CN1725429B - 设计放电灯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设计放电灯的方法，所述放电灯用于与一个光收集系统、特别是一个用于数据或影像投影的投影仪的光收集系统一起使用。此外，还公开了一种根据这种方法设计的灯和一种为此而设置的反射镜。

Description

设计放电灯的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的设计放电灯的方法以及一种根据这种方法所设计的灯和一种根据这种方法设计的反射镜。

背景技术

自从发明DLP技术以来，用于数据或影像投影的数字投影仪的市场在全世界范围内急剧增大。这种市场的扩大尤其是基于下面的原因，即投影仪由于其所使用的技术使得制造成本愈来愈低，而且尺寸愈来愈紧凑，从而可以日常办公中用作便携式投影仪。

数字投影仪的光机通常具有一个微显示面板，其原理上为一个芯片，在其表面上设置可控制的像素。通过投影仪的光机可以照亮所述面板并且借助于投影物镜将产生的图形投影到墙壁上。原理上微显示有三种主要类型：DMD、LCD和LCoS。投影仪的小型化尤其与微显示面板的尺寸以及所应用的光源相关。一个具有LCD面板的投影仪的基本结构例如在US 5,902,033中有描述，而有关DMD面板功能的描述可以参阅Texas Instruments公司的有关DLP(Digital Light

)方法的专利申请。

在前面所述的数字投影仪系统中，主要使用高压放电灯作为光源，其例如在www.osram.com中称为影像灯和投影灯(VIP灯)。这种高压放电灯具有一个喷灯，其应用在一个玻璃反射镜中。在设置这种类型的高压放电灯时必须注意，在出现相当高的温度时不要热损坏反射镜和喷灯。这种喷灯通常具有一个大致设置在中间的放电腔，其过渡到两个相互直径方向设置喷灯轴。由于这种喷灯相当大的轴向长度，一部分发出的光线被反射到轴的端部，从而该端部承受了相当强的热负载。在EP 1 220 294 A1中建议，在轴的端部上设置一个反射层，其用作热保护层和反射所出现的光线，从而可以避免喷灯在这一区域的附加的加热。替代地或者附加地可以输送冷却空气来实现，然而为此所需要的鼓风机不仅增大了投影仪的结构空间而且增加了噪声发射。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计放电灯的方法以及一种根据这种方法所设计的灯、特别是一种放电灯和一种与之适合的反射镜，其具有一个最小的结构空间、高的光效率和小的热负载。

上述目的在方法方面通过权利要求1的特征组合来达到，在灯方面特别是放电灯方面通过权利要求5的特征组合来达到，在反射镜方面通过权利要求9的特征组合来达到。特别优选的结构方案在从属权利要求中。

根据本发明，根据少数几个参数、如光收集系统的光导系数和接受角以及所应用的放电灯的放电弧弧长设计反射镜。通过这几个参数可以确定数值的偏心率，即椭圆形反射镜的形状，其中根据接受角计算的偏心率通过一个匹配值进行修正，该匹配值与光导系数和弧长相关。即通过这个匹配值将反射镜与光收集系统相匹配。

根据本发明，因此椭圆的形状根据这些参数来获得，其中两个参数(光导系数和接受角)通过光收集系统预先设定，而第三个参数(弧长)通过所使用的灯预先确定。光收集系统的最大效率在与反射镜的大小无关的情况下被保证了。

因此，本发明可以以特别简单的方法使得椭圆反射镜的几何形状根据少数几个参数以最佳方式匹配于光收集系统，例如投影仪的光收集系统。

为了进一步减小系统的结构空间，根据本发明，在预先设定偏心率的情况下可以这样选择椭圆轴，使得开头所述的反射镜或者灯的热负载最小。

在用于投影仪系统的放电灯中，放电弧设置在椭圆形反射镜的焦点F₁(较小的焦距)处。根据本发明该焦距≥8mm，已经证明这个尺寸是在紧凑的结构方式以及实现喷灯和反射镜的最小热负荷之间的最佳折中方案。反射镜的尺寸这样选择，使得喷灯完全或者几乎位于小孔(Aperturloch)中。这种小孔理解成一个中间区域，在该区域中由于喷灯的典型的射束强度分布反射镜不辐射。在这种情况(喷灯端部位于小孔内)下，根据一个喷灯轴的长度和直径以及前面计算出来的偏心率，可以计算出较大的焦距，从喷灯辐射出的光线借助于椭圆形的反射罩被聚束在该较大的焦距内。在焦距已知的情况下，可以通过简单的几何换算来计算出两个椭圆半轴。

当允许喷灯轴稍微凸出于小孔时，灯的结构长度可以进一步缩短。在这种情况下在计算较大的焦距时，除了需要上述的参数外还需要知道角范围，喷灯就是以这个角范围从小孔中伸出。

当构造反射镜所需要的结构空间设置有削平部分时，该结构空间就是最小的，其中有两对分别相互平行间隔设置的削平部分，其中最好两个削平部分的距离小于另外两个削平部分之间的距离。

附图说明

下面参考附图借助于实施例对本发明进行详细阐述。其中：

图1具有一个高压放电灯和一个光学系统的投影仪的示意图；

图2用来说明图1中的高压放电灯的椭圆形反射镜的几何形状的原理示意图；

图3图1中的高压放电灯的放大视图；

图4根据图3的高压放电灯的一个变型方案；

图5一个具有整平的反射镜的高压放电灯的另外一个变型方案以及

图6一个高压放电灯的辐射强度分布。

具体实施方式

图1示出了一个用于影像投影的DLP(数字光处理)投影仪。投影仪1的光学系统基本上由下列部件组成，即一个HID灯2(高强度气体放电灯)、一个积分器4、一个继电器光学系统6，一个DMD芯片8以及物镜10，通过该物镜图像被投影到一个屏幕12上。一个在DLP技术中使用的色轮没有示出，其通常设置在积分器4和灯2之间。元器件HID灯2、积分器4、继电器光学系统6、DMD芯片8以及物镜10也被称为光机。

图2示出了图1中的HID灯2的放大视图。根据图2，HID灯2具有一个喷灯14，其灯泡大约在中间具有一个放电容器16，两个轴向凸出的喷灯轴18，20连接到放电容器16上。在放电容器16中设置了两个钨电极22，24(示意示出)，它们以一个预定的距离相互设置，该距离确定了一个放电弧的长度g(未示出)。

这种HID灯的结构是已知的，其例如在www.osram.de中称为VIP灯，从而免去对该灯的进一步描述。

喷灯14被安装在一个椭圆形的、基本上旋转对称的反射镜26中，其设置有一个反射层。具有两个电极22，24的放电容器16这样设置，使得产生的放电弧位于反射镜26的一焦点F₁上。在放电容器16中通过放电弧产生的光被反射镜成像到焦点F₂上，其位于积分器4的进入孔中。因为放电弧不是点光源，所以不会像图2中所示的理想情况那样精确地以点的形式成像到焦点F₂上。

HID灯2发射的光通过在积分器4中的多次反射而变得均匀，而后在出口侧通过所述继电器光学系统6成像到DMD芯片8上。通过该过程产生了真实的图像。根据实施方案，例如在DMD芯片8上有600,000个可回转的微镜，其起光阀作用。在此，根据镜位置可以生成一个图象像素或者保持黑暗。被DMD芯片8反射的光通过前置的色轮获得相应的颜色信息。灰度梯度和颜色微小差别通过一个相对长的或者短的反射时间被复制。由DMD芯片8发射出的图像最终通过物镜10成像到平坦的墙12上。

在设计投影仪1时必须使其尽可能紧凑而且效率高，从而可以获得一个具有高亮度和良好对比度的明亮的投影。在此，具有积分器4、继电器光学系统6和DMD芯片8的投影仪1的光收集系统通常被预先确定了，从而相应地DMD芯片8的光导系数(面积和接受角)作为常数也被预先确定了。

一个0.7″DMD芯片8的DMD芯片8的镜子通常只能偏转12°，从而DMD芯片的接受角γ相应地为12°。通过继电器光学系统6可以扩大这个接受角，从而光收集系统的接受角γ′大约在20°到40°之间。在一个现有投影仪系统中通常只能通过对HID灯2的合理设计来进行优化。

现在进行这样的假设，在设定的喷灯14和一个存在的光收集系统中设计一个反射镜26，其尽可能设计得紧凑并且进一步使得HID灯2的元器件的热负载降至最低，所述喷灯14具有确定的放电弧长g和半个喷灯14的长度L(图2)(从放电容器16的中点到喷灯轴20的端面的距离)，所述光收集系统具有光导系数E和接受角γ′。

反射镜的椭圆几何形状的设计

在一个第一设计步骤中首先确定基本上描述反射镜26的几何形状特征的偏心率e_a。按下面的方程计算：

$e_a=\frac{\sqrt{2}+1-\tan \frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}}{\sqrt{2}+1+\tan \frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}}$ 方程1

其中γ′：接受角

在下一个步骤中计算偏心率的一个匹配系数，其基本取决于投影仪1的上述参数。匹配系数这样计算：

$\mathrm{\Δe}=1.3\sin 2{\mathrm{\γ}}^{\′}\exp [-2\frac{E^{0.17}}{g}]$ 方程2

其中：g：放电弧弧长

E：光导系数

γ′：接受角

数值的偏心率e₀由偏心率e_a和配合系数Δe之间的差值得出：

e₀＝e_a(γ′)-Δe(γ′，E，g)        方程3

在镜倾角为12°以及光导系数E＝20mm²sr的0.7″DMD芯片6中，在一个确定的继电器光学系统6里，基于一个由继电器光学系统6确定的接受角γ可以得出在表1中示出的数值的偏心率e₀。

表1

γ′	e<sub>a</sub>	e<sub>0</sub>
			23°	0.85	0.81
29°	0.81	0.77
			34°	0.77	0.72

根据上述设计规则可以确定椭圆形反射镜26的基本形状。为了使得反射镜26最小化必须考虑一些热学设计标准。

反射镜尺寸的设计

正如开头所述，在大功率的喷灯工作时在一个非常小的椭圆形反射镜中会出现热学问题，其中喷灯14至反射镜26的距离特别关键，因为太小的距离会导致喷灯14和反射镜26之间紧贴的热接触。至今为止这样避免热负荷，即例如使用由玻璃陶瓷制成的高质量的反射镜或者借助于接合剂将喷灯粘合到反射镜的一个陶瓷部分中。

另外一个热学问题在于，喷灯轴20如此之长，以至于伸入所发射的锥形光束中并且被所吸收的光加热。为了解决这个问题，在开头所述的EP 1 220 294 A1中建议在喷灯轴20的端部上设置一个反射层。本发明避开了这种相对麻烦的方法并且通过反射镜26的合适的设计来避免这种热负荷。这会借助于图2至图5的示意图进行阐述。

图3示出了一个椭圆体，反射镜26就是根据该椭圆体进行制造的。这个椭圆体尤其是以焦点F₁和焦点F₂为特征的，其中焦点F₁到顶点28的距离定义了焦距f₁，而焦点F₂到顶点28的距离定义了焦距f₂。此外，在图3中还示出了两个椭圆半轴a(长半轴)和b(短半轴)。从焦点F₁出发的光线通过椭圆体朝着焦点F₂反射-光线在图3中例如以角度γ′入射到焦点F₂上。

根据本发明，喷灯14这样设置在反射镜26的光轴30上，使得喷灯轴20特别是其端面32完全被设置在小孔35内部，其以孔锥(Aperturkegel)34为标记。所述孔锥限定了喷灯14的不能生成图像的区域。如果将端面32置入孔锥34中，那么由反射镜26反射的光线就不会出现在喷灯轴20上，从而喷灯轴20也不会因为吸收光能而被附加地加热。

在图2示出的实施例中，端面32没有精确地位于孔锥34中，而是以其外圆周部分36(见图4的放大视图)越过孔锥34伸出。在图2和4中用附图标记32’表示端面32的完全位于孔锥34中的这个位置，为了接近这个位置，必须使用轴向构造更短的喷灯14。

根据本发明，可以接受圆周段36的一个小的如图4所示的凸出，其中这个角范围通过图4中的角ζ表示，其小于2°，最好小于1°。

就喷灯轴20的热负荷应当最小的情况而言，端面(如用32’表示)应当完全位于孔锥34中。在喷灯轴20的长度L和直径D给定的情况下，这样计算焦距f₂：

$f_2=\frac{L+\frac{d}{4}[\frac{\sqrt{2}+1}{m}-\frac{m}{\sqrt{2}+1}]}{1-m}$ 方程4

焦距比m：

$m=\frac{1-e_0}{1+e_0}=\frac{f_1}{f_2}$ 方程5

所述焦距比m可以根据开头计算的数值的偏心率e₀获得。

然后，根据焦距f₂计算出较大的椭圆半轴a以及较小的椭圆半轴b：

$a=\frac{f_2}{1+e_0}$ 方程6

$b=a\sqrt{1-{e_0}^2}$ 方程7

在喷灯轴20从孔锥34中轻微伸出和因此喷灯14只允许较小的热负荷的情况下，根据方程8计算焦距f₂：

$f_2=\frac{1}{1-m}[L+\frac{d}{2}\frac{(\frac{\sqrt{2}+1}{m}-\frac{m}{\sqrt{2}+1})-2\tan \mathrm{\ζ}}{2+(\frac{\sqrt{2}+1}{m}-\frac{m}{\sqrt{2}+1})\tan \mathrm{\ζ}}]$ 方程8

由方程6和7出发，根据焦距f₂和数值的偏心率e₀可以重新计算两个半轴a和b。

喷灯14的热负荷可以进一步降低，此时焦距f₁，即放电容器16的到椭圆体顶点28的中心距大于8mm时，喷灯与反射镜可靠地实现热分离。

如果把上述设计标准应用到一个投影仪上，该投影仪具有一个倾角为12°(10％的过量)的0.7′DMD芯片8，其中通过所述继电器光学系统6可以产生一个30°的接受角，从而在表2中示出的参数在下面的参数的基础上可以得到在表2中出的数值，这些参数包括相应的预先设定的光导系数E、接受角γ′、放电弧弧长g、喷灯轴20的长度L、喷灯轴20的直径D和喷灯轴20的从孔锥中伸出的凸起ζ，在图2中示出的数值可以借助于非常简单构成的方程1-8被轻易地计算出来。

表2

参数	数值	单位
			E	22.7	2mm<sup>2</sup> sr

参数	数值	单位
			γ′	30	°
g	1.0	mm
			L	31	mm
d	6	mm
			ζ	0.48	°
e<sub>a</sub>	0.800
			Δe	0.038
e<sub>0</sub>	0.762
			m	0.135
f<sub>2</sub>	64.56	mm
			f<sub>1</sub>	8.74	mm
a	36.65	mm
			b	23.75	mm

由匹配系数Δe引起的数值的偏心率的降低不仅导致系统的最佳的效率，而且导致了焦距比m的提高并且因此在焦距f₂设定的情况下导致一个较大的f₁，也就是导致放电容器16到反射镜顶点28的距离的增大。

在图5中示出了另外一种使HID灯2所需要的结构空间最小化的方案。根据图5，反射镜26设有两个削平部分38，40以及两个位于附图平面上方和下方的在图5示出的削平部分42，44，它们在图5中用虚线表示。所述削平部分可以通过削去图5中所示的阴影部分来获得。根据图5，为了获得削平部分42，44从原始的圆形反射镜26上削去的材料多于为了获得削平部分38，40所需要削去的材料。即反射镜26在垂直于图5的附图平面上具有的宽度小于其在图5附图平面上的宽度。所述削平部分在较小的结构尺寸和较高的效率之间提出了一种折中方案。

在上述的实施例中使用了一个HID灯2。不言而喻，也可以使用其它的放电灯，鉴于尺寸a，b的设计原则上也可以使用白炽灯。代替所述的DMD芯片8也可以使用其它的例如在说明书开头部分提到的结构形式。

本发明涉及一种设计放电灯的方法，所述放电灯用于与一个光收集系统、特别是用于数据或影像投影的投影仪的光收集系统一起使用。此外还公开了一种根据这种方法设计的灯和一种为此而设置的反射镜。

Claims (9)

1.一种设计放电灯(2)的方法，所述放电灯为了与一个光收集系统一起使用设置在一个用于数据或影像投影的投影仪中，所述放电灯具有一个喷灯(14)，其具有一个容纳电极(22，24)的放电容器(16)并且被安装在一个椭圆形的反射镜(26)中，其中椭圆形的几何形状通过两个焦点(F₁，F₂)、通过一个数值的偏心率e₀以及通过两个椭圆半轴a、b确定，并且所述光收集系统的特征通过一个光导系数E和一个接受角γ′来描述，其特征在于，椭圆的偏心率e₀根据

e₀＝e_a(γ′)-Δe(γ′，E，g)       方程3

与光收集系统适配，其中

$e_a\left({\mathrm{\γ}}^{\′}\right)=\frac{\sqrt{2}+1-\tan \frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}}{\sqrt{2}+1+\tan \frac{{\mathrm{\γ}}^{\′}}{2}}$ 方程1

和 $\mathrm{\Δe}({\mathrm{\γ}}^{\′},E,g)=1.3\sin 2{\mathrm{\γ}}^{\′}\exp [-2\frac{E^{0.17}}{g}]$ 方程2

并且g是放电灯(2)的弧长。

2.按权利要求1所述的方法，其中更靠近椭圆顶点(28)设置的焦距f₁大于8mm。

3.按权利要求1或2所述的方法，其中较长的焦距f₂根据

$f_2=\frac{L+\frac{d}{4}[\frac{\sqrt{2}+1}{m}-\frac{m}{\sqrt{2}+1}]}{1-m}$ 方程4

确定，其中L是喷灯轴(20)的长度，d是喷灯轴(20)的直径，

并且其中：

$m=\frac{1-e_0}{1+e_0}=\frac{f_1}{f_2}$ 方程5

由此椭圆半轴a、b根据

$a=\frac{f_2}{1+e_0}$ 方程6

$b=a\sqrt{1-{e_0}^2}$ 方程7

计算。

4.按权利要求1或2所述的方法，其中较长的焦距f₂根据

$f_2=\frac{1}{1-m}[L+\frac{d}{2}\frac{(\frac{\sqrt{2}+1}{m}-\frac{m}{\sqrt{2}+1})-2\tan \mathrm{\ζ}}{2+(\frac{\sqrt{2}+1}{m}-\frac{m}{\sqrt{2}+1})\tan \mathrm{\ζ}}]$ 方程8

确定，其中L是喷灯轴(20)的长度，d是喷灯轴(20)的直径，

并且其中

$m=\frac{{1-e}_0}{{1+e}_0}=\frac{f_1}{f_2}$ 方程5

并且0≤ζ≤2°

由此椭圆半轴a、b根据

$a=\frac{f_2}{{1+e}_0}$ 方程6

$b=a\sqrt{1-{e_0}^2}$ 方程7

计算。

5.一种灯，其为了与一个光收集系统一起使用设置在一个用于数据或影像投影的投影仪中，所述灯具有一个喷灯(14)，其具有一个容纳电极(22，24)的放电容器(16)并且被安装在一个椭圆形的反射镜(26)中，其中椭圆形的几何形状通过两个焦点(F₁，F₂)、通过所述数值的偏心率e₀以及通过两个椭圆半轴a、b确定，并且所述光收集系统的特征通过一个光导系数E和接受角γ′来描述，其特征在于一个根据上述权利要求之一设计的反射镜几何形状。

6.根据权利要求5所述的灯，其中所述反射镜(26)在平行于光轴(30)的方向上设有四个削平部分(38，40；42，44)，其中每两个削平部分(38，40；32，44)相互之间平行间隔设置。

7.根据权利要求6所述的灯，其中两个削平部分(42，44)之间的距离小于另外两个削平部分(38，40)之间的距离。

8.根据权利要求5至7之一所述的灯，所述喷灯(14)是一个高压放电灯。

9.一种反射镜，其为了与一个光收集系统一起使用设置在一个用于数据或影像投影的投影仪中，所述反射镜具有一个喷灯(14)，其具有一个容纳电极的放电容器(16)并且被安装在一个椭圆形的反射镜(26)中，其中椭圆形的几何形状通过两个焦点(F₁，F₂)、通过所述数值的偏心率e₀以及通过两个椭圆半轴a、b确定，并且所述光收集系统的特征通过一个光导系数E和一个接受角γ′来描述，其特征在于一个根据权利要求1至4之一设计的反射镜几何形状。

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