[发明专利]照明系统

说明书

本发明涉及沿主轴发射光束的起光源作用的低通过量照明系统，所述系统包括：一个光源，一个围绕光源安置的、用于从不同方向接收光源的辐射并形成若干光束的聚光系统，安置在每束光束的光径中，用于使相应光束朝主轴方向反射的第一反射镜。本发明还涉及包含这种照明系统的投影电视系统。

美国专利第4，206，494号描述了用于在集成电路制作中，把电路图形或集成电路掩模投影在半导体材料的晶片上的设备中使用的照明系统。因为该设备是一种生产设备，所以，对半导体晶片的曝光时间必须越短越好，以便使这种晶片经过该设备的时间减少到最低限度。因此，投射光束必须具有很高的强度。然而，增强光源的光强度，例如，

高压水银灯，只提供有限的效益。事实上，供给较高的辐射能的灯也具有较大的辐射表面（表现为灯的电弧或灯丝具有较大辐射表面），以致照明系统的出口孔径也较大。如果减小该孔径，则一部分辐射能量将会随之失去。所以，需要最大限度地接收来自光源的辐射能量，并使之集聚于狭窄的光束之中。

这在应用通常所说的液晶显示板，借助投影透镜系统将形成的图象投影在显示屏上的投影电视设备的照明系统中也是需要的。当用于透射时，这些显示板具有很低的效率：例如，只有照射到板上的辐射光的10%传给投影透镜系统。此外，该透镜系统映射显示板时同时放大一定倍数，所以照明光束必须具有很大的强度，才能保证在显示屏上每表面单位有足够的光强度。由于投影电视设备是一种消耗装置，而不是象集成电路掩模投影设备这一类专用设备，所以，该投影电视设备应当越简单、便宜越好，其光源应当采用可能的最简单的冷却方法，所以，该源的辐射能量应保持在额定的状态，并且，应当尽可能有效地使用该能量。

为满足使光源的可能达到的最大辐射能量集聚到狭窄的光束中的需要，最好用环形的截面，美国专利第4，206，494号建议围绕细长的光源设置至少三个、最好四个聚光透镜，该光源的纵面与所述系统的主轴相重合。由这些聚光器形成的光束由反射镜反射到围绕主轴设置的许多光纤束的入射面上。所述光纤束端接在一捆公共的出射光纤束内，后者的出射面起二次光源的作用。但是，该复合的光纤系统是难以制造的，并且，对于一种消耗装置来说也太贵。

本发明的目的在于提供一种较为简单、便宜的照明系统，该系统还具有这样一种低通过量，以致于在必须应用该照明系统的设备中的光学元件也是简单而便宜的。

为此，按照本发明的照明系统的特征在于：用于使光束轴线向主轴折射的第二反射镜安置在每束光束的辐射光径中，各光束彼此相交的位置处，因此，各光束在所述系统的、位于第二反射镜附近的出射面中具有其最细的缩颈，这些光束相互分开、并基本上对称于主轴。

在该设备中，例如，将细长的灯的辐射光集聚成N（相当于聚光器的数目）个放大了的灯的影象，全部放大的影象位于围绕主轴的环形区域之内，该环形区域的半径小于所述光源图象圆周半径的n倍。因此，光源能量的大部分都集中在照明系统的小的出射孔径之中。此外，藉以形成二次光源的光束的角孔径也是比较小的。这意味着该照明系统具有低的通过量。专用术语“通过量”（“througput”）[即“发光度”（“luminosity”）]或“接收”（“acceptance”）表征光学系统输送辐射能量的能力。该能力由所述光学系统中相同位置的孔径或“光阑”（“stop”）和光瞳的组合来确定，并且，可以用所述孔径的面积和该孔径中心的光瞳所对的立体角的乘积予以表示。在入射处具有规定的通过量的光学系统中，进一步沿系统下行的通过量只能通过阻塞辐射来减少。

按照本发明的照明系统具有这样的优点：在必须应用该照明系统的设备中，其低的通过量可避免采用具有大数值孔径或大截面的昂贵的光学元件，这对于消耗装置来说是特别重要的。

按照本发明的设备的更可取的特征在于：把一面透镜安置于照射系统的出射口，用于各光束的轴会聚在必须进行照射的表面的一点上，同时，用于把聚光器的光瞳重叠成象在所述表面上。因此，来自分离的二次光源的辐射光以最佳方式被传送到待照射的表面上。

所述照明系统的通过量取决于辐射表面的尺寸（例如，灯的光弧）和聚光器接受光束的角孔径。所述辐射表面必须尽可能地小。如果必须用最少量的聚光器来覆盖光源发射的辐射光束的立体角的大部分，则每个聚光器必须具有较大的数值孔径。举例来说，在用两个聚光镜的情况下，该数值孔径约为0.7。鉴于此，按照本发明的照明系统，其更可取的特征在于：每个聚光器包含一个单透镜元件，至少该元件的一个折射表面是非球面的。