自由形态聚光光学装置制造方法及图纸

用于将光从ＵＨＰ弧光灯或其它圆筒光源引到与灯的前端成直线的目标如微显示器上的聚光器包括：将光从光源导向聚光器的后端的主要镜，及聚光器的后端处将光从主要镜引到目标上的辅助镜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学系统，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。
技术介绍
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勻亮度分布的示意性简化。实际 亮度分布的例子如图IB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ID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ID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。用SMS 3D方法设计的其它自由形态XX聚光装置在我们的题为“Freeform lenticular optical elements and their application to condenser and headlamps，， 的专利申请WO 2007/016363中公开，其通过引用全部组合于此。与在此所述的实施方式相 反，其中图43A-44C所示的装置更适合圆形目标而不是矩形目标。那些装置使用光束扩展 量压挤的概念，其改而聚焦于避免所投射的弧光图像的旋转，导致图像宽度和长度的均等 (如我们的申请WO 2007/016363中的图43A-44C所示)。我们的申请WO 2007/016363中 的图45A-45C所示的装置与本申请中的实施方式一样，也分成两半并防止图像旋转，但该 结构使辅助镜的两半不相邻而是面向彼此。关于制造聚光光学装置的技术水平，所有目前的系统均基于旋转对称表面。这些 主要由玻璃(由于其低成本)或玻璃-陶瓷(为更高的热稳定性)制造。两种技术的准确 度均有限，从而所制造的外形实质上不同于想要的外形。
技术实现思路
在本说明书中，SMS3D方法应用于具有高数值孔径和效率的自由形态镜光学装置， 使用其可保证所投影的源像不旋转。所使用的术语在结尾的术语表中给出。SMS3D设计方法提供两对波前的完全控制及第三对波前的部分控制。因此，所投影 的源像的大小、位置和定向可控制到空前的水平。SMS设计的双反射镜装置在此称为XX。为 阐明不同的XX聚光器系列，该部分考虑必须收集矩形平光源发出的光并将其传给矩形平 目标的XX设计，如图2所示的几何结构。光源放在y = 0平面中并在y > 0方向发出光。 目标放在ζ =常数平面中并将在ζ >0的方向接收所发出的光。本专利技术的一方面提供用于将来自光源的光引到大致与光源的第一端成直线的目 标上的光学系统，该光学系统包括安排成将来自光源的光导向聚光器的与圆筒的第一端方 向相反的第二端的主要光学元件，及安排在聚光器的第二端处以将来自主要光学元件的光引到目标上的辅助光学元件，其中从光源到达目标的光的至少70%反射离开主要和辅助光 学元件。本专利技术的一方面提供用于将来自大致圆筒光源的光引到大致与圆筒的第一端成 直线的目标上的聚光器，该聚光器包括安排成将来自光源的光导向聚光器的与圆筒的第一 端方向相反的第二端的主要反射或其它光学元件，及安排在聚光器的第二端处以将来自主 要光学元件的光引到目标上的辅助反射或其它光学元件，其中从光源到达目标的所有光均 反射离开主要和辅助光学元件。主要和辅助光学元件可成形为使得来自主要光学元件的所有部分的、光源在目标 上的图像均以实质上一样的形状、大小和定向形成在目标上。主要和辅助光学元件可成形为使得来自主要光学元件的所有部分的、光源在目标 上的图像均以实质上一样的形状和大小形成在目标上，其中图像为相较光源的长度-直径 (L/D)比更接近正方形的矩形。图像可具有从L/D的1/4到2/3的范围中的长度-宽度比，优选4/9到1/2。主要光学元件可分段为朝向第一端的第一多个弓形扇段及朝向第二端的第二多 个弓形扇段。第一多个弓形扇段可相对于第二多个弓本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于将光从光源引到与光源的第一端成直线的目标上的光学系统，该光学系统包括：在通过光源的参考平面中在反射下对称的一对主要光学元件，该对主要光学元件安排成将光从光源导向聚光器的与圆筒的第一端方向相反的第二端；其中两个主要光学元件一起围绕光源，及沿光源两侧上的参考平面相交；及在通过光源和目标的参考平面中在反射下对称的一对辅助光学元件，该对辅助光学元件安排在聚光器的第二端处以将光从相应主要光学元件引到目标上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P本尼兹，JC米纳诺，JB弗洛雷斯，
申请(专利权)人：光处方革新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]