TW542882B - Light condensing and collecting systems using lensed light pipes - Google Patents

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Description

542882 A7 __________B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 jjJS申請案之交万i考： 本申請案宣稱2000年9月20曰申請之臨時申請案第 6〇/2 j4,168號之優先權，該申請案之揭示内容以引用的方式 併入本文中。 本發明有關將散布在大收集角度之光線收集及聚集至一 小標靶之照明及投影系統。 ' 技掘技藝之敘述： 該系統之目標係使得在一標靶之電磁輻射亮度變得最大 ，該系統將電磁輻射收集、聚集、及耦合進入諸如標準波 導管之標乾，例如單絲纖維或纖維束，或輸出電磁輻射至 投影機之均化器。對於此種照明及投影應用已有數種常 見用於由電燈收集及聚集光線之系統。 美國專利第4,757，Φ31號（簡稱，，’431號專利”）敘述一種採用 轴外球形凹面反射鏡以增強照射一小標靶之通量及抵達該 小標靶之可收集通量密度大小之光線聚集及收集系統，其 揭示内容以引用的方式併入本文中。美國專利第5,4 14,600 號（簡稱” ’600號專利”）提供另一光線聚集及收集系統，其敘 述一種橢球形凹面反射鏡之使甩，其揭示内容以引用的方 式併入本文中。·同理，美國專利第5,430,634號（簡稱，，，634 號專利’’）敘述一種超環狀凹面反射鏡之使用，其揭示内容 以引用的方式併入本文中。 該’431、’600及’634號專利之系統提供接近1 : 1(單位放大 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
訂
542882 A7 B7 五、發明説明（2 ) ——— 率）之影像及保持來自該光源之亮度。然而，這些系統損失 其1 ·· 1(單位）放大率，如此減低總體投影系統之性能，因爲 提高該反射鏡之收集角度以增加所收集之光線數量。因2 ，於這些系統中，增加該收集效率將降低所產生影像+ α 爲處理習知光學收集及聚集系統中之問題，美國專利申 請案第〇9/604,921號提供雙拋物面反射鏡系統，其在許多方 面對其他習知系統是有利的，包括對小尺寸光源達成^二 放大率，其揭示内容以引用的方式併入本文中。 如圖1(a)所說明之光學收集及聚集系統使用二大致對稱之 拋物面反射鏡10，11，定位該反射鏡以致由第一反射鏡10 所反射炙光線大致上接收於該第二反射鏡丨丨之對應區段。 特別是由諸如弧光燈之光源12所放射之光線係藉著該第一 拋物面反2鏡1〇所收集及沿著該光軸對準朝向該第二反射 鏡U。該第二反射鏡11接收已對準之光束及將該光線聚焦 在定位於焦點之標乾1 3。 爲方便敘述该光學系統，圖丄包括由光源12所放射之四 條不同射線（a，b，c，及d)之光路ΰ如圖i⑷所示，當在正 交於該電燈轴心之方向中觀看時，由孤光燈所輸出之光線 正對約90度之圓錐角。如圖1(b)所示，當在平行於該電燈轴 。〜方向中觀看時，由弧光燈所輸出之光線正對將近約1 $ 〇 度l圓錐角。射線a及d指示該圓錐角之範圍。 圖1之光學系統可會同該第_抛物面反射鏡職用一種後 向反射鏡14,以於遠離該第一拋物面反射鏡1〇之方向中俘 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公酱） 542882 A7 ___ B7 五、發明説明（3 ) " ' ^^ 獲該光源12所放射之輻射，及向後反射所俘獲之輻射經過 該光源12。特別是該後向反射鏡14大致上呈球形，具有實 質上朝向該第一拋物面反射鏡且定位接近該光源12之焦點 (亦即在該第一拋物面反射鏡之焦點），以藉此增力口由該處所 反射之已對準射線之強度。 上述雙拋物面光學系統之一缺點係產生一大輸入角度， 導致數値孔徑咼達1 0。其結果是，部分射線在相對該標靶 表面之高入射角下撞擊該標靶丨3。此高入射角產生導致損 失之菲涅耳（Fresnel)反射。 於美國專利申請案第09/669,841號中敘述一種對小光源標 革巴提供1 : 1放大率之雙橢球面反射鏡系統，其揭示内容以 引用的方式併入本文中。如圖2所説明，該光學收集及聚集 系統使用二大致對稱之橢球面反射鏡2〇，2 1，定位該反射 鏡以致由第一反射鏡20所反射之光線接收於該第二反射鏡 2 11對應區段中。特別是由光源2 2所放射之光線係藉著該 第一橢球面反射鏡20所收集及聚焦於該光軸25上且發散朝 向該第二反射鏡2 1。該第二反射鏡2 1接收已發散之光束及 將該光線聚焦在定位於焦點之標靶23。 如圖2所視’该雙橢球面系統遭遇與^亥雙拋物面系統相同 之缺點，即其中部分射線在大入射角下撞擊該標靶，產生 菲涅耳反射。但如上面所述系統，大收集角度所造成之菲 涅耳反射將導致損失。 圖3可看見該雙橢球面系統之另一具體實施例。此雙橢球 面系統遭遇與上述雙拋物面及雙橢球面系統相同之缺點， -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 542882 A7 ____ B7 發明説明ΓΓΊ 即其中部分射線在大入射角下撞擊該標靶，亦產生菲涅耳 反射。 圖4顯示—種與上面系統一起使用之錐形光管40，其具有 一平坦之輻入表面42。如圖4所示，由第二反射鏡4 1所反 射之光線^，b’，c，及d1於大入射角下會聚在錐形光管4〇之 平坦表面42。光管40之錐形設計可將大輸入角度轉換成較 小之輸出角度。所轉換之角度大小將視該錐角之大小而定 。藉著使該輸出裝置匹配該光管，以設計用於一特定系統 之輸出角度。如圖4所示，在射線a，，間之光管4〇輸入表 面42之輸入角度可接近18〇度，亦即9〇度之入射角。此一高 入射角將由於菲涅耳反射導致高損失。對於以玻璃或石英 製成之未垩復光官，在入射角大於約7 5度時，該菲涅耳反 射損失變得很顯著。 因此，依然有需要提供一種將來自小光源之光線耦合至 照明及投景> 系統，而減少由於菲淫耳反射所導致損失之方 法0 發明概要 本發明有關一種用於大數値孔徑收集及聚集系統之光學 耦合元件。該光學耦合元件包括一具有中心及彎曲表面之 透鏡。該光學耦合兀件實質上係.放在一纖維、纖維束、或 均化器之輸入端。孩彎曲表面減少該光線撞擊該光學耦合 元件輸入端之入射角，以致大幅減少該菲涅耳反射。 一收集及聚集系統特別包含一電磁輻射源及一光學耦合 元件，且由該光源所放射之至少一部分電磁輻射照射該光 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 542882 A7 B7 五、發明説明（5 ) 學耦合元件。該光學耦合元件包含一透鏡及一錐形光管， 該透鏡具有一中心及一分佈繞著該中心之彎曲表面。具有 第一光軸及第一焦點之第一反射鏡係安排面朝實質上對稱 之第二反射鏡，該第二反射鏡具有第二光軸及在該光軸上 之第二焦點，以致該第一及第二光軸實質上係同軸。該光 源實質上係定位緊接該第一反射鏡之第一焦點以產生輻射 線，該輻射線由該第一反射鏡反射朝向該第二反射鏡，實 質上會聚在該第二焦點。該透鏡之中心實質上係定位緊接 該第二反射鏡之第二焦點，及該彎曲表面實質上係配置在 該中心及該第二反射鏡之間，以收集該電磁輻射及將其傳 送至該錐形光管。 藉著將該電磁輻射源定位在第一反射鏡之焦點，由電磁 輕射源所放射之電磁輕射係收集及聚焦於一標乾上，以致 該第一反射鏡產生由第一反射鏡所反射之輻射線，該輻射 線實質上會聚在該第·二反射鏡之焦點。定位一實質上半球 形或超環狀光學耦合元件，以致該光學耦合元件之中心實 質上係緊接該第二反射鏡之焦點，藉此由該第二反射鏡所 放射之會聚輻射線通過該光學耦合元件之實質上彎曲表面 及朝向該第二反射鏡之焦點。 _ 由下文較隹具體實施例之敘述.會同所附圖面將可進一步 了解本發明之上面及其它特色與優點。 圖面簡述 ‘圖1(a)係與本發明一具體實施例一起使用之收集及聚集系 統概要圖， -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 542882 A7 B7 五、發明説明（1Q ) 根據本發明之一具體實施例，一種用於收集電磁輻射源 所放射之電磁輕射及將所收集輻射聚焦至一標把上之方法 係如下。一電磁輕射源係定位在第一反射鏡之一焦點。藉 著該光源產生輕射線。藉著該第一反射鏡反射輕射線。該 輻射線係會聚在該第二反射鏡之一焦點。定位一實質上半 球形之光學耦合元件，以致其中心實質上係緊接該第二反 射鏡之焦點。由該反射鏡所放射之輻射線通過該光學耦合 元件之實質上彎曲表面及朝向該第二反射鏡之焦點。 雖然上文已詳細敘述本發明，本發明不欲受限於所述之 特定具體實施例。其明顯的是熟諳此技藝者現在可作極多 異於在此所述特定具體實施例之應用及修改，卻未脱離本 發明之觀念範圍。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 542882 第090123194號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(91年6月} A8 B8 C8 D8
    1 . 一種收集及聚集系統，包括： 一電磁輻射源；
    曲表面； 元件包含一透鏡及— 分佈繞著該中心之彎 一第一反射鏡，其具有第一光軸及在該第一光軸上之 第一焦點； 一第二反射鏡，其具有第二光軸及在該光軸上之第二 焦點’第二反射鏡實質上配置對稱於該第一反射鏡，以 致該第一及第二光軸係同軸； 該電磁輻射源實質上係定位緊接該第一反射鏡之第〜 焦點以產生輕射線，該輻射線由該第一反射鏡反射朝向 該第二反射鏡，且實質上會聚在該第二焦點；及 其中，該中心實質上係定位緊接該第二反射鏡之第二 焦點，且該彎曲表面係配置在該中心及該第二反射鏡之 間，以收集該電磁輻射。 2. 如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該彎曲表 面實質上係球面。 3. 如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該彎曲表 面實質上係徑向地分佈繞著該中心。 4. 如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該透鏡係 呈半球體。 5 ·如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該第一及 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 542882 A8 B8 C8
    六、申請專利範圍 第一反射鏡具有一塗層，該塗層只反射電磁輻射光譜之 一預先指定部分。 6·如申請專利範圍第5項之收集及聚集系統，其中該塗層只 反射可見光輻射、一預先指定之輻射能帶、或一特定之 輻射顏色。 7 ·如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該第一及 第二反射鏡包含一實質上橢圓形表面之至少一部分。 8.如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該第一及 第二反射鏡包含一實質上超環狀表面之至少一部分。 9·如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該第一及 第二反射鏡包含一實質上扁球形表面之至少一部分。 10·如申請專利範圍第i項之收集及聚集系統，其中該第一及 第二反射鏡包含一實質上掘物形表面之至少一部分。 11·如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中由該電磁 II射源所放射之部分電磁輕射直接撞擊在第一反射鏡上 ，且一部分電磁輻射不會直接撞擊在該第一反射鏡上， 且其中該系統尚包含一額外之反射鏡，其係製造及設置
    反射朝向該該第一反射鏡，並經過第一反射鏡之第 點，以增加該會聚射線之通量密度。
    透之球面後向反射鏡’以在遠離第—反射鏡之方向中反 射由該電磁輻射源所放射之電磁輻射朝向第一反射鏡，
    本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X \
    並經過第一反射鏡之第一焦點。 542882 13 々申叫專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該電增麵 射源包含一發光電弧燈。 14·如申請專利範圍第13項之收集及聚集系統，其中該電弧 k包含選自氙氣燈、金屬鹵化物燈、HID燈、或水銀燈 族群之電燈。 5 ·如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，其中該電礤輻 射源包含一白熾燈。 16·如申請專利範圍第丨項之收集及聚集系統，其中該光學耦 合疋件尚包含一選自單芯心光纖、纖維束、熔凝纖維束 、多角形桿、中空反射光管、或均化器族群之波導管。 17·如申請專利範圍第16項之收集及聚集系統，其中該波導 管之剖面係選自由圓形波導管、多角形波導管、錐形波 導管及其結合形狀所組成之族群。 18.如申請專利範圍第丨項之收集及聚集系統，其中該光學耦 合元件包含一選自由石英、玻璃、塑膠、或丙缔酸系所 組成族群之材料。 19·如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，尚包括一光纖 ，藉著在該光學耦合元件所收集及聚集之輻射照射該光 纖，該光纖釋放所收集及聚集之輻射，以在想要之位置 提供照明。 2〇·如申請專利範圍第1項之收集及聚集系統，尚包括： 一聚光鏡，其配置緊接至該錐形光管之輸出端； 一投影系統，其配置緊接至該聚光鏡之輸出側；
    -3- 542882 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 藉著在該光學耦合元件所收集及聚集之輻射照射一影 像，該投影系統釋放所收集及聚集之輻射以顯示該影像。 2 1. —種光學裝置，用於收集電磁輻射源所放射之電磁輻射 及將所收集輻射聚焦至一光學耦合元件上，該裝置包括： 一電磁輻射源； 一光學耦合元件，其由該電磁輻射源所放射之至少一 部分電磁輻射所照射，該光學耦合元件包含一透鏡及一 錐形光管，該透鏡具有一中心及一分佈繞著該中心之彎曲 表面； 第一反射鏡，其具有第一光軸及在該第一光軸上之第 一焦點； 第二反射鏡，其具有第二光軸及在該光軸上之第二焦 點，第二反射鏡實質上配置對稱於該第一反射鏡，以致 該第一及第二光轴係同抽； 該電磁輻射源實質上係定位緊接該第一反射鏡之第一 焦點以產生輻射線，該輻射線由該第一反射鏡反射朝向 該第二反射鏡，且實質上會聚在該第二焦點；及 其中，該中心實質上係定位緊接該第二反射鏡之第二 焦點，且該彎曲表面係配置在該中心及該第二反射鏡之 間，以收集該電磁輻射。 22.如申請專利範圍第21項之光學裝置，尚包含一額外之反 射鏡，其係製造及設置成將未直接撞擊在該第一反射鏡 上而由該電磁輻射源所放射之至少一部分電磁輕射反射 朝向該該第一反射鏡，並經過第一反射鏡之第一焦點’ -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
    裝
    542882 六、申請專利範圍 A8 B8 C8 D8 以增加該會聚射線之通量密度。 23·如申請專利範圍第22項之光學裝置，其中該額外反射鏡 包含配置在該電磁輻射源相向於該第一反射鏡之側邊之 球面後向反射鏡，以在遠離該第一反射鏡之方向中反射 由該電磁輻射源所放射之電磁輻射朝向該第一反射鏡， 並經過該第一反射鏡之第一焦點。 24·如申請專利範圍第21項之光學裝置，其中該第一及第二 反射鏡包含一實質上橢圓形表面之至少一部分。 25·如申請專利範圍第21項之光學裝置，其中該第一及第二 反射鏡包含一實質上超環狀表面之至少一部分。 26·如申請專利範圍第21項之光學裝置，其中該第一及第二 反射鏡包含一實質上扁球形表面之至少一部分。 27·如申請專利範圍第21項之光學裝置，其中該第一及第二 反射鏡包含一實質上拋物形表面之至少一部分。 一種用於收集電磁輻射源所放射之電磁輻射及將所收集 輻射聚焦至一標乾上之方法，該方法包含下列步驟： 在第一反射鏡之一焦點定位該電磁輻射源； 藉著該電磁輕射源產生輻射線； 藉著該第一反射鏡反射該輻射線朝向第二反射鏡· 將該輻射線會聚在該第二反射鏡之一焦點； 定位-實質上半球形之光學棋合元件，以致該光學搞 合元件之中心實質上係緊接該第二反射鏡之焦點；及 由該第二反射鏡所放射之輻射線通過該光學輪合元件 之實質上彎曲表面及朝向該第二反射鏡之第二焦·點。 28 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝 訂 542882 8 8 8 8 A B c D 々、申請專利範圍 29.如申請專利範圍第28項用於收集電磁輻射之方法，其中 該第一及第二反射鏡包含一實質上拋物形表面之至少一 部分。 3 0.如申請專利範圍第28項用於收集電磁輻射之方法，其中 該第一及第二反射鏡包含一實質上橢圓形表面之至少一 部分。 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
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