用抛物面反射器为投影系统耦合来自小光源的光的制作方法

专利名称：用抛物面反射器为投影系统耦合来自小光源的光的制作方法
技术领域：
本发明涉及收集和凝聚电磁能为图像投影系统中的小目标提供 明亮均匀的照明的系统和方法。
背景技术：
使用位于光束内的空间光调制器("SLM")是可视投影系统领域 中熟知的。SLM是一种半透明器件，它包含清晰的图形和用来改变光 束以形成投影图像的不透明区域。特别是SLM由许多可控制的透光性 的小区(像素)构成，通过电子调节由光束产生投影的图像。
在一种SLM中，液晶在每个像素上修改来自投影系统的光发射。 透过液晶的光传输取决于液晶的偏振状态，它可以调节到发射或阻挡 光，在输出中形成均衡的明点或暗点。可以电子地控制液晶的偏振状 态，以便可能非常精确的控制光的发射。由于限定各像素的液晶相对 地小，并且因为电子控制能够精确的控制液晶，产生的投影图像可以 非常精确和清晰。
或者是每个像素使用一个数字镜面修改光发射。数字镜面由一个 可移动镜面构成，其中光或是向前反射到屏幕上或是离开屏幕，从而 形成亮点或暗点。而且，数字镜面的位置是电子控制的，能非常精确 的控制光发射。
因此，在图像投影系统中使用SLM是有利的，因为它能通过像素 精确的电子控制光发射。这样，包含SLM的投影系统可产生精确的、高分辨率投影图像。
然而，SLM投影系统的性能决定性地取决于从灯到SLM的光能收 集和聚焦。特别是为了照亮空间调制器并将输出投影到屏幕上，在SLM 上光必须是均匀的并且具有足够的亮度。
有几种公知的系统用于收集和凝聚来自光源例如投影系统中的 灯的光。在"同轴"系统中，光源和目标都位于光轴上。在这些同轴 系统中，使用具有椭圆或抛物面形状的一个或多个反射器连同一个成 像透镜来引导光源发出的光是公知的。然而，同轴系统在向SLM耦合 光源时会受到根本的亮度损失限制。这种亮度损失会降低投影系统的 整体效率和性能。
美国专利US4，757，431 ("431"专利)描述了一种改进的光凝聚 与收集系统，它使用离轴(off-axis)球形凹面反射器来增强照射小 目标的通量和到达小目标的可收集的通量密度的数量。美国专利 US5，414， 600 ("600"专利)提供了一种进一步改进的光凝聚和收集系 统，它描述使用椭圆形凹面反射器。类似地，美国专利US5，430，634 ("634"专利)描述使用一种复曲面凹面反射器。"431"， "600"和 "634"专利的系统提供接近1比1 (没有放大)的图像并保持来自光 源的亮度。然而，这些系统丧失了 1比1 (单位的)放大倍数，使整 体投影系统的性能降低，因为收集的光量会随着反射器收集角的增大 而增加。因此，在这些系统中，增大照明亮度降低所产生图像的质量。
在光谱学的相关领域中还需要收集和凝聚来自光源的光。特别是 在一个采样聚焦来自光源的光。然后通过收集和评估来自采样的辐射 来测试采样。
在光谱学中，在离轴反射系统中普遍使用抛物面形状的反射镜聚 焦来自光源的光发射。例如美国专利US3， 986， 767号公开了用一个离 轴抛物面反射器将平行光束聚焦成落在测试采样上的小光点。类似地， 美国专利US4，591，266(Re32，912)号公开了一种光谱学系统，使用配 对的离轴抛物面反射器，它们的焦距在一个共同点或光学上彼此成像 的两个点上在采样上光学成像，并且具有这样的相对位置和朝向使 来自光源的每个射线在具有大致相同焦长度的反射器的那些点上照射两个反射器。美国专利US4， 473， 295号公开了使用抛物面收集光并且 聚焦到测试采样上的另一种光谱学系统的构造。
类似地，美国专利US5，191，393 ("393专利")及其相应的欧洲 专利EP0 401 351Bl涉及用于微小特征的光测量的从净化室外向净化 室内光的传
送。393专利中提供的一种构造是使用一个弧光灯、两个抛物面反射 器、 一条光纤，并且使用透射二向色滤光镜过滤所需的波长。
正如上面引用的专利中所述的，使用的离轴抛物面固有地不提供 从光源到输出目标的有效耦合。
因此需要克服这些缺点的将来自小光源的光耦合到投影系统的 一种方法。

发明内容
针对这样的需求，本发明提供一个系统，使用两个基本上对称布 置的抛物面部分， 一部分在光源处，另一部分在目标处。抛物面反射 器是基本上对称地配置的，使得利用在两个抛物面的相应表面处的曲 面将光源发出的光的各个射线瞄准并重新聚焦在投影系统的目标上， 因此产生本质上的单位放大并实现光的最大集中。


本发明的实施例将参见附图叙述，其中在各图中的相同部件或特 性以相似的标号表示。
图1 (现有技术)是使用公知的收集和聚集光学系统的一种投影 装置的示意图2 4是按照本发明的收集和聚集光学系统的各种实施例的示 意图5是来自一个典型光源的输出通量的等容曲线图； 图6是在本发明的收集和聚集光学系统的最佳实施例中使用的一 种锥形均化器的示意图7是在按照本发明实施例的图1的投影系统中使用的一种收集
7和聚集光学系统的示意图8A 8F是本发明的实施例可以使用的多种多边形光导(波导)
目标的截面示意图9是本发明中使用的一种圆形截面目标的示意图，它可以是单 光纤、光纤束或是光导(波导)；
图IOA是一个示意性侧视图，表示按照本发明的一个实施例增大 锥度的光导目标；
图IOB是一个示意性侧视图，表示按照本发明的另一个实施例减 小锥度的光导目标；
图11是本发明可使用的一种空心管的光导均化器的示意截面图。
具体实施例方式
以下要参照

本发明的具体实施例。这些实施例说明了本 发明的原理，并且不应该认为是限制本发明的范围。
图1表示使用一种公知的照明组件10来聚集和收集电磁辐射的 一种投影系统。照明组件IO包括装入一个椭圆形的同轴反射器11中 的光源20，使得从位于第一焦点12上的光源20发射的光被收集和聚 焦到波导60上，波导60的输入端放置在椭圆反射器11的第二焦点 13处。通常，波导60是一种积分器，收集来自位于第二焦点13处的 输入端的光，并通过积分器内部的多次反射，将光混合以便在波导输 出14上产生更均匀的强度轮廓。
通常紫外-红外(UV-IR)滤光器15接收波导输出14的输出并且 滤除大部分UV和IR辐射。由冷反射镜16进一步降低UV和IR辐射电 平，冷反射镜16仅仅反射电磁波谱的可见光部分的辐射。照明组件 IO还可以包括一组中继透镜17，它将光准直成大致平行的光束为投影 光引擎100照明。
在光引擎100内部使用本技术领域人员熟知的多重二向色滤光器 102将输入光束分离成三色光束红、绿和蓝色。正如上述文章中所述 的，然后用偏振束分离器(PBS) 104偏振各个光束并且通过一个空间 光调制器(SLM) 105，其中通过改变偏振来调制SLM 104中各像素的强度。然后用一个彩色合成器106合成三个调制的输出光束并通过投 影透镜108投影到屏幕上。
通过SLM 104可收集和投影的光量取决于调制器的表面面积和由 下面给出的系统的etendue所限定的系统的数值孔径N: (1) Etendue二n x照明面积x N
不考虑由该反射器从光源收集的光总量是可用的，仅仅在这个 etendue内的光量对光引擎是有用的。
照明组件10的功能目的之一是产生在etendue内具有最大数量 的光能的光输出。例如，使用集中光源或是在反射器中提供恒定的放 大可以改善etendue内的亮度。
另外，如图1所示的，己知的照明组件系统10使用单个同轴椭 圆形反射器ll，或者同轴抛物面反射器(未示出)具有在光到达目标 60之前降低etendue的"全角方夂大"(magnification-over-angle) 的固有变化，因此降低光引擎100的输出。
本发明所述的系统克服了这一固有限制。参见图2，本发明的光收 集与聚集系统具有以下四个主要部件
1. 电磁源
电磁源20最好是具有外壳22的一个光源。更优选地，光源20 包括弧光灯，例如氙灯、金属-卤化物灯、HID灯或是水银灯。对于某 些应用，可以使用白炽灯，例如卤素灯，如下文所述，只要修改系统 适用非不透光的灯丝。
2. 准直反射器
准直反射器30包括具有光轴38和焦点36的一个旋转的抛物面 部分。准直反射器30最好有一个反射涂层(例如是铝或银)并且表面 是精密抛光的。对于某些用途，准直反射器30可以用涂敷选择波长的 多层介质涂层的玻璃制成。例如对可见光用途可以使用仅在可见波长 具有高反射率的冷涂层。将光源20置于准直反射器的焦点36上，接 触到反射器30的电磁辐射被反射成与反射器30的光轴38平行的准直 光束。此处光源20是弧光灯，电弧间隙最好小于准直反射器30的焦
9长。
3. 聚焦反射器
聚焦反射器40包括具有光轴48和焦点46的一个旋转的抛物面 部分。但是，如在下文将详细叙述的，聚焦反射器40与准直反射器 30应该是基本上相同的尺寸和基本上相同的形状。
聚焦反射器40的位置和取向使得由准直反射器30反射的准直电 磁辐射照射在聚焦反射器40的抛物面，然后朝聚焦反射器40的焦点 46聚焦。为了在准直反射器30和聚焦反射器40之间获得大致的单位 (1比l)放大(即大致与光源同等大小的聚焦成像)，重要的是用聚焦 反射器40的相应表面部分反射和聚焦被准直反射器30的表面部分反 射和准直的每一条电磁辐射射线，以便在焦点46上实现聚焦，它是最 大可能的亮度。在本文中，准直反射器30和聚焦反射器40彼此之间 相对的取向和定位，以致由聚焦反射器40的相应表面部分聚焦被准直 反射器30的表面部分准直的每一条电磁辐射射线称为以基本上彼此 相对的"光学对称"定位反射器。
4. 目标
目标60是要求以基本上可能的最高的强度照射的一个小物体。 在最佳实施例中，目标60是一个波导，例如是单芯光纤、熔合的光纤 束、光纤束或是一个均化器。
适合的目标60可以是如图8A-8F所示的多边形截面或是如图9 所示的圆形截面。另外，目标60可以是如图IOA所示的锥形增大的光 导或如图IOB所示的锥形减小的光导。另外，目标60可以是如图11 所示的具有反射内壁R的一种空心管均化器。
目标60的输入端62例如光纤的近端被放置在聚焦反射器40的 焦点上接收由聚焦反射器40反射的电磁辐射射线，并且光在输出端 64射出该目标。
尽管目标和光源与本发明的收集与聚集系统是密切相关的，按照 本发明的广义的观点，本发明涉及使用基本相同的尺寸和形状的两个 抛物面反射器，彼此间是基本上光学对称的。
继续叙述收集与聚集系统，在图2所示的安排中，准直反射器30和聚焦反射器40是彼此面对面相对布置的，使凹面彼此相向。在图2
的安排中通过安排准直反射器30和聚焦反射器40实现了光学对称， 它们各自的光轴38和48是光学共线的，并且准直反射器30的反射面 是与聚集反射器40的对应反射面成相反的面对面关系。
为了便于叙述本发明，图2中用两条射线a和b代表从光源20 发出的两个不同可能的辐射方向。尽管沿着射线a的路径从光源20 到准直反射器射线30的距离比较短，但准直光的发散相对地大。与此 相比，射线b从光源20到准直反射器射线30的距离比较长，但是对 在光源20中照射面积的有限尺寸具有较小发散的光束。由于反射器是 基本对称的，射线a和b在第二抛物面反射器中的对应位置反射，使 在反射器和目标之间的各射线的距离在弧形和第一抛物面反射器之间 具有基本上相同的对应距离。这样，射线a和b都以大致相同的散度 聚焦在目标60上，在目标上以基本上相同的放大提供亮度。
最希望的是准直反射器30和聚焦反射器40是基本上相同的形 状。例如，可以使用相同的注模形成准直反射器30和聚焦反射器40。 由于聚焦反射器40校正准直反射器30的缺点，光学收集与聚集系统 的性能进一步改善。
如图2 4所示，在分开准直反射器30和聚焦反射器40的空间 距离中可以插入一个或多个光学组件80，例如是现有技术中公知的透 镜和滤光器。由于在反射器30和40之间传送的电磁辐射是准直的， 这些光学组件可以是简单的形状和设计。
如图3所示，本发明的收集与聚集系统还可以包括使用具有大致 球面形状的后向反射器50，其中心56位于焦点36附近。放置后向反 射器50以捕捉由光源20发出的未照射到准直反射器30的电磁辐射。 具体地说，构造和安排球面后向反射器50，使得由后向反射器50将光 源20朝远离准直反射器30的方向发射的辐射反射回通过准直反射器 30的焦点36，然后朝向准直反射器30。由准直反射器30反射的这一 额外辐射被准直并添加到直接从源20照射在准直反射器30的辐射中， 从而增加朝着聚焦反射器40反射的准直辐射的强度。因此也就增加了 在聚焦反射器40的焦点46上的辐射强度。
ii如果使用白炽灯作为光源20,后向反射器50就无法定向，以至它 聚焦通过准直反射器30的焦点36返回的辐射，因为位于焦点36上的 不透明灯丝阻挡后向反射的辐射。在这种情况下，应该调节后向反射 器50的位置，使后向反射的辐射不要精确地通过焦点36。
图4表示本发明的收集与聚集系统的另外一种安排。在图4的安 排中，球面后向反射器50由旋转的抛物面构成的次准直反射器70替 代，它的光轴78和焦点76分别与准直反射器30的光轴38和焦点36 基本上吻合。次准直反射器70的尺寸和形状最好与准直反射器30基 本上相同。
放置平面反射器72与在次准直反射器70的输出端的光轴78基 本上垂直。如图4所示，光源20离开准直反射器30发射的辐射由次 准直反射器70反射并准直。由反射器70反射的准直辐射与光轴78 平行，从平面反射器72反射回次准直反射器70，然后通过焦点76和 36向着准直反射器30反射回，从而增加朝向聚焦反射器40反射的准 直的辐射强度。这样，次准直反射器70和平面反射器72—起起着后 向反射器的作用。
如图1所示的，图7是适合于耦合到光引擎100的一个照明组件 IO的示意图。它包括图2的光收集与聚集系统，与各种光学组件组合 构成照明组件10。特别是光源20基本上位于第一抛物面反射器即准 直反射器30的焦点上。由光源20发射的光被收集、准直并指向第二 抛物面反射器即聚焦反射器40。目标60的输入端62大致位于聚焦反 射器的焦点上，以便使该目标收集大部分的光。使用位于光源20处与 准直反射器30相对一侧的一个后向反射器例如圆形后向反射器50进 一步增强输出强度，使得由后向反射器收集的光映像回到光源20，因 此增强光源20的亮度。
"照射角度"是由光源和两个抛物面反射器30和40的角度分布 确定的。灯轴方向的角度一般大约180度，而其它方向的角度一般大 约90度。同时，沿灯轴方向上的图像长度一般比其它方向的长。
波导60的理想输出是矩形的，其侧边比例等于具有高宽比大约4 比3或大约16比9屏幕的侧边比，这取决于显示的格式。角度分配应该在两个方向上基本上均等延伸，这样可有效地利用圆形的投影透镜
108。
在目标60的输入端，强度分布大致具有光源20的形状并且一般 接近矩形。如图5所示，得到的光输出产生的光点大致呈矩形，相邻 侧边的长度大约是1. 6腿和2. 7腿。典型的投影透镜108是大约F/3 透镜，正如现有技术所知的，它大约相当于大约O. 165的数值孔径。 为了在锥形均化器的输出端获得双方向基本上相同的数值孔径并且使 用长度与数值孔径乘积的不变性，均化器的输出尺寸在相邻边上大约 是11.6mm和大约9. 7誦，它的宽高比大约是1.2，这非常接近普通电 视格式的理想宽高比1. 33。为了获得基本上精确的输出宽高比，可以 相应地改变输入尺寸以便可获得最大输出。
因此，在最佳实施例中，目标60是一个增大的锥形波导，如图6 所示。确定锥形均化器的尺寸使得在输入目标面62的宽高比(h/V)基 本上等于在输出目标面64上的宽高比(h'/w')。在锥形均化器60中， 双向的数值孔径和输入/输出面积被变换。这种均化器60可以用石英、 玻璃或塑料制成，取决于所使用的功率大小。对于某些用途，该均化 器还可以进行涂敷，其中该棒以低折射率包层材料涂敷。在另一个实 施例中，该均化器可以是一个空心光管，其中内表面是高反射的，并 且设计侧壁形状以提供要求的变换。
从本发明的说明书看，本领域的技术人员清楚在不脱离本发明的 精神和范围内可以以许多方式改变。所有这些修改都应该包括在权利 要求书的范屈内。
权利要求
1.一种图像投影装置，包括一个图像源；照亮上述图像源的光学装置，所述光学装置包括电磁辐射源，以所述电磁辐射源发出的至少一部分电磁辐射照亮的一个目标，第一反射器，它包括至少一个旋转的抛物面部分，所述第一反射器具有一个光轴和在所述光轴上的第一焦点，所述的源位于所述第一焦点附近，使得部分电磁能量汇聚成与所述光轴平行的准直射线，以及第二反射器，它包括至少一个旋转的抛物面部分，所述第二反射器具有一个光轴和在所述光轴上的第二焦点，所述的目标位于所述第二焦点附近，所述第二反射器相对于所述第一反射器放置和取向以便接收电磁能量的上述准直射线，所述第二反射器引导上述准直射线朝向上述目标，其中上述准直反射器和上述聚焦反射器具有相同的尺寸和形状，并且彼此间呈光学对称朝向，由上述准直反射器的一个表面部分反射的各个辐射的射线由上述聚焦反射器的相应表面部位朝着上述目标反射；以及所述图像投影装置还包括一个投影光引擎，用于从上述光学装置接收电磁能量。
2. 按照权利要求1的图像投影装置，其特征是由上述电磁辐射 源发射的一部分电磁辐射直接照射到上述准直反射器，而一部分电磁 辐射不直接照射到上述准直反射器，和其中上述装置进一步包括至少 一个附加反射器，构成和安排将不直接照射到上述准直反射器的至少 部分电磁辐射通过上述准直反射器的焦点朝着上述准直反射器反射， 以增加准直射线的通量强度。
3. 按照权利要求2的图像投影装置，其特征是上述至少一个附 加反射器包括设置在与上述准直反射器相对的上述源一侧的一个球面后向反射器，通过上述准直反射器的焦点向着上述准直反射器反射上 述源以离开上述准直反射器的方向发射的电磁辐射。
4. 按照权利要求2的图像投影装置，其特征是上述至少一个附 加反射器包括多个附加反射器，它们包括次准直反射器，它包括一个旋转的抛物面部分位，具有与上述准 直反射器的光轴吻合的光轴和与上述准直反射器的焦点吻合的焦点， 使得上述源朝远离上述准直反射器的方向发射的电磁辐射产生从上述 次准直反射器朝着与上述次准直反射器的光轴平行的方向反射的电磁 辐射准直射线以及与上述次准直反射器的光轴垂直的一个一般平面的反射器，构成 和安排用于反射由上述次准直反射器反射的电磁辐射的准直射线，产 生从上述平面反射器在与上述次准直反射器的光轴平行的方向反射的 电磁辐射的准直射线，由上述次准直反射器反射之后从上述平面反射 器反射的准直射线通过上述准直反射器的焦点朝向上述准直反射器。
5. 按照权利要求l的图像投影装置，其特征是上述目标是一条 光纤。
6. 按照权利要求l的图像投影装置，其特征是上述目标是光纤束。
7. 按照权利要求l的图像投影装置，其特征是上述目标是一个 锥形均化器。
8. 按照权利要求7的图像投影装置，其特征是上述均化器具有 多边形截面。
9. 按照权利要求1的图像投影装置，其特征是上述光源是从氙 灯、水银氙灯、金属卤化物灯和卤素灯构成的组中选出的。
10. 按照权利要求1的图像投影装置，其特征是上述第一抛物面 反射器涂敷仅反射可见光的多重介质涂层。
11. 按照权利要求1的图像投影装置，其特征是进一步包括位于 上述第一大侧和上述第二抛物面反射器之间的发射滤光镜。
12. 按照权利要求8的图像投影装置，其特征是上述多边形是矩形。
13. 按照权利要求8的图像投影装置，其特征是上述多边形是正 方形。
14. 按照权利要求1的图像投影装置，其特征是上述光源具有 180度的弧度角。
15. 按照权利要求l的图像投影装置，其特征是上述目标是具有 带反射内表面的空心管的一个均化器。
16. 按照权利要求15的图像投影装置，其特征是上述空心管是 锥形的。
17. —种收集光的系统，包括 一个光轴，第一抛物面，它的轴与圆形截面的上述光轴共线，相对于上述光 轴对着弧度角小于180度，放置在上述第一抛物面焦点上的一个弧光灯，第二抛物面，其尺寸与上述第一抛物面相同，并且其轴与上述光 轴位置共线放置，并且相对于上述第一抛物面对称，一个均化器，放置在上述第二抛物面的焦点上，用于光的最大收 集，以及一个投影光引擎，用于接收由上述均化器输出的光。
18. 按照权利要求17的系统，其特征是进一步包括放置直接对 着上述第一抛物面的一个球面后向反射器。
19. 按照权利要求17的系统，其特征是上述弧光灯是从氙灯、 金属-卤化物灯和水银-氙灯构成的组中选出的。
20. 按照权利要求17的系统，其特征是上述均化器是一条光纤。
21. 按照权利要求17的系统，其特征是上述均化器是光纤束。
22. 按照权利要求17的系统，其特征是上述均化器是矩形的。
23. 按照权利要求17的系统，其特征是上述均化器是锥形的。
全文摘要
第一抛物面的一部分收集来自一个灯的不规则的光并集中成指向将光重新聚焦到均化器上的第二抛物面的一部分的平行光束。第二抛物面的形状与第一抛物面反射器基本相同。光源和目标各自位于抛物面的焦点上，使来自光源的光通量按几乎没有放大成像系统的最小畸变在目标上成像。系统可以配置通过插入额外的滤光器来控制波长和强度。另外，可增加一个后向反射器来增强均化器上的总通量强度。其输出特别适合于为投影仪的光引擎提供光。
文档编号G02F1/1335GK101493572SQ20091000968
公开日2009年7月29日 申请日期2001年3月12日 优先权日2000年3月22日
发明者李健志 申请人:威维恩有限公司