TW200933070A - Illumination device for pixelated illumination - Google Patents

Description

200933070 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於一目標區域的像素化照明之照明 裝置。 【先前技術】 當提及在照明系統中利用LED時，發光二極體（led)之 增加的流明輸出已經導致更好的可能性。尤其係用於產生 具有多種顏色及光強度之樣式的系統在諸如舞臺與攝影棚 ® 照明，及針對使用者的動態照明系統之運用中非常吸引 人。 在市場上已經有很多照明系統使用led。然而，提供一 高程度的像素化通常需要大量的LED。因此，當前照明系 統和高成本相關，因此主要係為專業市場設計。因此，就 需要在一目標區域有一種像素化照明之改進成本效益的照 明裝置。 【發明内容】 鑒於先前技術之上述與其他缺點，本發明的一個概略目 標係提供一種像素化照明之照明裝置，其雖然具有有限數 量的LED，仍可提供經投影影像之一高程度的像素化、一 更有效的照明’及減少的成本。 根據本發明的一個態樣’提供在一目標區域的一種像素 化照明之照明裝置’其包括：一發光裝置陣列；投影光學 器件，其配置在該發光裝置陣列與該目標區域之間；一反 射結構，其具有面向該發光裝置陣列的一第一開口及面向 133224.doc 200933070 該投影光學器件的一第二開口’及一反射表面，其連接該 第一開口及該第二開口，該表面圍封並面向該投影光學器 件之一光軸，其中該投影光學器件經調適以將該發光裝置 陣列及其藉由該反射結構產生的一虛擬延伸成像在該目標 區域上，從而產生一延伸的像素化的照明樣式。 ' 藉由利用一反射結構產生該發光裝置陣列的一虛擬延 - 伸，可在照明樣式中實現一高程度的像素化，同時可使所 需的發光裝置數量減少到最少。這會減少與照明裝置相關 ® 的成本。該反射結構亦將改善整個系統的效率，因為通常 不可由投影光學器件捕獲之光，將由該反射結構改變方 向，使它穿過該投影光學器件❶因此，此光沒有失去並可 以更大的角產生影像。 美國專利第7,077,525號揭示一 LED陣列、一光導管及照 明一表面之一影像透鏡。該影像透鏡在此處被配置成成像 *亥光導管輸出面。藉由此配置實現的該照明將由於在該光 〇 導管裏混合或者均化將在亮度上為均勻。因此，在美國專 利第7,077,525號與本發明配置之間有一個根本性的不同。 本發明成像該發光裝置陣列，而不係該光導管的出口窗。 目此，通過根據本發明的一個配置，可實現一像素化照明 樣式而不係均勻照明。 /本發明係基於此理解，即藉由在該發光裝置陣列與該投 影光學器件之間配置一反射結構，可實現該發光裝置陣列 、.虛擬延伸。藉由配置投影光學器件以成像該發光裝置 陣列及其虛擬延伸，一像素化照明樣式主要藉由該投影光 133224.doc 200933070 學器件之場限制可被產生。投影光學器件的場在此處指相 關於光軸可藉由投影光學器件被正確成像的橫向位置。因 此，發光裝置的數量可被減少到一最佳數量以具有足夠的 可定址像素的一水平。 第-開口可被置於與一平面相鄰的地方，發光裝置的該 等陣列被配置在該平面。這使得一常規的照明樣式被產 生，否則-、縫隙可能出現在相應於該#光裝置陣列的部分

與相應於其虛擬延伸的部分之間之所得明樣式中。相同的 目的可藉由配置該第一開口稍微低於發光裝置的陣列實 現。 該第一開口可被配置在發光裝置陣列的周圍。 該第一開口的一截面可具有一實質上相應於發光裝置陣 列的形狀。這造成一常規像素在該所得像素化照明樣式 中。 該第一開口的一截面可具有一實質上相應於投影光學器 件的形狀以改善效率。 該第一開口的一截面具有一形狀，該形狀係選自由三角 形、矩形、五角形、六角形、圓形及八角形組成的群組。 因此，可以實現投影光學器件的一良好的近似值，而該反 射結構在實務上係可以製造的，因此可實現良好的效能及 成本效率。 該反射結構的一截面具有整個該反射結構之該延伸的實 質上相應於該第一開口的該截面的該形狀的一形狀。這防 止相應於發光裝置陣列之虛擬延伸的影像部分的畸變。雖 133224.doc 200933070 然整個該反射結構的長度的截面的形狀係一致的，但截面 的大小可變化。 在該等發光裝置被配置的一平面所測量的介於該發光裝 置陣列與該反射結構之間的—距離該距離可相應於包括在 該發光裝置陣列的該等發光裝置之間的間隔的一半。這可 產生一常規的像素化照明樣式。 在該發光裝置陣列與該投影光學器件之間的一距離V， 及在該投影光學器，與該目標區域之間的一距離1?，兩者 之間的一關係可以被表達為： 116 + I | V II II / 其中f係該投影光學器件的焦距。以此方式正確的焦距可 被調整以實現一鮮明的像素化照明樣式。然而，由於有時 候可能想產生模糊的照明樣式以形成一平順影像，有可能 例如藉由在該發光裝置陣列與投影光學器件之間具有一相 對長或短的距離V以背離此等關係。 根據一個實施例，在該光轴之該方向的該反射結構的一 延伸係使得該第二開口的一外圍與從該投影光學器件的該 周邊繪製通過該光軸到一區域的周邊之一直的虛構線相 切’該區域係在發光裝置之該等陣列被配置的該平面中， 其相應於可藉由該投影光學器件被捕獲的該區域。這使發 光裝置陣列的虛擬延伸達到最大化，而避免相應於發光裝 置陣列的像素化照明樣式的部分亦即該像素化照明樣式的 中央區域之過度變暗。 133224.doc -9- 200933070 該反射表i可與該光轴平行《藉由配置反射表面與光軸 平行’發光裝置陣列的虛擬延伸可相應於一無限陣列的發 光裝置。這也防止該所得像素化照明樣式的一擠壓。 根據一個實施例’第一開口的一截面比第二開口的一截 面要小。此一錐形的反射結構可能係有利的，因為發光裝 置陣列的虛擬延伸被"擠壓"使得較小的投影光學器件可被 • 使用。使用具有大量發光裝置的一習知的照明裝置以實現 相同像素化比使用相同透鏡參數的效率要低。為了 一習知 ® 的照明裝置獲得與藉由利用發光裝置陣列的一虛擬延伸所 實現的相同的效率及像素化，該投影光學器件在大小上必 須更大。因此’藉由利用發光裝置陣列的一虛擬延伸，同 樣可避免為實現一足夠的效率而對龐大的光學器件的需 要’因具有一高程度像素化的照明樣式可使之有一緊湊設 計。此處的效率係指產生的流明與目標區域流明之間的比 率。 Q 連接該第一開口與該第二開口的該反射表面可使得對於 在該第一開口的一周邊上的任何一點，可以沿著該表面到 該第二開口的一周邊上的一點繪製一條直的虛擬直線。 該反射表面可藉由被並排配置的至少三個實質上平坦的 • 壁被形成。在一個簡單的實例中，每個壁實質上可係矩 形。 該投影光學器件可能係一投影透鏡。 該發光裝置陣列包括至少一第一顏色的一第一發光二極 體（R)及至少一第二顏色的一第二發光二極體（G)，其中該 133224.doc -10- 200933070 第一顏色及該第二顏色彼此不同。藉由利用不同顏色的發 光裝置，多個顏色及光強度的樣式可被產生。 一光塑形擴散器可被配置在該發光裝置陣列與該投影光 學器件之間，較佳為在離投影光學器件為透鏡之焦距的1/2 之一距離處，以產生該等發光裝置之模糊的影像。因此， 在該等發光裝置之間可實現不具有可見轉變的一平順樣 式。若沒有一個擴散器，個別的發光裝置可能係可見的， 因為該等發光裝置有一實體的大小且在發光裝置陣列中不 可被放置為沒有間隔的相互相鄰。另外，發光區域通常不 延伸貫穿發光裝置的整個區域。 其他目的、特徵及優勢將在以下詳細揭示、所附附屬請 求項及圖式中出現。 【實施方式】 以上及本發明額外目的、特徵及優勢將通過參考所附的 圖式之以下本發明之較佳實施例之闞釋性及非限制性的詳 ❹ 細描述而更易理解，其中相同的參考數字將被用於相似的 元件。 本發明之一較佳實施例將參考圖丨到5被詳細描述。 圖1闡釋一照明裝置1，其被配置成在一諸如一螢幕3之 - 目標區域3上產生一像素化照明樣式2。該照明裝置1與一 使用者介面8相連接，使一使用者可控制該照明。 如在圖2中所描述的，該照明裝置1包括一發光裝置陣列 4、投影光學H件5(諸如—透鏡）及_反射結構6，該反射結 構6被配置在該發光裝置陣列4與投影光學器件5之間。發 133224.doc -11 - 200933070 光裝置陣列4(在下文稱為咖陣列）可包括各種顏色（諸如 紅（R)、綠（G)及藍（B))的個別發光二極體41(LED)。或者其 可以包括在-封裝内具有不同顏色的LED模組。該等led 41連同相關聯的驅動電子器件一起被配置在一印刷電路板 (PCB)i。此處該等LED 41均勻地分佈在LED陣列4之區域 上，從而形成一正方形矩陣。所使用之LED數量可改變。 ' 具有8X8 RGB封裝陣列的一照明裝置已經過測試而具有良 好解析度的圖像之一所得圖像。對於消費者應用，一較小 的LED陣列可能已足夠，例如一 5χ5 RGB封裝陣列。在替 代實施例中，該LED陣列4可有更類似投影光學器件之形 狀之一形狀以進一步改善效率。例如，使用六角形的LED 陣列4以更接近一圓形透鏡。 該LED陣列4可被連接到一中央處理器（cpu)，其可通過 一電子控制系統個別地定址及驅動不同的Led 41。該CPU 通常裝備有一用於儲存預定義影像序列及/或使用者產生 Q 之影像序列的記憶體’該CPU被連接到該使用者介面8， 從而使使用者能夠控制該像素化照明。 正如在圖3所描述的’在此處，該反射結構6(也稱為鏡 面結構6)包括四個實質上平坦的鏡面壁61至64。因為該等 " 鏡面壁61至64被配置成相鄰的，而形成一管，其具有一正 方形的截面，而且一第一開口 9面向LED陣列4及一第二開 口 10面向透鏡5。該鏡面結構6被配置在LED陣列4周圍， 鏡面結構6之反射表面圍封透鏡5之一光轴11。該第一開口 9較佳為被配置在平面上或LED陣列4之平面的稍下方。該 133224.doc 200933070 LED陣列4常質上填滿鏡面結構6之第一開口 9，且在陣 列4被配置的平面中測量的介於LED陣列4(亦即配置在鏡面 旁邊的LED 41)與鏡面61至64之間的距離相應於LED陣列4 之LED 41之間的間隔的一半。為對稱目的，一矩形陣 列4較佳為被一矩形或六角形鏡面結構6鏡射。該六角形鏡 面結構可能有利於一圓形透鏡，因為它更類似透鏡的形 • 狀。 現在將參考圖3、4及5來詳細描述該鏡面結構的效果。 當自LED陣列4發射光時，一些光將藉由鏡面結構6被反 射，導致LED陣列的一虛擬延伸7。該LED陣列4與其虛擬 延伸7藉由透鏡5被成像，從而在螢幕3上獲得一延伸的照 明樣式2。此處該影像24的中央部分相應於該lED陣列4， 而周圍區域27相應於該LED陣列的虛擬延伸7。 如在圖4中闡釋的，具有鏡面61至64被配置成與光轴11 平行的一非錐形鏡面結構6將給予一光學上無限大的lEd 〇 陣列之效果。因此，所得延伸的照明樣式2主要係受限於 投影透鏡之場。此外，該虛擬延伸7在與LED陣列4相同的 平面内，且因此可產生一常規樣式。 s亥鏡面結構3之高度（亦即其在光軸I!方向之延伸）可能改 變，且通常取決於諸如透鏡的直徑、焦距及透鏡的場之因 素。然而，圖4闡釋決定一非錐形鏡面結構之高度的一良 好經驗法則。此處該鏡面結構6係正好夠高使得在發光裝 置陣列的虛擬延伸7中的始於透鏡之有用場的邊緣的一光 線碰撞透鏡5之孔徑而被適當成像。在此處，透鏡的場指 133224.doc 13 200933070 關於將藉由透鏡5被正確成像的光轴u的橫向位置。 換言之’從在LED陣列4被配置的平面内的透鏡之場的 周邊上的一點A緣製通過投影系統之光轴到投影光學器件 之周邊上的一點B的一筆直虛構線13將相切於鏡面結構6之 第二開口 9。 若鏡面結構6將比圖4中的更高，虛擬延伸7之大小仍會 • 保持相同。此外’來自虛擬延伸7之照明會變得更強烈’ ❹ 而來自LED陣列4之照明會變弱，亦即影像之中央部分會 變暗。另一方面，若鏡面結構6較低，則此會導致LED陣 列之一較小的虛擬延伸7。 圖5闡釋對於一錐形鏡面結構的一相應情況。該鏡面結 構6係正好如此咼使得在發光裝置陣列的虛擬延伸7中的始 於透鏡之有用場的邊緣的一光線碰撞透鏡5之孔徑且被適 當成像。 如圖5所闡釋，對於具有第一開口 9比第二開口〗〇小的一 〇 錐形鏡面結構6，該虛擬延伸7不再係在相同於LED陣列的 平面中，因為鏡面6不再垂直於LED陣列4被配置的平面。 此可被理解為鏡面結構6與LED陣列4被配置的平面之間的 角β總係相同於鏡面結構6與虛擬延伸7之間的角α。因此， 發光裝置陣列的虛擬延伸7被"擠壓"，允許使用較小的投 影光學器件5。 參考圖2，被配置在LED陣列4與螢幕2之間的透鏡5在此 處係一單一投影透鏡^為了提供一鮮明的照明樣式，在 LED陣列4與透鏡5之間的一合適距離v可得自： 133224.doc •14· 200933070 —=—I— f V b 其中f係投影光學器件之焦距而b係透鏡5與螢幕3之間的距 離。LED陣列4與透鏡5之間的距離v可稍微變化以調整焦 點。距離v同樣可有意地變短或變長以產生一模糊影像。 再者’一光塑形擴散器12，例如商業上可從p〇c公司麟 得，可被配置在LED陣列4與透鏡5之間的某個地方以產生 . 一平順的LED之投影。光塑形擴散器12與透鏡5之間的距 ❹ 離大約係透鏡5之焦距的!4。該擴散器12產生一平順的led 陣列41之投影以避免個別的LED 41可見。為了允許在像素 化照明樣式中個別的LED 41為可見，該擴散器可被移除。 根據一投影系統之一實施例，包括一個或者多個照明裝 置1 ’ 一使用者可通過使用者介面8控制照明樣式2。使用 者輸入被儲存在CPU之記憶體上。在照明期間，cpu基於 被儲存到該記憶體的預定的及/或使用者產生的影像序 列’通過電子控制系統個別地定址及驅動單獨的發光裝置 〇 41。當光由LED陣列4發射時，一些光將藉由反射結構6被 反射，產生發光裝置陣列4的一虛擬延伸7。該發光裝置陣 列4及其虛擬延伸7藉由透鏡5被成像，從而在螢幕3上產生 一延伸的像素化照明樣式2。 本發明主要地已經在上面參考一些實施例被詳細描述。 然而，正如一熟習此項技術者容易暸解的，除上面揭示的 實施例之外的實施例在本發明範圍之内也同樣可能，正如 藉由附加專利請求項所界定的。 133224.doc •15- 200933070 例如，反射結構6之截面可隨著它的縱向延伸改變。此 外’鏡面壁之側邊可係平坦的或者彎的以在投影表面產生 各種各樣的樣式。 【圖式簡單說明】 圖1係根據本發明之一投影系統之一示意圖。 圖2係包括在一照明裝置中的組件的一配置的一截面 " 圖0 圖3係一發光裝置陣列、一反射結構及投影光學器件之 一配置之一示意圖。 圖4闡釋用於選擇一非錐形反射結構之一合適高度的一 經驗法則。 圖5闡釋用於選擇一錐形反射結構的一合適高度的一經 驗法則。 【主要元件符號說明】 1 照明裝置 2 像素化照明樣式 3 目標區域 4 陣列 5 投影光學器件 6 反射結構 7 虛擬延伸 8 使用者介面 9 第一開口 10 第二開口 133224.doc -16- 光軸 擴散器 虛線 影像 周圍區域

LED 鏡面 鏡面 鏡面 鏡面 距離 距離 -17-

Claims (1)

1. 200933070 十、申請專利範圍： 1. 一種用於一目標區域（3)的像素化照明之照明裝置（1)， 其包括： -一發光裝置陣列（4); -投影光學器件（5)，其配置在該發光裝置陣列（4)與該目 標區域（3)之間； -一反射結構（6)，其具有面向該發光裝置陣列的—第 一開口（9)及面向該投影光學器件（5)的一第二開口（1〇)， 及一反射表面，其連接該第一開口及該第二開口，該表 面圍封並面向該投影光學器件（5)之一光轴（11) 其特徵為： 該投影光學器件（5)經調適以將該發光裝置陣列（4)及其 藉由該反射結構（6)產生的一虛擬延伸（7)成像在該目標 區域（3)上’從而產生一延伸的像素化的照明樣式（2)。 2. 根據請求項i之照明裝置，其中該第一開口（9)被定位為 鄰近一平面，該發光裝置陣列（4)被配置在該平面中。 3. 根據請求項1或2之照明裝置，其中該第一開口（9)被配置 在該發光裝置陣列（4)的周圍。 4. 根據請求項1或2之照明裝置，其中該第一開口（9)的一戴 面具有一實質上相應於該發光裝置陣列（4)的形狀之形 狀0 5. 根據請求項丨或2之照明裝置，其中該第一開口（9)的一截 面具有一實質上相應於該投影光學器件（5)的形狀之 狀。 133224.doc 200933070 6·根據請求項1或2之照明裝置，其中該第一開口（9)的一截 面具有一形狀，該形狀係選自由三角形、矩形、五角 形、六角形、圓形及八角形組成的群組。 7.根據請求項1或2之照明裝置，其中該反射結構（6)的一截 面具有貫穿該反射結構之該延伸的一形狀，其實質上相 應於該第—開口（9)的該載面的該形狀。 8·根據請求項之照明裝置，其中在該等發光裝置被配 置的一平面中測量的介於該發光裝置陣列（4)與該反射結 構（6)之間的一距離相應於包括在該發光裝置陣列（4)的 該等發光裝置（41)之間的間隔的一半。 9.根據請求項丨或2之照明裝置，其中介於該發光裝置陣列 (4)與該投影光學器件之間的一距離v及介於該投影光 學器件（5)與該目標區域（3)之間的一距離b兩者之間的一 關係可以被表達為： 1 1 1 ——~ __ f V b 其中f係該投影光學器件（5)的焦距。 10·根據請求項1或2之照明裝置’其中在該光轴（11)之方向 的該反射結構（6)的一延伸使該第二開口（丨0)的一外圍相 切於從該投影光學器件（5)的周邊繪製通過該光轴（1丨）到 一區域的周邊的一筆直虛構線，該區域在該發光裝置陣 列（4)被配置的該平面中，其相應於可藉由該投影光學器 件（5)被捕獲的該區域。 11.根據請求項1或2之照明裝置，其中該第一開口（9)的一截 133224.doc 200933070 面比該第二開口（10)的一截面小。 12. 根據請求項【或2之照明裝置，其中連接該第一開口與該 第一開口的該反射表面使得對於在該第一開口的一周邊 上的任何一點，可以沿著該表面到該第二開口的一周邊 上的一點繪製一筆直虛構線。 13. 根據請求項…之照明裝置，其中該反射表面藉由被並 排配置的實質上平坦、實質上矩形之至少三個壁所形 成。 ❹14.根據請求項1或2之照明裝置，其中該投影光學器件⑺係 一投影透鏡。 15.根據請求項1或2之照明裝置，其中該發光裝置陣列(4)包 括具有一第一顏色的至少一第一發光二極體（R)及具有一 第一顏色的至少一第二發光二極體⑼，其中該第一顏色 及該第二顏色彼此不同。 16•根據請求項_之照明裝置，其中—光塑形擴散器⑽ ❹ 被配置在該發光裝置陣列⑷與該投影光學器件（5)之 17. 其包括一根據請求項 ，該使用者介面讓一 一種投影系統， 及一使用者介面 素化的照明樣式 1或2之照明裝置， 使用者可控制該像 133224.doc