CN1511268A - 有透镜的锥形光波导管 - Google Patents

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Abstract

一种光学耦合元件,用于较大数值孔径的集中和聚集系统。该光学耦合元件包括在锥形光导管(TLP)输出端处的弯曲表面例如透镜。与弯曲表面组合的该TLP改变离开弯曲表面的光的发散角和面积。通过将电磁辐射源基本布置在第一反射器的第一焦点上,从而使该源产生能够由第一反射器反射并基本聚集在第二反射器的第二焦点上的辐射射线,由电磁辐射源发出的电磁辐射可以集中和聚焦在目标上。光学耦合元件布置成使它的输入端基本靠近第二反射器的第二焦点。由第二反射器反射会聚的辐射射线通过输入端,朝着弯曲表面传送,其中,辐射射线的发散角和面积可以调节。

Description

有透镜的锥形光波导管
发明的背景技术
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2001年5月25日的临时申请No.60/293181和申请日为2001年6月7日的临时申请No.60/296146的优先权,这些文献被本文参引。
发明领域
本发明涉及波导管,该波导管集中和聚集光源发出的光,并在亮度损失最小的情况下使光在从输入端到输出端时转变它们的面积和发散角。
相关技术的说明
将电磁辐射集中、聚集和耦合到目标上的系统例如标准波导管或者将电磁辐射输出到投影机的输入中的系统的目的是使得在目标处的电磁辐射的亮度最大,该标准波导管例如单根光纤或光纤束。有多种普通系统用于集中和聚集由用于照射和投影用途的灯发出的光。
美国专利申请No.09/604921公开的一种光学集中和聚集系统提供了一种双抛物面反射器系统,该专利申请的说明书被本文参引。如图1(a)所示,该光学集中和聚集系统采用两个大致对称的抛物面反射器10、11,这两个抛物面反射器10、11布置成使第一反射器10反射的光由第二反射器11的相应部分接收。尤其是,由光源12例如弧光灯发出的光由第一抛物面反射器10集中,并校准为沿着朝第二反射器11的光学轴线。该第二反射器11接收校准的光束,并使该光聚焦在位于焦点处的目标13上。
图1(a)的光系统可以与第一抛物面反射器10结合使用反向反射器14,以便捕获由光源12发射的、沿远离第一抛物面反射器10的方向的辐射,并将该捕获的辐射往回反射成通过该光源12。尤其是,反向反射器14为基本球形形状,并有对着该第一抛物面反射器10的、位于基本靠近光源12的焦点(即在第一抛物面反射器的焦点处),从而增加由该第一抛物面反射器校准的射线的强度。
在图1(a)中,表示了当沿垂直于灯轴线的方向看时从光源12发出的三束不同射线(a、b和c)的光路。由灯发出的光对着(subtend)环绕垂直于灯的轴线的大约90°角度,如图1(a)中的射线a和c所示。
另一方面,当从平行于灯轴线的方向看时,由灯发出的光对着大约180°的锥角,如图1(b)中的射线a’和c’所示。
上述轴向、双抛物面光学系统的一个缺点是,在目标处,在射线a和c以及a’和c’之间产生较大角度。因此,射线以相对于目标表面的较大入射角到达目标13。这样,目标13的输入的数值孔径(NA)可以非常大,有时可高到1.0,而光在它上面聚焦的面积很小。较大数值孔径与较小面积的组合可能不适于能够与系统的光耦合的光学部件。当希望有不同的数值孔径时,例如希望数值孔径较小时,某些以最小亮度损失来转变光的面积和发散角的装置可以包含在该装置中。
转变光的面积和发散角的代表性装置是透镜和锥形光波导管,该锥形光波导管也称为锥形光导管(TLP)。尽管透镜提供了转变光的输入面积和发散角的高效装置,但是它们在操作时需要一定大小的空间。还有,它们并不能很好地适应较大数值孔径。因此,通常用锥形光导管来代替透镜。不过,锥形光导管必须相对较长,以便高效转变光。
在美国专利申请No.09/669841中,介绍了用于向较小光源目标提供1∶1放大率的双椭球形反射器系统。该高效集中和聚集系统如图2所示,采用两个大致对称的椭球形反射器20、21,这两个反射器20、21布置成使第一反射器20反射的光由第二反射器21的相应部分接收。尤其是,光源22发出的光由第一椭球形反射器20集中,并朝着第二反射器21而聚焦在光学轴线25上。该第二反射器21接收聚焦的光束,并使该光重新聚焦在位于焦点处的目标23上。
如图2所示,双椭球形系统有着与双抛物面系统相同的缺点,即在目标处,在射线a和射线c之间产生较大角度。因此,射线a和射线c也以相对于目标表面的较大入射角到达目标,从而需要进一步转变光的输入面积和发散角。
双椭球形系统的另一实施例如图3所示。该双椭球形系统有与上述双抛物面和双椭球形系统相同的缺点,即在目标处,在射线a和射线c之间产生较大角度。因此,射线a和射线c也以相对于目标表面的较大入射角到达目标,从而需要进一步转变光的输入面积和发散角。
实际上,根据亮度原理,具有这样较大NA的光可以转变成使NA较小而使面积较大。该转变例如可以通过锥形光导管来进行。
图4(a)中表示的标准长锥形光导管40a有用于上述系统的扁平输入表面41a。图4(b)中表示的标准短锥形光导管40b有用于上述系统的扁平输入表面41b。该长锥形光导管和短锥形光导管都可以用于将输入口41处的、具有较小面积d1和较大数值孔径NA1的光转变成在输出口42处的、具有较大面积d2和较小数值孔径NA2的光。当光43以较大入射角44照射在锥形光导管40上时,如图4所示,光导管40的锥度将该较大输入角40转变成较小输出角45。角度转变的度数及取决于锥度大小。对于理想的锥形光导管,亮度保持不变。因此,对于理想的锥形光导管,光在输入口41处的数值孔径NA1和面积d1的乘积等于光在输出口42处的数值孔径NA2和面积d2的乘积。可以知道:
d1*NA1=d2*NA2         (1)
在实际应用中,执行优化要求可能使得优化的尺寸偏离理想情况。
对于特定系统,通过使锥形光导管与输出装置匹配而设计输出角45。在锥形光导管的设计中,通常知道三个变量,并能够计算第四变量在一个实施例中,长度为75.00mm的锥形光导管设计成使d1=3.02mm,NA1=0.7,且d2=9.0mm。因此,输出的数值孔径,NA2预计为0.23。不过,在制造锥形光导管时,在输出口处的实际数值孔径为0.26,大于预计值0.23。这样的较大数值孔径将导致随后光学元件中的耦合效率损失。但是当输入面积减小以减小输出口处的数值孔径时,首先更少的光将耦合到锥形光导管内,从而减小了系统的总体集中效率。
在输出口处的数值孔径大于预计值的原因是由于公式(1)假设理想锥形光导管为无限长。对于无限长的锥形光导管,锥度角将为零。不过,实际上锥度角必须为大于零的一定数值,因为锥形光导管的长度有限,因此,实际数值孔径与通过公式的预计值不同。当锥形光导管更长时,实际的数值孔径将接近预计的数值孔径。不过,较长的锥形光导管可能需要更大空间。
而且,当通过将针孔布置成抵靠输出表面来测量例如图4中所示的锥形光导管的输出数值孔径时,将观察到角度转变,这显示输出光可能并没有焦阑(telecentric)。
在图5中表示了典型弧光灯的辐射包络。辐射将由弧光灯以在平行于灯的轴线(图5中的z轴线)的平面内对着+-90°的角度的图形内发出,并360°环绕该灯的轴线。当该包络沿z轴线投射到平表面上时,它将显示为圆形。由该灯发出通过反向反射器聚焦在双抛物面或双椭球形反射器结构的目标上的光例如可以有椭圆形的数值孔径(NA),该数值孔径(NA)从沿z方向的1.0到例如沿x方向的0.7变化。
不过,图1(a)中所示的系统(例如双抛物面系统)的数值孔径(NA)可以为矩形,如图6所示,而不是圆形或椭圆形。因此,沿输入表面的横截面的对角线方向的NA可能大于x方向的NA或z方向的NA。当光通过例如TLP进行转变时,在输出口可以获得类似的矩形或方形角度分布,如图7所示,该图表示了方形的实例。不过,因为系统的辐射输入为圆形或椭圆形分布,因此,圆形NA或椭圆形NA可能更适于普通光学系统,该圆形NA如图8中所示。
图9表示了用于目标的输入孔的不同结构。输入孔的长宽比通常大于1。因此,输入孔的长宽比可以形成为与从侧面看时弧光灯的发射区域的长宽比相同。在目标处的输入孔与弧的匹配,不过,并不需要使它与最终输出装置例如光纤或投影机匹配。因此,希望转变装置将输入光的长宽比和NA转变成用于输出装置的、令人满意的长宽比和NA。
因此,还需要提供用于在相对较短空间内转变光的输入面积和发散角的高效装置,这样,输出为焦阑(telecentric),并有对称的圆形或椭圆形NA分布。
发明内容
一种用于较大数值孔径的集中和聚焦系统中的光学耦合元件。该光学耦合元件包括锥形光导管,该锥形光导管有输入端和在输出侧的透镜。输入端可以为八边形。光学耦合元件可以布置在光纤、光纤束或投影机的输入端。锥形光导管和透镜调节光的面积和它的数值孔径,以便适应该光纤、光纤束或投影机。该透镜也可以偏振或校准光,以便产生焦阑输出。
尤其是,集中和聚焦系统包括:电磁辐射源;光学耦合元件,该光学耦合元件将由该源发出的电磁辐射的至少一部分照射,该光学耦合元件包括在输出端有弯曲表面的锥形光导管;反射器,该反射器有第一和第二焦点,该源位于靠近该反射器的第一焦点,以便产生产生从第一焦点向第二焦点反射的辐射射线,并基本会聚在第二焦点处;其中,锥形光导管的输入端可以位于靠近该反射器的第二焦点,以便集中该电磁辐射。
通过将电磁辐射源基本布置在反射器的第一焦点上,从而使该源产生能够由反射器反射并基本聚集在反射器的第二焦点上的辐射射线,由电磁辐射源发出的电磁辐射可以集中和聚焦在锥形光导管的输入端上。光学耦合元件包括锥形光导管,该锥形光导管有弯曲输出表面,该光学耦合元件可以布置成使锥形光导管的输入端可以基本靠近反射器的第二焦点,从而使会聚的、由反射器反射的辐射射线通过锥形光导管和弯曲表面,这样,光的发散角和面积可以调节成适合其它元件,例如光纤、波导管、偏振射束分流器或投影机。
通过下面对优选实施例的详细说明,将更好地理解本发明的上述和其它特征和优点。
附图描述
图1(a)是表示用于本发明实施例的集中和聚焦系统的示意图;
图1(b)是表示沿反射器轴线看时图1(a)中所示的实施例的灯和第一反射器的详图;
图2是表示用于本发明的实施例的集中和聚焦系统的示意图;
图3是表示图2中所示的集中和聚焦系统的变化形式的示意图;
图4(a)和4(b)是表示普通锥形光导管的示意图;
图5是表示用于本发明实施例的灯的辐射包络的视图;
图6是表示典型数值孔径的视图;
图7是表示典型数值孔径的视图;
图8是表示典型数值孔径的视图;
图9表示了输入孔的各种结构;
图10a表示了根据本发明第一、第三和第四实施例的集中和聚焦系统;
图10b表示了根据本发明第二实施例的集中和聚焦系统;
图11表示了根据本发明第五实施例的集中和聚焦系统;
图12表示了根据本发明第六实施例的集中和聚焦系统;
图13表示了根据本发明第七实施例的集中和聚焦系统;
图14表示了根据本发明第八实施例的集中和聚焦系统;
图15表示了根据本发明第九实施例的集中和聚焦系统;
图16表示了根据本发明第十实施例的集中和聚焦系统;
图17表示了根据本发明第十一实施例的集中和聚焦系统;
图18表示了根据本发明第十二实施例的集中和聚焦系统;
图19表示了根据本发明第十三实施例的集中和聚焦系统;
图20表示了用于本发明实施例的某些典型锥形;
图21表示了用于本发明实施例的输出端的某些典型横截面;
图22表示了用于本发明实施例的输入端的某些典型横截面;
图23表示了用于本发明实施例的输入表面的某些典型横截面;
图24表示了用于本发明实施例的输出表面的某些典型横截面;
图25表示了用于本发明实施例的TLP;
图26表示了根据本发明第十五实施例的集中和聚焦系统;
图27表示了根据本发明第十六实施例的集中和聚焦系统;
图28表示了图27中所示实施例的侧视图。
具体实施方式
在图10a和10b中表示了用于将电磁辐射1001发射到光学耦合元件1002中的集中和聚焦系统1000,该光学耦合元件1002包括在锥形光导管(TLP)1004的输出端1015处的弯曲表面1003。TLP 1004例如可以是直线光导管(SLP),如图20a所示,或者它可以有一定的型面,例如有递增的锥形,如图20b所示,有递减的锥形,如图20c所示,或者为弯曲锥形,如图20d和20e所示。
图21中表示了输出端1015的各种截面。输出端1015例如可以有矩形截面,如图21a所示,方形截面,如图21b所示,椭圆形截面,如图21c所示,圆形截面,如图21d所示,八边形截面,如图21e所示,六边形截面,如图21f所示,或多边形截面。弯曲表面1003例如可以为TLP 1004的整体部分,或者为牢固安装在TLP 1004输出端1015上的单独透镜。
TLP 1004有输入端1007。图22表示了输入端1007的各种截面。输入端1007例如可以有矩形截面,如图22a所示,方形截面,如图22b所示,椭圆形截面,如图22c所示,圆形截面,如图22d所示,八边形截面,如图22e所示,六边形截面,如图22f所示,或多边形截面,或者适于使辐射高效耦合到TLP 1004中的其它截面。
在第一实施例中,如图10a所示,集中和聚焦系统100有反射器1008,该反射器1008有第一焦点1010和第二焦点1011,该反射器1008布置成环绕电磁辐射1001源1006,因此,该源1006可以基本位于反射器1008的第一焦点1010附近。反射器1008例如可以为基本椭球形、环形、球形或旋转抛物面。源1006产生电磁辐射1001射线,该射线由反射器1008朝着第二焦点1011反射,从而基本会聚在第二焦点1011处。
在第二实施例中,如图10b所示,反射器1008包括:第一反射器1008a,该第一反射器1008a有第一光学轴线1009a和基本在该第一光学轴线1009a上的第一焦点1010;以及第二反射器1008b,该第二反射器1008b有第二光学轴线1009b和基本在该第二光学轴线1009b上的第二焦点1011,该第二反射器1008b布置成基本与第一反射器1008a对称。第一反射器1008a可以布置成环绕源1006,这样,该源1006可以基本位于第一反射器1008a的第一焦点1010附近。第一光学轴线1009a基本与第二光学轴线1009b共线。源1006产生电磁辐射1001射线该射线由第一反射器1008a朝着第二反射器1008b反射,从而基本会聚在第二焦点1011处。
反射器1008a和1008b例如可以都为基本椭球形或旋转抛物面。在可选实施例中,反射器1008a和1008b中的一个例如可以为基本旋转椭球形表面,而另一个反射器可以为基本旋转双曲面。
在任意一个上述实施例中,光学耦合元件1002可以布置成使输入端1007基本靠近第二焦点1011,这样,由源1006发出的至少一部分电磁辐射1001可以耦合到输入端1007内。
电磁辐射1001可以由TLP 1004传送到弯曲表面1003,从而沿该TLP 1004的长度来改变光的面积和发散角。然后,弯曲表面1003进一步调节光的发散角,以便更加与预计值匹配。弯曲表面1003也可以使光束从一点到另一点有更均匀的角度分布,从而使输出基本焦阑或远心。在一个实施例中,TLP 1004的输入端1007可以有八边形形状,这样,输出NA分布更加为圆形,如图25所示。
根据特殊用途,TLP 1004的锥形过渡可以平直或弯曲。弯曲表面1003和TLP 1004可以形成为一件,或者分别制造并装配在一起。当弯曲表面1003和TLP 1004为单独零件时,弯曲表面1003和TLP 1004之间的折射率应当匹配。TLP 1004可以有包层或没有包层。TLP 1004的输出表面也可以弯曲,以便与特定透镜合适匹配。
反射器1008可以涂覆有涂层,该涂层只反射电磁辐射谱的预定部分。例如,该涂层可以只反射可见光辐射、预定波段的辐射或特定颜色的辐射。反射器1008还可以为基本椭球形、环形、球形或旋转抛物面部分。
在第十五实施例中,如图26所示,反射器2608a和2608b布置成以基本对称的关系彼此相对。
第一反射器2608a的拐角2662a可以沿基本平行于第一光学轴线2609a的平面2660截去。这样,第一反射器2608a的总宽度可以小于由第一反射器2608a的输出侧形成的半圆的直径。
平面2660也可以基本平行于第二光学轴线2609b因为第一光学轴线2609a可以基本与第二光学轴线2609b共线。第二反射器2608b的拐角2662b可以沿基本平行于第一光学轴线2609a的平面2660截去。这样,第二反射器2608b的总宽度可以小于由第一反射器2608b的输出侧形成的半圆的直径。
由于缺少拐角2662a和2662b而引起的辐射损失估计为大约10%或20%。尽管为了清楚,第一和第二反射器2608a和2608b表示为在它们之间有间隙,但是它们也可以布置成彼此接近。这使得第一和第二反射器2608a和2608b例如可以通过玻璃模制而形成为一件。
在图27和28中表示了本发明第十六实施例的便携式前投影系统2700。已经截去拐角的第一反射器2708a和第二反射器2708b基本对称地彼此相对布置。源2706布置成基本靠近第一反射器2708a的第一焦点2710,由该源2706发出的辐射2701朝着第二反射器2708b反射,从而再反射到第二反射器2708b的第二焦点2707。在锥形光导管(TLP)2704的输出端2715处包括弯曲表面2703的光学耦合元件2702可以布置成使输入端2711靠近第二焦点2707,以便将辐射2701集中和传送给例如投射系统。
源2706可拆卸地布置在固定装置2770中,这样,该源2706可以在它的使用寿命到期时进行拆卸和更换。固定装置例如可以是在美国专利No.5598497中所述的“3∶2∶1”的固定装置,该文献的内容被本文参引。
源2706的电源2772可以与电子元件以及合适的镇流器一起布置成靠近该源2706。
在第三实施例中,如图10a所示,反向反射器1012可以布置成将并不直接照射到反射器1008上的电磁辐射1001的至少一部分朝着反射器1008并通过第一焦点1010而反射回来,以便增加会聚射线的通量强度。在优选实施例中,附加的反射器1012可以为球形反向反射器,该球形反向反射器布置在源1006的、与反射器1008相对的一侧,以便将由源1006沿离开反射器1008的方向发出的电磁辐射朝着反射器1008并通过反射器1008的第一焦点1010而反射回来。
在一个实施例中,源1006可以为发光弧光灯。源1006例如可以为氙灯、金属卤化物灯、HID灯或水银灯。在可选实施例中,该源1006可以为白炽灯。
在第四实施例中,还如图10a所示,由光学耦合元件1002集中和聚焦的电磁辐射1001可以与中间波导管1013耦合,该中间波导管1013例如单芯光纤、光纤束、熔合光纤束、多边形杆或空心反射光导管。中间波导管1013的截面可以为圆形、多边形、锥形或它们的组合。光学耦合元件1002和波导管1013可以由例如石英、玻璃、塑料或丙烯酸树脂等材料制成。光纤1014可以通过在光学耦合元件1002处集中和聚焦的电磁辐射1001来进行照射。
在第五实施例中,如图11所示,由光学耦合元件1102集中和聚焦的电磁辐射1101可以与投影机1116耦合。
在第六实施例中,如图12所示,光纤1214可以通过在光学耦合元件1202处集中和聚焦的电磁辐射1201来直接进行照射。光纤1214传送和释放该集中和聚焦的电磁辐射1201,以便照射合适位置。
在第七实施例中,如图13所示基于波导管的偏振回收系统1300可以布置成接收离开弯曲表面1303的光。偏振射束分流器1391包括与偏振膜1395接触的两个棱镜1390、1392,该偏振射束分流器1391例如接收来自弯曲表面1303的非偏振光,并将它分解成一对垂直的偏振射束1398p和1398s。偏振射束1398p例如可以为TE偏振,它可以转向至输出光导管1399,而偏振射束1398s例如可以为TM偏振,它并不转向至输出光导管1399。偏振射束1398s实际上通过半波板1394,该半波板1394的轴线与TM平面成45°,因此,偏振射束1398s的偏振方向旋转90°,从而与偏振射束1398p的偏振方向匹配。偏振射束1398s可以再通过棱镜1396而转向至输出光导管1399。因此,在输出光导管1399中的光可以都为基本相同的偏振方向。
在第八实施例中,如图14所示,光强度分流器1490可以布置成接收离开弯曲表面1403的光。光强度分流器1490可以包括两个或更多光学光导管。尤其是,两个光导管,即第一和第二输出光导管1492和1494可以布置成接收基本相同比例的、离开弯曲表面1403的光。
在第九实施例中,如图15所示有输入表面1518和输出表面1520的第二光导管1516可以布置成使输入表面1518接近TLP 1504的弯曲表面1503,以便集中和传送基本全部所述辐射1501。在一个实施例中,输入表面1518可以远远大于弯曲表面1503。在优选实施例中,输入表面1518可以基本为所述弯曲表面1503的两倍。
在一个实施例中,如图15a所示,输入表面1518可以由与弯曲表面1503共同延伸的第一区域1550以及并不与所述弯曲表面1503共同延伸的第二区域1552组成。在另一实施例中,第二区域1552可以涂覆有反射涂层,以便将辐射往回朝着输出表面1520反射。
在另一实施例中,如图15b所述,波形片可以在它的外表面有反射涂层的情况下布置成靠近第二区域1552,以便将辐射往回朝着输出表面1520反射。这样,例如从具有特定偏振方向的偏振器返回的辐射可以重新进行偏振,例如进行圆形偏振,并重新使用。
在另一实施例中,如图15c所示弯曲表面1503有第一尺寸1558和第二尺寸1560,该第二尺寸1560基本垂直于第一尺寸1558。输入表面1518有第三尺寸1562和第四尺寸1564,该第三尺寸1562基本垂直于第四尺寸1560。当然,该第一、第二、第三和第四尺寸是任意的,在不脱离本发明的精神的情况下可以互换。
第二光导管1516由例如石英、玻璃、塑料或丙烯酸树脂等材料制成。第二光导管1516例如可以为SLP或TLP。第二光导管1516例如可以为基本空心。
第二光导管1516的输入表面1518例如可以为矩形截面,如图23a所示,方形截面,如图23b所示,椭圆形截面,如图23c所示,圆形截面,如图23d所示,八边形截面,如图23e所示,六边形截面,如图23f所示,或多边形截面。
输出表面1520例如可以为矩形截面,如图24a所示,方形截面,如图24b所示,椭圆形截面,如图24c所示,圆形截面,如图24d所示,八边形截面,如图24e所示,六边形截面,如图24f所示,或多边形截面。该输出表面1520例如可以为基本凸形。
在第十实施例中,如图16所示,第一反射器1622可以布置成靠近光导管1616的输出表面1620。第一反射器1622传送第一波段的辐射1624,同时反射第二和第三波段的辐射1626、1628。第二反射器1630也可以布置成靠近输出表面1620,并靠近第一反射器1622。第二反射器1630传送第二波段的辐射1626,同时反射第一和第三波段的辐射1624、1628。第三反射器1632也可以布置成靠近输出表面1620,并靠近第一和第二反射器1622和1630。第三反射器1632传送第三波段的辐射1628,同时反射第一和第二波段的辐射1624、1626。
第一、第二和第三波段的辐射1624、1626和1628例如可以为红色、桔色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝色、紫色、粉红色、白色、洋红色、红外或紫外辐射。在优选实施例中,第一、第二和第三波段的辐射1624、1626和1628可以是红色、绿色和蓝色辐射,没有特别的顺序。
如图16所示,第一、第二和第三反射器1622、1630和1632可以布置成彼此平行,尽管它们可以稍微重叠。在一个实施例中,输出表面1620可以分成第一、第二和第三区域1634、1636、1638。这时,第一反射器1622例如可以是在第一区域1634上的第一反射涂层1640。第二反射器1630例如可以是在第二区域1636上的第二反射涂层1642。第三反射器1632例如可以是在第三区域1638上的第三反射涂层1644。
在第十一实施例中,如图17所示,第一、第二和第三反射器1722、1730和1732例如可以以色轮1748的方式环绕轴1746布置。色轮1748例如可旋转地安装在轴1746上,并有包括第一、第二和第三区域1750、1752、1754的表面,该第一、第二和第三区域1750、1752、1754绕轴1746螺旋布置。这时,第一反射器1722例如可以是在第一区域1750上的第一反射涂层1740。第二反射器1730例如可以是在第二区域1752上的第二反射涂层1742。第三反射器1732例如可以是在第三区域1754上的第三反射涂层1744。
在第十二实施例中,如图18所示,色轮1848例如可通过电马达旋转轴1846而旋转,当色轮1848旋转时,入射在色轮1848上的辐射1801可以顺序通过,从而产生滚动的彩色带。滚动的彩色带可以集中和聚焦在图像投影系统1864上。该成像仪可以与色轮同步并进行调节,从而产生可以投影在屏幕上的图像。
在第十三实施例中,如图19所示,反射偏振器1966可以布置成靠近输出表面1920,以便将基本全部辐射1910都集中和偏振成第一偏振方向1968和第二偏振方向1970。例如,第一偏振方向1968的辐射例如可以是P偏振辐射,而第二偏振方向1970的辐射例如可以是s偏振辐射。当然,偏振方向的顺序可以颠倒。在一个实施例中,反射偏振器1966例如可以为金属丝栅格偏振器。
当图像投影系统1964例如为需要偏振光的类型时,例如为硅液晶(LCOS)成像仪时,可以采用反射偏振器1966。这时,当图像投影系统1964例如构成为利用第一偏振方向1968的辐射时,P偏振辐射1968可以传送给图像投影系统1964,而不能由图像投影系统1964直接利用的s偏振辐射1970可以基本朝着输入反射回来。
S偏振辐射1970将通过第二焦点1911返向反射器1908,并最终到达第一焦点1910。某些s偏振辐射1970可以通过第一焦点1910并由反向反射器1912反射。因为回收的s偏振辐射1970沿通过第一焦点1910的通路运动,因此etendue基本没有损失,因此看起来就象由源1906发射。
根据本发明的第十四实施例,用于集中通过电磁辐射源发出的电磁辐射和将该集中的辐射聚焦在目标上的方法的步骤如下:将电磁辐射源基本布置在第一反射器的第一焦点处;通过该源产生射线;通过第一反射器将辐射的射线向着第二反射器进行反射;使辐射射线基本会聚在第二反射器的第二焦点上;布置基本TLP,使得它的输入端(例如可以有矩形、椭圆形或八边形的截面)可以基本接近第二反射器的第二焦点。布置弯曲表面,使得该弯曲表面的中心可以基本靠近TLP的输出端;由反射器反射的辐射射线经过光学耦合元件的基本TLP,并通向弯曲表面;当光通过光学耦合元件的基本TLP并通向弯曲表面时,调节光的面积和发散角。
尽管上面已经详细介绍了本发明,但是本发明并不局限于特定实施例。尤其是,上述实施例也可以用于标准的同轴椭球形和抛物面形反射器。本领域技术人员在不脱离本发明的思想的情况下,根据上述特殊实施例,可以进行多种使用和变化。

Claims (93)

1.一种集中和聚集系统,包括:
光学耦合元件,所述光学耦合元件还包括:
TLP,该TLP由所述源发射的电磁辐射的至少一部分进行照射,所述TLP有输入端和输出端;
弯曲表面,该弯曲表面牢固布置在所述输出端上;
反射器,该反射器有第一和第二焦点;
电磁辐射源,该电磁辐射源布置成靠近所述反射器的所述第一焦点,以便发出可以由所述反射器反射并基本聚集在所述第二焦点的辐射射线;以及
其中,所述TLP的所述输入端位于基本靠近所述反射器的所述第二焦点。
2.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中,所述反射器包括第一反射器,该第一反射器有第一光学轴线,所述第一焦点是所述第一反射器的焦点,所述反射器还包括:
第二反射器,该第二反射器有第二光学轴线,且该第二反射器布置成基本与所述第一反射器对称,这样,所述第一和第二光学轴线基本共线,其中,所述第二焦点是所述第二反射器的焦点;以及
其中,所述辐射射线由所述第一反射器朝着所述第二反射器反射,并基本会聚在所述第二焦点上。
3.根据权利要求2所述的集中和聚集系统,其中:
所述第一反射器包括至少一部分基本旋转椭球形表面;以及
所述第二反射器包括至少一部分基本旋转双曲线形表面。
4.根据权利要求2所述的集中和聚集系统,其中:
所述第一反射器包括至少一部分基本旋转双曲线形表面;以及
所述第二反射器包括至少一部分基本旋转椭球形表面。
5.根据权利要求2所述的集中和聚集系统,其中:
所述第一反射器的拐角沿基本平行于所述第一光学轴线的平面截去。
6.根据权利要求2所述的集中和聚集系统,其中:
所述第二反射器的拐角沿基本平行于所述第二光学轴线的平面截去。
7.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中:所述反射器有涂层,该涂层只反射电磁辐射谱的预定部分。
8.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中,所述输入端的截面从以下组中选择:
矩形;
方形;
椭圆形;
圆形
八边形;
六边形;以及
多边形。
9.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中,所述输出端的截面从以下组中选择:
矩形;
方形;
椭圆形;
圆形
八边形;
六边形;以及
多边形。
10.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中,所述TLP的型面从以下组中选择:
平直锥形;
递增锥形;
递减锥形;以及
弯曲锥形。
11.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中:所述反射器有涂层,该涂层只反射电磁辐射谱的预定部分。
12.根据权利要求11所述的集中和聚集系统,其中:所述涂层只反射可见光辐射、预定波段的辐射或特定颜色的辐射。
13.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中,所述反射器包括至少一部分从以下组中选择的旋转表面:
基本旋转椭球形表面;
基本旋转环形表面;
基本旋转球形表面;以及
基本旋转抛物面形表面。
14.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,还包括:反向反射器,该反向反射器布置成与所述反射器相对,以便将并不直接照射到所述反射器上的电磁辐射的至少一部分朝着所述反射器并通过所述反射器的第一焦点而反射回来,以便增加会聚射线的通量强度。
15.根据权利要求14所述的集中和聚集系统,其中:所述反向反射器包括布置在所述源的、与所述第一反射器相对的一侧的球形反向反射器,以便将所述源发出的、方向偏离所述第一反射器的电磁辐射朝着所述第一反射器并通过所述反射器的第一焦点反射。
16.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中:所述源包括发光弧光灯。
17.根据权利要求16所述的集中和聚集系统,其中:所述弧光灯包括从以下组中选择的灯:氙灯、金属卤化物灯、HID灯或水银灯。
18.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中:所述源包括白炽灯。
19.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,还包括:投影机,布置成接收所述辐射。
20.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中:所述光学耦合元件还包括波导管,该波导管从以下组中选择:单芯光纤、光纤束、熔合光纤束、多边形杆、空心反射光导管。
21.根据权利要求20所述的集中和聚集系统,其中:所述波导管的截面从以下组中选择:圆形波导管、多边形波导管、锥形波导管或它们的组合。
22.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中,所述光学耦合元件还包括基于波导管的偏振回收系统,所述偏振回收系统包括:
偏振射束分流器,该偏振射束分流器布置成靠近所述弯曲表面,以便使第一偏振光射束转向和使第二偏振光射束通过;
半波板,该半波板布置成靠近所述偏振射束分流器,并在所述第二偏振光射束的通路内;
棱镜,该棱镜布置成靠近所述半波板,以便使所述第二偏振光射束转向;以及
输出光导管,该输出光导管布置在所述第一偏振光射束的通路中和所述第二偏振光射束的所述通路中。
23.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中:所述光学耦合元件还包括光强度分流器,所述光强度分流器包括:
第一输出光导管,该第一输出光导管布置成靠近所述弯曲表面;以及
第二输出光导管,该第二输出光导管布置成靠近所述弯曲表面。
24.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中:所述TLP包括从以下组中选择的材料:石英、玻璃、塑料或丙烯酸树脂。
25.根据权利要求1所述的集中和聚集系统,其中:还包括一个光纤,该光纤由集中和聚集在所述光学耦合元件的辐射所照射,所述光纤释放出集中和聚集的辐射,以便为一个需要的位置提供照射。
26.一种用于集中由电磁辐射源发出的电磁辐射和基本将该集中的辐射聚焦在目标上的方法,该方法包括如下步骤:
将所述电磁辐射源基本布置在第一反射器的第一焦点处;
通过所述源产生射线;
通过所述反射器将辐射射线基本朝着所述反射器的焦点辐射;
使所述辐射射线基本会聚在所述反射器的所述第二焦点上;
布置有输入端和输出端的基本TLP,这样,所述输入端基本接近反射器的第二焦点;
布置弯曲表面,使得所述弯曲表面的中心基本接近TLP的输出端;
通过使由所述反射器反射的辐射射线经过所述TLP的所述输入端,并通向弯曲表面,从而调节所述辐射射线的面积或发散角。
27.根据权利要求26所述的、用于集中电磁辐射的方法,其中:所述反射器包括至少一部分基本旋转抛物面形表面。
28.根据权利要求26所述的、用于集中电磁辐射的方法,其中:所述反射器包括至少一部分基本旋转椭球形表面。
29.一种TLP,包括:
输入端;
基本凸形的输出端,该输出端基本透明地与所述输入端相连;
所述输入端通过电磁辐射来照射;
其中,所述辐射的第一NA通过所述TLP转变成第二NA;以及
所述第一NA基本与所述第二NA不相等。
30.根据权利要求29所述的TLP,其中:所述输入端的截面从以下组中选择:
矩形;
方形;
椭圆形;
圆形
八边形;
六边形;以及
多边形。
31.根据权利要求29所述的TLP,其中,所述输出端的截面从以下组中选择:
矩形;
方形;
椭圆形;
圆形
八边形;
六边形;以及
多边形。
32.根据权利要求29所述的TLP,其中,所述TLP的型面从以下组中选择:
平直锥形;
递增锥形;
递减锥形;以及
弯曲锥形。
33.根据权利要求29所述的TLP,还包括:所述电磁辐射的源,所述源包括:
反射器,该反射器有第一和第二焦点;
所述源位于靠近所述反射器的所述第一焦点,以便提供由所述反射器反射并基本会聚在所述第二焦点处的辐射射线;以及
所述TLP的所述输入端位于靠近所述第二反射器的所述第二焦点。
34.根据权利要求33所述的TLP,其中:所述反射器有涂层,该涂层只反射电磁辐射谱的预定部分。
35.根据权利要求33所述的TLP,其中:所述涂层只反射可见光辐射、预定波段的辐射或特定颜色的辐射。
36.根据权利要求33所述的TLP,其中:所述反射器包括至少一部分从以下组中选择的旋转表面:
基本旋转椭球形表面;
基本旋转环形表面;
基本旋转球形表面;以及
基本旋转抛物面形表面。
37.根据权利要求33所述的TLP,其中:所述反射器包括第一反射器,该第一反射器有第一光学轴线,所述第一焦点是所述第一反射器的焦点,所述反射器还包括:
第二反射器,该第二反射器有第二光学轴线,且该第二反射器布置成基本与所述第一反射器对称,这样,所述第一和第二光学轴线基本共线,其中,所述第二焦点是所述第二反射器的焦点;以及
其中,所述辐射射线由所述第一反射器朝着所述第二反射器反射,并基本会聚在所述第二焦点上。
38.根据权利要求37所述的TLP,其中:
所述第一反射器包括至少一部分基本旋转椭球形表面;以及
所述第二反射器包括至少一部分基本旋转双曲线形表面。
39.根据权利要求37所述的TLP,其中:
所述第一反射器包括至少一部分基本旋转双曲线形表面;以及
所述第二反射器包括至少一部分基本旋转椭球形表面。
40.根据权利要求37所述的TLP,其中:
所述第一反射器的拐角沿基本平行于所述第一光学轴线的平面截去。
41.根据权利要求37所述的TLP,其中:
所述第二反射器的拐角沿基本平行于所述第二光学轴线的平面截去。
42.根据权利要求33所述的TLP,还包括:反向反射器,该反向反射器布置成与所述反射器相对,以便将并不直接照射到所述反射器上的电磁辐射的至少一部分朝着所述反射器并通过所述第一焦点而反射回来,以便增加会聚射线的通量强度。
43.根据权利要求42所述的TLP,其中:所述反向反射器包括布置在所述源的、与所述第一反射器相对的一侧的球形反向反射器,以便将所述源发出的、方向偏离所述第一反射器的电磁辐射朝着所述第一反射器并通过第一焦点反射。
44.根据权利要求33所述的TLP,其中:所述源包括发光弧光灯。
45.根据权利要求44所述的TLP,其中:所述弧光灯包括从以下组中选择的灯:氙灯、金属卤化物灯、HID灯或水银灯。
46.根据权利要求33所述的TLP,其中:所述源包括白炽灯。
47.一种NA转变装置,包括:
多边形的输入端;
输出端,该输出端基本透明地与所述多边形输入端相连;
所述输入端通过电磁辐射来照射;
其中,所述辐射的第一NA通过所述TLP转变成第二NA;以及
所述第一NA基本与所述第二NA不相等。
48.根据权利要求47所述的NA转变装置,其中:所述多边形输入端的截面从以下组中选择:
矩形;
方形;
椭圆形;
圆形
八边形;
六边形;以及
多边形。
49.根据权利要求47所述的NA转变装置,其中,所述输出端的截面从以下组中选择:
矩形;
方形;
椭圆形;
圆形
八边形;
六边形;以及
多边形。
50.根据权利要求47所述的NA转变装置,其中:所述TLP的型面从以下组中选择:
平直锥形;
递增锥形;
递减锥形;以及
弯曲锥形。
51.根据权利要求47所述的NA转变装置,其中:所述输出端为扁平。
52.根据权利要求47所述的NA转变装置,其中:所述输出端为凸形。
53.根据权利要求47所述的NA转变装置,还包括:所述电磁辐射的源,所述源包括:
反射器,该反射器有第一和第二焦点;
所述源位于靠近所述反射器的所述第一焦点,以便提供由所述反射器反射并基本会聚在所述第二焦点处的辐射射线;以及
所述TLP的所述输入端位于靠近所述第二反射器的所述第二焦点。
54.根据权利要求53所述的NA转变装置,其中:所述反射器有涂层,该涂层只反射电磁辐射谱的预定部分。
55.根据权利要求53所述的NA转变装置,其中:所述涂层只反射可见光辐射、预定波段的辐射或特定颜色的辐射。
56.根据权利要求53所述的NA转变装置,其中:所述反射器包括至少一部分从以下组中选择的旋转表面:
基本旋转椭球形表面;
基本旋转环形表面;
基本旋转球形表面;以及
基本旋转抛物面形表面。
57.根据权利要求53所述的NA转变装置,其中:所述反射器包括第一反射器,该第一反射器有第一光学轴线,所述第一焦点是所述第一反射器的焦点,所述反射器还包括:
第二反射器,该第二反射器有第二光学轴线,且该第二反射器布置成基本与所述第一反射器对称,这样,所述第一和第二光学轴线基本共线,其中,所述第二焦点是所述第二反射器的焦点;以及
其中,所述辐射射线由所述第一反射器朝着所述第二反射器反射,并基本会聚在所述第二焦点上。
58.根据权利要求57所述的NA转变装置,其中:
所述第一反射器包括至少一部分基本旋转椭球形表面;以及
所述第二反射器包括至少一部分基本旋转双曲线形表面。
59.根据权利要求57所述的NA转变装置,其中:
所述第一反射器包括至少一部分基本旋转双曲线形表面;以及
所述第二反射器包括至少一部分基本旋转椭球形表面。
60.根据权利要求57所述的NA转变装置,其中:
所述第一反射器的拐角沿基本平行于所述第一光学轴线的平面截去。
61.根据权利要求57所述的NA转变装置,其中:
所述第二反射器的拐角沿基本平行于所述第二光学轴线的平面截去。
62.根据权利要求53所述的NA转变装置还包括:反向反射器该反向反射器布置成与所述反射器相对,以便将并不直接照射到所述反射器上的电磁辐射的至少一部分朝着所述反射器并通过所述第一焦点而反射回来,以便增加会聚射线的通量强度。
63.根据权利要求47所述的NA转变装置,其中:所述反向反射器包括布置在所述源的、与所述第一反射器相对的一侧的球形反向反射器,以便将所述源发出的、方向偏离所述第一反射器的电磁辐射朝着所述第一反射器并通过第一焦点反射。
64.根据权利要求53所述的NA转变装置,其中:所述源包括发光弧光灯。
65.根据权利要求64所述的NA转变装置,其中:所述弧光灯包括从以下组中选择的灯:氙灯、金属卤化物灯、HID灯或水银灯。
66.根据权利要求53所述的NA转变装置,其中:所述源包括白炽灯。
67.根据权利要求53所述的NA转变装置,还包括:
第二光导管,该第二光导管由输入表面和输出表面,所述第二光导管的所述输入表面布置成靠近所述TLP的所述输出端,以便集中和传送基本全部所述辐射;
第一反射器,该第一反射器布置成接近所述第二光导管的所述输出表面,所述第一反射器传送第一波段的所述辐射,并反射第二和第三波段的所述辐射;
第二反射器,该第二反射器布置成接近所述第二光导管的所述输出表面,所述第二反射器传送第二波段的所述辐射,并反射第一和第三波段的所述辐射;
第三反射器,该第三反射器布置成接近所述第二光导管的所述输出表面,所述第三反射器传送第三波段的所述辐射,并反射第一和第二波段的所述辐射;
68.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:所述输入表面远远大于所述输出端。
69.根据权利要求68所述的NA转变装置,其中:所述输入表面基本为所述输出端的两倍大。
70.根据权利要求68所述的NA转变装置,其中,所述输入表面包括:第一区域,该第一区域与所述输出端共同延伸;
第二区域,该第二区域并不与所述输出端共同延伸;以及
其中,所述第二区域由反射涂层覆盖。
71.根据权利要求68所述的NA转变装置,其中,所述输入表面包括:第一区域,该第一区域与所述输出端共同延伸;
第二区域,该第二区域并不与所述输出端共同延伸;以及
其中,波形片布置成接近所述第二区域;
所述波形片由反射涂层涂覆。
72.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:
所述输出端有第一尺寸和第二尺寸,所述第二尺寸基本垂直于所述第一尺寸;
所述输入表面有第三尺寸和第四尺寸,所述第三尺寸基本垂直于第四尺寸;
所述第一尺寸基本等于第三尺寸;以及
所述第四尺寸基本为所述第二尺寸的两倍。
73.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:所述输出表面包括第一、第二和第三区域;以及
所述第一反射器是在所述第一区域上的第一反射涂层;
所述第二反射器是在所述第二区域上的第二反射涂层;
所述第三反射器是在所述第三区域上的第三反射涂层。
74.根据权利要求67所述的NA转变装置,还包括:色轮,该色轮可旋转地安装在轴上,并有一表面,该表面包括绕所述轴螺旋布置的第一、第二和第三区域;以及
全部所述输入表面都基本透明;
所述第一反射器是在所述第一区域上的第一反射涂层;
所述第二反射器是在所述第二区域上的第二反射涂层;
所述第三反射器是在所述第三区域上的第三反射涂层。
75.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:所述第二光导管包括由以下组中选择的材料:石英、玻璃、塑料或丙烯酸树脂。
76.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:所述第二光导管从以下组中选择:
SLP;以及
TLP。
77.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:所述第二光导管为基本空心。
78.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:基本防反射的涂层涂覆在所述输入表面上。
79.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:基本防反射的涂层涂覆在所述输出表面上。
80.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:所述输入表面的截面从以下组中选择:
矩形;
方形;
椭圆形;
圆形
八边形;
六边形;以及
多边形。
81.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中,所述输出表面的截面从以下组中选择:
矩形;
方形;
椭圆形;
圆形
八边形;
六边形;以及
多边形。
82.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中:所述输出表面基本为凸形。
83.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中,所述第一波段从以下组中选择:
红外线;
红色;
桔色;
黄色;
绿色;
蓝色;
靛蓝色;
紫色;
粉红色;
白色;
洋红色;以及
紫外线。
84.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中,所述第二波段从以下组中选择:
红外线;
红色;
桔色;
黄色;
绿色;
蓝色;
靛蓝色;
紫色;
粉红色;
白色;
洋红色;以及
紫外线。
85.根据权利要求67所述的NA转变装置,其中,所述第三波段从以下组中选择:
红外线;
红色;
桔色;
黄色;
绿色;
蓝色;
靛蓝色;
紫色;
粉红色;
白色;
洋红色;以及
紫外线。
86.根据权利要求67所述的NA转变装置,还包括:
反射偏振器,该反射偏振器布置成靠近所述输出表面,所述反射偏振器将基本全部所述辐射都集中和偏振成第一偏振方向和第二偏振方向;
其中,所述第一偏振方向的所述辐射将透过;以及
所述第二偏振方向的辐射将朝着所述输出表面反射。
87.根据权利要求86所述的光回收装置,其中:所述反射偏振器包括金属丝栅格偏振器。
88.一种便携式前投影系统,包括:
光学耦合元件,所述光学耦合元件还包括:
TLP,该TLP由所述源发出的电磁辐射的至少一部分来照射,所述TLP有输入端和输出端;
弯曲表面,该弯曲表面牢固布置在所述输出端上;
第一反射器,该第一反射器有第一焦点和第一光学轴线;
第二反射器,该第二反射器有第二焦点和第二光学轴线,该第二反射器布置成与所述第一反射器基本对称,这样,所述第一和第二光学轴线基本共线;
电磁辐射源,该电磁辐射源布置成靠近所述第一焦点,以便发出可以由所述第一反射器向所述第二反射器反射并基本聚集在所述第二焦点的辐射射线,所述源可拆卸地布置在固定装置内;
用于所述源的电源,该电源牢固布置在所述源附近;以及
其中,所述TLP的所述输入端布置得靠近所述第二焦点。
89.根据权利要求88所述的便携式前投影系统,其中:
所述第一反射器的拐角沿基本平行于所述第一光学轴线的平面截去。
90.根据权利要求88所述的便携式前投影系统,其中:
所述第二反射器的拐角沿基本平行于所述第二光学轴线的平面截去。
91.根据权利要求88所述的便携式前投影系统,还包括:反向反射器,该反向反射器布置成与所述反射器相对,以便将并不直接照射到所述反射器上的电磁辐射的至少一部分朝着所述反射器并通过所述第一焦点而反射回来,以便增加会聚射线的通量强度。
92.根据权利要求88所述的便携式前投影系统,其中:所述反向反射器包括布置在所述源的、与所述第一反射器相对的一侧的球形反向反射器,以便将所述源发出的、方向偏离所述第一反射器的电磁辐射朝着所述第一反射器并通过其第一焦点反射。
93.根据权利要求88所述的便携式前投影系统,还包括:投影机,该投影机布置成接收所述辐射。
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