专利名称：用于双抛物面反射器dpr系统的光耦合的伪导光管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种导光管，更特别地涉及一种伪导光管，其用作楔形导光管 (tapered light pipe)且起楔形导光管的作用，但是比楔形导光管更容易安装和制造。伪导光管的输出端的凸弯曲被选择成提供具有特定散度的输出，并且特别地，被选择成提供输出平行光线。
背景技术：
楔形导光管(TLP)用在许多应用中，用于将一个区域/角度组合的光源转换成具有基本上相同亮度的另一光源。锥角和长度被设计成使得将具有最小的亮度损失。在实际应用中，该长度小于期望的长度。在这样的情况下，输入和输出面分别被制成为凹面和凸面，以使得楔形导光管对于输入和输出光来说看起来是直的。TLP的制造和安装一般是繁重且昂贵的。因此，要求保护的发明是基于如下期望而进行的为TLP提供低成本的制造和安装。
发明内容
因此，要求保护的发明的目的是提供一种解决了 TLP的上述问题的伪导光管。根据要求保护的发明的示例性实施例，一种伪导光管包括输入端、输出端以及光透射介质。输入端收集来自光源的光线。输入端一般包括平面。替选地，输入端的部分可以具有凹弯曲。输出端输出并校准在输入端处收集的光线。输出端具有凸弯曲。优选地， 输出端的弯曲被选择成使得输入端和输出端之间的集光率(etendue)失配最小化。光透射介质互连输入和输出端，并且将光线从输入端透射到输出端。输出端的凸弯曲被选择成输出平行光线。优选地，伪导光管的输入和输出端的表面涂有防反射涂层。根据要求保护的发明的方面，伪导光管还包括用于安装该伪导光管的安装面。根据要求保护的发明的示例性实施例，一种投影系统包括投影引擎、光源以及伪导光管。光源包括灯、双抛物面反射器(DPR)以及回复反射器(retro-reflector)，其中该回复反射器收集杂散光线并将其重定向至DPR。伪导光管包括输入端、输出端以及光透射介质。输入端收集来自光源的光线。输出端输出并校准在输入端处收集的光线。输出端具有凸弯曲。光透射介质互连输入和输出端，并且将光线从输入端透射到输出端。输出端的凸弯曲被选择成输出平行光线。投影系统可选地包括在伪导光管的输出端与投影引擎之间的复眼透镜和偏振转换系统。优选地，投影引擎是液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LC0Q投影引擎。根据要求保护的发明的示例性实施例，伪导光管可以与以下光源中的任何一个一起使用LED(发光二极管)、微波灯、超高压汞灯、微波驱动无极灯、金属卤化物灯、荧光灯以及卤素灯。光源可以将灯与以下中的一个相组合双抛物面反射器(DPR)、具有回复反射器的DPR、椭圆反射器、具有聚焦透镜的抛物面反射器或者双椭面反射器(DER)系统。回复反射器收集杂散光线并将其重定向至DPR。
根据要求保护的发明的示例性实施例，光源定位在输入端附近并且定位在输出端的焦点处。根据要求保护的发明的示例性实施例，光透射介质具有圆形、矩形或多边形横截面。光透射介质由以下材料中的至少一种制成玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。根据要求保护的发明的示例性实施例，输出端的凸弯曲是以下圆锥形状中的一种抛物线、双曲线或者球形。一般而言，凸弯曲可以是按数值生成的面。优选地，输出端的凸弯曲是椭圆。根据要求保护的发明的示例性实施例，光透射介质包括多个段(section)。所述光透射介质的每个段由以下材料中的一种制成玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。优选地，包括输入端的段由高温材料制成，而包括所述输出端的段由低温玻璃或塑料制成。根据要求保护的发明的方面，光透射介质包括在所述光透射介质的每段之间的空气间隙。根据要求保护的发明的方面，所述光透射介质的每个段由不同的材料制成。光透射介质可以包括空气输入段和由以下材料中的一种制成的输出段玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。根据要求保护的发明的示例性实施例，输出端的弯曲是散光的，以使得输出弯曲在两个垂直方向上不同。根据随后的详细描述，要求保护的发明的各种其它目的、优点以及特征将变得容易明白，并且在所附权利要求中将特别指出新颖特征。
结合附图，将最佳地理解作为示例给出的、且不旨在将要求保护的发明仅限于此的以下详细描述，在附图中，各个图中相同的部件或特征以相同的附图标记来表示图1示出了具有楔形导光管的双抛物面反射器系统的横截面视图；图2示出了楔形导光管的横截面视图；图3示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的伪导光管(PLP)的横截面视图；图4示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的PLP的透视图；图5示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的、具有矩形横截面的PLP的透视图；图6示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的、具有凹输入端的PLP的横截面视图；图7示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的、用材料的组合制成的PLP的横截面视图；图8示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的、具有范围为d的光源的PLP 的横截面视图；图9示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的、包括基于PLP的DI5R的投影系统的横截面视图；图10示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的、输出端的部分涂有反射涂层的PLP的横截面视图；图Il(A)-Il(C)示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的、包括回复反射部分的PLP的输出端的横截面视图；以及图12是根据要求保护的发明的示例性实施例的散光PLP的透视图。
具体实施例方式参照附图，现在描述要求保护的发明的示例性实施例。这些实施例示出了本发明的原理并且不应被理解为限制本发明的范围。图1示出了与楔形导光管(TLP)IlOO结合使用的双抛物面反射器(DPR)系统 1000，其示出在TLP 1100的输入处的小面积、大角度θ i光入射被转换成输出处的较大面积、较小角度光。DI3R系统1000包括DPR 1200、灯1300以及回复反射器1400。弧使用DI3R 1200在TLP 1100的输入端或面1110上成像，这保持了弧的亮度。TLP 1100的尺寸是基于 Dra系统1000的集光率设计的，其确定了 TLP 1100的输入和输出范围。TLP 1100的长度一般是由机械限制来确定的，并且较短的TLP 1100 一般是优选的。随着TLP 1100变得越短，转换变得不理想，并且输出比输入处具有略大的集光率。为了克服输出和输入之间的该集光率失配，可以利用其输出端或面1120具有凸面(如图2所示)而非平面(如图1所示)的TLP 1100。即，输出面1120的凸性或弯曲被选择成使得TLP 1100的输出集光率与TLP 1100的输入集光率匹配或接近。当光进入楔形导光管(TLP) 1100时，光取决于光的入射角 pTLP 1100的锥角以及TLP 1100的长度而从TLP 1100的侧壁1130弹回(bounce)多次。当TLP 1100的长度减小(S卩，短的TLP 1100)时， TLP 1100的输出面1120的弯曲需要增大，以对输入/输出集光率失配进行必要的校正。应意识到，如果凸输出面1120的弯曲增大太多，则其将变成非球形(例如，椭圆)，并且将需要附加的计算来实现最优性能。另外，图2示出了极端输入角，以使得TLP 1100内的光线具有临界角 。，并且击中TLP 1100的侧壁。TLP 1100包括输入端1110和输出端1120。优选地，TLP 1100的输出端1120是凸面。从TLP 1100的侧壁1130的多次弹回或反射用于混合光，以提供在分布上均勻的光输出强度。即，TLP 1100起光混合器件的作用。具有短的TLP 1100的另一影响是当角度θ大于临界角θ。时，入射光将不被TLP 1100的侧壁1130反射。在这样的情况下，当入射光射出而没有任何从侧壁1130的反射时，TLP 1100用作厚透镜多于用作楔形导光管。根据要求保护的发明的示例性实施例，TLP 1100的输出端1120的弯曲被计算和确定成使得来自输入端1110的中心的额定光线在输出端1120处将是平行的。由于TLP 1100的侧壁1130未被使用，因此TLP 1100可以简单地被制成直的矩形或圆柱棒。根据本发明的示例性实施例，在图3和4中示出了伪导光管(PLP)或虚拟楔形导光管2000，其中，侧壁在概念上存在但是不起作用且不需要。PLP 2000包括输入端或面 2200以及输出端或面2300。优选地，PLP 2000的输出端2300是凸面，其中，弯曲被计算和确定成使性能最优。虚拟侧壁2100与PLP 2000的方向成角度θ，以使得虚拟侧壁角θ被调整成与最大入射角Qi匹配。例如，如果最大输入或入射角Qi是作为低掠角(glazing angle)的90度，则虚拟侧壁角θ将成为临界角Θ。。如果虚拟侧壁角θ为临界角Θ。，则来自光源1300的极端光线(入射角Qi接近临界角Θ。或为临界角Θ。的输入光线)将沿着虚拟侧壁2100传播，但是不会入射在虚拟侧壁2100上。结果，PLP 2000的侧壁变成没有任何实际作用的虚拟侧壁。为了便于制造PLP 2000，根据要求保护的发明的示例性实施例，为PLP 2000添加实际边界面或额外面M00。实际边界面或额外面MOO也不用于任何功能目的，而是便于将PLP 2000机械安装到诸如投影和照明系统的系统中。根据要求保护的发明的示例性实施例，在图4中示出了 PLP 2000的外边界或形状。PLP 2000的外边界包括一个或多个安装面2500、输出端或面2300以及输入端或面2200。应意识到，PLP 2000的横截面取决于PLP 2000的应用而可以是圆形、矩形、多边形等。因此，PLP 2000的安装面2500基本上等同于 TLP 1100 的侧壁 1130。根据要求保护的发明的示例性实施例，PLP 2000可以与各种光源1300 —起使用， 光源1300包括但不限于LED、微波灯、超高压汞灯、微波驱动无极灯、金属卤化物灯、荧光灯、卤素灯或者其它相当的灯。光源1300可以放置在具有反射器的光源的焦点处，反射器例如为双抛物面反射器(DPR)、椭圆反射器、具有聚焦透镜的抛物面反射器或者双椭圆反射器(DER)。根据要求保护的发明的方面，PLP 2000可以是作为圆形器件而旋转对称的，在给出散光的输出凸面的两个方向上不对称的，或者可以是具有圆形或椭圆横截面的线性的以用于线性灯应用。根据要求保护的发明的示例性实施例，PLP 2000的横截面是矩形，并且输出端 2300是凸面。即，如图5所示，PLP的输入端2200是矩形形状。另外，PLP 2000可以包括在输入端2200处的用于过滤输入光线的可选掩膜沈00，以使得极端光线(入射角Qi接近临界角 。或为临界角 。的输入光线)为期望的角度以击中PLP 2000的输出端或面2300。 光掩膜具有限制系统的集光率的效果以使得不是整个光源被使用。这与标准楔形导光管的输入光圈类似，其中，导光管是针对特定的集光率设计的。当没有使用掩膜时，输出包括光源的全集光率并且使得输出对应用可用。结果，系统的集光率受随后的部件(例如，中继镜、成像面板、投影透镜或者光圈)所限制。根据要求保护的发明的示例性实施例，PLP 2000的输出端2300的弯曲是用于校准光线的椭圆。替选地，PLP 2000的输出端2300的弯曲可以是用于提供不同校准水平的不同的形状，诸如包括但不限于抛物线、双曲线以及球形的圆锥形状。现在转到图6，根据要求保护的发明的示例性实施例，示出了具有凹的输入端 2200的PLP 2000。应意识到，凹的输入端2200可以提供与包括PLP 2000的系统的更好的耦合或更好的匹配。然而，在某些应用中，附加的性能改进不能证明制造具有凹的输入端 2200的PLP 2000的附加成本是合适的。PLP 2000取决于包括PLP 2000的系统的功率密度要求而可以由塑料、玻璃、熔凝硅石、石英等制成。根据要求保护的发明的示例性实施例，如图7所示，PLP 2000也可以由多段制成，以使得包括PLP 2000的输入端2200的段可以由高温材料制成并且附连到输出端2300的弯曲段，该弯曲段可以利用低温玻璃或塑料来模制。根据要求保护的发明的方面，PLP 2000的每段可以由空气间隙隔开。即，PLP 2000可以由这些材料(例如，塑料、玻璃、熔凝硅石、石英等)的组合制成，以使得较高熔化温度的材料可以放置在较高强度侧。 例如，PLP 2000可以由玻璃/塑料组合制成，其中，包括输入端2200的段A由玻璃制成，而包括输出端2300的段B由塑料制成。段A靠近光源的焦点并且接收高功率密度。光束沿着其在PLP 2000内的路径传播并且朝向由塑料制成的段B。根据要求保护的发明的方面，段A可以由石英制成以用于非常高功率密度应用，而段B可以由玻璃或塑料制成。材料的各种其它组合也可以在制造PLP 2000时使用，诸如用于段B的透镜以及用于段A的透明材料，其可以是空气，与段B中的透镜相同或不同。一般而言，可以存在多于2层的不同材料。根据要求保护的发明的示例性实施例，PLP 2000的各个面可以涂有单层或多层防反射材料。由于未在光学上使用PLP 2000的实际边界面2400，因此如图3示例性示出的，边界面MOO不需要被抛光。根据要求保护的发明的示例性实施例，PLP 2000的边界面MOO 可以是纹理的(textual)以易于安装。根据要求保护的发明的示例性实施例，输入和输出面2200、2300的弯曲是通过解析公式或光线跟踪来优化的。通常，光源1300不是点光源，而具有范围d，如图8所示。艮口， 光源1300生成具有范围d的输入束。来自这样的光源1300的光线或光束将在PLP 2000内以角度ψ 对向(subtend)，并且将以输出角<|>2射出PLP 2000的输出端2300。随着PLP 2000
的尺寸增加，角度φι将减小，从而对于具有范围d的同一光源导致较小的输出角φ2。即，PLP 2000的输入面/端2200和输出面/端2300的面积将随着PLP 2000的尺寸而增加。这导致保持集光率或者使输入/输出集光率失配最小化。结果，较小的PLP 2000将具有较大的输出角92而较小的输出表面积2300。较大的PLP 2000将具有较小的输出角Cp2而较大的输出表面积2300。现在转到图9，示出了根据要求保护的发明的示例性实施例的PLP 2000的示例性应用。图9的DI3R系统3000与图1的DI3R系统1000类似。取代包括TLP 1100，DPR系统 3000包括根据要求保护的发明的示例性实施例的PLP 2000。DPR系统3000可以与液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCOS)投影引擎4100 —起使用，以提供照明/投影系统4000。来自PLP 2000的校准光输出3100被输入到IXD/LC0S投影引擎4100中。替选地，投影系统 4000包括在PLP 2000的输出端2300与LCD/LC0S投影引擎4100的输入端4110之间的可选复眼透镜3100和/或可选偏振转换系统。即，校准光输出3100在进入IXD/LC0S投影引擎4100之前入射在可选复眼透镜3100和/或可选偏振转换系统3200上。应意识到，光源或灯1300可以是LED、超高压汞灯、微波驱动无极灯、金属卤化物灯或者适合与DI5R系统 3000 一起使用的其它灯。根据要求保护的发明的示例性实施例，PLP 2000的输出端2300的弯曲在两个垂直方向上可以是以不同弯曲散光的，如图12示例性示出的。输出端2300在X和Y方向上的弯曲可以相同或不同，以提供散光PLP 2000。根据要求保护的发明的示例性实施例，如图10所示，PLP 2000的输出端2300包括优选地为球形的回复反射部分2310。输出端2300的回复反射部分2310涂有反射涂层或者耦合到反射器以提供回复反射。即，回复反射部分2310将光源1300发出的光的一部分或部分反射回到光源1300中，以经由回复反射提供光的回收。现在转到图11 (A)，示出了具有回收的PLP 2000的输出端2300的透视图。PLP的输出端或面2300包括用于输出校准光的校准面2320和用于将发出光的一部分反射回到输入端2200并且反射回到光源1300的回复反射部分2310。根据要求保护的发明的示例性实施例，如图Il(B)和Il(C)所示，回复反射部分2310包括多个回复反射段2330。每个回复反射段2330包括抛物面对2340，以使得入射在第一抛物面2340上的光瞄准到第二抛物面2340上(如图11 (C)所示)，并且被聚焦回到光源1300中。回复反射段2330的数量和尺寸被确定成使得从抛物面对2340的所有反射都是通过全内反射，从而消除了用反射涂层来涂覆回复反射部分2310的需要。另外，这有利地降低了制造要求保护的PLP 2000的成本，特别是当PLP 2000是利用模制工艺制造的时候。 对本领域技术人员来说明显的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以用很多方式来改变已描述的发明。任何和所有的这种修改旨在包括在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种伪导光管，包括输入端，用于收集来自光源的光线；输出端，用于输出并校准在所述输入端处收集的所述光线，所述输出端具有凸弯曲；以及互连所述输入端和所述输出端的光透射介质，用于将所述光线从所述输入端透射到所述输出端；并且其中，所述输出端的所述凸弯曲被选择成输出平行光线。
2.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述光源定位在所述输入端附近并且定位在所述输出端的焦点处。
3.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述光透射介质具有圆形、矩形或多边形横截
4.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述输出端的所述凸弯曲是椭圆。
5.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述输出端的所述凸弯曲是以下圆锥形状中的一种抛物线、双曲线或者球形。
6.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述光透射介质是由以下材料中的至少一种制成的玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。
7.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述光透射介质包括多个段，其中包括所述输入端的段是由高温材料制成的。
8.如权利要求7所述的伪导光管，其中，所述光透射介质的每个段是由以下材料中的一种制成的玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。
9.如权利要求8所述的伪导光管，其中，包括所述输出端的段是利用低温玻璃或塑料模制的。
10.如权利要求8所述的伪导光管，还包括在所述光透射介质的每个段之间的空气间隙。
11.如权利要求8所述的伪导光管，其中，所述光透射介质的每个段是由不同材料制成的。
12.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述光透射介质包括空气输入段和由以下材料中的一种制成的输出段玻璃、熔凝硅石、塑料以及石英。
13.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述输入端的部分具有凹弯曲。
14.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述输出端的弯曲是散光的，以使得所述弯曲在两个垂直的方向上是不同的。
15.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述输出端的弯曲被选择成使得所述输入端和所述输出端之间的集光率失配最小化。
16.如权利要求1所述的伪导光管，还包括用于安装所述伪导光管的安装面。
17.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述输入端和所述输出端的表面涂有防反射涂层。
18.如权利要求1所述的伪导光管，其中，所述光源是以下灯中的一种发光二极管、微波灯、超高压汞灯、微波驱动无极灯、金属卤化物灯、荧光灯以及卤素灯。
19.如权利要求18所述的伪导光管，其中，所述光源包括具有以下反射器的灯双抛物面反射器DPR、具有回复反射器的DPR、椭圆反射器、具有聚焦透镜的抛物面反射器或者双椭圆反射器DER。
20.如权利要求19所述的伪导光管，其中，所述光源包括具有DPR的灯，所述DI5R具有回复反射器，所述回复反射器收集杂散光线并将所述杂散光线重定向至所述DPR;并且其中，从所述输出端输出的所述平行光线入射在投影引擎上。
21.如权利要求20所述的伪导光管，其中，所述投影引擎是液晶显示器LCD或硅基液晶 LCOS投影引擎。
22.如权利要求20所述的伪导光管，其中，从所述输出端输出的所述平行光线入射在复眼透镜上并然后进入所述投影引擎。
23.如权利要求21所述的伪导光管，其中，从所述输出端输出的所述平行光线入射在复眼透镜和偏振转换系统上，并然后进入所述投影引擎。
24.—种投影系统，包括投影引擎；光源，包括灯、双抛物面反射器DPR以及回复反射器，所述回复反射器用于收集杂散光线并且将所述杂散光线重定向至所述DPR ；以及伪导光管，包括输入端，用于收集来自所述光源的光线；输出端，用于输出并校准在所述第一端处收集的所述光线，所述输出端具有凸弯曲；互连所述第一端和所述第二端的光透射介质，用于将所述光线从所述第一端透射到所述第二端；并且其中，所述输出端的所述凸弯曲被选择成将平行光线输出到所述投影引擎。
25.如权利要求M所述的投影系统，其中，所述投影引擎是液晶显示器LCD或硅基液晶 LCOS投影引擎。
26.如权利要求M所述的投影系统，还包括在所述伪导光管的所述输出端和所述投影引擎之间的复眼透镜。
27.如权利要求沈所述的投影系统，还包括在所述复眼透镜和所述投影引擎之间的偏振转换系统。
全文摘要
一种伪导光管包括输入端、输出端以及光透射介质。输入端收集来自光源的光线。输出端输出并校准在输入端处收集的光线。输出端具有凸弯曲。光透射介质互连输入和输出端，并且将光线从输入端透射到输出端。输出端的凸弯曲被选择成输出平行光线。一种包括该伪导光管和双抛物面反射器(DPR)系统的投影系统。
文档编号G03B21/14GK102216848SQ200980139846
公开日2011年10月12日 申请日期2009年9月8日 优先权日2008年9月5日
发明者肯尼思·利 申请人:微阳有限公司