CN1683990A - 反射照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射照明系统，该系统用于提供一个沿折叠路径的光学发光光束，以照明一个平面目标。所述系统包括一个发光源，和两个相向的抛物面盘状阵列，由抛物面状或盘状反射镜所组成。接收自光源的发散光束入射到一个第一阵列上，被反射成为一个较大的包含多个分离的分光束的准直光束。每一个第一阵列的反射镜或面片将分光束中的一个导引到第二阵列的一个面片上。第二阵列把它接收的光以大体上均匀的强度反射到一个矩形靶位上。

Description

反射照明系统

发明领域

[1]本发明涉及一种反射照明系统，该系统提供一个沿着一个折叠路径的光学发光束，用于照明一个平面目标。该系统包括一个发光源，和一个反射镜阵列。本发明也涉及一种图像投射装置，包括一个照明系统，这种照明系统用于照明至少一个图像显示板，通过所述图像显示板形成一个图像。

发明背景

[2]许多现有技术的应用于投影显示的照明系统的一个目的是提供一个均匀光源，该光源在位于或穿过一个平面靶位处具有大体上均匀的强度，该靶位通常与光源的光束方向垂直。在大多数例子中该靶位是矩形的。

[3]各种不同的专利已经通过试图在光管中或在自由空间中混合光，以随后将混合后的光均匀分散到一个所需的靶上来均匀穿过所述靶子，来解决这个问题。例如，美国专利5,098,184，在此通过参考被结合入本申请，于1992年3月24日以van den Brandt等人的名义被授权，该专利揭示了一个系统，在该系统中，来自于一个光源并被一个抛物面反射器所俘获的光被重新分配，使得重新分配的光到达其靶，以更加均匀的强度分布穿过靶的区域。如van den Brandt等人在他们的说明书中所描述，“一种抛物面反射器具有它自身的优点，它俘获大部分的发光。然而，通过该反射器形成的发光束具有不均匀分布的照明强度。通过将发光源安排在抛物面的焦点之外，确实可以获得一个更均匀的分布，但是随后光束具有一个大的孔径张角，因此投影透镜系统必须具有大的数值孔径。通过在一个带有抛物面反射器的照明系统中使用透镜板，照明强度分布能够变得更为均匀。”现有技术图1示出了van den Brandt等人的专利中的一个系统，其中，两个透镜阵列被串联放置，使得第一阵列将一个分散的入射光束分离成多个分光束，并且其中第二阵列与一个透镜串联放置，该第二阵列将接收自第一阵列的光混合，以随后聚焦到靶平面上。尽管这个系统看起来可以恰当地行使功能，但是人们需要一个更为紧凑的结构，该结构具有更少的部件和更低的制造成本。

[4]美国专利5,909,316在此通过参考被结合入本申请，于1999年6月1日以渡边(Watanabe)的名义被授权，该专利在很多方面类似于van den Brandt等人的专利，然而，Watanabe利用一个带有一个透镜阵列的透射的曲面透镜元件来使入射光混合或均匀。曲面透镜阵列方便地将一个所接收的光的单个光束进行会焦和分离，成为多个会聚光束。这个专利在一些方面优于van den Brandt的系统。尽管如此，被安排成一个透射结构的Watanabe的系统构造复杂并且需要透镜。

[5]本发明的一个目的是提供一种元件，该元件既可以俘获来自一个光源的光，也可以将所俘获的光反射成为多个分光束，用于在一个成像系统中进一步处理。

[6]本发明的另一个目的是提供一种紧凑型的、折叠的光扩散器，该扩散器具有至少一个平面镜阵列，用于将要混合的光束进行折叠，因而提供一种混合入射光，使所需的靶面上的光强度更为均匀。

[7]本发明还有一个目的是提供一种非常便宜并且紧凑型的光系统，用于使接收的光均匀化，并用于使均匀化的光更为均匀地穿过一个矩形成像平面而成像。

发明简述

[8]根据本发明的一个方面，提供一个光学照明系统，用于混合光束，并且把混合光束提供到一个靶位，包括：一个光源；和

[9]一个第一凹面反射透镜，用来从光源接收光束，该第一凹面反射透镜由一个二维的较小的凹面反射透镜的阵列而形成，这些较小的凹面反射透镜被设置成盘状结构，这样，第一凹面透镜用于聚焦或准直接收自发光源的入射到其上的发散光，其中，所述二维的较小的凹面反射透镜的阵列被设置来提供分光束，所述分光束来自接收于发光源的入射到所述二维的较小的凹面反射透镜的阵列上的光，其中，所述第一凹面反射透镜协助引导入射光束朝向靶位，其中，每个较小的透镜的凹度基本较大，即，具有一个比所述第一反射透镜更小的曲率半径。

[10]根据本发明的另一个方面，提供一个光学照明系统，用于混合光束，并且把混合光束提供到一个靶位，包括：一个光源；和

[11]一个由反射元件所组成的第一昆虫眼(fly’s eye)阵列，用于接收入射光，所述入射光采用来自光源的一个光束的形式，并且所述阵列用于反射和会聚所接收的光，成为多个会焦的分光束；

[12]反射装置，用于接收会焦的光束，还用于将会焦的光束朝向靶位成像，使光束在靶位重叠。所述第一阵列具有n个曲面反射镜，并且其中所述反射装置是一个具有至少n个反射面片的抛物面反射镜，其中所述n个曲面反射镜中的每一个被设置成用于把大部分入射到其上的光基本上导向所述n个反射面片中的一个不同面片上，其中n＞15。

[13]在本发明的另一个方面，提供一个光学照明系统，用于混合光束，并且把混合光束提供到一个靶位，包括：一个光源；和

[14]一个第一凹面反射镜阵列，用于接收入射光，还用于反射和会焦所接收的光，成为多个会焦的分光束；

[15]反射装置，在光学上与所述第一凹面反射镜阵列相耦合，

[16]其中，所述第一阵列和反射装置之一接收来自光源的光，并且把该光提供到反射装置和第一阵列中的另一个上，以把光束提供到靶位。

图示简述

[17]本发明的具体实施例将会结合附图进行描述，其中：

[18]图1示出了美国专利5,098,184中所显示和描述的现有技术的透射光扩散器。

[19]图2为根据本发明的一个实施例的一个双阵列照明系统的示意图。

[20]图3是图2所示的系统的一个示意图，其中，阵列中的一个被显示出更多的细节，其中，盘状面片(facet)被显示出它们的中心位于一个抛物面上。

[21]图4a是图2和3中所示的系统的一个三维视图。

[22]图4b是根据本发明的系统的另一种三维视图。

[23]图5是一个示意图，示出了相应于照明系统的一个平面镜阵列的15个面片的每一个面上的光的强度式样，该强度式样显示为15个分离的图像。

[24]图6是一个示意图，示出了于成像平面上的照明均匀度。

[25]图7是一个折叠照明系统的不太优选的实施例的示意图，在该实施例中使用了带有透镜的平面镜阵列。

[26]图8是根据本发明的一个折叠照明系统的不太优选的实施例示意图，在该实施例中使用了一个平面镜阵列和一个透镜连同一个曲面阵列。

[27]图9是与图2相似的本发明的一个实施例的示意图，其中，光源位于第二阵列之后，并且其中，第二阵列具有一个使来自光源的光可以穿过的开口。

[28]图10是一个示意图，示出了用于提供单偏振的偏振分集单元。

详细的描述

[29]现参照现有技术的图1，示出了一个照明系统，包括一个灯20，该灯沿显示板1的方向和向后的方向(图1中的左方)发射光。一个半球形反射镜21被设置在该灯的后侧，该半球形反射镜21接收向后发射的光，并形成该灯的影像。在图1中，由反射镜21所形成的灯的影像与该灯重合。这是假定该灯对其自身的光是透明的。在实际情况中经常不是这样。在不是这样的实际情况中，要确保灯的影像位于灯的旁边。该灯所发射的光及其影像被一个聚光透镜系统22所接收，该聚光透镜系统将光会聚成平行光束，用另一句话来说，它将该灯成像为无穷大。该平行光束入射到一个第一透镜板25上。该板朝向光源的一侧带有一个矩阵透镜26，而另外一侧优选为平面。这些透镜26中的每一个将光源20成像到一个第二透镜板28的相关透镜29上。该板朝向光源的一侧30是平面，而远离光源的一侧支撑一个矩阵透镜29。板28的透镜的行列数与板25的透镜数相对应。为了将发光源通过相应的透镜26成像到不同的透镜29上，每次使用入射到板25上的光束的不同部分。每个透镜29确保在相应的透镜26上所形成的一个发光点被成像到显示板1上。一个透镜31被设置在第二透镜板28的后面，该透镜31确保所有的再成像于显示板1的平面处被叠加到另一个再成像上。这使得在该平面上的照明强度分布具有所要求的均匀度，该均匀度的等级由板25和28的透镜数目决定。

[30]现参照图2，示出了根据本发明的一个实施例的一个紧凑型照明系统的3-D视图，该系统具有比图1所示的现有技术的系统更少的元件，用于完成基本上相同的功能；该系统使一个光源发光均匀，使得光以基本上均匀的强度撞击到正方形或矩形的靶上。为了便于及容易理解本发明，图2表示了一个由点光源产生照明的例子。其他后面的附图显示了一个扩展的多波长光源的更加准确的代表。该靶可以是一个成像仪或微显示器119，并且通过扩展，可以是一个投影显示应用中的显示屏。一个光源110向一个由小型反射盘状或凹面元件114所组成的第一反射昆虫眼阵列112提供一个光束，所述元件114是采用反射凹面矩形透镜的形式或矩形反射面片(facet)的形式，这些反射凹状矩形透镜或矩形反射面片被排列，使它们的中心沿着一个三维曲面或抛物面。这些每一个都具有一个椭圆形表面轮廓的矩形面片114无间隙地互相邻接。该面片阵列112用来接收来自光源的发散光，并用来反射所接收的光束，成为多个分光束，这些分光束一起形成基本上是准直的较大光束，其中，较大光束内的分光束的数目与盘状反射面片114的数目相对应。面片114的复合阵列所形成的抛物面状盘的整体曲面用于基本上使接收自光源的发散光束准直；结果，该结构112完成了图1的现有技术中所示的分离式鱼眼阵列和准直透镜的功能。由面片114所形成的分光束的每一个终止于不同的矩形反射元件或面片116，这些反射元件或面片116一起形成了反射装置，所述反射装置是采用由反射元件116所组成的一个第二阵列118的形式，所述反射元件116的尺寸和形状被设置成将光反射到并基本上覆盖位于靶位的成像仪或微显示器119的大部分。由矩形面片或元件116所组成的第二反射阵列朝向阵列112，用于接收来自阵列112的分光束。

[31]每个反射矩形元件116都是凹面的，类似于元件或面片114，但是，第二阵列118的曲率半径和各个面片116的曲率半径，可以不同于第一阵列112及其面片114的曲率半径，以正确地将光成像到矩形成像平面上。可以使用模拟软件程序来优化这些阵列的尺寸和形状。在本实施例中，入射到第二阵列118上的光或分离光束的混合发生在阵列118和显示板之间，使得当光束被定向于显示板119时大体上并理想地完全互相重叠。除了图2所示的结构之外，可以在光源和第一阵列112之间的光路上设置一个色轮或其他过滤装置，以在光到达靶位之前通过光的预过滤来提供所需的光的颜色或波长。该色轮的优选位置是位于反射镜400和第一阵列412之间，如图4所示的光束基本上聚焦的位置。

[32]图3是根据本发明的一个反射光均匀器的三维表示。必须注意到，所示的第一阵列112没有示出各个矩形反射镜的曲率半径与元件114的整体所确定的较大抛物面的曲率半径之间的差别。尽管如此，第二阵列118更清楚地示出了其中心沿抛物面121设置的各个面片116。该抛物面可以是真实的结构或可以是一个模板或结构，面片的中心沿所述模板或结构设置于一个固定的位置。第一阵列的面片为相似的结构。与现有技术的实施例相对照，本发明使用反射元件或面片，而不是使用多个透射透镜，来减少或避免由于加入透射透镜而带来的色散。还可以看到，本实施例中所需的部件的数目相比图1所示的前述现有技术设备显著减少。这也降低了制造成本和简化了结构。

[33]图4a示出了根据本发明的成像系统的一个三维视图。一个光源，具有抛物面状反射镜400，将来自所述光源内的灯的光，聚焦在抛物面状反射镜400和由反射面片所组成的第一阵列412之间的一个位置上。该反射镜400会聚光束，该光束随后在向第一阵列412传播时高度发散，该第一阵列412被设置在一定距离处，所有光在此被俘获。面片的合成阵列412的整体曲面基本上将该发散光准直，并将其反射成为准直光束，所述准直光束由较小的分光束形成，所述较小的分光束的特征取决于各个面片的形状和尺寸。尽管从第一阵列到第二阵列的较大光束基本上是准直的，各个分光束还是会聚到第二阵列418上。第二阵列418的反射透镜表现为曲面的反射面片，被设计成将所接收的光以基本上相等的强度，反射到一个相同的矩形靶平面422上。

[34]每个阵列的面片的数目典型地在10和150个之间；尽管如系，在一个优选的示例中，使用了6×8元件阵列，其中，每个面片的尺寸为12.67mm×8mm，比率(长度/宽度)为1.58。成像仪处的收集区的尺寸或像素的尺寸是17.73和11.2，比率为1.58。面片与成像仪像素的比率是1.4。

[35]图5是当3×5元件阵列412的每个反射阵列元件映射到整个靶平面上时，相应于每个反射阵列元件的强度贡献的图示。尽管图5表现为一个3×5元件阵列，这种形式仅用来描述分析整个成像平面或整个靶平面的15个示例的情况，其中，图5中的每个示例或矩形表示了来自第一阵列412的不同的单个反射阵列元件的贡献。例如，图5中的左上角的元件代表了穿过整个成像平面，来自阵列112中的单个反射镜的贡献。图5中的最左的元件的右边的下一个相邻元件代表了穿过整个成像平面，来自如图4a所示的3×5元件阵列412中的一个不同的反射镜的贡献。因此，为了及时考虑在一个瞬间出现在成像平面上的所有光，即阵列412中的各个面片在成像平面上的贡献，人们不得不将图5中所有15个代表例上所显示的贡献合成，好象它们是一个叠加在另一个之上。方便的是，当叠加全部15个代表例时，图5中所示的对称性产生了穿过成像平面的基本上均匀的强度。当彼此对应时，图5中的四个角所代表的四个示例产生了基本上被均匀照明的成像平面。为了更完全地理解图5，来自所有15个矩形的强度贡献必须以相加的方式对应到15个矩形的一个相同的单体上。

[36]图6示出了对于穿过靶平面的选定位置的位于靶平面上的照明均匀度。如同可注意到的那样，使用12.67mm×8mm，比率为1.58的反射镜面片，和在成像仪处具有17.73和11.2，比率为1.58的收集区或像素时，均匀度超过96％的美国国家标准协会(ANSI)的标准，并且在角部表现出极好的照明度106％。

[37]在本发明的一个优选实施例中，如图4a所示，一个光源和两个尺寸和间隔适当的相向的抛物面阵列提供了一个方便和不昂贵的折叠的结构，避免了在前述的现有技术中所示的复杂的透镜设置。

[38]还可相信，具有盘状反射面片或具有以盘状结构设置的元件的反射镜阵列112是新颖的，并且在用于光混合的其他装置中是有用的。

[39]例如，在不需要全折叠结构的例子中，即，在不需要第二阵列的例子中，所述第二阵列用于收集和反射来自第一阵列的光，第一阵列112还是可以提供一些优点。在这种方式中，不太优选地，可以考虑使用一个混合设备，将第一阵列112与透镜阵列联合使用，或与现有技术中所示的Watanabe透射元件，或与如图8中所示的van denBrant透镜和透射阵列联合使用。根据要求，这提供了优越于现有技术的优点。在图8中，一个反射镜82的平面阵列和一个透镜84用来导引接收自第一阵列112的光束。

[40]在一个更加不优选的实施例中，可以使用一个带有透镜的双反射阵列的平面镜，提供了一个折叠的，比现有技术中更短的设备。该实施例如图7所示，其中，入射光束基本上由透镜700所准直。一个平面镜阵列742接收准直光，并将该光反射到一个第二平面镜阵列744。第二透镜746会聚接收自第二平面镜阵列744的光，并将混合光更均匀地导向靶位748。尽管该实施例提供了一个紧凑型的折叠的光扩散器，它相比图2所示的不需分离透镜的装置更复杂且生产成本高。

[41]当然，还可以有许多其他的不脱离本发明的精神和范围的实施例。例如，图9示出了本发明的一个实施例，其中，光源90被设置在两个阵列92之一的后面，朝向阵列94。该实施例在功能上大致与图2的实施例等同。

[42]图10示出了确保入射光被会聚成一个相同的偏振状态的单元。优选地，该单元使用在光源和第一反射镜阵列112之间的入射段中。带有波板或旋转器形式的延迟器202的偏振光束分离器(PBS)200提供了这一功能。

Claims (10)

1.一个光学照明系统，用于混合光束，并且把混合光束提供到一个靶位，包括：

一个具有一个曲率半径的第一凹面反射透镜，用来从光源接收光束，其中，所述第一凹面反射透镜由较小的凹面反射透镜的一个二维阵列而形成，这些较小的凹面反射透镜被设置成盘状结构，使得所述第一凹面透镜用于聚焦或准直接收自发光源的入射到其上的光，其中，所述较小的凹面反射透镜的二维阵列被设置，以将来自发光源的入射到所述较小的凹面反射透镜的二维阵列上的光导向靶位，其中，每个较小的凹面透镜的凹度基本上大于所述第一反射透镜的凹度，使得每一个较小的透镜的曲率半径小于所述第一反射透镜的曲率半径。

2.如权利要求1所述的一种光学照明系统，还包括一个多波长光源，用于提供光给所述第一凹面反射透镜，其中，所述透镜的二维阵列用于把入射到其上的光分离成多个分光束，所述分光束与较小的凹面反射透镜的数量相对应。

3.如权利要求2所述的一种光学照明系统，还包括一个反射装置，用于接收所述分光束，并把所述分光束向靶反射，使得所述分光束重叠，以在靶位形成一个单独的光束。

4.如权利要求2所述的一种光学照明系统，还包括一个第二凹面反射透镜，用来接收经所述第一凹面反射透镜的来自光源的光，其中，所述第二凹面反射透镜由被设置成盘状结构的较小的凹面反射透镜的一个二维阵列所形成，使得所述第二凹面反射透镜用于将来自所述第一凹面反射透镜的入射到所述第二凹面反射透镜上的光束，基本上均匀地导引到所述靶位上。

5.如权利要求4所述的一种用于混合光束的光学照明系统，其特征在于，每一个较小的凹面透镜的凹度大体上大于所述第二凹面反射透镜的凹度，使得每一个较小的凹面透镜的曲率半径小于第二凹面反射透镜的曲率半径。

6.如权利要求5所述的一种光学照明系统，还包括偏振分集装置，所述偏振分集装置用于将入射光转化成偏振光。

7.如权利要求3所述的光学照明系统，其特征在于，所述第一阵列具有n个曲面反射镜，并且其中所述反射装置是一个具有至少n个反射面片的抛物面反射镜，其中所述n个曲面反射镜中的每一个被设置成用于把大部分入射到其上的光基本上导向所述n个反射面片中的一个不同面片上，其中n＞15。

8.如权利要求7所述的光学照明系统，其特征在于，所述第一阵列形成一个抛物面反射镜，所述抛物面反射镜具有一个不同于由所述反射装置所形成的抛物面反射镜的基本半径。

9.一个折叠光学照明系统，用于混合光束并且用于把混合光束提供到靶位，包括：

一个用于提供将要被混合的光的灯；

一个第一盘状曲面反射面片阵列，用于接收发散的入射光束，并且用于反射和会聚所接收的光，成为多个会聚的分光束；

一个第二盘状曲面反射面片阵列，在光学上与所述第一曲面反射面片阵列相耦合，用于接收会聚的分光束，并且用于反射所接收的光束，使得入射到所述第二盘状阵列上的多个会聚光束中的每一个被反射，以在靶位处基本上覆盖一个相同的矩形靶区域的至少一个部分。

10.如权利要求9所述的一种用于混合光束的光学照明系统，其特征在于，所述第二盘状阵列的反射面片和所述第一盘状阵列的曲面反射镜的中心沿着一个抛物面设置。

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