專利名稱：用于雙拋物面反射器dpr系統(tǒng)的光耦合的偽導光管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種導光管，更特別地涉及一種偽導光管，其用作楔形導光管 (tapered light pipe)且起楔形導光管的作用，但是比楔形導光管更容易安裝和制造。偽導光管的輸出端的凸彎曲被選擇成提供具有特定散度的輸出，并且特別地，被選擇成提供輸出平行光線。
背景技術：
楔形導光管(TLP)用在許多應用中，用于將一個區(qū)域/角度組合的光源轉換成具有基本上相同亮度的另一光源。錐角和長度被設計成使得將具有最小的亮度損失。在實際應用中，該長度小于期望的長度。在這樣的情況下，輸入和輸出面分別被制成為凹面和凸面，以使得楔形導光管對于輸入和輸出光來說看起來是直的。TLP的制造和安裝一般是繁重且昂貴的。因此，要求保護的發(fā)明是基于如下期望而進行的為TLP提供低成本的制造和安裝。

發(fā)明內容
因此，要求保護的發(fā)明的目的是提供一種解決了 TLP的上述問題的偽導光管。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，一種偽導光管包括輸入端、輸出端以及光透射介質。輸入端收集來自光源的光線。輸入端一般包括平面。替選地，輸入端的部分可以具有凹彎曲。輸出端輸出并校準在輸入端處收集的光線。輸出端具有凸彎曲。優(yōu)選地， 輸出端的彎曲被選擇成使得輸入端和輸出端之間的集光率(etendue)失配最小化。光透射介質互連輸入和輸出端，并且將光線從輸入端透射到輸出端。輸出端的凸彎曲被選擇成輸出平行光線。優(yōu)選地，偽導光管的輸入和輸出端的表面涂有防反射涂層。根據(jù)要求保護的發(fā)明的方面，偽導光管還包括用于安裝該偽導光管的安裝面。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，一種投影系統(tǒng)包括投影引擎、光源以及偽導光管。光源包括燈、雙拋物面反射器(DPR)以及回復反射器(retro-reflector)，其中該回復反射器收集雜散光線并將其重定向至DPR。偽導光管包括輸入端、輸出端以及光透射介質。輸入端收集來自光源的光線。輸出端輸出并校準在輸入端處收集的光線。輸出端具有凸彎曲。光透射介質互連輸入和輸出端，并且將光線從輸入端透射到輸出端。輸出端的凸彎曲被選擇成輸出平行光線。投影系統(tǒng)可選地包括在偽導光管的輸出端與投影引擎之間的復眼透鏡和偏振轉換系統(tǒng)。優(yōu)選地，投影引擎是液晶顯示器(LCD)或硅基液晶(LC0Q投影引擎。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，偽導光管可以與以下光源中的任何一個一起使用LED(發(fā)光二極管)、微波燈、超高壓汞燈、微波驅動無極燈、金屬鹵化物燈、熒光燈以及鹵素燈。光源可以將燈與以下中的一個相組合雙拋物面反射器(DPR)、具有回復反射器的DPR、橢圓反射器、具有聚焦透鏡的拋物面反射器或者雙橢面反射器(DER)系統(tǒng)?；貜头瓷淦魇占s散光線并將其重定向至DPR。
根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，光源定位在輸入端附近并且定位在輸出端的焦點處。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，光透射介質具有圓形、矩形或多邊形橫截面。光透射介質由以下材料中的至少一種制成玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，輸出端的凸彎曲是以下圓錐形狀中的一種拋物線、雙曲線或者球形。一般而言，凸彎曲可以是按數(shù)值生成的面。優(yōu)選地，輸出端的凸彎曲是橢圓。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，光透射介質包括多個段(section)。所述光透射介質的每個段由以下材料中的一種制成玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。優(yōu)選地，包括輸入端的段由高溫材料制成，而包括所述輸出端的段由低溫玻璃或塑料制成。根據(jù)要求保護的發(fā)明的方面，光透射介質包括在所述光透射介質的每段之間的空氣間隙。根據(jù)要求保護的發(fā)明的方面，所述光透射介質的每個段由不同的材料制成。光透射介質可以包括空氣輸入段和由以下材料中的一種制成的輸出段玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，輸出端的彎曲是散光的，以使得輸出彎曲在兩個垂直方向上不同。根據(jù)隨后的詳細描述，要求保護的發(fā)明的各種其它目的、優(yōu)點以及特征將變得容易明白，并且在所附權利要求中將特別指出新穎特征。


結合附圖，將最佳地理解作為示例給出的、且不旨在將要求保護的發(fā)明僅限于此的以下詳細描述，在附圖中，各個圖中相同的部件或特征以相同的附圖標記來表示圖1示出了具有楔形導光管的雙拋物面反射器系統(tǒng)的橫截面視圖；圖2示出了楔形導光管的橫截面視圖；圖3示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的偽導光管(PLP)的橫截面視圖；圖4示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的PLP的透視圖；圖5示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的、具有矩形橫截面的PLP的透視圖；圖6示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的、具有凹輸入端的PLP的橫截面視圖；圖7示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的、用材料的組合制成的PLP的橫截面視圖；圖8示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的、具有范圍為d的光源的PLP 的橫截面視圖；圖9示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的、包括基于PLP的DI5R的投影系統(tǒng)的橫截面視圖；圖10示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的、輸出端的部分涂有反射涂層的PLP的橫截面視圖；圖Il(A)-Il(C)示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的、包括回復反射部分的PLP的輸出端的橫截面視圖；以及圖12是根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的散光PLP的透視圖。
具體實施例方式參照附圖，現(xiàn)在描述要求保護的發(fā)明的示例性實施例。這些實施例示出了本發(fā)明的原理并且不應被理解為限制本發(fā)明的范圍。圖1示出了與楔形導光管(TLP)IlOO結合使用的雙拋物面反射器(DPR)系統(tǒng) 1000，其示出在TLP 1100的輸入處的小面積、大角度θ i光入射被轉換成輸出處的較大面積、較小角度光。DI3R系統(tǒng)1000包括DPR 1200、燈1300以及回復反射器1400。弧使用DI3R 1200在TLP 1100的輸入端或面1110上成像，這保持了弧的亮度。TLP 1100的尺寸是基于 Dra系統(tǒng)1000的集光率設計的，其確定了 TLP 1100的輸入和輸出范圍。TLP 1100的長度一般是由機械限制來確定的，并且較短的TLP 1100 一般是優(yōu)選的。隨著TLP 1100變得越短，轉換變得不理想，并且輸出比輸入處具有略大的集光率。為了克服輸出和輸入之間的該集光率失配，可以利用其輸出端或面1120具有凸面(如圖2所示)而非平面(如圖1所示)的TLP 1100。即，輸出面1120的凸性或彎曲被選擇成使得TLP 1100的輸出集光率與TLP 1100的輸入集光率匹配或接近。當光進入楔形導光管(TLP) 1100時，光取決于光的入射角 pTLP 1100的錐角以及TLP 1100的長度而從TLP 1100的側壁1130彈回(bounce)多次。當TLP 1100的長度減小(S卩，短的TLP 1100)時， TLP 1100的輸出面1120的彎曲需要增大，以對輸入/輸出集光率失配進行必要的校正。應意識到，如果凸輸出面1120的彎曲增大太多，則其將變成非球形(例如，橢圓)，并且將需要附加的計算來實現(xiàn)最優(yōu)性能。另外，圖2示出了極端輸入角，以使得TLP 1100內的光線具有臨界角 。，并且擊中TLP 1100的側壁。TLP 1100包括輸入端1110和輸出端1120。優(yōu)選地，TLP 1100的輸出端1120是凸面。從TLP 1100的側壁1130的多次彈回或反射用于混合光，以提供在分布上均勻的光輸出強度。即，TLP 1100起光混合器件的作用。具有短的TLP 1100的另一影響是當角度θ大于臨界角θ。時，入射光將不被TLP 1100的側壁1130反射。在這樣的情況下，當入射光射出而沒有任何從側壁1130的反射時，TLP 1100用作厚透鏡多于用作楔形導光管。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，TLP 1100的輸出端1120的彎曲被計算和確定成使得來自輸入端1110的中心的額定光線在輸出端1120處將是平行的。由于TLP 1100的側壁1130未被使用，因此TLP 1100可以簡單地被制成直的矩形或圓柱棒。根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，在圖3和4中示出了偽導光管(PLP)或虛擬楔形導光管2000，其中，側壁在概念上存在但是不起作用且不需要。PLP 2000包括輸入端或面 2200以及輸出端或面2300。優(yōu)選地，PLP 2000的輸出端2300是凸面，其中，彎曲被計算和確定成使性能最優(yōu)。虛擬側壁2100與PLP 2000的方向成角度θ，以使得虛擬側壁角θ被調整成與最大入射角Qi匹配。例如，如果最大輸入或入射角Qi是作為低掠角(glazing angle)的90度，則虛擬側壁角θ將成為臨界角Θ。。如果虛擬側壁角θ為臨界角Θ。，則來自光源1300的極端光線(入射角Qi接近臨界角Θ?；驗榕R界角Θ。的輸入光線)將沿著虛擬側壁2100傳播，但是不會入射在虛擬側壁2100上。結果，PLP 2000的側壁變成沒有任何實際作用的虛擬側壁。為了便于制造PLP 2000，根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，為PLP 2000添加實際邊界面或額外面M00。實際邊界面或額外面MOO也不用于任何功能目的，而是便于將PLP 2000機械安裝到諸如投影和照明系統(tǒng)的系統(tǒng)中。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，在圖4中示出了 PLP 2000的外邊界或形狀。PLP 2000的外邊界包括一個或多個安裝面2500、輸出端或面2300以及輸入端或面2200。應意識到，PLP 2000的橫截面取決于PLP 2000的應用而可以是圓形、矩形、多邊形等。因此，PLP 2000的安裝面2500基本上等同于 TLP 1100 的側壁 1130。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，PLP 2000可以與各種光源1300 —起使用， 光源1300包括但不限于LED、微波燈、超高壓汞燈、微波驅動無極燈、金屬鹵化物燈、熒光燈、鹵素燈或者其它相當?shù)臒?。光?300可以放置在具有反射器的光源的焦點處，反射器例如為雙拋物面反射器(DPR)、橢圓反射器、具有聚焦透鏡的拋物面反射器或者雙橢圓反射器(DER)。根據(jù)要求保護的發(fā)明的方面，PLP 2000可以是作為圓形器件而旋轉對稱的，在給出散光的輸出凸面的兩個方向上不對稱的，或者可以是具有圓形或橢圓橫截面的線性的以用于線性燈應用。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，PLP 2000的橫截面是矩形，并且輸出端 2300是凸面。即，如圖5所示，PLP的輸入端2200是矩形形狀。另外，PLP 2000可以包括在輸入端2200處的用于過濾輸入光線的可選掩膜沈00，以使得極端光線(入射角Qi接近臨界角 。或為臨界角 。的輸入光線)為期望的角度以擊中PLP 2000的輸出端或面2300。 光掩膜具有限制系統(tǒng)的集光率的效果以使得不是整個光源被使用。這與標準楔形導光管的輸入光圈類似，其中，導光管是針對特定的集光率設計的。當沒有使用掩膜時，輸出包括光源的全集光率并且使得輸出對應用可用。結果，系統(tǒng)的集光率受隨后的部件(例如，中繼鏡、成像面板、投影透鏡或者光圈)所限制。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，PLP 2000的輸出端2300的彎曲是用于校準光線的橢圓。替選地，PLP 2000的輸出端2300的彎曲可以是用于提供不同校準水平的不同的形狀，諸如包括但不限于拋物線、雙曲線以及球形的圓錐形狀?，F(xiàn)在轉到圖6，根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，示出了具有凹的輸入端 2200的PLP 2000。應意識到，凹的輸入端2200可以提供與包括PLP 2000的系統(tǒng)的更好的耦合或更好的匹配。然而，在某些應用中，附加的性能改進不能證明制造具有凹的輸入端 2200的PLP 2000的附加成本是合適的。PLP 2000取決于包括PLP 2000的系統(tǒng)的功率密度要求而可以由塑料、玻璃、熔凝硅石、石英等制成。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，如圖7所示，PLP 2000也可以由多段制成，以使得包括PLP 2000的輸入端2200的段可以由高溫材料制成并且附連到輸出端2300的彎曲段，該彎曲段可以利用低溫玻璃或塑料來模制。根據(jù)要求保護的發(fā)明的方面，PLP 2000的每段可以由空氣間隙隔開。即，PLP 2000可以由這些材料(例如，塑料、玻璃、熔凝硅石、石英等)的組合制成，以使得較高熔化溫度的材料可以放置在較高強度側。 例如，PLP 2000可以由玻璃/塑料組合制成，其中，包括輸入端2200的段A由玻璃制成，而包括輸出端2300的段B由塑料制成。段A靠近光源的焦點并且接收高功率密度。光束沿著其在PLP 2000內的路徑傳播并且朝向由塑料制成的段B。根據(jù)要求保護的發(fā)明的方面，段A可以由石英制成以用于非常高功率密度應用，而段B可以由玻璃或塑料制成。材料的各種其它組合也可以在制造PLP 2000時使用，諸如用于段B的透鏡以及用于段A的透明材料，其可以是空氣，與段B中的透鏡相同或不同。一般而言，可以存在多于2層的不同材料。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，PLP 2000的各個面可以涂有單層或多層防反射材料。由于未在光學上使用PLP 2000的實際邊界面2400，因此如圖3示例性示出的，邊界面MOO不需要被拋光。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，PLP 2000的邊界面MOO 可以是紋理的(textual)以易于安裝。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，輸入和輸出面2200、2300的彎曲是通過解析公式或光線跟蹤來優(yōu)化的。通常，光源1300不是點光源，而具有范圍d，如圖8所示。艮口， 光源1300生成具有范圍d的輸入束。來自這樣的光源1300的光線或光束將在PLP 2000內以角度ψ 對向(subtend)，并且將以輸出角<|>2射出PLP 2000的輸出端2300。隨著PLP 2000
的尺寸增加，角度φι將減小，從而對于具有范圍d的同一光源導致較小的輸出角φ2。即，PLP 2000的輸入面/端2200和輸出面/端2300的面積將隨著PLP 2000的尺寸而增加。這導致保持集光率或者使輸入/輸出集光率失配最小化。結果，較小的PLP 2000將具有較大的輸出角92而較小的輸出表面積2300。較大的PLP 2000將具有較小的輸出角Cp2而較大的輸出表面積2300?，F(xiàn)在轉到圖9，示出了根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的PLP 2000的示例性應用。圖9的DI3R系統(tǒng)3000與圖1的DI3R系統(tǒng)1000類似。取代包括TLP 1100，DPR系統(tǒng) 3000包括根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例的PLP 2000。DPR系統(tǒng)3000可以與液晶顯示器(LCD)或硅基液晶(LCOS)投影引擎4100 —起使用，以提供照明/投影系統(tǒng)4000。來自PLP 2000的校準光輸出3100被輸入到IXD/LC0S投影引擎4100中。替選地，投影系統(tǒng) 4000包括在PLP 2000的輸出端2300與LCD/LC0S投影引擎4100的輸入端4110之間的可選復眼透鏡3100和/或可選偏振轉換系統(tǒng)。即，校準光輸出3100在進入IXD/LC0S投影引擎4100之前入射在可選復眼透鏡3100和/或可選偏振轉換系統(tǒng)3200上。應意識到，光源或燈1300可以是LED、超高壓汞燈、微波驅動無極燈、金屬鹵化物燈或者適合與DI5R系統(tǒng) 3000 一起使用的其它燈。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，PLP 2000的輸出端2300的彎曲在兩個垂直方向上可以是以不同彎曲散光的，如圖12示例性示出的。輸出端2300在X和Y方向上的彎曲可以相同或不同，以提供散光PLP 2000。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，如圖10所示，PLP 2000的輸出端2300包括優(yōu)選地為球形的回復反射部分2310。輸出端2300的回復反射部分2310涂有反射涂層或者耦合到反射器以提供回復反射。即，回復反射部分2310將光源1300發(fā)出的光的一部分或部分反射回到光源1300中，以經由回復反射提供光的回收?，F(xiàn)在轉到圖11 (A)，示出了具有回收的PLP 2000的輸出端2300的透視圖。PLP的輸出端或面2300包括用于輸出校準光的校準面2320和用于將發(fā)出光的一部分反射回到輸入端2200并且反射回到光源1300的回復反射部分2310。根據(jù)要求保護的發(fā)明的示例性實施例，如圖Il(B)和Il(C)所示，回復反射部分2310包括多個回復反射段2330。每個回復反射段2330包括拋物面對2340，以使得入射在第一拋物面2340上的光瞄準到第二拋物面2340上(如圖11 (C)所示)，并且被聚焦回到光源1300中?；貜头瓷涠?330的數(shù)量和尺寸被確定成使得從拋物面對2340的所有反射都是通過全內反射，從而消除了用反射涂層來涂覆回復反射部分2310的需要。另外，這有利地降低了制造要求保護的PLP 2000的成本，特別是當PLP 2000是利用模制工藝制造的時候。 對本領域技術人員來說明顯的是，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以用很多方式來改變已描述的發(fā)明。任何和所有的這種修改旨在包括在所附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種偽導光管，包括輸入端，用于收集來自光源的光線；輸出端，用于輸出并校準在所述輸入端處收集的所述光線，所述輸出端具有凸彎曲；以及互連所述輸入端和所述輸出端的光透射介質，用于將所述光線從所述輸入端透射到所述輸出端；并且其中，所述輸出端的所述凸彎曲被選擇成輸出平行光線。
2.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述光源定位在所述輸入端附近并且定位在所述輸出端的焦點處。
3.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述光透射介質具有圓形、矩形或多邊形橫截
4.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述輸出端的所述凸彎曲是橢圓。
5.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述輸出端的所述凸彎曲是以下圓錐形狀中的一種拋物線、雙曲線或者球形。
6.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述光透射介質是由以下材料中的至少一種制成的玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。
7.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述光透射介質包括多個段，其中包括所述輸入端的段是由高溫材料制成的。
8.如權利要求7所述的偽導光管，其中，所述光透射介質的每個段是由以下材料中的一種制成的玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。
9.如權利要求8所述的偽導光管，其中，包括所述輸出端的段是利用低溫玻璃或塑料模制的。
10.如權利要求8所述的偽導光管，還包括在所述光透射介質的每個段之間的空氣間隙。
11.如權利要求8所述的偽導光管，其中，所述光透射介質的每個段是由不同材料制成的。
12.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述光透射介質包括空氣輸入段和由以下材料中的一種制成的輸出段玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。
13.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述輸入端的部分具有凹彎曲。
14.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述輸出端的彎曲是散光的，以使得所述彎曲在兩個垂直的方向上是不同的。
15.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述輸出端的彎曲被選擇成使得所述輸入端和所述輸出端之間的集光率失配最小化。
16.如權利要求1所述的偽導光管，還包括用于安裝所述偽導光管的安裝面。
17.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述輸入端和所述輸出端的表面涂有防反射涂層。
18.如權利要求1所述的偽導光管，其中，所述光源是以下燈中的一種發(fā)光二極管、微波燈、超高壓汞燈、微波驅動無極燈、金屬鹵化物燈、熒光燈以及鹵素燈。
19.如權利要求18所述的偽導光管，其中，所述光源包括具有以下反射器的燈雙拋物面反射器DPR、具有回復反射器的DPR、橢圓反射器、具有聚焦透鏡的拋物面反射器或者雙橢圓反射器DER。
20.如權利要求19所述的偽導光管，其中，所述光源包括具有DPR的燈，所述DI5R具有回復反射器，所述回復反射器收集雜散光線并將所述雜散光線重定向至所述DPR;并且其中，從所述輸出端輸出的所述平行光線入射在投影引擎上。
21.如權利要求20所述的偽導光管，其中，所述投影引擎是液晶顯示器LCD或硅基液晶 LCOS投影引擎。
22.如權利要求20所述的偽導光管，其中，從所述輸出端輸出的所述平行光線入射在復眼透鏡上并然后進入所述投影引擎。
23.如權利要求21所述的偽導光管，其中，從所述輸出端輸出的所述平行光線入射在復眼透鏡和偏振轉換系統(tǒng)上，并然后進入所述投影引擎。
24.—種投影系統(tǒng)，包括投影引擎；光源，包括燈、雙拋物面反射器DPR以及回復反射器，所述回復反射器用于收集雜散光線并且將所述雜散光線重定向至所述DPR ；以及偽導光管，包括輸入端，用于收集來自所述光源的光線；輸出端，用于輸出并校準在所述第一端處收集的所述光線，所述輸出端具有凸彎曲；互連所述第一端和所述第二端的光透射介質，用于將所述光線從所述第一端透射到所述第二端；并且其中，所述輸出端的所述凸彎曲被選擇成將平行光線輸出到所述投影引擎。
25.如權利要求M所述的投影系統(tǒng)，其中，所述投影引擎是液晶顯示器LCD或硅基液晶 LCOS投影引擎。
26.如權利要求M所述的投影系統(tǒng)，還包括在所述偽導光管的所述輸出端和所述投影引擎之間的復眼透鏡。
27.如權利要求沈所述的投影系統(tǒng)，還包括在所述復眼透鏡和所述投影引擎之間的偏振轉換系統(tǒng)。
全文摘要
一種偽導光管包括輸入端、輸出端以及光透射介質。輸入端收集來自光源的光線。輸出端輸出并校準在輸入端處收集的光線。輸出端具有凸彎曲。光透射介質互連輸入和輸出端，并且將光線從輸入端透射到輸出端。輸出端的凸彎曲被選擇成輸出平行光線。一種包括該偽導光管和雙拋物面反射器(DPR)系統(tǒng)的投影系統(tǒng)。
文檔編號G03B21/14GK102216848SQ200980139846
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權日2008年9月5日
發(fā)明者肯尼思·利 申請人:微陽有限公司