专利名称：用于产生偏振光束的高效灯设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及高效的大功率灯设备，该装置在用于蒸发填料的外加电极激发的压力下使含有填料的灯泡产生偏振光束。特别是，本发明涉及一种用反射器把光能返回到灯以增加系统效率的大功率无电极灯，该返回光是供设置灯的系统使用的非正常偏振光和/或色谱的非正常部分。在一个实施例中，本发明涉及使用本发明改进的大功率灯的投射系统。
大功率灯用于照明，其用途超出了普通的白炽灯和荧光灯的使用范围。一种称作高亮度放电(HID)灯的灯由内含电极的玻璃泡和灯点亮时蒸发和变成等离子气体的填料组成。
最近，一件专利提出了一种利用内含硫或硒或其组合物的灯填料的大功率灯。授予Dolan等人的名为“含硫灯”的5,404,076号的美国专利公开了一种利用处在至少一个大气压力下的填料的无电极灯。该填料以超出每平方厘米50瓦特的功率密度被激发。利用处在至少一个大气压力下的填料的弧光灯以每平方厘米至少60瓦特的功率密度被激发。Dolan等人的5,404,076号专利在这里作为参考文引出。
投射系统用于在大的表面上，如电影银幕或电视屏幕上显示图象。例如，在前投射系统中，图象光束从图象源投射到反射型角度转换屏幕的前方，向位于屏幕前的观众反射光线。在后投射系统中，图象光束投向传送型角度转换屏幕并射向位于屏幕前的观众。
在1995年12月提出的顺序号为08/581,108的美国在前共同未决专利申请中，公开了一种通过沿光路投射图象并在垂直于光路的光学装置上显示光学图象的方法，在一个时间从光学装置反射图象而在另一个时间使图象通过要被显示的光学装置。该美国专利申请作为参考文献被引出。
投射系统的图象源使用的光必须是高亮度的并且最好是高效的。然而在从灯到屏幕的每个传播步骤中存在一定的光线损失，因而效率低。所以吸收某些损失的光线以提高系统的效率是非常需要的。
本发明提供了一种采用光的再吸收以提高效率的高效灯设备。本发明还提供了一种具有投射源或引擎的投射系统，该投射源或引擎使用可再吸收光能以提高效率的灯。使某些光能返回到光源以提高系统效率。
最好是，使用灯的光学装置可仅利用用于投射系统的所需偏振光和/或所需颜色，所以返回光是不需要的偏振光和/或色谱不需要的部分。由于“光泵激”(cpticalpuncping)效应，从而提高了灯效率。
由于有了本发明改进的高效灯，因而可以为各种投射系统提供用于偏振和光谱反射器的反射器布局的一些变化。
因此，本发明的方法用于增强无电极灯发射的偏振光束，该方法包含用在产生光束的灯内生成光源的射频能(或其它合适的频率)为无电极灯提供能量。
反射器临近灯设置。某些光源发射的无用光被返回灯中，以便灯再吸收光能。该返回光也可以包含紫外线和红外线辐射以及可见光辐射。该返回光通过“光泵激”效应提高光源的效率。某些返回光是无用偏振光，所以只有可用偏振光通过组件。
无电极灯可以包含一种高或低压力填料的灯泡。灯泡填料由灯泡外设的电极产生的射频能激发成等离子体状态。在优选实施例中，该填料是硫、硒、或非水银金属卤化物。
本发明的设备提供了一个高效灯设备，用于产生偏振光和/或所需颜色(或一些颜色)的光束。该设备包含一个确定了一个容器的无电极灯本体或灯泡。填料被容纳在该容器内。电极被设置在灯容器外面，以产生激发填料的射频能，从而形成了高热的等离子体光源。然而，该电极不受等离子体生成的高热的影响。另一方面，内电极可同某些类型的非水银金属卤化物填料一起使用。
反射器临近灯本体设置，以便以所需的方向引导来自灯的光，和把某些光源发射的光返回灯中。灯再吸收该返回光的能量，以增强光源。
反射器最好包含一个环绕灯泡的罩和一个为接收光束而设置的偏振和/或干涉滤光镜(例如，二色性干涉膜反射器)。偏振反射器通过一个偏振的光同时反射其它的光。干涉滤光镜通过色谱的所需部分的光。
灯泡最好是耐高温外壳，如具有中空内部的石英外壳，该中空内部容纳可受激形成等离子体的硫、硒、非水银金属卤化物，或类似填料。
为了进一步理解本发明的特性和目的，下而结合附图详细说明本发明，附图中的相同部分给定相同的参考标号。
图1是本发明的设备的优选实施例的剖面图；图1A是图1的优选实施例的局部放大图；图2是本发明的设备的第二优选实施例的纵剖面图；图3是本发明的设备的第三优选实施例的纵剖面图；图4是本发明的设备的第四优选实施例的纵剖面图；图5是本发明的设备的第五优选实施例的纵剖面图；图6是本发明的设备的第六优选实施例的剖面图；图7是本发明的设备的第七优选实施例的剖面图；图8是本发明的设备的第八优选实施例的剖面图；和图9和图10是本发明的设备的优选实施例的侧视图；说明了后投射视频系统。
作为参考文献，这里引出由申请人康柏计算机公司，发明人Richard M.Knox和John R.Masters提出的，于1997年7月公开的名为“投影图象”的第EPO 783133A1号的欧洲专利申请。
图1示出了由标号10A表示的本发明的设备的优选实施例。高效灯设备10A含有灯泡11，灯泡11具有含有像硫或硒那样的填料的空腔12。该填料可以受激形成等离子状态以产生高亮度光源。在这种方式中，提供激发填料的无线或其它适当频率(适于激发填料的150MHZ至100GHZ，或其它的频率)能的电极E(见图1A)不受灯泡内部等离子的高热影响。最好是，灯泡11以上述参考文献的Dolan的学说和原理为基础。另一方面，灯泡11可以是再吸收和再发射光的另一种类型的灯泡，如非水银的含金属卤化物型的灯泡(具有或没有电极)，或可再吸收和再发射光的其它灯泡。该填料可以处在高或低压力状态下。
环形反射器罩14可以是已知的抛物形、复合抛物形、多椭圆形、或圆锥形形状。反射器罩14如图1所示的那样定位并与灯泡11隔离。反射器罩14是由壁15和开口部分16确定的中空体。壁15具有反射表面17。
第一横向定位滤光板18垂直于以箭头20的方向从灯泡11至开口端部分16传播的光束19的路径而放置。第二滤光板21垂直于来自灯泡11的光束路径19并相对滤光板18放置。如图1所示。
第一滤光板18最好是于涉滤光镜(例如，二色性干涉膜滤光镜或分色镜)，它反射某些颜色的光同时允许其它的光通过。滤光板18最好通过所需的颜色(例如，RGB或CMK)，把不需要的颜色反射回灯泡11和反射面17。通过把除所需颜色外的光反射回灯泡11，可使本发明的设备10变得更加有效，这是因为它把返回的光转换成有用波长。该返回光靠微红光偏移再发射，而这可以通过适当的滤色镜的选择、灰度校正或其它已知技术补偿。因此，滤光板18返回和“再利用”未用的光波长。在图1中，灯10A具有安装在反射器罩14内的滤光板18和安装在开口处的滤光板21。滤光板18和滤光板21在壁15的边缘扩展。
滤光板21是反射偏振镜，仅允许如箭头20所示的某些偏振光的光通过。反射偏振镜21把不需要的偏振光反射回灯泡11。因此在灯10A中，20所示的发射光被滤色成色谱的一(些)所需部分和所需偏振光。
滤光板21应该朝着灯泡11的方向放置并临近滤光板18，但在下面的结合图4的讨论中也许需要一个附加滤光板以“清洁”从10A的设备发射的光。这是因为，如果使通过滤光板21的偏振光透过并由壁15反射，则某些光将被位移到不正确的偏振光。因此，虽然在某些条件下使用了附加滤色镜，但最好把滤光板21放置在灯10A内部的光将不再内反射的位置。
图2示出了由10B代表的第二实施例。光设备10B具有带内部空间12的灯泡11，内部空间12内含像硫或硒或类似物的填料。反射器罩22具有开口端23和可以是上述任何形状的内表面24。表面24以箭头25的方向朝开口23反射由灯泡11发射的光。在图2的实施例中，一对滤光板26、27或者设置在反射罩22的开口23外面，或者覆盖开口23。在图2中，滤光板26是干涉滤光镜(例如，二色性干涉膜滤光镜或分色镜)，它仅通过色谱的所需部分的所需光(例如，红，绿，蓝)。滤光板27是仅通过一种所需偏振光的反射偏振镜。滤光板26最好被确定在能接收第一光束25的位置上，这是因为干涉滤光镜可影响偏振光。通过定位滤光板26以接收第一光束，因而不需要后面的通过为偏振光再滤光来“清洁”光路。因此，第二滤光板27最好是仅通过一种偏振光的偏振反射器。
图3示出了10C代表的本发明的光设备的第三实施例。如同图1和图2的实施例那样，在图3中灯泡11具有容纳像硒或硫或类似物那样的可被激发的填料的内部空间12。中空的反射器罩28具有开口端29和可以是抛物面形状的内部反射壁表面30。
三个光学元件31，32，33在如图3所示的罩28的外部定位，或者离开或者覆盖开口端29部分。元件31是仅通过一种偏振光的反射偏振镜。元件32是干涉滤色镜(例如，二色性干涉膜滤光镜或分色镜)，它反射色谱的某些波长的光同时允许其它波长的光穿过。
与图1和图2的实施例一样，穿过元件32的色谱的优选波长的光是红、绿、蓝光。元件33是清理型吸收滤光镜，它校正偏振光以使由箭头34表示的发射光是单一偏振光。使用元件34的原因是元件32将影响通过元件31的光的偏振。
由10F表示的本发明的设备的第四实施例如图4所示。光设备10F具有带内部空间12的灯泡11，内部空间12容纳像硫或硒那样的可受激形成等离子气体的填料。反射器罩100具有一个开口端102，一个在反射式反射器罩104内形成的内反射器表面106。一对元件108和110可以是像图2的26和27那样的上述滤光板元件。元件108是仅通过某些颜色光的的干涉滤光镜(例如，二色性干涉膜滤光镜或分色镜)。箭头表示由设备10F发射的为所需颜色(如，红，绿，蓝)的光和对单一偏振光偏振的光。
然而，除了元件108和110外，设备10F还包括类似图3的元件33那样的附加偏振滤光镜114。当光从灯11经干涉滤光镜108穿过反射偏振镜110时，将成为单一偏振光。当它从反射表面反射时，某些光的偏振将变化。因此，设置“清理”型偏振滤光镜114可以确保所有的光是单一偏振光。在某些情况下这种结构也许是理想的。
图5示出了10G代表的本发明的设备的第五实施例。光设备10G具有带内部空间12的灯泡11，内部空间12容纳像硫或硒那样的可受激形成等离子气体的填料。反射器罩116形成带开口端120的内反射表面118。一对元件122和124可以是与图2的26和27相同的滤光板元件。元件122是仅通过某些颜色的光的干涉滤光镜。元件124是仅通过一个被选择的偏振光的反射偏振器。箭头126代表由设备10G发射的为所需颜色(如，红，绿，蓝)的光和对单一偏振光偏振的光。然而，图5的光设备10G设置了位于反射器罩116的开口128内的灯11。灯11最好包括定向方位角，使光仅以箭头130指定的方向发射。例如，通过在灯11的本体上设置反射表面可以完成上述的光定向发射。通过下面的说明将会明白图5的反射罩116和灯11可用于图1至图4的任一个设备中。实施上，在不背离本发明精神的条件下，可以使用各种罩的结构。
图6示出了由10D代表的本发明的设备的第六实施例。光设备10D具有带内部空间12的灯泡11，内部空间12容纳像硫或硒那样的可受激形成等离子气体的填料。反射器罩35具有开口端36。内反射表面37具有截面为包括两个凹面38，39的双抛物线的形状。一对元件40和41可以是与图2的26和27相同的滤光板元件。元件40是仅通过某些颜色的光的干涉滤光镜。元件41是仅通过一个被选择的偏振光的反射偏振器。图6的箭头42代表由设备10D发射的为所需颜色(如，红，绿，蓝)的光和对单一偏振光偏振的光。
图7示出了由10E代表的本发明的设备的第七实施例。在图7中，光设备10E具有带内部空间12的灯泡11，内部空间12容纳像硫或硒或类似物那样的可被激发的填料。中空环形反射器罩43具有用元件45闭合的开口44。罩43的反射壁表面49具有一对其截面如图5所示的凹面47、48。元件45形成对开口44的挡板。元件46与其隔开。与图2和图4的实施例一样，元件45可以是反射某些颜色的光同时允许其它颜色的光穿过的干涉滤光镜、二色性干涉膜滤光镜或分色镜。元件46最好是仅通过一种偏振光的反射偏振镜。
图8示出了由10H代表的本发明的第八实施例。在图8中，光设备10H具有带内部空间12的灯泡11，内部空间12容纳像硫或硒或类似物那样的可被激发的填料。另一方面，灯泡11可以是像非水银金属卤化物灯那样的再吸收和再发射光的其它类型的灯泡。中空环形反射罩132具有用元件136闭合的开口134。元件138被设置在靠近灯11的反射器罩132内，反射器罩132包括反射内表面140以及抛物形凹面142和144。与图2的实施例一样，元件138可以是反射某些颜色的光同时允许其它颜色的光穿过的干涉滤光镜。元件136最好是仅通过一种偏振光的反射偏振镜。该结构与图1的实施例的单抛物面结构相对应。应该明白，在图8的双抛物面反射器中同样可以完成与结合图1至图5所讨论的相同类型的反射器布局。
此外，应该明白，尽管图2、图3、图6、图7的各种滤波元件被显示与这些附图的反射器罩相隔离，但它们也可以与这些罩接触成层或者形成夹层。
因此，灯10A-10H比现有技术的装置更有效率。实际上，所有带有无用特性(如，光谱或偏振等)的光被反射到再吸收和再发射光的灯泡11中。毕竟，只有离开灯10A-10H的光是理想特性的光。这样，通过再吸收和再发射无用光，当对所需光测量所提供的功率时可知，灯10A-10H的效率得到了提高。对所有这些实施例来说，应再次说明的是在不背离本发明的精神的条件下该公开的技术可以与可再吸收和再发射能量的灯一起使用。
参见图9和图10，本发明的另一个实施例示出了后投射视频系统60，该系统包含线性反射偏振镜62和消色差延迟器64(achromatic retarder)。使投射图象66中的光在一种情况下从显示滤光板68反射，在另一种情况下穿过滤光板68。线形反射偏振镜62是线形偏振镜，除了大体上反射(而不是吸收)不穿过它的光外，其功能类似传统的吸收偏振镜。换句话说，反射偏振镜62可以大体上传送所有垂直偏振光波和大体上反射所有水平偏振光波。偏振镜62可以由适当的反射偏振材料制成，如由双亮度增强膜，或从Minnesota Mining&Manufacturing公司得到的“DBEF，”材料制成。线形反射偏振镜62直接设置在滤光板68的后面，并用系数匹配粘合层70粘结到滤光板68上。消色差延迟器64最好是1/4波长延迟器。
投射系统60中的图象源76接收输入电缆78送入的电信号并把该信号转换成光学图象66。产生图象66的电信号的类型包括电视信号——如由天线接收并经视频接收机(未示出)处理的电视信号，和计算机系统(未示出)产生的计算机视频信号。图象源76最好是投射机，如液晶显示(LCD)投射机。由于有了本发明的投射系统60，因而图象源76可使用图1至图8的高亮度、高效率灯中的一种。
图象源76沿第一光学分路D1｀向第一反射镜投射图象66，然后沿第二光学分路D2｀向滤光板68反射图象。由于图象66中的光在到达滤光板68之前必须水平偏振，因此图象源必须产生偏振光(像灯10A、10B、10C、10D、10E、10F、10G、和10H那样)。此外还可使用传统的投射机。如果这样的话，传统的线形偏振滤光镜80必须垂直放置在图象源76与滤光板68之间的光学分路D1｀，D2｀中的一个上。如果偏振滤光镜80设置在第一反射镜前的光路中，则第二偏振滤光镜(未示出)可沿分路D2｀设置在第一反射镜82后面以滤除在第一反射镜82处反射造成的漫射光变形。
当图象中的水平偏振光接近滤光板68时，将遇到线性反射偏振镜62。由于光被水平偏振，因此反射偏振镜62大体上使图象中的所有光离开滤光板68并沿光分路D3｀向第二反射镜72反射。
当光接近第二反射镜72时，它穿过1/4波长的消色差延迟器64。然后，光从第二反射镜72反射并沿光路D4｀返回到滤光板68。在到达滤光板68前，光再次穿过1/4波长的消色差延迟器64，消色差延迟器64再次转动广大偏振角度以便光成为垂直偏振。
当垂直偏振的光第二次遇到线性反射偏振镜62时，偏振镜62把光传送到成象滤光板68的后表面。事实上，对于每个图象来说，含有反射偏振镜62的滤光板68一个时间作为反射镜，另一个时间则作为后投射成象滤光板。这样就使投射系统60具有较长的光路(D1｀+D2｀+D3｀+D4｀)。线性吸收偏振镜(未示出)可以放置在反射偏振镜62与滤光镜68之间，以滤除在系统中反射造成的任何漫射光变形。
灯10A-10最好用于投射系统60，以便靠灯10A-10H增加的效率来增加投射系统的60的效率。
由于在本发明的原理和学说的范围内可以完成本发明的不同的实施例，并且可以根据法的叙述要求对详细说明的实施例做出许多变形，因此这里的详细说明应该理解为是说明性的而不是限定性的。
权利要求
1.一种增加光源效率的方法，包括以下步骤a)在灯内设置生成光源的灯，以产生离开灯发射的光束，该光束含有可用和不可用部分；b)把光源发射的光束的某些不可用部分返回到灯上，以便光源再吸收光能；和c)使用返回光以增加光源的效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤“a”包含选择含有带填料的灯泡的步骤，步骤“a”还包含用灯泡外设电极给灯泡加电的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的填料从硫、硒、或金属卤化物的一个或多个中选择。
4.根据权利要求1至3所述的方法，其特征在于所述的灯含有填充填料的被选择的灯泡，所述步骤“a”包括激发填料以形成等离子体的步骤。
5.根据权利要求1至4所述的方法，其特征在于步骤“a”含有过滤发射的光以形成偏振光束的步骤。
6.根据权利要求1至5所述的方法，进一步包括用反射滤光镜过滤光束的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于反射滤光镜是干涉滤光镜。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于反射滤光镜是二色性干涉膜滤光镜。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于反射滤光镜反射除红、蓝、或绿的所有光。
10.根据权利要求1至9所述的方法，其特征在于在步骤“b”中设置偏振反射器以接收来自光源的光束，所述的偏振反射器通过一种偏振光并把其它的光反射回光源。
11.根据权利要求1至10所述的方法，进一步包括以下步骤d)使用光束的一部分作为形成图象的光源，图象沿光路投射到显示面上，其中，在光束用作步骤(d)中形成图象的光源以前，执行步骤(b)。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤e)横跨光路放置光学装置；f)在一个时间从光学装置反射图象；和g)在另一个时间使图象穿过光学装置。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于所述的光学装置大体上平行于显示面。
14.根据权利要求11至13所述的方法，其特征在于光学装置临近显示面。
15.根据权利要求11至14所述的方法，其特征在于光学装置安装在显示面上。
16.根据权利要求11至15所述的方法，其特征在于显示面是视频显示屏幕。
17.根据权利要求11至16所述的方法，进一步包括至少再一次反射图象的步骤。
18.根据权利要求11至16所述的方法，进一步包括两次以上反射图象的步骤。
19.根据权利要求11至18所述的方法，其特征在于在使图象穿过光学装置前完成从光学装置的反射。
20.根据权利要求11至19所述的方法，进一步包括把图象传递到在一个时间以一个方向偏振在另一个时间以另一个方向偏振的光学装置的步骤。
21.根据权利要求11至19所述的方法，进一步包括在图象穿过光学装置之前，至少一次旋转图象的偏振的步骤。
22.根据权利要求11至19所述的方法，进一步包括在图象穿过光学装置之前，两次旋转图象的偏振的步骤。
23.根据权利要求11至22所述的方法，进一步包括图象至少穿过一个线性吸收偏振镜的步骤。
24.用于产生光束的高效灯设备，包括e)一个确定了容器的灯，其中所述的灯用于发射具有可用光部分和不可用光部分的光束；和f)一个反射器，为把某些无用光返回灯而设置，以便所述的灯为提高效率再吸收光能。
25.根据权利要求24所述的灯设备，进一步包括g)在灯容器的外部设置的电极，用于产生激发填料的射频能，该填料受激可形成发射光束的高热等离子光源；和所述的电极不受在等离子体处生成的高热影响。
26.根据权利要求24或25所述的灯设备，其特征在于反射器包含一个被设置用来接收和偏振光束的偏振滤光镜。
27.根据权利要求26所述的灯设备，其特征在于偏振滤光镜通过一种偏振光，和反射另一种偏振光。
28.根据权利要求24至27所述的灯设备，进一步包括一个吸收滤光镜，用于校正从偏振滤光镜发射的光的偏振。
29.根据权利要求24至28所述的灯设备，其特征在于所述的灯包含从硒、金属卤化物、或硫的一个或多个选择的填料。
30.根据权利要求24至28所述的灯设备，其特征在于所述的灯包含一个灯泡。
31.根据权利要求24至30所述的灯设备，进一步包括一个被设置的滤光镜，以反射光束中不是被选择颜色的光
32.根据权利要求24至30所述的灯设备，进一步包括一个反射除红、绿、和蓝光外的其它光的干涉滤光镜。
33.根据权利要求24至32所述的灯设备，其特征在于所述的反射器是一个在灯本体主要外表面周围伸展形成的反射器。
34.根据权利要求24至33所述的灯设备，其特征在于反射器具有一个在灯主体周围设置的壁，该反射器含有一个光束可通过的处于反射器壁一端的开口。
35.根据权利要求34所述的灯设备，其特征在于偏振滤光镜横跨开口设置。
36.根据权利要求34或35所述的灯设备，进一步包括一个横跨开口设置的干涉滤光镜。
37.根据权利要求34或35所述的灯设备，进一步包括一个横跨开口设置的二色性干涉膜滤光镜。
38.根据权利要求24至37所述的灯设备，进一步包括h)一个显示面；和i)一个从光束的光的可用部分生成图象的图象源，该光束沿到达显示面的路径传播图象；其中，设置反射器是为了在光束被生成图象的图象源使用前把某些光束中的无用光返回到灯中。
全文摘要
一种高效无电极灯设备使用了使灯再吸收光源的反射系统。光能被返回到灯以提高系统的效率。该返回光是非正确偏振光和/或色谱的非正确部分。由于光泵激效应以及返回光(在某些降速变换后)的再使用,因而提高了灯的效率。在另一个实施例中,一个投射系统设置了包含本发明改进的高效灯的图象源或投射机。
文档编号H04N9/31GK1190715SQ97126388
公开日1998年8月19日 申请日期1997年11月11日 优先权日1996年11月12日
发明者R·M·诺克斯, D·S·瓦尔克尔, W·B·梅尔色尔 申请人:康帕克电脑公司