CN101004482A - 光学照明匀光系统及调节方法、光疗设备 - Google Patents

Abstract

一种光学照明匀光系统及调节方法，包括照明光源，匀光装置；所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供中继成像系统投射到显示光阀或物面；尤其是，还包括一调节装置，用来调节所述匀光装置入射面到所述照明光源的距离，而所述匀光装置出射面的位置保持不变。采用本发明，能提高照明系统的能量利用率，并间接延长灯泡的使用寿命。使用本发明的光疗设备，具有结构简单、成本低、调节方便的优点。

Description

光学照明匀光系统及调节方法、光疗设备

技术领域  本发明涉及光学系统或仪器，尤其涉及利用可移动的光学元件来调节光强度的技术。

背景技术  随着科学技术发展和社会进步，匀光面板或者匀光棒越来越广泛地被应用于日常生活和商务活动中。对于大部分需要照明的设备，光源及匀光系统是重要组成部分，并且对设备成本和主要性能指标具有决定性作用。以投影显示设备为例，它所包括的光学引擎是一种要求很高的照明光学系统，主要指标包括全视场范围内的照度均匀性和光源利用率，均与匀光系统密不可分。一般来说，所述匀光系统收集到的光线越多，对应照明系统的亮度就越高，投影效果也就越好。

现阶段各种类型照明系统实现匀光的主要器件包括复眼透镜阵列、空心光管和实心光棒。

中国专利ZL 01279602所公开的“反射式硅基液晶投影机光学系统”就是采用复眼透镜阵来匀光。如图1a所示，复眼透镜阵列包括很多按照一定方式排成阵列的矩形小透镜，每一小透镜分别对应光源的不同部分，并分别将它们经过透镜系统成像到显示光阀或者对应物面上，这样，光源的局部不均匀性经过每个小透镜的分割和二次成像到同一个平面后可实现匀光效果。通常复眼透镜是成对使用的，前一个起分割光源和孔径光阑的作用，后一个起场镜和形成远心光路的作用。因此用复眼透镜阵列实现的匀光系统比较复杂，尤其我国目前尚不具备复眼透镜的加工能力，势必使光学引擎的试制成本增加、大规模量产的周期延长。

申请号为03115952中国专利公开的“光棒型光学引擎照明系统”则采用空心光管或实心光棒来匀光。图1b示意的是空心光管，它的四面均为高反射率的反光镜，相互间用胶粘合(如胶条210e所示)。实际使用中，光线通过在反光膜面的多次反射而在出射面形成均匀光斑。图1c所示的是一个以六面均被抛光的长方体结构为例的实心光棒，光线在抛光表面经过多次全反射后在出射端形成非常均匀的光斑。

以图2包括灯泡和反射式聚光杯的照明光源为例，这几种匀光模式的共同点在于，各匀光器件到投影光源出射平面的距离通常要根据光源厂家提供的位置DE来确定。

上述现有技术的不足之处在于：基于市场对照明系统存在的高亮度和高可靠性要求，制造厂商越来越倾向于在照明光源中采用高功率灯泡。但无论灯泡采用的是UHP灯、氙灯还是其它类型灯泡，均由于灯弧长度的存在和反射式聚光杯的设计偏差及装配误差，使得出射的光不能汇聚于一点，从而焦点位置通常如图2所示具有一定的变化范围AB，实际光斑呈现为具有一定截面和空间分布的复杂形体；因此厂家说明书所给的位置并不完全是提供给匀光器件的最佳位置。尤其是，功率越高的光源，使用过程中灯弧逐渐变长的情况越突出，因而现有模式下匀光效果的长期可靠性较差，随着焦距及焦点位置的变化，照明系统的能量利用率逐渐下降。

发明内容  本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足而提出一种光学照明匀光系统、方法及设备，使实际应用过程中光源和匀光器件能长期很好耦合，从而大大提高照明系统的能量利用率。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思为，基于通常匀光器件和其后中继透镜系统之间的距离需要固定以保持较好的放大倍率和瞳孔转接，设计一种可调节的光学照明匀光系统，使匀光器件的出射端面位置始终保持不变，但入射端面到投影光源之间的距离可调，这样就能通过调节匀光系统来保持耦合最多的光线，从而提高照明系统的能量利用率。还可以利用该调节机制，提出一种可改变出射光强的光疗设备，将具有调节方便、成本低的优点。

作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种光学照明匀光系统，包括照明光源，匀光装置；所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供中继成像系统投射到显示光阀或物面；尤其是，还包括一调节装置，用来调节所述匀光装置入射面到所述照明光源的距离。

上述方案中，所述匀光装置至少包括一段空心光管，与实心光棒或又一段空心光管嵌套活动连接。从而该匀光装置的出射面可以保持位置不变，匀光系统可以保持耦合最多的光线。

上述方案中，所述调节装置设在所述匀光装置的固定装置上，包括使所述匀光装置入射面所在的光管或光棒轴向平移的调节杆。从而允许手动进行调节。

上述方案中，所述调节装置包括执行装置和控制器；所述执行装置设在所述匀光装置的固定装置上，所述控制器在定时信号或人工随机操作的作用下，控制所述执行装置使所述匀光装置入射面所在的光管或光棒轴向平移。

上述方案中，所述调节装置还包括光电转换器件，设置在所述中继成像系统中，产生与当前匀光照明强度相关的电信号送往所述控制器。从而允许系统进行自适应调节。

作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种光学照明匀光系统的调节方法，基于包括照明光源，匀光装置的光学照明匀光系统，包括步骤：

A.所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供中继成像系统投射到显示光阀或物面；

尤其是，所述匀光装置的入射面可轴向伸缩，还包括调节步骤：

B.设置在所述中继成像系统中的光电转换器件产生与当前匀光照明强度相关的电信号，送往控制器；

C.该控制器相应地控制执行机构，调节所述匀光装置入射面到所述照明光源之间的距离，以使所述电信号的大小保持在预定范围。

作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种光疗设备，包括照明光源，匀光装置和会聚透镜；所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供所述会聚透镜投射到导光器件；尤其是，所述匀光装置包括嵌套活动连接的空心光管和实心光棒，所述实心光棒提供该匀光装置的入射面；还包括一调节装置，用来调节所述实心光棒到所述照明光源的距离，以改变所述均匀照明光斑的光强。

采用上述各技术方案，可以调节匀光系统，使具有最佳的光线耦合度来提高照明系统的能量利用率，间接地延长灯泡的使用寿命；或者使匀光系统输出可调控的光强。并且实现方式具有简单可靠，低成本的优点。

附图说明  图1a是现有技术复眼透镜阵结构示意图

1b是现有技术空心光管结构示意图

1c是现有技术实心光棒结构示意图

图2是现有技术照明光源结构示意图

图3是本发明匀光器件结构示意图

图4是本发明可调节匀光系统结构示意图

图5是本发明匀光系统的调节装置示意图

其中，各标号分别代表：500--实心光棒，210--空心光管；100--照明光源，114--中继成像系统的反光镜，118--显示光阀或者物面，122--光敏二极管，125--控制器，128--执行装置；300——固定座，303——固定件，315——调节杆。

具体实施方式  下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。

图4示意了本发明可调节匀光系统的结构，它包括照明光源100，匀光装置和调节装置；所述照明光源至少包括灯泡和反射杯，所述灯泡发出的光经所述反射杯汇聚到位于匀光装置入射面的焦点上；也可以是经所述反射杯大致平行射出，再经会聚透镜汇聚到所述焦点(因属现有技术，未加以图示)。所述汇聚光经该匀光装置后形成均匀的照明光斑，通常为了配合显示光阀或者物面118的外形尺寸，在匀光装置的出射端面后加上带有反光镜114的中继透镜系统，该反光镜114将大部分光线转折投射到所述显示光阀或物面118。

为了使所述调节装置可调节所述匀光装置入射面到所述照明光源100之间的距离，可以如图4和3所示，将所述匀光装置设计成至少包括一段空心光管210，与实心光棒500或又一段空心光管嵌套活动连接。所述空心光管镀膜层的镀膜可以是全反射膜，用来产生白光；也可以是二向色膜，用来产生预定波段的出射光。所述实心光棒可以用熔融石英来加工，也可以用硼硅酸盐玻璃(例如K9玻璃)来加工。

这样，可以如图5所示，以(但不限于)实心光棒500为该匀光装置的入射面为例，将所述调节装置设在所述匀光装置的固定装置300上，包括使所述光棒500轴向平移的调节杆315。该调节杆315被所述固定装置300所支撑，并与实心光棒500的固定件303紧固连接，从而调整该调节杆315时，所述光棒500可以在所述固定装置300上滑移，从而允许手动调节所述匀光装置入射面到所述照明光源100之间的距离。

如图4所示，所述调节装置还可以是自动或半自动调节装置，包括控制器125和设在所述匀光装置固定装置上的执行装置128，所述控制器125在定时信号或人工随机操作的作用下，控制所述执行装置128使所述匀光装置入射面所在的光管或光棒轴向平移。所述执行装置128包括步进电机和传动机构，所述匀光装置入射面所在的光管或光棒上固定有与所述传动机构相适配的传动装置，例如，所述传动机构采用传动齿轮时，所述传动装置为齿槽带。所述步进电机也可以用其它装置来等同替代，例如申请号为200410033489中国专利所公开的超声波电机及其驱动电路。所述超声波电机基于压电陶瓷的逆压电效应，微距控制更为精确，因属于现有技术，不再赘述。所述控制器125发出调节指令时，可以给出步进电机的旋转方向和旋转角度，从而匀光装置的入射端实现相应的轴向移动。

所述调节装置还包括光电转换器件122，设置在所述中继成像系统中，产生与当前匀光照明强度相关的电信号送往所述控制器125。由于反光镜114镀制工艺的原因，虽然大部分的匀光出射光线被反射到所述显示光阀或者物面118，但还会有小部分光线透射到光电转换器件122(可以以光敏二极管为例)上，该投射光线的强弱取决于匀光装置所耦合到照明光源光线的多寡，从而当由于各种原因所述最佳焦点位置产生变化时，所述光敏二极管的响应电流发生相应变化。

因此，基于入射面可轴向伸缩的匀光装置，本发明包括光学照明匀光系统的调节方法，包括步骤：

A.所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供中继成像系统投射到显示光阀或物面；

B.设置在所述中继成像系统中的光电转换器件产生与当前匀光照明强度相关的电信号，送往控制器；

C.该控制器判断所述电信号的大小偏离预定范围时，可以相应地控制执行机构，调节所述匀光装置入射面到所述照明光源之间的距离，以使所述电信号的大小保持在预定范围。该预定范围可以事先被存储在所述控制器中。

本发明可以使用在医疗领域，例如使用本发明的光疗设备，包括照明光源，匀光装置和会聚透镜；所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供所述会聚透镜投射到导光器件；所述匀光装置包括嵌套活动连接的空心光管和实心光棒，所述实心光棒提供该匀光装置的入射面；还包括一调节装置，用来调节所述实心光棒到所述照明光源的距离，以改变所述均匀照明光斑的光强。该调节装置设在所述匀光装置的固定装置上，包括使所述实心光棒轴向平移的调节杆。

Claims (13)

1.一种光学照明匀光系统，包括照明光源，匀光装置；所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供中继成像系统投射到显示光阀或物面；其特征在于：

还包括一调节装置，用来调节所述匀光装置入射面到所述照明光源的距离。

2.根据权利要求1所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

所述匀光装置至少包括一段空心光管，与实心光棒或又一段空心光管嵌套活动连接。

3.根据权利要求1或2所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

所述空心光管镀膜层的镀膜包括全反射膜或者二向色膜。

4.根据权利要求1或2所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

所述实心光棒的材料包括K9玻璃或者熔融石英。

5.根据权利要求1所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

所述调节装置设在所述匀光装置的固定装置上，包括使所述匀光装置入射面所在的光管或光棒轴向平移的调节杆。

6.根据权利要求1或5所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

所述调节装置包括执行装置和控制器；所述执行装置设在所述匀光装置的固定装置上，所述控制器在定时信号或人工随机操作的作用下，控制所述执行装置使所述匀光装置入射面所在的光管或光棒轴向平移。

7.根据权利要求6所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

所述执行装置包括步进电机和传动机构，所述匀光装置入射面所在的光管或光棒上固定有与所述传动机构相适配的传动装置。

8.根据权利要求7所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

所述传动机构为传动齿轮，所述传动装置为齿槽带。

9.根据权利要求7所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

超声波电机及其驱动电路可以取代所述步进电机。

10.根据权利要求6所述的光学照明匀光系统，其特征在于：

所述调节装置还包括光电转换器件，设置在所述中继成像系统中，产生与当前匀光照明强度相关的电信号送往所述控制器。

11.一种光学照明匀光系统的调节方法，基于包括照明光源，匀光装置的光学照明匀光系统，包括步骤：

A.所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供中继成像系统投射到显示光阀或物面；

其特征在于，所述匀光装置的入射面可轴向伸缩，还包括调节步骤：

B.设置在所述中继成像系统中的光电转换器件产生与当前匀光照明强度相关的电信号，送往控制器；

C.该控制器相应地控制执行机构，调节所述匀光装置入射面到所述照明光源之间的距离，以使所述电信号的大小保持在预定范围。

12.一种光疗设备，包括照明光源，匀光装置和会聚透镜；所述照明光源发出的汇聚光经所述匀光装置后形成均匀的照明光斑，以供所述会聚透镜投射到导光器件；其特征在于：

所述匀光装置包括嵌套活动连接的空心光管和实心光棒，所述实心光棒提供该匀光装置的入射面；

还包括一调节装置，用来调节所述实心光棒到所述照明光源的距离，以改变所述均匀照明光斑的光强。

13.根据权利要求12所述的光疗设备，其特征在于：

所述调节装置设在所述匀光装置的固定装置上，包括使所述实心光棒轴向平移的调节杆。

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