專利名稱：：含有準直光源的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明整體涉及照明系統(tǒng)，并且尤其適用于使用一個或多個準直光源的照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：照明系統(tǒng)通常包括光源和將光源發(fā)出的光傳輸至所需目標的照明光學器件。照明系統(tǒng)用于多種應(yīng)用，例如投影顯示器和液晶顯示器(LCD)的背光源。照明系統(tǒng)中的光源可以，例如，包括弧光燈(如汞弧燈)、白熾燈、熒光燈、發(fā)光二極管(LED)或激光。投影系統(tǒng)通常包括用于產(chǎn)生圖像的有源光閥、用于照亮該光閥的照明系統(tǒng)以及通常用于在投影屏幕上投射和顯示圖像的光學器件。投影系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)通常使用一個或多個白光源，如弧光燈。照明系統(tǒng)的照明光學器件可以包括可將白光分成各種顏色(如紅光、綠光和藍光)的裝置。通常期望均勻地照亮光閥。因此，照明系統(tǒng)一般采用一種勻化器來勻化光源發(fā)射的光。
發(fā)明內(nèi)容一般來講，本發(fā)明涉及照明系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及投影系統(tǒng)中采用的照明系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個實施例中，光學系統(tǒng)包括能發(fā)光的光源。發(fā)射光包括一個或多個基本準直的離散光束。該光學系統(tǒng)還包括用于接收并透射發(fā)射光的小透鏡陣列。發(fā)射光中每個離散光束在小透鏡陣列處都具有覆蓋小透鏡陣列中至少多個小透鏡的部分的強度半峰全寬(FWHM)。光學系統(tǒng)還包括光學元件。光學元件從從光學元件的輸入面接收透射的光。光學元件還可勻化所接收的光并從光學元件的輸出面透射勻化的光。在本發(fā)明的另一個實施例中，光學系統(tǒng)包括一個或多個光源。每個光源都能夠發(fā)射基本準直的光束。該光學系統(tǒng)還包括小透鏡陣列。小透鏡陣列可接收并擴展一個或多個光源發(fā)射的光。該光學系統(tǒng)還包括光學勻化器。勻化器可勻化小透鏡陣列擴展的光。每個發(fā)射準直光束在小透鏡陣列處的強度半峰全寬(FWHM)與小透鏡外徑的比率為至少1.05。結(jié)合附圖本發(fā)明的各種實施例所做的以下詳細描述將有利于更完整地理解和體會本發(fā)明，其中圖la示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的照明系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖lb示出了圖1所示小透鏡陣列的示例性部分的示意性側(cè)視圖lc示出了圖lb中小透鏡對準直光束的擴展；圖ld示出了圖1所示小透鏡陣列的另一個示例性部分的示意性側(cè)視圖2示出了實例1中所分析照明系統(tǒng)的一部分的示意性三維視圖3示出了實例1中所分析照明系統(tǒng)的一部分的示意性側(cè)視圖4示出了實例1中所分析小透鏡陣列的一部分的示意性前視圖5a-d示出了實例1中所用四組不同變量的角強度分布；圖6示出了實例1所公開的一些結(jié)果的線圖；以及圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的投影系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。具體實施例方式本發(fā)明整體涉及照明系統(tǒng)。本發(fā)明還適用于包含照明系統(tǒng)和光閥的投影系統(tǒng)，其中希望用高強度光均勻地照亮光閥。本發(fā)明尤其適用于包含一個或多個能夠發(fā)射準直光束的光源(如激光光源)的照明和投影系統(tǒng)。在說明書中，多個附圖中使用的相同附圖標號是指具有相同或類似特性和功能的相同或類似元件。激光光源已用于照明和投影系統(tǒng)。例如，美國專利公布No.2005/0057727公開了激光投影系統(tǒng)，其中準直的可見激光光源通過掃描光閥照亮成像液晶光閥。最近已公開緊湊型高功率半導體激光器。例如，美國專利No.6,243,407公開了能夠產(chǎn)生幾十瓦特輸出功率的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。投影系統(tǒng)中采用的高功率激光光源可增加投影圖像的亮度和對比度。本發(fā)明公開了含有一個或多個準直光源的照明和投影系統(tǒng)。例如，光源可以是激光光源。使用激光光源的已知照明系統(tǒng)(例如美國專利No.5,923,475所公開的照明系統(tǒng))通常含有一個或多個小透鏡陣列，其中每個激光光源在照明系統(tǒng)的每個小透鏡陣列中都具有專用小透鏡。這種照明系統(tǒng)要求每個激光光源與其對應(yīng)的小透鏡精確對齊，因為輕微的未對準實質(zhì)上都會影響光的照明均勻性和角分布。本發(fā)明的一個優(yōu)點是，準直光源可提供均勻的照明而無需單個準直光源與照明系統(tǒng)中其它元件之間精確對齊或是對其要求很低。例如，該優(yōu)點使得可在照明或投影系統(tǒng)中使用尺寸不太精確因而價格較低的元件。該優(yōu)點還省去或降低了對照明或投影系統(tǒng)中光學元件(例如光源)進行精確定位的需要。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，照明系統(tǒng)輸出的角強度分布(或換句話講，輸出的遠場強度分布)對單個準直光源與照明系統(tǒng)中其它元件之間精確對齊并不敏感。該優(yōu)點使得可使用較小的元件(例如透鏡或孔徑闌)，從而降低照明系統(tǒng)的成本并減小其總占有面積。本發(fā)明還公開了減少或消除斑點(或斑點噪聲)的裝置，例如，當照明或投影系統(tǒng)使用了一個或多個相干光源(如激光光源)時可能存在的斑點。斑點通常為干涉圖形，并且斑點是相干成像的特征。斑點可降低圖像質(zhì)量，因此通常希望減少照明或投影系統(tǒng)中的斑點。圖la示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的照明系統(tǒng)100的示意性側(cè)視圖。照明系統(tǒng)100以光學軸線190為中心，包括光源組件110、透鏡120、光學勻化器130、光學傳輸系統(tǒng)140和光調(diào)制器150。光源組件110包括一個或多個光源，例如光源110A和U0B，每個光源可分別發(fā)射基本準直的光束，例如準直光束111A和111B。每個發(fā)射的基本準直的光束都具有半發(fā)散角。例如，準直光束111A具有半發(fā)散角a，準直光束111B具有半發(fā)散角6。每個光束可沿不同方向具有不同的半發(fā)散角。例如，光束111A沿z軸傳播，并在xz平面具有半發(fā)散角a，但它可以在(例如)yz平面具有不同的半發(fā)散角。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，每個發(fā)射準直光束的最大半發(fā)散角小于2度，優(yōu)選地小于1.5度，更優(yōu)選地小于1.0度。在一些應(yīng)用中，每個發(fā)射準直光束的最大半發(fā)散角小于0.75度，優(yōu)選地小于0.5度。光源組件110可包括單個光源。在一些應(yīng)用中，光源組件110可包括多個離散光源，例如，這些光源可布置為一行或多行或應(yīng)用所需的任何形式。光源組件110可包括位于平面上的多個離散光源。在一些應(yīng)用中，光源組件110可包括布置在例如，球形、橢圓形、拋物線、雙曲線、平面或任何其它適用表面上的離散光源三維陣列。光源110A可為任何能夠發(fā)射基本準直的光束的光源，例如激光光源。每個發(fā)射的基本準直的光束都在垂直于傳播方向的方向上具有光強分布。例如，準直光束111A沿z軸傳播，并在xy平面上具有二維光強分布。光強分布在xy平面上沿不同方向可能有所不同。例如，準直光束111A可具有在xy平面上沿x方向的光強分布112，該分布不同于沿y方向的光強分布。光強分布112具有峰值強度113和強度半峰全寬(FWHM)114。透鏡120具有第一表面121、第二表面122和標稱厚度t，例如，其中t為表面121與122之間的平均距離。第一表面121包括小透鏡陣列123，該陣列包括多個小透鏡，例如小透鏡123A。小透鏡可全部為正、全部為負或為正透鏡和負透鏡的組合。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，每個發(fā)射準直光束在小透鏡陣列處的強度FWHM可覆蓋多個透鏡的至少一部分。例如，準直光束111A的強度FWHM114可覆蓋5個小透鏡的至少一部分。小透鏡陣列123中每個小透鏡的內(nèi)徑為可由小透鏡包圍的最大圓周的直徑。類似地，小透鏡陣列123中每個小透鏡的外徑為可包圍小透鏡的最小圓周直徑。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，發(fā)射準直光束在小透鏡陣列123處的強度FWHM與小透鏡陣列中小透鏡外徑的比率優(yōu)選不小于0.94，更優(yōu)選不小于0.97，甚至更優(yōu)選不小于1.0。在一些實施例中，發(fā)射準直光束在小透鏡陣列123處的強度FWHM與小透鏡陣列中小透鏡外徑的比率優(yōu)選不小于1.05，更優(yōu)選不小于1.10，甚至更優(yōu)選不小于1.15。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，所有發(fā)射準直光束在小透鏡陣列123處的最小強度FWHM與小透鏡陣列中所有小透鏡中的最大有限外徑的比率優(yōu)選不小于0.94，更優(yōu)選不小于0.97，甚至更優(yōu)選不小于1.0。在一些應(yīng)用中，所有發(fā)射準直光束在小透鏡陣列123處的最小強度FWHM與小透鏡陣列中所有小透鏡中的最大有限外徑的比率優(yōu)選不小于1.05，更優(yōu)選不小于1.10，甚至更優(yōu)選不小于1.15。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，發(fā)射準直光束可覆蓋4個透鏡的至少一部分，優(yōu)選覆蓋7個透鏡的至少一部分，更優(yōu)選覆蓋9個透鏡的至少一部分。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，每個發(fā)射準直光束可覆蓋4個透鏡的至少一部分，優(yōu)選覆蓋7個透鏡的至少一部分，更優(yōu)選覆蓋9個透鏡的至少一部分。示例性照明系統(tǒng)100提供均勻的照明以及對單個發(fā)射準直光束與小透鏡陣列123中小透鏡的精確對齊不敏感的遠場強度分布，其中照明系統(tǒng)中每個發(fā)射準直光束覆蓋小透鏡陣列123中至少多個小透鏡的部分。為了簡化和便于說明，圖la示出了在單個焦點上聚焦每個入射準直光束的小透鏡陣列123。一般來講，入射準直光束可以在對應(yīng)于入射準直光束照射的小透鏡的多個焦點聚焦。每個入射準直光束照射多個小透鏡的照明系統(tǒng)100的優(yōu)點是入射光在多個焦點聚焦，從而減少了照明系統(tǒng)中的斑點。小透鏡陣列123中的每個小透鏡都具有一個或多個焦點。小透鏡的焦點可位于或不位于同一平面。例如，圖lb示出了小透鏡陣列123的四個示例性正透鏡，其焦點分別是Fl、F2、F3和F4，其中這四個焦點不位于同一平面。圖lc示出了圖lb所示四個小透鏡對入射的基本準直的光束111C的擴展。準直光束111C被有效分成聚焦在焦點Fl-F4上的四個較小光束。隨后聚焦光束在沿z軸傳播時擴展。圖ld示出了小透鏡陣列123的四個示例性負透鏡，其具有虛焦點F5、F6、F7和F8，這四個虛焦點不位于同一平面。在這種情況下，入射的基本準直的光束111D被有效分成為四個較小的光束，其中每個光束在被對應(yīng)小透鏡折射時擴展。焦點不位于同一平面的照明系統(tǒng)100的優(yōu)點是減少了斑點。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，對于小透鏡陣列123中的所有小透鏡，小透鏡外徑與小透鏡焦距的比率是相同的。然而，小透鏡可以具有不同的焦距和/或外徑。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，小透鏡陣列123中的小透鏡具有基本相同的外徑，但至少一些小透鏡具有不同的焦距。小透鏡陣列123中的不同小透鏡可具有不同的光學功率，其中光學功率可以為正或負。小透鏡陣列123可以為線性或二維小透鏡陣列。此外，小透鏡陣列123中的小透鏡可密集堆積或不密集堆積，但是在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，小透鏡被密集堆積以(例如)提高遞送至光調(diào)制器150的光的均勻性。小透鏡陣列123中的小透鏡可具有不同形狀，例如正方形、六邊形、矩形或可能適用于應(yīng)用的任何其它形狀。此外，小透鏡陣列123中的不同小透鏡可具有不同形狀、不同內(nèi)徑和/或不同外徑。小透鏡陣列123中的小透鏡可以是球形透鏡、圓柱形透鏡、非球面透鏡或應(yīng)用所需的任何其它類型透鏡。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，透鏡120能夠擴展每個入射準直光束。在圖la中所示的示例性實施例中，小透鏡陣列123中的小透鏡為平凸型。在這種情況下，透鏡120首先聚焦每個入射準直光束，然后(例如)如圖lc所示擴展每個聚焦光束。小透鏡陣列123中的一些或所有小透鏡可為平凸型，在這種情況下，入射準直光束由第一平面121透射之后即被擴展。一般來講，小透鏡陣列123中的小透鏡可為應(yīng)用所需的任何小透鏡，例如雙凹小透鏡、雙凸小透鏡、凹-凸小透鏡或凸-凹小透鏡，或者適用于給定應(yīng)用的任何其它類型小透鏡。在圖la中所示的示例性照明系統(tǒng)中，小透鏡陣列123中的小透鏡是在基板174的表面173上形成的。在一些照明系統(tǒng)中，小透鏡陣列123中的小透鏡和基板174可形成一體式系統(tǒng)，例如通過在基板174的表面173上直接模鑄小透鏡。圖la中的光學元件130主要用于勻化透鏡120透射的光線，其中勻化光線意味著離開光學元件130的光線比進入光學元件130的光具有更均勻的空間強度分布。已知的光勻化器實例可能存在于美國專禾UNo.5,625,738和6,332,688及美國專利專申請公開No.2002/0114167、2002/0114573和2002/0118946中。光學元件130具有輸入面131、長度為"d"的光學棒132和輸出面133。光學元件130從輸入面131接收透鏡120透射的光線，在光線沿光學棒的長度傳播時勻化所接收的光線，然后從光學元件的輸出面133透射勻化的光線。輸入面131、輸出面133和光學棒132的橫截面可為任何形狀，例如矩形、梯形、正方形、橢圓形或應(yīng)用所需的任何其它形狀。輸入面131、輸出面133和光學棒132的橫截面可具有不同形狀。例如，輸入面131可為圓形，輸出面133可為正方形。光學棒132不同位置處的橫截面可以有所不同。例如，光學棒132可以沿光學軸線l卯沿其長度漸縮。光學棒可沿光學軸線向內(nèi)或向外漸縮。光學棒132橫截面的兩邊可以是直的或彎曲的。錐形光學棒的實例在美國專利No.6,332,688中有所描述。勻化器130可為任何三維形狀，例如多面體(如六面體)。勻化器130的一部分或整體可為實心或中空。勻化器130可以勻化通過任何適用的光學方法(例如反射、全內(nèi)反射、折射、散射或衍射，或者它們的任何組合)或可能適用于勻化所接收光線的任何其它方法接收的光線。圖la示出了直的光學軸線190和直的光學元件130。一般來講，可根據(jù)應(yīng)用需要，在沿光學軸線190的一個或多個點處折疊該光學軸線。在這種情況下，光學元件130也可以在沿光學棒132的長度"d"的一個或多個點處折疊。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，透鏡120對發(fā)射準直光束的擴展與光學元件130的勻化功能相結(jié)合，在光學元件130的輸出面133上遞送出空間上足夠均勻的光。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在xy平面的方向上使透鏡120移動的距離不大于小透鏡外徑的>/2使輸出面133上的光的空間均勻性(有時稱為近場強度分布)變化小于30%，優(yōu)選小于20%，更優(yōu)選小于15%。在一些應(yīng)用中，這樣的移動使輸出面133上的光的空間均勻性變化小于10%，優(yōu)選小于5%，更優(yōu)選小于1%，甚至更優(yōu)選小于0.5%。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在xy平面的方向上使透鏡120移動的距離不大于小透鏡陣列123的小透鏡中最大外徑的K使輸出面133上的光的空間均勻性變化小于30%，優(yōu)選小于20%,更優(yōu)選小于15%。在一些應(yīng)用中，這樣的移動使輸出面133上的光的空間均勻性變化小于10%，優(yōu)選小于5%，更優(yōu)選小于1%，甚至更優(yōu)選小于0.5%。在圖la中，透鏡120和光學勻化器130由距離"1"隔開。一般來講，距離"1"可以是能夠在應(yīng)用中產(chǎn)生所需結(jié)果的任何距離。例如，距離"1"可以足夠大以改善輸出面133上的均勻性。在一些應(yīng)用中，距離"1"可以足夠小以增加光學勻化器130接收和收集的光量。在另一些其它應(yīng)用中，距離"1"可以為零以便(例如)改善機械穩(wěn)定性和/或減少在透鏡120與光學勻化器130之間保持對齊的需要?？赏ㄟ^(例如)取消基板174并直接在光學勻化器130的輸入面131上形成小透鏡陣列123使距離"1"為零。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用粘合劑層(圖la中未示出)將透鏡120光學連接到光學元件130上。如本文所用，術(shù)語粘合劑是指能夠通過表面附連將兩個相鄰的層連接在一起的材料。粘合劑層可通過(例如)分散粘合劑宿主材料中的小顆粒的方式來具有光擴散性，其中顆粒的折射率不同于粘合劑宿主材料的折射率。類似地，透鏡120可沿透鏡的厚度"t"具有光學擴散性。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，透鏡120為光學元件130的一體部分，意即透鏡120和光學元件130形成一體構(gòu)造。例如，小透鏡陣列123可為光學勻化器130的輸入面131的一體部分。光學傳輸系統(tǒng)140從其輸入面141接收由光學勻化器130發(fā)射的光，并將所接收的光傳輸?shù)狡漭敵雒?42，然后將所傳輸?shù)墓鈴钠漭敵雒鎮(zhèn)鬟f到光調(diào)制器150。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，輸出面133和光調(diào)制器150形成共軛對，意即(例如)光調(diào)制器150位于輸出面133的成像平面上。光學傳輸系統(tǒng)140包括具有開放區(qū)域144的孔徑闌143。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，輸出面133和孔徑闌144形成傅立葉變換對，意即，一般來講，輸出面133中的每個點(例如點134)照亮基本上整個開放區(qū)域144。此外，沿相同方向傳播的離開輸出面133的所有光線(例如光線135)都在各自的點(例如開放區(qū)域144中的點145)處基本會聚。光學傳輸系統(tǒng)140可包括一個或多個本質(zhì)上具有(例如)折射性、衍射性或全息性的光學元件，例如透鏡、小透鏡陣列、光學濾光器、色輪、反射鏡或光學傳輸系統(tǒng)140中可以用來將光從光學元件130傳輸?shù)焦庹{(diào)制器150的有效區(qū)域151的任何其它光學元件。光調(diào)制器150具有能夠顯示圖像的有效區(qū)域151。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，孔徑闌143和有效區(qū)域152形成傅立葉變換對。光調(diào)制器150可為能夠顯示圖像的任何光調(diào)制器。光調(diào)制器150可為像素化的。例如，光調(diào)制器150可以是微電子機械系統(tǒng)(MEMS)，例如數(shù)字微反射鏡器件(DMD)。DMD通常包括可傾斜的微反射鏡陣列。例如，可以通過電信號獨立控制每個反射鏡的傾斜。每個反射鏡(或像素)的傾斜使得反射鏡可作為快速而精確的光開關(guān)。因此，DMD可作為數(shù)字化調(diào)制入射光的空間光調(diào)制器，例如，在用入射光照明時顯示圖像。DMD的實例為可得自TexasInstrumentsCompany(Dallas,Texas)的DigitalLightProcessor(DLPTM)。光調(diào)制器150的其它實例包括(例如)美國專利No.5,841,579中所討論的光柵光閥(GLV)或液晶顯示屏(LCD)。例如，液晶顯示屏型調(diào)制器150可具有光透射性質(zhì)或反射性質(zhì)，例如分別為高溫多晶硅(HTPS)液晶顯示屏或硅基液晶(LCoS)顯示屏。一般來講，光調(diào)制器150可以是能夠形成圖像的任何可進行電子開關(guān)的器件。在一些應(yīng)用中，光調(diào)制器150可以顯示靜態(tài)圖像，例如，可隨時間刷新、更改或以其它方式更新的靜態(tài)圖像，取決于具體應(yīng)用。光學勻化器130透射的光具有近場分布，這是在輸出面133上的空間光強度分布。光學元件130透射的光還具有遠場或角強度分布。遠場分布理論上為設(shè)置在距離輸出面133無限遠的平面上透射的光的空間強度分布。實際上，可通過考慮設(shè)置在距離輸出面133較遠距離(例如幾米)的平面上透射光的空間強度分布來大致確定遠場分布。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在xy平面的方向上使透鏡120移動的距離不大于小透鏡陣列123的小透鏡中小透鏡外徑的'/2使勻化器130透射的光的角強度分布變化小于40%，優(yōu)選小于20%，更優(yōu)選小于10%，更優(yōu)選小于5.0%，甚至更優(yōu)選小于1.0%。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在xy平面的方向上使透鏡120移動的距離不大于小透鏡陣列123小透鏡中最大外徑的K使勻化器130透射的光的角強度分布變化小于40%，優(yōu)選小于20%，更優(yōu)選小于10%，更優(yōu)選小于5.0%，甚至更優(yōu)選小于1.0%。以下實例進一步說明了本發(fā)明的優(yōu)點和實施例。具體材料、光學參數(shù)(例如折射率)、實例中詳述的尺寸以及其它條件和細節(jié)不應(yīng)理解為對本發(fā)明的不當限制。實例1:對于在透鏡120上入射的基本準直的光束，對類似圖la中照明系統(tǒng)100的照明系統(tǒng)進行了數(shù)值分析。參考圖2-4描述了實例中所用系統(tǒng)變量和參數(shù)的詳細信息。分析中使用了一束圓形的入射準直光束111A。所述光束在表面131的xy平面上沿x方向和y方向的強度FWHM均為0.2mm。所述光束具有等于0.344度的半發(fā)散角a。所述光束的波長為0.532微米。在分析中，小透鏡陣列123是直接在光學元件130的輸入表面131上形成的、密集堆積的相同正方形小透鏡的二維陣列。每個小透鏡都具有曲率半徑為0.3mm的凸形第一表面(如圖3中小透鏡301所示)和等于0.04mm的小透鏡厚度"P"。輸入面131為矩形，其沿y軸的邊的尺寸為6.8mm，沿x軸的邊的尺寸為4.0mm。光學棒132的長度為40mm。分析中有兩個變量。第一變量是"q"，即每個正方形小透鏡每邊的大小，也是每個正方形小透鏡的內(nèi)徑，如圖2和圖4所示。第二變量是未對齊尺寸"h"，其定義為小透鏡陣列123處入射準直光束111A的中心401與指定小透鏡123B的中心402之間的距離，如圖4所示。h使用了三個不同的值。第一個值為h=0，意即中心401位于中心402處。第二個值為h=q/4，意即中心401沿y軸橫向移動，移動距離等于小透鏡123B的邊的四分之一。第三個值為h=q/2，意即中心401沿y軸橫向移動，移動距離等于小透鏡123B的邊的二分之一。每組變量的分析輸出為D，即包圍由光學勻化器130透射的光的遠場分布的最小半錐角。參考圖la，D對應(yīng)于孔徑闌143的開放區(qū)域144的最小直徑(孔徑闌透射基本上所有離開光學勻化器130的光)，意即(例如)較大的D需要較大的開放區(qū)域144，一般來講，較大的開放區(qū)域需要照明系統(tǒng)中的其它元件也要較大。表1示出了針對實例中考慮的不同變量組的D:<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>在表1中，"OD"為圖2和圖4所示小透鏡123B的外徑，S為FWHM與OD的比率。從表1中可看出，在ODK).283mm時，等于小透鏡邊二分之一大小的未對齊(即，h=0.1mm)導致D從7.5度增大至12.5度，增大近67%。類似地，在OD=0.212mm時，等于小透鏡邊二分之一大小的未對齊(即，h二0.075mm)導致D從7.0度增大至10.0度，增大近43%。另一方面，在OD=0.188mm時，等于小透鏡邊二分之一大小的未對齊(即，h=0.067mm)導致D從8.0度增大至8.5度，僅增大約6%。在OD=0.177mm時，q/4或q/2的未對齊不會改變D。因此，對于大于1.06的S值，入射準直光束與對應(yīng)小透鏡之間的未對齊會使遠場分布變化小于10%。相應(yīng)地，本發(fā)明的優(yōu)點是對于足夠大的S值，遠場分布足夠小，同時對于入射準直光束與小透鏡陣列中小透鏡之間的未對齊不敏感。圖5a-d示出了實例中所用四組不同變量的角強度分布。具體地講，圖5a示出了對齊條件下S=0.707時的角強度分布510，圖5b示出了S相同時的角強度分布520，但具有O.lmm的未對齊。類似地，圖5c示出了對齊條件下S=1.131時的角強度分布530，圖5d示出了S相同時的角強度分布540，但具有0.062mm的未對齊。一種定義角e和O.的方法是參考如圖5a所示的光學勻化器130的輸出面133上的任意點501。從點501離開輸出面133的光線502終止于遠場分布504中的點503。角e為光線502與z軸所成的角。角O為光線502在xy平面上的投影(即，線505)與x軸所成的角。因此，D為包圍光學勻化器130透射的光的遠場分布的最小角e。圖5a和5b表示未對齊O.lmm導致角強度分布大小基本增大，因此需要圖la中照明系統(tǒng)100有較大的開放區(qū)域144，以適應(yīng)例如制造、裝配或使用照明系統(tǒng)100的過程中可能發(fā)生的任何未對齊。相反，圖5c禾B5d示出了本發(fā)明的優(yōu)點，因為恰好0.062mm的未對齊不會影響角強度分布的大小。因此，本發(fā)明允許在制造和裝配時照明系統(tǒng)100的不同元件具有更大的公差。本發(fā)明還允許更大的系統(tǒng)操作溫度范圍，因為熱膨脹和收縮造成的不同系統(tǒng)元件之間的未對齊基本上不會影響總體系統(tǒng)的性能。此外，本發(fā)明允許通過較小的光學元件(包括孔徑闌143中的較小開放區(qū)域144)而使用具有較大f-數(shù)的照明或投影系統(tǒng)，從而降低照明或投影系統(tǒng)的成本并減小其總占有面積。使用較大f-數(shù)系統(tǒng)還可通過(例如)減小光學象差來改善光學性能，繼而通過允許在照明系統(tǒng)100或包括此類照明系統(tǒng)的投影系統(tǒng)中使用較少和/或較不復(fù)雜的光學元件來降低成本。圖6中示出了表1中的一些結(jié)果。具體地講，圖線600示出了等于小透鏡123B邊二分之一的未對齊(見圖4)的D的變化百分率，其為S的函數(shù)。根據(jù)圖線600，對于大于約1的S，D的變化百分率小于約25%。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的投影系統(tǒng)700的示意性側(cè)視圖。投影系統(tǒng)700包括照明系統(tǒng)710、投影光學器件720和投影屏幕730。照明系統(tǒng)710為根據(jù)本發(fā)明任何實施例的照明系統(tǒng)，例如圖la的照明系統(tǒng)100。雖然圖la顯示了一個照明系統(tǒng)，但一般來講，投影系統(tǒng)700可以包括多個照明系統(tǒng)，例如三個照明系統(tǒng)。投影光學器件720將照明系統(tǒng)710生成的圖像投影到投影屏幕730上。投影光學器件720通常包括多個透鏡。已知投影光學器件的實例在美國專利No.6,417,971、6,301,057和5,969,876中有所說明。投影系統(tǒng)700可以是背投系統(tǒng)，在這種情況下，投影屏幕730優(yōu)選為背投屏幕。投影系統(tǒng)700可以是正投系統(tǒng)，在這種情況下，投影屏幕730優(yōu)選是正投屏幕。示出的投影系統(tǒng)700居于直線光學軸線790中間。一般來講，光學軸線790可以在一個或多個點折疊以(例如)減小投影系統(tǒng)的總占有面積。以上引用的所有的專利、專利申請以及其它出版物均以如同全文復(fù)制的方式并入本文以供參考。雖然為了有助于說明本發(fā)明的各個方面，上文詳細描述了本發(fā)明的具體實例，但是應(yīng)當理解，其目的并不是將本發(fā)明限制于實例中所給出的具體內(nèi)容。相反，其目的在于涵蓋附帶的權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有變化形式、實施例和可供選擇的形式。權(quán)利要求1.一種光學系統(tǒng)，包括能夠發(fā)光的光源，所述發(fā)射光包含一個或多個基本準直的離散光束；接收并透射所述發(fā)射光的小透鏡陣列，所述發(fā)射光中每個離散光束在所述小透鏡陣列處都具有覆蓋所述小透鏡陣列中至少多個小透鏡的部分的強度半峰全寬(FWHM)；以及光學元件，從所述光學元件的輸入面接收所述透射光，所述光學元件勻化所述接收的光并從所述光學元件的輸出面透射所述勻化的光。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光源包括激光光源。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中每個基本準直的離散光束的半發(fā)散角小于2度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中每個基本準直的離散光束的半發(fā)散角小于1度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光源包括一排或多排離散光源。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光源包括二維離散光源陣列。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光源包括三維離散光源陣列。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中每個離散光束在所述小透鏡陣列處的FWHM覆蓋至少4個小透鏡的部分。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中每個離散光束在所述小透鏡陣列處的FWHM覆蓋至少7個小透鏡的部分。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中每個離散光束在所述小透鏡陣列處的FWHM覆蓋至少9個小透鏡的部分。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述小透鏡陣列中至少一些小透鏡的焦點不位于同一平面上。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述小透鏡陣列中至少兩個小透鏡具有不同的光焦度。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)具有光軸，其中垂直于所述光軸使所述小透鏡陣列移動所述小透鏡陣列中小透鏡外徑二分之一的距離使所述勻化光的均勻性變化小于5%。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中每個小透鏡都具有六邊形的形狀。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中每個小透鏡都具有正方形的形狀。16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中每個小透鏡都具有矩形的形狀。17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述小透鏡陣列中的所述小透鏡密集堆積。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述小透鏡陣列為所述光學元件的一體部分。19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學元件通過全內(nèi)反射來勻化所述接收的光。20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學元件為錐形。21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學元件的所述輸入和輸出面的至少一個為矩形。22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學元件的所述輸入和輸出面的至少一個為正方形。23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學元件的所述輸入和輸出面的至少一個為梯形。24.—種投影系統(tǒng)，所述投影系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)。25.—種光學系統(tǒng)，其包括一個或多個光源，每個光源都能夠發(fā)射基本準直的光束；用于接收并擴展每個基本準直的光束的小透鏡陣列；以及用于勻化由所述小透鏡陣列擴展的光的光學勻化器，其中每個發(fā)射的基本準直的光束在所述小透鏡陣列處的強度半峰全寬(FWHM)與小透鏡外徑的比率為至少1.05。26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學系統(tǒng)，其中所述比率為至少1.10。27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學系統(tǒng)，其中所述比率為至少1.15。28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學系統(tǒng)，其中所述小透鏡陣列中的所述小透鏡密集堆積。29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光學系統(tǒng)，其中所述一個或多個光源的至少一個為激光光源。全文摘要本發(fā)明公開了光學系統(tǒng)以及包含所述光學系統(tǒng)的投影系統(tǒng)。所述光學系統(tǒng)包括能發(fā)光的光源。所述發(fā)射光包括一個或多個基本準直的離散光束。所述光學系統(tǒng)還包括用于接收并透射所述發(fā)射光的小透鏡陣列。所述發(fā)射光中的每個離散光束在所述小透鏡陣列處都具有強度半峰全寬(FWHM)，所述半峰全寬覆蓋所述小透鏡陣列中至少多個小透鏡的部分。所述光學系統(tǒng)還包括光學元件，所述光學元件用于從所述光學元件的輸入面接收透射的光。所述光學元件勻化所述接收的光并從所述光學元件的輸出面透射所述勻化的光。文檔編號F21S2/00GK101321987SQ200680045680公開日2008年12月10日申請日期2006年11月30日優(yōu)先權(quán)日2005年12月6日發(fā)明者羅伊·A·奧爾巴克,西蒙·馬格利爾申請人:3M創(chuàng)新有限公司