专利名称：有效利用来自开孔式灯光的灯装置和方法
技术领域：
本发明的各个方面总的涉及有利地采用了来自开孔式灯(aperture lamp)的灯系统。本发明的某些方面涉及新颖的结构，这些结构能够通过灯的等离子体将从开孔中射出的部分光线返回开孔中，以进行吸收和再散发。
背景技术：
本发明总的涉及美国专利号5,773,918和5,903,091中公布的各种灯的型式，本文全面引用了其中的每一种以作参考。专利’918和’091各公布了各种不同灯的结构以便有益利用废弃的灯光。
发明概述在此描述的许多发明有益地采用了来自灯的光，这些灯在2000年6月29日申请的申请号为PCT/US00/16302、公开号为WO 99/36940还未授权的PCT申请中有所描述，该申请的整个内容在此援引以作参考。
根据本发明的一个方面，一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；以及，一与外壳隔开的光学元件，它被构造成将从外壳射出的在所需角度之外的光反射回进外壳，通过填充物再循环，同时允许在所需角度之内的光通过，其中在所需角度之内的输出光比没有光学元件时的输出光更强，而所需角度是根据来自外壳的光的均匀性和角度分布来选定。
根据本发明的另一方面，一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；以及，一与外壳靠近分开的高温线栅偏光器，它被构造成将具有不需要极性的光反射回进外壳，以通过填充物再循环，同时允许所需极性的光通过，其中线栅偏光器能够承受至少约400℃的工作温度。
根据本发明的另一方面，一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；一光学元件，相对外壳形成一对应于所需角度的开孔；以及，一在光学元件开孔区域与光学元件靠近分开的高温线栅偏光器，其中光学元件与外壳隔开，并构造成将所需角度之外的光反射回进外壳，以通过填充物再循环，而偏光器构造成将具有不需要极性的光反射回进外壳，以通过填充物再循环，由此从灯系统发出的光在一所需接收角之内并具有所需极性，其光输出比没有光学元件和偏光器的光输出更强。例如，偏光器设置在由光学元件构成开孔中。在另一例子中，偏光器是平面的，该系统还包括一设置在偏光器与灯泡之间的透镜，其中透镜可增加通过偏光器反射回进外壳的光的量。
根据本发明的另一方面，一种光学设备，它包括多个光纤，在光纤之间构成空隙空间；以及，选择性地设置在空隙空间上的反射材料。
根据本发明的另一方面，在光学设备上制造屏膜的方法，该光学设备包括多个光纤，在这些光纤之间构成空隙空间，该方法包括在光纤设备的一端的纤维和空隙空间上设置光敏材料；用合适的光照明光纤设备的另一端，以光激光敏材料；以及，去掉被光激或未被光激的材料，以提供所需的屏膜。
根据本发明的另一方面，一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；以及，一光纤束，它具有多个光纤，在其间构成空隙空间和选择性地设置在空隙空间上的反射材料，其中反射材料至少将那些不进入光纤的光反射回进外壳，通过填充物再循环。
根据本发明的另一方面，一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；一除了射出光的开孔区域之外包住外壳的反射材料；以及，一与离开外壳的光对齐并与外壳靠近但分开的光学元件，其中光学元件具有一抗反射涂层，用以传递在一所需角度分布之内的光，并将在所需角度分布外面的光反射回到外壳以再循环。
根据本发明的另一方面，一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；以及，一与离开外壳的光对齐的光学元件，其中光学元件包括一与外壳分开的反射结构，其中反射结构构成多个射出光的开孔，其中光学元件和反射结构一起构造成将不经过多个射出光的开孔的光引导到外壳，以再循环。
根据本发明的另一方面，一种灯系统，它包括一外壳，除射出光的开孔区域之外均被包在反射陶瓷内；以及，一沿光学轴线靠近开孔的光学元件，其中开孔面积沿远离灯泡133的光学轴线的方向增加，由此与不变面积的开孔相比，到灯泡的光学通路可以更大，光学元件就能相对地更靠近灯泡定位。
根据本发明的另一方面，一种灯系统，它包括一外壳，除第一开孔区域外均被包在反射陶瓷内；以及，一空心光学元件，以其输入端靠着被包外壳定位，其中接触被包外壳的输入端的表面是反射的，其中输入端构成一第二开孔，第二开孔的内周长在第一开孔周长的内部，从而使第二开孔构成外壳的射出光的开孔。
根据本方面的另一方面，一种灯系统，它包括一外壳；一整体连接于外壳的光杆；以及，除光杆连接于外壳的区域之外覆盖外壳的反射陶瓷材料，其中反射陶瓷材料在接近外壳与光杆的连接处成斜角，以避免分散进入光杆的光。
根据本发明的另一方面，一种无电极的灯泡，它包括一本体部分；以及，一整体地连接于本体部分的光学部分，其中本体部分和光学部分一起形成一密封的内部容积。例如，光学部分包括一截头球形透镜，它构成一平的进入表面，处在灯泡密封的内部容积内部。
根据本发明的另一方面，一种高温单块光学元件，它包括一光学部分；以及，一与光学部分相结合的定位部分，其中定位部分不会干扰光学部分的工作，其中该两个部分由一合适材料制成单件结构，以承受至少400°的工作温度。例如，光学部分包括一截头球形透镜，定位部分包括在球形透镜进入表面上的凸缘，该两个部分由模压石英制成。在另一例子中，光学部分包括一CPC(复合抛物形聚光器)，定位部分是一在CPC出口表面上的凸缘，该两部分由模压的石英制成。
根据本发明的另一方面，一种光学元件包括多个具有成角度的台阶的截头圆锥形部分，具有直线横截面，并适合接近一曲线横截面。
根据本发明的另一方面，一种光学元件包括圆的输入表面和输出表面，该输出表面从一圆形截成一具有四侧面的更具矩形的表面，该四侧面基本垂直于输出表面。
根据本发明的另一方面，一光学元件包括沿各自边缘彼此相连的四个分段，其中每一段对应于CPC的小部分，并保持CPC的曲线，以提供所需的角度转换，同时提供一更具矩形的输出。
根据本发明的另一方面，一光学系统包括沿光学轴线对齐的一输入隔膜和一输出隔膜，构造成抑制通过的光到一所需角度范围；以及，一光学元件，位于输出隔膜附近，并可相对于光学轴线朝内弯曲边缘光线，同时留下内部的不变光线。
根据本发明的另一方面，一种灯系统包括一外壳，内含能够再循环的填充物，并除第一开孔区域之外均被反射陶瓷材料所覆盖；以及，一反射器，与外壳隔开并构成沿光学轴线与第一开孔对齐的第二开孔，反射器可将来自第一开孔的冲击在其第二开孔区域外面的光反射回到第一开孔，以再循环，其中根据目标etendue来选择第一开孔到第二开孔的距离和第二开孔相对于第一开孔的相对尺寸。
根据本发明的另一方面，一灯系统包括一外壳，内含能够再循环的填充物，并除一开孔区域之外均被反射陶瓷材料所覆盖；一角度选择光学元件，靠近外壳，并可在所需角度范围内传送光，将在所需范围外的光反射回到外壳，以再循环；一积分器，可接受来自角度选择器的光；以及，一角度转换光学元件，可接受来自积分器的光。在某些例子中，角度选择光学元件、积分器、和角度转换光学元件都是空心的，彼此一起制造成整体。在另一例子中，角度选择光学元件、积分器、和角度转换光学元件是分开的部件，采用各种机械零件使这些部件彼此相对定位。
根据本发明的另一方面，一种光学设备包括一偏振立方体，适合在输入表面上接受光，并沿第一光学轴线传送第一极性的光经过第一输出表面，并反射第二极性的光经第二输出表面；一偏振旋转器，位于接近第二输出表面处，以将第二极性的光改变成极性与第一极性相同；以及，一镜子，用以将来自偏振旋转器的光导向和被传送通过第一输出表面的光相同的方向。
根据本发明的另一方面，一种光学管包括一可在其中容纳和固定透镜的透镜管；一连接于透镜管输入端的第一凸缘，该第一凸缘制有一结构件，可与在开孔式灯上的对应零件匹配，以提供沿光学轴线的光学对齐；以及，一连接于透镜管输出端的第二凸缘，该第二凸缘制有一结构件，可与在外壳上的对应零件匹配，由此开孔式灯保持适当的对齐，以将光输送进外壳。
根据本发明的另一方面，一灯系统包括一RF(射频)激励光源；一安装于RF激励光源的透镜管；以及，一RF扼流件，位于透镜管与光源之间，适于从光源减少EMI(电磁干扰)。例如，RF扼流件包括一传导网筛。
根据本发明的另一方面，一种灯系统包括一具有长度、宽度和深度的外壳，其中深度远小于长度或宽度；一定位成将光引导到外壳内部的开孔式灯；以及，一透镜系统，用于接收来自开孔式灯的光，并将光输出定形成更均匀地分布在外壳内。例如，外壳包括一标准的2×2或2×4凹槽，其中透镜系统包括一圆筒形透镜，该透镜的定位能减少在相对于深度的一维的光的角度范围。
根据本发明的另一方面，一投影系统包括一无电极光源；一被无电极光源照明的图像窗孔；以及，一可选择地被打开和关闭的快门，以从图像窗孔投射图像，其中可根据快门的打开和关闭调制无电极光源。
本发明的前述和其它特征和方面能够单个地或经过组合而实现。除在权利要求书有清楚的叙述之外，本发明不应理解为需要这些特征中的两个或更多。
附图简要说明从下面结合附图对较佳实施例较具体的说明中可清楚地了解本发明的上述和其它目的、特征和优点，其中，在所有的附图中相同的部分用相同的标号表示。这些附图不一定按比例，其重点在于说明本发明的原理。
图1是本发明进行etendue再循环的灯系统的剖开示意图。
图2是开孔式灯与朗伯(Lambertian)分布相比较的光的角分布曲线图。
图3是一灯系统采用无制约输出、制约输出而无再循环和采用etendue再循环的制约输出的光强度对射束角度的曲线图。
图4是本发明采用一高温线栅偏光器以使偏振光再循环的灯系统的剖开示意图。
图5是本发明既用etendue再循环又用偏振光再循环的灯系统的剖开示意图。
图6是本发明第一光纤束的片断立体图。
图7是根据本发明采用光纤束的灯系统的示意性局部剖视图。
图8A至8D是根据本发明制造光纤束的过程步骤的示意性剖视图。
图9A至9D是根据本发明制造光纤束的另一过程步骤的示意性剖视图。
图10是本发明第二光纤束的示意性剖视图。
图11是本发明第三光纤束的立体图。
图12是根据本发明采用一微透镜阵列的灯系统的示意性局部剖视图。
图13是采用一倒角开孔的灯系统的局部剖视图。
图14是图13的有倒角开孔的放大局部视图。
图15是采用光学元件以制约球形开孔的灯系统的剖视图。
图16是采用角度可选择的涂层的灯系统的剖视图。
图17是本发明的远程开孔式灯系统的示意性剖视图。
图18是本发明另一远程开孔式灯系统的示意性剖视图。
图19-24分别是本发明的不同光学元件和远程开孔结构的立体图。
图25是能够提供偏振光平面源的光系统的图表。
图26是采用图25光系统的灯系统的剖视图。
图27是具有整体光杆的护套灯泡的剖视图。
图28是具有整体光杆的护套灯泡的剖视图，其中球形护套切成斜角。
图29是具有整体透镜的无电极灯泡的剖视图。
图30是采用图29灯泡的开孔式灯的剖视图。
图31是球形透镜的示意图。
图32是根据本发明第一方面的模制球形透镜的示意图。
图33是模制球形透镜的前侧示意图。
图34是制造模制球形透镜的模具的剖视图。
图35是制造模制球形透镜的另一模具的剖视图。
图36是具有整体凸缘的模制CPC的示意图。
图37是模制CPC的剖视图。
图38是具有整体凸缘的模制TLP的立体图。
图39是模制TLP的剖视图。
图40是具有斜角台阶的锥形光圆锥体的示意图。
图41是与透镜一起的锥形光圆锥体的示意图。
图42-44分别是CPC的示意性的左视图、前视图和仰视图。
图45-47分别是沿图42-44的虚线截取的截头CPC的示意性俯视图、前视图和右视图。
图48是配有远程开孔的截头CPC的前视图。
图49是一被分割的实心CPC的立体图。
图50是一被分割的空心CPC的立体图。
图51是根据本发明一个方面的弯曲边缘射线光系统的示意图。
图52是弯曲边缘射线的另一光系统的示意图。
图53是根据本发明的一个方面采用etendue选择方法的灯系统的剖开示意图。
图54是根据本发明的一个方面采用角度选择方法和积分器的灯系统的剖视图。
图55-59分别是图54所示的灯系统的另外光学结构的剖开示意图。
图60是图59中区域60的放大的视图。
图61是根据本发明的一个方面的光系统一例子的示意图。
图62是根据本发明的一个方面的光系统另一例子的示意图。
图63是根据本发明的一个方面的光系统的又一例子的示意图。
图64是根据本发明的一个方面的投影系统的示意图。
图65是根据本发明另一方面的采用偏光器立方体的灯系统的示意图。
图66是根据本发明另一方面的采用偏光器立方体的灯系统的示意图。
图67-69分别是根据本发明一个方面的一光学保持件的示意性俯视图、左视图和右视图。
图70是适用于光学保持件的一开孔式灯泡的前示意图。
图71-72分别是根据本发明一个方面的透镜管的示意性左视图和俯视图。
图73是适用于容纳在透镜管中的RF屏幕的示意图。
图74是安装在管子中的RF屏幕的放大的局部剖视图。
图75是用于本发明一个方面的光盒的壳体的立体图。
图76是用在光盒中的透镜的立体图。
图77是光盒的局部剖视图。
本发明的详细说明在以下的叙述中，为了说明而不是限定，引用具体的细节，诸如特定的结构、界面、工艺等等，以便全面理解本发明。然而本领域的技术人员应知道，所公开的内容的利益可使本发明应用在脱离这些具体细节的其它实施例。在某些情况下，省略对众所周知的装置和方法的说明，使本发明的说明显得清楚。
Etendue再循环根据本发明，光的增加量从开孔式灯传输到所需的etendue，例如上文引用的PCT公开号WO 99/36940描述了开孔式灯。在某些应用中，例如投影系统，一个重要的性能参数是传输到例如具有给定区域和角接收度的光学成像元件的光通量，在本文中，etendueε定义为
ε＝π×(面积)×sin2(θ)式中，θ表示特定光线的锥形体的半角。
一三维光源，诸如传统的弧光灯，采用一外反射体，以将光改道和聚焦在所需的物体或平面上，由于收集效率及其它因素，因而伴随着损耗。此外，一弧光灯一般仅提供局部的明亮点，光源的大部分光通量从不同的几乎很少光亮的放电部分散发。
‘940公开文本中的开孔式灯旨在通过提供一光输出非常均匀的两维光源来解决上面的大部分问题。一球形透镜放置成与灯开孔接触，此后，采用合适的透镜提供具有所需射束角度的光。但是，本发明证实了进一步改进的潜力。
图2示出了来自开孔式灯的实际光分布。如图2所示，对于较大的角度，光输出的衰退较Lambertian(朗伯)cos(θ)曲线快。Lambertian光学分布具有恒定的亮度。换句话将，从任何角度看到的亮度是相同的。其结果是，Lambertian光源的任何角虑光产生同样的亮度。光以与etendue相同的速度增加或减少。
但是，对于次Lambertian光源，在大角度的光比较少。在‘940公开文本中揭示的透镜结构将这些角度引入到传输光中，并因此增加etendue成比例地大于它们增加的光。根据本发明的一个方面，一所需角度之外的光被反射回到灯中，以减少次Lambertian光输出对etendue的影响。根据本发明的另一方面，灯开孔的尺寸增加到受抑制的输出角度，较大的灯开孔面积与目标etendue匹配。当输出光的量有明显增加时，增加开孔尺寸具有略微降低正向峰值定向亮度(peak forward directed brightness)的作用，这种差别表示指向目标etendue的光的量有所增加。
一个能够etendue再循环的灯系统采用一球形透镜，该球形透镜具有一构成开孔的可反射外表面。大角度光被反射返回灯中，其中光通过先前的积分球形(integrating sphere)途径，以给定的概率被再吸收和再射出。这导致光的输出降低，但也降低了etendue。通过增加灯开孔的尺寸可进一步增加光的输出。
图1是进行etendue再循环的一较较佳灯系统的示意性剖视图。一开孔式灯3包括一设置在陶瓷罩7内的灯泡5。灯泡5对着一前陶瓷垫圈9定位，该陶瓷垫圈9构成一第一开孔11。罩7内没有被灯泡5占据的空间填充可反射陶瓷材料13。一后陶瓷盘15在反射材料13后面位于罩7内。有关开孔式灯3的构造的进一步细节可参考’940公开文本。
球形透镜17位于开孔11的前面，用于减小从开孔11射出的光的射束角度。光学元件19与球形透镜17隔开，并构成一对应于要通过光所需角度的第二开孔21，其中该角度相对于光学对称轴构成。面对开孔11的光学元件的反射表面23被构成至少使在所需角度之外的部分光回进灯泡5，其间可通过等离子体被吸收和再射出。例如，沿路径A传播的光子沿路径B离开球形透镜17，其间光子遇到光学元件19并沿路径C返回到灯泡5。有一非零概率，返回的多余光的一部分将再射出并在所需角度内离开第一开孔11经过第二开孔21，由此增加通过开孔21的光的强度。
在图1所示的较佳实施例中，球形透镜17有一第一半径R1，光学元件19有一较R1大的第二半径R2。球形透镜17和光学元件19不享有同一中心。但是，它们各自的中心点C1、C2沿中心线CL表示的公共光学轴线对齐。光学元件19构造成其中心点C2位于灯泡5的内部，最好靠近开孔11，使得光学元件19反射的大部分光经开孔11传输到灯泡5中。
图3表示灯系统采用无制约输出、具有制约输出而无再循环以及采用etendue再循环的具有制约输出的光强度对射束角度的曲线图。从曲线图中可清楚地看出，简单地对输出制约(例如用一非反射开孔止挡件)不会增加强度，只是缩小光的射束角度。但是，根据本发明采用etendue再循环(例如用图1的实施例)，不仅仅是射束角度缩小，光强度也有显著增加。
高温偏光再循环如前述’091专利所指出的，非所需极性的光可通过诸如硫磺、硒、碲、卤化铟和其它卤化金属的某些灯等离子体有利地再循环。传统的用于进行这些再循环的光学元件包括诸如由3M公司制造的双面亮度增强膜(DBEF)的光学膜。这些膜一般由塑料制成，不能承受高温。此外，这些膜在紫外线下会退化，由此限制了采用这些膜的光学系统在宽光谱光下的使用寿命。
图4是本发明的采用高温线栅偏光器以使偏振光再循环的灯系统的示意性剖视图。开孔式灯33类似于开孔式灯3，它包括一设置在陶瓷罩37内的灯泡35。灯泡35对着一构成开孔41的前陶瓷垫圈39定位。罩37内没有被灯泡35占据的空间填充可反射陶瓷材料43。一后陶瓷盘45在反射材料43后面位于罩37内。
根据本发明的一个方面，一线栅偏光器46直接位于开孔41的前面。一球形透镜47对着偏光器46定位在偏光器46的相对于开孔41的相对侧。灯系统还可包括一可选择的清除偏光器49，在图4中该偏光器49设置在球形透镜47的曲线外表面。
线栅偏光器46构造成使所需极性的光通过、使非所需极性的光经开孔41反射回到灯泡35中。返回的光具有被填充物吸收的非零概率，并再射出所需极性，由此增加有用的光输出。线栅偏光器46的一个优点是它是由高温材料(例如金属和玻璃)制成，能够承受高的工作温度(例如至少约400℃)。合适的线栅偏光器可从市场上买到，例如包括犹他州的奥勒姆的Moxtek公司。
根据特定的灯结构，直接在开孔41前面的温度仍然可能超过偏光器46的最大工作温度。在这种情况下，偏光器46可省略，用清除偏光器49取代，作为灯系统的主偏光器。偏光器46和49可与球形透镜47一体制成或制成单独件。
Etendue和偏光再循环图5是本发明采用etendue再循环和偏光再循环的灯系统的剖开示意图。一开孔式灯3和图1中所述的相同。球形透镜17位于开孔式灯3的前面，光学元件19与开孔式灯3分开。线栅偏光器51设置在由光学元件19构成的第二开孔21中。
工作时，在由开孔21构成的所需角度之外的至少一部分光经开孔11反射回到灯泡5，在所需角度之内的但没有所需极性的至少一部分光也经开孔11反射到灯泡5。因此，经开孔21离开灯系统的光既在所需角度之内，又具有所需极性。回到灯泡的光的一部分通过等离子体再循环，并在所需角度之内离开灯系统，又具有所需极性，由此增加了有用光的输出。
有利的是，偏光器51与开孔式灯3充分分开，以将偏光器的工作温度保持在一合适的工作温度，一般大大小于其规定最大工作温度。此外，线栅偏光器51的材料在紫外光线下不会明显地退化，由此不会限制灯系统的使用寿命。
组合的etendue/偏光再循环灯系统的再一个优点是与线栅偏光器51一起的构造合适的光学元件19能够减少电磁界面(EMI)渗漏。光学元件19和偏光器51可由导电材料制成。例如，光学元件19可由银制成的镜子组成，线栅偏光器51可由金属丝阵列组成。根据本发明的一个方面，光学元件19和偏光器51合并到也由导电材料(例如铝)制成的透镜管中，所有这些经电气连接在一起并接地以形成有效的EMI防护屏。
光和光纤有效结合根据本发明的一个方面，灯系统构造成将开孔式灯的光更有效地偶合到光纤束中，其中光纤束有在各单独纤维之间的空隙空间。这样的空隙空间可能由例如包围各纤维的金属包覆层引起的“死角空间”。在传统的灯系统中，来自灯的穿过空隙空间的光随后不会在纤维中传送，作为废弃光损失掉了。这种空隙空间占纤维束的15-40％，并因此表明光的损失很大。
根据本发明，该问题是通过在光纤束的接收表面的空隙区域上沉积一反射层来克服的，同时保持各个纤维表面不相接触。然后从空隙区域中反射的光被送回到有效灯容积中，其一部分再循环和再射出。再射出光具有贯穿和进入有效纤维表面的非零概率，如同由纤维传导的光。反射空隙空间有效地成为开孔式灯的反射外壳的一部分。类似地，然后各个纤维开孔的总和表示灯的有效开孔区域，在构造开孔式灯时最好将这种有效开孔区域考虑在内。
图6是本发明第一光纤束的局部立体图。光纤束61包括多个单个光纤63。各光纤63在它们之间构成空隙空间，反射材料65设置在空隙空间之上。
图7是一根据本发明利用光纤束的灯系统的示意性局部剖视图。开孔式灯62包括一被反射陶瓷制品66覆盖的灯泡64，该陶瓷制品构成一开孔67。灯系统构造成光纤束61的一端设置有反射材料65，该端设置在开孔67附近。从等离子体68射出的光子离开开孔沿路径A进入单个纤维63并通过光纤传输。从等离子体68射出的光子离开开孔沿路径B遇到反射材料65并返回到等离子体68，并在那儿被等离子体68吸收后再射出，以非零概率进入各个光纤63之一。
有利的是，光纤束的光学性有助于适于将反射层沉积在空隙空间上的多种处理方法。一种这样的方法将在下面描述。
光敏表面化学在图案(样式)金属化领域中是众所周知的。在这类方法中，在对象表面上沉积一薄膜光敏层。然后将薄膜曝光于具有样式图像的光中，该光能够改变在曝光于此光的区域中的光敏层的化学活性。然后用其它化学制品对曝光表面显影，以去掉那些曝光区域中的最初的光敏层，有选择地在那些没有曝光的区域中沉积薄膜金属反射层。对覆盖有效纤维表面的区域进行曝光就象将纤维束的其它表面曝光于必需光中以使薄膜光敏化一样简单。
图8A至8D是根据本发明制造光纤束的方法步骤的示意性剖视图。图8A示出了一最初的光纤束71，它包括多个单个纤维73和空隙材料74。在图8B中，一光敏粘结层77沉积在光纤束71的一端，光纤束71的另一端曝光于合适光79中，以活化粘结层77。实际上只有与各个纤维73叠合的层77的区域曝光于光中。如图8C所示，在进一步处理之后，留下的粘结层77对应于与空隙区域74叠合的区域。最终，如图8D所示，一金属化反射层75有选择地沉积在留下的粘结层77上。
有大量的其它方法能够用于有选择地将光纤束中空隙区域转换成反射表面。
如上方法是用添加法，即反射材料有选择地添加到空隙空间中。有选择地消减法也可应用，即将最初的薄膜光敏粘结层留在纤维端表面，并从空间区域中去掉，随后使整个表面涂覆上反射材料，该反射材料能够良好地粘结到未涂覆光敏层的空隙区域上；然后将最终的表面暴露于腐蚀剂，该腐蚀剂腐蚀在有效纤维端面上的在下面显影的光敏材料，但该腐蚀剂不腐蚀在空隙材料上的反射涂层。这种选择可以实现，例如，一有机光敏材料和一无机反射层(可以是金属的或二向色的(dichroic))。
图9A至9D是制造本发明光纤束的另一方法步骤的示意性剖视图。在图9A中，光纤束81有一层有机材料87，该有机材料87光稳定地沉积在光纤束一端表面。光纤束81的另一端曝光于合适光89中，以稳定材料87。如图9B所示，进一步处理之后，留下的材料87是与纤维83叠合的材料，而去掉的材料是与空隙材料84叠合的材料。在图9C中，有方向性地沉积的反射层85被加到光纤束81上。在图9D中，用一溶剂有选择地去掉有机层87和沉积在其上的反射材料85。留下的反射层85相等于与空隙材料84叠合的反射材料。
有利的是，上述两个方法采用纤维束的几何形状来为反射层有选择的加工提供自动对齐的方便，由此省略了附加遮光膜并简化了制造工艺。
色彩再循环(color recycling)图10是本发明的第二种光纤束的示意性剖视图。根据本发明的一个方面，空隙空间中的反射材料结合有选择性的波长反射，可以再循环更多的光。在图10中，光纤束91包括单独的光纤93和空隙材料94。光纤束91的一端还包括一与空隙材料94叠合的全反射层95，以及一层在图10中显示的有选择性的反射层97，它覆盖光纤束91那一端的整个表面，但该反射层至少要和纤维93叠合。例如，有选择地反射的材料97可包括红/绿/蓝分色波段通过材料。在工作中，到达反射层95的光反射回到灯泡，在所需波长之外并到达反射层97的光有选择地反射回到灯泡以再循环。根据处理工艺考虑，有选择反射层97和反射层95的次序可反过来(例如，二向色材料可在金属材料的顶部)。
或者，用三个分离的光纤束有选择地吸取同时从同一盏灯的三个开孔中分离出来的波段(每一个分别对应于红、绿和蓝)，而没有被使用的光从每一开孔中再循环。三个分离的纤维或纤维束可为三个所需的波段涂覆有分色波段通过滤光器。从每一波段通过滤光器反射的光立即再循环，这是因为滤光器接近开孔式灯。
在另一不同的形式中，一大芯光纤、一呈锥形的光管(TLP)或其它光导管可在开孔式灯的远端导管的末端处构造有分色波段通过滤光器。在所需波长之外的光被反射经过纤维/锥光管/光导管并通过开孔再进入灯。如上所述，三个分离的导管可用于红绿蓝波段中的每一个。纤维/锥光管/光导管还可在任一端部装有极化(偏振)滤光器，以再循环非所需极性的光。
图11是本发明的第三种光纤束的立体图。单一的纤维束101在不同的几何区域中构造成具有各自的波段通过滤光器R、G和B，从而为红绿蓝三色中的每一色分离成各自的输出窗口103、105和107。从各波段通过滤光器反射的光由于过滤器接近开孔式灯而立即再循环。在远程窗口103、105和107可应用一偏振滤光器，由此通过反射不需要的极性的光经纤维返回以再循环而进一步提高灯的生成效率。纤维束101在其R/G/B波段通过滤光器端部的空隙空间中还可包括反射材料。
显微透镜阵列图12根据本发明采用一显微透镜阵列的灯系统的示意性局部剖视图。显微透镜阵列111包括三个透镜113、115和117。每一透镜113、115和117的一侧面被处理成全反射色光的分光镜，它为该透镜限定为“局部开孔”，此外各透镜还设置一波长选择性波段通过滤光器(如三色中的一种)，它限定了哪一颜色可通过该透镜。阵列111靠近灯泡121设置，并位于由灯泡121周围的反射陶瓷125构成的开孔123中。三个透镜在不同的光学轴线，导致三个独立的图像，一个图像对应于一种色彩波段。每一色彩的废弃光再循环进入灯的等离子体。
作为举例说明给出了前面的光学系统，这不能作为限定。作为本说明书的好处，许多其它光学系统可以采用本发明的各个方面。
过充满CPC的倒角开孔根据本发明的一个方面，一开孔式灯具有一锥形开孔，以使距过充满光学零件的较近的光学通路。
当光学元件的入口表面(即最接近开孔式灯的表面)没有完全被光源照亮时，光学元件被说成是未充满。如果入口表面大于开孔，光学元件与开孔靠得很近，那么这种现象就可能出现。例如，在图5中的球透镜17相对于开孔11未充满。另一方面，当入口表面完全被光源照亮，则光学元件被说成是过充满。当入口表面小于开孔或光学元件与开孔分开时这种现象就会出现。例如，图7中光纤束61相对于开孔67为过充满。
某些未充满光学元件的一个问题是具有视差黑圈的外观，这在光输出中引起不希望的不均匀。而过充满光学元件的一个问题是在光学元件边缘之外的光损失。
本发明在这个方面通过使开孔表面成斜角使光学元件较近地定位，从而减少过充满光学元件丧失光的量。
参阅图13-14，一灯系统131包括一灯泡133，该灯泡除光发射开孔137区域之外都被包装在反射陶瓷制品135之中。一陶瓷盘136(可以是与开孔式灯一体的)构成一开孔137。盘136的一表面138呈斜锥形，从而使盘136接触灯泡133的侧面上的孔的面积小于盘136的相对侧面上孔的面积。换句话将，开孔133的面积在沿光学轴线方向随着远离灯泡133而增加。这种结构使得到灯泡133的光学通路较大，光学元件就可与面积均匀的开孔相比设置得更接近灯泡。
具有构成灯开孔的反射入口表面的空心CPC根据本发明的一个方面，一第一光学元件形成开孔式灯的整体容积的一部分并构成光的发射开孔。
如上所述，开孔式灯具有有关过充满或未充满光学元件的问题。本发明通过采用在其表面具有反射涂层的空心光学元件来克服这些问题。
参阅图15，一灯系统141包括一灯泡和一陶瓷盘143，该盘构有一开孔145。一空心光学元件147有一相对于盘143定位的表面149并构成一开孔151，根据本发明的该方面，表面149的外周边在开孔145的周边外面，而表面149的内周边在开孔145的周边的里面，表面149适合于在至少可视区域内具有高反射性(例如大于90％)。一部分光撞击表面149的反射表面后返回到射出光的等离子体(plasma)。因此，表面149形成开孔式灯泡的整体容积的一部分，开孔151为开孔式灯泡提供光发射开孔。
有利的是，本发明通过光学元件147因在其光输出中具有良好的空间和角度的均匀性而能保持高亮度。一空心的光学元件潜在地比光的etendue转换方面更为有效。例如，如上所述，一实心光学元件必需不充满开孔(即过充满光)。与实心光学元件相比，尤其是与覆盖开孔145和在灯泡与光学元件之间形成一封闭的绝缘空间的实心光学元件相比，空心光学元件还为灯泡窗口的传导冷却提供较好的热力特性。本发明在这方面的另一优点是在开孔式灯泡与第一光学元件之间的不严格的公差。由于光学元件自身构成了灯泡开孔，系统是自动对齐的，光学元件不需要相对灯泡精确对中。
例如，光学元件147的表面149和内侧表面153涂覆有一高温分色涂层，以提供合适的反射表面。根据涂覆工艺，可以任意选择对整个光学元件147加以涂覆，可能在成本上更为有效。尽管光学元件147被说明为CPC，其它空心光学元件也可采用，包括TLP(锥形光管)、光杆或积分器(intrgrator)和球形反射器或角度选择器，并无限制。
最好是，空心光学元件147没有接缝，或在内侧表面153的接缝尽可能少。制造没有内接缝的光学元件的一个方法是绕一无缝的模子收缩一空心石英管。
有选择的高角度截止根据本发明的一个方面，高角度光可从光束中去掉并返回到等离子体，其中返回光的一部分在所需射束角度内再射出。在这方面，角度的选择尽可能靠近射出光的等离子体。所选角度的范围例如可相当于光学元件的接收角。除提高光源的效率外，本发明还提高了从开孔射出的光的利用效率，因为射出光在射束角度上较均匀。
参阅图16，灯系统154包括一灯泡155，除开孔159区域之外均被封闭在一反射陶瓷制品157中。一光学元件161沿光学轴线与开孔159对齐。例如，不是作为限制，光学元件161可以是CPC、TLP、球形反射器、一杆或圆锥体，最好是由石英或另一高温的不导电材料制成。如图所示，光学元件161表示一个具有平表面的石英正圆锥体。能选择角度的分色涂层沉积在灯泡内表面163、灯泡外表面165、光学元件的入口面167或光学元件的出口面169。例如，角度选择涂层构造成使在相对光学轴线的+/-25°的角度之间射出灯泡的光在可见范围中能高度传送，或者在这些角度之外的光在可见范围内能高度反射。
在灯泡或在灯泡附近的涂层163-167是高温分色涂层，而涂层169可以是相对较低温度涂层。在表面163-167区域中的涂层通常由于来自传送的损失和从一较远表面169的返回而更有效。一较佳例子在灯泡表面没有涂层163或165，在光学元件161的入口面167上有一角度选择涂层，在出口面169上有一抗反射涂层。灯系统还可包括一远程开孔和/或一诸如来自3M的DBEF的反射偏光器或上述的设置于出口面169上或其附近的线栅偏光器(wire grid polarizer)。有了这样的构造，并假定光学元件161和灯泡155相隔较近，以减少光泄漏，光学元件与灯泡之间的区域由于从反射偏光器返回的光的数量和高角度光截止(high angle lightcutoff)而相当地增加了光子通量密度。经过适当的构造，产生的光的50％或更多将经该区域返回到等离子体。增大的光子通量密度具有产生更接近的Lambertian光输出的另一优点。
远程开孔参阅图17，一开孔式灯系统173包括一灯泡175，除开孔179的区域之外被包封在反射陶瓷材料177中。锥形灯管(TLP)181与开孔179对齐。最好是，开孔179比TLP181的窄端略大，使得TLP181过充满光。TLP181包括一在TLP181的较大端上的结构183，该结构构成一与灯泡175分开的远程开孔185。在该灯的构造中，结构183实质上是光集合容器的一部分。
在运行中，一些光线A经远程开孔185离开灯系统173，而其它光线B通过结构183经TLP181反射回到灯泡185中。反射回到灯泡的光线B的一部分经反射材料177改变方向，并成为射离灯系统的光A离开灯泡175。还有，经合适选择填充材料(例如诸如硫磺或卤化铟的分子发射体)，再进入灯泡175的部分光B被填充材料所吸收，并成为离开灯系统的光A再射出，由此进一步提高系统效率。与采用开孔179作为灯系统开孔的灯系统相比，构成远程开孔的结构183提供的其它优点包括1)用于构成开孔的结构183的材料具有较大的选择范围。例如，结构183可由高反射金属(例如在结构183的面对灯泡175的侧面进行抛光)、分色涂层或其它高反射材料制成；2)使对开孔185的光学要求与从对灯泡的热要求分离开来-因为开孔185远离灯泡175，它不会有象开孔179周围区域那样的热量；3)可精确地形成系统开孔-金属和分色镜的制造方法可能比与其可比的陶瓷制造方法更精确和可重复；4)可以较好地进行光学对齐；以及5)较好的外形使用-如图12-24所示，光学元件和远程开孔可采用多种形状和尺寸。然而，单个开孔式灯可采用几个不同的光学零件，以满足不同系统的水平要求。例如，同样一个开孔式灯可以通过将光学零件改变成具有所需的远程开孔形状而和一圆的光纤或一矩形液晶显示(LCD)图像窗孔(image gate)相耦合。
参阅图18，一类似于上述系统的开孔式灯系统，除了光学元件是一复合抛物形聚光器(CPC)187并带有构成远程开孔191的构件189。CPC187可以是实心的，也可以是空心的，通常由诸如石英的不导电材料制成。例如，构件189是一面镜子，其中部分被去掉(例如钻掉或机加工掉)以构成一开孔191。用光学透明粘结剂将镜子连接于一实心CPC的端部。镜子可由例如经过高度抛光的金属片制成。或者，构件189是一透明石英盘，其上沉积有一定样式的分色涂层以构成开孔191。用光学透明粘结剂围绕CPC的边缘将盘连接于空心的CPC上。另一种方法，设计一光学夹持件，以将反射结构189定位在光学元件187的端部。
在图19和20中，本发明的光学元件包括一截头圆锥形的TLP，它具有垂直于TLP轴线的圆形横截面并在TLP的一端构成一开孔，该端与TLP的在光源附近的那一端相对。远程开孔可采用任何所需的形状。在图19中，远程开孔是矩形的，而在图20中，远程开孔是圆形的。
在图21和22中，本发明的光学元件包括一截头四棱锥形的TLP，它具有垂直于TLP轴线的矩形横截面并构成一开孔。在图21中，远程开孔是椭圆形的。在图22中，远程开孔的形状为星形或任何可想像的开孔形状。
在图23中，本发明的光学元件包括一圆柱形杆的光导向件，它构成一远程开孔。所示的光导向件是圆筒形的。然而，在本领域的熟练技术人员将会理解，光导向件可以是任何可用的形状，包括具有恒定矩形横截面的导向件或棱镜光导向件。
图24是本发明的构成一远程开孔的CPC的立体图。在光导向件或TLP型光学元件中，光在离开远程开孔或反射回到灯之前对着光学元件的壁经历几次反射。与TLP相反，在CPC型光学元件中，光的大部分在离开远程开孔或反射回到灯之前仅在CPC的壁上(在每一方向)经历一次反射。
在图24中，在CPC的端面上的反射构件构成多个远程开孔。这样的构造是有用的，例如，在用光纤分配光的应用中。在所示的构造中，两个较大的远程开孔和车辆头灯的光纤耦合，而较小的远程开孔则和制动灯和/或内部照明的光纤耦合。
尽管已描述和图解了本发明的几个光学元件的例子，但是本领域的熟练技术人员应该理解根据在此揭示的本发明的原理可构造出具有与开孔式灯系统组合使用的具有远程开孔的许多其它光学元件(例如透镜)。因此，前述的光学系统只是作为举例说明，而不是用于限定本发明。已给出本说明书中好处，许多其它光学系统适于采用于本发明的各个方面。
偏振光的平面源根据本发明的一个方面，偏振光的一平面源包括采用能传送的和能反射的偏振元件的构造(第一是偏振传送，第二是反射)，其中偏振元件是平面的，而不是曲线的(例如不是球形的)，一透镜靠近偏振元件。
总的问题是从一大角度的不均匀的光(例如开孔式灯)的平面源中产生均匀的偏振光的平面源，同时非常接近实际地保存etendue。通过本发明的本方面克服的具体问题是增加再循环的偏振废光(waste light)。
对于较大角度，在此描述的开孔式灯的光的输出衰退得比Lambertian cos(θ)曲线快。所产生的光约是假设用一Lambertian源和使用正常的光强度(垂直于该源和定中心在该源)所预期的光的70至90％。
但是，来自开孔的光接近Lambertian自法线达到约70度，超过最大Lambertian角的光可反射回到开孔再使用。这被表示为“etendue再循环”。
参阅图25-26，本发明的本方面类似于图5的例子，除了省略球形透镜之外，还采用一透镜(例如一平凸透镜)与偏振器合作以增加能够被有效地收回的反射偏振废光的量。偏振器/透镜与具有中心开孔的球面镜子组合以反射多余角度的光回到灯泡开孔中。
需要球面或曲面的偏振元件来反射不需要的偏振回到开孔中。但是，曲面偏振元件是较复杂和高成本的。用一种平面偏振元件，不需要偏振的反射光的大部分不会再进入开孔。有利的是，根据本发明的本方面采用的平凸透镜反射从偏振器返回到源开孔的反射光，由此增加所回收的废光的量。将透镜或偏振元件装配到镜子的中心开孔中。灯泡开孔面积调整到保存最初的alpha值(对于没有镜子或偏振器)。本发明的本方面可用于与球面透镜组合，经过合适调整中心开孔、偏振元件和透镜的尺寸。
参阅图26，一球面反射器193的曲率中心定位在灯泡开孔平面(开孔出口平面)的中心，从而在灯泡开孔平面中形成一颠倒的开孔图像。球面反射器的中心开孔，在第一程次(忽略误差角度和偏差)，将限定从开孔灯泡的光的极限角输出。在球面镜开孔的平面中放置一反射平面偏振元件195。正好在偏振器的反射面的下面放置一平凸透镜197，其焦距使来自灯泡开孔的光从偏振镜反射第二次经过透镜的光将在开孔上成像。偏振器可粘结到透镜的平面侧(如果热量是可行的)，也可形成在透镜的平面侧，或与在各光学表面上的Fresnel非反射涂层分离。从偏振器反射的光的数量取决于偏振器对着的角度和其反射率。
具有整体光杆和斜角开孔的灯泡根据本发明的本方面，具有整体光杆的开孔式灯泡，其反射陶瓷材料在靠近灯泡和杆的连接处制成斜角，以避免分散进入杆的光。
参阅图27，一灯系统包括一灯泡215和一整体圆柱形杆状的光导向件213(可以是实心的或空心的)，灯泡215被包在一反射陶瓷外套217内。在灯泡215中产生的光经光杆213离开灯系统。在外套217之外，光通过杆213总的内部反射有效地向下传播。但是，光遇到在陶瓷材料217与杆213之间的界面时会分散，如图27中用线和箭头所示。进入杆213的相当一部分的光不能传播出灯系统。
参阅图28，本发明的本方面是这样解决这个问题的，使靠近灯泡215和杆213连接处附近的陶瓷材料217倾斜角θ，使得外套217的成斜角表面219不接触杆。这样，在灯泡215与杆213连接处附近遇到杆213的壁的光不会遇到具有反射材料217的界面，光的较大部分通过杆的总的内部反射向下传播。
具有整体透镜的灯泡根据本发明的本方面，一无电极灯泡配有一整体的第一光学元件。有利的是，本发明的本方面取消了两个光学界面和一个热力界面。
在此描述的以及也在‘940文本中公开的某些灯系统示出了与开孔式灯非常靠近的球形透镜或其它光学元件的使用。在这些结构中，灯泡的表面和光学元件的入口表面提供两个光学界面，其每一个都遭受到Fresnel(菲涅耳)反射损失。这些表面可用抗反射涂层进行处理，以减少损失，但这样的涂层必须能承受灯泡的高温，也增加成本，使制造工艺复杂化。具有这些结构的另一问题是灯泡窗口与光学元件之间的空气空间提供了使灯泡窗口温度上升的绝缘层，潜在地限制了灯泡的工作范围或灯系统的使用寿命。
本发明通过使第一光学元件与灯泡整体化来克服这些问题。参阅图29-30，无电极灯泡外壳221包括本体部分223和光学部分225。本体部分223和光学部分225整体相连，可以是整体的，一起构成封闭的容积227。在该较佳的举例说明的例子中，灯泡221具有类似于人眼的横截面，光学部分具有一平的进入表面231和总的形状为截头球形的透镜。
灯泡221可由石英、多晶氧化铝(poly-crystalline alumina)、兰宝石或其它合适的能够承受灯泡高工作温度的可传递光的材料构造而成。一较佳例子的构造如下。
1)从一球形石英灯泡开始，将一实心石英杆焊接到灯泡。
2)加热焊接的区域，将石英杆推入并将灯泡的内部弄平，形成光学部分的表面。
3)用一石英车床，在杆的远离灯泡一合适长度处设置一火炬，将杆加热，并拉伸，以形成球形透镜光学部分的曲线外表面。
4)当光学部分具备所需形状后，将多余的杆修剪掉，并在光学部分修去的区域用火抛光。
然后用光学校准仪来表征上述构造的灯泡。一个作为例子的灯泡被确认具有近似尺寸本体部分直径为9.0毫米、沿光学轴线的总长为10.3毫米和光学部分的沿光学轴线的厚度为2.8毫米(3.4毫米的曲率半径)，这样的灯泡被包封在图30所示的具有6毫米直径开孔的反射陶瓷外套内。与在一类似结构的反射外套内的球形灯泡相比，本发明本方面的灯泡的相对光强度的分布在+/-30°的射束角度范围内更为平坦。
有利的是，由于光学元件与灯泡是整体的，在引导光通过光学元件中没有Fresnel损失。另一优点是，灯泡与第一光学元件之间的空气空隙消除了。
具有整体定位元件的模制光学元件诸如透镜、TLP、杆和CPC的各种光学元件可用于引导从开孔式灯泡射出的光。光学元件的可靠定位和在光学系统中对齐是很困难的。通常，这样的元件必须相对光学轴线也要相对开孔精确定位。但是，接触光学元件表面的销或安装件会引起光损失。可择一地采用多种光学透明粘结剂，但使用这种粘结剂会增加成本，使组装工艺复杂，会缩短系统的使用寿命或降低其可靠性。
本发明的本方面通过提供一具有整体定位元件的模制光学元件克服了这些问题，该整体定位元件能够很容易地与其它机械和/或光学装置对接而不会退化光学通道。
图31示出一可与用于许多光学系统的开孔式灯联合使用的截头球形透镜。进入表面通常比发射光的开孔大得多，因此球形透镜的侧面可以被斜切，这是因为没有光经过透镜的该部分。图32-33示出根据本发明本方面的一模制球形透镜。球形透镜是整体的，在进入表面附近有一整体凸缘并具有两个键槽233和235。如上所述，超出45°锥形处是没有光的，该区域外面的模制透镜的形状没有光学效果。有利的是，凸缘和键槽位于该区域的外面，因此不会削弱透镜的光学功能。
参阅图34-35，一个如何制造模制球形透镜的例子如下。将一实心石英杆加热到软化，软化的石英材料集合在一端。具有集合材料的杆放置到两个模具部分A、B之中，模具围绕材料闭合。例如，模具一个部分B构成透镜的球形部分和凸缘的一侧，模具另一部分A围绕石英杆并构成凸缘的另一侧。凸缘的厚度由在两个模具部分之间形成的凹槽构成。在较佳的图解例子中，凹槽为集合材料提供过大的容积以便材料流入，使得凸缘的周边可任意成形。软化的石英围绕设置在两个模具或其中之一的销子周围流动，以构成两个键槽233和235。或者，其它定位特征也可采用在模制工艺中。尽管该较佳实施例采用的模具有两部分，但两个部分以上的模具也可使用，只要适当小心，避免在光学通道中形成接缝即可。例如，围绕石英杆的模具部分可以是沿中心线分离的两件，可以径向放置在杆的周围。
将透镜模制在杆的端部之后，杆在接近凸缘的合适位置切断，以提供透镜的进入表面。可根据所需的光洁度对进入表面进行抛光。
参阅图36-37，一模制并经磨削的和轴对称的实心石英光学元件在输出端有一凸缘。其形状大致是抛物线-圆锥形(例如接近输入端是圆锥形，此后是抛物线)。在该特定的使用中，直径较小的端部称为输入端，直径较大的端部称为输出端。
整体凸缘提供一机械安装CPC的地方，该CPC使用总的内反射(TIR)以达到其光学性能。这是一个依靠TIR的光学构件，以接收从灯泡开孔输入的光，然后以一受控的尺寸和角度将该光传送到一目标或光学元件。
由于CPC依靠TIR，与表面的任何接触将构成损耗，凸缘位于输出端，由于在输出端的光的入射角很小，使损耗降到最低。凸缘的形状是加工和制造工艺的结果，也是一种尝试以使第二磨削操作减到最低限度。
CPC的轴对称横截面由五个特征构成，该五个特征是，一平的输入端面241，一形成圆锥形旋转截面的直线段243、一形成抛物线旋转截面的抛物线段245、相关的凸缘247和一平的输出端249。直线段和抛物线段被控制成最佳状态以从一给定入射角接收光和以另一所需的入射角射出光。
随后对输入和输出表面的研磨和/或抛光通常是需要的。
参阅图38-39，一模制的光学元件具有TLP形状，TLP的输出端具有一整体的凸缘。
具有角度台阶的锥形光圆锥体本发明的本方面的目的是这样提出的，光从一具有大角度辐射的平面或接近平面的光源附近转换到具有有限角度范围的较大面积的盘形光源，同时比其它方法更将近保存etendue和总的光，同时提出一比复合抛物形折射物成本更低的方案。
使用折射复合抛物形石英聚光器的问题是这样的聚光器很昂贵。但是，更廉价简单的石英圆锥体达不到所需结果。参阅图40-41，本发明的本方面在一个光圆锥体中采用一个或多个角形台阶，以接近折射复合抛物形聚光器的性能。这些台阶的各个角度和位置的选择最好接近可用有台阶的圆锥体代替的折射复合抛物形聚光器。
具有角形台阶的锥形光圆锥体是圆筒形对称的，可以是实心的，也可以是空心的。这些台阶的长度和角度的选择使得能够接近折射复合抛物形聚光器的性能。台阶的数量可以从一到实际需要那么多的任何一个数量。图40所示的例子包括两个台阶。图41的例子在输出表面还包括一凸透镜。凸透镜可以是圆锥体的一部分，也可以是单独的而粘合在一起的。
最终的光学是简单的，它接近一更有效的光学元件。要被替换的介质或折射元件可以是抛物线的或简单曲线的。在任何一种情况，本发明的本方面接近使用一个或多个具有直边的角形台阶的聚光器，从而具有制造容易的优点。
可以制造没有凸透镜的折射或介质聚光器，尽管最终的光学元件比具有透镜的要长。
截头光学元件根据本发明的本方面，一曲线的或锥形的光学元件可以有四个侧边，它们基本上垂直于光学元件的输出表面。
例如，参阅图42-44，一不导电的(例如玻璃或石英)实心CPC沿四个虚线修正，以形成垂直于前表面或以小角度的侧边，使得光在内部反射，从而在形成图像窗孔或图像窗孔光源的所需矩形区域内射出。最终的光学元件如图45-47所示。参阅图48，截头光学元件可采用一任意的远程开孔屏膜，它最好是在面对光学元件的输出端的一面进行反射，以再循环撞击屏膜的光。
有利的是，截头光学元件可将光保存在需要矩形图像窗孔的放映系统中达到比其它系统更大的程度。介质CPC是众所周知的。在许多光学系统中，CPC被反向使用，不是用于集中光，而是将光的角度范围从较大值转换成较小值。但是，具有圆形输出端的CPC将过充满(overfill)矩形图像目标，从而导致废光。根据本发明的本方面，一CPC在四个侧面进行截头(例如切割和/或抛光)，使得光在内部从侧面反射成一较为矩形的输出形状，从而减少废光的数量。
被分割的CPC根据本发明的本方面，一具有曲面的输出表面的光学元件被分割成更接近于一矩形图像窗孔。有利的是，被分割光学元件提高了从一开孔式灯提供给一矩形图像目标的光的量。
如上所述，CPC是将较大角度光转换成较低角度光的常用光学元件。但是，CPC是圆的，而图像窗孔是矩形的，使得门过充满，因而在目标周边周围的光被浪费。本发明的本方面避免用远程开孔，并增加可从CPC耦合到矩形图像窗孔的光的数量。参阅图49-50，一CPC构造有四个侧面。每一侧面是CPC的较小部分，该部分沿其边缘结合于其它侧面，以形成一相对较为矩形的输出窗口。每一侧面保持CPC的曲线，以提供所需的角度转换。该窗孔仍然被过充满，但废光较少。
被分割的CPC可模制成单件或由四个分段构成。被分割的CPC可以是实心的或空心的。开孔可以是圆的或矩形的。一接近正方形输出的被分割的CPC的较佳例子有四个从一较小的25度CPC切下的刻面，该CPC是为一85度入射角设计的。CPC的大致正方形输入面可外接一3.6毫米直径，以接收来自一3.385毫米的圆形开孔的输入。被分割的CPC约48(1.89英寸)毫米长，输出可被约24毫米(0.94英寸)的圆外接。
弯曲边缘光线的光学装置根据本发明的本方面，采用折射和/或反射的补偿元件将一光源的接近领域etendue匹配到一透镜接收etendue。具体地说，一光学元件可使在源边缘的光线朝内移动，同时留下内部的未改变的光线。
例如，本发明一个方面是将在源盘边缘的光线朝内弯曲而不显著改变内部光线，以在目标空间用分级方法达到所需的亮度分布。
参阅图51，用两个隔膜(irises)251和253抑制经过它们的光的角度分布至一所需范围。一透镜255构造成在分级状态下将透镜边缘附近的光线朝内弯曲，同时留下未变化的内部光线，从而较好地匹配一目标接近领域透镜接收etendue。参阅图52，一反射器257构造成在分级状态下将透镜边缘附近的光线朝内弯曲，同时留下未改变的内部光线。
双开孔etendue选择方法和设备根据本发明的本方面，用两个开孔选择一所需的etendue。例如，一个开孔对应于一开孔式灯的输出开孔，另一开孔形成在反射球形(或象球形)反射器中，球形反射器的中心位于开孔上或在开孔的附近。球形体的开口形成一光学系统的入口，该入口适于保存由两个开孔构成的etendue。
两个隔膜构成一接收etendue幅度(magnitude)。一球形反射器趋向(忽略偏差)反射在球形体中心颠倒的光。本发明使用两个概念。灯射出光的开孔对应于第一隔膜。在反射半球形体中的开孔对应于第二隔膜。半球形体的中心位于开孔式灯的开孔中心。原则上，不经过第二隔膜的光反射回到第一隔膜(假定没有偏差)。因此，经过第二隔膜的光是被选择的etendue。球形体可改变，以减少偏差。为了减少偏差，球形反射器可少于一半球形体，其中心略偏移灯的开孔。然后第二隔膜形成将两隔膜限定的角度转换成目标(例如图像窗孔)接收角的光学入口，同时保持etendue。
参阅图53，一开孔式灯261构成第一隔膜263。一球形反射器265构成一第二隔膜267。在第二隔膜267之外，一CPC269转换和引导光至更下游的光学装置。对于给定的第一隔膜，反射器265通过设定第二隔膜的半径和两隔膜之间的长度来完成选择etendue的功能。Etendue可根据Lambert的公式来选择ϵ=π24{L2+(R1+R2)2-L2+(R1-R2)2}2]]>其中ε代表etendue；L代表两隔膜之间的长度；R1代表第一隔膜的半径；以及R2代表第二隔膜的半径。
例如，对于L＝6毫米以及R1＝R2＝3毫米，则etendue为15.2平方毫米。Etendue选择器265和CPC269可制成一个零件结构。在etendue选择器之后，示出一如CPC的光学元件269，但也可以是一复合圆锥形聚光器(compound conicconcentrator)、一球形透镜或其它合适的光学装置。
双CPC和积分器参阅图54(未按比例)，一灯系统271包括一开孔式灯273、一角度选择器275(例如CPC或CPC之类的反射表面)、一光积分器277(具有任选的角度增大器)、一光转换器279(例如一CPC)、一可任选的反射/传送偏振器281和一可任选的远程反射开孔283。
角度选择器(例如空心CPC形式或复合圆锥形聚光器)的优点是能够将不直接用于照明投影显示图像窗孔的大角度光返回到灯泡。光以从光学轴线起至90度的角度进入角度选择器的底部(大直径)，并将通过角度选择器，或不取决于其进入角度。
在某些构造中，离开角度选择器的光可能不如希望的那么均匀。积分器使光在空间随机化，通常提高均匀性。例如，积分器可包括一管子形式的隧道积分器，具有高反射内表面。通常，均匀性随积分器长度的增加而提高。但是，这必需平衡好保持光学装置的紧凑性以及减少反射损失的因素。对于一F数等于1的光源和一空心圆筒形管子，期望约为4或5的长度直径比(相对于管子直径)，以产生可接受的均匀度。对于一小于1的F数，一较小的长度直径比是合适的。假定一4毫米开孔、一50度的截止进入角(cutoff entrance angle)和一直径约为3毫米的空心管子积分器，积分器长度应该小于10毫米。
在长度直径比、管子内部反射率和进入积分器的最大光角度之间有一个折衷选择。加在角度选择器之后和积分器之前的短角度转换器(CPC)可能是需要的，用以将接近90度的积分器输入角降低到也许是70度。在积分器之后，示出如CPC的光学元件279，但也可以是一复合圆锥形聚光器(显然很类似于CPC)、球形透镜或其它合适的光学装置。
如上所述，光学装置可由单件的空心结构制成。该结构可选择是折射的，最好是A/R涂覆的。还有，该结构可由几个部件构成。
对于角度选择器275和积分器277的另一结构是一整体的圆锥形。第一两个阶段275和277组合成一个很高反射比的圆锥体，该圆锥体具有一不多于几度(例如小于约2度)的倾斜角。单一反射比的小角度圆锥体将选择或限制经过该圆锥体的光角度，并将平衡返回到光源。这种限定是通过圆锥体的入口和出口面积控制的。由于圆锥体是小角度，沿圆锥体长度传播的光可能有许多弹跳。参阅Stupp和Brennesholtz(John Wiley 1999)著的<投影显示器>，为了使光在出口盘区域均匀，圆锥体应有长度LL=LnnAsin(θc)]]>其中Ln代表规格化长度(无量纲)，n代表介质的折射率(例如石英＝1.47或空气＝1)，A代表在平均直径的平均横截面面积，以及θc代表中间的或设计的截止角(cutoff angle)。对于在此描述的开孔式灯，希望选择接近5的规格化长度，将使均匀性大于90％。作为例子(端部直径为2.5和3.4毫米的石英圆锥体)L=5·1.47·π(2.95/2)2sin(47)≈26mm]]>
换句话说，初始直径为3.4毫米、最终直径为2.5毫米和长度为26毫米的这个例子导致了在圆锥体端部的直径为2.5毫米圆形平面上的均匀分布。该例子的圆锥体倾斜度正好在1.0度之下。
圆锥体可以是实心介质或空心(空气)，在两种情况下的反射率是关键。在介质情况下，光如果小于对返回光发生的内临界角度(对于与法线相对的石英～42.9°)则逃逸。涂覆在圆锥体外侧的设计成很高内部反射(对于0到43度的内角到表面法线接近一)的介质应该减少逃逸光的量。
对于空心圆锥体，同样没有临界角。对于从接近0度(对于返回光线)到接近90度(直接光线)的角度，相对于圆锥体表面法线的反射率应该是尽可能和尽实用地高。
参阅图55-58，示出了机械安装角度选择器、积分器和CPC的分开零件的各种方法。根据本发明的本方面，光学装置的机械组装可以减少多部件的空心角度选择器281(CPC的形式)、积分器283(实心的或空心的)和空心CPC285的公差。
在图55中，定位器销287用于相对于其它部件定位积分器。但是，与销接触的部位会产生光的损失。积分器的直径大于角度选择器的输出开孔以及CPC的相应输入开孔。接触积分器的CPC的表面能反射，以再循环光。这就允许较松的公差。
在图56，角度选择器的出口成斜角，用以在没有销的情况下将积分器限制在6度的运动之内。将角度选择器而不是CPC做成斜角，以减少光的损失。在图57中，角度选择器和积分器都成斜角，以避免在制造图56的结构时由于线接触而伤害角度选择器的表面(被涂覆)。在图58中，角度选择器包括一限制积分器的凸缘289(如一埋头孔)。
参阅图59-60，有两对单件的CPC/CPC之类的空心反射光学装置291、293和一积分器295。CPC是空心的具有内部反射表面。例如，反射材料是一多层二向色(dichroic)涂层，为一合适范围的角度和波长而设计。每一CPC在CPC与积分器之间的机械界面分别构成一弯曲表面291a、293a(以小CPC的形式)。
在积分器入口端的小CPC291具有两个用途1)积分器的机械保持装置，以及2)将积分器最大输入角从90度减少到实际AR涂层能达到的角度，比如50或也许60度。在积分器出口端的小CPC293a具有作为机械保持件的主要用途。在两端部，CPC必须在接触圈代表一个完整的设计，不延伸或截头，以保持最大的远心光(telecentric light)通过光学系统。在出口端的小CPC293a可能比在入口端的要短(较小的角度转换)。
光学系统例子根据本发明的本方面，多余或无用的偏振和/或在所需偏斜(skew)/etendue之外的无用光被反射回到开孔式灯(‘940公开文本中所描述的那类)，使得无用光的一部分随机化，并作为有用光再射出。有利的是，有用光的总量增加了。本发明的本方面例如可用于需要偏振光强光源的投影显示器。
在’940公开文本中描述的那类开孔式灯中，一灯泡除开孔区域之外被包容在反射陶瓷材料中。反射回到灯泡的光的一部分再由反射材料引导，可作为有用光离开灯泡。还有，通过适当选择填充材料(例如诸如硫磺或卤化铟的分子发射器)，再进入灯泡的光的一部分被填充物所吸收并作为有用光再射出，由此进一步增加系统效率。
参阅图61，一光学系统303包括一复合抛物形聚光器(CPC)305，在其小端部具有一抗反射(A/R)涂层307。对于正常的入射角(0°)传统的A/R涂层是最佳的。根据本发明的一个方面，涂层307构造成使具有高入射角的光与从开孔射出的光更好地结合。例如，A/R涂层307构造成入射角在约30°与55°之间，具有约40°的半角是较佳的。
CPC305在其大端进一步包括一结构311，它构成一远程开孔。当与一开孔式灯结合时，结构311基本上是光积分容器的一部分。在操作中，光A的一些光线经远程开孔离开光学系统303，而光B的另一些光线被结构311反射经CPC305回到灯泡。如上所述，反射回到灯泡的光B中的一些再由反射材料引导并作为离开光学系统的光A离开灯泡。再进入灯泡的光B中的一些被填充物所吸收并作为离开光学系统的光A再射出。
光学系统303还包括一反射UV(紫外线)阻挡滤光片309，它防止UV光损坏下游构件。光学系统303还包括一反射偏光器313。无用的UV光和无用的偏振都反射回到灯以通过填充物再循环。例如，反射偏光器313由可从3M获得的双亮度增强膜(DBEF)制成。
参阅图62，一光学系统315包括CPC305以及A/R涂层307和远程开孔311。光学系统315还包括一在CPC305的大端的大角度A/R涂层317。来自CPC305的光导向一偏光器立方体319(具有为总的内部反射而抛光的侧面)，在该立方体319的面对CPC305的侧面具有一UV反射涂层321。所需偏振的光被立方体319反射经一A/R涂层323到合适的光学装置(例如透镜325)。无用的偏振光被一看得见的反射涂层327反射经CPC305回到灯泡。
参阅图63，一光学系统331包括具有A/R(抗反射)涂层307的CPC305。光学系统331还包括一CPC保持件或凸缘333，它安装于CPC305的大端。例如，CPC305由石英(折射率为约1.46)制成，凸缘333是一用可选择的透明粘结剂连接于CPC305的石英盘，具有类似的折射率。一A/R涂层335设置在凸缘33的端部，不连接于CPC305。一空气界面(折射率为1.00)设置在凸缘333与透镜337之间。该透镜337具有一反射UV涂层339，一反射偏光器341跟随在透镜337后面。其它光学元件(例如立方体)可跟随偏光器341后面。
具有调制光源的投影系统根据本发明的本方面，一投影系统包括一无电极光源和一能打开和关闭以投射图像的快门，其中用于无电极光源的功率可根据快门的打开和关闭调制，以提高效率。
参阅图64，一投影系统351包括一无电极光源353，该光源照明胶片卷355的画面(frame)，以通过胶片窗孔357投射图像。对于传统的电影投影机，胶片窗孔包括一快门，当胶片在两图像画面之间前进时该快门关闭。关闭时间代表投影机的操作时间的相当部分。当快门关闭时，没有光到达屏幕，关闭期间的光被浪费了。根据本发明，在投影系统中采用无电极光源，可用在胶片窗孔上的快门同步地调制该光源，使得当快门打开时有强光输出，而当快门关闭时输出的光相当弱，由此提高了投影系统的效率。例如，以对应于每秒32张图像画面的32Hz调制光源。
有利的是，无电极光源的调制对光源的使用寿命没有任何负作用。电极弧光灯的调制会缩短灯是使用寿命。根据等离子体相对调制频率的响应时间特性，小灯泡尺寸(例如1厘米或更小)是较理想的。
本发明的本方面也可应用于在图像画面之间有中断状态的LCD(液晶显示)或其它投影系统。
偏光器立方体和镜子结构本发明的本方面涉及一新颖的P/S组合件。参阅图65，一光学系统包括一光源401，该光源提供的光指向一极性分离器立方体403。第一极性光直接通过立方体，其它极性光垂直于第一极性光反射向立方体的一表面。一偏振旋转器405(例如一四分之一波片)设置在接收反射光的表面并将反射光的极性旋转成与第一极性相同。具有旋转极性的光然后通过立方体的相对表面反射并由一镜子407导向与第一极性的原始光组合。
另外，参阅图66，偏振旋转器可包括一半波片409，它使光直接通过片而不是将光反射返回并通过立方体。在该结构中，镜子407设置在靠近半波片409。
有利的是，可为需要偏振光的应用场合提供大量的光。
装有开孔罩的光学保持件与电弧放电灯不同，在此描述的开孔式灯能够提供基本平面的光源，具有与所需图像平面(例如光学窗孔)匹配的纵横比。因此，要求开孔平面与图像平面精确对齐，从而要求如下的对齐1)无上下或左右的侧向移动；2)开孔平面垂直于光学轴线(平行于图像平面)；以及3)开孔平面没有绕光学轴线旋转。
根据本发明的本方面，一光学保持件可满足这些要求。参阅图67-70，一光学保持件411提供一空心管413，其两端各有凸缘415、417的。透镜和其它光学元件用垫片、螺纹固定圈等之类安装在管内。一个凸缘417上制有一凹陷肩部419，用于和开孔罩上的结构件421匹配。特别是，开孔罩上可设置与开孔定向相关的结构件，凸缘可与那些结构件配合使开孔相对于下游光学装置能适当定位。另一凸缘415包括一结构件425，用于和一特定用处的外壳匹配，使开孔罩的开孔平面相对于该特定用处的图像平面保持在一合适的方向。
在所示的较佳例子中，开孔罩包括带有一直边的凸缘，该直边与开孔的一侧平行。同样，在凸缘417中的凹部同样做成可与开孔罩匹配的带有平边缘的截头圆。另一凸缘415包括一凸起的矩形唇缘425，唇缘的一侧构造成与凹部的平边缘平行。较佳的是，光学保持件构造成单个的铸件，以降低成本，使凹部和唇缘之间的相对方向保持较高的精度。有利的是，单个铸件的光学保持件411在不需要调整机构、对齐销或参照标记的情况下提供平行的表面和匹配的配合。
有了上述的结构，在开孔和图像平面之间的侧向移动、平面旋转和同步(clocking)旋转的未对准就可避免，勿需再调整，并且通过铸件(和开孔罩)的加工精度可保证高的精确性。
在透镜管中的RF(射频)扼流件根据本发明的一个方面，一光学保持件与一RF扼流件相配合，以减少电磁干扰(EMI)。参阅图71-74，一光学保持件431(例如一透镜管)具有一进入侧433，该进入侧可对着一RF激励的光源安装。根据光源的工作频率，在透镜管中的最窄开口不能充分截止RF发射，不需要的EMI可能会出现。根据本发明的一个方面，一传导筛435位于光学保持件与光源之间，以提高对EMI的抑制。根据光源的工作频率来选择筛眼的尺寸并也使光的阻挡最小。
在所示的较佳例子中，RF扼流件包括一夹在两扁平金属圈437a、437b之间的金属网，这些金属圈提供良好的电接触并增加金属网的刚度。光学保持件形成一适合于接收RF扼流件的肩部439，使得金属网凹陷于保持件中。当光学保持件安装到光源时，RF扼流件固定地保持在位。
光盒荧光灯通常安置在具有2英尺×2英尺或2英尺×4英尺的标准尺寸的凹槽中(trough)。这样的凹槽适于装配在具有类似尺寸的金属格子的吊顶中。
这种荧光照明比较有效，但只有最低程度可接收的光的质量。
需要一可直接替代这种荧光灯具的照明设备，但具有优良的照明特性。
一般地说，灯头罩着一开孔式灯泡，该灯泡引导输出光通过一球形透镜，所有这些在前述的‘302PCT申请中已详细描述。有了合适的填充物(例如卤化铟)，由灯提供的光的彩色再现指数超过90。
图75是用于本发明光盒的外壳的立体图。一外壳515可以是例如一标准的2×2荧光灯凹槽，该凹槽可在任何照明设备商店中购得。凹槽515包括一在一侧的孔517。从灯头507输出的光穿过孔517。
图76是一用在本发明光盒的透镜的立体图。来自灯头507的光以一约140°的全射束角度相当均匀的分布。灯头507包括一球形透镜，该透镜进一步均匀地校准光输出(例如约60-70°全角)。根据本发明，光束定形得更均匀地将光分布到光盒中。例如，一凹槽515的透镜519由一圆筒形透镜组成，它构造成将光沿对应于光盒深度D的轴线聚焦比沿光盒宽度W的轴线聚焦更窄。一合适的圆筒形透镜可从加利福尼亚的Melles Griot，Irvine购买，产品号是01LCP127。圆筒形透镜进一步将光输出仅在单维中(例如深度D)校准到约24°全角。其它光盒的结构得益于其它射束成形透镜的构造。
图77是本发明光盒的剖面图。一光盒521包括形成开口517的外壳515。光源(例如包括灯头507)定位成使光穿过开口517。一光学系统(例如一球形透镜和圆筒形透镜519)构造成接收来自灯头507的光，并将光束定形成将光更均匀地分布到光盒。例如，为将透镜519保持在位可设置一组支架523。
通常，一光漫射覆盖件放置在凹槽515之上。如果必要或需要，将各种反射和/或漫射材料放置在凹槽515内部，以改变光输出。例如，光盒的开口517一侧和光盒的与开口517相对的一侧中的任一侧或该两侧可覆盖有一诸如聚酯薄膜的高反射材料。铝片，一种具有高抛光镜面光洁度的柔性材料也可使用。一类似小片(例如75毫米乘以125毫米)材料可定位在凹槽515的接近开口517的底面。漫射材料可用于减少亮点的出现，尤其接近开口517。
电源和RF部件可固定于凹槽515的外面(例如隐藏在天花板的部分)。或者，这些部件可另外安置在适当靠近灯头507的天花板中，以在一同轴电缆中提供RF能量。
有利的是，上述的光盒可用在标准的吊顶格子结构中，以直接替换标准的荧光灯具。本发明的上述构造可容易地扩展到标准的2×4凹槽中。如果必要或需要，可在凹槽的每一端设置一灯头。其它尺寸的光盒也是可以的。
尽管在此已描述和图解了本发明光学系统的几个例子，但本领域的技术人员应该知道，可按照在此揭示的本发明的原理构造许多其它类似系统。因此，前述的光学系统是作为举例说明而不是作为限制给出的。在给出本说明书的好处的情况下，许多其它光学系统都可采用本发明的各个方面。结合目前能够考虑到的较佳实施例描述了本发明。但是，要理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明可覆盖包括本发明基本精神和范围在内的各种改变和等效结构。
权利要求
1.一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；以及一与外壳隔开的光学元件，它被构造成将从外壳射出的在所需角度之外的光反射回到外壳，通过填充物再循环，同时允许在所需角度内的光通过，其中在所需角度内的光输出比没有光学元件的光输出更大，而所需角度根据来自外壳的光的均匀性和角度分布来选择。
2.一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；以及一与外壳靠近而分开的高温线栅偏光器，它被构造成将具有不需要极性的光反射回到外壳，以通过填充物再循环，同时允许所需极性的光通过，其中线栅偏光器能够承受至少约400℃的工作温度。
3.一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；一光学元件，相对于外壳形成一符合所需角度的开孔；以及一与光学元件开孔区域内的光学元件靠近但分开的高温线栅偏光器，其中光学元件与外壳隔开，并构造成将所需角度之外的光反射回到外壳，并通过填充物再循环，而偏光器构造成将具有不需要极性的光反射回到外壳，并通过填充物再循环，由此离开灯系统的光在一所需接合角之内并具有所需极性，其中的光输出比没有光学元件和偏光器的光输出更大。
4.如权利要求3所述的灯系统，其特征在于，偏光器设置在由光学元件构成开孔中。
5.如权利要求4所述的灯系统，其特征在于，偏光器是平面的，还包括一设置在偏光器与灯泡之间的透镜，其中透镜可增加通过偏光器反射回到外壳的光的量。
6.一种光学设备，它包括多个光纤，在光纤之间构成空隙空间；以及有选择地设置空隙空间上的反射材料。
7.一制造在光学设备上的屏膜的方法，该光学设备包括多个光纤，在这些光纤之间构成空隙空间，该方法包括在光纤设备的一端的纤维和空隙空间上设置光敏材料；用合适的光照明光纤设备的另一端，以光激光敏材料；以及去掉被光激或未被光激的材料，以提供所需的屏膜。
8.一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；以及一光纤束，它具有多个光纤，在其间构成空隙空间，并有选择地在空隙空间上设置反射材料，其中反射材料至少将不进入光纤的一些光反射回到外壳，以通过填充物再循环。
9.一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；一除了射出光的开孔区域之外包住外壳的反射材料；以及一与离开外壳的光对齐并与外壳靠近但分开的光学元件，其中光学元件具有一抗反射涂层，以传递在一所需角度分布之内的光，并将在所需角度分布之外的光反射回进外壳以再循环。
10.一种灯系统，它包括一外壳，含有能够使光再循环的填充物；以及一与离开外壳的光对齐的光学元件，其中光学元件包括一与外壳分开的反射结构，其中反射结构构成多个光发射开孔，其中光学元件和反射结构一起构成将不经过多个光发射开孔的光引导返回到外壳，以再循环。
11.一种灯系统，它包括一外壳，除发射光的开孔区域之外均被包在反射陶瓷内；以及一沿光学轴线靠近开孔的光学元件，其中开孔面积向沿远离灯泡的光学轴线的方向增加，由此与不变面积的开孔相比，允许接近灯泡的光学通路更大，光学元件就能更靠近地定位。
12.一种灯系统，它包括一外壳，除第一开孔区域之外均被包在反射陶瓷内；以及一空心光学元件，其输入端表面靠着被包外壳，其中接触被包外壳的输入端的表面是反射的，其中输入端构成第二开孔，第二开孔的内周边在第一开孔的周边的之内，使得第二开孔构成外壳的光发射开孔。
13.一种灯系统，它包括一外壳；一整体连接于外壳的光杆；以及一除光杆连接于外壳的区域之外覆盖外壳的反射陶瓷材料，其中反射陶瓷材料在接近外壳与光杆的连接处成斜角，以避免分散进入光杆的光。
14.一种无电极灯的灯泡，它包括一本体部分；以及一整体地连接于本体部分的光学部分，其中本体部分和光学部分一起形成一密封的内部容积。
15.如权利要求14所述的灯泡，其特征在于，光学部分包括一截头球形透镜，它在灯泡密封的内部容积内构成一平的进入表面。
16.一种高温单块光学元件，它包括一光学部分；以及一与光学部分相结合的定位部分，其中定位部分不会干扰光学部分的工作，其中该两个部分由一合适材料制成单件结构，以承受至少400°的工作温度。
17.如权利要求16所述的光学元件，其特征在于，光学部分包括一截头球形透镜，定位部分包括在球形透镜进入表面上的凸缘，该两个部分由模压石英制成。
18.如权利要求16所述的光学元件，其特征在于，光学部分包括一CPC，定位部分是一在CPC出口表面上的凸缘，该两部分由模压的石英制成。
19.一种光学元件，包括多个具有成角度的台阶的截头圆锥形部分，具有直线横截面，并适于接近曲面横截面。
20.一种光学元件，它包括一圆的输入表面和一输出表面，该输出表面从一圆形截成一具有四侧面的更具矩形的表面，该四侧面基本垂直于输出表面。
21.一光学元件，它包括沿各自边缘彼此相连的四个分段，其中每一段相当于CPC的一小部分，并保持CPC的曲面，以提供所需的角度转换，同时提供一更具矩形的输出。
22.一光学系统，它包括沿光学轴线对齐的一输入隔膜和一输出隔膜，构造成将通过其中的光抑制到一所需角度范围；以及一光学元件，靠近输出隔膜定位，并可将边缘光线相对于光学轴线向内弯曲，同时留下内部的光线不变。
23.一种灯系统，它包括一外壳，含有能够再循环的填充物，并除第一开孔区域之外均被反射陶瓷材料覆盖，以及一反射器，与外壳分开并构成一沿光学轴线与第一开孔对齐的第二开孔，反射器可将来自第一开孔的冲击在第二开孔区域之外的光反射回到第一开孔，以再循环，其中根据一目标etendue来选择第一开孔到第二开孔的距离和第二开孔相对于第一开孔的相对尺寸。
24.一灯系统，它包括一含有能够再循环的填充物，并除了开孔区域之外均被反射陶瓷材料覆盖的外壳；以及一角度选择光学元件，靠近外壳，并可传送在所需角度范围内的光，将在所需范围外的光反射回到外壳，以再循环；一积分器，可接受来自角度选择器的光；以及一角度转换光学元件，可接受来自积分器的光。
25.如权利要求24所述的灯系统，其特征在于，角度选择光学元件、积分器、和角度转换光学元件都是空心的，彼此一起制造成整体。
26.如权利要求24所述的灯系统，其特征在于，角度选择光学元件、积分器、和角度转换光学元件是分开的部件，其中积分器用定位销定位。
27.如权利要求24所述的灯系统，其特征在于，角度选择光学元件、积分器、和角度转换光学元件是分开的部件，其中角度选择光学元件的输出端制成斜角，并可与积分器的外表面成线接触。
28.如权利要求24所述的灯系统，其特征在于，角度选择光学元件、积分器、和角度转换光学元件是分开的部件，其中角度选择器构件的输出端和积分器的输入端配有相匹配的斜角。
29.如权利要求24所述的灯系统，其特征在于，角度选择光学元件、积分器、和角度转换光学元件是分开的部件，其中角度选择光学构件的输出端配有一小CPC形式的曲面，适合与积分器机械对接并提供一角度转换。
30.一种光学设备，它包括一偏振光立方体，适于在输入表面上接收光，并沿第一光学轴线传送第一极性的光通过第一输出表面，并反射第二极性的光通过第二输出表面；一接近第二输出表面定位的偏振旋转器，用以将第二极性的光改变成极性与第一极性相同；以及一镜子，用以引导来自偏振旋转器的光以和被传送通过第一输出表面的光相同的方向向前。
31.一种光学管，它包括一可在其中容纳和固定透镜的透镜管；一连接于透镜管输入端的第一凸缘，该第一凸缘形成一结构件，可与在开孔式灯上的对应构件相匹配，以提供沿光学轴线的光学对齐；以及一连接于透镜管输出端的第二凸缘，该第二凸缘形成一结构件，可与在外壳上的对应构件相匹配，由此与开孔式灯保持适当的对齐，以将光提供到外壳。
32.一灯系统，它包括一RF激励光源；一安装于RF激励光源的透镜管；以及一RF扼流件，定位于透镜管与光源之间可以减少来自光源的EMI。
33.如权利要求32所述的灯系统，其特征在于，RF扼流件包括一传导网筛。
34.一种灯系统，它包括一具有长度、宽度和深度的外壳，其中深度远小于长度或宽度；一定位成将光引导到外壳内部的开孔式灯；以及一透镜系统，用于接收来自开孔式灯的光，并将光输出定形成更均匀地分布在外壳内。
35.如权利要求34所述的灯系统，其特征在于，外壳包括一标准的2×2或2×4凹槽，其中透镜系统包括一圆筒形透镜，该透镜定位成减少相对于深度的单维的光的角度范围。
36.一投影系统，它包括一无电极光源；一被无电极光源照明的图像窗孔；以及一可选择地被打开和关闭的快门，以从图像窗孔投射图像，其中可根据快门的打开和关闭调制无电极光源。
全文摘要
本发明涉及各种灯系统，它们有效地采用了来自开孔式灯的光。这些灯系统分别构造成完成各类光的回收，包括etendue再循环，偏振再循环和/或色彩再循环。本发明公开了各种新颖的光学元件，包括具有一整体透镜的无电极光源灯泡、一具有整体凸缘的模制石英球形透镜、一具有整体凸缘的模制石英CPC、一截头CPC和一分割的CPC。还公开了各种新颖的光学系统，包括完成角度选择和/或etendue选择的系统。
文档编号G02B6/04GK1471646SQ00816653
公开日2004年1月28日 申请日期2000年10月11日 优先权日1999年10月13日
发明者J·T·多兰, J T 多兰, M·A·杜比诺夫斯基, 杜比诺夫斯基, A·吉特西维克, 匚魑 , K·基普林, 樟, D·A·柯克帕特里克, 柯克帕特里克, D·W·劳伦斯, 劳伦斯, I·莱文, 麦克伦南, D·A·麦克伦南, 里德尔, R·H·里德尔, 怂, B·尚克斯, 芩, M·史密斯, 萨姆纳, T·L·萨姆纳, 斯威尼, S·J·斯威尼, 特纳, B·P·特纳, 于里, M·G·于里, 伍滕, S·L·伍滕 申请人:熔化照明股份有限公司