[发明专利]高架投影器的聚光镜

说明书

本发明的背景技术

1.发明领域

概括地说本发明涉及光学投影系统，具体地说本发明涉及结构成平衡总体亮度及均匀度的高架投影器的聚光透镜。

2.先有技术的描述

高架投影器(OHP)在本技术领域中是公知的，通常包括具有光源的底座，台区以及位于台上方的投影头。底座内的聚光透镜使光线射向台，位于台处的菲涅耳透镜把光线聚集起来使之射向投影头上的投影透镜，这就把放置在台上的任何透明图象进行投影。投影图象的两个重要特性就是总体亮度及照明度的均匀性。

随着配合OHP使用彩色透明软片及液晶显示(LCD)板较为流行，亮度已经变得更加重要。获得高亮度的三个重要因素是灯的结构、光的聚集以及利用已经聚集的光。

为了增加亮度，可以若干种方式改变灯的结构。一种改变是将电能转换为光的装置的变化。根据这种分类方案两种最常用的投影灯是白炽灯和电弧放电灯。电弧灯把电能转换为光比白炽灯更有效，但其成本及相应的电源的成本使其局限用于最昂贵的投影器。大多数投影器中采用白炽灯。尤其是采用卤钨白炽灯，因为在其工作寿命期间光输出较稳定。如果只限于卤钨技术，增加亮度而不牺牲灯工作寿命的唯一方法是采用较高功率的灯。

白炽灯的效率低是由于大部分电能转变为红外辐射。红外辐射为包括玻璃在内的许多材料所吸引，使它们发热。普通的投影灯所产生的热的总量不足以使玻璃聚光镜软化，但却使聚光镜按所收到的热能总量的比例而膨胀。这意味着最靠近灯丝吸收大部分辐射的聚光镜中心部分膨胀得比外面部分多。这种不均匀的膨胀可能引起聚光镜爆裂。对于较低功率的白炽投影灯来说，把钠钙玻璃聚光镜回火就足以防止它爆裂。较高功率的灯需要一种较耐热应力的玻璃，例如硅酸硼玻璃。PYREX牌玻璃就是这种常用的玻璃。

增加亮度的另一种技术是审慎地选择聚光镜，这种聚光镜聚集尽可能多的来自光源的光，使之通过台射去。聚光镜所聚集的光的总量是由其聚集角所控制的。这个角定义为聚光镜的旋转轴和从光源中心至聚光镜边缘的直线之间的角。这个角受到从灯丝至聚光镜的最接近边的距离以及聚光镜直径的影响。当灯机械上可行的话，聚光镜通常尽可能靠近灯放置，因此只有直径是可变的。增大直径使聚集角增大，但它也使聚光镜所需的厚度增加。增加厚度会使其成本及对热应力的敏感度增加。

上述对亮度起作用的第三个因素是利用所聚集的光。如果所有聚集的光都能予以瞄准，使得光能穿过台，利用率就最佳。然而由于若干项因素，利用率增加常常导致越过台的光的分布变差，因而导致投影屏幕的不均匀照明度。在具有这种关系的最简单实例中，系统可以构制成几乎所有的光呈圆形光束穿过台，但是由于台呈方形，四角就暗淡或变黑。光束可以向着较方的形状扩展或变平，但是在四角照明度仍然会有些衰退，而且随着照明度均匀性的改善，越来越多的光落在台周边的外部，因而减低了总体亮度。在美国专利No.1,946,088,2,637,242，5,010,465及5,092,672中讨论了这种折衷选择。

通过提供具有若干透镜元件的光学系统可以达到光分布的某种均匀度。然而，透镜的多重性是与将零件数量减至最少以简化工艺及减低成本的迫切需要相违背的，而且多重透镜由于表面反射还会减低亮度。另一种方法是改变OHP光学系统中除了聚光装置以外的一个以上参数。例如，普通先有技术用以使亮度/均匀性的平衡达到最佳的方法一直来是调节从灯丝至位于台处的菲涅耳透镜的距离，同时注视着投影屏幕(在整个过程中采用同一聚光镜)。另一种反复试验法是利用选择这些透镜而代替不同的聚光透镜。在这些方法中最明显的缺陷是在确定亮度和均匀度的最佳平衡时含有虚拟判断。这些也是特设方法，这些方法可能受到一些不必要的设计制约，例如具体的透镜结构只能有限度选择透镜。因此，最理想和有利的是设计一种确定聚光透镜结构提供改善的亮度/均匀度平衡的方法，这种结构限于单一透镜元件，以及以OHP光学系统的其它已知参数为基础。

发明概述

本发明包括用于高架投影器的非球面聚光透镜，构制成提供总的光通量与投影屏幕上的照明度均匀性之间的良好平衡。这种结构对于一定程度的均匀性获得接近最大的总体亮度，或者反过来说，在一定的理想发光度下获得了最佳的均匀度。本发明涉及一族用于任何台尽寸处在一定范围内的OHP的那些聚光透镜。本发明定出了这族透镜中非球面透镜的圆锥常数和曲率半径之间的数学关系，对于所述的具体OHP系统，这两个变量必须满足公式：

(0.072×R)－2.7＜K＜(0.072×R)－2.3