專利名稱：具有多個(gè)光源的投影照明裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種照明裝置，其照明光閘并且將光閘的影像投影到目標(biāo)表面。照明裝置包含產(chǎn)生光的光源模塊、限定光閘的孔隙和適合于在目標(biāo)表面處投影光閘的投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)由于其相對(duì)低的能量消耗、長(zhǎng)的壽命和電子調(diào)光的能力而在與照明應(yīng)用有關(guān)的方面越來越多地得到使用。LED被成功用于照明應(yīng)用中以供全面照明，諸如用于照明寬闊區(qū)域或用于產(chǎn)生寬闊光束(例如，用于娛樂行業(yè))的染色燈/泛光燈。然而，LED目前尚未在與光應(yīng)用系統(tǒng)有關(guān)的方面得到成功使用，在光應(yīng)用系統(tǒng)中，可產(chǎn)生影像并將影像投影到目標(biāo)表面。在與娛樂照明有關(guān)的情況下尤其如此，在娛樂照明 中，高需求的流明(lumen)輸出和高的影像質(zhì)量都是必需的。LED投影系統(tǒng)尚不能夠滿足這些需求。投影系統(tǒng)中的光通常被收集到光閘中，在光閘中產(chǎn)生影像，接著成像光學(xué)系統(tǒng)將光閘投影到目標(biāo)表面上。W00198706、US6227669和US6402347公開了照明系統(tǒng)，其包含以平面陣列來排列的數(shù)個(gè)LED，其中將會(huì)聚透鏡定位在LED的前方以便聚焦光，從而(例如)照明預(yù)定區(qū)域/閘或用于將來自ニ極管的光耦合到光纖中。US5309277,US6227669, W00198706, JP2006269182 A2、EP1710493 A2、US6443594公開了照明系統(tǒng)，其中將來自數(shù)個(gè)LED的光定向到共同焦點(diǎn)或聚焦區(qū)域，例如，通過使LED相對(duì)于光軸傾斜(JP2006269182 A2、W00198706、US5309277)或通過使用定位在每個(gè)LED前方的單獨(dú)折射構(gòu)件(US6443594、US7226185B、EP1710493)來定向。W006023180公開了ー種投影系統(tǒng)，其包含具有多個(gè)數(shù)量LED的LED陣列，其中將來自LED的光定向到目標(biāo)區(qū)域?？梢詫ED安裝到如圖Ia中所示的彎曲底座的表面或安裝到如圖Ib中所示的平面底座的表面。US 2008/0304536公開了ー種高強(qiáng)度照明設(shè)備，其包括外殼；彎曲的支撐盤，其具有基于ニ極管或激光的集成光源的陣列，所述陣列安置在外殼內(nèi)與支撐盤附連。每個(gè)光源包括光管(tube)，光管的一端處具有激光或ニ極管芯片。每個(gè)光管都具有位干與芯片相對(duì)的一端上的至少ー個(gè)凹形出射表面，其中凹形出射表面使從每個(gè)光源發(fā)射的光會(huì)聚到外殼內(nèi)的焦點(diǎn)。彎曲支撐盤的形狀使各個(gè)焦點(diǎn)會(huì)聚到具有共焦平面的光束中。可調(diào)整的二次光學(xué)元件安置在外殼中，位于焦平面后方以便產(chǎn)生光束透射的各種角度。激光可以是ニ極管激光，而ニ極管可以是發(fā)光二極管(LED)。將LED封裝到光管中,其中在一個(gè)實(shí)施方案中,光管具有反射表面和混合的出射表面?；旌系某錾浔砻姘▋?nèi)部球形聚焦元件和外部拋物線形聚焦元件。球形聚焦元件216和拋物線形聚焦元件217與218經(jīng)過配置以將發(fā)射光聚焦到同一焦點(diǎn)。將LED封裝到光管中，光管在光學(xué)上減少LED的有效發(fā)光面積并因此難以維持穿過整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)擴(kuò)展量(etendue)。此外，難以設(shè)計(jì)光管的聚焦性質(zhì)，這是因?yàn)榫劢故怯苫旌系某錾浔砻鎭韴?zhí)行，這約束了設(shè)計(jì)選擇，因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)表面部分可以被調(diào)整。另ー問題在于以下事實(shí)現(xiàn)今使用的高功率LED通常需要冷卻，但在將LED封裝到光管中時(shí)很難提供冷卻。一般來說，現(xiàn)有技術(shù)器材試圖通過增加盡可能多的光源來増加流明輸出。然而，結(jié)果是關(guān)于功率消耗相對(duì) 光輸出的效率非常低。此外，大量的光會(huì)損失掉，這是因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)器材通常只將光束的光的中心部分耦合穿過光閘以便提供對(duì)光閘的均勻照明，從而再次降低了效率。燈具中的空間通常是有限的，因而難以將許多光源配裝到現(xiàn)有技術(shù)器材中，(例如)因?yàn)榕c光源相關(guān)聯(lián)的光學(xué)組件通常會(huì)占據(jù)大量的空間。另ー方面在于以下事實(shí)顔色偽像通常出現(xiàn)在具有不同顔色光源的器材的輸出中。發(fā)明描述本發(fā)明的目標(biāo)是解決或最小化上述問題中的至少ー些問題。這個(gè)目標(biāo)可以由獨(dú)立權(quán)利要求界定的本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)。在示出本發(fā)明的附圖的詳細(xì)描述中公開了本發(fā)明的益處和優(yōu)點(diǎn)。附屬權(quán)利要求界定本發(fā)明的不同實(shí)施方案。附圖描述圖Ia和圖Ib示出包含數(shù)個(gè)LED的現(xiàn)有技術(shù)照明系統(tǒng)；圖2a和圖2b示出根據(jù)本發(fā)明的照明裝置；圖3a和圖3b示出根據(jù)本發(fā)明的照明裝置中的光源和光收集構(gòu)件的不同設(shè)置；圖4示出在已使光源和光收集構(gòu)件傾斜并且以偏移方式定位的情況下的設(shè)置；圖5a和圖5b示出根據(jù)本發(fā)明的照明裝置的實(shí)施方案；圖6a和圖6b示出用于圖5a和圖5b中所示的照明裝置中的冷卻模塊；圖7a至圖7e示出用于圖5a和圖5b中的照明裝置中的光源和集光器；圖8a和圖8b示出根據(jù)本發(fā)明的集光器；圖9a和圖9e對(duì)根據(jù)本發(fā)明的集光器與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的集光器的性能進(jìn)行比較；圖IOa和圖IOb示出照明裝置中的光源的設(shè)置；圖Ila至圖Ile示出照明裝置中的光源的另ー設(shè)置；以及

圖12a至圖12e示出照明裝置中的光源的另ー設(shè)置。發(fā)明詳述圖Ia示出使用多個(gè)數(shù)量的LED的現(xiàn)有技術(shù)投影系統(tǒng)的實(shí)施例并且示出由W006023180所公開的投影系統(tǒng)。投影系統(tǒng)100包含光產(chǎn)生元件(LEDs) 102a、102b和102c，其經(jīng)過布置以分別沿著軸106a、106b和106c向目標(biāo)區(qū)域108發(fā)射光104a、104b、104c并且經(jīng)過定向以使得在目標(biāo)區(qū)域108的中心處相交。目標(biāo)區(qū)域108對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生影像的物體的位置。包括一個(gè)或多個(gè)透鏡的光收集單元109用于收集來自每個(gè)光產(chǎn)生元件102a、102b和102c的光104a、104b、104c。光產(chǎn)生元件102a、102b和102c具有相關(guān)聯(lián)透鏡IlOaUlOb和IlOc0例如，在光產(chǎn)生元件102a、102b和102c為L(zhǎng)ED的情況下，相關(guān)聯(lián)透鏡IlOaUlOb和IlOc為由封裝LED的材料形成的半球形透鏡。光收集單元109包括聚光透鏡112a、112b和112c。光產(chǎn)生元件102a具有相關(guān)聯(lián)透鏡IlOa和聚光透鏡112a以收集發(fā)射光104a。一般沿著軸106a將所收集的光114a定向到成像透鏡單元116a。將成像透鏡單元116a定位在目標(biāo)區(qū)域108與聚光透鏡112a之間以將聚光透鏡112a的影像傳遞到接近目標(biāo)區(qū)域108的位置。光產(chǎn)生元件102a的影像也可以在成像透鏡單元116a處由光收集光學(xué)元件109和與光產(chǎn)生元件102a相關(guān)聯(lián)的任何其它透鏡來形成。其它光產(chǎn)生元件102b和102c分別具有各自的光收集透鏡110b、112b和110c、112c，其將發(fā)射光104b和104c定向到各自的成像透鏡單元116b和116c。成像透鏡單元116b和116c將來自光收集光學(xué)元件的輸出的影像(換句話說，聚光透鏡112b和112c的影像)傳遞到目標(biāo)區(qū)域108。聚光透鏡112a、112b和112c的影像在目標(biāo)區(qū)域108處重疊且實(shí)質(zhì)上填充或可能甚至稍微過度填充目標(biāo)區(qū)域108。所傳遞的光118a和118c —般分別沿著軸106a和106c傳播。使軸106a和106c在目標(biāo)區(qū)域108的軸的周圍傾斜，目標(biāo)區(qū)域的軸與軸106b—致，但在其它實(shí)施例中，目標(biāo)區(qū)域的軸可以與軸106b不同。軸106a和106c的傾斜允許所傳遞的光118a和118c填充在目標(biāo)區(qū)域108處可用的角空間。每個(gè)通道的光收集光學(xué)元件112與那個(gè)通道的相應(yīng)成像透鏡單元116共軸，因此光在每個(gè)照明通道中沿著單軸106從光產(chǎn)生元件102傳播到目標(biāo)108。軸106a、106b、106c可以經(jīng)定位以穿過目標(biāo)108的中心且經(jīng)徑向地定向以便適應(yīng)與每個(gè)照明通道相關(guān)聯(lián)的光學(xué)元件的切向尺寸。這個(gè)布置増加了在目標(biāo)108處接收的照明光的強(qiáng)度。因此，可以將光產(chǎn)生元件102a、102b、102c安裝到球形彎曲底座103的表面，其中曲率半徑近似地集中在目標(biāo)108的中心處。 可以將物鏡120定位在目標(biāo)108與成像透鏡單元16之間以使得所傳遞的光118a和118c保持在用于使目標(biāo)區(qū)域成像的成像系統(tǒng)的接受光錐區(qū)內(nèi)。然而，W006023180公開也可以將光產(chǎn)生元件単獨(dú)地與示出為103的虛曲面成切線地安裝。圖Ib公開W06023180所公開的照明系統(tǒng)的另一實(shí)施方案?？梢詫⒐猱a(chǎn)生元件102a、102b、102c安裝在平面底座122上。光產(chǎn)生元件102a、102b、102c —般沿著其各自的發(fā)射軸106a、106b、106c發(fā)射光104a、104b、104c。發(fā)射軸106a、106b、106c是平行的且在每個(gè)照明通道中的光104a、104b、104c由各自的光收集單元112a、112b和112c收集。將所收集的光定向至示出為單透鏡的各自成像透鏡單元124a、124b和124c?？梢越咏上裢哥R單元124a、124b和124c來使光產(chǎn)生元件102a、102b、102c成像。成像透鏡單元124a、124b和124c將光收集単元112a、112b、112c的最靠近的透鏡的各自影像傳遞到接近目標(biāo)區(qū)域108的位置。位于目標(biāo)軸126以外的成像透鏡單元124a和124c軸向地偏移，即，成像透鏡單元124a、124c的光軸128a、128c相對(duì)于入射光104a、104c的軸106a、106c偏移。因此，在穿過成像透鏡單元124a、124c后，所傳遞的光118a、118c 一般沿著軸130a、130c傳播，所述軸130a、130c不與目標(biāo)軸126平行。圖2至圖12示出本發(fā)明的不同實(shí)施方案和方面。光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，一些示出的光線是說明本發(fā)明所依據(jù)的原理而不是說明確切精準(zhǔn)的光線。圖2a和圖2b示出根據(jù)本發(fā)明的照明裝置200的橫截面圖。圖2a示出照明裝置的一般設(shè)置，而圖2b示出設(shè)置的其它細(xì)節(jié)。照明裝置包含光源模塊201、孔隙203和投影系統(tǒng)205。光源模塊產(chǎn)生沿著主光軸209向孔隙203傳播的光束(由粗虛線207示出)。相對(duì)于光源模塊而言，孔隙203位于光軸的上游。投影系統(tǒng)205收集通過孔隙203的光，并且將孔隙203的影像投影到與投影系統(tǒng)間隔給定距離的目標(biāo)表面(未示出)上。因此，可在孔隙203處定位影像產(chǎn)生物體(未示出)，藉此將所產(chǎn)生的影像投影到目標(biāo)表面。因此，這個(gè)孔隙界定物體平面且限制物體直徑。影像產(chǎn)生物體可以(例如)是模板(GOBO)、IXD、DMD、LCOS或能夠光束的任何物體。光源模塊包含數(shù)個(gè)光源211a_211c和數(shù)個(gè)光收集構(gòu)件213a_213c。光收集構(gòu)件收集來自光源的光且產(chǎn)生源光束(為簡(jiǎn)單起見在圖2a中未示出)。源光束沿著源光軸215a-215c傳播,且源光軸沿著主光軸會(huì)合在共同體積217中。共同體積為主光軸附近的體
積，其中至少ー個(gè)源光軸與包含主光軸的平面相交，且其中至少ー個(gè)源光軸與包含至少另
一源光軸的平面相交。源光軸可以在一個(gè)實(shí)施方案中在主光軸處相交于共同焦點(diǎn)，但是在
其它實(shí)施方案中未必相交于共同焦點(diǎn)，因此可以相交于共同聚焦體積中。投影系統(tǒng)205具有相對(duì)于主光軸的接受角。相對(duì)于主光軸的接受角定義出光束相
對(duì)于主光軸可以具有的最大角度，以便光束由投影系統(tǒng)投影。具有相對(duì)于主光軸的較大角
度的光束將在光學(xué)系統(tǒng)中損失棹。球?qū)ΨQ投影系統(tǒng)的接受角如下得出
權(quán)利要求
1.一種照明裝置，其包含 〇光源模塊，其包含數(shù)個(gè)光源和數(shù)個(gè)光收集構(gòu)件，所述光收集構(gòu)件收集來自至少一個(gè)所述光源的所述光并將所述光轉(zhuǎn)換為源光束，所述源光束至少部分地沿著主光軸傳播； 〇投影系統(tǒng)，其沿著所述主光軸定位，所述投影系統(tǒng)具有收集由所述光源產(chǎn)生的所述光的一部分的入射光瞳，所述投影系統(tǒng)將所述經(jīng)過收集的光投影到目標(biāo)表面； 〇孔隙，其定位在所述光源模塊與所述投影系統(tǒng)之間， 其特征在于所述光收集構(gòu)件包含沿著所述光源的源光軸對(duì)準(zhǔn)的中心透鏡，和至少部分地圍繞所述中心透鏡的外圍透鏡；所述中心透鏡包含中心入射表面和中心出射表面，所述中心透鏡收集并轉(zhuǎn)換來自所述光源的所述光的第一部分且適合于使所述光源在近似地位于所述孔隙與所述入射光瞳之間的位置處成像；且所述外圍透鏡部分包含中心入射表面和中心出射表面，所述外圍透鏡收集并轉(zhuǎn)換來自所述光源的所述光的第二部分且適合于使所述光的所述第二部分集中在近似地位于所述孔隙與所述入射光瞳之間的位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的照明裝置，其特征在于所述光源的所述影像經(jīng)定位接近于所述孔隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的照明裝置，其特征在于所述光源的所述影像經(jīng)定位接近于所述入射光瞳。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3所述的照明裝置，其特征在于使所述光的所述第二部分集中在接近于所述孔隙處。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3所述的照明裝置，其特征在于使所述光的所述第二部分集中在接近于所述入射光瞳處。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5所述的照明裝置，其特征在于相對(duì)于由所述中心透鏡收集并轉(zhuǎn)換的所述第一光部分的主光軸的發(fā)散角小于所述投影系統(tǒng)的接受角，其中所述接受角由所述投影系統(tǒng)的所得焦距和所述投影系統(tǒng)的所得接受區(qū)來定義；且由所述中心透鏡收集并轉(zhuǎn)換的所述第一光部分在所述投影系統(tǒng)的所述所得接受區(qū)內(nèi)射中所述入射光瞳。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6所述的照明裝置，其特征在于相對(duì)于由所述外圍透鏡收集并轉(zhuǎn)換的所述第二光部分的所述主光軸的發(fā)散角小于所述投影系統(tǒng)的接受角，其中所述接受角由所述投影系統(tǒng)的所得焦距和所述投影系統(tǒng)的所得接受區(qū)來定義；且由所述外圍透鏡收集并轉(zhuǎn)換的所述第二光部分在所述投影系統(tǒng)的所述所得接受區(qū)內(nèi)射中所述入射光瞳。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7所述的照明裝置，其特征在于至少一個(gè)所述光源經(jīng)定位在相對(duì)于所述主光軸偏移且相對(duì)于所述主光軸成角度的源高度處。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8所述的照明裝置，其特征在于所述光源經(jīng)布置以使得每個(gè)光源的所述源光軸沿著主光軸會(huì)合在共同區(qū)域中。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9所述的照明裝置，其特征在于所述光源在所述孔隙處的所述影像小于所述孔隙。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10所述的照明裝置，其特征在于所述第二光部分小于所述孔隙平面中的所述孔隙。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至11所述的照明裝置，其特征在于所述第二光部分的所述至少一部分相對(duì)于所述光源在所述孔隙平面處的所述影像偏移。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至12所述的照明裝置，其特征在于所述中心透鏡包含定位在所述中心入射表面與所述中心出射表面之間的延伸部分，所述延伸部分從所述外圍出射表面突出且將所述中心出射表面抬高至高于所述外圍出射表面的一定距離處。
14.一種包含數(shù)字成像裝置的投影裝置，其特征在于所述投影裝置包含根據(jù)權(quán)利要求I至13所述的照明裝置，且所述數(shù)字成像裝置定位在所述照明裝置的所述孔隙處。
15.—種移動(dòng)頭燈具,其包含 〇底座， 〇可旋轉(zhuǎn)地連接到所述底座的軛架， 〇可旋轉(zhuǎn)地連接到所述軛架的頭部， 其特征在于所述頭部包含根據(jù)權(quán)利要求I至13所述的照明裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的移動(dòng)頭燈具，其特征在于所述移動(dòng)頭包含定位在所述照明裝置的所述孔隙處的至少一個(gè)模板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種照明裝置，其照明光閘并將光閘的影像投影到目標(biāo)表面。照明裝置包含產(chǎn)生光的光源模塊、限定光閘的孔隙和適合于在目標(biāo)表面處使光閘成像的投影系統(tǒng)。光源模塊包含數(shù)個(gè)光源和數(shù)個(gè)光收集構(gòu)件。光收集構(gòu)件包含沿著所述光源的源光軸對(duì)準(zhǔn)的中心透鏡和至少部分地圍繞中心透鏡的外圍透鏡。中心透鏡收集并轉(zhuǎn)換來自光源的光的第一部分并且在孔隙與投影系統(tǒng)之間使光源成像。外圍透鏡部分收集并轉(zhuǎn)換來自所述光源的所述光的第二部分并且適合于使所述光的所述第二部分集中在所述孔隙處。
文檔編號(hào)F21V7/04GK102687062SQ201080059701
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者D·T·喬根森 申請(qǐng)人:馬丁專業(yè)公司