CN101971075A - 自由形态聚光光学装置 - Google Patents

Abstract

用于将光从UHP弧光灯或其它圆筒光源引到与灯的前端成直线的目标如微显示器上的聚光器包括：将光从光源导向聚光器的后端的主要镜，及聚光器的后端处将光从主要镜引到目标上的辅助镜。

Description

自由形态聚光光学装置

技术领域

本发明涉及光学系统，尤其涉及XX(双反射表面)光学装置，包括适合在投影系统中用作聚光器的光学装置。

背景技术

与望远镜的物镜类似，投影系统中的聚光光学装置的主要功能是从光源收集尽可能多的光并将其传给微显示器或其它成像器件，在将光传向投影光学器件的同时在空间上调整光。

聚光镜的重要性在于限制商用投影系统的效率的主要瓶颈为其集光光学装置的事实。效率是投影器性能的主要参数，因为其增加屏幕亮度，使系统在环境光水平增加的情况下能很好地运行。此外，更高的效率还意味着吸取更少的热量因而风扇噪声更少。

大多数传统聚光器使用椭圆或抛物线形镜。对于光源如弧光灯或卤素灯泡，它们运行的情况非常远离理论极限(使用非成像光学装置的光束扩展量不变性进行计算)。对于最好的聚光器，在5-15mm².srad光束扩展量范围的典型小显示器具有约40-50％的光线收集效率，尽管理论上能达到约100％。

为理解传统椭圆或抛物线形聚光器的局限，考虑源像的投影的概念是有用的。聚光器的出口光学表面处的针孔将通过一束显示光源的局部图像的光线(参见图1)。对于小的光束扩展量，传统椭圆聚光器具有有限的收集效率，这是因为其投射的弧光图像的特性。大多数图将弧光示为表面发射圆筒，这是弧光的实际非均匀亮度分布的示意性简化。实际亮度分布的例子如图1B和图23中所示。该简化不在最终设计中使用，但其有助于理解椭圆聚光器的固有局限性，因为简化后的弧光的光束扩展量相较真实弧光为更好定义的参数。

图1示出了任何传统椭圆聚光器的源像的显著特性：图像的长度可根据通过聚光器的哪一部分成像而变化(参见图1A)；由于它们复制光源如超高性能水银弧光灯(UHP)的细长形状，图像的长度约为宽度的4倍(参见图1B)；它们由于聚光器的旋转对称性而在目标处旋转(参见图1C)；及源像未很好地适合全景16∶9目标，在图1D中示为虚线矩形。

当微显示器的光束扩展量远大于弧光的光束扩展量时，上面提及的两个方面(投射图像大小的变化及图像旋转)并不限制收集效率，因为搅拌棒形入口孔(在图1D中示为虚线矩形)将远大于所有投射的弧光图像。然而，这意味着使用大且昂贵的微显示器。在大多数考虑成本的应用中，微显示器光束扩展量将更小及更接近弧光的光束扩展量。

感兴趣的明了情形是微显示器和弧光的光束扩展量相等，因为理论上100％的光线耦合效率是可能的(由于光束扩展量是光学不变的量)。在该相等的光束扩展量情形下，可以看出搅拌棒形入口孔将具有与平均投射图像一样的面积。这使下述事实清楚：椭圆聚光器的图像的可变大小和旋转阻止100％的光线收集效率。实现前述100％值的聚光器必须满足下述条件：所有投射的图像均为矩形且与搅拌棒形入口孔的轮廓严格匹配。该条件为一般条件，其与前述理想的100％光线收集聚光器中使用的光学元件无关，甚或暗示前述设计存在。

对于小光束扩展量，提高收集效率的最近趋势是通过减小电极之间的间隙而减小弧光光束扩展量。此外，正开发一些提高前述效率的光学设计，这些设计通过：

-经与弧光同心的半球形镜减小弧光光束扩展量，这将所发出光的一半反射回弧光(其部分吸光)并穿过弧光以增加其亮度。之后，来自更高亮度的半光束扩展量弧光的光由传统椭圆反射镜收集。

-用偏心半球形镜产生弧光的并行图像，及经双抛物线形反射镜产生其合成1∶1图像。

-通过使用非球形反射镜轮廓和非球形透镜校正椭圆镜慧差而使所投射的弧光图像的子午长度均等，但两个表面仍然旋转对称。

除了复杂性和技术难题之外，这些光学方法仅具有有限的增长能力，因为它们的光学装置仍然受限于旋转对称。

提高系统效率的其它方法包括色彩重获及色彩卷动(其试图恢复单微显示器投影器中因色彩过滤产生的损失的2/3)，或者偏振恢复技术(其试图恢复LCD和LCoS系统中因需要偏振光而产生的损失的50％)。然而，在这些方法中，所得的灯光束扩展量因而增加(在偏振和色彩恢复系统中分别为两倍和三倍)，进一步限制了使用经典聚光器的小的微显示器的性能。

用SMS 3D方法设计的其它自由形态XX聚光装置在我们的题为“Freeform lenticular optical elements and their application to condenser and headlamps”的专利申请WO 2007/016363中公开，其通过引用全部组合于此。与在此所述的实施方式相反，其中图43A-44C所示的装置更适合圆形目标而不是矩形目标。那些装置使用光束扩展量压挤的概念，其改而聚焦于避免所投射的弧光图像的旋转，导致图像宽度和长度的均等(如我们的申请WO 2007/016363中的图43A-44C所示)。我们的申请WO 2007/016363中的图45A-45C所示的装置与本申请中的实施方式一样，也分成两半并防止图像旋转，但该结构使辅助镜的两半不相邻而是面向彼此。

关于制造聚光光学装置的技术水平，所有目前的系统均基于旋转对称表面。这些主要由玻璃(由于其低成本)或玻璃-陶瓷(为更高的热稳定性)制造。两种技术的准确度均有限，从而所制造的外形实质上不同于想要的外形。

发明内容

在本说明书中，SMS3D方法应用于具有高数值孔径和效率的自由形态镜光学装置，使用其可保证所投影的源像不旋转。所使用的术语在结尾的术语表中给出。

SMS3D设计方法提供两对波前的完全控制及第三对波前的部分控制。因此，所投影的源像的大小、位置和定向可控制到空前的水平。SMS设计的双反射镜装置在此称为XX。为阐明不同的XX聚光器系列，该部分考虑必须收集矩形平光源发出的光并将其传给矩形平目标的XX设计，如图2所示的几何结构。光源放在y＝0平面中并在y＞0方向发出光。目标放在z＝常数平面中并将在z＞0的方向接收所发出的光。

本发明的一方面提供用于将来自光源的光引到大致与光源的第一端成直线的目标上的光学系统，该光学系统包括安排成将来自光源的光导向聚光器的与圆筒的第一端方向相反的第二端的主要光学元件，及安排在聚光器的第二端处以将来自主要光学元件的光引到目标上的辅助光学元件，其中从光源到达目标的光的至少70％反射离开主要和辅助光学元件。

本发明的一方面提供用于将来自大致圆筒光源的光引到大致与圆筒的第一端成直线的目标上的聚光器，该聚光器包括安排成将来自光源的光导向聚光器的与圆筒的第一端方向相反的第二端的主要反射或其它光学元件，及安排在聚光器的第二端处以将来自主要光学元件的光引到目标上的辅助反射或其它光学元件，其中从光源到达目标的所有光均反射离开主要和辅助光学元件。

主要和辅助光学元件可成形为使得来自主要光学元件的所有部分的、光源在目标上的图像均以实质上一样的形状、大小和定向形成在目标上。

主要和辅助光学元件可成形为使得来自主要光学元件的所有部分的、光源在目标上的图像均以实质上一样的形状和大小形成在目标上，其中图像为相较光源的长度-直径(L/D)比更接近正方形的矩形。

图像可具有从L/D的1/4到2/3的范围中的长度-宽度比，优选4/9到1/2。

主要光学元件可分段为朝向第一端的第一多个弓形扇段及朝向第二端的第二多个弓形扇段。第一多个弓形扇段可相对于第二多个弓形扇段成圆周交错。之后，辅助光学元件可分段为数量等于第一和第二多个的和的第三多个弓形扇段，使得第三多个中的每一扇段面向第一或第二多个中的相应扇段；及主要光学元件的每一扇段将来自光源的光引到辅助光学元件的对向扇段上，其将光引到目标上。

本发明的另一方面提供包括根据本发明的聚光器的灯组件，其中圆筒灯为光源。

本发明的另一方面提供包括根据本发明的灯组件、目标处的图像形成调节器及投影光学器件的投影器，以投射作用于来自灯组件的光的调节器产生的图像。

附图说明

本发明的上述及其它方面、特征和优点从下面结合下述附图给出的更详细的描述将更明显看出，其中：

图1A、1B、1C和1D(统称为图1)为示出传统椭圆聚光器的源像的显著特性的一组图。

图2为XX 3D光学系统的例子的图示。

图3A和3B(统称为图3)为示出自不同视点进行的初始曲线R0(种肋)计算的一对图。

图4A和4B(统称为图4)为示出SMS-肋计算的一对图。

图5A和5B(统称为图5)为将脊柱线示为图3和4的种片参数化和SMS结构引起的SMS表面上的坐标曲线的一对图。

图6A-6E(统称为图6)为示出放大率符号M和N怎样导致四个可能的XX聚光器系列的一组图。

图7为比较传统聚光器(左)和XX 3D聚光器(右)中投影的弧光图像与矩形目标孔对准的一对图。

图8为说明光源和目标定义的一组图。

图9为说明控制圆筒光源的发光特性的波前的定义的一组图。

图10A和10B(统称为图10)示出了对于两个XX系列，包含在x＝0平面上的脊柱线。

图11为N＞0的XX设计的图示。

图12示出了一设计变化的包含在x＝0中的脊柱线。

图13为针对圆筒光源设想的8个XX聚光器设计系列的概览。

图14示出了一个所选的XX设计。

图15示出了图14的所选XX设计的几何尺寸。

图16为图14中的聚光器的光线跟踪结果图。

图17为图14中的椭圆聚光器XX的光线跟踪结果图。

图18示出了图14中的聚光器的目标平面上的光照度分布的光线跟踪结果。

图19示出了图14中的聚光器的另一光线跟踪结果。

图20为与XX聚光器的收集效率和16∶9目标的3D光束扩展量之间的关系相关的光线跟踪结果图。

图21A和21B(统称为图21)为示范装置原型的图示。

图22示出了通过镍电铸制造的示范装置。

图23为实际弧光灯的亮度分布的图示。

图24为与图14类似的灯系统集成在灯泡内的侧视图。

具体实施方式

参考附图，SMS3D设计方法提供两对波前的完全控制及第三对波前的部分控制。因此，所投影的源像的大小、位置和定向可控制到空前的水平。SMS设计的双反射镜装置在此称为XX。为阐明不同的XX聚光器系列，作为例子，本说明书考虑必须收集矩形平光源发出的光并将其传给矩形平目标的XX设计，如图2所示的几何结构。光源放在y＝0平面中并在y＞0方向发出光。目标放在z＝常数平面中并将在z＞0的方向接收所发出的光。

图2示出了XX 3D光学装置的例子，由两个自由形态镜、主要光学元件(POE)和辅助光学元件(SOE)形成。图2中所示的装置可以是在光源处具有像源或调节器如来自Texas Instruments，Inc.的DMD芯片的成像装置，在目标处产生图像，该图像可在那里进行观看或以别的方式使用或者可被进一步投射。前述装置可以是聚光器，在源头处具有光源及在目标处具有像源或调节器。前述装置可以是聚光器，在源头处具有光源及在目标处具有光管或包括进口的其它光处理装置。下面描述的其它实施例相较成像投影器更适合用作聚光器。因此，为简洁起见，所述装置的实施例可称为“聚光器”，及术语“聚光器”在本说明书中的使用不应视为是对光学装置的限制。

如果光源大小相比于聚光器大小足够小，及假设装置将控制第三组波前(仅在种肋时保证)，光源和目标之间保持下述线性映射：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}N& 0\\ 0& M\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ z\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{c}_1\\ c_2\end{array}\right)$ 等式(1)

其中(x’，y’)为目标的点，(x，z)为光源的点(对于光源和目标，使用同一全球坐标系统x-y-z)，及c₁和c₂为定义光源的中心到目标的中心的映射的常数。

该映射意味着在一阶近似中(即对于小的光源)，SMS方法提供图像形成设计，其中光源放在物平面上及目标放在像平面上。在图2中，点A、B、C和D为物点，而A’、B’、C’和D’为其对应的像点。

由于图2的光学结构使特定源点能映射到特定目标点，其可用作成像装置，将源像投射到目标上及用作聚光器。

等式1中的矩阵的对角线定义光学系统的放大率。在一般情形下，常数M和N通常不相等并定义为：

-放大率M：目标平行于y轴的那一侧H’与光源平行于z轴的那一侧H之间的比，即M＝H’/H。

-放大率N：目标平行于x轴的那一侧W’与光源平行于x轴的那一侧W之间的比，即N＝W’/W。

为计算初始曲线(即SMS种肋)，两个光源波前(在图3中标为A和B)置放成使得连接它们的线平行于坐标系统的x轴。连接目标波前A’和B’的线也将平行于坐标系统的x轴，参见图3。

现在参考图3，初始曲线R₀(种肋)用从点A和B发出的光源发散球形波前和以A’及B’为中心的目标收敛球形波前进行计算。该两点映射定义放大率N(其在图3中为负，因为A’和B’相较A和B跨x＝0平面互换)。

如图4中所示，对于SMS-肋计算，两个光源波前(在图4中标为C和D)置放成使得连接它们的线平行于坐标系统的z轴。连接目标波前C’和D’的线将平行于坐标系统的y轴。该两点映射定义放大率M(其在图4中为负，因为C’和D’相较C和D互换，使用y和z轴的正方向作为参考)。

如在此所述的种肋(R₀)及其余SMS-肋的计算使用四对波前。仅使用三对波前的计算也是可能的，但使用四对的计算更可行，因为其可保证装置相对于x＝0平面的对称性。

SMS方法引起源自种片中使用的参数化的表面上的参数化。参数之一为种肋导致的参数u。u＝常数的曲线称为脊柱线。通常，种片的任意参数化导致非C⁰曲线的脊柱线。为了具有C⁰、C¹等脊柱线，在种片参数化时必须强加连续性条件。从理论观点，前述连续性水平无关(在任何情况下，表面保持一样，仅有它们的参数化改变)。然而，在实践中，表面将在当前例子的计算过程中建模(例如使用b样条)，之后，为了准确的表面建模，需要进行适当的参数化。

图5示出了当SMS表面上的坐标曲线由种片参数化及SMS构造引起时图4的XX光学元件上的脊柱线。

放大率参数M和N可以为正或为负，从而可考虑四个系列的XX，其如图6中所示。选择适当的系列将取决于给定应用的具体目标(几何和光学方面)。

图6示出了放大率M和N的符号怎样引起四个可能的XX聚光器系列。图6A示出了从点A、B、C和D产生的光源波前。图6B-6E示出了对于M＞0、N＞0(图6B)，M＞0、N＜0(图6C)，M＜0、N＞0(图6D)及M＜0、N＜0(图6E)的对应目标波前A’、B’、C’和D’。

圆筒光源的XX设计可确定如下。

在前面部分中介绍的XX 3D结构和几何形状也可应用于圆筒光源。这是聚光器应用中实际感兴趣的地方，因为所得到的设计(如下所示)可有效地将光耦合到矩形孔内。这归因于所投影的源像的SMS3D控制、其无旋投影、及其恒定的投影大小(在至少一尺寸方面完美，在垂直尺寸方面保证在种肋附近)。

参考图7，相比于传统聚光器(左)，目前的XX 3D聚光器(右)可设计成避免所投影的弧光图像旋转，使得所有投影图像可适合共同的矩形孔(在图7中，弧光亮度的非均匀性未示出)。

考虑该问题的形式定义，如图8中所示，其示出了收集及传送圆筒发出的光并将其传给矩形平目标的XX所要求的光源和目标定义，图8中示出了有角视场。

为收集来自前述光源的视场的光，与图2类似，可计算XX设计以收集一半的光(朝向y＞0发出的光)。另一半(朝向y＜0发出的光)去往假定与平面y＝0中计算的反射镜对称的反射镜。将在该设计中使用的输入和输出波前如图9中所示。

图9示出了控制圆筒光源的发光特性的波前(WF)的定义。在图6中，四个系列的解决方案根据放大率的符号定义。由于输入源不再是平面，放大率的经典定义不适用，但四个系列仍然表现为波前对分配的结果，为简化这些系列的命名，仍将使用参考M和N放大率符号。

为对此进行说明，图10示出了对于具有两个可能的M符号的系列，平面x＝0上包含的脊柱线。应注意，在该2D部分中，当M＞0时，任何两个输入波前的光线在主要光学元件(POE)处反射之后将在到达辅助光学元件(SOE)之前形成真焦散线。另一方面，当M＜0时，焦散线将为虚拟焦散线(即光线的想象延续将在POE和SOE之间的光线轨迹段之外形成焦散线)。这意味着，对于y＞0的光学装置，在M＞0的情况下，从光源朝向POE的具有高/低z值的点发出的光线将朝向SOE的相应具有低/高y值的点反射；及在M＜0的情况下，朝向相应高/低y值的SOE点反射(参见图10)。

因此，图10A示出了对于放大率符号M＞0的XX系列，平面x＝0上包含的脊柱线，及图10B示出了对于放大率符号M＜0的XX系列，平面x＝0上包含的脊柱线。

关于放大率等于N的符号，其影响种肋计算，在图3示出N＜0的情形的同时，图11示出了N＞0的情形。如这些图中所见，与刚才描述的M的符号的重要性类似，在N＜0的情况下，从光源朝向POE的x＞0的点发出的光线将朝向SOE的x＞0的点反射；及在N＞0的情况下，朝向x＜0的点反射。

由M和N的两个可能的符号产生的四个系列的XX可通过其3D中的两个焦散面的真或虚拟性质进行同等地描述。

由于圆筒光源向y＞0和y＜0半空间发出光，除放大率M和N的符号之外还增加另一布尔变量，从而将四个系列的XX解决方案增加到八个。该第三布尔变量源自下述另外的选择可能性：使POE镜y＞0的一半将光朝向SOE的y＞0的一半反射(如所有先前的图中所示)还是朝向SOE的y＜0的一半反射，如图12中所示。

图12示出了一设计变化中x＝0平面中包含的脊柱线，其中POE镜的y＞0的一半将光向SOE的y＜0的一半反射，及成对的POE和SOE半部不相邻。为用作具有全向发光的灯中的聚光器，假定图12中所示的半镜将由y＝0平面的对侧上的镜复制。在图12中所示的y＝0平面的对侧上使用单一SOE半部和单一POE半部的结构可在成像结构中用作图2中所示的修改。在非成像结构如聚光器中，同样的图2和图12的结构可用于以所希望的大小和定向将光源投射到目标上。使用两个SOE半部及对应的两个POE半部的结构可用于产生目标的非圆形照明，因为，例如对于圆筒光源，两个半部均可通过将圆筒光源的矩形图成像在目标上而产生重合的目标矩形照明。

图13为针对圆筒光源设想的8个系列的XX聚光器设计的概览。

所有前面提及系列的XX聚光器类型均已进行研究。现在仅对具有最佳性能的情形描述光线跟踪结果，即M＜0、N＜0及POE和SOE成对的半部位于y＝0平面的对侧(即不相邻)。该“最佳性能”定义为光源和目标之间的最大能量传递，如图8中二者在三维均具有一样的光束扩展量的情形所示。

设计的输入参数为：

-圆筒光源：长度L＝1.2mm；直径D＝0.3mm；发射限于自圆筒轴大于β_MAX＝45°的光线。

-矩形平目标：纵横比＝4∶1；接收限于与目标的法线成小于

的光线。

-从光源中心到目标平面的距离：30mm。

图14示出了M＜0、N＜0及非相邻POE和SOE成对半部系列的所选XX设计的镜的表面(在顶部只示出了y＜0的POE和y＞0的SOE)。光源和目标非按比例示出。如图14中所示，成对的辅助光学元件可形成为单一部件，具有两个SOE表面在y＝0平面中相交的直线缝或棱线，没有先前提出的装置中常见的中心孔，SOE表面很好地形成及光学上相较其整个区域有效。在图21和22所示的结构中，SOE中的中心孔可用于为UHP弧光或其它灯的一端处的电连接器提供安装位置。然而，如图24中所示，对于如图14的装置，可能以POE和SOE形成为模制玻璃灯泡的表面上的金属化区域进行构建，其也可用作灯本身的包层。电源和电极或灯的灯丝支撑继而可仅为通过玻璃包层的一对导线，及SOE的中心部分可得以有效地使用。

图15示出了标准的俯视、侧视和正视图，表明图14的所选XX设计的几何尺寸。POE在x方向的最大宽度为86.89mm，及在y方向的最大高度(跨y＞0和y＜0半部的想象直径)为65.02mm。POE的面向目标的开口端的直径，其定义聚光器的圆形视场，为31.53mm。SOE在x方向的最大宽度为48.79mm及在y方向的最大高度为40.45mm。

为评估性能，收集效率与目标光束扩展量之间的关系通过光线跟踪进行计算(使用商用光线跟踪包

参见www.opticalres.com)，其在图16中示出。

当保持圆形视场固定并改变目标大小但纵横比相同(4∶1)时，目标的光束扩展量改变。因此，目标光束扩展量由下面的等式给出：

等式(2)

其中A_target为目标面积，及对于XX，

图16示出了图14中的聚光器的收集效率与目标的3D光束扩展量之间的关系，其通过光线跟踪确定。为比较的目的，图16示出了两条另外的曲线。其中之一为，对于同样的光源及具有同样的纵横比(4∶1)的目标，传统椭圆反射镜的收集效率与目标光束扩展量之间的关系。椭圆体的偏心率已设定等于0.8(这为优化标准)及目标视场为

(这也是市场上的标准值)。

图16中的第三曲线对应于理论极限，其通过光束扩展量考虑进行推导：实现其的理想聚光器(可能不存在，目前尚未知存在)在目标光束扩展量大于光源光束扩展量时将所有光源能量传给目标，及在光源光束扩展量大于目标光束扩展量时用来自光源的光完全填满目标光束扩展量。这意味着理想的聚光器将具有下述等式给出的收集效率与目标光束扩展量之间的关系曲线：

η＝1 if E_target≥E_source

$\mathrm{\η}=\frac{E_{t\arg \mathrm{et}}}{E_{\mathrm{source}}}\mathrm{if}{E}_{t\arg \mathrm{et}}\≤E_{\mathrm{source}}$ 等式(3)

其中E_source＝3.13mm²，通过从输入数据和圆筒光源几何结构获得：

$E_{\mathrm{source}}=\mathrm{\πDL}(\mathrm{\π}+\sin \left({2\mathrm{\β}}_{\mathrm{MAX}}\right)-2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{MAX}})+\frac{1}{2}{\mathrm{\π}}^2{D}^2(1-{\sin }^2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{MAX}})$ 等式(4)

图16表明XX的表现比椭圆反射镜好得多(对于所有镜，镜反射率已设定为等于1)，接近理论极限。有三个因素防止XX达到理论极限：

1、当目标光束扩展量大时，反射离开POE的一些光线将错过SOE，使得XX曲线不能达到100％收集效率。

2、XX效率曲线的“肩部”成圆形(相比于理论曲线，这表明斜率不连续)。这由目标平面上的光照度分布非梯状过渡及光照度分布的圆形轮廓线引起，如图18中所示。

3、当目标光束扩展量小时，图16中的XX曲线的斜率小于理论斜率，因为XX没有完全及均匀地填满圆形视场(参见图19中的强度分布)。

图17示出了通过光线跟踪确定的增益-光束扩展量曲线图。增益定义为给定非传统聚光器的收集效率与椭圆聚光器的收集效率的比。图14的XX装置在宽范围的光束扩展量中展现高达2的增益。理论极限可实现高达3的增益。

图18示出了图14的XX聚光器的目标平面上的光照度分布，其通过光线跟踪确定及其中假定光源具有1000lm的光通量。

图19示出了通过图14的XX聚光器的目标平面的强度分布，其通过光线跟踪确定及其中假定光源具有1000lm的光通量。

具有4∶1纵横比的目标通常在投影显示应用中见不到。相反，16∶9格式可考虑为目前的标准。图20示出了与图14类似的XX聚光器的光线跟踪结果，其设计成在目标平面上产生16∶9辐照度分布。图20假定圆筒光源具有0.62mm的直径(光源光束扩展量＝6.96mm²)并保持其余参数相比图14的情形不变。对于圆形视场，XX仍表现得比椭圆反射镜好，尽管由于目标更低的纵横比而使增益减小到1.5(再次说明，对于所有镜，镜反射率已设定为等于1)。理论极限也被减小到2。

作为学术考虑，有趣地注意到，如果考虑目标的正方形视场，这些XX聚光器的表现更接近理论极限。图20还示出了在目标处使用XX的14°×14°的正方形视场时的收集效率和目标光束扩展量。理论极限保持不变，但XX的表现好得多，因为其强度分布与正方形视场更好地匹配。在靠近原点处，具有正方形视场的XX的效率曲线的斜率现在变得非常接近理论极限，这指示均匀且很好填充的视场。

现在参考图21和22，已制造示范装置原型以证明这些设计原理。为更易于处理，代替投影器弧光灯(其高通量不能变模糊；其还具有高UV发射)，选择汽车用H7卤素灯。H7灯丝为由长度L＝4.3mm及直径D＝1.55mm的圆筒包围的螺旋形灯丝。其几何结构迫使选择XX结构以避免暗影及镜对灯的干扰。所选设计为N＜0、M＜0及相邻POE和SOE半部系列的XX；及每一半具有单独的矩形目标，如图21中所示。应注意，图21B中的3D图示出了装置相比图14绕圆筒光源轴(z轴)旋转90度。

通过镍电铸制造的原型如图22中所示。镜涂层由脱水的铝制成。SOE镜的y＞0和y＜0半部制造为模具的(同样的)复制品。类似地，POE由两半制成，但在该例子中POE拆分为x＞0和x＜0半部以更易于脱模。

图21和22中所示的示范装置通过镍电铸进行制造。在图22的后三个图片中删除x＞0的POE反射镜半部以示出光源和SOE。在图22的左下图片中(沿目标的z轴取得的图片，正z，端部)，在目标平面上可看见灯丝的图像。

先前部分中的XX设计均为自由形态表面，但关于x＝0平面对称，镜的法向矢量包含在该平面中。因此，镜的x＝0部分为2D光学系统，例如类似于图12中所示的系统。一旦视场固定，x＝0中的2D光束扩展量计算给出目标点WF₀₃和WF₀₄之间的距离(参见图9)。

在提出一些传统聚光器的效率限制之后，申请人已基于XX 3D设计开发新的聚光器结构。这些结构具有旋转对称光学装置难以达到的能力，尤其是控制投影的源像的旋转方面。它们用SMS3D设计方法进行设计，其可与上面提及的WO 2007/016363中的光束扩展量压挤技术结合。在同等条件下进行的光线跟踪(传送的能量-目标光束扩展量)表明对于4∶1纵横比的矩形孔，理论收集效率增益高达200％。示范装置已通过电铸镍建立以说明该概念。

图34示出了包括图14和图22的光学装置的汽车用灯泡的例子。在该例子中，“目标”仅为想象的目标，因为所发出的光束引到汽车前方的路上。所发出的光束部分通过POE和SOE的光学装置成形，及部分通过出口孔，其为在SOE最远侧处的两个POE半部之间的边界处的孔。在图22中，出口孔为矩形。在汽车前灯中，出口孔可更精巧地成形以通过适当的调节形成所需要的形状。该形状通常要求严格形成的顶部切口和朝向即将来临的交通的那一侧上严格形成的通常非对称的切口，但在底部和路边侧可更宽大。

本发明装置的有趣特征包括下述特征：

可设计的8个不同系列的区别(图13)。

放大率M和N(如上定义的)的符号相等(即M×N＞0)的4个系列具有下述性质：如果从物体的一点取一球形波前，该波前在主要光学元件反射之后将使得一焦散面为真而另一焦散面为虚拟焦散面。至少从发明人所了解的知识，在成像光学装置应用方面这尚没有先例。

当物体为平面时(图3-5)，前述设计的总几何结构，其包括镜、物体和目标相对位置，避免阻挡光，及物体和目标的法向矢量不平行而是形成约90°。

当光源为圆筒时(图3-5)，前述设计的总几何结构，其包括镜位置及物体和目标位置，避免阻挡光。

对于灯丝情形(参见图14B)，使用两半形成图8的输入和输出光线束的良好耦合(即从一变换为另一个)。尽管输入和输出光线束为拓扑空间中的连通集(在此指拓扑空间x-y-z-p-q-r，其中p2+q2+r2＝1)，但它们具有非常不同的拓扑结构。关键是两半设计，其效果是中间光线束(即两个镜之间的光线束)不是拓扑空间中的连通集。这样的断开借助于在平面y＝0沿主要镜的线的法向矢量的不连续性产生。由于输出光束连通，重新连通(拓扑粘合)由在平面y＝0沿辅助镜的线的法向矢量的不连续性提供。主要和辅助镜中的相应断开-重新连通根据图14中所示的轮廓映射产生。

本说明书中已使用的术语如下：

“传统聚光器”由椭圆或抛物线形旋转镜(通常还有平的玻璃盖)及光源(即弧光灯或卤素灯泡)组成，光源灯的轴与镜光轴重合。镜通常设计成收集发出的与光轴成45°-135°角度范围的灯泡光，如图32中所示。

“真实弧光源”为真实灯的弧光的非均匀亮度分布。该分布具有近似旋转对称性。然而，通常沿其长度不均匀，跨其宽度也不均匀，如侧视图中所示。其通常进行测量，及产生光线集。参见图1和图23的测得的真实弧光源的例子。

“子午角大小”为子午面中空间的任何点处所传输的光线束对着的全角。当光线束不均匀时，全角使用包围所选百分比的光线束通量的等亮度表面定义。

“弧矢角大小”为弧矢面中空间的任何点处所传输的光线束对着的全角。当光线束不均匀时，全角使用包围所选百分比的光线束通量的等亮度表面定义。

“弧光的投影图像”为理论上由聚光器的出口孔上的针孔产生、之后投射到目标平面上的那些图像，其中总光照度分布为完全覆盖出口孔的针孔阵列的和。

“理想的聚光器”为实现光束扩展量守恒定理允许的最大收集效率的聚光器。给定光源模型，理想的聚光器的性能不取决于具体的目标出口轮廓，而是仅取决于目标孔面积及照射角，即其光束扩展量。理想的聚光器必须自聚光器出口表面的所有点投射同样的图像，及前述图像的轮廓必须与目标孔的轮廓一致。

尽管已描述了具体实施例，但技术人员将理解可怎样组合和替代不同实施例的特征，及前述组合在本发明的范围之内。

参考文献

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Claims (20)

1.用于将光从光源引到与光源的第一端成直线的目标上的光学系统，该光学系统包括：

在通过光源的参考平面中在反射下对称的一对主要光学元件，该对主要光学元件安排成将光从光源导向聚光器的与圆筒的第一端方向相反的第二端；

其中两个主要光学元件一起围绕光源，及沿光源两侧上的参考平面相交；及

在通过光源和目标的参考平面中在反射下对称的一对辅助光学元件，该对辅助光学元件安排在聚光器的第二端处以将光从相应主要光学元件引到目标上。

2.根据权利要求1的光学系统，其中光源为细长光源，每一主要光学元件及其相关联的辅助光学元件在目标处形成光源的细长图像，及所述图像按同一方向定向。

3.根据权利要求1的光学系统，其中每一主要光学元件将光从光源引到参考平面另一侧上的辅助光学元件。

4.根据权利要求1的光学元件，其中两个辅助光学元件在跨通过目标和光源的参考平面中的线延伸的边界处沿参考平面相交。

5.根据权利要求1的光学系统，其中从光源到目标的光线束形成光源和主要光学元件之间及辅助光学元件和目标之间的拓扑空间中的单一连通集，及在主要光学元件和辅助光学元件之间的拓扑空间中不连通。

6.根据权利要求1的光学系统，其为包围光源的透明灯泡，及其中主要和辅助光学元件为灯泡外壳的反射部分。

7.根据权利要求1的光学系统，其中主要和辅助光学元件成形为使得自主要光学元件的所有部分得到的光源在目标上的图像均以同样的形状、大小和定向形成在目标上，从而光源光通量的至少70％组合在与光源相同光束扩展量的矩形目标中。

8.根据权利要求1的光学系统，其中主要和辅助光学元件成形为使得自主要光学元件的所有部分得到的光源在目标上的图像均以同样的形状和大小形成在目标上，其中所述图像为具有从四分之一到三分之二范围的长宽比的矩形。

9.包括聚光器的灯组件，所述聚光器为根据权利要求1的光学系统，其中圆筒灯为光源。

10.一种投影器，包括根据权利要求9的灯组件、目标处的图像形成调节器、及投影光学器件以投射由作用于来自灯组件的光的调节器产生的图像。

11.用于将光从光源引到与光源的第一端成直线的目标上的光学系统，该光学系统包括：

主要光学元件，安排成将光从光源导向聚光器的与圆筒的第一端方向相反的第二端；及

辅助光学元件，安排在通过光源和目标的参考平面与主要光学元件相反方向的那一侧上的聚光器的第二端处以将光从主要光学元件引到目标上；

其中从光源到达目标的光的至少70％反射离开主要和辅助光学元件。

12.根据权利要求11的光学系统，其中主要和辅助光学元件成形为使得自主要光学元件的所有部分得到的光源在目标上的图像均以同样的形状、大小和定向形成在目标上，从而光源光通量的至少70％组合在与光源相同光束扩展量的矩形目标中。

13.根据权利要求11的光学系统，其中主要和辅助光学元件成形为使得自主要光学元件的所有部分得到的光源在目标上的图像均以同样的形状和大小形成在目标上，其中所述图像为具有从四分之一到三分之二范围的长宽比的矩形。

14.包括聚光器的灯组件，所述聚光器为根据权利要求11的光学系统，其中圆筒灯为光源。

15.一种投影器，包括根据权利要求14的灯组件、目标处的图像形成调节器、及投影光学器件以投射由作用于来自灯组件的光的调节器产生的图像。

16.包括根据权利要求11的光学系统的投影器，其中在目标处具有图像形成调节器。

17.用于将光从光源引到与光源的第一端成直线的目标上的光学系统，该光学系统包括：

主要光学元件，安排成将光从光源导向聚光器的与圆筒的第一端方向相反的第二端；及

辅助光学元件，安排在聚光器的第二端处以将光从主要光学元件引到目标上；

其中从光源到达目标的光的至少70％反射离开主要和辅助光学元件。

18.根据权利要求17的光学系统，其中主要和辅助光学元件在通过光源和目标的参考平面的两侧。

19.根据权利要求18的光学系统，还包括在通过光源和目标的参考平面中在反射下与第一主要光学元件对称的第二主要光学元件，及在所述参考平面中在反射下与第一辅助光学元件对称的第二辅助光学元件，其中光源将光发射到主要和辅助光学元件上，其中两个主要光学元件一起围绕光源并沿光源两侧上的参考平面相交。

20.根据权利要求1的光学系统，其中主要和辅助光学元件成形为使得自主要光学元件的所有部分及经主要和辅助光学元件得到的光源在目标上的图像均以同样的形状、大小和定向形成在目标上，从而光源光通量的至少70％组合在与光源相同光束扩展量的矩形目标中。

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