CN102762917A - 具有增强亮度的多路传送光管 - Google Patents

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Abstract

多色光源在再循环壳体中被混合以实现高的光输出。在一个实施方案中，来自各颜色光源，诸如来自红色LED、绿色LED和蓝色LED的光，一起多路传送，并且混合光的部分通过光管中的输出孔隙。各颜色光的部分例如通过与孔隙相邻的定形反射表面和/或反射涂层被反向再循环。反射表面的形状使得将各颜色的光引导回到特定位置以使最终输出光最大化。在一个实施方案中，光从壳体的输出侧被引导回到具有相同颜色的输入光源。在另一实施方案中，光从壳体的输出侧被引导回到被设计为反射该颜色光的涂层。

Description

具有增强亮度的多路传送光管
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年9月29日提交的美国临时申请序列号61/246,698、于2010年9月13日提交的美国临时申请序列号61/382,189以及于2010年9月27日提交的美国实用新型申请序列号12/891,553的利益，上述申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及多路传送光源，并且更特别地涉及用于利用光管来实现多路传送LED或其它光输入件的增强光输出的系统和方法。
背景技术
一些光系统，例如投射系统，要求高的光输出。在管腔中测量的光输出通常需要在用于低环境光的小型系统的1500至2500ANSI管腔的范围内；用于较高光的中型应用的2500至4000ANSI管腔的范围内；以及用于不具有光控制的大房间的4000以上的ANSI管腔。在LED发展方面已经取得大的进展，参见例如通过引用并入的于2009年8月17日提交的标题为“RECYCLING SYSTEM AND METHODFOR INCREASING BRIGHTNESS USING LIGHT PIPES WITH ONEOR MORE LIGHT SOURCES，AND A PROJECTORINCORPORATING THE SAME”的普通受让的共同未决美国专利申请序列号12/542,341。然而，当期望混合(多路传送)具有不同颜色的光源(通常为具有基色RGB的LED)时，当前使用的技术或是昂贵或是在物理尺寸上大。因此，本领域对于这样的装置存在需求：所述装置允许在相对小的壳体中以经济的方式混合有色光源，同时仍实现对诸如投影仪系统的电力装置的足量光输出。
发明概述
多色光源在再循环壳体中混合以实现高的光输出。在一个实施方案中，诸如来自红色、绿色和蓝色LED的来自各种颜色光源的光一起多路传送，并且混合光的部分通过光管的输出孔隙。各颜色光的部分通过与孔隙相邻的定形反射表面和/或反射涂层被反向再循环。反射表面的形状使得将每种颜色的光引回至特定位置以使最终输出光最大化。在一个实施方案中，光从壳体的输出侧被引回至具有相同颜色的输入光源。在另一实施方案中，光从壳体的输出侧引回至光管的输入侧的被设计为反射该颜色光的涂层。然后，反射光朝向输出孔隙被反向反射，并且该反射光的部分再次朝向输入反射并且撞击该颜色光的起始源。以此方式，光(至少在理论上)无限地再循环，从而增加了壳体的总的光输出。在一些实施方案中，利用偏振使光再循环，在一些实施方案中，对输入光进行准直。
为了可以更佳地理解随后对本发明的详细描述，前面已经相当宽泛地概括了本发明的特征和技术优势。下面将对本发明的附加特征和优势进行说明，这些附加特征和优势形成了本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应当理解的是，所公开的构思和具体实施方案可容易地用作改进或设计用于实现本发明的相同目的其它结构的基础。本领域技术人员还应当理解的是，这些等同构造不偏离如随附的权利要求中阐述的本发明的主旨和范围。被视为是本发明的特征的新颖性特征，关于其组织和操作方法，连同进一步的目的和优势，将从下面结合附图考虑的说明书中得到更好地理解。然而，应明确地理解，提供各幅图仅是为了示例和说明的目的，而不意在作为本发明的限制的定义。
附图说明
为了更加全面地理解本发明，现在将参照下面结合附图进行的说明，在附图中：
图1A至图1D图示了依照本发明的一个实施方案的使用光管的再循环光；
图2示出了在图1A至图1D中所示的实施方案中使用的输入表面上的涂层布置的一个实施方案；
图3示出了在图1A至图1D中所示的光管中使用的输出表面的一个实施方案；
图4示出了扩展以包括锥形光管的构思的一个实施方案；
图5示出了使用偏振再循环光管的优选实施方案；
图6A示出了可选的实施方案，其中光从壳体的输出侧被引回至具有相同颜色的输入光源；
图6B至图6E示出了与图6A中所示的实施方案一起使用的输入光颜色的各种布置；以及
图7示出了用于投影系统的图1A、图5或图6A的装置的一个实施方案。
发明详述
图1A示出了一个实施方案10，其中利用直光管11来结合四个LED的输出以生成单一输出110，其中仅示出了四个LED中的两个(诸如LED 13和LED 14)。光管11的输入面15被划分为四个象限，如图2所示。子划分(在此实施例中为象限)为红色20-1、绿色20-2、绿色20-3、蓝色20-4。能够使用任意数量的子划分，并且能够将任意数量的颜色相结合。在此实施方案中，期望在输出处生成白色光，因此使用红色、绿色和蓝色。基于为了获得白色输出而需要与红色和蓝色相比量较大的绿色的假设，在图案中使用额外的绿色光。在一些情形下，可添加额外颜色以改变输出的色调，即使期望的是白色光。
返回至图1A，假设LED 13为红色LED，则来自LED 13的输出将通过为红色涂层的涂层20-1(如图2所示)。红色涂层将使光通过红色频谱，但是将反射绿色和蓝色(以及任意其它可能的颜色)的光。类似地，与绿色LED相对的区域涂有反射红色光和蓝色光的绿色透射涂层(“绿色涂层”)。与蓝色LED相对的区域涂有反射红色光和绿色光的蓝色透射涂层(“蓝色涂层”)。这些涂层能够有利地为二向色涂层，其在透射带具有高(大概甚至为100％)的透射率并且在反射带具有高(大概为100％)的反射率。光随后通过孔隙进入光管。光管可由玻璃或塑料或任何其它适当的材料构造而成，并且能够按期望方式成型。
在此实施方案中，光管的输出端12为球形表面，在一个实施方案中为凸形，其曲率中心位于具有光管输入面15的中心的中心线上。如果利用再循环，则任选的反射涂层31(也如图3所示)部分地覆盖输出面12。光在离开管后通过未涂层区域32(也如图3所示)进行耦合，在未涂层区域32中下面将参照图5讨论的任选的偏振器还可用于偏振再循环。注意的是，如果与具有执行此处所述功能的部分反射表面的外透镜结合使用，则壳体的输出端能够相对平坦。
当来自一个特定LED(诸如来自LED 13)的光进入光管时，光作为光束101通过涂层20-1。来自束101的光的部分将通过开口32离开光管，形成输出束110。此部分显示为101’。注意的是，我们正在讨论的是仅来自LED 13的光。如果我们还要讨论来自绿色LED 14的光，那么光的部分将形成输出束，正如来自蓝色LED的光的部分。这样实际上将使输出束为白色。
然而，为了易于讨论，我们将仅讨论来自红色LED 13的光。因此，如图1A所示，束101的部分将作为束102从输出表面31朝向输入表面15往回反射(再循环)。表面31的形状使得由于光管输出面的球形轮廓而使来自LED 13(红色)的束集中到与输入光源对角相对的象限的涂层20-3(绿色)上。由于涂层如上所述被设计为反射除了绿色光谱光外的所有光，束102朝向输出表面12被反向反射。注意的是，只要光管的长度比其横向尺寸足够大，再循环的光线将碰撞到输入面上与光线起源的源点近似对角相对的点。装置被构造为使得相对象限的涂层具有相互排斥的透射谱，因此再循环的光将被该涂层再次反射并且随后使其第二正向周程朝向输出。如图1A所示，束102正在进行其第一(奇数)反向周程且因此反射自涂层。可以看出，当束正在进行其第二反向周程(偶数)时，再循环的光将通过输入面上的涂层并且反射自其最初产生的LED表面。换句话说，光花费两轮周程回到其起始位置，并且通常此两轮周程的过程保持自我重复无穷次数。
现在转到图1B，注意的是，束已经减弱至更易于可视的光线。因此，光线101已经自表面31反射为光线102，光线102依次已从涂层20-3反射(如上面所讨论)且已经变为光线103，显示朝向输出的表面31移动。光线103的某部分103’离开管并且与输出束110结合。
在图1C中，显示束103的部分104从表面31反射且通过涂层20-1且从LED 13反射。如上面所讨论，这是红色束的第二(或偶数)反向轮周程。
在图1D中，显示已从LED 13反射的光线105与光线101结合并且朝向光管的输出移动。结合的101和105光线的部分离开管以形成束110，束105和101的部分朝向绿色涂层20-3被再次反向反射，并且再循环继续构建强度。此过程不仅对于红色束继续，而且同时对于所有其它的束继续，从而生成通过孔隙32的增强输出光束。
此构思能够扩展至M×N LED芯片阵列，其中M和N均为偶数整数。对LED构造的唯一要求是，彼此对角相对的LED必须具有不同的发射波长以使对应的涂层具有不同的透射带。
当然，光源不具有LED。本文讨论的构思还能够用于激光器或用于任何其它照明装置。
图4示出了扩展以包括锥形光管41和42(四个LED系统中的其它两个未显示)的构思。锥形光管的输出表面用作随后的多路传送光管的“虚拟源”。锥形光管还用作将再循环光引导至正确LED的光导件。因此，“对角相对的点”限定在“虚拟源”上，即，锥形光管的输出面上。为了获得最佳的性能，需要将多路传送光管的输出面的曲率半径和确切轮廓优化，以将一个输入光源映像到其恰当的对角相对的对应光源。在一些情形下，输出表面轮廓不需要为球形，只要实现本文讨论的构思即可。
一组锥形光管用于准直LED源的光，并且它们的输出孔隙用作随后多路传送光管的一组“虚拟源”。显示出的是，准直光使多路传送光管工作得更好，对于长的光管(与其横向尺寸相比“长”)的要求或多或少放松，这取决于准直的程度。
图5示出了优选的实施方案50，其中使用偏振再循环光管，例如不是用反射涂层覆盖输出面51，而是用偏振器54将输出面51完全覆盖。偏振器能够具有以胶粘/接合到光管的输出窗上的偏振器光栅或单独偏振板的形式。
在光管的输入端处，一组四分之一波长板(λ/4)52和53插入彩色涂层20-1和20-3与用于旋转再循环光的偏振的多路传送光管11的输入之间。由于通常对来自光源的输入光进行随机偏振，输入光将通过四分之一波板，而不变成其偏振状态。这种光随后碰撞光管11的输出侧51，并且偏振过滤器54允许近似1/2的光离开管。另一半再循环回到管的输入侧到达与其起源的对角相对位置。光随后通过1/4波过滤器并且从不同颜色的涂层反射。这种反射光随后再次通过1/4波板，总共进行90度的偏振旋转。以此方式，50％的光在第一正向周程通过偏振器54，50％的光在第二正向周程被反向反射并且通过偏振器54(在一次再循环之后)。以此方式，每个管腔/光子径直离开管或者再循环一次。结果，在理论上实现了100％的再循环效率。当然，100％的再循环效率的这一理论限制仅能够在一组理想假设下实现：光管无限长，入射束被100％准直并且与光轴平行行进(因此，极好地限定两个偏振方向)。因此，图4中所示的锥形光管将是有用的。然而，即使一组严格的要求被放松，本文讨论的构造实现了相对高的再循环效率。
图6A示出了可选的实施方案60，其中来自诸如LED源61-1的输入光源的光从壳体的输出侧62被引导回到输入光源，诸如具有与光源61-1相同颜色的LED 61-2。注意的是，自输出侧62再循环能够以多种方式来实现，例如，通过图3所示的孔隙和反射表面并且通过图5所示的偏振结构。当然，需要未示出的恰当的散热装置和其它控制设备，正如对于任意实施方案所需的。
图6B至图6E示出了与图6A所示的壳体60一起使用的各种光图案布置。注意的是，只要来自任意特定颜色的光反射回到其自身颜色，能够使用任意数量的光颜色。换种方式表述，在此实施方案中再循环光被映像回到具有与该光线的起初颜色相同的颜色的输入光源(在此实施例中为LED)上。这与图1A所示的实施方案形成对比，在图1A的实施方案中，自壳体输出的光被映像回到与不同光颜色相关的涂层上。在大多数情形下，使用如结合图1A至图1D所讨论的反射涂层将产生较高的光输出。注意的是，在图1A所示的实施方案中，输入光的部分从输出反射到具有不同颜色源的光的输入面的对角相对部分，再反射是在具有不同颜色的透射带的涂层的控制下发生的，而在图6A的实施方案中，对角相对的输入光具有相同的颜色，因此在所示实施方案中再反射是由作为LED的输入光源的表面引起的。
图7示出了在诸如系统70的投影系统中使用的图1A的装置10或图5的装置50的一个实施方案。注意的是，在图7中，已显示出散热装置71。尽管在图1A或图5中未示出，此散热装置是必要的，取决于所采用的LED结构。从装置10(或50)输出的光通过用于投影仪引擎73的旋转透镜72。通常，投影仪将具有一个或多个投影透镜75，并且输出聚焦器74可以为DLP、LCOS或任何其它形式。这样使用时，来自光管的输出光应当是白色的。
尽管已经详细说明了本发明及其优势，应当理解的是，能够在不偏离如所附权利要求限定的本发明的主旨和范围的情况下对本发明做出各种变型、替代和改动。而且，本申请的范围不意在限制到说明书中描述的过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法和步骤的特定实施方案。由于本领域普通技术人员将易于从本发明的公开理解过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤，可根据本发明来使用执行与本文描述的对应实施方案大致相同的功能或实现大致相同的结果的当前现有或后来发展的。因此，随附的权利要求意在包含在这些过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤的范围之内。

Claims (34)

1.一种光管，包括：
至少两个输入光源，所述源具有至少两种不同颜色；
输出，其用于使光的碰撞到所述输出的部分离开所述光管并且将光的不通过所述输出的那部分再循环；
所述再循环光布置为碰撞被设计为形成所述再循环光的第二再循环的与所述输入光源相关的表面，所述第二再循环光至少部分通过所述光管的所述输出，其中所述输出光为所述输入光颜色的结合。
2.如权利要求1所述的光管，其中，所述第二再循环是通过一种颜色的光映像到相同颜色的输入光上来实现的。
3.如权利要求2所述的光管，其中，所述再循环是通过偏振控制的。
4.如权利要求2所述的光管，其中，所述输入光源被准直。
5.如权利要求2所述的光管，其中，所述输入光源在输入侧的碰撞表面与所述光进入所述光管的所述输入侧的点对角相对。
6.如权利要求1所述的光管，其中，所述输入光源相关的表面包括与每个输入光源相关的涂层，所述涂层使与所述相关光源相同颜色的光通过并且反射由所述光管接收到的任意其它颜色的光。
7.如权利要求6所述的光管，其中，所述再循环是通过偏振控制的。
8.如权利要求6所述的光管，其中，所述输入光源被准直。
9.如权利要求6所述的光管，其中，所述输出包括：
表面，其用于将再循环光从特定颜色的光源引导至与具有与所述特定颜色不同的颜色的光源相关的涂层。
10.如权利要求9所述的光管，其中，所述输入光源在输入侧的碰撞表面与所述光进入所述光管的所述输入侧的点对角相对。
11.如权利要求1所述的光管，其中，所述至少两个输入光源的第一光源为红色LED，所述至少两个输入光源的第二光源为绿色LED，并且其中，所述至少两个输入光源进一步包括第三输入光源，所述第三输入光源为蓝色LED，并且其中来自所述第一、第二和第三输入源的光在所述输出的控制下结合以提供白色输出光。
12.如权利要求11所述的光管，其中，所述装置进一步包括：
第四输入光源，所述第四输入光源为所述第一、第二或第三输入光源中的一个的复制品，并且其中，来自所述第一、第二、第三和第四输入源的光在所述输出的控制下结合以提供白色输出光。
13.如权利要求6所述的光管，其中，所述输入光源在输入侧的碰撞表面与所述光进入所述光管的所述输入侧的点对角相对。
14.如权利要求1所述的光管，其中，所述输出表面是局部反射性的。
15.如权利要求14所述的光管，其中，所述再循环是通过偏振控制的。
16.如权利要求1所述的光管，进一步包括：
投影仪，包括：
投影引擎和旋转透镜，所述旋转透镜用于耦合来自所述光管的所述输出的光，以便由所述投影仪使用。
17.一种用于产生光输出的装置，所述输出光为至少两种不同输入光颜色的结合，所述装置包括：
光管，其用于接收至少来自第一颜色的第一光源和第二颜色的第二光源的输入光；每个所述光源具有与其相关的涂层，每个所述涂层使与所述相关光源相同颜色的光通过并且反射由所述光管接收到的任意其它颜色的光；
所述光管具有输出端，所述输出端具有至少一个输出孔隙，所述输出孔隙被布置为使起源自所述第一和第二光源中的每个的所述光的部分通过；
所述输出端还被布置为再循环源自所述第一和第二光源中的每个的所述光的未通过所述输出孔隙的部分，所述再循环光被导向与除了所述起源光源的颜色之外的颜色相关的涂层；使得从所述输出端引导至每个所述涂层的所述光从所述涂层再循环回到所述输出端，在所述输出端部分随后通过所述孔隙，而部分再循环回到相同颜色的所述起源光源，通过相同颜色的所述图岑并且从所述光源反射回到所述输出端。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述再循环的至少部分是通过偏振控制的。
19.如权利要求17所述的装置，其中，所述输入光源被准直。
20.如权利要求17所述的装置，其中，所述输入光源选自：LED，激光器。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述输入光源具有多于一种的相同颜色，而仍保持所述至少两种颜色。
22.如权利要求17所述的装置，其中，所述第一光源为红色LED，所述第二光源为绿色LED，并且其中，所述装置进一步包括第三输入光源，所述第三输入光源为蓝色LED，并且其中，来自所述第一、第二和第三输入源的光在所述输出孔隙的控制下结合以提供白色输出光。
23.如权利要求22所述的装置，其中，所述装置进一步包括：
第四输入光源，所述第四输入光源为所述第一、第二或第三输入光源中的一个的复制品，并且其中，来自所述第一、第二、第三和第四输入源的光在所述输出孔隙的控制下结合以提供白色输出光。
24.一种加入权利要求22中所述装置的投影仪，所述投影仪包括：
投影引擎，以及旋转透镜，所述旋转透镜用于耦合来自所述装置的光以便由所述投影仪使用。
25.一种投影仪，包括：
投影仪引擎以及光源，所述光源包括：
至少三个输入光源，具有不同颜色的所述源能够结合以生成白色输出光以便由所述投影仪引擎使用；
输出，其用于使光的碰撞到所述输出的部分离开所述光源并且用于使光的未通过所述输出的那部分在所述光源内再循环；所述再循环光被布置为碰撞被设计为形成所述再循环光的第二再循环的与所述输入光源相关的表面，所述第二再循环光至少部分通过所述输出离开所述光源，其中所述输出光为所述输入光颜色的结合。
26.如权利要求25所述的投影仪，其中，所述输入光源的碰撞表面包括与每个输入光源相关的涂层，所述涂层使与所述相关光源相同颜色的光通过并且反射由所述光管接收到的任意其它颜色的光；所述碰撞到的涂层与所述光进入所述光源的所述输入侧的点对角相对。
27.如权利要求25所述的投影仪，其中，所述光源的所述输出包括：
表面，其用于将再循环光从特定颜色的光源引导至与具有与所述特定颜色不同颜色的光源相关的涂层。
28.如权利要求27所述的投影仪，其中，所述再循环是通过偏振控制的。
29.如权利要求27所述的投影仪，其中，所述输入光源被准直。
30.如权利要求27所述的投影仪，其中，所述输入光源具有多于一种的相同颜色，而仍保持所述至少三种颜色。
31.如权利要求25所述的投影仪，其中，所述光源的所述输出包括：
表面，其用于将再循环光从特定颜色的光源引导至相同颜色的输入光源。
32.如权利要求31所述的投影仪，其中，所述再循环是通过偏振控制的。
33.如权利要求32所述的投影仪，其中，所述输入光源被准直。
34.如权利要求32所述的投影仪，其中，所述输入光源具有多于一种的相同颜色，而仍保持所述至少三种颜色。
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