使用LED或荧光粉转换光源的投射系统的制作方法

目前，LED光源由于其寿命、高效率和低环境影响而在很多照明设计应用中代替传统白炽灯或气体放电灯。

然而，例如对于汽车领域或舞台照明领域的光投射系统，LED光源由于其结构而遭受使它们的使用在需要高强度和光束及其颜色渲染的精确管理的照明设计应用中不适当或在任何情况下非常复杂的问题。在这些情况下，事实上，LED光源提出与可被应用的功率限制和高“扩展度”(即，被限制为散布到宽立体角内的光的明显趋势)都联系的问题。

为了克服LED光源中的这样的固有限制，制造了光源，其中LED的发射通过“荧光粉转换”系统与次级发射相关。由这样的组合光源产生的光强级明显更高，但由于LED半导体和激发荧光粉的发射光谱的组合而引起的较大光谱宽度使得到来自不同颜色的LED的光的有效颜色组合变得更难，因为发射光谱可彼此部分地重叠。

得到二向色滤光片或二向色滤光片结构因此是必不可少的，这确保带宽的急剧上升和下降，以便确保照明系统的必要的总效率。

特别是，二向色滤光片的截止点的不确定性的主要原因之一是光的偏振分量“P”和“S”的分离，其当光在滤光片上的入射角增加时越来越明显。

这个问题在用于重组起源于不同的LED光源的不同颜色的光辐射的二向色滤光片的经典结构配置中特别能被感觉到。

在图5中示出的被称为“X-立方体(X-cube)”配置的使用二向色滤光片的投射器的第一经典常规配置，且在图6中示出被称为“连续(sequential)”配置的第二经典常规配置。上面提到的两个经典配置都使用相对于入射光辐射以45°倾斜的二向色滤光片。

在这两个经典配置中，单独的光束在与二向色滤光片的每次交互时(即，在每次透射或反射时)被偏振。这引起多个偏振效应的总和，其增加了管理单独光束的困难。

虽然这样的经典配置在LED的发射光谱曲线是严格高斯的情况下是可接受的，但是考虑到光的相当大的发射光谱扩展，它们在也包括荧光粉转换系统的光源的情况下是低效的。

此外，在二向色滤光片的“X-立方体”配置中和在“连续”配置中，光辐射之一通常是绿光辐射，其穿过二向色滤光片两次，使得系统的总效率必然减小。除了由于在二向色滤光片上的入射光的相对较大的角度而引起的偏振分量“P”和“S”的分离的早些时候提到的问题，这个缺点是另一个问题。

绿光通道的效率的损失是非常成问题的，因为它引起正好在人眼的最敏感光谱区中的效率的损失。因此，为了得到在能够产生尽可能中性的白光的不同光辐射之间的组合，也将需要其它两个通道——红色通道和蓝色通道的效率的减小，且总的来说整个投射系统的效率的损失是需要的。

本发明的目标由提供解决上面提到的技术问题、消除缺点并克服已知技术的限制的LED投射系统组成。

在这个目标内，本发明的目的是提供优化光的颜色组合且具有更好的光谱响应的LED投射系统。

本发明的另一目的在于提供特别适合于舞台照明领域或汽车领域的LED投射系统。

本发明的另一目的在于提供能够在使用中提供可靠性和安全性的最宽保证的LED投射系统。

本发明的另一目的在于提供相对于已知技术容易实现且在经济上有竞争力的LED投射系统。

在下文中将变得更明显的这个目标以及这些和其它目的由使用LED或荧光粉转换光源的投射系统实现，该投射系统包括至少四个二向色滤光片，其特征在于，第一对二向色滤光片配置成透射包括在第一波长区间中 的第一光辐射并反射包括在第二波长区间中的第二光辐射，以及第二对二向色滤光片配置成透射包括在第三波长区间中的第三光辐射并反射所述第一光辐射和所述第二光辐射，所述LED投射系统具有对称轴，属于所述第一对二向色滤光片的第一二向色滤光片和属于所述第二对二向色滤光片的第二二向色滤光片关于所述对称轴相对于属于所述第一对二向色滤光片的第三二向色滤光片和属于所述第二对二向色滤光片的第四二向色滤光片对称地布置。

根据在附图中为了非限制性例子的目的示出的LED投射系统的优选但非排他的实施方式的详细描述，本发明的另外的特征和优点将变得更明显，其中：

图1示意性示出根据本发明的LED投射系统的实施方式；

图2、3和4示意性示出根据本发明的图1中的LED投射系统，其中每个图示出图1所示的三个光辐射中的仅仅一个光辐射的路径；

图5和图6示意性示出属于已知的现有技术发展水平的分别被定义为“X-立方体”配置和“连续”配置的两个二向色滤光片LED投射系统。

参考图1到4，总体上由参考数字1表示的使用LED或荧光粉转换光源的投射系统包括至少四个二向色滤光片2、4、22、24。

根据本发明，第一对二向色滤光片2、22配置成透射包括在第一波长区间中的第一光辐射3、23并反射包括在第二波长区间中的第二光辐射5、25，而第二对二向色滤光片4、24配置成透射包括在第三波长区间中的第三光辐射6、26并反射第一光辐射3、23和第二光辐射5、25。此外，LED投射系统1具有对称轴7，使得属于第一对二向色滤光片2、22的第一二向色滤光片2和属于第二对二向色滤光片4、24的第二二向色滤光片4关于对称轴7相对于属于第一对二向色滤光片2、22的第三二向色滤光片22和属于第二对二向色滤光片4、24的第四二向色滤光片24对称地布置。

本领域中的技术人员将容易认识到，根据本发明，使用LED光源等效 于使用荧光粉转换光源。

有利地，如在图2中示出的，第一光辐射3、23相对于第二二向色滤光片4或第四二向色滤光片24的入射角小于45°。

有利地，如特别是在图3中示出的，第二光辐射5、25相对于第一二向色滤光片2和/或相对于第二二向色滤光片4和/或相对于第三二向色滤光片22和/或相对于第四二向色滤光片24的入射角小于45°。

有利地，第一光辐射3、23或第二光辐射5、25或第三光辐射6、26相对于二向色滤光片2、4、22、24中的一个或多个的入射角小于45°，且优选地实质上等于30°。

有利地，如在图1和在图2、3和4中示出的，所有光辐射3、23、5、25、6、26以小于45°、且优选地实质上等于30°的入射角照射到相应的二向色滤光片2、22、4、24。

LED投射系统1因此包括四个二向色滤光片2、4、22、24，其中有：关于对称轴7与第一二向色滤光片2对称的第三二向色滤光片22，其配置成透射包括在第一波长区间中的另一第一光辐射23并反射包括在第二波长区间中的另一第二光辐射25；以及，关于对称轴7与第二二向色滤光片22对称的第四二向色滤光片24，其配置成透射包括在第三波长区间中的另一第三光辐射26并反射另一第一光辐射23和另一第二光辐射25。

有利地，因此第一二向色滤光片2和第二二向色滤光片4关于对称轴7分别与第三二向色滤光片22和第四二向色滤光片24对称地布置。

有利地，第一光辐射3、23包括在400和500纳米之间包括的波长区间中，第二光辐射5、25包括在500和600纳米之间包括的波长区间中，以及第三光辐射6、26包括在600和750纳米之间包括的波长区间中。

作为例子，第一光辐射3、23由蓝色LED光源8、28产生。第二光辐射5、25由绿色LED光源9、29或由与绿色荧光粉转换系统相关的光源产生。第三光辐射6、26由红色LED光源10、30或由与红色荧光粉转换系统相关的光源产生。

LED投射系统1还可包括用于准直起源于LED光源8、28、9、29、 10、30的LED光的辅助光学器件32以及适合于集中由二向色滤光片2、22、4、24输出的光以便例如使它朝向薄板(Gobo)投影仪36的聚光器34。

LED投射系统还有利地包括适合于产生第一光辐射3、23的第一LED光源8、28、适合于产生第二光辐射5、25的第二LED光源9、29以及适合于产生第三光辐射6、26的第三LED光源10、30，其中第一光辐射3、23由第一对二向色滤光片2、22透射并由第二对二向色滤光片4、24反射，第二光辐射5、25由第一对二向色滤光片2、22和第二对二向色滤光片4、24反射，且第三光辐射6、26由第二对二向色滤光片4、24透射。

有利地，LED投射系统1包括：

-关于对称轴7相互对称的一对蓝色LED光源8、28；

-关于对称轴7相互对称的一对绿色LED光源9、29；

-关于对称轴7相互对称的一对红色LED光源10、30。

二向色滤光片和LED光源相对于对称轴7对称地布置的事实使减小所有颜色分量的光路变得可能，因而最小化与光束的残余发散联系的形状中的差异。

有利地，优选地由绿色LED光源产生的第二光辐射5、25在其经过投射器结构1的路径中因为二向色滤光片2、22、4、24的结果被反射两次且未被透射。

有利地，优选地由红色LED光源产生的第三光辐射6、26在其经过投射器结构1的路径中，通过第二对二向色滤光片4、24被透射仅仅一次。

如图1所示，绿色LED光源9、29和红色LED光源10、30有利地布置在相互平行的平面中，或在同一平面上，而蓝色LED光源8、28布置成沿着相对于绿色和红色LED光源的布置的平面具有大约30°的倾斜度的两个平面。

有利地，第一二向色滤光片2平行于第二二向色滤光片4，正如第三二向色滤光片22平行于第四二向色滤光片24一样。以这种方式，如图3 所示，由LED光源9或29产生的照射到二向色滤光片2或22的光辐射5或25总是平行于由二向色滤光片4或24反射的输出中的光辐射5或25。

使用LED或荧光粉转换光源的投射系统的操作根据前述描述是清楚和明显的。

特别是，由蓝色LED光源8发射的第一光辐射3蓝光由第一二向色滤光片2透射并到达它被反射的第二二向色滤光片4。由绿色LED光源9发射的第二光辐射5绿光由第一二向色滤光片2反射并与第一光辐射3蓝光组合，它由第二二向色滤光片4反射，而由红色LED光源发射的第三光辐射6红光由第二二向色滤光片4透射，与光辐射3蓝光和5红光组合。

这些行为对关于对称轴7对称的LED投射系统1的两个部分出现。

以这种方式，LED投射系统1能够组合三个不同的颜色分量。事实上，当从LED投射系统1输出时，光辐射3、23、5、25、6、26已被重组。

在实践中发现，根据本发明的LED投射系统实现预期目标和目的，因为它使克服已知技术的限制和缺点变得可能。

特别是，根据本发明的LED投射系统具有限定光的两个相互对称的重组路径的优点。不同于例如在二向色滤光片的“连续”配置中出现的现象，这样的对称有助于减小绿光的光路的长度以及红光和蓝光辐射的光路的长度。

此外，也可能方便地设置红光和蓝光的路径的长度的尺寸，以便使这三个光辐射的路径的长度尽可能短和类似。

事实上，考虑到光束的发散的自然趋势，在每个光辐射的光路的长度之间的差异倾向于在复合光束中产生色度非均匀性。在光路的长度之间的差异的减小因此有助于限制这样的非均匀性。

根据本发明的LED投射系统的另一优点在于它对于每个颜色分量使用在二向色滤光片上的减小的入射角，所以减小在偏振分量“P”和“S”之间的分离。

此外，三个光通道被去耦，且因此可能独立地干预它们中的每一个。 特别是，可能方便地放置各种LED光源，以便确保不同光辐射中的每个的光路具有期望长度。

另一优点涉及下列事实：在投射器结构中使用的二向色滤光片都作用于对绿光进行反射，这最有助于LED投射系统的光强，因为绿光是在人眼的敏感度曲线上最位于中心的光分量。事实上已知二向色滤光片的效率在反射中比在透射中大，且因此绿光不通过二向色滤光片透射的事实增加了系统的效率。

根据本发明的LED投射系统的另一优点在于，它避免了每个单光辐射必须以透射方式穿过两个不同的二向色滤光片的情况。事实上，如上面提到的，二向色滤光片的透射的效率低于反射的效率。

LED投射系统因此被设想容许都在所附权利要求的范围内的很多修改和变化。

而且，所有细节可由其它技术上等效的元件代替。

在实践中所使用的材料，只要它们与特定的使用和可能的尺寸和形状兼容，就可以是根据要求的任何材料。