[发明专利]自由形态聚光光学装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学系统，尤其涉及XX(双反射表面)光学装置，包括适合在投影系统中用作聚光器的光学装置。

背景技术

与望远镜的物镜类似，投影系统中的聚光光学装置的主要功能是从光源收集尽可能多的光并将其传给微显示器或其它成像器件，在将光传向投影光学器件的同时在空间上调整光。

聚光镜的重要性在于限制商用投影系统的效率的主要瓶颈为其集光光学装置的事实。效率是投影器性能的主要参数，因为其增加屏幕亮度，使系统在环境光水平增加的情况下能很好地运行。此外，更高的效率还意味着吸取更少的热量因而风扇噪声更少。

大多数传统聚光器使用椭圆或抛物线形镜。对于光源如弧光灯或卤素灯泡，它们运行的情况非常远离理论极限(使用非成像光学装置的光束扩展量不变性进行计算)。对于最好的聚光器，在5-15mm².srad光束扩展量范围的典型小显示器具有约40-50％的光线收集效率，尽管理论上能达到约100％。

为理解传统椭圆或抛物线形聚光器的局限，考虑源像的投影的概念是有用的。聚光器的出口光学表面处的针孔将通过一束显示光源的局部图像的光线(参见图1)。对于小的光束扩展量，传统椭圆聚光器具有有限的收集效率，这是因为其投射的弧光图像的特性。大多数图将弧光示为表面发射圆筒，这是弧光的实际非均匀亮度分布的示意性简化。实际亮度分布的例子如图1B和图23中所示。该简化不在最终设计中使用，但其有助于理解椭圆聚光器的固有局限性，因为简化后的弧光的光束扩展量相较真实弧光为更好定义的参数。

图1示出了任何传统椭圆聚光器的源像的显著特性：图像的长度可根据通过聚光器的哪一部分成像而变化(参见图1A)；由于它们复制光源如超高性能水银弧光灯(UHP)的细长形状，图像的长度约为宽度的4倍(参见图1B)；它们由于聚光器的旋转对称性而在目标处旋转(参见图1C)；及源像未很好地适合全景16∶9目标，在图1D中示为虚线矩形。

当微显示器的光束扩展量远大于弧光的光束扩展量时，上面提及的两个方面(投射图像大小的变化及图像旋转)并不限制收集效率，因为搅拌棒形入口孔(在图1D中示为虚线矩形)将远大于所有投射的弧光图像。然而，这意味着使用大且昂贵的微显示器。在大多数考虑成本的应用中，微显示器光束扩展量将更小及更接近弧光的光束扩展量。

感兴趣的明了情形是微显示器和弧光的光束扩展量相等，因为理论上100％的光线耦合效率是可能的(由于光束扩展量是光学不变的量)。在该相等的光束扩展量情形下，可以看出搅拌棒形入口孔将具有与平均投射图像一样的面积。这使下述事实清楚：椭圆聚光器的图像的可变大小和旋转阻止100％的光线收集效率。实现前述100％值的聚光器必须满足下述条件：所有投射的图像均为矩形且与搅拌棒形入口孔的轮廓严格匹配。该条件为一般条件，其与前述理想的100％光线收集聚光器中使用的光学元件无关，甚或暗示前述设计存在。

对于小光束扩展量，提高收集效率的最近趋势是通过减小电极之间的间隙而减小弧光光束扩展量。此外，正开发一些提高前述效率的光学设计，这些设计通过：

-经与弧光同心的半球形镜减小弧光光束扩展量，这将所发出光的一半反射回弧光(其部分吸光)并穿过弧光以增加其亮度。之后，来自更高亮度的半光束扩展量弧光的光由传统椭圆反射镜收集。

-用偏心半球形镜产生弧光的并行图像，及经双抛物线形反射镜产生其合成1∶1图像。

-通过使用非球形反射镜轮廓和非球形透镜校正椭圆镜慧差而使所投射的弧光图像的子午长度均等，但两个表面仍然旋转对称。

除了复杂性和技术难题之外，这些光学方法仅具有有限的增长能力，因为它们的光学装置仍然受限于旋转对称。

提高系统效率的其它方法包括色彩重获及色彩卷动(其试图恢复单微显示器投影器中因色彩过滤产生的损失的2/3)，或者偏振恢复技术(其试图恢复LCD和LCoS系统中因需要偏振光而产生的损失的50％)。然而，在这些方法中，所得的灯光束扩展量因而增加(在偏振和色彩恢复系统中分别为两倍和三倍)，进一步限制了使用经典聚光器的小的微显示器的性能。