CN1308713C - 光线混合棒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光线混合棒，用来使光束均匀化，该混合棒优选使用在投影装置中，其中光束的强度中心在光线入口面(2)和光线出口面(3)之间沿纵向移动，反射面(4、5)位于光线混合棒之内；所述反射面(4、5)的表面法线相对于所述的纵向垂直或者倾斜，部分光线(11)经过所述的反射面(4、5)反射，用来对光束进行导向。具有一个朝向内部空间的动作方向并且具有确定的发射特性的发光二极管(6、8)提供在光线混合棒(1)的侧表面(4、5)上和/或光线入口表面(2)上，用于形成光束。

Description

光线混合棒
技术领域
本发明涉及一种用来使光束均匀化的光线混合棒，该混合棒优选使用在投影装置中，其中光束的强度中心在光线入口表面和光线出口表面之间沿纵向移动，反射面位于光线混合棒之内；所述反射面的表面法线相对于所述的纵向垂直或者倾斜，部分光线经过所述的反射面反射，用来对光束进行导向。
背景技术
在光学领域中会使用到光线混合棒(积分器)，特别是，需要对照明区域进行均匀的照明。其中具体结构是实心混合棒(在与空气相接触的面上使用全反射)或者中空的混合棒，它实质上由一个基本体组成，该基本体的侧表面上具有均匀的反射涂层。通过光线入口表面进入积分器的光线在反射面上向后先前反射几次，直到到达光线出口表面。由于所谓的光线“混合”，就能够在光线出口表面上形成照明的均匀区域，这取决于积分器的横截面和积分器的长度。例如，在DE198 19 245 C1号发明中描述了这种类型的解决方法。
在光线出口表面产生一个均匀照明区域的一种可能性是，首先，将配置在椭圆形反射器的主焦点上的燃烧器的照明区域映像到所述椭圆形反射器的次级焦点上。这个照明区域是相当不均匀的，具有依赖于燃烧器的倾斜发射特性和椭圆形反射器的开口的孔隙。使用次级焦点的这些点来照明光线混合棒的入口表面。如果积分器的侧表面相互平行，光线出口表面上的孔隙对应于光线入口表面上的孔隙。
这些变量在结构上都非常复杂。在它们的顶部，具有一个相对更为复杂的调节装置，用来将光束送入光线混合棒中。例如，为了实现对颜色进行各种调节的颜色管理，需要另外的机械移动零件。
发明内容
按照所描述的以前工艺的缺陷，本发明的一个目标是设计一种光线混合棒，该混合棒降低了产生照明的均匀区域所需的结构的复杂性，允许对照明区域进行不同的颜色调节，而无需另外的机械移动的结构部件。
按照本发明，这个目标是通过如上所述的一种光线混合棒来实现的，该混合棒具有中空的积分器，其中，为了产生光束，在光线混合棒的侧表面上配置有发光二极管，二极管具有一个向着内部空间的作用方向，并且具有确定的发射特性，以便影响部分光束沿着到达光线出口表面的路径充分混合，所述发光二极管最好于脉冲发生器和/或波长变更控制单元连接在一起。
对于在光线出口表面的照明区域内的孔隙的最小可能角度来说，为了实现更高的效率并获得希望的发射特性，如果发光二极管的角度发射特性优选情况下位于光线混合棒的纵向方向上并与之垂直，而且尽可能地小，那么这是最理想的。再者，在积分器的光线入口表面上的发光二极管的角度发射特性应当具有角度，该角度在光线入口表面的平面上为所需的小角度。
配置在例如光线混合棒的光线入口表面上的发光二极管，通常不适合在光线出口表面上产生照明的均匀区域。这是由于二极管相对较大的孔隙所导致的，该孔隙仍然存在于光线出口表面之上。光线混合棒的相对较大的光线出口表面形成一个大的几何流，这对于大多数的应用场合是不适合的。因此，配置在光线入口表面上的发光二极管需要具有一个角度发射特性，即相对于积分器的光学轴线成一个小的角度。
按照本发明，发光二极管在光线混合棒的侧表面上这样配置的结果是，就其本质而言，为了在光线出口表面上产生一个具有较小孔隙角度并且适于多数应用的照明的均匀区域，使用二极管相对较大的发射特性。
由于光线混合棒的出口表面相对较小，发光二极管向光线混合棒的内部发射光线不会显著影响反射面。由于如上所述的发射特性，光束经由光线混合棒的反射侧表面和反射光线入口表面按照某种方式反射，在光线到达光线出口表面的过程中，可以获得一种具有所需的较小孔隙角度的均匀照明表面。
方便地，指向混合棒的内部空间的发光二极管的光线出口表面应当在那些不需要光线通道的表面部分上具有反射镜，这些反射镜相互平行配置或者完全适应光线混合棒的反射内表面。这导致根据将发光二极管的光束送入积分器所需的表面积，最低可能地减小光线混合棒的反射内表面，并且提高了效率。
按照一定的时序，发光二极管依次关闭并且具有不同的波长，这就允许进行颜色管理(颜色同步)，而不会另外需要机械移动部件。同时，通过具有不同波长的发光二极管的一个对应的控制单元，几乎可以无限制地进行颜色变化。
为了在积分器的光线出口表面上产生照明的均匀照明区域，发光二极管方便地配置在靠近光线入口表面之处，以及后者本身的内部。
通过使用具有不同发射特性的发光二极管，可以获得孔隙的特定角度。
在一种有利的实施例中，可能在反射的光线入口表面上另外安装一个或者多个发光二极管。这些需要具有近似的角度发射特性，正如在积分器的光线入口表面所需的一样。这些发光二极管对于提高光通量是有效的。为了获得高效率，在这种连接中，发射特性应当便于光线的主要部件在光线混合棒的纵向方向上传播，同时具有一个与纵向方向垂直的方向的光线部件要尽可能小。
由于在某些情况下使用发光二极管产生的光通量对于某些应用来说可能不够，因此在另一种有利的实施例中，使用一个光线混合棒作为几个局部元件的集合体，从而配置在光线导向方向上并且相互之间在光学上结合在一起，是非常方便的，这些局部元件可能或者等同或者异于发光二极管的配置。
为了在一种设备中允许对按照本发明的光学混合棒进行多功能的使用，在光学入口表面上另外结合照明的其它来源的光束是有利的，这些光束不再严格要求光线入口表面设计成能够将光束反射进光线混合棒的内部空间。所述照明来源可能是，例如，一个包括一个气体放电灯的椭圆形反射器的次级焦点。
附图说明
下文中将参照一个实施例对按照本发明的光线混合棒进行详细解释。在附图中：
图1显示光线混合棒的示意性视图；
图2显示发光二极管在其轴线的纵向方向上的发射特性的一个例子；
图3显示在光线混合棒的光学轴线的方向上的发射特性的一个例子；
图4显示具有激发的发光二极管的中空积分器的光线路径；
图5显示具有激发的发光二极管的实心积分器的光线路径。
标号列表
1    光线混合棒
2       光线入口表面
3       光线出口表面
4、5    侧表面
6、8    发光二极管
7       光学轴线
9       侧表面平面
10      反射镜
11      部分光束
具体实施方式
图1显示形状为平行六面体的本发明的光线混合棒1，包括一个光线入口表面2和一个光线出口表面3，这两个表面都为矩形截面。在每个相互垂直的侧表面上，图中为了简化图示只显示了表面4和5，都具有三个具有相同的发射特性的发光二极管6，其光线传播方向(轴线)与光线混合棒1中的光线导向方向垂直。在其光线传播方向上，发光二极管6在反射侧表面4和5上的发射特性具有在光线混合棒1的光学轴线7的纵向方向上的最大可能孔隙角度。在垂直于光线混合棒1的光学轴线7的平面上，它们发射很少或者不发射能量，以便在光线出口表面3的照明区域上形成最小可能孔隙角度，并且具有大的光通量。
同时，具有在光线导向方向上有效的发射特性的两个发光二极管8位于光线入口表面2上。就此而言，这些发光二极管8的角度发射特性具有相对于光学轴线7的角度，该角度在光线出口表面3的平面上为所需的最小值。
在光线混合棒1的侧表面4和5上，发光二极管8的孔隙角度需要绝对小于发光二极管6的角度，因为它们都倾向于在光线出口表面3的平面上形成小的角度。
光线混合棒1的所有侧表面(其中只有4和5得以显示)和光线入口表面2都设计成能够将光线反射入光线混合棒1的内部(有可能简单地设计成全反射)，这样由发光二极管6和8所发射的光线在通过光线出口表面3时受到反射。多重反射在光线出口表面3上产生照明的均匀区域，所述照明区域具有相对较小的孔隙角度，足以适用于大多数的应用。
一个控制单元，在图1中没有显示，连接在发光二极管6和8上，使得能够在不同的波长上控制发光二极管6和8，这样按照开关的状态，几乎可以无限制地改变颜色。如果配置在侧表面4和5上的发光二极管6和8，特别是发光二极管6，通过连续使用不同的波长来控制，这将产生一种确定的颜色管理，而无需另外的附属移动元件。
发光二极管6(大孔隙角度)和发光二极管8(小孔隙角度)的发射特性都显示在图2和图3中。
图2显示具有一个光通量的发光二极管6(轴线垂直于光线混合棒1的光学轴线7)的侧视图，其中光通量在光线混合棒1的光学轴线7的纵向方向(90度到270度的方向)上传播。很明显，在方位角的方向上和光学轴线7的纵向方向上为具有大的光通量的大孔隙角度，而在方位角的方向上没有发射出现，该方向在光线混合棒1的光学轴线7的纵向方向的横向。
发光二极管8的角度发射特性显示在图3中，从其轴线的角度看，清楚地显示出在光线混合棒1的光学轴线7的方向(90度到270度的方向)上的角度发射必须是大的，但是如果可能，不会横向出现，因为如果这样会在光线混合棒1的光线出口表面3上形成不必要的、大的孔隙角度。
在光线入口表面2上的发光二极管8，在高光通量时，对应于指向光线混合棒1的内部空间的角度发射特性，它在光学轴线7的方向上的角度发射特性表现出相对于光学轴线7的小的孔隙角度，如图3所示。
在图2和3中显示的发光二极管6和8的发射特性的集合体，在光线混合棒1的光线出口表面3上产生出一个具有相对小的孔隙角度的照明区域。
在图4和图5中显示多重反射的示意性示例(图4为中空混合棒，图5为实心混合棒)。
使用按照图4的中空混合棒，必需在光线混合棒1的侧表面平面9上发光二极管6进入光线混合棒1的接入表面上不存在任何反射。在本实施例中，通过使用放置在空气中的发光二极管6可以实现这一点，发光二极管6通过侧表面(图中只显示侧表面4)上的开孔发出光进入光线混合棒1的内部空间。
这些表面部分都垂直于发光二极管6的光学轴线，通过这些二极管不会影响发射(不存在小的孔隙角度)。这些表面部分在侧表面平面9上由反射镜10覆盖，反射涂层指向光线混合棒的内部空间。这就使得经过侧表面4和5反射进入光线混合棒1的内部空间的部分光束11的损失最小化。
使用按照图5的实心混合棒也不允许在侧表面平面9上发光二极管6的接入表面上存在任何反射。为了实现这个目的，发光二极管6嵌入一种材料中，这种材料在折射率方面与光线混合棒1所用的材料非常相似或者相同。正如在中空混合棒中一样，这些表面部分垂直于发光二极管6的光学轴线，通过这些表面时没有任何发射受到影响(不存在小的孔隙角度)，在侧表面平面9上这些表面可能覆盖有反射镜10，具有指向光学混合棒1的内部空间的反射涂层。
为了完成这些，中空光学混合棒具有在光学出口表面3上孔隙不会增加的优点，这与实心混合棒情况不同。因此，在光通量相同的情况下，中空混合棒可以获得比实心混合棒更小的集光率。

Claims (13)

1.一种光线混合棒，用来使光束均匀化，该混合棒优选使用在投影装置中，其中光束的强度中心在光线入口表面(2)和光线出口表面(3)之间沿纵向移动，反射面(4、5)位于光线混合棒之内；所述反射面(4、5)的表面法线相对于所述纵向垂直或者倾斜，部分光束(11)经过所述的反射面(4、5)反射，用来对光束进行导向；所述光线混合棒的特征在于：在光线混合棒的反射面(4、5)上配置有发光二极管(6)，发光二极管具有向着光线混合棒内部空间的发射方向，从而使部分光束(11)沿着到达光线出口表面(3)的路径充分混合。
2.如权利要求1中所述的光线混合棒，其特征在于，具有朝向光线混合棒(1)的内部空间的发射方向的至少一个发光二极管(8)配置在光线混合棒(1)的光线入口表面(2)上。
3.如权利要求1中所述的光线混合棒，其特征在于，发光二极管(6)配置在靠近光线入口表面(2)的地方，这样在到达光线出口表面(3)的路径上进行光线混合棒(1)上至少两个最大孔隙角度的反射，以便部分光束(11)充分混合。
4.如权利要求1到3中任一项所述的光线混合棒，其特征在于，提供具有不同发射特性的发光二极管(6、8)。
5.如权利要求4中所述的光线混合棒，其特征在于，固定在光线混合棒(1)的反射面(4、5)上的发光二极管(6)具有的发射特性的特征是，沿着光线混合棒(1)的光学轴线(7)的光线传播方向上具有最大可能孔隙角度，并且在垂直于光学轴线(7)的平面上发射很少能量或者不发射能量。
6.如权利要求4中所述的光线混合棒，其特征在于，在光线入口表面(2)上的发光二极管(8)具有的发射特性为，与光线混合棒(1)的光学轴线(7)的夹角在光线出口表面(3)的平面上为所需的小角度。
7.如权利要求1到3中任一项所述的光线混合棒，其特征在于，光线混合棒(1)的光线入口表面(2)是一个反射表面。
8.如权利要求4所述的光线混合棒，其特征在于，发光二极管(6、8)与一个脉冲产生和/或波长变更控制单元连接在一起。
9.如权利要求1到3中任一项所述的光线混合棒，其特征在于，光线混合棒(1)由至少两个局部元件组成，这两个局部元件依次配置在光线导向方向上，在光学上连接在一起并且设计上相同或不同。
10.如权利要求1到3中任一项所述的光线混合棒，其特征在于，提供一个在光线入口表面(2)上产生作用的外部照明源用于形成光束。
11.如权利要求1到3中任一项所述的光线混合棒，其特征在于，当使用中空积分器时，配置在反射面(4、5)和/或光线混合棒(1)的光线入口表面(2)上的发光二极管(6、8)的光线出口表面在那些光线出口不需要的表面部分上具有反射镜(10)，反射镜平行于或者适应反射面(4、5)的平面(9)和/或适应于光线入口表面(2)的平面。
12.如权利要求1到3中任一项所述的光线混合棒，其特征在于，当为了避免反射而使用实心积分器时，在光线混合棒(1)的反射面(4、5)上和/或光线入口表面(2)的平面上的发光二极管(6、8)嵌入一种材料之中，这种材料在折射率方面对应于光线混合棒(1)的材料。
13.如权利要求1到3中任一项所述的光线混合棒，其特征在于，当使用实心积分器时，配置在反射面(4、5)上和/或光线混合棒(1)的光线入口表面(2)上的发光二极管(6、8)的光线出口表面在那些光线出口不需要的表面部分上具有反射镜(10)，反射镜平行于或者适应反射面(4、5)的平面(9)和/或适应于光线入口表面(2)的平面。
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