TW200416477A - Efficient light collector for projection display system - Google Patents

Description

200416477 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於光學收集系統，並且特別係關於一種用於 收集來自如弧光燈等強光源之光之光收集系統，其中光被 應用於一投影顯示系統中。 【先前技術】 投影顯示系統使用強光源目的為，在藉由一或多個光閥 進行光调Ά之後’為咼受度顯示器在視屏（viewingscreen) 上提供充足之光。廣泛應用於此種目的之光源包括弧光 燈，例如UHP與氙氣燈。這些燈的孤伸長形狀使得提供有 效光學系統之設計者面臨發射光之成形與收集以供後續 調變與顯示之挑戰。 在投影中最普通的光收集方法係基於一拋物面狀或橢 圓面狀反射鏡與一透鏡陣列（lenticular array)來校正光 源之非均勻性。由於此些反光鏡類型之典型之大畸變以及 光源與透鏡幾何之不匹配，導致無法保持集光率（光束之 角度範圍）。這造成現行投影機光利用率不佳，特別是在 小型光閥之之情形下。 美國專利6,23^99 ( 2001年5月15曰發行至u)講授_ 種光學系、统’用於從一或多個弧光燈收集光線，並且將所 ^集之光線聚集至小光點大小，以便輕接—目帛，例如-早-光纖之輸入面。該系統包括一用於有效地使弧光燈之 光輸出加倍之回歸反射鏡以及複數個凹形抛物面反射鏡。 申請者的圖1A至圖1C顯示一種以背對背方式使用兩個 87092 200416477 拋物面反射鏡之示範性排列，用於以接近單位放大率來產 生一之弧像。 圖1A顯示一種適用於一具有一伸長弧14之弧光燈光源 12之光收集系統过的縱向剖視圖。該剖視圖相當於弧14之 軸向影像平面。該光收集系統包括一回歸反射鏡16以及一 由主抛物面反射鏡部分1仏與輔拋物面反射鏡部分1讣組 成之複合拋物面反射鏡1 8。來自該弧光燈的光線（以射線 R1與R2表示）被該回歸反射鏡16回歸反射而進入該弧ι4。 拋物面反射鏡部分18a與18b為同轴，並且弧14位於主拋物 面反射鏡部分1 8a之焦點上。因此，來自弧丨4的光線（以 射線R3和R4表示）在辅拋物面反射鏡部分18b之焦點處形 成弧像20，該焦點係用於定位光纖22之一入口面22&。 由於這項排列的對稱性，因而大幅抵消一拋物面之大偏 差。從該孤發射出之光錐角係按由該燈發光性質來決定。 目前UHP燈之錐角非常大。如圖1]5與1C所示，在軸向影像 平面之錐角V約90度，而在徑向平面（圖aa，）之錐角疋約 180度’形成一變形錐（anam〇rphicc〇ne)。錐角如此大以 致於不能通過習知成像光學下游處理。非成像形成構件 (例如一拋物面反射鏡）將重新引入拋物面像差，使得該 原理之目的無效。這樣，儘管圖1的排列使得弧像2〇可接 受’但是無法解決如何從那兒有效地並且以保持集光率方 式來傳送光。 【發明内容】 根據本本發明，該輔拋物面部分被分割成多個子部分 87092 200416477 (segment)，並且每—子部分被 移或被徑…弧形軸線四周）值：“者狐形軸線）偏 弧像（每-子部分形成-個弧傻、.”起形成夕個 弧形軸線偏移。 ，弧像相應地隨著 與每—子部分有關之光錐可以產生得任意小， 由習知光學可提供每一弧像。铁 、精 銥夕—zr你士 4 〜而較佳地，來自光收集系 、、充之母一弧像直接耦接一無損 ^ τ ^ 次 < 集光率保持光導引。該 集光率保持光導引類型係在 . 〜〜〜—年——月一曰申請之共同 申請中美國專利申請案第

、 ―—----5虎（律師摘要PHUS 020,170 )所描述之類型，該專 J匕讓渡給本發明受讓人。 藉由為每―孤像提供—分離光導弓丨輸人部分，每-孤像 都具有-大小可調整至適合該狐像之輸入面並且然後將 这些孤像各自地輸人-光導引主體部分，該光導引主體部 分具有一大小可調整至適合弧像陣列之共同輸入面而得 以實現光圈成形’例如’藉由端對端排列將各個弧像連成 -串’以匹配-單一面板捲動式彩色投影機所要求之條狀 幾何形狀。 調適型」光導引係一具有一大小可調整至適合一單 一弧像或一相互毗鄰或部分重疊但不完全重疊之弧像陣 列之輸入面的光導引。 根據本發明之另一方面，一種光收集系統包括一拋物面 反射鏡，該拋物面反射鏡包括一主拋物面反射鏡部分和一 輔拋物面反射鏡部分，該等部分作為拋物面部分與彼此同 軸疋位，因此一放在該主拋物面反射鏡部分之焦點的物體 87092 200416477 會在該輔拋物面反射鏡之焦點上成像， 其特徵為該輔拋物面反射鏡部分… 分，藉以每一子部分產生一分離影像广°成硬數個子部 根據本發明之另一方面’提供—種 土？丨沿· 子又’了v顯不系綠夕 先引擎，該光引擎包括本發明之光 、、，之 、尤收集糸統與一盔 具有複數個輸入面與一輸出面之集光率保持光管:二一 輸入面皆被定位，用於輸入該光收隼 S，母一之 影像之_。 形成之複數個 根據本發明之另 人W糨不糸統，該系 、、充包括··本發明之光引擎；至少一 一 ^ 九閥，用於調變來自該 光引擎之光線’以根據一顯示信贫一 、 丨°现進仃顯不；以及一投影 透鏡’用於將顯示信號投射至—顯示面上。 該光收集系統提供一種能夠以低成本複製之低像差折 射光學S件’並且實現高效率光收集與光圈成形而不會損 失集光率。這為藉由小尺寸光閥之高效投影開闢了道路。 特別地，抓用窄帶照明之單一面板捲動式彩色系統將從本 發明中受益。 【實施方式】 圖2A至圖2C說明往徑向與軸向方式將輔拋物面反射鏡 刀。i成夕個子部分之方法。圖2 a顯示一複合拋物面反射鏡 U之縱向剖視圖，用於描繪出如何將輔拋物面反射鏡部分 32b沿著縱軸L從位置C到位置d移開而遠離拋物面反射鏡 部分32a，結果導致將弧像34沿著軸線[從位置C’移動至位 置D,。 87092 200416477 圖2 C彳田繪出將輔拋物面反射鏡3 2 b分割成子部分3 2 e與 刀32f’並且使該等子部分往遠離主拋物面反射鏡 如 句方向偏移，藉以沿軸線L產生一影像陣列（42，44 )。 稭由—環形帶32g來連接子部分326與子部分32f。由於較小 角度範圍（分別藉由射線以與以3、以與尺14界定）之光 錐與每一子部分相關聯，因此下游光學元件（如圖3、圖4、 圖5所示之光導引）更容易單獨處理這些光錐所產生之影 像。 圖2B顯不一剖視圖BB，，用於描繪出藉由將輔拋物面反 射鏡邛分32b分割成子部分32(：與子部分32d，並且使該等 子部分往徑向偏移而互相遠離，藉由角度範圍0 (分別藉 由射線R9與Rl〇、RU與R12來界定）之光錐在軸線l之任 一面上產生一分離影像陣列（3 8，40 )。 將輔拋物面反射鏡部分分割成更小的子部分並且沿軸 向或徑向偏移每一子部分，就能夠產生與任意小角度範圍 之每一影像有關之光錐，而得以藉由“習知，，光學元件很 谷易得產生（提供）每一影像。 然而，處理該影像之較佳方法為直接將每一影像耦接至 一調適型光導引。該光導引之類型描述於——年__月―日 申請之共同申請中美國專利申請案第_________號（律師 摘要PHUS 020，170)，題目為「包含f曲部分之無損失集 光率保持光導引」（ guide including bends

Loss-less etendue preserving Light )，其整份揭示内容以引用方式併入 本文中。 87092 -10- 200416477 圖3描繪一種適用於聚集多個影像之調適型光導引之實 施例。光導引之立具有一對輸入部分52和54，該輸入部分互 相隔開，以在各自輸入面52a和54a上分別輸入來自圖2c中 輔拋物面反射鏡部分32b之弧像42和44。來自該等兩個弧 像42與44之光射線（以射線R9與R8表示）分別被輸入導引 部份52與54之側壁（52b，52c)和（54b，54c)導引至輸出面 52(1與54(1，由此光線分別穿過輸入面56&與58&而進入耦接 部分56與58。光線藉由來自面56b、56c、58b、58c之内部 反射而分別被導引至輸出面56(：與58c。在面56c與58c之光 線之入射角決定了光線會在内部反射還是被輸出至主導 引部分60。由此光線經由階梯狀輸入面6(^與6〇b被輸入至 主導引截面，並且藉由側壁6〇c與60d被導引至共同輸出面 60e ° 除了無損失集光率保持光導引外，該光導引還能夠達成 光圈成形，其方式為將影像42與44連成一串而，並且使該 等影像42與44符合主導引部分6〇之橫截面形狀，這相當於 輸出面6〇e之形狀，如圖3B之端視圖所示。該橫截面形狀 係一拉長之矩形，例如為了在捲動式彩色投影中匹配條狀 幾何形狀。 圖4描繪一適合於聚集多個偏離法線（0ff-n〇rmal )弧像 之調適型光導引之另一實施例。形成偏離法線弧像的光錐 /、有如下特性·光錐的軸線既不垂直於L (弧/拋物線）軸 又不位於軸平面（該頁之平面）内，並且係由徑向子部分 所形成。偏離法線弧像的例子是圖2B中弧像”與4〇，其相 87092 200416477 關光錐分別具有軸E與E，。圖4A、圖4B與圖4C是一複合光 導引Z立（圖4 A )之側視圖，該複合光導引係由夹在一起之 一對光導引22 (圖4B )與2A (圖4C )組成。光導引2立包括 輸入部分76，輸入部分76具有一用於輸入弧像38之一調適 型輸入面76a、一内部反射面76b以及輸出面76c。輸入部分 76接合至光導引主體部分78，光導引主體部分冗具有輸入 面78a、側壁78b與78c以及一輸出面（圖中未描繪）。光導 引2·生包括複合輸入部分80，複合輸入部分80具有子部分 82、84與86。輸入子部分82與84各自具有一輸入面（82a， 84a)’這兩個輸入面共同形成一用於輸入狐像之調適型 輸入面（82a，84a)。每一子部分（82, 84, 86)也具有一或多 個内部反射面（82b，86b與84a，84d，取決於入射角）與 一共同輸出面（84d，86c )。輸出部分80接合至光導引主 體部分88，光導引主體部分88包括輸入面88a、側壁88b與 88c以及一輸出面（圖中未描緣）。 圖4D是一複合光導引I之頂視圖G-Gf，用以描繪出弧像 38與40入射至調適型輸入面76a與（82a，84a)，接著輸入 面76a與（82a，84a)分別接觸主體部分78與88。 藉由使未對齊的偏離法線孤像通過無損失光導引中的 一彎曲部或一指疊部分’就可將未對齊的偏離法線對準一 較佳共同方向。這在圖4之複合光導引处中自然地實現。 圖5表示一具有一彎曲部分或一摺疊部分之光導引£立之另 一實施例，該彎曲部分或摺疊部分能夠使光在拐角附近無 損失傳送光線。直光導引92之輸出表面92d與直光導引96 87092 -12· 200416477 之輸入表面96a(分別呈右妒虹t /、有蚨軸y與縱軸z )耦接至耦合元件 94，該耦合元件94具有一輪 輸入表面94a與内部反射表面94b 與94c。視入射角而定， 冷彳丨之光線可能會在麵合元件 94之輸出表面94c内部反 ⑺A穿透该輸出表面94c，如光射 線R1 5之路徑所示。 在本發明中，此類呈右_ 田 、一有祛豐部分之光導引特別有用， 因為來自一徑向子部分之偏 一 ^偏維法線光線（以射線R10盥R11 表示）可以被重新對準一較佳共同方向。 /、 本發明之光收集系統特別適 ^ ^ ^ 、一 〜週用於一種需要可延長弧光 源之面效率光收集或朵杳# / ,-次九束成形之任一應用中，特別適用於 才又衫顯不系統0本發明本队隹么 ^ x a之九收集糸統特別適用於單一面板 彩色投影顯示系統。 -種單一面板捲動式彩色投影顯示系統之特徵為，一單 一錢變器面& (例如-液晶顯示器（lcd)面板）具有 -早-圖像7G素光柵或一像素光柵，《中面板藉由水平伸 長的紅、、綠、藍發光帶或發光條發光。發光條在整個面板 上垂直捲動，㈣同步定址含顯示資訊之像素列，而顯示 資訊對應於入射帶顏色。例如，請參閱1994年3月25日頒 予P.Janssen之美國專利5,41〇,37〇 “改進掃描之單一面板 彩色投影視頻顯示”與1995年5月16日頒予p.Janssen等之 吴國專利5,416,514 “具有使光閥之讀寫與彩色照明系統 同步之控制電路之單面板彩色投影視頻顯示” ’該等專利 之整份揭示内容以引用方式併入本文中。 圖6顯不一應用於此類單一面板捲動式彩色顯示系統之 87092 -13 - 200416477 刀光/、/袞動引擎^^之原理圖。圖7顯示一捲動式彩色顯示 二、洗之目岫運用之光引擎^的發光結構。藉由分色元件 6〇2將來自光源s的白光分割成一藍色分量與一綠色/紅色 刀里G/R。透鏡6〇3與平面鏡6〇4將該藍色分量導向至棱鏡 4^; JUb 5¾ ^ Λ C \ 田。为色元件602將該G/R分量傳遞通過透鏡606至 刀色元件607 ’而分色元件607將G/R分量被分割成一綠色 & f與—紅色分量。分色元件607將該綠色分量反射至棱 鏡掃^器608。接著，平面鏡612以及分程傳遞透鏡613至 6 1 7將該掃描之紅、綠、藍分量導向至重新組合分色元件 610與 611 〇 圖7顯示一結合本發明之一光收集系統之單一面板彩色 投影顯示系統Μ之方塊圖。光引擎710包括光收集系統 72〇 ’而光收集系統720將一條形斷面發光光束提供至分光 與滾動引擎730。裝置73〇按順序產生捲動式紅、綠與藍 條’而得以在整個光閥面板74〇之表面按順序地捲動，該 光闊面板740以同方於來自電子信號輸入源75〇之顯示資 Λ輸入方式來調變捲動之光束。投影透鏡76〇將調變之光 才又射至一顯示表面（圖中未描繪）。 已就有限數量之實施例而論來說明本發明。熟悉此項技 術者可從本份說明書瞭解其他之實施例與實施例之變化 版本’並且預計完全包括在本發明及隨附申請專利範圍之 範轉内。 【圖式簡單說明】 圖1 Α與圖1Β顯示一種用於配合弧光燈光源使用之先前 87092 14 200416477 技術光收集糸統之縱向剖面圖，以及圖1 C顯示該光收率系 統之剖面圖，該光收集系統具有一複合拋物面反射鏡，而 遠複合樾物面反射鏡具有主拋物面部分與辅拋物面部分。 圖2A顯示圖1A與圖1B所示之複合拋物面反射鏡之縱向 剖面圖’用於描緣出根據本發明對輔撤物面部分之改進。 圖2B顯示類似於圖1 c之剖面圖，用於描繪出根據本發明 對辅抛物面部分之另一改進。 圖2C顯示一種本發明之複合抛物面反射鏡之一複合辅 拋物面部分之縱向剖視圖。 圖3 A顯示一種光導引之一實施例之側視圖，該光導引用 於無損失導引來自圖2B與圖2C之收集系統之光線。 圖3B與圖3C分別顯示圖3A之光導引之一輸出面與一輸 入面之端視圖。 圖4 A、圖4 B及圖4 c顯示一光導引之另一實施例之側視 圖’亚且圖4D顯示該光導引之端視圖，該光導引用於無損 失引導來自圖2B與圖2C之收集系統之光線。 圖5顯示-用於無損失光線彎曲之光導引之實施例之側 視圖。 圖6顯示包括本發明之一光 ^ 尤收集糸統與一無損失光導引 之光引擎之原理圖。 圖7顯示一包括圖6之光引聳 單之先閥投影顯示系統之原 理圖。 【圖式代表符號說明】 10 先前技術光收集系統 87092 -15 - 200416477 12 ?瓜光燈光源 14 伸長5瓜 16 回歸反射鏡 18 輔拋物面反射鏡 18a輔拋物面反射鏡部分 18b輔拋物面反射鏡部分 20 弧像 22 光纖 22a 入口面 30 複合搬物面反射鏡 3 2a主拋物面反射鏡部分 32b輔拋物面反射鏡部分 32c輔拋物面反射鏡部分之子部分 32d輔拋物面反射鏡部分之子部分 3 2e輔拋物面反射鏡部分之子部分 3 2f輔拋物面反射鏡部分之子部分 32g環形帶 34 弧像 36 弧像 3 8 分離影像 40 分離影像 42 分離影像 44 分離影像 50 光導引 -16- 87092 200416477 52 輸入部分 52a 輸入面 52b 側壁 52c 側壁 52d 輸出面 54 輸入部分 54a 輸入面 54b 側壁 54c 側壁 54d 輸出面 5 6a 輸入面 56b 側壁 5 6c 輸出面 5 8a 輸入面 58b 面 58c 輸出面 60 主導引部 6 0a 輸入面 60b 輸入面 60c 側壁 60d 側壁 60e 輸出面 70 複合光導 72, 74光導引 87092 200416477 76 光導引之輸入部分 7 6a輸入面 76b 内部反射面 76c輸出面 78 光導引主體部分 7 8a輸入面 7 8b側壁 78c側壁 80 複合輸入部分 82 輸入子部分 82a輸入面 82b 内部反射面 82c輸出面 84 輸入子部分 84a輸入面 84b 側壁 8 4c 側壁 84d輸出面 8 6 輸入子部分 8 6a輸入面 86b 内部反射面 86c輸出面 8 8 光導引主體部分 8 8 a輸入面 87092 -18 200416477 88b 内部反射面 88c 輸出面 90 光導引 92 直光導引 92a 輸入面 92b 側壁 92c 側壁 92d 輸出面 94 耦合元件 94a 輸入面 94b 側壁 94c 側壁 94d 輸出面 96 直光導引 96a 輸入面 96b 内部反射面 96c 輸出面 99c 輸出面 600 分光與滾 602 分色元件 603 透鏡 604 平面鏡 605 棱鏡掃描 606 透鏡 87092 200416477 607 平面鏡 60 8 棱鏡掃描器 609 棱鏡掃描器 610 平面鏡 611 平面鏡 612 平面鏡 613 透鏡 614 透鏡 615 透鏡 616 透鏡 617 透鏡 618 透鏡 700 投影顯示系統 710 光引擎 720 捲動裝置 730 捲動裝置 740 光閥面板 750 電子信號輸入源 760 投影透鏡 R1 光線 R2 光線 R3 光線 R4 光線 R5 光線 -20 87092 200416477 R6 光線 R7 光線 R8 光線 R9 光線 R1 0 光線 R11 光線 R1 2 光線 Φ 角度範圍 -21 87092

Claims (1)

1. 200416477 拾、申請專利範圍： 1. 一種包括一拋物面反射鏡32之光收集系統3〇，該拋物面 反射鏡32包括一主拋物面反射鏡部分32a與一輔拋物面 反射鏡部分32b，該等部分作為拋物面部分與彼此同軸 定位之部分，因此一位於該主拋物面反射鏡部分之焦 點之光源34會在該輔拋物面反射鏡32b之焦點上成像， 其特徵為，該輔拋物面反射鏡部分32b被分割成多個 複數個子部分（32c，32d，32e，32f, 32g)，藉以每一子 部分產生一分離影像（38，4〇，42，44)。 2·如申請專利範圍第丨項之光收集系統^，該辅拋物面反 射鏡部分32b被分割成彼此縱向移位之至少兩個拋物面 子部分（32e，32f)。 3.如申請專利範圍第2項之光收集系M，其中該抛物面部 分係縱向子部分（32e，32f)並且藉由環形帶（32g)連 4 ·如申請專利範圍第2項之光收集系統2立，其中該輔拋物 面反射鏡部分32b之該等拋物面子部分之至少一拋物面 子σ卩刀（3 2 e ’ 3 2 f )被分割成彼此縱向移位之至少兩個 縱向控向拋物面子部分（32c，32d)。 5 ·如申請專利範圍第1項之光收集系統，其中一回歸反 射鏡1 6被配備在該光源3 4後面並且與主拋物面反射鏡 3 2 a成相對關係’以將來自該光源3 4之光線回歸反射回該 光源3 4。 6· —種用於投影顯示系統之光·引擎I，包括：一如申請專 87092 4// 利範圍第1項之φ %隹/ 導扭構件包括呈右、—卞糸充拉以及光引導構件，該光引 八有设數個輸入面（52a，54a)與一輸出面 60a之至少—弁墓 — = 命51，母一輸出面（52a，54a)被定位以輸 " 本系統^所產生之多個複數個影像（4〕，44)之 — 〇 申月專利Ιϋ圍第6項之光引擎拉，其中該光導引具有 至少一彎曲部分94。 8·如申請專利範圍第6項之光引擎.其中該光導引之輸 出面60a具有—伸長之矩形之形狀，結果導致在輸出光中 有一伸長之條狀之光束截面。 9. 如申請專利範圍第6項之光引擎.其中該光導引拉包 括： 一主要部分60，其具有； 一縱軸X， 一具有一對彼此縱向移位之複數個輸入面（60A，60B ) 之階梯狀輸入端，及 一輸出端’該輸出端具有一輸出面6〇e 複數個輸入部分（52，54)，每一輸入部分都具有一輸 入面（52a，54a)與一輸出面（52d，54d)，以及 複數個耦合部分（56，58)，用於耦接該等輸入部分 (52，54)至該主要部分6〇，每一耦合部分（56，58)被定 位於一輸入部分（52，54)之一輸出面（52d，54d)與主要 部分60之一輸入面（6〇a，6〇b)之間。 10. 如申請專利範圍第6項之光引擎g，其中該光導引过之 87092 -2- 200416477 主2分6〇之輸出面60e具有一伸長之矩形之形狀’結果 導致在輸出光中有一伸長之條狀之光束截面。 11.如中請專利範圍第6項之光引擎5G，其中該光導引裝置 一0括至夕第一與第二光導引（72，74)，每一光導引 (72，74)都有一具有一輸入端之主要部分（78，μ)，該 輸入端有一輸入面（78a，88a)，該主要部分（78, 88)以面 對面方位排列，該等至少第一與第二輸入部分⑺，8〇) 之每一輸入部分都具有一輸入面（76a，82a/84a)與一輪出 面（76c，84d/86c)’該第一輪入部分（76)之輸入面（％㈧ 傾斜以輸入來自第一方向E之偏離法線光，並且第二部 分（8〇)之輸入面（82a/84a)傾斜以輸入來自第二方向£，之 偏離法線光，並且該等第一與第二輸出面（76c，84d/86c ) 分別耦接至該等第一與第二主要部分（78，88)之該等第 一與第二輸出面（78a，88a)。 1 2·如申1專利範圍第η項之光引擎，其中該光導引主要部 分之輸出面共同具有一伸長之矩形之形狀，結果導致輸 出光具有一伸長之條狀之光束截面。 13·如申請專利範圍第6項之光引擎拉，其中包括裝置6〇〇， 用於將輸入光分割成紅、綠與藍光束與用於通過一光閥 7 4 0之表面按順序地捲動該光束。 1 4· 一種投影顯示系統ΖΜ，包括：如申請專利範圍第6項之 光引擎H ;至少一光閥740，用於調變來自該光引擎迎 之光線，以根據一顯示信號7 5 0進行顯示；以及一投影 透鏡7 6 0 ’用於將顯不資訊投射至一顯示表面。 87092 200416477 1 5 · —種投影顯示系統ZM，包括：如申請專利範圍第8項之 光引擎拉；一單一光閥740，用於以同步於來自該光引 擎芝立之紅、綠、藍色帶捲動來調變紅、綠、藍光，以根 據一顯示信號750産生顯示；以及一投影透鏡760，用於 將顯示信號投射至一顯示表面。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之投影顯示系統ZM，其中該光 閥740係一反射型液晶顯示幕。 87092