200937102 六、發明說明： L 明 屬 貝^^ 發明領域 [001]本教示於此大致與用於投影機的光學引擎有關， 5 以及更加特別地’與用於LED照射之(數位化光投影)DLP投 影機的光學引擎組態有關。 發明背景 [002] 在過去幾年中，數位化革命已使對各種類型的數 10 位顯示器裝置的需求增強。對從消費者產品到諸如抬頭顯 示器之特定應用等的不同應用而言，資料投影機已變得廣 泛可得。一個趨勢是具有高流明輸出的越來越小的投影 機。存在將投影機整合到諸如照相機或蜂巢式電話之各種 手持裝置中的需求。另一方面，在典型大小的投影機中， 15 諸如在會議室中使用或家用的資料投影機，具有有小燈功 率的高流明輸出是持續不斷的需求。還有，另一需求是用 於能夠使用LED(發光二極體）作為資料投影機之光源之解 決方案，諸如流明輸出及流明/瓦特比在所期望的位準。對 於這些需求而言，一個共同因素是如何製造一投影機光學 20 引擎’藉此其使小的大小及高通量同時成為可能。 [003] 資料投影機可透過&用諸如LCD(液晶裝置）、 LCoS(矽基液晶）或Dmd(數位微鏡裝置）之微型顯示器技術 來構建。DMD較基於液晶的裝置具有很大的優點，因為— 個DMD鏡板可利用照射光束的兩個線性極化方向，而基於 3 200937102 液晶之鏡板的每一鏡板僅可調變一個極化。 [004]DMD的一個缺點是對角線方向的鏡傾斜轴。鏡板 需要受到來自一對角線方向的照射，而這將導致一困難的 形狀因數，因此導致用於整個投影系統封裝之較大的大 5 小。通常所使用的具有DMD微型顯示器的光學引擎組態是 V組態、場透鏡組態、TIR稜鏡（全内反射稜鏡）組態以及反 向TIR稜鏡組態。V組態典型地透過靠近成像光束使用一折 疊式反射鏡來解決對角線照射問題，該折疊式反射鏡將照 射光束與成像光束分離，以及將照射光束定向為水平方 10 向。然而，F數在V組態中受到嚴重限制，這使其在許多應 用中不合適。該場透鏡組態透過在DMD鏡板上插入一場透 鏡來改進該V組態，藉此可提高可用通量。然而，其使用高 折射率高NA(數值孔徑）場透鏡，該場透鏡昂貴且產生像 差’這連同遮蔽折疊式反射鏡一起限制了可用通量。TIR 15 稜鏡組態具有相對較大的大小，以及由於DMD鏡板與最近 中繼透鏡之間的較長光學路徑，通量受到限制。其沒有以 一種有效的方式解決該對角線照射問題。因此，在許多應 用中’其不是一種實際的組態。與TIR稜鏡組態相比較，反 向TIR稜鏡組態使用TIR稜鏡的反方向。反向TIR稜鏡組態 20 通常透過使用一楔形稜鏡來解決該對角線照射問題，其中 該楔形稜鏡使照射光束水平傾斜。反向TIR組態使較小的大 小成為可能，但是通量由於所不期望的TIR反射或稜鏡傳輸 而受到限制。反向TIR稜鏡組態的操作在，例如國際專利公 開案WO/2007/002694中描述。 200937102 [005 ]用於對角線照射問題的上述解決方案能夠使照射 光束的光學轴彎向與成像側光學轴成同一平面，因此使較 小的一維大小（其通常為投影機的厚度)成為可能。 5 ❹ 10 15 ❹ 20 C 明内容;3 發明概要 [006] 根據本發明之一示範性的實施例，存在一種用於 光投影系統的裝置，該裝置包含： •至少一個光源； •光收集及中繼光學裝置； •一反射表面； •一微型顯示器 •佈置在該反射平面與該微型顯示器之間的一照射全 内反射TIR稜鏡； •佈置在該照射TIR稜鏡與該微型顯示器之間的一成 像TIR棱鏡； •一投影透鏡。 在該實施例中，該光收集及中繼光學裝置受配置以將由該 至少一個光源發出的光傳送至該照射TIR稜鏡；該TIR稜鏡 受配置以將該光全内反射至該反射表面；該反射表面受配 置以使該光反射經過該照射BR稜鏡及該成像TIR稜鏡而到 達該微型顯示器；該微型顯示器受配置以使該光反射經過 該成像TIR稜鏡；以及該成像TIR稜鏡受配置以從該微型顯 示器向該投影透鏡全内反射該光。 [007] 另外的目的及優點將從對接下來描述及圖式的考 5 200937102 慮變得顯而易見。 圖式簡單說明 [008]第1圖：根據本發明的一示範性實施例之一光學 引擎的概要圖。 5 10 [009] 第2A圖：—RTIR光學引擎組態的上視圖。 [0010] 第2B圖：本發明之一示範性實施例的上視圖。 [0011] 第2C圖：—RTIR光學引擎組態的側視圖。 [0012] 第2D圖：本發明之一示範性實施例的侧視圖。 [0013] 第3圖：一Rtir光學引擎組態之操作的一餘弦空 間表示。 [0014]第4圖：根據一 RTIR光學引擎組態的一稜鏡紐 態。 [0015]第5圖：根據本發明之一示範性實施例的一稜鏡 組態。 15 [GG16]第6圖：根據本發明之-示範性實施例之操作的 一餘弦空間表示。 [0017] 第7圖：具有根據本發明之一示範性實施例之_ 光學引擎之三條光線路徑的概要圖。 [0018] 第8 Α-8Β圖：本發明之一示範性實施例，其中中 20 繼光學系統與該照射TIR稜鏡整合。 [0019] 第9Α-9Β圖：本發明之一示範性實施例，其中昭 ' · #、、、 射T1R棱鏡的TIR表面不與成像TIR稜鏡的TIR表面平行。 [0020] 第10A-10B圖：本發明之一示範性實施例，其中 TIR表面的法線與微鏡的對角線在同一平面上。 200937102 [0021] 第11圖：本發明之一示範性實施例，其中一蠅眼 式(fly’s eye)透鏡陣列用於光束之均質化。 5 Ο 10 15 20 [0022] 第12A圖：根據本發明之一示範性實施例之一配 置的一概要圖，其中該配置具有三個不同色彩LED源及三 個照射核組，其中輸出透過交又的二向色分色鏡來組合。 [0023] 第12B圖：根據本發明之一示範性實施例的一概 要圖，其類似於第12A圖，但是具有一個或多個高NA透鏡 或透鏡系統，而不是照射模組。 [0024] 第12C圖：根據本發明之一示範性實施例的一概 要圖，其類似於第12A圖，但是具有一錐形光導管連同一中 繼透鏡或中繼透鏡系統，而不是照射模組。 [0025] 第12D圖：根據本發明之一示範性實施例的一概 要圖，其類似於第12A圖，但是使用一TIR準直儀連同一蠅 眼式透鏡陣列和/或中繼透鏡，而不是照射模組。 [0026] 第12E圖：進一步適應第12A-12D圖的一概要圖。 [0027] 第13A-13E圖：根據本發明之各個實施例之第1 圖之鏡鍍膜表面之各種實施的概要圖。 [0028] 第14A-C圖：根據本發明之各個示範性實施例之 照射TIR稜鏡之鏡鍍膜第二表面之各種配置的概要圖。 [0029] 第15圖：顯示稜鏡表面法線之命名的一概要圖。 [0030] 第16圖：顯示稜鏡表面法線之命名的一概要圖。 [0031] 第17圖：包含靠近根據本發明之一示範性實施例 之微型顯示器的一場透鏡之本發明的一概要實施例。
[0032] 第18圖：包含位於該照射T1R稜鏡與該成像TIR 7 200937102 稜鏡之間之一稜鏡的本發明的一概要示範性實施例。 [0033] 第19-21圖：第8A圖中之組態的光線追蹤結果。 [0034] 第22-24圖：第i〇A圖中之組態的光線追蹤結果。 【實施方式3 5 較佳實施例之詳細說明 [0035] 本發明之實施例提供用於投影機，以及特別有利 地用於LED照射DLP投影機的一精巧且有效的光學引擎組 態。最有利的現存組態之一是用在一些（數位化光投影機） 中之所謂的反向TIR(全内反射）組態。該反向TIR組態是_ 10 種精巧且有效的投影機組態，然而，其具有由於DMD(數位 微鏡裝置）鏡板之對角線傾斜方向而產生的一個嚴重的缺 點.該鏡板需要受到來自一對角線方向的照射，而這將導 致一個困難的形狀因數，從而導致用於整個投影系統封襞 之較大的大小。一個現有的用於該問題的部分解決方案是 15使用一所謂的楔形稜鏡，該楔形稜鏡將照射方向轉向與成 像側光學轴成同一平面，因此使較小的一維大小（其典型地 是投影機的厚度)成為可能。 [0036] 本發明之實施例提供不具有該問題的一種新的 光學引擎組態，因此使照射方向不僅與成像軸在同一平 20面，而且也使成像轴與投影透鏡轴實質上平行。這使投影 機之較小的兩維大小（例如厚度及寬度)成為可能，而同時具 有較高的流明通量。 [0037] 下文關於該等圖式描述本發明之一些實施例。第 1圖呈現本發明之一示範性實施例的一般化圖。該光學引擎 200937102 包含： • 一個或多個光源100 •收集及中繼光學系統102 •照射TIR稜鏡104，該照射TIR稜鏡104包含一第一表 5 面106、一照射ΉΙΙ表面108及第二表面110 •鏡 112 •微型顯示器114 •成像TIR稜鏡116,該成像TIR稜鏡116包含一第一表 ® 面118、一成像TIR表面120及第二表面122 10 •一投影透鏡124 [003 8]本發明之示範性實施例提供一種新的光學引擎 組態，該組態解決對角線照射問題，使照射方向不僅與成 像軸在同一平面，而且也使照射軸與投影透鏡軸實質上同 向，因此使較小的投影機兩維大小（例如厚度及寬度）成為可 15 能。 [0039]本發明之某些實施例的一個優點是用於投影 機，特別是LED照射DMD投影機的一精巧且有效的光學引 擎組態。因此，本發明之某些光學引擎實施例的技術效果 是： •非常精巧的大小 •有利的形狀因數 •大的通量 •高光學效率 •小數量的光學元件 9 200937102 •大量製造 [0040]操作如下：光從一個或多個光源1〇〇發出。該收 集及中繼光學系統102從該（等）光源1〇〇收集光，以及經過照 射及成像TIR稜鏡1〇4、116對微型顯示器114形成一實質均 5 勻照射。光路經相應地由箭頭126、128、130、132表示。 照射TIR稜鏡1〇4透過使用全内反射將光束Π8從照射TIR表 面108反射到鏡112，該鏡112進一步使該光束反射經過該同 一照射TIR稜鏡1〇4及該照射TIR表面108以及經過該成像 TIR稜鏡116以及經過其成像TIR表面120到達該微型顯示器 10 114 ’如箭頭130所示。該微型顯示器114使該光束從所期望 的像素反射經過該成像TIR稜鏡116到達投影透鏡124的入 射光瞳，如箭頭132所示。該成像TIR棱鏡116透過使用全内 反射在該成像TIR表面120使光束132從該微型顯示器114反 射到達投影透鏡124的入射光瞳。 15 [0041]與先前技術相比較，本發明之示範性實施例的一 些新穎關鍵層面是照射TIR稜鏡元件，以及全内反射在其處 的使用。如可概要地從第1圖及後面圖式中的更多詳述看 出，所呈現之照射TIR稜鏡元件的使用使由虛線134所示的 照射侧光學轴轉向與由虛線136所示的成像側光學轴實質 2〇 上平行。該照射側與該成像側可被認為是由TIR表面108、 120(或其間的空氣隙）分離。 [0042]鑒於第1圖之顯示經過整個裝置之光學轴的箭 頭，可發現的是，該裝置的光學轴如在該照射TIR稜鏡的一 輸入與該成像TIR稜鏡的一輸出（在表面122)之間是平行 200937102 5 ❹ 10 15 ❹ 20 的，其中光從至少一個光源進入該照射TIR稜鏡之該輸入 (在表面106)，光在該成像TIR稜鏡之該輸出處指向投影透 鏡。該光學軸是從該成像TIR稜鏡之該輸出經過該投影透鏡 的一直線。該裝置受配置，藉此從該微型顯示器114向該成 像TIR稜鏡116反射之光的一光束實質上是遠心的。在第1 圖之特定實施例中可發現的是，該照射TIR棱鏡1〇4受配置 以’從(在表面106輸入之）光源以大約90度的一角度向反射 表面反射該光(在表面110從照射TIR稜鏡輸出），以及該成 像TIR稜鏡受配置以，從該微型顯示器（在表面118輸入）以 大約90度的一角度向該投影透鏡反射該光(在表面122從成 像TIR棱鏡輸出）；以及另外，（鏡112之)每一反射表面以及 該微型顯示器114受配置以，以大約180度的一角度反射該 光。典型地，由於與像素邊緣成45度角的傾斜轴，DMD鏡 板需要從對角線方向來照射。具有實質上平行照射及成像 側光學軸的能力使較小的光學引擎組態成為可能。本發明 之實施例使成為可能的該較小大小於商業產品中產生另一 重要優點：可能增加系統通量而不犧牲大小，這將在下文 中描述： [0043]該大小及形狀因數優點可透過第2A圖及第2B圖 彼此之間相比較來發現。第2A圖顯示根據反向TIR光學引 擎組態的一微型投影機擎。照射光學轴向量200透過使用一 楔形稜鏡204轉向與成像側光學轴向量202在同一平面中。 第2B圖顯示根據本發明之教示的一投影引擎，其與第2A圖 具有同等光源206、208、210、同一DMD鏡板212及同一投 11 200937102 影透鏡214。照射光學軸向量216不僅與該成像側光學轴向 量202在同一平面上，而且（實質上)與其平行，因此該光學 引擎的大小實質上受到減小。第2B圖之整個光學引擎的外 形也容易整合到諸如數位照相機之其他產品的内部。第2C 5 圖及第2D圖從側視圖顯示兩個引擎。 [0044] 如於第3圖中所示，一投影機之一光學引擎的操 作可於微型顯示器之上的方向餘弦空間中呈現。X轴300及y 轴302相應地是方向向量的X及y分量。這種表述特別有用， 特別是當照射是遠心的或接近遠心時。在非遠心系統中， 10 該表述也可使用，但是對每一場點單獨使用。第3圖顯示一 反向TIR稜鏡光學引擎的一典型餘弦空間表述。相對應的稜 鏡組態於第4圖中顯示。橢圓304環繞對DMD陣列的入射照 ^ 射光束。在該範例中，微鏡的傾斜角是像素對角線方向+/_12 度。因此’入射光束304的光學軸306遭對角線定向，且對 15 DMD陣列的法線在原點308成大約24度角。照射光束具有 F/2.4之角度範圍。該等微鏡對於處於開啟狀態的點P1對角 〇 線傾斜-12度。因此，圓310呈現從該等微鏡反射後的輸出 光束。其也呈現投影透鏡的入射光瞳。橢圓312顯示微鏡根 本沒有傾斜之時的平坦狀態光束。橢圓314顯示關閉狀態光 2〇 束，其中微鏡對於點P2對角線傾斜+12度。 [0045] 在一典型反向TIR組態中，該成像TIR稜鏡404之 TIR表面402的表面法線400與DMD鏡板408的法線406具有 45度角。典型地，最接近的楔形稜鏡410的表面412與TIR 表面402平行。用於兩個棱鏡404、410的典型材料是BK7， 12 200937102 該材料的折射率大約是1 52。 5 ❹ 10 15 Ο 20 [0046] 為了使照射光束通過該楔形稜鏡41〇與該TIR稜 鏡404之間的空氣隙，照射光需要在圓錐體414中受定向從 TIR表面法線400跨度臨界角acrU。該臨界角可由=sin(/)來計 算，其中=稜鏡之折射率及=間隙媒體之折射率(在該範例中 是空氣）。為了使成像光束從TIR表面402反射到投影透鏡的 入射光瞳，成像光束的方向光線需要在同一圓錐體414的外 部。因為該圓錐體414呈現在該等稜鏡内部傳播之光線的方 向，而其不能直接轉換到第3圖。該圓錐體414需要首先透 過TIR稜鏡404的第一表面416來光線追蹤，藉此該等光線在 空氣中傳播，經傳播後的圓錐曲線可繪製到第3圖。圓錐體 之受光線追縱部分由曲線316表示。由於在第一表面416的 全内反射，圓錐體414的一部分不能對DMD受光線追蹤。 TIR反射可從曲線316看到，藉此其受到以原點為圓心且具 有半徑1之圓的限制，這是自然的。照射光束3〇4内部之水 平描繪區域320位於曲線316外部，因此不能通過從楔形稜 鏡410到TIR稜鏡404的空氣隙。曲線318表示從在開啟狀態 之微鏡反射後的曲線316。因此，成像光束31〇内部的水平 描繪區域322沒有受照射。該成像光束31〇内部的垂直描繪 區域324沒有從TIR表面402反射，因為其在該曲線316的内 部。僅在F/2.4成像光束310之内部的對角線描緣區域326可 在光投影中使用，即光束的集光率受TIR稜鏡傳輸圓錐體 414的限制。 [0047] 曲線316關於X軸對稱。為了消除來自該tir棱鏡 13 200937102 傳輸圓錐體414的集光率限制322、324，該圓錐體應受配 置，藉此相對應的曲線316將關於對角線328對稱。除此之 外，該曲線316應在ρ!與該對角線328相交。由於TIR圓錐體 414所產生的通量限制322、324之方式將消除。為了實現這 5 一點，稜鏡需要繞z軸旋轉45度。在反向TIR光學引擎中， 該z旋轉將使光學引擎的大小明顯地增加，特別是投影機的 厚度(其是投影機之最重要的特徵之一）將顯著地增加。 [0048] 本發明也為這一問題帶來了解決方 案。因為整個 光學引擎在其形狀上實質是線性的，對角線方向（即遭繞z 10軸旋轉45度）的TIR稜鏡不顯著地增加引擎的大小，以及小 的投影機厚度可在集光率限制遭消除的同時受維持。 [0049] 為了說明這一點，第5圖顯示一照射TIR稜鏡5〇〇 及一成像TIR稜鏡502之組態，其中通量實質上透過使用對 角線方向的TIR表面法線來提高。TIR表面512、514之法線 15 向量508、51〇的投影504、506在DMD陣列平面上沿z轴與 DMD陣列516的邊緣形成45度角。使用該組態的整個光學引 擎稍後顯示在第10A圖及第10B圖中。第6圖顯示相對應的 方向餘弦表示。如我們所看到的那樣，照射光束314完全在 圓錐曲線316内部，而成像光束31〇完全在圓錐曲線316外 2〇 部。因此，TIR表面不限制光學系統的通量。通量僅受F/2.4 照射的限制。例如，在稍後的例子中，我們顯示F/2 〇引擎 ~7如何用小及所期望的形狀因數來構建。甚至小於F/2_〇的ρ 數可根據本發明之教示來設計。然而，在對角線方向中，F 數可能受到微鏡之傾斜角的限制。值得注意的是，離開原 14 200937102 5 ❹ 10 15 ❹ 20 點308的圓錐曲線距離可透過改變稜鏡404、410、500、502 的折射率（即透過改變材料），以及透過改變表面402、412、 512、514的傾斜角（即向量400、406之間的角度）來調整。第 6圖呈現一個實施例，其中兩個稜鏡由同種材料製成，以及 這兩個稜鏡的TIR表面是平行的。然而，根據本發明，對於 照射TIR稜鏡500及成像TIR稜鏡502而言，材料及表面方向 也可以是不同的。在該情況下’對於埠兩個稜鏡500、502 而言，圓錐曲線316、318可能是不同的。較佳地，材料及 傾斜角受調整，藉此該等通量限制受最小化，例如透過匹 配圓錐曲線316、318兩者與對角線328大約在點P1相交。本 發明之特有的優點是，當使引擎的通量最佳化而仍然維持 引擎之較小大小時，稜鏡的2旋轉角（在第4圖中是〇度，及 在第5圖中是45度)可從0到360度中自由選擇。 [0050] 在一些應用中，特別是當小的引擎厚度是最重要 的參數時，在本發明之組態中使用對角線方向的TIR稜鏡可 能不是較佳的，而是某些其他方向，例如於第3圖及第4圖 中顯示的典型的RTIR方向。在該情況下，通量可能受圓錐 曲線316、318的限制，但是本發明之雙TIR稜鏡組態還提供 顯著的優點，諸如非常精巧且小的引擎大小，以及小數量 的光學元件。 [0051] 第1圖是本發明之一示範性實施例的一般及簡化 概要圖。例如收集及中繼光學系統1〇2實際上可與光源1〇〇 或與照射TIR稜鏡104或與這兩者整合。除此之外，例如， 鏡112可與該照射TIR稜鏡1〇4整合。下面的圖式以一更加詳 15 200937102 細的位準來表示示範性的實施例。 [0052]第7圖顯示本發明的一示範性實施例。包括藍、 綠及紅發光LED的三個LED 700、702、704用作場連續照射 中的光源。光透過使用在標題為“Illuminator Method and 5 Device”之美國專利申請案第60/837,071號案（於2006年8月 10曰提出申請）中所述的照射模組706、708、710來收集和 准直。該等照射模組706、708、710形成具有均勻、矩形及 遠心角分佈的光束，以及其圓形照射光瞳位於其輸出表面 上。光的這三個光束透過使用一X立方艎712與同一光學軸 10 對準。共用光束經由遠心中繼透鏡714引導至照射TIR稜鏡 716。光束從照射TIR表面718向照射TIR稜鏡716的鏡鍍膜上 表面720反射。因此，透過對稜鏡的上表面720施加一鏡鍍 膜，鏡元件112與該照射TIR棱鏡716整合。在該情況下，該 鏡表面720圓柱形彎曲。該等照射模組706、708、710連同 15 該中繼透鏡714及該曲鏡表面720作用如同一中繼系統 102,以及對微型顯示器722形成矩形照射。在該實施例中， 該曲鏡720是圓柱形的，因為該等矩形LED晶片700、702、 704具有與該矩形微型顯示器722不同的長寬比，因此圓柱 形狀對其他維度增加更多的光學功率，且因此共同匹配該 2〇 等長寬比。光線從曲鏡表面720反射經過照射tir表面718、 成像TIR表面724及DMD封裝遮罩玻璃726到達DMD陣列 722。DMD陣列722向上反射光遠心方式，藉此成像tir稜 鏡728向投影透鏡730反射光’該投影透鏡73〇將在DMD陣列 722的影像投影到勞幕。光學操作由近轴光線路徑732、主 16 200937102 光線路徑734及邊緣光線路徑736表示，該等路徑從照射模 組708向投影透鏡730的外部光瞳738繪製。 [0053] 第8A圖顯示上部視圖，及第8B圖顯示本發明之 另一較佳實施例的一透視圖^除了中繼透鏡714外，在原理 5 上’其與第7圖中所示之内容相同，其中在該情況下該中繼 透鏡714與照射TIR稜鏡800整合。照射TIR稜鏡800的第一表 面802遭成形為凸透鏡，藉此不需要額外的中繼透鏡。其中 LED經結合的基片804、806、808也顯示在這些圖式中。引 擎使用0.7mmx〇.7mm的LED晶片，以及3.6mmx2.4mm的 10 DMD鏡板。在第8A圖中，光學引擎的全長是40mm，寬度 是15mm以及厚度是l〇mm。該照射TIR稜鏡800由S-TIM2製 成，以及成像TIR稜鏡810由BK7製成。 [0054] 第9A圖顯示上部視圖，及第9B圖顯示本發明之 又一示範性實施例的一透視圖，其大小特別小，37mm長、
15 14mm寬及11mm厚。其較第8A圖中的實施例使用同等LED ❹ 20 及DMD鏡板。與第8A圖不同的是，照射TIR稜鏡900由 COC(環狀聚烯烴共聚合物）塑膠材料而不是玻璃製成，藉此 製造費用特別低廉。照射TIR稜鏡的TIR表面關於成像TIR 稜鏡的TIR表面稍微傾斜，目的是使照射TIR稜鏡的圓錐曲 線與成像TIR稜鏡的圓錐曲線相匹配。 [0055]第10A圖顯示上部視圖，及第10B圖顯示本發明 之又一較佳實施例的一側視圖。根據第5圖及第6圖中的先 前教示，該組態對於高通量及進一步對於較小的大小是較 佳的。照射TIR稜鏡1000及成像TIR稜鏡1〇〇2以及DMD鏡板 17 200937102 1004遭旋轉，藉此可使用整體F/2照射。LED晶片的大小是 . 4.6mmx2.6mm ’以及DMD鏡板的大小大約是 14mmxllmm，以及DMD傾斜角是+/-14度。由於該旋轉， 光學引擎設計是值得考慮的，其較以上所示之沒有傾斜的 5 引擎簡单。照射TIR棱鏡1000的所有表面都是平面。照射tir 稜鏡的上表面1006遭鏡鍍膜。光學引擎的全長是116mm， 寬度是46mm以及厚度是46mm。大小也可以較佳地較小。 [0056] 第11圖顯示先前引擎的一修改，其中一串聯微透 鏡陣列（即雙面蠅眼式透鏡陣列）1100在X立方體之後使用。 · 10 選擇性地，在每一照射模組與X立方體之間可能有該等陣 列。該串聯微透鏡陣列提高了照射的均勻性，因為不是每 種色彩一個晶片而是每種色彩四個晶片遭使用1102。 [0057] 根據本發明之某些示範性的實施例，提供了使用 一雙稜鏡配置的一新穎光學引擎組態，用於在一小空間及 15 一所期望的形狀因數中實現大的通量，其中照射側和成像 側光學轴實質上是平行的。儘管以上描述包含示範性實施 例的許多詳述，但是這些不應遭視為是對本發明之範圍的 ® 限制，而是作為本發明之目前較佳實施例的範例。透過應 用於此所述之所呈現的雙反向TIR組態的思想，有經驗的光 20 學設計者可使用諸如以下的光學模型化工具：Zemax(就美 國Sahsington, Bellevue市的光研科學有限公司（Zemax
Development Corp.)而言）、Oslo(就美國New York, Pittsford 市的 Sinclair Optics公司而言）、Code V(就美國 California, Pasadena市的 optical Research Associates公司而言）等用於 18 200937102 尋找光學組態之精確的規格4本發明之教示範圍 内的許 多分枝及變化是可能的。 [0058]在以上範例中，DMD用作—示範性的微型顯示 器。獅的傾斜角可以是，例如+M0度、+/_12度或仏14 5度。典型的顯示器對角線在〇]英寸與2英寸之間。根據本 發月的雙稜鏡配置也可以用一些其他反射微型顯示器技術 施加，諸如具有其他相對應光學亏丨擎組態的LCoS。本發明 ❹ ㈣DMD鏡板’其中微鏡不繞微鏡對角線， 而是繞某-其他方向’諸如繞與微鏡之邊緣中的一些平行 10的-軸傾斜。在以上範例中，LED用作示範性的光源，然 而，本發明不限於只用於LED，而是本發明也可用其他類 型的光源來施加，諸如OLED、雷射、弧光燈、UHP燈等。 不是每一色彩一個LED，而是每一色彩可有若干個led晶 片，例如四個或六個晶片。不是χ立方體周圍有三種色彩， 15 而是可有，例如五種色彩，該等色彩可透過使用合適的二 Q 向色分色鏡配置組合成一路徑。不是每一照射模組一種色 彩，而是在一個照射模組中可有例如四個晶片（例如一紅色 晶片、兩個綠色晶片以及一個藍色晶片），藉此不需要叉立 方體。所使用的LED晶片可遭空氣包圍，或者其可用一種 20 較高折射率材料包封。LED晶片可包封在，例如矽氧烷或 環氧圓頂内部。 [〇〇59]收集及准直光學裝置也可透過各種方式實施。第 12A圖顯示一收集及中繼系統，其中在透過使用三個照射模 組1206、1208、1210從所包封的紅、綠及藍LED 1200、1202、 19 200937102
1204收集光之後，矩形照射透過使用在所交叉二向色分色 鏡板1218之前的三個中繼透鏡1212、1214、1216以及在該 等板之後的一個中繼透鏡1220來形成。第12B圖顯示一收集 及中繼系統，其中透過每一色彩使用兩個高NA透鏡1228、 5 1230，光從非包封LED晶片1222、1224、1226收集。第12C 圖顯示又一收集及中繼系統，其中透過使用一錐形光導管 1232及兩個透鏡1234、1236，光從非包封LED晶片1222、 1224、1226收集。第12D圖顯示再一收集及中繼系統，其中 透過使用具有串聯微透鏡陣列1240的TIR准直儀1238,光從 1〇 非包封LED晶片1200、1202、1204收集。第12E圖顯示包含 該等非包封LED晶片1200、1202、1204、三個TIR准直儀 1242、一鏡1244、兩個二向色分色鏡1246、1248、一串聯 微透鏡陣列1250及一中繼透鏡1220的收集及中繼系統。 [0060] 具有高效率之光學引擎的通常意思是光束的集 15 光率實質上需要從光源到投影透鏡受維持。當X立方體或二 向色分色鏡用於組合具有不同光譜帶的光束時，需要偶爾 對一個光譜帶計算集光率維持。 [0061] 中繼透鏡中的一些或全部可以是雙錐型的或非 球面的’當其提高系統之性能時。又一形式的收集及中繼 20 系統包含具有光導管的一收集光學裝置及一中繼系統。典 型地，一個或多個_聯微透鏡陣列（或也可被稱作蠅眼式透 鏡陣列），或等效透鏡陣列系統可在大多數的收集及中繼系 統中使用’用於提高光束的均勻性。 [0062] 典型地，該收集及中繼系統由在某些情況下可整 200937102 «在-起的收集光學裝置及中繼光學裝置組成。該收集光 學裝置實質上收集從光源發出的所有光，並且實質上形成 到某-距離的均勻及矩形照射，這可以基本上是在任—距 離。無限的意思是收集光學裝置的輪出是光的一遠心矩形 圓錐體’這可以透過諸如上述照射模組或透過諸如串聯微 透鏡陣列來實現。零距離可透過使用，例如一光導管或錐 瓜光導管來實現。收集光學裝置定義一照射光曈，該照射 光瞳例如是在上述照射模組的最後表面上，或在串聯微透 鏡陣列的最後表面上，或當使用光導管時，在負無限遠處。 10 [0063]中繼光學裝置的目的是使該矩形照射與微型顯 示器相匹配或使該矩形照射聚焦於該微型顯示器，並且同 時使照射光瞳與投影透鏡的入射光瞳相匹配或使該照射光 瞳聚焦於該投影透鏡的入射光曈。使矩形照射與微型顯示 器相匹配的意思是所期望的微型顯示器區域實質上受到矩 15 形照射均勻地照射。這在中繼光學裝置實質上向微型顯示 器平面成由該收集光學裝置所產生之矩形照射的像時發 生。使照射光瞳與入射光瞳相匹配的意思是實質上照射該 微型顯示器以及從其獲得反射之光的全部可通過該投影透 鏡的孔徑光闌。這在該中繼光學裝置實質上向該投影透鏡 20 的該入射光瞳成該照射光瞳的像時發生。典蜇地，中繼光 學裝置包含一個或多個透鏡714、1212、1214、1216、1220。 儘管中繼光學裝置在第1圖中遭畫在光源與照射TIR稜鏡之 間’但是其並不限於此。中繼光學裝置可佈置在位於准直 光學裝置與微型顯示器之間的任何地方。中繼光學裝置可 21 200937102 與照射TIR稜鏡完全整合，諸如在第8A圖中所示，或者其 可與該照射TIR棱鏡或與如在第7圖中所示的鏡元件部分整 合。 [0064]若來自該收集光學裝置之實質矩形照射的長寬 5 比不同於微型顯示器鏡板的長寬比，則在該中繼光學系統 中具有至少一個雙錐型表面可能是有利的。一個解決方案 是針對該照射TIR稜鏡的鏡鍍膜表面使用一雙錐形狀，以及 在該中繼透鏡中或在該照射TIR棱鏡的第一表面中使用一 雙錐型表面或一非雙錐型表面。 10 [〇〇65]鏡元件可用不同的方式實施。其可以是如在第 13A圖及第13B圖中所示的一平面前表面鏡1300或彎曲（凹 面）前表面鏡1302。第13C圖顯示也可以與照射TIR稜鏡1306 整合的一彎曲（凸面）後表面鏡1304。該鏡可用具有一鏡鍍膜 表面的一透鏡系統來代替。例如，該鏡1300本身可以是平 15 面，以及所需的光學功率可透過如在第13D圖中所示之在照 射TIR稜鏡1306與鏡1300之間插入一透鏡1308來獲得。如在 第13E圖中所示，該透鏡1308可以與該照射TIR稜鏡1306整 合0 [0066]如在第14A圖、第14B圖及第14C圖中示範性地顯 20 示，該鏡可以與照射TIR稜鏡整合。第14A圖顯示一組態， 其中該照射TIR稜鏡1306具有一鏡鍍膜及傾斜的上表面 1400，該上表面取代該單獨的鏡元件1300。在第14B圖中， 鏡鍍膜表面1402是凸面彎曲的，因此具有光學功率。在第 14C圖中，鏡鍍膜表面1404由繞射或微光學特徵組成，因此 22 200937102 其方向可能與，例如微型顯示器的平面平行。 [0067]第15圖顯示本發明之一示範性稜鏡配置的一概 要圖。該等稜鏡是以對角線組態（即收繞z旋轉45度），如在 第5圖中所示。DMD主動陣列1500遭定向，藉此其法線與z 5 轴1502相一致，以及其較長端與X轴1504相一致。DMD陣列 的傾斜角是+/-14度。從DMD鏡板到投影透鏡的光束應該實 質上是遠心的。照射TIR稜鏡1506與成像TIR稜鏡1508兩者 都由LAL54玻璃製成。照射TIR稜鏡1506之三個光學表面的 表面法線如下： 第一表面1510 —=[-0.707 0.707 0] TIR 表面 1512 2= [0.5 -0.5 -0.707] 第二表面1514 —=[-0.1 0.1 0.9898] 10 [〇〇68]該第二表面1514遭鏡鍍膜。 [0069]相對應的成像TIR稜鏡1508的表面法線可如下： 第一表面1516 "t=[0 0 -1] TIR 表面 1518 2= [-0.5 0.5 0.707] 第二表面1520 [0.707 -0.707 0] [0070]除此之外假設類似的稜鏡組態，但是具有+/-12 度的DMD傾斜角，以及具有非經旋轉的棱鏡（即未繞z旋轉 45度的稜鏡）。稜鏡之另一可能的組態如下：照射TIR稜鏡 15 1506 : 第一表面1510 —=[-10 0] TIR 表面 1512 2= [0.707 0 -0.707] 第二表面1514 —=[-0.097124 0.097124 0.99052] 23 200937102 以及相對應的成像TIR稜鏡1508 : 第一表面1516 Ί*=[0 0 -1] TIR 表面 1518 ι= [-0.707 0 0.707] 第二表面1520 1=[1 0 0] [〇〇71]再次考慮第15圖的稜鏡組態。照射TIR稜鏡1506 的平面鏡鍍膜第二表面1514可用微光學表面來代替，藉此 其實質上具有相同的功能。這在第16圖中說明。微光學表 5 面1600可以是宏觀位準的平面，且具有法線卜丨〇 0]，以 及其可以反射，且具有[-0.097124 0.097124 0.99052]的 局部表面法線。 [0072] 照射TIR稜鏡的所有表面可以以彎曲形狀或以 合適微光學特徵具有光學功率。當准直光學裝置與微型顯 10 示器之間的任何光學表面具有光學功率時，其可遭解譯為 與該中繼光學裝置整合。光學表面遭定義為傳送、反射或 衍射光線之任何表面的一區域，其中該等光線最終從該微 型顯示器反射以及透過該投影透鏡投影。若一光學表面不 是平面’或者若一光學表面包含繞射或微光學特徵，其一 I5 般*兒來具有光學功率。 [0073] 這兩個透鏡的材料可從多種廣泛可選擇的可得 光學材料中選擇。可能的材料例如是，BK7、S-TIM2、SF2、 SFU、SF57、PBH56、S-LAL54。諸如聚碳酸酯、PMMA(聚 甲基丙烯酸甲酯）、COC、聚苯乙烯的光學塑膠材料也可能 20 是一種可行的選擇。照射TIR稜鏡可以是與成像側TIR稜鏡 不同的材料。當該照射TIR稜鏡具有彎曲表面時，從製造角 24 200937102 度來看，塑膠材料可能是較佳的。 5 10 15 ❹ 20 [0074] 從微型顯示器到投影透鏡的光束較佳地是遠心 的’但是其也可以是非遠心的。該等照射和成像光束典型 地至少稍微是非遠心的。需要注意的是，本發明之實施例 的雙稜鏡組態不限於僅用於遠心照射配置，而且其也可用 於完全非遠心系統。 [0075] 第17圖顯示其中一場透鏡1700用在微型顯示器 1702與成像TIR稜鏡1704之間的一組態。該場透鏡可與該成 像T1R稜鏡整合，藉此該成像TIR稜鏡的第一表面1706或第 二表面1708具有光學功率。使用場透鏡使光學引擎之一較 小的總長度成為可能。 [0076] 照射及成像TIR稜鏡的TIR表面不必要是共面 的。例如，在許多組態中，如在第18圖中所示，傾斜照射 T1R稜鏡1800是有利的。特別是在棱鏡具有不同的折射率的 情況下，如用第3圖描述的其相對應的圓錐曲線316、318將 是不同的。為了以最佳可能的方式匹配曲線用於使集光率 降格最小化，關於成像TIR稜鏡1802傾斜照射TIR稜鏡1800 是有利的。照射TIR稜鏡及成像TIR稜鏡兩者的TIR表面 1804、1806也可能具有光學功率。在該照射與成像TIR稜鏡 之間也可以有一光學元件1808。為了避免光束在棱鏡 1800、1802之間的間隙中延伸展太多，另一稜鏡1808遭插 入用於填充該間隙。自然地，為了獲取TIR反射，在這兩個 TIR表面1804、1806與所加入的棱鏡1808之間需要有小的空 氣隙 1810、1812。 25 200937102 [0077] 各種實施例可包括以下新穎特徵的一個或任一 組合： •使用兩個TIR稜鏡（一個用於照射端的TIR反射，一個 用於成像端的TIR反射），藉此照射與成像轴變得實質上平 5 行，以及光學引擎縮小為一精巧的形狀因數。 •同一空氣隙的雙重使用，以實現同一目的 •在照射TIR稜鏡之鏡鍍膜表面中使用微型光學裝 置，以使該照射TIR稜鏡的最上層表面與微型顯示器表面平 行 10 •在該照射TIR稜鏡中使用彎曲表面，用於完全或部分 地將中繼光學系統整合到該稜鏡 •在該照射TIR棱鏡中使用彎曲表面，用於將該中繼光 學系統的一部分整合到該稜鏡，以及用於將該投影透鏡的 一部分整合到該稜鏡。 15 構建及測試 [0078] 第1圖的系統使用Zemax光學設計軟體來測試。 若干不同的設計透過使用一連續模型來構建，以及性能透 過使用非連續模型來測試。 [0079] Zemax模型之操作是根據本發明之期望，以及顯 20 示所呈現的雙反向TIR組態確實發揮作用。第19圖、第20 圖及第21圖顯示在第8A圖中所示之組態的模擬結果。第19 圖顯示在經900,000條光線之光線追蹤後在DMD鏡板處的 照射。自LED發出之光線的50.8%到達主動鏡板區域。第20 圖顯示DMD鏡板周圍的照射。37.8%的光線在該主動區域 200937102 周圍遭吸收。第21圖顯示在投影透鏡之F/2入射光睹後的光 束橫截面。所發出光線的48.2%通過F/2.0孔徑。 5 ❻ 10 15 ❹ 20 [0080] 第22圖、第23圖及第24圖顯示在第10A圖中所示 之組態在經一百萬條光線之光線追蹤後的相對應結果。 67.5%的光線從DMD鏡板反射，以及25.5%的光線在該鏡板 附近遭吸收，以及63.7%的光線通過f/2投影透鏡。 [0081] 可實現的絕對光線效率自然地視許多不同的因 數而定，例如相對於DMD鏡板區域的光源集光率及投影透 鏡F數。然而，有效投影引擎的目的是實質上使用所有可得 的光線，用於投影的目的。在一些組態中，這可能意味著 疋全部所發出光的90%。在一些其他組態中，例如全部所 發出光的30%實質上是所有考慮限制因素的光。 [0082] 儘管已在特定實施例之脈絡中描述，但是對於本 技藝領域中的那些具有通常知識者而言將顯而易見的是， 對這些教示的-些修改及各種改變可以發生。因此，儘管 本發明已相關其-個或多個實施例來特卿示和描述，但 是將為本技藝領域中的那些具有通常知識者所理解的是， 某些修改或改變可在不脫—上所提出之本發明之範^的 前提下於其中實現。 、 【圖式^簡單_ ^^明】 第1圖：根據本發明的—示範性實施例之一光學引擎 概要圖。 ' 第2A圖：一 RTIR光學引擎組態的上視圖。 第2B圖：本發明之一示範性實施例的上視圖。 27 200937102 第2C圖：一RTIR光學引擎組態的側視圖。 第2D圖：本發明之一示範性實施例的側視圖。 第3圖：一RTIR光學引擎組態之操作的一餘弦空間表 示。 5 第4圖：根據一RTIR光學引擎組態的一稜鏡組態。 第5圖：根據本發明之一示範性實施例的一稜鏡組態。 第6圖：根據本發明之一示範性實施例之操作的一餘弦 空間表示。
第7圖：具有根據本發明之一示範性實施例之一光學引 10 擎之三條光線路徑的概要圖。 第8A-8B圖：本發明之一示範性實施例，其中中繼光學 系統與該照射TIR棱鏡整合。 第9A-9B圖：本發明之一示範性實施例，其中照射TIR 稜鏡的TIR表面不與成像TIR稜鏡的TIR表面平行。 15 第10A-10B圖：本發明之一示範性實施例，其中TIR表
面的法線與微鏡的對角線在同一平面上。 第11圖：本發明之一示範性實施例，其中一蠅眼式透 鏡陣列用於光束之均質化。 第12 A圖：根據本發明之一示範性實施例之一配置的一 20 概要圖，其中該配置具有三個不同色彩LED源及三個照射 模組，其中輸出透過交叉的二向色分色鏡來組合。 第12B圖：根據本發明之一示範性實施例的一概要圖， 其類似於第12A圖，但是具有一個或多個高NA透鏡或透鏡 系統，而不是照射模組。 28 200937102 第12C圖：根據本發明之一示範性實施例的一概要圖， 其類似於第12A圖，但是具有一錐形光導管連同一中繼透鏡 或中繼透鏡系統，而不是照射模組。 5 ❹ 10 15 ❹ 20 第12D圖：根據本發明之一示範性實施例的一概要圖， 其類似於第12A圖，但是使用一TIR準直儀連同一蠅眼式透 鏡陣列和/或中繼透鏡，而不是照射模組。 第12E圖：進一步適應第12A-12D圖的一概要圖。 第13A-13E圖：根據本發明之各個實施例之第1圖之鏡 鑛膜表面之各種實施的概要圖。 第14A-C圖：根據本發明之各個示範性實施例之照射 TIR棱鏡之鏡鍍膜第二表面之各種配置的概要圖。 第15圖：顯示稜鏡表面法線之命名的一概要圖。 第16圖：顯示棱鏡表面法線之命名的一概要圖。 第17圖：包含靠近根據本發明之一示範性實施例之微 型顯示器的一場透鏡之本發明的一概要實施例。 第18圖：包含位於該照射TIR稜鏡與該成像TIR稜鏡之 間之一棱鏡的本發明的一概要示範性實施例。 第19-21圖：第8A圖中之組態的光線追蹤結果。 第22-24圖：第10A圖中之組態的光線追蹤結果。 【主要元件符號說明】 112…鏡 114…微型顯示器 116…成像TIR稜鏡 118、120、122…表面 100...光源 102…收集及中繼光學系統 104…照射TIR稜鏡 106、108、110.·.表面 29 200937102 124…投影透鏡 404...TIR 稜鏡 126、128、130、132…箭頭 406…向量/法線 134、136...虛線 408…DMD鏡板 200...光學轴向量 410…楔形稜鏡 202...光學轴向量 412...表面 204...楔形稜鏡 414...圓錐體 206、208、210…光源 416_·.表面 212…DMD鏡板 500…照射TIR稜鏡 ❹ 214...投影透鏡 502…成像TIR稜鏡 216...光學轴向量 504、506...投影 300 ...X軸 508、510…法線向量 302…y轴 512...表面 304…橢圓/照(入)射光束 514...表面 306...光學軸 516...DMD 陣列 308..原點 700、702、704..丄ED晶片 310··.圓/成像光束 706、708、710…照射模組 ❹ 312、314...橢圓 712... X立方體 316、318…圓錐曲線 714…中繼透鏡 320…區域 716…照射TIR稜鏡 322、324…區域/限制 718…照射TIR表面 326...區域 720…鏡表面 328...對角線 722…DMD陣列/微型顯示器 400…表面法線/向量 724…成像TIR表面 402...TIR 表面 726... DMD封裝遮罩玻璃 30 200937102
728.. .成像I1R稜鏡 730.. .投影透鏡 732.. .近軸光線路徑 734.. .主光線路徑 736.. .邊緣光線路徑 738.. .外部光瞳 800.. .照射TIR稜鏡 802.. .表面 804、806、808...基片 810…成像TIR稜鏡 900.. .照射TIR稜鏡 1000…照射TIR稜鏡 1002…成像TIR稜鏡 1004.. .DMD 鏡板 1006.. .表面 1100.. .串聯微透鏡陣列 1200、1202、1204...非包封LED 晶片 1206、1208、1210…照射模組 1212、1214、1216…中繼透鏡 1218…二向色分色鏡板 1220.. .中繼透鏡 1222、1224、1226··.非包封LED 晶片 1228、1230...透鏡 1232.. .錐形光導管 1234、1236…透鏡 1238.. . TIR 准直儀 1240…串聯微透鏡陣列 1242.. . TIR 准直儀 1244.. .鏡 1246、1248…二向色分色鏡 1250…串聯微透鏡陣列 1300.. .平面前表面鏡 1302…凹面前表面鏡 1304.. .凸面後表面鏡 1306…照射TIR稜鏡 1308.. .透鏡 1400.. .表面 1402、1404…鏡鍍膜表面 1500.. .DMD主動陣列 1502.. .Z 軸 1504.. .X 轴 1506…照射TIR稜鏡 1508…成像TIR稜鏡 1510、1512、1514 …表面 1516、1518、1520·..表面 1600…微光學表面 31 200937102 1700. 1702. 1704. 1706 1800. .場透鏡 .微型顯示器 .成像TIR棱鏡 1708...表面 .照射TIR棱鏡 1802...成像TIR棱鏡 1804、1806.·.TIR表面 1808…光學元件/稜鏡 1810、1812...空氣隙
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