專利名稱：光線混合棒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來使光束均勻化的光線混合棒，該混合棒優(yōu)選使用在投影裝置中，其中光束的強(qiáng)度中心在光線入口表面和光線出口表面之間沿縱向移動(dòng)，反射面位于光線混合棒之內(nèi)；所述反射面的表面法線相對(duì)于所述的縱向垂直或者傾斜，部分光線經(jīng)過所述的反射面反射，用來對(duì)光束進(jìn)行導(dǎo)向。
背景技術(shù)：
在光學(xué)領(lǐng)域中會(huì)使用到光線混合棒(積分器)，特別是，需要對(duì)照明區(qū)域進(jìn)行均勻的照明。其中具體結(jié)構(gòu)是實(shí)心混合棒(在與空氣相接觸的面上使用全反射)或者中空的混合棒，它實(shí)質(zhì)上由一個(gè)基本體組成，該基本體的側(cè)表面上具有均勻的反射涂層。通過光線入口表面進(jìn)入積分器的光線在反射面上向后先前反射幾次，直到到達(dá)光線出口表面。由于所謂的光線“混合”，就能夠在光線出口表面上形成照明的均勻區(qū)域，這取決于積分器的橫截面和積分器的長(zhǎng)度。例如，在DE198 19 245 C1號(hào)發(fā)明中描述了這種類型的解決方法。
在光線出口表面產(chǎn)生一個(gè)均勻照明區(qū)域的一種可能性是，首先，將配置在橢圓形反射器的主焦點(diǎn)上的燃燒器的照明區(qū)域映像到所述橢圓形反射器的次級(jí)焦點(diǎn)上。這個(gè)照明區(qū)域是相當(dāng)不均勻的，具有依賴于燃燒器的傾斜發(fā)射特性和橢圓形反射器的開口的孔隙。使用次級(jí)焦點(diǎn)的這些點(diǎn)來照明光線混合棒的入口表面。如果積分器的側(cè)表面相互平行，光線出口表面上的孔隙對(duì)應(yīng)于光線入口表面上的孔隙。
這些變量在結(jié)構(gòu)上都非常復(fù)雜。在它們的頂部，具有一個(gè)相對(duì)更為復(fù)雜的調(diào)節(jié)裝置，用來將光束送入光線混合棒中。例如，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色進(jìn)行各種調(diào)節(jié)的顏色管理，需要另外的機(jī)械移動(dòng)零件。

發(fā)明內(nèi)容
按照所描述的以前工藝的缺陷，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種光線混合棒，該混合棒降低了產(chǎn)生照明的均勻區(qū)域所需的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，允許對(duì)照明區(qū)域進(jìn)行不同的顏色調(diào)節(jié)，而無需另外的機(jī)械移動(dòng)的結(jié)構(gòu)部件。
按照本發(fā)明，這個(gè)目標(biāo)是通過如上所述的一種光線混合棒來實(shí)現(xiàn)的，該混合棒具有中空的積分器，其中，為了產(chǎn)生光束，在光線混合棒的側(cè)表面上配置有發(fā)光二極管，二極管具有一個(gè)向著內(nèi)部空間的作用方向，并且具有確定的發(fā)射特性，以便影響部分光束沿著到達(dá)光線出口表面的路徑充分混合，所述發(fā)光二極管最好于脈沖發(fā)生器和/或波長(zhǎng)變更控制單元連接在一起。
對(duì)于在光線出口表面的照明區(qū)域內(nèi)的孔隙的最小可能角度來說，為了實(shí)現(xiàn)更高的效率并獲得希望的發(fā)射特性，如果發(fā)光二極管的角度發(fā)射特性優(yōu)選情況下位于光線混合棒的縱向方向上并與之垂直，而且盡可能地小，那么這是最理想的。再者，在積分器的光線入口表面上的發(fā)光二極管的角度發(fā)射特性應(yīng)當(dāng)具有角度，該角度在光線入口表面的平面上為所需的小角度。
配置在例如光線混合棒的光線入口表面上的發(fā)光二極管，通常不適合在光線出口表面上產(chǎn)生照明的均勻區(qū)域。這是由于二極管相對(duì)較大的孔隙所導(dǎo)致的，該孔隙仍然存在于光線出口表面之上。光線混合棒的相對(duì)較大的光線出口表面形成一個(gè)大的幾何流，這對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合是不適合的。因此，配置在光線入口表面上的發(fā)光二極管需要具有一個(gè)角度發(fā)射特性，即相對(duì)于積分器的光學(xué)軸線成一個(gè)小的角度。
按照本發(fā)明，發(fā)光二極管在光線混合棒的側(cè)表面上這樣配置的結(jié)果是，就其本質(zhì)而言，為了在光線出口表面上產(chǎn)生一個(gè)具有較小孔隙角度并且適于多數(shù)應(yīng)用的照明的均勻區(qū)域，使用二極管相對(duì)較大的發(fā)射特性。
由于光線混合棒的出口表面相對(duì)較小，發(fā)光二極管向光線混合棒的內(nèi)部發(fā)射光線不會(huì)顯著影響反射面。由于如上所述的發(fā)射特性，光束經(jīng)由光線混合棒的反射側(cè)表面和反射光線入口表面按照某種方式反射，在光線到達(dá)光線出口表面的過程中，可以獲得一種具有所需的較小孔隙角度的均勻照明表面。
方便地，指向混合棒的內(nèi)部空間的發(fā)光二極管的光線出口表面應(yīng)當(dāng)在那些不需要光線通道的表面部分上具有反射鏡，這些反射鏡相互平行配置或者完全適應(yīng)光線混合棒的反射內(nèi)表面。這導(dǎo)致根據(jù)將發(fā)光二極管的光束送入積分器所需的表面積，最低可能地減小光線混合棒的反射內(nèi)表面，并且提高了效率。
按照一定的時(shí)序，發(fā)光二極管依次關(guān)閉并且具有不同的波長(zhǎng)，這就允許進(jìn)行顏色管理(顏色同步)，而不會(huì)另外需要機(jī)械移動(dòng)部件。同時(shí)，通過具有不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管的一個(gè)對(duì)應(yīng)的控制單元，幾乎可以無限制地進(jìn)行顏色變化。
為了在積分器的光線出口表面上產(chǎn)生照明的均勻照明區(qū)域，發(fā)光二極管方便地配置在靠近光線入口表面之處，以及后者本身的內(nèi)部。
通過使用具有不同發(fā)射特性的發(fā)光二極管，可以獲得孔隙的特定角度。
在一種有利的實(shí)施例中，可能在反射的光線入口表面上另外安裝一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光二極管。這些需要具有近似的角度發(fā)射特性，正如在積分器的光線入口表面所需的一樣。這些發(fā)光二極管對(duì)于提高光通量是有效的。為了獲得高效率，在這種連接中，發(fā)射特性應(yīng)當(dāng)便于光線的主要部件在光線混合棒的縱向方向上傳播，同時(shí)具有一個(gè)與縱向方向垂直的方向的光線部件要盡可能小。
由于在某些情況下使用發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量對(duì)于某些應(yīng)用來說可能不夠，因此在另一種有利的實(shí)施例中，使用一個(gè)光線混合棒作為幾個(gè)局部元件的集合體，從而配置在光線導(dǎo)向方向上并且相互之間在光學(xué)上結(jié)合在一起，是非常方便的，這些局部元件可能或者等同或者異于發(fā)光二極管的配置。
為了在一種設(shè)備中允許對(duì)按照本發(fā)明的光學(xué)混合棒進(jìn)行多功能的使用，在光學(xué)入口表面上另外結(jié)合照明的其它來源的光束是有利的，這些光束不再嚴(yán)格要求光線入口表面設(shè)計(jì)成能夠?qū)⒐馐瓷溥M(jìn)光線混合棒的內(nèi)部空間。所述照明來源可能是，例如，一個(gè)包括一個(gè)氣體放電燈的橢圓形反射器的次級(jí)焦點(diǎn)。


下文中將參照一個(gè)實(shí)施例對(duì)按照本發(fā)明的光線混合棒進(jìn)行詳細(xì)解釋。在附圖中圖1顯示光線混合棒的示意性視圖；圖2顯示發(fā)光二極管在其軸線的縱向方向上的發(fā)射特性的一個(gè)例子；圖3顯示在光線混合棒的光學(xué)軸線的方向上的發(fā)射特性的一個(gè)例子；圖4顯示具有激發(fā)的發(fā)光二極管的中空積分器的光線路徑；
圖5顯示具有激發(fā)的發(fā)光二極管的實(shí)心積分器的光線路徑。
標(biāo)號(hào)列表1 光線混合棒2 光線入口表面3 光線出口表面4、5 側(cè)表面6、8 發(fā)光二極管7 光學(xué)軸線9 側(cè)表面平面10 反射鏡11 部分光束具體實(shí)施方式
圖1顯示形狀為平行六面體的本發(fā)明的光線混合棒1，包括一個(gè)光線入口表面2和一個(gè)光線出口表面3，這兩個(gè)表面都為矩形截面。在每個(gè)相互垂直的側(cè)表面上，圖中為了簡(jiǎn)化圖示只顯示了表面4和5，都具有三個(gè)具有相同的發(fā)射特性的發(fā)光二極管6，其光線傳播方向(軸線)與光線混合棒1中的光線導(dǎo)向方向垂直。在其光線傳播方向上，發(fā)光二極管6在反射側(cè)表面4和5上的發(fā)射特性具有在光線混合棒1的光學(xué)軸線7的縱向方向上的最大可能孔隙角度。在垂直于光線混合棒1的光學(xué)軸線7的平面上，它們發(fā)射很少或者不發(fā)射能量，以便在光線出口表面3的照明區(qū)域上形成最小可能孔隙角度，并且具有大的光通量。
同時(shí)，具有在光線導(dǎo)向方向上有效的發(fā)射特性的兩個(gè)發(fā)光二極管8位于光線入口表面2上。就此而言，這些發(fā)光二極管8的角度發(fā)射特性具有相對(duì)于光學(xué)軸線7的角度，該角度在光線出口表面3的平面上為所需的最小值。
在光線混合棒1的側(cè)表面4和5上，發(fā)光二極管8的孔隙角度需要絕對(duì)小于發(fā)光二極管6的角度，因?yàn)樗鼈兌純A向于在光線出口表面3的平面上形成小的角度。
光線混合棒1的所有側(cè)表面(其中只有4和5得以顯示)和光線入口表面2都設(shè)計(jì)成能夠?qū)⒐饩€反射入光線混合棒1的內(nèi)部(有可能簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)成全反射)，這樣由發(fā)光二極管6和8所發(fā)射的光線在通過光線出口表面3時(shí)受到反射。多重反射在光線出口表面3上產(chǎn)生照明的均勻區(qū)域，所述照明區(qū)域具有相對(duì)較小的孔隙角度，足以適用于大多數(shù)的應(yīng)用。
一個(gè)控制單元，在圖1中沒有顯示，連接在發(fā)光二極管6和8上，使得能夠在不同的波長(zhǎng)上控制發(fā)光二極管6和8，這樣按照開關(guān)的狀態(tài)，幾乎可以無限制地改變顏色。如果配置在側(cè)表面4和5上的發(fā)光二極管6和8，特別是發(fā)光二極管6，通過連續(xù)使用不同的波長(zhǎng)來控制，這將產(chǎn)生一種確定的顏色管理，而無需另外的附屬移動(dòng)元件。
發(fā)光二極管6(大孔隙角度)和發(fā)光二極管8(小孔隙角度)的發(fā)射特性都顯示在圖2和圖3中。
圖2顯示具有一個(gè)光通量的發(fā)光二極管6(軸線垂直于光線混合棒1的光學(xué)軸線7)的側(cè)視圖，其中光通量在光線混合捧1的光學(xué)軸線7的縱向方向(90度到270度的方向)上傳播。很明顯，在方位角的方向上和光學(xué)軸線7的縱向方向上為具有大的光通量的大孔隙角度，而在方位角的方向上沒有發(fā)射出現(xiàn)，該方向在光線混合棒1的光學(xué)軸線7的縱向方向的橫向。
發(fā)光二極管8的角度發(fā)射特性顯示在圖3中，從其軸線的角度看，清楚地顯示出在光線混合棒1的光學(xué)軸線7的方向(90度到270度的方向)上的角度發(fā)射必須是大的，但是如果可能，不會(huì)橫向出現(xiàn)，因?yàn)槿绻@樣會(huì)在光線混合棒1的光線出口表面3上形成不必要的、大的孔隙角度。
在光線入口表面2上的發(fā)光二極管8，在高光通量時(shí)，對(duì)應(yīng)于指向光線混合棒1的內(nèi)部空間的角度發(fā)射特性，它在光學(xué)軸線7的方向上的角度發(fā)射特性表現(xiàn)出相對(duì)于光學(xué)軸線7的小的孔隙角度，如圖3所示。
在圖2和3中顯示的發(fā)光二極管6和8的發(fā)射特性的集合體，在光線混合棒1的光線出口表面3上產(chǎn)生出一個(gè)具有相對(duì)小的孔隙角度的照明區(qū)域。
在圖4和圖5中顯示多重反射的示意性示例(圖4為中空混合棒，圖5為實(shí)心混合棒)。
使用按照?qǐng)D4的中空混合棒，必需在光線混合棒1的側(cè)表面平面9上發(fā)光二極管6進(jìn)入光線混合棒1的接入表面上不存在任何反射。在本實(shí)施例中，通過使用放置在空氣中的發(fā)光二極管6可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，發(fā)光二極管6通過側(cè)表面(圖中只顯示側(cè)表面4)上的開孔發(fā)出光進(jìn)入光線混合棒1的內(nèi)部空間。
這些表面部分都垂直于發(fā)光二極管6的光學(xué)軸線，通過這些二極管不會(huì)影響發(fā)射(不存在小的孔隙角度)。這些表面部分在側(cè)表面平面9上由反射鏡10覆蓋，反射涂層指向光線混合棒的內(nèi)部空間。這就使得經(jīng)過側(cè)表面4和5反射進(jìn)入光線混合棒1的內(nèi)部空間的部分光束11的損失最小化。
使用按照?qǐng)D5的實(shí)心混合棒也不允許在側(cè)表面平面9上發(fā)光二極管6的接入表面上存在任何反射。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，發(fā)光二極管6嵌入一種材料中，這種材料在折射率方面與光線混合棒1所用的材料非常相似或者相同。正如在中空混合棒中一樣，這些表面部分垂直于發(fā)光二極管6的光學(xué)軸線，通過這些表面時(shí)沒有任何發(fā)射受到影響(不存在小的孔隙角度)，在側(cè)表面平面9上這些表面可能覆蓋有反射鏡10，具有指向光學(xué)混合棒1的內(nèi)部空間的反射涂層。
為了完成這些，中空光學(xué)混合棒具有在光學(xué)出口表面3上孔隙不會(huì)增加的優(yōu)點(diǎn)，這與實(shí)心混合棒情況不同。因此，在光通量相同的情況下，中空混合棒可以獲得比實(shí)心混合棒更小的集光率。
權(quán)利要求
1.一種光線混合棒，用來使光束均勻化，該混合棒優(yōu)選使用在投影裝置中，其中光束的強(qiáng)度中心在光線入口表面(2)和光線出口表面(3)之間沿縱向移動(dòng)，反射面(4、5)位于光線混合棒之內(nèi)；所述反射面(4、5)的表面法線相對(duì)于所述縱向垂直或者傾斜，部分光束(11)經(jīng)過所述的反射面(4、5)反射，用來對(duì)光束進(jìn)行導(dǎo)向；所述光線混合棒的特征在于在光線混合棒的反射面(4、5)上通過發(fā)光二極管(6)產(chǎn)生光束，所述發(fā)光二極管具有向著內(nèi)部空間的發(fā)射方向，所述發(fā)光二極管布置成為使部分發(fā)射光束(11)沿著到達(dá)光線出口表面(3)的路徑充分混合。
2.如權(quán)利要求1中所述的光線混合棒，其特征在于，具有朝向光線混合棒(1)的內(nèi)部的發(fā)射方向的至少一個(gè)發(fā)光二極管(8)配置在光線混合棒(1)的光線入口表面(2)上。
3.如權(quán)利要求1中所述的光線混合棒，其特征在于，發(fā)光二極管(6)配置在靠近光線入口表面(2)的地方，這樣在到達(dá)光線出口表面(3)的路徑上進(jìn)行光線混合棒(1)上至少兩個(gè)最大孔隙角度的反射，以便部分光束(11)充分混合。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的光線混合棒，其特征在于，提供具有不同發(fā)射特性的發(fā)光二極管(6、8)。
5.如權(quán)利要求4中所述的光線混合棒，其特征在于，固定在光線混合棒(1)的反射面(4、5)上的發(fā)光二極管(6)具有的發(fā)射特性的特征是，沿著光線混合棒(1)的光學(xué)軸線(7)的光線傳播方向上具有最大可能孔隙角度，并且在垂直于光學(xué)軸線(7)的平面上發(fā)射很少能量或者不發(fā)射能量。
6.如權(quán)利要求4中所述的光線混合棒，其特征在于，在光線入口表面(2)上的發(fā)光二極管(8)具有的發(fā)射特性為，與光線混合棒(1)的光學(xué)軸線(7)的夾角在光線出口表面(3)的平面上為所需的小角度。
7.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的光線混合棒，其特征在于，光線混合棒(1)的光線入口表面(2)是一個(gè)反射表面。
8.如權(quán)利要求4所述的光線混合棒，其特征在于，發(fā)光二極管(6、8)與一個(gè)脈沖產(chǎn)生和/或波長(zhǎng)變更控制單元連接在一起。
9.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的光線混合棒，其特征在于，光線混合棒(1)由至少兩個(gè)局部元件組成，這兩個(gè)局部元件依次配置在光線導(dǎo)向方向上，在光學(xué)上連接在一起并且設(shè)計(jì)上相同或不同，只有最遠(yuǎn)端的局部元件具有一個(gè)反射的光線入口表面(2)。
10.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的光線混合棒，其特征在于，提供一個(gè)在光線入口表面(2)上產(chǎn)生作用的外部照明源，用于形成光束。
11.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的光線混合棒，其特征在于，當(dāng)使用中空積分器時(shí)，配置在反射面(4、5)和/或光線混合棒(1)的光線入口表面(2)上的發(fā)光二極管(6、8)的光線出口表面在那些光線出口不需要的表面部分上具有反射鏡(10)，反射鏡平行于或者適應(yīng)反射面(4、5)的平面(9)和/或適應(yīng)于光線入口表面(2)的平面。
12.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的光線混合棒，其特征在于，當(dāng)為了避免反射而使用實(shí)心積分器時(shí)，在光線混合棒(1)的反射面(4、5)上和/或光線入口表面(2)的平面上的發(fā)光二極管(6、8)嵌入一種材料之中，這種材料在折射率方面對(duì)應(yīng)于光線混合棒(1)的材料。
13.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的光線混合棒，其特征在于，當(dāng)使用實(shí)心積分器時(shí)，配置在反射面(4、5)上和/或光線混合棒(1)的光線入口表面(2)上的發(fā)光二極管(6、8)的光線出口表面在那些光線出口不需要的表面部分上具有反射鏡(10)，反射鏡平行于或者適應(yīng)反射面(4、5)的平面(9)和/或適應(yīng)于光線入口表面(2)的平面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光線混合棒，用來使光束均勻化，該混合棒優(yōu)選使用在投影裝置中，其中光束的強(qiáng)度中心在光線入口表面和光線出口表面之間沿縱向移動(dòng)，反射面位于光線混合棒之內(nèi)；所述反射面的表面法線相對(duì)于所述縱向垂直或者傾斜，部分光束經(jīng)過所述的反射面反射，用來對(duì)光束進(jìn)行導(dǎo)向；所述光線混合棒的特征在于在光線混合棒的反射面上通過發(fā)光二極管產(chǎn)生光束，所述發(fā)光二極管具有向著內(nèi)部空間的發(fā)射方向，所述發(fā)光二極管布置成為使部分發(fā)射光束沿著到達(dá)光線出口表面的路徑充分混合。
文檔編號(hào)G02B27/09GK101078809SQ200710085069
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2003年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月14日
發(fā)明者克里斯弗萊德·西曼諾斯基, 延斯·霍夫曼, 恩里科·蓋斯勒, 阿爾內(nèi)·特勒爾斯奇, 馬里奧·齊爾克, 哈拉爾德·基斯林 申請(qǐng)人:司普羅光學(xué)有限公司