不同的颜色通道具有分离光路的照明系统的制作方法

专利名称：不同的颜色通道具有分离光路的照明系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及可应用于(例如)投影系统中的照明系统。更具体地说，本公开涉及不同的颜色通道具有至少部分分离光路的照明系统。
背景技术：
典型的投影系统通常包含光源、照明光学装置、一个或多个成像装置、投影光学装置和投影屏。照明光学装置收集一个或多个光源发出的光，并且将所收集的光以预定的方式导入到一个或多个成像装置中。由经过了电调节和处理的数字视频信号或其它输入数据所控制的成像装置产生与所述视频信号或数据对应的图像。然后，投影光学装置放大图像并将该图像投影到投影屏上。与颜色保持系统结合使用的白光光源(例如弧光灯)一直并仍将用作投影显示系统的主流光源。然而，近来，人们引入发光二极管(LED)作为可供选用的另一种光源。LED光源的一些优点包含较长的使用寿命、较高的效率和优异的热特性。
经常用于投影系统中的成像装置的一个例子是数字微反射镜装置或数字光处理装置(DLP)。DLP的主要特征在于可倾斜的微反射镜阵列。各反射镜的倾斜度由加载到与各反射镜相关联的存储单元中的数据单独控制，从而由反射镜控制反射光并将视频数据的像素空间映射到投影屏的像素上。处于ON状态的反射镜所反射的光通过投影光学装置并投影到屏上，从而产生明视场。另一方面，处于OFF状态的反射镜所反射的光没有进入投影光学装置，从而产生暗视场。可以用单个DLP按色序产生彩色图像，或者，可供选用的另一方式是，可以用三个DLP产生彩色图像，其中每一个DLP各自由一种原色照明。
成像装置的其它例子包含液晶面板，例如硅基液晶(LCoS)器件。在液晶面板中，按照由与视频信号对应的数据所确定的逐步递增方式(像素到像素逐渐递增)控制液晶材料的配向。随着液晶材料的配向发生变化，可以借助于液晶结构而改变入射光的偏振。因此，在适当使用偏振器或偏振分束器的情况下，可以产生与输入的视频数据对应的明暗区域。使用液晶面板以与DLP相似的方式(即采用一个LCoS器件的色序方式或者对于每一种原色使用不同的LCoS器件的方式)形成彩色图像。
另一种类型的成像装置是高温多晶硅液晶装置(HTPS-LCD)。HTPS-LCD也具有液晶层，在所述液晶层中，按照由与视频信号对应的数据所确定的逐步递增方式(像素到像素逐渐递增)控制液晶材料的配向。液晶层夹置于玻璃基板和透明电极阵列之间，从而适合用于透射模式工作。在每个HTPS-LCD像素的角上都有微薄膜晶体管。
发明概述本公开涉及一种包含不同颜色的照明通道的照明系统。每个照明通道均包含光源组，所述光源组包含至少一个具有光焦度的光学元件。这种照明系统还包含成像装置，所述成像装置被设置用来接受来自多个照明通道中的至少一个通道的照明。至少一个所述照明通道中的至少一个光学元件不与其它照明通道共用，该光学元件针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位。
另外，本公开还涉及一种包含不同颜色的照明通道的照明系统，每个照明通道均包含光源组。这种照明系统具有至少一个光学元件，所述的至少一个光学元件可以是具有光焦度的光学元件或均匀化光学元件，其被设置在一个照明通道中，所述的光学元件不与其它照明通道共用，并且针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位。这些照明系统还包含成像装置，所述成像装置被设置用来接受来自至少一个照明通道的照明。
本公开还涉及一种照明系统，该照明系统包含第一颜色照明通道和第二颜色照明通道。第一颜色照明通道包含与第一成像装置光学连接的第一光源组，而第二颜色照明通道包含与第二成像装置光学连接的第二光源组。这种照明系统还包含设置在一个照明通道中的光学元件，例如具有光焦度的光学元件或均匀化光学元件，所述光学元件不与任何其它照明通道共用，并且针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位。
另外，本公开还涉及一种照明系统，该照明系统包含第一颜色照明通道、第二颜色照明通道、成像装置和光学元件系统，所述第一颜色照明通道包含第一光源组，所述第二颜色照明通道包含第二光源组，所述成像装置与所述第一光源组和所述第二光源组光学连接。所述光学元件系统包含积分器和二向色反射镜，所述二向色反射镜置于所述第一光源组和所述积分器之间，以便将所述第一照明通道的光和所述第二照明通道的光组合。在这种照明系统中，至少一个所述光源组包含多个光源和多个光学元件，所述光源和所述光学元件被构造用来形成多个目标通道。
根据下面的详细说明以及附图，本发明的照明系统的上述这些方面和其它方面对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
附图的简要说明为了使本发明所属领域的普通技术人员更容易理解如何实施本发明以及使用本发明，下面将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方案，其中

图1示意性地示出包含根据本公开构造的示例性照明系统的3面板投影系统的一部分；图2A示意性地示出适合用于根据本公开构造的某些照明系统中的示例性的光源组，该光源组包含由六个有形反射器部分形成的反射器主体；图2B示意性地示出图2A中所示结构的光源组的横截面；图2C示意性地示出适合用于根据本公开构造的某些照明系统中的示例性的光源组，该光源组包含由四个有形反射器部分形成的反射器主体；
图3示意性地示出适合用于根据本公开构造的某些照明系统中的另一个示例性光源组的立体图，其中，LED或相似的光源与折射阵列和聚光器组合使用；图4示意性地示出适合用于根据本公开构造的某些照明系统中的另一个示例性光源组的立体图，其中，LED或相似的光源与折射阵列组合使用以形成目标通道；图5A示出与采用四个棱镜的一种细分孔径(subdividedaperture)装置组合使用的光源组的示例性的排列方式；图5B示出与采用四个棱镜的另一种细分孔径装置组合使用的光源组的示例性的排列方式；图5C示出与采用三个棱镜的一种细分孔径装置组合使用的光源组的示例性的排列方式；图6A示出光源组相对于积分器的另一种示例性的排列方式；图6B更详细地示出适合用于图6A所示排列方式中的光源组的示例性结构；图7示意性地示出包含根据本公开构造的示例性照明系统的另一种3面板投影系统的一部分；图8示意性地示出包含根据本公开构造的示例性照明系统的另一种示例性的3面板投影系统的一部分；图9A示意性地示出多向光学元件的立体图；图9B示意性地示出图9A所示的多向光学元件沿方向9B-9B的剖视图；图10示意性地示出包含根据本公开构造的示例性照明系统的单面板投影系统的一部分；图11示意性地示出包含根据本公开构造的示例性照明系统的另一种单面板投影系统的一部分；图11A示出图6A和图6B所示的具有非径向对称孔径的示例性光源组相对于与图11所示系统相似的系统中的二向色反射镜的位置；图12A表示随机偏振光的反射率与波长的图，示出平面平行板上的二向色反射涂层相对于大约12度和大约24度的两个光锥而言的性质；图12B示意性地示出图12A中所描述的二向色反射涂层相对于入射照明的取向；图13示出适合用于将具有不同色调(shade)的绿光LED组合到同一颜色通道的二向色组合器的透射模式和反射模式的性能；图14示出两组具有不同色调的绿光LED的光谱，这两组绿光LED各自位于具有图13所示性能的二向色组合器的前面(用实线表示其光谱)和后面(用点线表示其光谱)；图15示出相同类型的一组绿光LED的发射光谱(实线)和两组具有不同的颜色色调(具有偏移的峰值波长)的LED经二向色反射镜组合后的光谱(点线)的比较；图16示出通过组合具有图14和图15所示性能的两组LED而实现的净光通量增量(以小数点后的数值表示)与LED光谱的峰与峰之间的间距的函数关系的图。
发明详述本公开的示例性实施方案可以依据这样一种方式给微显示投影仪提供照明，所述方式为在至少一部分从光源或光源集合延伸到照明目标的光路中，不同颜色的照明通道是物理分开的。例如，图1示意性地示出包含根据本公开构造的示例性照明系统100的3面板投影系统10的一部分，其中，每一种颜色(这里指红色、绿色和蓝色)通道的光路的至少一部分不与其它颜色通道共用。具体而言，图1中所示的示例性照明系统100包含与不同原色对应的通道，即红色通道105、绿色通道115和蓝色通道125。适合于特定应用而采用其它颜色的光源和通道的照明系统也在本公开的范围内。
红色通道105包含红光光源组102(例如红光LED)、均匀化光学元件(例如积分器104)、中继光学装置106(例如一个或多个透镜或具有光焦度的其它光学元件)、以及成像装置108。图1所示的示例性投影系统10包含透射式成像装置(例如HTPS-LCD)，但是本公开的其它示例性实施方案可以包含反射式成像装置(例如LCoS装置或DLP)。绿色通道115包含绿光光源组112(例如绿光LED)、均匀化光学元件(例如积分器)114、中继光学装置116(例如一个或多个透镜或具有光焦度的其它光学元件)、以及成像装置118。蓝色通道125相应地包含蓝光光源组122(例如蓝光LED)、均匀化光学元件(例如积分器)124、中继光学装置126(例如一个或多个透镜或具有光焦度的其它光学元件)、以及成像装置128。
适合用在本公开的合适的示例性实施方案中的积分器在(例如)美国专利No.5,625,738和6,332,688中有所描述，该专利所公开的那些不与本公开的内容相抵触的内容以引用的方式并入本文中。积分器起到使光源组(例如102、112和122)的输出达到均匀的作用。适合用于本公开的实施方案中的积分器的例子包括反射镜隧道(例如实心或中空的长方形隧道)、或者由实心玻璃棒构成的通过全内反射来传输光的细长型隧道。本领域的那些普通技术人员可以理解积分器入口端和出口端的多种形状以及多种形状组合都在本公开的范围内。然而，在照明目标(例如成像装置)为长方形的情况下，使用其长方形出口端的纵横比与该照明目标的纵横比相同的积分器尤其有利。在本公开的某些实施方案中，中继光学装置106、116和126这样构造，使得积分器104、114和124的出口端分别成像到成像装置108、118和128上。
进一步参照图1，可以使用二向色组合器12、将透射通过红光成像装置并由其调制的光与透射通过蓝光成像装置并由其调制的光组合在一起，该二向色组合器可以是(或者可以包含)一个或多个二向色反射镜。在该示例性实施方案中，二向色组合器包含二向色反射镜12，该二向色反射镜这样构造，使得它透射可见光光谱的红色区，而对可见光光谱的蓝色区表现出相对较高的反射率。使用反射镜16和另一个二向色反射镜14，可以使透射通过绿光成像装置并由其调制的光加入到红光和蓝光的组合光束中。在该示例性实施方案中，二向色反射镜14这样构造，使得它透射可见光光谱的红色和蓝色区，而对可见光光谱的绿色区表现出相对较高的反射率。然后，经调制的红光、绿光和蓝光的组合光束由投影光学装置18(其可包含一个或多个透镜)收集，以便发送给屏幕(图中未示出)或另一光学元件、系统或装置以用于进一步处理。
如上所述，适合用于根据本公开构造的照明系统中的示例性光源包括LED。虽然可利用的输出功率较高的LED越来越多，但是大多数微显示投影照明应用需要大量LED，以便在目标平面(例如屏)上达到强度足够高的照明效果。目前典型可用的单个LED的亮度通常不足以照明典型的投影系统。因此，重要的是对大量LED的排列方式进行有效地构造并加以装配，使得LED组件发出的光以给定的光学径角(etendue)被有效地收集，然后以给定的立体角被导入到特定的照明目标区域上。
在光源组102、112和122包含LED或类似光源的情况下，所述光源可以被设置成各种结构，包括阵列、簇和其它合适的几何排列方式。在本公开的适当实施方案中，这种光源组按照与积分器(例如积分器104、114和124)形成某些几何关系的方式排列。图2A-图4示意性地示出可以有效地收集光的、各种具有合适结构和排列方式的光源组。例如，图2A、图2B和图2C示出了结合在具有光焦度的有形侧反射器组件中的LED或类似光源。示例性的有形侧反射器在共同转让的2003年11月4号提交的标题为“Side Reflector forIllumination Using Light Emitting Diode”的美国申请No.10/701,201中有所描述，该专利所公开的那些不与本公开的内容相抵触的内容以引用的方式并入本文中。
图2A示意性地示出示例性的光源组1440，该光源组具有有形反射器主体1444，所述反射器主体由六个有形反射器部分1424形成。有形反射器部分可以是中空的或实心的，并且它们可具有与(例如)椭圆体、抛物体或其它类型的旋转表面中的至少一部分相符的反射表面。光源1402相对于有形反射器部分1424这样排列，使得由光源1402发射的光被相应的有形反射器部分1424反射并导向照明目标1450上，如光线1446所示。
图2B示意性地示出图2A中所示结构的光源组的横截面，光源组1500具有有形反射器主体1504以及光源1502a和1502b，该反射器主体包含有形反射器部分1504a和1504b。每个有形反射器部分1504a和1504b由反射表面1510a或1510b形成，所述的反射表面与绕其各自旋转轴1512a和1512b而形成的旋转表面相符。光源1502a和1502b向有形反射器部分1504a和1504b发射光线1506a和1506b，所述光线分别被反射成光线1514a和1514b。光源的轴1508a和1508b通常与各自的旋转轴1512a和1512b不平行，并且这样定位，使得光线1514a和1514b导向照明目标1516。有形反射器1504a和1504b可以相对于轴1518对称布置。旋转轴1512a和1512b与反射器主体的轴1518可相交于同一交点上，也可以不相交于同一交点上，并且可以与反射器主体的轴1518成相同的角度，也可以成不同的角度。
具有有形反射器主体的光源组可以包含不同数目的有形反射器部分和不同数目的光源。例如，图2C所示的光源组1600具有由四个有形反射器部分1604形成的有形反射器主体和四个光源1602，所述的四个光源相对于所述的有形反射器部分1604排列，从而为照明目标1606提供光。在本公开的合适的实施方案中，照明目标1450、1516和1606可以是积分器(例如，积分器104、114和124)的入口端。
图3示意性地示出另一个示例性的光源组1000，其中，LED或类似的光源与折射元件阵列和聚光器组合使用。这种光源组的例子在2004年2月11日提交的共有的美国申请No.10/776,152(标题为“Illumination System”)和2004年2月11日提交的共有的美国申请No.10/776,390(标题为“Light-Collecting Illumination System”)中有所描述。这两项申请所公开的那些不与本公开的内容相抵触的内容以引用的方式并入本文中。
图3所示的光源组1000包含由诸如LED或类似光源组成的光源集合1112(图中表示为光源1172、1172’、1172”)和光学元件系统1115。光学元件系统1115包含第一透镜组1114(包含子透镜1174、1174’、1174”)、第二透镜组1116(包含子透镜1176、1176’、1176”)和聚光器1118(例如平凸透镜或其它类型的一个或多个透镜)。一对子透镜(一个属于第一组1114，一个属于第二组1116，这对子透镜可以是凹凸透镜或具有光焦度的其它光学元件)可以与光源集合1112中各自的光源相关联。光源集合1112的多种结构、单个光源的类型、透镜组1114和1116中的子透镜或具有光焦度的其它光学元件的数目和类型以及透镜组的数目都在本公开的范围内，这些取决于具体应用、所需的系统结构、系统尺度和系统的输出亮度。例如，透镜组1114和1116可以被构造成双层的密堆积阵列，或者可以具有其它合适的结构，其中，光源集合1112的结构优选基本上与透镜组的结构相符。
图4示意性地示出另一个示例性的光源组2000，其中，LED或类似光源与折射阵列、反射器组件或具有光焦度的其它光学元件组合使用，以形成将光导向照明目标(例如积分器2104的入口端2104a)的各个的目标通道。这种光源组的例子在2004年2月11日提交的共有的美国申请No.10/776,152(标题为“Illumination System”)和2004年2月11日提交的共有的美国申请No.10/776,155(标题为“Reshaping Light Source Modules and Illumination Systems Using theSame”)中有所描述。这两项申请所公开的那些不与本公开的内容相抵触的内容以引用的方式并入本文中。
图4所示的示例性实施方案具有多个独立的目标通道，其包含一个或多个与各自的光源相关联的光学元件，例如将光源发射的至少一部分光导向并聚焦在照明目标上的一个或多个透镜。具体而言，光源组2000包含光源集合2022(例如光源2072、2072’)和光学元件系统2025。例如，通过将光源集合2022以与球面成切线并沿着球面的方式排列，而对准各个目标通道。例如，可以通过将光源安装到球形表面上，并且将光源各自与虚拟球面基本上成切线地安装，或者可以通过任何其它合适的技术，来实现所述的排列。光学元件系统2025优选采用至少一个折射光学元件阵列，例如透镜2054、2054’。在这种示例性的实施方案中，一个光源及其关联的一个或多个折射元件(例如光源2072和透镜2054)形成一个目标通道。
随着具体应用、所需的系统结构和系统尺度发生改变，光源以及与光源相关联的光学元件的数目和类型都会改变。例如，在本公开的其它示例性实施方案中，每个目标通道均可以构造成如参照图2A-2C所述的那样。在这种示例性实施方案中，一个光源及其关联的有形反射器部分(例如，图2B所示的光源1502a、1502b及其各自关联的反射器部分1504a、1504b)可以形成单独的目标通道。
为了提高包含积分器的照明系统的亮度，一种用于将更多的光耦合到积分器中的技术涉及到细分积分器的入口孔径。例如，如图5A-5C中所示的那样。图5A示出与细分孔径装置3000组合在一起的光源组3100，其中，积分器3104具有被四个棱镜3144a、3144b、3144c和3144d细分的入口端3104a。在细分孔径装置3000中，每个棱镜的一个小面设置在入口端3104a之上，每一个棱镜的另一个小面可以接受来自光源装置(例如参照图2A-图4所述的装置)的光。在某些示例性装置3000中，棱镜3144a、3144b、3144c和3144d的对角面涂布有反射涂层，从而产生反射表面，各涂层可以针对具体颜色被优选构造，例如，通过使之具有特定颜色反射率的方法来构造。示例性的光源组3100包含四个如图2C所示结构的光源子组件3124a、3124b、3124c和3124d。这四个子组件这样设置，使得来自子组件3124a、3124b、3124c和3124d中的每一个子组件的光分别导向棱镜3144a、3144b、3144c和3144d的透光小面(open facet)、在棱镜的对角表面上受到反射、并通过入口端3104a导入积分器3104中。
图5B示出与细分孔径装置4000组合在一起的另一个示例性光源组4100的排列方式，其中，积分器4104具有被四个棱镜4144a、4144b、4144c和4144d细分的入口端4104a，每一个棱镜的一个小面设置成与积分器4104的入口端4104a的平面基本垂直，每一个棱镜的另一个小面背离入口端4104a。每个棱镜的对角面可以接受并反射来自光源组(例如参照图2A-图4所述的那些光源组)的光。在某些示例性装置4000中，棱镜4144a、4144b、4144c和4144d的对角面涂布有反射涂层，从而形成反射表面，各涂层可针对具体颜色被优选构造，例如，通过使之具有特定颜色反射率的方法来构造。示例性的光源组4100包含四个如图2C所示结构的光源子组件4124a、4124b、4124c和4124d。这四个子组件这样设置，使得来自子组件4124a、4124b、4124c和4124d中的每一个子组件的光分别导向棱镜4144a、4144b、4144c和4144d的对角面，并且棱镜的对角表面反射从各自的光源子组件所接收到的光、使之通过入口端4104a并导入积分器4104中。
图5C示出与细分孔径装置5000组合在一起的另一个示例性光源组5100，该细分孔径装置具有三个棱镜5144a、5144b和5144c，这三个棱镜设置在积分器5104的入口端5104a上，使得入口端5104的一部分保留为透明的，从而形成通光部分(open portion)5104d。每一个棱镜的一个小面设置在入口端5104a上，而每一个棱镜的另一个小面可以接受来自光源组(例如参照图2A-图4所述的那些光源组)的光。在某些示例性装置5000中，棱镜5144a、5144b和5144c的对角面上涂布有反射涂层，从而形成反射表面，各涂层可针对具体颜色被优选构造，例如，通过使之具有特定颜色反射率的方法来构造。
光源组5100包含四个如图2C所示结构的光源子组件5124a、5124b、5124c和5124d，前三个子组件这样设置，使得它们的光分别导向棱镜5144a、5144b和5144c的长方形透光小面、并且在棱镜的对角表面上反射、通过入口端5104a并导入积分器5104中。第四个子组件5124d这样设置，使得它的光导向通光部分5104d并进入积分器5104中。如果该积分器是实心的话，则该通光部分5104d可以涂布有抗反射涂层，该抗反射涂层针对具体颜色的照明光而被优选构造，例如通过使之具有特定颜色反射率的方法来构造。优选的是，将子组件5124d基本上沿积分器5104的纵向轴设置。
本领域的那些普通技术人员很容易理解尽管附图示出了细分成四个子孔径，但是也可以分成其它数目的子孔径，并且这种细分孔径装置也在本公开的范围内。随着具体应用、积分器的尺寸和形状、光源组的尺寸和形状以及其它因素的改变，棱镜的结构和尺寸也可以改变。例如，在细分孔径装置中使用倒梯形和四边形棱镜也在本公开的范围内。某些示例性实施方案可以包含反射镜或具有细分积分器入口端的反射表面(反射镜或TIR)的其它合适部件，这种反射镜或具有反射表面的其它合适部件可以针对具体颜色的照明光被优选构造，例如通过使用具有颜色特异性的反射涂层或抗反射涂层的方法来构造。
另外，光源组的结构(例如光源组子组件的结构、数目和位置)可以改变，以适合于具体应用的情况。在本文所述的示例性的细分孔径装置中，可以(例如)使用胶水将棱镜、反射镜或具有反射表面的其它部件安装在位于积分器的入口端之前的合适的外壳中。在某些示例性实施方案中，可以将棱镜、反射镜或其它部件安装在积分器的外壳中；可供选用的另一方式是，可以用合适的透明胶水将它们粘附到实心的积分器上，或者可以作为积分器的部件一体地形成。
图6A示出光源组相对于积分器的另一种示例性的排列方式。这种示例性的排列方式在Magarill等人的共同转让并本申请同日提交的代理机构案卷号为59729US002的美国申请(标题为“IlluminationSystem With Non-Radially Symmetrical Aperture”)中有所描述，该申请所公开的内容以引用的方式并入本文中。图6A示出示例性的照明系统90，其包含光源组92、可任选的附加集光光学装置94、积分器96、中继光学装置98和成像装置97。示例性的积分器96具有大体正方形的入口端96a和大体长方形的出口端96b。
在某些实施方案中，入口端96a的纵横比为大约1∶1，出口端96b的纵横比为大约16∶9，因此该入口端的纵横比与目前可得到的典型LED的发射表面的纵横比基本上一致，该出口端的纵横比与目前可得到的典型成像装置(例如LCoS或DLP)的纵横比基本上一致。其它示例性实施方案可以包括具有不同形状的入口端(例如该入口端为矩形，其中入口端的至少一个尺度小于出口端的相应尺度)和具有其它纵横比的出口端的积分器。在某些示例性实施方案中，中继光学装置98这样构造，使得积分器的出口端96b成像在成像装置97上。在大多数实施方案中，出口端96b的较长尺度方向应当与成像装置97的较长尺度方向基本上平行。
进一步参照图6A，光源组92这样构造，使得它具有非径向对称(通常是大体椭圆形的)孔径93，其中较短的尺度A基本上沿系统90的Y轴定位，较长的尺度B基本上沿系统90的X轴定位。在该示例性实施方案中，积分器出口端96b的较长尺度和成像装置97的较长尺度基本上沿系统90的X轴定位，而它们的较短尺度基本上沿系统90的Y轴定位。这种结构会在积分器入口端96a的空间中产生用93a表示的非径向对称的角强度分布的照明光束，该角度分布具有较长的角尺度和较短的角尺度，这与孔径93的大体形状是对应的。在这种示例性实施方案中，该角强度分布中的较长角尺度方向应当与积分器的出口端96b的较大尺度方向平行。由于该积分器96所具有的几何结构，该积分器96以这样的方式处理光束，使得光束按93b所示的径向较为对称的角强度分布从出口端96b射出。为了避免由投影光学装置导致部分光束丢失，在积分器的出口端处角分布的径向对称性更强通常是投影系统中所需的，所述角分布通常是大体圆对称的。
在积分器具有其它形状的入口端和出口端的示例性实施方案中，积分器入口端处的照明的角强度分布中的较长的角尺度方向，应当与包含这样一个维度的平面基本上平行，其中所述积分器的尺度从所述入口端到出口端的增大在该维度上增加得较多。在图6A和图6B所示的实施方案中，所述的增大得较多的方向基本上沿X轴取向，其中，积分器96的大体正方形的入口端96a的一边转变成积分器96的大体长方形的出口端96b的较长边。
图6B示出适合用于具有图6A所示的非径向对称孔径的照明系统中的光源组192的示例性结构。光源组192包含光源集合120(例如光源172、172’、172”)、第一折射元件组140(例如凹凸透镜174、174’、174”)和第二折射元件组160(例如平凸透镜或双凹透镜176、176’、176”)。在某些示例性实施方案中，第一组元件140中的元件包含具有大体圆形外形的透镜，而第二组元件160中的元件具有大体正方形或六边形的外形，从而使它们可以密堆积在一起以便使它们之间的空隙区域最小。如图6B所示，将光源集合120、第一折射元件组140和第二折射元件组160这样设置，使得形成具有大体椭圆形外形的孔径。优选的是，这种光源组这样构造，使得形成各个单独的目标通道，如参照图4所述的那样。但是，在本公开的合适实施方案中，可以使用具有不同形状和尺寸的各种合适的不同光源以及各种具有光焦度的光学元件，例如折射光学元件和反射光学元件。
图7示出本公开的另一个实施方案。图7示意性地示出包含示例性照明系统200的3面板投影系统20的一部分，在该照明系统中，每一种颜色(这里指红色、绿色和蓝色)通道的光路的至少一部分与其它颜色通道不共用。具体而言，示例性的照明系统200包含与不同的原色对应的通道，图7中示出红色通道205、绿色通道215和蓝色通道225。适合于具体应用而采用其它颜色的光源和通道的照明系统也在本公开的范围内。
红色通道205包含红光光源组(图中未示出)(例如红光LED)、均匀化光学元件(例如积分器204)、中继光学装置(例如透镜206a和206b或者具有光焦度的其它光学元件)、折叠反射镜207以及成像装置208。与图1所示的示例性相似，示例性投影系统20包含透射式成像装置(例如HTPS-LCD)。绿色通道215包含绿光光源组(图中未示出)(例如绿光LED)、均匀化光学元件(例如积分器214)、中继光学装置(例如透镜216a和216b或者具有光焦度的其它光学元件)、以及成像装置218。蓝色通道225相应地包含蓝光光源组(图中未示出)(例如蓝光LED)、均匀化光学元件(例如积分器224)、中继光学装置(例如透镜226a和226b或者具有光焦度的其它光学元件)、折叠反射镜227以及成像装置228。在本公开的某些实施方案中，将中继光学装置构造成使得积分器204、214和224的出口端成像到照明目标208、218和228上。
可以使用二向色组合器24将透射通过红光、绿光和蓝光成像装置并由红光、绿光和蓝光成像装置调制的光组合在一起，该二向色组合器优选是交叉二向色组合器(cross dichroic combiner)，例如已知的由涂有二向色涂层的直角棱镜组成的组合器。然后，经调制的红光、绿光和蓝光的组合光束由投影光学装置28(例如一个或多个透镜)收集，以便发送给屏幕(图中未示出)或另一光学元件或装置以用于进一步处理。
图8示出本公开的另一个示例性实施方案，其特别适合于与反射式成像装置(例如LCoS)一起使用。图8示意性地示出包含示例性照明系统300的3面板投影系统30的一部分，在该照明系统中，每一种颜色(这里指红色、绿色和蓝色)通道的光路的至少一部分与其它颜色通道不共用。具体而言，示例性的照明系统300包含与不同原色对应的通道，图8中示出红色通道305、绿色通道315和蓝色通道325。适合于具体应用而采用其它颜色的光源和通道的照明系统也在本公开的范围内。
红色通道305包含红光光源组(图中未示出)(例如红光LED)、均匀化光学元件(例如积分器304)、中继光学装置(例如中继透镜306a和306b或者具有光焦度的其它光学元件)、偏振分束器309以及成像装置308。中继透镜306b可以被截平(如图所示)以得到更为紧凑的系统。绿色通道315包含绿光光源组(图中未示出)(例如绿光LED)、均匀化光学元件(例如积分器314)、中继光学装置(例如透镜316a和316b或者具有光焦度的其它光学元件)、折叠反射镜317、偏振分束器319以及成像装置318。蓝色通道325相应地包含蓝光光源组(图中未示出)(例如蓝光LED)、均匀化光学元件(例如积分器324)、中继光学装置(例如透镜326a和326b或者具有光焦度的其它光学元件)、偏振分束器329以及成像装置328。
偏振分束器可以用于包含需要偏振光以进行适当操作的成像装置(例如LCoS)的示例性投影系统中。适合用于本公开的合适的示例性实施方案中的笛卡尔偏振分束器在(例如)Bruzzone等人的美国专利No.6,486,997中有所描述，该专利所公开的那些不与本公开的内容相抵触的内容以引用的方式并入本文中。这种笛卡尔偏振分束器通常包含包装在玻璃立方体中的反射偏振器。可供选用的另一方式是，可以使用传统的MacNeille或其它合适的偏振分束器。
绿色通道315和蓝色通道325二者包含多向光学元件330，该多向光学元件设置在绿色光束和蓝色光束的相交处。这种多向光学元件在Magarill等人的共同转让并与本申请同日提交的代理机构案卷号为59658US002的美国申请(标题为“Multi-Directional OpticalElement”)中有所描述，该申请所公开的内容以引用的方式并入本文中。图9A和图9B更详细地示出了构造用于图8的系统30中的多向光学元件330。图9A示出多向光学元件330的立体图，图9B示出沿图9A所示的方向截取的横截面的剖视图。
多向光学元件具有沿第一主方向相互大体相对设置的侧面352和356、以及沿第二主方向相互大体相对设置的侧面354和358。侧面352和354可以彼此相邻设置，并且可以具有第一曲率半径，而侧面356和358可以彼此相邻设置，并且可以具有第二曲率半径。多向光学元件330还可以具有两个相对的侧面353和355，这两个侧面沿第三方向相互大体相对设置。侧面352和354可以具有不同的曲率半径，侧面356和358也可以具有不同的曲率半径。根据应用，相对的侧面353和355可以基本上是平面，或者也可以是曲面。在某些实施方案中，侧面353和355具有安装表面结构，例如被适当成形的凸起、凹陷或者二者。
在多向元件330的示例性实施方案中，侧面352和354是凸的，而侧面356和358是凹的。在某些实施方案中，多向光学元件330这样构造，使得入射在侧面356上的光从与其相对的侧面352中射出，基本上沿第一方向传播，而入射在侧面358上的光从与其相对的侧面354中射出，基本上沿第二方向传播。在典型的实施方案中，光沿两个不同方向上的基本上相等的光路传播通过多向元件，并且以基本上相同的方式折射。优选的是，这两个方向彼此形成大约90度的角度，如图9B中轴X和Y所示的方向，但是可用于具体系统结构中的这两个方向之间的其它角度也在本公开的范围内。在本公开的某些实施方案中，光也可以沿第三方向传播通过多向元件330，例如从侧面353到侧面355，或者从侧面355到侧面353。
因为来自不同通道的照明光沿不同的方向传播通过多向元件，所以多向元件330可以针对这些通道的具体颜色被优选构造。例如，多向元件330在侧面356和352中的至少一个侧面上包含针对绿颜色的抗反射涂层，并且在侧面354和358中的至少一个侧面上具有针对蓝颜色的抗反射涂层。在本公开的某些实施方案中，任何一个或多个侧面的曲率对于不同颜色可以不同，从而更有效地减少色像差。因此，多向光学元件330可以帮助减少渐晕，有助于构造更小型的系统，并且有助于形成照明通道的颜色特异性的优选结构。
在本公开的某些实施方案中，将中继光学装置构造成使得各个积分器304、314和324的出口端分别成像到成像装置308、318和328上。可以使用参照图7所述的交叉二向色组合器34来组合由红光、绿光和蓝光成像装置308、318和328调制的光。然后，经调制的红光、绿光和蓝光的组合光束由投影光学装置38收集，以便发送给屏幕(图中未示出)或另一光学元件或装置以用于进一步处理。
本公开的某些实施方案这样构造，使得来自两个或多个颜色通道的光发送给单一一个成像装置。这种实施方案示于图10和图11中。图10示意性地示出包含根据本公开所构造的示例性照明系统400的单面板投影系统40的一部分，在该照明系统中，每一种颜色(这里指红色、绿色和蓝色)通道的光路的至少一部分与其它颜色通道不共用。具体而言，示例性的照明系统400包含与不同原色对应的通道，图10中示出红色通道405、绿色通道415和蓝色通道425。适合于具体应用而采用其它颜色的光源和通道的照明系统也在本公开的范围内。
红色通道405包含红光光源组(图中未示出)(例如红光LED)、均匀化光学元件(例如积分器404)、以及二向色反射镜434。绿色通道415包含绿光光源组(图中未示出)(例如绿光LED)、均匀化光学元件(例如积分器414)、以及二向色反射镜432和434。蓝色通道425相应地包含蓝光光源组(图中未示出)(例如蓝光LED)、均匀化光学元件(例如积分器424)、以及二向色反射镜432和434。二向色反射镜432这样构造，使得它透射可见光光谱的绿色区，而对可见光光谱的蓝色区表现出相对较高的反射率。因此，二向色反射镜432透射从绿光积分器414中射出的绿光，同时反射从蓝光积分器424中射出的光，从而形成绿光和蓝光的组合光束并入射在二向色反射镜434上。相应的是，二向色反射镜434透射可见光光谱的绿色和蓝色区，而对可见光光谱的红色区表现出相对较高的反射率。因此，二向色反射镜434透射从绿光和蓝光积分器中射出的绿光和蓝光，同时反射从红光积分器404中射出的红光，从而形成绿光、蓝光和红光的组合光束。
投影系统40的照明系统400还包含中继光学装置(例如中继透镜45a和45b，或者具有光焦度的其它光学元件)、折叠反射镜47(被设置在中继透镜45a和45b之间)、TIR棱镜组件44和成像装置46(例如DLP)。投影系统40还包含投影光学装置48。在本公开的某些实施方案中，照明系统可以这样构造，使得中继光学装置将积分器404、414和424的出口端成像到成像装置46上。TIR棱镜组件44(例如)通过在界面44a上的反射，而起到使得从中继光学装置中射出的光改变方向并导入到成像装置46上的作用。经成像装置46调制的光通过TIR棱镜组件44并由投影光学装置48收集，以发送给屏幕(图中未示出)或另一光学元件或装置以用于进一步处理。
图11示出单面板投影系统的另一个示例性实施方案。图11示意性地示出包含根据本公开所构造的示例性照明系统500的单面板投影系统50的一部分，在该照明系统中，每一种颜色(这里指红色、绿色和蓝色)通道的光路的至少一部分与其它颜色通道不共用。具体而言，示例性的照明系统500包含与不同原色对应的通道，图11中示出红色通道505、绿色通道515和蓝色通道525。适合于具体应用而采用其它颜色的光源和通道的照明系统也在本公开的范围内。
红色通道505包含红光光源组502(例如红光LED)、以及二向色反射镜534。绿色通道515包含绿光光源组512(例如绿光LED)、以及二向色反射镜532和534。蓝色通道525相应地包含蓝光光源组522(例如蓝光LED)、以及二向色反射镜532和534。与图10中所示的示例性实施方案一样，二向色反射镜532这样构造，使得它透射可见光光谱的绿色区，而对可见光光谱的蓝色区表现出相对较高的反射率。因此，二向色反射镜532透射从绿光光源组512中发出的绿光，同时反射从蓝光光源组522中发出的光，从而形成绿光和蓝光的组合光束并入射在二向色反射镜534上。
相应的是，二向色反射镜534透射可见光光谱的绿色区和蓝色区，而对光谱的红色区表现出较高的反射率。因此，二向色反射镜534透射从光源组512和522入射到其上的绿光和蓝光，同时反射从红光光源组502发出的红光，从而形成绿光、蓝光和红光的组合光束并入射到公共积分器52的入口上。在所示的示例性实施方案中，以参照图4所示和所述的方式构造光源组，但是其它合适结构的光源组(包含参照图2A-图3所示和所述的那些光源组)也可以用于本公开的这个实施方案和其它实施方案中。如果将光源及其关联的折射元件以大体上沿球形表面并与该球形表面相切的方式设置，则所述表面的中心优选位于积分器52的入口端处。
投影系统50的照明系统500还包含中继光学装置(例如中继透镜55a和55b，或者具有光焦度的其它光学元件)、折叠反射镜57(被设置在中继透镜55a和55b之间)、TIR棱镜组件54和成像装置56(例如DLP)。投影系统50还包含投影光学装置58。在本公开的某些实施方案中，照明系统可以这样构造，使得中继光学装置将积分器52的出口端成像到成像装置56上。TIR棱镜组件54起到使得从中继光学装置中射出的光(例如通过在面54a上的反射)改变方向并导入到成像装置56上的作用。由成像装置56调制的光通过TIR棱镜组件54并由投影光学装置58(该投影光学装置可以是或者可以包含一个或多个透镜)收集，以发送给屏幕(图中未示出)或另一光学元件、系统或装置以用于进一步处理。
在本公开的采用位于成像装置上游的二向色反射镜的示例性实施方案(例如图10和图11所示)中，将二向色反射镜设置在远心空间中，这样有助于避免色彩不均匀性或色移。另外，本公开的示例性照明系统(例如图10和图11所示的那些照明系统)可以这样构造，使得二向色反射镜的角取向造成入射角在相对较小的范围(例如大约2度或更小)内，这样通常会减少与偏振相关的反射波长和透射波长的移位。
在采用具有非径向对称孔径的光源组(例如图6A和图6B中所示的那些光源组)的示例性实施方案中，在与图11所示系统相似的系统中，光源组的较长尺度的方向应当布置成与二向色反射镜的旋转(或倾斜)轴(所述轴在图11中用R表示)基本上平行，并且与图平面大体上垂直地取向。这种取向和布置方式更详细地示于图11A中，因为光源组的较长尺度与入射光锥的较大角度对应，所以这种取向和布置方式是理想的。减少入射在二向色反射镜上的入射角的变化，可以帮助减小色移。
另外，本公开的示例性实施方案允许在玻璃/空气界面上使用二向色反射镜。这样是有利的，因为在这种结构中，随机偏振光的反射特性对入射角的依赖性减少，从而实现更有效的色彩组合。为了说明这种想法，图12A示出随机偏振光的反射率与波长的图，显示出平面平行板上的典型二向色涂层相对于大约12度和大约24度的两个光锥而言的性能。该平板与照明主光线呈大约45度的角度θ取向，如图12B所示。从图12A中显然可知，只要稍微增大入射光的锥角，二向色性(或者通过波长来分离光的能力)就会下降。另一方面，对于入射角为大约45度的随机偏振光，典型的实心玻璃二向色组合器的性能通常比较差。
如上所述，根据本公开所构造的示例性照明系统具有不同的颜色通道，使得每一种颜色(这里指红色、绿色和蓝色)通道的光路中均至少有一部分不与其它颜色通道共用。因此，不同的颜色通道不共用的光学元件就不必针对不同通道的颜色进行校色，从而明显节省了成本并提高了制造容易度。此外，对于仅位于一个颜色通道的光路中的光学元件或所述光学元件构成的系统，可以针对该照明通道的颜色进行优选构造、优选定位、或者既优选构造又优选定位。
在本公开的上下文中，术语“优选构造”和“优选定位”包括光学元件的任何特征或定位，该术语是指至少在某种程度上改善某一颜色通道的性能(例如透射性或像差校正)。更具体地说，对于光学元件，针对其照明通道的颜色优选构造或优选定位，如果将所述照明通道中的这种元件构造或定位成另一照明通道的相应元件(如果有的话)，则该通道的性能将会下降。例如，针对照明通道的颜色，可以通过对积分器涂覆具有颜色特异性的涂层来对积分器进行优选构造，与Unaxis公司研发的涂有目前可得的宽带反射SILFLEX-VISTM涂层的积分器相比较，这样其通过率可提高大约8％。
另外，或者可供选用的另一方式是，对于具有光焦度的光学元件(例如本文所示和所述的折射元件和反射元件)，可以通过涂覆具有颜色特异性的抗反射涂层或其它涂层来对该光学元件进行优选构造，这样也会提高光通过该系统的透射率。此外，对于不同的颜色通道不共用的这种光学元件或所述光学元件构成的系统，可以通过使其针对不同颜色具有不同结构的方式，针对其各自通道的颜色进行优选构造或优选定位。例如，为了减少像差，在不同的颜色通道中光学元件的形状、位置和/或数目可以不同。因此，本公开使得提高照明系统(例如用于投影应用中的照明系统)的亮度的灵活性增强。
在诸如投影电视之类的应用中，典型的照明系统应该使用具有一定比例的红、绿和蓝主分量的光，以在屏上提供所需的色温。通常，这些分量中的一个分量是系统性能的限制因素。在对于不同颜色通道具有至少部分分离的光路的某些示例性照明系统中，可以通过引入在特定颜色通道的波长范围内具有不同色调的光源(或光源集合)来得到附加亮度。每个这种光源或光源集合均具有不同的峰值波长，并且它们的照明光可以经波长选择元件(例如二向色反射镜)或者衍射光学装置(例如衍射光栅)组合。可以使用光谱比较窄的任何光源，例如，LED、激光或磷光材料。
图13示出适合用于将不同色调的绿光LED组合到同一颜色通道中的二向色反射镜的透射模式和反射模式的特性。这种二向色反射镜适合放置于LED组之间，以组合它们的照明，如已经针对本公开的适当的示例性实施方案中组合不同颜色的照明所描述的那样。该二向色反射镜被模制成32层的薄膜涂层，其主光线的入射角为大约45度，入射光锥为大约+/-6度。所示的透射曲线和反射曲线是针对P偏振而做的，这适合用于使用偏振光的LCoS系统和其它系统。图14示出两组具有不同色调的绿光LED的光谱，所述绿光LED位于具有图13所示性能的二向色反射镜之前(用实线表示其光谱)和之后(用点线表示其光谱)。所示的这两组LED光谱是通过对LuxeonTMLXHL-PM09绿光发光器(得自Lumileds Lighting公司)的测量光谱按需进行移位而得到的，使得组合光谱的平均波长提供所需的颜色。
图15示出包含同一类型的任意数目N的绿光LED的一组LED的发射光谱(实线)和两组具有不同的颜色色调(具有偏移的峰值波长)的LED(每一组具有N个LED)经二向色反射镜组合后的光谱(点线)的比较。因此，通过组合两组LED，可以得到总流明通量的净增益，如图16所示。图16示出通过组合两组具有图14和图15所示性能的LED而实现的净光通量增量计算值(以小数点后的数值表示)与LED光谱的峰与峰之间的间距的函数关系的图。不同的曲线对应于充当理想阶梯滤光器的二向色反射镜、充当用于实际应用的大约6度入射光锥半角的滤光器的二向色反射镜以及充当用于实际应用的大约12度入射光锥半角的滤光器的二向色反射镜的模拟性能。
已经发现，随着峰间距从大约0nm增大到大约40nm，以小数点后的数值表示的净光通量增量的计算值也增加。因此，对于图13-15中所描述的模拟的示例性光源(大约20nm的峰与峰之间的间距和大约6度的光锥半角)，通过使用具有不同色调的LED的照明系统，多提供了大约22％的流明。已经发现，LED的峰间距在绿色通道的色坐标未达到SMPTE C色度学所规定的标准之前可以上升到高达40nm。因此，通过产生比单个光源的光谱更宽的组合光谱，可以在损失一定量的色饱和度的情况下使更多的光耦合到系统中。因为单个典型的高亮度LED的光谱通常足够窄，使得所得到的通道的色饱和度比常规投影电视应用所需的色饱和度更好，所以可以使用额外的光谱区域来耦合来自不同色调的附加LED中的光。这样，就应当对组合光谱的宽度和可接受水平的色饱和度进行权衡。
基于图8，可以根据本公开来构造示例性的照明系统，其具有红色、绿色和蓝色通道，这些通道具有已经由模拟方法所确定的如下示例性参数。相对于参照图5C所示和所述的积分器314，构造和设置绿光光源组。图2C所示结构的每个反射器子组件包含四个LED光源1602，例如可得自Lumileds Lighting公司的LuxeonTMIII发光器LXHL-PM09。细分孔径装置(例如图5C所示的装置)包含尺寸为大约4.5×4.5×4.5mm的三个直角棱镜，这三个棱镜置于积分器314的入口孔径的前面。作为棱镜的对角面的反射表面涂布有绿光反射涂层，例如介质或金属反射涂层。
在此所述的反射器基本上是椭圆的并由丙烯酸类树脂制成，其可以是中空的或实心的。两个示例性的椭圆反射器基本上具有相同形状的带涂层的反射表面，其半径为大约10.8mm，锥体常量为大约-0.64。椭圆反射器的长轴半径为大约30mm，短轴半径为大约18mm，将LED设置在椭圆的长径上离椭圆中心大约24mm处并使之位于反射器的主焦点上。通过沿与长径成大约20度的角度截掉椭圆的四分之一来形成独立的反射器部分。在实体型的绿光反射器中，制成半径为大约2.8mm的切口以容纳LED，并且沿球形表面截断反射器，截面半径为大约24mm、并以第二焦点为圆心。所述椭圆反射器的第二焦点应当在相应棱镜的入口侧(例如小面)的中心或者积分器入口端的通光部分的中心上。
蓝色通道和红色通道具有类似结构的光源组，例如图2A中所示的那些光源组。红光光源组和蓝光光源组均包含6个LED，例如用于红色通道的LuxeonTM发光器LXHL-PD01和用于蓝色通道的LuxeonTMIII发光器LXHL-PR09。在此所述的红光反射器和蓝光反射器基本上是椭圆的并由丙烯酸类树脂制成，其可以是中空的或实心的。两个示例性的椭圆反射器基本上具有相同形状的带涂层的反射表面，其半径为大约10.5mm，锥体常量为大约-0.723。椭圆反射器的长轴半径为大约38mm，短轴半径为大约20mm，LED设置在椭圆长径上离椭圆中心大约32.1mm处。通过沿与长径成大约18度的角度截掉椭圆的四分之一来形成独立的反射器部分。在实体型的绿光反射器中，制成半径为大约2.8mm的切口以容纳LED，并且沿球形表面截断反射器，截面半径为大约32.31mm、并以第二焦点为圆心。该椭圆反射器的第二焦点应当位于其相应积分器入口端的中心上。
该示例性实施方案的所有积分器都具有相同的几何形状入口端大约9.0×9.0mm，长大约75.0mm，出口端大约9.0×16.0mm。但是，用于不同颜色通道的积分器被覆有不同的具有颜色特异性的涂层，所述涂层针对具体颜色的照明被优选构造。可以将附加的折叠反射镜插入到位于中继透镜326b和四面元件330之间的蓝色通道中以及位于中继透镜306a和306b之间的红色通道中。下面表1-5示出用于绿色、蓝色和红色通道的其它示例性光学系统的参数。
表1绿色通道

表2示例性中继透镜316b的非球面系数

表3蓝色通道

表4示例性中继透镜326b的非球面系数

表5红色通道

可供选用的另一方式是，具有红色、绿色和蓝色通道的如图8所示的照明系统的总布置可以扩展成包含LED光源组，例如绿光LuxeonTMIII发光器LXHL-PM09、红光LuxeonTM发光器LXHL-PD01和蓝光LuxeonTMIII发光器LXHL-PR09，将这些光源组针对参照图6A和图6B所示和所述的其相应的积分器进行构造和设置。红光、绿光和蓝光光源组基本上都构造成图6B所示的那样，并且每个光源组都包含沿球形表面设置的13个LED。将第一透镜和第二透镜(例如174和176)如所示的那样设置在每个LED的前面。每个第二透镜的顶点离积分器入口端96a的中心的距离为大约50.0mm。LED光源组和积分器的其它设计参数示于表6中。
表6LED光源组和积分器的设计参数

通过将LED及其关联的聚光器子组件的第一透镜和第二透镜围绕积分器入口窗进行旋转，来将光源组布置在球形表面上。XZ和YZ平面的旋转角示于表7，单位为度。
表7元件簇的角坐标

该示例性实施方案的所有积分器都具有相同的几何形状入口端大约6.1×6.1mm，长大约50.0mm，出口端大约6.1×10.7mm。但是，用于不同颜色通道的积分器被覆有不同的具有颜色特异性的涂层，所述涂层针对具体颜色被优选构造。可以将附加的折叠反射镜插入到位于中继透镜326b和四面元件330之间的蓝色通道中以及位于中继透镜306a和306b之间的红色通道中。下面表8-10示出用于绿色、蓝色和红色通道的其它示例性光学系统的参数。
表8绿色通道

表9示例性中继透镜316b的非球面系数

表10蓝色通道

表11示例性中继透镜326b的非球面系数

表12 红色通道

根据本公开构造的照明系统具有很多优点。例如，这种照明系统尤其方便与LED光源一起使用，与传统的高压汞弧灯相比较，这样可延长使用寿命、降低成本、并具有更优的环境特性，并且不发射红外光或紫外光，因此不需要UV滤光器和冷光反射镜。另外，LED由低压DC电源驱动，与驱动弧光灯的高压AC镇流器相比较，这样就使得对敏感型显示电子设备产生电干扰的可能性大大降低。此外，由于LED的带宽比较窄，所以LED在没有降低亮度的情况下提供了较好的色饱和度。
虽然已经参照特定的示例性实施方案描述了本公开的照明系统，但是本领域的那些普通技术人员将容易理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形。例如，用于本公开的各个实施方案中的光学元件系统的尺寸和结构可以根据特定应用和照明目标的性质及尺寸而改变。而且，如本领域的那些普通技术人员所知道的那样，本公开涉及在根据本公开构造的照明系统的示例性实施方案中没有附加光学元件以及包含附加光学元件的情况。例如，本公开的一些实施方案可以包含具有光焦度的附加光学元件、折叠反射镜、TIR棱镜、PBS和偏振器中的一个或多个。
本领域的那些普通技术人员还容易认识到，本公开的示例性实施方案可以与各种结构的光源组一起使用，包含(但不限于)图2A-6B中所示的结构。另外，本公开的示例性实施方案可以与各种光源一起使用。这种光源包含其它颜色的LED、有机发光二极管(OLED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和其它类型的激光二极管、磷光光源和其它合适的发光装置。
权利要求
1.一种照明系统，包含多个不同颜色的照明通道，每个照明通道均包含一个光源组，所述光源组包含至少一个具有光焦度的光学元件；以及成像装置，所述成像装置被设置用来接受来自至少一个所述照明通道的照明；其中，至少一个所述照明通道中的所述至少一个光学元件不与其它照明通道共用，并且所述光学元件针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含被结合到反射器组件中的多个光源，并且所述反射器组件是所述那至少一个针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位的光学元件。
3.如权利要求2所述的照明系统，其中，所述反射器组件包含由多个中空的或实心的有形反射器部分形成的反射器主体，每个反射器部分均与旋转表面相符。
4.如权利要求2所述的照明系统，其中，所述反射器组件的形状是针对其照明通道的颜色被优选构造的。
5.如权利要求2所述的照明系统，其中，所述反射器组件还包含针对其照明通道的颜色被优选构造的涂层。
6.如权利要求1所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个光源和多个折射光学元件，并且至少一个所述折射光学元件是所述那至少一个针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位的光学元件。
7.如权利要求6所述的照明系统，其中，至少一个所述折射光学元件的形状是针对其照明通道的颜色被优选构造的。
8.如权利要求6所述的照明系统，其中，至少一个所述折射光学元件还包含针对其照明通道的颜色被优选构造的涂层。
9.如权利要求6所述的照明系统，其中，所述多个光源和所述多个折射光学元件这样构造，使得不同的折射光学元件与各自的光源相关联。
10.如权利要求1所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个光源和多个光学元件，并且所述光源和所述光学元件被构造用来形成多个目标通道。
11.如权利要求1所述的照明系统，其中，每个照明通道还包含积分器，所述积分器设置在其相应通道的光源组和所述成像装置之间，每个积分器均具有与所述光源组光学连接的入口端以及与所述成像装置光学连接的出口端。
12.如权利要求11所述的照明系统，其中，至少一个所述积分器的所述入口端包含细分孔径装置。
13.如权利要求12所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置包含多个反射表面，并且该相应通道的光源组包含多个光源子组件，所述反射表面和所述子组件这样构造，使得来自每一个所述光源子组件的光中的至少一部分均被所述反射表面中的一个接受并反射到所述积分器中。
14.如权利要求13所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置还包含至少一个反射涂层，该反射涂层设置在至少一个所述反射表面上，并针对其照明通道的颜色被优选构造。
15.如权利要求13所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置包含多个棱镜，每个棱镜均具有两个小面和一个对角面，所述棱镜靠近所述积分器的入口端设置，并且，其中所述棱镜的所述对角面是接受来自所述光源子组件的光并使该光反射到所述积分器中的所述反射表面。
16.如权利要求15所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置还包含至少一个反射涂层，该反射涂层设置在所述棱镜的所述对角面中的至少一个上，并且针对其照明通道的颜色被优选构造。
17.如权利要求13所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置包含多个棱镜，每个棱镜均具有两个小面和一个对角面，所述棱镜靠近所述积分器的入口端设置，使得所述入口端的一部分仍为透明的，从而形成通光部分，其中所述棱镜的所述对角面是接受来自所述光源子组件的光并使该光反射到所述积分器中的所述反射表面，并且，其中该相应照明通道的所述光源组包含被构造用来照明所述通光部分的光源子组件。
18.如权利要求17所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置还包含至少一个具有颜色特异性的涂层，该涂层设置在所述棱镜的所述对角面中的至少一个上或者在所述通光部分上。
19.如权利要求11所述的照明系统，其中，至少一个所述积分器具有这样一个维度，积分器的尺度从所述入口端到出口端的增大在该维度上增加得较多，其中同一照明通道的所述光源组被构造用来形成具有较长尺度和较短尺度的非径向对称的孔径，从而产生具有非径向对称角强度分布的照明，所述角强度分布具有较长的角尺度和较短的角尺度，并且，其中在所述积分器入口端处，所述角强度分布中的较长的角尺度方向与所述积分器的尺度增加得较多的那个维度基本上平行。
20.如权利要求11所述的照明系统，其中，至少一个所述积分器是针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位的。
21.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述照明系统还包含二向色组合器，所述二向色组合器设置在所述成像装置和所述积分器之间，以便将至少两个所述照明通道的照明组合到所述的成像装置上。
22.如权利要求11所述的照明系统，其中，所述照明系统还包含一个或多个设置在所述积分器的出口端和所述成像装置之间的下列元件中继光学装置、TIR棱镜、PBS、折叠反射镜和偏振器。
23.如权利要求1所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含与其相应通道的颜色的色调不同的光源。
24.如权利要求1所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个第一色调的光源、多个第二色调的光源以及用于将所述第一色调的光和所述第二色调的光组合起来的二向色组合器。
25.如权利要求24所述的照明系统，其中，所述第一色调的光源发射具有第一峰值波长的光，所述第二色调的光源发射具有第二峰值波长的光，并且，其中所述第一峰值波长和所述第二峰值波长之间的间距不超过大约40nm。
26.如权利要求1所述的照明系统，所述照明系统还包含积分器，所述积分器设置在所述光源组和所述成像装置之间，所述积分器具有与所述光源组光学连接的入口端以及与所述成像装置光学连接的出口端。
27.如权利要求26所述的照明系统，所述照明系统还包含二向色组合器，所述二向色组合器设置在所述光源组和所述积分器的入口端之间，以便将来自至少两个照明通道的照明组合到所述积分器中。
28.如权利要求26所述的照明系统，其中，所述积分器具有这样一个维度，积分器的尺度从所述入口端到出口端的增大在该维度上增加得较多，其中至少一个光源组被构造用来形成具有较长尺度和较短尺度的非径向对称孔径，并且，其中所述孔径的所述较长的尺度方向、所述二向色反射镜的旋转轴以及所述积分器的尺度增加得较多的那个维度基本上平行。
29.一种投影系统，包含如权利要求1所述的照明系统以及与所述成像装置光学连接的投影光学装置。
30.一种照明系统，包含多个不同颜色的照明通道，每个照明通道均包含一个光源组；选自具有光焦度的光学元件和均匀化光学元件中的至少一个光学元件，该光学元件设置在所述照明通道中的一个通道中，所述的光学元件不与其它照明通道共用，并且针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位；以及成像装置，所述成像装置被设置用来接受来自至少一个所述照明通道的照明。
31.如权利要求30所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含被结合到反射器组件中的多个光源。
32.如权利要求31所述的照明系统，其中，所述反射器组件包含由多个中空的或实心的有形反射器部分形成的反射器主体，每个反射器部分均与旋转表面相符。
33.如权利要求30所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个光源和多个折射光学元件。
34.如权利要求33所述的照明系统，其中，所述多个光源和所述多个折射光学元件这样构造，使得不同的折射光学元件与各自的光源相关联。
35.如权利要求30所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个光源和多个光学元件，并且其中所述光源和所述光学元件被构造用来形成多个目标通道。
36.如权利要求30所述的照明系统，其中，所述被优选构造或优选定位的光学元件具有针对其照明通道的颜色被优选构造的形状。
37.如权利要求30所述的照明系统，其中，所述被优选构造或优选定位的光学元件包含具有颜色特异性的涂层。
38.如权利要求30所述的照明系统，其中，所述被优选构造或优选定位的光学元件是折射光学元件或反射光学元件。
39.如权利要求30所述的照明系统，其中，所述被优选构造或优选定位的光学元件是积分器，所述积分器设置在其相应通道的光源组和成像装置之间，所述积分器具有与所述光源组光学连接的入口端以及与所述成像装置光学连接的出口端。
40.如权利要求39所述的照明系统，其中，所述积分器的所述入口端包含细分孔径装置。
41.如权利要求40所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置包含多个反射表面，并且所述相应通道的光源组包含多个光源子组件，所述反射表面和所述子组件这样构造，使得来自每一个所述光源子组件的光中的至少一部分均被所述反射表面中的一个接受并反射到所述积分器中。
42.如权利要求41所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置还包含至少一个反射涂层，该反射涂层设置在至少一个所述的反射表面上，并针对其照明通道的颜色被优选构造。
43.如权利要求41所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置包含多个棱镜，每个棱镜均具有两个小面和一个对角面，所述的棱镜靠近所述积分器的入口端设置，并且，其中所述棱镜的所述对角面是接受来自所述光源子组件的光并使该光反射到所述积分器中的所述反射表面。
44.如权利要求43所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置还包含至少一个反射涂层，该反射涂层设置在所述棱镜的所述对角面中的至少一个上，并且针对其照明通道的颜色被优选构造。
45.如权利要求41所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置包含多个棱镜，每个棱镜均具有两个小面和一个对角面，所述的棱镜靠近所述积分器的入口端设置，使得所述入口端的一部分仍为透明的，从而形成通光部分，其中所述棱镜的所述对角面是接受来自所述光源子组件的光并使该光反射到所述积分器中的所述反射表面，并且，其中相应照明通道的所述光源组包含被构造用来照明所述通光部分的光源子组件。
46.如权利要求45所述的照明系统，其中，所述的细分孔径装置还包含至少一个具有颜色特异性的涂层，该涂层设置在所述棱镜的所述对角面中的至少一个上或者在所述通光部分上。
47.如权利要求39所述的照明系统，其中，所述积分器具有这样一个维度，积分器的尺度从所述入口端到出口端的增大在该维度上增加得较多，其中同一照明通道的所述光源组被构造用来形成具有较长尺度和较短尺度的非径向对称孔径，从而产生具有非径向对称角强度分布的照明，所述角强度分布具有较长的角尺度和较短的角尺度，并且，其中所述角强度分布中的较长的角尺度方向与所述积分器的尺度增加得较多的那个维度基本上平行。
48.如权利要求30所述的照明系统，其中，所述照明系统还包含一个或多个设置在所述光源组和所述的成像装置之间的下列元件中继光学装置、TIR棱镜、PBS、折叠反射镜和偏振器。
49.如权利要求30所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含与其相应通道的颜色的色调不同的光源。
50.如权利要求30所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个第一色调的光源、多个第二色调的光源以及用于将所述第一色调的光和所述第二色调的光组合起来的二向色组合器。
51.如权利要求50所述的照明系统，其中，所述第一色调的光源发射具有第一峰值波长的光，所述第二色调的光源发射具有第二峰值波长的光，并且，其中所述第一峰值波长和所述第二峰值波长之间的间距不超过大约40nm。
52.一种照明系统，包含第一颜色照明通道，所述第一颜色照明通道包含与第一成像装置光学连接的第一光源组；第二颜色照明通道，所述第二颜色照明通道包含与第二成像装置光学连接的第二光源组；以及选自具有光焦度的光学元件和均匀化光学元件中的光学元件，该光学元件设置在所述照明通道中的一个通道中，并且不与任何其它照明通道共用，所述的光学元件针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位。
53.如权利要求52所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含被结合到反射器组件中的多个光源。
54.如权利要求53所述的照明系统，其中，所述反射器组件包含由多个中空的或实心的有形反射器部分形成的反射器主体，每个反射器部分均与旋转表面相符。
55.如权利要求53所述的照明系统，其中，所述反射器组件是针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位的所述光学元件。
56.如权利要求52所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个光源和多个折射光学元件。
57.如权利要求56所述的照明系统，其中，至少一个所述的折射光学元件是针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位的所述光学元件。
58.如权利要求52所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个光源和多个光学元件，并且其中所述光源和所述光学元件被构造用来形成多个目标通道。
59.如权利要求52所述的照明系统，其中，所述被优选构造或优选定位的光学元件具有针对其照明通道的颜色被优选构造的形状。
60.如权利要求52所述的照明系统，其中，所述被优选构造或优选定位的光学元件包含具有颜色特异性的涂层。
61.如权利要求52所述的照明系统，其中，所述被优选构造或优选定位的光学元件是折射光学元件或反射光学元件。
62.如权利要求52所述的照明系统，其中，所述被优选构造或优选定位的光学元件是积分器，所述积分器设置在所述照明通道的一个中并位于该通道的光源组和该通道的所述成像装置之间，所述积分器具有与所述光源组光学连接的入口端以及与相应通道的所述成像装置光学连接的出口端。
63.如权利要求52所述的照明系统，所述照明系统还包含一个或多个设置在所述光源组和所述成像装置之间的下列元件中继光学装置、TIR棱镜、PBS、折叠反射镜和偏振器。
64.如权利要求52所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含与其相应通道的颜色的色调不同的光源。
65.如权利要求52所述的照明系统，其中，至少一个所述光源组包含多个第一色调的光源、多个第二色调的光源以及用于将所述第一色调的光和所述第二色调的光组合起来的二向色组合器。
66.如权利要求65所述的照明系统，其中，所述第一色调的光源发射具有第一峰值波长的光，所述第二色调的光源发射具有第二峰值波长的光，并且，其中所述第一峰值波长和所述第二峰值波长之间的间距不超过大约40nm。
67.如权利要求52所述的照明系统，其中，所述第一照明通道还包含设置在所述第一光源组和所述第一成像装置之间的第一积分器，所述第一积分器具有与所述第一光源组光学连接的入口端以及与所述第一成像装置光学连接的出口端，并且，其中所述第二照明通道还包含设置在所述第二光源组和所述第二成像装置之间的第二积分器，所述第二积分器具有与所述第二光源组光学连接的入口端以及与所述第二成像装置光学连接的出口端。
68.如权利要求67所述的照明系统，其中，所述第一积分器和所述第二积分器中的至少一个的所述入口端包含细分孔径装置。
69.如权利要求67所述的照明系统，其中，所述第一积分器和所述第二积分器中的至少一个具有这样一个维度，积分器的尺度从所述入口端到出口端的增大在该维度上增加得较多，其中同一照明通道的所述光源组被构造用来形成具有较长尺度和较短尺度的非径向对称孔径，从而产生具有非径向对称的强度分布的照明，所述强度分布具有较长的角尺度和较短的角尺度，并且，使得所述积分器入口端处的照明的较长的角尺度方向与所述积分器的尺度增加得较多的那个维度基本上平行。
70.如权利要求67所述的照明系统，其中，所述第一积分器和所述第二积分器中的至少一个是针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位的所述光学元件。
71.如权利要求67所述的照明系统，其中，所述第一照明通道还包含设置在所述第一积分器和所述第一成像装置之间的第一中继光学装置，并且，所述第二照明通道还包含设置在所述第二积分器和所述第二成像装置之间的第二中继光学装置。
72.如权利要求71所述的照明系统，其中，所述第一中继光学装置和所述第二中继光学装置中的至少一个是针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位的。
73.如权利要求52所述的照明系统，其中，所述第一照明通道和所述第二照明通道还包含多向光学元件，所述多向光学元件设置在所述第一光源组和所述第一成像装置之间以及所述第二光源组和所述第二成像装置之间，使得来自所述第一光源组的光被所述多向光学元件沿第一方向折射，并且使得来自所述第二光源组的光被所述多向光学元件沿第二方向折射。
74.如权利要求73所述的照明系统，其中，所述第一方向与所述第二方向成大约90度的角度。
75.如权利要求73所述的照明系统，其中，所述多向光学元件是针对所述第一照明通道的颜色被优选构造或沿所述第一方向优选定位的。
76.如权利要求73所述的照明系统，其中，所述多向光学元件是针对所述第二照明通道的颜色被优选构造或沿所述第二方向优选定位的。
77.如权利要求52所述的照明系统，所述照明系统还包含第三光源组以及与所述第三光源组光学连接的第三成像装置。
78.如权利要求77所述的照明系统，所述照明系统还包含具有入口端和出口端的第三积分器，所述第三积分器这样设置，使得其入口端与所述第三光源组光学连接，其出口端与所述第三成像装置光学连接。
79.如权利要求78所述的照明系统，其中，所述第三积分器是针对所述第三照明通道的颜色被优选构造或优选定位的。
80.如权利要求78所述的照明系统，所述照明系统还包含设置在所述第三积分器的出口端和所述第三成像装置之间的第三中继光学装置。
81.如权利要求80所述的照明系统，其中，所述的第三中继光学装置包含平截式折射光学元件。
82.如权利要求80所述的照明系统，其中，所述的第三中继光学装置是针对所述第三照明通道的颜色被优选构造或优选定位的。
83.一种照明系统，包含第一颜色照明通道，所述第一颜色照明通道包含第一光源组；第二颜色照明通道，所述第二颜色照明通道包含第二光源组；光学元件系统，所述光学元件系统包含具有入口端的积分器和第一二向色反射镜，所述第一二向色反射镜设置在所述第一光源组和所述积分器之间，以便将所述第一照明通道和所述第二照明通道的照明组合起来；以及成像装置，所述成像装置与所述第一光源组和所述第二光源组光学连接；其中，至少一个所述光源组包含多个光源和多个光学元件，所述光源和所述光学元件被构造用来形成多个目标通道。
84.如权利要求83所述的照明系统，其中，所述照明系统还包含第三颜色照明通道，所述第三颜色照明通道包含第三光源组和第二二向色反射镜，所述第二二向色反射镜设置在所述积分器和所述第一二向色反射镜之间，以便将所述第三颜色的照明与所述第一颜色及所述第二颜色的照明组合起来。
85.如权利要求83所述的照明系统，其中，所述的多个光源基本上沿球形表面设置，所述的球形表面以所述积分器的入口端为中心，并且所述的多个光学元件包含多个折射光学元件。
86.如权利要求83所述的照明系统，其中，所述的多个光学元件包含有形反射器组件，并且所述多个光源被结合到所述的反射器组件中。
全文摘要
本发明披露照明系统，该照明系统包含不同颜色的照明通道和至少一个成像装置。每个照明通道又包含光源组，所述成像装置被设置用来接受来自至少一个照明通道的照明。至少一个照明通道包含不与任何其它照明通道共用的光学元件，例如具有光焦度的光学元件或均匀化光学元件，并且该光学元件针对其照明通道的颜色被优选构造或优选定位。
文档编号H04N9/31GK1954618SQ200580015413
公开日2007年4月25日 申请日期2005年3月21日 优先权日2004年5月14日
发明者西蒙·马加里尔, 托德·S·拉瑟福德 申请人:3M创新有限公司