TW200405044A - Loss-less etendue-preserving light guides - Google Patents

Description

200405044 玫、發明說明： 相關申請案之參考 吴國專利申請案SN^-，於2002年_提出且指派 給與本申請案相同之指派人，律師備忘錄No.PH__(id )相關於一使用本申請案之發明之光導之投影顯示 系統。 且更具體地說，係關於展示低或無 時大致保留被導引之光束之角域， 之改變或被導引光束與其他光束之 【發明所屬之技術領域 本發明係關於光導， 光損失之堅固光導，同 典論被導引光束之方向 叉越。 【先前技術】 諸如固體或空心光管之堅固光導為—供光收集，處理和 傳送用之有吸引相，低成本之裝置。這樣的光導以較傳 統^學裝置更精簡的體積來提供這㈣功能。不幸地，以 1二力光：Γ術’料中之變曲和摺叠造成嚴重的光線損 失和增加的角域（錐角），如第中所說明的。 H圖示意地顯示—直的光導1G以及1外光線路徑i 和2所表示之被導引之光束。注意光束在 維持相同的錐角，如形成於路徑之交备上、 T日、 -^ 曰上 < 不變角α所指 不的。當一彎曲11被引入光導10中時，如第_中所于: ’錐月增加，如藉由比較在遇到彎曲前由 線4所形成之角度石以及在彎曲後由這此 光 成之角度”斤指示的。 二先線之交越所形 85491 200405044 被導引光束之增加的錐角音指 $月w知固疋孔徑之收集裝置在光 束離開光導時，可能無法收集來自光束之全部光線。 第1c顯示其他光線可能損失掉之方式。當—第二彎曲12 被加入至光導1 〇時，一此井壶由 一九朿被反射回來，如光線6所說明 的，其從一恰在第二蠻曲P P CT心 <區域反射而沿著彎曲12以相 反方向行進回來，如光線7。 第1D圖顯示—平順彎曲13具有類似於第1B圖中之陡彎曲 12之效果，即，被導引光束之錐角增加，如相較於彎曲前兑 平行路徑（0角度），彎曲後光線8和9間之角度5所說明的。 企圖以鏡子來耦合光導部份亦造成光損失，如第2Ai2c 圖中所示的。例如在第2A圖中，錐角①為使得被導引光束 (由外光線15和16所指示的）在透過光導18之離開孔”離開 且由鏡子19加以反射之後，具有一太大而無法使光導^之 進入孔20收集之角域，結果造成明顯的耦合損失。將鏡子 19盡可能地移近使得其實際上接觸到.光導丨8之離開孔”之 邊緣和光導21之進入孔20，如第2B圖中所說明的，最小化 耦合損失但無法將之消除。第2C圖顯示在從光導23離開後 以及在進入光導24之前之被導引光束22之虛擬影像，說明 耦合損失與錐角0之相關性。 弟2D圖說明輕合損失可藉由在被鏡子19反射之前和之後 ’將中繼鏡片25和26插入被導引光束之路徑中來加以減少 或消除。這些中繼鏡片25和26限制了被導引光束之範圍， 如此使得其符合光導21之進入孔20之内，避免耦合損失。 然而’這些中繼光學儀器是昂貴的，且阻礙了所要的精簡 85491 4U5044 配置。 先緘束<替代方案亦是昂音的。再者^ 相舞低的封裝宓戶士姑^ # /、 再者，光纖束因為 山度炙故而古於明顯的插入損耗。 【發明内容】 夕Γ Γ明，—料包含至少第—和第二料部份和-或 夕在琢等邵份間之光耦 ^ 其他部份藉由具有至"R(八二， 光以八、百〜一TIR(全内反射）表面，-相鄰於第一 且與第二光導部份之光導方向對齊之第_ 道—面，以及一相鄰於第二光導部份之進入孔且與第一先 件：万向對齊之第二TIR表面，本發明之光耦合元 、“、、泉仗第一光導邵份傳送至第二光導部份，只有少許戋 沒有光線損失，且角域不增加。 。< 在貫她例中，二光導部份被配置為其光導方向為彼此成 /角度，例如為一直角，且被耦合以一具有二TIR表面之楔 形光耦合元件，一第一丁IR表面相鄰於第一光導之離開孔且 一第二TIR表面相鄰於第二光導之進入孔。光耦合元件亦具 有—设疋在與TIR表面成一角度之反射表面，用以將光線從 第一光導邵份反射至第二光導部份。第二TIR表面將光線從 第一光線導引部份導引至反射表面，同時第一 TIR表面將反 射光線導引至第二部份。在這樣一個配置中，在從一光導橫 跨輕合元件至另一期間只有少許光線或無光線逸出，且只有 / ”午角域增加或沒有增加發生。 藉由使用多個光韓合元件和耦合於相同或不同角度上之光 導部份，致能沿著一任意路徑之光線能量傳送。 85491 -7- 200405044 在其他實施例中，一具有三或 致能韓合三或多個光導部份。例如，—R表面之光搞合元件 耦合四個光導部份於—橫跨#式 、/四節R表面且 二交叉導輪上傳送光線而==合元件使得獨立在 4彼此杈跨耦合能量且只有少 #或>又有損失和少許或沒有角域增加變成可能。 在本發明之其他觀點中，本發明之一光輕合元件可合併一 或多個二色元件或表面’其具有選靠傳輸和/或反射通帶， ^ μ分離和/或組合’只有少許或沒有光線損失且只有少 賴導引光束u域之增加或沒有增加。藉由反射通帶，致 能色彩分離和/或重組，而口右此 、… 人里 向有些或沒有光線損失，或不增 加被導引光束之角域。 例如，在交越導引路徑實施例中，在光搞合元件中之交 越的二色元件使得-光束從-光導部份分離成三個成份， 其每個被沿著剩餘三個光導部份之—導引。或者，三成份 光束，每個沿著一不同光導部份朝向光耦合元件被加以導 引者可由又越一色元件重結成一單一光束，其然後被沿 著一剩餘的光導部份加以導引。 本發明之光導部份可為一光透明材料之固態元件，或可 為芝心言，其具有邊壁，其具有内部反射表面。本發明之 光$亦可僅使用固態或空心部份或固態和空心部份之結合 ’視應用而定。光導部份之交越部份一般將為矩形，但亦 可為正方形或其他具有偶數邊之正多邊形。 如將體會到的，光線可以任何方向通過任何本發明之光 導而、果|兴’除了使用二色或極化元件或表面之情況之 85491 200405044 卜□此應了解到相關於在此描述和宣告之不同光導之元 件〈面和孔〈進入”和“離開，，等詞係僅為了描述方便而使 用的仏些巧思扣為可互換的，且因此並非限制本發明乏 利用而使光線只在—方向上進行。 本％明在多種光收集，處理，傳送和傳佈應用中是有用 勺在…月顯不’資訊處理和高功率應用之多樣領域中 曰在毛些領域中〈特疋應用範例包括投影顯示，背光或液 晶顯示器，自動照明和焊接。 【實施方式】 參考第3八圖，顯示了本發明之光導之一實施例心，其包 括光導部㈣和32 ’每個具有—進人孔（3u，叫，一離開 孑（lb，3 2b)以及一邊壁（31c，32c)。位於光導部份31之離 開孔31b和光導部份32之進入孔32b間的是一楔形狀的光耥 口兀件33，其具有二個TIR(全内部反射）面，進入面和離 開面33c以及内部反射面33b，以一角度延伸至TIR面33a 和 3 3 c 〇 光耦口元件33為一光透明材料。當在此使用時，“光透明，， 一詞意指材料能夠只吸收些許光線或不吸收光線之方式來 傳运光線。雖然任何具有高於與表面338和33〇接觸之外部媒 介者之折射係數之光透明材料皆適合，但適當的材料包括 例如玻璃和塑膠。較高的折射係數使得這些表面能夠如全 内部反射（在此稱“TIR”）表面般作用。 光耦合元件33之TIR面33a和3化係分別平行於非相鄰光 導部份32和31中之光導方向（由邊壁之方向定義），且在此實 85491 200405044 置為其光導方向在直角 角0 施例中，因為光導部份31和32被配 上，所以TIR面33a和33c亦彼此為直 在此貫施例巾，光導部份31和32為—固態光透明材料， «。因為這樣的材料相料周目媒介，通常 ㈣射#'數’所以―光束（由外光線⑽奸 不）被全内邵反射（在此稱“TIR”)之現象限制在光導内。 基本上，因為光線只在其以—關鍵角度或超過該角度撞 到介面，才可從-媒介行進至另―媒介，如斯奈爾定律 (snellsLaw)所決定的’所以以低於關鍵角度撞到介面之光 線被加以反射。因為被導引光束之相對較小的錐角，以及 光導媒介及其外部周圍（例如空氣）之折射係數上的差異之 故所以被導引光束在其沿著光導移動時被加以全内部反 射0 當光束（如外光線36和37所指出的）抵達光導31之離開孔 3U時，其㈣此孔之陡❹度使得它㈣光導部份並透過 進入面33a進入光耦合元件33。當光線％以一低角度遇到 ΤΠΙ離開面…時，其被反射回反射面…，且然後再次被反 射回離開面33c’但此時以一陡峭角度，藉此使得光線能狗 透過進入孔32a進入光導部份32。不像光線％，光線37首先 遇到反射表面33，在該處其被以一低角度反射返回朝向tir 進入面33a，且因此以一陡峭角度反射朝向tir面33c，使其 能夠透過進入孔32a進入光導部份32。 雖然在光導部份和光耦合元件間之空間（34，35)中之媒介 可為空氣或其他氣體，但此空間可由任何其他具有一低於 -10- 85491 289 200405044 光耥合元件者之係數之物質填滿，例如一諸如一 U V固化歷： 克力脂或環氧樹脂之黏著層。 第3B圖顯示本發明之光導3Ob之其他實施例，其中固態光 導部份31和32已由光管38和39取代，每個具有一進入孔 (38a, 39a)，一離開孔（38b，39b) ’以及—具有一内部反射表 面（3 8d，3 9d)之邊壁（38c5 39c)。如此，不像第3A圖之固態光 導部份之情況，其中光線3 6和3 7係因TIR之現象與周圍媒介 而反射在邊壁3 1 c和3 2 c之介面上’光線4 1和4 2係從内部反射 表面3 8d和3 9d加以反射。在其他觀點中，光導3 〇b之操作類 似於3 0 a。 第3C圖顯示本發明之光導30c之其他實施例，其中固態光 導部份44位置為其光導方向（由邊壁44c之方向定義）在與光 導部份43之光導方向成45度之角度上，而非9〇度，如光導 3 0a和3Ob中之情況。如在這些先前描述之實施例中一般，光 辆合元件4 5之TIR面4 5 a和4 5 c分別平行於非相鄰光導部份 44和43中之光導方向。然而，在本實施例中，這決定在光 搞合元件45之TIR面45a和45c間之135度之角度。為使在tir 面45a和45c間之空間46和47以及光導部份43和44之相鄰光 導孔43b和4 4a橫跨孔之寬度上為相等厚度#參看第5圖），這 些孔43b和44a相對於邊壁43c和44c形成一 45度之角度。 第3D圖顯示本發明之光導30d之其他實施例，其中固態光 導邵份4 3和4 4已由空心的光管部份5 0和5 1加以取代，其以 與在光導3 Ob中之空心光管邵份3 8和39相同之方式操作。 根據本發明之其他實施例，具有四個TIR表面之光耦合元 85491 -11 - 200405044 件使得二獨立光束交越而不會交互耦合。第4 A圖顯示這樣 一個配置60a，其中一立方體形狀之光耦合元件65具有TIR 表面65a至65d。四個光導部份61至64每個具有一進入孔 (61a，62a，63a，64a)以及一離開孔（61b，62b，63b，64b)以及 一邊壁（61c，62c，63c，64c)。光導部份61和63位置為其離開 孔6 lb和63b相鄰於TIR面65a和65c，形成空間66和68，同時 光導部份62和64位置為其進入孔62a和64a相鄰於TIR面65b 和65d，形成空間67和69。 在操作上’由外光線路控7 0和7 1所指示之被導引之光束 係由光導部份6 1導引至光搞合元件65中，在該處其係由tir 面6九和65d全内部反射至光導部份62中。同時，由外光線路 徨72和73所指示之被導引之光束係由光導部份63導引至光 ♦馬合元件65中，在該處其係由TIR面65a和65b全内部反射至 光導邵份64中。如此，二個被導引之光束可具有交越路徑 而不會交互隸合。 第4B圖顯示第4A圖之配置之修改60b，其中二個二色滤波 器元件79和80在光耦合元件78中被配置為一交互樣式。二 色凡件79反射紅光並傳送綠光，同時二色元件8〇反射藍光 並傳送綠光。在此光導6〇b做為一光束分離器般操作時，一 由外光線路徑81和82指示之白光光束由光導部份74導引至 光耦合元件78，在該處其遇到二色元件79和8〇，且被分離 成一綠成份（光線路徑83和84)，在該處其遇到二色元件乃 和80，且被分離成一綠成份（光線軌道&3和$4)以及一紅成於 (光線軌道85和86)以及一藍成份（光線軌道87和88)。其分別 85491 -12- 200405044 由光導引部份7夂77和76導引離開光耦合元件78。 在光導60b做為一光束結合器般操作時，被導引光束之行 進方向相反，如此使得分別進入光導部份75, 77和76之綠， 紅和藍成份由二色元件79和80結合成一白光束，且白光束 由光導元件74承載離開。 第4C圖顯示第4A圖之配置60a之修改60c，其中一極化元 件93被配置在光耦合元件92中。極化元件93反射s極化（TM) 光線並傳送P極化（TE)光線。在此光導6〇c如一極化光束分離 器般操作時，一由外光線路徑94和95所指示之光束係由光 導邯份89導引至光耦合元件92，在該處其遇到極化元件93 ’且被分離成一 S成份（光線路徑98和99)，及一P成份（光線 路徑96和97)，其分別由光導引元件91和9〇導引離開光耦合 元件92。 彳夕其他組合是可能的。例如，在光導6〇b中，TiR表面 78b可被給予一反射表面並除去光導圓份乃，如此使得在光 束分離器模式中，進入光導部份74之白光被分離成二個成 份，而非三個。舉其他例，在第3圖之實施例之任一中，反 射表面可為一一色表面，如此使得對一特定波長帶選擇其 反射性，*被導引光束通過光導時致能其之波長範圍之窄 化。如此’例如，進人一光導部份之白光可以、红，綠或藍 光離開被摘合之光導部份。 第5圖為-填滿本發明之—光導部份5〇1和一光搞合元件 502m’的黏著層’之詳細圖。黏著層具有一厚度d和 一低於光耦合元件502之折射係數之折射係數。 85491 200405044 第6圖為光導^部份31之橫截面圖6〇〇，其顯示 。本發明之光導却十5目女 u 万形 多邊形。可具有-矩形或其他具有偶數邊之 已以：限數目之實施例來基本說明本發明。從此說明中 ’其他實施例和實施例之變化對於熟悉技藝之人士而言將 疋月’’、員的且預疋為全邵包含於本發明之範圍和所附申請 專利範圍中。 【圖式簡單說明】 第1A至1D為先前技藝之堅固光導之示意說明，其分別具 有一直的組態，一單一陡彎曲，二陡彎曲和一平順彎曲； 第2 A至2D圖為先前技藝之堅固光導部份之示意說明，其 具有傳統的鏡子（第2八和2；8圖），空氣（第2〇圖）以及鏡片和鏡 子之組合（第2D圖）之光學_合； 第3A至3D為本發明之堅固光導之示意說明，第3人和3]8圖 分別顯π —固態和一空心光導，每個具有一直角彎曲，以 及第3C和3D圖，其分別顯示一固態和一空心光導，每個具 有一 4 5度彎曲； 第4A至4C圖分別為本發明之交會，交越耦合和光束分離 堅固光導之示意說明； 第5圖為在一光導邵份和一光耦合元件間之耦合區域之 詳細圖形，其顯示一填滿這些元件間之空間之黏著層；以及 弟6圖為光導邯份之—之横截面圖。 【圖式代表符號說明】 1，2, 3, 4, 5, 6， 光線路徑 85491 Ί4- 200405044 7, 8, 9 10 光導 11,12 陡彎曲 13,14 平順彎曲 15,16 光線路徑 17 離開孔 18 光導 19 鏡子 20 進入孑L 21， 23, 24 光導 25, 26 鏡片 31，32, 43, 44, 光導部份 61，62, 63, 64， 74, 75, 76, 77， 89, 90, 91, 501 31a，32a 進入孑L 31b, 32b 離開孔 31c， 32c 邊壁 33, 45, 52, 65， 光隸合元件 78, 92, 502 33a 進入面 33b 内部反射面 33c 離開面 34, 35, 46, 47 空間 -15- 85491 200405044 38, 39 41，42, 48, 49, 53, 54, 70, 7 1， 72,73, 81，82, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 85, 86, 87, 88 50, 51 500 光管 光線路徑 光管部份 黏著層 85491 -16-

Claims (1)

1. ^申凊專利範圍： S種包含至少一心 間> + 和苐一光導部份及至少一在光導部份 <光韓合元件、 ，導部份每個具有—進入孔 元件係 ^疋我光導引方向之導引壁，該光耦合 人&、 光透明材料構成，其具有一有一 TIR表面之進 面，以及一有— 〜井…— TIR表面之離開面，該進入面相鄰於第 伸，導邵份之離開孔且向第二光導部份之光導引方向延 ，開面相鄰於光導部份之進入孔並延伸於第一光 2導郅份之光導5丨方向上。 ，2寻利範園第1項之光導，其中光搞合元件為楔形狀 3且具有一延伸於進入面和離開面之間的内部反射面。 •:申請專利範圍第2項之光導，其中光導部份之交越部份 4 “有一偶數多邊形之交越橫截面形狀。 =申請專利範圍第丨項之光導，其中至少第—光導部份為 光透明材料之固態元件’且相鄰於固態光導部份之離 之光耦口元件之進入面與光導部份之離開孔被間隔 開m，以在光耗合元件之面和固態料部份之離開 孔之間形成一空間。 '·如申請專利範圍第4項之光導，其中第二光導部份為一光 透明材料之固態元件，且相鄰於固態光導部份之進入孔 之光耦合元件之離開面與光導部份之進入孔間隔開一距 離，以在光耦合元件之離開面和固態光導部孔 間形成一空間。 .如申請專利範圍第4項之光導’其中空間填滿空氣。 85491 200405044 7. 如申知專利範圍第4項之决… ^ . 九導，其中空間填滿一光透明材 料，其具有小於光耦合 午义材料之折射係數之折射係 數。 8. 如申請專利範圍第4項之伞措 ^ ^ 導’其中光耦合元件之進入面 和固恐光導邵份之離開孔 J札間 < 距離在跨越空間之寬度上 大致相同。 凡又工 9. 如申請專利範圍第1項之氺道^ 、< 先導，其中至少第一光導部份為 一空心的導管，其具有一 导引壁，其具有一内部反射表 面。 10·如申請專利範圍第9項夕次惜 ^ … /、〈切，其中第二光導部份為-空 心導嘗，其具有一導引壁 7丨土，其具有一内邵反射表面。 11·如申請專利範圍第1項之弁 .,τ ^ Α ^ 、<九導30，其中光耦合元件之進入 和離開面形成一直角。 12·如申請專利範圍第1项之光導，跑搞合元件之進入和 離開面形成一鈍角。 〒足進入和 二如^專利範圍第Π)項之光導，其中導引壁形成—純角。 •如申請專利範圍第2項之光導，其中反射表面為— 面，其具有一預先決定之反射帶。 15·如申請專利範圍第2項之料，其中反射表面為—極 面，反射一第一極化方向且傳送第二個。 16·如申請專㈣圍第15項之光導，其中有—相鄰 面之额外光導部份。 了衣 17·如:請專利範圍第之光導，其中有至少四個光 ，每個具有一進入孔，一離開孔和一定義光導引方向二 85491 200405044 導引壁，藏光耦合元件係由一光透明材料構成，其具有 二個進入面，每個具有一 tir表面，以及二個離開面，每 個具有一 TIR表面，該光耦合元件置於其進入面相鄰於光 導邵份之離開孔，其離開面相鄰於光導部份之進入孔， 其進入面相鄰於光導部份之離開孔且其離開面相鄰於光 導部份之進入孔。 18·如申請專利範圍第17項之光導，其中至少第一光導部份 為一光透明材料之固態元件，且相鄰於固態光導部份之 離開孔之光耦合兀件之進入面與光導部份之離開孔間隔 開一距離，以在光耦合元件之進入面和固態光導部份之 離開孔之間形成一空間。 19. 如申請專利範圍第18項之光導，其中空間填滿一光透明 材料，其具有低於光耦合元件之材料之折射係數之折射 係數。 20. 如申請專利範圍第17項之光導，其中光耦合元件包括二 色元件，其具有預先決定之傳送和反射帶，其係用以將 光線分離成數個成份和/或用以將光成份結合。 21. 如申請專利範圍第20項之光導，其中光導部份之孔，每個 作用如進入和離開孔，視光束行進通過光導之方向。 22. 如申請專利範圍第1項之光導，其中光耦合元件具有至少 三個TIR表面，一内部反射表面和至少一二色元件，且^ 三個光導部份。 23·如申請專利範圍第1項之光導，其中光耦合元件具有三個 TIR表面，一内邵反射表面和一極化元件以及三個光導部 份0 85491