CN1914929A - 照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种照明系统，该系统包括：多个光源组件，各光源组件包括发光表面；以及光学元件系统，构造成将发光表面成像到照明目标上。发光表面的形状，或者由光学元件系统产生的发光表面图像的形状，可基本上匹配于目标的形状。此外，还披露了采用具有不同颜色发光表面的多个光源组件的照明系统。此外，本发明涉及这样的照明系统，该系统包括以阵列形式设置在非径向对称孔内的多个光源组件，并涉及这样的照明系统，其中光源组件和光学元件系统构造成，以形成多个基本上对准在照明目标内的通道。

Description

照明系统
技术领域
本发明涉及照明系统，其可用于例如投影和背光系统。更具体地说，本发明涉及包括光学元件系统和多个光源组件的照明系统。
背景技术
照明系统有多种应用，包括投影显示器、用于液晶显示器(LCD)的背光装置等等。投影系统通常包括光源、照明光学器件、成像装置、投影光学器件和投影屏。照明光学器件聚集来自光源的光，并使其以预定方式导向一个或多个成像装置。成像装置，其由电子调节和处理的数字视频信号控制，响应于视频信号产生图像。然后投影光学器件放大图像并将其投射到投影屏上。结合彩轮(色轮)的白光源，比如弧光灯，已经并仍然主要用作投影显示系统的光源。然而最近，逐渐将发光二极管(LED)引入此领域作为另一种替代方案。LED光源的一些优点包括更长的使用寿命、更高的效率以及优越的热特性。常用于数字光处理系统中的成像装置的一个例子是数字微镜装置(DMD)。DMD的主要特征是可旋转的微镜阵列。各反射镜的倾斜由载入存储单元并与各反射镜相关联的信息独立控制，以使反射光转向并空间地将视频数据像素映射至投影屏上的像素。由ON状态的反射镜反射的光通过投影光学器件并投射到屏幕上以形成明视场。另一方面，由OFF状态的反射镜反射的光漏过投影光学器件，导致生成暗视场。也可以用DMD形成彩色图像，例如，利用彩色的排序，或可选地利用三个DMD，其中每一种原色对应一个DMD。
成像装置的其他例子包括液晶面板比如LCOS(Liquid crystal onsilicon，反射式液晶)装置。在液晶面板中，根据对应于视频信号的数据，增量控制(像素到像素)液晶材料的排列。依据液晶材料的排列，入射光的偏振态可由液晶结构来改变。因此，通过适当地使用偏振器或偏振分光镜，可以形成对应于输入视频信号的暗区和亮区。已经用液晶面板以类似于DMD的方式形成了彩色图像。
常规地，LCD背光装置已经包括了一个或多个光源，比如冷阴极荧光灯(CCFL)。典型的直接照明背光装置(直射背光装置)通常包括置于LCD后面的光源阵列或单个扩展光源。通常使由背光装置产生的光散射以增加均匀性，并且，如果需要彩色图像，将光引导至对应于LCD的红色、绿色和蓝色像素的红光、绿光和蓝光滤光器阵列。红色、绿色和蓝色像素根据输入图像数据调制所透过的红光、绿光和蓝光成分。
光学系统比如投影和背光系统的性能可由许多参数来表征，其中之一就是集光率(etendue)。集光率，ε，可用下面的公式计算：
ϵ = A * Ω ≅ π * A * sin 2 θ = π * A * NA 2
其中Ω为发射或接收的立体角(单位为立体弧度)；A是接收器或发射器的面积，θ是发射角或接收角，而NA是数值孔径。
如果光学系统的某个元件的集光率小于上游光学元件的集光率，这种不匹配会导致光损失，这会降低光学系统的效率。因此，光学系统的性能通常受到具有最小集光率的元件的限制。通常用来减少光学系统中集光率降低的技术包括：提高系统的功效(1m/W)，减小光源尺寸，减小光线束立体角以及避免引入额外的孔径光阑。
用在照明系统中的常规光学器件已经包括多种配置，但它们的轴外性能仅在很窄的适应范围内令人满意。这一点以及其他缺点促成了光学元件和系统的复杂设计，包括，例如，利用复杂的非球面和众多元素的复杂组合。除此以外，常规照明系统的光学器件已经表现出集光不充分的特性。特别地，如果光源输出的有效部分出现在远离光轴的角度上，大多数LED属于这种情形，常规的照明系统就不能捕捉到这些光的主要部分。
此外，常规的照明系统通常具有例如由于像差造成的较差成像性能。特别地，对于用在投影和背光应用中并用来使不同波长的多个光源组合起来的大多数常规反射器和/或集光器而言，就属于这种情形。除此以外，尽管有些常规的反射型准直器具有可接受的集光特性，例如，椭圆和抛物面反射器，但这类反射器通常有旋转对称的偏差的性质。这种偏差一般会导致合成图像的舍入，并导致光源上的点与目标平面上的点之间缺乏整体的对应，从而导致次序受损和集光率降低。
发明内容
本发明涉及照明系统，该照明系统包括具有发光表面的光源组件、照明目标、以及置于光源组件与照明目标之间的光学元件系统。在部分实施例中，光学元件系统使光源组件的发光表面成像在照明目标上。至少一个发光表面的形状可以基本上匹配于照明目标的形状，该照明目标可以是例如基本呈方形的光隧道入口或基本呈矩形的成像装置。
在另一些示意性实施例中，发光表面的形状可以是大致方形，照明目标的形状可以是大致矩形，光学元件系统可以构造成，使得照明亮斑的形状基本上匹配于照明目标的形状。在本发明的部分示意性实施例中，基本叠加的发光表面图像形成基本上充满或过充满照明目标的照明亮斑。可选地，发光表面的图像可以密集形成照明亮斑，或者发光表面的图像可重叠形成照明亮斑。
本发明还涉及一种照明系统，该系统包括光源组件、照明目标、和置于光源组件与照明目标之间的光学元件系统，其中各光源组件具有彼此相邻布置的不同颜色发光表面。在部分实施例中，光学元件系统使发光表面成像在照明目标上。在适当的实施例中，各光源组件包括第一颜色的第一发光表面、第二颜色的第二发光表面以及第三颜色的第三发光表面。在这些实施例中，照明目标可包括第一、第二和第三色区，且光学元件系统可使第一发光表面成像在第一色区，使第二发光表面成像在第二色区，使第三发光表面成像在第三色区。该第一、第二和第三颜色可以是原色。可选地，光学元件系统可包括其他元件，比如微透镜阵列和分色镜。
本发明还涉及一种照明系统，其中光源组件以阵列形式布置在非径向对称的孔内。该照明系统还包括照明目标，比如具有多个可绕枢轴线旋转的反射镜的成像装置。在后面这种情况下，非径向对称孔具有长尺寸和短尺寸，并定向成长尺寸与成像装置的反射镜的枢轴线对准。
此外，本发明还涉及一种照明系统，该系统包括具有发光表面的多个光源组件、照明目标、以及置于多个光源组件与照明目标之间的光学元件系统。光源组件和光学元件系统构造成，以形成多个基本上瞄准照明目标内的通道。光源组件可沿球面切向布置。可选地，光源组件可以基本上彼此共面地布置，同时，光学元件系统可用来使来自各光源组件的至少部分光对准照明目标。
通过以下详细说明和附图，本发明照明系统的这些及其他方面对于本领域普通技术人员而言将会更加明了。
附图说明
从而，本发明所属技术领域的普通技术人员将会更容易理解如何制造和使用本发明，以下参见附图详细描述其实施例，其中：
图1是根据本发明示意性实施例构造的照明系统的示意性剖视图；
图2A是具有相关联光学元件的光源组件阵列的示意性正视图，该光源组件阵列基本上布置成与非对称的提高对比度的孔(光孔)相近似的形状；
图2B是六边形的密集透镜阵列的放大正视图，该透镜阵列可包括在本发明的适当示意性实施例中；
图3是根据本发明示意性实施例构造而成的照明系统一部分的放大剖视图，示出光源组件和相关联的透镜元；
图4A-4D是根据本发明示意性实施例构造而成的另一种类型的照明系统的示意性剖视图，该系统具有单独聚焦和定向通道；
图5是根据本发明另一示意性实施例构造而成的照明系统的示意性剖视图，该系统对于背光应用尤其有用；
图6是根据本发明另一示意性实施例构造而成的照明系统的示意性剖视图，该系统对于投影应用尤其有用；
图7是本发明示意性实施例的一部分的示意性描绘，图解说明了具有不同颜色发光表面的光源组件的使用；
图8是根据本发明示意性实施例构造而成的照明系统的示意性剖视图，该系统利用了具有不同颜色发光表面的光源组件；以及
图9是根据本发明另一示意性实施例构造而成的照明系统的示意性剖视图，该系统利用了具有不同颜色的发光表面的光源组件。
具体实施方式
现在参见附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1示意性地表示本发明照明系统的示意性实施例，该系统可用于投影应用。图1所示的照明系统10包括：一组光源组件12，由光源组件72、72′、72″例示；以及光学元件系统15。一个或多个光源组件可包括LED光源，比如目前的可购商品LED光源。本领域普通技术人员应理解的是，随着对具有提高的效率和输出的LED进行的开发和完善，这种LED将会有利地使用在本发明实施例中，这是因为具有最大输出的LED通常是优选的。可选地，可使用有机发光二极管(OLED)、垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)或其他合适的发光装置。
该组光源组件12可构造成阵列，且光源组件比如72、72′、72″可一起或单独地安装在一个或多个衬底上，从而光源组件产生的热可以通过衬底材料容易地散出。适于安装光源组件的衬底实例包括印刷电路板(比如金属芯印刷电路板)、柔性电路(比如具有铜迹线的聚酰亚胺膜)、陶瓷衬底等等。本领域普通技术人员应理解，该组光源组件12和单个光源组件(比如72、72′、72″)的多种构造都包含在本发明的范围之内。此外，光源组件的数量和类型可根据应用、所需系统构造、系统的尺寸和系统输出亮度而改变。
在图1所示的示意性实施例中，光学元件系统15包括：第一组透镜14，包括透镜元74、74′、74″；第二组透镜16，包括透镜元76、76′、76″；以及聚光器18。类似于光源组件的数量，组14和16中透镜元的数量可根据应用、所需系统构造以及所需系统尺寸而改变。聚光器18可以是或可包括平凸透镜。可选地，聚光器可以是或可包括弯月形透镜，以便减小像差，或者根据所需的输出光性能，可以是或可包括任何其他类型的透镜。根据特定应用的需要，除了聚光器18之外或代替聚光器18，光学元件系统15可包括其他部件，例如其可包括用于分离或结合不同颜色光束的分色镜。此外，在部分实施例中，比如图4A-图4D所示及以下所述的实施例，聚光器18可从系统中省略。
在本发明的适当实施例中，每一个光源组件具有与其相关联的光学元件或多个光学元件，以有助于收集光并获得所需成像特性。例如，在图1所示的示意性实施例中，透镜元对(一个来自组14而一个来自组16)与来自组12的各光源组件相关联。具体如图1所示：与光源组件72相关联的透镜元74和76，与光源组件72′相关联的透镜元74′和76′，以及与光源组件72″相关联的透镜元74″和76″。透镜组14和16可构造成双层六边形密集阵列，比如图2B所示的阵列或其他合适的构造，其中光源组件组12的构造基本上随透镜组14和16的构造而定。
图2A中还图示了光源组件组的示例性结构，该图示出，通过适当放置光源组件组12′而形成的非径向对称入口光瞳4，以及照明系统的理论上为圆形的入口光瞳2。在使用一个或多个DMD，DMD以某个角度被照射，而且在光源与成像装置之间没有插入光隧道(以下说明)的投影系统中，这种以及类似的结构尤其有利。一般地，在这种系统中，照明角度与通过从反射镜架和从处于OFF状态的反射镜下方反射而散射到投影光瞳中的光量之间存在强烈的相依性。照明角度的增大提高了对比度，但如果投影光学器件的数值孔径没有随之增大，会导致照明光瞳相对于投影光瞳发生偏移、引入虚光。不过，如果增大投影光学器件的孔径来避免虚光，那么其可集聚更多平面状态(非ON也非OFF)反射和来自DMD周围的杂散光，并将其传送到屏幕，从而潜在地使提高对比度的最初意图失效。
在使用弧光灯的常规照明系统中这样解决该问题，通过把截平的孔径光阑放置在照明光瞳中，以阻塞至少部分与ON状态反射相重叠的平面状态反射。不过，最近已有提出，DMD投影系统的对比度可通过不对称孔(光孔)来提高。美国专利No.5,442,414描述了提高对比度的不对称孔，该孔具有长短尺寸，其中长尺寸与反射镜的枢轴线直线对准，在不与本发明内容相矛盾的范围内，该专利披露的内容以引用的方式并入本文。
因此，在本发明的适当示意性实施例中，可以这样选择光源组件组12′的结构，使得单独的光源组件布置在具有最高对比度的光瞳范围内，如非径向对称孔(光孔)4所示，从而节约了照明能量，并减少了所使用的光源组件数量。与光源组件相关联的光学元件组13的结构可据此来选择，并优选地根据光源组件组12′的结构而选择，从而后者也会具有基本上近似非径向对称孔的整体形状，如图2A所示。
光源组件组和光学元件组(例如图1所示的透镜组14和16)的其他构型，比如具有大致矩形或方形的阵列，也包括在本发明披露的范围内，这取决于具体应用和其他考虑，比如照明目标的形状、尺寸以及成本。此外，可以只使用一个透镜组14或16，而不脱离本发明披露范围。
图2B示出透镜组14和16的示例性构型58的正视图。在构型58中，透镜组14的透镜元比如74、74′、74″可以为基本上相同的形状和大小，例如，外径为大约18mm的圆形。透镜组16的透镜元比如透镜元76、76′、76″，也可具有基本相同的形状和大小，例如，较短对角线为大约20mm而较长对角线为大约23mm的大致六边形。来自组14的透镜元的外部尺寸应该足够大，以集聚所需量的来自光源组件组12的光，以及来自组16的透镜元的外部尺寸应该足够大，以捕获所需量的从组14射出的光。在部分实施例中，除了边缘细节以外，组14和16中的单个透镜元可具有相同的大致形状和构造，因为第二阵列优选地应该被加工成使间隙面积最小。
组14和16的透镜元，比如透镜元74、74′、74″和76、76′、76″，优选地是基本上如图3所示透镜元74和76一样地构成的弯月形透镜。图3还示出光源组件72，在此示意性实施例中，光源组件72包括基底722、发光表面724和基本上光学透明的圆顶726。可购得的LED光源组件可用于本发明披露的适当实施例中，这会使这种照明系统相对便宜、紧凑和便于使用。发光表面724可以是或可包括LED的发光表面、荧光层或任何其他发射材料。本领域普通技术人员应理解，术语“发光表面”可用来指代光源组件的任何发光表面，比如封装入基本光学透明的材料中的发光半导体层或芯片的任何表面部分。
作为一个例子，透镜元74和76的尺寸包括大约8.8mm的中心厚度，大约-55mm的凹面半径，以及半径大约为-10mm而圆锥常数为大约-0.55的非球面凸表面(由常规非球面方程描述)。将凸面制成非球面是为了减少像差和避免由此产生的光损失。可任选地，凹面也可以制成非球面。但是，这种透镜的性能受凸面形状的影响更强。无论哪种方式，本领域普通技术人员很容易想到，透镜元的外形和大小可以根据具体应用、系统结构以及系统大小而改变。透镜的材料优选的是丙烯酸，但也可以使用聚碳酸酯、聚苯乙烯、玻璃或任何其他合适的材料。一般地，具有高折射率的材料是优选的，但最终可以根据对于特定应用很重要的因素来作出选择，比如成本、可塑性、折射率，以及光学胶或环氧树脂的匹配容易程度等。
在本发明披露的适当实施例中，具有凹侧74a和凸侧74b的透镜元74布置于光源组件72的前面，从而凹侧74a基本正对发光表面724。具有凹侧76a和凸侧76b的透镜元76这样布置，使得凹侧76a与凸侧74b相邻。优选地，透镜元76的凹侧76a与透镜元74的凸侧74b直接接触，以使集光效率最大化，但在某些实施例中，透镜元可以分开达到大约4mm的距离，并仍具有可接受的集光性质。更大的间距也包含在本发明范围内，但如果间距增大而透镜元76的外部尺寸不增大的话，这种配置很可能会降低集光效率。本领域普通技术人员应理解，把透镜元74和76放得更靠近一些并增大透镜元76的直径，这样做通常会使得光集聚在更宽的角度范围，反之亦然。可以通过折射率基本上匹配于透镜元材料的合适的光学胶或环氧树脂，将透镜元保持在一起。
进一步参见图1和图3，在本发明的某些示意性实施例中，光学元件系统15将一个或多个光源组件发光表面(例如光源组件72的发光表面724)成像在照明目标17上。照明目标17的性质根据具体应用而不同。例如，在图1中，仅出于说明举例的目的，照明目标17表示成到达光隧道19的入口。
在例如美国专利No.5,625,738和6,332,688中，披露了适于与本发明适当示意性实施例一起使用的光隧道，在不与本发明披露内容相矛盾的范围内，该专利披露的内容以引用的方式并入本文。光隧道适于使发光组件比如72、72′、72″的输出均匀化，从而在使用光隧道的示意性实施例中不需要发光表面的精确成像。光隧道19可以是反射镜隧道，例如，矩形隧道，实心的或中空的，或者由实心玻璃棒组成的细长隧道，依靠全内反射来使光传输通过该玻璃棒。本领域技术人员应理解，对于光隧道的输入和输出端而言，可以使用许多种形状组合。
在另一些示意性实施例中，照明目标17可以是成像装置，例如DMD、液晶面板，或者液晶显示器的一个或多个像素或色区。在这些实施例中，可能要求更精确的成像。此外，如果这些实施例使用在采用一个或多个DMD的投影系统中，那么有利的是，使光源组件布置成基本上与提高对比度的非对称孔的形状接近，如图2A所示。
可以使光源组件的发光表面(比如光源组件72、72′、72″的发光表面)具有特定的形状，以改进照明系统10的性能。例如，一个或多个发光表面可成形为基本上匹配于目标17的形状。特别地，如果目标17是到达光隧道19的方形入口，那么一个或多个光源组件发光表面也可基本上成形为方形。另一方面，如果目标17是宽高比为16∶9的矩形成像装置(通常是在高分辨率电视的情况下)，则光源组件的一个或多个发光表面也可以基本上成形为矩形，优选地具有大致相同的宽高比。可选地，基本上呈方形的发光表面的图像可以紧密充填，以基本上填满矩形照明目标。本领域普通技术人员很容易理解，发光表面和照明目标的其他基本形状也包含在本发明范围以内。
进一步参见图1，光学元件系统15可以设计和构造成适当地放大发光表面的图像。典型的投影显示器的性能通常受益于(或在某些情况下甚至需要)照明亮斑一定量地过充满照明目标，这在这些示意性实施例中，可通过叠加一个或多个发光组件发光表面的图像而形成该照明亮斑。例如，对于大约20.0×12.0mm的成像装置，照明亮斑可以在每一轴线上大10％左右，或者大约22.0×13.2mm。在部分示意性实施例中，理想的是使得在例如所有侧边上过充满的量基本上都相同，以适应机械失调。在这种情况下，可以使一个或多个光源组件发光表面的宽高比稍稍不同于照明目标，以便形成所需形状的图像。可选地，光学元件系统可包括圆柱形透镜或其他非圆对称光学器件，这些光学器件可将发光表面的图像转化成所需基本形状或宽高比。同样，需要时，可以如下所示和所述的那样，用二向色合成镜，把不同颜色比如红色、绿色和蓝色或其他原色的发光表面的图像组合或叠加起来。
本发明照明系统的另一组示意性实施例如图4A-图4D所示。在这些实施例中，光学元件系统的构造为，图1所示实施例中所使用的聚光器18可以省略。取而代之的是，图4A-图4D中所示的实施例采用一个或多个独立聚焦和对准的通道，其包括与各光源组件相关联的一个或多个光学元件，比如一个或多个透镜，使一个或多个光源组件的至少一部分发射导向和聚焦到照明目标上，优选地使其叠加在照明目标上以形成照明亮斑。
例如，图4A是示例性照明系统20a的示意性描述，该系统包括：一组光源组件22a，比如光源组件72、72′、72″；和光学元件系统25a。该光源组件组22a这样构成，使得各光源组件的至少一部分出射光基本上对准照明目标27。如图4B所示，这可以这样实现，例如，使一组光源组件22，比如72、72′、72″，沿着半径为R且中心在O处的球面切向地排列。
在图4A所示的示意性实施例中，光学元件系统25a包括：第一透镜组24a，包括透镜元64、64′、64″；和第二透镜组26a，包括透镜元66、66′、66″。在该示意性实施例中，组24a中的透镜元优选的是平凸透镜，该平凸透镜具有大致指向远离光源组件方向的球面，而组26a中的透镜元优选的是平凸透镜，该平凸透镜具有指向远离光源组件方向的非球面。各定向通道通过光源组件与相关联的透镜形成。例如，光源组件72与相关联的透镜64和66形成一个这种定向通道。在图4B所示的示例性照明系统中，光学元件系统25采用一层凹面正对光源组件的弯月形透镜，比如54、54′、54″。在该示意性实施例中，光源组件和相关联的弯月形透镜(例如光源组件72和透镜54)形成了各定向通道。
图4C是示例性照明系统20b的示意性视图，其包括一组光源组件22b(比如光源组件72、72′、72″)和光学元件系统25b。该光学元件组22b这样构造，使得光源组件基本上彼此共面地布置，以简化布线和装配。作为一个实例，该实施例采用七个光源组件的六边形阵列。通过适当地构造光学元件系统25b，各光源组件的光发射基本上对准照明目标27，在该示意性实施例中该光学元件系统包括双凸透镜，比如56、56′、56″。可例如通过选择焦距比周围透镜的焦距更短的中心光学元件(例如56′)，实现单个通道的定向，使得在照明目标上，光源组件72′通过透镜56′聚焦的至少部分输出能够与光源组件72和72″通过透镜56和56″聚焦的至少部分输出叠加。
图4D是示例性照明系统20c的示意性代表，其包括一组光源组件22c(比如光源组件72、72′、72″)和光学元件系统25c。光源组件组22c也这样构造，使得光源组件布置成基本上彼此共面以简化布线和装配。通过适当构造光学元件系统25c，每一个光源组件的光发射基本上对准照明目标27。在该示意性实施例中，光学元件系统25c包括：第一透镜组24c，包括透镜元94、94′、94″；和第二透镜组26c，包括透镜96、96′、96″。组24c的透镜基本上彼此共面地布置，同时组26c的部分透镜相对于系统光轴倾斜，例如，如图4D中透镜96、96″所示那样，以实现来自不同光源组件的光发射重合在照明目标27上。
进一步参见图4A-图4D，在本发明的部分示意性实施例中，光学元件系统可构造成，将一个或多个光源组件发光表面成像在照明目标27上。如上所述，照明目标27的性质根据具体应用而不同。本领域普通技术人员也很容易理解，这样形成独立定向通道的光源组件以及与光源组件相关联的光学元件的数量和类型，也可以根据应用、所需系统构造和系统尺寸来改变。
本发明的示意性实施例，其中来自一个或多个光源组件的光通过使各自通道瞄准到目标内而聚焦在相同的照明目标上，能够具有更低的成本、能够更有效，并且在部分实施例中能够得到比利用共用聚光器的常规实施例更明亮的输出。不过，利用聚光器的实施例可更具灵活性，因为聚光器可用来调整输出光束的角度、后焦距和放大率。此外，在图4A和图4B所示的示意性实施例中，光源组件不共面，这不利于印刷电路板的安装。另一方面，如果光源组件安装在相同的衬底上，比如相同的印刷电路板，布置在系统周围的相关光学元件会对准或倾斜，与例如其中光源组件指向球体中心并以切向于该球体的方式来安装的系统相比，这会导致亮度降低。
这里所述的各示意性实施例对于具体应用而言尤其有利。例如，当置于光源组件前面的光学元件的凹面“包裹”在光源组件前部从而集聚来自更大角度的光时，可能获得更高的集光效率。正对光源组件的平面也可以起到获得可比的集光效率的作用，但这种光学元件更难以加工成型。与采用共用聚光器的示意性实施例相比，通过增加光源组件的数量，以及通过使用“内对准(aimed-in)”构造，通常也可以稍稍提高照明系统的性能。
本发明的照明系统的另一个示意性实施例如图5所示。这种示意性实施例可用来引导LCD或其他透射型显示器的背光。特别地，图5所示的照明系统30可用于照明LCD 85。照明系统30包括：一组光源组件32，比如可以是LED光源组件的光源组件72、72′、72″；和光学元件系统35。在这种示意性实施例中，应该使用足够数量的光源组件(比如72、72′、72″)来形成覆盖LCD 85表面足够部分的照明亮斑，以获得具有所需大小、亮度和质量的合成图像。在这种示意性实施例中，光学元件系统35包括：第一透镜组34，包括透镜元74、74′、74″；第二透镜组36，包括透镜元76、76′、76″；以及，可任选地包括准直光学器件比如菲涅尔透镜、梯度折射率透镜(gradient index lenses)等等(未示出)。本领域普通技术人员应理解的是，根据具体应用的需要，光学元件系统35可包括其他附加的组成部分。
进一步参见图5，在适当的实施例中，透镜元对，一个来自组34以及一个来自组36，例如，透镜元74和76，可与各光源组件例如72相关联。透镜组34和36可构造成双层密集阵列，类似于图2B所示的阵列，其中构型58的数量和总体结构改变，以适应于光源组件72、72′、72″等的所需数量以及所要照明的表面的形状，比如LCD显示器85的形状，其通常是矩形或方形。透镜组34和36中透镜元的基本形状和各自定位以及光源组件的基本形状和定位，可以基本上与参照图1-图3、图4A-图4D中所示的实施例所述的相同，或可具有其他合适的配置。
光学元件系统35可以这样构造，将组32的一个或多个光源组件发光表面成像到LCD 85的一个或多个像素上，像素比如850、850′、850″，它们在这些示意性实施例中组成照明目标(参见图1，元件17)。在部分示意性实施例中，优选的是，以相邻图像至少一定量重叠的方式，使发光表面成像到LCD 85上，以产生基本上连续的照明亮斑。因此，在这些实施例中，发光表面的图像重叠或至少部分重叠，以组成源自许多发射器的基本上均匀的图案，其中单独元件可以具有不一致的形状。此外，在适于用来引导观看用的背光的示意性实施例中，图像可仅部分地重叠，从而它们正好基本上填满所要照明的区域。这里，不象许多投影应用的情况所需的那样，这些实施例不需要图像的基本重合。可选地，单个发光表面可成像到离散的像素或一定数量的像素上。最后，在照明系统30中，可以在光源组件的亮度、它们的大小以及通道的数量(这里，是指带有相关联的光学器件的独立控制的光源的数量)之间进行折衷。
在图6中示意性地例示本发明照明系统的另一个示意性实施例。这种照明系统40可用在投影系统150中。用来照明投影屏154的照明系统40包括：一组光源组件42，比如光源组件72、72′、72″(如图1-图5所示)；和光学元件系统45。在图6所示的示意性实施例中，光学元件系统45包括：第一透镜组44，具有类似于参照图1-图5所示和所述的透镜元；和第二透镜组46，也具有类似于参照图1-图5所示和所述的透镜元。照明系统40可接着成像装置141(比如LCD透射装置)，并接着有场透镜143(比如菲涅尔透镜)。可使用折叠式反射镜145、149和152来使投影系统150的光路发生折叠，从而提高其紧凑性，折叠式反射镜可以是常用前表面反射镜。投影系统还可包括投影光学器件147，以便把成像装置141形成的图像投射到屏幕154上。
进一步参见图6，一个来自组44一个来自组46的透镜元对，比如图3所示的透镜元74和76，可与各光源组件(例如也示于图3中的光源组件72)相关联。透镜组44和46可构造为双层密集阵列，类似于图2B所示的阵列，其中构型58的数量和总体结构可改变，以使形成在屏幕154上的合成图像具有所需亮度、分辨率及大小。优选地，组44和46的透镜元的基本形状和大小以及组42的光源组件的基本形状和大小，与参照图1-图5所示实施例所描述的基本上相同。图6所示的示意性实施例对于大型LCD面板投影应用尤其有用，因为它们能够减小机壳的尺寸并使用更少的部件。
根据本发明的另一个方面，图7例示具有多种颜色的发光表面的光源组件。例如，在图7中，光源组件172包括三个发光表面194R、194G、194B(分别为红色、绿色和蓝色或其他合适的原色)，彼此相邻地放置。这种发光组件可以是三芯片LED组件，且任一个或多个发光表面都可以是或可包括LED发光表面、荧光层或任何其他发光材料。准直器光学器件174和176可包括与参照图1-图6所示实施例所示和所述的那些类似的透镜元，或任何其他合适的光学元件。优选地，每一个透镜元接收来自所有三个发光表面194R、194G和194B的光。因此，可减少照明系统的成本和尺寸，因为多个光源共用了相同的光学器件。为了达到该效果，发光表面194R、194G和194B通常设置得充分靠近到一起。此外，发光表面应该布置得充分靠近透镜元，以确保集聚足够的光。
光源组件172和准直光学器件174、176这样构造，使得以下述方式实现对发光表面194R、194G和194B的准直，即，使得照明关于特定颜色而“分度”。这可通过下述方式实现，把发光表面194R、194G和194B放置在准直光学器件的聚焦平面附近，使得不同颜色发射器的空间分离转变成具有不同颜色的光束的角度分离。例如，对于图7所示的布置，绿光可以以相对光轴成大约0度的角度从准直光学器件射出，同时红光可以以相对光轴成大约+2度的角度从准直光学器件射出，而蓝光可以以大约-2度的角度出射。
图8示意性地表示本发明照明系统的另一示意性实施例。图8所示的照明系统100包括：一组光源组件112，比如光源组件172、172′和172″，每一个都分别具有多个发光表面194R、194G、194B、194R′、194G′、194B′和194R″、194G″、194B″；和光学元件系统115。在图8所示的示意性实施例中，光学元件系统115包括：第一透镜组114，包括透镜元174、174′、174″；第二透镜组116，包括透镜元176、176′、176″；分色镜120R、120B和120G；以及聚光器118。聚光器118可以是或可包括平凸透镜(优选地具有非球面凸表面)、弯月形透镜或梯度折射率透镜。根据具体应用的需要，在所示元件之外，或者替代所示元件，光学元件系统115可包括其他部件。
在本发明的适当实施例中，包括透镜元174、174′、174″的透镜组114和包括透镜元176、176′、176″的透镜组116可具有与参照发明其他示意性实施例所述的透镜组相似的构型，或者为了适用于特定应用，它们可具有其他合适的构型。例如，一个来自组114一个来自组116的透镜元对可与各光源组件相关联。例如，在图8中，透镜元174和176与光源组件172相关联，透镜元174′和176′与光源组件172″(应为：172′)相关联，透镜元174″和176″与光源组件172″相关联。如结合图7所述的那样，任何或所有发光表面194R、194G、194B、194R′、194G′、194B′和194R″、194G″、194B″可以是红色、绿色和蓝色(RGB)LED组件、荧光层，任何其他发光材料或任何数量或其组合的发光表面。
进一步参见图8，光学元件系统115可构造成将一个或多个光源组件(例如172、172′、172″)发光表面成像到照明目标117上。如参照其他示意性实施例所述的那样，照明目标117的性质可根据具体应用而不同。例如，照明目标117可以是到达光隧道的入口、成像装置、LCD或者LCD的特定色区或像素。如果需要重合的或至少部分重叠的彩色照明亮斑，则可使用分色镜120R、120B和120G来将不同颜色的发光表面的图像合成在照明目标117上。
类似于本文其他示意性实施例所述，一个或多个光源组件172、172′、172″发光表面194R、194G、194B、194R′、194G′、194B′、194R″、194G″、194B″等可具有特定的形状，来提高照明系统100的性能。例如，一个或多个发光表面可成形为基本上匹配于照明目标117的基本形状。特别地，如果目标117是方形的光隧道入口，那么一个或多个光源组件(如172、172′、172″)发光表面也可以基本成形为方形。另一方面，如果目标117是矩形的成像装置或矩形的LCD色区或像素，那么一个或多个光源组件发光表面也可以基本上成形为矩形。本领域普通技术人员很容易理解，发光表面和照明目标的其他形状也包含在本发明的范围内。
本发明照明系统的另一个示意性实施例如图9所示。这种实施例可用于背光LCD或其他透射型显示器。照明系统200包括：一个或多个光源组件，例示为光源组件272和272′，其可以是三芯片LED组件；和光学元件系统，比如一组准直透镜，例示为211和211′，其中各准直透镜与至少一个光源组件相关联。照明系统200可用来照明成像装置185。在这种示意性实施例中，应使用足量的光源组件来覆盖成像装置185表面的充足部分，以获得具有所需大小和质量的合成图像，其中，该成像装置可以是LCD显示器，以及，光源组件例示为272和272′，具有不同颜色发光表面，例示为294R、294G、294B和294′R、294′G、294′B。成像装置可具有色区或像素阵列，例示为像素385R、385G、385B、385′R、385′G、385′B和385″R、385″G、385″B。
包括独立微透镜(比如365、365′、365″)的微透镜阵列165可很接近成像装置185布置，该阵列可用来将一个或多个发光表面比如294R、294G、294B、294′R、294′G、294′B成像到对应的色区或像素上，色区或像素比如385R、385G、385B、385′R、385′G、385′B、385″R、385″G和385″B。微透镜可以是双凸或平凸透镜。在部分示意性实施例中，一个或多个发光表面可以被成像到滤光带上。在这种情况下，每一个独立微透镜将对应于源于不同发射器的不同颜色光束聚焦到成像装置185的不同位置上，例如，聚焦到不同的色区或像素上。特别地，微透镜365″可将对应于源自发光表面294R、294G和294B的红、绿和蓝光的光束聚焦到成像装置185的色区或像素385R″、385G″和385B″(应为：385″R、385″G和385″B)上。此外，如结合其他示意性实施例所述的那样，发光表面的形状可匹配于色区或像素的形状。这样，每一个光源组件可照射包含许多色区或像素的成像装置预定区域，从而基本上照亮了它的有效表面。通过校准所有发光组件和其组成部分多色发射器，达到恰当的输出水平，能够实现均匀性。
进一步参见图9，在部分示意性实施例中，透镜阵列165以及像素或色区(比如385R、385G、385B、385′R、385′G、385′B、385″R、385″G、385″B)具有大约0.2mm的间距。发光表面，比如294B、294G、294R，可以是具有大约0.4mm的中心间隔的发光条，例如LED条。准直透镜，比如211和211′，可以小心地接合在一起以形成均匀的照明光束，从而基本上不间断地照亮成像装置185。可选地，例如，发光表面之间的间隔可以是大约0.65#mm，其中微透镜之间的间距为大约0.3#mm，且成像装置185的色区或像素之间的间距为大约0.1#mm。根据具体应用的需要，可以将准直透镜(比如211、211′)和相关联的光源组件(比如272和272′)密装成六边形或填塞到笛卡儿网格(cartesian grid)中，或设置成其他排列方式。
进一步参见图9，照明系统200产生依据它们的颜色而有角度地分离的光束。结果，红光可以被引导通过成像装置的红色区，类似地，蓝光和绿光可分别被引导通过蓝色区和绿色区。本发明的这种实施例可使用滤光器，也可不使用滤光器，这取决于通道的纯度。纯的通道或者基本上没有串扰的通道，可以通过本发明的部分实施例来获得，因为特定的颜色将被传送到特定的像素，例如，仅红光通过红色区。此外，本发明允许使用光源组件比如LED组件以便实现最佳的照明远场分布。
本发明所提出的方法简化了用于各种特定用途的照明系统设计，并允许光源组件、光学器件以及成像装置的多种不同构造。与常规系统相比，本发明的示意性实施例能够更有效地集聚来自朗伯型发射器(例如LED)的光。这样，可以将更多的光传输至照明目标，得到更佳的整体效率。此外，本发明示意性实施例可具有更好的成像特性。此外，本发明使得可以制造这样的照明系统，其使用更少的部件，紧凑，通用，并且容易制造、成本低。
尽管已经参照具体示意性实施例说明了本发明的照明系统，但本领域普通技术人员可容易地对其作出变更和修改，而不脱离本发明的主旨和范围。例如，用在本发明各种实施例中的光学元件系统的尺寸和结构可以根据具体应用以及照明目标的性质和尺寸来改变。此外，本发明的示意性实施例可包含以下美国申请中所述的光学元件、部件和系统，与本申请一同提交的代理案卷号为59516US002、标题为“Light-Collecting Illumination System”的美国申请，以及代理案卷号为59526US002、标题为“Reshaping Light Source Modules andIllumination System Using the same”的美国申请，在不与本发明内容相矛盾的范围内，其内容以引用方式并入本文。此外，本发明意图将额外的光学元件，如本领域普通技术人员所知，包括到根据本发明构造的照明系统示意性实施例中去。
此外，本领域普通技术人员很容易理解，本发明实施例可以与各种光源一起使用，包括白色LED，彩色LED(例如，红色，蓝色，绿色或其它颜色)以及多芯片LED组件(例如，RGB LED组件)。RGB LED通常能够获得最佳的彩色性能，但白色LED对于许多应用而言也是可接受的。

Claims (33)

1.一种照明系统，包括：
多个光源组件，各光源组件包括发光表面；
照明目标；以及
布置在所述多个光源组件与所述照明目标之间的光学元件系统；
其中所述光学元件系统将所述光源组件的发光表面成像到所述照明目标上，形成多个所述发光表面的图像。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述发光表面的图像基本上重合，以形成照明亮斑，所述照明亮斑基本上填满所述照明目标。
3.根据权利要求2所述的照明系统，其中所述照明亮斑过充满所述照明目标。
4.根据权利要求2所述的照明系统，其中至少一个所述发光表面的形状基本上匹配于所述照明目标的形状。
5.根据权利要求4所述的照明系统，其中所述照明目标的形状是大致方形。
6.根据权利要求5所述的照明系统，其中所述照明目标是光隧道的入口。
7.根据权利要求4所述的照明系统，其中所述照明目标的形状是大致矩形。
8.根据权利要求7所述的照明系统，其中所述照明目标是成像装置。
9.根据权利要求2所述的照明系统，其中至少一个所述发光表面的形状是大致方形，所述照明目标的形状是大致矩形，以及，所述光学元件系统这样构成，使得所述照明亮斑的形状基本上匹配于所述照明目标的形状。
10.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述多个光源组件以阵列形式布置在非径向对称孔中。
11.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述发光表面图像紧密充填，从而形成照明亮斑，所述照明亮斑基本上填满所述照明目标。
12.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述发光表面图像重叠，从而形成照明亮斑，所述照明亮斑基本上填满所述照明目标。
13.根据权利要求12所述的照明系统，其中所述照明目标是包括多个像素的LCD。
14.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述光源组件和所述光学元件系统构造成，以形成基本上对准到所述照明目标内的多个通道。
15.根据权利要求14所述的照明系统，其中所述光源组件沿着球面切向地布置。
16.根据权利要求14所述的照明系统，其中所述光源组件基本上彼此共面地布置，以及，所述光学元件系统包括用于使来自各光源组件的至少部分光基本上对准所述照明目标的装置。
17.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述光学元件系统包括与各光源组件相关联的弯月形透镜对，各对弯月形透镜这样构成，使得第一弯月形透镜具有凸侧和凹侧，以及，第二弯月形透镜具有凸侧和凹侧，并且布置成所述第二弯月形透镜的凹侧与第一弯月形透镜的凸侧相邻，而第一弯月形透镜的凹侧正对相关联光源组件的发光表面。
18.根据权利要求1所述的照明系统，其中光学元件系统包括多对弯月形透镜，各对弯月形透镜与相应的光源组件相关联，并这样构成，使得第一弯月形透镜具有凸侧和凹侧，以及，第二弯月形透镜具有凸侧和凹侧，并且布置成第二弯月形透镜的凹侧与第一弯月形透镜的凸侧相邻，而第一弯月形透镜的凹侧正对相关联光源组件的发光表面，以及，光学元件系统还包括设置在所述多对弯月形透镜与所述照明目标之间的聚光器。
19.一种照明系统，包括；
多个光源组件，各光源组件包括多个不同颜色并彼此邻接布置的发光表面；
照明目标；以及
置于所述多个光源组件与所述照明目标之间的光学元件系统；
其中所述光学元件系统将所述多个发光表面成像在所述照明目标上。
20.根据权利要求19所述的照明系统，其中各光源组件包括第一颜色的第一发光表面，第二颜色的第二发光表面和第三颜色的第三发光表面。
21.根据权利要求20所述的照明系统，其中所述发光表面的图像基本上重合，以形成照明亮斑，所述照明亮斑基本上填满所述照明目标。
22.根据权利要求21所述的照明系统，其中所述照明亮斑过充满所述照明目标。
23.根据权利要求20所述的照明系统，其中所述光学元件系统包括分色镜。
24.根据权利要求20所述的照明系统，其中所述照明目标包括第一色区、第二色区和第三色区，并且所述光学元件系统将所述第一发光表面成像到所述第一色区，将所述第二发光表面成像到所述第二色区，并将所述第三发光表面成像到所述第三色区。
25.根据权利要求24所述的照明系统，其中所述光学元件系统包括布置在所述多个光源组件与所述照明目标之间的微透镜阵列。
26.根据权利要求20所述的照明系统，其中所述第一颜色、第二颜色和第三颜色是原色。
27.根据权利要求19所述的照明系统，其中所述光学元件系统包括与各光源组件相关联的弯月形透镜对，各弯月形透镜对这样构成，使得第一弯月形透镜具有凸侧和凹侧，以及，第二弯月形透镜具有凸侧和凹侧，并且布置成第二弯月形透镜的凹侧与第一弯月形透镜的凸侧相邻，而第一弯月形透镜的凹侧正对所述相关联光源组件的所述发光表面。
28.根据权利要求19所述的照明系统，其中所述光学元件系统包括多对弯月形透镜，各对弯月形透镜与相应的光源组件相关联，并这样构成，使得第一弯月形透镜具有凸侧和凹侧，以及，第二弯月形透镜具有凸侧和凹侧，并且布置成第二弯月形透镜的凹侧与第一弯月形透镜的凸侧相邻，而第一弯月形透镜的凹侧正对所述相关联光源组件的所述发光表面，以及其中，所述光学元件系统还包括布置在所述多对弯月形透镜与所述照明目标之间的聚光器。
29.一种照明系统，包括：
以阵列形式设置在非径向对称孔内的多个光源组件；
照明目标；以及
置于所述多个光源组件与所述照明目标之间的光学元件系统。
30.根据权利要求29所述的照明系统，其中所述照明目标是具有多个可关于枢轴线旋转的反射镜的成像装置，以及其中，非径向对称孔具有长尺寸和短尺寸，并这样定向，使得长尺寸与所述成像装置的所述反射镜的枢轴线对准。
31.一种照明系统，包括：
多个光源组件，各光源组件包括发光表面；
照明目标；以及
布置在所述多个光源组件与所述照明目标之间的光学元件系统；
其中所述光源组件和所述光学元件系统构造成，以形成多个基本上对准到照明目标内的通道。
32.根据权利要求31所述的照明系统，其中所述光源组件沿着球面切向地布置。
33.根据权利要求31所述的照明系统，其中所述光源组件基本上彼此共面地布置，以及，所述光学元件系统包括用于使来自各光源组件的至少部分光基本上对准所述照明目标的装置。
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