用抛物面反射器为投影系统耦合来自小光源的光

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。

说明书

本申请是2001年3月12日向中国专利局递交的题为“用抛物面反射器为投影系统耦合来自小光源的光”的PCT国际申请中国国家阶段No.01806888.X的分案申请。

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 351B1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。

附图说明

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；

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；

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；

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和聚集光学系统的示意图；

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；

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10A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10B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。

具体实施方式

以下要参照附图说明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10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10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＝∏×照明面积×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，已知的照明组件系统10使用单个同轴椭圆形反射器11，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“全角放大”(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1)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10A所示的锥形增大的光导或如图10B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。

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72一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10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1.6mm和2.7mm。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0.165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9.7mm，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/w)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围内。