專利名稱：高架投影用的雙槽式弗蘭斯奈爾鏡片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總的涉及弗蘭斯奈爾(Fresnel)鏡片，特別涉及用于高架投影機的弗蘭斯奈爾鏡片。
本發(fā)明背景用作聚光器、集光器和場鏡的傳統(tǒng)的弗蘭斯奈爾鏡片的通常形式是一單件鏡片，在其一側(cè)上有棱形、圓形的槽，而其另一側(cè)則呈平面。當在較小的F/數(shù)值下要求有較高的透光率時，例如在高架投影機的情況時，將兩塊這種類型的鏡片在圓周邊處相互封接起來，并使槽與槽鄰接。由于這些鏡片通?？拷上衩婊蛲队皺C的載物臺，故當圓槽結(jié)構(gòu)的諸中心的吻合精度超出一允差范圍內(nèi)時就會在投射的像上出現(xiàn)莫爾圖形。
日本專利57-109618描述了一種在兩側(cè)帶有相同的槽結(jié)構(gòu)的單片或弗蘭斯奈爾鏡片。該專利中，兩只相同的模子利用導柱精確地對準在一夾具中，再往兩模之間灌入熱塑性樹脂，此后即旋壓加熱，這樣就制出一塊鏡片。這樣的單片鏡片比傳統(tǒng)的兩片鏡片組合起來的要更經(jīng)濟些，這是因為只要一片鏡片材料即可?？上У氖牵怪T開槽表面的中心的重合精度在一允差范圍內(nèi)的這一要求增加了這單片鏡片的加工費用，因而多少抵消了它的優(yōu)點。
美國專利4,900,129改進了上述日本專利，其改進點在于增大了單片弗蘭斯奈爾鏡片的一個表面相對于另一表面的槽的數(shù)目(groove frequency)。這樣就把莫爾圖形的對比度減小到了不可見的程度。在該結(jié)構(gòu)設(shè)計中，光線在第一表面上的入射角等于在第二表面上的折射角。
雖然上述兩篇專利文件都著手解決有關(guān)成本和莫爾圖形的重要問題，但并未涉及另外兩個方面的問題，即透光率與燈絲像的大小。透光率是指沿一所需方向射出弗蘭斯奈爾鏡片的光線的量與入射光線之比。這一點是很重要的，因為透光率高就使屏幕上的像較亮，或者在達到一預(yù)定的照明度時所耗用的能量可以較少。燈絲像大小就是由弗蘭斯奈爾鏡片產(chǎn)生的光源的像的大小。這點同樣是重要的，因為燈絲像的大小決定了投影鏡片尺寸即其成本的大小。減小燈絲像大小就可降低投影機的成本。
本發(fā)明概要本發(fā)明制造一種單片、在其每一側(cè)上的槽結(jié)構(gòu)不相同的雙槽式弗蘭斯奈爾鏡片。槽的數(shù)目經(jīng)仔細地控制以降低或消除了槽的圖形在鏡片每一側(cè)面上的諸中心需精確對準的要求。另外，在本發(fā)明一實施例中，其諸槽角被設(shè)計得可以降低由冒口障礙(riser blockage)和表面反射造成的兩種光損失從而使透過鏡片的光的透射達到最佳化。在另一實施例中，諸槽角經(jīng)設(shè)計后使燈絲像得以縮小。提高穿過鏡片的光線的透光率和縮小燈絲像的尺寸的兩種技術(shù)可以結(jié)合起來以提高用于高架投影機上的光學系統(tǒng)的總體效率。
附圖的簡要說明下面將結(jié)合諸


本發(fā)明，在幾個圖中的同一標號表示相同的零部件。附圖中圖1是按本發(fā)明設(shè)計的單片雙槽式弗蘭斯奈爾鏡片的經(jīng)放大的橫剖面圖；圖2與圖1類似，圖中示出了用于計算弗蘭斯奈爾鏡片的冒口障礙的參數(shù)；圖3示意表示出一高架投影機的部分光學零部件，以及由弗蘭斯奈爾鏡片所產(chǎn)生的燈絲像；圖4是表示出由現(xiàn)有技術(shù)生成的燈絲像的瞳線斑圖；以及圖5是表示出由本發(fā)明生成的燈絲像的瞳線斑圖。
本發(fā)明的詳細說明判定弗蘭斯奈爾鏡片的性能的兩個重要的標準是透光率和燈絲像大小。針對這兩項標準而對弗蘭斯奈爾鏡片的最優(yōu)化設(shè)計提高了它在高架投影機中的性能，弗蘭斯奈爾鏡片的光學設(shè)計影響到這兩項標準的好壞。
透光率受到設(shè)計中的兩個因素的影響，即冒口障礙和表面反射。這里并不考慮制造方面如槽脊的正確成形這種因素，也不考慮與材料性質(zhì)有關(guān)的諸多潛在的損耗因素，如在塑料中的吸收。這些因素與鏡片本身的設(shè)計無關(guān)。
冒口障礙(Riser Blockage)“冒口障礙”是由弗蘭斯奈爾鏡片的“冒口(riser)”形起的光線的亂真的折射、吸收或散射。圖1將幫助解釋此現(xiàn)象，圖中示出一單片雙槽式弗蘭斯奈爾鏡片的小部分的橫截面，總的以標號“10”表示。這部分鏡片10表示了一個在圖3中鏡片10的光軸左側(cè)所取的截面。
來自光源(圖1中未示出)燈絲的光線12由鏡片10之第一表面16上的槽14折射而穿過鏡片10，又被鏡片10之第二表面20上的槽18再折射，此后射出去以形成一燈絲像。這是一條所希望的光路。在存在冒口障礙的情況下，光線22入射在弗蘭斯奈爾鏡片10的冒口24上而不是在槽上。該冒口24可制造得可折射、散射或吸收光線。如果它折射或散射光線，則光線可能穿過弗蘭斯奈爾鏡片10但以不希望的角度離開鏡片。在高架投影機情況下，來自這樣的光線被稱作級眩光(stage glare)。這是人們所不希望的，因為這樣的光線對投影的像的亮度無益，當進入到用戶或觀眾的眼里后，會降低屏幕上的對比度或產(chǎn)生其它不利的作用。
冒口障礙幾乎只產(chǎn)生在弗蘭斯奈爾鏡片10的第一表面16(即首先接觸到來自光源的光線的表面)。這是因為一束光線12進入弗蘭斯奈爾鏡片后就很快發(fā)散了，雖然在它們穿過鏡片10的光路中幾乎是十分準直(平行)的。光線12發(fā)散得愈快，則冒口24的投影區(qū)愈大，因此，冒口障礙就愈大。冒口障礙由于弗蘭斯奈爾鏡片的集距的縮短(對于等直徑鏡片)而成為了一個更糟糕的問題，這是因為焦距愈短，光束發(fā)散就愈大。
使用簡單的幾何學能計算出冒口障礙的影響。光線與光軸之間的夾角μ1由下述公式確定u1=arctan(Yd)....(1)]]>式中Y是從弗蘭斯奈爾鏡片10的光軸到給定光線12的交點的距離；d是光源到弗蘭斯奈爾鏡片10的距離。
槽角γ是由下述公式給定的γ(Y)=arctan[CY1-(1+K)C2Y2+6A6Y5+8A8Y7+10A10Y9].....(2)]]>式中C、K、A6、A8和A10是在本發(fā)明中使用的鏡片10的參數(shù)。如果需要的話，還可使用一般非球面展開式(general aspheric expansion)的其它項。
根據(jù)圖2所示的幾何學情況可看出X＝h(cot(γ1)-tan(u1))cos(u1) (3)式中X是由槽14折射的光線12部分的寬度；h是槽14的高度。類似地，一條槽的寬度L是L＝h(cot(γ1)+tan(ρ))(4)式中ρ是冒口24相對于鏡片10所在平面的法線的夾角。這槽14的透射率(transmission)是
該公式將給出在無表面反射情況下的弗蘭斯奈爾鏡片10在一離鏡片10光軸為一給定中距離Y時的透射率(假定第二表面20的冒口障礙可忽略不計，因為通常是這種(情況)。需注意的是冒口障礙只是弗蘭斯奈爾鏡片10設(shè)計，即γ和ρ以及光線角的函數(shù)。出于制造上的考慮，冒口角(riser angle)往往不作為鏡片10的設(shè)計參數(shù)。所以，在一光線至鏡片10的中心的距離給定的情況下，冒口障礙只是γ的函數(shù)。一旦冒口障礙得知為至光軸的間距的函數(shù)，就能對弗蘭斯奈爾鏡片10作優(yōu)化設(shè)計以減小冒口障礙。然而，簡單地減少冒口障礙不足以最大限度提高透光率，還必須考慮表面反射。
表面反射表面反射是所有各類鏡片的固有問題。弗蘭斯奈爾鏡片的發(fā)明人奧古斯丁弗蘭斯奈爾推導出有關(guān)被鏡片諸表面反射的光線的量與光線入射角之間的關(guān)系的公式。它們可用弗蘭斯奈爾公式計算(見M.Born和E.Wolf的光學原理的第5版第1.5.2節(jié))。對于兩個偏振方向(two polarizations)，它們可用弗蘭斯奈爾鏡片10的折射率n和光線的入射角θ來表示Ts1(θ1)=n2-Sin2(θ1)cos(θ1)[2cos(θ1)cos(θ1)+n2-Sin2(θ1)]2....(6)]]>以及Tρ1(θ1)=n2-Sin2(θ1)cos(θ1)[2ncos(θ1)n2cos(θ1)+n2-Sin2(θ1)]...(7)]]>式中入射角是θ1＝u1+γ1(8)弗蘭斯奈爾鏡片10常用于非偏振光，這樣，S和P透光率可取平均值。重要的是需注意當至光軸的距離給定后，表面反射只是γ的函數(shù)。
弗蘭斯奈爾公式表明隨著光線在鏡片上的入射角的增大，表面反射的量也迅速增加。這入射角隨著光束的發(fā)散而增大，因此，當焦距縮短時問題更為惡化。
盡管在弗蘭斯奈爾鏡片10的第二表面20上冒口障礙常?？梢院雎?，但在計算表面反射對光透射的影響時，還是要考慮第二表面20的。因為光線從一密度較大的光學媒質(zhì)走入一密度較小的光學媒質(zhì)，對于第二表面20，弗蘭斯奈爾公式是稍有不同的。同樣，它們可以根據(jù)光線入射角和折射率來計算Ts2(θ2)=1-n2·Sin2(θ2)ncos(θ2)[2ncos(θ2)ncos(θ2)+1-n2Sin2(θ2)]2...(9)]]>以及Tρ2(θ2)=1-n2Sin2(θ2)ncos(θ2)[2ncos(θ2)cos(θ2)+n1-n2Sin2(θ2)]2...(10)]]>式中θ2是光線在第二表面20上的入射角。
減小冒口障礙的唯一途徑是減小弗蘭斯奈爾鏡片10的第一表面16上的折射能力(屈光度)(power)。事實上，如第一表面16上的折射能力為零，就不會再有冒口障礙發(fā)生?？上В@樣就要求第二表面20必須具有全部的折射能力，這樣會導致它由于表面反射而失去大量的光線。所以，必須在兩表面之間平衡折射能力以求得最大的透光率。
為取得最大的透光率，只需計算把入射光折射向所需的燈絲像的兩表面上的槽角。根據(jù)斯內(nèi)爾定律(snell’s law)，可證明出射光線26的角度u’2為u'2=arcsin(nsin(γ2-arcsin(sin(u1+γ1)n)+γ1))-γ2...(11)]]>該角度只是光線12的入射角、兩槽14和18的角度以及鏡片10的材料折射率的函數(shù)。
出射光線26角度則是u'2=arctan(Yd')......(12)]]>式中d’是弗蘭斯奈爾鏡片10到所希望的燈絲像位置之間的距離，Y非常接近于因而可視作等于計算u時所用的到光軸的距離。這樣，當從光軸至槽14或18的距離給定后，上述方程式中唯一的未知數(shù)是槽角。
三個與透射率有關(guān)的因數(shù)(冒口障礙、第一表面16的表面反射和第二表面20的表面反射)可相乘以得到總的透光率，它是到光軸的距離的函數(shù)。這給出兩個計算兩個槽角用的方程式。然后能對第一表面16中一槽選取一槽角，利用根據(jù)斯內(nèi)爾定律導出的方程式去計算的第二表面20上的槽角，然后再根據(jù)這兩槽角計算透光率。通過對第一表面16槽角的幾個角度值進行幾次計算，就能用圖解法或計算機最優(yōu)先化找到可使透光率最大的角度值。
燈絲像大小燈絲像大小是弗蘭斯奈爾鏡片10的第二重要設(shè)計判據(jù)。之所以重要，是因為它可減少高架投影機的成本，或者在一既定的價格下可提高其性能?？刂聘ヌm斯奈爾鏡片10所引入的慧差可用來縮小燈絲像的尺寸。需注意的是雖然上述有關(guān)透光率的最優(yōu)化的描述只涉及單片雙槽式弗蘭斯奈爾鏡片，但是，下面要討論的涉及縮小燈絲像尺寸的問題則同樣適用于單片雙槽式和雙片單槽式弗蘭斯奈爾鏡片。
圖3表示出燈絲經(jīng)弗蘭斯奈爾鏡片10成像的情況。來自燈泡燈絲30的光線穿過燈炮32，也可以還穿過一聚光器34，然后射向弗蘭斯奈爾鏡片10，經(jīng)該鏡片折射以形成一燈絲30的像36。事實上，弗蘭斯奈爾鏡片10將像差引進了光束。具體說，弗蘭斯奈爾鏡片10引入了軸向色差、球差和慧差，還有少量的其它像差。這樣，燈絲30的像36的邊緣不象通常的像那么清晰，而是在像36的四周彌散得輪廓十分不清。
在美國專利4900129所述的弗蘭斯奈爾鏡片中球差和慧差得到了很好的較正，這可從如圖4所示的在該專利中所述的弗蘭斯奈爾鏡片的瞳線斑圖(spotdiagram)看出。在該瞳線斑圖中有兩個被許多大致呈圓周的圖案所包圍的不同的中心。該兩中心40、42表示出燈絲30上的兩點(中心40和角部42)的兩個像。其中圓圈圖案表明主要的幾種像差是與視場無關(guān)的(field independent)。此時，主要的像差是軸向色差。分析表明球差已得到很好地校正。兩個圓圈圖案的中心40、42附近的高密度圓點是綠光的斑點。如未很好校正球差，斑點會更大些。偏離圓對稱性意味著存在有與視場有關(guān)的像差(field dependent aberration)，例如慧差和像散。
圖5表示的是經(jīng)過按本發(fā)明設(shè)計的弗蘭斯奈爾鏡片后形成的瞳線斑圖。上面的圖案，和前面的相同，是燈絲30的中心44的像。下面的圖案是燈絲的角部46的像，已明顯產(chǎn)生畸變了。這種畸變是存在慧差的明證。在本發(fā)明中，故意引進了慧差以縮小燈絲像36的大小。從對比圖4和5中的燈絲像36的瞳線斑圖的大小可以看出慧差的引入使像36的尺寸縮小了大約1/3。這種縮小作用使在一給定的屏幕尺寸范圍內(nèi)能使用較小的、較輕的和較便宜的投影鏡片，這是非常適合于高架投影機的。
對慧差的一個有用的度量是離軸像的重心位置與其高斯像高度的比較。高斯像高是從光軸到不存在像差情況下的像重心位置之間的距離。慧差則使重心移動。在已有技術(shù)中(圖4)，重心位置只被移動了從光軸到高斯像點之間距離的7.3％。圖5中，很明顯可看出盡管兩鏡片的高斯像高是相等的，但重心是較近于光軸的。在公開的具體實施例中，為了減小像的大小而不考慮光的透射率，從光軸至重心52的距離是高斯像高的52％。最大的重心-光軸間距離應(yīng)小于高斯像高的90％，較可取的是小于75％，而最佳為小于60％。
引入恰當?shù)幕鄄钜钥s小燈絲像36的尺寸的最簡便方法涉及到鏡片設(shè)計計算機程序的使用。有幾種這樣的程序可以從市場上購得。其中一例是可從加利福尼亞的Focusoft，Incorporated of Pleasanton獲得的Zemax版本2.8。例如Zemax這樣的鏡片設(shè)計程序能使一給定了起始點(starting point)和創(chuàng)優(yōu)函數(shù)(merit function)的鏡片10獲得最優(yōu)化設(shè)計。該創(chuàng)優(yōu)功能基本上是一張列出各種設(shè)計者期望該鏡片10所做的事物的表。該表包括有諸條指定的光線以及這些光線在某表面上的著點位置、諸像差、其它性能標準和甚至鏡片10的物理特性。用于縮小燈絲像36的尺寸的創(chuàng)優(yōu)函數(shù)包括一系列來自物體(燈絲30)上的許多點的光線，其中包括中心和離光軸最遠的點(角部)的光線，這些光線通過瞳孔上的足夠多的點以很好地成像(sample)。這些光線必須是在光譜的紅色和蘭色區(qū)內(nèi)，并具有公稱工作波長，即對于目視系統(tǒng)的555毫微米。最優(yōu)化的目標應(yīng)是每條光線在成像面上的著點位置要盡可能靠近光軸。如果鏡片設(shè)計程序可允許改變弗蘭斯奈爾鏡片10的兩表面的曲率、二次曲線常數(shù)(conic constant)和非球面參數(shù)，該鏡片就應(yīng)該成為一相當好的優(yōu)化的鏡片10。但是，這是一個高度非線性問題，各種程序所用的解決方法是不同的，因此任何兩個程序都不大可能達到同樣的答案。此外，達到的結(jié)果在一定程度上取決于鏡片10的起始點。這也是由于問題的非線性造成的。
有些應(yīng)用場合要求弗蘭斯奈爾鏡片對透光率進行優(yōu)化，有些應(yīng)用則要求弗蘭斯奈爾鏡片在縮小燈絲像大小方面得以優(yōu)化。也有一些應(yīng)用要求在這兩者中采取折衷方案。折衷之所以必要的原因是引入慧差一般要求鏡片的多數(shù)的折射能力是在底表面上，而透光率要求多數(shù)的折射能力是在弗蘭斯奈爾鏡片的頂表面上。
要求折衷辦法的應(yīng)用場合的一個例子是高架投影機，它要求弗蘭斯奈爾鏡片的邊緣處的透光率大于中心透光率的50％。設(shè)計的最簡單的方法是先通過優(yōu)化得到最小燈絲像尺寸，然后，用上述方程式核查透光率。如在鏡片邊緣處的透光率大于中心透光率的50％，則設(shè)計完成；如不大于50％，則必須提高透光率。
提高透光率的一種方法是調(diào)節(jié)下表面的系數(shù)以將折射能力轉(zhuǎn)移到上表面，然后優(yōu)化上表面，最后重新計算透光率。這個步驟可重復到達到所需的透光率為止。這種方法的一個優(yōu)點是對于所需的透光率，其燈絲像大小確實得以優(yōu)化了；而其缺點是為達到所需的透光率必須做大量的試驗工作。
另一種可行的方法是規(guī)定在弗蘭斯奈爾鏡片上的幾個點上達到所需的透光率，然后解上述方程式以計算出必需的槽角。做此工作必須在鏡片上有足夠多的點以能使非球面參數(shù)適用于諸槽角。使用這種方法能保證獲得所需的照明輪廓(illumination profile)。使用此方法的困難在于對任何非最大的透光率都有兩對可能的槽角，而且不能擔保所得到的解決方案可優(yōu)使慧差最小。
實例現(xiàn)舉一具體的設(shè)計實例，它是用在高架投影機上的雙槽式弗蘭斯奈爾鏡片10。槽角γ是從鏡片10中心起的距離Y的函數(shù)。槽角γ的設(shè)計方程式為γ(Y)=arctan[CY1-(1+K)C2Y2+6A6Y5+8A8Y7+10A10Y9]....(13)]]>式中C、K、A6、A8和A10均為設(shè)計參數(shù)。
該用于高架投影機的雙槽式弗蘭斯奈爾鏡片10的孔徑清晰，為350毫米。每個表面的槽數(shù)通常是每毫米內(nèi)含2至50條槽，弗蘭斯奈爾鏡片10材料為光學丙烯酸塑料。為了縮小莫爾圖案，兩表面之間的槽數(shù)之比應(yīng)保持為一表面的槽數(shù)至少為另一表面的四倍，并且不是整倍數(shù)。在美國專利4900129中推薦的槽數(shù)比保持在約4.74。如每個表面16、20上的槽寬可變，則對于第一表面和第二表面的每個槽對14和18，都要保持這個槽數(shù)比。
弗蘭斯奈爾鏡片的第二表面20的參數(shù)為C＝8.69E-3K＝-1.184A6＝-6.23E-13A8＝8.31E-18A10＝0弗蘭斯奈爾鏡片的第一表面16的參數(shù)為C＝6.87E-3K＝-3.473A6＝2.54E-13A8＝-3.80E-18A10＝0上面描述了一種弗蘭斯奈爾鏡片，它按照本發(fā)明一個方面，通過減小冒口障礙和表面反射的雙重影響而最大限度提高穿過鏡片的光線的透射率。另一方面，將弗蘭斯奈爾鏡片設(shè)計得使光源燈絲像的尺寸被縮小。最后，弗蘭斯奈爾鏡片的設(shè)計可以采取折衷方案，既可以提高透光率同時也可以減小燈絲像尺寸。
如果對燈絲像尺寸的要求不高，也就是說，如打算在投影機的投影頭中使用較便宜的鏡片，則上面討論過的僅最大限度地提高透光率的弗蘭斯奈爾鏡片對高架投影機是有用的。另一方面，如打算在投影頭中使用較貴的鏡片，最好是采用減小燈絲像尺寸的方法，即使這會損失一些透光率。與已有技術(shù)如美國專利4900129中的設(shè)計相比，本發(fā)明可提高透光率5％以上，同時維持最佳的燈絲像尺寸。如燈絲像尺寸可忽略，則透光率可提高10％，有時可提高15％以上。例如，如分別選取方式程(1)和(12)中的d和d’為306毫米和430毫米，則透光率提高約14％。如d和d’分別選為195毫米和430毫米，則透光率提高約17％。這些透光率值是根據(jù)ANSI標準IT204-1991(ANSI/ISO 9767-1990)而得出的數(shù)值。
盡管本發(fā)明描述了僅僅數(shù)量有限的實施例，對于那些在該技術(shù)領(lǐng)域中的熟悉人員來說，在不背離本發(fā)明精神前提下還可作出許多改變。例如，本發(fā)明上面描述的鏡片是“完美”的鏡片，即在所給定的設(shè)計參數(shù)情況下，性能是盡可能好的鏡片。需注意的是那些具有偏離本文提到的理想化的鏡片的性能的弗蘭斯奈爾鏡片在某些場合，特別是在高架投影機中，其性能也是完全夠用的。這種“次完美”的鏡片能利用本發(fā)明提供的方法進行計算，也就是簡單地先按本發(fā)明方法計算最好的鏡片，然后設(shè)計一種比本文所述的效率低一定百分數(shù)的鏡片。
權(quán)利要求
1.一種投影系統(tǒng)包括一光源；一投影鏡片；以及一弗蘭斯奈爾鏡片，它設(shè)置在所述光源和投影鏡片之間，所述弗蘭斯奈爾鏡片具有一底表面和一頂表面，所述兩表面中的每一個表面具有多條同心的圓槽，對來自光源的光線的給定的入射角形成一底部槽角和一頂部槽角，所述這兩槽角選擇得使所述光線與所述底表面之間的入射角大于所述光線在所述頂表面處的折射角。
2.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述頂部槽角大于所述底部槽角。
3.如權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述兩槽角經(jīng)進一步選擇以在任何來自光源的軸外光線上導致慧差，所述慧差指向光源的光軸。
4.如權(quán)利要求3所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，弗蘭斯奈爾鏡片產(chǎn)生的燈絲像的尺寸具有一比所述燈絲像的高斯像高的90％小的最大光軸至重心距。
5.如權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，弗蘭斯奈爾鏡片產(chǎn)生的燈絲像的尺寸具有一比所述燈絲像的高斯像高的75％小的最大光軸至重心距。
6.如權(quán)利要求5所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，弗蘭斯奈爾鏡片產(chǎn)生的燈絲像的尺寸具有一比所述燈絲像的高斯像高的60％小的最大光軸至重心距。
7.一種投影系統(tǒng)包括一光源；一投影鏡片；以及一弗蘭斯奈爾鏡片，它設(shè)置在所述光源和投影鏡片之間，所述弗蘭斯奈爾鏡片具有一底表面和一頂表面，所述兩表面中的每個表面具有多條同心的圓槽，對來自光源的光線的給定入射角形成一底部槽角和一頂部槽角，所述這兩槽角選擇得使所述光線與所述底表面之間的入射角小于所述光線在所述頂表面處的折射角，所述底部槽角小于所述頂部槽角。
8.如權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，弗蘭斯奈爾鏡片產(chǎn)生的燈絲像的尺寸具有一比所述燈絲像的高斯像高的90％小的最大光軸至重心距。
9.如權(quán)利要求7所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述弗蘭斯奈爾鏡片的透光率比一分別在第一和第二表面上具有相等的入射角和折射角的弗蘭斯奈爾鏡片的透光率大至少5％。
10.如權(quán)利要求9所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述弗蘭斯奈爾鏡片的透光率比一分別在第一和第二表面上具有相等的入射角和折射角的弗蘭斯奈爾鏡片的透光率大至少10％。
11.如權(quán)利要求10所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述弗蘭斯奈爾鏡片的透光率比一分別在第一和第二表面上具有相等的入射角和折射角的弗蘭斯奈爾鏡片的透光率大至少15％。
12.一種投影系統(tǒng)包括一光源；一投影鏡片；以及一弗蘭斯奈爾鏡片，它設(shè)置在所述光源和投影鏡片之間，所述弗蘭斯奈爾鏡片具有一底表面和一頂表面，所述兩表面中的每個表面具有多條同心的圓槽，對來自光源的光線的給定入射角形成一底部槽角和一頂部槽角，所述頂部槽角大于所述底部槽角，所述兩槽角選擇得在任何來自光源的軸外光線上導致慧差，所述慧差朝向光源光軸并且有一小于該系統(tǒng)產(chǎn)生的高斯像高的90％的最大光軸至重心距。
13.如權(quán)利要求12所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，所述弗蘭斯奈爾鏡片的透光率比一分別在第一和第二表面上具有相等的入射角和折射角的弗蘭斯奈爾鏡片的透光率大至少5％。
14.一種制造一單片雙槽式弗蘭斯奈爾鏡片的方法，其中所述弗蘭斯奈爾鏡片整個片子上具有基本上相同的冒口角(riser angle)，其兩側(cè)面的折射能力彼此平衡，從而使通過減小冒口障礙和表面反射的雙重影響而獲得最大的透射率，該方法包括如下步驟選擇一距離d，該距離d是從弗蘭斯奈爾鏡片到一置于該鏡片之光軸上的光源的距離；選擇一d’，該距離d’是從弗蘭斯奈爾鏡片到一置于該鏡片之光軸上的光源的所希望的像的距離；選擇弗蘭斯奈爾鏡片材料的折射率n；選擇一冒口角ρ；根據(jù)下述方程式確定一光線進入弗蘭斯奈爾鏡片時的入射角u1，所述入射光線從離鏡片光軸為一特定距離Y的特定位置入射，入射角的方程式為u1=arctan(Yd);]]>根據(jù)下述方程式確定一光線射出弗蘭斯奈爾鏡片時的出射角u2’，所述出射光線在離鏡片光軸為一特定距離Y的特定的位置上出射，其中的方程式為u2'==arctan(Yd');]]>選擇弗蘭斯奈爾鏡片上靠近所述光源的那一表面的槽角γ1；根據(jù)下述方程式確定弗蘭斯奈爾鏡片上離所述光源較遠的那一表面的槽角γ2，其中的方式程式為u2'=arcsin(nsin(γ2-arcsin(Sin(u1+γ1)n)+γ1))-γ2;]]>根據(jù)下述方程式確定弗蘭斯奈爾鏡片的、與該鏡片的冒口障礙有關(guān)的透光率T冒口，其中的方程式為 計算入射角θ＝u1+γ1；根據(jù)下述兩方程式求兩者之解的平均值，這樣可確定出弗蘭斯奈爾鏡片上的、離光源近的那一表面的、與表面反射有關(guān)的透光率Ts1(θ1)和Tρ1(θ1)，其中的兩方程式為Ts1(θ1)=n2-Sin2(θ1)cos(θ1)[2cos(θ1)cos(θ1)+n2-Sin2(θ1)]2]]>以及Tρ1(θ1)=n2-Sin2(θ1)cos(θ1)[2ncos(θ1)n2cos(θ1)+n2-Sin2(θ1)]]]>確定出射角θ2＝u2′+γ2；根據(jù)下述兩方程式求兩者之解之平均值，這樣可確定出弗蘭斯奈爾鏡片上的、離光源較遠的那一表面的、與表面反射有關(guān)的透光率Ts2(θ2)和Tρ1(θ2)，其中的兩方程式為Ts2(θ2)=1-n2Sin2(θ2)ncos[2ncos(θ2)ncos(θ2)+1-n2Sin2(θ2)]2]]>以及Tρ2(θ2)=1-n2Sin2(θ2)cos(θ2)[2ncos(θ2)cos(θ2)+n1-n2Sin2(θ2)]2]]>確定合成的透光率，即將弗蘭斯奈爾鏡片的、與冒口障礙有關(guān)的透光率和弗蘭斯奈爾鏡片、與該鏡片上的靠近光源的那一表面的表面反射有關(guān)的透光率相乘，再將所得之積和弗蘭斯奈爾鏡片的、與該鏡片上的離光源較遠的那一表面的表面反射有關(guān)的透光率相乘后所得之積；對應(yīng)于弗蘭斯奈爾鏡片上的靠近光源的那一表面的不同的槽角值，重復計算出弗蘭斯奈爾鏡片的合成透光率，直至確定出最大的合成透光率為止；以及對應(yīng)于足夠多的至弗蘭斯奈爾鏡片光軸的距離Y的數(shù)值，重復上述步驟，直至確定整個鏡片上的諸所述槽角γ為止。
全文摘要
一種用于高架投影機的弗蘭斯奈爾鏡片，通過對由其冒口障礙和表面反射造成的光損失所進行的補償而提高了其透光率，并在鏡片中引入了慧差以減少光源燈絲的投影像的尺寸，從而使該透鏡工作性能最佳化。
文檔編號G03B21/132GK1141080SQ95191637
公開日1997年1月22日 申請日期1995年2月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月16日
發(fā)明者斯蒂芬K·埃克哈特 申請人:美國3M公司