CN102687062A - 具有多个光源的投影照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种照明装置，其照明光闸并将光闸的影像投影到目标表面。照明装置包含产生光的光源模块、限定光闸的孔隙和适合于在目标表面处使光闸成像的投影系统。光源模块包含数个光源和数个光收集构件。光收集构件包含沿着所述光源的源光轴对准的中心透镜和至少部分地围绕中心透镜的外围透镜。中心透镜收集并转换来自光源的光的第一部分并且在孔隙与投影系统之间使光源成像。外围透镜部分收集并转换来自所述光源的所述光的第二部分并且适合于使所述光的所述第二部分集中在所述孔隙处。

Description

具有多个光源的投影照明装置

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。照明装置包含产生光的光源模块、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。

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，其包含以平面阵列来排列的数个LED，其中将会聚透镜定位在LED的前方以便聚焦光，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的光定向到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，其包含具有多个数量LED的LED阵列，其中将来自LED的光定向到目标区域。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。

一般来说，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。

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示出包含数个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和图10b示出照明装置中的光源的设置；

图11a至图11e示出照明装置中的光源的另一设置；以及

图12a至图12e示出照明装置中的光源的另一设置。发明详述

图1a示出使用多个数量的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包含光产生元件(LEDs)102a、102b和102c，其经过布置以分别沿着轴106a、106b和106c向目标区域108发射光104a、104b、104c并且经过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定向到成像透镜单元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定向到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。

图2至图12示出本发明的不同实施方案和方面。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。照明装置包含光源模块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处定位影像产生物体（未示出），藉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。影像产生物体可以（例如）是模板（GOBO）、LCD、DMD、LCOS或能够光束的任何物体。

光源模块包含数个光源211a-211c和数个光收集构件213a-213c。光收集构件收集来自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会合在共同体积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包含主光轴的平面相交，且其中至少一个源光轴与包含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，因此可以相交于共同聚焦体积中。

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定义出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，而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，但是本领域的技术人员将理解投影系统可以包含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是由投影系统的光学元件界定，并且本领域的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包含沿着源光轴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（由点线所示）。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（由虚线所示）。

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产生光源的影像。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，可使光学系统最优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，藉此在孔隙平面处产生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，皆为圆形）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，藉此在孔隙处产生光源的散焦影像。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，藉此投影系统收集由光源的中心部分产生的几乎大部分光。进一步达成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，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）或两者的组合。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，在孔隙附近处产生光源的影像，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，且以这种方式达成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，藉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包含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（由点线所示）的中心透镜部分219。中心透镜219包含中心入射表面303和中心出射表面305，这两个表面使中心光束301折射以使得沿着源光轴215以一定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也包含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包含入射表面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含反射涂层。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（由虚线所示）。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可以填入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，光线射中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的光学性质最优化、通过使光源的倾斜和定位最优化、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达成。

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模板成像到目标表面上的模板投影仪500。模板投影仪包含如上文所述进行布置的光源模块501、孔隙503和投影系统505。

光源模块包含数个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。光源模块进一步包含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并且收集来自LED的光并将来自LED的光定向到孔隙和投影系统，如上文所述。

模板投影仪500包含模板盘513，所述模板盘包含安装在如娱乐照明领域中已知的旋转传送带517上的数个模板515。例如，模板盘可以按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模板移动到孔隙503中。投影系统适合于在目标表面（未示出）处产生模板的影像，并且所述投影系统包含数个光学透镜519。

所示出的模板投影仪进一步包含色轮521，所述色轮包含数个滤光片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的是白色光束的情况，并可以用于产生光束的特定颜色。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，色轮可以被省略。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通过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中所示的模板投影仪中的光源模块501的透视正视图。图6a和图6b分别示出具有LED和不具有LED的光模块。光源模块包含具有第一侧面的冷却模块507，该第一侧面包含数个平面安装表面601a-601f，LED和其对应的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，并且LED和TIR 509a经过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，并且将来自LED的光定向到孔隙。外围安装表面的角度经过确定以使得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射中投影系统。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，借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含数个冷却叶片，其改善LED的冷却效应。

图7a至图7e示出用于图5和图6中所示的模板投影仪中的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。透镜架包含至少部分地围绕TIR透镜509的主体部分707。透镜架还包含数个啮合钩709，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。电路板包含两个导线（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，且包含中心透镜部分，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。外围透镜包含外围入射表面、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。集光器包含沿着光源的光轴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。

外围透镜部分包含外围入射表面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。

中心透镜部分包含中心入射表面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，藉此将发射光的中心部分转换为第一光束部分825。中心透镜也包含定位在中心入射表面与中心出射表面之间的延伸部分827（标示为划线区域）。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，有可能定位多个数量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沿着光轴以一定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刻画。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入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于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（以点线所示），其具有与根据本发明的集光器800相同的横截面尺寸。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在高度和横截面上皆更大。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持有更多光。由现有技术集光器的外围部分形成的第二光束909（以点线所示）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。在需要将来自多个数量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持有更多光。由现有技术集光器的外围部分形成的第二光束909（以点线所示）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的以便进一步聚焦第二光束部分。

图10示出在图2a、图2b、图5a和图5b中所示的照明装置的光源模块处光源的可能设置的简化正视图。将光源1001a-1001g设置在圆形阵列1000中，其中一个中心光源1001a定位在主光轴处，且六个离轴光源1001b-1001g定位在中心光源1001a的周围。与每个光源相关联的光收集构件适合于在接近孔隙处形成光源的影像，如上文所述。以折线1003示出光收集构件的边缘。将光源示出为发射白光的方形LED，但是本领域技术人员将认识到光源可以具有任何形状且可以是任何种类的光源。使光源进一步相对于彼此且相对于主光轴旋转（如图所示）。图10b示出穿过孔隙1005的视图，其中每个光源的影像由光收集构件形成。每个光源具有至少一个不相重叠的部分1007a-1007g，其不与至少一个其它光源的影像重叠。结果是，来自光源的光可以实质上同等地分布穿过孔隙，藉此形成对孔隙的更均匀的照明。

图11示出图10中所示的光源的可能设置的简化正视图，其中光源是发射具有不同颜色的光的方形LED，其中光源1101b和1101e发射绿光、光源1101c和1101f发射红光、光源1101d和1101g发射白光且光源1101a发射蓝光。已使具有相同颜色的光源对相对于彼此旋转45度，从而引起在孔隙1005处更均匀的光分布。图11b示出穿过孔隙1005的视图，其中每个光源的影像由光收集构件形成。每个光源具有至少一个不相重叠的部分，其不与至少一个其它光源的影像重叠，如上文所述。

图11c至图11f示出穿过如图11b中所示的孔隙的视图，其中在每个图中只示出一个颜色的影像。图11c示出红光源、图11d示出白光源、图11e示出绿光源且图11f示出蓝光源。有利地，可以为每个光源（例如，蓝光源1101a）设计特定透镜以填充孔隙。此外，在使来自不同颜色的星形模板彼此对准的情况下可以是有利的，所以对于包括角对准的所有颜色而言，强度分布是相同的。

图11c至图11e示出在颜色对中的每个光源的影像具有至少不相重叠的部分，其不与具有相同颜色的至少一个光源的影像重叠。红光源1101c和1001f因此分别具有不相重叠的影像部分1003c和1001f，白光源1101g和1001d因此分别具有不相重叠的影像部分1003g和1003d，且绿光源1101b和1001e因此分别具有不相重叠的影像部分1003b和1003e。因此，将不同的颜色更均匀地分布在孔隙中。

图11f示出在孔隙处蓝光源1103a的影像。由于以下事实：蓝色LED通常比其他颜色的LED更有效，且需要较少蓝光来产生白光，这个所示出的设置包含唯一一个蓝光源。然而，应理解可以使用任何数量的光源和任何数量的不同颜色。有可能通过控制如本领域中已知的颜色的强度来执行颜色混合。

在另一实施方案中，可以在中心蓝光源周围存在三个绿光源和三个红光源。接着，应该使相同颜色的三个源相对于彼此旋转30度。

图12示出图10中所示的光源的另一可能设置的简化正视图。在这个实施方案中，光源1201a-1201g为具有发射具有不同颜色的光束的至少两个发射器的LED。所示出的LED各自具有红色发射器1202r、绿色发射器1202g、蓝色发射器1202b和白色发射器1202w。以与图10中所示的光源相似的方式使光源1201a-1201b相对于彼此和主光轴旋转。

图12b示出穿过孔隙1005的视图，其中每个光源的影像由光收集构件形成。每个光源（如图10中的光源）具有至少一个不相重叠的部分1207a-1207g，其不与至少一个其它光源的影像重叠。结果是，来自光源的光可以实质上同等地分布穿过孔隙，藉此形成对孔隙的更均匀的照明。

光源进一步经布置以使得由一个光源的至少一个发射器发射的光束的至少一部分与由具有与另一个光源不同颜色的发射器发射的另一光束的至少一部分重叠。光源也经布置以使得由一个光源的至少一个发射器发射的光束的至少一部分具有至少不相重叠的部分，其不与由具有与另一个光源实质上相同颜色的发射器发射的光束重叠。此使得可能提供孔隙的均匀照明且同时执行颜色混合，因为不同的颜色适合于实质上填充孔隙。

图12b示出穿过孔隙1005的视图，其中每个光源的影像由光收集构件形成。每个光源具有至少一个不相重叠的部分，其不与至少一个其它光源的影像重叠，如上文所述。将不同的颜色合并在孔隙中以使得大部分的孔隙由红、绿、蓝和白光来照明。

图12c至图12f示出在孔隙处光源的每个发射器的影像具有至少不相重叠的部分，其不与具有相同颜色的另一光源的至少发射器的影像重叠。光源1201b的颜色和图12c示出光源1201b的红色发射器1202r和光源1201g的红色发射器1202r例如具有不相重叠的影像部分1203b-r和1203g-r。图12d示出光源1201b的白色发射器1202w和光源1201g的白色发射器1202w具有不相重叠的影像部分1203b-w和1203g-w。图12e示出光源1201b的绿色发射器1202g和光源1201g的绿色发射器1202g具有不相重叠的影像部分1203b-g和1203g-g。图12f示出光源1201b的蓝色发射器1202b和光源1201g的绿色发射器1202b具有不相重叠的影像部分1203b-b和1203g-b。应理解，以相似方式的未标示的光发射器也具有不相重叠的部分。本领域技术人员将认识到，虽然将图10至图12中光源的影像示出为定位在接近于孔隙处，但是结合投影系统（诸如在图1至图5中所示的投影系统），可以将光源的影像定位在近似地位于投影系统的所述孔隙与入射光瞳之间的位置处。

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锋利的边缘，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。

本发明可以例如在投影装置中实施，所述投影装置包含数字成像装置（诸如DML、DLP、LCD、LCOS）；或在移动头灯具的头部中实施，所述移动头灯具包含底座、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 (16)

1.一种照明装置，其包含：

○光源模块，其包含数个光源和数个光收集构件，所述光收集构件收集来自至少一个所述光源的所述光并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；

○投影系统，其沿着所述主光轴定位，所述投影系统具有收集由所述光源产生的所述光的一部分的入射光瞳，所述投影系统将所述经过收集的光投影到目标表面；

○孔隙，其定位在所述光源模块与所述投影系统之间，

其特征在于：所述光收集构件包含沿着所述光源的源光轴对准的中心透镜，和至少部分地围绕所述中心透镜的外围透镜；所述中心透镜包含中心入射表面和中心出射表面，所述中心透镜收集并转换来自所述光源的所述光的第一部分且适合于使所述光源在近似地位于所述孔隙与所述入射光瞳之间的位置处成像；且所述外围透镜部分包含中心入射表面和中心出射表面，所述外围透镜收集并转换来自所述光源的所述光的第二部分且适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与所述入射光瞳之间的位置处。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述光源的所述影像经定位接近于所述孔隙。

3.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于：所述光源的所述影像经定位接近于所述入射光瞳。

4.根据权利要求1至3所述的照明装置，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处。

5.根据权利要求1至3所述的照明装置，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处。

6.根据权利要求1至5所述的照明装置，其特征在于：相对于由所述中心透镜收集并转换的所述第一光部分的主光轴的发散角小于所述投影系统的接受角，其中所述接受角由所述投影系统的所得焦距和所述投影系统的所得接受区来定义；且由所述中心透镜收集并转换的所述第一光部分在所述投影系统的所述所得接受区内射中所述入射光瞳。

7.根据权利要求1至6所述的照明装置，其特征在于：相对于由所述外围透镜收集并转换的所述第二光部分的所述主光轴的发散角小于所述投影系统的接受角，其中所述接受角由所述投影系统的所得焦距和所述投影系统的所得接受区来定义；且由所述外围透镜收集并转换的所述第二光部分在所述投影系统的所述所得接受区内射中所述入射光瞳。

8.根据权利要求1至7所述的照明装置，其特征在于：至少一个所述光源经定位在相对于所述主光轴偏移且相对于所述主光轴成角度的源高度处。

9.根据权利要求1至8所述的照明装置，其特征在于：所述光源经布置以使得每个光源的所述源光轴沿着主光轴会合在共同区域中。

10.根据权利要求1至9所述的照明装置，其特征在于：所述光源在所述孔隙处的所述影像小于所述孔隙。

11.根据权利要求1至10所述的照明装置，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.根据权利要求1至11所述的照明装置，其特征在于：所述第二光部分的所述至少一部分相对于所述光源在所述孔隙平面处的所述影像偏移。

13.根据权利要求1至12所述的照明装置，其特征在于：所述中心透镜包含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。

14.一种包含数字成像装置的投影装置，其特征在于：所述投影装置包含根据权利要求1至13所述的照明装置，且所述数字成像装置定位在所述照明装置的所述孔隙处。

15.一种移动头灯具，其包含：

○底座，

○可旋转地连接到所述底座的轭架，

○可旋转地连接到所述轭架的头部，

其特征在于：所述头部包含根据权利要求1至13所述的照明装置。

16.根据权利要求15所述的移动头灯具，其特征在于：所述移动头包含定位在所述照明装置的所述孔隙处的至少一个模板。

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