專利名稱：一種利用反射鏡制作的光源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于投影顯示光學技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有冷反光碗設(shè)計的照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以空間光調(diào)制器為圖像源的投影顯示系統(tǒng)近幾年得到了飛速發(fā)展，在商務、科研、教育、娛樂及家庭生活中得到廣泛的應用，特別是數(shù)字微反射鏡陣列(DMD)技術(shù)，利用微細加工和大規(guī)模集成電路技術(shù)開發(fā)的非相干光調(diào)制器技術(shù)，以其簡單的原理，出色的性能實現(xiàn)了商業(yè)化應用。因為DMD有著不同于其它光調(diào)制器的新特點，因此研究適用于DMD投影顯示的照明系統(tǒng)變得更加重要。
為了降低成本，減小投影顯示系統(tǒng)的體積與重量，DMD的生產(chǎn)廠家TI公司開發(fā)的產(chǎn)品尺寸越來越小，已經(jīng)經(jīng)歷了1.3，0.9，0.7英寸的發(fā)展過程，并且向著0.55，0.5英寸的方向發(fā)展。要保證系統(tǒng)的光效率，必須對照明系統(tǒng)進行改進，根據(jù)非成像光學理論，在其他條件不變的條件下，必須同步減小照明系統(tǒng)的光學擴展量，而現(xiàn)有的照明光源設(shè)計，在減小光源尺寸的研究上已經(jīng)取得了進展，但僅僅通過減小光源弧長不能滿足要求，而且在保證安全，低成本的前提下光源尺寸的減小也變得越來越困難。因此要減小光源的光學擴展量以適應小尺寸的空間光調(diào)制器的要求就必須對反光碗進行改進設(shè)計。
目前傳統(tǒng)的反光碗設(shè)計是采用旋轉(zhuǎn)拋物面或者旋轉(zhuǎn)橢球面反光碗，如圖1所示，由于可控制的參數(shù)有限不可避免地帶入較大的像差，特別是球差，直接影響到系統(tǒng)的光學擴展量，從而使照明系統(tǒng)的光學擴展量增大，在使用較大尺寸(例如0.9英寸)的光調(diào)制器時，這一問題還不突出，在與較小尺寸(例如0.55英寸)的光調(diào)制器匹配使用時，由于光學擴展量受限，系統(tǒng)的效率進一步降低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述光學系統(tǒng)有較大像差，特別是球差，使照明系統(tǒng)的光學擴展量增大，系統(tǒng)效率低的缺點，本發(fā)明的目的是通過改進光源的反光碗設(shè)計使照明系統(tǒng)的光學擴展量減小，以滿足較小尺寸的空間光調(diào)制器需要，提高系統(tǒng)的照明效率，為此，本發(fā)明提供一種適合于較小尺寸光調(diào)制器的光源系統(tǒng)。
本發(fā)明的內(nèi)容包括光源、半球面反射鏡、半橢球面反射鏡、第一焦點、第二焦點和方棒，將光源放在半橢球面反射鏡內(nèi)的第一焦點上，在半橢球面反射鏡的對面放置半球面反射鏡，根據(jù)點點成像原理，使光源在半橢球面反射鏡的第二焦點上成像，方棒放在半橢球面反射鏡的第二焦點附近，讓方棒相對于軸線O--O′放置的傾斜角α為α=arctan(1-e22e)]]>e為半橢球面反射鏡的離心率，光源發(fā)出的光線進入方棒經(jīng)多次反射，在方棒的末端形成均勻的矩形照明。
本發(fā)明進一步改進的設(shè)計包括光源、半球面反射鏡、半橢球面反射鏡、第一焦點、第二焦點、方棒、第三焦點和半雙曲面反射鏡，將光源沿光軸放在半橢球面反射鏡內(nèi)的第一焦點上，在半橢球面反射鏡的對面放置半球面反射鏡，根據(jù)點點成像原理，使光源在半橢球面反射鏡的第二焦點上成像，方棒放在半雙曲面反射鏡的第三焦點附近；方棒的入射面與半雙曲面反射鏡的焦面重合，光源發(fā)出的光線進入方棒經(jīng)多次反射，在方棒的末端形成均勻的矩形照明。
本發(fā)明圖2中光源發(fā)出的光線經(jīng)過半球面反射鏡、半橢球面反射鏡后入射方棒，經(jīng)勻光后從方棒出射均勻矩形照明光。圖3中光源發(fā)出的光線經(jīng)過半球面反射鏡、半橢球面反射鏡、半雙曲面反射鏡后入射方棒，經(jīng)勻光后從方棒出射均勻矩形照明光。
積極效果由于采用了半球面反射鏡、半橢球面反射鏡組合反射鏡的形式，這樣，大部分光能集中在方棒的小入射角范圍，顯然立體角Solid Angle減小了。從另一個角度來看，通過采用半球面反射鏡，光束在傳輸途中的面積減小一半，方棒的末端形成均勻的矩形照明，然后通過光源系統(tǒng)外的轉(zhuǎn)向透鏡成像到空間光調(diào)制器上，而后被縮放到與空間光調(diào)制器的尺寸和投影鏡頭的F/#相匹配。
本發(fā)明通過減小成像尺寸和光束立體角的方法來減小照明系統(tǒng)的光學擴展量，以滿足較小尺寸的空間光調(diào)制器需要，提高系統(tǒng)的照明效率，滿足較小尺寸DMD照明的需要，而且結(jié)構(gòu)比較簡單。
我們在保證空間光調(diào)制器上的照明均勻性大于90％的條件下，分別采用0.5、0.55、0.7、0.78、0.9、1.3英寸F/#＝2的空間光調(diào)制器，實現(xiàn)14°張角遠心照明。利用LightTools軟件照明模塊建模和仿真，通過計算200,000條以上光線，在模擬空間光調(diào)制器上得到了優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，得到橢球雙曲二次成像型與標準橢球型方棒照明系統(tǒng)的光效率比較如圖4。圖4說明采用雙拋型方棒照明系統(tǒng)比標準橢球型方棒照明系統(tǒng)有更高的照明光能利用率。而且，橢球雙曲二次成像型方棒照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，滿足實用性要求，工藝和價格都不是問題，采用新型、高效率、組合離軸式冷反光碗設(shè)計，通過適當選取面形參數(shù)及相對位置實現(xiàn)高效率的光源系統(tǒng)。
四

圖1是已有技術(shù)標準橢球型方棒照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例半橢球型方棒照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例橢球雙曲二次成像型方棒照明系統(tǒng)的示意圖；圖4是本發(fā)明橢球雙曲二次成像型與已有技術(shù)的標準橢球型方棒照明系統(tǒng)的光效率性能對比圖。
五具體實施例方式設(shè)計一種適合于較小尺寸的空間光調(diào)制器的冷反光碗式光源系統(tǒng)，能夠滿足0.7，0.55，0.5英寸的DMD照明。
本發(fā)明由光源1、半球面反射鏡2、半橢球面反射鏡3、方棒6和或半雙曲面反射鏡8組成。
實施例1本發(fā)明按如圖2所示的結(jié)構(gòu)實施由光源1、半球面反射鏡2、半橢球面反射鏡3、方棒6組成。
光源1采用短弧燈；半球面反射鏡2和半橢球面反射鏡3采用微晶玻璃材料鑄模成型來實現(xiàn)，并且在半球面反射鏡2和半橢球面反射鏡3內(nèi)鍍制寬譜段冷反光膜，濾掉對投影顯示有害的紅外與紫外譜段。方棒6采用中空寬譜段高反射鏡或?qū)嵭腒9玻璃來實現(xiàn)。
實施例2本發(fā)明按如圖3所示的結(jié)構(gòu)實施，由光源1、半球面反射鏡2、半橢球面反射鏡3、方棒6和半雙曲面反射鏡8組成。光源1、半球面反射鏡2、半橢球面反射鏡3和方棒6可以與實施例1相同。半雙曲面反射鏡8的材料采用微晶玻璃鑄模成型實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種利用反射鏡制作的光源系統(tǒng)，包括光源(1)、方棒(6)，其特征在于還包括半球面反射鏡(2)、半橢球面反射鏡(3)，將光源(1)放在半橢球面反射鏡(3)內(nèi)的第一焦點(4)上，在半橢球面反射鏡(3)的對面放置半球面反射鏡(2)，使光源(1)在半橢球面反射鏡(3)的第二焦點(5)上成像，方棒(6)放在半橢球面反射鏡(3)的第二焦點(5)附近，讓方棒(6)相對于軸線O--O′放置的傾斜角α為α=arctan(1-e22e)]]>光源(1)發(fā)出的光線進入方棒(6)經(jīng)多次反射，在方棒(6)的末端形成均勻的矩形照明。
2.一種利用反射鏡制作的光源系統(tǒng)，包括光源(1)、方棒(6)，其特征在于還包括半球面反射鏡(2)、半橢球面反射鏡(3)和半雙曲面反射鏡(8)，將光源(1)沿光軸放在半橢球面反射鏡(3)內(nèi)的第一焦點(4)上，在半橢球面反射鏡(3)的對面放置半球面反射鏡(2)，使光源(1)在半橢球面反射鏡(3)的第二焦點(5)上成像，方棒(6)放在半雙曲面反射鏡(8)的第三焦點(7)附近；方棒(6)的入射面與半雙曲面反射鏡(8)的焦面重合，光源(1)發(fā)出的光線進入方棒(6)經(jīng)多次反射，在方棒(6)的末端形成均勻的矩形照明。
全文摘要
本發(fā)明屬于投影顯示光學技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種帶有冷反光碗設(shè)計的照明系統(tǒng)。由發(fā)光燈弧1、半球面反射鏡2、半橢球面反射鏡3、方棒6和或半雙曲面反射鏡8組成。對于小尺寸的空間光調(diào)制器，采用本發(fā)明能顯著提高系統(tǒng)效率。在保證空間光調(diào)制器上的照明均勻性大于90％的條件下，分別采用0.5、0.55、0.7、0.78、0.9、1.3英寸F/#＝2的空間光調(diào)制器，實現(xiàn)14°張角遠心照明。利用LightTools軟件照明模塊建模和仿真，通過計算200,000條以上光線，在模擬空間光調(diào)制器上得到優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果，采用雙拋型方棒照明系統(tǒng)比標準橢球型方棒照明系統(tǒng)又更高的照明光能利用率，結(jié)構(gòu)簡單，滿足實用性要求，工藝簡單、價格低。
文檔編號F21V7/04GK1731271SQ20041001115
公開日2006年2月8日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者翁志成, 張增寶, 張新, 叢小杰, 崔繼承 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所