投影机光源.pdf

为了延长投影机光源的有效寿命，提高光输出的质量，便于更换投影灯芯，本发明提供一种投影机光源，包括两个反光杯，其中一次反光杯是一个球面或近似球面的反光体，二次反光杯是一个椭球面反光体，一次反光杯的前端有一开口；还包括一个灯芯，该灯芯的轴线不垂直于反光杯的光学轴线，该灯芯的电极之间的发光区域位于二次反光杯的焦点F1上。灯芯的轴线可以与水平面形成±20°以内的夹角。灯芯可拆卸地安装在灯芯支架上使得该灯芯位于一次反光杯和二次反光杯之间，且灯芯相对于反光杯的光学轴线对称安装。本发明能够实现灯芯的方便更换

1、  一种投影机光源，包括两个反光杯，其特征在于，其中一次反光杯(1)是一个球面或近似球面的反光体，二次反光杯(2)是一个椭球面反光体，一次反光杯(1)的前端有一开口(3)；还包括一个灯芯(4)，该灯芯(4)的轴线不垂直于反光杯的光学轴线，该灯芯的电极之间的发光区域位于二次反光杯(2)的焦点F1上。

2、  如权利要求1所述的投影机光源，其特征在于，灯芯(4)可拆卸地安装在灯芯支架(5)上使得该灯芯(4)位于一次反光杯(1)和二次反光杯(2)之间。

3、  如权利要求2所述的投影机光源，其特征在于，灯芯(4)相对于反光杯光学轴线对称的安装在反光杯中。

4、  如权利要求3所述的投影机光源，其特征在于，灯芯轴线可以与水平面形成±20°以内的夹角。

5、  如权利要求4所述的投影机光源，其特征在于，灯芯(4)的拆卸、安装方式是，打开二次反光杯(2)，使用工具移出灯芯(4)，更换灯芯(4)并重新安装到灯芯支架(5)上之后，关闭二次反光杯(2)。

6、  如权利要求1-5中任一所述的投影机光源，其特征在于，从一次反光杯(1)焦点发出的部分光线经一次反光杯(1)反射后返回其焦点；然后该部分光线穿过灯芯(4)的发光区域后经过二次反光杯(2)反射后聚焦于焦点F2处。

7、  如权利要求1-5中任一所述的投影机光源，其特征在于，从二次反光杯焦点F1发出的部分光线经二次反光杯反射后集中到其焦点F2处。

8、  如权利要求1-5中任一所述的投影机光源，其特征在于，反光杯材料可以是金属、硼化玻璃或者陶瓷材料。

投影机光源
技术领域
本发明涉及一种投影机用光源，尤其是一种即插即用型可更换灯芯的投影机光源。
背景技术
目前常用的投影机光源，按照其反光杯的类型区分主要分为两种，即椭球灯和抛物面灯。他们的共同点是，作为发光体的灯芯被固定置于反光杯中的特定位置，通常使灯芯中的等离子发光区域与反光杯的焦点重合以获得光能的最优化利用；另外在制造工艺上的共同点是，灯芯都是通过胶一次性地固定在反光杯的尾端，不可拆卸。二者的不同点在于，椭球杯的光从反光杯的焦点C1出发，通过反射，集中输出于反光杯前端的另一个焦点C2处；而抛物面杯的光从反光杯的焦点C出发，通过反射，最后平行输出，如图1、图2所示。
在现有技术中，灯芯和反光杯的组合称为整灯。安装时，整灯先固定在一个灯架上，然后置于投影机中。由于投影机的主要耗材是光源，光源的失效主要由于灯芯失效引起，当光源中的灯芯出现问题时，需要将整灯和灯架全部替换并弃置，因此通常在灯芯失效的同时浪费了反光杯和灯架。另外在更换光源时，用户必须通过专业的服务商解决，从而影响了对投影机的使用，带来不便。
另外，传统光源的灯芯轴线和反光杯的光学轴线平行，属于非成像系统。在使用过程中，其灯芯中的钨电极由于高温等物理化学作用，电极端部的钨会转移到灯芯泡壳的其他部分，从而使电极之间的距离增加，因此灯芯中的等离子发光弧会随着使用时间的增加而逐步加长，例如从1.1mm增加到2mm。如图3所示，在使用非成像系统光源的投影机光路中，等离子发光弧长度的增加将在二维方向上使焦点C2处的光斑面积增大，从而使后续系统可利用的光通量减少，引起输出效率的降低，其在投影屏幕上主要表现为亮度下降。
还有，等离子发光弧在电极之间的空间位置会随着时间而发生变化，当发光弧的发光区域偏离反光杯焦点时，就会引起屏幕亮度下降；由于非成像系统中对发光弧空间位置变化很敏感，当上述的发光弧空间位置变化频率较高时，还会表现为明显的屏幕抖动，如图4所示。
再者，在传统反光杯中灯芯的冷却是非均匀的，因此反光杯内的灯芯端往往由于温度过高引起提前失效而降低使用寿命。这是因为在传统工作方式下，泡壳顶部温度高造成泡壳顶部内壁析晶，从而导致灯芯失效，如图5所示。另外在冷却时通常是风冷方式，如果冷却空气直接降温泡壳顶部，将使灯芯内部的工作温度过低，也会造成灯芯启动失败或者影响灯芯泡壳内部的卤化还原反应，从而降低使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是延长投影机光源的有效寿命，提高光输出的质量，投影灯芯便于更换，降低使用成本。
本发明的主要内容是，一种投影机光源，包括两个反光杯，其中一次反光杯是一个球面或近似球面的反光体，二次反光杯是一个椭球面反光体，一次反光杯的前端有一开口；还包括一个灯芯，该灯芯的轴线不垂直于反光杯的光学轴线，该灯芯的电极之间的发光区域位于二次反光杯的焦点F1上。灯芯轴线可以与水平面形成±20°以内的夹角。灯芯可拆卸地安装在灯芯支架上使得该灯芯位于一次反光杯和二次反光杯之间。且灯芯相对于反光杯的光学轴线对称安装。该灯芯的拆卸、安装方式是，打开二次反光杯，使用工具移出灯芯，更换灯芯后，关闭二次反光杯。
本发明能够实现灯芯的方便更换，并且避免了对反光杯和灯架的无谓浪费，降低了使用成本。本发明的投影光源属于成像系统，因而灯芯电极间距的增大不易造成屏幕上亮度的衰减，并降低了屏幕的闪动，提高了屏幕输出质量。此外本发明设计合理的风冷系统也能够有效抑制泡壳内壁表面上的析晶问题，从而延长了灯芯的使用寿命。
附图说明
图1是现有技术中的椭球型反光杯光源示意图；
图2是现有技术中的抛物面型反光杯光源示意图；
图3是非成像系统投影光路在焦点C2处成像示意图；
图4是电极间的等离子发光弧随时间在空间位置上的变化及长度增加示意图；
图5是投影灯芯析晶区域示意图；
图6是本发明的结构及成像示意图；
图7是本发明的投影光路及其在焦点F2处成像的示意图；
图8是本发明更换灯芯过程的示意图。
具体实施方式
如图6所示，一种投影机光源，包括两个反光杯，其中一次反光杯1是一个球面或近似球面的反光体，二次反光杯2是一个椭球面反光体，一次反光杯的前端有一开口3。还包括一灯芯4，该灯芯4的轴线不垂直于反光杯的光学轴线，该灯芯的电极之间的发光区域位于二次反光杯2的焦点F1上。灯芯轴线可以与水平面形成±20°以内的夹角。灯芯4可拆卸地安装在灯芯支架5上使得该灯芯4位于一次反光杯1和二次反光杯2之间，且灯芯4相对于反光杯的光学轴线对称安装。反光杯材料可以是金属、硼化玻璃或者陶瓷材料。
如图7所示，当该投影机光源的灯芯4工作时，等离子弧发出的光线一部分通过一次反光杯1反射后返回并穿过发光区，再经过二次反光杯2反射后，通过一次反光杯1前端的开口3后汇聚于二次反光杯2的焦点F2处。一部分光线只经过二次反光杯2的反射，通过一次反光杯1前端的开口3后汇聚于焦点F2处。还有一部分光线直射到焦点F2处。以上三种光线都是投影机光路系统可以利用的部分，其余以漫反射或者散射方式不能被系统所利用。由于灯芯4对称的安装在反光杯中，灯芯两端极易实现均匀冷却，从而保证了灯芯4的寿命。另外由于一次反光杯1将30％左右的能量重新送回发光区域，从而增加了灯芯4工作时的温度，这就为直接冷却灯芯泡壳创造了条件。配合使用的风冷系统可以直接冷却灯芯泡壳顶端，并且不会使泡壳内的工作温度低于要求温度，因此作为灯芯失效主要因素的泡壳内壁上表面析晶的问题可以得到很大的抑制，从而延缓了灯芯的衰老速度。
如图8所示，当需要更换灯芯时，可以根据二次反光杯2不同的固定方式来打开、关闭二次反光杯2，例如可以通过铰接的方式像开门一样打开、关闭二次反光杯2，也可以彻底移开二次反光杯2，然后通过定位机构帮助还原并匹配一次反光杯1，上述定位机构可以是反光杯上的定位孔、定位卡口、定位槽等装置。另外在更换灯芯4时，既可以直接打开或移除二次反光杯2，在投影机内进行灯芯更换；也可以将整灯模块整体移出投影机后，打开或移开二次反光杯2，更换灯芯4，关闭二次反光杯2后，再整体置入投影机。更换灯芯4时，既可以手工完成，也可以通过专用夹具完成。
灯芯4置于一次反光杯1和二次反光杯2中时，通过灯芯4上的辅助固定和定位结构，反光杯两端以及支座上的辅助固定和定位结构实现灯芯4的定位与紧固。对于使用不同类型灯芯的投影光源，可以通过此固定和定位结构的几何结构的区别来保证使用匹配的即插即用灯芯。
本发明的投影光源属于成像系统，如图6、7所示，为该光源作为成像系统在焦点F2处的能量分布线。在投影系统中，光路的传播有两个参数，发射/接收面积和发射/接收角度，光路系统的传播效率即取决于光路本身和光学器件的上述两个参数的点积。如果从面积的角度考虑，在传统光源中，面积和电弧长度的二次方成正比关系，在本发明的光源中，面积和电弧长度的一次方成正比关系。所以当本发明光源的电极间距增大时，对焦点F2处成像面积的影响小，因而电极间距增大对光路系统采集效率降低的影响就小，其表现在屏幕上就是亮度衰减不敏感。
成像系统的另一个优势是光路系统对灯芯等离子弧的空间位置移动不敏感。从几何光学角度分析，发光点偏移反光杯内焦点的距离对传统椭球杯和抛物面杯的输出影响高于对本发明的影响。实验表明，当发光弧空间位置发生变化(图4所示)造成相同的损失时，本发明中灯芯位置允许偏移的距离可以达到传统光源的两倍以上。这也使得本发明能够更换灯芯，因为即使更换后的灯芯在空间位置上发生轻微的变化，对光源的输出影响也可以忽略不计。而传统光源即使实现了更换灯芯，也会由于光路系统限制而影响投影效果。另一方面，当灯芯发光弧在空间位置上因为电极形状改变而移动时，由于本发明的光源对该位置移动的不敏感性，从而降低了屏幕的闪动，提高了屏幕输出的质量。