具有增強亮度的多路傳送光管的製作方法

2023-09-13 12:52:10 2

專利名稱：具有增強亮度的多路傳送光管的製作方法
技術領域：
本公開涉及多路傳送光源，並且更特別地涉及用於利用光管來實現多路傳送LED或其它光輸入件的增強光輸出的系統和方法。
背景技術：
一些光系統，例如投射系統，要求高的光輸出。在管腔中測量的光輸出通常需要 在用於低環境光的小型系統的1500至2500ANSI管腔的範圍內；用於較高光的中型應用的2500至4000ANSI管腔的範圍內；以及用於不具有光控制的大房間的4000以上的ANSI管腔。在LED發展方面已經取得大的進展，參見例如通過引用併入的於2009年8月17日提交的標題為 「RECYCLING SYSTEM AND METHOD FOR INCREASING BRIGHTNESS USING LIGHTPIPES WITH ONE OR MORE LIGHT SOURCES,AND A PROJECTOR INCORPORATING THE SAME」的普通受讓的共同未決美國專利申請序列號12/542,341。然而，當期望混合(多路傳送)具有不同顏色的光源(通常為具有基色RGB的LED)時，當前使用的技術或是昂貴或是在物理尺寸上大。因此，本領域對於這樣的裝置存在需求所述裝置允許在相對小的殼體中以經濟的方式混合有色光源，同時仍實現對諸如投影儀系統的電力裝置的足量光輸出。發明概述多色光源在再循環殼體中混合以實現高的光輸出。在一個實施方案中，諸如來自紅色、綠色和藍色LED的來自各種顏色光源的光一起多路傳送，並且混合光的部分通過光管的輸出孔隙。各顏色光的部分通過與孔隙相鄰的定形反射表面和/或反射塗層被反向再循環。反射表面的形狀使得將每種顏色的光引回至特定位置以使最終輸出光最大化。在一個實施方案中，光從殼體的輸出側被引回至具有相同顏色的輸入光源。在另一實施方案中，光從殼體的輸出側引回至光管的輸入側的被設計為反射該顏色光的塗層。然後，反射光朝向輸出孔隙被反向反射，並且該反射光的部分再次朝向輸入反射並且撞擊該顏色光的起始源。以此方式，光(至少在理論上)無限地再循環，從而增加了殼體的總的光輸出。在一些實施方案中，利用偏振使光再循環，在一些實施方案中，對輸入光進行準直。為了可以更佳地理解隨後對本發明的詳細描述，前面已經相當寬泛地概括了本發明的特徵和技術優勢。下面將對本發明的附加特徵和優勢進行說明，這些附加特徵和優勢形成了本發明的權利要求的主題。本領域技術人員應當理解的是，所公開的構思和具體實施方案可容易地用作改進或設計用於實現本發明的相同目的其它結構的基礎。本領域技術人員還應當理解的是，這些等同構造不偏離如隨附的權利要求中闡述的本發明的主旨和範圍。被視為是本發明的特徵的新穎性特徵，關於其組織和操作方法，連同進一步的目的和優勢，將從下面結合附圖考慮的說明書中得到更好地理解。然而，應明確地理解，提供各幅圖僅是為了示例和說明的目的，而不意在作為本發明的限制的定義。


為了更加全面地理解本發明，現在將參照下面結合附圖進行的說明，在附圖中圖IA至圖ID圖示了依照本發明的一個實施方案的使用光管的再循環光；圖2示出了在圖IA至圖ID中所示的實施方案中使用的輸入表面上的塗層布置的一個實施方案；圖3不出了在圖IA至圖ID中所不的光管中使用的輸出表面的一個實施方案；圖4示出了擴展以包括錐形光管的構思的一個實施方案； 圖5示出了使用偏振再循環光管的優選實施方案；圖6A不出了可選的實施方案,其中光從殼體的輸出側被引回至具有相同顏色的輸入光源；圖6B至圖6E示出了與圖6A中所示的實施方案一起使用的輸入光顏色的各種布置；以及圖7示出了用於投影系統的圖1A、圖5或圖6A的裝置的一個實施方案。發明詳述圖IA示出了一個實施方案10，其中利用直光管11來結合四個LED的輸出以生成單一輸出110，其中僅示出了四個LED中的兩個(諸如LED 13和LED 14)。光管11的輸入面15被劃分為四個象限，如圖2所示。子劃分(在此實施例中為象限)為紅色20-1、綠色20-2、綠色20-3、藍色20-4。能夠使用任意數量的子劃分，並且能夠將任意數量的顏色相結合。在此實施方案中，期望在輸出處生成白色光，因此使用紅色、綠色和藍色。基於為了獲得白色輸出而需要與紅色和藍色相比量較大的綠色的假設，在圖案中使用額外的綠色光。在一些情形下，可添加額外顏色以改變輸出的色調，即使期望的是白色光。返回至圖IAJgSLED 13為紅色LED，則來自LED 13的輸出將通過為紅色塗層的塗層20-1(如圖2所示)。紅色塗層將使光通過紅色頻譜，但是將反射綠色和藍色(以及任意其它可能的顏色)的光。類似地，與綠色LED相對的區域塗有反射紅色光和藍色光的綠色透射塗層(「綠色塗層」)。與藍色LED相對的區域塗有反射紅色光和綠色光的藍色透射塗層(「藍色塗層」)。這些塗層能夠有利地為二向色塗層，其在透射帶具有高(大概甚至為100% )的透射率並且在反射帶具有高(大概為100% )的反射率。光隨後通過孔隙進入光管。光管可由玻璃或塑料或任何其它適當的材料構造而成，並且能夠按期望方式成型。在此實施方案中，光管的輸出端12為球形表面,在一個實施方案中為凸形,其曲率中心位於具有光管輸入面15的中心的中心線上。如果利用再循環，則任選的反射塗層31 (也如圖3所示)部分地覆蓋輸出面12。光在離開管後通過未塗層區域32 (也如圖3所示)進行耦合，在未塗層區域32中下面將參照圖5討論的任選的偏振器還可用於偏振再循環。注意的是，如果與具有執行此處所述功能的部分反射表面的外透鏡結合使用，則殼體的輸出端能夠相對平坦。當來自一個特定LED (諸如來自LED 13)的光進入光管時，光作為光束101通過塗層20-1。來自束101的光的部分將通過開口 32離開光管，形成輸出束110。此部分顯示為101』。注意的是，我們正在討論的是僅來自LED 13的光。如果我們還要討論來自綠色LED14的光，那麼光的部分將形成輸出束，正如來自藍色LED的光的部分。這樣實際上將使輸出束為白色。然而，為了易於討論，我們將僅討論來自紅色LED 13的光。因此，如圖IA所示，束101的部分將作為束102從輸出表面31朝向輸入表面15往回反射(再循環)。表面31的形狀使得由於光管輸出面的球形輪廓而使來自LED 13(紅色)的束集中到與輸入光源對角相對的象限的塗層20-3(綠色)上。由於塗層如上所述被設計為反射除了綠色光譜光外的所有光，束102朝向輸出表面12被反向反射。注意的是，只要光管 的長度比其橫向尺寸足夠大，再循環的光線將碰撞到輸入面上與光線起源的源點近似對角相對的點。裝置被構造為使得相對象限的塗層具有相互排斥的透射譜，因此再循環的光將被該塗層再次反射並且隨後使其第二正向周程朝向輸出。如圖IA所示，束102正在進行其第一(奇數)反向周程且因此反射自塗層。可以看出，當束正在進行其第二反向周程(偶數)時，再循環的光將通過輸入面上的塗層並且反射自其最初產生的LED表面。換句話說，光花費兩輪周程回到其起始位置，並且通常此兩輪周程的過程保持自我重複無窮次數。現在轉到圖1B，注意的是，束已經減弱至更易於可視的光線。因此，光線101已經自表面31反射為光線102，光線102依次已從塗層20-3反射(如上面所討論)且已經變為光線103，顯示朝向輸出的表面31移動。光線103的某部分103』離開管並且與輸出束110
彡口口 在圖IC中，顯示束103的部分104從表面31反射且通過塗層20_1且從LED 13反射。如上面所討論，這是紅色束的第二(或偶數)反向輪周程。在圖ID中，顯示已從LED 13反射的光線105與光線101結合併且朝向光管的輸出移動。結合的101和105光線的部分離開管以形成束110，束105和101的部分朝向綠色塗層20-3被再次反向反射，並且再循環繼續構建強度。此過程不僅對於紅色束繼續，而且同時對於所有其它的束繼續，從而生成通過孔隙32的增強輸出光束。此構思能夠擴展至MXN LED晶片陣列，其中M和N均為偶數整數。對LED構造的唯一要求是，彼此對角相對的LED必須具有不同的發射波長以使對應的塗層具有不同的透射帶。當然，光源不具有LED。本文討論的構思還能夠用於雷射器或用於任何其它照明裝置。圖4示出了擴展以包括錐形光管41和42 (四個LED系統中的其它兩個未顯示)的構思。錐形光管的輸出表面用作隨後的多路傳送光管的「虛擬源」。錐形光管還用作將再循環光引導至正確LED的光導件。因此，「對角相對的點」限定在「虛擬源」上，即，錐形光管的輸出面上。為了獲得最佳的性能，需要將多路傳送光管的輸出面的曲率半徑和確切輪廓優化，以將一個輸入光源映像到其恰當的對角相對的對應光源。在一些情形下，輸出表面輪廓不需要為球形，只要實現本文討論的構思即可。一組錐形光管用於準直LED源的光，並且它們的輸出孔隙用作隨後多路傳送光管的一組「虛擬源」。顯示出的是，準直光使多路傳送光管工作得更好，對於長的光管(與其橫向尺寸相比「長」)的要求或多或少放鬆，這取決於準直的程度。圖5示出了優選的實施方案50，其中使用偏振再循環光管，例如不是用反射塗層覆蓋輸出面51，而是用偏振器54將輸出面51完全覆蓋。偏振器能夠具有以膠粘/接合到光管的輸出窗上的偏振器光柵或單獨偏振板的形式。在光管的輸入端處，一組四分之一波長板(X/4) 52和53插入彩色塗層20-1和20-3與用於旋轉再循環光的偏振的多路傳送光管11的輸入之間。由於通常對來自光源的輸入光進行隨機偏振，輸入光將通過四分之一波板，而不變成其偏振狀態。這種光隨後碰撞光管11的輸出側51，並且偏振過濾器54允許近似1/2的光離開管。另一半再循環回到管的輸入側到達與其起源的對角相對位置。光隨後通過1/4波過濾器並且從不同顏色的塗層反射。這種反射光隨後再次通過1/4波板，總共進行90度的偏振旋轉。以此方式，50%的光在第一正向周程通過偏振器54, 50%的光在第二正向周程被反向反射並且通過偏振器54 (在一次再循環之後)。以此方式，每個管腔/光子徑直離開管或者再循環一次。結果，在理論上實現了 100%的再循環效率。當然，100%的再循環效率的這一理論限制僅能夠在一組理想假設下實現光管無限長，入射束被100%準直並且與光軸平行行進(因此，極好地限定兩個偏振方向)。因此，圖4中所示的錐形光管將是有用的。然而，即使一組嚴格的要求被放鬆，本文討論的構造實現了相對高的再循環效率。圖6A不出了可選的實施方案60,其中來自諸如LED源61_1的輸入光源的光從殼體的輸出側62被引導回到輸入光源，諸如具有與光源61-1相同顏色的LED 61-2。注意的是，自輸出側62再循環能夠以多種方式來實現，例如，通過圖3所示的孔隙和反射表面並且通過圖5所示的偏振結構。當然，需要未示出的恰當的散熱裝置和其它控制設備，正如對於任意實施方案所需的。圖6B至圖6E示出了與圖6A所示的殼體60 —起使用的各種光圖案布置。注意的是，只要來自任意特定顏色的光反射回到其自身顏色，能夠使用任意數量的光顏色。換種方式表述，在此實施方案中再循環光被映像回到具有與該光線的起初顏色相同的顏色的輸入光源(在此實施例中為LED)上。這與圖IA所示的實施方案形成對比，在圖IA的實施方案中，自殼體輸出的光被映像回到與不同光顏色相關的塗層上。在大多數情形下，使用如結合圖IA至圖ID所討論的反射塗層將產生較高的光輸出。注意的是，在圖IA所示的實施方案中，輸入光的部分從輸出反射到具有不同顏色源的光的輸入面的對角相對部分，再反射是在具有不同顏色的透射帶的塗層的控制下發生的，而在圖6A的實施方案中，對角相對的輸入光具有相同的顏色，因此在所示實施方案中再反射是由作為LED的輸入光源的表面引起的。圖7示出了在諸如系統70的投影系統中使用的圖IA的裝置10或圖5的裝置50的一個實施方案。注意的是，在圖7中，已顯示出散熱裝置71。儘管在圖IA或圖5中未示出，此散熱裝置是必要的，取決於所採用的LED結構。從裝置10(或50)輸出的光通過用於投影儀引擎73的旋轉透鏡72。通常，投影儀將具有一個或多個投影透鏡75，並且輸出聚焦器74可以為DLP、LCOS或任何其它形式。這樣使用時，來自光管的輸出光應當是白色的。儘管已經詳細說明了本發明及其優勢，應當理解的是，能夠在不偏離如所附權利要求限定的本發明的主旨和範圍的情況下對本發明做出各種變型、替代和改動。而且，本申請的範圍不意在限制到說明書中描述的過程、機器、製造、物質組合物、裝置、方法和步驟的特定實施方案。由於本領域普通技術人員將易於從本發明的公開理解過程、機器、製造、物質組合物、裝置、方法或步驟，可根據本發明來使用執行與本文描述的對應實施方案大致相、同的功能或實現大致相同的結果的當前現有或後來發展的。因此，隨附的權利要求意在包 含在這些過程、機器、製造、物質組合物、裝置、方法或步驟的範圍之內。
權利要求
1.一種光管，包括 至少兩個輸入光源，所述源具有至少兩種不同顏色； 輸出，其用於使光的碰撞到所述輸出的部分離開所述光管並且將光的不通過所述輸出的那部分再循環； 所述再循環光布置為碰撞被設計為形成所述再循環光的第二再循環的與所述輸入光源相關的表面，所述第二再循環光至少部分通過所述光管的所述輸出，其中所述輸出光為所述輸入光顏色的結合。
2.如權利要求I所述的光管，其中，所述第二再循環是通過一種顏色的光映像到相同顏色的輸入光上來實現的。
3.
4.如權利要求2所述的光管，其中，所述輸入光源被準直。
5.如權利要求2所述的光管,其中，所述輸入光源在輸入側的碰撞表面與所述光進入所述光管的所述輸入側的點對角相對。
6.如權利要求I所述的光管，其中，所述輸入光源相關的表面包括與每個輸入光源相關的塗層，所述塗層使與所述相關光源相同顏色的光通過並且反射由所述光管接收到的任意其它顏色的光。
7.如權利要求6所述的光管，其中，所述再循環是通過偏振控制的。
8.如權利要求6所述的光管，其中，所述輸入光源被準直。
9.如權利要求6所述的光管，其中，所述輸出包括 表面，其用於將再循環光從特定顏色的光源引導至與具有與所述特定顏色不同的顏色的光源相關的塗層。
10.如權利要求9所述的光管,其中,所述輸入光源在輸入側的碰撞表面與所述光進入所述光管的所述輸入側的點對角相對。
11.如權利要求I所述的光管，其中，所述至少兩個輸入光源的第一光源為紅色LED，所述至少兩個輸入光源的第二光源為綠色LED，並且其中，所述至少兩個輸入光源進一步包括第三輸入光源，所述第三輸入光源為藍色LED，並且其中來自所述第一、第二和第三輸入源的光在所述輸出的控制下結合以提供白色輸出光。
12.如權利要求11所述的光管，其中，所述裝置進一步包括 第四輸入光源，所述第四輸入光源為所述第一、第二或第三輸入光源中的一個的複製品，並且其中，來自所述第一、第二、第三和第四輸入源的光在所述輸出的控制下結合以提供白色輸出光。
13.如權利要求6所述的光管,其中,所述輸入光源在輸入側的碰撞表面與所述光進入所述光管的所述輸入側的點對角相對。
14.如權利要求I所述的光管，其中，所述輸出表面是局部反射性的。
15.如權利要求14所述的光管，其中，所述再循環是通過偏振控制的。
16.如權利要求I所述的光管，進一步包括 投影儀，包括 投影引擎和旋轉透鏡，所述旋轉透鏡用於耦合來自所述光管的所述輸出的光，以便由所述投影儀使用。
17.一種用於產生光輸出的裝置，所述輸出光為至少兩種不同輸入光顏色的結合，所述裝置包括 光管，其用於接收至少來自第一顏色的第一光源和第二顏色的第二光源的輸入光；每個所述光源具有與其相關的塗層，每個所述塗層使與所述相關光源相同顏色的光通過並且反射由所述光管接收到的任意其它顏色的光； 所述光管具有輸出端，所述輸出端具有至少一個輸出孔隙，所述輸出孔隙被布置為使起源自所述第一和第二光源中的每個的所述光的部分通過； 所述輸出端還被布置為再循環源自所述第一和第二光源中的每個的所述光的未通過所述輸出孔隙的部分，所述再循環光被導向與除了所述起源光源的顏色之外的顏色相關的塗層；使得從所述輸出端引導至每個所述塗層的所述光從所述塗層再循環回到所述輸出端，在所述輸出端部分隨後通過所述孔隙，而部分再循環回到相同顏色的所述起源光源，通過相同顏色的所述圖岑並且從所述光源反射回到所述輸出端。
18.如權利要求17所述的裝置，其中，所述再循環的至少部分是通過偏振控制的。
19.如權利要求17所述的裝置，其中，所述輸入光源被準直。
20.如權利要求17所述的裝置，其中，所述輸入光源選自LED，雷射器。
21.如權利要求20所述的裝置，其中，所述輸入光源具有多於一種的相同顏色，而仍保持所述至少兩種顏色。
22.如權利要求17所述的裝置，其中，所述第一光源為紅色LED，所述第二光源為綠色LED,並且其中，所述裝置進一步包括第三輸入光源，所述第三輸入光源為藍色LED，並且其中，來自所述第一、第二和第三輸入源的光在所述輸出孔隙的控制下結合以提供白色輸出光。
23.如權利要求22所述的裝置，其中，所述裝置進一步包括 第四輸入光源，所述第四輸入光源為所述第一、第二或第三輸入光源中的一個的複製品，並且其中，來自所述第一、第二、第三和第四輸入源的光在所述輸出孔隙的控制下結合以提供白色輸出光。
24.一種加入權利要求22中所述裝置的投影儀，所述投影儀包括 投影引擎，以及旋轉透鏡，所述旋轉透鏡用於耦合來自所述裝置的光以便由所述投影儀使用。
25.一種投影儀，包括 投影儀引擎以及光源，所述光源包括 至少三個輸入光源，具有不同顏色的所述源能夠結合以生成白色輸出光以便由所述投影儀引擎使用； 輸出，其用於使光的碰撞到所述輸出的部分離開所述光源並且用於使光的未通過所述輸出的那部分在所述光源內再循環；所述再循環光被布置為碰撞被設計為形成所述再循環光的第二再循環的與所述輸入光源相關的表面，所述第二再循環光至少部分通過所述輸出離開所述光源，其中所述輸出光為所述輸入光顏色的結合。
26.如權利要求25所述的投影儀,其中，所述輸入光源的碰撞表面包括與每個輸入光源相關的塗層，所述塗層使與所述相關光源相同顏色的光通過並且反射由所述光管接收到的任意其它顏色的光；所述碰撞到的塗層與所述光進入所述光源的所述輸入側的點對角相對。
27.如權利要求25所述的投影儀，其中，所述光源的所述輸出包括 表面，其用於將再循環光從特定顏色的光源引導至與具有與所述特定顏色不同顏色的光源相關的塗層。
28.如權利要求27所述的投影儀，其中，所述再循環是通過偏振控制的。
29.如權利要求27所述的投影儀，其中，所述輸入光源被準直。
30.如權利要求27所述的投影儀，其中，所述輸入光源具有多於一種的相同顏色，而仍保持所述至少三種顏色。
31.如權利要求25所述的投影儀，其中，所述光源的所述輸出包括 表面，其用於將再循環光從特定顏色的光源引導至相同顏色的輸入光源。
32.如權利要求31所述的投影儀，其中，所述再循環是通過偏振控制的。
33.如權利要求32所述的投影儀，其中，所述輸入光源被準直。
34.如權利要求32所述的投影儀，其中，所述輸入光源具有多於一種的相同顏色，而仍保持所述至少三種顏色。
全文摘要
多色光源在再循環殼體中被混合以實現高的光輸出。在一個實施方案中，來自各顏色光源，諸如來自紅色LED、綠色LED和藍色LED的光，一起多路傳送，並且混合光的部分通過光管中的輸出孔隙。各顏色光的部分例如通過與孔隙相鄰的定形反射表面和/或反射塗層被反向再循環。反射表面的形狀使得將各顏色的光引導回到特定位置以使最終輸出光最大化。在一個實施方案中，光從殼體的輸出側被引導回到具有相同顏色的輸入光源。在另一實施方案中，光從殼體的輸出側被引導回到被設計為反射該顏色光的塗層。
文檔編號F21V7/04GK102762917SQ201080054129
公開日2012年10月31日 申請日期2010年9月28日 優先權日2009年9月29日
發明者喬治亞·歐陽, 肯尼思·利 申請人:微陽有限公司