TW569033B - Coupling of light from a small light source for projection systems using parabolic reflectors - Google Patents

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五、發明說明（2 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 有-SLM之投影系統可以產生一準確、高解析度投影系統。 :、、：而 SL1VI投影系統之效能幾乎是視自燈泡至SLM之光 線能量之收集及聚焦。詳言之，要照亮立體調變器且投射 輸出在螢幕上，光線在SLM上有需要是_致的且具有足夠 的總亮度。 在一投景> 系統中有多種已知用於收集與聚集來自固定光 源之光線的系統，諸如一燈光。在一 ”上軸（〇n_ axis)"系統 中’光源及標的位於光軸上。在這些上軸系統中，吾人以 了解其使用一個或多個具有橢圓體或拋物線外形之反射器 ’連同一成像透鏡導引來自固定光源之光線。然而，當幸禺 合光源至SLM時，上軸系統會受到來自損失亮度之基本限 制。此党度減少會降低投影系統之整體效率及效能。 美國專利第4,757,431號（”，431專利，，）説明一種改良式光 線聚集及收集系統，其使用一離軸球凹面反射器，增加照 射一小標的之通量及達到小標的之可收集通量密度總量。 另一個改良是光線聚集系統是由美國專利第5,414,600號（，， •600專利"）所提供，其發明一橢圓體凹面反射器之使用。同 樣地，美國專利第5,430,634號（”，634專利”）發明一超環面 凹面反射器之使用。，431、·600及，634專利之系統提供一種 接近一比一（無放大）的影像且保持來自光源的亮度。然而 ，這些系統失去一比一（單一的）放大，其降低整體投影系 統的效能，如同利用揚起反射器收集角度增加收集光線總 量。因此，在這些系統中，增加照明亮度將降低產生影像 的品質。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^ · --------訂---------^.ν (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 569033 經濟部智慧財產局員工消費合作钍印製 A7 B7 五、發明說明（3 ) 在光譜學的相關範疇中，亦存在收集來自光源之光線的 需要。詳言之’來自光源之光線被聚焦在一樣本。然後此 樣本藉由來自樣本之輻射收集及求値而完成測試。 在光譜學中’在離軸反射系統中使用拋物面形狀的反射 鏡將來自光源之光線射出物聚焦是很常見的。舉例來説， 美國專巧弟j，986,767號説明一平行光束使用一離軸拋物面 反射器被水焦直接洛在測试樣本上成一小亮點。同樣地， 美國專利第4,591，266號（Re 32,912)發明一種光譜學系統， 其使用一配對離軸拋物面反射器，此抛物面反射器的焦點 光學成像在樣本上的一共同點或兩個點，相互光學成像在 彼此上，且具有相對位置及定位以至於來自光源之各放射 線照到兩個反射器，在具有趨近相同焦距之反射器的點。 美國專利第4,473,295號説明另一種光譜學系統結構，其使 用拋物面將光線收集且聚焦在一測試樣本上。 美國專利第5，191,393號（，，，393專利"）及對應歐洲專利第 EP 0401351 B1號有關於由無塵室（cleanro〇m)外部進入無塵 室用於小特徵光學測量之光線的傳送^，393專利所呈現的一 種配置是使用一弧光燈、兩個抛物面反射器、一單光纖之 使用及使用可過濾需要波長之傳導二色性濾波器。 使用如上面所引用專利敘述之離軸拋物面本質上並不合 有效地提供由光源至輸出標的之糕合。 因此，仍有需要提出一種將來自小光源之光線镇合至一 投影系統而克服這些缺點之方法論。 發明」^要 t * 裝·！---V---•訂· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -6- 569033 五、發明說明（4 ) 回應廷些需求，本發明提供一種系統，其使用實質上對 %放置心一拋物面的兩個剖面，一個在光源且另一個在標 的。拋物線反射器實質上是被對稱地配置，以至於放射^ 光源之光射線將利用在兩個拋物面之對應表面之彎曲而被 平仃且被聚焦在投影系統之標的上，如此產生一實質單位 放大且達到最大的光線集中。 圖式簡單 本發明i實施例將利用參考下列圖例進行説明，其中不 同圖例中同樣的元件或功能以相同的參考號碼表示/ 圖U先前技藝）是使用一已知聚集光學系統之投射裝置之 概要圖示； 圖是根據本發明聚集光學系統不同實施例之概要圖； 圖3是來自一典型光源之輸出通量的等量圖； 圖6是-種於本發明聚集光學系統一實施例中所使用一頭 逐漸變尖細的均化器之概要圖示；且 圖7是-種用於圖】根據本發明—實施例之投影系統中之 聚集光學系統之概要圖示。 圖8A-8F是複數個可以使用於本發明實施例中之多角形 光導管（波導管）標的之橫截面概觀。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 口圖9是在本發明中所使用之圓形截面標的之概觀，其可以 是一單一光纖、光纖束或光導管（波導管） 圖料説明根據本發明其中—實施例從一端由細變粗之 光導管之概要側視圖。 圖10B是説明根據另一實施例從—端由粗變細之光導管之 297公釐） 本紙張尺度_ +關家標準(CNS)A4規 1Γ⑵〇 569033 A7

五、發明說明（7 ) 假如系統被修改以容納燈之非透明白熱絲，將在下文做更 詳細的説明。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2 ·準直反射器（Collimating Reflector) 準直反射器3 0包含具有光軸3 8及焦點3 6之旋轉拋物面之 4为。準直反射器3 0較佳地具有一反射塗層（例如，銘或 銀）且表面是非常光亮的。在某些應用中，準直反射器可 以以玻璃製作，其塗上一層選擇性波長多層介電塗層。例 如’在可見光的應用中可以使用一種只有在可見光波長具 有南反射性之冷塗層。置於準直反射器之焦點3 6之光源2 〇 ’碰觸到反射器3 0之電磁射線將被反射成一準直光束，其 與反射器30之光軸38平行。若光源2〇是一弧光燈，弧形缺 口較佳地是比準直反射器3 〇之焦距長度小。 3.聚焦反射器 聚焦反射器40包含旋轉拋物面之一部分，其具有一光軸 4 8及一焦點4 6。如將在下文中被更詳纟田地説明，然而聚焦 反射备40應该是與準直反射器3〇有實質上相同的尺寸及實 質上相同的形狀。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I焦反射益4 0被放置在適當位置且定向以便將被準直反 射备3 0反射之準直電磁射線照射聚焦反射器4 〇之拋物線表 面且之後被朝向聚焦反射器4 〇之焦點4 6聚焦。爲了要在準 直反射益3 0與聚焦反射器4 〇之間達到實質單位（丨比丨）放大 (即聚焦景> 像的大小實質上與光源相同），很重要的是實質 上被準直反射咨3 0 —邵分表面所反射各電磁放射線利用聚 焦反射器4 0 t對應表面部分被反射且聚焦，因爲再焦點4 6 -10- 本纸張尺度適用中國國家橒準（CNS)A4規格（210 的7公祭） 569033 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8 ) 實現一焦距’其是最大可能亮度。在本發明之上下文中， 準直反射器3 0與聚焦反射器4 〇之位置及方向彼此相對應以 便被準直反射器3 0準直之各電磁放射線實質上被聚焦反射 器4 0之一對應表面部分聚焦，其被稱爲相關彼此以"光對 稱"放置反射器。 4 .標的 標的6 0是一個需要實質最高強度可能照亮之小物體。在 較佳實施例中，標的6 0是一波導管，諸如一種單心光纖、 光纖熔束、光纖束或均化器。 合適的標的6 0可能是如圖8 A - 8 F中所顯示之多角形截面 或圖9中所顯示之圓形截面。此外，標的6〇可以是一端由 細逐漸變粗之光導管，如圖1 〇 A中所顯示，或一端由粗變 細之光導管，如圖1 〇 B中所顯示。此外，標的6 0可以是中 空管均化器，如圖1 1中所顯示，其具有反射内牆r。 一標的6 0之輸入端6 2，例如光纖之最接近端，被置於聚 焦反射器4 0之焦點，接收被聚焦反射器4 〇所反射之電磁輻 射之聚焦射線，且光線離開在輸出端6 4之標的。 當標的與光源藉由本發明之收集系統密切地組合在一起 時’根據它的擴大觀點，本發明是關於兩個實質上相同大 小及外形配置之拋物線$射器之使用，以便實質上相關的 彼此光對稱。 接續收集系統之説明，在圖2所顯示之配置中，準直反射 器3 0及聚焦反射器4 〇以相反且彼此面對的關係被設置，以 便朝向彼此内凹。在圖2之配置中，藉由配置準直反射器 -11 - 本紙張尺度細中國國家標準（CNS)A4規格（21G χ 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . - • · ! I I I -I I n · I I ϋ 1 I I I I * 569033 Λ7 B7 五、發明說明（9 ) 30集聚焦反射器40實現光對稱，以至於它們分別的光軸38 及48是光學地在同一直線上且以至於準直反射器3〇之反射 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 表面是與聚焦反射器40之對應反射表面具有一相反且相向 關係。 爲了讓本發明之説明容易被瞭解，兩個射線a&b在圖2中 被説明，顯示自光源20所射出輻射之兩種不同方向。當由 光源2〇至準直反射器射線3〇之距離小於順著射線&之路徑 時，準直光線之分歧則相對較大。比較之下，射線b由光源 2 0至準直反射器射線3 〇具有較大的距離，但是具有一較小 分歧光束，用於光源2 0中照度區域之有限大小。由於反射 器t貫質對稱，射線a及b被反射在第二拋物線反射器中之 對應位置以至於在反射器與標的之間各射線距離實質上與 弧光燈與第一拋物線反射器之間的對應距離相同。如此， 射線a及b同時實質上被聚焦在標的6〇上，其具有實質相同 的分歧，且因此具有實質上相同的放大，以維持在標的上 的亮度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 南度令人滿意的是準直反射器3 〇及聚焦反射器4 〇實質上 具有相同的形狀。舉例來説，準直反射器3 〇及聚焦反射器 4 0可能使用相同的鑄模製作。接著，當聚焦反射器4 〇改正 準直反射咨3 0中之不芫美時，光學收集系統之效能尚被改 良。 如圖2 - 4中所説明，一個或多個光學元件8 〇，諸如不同 的透鏡及在此技藝中聞名之濾光鏡，可以以特定距離被插 入用以分離準直反射器3 0及聚焦反射器4 0。因爲在反射器 -12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規烙（210 X 297公釐） 569033 A7 - ' ' --- - — - _β/ 五、發明說明（1Q ) 3 0與4 0之間所傳送之電磁輻射被準直，該光學元件可以被 簡化外形及設計。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如圖3中所説明，本發明之收集系統可能尚合併逆向反射 器（retr〇-reflect〇r)50之使用，其具有一普通球面形狀，中 心5 6在接近焦點3 6的地方。逆向反射器5 〇被放置在適當地 方以截取由光源2 0所射出而不同樣地照射至準直反射器3 〇 之電磁輻射。尤其是，建構及配置球面逆向反射器5〇以至 於由光源2 0所射出方向遠離準直反射器3 〇之電磁輻射利用 逆向反射器50被反射回，通過離準直反射器3〇之焦點36且 之後朝向準直反射器30前進。這種被準直反射器3〇所反射 之額外光線被準直且被加入直接來自光源2 〇照射準直反射 器3 0之光線，因此增加被反射朝向聚焦反射器4 〇行進之準 直光線的強度。因此’在聚焦反射器4 〇焦點4 6之光線強度 亦被增加。 如杲使用一白熱絲燈當作光源2 0，則逆向反射器5 〇無法 被定向以至於它將光線聚焦返回通過準直反射器3 〇之焦點 3 6，因爲逆向反射光線將被位於焦點3 6之不透明燈絲阻斷。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明之另一種替代配置收集系統被顯示於圖4中。在圖 4之配置中，以一第二準直反射器7〇取代球面逆向反射器 5〇，其包含一旋轉之拋物面，具有光軸78及焦點76，其較 佳地實質上分別與準直反射器3 0之光軸3 8及焦點3 6 —致。 第二準直反射器7〇較佳地實質上在大小及形狀上與準直反 射器3 0相同。 一平面反射器72被設置於第二準直反射器70之一輸出端 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 569033 A7 B7 12 五、發明說明（ 長寬比大約是4比3或1 6比9之螢幕，依據顯示格式而定。 角度分佈應該擴大到兩方向同時實質相等，以至於一圓形 投影透鏡1 〇 8可以有效地被使用。 在標的6 0之輸入端，強度量變曲線圖實質上bear光源2 〇 之形狀且通常是接近長方形。如圖5所顯示，產生光線輸出 之亮點接近長方形，其鄰近的長度側邊大約是丨.6毫米及大 約2.7¾米。投射透鏡108典型地是一 F/3透鏡，其等於大 約0.165之數字口徑，如此技藝中所熟知。爲了要實現在— ^逐漸變細之均化备輸出的兩個方向中實質相同的數字口 經且使用長度及數字口徑之產品之不變性，均化器之輸出 尺寸在附近是大約11.6毫米及大約9.7毫米，其具有一外觀 比例大約1 · 2，這是非常接近一正常電視格式想要的外觀比 例大約1.33。爲了要實現實質上精確的輸出外觀比例，輸 出尺寸可以照著被改變以至於可以得到實質上最大的輸出。 於是，在較佳實施例中，標的6〇是一種一端由細變粗之 波導管，如圖6中所顯示。這種一端由細變粗之均化器是按 規格尺寸切割的，以至於在輸入標的表面62之高與寬之比 例（h/w)實質上是等於在輸出標的表面㈠之高與寬之比例 (11，/妒）。在一端由細變粗之均化器6〇中，在兩個方向及輸 入/輸出區域之數字口徑被轉換4均化器6Q可以以石英、 玻璃或塑膠製作’依據被使料率之總量而定^在某些應 用中，均化器亦可以被钱，其中棒心被塗上—層低指數 電嫂材料。在另_實施例中’均化器可以是―中空光線導 管，其中内側表面是高反射的且側壁的形狀被設計以提供 -裝---------訂- Γ%先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 15

Claims (1)

1. 569033 第090105319號專利申請案 BS ηα 中文申請專利範圍替換本（92年5月）^_ 。申清專利範圍h少η 1曰修正/更正/補充 1. 一種影像投射裝置，其包含： 一影像源；及 一光學裝置，其照射該影像源，該光學裝置包含： 一電磁放射光源； 一標的，其被由該光源所射出至少一部份電磁放射物照 射， 一第一反射器，其包含至少一部份旋轉拋物面，該第一 反射器具有一光軸且在該光軸上具有一第一焦點，該光 源接近該第一焦點，以致於一部份電磁能量被組織進入 平行該光軸之準直射線；及 一第二反射器，其包含至少一部份旋轉拋物面，該第二 反射器具有一光軸且在該光軸上具有一第二焦點，該標 的接近該第二焦點，該第二反射器被置於適當'位置且定 向朝該第一反射器以接收實質上電磁能量之一部份該準 直射線，以致於該第二反射器改變該.準直射線之方向朝 向該標的； 其中該第一反射器及該第二反射器實質上具有相同的 大小及形狀且被實質上定向成彼此光對稱，以便實質上 各個被該第一反射器表面部分所反射之放射線被該第二 反射器之對應表面部分反射朝向該標的。 2.如申請專利範圍第1項之影像投射裝置，其中由該電磁 放射源所射出之一部份電磁放射線直接照射在該第一反 射器上，且其中該裝置上包含至少一個附加反射器，其 建構及配置的目的是將至少部分沒有直接照射到該索一 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 裝 訂 569033 A8 B8 C8

   反射器之電磁放射線反射通過該第一反射器之焦點朝向 該第一反射器，以增加準直射線之通量強度。 3 ·如申請專利範圍第2項之影像投射裝置，其中該至少— 個附加反射器包含一球面逆向反射器，其被置於在第— 反射器相反側該光源之一側，以反射來自該光源所射出 電磁放射線朝向該第一反射器，通過該第一反射器之焦 點。 4 ·如申請專利範圍第2項之影像投射裝置，其中該至少_ 個附加反射器包含複數個附加反射器，其包含： 一第二準直反射器，其包含一部分旋轉包&面，具有 一實質上與該第一反射器之光軸一致之光軸及一實質上 與該第一反射器之焦點一致之焦點，以致於中該光源所 射出方向遠離該第一反射器之電磁放射線產生'自該第二 準直反射器所反射方向實質平行該第二準直反射器光軸 之電磁放射線之準直射線；及 一普通平面反射器，其實質上垂直於該第二準直反射 器之光軸且被建構及配置以反射自該第二準直反射器所 反射電磁放射線之準直射線，產生自該平面反射器所反 射方向貫質平行該第二準直反射器光軸之電磁放射線之 準直射線，自該平面反射器所反射之準直射線之後被該 第二準直反射器反射朝向該第一反射器，通過該第一反 射器之焦點。 5·如申請專利範圍第1項之影像投射裝置，其中該標的是 一單光纖。 -2- 本紙張尺度適财國國家標準(CNS) μ規格爱) 569033 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範園 6·如申請專利範圍第1項之影像投射裝置，其中該標的是 一光纖束。 7 ·如申請專利範圍第1項之影像投射裝置，其中該標的是 一端逐漸變細之均化器。 8.如申請專利範圍第7項之影像投射裝置，其中該均化器 具有一多邊形截面。 9·如申請專利範圍第1項之影像投射裝置，其中該光源係 由下列各物所組成之群中選出··氙、汞氙、金屬自化物 及鹵素燈。 · ' · ·· · .... I 0 ·如申請專利範圍第1項之影像投射裝置，其、中該第一反 射器塗上一層只反射可見光之多介電塗層。 II ·如申請專利範圍第1項之影像投射裝置，尚包含一能傳 導的滤光鏡’其被置於一第一大邊與該第二反，射器之間 1 2 ·如申請專利範圍第8項之影像投射裝置，其中該多邊形 是一長方形。 13·如申請專利範圍第8項之影像投射裝置，其中該多邊形 是一正方形。 14·如申請專利範圍第i項之影像投射裝置，其中該光源具 有一個180度之弧形角。 15·如申請專利範圍第i項之影像投射裝置，其中該標的是 一具有中空導管及反射内表面之均化器。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之影像投射裝置，其中該中空 導管是一端逐漸變細。 -3 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 569033 A8 B8 C8 ________D8 六、申請專利範圍 17· —種將來自一弧光燈之光線收集至一均化器之系統，其 包含： ' 一光軸； 一第一拋物面，它的光軸實質上與具有一圓形截面之 該光軸在同一直線，其相對該光軸之弧形角介於實質上 5度至實質上180度之間； 一貫貝上被置於該第一拋物面之焦點之31光燈； 一第二抛物面，其具有實質上如同該第一拋物面相同 的大小且被置具有它的光軸實質上與該光軸位置在同一 直線尚且實質上與相對該第一拋物面對稱；’ 一貫質上被置於該第二抛物面之焦點之均化器，其實 質上用於將光線之收集最大化。 18·如申請專利範圍第17項之系統，尚包含一球,面逆向反 射器，其實質上直接被置於該第一拋物面之對面。 19·如申請專利範圍第17項之系統，其中該弧光燈係由下 列各物所組成之群中選出：氙燈、金屬齒化物燈及氙汞燈 〇 2 0 ·如申請專利範圍第1 7項之系統，其中該均化器是一單 光纖。 2 1 ·如申請專利範圍第1 7項之系統，其中該均化器是一光 纖束。 2 2 ·如申請專利範圍第丨7項之系統，其中該均化器的形狀 是長方形。 23_如申請專利範圍第17項之系統，其中該均化器的形狀 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 x 297公釐) 8 8 8 8 A B c D 569033 六、申請專利範圍 是一端由細變粗。 5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)