CN1179225C - 用于照明系统的聚光器 - Google Patents

Abstract

一种用于投影系统的聚光透镜(2)优化了引向开口(3)的总亮度的量以及开口(3)处的照度均匀性。当把透镜放置在投影系统中时，此透镜具有边缘光线，此光线从光源的中心出发并通过聚光透镜的边缘，并在要照亮区域的边缘或靠近其边缘处与该区域相交。此透镜还具有相对区域光线高度，此高度是根据从光源到开口的距离而选择的。此聚光透镜系统在过顶投影机的结构中特别有用。

Description

用于照明系统的聚光器

发明领域

本发明一般涉及其中使用聚光透镜的光学照明系统，尤其涉及用于过顶投影机的照明系统，它做成可增大给定光学几何图形任何所需区域或开口(aper-ture)上照明的量。

背景技术

用于光学照明系统的聚光透镜通常用于集中来自光源的光并把它引向要照明的区域或开口。这些透镜可包括单个或多个设计成双凸、平凸和凹凸形状的元件。聚光透镜的一个通常用途是用在过顶投影机(OHP’s)。

常规的OHP一般包括具有光源的底座、平台区和位于平台上方的投影头。光源常由带反光镜的灯或没有带反光镜但与分离的反光镜和可能的聚光透镜相组合的灯。平台处的Fresnel透镜收集光线并把它引向投影头(投影出平台上的任何透明图像)中的投影透镜。

为了保证在明亮环境中看清楚图像，希望图像尽可能地亮。随着液晶显示器(LCD)板与OPH合并使用不断增长，亮度已变得特别重要，因为LCD板的透射一般非常低。

照度均匀性也非常重要。虽然人眼不十分敏感于照度的逐渐变化，但仍可看出从屏幕中心到远角的大约四倍以上的变化。依据ANSI/ISO9767-1990(它用角到中心的比率来定义均匀性)测量均匀性。依据日本标准JIS B 7160(它基本上类似于美国国家标准协会(ANSI)的角到中心的比率的定义)，认为对于OPH，角到中心比大于40％就被认为很好。

在实现高的平台照度中牵涉到三个重要的因素，它们是：灯的构造、来自灯的光线的聚集，以及光线一旦被聚集后的利用。第一个因素牵涉到灯本身，而另外两个因素依据一块或多块聚光透镜的性能。灯的构造可以几种方式变化，以增加照度。常规的OPH灯是白炽灯或电弧放电灯。虽然弧光灯可提供更高的照度，但白炽灯的成本一般低于电弧放电灯，因此更多地用于过顶投影机中。如果选择白炽灯，用于提高照度的唯一可获得的方法是使用一个具有较高瓦数的灯。由于投影机的其它元件可能过热，仍限制了瓦数。例如，如果Fresnel透镜/平台变得太热，可损坏图像承载薄膜。

对于其它的照度因素，用适当的聚光透镜系统可很好地实现光的聚集和利用。聚光透镜做成尽可能多地聚集来自灯的光线，并使光线通过平台。由其集光角(collection angle，定义为通过集光系统上边的光线和通过其下边的光线之间的夹角)控制由聚光透镜聚集的光量。从光源灯丝到聚光透镜最近一侧的距离可影响该角。聚光透镜一般放置得尽可能靠近灯，从而牵涉到的唯一的其它因素是聚光透镜的直径。增大聚光透镜的直径将自动地增大集光角，但因为在此过程中也将会增加聚光透镜的厚度，从而增加聚光透镜的成本以及它对热应力的敏感度，所以对此也有限制。因此，需要权衡透镜的直径与其厚度，以给出高的集光效率。在已有技术中有许多专利讨论了由聚光系统聚集的光量的问题。

聚光器的主要作用是聚集来自光源的光线并把它引向要照亮的区域或开口。在已有技术中，由其相对开口(美国专利号934,579)、数值开口(参看美国专利号2,637,242)或集光角(参看美国专利号1,615,674、1,946,088和2,587,956)描述由聚光系统聚集的光量。此集光角定义为通过集光系统上边的光线和通过其下边的光线之间的夹角。

聚光器设计中第一个共同特点是此系统是齐明(aplanatic)的，即对球面像差和彗形像差进行修正(参看美国专利号934,579和1,507,212)。在用于显微镜照明装置等的高分辨率光学的照明系统中特别需要齐明性。对于较低分辨率的系统，对彗形像差的修正需要减少了，并如美国专利号2,637,242所述可故意避免。另一个共同特点是所有的聚光系统试图达到某种程度的照度均匀性(参看美国专利号2,637,242和5,010,465)。理论上，设计者应能够规定由聚光器产生的均匀性。因此，设计一种单个元件的聚光透镜是想要并有利的，它能增加照明系统中的照度，而不增加聚光透镜的尺寸和厚度，而且仍能保持投影光线的高度均匀性。

发明内容

本发明提供了一种聚光透镜系统，包括双凸、平凸和凹凸形状的透镜，其中透镜设计成对于用于给定照明系统中给定灯，使任何想要区域或开口上的照度最大。此外，实现了照度的高度均匀性。具体说，这些透镜做成具有光瞳失真(枕形失真或桶形失真)，它适于从给定照明系统中光源(灯丝)到投影开口的距离。在每个设计中，通过聚光透镜边缘的光线指向某点，该点稍稍超出光线要照亮的区域的边界。

本发明在OPH中特别有用，以在整个平台区上提供最佳的照度，同时保持高度的均匀性，即角到中心的比率。可以用本发明的聚光透镜而不对球面像差或彗形像差作修正。如果想要进行修正，则可由照明系统中附加的元件对这些失真进行修正。

附图概述

通过参考附图可更好地理解本发明，其中：

图1是依据本发明构成的概括的光学照明系统的侧视图；

图2A-2C是依据本发明制成的聚光透镜的底面图，示出了光瞳失真；

图3是示出聚光透镜区域光线相对高度和照明系统光程长度之间的关系的曲线图；以及

图4是用于过顶投影机的聚光器的示意图。

本发明较佳实施方式

现在参考附图，特别是参考图1，其中示出依据本发明构成的概括的光学照明系统。此照明系统一般包括光源或灯丝1、聚光透镜2以及要照亮的开口或区域3。如以下进一步所述，本发明在过顶投影机(OPH)的设计中特别有用，但这并无限制的意思，因为本发明在其它光学照明系统(诸如接触印刷)中也有用。

本发明的聚光透镜做成对于给定灯和光学几何图形可使给定区域或开口上照度最大。通过用基本上所有的聚光透镜表面来聚集光，即使得从灯处看到的要照亮的区域所张的立体角最大，可做到这一点。确定聚光透镜的设计有两个主要因素。虽然这些设计因素也可应用于非对称光学系统，但可根据轴对称光学系统来描述它们。

可参考被定义为从灯丝处看到的聚光透镜限制开口图像的聚光透镜的入射光瞳来描述第一设计因素。在光源中心处起始并通过入射光瞳边缘的光线A在接近其极端(即，多边形开口的角)处与要照亮的区域相交，以考虑光源的延伸特征和制造公差。称这样的光线为“边缘光线”。从开口的中心到边缘光线与开口相交点的距离可叫做光锥半径。第一设计因素保证了射出聚光器的光锥不照亮基本上比所需区域大的区域。

第二设计因素保证可使在光锥半径的0.7071处与要照亮区域相交的光线的入射光瞳的高度最大。称这条光线为“区域光线”。当照亮一个矩形开口时，诸如照亮OHP的平台区时，此第二设计因素变得很重要，因为它将影响平台区的总亮度。它也对均匀性有影响，但此影响较弱。

用区域光线和边缘光线定义聚光器的光瞳失真是有帮助的。如果正方形平台的图像在聚光器光瞳中表现为正方形时，则没有失真。用这两种光线，这意味着从轴到边缘光线交点距离的70.71％处与平台相交的光线将在边缘光线高度的70.71％处与光瞳相交。这相应于在光瞳中相对区域光线高度(即区域光线高度与边缘区域高度之比)为0.7071。于是，失真定义为：

失真＝100×(zonal-0.7071)/0.7071

这里“zonal”是区域光线的相对光瞳高度，且此失真被转换成百分数。此光瞳失真不要与图像失真(它只可在图像平面中测量)混淆。

参考图2A-2C可理解这两个因素。如果人眼可通过只满足第一设计因素的聚光器而聚焦在要照亮的正方形区域的边界上，则可表现出图2A。此正方形边界已由聚光器的折射本领而变成“枕形”形状。这可通过光线跟踪来检验；枕形失真的相对区域光线高度将＜0.7071。一般，透镜的聚光能力越强，则枕形失真量越大。如果光程长度较短，则依据本发明做成的透镜可具有此枕形失真，但此枕形失真仍小于已有技术照明系统中发现的枕形失真，如下面再结合图3所说明的那样，如果光程长度略长，则透镜2可做得如图2B中所示没有失真(即，零失真)。最后，在光程长度较长的情况下，透镜将具有如图2C中所示的“桶形”失真。在此情况下，相对区域光线高度将＞0.7071。本发明考虑了直通和折叠光程，所以折叠系统中的光程长度称做沿折叠光程的长度。

从灯丝位置看到的此边界图像的重要性在于它限定了要照亮的区域所张的立体角。此量进入射到区域或开口上总光通量的计算。射到区域上的总光通量是光源区域、光源的亮度和从光源看到的由区域所张的立体角的乘积。换句话说，聚光器系统的实际尺寸和几何集光角不足以预计射到被照亮区域上的光通量；进入聚光器的光锥的折射也很重要。增加从灯丝看到的被照亮区域图像的立体角，可增加射到区域上的光通量。

由此观点，此第一设计因素保证了从聚光器看到的边界的角靠近入射光瞳的边缘。第二因素使表观边界的边缘尽量靠近入射光瞳的边缘。因为表观边界内的区域通常不超出聚光器的区域，使用这两个设计因素使表观边界内的区域趋向聚光器的区域即可使聚光器的集光效率增至最大。

图3是示出相对区域光线高度与光程长度关系的曲线图。小的正方形代表根据已有技术照明系统的相对区域光线高度，而菱形代表依据本发明所选的相对区域光线高度值。观察此图发现已有技术没有认识或体会到区域光线高度在优化照明系统中照度对于照度均匀性中的重要性。与已有技术相比，对一给定的光程长度，本发明需要更大的相对区域光线高度。说得更具体些，由以下公式确定本发明所需的最小相对区域光线高度Z：

                  Z≥(0.00122×L)+0.301，

这里L是光程长度(从光源到开口的距离)以毫米为单位。此公式由图3中的直线a表示。换一种做法，相对区域光线高度可大于或等于(0.00115×L)+0.333(图3中直线b)，或者大于或等于(0.00109×L)+0.364(图3中直线c)。

虽然两个设计因素增大了聚光透镜的集光效率，但透镜的设计还受到考虑要照亮区域内照度均匀性的影响。第2,637,242号美国专利描述了用于设计具有规定均匀性的聚光器并修正球面像差的方法，从而产生了具有任何所需照度分布的透镜。具体说，它指出对于齐明的聚光器，照度以光轴和从灯丝到聚光器的任何给定光线夹角的余弦的四次幂减小。虽然本方法被认为可用，但它非常复杂。

也可使用一种虽然精度较低但更简单的控制照度分布的方法，诸如调节聚光器的顶点曲率。减少曲率(即，增加半径)使得照度分布更均匀，而增加曲率使得此分布的中心更尖。虽然此方法不精确，但人眼更不精确。人眼不受到＞25％的角到中心比率的打扰。调节聚光镜的曲率足以控制此下跌在此目标的10％范围内。根据第2,637,242号美国专利中所述的方法，附加的工作可用于必需对均匀性进行更精确地控制的情况。

除了在ANSI和JIS标准中设定的角到中心的比率以外，必须对平台的最远端提供足够的照度(依据ANSI和JIS标准在只在到最远端路径的三分之二的点处测量角到中心的比率)。实验已指出，最远端必须具有相应于中心照度20％-30％的照度，否则它们将被感觉到是暗的。必须调节聚光透镜的形状以符合此要求。

设计成满足两个设计因素的聚光器可应用于至少两个类型的照明系统。在第一种类型中，不必修正由聚光器引入的像差，因为不需要光源的像。这种类型应用的突出例子包括接触印刷和用于探伤的照明，但不限于这些例子。在第二种类型中，需要由附加的光学元件修正这些像差。第二种类型的例子包括需要光源的像的照明系统，该像位于要照亮的物体附近(诸如中肯照明，critical illumina-tion)或位于投影透镜的入射光瞳处(诸如Kohler照明)，但不限于这些例子。在Kohler照明系统中，位于被照亮物体附近的向场透镜(field lens)可用于修正像差；而对于中肯照明系统，对像差的修正必须与用于优化的照度增大相平衡。可能需要的多个非球面和/或多个元件。

本发明聚光透镜的一个具体应用是用于图4所示的过顶投影机中。来自灯10的光向各个方向发散。一些光射到反光镜11上，并基本上向着灯丝11再从那里向着聚光器12反射回来。此被反射的光以及最初沿聚光器方向发出的光被聚光器集光，并大体上向着Fresnel透镜13折射。此Fresnel透镜通常是可能具有被截角的正方形，来自聚光器的光锥基本上是圆的。光锥与Fresnel透镜相交的横截面直径被设计成等于或大于Fresnel透镜对角线长度。从此应用可推断出此光束被Fresnel透镜限制，而不是所有的光线都能通过。本发明的功能是对于给定尺寸的Fresnel透镜使通过该透镜的光量最大。

Fresnel透镜折射光束，从而使光束通过平台玻璃14、要投影的透明物体(薄膜)15和投影透镜16。当光束被投影透镜折射后，它又被顶部的镜子17反射并照亮投影屏幕(未示出)。在此情况下，系统的“开口”是Fresnel透镜/平台。很明显，在进行了适当设计的OPH系统中，使通过Fresnel透镜的光量最大将也会使屏幕上图像的亮度最大。

为了设计这种类型的聚光透镜，开始先规定要照亮的区域以及从灯到此区域的距离。接着选定从灯到聚光器的距离以及聚光器的直径。然后规定聚光器的形式是双凸、平凸还是凹凸的。几乎可任意选择靠近灯一侧聚光透镜的半径，虽然使该表面向灯凹入会增加照度均匀性并使边缘的像平直。此半径的另一个限制是如果它太凹且聚光器所需的折射本领很大，则不能从远离灯的表面获得足够的折射本领。依据所需的均匀性规定远离灯的表面的曲率。如果没有其它的经验方法可以使用，则此表面的出发点是抛物线，其顶点半径等于从灯丝到该表面的距离。最后，可使用市售的透镜设计程序(诸如，来自加利福尼亚州布莱桑顿市Focusoft公司的ZEMAX光学设计程序)，以依据两条设计规则优化聚光器的非球面系数。可从图3确定适当的相对区域光线高度。为了保证足够照亮远端的角，必须尝试几种不同的设计。如果设计的是球面凹凸透镜，则必须尝试几种不同的弯曲度以实现所需的分布图，即使这可能需要偏离最佳相对区域光线高度。对于非球面透镜，可保持最佳相对区域光线高度，但几种具有不同非球面系数的聚光器可提供不同照度分布。把最高阶的非球面系数改变2倍通常可提供很不相同的照度分布，从而可看出趋势。沿着该趋势(内插或外推)可得到最佳的分布。

给出用于过顶投影机的聚光器的一个例子。此投影机使用外部直径为18mm的灯，所以从灯丝到聚光器的距离设定为11mm，以允许有公差和安装支架。这样得出集光角为140°，可接受的集光角一般大于或等于110°。从灯丝到Fresnel透镜的距离是184mm。用直径为60毫米的平凸非球面聚光透镜，其边缘厚度限定在3mm。透镜的直径可以在25-100mm范围内。其顶点曲率是0.0167，锥体常数是1.121，第六阶非球面系数是-9.29×10^-1，第八阶非球面系数是-8.88×10^-13。

虽然已参考特殊实施例描述了本发明，但该描述并不意味着可解释为限制性的。本领域中的熟练技术人员参考对发明的描述，将对已揭示的实施例作的不同改变以及本发明的不同实施例变得明显起来。因此设想可以作这些改变，而不背离所附的权利要求书中确定的本发明的精神或范围。

Claims (19)

1.一种光学照明系统包括：

聚光透镜；

靠近所述聚光透镜的光源；以及

要照亮的孔，所述孔相对于所述聚光透镜位于所述光源的对面，离所述光源一已知距离L，

其特征在于所述聚光透镜具有相对区域光线高度，此高度大于或等于(0.00122×L)+0.301，这里L是以毫米为单位给出的量并且它在180mm到340mm范围内。

2.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于所述聚光透镜具有的最小直径为25mm。

3.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于所述聚光透镜位于所述孔和所述光源之间的位置，从而来自所述光源的边缘光线通过所述聚光透镜的边缘并与所述孔在该孔端部处相交。

4.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于所述孔具有矩形的形状。

5.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于所述孔具有正方形的形状。

6.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于所述聚光透镜是平凸透镜。

7.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于所述聚光透镜是凹凸透镜。

8.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于所述聚光透镜是非球面透镜。

9.如权利要求4所述的光学照明系统，其特征在于所述矩形孔一个角处的照度至少是所述矩形孔中心处照度的20％。

10.一种过顶投影机包括：

底座；

位于所述底座中的光源；

位于所述底座中的聚光透镜，它靠近所述光源；

位于所述底座上通常为矩形的平台区，相对所述聚光透镜与所述光源相对并离所述光源一已知距离L；以及

安装到所述底座的投影装置，它靠近所述平台区，用于投影来自所述平台区的光，

其特征在于所述聚光透镜具有相对区域光线高度，所述高度大于或等于(0.00115×L)+0.333，这里L以毫米为单位给出的量并且它在180mm到340mm范围内。

11.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于所述聚光透镜的直径在25-100mm范围内。

12.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于所述聚光透镜位于所述平台和所述光源之间的位置，从而来自所述光源的边缘光线通过所述聚光透镜的边缘并在靠近所述平台区一个角处与所述平台区相交。

13.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于还包括位于所述光源附近并与所述聚光透镜相对的装置，用于向所述平台区反射来自所述光源的光。

14.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于所述平台区具有正方形的形状。

15.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于所述聚光透镜是平凸透镜。

16.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于所述聚光透镜是凹凸透镜。

17.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于所述聚光透镜是非球面透镜。

18.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于所述矩形孔的一角处的照度在所述矩形孔中心处照度的20％-30％范围内。

19.如权利要求10所述的过顶投影机，其特征在于所述聚光透镜相对所述光源位于集光角大于或等于110°的位置。

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