專利名稱：具有非徑向?qū)ΨQ孔徑的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可應(yīng)用于例如投影系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及在進入積分器之前光束具有非徑向?qū)ΨQ角強度分布的照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
典型的投影系統(tǒng)包含光源、照明光學(xué)裝置、一個或多個成像裝置、投影光學(xué)裝置和投影屏幕。照明光學(xué)裝置收集一個或多個光源發(fā)出的光，并且將所收集的光以預(yù)定的方式引導(dǎo)至到一個或多個成像裝置。由經(jīng)過了電子調(diào)節(jié)和處理的數(shù)字視頻信號或其它輸入數(shù)據(jù)所控制的成像裝置產(chǎn)生與所述視頻信號或數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖像。然后，投影光學(xué)裝置放大圖像并將該圖像投影到投影屏幕上。與顏色保持系統(tǒng)結(jié)合使用的白光光源(例如弧光燈)一直并仍將用作投影顯示系統(tǒng)的主流光源。然而，近來，人們引入發(fā)光二極管(LED)作為可選光源。LED光源的一些優(yōu)點包含更長的使用壽命、更高的效率和優(yōu)異的熱特性。
常用于投影系統(tǒng)中的成像裝置的例子包括數(shù)字微反射鏡裝置、數(shù)字光處理裝置(DLP)、硅基液晶(LCoS)器件和高溫多晶硅液晶裝置(HTPS-LCD)。常用的投影系統(tǒng)的照明光學(xué)裝置通常包括積分器。積分器通常起到通過其內(nèi)壁上的反射而使進入其輸入端的光均勻化的作用。目前已知的積分器包括反射鏡隧道(例如實心或者中空的矩形隧道)以及由實心玻璃棒構(gòu)成的通過全內(nèi)反射傳輸光的細長型隧道。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)包括具有非徑向?qū)ΨQ孔徑的光源或者光源組。所述孔徑具有較長尺度和較短尺度，因此所述光源或者光源組產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ的角強度分布的照明光，所述角強度分布具有較長的角尺度(角維度，dimension)和較短的角尺度。該照明系統(tǒng)還包括積分器，所述積分器具有入口端和出口端，所述入口端與所述光源或光源組光學(xué)連接，并且所述積分器具有這樣一個尺度(維度，dimension)，該尺度從所述入口端到所述出口端的增加量更大。所述積分器這樣設(shè)置，使得所述積分器的增加量更大的尺度與產(chǎn)生在所述積分器的入口端處的照明光的較長的角尺度基本上朝向同一方向。
本發(fā)明還涉及包括多個光源組的照明系統(tǒng)，每一個光源組具有非徑向?qū)ΨQ的孔徑，所述孔徑具有較長尺度和較短尺度。所述光源組產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ的角強度分布的照明光，所述角強度分布具有較長的角尺度和較短的角尺度。這種照明系統(tǒng)還包括積分器，所述積分器具有入口端和出口端，所述入口端與所述光源組光學(xué)連接，所述出口端具有較長尺度和較短尺度。所述積分器和所述光源組這樣設(shè)置，使得所述積分器的出口端的較長尺度與產(chǎn)生在所述積分器的入口端處的照明光的各自較長的角尺度基本上朝向同一方向。
根據(jù)下面的詳細說明以及附圖，本發(fā)明的照明系統(tǒng)的上述這些方面和其它方面對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。
附圖的簡要說明為了使本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更容易理解如何實施本發(fā)明以及使用本發(fā)明，下面將參照附圖詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例，其中

圖1是包括基本上為梯形的積分器的已知照明系統(tǒng)的示意性透視圖；圖2A至圖2C表示在三個不同長度的梯形積分器中用反向光線追蹤法得到的梯形積分器入口端處光的角強度分布，其對應(yīng)于出口端處的圓形的角強度分布；圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的示例性照明系統(tǒng)的示意性透視圖；圖3A是適用于圖3所示示例性照明系統(tǒng)中的光源組的示例性結(jié)構(gòu)的透視圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的另一個示例性照明系統(tǒng)的示意性剖視圖；圖4A示出在與圖4所示系統(tǒng)相似的系統(tǒng)中具有非徑向?qū)ΨQ孔徑的示例性光源組相對于二向色反射鏡的位置；圖5示出適合用于將具有不同色調(diào)(shade)的綠光LED組合到同一顏色通道中的二向色組合器的模擬透射和反射性能特性；圖6示出兩組具有不同色調(diào)的綠光LED的光譜，這兩組綠光LED各自位于二向色組合器的前面(用實線表示其光譜)和后面(用點線表示其光譜)；圖7示出相同類型的一組綠光LED的發(fā)射光譜(實線)和兩組具有不同色調(diào)(具有偏移的峰值波長)的LED經(jīng)過二向色反射鏡組合之后的光譜(點線)的比較；以及圖8示出通過組合兩組LED而實現(xiàn)的凈光通量的小數(shù)點后的數(shù)值增量(fractional increase)與LED光譜的峰對峰間距的函數(shù)關(guān)系。
發(fā)明詳述現(xiàn)在參照附圖，在這些附圖中相同的標記表示相似的元件，圖1示出傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)10。該照明系統(tǒng)10包括具有基本圓形對稱的孔徑13的光源12、集光光學(xué)裝置14、積分器16、中繼光學(xué)裝置18和照明目標17例如成像裝置。在某些傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)中，積分器16具有梯形的形狀，例如，具有大體正方形的入口端16a和大體矩形的出口端16b。這種梯形積分器16將通過其中的光的角強度分布整形，從而將入口端16a處的大體圓形對稱的角強度分布(如13a所示)轉(zhuǎn)變?yōu)榉e分器出口端16b處的非徑向?qū)ΨQ(通常為橢圓形)的角強度分布(如13b所示)。由于常用的投影光學(xué)裝置(圖中未示出)例如一個或者多個透鏡是圓形的，所以，積分器出口端處的非徑向?qū)ΨQ角強度分布的光可能會被該投影光學(xué)裝置削掉一些(clipping)，從而導(dǎo)致光損失，要不然這些損失的光將導(dǎo)向觀看者、投影屏幕等等。
假如需要在梯形積分器的出口端處得到大體圓形對稱的角強度分布，可以通過反向光線追蹤法確定積分器入口端處的角強度分布，該角強度分布導(dǎo)致在出口端處產(chǎn)生這種大體圓形對稱的角強度分布。例如，對于具有約6.1×6.1mm的大體正方形入口端和約16.0×13.0mm的大體矩形出口端的空心積分器，如果其入口端處的角強度分布大體上如圖2A至圖2C所示，則在出口端處得到角度范圍為大約±12.7度的大體圓形對稱的角強度分布。圖中所表示的非徑向?qū)ΨQ(這里，大體橢圓形)的形狀具有較長的角尺度和較短的角尺度，使得該較長的角尺度與積分器出口端的較長尺度基本上朝向同一方向。圖2A示出了對長度約75mm的積分器通過反向光線追蹤得到的結(jié)果，其中，發(fā)現(xiàn)較長的角尺度為約±35度，較短的角尺度為約±28度。圖2B和圖2C分別示出對長度約100mm和200mm的積分器通過反向光線追蹤得到的結(jié)果。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的示例性照明系統(tǒng)20的示意性透視圖，使得光在積分器入口端處充滿由圖2A至圖2C中所示的形狀表示的角空間。該示例性照明系統(tǒng)20包括光源或者光源組22、積分器26和照明目標27例如成像裝置。在某些實施例中，該照明系統(tǒng)還包括可任選的集光光學(xué)裝置24和可任選的中繼光學(xué)裝置28中的一個或者二者。
如圖3所示的積分器26具有大體正方形的入口端26a和大體矩形的出口端26b，但是入口端和出口端的形狀可以改變。例如，入口端26a可以具有大體矩形的形狀，其中至少一個尺度小于出口端26b的至少一個尺度，并且，在某些實施例中，出口端26b可以具有大體正方形的形狀，其中一邊大于入口端26a的至少一個尺度。圖3所示的結(jié)構(gòu)特別適用于這樣一種情況其中，一個或多個光源具有正方形的發(fā)射表面，并且，照明目標例如成像裝置具有矩形的形狀。因此，積分器入口端的形狀可以與發(fā)射表面中的一個或者多個形狀相匹配，而出口端的形狀可以與照明目標的形狀相匹配。
在大多數(shù)的實施例中，出口端26b的較長尺度應(yīng)當與成像裝置27的較長尺度基本上朝向同一方向。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易認識到，這樣的尺度可以實現(xiàn)在照明目標附近所需的匹配狀態(tài)，例如使用折疊反射鏡或者其他改變光方向的光學(xué)裝置(direction-alteringoptics)的情況。在某些示例性實施例中，出口端26b具有與照明目標27基本上相同的縱橫比，例如約16∶9，該值是對應(yīng)于典型的成像裝置例如LCoS或者DLP的情況。在包括中繼光學(xué)裝置28的示例性實施例中，中繼光學(xué)裝置可以構(gòu)造用來將積分器出口端26b成像于照明目標27上。通常，照明系統(tǒng)20這樣構(gòu)造，使得落入照明目標27上的照明光大于照明目標區(qū)的面積，例如超出約3％到約10％(按面積計算)。在某些示例性實施例中，置于積分器26之前的光學(xué)元件可以構(gòu)造用來使一個或多個光源22的一個或多個發(fā)射表面成像于積分器26的入口端26a上。
進一步參照圖3，光源或光源組22這樣構(gòu)造，使得它具有非徑向?qū)ΨQ(優(yōu)選為大體橢圓形的)孔徑23，其中較短的尺度A基本上沿系統(tǒng)20的Y軸定位，較長的尺度B基本上沿系統(tǒng)20的X軸定位。在該示例性實施例中，積分器出口端26b的較長尺度和照明目標諸如27成像裝置的較長尺度基本上沿系統(tǒng)20的X軸定位，而它們的較短尺度基本上沿系統(tǒng)20的Y軸定位。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易認識到，光源或者光源組22的適當尺度以及積分器26的尺度應(yīng)當適當定位，以便在積分器的入口端處產(chǎn)生所需的角強度分布。對于使用折疊反射鏡或者其他改變光方向的光學(xué)裝置的情況就是這樣。
與圖3所示結(jié)構(gòu)相似的光源組在積分器的入口端26a的空間中產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ角強度分布的光束，如23a所示。該角強度分布23a具有與孔徑23的較長尺度B對應(yīng)的較長的角尺度和與孔徑23的較短尺度A對應(yīng)的較短的角尺度。在所示的該示例性實施例中，照明光的角強度分布的較長的角尺度與積分器26的出口端26b的較長尺度基本上朝向同一方向。這樣的尺度可以使得在積分器26的入口端26a處實現(xiàn)匹配，例如使用折疊反射鏡或者其他改變光方向的光學(xué)裝置的情況。該積分器26以這樣的方式處理光束，使得光束從出口端26b射出，成為23b所示的角強度分布的徑向?qū)ΨQ性更強的光束。
在積分器具有其它形狀的入口端和出口端的示例性實施例中，積分器入口端處照明光的角強度分布的較長的角尺度應(yīng)當與包含積分器的這樣一個尺度的平面基本上平行，該尺度從入口端到出口端的增加量更大。在圖3所示的實施例中，所述的增加量更大的方向基本上沿X軸取向，其中，積分器26的大體正方形的入口端26a的一邊轉(zhuǎn)變成積分器26的大體矩形的出口端26b的較長邊。
圖3A示出適合用于圖3所示系統(tǒng)中的光源組122的示例性結(jié)構(gòu)以及該光源組相對于梯形積分器126的位置。光源組122包含光源集合112(例如光源172、172’、172”)、第一折射元件組114(例如凹凸透鏡174、174’、174”)和第二折射元件組116(例如平凸透鏡或雙凸透鏡176、176’、176”)。在某些示例性實施例中，第一折射元件組114中的元件可以包含大體圓形外形的透鏡，而第二折射元件組116中的元件可以包含至少一些具有大體正方形或六邊形外形的透鏡，從而使它們可以密堆積在一起以便使它們之間的空隙區(qū)域最小。如圖3A所示，將光源集合112、第一折射元件組114和第二折射元件組116這樣設(shè)置，使得形成具有大體橢圓形外形的孔徑，將其置于積分器126的大體正方形的入口端126a的前面，使得大體橢圓形的孔徑的較長尺度與積分器的大體矩形的出口端126b的較長尺度大體上朝向同一方向，在該示例性實施例中，出口端126b的較長尺度還對應(yīng)于積分器126的從入口端126a到出口端126b的增加量更大的尺度。
在某些示例性實施例中，光源組122還構(gòu)造用來形成單獨的目標通道，所述目標通道包括一個或者多個與每個光源相關(guān)聯(lián)的光學(xué)元件，例如一個或者多個透鏡，所述透鏡將光源發(fā)射的至少一部分光引導(dǎo)并聚焦于積分器的入口端126a上。這種光源組的示例性結(jié)構(gòu)在Magarill等人的共同轉(zhuǎn)讓并同時提交的代理機構(gòu)案卷號為59637US002的美國專利申請(標題為“Illumination Systems WithSeparate Optical Paths for Different Color Channels”)中有所描述，在與本發(fā)明一致的范圍內(nèi)將該專利的內(nèi)容以引用的方式并入本文。具體而言，在光源組122中，成對的折射光學(xué)元件(例如174和176，174’和176’，174”和176”)分別與光源集合112中的一個光源(例如172，172’，172”)相關(guān)聯(lián)。各個通道通過如下方式來對準，例如，將光源集合112沿著曲面(例如以積分器入口端為中心的球面)相切地布置，而且折射光學(xué)元件組114和折射光學(xué)元件組116也基本上遵循這樣的結(jié)構(gòu)。
在這樣的示例性實施例中，光源及其相關(guān)聯(lián)的(一個或多個)折射元件，例如光源172及折射光學(xué)元件174和176，形成各個目標通道。在某一些實施例中，折射光學(xué)元件組114和折射光學(xué)元件組116這樣構(gòu)造，使得光源的發(fā)射表面例如LED的發(fā)射表面成像于積分器126的入口端126a上。然而，各種不同的合適光源以及各種不同形狀和大小的折射光學(xué)元件也可以用于本發(fā)明的合適實施例中。折射光學(xué)元件的數(shù)量，例如與各自的光源相關(guān)聯(lián)的折射光學(xué)元件的數(shù)量，也可以改變?？蛇x的是，光源可以包含在折射光學(xué)元件的組件中，以便形成這里所述的非徑向?qū)ΨQ的孔徑。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)造的照明系統(tǒng)的另一示例性實施例，示意性地示出了包括示例性照明系統(tǒng)300的單面板投影系統(tǒng)50的一部分。該照明系統(tǒng)300包含與不同原色對應(yīng)的通道，圖4中示出紅色通道305、綠色通道315和藍色通道325。適合于具體應(yīng)用而采用其它顏色的光源和通道以及不同通道數(shù)目的照明系統(tǒng)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
紅色通道305包含紅光光源組302(例如紅光LED)以及二向色組合器332(例如二向色反射鏡)。綠色通道315包含綠光光源組312(例如綠光LED)以及二向色組合器332和334(例如二向色反射鏡)。藍色通道325相應(yīng)地包含藍光光源組322(例如藍光LED)以及二向色組合器332和334。二向色組合器334這樣構(gòu)造，使得它透射可見光光譜的綠色區(qū)，而對可見光光譜的藍色區(qū)表現(xiàn)出相對較高的反射率。因此，二向色組合器334透射從綠光光源組312中射出的綠光，同時反射從藍光光源組322中射出的光，從而形成綠光和藍光的組合光束并入射在二向色組合器332上。
相應(yīng)的是，二向色組合器332透射可見光光譜的綠色區(qū)和藍色區(qū)，而對光譜的紅色區(qū)表現(xiàn)出較高的反射率。因此，二向色組合器332透射從光源組312和322入射到其上的綠光和藍光，同時反射從紅光光源組302發(fā)出的紅光，從而形成綠光、藍光和紅光的組合光束并入射到公共積分器352的入口端。在所示的示例性實施例中，光源組302、312和322優(yōu)選按照圖3A所示方式構(gòu)造并參照圖3A進行描述，并且，在這種情況下，它們應(yīng)當這樣設(shè)置，使得光源組的較長尺度布置成與二向色反射鏡的旋轉(zhuǎn)(或傾斜)軸R基本上朝向同一方向，如圖4中指向視圖平面內(nèi)的箭頭所示。圖4A中更詳細顯示的方位和布置將是理想的，這是因為光源組的較長尺度對應(yīng)于橢圓光錐的較長的角尺度。減小入射在二向色光學(xué)裝置上的角度的變化量將有助于減小色差。
如果將光源及其關(guān)聯(lián)的折射元件以大體上沿球面并與該球面相切的方式設(shè)置，則這些表面優(yōu)選以積分器352的入口端為中心。在某些示例性實施例中，光學(xué)元件可以構(gòu)造用來使一個或多個光源的一個或多個發(fā)射表面成像于該積分器的入口端上。但是，其它合適結(jié)構(gòu)的光源組也可以用于本發(fā)明的該實施例和其它實施例中。在采用梯形積分器352的示例性實施例中，積分器352的出口端的較長尺度可以與光源組的較長尺度基本上朝向同一方向，但是能夠在入口端處產(chǎn)生所需的角強度分布的其它取向也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
投影系統(tǒng)50的照明系統(tǒng)300還可以包括中繼光學(xué)裝置(例如中繼透鏡55a和55b)、置于透鏡之間的折疊反射鏡57、成像裝置56以及如下元件中的一個元件TIR棱鏡組件54、偏振分束器(PBS)和一個或多個偏振器。投影系統(tǒng)50還可以包括投影光學(xué)裝置58。在本發(fā)明的一些實施例中，該系統(tǒng)可以這樣構(gòu)造，使得中繼光學(xué)裝置將積分器352的出口端成像于成像裝置56上。TIR棱鏡組件54起到如下作用將從中繼光學(xué)裝置射出的光，例如通過小面54a處的反射，改向并引導(dǎo)至成像裝置56上。經(jīng)成像裝置56調(diào)制的光通過TIR棱鏡組件54，由投影光學(xué)裝置58(例如一個或多個透鏡)收集，以便發(fā)送給屏幕(圖中未示出)或另一光學(xué)元件或裝置以用于進一步處理。
在諸如投影電視之類的應(yīng)用中，典型的照明系統(tǒng)應(yīng)該使用具有一定比例的紅、綠和藍主分量的光，以便在屏幕上提供所需的色溫。通常，這些分量中的一個分量是系統(tǒng)性能的限制因素。在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的一些示例性照明系統(tǒng)中，可以通過引入在特定顏色通道的波長范圍內(nèi)具有不同色調(diào)的光源(或光源集合)來得到附加亮度。每個這種光源或光源集合均具有不同的峰值波長，并且它們的照明光可以與波長選擇元件(例如二向色反射鏡)或者衍射光學(xué)裝置(例如衍射光柵)組合?？梢允褂霉庾V相對較窄的任何光源，例如，LED、激光或磷光材料。
圖5示出適合用于將不同色調(diào)的綠光LED組合到同一顏色通道中的二向色反射鏡的模擬透射和反射性能特性。這種二向色反射鏡可以適當放置于LED組之間，以便組合它們的照明。二向色反射鏡被模制成32層的薄膜涂層，其主光線的入射角為大約45度，入射光錐為大約+/-6度。透射曲線和反射曲線顯示為針對P偏振，這適合于使用偏振光的LCoS系統(tǒng)和其它系統(tǒng)。圖6示出兩組具有不同色調(diào)的綠光LED的光譜，所述綠光LED位于具有圖5所示性能的二向色反射鏡之前(用實線表示其光譜)和之后(用點線表示其光譜)。所示的這兩個LED光譜是通過對LuxeonTMLXHL-PM09綠光發(fā)光器(可以從Lumileds Lighting公司獲得)的測量光譜按需進行移位而得到的，使得組合光譜提供所需的顏色。
圖7示出一組LED的發(fā)射光譜(實線)和兩組LED(每一組具有N個LED)的光譜(點線)的比較，該一組LED包含同一類型的任意數(shù)目N的綠光LED，該兩組LED與二向色反射鏡組合并且具有不同的色調(diào)(具有偏移的峰值波長)。因此，通過組合兩組LED，可以得到總流明通量的凈增益，如圖8所示。圖8示出表示凈光通量的小數(shù)后的數(shù)值增量計算值作為LED光譜的峰對峰間距的函數(shù)的曲線圖，該凈光通量的小數(shù)點后的數(shù)值增量通過組合兩組具有圖6和圖7所示性能的LED而得到。不同的曲線對應(yīng)于如下二向色反射鏡的模擬性能，即，充當理想階梯濾光器的二向色反射鏡、充當用于實際應(yīng)用的大約6度入射光錐半角的濾光器的二向色反射鏡以及充當用于實際應(yīng)用的大約12度入射光錐半角的濾光器的二向色反射鏡。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，隨著峰間距從大約0nm增大到大約40nm，凈光通量的微增量計算值也增加。因此，對于圖5至圖7中所描述的模擬的示例性光源(大約20nm的峰對峰間距和大約6度的光錐半角)，通過使用具有不同色調(diào)的LED的照明系統(tǒng)，多提供了大約22％的流明。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，LED的峰間距在綠色通道的色坐標未達到SMPTEC色度學(xué)所規(guī)定的標準之前可以上升到高達40nm。因此，通過產(chǎn)生比單個光源的光譜更寬的組合光譜，可以在損失一定量的色飽和度的情況下使更多的光耦合到系統(tǒng)中。因為單個典型的高亮度LED的光譜通常足夠窄，使得所得到的通道的色飽和度比典型投影電視應(yīng)用所需的色飽和度更好，所以可以使用額外的光譜區(qū)域來耦合來自不同色調(diào)的附加LED中的光。
適用于本發(fā)明的某些示例性照明系統(tǒng)中的典型組成元件包括LED光源，例如綠光LuxeonTMIII發(fā)光器、LXHL-PM09、紅光LuxeonTM發(fā)光器、LXHL-PD01和藍光LuxeonTMIII發(fā)光器LXHL-PR09。將這些LED按照圖3A所示出并參照其進行描述的方式設(shè)置。例如，沿以積分器126的入口端126a為中心的球面設(shè)置13個LED。第一折射光學(xué)元件和第二折射光學(xué)元件(例如透鏡174和176)可以如圖3A所示的那樣設(shè)置在每個LED的前面，使得第二折射光學(xué)元件組116中的每個第二透鏡的頂點離積分器入口端126a的中心的距離為大約50.0mm。合適的光源組和積分器的其它示例性參數(shù)示于表1中。
表1光源組和積分器的設(shè)計參數(shù)

可以通過將LED及其關(guān)聯(lián)的折射元件圍繞積分器入口端的中央進行旋轉(zhuǎn)，來將光源組沿著球面布置。XZ和YZ平面的旋轉(zhuǎn)角示于表2，單位為度表2光源組元件的角坐標

根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的照明系統(tǒng)具有很多優(yōu)點。例如，這種照明系統(tǒng)可以包括LED光源，與傳統(tǒng)的高壓汞弧燈相比較，這樣可延長使用壽命、降低成本、并具有更優(yōu)的環(huán)境特性，并且不發(fā)射紅外光或紫外光，因此不需要UV濾光器和冷光反射鏡。另外，LED由低壓DC電源驅(qū)動，與驅(qū)動弧光燈的高壓AC鎮(zhèn)流器相比較，這樣就使得對敏感型顯示電子設(shè)備產(chǎn)生電干擾的可能性大大降低。此外，由于LED的帶寬比較窄，所以LED在不降低亮度的情況下提供了較好的色飽和度。
雖然已經(jīng)參照具體的示例性實施例描述了本發(fā)明的照明系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易理解，在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種修改和變形。例如，用于本發(fā)明的各個實施例中的光學(xué)元件(例如折射元件或者合適的反射元件)的尺寸、結(jié)構(gòu)、類型和數(shù)量可以根據(jù)具體應(yīng)用和照明目標的性質(zhì)及尺寸而改變。適合具體應(yīng)用而采用不同顏色的光源和通道以及不同數(shù)量的通道的照相系統(tǒng)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明的示例性實施方案可以與各種光源一起使用，例如其它顏色的LED、有機發(fā)光二極管(OLED)、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)和其它類型的激光二極管、磷光光源和其它合適的發(fā)光裝置。
權(quán)利要求
1.一種照明系統(tǒng)，包括光源，其具有非徑向?qū)ΨQ的孔徑，所述孔徑具有較長尺度和較短尺度，所述光源產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ的角強度分布的照明光，所述角強度分布具有較長的角尺度和較短的角尺度；以及積分器，其具有入口端和出口端，所述入口端與所述光源光學(xué)連接，所述出口端具有較長尺度和較短尺度，所述積分器這樣設(shè)置，使得所述出口端的較長尺度與所述光源產(chǎn)生在所述積分器的入口端處的照明光的較長的角尺度基本上朝向同一方向。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述積分器的出口端大體為矩形，所述積分器的入口端大體為正方形，所述孔徑大體為橢圓形。
3.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括中繼光學(xué)裝置、TIR棱鏡、PBS、偏振器和折疊反射鏡中的一個或多個器件，所述一個或多個器件與所述積分器的出口端光學(xué)連接。
4.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括照明目標和中繼光學(xué)裝置，所述照明目標與所述積分器的出口端光學(xué)連接，所述中繼光學(xué)裝置置于所述照明目標和所述積分器的出口端之間，其中，所述中繼光學(xué)裝置這樣構(gòu)造，使得所述積分器的出口端成像于所述照明目標上。
5.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括照明目標，所述照明目標具有一形狀，并且與所述積分器的出口端光學(xué)連接，其中，所述積分器的出口端的形狀與所述照明目標的形狀基本上匹配。
6.一種照明系統(tǒng)，包括光源組，其具有非徑向?qū)ΨQ的孔徑，所述孔徑具有較長尺度和較短尺度，所述光源組產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ的角強度分布的照明光，所述角強度分布具有較長的角尺度和較短的角尺度；以及積分器，其具有入口端和出口端，所述入口端與所述光源組光學(xué)連接，所述出口端具有較長尺度和較短尺度，所述積分器這樣設(shè)置，使得所述出口端的較長尺度與所述光源組產(chǎn)生在所述積分器的入口端處的照明光的較長的角尺度基本上朝向同一方向。
7.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組包括多個光源和多個折射光學(xué)元件。
8.如權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其中，所述多個光源中的每一個都具有發(fā)射表面，并且所述折射光學(xué)元件這樣構(gòu)造，使得所述發(fā)射表面中的至少一些成像于所述積分器的入口端上。
9.如權(quán)利要求8所述的照明系統(tǒng)，其中，所述積分器的入口端具有第一形狀，所述多個光源的發(fā)射表面中的每一個都具有第二形狀，所述第二形狀與所述第一形狀基本上匹配。
10.如權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其中，所述多個光源和所述多個折射光學(xué)元件這樣構(gòu)造，使得不同的折射光學(xué)元件與各自的光源相關(guān)聯(lián)。
11.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組包括多個光源和多個折射光學(xué)元件，并且，所述光源和所述折射光學(xué)元件構(gòu)造為形成多個目標通道。
12.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中，所述積分器的出口端大體為矩形，所述積分器的入口端大體為正方形，所述孔徑大體為橢圓形。
13.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括中繼光學(xué)裝置、TIR棱鏡、PBS、偏振器和折疊反射鏡中的一個或多個器件，所述一個或多個器件與所述積分器的出口端光學(xué)連接。
14.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括照明目標和中繼光學(xué)裝置，所述照明目標與所述積分器的出口端光學(xué)連接，所述中繼光學(xué)裝置置于所述照明目標和所述積分器的出口端之間，其中，所述中繼光學(xué)裝置這樣構(gòu)造，使得所述積分器的出口端成像于所述照明目標上。
15.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括照明目標，所述照明目標具有一形狀，并且與所述積分器的出口端光學(xué)連接，其中，所述積分器的出口端的形狀與所述照明目標的形狀基本上匹配。
16.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組包括具有不同色調(diào)的光源。
17.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組包括多個具有第一色調(diào)的光源、多個具有第二色調(diào)的光源以及組合所述第一色調(diào)的光和所述第二色調(diào)的光的二向色組合器。
18.如權(quán)利要求17所述的照明系統(tǒng)，其中，所述具有第一色調(diào)的光源發(fā)射具有第一峰值波長的光，所述具有第二色調(diào)的光源發(fā)射具有第二峰值波長的光，并且其中，所述第一峰值波長和所述第二峰值波長的間距不超過約40nm。
19.一種照明系統(tǒng)，包括多個光源組，每一個光源組都具有非徑向?qū)ΨQ的孔徑，所述孔徑具有較長尺度和較短尺度，并且，每一個光源組都產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ的角強度分布的照明光，所述角強度分布具有較長的角尺度和較短的角尺度；以及積分器，其具有入口端和出口端，所述入口端與所述光源組光學(xué)連接，所述出口端具有較長尺度和較短尺度，所述積分器和所述光源組這樣設(shè)置，使得所述積分器的出口端的較長尺度與每一個光源組產(chǎn)生在所述積分器的入口端處的照明光的每一個較長的角尺度基本上朝向同一方向。
20.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，其中，至少一個所述光源組包括多個光源和多個折射光學(xué)元件。
21.如權(quán)利要求20所述的照明系統(tǒng)，其中，所述多個光源中的每一個都具有發(fā)射表面，并且，所述折射光學(xué)元件這樣構(gòu)造，使得所述發(fā)射表面的至少一些成像于所述積分器的入口端上。
22.如權(quán)利要求21所述的照明系統(tǒng)，其中，所述積分器的入口端具有第一形狀，所述發(fā)射表面中的每一個都具有第二形狀，所述第二形狀與所述第一形狀基本上匹配。
23.如權(quán)利要求20所述的照明系統(tǒng)，其中，所述多個光源和所述多個折射光學(xué)元件這樣構(gòu)造，使得不同的折射光學(xué)元件與各自的光源相關(guān)聯(lián)。
24.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，其中，至少一個所述光源組包括多個光源和多個折射光學(xué)元件，并且，其中，所述光源和所述折射光學(xué)元件構(gòu)造為形成多個目標通道。
25.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，其中，所述積分器的出口端大體為矩形，所述積分器的入口端大體為正方形，所述孔徑大體為橢圓形。
26.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括中繼光學(xué)裝置、TIR棱鏡、PBS、偏振器和折疊反射鏡中的一個或多個器件，所述一個或多個器件與所述積分器的出口端光學(xué)連接。
27.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括照明目標和中繼光學(xué)裝置，所述照明目標與所述積分器的出口端光學(xué)連接，所述中繼光學(xué)裝置置于所述照明目標和所述積分器的出口端之間，其中，所述中繼光學(xué)裝置這樣構(gòu)造，使得所述積分器的出口端成像于所述照明目標上。
28.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)還包括照明目標，所述照明目標具有一形狀，并且與所述積分器的出口端光學(xué)連接，其中，所述積分器的出口端的形狀與所述照明目標的形狀基本上匹配。
29.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，其中，至少一個所述光源組包括具有不同色調(diào)的光源。
30.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，其中，至少一個所述光源組包括多個具有第一色調(diào)的光源、多個具有第二色調(diào)的光源以及組合所述第一色調(diào)的光和所述第二色調(diào)的光的二向色組合器。
31.如權(quán)利要求30所述的照明系統(tǒng)，其中，所述具有第一色調(diào)的光源發(fā)射具有第一峰值波長的光，所述具有第二色調(diào)的光源發(fā)射具有第二峰值波長的光，并且其中，所述第一峰值波長和所述第二峰值波長的間距不超過約40nm。
32.如權(quán)利要求19所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源組產(chǎn)生不同顏色的照明光，并且，所述照明系統(tǒng)還包括二向色組合器，所述二向色組合器構(gòu)造用來將不同顏色的照明光組合到所述積分器的入口端。
33.如權(quán)利要求32所述的照明系統(tǒng)，其中，所述二向色組合器包括二向色反射鏡，所述二向色反射鏡圍繞與所述積分器的入口端基本上平行的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。
34.如權(quán)利要求33所述的照明系統(tǒng)，其中，所述孔徑的較長尺度、所述旋轉(zhuǎn)軸線和所述積分器的出口端的較長尺度基本上朝向同一方向。
35.一種照明系統(tǒng)，包括光源，其具有非徑向?qū)ΨQ的孔徑，所述孔徑具有較長尺度和較短尺度，所述光源產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ的角強度分布的照明光，所述角強度分布具有較長的角尺度和較短的角尺度；以及積分器，其具有入口端和出口端，所述入口端與所述光源光學(xué)連接，并且所述積分器具有這樣一個尺度，所述尺度從所述入口端到所述出口端的增加量更大，所述積分器這樣設(shè)置，使得所述增加量更大的尺度與所述光源產(chǎn)生在所述積分器的入口端處的照明光的較長的角尺度基本上朝向同一方向。
36.一種照明系統(tǒng)，包括光源組，其具有非徑向?qū)ΨQ的孔徑，所述孔徑具有較長尺度和較短尺度，所述光源組產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ的角強度分布的照明光，所述角強度分布具有較長的角尺度和較短的角尺度；以及積分器，其具有入口端和出口端，所述入口端與所述光源組光學(xué)連接，并且所述積分器具有這樣一個尺度，所述尺度從所述入口端到所述出口端的增加量更大，所述積分器這樣設(shè)置，使得所述增加量更大的尺度與所述光源組產(chǎn)生在所述積分器的入口端處的照明光的較長的角尺度基本上朝向同一方向。
全文摘要
本發(fā)明披露照明系統(tǒng)，所述照明系統(tǒng)包括具有非徑向?qū)ΨQ孔徑的光源或光源組，所述非徑向?qū)ΨQ孔徑具有較長尺度和較短尺度，從而所述光源或者光源組產(chǎn)生具有非徑向?qū)ΨQ的角強度分布的照明光，所述角強度分布具有較長的角尺度和較短的角尺度。所述照明系統(tǒng)包括具有入口端和出口端的積分器，所述入口端與所述光源組光學(xué)連接，并且所述積分器具有這樣一個尺度，該尺度從所述入口端到所述出口端的增加量更大。所述積分器這樣設(shè)置，使得所述增加量更大的尺度與產(chǎn)生在所述積分器的入口端處的照明光的較長的角尺度基本上朝向同一方向。
文檔編號G02B27/09GK1954597SQ200580015227
公開日2007年4月25日 申請日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者西蒙·馬加里爾, 托德·S·拉瑟福德 申請人:3M創(chuàng)新有限公司