不同种类的照明系统：选型要点

收集小光源光的最有效方法是将光源放在抛物面或椭球反射镜的焦点上。这些反射镜将光源发出的光会聚到大立体角内,或者使光准直(使用抛物面反射镜),或者将光聚焦到椭球反射镜的第二个焦点上。还有多种其他的方法可以减小光源像的不均匀性。在闪光灯、路灯或汽车灯的准直反射镜中,匀化的方法之一就是采用楔形反射镜。这种反射镜具有基本的抛物面外形,但它被分成许多楔形小段。另一种方法是,将来自反射镜的平行光与位于反射镜前部的一个塑料平滑元件相结合。这个平滑元件由棱镜的模压阵列组成或由具有棱镜和正弦复合轮廓结构的模压阵列组成。

胶片投影仪照明系统的目标是将光源光照明胶片的矩形区域,并且照明系统的数值孔径和投影镜头的数值孔径相匹配。用非均匀的非矩形光源获得矩形均匀照明区域的方法有两种。

第一种方法是,先用抛物面反射镜聚集来自光源的光,然后使光再聚焦到矩形光管的输入表面上,工作原理如图10-9所示。选择合适的放大率,使光管输出端的面角积等于中继光学系统的面角积,这个中继系统将矩形光管的输出面中继到胶片平面上。光管必须有足够的长度以获得空间上均匀的输出。根据经验,如果沿光管有至少三次的反射,则输出的光斑将是均匀的。锥形光管的放大率越大,获得均匀输出所需的最小光管长度就越小。

图10-9　使用锥形光管的照明系统(www.xing528.com)

第二种方法常用于台式投影机的照明系统中。这种投影机使用透射的像面板和F#3(或更大)的投影镜头。它使用透镜阵列和偏振恢复板,工作原理如图10-10所示。来自光源的光由抛物面反射镜准直,然后经透镜阵列匀光。每一个小透镜将光束聚焦在第二个小透镜阵列的小透镜内,产生光源像。照明像面板的光必须是线偏振光。在第二个阵列之后有一个偏振分束器阵列,它把光分成两束正交的线偏振光。其中一束经过其偏振面旋转,两束光以相同的偏振态从偏振还原阵列中射出。第二个小透镜阵列和聚焦镜头一起将第一个阵列的矩形小透镜成像到像面板上。聚焦镜头将第一个阵列小透镜的像在像面板平面内叠加。来自抛物面的圆形通量分布被透镜阵列的矩形孔径元件采样,然后被叠加在像面板处。这样使非均匀的抛物面的输出均匀化,并改变其几何形状以匹配像面板的几何形状。

图10-10　使用透镜阵列的照明系统

使用光管的照明系统光通量高且体积小。但是,光管的安装是一个难题,因为光管的所有表面都是光学面,与光管各面的任何接触都会破坏全反射,导致光的损失。尽管使用小透镜阵列的系统需要更大的空间,但采用偏振还原方法可以使光通量增加30%～40%。