CN1119472A

CN1119472A - 高架投影器的聚光镜

Info

Publication number: CN1119472A
Application number: CN94191524A
Authority: CN
Inventors: S·K·艾哈特
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 1996-03-27
Also published as: WO1994023325A1; KR960701379A; US5400094A; JPH08508587A; US5475535A; SI9420015A; ES2108989T3; DE69406654T2; EP0692103A1; DE69406654D1; EP0692103B1

Abstract

一种用于高架投影器(OHP)的聚光透镜设计成平衡投影图像的总亮度与照明度均匀性，透镜是平凸非球面的，其圆锥常数是曲率半径的函数。曲率半径还是从取决于OHP的台尺寸的范围中选出的。透镜和OHP光学系统的其它参数的最佳值选成与透镜设计互补。透镜由例如硅酸硼的耐热材料所构成，以经受由OHP底座内的白炽灯所产生的高温。作为所述那类成员的聚光透镜具有总的光通量及通量均匀度方面优于先有设计的性能。

Description

高架投影器的聚光镜

本发明的背景技术

1.发明领域

概括地说本发明涉及光学投影系统，具体地说本发明涉及结构成平衡总体亮度及均匀度的高架投影器的聚光透镜。

2.先有技术的描述

高架投影器(OHP)在本技术领域中是公知的，通常包括具有光源的底座，台区以及位于台上方的投影头。底座内的聚光透镜使光线射向台，位于台处的菲涅耳透镜把光线聚集起来使之射向投影头上的投影透镜，这就把放置在台上的任何透明图象进行投影。投影图象的两个重要特性就是总体亮度及照明度的均匀性。

随着配合OHP使用彩色透明软片及液晶显示(LCD)板较为流行，亮度已经变得更加重要。获得高亮度的三个重要因素是灯的结构、光的聚集以及利用已经聚集的光。

为了增加亮度，可以若干种方式改变灯的结构。一种改变是将电能转换为光的装置的变化。根据这种分类方案两种最常用的投影灯是白炽灯和电弧放电灯。电弧灯把电能转换为光比白炽灯更有效，但其成本及相应的电源的成本使其局限用于最昂贵的投影器。大多数投影器中采用白炽灯。尤其是采用卤钨白炽灯，因为在其工作寿命期间光输出较稳定。如果只限于卤钨技术，增加亮度而不牺牲灯工作寿命的唯一方法是采用较高功率的灯。

白炽灯的效率低是由于大部分电能转变为红外辐射。红外辐射为包括玻璃在内的许多材料所吸引，使它们发热。普通的投影灯所产生的热的总量不足以使玻璃聚光镜软化，但却使聚光镜按所收到的热能总量的比例而膨胀。这意味着最靠近灯丝吸收大部分辐射的聚光镜中心部分膨胀得比外面部分多。这种不均匀的膨胀可能引起聚光镜爆裂。对于较低功率的白炽投影灯来说，把钠钙玻璃聚光镜回火就足以防止它爆裂。较高功率的灯需要一种较耐热应力的玻璃，例如硅酸硼玻璃。PYREX牌玻璃就是这种常用的玻璃。

增加亮度的另一种技术是审慎地选择聚光镜，这种聚光镜聚集尽可能多的来自光源的光，使之通过台射去。聚光镜所聚集的光的总量是由其聚集角所控制的。这个角定义为聚光镜的旋转轴和从光源中心至聚光镜边缘的直线之间的角。这个角受到从灯丝至聚光镜的最接近边的距离以及聚光镜直径的影响。当灯机械上可行的话，聚光镜通常尽可能靠近灯放置，因此只有直径是可变的。增大直径使聚集角增大，但它也使聚光镜所需的厚度增加。增加厚度会使其成本及对热应力的敏感度增加。

上述对亮度起作用的第三个因素是利用所聚集的光。如果所有聚集的光都能予以瞄准，使得光能穿过台，利用率就最佳。然而由于若干项因素，利用率增加常常导致越过台的光的分布变差，因而导致投影屏幕的不均匀照明度。在具有这种关系的最简单实例中，系统可以构制成几乎所有的光呈圆形光束穿过台，但是由于台呈方形，四角就暗淡或变黑。光束可以向着较方的形状扩展或变平，但是在四角照明度仍然会有些衰退，而且随着照明度均匀性的改善，越来越多的光落在台周边的外部，因而减低了总体亮度。在美国专利No.1,946,088,2,637,242，5,010,465及5,092,672中讨论了这种折衷选择。

通过提供具有若干透镜元件的光学系统可以达到光分布的某种均匀度。然而，透镜的多重性是与将零件数量减至最少以简化工艺及减低成本的迫切需要相违背的，而且多重透镜由于表面反射还会减低亮度。另一种方法是改变OHP光学系统中除了聚光装置以外的一个以上参数。例如，普通先有技术用以使亮度/均匀性的平衡达到最佳的方法一直来是调节从灯丝至位于台处的菲涅耳透镜的距离，同时注视着投影屏幕(在整个过程中采用同一聚光镜)。另一种反复试验法是利用选择这些透镜而代替不同的聚光透镜。在这些方法中最明显的缺陷是在确定亮度和均匀度的最佳平衡时含有虚拟判断。这些也是特设方法，这些方法可能受到一些不必要的设计制约，例如具体的透镜结构只能有限度选择透镜。因此，最理想和有利的是设计一种确定聚光透镜结构提供改善的亮度/均匀度平衡的方法，这种结构限于单一透镜元件，以及以OHP光学系统的其它已知参数为基础。

发明概述

本发明包括用于高架投影器的非球面聚光透镜，构制成提供总的光通量与投影屏幕上的照明度均匀性之间的良好平衡。这种结构对于一定程度的均匀性获得接近最大的总体亮度，或者反过来说，在一定的理想发光度下获得了最佳的均匀度。本发明涉及一族用于任何台尽寸处在一定范围内的OHP的那些聚光透镜。本发明定出了这族透镜中非球面透镜的圆锥常数和曲率半径之间的数学关系，对于所述的具体OHP系统，这两个变量必须满足公式：

(0.072×R)－2.7＜K＜(0.072×R)－2.3

式中R等于曲率半径，K等于圆锥常数。对于抗热性本发明还设想采用低膨胀的硅酸硼玻璃透镜。

附图的简介

本发明的新颖特征及范围在所附的权利要求书加以叙述。然而参照附图就能清楚地了解发明的本身，其中：

图1是根据本发明构制的高架投影器的光学系统的示意图；以及

图2是用曲线表示采用根据本发明所构制的那族聚光透镜所投影的图象中总体亮度以及角与中心比之间的关系的图象。

最佳实施例的描述

现在参照附图，尤其是参照图1，图1示出了本发明的高架投影器(OHP)10。OHP 10一般包括具有光源14的底座12、台区16及位于台上方且由臂20支撑的投影头18。底座12内背反射镜22和聚光透镜24使光射向台16，位于台处的菲涅耳透镜26使光聚集起来使之射向投影头18上的投影透镜28。主体镜30可用来使光路径弯折，以及减低底座12的高度。任何放置在台上的透明图象，无论是在透明薄片上还是在液晶显示板(LCD)上形成的，都通过透镜28聚焦，从投影头的镜32反射出来，且投影在屏幕上。所有上述元件除了聚光透镜24之外都是常用的。其它常用的器件例如用于光源14的电源都已从图1中略去。本领域的技术人员在参阅了这份说明书后，这些器件以及其它任选的常用器件的细节就显得很清楚了。

聚光透镜24设计成对投影屏幕上总的光通量与照明均匀度进行平衡。换言之，对于给定的角与中心比可以达到近乎最高的总体亮度。相反，或者根据所需的发光度可以获得极佳的角与中心比。聚光透镜24是非球面的(最好是旋转的二次曲面)，而最好是平凸的，如在下列标准公式中所见到的那样，其形状主要由两个参数所限定，即其曲率半径及其圆锥常数

Z = \frac{Y^{2}}{R + \sqrt{R^{2} - (1 + K) Y^{2}}}

式中Z＝纵座标，

Y＝横座标，

R＝曲率半径，以及

K＝圆锥常数。

不是精确的旋转二次曲面的非球面透镜可以用这项公式去近似，仍然具有R及K的有效值。根据本发明，K的最佳值还取决于R的值，它可以在(下面所给的)一定范围内变化。因此本发明实际上描述了一族聚光透镜。R和K的关系由最新发现的公式所决定。

(1)(0.072×R)－2.3＜K＜(0.072×R)－2.3

式中R和K都以毫米为单位。

R可接受值的范围相对于具体的OHP系统而决定，即OHP系统中台的宽度或直径(图1中的X₁)在250-290毫米的范围内(宽度是越过台中心所测量的，而不是在边上测量的，因为台的角一般都被掩蔽或截去)。R可接受的值处在23-32毫米的范围内。(根据上述台宽度)其它参数的最佳值如下。灯丝至聚光镜的距离(图1中的X₂)在8-13毫米的范围内，灯丝至菲涅耳镜的距离(图1中的X₃)在270-320毫米的范围内；聚光镜的边缘厚度在1-5毫米的范围内，其直径在50-65毫米的范围内。组成聚光器的玻璃材料的折射率在1.46至1.49的范围内，这包括了大多数硅酸硼玻璃。硅酸硼玻璃是颇理想的，由于它的高热耐久性及低膨胀，当聚光镜放置在例如用于OHP的大功率灯泡附近时，这就显得更重要。

采用上述公式(1)所述的聚光镜族的情况下总的光通量与照明均匀度之间的关系示于图2中。总的光通量是以流明为单元给出的，而横坐标(角与中心比)是参照ANSI标准IT7.215而计算的。这项标准采用以方形阵列在台或投影屏幕上九个等间隔放置的探测器；角与中心比是四个角探测器处的平均光照度除以中心探测器处的光照度。图2中所绘的曲线表示新发现的由公式(1)所限定的聚光镜族，并且可以与先有技术的OHP系统的示例性数据点(datepoint)的“十”号作比较。与先有技术相比，新一族的聚光镜以相同的角与中心比能具有更多流明，或者对于相同的发光度具有较高的角与中心比。曲线是在0.4-0.7的角与中心比的范围内画出的；具有这个范围内的角与中心比的OHP被认为具有极优良的性能(参阅日本工业标准B 7160§5.5)。作为本申请中所述那族成员的聚光透镜在总的光通量及通量的均匀性方面所具有的性能优于先有装置的性能。任何先有技术的OHP都没有单一的聚光透镜，这种聚光透镜以给定的角与中心比传递这些发光度。

虽然参照具体的实施例对本发明作了描述，但是这种描述并不是要构成一种限制。显然本领域的技术人员在参阅了本发明的描述后，对已公开的实施例以及本发明的另一些实施例是可以作出各种改型的。尤其是聚光镜的外形可以用多项展开式，仿样函数或某种其它数学公式予以描述。但它仍然具有与本申请中所限定的聚光镜相同的总体形状及光学特性。因此设想只要不脱离所附权利要求书所限定的精神和范围就可以作出这些改型。

Claims

1.一种用于投影系统的聚光透镜，使光射向宽度处在约250-290毫米范围内的台区，该透镜是非球面的，有效的曲率半径R处于约23-32毫米的范围内，以及有效的圆锥常数K处在由下列公式所限定的范围内：

(0.072×R)－2.7＜K＜(0.072×R)－2.3

式中R的单位为毫米。

2.根据权利要求1的聚光透镜，其特征在于，所述透镜的直径在大约50-65毫米的范围内。

3.根据权利要求1的聚光透镜，其特征在于，所述透镜的边缘厚度在大约1-5毫米的范围内。

4.根据权利要求1的聚光透镜，其特征在于，所述透镜是由折射率在大约1.46-1.49范围内的材料所组成的。

5.根据权利要求1的聚光透镜，其特征在于，所述透镜是由硅酸硼玻璃组成的。

6.根据权利要求1的聚光透镜，其特征在于，所述透镜是旋转二次曲面。

7.根据权利要求2的聚光透镜，其特征在于，所述透镜是由折射率在约1.46-1.49范围内的材料所组成的。

8.一种高架投影器，包括：

一个具有透明台区的底座，所述台区的有效宽度在250-290毫米的范围内；

安装在所述底座上的投影装置，用以在所述台区聚集光，且使光聚焦在投影屏幕上；

一个设置在所述底座的光源；以及

一个靠近所述光源设置的平凸聚光透镜，使光从所述光源射向所述台区，所述聚光透镜是非球面的，其有效曲率半径R处在约23-32毫米范围内，其有效圆锥常数K处在由下列公式所限定的范围内：

(0.072×R)－2.7＜K＜(0.072×R)－2.3

式中R以毫米为单位。

9.根据权利要求8的高架投影器，其特征在于，所述聚光透镜的直径在大约50-65毫米的范围内。

10.根据权利要求8的高架投影器，其特征在于，所述聚光透镜的边缘厚度在大约1-5毫米的范围内。

11.根据权利要求8的高架投影器，其特征在于，所述聚光透镜是由折射率在大约1.46-1.49范围内的材料所组成的。

12.根据权利要求1的高架投影器，其特征在于，所述聚光透镜是由硅酸硼玻璃组成的。

13.根据权利要求1的高架投影器，其特征在于，所述透镜是旋转二次曲面。

14.根据权利要求8的高架投影器，其特征在于，从所述光源至所述台区的有效距离在8-13毫米的范围内。

15.根据权利要求8的高架投影器，其特征在于，从所述光源至所述聚光透镜的有效距离处在270-320毫米的范围内。

16.根据权利要求8的高架投影器，其特征在于，还包括位于所述台区的菲涅耳透镜。

17.根据权利要求8的高架投影器，其特征在于，所述光源是白炽灯。

18.根据权利要求8的高架投影器，其特征在于，来自在所述台区上所述光源的光照度的角与中心比至少为0.4。

19.一种构制用于高架投影器的非球面透镜的方法，该高架投影器有一台区，台区的有效宽度处在约250-290毫米的范围内，所述方法包括下列步骤：

形成具有有效圆锥常数K的透镜，该圆锥常数K处在由下列公式所限定的范围内：

(0.072×R)－2.7＜K＜(0.072×R)－2.3

式中R是所述透镜的有效曲率半径，以毫米为单位。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于还包括在约23-32毫米的范围内选择曲率半径R的步骤。