TW200931156A - Optical element having a toric surface and method of making - Google Patents

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200931156 九、發明說明： 【先前技術】 光學投影儀用來將影像投射至表面上以供成群的人們觀 看。光學投影儀包含光學投影儀子系統，光學投影儀子系 統包含透鏡、濾光器、偏光器、光源、影像形成裝置及類 似物。已知固定的前後電子投影儀用於教育、家庭影院及 商務會議中。已知光源包含黑體燈、氣體放電燈及諸如雷 射、發光二極體（LED)及有機發光二極體（〇LED)之固態 〇 源。已知頭戴式顯示器供個人使用。對於行動應用，存在 一使光學投影儀之艎積及厚度小型化且在維持低功率消 耗、低成本及高影像品質之同時使其功率有效之需要。然 而’現有光學投影子系統之大尺寸及高功率消耗限制了產 生一真正可攜式投影儀之努力。需要提供小型化及效率兩 者來以一成本有效方式投射良好品質影像之光學投影子系 統及製造子系統之方法。 【發明内容】 0 在一個實施例中’一影像形成系統包含一提供一光束之 光源及一變形折射光學元件。該變形元件包含一面向該光 源之第一外表面及一入射表面。該第一外表面包含一複曲 面。該變形元件經構形以使得該光束入射於該第一外表面 上且然後入射於該入射表面上。該系統進一步包含一影像 形成裝置’其中該變形光學元件將該光束引導至該影像形 成裝置。 在另一實施例中，一照明系統包含一提供一光束之光源 136178.doc 200931156 及—變形折射光學元件。該變形元件包含一面向該光源之 第一外表面。該第一外表面包含一複曲面及一第一小平面 切割表面。 在又一實施例中，一種製造一照明系統之一變形組件之 方法包含以下步驟：提供具有一邊緣表面之透鏡材料之一 部分；圍繞一第一旋轉轴旋轉透鏡材料之該部分；且在旋 轉該部分之同時切入邊緣表面以形成一複曲面。該方法進 步包含在該複曲面中切割一第一小平面切割表面之步

驟。 提供本發明内容用於以一簡化形式介紹將在下文實施方 式中進-步闡述之若干概念中之一選擇。本發明内容並非 意欲識別所主張標的物之關鍵特徵或基本特徵，並非意欲 闡述所主張標的物之每一所揭示實施例或每一實施方案， 且並非意欲用作一確定所主張標的物之範圍之援助。隨說 明之逐步展開，諸多其他新穎優點、特徵及關係、將變得顯 而易見。以下圖及說明將更具體地例示說明 【實施方式】 本發明可應用於影像形成系統之f景中。本發明 =用之背景之-個實例係投影^統，特別係行動投影系 存在投影系統之諸多不同構形 下丘间Si·直肱* 、中之右干個具有以 ，、將一來自-光源之光束引導至一包含—影傻 形成面板之反射或透射影像形成裝置。 形 裝置通常使用一變形光學景w象形成 ψ术自一先源且具有一 136178.doc 200931156 第縱橫比之光束轉換成一具有一與一影像形成面板匹配 之第一縱橫比之光束。通常’光源具有一η之方形縱橫 在各種實例中，影像形成面板具有一16:9或之矩形 縱橫比，或其他矩形縱橫比。 &該變开y 70件通常沿—個方向壓縮光束以達成所變更的縱 黃 圖1中在影像形成系統1 〇〇之背景中圖解說明一用 於此目的之實例性變形折射光學元件。折射光學元件削 。含Φ向一光源114之第一外表面"2。外表面"2包含 i Φ # 11 8 ° 6發現複曲面對於將來自光源之光朝 二件之中〜引導特別有用。特定而言，撞擊如圖1中所 疋向之第外表面112之頂部與底部之光將被朝向中心引 複曲面係一環面之一表面，其中一環面係一藉由將一 線或直線圍繞_與該直線位於同一平面中之外側線繞轉 j成之形狀。—個常見環面係藉由繞轉一圓而產生之圓 Q 狀然而，術語環面係指藉由繞轉一圓錐曲線所產生 之任一形狀。一圓錐曲線係一曲線或一非直線，其由一平 圓錐相交而形成，包含一橢圓、一抛物線及一 曲線。由於本中請案中使用術語複曲面及環體，因此可 ^式描述用於產生環面之曲線，如同圖中所示實例之 十技影儀系統（其中使用變形元件）進行闡述之 用於β將進一步闡述該第一外表面之額外態樣。 ^ ^ 矩形縱橫比之折射光學元件用於諸多不同類 儀系統中。反射影像形成裝置之一個實例係一使 136178.doc -8 - 200931156 用石夕上液晶（L CoS)之成像面板。光自LCoS成像面板反射 以形成一影像光束。反射成像面板之另一實例係一由一微 型鏡矩陣組成之數位微鏡裝置（DMD)，其中每一鏡片表示 所投射影像中之一或多個像素。該等鏡片可自一其中其反 射光之開位置快速移動至一其中其將光引導至一吸收元件 之關位置。某些透射系統使用光閘，其針對個別像素打開 或關閉以容許光通過或阻擋光。一透射系統之另一實例係 —高溫多晶矽液晶裝置（HTPS-LCD)成像儀。 © 圖1在一反射投影系統100(諸如一具有一 LCoS面板之系 統）之一實例之背景中圖解說明變形折射光學元件丨1()。首 先闡述此系統以提供用於理解折射光學元件11〇之作業的 背景。光源114提供一光束122且包含一固態光發射體 126、一集光透鏡128及一準直儀13〇。該固態光發射體126 择收電功率131且熱耦合至一未顯示之散熱片。在一個實 例中’光束122包括非相干光。在另一個實例中，固態光 發射體126包括一或多個發光二極體（LED)。在一個實例 中，集光透鏡128係一如美國專利公開案第2〇〇7/〇152231 號中所教示之超半球透鏡。 在此實例中，準直儀130包含一併入一第一卜“以丨透鏡 之聚焦單元，該第一 Fresnel透鏡具有一用於接收一第一非 準直光束之第-無小平面側及一用於發射準直光束之第一 有小平面侧。 準直儀m將光束122引導至折射元件11〇。折射元件ιι〇 之第一外表面112面向光源。在圖丨之實例中入射表面 136178.doc -9- 200931156 132包含一偏光濾光器134以形成一具有一被朝向一成像面 板140引導之第一偏光分量的偏光光束丨在此實例中， 變形元件110充當一偏光分光器（PBS)。在此構形中，折射 元件110係一多功能光學組件，其用作一偏光元件以及一 透鏡’且用作一變形元件。所述功能之此組合防止另外將 在提供此等功能之分離組件之間的空氣介面處發生的損 失。 在各種實施例中，偏光濾光器係一吸收偏光器或一反射 ® 偏光器，諸如一栅網偏光器，雙折射偏光器或一薄膜偏光 器。在圖1所圖解說明之配置中，偏光濾光器134係一反射 偏光層’其將一主要包含一第一偏光之光的經偏光光束 136朝向成像面板140引導。一第二偏光分量通過偏光濾光 器134。經偏光光束136經由一第二外表面144退出折射元 件。在一個實例中，第二外表面144具有一非零透鏡焦度 且係一彎曲透鏡表面，諸如一凸表面。在圖1之實例中該 第二外表面係一非球面凸透鏡。 影像形成面板140自一電輸入匯流排146接收影像資料及 電功率。經偏光光束136入射於根據影像資料反射光之面 板14〇上。一經修改光束丨42自面板140反射，其偏光狀態 根據影像資料在逐個像素之基礎上相對於經偏光光束136 的偏光得到修改。對於影像明亮之像素，修改偏光狀態， 而對於面板中影像黑暗之區域，不修改偏光狀態。影像光 束150由經修改光束142之通過折射元件11〇及通過偏光濾 光器134之偏光分量組成。 136178.doc -10- 200931156 折射元件m經定位緊鄰一具有一第一外表面i56之透鏡 疋件154。在圏1之實例中，折射元件⑽與透鏡元件之 間沒有空氣間隙。影像光束15G通過透鏡元件154到達一投 影透鏡總成160。投影透鏡總成⑽提供一適合觀看之影像 景/光束162名稱為”光學投影系統pr〇jecti〇n _ 卜於細年7月31日提出申請、申請案號為 1_1/831，307、代理人檔案號為63281us〇〇2的共同擁有共 同未決專利申請案提供關於可利用具有一複曲面之折射元 〇 件之實例性投影系統之諸多態樣之額外細節。 在某些實施例中，使用色彩定序（諸如藉由一色彩輪之 動作）將色彩賦予投影光束。另―選擇為，可使用三個成 像面板，其每-者用一原色照明。另一選擇為，可將濾色 器併入影像形成面板14〇之圖像元素中。 現在將對第一外表面112作進一步詳細闞述。圖2係具有 一複曲面部分118之折射元件110之一側視圖，且圖3係其 一透視圖。與具有一圓柱形表面形狀用於第一外表面相 © 比，該複曲面提供光之額外混合及一更有效系統。若提供 一純圓柱形表面，則光沿圖丨所定向之垂直方向擴展更 遠。複曲面部分118在將光自如圖丨所定向之第一外表面 112之頂部及底部部分朝向入射表面132之中心引導方面較 有效。 現在參照圖2-3，第一外表面11 2包含一由小平面切割表 面200、210、300及310圍框之複曲面部分jig。在若干替 代實施例中’第一外表面具有一個、兩個、三個、五個、 136178.doc -11· 200931156

六個或其他數量之小平面切割表面。在一個實施例中，該 等小平面切割表面中之一者或多者具有圓枉形表面。在一 個實施例中，一個圓柱形小平面切割表面之半徑不同於至 少一個其他圓柱形小平面切割表面。在圖3之實施例中， -第-小平面切割表面具有兩個部分··第—頂部小平面切 割表面部分200及第二底部小平面切割表面部分21〇，此兩 者皆為具有相同半徑之圓柱形表面。一第 面亦具有兩個部分：第一左侧小平面切割表面 第二右側小平面切割表面部分31〇,此兩者亦皆為具有與 彼此相同之半徑之圓柱形表面，但與第一及第二小平面切 割表面之半徑不同。圖4係折射元件11〇之仰視圖其中第 二底部圓柱形小平面切割表面部分21〇之一邊緣係可見。 應理解，本申請案中之定向參考（諸如頂部、底部、左侧 及右側）係指如正在論述之圖中所顯示之定向，且當系統 在使用中時此等定向係不需要或甚至不準確。 圖5-8係折射元件11〇處於其形成之不同階段之視圖。藉 由闡述一用於形成一實例性第一外表面112之實例性方法 提供關於該表面之更多細節。在一個實例性方法中，首先 提供7L件或透鏡材料之一部分。在此實例性形成方法中較 佳使用-車床邊旋轉邊成形該材料部分。在―個實施例 中’折射it件之材料係-塑膠樹脂材料。美國公開專利申 請案第2007/0030456號提供關於可用於變形折射元件u〇 之材料及形成方法之額外細節。在一個實施例中提供圓盤 形狀之材料部分’且藉由車床使該材料部分圍繞圓盤轴旋 136178.doc •12- 200931156 轉另一選擇為，使用另一形狀之材料部分且連同一用於 使該材料部分圍繞一轴旋轉之夾具一起提供。接下來使 該材料部分圍繞一第一軸旋轉。在旋轉該部分同時，切入 一邊緣表面以形成一複曲面。在各種實施例中，自旋轉轴 至材料部分邊緣之距離大於20 mm、大於30 mm、小於4〇 mm、小於 35 mm、32 mm或 32.25 mm。

在圖5之一透視圖及圖6之剖視圖中顯示一材料部分5〇2 中所得之切割複曲面500。平坦表面510及512用來使材料 部分502固定在一夾持器中。此實施例之複曲面500係藉由 旋轉一由一多項式方程式描述之線或曲線而形成。 圖6之橫截面顯示用於產生複曲面5 00之曲線或輪廓 600。該輪廓由以下描述： 其中’ y軸及z軸顯示於圖6中，z值及y值以毫米表達，且 方程式中之其他變數具有以下值： C k D E F G H I -11 mm. 0 -趟 ΧΙΟ·4 1.45 -4.00 xlO'7 2.00 x l〇'8 0 0 此方程式係一多項式方程式，因彼項通常在光學設計中使 用。變數C係在複曲面之中心部分之y-Z平面中的曲率半 徑。在此實例中，C係一與輪廓中心部分處之凹表面相關 之負值。變數k指示用於產生環體主要形狀之一圓錐橫截 面類型’其中0指示一圓、1指示一抛物線且_1指示一雙曲 線。在由上述方程式描述之實例輪廓中’變數灸為零，其 136178.doc •13- 200931156 指示主要輪廓成份係一圓。在上述實例中，方程式中除第 -項之外之項修改該圓。級數可以更高幂項繼續。對於圖 中所示之實例，在第ίο階項處將級數截斷。圖6中圖解說 曰月環面之繞轉轴602,且其垂直於圓i中所示之成像面板 140之平面》 形成第一小平面切割表 一小平面係一表面的與 一旦產生複曲面500,接下來 面200及第二小平面切割表面21〇。

❹ 毗鄰表面相比成-角度之一不同部分。使圖5中所示之材 料塊502圍繞一旋轉轴旋轉，且使用一車床將一圓柱形表 面切割成複曲面500。在某些實施例中，在複曲面5〇〇中僅 進行一個圓柱形表面小平面切割。在圖7及8之實施例中顯 示一第一小平面切割表面，其具有部分2〇〇及21〇以使得一 複曲面部分720位於其之間。第一小平面切割表面部分2〇〇 及210具有圓柱形表面。在一個實施例中，圓柱之軸與複 曲面之軸相同，皆為軸602。在各種實施例中，第一及第 二切割小平面表面之圓柱形表面半徑大於2〇 mm、大於3〇 小於40 mm、 小於 35 mm、32 mm或 32.25 mm。 小平面切割表面200、210提供額外光混合效應，及所需 縱橫比範圍中比沒有小平面切割表面更均勻之照明。圖5 t沒有任何小平面切割之複曲面5〇〇導致一具有某些較亮 帶之光分佈。圖5及6之複曲面500包含第一隆脊514及第二 隆脊516 ’其在侧面中具有彎線輪廓518及52〇 ^隆脊514及 516致使較凴帶與入射表面132之中線間隔開呈現。為打碎 彼等帶且較均勻地分佈光，提供第一及第二小平面切割 136178.doc • 14 · 200931156 200及21〇 〇 下一步驟係使用圖7及8中之材料部分702且製造一如圖3 中所不之額外小平面切割3〇〇及310 »此第二小平面切割表 面具有。卩分3 〇〇及3 1〇，其進一步打碎光分佈且導致一比沒 有此小平面切割之情況更均勻之光分佈。 關於形成方法，若第一小平面切割2〇〇及21〇形成於一圓 盤狀材料塊上，則自該圓盤切割楔形折射元件11〇以形成 一形狀如材料部分702之材料部分。使圖7之材料塊7〇2圍 ❹、繞-旋轉軸旋轉且使用-車床將—圓柱形表面切割成複曲 面720及第一與第二小平面切割2〇〇及21〇。在圖3之實施例 中，製作第二小平面切割表面3〇〇及3 i 〇以使得一剩餘複曲 面部分118位於其之間。第二小平面切割表面3〇〇及31〇具 有圓柱形表面。在一個實施例中，兩個第二切割表面之圓 柱形表面之半徑相同且小於第一小平面切割表面之圓柱形 表面之半徑。在各種實施例中，第二小平面切割表面之圓 柱形表面之半徑大於2 mm、大於8 mm、小於2〇 mm、小 〇 擊 15 mm、10 mm 或 11 mm 〇 圖3中所圖解說明之折射元件11()可使用一 2轴車床製 造，且不需要一較複雜的車床來製造。圖9係一用來製造 折射元件110之實例性車床900之一示意圖。在車床中，一 車頭902致使一心轴904旋轉。將欲切割之工件9〇6加接至 心轴904，以使得在切割過程中可使工件9〇6圍繞一旋轉軸 旋轉》將工件906附接至心轴904或使用一夾具附接。夾具 或工件之一側具有藉由一尾架9〇8之支撐。該尾架可沿軌 136178.doc •15· 200931156 移離工件（如箭頭912所指示）以給工件906提供 支撐。將一 +7Τ ’、 刀割工具914沿工件之側定位在一工具架9 j 5 可使切割工具移近及移離工件，以及相對於工件從一 側移至另一側，如箭頭916所指示❶車床900稱為一 2軸車 床此乃因切割工具可沿2個軸移動，如箭頭916所指示。 此種類型之車床有時亦稱為- 2½轴或- 3轴車床，其中1/2 2或第二軸係指卫件之旋轉。構形較複雜之5轴車床以使 ❹ ❹ 仔切。，J工具還能夠相對於圖9之平面向上及向下移動且能 夠傾斜。 °彳如圖5中所示之複曲面500時，切割工具沿一材料 圓盤之住向邊緣移動，或沿-夾持在-夾具中之材料之一 部分的圓柱形表面移動以賦予複曲面形狀。因此，面向切 割工具之材料或工件之表面首先係圓柱形。對於複曲面 刀割工具在其正切割進材料中之工件之—第一邊緣 522處開始’自隆脊514上方移離圓盤，且然後在邊緣之中 心處進入材料以切割得更深。然後切割工具再一次自隆脊 方移離圓盤，且當其靠近邊緣526時朝向圓盤移動。 一模製製程(諸如注射模製)可用來複製變形折射元件 110。亦可使用一鑽石 早則裏程或一玻璃澆鑄製程。雖缺 已將變形折射光學元侔齠…、 f姓接Γ 為與（舉例而言）一偏光分光器

或 R棱鏡構成整體，但熟_ Ji # H π A 思此項技術者將會認識到此 變形折射光學元件可係獨立 棱鏡對準。舉例而+，了^ ^與—偏光分光器或 °可使用一光學黏合劑將一變形 折射光干儿件黏附至一 PRQ + BS或一 TIR棱鏡，或可與一 pBS或 136178.doc -16 - 200931156 一 TIR棱鏡對準’其中該變形光學元件與隨後之pBs或TIR 棱鏡之間有空氣。 圖1圖解說明在通常與一作為影像形成面板之LC〇s面板 一起使用之投影系統構形中之一變形折射元件。一具有一 複曲面之變形折射元件亦可用於諸多其他類型之投影系統 中。圖10係一投影系統1000之一俯視圖，該投影系統1〇〇〇 使用一數位微鏡裝置（DMD)作為其成像面板1〇4〇，且還具 有一變形元件1010，其中一第一外表面1012具有一複曲面 〇 部分1018。合適01^0面板之實例包含在商品名數位光處理 器（DLP)下可自德克薩斯州儀器公司（德克薩斯州，達拉斯 市）購得之產品。DMD投影系統之諸多其他構形可能具有 一變形複曲面元件，且圖10僅提供一個此實例。圖1〇之系 統1〇〇〇包含一光源1014，其引導光通過一色彩輪1〇19，且 然後通過一積分柱1〇2〇 ^ 一折疊式反射鏡1〇21將一光束 1022朝向一變形折射元件1010之一第一外表面1012引導。 、變形折射元件1〇1〇將來自一光源、具有一第一縱橫比之 光束1022轉換成一具有一與DMD影像形成面板丨〇4〇匹配之 第二縱橫比之光束。通常，光源具有一 1:1之方形縱橫 比，但光源亦可具有一不同縱橫比。在各種實例中，影像 形成面板具有一 16:9或4:3之矩形縱橫比，或其他矩形縱橫 比。變形元件1010以與上文針對變形元件11〇所論述之相 同方式作業，且能夠具有上文針對變形元件11〇所論述之 各種組態’其巾包含具有第一及第二小平面切割表面其 每一者均具有兩個部分，如圖3中所示。 136178.doc 200931156 閩υ，一全内反射（丁IR)棱鏡1042引導一具有矩 形縱橫比之光束以撞擊其中存在一微小傾斜鏡陣列之影像 形成面板1040。每一鏡之傾斜由載入一與每一鏡相關聯之 d憶體單7L中之資料獨立控制，以使得該等鏡轉向反射光 且在空間上將一像素之視訊資料映射至一投影螢幕上一像 素上。由一處於一開狀態之鏡所反射之光通過一投影透鏡 釔成1060，且被投射至一觀看表面上以產生一明場。另一 方面，由一處於一關狀態之鏡所反射之光錯過投影透鏡總 © 成1060 ’此導致一暗場。代替使用一單個讀〇成像面板 1040及藉由一色彩輪之動作而產生之色彩定序，另一選擇 為，可使用各自用一原色照明之三個DMD成像面板。 另類型之影像形成裝置係一高溫多晶石夕液晶裝置 (HTPS LCD)。一 HTPS-LCD還包含一液晶層，其中如由對 應於視訊仏號之資料所確定，可以遞增方式（逐個像素 地）控制對準。該液晶層夾在包含一透明電極陣列之兩個 0 玻璃基板之間，從而適於在透射中作業。在每一 HTps_ LCD像素之角處存在一微型薄膜電晶體。亦存在非HTps 透射液晶裝置。圖丨丨係一具有一透射LCD成像面板114〇且 具有變形光學元件1110(其具有一複曲面1118)之投影系 統1100之一個實施例之一俯視圖。具有透射成像面板之投 影系統之諸多其他構形可能具有一變形複曲面元件，且圖 η僅提供一個此實例。圖n之系統1100包含一光源ιιΐ4， 其乂供光束1122且包含一固態光發射體Η 26、一集光透 鏡1128及一準直儀113〇。固態光發射體1126接收電功率 136178.doc -18- 200931156 1131且熱耦合至一未顯示之散熱片。在一個實例中光束 1122包括非相干光。在另一個實例中，固態光發射體126 包括一或多個發光二極體（LED) ^在一個實例中，集光透 鏡128係一如美國專利公開案第2007/0152231號中所教示 之超半球透鏡。光源114將光束1122引導至變形折射元件 liio之一第一外表面η 12。 變形折射元件11 ίο將來自一光源、具有一第一縱橫比之 光束1122轉換成一具有一與影像形成面板114〇匹配之第二 © 縱橫比之光束。通常，光源具有一 1:1之方形縱橫比。在 各種實例中’影像形成面板具有一 16:9或4:3之矩形縱橫 比’或其他矩形縱橫比。變形元件111〇以與上文針對變形 元件110所論述之相同方式作業，且能夠具有上文針對變 形元件110所論述之各種構形，其中包含具有第一及第二 小平面切割表面’其每一者皆具有兩個部分，如圖3中所 示。第二外表面1124為用以向成像面板1140提供所需照明 構形所需之任何形狀。 ® —偏光濾光器1132致使具有一第一偏光分量之光被傳輸 至成像面板1140。影像形成面板1140自一電輸入匯流排 1146接收影像資料及電功率。經偏光光入射於面板114〇 上，且光根據影像資料被傳輸通過成像面板，且然後通過 一充當一偏光分析器之第二偏光濾光器1134。一影像光束 11 50藉由面板1140及偏光器1132與1134傳輸，且然後提供 至投影透鏡總成1160。 在圖11中圖解說明一併入光源1114及變形元件1110之照 136178.doc -19· 200931156 系統1170其可用於諸多其中期望均句照明一矩形區域 之不同應用環境中。此於醫藥及牙科背景以及諸多其他情 形中係所期望。相依於具體應用，此一照明系統可包含其 他組件。 存在相關於圖1、10及丨丨所述之投影系統及照明系統之 、:態的諸多替代。舉例而言，一個照明系統具有三個分離 光源。每一分離光源發射一不同原色彩。此系統可與一色 彩組合器元件組合使用，諸如一交又二向色組合器，諸如 © 〔知由塗覆有二向色塗層之直角棱鏡組成之組合器。在一 個實例中，來自每一分離色彩源之每一光束經引導通過一 超半球透鏡，然後通過一 Fresnel元件，且然後進入色彩組 合器。在一個替代實施例中，使用一色彩定序器，以使得 所需色彩自色彩組合器放射。在另一替代實施例中，經混 合白光自色彩組合器出射，且然後被引導至一變形元件， 且然後至一成像面板’其中針對所使用之特定成像面板根 據需要併入有偏光器。在此實施例中，在光路徑中或影像 Ο / 形成面板之圖像元素中使用濾色器。然後光經引導通過一 變形元件到達一成像面板，且然後到達投影光學器件，此 與圖1、10及11中針對不同類型之成像面板所示之配置相 一致0 在圖14所示之另一實施例中，一三通道投影系統14〇〇包 含二個將光引導至三個不同反射成像面板（諸如LC〇s成像 面板）之光發射體。紅光發射體14〇2存在於光源1412中， 綠光發射體1404存在於光源1414中，且藍光發射體1406存 136178.doc 20- 200931156 在於光源141 6中。光源1412、1414及1416之組件與圖1中 針對光源114所論述之組件類似。每一光源之輸出被引導 至一亦充當偏光分光器之變形元件1408、1409及1410，而 此三者又將光引導至影像形成面板1442、1444及1446。變 形元件1408、1409及1410以及影像形成面板1442、1444及 ' 1446之作業及細節與相關於圖1所論述之作業及細節類 似。來自相應總成1410、1420及1430之影像光束1447、 1448及1449被朝向一色彩組合器1440引導，諸如一交又二 〇 向色組合器，諸如已知由塗覆有二向色塗層之直角棱鏡所 組成之組合器。然後經組合影像光束145〇被引導至一投影 透鏡總成1460。圖14中所示之在總成1410、1420及1430與 色彩組合器1440之間的空間係可選擇且通常不存在。在總 成1410、1420及1430與色彩組合器1440鄰接之實施例中， 在色彩組合器1440之出射面處提供一透鏡或光學表面。應 瞭解，圖14中使用反射成像面板之三個通道構形可適於其 他類型之成像系統，諸如圖10之數位微鏡成像系統及圖u 之透射成像系統。 實例 圖12及13圖解說明一投影系統中之變形元件之兩個替代 ， 4 ’其中圖12及13中之變形元件不具有-複曲面。根據 經驗測試圖1、12及13之系統之各種特徵且使用可自位於 馬薩諸塞州之利特爾頓Lambda研究公司蹲得之丁咖心。⑧ 光學建模軟體進行模擬。如下面表1中所示’將三個系統 之不同特性作比較。 136178.doc -21 - 200931156 表1-圖1' 12及丨3之構形之比較

圖12係仃動投影系統1200之一俯視圖，該行動投影系 統12 0 0包含一束 在—偏光分光器（PBS)1227之入射面之前充 备變形70件之雙圓柱透鏡。光源1214包含一將一光束引 導至圓柱透鏡1209之發射體1226，圓柱透鏡1209又將光引 導至^具有而1〇 、 闻1211之第二交又圓柱透鏡1208。PBS 1227包 含一凸入射’面]. 229及一在一入射表面1232上之反射偏光層 1234。反射偽止a , Q 啤九層1234將光朝向LCoS成像面板1240引 導’其又將影像光束引導回來通過PBS 1227且通過投影透 鏡總成1260。 1¾ 13 |g> 1 ' 汽_ 12之系統類似之行動投影系統1300之一俯 視圖但代替—雙圓柱透鏡1208，一柱體透鏡1308併入 PBS 1327之入射面1309中。 根據、經驗且藉由光學建模測試之圖1之系統包含一固態 4* 44* SA ^ 其係一由 Cree，Inc. (4600 Silicon Drive, 136178.doc -22- 200931156

Durham, NC 27703)用藍 InGaN 晶粒（零件號為 C450-EZ1000-S30000)加上一保形黃磷光體製作之白LED。美國 專利公開案第US 2007/0152231號中闡述集光透鏡及其至 LED之搞合。準直儀係一Fresnel透鏡，其具有一用於接收 一非準直光束之無小平面側及一用於發射準直光束之有小 平面侧。對於根據經驗測試之系統，使用一塑性材料製作 變形元件110且使用一車床成形第一外表面。PBS内之反射 偏光膜係由3M公司（聖.保羅，MN 55144)在"VIKUITΓ高 〇 級偏光膜（APF)之商品名下製造。影像形成裝置係一由奇 景光電（位於臺灣台南縣74445號新市鄉樹穀園紫楝路26號 2層）製造，零件號為HX7007ATBFA，具有内部紅色、綠色 及藍色濾色器之LCoS微顯示器。此系統具有一 640像素 x480像素之解析度，且成像面板之一縱橫比為4:3。 在表1第二行及第三行中所示的在LCoS面板下所模擬之 效率值及在95%場下所模擬之相對照明（RI)係使用 TracePro®光學建模軟體確定的。在LCoS成像面板下所模 ® 擬之效率係在LCoS面板處接收之光與光源輸出之光之比 率。在95%場下所模擬之相對照明係在一第一點處所獲得 之照明與在LCoS面板之中心處所獲得之照明相比之比 率。若自LCoS面板之中心至其一角劃一條線，則該第一 點位於沿彼線自中心朝向角之距離的95°/。處。針對沿劃至 每一角之線之四個點進行此計算，且將結果求平均值。一 類似計算方法用於在90%場下所量測之相對照明。在經驗 性量測期間，將一全白影像投射至一螢幕表面上。影像之 136178.doc -23- 200931156 對角線之大小為23英吋。用一美能達牌CL_2〇〇曝光表進行 量測。 此發明之各種修改及變更將為熟悉此項技術者所明瞭， 此並不背離此發明之範圍及精神，且應理解，此發明不應 當侷限於本文所述之說明性實施例。 【圖式簡單說明】 參照附圖將進一步闡釋所揭示之標的物，其中在全部若 干視圖中相似參考編號指代相似結構或系統元件。 圖1係一包含在其入射面上具有一複曲面之一有小平面 光學元件之一行動投影系統之一個實施例之俯視圖。 圖2係圖1之光學元件之一俯視圖。 圖3係圖2之光學元件之一透視圖。 圖4係一具有一複曲面之光學元件之一個實施例之一側 視圖。 圖5係一具有一複曲面之光學元件之一透視圖，其係在 製造圖2之光學元件過程期間之一中間形式。 圖6係圖5之光學元件沿圖5中之線6-6之一剖視圖。 圖7係一具有一複曲面（其具有圓柱小平面切割）之光學 元件之一透視圖，其係在製造圖2之光學元件之過程期間 之另一中間形式。 圖8係圖7之元件之另一透視圖。 圖9係一顯示一用於製造本發明一個實施例中一具有一 複曲面（具有添加之圓柱形小平面）之透鏡之21/2軸車床的示 意圖。 136178.doc -24- 200931156 圖ίο係一具有一數位微鏡成像儀及具有一光學元件（其 具有一複曲面）之行動投影系統之一個實施例之一俯視 圖。 圖11係一具有一透射偏光成像儀及具有一光學元件（其 具有一複曲面）之行動投影系統之一個實施例之一俯.視 圖。 圖12係一包含在一偏光分光器之入射面之前之一雙圓柱 透鏡之行動投影系統之一俯視圖。 〇 圖13係一包含一作為一偏光分光器之入射面之圓柱透鏡 的行動投影系統之一俯視圖。 圖14係一包含三個色彩通道之投影系統之一俯視圖。 儘管上述所識別圖闡述所揭示標的物之一或多個實施 例，但如揭示内容中所述本發明亦涵蓋其他實施例。在所 有情形中’此揭示内容以表示而非限定之方式呈現所揭示 之標的物。應理解’熟習此項技術者可設計出大量其他修 改及實施例，此仍歸屬於此揭示内容之原理之範圍及精神 ® 内。 【主要元件符號說明】 100 影像形成系統（反射投影系統） 110 折射光學元件 ^ 112 第一外表面 114 光源 118 複曲面部分 122 光束 136178.doc -25· 200931156

126 固態光發射體 128 集光透鏡 130 準直儀 131 電功率 132 入射表面 134 偏光濾光器 136 經偏光光束 140 面板 142 經修改光束 144 第二外表面 146 電輸入匯流排 150 影像光束 154 透鏡元件 156 第一外表面 160 投影透鏡總成 162 影像投影光束 200 小平面切割表面 210 小平面切割表面 300 小平面切割表面 310 小平面切割表面 500 複曲面 502 材料部分 510 平坦表面 512 平坦表面 136178.doc -26- 200931156

514 隆脊 516 隆脊 518 彎線輪廓 520 彎線輪廓 522 工件第一邊緣 526 邊緣 600 曲線或輪廓 602 繞轉軸 702 材料部分 720 複曲面 900 車床 902 車頭 904 心轴 906 工件 908 尾架 910 軌道 914 切割工具 915 工具架 1000 投影系統 1010 變形折射元件 1012 第一外表面 1014 光源 1018 複曲面部分 1019 色彩輪 -27- 136178.doc 200931156 1020 積分柱 1021 折疊式反射鏡 1022 光束 1040 影像形成面板 1042 全内反射棱鏡 1110 變形光學元件 1112 第一外表面 1114 光源 ❹ 1118 複曲面 1122 光束 1124 第二外表面 1126 固態光發射體 1128 集光透鏡 1130 準直儀 1131 電功率 1132 偏光濾光器 Ο 1134 第二偏光濾光器 1140 成像面板 1150 影像光束 1160 投影透鏡總成 1170 照明系統 1200 行動投影系統 1208 第二交叉圓柱透鏡（雙圓枉透鏡） 1209 圓柱透鏡 136178.doc -28- 200931156

1211 面 1214 光源 1226 發射體 1227 偏光分光器（PBS) 1229 凸入射面 1232 入射表面 1234 反射偏光層 1240 成像面板 1260 投影透鏡總成 1300 行動投影系統 1308 柱體透鏡 1309 入射面 1327 偏光分光器（PBS) 1400 三通道投影系統 1402 紅光發射體 1404 綠光發射體 1406 藍光發射體 1408 變形元件 1409 變形元件 1410 變形元件（總成） 1412 光源 1414 光源 1416 光源 1420 總成 136178.doc -29- 200931156 1430 1440 1442 1444 1446 1447 1448 1449 φ 1450 1460 總成 色彩組合器 影像形成面板 影像形成面板 影像形成面板 影像光束 影像光束 影像光束 經組合影像光束 投影透鏡總成 ❹ 136178.doc -30-

Claims (1)

1. 200931156 十、申請專利範圍·· 1. 一種影像形成系統，其包括： 一光源，其提供一光束； 一變形折射光學元件，a句乜 _ ^ '、a括—面向該光源之第一外 表面及-入射表面，其中該第-外表面包含一複曲面， 其中該折射光學元件經構形以使得該光束人射於該第一 外表面上且然後入射於該入射表面上；及 一影像形成裝置；

   〇 其中該變形元件將該光束引導至該影像形成裝置。 2. 如請求们之系統，其進-步包括一與該入射表面此鄰 安置之反射偏光層。 3. 如請求項2之系統，其中該影像形成裝置係一矽上液晶 (LCoS)成像面板。 如請求項1之系統，其中該影像形成裝置由包括以下之 群組中之一者組成：一矽上液晶（LCoS)成像面板、一透 射液晶顯示器（LCD)、一高溫多晶矽（HTPS)成像儀，及 一數位微鏡成像儀。 5·如請求項1之系統，其中該複曲面係藉由繞轉一由一多 項式描述之曲線而產生。 6.如％求項1之系統’其中該第一外表面進一步包括一第 一小平面切割表面。 7·如請求項6之系統，其中該第一小平面切割表面係一圓 柱形表面。 8·如請求項6之系統，其中該第一外表面進一步包括一第 136178.doc 200931156 二小平面切割表面。 9·如请求項8之系統，其中該第一小平面切割表面及第二 小平面切割表面係圓柱形表面。 ”月求項9之系統，其中該第一小平面切割表面具有一 第圓杜开> 直徑且該第二小平面切割表面具有一不同於 該第—圓柱形直徑之第二圓柱形直徑。 月求項1之系統，其中該第一外表面包括複數個不同 光焦度之小平面。 © I2.如請求項1夕备*4.,. , 項之系統，其中在一觀看表面處測得之該影像 形成系統之一相對效率為至少約5%，且影像形成系統在 該觀看表面處之一相對照明為至少約30〇/〇。 13. —種照明系統，其包括： 一光源，其提供一光束；及 變形折射光學元件’其包括__面向該光源之第一外 表面’其中該第-外表面包含一複曲面及一第一小平面 切割表面。 Q 14. 如請求項13之系餘，甘士 —姑 糸統其中該第一小平面切割表面係一圓 柱形表面D 15.如所求項13之系統，其中該第一外表面進一步包括一第 二小平面切割表面。 16·如請求項15之系 1 ，、中該第一小平面切割表面及第二 小平面切割表面係_形表面。 17.如請求項16之系統， 第一圓柱形直徑且該 其中該第一小平面切割表面具有一 第二小平面切割表面具有一不同於 136178.doc 200931156 該第-圓柱形直徑之第二圓柱形直徑。 18.如請求項】7之 位也、其令該第一小平面切割表面包括定 位於該複曲面之對置側 B ^ 夏1則上之一第一部分及一第二部分， 且，、中該第二小平面切 刀」表面包括定位於該複曲面之對 置側上之一第一部分及一第二部分。 Ι9·=項13之系統，其中該第-外表面包括複數個不同 先焦度之小平面。 20. —種製造一昭明糸 ❹ β …月系統之一變形組件之方法，其包括： 提供具有一邊緣表面之透鏡材料之一部分； 圍繞一第一旋轉軸旋轉該透鏡材料部分； 在旋轉該部分之同時，切入該邊緣表面以形成-複曲 面；及 吸曲 在該複曲面中切割一第一小平面切割表面。 儿如請求項20之方法’其進一步包括在該該複曲面 一第二小平面切割表面。 ° ❹ 22. 如請求項20之方法，其中該複曲面係定義為一由一多 式所描述之線的旋轉。 23. 如請求項20之方法，其進一步包括自該透鏡材料部分切 割一棱鏡形狀之步驟。 3 24. 如請求項20之方法，其進一步包括毗鄰該透鏡材 同於該複曲面之入射表面定位一反射偏光膜。 136178.doc