CN1242290C - 一种能使光束光能分布均匀的均化光学组件 - Google Patents
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Abstract
一种能使光束光能分布均匀的均化光学组件，包括：非抛物面反射镜、直光管，其特征在于：在直光管的二端面各有一个通过光学胶与直光管连接成一体的平凸半球浸没透镜。光源发出的光束经过非抛物面反射镜的反射，通过第一平凸半球浸没透镜耦合到直光管中，经直光管出射端面的第二平凸半球浸没透镜出射，达到光束均化的目的。本发明是借助中间像浸没的技术，增大反射角、减小直光管芯径，缩短直光管的长度。本发明的最大优点是缩短了光学组件的长度，有利于降低直光管的制造难度。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件，具体是指一种能使光束光能分布均匀的均化光学组件。
背景技术
在光学引擎中，为了使出射光源发出的光束光能分布均匀，常用透射式直光管的全反射原理来均化光束光能的分布，光能均化的效果与光束在直光管内的反射次数成正比，反射次数与光线在直光管内的反射角成反比，与直光管的芯径成反比，通常反射角由光束入射角确定。见图1，光源1’发出的光束经过反射镜2’的反射，以孔径角U(入射光束与***光轴的夹角)会聚到到直光管3’的端面，由于直光管3’的端面是平面，因此入射角I就是孔径角U，由折射定律得到在直光管内的折射角I’(即直光管内光束与***光轴的夹角)：
SinI’＝SinI/N。
由于全反射发生在直光管的侧面上，由几何关系得到：
β＝90°-I’。
折射角I’因直光管的折射率N值大于空气折射率，所以I’变小，因此光线在直光管的内反射角β变大。由于反射角β的变大，每反射一次的轴向距离也变大，因此要达到一定的反射次数，以往的做法是将直光管的长度做长，这样就加大了仪器的尺寸，同时也增加了制造成本，特别如直光管这种非常规的光学元件加工成长尺寸有一定的难度。
技术方案
本发明的目的是提供一种在不改变光源参数的条件下，以及不延长直光管长度的情况下，能提高光束光能均匀分布的均化光学组件。
本发明的均化光学组件技术方案是：借助中间像浸没的技术，增大反射角、减小直光管芯径，在不改变直光管的长度情况下提高反射次数。
本发明的均化光学组件包括：非抛物面反射镜2、直光管4，其特征在于：在直光管的二端面各有一个通过光学胶与直光管连接成一体的平凸半球浸没透镜。光源1发出的光线经过非抛物面反射镜2的反射，通过第一平凸半球浸没透镜3耦合到直光管4中，经直光管4出射端面的第二平凸半球浸没透镜5出射，第一平凸半球浸没透镜3的球心位于光源反射像的位置。所说的第一平凸半球浸没透镜的折射率与直光管折射率相同。
本发明的均化光学组件的工作原理是：当光源1发出的光线经过非抛物面反射镜2的反射，入射到第一平凸半球浸没透镜3时，此时入射光线与球面的法线重合，入射角I等于零，因此折射角I’也等于零：
I’＝I＝0，
与已有结构相比，直光管内光线与***光轴的夹角没有变，第一平凸半球浸没透镜的折射率n与直光管折射率N相同时，等于孔径角U，光线在直光管的内反射角β变小，
β＝90°-U，
由于U大于I，反射角β变小，每反射一次的轴向距离也变小，因此在反射次数相同以及直光管芯径不变的情况下，可以缩短直光管的长度。
由拉格朗日不变量定律：
J＝NiηiSiN∪i
可以得到半球浸没透镜像d的大小：
d＝η/N＝a/n，
与已有结构相比，因半球浸没镜像d缩小n倍，直光管的芯径也缩小N倍。这样更加增加了直光管有限长度的情况下的反射次数。
本发明具有如下的有益效果：
1.本发明的均化光学组件可以大大减小组件结构的尺寸，特别是缩短直光管的长度。
2.直光管长度的缩短有利于降低直光管的制造难度。
3.半球浸没透镜的成对使用，使得出射光线的参数不变，不影响***的光学设计。
4.半球浸没透镜与直光管通过光学胶胶合连接，不增加光能的损失。
附图说明
图1是已有的均化光学组件图；
图2是本发明的均化光学组件图。
具体实施方式
根据附图2所示的均化光学组件结构，我们设计了一实施例：
选取菲力浦公司的E23汞灯作为光源，其孔径角为
u＝46.88°，
像高
η＝3.88，
平凸半球浸没透镜材料选K9，其折射率
n＝1.5136，
根据拉格朗日不变量可以得到在半球浸没镜内的像高
d＝η/N＝3.88/1.5136＝2.563，
直光管的直径等于2倍的像高，
2d＝2×2.563＝5.168，
直光管的材料与半球浸没透镜相同，得出光束在直光管内的反射角
β＝90°-U＝90°-46.88°＝43.12°。
设光束在直光管内反射次数C＝4次，由图中的几何关系可以计算出直光管的长度
L＝C×d×tan(β)＝4×2.563×tan(43.12°)＝9.6。
如果按照已有的均化光学组件的结构设计，直光管的直径等于2倍的像高
2d＝2η＝2×3.88＝7.76
在直光管内的折射角正弦
SinI’＝(SinI)/N＝Sin(46.88°)/1.5136＝0.4822，
对应的角U＝28.83°，得出光线在直光管的内反射角
β＝90°-U＝90°-28.83°＝61.17°
直光管的长度
L＝C×d×tan(β)＝4×3.887×tan(61.17°)＝28.25。
可见已有光学组件的长度大大长于本发明的光学组件的长度。
Claims (1)
1.一种能使光束光能分布均匀的均化光学组件，包括：非抛物面反射镜(2)、直光管(4)，其特征在于：
在直光管(4)的二端面各有一个通过光学胶与直光管连接成一体的平凸半球浸没透镜；光源(1)发出的光线经过非抛物面反射镜(2)的反射，通过第一平凸半球浸没透镜(3)耦合到直光管(4)中，经直光管(4)出射端面的第二平凸半球浸没透镜(5)出射，第一平凸半球浸没透镜(3)的球心位于光源反射像的位置；所说的第一平凸半球浸没透镜的折射率与直光管折射率相同。
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