CN1736111B

CN1736111B - 投影***用的照明装置

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Publication number: CN1736111B
Application number: CN2003801082579A
Authority: CN
Inventors: J·M·泰基度; F·露德利
Original assignee: Sony International Europe GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: US8351122B2; US20060044523A1; CN1736111A; US7929214B2; DE60337026D1; WO2004043076A2; EP1561349A2; AU2003288007A1; KR20060023946A; EP1561349B1; AU2003288007A8; JP2006505830A; WO2004043076A3; US20110075107A1

Abstract

提出一种投影***用的照明装置(1)，包括光源装置(10)和光收集、积分和重定向装置(20)。光源装置(10)包括至少一个光积分装置(50)，设计来直接接收和积分至少一个固态光源装置(30)中至少相应一个产生和发射的初级照明光(L1)的至少一部分。

Description

投影***用的照明装置

技术领域

本发明涉及照明装置，具体地说，涉及投影***等用的照明装置，更具体地说，涉及投影***用的采用固态光源的照明装置。

背景技术

近来，在许多电子装置的显示装置中，需要向用户或听众显示信息。因为各种各样的不同电子设备都具有这样的显示装置，所以需要研究开发只在有限空间和/或有限电耗情况下使用的显示装置。因此，产生了发光二极管(LED)阵列的想法，但同时人们认识到，已知的和先有技术的发光二极管只具有非常有限的光输出能力。

结果，近年来，人们作出了巨大的努力来提供允许对一个表面进行均匀照明的非常紧凑的照明装置(例如，μ-显示器)。

现将参照图21详细解释这样的照明装置的一个示例。照明装置

1′包括多色光源阵列2′、角锥形光管3′、以及要进行照明的目标面4′。光源阵列2′包括第一至第五光源2′₁至2′₅，它们最好可以分别发出不同颜色的光。光管3′起以下作用：对多色光源阵列2′发出的光进行收集和准直，并使目标面4′照明均匀化。于是，可以达到对目标面4′的多色、均匀和准直的照明。

角锥形光管3′的优点是，所述光源阵列2′的总发光表面的尺寸(由参数S1指示，所述表面的面积)足以照明相对较大的目标表面4′(该尺寸由参数S2指示，所述表面4′的面积)。然而，有个问题，光管3′输入面5′的尺寸限制了S1，并因此限制了光源2′₁至2′₅的最大数目。结果，光源阵列2′的亮度和由此照明目标面4的光的亮度有限。

发明内容

本发明的目标是提供一种照明装置，具体地说，是投影***用的照明装置，它能够只使用光输出能力低的和/或同时使初级照明光能够容易和可靠地从固态光源装置传输到投影光学元件。

按照本发明的第一方面，提供了一种照明装置，具体地说投影***等用的照明装置包括：光源装置(10)，生成和发射初级照明光(L1)；光收集、积分和重定向装置(20)，从所述光源装置(10)接收至少一部分上述初级照明光(L1)并重定向所述收到的初级照明光(L1)，以便获得重定向的初级照明光(RL1)，并输出所述重定向后的初级照明光(RL1)或由此产生的次级照明光(L2)；其中光源装置(10)至少包括至少一个固态光源装置(30)，其中所述光收集、积分和重定向装置(20)包括一个光阀装置(40)，其接收所述重定向后的初级照明光(RL1)并以可控方式输出所述次级照明光(L2)，其中所述光收集、积分和重定向装置(20)包括至少一个光积分装置(50)，以直接接收和积分由至少相关的所述至少一个光源装置(30)产生发射的所述初级照明光(L1)的至少一部分，并输出所述重定向后的初级照明光(RL1)或由此产生的光，其中所述光积分装置(50)和所述至少一个相关的固态光源装置(30)设置得在它们之间具有间隙结构(G)，具体为具有空气隙(G)或真空间隙(G)，其间隙宽度与光积分装置(50)或光源装置(30)相比较小。

按照本发明的第二方面，提供了一种照明装置，该照明装置(40′，60′，100′)包括：至少两个光源(41′-43′，61′-63′)，分别用以生成第一光束；光混合装置(44′，64′，65′)，用以输入所述第一光束并将它们结合为单一的第二光束；和角锥形光管(47′，66′)，它输入所述第二光束并输出第三光束。

按照本发明的第三方面，提供了一种照明装置，该照明装置(80′)包括：至少两个光源(81′-83′)，分别用以生成第一光束；光混合装置(84′)，用以输入所述第一光束并将其结合为单一的输出光束；其中在每一个光源(81′-83′)和光混合装置(84)之间设有一个角锥形光管(85′-87′)。

按照本发明的第四方面，提供了一种照明装置，特别是投影***等用的照明装置包括：光源装置(10)，生成和发射初级照明光(L1)；光收集、积分和重定向装置(20)，从所述光源装置(10)接收至少部分所述初级照明光(L1)并重定向所接收的初级照明光(L1)，以便获得重定向的初级照明光(RL1)并输出所述重定向的初级照明光(RL1)或由此产生的次级照明光(L2)，其中所述光收集、积分和重定向装置(20)包括至少一个光积分装置(50)，以直接接收和积分由至少部分所述光源装置(10)产生发射的所述初级照明光(L1)的至少一部分，并输出所述重定向后的初级照明光(RL1)或由此产生的光，其中设置光连接和/或引导改善装置(50A)，以改善所述初级照明光(L1)从所述光混合装置(44′，64′，65′)到光收集、积分和重定向装置(20)和/或在其内，具体为到所述光积分装置(50)和/或在其内的连接和/或引导，其中所述光积分装置(50)和所述至少一个相关的固态光源装置(30)设置得在它们之间具有间隙结构(G)，具体为具有空气隙(G)或真空间隙(G)，其间隙宽度与光积分装置(50)或光源装置(30)相比较小。

·下面将描述本发明的目标的第一解决方案：

按照本发明目标的第一解决方案的照明装置是针对投影***等设计的，并包括光源装置和光收集、积分和重定向装置。该光源装置是为产生和发出初级照明光而设计的。该光收集、积分和重定向装置是为直接接收所述光源装置发出的初级照明光的至少一部分而设计的。光收集、积分和重定向装置还为对所述接收的初级照明光进行重定向，以便获得定向的初级照明光而设计的。另外，所述光收集、积分和重定向装置设计来输出所述重定向后的初级照明光或由此产生次级照明光。按照本发明，所述光源装置是，或者至少包括至少一个固态光源装置。所述光收集、积分和重定向装置包括至少一个光阀装置，后者设计来接收所述重定向初级照明光，并以可控的方式输出所述次级照明光。另外，所述光收集、积分和重定向装置包括至少一个光积分装置，后者设计来直接接收和积分由至少一个固态光源装置中的至少一个相关的产生和发射的所述初级照明光的至少一部分，并输出所述重定向初级照明光或由此产生的光。

因此，本发明的基本想法是，使用至少一个固态光源装置作为所述光源装置。本发明的另一个基本想法是，使至少一个光积分装置设计来直接接收和积分所述初级照明光的至少一部分。

所述固态光源装置有几种实现的可能性。其一，最好让该固态光源装置包括单个或多个固态光源。

若涉及多个固态光源，则所述多个可以是由一个固态光源阵列构成，或者包括一个固态光源阵列。

涉及不同类型的固态光源特别有利，特别是若其中的每一个都设计来产生和发射独特光谱范围或颜色的辐射或光。在这种情况下，它们可以具体地组成不同的组，然后其中每个特定的组可以产生给定光谱范围或颜色的辐射或光。

按照本发明的照明装置的另一个有利的实施例，每一个所述固态光源都是单一的发光二极管(LED)或多个发光二极管。还可以采用边沿发光二极管(EELED)或多个这种发光二极管。

作为另一方案，或者另外，每一个固态光源都是单个的垂直空穴表面发射激光器件(VCSEL)和/或激光二极管(LD)或多个垂直空穴表面发射激光器件(VCSEL)和/或激光二极管(LD)。

作为另一方案，或者另外，每一个固态光源都是单个谐振空穴发光二极管(RCLED)或多个谐振空穴发光二极管。

为能使该固态光源产生和发射的大部分初级照明光都可以使用，并光连接到投影光学装置，避免初级照明光从它产生的地方未被收集就逸出，还建议所述光积分装置和至少一个相关的固态光源在空间上放置得彼此非常接近。

特别是建议所述光积分装置和所述至少一个相关的固态光源放置得彼此直接机械接触。

反之，若按照另一个优选的实施例，所述光积分装置和所述至少一个相关的固态光源设计得在它们之间具有间隙结构，具体为空气隙、真空隙，其间隙宽度小，特别是与光积分装置和/或所述至少一个相关的固态光源装置的截面积相比，则可以提高该光积分装置的收集特性。

按照这种措施和按照TIR或内部全反射条件，若不存在空气隙，则所述光积分装置甚至可以收集和积分更多由所述固态光源装置产生和发射的光。

为了进一步增大从相关的固态光源装置向相关的光积分装置的光发射率，建议按照本发明的另一个优选的实施例，所述光积分装置具有光入射孔，所述固态光源装置具有光发射孔，而就其直径或截面积而言，所述光发射孔小于或等于所述光入射孔。按照这种特定的措施，就相关固态光源装置产生和发射的初级照明光而言，该光积分装置光入射孔的截面或面积获得最佳照明。

构建所述光积分装置有不同的可能性。首先，所述光积分装置可以是光管、积分棒等。

所述光积分装置可以是固体棒，特别是用塑料、玻璃或其他光学透明的材料制成。

或者，所述光积分装置可以构建为空心管装置或具有反射或镜反射内壁或侧面的管形元件。

按照上述措施，所述光积分装置对所接收的初级照明光，起光引导的作用。

所述光积分装置最好是正方形、矩形、六角形或特别是等边三角形截面，以便获得均匀的分布。若有不均匀性限制，则椭圆形或圆形截面也可以。

另外，或作为另一方案，所述光积分装置可以构建为光混合装置，特别是作为分束装置、彩色立方体装置等。

在这种情况下，所述光积分装置可以具有多个光入射孔和至少一个光输出孔。

按照该措施，可以使用所述光积分装置作为不同的和单独的固态光源装置初级照明光的输入级，其中初级照明光进入光入射孔，而混合光在所述光积分装置内混合之后离开光积分装置，并从所述光输出孔离开光积分装置。

当然，不同的光积分装置可以彼此结合，以便对来自不同的和空间隔开的不同固态光源装置产生的初级照明光进行积分和重定向，以便产生具有最佳照明和投影特性的次级照明光。

按照本发明的另一个方面，设置光连接和/或引导改善装置，它设计和安排来改善所述次级照明光从所述光源装置到所述光收集、积分和重定向装置和/或在其内，特别是到所述光积分装置和/或在其内的连接和/或引导过程。

·下面将描述本发明目标的第二解决方案：

按照本发明目标的第二解决方案，按照该目标的第一解决方案的照明装置，包括至少两个光源，分别用以产生第一光束；光混合装置，用以输入所述第一光束并将其结合为单一的第二光束；和角锥形光管，它输入第二光束并输出第三光束。第三光束是所要的照明目标表面(例如，可以是μ-显示器)的输出光束。

最好使用三个光源，它们中的每一个分别产生绿色、红色和蓝色中一个的第一光束。然而，也可以使用其他颜色。另外，可以使用多于三个光束。

在一个优选的实施例中，光混合装置是一个彩色立方体，它有至少两个输入面，分别用以输入第一光束中的一个，和至少一个输出面，用以输出第二光束。作为另一方案，光混合装置是双色滤光镜或双色滤光镜的结合。每一个双色滤光镜呈现至少一个输入第一光束用的输入面，和一个输出面。双色滤光镜的结合，例如，可以包括第一和第二双色滤光镜，其中第一双色滤光镜呈现两个输入面，用以输入两个第一光束；和一个输出面，用以输出第一结合后的光束，其中第二双色滤光镜包括一个输入面，用以输入第一光束中的一个；一个输入面，用以输入第一结合后的光束，和一个输出面，用以输出作为上述单一的第二光束的第二结合后的光束。

在语句″把第一光束结合到单个的第二光束″和″第一结合后的光束″和″第二结合后的光束″中的术语″结合″，可以意味着把各光束重叠在共同的截面上，或者一个交替地由不同的单个光束组成的光束。(即不重叠，称为“顺序着色”(sequential coloring))

光源输出面的长度和宽度等于或小于彩色立方体各自的输入面/双色滤光镜各自的输入面是有利的。因而，光功率的最佳值输入到光管的输入面。然而，输出面的长度和宽度也可以小于彩色立方体/双色滤光镜的输入面。最好输出第二光束的彩色立方体/双色滤光镜输出面的长度和宽度等于或小于输入第二光束的角锥形光管的输入面的长度和宽度。

为了改善光收集，最好可以分别在光源和光混合装置之间和/或光混合装置和角锥形光管之间设置空气隙。

每一个光源和彩色立方体/双色滤光镜相应的输出面之间可以放置外加的角锥形光管。这在光混合装置的尺寸方面可以有更大的灵活性。在该实施例中，光源输出面的长度和宽度最好等于或小于外加的角锥形光管输入面的长度和宽度，而外加角锥形光管输出面的长度和宽度等于或小于彩色立方体/双色滤光镜各自的输入面。但是，光源的输出面可以小于彩色立方体/双色滤光镜的输入面。为了增强光收集，外加的角锥形光管和光源彼此直接机械接触。为了进一步改善光收集，在外加的角锥形光管和光混合装置之间设置空气隙。

正如已经变得显而易见的，上述本发明照明装置的一个重要的方面是，在不增大角锥形光管输入面的情况下，光混合装置使增大光源输出面成为可能。结果，要由该照明装置照明的目标业务的亮度可以增大，而同时照明装置的尺寸只非常轻微增大。

·下面将描述本发明对该目标的第三解决方案：

按照本发明对该目标的第三解决方案，设置一种照明装置，它包括至少两个光源，用以分别产生第一光束；光混合装置，用以输入第一光束并将其结合为单一的输出光束；和至少两个角锥形光管，分别位于光源和光混合装置之间。

角锥形光管和相应的光源的输入面最好彼此直接机械接触。另外，角锥形光管和混合装置之间可以设置空气隙。

该实施例还表现出高度紧凑性和输出光束增大亮度的上述优点。本实施例的额外的优点是，混合装置与第一实施例的相比呈现较大的尺寸。结果，本发明的光混合装置较易制造。

彩色立方体和/或双色滤光镜最好分别包括至少两个玻璃棱镜。

最好(但非必要)分别在彩色立方体/双色滤光镜的两个棱镜之间设置玻璃板，分别加有透射/反射薄膜，其中玻璃板的的表面尺寸大于夹住该玻璃板的棱镜表面的表面尺寸。

·下面将描述本发明对该目标的第四解决方案：

按照本发明对该目标的所述第四解决方案，提供一个照明装置，具体地说是投影装置等用的照明装置。所述照明装置包括光源装置，它设计来产生和发射初级照明光。另外，提供一种光收集、积分和重定向装置，设计来接收来自所述光源装置的所述初级照明光的至少一部分，并用以对所接收的初级照明光进行重定向，以便获得重定向的初级照明光，并用以输出所述重定向初级照明光或由此产生的次级照明光。所述光收集、积分和重定向装置包括至少一个光积分装置，设计来直接接收和积分由至少一个相关的光源产生和发射的所述初级照明光的至少一部分，并用以输出所述重定向的初级照明光或因此产生的光。按照该特定的解决方案，提供一种光连接和/或引导改善装置，它设计或安排来改善所述初级照明光从所述光源装置到所述光收集、积分和重定向装置和/或在其内的连接，并特别是到所述光积分装置和/或在其内的连接。

因此，所述第四解决方案的基本想法是，提供一种光连接和/或引导改善装置。这特定的光连接和/或引导改善装置设计来改善从光源装置或混合装置到所述光收集、积分和重定向装置的光连接，特别是到所述光积分装置的光连接。作为另一方案，或另外，所述光连接和/或引导改善装置设计来改善所述光收集、积分和重定向装置内的，特别是所述光积分装置内引导过程的效率，例如，通过减少从光收集、积分和重定向装置，特别是从所述光积分装置逸出的光。

按照该第四解决方案的一个优选的实施例，所述光积分装置是或包括一个普通的光管，特别是一个具有光入射孔和侧壁的固体积分棒。所述光积分装置的所述侧壁在其外周边至少在所述光源装置和/或所述光混合装置的所述光出射孔附近，设有反射装置，作为所述光连接和/或引导改善装置或作为其一部分。另外，所述光反射装置设计和/或安排来与其侧壁一起把从所述光积分装置逸出的光反射回所述光积分装置。

按照本发明的另一个方面，若所述光积分装置是或包括普通的光管，则所述光积分装置的所述光入射孔可以定位在所述光源装置和/或光混合装置的光出射孔附近。在这种情况下，在所述光源装置和/或所述光混合装置的光出射孔和所述光积分装置的光入射孔之间可以设置折射率匹配装置，特别是所述光源装置和/或所述光混合装置的光出射孔和所述光积分装置的光入射孔之间填充间隙或间隙结构。

另外，或作为另一方案，所述折射率匹配装置可以是液体、凝胶和/或胶水。

另外，或作为另一方案，所述折射率匹配装置可以具有基本上与光积分装置材料的折射率或光源装置周围的材料的折射率一致的折射率。所述折射率匹配装置的所述折射率也可以在这些折射率数值之间内插。

按照本发明的另一个替代或附加的实施例，所述光积分装置可以是或包括具有光入射孔的空心光管。在这种情况下，所述光积分装置的光入射孔可以定位在所述光源装置和/或所述光混合装置的光出射孔附近。在这种情况下，所述光入射孔附近和/或由所述光入射孔终止的光积分装置的一段或进入段，可以是，特别是完全由普通管段填充，作为所述光收集和/或引导改善装置，或作为其一部分，特别是用以匹配各折射率。

·下面将进一步阐明本发明的这些和其他方面：

对于背投和正投投影仪主机，与传统使用的高压灯相比时，固态光源(SSLS)有若干优点。特别是，SSLS允许在光源层次进行彩色管理；它们可以实现更高的颜色饱和度，而且它们的寿命长得多。另外，SSLS允许设计新的光主机结构，导致更紧凑和潜在成本更低的装置。

流明输出的改善，例如，发光二极管(LED)的改善使之成为投影仪用的天然的临时候补。因为单一LED发射的光不足以用于某些投影仪应用，所以产生了集合由一个LED阵列发射的光并将其通过光阀重定向的想法。若LED阵列覆盖的面大于面板表面，则一般用光管或光纤来收集每一个单个的LED的光。这种途径要求精确的和成本高昂的装配。

反之，建议基于例如，与积分棒结合的优化了的光源配置，根据今天的和未来的固态光源技术优化照明主机的设计。

使用固态光源的一般投影仪的问题是，到达屏幕的亮度或流明输出有限。该亮度取决于光源产光量、光源发射的方向性和投影仪主机的光效率。

作为固态光源的一些类型，可以提出发光二极管(LED)、边沿发射发光二极管(EELED)、谐振空穴发光二极管(RCLED)、激光二极管(LD)和垂直空穴表面发射激光器VCSEL。

已有的LED的局限性是产光量有限和按照Lambertian发射定律的非定向发射。

VCSEL和RCLED的显著优点是具有非常好的定向发射。已有的VCSEL和RCLED的局限性是已经商业化的VCSEL和RCLED以及可见的VCSEL和RCLED的实验样品的功率不足，且只对红色和蓝色有效。

LD具有非常好的定向发射的巨大优点。已有的LD的局限性是商售LD只有红光功率足够大。

本发明提出例如投影仪主机，它优化今天LED技术的使用，以及VCSEL和RCLED以及LD的使用。另外，所建议的某些设计极其紧凑，并将允许实现今天技术不可能实现的嵌入式投影仪。

建议的第一种途径是利用总面积小于或等于光阀面积的LED阵列。在这种情况下，用单个或简单的光管把光引导到光阀上，该光管的作用还包括，如图1所示形成均匀的光分布。光管，亦称积分棒，可以是固体玻璃或塑料棒或空心镜式管，例如带有矩形截面。为了达到良好的连接效率，在LED阵列和该光管之间和在光管和光阀之间要有空气隙。为了避免光更多地横向逸出，该空气隙要保持尽可能小。设计的简单性是基于该光管和光阀截面积的匹配。因而，光阀被来自该光管的光均匀照明。LED阵列的截面积必须小于或等于光阀的截面积。

除光管端头处的Fresnel反射边界损失外，由LED阵列发射的所有光都导向光阀。在这一点上，在到达投影屏幕之前，光必须通过光阀和投影光学元件。光阀和投影光学装置都具有有限的接收角度或开孔。这意味着只有包括在接收角度内的光才能达到屏幕，其余都损失掉。

投影仪的孔径由投影光学装置的F/数决定，一般在F/3(10°的半锥角)和F/2(15°的半锥角)之间。这意味着在光阀平面，所有不在接收锥体内的光都损失掉。

没有补充的光学装置，LED发射相对Lambertian分布的光。当光达到投影光学装置时，只有接收锥体内的光这一部分才可以达到屏幕。如图3所示，发射能量只有小部分(对于F/3是3.0％，而对于F/2是6.7％)包括在接收锥体内。

LED阵列和光阀之间的光学装置可以重定向接收锥体内的光线，提高该装置的效率。这可以用另一种方法实现，如图4A所示，通过利用LED阵列的前面的准直微透镜，或按照图4B利用角锥形积分棒。然而，在这两种情况下有效发射面积都小于光阀面积。换句话说，可以利用准直光学元件改善照明主机的效率，但是以LED阵列的产光量为代价，因为发射面积减小了。

总的来说，按Lambertian特性发射的LED阵列有限的产光量限制了它们在具有低流明输出要求的，例如，背投TV(电视)的投影仪的应用。

垂直空穴表面发射激光器(VCSEL)具有有趣的特性，它们一般在±8°光束发散锥体内发射光，这小于投影光学装置的接收锥体。因此，除每一单个的光学元件的损失之外，VCSEL阵列所发射的全部能量都会抵达屏幕，这小于投影光学装置的接收锥体。如图2所示，VCSEL阵列可以具有光阀的精确剖面。这些中间的光学元件，亦即积分棒只用作光分布均化器的作用，不具有准直功能。

激光二极管具有象散发射，亦即它们在一个轴上不需要准直(像VCSEL一样)，但在另一个轴上却要求准直。

图5举例说明基于固态光源的VCSEL阵列和/或RCLED阵列的LED阵列的三彩色光路透射投影仪的体系结构。成像光学元件光阀和投影透镜可以与高压灯投影仪的相同。但是，照明主机简化了而且更加紧凑，不涉及虫眼透镜，不需要中继透镜。

固态光源还可以用于顺序彩色投影仪。与HP灯顺序投影仪相比，其优点是，可以直接在光源层次进行颜色管理，亦即不需要颜色分离用的彩色滤光镜。颜色选择以接通和关断不同光源的电子方式实现。

当利用背光照明光管时，可以达到非常紧凑的体系结构。照明光管具有与这般用于膝上电脑和蜂窝电话用的LCD显示器的背光类似的设计。光用内部全反射引入光管，并选择性地用沿着光管表面设置的散射区从光管向外连接。这些紧凑的投影仪可以嵌入诸如UMTS蜂窝电话、遥控器、掌上电脑等便携式装置。

图5、7和8的不同是光源可配置的位置，亦即发射面可用的地方，因而也就是投影仪的流明产光量。图8配置中光源可用的极大地减少了的空间意味着高度有效的光源，像BCSEL阵列和/或RCLED阵列的使用。

基于反射光阀的配置还可以围绕固态光源构建。尽管如此，积分棒不能与光阀紧密接触，因为光会通过投影透镜逸出。换句话说，在光阀的前面需要某些类型的分束器。积分棒出射的光的均匀分布也必须由某些中继光学元件投影在光阀上。基本上基于积分棒的标准反射投影仪配置都可以加以修改，以便采用固态光源。

这些反射配置不像基于透射光阀的建议那么紧凑。另一方面，在积分棒和光阀之间有地方放置某些类型的偏振再循环器。同样的意见适用于利用积分棒、中继光学元件和偏振再循环器的传统的透射配置。它们还可以被修改，以便利用固态光源。

与传统的高压灯投影仪相比时，本发明提供以下优点：

-更好的颜色饱和和更大的色程

-在光源层次进行颜色管理

-不必用彩色滤光镜

-电子顺序颜色管理

-动态反差的可能性

-大大延长光源寿命

-光路上没有红外线发射(冷光源)

-使用廉价塑料光学元件的可能性

-改善当前三彩色光路投影仪的红光信道的可能性。

与其他建议的LED投影仪相比时，本发明提供以下优点：

-基于光源面板和光阀紧密接触的积分棒的设计比较简单(无虫眼透镜，无中继光学元件)

-优化的LED到光阀的连接效率

-使用定向发射VCSEL、RCLED或LD，以便大大提高光学效率

-基于背光光管的极其紧凑的配置。

下面将参照附图10至12给出本发明的某些更一般和理论方面及其实现：

本发明的一个方面及其实施例是要解决所述问题，找到一种利用LED阵列使表面照明最大化的配置。另外，表面照明需要是均匀的，而其光线的方向保持在有限的孔径内。这些孔径或接收角度决定于成像光学的数字孔径。这些任务的困难来源是，与大的LED的发射角度相比时，接收角度一般地都小，例如一般具有Lambertian分布。

被照明表面可能是，例如，显微镜的探头平面或投影仪的光阀平面。在这种情况下，成像光学元件是显微镜的物镜或投影仪的物镜。

一个目标是以所述最大的光功率并在有限的光学孔径内均匀地照亮平面。换句话说，

1.对LED发射的光收集效率和捕集最大化，

2.以给定的光学元件的孔径和光学元件使准直效率或光的定向最大化，和

3.光主机效率最大化或组件光学损失最小化，

必须实现并用本发明实现。

图10中举例说明的问题是找到一种利用固态光源或LED 31的阵列33使表面照明最大化。另外，照明必须均匀，而且光线的方向保持在有限的孔径内。

照明表面S₂可以是，例如，显微镜的探头平面或投影仪光阀40的平面。然后，用显微镜的物镜的数字孔径或投影仪物镜70的F数确定照明光线的最大孔径。

此外，该任务的困难来自，例如一般具有Lambertian分布的LED31或LED 31的阵列33发射的非定向辐射图案。该光必须重定向在有限的表面上，以便照明并在所述光学元件的有限的孔径内。

理论背景

以下再次参照图10至12。

所有照明设计都必须考虑étendue(范围)定律，该定律指出无法缩小沿着一个光学***的范围或光学范围。对于给定的表面S，范围E由维持该光线的表面积S乘以立体角Ω决定，即

E＝S·Ω (1)

以按照图11定义范围E。

在图10举例说明的一般的***中，最大有用的范围E2由要照明的表面积S₂和立体角Ω₂定义，例如，若对于光源的范围E₁，E₁＞E₂的关系成立，则一部分光损失掉。立体角Ω₂是光学元件孔径的函数，并由方程式给定

式中，φ₂是孔径锥体的半角。

LED的范围E₁计算如下

E_{1} = Ω_{1} \cdot Σ_{i = 1}^{N} S_{1 i} = 2 π \cdot S_{1} . - - - (3)

式中，S_1i是每一个单个的LED的发射表面积，N是该阵列中LED的个数，而2π是与Lambertian发射对应的半球的立体角。

100％准直效率***

范围定律指出，沿着一个光学***的范围不能减小。因此，为了达到一个100％准直效率的***，LED阵列的发射面积S₁无法超过S_1max，正如以下关系给出的

E₁≤E₂，

准直效率有限的***

若对于发射面积，S₁≥S_1max的关系成立，则发射光的一部分抵达不了该孔径Φ₂内的面积S₂，因而损失掉。

看一下什么是光学元件孔径内的表面S₁上的发射锥体或半角Φ₁，或表面S₁上的半角Φ₂，来分析这些问题。

从范围定律可知如下

得到满足。因此，

也得到满足。连接效率η_c定义为Φ₁定义的锥体内的发射能量W₁与光源或表面S₁发射的总能量W的比率，亦即

η_{c} = \frac{W_{1}}{W} - - - (6)

在发射角为γ＝π/2的Lambertian光源的情况下，连接效率变为

到达孔径Φ₂内表面S₂的流明通量W₂与光源的发射面积S₁和准直效率η_c成正比

W₂∝η_c·S₁. (8)

可以区分三种情况：

1)S₁≤S_1max和η_c＝1，该表面发射的全部光都可以使用：W₂∝S₁。

2)S₂≤S₁＞S_1max和η_c＜1，一部分光损失，但随着发射面积S₁增大，W₂增大，和

3)S₂＞S₁，发射面积S₁增大，但W₂不增大。

建议的解决方案和特征

对于LED的准直，提出了基于反射和/或折射透镜的解决方案。这些已知途径的缺点是，在要求的方向上难以收集100％的光。另外，包围LED的光学元件很笨重，人为地增大光源的范围。另外，需要其他光学元件来使照明均匀，例如，虫眼透镜或积分棒。

按照本发明，提出了一种基于特别是角锥形的积分棒的途径。本方法满足三个需要的功能：

-收集LED阵列所发射的光，

-在光学元件孔径内进行准直，和

-使照明均匀化。

角锥形积分棒或PIR的工作原理举例示于图5。PIR具有入射面S′，出射面S″和长度L。PIR可以是空管，其内面是反射镜，或折射率为n的透明的材料，例如，矿物玻璃、塑料等。对于普通的PIR，光线在表面上被内部全反射或TIR。正如图5双光线举例说明的，对于PIR表面法线的角度，该管出射处小于入射处。给定范围定律，准直定义为

Ω^{''} = \frac{S^{'}}{S^{''}} Ω^{,} - - - (9)

式中Ω′是PIR之前光线的立体角，而Ω″是PIR之后的立体角。满足S″＞S′和Ω″＜Ω′的关系。

正如对于正常的积分棒，光线在该棒内混合。为了在PIR出射面取得一个均匀的分布，必须满足两个条件：

1.PIR剖面必须具有正方形、矩形(特别是等边形)、三角形或六角形。

2.PIR必须长得足以对PIR表面有足够的反射。

对于L＞＝Lc，达到理论准直效率η_c。大于该长度Lc，准直效率恒定不变。Lc通过试验测定，或光线跟踪模拟逐个情况确定。

在上述问题上，PIR入射面S′必须与LED发射面积S₁一致，而且PIR的出射面积S″必须与要照明的表面积S₂一致。因为LED阵列由一组小的发射表面S_li构成，微PIR可以放入每一LED的前端。然后，用一个较大的PIR或积分棒收集。图6举例说明的三个***全都是等效的，PIR的给定长度长得足以完成准直和均匀化。

本发明主要的有利特征是，单个光学元件的用法是用于光收集、光准直、光线均匀化。利用从光源(LED阵列)到被照明平面的单一分量，所建议的方法把光学损失减到最小，制造成本较低，并简化设备的装配。

·下面还将阐明这些和其他方面：

此外，本发明还提出基于颜色多路器的光管的照明方案。这通过结合所述颜色(例如，红、绿、蓝LED)光源的光可以使这个表面的均匀照明(例如，m-显示器)。本发明由不同的光学组件的结合和特别的装配构成，允许极紧凑的实施例。

颜色结合可以利用一套双色滤光镜或利用彩色立方体达到。双色滤光镜(覆有涂层的玻璃板)的结合允许不同的颜色光束结合为单一的多色光束。覆层反射单一的颜色(例如，绿色或红色)，并让其他全部透射。请注意，一套双色滤光镜还可以运用在棱镜上。

彩色立方体由四个棱镜装配而成。形成该立方体的对角线的棱镜表面用这样一种方法涂覆，使得反射一种颜色(例如，红或蓝)而透射其他颜色。这样，三种不同的颜色光束可以重新结合为单一的多色输出光束。

应该指出，在均化输出光束产生的照明方面，这些颜色结合方案不完成任何功能。

已经利用角锥形光管发展一种照明主机。这些光管完成以下功能：收集来自所述光源(或光源阵列)的光，对来自该光源的光进行准直，使照明均匀化。应该指出，可以使用不同的颜色光源的阵列。这样，便达到多色、均匀和准直的照明。

但应明白，所述光管输入面的有限面积决定光源元件的最大个数，并因而限制光源的亮度。

寻找一种具有同一照明装置功能的配置的问题是要具备光的收集、光的准直、照明的均化，但是不增大的光源可用面积(允许提高亮度)。

一个关键参数(要求)是该实施例的紧凑性(例如，m-显示器的照明)。

为了增大颜色照明装置的亮度，一个想法是，把上述颜色结合方案的特性，特别是和下面的第二个建议结合，以及特别是和下面的第三个建议的光管照明器结合。一个目标是要用角锥形光管达到更大的光源(例如，LED)连接面积，和均匀而且准直的照明。

第一个建议

第一个建议的装置包括彩色立方体，用以收集和多路切换单色光源的光；和角锥形光管，用以对照明进行均化和准直，见图13。

请注意，在光源和彩色立方体之间以及在彩色立方体和光管之间要有空气隙。空气隙通过TIP(内部全反射)反射本来会逸出立方体的光线。该光线不是被吸收了，就是在不希望有的方向上传播，产生光学损失。请注意，某些光线实际上不受空气隙影响。

第二个建议

第二个建议使用一系列双色滤光镜与不同颜色的光源结合，见图14。

应该指出，双色滤光镜是玻璃立方体，下称双色立方体。光源、双色立方体和光管被空气隙隔开。正如对于第一建议，允许用TIR引导光线，并把光学损失减到最小。玻璃板上双色滤光镜的使用还会使光线在不希望有的方向逸出，产生光学损失。

第二建议不如第一建议紧凑，但是就工艺而言比较简单。因此，实现起来比较便宜，特别是尺寸非常紧凑时。

第三个建议：

对于紧凑的配置，头两个建议都难以制造。例如，在0.7″LDC m-显示器照明的情况下，立方体边沿具有2.0mm和4.0mm之间典型的尺寸。

放松立方体尺寸约束的办法示于图15和16。这两种配置在功能上是等效的。然而，立方体定位在中间位置比较紧凑。

应该指出，立方体被空气隙包围以便把光学损失减到最小，如上所述。但应明白，当光源直接在光管前端时，需要在光源和光管之间包括一个空气隙。实际上，当利用表面贴装LED时，当光管与LED表面接触时，光源的光提取效率提高。其结果是总体上光学效率明显增大。

半导体有效面在随机的方向上发射光线。由于半导体的高折射率，与环氧树脂层相比时，一部分光线被TIR俘获。同一情况发生在环氧树脂和空气隙之间的一部分光线上。然而，当环氧树脂与光管接触时，离开环氧树脂的全部光线连接到光管，因为环氧树脂的折射率和光管的折射率可以(必须)选择彼此接近(折射率匹配状态)。

其余：内部全反射条件

对于高折射率介质中抵达与低折射率介质界面的光线，若入射角大于临界角，则所述光线被内部全反射，否则光线被折射，并在低折射率介质中传播，见图26。

棱镜涂层：

当利用颜色或双色立方体时，对于建议的照明配置，利用整个双色面。换句话说，整个表面都应涂有双色滤光涂层。但在实际上，在靠近边沿处涂层不粘在表面上。当棱镜尺寸小时，未施涂层的边沿占表面的相当大的部分。结果是，当颜色光线落在未施涂层的边沿时，由于不正确地重定向而产生光学损失。

绕过未施涂层的边沿问题的一个办法是，给一块尺寸比棱镜截面大的玻璃板施加涂层。然后把该玻璃板粘在两个棱镜之间。未施涂层的边沿部分处于棱镜截面以外。

尤其是该建议允许这些把不同的颜色的光源结合，并在一个非常紧凑的实施例中均匀地照射表面。我们的建议还表明如何放松对彩色立方体的尺寸要求。

·下面还将阐明这些和其他方面：

本发明除别的以外，还涉及LED照明器用的光提取机制。

基于LED的照明装置的光学效率取决于设计和光源和准直光学元件之间装配过程。我们提出一个适用于低成本大规模生产的原创的优化设计以及装配/制造技术。

LED的输出连接或提取效率一般地由LED制造商在芯片表面上施加显微结构或赋予封装材料(例如，用环氧树脂透镜封装LED)特殊形状完成。

除别的以外，本发明还提出一个基于光管的照明体系结构。还提出一种用折射率匹配液连接那些光学元件的***。

本发明一些方面包括：

-结合内部全反射(普通光管)和反光镜反射(空心光管)，改善光管效率；和

-有效照明低成本大规模生产用的装配方案概念。

除别的以外，本发明还旨在针对以下的主要的问题提供一些解决方案：

1)提出低成本大规模生产装配方案概念。

2)普通和空心光管的结合优化装置照明效率。

如上所述，LED阵列和光管的结合构成一个有效的而且紧凑照明***，它可以，例如，用于投影应用中用的微显示器的照明。

该光管可以是一个普通光管，其中光线被内部全反射(TIR)引导，或是空心光管，其内面敷设反光镜(金属反射)。普通光管的优点是光线用TIR重定向，损失少。空心光管的优点是它们可以做得比较短，因为光线在空气中传播，角度较大，而且在较短的距离之后即可遇到光管端面。另一方面，空心管道的镜反射产生光学损失(一般反光镜的反射率在92％到98％之间变化，取决于入射角和反光镜材料)。

照明主机的关键参数是：

1)照明效率η；

2)照明的均匀性；和

3)装置的紧凑性。

照明效率η定义为

η = \frac{φ_{opt}}{φ_{LED}}

式中φ_LED是LED发射的通量，而φ_opt是该光学元件有限的孔径(立体角)内照明主机提供的通量。

LED光管的先有技术有下列缺点。

A.对于普通光管：由于逸出光管的光线，光学效率并非最优，侧面见图29A。

B.对于普通光管：由于LED光源和光管之间折射率匹配不完善，光学效率并非最优，见图30A。

C.对于空心光管：由于LED提取效率不良，效率并非最优，见图31A。

正如后面将要说明的，除别的以外，本发明在于避免这三个缺点，并提出一个非常适宜于大规模生产的有效的装配解决方案。

对于A：优化光引导

普通光管有某些损失，因为某些光线抵达光管端面，偏离TIR状态。请注意，该作用只对光管起点处传播角度大的光线发生，在这里该光线仍然不偏转。

建议通过用反光镜涂敷该光管的第一段来克服光线逸出造成的光学效率的损失。作为另一方案，普通光管可以***小的空心光管。这样，光线被金属反射层引导进入光管第一段(以小的反射损失)，但是对于光管的其余部分仍用TIR引导(无损失)，如图29B。

对于B：优化LED到光管的连接

LED的光提取效率受被内部全反射那些的光线限制。该内部全反射是LED保护层(例如，环氧树脂或硅酮)和空气之间折射率的差异造成的。这当在LED和光管之间折射率匹配时可以避免。当在LED保护层和光管(例如，PMMA)之间没有空气隙时，达到良好的折射率匹配。在实际上，这是难以达到的，因为LED保护层表面平整度不完善。典型的折射率随着波长而变化，而硅酮的给定值约为1.46，对于环氧树脂约为1.53，而对于PMMA约为1.49。

在LED和光管之间避免任何空气隙的方法是***其折射率与光管和LED防护层一致的流体(液体、凝胶和/或胶水)。请注意，由于毛细管力液体粘附在两个部分之间，见图30B。

对于C：优化空心光管效率

由于它们的性质，空心光管无法通过折射率匹配改善LED提取效率，因为不可能把LED连接到光管。为了避免这个问题，***一小段其作用是增大LED提取效率的普通光管，使第一光线重定向。这样，空心光管的优点(比普通光管短)和普通光管的优点(提取效率高)结合起来，见图31B。

D：优化装配工艺

LED到光管的装配工艺要满足以下条件：：

1.把光学组件(LED和光管)固定在一起

2.保留装置的光学特性(高的光学效率)

3.尽可能简单，以便降低大规模生产时安装过程的造价

正如所探讨的，本发明是基于一种光学效率高的配置。为了保持造价尽可能低，建议利用胶水作为折射率匹配材料，并使用专用形状空心光管，以便侧向固定不同的组件。

装配工艺可能的步骤是：

1)特殊形状的光管定位在LED上或其周围

2)滴一滴折射率匹配胶水

3)让普通光管顶着LED

4)对光管与LED的水平对准进行细调

5)固化胶水。根据胶水，固化不是加热完成，就是红外线照射或紫外线照射完成。

为了使光提取效率最大化，重要的是胶水液滴的体积要大得足以填充普通光管和LED之间的空气隙体积。ED和光管之间的空气隙体积难以精确预测，因为它取决于LED制造工艺(环氧树脂的淀积工艺)。作为预防，胶水的体积选择得留有余地。正如举例说明的，在图32A中，过量胶水会在LED侧面和空心光管底部之间找到它的位置。

本发明解决了先有技术的以下问题：

·对于普通光管：由于光线从侧面逸出光管，光学效率并非最优。

·对于普通光管：由于LED光源和光管之间折射率匹配不完善，光学效率并非最优。

·对于空心光管：由于LED提取效率不良，效率并非最优。

另外，针对大规模生产LED光源，本发明提出价廉而且有效的工艺。

附图说明

下面将参照附图更详细地描述本发明。

图1，2举例说明本发明照明装置的第一优选实施例。

图3表示曲线图，举例说明光随着发光二极管发射方向角而改变的相对发射率；

图4A，4B表明本发明其他的实施例的细节；

图5-9举例说明本发明多色应用的其他实施例；

图10-12举例说明一些理论背景材料；

图13表示按照本发明的照明装置的第一实施例；

图14表示按照本发明的照明装置的第二实施例；

图15表示按照本发明的照明装置的第三实施例；

图16表示按照本发明的照明装置的第四实施例；

图17表示图13所示实施例的光源、光混合装置和光管配置的放大图；

图18表示图13所示实施例的光源、光混合装置和光管的替代配置；

图19表示图15和16实施例中用的光源和光管的配置的放大图；

图20表示图15和16的实施例中用的光源和相应的光管的替代配置的放大图；

图21表示已知照明装置。

图22表示双色滤光镜的结合的第一实施例；

图23表示双色滤光镜结合的第二实施例；

图24表示双色滤光镜结合的第三实施例；

图25表示彩色立方体的实施例；

图26表示内部全反射的原理；

图27举例说明涂覆棱镜的方法；

图28表示涂覆棱镜的替代方法；

图29A，29B分别是本发明没有和有各光收集和/或引导改善装置的实施例剖面侧视图；

图30A，30B分别是本发明没有和有各自光收集和/或引导改善装置的各实施例的剖面侧视图；

图31A，31B分别是本发明没有和有各光收集和/或引导改善装置的实施例的剖面侧视图；

图32A，32B是本发明其他实施例举例说明安装工艺对于各自光收集和/或引导改善装置的剖面侧视图。

具体实施方式

以下参照图1至12描述指向本发明的优选的实施例，特别是对于所述第一解决方案。

图1借助于示意图和剖面侧视图说明本发明的照明装置1。

图1的实施例包括光源装置10，由固态光源装置30构成。图1实施例的固态光源装置30包括发光二极管31的阵列33。该阵列33形成得具有光发射面或发射孔30E，由此发射初级照明光L1，到达光收集、积分和重定向装置20的入射孔50I，该装置以图1为例包括光积分装置50和光阀装置40，其中前者在这种情况下由固态的块状材料，例如玻璃、塑料等形成为像积分或积分棒50。

通过所述光入射孔50I进入该积分棒50的初级照明光L1的光线首先按照Snell折射定律和按照积分棒材料的折射率被折射，该折射率大于所述积分棒50和光源装置10之间间隙G的间隙材料的折射率。在初级照明光线LI在积分棒50材料内通过的过程中，所述光线在积分棒50的侧壁或面50s上被反射。最后，在侧壁50s被多次反射之后，所述接收的和初级照明光L1多次被反射的每一条光线都通过输出孔50E从积分棒50射出，然后进入位于紧紧邻接光输出孔50E的光阀40。

通过输出孔50E从积分棒50出射以后，在积分棒50和光阀40之间的第二间隙G′的光分布比在光源装置和积分棒50之间的第一间隙G的光分布均匀。

在接收重定向后的初级照明光RL1以后，各光线被允许以可控方式穿过光阀40，然后作为次级照明光L2离开光阀40，进入某个投影光学元件70，如图2所示，然后进入显示屏80。

图1和2所示光源装置10和积分棒50之间的间隙G特别重要，因为即使在发光二极管阵列的情况下，所述每一个二极管31都只具有较小的发射能力，因为发射光波的光分布能量分布都遵循Lambertian分布，如图3所示。图3演示Lambertian分布，作为演示发光二极管31发射光的相对能量随着发射角而变化的曲线图。从图3的分布可知，必须保持光源装置10和积分棒50之间的间隙G尽可能窄，以便增大进入入射面或入射孔50I的初级照明光L1的积分或数量。

正如从图2可以看到的，积分棒50和显示光学元件70的接收锥体可能不同。因此，必须使该接收锥体适合。这可以作为另一方案使用虫眼光学元件完成，如图4A所示，利用如图4B所示的角锥形剖面的积分棒50完成则更好。

图5和7至9说明不同颜色的固态光源装置30结合以获得多色投影***用的多色照明装置的不同可能性。

在图5中给出具有例如发光二极管阵列33的三种不同颜色的固态光源装置30，固态光源装置30中的每一个即发光二极管阵列33中的每一个都与放置在固态阵列装置30和光阀装置40之间的积分棒50相联系，使得对于不同的颜色装置的光源装置30中每一个，都给出类似于图1所示的配置。

为了结合所述三个不同的固态光源装置30的这三种不同颜色，给出了三个装置中每一个共用的光混合装置55或彩色立方体55，它能够接收各自次级照明光L2，以便将它们混合，并使它们可以通到投影光学装置70。

图6A到6C表明采取不同的积分棒装置形式的光收集、积分和重定向装置20，其中每个都是针对LED31或31-1到31-4的阵列33设计的，作为光源装置10，而且其中每个都光连接到光阀装置40。

在图6A中，光收集、积分和重定向装置20形成为多个或多或少类似的或相同单独的和平行排列的类似的角锥形积分棒50-1到50-4，其中每个都被唯一地指定，并将各自的光入口段50I分别连接到一个给定的LED31-1到31-4。光入口50I在每一种情况下都小于光连接到公用的光阀装置40的入口段40I的各光输出段50O。

而在图6B中，或多或少类似的或相同的单独的和平行排列的单一的角锥形积分棒50-1至50-4换成光连接到公用的积分棒50的光入口段50I′，其光出口段50O光连接到公用光阀装置40的光入口段40I。

图6B实施例的公用的积分棒50具有均匀的截面，而图6C实施例的公用积分棒50的截面是不均匀的，各积分棒50形成角锥形。

图7A和7B演示两个不同的装置，用以实现多色投影***用的多色照明装置，它不同于图5的实施例。

在图7A的实施例中，固态光源装置30用作具有LED阵列的光源装置10，其零件亦即截然不同的发光二极管31处理不同的频谱发射范围，亦即不同的颜色。初级照明光L1在光阀40和积分棒50之间的间隙G′通过积分棒50以后，然后在通过光阀40之后，均匀的光分布和均匀的颜色分布被定向至投影光学装置70。

在图7B实施例的情况下，三个不同颜色的固态光源装置30，其中每个都由发光二极管31的阵列33组成，彼此具有截然不同的频谱范围或颜色。单一固态光源装置30中每一个的初级照明光L1指向光混合装置55，混合之后使输出光指向积分棒50，以便在光阀40和50之间的间隙G′处获得具有均匀照明和颜色分布的次级照明光L2。

图8A和8B演示多色照明装置的另一个示例。在这些情况下，照明光管50用以重定向并形成均匀的接收初级照明光L1的数量。在上面讨论的实施例，初级照明光进入各积分棒50的入射孔50I和输出孔50E彼此平行设置，与此形成对照，图8A和8B实施例的入射孔50I和输出孔50E彼此垂直设置。因此，图8A和8B实施例的固态光源装置30发射的初级照明光L1在它们的基面处进入照明光管50，而重定向后的初级照明光RL1在侧面从照明光管50离开。

图8A和8B实施例之间的差异在于，为了获得图8A中的多色装置，需要多个单色的固态光源装置30或LED阵列33，而在图8B实施例中，设置多色固态光源装置30或LED阵列33。

当然在8A的实施例中，根据多个单色固态光源装置30，还需要光混合装置55。

图9的实施例演示图7B实施例的应用，为了配合积分棒50和光阀40之间的接收锥体，具有中间光学元件81，82。这些中间光学元件81，82由透镜装置81和偏振分束器82构成，它们彼此结合，把积分棒50接收锥体，亦即重定向后的初级照明光RL1的几何形状变换或映射到光阀40的接收锥体，该光阀在图9实施例中为反射光阀，允许次级照明光L2靠光阀40界面上反射通到投影光学装置70。

·在以下的描述中，将参照图13至28给出关于双色滤光镜和彩色立方体的某些一般说明和其他有关本发明的说明，特别是在所述第二和第三解决方案方面的说明。

颜色结合可以利用双色滤光镜结合，或利用彩色立方体。

图22表示第一双色滤光镜10′和第二双色滤光镜11′的结合。这两个双色滤光镜10′-11′作为各自涂有透射/反射薄膜16′，17′的玻璃板实现。每一个双色滤光镜反射一种单一的颜色(例如，红或绿)，并透射所有其他颜色。在该示例中，第一双色滤光镜10′透射第一种颜色光束12′，例如蓝色，而反射第二种颜色13′，例如红色。第二双色滤光镜11′透射第一种颜色的光束12′和反射的第二种颜色的光束13′，而反射第三种颜色的光束14′，例如绿色。因而，产生结合后的颜色光束15′。

正如可以由图23和24看出的，双色滤光镜的结合还可以实现为涂有涂层的例如玻璃棱镜的结合。双色滤光镜的结合示于图23，包括第一至第三棱镜20′至22′。在第一棱镜20′和第二棱镜21′之间设置第一反射/透射膜23’。另外，在第二棱镜21′和第三棱镜22′之间设置第二反射/透射膜24’。第一反射/透射膜23′反射第一颜色光束12′，例如蓝色。第二透射/反射膜24′反射第三颜色光束14′，例如绿色，并透射第二颜色光束13′，例如红色。所反射的第三颜色光束14′和透射的第二颜色光束13′穿过第一透射/反射滤光镜23′。结果，产生结合后的颜色光束15′。

图24表示通过涂有涂层棱镜实现的双色滤光镜结合的其他示例。在该结合中，设置第一至第三棱镜25′至27′。在第一棱镜25′和第二棱镜26’之间，设置第一透射/反射膜28’。在第二棱镜26′和第三棱镜27′之间设置第二透射/反射膜29’。类似于图23的实施例，第一和第二透射/反射膜的特性选择为使颜色光束12′至14′结合为结合后的颜色光束15′。

图25表示彩色立方体的一个示例。彩色立方体30′包括第一至第四棱镜31′至34′。形成所述立方体对角线的棱镜表面是涂有涂层的，使得反射一种颜色(例如，红色或蓝色)，而透射所有其他颜色。因而，设置第一透射/反射膜35′和第二透射/反射膜36’。颜色光束12′至14′结合为单一的结合后的颜色光束。

上面给出的光混合装置的示例表明把不同的颜色光束重新结合为单一的多色输出光束的可能性。应该指出，这些颜色结合方案在均化所述输出光束产生的照明方面，没有任何作用。

现将参照图13，描述按照本发明的照明装置的第一优选实施例。照明装置40′包括第一至第三光源41′至43′、具备第一透射/反射膜45′和第二透射/反射膜46′的彩色立方体44′、角锥形光管47′、并照明目标表面48′。

彩色立方体44′的功能是收集和多路切换由光源41′至43′产生的不同颜色的光束。例如，第一光源41′产生被第一膜45′反射的蓝色光束，而第三光源43′产生被第二膜46′反射的红色的第二颜色光束。由第二光源42′产生的绿色光束穿过第一和第二膜45′，46′。因而，结合后的单一的输出光束穿过彩色立方体44′的输出面49′，并通过角锥形光管47′的输入面50′连接进入角锥形光管47′。在该示例中，光源41′至43′的输出表面的长度和宽度等于彩色立方体44′各自输入表面的长度和宽度(例如，第一光源41′输出面51′的尺寸等于彩色立方体44′的输入面52′的尺寸)。然而，光源41′至43′输出面的尺寸小于彩色立方体44′各自输入面的尺寸。

与图21所示的实施例相比，表面48′的颜色照明亮度明显地较高，因为光源41′至43′总输出面发射光是图21中的三倍。角锥形光管负责照明的均化和准直。

现将参照图14，描述按照本发明照明装置的第二实施例。在该实施例中，图13的彩色立方体44′用双色滤光镜代替。照明装置60′包括第一至第三光源61′至63′、第一双色滤光镜64′、第二双色滤光镜65′、角锥形光管66′和要照明的表面67′。第一和第二双色滤光镜64′，65′实现为玻璃立方体，具有第一和第二透射/反射膜68′和69′。第一膜68′把第二和第三光源62′，63′产生的光束结合为结合后的光束，通过输入面70′进入第二双色滤光镜65′。第二双色滤光镜65′把所述结合后的光束和由第一光源61′发射的光束借助于第二膜69′进行结合，以便产生第二结合后的光束，进入角锥形光管66′。图14的实施例不如图13的紧凑。然而，图14的照明装置较容易制造，特别是尺寸非常紧凑。

在图13和14的实施例中，最好在光源41′至43′，61′至63′和彩色立方体44′/双色滤光镜64′，65′之间设置空气隙G。最好在彩色立方体44′和角锥形光管47′之间，以及第二双色滤光镜65′和角锥形光管66′之间和第一和第二双色滤光镜64′，65′之间也设置空气隙。这样做的原因在图17和18中说明。

正如从图17可以看出的，第一至第四射光线53′至56′是由光源41′至43′产生的。由于空气隙G，全部光线53′至56′都被空气隙G内部全反射(TIR)，并因而连接进入角锥形光管47′。没有这样的一个空气隙，那些光线53′至56′中就只有一条，即，光线54′连接进入角锥形光管47，正如从图18可以看到的。其他所有的光线不是被光源41′至43′吸收了，就是丢失了。就是说，没有空气隙G，光线不是被吸收就是传播到不希望的方向去而产生光学损失。所述光线中的一些(图18中的光线54′)实际上不受空气隙G影响。如图22所示，光学损失还是采用图14中的玻璃立方体和不仅仅使用玻璃板10′，11′的理由。这样的涂有涂层的玻璃板会让光线在不希望的方向上逸出，产生光学损失。

现将参照图15，描述按照本发明照明装置的第三实施例。照明装置80′包括第一至第三光源81′至83′、带有第一透射/反射膜89′和第二透射/反射膜90′的彩色立方体84′、第一至第三角锥形光管85′至87′和要照明的表面88′。在该实施例中，最好光管85′至87′和光源81′至83′彼此直接机械接触。因为彩色立方体84′的尺寸相对较大，本实施例容易制造。给出一个示例：在图13和14的配置中，立方体边沿具有典型的尺寸，2.0mm至4.00mm，而所述彩色立方体具有图3配置中的μ显示器尺寸(亦即，7″对角线)。然而，本发明不限于这些尺寸。空气隙G设置在光管85′至87′和彩色立方体84′之间。光源81′至83′发射的光束分别用光管85′至87′传输到彩色立方体84′，借助于薄膜89′，90′使所述光束混合，产生结合后的光束，照明目标表面88′。

现将参照图16，描述按照本发明照明装置的第四优选实施例。照明装置100′包括第一至第三光源101′至103′、带有第一透射/反射膜105′和第二透射/反射膜106′的彩色立方体104′、角锥形光管107′、要照明的表面108′和第一至第三附加的角锥形光管109′至111′。本实施例与图13所示的差异只在于附加的角锥形光管109′至111′。在该实施例中，附加的角锥形光管109′至111′和各光源101′至103′彼此直接机械接触。

图16所示的实施例比图15的紧凑。它不如13的紧凑，但较易制造。空气隙G设置在光管109′至111′和彩色立方体104′之间，和在彩色立方体104′和角锥形光管107′之间。

如上所述，彩色立方体44′和双色滤光镜64′，65′被空气隙G包围，以便把光学损失减到最小。然而，当光源直接放在光管前端时，如图15所示，不必在光源和光管之间包括空气隙。这将参照图19和20说明。

实际上，利用表面贴装LED时，当光管与LED表面接触(见图20)时，光源的光提取效率提高。其结果是，光源的总体光学效率明显增大。

在图19和20中，示出半导体120′的半导体有效面积121′，它在随机方向上发射光线。由于与环氧树脂层122′的相对折射率相比，半导体120′的折射率n1高，光线的一部分被内部全反射俘获(例如，用标号123′标示的光线所示)。在图19的配置中，在环氧树脂层122′和空气隙G之间也发生同一情况(见标号124′所标示的全反射光线)。然而，在示于图20的配置中，在这里环氧树脂层122′与光管126′接触，所有离开环氧树脂层122′的光线都连接进入光管126′，因为环氧树脂层122′的折射率n2和光管126′的折射率n3最好选择彼此接近(接近折射率匹配状态)。

内部全反射的原理示意图26。对于高折射率n1的介质中抵达与较低折射率n2的介质的界面的光线，若入射角α大于αc，则该被内部全反射(TIR)。否则，该射线被折射，并在低折射率介质中传播。临界角α＝sin^-1(n2/n1)。

当颜色或双色立方体用于上面建议的照明配置时，棱镜/玻璃板等的整个表面都被该光束″使用″(照明)。换句话说，全部面积都应该用相应的双色薄膜涂有涂层。实际上，由于几个原因靠近边沿的地方难以涂层(例如，因为边沿已经覆盖了不希望有的材料)。

该情况示于图27：如上所述，棱镜表面140′涂有透射/反射(双色)涂层141′。一般，因为制造工艺的限制，边沿142′仍旧未覆涂层。当棱镜尺寸小时，未覆涂层的边沿占棱镜面积140′的相当部分。其结果是造成光学损失，因为当颜色光线落在未覆涂层的边沿142′时重定向便不正确。

绕过这个未覆涂层的边沿问题的一种办法示于图28。使一片表面尺寸大于两个棱镜146′，147′的剖面表面尺寸的薄玻璃板145′涂有所述透射/反射膜涂层141′，然后在两个棱镜146′，147′之间涂上胶水，以便在玻璃棱镜的基础上得到一个双色滤光镜。然后使未覆涂层的边沿142′不处在棱镜的剖面内，因而优化双色滤光镜的效率。

·以下参照图29A至32B的描述针对本发明的优选的实施例，具体地说，针对所述第四解决方案。

图29A和29B借助于剖面侧视图分别演示有和没有本发明的光收集和/或引导改善50A的本发明的实施例。

为了从光源装置10收集和积分初级照明光L1，设置采取角锥形光管或积分棒50形式的光积分装置50，后者具有光入射孔50I和侧壁50s。积分棒50使用内部全反射或TIR原理，正如被收集的光线C所演示的，该光线通过光出射孔30E离开光源装置10和它的外壳30c，以便通过它的光入射孔50I进入光积分装置50或积分棒50。这在这样的角度下发生，该角度对于被收集的光线C满足TIR条件。

然而，图29A的光线R通过它的光出射孔30E，在这样一个角度下出射，使得所述光线不能满足所述TIR条件。因此，所述光线R在所述光积分装置50的侧壁50s上不被反射回内部，而从光积分装置50逸出。因此，按照图29A的情况，光可能丢失，从而降低图29A的装置效率。

按照本发明的再一个方面，通过在光积分装置50侧壁50s的周边上，在所述光入射孔50I附近，设置反射装置50m，作为所述光收集和/或引导改善装置50A或作为其一部分，来改变所述图29A的装置。按照该特定措施，在图29A的装置中丢失的所述光线R，被所述光收集和/或引导改善装置50A的反射装置50m反射回来。因此，与图29A装置相比，图29B所示的装置的效率或光效率得到改善。

图30A和30B也分别描述按照本发明的有和没有本发明的光收集和/或引导装置50a的照明装置。

在图30A的装置中，空气隙或空气隙结构G位于在光源装置10的出射孔30E和光积分装置50的光入射孔50I之间，采取角锥形积分棒50的形式。所产生的光线C在满足光积分装置50的TIR条件的角度条件下，被所述空气隙G透射后，进入光积分装置50内部。因此，光线C仍旧被收集入所述光积分装置50内部。然而，图30A所示的光线R，按照内部全反射，由于在光源10的外壳30c和空气隙G之间的界面上被反射而丢失。在所述壳体30c和空气隙G之间界面上的这个TIR条件强烈地取决于壳体30c或光源装置材料和空气隙折射率之间的巨大差异。

为了在图30b的该实施例中克服该困难，在光源装置10的光出射孔30E和光积分装置50的光入射孔50I之间的空气隙用液体、凝胶和/或胶水或折射率匹配装置50r填充，作为光收集和/或引导改善装置50A或作为其一部分。因此，由于例如光线R连接到所述积分棒，与图30A实施例的光效率相比，改善了图30B实施例的光效率。

图31A和31B借助于剖面侧视图演示本发明的照明装置有和没有设置本发明的光收集和/或引导改善装置的实施例。

在两种情况下，照明装置作为光积分装置50都包括角锥形的空心光管或空心导管。该光积分装置50包括光入射孔50I，其定位在所述光源装置10的光出射孔30E附近。与图30A的实施例相比，光线C可以用类似的方法被所述导管收集，而光线R在光源装置材料和空气之间界面上被内部全反射。因此，光源装置10通过光出射孔30E发射的一部分光或初级照明光L1丢失了。

为了克服这个问题，设置普通光管段50P作为光收集和/或引导改善装置50A或作为其一部分，填充空心导管或空心管的末段作为所述积分装置50。另外，所述普通光管段50p完全填充空心腔末段，作为光积分装置50，并将其及其光入射孔50I结束。末端面或光入射孔50I和光出射孔50E之间再次设置折射率匹配装置50r，以便克服光源装置10的光出射孔50E和空气隙G之间界面上的内部全反射的问题，以此使初级照明光L1的丢失减少，与图1A的实施例的光效率相比，还改善图31B所示装置的光效率。

参考标号

1 照明装置

10 光源装置

20 光收集、积分和重定向装置

30 固态光源装置

30c 外壳/外壳材料

30E 光出射孔，光输出孔

30I 光入射孔，光进孔

30O 光出射孔，光输出孔

31 固态光源，LED

31-1 固态光源，LED

31-2 固态光源，LED

31-3 固态光源，LED

31-4 固态光源，LED

32 固态光源

33 固态光源阵列

40 光阀装置，LED面板

40E 光出射孔，光输出孔

40I 光入射孔，光输入孔

40O 光出射孔，光输出孔

50 光积分装置，积分棒，光管

50A 光连接和/或引导改善装置

50E 光出射孔，光输出孔

50E′ 光出射孔，光输出孔

50I 光入射孔，光输入孔

50I′ 光入射孔，光输入孔

50m 反射装置，反光镜

50O 光出射孔，光输出孔

50p 普通光管段，普通管段

50r 折射率匹配装置，液体，凝胶，胶水

50s 侧壁

50-1 光积分装置，积分棒，光管

50-2 光积分装置，积分棒，光管

50-3 光积分装置，积分棒，光管

50-4 光积分装置，积分棒，光管

55 光混合装置，分束装置，彩色立方体

60 显示光学元件

70 投影光学装置

80 显示器，显示屏

81 中间光学元件，透镜装置

82 中间光学元件，偏振分束器

1′ 照明装置

2′ 光源阵列

2′₁ 第一光源

2′₂ 第二光源

2′₃ 第三光源

2′₄ 第四光源

2′₅ 第五光源

3′ 角锥形光管

4′ 目标面

10′ 第一双色滤光镜

11′ 第二双色滤光镜

12′ 第一颜色光束

13′ 第二颜色光束

14′ 第三颜色光束

15′ 结合后的颜色光束

16′ 反射/透射膜

17′ 反射/透射膜

20′ 第一棱镜

21′ 第二棱镜

22′ 第三棱镜

23′ 第一反射/透射膜

24′ 第二反射/透射膜

25′ 第一棱镜

26′ 第二棱镜

27′ 第三棱镜

28′ 第一反射/透射膜

29′ 第二反射/透射膜

31′ 第一棱镜

32′ 第二棱镜

33′ 第三棱镜

34′ 第四棱镜

35′ 第一反射/透射膜

36′ 第二反射/透射膜

40′ 照明装置

41′ 第一光源

42′ 第二光源

43′ 第三光源

44′ 彩色立方体

45′ 第一反射/透射膜

46′ 第二反射/透射膜

47′ 角锥形光管

48′ 目标面

49′ 输出面

50′ 输入面

51′ 输出面

52′ 输入面

53′第一光线

54′第二光线

55′第三光线

56′第四光线

60′照明装置

61′第一光源

62′第二光源

63′第三光源

64′第一双色滤光镜

65′第二双色滤光镜

66′角锥形光管

67′目标面

68′第一反射/透射膜

69′第二反射/透射膜

70′输入面

80′照明装置

81′第一光源

82′第二光源

83′第三光源

84′彩色立方体

85′第一角锥形光管

86′第二角锥形光管

87′第三角锥形光管

88′目标面

89′第一反射/透射膜

90′第二反射/透射膜

100′照明装置

101′第一光源

102′第二光源

103′第三光源

104′彩色立方体

105′第一反射/透射膜

106′第二反射/透射膜

107′角锥形光管

108′目标面

109′角锥形光管

110′角锥形光管

111′角锥形光管

120′半导体

121′半导体有效面

122′环氧树脂层

123′TIR(内部全反射)光线

124′TIR(内部全反射)光线

126′光管

130′界面

140′棱镜面

141′第一反射/透射(双色)膜

142′未覆涂层的边沿

145′玻璃板

146′棱镜

147′棱镜

G 间隙结构

G′间隙结构

L1 初级照明光

L2 次级照明光

n1 折射率

n2 折射率

n3 折射率

RL1 重定向后的初级照明光

Claims

1.照明装置，具体地说投影***等用的照明装置，包括：

-光源装置(10)，生成和发射初级照明光(L1)；和

-光收集、积分和重定向装置(20)，从所述光源装置(10)接收至少一部分上述初级照明光(L1)并重定向所述收到的初级照明光(L1)，以便获得重定向的初级照明光(RL1)，并输出所述重定向后的初级照明光(RL1)或由此产生的次级照明光(L2)；

-其中光源装置(10)至少包括至少一个固态光源装置(30)，

-其中所述光收集、积分和重定向装置(20)包括一个光阀装置(40)，其接收所述重定向后的初级照明光(RL1)并以可控方式输出所述次级照明光(L2)，和

-其中所述光收集、积分和重定向装置(20)包括至少一个光积分装置(50)，以直接接收和积分由至少相关的所述至少一个光源装置(30)产生发射的所述初级照明光(L1)的至少一部分，并输出所述重定向后的初级照明光(RL1)或由此产生的光，

-其中所述光积分装置(50)和所述至少一个相关的固态光源装置(30)设置得在它们之间具有间隙结构(G)，具体为具有空气隙(G)或真空间隙(G)，其间隙宽度与光积分装置(50)或光源装置(30)相比较小。

2.按照权利要求1的照明装置，其特征在于，其中每一个固态光源装置(30)是或包括单个或多个固态光源(31，32，33)。

3.按照权利要求2的照明装置，其特征在于，其中每组多个固态光源(31，32，33)都是或包括固态光源(31，32)的阵列(33)。

4.按照权利要求2或3的照明装置，其特征在于，其中涉及不同类型的固态光源(31，32，33)，其中每一个具体用于产生和发射不同的频谱范围或颜色的辐射或光，和/或被组织在不同的组中。

5.按照权利要求2或3的照明装置，其特征在于，其中所述固态光源(31，32，33)是单个发光二极管(31)或多个发光二极管(31)。

6.按照权利要求2或3的照明装置，其特征在于，其中所述固态光源(31，32，33)是单个边沿发射发光二极管或多个边沿发射发光二极管。

7.按照权利要求2或3的照明装置，其特征在于，其中所述固态光源(31，32，33)是单一的垂直空穴表面发射激光装置(32)和/或激光二极管或多个垂直空穴表面发射激光装置(32)和/或激光二极管。

8.按照权利要求2或3的照明装置，其特征在于，其中所述固态光源(31，32，33)是单个谐振空穴发光二极管或谐振空穴发光激光二极管。

9.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，其中所述光积分装置(50)和所述至少一个相关固态光源装置(30)设置成空间上紧密靠近的关系。

10.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，其中所述光积分照明装置(50)和所述至少一个相关的固态光源装置(30)设置得彼此直接机械接触。

11.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，

-其中所述光积分装置(50)具有光入射孔(50I)，

-其中所述相关的固态光源装置(30)具有光发射孔(30O，30E)，而且

-其中所述光发射孔(30O，30E)小于或等于所述光入射孔(50I)。

12.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，

-其中所述光阀装置(40)具有光入射孔或进孔(40I)，

-其中所述光积分装置(50)具有光输出孔或出射孔(50O，50E)，而且

-其中所述光阀装置(40)的所述光入射孔或进孔(40I)小于或等于所述光积分装置(50)的所述光输出孔或出射孔(50O，50E)。

13.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，其中所述光积分装置(50)是光管、积分棒等。

14.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，其中所述光积分装置(50)是固态棒，具体为由光学透明材料、塑料、玻璃等制成。

15.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，其中所述光积分装置(50)是空心管装置，具有反射或镜反射内壁(50s)或侧面(50s)。

16.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，其中所述光积分装置(50)具有正方形、矩形、六角形、三角形、卵圆形或圆形截面。

17.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，其中所述光积分装置(50)是或包括光混合装置(55)，具体为分束器装置(55)、彩色立方体装置(55)等。

18.按照权利要求17的照明装置，其特征在于，其中所述光积分装置(50)包括多个光入射孔或进孔(50I)和至少一个光输出孔或出射孔(50O，50E)。

19.按照权利要求1至3中任何一项的照明装置，其特征在于，其中设置光连接和/或引导改善装置(50A)，以改善所述初级照明光(L1)从所述光源装置(10)到所述光收集、积分和重定向装置(20)和/或在其内，和具体为到光积分装置(50)和/或在其内的连接和/或引导。

20.照明装置，特别是投影***等用的照明装置，包括：

-光源装置(10)，生成和发射初级照明光(L1)；和

-光收集、积分和重定向装置(20)，从所述光源装置(10)接收至少部分所述初级照明光(L1)并重定向所接收的初级照明光(L1)，以便获得重定向的初级照明光(RL1)并输出所述重定向的初级照明光(RL1)或由此产生的次级照明光(L2)，

-其中所述光收集、积分和重定向装置(20)包括至少一个光积分装置(50)，以直接接收和积分由至少部分所述光源装置(10)产生发射的所述初级照明光(L1)的至少一部分，并输出所述重定向后的初级照明光(RL1)或由此产生的光，

-其中设置光连接和/或引导改善装置(50A)，以改善所述初级照明光(L1)从所述光混合装置(44′，64′，65′)到光收集、积分和重定向装置(20)和/或在其内，具体为到所述光积分装置(50)和/或在其内的连接和/或引导，

21.按照上列权利要求中任何一项的照明装置，其特征在于，

-其中所述光积分装置(50)是或包括普通光管，具体为具有光入射孔(50I)和侧壁(50s)的固态的积分棒，

-其中所述光积分装置(50)的所述侧壁(50s)至少在所述光入射孔(50I)附近装备有反射装置(50m)，作为所述光连接和/或引导改善装置(50A)或作为其周边的一部分，

-其中所述反射装置(50m)用于将从光积分装置(50)通过侧壁(50s)逸出的光反射回所述光积分装置(50)。

22.按照上列权利要求中任何一项的照明装置，其特征在于，

-其中所述光积分装置(50)是或包括普通光管，具体为具有光入射孔(50I)的固态的积分棒，

-其中所述光积分装置(50)的所述光入射孔(50I)定位在所述光源装置(10)和/或所述光混合装置(44′，64′，65′)的光出射孔(30E)附近，和

-其中在所述光积分装置(50)的所述光入射孔(50I)和所述光源装置(10)和/或所述光混合装置(44′，64′，65′)的所述光出射孔(30E)之间设置折射率匹配装置(50r)，具体为填充所述光积分装置(50)的所述光入射孔(50I)和所述光源装置(10)和/或所述光混合装置(44′，64′，65′)的所述光出射孔(30E)之间的间隙或间隙结构(G，G′)。

23.按照权利要求22的照明装置，其特征在于，其中所述折射率匹配装置(50r)是液体、凝胶和/或胶水。

24.按照上列权利要求22的照明装置，其特征在于，其中所述折射率匹配装置(50r)具有一个基本上与所述光积分装置(50)材料的折射率或所述光源装置周边材料的折射率一致的折射率。

25.按照权利要求20至21中任何一项的照明装置，其特征在于，

-其中所述光积分装置(50)是或包括具有光入射孔(50I)的空心光管，

-其中所述光积分装置(50)的所述光入射孔(50I)定位在所述光源装置(10)和/或光混合装置(44′，64′，65′)的光出射孔(30E)附近，和

-其中所述光入射孔(50I)附近的另一段或末段终止于所述光入射孔(50I)，具体为用普通光管段(50P)完全填充，具体为用于匹配各自的折射率。