專(zhuān)利名稱(chēng)：有效的光引擎系統(tǒng)、元件及其制造方法
本申請(qǐng)的相關(guān)對(duì)比文獻(xiàn)本申請(qǐng)要求兩項(xiàng)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。其中一項(xiàng)臨時(shí)申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)柺荖o.60/088,426，申請(qǐng)日為1998年6月8日，發(fā)明名稱(chēng)是“有效的光引擎系統(tǒng)及其構(gòu)造方法”；另一項(xiàng)臨時(shí)申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮镹o.60/104,388，申請(qǐng)日為1998年10月15日，發(fā)明名稱(chēng)是“圖象式光收集和濃縮系統(tǒng)的氣體燈優(yōu)化”，這兩項(xiàng)臨時(shí)申請(qǐng)的發(fā)明人都是本申請(qǐng)的發(fā)明人。
背景技術(shù)：
本發(fā)明在總體上涉及高效率的輻射能量傳導(dǎo)的光引擎，特別是涉及投射顯示系統(tǒng)、光纖照明系統(tǒng)和相關(guān)元件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
光的許多應(yīng)用，更廣泛地說(shuō)，相干和不相干的電磁能的應(yīng)用，都需要在產(chǎn)生光的位置和使用光的位置之間具有實(shí)體上的分離，使用光的位置就是目標(biāo)的位置。所關(guān)心的所有的光的使用位置共同形成了目標(biāo)T。所關(guān)心的所有的能量發(fā)射位置以相同的方式形成了光源S。這樣的電磁能量輻射源可以被連續(xù)地操作或脈沖式地操作，可以是不相干的、相干的或部分相干的和/或它們的組合。它們可以由交流或直流電提供能量，也可以通過(guò)微波加熱提供能量，也可以通過(guò)采用在類(lèi)似和/或不同波長(zhǎng)區(qū)的能量的電磁輻射元件提供能量，也可以通過(guò)化學(xué)方法提供能量，還可以由許多其它的能源提供能量。根據(jù)所關(guān)心的各位置的分布，它們可以形成表面式、體積式、或表面加體積式的光源S和目標(biāo)T。
給定的目標(biāo)T通常對(duì)用于對(duì)之照明的光束具有某些相關(guān)的形式要求。另外，光源S的譜、空間和角度發(fā)射能量密度函數(shù)通常不同于給定目標(biāo)T的譜、空間和角度光接收函數(shù)。因此，為了在給定光源S和給定光源T之間形成最佳的能量耦合，相關(guān)的目標(biāo)照明光束通常必須重整，以提高可聚集光的輸送效率，從而也能被目標(biāo)使用。對(duì)目標(biāo)照明光束的共同的形式要求的例子是下列約束，例如輸送效率、在各收集孔附近的橫截面形狀和尺寸、空間強(qiáng)度分布、最小和最大密度數(shù)值、根據(jù)優(yōu)選方位方向的最大輸入角、局部能量傳播方向、譜能量含量、和譜強(qiáng)度分布等。另外，在許多類(lèi)型的照明系統(tǒng)中，選定的內(nèi)部光學(xué)元件選擇(如，色盤(pán)CW、光閥LV、光導(dǎo)LG、極性轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS、顏色立方合成器CQC、變形光束轉(zhuǎn)換器ABC等)和/或元件布局的限制(LV的輸入和輸出耦合、元件的最大高度等)影響最大的光輸送效率。這些設(shè)計(jì)約束和/或通過(guò)量限制元件也可有效地解釋為有效的或中間目標(biāo)T′。
只有那些滿(mǎn)足給定目標(biāo)T的形式要求的光線(xiàn)才能用于對(duì)目標(biāo)T的照明。其余的光線(xiàn)，不論是輸入在目標(biāo)T本身上或目標(biāo)T的周?chē)?，通常都被浪費(fèi)。通常用屏蔽和/或譜過(guò)濾器使這些不能利用的光線(xiàn)不能到達(dá)目標(biāo)T或其周?chē)目臻g，以防止它們干涉特定的目標(biāo)照明，例如，導(dǎo)致目標(biāo)本身的不希望有的過(guò)熱或降低投射顯示系統(tǒng)中的圖象對(duì)比度。通常，選定的顏色光帶和/或偏振方向也必須減弱，以與選定的白點(diǎn)、色移和/或良好限定的偏振狀態(tài)產(chǎn)生特定的顏色均衡系統(tǒng)。
因此，通常較好的情況是，從光源S處獲取光(即，為了本發(fā)明目的的任何波長(zhǎng)的電磁輻射)，并把光輸送至目標(biāo)T，光以如此方式進(jìn)行重整，即使被輸送至給定目標(biāo)的盡可能多的光線(xiàn)也能被目標(biāo)T應(yīng)用。
光引擎LE是這樣一種裝置，它可完成上述的電磁輻射能量轉(zhuǎn)換和光束整形任務(wù)。LE通常由數(shù)個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成，各元件在一起具有至少兩個(gè)或三個(gè)主要任務(wù)。第一個(gè)任務(wù)是，從光源S處收集光。第二個(gè)任務(wù)是，把某些被收集的光輸送至目標(biāo)T。第三個(gè)任務(wù)通常是可選擇的，就是對(duì)光束進(jìn)行重整，以提高被輸送至目標(biāo)T的光的可應(yīng)用含量。
為了便于理解本發(fā)明，定義了三個(gè)小類(lèi)的LE最小光引擎MLE、光導(dǎo)光引擎LGLE和變形光束轉(zhuǎn)換器光引擎ABTLE。MLE是一特定的LE(或更復(fù)雜的LE)的一部分，它收集從光源S的發(fā)射面ESS或發(fā)射體EVS處發(fā)射出的光，并把該光濃縮在體EVS′內(nèi)。體EVS′可以被解釋成第二光源S′的發(fā)射體，該第二光源S′也稱(chēng)作發(fā)射光源S′，它或者對(duì)目標(biāo)T直接進(jìn)行照明，或者對(duì)相關(guān)LE的光束重整和/或遠(yuǎn)程輸送系統(tǒng)的收集孔CA進(jìn)行照明。LGLE是另外一特定的LE，其中，MLE把能量耦合至至少一個(gè)LG(例如，為了光束重整和/或遠(yuǎn)程能量輸送的目的)，并且，各LG的輸入口從各MLE的發(fā)射體EVS′收集光。各照明目標(biāo)T是各LG的出口，各LG有選擇地與發(fā)出光束的空間和/或角度范圍的約束相結(jié)合。ABTLE與LGLE類(lèi)似，使用至少一個(gè)ABT，以達(dá)到光束重整的目的。如果LG也是一個(gè)ABT，那么，LE可以既是LGLE又是ABTLE。
在更好地理解本發(fā)明的過(guò)程中，被稱(chēng)為域E、域效率EE、通過(guò)量效量TE和輸送效率DE的光學(xué)參數(shù)是重要的，這些參數(shù)將在下文被定義和討論。域E是對(duì)光束的空間限制和角度限制兩者的度量。通過(guò)量效率TE和域效率EE是相關(guān)的參數(shù)，以不同方式測(cè)量給定光學(xué)系統(tǒng)的理想操作的光學(xué)系統(tǒng)相比如何有效地重整給定的輸入光束，輸送效率DE對(duì)于給定的目標(biāo)T用于測(cè)量目標(biāo)形式要求的滿(mǎn)足度和LE的通過(guò)量效率滿(mǎn)足度，也就是說(shuō)，對(duì)于給定的目標(biāo)T，測(cè)量可收集的光的量和可應(yīng)用的光的量。
本發(fā)明涉及高效率的MLE、LGLE和ABTLE，其中，各LG和/或ABT的各輸入和輸出口適合于各MLE和目標(biāo)T為好，以?xún)?yōu)化給定的和受限制的LE設(shè)計(jì)的輸送效率。
下面引用的發(fā)明公開(kāi)了數(shù)個(gè)實(shí)施例，它們都可以滿(mǎn)足要達(dá)到的目的，整體上被引用至本申請(qǐng)文件中，特別是，這樣做是為了說(shuō)明但不是局限于本發(fā)明的背景技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)。
1996年授予Matsumoto的專(zhuān)利No.5,491,765描述了一種典型的LGLE設(shè)計(jì)，其中，拋物線(xiàn)形的被密封的短弧反射燈和聚集透鏡相結(jié)合，用于把收集到的光輸送至圓形光纖LG的入口表面。另一個(gè)相關(guān)的普通的在軸的現(xiàn)有技術(shù)的LGLE設(shè)計(jì)采用橢球形的鏡子作為燈的光聚集和濃縮系統(tǒng)(CCS)，具有獨(dú)立的外殼。這兩種設(shè)計(jì)都是非圖象形，因此，通常導(dǎo)致了低的域效率EE。因此，只有對(duì)大直徑的光纖束，它們才能實(shí)現(xiàn)高的輸送效率DE，該大直徑光纖束的輸入面積ALin＞＞AS，其中，AS表示光源S的發(fā)射區(qū)的相關(guān)的有效橫截面積。
1984年授予Marakami等的美國(guó)專(zhuān)利No.4,460,939說(shuō)明了一種LGLE，它具有兩個(gè)凹反射系統(tǒng)作為MLE和薄LG，因此，產(chǎn)生了空間的高的輸出強(qiáng)度均勻性和高的輸送效率，但域效率還是低，這是由于LG的收集域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射面的收集域。1996年授予OKuchi的美國(guó)專(zhuān)利No.5,574,328討論了一種MLE，其具有兩個(gè)凹反射器，形成了CCS，具有氣體放電弧光燈的光源軸，該光源軸與CCS的光軸對(duì)準(zhǔn)和共線(xiàn)。光源的方向和兩個(gè)垂直平面內(nèi)的散光的第二焦點(diǎn)也產(chǎn)生了非圖象式的CCS系統(tǒng)，因此，降低了MLE的域效率。1994年授予Winston等的美國(guó)專(zhuān)利No.5,491,620具有兩個(gè)凹反射系統(tǒng)，作為CCS，以使MLE和LG收集被再濃縮的光。由于多數(shù)光導(dǎo)的最大集光角遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于90°，這樣的系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)具有低的輸送效率，最大接收角＜＜90°。1998年授予Rizkin等的美國(guó)專(zhuān)利No.5,842,767說(shuō)明了一種在軸橢圓形反射器，該反射器具有作為面積和角度轉(zhuǎn)換器的空心錐形反射器和一輔助向后反射器。盡管該系統(tǒng)適合于對(duì)大直徑的LG實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率，但其仍然是非圖象形，因此，對(duì)于由域限制的目標(biāo)，不能使域效率和輸送效率最大化。
1995年授予Strobl(本發(fā)明人)等的近期的離軸美國(guó)專(zhuān)利No.5,414,600和1996年授予Baker等的在軸美國(guó)專(zhuān)利No.5,509,095是現(xiàn)有技術(shù)的準(zhǔn)圖象、峰值強(qiáng)度最大化的光纖LGLE的典型例子。它們通常用于對(duì)很小直徑的圓形的單根光纖或光纖束進(jìn)行照明，采用的是短弧光直流電源。離軸LGLE只有對(duì)多輸出口的情況才能實(shí)現(xiàn)較高的輸送效率DE，該多輸出口導(dǎo)致了復(fù)雜的光束組合光學(xué)系統(tǒng)，在軸LGLE對(duì)多數(shù)實(shí)際上較高的數(shù)值孔徑LG具有明顯的集光效率限制。
上文說(shuō)明了現(xiàn)有技術(shù)中LGLE設(shè)計(jì)的基本類(lèi)型，它們?cè)谠O(shè)計(jì)和制造上的限制經(jīng)常導(dǎo)致較低的輸送效率和/或較高的整體系統(tǒng)成本，這是和在特定情況下理想的結(jié)果相比而言的。這對(duì)下列情況尤其是真實(shí)的，其中，給定的或中間目標(biāo)T或T′的最大接收(也稱(chēng)集光)域ETmax的大小近似于光源S的有特征的發(fā)射域ES。因此，為了滿(mǎn)足給定目標(biāo)的照明要求，現(xiàn)有技術(shù)的LE的較低的輸送效率通常需要使用特定的光源，該光源的很低的發(fā)射域ES＜＜ETmax，即具有很小和很高強(qiáng)度的發(fā)射區(qū)。通常采用直流或交流短等離子弧技術(shù)來(lái)制造這種高亮度和點(diǎn)式的發(fā)射源。這些短弧光燈和同類(lèi)型的較長(zhǎng)的弧光源相比，在電至光的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中通常具有低效率，這樣，通常就必須使用較高瓦數(shù)的燈，以獲得給定目的照度。這樣，系統(tǒng)的總體成本通常被增加，這是由于對(duì)相關(guān)的較高瓦數(shù)的電源有附加要求和/或也增加了冷卻和空間的要求。另外，隨著提高燈的瓦數(shù)以獲得恒定的弧光隙和/或縮短弧光隙以達(dá)到恒定的電功率數(shù)值，這種高亮度和點(diǎn)式的弧光源的壽命通常會(huì)減少，這樣就導(dǎo)致了較高的系統(tǒng)總體的維護(hù)費(fèi)用。
現(xiàn)有技術(shù)的投射光引擎(PLE)的設(shè)計(jì)用來(lái)通過(guò)首先對(duì)LV照明來(lái)對(duì)投射幕進(jìn)行照明，與上述的現(xiàn)有技術(shù)的LGLE相比，PLE甚至更復(fù)雜和有更多的光學(xué)要求。選擇PLE的特定的關(guān)鍵光學(xué)元件通常增加了設(shè)計(jì)約束。通常，LV直接或間接地是各PLE設(shè)計(jì)的最有域限制的光學(xué)元件。在現(xiàn)有技術(shù)的PLE設(shè)計(jì)中，具有更多的有限制的優(yōu)化選擇，因此，光學(xué)PLE的設(shè)計(jì)者必須把幕均勻性、色移和白點(diǎn)與系統(tǒng)亮度及機(jī)械的定位限制相權(quán)衡，以實(shí)現(xiàn)最佳的整體折衷。這些設(shè)計(jì)上的折衷降低了各有限制的PLE設(shè)計(jì)的通過(guò)量效率TE、或效率EE和/或輸送效率DE。
1997年授予Doherty的美國(guó)專(zhuān)利No.5,592,188說(shuō)明了一種典型的PLE，其用于單獨(dú)數(shù)字微鏡像裝置(DMD)式的反射LV。在該專(zhuān)利中討論的MLE非常類(lèi)似于在美國(guó)專(zhuān)利No.5,491,765中討論的MLE。然而，該系統(tǒng)不是對(duì)LG進(jìn)行照明，而是把收集到的光源的能量聚集在色盤(pán)上，該色盤(pán)產(chǎn)生時(shí)間序列的彩色光束。色盤(pán)是另外一個(gè)關(guān)鍵的光學(xué)元件，它對(duì)PLE設(shè)計(jì)引入了附加的限制，是主要的通過(guò)量效率限制器之一。
1995年授予Janssen和Shimizu的美國(guó)專(zhuān)利No.5,442,414說(shuō)明了一種非對(duì)稱(chēng)屏蔽的應(yīng)用，其以特定的非對(duì)稱(chēng)方式切去一照明光束，這樣，照明光束的發(fā)射角θLV(Ψ)關(guān)于方位角Ψ具有預(yù)定的函數(shù)，該方位角Ψ相對(duì)于DMD式的LV的優(yōu)先光軸進(jìn)行度量。1992年授予van den Brandt和Timmers的美國(guó)專(zhuān)利No.5,098,184說(shuō)明了透鏡組的設(shè)計(jì)，其用于在PLE中的空間光束的強(qiáng)度均勻化，該P(yáng)LE照明液晶式的LV。這兩個(gè)改進(jìn)在某種程度上提高了有關(guān)PLE的輸送效率DE，方法是改善了照明光束的形式安排(formatting)，以更好地與具有附加光學(xué)元件的LV的形式要求相匹配。然而，它們實(shí)現(xiàn)的由域限制的設(shè)計(jì)的輸送效率比可能的值要低，這是由于現(xiàn)有技術(shù)的PLE設(shè)計(jì)的域效率較低。
對(duì)于給定的LV，為了增加PLE的光輸出，采用了基于色盤(pán)的單個(gè)LV的PLE設(shè)計(jì)的數(shù)種變化形式。這些設(shè)計(jì)的目標(biāo)是降低與色盤(pán)相關(guān)的高通過(guò)量的損失(＞70％)。例如，1996年授予Janssen的美國(guó)專(zhuān)利No.5,528,318描述了唯一的LV，其中的PLE的色盤(pán)由特定的掃描棱鏡所取代。通過(guò)把該掃描棱鏡技術(shù)在必要時(shí)與極性轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合，在理論上，從光源S發(fā)出的所有的光都可以用于對(duì)唯一的LV進(jìn)行照明，以產(chǎn)生彩色圖象。然而，這些光束重整改善技術(shù)通常使LV照明光束的域增加到3～6倍(對(duì)于具有PCS的極性相關(guān)的LV，則增加到6～12倍。這要減小LV的有效照明面積至原來(lái)的3～6分之一(或6～12分之一)，這通常要降低耦合效率。因此，掃描棱鏡方法和現(xiàn)有技術(shù)中的PLE的設(shè)計(jì)方法通常適用于較大面積的LV。LV的面積越大，即最大收集域越大，它們對(duì)PLE的域效率EE的依賴(lài)就越小，以達(dá)到給定的投射幕的亮度。然而，較大的LV的制造費(fèi)用通常也較高，并且需要較大尺寸的光纖，以對(duì)光束進(jìn)行導(dǎo)向，這就限制了這些發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
用于增加彩色PLE輸出的另一種普通方法是同時(shí)采用數(shù)個(gè)LV。顏色分離系統(tǒng)通常把相關(guān)MLE的輸出分成不同顏色的光束，然后，這些光束被輸送、均勻化、形成光圈和在相關(guān)的LV上形成圖象。然后，這些LV的輸出在空間上重迭，并且投射至遠(yuǎn)處的投射幕，以形成LV的彩色圖象。通常采用三個(gè)LV(見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利No.5,098,184)，每個(gè)LV對(duì)應(yīng)一種顏色光譜帶。采用數(shù)個(gè)LV的PLE對(duì)于給定的光源S來(lái)說(shuō)通常可實(shí)現(xiàn)較大的光輸出量，但也通常需要較大和較重的PLE。盡管通過(guò)量效率TE增加了，但這些PLE通常被設(shè)計(jì)得有某種程度上的域限制，因此，輸送效率比本發(fā)明的可能值要低。其它類(lèi)型的現(xiàn)有技術(shù)的PLE把數(shù)個(gè)MLE的輸出合并在一個(gè)積分儀桿上，以實(shí)現(xiàn)較高的總系統(tǒng)輸出，但總的輸送效率沒(méi)有降低。
在現(xiàn)有技術(shù)中的LG的主要應(yīng)用中，PLE是對(duì)稱(chēng)光束轉(zhuǎn)換器(SBT)，即具有軸對(duì)稱(chēng)光束重整行為的系統(tǒng)，或把相關(guān)MLE連接至投射系統(tǒng)的遠(yuǎn)程能量輸送系統(tǒng)。例如，由直線(xiàn)狀的、被覆蓋或不被覆蓋(被拋光的)矩形桿或空心可反射管制成的單通道LG經(jīng)常用于光束強(qiáng)度的均勻化，并產(chǎn)生良好限定的發(fā)射孔。光纖束有時(shí)被用作LG，以進(jìn)行遠(yuǎn)程能量輸送。
1992年授予Nelson的美國(guó)No.5,159,485描述了一種PLE，其包括ABTLE。然而，該設(shè)計(jì)采用了基于MLE的透鏡，導(dǎo)致了低的輸送效率，ABT具有低的域效率。
類(lèi)似地，光的物質(zhì)處理應(yīng)用通常需要最小強(qiáng)度，在特定的波長(zhǎng)時(shí)間隔內(nèi)，大于照明光的最小能量數(shù)值，以在滿(mǎn)意的處理時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)希望的便光物質(zhì)處理。體吸收系統(tǒng)低粉末物質(zhì)處理的例子是環(huán)氧樹(shù)脂的光固化、用光焊接、用光進(jìn)行標(biāo)記、用光進(jìn)行局部化學(xué)反應(yīng)的控制、腫瘤的光動(dòng)態(tài)治療等。在判定是否僅有激光或LG耦合的不相干光源才能以成本有效方式用于實(shí)現(xiàn)理想的功能方面，給定LE的效率通常是主要因素。另外，LE的光束重整和輸送效率限制通?？纱_定可滿(mǎn)意曝光的目標(biāo)面積/體積。對(duì)于給定的固有的域的非效率性或上述和下述的現(xiàn)有技術(shù)的LGLE的設(shè)計(jì)限制，這種系統(tǒng)的成本可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于市場(chǎng)的承受能力，從而限制了該技術(shù)的市場(chǎng)滲透。
某些物質(zhì)處理功能，如用于生物腫瘤的便光處理的光動(dòng)態(tài)治療(PDT)或光動(dòng)態(tài)診斷(PDD)方法，通常只能用于寬光譜帶光源的較窄的一部分譜能量帶。如果只有可用的光譜被輸送至相關(guān)的目標(biāo)位置(如要被照明的組織)，很多已產(chǎn)生的光源能量通常就浪費(fèi)了。為了提高可用光的輸送效率DE，熒光轉(zhuǎn)換方法經(jīng)常被研究。染料激光器是能量(熒光)變換裝置的典型例子，它把較短波長(zhǎng)泵的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成較長(zhǎng)頻率的激光作用(熒光作用)的波長(zhǎng)。然而，找到比該方案成本更低的替代方案，通常是理想的。如果適當(dāng)?shù)臒晒獠牧嫌傻谝籐E輸送來(lái)的光進(jìn)行照明，被轉(zhuǎn)換的光在所有的方向上離開(kāi)熒光介質(zhì)。被照明的熒光材料的熒光體FVS有效地形成了第二光源S′，該第二光源S′的輸出需要被收集和輸送至目標(biāo)面/體T，并可在此處被應(yīng)用。再說(shuō)一遍，現(xiàn)有技術(shù)的LE沒(méi)有優(yōu)化，以有效地收集和輸送這樣的經(jīng)過(guò)譜變換的第二光源。這對(duì)許多應(yīng)用降低了不相干光源的熒光轉(zhuǎn)換的實(shí)際可用性。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種域限制目標(biāo)T的寬范圍的有輸送效率的LE的設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種域效率和/或通過(guò)量效率MLE的設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種顏色重整MLE的制造方法。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種有輸送效率的LGLE和ABTLE的設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種制造方法，使LG和ABT與特定的輸入和輸出準(zhǔn)備和/或輔助光纖相匹配，以提高LE的通過(guò)量效率和/或輸送效率。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供對(duì)給定的主要和/或中間目標(biāo)要求的改進(jìn)的LE的成本/性能比。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供改進(jìn)的PLE和新型的投射顯示系統(tǒng)。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供汽車(chē)前燈照明方式和遠(yuǎn)程工業(yè)照明系統(tǒng)的更靈活的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供有效的熒光轉(zhuǎn)換LE和燈。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供光束顏色重整的有效方法。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供可有效地用于便光物質(zhì)處理應(yīng)用的LE。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是改變相關(guān)元件的制造，以改善制造高效率LE的可應(yīng)用性。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供使相關(guān)元件尺寸減小而使相關(guān)LE的輸送效率最大化的方法。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種估計(jì)方法，以對(duì)給定的光源估計(jì)最大可能實(shí)現(xiàn)的收集效率。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種確定被濃縮光束最小域表面的方法。
發(fā)明概述對(duì)于分別具有空間和角度相關(guān)發(fā)射函數(shù)的給定的沿空間延伸的發(fā)射源S和給定的遠(yuǎn)程照明目標(biāo)T，LE的輸送效率得到了提高，方法包括提供匹配元件和提供光學(xué)元件，其中，匹配元件使光源的光學(xué)特性更域有效地與目標(biāo)的需求相匹配；而光學(xué)元件在空間、角度和譜方面對(duì)光束進(jìn)行重整。
現(xiàn)有技術(shù)的LE或者建造成非圖象、高收集效率式的MLE，或者建造成圖象、低收集效率式的MLE。本發(fā)明包括設(shè)計(jì)、制造和使用圖象、收集效率更高式的MLE，以建造更好效率的LE，從而對(duì)由域限制的目標(biāo)進(jìn)行照明。這些優(yōu)選的MLE達(dá)到了域有效性大得多的4π-球面角度至大約π/2-球面角度的立體角轉(zhuǎn)換，并且允許產(chǎn)生更可用的輸出光束，以進(jìn)行寬范圍的目標(biāo)照明。另外，在現(xiàn)有技術(shù)中，MLE的輸出的光束重整由對(duì)稱(chēng)光束轉(zhuǎn)換器(SBT)或具有低域效率的變形光束轉(zhuǎn)換器(ABT)完成，即由光學(xué)耦合系統(tǒng)完成，該光學(xué)耦合系統(tǒng)在兩個(gè)垂直的圖象方向上具有不同的放大。本發(fā)明描述了有效的ABT的設(shè)計(jì)和域的應(yīng)用，以提高LE的輸送效率，方法是以域有效性和/或輸送有效性的方式對(duì)優(yōu)選類(lèi)型的MLE的非對(duì)稱(chēng)輸出光束進(jìn)行重整。另外，將討論這些基本建造模塊的各種應(yīng)用，以建造LGLE、PLE、熒光轉(zhuǎn)換LE和其它類(lèi)型的LE。另外，還討論了使各元件特征化和優(yōu)化的數(shù)值方法。
優(yōu)選的MLE包括可反射CCS和具有至少一個(gè)出口的可反射后向反射系統(tǒng)(RRS)。RRS收集到的從光源S發(fā)射出來(lái)的光小于50％，其余的或者聚集返回到原始發(fā)射區(qū)，或者聚集在附近區(qū)域，該附近區(qū)域相對(duì)于發(fā)射區(qū)的寬度和/或封閉的罩具有小的偏置距離。RRS以圖象轉(zhuǎn)換、本質(zhì)上不放大的成像系統(tǒng)進(jìn)行操作。因此，光源S與RRS一起共同形成了有效的后向反射光源，該后向反射光源的發(fā)射角通常在小于2π-球面角度的范圍內(nèi)，其相應(yīng)的發(fā)射區(qū)占據(jù)與光源S體積相同的空間或兩倍的空間。相關(guān)的CCS收集從這樣的后向反射光源發(fā)射出的光，并把該光濃縮在第二發(fā)射體EVs′上，從而有效地形成了域被有效放大的第二光源S′，光源S′具有相應(yīng)的較小的發(fā)射立體角。
優(yōu)選類(lèi)型的MLE通過(guò)RRS的各出口發(fā)出的光束對(duì)于相應(yīng)光源S的發(fā)射區(qū)具有類(lèi)似和放大的空間強(qiáng)度特性(準(zhǔn)圖象)，并且具有一軸非對(duì)稱(chēng)、角度相關(guān)的能量密度分布。光源S和第二光源S′的角度特性和空間特性在本質(zhì)上都是域有效地相關(guān)的，MLE的總輸出效率接近于從光源S發(fā)射出的總的光。
RRS系統(tǒng)對(duì)域有效性的顏色重整也提供了選擇，方法是讓大約50％的發(fā)射出的能量與光源S的發(fā)射區(qū)相互作用一次以上。對(duì)氣體放電的光源來(lái)說(shuō)，這有效地使光路徑的長(zhǎng)度加倍。對(duì)于某些類(lèi)型的燈，這種光-物質(zhì)的相互作用可直接或間接地產(chǎn)生波長(zhǎng)(主要是熒光和加熱)轉(zhuǎn)換效應(yīng)，從而產(chǎn)生MLE的輸出光束，該光束和同樣的單獨(dú)光源相比，具有不同的譜強(qiáng)度分布。另外，因?yàn)槟壳肮庠碨擋住了某些光的輸送，因此，與CCS系統(tǒng)的軸線(xiàn)相垂直的橫截面積變得重要了。這導(dǎo)致了有機(jī)會(huì)進(jìn)一步改變?cè)闹圃?，這和MLE相結(jié)合可輸送甚至更多的可用光。
在最小域表面收集到的光束的最小域和現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比通常要小得多，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)具有可比較的收集和濃縮能力。這通常導(dǎo)致在相應(yīng)的焦點(diǎn)附近產(chǎn)生較小的光束腰，從而使能量更有效地與由域限制的目標(biāo)相耦合。
發(fā)射面S′通常具有角度和空間軸非對(duì)稱(chēng)特性，這些特性有效地域相關(guān)，因此，對(duì)于給定的相關(guān)ABT的輸出口發(fā)射孔，由ABT進(jìn)行的優(yōu)選的域有效的變形光束重整有效地導(dǎo)致了較大的輸入口的收集孔。該擴(kuò)大的設(shè)計(jì)自由度又允許優(yōu)化有關(guān)的輸送效率，方法是使收集孔的范圍與MLE的收集立體角的范圍相折衷，從而允許發(fā)射區(qū)的給定的譜相關(guān)的空間范圍和發(fā)射角度范圍優(yōu)化地匹配于收集孔(尺寸和形狀)和收集立體角的需求。
另外，許多類(lèi)型的發(fā)射源對(duì)于寬光譜帶的發(fā)射具有更大的空間范圍，所以，圖象式的優(yōu)選的MLE與ABT的增大的收集孔相結(jié)合通常允許從給定光源收集更寬光譜帶的光譜，給定的光源與上述的RRS相結(jié)合進(jìn)一步有助于光源的顏色重整。
非對(duì)稱(chēng)錐形的空心或?qū)嵭腖G經(jīng)常用作低成本的ABT系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比增加了輸送效率。另外，具有不同輸入和輸出橫截面形狀的特定的高效率式的LG可用于有效的空間光束的重整?？蛇x擇的是，ABT可首先用于對(duì)非對(duì)稱(chēng)的輸入光束進(jìn)行準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)化，然后，再進(jìn)一步對(duì)光束的橫截面進(jìn)行整形，以形成更可用的形狀。這樣的ABT通常也可以同時(shí)提供空間光束強(qiáng)度的均勻化，這對(duì)PLE式的應(yīng)用有助于提高輸送效率。輔助光纖與ABT相結(jié)合可有助于設(shè)計(jì)和優(yōu)化受約束的LE的設(shè)計(jì)任務(wù)。
可以采用輔助的后向反射器，以進(jìn)一步提高收集效率和有助于顏色重整。對(duì)于給定的目標(biāo)，理想的情況是，用于這種MLE的燈不同于用于現(xiàn)有技術(shù)的LE的燈，原因是，光與發(fā)射區(qū)的多次相互作用和/或MLE和被匹配的ABT的較高的域效率。討論了特定的制造特征，以允許對(duì)尺寸/高度有約束的CCS和RRS使輸送效率最大化。通常情況下，和現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)生相同輸出發(fā)散和具有相同高度的MLE相比，有關(guān)的MLE占據(jù)了較小的體積。
MLE和ABT相結(jié)合對(duì)于給定尺寸的目標(biāo)允許使用或者更大范圍的發(fā)射區(qū)，或者縮小系統(tǒng)的尺寸。對(duì)于投射光引擎(PLE)或光纖照明系統(tǒng)，當(dāng)這樣的設(shè)計(jì)在本發(fā)明中被優(yōu)化時(shí)，在總體上產(chǎn)生了更亮的輸出、和/或成本更低的系統(tǒng)、或?qū)τ谕瑯拥妮敵隽慨a(chǎn)生更小的系統(tǒng)尺寸。
對(duì)附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)LGLE-A；圖2示出了另一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)LGLE-B；圖3A示出了峰值正規(guī)化的等高線(xiàn)圖，各區(qū)域的強(qiáng)度相等，電源是如圖2所示的典型的交流弧光電源；圖3B示出了如圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的LGLE在軸向位置Lrms處的峰值正規(guī)化的等高線(xiàn)圖；圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)LGLE-C，其中，被收集的光源的光通過(guò)光源罩聚集在LG上；圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)PLE-AA；圖6示出了本發(fā)明的MLE-F和LGLE-F的側(cè)橫截面示意圖，具有改善的域效率，其中，光源的能量聚集在光源罩周?chē)⑶揖奂诰哂刑囟ㄆヅ涞妮斎肟诘腖G上；圖7示出了本發(fā)明的不同實(shí)施例MLE-G和LGLE-G/ABTLE-G的俯視橫截面示意圖；圖8示出了本發(fā)明的有特征的非對(duì)稱(chēng)強(qiáng)度等高線(xiàn)圖，發(fā)生位置對(duì)于MLE-F或MLE-G處于位置LE處；圖9示出了本發(fā)明的有特征的非對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)能量密度函數(shù)的等高線(xiàn)圖，圖示對(duì)象是MLE-F或MLE-G；圖10示出了本發(fā)明的角度重整能力，圖示對(duì)象是1.2倍變形延伸的錐形積分儀桿；圖11示出了本發(fā)明的譜重整能力；圖12示出了對(duì)于不同的MLE設(shè)計(jì)的有關(guān)收集效率對(duì)于接收或發(fā)射域的關(guān)系圖13示出了具有折疊后向反射器的LGLE-H的俯視橫截面圖；圖14示出了對(duì)于LGLE-I的小型密封式反射燈；圖15示出了具有三個(gè)顏色光譜帶產(chǎn)生系統(tǒng)的雙口式LGLE-J；圖16示出了LGLE-K，其具有曲面的最小域表面和匹配的LG適配器，該適配器的輸出與另外一個(gè)LG相耦合；圖17示出了一熒光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，作為L(zhǎng)GLE-L；圖18示出了LGLE-M，其具有整體的錐形的LG，適合于汽車(chē)照明；圖19示出了改進(jìn)的PLE-AB，其具有傳統(tǒng)的光束成形/均勻化光學(xué)系統(tǒng)；圖20示出了PLE-AC，其采用了一個(gè)LG，該LG作為成形/均勻化光學(xué)系統(tǒng)；圖21示出了對(duì)于可反射LV的PLE-AD；圖22示出了新型的投射顯示系統(tǒng)；圖23示出了PLE-AE，其采用了二個(gè)LG，以改善色盤(pán)的通過(guò)量效率；圖24示出了DMD式的LV的不同的接收角；圖25示出了LV的相關(guān)的尺寸和橫截面形狀，該LV具有匹配的LG的輸出口；圖26示出了可反射LV的PLE-AF；圖27示出了投射頭的設(shè)計(jì)，其具有可調(diào)整的梯形修正。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明為了更好地理解本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和方法，理想的是考察現(xiàn)有技術(shù)的例子，如關(guān)于圖1-5所述。另外，在整個(gè)詳細(xì)說(shuō)明過(guò)程中，為清楚起見(jiàn)，本質(zhì)上同樣的元素用同樣的標(biāo)號(hào)表示。
現(xiàn)在參看附圖其中的圖1，圖1示出一個(gè)常用的、現(xiàn)有技術(shù)LGLE-A(例如，見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利No.5,491,765)，該LGLE-A以軸向?qū)ΨQ(chēng)方式，照明一軸向?qū)ΨQ(chēng)、固定直徑的LG10輸入口IP的接收表面ASL的圓形集光孔，該LG10具有一接收角θLin和光軸12。對(duì)固定橫截面的LG來(lái)說(shuō)，其輸出口的發(fā)射孔與輸入口的集光孔相同，以便用于這種特殊類(lèi)型LGLE的有效目標(biāo)TA實(shí)施上是輸入口IP。對(duì)上述LG10，它的最大接收角θLin被定義為最大容許輸入角，其能量傳輸損失是不能接受的。
應(yīng)該注意，盡管每個(gè)LG的輸入口通常都加工成不同形狀，但每個(gè)輸入口仍然具有例如相應(yīng)的有效輸入表面、輸入孔(等于輸入表面的外形)和接收角。因此，在合適的地方，和為了簡(jiǎn)化現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的比較和對(duì)照，采用帶下標(biāo)和/或上標(biāo)的字母說(shuō)明，代替數(shù)字來(lái)描述給定系統(tǒng)的主要功能參數(shù)。此外，在適當(dāng)?shù)胤?，整個(gè)說(shuō)明過(guò)程中，將采用小標(biāo)號(hào)和文字來(lái)標(biāo)出類(lèi)似的元件。此外，用與其有關(guān)的下標(biāo)符號(hào)‘i’代表許多個(gè)相同的項(xiàng)目。還有，所有角都用帶其各種下標(biāo)和上標(biāo)的‘θ’標(biāo)出，這些角被認(rèn)為是相應(yīng)的最大半錐形角，除非另有說(shuō)明，這些角都限定在它們相應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)位置處。它們也可以具有相應(yīng)方位角Ψ的關(guān)系(通常沒(méi)有說(shuō)明)，亦即θ(Ψ)。感興趣的所有角θ之和形成一相應(yīng)立體角‘Ω’和連帶角度相關(guān)的光束形狀，該光束形狀被認(rèn)為是相應(yīng)角度相關(guān)的能量發(fā)射或接收功能的適當(dāng)選定的、恒定能量密度的等值線(xiàn)。
下面在更詳細(xì)評(píng)述了有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)之后，定義并討論了一些參數(shù)，象域E、域效率EE、通過(guò)量效率TE及輸送效率DE，本發(fā)明自始至終都使用這些參數(shù)。
在圖1中，將光源SA示出為一種密封式復(fù)合反射器燈(例如，商標(biāo)為CERMAXTM型的燈)，該燈具有一個(gè)拋物面反射器14、一個(gè)形成透明罩的窗16和一個(gè)發(fā)射體EVSA。由反射器14和窗16形成的密封腔充有合適的賦能氣體。將直流(DC)電流供給陰極20和陽(yáng)極22(也稱(chēng)作電極20和22)，同時(shí)賦能不同電極20和22的末端之間的氣體。最后發(fā)射電磁輻射的發(fā)射體EVSA具有與空間、角度和光譜相關(guān)的能量密度函數(shù)，等發(fā)射強(qiáng)度的與空間相關(guān)的輪廓表面通常加工成形為象一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的淚珠，如圖1所示。最大輸出發(fā)散角是θ。
最大發(fā)射體EVSA靠近陰極20的末端設(shè)置。發(fā)射體EVSA通常具有一準(zhǔn)圓簡(jiǎn)形對(duì)稱(chēng)軸，該準(zhǔn)圓筒形對(duì)稱(chēng)軸也叫做光源軸，它由陰極20和陽(yáng)極22的電極末端形成。從發(fā)射體EVSA發(fā)射的能量角關(guān)系通常與光源軸24軸向?qū)ΨQ(chēng)。然而，在含有電極20和22的平面中，從發(fā)射體EVSA射出的輻射一部分被電極20和22的末端擋住，結(jié)果產(chǎn)生一有限角度的發(fā)散角，該發(fā)射角與光源24正交。
利用圖1來(lái)示出一種同軸LGLE通常實(shí)施的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)方案，此處光源軸24與光學(xué)對(duì)稱(chēng)軸(也叫做拋物面反射器14的系統(tǒng)軸28)相同，并且此處將發(fā)射體EVSA靠近拋物面反射器14的焦點(diǎn)設(shè)置。這樣，聚集和反射的光源能量作為一種本質(zhì)上平行、緩慢發(fā)散的能量束射出密封式燈窗16，該能量變成被一集中系統(tǒng)30，例如一個(gè)透鏡聚焦到一個(gè)第二光源S′A中，該第二光源S′A具有發(fā)射體EVS′A。同時(shí)，拋物面反射器14和集中系統(tǒng)30實(shí)際上形成聚光和集中系統(tǒng)A(CCS-A)，該CCS-A具有一用于從光源SA的發(fā)射體EVSA發(fā)射能量的系統(tǒng)軸28。此軸向?qū)ΨQ(chēng)的CCS-A用一最大集中角θ將聚集的光源能量沿著系統(tǒng)軸28，在軸向焦點(diǎn)位置Lrms處，集中成本質(zhì)上(空間和角度)軸向?qū)ΨQ(chēng)的光束，在系統(tǒng)軸28處，自由傳播的能量束的均方根直徑(Drms)處于其最小值。此軸向焦點(diǎn)位置Lrms也是第二光源S′A發(fā)射體EVS′A的中心位置。
CCA-A與發(fā)射體EVS′A、電極20和22及形成罩的窗16結(jié)合，形成相應(yīng)的MLE-A，它與LG10一起形成相應(yīng)的LGLE-A。為了將最多的能量耦合到LG10中，將其輸入口IP設(shè)置在發(fā)射體EVS′A內(nèi)部。
圖2示出不同種類(lèi)常用的現(xiàn)有技術(shù)LGLE-B，它照射固定截面LG10的輸入口和接收表面ASL，該LG10具有對(duì)稱(chēng)的角度相關(guān)能量接收功能。而且，它的接收表面ASL是LE-B的實(shí)際目標(biāo)TB。相應(yīng)的CCS-B現(xiàn)在由橢圓形反射器40的軸向?qū)ΨQ(chēng)部分制成，該反射器40具有一旋轉(zhuǎn)軸，該旋轉(zhuǎn)軸也是CCS-B的系統(tǒng)軸28。此處將光源SB作為一個(gè)發(fā)射體EVSB示出，該發(fā)射體EVSB被一透明的單泡燈封閉，該燈具有一內(nèi)部罩42，電磁能穿過(guò)該內(nèi)部罩42射出，并且罩42封閉合適的可賦能氣體。某些類(lèi)型的燈是雙泡燈，該雙泡燈具有透明的外部罩和內(nèi)部罩，能量穿過(guò)它們射出。相應(yīng)反射器40也可以選擇地用安全窗封閉，該安全窗防止燈爆炸的危險(xiǎn)，因此有效地形成一個(gè)外罩和雙罩燈。
第一燈桿44和第二燈桿46在兩上(對(duì)稱(chēng)的交流電弧)電極48和罩42之間有一個(gè)氣密式密封件，并且便于光源SB相對(duì)于反射器40的機(jī)械安裝。橢圓形反射器40中的孔50使光源SB能沿著系統(tǒng)軸28適當(dāng)定位和機(jī)械固定。光源SB和CCS-B形成相應(yīng)LGLE-B的MLE-B。
與圖1所示的直流型光源SA相反，圖2中的交流型光源SB有兩個(gè)電極48，這兩個(gè)電極具有本質(zhì)上相同的末端形狀，它們由交流電流賦能。這實(shí)際上使兩個(gè)電極的末端大約每隔半個(gè)電流周期就變成陰極末端。因此，產(chǎn)生時(shí)間平均的等離子體光源的發(fā)射體EVSB具有兩個(gè)空間上分開(kāi)的發(fā)射極大的子發(fā)射體52和54，這兩個(gè)子發(fā)射體部分相互重疊。其中每個(gè)子發(fā)射體靠近不同的電極末端都有一個(gè)發(fā)射極大值。通過(guò)交替式子發(fā)射子發(fā)射體52和54的時(shí)間平均式空間疊加，得到雙峰式發(fā)射體EVSB。
圖3A通過(guò)示出在包括光源軸線(xiàn)24并橫切發(fā)射體EVSB的平面中，用典型的交流電弧光源SB(如圖2中所示)可以得到的等發(fā)射強(qiáng)度的等高線(xiàn)，用圖來(lái)說(shuō)明空間相關(guān)的能量發(fā)射強(qiáng)度分布(x、y；S)的一個(gè)例子。另外示出的是擋住其中一些光發(fā)射的交流電弧電極48的兩個(gè)重疊的末端圖象。應(yīng)該注意，對(duì)許多DC或AC型弧光燈，這些等高線(xiàn)的形狀與檢測(cè)系統(tǒng)的光譜帶寬有很大關(guān)系。它們的形狀也常常取決于給定弧光燈的實(shí)際工作時(shí)間和起始脈沖數(shù)，及燈軸線(xiàn)24相對(duì)于重力場(chǎng)和/或電磁力場(chǎng)的取向。對(duì)MLE-A和MLE-B設(shè)計(jì)，這常常導(dǎo)致在CCS輸出光束焦點(diǎn)處及因此在LG10的輸出處與空間和/或角式燈工作時(shí)間相關(guān)的顏色改變。尤其是對(duì)金屬鹵化物型燈，這種空間相關(guān)的顏色改變十分普遍。
再參看圖2，來(lái)自發(fā)射體EVSB的輻射被反射器40聚集并集中到第二光源S′B的發(fā)射體EVS′B中，這樣照射LG10的輸入口IP。在發(fā)射體EVS′B的內(nèi)部，亦即在相應(yīng)軸線(xiàn)焦點(diǎn)位置Lrms附近，強(qiáng)度分布還取決于兩個(gè)子發(fā)射體52和54相對(duì)于橢圓形反射器40的第一焦點(diǎn)F1的地點(diǎn)。因此，對(duì)一給定的橢圓形反射器40、LG10和光源SB，發(fā)射體EVSB的軸向位置必須進(jìn)行優(yōu)化，以便達(dá)到最大限度耦合到給定的LG10中。
圖3B示出圖2中現(xiàn)有技術(shù)LGLE-B的理論上最佳的性能，該LGLE-B對(duì)下述系統(tǒng)參數(shù)和將光耦合到一個(gè)圓孔或LG10中進(jìn)行了優(yōu)化，該圓孔或LG10具有5mm的直徑和最大接收角θLin＝30°。圖3B示出在垂直于系統(tǒng)軸線(xiàn)28的平面處，角度相關(guān)的能量密度函數(shù)AT(，Ψ；S′)同等聚集強(qiáng)度的等高線(xiàn)，系統(tǒng)軸線(xiàn)28確定軸向能量焦點(diǎn)位置Lrms。對(duì)選定的參數(shù)，這也是LG10輸入口IP的最佳位置。在圖3B中，將輸入口IP的收集孔CA(x，y；S’)以粗圓線(xiàn)形式示出，該粗圓線(xiàn)封閉的面積ASL＝19.6mm2。
軸向?qū)ΨQ(chēng)的AC型體積光源SB已用于產(chǎn)生圖3B中所示的數(shù)據(jù)，它具有與產(chǎn)生圖3A中數(shù)據(jù)的體積光源相同的能量發(fā)射密度函數(shù)。本說(shuō)明明書(shū)自始至終都用相同的光源，來(lái)對(duì)相對(duì)光源SB的不同MLE的域性能進(jìn)行比較。假定兩個(gè)電極48的末端間距為2.35mm，及子發(fā)射體52和54的發(fā)射最大值之間的空隙是2mm。假定罩材料是折射率n＝1.46的石英。假定光源罩42是外徑為12.5mm和1mm壁厚的球形。假定燈桿44和46具有長(zhǎng)30mm和直徑為9mm的圓柱體形狀。制成的橢圓形反射器40在距該反射器40左面頂點(diǎn)的距離為8.5mm(100mm)處有一第一(第二)焦點(diǎn)F1(F2)。反射器總長(zhǎng)度為50mm。子發(fā)射體52和54二者相對(duì)于反射器40的第一焦點(diǎn)F1對(duì)稱(chēng)式定位。發(fā)射體EVSB相對(duì)于焦點(diǎn)F1的對(duì)稱(chēng)定位不會(huì)增加可以聚集到5mm圓孔中的光總量。
產(chǎn)生的能量束在距反射器40的頂點(diǎn)的軸向能量焦點(diǎn)位置Lrms≈95mm，具有一最小的光束rms的直徑Drms≈3.1mm和發(fā)散角θ＝28°，該發(fā)散角在選定的LG10的數(shù)值孔徑NALin＝sin(θLin)＝0.5的范圍之內(nèi)。因?yàn)楸菊f(shuō)明書(shū)所述的全部MLE的角輸出能量密度函數(shù)都沒(méi)有意義明確的截止點(diǎn)，所以全部的相應(yīng)發(fā)散角θ都隨意地(用射線(xiàn)描跡系統(tǒng)模式)定義為封閉99％能量的最大相應(yīng)發(fā)散角。
應(yīng)該注意，相應(yīng)CCS-A和CCS-B二者均是非成像式系統(tǒng)，這是由于兩個(gè)對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)28和24的共線(xiàn)排列，產(chǎn)生一個(gè)本質(zhì)上是軸向?qū)ΨQ(chēng)的光束，該軸向?qū)ΨQ(chēng)的光束與位于其相應(yīng)焦點(diǎn)附近的軸向?qū)ΨQ(chēng)光源SA的空間和角發(fā)射特征無(wú)關(guān)。
圖4示出現(xiàn)有技術(shù)的另一個(gè)例子LGLE-C，該LGLE-C用一AC型反射器光源SC照射小LG62的接收表面ASL(目標(biāo)TC)，該AC型反射器光源SC由后向反射器64和AC型光源SB組成。在美國(guó)專(zhuān)利No.5,509,095中論述了這種設(shè)計(jì)。
在此現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例中，一個(gè)凹式主反射器66將反射器光源SB射出的光聚集在一個(gè)立體角68之內(nèi)。此角主要由光源SB的發(fā)射體EVSB相對(duì)于反射器66的位置、它的發(fā)射表面范圍及光源SB角度相關(guān)的發(fā)射能量密度函數(shù)決定。在與反射器66相反的方向上發(fā)射體EVSB射出的光被后向反射器64聚集。該后向反射器64實(shí)際上產(chǎn)生發(fā)散體EVSB倒置的鏡象，以便子發(fā)射體52疊加到子發(fā)射體54上，這樣形成實(shí)際的子發(fā)射體70c，和反過(guò)來(lái)也一樣形成實(shí)際的子發(fā)射體72c。子發(fā)射體70c和72c二者的光譜疊加，形成最終反射器光源SC的發(fā)射體EVSC，反射器光源SC由光源SB和反射器64組成。
由反射器66聚集的能量穿過(guò)罩42向后聚焦到第二光源S′C的發(fā)射體EVS′C中，該第二光源S′C位于一個(gè)(準(zhǔn))成像位置LImax處并靠近罩42外表面的右邊，亦即反射器66的對(duì)面。翻轉(zhuǎn)圖象和放大圖象的反射器66形成LGLE-C的CCS-C，這樣產(chǎn)生發(fā)射體EVSC的垂直翻轉(zhuǎn)、放大并稍微變形的圖象，亦即第二發(fā)射體EVS′C。位置LImax通常被定義為圖象平面74的軸坐標(biāo)，該圖象平面74平分發(fā)射體EVS′C，并包括集中光束的強(qiáng)度最大值。此圖象平面74是垂直于CCS-C系統(tǒng)軸線(xiàn)28的平面。反射器64中的孔80能將LG62的接收表面ASL定位在發(fā)射體EVS′C內(nèi)部的最大強(qiáng)度位置LImax附近。
仍參看圖4，射線(xiàn)76代表最垂直的到達(dá)反射器66實(shí)際鏡面的由子發(fā)射體54發(fā)射的輻射。應(yīng)該注意，該垂直發(fā)射部分被相應(yīng)電極48的末端擋住，而通常導(dǎo)致集中光束的軸向非對(duì)稱(chēng)角能量密度函數(shù)。在反射器66處反射之后，射線(xiàn)76轉(zhuǎn)變成反射的射線(xiàn)78，該反射的射線(xiàn)78再穿過(guò)-罩42并和發(fā)射體EVS′C的子發(fā)射體81相交。射線(xiàn)82代表從子發(fā)射體54開(kāi)始最垂直的到達(dá)反射器64實(shí)際鏡面的射線(xiàn)。在鏡面64處反射之后，反射的射線(xiàn)84射向子發(fā)射體52。最終的垂直離軸射線(xiàn)位置的翻轉(zhuǎn)是由于反射器64的圖象翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(后向反射器的垂直放大作用Mo＝-1)，這樣，它就改變了來(lái)自子發(fā)射體52和54的發(fā)射，以便產(chǎn)生有效反射光源SC的子發(fā)射體70C和72C。射線(xiàn)84延伸它穿過(guò)子發(fā)射體52的路線(xiàn)，到達(dá)主反射器66，主反射器66將最終的射線(xiàn)88反射到發(fā)射體EVS′C的子發(fā)射體86中。這樣，圖4中示出的射線(xiàn)90在主反射器66的有效鏡面最水平的延長(zhǎng)部分處與該主反射器66相交。產(chǎn)生的反射射線(xiàn)92穿過(guò)-罩42向后傳送到子發(fā)射體81。應(yīng)該注意，射線(xiàn)78和92在圖象平面74處一般不重疊。這是由光源-罩42到第二光源所引起的光學(xué)變形的結(jié)果，因此造成圖象某種域損失。
與圖1和圖2中所示的非成像式LGLE-A和LGLE-B相反，圖4中所示的LGLE-C的光源SC和SB的光源軸線(xiàn)24垂直于CCS-C的系統(tǒng)軸線(xiàn)28定向。這使主反射器能起一種稍微放大、翻轉(zhuǎn)圖象的系統(tǒng)作用，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)成像、峰強(qiáng)度最大的LGLE-C。
在圖4所示的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)LGLE-C中，從光源SB發(fā)射的射線(xiàn)在到達(dá)圖象平面74之前，穿透-罩42的表面3或5次(取決于射線(xiàn)是否首先遇到反射器66或反射器64)。同時(shí)，由于-罩42的光學(xué)性質(zhì)及因額外罩透射而造成的附加菲涅耳損失，這造成光源圖象，亦即發(fā)射體EVS′C模糊不清，因而對(duì)限制這種MLE的最大可達(dá)到的峰強(qiáng)度Imax和相關(guān)的能量聚集能力產(chǎn)生影響。另外，電極48的末端擋住一部分光多次穿過(guò)罩42。正如下面將要示出的，這進(jìn)一步降低了這種LGLE的輸送效率DE和域效率EF。
圖5概括了一種典型的現(xiàn)有技術(shù)PLE-AA，它照射一個(gè)作為目標(biāo)TAA的投影屏幕98。唯一的LV100(以處以反射型LV示出)是這種類(lèi)型LE的關(guān)鍵光學(xué)元件，并且必須很均勻地和用紅色、綠色與藍(lán)色強(qiáng)度的精確平衡對(duì)它照射。投影透鏡102將LV100的輸出聚集，并將放大的LV強(qiáng)度圖象聚焦在投影屏幕98上。圖5中示出LV100具有可選擇的基準(zhǔn)軸104。例如，在DMDTM或TMATM(分別由Texas Instruments或DaewooElectronics制造)型LV100情況下，軸線(xiàn)104是各個(gè)反射器元件的鉸接或傾斜的方向。
圖5中所示的MLE-AA照射一個(gè)色盤(pán)110。為了示出圖5中所示的某些元件可以與圖2中所示的那些元件相同，采用字母的延伸部分、亦即‘-B’(代替‘-AA’)來(lái)標(biāo)出這些元件。圓形面積ACW代表射出CCS-B的光束與色盤(pán)的交點(diǎn)，該色盤(pán)位于接近相應(yīng)軸線(xiàn)能量焦點(diǎn)距離Lrms處，對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)的色盤(pán)110以一種與時(shí)間相關(guān)的定期方式限制光譜能量，該光譜能量可以透射到中間目標(biāo)面積A′T，并還可用于在光譜上將光束122重整，以便與LV100選定的工作方式結(jié)合，可以在投影屏幕98上得到選定的白色光點(diǎn)和色移。
透射的光束部分用一聚光透鏡聚集并透射到一個(gè)可選擇的積分系統(tǒng)118上，該積分系統(tǒng)118主要用作光束均化器和可選擇的光束截面形狀轉(zhuǎn)換器(例如對(duì)圓形域效率低的ABT轉(zhuǎn)變成矩形光束形狀的轉(zhuǎn)換器)。常常用透鏡或相陣列對(duì)或?qū)嵭幕蚩招牡木匦?、非錐形、堅(jiān)硬的光導(dǎo)向器作為光束強(qiáng)度積分器。通常，這種變換積分對(duì)稱(chēng)光束的光導(dǎo)向器具有本質(zhì)上與LV100相同的截面形狀(線(xiàn)性比例因素和超過(guò)占空距離固定除外)。
耦合透鏡系統(tǒng)120(SBT)將這樣產(chǎn)生的照射光束122集中到想象的具有最小光束截面積AT′的中間目標(biāo)T′AA上。中間目標(biāo)T′AA的目標(biāo)位置選擇作為照射均勻度和投影屏幕98處最大亮度級(jí)之間的最好的折衷方案，用于選定的系統(tǒng)約束條件，并且通常選擇位于LV100的接收表面ASLV和投影透鏡102的輸入光孔之間。
圖5中示出兩塊可選擇的遮光板124和126。遮光板124設(shè)置在色盤(pán)110的輸出側(cè)附近，并且它的圖象用SBT投射到LV100的矩形形狀上，因此限制了過(guò)多的能量碰到LV100的周?chē)娣e。應(yīng)該注意，由于可選擇的‘Scheinplug’效應(yīng)，亦即對(duì)LV100非正規(guī)的輸入方式操作，相應(yīng)遮光板124和/或126可以具有與LV100的聚集孔徑稍微不同的形狀(例如產(chǎn)生一個(gè)因在兩個(gè)正交軸線(xiàn)上傾斜遮光板而引起的梯形，然后將它投射到一個(gè)平面上)，甚至在用SBT將一個(gè)形狀變換成另一個(gè)形狀時(shí)也是如此。也可以用一塊處在照射光束122適當(dāng)位置處(見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利No.5,442,414)的特殊形狀遮光板126，從一軸向?qū)ΨQ(chēng)的輸入能量光束，產(chǎn)生一個(gè)軸向?qū)ΨQ(chēng)的、角度相關(guān)的能量密度函數(shù)θout(Ψ)。該專(zhuān)利還介紹了通過(guò)將軸向?qū)ΨQ(chēng)的光束轉(zhuǎn)變成軸向非對(duì)稱(chēng)的光束，用ABT來(lái)增加輸送效率。方位角Ψ對(duì)照LV的基準(zhǔn)軸線(xiàn)104測(cè)量很方便。
圖5僅示出為基本了解它與本發(fā)明關(guān)系所必須的現(xiàn)有技術(shù)PLE-AA的主要的光學(xué)元件。一般，利用附加的光學(xué)元件來(lái)使光束空間式轉(zhuǎn)向，并將它耦合到LV100上或離開(kāi)LV100。其它類(lèi)型的PLE也使用。
一般，從燈S發(fā)射的彩色光不合適地被平衡。因此，沒(méi)有選定彩色光譜帶波長(zhǎng)相關(guān)的衰減，就不能用它們來(lái)平衡相應(yīng)彩色通道的整個(gè)強(qiáng)度，用于產(chǎn)生合適的白色光點(diǎn)或色移。尤其是，許多類(lèi)型用于PLE的燈缺少藍(lán)色或紅色，因此，必須進(jìn)行專(zhuān)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇，以便在給定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束條件范圍內(nèi)，找到總體優(yōu)化的技術(shù)方案。因此，與色盤(pán)的通過(guò)量效率類(lèi)似，可以定義一種彩色效率，該彩色效率表示彩色平衡之后可利用的光強(qiáng)度與彩色平衡之前全部可利用光的比值。因?yàn)榇蠖鄶?shù)PLE都是用來(lái)產(chǎn)生幾乎逼真的彩色圖象，所以它們的設(shè)計(jì)不僅受總的最小量可輸送的光制約，而且受最小必須的色移范圍和選擇白色光點(diǎn)可接受的約束條件制約。某些類(lèi)型的PLE設(shè)計(jì)(三件系統(tǒng)等)也受可用的濾光器制造工藝和其它實(shí)際的設(shè)計(jì)制約條件限制。一般，PLE設(shè)計(jì)人員可以犧牲彩色保真度來(lái)達(dá)到最大的屏幕亮度。然而，這種附加的設(shè)計(jì)約束條件一般進(jìn)一步造成輸送效率損失。
因此，為了對(duì)給定的目標(biāo)應(yīng)用和給定的設(shè)計(jì)約束條件優(yōu)化LE，必須最先考慮優(yōu)化LE的輸送效率。在許多情況下，對(duì)成本和性能約束條件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，域效率、EE、彩色效率和通過(guò)量效率TE是實(shí)現(xiàn)最大輸送效率的主要限制。
LE及其光學(xué)組件的光輸送或輻射能輸送效率可以用所謂域的參數(shù)來(lái)表征?？砂延蚶斫鉃楣馐臻g空間和角度的實(shí)際尺寸的純‘幾何范圍’，并且每個(gè)定義都是只取決于感興趣的波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)匯集的能量的單色特征圖象。
為了具體說(shuō)明，此處介紹最簡(jiǎn)單的光源和檢測(cè)器情況，該光源和檢測(cè)器具有垂直定向的平坦發(fā)射或接收表面。根據(jù)這個(gè)例子來(lái)詳細(xì)說(shuō)明通用的LE性能參數(shù)。對(duì)該技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員，可以將說(shuō)明擴(kuò)大到包括曲面和曲體光源/檢測(cè)系統(tǒng)。
通過(guò)首先考慮均勻發(fā)射表面光源S(例如，朗伯表面發(fā)射器)的特殊情況，來(lái)更好地理解本發(fā)明的基礎(chǔ)思想，該均勻發(fā)射的表面光源垂直于它的主發(fā)射能量傳播軸定向。(為了推導(dǎo)出非均勻表面的域，可以對(duì)適當(dāng)選定的均勻光源類(lèi)型進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訖?quán)求和)。在許多涉及輻射測(cè)量法的光學(xué)專(zhuān)著中，在一個(gè)立體角Ω內(nèi)由這種均勻發(fā)射表面ESS發(fā)射的光束的光源域，由下面的表達(dá)式定義Es=n∫∫ESS′Ωcos(φ)dAdΩ----(1)]]>式中n是發(fā)射表面ESs發(fā)射側(cè)處的折射介質(zhì)。積分角φ是表面元dA的法線(xiàn)與立體角元dΩ的中心輻射之間的夾角。重積分是對(duì)所有感興趣的表面元dA和所有立體角元進(jìn)行積分。
對(duì)被積分的光束具有均勻的橢圓形角度相關(guān)的能量密度函數(shù)這種特殊情況來(lái)說(shuō)，方程(1)得到下面簡(jiǎn)化了的關(guān)系ES＝π*Ae*n2*sin(θh)*sin(θv)＝π*Ae*NAe，h*NAe，v (2)式中Ae是發(fā)射表面ESs的有效表面積。NAe，h和NAe，v表示具有垂直或水平軸的發(fā)射光束有效的水平和垂直數(shù)值孔徑，該垂直或水平軸平行于橢球形角發(fā)射圖形的主軸。角θh和θv表示折射介質(zhì)內(nèi)最大水平和垂直發(fā)射角θ，該折射介質(zhì)在發(fā)射表面ESs的輸出側(cè)處具有折射率n。通過(guò)對(duì)發(fā)射面積Ae及角θh和θv采用有效(平均)值，常常也可以用方程(2)來(lái)近似求出非均勻發(fā)射器的精確域值。也可以用它們的有效輸出表面來(lái)近似地說(shuō)明體積光源。
從光源S發(fā)射出的光可以被一垂直方向的接收表面ASs截住。在感興趣的光束和表面ASs的能量接收功能是空間上和角度上都均勻的情況下，與發(fā)射情況，用相應(yīng)的聚集感興趣的能量束的聚集面積Ac來(lái)定義收集域Ec和相關(guān)的接收表面。通過(guò)交換方程(1)或(2)中的適當(dāng)數(shù)值，可以根據(jù)給定的接受表面ASs與其空間位置和方向的關(guān)系，來(lái)確定收集域Ec。因此，對(duì)與預(yù)定位置和角方向處給定光束相交的給定可用的聚光表面積，可以計(jì)算出能量大限度地聚集多少可用的光束能量，和/或?qū)ψ畲竽芰烤奂瘉?lái)說(shuō)，給定的聚集表面與光束相交最好的地點(diǎn)，亦即空間和角度上的定位。
對(duì)每個(gè)自由傳播的光束，都至少有一個(gè)接收面，在該接收面處，收集域Ec是最小值，并且它的相關(guān)聚光面積Ac也是最小值。在本發(fā)明中，這個(gè)表面叫做最小域表面(MES)。MES也可以解釋為能聚集總可用光束能其中給定部分P的最有效(最小)集光面。
曲面和曲體的發(fā)射器，以及曲面和曲體的檢測(cè)器對(duì)計(jì)算來(lái)說(shuō)稍微更復(fù)雜一些。這種復(fù)雜性增加主要原因之一是，所有光學(xué)系統(tǒng)都有不同的正交和縱向放大倍數(shù)。對(duì)小距離，與相應(yīng)光學(xué)成像系統(tǒng)的有效焦長(zhǎng)相比，縱向放大倍數(shù)為M1～M0，此外M0代表正交放大倍數(shù)。這意味著，正交放大倍數(shù)M0(＝圖象距離/光源距離)越大，則這種延伸的光源體積效應(yīng)越大。因此，當(dāng)將不同數(shù)值孔徑下工作的不同光學(xué)系統(tǒng)性能同正交和縱向圖象放大倍數(shù)比較時(shí)，必須特別注意。
本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例對(duì)給定聚焦光束提供一種確定MES的方法。該方法可以應(yīng)用于用適當(dāng)光線(xiàn)跟蹤程序提供的光線(xiàn)數(shù)據(jù)集合，或應(yīng)用于實(shí)際光束。相應(yīng)理論最小收集表面可以包含一個(gè)或多個(gè)空間分離表面島，而各個(gè)這些島可能是與給定總收集能量相關(guān)的在不同方向取向的曲面，為找到這種最小收集表面，該相應(yīng)光束數(shù)據(jù)首先需要在包圍給定光束的最小光束腰區(qū)域的區(qū)域內(nèi)在三維空間中進(jìn)行三維像素化。相應(yīng)三維像素的形狀最好為長(zhǎng)方管，所有三維像素具有相同形狀和體積，并充分小，以便對(duì)現(xiàn)有給定任務(wù)提供足夠的空間分辨。為了對(duì)給定最小空間分辯或功率分辨增加計(jì)算效率，三維像素的縱向長(zhǎng)度、寬度和高度最好與相應(yīng)強(qiáng)度I的空間相關(guān)梯度即dI/dx、dI/dy和dI/dz匹配。
在對(duì)關(guān)心的接收空間區(qū)域的相應(yīng)三維像素映射方法進(jìn)行正確選擇之后，需要決定輸入在各個(gè)三維像素前表面上的總的積分能量。對(duì)于現(xiàn)有應(yīng)用，通常只有特殊范圍的光譜能量和/或角的發(fā)散角是有意義的。在那種情況下，只有輸入在預(yù)定可接收角度范圍和光譜范圍內(nèi)的光能量才能在相應(yīng)三維像素收集區(qū)域上被積分。
在計(jì)算的光線(xiàn)數(shù)據(jù)的情況下，跟蹤光線(xiàn)到第一三維像素的橫截平面，并決定輸入到各個(gè)相應(yīng)收集孔(三維像素輸入面積)上的能量。對(duì)于各個(gè)三維像素，還理想地計(jì)算相應(yīng)收集域值和平均光束方向，它既可計(jì)算出三維像素的收集面積，又可計(jì)算出低于相應(yīng)三維像素的檢測(cè)/限制角閾值的輸入光束角分布。
在聚集光束的情況下，光束需要用相應(yīng)光譜帶通測(cè)量方法和/或發(fā)散角限制測(cè)量方法在垂直于Z軸的第一x-y平面上被取樣?？赡艿某Ｒ?guī)強(qiáng)度映射方法是單點(diǎn)掃描和ZD檢測(cè)器系統(tǒng)如x和y掃描針孔、掃描的單一光纖、具有多個(gè)不同取向刀刃的轉(zhuǎn)動(dòng)鼓，或陣列檢測(cè)器(例如CCD)、照相系統(tǒng)等。最好應(yīng)用線(xiàn)性能量測(cè)量方法。如果不可能，可對(duì)非線(xiàn)性檢測(cè)響應(yīng)函數(shù)修改原始數(shù)據(jù)，以推導(dǎo)出各個(gè)三維像素的相應(yīng)總輸入能和可收集的能。隨后沿Z軸移動(dòng)此二維像素化的收集表面，直至下一個(gè)三維像素平面開(kāi)始，隨后重復(fù)上述過(guò)程。這樣便可得到描述接近最小光束腰的光束強(qiáng)度分布I(x，y，z)的三維圖。
隨后找出具有最高收集值的三維像素并標(biāo)記為第一允許三維像素。在所討論的簡(jiǎn)化情況下，當(dāng)MES受到限制，沿其Z軸受到阻擋時(shí)，所有具有相同x和y座標(biāo)(z列)的三維像素和所有在相應(yīng)光束發(fā)散角和/或像素接收錐角(如從該第一允許像素看到的)范圍內(nèi)的三維像素被標(biāo)記為不允許的三維像素，并須要從數(shù)據(jù)集合中隨第一允許三維像素一道除去。這本質(zhì)上除去了其頭部位于第一允許三維像素的那些三維像素的錐形體積。
應(yīng)當(dāng)注意到，對(duì)在軸向順序具有兩個(gè)或多個(gè)焦點(diǎn)的強(qiáng)度分開(kāi)，上面說(shuō)明了三維像素阻擋法，即特別選擇和消除對(duì)應(yīng)于允許三維像素的不允許(遮蓋)三維像素將妨礙找到相應(yīng)MES解。例如，具有交流式光源的MLE-B便是這種情況。因此從數(shù)據(jù)集合中除去不允許三維像素一定與人們關(guān)心的研究模式即阻擋模式、部分阻擋模式、局部阻擋模式相關(guān)。
第一三維像素的輸入表面是在相應(yīng)平均能量傳播中對(duì)于收集域值或功率值的相應(yīng)MES的投影，該收集域值或功率值不大于相應(yīng)第一允許三維像素的收集域值或功率值。MES最好具有表面法線(xiàn)，該法線(xiàn)平行于子光束的輸入主傳播方向并具有空間外延部分，使其在三維像素輸入面上的投影是三維像素的輸入表面。
在下一步驟中，再?gòu)钠溆鄶?shù)據(jù)中尋找最高收集值，并標(biāo)記為第二允許三維像素。然后從數(shù)據(jù)集合中除所有有關(guān)的相應(yīng)不允許三維像素以及第二允許三維像素。類(lèi)似地，可根據(jù)相應(yīng)光束傳播軸和在第一及第二允許三維像素收集表面上的結(jié)果的投影決定在總收集域或功率值小于第一和第二允許三維像素的收集域之和的條件下的MES。繼續(xù)按照這種方式便可以確定阻擋的MES，對(duì)于給定的光譜分布、輸入角度相關(guān)的能量密度函數(shù)以及MES的最大角度和光譜相關(guān)接收函數(shù)，該阻擋的MES取決給定的收集功率和/或收集域。
技術(shù)人員可以引伸上述說(shuō)明的方法，使其包括非阻擋MES的情況和/或此方法的明顯變型方法，這些引伸可成為本發(fā)明的一部分。例如，按照其Z座標(biāo)和功率重新分類(lèi)三維像素?cái)?shù)據(jù)可以加速計(jì)算過(guò)程。
無(wú)源光學(xué)系統(tǒng)的輻射(能)轉(zhuǎn)換定理說(shuō)明，光束域值當(dāng)其通過(guò)理想光學(xué)系統(tǒng)即Ec≥Es時(shí)不會(huì)降低。正如熱力學(xué)系統(tǒng)的熵一樣，一當(dāng)光束的域已增加(例如利用特別的CCS或LG)，則無(wú)論采用什么類(lèi)型的額外無(wú)源光學(xué)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步改變光束的空間特性和角度特性，它也不再降低。這就是給定光束的域與給定的孔徑受限的光學(xué)系統(tǒng)的通過(guò)量有關(guān)系的原因。
為了定量確定給定功率p穿過(guò)給定第i個(gè)光學(xué)系統(tǒng)造成的光束的域的相對(duì)增加，稱(chēng)作域效率EEi(p)的比值參數(shù)定義如下EEi(p)＝Ein(p)/Ecmin(p)/i≤1(3)式中，Ecmin(p)代表射出第i光學(xué)系統(tǒng)的光束的最小域，為收集給定功率值該光學(xué)系統(tǒng)是必需的。類(lèi)似地，Esin(p)是功率為P的輸入光束的最小相應(yīng)域。此性能比值可使給定系統(tǒng)“域傳輸”性能與EE＝1的理想實(shí)施光學(xué)傳輸系統(tǒng)的性能相比較。
類(lèi)似地，對(duì)于輸入光束的給定(無(wú)源)第i光學(xué)子系統(tǒng)的通過(guò)量效率TEi(E)被定義如下TEi(E)＝(Pout(E)/Pin(E)/i(4)式中，Pout(E)和Pin(E)是從具有給定收集域值E的相應(yīng)第i子系統(tǒng)的輸出和輸入光束中可收集的最大光功率值。
應(yīng)注意到，對(duì)于有源光學(xué)系統(tǒng)例如螢光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如下面要討論的，在給定波帶內(nèi)的輸出光束的功率在某些情況下(螢光轉(zhuǎn)換)可能高于輸入光束的功率。
光學(xué)系統(tǒng)的域效率EE和通過(guò)量效率TE是相關(guān)的參數(shù)。在第一種情況下，輸入功率固定，該比值決定在給定光束穿過(guò)給定光學(xué)系統(tǒng)時(shí)輸入光束的域增加多少。在第二種情況下，域值E固定，而比值決定有多少可利用的輸入功率可以通過(guò)(損失或增加)給定光學(xué)系統(tǒng)。如果需要，這些公式還可以擴(kuò)展到能夠表征波長(zhǎng)系統(tǒng)。
對(duì)于給定目標(biāo)T和光源S的LE的輸送效率DE在本文中被定為一個(gè)比值，即DE＝PT/PS(5)式中，PT代表既可傳送到給定目標(biāo)T又能為其所利用的照明光的光功率總量。發(fā)射的光源能量以及LE的光束重整能力二者常常決定有多少傳輸光能可由給定的目標(biāo)T所利用，即有多少光能是在其接收條件內(nèi)。參數(shù)PS代表相關(guān)光源S發(fā)射的總的光功率，并可用來(lái)進(jìn)行正規(guī)化。給定LE的這種總的輸送效率DE因此表征了有多少光源S發(fā)射的光被耦合到目標(biāo)T并為其所利用。同樣，對(duì)于給定光學(xué)子系統(tǒng)，將PS換成Pin便可將局部輸送效率DE定義為正規(guī)化值。因而相應(yīng)輸送效率值DE直接地代表LE的相應(yīng)效率，或其光學(xué)子系統(tǒng)中一個(gè)子系統(tǒng)的相應(yīng)效率。
對(duì)域受限目標(biāo)T的很高輸送效率的LE的優(yōu)化設(shè)計(jì)起關(guān)鍵作用的有兩個(gè)主要思想和第三輔助思想，本發(fā)明的LE設(shè)計(jì)是基于聯(lián)合認(rèn)識(shí)這些思想(i)應(yīng)用準(zhǔn)成像的通過(guò)量效率高的MLE；(ii)然后，如果需要，用匹配的ABT非對(duì)稱(chēng)地改造光束的角度和橫截面特性；(iii)如果需要，還使它與用于光束放大和光束導(dǎo)向的SBT以及用于光束導(dǎo)向和成形的非成像光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，以便形成輸送效率高的面積/角度轉(zhuǎn)換的遠(yuǎn)距離能量傳輸裝置，以便更有效地照明目標(biāo)T。
第一思想是基于這樣的認(rèn)識(shí)，在大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)LE中，最大域效率損失和/或通過(guò)效率損失的主要部分發(fā)生在第一光束重整階段即MLE階段，即通常非對(duì)稱(chēng)光源S正轉(zhuǎn)換成對(duì)稱(chēng)第二光源S′的階段。有關(guān)域減小(面積增加和/或只有部分能量被收集和轉(zhuǎn)換)原因的理論分析導(dǎo)致產(chǎn)生第一優(yōu)選思想與現(xiàn)有技術(shù)LE相比，相應(yīng)MLE的CCS應(yīng)當(dāng)是準(zhǔn)成像的，高收集效率和高域效率型的CCS。MLE亦應(yīng)當(dāng)完美地具有可使至少一些不能利用的能量轉(zhuǎn)換成可利用能量的能力，由此可選擇地形成有效的光學(xué)系統(tǒng)。這導(dǎo)致發(fā)明下述的優(yōu)選的MLE裝置，該裝置作為ABT工作令人滿(mǎn)意，該ABT可以將非對(duì)稱(chēng)的空間延伸發(fā)射光源S以域效率很高的角度/面積轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換成容易控制的非對(duì)稱(chēng)第二發(fā)射光源S′，該光該S′的域本質(zhì)上等于光源S的域，但該光源S′具有相應(yīng)較大橫截面積孔徑以及相關(guān)的較小的和更容易控制的發(fā)射立體角。
第二思想基于這樣的認(rèn)識(shí)對(duì)于給定目標(biāo)T的預(yù)定要求，為了進(jìn)一步增加優(yōu)選MLE的域效率高的輸出光束的輸送效率，還需要域效率高的重整裝置。進(jìn)一步的理論分析表明，方程(1)～(5)中沒(méi)有一個(gè)可以限制相應(yīng)收集表面面積A的形狀或立體角Ω的相應(yīng)角度相關(guān)能量密度函數(shù)的形狀。只有相應(yīng)總面積和總的立體角值可用作為光束的域計(jì)算，而且至多也不過(guò)只保持這些值的乘積。本發(fā)明的第二優(yōu)選思想因此基于這樣的認(rèn)識(shí)對(duì)于非對(duì)稱(chēng)光束和/或非對(duì)稱(chēng)目標(biāo)照明要求，特別需要非線(xiàn)性的和/或非對(duì)稱(chēng)形狀的和/或角度的轉(zhuǎn)換裝置。如下面在說(shuō)明本發(fā)明各種不同實(shí)施例時(shí)所看到的，常?？梢哉业秸_匹配的ABT設(shè)計(jì)方案(尤其是空心或?qū)嵭牡墓鈱?dǎo)裝置及特殊輸入口和輸出口配備)。當(dāng)使這些優(yōu)選的光束重整件(它可以設(shè)計(jì)成在特定設(shè)計(jì)約束條件下域效率是很高的)與優(yōu)選的MLE和目標(biāo)T相匹配時(shí)，可以設(shè)計(jì)LE，該設(shè)計(jì)的LE對(duì)于域受限的目標(biāo)其輸送效率比先前的高得多。
本發(fā)明的第三原理起源于這樣的認(rèn)識(shí)以這樣方式制造相應(yīng)ABT的特別是LG的輸入口和輸出口和/或使其與輔助光學(xué)成像的和/或非成像的部件聯(lián)用，使得在需要和/或要求時(shí)，可將多光束重整能力和(局部)光束控制能力，與遠(yuǎn)距離能量傳輸能力和/或面積/角度轉(zhuǎn)換能力相結(jié)合。在制造為特殊照明任務(wù)定制的緊湊高效LE時(shí)，這是有用的。
因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)LE的效率損失發(fā)生在多個(gè)階段，所以下面本發(fā)明的各種實(shí)施例示出了如何改進(jìn)LE的選出階段，以及如何結(jié)合不同的部件來(lái)形成傳輸性能提高的MLE、LGLE、ABTLE、PLE等。
按照本發(fā)明，域效率高的MLE的基本原理示于圖6和7。圖6示出一組優(yōu)選實(shí)施例的水平橫截面圖(在燈軸平面內(nèi))，而圖7示出另一組優(yōu)選實(shí)施例的相應(yīng)MLE垂直橫截面圖(在垂直于燈軸的平面內(nèi))。附圖6和7兩個(gè)圖中示出的基本優(yōu)選MLE設(shè)計(jì)不同于現(xiàn)有技術(shù)LE，因此創(chuàng)新的MLE變成域效率高、通過(guò)量效率高和輸送效率高的MLE，這將在下面詳細(xì)說(shuō)明。
優(yōu)選的MLE由具有主曲率半徑R0的RRS140組成，該RRS140與光源S相結(jié)合形成有效反射器燈SF、SG等，如上所述，該燈的發(fā)射本質(zhì)上進(jìn)入一個(gè)顯著減小的發(fā)射立體角Ω＜4π球面角。它還包括主反射器系統(tǒng)(PRS)142，該系統(tǒng)收集由相應(yīng)反射器燈發(fā)射的大部分光線(xiàn)，并將該光聚光在光源S附近，并射向MES144。這種聚集的能量經(jīng)至少一個(gè)相應(yīng)輸出口射出相應(yīng)的CCS-F、CCS-G等。
本發(fā)明具體涉及空間延伸的發(fā)射光源S，并具體涉及還具有角對(duì)稱(chēng)能量發(fā)射密度函數(shù)的光源，但不僅僅涉及這種光源。這種光源最好是白熾燈、氣體放電電弧燈、碳弧燈以及其它燈，這些其它燈可具有一層、兩層或沒(méi)有燈罩，或其罩形成凹式密封反射器系統(tǒng)，并具有用作出口的出口窗，或采用直流式或交流電極的燈，或采用直流電、交流電或高壓脈沖作電磁能發(fā)射材料的賦能裝置的燈，或?yàn)闊o(wú)極放電燈，或?yàn)槲⒉ü┠軣?、壁穩(wěn)定型，或產(chǎn)生發(fā)射區(qū)域的激光(包括由x射線(xiàn)發(fā)射機(jī)供能的激光)。這種能量發(fā)射材料為鎢、涂釷的鎢，或碳，或某些氣體包括稀有氣體如Xe、Ar、Kr等，這些氣體經(jīng)常含有Hg，構(gòu)成其主要成分，或者含有Na、S、K等以及金屬鹵化鹽的混合物。具有電極和罩的燈內(nèi)最好包含含鹵素的分子或其它產(chǎn)氣裝置，以便從罩內(nèi)部的內(nèi)壁上除去沉積的電極材料。另外，某些類(lèi)型的燈在內(nèi)部罩的外表面上最好對(duì)于關(guān)心的波帶具有一層消反射的涂層和/或?qū)τ跓o(wú)用的能帶(例如紅外和紫外波段)具有一層可隨意選擇的反射涂層，這些涂層能夠承受罩的工作溫度。例如，多層介質(zhì)涂層可用于鹵化鎢汽車(chē)燈，以捕獲近紅外線(xiàn)并將其反射回到燈絲，由此可節(jié)省高達(dá)30％的電能而可以將燈絲加熱到其工作溫度。
激光陣列和光發(fā)射二極管陣列也是空間延伸光源，技術(shù)人員還可以改變本發(fā)明，使其擴(kuò)展到這種空間延伸的非相干光源或部分相干或完全相干光源。
對(duì)于任何給定的收集域值，如上所述，存在相關(guān)的(截止的)MES144。這種MES(由一個(gè)或多個(gè)空間上分開(kāi)的表面ASi構(gòu)成)最好根據(jù)方程(1)或(2)進(jìn)行選擇，使得對(duì)于給定的收集域值，它可以從相應(yīng)發(fā)射體EVs收集最大能量。
相應(yīng)PRS-F和PRS-G構(gòu)成相應(yīng)CCS-F和CCS-G。它們屬于準(zhǔn)成像型的CCS，這種CCS與CCS-C相反，在光源S和第二光源S′之間具有充分的距離，因而大部分光源能量可耦合在罩42的附近(不穿過(guò))。通過(guò)正確選擇PRS142和RRS140的反射器的擴(kuò)張尺寸，這些優(yōu)選的CCS尤其能夠?qū)⒖删酃夤馐芗鼐劢乖贛ES144的位置LE附近，并且如下面要說(shuō)明的，還可以達(dá)到較高的通過(guò)量效率和域效率。從PRS142反射的受到光源罩42、燈柱44、46和電極48等的物理形狀和/或光學(xué)特性遮擋(散射、吸收、變向等)的光線(xiàn)一般以非域效率的方式射出入口146，因此一般不能有效地收集。
優(yōu)選的MLE設(shè)計(jì)產(chǎn)生像差較小的域效率和通過(guò)量效率多少有所提高的相應(yīng)第二光源像(圖6中示為虛線(xiàn)簇，該虛線(xiàn)簇代表經(jīng)相應(yīng)第二發(fā)射體EVS′F的恒定收集強(qiáng)度的橫截面輪廓線(xiàn)的翻轉(zhuǎn)圖)。為了在相應(yīng)CCS的y方向在給定的最大高度約束條件下對(duì)于給定光源S和給定罩42盡量增大通量效率，最好選擇光源軸線(xiàn)24和位置LE之間的距離，即選擇最大垂直發(fā)散角θV，使得PRS142的給定光源遮擋損失和相應(yīng)RRS140的直接光收集損失本質(zhì)上大小相同，即Δ≈δ，其中Δ和δ是圖7所示相應(yīng)“損失”角發(fā)散能量密度函數(shù)的相應(yīng)發(fā)散角。此處光源遮擋損失被定義為由光源S發(fā)射的再由反射器系統(tǒng)142反射回到光源中的光的百分?jǐn)?shù)，再反射回到光源S的光由于光源S的光學(xué)和機(jī)械遮擋效應(yīng)而不能以域效率高的方式達(dá)到相應(yīng)MES144，因而無(wú)助于提高在相應(yīng)域制約條件下收集能量的通過(guò)量。
換言之，光源S和第二光源S′即位置LE之間的距離還可以這樣選擇，使得結(jié)果的CCS以預(yù)選的最大垂直角θ和/或最大的水平角θh傳輸光。然而一般地講，這種技術(shù)方案對(duì)于兩部分反射器設(shè)計(jì)是通過(guò)量效率稍低的方案，比補(bǔ)償損失設(shè)計(jì)方案即如上所述的Δ≈δ方案的通過(guò)量效率稍低一些。
很明顯，對(duì)于成本、重量和尺寸起重要作用的很多應(yīng)用，如圖7所示的為最大通過(guò)量效率即Δ≈δ設(shè)計(jì)的兩部分域效率高的反射器組件具有優(yōu)點(diǎn)，即使最大垂直聚光角不再是輸入?yún)?shù)。如下面討論的本發(fā)明的其它實(shí)施例允許制作一種LE，該LE是域效率很高的，而且仍能以大范圍的理想的輸出發(fā)射角傳輸。采用多部分RRS和/或聯(lián)用適當(dāng)?shù)腁BT，這是可能的。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例可以增加用某些類(lèi)型燈的優(yōu)選MLE的通過(guò)量效率，方法是使單部件的主曲率半徑為R0的主要后向反射器148與至少一個(gè)具有不同主曲率半徑R1的輔助的第一凹式后向反射器150相結(jié)合，形成一個(gè)具有較高總收集效率的相應(yīng)RRS140。具體是，可以應(yīng)用特別設(shè)計(jì)的后向反射器來(lái)收集和聚焦一部分原本不能充分收集的光能，使其返回到光源S的發(fā)射區(qū)域，在此區(qū)域這部分能量又改變方向以直接或間接的方式射向MES144。這種可能的直接方式包括例如在能量發(fā)射區(qū)域內(nèi)發(fā)生的散射效應(yīng)(i)只改變相互作用光子傳播方向的彈性散射效應(yīng)；(ii)非彈性散射效應(yīng)，在這種效應(yīng)中，首先吸收光子，然后發(fā)射出多個(gè)在其它波長(zhǎng)區(qū)域和傳播方向的光(螢光轉(zhuǎn)換等)。可能的間接方式是將額外的能量加在發(fā)射區(qū)域，這種能量可間接地使該發(fā)射區(qū)域具有更大的發(fā)射性例如，熱量造成較高的氣壓，該氣壓又產(chǎn)生不同的化學(xué)組分，這種組分可以改變賦能介質(zhì)等的光學(xué)發(fā)射特性和光學(xué)傳輸特性。下面將更詳細(xì)討論這種光譜重新排列效應(yīng)。當(dāng)然還可能發(fā)生非線(xiàn)性的光子材料的相互作用以及其它的直接或間接相互作用，和/或通過(guò)選擇精選材料特意增強(qiáng)這些作用。
圖7示出這種優(yōu)選實(shí)施例，其中利用輔助凹式后射反射器部分150的優(yōu)選形狀使PRS140的原本不能使用的部分又回到原處。此輔助反射器150最好具有有效的角度范圍Δ，如從光源S看去的角度范圍。其曲率最好選擇為或者本質(zhì)上將已收集光和向后射出的原來(lái)罩擋住的光聚焦在相應(yīng)的發(fā)射區(qū)域，或者將其聚焦在其余RRS140聚焦的區(qū)域(不是使這些光改變方向而進(jìn)入光源附近的周?chē)?，和圖6所示的單一凹式反射器形狀的實(shí)施例中PRS142的作用不一樣)。同樣，可以應(yīng)用至少一其主曲率半徑R2＞R0的相應(yīng)第二輔助后向反射器152來(lái)使一部分原本經(jīng)輸出口146直接射出的光以類(lèi)似方式反回聚焦。反射器152具有相應(yīng)的輸出口154并與光源S相距一段適當(dāng)?shù)木嚯x，一部分已由CCS-G聚光的光可以經(jīng)該輸出口射出，而該適當(dāng)?shù)木嚯x大于主要后向反射器148距光源S的距離。利用適當(dāng)數(shù)目的具有適當(dāng)尺寸輸出口的輔助后向反射器便可以收集幾乎100％的從光源S發(fā)射的光(即使光發(fā)射在4π球面角內(nèi))，并且可以將大部分光聚焦在具有所選最大垂直聚光角度θv的光束內(nèi)。
可以同時(shí)應(yīng)用反射器系統(tǒng)140、142以及輔助后向反射器150、152來(lái)形成兩種不固定的共軛的反射環(huán)形腔，第一種環(huán)形腔是共軛的，而第二種是雙焦環(huán)形腔，第二種具有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的偏離系統(tǒng)軸28的偏心聚焦區(qū)域，而第一種具有相應(yīng)兩個(gè)空間上彼此交疊的中心聚集區(qū)域。因此捕集的光只能通過(guò)從光源發(fā)射區(qū)內(nèi)部改變方向，改變到PRS142的方向，或通過(guò)系統(tǒng)中某個(gè)部分的吸收，或通過(guò)以某種方式引向上述輸出口146和/或154等方法才能射出相應(yīng)的環(huán)形腔。下面詳細(xì)討論這種可能的能量變向效應(yīng)。光源阻擋效應(yīng)越大，即相對(duì)于罩42的直徑相應(yīng)的PRS142越小，這種損失回收方法變得越有價(jià)值。
這種優(yōu)選型MLE的總的通過(guò)量尤其取決于PRS和RRS的反射率以及罩的透視率。例如，反射器的反射率從86％改變到96％將導(dǎo)致凈輸出增加17％。這種反射率損失減少1.7倍是由于射向RRS140的光至少被反射兩次，并且約50％的發(fā)射光可直接由PRS142接收。同樣，具有消反射涂層的罩外壁的Fresnel反射系統(tǒng)減少4％對(duì)于優(yōu)選的MLE將導(dǎo)致凈通過(guò)量效率增益約7％。應(yīng)用上述優(yōu)選輔助反射器如反射器150和/或152可以部分回收的“損失”光量部分取決于所用光源S的類(lèi)型、相應(yīng)輔助后向反射器的收集百分?jǐn)?shù)以及它們以域效率高的方式使收集光線(xiàn)反回聚焦的能力。如下面將說(shuō)明的，特別是，金屬鹵化物燈當(dāng)其用在優(yōu)選的MLE時(shí)已證明表現(xiàn)出要求的螢光轉(zhuǎn)換能力。
圖6中，例示用的光源是交流式電弧光源SB，它與后向反射器140一起形成有效反射器光源SF，其發(fā)射體為EVSF，具有相應(yīng)兩個(gè)子(發(fā)射)體70F和72F。應(yīng)注意到，盡管本處的說(shuō)明涉及交流式電弧光源的情況，但本發(fā)明無(wú)意只局限于這種光源。按照本文的說(shuō)明，技術(shù)人員還可以將本發(fā)明應(yīng)用于任何其它的電磁能量光源，包括對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)的無(wú)電極發(fā)射光源、固態(tài)光源、X射線(xiàn)發(fā)射光源等。如圖6所示，電極48將電能變成在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)電極48尖頭之間形成的等離子體電弧，該電極48也可選擇地用作機(jī)械安裝定位件，以便相對(duì)于凹式主反射器142和凹式后向反射器140固定光源SB。這兩個(gè)反射器系統(tǒng)140和142幾乎完全封閉光源SB。
在圖6和7中未示出允許空氣進(jìn)入和/或流出由兩個(gè)反射器形成的反射腔的不一定必需的進(jìn)出口。對(duì)于某些型式的燈/反射器組合裝置將空氣吹入這種進(jìn)出口或從中抽出空氣是必需的，這樣可以防止光源罩42的局部過(guò)熱或非局部過(guò)熱，和/或防止燈柱44和46的玻璃和電極48的金屬之間的密封層(例如鉬密封層)過(guò)熱，和/或使反射涂層和/或反射器系統(tǒng)140和142的反射體的溫度保持在預(yù)定的受損閾值溫度以下。可以應(yīng)用可選擇的固結(jié)材料143(粘合劑、環(huán)氧樹(shù)脂、低溫焊等)來(lái)固定電極相對(duì)于反射腔的位置，以便實(shí)際形成一種復(fù)合的反射器燈，在這種燈中，所有重要部件在機(jī)械上均鎖定在一起，并且可隨意地以氣密方式密封或不密封。
圖6示出一種設(shè)計(jì)，其中輸出口146是反射器140上的一個(gè)通孔。圖7示出另一種優(yōu)選實(shí)施例，其中主后向反射器148的主體材料本質(zhì)上透射所關(guān)心的能帶，而且在反射器148的內(nèi)側(cè)和/或外側(cè)局部地涂有反射涂層198，以便形成透射輸出口146。反射器的透射光材料是消除反射用的，該材料可選擇地涂在至少一個(gè)側(cè)面上，以便透射所關(guān)心的波長(zhǎng)區(qū)域，并選擇地反射其它波長(zhǎng)，以便增加透過(guò)輸入窗199即輸出口146的可用能量，如上所述。這種局部反射涂層輸出窗也可以看作為RRS140的輔助后向反射器。
對(duì)于氣體賦能燈，對(duì)稱(chēng)軸24最好垂直取向，即平行于存在的重力場(chǎng)向量，以便盡量減小發(fā)射體EVSF的軸向非對(duì)稱(chēng)性和相應(yīng)體積。另一個(gè)優(yōu)選取向是對(duì)稱(chēng)軸24水平取向，而輸出口146朝下，使后向反射光射到罩42的底部，從而盡量減小罩42頂部的發(fā)熱，并使罩42的表面溫度更均勻。
典型的準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)罩42的光學(xué)特征對(duì)于相應(yīng)CCS的成像特性引進(jìn)了顯著的柱面像差和較高階的光學(xué)像差，因此減小了未校正MLE的域效率。因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是提供RRS140，該RRS140具有對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)，該軸線(xiàn)與光源軸線(xiàn)24即罩42的對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)共線(xiàn)，該RRS140還具有非球面表面曲率，該表面曲率被設(shè)計(jì)成可以修改罩的像差，使得反射聚集的光源像完全與光源像相同(只是像倒置)。對(duì)于也是優(yōu)選球面式后向反射器形狀的第一級(jí)優(yōu)選校正是以這樣方式選擇的環(huán)狀反射器，即由罩產(chǎn)生的像移與用最佳偏心配置的球面式后向反射器所達(dá)到的像移相比減小了。對(duì)于長(zhǎng)的交流式電弧燈和/或長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)柱形發(fā)射區(qū)域，橢球反射器的正確取向部分可能是相當(dāng)好的后向反射器，該反射器可以再用非球面校正項(xiàng)進(jìn)一步改進(jìn)。同樣，也是后向反射部件的輔助部分150和192理論上應(yīng)為具有與光源軸線(xiàn)24一樣的對(duì)稱(chēng)性和獲得充分的非球面校正，以本質(zhì)上補(bǔ)償罩42的像散聚焦像的漂移效應(yīng)。因?yàn)檫@些反射器部分具有小得多的從光源觀(guān)察的角延伸，所以通常只需要較小的校正項(xiàng)便可以獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。對(duì)于罩42不是軸對(duì)稱(chēng)的情況，同樣的設(shè)計(jì)優(yōu)化也適用對(duì)于各個(gè)發(fā)射方向，相應(yīng)的后向反射器部件應(yīng)當(dāng)理想地補(bǔ)償由罩42和光束路徑上任何其它光學(xué)元件所引起的光學(xué)光束偏移。
從上面說(shuō)明可以看出，交流式或其它式的空間準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)發(fā)射光源通常是最好的，因?yàn)榈瓜竦目臻g對(duì)稱(chēng)發(fā)射光束的域本質(zhì)上可以以這種方式保持，這種光源通常壽命長(zhǎng)、制造成本低，而且可以產(chǎn)生空間上更均勻的發(fā)射光束。對(duì)于非對(duì)稱(chēng)形的發(fā)射光源例如直流式光源，弧隙最好偏離反射器軸線(xiàn)28，偏差不超過(guò)該弧隙的長(zhǎng)度，以便盡量增加至假定目標(biāo)的輸送效率，或盡量增加收集區(qū)域/孔徑。
圖8示出計(jì)算的空間相關(guān)強(qiáng)度分布SI(X，X；S′)的輪廓線(xiàn)，該輪廓線(xiàn)是用圖6所示MLE-F裝置的理想部件通過(guò)數(shù)值模型在MES144(為計(jì)算方便近似取作位于LE的垂直平面)上得到的。所用的主反射器142為軸對(duì)稱(chēng)橢球形狀，距反射器142的左頂點(diǎn)(也稱(chēng)頂點(diǎn))的第一焦距F1為26mm，第二焦距為100mm。后向反射器140也為橢球形狀，但短軸b2＝bX＝67mm，并且兩個(gè)焦點(diǎn)在光源軸線(xiàn)24(Y軸)方向上偏離對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)28(Z軸)1mm，MLE-F的總的非對(duì)稱(chēng)的正交最大發(fā)散角對(duì)于99％的能量截止點(diǎn)是θh≈23°和θv≈29°，并且相應(yīng)的CCS被設(shè)計(jì)成其最大幾何聚光角或張開(kāi)角θV≈30°。
圖9示出角度相關(guān)能量密度函數(shù)的等輸入能量/球面角的輪廓線(xiàn)，該角度相關(guān)能量密度函數(shù)AT(，Ψ；S′)取決于光線(xiàn)輸入于MLE144上的水平和垂直投影角的方向余弦。標(biāo)記“A方向”的座標(biāo)軸代表水平的方向余弦即cos(θh)。標(biāo)記“B方向”的軸代表相應(yīng)燈軸線(xiàn)的正交方向余弦。示于圖6和7的角度θh和θv代表相應(yīng)聚光角θ的有效水平最大和有效垂直最大。圖9中應(yīng)注意到交流式光源SB的收集能量密度函數(shù)的角度相關(guān)的砂漏形的非對(duì)稱(chēng)橫截面形狀。加在圖9上的粗線(xiàn)155代表對(duì)稱(chēng)光束的角收集孔，其N(xiāo)A≤0.5即θ≤30°。砂漏狀曲線(xiàn)(忽略大部分中心部分)和整個(gè)圓周之間的區(qū)域代表約44％的砂漏狀空間發(fā)射角Ωe。這意味著，這種軸向非對(duì)稱(chēng)光束的域是均勻充滿(mǎn)角空間的光束的域的約60％。
圖9中可以識(shí)別出多個(gè)明顯的能量傳送損失區(qū)域(遮光損失導(dǎo)致通過(guò)量效率下降)。在圖9所示“雷達(dá)”圖的左右極上的“極冠”中的能量損失主要是電極48頭部和燈柱44、46屏蔽作用的結(jié)果，即它們阻擋了光源SB的發(fā)射體EVSB中一些接近垂直角度發(fā)射的光線(xiàn)的發(fā)射方向。人們可以清楚地辨別出圍繞圖中心的由幾乎與罩42外周相切的光線(xiàn)形成的能量缺失環(huán)形圈。對(duì)于這些光線(xiàn)，罩42的折射特性造成顯著的傳播彎折，因?yàn)樗鼈儾荒苌淙胛挥诘诙l(fā)射體EVS′F內(nèi)的限定收集區(qū)域。因此對(duì)于優(yōu)選的LME，垂直于電極48和燈柱44、46的系統(tǒng)軸線(xiàn)28的橫截面積、罩42的橫截面積以及罩42的光學(xué)光束透射特性均對(duì)收集的光量產(chǎn)生顯著影響(部分取決于反射器系統(tǒng)140和142的尺寸)，這些收集的光本質(zhì)上靠近罩、金屬絲48和燈柱44、46傳送到MES144。
這種燈柱遮擋作用的大小取決于燈柱44、46相對(duì)于反射器142焦距的相對(duì)橫截面寬度和形狀。同樣，電極頭遮擋作用的大小取決于發(fā)射體EVS的電弧長(zhǎng)度L和寬度W(依賴(lài)于電功率的大小)、所述RRS140與罩42聯(lián)用的成像質(zhì)量以及發(fā)射區(qū)域相對(duì)于系統(tǒng)軸28的空間配置。對(duì)于給定的光源S，設(shè)計(jì)人員必須在反射器系統(tǒng)140和142的實(shí)際系統(tǒng)尺寸及復(fù)雜性和最大可達(dá)到的傳送效率之間進(jìn)行權(quán)衡。
根據(jù)數(shù)據(jù)例如圖9所示數(shù)據(jù)進(jìn)行的角度相關(guān)能量傳輸損失分析提供了可以反饋給燈設(shè)計(jì)人員的性能指標(biāo)。這種分析突出了供優(yōu)選型MLE用的燈設(shè)計(jì)的新的改進(jìn)方面。例如圖9說(shuō)明為什么本發(fā)明制造的燈與優(yōu)選的MLE聯(lián)用可以獲得較高的輸送效率。應(yīng)當(dāng)注意到，對(duì)燈結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)選改變?cè)诤芏喾N現(xiàn)有技術(shù)的MLE中并沒(méi)有形成任何有益的效果，而且有時(shí)甚至產(chǎn)生變壞的作用。
可以設(shè)計(jì)、制造這種優(yōu)選燈，這一點(diǎn)連同其它方法可導(dǎo)致減小電極48頭部和/或燈柱44、46(至少靠近該燈柱與罩42的相交部分)的有效橫截面積，從而降低相應(yīng)優(yōu)選MLE的遮光損失。因此本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例采用軸向非對(duì)稱(chēng)形狀的電極48和/或燈柱44、46，并使機(jī)械要求、電流傳送要求和熱負(fù)載要求與上述最小光遮擋要求保持平衡。這種優(yōu)選的橫截面形狀是軸向非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)、配置成可對(duì)PRS142的聚光光束形成減小的橫截面，這種優(yōu)選的橫截面形狀最好選自在一個(gè)正交于系統(tǒng)軸線(xiàn)28的平面上的一組形狀，包括卵形、橢圓形、細(xì)的長(zhǎng)方形、三角形、T字梁形、梯形和細(xì)長(zhǎng)的慢慢扭曲的長(zhǎng)方形。這些形狀與用于現(xiàn)有技術(shù)燈結(jié)構(gòu)中部件的普通圓截面形狀或近乎方形工字梁的橫截面形狀形成鮮明對(duì)比。這種優(yōu)選燈制造設(shè)計(jì)的改變一方面導(dǎo)致相當(dāng)充分的機(jī)械安裝、充分的散熱能力和充分的電流輸送能力，另一方面又可以增加給定高度約束條件下的優(yōu)選MLE的輸送效率特性。在模擬方式下，給定的燈罩的拆焊部分最好同時(shí)除去，或配置在可以盡量減小其遮光作用的位置或方向，配用相應(yīng)的冷卻裝置可以最大限度增加系統(tǒng)壽命。
與現(xiàn)有技術(shù)的MLE-A和MLE-B相反，優(yōu)選MLE的另一顯著優(yōu)點(diǎn)是，燈柱44、46的兩個(gè)端部可以配置在優(yōu)選CCS的外側(cè)或接近該外側(cè)。這樣便容易進(jìn)行維修，并在更獨(dú)立地控制罩42操作參數(shù)的同時(shí)可以顧及溫度控制能力(冷卻)，即可以使罩更始終如一的作用，并更接近其最佳操作溫度。另外，如圖9所示，優(yōu)選MLE的相應(yīng)CCS在燈軸線(xiàn)24方向可能更受限制，因?yàn)橹挥猩倭靠墒占哪芰繌墓庠碨的發(fā)射區(qū)域射向這些方向。基于本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選設(shè)計(jì)方案因此可以減小反射器系統(tǒng)140和142的伸展長(zhǎng)度和燈柱44、46在燈軸線(xiàn)24方向的長(zhǎng)度。這樣便盡量減小了MLE占據(jù)的體積，直至由于收集效率降低而顯著影響相應(yīng)MLE的輸送效率。另一種優(yōu)選MLE的設(shè)計(jì)方案在給定最小尺寸約束的條件下應(yīng)用這種實(shí)際上最大的反射器設(shè)計(jì)，以便通過(guò)盡量減小光源遮擋損失的方法來(lái)盡量增加高度或?qū)挾燃s束條件下的輸送效率。
下面詳細(xì)討論本發(fā)明的不同的優(yōu)選實(shí)施例，此實(shí)施例用于盡量增加在垂直于光源軸線(xiàn)24方向的在給定寬度約束條件下的MLE的通過(guò)量效率。例如，圖7示出相應(yīng)反射器主體的平的壁厚度變薄的部分155，該部分靠近主要的和后向反射器系統(tǒng)140和142的配接區(qū)域，位于兩個(gè)分開(kāi)的平行平面上，該平面大體正交于燈軸線(xiàn)并正交于CCS-G受制約的方向(圖中示為垂直線(xiàn))。如上所述，這種優(yōu)選制造的反射器部分導(dǎo)致實(shí)際上較大的CCS，對(duì)于已知的燈S，該CCS具有較高的通過(guò)量效率。應(yīng)注意到，如果CCS指向例如20°角的向下方向(例如對(duì)于密封約束設(shè)計(jì))，則平的變薄部分155應(yīng)該置于不同的方向。
圖7還示出本發(fā)明的另一實(shí)施例，具有主反射器142和主后向反射148，前者從光源軸線(xiàn)24過(guò)度延伸一段過(guò)頭距離DD＞0，而后者欠延伸約同一距離，由此導(dǎo)致制造成本較低的MLE設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)注意到，優(yōu)選MLE式的通過(guò)量效率值僅隨過(guò)頭距離DD＞0的增加而很慢地減小，因?yàn)樵黾又鞣瓷淦鞯氖占屎陀捎赗RS140的收集效率降低而產(chǎn)生的減小罩傳輸損失兩種效果抵消。主后向反射器148的可制造性部分取決于要求的表面形狀準(zhǔn)確度和反射器148輸出表面的錐角156，該錐角在幾何上與過(guò)頭距離DD有關(guān)系。因此，優(yōu)選的在制造性約束條件下的通過(guò)量?jī)?yōu)化的CCS本質(zhì)上采用最小的過(guò)頭值DD，該值在幾何上與給定的輸出錐角156相關(guān)，該錐角由選擇的反射器主體制造工藝預(yù)先確定。典型的這種輸出錐角156在4～10°范圍內(nèi)。必要時(shí)最好采用較大的過(guò)頭距離，以增加PRS142的收集效率和減小RRS140的收集效率。具體是，在后向反射光與光源S產(chǎn)生相互作用，造成不好的效果，例如造成顏色變化，減小相應(yīng)燈的壽命等時(shí)，優(yōu)選應(yīng)用這種設(shè)計(jì)選擇。
低瓦數(shù)的電弧燈S通常具有較小的發(fā)射體EVS、較小的和可能更薄的罩42、更細(xì)的電極48和更細(xì)的燈柱44、46。這種低瓦數(shù)電弧燈的有關(guān)的較小橫截面積對(duì)于給定尺寸的反射器142導(dǎo)致更小的光遮擋。這樣，設(shè)計(jì)具有較高通過(guò)量效率TE因而具有較高能量輸送效率DE的優(yōu)選MLE成為可能，以使更多能量傳送到最后的照明目標(biāo)。因而在特殊情況下，較小瓦數(shù)的燈可以將更多的光耦合到給定的收集區(qū)域，比給定尺寸約束條件下的MLE中，較大瓦數(shù)的燈耦合的光多。
將圖8和3A相比較可以證明，優(yōu)選的MLE-F是準(zhǔn)成像系統(tǒng)，它能夠保持原始光源像的大部分空間相關(guān)局部特征，但是在總體水平上使像稍微變形。圖9中可看出的總的像變形和不同的像正交放大倍數(shù)即MX≠M(fèi)Y的原因部分是由于(i)對(duì)于輸出聚光光束的X軸(燈軸)和Y軸具有不同的張角；(ii)對(duì)于大部分發(fā)射區(qū)域以及三維形狀的發(fā)射區(qū)域，發(fā)射區(qū)域的空間擴(kuò)張導(dǎo)致離軸的發(fā)射；部分還由于(iii)在XZ平面和YZ平面中造成不同軸向聚焦位置的像差未得到校正；(iv)以垂直收集平面近似為理想的MES144，即忽略了像的“平面”曲率。例如，應(yīng)注意到，CCS-F稍微離軸地工作，即子發(fā)射體70F和72F的中心稍微離軸地偏離系統(tǒng)軸線(xiàn)28，便造成離軸像差和彎曲的像表面即彎曲的MES144。對(duì)于給定的收集效率，這種像差常常導(dǎo)致比理想收集表面更大的收集表面。按照方程(1)～(3)，這造成域效率降低。因此這種第二光源像的放大最好盡量減小。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)一步增加了優(yōu)選MLE的輸送效率，方法是將軸向非對(duì)稱(chēng)校正項(xiàng)加在相應(yīng)CCS的基本優(yōu)選的軸向?qū)ΨQ(chēng)形狀上。例如，將正確設(shè)計(jì)的柱形校正項(xiàng)加在PRS142的基本橢球反射器表面上可以減少第二光源的在燈軸24方向的像伸長(zhǎng)，因而可以增加相應(yīng)CCS的域效率?？梢?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)這種校正項(xiàng)，以補(bǔ)償例如由于罩42、形成輸出口190的固體窗、色輪、光學(xué)波帶濾光器、空間上分開(kāi)各種顏色通道的分色棱鏡等引起的各種光學(xué)像差。同樣，利用對(duì)稱(chēng)軸與光源軸線(xiàn)24共線(xiàn)的(或更一般地具有廣義非球面形狀的)軸向?qū)ΨQ(chēng)RRS可以減小靠近光源S的后向反射光束聚集像的像散(主要由罩42造成)。這樣可以將更大部分的后向反射能量“擠壓”在電極48的頭部之間，從而增加相應(yīng)CCS系統(tǒng)的域效率和通過(guò)量效率。
對(duì)于給定的收集區(qū)域，較小的第二光源像S′使得可以收集較大部分的發(fā)射光源能量。還可以從較大的發(fā)射區(qū)進(jìn)行有效采樣，在光源S發(fā)射區(qū)域具有顯著光譜變化空間范圍(Spectral varying spatial extend)(例如金屬鹵化物燈)的某些LE應(yīng)用中，這還可以增加輸送效率。對(duì)于罩42的非對(duì)稱(chēng)光學(xué)特性，在理論上需要將非對(duì)稱(chēng)校正項(xiàng)加在基本形狀上，以達(dá)到盡可能高的域效率EE。因?yàn)閷?shí)際制造原因，人們常常還選擇軸對(duì)稱(chēng)的準(zhǔn)橢圓、準(zhǔn)球形或準(zhǔn)圓環(huán)形的反射器形狀，這種形狀比優(yōu)化的廣義非軸對(duì)稱(chēng)的球面形狀更容易制造，這種形狀已隨相應(yīng)的LE被優(yōu)化，與不用這種校正得到的輸送效率相比，進(jìn)一步提高了輸送效率。
比較圖3B和8可以清楚看出，準(zhǔn)成像MLE的優(yōu)選實(shí)施例在保持光源S的局部或整體空間發(fā)射特性方面的成像能力優(yōu)于非成像的現(xiàn)有技術(shù)的MLE-B所能達(dá)到的，優(yōu)越之處還在于，對(duì)于給定的總功率水平PT，不管是對(duì)可收集的光還是目標(biāo)T可利用的光均形成較小的收集面積Ac。這些圖還示出，由于具有交流型光源的MLE-F的光束橫截面更像矩形形狀，因而對(duì)于矩形目標(biāo)T，與非成像的MLE-A和MLE-B的圓形光束橫截面形狀相比，可以達(dá)到更好的收集效率。這種矩形目標(biāo)越細(xì)長(zhǎng)，這種(基于幾何形狀的)耦合效率優(yōu)越性一般越大。換言之，根據(jù)本發(fā)明，較長(zhǎng)的電弧燈可成比例的更有效的耦合到給定的矩形目標(biāo)T上。下面將說(shuō)明，當(dāng)在這種LE中采用相應(yīng)有較長(zhǎng)弧隙的優(yōu)化燈S(基于本發(fā)明)時(shí)，可以達(dá)到較長(zhǎng)的燈壽命、更好的電光轉(zhuǎn)換效率，更大的發(fā)射角(由于電弧頭部的遮光減小)以及更寬波帶的光發(fā)射和收集。
從上述分析可以得出，為了收集射MLE-F的光，達(dá)到最大域效率，相應(yīng)的光收集區(qū)域AC必需分散成一個(gè)或多個(gè)子區(qū)域Ai，這些區(qū)域包圍第二光源S′F的兩個(gè)強(qiáng)度峰值252和159。這些區(qū)域Ai中各個(gè)區(qū)域的橫截形狀具有封閉較高強(qiáng)度區(qū)域的等值相對(duì)峰強(qiáng)度的輪廓線(xiàn)。圖3B和8中標(biāo)記ASL的粗圓形線(xiàn)和卵形線(xiàn)示出例如最好相應(yīng)接收表面ASL的收集孔，該接收表面的最大總收集面積Ac＝19.6m。
圖8和9示出，與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)MLE-B的對(duì)稱(chēng)輸出光束相反，相應(yīng)第二發(fā)射體S′F的空間和角度相關(guān)發(fā)射特性為非軸對(duì)稱(chēng)形狀。更具體講，在MES144上，張角較小，而且優(yōu)化收集表面最好在燈軸線(xiàn)24的方向較長(zhǎng)。因此，如圖8用粗卵形線(xiàn)所示的收集表面ASL僅對(duì)給定目標(biāo)T的最大耦合效率是最佳的，如果相應(yīng)的(有效)發(fā)射和收集表面以及它們的角度相關(guān)能量密度函數(shù)可以以域效率高的方式相互轉(zhuǎn)換。
對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)光束和對(duì)于具有對(duì)稱(chēng)接收角的目標(biāo)(例如某些類(lèi)型的LV和LG)，在光源S′的有效發(fā)射孔徑EA(x，y；S′)(例如遮光板)的形狀和目標(biāo)T的收集孔CA(x，y；T)的形狀可以用線(xiàn)性換算函數(shù)相互轉(zhuǎn)換，即EA(x，y；S′)＝k*CA(x，y；T)而k＞0時(shí)，可以利用包括成像的或非成像的SBT即具有軸對(duì)稱(chēng)光束轉(zhuǎn)換能力的光學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)域效率高的增加輸送效率的光束重整任務(wù)，例如，可以應(yīng)用成像透鏡，或圓形的或具有恒定橫截面形狀和長(zhǎng)寬比(與相應(yīng)目標(biāo)收集孔CA(x，y；T)的形狀完全相同)的長(zhǎng)方楔形積分桿來(lái)增加/減小軸對(duì)稱(chēng)光源S′的有效“發(fā)射斑點(diǎn)尺寸”，并且按照方程(2)的恒定域的解，也同時(shí)減小或增加相應(yīng)的發(fā)散角。這樣，例如采用尺寸適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)方形的限制發(fā)射的“輸出”孔徑(見(jiàn)圖5的遮光板124、126)便可以使相應(yīng)第二光源S′的發(fā)散角最佳地與給定長(zhǎng)方形目標(biāo)T的接收角相匹配。然而，由于光源S′的橫截面形狀和目標(biāo)T一般不匹配，所以這種現(xiàn)有技術(shù)的軸對(duì)稱(chēng)光束的重整方法對(duì)于域受限的能量收集經(jīng)常導(dǎo)致不令人滿(mǎn)意的輸送效率損失。
按照本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于給定的非對(duì)稱(chēng)第二光源S′(例如由優(yōu)選的MLE形成)和給定的目標(biāo)T，為了進(jìn)一步增加很多種LE的輸送效率，即增加到超過(guò)這種軸對(duì)稱(chēng)耦合系統(tǒng)的能力，最好用優(yōu)選形式的ABT以增加域效率的方式在理論上重整光源S′的空間的角度的和/或光譜光束特性，以更好地配合目標(biāo)T。最好將這種ABT設(shè)計(jì)成匹配的光學(xué)系統(tǒng)，使這種光學(xué)系統(tǒng)的輸入口與給定的非對(duì)稱(chēng)光源S′相匹配，而使其輸出口與給定的目標(biāo)T相配合。
這種優(yōu)選的ABT可以是(i)成像式的或(ii)非成像式的，并可以隨意地與SBT混合，形成相應(yīng)的變形光束變換器系統(tǒng)(ABTS)。與本發(fā)明有關(guān)的所有優(yōu)選ABTS普通為它們的相應(yīng)收集孔CA(x，y)|ABTS與它們的輸出口的輸出孔EA(x，y)|ABTS為非線(xiàn)性相關(guān)，即CA(x，y)|ABTS≠k*EA(x，y)|ABTS，其中k＞0，而且Z軸是局部光束傳播軸。所考慮的ABT和SBT的輸入口和輸出口由高效遠(yuǎn)距離電磁輻射傳輸裝置連接起來(lái)，該傳輸裝置可將從收集孔CA(x，y)|ABTS收集的能量映射到它的輸出孔EA(x，y)|ABTS上。因此這些ABTS可將發(fā)射輸出和/或軸向非對(duì)稱(chēng)輸入光束的光束橫截面有區(qū)別地轉(zhuǎn)變到至少兩個(gè)選擇的正交平面上；因而它們相對(duì)于非對(duì)稱(chēng)光源S′和目標(biāo)T具有優(yōu)選的定位取向。
為了將光源S′發(fā)射的能量以域效率高的方式耦合到目標(biāo)T上，輸出孔EA(x，y)|ABTS的優(yōu)選橫截面形狀最好是目標(biāo)T的有效收集孔CA(x，y)的域效率高的變形線(xiàn)性形狀轉(zhuǎn)換，即EA(x，y)|ABTS＝1(x)*1(y)*CA(x，y；T)，其中1(i)＝|sin(θiT)/sin(θie)|，i＝x或y，而θiT是目標(biāo)T的相應(yīng)接收角，θie是輸出口的相應(yīng)輸出張角。對(duì)于各個(gè)表面，相關(guān)的x和y根據(jù)局部傳播軸Z和給定的最長(zhǎng)尺寸軸或優(yōu)先軸x進(jìn)行確定。對(duì)于具有非對(duì)稱(chēng)接收角函數(shù)像應(yīng)用在其非對(duì)稱(chēng)模式的DMD或TMALV的目標(biāo)，輸出張角分布最好也與目標(biāo)的需求相匹配，使得輸出口至目標(biāo)T的上述空間匹配也匹配需要的角度相關(guān)發(fā)射函數(shù)和非對(duì)稱(chēng)接收函數(shù)。
輸入和輸出形狀的選擇取決于可用的非對(duì)稱(chēng)輸入光束、目標(biāo)的照明要求以及在相應(yīng)輸入和輸出口之間選擇的遠(yuǎn)距離能量傳輸裝置(即它們不能使角度非對(duì)稱(chēng)能量密度函數(shù)對(duì)稱(chēng)化)。這種ABTS可選擇地包含至少一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換部件，該部件與ABTS結(jié)合能夠增加可用光的輸送效率。另外，盡管上面只討論單個(gè)輸入口和輸出口，但如果需要可以制作具有多個(gè)輸入口和/或輸出口的復(fù)合ABTS，因而可以校正上述說(shuō)明，以適應(yīng)具體情況。
為了能夠使應(yīng)用本發(fā)明的ABTS達(dá)到的輸送效率增益與現(xiàn)有技術(shù)的相比，用以下公式定義基準(zhǔn)輸送效率值DE0DE0＝max(PT/Pin) (6)式中，Pin是相應(yīng)輸入光束的總的可利用的光譜、空間和角度積分能量。功率值PT被定義為采用或不采用適當(dāng)SBT時(shí)在給定輸入光束和給定目標(biāo)T之間的按照方程(5)的最大可達(dá)到的局部輸送效率。換言之，值DE0代表用軸向?qū)ΨQ(chēng)耦合裝置可得到的最大輸送效率。
例如，在使用非楔形LG即使用具有恒定橫截面形狀的LGLE的情況下，其輸入口(＝輸出口)是相應(yīng)的照明目標(biāo)。它或者可以直接放在光源S′的焦點(diǎn)上，或者可與軸對(duì)稱(chēng)的放大或縮小光學(xué)系統(tǒng)耦合，該系統(tǒng)可以以域效率高的方式換算光束橫截面積。相應(yīng)的值DE0代表給定輸入光線(xiàn)和相應(yīng)LG的輸入口之間的最大耦合效率。適當(dāng)選擇的SBT一般有助于使這種LG的輸出功率達(dá)到最大。對(duì)于θ≈θLin的特殊情況，即在相應(yīng)輸入光束的張角θ與LG的最大接收角θLin相匹配的情況下，輸入口最好直接放在相應(yīng)輸入光束的焦點(diǎn)上而不用借助任何SBT。
因此，在用本發(fā)明優(yōu)選的MLE減小域效率高的發(fā)射立體角第一步之后，用于很多域受限目標(biāo)照明的LE的輸送效率現(xiàn)在也主要取于識(shí)別實(shí)際裝置(identifying practical means)，該裝置用于將相應(yīng)第二光源S′發(fā)射的非對(duì)稱(chēng)光束重整成，最好以域效率高的方式重整成可用更多的照明光束照明特定的目標(biāo)。
很多普通使用的照明目標(biāo)T(LG、LV′等)具有軸對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)能量接收函數(shù)。因此按照本發(fā)明，可以利用ABTS將對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)能量密度函數(shù)(示于圖9)轉(zhuǎn)換成更對(duì)稱(chēng)的光錐，這樣，如果這種ABTS以域效率高和輸送效率高的方式工作，則對(duì)于相同的輸出收集面積，可以增加額外的輸入收集面積。因此，優(yōu)選ABTS與域效率高的非對(duì)稱(chēng)輸入光束即在具有最大張角的平面內(nèi)具有最窄光腰的光束聯(lián)用可以進(jìn)一步增加相應(yīng)域限制LE的輸送效率，因?yàn)橛行У匦纬奢^大的收集孔，對(duì)于給定尺寸和形狀的輸出孔，該收集孔可在最長(zhǎng)光腰的方向被拉伸。
本發(fā)明的不同實(shí)施例采用不同類(lèi)型的ABT。為將圖8所示的卵形橫截面ALs轉(zhuǎn)換成不同的卵形或圓形，本發(fā)明的優(yōu)選裝置是應(yīng)用正交配置的雙柱面光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)這樣選擇，使得X軸和Y軸均在相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的Z軸上在約同樣像距的位置形成發(fā)射光源S′的像，而在該處，在X軸和Y軸上的散度和相應(yīng)的正交放大率是不同的，并被選擇為可以達(dá)到要求的域效率和輸送效率優(yōu)化的面積/角度光束重整函數(shù)。另外，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)這種變形光學(xué)成像系統(tǒng)，便可以容易地將PCS加在可以產(chǎn)生高度極化輸出光束的系統(tǒng)上，該系統(tǒng)具有約兩倍的橫截面積和相應(yīng)的域。對(duì)于某些種類(lèi)的LE應(yīng)用，這可以改進(jìn)系統(tǒng)的輸送效率。在需要時(shí)，還可以將這種PCS加在上述某些其它實(shí)施例中。換言之，可以采用具有非軸對(duì)稱(chēng)反射器部分的凹式和凸面反射器(球面的雙曲面的、卵形面的、橢球面的、非球面的等)以及它們與軸對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)透鏡的組合件，以便使光束控制與域效率高的面積/角度轉(zhuǎn)換結(jié)合起來(lái)。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例采用一對(duì)匹配的透鏡陣列或位相陣列，以便既能改造光束橫截面，又能在空間上平均相應(yīng)系統(tǒng)輸出孔EA(x，y)|ABTS上的光束強(qiáng)度。相應(yīng)一對(duì)的第一部件將光束分裂成多個(gè)亞光束，然后對(duì)各個(gè)亞光束進(jìn)行相應(yīng)域效率高的角度/面積轉(zhuǎn)換，并使各個(gè)亞光束交疊，由此形成面積、角度和空間強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的輸出光束。應(yīng)注意到，由于優(yōu)選型MLE具有通常更像矩形的輸出光束(見(jiàn)圖8)及其高域效率匹配的非對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)能量密度函數(shù)(見(jiàn)圖9)，所以相應(yīng)光束轉(zhuǎn)換成具有長(zhǎng)寬比為4∶3或16∶9的長(zhǎng)方形的這種轉(zhuǎn)換，與等價(jià)的圓形轉(zhuǎn)換到矩形區(qū)域的轉(zhuǎn)換相比，典型地是一種域效率更高的轉(zhuǎn)換。對(duì)軸向角度對(duì)稱(chēng)的輸入和輸出光束的這種圓到矩形的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致域效率至少減小30％，它常常與作為三種LV PLE應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)MLE-A或MLE-B聯(lián)用。
基于本發(fā)明的另一種優(yōu)選ABT采用高效的LG制造工藝進(jìn)行制造。它最好作成類(lèi)似于纖維束，并且其輸入和輸出形狀最好與相應(yīng)照明光束的空間特征和目標(biāo)T的要求相匹配，而且其相鄰輸入象素最好無(wú)序地映射到輸出面積上。這種光束成形的LG最好用高效率尖頭制備方法制作；例用用Natterman的美國(guó)專(zhuān)利No.4,983,014(1991)所述的方法制作，以獲得＞90％的輸送效率，或者采用可以產(chǎn)生類(lèi)似功能結(jié)果的其它制造工藝制作。例如，為將作為面積為Ac的最有效收集表面ASL的圖8所示的卵形收集孔轉(zhuǎn)換成面積同樣為Ac的矩形發(fā)射表面，可將總的可利用橫切面積重新配置在相應(yīng)輸入口(或多個(gè)輸入口)上，以便最佳地匹配MES144的相應(yīng)輪廓線(xiàn)，并使輸出口(或多個(gè)輸出口)成形為具有需要長(zhǎng)寬比的矩形。這種優(yōu)選的形變的空間光束成形方法，與SBT系統(tǒng)，矩形遮光板，或拋光的矩形的空心反射或?qū)嵭耐干涞目們?nèi)反射積分器桿相比，通?？梢砸愿行У姆绞酵瓿梢蟮目臻g光束重整任務(wù)，因?yàn)檫@種類(lèi)型的ABT能夠以更高的空間效率即以域效率高的方式收集和發(fā)射光。只要這種制造的“錐形”纖維束的傳輸損失小于收集效率中獲得的增益，這種光束重整設(shè)計(jì)方案便值得考慮。
應(yīng)當(dāng)注意到，這種特殊類(lèi)型的面積重整LG也改變(軸對(duì)稱(chēng)化)任何非軸對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)能量密度函數(shù)，因此和非對(duì)稱(chēng)輸入光束的域相比，增加了相應(yīng)輸出光束的域。對(duì)于圖9所示的取決于這種LG工藝設(shè)計(jì)的情況，這相當(dāng)于通過(guò)將砂漏形狀轉(zhuǎn)換成軸對(duì)稱(chēng)圓形可使域增加1.44倍之多。因此，盡管這種優(yōu)選的ABT對(duì)于某些LE設(shè)計(jì)可以比SBT傳輸更多可用的輸出能量，但是它也不能利用相應(yīng)輸入光束的非對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)的能量密度函數(shù)，因而失去高達(dá)144％的另一種潛在的收集孔面積增益。
因此，本發(fā)明的用于根據(jù)LG的ABT的更改進(jìn)的光束重整方法一般首先執(zhí)行域效率高的角度對(duì)稱(chēng)化的光束重整步驟，然后，如果值得做，用上述優(yōu)選非對(duì)稱(chēng)面積重整方法再重整最后輸出面積。
本發(fā)明的不同優(yōu)選ABT是單道的固體透射的軸對(duì)稱(chēng)錐形的非成像積分器部件，該部件具有折射系數(shù)適當(dāng)?shù)偷陌矊?，或具有很仔?xì)光學(xué)拋光的干凈表面。再一個(gè)優(yōu)選制造方法是用空心的高反射的非軸對(duì)稱(chēng)的錐形管制造這種ABT。從輸入橫切面形狀過(guò)渡到輸出橫截面形狀最好隨選擇的形狀相當(dāng)慢的變化或逐步可微分地變化，以便在給定制造成本受約束的條件下使相應(yīng)LE的輸送效率達(dá)到最大。
圖6以剖視圖形式示出本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，此處采用兩種不同類(lèi)型的ABT操作，即首先并聯(lián)，然后串聯(lián)操作，以便作為一個(gè)ABTS，形成一高輸送效率區(qū)域/角度重整組合的LG，這樣形成相應(yīng)的LGLE-G和ABTLE-G。應(yīng)該注意，在這個(gè)例子中，突出的是這種情況，此處對(duì)相應(yīng)輸出口(未示出)的這種小的輸出孔，進(jìn)行收集優(yōu)化，因此最佳收集技術(shù)方案需要兩個(gè)不同的空間上分開(kāi)的能量收集位置，該位置靠近發(fā)射體EVS′F的兩個(gè)加熱點(diǎn)(發(fā)射源70F和72F的相應(yīng)圖象)。因此，相應(yīng)優(yōu)化的能量收集示出兩個(gè)不同的輸入口IP1和IP2，然后通過(guò)一使LG再成形的分岔區(qū)域160將該輸入口IP1和IP2結(jié)合，以便形成一個(gè)輸出口OP(在比圖中未示出)。其中第一種類(lèi)型ABT主要以一種域有效的方式使給定的軸向非對(duì)稱(chēng)、角度相關(guān)的能量密度函數(shù)對(duì)稱(chēng)。第二個(gè)ABT使該面積再成形，而不用顯著改變已經(jīng)對(duì)稱(chēng)的與角度相關(guān)的能量密度函數(shù)。這種級(jí)聯(lián)方法能使最佳角重整步驟與最佳面積重整步驟分開(kāi)，因此，作為一個(gè)匹配的串聯(lián)對(duì)，這們進(jìn)一步增加相應(yīng)的輸送效率。盡管圖6作為其中第一種類(lèi)型的ABT示出非對(duì)稱(chēng)式錐形積分桿的使用，但也可以用別的類(lèi)型成像或非成像的、域有效的合成光束變換器來(lái)完成相同的任務(wù)。
圖7示出一種優(yōu)選ABT的另一實(shí)施例，該ABT是一種單個(gè)的、矩形非對(duì)稱(chēng)式伸展的錐形積分器162，該積分器162還執(zhí)行出口角θVe減小功能，該出口角θVe與燈的軸線(xiàn)垂直，亦即在y軸上具有比輸入高度大的輸出高度。這個(gè)錐形積分器162示有一個(gè)彎曲的輸出表面，此輸出表面形成相應(yīng)LGLE-G的照明目標(biāo)TG。例如，可以用這種適當(dāng)選擇的彎曲輸出表面，來(lái)與一種未示出的、變換對(duì)稱(chēng)光束的耦合光學(xué)部件相結(jié)合，用一個(gè)耦合透鏡形成一個(gè)準(zhǔn)遠(yuǎn)心的輸入光束。因此，這些優(yōu)選的表面加工(傾斜的、彎曲式輸出和輸入表面等)可以通過(guò)使上述這些輔助光學(xué)元件成為整體進(jìn)一步使LE系統(tǒng)最佳化，以便幫助光束轉(zhuǎn)向、“Schein-plug”光學(xué)校正、遠(yuǎn)心性控制、視場(chǎng)整平、分色器、偏振光分裂/結(jié)合、激光器光“去斑點(diǎn)”等。
非對(duì)稱(chēng)式伸展的錐形積分器162是一種很簡(jiǎn)單并且造價(jià)低的ABT設(shè)計(jì)技術(shù)方案，對(duì)矩形目標(biāo)T(LV)等與一種優(yōu)選型MLE結(jié)合的特殊情況來(lái)說(shuō)，它能使增加的輸送效率超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的耦合工藝。目標(biāo)T或者可以具有固定非對(duì)稱(chēng)的角度相關(guān)的接收功能(象DMDTM或TMATM光閥)，或者可以具有固定式對(duì)稱(chēng)的接收角(象LCD的投影滑動(dòng)件等，及象其它類(lèi)型的固定式非對(duì)稱(chēng)器件)，這些接收功能以一種對(duì)稱(chēng)照明的方式使用。因此，最好是選定錐形積分器162的兩個(gè)垂直方向(x和y)上的非對(duì)稱(chēng)錐度以便接近各個(gè)目標(biāo)的照明需要與預(yù)定的水平和垂直發(fā)散度準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)。
例如，對(duì)一種具有垂直斜軸線(xiàn)的DMD或TMA，天然角度相關(guān)的非對(duì)稱(chēng)能量密度函數(shù)(見(jiàn)圖9)是一個(gè)接近相同的照明光束，用于改善到LV的耦合效率，而不引起相反的損失和不用如圖5所示的非對(duì)稱(chēng)遮光板124。尤其是圍繞水平中心軸的燈阻擋部分有助于使散射減至最小，供高對(duì)比度的PLE應(yīng)用。因此，一種優(yōu)選型MLE的優(yōu)選使用是利用它的天然非對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)的性質(zhì)，來(lái)增加有關(guān)DMD或TMA PLE的輸送效率，上述DMD或TMA PLE以一種對(duì)稱(chēng)的或其固定非對(duì)稱(chēng)的方式工作。
一旦對(duì)利用一種錐形積分器作為面積/角重整器進(jìn)行討論，也可以考慮利用它來(lái)進(jìn)一步減少在一或兩個(gè)垂直方向上的輸出擴(kuò)散度θVe，以便簡(jiǎn)化對(duì)改進(jìn)型耦合光學(xué)部件(見(jiàn)圖7)的需求。對(duì)PLE應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種非對(duì)稱(chēng)式錐形ABT常常是一種優(yōu)選的技術(shù)方案，因此它可以制成足夠長(zhǎng)度，以便在相同部件和矩形收集內(nèi)還提供空間平均功能，并且這種非對(duì)稱(chēng)式錐形LG的輸出形狀可以選定，以便更有效地映到目標(biāo)和第二光源S′上。為了增加通過(guò)量效率和空間輸出強(qiáng)度均勻性，可以將多個(gè)匹配的錐形和非錐形積分部分結(jié)合在一起，以便使供PLE應(yīng)用的輸送效率減至最小。
例如，對(duì)長(zhǎng)寬比為4∶3的矩形輸出形狀來(lái)說(shuō)，在燈的軸線(xiàn)方向上的1.25X1空間伸展(在水平方向上將24.5°轉(zhuǎn)變成30°)形成比長(zhǎng)寬比為5∶3大25％的矩形輸入收集孔。如圖9所示，這種細(xì)長(zhǎng)的輸入孔徑是一種比長(zhǎng)寬比為4∶3的收集孔甚至更好的與理想示出的橢圓形接收表面ASL匹配。因此，盡管這種錐形的積分器162不能使全部域有效的光束重整高達(dá)整個(gè)理論極限(44％的面積增益)，但它在可達(dá)到的輸送效率增益和用于增加單個(gè)部件輸送效率的制造/研制成本之間提供一個(gè)很好的折衷方案。
根據(jù)照明任務(wù)和輸入光束，可以采用更復(fù)雜的非對(duì)稱(chēng)式錐形形狀，例如六角形對(duì)六角形、六角形對(duì)矩形、八角形對(duì)矩形、矩形對(duì)矩形，它們具有形成八個(gè)視角上成多邊形的越來(lái)越斜的拐角，具有線(xiàn)性及非線(xiàn)性式縱向形狀改變，以便進(jìn)一步增加輸送效率，用于特殊LE設(shè)計(jì)情況。
基于本發(fā)明的另一種優(yōu)選的制造相應(yīng)空心的反射ABT的方法，是將2、3或多個(gè)(也許相同)的片段例如兩個(gè)L形片段粘合在一起，以便形成一個(gè)矩形的橫截面。這種優(yōu)選的實(shí)心和空心的ABT元件也可以用擠塑法和光學(xué)第二衰減及研磨/拋光操作形成。如有必要，可以將多個(gè)這種ABT和SBT串聯(lián)連接，以便作為一組完成所要求的增加輸送效率的光束重整任務(wù)。
圖10示出一種矩形錐式石英積分桿的典型與角度相關(guān)的能量密度函數(shù)的變化，該積分桿已經(jīng)沿著它的S軸線(xiàn)在平行于燈軸線(xiàn)24的方向上線(xiàn)性伸展1.2倍。圖9示出用來(lái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的相應(yīng)輸入分布，而相應(yīng)非對(duì)稱(chēng)式伸展的錐體是一種6.4×5mm的矩形發(fā)射孔徑。圖10示出，這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的ABT能產(chǎn)生更均勻的角度相關(guān)的能量密度函數(shù)，因此提供比更非對(duì)稱(chēng)的輸入光束更好的匹配式光束，用于給定的0.5NA接收錐體(如圖9和10中的圓155所示)。圖9還示出，在4個(gè)拐角中，在圓115的外部，有某些能量溢出，從而稍稍降低了收集效率。通過(guò)采用更復(fù)雜的積分器形狀和/或其它類(lèi)型的ABT，則這種通過(guò)量效率不穩(wěn)定的溢出損失可以稍微減少，而相應(yīng)輸送效率進(jìn)一步增加。
因此，盡管光束發(fā)散度θh在光源軸線(xiàn)方向上增加，以便匹配垂直光源軸線(xiàn)方向上的光束發(fā)散度θv，但相應(yīng)錐形LG輸入口的總收集面積也增加。
因此，通過(guò)取優(yōu)選的MLE輸出光束的軸向非對(duì)稱(chēng)式角度能量密度函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在第二光源S′水平面處，用于給定收集域Ec的有效面積Ac可以增加，其中包括，導(dǎo)致在限制域收集情況下輸送效率進(jìn)一步增加。
此外，因?yàn)闅怏w放電燈的大部分分子輻射是在比相應(yīng)原子輻射的更大發(fā)射區(qū)內(nèi)發(fā)射，所以相應(yīng)地更多的寬譜帶光用優(yōu)選的MLE收集(超過(guò)MLE-A和MLE-B類(lèi)型的收集)，這是由于1)優(yōu)選MLE的準(zhǔn)成像和接近100％的收集效率，和2)由于收集面積增加由采用域有效的角能量對(duì)稱(chēng)的ABT產(chǎn)生。這些作用之中，二者都有助于產(chǎn)生彩色圖象的PLE的輸送效率。
另外的輸送效率由另一個(gè)域有效的彩色重整機(jī)會(huì)產(chǎn)生，該彩色重整機(jī)會(huì)在優(yōu)選MLE設(shè)計(jì)中是固定的。通過(guò)將總發(fā)射能量的約30-50％反射回發(fā)射區(qū)中，該光可以與發(fā)射電磁能的材料相互作用一次以上，該發(fā)射電磁能的材料位于相應(yīng)發(fā)射區(qū)的內(nèi)部。因此，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是采用優(yōu)選型的MLE，用于有效的彩色重整目的。如上所述，因?yàn)橄鄳?yīng)的MLE-F、MLE-G等能夠以顯著地域保持方式收集和角度重整，所以光從相應(yīng)的發(fā)射區(qū)發(fā)射到幾乎4π球面度中，這樣，一個(gè)CCS可以處理光束轉(zhuǎn)向作用，該光束轉(zhuǎn)向作用通常在非模擬式(非激光器型)光-材料相互作用中發(fā)生。尤其是，對(duì)本發(fā)明的其中某些實(shí)施例，約30-50％的發(fā)射能透過(guò)發(fā)射區(qū)一次以上。尤其是對(duì)氣體放電弧光燈，這相當(dāng)于不增加它的尺寸而有效地使發(fā)射區(qū)的光程長(zhǎng)度增加近一倍。這種增加的光程長(zhǎng)度可以用來(lái)增加從窄通帶原子譜線(xiàn)(例如Hg)到寬通帶分子譜線(xiàn)(更多的似Xe光譜)的轉(zhuǎn)變效率。另外，從上面講述很顯然，由于光程長(zhǎng)度有效地加倍，所以理想情況是，選擇充填不同氣體的混合物，以便通過(guò)這種優(yōu)化的彩色重整作用達(dá)到優(yōu)化的輸送效率。
例如，在鎢絲燈具有RRS 140的情況下，亦就是將其設(shè)計(jì)成聚焦回到燈絲上(而不是與它相鄰)，可以采用非透射式、(被燈絲結(jié)構(gòu)吸收的)后向反射式和吸收式紫外(UV)、可見(jiàn)和/或紅外(IR)能量，來(lái)進(jìn)一步加熱鎢電極。因此通過(guò)一種間接作用，可以將其中一些不常用的光(UV和IR)及一些失去(吸收)的可見(jiàn)光轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光。由于較熱的鎢表面溫度，所得到的燈將具有一種改變了的輸出光譜，該輸出光譜有更高的色溫和更多富藍(lán)色的光譜強(qiáng)度，并且電力越多則工作越有效，亦即對(duì)同樣的電能輸入，它將發(fā)射更多的總光量。因?yàn)殒u燈通常缺少藍(lán)色，所以對(duì)PLE和某些其它類(lèi)型顏色相關(guān)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是增加顏色效率的輸送效率。
類(lèi)似地，在氣體放電弧光燈(交流型或直流型或無(wú)電極燈、微波供電燈、壁穩(wěn)定式燈等)的內(nèi)部，熱的和受賦能的氣體可以吸收一些轉(zhuǎn)發(fā)的光(尤其是用于光學(xué)上厚的波長(zhǎng)通帶)，而然后，i)或是在相同波長(zhǎng)處但是在不同方向上直接將其發(fā)射(彈性散射)，或是在不同(大多是更長(zhǎng))的波長(zhǎng)處(熒光轉(zhuǎn)換、多量子泵送等)將其發(fā)射，或者ii)通過(guò)產(chǎn)生更熱的氣體溫度來(lái)間接地將其發(fā)射，該更熱的氣體溫度增加各種成分的密度，然后增加它們的寬通帶發(fā)射轉(zhuǎn)換效率等。圖11示出優(yōu)選MLE-F及同樣F/#的現(xiàn)有技術(shù)MLE-B這種可觀(guān)察到的光譜重整行為的代表性情況。兩用相應(yīng)的冷卻調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)具有同樣的3mm弧隙的交流式、金屬鹵化物燈，以便對(duì)同樣的電能耗產(chǎn)生相同的電極間壓降。粗(細(xì))線(xiàn)示出測(cè)得的用MLE-F(MLE-B)型系統(tǒng)觀(guān)察到的發(fā)射光譜。MLE的輸出光束用長(zhǎng)度、輸出面積和輸出形狀相同的6.4×5×25矩形石英積分桿收集。盡管MLE-B情況采用固定截面積(末伸展)的積分桿，但MLE-F情況采用在燈軸線(xiàn)24方向上它的輸入側(cè)處，具有1.2×1空間伸展的線(xiàn)性變形式錐形積分桿。應(yīng)該注意，在圖11中寬通帶分子光發(fā)射的增加及尤其是別的缺少紅色的金屬鹵化物燈光輸出光束的＞100％紅通帶輸出的增加，及相應(yīng)Hg原子譜線(xiàn)峰值的衰減。使元件能進(jìn)行這種有效光譜重整作用的是優(yōu)選的MLE設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使光源射出的絕大部分幾乎100％的收集光以一種很域有效、通過(guò)量有效、及顏色重整有效的方式集中。
圖12中所示的曲線(xiàn)能比較最大理論收集效率CE，亦即CE＝CE(Ec)＝Pc(Ec)/Ps (6)對(duì)不同的MLE設(shè)計(jì)，Ps代表光源S的總輸出功率，而Pc＝Pc(Ec)代表給定的收集域Ec的最大可收集功率。對(duì)所有的計(jì)算，假定相應(yīng)主反射器和/或后向反射器的反射率為100％。罩42的Fresnel反射損失假定已涂一層減反射膜，以便在罩42的外表面處產(chǎn)生0％的反射率，而在內(nèi)表面上保持不變。罩42的光轉(zhuǎn)向能力包括在這個(gè)數(shù)值模型中。假定所有的電極48及燈柱44和46是吸收100％的光。為了確定不同MLE設(shè)計(jì)的最大可達(dá)到的收集效率，也就是說(shuō)，為了確定本發(fā)明在MLE輸出級(jí)水平面處的上部潛能，假定一種理想的(EE＝1)執(zhí)行ABT或SBT存在，該執(zhí)行ABT或SBT能在空間和角度上將相應(yīng)輸出光束重整成為目標(biāo)T最大域有效的照明所必需的任何形式，該目標(biāo)T具有收集域Ec。應(yīng)該注意在圖12中所示的數(shù)據(jù)代表一種嚴(yán)格地單色計(jì)算，并假定沒(méi)有顏色轉(zhuǎn)換作用，并且除了在相應(yīng)電極端頭處的機(jī)械阻擋作用外，在光源S的發(fā)射區(qū)中沒(méi)有由于在發(fā)射區(qū)內(nèi)部的光-材料相互作用而產(chǎn)生的后向反射和透射光束的吸收。因此，這種計(jì)算能使給定燈的收集能力與給定的MLE性能及給定的LE性能分開(kāi)。
圖12中的曲線(xiàn)“S”示出選定的體積光源SB本身的特征單色發(fā)射/收集效率；亦就是說(shuō)，它代表以一種完美域有效的方式工作的理想執(zhí)行CCS的可達(dá)到最大的收集效率。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是一種優(yōu)選的計(jì)算方法，用于一給定光源S收集域相關(guān)的最大收集效率評(píng)估，該方法比M，S，Brennesholtz所發(fā)表的近似法[proc.SPIE，vol，2430，pp.71-79(1996)]更準(zhǔn)確。該優(yōu)選計(jì)算方法的特殊型式在本發(fā)明中已用來(lái)確定特征光源曲線(xiàn)“S”。該計(jì)算方法采用優(yōu)選的MLE-F型設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)具有DD＝0和| S′-S |＝R1，亦即具有零過(guò)沖距離DD和具有第二光源S′選定在RRS140頂點(diǎn)處的圖象位置，及具有一使系統(tǒng)總輸出減至最小的最小尺寸輸出口146。理想的是，RRS140是一個(gè)充分校正過(guò)的軸向?qū)ΨQ(chēng)的球形凹反射器，該反射器補(bǔ)償給定光源S所有相應(yīng)罩的光學(xué)畸變。為了使來(lái)自光源S的光學(xué)圖象象差和上述阻擋效應(yīng)減至最小，反射器系統(tǒng)140和142最好是比光源S的最長(zhǎng)距離Ls(在圖6中示出為各燈柱兩端之間的距離)與PRS142的頂點(diǎn)和相應(yīng)光源軸線(xiàn)24之間的距離LPRF1的比值大10倍或10倍以上，亦即LPRF1＞＞10*Ls。
相應(yīng)第二光源S′的收集能最好是通過(guò)象素基線(xiàn)收集在一個(gè)象素上的相應(yīng)平MES上。每個(gè)收集象素最好是選定足夠小的，以便在MES處提供收集強(qiáng)度分布的良好空間分辨率，并可選擇地具有相同的收集面積，以便必要時(shí)簡(jiǎn)化計(jì)算。由于選定的大反射器尺寸，所以光源圖象曲率可忽略不計(jì)，并且相應(yīng)的特征CCS就象它成了點(diǎn)光源一樣起作用。方程(1)或(2)可用來(lái)計(jì)算(評(píng)估)每個(gè)象素的合適域值。在某種很小程度上，所選定的相應(yīng)放大的MLE-F的輸出發(fā)射角θv影響很有限域值的最大收集效率，因?yàn)槿缟纤觯瑢?duì)垂直的和軸向上的偏軸位置，成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)不同。然而，這種精細(xì)改進(jìn)通常沒(méi)有必要，并且此處選定一典型的發(fā)散角值θv＝30°與手邊大多數(shù)應(yīng)用有關(guān)。
一般說(shuō)來(lái)，對(duì)一個(gè)感興趣的面積內(nèi)相應(yīng)MES的一個(gè)固定區(qū)域、間隙較小的2維像素映像，所有感興趣的收集象素來(lái)說(shuō)，每個(gè)象素的相應(yīng)最小域?qū)⑹枪潭ǖ?。必須適當(dāng)小心，以便確定與軸向非對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)的光束的合適立體角值。在圖9所示的情況下，這種算得的最小收集象素域值，比只由最大發(fā)散角用方程(2)算得的值小約40％。這為理論上最大的收集值或理論上最大的有效收集值提供了計(jì)算選擇，該理論上最大的有效收集值基于給定的繼光束重整光學(xué)系統(tǒng)之后的角重整能力的假設(shè)。這個(gè)有效的象素域值選擇也能計(jì)算有效的最大收集效率曲線(xiàn)，該最大收集效率曲線(xiàn)與特定的LE設(shè)計(jì)(光束重整)約束條件有關(guān)。
通過(guò)首先將收集象素按照它們的收集功率值分級(jí)(最大值是第一象素)，然后遞增式將它們相應(yīng)的收集功率值和象素域值積分(加和)，直至達(dá)到給定的總收集域值Ec時(shí)為止，可以對(duì)給定的收集域值評(píng)估光源S的最大CE。
因此，這種優(yōu)選的計(jì)算方法提供良好的上CE值的評(píng)估，并且不取決于任何與給定光源S的空間和角度相關(guān)的發(fā)射特征方面的假設(shè)。然而，它取決于燈的光學(xué)和機(jī)械性質(zhì)及與空間(和可選擇角)相關(guān)的發(fā)射性質(zhì)良好說(shuō)明。
為了對(duì)不同的收集色得到最大的收集效率，相應(yīng)的與顏色相關(guān)的發(fā)射區(qū)域必需模型化。該技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員可以將上述模型延伸到包括上述具有合適光學(xué)(線(xiàn)性或非線(xiàn)性)傳遞功能的顏色重整增益，該光學(xué)傳遞功能可以取決于給定燈的工作特性、輸入光譜、輸入強(qiáng)度等，并且如同使調(diào)查研究中的燈模型化所需要的那樣精益求精；上述一切都屬于本發(fā)明的思想。
曲線(xiàn)“S”的形狀表示光源S的單色最大收集特性，該收集特性與設(shè)計(jì)域有限的LE相關(guān)。光源S的發(fā)射能量在空間上越集中和它的垂直發(fā)射角越窄，則它的相關(guān)特性曲線(xiàn)S′的開(kāi)始上升越陡，并且在其飽和區(qū)內(nèi)它的斜率越平坦。這是點(diǎn)狀發(fā)射光源S通常有利于將光耦合到小目標(biāo)體上的主要原因，因?yàn)閷?duì)域損失有更多的空間來(lái)耦合到給定的目標(biāo)T上。由曲線(xiàn)“S”可明顯看出的另一點(diǎn)是，通常只有總發(fā)射功率的其中一小部分可用于在給定的收集域Ec下的能量收集。圖12還示出一種垂直(水平)的虛線(xiàn)，它表示選定的收集域值為Ec＝7mm2-空間弧度(CE＝42％)，而相應(yīng)的水平(垂直)投影(用箭頭表示)示出給定曲線(xiàn)的相應(yīng)的收集域值CE。
例如，標(biāo)有“圖2”的曲線(xiàn)示出用現(xiàn)有技術(shù)(圖2中所示的LGLE-B)所得到的結(jié)果。通過(guò)用曲線(xiàn)‘S’除以曲線(xiàn)‘圖2’，對(duì)選定的系統(tǒng)參數(shù)可以計(jì)算MLE-B的通過(guò)量效率曲線(xiàn)，亦即TE＝TE(Ec)。以一種補(bǔ)充方式，可以由不同收集功率量Pc的垂直投影比，計(jì)算相應(yīng)MLE的域效率曲線(xiàn)，亦即EE＝FF(Pc)。
標(biāo)有‘圖6-1X’的曲線(xiàn)示出本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的改進(jìn)后性能，亦即圖6中所示的MLE-F，它用同樣的系統(tǒng)參數(shù)，得到圖8和圖9中所示的數(shù)據(jù)。標(biāo)有‘圖6-0.7X’的曲線(xiàn)示出，由于上述光源阻擋作用，尺寸縮小(原尺寸的0.7倍)的MLE-F收集效率降低，該尺寸縮小的MLE-F用同樣尺寸的光源SB照明。為了顯示光源阻擋-反射器尺寸作用的大小，對(duì)曲線(xiàn)‘S’、‘圖6-1X’和‘圖6-0.7X’的相應(yīng)象素域值全都采用同樣的有效象素域值，因而在有點(diǎn)代表1.0X和0.7X最大理論上可達(dá)到的CE情況下，該有效象素域值從與具有相應(yīng)最大發(fā)散角的軸向?qū)ΨQ(chēng)光束有關(guān)的象素域值減少0.7倍。
反射器系統(tǒng)140和142可以具有相同或不同的反射涂層。常常使用介電多層涂層，以便產(chǎn)生波長(zhǎng)可選擇的反射。典型的例子是一種冷反射器涂層，該涂層透過(guò)大部分紅外和紫外光，并反射光譜的可見(jiàn)部分。反射器140和142的基底材料可以是同樣的或不同的材料。每個(gè)反射器的基底都可以是玻璃、石英、陶瓷、金屬等，并且用一種均勻或不均勻的材料(例如，用于大尺寸反射器結(jié)構(gòu)的蜂窩狀薄反射表面的支承結(jié)構(gòu))制造。一些透射能最好是透過(guò)反射器基底和/或吸收及熱傳導(dǎo)到它的外表面上?？梢杂靡还?連續(xù)的)氣流或液流來(lái)移走外部(及可選擇的內(nèi)部)反射器表面的熱量，以防止反射器過(guò)熱，尤其是防止反射器的反射涂層和/或反射器罩內(nèi)部的光源S過(guò)熱。
對(duì)某些類(lèi)型的ABTLE，一部分輸入的能量由相應(yīng)的ABTS后向和/或穿過(guò)該ABTS。這可以通過(guò)Fresnel反射，或是通過(guò)一給定的ABTS全部?jī)?nèi)反射作用，或是通過(guò)外部后向裝置例如波長(zhǎng)可選擇的反射器來(lái)進(jìn)行。由ABTS反射得到的射線(xiàn)就象任何其它返回到光源S的后向射線(xiàn)一樣，該ABTS具有相應(yīng)的位于優(yōu)選MLE第二光源S′位置附近的輸入口。因此，這些射線(xiàn)可以如上所述，通過(guò)與光源發(fā)射區(qū)相互作用，產(chǎn)生某種增量光輸出，該增量光輸出由于它不同的空間、角度和/或光譜輸入條件而不被ABTS反射。因此，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是上述通過(guò)采用局部后向反射的ABTS或ABTLE來(lái)增加這種優(yōu)選ABTLE有效通過(guò)量效率和顏色重整效率的方法。
通過(guò)選擇相應(yīng)的輔助后向反射器152(例如，一個(gè)反射遮光板，該反射遮光板或者是平的、或者可選擇地具有如圖7所示的合適表面曲率)與最小尺寸的輸出口154和合適的LG裝置相結(jié)合，用于能量收集和遠(yuǎn)程輸送，可以將一部分別的損失的能量(在LG輸入口有效收集孔的外部分開(kāi)的)轉(zhuǎn)向回到光源S的發(fā)射區(qū)中，在這里它可以直接或間接地轉(zhuǎn)變成光，現(xiàn)在該光可部分地被相應(yīng)LG輸入口收集，因此有助于使相應(yīng)LGLE的總輸送效率最大。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是采用優(yōu)選型MLE和LG的LGLE，它收集來(lái)自相應(yīng)第二光源S′的光，并且在其輸入和輸出口之間或附近具有至少一種選定的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料，該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料吸收某種輸入能并將該輸入能轉(zhuǎn)變成另一個(gè)波長(zhǎng)通帶。盡管這種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換作用通常由于這種經(jīng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的光收集效率小而只有低的收集效率，但當(dāng)以這種優(yōu)選方式使用時(shí)，由于1)，選定LG很高的向前收集效率，和由于2)，MLE對(duì)某些向后發(fā)射的光后向和顏色重整能力，所以常常可以達(dá)到增加輸送效率。最好是，這些材料是在材料本身內(nèi)部摻有LG固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的材料，和/或位于LG的相應(yīng)輸入口附近，例如，這種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料可以作為位于LG相應(yīng)輸入口附近的旋轉(zhuǎn)摻雜的盤(pán)件，以固體形式供給，或者埋入相應(yīng)LG的芯料中?？晒┻x擇地，它也可以是一種充填相應(yīng)LG內(nèi)部空間的連續(xù)流動(dòng)摻入的流體或氣態(tài)介質(zhì)，或是永久地附接到它的輸入口上，或者作為L(zhǎng)G輸入口前面的一薄層流動(dòng)等等。如上所述，常常可以用銳錐形LG，該銳錐形LG具有很高的收集NA，因此具有很高的向前和向后的收集效率，并且該銳錐形LG再安裝在一個(gè)匹配的MLE設(shè)計(jì)上，以便后向反射一部分向后發(fā)射的光。
可選擇地，如上所述，這種特殊的LG可以與輔助的后向反射器150和/或152結(jié)合，以幫助將可用的光耦合到LG的輸入口中。另外，由于窄通帶光譜的輸出要求，相應(yīng)LG的輸出口可以裝備一種裝置(或者可選擇的象實(shí)際上分開(kāi)的涂有帶通反射器的外部裝置)，用于將一部分另外未用的光譜能向后后向反射到LG中，因此有效地使這部分另外未用的光譜能穿過(guò)所述前顏色變換材料一次以上，并且如上所述，由MLE直接或間接地后向-反射。這樣，可以形成一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變、不穩(wěn)定的后向腔，該腔可以進(jìn)一步增加未用光的輸送效率，供特殊應(yīng)用。
因此，在適當(dāng)選擇氣體放電燈并與剛討論過(guò)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換LGLE結(jié)合的情況下，可以制造一種雙向顏色重整系統(tǒng)(燈和輔助顏色轉(zhuǎn)換材料)，該系統(tǒng)可以進(jìn)一步增加用于限制LE應(yīng)用(材料加工、窄通帶照明等)的特定帶通的輸送效率，因此能在用激光器的某種遠(yuǎn)程能量輸送應(yīng)用中完成。另外，也可以將特殊的顏色轉(zhuǎn)換材料加到氣體混合物中。例如，通過(guò)將Ar、Na、K、或Kr等加到Xe燈或Hg燈中，可以將燈的輸出光譜改變成更適合特別的應(yīng)用。同樣，可以加入金屬鹵化物鹽類(lèi)，以便有助于這種雙向顏色轉(zhuǎn)換LGLE系統(tǒng)的顏色重整任務(wù)。
也可以利用第二發(fā)射區(qū)與氣體放電弧光燈弧隙長(zhǎng)度的線(xiàn)性關(guān)系(優(yōu)選MLE準(zhǔn)成像能力的結(jié)果)，代替使相應(yīng)LG或ABTS輸入口優(yōu)化來(lái)達(dá)到最大輸送效率，以便設(shè)計(jì)一種稍微細(xì)長(zhǎng)的、亞最佳的收集孔，該收集孔與老化過(guò)的燈發(fā)射區(qū)的空間特性相匹配更好。因此，通過(guò)稍微降低相應(yīng)LGLE或ABTLE可能達(dá)到的最初輸送效率的額定值，可以達(dá)到優(yōu)越的長(zhǎng)期輸出穩(wěn)定性。因?yàn)槔匣瘹怏w放電燈的弧隙線(xiàn)性增加，與優(yōu)選型MLE結(jié)合，造成相應(yīng)第二光源S′的線(xiàn)性增加，這種輸出穩(wěn)定設(shè)計(jì)折衷方案比用于現(xiàn)有技術(shù)的非成像型MLE和相應(yīng)LGLE、PLE等的同樣設(shè)計(jì)效率/輸出穩(wěn)定性折衷方案的輸出效率損失要低得多，并且輸出顏色穩(wěn)定性要高得多。因此，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是，通過(guò)在相應(yīng)輸入口燈軸線(xiàn)24方向上稍微過(guò)度伸長(zhǎng)輸入收集孔，來(lái)達(dá)到一種優(yōu)可用光輸出穩(wěn)定性，以便達(dá)到一種更恒定的可用光輸出量，用于在相應(yīng)燈壽命開(kāi)始時(shí)降低最初輸出量的折衷方案。本發(fā)明這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的優(yōu)化使用，對(duì)某些類(lèi)型的電弧光源，可以導(dǎo)致總輸出功率穩(wěn)定性超過(guò)光源Sp的總壽命+/-15％，同時(shí)弧隙能改變25％。理想的是，這種燈含有氣態(tài)裝置，用于至少在一個(gè)區(qū)域附近從相應(yīng)內(nèi)罩42的內(nèi)壁中除去沉積的(電極)材料，在該區(qū)域可收集的光射出罩，亦即射出罩的中央和最寬的部分。
因此，利用本實(shí)施例也能用新型的弧光燈設(shè)計(jì)，此處減少了對(duì)弧隙侵蝕的限制，有利于產(chǎn)生更多可用的顏色和/或其它所希望的利益。
圖13示出應(yīng)用于LGLE-H(和ABTLE-H)設(shè)計(jì)的本發(fā)明不同優(yōu)選實(shí)施例的頂視圖，該設(shè)計(jì)是基本LGLE-F和LGLE-G設(shè)計(jì)的修改。此設(shè)計(jì)變化采用一種‘折疊式’RRS 140，以便減少用于MLE設(shè)計(jì)情況的反射器140的寬度和/或高度，此處集中角θv必須要比用于同樣高度照明的相應(yīng)最小阻擋損失技術(shù)方案小很多(例如20°角)，并且相應(yīng)CCS-H的通過(guò)量效率TE仍必須盡可能高。正象圖7一樣，此處采用一個(gè)主后向器148和至少一個(gè)輔助反射器(一個(gè)如反射器152所示)，但主后向反射器148的輸出口146更大，而輔助反射器152按比例收集發(fā)射能的更大部分。該系統(tǒng)示出第二輸出口154，該輸出口154位于相應(yīng)MES 144的前面，并且與該MES 144很接近。同樣，PRS 140可以按需要折疊和/或截短，以便得到更緊湊的CCS-H。
如果希望的話(huà)、LGLE-H設(shè)計(jì)能很容易將一個(gè)光學(xué)上平坦的、或彎曲的，或分段的等帶通濾光器180插在反射器148和152之間，以便在濾光器表面強(qiáng)度低的位置處將集中的光束進(jìn)行光譜濾光，因而減少了濾光器因長(zhǎng)期曝光和過(guò)熱而造成的性能變差。這種設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)高功率MLE系統(tǒng)是有用的，在該MLE系統(tǒng)中，光譜濾光器180不能位于相應(yīng)MES 144附近，同時(shí)不會(huì)隨時(shí)間推移以不可接受的方式使濾光器質(zhì)量降低，可選擇地，這種濾光器元件可以連續(xù)地或半連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，以使局部濾光器過(guò)熱減至最少。如有必要，也可以將一個(gè)可變光束衰減器很方便地設(shè)置在圖13所示濾光器180的位置附近。另外，這種衰減器可以安放在相應(yīng)LG186輸入口的前面。
在MES 144處，集中能量的非對(duì)稱(chēng)光束重整可以如上所述用一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)ABT完成。例如，圖13示出ABT 184連接到固定截面形狀的LG186上的情況，該LG186具有一個(gè)偏置的輸出表面作為特殊輸出口結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)著光束的Z軸(＝輔助棱鏡)傾斜，因此提供一種附加的光束轉(zhuǎn)向功能。此處所示的ABT類(lèi)型是一種空心或?qū)嵭牡腖G184，該LG184或者是附接到LG186輸入口的分開(kāi)部件，或者是相應(yīng)輸入口的特殊輸入表面加工制品。例如，圖13示出作為垂直平面中優(yōu)選截面形狀的CPC例子，用它來(lái)將垂直發(fā)散角從θv降低到θve，并且它是一種本質(zhì)上只用一個(gè)反射相互作用改變每個(gè)射線(xiàn)方向的ABT。為了改變兩個(gè)方向上相應(yīng)的發(fā)散，可以采用雙軸CPC形狀。因?yàn)橥ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)只用一個(gè)反射相互作用來(lái)改變光束相對(duì)于其光軸的方向角，所以對(duì)給定的角轉(zhuǎn)換任務(wù)，通常這種非對(duì)稱(chēng)CPC式形狀的變形光束重整元件、光導(dǎo)向元件、反射式空心元件、或全內(nèi)部反射的實(shí)心元件都具有最高的域效率。這使它們變得間距很大，并且有很高的通過(guò)量效率。根據(jù)在給定的優(yōu)選平面中所希望的光束重整任務(wù)，來(lái)減少或增加相應(yīng)的發(fā)散角?？梢赃x擇其它類(lèi)型的非成像、域有效或準(zhǔn)域有效的形狀。例如喇叭形、錐形、一部分卵形或橢圓形、雙曲線(xiàn)形，亦即例如如在Welford和Winston所著一書(shū)‘High CollectionNon Imaging Optics’中所述的許多其它類(lèi)型的形狀。由于這種類(lèi)型ABT和輸入光束之間這種很小的相互作用，所以它們通常也不能在空間使光束均勻化，因此，必須用SBT作為光束均化器。例如，圖13示出用一種固定截面的矩形積分桿，亦即LG186。
另外，LG186可以正好是一種普通的、固定截面的形狀。采用LG來(lái)進(jìn)行如上所述的能量收集和遠(yuǎn)程輸送，以便形成相應(yīng)的LGLE-H。
圖14圖示出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，該實(shí)施例具有一個(gè)很緊湊的、域有效的、單輸出口、密封式反射燈SI，該燈涉及MLE-G設(shè)計(jì)。作為一個(gè)光源例子，圖14所示的實(shí)施例采用由陰極20和陽(yáng)極22賦能的垂直取向直流型等離子體電弧。盡管沒(méi)有出示，但可以將上下講述應(yīng)用別的取向和光源，例如，象交流型等離子體電弧、鎢絲燈或鹵鎢絲燈，這些燈以連續(xù)式、脈沖式或交流式等方式工作。
在圖14中，反射器系統(tǒng)142和140形成密封式反射腔200，該反射腔200包圍發(fā)射能量的材料(例如，Xe、Xe-Hg、Xe-Kr、金屬鹵化物鹽類(lèi)等)，只要選定的用來(lái)制造這種MLE-I的材料在所有時(shí)間內(nèi)都相容。后向反射器148具有一個(gè)輸出口146，該輸出口146用密封件202氣密式密封到透明的輸出窗204上，光線(xiàn)透過(guò)該輸出窗204射出。輸出窗204可以選擇地涂有一介電多層膜，用于選擇性地透射和反射選定的波長(zhǎng)通帶。腔體可以借助合適的制造工藝用玻璃、石英、涂釉層的陶瓷等制造，以便形成所希望的最終凹形表面形狀，該凹形表面形狀有可接受的表面光潔度。介電涂層或金屬涂層可用來(lái)控制反射器的反射度，并且可選擇地將別的透明密封層放在這些涂層表面上，以保護(hù)它們免于曝露在氣體中。在按需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆瓷淦鞅砻媲市Ｕ闆r下，也可以選擇地將反射涂層放在透明表面(例如玻璃或石英)的外部。
反射腔可以用一個(gè)或多個(gè)部件制造。例如，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可以用適當(dāng)準(zhǔn)確吹制的石英或玻璃罩形狀，來(lái)制造單個(gè)部件腔，該腔體可選擇地不使用密封件202和附加的窗204。可以用不同涂層代替一部分主后向反射器148，以便形成附加的窗199，因此能使光射出如圖7所示的輸出口146。
應(yīng)該注意，這種情況類(lèi)似于philips公司制造的現(xiàn)有技術(shù)投影燈，該投影燈采用一種具有本質(zhì)上是矩形截面的很緊密纏繞的扁平鎢螺旋體，該鎢螺旋體以同軸位置安放在由吹制玻璃制造的單部件反射腔中，該反射腔具有一垂直的光源軸線(xiàn)定向，以便它的后向反射器部分將收集的能量向后成像在矩形鎢螺旋上。因此，反射能主要用來(lái)加熱鎢元件。其中很少量的角成像的能量通過(guò)在單個(gè)部件反射腔主反射部分上反射之后直接到達(dá)輸出口146。此燈的主要應(yīng)用是均勻地照明矩形孔徑，就象電影投射器的燈一樣。
本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有技術(shù)單腔MLE優(yōu)選改進(jìn)的實(shí)施例將鎢螺旋體安放在與單個(gè)部件反射腔200的反射器軸線(xiàn)28成離軸位置中，并且另外采用如上所述的ABT來(lái)制造新型LGLE，用于有效的能量收集和輸送。這種MLE設(shè)計(jì)修改用于非透明的鎢螺旋體光源所得到的優(yōu)點(diǎn)，將在下面關(guān)于圖16更詳細(xì)討論。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例采用兩個(gè)或多個(gè)模制的玻璃或石英反射器部件，然后將這些部件熔合、焊接、熬合或另外用一種形成腔200的合適方式密封。本發(fā)明一個(gè)不同的優(yōu)選實(shí)施例采用鑄造陶瓷反射器部件，這些部件幾乎全部由氧化鋁組成。在金屬或介電涂層上加一薄層釉涂層，將涂層加到各部件反射部分的內(nèi)表面上，以便達(dá)到所希望的表面質(zhì)量和反射特性。在介電涂層情況下，最好是用它，以便透過(guò)的輻射不反射回光束中，而是吸收到釉和陶瓷體中，并將熱量導(dǎo)離反射表面。優(yōu)選的窗材料199是蘭寶石或石英或回火玻璃，它被加工成形為扁平窗或如圖7所示的凹凸透鏡。窗材料的優(yōu)選取決于密封式反射燈SI的操作條件(壓力、氣體化學(xué)性質(zhì)相容性、工作溫度、熬合材料等)。
仍參看圖14，正如圖7和13所示的MLE-G和MLE-H所述，反射器系統(tǒng)140和142可以按需要折疊，以便節(jié)省空間。應(yīng)該注意，通常反射器變熱并稍有膨脹。這使電極和輸出口146的密封變得特別復(fù)雜。如果希望的話(huà)，可選擇地考慮設(shè)計(jì)預(yù)變形式反射器表面，以便當(dāng)接近設(shè)計(jì)的溫度范圍工作時(shí)，變形到正確的形狀和位置。
PRS142在圖14中示出，它具有可選擇的切開(kāi)的外表面，而反射器系統(tǒng)140已經(jīng)示出，它具有一可選擇的平滑表面，該平滑表面具有一準(zhǔn)固定的壁厚。當(dāng)然，可以將兩種思想混合，并在適當(dāng)情況下用于每個(gè)部件。常常希望有準(zhǔn)固定的壁厚，用于模制、沖壓和別的制造方法，該制造方法基于軟化材料(例如象玻璃)的塑性變形。切開(kāi)的外表面可以用鑄造法或模壓法生產(chǎn)，此外用各種材料來(lái)充滿(mǎn)一合適設(shè)計(jì)的模具中，模具用這種方式設(shè)計(jì)，以便改變部件厚度不產(chǎn)生切開(kāi)的內(nèi)表面。切開(kāi)外表面的目的是增加它的表面積，因此是增加冷卻效率和反射器的熱傳導(dǎo)，以便增加除去上述非反射能中的熱量?？蛇x擇地將有或沒(méi)有表面缺口的金屬、陶瓷或玻璃表面放成與(平滑的)反射腔進(jìn)行熱接觸，以便增加除去的熱量。必須注意，金屬散熱器不使電弧電流短路。當(dāng)然，同樣可以將這種散熱裝置應(yīng)用于其它類(lèi)型的MEL，亦即不密封的MLE，尤其是可以附接到燈桿44和46的端部上、以便降低鉬箔密封件的溫度，并將電能輸送到電極尖頭上。
電導(dǎo)線(xiàn)205在圖14中示出，它與可選擇的散熱器206和208接觸，該散熱器206和208與電極20和22進(jìn)行熱接觸。后者促進(jìn)反射器光源，亦即MLE-I的冷卻、電氣連接和安裝。另外，已經(jīng)示出散熱器206和208具有可選擇地切開(kāi)的外表面，用于增加表面冷卻。此外，已經(jīng)示出散熱器206和208具有可選擇的安裝孔210。
應(yīng)該注意，圖14示出一種設(shè)計(jì)情況，此外設(shè)有改變和/或擋住如上所述能量傳播的罩42。因此，本發(fā)明主發(fā)射器142的優(yōu)選形狀主要是橢圓形，它具有第一焦點(diǎn)和第二焦點(diǎn)，該第一焦點(diǎn)位于發(fā)射體EVSI最大處，而第二焦點(diǎn)在軸向位置LE附近，該軸向位置LE也是MES 144的頂點(diǎn)。優(yōu)選的RRS 140加工成基本是球形用于直流(DC)型等離子體光源，而加工成基本是橢圓形(見(jiàn)有關(guān)LGLE-F的說(shuō)明)用于交流(AC)型等離子體光源。然而，如果光源體ESSI非常細(xì)長(zhǎng)，例如鎢螺旋體，則優(yōu)化的形狀不再是軸向?qū)ΨQ(chēng)的。這將在下面涉及圖16時(shí)更詳細(xì)地討論。根據(jù)輸出窗199的光學(xué)性質(zhì)，橢圓形的RRS 142可選擇地稍微加工成球形，以便預(yù)先補(bǔ)償如上所述的輸出窗199的光學(xué)散焦效應(yīng)。應(yīng)該注意，輸出窗199也可以具有產(chǎn)生象透鏡一樣作用的彎曲表面，以便共同地改善(以與PRS 142裝配在一起的方式)CCS-I的光束集中能力和/或遵守某些制造約束條件。
LG 212的輸入口IP最好是加工成如上所述形狀。應(yīng)該注意，對(duì)DC型等離子體光源，弧隙侵蝕是非對(duì)稱(chēng)的。因此，為了使LG 212在燈使用期間的輸出衰減減至最小，如上所術(shù)，LG 212的光軸213必須稍微垂直地(平行于系統(tǒng)軸線(xiàn)28)偏離它的理想耦合位置(如圖14中以夸大方式所示)。
LG212本身的輸入口IP可以選擇地形成相應(yīng)的密封式輸出窗199，這樣在反射器系統(tǒng)140的頂點(diǎn)附近將光收集，并將光導(dǎo)向穿過(guò)腔200外面的氣密式密封件202，在此處它的輸出口OP或是直接使用，或是耦合到另一個(gè)LG或ABT上。此外，當(dāng)需要時(shí)，LG212可以適當(dāng)?shù)仄ヅ銩BT。
優(yōu)選MLE-I類(lèi)型的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)選定的通過(guò)量效率TE減少了反射腔體200的尺寸，及由于所談到的顯著減少阻擋損失的優(yōu)點(diǎn)而減少了給定的發(fā)射體。對(duì)本發(fā)明，可選擇地最好它是，電極20和22在它們的尖端附近加工成如上所述軸向非對(duì)稱(chēng)的形狀。這能進(jìn)一步減少電極的光束阻擋作用，尤其是對(duì)這類(lèi)DC型密封式反射器弧光燈更是如此。
圖15簡(jiǎn)略示出本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中LGLE-J的頂視橫截面圖。該圖著重于兩個(gè)不同的優(yōu)選實(shí)施例，它們可以同時(shí)使用、單獨(dú)使用和/或與本發(fā)明的其它實(shí)施例結(jié)合起來(lái)使用。第一類(lèi)實(shí)施例涉及具有圖15中LGLE-I所示的兩種軸線(xiàn)型式的兩個(gè)或更多的軸線(xiàn)型式，并表示一種緊湊的反射燈SJ，該反射燈SJ包括一個(gè)發(fā)射體EVSJ和一個(gè)密封式反射腔220，該反射腔220具有兩個(gè)輸出口1461和1462，它們具有相應(yīng)的系統(tǒng)軸線(xiàn)281和282。腔220由兩個(gè)本質(zhì)上是橢圓形的主反射器1421和1422，兩個(gè)主反射器1421和1422繞光源軸線(xiàn)(垂直于附圖平面)和本質(zhì)上是球形、橢圓形或軸向?qū)ΨQ(chēng)的非球形RRS140(見(jiàn)上面的說(shuō)明)旋轉(zhuǎn)分開(kāi)90°。每個(gè)主反射器1421都收集一個(gè)垂直角v(對(duì)兩口系統(tǒng)約等于90°)。后向反射器140將發(fā)射到一個(gè)半球形(＞180°)的主要部分中的全部輻射收集并后向反射(Mo＝-1)到發(fā)射體，因此產(chǎn)生只發(fā)射到一個(gè)半球形中的有效發(fā)射體EVSJ。根據(jù)可用的制造工藝，可以將兩個(gè)主反射器1421和1422制成一個(gè)部件，將該部件密封成具有一個(gè)或多個(gè)部件的后向反射器140，以便與輸出窗222和224形成一個(gè)氣密式腔220。
兩個(gè)輸出口1461和1462示出用兩個(gè)不同的優(yōu)選型輸出窗222和224密封。此處將輸出窗222以一種平的光學(xué)元件示出，該光管元件在內(nèi)側(cè)具有一介電涂層，用于輸出光束的光譜濾光，該光學(xué)元件已經(jīng)用氣密式密封件固定到RRS140上。將輸出窗224可選擇地以平的、彎曲后向反射器140的平面平行段形式示出，該后向反射器140涂有與其余反射器不同的涂層，并具有在感興趣的波長(zhǎng)通帶中光學(xué)透明的基底。
光學(xué)上介電的多層涂層(如在內(nèi)部加到窗222和224上的虛線(xiàn)所示)另外將射出的能量進(jìn)行光譜上濾光。發(fā)射能量的濾色可以在反射器1411、1422和140的反射涂層及輸出窗222和224的表面之間共用。例如，所有彎曲的反射器部件1421、1422和140都可以用標(biāo)準(zhǔn)的、低成本的、大量生產(chǎn)的涂覆工藝涂一層高反射性、保護(hù)式、寬通帶的金屬涂層。因?yàn)樵谶@種情況下，不需要特殊的涂層制造工藝，來(lái)使由反射器表面輸入角局部改變所引起的涂層非均勻性減至最小，所以這就能用最少的元件組裝這類(lèi)復(fù)合的反射燈。
在所有時(shí)間內(nèi)都同涂層材料起化學(xué)反應(yīng)，或者如果它簡(jiǎn)化了涂層的應(yīng)用，那么也可以將過(guò)濾波長(zhǎng)的介電涂層放在外表面上(與圖15所示的表面相對(duì))。如果受激氣體通過(guò)將減反射涂層施加到輸出窗222和/或224的表面上，根據(jù)窗材料(玻璃、石英、蘭寶石等)的折射率可以將這些反射燈SI的總能量輸送效率DE改善4～15％。
圖14示出這類(lèi)優(yōu)選的緊湊反射燈的側(cè)視截面圖，這些燈至少具有一個(gè)軸線(xiàn)28。在一個(gè)和兩個(gè)系統(tǒng)軸線(xiàn)情況，亦即一個(gè)或兩個(gè)輸出口情況，亦即MLE-I和MLE-J之間的比較表明，當(dāng)對(duì)兩種設(shè)計(jì)布置成具有相同的最大垂直集中角θV(≤45°)及相同的第一和第二焦點(diǎn)用于PRS140時(shí)，腔220所占的體積約為腔200所占體積的1/8。還應(yīng)注意，在兩個(gè)軸線(xiàn)情況下，相應(yīng)的主反射器從它的頂點(diǎn)延伸到大大低于額定值的平面，亦即DD≈|Fli|/3，此處|Fli|是相應(yīng)主反射器段與給定的光軸28i的交點(diǎn)到橢圓的焦點(diǎn)，亦即發(fā)射區(qū)中心位置之間的距離。
盡管多口MLE的通過(guò)量效率比單口MLE的通過(guò)量效率稍小(由于增加了電極的陰影)，所以對(duì)特殊應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可達(dá)到的顯著體積減少使多口MLE-J更有吸引力，體積和/或材料成本與多口能量收集相比，是個(gè)較小的問(wèn)題。
原則上，也可以將基于本發(fā)明的兩口或多口MLE制成具有罩42的光源(例如，光源SB)。然而，對(duì)同樣通過(guò)量效率來(lái)說(shuō)，罩和燈桿的尺寸要求多口反射腔220比MLE-F要求的要大，以便減少多口MLE增加了的罩和燈桿陰影作用。因此，多口MLE常常只適用于罩和燈桿直徑很小(相對(duì)于LPRF1)的光源。
圖15示出的第二實(shí)施例涉及不同色光束的有效同時(shí)輸送。正如該圖所示，MLE-J的輸出光束首先用分色器230分成光譜上不同顏色的輸出光束(示出三個(gè)光束)。接著，這些顏色分開(kāi)的輸出光束用各種LG231i的合適形狀輸入口IPi收集。然后可以將透射同樣顏色光的LG結(jié)合到如圖15所示的用于紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)色通道單個(gè)相應(yīng)輸出口OPi中?？梢詫⒎稚?30選擇地結(jié)合(或是永久地與光學(xué)粘合劑結(jié)合，或是與一薄折射率匹配液232結(jié)合)到輸出窗222和/或224上。分色器230，相應(yīng)的反射腔、相應(yīng)的電極(氣密式密封到反射腔上)和發(fā)射體EVs一起，形成相應(yīng)的MLE-J。最好LG是一種如上所述高效型的(＞90％)，并且它的輸入口(圖15中未示出)包含一個(gè)輔助ABT，用于域有效、角度相關(guān)的能量密度函數(shù)對(duì)稱(chēng)化，因此整個(gè)系統(tǒng)形成相應(yīng)的ABTLE。
圖15示出一個(gè)‘彩色立方體’，由于它具有優(yōu)越的空間效率，所以作為優(yōu)選的分色裝置230。已知許多類(lèi)型的分色器，并且它們可以同本說(shuō)明書(shū)的講述結(jié)合一起使用。圖15示出三個(gè)相應(yīng)的彩色光束(R，G，B)的輸出用6個(gè)或12個(gè)輸入口IPi收集，并用相應(yīng)的輸出口OPi結(jié)合成三個(gè)LG輸出176i的情況。輸入口IPi的表面以與分色器230成光學(xué)接觸(例如，利用一薄層折射率區(qū)配液或凝膠)的形式示出，以便使玻璃空氣界面處的Fresnel損失減至最小。如果希望的話(huà)，也可以通過(guò)氣隙將分色器230和/或各輸入口IPi分開(kāi)，并且可以將相應(yīng)的表面選擇地涂覆減反射涂層，以便減少這些界面處的Fresnel損失。
在圖15中，三個(gè)LG176i的輸出光束截面具有一個(gè)選定的窄矩形輸出孔，該輸出孔與美國(guó)專(zhuān)利No.5,484,318中對(duì)螺旋形色帶、單個(gè)LV、投射顯示系統(tǒng)所討論的現(xiàn)有技術(shù)PLE情況的出口光束要求相同。本發(fā)明提供附加的設(shè)計(jì)自由度，以便以各種方式使相應(yīng)LG輸出口OPi的形狀最佳。例如，美國(guó)專(zhuān)利NO.5,484,318提出，將掃描棱鏡的輸入表面弄彎曲，以便增加色帶掃過(guò)相應(yīng)LV表面區(qū)的線(xiàn)性。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例(見(jiàn)圖7)采用一種輸出形狀具有彎曲輸出表面和/或非平行光束方向(輔助光學(xué)部件)的LG，以便簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和/或改善掃描棱鏡/光發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能/成本。也可以選擇地用一種優(yōu)選的MLE-F或其中一個(gè)變體，來(lái)改善這樣得到的PLE的輸送效率。例如，可以利用彎曲的輸出表面ESi或LG與具有平的拋光表面的掃描棱鏡相結(jié)合，來(lái)達(dá)到與美國(guó)專(zhuān)利No.5,484,318相同的功能度，美國(guó)專(zhuān)利No.5,484,318的功能度通過(guò)用三個(gè)平行的窄光束條照射具有凹拋光面的旋轉(zhuǎn)棱鏡達(dá)到。這種設(shè)計(jì)改變會(huì)簡(jiǎn)化棱鏡的制造。
另外，可以用平行于燈軸線(xiàn)的天然非對(duì)稱(chēng)的光束發(fā)散，來(lái)使制造供螺旋式顏色用的PLE簡(jiǎn)化。
圖16以簡(jiǎn)略方式(部分是垂直截面圖，部分是透視圖)示出ABTLE-K和LGLE-K。另外，在一張圖中示出本發(fā)明的兩個(gè)不同的優(yōu)選實(shí)施例。第一個(gè)實(shí)施例把焦點(diǎn)集中在用于圓筒形鎢燈或鹵鎢燈光源S域有效的MLE-K設(shè)計(jì)上。第二實(shí)施例示出一個(gè)ABT250作為L(zhǎng)GLE-K和ABTLE-K，該ABT250具有匹配的耦合光學(xué)部件252和收集LG254。盡管下面討論了大部分圓筒形半透明的不透明和螺旋表面發(fā)射體，但本發(fā)明的講述同樣可供其它形狀使用。尤其是具有兩個(gè)空間上很明顯分開(kāi)的發(fā)射最大值的長(zhǎng)弧、AC型等離子體發(fā)射源的形狀，被一個(gè)下面發(fā)光的直的或碗式圓筒形區(qū)域或一個(gè)象小線(xiàn)性弧光燈或熒光燈一樣的細(xì)長(zhǎng)圓筒形發(fā)射柱連接。
圖16所示的光源S具有一個(gè)光源軸線(xiàn)24和一個(gè)透明的內(nèi)部罩42，該內(nèi)部罩42氣密式封閉主發(fā)射表面ESs，該主發(fā)射面ESs被真空或一種合適的可賦能氣體包圍。例如，可以考慮其能力選定一種氣體，以便降低電極蝕耗(鹵素-鎢循環(huán))的速度和/或賦能時(shí)減少光譜位移和/或光發(fā)射介質(zhì)(象金屬鹵化物弧光燈光源或高壓汞燈光源的體積光源)。
圖16所示的MLE-K設(shè)計(jì)類(lèi)似于圖6和7中所示的MLE-F。它由光源S、主反射器260和后向反射器262構(gòu)成，后向反射器262有一單輸出口264，能量穿過(guò)該單輸出口262射出，到達(dá)MES144(如半透視圖中一個(gè)彎曲帶所示)，該MES144在軸線(xiàn)位置LE處與系統(tǒng)軸線(xiàn)28相交?？蛇x擇地，輸出口264(在透視圖中示出)具有一細(xì)長(zhǎng)的截面，以便使后向反射器262的反射表面積減至最小。此輸出口可以用一如上所述的光學(xué)窗(有或沒(méi)有介電涂層)蓋住，用于本發(fā)明的其它實(shí)施例。
圖16示出一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的鎢絲制的直螺旋體256作為發(fā)射表面ESs的例子。罩42可選擇地涂覆一層熒光材料，正如在標(biāo)準(zhǔn)低壓熒光燈中所發(fā)現(xiàn)的那樣，因此形成有效的主發(fā)射表面。罩42的外部或內(nèi)部可選擇地涂覆一多層介電涂層，該介電涂層有選擇性地透射和反射選定的波長(zhǎng)通帶(IR反射，而在可見(jiàn)光中減反射)。
安裝電極270和272作為導(dǎo)電夾示出，用它們來(lái)賦能光源，并相對(duì)于反射腔266固定它的空間位置。光學(xué)燈夾持系統(tǒng)簡(jiǎn)略地以塊件274和276示出，該塊件274和276將反射器260和262夾持在一起。這些塊件274和276將電能從導(dǎo)線(xiàn)205導(dǎo)向電極270和272。另外它們可以固定光源S的空間位置，及便于它的野外更換。例如，電極272示出有一錐形塞278，該錐形塞278鎖緊它相對(duì)于夾持塊件276的位置。同樣，示出電極270的錐形端，以便裝入夾持塊件274中的一個(gè)錐形凹坑。圖16所示的MLE-K便于更換光源S，而不破壞或分開(kāi)反射腔266。不限于上述說(shuō)明，也可以用在任何其它優(yōu)選MLE的精神設(shè)計(jì)反射腔266，該優(yōu)選的MLE包括一個(gè)氣密式密封系統(tǒng)、該密封系統(tǒng)有一軸線(xiàn)或光軸，并且可選擇地設(shè)有罩42和供輻射射出到相應(yīng)MLE上的合適的密封窗。
未經(jīng)放大、垂直倒象的后向反射器262產(chǎn)生[如果通過(guò)用一軸向?qū)ΨQ(chēng)的(相對(duì)于光源軸線(xiàn)24)球形反射器(準(zhǔn)橢圓形或準(zhǔn)環(huán)形)，對(duì)罩42的光畸變進(jìn)行校正并使離軸象差減至最小，使這個(gè)功能最佳]發(fā)射光源ESs的實(shí)際鏡象，該鏡象在圖16中示出為起初螺旋體的左-右和上下倒象。此光源映象現(xiàn)在形成一體積光源，該體積光源和表面發(fā)射螺旋體256一起，形成有效發(fā)射表面/體ESVSK，該ESVSK照亮主反射器260。處置發(fā)射沿著螺旋體軸線(xiàn)(垂直于系統(tǒng)軸線(xiàn)28取向的燈絲最長(zhǎng)尺寸)的自動(dòng)封閉，這種延長(zhǎng)絲燈的角度相關(guān)的發(fā)射功能取環(huán)形形狀。
應(yīng)該注意，由于螺旋體256的不透光性能，所以其中一部分由后向反射器262再成像的能量現(xiàn)在被螺旋體256擋住。這些造成MLE-K總能量輸送的某些損失，但也增加了如上所述輸出光的可用性。
因此，后向反射器266和光源S在軸定位的優(yōu)化現(xiàn)在取決于用作表面光源的螺旋體256的空間充填率及照明目標(biāo)的收集域。如果光阻擋太高，則本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例(懸而未決的收集域允許)將鎢螺旋體從含有系統(tǒng)軸線(xiàn)28橫向偏置一個(gè)偏置距離D≈w/2(忽略罩42作用)，式中，w是圓筒直徑，或者如果罩42足夠?qū)挼脑?huà)，w是寬度，以使一個(gè)偏置和鏡象式光源能在系統(tǒng)軸線(xiàn)28的對(duì)面成像。最終結(jié)果是有效的發(fā)射表面/體ESVSJ，該ESVSJ約是螺旋體256最初截面積尺寸的一倍。這有效地使光源域Es和MLE的輸出增加大致兩倍。對(duì)不限制域的LE應(yīng)用，此處中間目標(biāo)域ET′max比光源域大得多，亦即ET′max＞＞Es(用于幻燈投射器、過(guò)熱保護(hù)LE、大LCD的PLE、光纖自動(dòng)化照明、全內(nèi)反射大導(dǎo)光管照明系統(tǒng)、大面積光纖照明系統(tǒng)等)，并且此處總輸送效率比域效率更重要，這仍然是可接受的。如果采用密封式反射腔，正如MLE-J情況中那樣，則理想的是用本發(fā)明的原理設(shè)計(jì)發(fā)射螺旋體的截面形狀和可達(dá)范圍及對(duì)系統(tǒng)軸線(xiàn)的偏置。同樣，對(duì)于后向反射式圖象必須理想地偏置一個(gè)距離D≈w/2的情況。例如對(duì)鎢絲燈或雙罩、大瓦數(shù)金屬鹵化物燈來(lái)說(shuō)，理想的是相應(yīng)光源軸線(xiàn)也相對(duì)于一內(nèi)部罩和還有任意的外部罩的軸向?qū)ΨQ(chēng)的軸線(xiàn)偏置。
圖16示出本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，它對(duì)一種很長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)伸展的光源SK是有用的。為了舉例說(shuō)明，下面討論特殊的情況，即螺旋形發(fā)射體具有足夠大的螺旋形繞組，它們可以同軸定位，亦即D≈0。因?yàn)楸綥E發(fā)明不轉(zhuǎn)到平的圖象表面上用于有效的能量收集，所以相應(yīng)的CCS-K可以?xún)?yōu)化，用于最大通過(guò)量效率和域效率，如上所述并在下面更詳細(xì)說(shuō)明。通過(guò)使能量收集表面在Z軸上彎曲，亦即本質(zhì)上跟隨相應(yīng)的彎曲MES144，可以得到好得多的通過(guò)量效率。這在圖16中用第二發(fā)射體EVS′K示出，該第二發(fā)射體EVS′K代表發(fā)射表面／體ESSK的一個(gè)彎曲的準(zhǔn)圖象。注意來(lái)自最初螺旋體256及其反射圖象的兩個(gè)明顯的螺旋形圖象。
當(dāng)?shù)诙l(fā)射體EVS′K與一垂直取向的平面相交時(shí)，在其最佳的Z位置處得到一弓形強(qiáng)度分布。然而，當(dāng)收集平面彎曲時(shí)，如圖16所示，得到光源ESVSK的準(zhǔn)圖象，亦即可以觀(guān)察到具有螺旋形截面的繞組的彎曲矩形占據(jù)較小的收集面積。如上面有關(guān)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例所述，通過(guò)將光源軸平面中的圓筒形校正項(xiàng)目加到具有這些校正項(xiàng)目圓筒形對(duì)稱(chēng)軸(是y軸)的主反射器表面上，用于校正目的(取決于反射器尺寸和螺旋體長(zhǎng)度)，可能影響這個(gè)同軸和離軸成像的MLE-K的視場(chǎng)曲率。
一個(gè)優(yōu)選的后向反射器262具有大致軸向?qū)ΨQ(chēng)的曲率，由于對(duì)發(fā)射區(qū)軸向上集中在相應(yīng)軸向?qū)ΨQ(chēng)的罩42內(nèi)部的情況，光源軸是它的對(duì)稱(chēng)軸。如果發(fā)射區(qū)位于偏離其罩42的中心處，理想的是采用非軸向?qū)ΨQ(chēng)的后向反射器系統(tǒng)。在含有光源軸的平面中，球形曲率最好是以主種方式選擇，以便后向反射的光源圖象具有最小的象畸變，亦即使罩42的光學(xué)畸變作用與延伸光源的離軸象差平衡。最好是最終的反向聚焦圖象盡可能平坦。然而，彎曲圖象的技術(shù)方案與ABT250結(jié)合，對(duì)優(yōu)化總輸送效率也是有用的。
仍然參看圖16，為了以域效率方式將這樣產(chǎn)生的發(fā)射體EVS′J收集，將ABT250與專(zhuān)門(mén)匹配的輸入口IP1和輸出口OP1一起使用。如上所述，為了進(jìn)一步改善與MES144匹配的輸入口IP1的域收集效率，最好是采用特殊的輸入口制品，用于它的接收表面AS1。在圖16中，示出輸入口IP1從MES144后退，用于更好的肉眼觀(guān)察正在討論的各點(diǎn)。接收表面AS1的整個(gè)曲率最好是匹配MES144的曲率。另外示出的是臺(tái)階式局部表面制品，由于接收表面AS1曲率，該臺(tái)階式局部表面制品使域損失減至最小。這是如上所述一個(gè)優(yōu)選的、可以做到的輔助光學(xué)部件表面制品的例子。ABT250的主體可以是合適地空心反射或?qū)嵭耐该鞯腻F形LG。任一個(gè)輔助光學(xué)部件，如上所述可以安放在相應(yīng)輸入口IP1附近，而任選的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料，如上所述可以安放在ABT250的附近和/或內(nèi)部。
細(xì)長(zhǎng)的鎢光源由于在其軸向方向上燈絲的自身陰影，也有一個(gè)軸向?qū)ΨQ(chēng)的角發(fā)射能密度函數(shù)。因此這個(gè)相應(yīng)優(yōu)選的MLE輸出光束也有一軸向非對(duì)稱(chēng)的角能量密度函數(shù)。在光源和收集目標(biāo)之間的空間形狀失配很大的情況下，例如象長(zhǎng)圓柱形、圓形或近方的矩形，面積增加是最重要的因素，因此，如上所述，可以考慮把重點(diǎn)集中在面積重整任務(wù)上和采用面積重整的ABT，該面積重整的ABT也使角度相關(guān)的能量分布對(duì)稱(chēng)。可選擇地用變形耦合光學(xué)部件和/或變形錐形LG作為輔助的輸入光學(xué)部件。
如上所述，有不同的方法來(lái)完成補(bǔ)償斜LG接收面積的局部棱鏡作用的光束轉(zhuǎn)向任務(wù)。圖16示出似乎接近理想彎曲的MES144的臺(tái)階用來(lái)使角轉(zhuǎn)向作用(導(dǎo)致一些域損失)減至最小的情況，該角轉(zhuǎn)向作用由在斜輸入表面亦即彎曲LG接收表面ASI處局部改變棱鏡光束轉(zhuǎn)向作用所引起。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例特別利用由相應(yīng)接收表面AS1特定曲率所得到的棱鏡作用。這種優(yōu)選的表面曲率以這種方式與給定的平均光束傳播方向(如圖16所示兩個(gè)不同螺旋形部件的圖象位置)的變化匹配，以便棱鏡作用獨(dú)自完成所希望的光束傳播軸轉(zhuǎn)向(例如，使主光束傳播軸變直)?？梢詫蓚€(gè)實(shí)施例結(jié)合，以使局部的臺(tái)階階梯也起用于光束轉(zhuǎn)向的輔助光學(xué)部件作用，來(lái)校正輸入光束主傳播軸的局部變化。
可以將一附加的光學(xué)表面層加到完成光束傳播軸局部校正的接收表面AS1上，以便改善LG250對(duì)給定光束的通過(guò)量效率。另外，如果充分控制螺旋形狀和相應(yīng)LGLE-K的制造，以便可以在MES144處觀(guān)察螺旋形能量密度函數(shù)的話(huà)，則可以通過(guò)以這種方式制造接收表面AS1，以致只從兩個(gè)螺旋體圖象(3D傳感器)的成像面積來(lái)控制光，改善LG250的通過(guò)量效率。另外，如果LG用許多單根光纖制造，則只有那些光纖結(jié)合到輸出口OP2上，該輸出口OP2收集來(lái)自相應(yīng)MES178中適當(dāng)圖象位置的光。
再次參看圖16，選定這個(gè)LG適配器250的輸出表面形狀為一圓形，以便舉例說(shuō)明與可任意拆卸的LG254的耦合，該LG254具有一固定截面的圓形和垂直末端的接收表面AS2。必要時(shí)，可以選定其它的輸出形狀。作為另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的例子，圖16還示出一個(gè)反射的、高NA、準(zhǔn)成像的耦合光學(xué)部件252，該光學(xué)部件252通過(guò)放大發(fā)散角來(lái)改變光束的角發(fā)散度，同時(shí)以本質(zhì)上保護(hù)域的方式減小光束的截面積。這種系統(tǒng)可用于與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的對(duì)稱(chēng)光束變換和同時(shí)發(fā)生的光束轉(zhuǎn)向功能。LG254的接收表面AS2形成用于此LGLE-K的目標(biāo)TK。
如果不要求附加的面積/NA匹配功能，則也可以將接收表面AS2安放成與LG250的發(fā)射表面ES1直接接觸。如有必要，可通過(guò)在‘玻璃’-空氣界面處使用減反射涂層，或是在輸出表面ES1和輸入表面ES2之間使用一薄層合適的折射率匹配透明材料，象折射率匹配的膠或油，來(lái)降低Fresnel耦合損失。如果不需要將LG254與系統(tǒng)分開(kāi)，則兩個(gè)LG250和254可以用光學(xué)透明的膠合劑粘合在一起。不限于本發(fā)明的范圍，LG250也可以是唯一在LGLE中的LG，它將合適的光源能量直接收集并輸送到最終使用位置。進(jìn)而，面積/NA匹配可直接通過(guò)LG250和/或254完成。例如，可以用錐形光纖來(lái)制造合適的LG250。
圖16還示出如何利用MLE-K中低成本的線(xiàn)性鎢螺旋體光源或長(zhǎng)的弧光燈或高效線(xiàn)性燈，與可選擇的起ABTS作用的LG適配器250一起，并且如果需要的話(huà)，與一合適的光耦合光學(xué)部件252一起，制造通過(guò)量有效的低成本光纖照明器，來(lái)照明標(biāo)準(zhǔn)的圓形LG。對(duì)光纖光源來(lái)說(shuō)，這是特別有意義的，該光纖光源要求比現(xiàn)有技術(shù)LGLE盡可能成本更低和輸送效率更高。尤其是，選擇不需要復(fù)雜的(接通)電源用于鎢-鹵素基LE，使它們變成低成本的光纖或LG基輸送系統(tǒng)的特別有吸引力的候選物，象在自動(dòng)化照明系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)如街道路標(biāo)、代替霓虹燈的廣告牌用于隧道、工廠(chǎng)樓層、船廳、無(wú)線(xiàn)電發(fā)射塔等。
利用本發(fā)明的上述講述，來(lái)表面如何以域有效方式收集和集中延伸的光源，用于普通體積或表面的光源，從圖16所示的優(yōu)選實(shí)施例，可以得出如下結(jié)論為了進(jìn)一步改善LGLE的效率，光源S設(shè)計(jì)必須與預(yù)定使用的MLE和LGLE設(shè)計(jì)一起進(jìn)行。
例如，可以將鎢絲安排成致密覆蓋的半圓。然后后向反射器將發(fā)射的能量以這種方式向回反射，以致看起來(lái)好像在相應(yīng)CCS處整個(gè)圓發(fā)射光一樣。根據(jù)上面說(shuō)明，本發(fā)明能夠形成許多尺寸的光源結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)用于特定的設(shè)計(jì)和/或LG輸入口制造情況最佳。所有這些燈的設(shè)計(jì)技術(shù)方案的主要共同點(diǎn)在于發(fā)射體/表面的三維形狀和制造相應(yīng)光源S、MLE和遠(yuǎn)程能量輸送LG收集匹配能量的輸入口IP的復(fù)雜性，都必須相互對(duì)照加以權(quán)衡，以便得到最佳的成本-效率平衡。
因而，很顯然，可以用本發(fā)明的上述方法和實(shí)施例，來(lái)增加大多數(shù)擴(kuò)展光源的收集效率。表面或體發(fā)射的發(fā)光二極管陳列和半導(dǎo)體激光器陣列也是擴(kuò)展光源。在對(duì)本發(fā)明的上述說(shuō)明進(jìn)行某些改造的情況下，也可以將它們的能量輸出收集、集中、和耦合到LG中。例如，通過(guò)將LED的發(fā)射體EVs或發(fā)射表面ESs放在上述優(yōu)選MLE其中之一的內(nèi)部，可以改善在所有角度方向上都發(fā)射的LED的耦合效率。對(duì)體發(fā)射器的這種特殊情況，本發(fā)明的優(yōu)實(shí)施例利用相應(yīng)的包括至少一個(gè)主反射器和一個(gè)后向反射器的腔。然而，在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，不象本發(fā)明的前述實(shí)施例那樣是空心的，而是將它們用透明材料(例如透明的環(huán)氧樹(shù)脂)充填。另外這些充填材料必須具有合適的外部表面形狀和光潔度，以便能將它的外部表面制成局部反射的(外部涂覆合適的反射涂層材料象Al、Ag、多層介電涂層、在某材料-空氣界面處全內(nèi)部反射等)，這樣形成所希望的反射腔。因此，這樣形成的腔也必須讓光能穿過(guò)相應(yīng)的輸出口射出。
如上所述，利用輔助后向反射器，可以形成優(yōu)選的超熒光不穩(wěn)定的諧振腔，該諧振腔能收集和集中大得多的發(fā)射角，因此制成更有效的顏色重整MLE，在此處利用不可用的光束幫助產(chǎn)生可用的光。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如果還有優(yōu)化發(fā)射體或表面的空間形狀的自由，則可以進(jìn)一步優(yōu)化給定目標(biāo)T的LE。這種對(duì)光源形狀的附加匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化步驟，可以改善給定目標(biāo)的輸送效率及電功率電平和/或降低整個(gè)LE的制造成本。例如，可以選定光源S發(fā)射體或發(fā)射表面的形狀，以便簡(jiǎn)化形成FRTS的LG相應(yīng)輸入口與輸出口的最佳表面結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程和/或使相應(yīng)限制尺寸的CCS的光源象差減至最小。假設(shè)固態(tài)光源常常只發(fā)射成一個(gè)半球形，并因此不需要轉(zhuǎn)換圖象的后向反射器，則本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例采用擴(kuò)展發(fā)射表面的光源S，這些光源S由多個(gè)更小的表面發(fā)射光源制成，它們以這種方式安排，以使它們接近所希望的圓形凹或凸形發(fā)射表面ESs，而不是普通的平的和矩形發(fā)射表面。
上述優(yōu)選實(shí)施例可以通過(guò)三維定位的單個(gè)半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，形成一彎曲的半導(dǎo)體激光器陣列表面來(lái)完成。同一實(shí)施例可以用表面發(fā)射的LED和一些單根照明光纖完成，同時(shí)將后者排列以形成一彎曲的LG輸出口OP。這些發(fā)射表面ESs的曲率半徑最好是以這種方式選定，以使最終的MLE具有平的和圓的MES，用于與LG一起形成最佳收集。利用本發(fā)明該實(shí)施例的另一個(gè)好處是，當(dāng)從大面積光源開(kāi)始時(shí)，選擇在相應(yīng)LGLE出口處或相應(yīng)MLE的MES處，產(chǎn)生任意形狀、非常均勻的照明光束的方案。這可以產(chǎn)生一個(gè)改善了的大面積照明強(qiáng)度控制(均勻或不均勻的強(qiáng)度分布)，用于比現(xiàn)有技術(shù)MLE或LGLE通常可以接受的尺寸更小和/或光學(xué)部件更簡(jiǎn)單。該實(shí)施例的某些應(yīng)用是材料加工功能(象在半導(dǎo)體加工步驟期間均勻的屏蔽照明)，此處大面積均勻照明很重要。
圖17原理性示出本發(fā)明光源結(jié)構(gòu)實(shí)施例的延伸部分，它能構(gòu)成另一種類(lèi)型域有效的熒光轉(zhuǎn)換LE。圖17中示出的LGLE-L利用由PRS142和RRS140形成的反射腔，來(lái)本質(zhì)上收集全部由熒光體FVSL發(fā)射的光，并在第二發(fā)射體EVS′L處將光集中。RRS140與熒光體FVSL一起，形成有效的發(fā)射體EVSL，該發(fā)射體EVSL只發(fā)射到左半球中。LG260作為遠(yuǎn)程輸送系統(tǒng)示出，它在RRS140的頂點(diǎn)附近有輸入口IP，此處將RRS140作為用于MLE-L的MES262選定的軸向位置LE示出。
熒光體FVSL是(較短波長(zhǎng))賦能光束和熒光材料280之間的重疊部分，該熒光材料的作用是(1)根據(jù)基體材料(例如，固體或液體或氣體)及熒光的濃度和類(lèi)型，吸收照明光束的選定波長(zhǎng)通帶；和(2)無(wú)定向地發(fā)射(較長(zhǎng)波長(zhǎng)的)熒光、未吸收或角吸收的光通常被材料280散射，因此未經(jīng)波長(zhǎng)修正和經(jīng)波長(zhǎng)修正過(guò)的射線(xiàn)，二者的輸入角和輸出角稍有不同。本質(zhì)上所有發(fā)射到材料280左半球中的射線(xiàn)都由CCC-L，亦即PRS142收集和集中。因?yàn)椴皇侨枯斎胝彰髂芰慷嫁D(zhuǎn)變成熒光，所以材料280通常變熱，并且，隨著時(shí)間的推移，它的熒光濃度減少。由于熒光體FVSL處賦能光量和賦能強(qiáng)度改變而造成的熒光輸出的衰減，常常通過(guò)材料280的經(jīng)?；蚨ㄆ谥苯痈鼡Q來(lái)消除。例如，這可以通過(guò)用一連續(xù)液體材料流或固態(tài)和/或液態(tài)和/或氣態(tài)材料的直接更換(例如，一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)或轉(zhuǎn)換桿等)來(lái)完成，這些材料已摻有合適濃度的波長(zhǎng)移位材料(象染料激光器中的熒光染料)。
回頭參看圖17，材料280以作為具有與其長(zhǎng)軸線(xiàn)(光源軸24)成軸向?qū)ΨQ(chēng)的橢圓形形狀的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例示出，該長(zhǎng)軸線(xiàn)與系統(tǒng)軸線(xiàn)28垂直。最好是，短軸線(xiàn)與長(zhǎng)軸線(xiàn)之比與反射器142的垂直放大倍數(shù)Mo成反比，以便產(chǎn)生的第二發(fā)射體EVS′L近似球形。必要時(shí)，可以選用其它的熒光形式。因此，其中之一，圖17能再次舉例說(shuō)明慣常發(fā)射體制造的思想和優(yōu)點(diǎn)，以使相應(yīng)MLE的耦合效率和制造能力達(dá)到最大值。對(duì)該技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)所示主要的例子作許多改變現(xiàn)在變得很明顯。
圖17中示出三個(gè)不同的主要優(yōu)選的賦能配置圖。典型的是，此時(shí)只用一個(gè)來(lái)賦能熒光體FVSL。根據(jù)給定的例子和說(shuō)明，別的相關(guān)賦能配置圖對(duì)該技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，將是顯而易見(jiàn)的。
第一個(gè)賦能配置圖利用LG282，它的輸出口與細(xì)長(zhǎng)的熒光材料280成光學(xué)接觸?？蛇x擇地，材料280被一層涂層材料或覆蓋材料284包圍，以便增加光射線(xiàn)286的光程長(zhǎng)度，光射線(xiàn)286除非在以前被吸收，否則最終將射出材料280。在反射器140方向上射出的未被吸收的射線(xiàn)286，在再成像之后，有第第二被吸收到熒光材料280上的機(jī)會(huì)?？蛇x擇地，包圍材料280的覆蓋材料284可以是透明的冷卻液，并且最好是具有較低的折射率，以便有助于賦能光的反射。
圖17示出的第二個(gè)賦能配置圖用一個(gè)透明的主反射器142，該主反射器142具有一層特殊的介電涂層，該介電涂層能使較短波長(zhǎng)的賦能光透射，而使較長(zhǎng)波長(zhǎng)的熒光在其凹形反射表面處反射。聚焦光學(xué)部件298將一賦能光束集中到熒光材料280上。
第三個(gè)賦能配置圖利用一個(gè)耦合光學(xué)部件，以將LG294的輸出口聚焦到熒光材料280上。
因此，發(fā)射體EVSL的空間形狀不僅取決于材料280的形狀和反射器系統(tǒng)140與142的形狀，而且有點(diǎn)取決于賦能光束的強(qiáng)度分布。如上所述，所有參數(shù)都必須平衡，以便對(duì)于給定的賦能光源和MLE尺寸，在MES262處產(chǎn)生最高的通過(guò)量效率。
可選擇地，LG176在其輸入表面處或其附近，可以有一介電涂層或?yàn)V光器元件，用于增加不常用波長(zhǎng)的譜帶外衰減。波長(zhǎng)濾光也可以通過(guò)反射器142和/或140處適當(dāng)選定的介電濾光涂層完成。例如，對(duì)一種立體目標(biāo)的應(yīng)用，象在醫(yī)療手續(xù)期間腫瘤的光動(dòng)態(tài)治療或診斷過(guò)程中遇到的，最好是將不希望有的較短或較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光除去，以使手續(xù)期間組織發(fā)燒減至最小。此外，通過(guò)在MLE-L一級(jí)處除去不需要的波長(zhǎng)，也許能用塑料來(lái)制造合適的LG176，該塑料能提供許多成本和制造方面的優(yōu)點(diǎn)，并且還可以熔化掉。此外，如上所述，ABT LG和摻有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的錐形LG可以和MLE-L結(jié)合起來(lái)使用，以便進(jìn)一步增加輸送效率，用于給定目標(biāo)T的照明需要。
圖18簡(jiǎn)略示出光導(dǎo)向件的光發(fā)動(dòng)機(jī)M(LGLE-M)。有關(guān)此圖說(shuō)明了本發(fā)明兩個(gè)附加的主要思想/實(shí)施例。第一個(gè)思想是一種密封式反射燈SM(類(lèi)似于LGLE-H、LGLE-I、LGLE-K)；它用整體的錐形LG300作為相應(yīng)的ABTS。第二種思想示出本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，它應(yīng)用于道路照明系統(tǒng)或材料加工系統(tǒng)。
此處將圖18中光源S的發(fā)射能量顯示成通過(guò)一緊密纏繞(不透明)的鎢螺旋體(示出了三匝)發(fā)射，該鎢螺旋體具有一發(fā)射表面ESSM，并可以纏繞成具有矩形截面的寬度W和象螺旋體一樣薄的深度。該螺旋體的光軸24垂直于系統(tǒng)軸28定向，并具有一偏置距離D≈w/2(如上所述)。此發(fā)射表面ESSL進(jìn)入右半球的發(fā)射，在RRS140處的反射產(chǎn)生圖象轉(zhuǎn)換之后，形成實(shí)際的發(fā)射體EVSM，該發(fā)射體EVSM位于發(fā)射表面EVSM的對(duì)面，并且鏡面與軸線(xiàn)28對(duì)稱(chēng)。，如上所述，發(fā)射表面可選擇地具有曲率/取向，而不是平的/垂直于系統(tǒng)軸線(xiàn)28，以便增加特別受限制的LE的輸送效率。
CCS-M，亦即PRS142將進(jìn)入左半球的發(fā)射集中成第二發(fā)射體EVS′M，該第二發(fā)射體EVS′M設(shè)計(jì)成位于錐形LG300的內(nèi)部。此處將后向反射器140顯示為折疊式反射器(類(lèi)似于LGLE-H)；它包括兩個(gè)在MLE-M輸出口146處帶有LG300的反射器元件148和152。可選擇地用一濾光器元件302(此處示出為由反射器148的模壓或磨蝕的部件固定)來(lái)常規(guī)地光譜上對(duì)MLE-M的輸出光束濾光。例如，通過(guò)除去不需要的IR能，可以用塑料制的LG或具有環(huán)氧樹(shù)脂光纖輸入口的LG用于某些類(lèi)型的系統(tǒng)?？蛇x擇地，也可以將這種補(bǔ)充的濾光器元件放在LG300的輸入表面處，和/或反射器142的反射涂層可以具有限制光譜帶寬的性質(zhì)。
上述本發(fā)明的各優(yōu)選實(shí)施例的主要差別在于MES144位于錐形LG300的內(nèi)部，而不是在它的輸入表面附近。在圖18中，將錐形LG300顯示成一個(gè)單芯、錐形LG，它具有合適的透射芯材料310和一個(gè)環(huán)繞的低折射率的覆蓋材料層312。LG300以這種方式加工成型，以便在MES144前面的錐形LG部分不干擾感興趣部分的集中光束的傳播(由于LG300芯材料310折射率不同而產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)反射作用除外)。然而，在ME178的軸向位置LE附近，LG300的截面積轉(zhuǎn)變成這種橫截面(如上所述)，以致所選定的部分光束(取決于所希望的收集域)此后由LG300導(dǎo)向。如果希望的話(huà)，那么LG300的截面形狀可以進(jìn)一步緩慢地轉(zhuǎn)變到更常用的輸出形狀，該輸出形狀或是可適用于目標(biāo)的最終照明，或是可適用于耦合到另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(例如，如圖18中所示的多個(gè)LG)上。這樣以域有效的方式收集來(lái)自彎曲的MES144中的光，而不需有特殊的輸入口結(jié)構(gòu)，如上面關(guān)于圖16所示的LGLE-K所述。
因此，在MES144之前的部分LG300可以看成是用LG300幫助域有效的光收集的輔助光學(xué)部件。那種場(chǎng)合，LG300的輸入表面322也可以弄彎曲，并作為光學(xué)成像元件使用，它與CCS-M結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)化用于在收集效率和制造成本之間平衡。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，MLE-M、輔助后向反射器148和LG300用一個(gè)模制的玻璃或塑料部件制成，該部件在其凹側(cè)具有合適的反射和/或?yàn)V光涂層，并且至少在軸向位置LE之前開(kāi)始和在其后繼續(xù)有一合適的覆蓋或反射涂層312，以便形成一個(gè)合適的可與芯材料310相比的LG。另一種優(yōu)選的制造錐形LG300的方法是，如上所述，利用許多局部蝕刻的錐形單根光纖，這些單根光纖熔合成單芯并再覆蓋，以便在感興趣部件附近形成單芯LG。
也可以用位于反射器142第一焦點(diǎn)附近的許多個(gè)鎢螺旋體(具有可選擇的單個(gè)功率控制)、作為發(fā)射源，并集中到相同或不同的(可選擇地)錐形LG300上。例如，這種思想可以通過(guò)可選擇地犧牲一些收集效率，將高和低光束的光收集系統(tǒng)用于自動(dòng)化道路照明系統(tǒng)，以便得到別的優(yōu)點(diǎn)，象光源剩余度和/或成本降低。
回頭參看圖18，它以簡(jiǎn)略圖形式進(jìn)一步示出基于道路照明系統(tǒng)(例如前燈系統(tǒng))，該系統(tǒng)具有一個(gè)或多個(gè)LG320i(三個(gè)，用i＝1，2，3)示出，以便最終接收來(lái)自MLE和/或特別是來(lái)自L(fǎng)G的光，示出LG300作為特殊的例子。另外，這些第二LG320i輸出口OP2-i的光軸322i以這種方式定向，以便它們與耦合光學(xué)部件340i結(jié)合，在道路的選定部分得到合適的照明強(qiáng)度，而同時(shí)限制照到不希望的方向上。換句話(huà)說(shuō)，設(shè)計(jì)LG或多個(gè)LG320i輸出口結(jié)構(gòu)的自由度能制造新型的照明系統(tǒng)。例如，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于自動(dòng)化前燈時(shí)，汽車(chē)設(shè)計(jì)人員得到一種新的對(duì)車(chē)身定型、成本優(yōu)化，、燈的位置等的設(shè)計(jì)自由度?？蛇x擇地，單個(gè)反射器燈(密封式或非密封式型式)可以照明多個(gè)輸出口146i，并且這些輸出口146i之中每個(gè)都有一個(gè)電控光闌，用于阻擋輸出光束。另外，可以將多個(gè)MLE的出口結(jié)合成單個(gè)輸出口，用于剩余度(一個(gè)光源燒壞)，和/或強(qiáng)度控制和/或方向控制(具有不同輸出角的高-低光束)。假設(shè)各LG320i輸出口OP2-i的輸出光束通常輪廓分明，則它們一般要求比現(xiàn)有技術(shù)照明系統(tǒng)的光學(xué)部件直徑更小。此外，現(xiàn)在可以用許多個(gè)輸出口，每個(gè)都具有一較小的透鏡，以便得到所希望的照明、安全性和設(shè)計(jì)效果。另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例以這種方法將LG300加工成一定形狀(未示出)，以便它傳導(dǎo)光和起它自己輸出耦合光學(xué)部件(錐形魚(yú)眼透鏡)作用，因此減少了為建造這種(自動(dòng)化或工業(yè))照明系統(tǒng)所必須的部件。
也可以根據(jù)這些原理建造隧道、燈塔、船舶等的遠(yuǎn)程工業(yè)照明，以便降低光輸送的總成本和/或保持每個(gè)所希望的輸出水平的成本。
同樣，可以選定各輸出口OP2-i和相關(guān)的耦合光學(xué)部件252i，以便匹配一種特殊的光，該光增加了材料加工的應(yīng)用。例如，可以將輸出口加工成形為一種長(zhǎng)的矩形，以提供合適的線(xiàn)光源。必要時(shí)，也可以生產(chǎn)別的形狀。
圖19示出本發(fā)明用于一特殊類(lèi)型LE，亦即PLE-AB設(shè)計(jì)的第一優(yōu)選實(shí)施例，用它將單個(gè)LV的圖象強(qiáng)度投影到投影屏幕98上。該投影屏幕98是相應(yīng)PLE的目標(biāo)TAB。
在圖19中，將相應(yīng)的MLE-AB顯示成像主要的MLE-F類(lèi)型一樣。然而，也可以用本發(fā)明的所有其它實(shí)施例及其變種。位于MLE-AB軸向最大域位置附近的色盤(pán)110，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)序化的彩色光束，該彩色光束由透鏡410收集，并投影到光束截面成形/均化的光學(xué)部件系統(tǒng)420。作為這種光學(xué)元件420的例子，圖19示出第一透鏡陣列422和第二透鏡陣列424，它們形成為相同或不相同的匹配對(duì)。另一些制造系統(tǒng)420的方法是用相位光柵和衍射透鏡對(duì)。最好是將系統(tǒng)420設(shè)計(jì)成使光束400截面再成形并均勻化，以便更好地適應(yīng)LV100處功能光束的成形要求。一個(gè)輔助聚焦透鏡426有助于使照明光束400的截面與LV100的接收表面ASLV相匹配。
LV100(作為例子，用透射的LV示出)是PLE關(guān)鍵的域限制光學(xué)元件。最好是，該照明光束400與圖5中所示PLE-AA的照明光束122相反，在其接受表面ASLV附近或稍靠后，有一圖象聚焦位置。
投影透鏡系統(tǒng)430收集LV100的輸出，并將它聚焦到投影屏幕98上。可選擇地，如圖19所示，透鏡系統(tǒng)430可以包括兩個(gè)子系統(tǒng)432和434，同時(shí)子系統(tǒng)432位于LV附近，以便收集LV100的輸出，而系統(tǒng)434位于系統(tǒng)432圖象位置附近。
通過(guò)采用相應(yīng)域有效的MLE-AB和利用匹配的光束成形/均勻的化的光學(xué)系統(tǒng)420，達(dá)到增加PLE-AB的輸送效率。進(jìn)一步可選擇地改進(jìn)通過(guò)采用關(guān)鍵性的照明(在LV處聚焦)和匹配的投影透鏡系統(tǒng)430得到。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選改進(jìn)是利用變形式轉(zhuǎn)換光束的光束均勻化系統(tǒng)420，該系統(tǒng)420與中間目標(biāo)T′AB和相應(yīng)MLE-AB的需要相匹配。
圖20示出本發(fā)明用于PLE-AC的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，它是用來(lái)將單個(gè)LV100的圖象強(qiáng)度投影到投影屏幕98上。PLE-AB和PLE-AC之間的主要差別在于后者采用半軟的高透射高效率的LG448，該LG448至少完成能量輸送功能和面積再成形功能；并且色盤(pán)110稍稍位于相應(yīng)MLE-AC軸向最小的域位置前面，該MLE-AC從本發(fā)明優(yōu)選MLE實(shí)施例的其中一個(gè)選定。如上所述，這種LG448的好處是它可以制成一種甚至比通常光學(xué)系統(tǒng)420更加域有效的截面形狀和/或光均勻化元件。為了使色盤(pán)110的工作時(shí)間效率達(dá)到最大，色盤(pán)110的位置最好是盡可能接近軸向最小的域位置LE。
如上所述，LG448的輸入口IP最好是加工成一定形狀，以便匹配MLE-AC，用于域有效的能量收集，并且可選擇地包括NA對(duì)稱(chēng)化的輔助輸入光學(xué)部件，而輸出部分包括空間強(qiáng)度均勻化部分(例如，矩形拋光的單芯積分桿)。另外，示出了透射LV的情況?？蛇x擇地，可將一個(gè)PCS(圖20中未示出)很方便地插在LG448的輸出口OP和用于偏振的LV100的接收表面ASLV之間，因此使偏振靈敏的LV100和相應(yīng)輸入口收集減少約50％。
LG448的輸出口OP能形成輪廓分明的表面光源，該光源具有選定的發(fā)散角和截面形狀。因此，由于對(duì)目標(biāo)TAC，亦即投射屏幕98最佳的輸送效率，NA匹配和放大圖象的耦合光學(xué)部件430最好是將LG448的輸出口OP成像到LV100的接收表面上，或稍微靠后。后者有助于使某種類(lèi)型輸出口制造方法(例如，環(huán)氧樹(shù)脂化和/或熔合光纖束末端)產(chǎn)生的高空間頻率強(qiáng)度變化減至最小，并且不需要輔助光學(xué)部件來(lái)除去LV100接收表面ASLV處的高空間頻率強(qiáng)度變化(象素化)。匹配的投影透鏡系統(tǒng)430收集LV輸出，并將它充分成像到投影屏幕98上。理想的是，將LG輸出的表面弄彎曲，以便有助于用簡(jiǎn)化的耦合光學(xué)部件450，在LV表面處的圖象平坦化。
圖21示出用一反射LV100作為中間目標(biāo)T′AD投影光發(fā)動(dòng)機(jī)AD(PLE-AD)的不同優(yōu)選實(shí)施例。還有，如上所述，利用域有效的MLE-AD與LG448結(jié)合，該LG448具有特殊的輸入口IP和輸出口OP。采用一凹形的同軸或離軸(此處示出為離軸)的反射器460作為耦合光學(xué)部件，以便將LG448的輸出耦合到中間目標(biāo)T′AD，亦即LV100的接收表面ASLV上。該反射器460可以是例如一個(gè)橢圓形464的合適部分，該橢圓形464使輸出能量傳播軸465轉(zhuǎn)向，以便它與中間目標(biāo)T′AD的接收方向466一致，并且橢圓形464使輸出發(fā)散角θLout與LV100的接收發(fā)散角θLV匹配。為了完成這點(diǎn)，最好是在離軸位置使用反射器，如圖21所示，該離軸位置具有輸出口OP和LV100，它們位于相應(yīng)橢圓形464的長(zhǎng)軸467上，每個(gè)都靠近相應(yīng)的焦點(diǎn)，并與其短軸468近似對(duì)稱(chēng)。通過(guò)相對(duì)于長(zhǎng)軸467以一合適的角度470給LG448的輸出口定向，則可以用單個(gè)元件達(dá)到所希望的圖象放大和NA匹配。為了使這個(gè)耦合光學(xué)部件，亦即反射器460的成像誤差最小，橢圓形的短軸必須選定適當(dāng)?shù)卮?。如果要求較小的包裝來(lái)達(dá)到合適的耦合結(jié)果，則可以在輸出口OP附近使用輔助透鏡和/或反射器(未示出)。還有在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，反射器460是個(gè)反射透鏡，亦即一邊涂有一層合適反射涂層的透鏡。輔助透鏡或透鏡系統(tǒng)和/或反射透鏡對(duì)減小LE尺寸是有用的。
在輸出口OP的右面，一個(gè)放大的圖象示出本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的任意實(shí)施例，亦即表面結(jié)構(gòu)SCLout，該表面結(jié)構(gòu)在LG448發(fā)射表面ESL的垂直軸線(xiàn)477與其光軸478之間。有一除0°之外的角度476。這就能用簡(jiǎn)單的制造方法，亦即以與軸478不成90°的角度拋光LG輸出口OP，產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的與角度有關(guān)的發(fā)射圖形。這種偏置的輸出口可以簡(jiǎn)化對(duì)耦合光學(xué)部件的需要和/或允許更緊湊的設(shè)計(jì)。還有(見(jiàn)所示圖21)輸出口OP的輸出表面適當(dāng)?shù)剡x定彎曲的表面，以便在接收表面ASLV處產(chǎn)生一個(gè)平的圖象平面。
回頭參看圖21，它示出對(duì)DMD或TMA型反射LV優(yōu)選的設(shè)計(jì)情況，該反射LV具有一斜的目標(biāo)照明方向170。另外示出的是投影透鏡系統(tǒng)430的離軸使用(軸線(xiàn)479與透鏡軸線(xiàn)480不同)，該投影透鏡系統(tǒng)430在一般方向479上將LV反射的光收集，并將它成像到投影屏幕98上。這種PLE設(shè)計(jì)能在斜的輸入角下產(chǎn)生一梯形校正過(guò)的向著投影屏幕98的LV強(qiáng)度分布圖象。此斜的屏幕照明對(duì)一幻燈投射器來(lái)說(shuō)是種很普通的情況，該幻燈投射器位于投影屏幕前面的桌子上，它照明。這種情況對(duì)于密封安裝的投影機(jī)也是很常見(jiàn)的，該投影機(jī)在一斜角下給下面安裝的投影屏幕照明。
應(yīng)該注意，也可以選用別的球形形狀完成同樣的成像任務(wù)，而不用橢圓形反射器形狀。例如，圓環(huán)形反射器常常非常接近橢圓形反射器部分，并且可以用眼鏡片生產(chǎn)機(jī)械以低得多的成本制造。有時(shí)非對(duì)稱(chēng)的耦合系統(tǒng)也是優(yōu)選的(下面有關(guān)圖23所述)，并且反射器460必須準(zhǔn)確地，或是在LG448的輸出口OP附近與圓筒形或雙軸透鏡結(jié)合，以便在PLE的設(shè)計(jì)約束條件內(nèi)得到非常有價(jià)值的成像系統(tǒng)。
如圖20和圖21所示，在PLE中使用LG448提供進(jìn)一步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)好處，它導(dǎo)致圖22所示的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例一個(gè)投射顯示系統(tǒng)包括一個(gè)主投射器裝置500和一個(gè)遙控的獨(dú)立投射器頭510，該投射顯示系統(tǒng)有兩個(gè)用電纜520連接的裝置。主裝置500是獨(dú)立式裝置，它包括一個(gè)MLE、必要的濾色光學(xué)部件、視頻信號(hào)處理和其它必要的控制電路，并具有可選擇的(如圖22所示)槽口526，可以將不同的卡片插入該‘田裝置’中。這些可選擇的槽口類(lèi)似于計(jì)算機(jī)處的槽口，可將有不同添加功能的卡片對(duì)接到一塊計(jì)算機(jī)母板上。例如它們可以裝滿(mǎn)TV調(diào)諧器卡片；再現(xiàn)視頻信號(hào)分辨率的卡片，它自動(dòng)檢測(cè)并將進(jìn)入的視頻信號(hào)形式轉(zhuǎn)換到位于投射器頭510中的LV自然顯示形式；一種webTV卡片，它提供與互聯(lián)網(wǎng)的連接；調(diào)制解調(diào)器卡，將PC加到系統(tǒng)上的計(jì)算機(jī)卡，以便可以將投射器頭作為計(jì)算機(jī)顯示屏使用；電視電話(huà)卡；射頻(RF)或紅外數(shù)據(jù)連結(jié)卡等。這種優(yōu)選投射顯示系統(tǒng)的模件性能夠加上和/或升級(jí)選定的系統(tǒng)元件，而不需要象目前那樣(如果它們?nèi)寄苌?jí)的話(huà))將整臺(tái)投射器送回工廠(chǎng)。因此，這種PLE-AE能提供投射顯示系統(tǒng)與PC機(jī)的組合，以便提供一種全新的家庭娛樂(lè)系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)域。這種投射顯示平臺(tái)系統(tǒng)適用于家庭娛樂(lè)中心，并延長(zhǎng)了各種元件的壽命。
投射器頭510包括制造輕型投射器頭所必須的最少部件，該輕型投射器頭可以與主裝置500無(wú)關(guān)自由地定位。投射器頭510至少包括一個(gè)耦合光學(xué)部件、LV、投影透鏡、和控制來(lái)自視頻信號(hào)的LV的電路。視頻信號(hào)(由位于主裝置500中的發(fā)射體發(fā)射)可以用射頻(RF)天線(xiàn)、紅外傳感器接收，或是通過(guò)部分電纜520的電氣連接來(lái)接收。照明能量通過(guò)電纜520從主裝置500輸送到投射器頭510上，電纜520最好是包括一個(gè)帶輸入口IP和輸出口OP的硬或軟的LG，該輸入口IP和輸出口OP如上所述加工成形，并且電纜520最好是在其輸入端處包括ABTS，用于使輸送效率達(dá)最大值。因此，利用本發(fā)明的有效LE工藝來(lái)建造投射顯示系統(tǒng)，該投射顯示系統(tǒng)至少有兩個(gè)截然不同的元件，并且其中每個(gè)元件都能單獨(dú)升級(jí)和/或校正和/或定位。(可選擇地，可以將主裝置分成MLE和濾色裝置，二者用下面圖23所示的另一個(gè)LG連接)。因此，通過(guò)合適設(shè)計(jì)電纜520標(biāo)準(zhǔn)化的輸入口和輸出口，就能混合和匹配來(lái)自不同供貨商的產(chǎn)品(象能夠混合和匹配來(lái)自不同供貨商的HIFI空間元件)。
圖22示出安裝在高支架530上的投射器頭510。該支架和輕型投射器頭510一起，便于以比較大和重及多的單機(jī)投射顯示系統(tǒng)更有利的位置(如高架投射器所示)將投影定位。圖21和22還示出，目標(biāo)的照明方向可以與投影屏幕98的接受表面AST，亦即目標(biāo)TAE的垂直線(xiàn)480成一除0°以外的角度?？蛇x擇地，投射器頭510可以有一固定的階梯形校正過(guò)的光學(xué)部件(例如，如PLE-AD中所示)，或是有一下面所述的可調(diào)式階梯形可校正的光學(xué)部件，以便于從一優(yōu)選的支架530位置旁邊，相對(duì)于投影屏幕裝配投射器頭。可選擇地，投影機(jī)頭包括一個(gè)三角網(wǎng)裝置(IR、超聲、或其它)，該裝置自動(dòng)測(cè)定角度540，并以各自動(dòng)或半自動(dòng)方式準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)投影光學(xué)裝置430。
如圖22所示，可選擇地軟電纜520能與主裝置500無(wú)關(guān)獨(dú)立地定位投影機(jī)頭。PLE-AE不適用于PLE-AB和現(xiàn)有技術(shù)的PLE，它們?nèi)炕蚴腔谟驳腇RTS(見(jiàn)圖6)，或是不包括軟的LG或其它軟的透射光學(xué)部件，或是在本發(fā)明的有效光輸送方面沒(méi)有改進(jìn)時(shí)輸送效率不足以實(shí)用。
圖23示出本發(fā)明用于PLE-AF的另一實(shí)施例。兩個(gè)LG都是相應(yīng)FRTS的部件，以便增加色盤(pán)600的通過(guò)量效率。如上所述，將MLE-AF的域效率輸出以發(fā)散角θ連接到第一個(gè)LG448的輸入口IP1上。所有它的輸入口具有一個(gè)總輸入表面AS1和一個(gè)相關(guān)的有效表面積A1in，該有效表面積A1in具有相關(guān)的接收角θ1i≥θ。LG448的輸出口具有一個(gè)發(fā)射表面ES1，該發(fā)射表面ES1具有一有效表面積A1out。以輸出角θ1out從輸出口OP1輸出的光由耦合光學(xué)部件620收集，并這樣集中到色盤(pán)600上，以便集中光束在色盤(pán)600和相關(guān)輸出角θcw處具有一截面積A′cw。耦合光學(xué)部件630收集透過(guò)色盤(pán)600的光束，并用發(fā)散角θ2in將該光束集中在第二個(gè)光導(dǎo)向件640的輸入口IP2上。輸入口IP2有一輸入表面AS2，該輸入表面AS2具有有效收集光的表面積A2in。以輸出角θ2out射出輸出口OP2的光用一耦合光學(xué)部件收集，并集中到LV100的有效接收表面ASLV，亦即相應(yīng)的中間照明目標(biāo)T′AF上。
可選擇地，當(dāng)PLE的尺寸和重量很重要時(shí)，對(duì)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例來(lái)說(shuō)，最好是從圖23所示的PLE中，省去耦合光學(xué)裝置620或630其中之一。這稍微降低了PLE-AF的輸送效率，但減少了部件數(shù)目和PLE的尺寸。
然后，將反射或透射的LV100的輸出(在圖23中，以反射型式示出)用投影透鏡系統(tǒng)430收集，并投射到遠(yuǎn)處屏幕98上，在此處形成LV100輸出級(jí)處強(qiáng)度分布的放大圖象。特殊的光學(xué)耦合元件650類(lèi)似于由Andrianus H.J.和Brandt申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利No.4,969,730所述的反射棱鏡和美國(guó)專(zhuān)利No.5,022,750中所述的耦合光學(xué)部件。
盡管關(guān)鍵性的照明方案(LV100是如圖23所示的中間目標(biāo))優(yōu)選用于最大輸送效率，但Kohler方案(圖23中未示出，它把焦點(diǎn)集中在投影透鏡系統(tǒng)430的輸入光孔上)或在方案中間(見(jiàn)圖5)，本發(fā)明同樣可用，以便用輸送效率平衡PLE設(shè)計(jì)約束條件。例如，非關(guān)鍵性的照明方案能靠犧牲一些到投影屏幕98，亦即PLE-AF的目標(biāo)TAF的輸送效率，使用直徑更小的投影透鏡。
應(yīng)該注意，PLE-AC(圖20)和PLE-AD(圖21)都是PLE-AF的簡(jiǎn)化型式(LG較少)，并且只用一個(gè)LG作為它們FRTS的部件。下面優(yōu)選PLE設(shè)計(jì)方法的說(shuō)明也適用于上述只有一個(gè)耦合光學(xué)部件620或630的PLE-AB、PLE-AC、PLE-AD和PLE-AF情況。
應(yīng)該注意，對(duì)大多數(shù)PLE設(shè)計(jì)，各個(gè)角θ1out、θcw和θ2out都是軸向?qū)ΨQ(chēng)的，亦即與相應(yīng)的方位角Ψ無(wú)關(guān)。然而，如果LG448和640不是垂直地終止于它們相應(yīng)的能量傳播軸，則相應(yīng)的接收角或發(fā)射角顯示出某種軸向非對(duì)稱(chēng)，在本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例(見(jiàn)圖21)中，可以用這種軸向非對(duì)稱(chēng)來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化和/或改進(jìn)LE設(shè)計(jì)。
可以用具有選擇的耦合光學(xué)部件620和/或630的LG導(dǎo)向件448，來(lái)進(jìn)一步改善色盤(pán)600的工作時(shí)間效率。通常，選定相應(yīng)LG的輸入口IP和輸出口OP的表面結(jié)構(gòu)SCiin和SCiout，以便優(yōu)化不同光學(xué)元件之間的耦合。還參看圖23，至少有2個(gè)或4個(gè)主要機(jī)會(huì)來(lái)完成面積重整。首先討論輸出口OP2與LV100接收表面ASLV的耦合。然后評(píng)述出入口OP1和IP2與色盤(pán)600之間的耦合。上面已經(jīng)說(shuō)明了MLE-AF與匹配的LG448輸入口之間的耦合優(yōu)化。
LV100所給出的能量具有特征接收角功能θLV(Ψ)。此處方位角Ψ是相對(duì)于LV100在一個(gè)平面中的光學(xué)基準(zhǔn)軸104而限定的，該平面垂直于發(fā)射光束的能量傳播軸線(xiàn)。這種角接收功能θLV(Ψ)部分是由給定LV的設(shè)計(jì)和照明方向限定，部分取決于所希望的PLE對(duì)比度。因此，PLE的輸送效率取決于所用LG類(lèi)型和選定的用于其LE的光學(xué)設(shè)計(jì)的限制，以便使LV的特征接收角功能θLV(Ψ)達(dá)到最大值，用于最大的PLE到投影屏幕98的輸送效率DE。
可以利用一選擇的遮光板660來(lái)產(chǎn)生所希望的任何類(lèi)型非對(duì)稱(chēng)角照明圖形，該遮光板660在輸出口OP2和接收表面ASLV′之間的合適表面處與耦合光束相交，而非對(duì)稱(chēng)的照明圖形從給定的照明光束開(kāi)始，該照明光束具有比遮光板660所允許的角能量密度函數(shù)要大。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖23所示，這樣選定輸出口OP2的表面結(jié)構(gòu)SC2out，以使發(fā)射光的輸出口OP2和LV100之間的耦合(輸送效率)最優(yōu)。應(yīng)該注意，對(duì)某些類(lèi)型的LV100，例如DMD或TMA型，平均輸入能方向不平行于接收表面ASLV的垂直軸線(xiàn)480。在這些情況下，優(yōu)選的光學(xué)部件650是‘Scheinpflug’型的，亦即它的光軸和相應(yīng)的發(fā)射表面ES2及接收表面ASLV都以這種方式在空間定向，以使最終在接收表面ASLV處發(fā)射表面AS2的放大圖象是跨過(guò)整個(gè)表面的同樣焦點(diǎn)水平。即使焦點(diǎn)位置是在接收表面ASLV之后，亦即非關(guān)鍵性的照明方案，這也有利于均勻的照明強(qiáng)度。進(jìn)而，如圖23中簡(jiǎn)略示出的，該圖有兩個(gè)垂直定向的圓柱面透鏡664和666，它們成成像ABTS的作用，該透鏡664和666與光學(xué)基準(zhǔn)軸線(xiàn)104對(duì)準(zhǔn)，光學(xué)耦合系統(tǒng)650的優(yōu)選正交放大作用M(Ψ)和相關(guān)角變化在不同的角度方向上是不同的。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例一般利用軸向非對(duì)稱(chēng)或變形的耦合光學(xué)部件650，該光學(xué)部件650將具有給定種類(lèi)方位角Ψ的光束轉(zhuǎn)變成具有角能量密度函數(shù)的光束，上述方位角Ψ與角發(fā)射分布θ2out(Ψ)有關(guān)，而角能量密度函數(shù)盡可能多地與所希望的LV100接收表面θLV(Ψ)匹配。這樣，可選擇的遮光板660只截取最少量可用的能量，因此使PLE-AF的輸送效率達(dá)最大值。
圖24示出在垂直軸平行于光學(xué)基準(zhǔn)軸104情況下，不同方位角Ψ的剖面，該方位角Ψ與輸出口OP2到接收表面ASLV的照明光束耦合能的最大接收分布θLV(Ψ)有關(guān)。大圓670和小圓672表示具有最大接收角θLV(Ψ)＝θLV的光束，它們分別是θLV＝15°和θLV＝10°。橢圓形674在垂直軸上鄰接大圓670和在水平軸上鄰接小圓，它是優(yōu)選的本發(fā)明與最大接收角有關(guān)的方位角Ψ，用于改善DMD或TMA型LV100的照明效率。這種橢圓形方位功能674是例如對(duì)軸向?qū)ΨQ(chēng)(或如上所述非對(duì)稱(chēng))的LG輸出光束雙軸成像的結(jié)果，該LG輸出光束用兩個(gè)正交的柱面透鏡662和666，它們有不同的正交放大倍數(shù)，亦即M(Ψ＝90°)＝1.89*M(0)。應(yīng)該注意，橢圓形674在尺寸和功能上與美國(guó)專(zhuān)利No.5,442,414中對(duì)DMD型光閥所討論的投影遮光板675有關(guān)。然而，本發(fā)明的上述優(yōu)選實(shí)施例完全不用遮光板，并具有較高的通過(guò)量效率。因此，在某些情況下，上述耦光學(xué)部件650的優(yōu)選實(shí)施例可以完全不需要遮光板660。這使耦合光學(xué)部件650的輸送效率DE達(dá)到最大值，而仍然滿(mǎn)足LV的功能要求，亦即減少了與光學(xué)基準(zhǔn)軸104成對(duì)角的能量轉(zhuǎn)換，以使散射和有關(guān)的反差損失減至最小。
為了在接收表面ASLV處得到一個(gè)匹配的截面照明光束形狀，輸出表面AS2必須與預(yù)變形過(guò)的LV表面的截面匹配，該預(yù)變形過(guò)的表面與耦合光學(xué)部件650放大倍數(shù)M(Ψ)的倒數(shù)成正比。為了更精確起見(jiàn)，也考慮到由具有平均能量傳播所引起的附加畸變作用，以便找到發(fā)射光源AS2理想的截面預(yù)變形過(guò)的形狀，上述平均能量傳播與相應(yīng)的表面垂直需要不同。作為一種近似方法，亦即忽略不計(jì)表面曲率和相對(duì)表面垂線(xiàn)480的作用，圖25示出接收表面ASLV和匹配的LG導(dǎo)向件發(fā)射表面ES2的相對(duì)比例和形狀。為了計(jì)算表面ES2的優(yōu)選尺寸和形狀，作出了下述角度假設(shè)表面ASLV平行于和垂直于它的光學(xué)基準(zhǔn)軸104，分別具有最大的半錐形接收角為15°和10°，而表面ES2具有軸向?qū)ΨQ(chēng)發(fā)射的半錐形角θ2out＝30°，應(yīng)該注意，對(duì)形成圖24中橢圓形676有同樣的假設(shè)。
因此，對(duì)關(guān)鍵性的照明方案來(lái)說(shuō)，最佳LG發(fā)射表面ES2的優(yōu)選形狀、尺寸和方向主要由給定的LV100用其相關(guān)的接收表面ASLV、相關(guān)的平均輸入角170及其優(yōu)化接收角θLV(Ψ)決定。發(fā)射表面ES2進(jìn)一步由射出輸出口OP2的角度相關(guān)的能量密度函數(shù)決定，及在某種較少程度上由選定的耦合光學(xué)部件650非理想的性能決定，該耦合光學(xué)部件650影響發(fā)射表面的理想曲率。通過(guò)利用上述輔助光學(xué)部件來(lái)改變主能量傳播方向和簡(jiǎn)化相應(yīng)優(yōu)選LG輸出口OP2的造成手續(xù)，可以進(jìn)一步影響輸出口OP2和耦合光學(xué)部件之間的相互作用。因此，為了優(yōu)化制造成本和輸出口OP2到接收表面ASLV輸送效率的性能，耦合光學(xué)部件650和輸出口OP2的設(shè)計(jì)必須一起同時(shí)優(yōu)化。
有幾種方案可能增加LV100接收表面ASLV處照明光束的空間均勻性。其中某些設(shè)計(jì)方案上面已經(jīng)討論過(guò)了，并且涉及LG的結(jié)構(gòu)(使輸入和輸出光纖隨機(jī)化，其中包括在LG末端附近串話(huà)等)。通過(guò)將兩個(gè)或多個(gè)LG串聯(lián)耦合，可以簡(jiǎn)單地減少低空間頻率F的強(qiáng)度變化。為了增加高空間頻率下的強(qiáng)度變化，可以將耦合光學(xué)部件650設(shè)計(jì)成稍微離開(kāi)焦點(diǎn)工作。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)光學(xué)部件和/或?qū)l(fā)射表面ES2弄彎曲，也可以得到低通濾光片作用，用于平面表面的照明。進(jìn)而，可以將一些輔助光學(xué)元件加到輸出口OP2上，以便起低通濾光片元件的作用。這些低通濾光片元件的例子是空心反射管和/或單包層激光棒，該激光棒具有合適選定的截面和用較低的發(fā)散角θ2out選擇的錐形過(guò)渡到較大的發(fā)射面積。另一些可以加到耦合光學(xué)部件650上的光學(xué)元件是moire′濾光片元件，它們相對(duì)于另一部分光束橫向移動(dòng)一部分光束。也可以用相光柵、衍射光學(xué)部件、受控漫射器等來(lái)得到所希望的效果。采用現(xiàn)代化的制造方法，一個(gè)適當(dāng)設(shè)計(jì)的光學(xué)部件650中各個(gè)光學(xué)元件都能一次完成幾個(gè)功能任務(wù)。例如，除了完成正交放大和相關(guān)的變角任務(wù)外，如果需要，這些元件還可以完成低通濾光任務(wù)，和/或受控漫射任務(wù)，和/或擋光任務(wù)等。此外，只要PLE參數(shù)約束條件允許，最好是耦合光學(xué)部件650是單個(gè)透射元件。與圖21所示的反射器460相似，這類(lèi)透鏡可以是簡(jiǎn)單折射透鏡，或是折射、衍射透鏡和/或相位光柵的組合。
圖23示出一種特殊的設(shè)計(jì)技術(shù)方案，它利用本發(fā)明對(duì)色盤(pán)600的高通過(guò)量效率TECW進(jìn)行優(yōu)化，贏得提供很窄的照明光束和類(lèi)似分級(jí)收集的LG。
例如，如圖20和21所示，在PLA-AC和PLE-AD情況下，相應(yīng)的MLE最好是以這種方式相對(duì)于色盤(pán)600定位，以便相應(yīng)第二發(fā)射體EVs′截面的最長(zhǎng)尺寸在徑向上與色盤(pán)軸線(xiàn)112一致。最好是色盤(pán)600稍微在軸向位置LE的前面與發(fā)射體EVs′相交，并且以這種方式將LG448的輸入口IP2加工成一定形狀，以便以合適方式將來(lái)自第二發(fā)射體EVs′的光收集。
再參看圖23，表面結(jié)構(gòu)SC1out和SC2in的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選擇因此能在色盤(pán)600的定時(shí)效率TECW和/或面積效率AE的增加之間選擇。利用本發(fā)明所產(chǎn)生的新設(shè)計(jì)自由度賦予PLE設(shè)計(jì)人員新的靈活性，以便與其效率和制造成本一起，優(yōu)化整個(gè)投射顯示系統(tǒng)的緊湊性和輕便性。
另外，LG176和640能實(shí)際上很方便地將PLE分成兩個(gè)或三個(gè)空間分開(kāi)的元件(見(jiàn)圖22)。這些附屬元件彼此之間相對(duì)地放置和定向的自由度，使得設(shè)計(jì)總體空間上更緊湊和可選擇地也更輕型的PLE成為可能。
圖26示出基于本發(fā)明的大大簡(jiǎn)化的PLE。將MLE-AF作為密封腔690示出，該密封腔690實(shí)際上形成外部罩，并且沿著光源軸線(xiàn)24有兩個(gè)對(duì)置的三維凹槽710，燈桿44和46的密封件710在腔690的外面貫穿該光源軸線(xiàn)24。示出散熱片730在密封件712附近附接到燈桿端部上，以幫助燈桿冷卻，而導(dǎo)線(xiàn)205將電流供給嵌入燈桿44和46內(nèi)部的電極。對(duì)一給定的反射器高度，這種優(yōu)選的MLE-AF能減少上述光源阻擋和輸出口損失，同時(shí)還以與內(nèi)殼42隔熱的方式提供通向燈柱密封件712的方便入口。這樣，內(nèi)部罩可以在接近由于罩42的材料約束而可能達(dá)到最上限操作溫度下工作，而同時(shí)能保持燈桿密封件710低于MLE-B型設(shè)計(jì)通常能達(dá)到的溫度范圍。因此，這種雙罩式系統(tǒng)有助于產(chǎn)生一種長(zhǎng)壽命的燈/反射器系統(tǒng)。理想的是，將腔690的內(nèi)部空間抽真空，并利用吸氣劑來(lái)吸收雜質(zhì)和阻止雜質(zhì)沾污內(nèi)壁。還示出PLE-AF具有一矩形非對(duì)稱(chēng)式錐形積分桿740，該積分桿起ABTS作用，并且提供對(duì)稱(chēng)式角輸出光束或如關(guān)于圖23所述的非對(duì)稱(chēng)角輸出光束。還示出LG740的輸出口有一偏置的輸出表面，用于對(duì)LV100的非垂直輸入方式進(jìn)行‘Scheinplug’校正。示出投影光學(xué)部件，它用離軸方式來(lái)對(duì)固定的輸出角方向進(jìn)行階梯形校正。
在圖27中還示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，圖27示出一個(gè)投射顯示頭510有一可調(diào)式階梯形校正光學(xué)部件，用于反射式LV100。這是圖21所示的原理，亦即PLE-AD的延伸。圖中示出兩種不同的照明光束方向布局，亦即479a和479b。所有標(biāo)有‘a(chǎn)’或‘b’的標(biāo)號(hào)都參閱相應(yīng)發(fā)射方向的說(shuō)明。
利用軟LG448(它是電纜520的一部分)輸出口的輕便和易流動(dòng)性，來(lái)形成具有可調(diào)式階梯形校正的簡(jiǎn)單而輕便的投射器頭510。與圖21所示的離軸投射顯示光學(xué)部件用法相反，此處主要是以同軸方式利用投影透鏡430，亦即投影透鏡430的光軸480與照明光束傳播軸線(xiàn)479本質(zhì)上是平行的。
這種優(yōu)選的同軸實(shí)施顯著減少了投影透鏡430的尺寸和重量，并且顯著減少了為用現(xiàn)有技術(shù)(非以L(fǎng)G為基礎(chǔ))的PLE工藝得到可調(diào)式階梯形校正功能所必須的硬件的尺寸和重量。
階梯形校正的光學(xué)布局要求輸出口OP的旋轉(zhuǎn)，亦即改變角度470；LV100的旋轉(zhuǎn)，亦即角度800的改變和投影透鏡的旋轉(zhuǎn)，亦即角度810的改變，全都具有平行的旋轉(zhuǎn)軸，但有不同的各自放置頂尖?？蛇x擇地，各試驗(yàn)部件也可以彼此相對(duì)地移動(dòng)，以便還提供變焦距可能性。最好是機(jī)械手和杠桿系統(tǒng)保證所有旋轉(zhuǎn)以一種預(yù)定的和聯(lián)動(dòng)的方式進(jìn)行。例如，當(dāng)用戶(hù)手動(dòng)式傾斜投影透鏡430，以得到所希望的圖象高度時(shí)，它的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始變向，并且直接(機(jī)械手)或間接(電動(dòng)機(jī))地轉(zhuǎn)變成LV100和輸出口OP的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在使用型式不同的耦合光學(xué)部件情況下，例如在PLE-AC和PLE-AE中，反射器460或透鏡系統(tǒng)450(圖19中示出)或耦合透鏡系統(tǒng)650(圖23中示出)，所有部件都相應(yīng)地運(yùn)動(dòng)，以保持‘Scheinpflug’光學(xué)狀態(tài)。
任何圖中都未示出的是另一種優(yōu)選的PLE-G，此處采用三個(gè)LG(如同圖15中所示，用于LE-J的LG)的輸出口。以便耦合到掃描棱鏡上，并通過(guò)改制如上所述的相應(yīng)LG端部，來(lái)簡(jiǎn)化相應(yīng)單板卷成的彩色投射器(例如在美國(guó)專(zhuān)利No.5,528,318和其它相關(guān)專(zhuān)利中彩色投射器方面所公開(kāi)的)耦合光學(xué)部件。如上所述，因?yàn)檫@種類(lèi)型PLE使光束域增加6或12倍，但由于本發(fā)明的改進(jìn)，使它對(duì)較小尺寸的LV變得更有效，所以進(jìn)一步增加了光束域。
盡管本發(fā)明已對(duì)各種實(shí)施例作了說(shuō)明，但應(yīng)理解，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，本發(fā)明也可以有各種各樣更多的其它實(shí)施例。
我要求
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)圖象、光源圖象放大的最小光引擎MLE，用于域有效地收集和濃縮電磁能，該MLE包括一光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)具有一中心點(diǎn)S、至少一個(gè)系統(tǒng)軸和一個(gè)發(fā)射電磁能的光源，所述光源具有沿空間延伸的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的發(fā)射中心本質(zhì)上位于所述系統(tǒng)的中心點(diǎn)S，所述發(fā)射區(qū)的最長(zhǎng)尺寸限定了光源軸，所述發(fā)射區(qū)的最大尺寸所在的平面垂直于限定了寬度W的所述光軸，所述光源在至少一個(gè)平面內(nèi)具有空間相關(guān)的發(fā)射強(qiáng)度分布SI(x，y；S)和角度相關(guān)的發(fā)射能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S)，該平面垂直于所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸并且包含所述光源軸，所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸的方向在本質(zhì)上垂直于所述光源軸，其中，所述系統(tǒng)軸和所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S之間的最短距離D大致由下式限定，即D≤2W；一后向反射器系統(tǒng)，所述后向反射器系統(tǒng)具有至少一個(gè)出口并且包括至少一個(gè)主要的凹式后向反射器，該凹式后向反射器在第i系統(tǒng)軸的方向上具有主曲率半徑Ro，i，所述后向反射器系統(tǒng)能夠從所述發(fā)射區(qū)收集一部分所述發(fā)射出的電磁能量，并且在本質(zhì)上把一部分所述的收集到的電磁能量向后反射至接近所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S，到達(dá)的位置相對(duì)于所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸與所述中心點(diǎn)S的偏置距離d≈D，該到達(dá)位置背對(duì)著所述中心點(diǎn)S；一主反射器系統(tǒng)，所述主反射器系統(tǒng)包括所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸并且包括至少一個(gè)凹式反射器，所述主反射器系統(tǒng)首先收集從所述光源直接發(fā)射出絕大部分電磁能量和從所述后向反射器系統(tǒng)反射回來(lái)的間接地從所述光源發(fā)射出的電磁能量，然后，所述光源周?chē)慕^大部分所述電磁能量濃縮至至少一個(gè)第二光源發(fā)射體，該第二光源發(fā)射體具有中心Si′，其中，所述中心Si′的位置接近于所述至少一個(gè)系統(tǒng)光軸；其中，所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S和所述中心Si′之間的距離滿(mǎn)足下式0.3＞|Si′-S|/|Ro，i-S|＜5其中，所述主要和后向反射器系統(tǒng)的曲率和范圍這樣選擇，以產(chǎn)生至少一個(gè)高域效率的面積和角度重整的光束，該光束通過(guò)所述至少一個(gè)出口從所述后向反射器系統(tǒng)射出，所述射出光束具有所述第二光源的角度相關(guān)能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S′)和強(qiáng)度分布SI(x，y；Si′)的組合，該組合以域有效的方式相關(guān)于所述光源的所述角度相關(guān)的發(fā)射能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S)和所述空間相關(guān)的發(fā)射強(qiáng)度分布SI(x，y；S)的組合；其中，所述強(qiáng)度分布SI(x，y；Si′)是所述發(fā)射源的所述強(qiáng)度分布SI(x，y；S)的準(zhǔn)圖象放大。
2.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，沿所述至少一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)軸，所述主要反射器系統(tǒng)在本質(zhì)上在一距離的80％至200％之間延伸，該距離是所述主要反射器系統(tǒng)與所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸的交點(diǎn)至所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S的距離。
3.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述電磁能量源包括下列可選擇的光源的組合，包括白熾燈、氣體放電電弧燈、單罩燈、雙罩燈、無(wú)電極微波供能側(cè)壁穩(wěn)定燈、發(fā)光二極管陣列和半導(dǎo)體激光陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述電磁能量源包括燈，該燈用氣密透明的內(nèi)罩包圍了所述伸展的發(fā)射區(qū)，所述內(nèi)罩具有最大直徑denv，由所述主要反射器系統(tǒng)濃縮的所述能量在本質(zhì)上在所述內(nèi)罩周?chē)鷤鞑?，到達(dá)所述第二光源中心Si′，所述罩的直徑denv滿(mǎn)足下式denv＜max(Ro，i/2)
5.如權(quán)利要求4所述的MLE，進(jìn)一步包括至少一種能量發(fā)射材料，其位于所述發(fā)射區(qū)內(nèi)，從下列組合中選擇，該組合包括鎢、Xe、Kr、Ar、S、Na、K、Hg、金屬鹵化物鹽、含鹵素分子；和氣體裝置，其從所述內(nèi)罩的內(nèi)壁去除沉積的物質(zhì)。
6.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述至少一個(gè)出口包括至少一個(gè)實(shí)體出口窗，通過(guò)所述主要和所述后向反射器系統(tǒng)與所述至少一個(gè)實(shí)體出口窗相組合，形成了氣密和氣體密封的可反射腔，從而限定了所述發(fā)射區(qū)的有效的罩；所述密封的可反射腔被充滿(mǎn)了可賦能的氣體；設(shè)有賦能和定位元件使所述發(fā)射區(qū)鄰近于所述系統(tǒng)的中心點(diǎn)S。
7.如權(quán)利要求6所述的MLE，其中，所述可賦能的氣體包括至少一種氣體物質(zhì)，其位于所述發(fā)射區(qū)內(nèi)，可從下列組合中選取，該組合包括下列氣體Xe、Kr、Ar、Na、S、Hg、金屬鹵化物鹽的蒸氣；和氣體裝置，其從所述出口窗的內(nèi)壁上去除沉積的物質(zhì)。
8.如權(quán)利要求4所述的MLE，其中，所述至少一個(gè)出口包括至少一個(gè)實(shí)體出口窗；由所述主要和所述后向反射器系統(tǒng)和所述至少一個(gè)實(shí)體出口窗構(gòu)造的在本質(zhì)上封閉的可反射腔形成了所述發(fā)射區(qū)的外罩，從而針對(duì)外部環(huán)境提供了一個(gè)熱屏蔽；所述可反射腔提供了所述外罩的更空間地均勻的表面溫度分布。所述可反射腔被設(shè)計(jì)得足夠牢固和封閉，當(dāng)所述內(nèi)罩被破壞時(shí)，可至少容納所述光源的實(shí)體部分。
9.如權(quán)利要求8所述的MLE，其中，所述可反射腔被密封成是氣密的，在本質(zhì)上被抽真空，并且包括吸氣劑，該吸氣劑用于吸收發(fā)射至所述可反射腔內(nèi)的雜質(zhì)。
10.如權(quán)利要求8所述的MLE，其中，所述可反射腔被密封成是氣密的，充滿(mǎn)了不含氧的氣體。在預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)本質(zhì)上是可透射的。
11.如權(quán)利要求1所述的MLE，進(jìn)一步包括輸送能量和把能量發(fā)射定位在所述發(fā)射區(qū)的裝置，從而導(dǎo)致產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的電磁能量源，該能量源具有所述角度相關(guān)的發(fā)射能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S)，所述空間相關(guān)的發(fā)射強(qiáng)度分布SI(x，y；S)相對(duì)于所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸軸向非對(duì)稱(chēng)，以產(chǎn)生域有效地相關(guān)的軸向非對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)的能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S′)和空間相關(guān)的軸向非對(duì)稱(chēng)發(fā)射強(qiáng)度分布SI(x，y；S)。
12.如權(quán)利要求4所述的MLE，其中，所述內(nèi)罩具有光束再定向特性；所述后向反射器系統(tǒng)的從球面形開(kāi)始的非球面形偏差補(bǔ)償一部分所述內(nèi)罩的光畸變，所述主要反射器系統(tǒng)的從基本的軸向?qū)ΨQ(chēng)橢球形開(kāi)始的非軸向?qū)ΨQ(chēng)偏差補(bǔ)償一部分所述內(nèi)罩和所述至少一個(gè)出口的光束再定向特性；所述非球面形的和所述非軸向?qū)ΨQ(chēng)偏差減小了所述空間相關(guān)的發(fā)射強(qiáng)度分布SI(x，y；S)的空間范圍。
13.如權(quán)利要求6所述的MLE，包括兩個(gè)出口和兩個(gè)垂直的系統(tǒng)軸。
14.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述空間延伸的發(fā)射區(qū)在本質(zhì)上是透明的，并且d＜＜W。
15.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述空間延伸的發(fā)射區(qū)在本質(zhì)上是非透明的，并且d≥W/2。
16.如權(quán)利要求1所述的MLE，具有唯一的系統(tǒng)軸；所述主要反射器和所述后向反射器系統(tǒng)延伸至一個(gè)終止平面，該終止平面的方向在本質(zhì)上垂直于所述光軸，該光軸位于從所述光軸開(kāi)始的超越距離DD＞0處；對(duì)于所述后向反射器系統(tǒng)的預(yù)定的最小錐角，在所述終止平面附近，所述超越距離DD使至所述第二光源位置S1′的被輸送的能量的量最大化。
17.如權(quán)利要求1所述的MLE，具有唯一的系統(tǒng)軸，在平行于所述光軸和所述唯一的系統(tǒng)軸的一個(gè)平面內(nèi)，所述主要和所述后向反射器系統(tǒng)都具有至少一個(gè)被變薄的壁部；在垂直于所述光源軸和所述唯一的系統(tǒng)軸的方向上，對(duì)于給定的最大的反射器的高度限制，所述至少一個(gè)被變薄的壁部允許較少的光源遮擋。
18.如權(quán)利要求4所述的MLE，其中，所述主要和所述后向反射器系統(tǒng)都有一個(gè)形狀，對(duì)于給定的最大的MLE寬度，給定的主要反射器超越距離DD最小化，而對(duì)于所述內(nèi)罩的給定直徑denv，角度之和最小化，而在此同時(shí)，穿過(guò)所述后向反射系統(tǒng)的所述被濃縮的光束的輸送最大化，所述角度之和是所述至少一個(gè)出口所對(duì)應(yīng)的角度加上所述光源遮擋的主要后向反射器系統(tǒng)的子部分對(duì)應(yīng)的角度，這兩個(gè)角度都可以從所述系統(tǒng)的中心點(diǎn)S看到。
19.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸指向下方，而所述光源軸呈水平方向，這樣，對(duì)所述內(nèi)罩的頂部的加熱被最小化。
20.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述光源是垂直方向的氣體放電燈。
21.如權(quán)利要求4所述的MLE，具有唯一的系統(tǒng)軸；其中，所述主要反射器系統(tǒng)在X軸方向上具有一最小寬度，該X軸方向垂直于所述唯一的系統(tǒng)軸，所述光源軸平行地對(duì)準(zhǔn)于所述X軸；所述光源的總的幾何范圍被選擇得小于所述的最小寬度，這樣，對(duì)于垂直于所述唯一系統(tǒng)軸的給定的最大反射器尺寸限制，所述MLE可以用最小的光源遮擋和最小的出口損失進(jìn)行設(shè)計(jì)。
22.如權(quán)利要求4所述的MLE，其中，所述主要反射器系統(tǒng)具有一中心部，該中心部鄰近所述至少一個(gè)所述的系統(tǒng)軸，形式為輔助的凹式后向反射器部，把從所述的限定范圍的發(fā)射源收集到的一部分能量反射至回到所述發(fā)射區(qū)。
23.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述后向反射器系統(tǒng)包括一主要的后向反射器，其具有所述主曲率半徑Ro，i和第一出口；和至少一個(gè)輔助的后向反射器，其具有至少一個(gè)第二出口，在所述主要的反射器系統(tǒng)結(jié)束之后所述主要的后向反射器開(kāi)始，所述至少一個(gè)輔助的凹式后向反射器具有較大的主曲率半徑R2，i＞Ro，i，從所述發(fā)射區(qū)直接發(fā)射出來(lái)并且穿過(guò)所述第一出口發(fā)射出的電磁能量被所述至少一個(gè)輔助的后向反射器收集到一部分，一部分所述電磁能量被向后反射回所述發(fā)射區(qū)，由所述主要的反射器系統(tǒng)濃縮的一部分電磁能量通過(guò)所述至少一個(gè)第二出口離開(kāi)MLE。
24.如權(quán)利要求23所述的MLE，其中，所述主要的反射器系統(tǒng)具有一中心部，該中心部鄰近所述至少一個(gè)所述的系統(tǒng)軸，形式的輔助的凹式后向反射器部，把一部分從所述發(fā)射區(qū)收集到的能量反射回所述發(fā)射區(qū)；所述輔助的凹式后向反射器部、所述主要的后向反射器部的至少一個(gè)反射器部、以及所述至少一個(gè)輔助的后向反射器構(gòu)成了不穩(wěn)定的、共軛的、可反射的環(huán)形腔，沿所述環(huán)形腔方向的從所述發(fā)射區(qū)發(fā)射出來(lái)的給定的光線(xiàn)可以散發(fā)，原因是光線(xiàn)的光-物質(zhì)與位于所述發(fā)射區(qū)內(nèi)的被賦能的物質(zhì)直接或間接地進(jìn)行相互作用；所述環(huán)形腔導(dǎo)致了從所述發(fā)射區(qū)向各角度方向的增加的能量發(fā)射，該能量發(fā)射可由所述主要的反射器系統(tǒng)收集，可以本質(zhì)上域有效的方式濃縮至第二發(fā)射體。
25.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述偏置距離d≈0；離開(kāi)所述至少一個(gè)出口的能量的譜在至少一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)得到增加，原因是，在所述后向反射器系統(tǒng)的作用下，所述后向反射的光的光-物質(zhì)與位于所述發(fā)射區(qū)內(nèi)的能量發(fā)射物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，上述的譜增加至超過(guò)沿空間延伸的發(fā)射區(qū)的發(fā)射譜，條件是在相同的電和熱的條件下進(jìn)行操作，但沒(méi)有任何所述后向反射的光曝露。
26.如權(quán)利要求25所述的MLE，其中，所述光源是全體放電弧光燈，其具有一內(nèi)罩，該內(nèi)罩包圍著所述沿空間延伸的發(fā)射區(qū)；所述沿空間延伸的發(fā)射區(qū)的能量發(fā)射物質(zhì)是化學(xué)合成物，在相同的電壓下進(jìn)行操作時(shí)，導(dǎo)致和相同的弧光燈相比有更高百分比的寬光譜帶的譜能量貢獻(xiàn)發(fā)射出來(lái)，作為獨(dú)自站立的燈，能量大小發(fā)射出所述MLE以外。
27.如權(quán)利要求26所述的MLE，其中，所述化學(xué)合成物以這樣的方式選擇，即和所述光-物質(zhì)的相互作用相結(jié)合，可產(chǎn)生更多的可用的譜能量光束，以使紅、綠和藍(lán)色的光譜帶均衡地產(chǎn)生，從而進(jìn)行投射顯示應(yīng)用。
28.如權(quán)利要求4所述的MLE，其中，所述內(nèi)罩的至少一個(gè)壁具有減小的Fresnel表面反射系數(shù)；所述MLE的由域限制的輸出的增加量超過(guò)所述Fresnel表面反射系數(shù)的減小量。
29.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，光源是氣體放電燈，具有燈桿，鄰近燈桿的兩端包括密封，該密封可以冷卻至低于給定的第一溫度，所述內(nèi)罩可以在提高的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行操作，該溫度范圍在本質(zhì)上高于所述第一溫度，以?xún)?yōu)化壽命和MLE的輸出性能，所述主要的和所述后向反射器系統(tǒng)形成了一腔，該腔使所述內(nèi)罩和所述燈桿密封之間產(chǎn)生足夠的熱絕緣，因此，所述燈桿密封的溫度可在所述第一溫度內(nèi)降低，而內(nèi)罩可以在所述提高的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行操作，兩者相互獨(dú)立。
30.如權(quán)利要求4所述的MLE，進(jìn)一步包括所述內(nèi)罩的定位和賦能裝置，以在垂直于所述光源軸的平面內(nèi)具有較小的橫截面積。
31.如權(quán)利要求4所述的MLE，其中，各能量源進(jìn)一步包括電極，所述電極具有一橫截面，該橫截面是軸非對(duì)稱(chēng)的，鄰近于電極的尖部，在垂直于所述光源軸的平面內(nèi)，具有最小的橫截面積。
32.如權(quán)利要求6所述的MLE，其中，所述主要的和所述后向反射器系統(tǒng)由導(dǎo)熱陶瓷材料制成，具有光學(xué)質(zhì)量表面處理和適當(dāng)?shù)目煞瓷渫繉?，所述主要的和后向反射器系統(tǒng)與所述出口窗一起形成了氣密的、高壓穩(wěn)定的、密封的環(huán)境；所述第二光源是由電子裝置賦能的罩更小的高壓弧光電源；所述發(fā)射區(qū)由兩個(gè)相互背對(duì)的電極定位，該電極具有通過(guò)所述陶瓷材料的氣密、導(dǎo)電和導(dǎo)熱的密封。
33.如權(quán)利要求1所述的MLE，其中，所述主要的反射器系統(tǒng)具有一表面形狀，該表面形狀是多面體的，以在鄰近所述第二光源發(fā)射中心S′i的圖象收集平面上，達(dá)到在空間上更均勻的強(qiáng)度分布，并且域損失最小。
34.一種投射光引擎，包括一最小光引擎，其域有效地收集和濃縮電磁能量，所述最小引擎包括一光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)具有一中心點(diǎn)S、至少一個(gè)系統(tǒng)軸和一個(gè)發(fā)射電磁能的光源，所述光源具有沿空間延伸的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的發(fā)射中心本質(zhì)上位于所述系統(tǒng)的中心點(diǎn)S，所述發(fā)射區(qū)的最長(zhǎng)尺寸限定了光源軸，所述發(fā)射區(qū)的最大尺寸所在的平面垂直于限定了寬度W的所述光軸，所述光源在至少一個(gè)平面內(nèi)具有空間相關(guān)的發(fā)射強(qiáng)度分布SI(x，y；S)和角度相關(guān)的發(fā)射能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S)，該平面垂直于所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸并且包含所述光源軸，所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸的方向在本質(zhì)上垂直于所述光源軸，其中，所述系統(tǒng)軸和所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S之間的最短距離D大致由下式限定，即D≤2W；一后向反射器系統(tǒng)，所述后向反射器系統(tǒng)具有至少一個(gè)出口并且包括至少一個(gè)主要的凹式后向反射器，該凹式后向反射器在第i系統(tǒng)軸的方向上具有主曲率半徑Ro，i，所述后向反射器系統(tǒng)能夠從所述發(fā)射區(qū)收集一部分所述發(fā)射出的電磁能量，并且在本質(zhì)上把一部分所述的收集到的電磁能量向后反射至接近所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S到達(dá)的位置相對(duì)于所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸與所述中心點(diǎn)S的偏置距離d≈D，該到達(dá)位置背對(duì)著所述中心點(diǎn)S；一主反射器系統(tǒng)，所述主反射器系統(tǒng)包括所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸并且包括至少一個(gè)凹式反射器，所述主反射器系統(tǒng)首先收集從所述光源直接發(fā)射出絕大部分電磁能量和從所述后向反射器系統(tǒng)反射回來(lái)的間接地從所述光源發(fā)射出的電磁能量，然后，所述光源周?chē)慕^大部分所述電磁能量濃縮至至少一個(gè)第二光源發(fā)射體，該第二光源發(fā)射體具有中心Si′，其中，所述中心Si′的位置接近于所述至少一個(gè)系統(tǒng)光軸；其中，所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S和所述中心Si′之間的距離滿(mǎn)足下式0.3＞|Si′-S|/|Ro，i-S|＜5其中，所述主要和后向反射器系統(tǒng)的曲率和范圍這樣選擇，以產(chǎn)生至少一個(gè)高域效率的面積和角度重整的光束，該光束通過(guò)所述至少一個(gè)出口從所述后向反射器系統(tǒng)射出，所述射出光束具有所述第二光源的角度相關(guān)能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S′)和強(qiáng)度分布SI(x，y；Si′)的組合，該組合以域有效的方式相關(guān)于所述光源的所述角度相關(guān)的發(fā)射能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S)和所述空間相關(guān)的發(fā)射強(qiáng)度分布SI(x，y；S)的組合；其中，所述強(qiáng)度分布SI(x，y；Si′)是所述發(fā)射源的所述強(qiáng)度分布SI(x，y；S)的準(zhǔn)圖象放大。一光閥，所述光閥與所述最小光引擎相耦合，方法是使用于接收電磁源的所述輸出光束的光學(xué)元件與用于所述光閥照明的光學(xué)元件相耦合；和一投射光學(xué)元件，所述投射光學(xué)元件把所述光閥在一個(gè)投射上成像。
35.如權(quán)利要求34所述的投射光引擎，進(jìn)一步包括至少一個(gè)變形光束轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可選擇地介于所述最小光引擎和所述光閥之間。
36.如權(quán)利要求34所述的投射光引擎，其中，至少一個(gè)所述耦合光學(xué)元件包括光導(dǎo)。
37.如權(quán)利要求35所述的投射光引擎，其中，至少一個(gè)所述變形光束轉(zhuǎn)換器包括光導(dǎo)。
38.如權(quán)利要求36所述的投射光引擎，其中，所述光導(dǎo)呈非對(duì)稱(chēng)延伸的矩形。
39.一種光導(dǎo)光引擎，包括一最小光引擎，其域有效地收集和濃縮電磁能量，所述最小引擎包括一光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)具有一中心點(diǎn)S、至少一個(gè)系統(tǒng)軸和一個(gè)發(fā)射電磁能的光源，所述光源具有沿空間延伸的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的發(fā)射中心本質(zhì)上位于所述系統(tǒng)的中心點(diǎn)S，所述發(fā)射區(qū)的最長(zhǎng)尺寸限定了光源軸，所述發(fā)射區(qū)的最大尺寸所在的平面垂直于限定了寬度W的所述光軸，所述光源在至少一個(gè)平面內(nèi)具有空間相關(guān)的發(fā)射強(qiáng)茺分布SI(x，y；S)和角度相關(guān)的發(fā)射能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S)，該平面垂直于所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸并且包含所述光源軸，所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸的方向在本質(zhì)上垂直于所述光源軸，其中，所述系統(tǒng)軸和所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S之間的最短距離D大致由下式限定，即D≤2W；一后向反射器系統(tǒng)，所述后向反射器系統(tǒng)具有至少一個(gè)出口并且包括一個(gè)主要的凹式后向反射器，該凹式后向反射器在第i系統(tǒng)軸的方向上具有主曲率半徑Ro，i，所述后向反射器系統(tǒng)能夠從所述發(fā)射區(qū)收集一部分所述發(fā)射出的電磁能量，并且在本質(zhì)上把一部分所述的收集到的電磁能量向后反射至接近所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S到達(dá)的位置相對(duì)于所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸與所述中心點(diǎn)S的偏置距離d≈D，該到達(dá)位置背對(duì)著所述中心點(diǎn)S；一主反射器系統(tǒng)，所述主反射器系統(tǒng)包括所述至少一個(gè)系統(tǒng)軸并且包括至少一個(gè)凹式反射器，所述主反射器系統(tǒng)首先收集從所述光源直接發(fā)射出絕大部分電磁能量和從所述后向反射器系統(tǒng)反射回來(lái)的間接地從所述光源發(fā)射出的電磁能量，然后，所述光源周?chē)慕^大部分所述電磁能量濃縮至至少一個(gè)第二光源發(fā)射體，該第二光源發(fā)射體具有中心Si′，其中，所述中心Si′的位置接近于所述至少一個(gè)系統(tǒng)光軸；其中，所述系統(tǒng)中心點(diǎn)S和所述中心Si′之間的距離滿(mǎn)足下式0.3＞|Si′-S|/|Ro，i-S|＜5其中，所述主要和后向反射器系統(tǒng)的曲率和范圍這樣選擇，以產(chǎn)生至少一個(gè)高域效率的面積和角度重整的光束，該光束通過(guò)所述至少一個(gè)出口從所述后向反射器系統(tǒng)射出，所述射出光束具有所述第二光源的角度相關(guān)能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S′)和強(qiáng)度分布SI(x，y；Si′)的組合，該組合以域有效的方式相關(guān)于所述光源的所述角度相關(guān)的發(fā)射能量密度函數(shù)AI(，Ψ；S)和所述空間相關(guān)的發(fā)射強(qiáng)度分布SI(x，y；S)的組合；其中，所述強(qiáng)度分布SI(x，y；Si′)是所述發(fā)射源的所述強(qiáng)度分布SI(x，y；S)的準(zhǔn)圖象放大。一光導(dǎo)，所述光導(dǎo)可有選擇地連接至所述最小光引擎上，以從所述最小光引擎接收所述輸出光束，并且通過(guò)所述光導(dǎo)的出口輸送所述光束。
40.如權(quán)利要求39所述的光導(dǎo)光引擎，進(jìn)一步包括一變形光束轉(zhuǎn)換器，其可有選擇地介于所述最小光引擎和所述光導(dǎo)之間。
41.一種電磁能量輸送系統(tǒng)，具有電磁能量的聚焦輸入光束，該輸入光束具有一軸非對(duì)稱(chēng)的最小的橫截面積EA(x，y，F(xiàn))，其鄰近于焦點(diǎn)F處；一軸非對(duì)稱(chēng)角度相關(guān)的能量密度函數(shù)AI(，Ψ；F)，其是相對(duì)于傳播中心軸而言的；一給定的波長(zhǎng)(λ)相關(guān)的輸入功率值Pin(λ)；和按波長(zhǎng)積分的功率值Pin；電磁能量接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)收集可用的電磁能量，只要其通過(guò)給定的收集孔被傳輸，該收集孔具有中心收集點(diǎn)C和被定向于給定的收集立方角；對(duì)于任何已經(jīng)由所述收集系統(tǒng)適當(dāng)收集的譜能量，為了計(jì)算所述收集系統(tǒng)的總的被收集的和可用的能量值PT，需要采用給定的收集譜效率函數(shù)、顏色有效地衡量函數(shù)和空間均勻性衡量函數(shù)；優(yōu)點(diǎn)數(shù)字，其由局部輸送效率PT/Pin進(jìn)行限定，它體現(xiàn)了由所述接收系統(tǒng)可收集和可利用的能量的正規(guī)化的量，所述能量已經(jīng)在某種程度上由所述輸入光束耦合至所述接收系統(tǒng)；和所述接收系統(tǒng)本身具有最大的、沒(méi)有輔助的、局部輸送效率值PT0/Pin，當(dāng)所述中心收集點(diǎn)C和所述聚焦位置F在本質(zhì)上重合時(shí)，可以達(dá)到該輸送效率值，所述能量接收系統(tǒng)在空間和角度上都對(duì)準(zhǔn)于最大可收集和可利用的能量，該能量從所述輸入光束耦合至所述接收系統(tǒng)；其中，進(jìn)行的改進(jìn)包括把局部輸送效率值PT/Pin增加至超過(guò)所述最大的、沒(méi)有輔助的、局部輸送效率值PT0/Pin的方法，該方法包括下列步驟提供變形光束轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(ABTS)，其具有鄰近所述焦點(diǎn)F的輸入口和鄰近所述中心收集點(diǎn)C的輸出口；提供光學(xué)裝置，以把至少一部分從所述輸入口收集到的能量輸送至所述輸出口，所述從輸出口發(fā)射出的能量至少在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有不可忽視的譜功率值，其中，所述收集譜效率函數(shù)具有不可忽視的值；對(duì)所述輸出口提供一出孔，該出孔在本質(zhì)上與所述收集孔進(jìn)行具有相同的形狀和尺寸，所述出孔發(fā)射出一輸出光束，該輸出光束具有角度相關(guān)的輸出能量密度函數(shù)；對(duì)所述輸入口提供一入孔，該入孔不能相對(duì)于所述出孔線(xiàn)性的軸向?qū)ΨQ(chēng)地放大，并且在空間和角度上對(duì)所述輸入口和所述輸出口進(jìn)行定向，以在所述輸入光束和所述接收系統(tǒng)之間使總的輸送效率在本質(zhì)上最大化；和選擇所述入孔的尺寸、形狀和面積，依據(jù)是所述輸入光束的非對(duì)稱(chēng)的空間和角度相關(guān)的特性，該特性鄰近于所述焦點(diǎn)F處，并且在所述入孔的內(nèi)側(cè)，角度相關(guān)能量函數(shù)中的角度相關(guān)的變化、以及在所述輸入光束和所述輸出光束之間譜和空間強(qiáng)度的變化。所述收集孔的尺寸和形狀，和所述收集立方角和所述發(fā)出立方角的尺寸、形狀和方向；和選擇空間方向和相對(duì)于所述輸入光束的空間方向的焦點(diǎn)中心F的所述接收系統(tǒng)的空間分離，以在本質(zhì)上使總體輸送效率最大化。
42.如權(quán)利要求41所述的電磁能量輸送系統(tǒng)，其中，所進(jìn)行的改進(jìn)還包括下列步驟提供至少一個(gè)光導(dǎo)(LG)，以作為部分所述ABTS。
43.如權(quán)利要求42所述的電磁能量輸送系統(tǒng)，其中，所進(jìn)行的改進(jìn)還包括下列步驟對(duì)所述LG提供數(shù)條光纖，該光纖的直徑在本質(zhì)上小于所述收集孔的特征尺寸，具有纖維芯和一薄層低折射率涂料；所述輸入口和所述輸出口具有相同的有效橫截面積；使所述LG的輸出口的形狀與所述收集孔相匹配；使總的可得到的橫截面積再成形，再成形位置在所述光導(dǎo)的所述入口處，至少在兩個(gè)尺寸上再成形，以最有效地從至少一個(gè)空間隔離的收集表面區(qū)域收集能量，收集范圍在形成了所述輸入口的所述輸入表面積的所有的所述至少一個(gè)收集面積中是所述最小的收集橫截面積，從而形成了變形光束橫截面積再成形LG；把所述各光纖的所述涂料選擇成最小厚度，從而保證對(duì)有關(guān)的發(fā)散角范圍和波長(zhǎng)范圍有足夠高的輸送效率；從所述纖維芯去除涂料，去除第一預(yù)定長(zhǎng)度，并且從所述被去除的芯部至沒(méi)有改變的有涂料的纖維連續(xù)地使所述涂料的厚度在第二預(yù)定長(zhǎng)度上呈錐形；和對(duì)所述被去除的和部分去除的纖維端部進(jìn)行加熱，使該端部熔接在一起，以形成牢固的固體塊，該固體塊具有所述相關(guān)的預(yù)定的橫截面形狀，從而對(duì)所述各處理過(guò)的纖維束的端部來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)幾乎損失更少的填充密度；用超涂料物質(zhì)包住端部，該端部和所述芯部相比具有足夠低的折射率，以產(chǎn)生有效的光導(dǎo)口端，該端部在鄰近所述至少一個(gè)輸入口和輸出口處，在鄰近所述固體至半柔性狀的過(guò)渡區(qū)域處，還有應(yīng)變釋放功能，這樣，所產(chǎn)生的變形光束再成形纖維束LG也可被操作，也具有高的環(huán)境穩(wěn)定性和耐潮濕降級(jí)和化學(xué)附著；和使三維的輸入和輸出表面的形狀匹配于所述收集孔和所述輸入光束的所述非對(duì)稱(chēng)最小光束腰的三維形狀。
44.一種最小域表面(MES)的估計(jì)方法，用于從給定的電磁能量光束收集給定的收集功率值，該光束具有在鄰近各焦點(diǎn)區(qū)域的最小光束腰和由Z軸限定的平均傳播軸，該方法包括下列步驟提供三維像素圖，其基于所述最小光束腰的數(shù)個(gè)空間區(qū)域的像素；和提供一種確定和標(biāo)記方法，以確定關(guān)于被選擇像素的不允許區(qū)，和把位于所述不允許區(qū)內(nèi)的所有像素標(biāo)記為不允許；計(jì)算各像素的收集功率值，方法是確定落在各像素的輸入表面上的能量的數(shù)量；和對(duì)每個(gè)所述像素確定平均輸入角、收集面積和收集域；和用每個(gè)所述像素的所述收集域值、所述平均輸入角值、所述收集面積的描述和所述收集功率值形成數(shù)據(jù)集合，所有的可得到的數(shù)據(jù)集合的總和形成第一數(shù)據(jù)集合；和在所述可得到的數(shù)據(jù)集合中發(fā)現(xiàn)收集最高能量的像素，并且標(biāo)記為一個(gè)允許像素，并且把它的相關(guān)數(shù)據(jù)集合貯存在第二數(shù)據(jù)集合中；和采用所述方法，把第一數(shù)據(jù)集合中的所有相關(guān)像素標(biāo)記為不允許，這些像素位于與所述被允許像素相關(guān)的不允許的區(qū)域內(nèi)；和形成新的第一數(shù)據(jù)集合，方法是從所述第一數(shù)據(jù)集合中刪除所有的被標(biāo)記為不允許的像素和所述允許的像素；和對(duì)于所有的像素準(zhǔn)確重復(fù)上述步驟，方法是把每個(gè)最高像素命名為第i允許像素，以有順序的方式把它的相關(guān)的數(shù)據(jù)集合貯存在所述第二數(shù)據(jù)集合中，直至在所述第一數(shù)據(jù)集中中沒(méi)有數(shù)據(jù)殘留；和采用包含在所述第二數(shù)據(jù)集合中的每個(gè)所述允許的像素構(gòu)造一表面元素，該元素的取向平行于所述像素的所述平均輸入角，該像素的在所述像素的所述收集面上的投影與所述像素的收集面積相同；和從所述第二數(shù)據(jù)集合中選擇允許像素的子群，從所述第一被選擇的允許像素開(kāi)始，直至所有的所述被選擇的像素的所述收集功率值的總和在本質(zhì)上接近于所述給定的收集功率值，所有的所述被選擇的允許像素的所述表面元素形成了相關(guān)的MES，該MES使允許像素的所述被選擇的子群的所有收集域值相加。
45.一種給定光源S的最大譜相關(guān)收集功率值的估計(jì)方法，該光源S具有與最大長(zhǎng)度Ls相關(guān)的給定的最大收集域值和被選定的角度相關(guān)的處理選擇，該方法包括下列步驟提供所述光源S的計(jì)算機(jī)模型，該模型包括適當(dāng)?shù)乃龉庠碨的發(fā)射區(qū)的準(zhǔn)確模型、在相關(guān)譜能量光譜帶中與后向反射光的相互作用、賦能方法和支持方法的相關(guān)力學(xué)特性和如果存在光源罩的話(huà)該光源罩的光學(xué)特性；提供一最小光引擎，其具有唯一的光軸，包括一凹式主要的反射器，在頂點(diǎn)位置和系統(tǒng)中心S之間具有距離F1，從頂點(diǎn)至含有光軸的平面延伸，該從頂點(diǎn)至含有所述光軸的平面延伸的凹式后向反射器具有主半徑R并且具有最小尺寸的出口；幾乎完全包圍所述光源S，采用的是所述凹式主要的或所述凹式后向反射器；選擇所述的主要的凹式反射器，使其從所述光軸具有最小的超越距離D≈0；選擇所述后向反射器，使其具有主半徑R≈|S′-S|并且F1＞＞Ls，把收集平面定位在第二光源的中心位置S′處，其大約覆蓋了所述出口的范圍；在所述收集平面內(nèi)，一個(gè)像素一個(gè)像素地計(jì)算各像素面積和相關(guān)的被收集功率值；對(duì)每個(gè)所述像素計(jì)算相關(guān)的收集域值，采用的是所述被選擇的角度相關(guān)的處理選擇；通過(guò)收集功率值對(duì)各像素進(jìn)行分類(lèi)；從大至小對(duì)每個(gè)像素的功率值進(jìn)行求和；對(duì)各收集像素的收集域值同時(shí)相加，直至出現(xiàn)了所述最大收集域值。
全文摘要
一種域有效的角度轉(zhuǎn)換系統(tǒng),以準(zhǔn)圖像方式操作。該系統(tǒng)可產(chǎn)生角度和空間軸向非對(duì)稱(chēng)的輸出光束(R,G,B),也可以包含可選擇的顏色重整能力(230)。在變形光束轉(zhuǎn)換器的幫助下,該非對(duì)稱(chēng)光束可進(jìn)一步重整,以在空間和角度上與目標(biāo)的特定照明需要相匹配。該系統(tǒng)可進(jìn)一步用于設(shè)計(jì)纖維光學(xué)照明系統(tǒng)和投射顯示系統(tǒng),并且可以進(jìn)一步與輸送效率最大化的思想相結(jié)合。另外,光引擎的輸送效率的改進(jìn)可以通過(guò)采用被優(yōu)化的燈、反射器、積分器、變形光束轉(zhuǎn)換器、耦合光學(xué)等被實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)F21V8/00GK1275189SQ99801319
公開(kāi)日2000年11月29日 申請(qǐng)日期1999年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月8日
發(fā)明者卡爾海因茨·斯特羅貝爾 申請(qǐng)人:卡爾海因茨·斯特羅貝爾