專(zhuān)利名稱(chēng)：照明系統(tǒng)、圖案照明系統(tǒng)以及圖案投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型總體上涉及照明和投影領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種提供均勻照明的照明系統(tǒng)、圖案照明系統(tǒng)、圖案投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著圖案投射技術(shù)的發(fā)展，投射出各種圖案的圖案投射系統(tǒng)已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。功率較大的圖案投射系統(tǒng)可以在歌舞廳中或舞臺(tái)上作為效果燈。功率較小的圖案投射系統(tǒng)可以用作裝飾性的射燈，或者用在公司前臺(tái)處，用于投射公司的標(biāo)志等。對(duì)于圖案投射系統(tǒng)而言，其照明系統(tǒng)提供的照明光線的均勻性非常重要。如果照明光線不均勻，則圖案投射系統(tǒng)投射的圖案的亮度也會(huì)不均勻，因而影響圖案投射的效果。

實(shí)用新型內(nèi)容鑒于以上問(wèn)題，作出了本實(shí)用新型。需要說(shuō)明的是，雖然本實(shí)用新型針對(duì)上述問(wèn)題而提出，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本實(shí)用新型所提出的照明系統(tǒng)、圖案照明系統(tǒng)、圖案投影系統(tǒng)不限于用于圖案投射燈，而是可用于任何需要均勻照明、圖案照明或圖案投影的場(chǎng)合。具體地，本實(shí)用新型意在提出一種具有均勻照明的照明系統(tǒng)、圖案照明系統(tǒng)、圖案投影系統(tǒng)。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提出了一種照明系統(tǒng)，包括:光源；光線約束元件，放置在所述光源的下游，以將所述光源發(fā)射的光的出射角度約束到預(yù)定范圍內(nèi)；以及均勻化元件，放置在所述光線約束元件的下游，接受所述光線約束元件出射的光線并射出，從而使光線的分布均勻。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，提出了一種圖案照明系統(tǒng)，包括上述照明系統(tǒng)以及由非均勻透射率形成的圖案的圖案板，其中，所述圖案板放置在所述均勻化元件的下游，以接收從所述均勻化元件射出的光線。根據(jù)本實(shí)用新型的又一個(gè)方面，提出了一種圖案投影系統(tǒng)，包括上述圖案照明系統(tǒng)以及放置在所述圖案照明系統(tǒng)的圖案板的下游的成像系統(tǒng)。通過(guò)
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)用新型的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。

為了進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的以上和其它優(yōu)點(diǎn)和特征，
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。所述附圖連同下面的詳細(xì)說(shuō)明一起包含在本說(shuō)明書(shū)中并且形成本說(shuō)明書(shū)的一部分。應(yīng)當(dāng)理解，這些附圖僅描述本實(shí)用新型的典型示例，而不應(yīng)看作是對(duì)本實(shí)用新型的范圍的限定。在附圖中:圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式的照明系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)框圖；[0012]圖2a_2c是分別示出了作為光線約束元件的示例的棱鏡、反光杯、透鏡組的工作原理的圖；圖3a_3d是示出了作為均勻化元件的示例的雙層復(fù)眼透鏡的工作原理的圖；圖4是示出了根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施方式的照明系統(tǒng)100A的結(jié)構(gòu)框圖；圖5a_5c是照明系統(tǒng)100的一個(gè)具體不例系統(tǒng)100’的不意圖；圖6是分別使用照明系統(tǒng)100’以及現(xiàn)有技術(shù)的照明系統(tǒng)獲得的照明效果的對(duì)比示意圖；圖7是根據(jù)本實(shí)用新型的另一實(shí)施方式的圖案照明系統(tǒng)200的結(jié)構(gòu)框圖，其中圖案照明系統(tǒng)200包括照明系統(tǒng)100 ；圖8是圖案照明系統(tǒng)200的一個(gè)具體示例系統(tǒng)200’的示意圖，其中圖案照明系統(tǒng)200，包括照明系統(tǒng)100，。
具體實(shí)施方式
在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在說(shuō)明書(shū)中并未描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開(kāi)發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施例的過(guò)程中必須做出很多特定于實(shí)施方式的決定，以便實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)人員的具體目標(biāo)，并且這些決定可能會(huì)隨著實(shí)施方式的不同而有所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開(kāi)發(fā)工作有可能是非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但對(duì)得益于本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這種開(kāi)發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。此外，為了便于說(shuō)明，在所描述的一些示例性實(shí)施例中使用了具體的元件。但是應(yīng)當(dāng)明白，本實(shí)用新型所應(yīng)用的照明系統(tǒng)、圖案照明系統(tǒng)、圖案投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不限于此，這里所描述的實(shí)施例只是用于說(shuō)明，而不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限制。本實(shí)用新型的范圍僅由所附權(quán)利要求及其等效含義來(lái)限定。圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式的照明系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)框圖。照明系統(tǒng)100包括光源101、放置在光源101的下游的光線約束元件102、以及放置在光線約束元件102的均勻化元件103。光線約束元件102將光源101發(fā)出的光的出射角度約束到預(yù)定范圍內(nèi)。均勻化元件103接受光線約束元件102出射的光線并射出，從而使光線的分布均勻。應(yīng)該合理地選擇和布置光源101和光線約束元件102，以將光源101發(fā)出的光盡量多地入射到光線約束元件102中。這樣，可以提高對(duì)光源101的利用效率。類(lèi)似地，希望將均勻化元件103與光線約束元件102設(shè)置為使從光線約束元件102出射的光線盡量多地入射到均勻化元件103。希望光源101發(fā)出出射角度在一定范圍內(nèi)的光線，以有利于光線約束元件102盡量接收其發(fā)出的光線。光源101的優(yōu)選不例包括發(fā)光二極管。相對(duì)于360度發(fā)光的點(diǎn)光源，發(fā)光二極管只在發(fā)光面發(fā)光，即在180度或更小的范圍內(nèi)發(fā)光，因此是一個(gè)較好的選擇。但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，盡管此處將發(fā)光二極管作為光源101的優(yōu)選示例，任何合適的其它發(fā)光元件都可以用作光源101。光線約束元件102的優(yōu)選示例包括光導(dǎo)、反光杯(反射腔)、透鏡或透鏡組，目的均在于將入射光的出射角度限制在一定范圍內(nèi)。光導(dǎo)的不例可以包括全內(nèi)反射(TIR)光學(xué)器件，全內(nèi)反射光學(xué)器件可以包括棱鏡或者由芯和包覆層構(gòu)成的器件，其中芯的折射率高于包覆層的折射率。下面參照?qǐng)D2a-2c簡(jiǎn)要說(shuō)明棱鏡、反光杯、透鏡作為光線約束元件102的
工作原理。棱鏡是一種由折射率比空氣高的材料制成的柱狀透明物體，其入射光表面和出射光表面彼此平行并且可為圓形、多邊形等，側(cè)面母線可為直線、折線或曲線。圖2a示出了側(cè)面母線為直線的棱鏡的工作原理。如該圖所示，由于棱鏡的材料折射率比空氣高，所以光線在入射面進(jìn)行折射，使入射光角度減少。在光線進(jìn)入棱鏡內(nèi)部后，將在側(cè)面發(fā)生全反射，從出射面射出(圖2a中未不出)?？梢?jiàn)，棱鏡能夠縮減光線的出射角度。反射腔(也稱(chēng)為反光杯)是一種通過(guò)反射來(lái)縮減光線的出射角度的器件。反射腔通常實(shí)現(xiàn)為中空結(jié)構(gòu)，在一側(cè)具有開(kāi)口，開(kāi)口形狀可為圓形，多邊形等；母線可為直線，折線或曲線。圖2b示出了反光杯的工作原理。如該圖所示，反光杯通過(guò)側(cè)面反射來(lái)收集入射光，以縮減光線的出射角度。另外，透鏡也可以用作光線約束元件102。理論上，透鏡可以將焦點(diǎn)位置的點(diǎn)光源發(fā)射出的光線出射為平行光線。但是由于實(shí)際使用的光源101并不是理想的點(diǎn)光源而是具有一定的發(fā)光面積，因此，可能需要包含兩個(gè)或更多個(gè)透鏡的透鏡組來(lái)將光源101出射的光線的角度縮減到一定范圍。圖2C示出了通過(guò)使用由兩個(gè)透鏡構(gòu)成的透鏡組來(lái)縮減光線角度的示意圖。注意，盡管此處通過(guò)上述優(yōu)選示例來(lái)說(shuō)明光線約束元件102，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，只要能夠?qū)⒐庠?01發(fā)出的光的出射角度約束到預(yù)定范圍內(nèi)，任何合適的其它元件都可以用作光線約束元件102。均勻化元件103的優(yōu)選示例包括雙層復(fù)眼透鏡。復(fù)眼透鏡是由一系列微透鏡排列形成的陣列。雙層復(fù)眼透鏡是前后布置的兩個(gè)復(fù)眼透鏡，第一復(fù)眼透鏡(位置在前)中的各個(gè)微透鏡的焦點(diǎn)與第二復(fù)眼透鏡(位置在后)中對(duì)應(yīng)的微透鏡的中心重合，并且兩個(gè)復(fù)眼透鏡的光軸彼此共線。下面參照?qǐng)D3a-3d簡(jiǎn)要說(shuō)明雙層復(fù)眼透鏡作為光線均勻化元件103的
工作原理。如圖3a所示，理想情況下，對(duì)雙層復(fù)眼透鏡的入射光是與光軸平行的光束。與光軸平行的光束通過(guò)第一復(fù)眼透鏡的每個(gè)微透鏡后會(huì)聚在第二復(fù)眼透鏡的每個(gè)對(duì)應(yīng)微透鏡的光心處。由于通過(guò)光心的光線出射方向不會(huì)改變，因此這些會(huì)聚光線從光心按原路射出后形成多個(gè)小光束。出射小光束的角度范圍為2 Φ，其由每個(gè)微透鏡的高度和焦距決定。參照示出了雙層復(fù)眼透鏡的一對(duì)對(duì)應(yīng)微透鏡的示意圖的圖3b，可以看出，tan(ct)=h/(2f)，其中h和f分別為微透鏡的高度和焦距。為方便描述，以下也將Φ稱(chēng)為復(fù)眼透鏡的特征角度。這些小光束在第二復(fù)眼透鏡的每個(gè)微透鏡的焦距之后開(kāi)始相互交叉并彼此疊加。根據(jù)圖3a可以想到，在第二復(fù)眼透鏡的微透鏡的一倍焦距到二倍焦距之間，每個(gè)微透鏡的小光束只與相鄰微透鏡的小光束發(fā)生疊加。到了二倍焦距到三倍焦距之間，每個(gè)微透鏡的小光束開(kāi)始與間隔一個(gè)微透鏡的小光束發(fā)生疊加。以此類(lèi)推，距離第二復(fù)眼透鏡越遠(yuǎn)，則每個(gè)微透鏡的小光束與越多數(shù)目的其它微透鏡的小光束進(jìn)行疊加。假設(shè)第二復(fù)眼透鏡的下游有一個(gè)“接收平面”，用于接收從第二復(fù)眼透鏡出射的光，則對(duì)于接收平面的一點(diǎn)而言，其接收的光是由第二復(fù)眼透鏡的多個(gè)微透鏡出射的光線疊加到該點(diǎn)的效果。各點(diǎn)的照度由每個(gè)點(diǎn)接收從多少個(gè)微透鏡出射的光線來(lái)決定?？梢韵胫罥J，當(dāng)“接收平面”距離復(fù)眼透鏡較遠(yuǎn)時(shí)，在“接收平面”上與復(fù)眼透鏡中心相對(duì)應(yīng)的一定范圍內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)都可以從數(shù)目相近的微透鏡接收到光線，因此疊加后的結(jié)果是這個(gè)范圍內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)的亮度之間的差異變小，甚至近似相同。這樣，認(rèn)為在這個(gè)范圍內(nèi)，雙層復(fù)眼透鏡改善了入射光線的均勻性，射出的光線近似均勻，因此將這個(gè)范圍稱(chēng)為雙層復(fù)眼透鏡的均勻范圍。注意，這里使用的術(shù)語(yǔ)“均勻范圍”并非指該范圍內(nèi)獲得絕對(duì)均勻的效果，而是均勻性改善效果較好，因此可以認(rèn)為近似均勻。離開(kāi)該范圍向外，則每一點(diǎn)都從數(shù)目較少的微透鏡接收到光線。并且，離開(kāi)該范圍越遠(yuǎn)，每一點(diǎn)就接收越少數(shù)目的微透鏡的光線，因而亮度越小，直到接收不到任何微透鏡的光線為止。因此，由于均勻范圍內(nèi)外的照度的區(qū)別，可以認(rèn)為均勻范圍在接收平面上近似構(gòu)成了一個(gè)“光斑”，可以將這個(gè)“光斑”稱(chēng)作為雙層復(fù)眼透鏡對(duì)于平行于光軸入射的光線的響應(yīng)。根據(jù)以上描述可知，“接收平面”距離第二復(fù)眼透鏡越遠(yuǎn)，則均勻范圍內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)就從數(shù)目越多的微透鏡接收到光線，各個(gè)微透鏡出射小光束之間的差異對(duì)該點(diǎn)的整個(gè)照度的影響就越小。這樣，均勻性改善的效果就越好，整個(gè)均勻范圍內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的照度就越均勻。一般而言，只要接收平面與第二復(fù)眼透鏡的之間的距離相對(duì)于每個(gè)微透鏡的尺寸而言最夠大(例如超過(guò)單個(gè)微透鏡焦距/高度的若干倍)，就可以認(rèn)為可以雙層復(fù)眼透鏡改善入射光線的均勻性的效果較好，并在該接收平面上獲得上述均勻范圍。在極限情況下，接收平面位于無(wú)限遠(yuǎn)處，則可以將雙層復(fù)眼透鏡看作一個(gè)發(fā)光角度為2Φ的點(diǎn)光源，此時(shí)從雙層復(fù)眼透鏡以2Φ角度出射的光線照到這個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)的“接收平面”上所得到的區(qū)域，即為上述均勻范圍，該區(qū)域同時(shí)也就是作為雙層復(fù)眼透鏡的響應(yīng)的上述“光斑”。此時(shí)如果以角度的方式來(lái)衡量均勻范圍，則整個(gè)復(fù)眼透鏡出射光線的均勻角度范圍Θ大小等于一個(gè)小光束的角度范圍2Φ。上述作用過(guò)程相當(dāng)于復(fù)眼透鏡將光源的整個(gè)寬光束分為多個(gè)細(xì)光束照明，且整個(gè)寬光束范圍內(nèi)的不均勻性由于各個(gè)細(xì)光束擴(kuò)散后的相互疊加而得以改善，從而使復(fù)眼透鏡的整個(gè)孔徑內(nèi)的光能量得到有效均勻的利用。下面考慮入射光束不是平行于雙層復(fù)眼透鏡的光軸的情況。如果入射光不是與光軸平行的光束，只要入射角度范圍小于復(fù)眼透鏡的特征角度Φ，就可以認(rèn)為雙層復(fù)眼透鏡對(duì)入射光線均勻性的改善效果較好，因此也能實(shí)現(xiàn)均勻照明。如圖3c所示，先分別考慮從左下方入射的光線以及從左上方入射的光線。此時(shí)，從左下方入射的光線通過(guò)雙層復(fù)眼透鏡的微透鏡后相對(duì)于平行光入射的情況向上傾斜，導(dǎo)致在“接收平面”上獲得的各個(gè)微透鏡的光線疊加后得到的均勻范圍相對(duì)于平行于光軸入射的情況向上偏移。對(duì)于從左上方入射到雙層復(fù)眼透鏡的光線，情況正好相反，即，使得“接收平面”上獲得的均勻范圍相對(duì)于平行于光軸入射的情況向下偏移?？梢岳斫?，光線的入射角度越大，其均勻范圍的偏移程度越大。對(duì)于入射光線包括了來(lái)自光軸的左下方、來(lái)自光軸的左上方、以及平行光軸的方向三種入射光線的情況，如果來(lái)自光軸的左下方和左上方的光線的入射角度都較小(例如小于復(fù)眼透鏡的特征角度Φ )，也就是全部入射光線的角度范圍較小，則可以認(rèn)為其各自的均勻范圍相對(duì)于平行于光軸入射的情況的偏移程度都較小，因此三種入射光線的均勻范圍有較大重合，則雙層復(fù)眼透鏡對(duì)全部入射光線的整體均勻性的改善效果較好，可以獲得一個(gè)針對(duì)全部入射光線的整體均勻范圍。根據(jù)上述討論可知，此時(shí)的整體均勻范圍相對(duì)于光線平行光軸入射的情況下的均勻范圍向其中心收縮，即整體均勻范圍變小。這樣，在無(wú)窮遠(yuǎn)處考察，整個(gè)雙層復(fù)眼透鏡的出射光束的均勻角度范圍Θ變得小于與光軸平行的入射光的情況。另一方面，如果入射光的入射角度范圍過(guò)大(例如大于復(fù)眼透鏡的特征角度Φ)，則入射光當(dāng)中入射角度較大的這部分光線在“接收平面”上獲得的均勻范圍相對(duì)于平行于光軸入射的情況下的偏移過(guò)多。此時(shí)，該部分光線的均勻范圍與其它光線的均勻范圍重合較少，全部入射光線的整體均勻性變差。由于特征角度Φ反映了雙層復(fù)眼透鏡的微透鏡的特征，因此經(jīng)常以該角度作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量入射角度的范圍。但是，這并不是一個(gè)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以根據(jù)系統(tǒng)需要的均勻效果而設(shè)定雙層復(fù)眼透鏡的入射角度范圍。當(dāng)將雙層復(fù)眼透鏡用作均勻化元件103時(shí)，光線約束元件102將光源101發(fā)出的光的出射角度約束到的目標(biāo)范圍就是能夠使雙層復(fù)眼透鏡實(shí)現(xiàn)較佳均勻化效果的復(fù)眼透鏡的入射角度范圍。另一方面，除了均勻照明之外，具有不同微結(jié)構(gòu)的復(fù)眼透鏡還能夠使出射光線投射在接收平面上的“光斑”形狀不同。該光斑形狀由構(gòu)成復(fù)眼透鏡的每個(gè)微透鏡的形狀決定。圖3d中的上圖示出了微透鏡的形狀分別為六邊形和正方形的復(fù)眼透鏡，而下圖則相應(yīng)地示出了這兩個(gè)復(fù)眼透鏡在入射光為平行光時(shí)得到的光斑，其形狀與復(fù)眼透鏡的微透鏡的形狀一致。鑒于復(fù)眼透鏡的這一特性，可以根據(jù)具體應(yīng)用所要求的“光斑”形狀，來(lái)選擇具有不同微結(jié)構(gòu)的復(fù)眼透鏡。此外，在照明系統(tǒng)100中，光源101可以包括至少兩個(gè)子光源，而光線約束元件102可以包括與子光源數(shù)量相對(duì)應(yīng)的子約束元件。此時(shí)，均勻化元件103將來(lái)自多個(gè)子約束元件的光線進(jìn)行混合，并出射均勻的光線。這些子光源的顏色可以相同或不同。當(dāng)子光源的顏色不同時(shí)，均勻化元件103射出的是混合光，其顏色由各個(gè)子光源的顏色決定。可以將這些子光源中的至少一個(gè)的亮度設(shè)置為可調(diào)，以在子光源顏色相同時(shí)改變均勻化元件103射出的光線的強(qiáng)度，并在子光源顏色不同時(shí)改變均勻化元件103射出的光線的強(qiáng)度和顏色。例如，子光源的數(shù)目可以是至少三個(gè)，并且包括紅光子光源、綠光子光源、藍(lán)光子光源。此時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)子光源的顏色來(lái)獲得任意顏色的混合光。類(lèi)似地，子光源的數(shù)目也可以是至少四個(gè)，并且包括白光子光源、紅光子光源、綠光子光源、藍(lán)光子光源。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知如何將不同顏色的光進(jìn)行混合以獲得需要顏色的光的方法，在此將不進(jìn)行詳細(xì)描述。另外，可以設(shè)計(jì)子光源的布置方式。例如，當(dāng)子光源包括三種顏色的子光源時(shí)，可以將子光源按顏色分組布置，每組子光源分別布置成三角形或一列等。類(lèi)似地，當(dāng)子光源包括四種顏色的子光源時(shí)，也可以將子光源按顏色分組布置，每組子光源分別布置成正方形、平行四邊形或一列等。當(dāng)然，也可以將子光源布置為常規(guī)的陣列。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本公開(kāi)的內(nèi)容想到如何將根據(jù)不同的系統(tǒng)需要和其他設(shè)計(jì)因素來(lái)排列這些子光源，在此將不進(jìn)行詳細(xì)描述。圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施方式的照明系統(tǒng)100A的結(jié)構(gòu)框圖。照明系統(tǒng)100A與照明系統(tǒng)100的區(qū)別在于，進(jìn)一步包括放置在均勻化元件103的下游的會(huì)聚元件105。會(huì)聚元件105用于會(huì)聚從均勻化元件103射出的光線,使得相較于沒(méi)有會(huì)聚元件105的情況下，能夠在距均勻化元件103更近的距離處獲得均勻的光線。只要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光線的會(huì)聚作用的元件都可以用作會(huì)聚元件，例如透鏡等。以雙層復(fù)眼透鏡作為均勻化元件103的情況為例，參照以上對(duì)雙層復(fù)眼透鏡工作原理的描述，如果使用會(huì)聚元件105對(duì)從雙層復(fù)眼透鏡出射的各個(gè)小光束進(jìn)行會(huì)聚，則可以在會(huì)聚元件105的下游距雙層復(fù)眼透鏡較近的“接收平面”上使得較多微透鏡的小光束參加疊加，從而獲得上述“均勻范圍”。例如，假如沒(méi)有會(huì)聚元件105的情況下“接收平面”需要距雙層復(fù)眼透鏡十倍微透鏡焦距，則使用會(huì)聚元件105的情況下“接收平面”可能只需要距雙層復(fù)眼透鏡五倍微透鏡焦距。注意，此處距離相對(duì)微透鏡焦距的舉例只是說(shuō)明性的而非意在限制。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)系統(tǒng)需要選擇合適的距離。以下參照?qǐng)D5a_5c描述照明系統(tǒng)100的一個(gè)具體示例系統(tǒng)100’。圖5a是具體示例系統(tǒng)100’的示意圖，該系統(tǒng)100’包括四個(gè)LED、四個(gè)對(duì)應(yīng)的棱鏡以及一個(gè)雙層復(fù)眼透鏡。圖5b是示出照明系統(tǒng)100’中的一對(duì)LED和棱鏡的參數(shù)的示意圖。圖5c是示意性示出照明系統(tǒng)100’中最上方的LED與雙層復(fù)眼透鏡之間的光路的示意圖。在照明系統(tǒng)100’中，作為舉例，使用了具有圖3d上圖的右側(cè)所示的微結(jié)構(gòu)的雙層復(fù)眼透鏡，作為作均勻化元件103。這個(gè)雙層復(fù)眼透鏡的形狀也是正方形。在光源一側(cè)，使用了四個(gè)LED用作光源101，每個(gè)LED的出光角度是a。此處，LED的出光角度定義為亮度下降到峰值的一半時(shí)的角度。這些LED光源的顏色可以分別是紅、藍(lán)、綠、綠。為了容易獲得混合的白光，可以將其發(fā)光亮度之比設(shè)為是1:1:1:1。當(dāng)需要改變復(fù)眼透鏡出射的混合光的顏色時(shí)，只需要調(diào)節(jié)LED的亮度即可。在每個(gè)LED與雙層復(fù)眼透鏡之間均放置了一個(gè)棱鏡，用作光線約束元件102。在這個(gè)具體實(shí)施方式
中，棱鏡截面為正方形、母線為折線。母線為折線的棱鏡能夠比母線為直線的棱鏡更好地縮減光線的出射角度。通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇棱鏡，使得棱鏡的出射光的角度范圍β <2Φ，即棱鏡的出射光線對(duì)復(fù)眼透鏡的入射角β/2< Φ，以滿足雙層復(fù)眼透鏡的特征角度范圍。各個(gè)LED發(fā)出的光通過(guò)棱鏡后入射到復(fù)眼透鏡，由于棱鏡的出射光線對(duì)復(fù)眼透鏡的入射角β/2< Φ，因此參照以上對(duì)于復(fù)眼透鏡工作原理的描述，可知此時(shí)經(jīng)過(guò)雙層復(fù)眼透鏡的作用，能夠在距離復(fù)眼透鏡一定距離(例如超過(guò)單個(gè)微透鏡焦距/高度的若干倍(例如10倍))處的接收平面上實(shí)現(xiàn)復(fù)眼透鏡出射光線的均勻。圖5a中僅示意性地示出了第一個(gè)LED經(jīng)過(guò)棱鏡后發(fā)出的兩束光線入射到復(fù)眼透鏡后出射的小光束。具體地，如圖5c中所示，第一個(gè)LED經(jīng)過(guò)棱鏡后發(fā)出的光束可以分別照射到復(fù)眼透鏡的不同位置處，并分別發(fā)出圖中所示的小光束。其他LED和棱鏡的情況與之類(lèi)似。參照以上對(duì)于復(fù)眼透鏡工作原理的描述，全部四個(gè)LED出射的光線在第二復(fù)眼透鏡之后出射的各個(gè)小光束在每個(gè)微透鏡的焦距之后開(kāi)始與相鄰小光束疊加。這樣，在距離雙層復(fù)眼透鏡一定距離處實(shí)現(xiàn)了光線的均勻。另外，為了實(shí)現(xiàn)顏色的混合(即獲得均勻的白光)，需要該均勻范圍內(nèi)的每一點(diǎn)都接收到分別來(lái)自四個(gè)LED、再分別經(jīng)過(guò)第一復(fù)眼透鏡和第二復(fù)眼透鏡的光線。此時(shí)，如果四個(gè)LED光源之間的距離較為分散，即入射到復(fù)眼透鏡的位置較為分散，則為了滿足混合全部四個(gè)LED的光線以獲得均勻白光的條件，需要接收平面距第二復(fù)眼透鏡的距離比僅僅實(shí)現(xiàn)光線均勻的距離更遠(yuǎn)。注意，盡管圖中未示出，但是參照?qǐng)D4所示的照明系統(tǒng)100A，此時(shí)同樣可在照明系統(tǒng)100’中加入會(huì)聚元件105 (例如透鏡)，以減小接收平面距第二復(fù)眼透鏡的距離。此外，為了提高對(duì)LED發(fā)出的光的利用率，可以根據(jù)LED的出光角度α與棱鏡入射面的邊長(zhǎng)a，來(lái)設(shè)置每個(gè)LED與對(duì)應(yīng)棱鏡之間的距離LI < Safligia/2),使得出光角度α范圍內(nèi)的光線全部照射到棱鏡上。類(lèi)似地，可以根據(jù)從棱鏡出射的光線的角度β與復(fù)眼透鏡的邊長(zhǎng)d、邊緣LED據(jù)光源中心的距離c (圖中未示出)，設(shè)置棱鏡與復(fù)眼透鏡之間的距離
權(quán)利要求1.一種照明系統(tǒng)，包括: 光源； 光線約束元件，放置在所述光源的下游，以將所述光源發(fā)射的光的出射角度約束到預(yù)定范圍內(nèi)；以及 均勻化元件，放置在所述光線約束元件的下游，接受所述光線約束元件出射的光線并射出，從而使光線的分布均勻。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源包括發(fā)光二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光線約束元件包括以下元件中的一個(gè):光導(dǎo)、反射腔、透鏡或者透鏡組。
4.如權(quán)利要求3所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光導(dǎo)包括全內(nèi)反射光學(xué)器件。
5.如權(quán)利要求4所述的照明系統(tǒng)，其中，所述全內(nèi)反射光學(xué)器件包括棱鏡或者由芯和包覆層構(gòu)成的器件，所述芯的折射率高于所述包覆層的折射率。
6.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，將所述光源設(shè)置為使其發(fā)出的光盡量多地入射到所述光線約束元件中。
7.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中，所述均勻化元件包括雙層復(fù)眼透鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，進(jìn)一步包括放置在所述均勻化元件的下游的會(huì)聚元件。
9.如權(quán)利要求1到8之一所述的照明系統(tǒng)，其中，所述光源包括至少兩個(gè)子光源，并且所述光線約束元件包括相應(yīng)數(shù)量的子約束元件。
10.如權(quán)利要求9所述的照明系統(tǒng)，其中，所述至少兩個(gè)子光源的顏色相同或不同。
11.如權(quán)利要求9所述的照明系統(tǒng)，其中，所述至少兩個(gè)子光源中的至少一個(gè)的亮度可以調(diào)節(jié)，以改變所述均勻化元件射出的光線的強(qiáng)度和/或顏色。
12.如權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，所述子光源的數(shù)目是至少三個(gè)，并且包括紅光子光源、綠光子光源、藍(lán)光子光源。
13.如權(quán)利要求11所述的照明系統(tǒng)，其中，所述子光源的數(shù)目是至少四個(gè)，并且包括白光子光源、紅光子光源、綠光子光源、藍(lán)光子光源。
14.一種圖案照明系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1-13中任意一項(xiàng)所述的照明系統(tǒng)以及由非均勻透射率形成圖案的圖案板，其中，所述圖案板放置在所述均勻化元件的下游，以接收從所述均勻化元件射出的光線。
15.如權(quán)利要求14所述的圖案照明系統(tǒng)，其中，所述均勻化元件與所述圖案板被設(shè)置為使所述均勻化元件射出的光線盡量入射到所述圖案板。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的圖案照明系統(tǒng)，其中，所述均勻化元件射出的光的覆蓋范圍的形狀與所述圖案板的形狀匹配。
17.一種圖案投影系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求14-16中任意一項(xiàng)所述的圖案照明系統(tǒng)以及放置在所述圖案照明系統(tǒng)的圖案板的下游的成像系統(tǒng)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了照明系統(tǒng)、圖案照明系統(tǒng)以及圖案投影系統(tǒng)。所述照明系統(tǒng)包括光源；光線約束元件，放置在所述光源的下游，以將所述光源發(fā)射的光的出射角度約束到預(yù)定范圍內(nèi)；以及均勻化元件，放置在所述光線約束元件的下游，接受所述光線約束元件出射的光線并射出，從而使光線的分布均勻。所述圖案照明系統(tǒng)，包括上述的照明系統(tǒng)以及由非均勻透射率形成圖案的圖案板，其中，所述圖案板放置在所述均勻化元件的下游，以接收從所述均勻化元件射出的光線。所述圖案投影系統(tǒng)，包括上述的圖案照明系統(tǒng)以及放置在所述圖案照明系統(tǒng)的圖案板的下游的成像系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B27/09GK203037980SQ20122028692
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者蘇志林, 諶偉煌, 曾思雄, 楊龍山 申請(qǐng)人:歐司朗股份有限公司