CN1037970A - 照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种低通过量的照明系统，它包 括：光源(1)，用于使光源发射的光线形成若干光束 (b₁，b₂)的若干聚光器(2，14；3，15)，以及用于使每束 光束朝主轴(OO′)方向反射的第一反射镜(4，5)。该 系统还包括使光束向主轴折射的第二反射镜(6，7)， 使得各光束在出射面(10)具有它们最细的缩颈(8， 9)，并且密集地排列。

Description

本发明涉及沿主轴发射光束的起光源作用的低通过量照明系统，所述系统包括：一个光源，一个围绕光源安置的、用于从不同方向接收光源的辐射并形成若干光束的聚光系统，安置在每束光束的光径中，用于使相应光束朝主轴方向反射的第一反射镜。本发明还涉及包含这种照明系统的投影电视系统。

美国专利第4，206，494号描述了用于在集成电路制作中，把电路图形或集成电路掩模投影在半导体材料的晶片上的设备中使用的照明系统。因为该设备是一种生产设备，所以，对半导体晶片的曝光时间必须越短越好，以便使这种晶片经过该设备的时间减少到最低限度。因此，投射光束必须具有很高的强度。然而，增强光源的光强度，例如，高压水银灯，只提供有限的效益。事实上，供给较高的辐射能的灯也具有较大的辐射表面（表现为灯的电弧或灯丝具有较大辐射表面），以致照明系统的出口孔径也较大。如果减小该孔径，则一部分辐射能量将会随之失去。所以，需要最大限度地接收来自光源的辐射能量，并使之集聚于狭窄的光束之中。

这在应用通常所说的液晶显示板，借助投影透镜系统将形成的图象投影在显示屏上的投影电视设备的照明系统中也是需要的。当用于透射时，这些显示板具有很低的效率：例如，只有照射到板上的辐射光的10%传给投影透镜系统。此外，该透镜系统映射显示板时同时放大一定倍数，所以照明光束必须具有很大的强度，才能保证在显示屏上每表面单位有足够的光强度。由于投影电视设备是一种消耗装置，而不是象集成电路掩模投影设备这一类专用设备，所以，该投影电视设备应当越简单、便宜越好，其光源应当采用可能的最简单的冷却方法，所以，该源的辐射能量应保持在额定的状态，并且，应当尽可能有效地使用该能量。

为满足使光源的可能达到的最大辐射能量集聚到狭窄的光束中的需要，最好用环形的截面，美国专利第4，206，494号建议围绕细长的光源设置至少三个、最好四个聚光透镜，该光源的纵面与所述系统的主轴相重合。由这些聚光器形成的光束由反射镜反射到围绕主轴设置的许多光纤束的入射面上。所述光纤束端接在一捆公共的出射光纤束内，后者的出射面起二次光源的作用。但是，该复合的光纤系统是难以制造的，并且，对于一种消耗装置来说也太贵。

本发明的目的在于提供一种较为简单、便宜的照明系统，该系统还具有这样一种低通过量，以致于在必须应用该照明系统的设备中的光学元件也是简单而便宜的。

为此，按照本发明的照明系统的特征在于：用于使光束轴线向主轴折射的第二反射镜安置在每束光束的辐射光径中，各光束彼此相交的位置处，因此，各光束在所述系统的、位于第二反射镜附近的出射面中具有其最细的缩颈，这些光束相互分开、并基本上对称于主轴。

在该设备中，例如，将细长的灯的辐射光集聚成N（相当于聚光器的数目）个放大了的灯的影象，全部放大的影象位于围绕主轴的环形区域之内，该环形区域的半径小于所述光源图象圆周半径的n倍。因此，光源能量的大部分都集中在照明系统的小的出射孔径之中。此外，藉以形成二次光源的光束的角孔径也是比较小的。这意味着该照明系统具有低的通过量。专用术语“通过量”（“througput”）〔即“发光度”（“luminosity”）〕或“接收”（“acceptance”）表征光学系统输送辐射能量的能力。该能力由所述光学系统中相同位置的孔径或“光阑”（“stop”）和光瞳的组合来确定，并且，可以用所述孔径的面积和该孔径中心的光瞳所对的立体角的乘积予以表示。在入射处具有规定的通过量的光学系统中，进一步沿系统下行的通过量只能通过阻塞辐射来减少。

按照本发明的照明系统具有这样的优点：在必须应用该照明系统的设备中，其低的通过量可避免采用具有大数值孔径或大截面的昂贵的光学元件，这对于消耗装置来说是特别重要的。

按照本发明的设备的更可取的特征在于：把一面透镜安置于照射系统的出射口，用于各光束的轴会聚在必须进行照射的表面的一点希保糜诎丫酃馄鞯墓馔氐上笤谒霰砻嫔稀Ｒ虼耍醋苑掷氲亩喂庠吹姆涔庖宰罴逊绞奖淮偷酱丈涞谋砻嫔稀?

所述照明系统的通过量取决于辐射表面的尺寸（例如，灯的光弧）和聚光器接受光束的角孔径。所述辐射表面必须尽可能地小。如果必须用最少量的聚光器来覆盖光源发射的辐射光束的立体角的大部分，则每个聚光器必须具有较大的数值孔径。举例来说，在用两个聚光镜的情况下，该数值孔径约为0.7。鉴于此，按照本发明的照明系统，其更可取的特征在于：每个聚光器包含一个单透镜元件，至少该元件的一个折射表面是非球面的。

非球面的透镜表面是这样一种表面：其基本形状是球面的，但其外形可偏离球状以便作该透镜基本形状的象差修正。在那些由于要求大数值孔径而需要一个或多个附加校正透镜元件的场合，这种非球面性提供了仅使用一个透镜元件就可满足要求的可能性。

按照本发明的照明系统，其另外的特征在于：每个非球面的聚光透镜元件至少继之以一个附加的透镜元件。该附加透镜可承担所需要的校正或聚光器元件的透镜光学能力的一部分，因此，可以按较简单的方式来制作最后提及的元件，而且，该元件可能是不太贵的。如果聚光透镜必须具有大数值的孔径的话，那么，这点是特别重要的。如果在所述附加透镜元件中解决聚光器的光学能力的一部分，那么，这些元件可能是非球面的。另一种方法是，所述附加透镜元件可以是一些菲涅耳透镜，它具有薄而轻的优点。

在把本发明的照明系统用于设备（例如，投影设备）中的情况下（该设备的出射平面与液晶显示板之间有一给定的距离，该显示板又必须充分地照射，因此，设备中的灯泡和聚光器的直径都不能很小），照明系统中的光束就可能需要经过比较长的光程。为了限制照明系统的长度，该系统的另外的特征在于：为第一和第二反射镜之间的每一光束至少配置一个反射镜。用该附加的反射镜折叠相关光束的光径。如果要更进一步使光径折叠四次、五次、等等，则也可应用其个数与折叠次数相当的反射镜。

按照本发明的照射系统的第一实施例的特征还在于：在面向系统出射口的光源前面配置两个聚光器，所述两个聚光器的光轴以小于90°的角彼此相交于光源的中心;在光源的背面配置凹面反射镜，该反射镜使从光源背面出射的辐射光朝着聚光器反射;组合的第二反射镜构成具有小于90°顶角的屋脊型反射镜，并且顶角的顶点迎着照明系统的出射口;以及，由聚光器和反射镜形成的若干光束在系统出射口平面中的横截面位于通过光轴并横断光源轴向的平面的两侧。

该照明系统的第二实施例特征在于：聚光系统由围绕辐射源对称地配置的四个聚光器构成，所述聚光器的光轴彼此相交于光源的中心;各组合的第二反射镜构成棱锥形反射镜;以及，由聚光器和反射镜形成的四束光束在系统出射平面中的横截面位于出射平面的四个不同的象限中。

该照明系统的第三实施例的特征还在于：聚光系统由环绕辐射源的连续透镜构成，这些透镜组合构成一个环形透镜，该透镜传送连续的辐射光束，后者共同形成一种环形辐射光束;第一和第二反射镜分别构成第一和第二圆锥形反射镜;以及，由环形透镜和各反射镜所形成的光束在出射面的区域具有环形的横截面，该横截面以主轴为中心。

本发明在投影设备中应用特别有利，该投影设备依次包括：照明系统，信息显示系统（该信息显示系统至少具有一个用于产生待投影的图象的显示板）和用于把这些图象投射在显示屏上的投影透镜系统。该设备的特征在于：其照明系统是上述各系统之一，并且，包括用于把照明系统聚光器光瞳重叠成象在信息显示板上面的输出透镜。

也可以把本发明应用于其他设备中（其中，具有高强度、低通过量的光束是有利的）。一种实例是用于集成电路制作中、一种通过掩模图案照射半导体基片的设备，以及照相放大机、幻灯片或电影放映机，等等。

投影电视设备的一个实施例包括：所述照明系统，以及在实用中很主要的具有供红、绿、兰三基色用的三基色信道的彩色投影装置，每个彩色信道包含一个独自的显示板。该设备的特征在于：它包括一个本发明的照明系统，借助于分色装置为三基色信道提供单色光束。

下面通过实例，参考附图，员痉⒚鹘懈晗傅拿枋觯酵贾校?

图1是按照本发明的照明系统的第一实施例，

图2表示包括这种照明系统的彩色投影电视设备，

图3用图解方法表示光束之一从光源到投影显示屏经过的光径。

图4、5和6是照明系统的第二、第三和第四实施例。

图1的照明系统中，在光源1的前面配置两个聚光透镜2和3。具有中心MS的光源可以是金属卤化物灯，该灯是细长的，其长-宽比例可以是2∶1。所述灯的轴向垂直于光轴oo′。由聚光器接收的辐射汇总成两束子光束b1和b2，这两束子光束是由第一反射器，即反射镜4和5朝着主轴反射的。构成屋脊型反射镜的第二反射镜6和7配置在主轴oo′的两侧、光束即将彼此相交并且光束的截面已很小的位置上。这些反射镜把光束偏转到主轴的方向上。光束在照明系统的出射面10上具有其最细的缩颈。图中已标明，两个具有小辐射表面的二次光源8和9位于该平面中。

图1中的插图案表示这些光源，即，灯的象8和9的正视图。例如，如果灯1的辐射表面是6×3mm²，则表面8和9当然也是6×3mm²（返回到灯的位置来推算）。于是，其内有灯的象的圆12的半径大致为4.2mm。因此，以下说法是正确的：在半径小于辐射灯表面的所述圆的半径的两倍的圆形区域内形成两个灯象，以致由聚光器所接受的灯的辐射光集中于具有小截面的光束中。

凹面反射镜13最好设置在光源的后面（该反射镜用于把从光源背面发射的辐射光反射到聚光器2和3），以便这部分光线也能够增强光束b1和b2的强度，从而提高该照明系统的效率。

各聚光器必须具有大的数值孔径（例如，约为0.7）以便能够从所述光源接受足够的光线。可以用具有非球形表面的单透镜元件2和3来构成这些聚光器，以便为了设想的目的物而对它们进行充分修正。如果把附加的透镜元件（例如，元件14或15，和可能的更多的透镜元件）加到元件2和3上，则可减轻对透镜元件2和3上的要求。附加的透镜元件可对透镜元件2和3进行必要的部分校正，并且，它们可以是非球面的。另一方面，可以在一个或多个附加的透镜元件中产生所需要的聚光器光学能力的一部分。该附加的透镜元件不仅可由具有弯曲的折射表面的元件组成，而且可由薄而轻的菲涅耳透镜元件或具有径向变化的折射率的透镜元件组成。

所述照明系统适合于是这样的，即，从出射面10向后观察时，聚光器系统2、14和3、15的光瞳重叠在主轴OO′上，这些光瞳以相反的角度向主轴延伸。在屋脊型反射镜的位置处，光束b₁和b₂的轴线以相反的小角度向主轴OO′延伸。该屋脊型反射镜消除了光束轴线之间的一部分发散。

最好使灯象8和9对称于主轴OO′，但是，稍微偏离这些位置是容许的。

图2用图解法表示彩色投影电视设备的实施例。该设备包括三个主要部分：照明系统A，图象显示系统B和投影透镜系统，例如，可变焦距透镜C。所述照明系统的主轴OO′与光轴DD′重合，在彩色投影的情况下，该实施例中示出的光轴DD′首先分成三个子光轴，后来，这三个子光轴重新结合成与投影透镜系统的光轴EE′重合的一个光轴。

来自照明系统A的光束入射在选色反射镜20上，该反射镜可以是分光镜，举例来说，该分光镜反射兰色分量b_B而让其余光束通过。这部分光束碰到第二选色反射镜21，后者反射绿色分量b_G且把剩余的红色分量b_R传给反射镜22，后者把红色光束反射到投影透镜系统。反射镜22可以是一个中性反射镜或是最适宜于红光的反射镜。所述兰光束由中性或兰色选色反射镜23反射到取液晶板形式的显示板26上。以已知电子学的方法驱动该显示板，以便待投影的图象的兰色分量显示在该板上。用兰色信息调制的光束经由可通过兰光束并反射绿光束的选色反射镜24，以及另外一面反射兰光束的选色反射镜25而到达投影透镜系统C。绿光束b_G通过第二显示板27，在该处经绿色图象分量调制，然后，顺序地借助选色反射镜24和25被反射到投影透镜系统C。红光束b_R通过第三显示板28，在该处经红色图象分量调制，然后，经由选色瓷渚?5而到达投影透镜系统C。

兰、红和绿的光束在该透镜系统的入射处叠加在一起，以便通过该透镜系统，在一个图2未表示出的投影显示屏上形成放大了的彩色图象。

照明系统A的出射口与显示板26、27和28之间的光程长度最好相等，以便光束b_B、b_G和b_R在它们显示板区域的横截面都相等。同样，显示板26、27和28与投影透镜系统的入射孔径之间的光程长度最好也是相等的，以便不同的彩色景象在投影显示屏上得以令人满意的叠加。

附加的透镜29、30和31可以配置在显示板26、27和28的前面，它确保从照明系统出射面射出的全部光线集聚于投影透镜系统L的入射光瞳中。

为了使集中在灯象、即二次光源8和9中的光线尽可能有效地耦合到投影设备中，并且，为了使各聚光器的光瞳以叠加的方式在显示板上成象，在照明系统的出射口处配置如图3中以标号18表示的透镜。该图以图解方式表示照明系统的光束之一的彩色分量在从光源通向投影屏44的光程中所通过的不同的光学元件。当然，在图3中未示出所述光束分量通过的各反射元件。用标号40表示光源1借助于聚光系统2、14在其中成象的所述出射面。在该面的后面配置有输出透镜18，该透镜使聚光系统2、14的光瞳41成象在面42上。在面42中配置显示板26，后者借助于投影透镜系统C成象在投影屏44上。

在整个设备运行过程中，光源的象和它们的再现的象相分离。而该设备中的聚光器的光瞳在显示板和投影屏上所形成的再现的象是重叠的。

参考图2，应当指出，图上只表示了图象显示系统B的一种可能的实施例。而按照本发明的照明系统是可以与其他许多图象显示系统结合应用的。举例来说，可以用另外的方法，以小型化复合分色棱镜取代各单独的分光镜来完成彩色的分解和组合。也可以只用一块由白的光束照射并起分色作用的板来实现彩色图象投影。当然，也可以将本发明用于只有一种颜色的投影设备中，该设备仅有一块显示板。除电视图象之外，也可以投影诸如图形信息或数字信息那样的其他信息。此外，本发明的应用并不局限于投影设备。也可以将本发明应用于任何要求高照度级而照射光束又必须具有低通过量的光学设备中。

为了按适当方式照亮目的物（例如，显示板）的表面，由设备的结构所确定的、照明光束的一定的会聚可能要求该光束在照明系统中通过比较长的光程长度。在这种情况下，为了限制照明系统的长度，如图4的实施例中所示，在第一反射镜4和5与第二反射镜6和7之间可配置第三反射镜16和17。由于反射镜16和17折叠了光程，因此，可将照明系统容纳在有限长度的容器中。如果要把这些光程进一步折叠的话，可以在光束b₁和b₂的光程中配置更多的反射镜。图4还表示了把聚光系统2、14和3、15的光瞳成象在所照亮的表面上的透镜18。

图5是围绕光源对称配置四个聚光器51、52、53和54的照明系统的实施例的透视图。这些聚光器构成四个光束b₁、b₂、b₃和b₄，（图中仅标出其主线），这些光束入射在与光源1的轴向50成小于45°角而配置的反射镜55、56、57和58上。于是，该四束光束受到反射，随后，它们的主光线会聚于主轴OO′的方向上。接着，这些光束都被入射在具有四个反射面61、62、63和64的棱锥形的反射器60上，该反射器的顶朝着照明系统的出射口。光束b₁、b₂、b₃和b₄被各自的反射面61、62、63和64反射，然后，指向照明系统的出射口。于是，如图5中所示，在出射面40中这些光束的截面67、68、69和70集聚在主轴的四周。为清楚起见，图5中的出射面40与反射器60的顶点隔开一定的距离。实际上，该面是贴近所述元件60的顶点的。

该聚光系统也可以包括多于四个的聚光器，这些聚光器是较小的，并且，可将其较密集地配置在光源附近。可以将这种组成单元延长，直到全部聚光透镜相互汇合并共同构成一个环形透镜为止。图6中以透视图的形式示出具有这种透镜的照明系统的实施例。环形透镜72可以是非球面透镜。环形反射镜73环绕透镜72，其反射面与光源1的轴向50构成小于45°的角。因此，该反射面是锥面的一部分。由透镜72形成的环形光束入射在圆锥形反射器74上，该反射镜使光束偏转到主轴OO′的方向。在照明系统的出射面中，该光束具有环状截面75。图6的实施例中，出射面40实际上是尽可能靠近反射器74的顶点的。此外，截面75的内圆比图中示出的更小些。最后，环形透镜在主轴OO′的方向具有可能的最大的尺寸，以便接收最大数量的光线。

Claims (10)

1、一种沿主轴发射光束非起光源作用的低通过量照明系统，所述系统包括：一个光源，一个围绕光源安置的、用于从不同方向接收光源辐射并形成若干光束的聚光系统，安置在每束光束的光径中，用于使相应光束朝主轴方向反射的第一反射镜，其特征在于：

用于使光束轴线向主轴折射的第二反射镜，它安置在每束光束的光程中各光束将彼此相交的位置，使得各光束在所述系统的位于第二反射镜附近的出射面中具有它们最细的缩颈，各光束相互分离并基本上对称于主轴。

2、如权利要求1的照明系统，其特征在于：安置在该照明系统的出口处的透镜，它用于使光束光轴会聚在必须照亮的表面的一点上，同时，用于把聚光器光瞳的象叠加在所述表面上。

3、如权利要求1或2的照明系统，其特征在于：每个聚光器包括一个单透镜元件，该元件的至少一个折射表面是非球面的。

4、如权利要求3的照明系统，其特征在于：每个非球面的聚光透镜元件继之以至少一个附加的透镜元件。

5、如权利要求1，2，3或4的照明系统，其特征在于：在第一和第二反射镜之间的每束光束中至少再配置一个反射镜。

6、如权利要求1，2，3，4或5的照明系统，其特征在于：

在光源向着系统出射口的正面配置两个聚光器，所述两聚光器的光轴以小于90°的角彼此相交于光源的中心，

在光源的背面配置凹面反射镜，该反射镜使从光源背面发射的光线朝着聚光器反射，

各第二反射镜联合构成具有小于90°顶角的屋脊型反射镜，并且，该顶角的顶点向着照明系统的出射口，以及

由聚光器和反射镜形成的若干光束在系统出射平面中的横截面位于通过光轴并横断光源轴方向的平面的两侧。

7、如权利要求1，2，3，4或5的照明系统，其特征在于：

聚光系统由围绕光源对称地配置的四个聚光器构成，所述聚光器的光轴彼此相交于光源的中心，

各第二反射镜组合构成棱锥形反射镜，以及

由聚光器和反射镜形成的四束光束在系统出射平面中的横截面位于出射平面的四个不同的象限中。

8、如权利要求1，2，3，4或5的照明系统，其特征在于：

聚光系统由环绕光源的连续透镜构成，这些透镜组合构成环形透镜，该透镜提供连续光束，这些光束共同形成一种环形光束，

第一和第二反射镜分别构成第一和第二锥面形反射镜，以及

由环形透镜和各反射镜所形成的若干光束在出射面区域具有环形截面，该截面是相对于主轴对中的。

9、一种依次包含照明系统和信息显示系统的投影设备，该信息显示系统至少具有一个用于产生待投影的图象的显示板和用于把这些图象投射在显示屏上的投影透镜系统，其特征在于：该照明系统是如权利要求1-8中任一项的系统，并且，包括使照明系统各聚光器的光瞳在信息显示板上重叠成象的输出透镜。

10、具有供红、绿和兰三基色用的三个彩色信道的彩色投影装置，每个彩色信道包含一个单独的显示板，其特征在于：它包括如权利要求1-8中任一项的照明系统，借助于彩色分光装置为三个彩色信道提供单色光束。

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