CN102084179A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

实施例示出了一种照明装置，包括：第一光源，被配置为发射具有第一覆盖印迹的第一光束；以及第二光源，被配置为发射具有第二覆盖印迹的第二光束。第一光源和第二光源彼此面对设置。该照明装置还包括具有两个反射表面的光学元件。该光学元件设置在第一光源和第二光源之间，其中两个反射表面相对于彼此设置，使得第一光束在第一反射表面处反射，第二光束在第二反射表面处反射，并且使得第一反射光束和第二反射光束彼此相邻对准而形成具有组合覆盖印迹的组合光束，组合覆盖印迹包括彼此相邻对准的第一覆盖印迹和第二覆盖印迹。

Description

照明装置

技术领域

本发明涉及一种照明装置，特别是涉及一种形成特定发光二极管(LED)光斑(spot)的照明装置。对于某些照明系统，将若干光源的分离光束组合使得从这多个单独光束形成公共有用光束，可能是有利的。这种组合光束可以包括放大的组合光斑或覆盖印迹(footprint)以及光能倍增。这意味着组合覆盖印迹的尺度与光斑或单独光源的尺度相比可以放大。

背景技术

迄今为止，存在若干照明系统或投影仪，它们被配置为将不同光源的光束组合为一个光束，以便增加该组合光束的光强。例如，专利US 6,341,876 B1描述了一种用于照明空间光调制器的照明系统。该照明系统包括两个分离的光源，其中光源的光输出通过积分器棒(integrator rod)而被组合。该积分器棒被配置为产生均匀光束用以照明空间光调制器。该积分器棒有效地将来自两个分离光源的光组合以提供足够强度的光束，以便对这种数字微镜装置进行寻址。这意味着积分器棒将分离光源的光束交迭以增加组合光束的光强。

美国专利US 5,504,544公开了一种投影系统，该投影系统有效地组合多盏灯的输出，其中这多盏灯的像聚焦于公共点。结果，投影屏幕亮度相对于常规的同等功率单灯而言得以倍增。叠加是通过一系列菲涅耳收集和聚焦透镜以及利用全内反射的线性合束棱镜膜来实现的。该投影系统用于将多盏灯的光束交迭。

在专利US 6,224,217 B1中示出了一种光学照明装置，该光学照明装置主要包括多个光源、按预定方向反射光的反射装置以及接受来自反射装置的光并发出基本平行光的会聚装置。根据说明书，两个光源的聚焦光束在棱镜处被反射，并且在反射之后，来自光源的光会聚在光学照明装置的光轴附近并被合成。这意味着来自光源的光被混合且光束交迭。会聚装置例如会聚透镜用来使合成的组合光束形成为接近平行光。

专利EP 1 642 154 B1示出了一种照明系统，包括发射非共轴(non-collinear)且非准直(non-collimated)光束的至少两个光源以及用于将两个光束组合和积分的光学部件。根据该专利，来自两个分离光源的光束同样通过在该光积分器内混合光束的方式而得以组合。在光积分器的输出处，得到两个光束混合的几乎均匀照明光束。

在已知的照明或投影系统中，多个光源的光束通过光学元件而被会聚或交迭，以增加组合光束的光强能量。在这种系统中，经常希望使光束最大程度地交迭或会聚。

发明内容

本发明的目的在于将光束彼此相邻对准，以便与光束的分离单独覆盖印迹相比，增大覆盖印迹或光斑尺寸，以及改变组合覆盖印迹的维度。本发明的另一目的在于通过使经过光学元件的光束的覆盖印迹的维度与光学元件的维度彼此相适应，来减小通过光路中光学元件的光损耗。

本发明的发现在于：通过将两个光源的光束彼此相邻放置，使这两个光源的光束几何叠加。本发明的实施例涉及一种照明装置，该照明装置被配置为通过具有两个反射表面的光学元件，将两个光源的光束彼此相邻对准。使两个光束彼此相邻对准，从而形成组合光束。组合光束包括由彼此相邻对准的光源光束覆盖印迹构成的组合覆盖印迹。另外，在本发明的其他实施例中，描述了一种照明系统，包括照明装置，其中光源的光束的覆盖印迹是矩形的，且组合覆盖印迹包括更方的形状。在一些实施例中，光束的覆盖印迹具有16∶9的高宽比，而组合覆盖印迹包括16∶18的高宽比。以16∶9格式发射光束的发光二极管(LED)可以组合，形成更方的16∶18格式的光束。这种(高性能)LED例如可以用于聚光灯、舞台灯等。这些LED可以组合，形成均匀组合光束，该组合光束的维度更好地适合圆形聚光灯或舞台灯。

可能对组合光束光路中的光强造成影响的圆形光学元件可以包括适合与分离覆盖印迹的矩形形状相比更方形状的直径。本发明的优点在于：由于改善了组合光束与光学元件彼此之间的适配，降低了光损耗。另外，在一些实施例中，两个光束的对准通过照明装置和照明系统来实现，从而后继的投影光学装置能够将具有两个光束尺寸的组合光束作为单光束来成像。

附图说明

参考附图1-11，更为详细地描述照明装置和照明系统的实施例。

图1示出了根据本发明实施例的照明装置的示意图。

图2示出了根据本发明另一实施例的包括LED作为光源的照明装置的另一实施例。

图3示出了16∶9格式矩形覆盖印迹以及16∶18格式更方形的组合覆盖印迹的示意顶视图。

图4示出了根据本发明实施例的具有两个平坦玻璃反射镜的光学元件的示意详细视图，其中平坦玻璃反射镜形成顶端的边沿倾斜以准确装配在一起。

图5示出了光束未对准从而形成交迭组合光束并在组合光束中导致间隙的照明装置的示意图。

图6示出了根据本发明另一实施例的照明装置的另一示意图。

图7示出了具有顶端处角度小于90°的棱镜的照明装置的另一示意图。

图8示出了部分交迭第一和第二覆盖印迹形成组合覆盖印迹的示意顶视图。

图9示出了第一和第二光束的覆盖印迹的示意顶视图，其中覆盖印迹被间隙隔开，从而组合覆盖印迹包括暗影。

图10a示出了根据本发明实施例的照明系统的示意图。

图10b示出了组合覆盖印迹以及直径适配组合覆盖印迹短边长的圆形光学元件的示意图。

图11示出了由于与遮光罩的圆形几何形状相比光源覆盖印迹的矩形几何形状导致的光损耗的示意图。

图12示出了与图11中的示例相比由于组合覆盖印迹的适配方形覆盖印迹而减小光损耗的示意图。

图13示出了根据本发明实施例具有包括凹反射表面的光学元件的照明装置的另一示意图。

具体实施方式

参照以下对本发明实施例的描述，应当注意，为了简化的原因，针对说明书通篇的步骤中功能相同、或者类似动作、或者功能等同或等效的元件，在不同附图中将使用相同附图标记。

在图1中，示出了根据本发明实施例的照明装置的示意图。该照明装置包括第一光源5，其中第一光源5被配置为发射第一光束7。第一光束7包括第一覆盖印迹8，在该示例中，是矩形覆盖印迹。覆盖印迹或光斑可以包括不同形状。覆盖印迹的实际尺寸可以取决于成像光学装置、距投影屏幕的距离等。覆盖印迹可以尽可能锐利地成像。该照明装置另外包括第二光源10，该第二光源10被配置为发射具有第二覆盖印迹11的第二光束9。第一光源5和第二光源10被设置为它们面对彼此。

在该实施例中，第一光源5和第二光源10被设置为正好转向(shift)180°，使得第一和第二光束在不存在光学元件13的情况下将会照射到彼此。

在其他实施例中，两个光源可以被设置为彼此相对，但是与正好180°的转向所限定的光轴相比可以倾斜。光源例如可以被设置为相对于彼此转向90°至270°。这意味着，在本发明的其他实施例中第一和第二光源可以被设置为面对彼此，使得所发射的光束恰好沿着相对光源的方向而发射。另外，该照明装置包括光学元件13，光学元件13具有两个反射表面13a、13b，其中光学元件13被设置在第一光源5和第二光源10之间。两个反射表面13a、13b相对于彼此设置，使得第一光束7在第一反射表面13a处反射，第二光束9在第二反射表面13b处反射。第一反射光束9′和第二反射光束7′彼此相邻对准，形成组合光束15，组合光束15具有组合覆盖印迹20，组合覆盖印迹20包括彼此相邻对准的第一覆盖印迹8和第二覆盖印迹11。

第一光束7可以由边缘(marginal)或边沿(edge)光线7a、7c和中心光线7b来表示。这对第二光束同样适用，其具有两根边缘或边沿光线9a、9c和中心光线9b。第一反射光束7′和第二反射光束9′相应地由边缘光线7c′、7a′和9c′、9a′以及中心光线7b′和9b′来表示。

第一光源5可以包括主平面25a，第二光源可以包括主平面25b。中心光线9b和7b在该实施例中可以定义光轴或辅助线27。

根据该实施例，照明装置被配置为组合两个光束，使得形成一个组合光束15，该组合光束15包括的截面面积在第一光束7和第二光束9的面积之和的±10％的范围内。因此，组合覆盖印迹20的面积可以在第一覆盖印迹7的面积和第二覆盖印迹11的面积之和的±10％的范围内。这意味着，各分离的覆盖印迹之和的偏差可以在±10％以内。在其他实施例中，组合覆盖印迹的面积可以在第一和第二覆盖印迹面积之和的±20％的范围内。根据一些实施例，组合覆盖印迹20的面积可以准确地在第一覆盖印迹8的面积和第二覆盖印迹11的面积之和的±1％的范围内。

第一光束7可以包括孔径(aperture)β1。第二光束9可以包括第二孔径β2。角度β1和β2可以相等。照明装置可以被配置为使得第一反射光束7′和第二反射光束9′的组合光束15具有与第一孔径β1和第二孔径β2之和相对应的孔径γ。这意味着组合光束15的孔径γ可以是第一孔径β1和第二孔径β2之和(γ＝β1+β2)。根据实施例，该等式可以在±3°的范围内成立。

图2示出了根据另一实施例的照明装置的示意图。在该实施例中，第一光源5是可以安装在基板32上的发光二极管(LED1)。LED1可以与热沉1热接触。热沉1可以设置在与所发射的第一光束7相反的一侧。热沉1可以被配置为吸收发光二极管在工作期间的热量或耗散能量。准直器1可以设置在光学元件13与LED1之间的第一光束7光路中。准直器1可以被配置为收集来自LED1的发射光，并形成近似平行的第一光束，该近似平行的第一光束与在没有准直器1的情况下从LED1发射的光束相比孔径变小。第二光源10也可以是基板29上的发光二极管(LED2)，其中单独的第二热沉2与LED2热接触，以便吸收第二LED2在工作期间的热量或耗散能量。准直器2设置在反射镜配置的(mirrored)棱镜13与LED2之间的第二光束9光路中，从而收集LED2的发射光。第二光束9可以包括与没有准直器的情况下相比较小的孔径。

在该实施例中，光学元件13是具有两个反射表面13a和13b的棱镜，反射表面13a和13b形成棱镜的侧边(leg)。反射表面13a和13b可以是反射镜配置，使得第一和第二光束几乎没有任何光损耗地被反射。根据其他实施例，反射表面可以由实现反射的多层介质层或者全反射光学元件形成。光束可以通过棱镜中的内反射而被反射。反射的第一光束7′和反射的第二光束9′可以形成组合光束15。

LED1和LED2的覆盖印迹可以包括矩形形状，例如高宽比为16∶9的矩形形状。这意味着长边与短边的边长之比为16∶9。组合光束15的组合覆盖印迹20于是可以包括高宽比为16∶18的更方的形状，该形状对应于高宽比为16∶9的两个对准覆盖印迹8、11。

根据一些实施例，照明装置可以进一步包括匀化级13，该匀化级被配置为混合器级。因此，“混合器级”可以引入在合束器(即，光学元件13)之后。混合器级可以被配置为在组合覆盖印迹包括部分交迭的第一覆盖印迹8和第二覆盖印迹11或包括分开一定间隙的第一覆盖印迹8和第二覆盖印迹11的情况下使组合覆盖印迹均匀。通过匀化或混合器级形成匀化的组合光束15′。

包括组合覆盖印迹(第一和第二覆盖印迹部分交迭，或者第一和第二覆盖印迹间具有间隙)的组合光束15将被随后的投影光学装置或物镜成像为两个分离LED的光束。这意味着，该结构的问题在于：物镜将例如两个LED成像为两个光源。这应该避免。因此，可以使用匀化级30来解决该问题。在混合器级30之后，匀化的组合光束15′可以由投影光学装置35成像。观察者将这种匀化组合光束的组合覆盖印迹视作单独光源的覆盖印迹。

根据一些实施例，在此所述的照明装置可以用在聚光灯(spotlight)或背投电视机中，并且可以包括多个光源或LED，其中可以产生大的组合覆盖印迹，该组合覆盖印迹包括这多个光源的覆盖印迹。

在图2中，示出了照明装置的基本原理。两个光源，例如两个高性能LED 5、10，彼此面对，使得在不安装其他光学元件的情况下它们将照射彼此。在它们之间设置了棱镜，由两条侧边形成的棱镜面包括表面反射镜，或者被反射镜配置(例如，通过铝或银)。在一些实施例中，随后是可能需要的匀化级30以及成像物镜(例如，物镜35)。LED1和LED2被图示为它们似乎将光发射到反射棱镜面13a和13b的中心上。但是，事实上光束应射到棱镜上使得在光学元件13的前端顶端13c处无间隙。如果在前端顶端13c处存在间隙，则组合光束15可能在反射第一光束7′和反射第二光束9′之间包括不希望的间隙或交迭。

理想情况下，在该边沿，第一和第二LED的覆盖印迹应当被尽可能锐利地成像，以便减少反射期间的漫射损耗。覆盖印迹可以是方形覆盖印迹。一般而言，进入系统即在两个反射表面13a、13b处反射的第一和第二光束应该尽可能紧密的聚焦，因为反射或二向色(dichroic)涂层的效率随着入射角或进入角增大而减小。光学元件或棱镜可以包括用作滤色器的二向色涂层。根据几何光学的原理，入射角等于反射角。第一光束7和第二光束9的聚焦在该实施例中可以主要由两个准直器(准直器1、2)来完成，准直器直接放置在LED上以便捕获尽可能多的光。

在图3中，示意性示出了“束相加”的结果。在该实施例中，LED1的覆盖印迹8和LED2的覆盖印迹11各自均包括16∶9的高宽比。这意味着LED1的覆盖印迹8的长边长度8a与短边长度8b相比具有16∶18的高宽比。对于LED2的覆盖印迹11的边长11a和11b而言同样如此。LED2的覆盖印迹11以及LED1的覆盖印迹8的绝对大小可以取决于投影光学装置以及与投影屏幕的距离。相反，覆盖印迹的高宽比可以恒定，即便例如边长的绝对长度由于投影光学装置到投影屏幕的距离变化而发生改变。如果对光源例如LED芯片10或5进行聚焦，则可以获得16∶9格式的覆盖印迹，目前这在视频领域是常见的。覆盖印迹可以通过投影光学装置而被锐利地聚焦。

根据其他实施例，光束的覆盖印迹当然可以包括不同高宽比，例如4∶3。根据进一步的实施例，在将两个LED 10、5的光束相加到组合光束15(具有组合覆盖印迹20)之后，覆盖印迹形状可以不同于矩形或方形。

如图3中示意性所示，组合覆盖印迹20可以包括彼此相邻对准的第一覆盖印迹11和第二覆盖印迹8。在理想情况下，可以通过将LED2的第二覆盖印迹11的长边11a与LED1的第一覆盖印迹8的长边8a装配在一起使得在覆盖印迹11和8之间没有间隙或交迭，来进行对准。在将高宽比为16∶9的两个覆盖印迹11和8相加之后，组合覆盖印迹20的边长可以包括16∶18的高宽比。在该实施例中，组合覆盖印迹20可以包括具有第一边长20a和第二边长20b的更方的形状。第一边长20a和第二边长20b之比可以是16∶18。如上所述，取决于单个覆盖印迹11和8的形状和高宽比，可以实现不同高宽比或形状。

组合覆盖印迹20可以包括与LED1和LED2的单独覆盖印迹11或8相比更方的覆盖印迹形状。高宽比越接近1，则形状越方。如果高宽比为1，则得到方形，这意味着例如第一边长20a等于第二边长20b。根据该实施例，高宽比为16∶18的组合覆盖印迹包括与LED1和LED2的高宽比为16∶9的矩形覆盖印迹相比更方的形状。本发明的一个方面在于通过将两个LED的光束按照长边准相切(quasi-tangential)的方式彼此相邻放置，来将两个LED的光束在几何上相加。实际上，在此该术语并不准确，因为两个光束均没有形成曲线，但是其更为清楚地表达了所要表达的含义。

在矩形覆盖印迹的情况下，两个矩形的长边(例如，边8a和11a)可以彼此相邻对准，使得如果可能的话在两个不同覆盖印迹8、11之间不存在交迭或间隙或者仅存在小的交迭或小的间隙。因此，随后的投影光学装置或物镜可以将具有两个覆盖印迹的两个LED成像为单一LED的单独覆盖印迹，但具有较大的覆盖印迹尺寸。这意味着，组合覆盖印迹的观察者可能不会注意到组合覆盖印迹是两个LED的两个对准的单独覆盖印迹的相加。

图4示出了根据本发明实施例的光学元件13的前端顶端13c的放大示意侧视图。在该实施例中，光学元件13可以包括两个平坦玻璃反射镜13d和13e，其包括照明装置的两个反射表面13a和13b。两个平坦玻璃反射镜13d和13e装配在一起，使得在反射镜三角的前端顶端13c处，不出现间隙或未对准。为了实现该配置，两个平坦玻璃反射镜13d、13e的边沿41可以倾斜，从而它们形成完美的前端顶端13c，而不出现间隙或未对准。这可能需要：取决于第一光束7和第二光束9的入射角，边缘光线7c和9c被反射使得反射的边缘光线7c′和9c′彼此相邻对准。第一反射光束7′的反射边缘光线7c′和第二反射光束9′的反射边缘光线9c′可以彼此平行对准。根据一些实施例，这两根边缘光线7c′和9c′可以在±1°的范围内或者在±3°的范围内平行布置。取决于第一反射光束7′和第二反射光束9′的对准质量，组合覆盖印迹20不包括交迭或间隙或仅包括小的交迭或间隙，因此组合覆盖印迹20的形状所具有的尺寸、面积或高宽比通过第一光束7和第二光束9的两个单独覆盖印迹8、11的相加来给出。

如果平坦玻璃反射镜的边沿41并没有倾斜使得在光学元件13的前端顶端13c处不存在间隙，则平坦玻璃反射镜将不合适。因为在该结构中光束彼此邻接而无任何“间隙”是根本性重要的。然而，利用反射镜，如果平坦玻璃反射镜13d、13e在形成前端顶端13c的边沿41处没有倾斜，则反射镜三角的前端顶端13c由于材料厚度而没有被反射镜配置，并因此将大大降低性能。

在图5中，示出了照明装置的示意图，该照明装置具有两个光源5、10以及光学元件13(例如，可以是棱镜)。在该示例中，组合光束15的未对准或误差可能表现为这样的程度，使得出现第一反射光束7′和第二反射光束9′的间隙或一定的交迭。在接近棱镜的前端顶端13c处，可能出现组合光束15中的间隙。在该示例中，光源1和光源2可以是偏移180°设置的两个LED，并且光学元件13是标准90°棱镜。这意味着，棱镜的两条侧边之间的角度为90°。由于第一光束7和第二光束9分别包括β1和β2的孔径(可以相同或不同)，光束9、7在两个反射表面13a、13b处的反射可能导致反射光束7′和9′的上述交迭。光束7′、9′之间的间隙紧接在棱镜之后出现。如果该间隙被锐利地投影，将会得到如图9所示的图像。随后，反射光束7′、9′交迭，如图8示意性所示。结果，物镜或投影光学装置35(参见图2)可能将两个LED或者两个LED的覆盖印迹成像为具有两个分离覆盖印迹的两个光源。这可能是不希望的。观察者或人会认为组合光束15及其相应的组合覆盖印迹20由两个或更多单独光源构成。

根据实施例，可以在光源之前设置准直器(参见图2)以便减小第一和第二光束的孔径并形成直线(straight)光束。直线的第一和第二光束7、9可以在反射镜配置的标准棱镜(90°)处反射，在入射角为45°的情况下反射角为45°。因此，反射光束7′、9′可以被极好地彼此相邻对准，形成组合覆盖印迹，该组合覆盖印迹包括单独覆盖印迹的两倍大小。如果覆盖印迹例如为矩形，则组合覆盖印迹将包括取决于单独覆盖印迹高宽比的高宽比。

在图6中，示出了根据另一实施例的照明装置的另一示意图。在该实施例中，光学元件13同样包括标准90°棱镜，该棱镜具有两个反射镜配置的侧边13a和13b，形成光学元件13的两个反射表面。第一光束7和第二光束9可以分别包括孔径β。第一光源5和第二光源10可以相对于主平面25a和25b倾斜角度α，主平面25a和25b由光源在偏移180°的位置处限定。这意味着，主平面25a和25b垂直于光轴或辅助线27。倾斜角α可以是光束7、9的孔径β的一半(α＝β/2)。如果现在第一光束7的边缘光线7c和第二光束9的边缘光线9c在棱镜13的顶端13c处反射，相应的反射边缘光束9c′、7c′可以极好地彼此相邻对准，即，平行而无间隙或交迭。结果，如图6所示，组合光束15可以包括孔径γ，其中γ＝2*β，如果棱镜是棱镜13的两条侧边13a和13b之间的角度为90°的标准棱镜的话。

根据实施例，通过使光源倾斜，可以避免或减少形成组合覆盖印迹的两个覆盖印迹之间的交迭或间隙的出现。例如，一种方法是使光源(例如，LED光源)倾斜光束7、9的孔径的一半。倾斜的LED光源可以包括基板32、29，各自的准直器1、2以及热沉1、2，如图2所示。从而，两个光束7、9的边缘光线7c′和9c′彼此邻接。两个光束扩展成公共的有用光束15，公共有用光束15具有原始光束的两倍孔径。由此，两个光源充当针对物镜或投影光学装置35(参见图2)的一个大光源。如图2所示，第一和第二光源可以分别包括热沉1、2，热沉1、2例如安装在LED 1、2的基板32、29的背面。

为了简单配置热沉的目的，希望LED的冷却面平行但旋转180°。根据本发明的实施例，利用反射镜配置的面跨过的角度小于90°的特定棱镜或反射表面13a、13b布置，这种配置是可能的。

该实施例在图7中示意性示出。光学元件13，例如棱镜的反射表面13a、13b或者两个平坦玻璃反射镜，相对于彼此设置，使得棱镜的顶端13c处或者平坦玻璃反射镜之间的角度小于90°。应当指出，顶端13c可以是三维的光学元件或棱镜13的边沿。在本发明的其他实施例中，两个反射表面13a、13b可以相对于彼此设置，使得它们构成在100°和30°之间的范围中的角度，例如在95°和50°之间。在这种情况下，第一光束7和第二光束9同样可以按如下方式被反射：第一反射光束7′和第二反射光束9′彼此相邻对准。反射光束形成具有组合覆盖印迹20的组合光束15，组合印迹20包括彼此相邻对准的第一覆盖印迹和第二覆盖印迹。第一光束7和第二光束9可以被引导至靠近光学元件或棱镜13的前端顶端或边沿13c，使得反射光束7′和9′彼此相邻平行对准。换言之，如果单独光束7、9被引导至足够靠近前端边沿13c，则不存在形成组合光束15的第一反射光束7′和第二反射光束9′的间隙或交迭。

然而，有时可能难以接收到理想的图像或理想的组合覆盖印迹。实际上，可能存在如图8和9所示的组合覆盖印迹变化。

在图9中，示出了第一和第二光束的两个单独覆盖印迹8和11的示意组合覆盖印迹20。在该示例中，两个单独覆盖印迹8、9可能部分交迭，并且因此组合覆盖印迹20可能在光束1和光束2的交迭部分包括过高的亮度。光强可以由该区域中光束的叠加来给出。

如上所述，如图9中示意性所示，另一“未对准”可能导致“间隙”，这相当于组合覆盖印迹20中的暗影。

因此，与第一光束7和第二光束9的单独覆盖印迹或光斑8、11的面积相加所能给出的尺寸或面积、或者高宽比相比，组合覆盖印迹20可能包括较大或较小的尺寸或面积、或者不同的高宽比。根据实施例，组合覆盖印迹的面积可以在第一覆盖印迹的面积与第二覆盖印迹的面积之和的±10％的范围内。这意味着，组合覆盖印迹的面积与单独覆盖印迹的面积相比偏差可以小于等于10％。换言之，组合覆盖印迹的面积可以比第一和第二覆盖印迹的面积之和大10％以内，或者小10％以内。对于组合光束15的最大交迭，与反射的单独光束7′、9′的面积相比可以同样如此。

如果第一和第二光束的覆盖印迹是矩形，对于单独覆盖印迹以及组合覆盖印迹20的高宽比而言，可以同样如此。例如，如果第一和第二覆盖印迹均包括X∶Y的高宽比，则组合覆盖印迹可以包括(X∶2Y)±10％的高宽比。单独光束的覆盖印迹可以如上所述例如为16∶9，因此组合覆盖印迹可以具有((16∶18)±10％)的格式。这意味着组合覆盖印迹20的高宽比与准确组装的第一和第二覆盖印迹的理想高宽比相比可以具有±10％的偏差。

图13示出了照明装置的另一实施例。第一光源5和第二光源10同样可以是LED(LED1、LED2)。每一LED可以是LED模块，例如大芯片LED模块。LED1的覆盖印迹和LED2的覆盖印迹可以是方形的，即，包括1∶1的高宽比。从LED2发射的第一光束7可以经过准直器1，准直器1被配置为收集从LED2发射的光，并形成更为平行的第一光束7。从LED2发射的第二光束9也可以经过这种准直器2。

在该实施例中，两个反射表面13a和13b可以包括曲率。第一反射表面13a和第二反射表面13b例如可以形成为凹面，其中曲率大小可以使得第一反射光束7′和第二反射光束9′包括入射光束7和9的孔径的一半。第一和第二光束7和9可以在凹反射表面处反射，使得第一和第二反射光束7′和9′并不包括焦点。由于凹面或弯曲反射表面13a、13b处的反射，反射光束7′和9′的覆盖印迹可能已经改变，如图13示意性所述，使得得到修改的覆盖印迹8′、11′。LED1的修改覆盖印迹8′现在可以包括1∶2的高宽比，LED2的修改覆盖印迹11′也可以包括1∶2的覆盖印迹。

第一反射光束7′和第二反射光束9′同样彼此相邻对准，从而形成组合光束15。组合光束15现在可以包括组合覆盖印迹，该组合覆盖印迹具有彼此相邻对准的LED1的修改覆盖印迹8′和LED2的修改覆盖印迹11′。应当指出，LED1的修改覆盖印迹8′可以包括LED1的覆盖印迹8，以及LED2的修改覆盖印迹11′可以包括LED2的覆盖印迹11。

根据该实施例，组合覆盖印迹20和组合光束15包括高宽比为1∶1的方形形状。另外，组合覆盖印迹和组合光束可以包括比单独LED1或LED2的亮度或光强高的亮度或光强。组合光束15和组合覆盖印迹20可以包括单独LED1或LED2的光强或亮度的两倍的亮度或光强。光学元件13可以是棱镜，例如具有凹反射表面13a、13b的“凹陷(hollow)棱镜”，其中反射表面的一个方向具有凹面形状13f，另一方向是直面13g。图13中也示出了这种棱镜的三维视图80。

根据其他实施例，反射表面可以具有不同曲率，例如凸曲率，或者反射表面13a、13b的一部分可以弯曲而反射表面的其他部分可以是直的。一般而言，反射表面可以包括特定弯曲，使得入射光束7、9的高宽比可以改变，并且反射光束7′、9′可以在±3°的范围内平行对准以形成组合光束15，该组合光束具有包括修改覆盖印迹8′、11′的组合覆盖印迹。另外应当指出，在其他实施例中，光学元件13可以由平坦玻璃反射镜或其他反射元件构成，所述平坦玻璃反射镜或其他反射元件具有如上所述包括曲率的两个反射表面13a、13b。

照明装置可以包括这样的光学元件13，其中至少一个反射表面13a、13b为凸面或凹面，使得被凸或凹反射表面13a、13b反射的反射光束7′、9′具有与入射在凸或凹反射表面13a、13b上的相应光束7、9的高宽比不同的高宽比。这意味着入射光束的高宽比可以通过弯曲反射表面来改变。这些反射表面例如可以是凸面、凹面，或者一般而言弯曲或部分弯曲。

根据照明装置的另一实施例，入射在反射表面13a、13b上的光束7、9的高宽比为A∶B。从而，A等于B或者与B相差小于B的10％。这意味着高宽比例如可以如上所述在±10％的范围内为1∶1。在该实施例中，至少一个反射表面13a、13b是凹面，使得相应反射光束7′、9′的高宽比为A∶(B/X)，其中X在1.5和2.5之间。两个这种反射光束的相加于是可以得到组合光束15和组合覆盖印迹20，组合覆盖印迹20同样包括方形形状，其高宽比在±10％的范围内为1∶1。

照明装置可以如上所述包括这种专门棱镜，其中基本思想在于组合两个1∶1方形高宽比的光束。目前LED制造商使用一系列高效LED用于一般照明目的，其中这种高效LED的光束经常包括方形高宽比。两个这种LED的光束的简单相加将得到1∶2的高宽比。为了在这种LED的光束相加之后得到更为方形(高宽比1∶1)的组合光束和组合覆盖印迹，可以使用如图13所示的照明装置。

这种照明装置的光学元件13可以是棱镜，该棱镜形成为使得棱镜在一个平面13f上凹弯曲而另一平面13g可以是平坦的。棱镜在一个空间平面上表现为“常规”反射镜，而在另一空间平面上实现对光束的一定聚焦。结果，例如具有方形高宽比1∶1的光束的高宽比被修改，使得反射光束包括修改后的矩形高宽比1∶2，并且因此包括相应修改的覆盖印迹。

棱镜的曲率大小可以被设计为使得反射光束7′、9′包括的孔径在±5°的范围内对应于入射光束7、9的孔径的一半。棱镜的反射表面的曲率可以被配置为使得不形成焦点。第一和第二光束7、9可以平坦或二维地照射反射表面13a、13b。

如果棱镜被配置为将光束7、9的高宽比1∶1改变为1∶2的高宽比，则两个反射光束7′、9′同样可以彼此相邻平行对准，并可以实现方形的组合光束15(高宽比1∶1)。

根据本发明的其他实施例，如果两个这样的照明装置又照射较大的棱镜，该系统或照明装置可以级联，使得可以实现具有4个单独可控分段(segment)或分区(quadrant)的方形束。这种系统可以包括四个LED，这四个LED可以在不同频谱范围中发光，使得四个单独可控分区中每一个分区可以由不同颜色或者由发射光的组合来照射。根据实施例，第一LED可以包括红发射谱，第二LED可以包括蓝发射谱，第三LED可以包括绿发射谱，第四LED可以包括白或琥珀色发射谱。可以对形成组合光束15(具有四个独立可控的分区)的单独可控光束进行控制，使得对于观察者而言可以获得一定的特殊光学效果。

由于有时可能难以得到如图3所示的组合光束的理想图像，并且因此可能存在看起来如图8和9所示的变化，可以在照明装置中引入匀化级30或“混合器级”。在图2中，匀化级30可以设置在合束器13之后。该匀化级或混合器级可以被配置为对组合覆盖印迹20中交迭的效果以及间隙的暗影进行平复。这种混合器级30可以是两个微透镜阵列的设置或者“光隧道(light tunnel)”，光隧道可以是在内侧进行反射镜配置的中空光棒，例如用在视频卷轴机(beamer)中的光隧道。光隧道可以包括与组合覆盖印迹的直径相对应的直径。光隧道可以具有针对中空光隧道的方直径，或者可以是针对大型“光管”的六边形。六边形形状导致对入射组合光束15进行更好的混合，并更好地利用圆形遮光罩(gobo)75(图10b)。匀化的组合光束15′然后可以由投影光学装置35(如图2所示)成像在投影屏幕等上。

在图10a、10b中，示意性示出了照明系统200。照明系统200包括：第一光源5，被配置为发射具有第一矩形覆盖印迹8的第一光束7；以及第二光源10，被配置为发射具有第二矩形覆盖印迹11的第二光束9。第一光源5和第二光源10彼此面对设置。照明系统200还包括设置在第一光源5和第二光源10之间的光学元件13，光学元件13具有两个反射表面13a和13b。两个反射表面相对于彼此设置，使得第一光束在第一反射表面13a处反射，而第二光束9在第二反射表面13b处反射。第一和第二反射光束7′、9′彼此相邻对准，形成具有组合覆盖印迹20的组合光束15，其中组合覆盖印迹20包括与单独的第一和第二矩形覆盖印迹相比更方的形状。照明系统200还包括在组合光束15的光路中的圆形光学元件75，其中圆形光学元件75或圆形光学元件75a的一部分是透明、半透明的，或者能够改变经过的组合光束15的颜色。根据一些实施例，圆形光学元件的直径D与组合覆盖印迹的方形形状相适配(图10b)。这意味着，根据实施例，圆形光学元件75的直径D等于或至少在±10％的范围内等同于组合覆盖印迹20的短边边长20b。根据另一实施例，组合覆盖印迹20并不确切地包括方形形状，而是可以包括与单独覆盖印迹8、11相比更方的形状。在这种情况下，圆形光学元件75的直径D可以适配更方形状的组合覆盖印迹20的短边边长20b。

圆形光学元件75可以是遮光罩或掩模。其可以由金属制成并用作图案，或者可以由透明、半透明或者滤色器的玻璃制成。滤色器可以用来改变经过圆形光学元件75的组合光束的颜色。如果照明系统200包括第一LED 5和第二LED 10(具有高宽比为16∶9的第一矩形覆盖印迹和第二矩形覆盖印迹)，则组合覆盖印迹可以包括16∶18的高宽比。照明系统通过将两个LED的光束按照长边准相切的方式彼此相邻放置，使得这两个LED的光束在几何上相加，并得到高宽比为16∶18的组合光束。除了使能量加倍之外，这还具有另外的优点。要被贯穿照射(trans-illuminated)的遮光罩通常是圆形的。遮光罩75是切成圆板的模板或图案，用来建立投影光的图案。遮光罩可以在光束到达投影光学装置之前通过对光束的某些部分进行阻挡、着色或漫射，来控制光。因为光在被聚焦之前被成形，可以在短距离上投影坚实边沿的图像。照明系统因此也可以包括投影光学装置，其可以具有可移动透镜以实现锐利或柔和聚焦。遮光罩例如可以由片状金属或玻璃制成，这取决于设计的复杂度。玻璃遮光罩可以包括着色区域，这种着色区域由多层二向色玻璃制成，每一层针对一种颜色，粘在涂铝或涂铬的黑白遮光罩上。新技术使得可以使彩色照片进入玻璃遮光罩中。遮光罩也可以是塑料遮光罩，塑料遮光罩具有专门冷却元件以防止其熔化。遮光罩可以置于组合光束的焦平面中。遮光罩可以提供不同的光效。遮光罩常用于舞台照明、电视和电影制作中，以建立纹理、气氛或特效。

如果现在以16∶9光束照射圆形遮光罩，则光束窄边的方形应当覆盖遮光罩的整个直径。这在图11中示意性示出。覆盖印迹，例如第一覆盖印迹8，可以包括16∶9的高宽比。于是，光学元件，例如具有圆形有效区域的遮光罩75，由于几何形状而导致光损耗。在图11所示的情况下，遮光罩处的光损耗是由于矩形覆盖印迹的不同几何形状造成的，约为56％。这意味着56％的矩形光束可能被圆形遮光罩挡住。有效遮光罩面是圆形的，并且应当适配高宽比为16∶9的矩形光束。结果，可能出现30％至70％的巨大光损耗。在此，结果是大约56％的光能不再通过遮光罩。

根据照明系统200的实施例，组合光束15可以包括16∶18格式的组合覆盖印迹。结果，如图12示意性所示，遮光罩处的光损耗减小至大约30％。这意味着，由于有效遮光罩面75的直径D与更为方形的组合覆盖印迹20的适配，根据实施例可以实现光损耗或能量损耗的减小。取决于光学元件与组合光束的适配，光学元件处组合光束的光损耗可以减小高达50％。

在另一实施例中，照明系统还可以包括匀化级30，匀化级30设置在组合光束的光路中。匀化级30被配置为对组合光束15进行混合以形成混合组合光束15′。照明系统进一步包括投影光学装置35，投影光学装置35设置在混合组合光束15′的光路中，并被配置为对混合组合光束15′进行成像。圆形光学元件75设置在匀化级30与投影光学装置35之间的混合组合光束15′光路中。

匀化级30可以是光隧道，如同在视频卷轴机中所用。光隧道可以具有针对中空光隧道的方直径，以及可以是针对大型光管或光隧道的六边形。六边形导致更好的混合，并更好地利用圆形遮光罩。然而，体材料中的衰减可能稍高。

根据一些实施例，本发明涉及一种LED光斑或覆盖印迹。存在若干LED光源，它们可能适于照射这种系统或照明装置或照明系统。然而，问题可能是可能需要一个而并非若干光源用于光斑改变，这意味着成像系统。为了以不同功率玻璃(power glass)建立不同设备，根据一些实施例，可能需要适当的LED光源。开发耗费的经济成本可能巨大。

高性能LED(如用在背投电视机中的高性能LED)是根据一些实施例的系统的基础。这种高性能LED可以具有高亮度，并且可以发射例如可见光谱范围(750nm-450nm)中的光。这种高性能LED芯片的功耗例如可以高达100瓦，即，例如80瓦。因此，需要确保充分的冷却。因此，上述本发明的另一优点在于，光源例如高性能LED可以在相对侧分别设置，使得单独的光源彼此面对。结果，每一光源例如每一高性能LED可以包括其自身的热沉，如本发明的实施例中所述。因此，可以确保工作期间高性能LED的有效冷却。高性能LED可以如Lambert发射器那样发射光能，这意味着，其可以包括与视角无关的相同亮度。

根据实施例，光源可以是LED芯片，其被聚焦然后包括16∶9格式的覆盖印迹或光斑形状。这是目前在视频领域常见的格式。为了实现该配置，LED可以包括高宽比也为16∶9的有效发射区域。

尽管已经就若干实施例描述了本发明，但是在本发明的范围内存在替换、置换和等同物。还应注意，有许多备选方式来实施在此所述的照明装置和照明系统。因此，所附从属权利要求应被解释为包括落在本发明精神和范围之内的所有这些替换、置换和等同物。

Claims (20)

1.一种照明装置，包括：

第一光源(5)，被配置为发射具有第一覆盖印迹(8)的第一光束(7)；

第二光源(10)，被配置为发射具有第二覆盖印迹(11)的第二光束(9)；

其中第一光源(5)和第二光源(10)彼此面对设置；以及

光学元件(13)，具有两个反射表面(13a，13b)，光学元件(13)设置在第一光源(5)和第二光源(10)之间，其中两个反射表面(13a，13b)相对于彼此设置，使得第一光束(7)在第一反射表面(13a)处反射，第二光束(9)在第二反射表面(13b)处反射，并且使得第一反射光束(7′)和第二反射光束(9′)彼此相邻对准而形成具有组合覆盖印迹(20)的组合光束(15)，组合覆盖印迹(20)包括彼此相邻对准的第一覆盖印迹(8)和第二覆盖印迹(11)。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，第一光源(5)和第二光源(10)是发光二极管(LED)。

3.根据权利要求1或2所述的照明装置，其中，第一覆盖印迹(8)、第二覆盖印迹(11)和组合覆盖印迹(20)包括矩形形状。

4.根据权利要求3所述的照明装置，其中，第一覆盖印迹(8)的矩形形状和第二覆盖印迹(11)的矩形形状包括16∶9的高宽比，组合覆盖印迹(20)的矩形形状包括16∶18的高宽比。

5.根据权利要求3所述的照明装置，其中，第一覆盖印迹(8)的矩形形状和第二覆盖印迹(11)的矩形形状包括X∶Y的高宽比，组合覆盖印迹(20)包括((X∶2*Y)±10％)的高宽比。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的照明装置，其中，第一反射表面(13a)和第二反射表面(13b)相对于彼此设置，使得在公共顶端(13c)形成从100°至30°范围的角。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的照明装置，其中，光学元件(13)是棱镜，且形成该棱镜两个侧边的所述两个反射表面(13a、13b)成反射镜配置。

8.根据权利要求6所述的照明装置，其中，第一反射表面(13a)和第二反射表面(13b)是平坦玻璃反射镜，并且平坦玻璃反射镜的边沿(41)倾斜形成公共顶端(13c)而准确装配在一起。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的照明装置，其中，组合覆盖印迹(20)的面积在第一覆盖印迹(8)的面积与第二覆盖印迹(11)的面积之和的±10％的范围内。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的照明装置，还包括处于第一光束(7)光路中的第一准直器(准直器1)以及处于第二光束(9)光路中的第二准直器(准直器2)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的照明装置，其中，第一光束(7)包括第一孔径β1，第二光束(9)包括第二孔径β2，并且组合光束的孔径γ在第一孔径与第二孔径之和的±3°的范围内(γ＝(β1+β2)±3°)。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的照明装置，其中，第一光源(5)和第二光源(10)被设置为180°偏移，面对彼此，使得由第一光束(7)和第二光束(9)的中心光线(7b，9b)限定光轴(27)，以及

其中，第一光源(5)的主平面(25a)相对于光轴(27)倾斜第一光束(7)的第一孔径β1的一半，第二光源(10)的主平面(25b)相对于光轴(27)倾斜第二光束(9)的第二孔径β2的一半，使得第一反射光束(7′)的边缘光线(7c′)与第二反射光束(9′)的边缘光线(9c′)在±2°的范围内平行。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的照明装置，还包括匀化级(30)，所述匀化级(30)被配置为对组合光束(15)进行混合。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的照明装置，还包括投影光学装置(35)，所述投影光学装置(35)被配置为对组合光束(15)成像。

15.根据权利要求2至14中任一项所述的照明装置，其中，第一LED(5)包括第一热沉(热沉1)，第二LED(10)包括第二热沉(热沉2)。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的照明装置，其中，至少一个反射表面(13a，13b)是凸面或凹面，使得凸面或凹面反射表面反射的反射光束(7′，9′)具有与入射在凸面或凹面反射表面上的相应光束(7，9)的高宽比不同的高宽比。

17.根据权利要求16所述的照明装置，其中，入射在反射表面(13a，13b)上的光束(7，9)的高宽比为A∶B，其中A等于B或者与B相差小于B的10％，

其中至少一个反射表面(13a，13b)为凹面，使得相应反射光束(7′，9′)的高宽比为A∶(B/X)，其中X在1.5与2.5之间。

18.一种照明系统(200)，包括：

第一发光二极管(LED)(5)，被配置为发射具有第一矩形覆盖印迹(8)的第一光束(7)；

第二发光二极管(LED)(10)，被配置为发射具有第二矩形覆盖印迹(10)的第二光束(9)，其中第一LED(5)和第二LED(10)彼此面对设置；

光学元件(13)，具有两个反射表面(13a，13b)，光学元件(13)设置在第一LED(5)和第二LED(10)之间，其中两个反射表面(13a，13b)相对于彼此设置，使得第一光束(7)在第一反射表面(13a)处反射，第二光束(9)在第二反射表面(13b)处反射，以及其中第一反射光束(7′)和第二反射光束(9′)彼此相邻对准而形成具有组合覆盖印迹(20)的组合光束(15)，组合覆盖印迹(20)包括与单独的第一矩形覆盖印迹(8)和第二矩形覆盖印迹(11)相比更方的形状；以及

圆形光学元件(75)，处于组合光束的光路中，其中该圆形光学元件对于组合光束(15)是透明或半透明的，或者能够改变组合光束(15)的颜色，以及其中圆形光学元件(75)的直径D适配于由矩形的第一覆盖印迹(8)和第二覆盖印迹(11)形成的组合覆盖印迹(20)的方形形状。

19.根据权利要求18所述的照明系统，还包括：

匀化级(30)，设置在组合光束(15)的光路中，其中所述匀化级(30)被配置为对组合光束(15)进行混合以形成混合组合光束(15′)；以及

投影光学装置(35)，设置在混合组合光束(15′)的光路中，所述投影光学装置(35)被配置为对混合组合光束(15′)成像，

其中，圆形光学元件(75)设置在匀化级(30)与投影光学装置(35)之间的混合组合光束(15′)光路中。

20.根据权利要求18或19所述的照明系统，其中，圆形光学元件(75)是遮光罩。

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