TWI240580B - Two-stage projection architecture - Google Patents

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TWI240580B
TWI240580B TW092133357A TW92133357A TWI240580B TW I240580 B TWI240580 B TW I240580B TW 092133357 A TW092133357 A TW 092133357A TW 92133357 A TW92133357 A TW 92133357A TW I240580 B TWI240580 B TW I240580B
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imager
projection system
lens
light
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Valter Drazic
Estill Thone Hall Jr
Khaled Sarayeddine
Eugene Murphy O'donnell
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Thomson Licensing Sa
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Description

1240580 玖、發明說明： 相關申請案交互參考 本申請案要求2002年12月4日所申請、標題為「已簡化之 雙級式投射機架構」之美國臨時專利申請序列號碼第 6〇/430,996號（律師檔案號碼為PU020474)之權利，此處以引 用方式將其全部併入。 【發明所屬之技術領域】 本發明一般與光投射系統有關，更特定言之與雙級式投 射架構有關。 【先前技術】 液晶顯示器（Liquid crystal displays ; LCD)，特定言之使 用反射光引擎或成像器之石夕上液晶（liquid crystal on silicon; LCOS)系統正日益盛行用於成像裝置如後投射電視 (rearprojectiontelevisi〇n; RpTV)中。在…⑽系統中，所 才又射的光由一極化分光器（p〇larizing beain splitter ; PBS) 極化且引導至包含一像素矩陣之一 LCOS成像器或光引擎 上。本說明書自始至終且與相關技術之實際應用一致而使 用術語像素來表示影像之一小區域或點、光透射之對應部 分·及成像器產生該光透射之部分。 成像器之每一像素依據向成像器或光引擎輸入之_灰階 標度因數調變入射於其上之光以形成一已調變離散光信號 或像素矩陣。已調變光信號矩陣從成像器反射或輪出且引 導至一投射透鏡系統，其將已調變光投射到一顯示螢幕上 並組合光之像素以形成可觀看的影像。在此系統中，自像
O:\89\89568.DOC -6- 1240580 素至像素之灰階標度變化由處理影像信號所使用之位元之 數目限制。自明受狀態（即最大光）至黑暗狀態（最小光）之對 比度由成像器中光的洩漏限制。 現有LCOM統之主要缺點之L減少黑暗狀態中 光的數量且因而難以提供顯著的對比度。此點部分由於光 的洩漏且係LCOS系統中固有的。 一此外，由於輸入係一固定數目（如8、1〇等）的位元（其必須 說明光之全標度），故趨向於存在很少的位元可用於說明圖 片之較黑暗區域中的微小差異。此點可導致輪廓中的人為 因素。 提高LCOS之黑暗狀態中之對比度之一方法係使用 COLORS WITCHtM或類似裝置以基於該特定訊框中的最大 值來縮放整個圖片。此方法改善—些圖片，但是對於包含 =高與較低光位準的圖片效果不明顯。解決該問題的其他 嘗試曾集中在製造更好的成像器上等’但是這些嘗試建立 在已極好增強的改善上。 所需要的係能提高視訊影像（特定言之黑暗狀態中）之對 比度且減少輪廓中的人工因素之一投射系統。 【.發明内容】 本發明提供一投射系統，其基於像素對像素、使用一雙 級式投射架構而提供已改善的光信號對比及輪廊從而改善 所有的視訊圖片。配置一第一成像器以基 變-光頻帶進而提供一第一輸出矩陣，該像素 與所提供之該影像之每-像素之《階標度值纽例。定位
O:\89\89568.DOC -7- 1240580 且配置一第二成像器以接收該第一 輸出矩陣且基於一傻夸 對像素調變來自該第—成像器之光之該等個別已調變像 素，該像素對像素基礎與所提供之每-像素之-第二灰Pt 標度值成比例。具有一組單—古 白 平呵斯透鏡與定位於該系統止 點處之H中繼透㈣統基於像素對像素將來自該第 一成像器之該已調變光輸出聚隹一 “、、於该弟二成像器之對應像 常上。 【實施方式】 本發明提供對比度已增強且於 且輪屝已減少之一投射系统 (如用於電視顯示器）。在圖1 、
/ 厅况月之範例性LCOS至LCOS 投射系統中，白光1由燈1〇產
/ 压生燈10可為適合用於LCOS 系統之任何燈。例如可佶用 & γ 1 』使用一紐弧汞燈。白光1進入一積分 裔20，其將白光;[之一遠心本击如 先束朝投射糸統30引導。白光！ 接著分離出其成分，即光2 也也廿
一 尤2之、、工、綠及藍（RGB)頻帶。RGB 光2可由一向色鏡(未顯示)分離且經引導進入用於調變之 分離的紅、綠及藍投射系統3〇中。已調變的職光2接著由 一稜鏡裳配件（未顯示）重新組合並由—投射透鏡裝配件 投射到顯示螢幕（未顯示）上。 .或者，白光1可由例如一色輪（未顯示）在時域中分離成光 2之RGB頻帶，因而每々脾_ 〇σ 母將一者引導至早一 LCOS至LCOS投 射糸統3 0中。 、乾例I1LCOS至LCOS投射系統％使用依據本發明之雙級 式投射架構。光2之單色嶋頻帶依次由兩個不同的成像器 〇基於像素對像素進行調變。光2之包含-p
O:\89\89568.DOC _8· 1240580 極化成分3與一 s極化成分4(未顯示）。光2之此等rgb頻帶進 入一第一 PBS 71之一第一表面71a並由該第一 PBS 71内之 一極化表面71p進行極化。極化表面7lp允許光22RGB頻帶 之P極化成分3穿過第一 PBS71至一第二表面71b，同時遠離 投射路徑以一角度反射s極化成分，其在該路徑處透過第四 表面71d離開第一PBS7卜第一成像器5〇置放在第一 pBS7i 之與第一表面71a(光之RGB頻帶在該處進入第一pBS 71處） 對置的第二表面71b之外。穿過PBS712p極化成分3因而入 射於第一成像器5 0上。 在圖1所說明之範例性具體實施例中，第一成像器5〇係包 ,含一已極化液晶矩陣（對應於顯示影像之像素（未顯示））之 -LCOS成像器。此等晶體依據其方向透射光，而其方向隨 提供給第-成像器50之信號所產生之電場強度變化。成像 器像素基於像素對像素調變p極化光3，該像素對像素基礎 與提供給第-成像器5G之每—個別像素之灰階標度值成比 例。由於已調變個別像素，第一成像器5〇提供包含一像素 或離散光點矩陣之一箆一伞你涵< _ 弟先矩陣5。第一光矩陣5係透過第 之第一表面71b從第一成像器5〇反射回之已調變$ 極化光之-輸出，其中該第—光矩陣由極化表面&以一角 度透過第三表面71e反射出第_pBS 71。第—光矩陣5之每 Y像素具有與第—成像㈣中所提供之該像素之個別灰階 標度值成比例之一強度或亮度。 S桎化光之第-光矩陣5透過中繼透鏡系統⑼由順⑽ 射，其提供第一光矩陣5之一 對一透射。在圖2所說明之範
O:\89\89568.DOC -9- 1240580 例性具體實施例中， ^ 、、、透鏡系統80包含一組單一高斯透 兄:、過垓組透鏡將影像反射回來之-鏡83。此組單一高 包含配置以提供變形較低之影像(係採用大約為二 =大Μ射）之-球形透鏡81與—無彩色透㈣，從而將 :成像為50中每一輸出像素投射於第二成像器 像素上。 如^中所示’範例性中繼透鏡系謂包含位於透鏡系統 之’、、、點或系統止點處之一鏡83、位於第-PBS71盥鏡83 之間之-球形透鏡81及球形透鏡81與鏡83之間之一無彩色 透鏡82。發明者決定，可折疊投射系統30之投射路徑使得 影像Μ透鏡81、82 ’經鏡83反射後透過透鏡8卜82以相 、序返回。為了透過折疊投射路徑中繼變形較低且具 有較高光學傳輸函數模數之影像，發明者決定必須開發關 於該系統止點對稱之一等效的透鏡系統。 將來自第一PBS 71之發散光圖案彎曲成朝等效透鏡系統 80’之光學軸會聚之一光圖案。無彩色透鏡82具有一第一表 3顯示-等效的透鏡系統8〇’。等效透鏡系統⑽包含上 述早ν斯透鏡組中之球形透鏡81與無彩色透鏡μ以及系 統止點83’(無鏡)。等效透鏡系統8〇,在系統止點83,與第二成 像态7:之間包含一等效無彩色透鏡82，與一等效球形透鏡 81’。等效無彩色透鏡82,與等效球形透鏡“，實際上為無彩 色透鏡82與球形透鏡81，影像分別以相反的方向穿過等效 透鏡。球形透鏡81具有一第一表面81a與第二表面8ib，其 其將來自球形透 面82a、一第二表面82b及一第三表面82〇
O:\89\89568.DOC -10- 1240580 鏡81之會聚光圖案聚焦於系統止點83,上。在系統止點83 處，光圖案反向且發散。具有一第一表面82c、一第二表面 82b及一第三表面82a之等效無彩色透鏡，係無彩色透鏡 82反向（即相同的透鏡向後轉使得等效無彩色透鏡u，之第 一表面82c係無彩色透鏡82之第三表面82a且等效無彩色透 鏡82’之第三表面82a係無彩色透鏡82之第一表面82甸。等效 無彩色透鏡82’之表面82c、8213及82a將發散的光圖案分配到 等效球形透鏡81，上。具有一第一表面81b與一第二表面 之等效球形透鏡81，係球形透鏡81反向。表面81b與8U使光 圖案彎曲從而在f二成像器6〇上會聚形成一反向影像，其 ，與第一成像器50前的物體或像素矩陣一對一地對應。等效 中繼透鏡系統80,之表面係配置以配合成像器5〇、的及 PBS71、72用以達成第一成像器5〇與第二成像器6〇之像素 一對一的對應。使用等效中繼透鏡系統8〇，之範例性投射系 統30之表面之匯總提供於表！*。此等範例性透鏡表面由發 明者使用ZEMAXtm軟體開發且新穎特徵由發明者決定。可 基於此等因數如成本、尺寸、亮度位準及其他設計因數對 此範例性投射系統進行各種修改。 表1 f尺度以mm為單位) 裝置 表面 類型 半徑 厚度 玻璃 直徑 二次曲線 50 物體 標準 無窮大 19.82429 20.4 0 71 7Ϊ 第二(71b) $^(71c) 標準 無窮大 28 1.457079 SF2 26.74929 32.16696 ^_ 0 81 第一 (81a) ;票準 47.25938 12.01184 ΒΑΚ2 33.58872 -1.021197 81 弟一(8 lb) 「標準 -29.12938 0.9996844 fe.36579 -2.209548 82 第一 (82a) 標準 16.44959 10.00551 ΒΑΚ2 25.54432 0 82 第二(82b) 標準 121.3619 7.005045 SF15 20,37508 0 O:\89\89568.DOC -11- 1240580 82 第三(82c) 標準 10.52292 5.510076 11.49384 0 83! 止點(83·) 標準 無窮大 5.510076 9.737583 0 82’ 第一 (82c) 標準 -10.52292 7.005045 SF15 12.92177 0 82’ 第二(82b) 標準 -121.3619 10.00551 BAK2 23.27955 0 82’ 第三(82a) 標準 -16.44959 0.9996844 27.50165 0 81， 第一 (81b) 標準 29.12938 12.01184 BAK2 37.49786 -2.209548 81丨 第二(81a) 標準 -47.25938 1.457079 37.57717 -1.021197 7Γ 第一 (71b) 標準 無窮大 28 SF2 35.41905 0 71， 第二(71a) 標準 無窮大 0.01 28.50347 0 72 第一 (72a) 標準 無窮大 28 SF2 28.49931 0 72 第二(72b) 標準 無窮大 2.946528 21.58373 0 60 影像 標準 無窮大 20.41337 0 上述第一光矩陣5包含已調變的s極化光。經鏡83反射後 為了穿過第一 PBS 71，第一光矩陣5必須反向成為一方向 相反的第一光矩陣51。此點可例如藉由在透鏡81、82與鏡 83之間放置一四分之一波長板（Quarter Wave Plate ; QWP)88而實現。在一範例性具體實施例中，QWP88係層 壓於鏡83上之一寬頻QWP。當投射路徑兩次穿過QWP 88 時，將第一光矩陣5反向成方向相反的第一光矩陣5’。方 向相反的第一光矩陣5’離開等效中繼透鏡系統80’後，其透 過第一 PBS71自表面71c返回至表面71d、透過一第一表面 72a進入一第二Pbs 72且透過表面72b出來並投射到第二 成像器6〇上。在圖2所說明之範例性具體實施例中，第二 成像器60係一LCOS成像器，其基於與提供給第二成像器 60之每一個別像素之灰階標度值成比例之像素對像素對 先七已調變且反向之第一光矩陣5,進行調變。第二成像器 60之像素與第一成像器50之像素及顯示影像之像素一對 一地對應。因而，輸入第二成像器6〇之特定像素（i，j)係從
O:\89\89568.DOC -12- 1240580 第-成像器50輪出之對應像素（⑶。 ^成象1™ 60接著產生p極化光之一輸出矩陣6。輸出矩 陣6中光之每—像素係藉由提供給成像器之第二成像器6 〇 之該像素之灰階標度值而進行強度調變。因而輸出矩❹ 之一特々定像素（ij)將具有與第一成像器中其對應像素 (Ά及第二成像器6〇中其對應像素（说之灰階標度值都 成比例之一強度。 知·疋像素（i’j)之光輸出L由第一成像器5〇之給定像素上 之入射光、為第-成像器5〇之給定像素所選取之灰階標度 值及第二成|器60中戶斤選取之灰階標度值 < 乘積給定： ， L=L0 xGlxG2 對於一給定像素L0為—常數（係燈10及照射系統之一函 數）。因@，光輸出L實際上主要由每一成像器50、60為此 像素所選取之灰階標度值決定。例如，將灰階標度標準化 為1最大且假設每一成像器具有非常適度的對比度 200.1 ’則像素（i，j)之明免狀態為丨且像素（丨，』）之黑暗狀態為 1/200(非零，由於洩漏）。因而，雙級式投射機架構具有 40,000··1的亮度範圍。
Lmax=l xl = l ；
Lmin=.005 χ.005 = .000025 由此等限制定義之亮度範圍給出1/ 〇〇〇〇25:i或4〇,〇〇〇:ι 的一對比度。重要之處，若在現存的單一成像器架構中使 用該假設的成像器’範例性雙級式投射機架構之黑暗狀態 之亮度將僅為明亮狀態之亮度之四萬分之一而非明亮狀 O:\89\89568.DOC -13- 1240580 態亮度之百分之二。熟悉本技術者將明白，為使成本大幅 低於具有較高對比度之成像器，可提供具有較低對比度之 成像器。因而，使用對比度為200:1之兩成像器之雙級式 才又射糸統將誕供4 0，0 〇 〇 ·· 1的對比度，而使用^_對比产為 500:1之更貴的成像器之單級投射系統僅提供5〇〇:1的對比 度。此外，使用一對比度為500:1的成像器與一對比度為 200:1的便宜成像器之雙級式投射系統之系統對比度將為 100,000:1。因而，可製定一成本/性能折衷方案用以製造 一最佳化的投射系統。 再次參考圖2，輸出矩陣6透過第二表面72b進入第二 ， PBS 72。第二PBS 72具有透過第三表面72c反射s極化輸出 矩陣6之一極化表面72p。輸出矩陣6離開第二PBS 72後進 入投射透鏡裝配件40，其將顯示影像7投射到一螢幕（未顯 示）上用於觀看。 圖4與5分別顯示明亮狀態之投射路徑與洩漏路徑。首先 參考圖 4 ’ 極化分光器（polarizing beam splitters ; PBS)71、 72使p極化光筆直地穿過並使s極化光偏轉。當第一成像器 5〇之像素設定為明亮狀態時，其將入射的p極化光反向為δ 择化光且反射此s極化光。第一PBS 71接著使s極化光朝包 括若干透鏡、一四分之一波長板及一鏡之雙級式投射系統 3 0偏轉。由於光穿過四分之一波長板兩次，故反向為p極 化光之一半波長，該反向光穿過PBS 71、72投射到第二成 像器60上。第二成像器60將該光反向為s極化光且將其反 射’第二PBS 72使該s極化光朝投射透鏡系統（未顯示）偏
O:\89\89568.DOC -14- 1240580 轉。 參考圖5，當第一成像器之像素設定為黑暗狀態時，大 多數p極化光未由第一成像器5〇透射及反射。一小部分光 透過成像器50洩漏為p極化第一洩漏5，。此p極化第一洩漏 5,之大部分穿過第一PBS 71。然而較少的第二洩漏5”係偏 轉至投射系統30上，其中該洩漏反向成3極化光第二洩漏 5 。第一 PBS 71使大部分的s極化第二洩漏5，，，偏轉，但是 一小部分穿過第一 PB S 71作為第三洩漏5，，”。第二pb s 72 使第二 >食漏5π ’’大部分偏轉，但是一小部分穿過第二pB §72 且作為s極化第四洩漏5””’投射到第二成像器60上。第二成 ， 像器60反射s極化第四洩漏5”，，，而沒有將其反向，原因係其 為s極化光，第二PBS 72使s極化光朝投射透鏡系統（未顯 示）偏轉。因而，在黑暗狀態中為了到達投射透鏡系統， 光必須透過第一成像器洩漏一次，透過第一 PBS洩漏兩次 且透過第二PBS^漏一次。若第一成像器5〇及pbs 71、72 中每一個具有如0·05之一洩漏，則淨洩漏將為〇 〇54或 6.25ΕΕ-06。 如上所述，使用ΖΕΜΑΧτμ套裝軟體在發明者所設計之 系統約束下設計表1中所概述之透鏡系統80。由ΖΕΜΑΧτμ 套裝軟體為此範例性透鏡系統所計算的變形與調變傳輸 函數分別在圖6與7中顯示。如圖6所示變形小於〇 · 〇 $ ◦/。且如 圖7所示空間頻率為每毫米36個週期時的光學傳輸函數大 於 0 · 6 〇 再一次參考表1，在該投射系統中為每一表面提供的厚 O:\89\89568.DOC -15- 1240580 因而，第一 一 PBS 71與鏡之間的總
的5兒明應視為圖示說明而非限制，且 度係到下一表面的距離。因r 距離小於37毫米且投射系統 可能性。在本發明之範疇 具體實施例。因此，前面 ，且本發明的範疇係由隨 附的申請專利範圍及其全部等效内容所決定。 【圖式簡單說明】 上文已參照附圖說明本發明，其中·· 圖1顯示依據本發明之一範例性具體實施例之具有一雙 ，級式投射架構之LCOS投射系統之方塊圖； 又 圖2顯示依據本發明之一範例性雙級式投射系統； 圖3顯不圖2之投射系統之一等效投射系統，其具有一展 開式對稱透鏡系統； 圖4顯不依據本發明之範例性簡化雙級式投射架構之明 亮狀態之光路徑； 圖5顯不依據本發明之範例性簡化雙級式投射架構之黑 暗狀態中之光洩漏； 圖6顯示依據本發明之範例性簡化雙級式投射架構之場 曲率變形；及 圖7顯示依據本發明之範例性簡化雙級式投射架構之模 數傳輸函數。 【圖式代表符號說明】 O:\89\89568.DOC -16- 1240580 2 RGB 光 3 p極化成分 4 s極化成分 5 第一光矩陣 5’ p極化第一洩漏/反向第一光矩陣 5π ρ極化弟二、/¾漏 5f?? s極化第二洩漏 5n" s極化第三洩漏 5ffM? s極化第四洩漏 6 s極化輸出矩陣 7 顯不影像 10 燈 20 積分器 30 投射系統 40 投射透鏡裝配件 50 > 60 成像器 71 第一極化分光器 71a 第一表面 71b 第二表面 71c 第三表面 71d 第四表面 71p 極化表面 72 第二極化分光器 72a 第一表面 O:\89\89568.DOC -17- 1240580 72b 第二表面 72c 第三表面 72p 極化表面 80 透鏡系統 80f 等效透鏡系統 81 球形透鏡 81a 第一表面 81b 第二表面 8Γ 等效球形透鏡 82 無彩色透鏡 82a 第一表面 82b 第二表面 82c 第三表面 82f 等效無彩色透鏡 83 鏡 83， 系統止點 88 四分之一波長板 O:\89\89568.DOC "18

Claims (1)

1240580 拾、_請專利範圚： 1 · 一種用於投射包含一像夺4s涵 像素矩陣之一影像之投射系統，該等 像素具有㈣變之亮度’該投射系統包含： 一第一成像器，直伤献里上扣 ^ ，、係配置成用以基於像素對像素調變 -光頻帶進㈣供-第―”料，該像讀像素基礎與 所提^之該影像之每—像素之灰階標度值成比例，· 第一成像益，其係定位且配置成用以接收該第一已 調變光像素之輸出矩陣，且基於像素對像素調變來自該第 -成像器之光之該等個別已調變像素，該像素對像素基礎 與所提供之該景 彡像之每—像素之―第二灰階標度值成比 例；及 一中繼透鏡系統，其係配置成用以基於像素對像素將 從該第一成像器輸出之已調變光聚焦於該第二成像器之 對應像素上，該中繼透鏡系統包括一組單一高斯透鏡及定 位於該系統止點處用於透過該組透鏡使其將該影像反射 回去之一鏡。 2·如申請專利範圍第丨項之投射系統，其中該中繼透鏡系統 進一步包含置放於該組單一高斯透鏡與該鏡之間之一四 分之一波長板。 3 ·如申請專利範圍第2項之投射系統，其進一步包含置放於 該鏡與該第二成像器之間之第一與第二極化分光器。 4·如申請專利範圍第3項之投射系統，其中該第一極化分光 器亦置放於一照射來源與該第一成像器之間。 5 ·如申請專利範圍第1項之投射系統，其中該組單一高斯透 O:\89\89568.DOC 1240580 鏡包含一單一球形透鏡與一無彩色透鏡，其中該無彩色透 鏡係置放於該單一球形透鏡與該系統止點之間。 6.如申請專利範圍第i項之投射系統，其中該中繼透鏡系統 具有小於大約0.05%之一變形及空間頻率為每毫米刊個週 期時大於0.6之一光學傳輸函數。 7·如申明專利範圍第1項之投射系統，其中該中繼透鏡系統 具有大約-0.9995與_1·〇〇〇5之間之一放大率。 8·如申請專利範圍第丨項之投射系統，其中該中繼透鏡系統 具有輸入與輸出角偏差小於1.05度之一遠心率。 9. 一種用於沿一投射路徑投射一影像之雙級式投射系統，該 投射系統包含： 複數個第一與第二成像器，每一個成像器皆包含一像 素矩陣且有一鏡置放於該等成像器與一組單一高斯透鏡 之間之投射路徑中，該組透鏡具有位於該投射路徑上之一 光學軸且置放於該鏡與該等成像器之間，因而一第一成像 裔之輸出沿該組單一高斯透鏡之光學軸之每一方向穿過 該組單一高斯透鏡一次，將該第一成像器輸出之一特定像 素5^焦於该弟二成像器之一對應像素上。 10·如申請專利範圍第9項之雙級式投射系統，其中該等第一 與第二成像器係LCOS成像器且第一與第二極化分光器係 置放於該鏡與該第二成像器之間。 11 ·如申請專利範圍第10項之雙級式投射系統，其中該第一極 化分光器係同時置放於一照射來源與該第一成像器之間。 12·如申請專利範圍第η項之雙級式投射系統，其進一步包含 O:\89\89568.DOC -2- 1240580 置放於該組單一离抓、系处t 阿斯透鏡與該鏡之間之一 板。 刀之—波長 如申請專利範圍第9項之雙級式投射系統， 高斯透鏡包含一單一邦 、組單一 早球形透鏡與-無彩色透鏡， 衫色透鏡係置放於該單-球形透鏡與㈣統^之門〜 專利範圍第9項之雙級式投射系統，其中該組y_ :4透鏡具有小於大約〇.〇5%之一變形及空間頻率 米36個週期時大於〇6之一光學傳輸函數。 15·:申請專利範圍第9項之雙級式投射系統，其中該組單一 高斯透鏡具有大約-0.9995與-1.0005之間之一放大率。 ，16.如中請專利範圍第9項之雙級式投射系統，其中該組單一 间斯透鏡具有輸入與輪出角偏差小於1.05度之一遠心率。 17·如申請專利範圍第9項之雙級式投射系統，其中該投射系 統沿其最大尺度之長度係小於100毫米。 O:\89\89568.DOC _3_
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