[發明專利]用于照明系統的聚光器

無效

• 申請號: 95191639.4
• 申請日: 1995-01-12
• 公開（公告）號: CN1141084A
• 公開（公告）日: 1997-01-22
• 發明（設計）人: D·G·鮑德溫;S·K·埃克哈特
• 申請（專利權）人: 美國3M公司
• 主分類號: G02B19/00
• 分類號: G02B19/00;G03B21/132
• 代理公司: 上海專利商標事務所
• 代理人: 張政權

發明領域

本發明一般涉及其中使用聚光透鏡的光學照明系統，尤其涉及用于過頂投影機的照明系統，它做成可增大給定光學幾何圖形任何所需區域或開口(aper-ture)上照明的量。

背景技術

用于光學照明系統的聚光透鏡通常用于集中來自光源的光并把它引向要照明的區域或開口。這些透鏡可包括單個或多個設計成雙凸、平凸和凹凸形狀的元件。聚光透鏡的一個通常用途是用在過頂投影機(OHP’s)。

常規的OHP一般包括具有光源的底座、平臺區和位于平臺上方的投影頭。光源常由帶反光鏡的燈或沒有帶反光鏡但與分離的反光鏡和可能的聚光透鏡相組合的燈。平臺處的Fresnel透鏡收集光線并把它引向投影頭(投影出平臺上的任何透明圖像)中的投影透鏡。

為了保證在明亮環境中看清楚圖像，希望圖像盡可能地亮。隨著液晶顯示器(LCD)板與OPH合并使用不斷增長，亮度已變得特別重要，因為LCD板的透射一般非常低。

照度均勻性也非常重要。雖然人眼不十分敏感于照度的逐漸變化，但仍可看出從屏幕中心到遠角的大約四倍以上的變化。依據ANSI/ISO9767-1990(它用角到中心的比率來定義均勻性)測量均勻性。依據日本標準JIS?B?7160(它基本上類似于美國國家標準協會(ANSI)的角到中心的比率的定義)，認為對于OPH，角到中心比大于40％就被認為很好。

在實現高的平臺照度中牽涉到三個重要的因素，它們是：燈的構造、來自燈的光線的聚集，以及光線一旦被聚集后的利用。第一個因素牽涉到燈本身，而另外兩個因素依據一塊或多塊聚光透鏡的性能。燈的構造可以幾種方式變化，以增加照度。常規的OPH燈是白熾燈或電弧放電燈。雖然弧光燈可提供更高的照度，但白熾燈的成本一般低于電弧放電燈，因此更多地用于過頂投影機中。如果選擇白熾燈，用于提高照度的唯一可獲得的方法是使用一個具有較高瓦數的燈。由于投影機的其它元件可能過熱，仍限制了瓦數。例如，如果Fresnel透鏡/平臺變得太熱，可損壞圖像承載薄膜。

對于其它的照度因素，用適當的聚光透鏡系統可很好地實現光的聚集和利用。聚光透鏡做成盡可能多地聚集來自燈的光線，并使光線通過平臺。由其集光角(collection?angle，定義為通過集光系統上邊的光線和通過其下邊的光線之間的夾角)控制由聚光透鏡聚集的光量。從光源燈絲到聚光透鏡最近一側的距離可影響該角。聚光透鏡一般放置得盡可能靠近燈，從而牽涉到的唯一的其它因素是聚光透鏡的直徑。增大聚光透鏡的直徑將自動地增大集光角，但因為在此過程中也將會增加聚光透鏡的厚度，從而增加聚光透鏡的成本以及它對熱應力的敏感度，所以對此也有限制。因此，需要權衡透鏡的直徑與其厚度，以給出高的集光效率。在已有技術中有許多專利討論了由聚光系統聚集的光量的問題。

聚光器的主要作用是聚集來自光源的光線并把它引向要照亮的區域或開口。在已有技術中，由其相對開口(美國專利號934,579)、數值開口(參看美國專利號2,637,242)或集光角(參看美國專利號1,615,674、1,946,088和2,587,956)描述由聚光系統聚集的光量。此集光角定義為通過集光系統上邊的光線和通過其下邊的光線之間的夾角。

聚光器設計中第一個共同特點是此系統是齊明(aplanatic)的，即對球面像差和彗形像差進行修正(參看美國專利號934,579和1,507,212)。在用于顯微鏡照明裝置等的高分辨率光學的照明系統中特別需要齊明性。對于較低分辨率的系統，對彗形像差的修正需要減少了，并如美國專利號2,637,242所述可故意避免。另一個共同特點是所有的聚光系統試圖達到某種程度的照度均勻性(參看美國專利號2,637,242和5,010,465)。理論上，設計者應能夠規定由聚光器產生的均勻性。因此，設計一種單個元件的聚光透鏡是想要并有利的，它能增加照明系統中的照度，而不增加聚光透鏡的尺寸和厚度，而且仍能保持投影光線的高度均勻性。

發明內容

本發明提供了一種聚光透鏡系統，包括雙凸、平凸和凹凸形狀的透鏡，其中透鏡設計成對于用于給定照明系統中給定燈，使任何想要區域或開口上的照度最大。此外，實現了照度的高度均勻性。具體說，這些透鏡做成具有光瞳失真(枕形失真或桶形失真)，它適于從給定照明系統中光源(燈絲)到投影開口的距離。在每個設計中，通過聚光透鏡邊緣的光線指向某點，該點稍稍超出光線要照亮的區域的邊界。