TW455697B - System for collecting and condensing light - Google Patents

Description

45 56 9 7 五、發明說明u) 發明範疇 本發明係關於收集與聚集電磁輻射之系統，諸如光線， 而尤指，一種系統使用一對相對的凹面反射器表面，用以 收集由一輻射源所放射之輻射，且將該收集之輻射聚焦至 一目標上。 發明背景 收集、聚集、及偶合光線進入一標準的導波器中，諸如 一單一的纖維、一纖維束、或一均質器中之系統，其目的 係將該光線於該目標（亦即，該導波器之輸入端）上的亮度 增至最大。利用軸上反射器以及使用球面、橢圓面、以及 拋物面的反射器之先前技術之系統，具有環狀對稱的優 點。但另一方面，此種反射器本質上會降低該光源的亮 度，因為由該光源放射之光線的放大倍率，會隨著不同的 角度，以及該反射表面上不同的碰撞部份，而有所變化。 並非環狀對稱之離軸系統克服放大倍率的變化而具有較大 的範圍，且亦使用球面、橢圓面、以及拋物面的反射器。 發明概述 本發明係關於一種裝置用以收集由一電磁輻射源所放射 之輻射，且將該收集之輻射聚集至一目標上。該裝置包括 一收集反射器具有一凹面的反射表面、以及一開口通過其 中成形，及一聚焦反射器具有凹面的反射表面、以及一開 口通過其中成形。該收集及聚焦反射器係以其個別之凹面 反射表面以相對、對向的關係定位及定向。 該聚焦反射器係關於該收集反射器定位，如此使得定位

455697 五、發明說明（2) 於接近成形於該聚焦反射器之開口之電磁輻射源，將反射 其電磁輻射的至少一部份’通過該開口 ，射向該收集反射 器之凹面的反射表面。該收集反射器關於該聚焦反射器定 位，如此使得為該聚焦反射器之該凹面反射表面所反射之 電磁輻射，係被傳送經過成形通過該收集反射器之該開 口，射向成形於該收集反射器中之該開口的附近所定位之 一目標。 該收集反射器將至少一部份入射於其上的該電磁輻射， 反射至該聚焦反射器之該凹面的反射表面上，且該聚焦反 射器將至少一部份入射於其之凹面反射表面上的該電磁輻 射，反射通過成形於該收集反射器中之該開口，且射向該 目標。 該收集與聚焦反射器之該凹面反射表面宜為拋物線的外 形。再者，該個別的拋物線反射表面之光學轴，最好互相 一致的延伸通過成形於該收集與聚焦反射器中之該開口， 且該收集反射器之焦點最好定位在最接近該開口處，該開 口成形於該聚焦反射器中，而該聚焦反射器之焦點最好定 位在最接近該開口處，該開口成形於該收集反射器中。 該裝置亦可包括一聚焦透鏡’配置於該^集及聚焦反射 器之間。該聚焦透鏡接收一部份的該電磁輻射，傳^經過 成形通過該聚焦反射器之該開口’且將該接收之電磁輻射 聚焦通過成形於該收集反射器中之該開口。 一電磁源’諸如氙、金屬鹵化物、鹵素、或水銀等燈 具，可能或並非包含該裝置之—部分。同樣的，—目^ ,

第7頁 45 56 9 7 五、發明說明（3) 例如導波器的輸入部份，諸如以一單一光學纖維、一纖維 束、或環狀或多角形狀的均質器，可為或並非包含該裝置 之一部分。 本發明其他的特徵及特點將可藉由參考附圖*並考量下 文之說明與附加之申請專利範圍，而得以更加明顯，所有 的附圖形成本說明書之一部分，且其中於不同的圖中，相 似的參照數字標示對應的零件。 附圖之概略說明 圖1為一理想的成對反射器系統之一示意圖，該系統係 用以收集來自一光源之光線，以及將該收集之光線以單一 的放大倍率聚集至一目標上。 圖2為一實際上的成對反射器系統之一示意圖，該系統 包括一電弧燈、一輸出纖維、一反向反射器、以及開口成 形於該相對的反射器中，用以接收來自該電弧燈之光線， 且使光線通至該輸出纖維。 圖3為一示意圖，顯示對於光源及該輸出纖維，通過成 形於該相對的反射器中之開口的輻射能量之損失。 圖4為一示意圖，顯示於一成對的反射器系統中，利用 一聚焦透鏡收集與聚集輻射，於其他方面通過成形於該反 射器中之開口將造成損失。 圖5為一串級系統之示意圖，其中多重光源之輸出會被 加成在一齊，以便增加目標的亮度。 圖6A-6G係多個多邊形導光器（導波器）目標與橫切面之 示意圖，其可用於本發明之實施例中。

O:\64\64973.ptc 第8a頁 2001.06. 29.009 455697 n _案號89112994 彳〇年7月 曰 修正 五、發明說明 26b 焦 點 26c 焦 點 28 開 V 2 8a 開 口 28b 開 28c 開 口 30 電 磁 輻 射 源 30a 光 源 .3 0b 光 源 30c 光 源 32 @ 40 電 弧 燈 42 球 面 回 射 器 44 單 一 的 輸 出纖維 46 損 失 圓 錐 50 聚 焦 透 鏡 5 0a 聚 焦 透 鏡 50b 聚 焦 透 鏡 50c 聚 焦 透 鏡 54 纖 維 束 60 吕 標

O:\64\64973.ptc 第8b頁 2001.06. 29.010 455697 五、發明說明（4) ' 較佳實施例之詳細說明 請參考附圖，現將說明本發明範例之實施例。這些實施 例顯示本發明之原理，且其架構非用以限制本發明之範 圍。 」 一種理想的成對反射器收集與聚集系統概略的顯示於圖 1 ,且大體上為參照數字2所標示。該系統2包括一第一反 射器10(亦稱為該收集反射器），具有凹面的反射表面12， 以及一第二反射器2〇(亦稱為該聚集或聚焦反射器），亦具 有凹面的反射表面22。該凹面的反射表面12及Μ係以相對 面向的關係配置’且最好外形皆為抛物線狀。該反射表面 1 2及22可塗布以任何適當的反射材料，諸如鋁、銀、—單 或多層的電介質塗層’以便用於不同的顏色系統，例如用 於可見光之一冷鏡（cold mirror)。該第一反射器1〇具有 一光學轴14，於其上安置一焦點16。同樣的，該第二反射 器20具有一光學軸24，於其上安置一焦點26。該第一反射 器1 0及該第二反射器2 0之夠配置最好能夠使得其個別的光 學軸1 4及2 4相互重疊。於圖1所示該理想的系統2 _，電磁 輻射源3 0係安置於該第一反射器1 0之該焦點1 6上，且一目 標3 2係配置於該第二反射器2 0之該交點2 6上。由該輻射源 3 0所發射之輻射係為該第一反射器1 0之該四面的反射表面 12所反射，成為平形的輻射射線’射向該第二反射器20之 該凹面的反射表面22。其後，該輻射再為該第二反射器2〇 之該凹面的反射表面22所反射，射向該第二反射器20之該 焦點2 6，進入安置於該焦點2 6上之目標3 2中。

455697 五、發明說明（5) 圖1係一成對的反射器系統之橫切面示意圖°於一較佳 實施例中，該第一及第二反射器1 〇及2 〇每個皆為旋轉的拋 物線。再者，其中該第一反射表面12及該第二反射表面22 係為連續的固態表面，如圖1所示，將該來源暫射導入該 系統，以及由該封閉系統中取出該聚焦的輻射係相當不切 實際的。 圖2顯示本發明的一種實際上的執行方式，其中該輻射 源係為一電弧燈4 0安置於該第一反射器1 0之該焦點1 6上， 且該目標32係為一導波器之輸入端，諸如一輸出纖維44， 安置於該第二反射器2 0之焦點2 6，分別沿著反射器1 0及2 0 之共同光學軸14及24。一開口 28係成形於該第二反射器20 中，通過其中由燈40所放射之輻射會進入該相對的反射表 面12及22之間的區域，且放射到該第一反射器1〇之反射表 面12上。開口28最好關於該光學軸14、24大致安置於中 央，該光學轴14、24延伸通過該開口 28。由電弧燈40以光 線型式放射之輻射係為該第一反射器10所收集，再平行 化’且導向該第二反射器2〇。然後該光線為該第二反射器 所反射’且聚集’或聚焦，於安置在該第二反射器2〇之該 焦點2 6上之遺目彳币3 2上。一開口 1 8係成形於該第一反射器 10上’以使該第二反射器20之該反射表面22所反射之聚焦 的光線’能夠離開該反射表面1 2 ' 2 2之間的區域，且入射 進入該目標3 2中。開口 1 8最好關於該光學軸1 4、2 4大致安 置於中央’該光學轴1 4、2 4延伸通過該開口 1 8。該第一及 第二反射器1 0、2 0之結構與配置，最好能夠使得其個別的

第10頁 455697 五、發明說明（6) 焦點1 6、2 6接近於該相對反射器中成形之該對應的開口定 位。 一球面回射器4 2可安置於該電弧燈4 0之另一測，如此使 得由該電弧燈4 0此一側面所放射之光線能夠為該回射器4 2 所反射，而返回進入該電弧燈本身之中，且接著結合進入 該成對的反射器1 0、2 0中，藉此增加該系統之輸出的整體 亮度。 合適的燈包括氙、金屬鹵化物、卤素、或水銀等電弧 燈。 雖然圖3中顯示單一的輸出纖維4 4，但是該目標可以包 括一輸出纖維束之輸入端、一均質器用以將高能量輸出至 低溫的塑膠纖維中，或一均質器用於投影電視。 圖2中該實際配置之缺點顯示於圖3中。實際上，因為成 形於該第一反射器1 0中之該開口 1 8可能，必然的，大於該 第二反射器2 0及該目標3 2的焦點2 6，由該輻射源3 0所放射 之該輻射，位於該開口 1 8所正對的損失圓錐4 6中的部份， 將會損失。如圖所示，成形於該第一反射器1 0中之該開口 1 8實質的於此面積上降低該反射器1 0的收集功能，且損失 的量係相當大的。 圖4顯示於該第一及第二反射器10、20間一聚焦透鏡50 的使用情形，以及覆蓋該光線的損失圓錐4 6，其係分別由 該拋物線反射器2 0、1 0之該開口 2 8、1 8所造成的損失.。該 透鏡5 0之結構最好能夠於位於該焦點2 6之該目標上，產生 1 : 1的輻射放大倍率。於圖4所示之該實施例中，該目標

O:\64\64973.ptd 第11頁 45 56 9 7 五'發明說明（7) 係為一纖維束5 4之輸入端。該反射器1 0、2 0、及4 2以及該 聚焦透鏡50有效的將大體上所有由該該電弧燈40放射的光 線’結合至位於該焦點2 6上之該目標。該聚焦透鏡5 0可為 一傳統的、雙凸透鏡，且可以任何事當的材料製造，諸如 塑膠、玻璃、或石英。再者，與該聚焦透鏡50之外部表面 亦可塗布一抗反射的塗層。 圖4顯示該較佳實施例包括一電弧燈4 0定位於該第二反 射器2 0之該開口 2 8，其最好為拋物線的、一回射器4 2、一 聚焦透鏡50、以及一輸出纖維束54，具有一輸入端定位於 該第一反射器1 0上所成形之該開口 1 8中，該第一反射器1 0 亦最好係為一拋物線的反射器。由該電弧燈4 0所放射的光 線，位於該開口 1 8所正對的損失圓錐4 6中的部份，會為該 透鏡50所收集與聚集，且以單一的放大倍率，聚焦在位於 該焦點2 6上之該纖維束54之輸入端。該聚焦透鏡5 0具有一 光學軸，其最好該第一及第二反射器10及20個別的光學軸 14及24相一致，且以1 :1的方式將該第一及第二反射器10 及2 0個別的焦點1 6及2 6成像。由該電弧燈4 0所放射光線的 其餘部份係為該第一反射器10及該回射器42所收集，並為 該反射器1 0平行的射向該第二反射器2 0。該光線然後藉由 該第二反射器20再聚焦於該輪出的纖維束54之輸入端上。 該電弧燈4 0及該輸出的纖維束5 4之輸入端係分別安置於該 第一及第二反射器1 0、2 0之個別的焦點1 6、2 6上。 為增加光線入射於該光學目標上的強度，多個光源及反 射器可以串級，如此使得該不同光源之輸出可結合且聚焦

O:\64\64973.ptd 第12頁 455697 五、發明說明（8) 於一單一的目標上。此類之系統顯示於圖5。圖5顯示三個 第一，或收集，反射器10a、10b、與10c，具有個別的焦 點1 6 a、1 6 b、與1 6 c，以及成形於其中之個別的開口 1 8 a、 1 8 b、與1 8 c。同樣的，該系統包括三個第二，或聚焦，反 射器2 0 a、2 0 b、與2 0 c，具有個別的焦點2 6 a、2 6b、與 2 6 c，以及成形於其中之個別的開口 2 8 a、2 8 b、與2 8 c。三 個光源3 0 a、3 0 b、與3 0 c分別定位於該焦點1 6 a、1 6 b、與 16c上。該回射器42可關於該第一光源30a使用。該第二及 第三光源3 0 b與3 0 c分別定位於該反射器1 〇 b及1 0 c之焦點 16b及16c上。這些焦點大體上分別與該反射器2〇a及20b之 交點2 6 a及2 6 b相一致。因此，位於該共同光學軸上之該光 源3 0 a、3 0 b、3 0 c之輸出，會結合且最終皆為該第三反射 器2 0 c聚焦於該目標6 0上，於圖示之實施例中，該目標6 〇 包括一均質器，其具有一輸入端定位於該焦點之以上。為 減少損失且進一步增加該第三焦點2 6 c上的強度，聚氣透 鏡5 0 a、5 0 b、5 0 c係沿著該共同的光學軸分別定位於該反 射器10a與10b、10b與20b、以及lDc與20c之間。 圖5顯示一串級的配置’包括三對的反射器組以及三個 聚焦透鏡。串級的系統亦可僅包括兩對反射器組，或超過 三對的反射器組<= 如圖6A-6G所示，該均質器可為圓形（圖6A)或為多邊形 的外形，諸如正方形（圖6B)、矩形（圖6C) '三角形（圖. 6D)、五角形（圖6E)、六角形（圖6F)、八角形（圖6G)或任 何其他的多邊形。再者，該均質器可以任何適當的材料製

O:\64\64973.pcd 第13頁 455697 五、發明說明（9) 造，諸如塑膠、玻璃、或石英。 雖然，本發明現係考量最實際起最佳之實施例加以說 明，亦請瞭解本發明並非限於該揭示之實施例，但相反 的，係意欲覆蓋附加的申請專利範圍之精神與範圍中，所 包含的不同變異以及等似物。因此，請瞭解用以界定本發 明之特定參數可以變化，不致違背後續申請專利範圍中所 定義本發明之新穎的特徵。

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Claims (1)

1. 4556 9 7 六、申請專利範圍 1. 一種裝置包括： 一電磁輻射源； 一目標，至少為該源所放射之電磁輻射之一部分所照 射； - 一收集反射器，具有凹面的反射表面以及一開口通過 其中成形；以及 一聚焦反射器，具有一凹面的反射表面以及一開口通 過其中成形，該收集與聚焦反射器係以其個別的凹面反射 表面以相對的、面向的關係定位與定向， 該源之定位與定向，使得至少一部份其所放射之該電 磁輻射係傳送經過該成形通過該聚焦反射器之開口，射向 該收集反射器之凹面的反射表面，該收集反射器將至少一 部份入射於其上之該電磁輻射，反射射向該聚焦反射器之 該凹面的反射表面，該聚焦反射器之結構與配置*使得至 少一部份其凹面表面所反射之電磁輻射被聚焦，且傳送經 過該成形通過該收集反射器之該開口 ，該目標之定位與定 向，係用以接收至少一部份該聚焦反射器所反射之該已聚 焦的電磁輻射，且傳送經過該成形通過該收集反射器之該 開口。 2. 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該收集及聚焦 反射器之凹面反射表面外形上係拋物線的。 3. 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該收集反射器 具有一光學軸及一焦點位於該光學軸上，以及該聚焦反射 器具有一光學軸及一焦點位於該光學軸上，其中該源定位

   第15頁 455697 六、申請專利範圍 接近該收集反射器之焦點，且該目標定位接近該聚焦反射 器之焦點。 4. 根據申請專利範圍第3項之裝置，其中該收集反射器 及該聚焦反射器之該光學轴互相之間係完全一致的，且延 伸經過該成形通過該收集與聚焦反射器之開口。 5. 根據申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括一回射 器關於該源定位，用以將該源以遠離成形於該聚焦反射之 該開口的方向，所放射之輻射反射，回射至該成形通過該 聚焦反射器之開口。 6. 根據申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括一聚焦 透鏡配置於該收集與聚焦反射器之間，該聚焦透鏡之結構 與配置係用以接收一部份傳送經過該成形通過該聚焦反射 器之開口之電磁輻射，且將該接收之電磁輻射經過該成形 通過該收集反射器之開口 ，聚焦於該目標上。 7. 根據申請專利範圍第6項之裝置，其中該聚焦透鏡之 製造材料，係由塑膠、玻璃、或石英所構成之群組中選 定。 8. 根據申請專利範圍第6項之裝置，其中該聚焦反透鏡 塗布一層抗反射之塗層。 9. 根據申請專利範圍第6項之裝置，其中該收集反射器 具有一光學軸及一焦點位於該光學軸上，以及該聚焦反射 器具有一光學軸及一焦點位於該光學轴上，該收集及聚焦 反射器之該光學軸互相之間係完全一致的，且延伸經過該 成形通過該收集與聚焦反射器之開口 ，其中該聚焦透鏡具

   第16頁 455697 六、申請專利範圍 有一光學軸，與該收集及聚焦反射器之光學軸完全一致。 1 0.根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該目標包含一 導波器之輸入部份。 1 1.根據申請專利範圍第1 0項之裝置，其中該·導波器包 含一光學纖維。 1 2.根據申請專利範圍第1 1項之裝置，其中該導波器包 含多個光學纖維，配置為一纖維束。 1 3.根據申請專利範圍第1 0項之裝置，其中該導波器包 含一均質器。 1 4.根據申請專利範圍第1 3項之裝置，其中該均質器具 有圓形的橫切面外形。 1 5.根據申請專利範圍第1 3項之裝置，其中該均質器具 有多邊形的橫切面外形。 1 6.根據申請專利範圍第1 5項之裝置，其中該均質器所 具有之外形，係由三角形、矩形、五角形、六角形、以及 八角形所構成之群組中選定。 1 7.根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該電磁輻射源 包含一電弧燈d 1 8.根據申請專利範圍第1 7項之裝置，其中該源所包含 之一電孤燈，係由氣、金屬化拘、ii素、或水銀電孤燈 所構成之群組中選定。 1 9.根據申請專利範圍第6項之裝置，進一步包括： 至少一個外加之收集反射器以及對應數量的外加之聚 焦反射器，每個該外加的收集與聚焦反射器具有一開口通

   第17頁 45 56 9 7 六、申請專利範圍 過其中成形，該收集與聚焦反射器係配置於相對之配對的 收集-聚焦反射器中之一共同之光學轴上； 至少一個外加的電磁輻射源，使得該電磁輻射源的總 數量，與收集-聚焦反射器配對的總數量相對應；以及 至少一個外加的聚焦透鏡，使得該聚焦透鏡的總數 量，與收集-聚焦反射器配對的總數量相對應，每個該聚 焦透鏡係配置於相關連之該收集-聚焦反射器配對中，該 相對的收集與聚焦反射器之間。 2 0. —種裝置用以收集由一電磁輻射源所放射之輻射， 且將該收集之輻射聚集至一目標上，該裝置包括： 一第一反射器，具有凹面的反射表面以及一開口通過 其中成形；以及 一第二反射器，具有一凹面的反射表面以及一開口通 過其中成形，該收集與聚焦反射器係以其個別的凹面反射 表面以相對的、面向的關係定位與定向， 該第二反射器係關於該第一反射器定位，使得由定位 接近該成形通過該第二反射器之開口之一源，所放射之電 磁輻射的至少一部份被傳送經過該開口 ，射向該第一反射 器之凹面的反射表面， 該第一反射器之結構與配置係用以將入射於其上之電 磁輻射之至少一部份，反射射向該第二反射器之該凹面的 反射表面，以及 該第一反射器係關於該第二反射器定位，以便使該第 二反射器之凹面的反射表面所反射之電磁輻射的至少一部

   O:\64\54973.ptd 第18頁 455697 六、申請專利範圍 份，被傳送經過該成形通過該第一反射器之開口，射向一 目標，其定位接近該第一反射器中所成形之開口， 該第二反射器之結構與配置，係用以將入射於其凹面 的反射表面上之電磁輻射之至少一部份，聚焦經過該成形 通過該第一反射器之開口 ，並射向該目標。 2 1.根據申請專利範圍第2 0項之裝置，其中該第一及第 二反射器之該凹面的反射表面外形上係拋物線的。 2 2.根據申請專利範圍第2 0項之裝置，其中該第一反射 器具有一光學軸及一焦點位於該光學軸上，以及該第二反 射器具有一光學轴及一焦點位於該光學軸上，其中該第一 及第二反射器之該光學軸係完全一致的，且延伸經過該成 形通過該第一及第二反射器之個別的開口。 2 3.根據申請專利範圍第2 2項之裝置，其中該第一反射 器之該焦點係定位接近該成形於該第二反射器中之開口， 且該第二反射器之該焦點係定位接近該成形於該第二反射 器中之開口。 2 4.根據申請專利範圍第2 0項之裝置，進一步包括一聚 焦透鏡配置於該第一與第二反射器之間，該聚焦透鏡之結 構與配置係用以接收傳送經過該成形通過該第二反射器之 開口之電磁輻射之一部份，且將該接收之電磁輻射聚焦經 過於該第一反射器中成形之該開口 。 2 5.根據申請專利範圍第2 4項之裝置，其中該第一反射 器具有一光學軸及一焦點位於該光學軸上，以及該第二反 射器具有一光學軸及一焦點位於該光學轴上，該第一及第

   O:\64\64973.ptd 第19頁 455697 六'申請專利範圍 二反射器之該光學軸相互之間係完全一致的，並延伸經過 該成形通過該第一及第二反射器之開口 ，且其中該聚焦透 鏡具有一光學軸，其與該第一及第二反射器之該光學軸係 完全一致的。 26. —種裝置包括： —電磁輻射源； 一目標，至少為該源所放射之電磁輻射之一部份所照 射； 一第一反射器，具有凹面的反射表面以及一開口通過 其中成形； —第二反射器，具有一凹面的反射表面以及一開口通 過其中成形，該第一及第二反射器係以其個別的凹面反射 表面以相對的、面向的關係定位與定向， 該源之定位與定向，使得至少一部份其所放射之該電 磁輻射係傳送經過該成形通過該第二反射器之開口，射向 該第一反射器之凹面的反射表面，該第一反射器將至少一 部份入射於其上之該電磁輻射，反射射向該第二反射器之 該凹面的反射表面，該第二反射器之定位與定向，使得至 少一部份其凹面表面所反射之電磁輻射被聚焦，且傳送經 過該成形通過該第一反射器之開口 ，該目標之定位與定 向，係用以接收至少一部份該第二反射器所反射之該已聚 焦的電磁輻射，且傳送經過該成形通過該第一反射器之該 開口；以及 一聚焦透鏡配置於該第一及第二反射器之間，該聚焦

   O:\64\54973.ptd 第20頁 455697 六、申請專利範圍 透鏡之結構與配置係用以接收傳送經過該成形通過該第二 反射器之開口之電磁輻射之一部分，且將該接收之電磁輻 射聚焦經過於該第一反射器中成形之該開口 ，射向該目 標。 - 2 7.根據申請專利範圍第2 6項之裝置，其中該第一及第 二反射器之凹面反射表面外形上係拋物線的。 2 8 ·根據申請專利範圍第2 6項之裝置，其中該第一反射 器具有一光學轴及一焦點位於該光學軸上，以及該第二反 射器具有一光學轴及一焦點位於該光學軸上，該第一及第 二反射器之該光學軸相互之間係完全一致的，並延伸經過 該成形通過該第一及第二反射器之開口 ，且其中該聚焦透 鏡具有一光學軸，其與該第一及第二反射器之該光學轴係 完全一致的。

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