超高效率色彩組合裝置和方法
【專利說明】
[0001 ] 本申請是申請日為2011年9月16日的中國專利申請號為201180056979.9 (國際申 請號為PCT/US2011/051916)的題為"超高效率色彩混合和色彩分離"的國際申請的分案。
[0002] 本申請要求申請日為2010年9月27日的美國臨時專利申請序列第61/404,062號的 優先權，在此結合該申請作為參考。
技術領域
[0003] 本發明大體涉及用于組合或分離光的光譜成分的裝置和方法，更具體地涉及為了 任一上述目的使用多色物質。
【背景技術】
[0004] 對于應用于街道和汽車照明，至家用、IXD顯示器和娛樂照明范圍的多種應用中的 白光照明的實現，色彩混合是必須的。通常通過以藍光照射發出紅和綠光的熒光材料而得 到白光。當三種顏色混合時，總體發出的光看起來是白色的。在圖1中示出了該方法，其中從 p-n結發出的藍光101照射發出紅光103和綠光104的熒光體102。這三種顏色的混合產生白 光。
[0005] 上述用于將不同顏色的光混合的方法具有以下三個主要缺點：
[0006] ?該熒光體隨著時間趨于劣化。這對色彩輸出壽命以及裝置的整體效率造成不利 影響。
[0007] ?該整體的裝置的效率低于常規的3-色LED系統。這主要由于斯托克斯頻移(非彈 性散射)的熱損失和與熒光體有關的劣化(degradation)問題。因此，沒有實現LED的高固有 效率。
[0008] ?該系統遭受差的色彩穩定性和渲染之害。利用此方法對高質量的照明進行色彩 控制是很難的，因為其幾乎不能控制不同顏色的相關光的輸出。
[0009] 產生白光的另一個方法是使用三個為原色:紅、綠和藍(RGB)色的分離的LED。這允 許獨立地控制每種顏色的強度，從而實現輸出光的更好的色域。在最簡單的情況中，僅將三 個LED封裝在單個、密封的殼體里。由于沒有提出高效率的三色混合的方法，因此三種顏色 在傳播期間混合并且產生白光。這在白光輸出中產生了顯著的非均勻性，且很難控制白光 的質量。包括使用漫射體的調色方法受到由于漫射體中的光吸收和散射引起的固有效率損 失。
【發明內容】
[0010] 本發明的實施例提供，與諸如發光二極管的彩色光源相結合地使用多色物質，用 于照明、顯示、光譜學和相關的應用中的非常有效的色彩混合。
[0011]根據本發明的優選實施方式，提供了色彩組合裝置，其具有多個照射源，每個照射 源發出的射束特征在于不同的光譜范圍。共同地，射束構成射束組。該裝置還具有多色物 質，其被配置成在多個照射源對該多色物質照射時定義在至少一個容積中的光輸出特性。
[0012] 在本發明的多個實施方式中，多色物質被配置成在多個照射源對該多色物質照射 時定義不僅僅是一個容積而是多個容積中的光輸出特性。在多個容積中的至少兩個容積中 定義的光輸出特性可以是相互不同的光輸出特性。
[0013] 在本發明的另一個實施方式中，多色物質可用于將射束組結合到輸出射束中。該 多色物質可被進一步配置成定義輸出射束的傳播方向。
[0014] 在本發明的另一個實施方式中，該多色物質可被配置成定義在空間的特定容積中 的至少一個光特性，其中一個特性選自包括以下特性的組：（i)亮度；（i i)色彩；（i i i )色均 勻性；（iv)偏振。其中形成輸出射束，該多色物質可被配置成定義輸出射束的至少一種特 性，該一種特性選自包括以下特性的組：（i)亮度；（ii)色彩；（iii)色均勻性；（iv)發散角； (>)準直度；(>；〇偏振 ；(>；[；0焦距;和(>；[；[；0束腰。
[0015] 在本發明的另一個實施方式中，各所述照射源的不同光譜范圍在光譜上基本不重 疊。所述色彩組合裝置還包括設置在各照射源和所述多色物質之間的計算機生成的全息底 板。所述多個源可以，但并不必須是，設置在非平面基底上。可提供至少一個控制器用于獨 立地控制各光源。所述多個源的子集至其整體，可共享公共電極。所述多色物質可制造在透 明的材料上或在吸收材料上。所述多色物質可配置成以透射模式或以反射模式工作。所述 多色物質可以是二元的、多級的或具有漸變的折射率分布指數。所述多色物質還包括鑲拼 的多色物質。
[0016] 本發明的另一實施方式還提供一種隱私增強顯示器，其包括發出電磁輻射的多個 源像素，各像素的特征在于發散角;和與各像素相鄰設置的多色物質，用于將從遠離所述源 像素的位置看的輻射視野變窄。
[0017] 本發明的另一實施方式提供一種高效率LCD顯示器，包括:偏振背光的源;基本設 置在一個平面中的多個LCD像素；和設置在偏振背光的源與LCD像素的平面之間的多色物 質，用于將背光分為一定的光譜成分。
[0018] 根據本發明的另一方面，提供一種方法用于組合色彩。該方法包括以下步驟：
[0019] a.以來自多個源的電磁輻射照射多色物質，各源的特征在于不同的光譜范圍；以 及
[0020] b.將來自多個源的電磁輻射組合，使得來自所述多色物質的輻射具有特定的色彩 和功率均勻性以及準直度。
[0021] 在本發明的可選實施方式中，還可包括控制輸出射束空間分布以產生要求的圖案 或紋理的步驟。
[0022] 根據本發明的另一方面，提供了用于對光信號進行復用和解復中的至少一個操作 的方法，所述方法包括：
[0023] a.以來自多個源的電磁輻射照射多色物質，各源的特征在于不同的光譜范圍并發 出不同的光譜成分；
[0024] b.將來所述自多個源的電磁輻射組合以耦合至具有出口的光管道;以及
[0025] c.將所述光管道的輸出耦合至第二多色物質，用于將所述電磁輻射分離成不同的 光譜成分。
[0026] 在本發明的另一方面，提供了一種用于高分辨率成像的方法，該方法包括：
[0027] a.在樣本中激發輻射，該輻射包括多個指示不同功能性的光譜成分；
[0028] b.通過多色物質將所述多個光譜成分分離；
[0029] c.將所述不同的光譜成分分別成像。
[0030] 根據本發明的另一實施方式，提供了對具有色散元件的光譜儀的改進，該色散元 件用于將輸入光的光譜成分分散，該改進包括以多色物質替代所述色散元件。所述多色物 質被最優化用于實現特定的衍射效率或將光譜帶指引至特定的探測器像素。所述多色物質 被最優化以抑制特定的衍射級以及增加所述光譜儀的輸入光接收。所述多色物質可用作被 供能的衍射光學元件，將衍射光聚焦至探測器陣列上。
【附圖說明】
[0031] 本發明或申請文件包括以色彩繪制的至少一幅附圖。可通過請求和支付必須的費 用由專利和商標局（Patent and Trademark Office)提供該專利的具有色彩附圖的復印 件。
[0032] 參考附圖，根據以下詳細說明，本發明的前述特征將更容易理解，其中：
[0033] 圖1示意性示出現有技術的LED，其具有藍光源和用于產生其他色彩成分的熒光 體，以得到色彩混合輸出；
[0034] 圖2是色混合系統的一個實施方式的示意性圖示，根據本發明的一個實施方式，其 中來自光源(如LED)陣列的不同色彩的光照射一組中間計算機生成的全息圖（CGH)，其預處 理光以接著照射多色物質，該多色物質將顏色混合產生混色輸出；
[0035] 圖3示出了根據本發明的另一實施方式的安裝在非平面基底上的光源，該多色物 質被設計成進行色混合；
[0036]圖4(a)和圖4(b)是分別示出了根據本發明的多個實施方式的源的配置的剖視圖， 其中每個源具有各自的底部電極，并且所有的源具有公共底部電極；
[0037]圖5是根據本發明的實施方式，基于圖2的排列，將用于RGB色混合系統中的中間 CGH最優化的相位圖；
[0038]圖6是根據本發明的實施方式，基于圖2的排列，將