仅仅为了举例说明，图1中所示的照明目标17为光隧道19的入口。
例如，在美国专利No.5,625,738和No.6,332,688中描述了适用于本发明的适当实施例的光隧道，在此将该两项专利的内容以引用的方式并入本文。光隧道用于使发光组件(例如72、72’、72”)的输出均匀，并且因此在利用光隧道的示例性实施例中就不再需要发射表面的精确成像。光隧道19可以是反射镜通道，例如实心或者中空的矩形通道，或者由实心玻璃棒构成的伸长通道，其依赖全内反射来使光传播通过。本领域普通技术人员将会理解，光隧道输入端和输出端的大量形状组合都是可能的。
在其它示例性实施例中，照明目标17可以是成像器件，例如DMD、液晶板、或者液晶显示器的一个或多个像素或者色区。在这些实施例中，可以得到更精确的成像。此外，如果将这些实施例用于利用一个或多个DMD的投影系统中，则会得益于将光源组件设置为基本上接近图2A中所示的对比度增强非对称孔的形状。
能够赋予光源组件的发射表面(例如光源组件72、72’、72”的发射表面)特定的形状，以提高照明系统10的性能。例如，一个或多个发射表面可以形成为基本上匹配目标17的形状。具体地说，如果目标17是光隧道19的方形入口，则光源组件的一个或多个发射表面通常也可以形成为方形。另一方面，如果目标17是高宽比约为16∶9(高清晰电视通常是这种情况)的矩形成像器件，则光源组件的一个或多个发射表面通常也可以形成为矩形，优选的是该矩形具有大约相同的高宽比。可选择的是，可以使得通常为方形的发射表面的图像密集，以便基本上填满通常为矩形的照明目标。本领域普通技术人员容易理解，发射表面和照明目标的其它一般形状也在本发明的范围之内。
进一步参照图1，光学元件系统15可以设计并构成为适当地放大发射表面的图像。典型的投影显示器的性能通常获益于或者在一些情况下甚至需要照明拼接小片(illumination patch)一定量地过度填满照明目标，在这些示例性实施例中，该照明拼接小片是由发光组件的一个或多个发射表面的叠加图像构成的。例如，对于大约20.0×12.0mm的成像器件而言，该照明拼接小片在每条轴上可以大出约10％，或者约为22.0×13.2mm。在一些示例性实施例中，例如希望使过度填满的量在所有边上基本上相同，从而适应机械偏差。在这些情况下，可以使发光组件的一个或多个发射表面的高宽比与照明目标的高宽比略微不同，以便产生具有希望的形状的图像。可选择的是，光学元件系统可以包括能够将一个或多个发射表面的一个或多个图像转变为希望的一般形状或高宽比的柱面透镜或者其它非圆形对称光学器件。而且，如果希望，可以将具有不同颜色诸如红色、绿色和蓝色或其它原色等的发射表面的图像组合起来，或者与下面表示并说明的二向色组合反射镜叠置。
图4A显示适用于本发明适当实施例的光源组件的另一种示例性构成。图4A所示的光源组件82包括基部822、一个或多个发射表面、(例如发射表面824)、以及安装在发射表面824上的短角锥体集光器827。该短角锥体集光器827优选是基本上光学透明制品，例如由丙烯酸酯树脂、聚碳酸酯、玻璃或者其它适当的材料制成，该集光器的侧面起到简单反射器的作用，用于以足够引起光在该角锥体集光器内进行全内反射的角度反射从一个或多个发射表面发出的光。
如果发射表面824是LED(其可以具有几个发射表面，即几个LED晶粒)的发射表面，则优选将该角锥体集光器827放置在所述一个或多个发射表面上面，并且利用基本上光学透明的适当粘合材料将其附着到基部822上，或者直接模制到该基部上，使得该集光器接触并且覆盖光源组件82的整个发射表面824或者多个发射表面。应当根据角锥体集光器的材料的折射率来选择粘合材料。如果粘合材料的折射率大于角锥体集光器材料的折射率，则由于在其界面处的反射会损失大部分的发射光。因此，优选的是，该粘合材料的折射率基本上匹配或者略微小于该角锥体集光器的折射率，以便促进更有效的光收集。使LED的发射表面与角锥体集光器之间的空气间隙最小化或者去除该空气间隙也可以增强集光效率。
图4B显示通过角锥体集光器827的前方观察到的光源组件的发射表面，例如发射表面824，在本示例性实施例中，该角锥体集光器具有面对发射表面824的通常为方形的近端825，和背对发射表面824的通常为矩形的远端829。对于具有边长约为1mm的通常为方形外形的发射器，诸如InGaN LED的放射表面等，角锥体集光器827的示例性适当尺寸包括边长约为1mm的通常为方形的近端825、约为4.3mm×2.4mm的通常为矩形的远端829，以及约为4至5mm的角锥体集光器高度(近端和远端之间的距离)。
在本发明的一些实施例中，使近端825的外部尺寸和形状与发射器的尺寸和形状匹配，并且将其安装到一个或多个发射表面周围，然而远端829应当是更大的矩形，例如高宽比约为16∶9(特别是用于HDTV用途)。可选择的是，远端829可以具有通常为方形的形状，并且在适当的示例性实施例中，可以堆叠这些光源组件，从而形成通常为矩形的照明器，并且相关的光学器件基本上符合该构成。本领域普通技术人员容易理解，根据发射表面的尺寸和形状、集光光学器件诸如小透镜84和86等的尺寸和形状以及其它相关的系统参数，该角锥体集光器的其它适当的尺寸和构成也在本发明的范围之内。
如果发射表面824是未表现出足够均匀性的LED发射表面，或者如果例如方形发射表面需要整形以匹配矩形照明目标或者矩形色区或像素，则使用角锥体集光器诸如角锥体集光器827等是特别有利的。此外，角锥体集光器827可以使发射表面824发出的至少一部分光重新定向，使其相对于光轴以较小角度射出角锥体集光器827，从而更易于由下游光学元件诸如透镜84和86等进行收集。在本发明的一些示例性实施例中，放置在LED发射表面顶上的角锥体集光器允许以约88％的集光率值收集LED发光总量的约70％。然而，在本发明的不同示例性实施例中，根据各个部件的尺寸和类型、系统的整体构成以及成本考虑，可以认为集光效率与集光率的其它关系也是合适的。此外，角锥体集光器827的远场输出形成了可以相互密集(如果希望，具有一定的重叠)以形成组合照明场的图案，该组合照明场尤其适用于投影和背光用途。
进一步参照图1和4A，在本发明的一些示例性实施例中，光学元件系统15将光源组件的一个或多个发射表面，例如光源组件82的发射表面824成像到照明目标17上。这种情况在图4A中由轨迹穿过角锥体集光器827的光线1表示。如图4B所示，角锥体集光器827的侧面反射至少一部分从发射表面824发出的光。该反射光造成发射表面824的图像复合，从而产生了LED图像阵列，诸如图4B中示意性表示的图像824a、824b、824c和824d等。如果将角锥体集光器827的近端825基本上安装到发射表面824周围，则当通过远端829观察时，该图像阵列密集。
因此，在一些示例性实施例中，有利的是将集光器角锥体827的远端829成像到照明目标17上。这种情况在图4A中由按照从该角锥体侧面反射的方式轨迹穿过角锥体集光器827的光线2表示。使远端829取代发射表面自身成像，允许发射表面保持其初始形状，诸如方形或者典型的市场上可以买到的LED的条纹集合，并且角锥体集光器会有效地产生矩形光图案，该图案继而可以成像到矩形照明目标上，而无需利用附加光学器件进行均匀化和整形。此外，这种构成有助于保存集光率，这是因为与从该角锥体集光器的近端到远端的面积增加成比例地减小了照明角度。
图5显示本发明的照明系统的另一个示例性实施例。该示例性实施例可以用于LCD的直接背光。具体地说，图5所示的照明系统30可以用于照明LCD 85。该照明系统30包括可以为LED光源组件的光源组件组32(例如光源组件72、72’、72”)以及光学元件系统35。在该示例性实施例中，应当使用足够数量的光源组件(例如72、72’、72”)来生成覆盖LCD 85足够表面部分的照明拼接小片，从而获得具有希望的尺寸、亮度和质量的合成图像。在该示例性实施例中，光学元件系统35包括第一透镜组34，其包括小透镜74、74’、74”；第二透镜组36，其包括小透镜76、76’、76”，并且光学元件系统35可以进一步包括准直光学器件诸如菲涅尔透镜、渐变折射率透镜等。本领域普通技术人员可以理解，光学元件系统35可以包括对于具体用途可能需要的其它附加部件。
进一步参照图5，在适当实施例中，可以使一对小透镜与每个光源组件(例如72)相关联，该小透镜对中一个来自透镜组34，另一个来自透镜组36，例如小透镜74和76。透镜组34和36可以构成为类似于图2B所示阵列的双层密集阵列，其中改变了构成58的数量和整体结构，以适应希望数量的光源组件72、72’、72”等以及所要照明的表面的形状，诸如LCD显示器85等，所述形状通常基本上为矩形或方形。透镜组34和36中的小透镜的一般形状和各自的定位，以及光源组件的一般形状和定位可以与参照图1至图4B所示的实施例所述的基本上相同，或者具有其它适当的构成。
光学元件系统35可以构成为将光源组件组32的光源组件的一个或多个发射表面成像到LCD 85的一个或多个像素(例如像素850、850’、850”)上，在这些示例性实施例中，所述像素构成了一个或多个照明目标(参见图1，元件17)。在一些示例性实施例中，优选的是，将发射表面成像到LCD 85上，同时相邻图像至少存在一定量的重叠，从而生成基本上连续的照明拼接小片。因此，在这些实施例中，发射表面的图像重叠，或者至少部分重叠，以便构成来自多个发射器的基本上均匀的图案，其中各个元件可以具有非均匀的形状。此外，在适用于直视背光的示例性实施例中，图像可以仅具有少量重叠，以至于它们基本上填满了所要照明的区域。此处，正像大多数投影用途的情况一样，不需要充分的图像重叠。可选择的是，可以将单个的发射表面成像到分立像素或者一定量的像素上。
可选择的是，光学元件系统35可以收集并处理从光源组件组32发出的光，使得光以基本上准直的状态入射到LCD 85。在本发明的该实施例中，当离轴观察LCD 85时，可以添加扩散器、散射媒质或者其它增强部件87，来增强LCD 85之下或之上的离轴可观看性。本领域普通技术人员容易理解，也可以根据具体用途的需要添加其它显示部件。此外，在照明系统30中，在光源组件的亮度、尺寸以及通道数量(此处为具有相关光学器件的单独受控光源的数量)之间寻找折衷方案。
图6示意性显示本发明照明系统的另一个示例性实施例。这种照明系统40可以用于投影系统150中。用于照明投影屏幕154的照明系统40包括光源组件组42(例如如图1至图5所示的光源组件72、72’、72”)和光学元件系统45。在图6所示的示例性实施例中，光学元件系统45包括第一透镜组44，其具有与参照图1至图5所示和所述的相类似的小透镜；第二透镜组46，其具有与参照图1至图5所示和所述的相类似的小透镜。紧跟照明系统40之后的可以是成像器件141诸如LCD透射器件等，其后是场镜143诸如菲涅尔透镜等。可以将折叠式反射镜145、149和152用于使投影系统150的光路折叠，由此提高其紧密度，所述折叠式反射镜可以是普通的前表面反射镜。投影系统还可以包括用于将成像器件141生成的图像投影到屏幕152上的投影光学器件147。
进一步参照图6，可以使小透镜对与每个光源组件相关联，该小透镜对中一个来自透镜组44，另一个来自透镜组46，例如图3所示的小透镜74和76，光源组件为例如也在图3中示出的光源组件72。透镜组44和46可以构成为与图2B所示阵列相类似的双层密集阵列，其中可以改变构成58的数量和整体结构，以使屏幕154上形成的合成图像获得希望的亮度、分辨率和尺寸。优选的是，透镜组44和46的小透镜的一般形状和尺寸，以及光源组件组42的光源组件的一般形状和尺寸与参照图1至图5所示的实施例所述的基本上相类似。图6所示的示例性实施例特别适用于大型LCD板投影用途，这是因为它们可以减少机壳的尺寸，并且利用较少的部件的缘故。
根据本发明的另一个方面，图7显示具有多种颜色的发射表面的光源组件。例如，在图7中，光源组件172包括彼此相邻放置的三个发射表面194R、194G和194B(分别为红色、绿色和蓝色，或者其它适当的原色)。这些发光组件可以是三片式LED模块，并且任意一个或多个发射表面可以是或包括LED发射表面、荧光体层，或者任何其它的发射材料。准直光学器件174和176可以包括类似于参照图1至图6所示的实施例所示并描述的小透镜，或者任何其它适当的光学元件。优选的是，每个小透镜接收来自所有三个发射表面194R、194G和194B的光。因此，可以降低照明系统的成本和尺寸，这是因为多个光源共用相同的光学器件的缘故。为了实现这个目的，发射表面194R、194G和194B应当充分接近地设置在一起。此外，发射表面应当充分接近小透镜设置，从而确保有效地收集光。
光源组件172和准直光学器件174、176构成为按照如下方式为发射表面194R、194G和194B实现准直即，使得相对于特定颜色“索引”照明。这可以通过接近准直光学器件的焦平面放置发射表面194R、194G和194B以使得不同颜色发射器的空间间隔变换为具有不同颜色的光束的角距来实现。例如，对于图7所示的布置而言，绿光可以以相对于光轴大约0度的角度射出准直光学器件，而红光可以以相对于光轴大约+2度的角度射出准直光学器件，蓝光可以以大约-2度的角度射出。
图8示意性显示本发明的照明系统的另一示例性实施例。图8所示的照明系统100包括光源组件组112，诸如光源组件172、172’、172”等，以及光学元件系统115，每个光源组件分别具有多个发射表面194R、194G、194B，194R’、194G’、194B’和194R”、194G”、194B”。在图8所示的示例性实施例中，光学元件系统115包括第一透镜组114、第二透镜组116、分色镜120R、120B和120G以及聚光器118，第一透镜组包括小透镜174、174’、174”，第二透镜组包括小透镜176、176’、176”。聚光器118可以是或可以包括优选具有非球面凸面表面的平凸透镜，还可以是或可以包括弯月透镜或者渐变折射率透镜。根据具体用途的需要，光学元件系统115除了所示元件之外、或者取代这些元件，还可以包括其它部件。
在本发明的适当实施例中，包括小透镜174、174’、174”的透镜组114和包括小透镜176、176’、176”的透镜组116可以具有与参照本发明的其它示例性实施例所述的透镜组类似的构成，或者它们可以具有适用于具体用途的其它适当构成。例如，小透镜对可以与每个光源组件相关联，其中一个小透镜来自透镜组114，另一个来自透镜组116。例如，在图8中，小透镜174和176与光源组件172相关联，小透镜174’和176’与光源组件172’相关联，小透镜174”和176”与光源组件172”相关联。如结合图7所述的那样，发射表面194R、194G、194B、194R’、194G’、194B’和194R”、194G”、194B”中的任意一个或全部可以是红色、绿色和蓝色(RGB)LED模块的发射表面、荧光体层、任何其它发射材料，或者任意数量的上述材料或其组合。
进一步参照图8，光学元件系统115可以构成为将光源组件(例如172、172’、172”)的一个或多个发射表面成像到照明目标117上。如参照其它示例性实施例所述的那样，照明目标117的种类会根据具体用途改变。例如，照明目标117可以是光隧道的入口、成像器件、LCD或者LCD的特定色区或像素。如果需要叠置的或者至少部分重叠的彩色照明拼接小片，则可以使用分色镜120R、120B和120G在照明目标117上组合不同颜色的发射表面的图像。
与本文中描述的其它示例性实施例类似，可以赋予光源组件172、172’、172”等的一个或多个发射表面194R、194G、194B、194R’、194G’、194B’、194R”、194G”、194B”等特定的形状，从而提高照明系统100的性能。例如，一个或多个发射表面可以形成为基本上匹配照明目标117的一般形状。具体地说，如果该目标117是光隧道的方形入口，则光源组件，诸如172、172’、172”等的一个或多个发射表面通常也可以形成为方形。另一方面，如果该目标117为矩形成像器件或者LCD的矩形色区或像素，则光源组件的一个或多个发射表面通常也可以形成为矩形。本领域普通技术人员容易理解，发射表面和照明目标的其它形状也在本发明的范围之内。
图9显示本发明的照明系统的另一示例性实施例。该示例性实施例可以用于LCD背光。照明系统200包括一个或多个可以为三片式LED模块的光源组件，例如光源组件272和272’，以及诸如准直透镜组等的光学元件系统，例如211和211’，其中每个准直透镜与至少一个光源组件相关联。该照明系统200可以用于照明成像器件185。在该示例性实施例中，具有不同颜色的发射表面(例如294R、294G、294B和294’R、294’G、294’B)的足够数量的光源组件(例如272和272’)应当用于覆盖成像器件185的足够表面部分，以获得具有希望尺寸和质量的合成图像，成像器件185可以是LCD显示器。该成像器件可以具有色区或者像素阵列，例如像素385R、385G、385B、385’R、385’G、385’B和385”R、385”G、385”B。
微透镜阵列165包括可以接近成像器件185设置的单独的柱透镜，诸如365、365’、365”等，该微透镜阵列可以用于将一个或多个发射表面，诸如294R、294G、294B、294R’、294G’、294B’等成像到相应的色区或像素上，诸如385R、385G、385B、385’R、385’G、385’B、385”R、385”G和385”B等。该微透镜可以是双凸或平凸透镜。在一些示例性实施例中，可以将一个或多个发射表面成像到滤色条上。在这种情况下，每个单独的微透镜将与从不同发射器发出到不同地方的不同颜色对应的光束聚焦到成像器件185上，例如成像到不同的色区或像素上。具体地说，微透镜365”可以将从发射表面294R、294G和294B发出的红色、绿色和蓝色的光束聚焦到成像器件185的色区或像素385”R、385”G和385”B上。此外，如结合其它示例性实施例所述的那样，发射表面的形状可以匹配色区或像素的形状。因此，每个光源组件可以照明成像器件的包含多个色区或像素的预定区域，从而基本上照明其有效表面。通过将所有发光模块及其组成多色发射器校正到适当的输出级，从而获得均匀性。
进一步参照图9，在一些示例性实施例中，微透镜阵列165以及像素或色区，诸如385R、385G、385B、385’R、385’G、385’B、385”R、385”G、385”B等的间距约为0.2mm。发光表面，诸如294B、294G和294R等可以是中心到中心间隔约为0.4mm的发射条，例如LED条。可以将准直透镜，诸如211和211’等小心地接合在一起，从而产生均匀的照明光束，从而对成像器件185进行照明而基本上无中断。可选择的是，发光表面之间的间隔可以约为0.6mm，并且其中微透镜之间的间距约为0.3mm，成像器件185的色区或像素之间的间距约为0.1mm。根据具体用途的需要，可以将准直透镜，诸如211、211’等和相关的光源组件，诸如272和272’等按照六边形的形状压缩，或压缩到笛卡尔格栅(cartesian grid)中。
进一步参照图9，该照明系统200产生根据其颜色角度间隔的光束。因此，可以将红光引导通过成像器件的一个或多个红色区，并且类似地，可以将蓝光和绿光分别引导通过蓝色区和绿色区。根据引导的纯度，可以对本发明的该实施例使用或者不使用滤光器。利用本发明的一些实施例，可以实现纯引导，或者基本上无串扰的引导，这是因为特定的颜色会传播到特定的像素，例如只有红光通过红色区。此外，本发明允许利用光源组件诸如LED模块等以获得最佳的远场照明分布。
本发明的方法简化了用于各种具体用途的照明系统的设计，并且允许光源组件、光学器件和成像器件的许多种不同构成。本发明的示例性实施例能够比传统系统更有效地收集来自朗伯(lambertian)型发射器诸如LED等的光。因此，更多的光可以传播到照明目标，从而产生更高的整体效率。此外，本发明的示例性实施例可以具有更好的成像特性。此外，本发明允许制造使用更少部件、紧凑、通用并且制造更容易、成本更低的照明系统。
尽管已经参照具体的示例性实施例描述了本发明的照明系统，但是本领域普通技术人员容易理解，在不背离本发明精神和范围的情况下可以对其进行改变和修改。例如，用于本发明各个实施例中的光学元件系统的尺寸和构成能够根据具体用途和照明目标的种类和尺寸改变。此外，本发明的示例性实施例可以包括同时提交的名称为“照明系统(Illumination System)”、代理备案No.59373US002的美国申请以及名称为“光源组件的整形(Reshaping Light SourceModules)”、代理备案No.59526US002的美国申请中所述的光学元件、部件和系统，在此将上述申请的内容以引用的方式并入本文。此外，如本领域普通技术人员所知，本发明预想到在根据本发明构建的照明系统的示例性实施例中包含其它光学元件。
此外，本领域普通技术人员容易理解，本发明的实施例可以与多种光源，包括白色LED、彩色LED(例如，红色、蓝色、绿色或者其它颜色)和多片式LED模块(例如RGB LED模块)一起使用。RGB LED通常允许实现最佳的彩色性能，但是白色LED对于许多用途而言都是可以接受的。
权利要求
1.一种照明系统，包括光源组件；第一弯月透镜，其具有凸侧和凹侧；以及第二弯月透镜，其具有凸侧和凹侧；其中，所述第二弯月透镜的凹侧与所述第一弯月透镜的凸侧相邻，并且所述第一弯月透镜的凹侧面对所述光源组件，以从所述光源组件接收光。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述第一弯月透镜与所述第二弯月透镜相接触。
3.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述第一弯月透镜和所述第二弯月透镜由光学透明材料固定在一起。
4.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述光源组件包括发射表面和设置在所述发射表面上方的基本上光学透明的圆顶。
5.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述光源组件包括发射表面和设置在所述发射表面上方的角锥体集光器。
6.根据权利要求5所述的照明系统，其中，所述角锥体集光器具有基本上为方形的近端和基本上为矩形的远端。
7.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述光源组件包括多个彼此相邻设置的发射表面，并且所述第一弯月透镜的凹侧面对所述光源组件的发射表面，以从所述光源组件接收光。
8.根据权利要求7所述的照明系统，其中，至少两个发射表面具有不同的颜色。
9.根据权利要求6所述的照明系统，其中，所述光源组件具有第一颜色、第二颜色和第三颜色的发射表面。
10.根据权利要求9所述的照明系统，其中，所述第一颜色、第二颜色和第三颜色是原色。
11.一种照明系统，包括多个光源组件，以及光学元件系统，其包括多个弯月透镜对，每个弯月透镜对与光源组件相关联，并且包括具有凸侧和凹侧的第一弯月透镜以及具有凸侧和凹侧的第二弯月透镜；其中，每个第二弯月透镜的凹侧与每个第一弯月透镜的凸侧相邻，并且每个第一弯月透镜的凹侧面对相关联的光源组件，以从所述光源组件接收光。
12.根据权利要求11所述的照明系统，其中，每个第一弯月透镜与每个第二弯月透镜相接触。
13.根据权利要求11所述的照明系统，其中，所述多个弯月透镜对基本上构成为双层六边形密集阵列，并且所述多个光源组件设置为基本上跟随所述构成。
14.根据权利要求11所述的照明系统，其中，所述多个弯月透镜对基本上构成为双层矩形密集阵列，并且所述多个光源组件设置为基本上跟随所述构成。
15.根据权利要求11所述的照明系统，其中，所述多个光源组件设置在非径向对称孔中。
16.根据权利要求15所述的照明系统，还包括成像器件，所述成像器件设置为以一定角度照明并且具有多个可以围绕枢轴线旋转的反射镜，其中，所述非径向对称孔具有长尺寸和短尺寸并且定向为这样即所述长尺寸与所述成像器件的反射镜的枢轴线对准。
17.根据权利要求11所述的照明系统，其中，每个光源组件包括发射表面和设置在所述发射表面上方的基本上光学透明的圆顶。
18.根据权利要求11所述的照明系统，其中，每个光源组件包括发射表面和设置在所述发射表面上方的角锥体集光器。
19.根据权利要求18所述的照明系统，其中，每个角锥体集光器具有基本上为方形的近端和基本上为矩形的远端。
20.根据权利要求19所述的照明系统，还包括成像器件，所述成像器件设置为以一定角度照明并且具有多个可以围绕枢轴线旋转的反射镜，其中，所述多个光源组件以阵列形式设置，所述阵列的形状基本上与具有长尺寸和短尺寸的非径向对称孔近似，所述非径向对称孔定向为这样即所述长尺寸与所述成像器件的反射镜的枢轴线对准。
21.根据权利要求19所述的照明系统，还包括照明目标，其中，所述光学元件系统构成为将每个角锥体集光器的远端成像到所述照明目标上。
22.根据权利要求11所述的照明系统，其中，每个光源组件包括多个彼此相邻设置的发射表面，使得每个第一弯月透镜的凹侧面对相关联的光源组件的发射表面，以从所述光源组件接收光。
23.根据权利要求22所述的照明系统，其中，至少一个光源组件的至少两个发射表面具有不同的颜色。
24.根据权利要求22所述的照明系统，其中，每个光源组件具有第一颜色、第二颜色和第三颜色的发射表面。
25.根据权利要求24所述的照明系统，其中，所述第一颜色、第二颜色和第三颜色是原色。
26.根据权利要求22所述的照明系统，还包括照明目标，所述照明目标包括第一色区、第二色区和第三色区，其中，所述光学元件系统将第一颜色、第二颜色和第三颜色的发射表面成像到所述照明目标的各个色区上。
27.根据权利要求26所述的照明系统，其中，所述光学元件系统还包括设置在所述照明目标与所述多个弯月透镜对之间的微透镜阵列。
全文摘要
本发明公开了一种光收集照明系统，其包括光源组件(72)、具有凸侧(74b)和凹侧(74a)的第一弯月透镜(74)以及具有凸侧(76b)和凹侧(76a)的第二弯月透镜(76)。第二弯月透镜(76)的凹侧(76a)与第一弯月透镜(74)的凸侧(74b)相邻，并且第一弯月透镜(74)的凹侧(74a)面对光源组件(72)，以从该光源组件接收光。此外，本发明还公开了一种光收集照明系统，其包括多个光源组件和光学元件系统，该光学元件系统包括多个弯月透镜对，每个弯月透镜对与光源组件相关联。
文档编号G02B26/00GK1914520SQ200480041559
公开日2007年2月14日 申请日期2004年12月13日 优先权日2004年2月11日
发明者阿利·R·康纳 申请人:3M创新有限公司