CN102686935B - 具有互补中心透镜和外围透镜的集光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集光器，其用于收集由光源发射的光并将所收集的光转换为光束。集光器包括沿着光源的光轴(215)对准的中心透镜部分(219)，其中中心透镜包括中心入射表面(303)和中心出射表面(305)。集光器还具有围绕中心透镜的至少一部分的外围透镜部分(221)。透镜部分相对于光轴是旋转不对称的，由此使发射光失真。所述中心透镜和所述外围透镜相互适合以将由所述光源发射的所述光(215)转换为共同光束，所述共同光束具有实质上圆形并且旋转对称的横截面光分布，其中所述共同光束包括所述第一光束部分(223)和所述第二光束部分(225)。

Description

具有互补中心透镜和外围透镜的集光器

发明领域

本发明涉及一种照明装置，其照明光闸并且将光闸的影像投影到目标表面。照明装置包括产生光的光源模块、限定光闸的孔隙和适合于在目标表面处投影光闸的投影系统。

本发明还涉及一种集光器，其用于收集由光源发射的光且将所收集的光转换为光束。集光器包括沿着光源的光轴对准的中心透镜部分，其中中心透镜包括中心入射表面和中心出射表面。集光器还具有围绕中心透镜的至少一部分的外围透镜部分。外围透镜包括外围入射表面、外围反射表面和外围出射表面。

发明背景

发光二极管(LED)由于其相对低的能量消耗、长的寿命和电子调光的能力而在与照明应用有关的方面越来越多地得到使用。LED被成功用于照明应用中以供全面照明，诸如用于照明宽阔区域或用于产生宽阔光束（例如，用于娱乐行业）的染色灯/泛光灯。

然而，LED目前尚未在与光应用系统有关的方面得到成功使用，在光应用系统中，可产生影像并将影像投影到目标表面。在与娱乐照明有关的情况下尤其如此，在娱乐照明中，高需求的流明(lumen)输出和高的影像质量都是必需的。LED投影系统尚不能够满足这些需求。

投影系统中的光通常被收集到光闸中，在光闸中产生影像，接着成像光学系统将光闸投影到目标表面上。WO0198706、US6227669和US6402347公开了照明系统，其包括排列在平面阵列中的数个LED，其中将会聚透镜定位在LED的前面以便聚焦光，从而（例如）照明预定区域/闸或用于将来自二极管的光耦合到光纤中。

US5309277、US6227669、WO0198706、JP2006269182 A2、EP1710493 A2、US6443594公开了照明系统，其中将来自数个LED的光定向至共同焦点或聚焦区域，例如，通过使LED相对于光轴倾斜（JP2006269182 A2、WO0198706、US5309277）或通过使用定位在每个LED前方的单独折射构件（US6443594、US7226185B、EP1710493）来定向。

WO06023180公开了一种投影系统，其包括具有许多个的LED的LED阵列，其中将来自LED的光定向至目标区域。可以将LED安装到如图1a中所示的弯曲底座的表面或安装到如图1b中所示的平面底座的表面。

US 2008/0304536公开了一种高强度照明设备，其包括外壳；弯曲的支撑盘，其具有基于二极管或激光的集成光源的阵列，所述阵列安置在外壳内与支撑盘附连。每个光源包括光管(tube)，光管的一端处具有激光或二极管芯片。每个光管都具有位于与芯片相对的一端上的至少一个凹形出射表面，其中凹形出射表面使从每个光源发射的光会聚到外壳内的焦点。弯曲支撑盘的形状使各个焦点会聚到具有共焦平面的光束中。可调整的二次光学元件安置在外壳中，位于焦平面后方以便产生光束透射的各种角度。激光可以是二极管激光，而二极管可以是发光二极管(LED)。将LED封装到光管中，其中在一个实施方案中，光管具有反射表面和混合的出射表面。混合的出射表面包括内部球形聚焦元件和外部抛物线形聚焦元件。球形聚焦元件216和抛物线形聚焦元件217与218经过配置以将发射光聚焦到同一焦点。将LED封装到光管中，光管在光学上减少LED的有效发光面积并因此难以维持穿过整个光学系统的光学扩展量(etendue)。此外，难以设计光管的聚焦性质，这是因为聚焦是由混合的出射表面来执行，这约束了设计选择，因为只有两个表面部分可以被调整。另一问题在于以下事实：现今使用的高功率LED通常需要冷却，但在将LED封装到光管中时很难提供冷却。

US 2009/022552公开了一种具有复合弯曲表面的光源调制装置，其包括光分布复合折射表面、基础表面、反射表面和光调制复合折射表面，其中光分布复合折射表面具有第一折射表面和第二折射表面，且光调制复合折射表面具有第三折射表面和第四折射表面。光源调制装置经特定定形以使得从光源发射且与其法线方向形成小于光分布基准角的角度的光线从第一折射表面穿过第三折射表面，所述第三折射表面调制所述光线的出射角；并且从光源发射且与其法线方向形成大于光分布基准角的角度的光线从第二折射表面传递到反射表面，且由此经反射穿过第四折射表面，所述第四折射表面调制所述光线的出射角。因此，从光源调制装置发射的出射光线是准直且均匀的。

US 7,798,677公开了一种用于沿着投影系统的光轴发射光的照明单元，其包括LED晶粒和准直透镜。准直透镜包括中心部分和外围部分。中心部分具有第一光透射表面和与第一光透射表面相对的第二光透射表面。在中心部分周围的外围部分具有耦合到第一光透射表面以形成用于设置LED晶粒的凹槽的内折射壁、与内折射壁相对的外反射壁，和连接到第二光透射表面和外反射壁的折射表面。准直透镜的中心部分和外围部分是椭圆的且相对于光轴是旋转不对称的，且都适合于提供椭圆形光束。

现有技术器材试图通过增加尽可能多的光源来增加流明输出。然而，结果是关于功率消耗相对光输出的效率非常低。此外，大量的光会损失掉，这是因为现有技术器材通常只将光束的光的中心部分耦合穿过光闸以便提供对光闸的均匀照明，从而再次降低了效率。灯具中的空间通常是有限的，因而难以将许多光源配装到现有技术器材中，（例如）因为与光源相关联的光学组件通常会占据大量的空间。另一方面在于以下事实：颜色伪像通常出现在具有不同颜色光源的器材的输出中。其原因在于以下事实：用于舞台照明的高性能LED具有5-12mm²和甚至更高的较大矩形晶粒面积。这意味着，不可能将主要光学元件模拟到点源，因为在主要光学元件与LED晶粒之间的大小比率可以变得相当小。此外，矩形形状也可以在输出中成像为矩形光斑。与放电灯相比，这些光斑配合度不佳，以致于不能顺利地填满舞台照明仪器的圆形光点轮廓。

发明描述

本发明的目标是解决或最小化上述问题中的至少一些问题。这个目标可以由独立权利要求界定的本发明来实现。在示出本发明的附图的详细描述中公开了本发明的益处和优点。附属权利要求界定本发明的不同实施方案。

附图描述

图1a和图1b示出包括数个LED的现有技术照明系统；

图2a和图2b示出根据本发明的照明装置；

图3a和图3b示出根据本发明的照明装置中的光源和光收集构件的不同设置；

图4示出在已使光源和光收集构件倾斜并且以偏移方式定位的情况下的设置；

图5a和图5b示出根据本发明的照明装置的实施方案；

图6a和图6b示出用于图5a和图5b中所示的照明装置中的冷却模块；

图7a至图7e示出用于图5a和图5b中的照明装置中的光源和集光器；

图8a和图8b示出根据本发明的集光器；

图9a和图9e对根据本发明的集光器与根据现有技术的集光器的性能进行比较；

图10a至图10f示出根据本发明的其它集光器；

图11a至图11j示出用于使NRS透镜最佳化的方法的不同方面和结果；以及

图12a至图12b示出根据本发明的另一集光器。

发明详述

图1a示出使用许多个的LED的现有技术投影系统的实施例并且示出由WO06023180所公开的投影系统。投影系统100包括光产生元件(LEDs)102a、102b和102c，其经布置以分别沿着轴106a、106b和106c向目标区域108发射光104a、104b、104c并且经定向以使得在目标区域108的中心处相交。目标区域108对应于产生影像的物体的位置。

包括一个或多个透镜的光收集单元109用于收集来自每个光产生元件102a、102b和102c的光104a、104b、104c。光产生元件102a、102b和102c具有相关联透镜110a、110b和110c。例如，在光产生元件102a、102b和102c为LED的情况下，相关联透镜110a、110b和110c为由封装LED的材料形成的半球形透镜。光收集单元109包括聚光透镜112a、112b和112c。光产生元件102a具有相关联透镜110a和聚光透镜112a以收集发射光104a。一般沿着轴106a将所收集的光114a定向至成像透镜单元116a。将成像透镜单元116a定位在目标区域108与聚光透镜112a之间以将聚光透镜112a的影像传递到接近目标区域108的位置。光产生元件102a的影像也可以在成像透镜单元116a处由光收集光学元件109和与光产生元件102a相关联的任何其它透镜来形成。

其它光产生元件102b和102c分别具有各自的光收集透镜110b、112b和110c、112c，其将发射光104b和104c定向至各自的成像透镜单元116b和116c。成像透镜单元116b和116c将来自光收集光学元件的输出的影像（换句话说，聚光透镜112b和112c的影像）传递到目标区域108。聚光透镜112a、112b和112c的影像在目标区域108处重叠且实质上填充或可能甚至稍微过度填充目标区域108。

所传递的光118a和118c一般分别沿着轴106a和106c传播。使轴106a和106c在目标区域108的轴的周围倾斜，目标区域的轴与轴106b一致，但在其它实施例中，目标区域的轴可以与轴106b不同。轴106a和106c的倾斜允许所传递的光118a和118c填充在目标区域108处可用的角空间。每个通道的光收集光学元件112与那个通道的相应成像透镜单元116共轴，因此光在每个照明通道中沿着单轴106从光产生元件102传播到目标108。轴106a、106b、106c可以经定位以穿过目标108的中心且经径向地定向以便适应与每个照明通道相关联的光学元件的切向尺寸。这个布置增加了在目标108处接收的照明光的强度。因此，可以将光产生元件102a、102b、102c安装到球形弯曲底座103的表面，其中曲率半径近似地集中在目标108的中心处。

可以将物镜120定位在目标108与成像透镜单元16之间以使得所传递的光118a和118c保持在用于使目标区域成像的成像系统的接受光锥区内。然而，WO06023180公开也可以将光产生元件单独地与示出为103的虚曲面成切线地安装。

图1b公开WO6023180所公开的照明系统的另一实施方案。可以将光产生元件102a、102b、102c安装在平面底座122上。光产生元件102a、102b、102c一般沿着其各自的发射轴106a、106b、106c发射光104a、104b、104c。发射轴106a、106b、106c是平行的且在每个照明通道中的光104a、104b、104c由各自的光收集单元112a、112b和112c收集。将所收集的光定向至示出为单透镜的各自成像透镜单元124a、124b和124c。可以接近成像透镜单元124a、124b和124c来使光产生元件102a、102b、102c成像。成像透镜单元124a、124b和124c将光收集单元112a、112b、112c的最靠近的透镜的各自影像传递到接近目标区域108的位置。

位于目标轴126以外的成像透镜单元124a和124c轴向地偏移，即，成像透镜单元124a、124c的光轴128a、128c相对于入射光104a、104c的轴106a、106c偏移。因此，在穿过成像透镜单元124a、124c后，所传递的光118a、118c一般沿着轴130a、130c传播，所述轴130a、130c不与目标轴126平行。

在图8至图10中示出根据本发明的集光器，且鉴于图2至图7和图11至图12中的照明系统来描述根据本发明的集光器。光学领域的技术人员将认识到一些示出的光线是说明本发明所依据的原理而不是说明确切精准的光线。图2a和图2b示出根据本发明的照明装置200的横截面图。图2a示出照明装置的一般设置，而图2b示出设置的其它细节。照明装置包括光源模块201、孔隙203和投影系统205。光源模块产生沿着主光轴209向孔隙203传播的光束（由粗虚线207示出）。相对于光源模块而言，孔隙203位于光轴的上游。投影系统205收集通过孔隙203的光，并且将孔隙203的影像投影到与投影系统间隔给定距离的目标表面（未示出）上。因此，可在孔隙203处定位产生影像的物体（未示出），由此将所产生的影像投影到目标表面。因此，这个孔隙界定物体平面且限制物体直径。产生影像的物体可以（例如）是图案、LCD、DMD、LCOS或能够操纵光束的任何物体。

光源模块包括数个光源211a-211c和数个光收集构件213a-213c。光收集构件收集光源的光且产生源光束（为简单起见在图2a中未示出）。源光束沿着源光轴215a-215c传播，且源光轴沿着主光轴汇合在共同体积217中。共同体积为主光轴附近的体积，其中至少一个源光轴与穿过主光轴的平面相交，且其中至少一个源光轴与穿过至少另一源光轴的平面相交。源光轴可以在一个实施方案中在主光轴处相交于共同焦点，但是在其它实施方案中未必相交于共同焦点且因此可以相交于共同会聚体积。

投影系统205具有相对于主光轴的接受角。相对于主光轴的接受角界定光束相对于主光轴可以具有的最大角度，以便光束由投影系统投影。具有相对于主光轴的较大角度的光束将在光学系统中损失掉。球对称投影系统的接受角如下得出：

$\frac{\mathrm{\α}}{2}=\arctan \left(\frac{D/2}{f}\right)$

其中α是投影系统的接受角，且f是投影系统205的所得焦距。D是投影系统的入射光瞳的直径，其中将入射光瞳的直径定义为投影系统的限制直径，如从物体平面203直到第一透镜的前方的所见直径。投影系统的限制直径由投影系统的所得接受区界定。尽管将投影系统示出为单一透镜，但是本领域技术人员将理解投影系统可以包括任何数量的透镜和其它光学元件，甚至可以是具有可变焦距的变焦距系统。因此，投影系统的所得焦距和所得接受区由投影系统的光学元件界定，并且本领域技术人员将能够根据自己的普通技能而确定这些光学元件。

图2b示出由光源和光收集构件产生的源光束，且为简单起见在图2b的图式中将源光束与光源211c和光收集构件213c相关联加以示出。本领域技术人员将理解相似的描述可以应用于其它光源211a和211b以及光收集构件213a和213b，且将能够将这个教示应用于这些光源。此外，可以在其它设置中使用另一数量的光源。光收集构件213c包括沿着源光轴215c对准的中心透镜219c，和至少部分地围绕中心透镜的外围透镜221c。中心透镜219c收集由光源211c产生的光的第一部分且产生第一源光束部分223c（由点线示出）。外围透镜收集由光源211c产生的光的第二部分且产生第二源光束部分225c（由虚线示出）。

中心透镜还适合于使光源211c在近似地位于投影光学元件的孔隙与入射光瞳之间的位置处成像。因此，可以在起始于孔隙前面的较小距离处且终止于投影系统的入射光瞳后面的较小距离处的位置中形成光源的影像。在孔隙前面的较小距离不超过孔隙的横截面，且在入射光瞳后面的较小距离不超过入射光瞳的横截面。因此，可使光学系统最佳化以提供对孔隙的均匀照明且同时由投影系统收集大量光。

在一个实施方案中，光源的影像可以经定位接近于孔隙，由此在孔隙平面处形成光源的鲜明对比的轮廓。接近于孔隙的位置不超过在孔隙前面大于孔隙的横截面的距离和在孔隙后面大于孔隙的直径的距离。在光源在其横截面处具有均匀光分布时和/或在光源的形状实质上与孔隙的形状相同（例如，都为圆形）时，这是有利的。在一个实施方案中，光源是LED晶粒，且中心透镜经设计以使得LED晶粒的影像被放置在接近孔隙处，且影像足够大以使得光源的影像可精准投射在孔隙上。在其它实施方案中，影像可以远离孔隙，由此在孔隙处形成光源的散焦影像。在光源的形状与孔隙的形状不相同的情形下，这是有利的，因为有可能获得散焦影像，其中使光源的轮廓散焦以便在光源的形状与孔隙的形状之间产生更接近的匹配（例如，矩形光源和圆形孔隙或反之亦然）。在一个实施方案中，光源的影像可以经定位接近于投影系统的入射光瞳，由此投影系统收集由光源的中心部分形成的几乎大部分光。进一步实现投影系统不可以在目标表面处使光源的影像成像。接近于入射光瞳的位置不超过在入射光瞳前面大于孔隙的横截面的距离和在入射光瞳后面大于孔隙的直径的距离。中心透镜也可以适合于使光源的影像失真。失真可以是本领域中已知的任何光学象差或失真，例如，桶形失真（其中放大率随着与光轴的距离而减少）、枕形失真（其中放大率随着与光轴的距离而增加）、球形失真、球面象差等。此外，中心透镜可以适合于在接近孔隙平面处提供非球形聚焦或影像失真。因此，在孔隙附近处形成光源的影像，且因此光源的轮廓至少在孔隙处可见。此外，中心透镜可以是不旋转对称的以便补偿正方形或矩形晶粒，且以这种方式实现孔隙中的光分布与光学效率之间的最佳折衷。

外围透镜部分221c还适合于使第二光束部分近似地集中在投影光学元件的孔隙与入射光瞳之间。因此，外围透镜将收集来自光源的最外面的光束，且将这些光束重定向至孔隙以使得由外围光束收集的实质上所有的光位于孔隙内且在投影光学元件的接受角内穿过孔隙。在一个实施方案中，可以使第二光束部分集中在接近于孔隙处，同时将光源的影像定位在接近于入射光瞳处，由此光的大部分外围部分可以用于照明孔隙和光源的影像（如果在目标表面处进一步避免）。

图3a示出用于根据本发明的照明装置中的光源211和其相应的光收集构件213的实施例。来自光源和光收集构件的光形成沿着源光轴215传播的光源光束。

光收集构件213包括收集由光源产生的光的中心部分301，且产生第一源光束部分223（由点线示出）的中心透镜部分219。中心透镜219包括中心入射表面303和中心出射表面305，这两个表面使中心光束301折射以使得以沿着源光轴215的距离形成光源的影像307。中心透镜部分可以适合于提供光源的放大、缩小或1比1的影像。第一源光束部分223具有相对于源光轴215的发散角β。第一源光束相对于源光轴的发散角β由中心透镜的光学性质和光源的大小来定义。

光收集构件213也包括至少部分地围绕中心透镜部分219的外围透镜部分221。外围透镜221包括入射表面311、出射表面313和反射表面315。由光源产生的光的第二部分309通过入射表面311进入外围透镜；此后，光的第二部分309由反射表面315反射且通过出射表面313退出外围透镜。反射表面315上的反射可以例如基于全内反射或反射表面可以包括反射涂层。因此，外围透镜收集由光源211产生的光的第二（外围）部分309且产生第二源光束部分225（由虚线示出）。入射表面、反射表面和表面曲率之间的关系定义第二源光束的外观，且第二光源光束具有相对于源光轴215的发散角γ。尽管好像是第二源光束的内部光线和外部光线具有相对于源光轴215的相同发散角，但是本领域技术人员将认识到外围透镜可以适合于为内部光线和外部光线提供不同的发散角。光收集构件的中心部分和外围部分可以经设计以具有不同的发散角，和/或孔隙中的强度分布。因此，两个部分的特定设计和组合可以用于控制孔隙中的光分布。

第二光束部分225在所示步骤中适合于在接近孔隙处稍微围绕光源的影像307，且在这种情形下，第二光束部分可以补偿光源形状与孔隙之间的潜在的不匹配，例如，在光源是矩形且孔隙是圆形的情况下。在这种情形下，第二源光束部分225可以填满孔隙中的缺失的部分。现今，例如将大多数LED实施为矩形以便匹配显示系统/视频投影仪的需求。与这种情况不同，与娱乐照明有关的孔隙通常是圆形。因此，有可能用有效方式形成娱乐投影装置。

应理解，可以通过调整外围透镜部分221的光学性质增加或减少使光源的影像延伸的第二光束的量。图3b示出围绕光源的影像的第二光束的量已增加的情形。因此，与图3a中第二光束的发散角γ相比，第二光束的发散角γ2已减少。例如，也可以将第二光束集中在光源的影像的中心处以便在中心处形成“热”点。在这种情形下，第二光束的发散角增加。

图4示出图3a中所示的光源211定位于相对于主光轴209偏移和倾斜的位置处的情形，如图2a中对于光源215a和215c的情况。使光源光轴215相对于主光轴成角度δ。由于源光轴215相对于主光轴209成角度，第一源光束部分223相对于主光轴209的最大发散角ε增加。将最大发散角ε定义为源光轴215相对于主光轴209的角δ与第一源光束相对于源光轴的发散角β的和。

以相似方式，第二源光束部分225相对于主光轴209的最大发散角ζ增加，且将最大发散角ζ定义为源光轴215相对于主光轴209的角δ与第一源光束相对于源光轴的发散角γ的和。

本领域技术人员将进一步认识到，对于位于源光轴与主光轴之间的光线，第一源光束部分223和第二光束部分225相对于主光轴209的发散角将减少。

在本发明的一个实施方案中，以第一源光束部分和第二源光束部分的最大发散角ε和ζ小于投影系统205相对于主光轴的接受角α/2的方式使光源相对于主光轴倾斜。这确保了投影系统205能够收集光。

在一个实施方案中，光源经进一步定位以使得在入射光瞳401处第一源光束部分相对于主光轴的最大距离/高度d1小于由投影系统的所得接受区界定的高度D/2。在一个实施方案中，在入射光瞳401处第二源光束部分相对主光轴的最大距离/高度d2是相似的，且也小于由投影系统的所得接受区界定的高度D/2。这确保了在光线也位于投影系统的接受角内的情况下，光线撞击投影系统的入射光瞳且因此也由投影系统收集。

本领域技术人员将认识到，可以例如通过使光收集构件213或投影系统205的光学性质最佳化、通过使光源的倾斜和定位最佳化、通过调适孔隙等来实现这些需求。

尽管在所示设置中，影像307相对于主光轴209成角度，但是也可能调整中心透镜部分的光学性质以使得影像垂直于主光轴。这可以例如通过使中心透镜部分倾斜来实现。

为简单起见，图3a、图3b和图4示出一个光源，但是本领域技术人员将认识到可以使用多个光源。此外，诸图只示出少数设置，且本领域技术人员将能够建构在权利要求书的保护范围内的其它实施方案。

图5a和图5b示出根据本发明的照明装置的可能实施方案，其中图5a和图5b分别示出照明装置的透视图和横截面图。照明装置在本文中实施为适合于将图案成像到目标表面上的图案投影仪500。图案投影仪包括如上文所述进行布置的光源模块501、孔隙503和投影系统505。

光源模块包括数个LED，其安装到冷却模块507（在图6a和图6b中进一步详细地示出）上并且在数个TIR（全内反射）透镜509的下方。光源模块还包括风扇形式的吹风构件(511)，其适合于迫使空气朝向冷却模块背侧上的数个冷却叶片。TIR透镜充当光收集构件且收集LED的光并将来自LED的光定向至孔隙和投影系统，如上文所述。

图案投影仪500包括图案盘513，图案盘515包括安装于如娱乐照明领域中已知的旋转传送带517上的数个图案515。例如，图案盘可以按US5402326、US6601973、US6687063或US2009/0122548中所述来实施，所述专利以引用方式并入本文。可以通过使传送带旋转而将每个图案移动到孔隙503中。投影系统适合于在目标表面（未示出）处形成图案的影像，并且包括数个光学透镜519。

所示出的图案投影仪还包括色轮521，所述色轮521包括数个滤光片523（例如，分色滤光片、彩色凝胶等等），所述滤光片也可以定位到光束中。色轮可用于光源产生白色光束的情况，并且可以用于形成光束的特定颜色。然而，色轮是可选的，因为在光源具有不同颜色且适合于执行如动态照明领域中已知的加色混合的情况下，可以省略色轮。这可（例如）通过设置数个红色、绿色和蓝色LED来实现，其中颜色混合是基于不同颜色的强度。不同颜色的强度可以例如由众所周知的脉冲宽度调制(PWM)方法，或通过调整穿过每个彩色LED的直流(DC)电流来控制。

图6a和图6b示出用于图5a和图5b中所示的图案投影仪中的光源模块501的透视正视图。图6a和图6b示出分别具有LED和不具有LED的光模块。光源模块包括具有第一侧面的冷却模块507，第一侧面包括数个平面安装表面601a-601f，LED和其相应的TIR透镜(509a-509f)是被安装到所述平面安装表面。中心安装表面601a垂直于光轴安装，且LED和TIR透镜509a经定位以使得主光轴经过LED和TIR透镜509a。使外围安装表面601b-601f相对于安装表面601a成角度，且将来自LED的光定向至孔隙。外围安装表面的角度经确定以使得LED发射的光将在如上文所述的投影系统的接受角和横截面内撞击投影系统。平面安装表面使得以下成为可能：即将LED安装在固定到平面安装表面的平面电路板上。结果与曲面安装表面的情况大不相同，由LED产生的热量可尽可能地从电路板耗散，并非常容易穿过平面安装表面而耗散掉，从而在电路板与平面安装表面之间的大接触表面上提供紧密接触。使不同的安装表面进一步互连，从而发生以下情况：可以使来自邻近LED的热量穿过邻近安装表面至少部分地耗散掉。这是适用于使用不同的彩色LED并且可能周期性地关闭一些LED的情况。接通的LED可以在这种情况下使用与关闭的LED相关的安装表面和散热区域，由此可以耗散更多热量。冷却模块的与第一侧面相对的第二侧面包括数个冷却叶片，其改善LED的冷却效应。

图7a至图7e示出用于图5和图6中所示的图案投影仪中的LED模块。图7a示出透视图、图7b示出侧视图、图7c示出俯视图、图7d示出沿着图7b的线A-A截取的横截面图，且图7e示出沿着图7c的线B-B截取的横截面图。

将LED晶粒701安装在金属芯电路板703上，且由透镜架705将TIR透镜509固定至金属芯电路板。透镜架包括至少部分地围绕TIR透镜509的主体部分707。透镜架还包括数个啮合钩709，其从主体707突出且适合于与TIR透镜的上部部分啮合。因此，TIR透镜定位在主体内部且由啮合钩709固定。主体705经由两个固定孔711，由两个螺丝、钉子、铆钉或类似物713固定至电路板。在所示实施方案中，固定孔在主体707中内部地延伸，但是也可以从主体向外地延伸。电路板包括两个导线（一个负导线715-和一个正导线715+），可以将用于驱动LED的电功率连接到这两个导线。

TIR透镜实施为收集由LED发射的光的集光器，且包括中心透镜部分，其沿着LED轴的光轴对准且具有中心入射表面和中心出射表面。TIR透镜也具有围绕中心透镜的至少一部分的外围透镜。外围透镜包括外围入射表面、外围反射表面和外围出射表面。

图8a示出根据本发明的本发明的的一个方面的集光器800。集光器收集由光源801发射的光且将所收集的光转换为光束。集光器包括沿着光源的光轴805对准的中心透镜部分803和围绕中心透镜803的至少一部分的外围透镜部分807。

外围透镜部分包括外围入射表面809、外围反射表面811和外围出射表面813。由光源发射的光的外围部分815通过外围入射表面进入外围透镜部分，且在通过外围出射表面813离开外围透镜之前由外围反射表面反射。因此，将发射光的外围部分转换为第二光束部分817。

中心透镜部分包括中心入射表面819和中心出射表面821。由光源发射的光823的中心部分通过中心入射表面819进入中心透镜且通过中心出射表面821离开中心透镜，由此将发射光的中心部分转换为第一光束部分825。中心透镜也包括定位在中心入射表面与中心出射表面之间的延伸部分827（标示为划痕区域）。延伸部分从外围出射表面813突出且将中心出射表面抬高至高于外围出射表面的一定距离处。可以例如将第一光束部分和第二光束部分沿着光轴耦合穿过孔隙829。

与传统的集光器相比，这个集光器已减少横截面尺寸。可以通过为中心透镜部分提供延伸部分来减少集光器的横截面尺寸，因为可以在不改变中心透镜部分的光学性质的情况下，减少外围部分所界定的横截面尺寸。因此，有可能定位许多个的光源在阵列中靠拢且增加效率，因为可以耦合穿过孔隙的光的量增加。为了以有效方式在由投影光学元件界定的有限接受角内将来自若干源和集光器的光组合到孔隙中，需要集光器用最小可能的发散角在孔隙中递送光。为了从集光器的中心部分获得最小的发散角，透镜应该具有尽可能长的焦距且经定位以成像源作为无穷大。这意味着移动透镜更远离光源会减少来自中心部分的发散角。移动具有最大直径的固定TIR透镜的外围出射表面813更远离孔隙会减少来自外围出射表面的光的最大发散角。因此，为了在有限发散角内递送来自源的最大光，集光器的中心部分应该具有相对于外围部分延伸的中心透镜部分。

在一个实施方案中，中心透镜部分适合于以沿着光轴的距离提供光源的影像831。以这种方式，可以用将由光源发射的光的大部分中心部分耦合穿过孔隙的方式来照明孔隙829。提供穿过孔隙829的光的非常有效的内耦合。进一步有可能形成投影系统，其中将大部分的中心光耦合到投影系统（在图8中未示出）中。

光源的影像可以由第二光束部分来精准投射。这可用于沿着光轴使光源的形状不同于孔隙的形状的情况，因为第二光束部分可以用于填满光源的影像的缺失的部分。

中心透镜部分也可以适合于使所述光源的影像失真。以这种方式有可能使光源的影像变形以使得光源的影像与孔隙的形状匹配。

外围透镜部分可以适合于使外围部分集中在沿着所述光轴的一定距离处。以这种方式有可能沿着光轴提供“热”点。

在另一实施方案中，外围透镜部分和中心透镜部分可以适合于在孔隙829中如所期望实现特定组合的光分布。

图8b示出与下部模制工具851和上部模制工具853相关联的集光器800。沿着集光器的中心轴845将模制工具移动到一起，且此后将集光器材料填充（未示出）到两个模制工具之间的空腔中。延伸部分的外表面843的侧滑角外围入射表面809的侧滑角ψ和外围反射入射表面811的角ω相对于集光器的中心轴845成至少1度。这确保了可以移动模制工具远离彼此而不破坏集光器。

图9a至图9c比较根据本发明的集光器与根据现有技术的集光器，且示出将来自光源的光耦合穿过孔隙的情形的基本原理。

根据本发明的集光器800在图9a至图9d中用实线示出，且不同于集光器800的现有技术集光器的部分用点线901示出。在图8中描述根据本发明的集光器800的原理，且第一光束部分825在所示情形中适合于在孔隙829处提供光源的影像，光源的影像与孔隙的大小匹配。第二光束部分817也适合于与孔隙的大小匹配。因此，由集光器收集的大部分光沿着光轴805传播且因此耦合穿过孔隙829。

图9a示出具有与根据本发明的集光器800相同横截面尺寸的根据现有技术的集光器901的中心部分的第一光束部分903（以点线示出）。可以看出，来自现有技术集光器的第一光束部分903大于在孔隙平面处孔隙的大小，且因此这个光损失掉。由现有技术集光器901形成的光源的影像905经拉开远离孔隙。

图9b示出现有技术集光器的中心部分具有与根据本发明的集光器的中心部分相同的光学特性的情形。在这种情形下，现有技术集光器的外围部分907在高度和横截面上都更大。因此，有可能在使用根据本发明的集光器800时，在给定区域中定位更大数量的光源和集光器。在需要将来自多个光源的光耦合穿过孔隙且由投影系统投影时，这是有用的，因为可以在投影系统的接受角和横截面的范围内汇聚更多光。由现有技术集光器的外围部分形成的第二光束909（以点线示出）将在孔隙处增加，从而导致光的损失。

图9c示出现有技术集光器的中心部分具有与根据本发明的集光器的中心部分相同的光学特性的情形。在这种情形下，现有技术集光器适合于具有与根据本发明的集光器的横截面相同的横截面。因此，外围部分907的入射表面909和反射表面911改变以便将发射光的外围部分定向至孔隙829。现有技术集光器的外围部分907在所示出的附图中适合于使光913集中以使得光穿过孔隙829。与来自根据本发明的集光器的外围部分的最外面的光束817的发散角相比，来自外围部分907的最外面的光束913相对于光轴的发散角增加。

因此，有可能在使用根据本发明的集光器800时，在给定区域中定位更大数量的光源和集光器。在需要将来自许多个的光源的光耦合穿过孔隙且由投影系统投影时，这是有用的，因为可以在投影系统的接受角和横截面的限度内汇聚更多光。由现有技术集光器的外围部分形成的第二光束909（以点线示出）将在孔隙处增加，从而导致光的损失。

图9d和图9e分别对应于图9a和图9b，不同之处在于外围透镜部分的出射表面已成角度以便使第二光束部分聚焦更远。

已鉴于在接近孔隙处形成光源的影像的情况来描述实施方案；然而，本领域技术人员将理解，有可能以相似方式对于重叠和不相重叠的光束部分执行本发明。本领域技术人员将进一步认识到，光束或光学影像的宽度不具有完全清晰的边缘，且可以用例如如常用方法所定义的许多不同方式获得宽度，所述常用方法诸如D4σ、10/90或20/80刀形边缘、1/e2、FWHM和D86。

图10a至图10f示出根据本发明的集光器的不同实施方案的透视图。集光器适合于收集由光源（未示出）发射的光并将所收集的光转换为光束。集光器包括沿着光源的光轴1005对准的中心透镜部分1003和围绕中心透镜的至少一部分的外围透镜部分1007。中心透镜包括中心入射表面（不可见）和中心出射表面1021，且外围透镜包括外围入射表面（不可见）、外围反射表面1011和外围出射表面1013。

以与图8和图9中所示相似的方式，光源被定位在中心透镜下面的空腔中且由外围透镜的一部分围绕。由光源发射的光的中心部分通过中心入射表面进入中心透镜且通过中心出射表面1021离开中心透镜。以这种方式，将发射光的中心部分转换为具有第一横截面光分布的第一光束部分。由光源发射的光的外围部分通过外围入射表面进入外围透镜，且在通过外围出射表面1013离开外围透镜之前由外围反射表面1011反射。以这种方式，将发射光的外围部分转换为具有第二横截面光分布的第二光束部分。

第一横截面光分布和第二横截面光分布界定光如何在光束中分布且可以例如由定位在光束中的检测器来测量且示出为渐变映射。或者，可以将第一横截面光分布和第二横截面光分布示出在坐标系中，所述坐标系示出沿着穿过光束的路径的强度。在这个实施方案中，中心透镜和外围透镜相互适合于将由光源发射的光转换为具有实质圆形和旋转对称的横截面光分布的共同光束，其中共同光束包括第一光束部分和第二光束部分。结果是，有可能在光源相对于光源的光轴旋转不对称的情形下，提供具有旋转对称的光分布的光束。

可以实现此举，因为使中心透镜和外围透镜相互适合以使得第一光分布与第二光分布的和是实质上相对于光轴旋转对称的。在光源相对于光源的光轴旋转不对称的情形下，中心透镜通常使沿着光轴的光源形状成像且外围部分可以接着适合于补偿具有旋转不对称形状的光源。可以通过调适外围部分以在光源影像的周围分布光的外围部分来实现此举。因此，与光源的原始光分布相比，所得光束的截面光分布将更为旋转对称或圆形的。因此，有可能将由具有旋转不对称形状的光源发射的光转换为圆形光束。具有旋转不对称形状的光源可以具有任何旋转不对称的形状，且例如是正方形、三角形、矩形或任何其它多边形的形状。

中心透镜和外围透镜适合于彼此互补，由此使所述第一横截面光分布和所述第二横截面光分布在局部范围内彼此相反。在一个实施方案中，可以使第一横截面光分布和第二横截面光分布在局部范围内彼此相反。第二横截面光分布相对于第一横截面光分布在局部范围内相反意味着第一横截面光分布和第二横截面光分布的光强度指数在两个横截面光分布的至少一些相应区域中分别是较高和较低的。

中心透镜可以相对于光轴是旋转不对称的，且适合于使第一横截面光分布失真。结果是，中心部分将发射光的中心部分的光分布修改为更具有旋转对称性的第一光分布。通常将由光源发射的大部分光发射到中心部分中，且因此提供旋转不对称中心透镜的效应是相对较大的。在这个实施方案中，外围透镜可以适合于将光的外围部分分布到旋转不对称中心透镜不可以使发射光的中心部分失真的区域上。事实上，外围透镜通常也是相对于光轴旋转不对称的，且适合于使第二横截面光分布失真。失真可以是本领域中已知的任何光学象差或失真，例如，桶形失真（其中放大率随着与光轴的距离而减少）、枕形失真（其中放大率随着与光轴的距离而增加）、球形失真、球形象差等。

可以通过提供旋转不对称的中心入射表面和/或旋转不对称的中心出射表面来使旋转不对称的中心透镜变得旋转不对称。可以通过提供旋转不对称的外围入射表面和/或旋转不对称的外围反射表面来使旋转不对称的外围透镜变得旋转不对称。

图10a至图10f示出不同实施方案且示出中心透镜1003和外围透镜1007如何可以是光束对称的以及适合于彼此互补。集光器的最终设计取决于光源的形状和光分布。集光器可以经设计以使用根据本发明的方法在孔隙处提供圆形光束且形成旋转不对称的光束。方法包括以下步骤：

○提供如本领域中已知且如上文所述的包括中心透镜部分和外围透镜部分的集光器。

○通过旋转对称地调整至少外围入射表面、外围反射表面、外围出射表面、中心入射表面和/或中心出射表面的曲率来最大化在孔隙处光束的光输出。

此后，通过旋转不对称地调整至少外围入射表面、外围反射表面、外围出射表面、中心入射表面和/或中心出射表面的曲率来使在孔隙处光束的横截面光分布的圆度最佳化。

使光束的横截面光分布的圆度最佳化的步骤包括以下步骤：获得所述光束的横截面光分布的圆度，且旋转不对称地调整至少一个所述表面的曲率是基于所述获得的圆度。可以重复这个步骤许多次或直到实现足够的圆形光束。

这个方法使得可能以有效方式设计集光器的形状，因为需要执行较少的计算。通过首先使用对表面的旋转对称的调整来使集光器最佳化使得可能使用现有技术方法，且旋转不对称的调整的起始点是已经针对总光输出进行最佳化的集光器，且旋转不对称的集光器的光输出最有可能也是高的。以下实施例描述方法的可能实施方案且只充当说明实施例且不限制权利要求书的保护范围。

实施例

通过使用如图10a至图10f中所示的集光器来改善图5a和图5b的照明装置的颜色混合。在下文中，集光器称作NRS TIR透镜（非旋转对称的TIR透镜）。因此，TIR透镜经过修改以投影更圆的光斑且提供较好的颜色混合。然而，模拟图5a和图5b的具有7个LED、7个TIR透镜和二次光学元件的整个照明装置被认为是不切实际的，工序在每个最佳化步骤中将耗费几分钟。代替地，单一NRS TIR透镜由来自闸的数据最佳化，从而将每个步骤减少到≈6-9秒。

通过首先针对图5a和图5b的照明装置的光闸中的最大发光输出将如图8a中所示的旋转对称的TIR透镜最佳化来查找NRS TIR透镜设计。然而，本领域技术人员认识到，可以将本领域中已知的任何基本旋转对称的TIR透镜设计用作起始点（例如，如US 2,254,961或US 2009/022552所公开）。

在这个步骤之后，应用修改以补偿正方形的晶粒影像且针对圆度来使光斑最佳化。模拟设置在图11a中示出且包括LED光源1101和TIR透镜1103，其使光聚焦到垂直于Z轴定向的25×25mm²检测器屏幕1107。具有圆形孔1107的吸收表面位于检测器前方。模拟在由发明者程序设计的光线跟踪软件中被执行且经设计以使这些种类的修改更容易地应用。

将以下机械限制应用于透镜的形状：

●在距透镜底部11.5mm的高度处，围绕Z轴的最大半径被设置为16mm；

●透镜底部是内半径和外半径分别是8.875mm和9.125mm的平环形状，其被放置在距LED光源的起源0.5mm的高度处，LED光源的起源被定义为最高的发光表面的中心；

●LED的起源被放置在距光闸102.87mm处；

●侧滑角被限制为≥2°以促进注入成型制造。

TIR透镜首先是作为由以下公式定义的两个参数表面而产生：

$\left(1\right),S(u,v)=\left(\begin{array}{c}r\left(u\right)\cos \left(\frac{\mathrm{v\π}}{2}\right)\\ r\left(u\right)\sin \left(\frac{\mathrm{v\π}}{2}\right)\\ Z\left(u\right)\end{array}\right),u,c\∈[0;1]$

其描述在光线跟踪之前被分成三角形的四分之一的透镜。图11b示出旋转对称的透镜设计的横截面。

在这里，f(u)＝(r(u)rZ(u))是通过连接几个非有理B样条(NURBS)曲线而产生的二维曲线，如以引用方式并入本文的L.A.Piegl“On NURBS：A survey”，Computer Graphics and Applications，IEEE 11,1,55-71(1991)中所描述。非有理B样条(NURBS)曲线确定如图11b中可见的透镜的横截面轮廓。NURBS是参数曲线或表面，其通常被用作图形和三维设计应用中的自由形态物体。这些物体内插在一组控制顶点之间，但未必与这些控制顶点相交。每个顶点可以被给定权重，从而确定顶点“拉动”NURBS的程度，而所谓的节点向量确定NURBS参数接近每个连续的顶点的速度。因此，权重改变NURBS的形状，而节点主要确定沿着曲线或表面的参数化进程。

在为最大输出最佳化之后，将基值N以2度的1D NURBS曲线的形式添加到TIR透镜。N被分配6个控制顶点0、0、1、1、0和0，以及节点向量(0,0,0,(0.5-k),0.5,(0.5+k),1 1 1)，其中k∈[0.05,0.45]。大值k将使NURBS更快地会聚到1，且在较小值的情况下相反。效应在图11c中示出且在小值k下是峰锐化（曲线1109）并且在较大值下是峰增宽（曲线1111），其分别示出在k=0.35和k=0.15下的N。在值k=0.25下，N将几乎匹配正弦曲线。可以在以引用方式并入本文的D.Solomon,Curves and Surfaces for Computer Graphics(Springer Verlag，2005)中查找关于节点向量如何运作的其它信息。

经过修改的四分之一透镜S’接着被定义为：

(2)

$S^{\′(u,v,k)}=\left(\begin{array}{c}r\left(u\right)+r^{\′}\left(u\right)N(k,v)\cos \left(\frac{\mathrm{v\π}}{2}\right)\\ r\left(u\right)+r^{\′}\left(u\right)N(k,v)\sin \left(\frac{\mathrm{v\π}}{2}\right)\\ Z\left(u\right)+Z^{\′}\left(u\right)N(k,v)\end{array}\right),$ u，v∈[0；1]；k∈[0,05；0,45]

其中f′(u)＝(r′(u)rZ′(u))是另一连接的二维曲线，其确定将基值应用在什么地方以及如何应用基值。

图11d示出如何将Z轴修改（以点线示出）应用于中心透镜的入射表面1113a和出射表面113b以及外围透镜的出射表面1113c，而将r轴修改（以虚线示出）应用于外围透镜的反射表面1115。每个修改的区段（如图11d中所概述）由简单的3顶点、2度的1D NURBS来确定，条件是与Z轴相交的两个顶点是0。这产生总共10个额外形状变量外加k变量。

通过将N应用到四分之一的透镜，修改峰值将位于由LED晶粒1101的对角线1117a和1117b界定的平面，如图11e中所示。r轴修改和Z轴修改对LED光的效应可见于图11f和图11g中，图11f和图11g示出沿着这个对角面的TIR透镜的横截面，且其中图11f示出在修改之前的光束1119a且图11g示出在修改之后的光束1119b，其中修改由图11g中的点线指示。

使NRS TIR透镜设计最佳化以实现尽可能圆的和圆形的光斑，其中如下定义用于确定和最佳化光斑的圆度的价值函数：

沿着检测器上测量线的扇形计算一个阵列的值，其中每个值是沿着线的强度加权的均方根(RMS)距离，其由以下公式确定：

$\left(3\right),\mathrm{rms}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)-\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k-1}^{n}I({\mathrm{\γ}}_k,{\mathrm{\θ}}_i){\mathrm{\γ}}_k^2}{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{n}I({\mathrm{\γ}}_k,{\mathrm{\θ}}_i)}}$

其中f(r，θ)是在来自中心的极点r，θ周围的小区域中检测器屏幕上的发光强度。通过由平均RMS值rms来标准化RMS值，圆形光斑的RMS偏差被计算为：

$\left(4\right),D=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\left(\frac{\mathrm{rms}({\mathrm{\θ}}_i}{r\stackrel{\‾}{m}s-1}\right)}^2}{n}}$

则D为待最小化的价值函数，几乎矩形的光斑将具有比更圆轮廓大的偏差。它的设计目的是对于不同数量的测量线和角展度的选择来产生相当一致的结果。也可以用于仅仅通过将‘1’用标准化极化基准函数交换来适合于具有在极坐标中可表示的任何种类的RMS轮廓的光斑。

最佳化在由发明者建立的光线跟踪软件中被执行且以递归模式运行，递归模式在每个相交处将光线分成反射光线和折射光线。来自“CBT-90系列LED，Luminus Devices公司”的流明CBT-90射线源文件和图表（网站：http://www.luminus.com）用于最大的现实情况，其中均等混和有蓝色、红色和绿色的射线，且在每个最佳化步骤中具有90,000与190,000之间的初始射线，后者数量用于微调步骤。优化算法是模拟退火(SA)蒙特卡罗方法，其被设置以在初始化之后将发光输出和RMS轮廓的权重比率定为(4:1)并且随着SA“温度”和步长减少而缓慢地会聚到最后比率(3:2)。在一连串试验运行后选择这个加权方案，所述试验具有选择在形成具有高输出的圆形光斑方面最有效方案的目的。向光闸检测器的RMS轮廓函数(rms(θ_i))分配90个在完整360度跨度中的θ_i值。检测器本身是25×25mm²矩形，其被分成51×51像素的栅格，每个像素测量发光强度。

将最佳的NRS TIR透镜与对称的透镜TIR透镜和散焦的TIR透镜进行比较。对称的TIR透镜只针对发光输出进行最佳化，且因此具有清晰界定的正方形光斑。在散焦的TIR透镜用于图5a和图5b的照明装置中时，其通过使其光斑散焦而针对颜色混合进行最佳化。

图11i示出分别为对称透镜、散焦透镜和最佳化NRS-TIR透镜的强度分布1121a、1121b和1121c。在图11i中，较暗的阴影表示较高的强度。三个不同的透镜也在以下表格中进行比较，所述表格示出与圆形光斑的偏差、轮廓RMS、标准化的流明和光斑中心处的峰值强度。

来自散焦透镜和NRS透镜两者的输出明显比对称透镜的输出更圆形的。然而，可以看到散焦透镜具有比NRS透镜低≈4.6%的发光输出，以及更高的最大强度（34.9cm²对32.6cm²），从而指示更陡且更窄的光斑。这可以在图11j中得到核实，图11j示出每个透镜类型沿着从中心到检测器屏幕的线的光强度。曲线1123a、1123b和1123c分别示出沿着图11i中的光斑1121a、1121b和1121c的对角线的强度，且因此示出分别来自对称的TIR透镜、散焦的TIR透镜和最佳化NRSTIR透镜的强度。曲线1125a、1125b和1125c分别示出沿着图11i中的光斑1121a、1121b和1121c的中心水平轴的强度，且因此示出分别来自对称的TIR透镜、散焦的TIR透镜和最佳化NRS TIR透镜的强度。

NRS透镜开始比其它透镜发散开更远达约2.5mm。最佳化NRS透镜的轮廓RMS从对称透镜的≈0.45降低至≈0.15。散焦透镜的轮廓RMS未计算，因为这个轮廓RMS在ZEMAX中经过最佳化，ZEMAX不具有检测器上的这个特征，但是在视觉上其看起来不与来自NRS透镜的轮廓一样圆。

图12a和图112b示出以上最佳化NRS TIR透镜1201的透视图，其中外围透镜和中心透镜的修改已由四部分组成以便示出修改。在图12a中，与图12b相比，已使NRS-TIR透镜1201围绕光轴1205旋转约45度。NRS-TIR透镜1201包括沿着光源的光轴1205对准的中心透镜部分1203和围绕中心透镜的至少一部分的外围透镜部分1207。中心透镜1203的中心出射表面1221相对于光轴旋转不对称，这一状况可以由中心出射表面1221中的较小凹陷1204a-1204c看出。事实上，中心出射表面具有四个较小凹陷1204a-1204c，其相对于光轴隔开45度。较小凹陷近似地定位在LED的侧面的上方且用来使光源的正方形形状失真。外围透镜1107也相对于光轴1105旋转不对称，这一状况可以由外围出射表面1113中的较小凸起1106a-1106c看出。事实上，外围出射表面具有四个较小凸起1106a-1106c，其相对于光轴1105隔开45度且近似地定位在LED的角落的上方和外面。反射表面1111也相对于光轴旋转不对称，这一状况可以通过外围出射表面与反射表面之间的边缘1108并非圆形的事实而被最好地看出。较小凸起1106a-1106c和旋转不对称的反射表面1111协同作用且用来将外围光定向至中心光暗淡的区域。较小凹陷1104a-1104c和较小凸起1106a-1106c在光轴周围且相对于彼此被移置45度。以这种方式，中心透镜和外围透镜彼此互补，且使由中心透镜形成的第一横截面光分布和由外围透镜形成的第二横截面光分布在局部范围内彼此相反。

本发明可以例如在投影装置中实施，所述投影装置包括数字成像装置（诸如DML、DLP、LCD、LCOS）；或在移动头灯具的头部中实施，所述移动头灯具包括底座、连接到底座的可旋转轭架和连接到轭架的可旋转头。因此，提供了具有成像闸的均匀照明且不具有颜色伪像的功率高效的数字投影装置或移动头。

Claims (15)

1.一种集光器，其用于收集由光源发射的光且将所述收集的光转换为光束，所述集光器包括：

沿着所述光源的光轴对准的中心透镜部分，所述中心透镜包括中心入射表面和中心出射表面；由所述光源发射的所述光的中心部分通过所述中心入射表面进入所述中心透镜，并且通过所述中心出射表面离开所述中心透镜，由此将所述发射光的所述中心部分转换为第一光束部分，所述第一光束部分具有第一横截面光分布；

围绕所述中心透镜的至少一部分的外围透镜部分，所述外围透镜包括外围入射表面、外围反射表面和外围出射表面；由所述光源发射的所述光的外围部分通过所述外围入射表面进入所述外围透镜，并且在通过所述外围出射表面离开所述外围透镜之前由所述外围反射表面反射，由此将所述发射光的所述外围部分转换为第二光束部分，所述第二光束部分具有第二横截面光分布；

其中所述中心透镜和所述外围透镜相互适合以将由所述光源发射的所述光转换为共同光束，所述共同光束具有实质上圆形并且旋转对称的横截面光分布，其中所述共同光束包括所述第一光束部分和所述第二光束部分，并且其中所述中心透镜和所述外围透镜中的至少一个相对于所述光轴是旋转不对称的。

2.根据权利要求1所述的集光器，其中所述中心透镜和所述外围透镜适合于彼此互补，由此使所述第一横截面光分布和所述第二横截面光分布在局部范围内彼此相反。

3.根据权利要求1或2所述的集光器，其中所述旋转不对称的中心透镜适合于使所述第一横截面光分布失真。

4.根据权利要求1或2所述的集光器，其中所述旋转不对称的外围透镜适合于使所述第二横截面光分布失真。

5.根据权利要求1或2所述的集光器，其中以下至少一个相对于所述光轴是旋转不对称的：

所述外围入射表面；

所述外围反射表面；

所述外围出射表面；

所述中心入射表面和/或

所述中心出射表面。

6.根据权利要求1或2所述的集光器，其中所述中心透镜包括定位在所述中心入射表面与所述中心出射表面之间的延伸部分，所述延伸部分从所述外围出射表面突出并且将所述中心出射表面抬高至高于所述外围出射表面的一定距离处。

7.一种照明装置，其包括：

光源模块，其包括数个光源和数个光收集构件，所述光收集构件收集所述光源中至少一个光源的所述光且将所述光转换为源光束，所述源光束至少部分地沿着主光轴传播；

孔隙，其沿着所述主光轴定位；

其中至少一个光源相对于其源光轴是旋转不对称的并且其中其对应的光收集构件包括：

沿着所述源光轴对准的中心透镜部分，所述中心透镜包括中心入射表面和中心出射表面；由所述光源发射的所述光的中心部分通过所述中心入射表面进入所述中心透镜，并且通过所述中心出射表面离开所述中心透镜，由此将所述发射光的所述中心部分转换为第一光束部分，所述第一光束部分具有第一横截面光分布；

围绕所述中心透镜的至少一部分的外围透镜部分，所述外围透镜包括外围入射表面、外围反射表面和外围出射表面；由所述光源发射的所述光的外围部分通过所述外围入射表面进入所述外围透镜，并且在通过所述外围出射表面离开所述外围透镜之前由所述外围反射表面反射，由此将所述发射光的所述外围部分转换为第二光束部分，所述第二光束部分具有第二横截面光分布

其中所述中心透镜和所述外围透镜相互适合以将由所述光源发射的所述光转换为共同光束，所述共同光束具有实质上圆形并且旋转对称的横截面光分布，其中所述共同光束包括所述第一光束部分和所述第二光束部分，并且其中所述中心透镜和所述外围透镜中的至少一个相对于所述源光轴是旋转不对称的。

8.根据权利要求7所述的照明装置，其中所述第一横截面光分布和所述第二横截面光分布在局部范围内彼此相反。

9.根据权利要求7或8所述的照明装置，其中所述旋转不对称的中心透镜适合于使所述第一横截面光分布失真。

10.根据权利要求7或8所述的照明装置，其中所述旋转不对称的外围透镜适合于使所述第二横截面光分布球形失真。

11.根据权利要求7或8所述的照明装置，其中以下至少一个相对于所述源光轴是旋转不对称的：

所述外围入射表面；

所述外围反射表面；

所述外围出射表面；

所述中心入射表面和/或

所述中心出射表面。

12.根据权利要求7或8所述的照明装置，其中所述中心透镜包括定位在所述中心入射表面与所述中心出射表面之间的延伸部分，所述延伸部分从所述外围出射表面突出并且将所述中心出射表面抬高至高于所述外围出射表面的一定距离处。

13.一种设计集光器的方法，所述集光器用于收集由旋转不对称光源发射的光并且将所述光转换成在孔隙处具有实质圆形横截面光分布的光束，所述方法包括以下步骤：

提供集光器，所述集光器包括：

沿着所述光源的光轴对准并且将所述发射光的中心部分转换成第一光束的中心透镜部分，所述第一光束部分具有第一横截面光分布，所述中心透镜包括中心入射表面和中心出射表面；

围绕所述中心透镜的至少一部分并且适合于将所述发射光的中心部分转换成第二光束的的外围透镜部分，所述第二光束部分具有第二横截面光分布，所述外围透镜包括外围入射表面、外围反射表面和外围出射表面；

通过旋转对称地调整至少以下的曲率来最大化在所述孔隙处所述光束的光输出：

所述外围入射表面；

所述外围反射表面；

所述外围出射表面；

所述中心入射表面和/或

所述中心出射表面；

通过旋转不对称地调整至少以下的曲率来使所述光束在所述孔隙处的所述横截面光分布的圆度最佳化：

所述外围入射表面；

所述外围反射表面；

所述外围出射表面；

所述中心入射表面和/或

所述中心出射表面。

14.根据权利要求13所述的方法，其中使所述光束的所述横截面光分布的所述圆度最佳化的所述步骤包括以下步骤：获得所述光束的所述横截面光分布的所述圆度，且其中所述旋转不对称地调整至少一个所述表面的所述曲率是基于所述获得的圆度。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中使所述横截面光分布的所述圆度最佳化的所述步骤被重复许多次。