[发明专利]用于照明系统的聚光器

说明书

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。