CN102348929B - 图案投影光输出系统 - Google Patents

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Abstract

一种光输出系统（1），用于在远处投影平面（3）中形成受照射斑点（11a-b）的可控制图案（10）。所述光输出系统（1）包括：多个单独可控制光输出装置（6a-c），其布置在具有光输出装置节距（PLS）的光输出装置阵列（5）中；以及光学系统（7），其布置在所述光输出装置阵列（5）和所述投影平面（3）之间。所述光学系统（1）配置成将由所述光输出装置阵列（5）发射的光投影在所述投影平面（5）中成为受照射斑点（11a-c）投影阵列，所述受照射斑点投影阵列具有大于所述光输出装置节距（PLS）的投影节距（Pspot）。使用这种光输出系统，实际上由所述光输出装置输出的所有光功率被用于投影光图案。

Description

图案投影光输出系统
技术领域
本发明涉及一种用于在远处投影平面中形成受照射斑点的可控制图案的光输出系统。 
背景技术
随着诸如新型改进发光二极管（LED）的新型光源发展的不断进步，已经出现了新的应用领域。例如已经发展出这样的产品，其使得用户能够利用可控制照明来创建气氛。这种产品的一个实例是来自Philips的LivingColours灯，所述灯通过其直观的远程控制而为用户提供了发现无限颜色范围的自由度。 
更进一步，将期望使得用户能够控制照明的另外方面，比如在壁或类似物上形成可控制光图案。 
比如电子投影仪的已有装置可以用于形成这种可控制图案。然而，这种装置中光源生成的光的仅仅小的份额－典型地小至5%的份额－实际上被用于创建该图案。 
EP0992838A2公开了一种配备有微透镜的液晶显示器(LCD)装置。像素布置成形成多个像素单元，每个像素单元包括R、G和B的三基色像素，使得三基色像素中的两个在竖直方向上交替布置，并且三基色像素中的不同两个在水平方向上交替布置，并且多个微透镜按照两个像素的节距二维地布置，使得已经穿过形成一个像素的三基色像素的三个光通量通过相同的微透镜被发射。
US5612821A公开了一种用于控制输出辐射模式的光学系统，其包括第一和第二微透镜模块(MLM)以及光学源阵列。该系统特征在于第一和第二微光学透镜模块(MLM)，该MLM具有与交替的光学源基本上对准地定位的直径为D的小透镜。各个LED既与MLM中的互补小透镜的光轴对齐，也与与其毗邻的其它小透镜的边界对齐。
US2004/0036990A1公开了一种包括棱镜阵列的发光单元，该棱镜阵列布置在发光体前方附近并且将来自发光体的预定角度范围以外的输出光线转换成该角度范围内的光线。此外，US2004/0036990A1公开了一种投影显示设备，其包括发光体、棱镜阵列、导光构件、光学调制元件和投影光学系统.
WO2007/007271A3公开了一种照明系统，其包括灯具和照明器，该照明器发射多个定向光束，或者在某些条件下发射一个比较小束的紧凑束。第二平面中透镜阵列的位移影响(多个)光束的方向或者影响光斑的尺寸。
US2008/0239726A1公开了一种用于舞台用途的LED投影灯。LED的光发射由程序控制，菲涅耳透镜设置在LED前方从而在某一距离投影几何图形。
发明内容
鉴于现有技术的上述以及其它缺陷，本发明的总体目的是提供一种改进的光输出系统，其使得能够以比已有电子投影装置更高的发光效率在壁或类似物上形成可控制光图案。 
因此，本发明提供了一种用于在远处投影平面中形成受照射斑点的可控制图案的光输出系统，该光输出系统包括：多个单独可控制光输出装置，其布置在具有光输出装置节距的光输出装置阵列中；以及布置在光输出装置阵列和投影平面之间的光学系统，该光学系统配置成将由光输出装置阵列发射的光投影在投影平面内成为与光输出装置具有一一对应关系的受照射斑点投影阵列，该投影阵列具有大于光输出装置节距的投影节距。 
术语“光输出装置”在本申请的上下文中应理解为是指能够输出光的任何装置，所述光即为可见光谱内的电磁辐射。 
阵列的“节距”是指在阵列的主方向之一上该阵列中包括的相邻装置之间的距离。如本领域技术人员所理解，一维阵列具有一个节距值以及二维阵列具有两个节距值，这两个节距值可以相等或不相等。 
本发明是基于这样的意识：通过使用光输出装置阵列生成待投影的图案并且将单独光输出装置投影到壁或类似物上的相应斑点，斑点阵列的节距大于光输出装置阵列的节距，则可以以非常高的发光效率将可控制光图案投影在壁或类似物上。 
受照射斑点投影阵列可以有利地包括与光输出装置阵列相同数目的阵列元件。 
利用根据本发明的光输出系统，实际上由光输出装置输出的所有光功率被用于投影光图案。与依赖于由空间光调制器或类似物来调制光的现有技术系统相比，这导致光输出系统的显著提高的发光效率。 
此外，根据本发明的光学系统可以制成非常紧凑和成本有效的，因为仅仅需要没有移动部件和/或单独可控制元件的光输出装置阵列和光学系统以实现所期望的投影光的可控制图案。 
布置在光输出装置阵列和投影平面之间的光学系统可以有利地包括具有光学元件节距的光学元件阵列。 
再者，光学元件可以是聚焦透镜。聚焦透镜可以有利地具有基本上相同的聚焦属性。 
根据一个实施例，光学元件阵列的光学元件节距可以大于光输出装置节距并且小于投影节距。利用这种配置，可以实现投影节距大于光输出装置节距的受照射斑点投影阵列而不借助于任何附加光学布置。 
由于投影表面和光学元件之间的距离典型地明显大于光输出装置和光学元件之间的距离，光学元件节距可以有利地为光输出装置节距的1至1.25倍，并且更有利地为1.05至1.18倍。换言之，光学元件节距可以根据下述关系与光输出装置节距有关： 
Poptical element=αPlight-output device，
其中Poptical element为光学元件节距；Plight-output device为光输出装置节距，以及α为上述倍数。
为了确保光输出装置阵列中每个光输出装置输出的光被光学元件阵列中的其关联光学元件投影，光学元件阵列中光学元件的数目可以有利地满足下述关系： 
N(Poptical element–Plight-output device)<Poptical element，
其中：
N为光学元件阵列在任何方向上的最大尺度；
Poptical element为光学元件节距；以及
Plight-output device为光输出装置节距。
此外，每个光输出装置可至少包括配置成发射不同颜色光的第一光源和第二光源。这使得能够投影彩色图案。 
有利地，第一光输出装置中包括的第一光源相对于与第一光输出装置关联的光学元件可以按下述方式布置：由第一光源发射的光被投影成为与第二光输出装置中包括的第二光源关联的斑点。第二光输出装置可以置为毗邻第一光输出装置，或者第一和第二光输出装置可以被一个或若干个其它光输出装置隔开。 
这种光输出装置配置使得通过混合由不同光输出装置中包括的光源输出的光，能够控制投影斑点的颜色。 
再者，特定光输出装置中包括的第一和第二相邻光源可以分隔开由下述关系给出的距离ΔLS： 
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE001
，
其中n为整数1、2、3、...，zi为与光输出装置关联的光学元件和投影平面之间的光学距离，zo为光输出装置和光学元件之间的光学距离，以及Pspot为投影节距。技术人员公知的是，“光学距离”为物理距离乘以光行进通过的介质的折射率。
因此，可以实现不同颜色子斑点之间的基本上完全交叠，藉此可以避免比如彩色条纹的伪影。 
根据另一实施例，光学系统可以附加地包括布置在光学元件阵列和投影平面之间的束导向构件，该束导向构件配置成将从光学元件阵列离开的光束引导朝向投影平面内的受照射斑点投影阵列。 
利用布置在光学元件阵列和投影平面之间的束导向构件，可以使光学元件节距和输出元件节距之间的差异更小（光学元件节距和输出元件节距甚至可以相等），藉此可以容纳更大的光学元件（光输出装置）的阵列，这使能实现更高分辨率和/或在特定距离形成更大的投影图案。 
束导向构件可包括导向光学元件阵列，每个导向光学元件配置成将从光学元件阵列中的关联光学元件离开的光束引导朝向投影平面内的受照射斑点投影阵列中的关联斑点。 
可替换地或者与布置在光学元件阵列和投影平面之间的上述束导向构件组合，根据本发明各种实施例的光输出系统可包括布置在光输出装置阵列和光学元件阵列之间的束导向构件。此束导向构件可以与上文所述相似包括导向光学元件阵列。 
再者，光输出系统可以有利地配置成使得光输出装置阵列和光学系统之间能够相对移动。根据此实施例，光输出装置阵列和光学系统其中之一或二者的位置可以是可调节的。因此，可以由用户根据在光输出系统的应用位置处的条件来调节投影斑点的配置。 
例如，光输出系统可配置成使得能够调节光输出装置阵列和光学系统之间的距离。因此，光输出系统可以被调适用于到图案应投影在其上的表面的不同距离和/或在该表面上相邻斑点之间不同的期望交叠。 
再者，光输出装置阵列和光学系统之间的对齐可以是可调节的，也就是说，光输出装置阵列和光学系统其中任何一个或二者可以在侧向方向上是可移动的，藉此用户可以调节受照射斑点的投影图案的位置，同时光输出系统保持静止。 
此外，光输出系统可包括分离光输出装置的分割壁，所述分割壁布置在光输出装置阵列和光学系统之间。因此，可以防止由特定光输出装置输出的光的方向被与那个光输出装置不关联的光学元件改变。 
附图说明
参考示出本发明当前优选实施例的附图，现在更详细描述本发明的这些和其它方面，在附图中： 
图1示意性地说明将光图案投影在壁上的示例性光输出系统；
图2为图1中的光输出系统的一部分的示意性图示，说明其一种可能配置；
图3为图2中的部分光输出系统沿着线A-A’的简化图的截面，说明光输出系统的几何；
图4为图2中的部分光输出系统沿着线A-A’的截面视图，说明可以如何形成不同颜色斑点；
图5为图1中的光输出系统的一部分的示意性图示，说明其另一种可能配置；
图6为图1中的光输出系统的一部分的示意性图示，说明其又一种可能配置，该光输出系统包含布置在光学元件阵列和投影平面之间的束导向构件；以及
图7为图6中的部分光输出系统沿着线B-B’的截面视图。
具体实施方式
在下述描述中，主要参考光输出系统描述本发明，在该光输出系统中，光输出装置包括传统正透镜阵列和多个不同颜色发光二极管（LED）。 
应注意，这绝不是限制本发明的范围，本发明同样可应用于包括其它类型光输出装置以及比如菲涅耳透镜等的其它光学元件的光输出系统。 
图1为分解视图，示意性地说明将图案2投影在代表投影平面的远处壁3上的示例性光输出系统1。参考图1，光输出系统1包括：单独可控制光输出装置6a-c的阵列5（仅仅三个这些光输出装置使用附图标记示出以避免使附图杂乱）；以及光学系统7，其包括布置在光输出装置6a-c和投影平面3之间的光学元件9a-c阵列。 
此外，如图1中示意性地说明，由光输出装置6a-c的阵列5输出的光被投影成为受照射斑点11a-c的投影阵列10。如图1中可以看出，光输出装置6a-c的阵列5的节距（相邻光输出装置之间的距离）PLS远小于投影平面3中受照射斑点11a-c的节距Pspot。从光输出装置节距PLS到受照射斑点11a-c的节距Pspot的转变由布置在光输出装置6a-c的阵列5和投影平面3之间的光学系统7处理，并且将参考图1的光输出系统的许多说明性实施例在下文予以进一步描述。 
现在参考图2描述具有图1说明的基础配置的光输出系统的第一实施例。 
图2为从图1中的投影平面3观看的光输出系统1的平面视图，并且光输出装置6a-c通过光学元件9a-c是可见的。在此特定实施例中，每个光输出装置6a-c包括蓝色LED 12a、13a、14a，红色LED 12b、13b、14b以及绿色LED 12c、13c、14c，并且光学元件9a-c被提供为按照节距Plens布置的透镜的形式，所述节距Plens大于光输出装置节距PLS。尽管图2中说明的实施例为颜色可控制实施例，图1中从光输出装置节距PLS到受照射斑点11a-c的节距Pspot的转变的原理首先参考简化的单色情形予以描述，该情形示意性地在图3中说明，并且对应于仅仅具有红色LED 12b、13b、14b的图2的配置。 
参考图3，现在描述光输出系统1的当前实施例的几何属性之间的关系。在图3示意性地说明的实施例中，光学元件9b-c布置在距离光源6b-c光学距离zo处，并且投影平面3置于距离光学元件9b-c光学距离zi处。如图3中指出，每个光源6b-c可以装配有准直光学元件15b-c以略微准直由光源6b-c发射的光。这样做是为了确保由光源6b-c发射的光的大部分可以由相应透镜9b-c捕获。 
现在，在图3中示意性地说明的实施例中，从光源节距PLS到投影平面3中受照射斑点的节距Pspot的转变是通过适当地选择系统的几何来实现，也就是说，对于特定光源节距PLS，适当地选择光源6b-c和透镜9b-c之间的距离zo以及透镜阵列8中透镜9b-c的节距Plens。 
具体而言，根据当前说明的实施例的光学系统的配置应满足下述关系： 
Figure 724072DEST_PATH_IMAGE002
            （1）。
由于实践中P Spot >>P Lens ，方程（1）暗示P LS 小于P Lens。 优选地，0.8P Lens <P LS <P Lens 。甚至更优选地0.85P Lens <P LS <0.95P Lens。 另外注意z o <<z i 。 
投影在壁上斑点的大小d Spot 典型地等于系统的放大因子乘以光源6a-b（在适用时加上准直器15b-c）的尺度d LS ： 
Figure 2010800116192100002DEST_PATH_IMAGE003
                              （2）。
为了确保投影在投影平面3内的图案2（图1）的强度和颜色的平滑过渡，相邻点11a-c之间的某些交叠（图1）是期望的。这种交叠满足下述关系： 
Figure 641212DEST_PATH_IMAGE004
                      （3）。
已经发现，交叠O>25%产生所期望的平滑过渡。此外，为了维持辨别相邻点11a-c的能力（防止投影在壁3上的光图案2分辨率损失），该交叠可具有上限，该上限可以有利地为O<75%。 
应注意，通过将另一光学元件（未示于图3），比如漫射器（或者薄弱和精细节距的透镜的阵列）置为靠近透镜的平面，可以形成额外的交叠。 
现在已经解释了光输出系统1的一个示例性实施例的几何，藉此可以实现光输出装置6a-c的节距PLS和投影在投影平面3中的斑点11a-c的节距Pspot之间所期望的转变，我们现在将转而描述图3的配置可以如何调整以使得能够形成彩色投影图案。 
图4为图2中的部分光输出系统沿着线A-A’的截面视图，说明使用图1中的光输出系统可以如何形成不同颜色斑点。 
为了实现具有彩色受照射斑点11a-c的高质量图案，期望确保基本颜色的斑点按照它们基本上完全交叠的方式投影在投影平面3中。以此方式，可以形成基本上自由可控制的颜色的斑点，而没有比如彩色条纹等的伪影。 
参考图4，现在将描述一示例性实施例，其中该系统是基于三基色红（=R）、绿（=G）和蓝（=B）。RGB-LED 12a-c、13a-c、14a-c的三联体置于每个透镜9a-c后面（从投影平面3观看）。由这些三联体的每个LED发射的光在壁3上形成光斑，如图4中针对蓝色LED 12a、红色LED 13b和绿色LED 14c所示意性地说明。得到的斑点11b将看上去为白色。 
为了确保由不同光输出装置6a-c（此处为LED三联体）中包括的不同光源形成的受照射斑点交叠，应选择光输出装置6a-c中包括的光源之间的合适间距。 
参考图4中的示例性实施例，通过按照合适间距布置每个三联体6a-c内的LED 12a-c、13a-c、14a-c，可以确保某一颜色的每个LED在壁上形成的光斑与另一三联体的互补颜色的LED的光完全交叠。此间隔距离遵从下述关系： 
                           （4）。
在此关系中，n为表示由光输出装置6a-c中相邻光源输出的光的投影形成的斑点之间距离的整数，其单位为斑点节距Pspot。有利地，间隔距离ΔLS可以选择为使得在上述关系中n=1。对于无法定位靠近在一起的不同颜色光源的情形，可以选择n=2或n=3。 
应注意，不同颜色光源12a-c、13a-c、14a-c可以作为单独装置被提供或者可以一起封装在一个相同外壳内。 
作为图2中说明的光输出装置的六角形布置的可替换方案，光输出装置6a-c可以布置在矩形配置中，如图5中示意性地说明。 
图5中的配置与参考图2在上文描述的配置不同之处还在于：每个光输出装置6a-c包括四个光源12a-d、13a-d、14a-d，其中第四光源为配置成发射白色光的光源以实现改进的照射。 
应注意，正如图2中说明的实施例的情形那样，光学元件9a-c的节距在水平和竖直方向上均大于光输出装置6a-c的节距。 
接着，参考图6和7，我们将讨论可以在图1中的光输出系统1的各种实施例中使用的又一可能配置。 
根据目前为止所讨论的各种配置，通过选择布置在光输出装置6a-c的阵列5和投影平面3之间的透镜阵列的合适节距Plens，实现了从光输出装置节距PLS到投影在投影平面3中的受照射斑点11a-c节距Pspot的转变。 
作为可替换方案或者补充，光输出系统1可以设有布置在光学元件9a-c阵列和投影平面3之间的束导向构件，从而引导穿过光学元件9a-c的光束以实现投影平面3中具有所期望的节距Pspot的受照射斑点11a-c。 
例如，如图6中示意性地说明，光学元件9a-c的节距Plens可以选择为与光输出装置6a-c的节距PLS相同，并且束导向构件可以布置在光学元件9a-c和投影平面3之间以实现基本上全部的从PLS到Pspot的转变。 
技术人员将理解，由束导向构件引起的束偏转的幅度和方向将取决于在阵列中的位置，并且在图6说明的情形中束导向构件配置成使得当从光输出系统1的外部穿过束导向构件和光学元件9a-c阵列朝向光输出装置6a-c回溯光线时，光输出装置6a-c看上去相隔由方程（1）给出的节距PLS。 
在图6的示例性配置中示意性地说明的简单束导向构件的实例是基于精细节距的棱镜17a-i的一维阵列。束导向构件可包括多个光学元件，或者可以被提供成为一个大的整体束导向构件，其可以例如为大的负透镜，优选地为菲涅耳类型透镜。 
在为图6中的部分光输出系统沿着线B-B’的截面视图的图7中，针对具有单色光输出装置6a-b的简化情形示意性地说明后偏转的原理。通过图7中的配置，对于与图3相同的光学元件节距Plens实现了相同的斑点节距Pspot。 
最后应注意，可以采取各种措施从而在根据本发明的光输出系统1的颜色可控制实施例中避免边界效应。根据一种方法，无法利用为了在壁上该斑点位置提供全谱颜色所需的其它颜色补充的靠近光输出装置阵列5边缘的光源可以被控制不发光，或者可以从光输出系统1略去。 
本领域技术人员将认识到，本发明绝不限于所述优选实施例。例如，分割壁（吸收性的）可以置于相邻光输出装置6a-c之间，从而确保由具体光输出装置发射的光可以仅仅行进穿过相应透镜并且不穿过相邻透镜。再者，对于希望从倾斜角度将图案在壁上的情形，则可以有利的是：被投影靠近光输出系统的斑点具有小于平均值的光输出装置和光学元件之间的距离，以及被投影更远离光输出系统的斑点具有大于平均值的光输出装置和光学元件之间的距离。此外，菲涅耳类型透镜是强大（高放大率）但是轻质的透镜，可以有利地用作所述光学元件。附加地，光输出系统中包括的光学元件的一些或全部可以有利地是基于例如液晶或电润湿的电学可调节有源光学元件。例如，通过使用有源漫射器，则可以调谐壁上光斑的交叠。通过使用有源后偏转器，则能够调谐壁上光斑图案的大小。 

Claims (12)

1.一种用于在远处投影平面（3）中形成受照射斑点（11a-b）的可控制图案（10）的光输出系统（1），所述光输出系统（1）包括：
多个单独可控制光输出装置（6a-c），其布置在具有光输出装置节距（PLS）的光输出装置阵列（5）中，每个光输出装置包括至少一个发光二极管；以及
光学系统（7），其包括具有大于所述光输出装置节距（PLS）的光学元件节距（Plens）的光学元件（9a-c）阵列，该光学系统布置在所述光输出装置阵列（5）和所述投影平面（3）之间，
所述光学系统（1）配置成将由所述光输出装置阵列（5）发射的光投影在所述投影平面（3）中成为受照射斑点（11a-c）投影阵列，所述受照射斑点（11a-c）投影阵列具有大于所述光学元件节距（Plens）的投影节距（Pspot），
其特征在于所述光输出系统满足下述关系：
N(Poptical element–Plight-output device)<Poptical element，
其中：
N为光学元件阵列在任何方向上的最大尺度，单位为光学元件（9a-c）的数目；
Poptical element为光学元件节距；以及
Plight-output device为光输出装置节距。
2.根据权利要求1的光输出系统（1），其中所述光学元件（9a-c）为聚焦透镜。
3.根据权利要求1或2的光输出系统（1），其中所述光学元件节距（Plens）为所述光输出装置节距（PLS）的1至1.25倍。
4.根据权利要求1的光输出系统（1），其中每个光输出装置（6a-c）至少包括配置成发射不同颜色光的第一光源（12b；13b；14b）和第二光源（12c；13c；14c）。
5.根据权利要求4的光输出系统（1），其中第一光输出装置（6a）中包括的第一光源（12a）相对于与所述第一光输出装置（6a）关联的光学元件（9a）布置成使得由所述第一光源（12a）发射的光被投影成为与第二光输出装置（6b）中包括的第二光源（13b）关联的斑点（11b）。
6.根据权利要求5的光输出系统（1），其中特定光输出装置（6a）中包括的第一（12a）和第二（12b）相邻光源分隔开由下述关系给出的距离ΔLS：
Figure 2010800116192100001DEST_PATH_IMAGE001
，
其中n为整数1、2、3、...，zi为与所述光输出装置（6a）关联的所述光学元件（9a）和所述投影平面（3）之间的光学距离，zo为所述光输出装置（6a）和所述光学元件（9a）之间的光学距离，以及Pspot为所述投影节距。
7.根据权利要求1的光输出系统（1），其中所述光学系统（7）还包括布置在所述光学元件（9a-c）阵列和所述投影平面（3）之间的束导向构件，所述束导向构件配置成将从所述光学元件阵列离开的光束引导朝向所述投影平面（3）中的所述受照射斑点（11a-c）投影阵列。
8.根据权利要求1的光输出系统（1），其中所述光学系统（7）还包括布置在所述光输出装置阵列（5）和所述光学元件（9a-c）阵列之间的束导向构件，所述束导向构件配置成将由所述光输出装置（6a-c）发射的光束引导朝向所述投影平面（3）中的所述受照射斑点（11a-c）投影阵列。
9.根据权利要求7或8的光输出系统（1），其中所述束导向构件包括导向光学元件（17a-i）阵列，每个导向光学元件配置成将由所述光输出装置阵列中的关联光输出装置（6a-c）发射的光束引导朝向所述投影平面（3）中的所述受照射斑点投影阵列中的关联斑点（11a-c）。
10.根据权利要求1的光输出系统（1），配置成使得所述光输出装置（6a-c）阵列（5）和所述光学系统（7）之间能够相对移动。
11.根据权利要求10的光输出系统（1），配置成使得能够调节所述光输出装置阵列（5）和所述光学系统（7）之间的距离（zo）。
12.根据权利要求1的光输出系统（1），包括分离所述光输出装置（6a-c）的分割壁，所述分割壁布置在所述光输出装置阵列（5）和所述光学系统（7）之间。
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