TWI312083B - Efficient coupling of light into light guides - Google Patents

Description

1312083 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於傳輸光的光導。更明確地說，本發明係關 於具有產生有效地耦合至光導中的光之光源的影像投影系 統。 【先前技術] 某些彩色影像投影系統使用一白光源，該光源之光束係 分離為主要成分（通常為紅光、藍光及綠光），該等成分然後 係依據從輸入顯示信號所導出的對應顏色資訊而個別地加 以調變。隨後，已調變顏色成分係重新組合以產生投影至 一視屏的一全色影像。 實行主要成分之調變係普遍將一單獨電光式光調變器（通 常為一液晶顯示器（liquid crystal display ; LCD)面板）用於各 主要成分。另一類型的彩色影像投影系統與此類似，但是 其僅使用一 LCD面板來調變主要成分。實行此調變係藉由使 主要成分成形為帶狀斷面，該等斷面係按順序橫跨一 LCD 面板而滾動，該面板係依據滾動的顏色成分而調變。還已 知其他類型的光調變器，例如以微機械式反射鏡（micromechanical mirrors ; MEMS)為基 礎的調 變器。 以上所說明的影像投影系統需要一光源、各種光學元件 (例如稜鏡、偏光鏡及透鏡）、一電子子系統及一或多個光調 變器。雖然此類影像投影系統一般都比較成功，但是其趨 於相對較大。此係一問題，因為對於較輕、較小型系統的 市場需求較大。因此，希望能減小影像投影系統之尺寸及 88852 312083 重里。應注意較小投影系統趨於使用較小光學元件，哕等 1件可以比較大光學元件廉價甚多。 a雖然減小-影像投影系統之尺寸在許多方面都有利，但 又較小影像投影系統易受各種問題的影響。例如，減小尺 寸之影像投影系統能從採用光導來内部傳輸光至各種光學 缸件中獲益。雖然此本身並非一問題’但是，τ能難以： 到有效地韓合光至光導中，尤其係具有_較小斷面的一光 導。隨著對影像投影系統的時間、溫度及實體影鲠，此尤 為真實情況。實際上’―光源之發射容量的變動二如電派 相對於-光源之輸入電極的位置變化），能極大地影響該光 源與一光導之間的光學耦合之效率。 曰 光學耦合—光源至—光導中之類似問題係論述在美國專 利第5,319，195號中，其係於1994年6月7曰向;。_等人公佈 。該專利講述輕合-雷射光束至一光纖。Ws之圖⑴以 及支援文字’講述量測在傳輸—雷射^束的—光纖中傳播 的光之功率的轉換器。此外’圖3及5以及支援文字，講述 採用該等轉換器來決定雷射與光纖之間的未對準，並建議 使用所決疋的未對準將光纖之輸入端與雷射對準。 雖然有利’但D〇nes之原理受到内在限制。例如，僅採 用-個輸入端轉換器來感測光纖與雷射之間的未對準。因 此，關於未對準的定向資訊不存在或者很有限。因&，Jones 不建議決定並且校正多向對準錯誤或焦距錯誤。 在確保光源與-光準之間的有效光學镇合中的一困難 係決定該韓合係何時沒有效率。因此，感測來自—光源的 88852 -6- 1312083 光係何時未能有致地耦合至— ^ 、 會有用。有利的係.'姐中的-錯次偵測系統將 來決定韓合錯广誤谓測系統將會提供足夠的資訊 誤偵測系統的資心；以及—或多個方向。然後’來自錯 的相對位1，以;"二周整光導與引導至光導的光之間 像投％ f @ ^有效耦合。此錯誤校正系統在一影 ΐ Hi 尤為有用，其可用以自動地確保來自—光 *弧燈)的光能有效地耦合至一光導中。此影像 U系統還將比較易於最初對準’因為系統能夠自對準， 所以將僅需要一粗略初始設定。 【發明内容】 。因此，考慮到上述情況，希望能提供感測來自一光源的 光係何時未⑥有效地轉合至—光導中的—錯誤偵測系統。 因此’此處揭示使用一矩形（包括正方形）光導的一錯誤偵測 系 '.先 第一（X軸）光纖纖核係與光導之一側匹配，而—第 —(丫軸）光纖係與另一（垂直）側匹配。一第一（χ軸）測光器感 測從光導耦合至第一（X軸）光纖中的光，而一第二（¥軸）測^ 器感測從光導耦合至第二（Y軸）光纖中的光。應注意，隨著 光源與光導之間的耦合效率減小，耦合至光纖中的光會在 限制範圍内增加。 一電子錯誤偵測器接著比較第一及第二測光器之輸出， 以決定來自光源的光束是否係有效地耦合至光導中。有利 的係’電子錯誤偵測器能產生X軸、Y軸及Z軸位置錯誤。還 有利的係，該錯誤偵測系統提供足夠的資訊來決定耦合錯 5吳之程度以及一或多個方向。 88852 1312083 整光統然後可以使用錯誤偵測系統之輸出來調 耦合。錯六至光導的光之間的相對位置，以便達到有效 合 又正系統可以調整相對位置’該調整係藉由結 不同顯的相對運動感應裝置，明確地說包括$達 、壓電蠻曲绽 g仿圬運 電機一光電子調變器、光電子光閥、繞射光柵及 、；（列如螺線管）以及音圈構造。 & ^勺驾D吳偵測系統及錯誤校正系統也可用於影像 ^ =以自動地確保來自—光源(通常為-電孤燈)的光 =:合至—光導中。此影像投影系統還將比較易於 取Π，因為細微對準可以自動地實行。 〜上述般性說明及以下的詳細說明僅為範例性及 ，釋性1發明之其他具體實施例、具體#施例之變更及 ”八也只μ例以及其他方面、目的及優點將為熟悉技術 #所瞭解’而且可以從研究圖式、揭示案及所附申請專 利範圍而獲得，或者可以藉由實施本發明而掌握。 【實施方式】 現在將詳細參考其範例係解說在附圖中的本發明之具體 貫施例。 圖1解說依據本發明之原理的—影像投影機系統1〇。應瞭 解影像投影機10代表一 一般的影像投影機，其適合於解釋 本發月之原理及解說該等原理—般如何能夠使影像投影系 統受益。 影像投影機系統10之目的係投影一調變光束12至一表面 14以便建互所需影*。產生該等影像係依據輸入信號，例 88852 1312083 如電視信號、電腦產生信號或其他類型的數位化或類比信 號’該等信號係輸入在一蜂1 6上。 影像投影機系統1 0包括一照明單元1 8，該單元包括一光 源2 0及一反射器/透鏡系統2 2。實務上，電孤燈通常係用作 光源。反射器/透鏡系統22將光輸入一矩形（包括正方形）光 導24中。光導24中的光係傳輸至一分色器％，該分色器將 來自光源20的白光分為其紅光、綠光及藍光成分（或其他主 要成分）。紅光成分係經由一光導2 8而施加至一紅光調變器 4 0。綠光成分係經由一光導3 4而施加至一綠光調變器3 6， 而藍光成分係經由一光導3 8而施加至一藍光調變器3 〇。 仍參考圖1，埠丨6上的信號輸入係施加至一電子子系統42 。該子系統從輸入信號擷取紅光、綠光及藍光資訊來產生 紅光、練光及金光|周變信號。紅光調變信號係經由一紅光 信號線路46來施加至紅光調變器4〇，綠光調變信號係經由 一綠光"is號線路4 8來施加至綠光調變器3 6，以及藍光調變 信號係經由一藍光信號線路5 0來施加至藍光調變器3 〇。紅 光調變器、綠光調變器及藍光調變器（40、36及30)依據調變 信號來調變顏色成分。 調變顏色成分然後係施加至一光學處理器5 6，該處理器 組合紅、綠及藍調變顏色成分來產生光束1 2。光束1 2穿過 一組投影光學系統57以在表面14上產生所需影像。 影像投影機系統10使用許多光導（光導24、28、34及3 8) 來内部傳輸光。雖然使用光導有利，但是實務上重要的係 確保光能有效地镇合至各種光導中。為了做到此點，影像 88852 1312083 投影機系統丨〇包括至少—錯誤偵測電路及至少一錯誤校正 系統。

現在參考圖2及3，錯誤偵測電路包括一 γ軸光纖1 〇2及一 X 軸光纖104。各光纖具有一纖核1〇6，該纖核係由一包覆層 108所圍繞（參見圖3)。通常，包覆層⑽係由保護纖核 及包覆層108並且提供機械強度的一緩衝層及一外套所圍 繞。υ軸及X軸光纖1〇2及104與在圖2及3中參考為光導η〇 的一矩形光導匹配。應瞭解光導丨丨〇 一般代表圖丨所示的一或 多個光導。 如圖3所示，光導110包括由—外部包覆層114所圍繞的一 纖核112。Y軸及X軸光纖1〇2及1〇4之外部包覆層1〇8係部分 移除以使其纖核1〇6能接觸外部包覆層丨14。有利的係，外部 包覆層U 4及纖核1 〇 6具有類似的折射率。此使外部包覆層 11 4中的光能耦合至纖核1 〇6中。 現在參考圖2及3，來自一光源（為了解釋之方便而假定為 光源20)的光142將有效地耦合至光導110中。如圖所示，光 142穿過反射器/透鏡22之透鏡部分以在光導u〇上產生一光 g 點。較為理想的係，光點僅照明纖核1丨2。但是’如圖3所示 ，情況並非總是如此。當光1 42與包覆層11 4重疊時，光丨42 之某部分會穿入包覆層114並且耦合至一光纖之纖核中 。圖3顯示在γ軸光纖1〇2下照明包覆層1丨4的光142。因此， 光142之某些耦合至γ軸光纖ι〇2中。 現在參考圖2，耦合至Y軸光纖1 02的光係由一 Y軸測光器 150所偵測。同樣，耦合至X軸光纖104的光係由一 χ軸測光 88852 -10- 1312083 益152所偵'丨則。測光器150及152之輸出係施加至一電子錯誤 偵測益丨54 °電子錯誤偵測器154處理來自測光器150及152的 貪A ’以在—線路1 5 6上產生X軸校正信號、在一線路1 5 8上 產生γ轴校正信號、以及在一線路1 59上產生Z軸校正信號。 應'/王意電子錯誤偵測器1 54可以包括放大器、一微控制器、 έ己憶體電路、比較器、A/D及D/A轉換器以及同等物。 Χ轴校正信號主要係從X軸測光器1 52之輸出導出，而Υ軸 校正信號主要係從γ軸測光器1 5〇之輸出導出。但是，ζ軸校 正信號係從Χ軸測光器1 52以及Υ軸測光器1 50之輸出導出。 王要參考圖2，Ζ軸校正信號係關於光導U0上的光ι42之焦 距。^'光點太大（指示較差焦距）’則增加X軸測光器1 5 2及Υ 轴測光器1 50之輸出。當該等信號之總和得以最小化時，即 達到最佳焦距。 現在參考圖3，線路156上的χ軸校正信號係施加至一 χ軸 相對運動感應裝置丨60，而線路i 58上的γ軸校正信號係施加 至一 γ轴相對運動感應裝置162。若電子錯誤偵測器154決定 光142在X方向上偏離中心，則產生χ軸校正信號，該等信號 引起X轴相對運動感應裝置1 6 〇將由光1 4 2所產生的光點沿χ 軸移向纖核112之中心。同樣，若電子錯誤偵測器154決定光 點在Υ方向上偏離中心，則產生γ軸校正信號，該等信號引 起Υ轴相對運動感應裝置1 62將光點沿γ軸移向纖核u 2之中 心。現在參考圖2，此外’線路U9上的Z軸校正信號係施加 至—Z軸相對運動感應裝置161。Z軸運動感應裝置161改變 光導110上的光142之焦距。因此，影像投影系統1〇包括一閉 88852 -11 - 1312083 合迴路、自動調整光142之位置及焦距以便光142係有效地 辛禺合至光導11 0中的錯誤控制回授網路。 應瞭解相對運動感應裝置1 60、1 6 1及1 62不必實體上接觸 光導11 0或光源20。事實上，該等裝置可以移動一透鏡、— 反射鏡、一棱鏡或任一其他將光1 42引導至光導1 1 〇中的元件 。圖2解說反射器/透鏡22之可能運動170及光源20之可能運 動1 72。此外’相對運動感應裝置1 60、1 6 1及1 62實際上不 必感應實體運動。例如，相對運動感應裝置可以為光電子 定位元件’例如光閥或光調變器。因此，適合的相對運動 感應裝置160、161及162包括馬達、螺線管、電磁元件、壓 電彎曲器、光閥、繞射光柵以及光調變器之此類物品。 揭示此處提出的具體實施例及範例來解釋本發明及其實 際應用’從而使熟悉技術人士能夠實施並且利用本發明。 但是，熟悉技術人士將認識到僅係為解說及範例之目的而 揭TF上述說明及範例。熟悉技術人士將明白本發明之其他 變更及修改。因此，希望本發明之範圍係由所附的申請專 利範圍來加以定義，從而在所有方面提供對等效物的全面 認識。 【圖式簡單說明】 圖式中： 圖1解說依據本發明之原理的一般性彩色影像投影機系 統； 圖2解說適用於圖1之影像投影機系統的一錯誤偵測系統； 以及 88852 1312083 圖3解說適用於圖1之影像投影機系統的一錯誤校正系統。 【圖式代表符號說明】 10 影像投影機系統 12 光束 14 表面 16 埠 18 照明單元 20 光源

22 反射器/透鏡系統 24 光導 26 分色器 28 光導 30 藍光調變器 34 光導 36 綠光調變器 38 光導

40 紅光調變器 42 電子子系統 46 紅光信號線路 48 綠光信號線路 50 藍光信號線路 56 光學處理器 5 7 投影光學系統 1 02 Y軸光纖 88852 X軸光纖 纖核 外部包覆層 光導 纖核 外部包覆層 光 Y軸測光器 X抽測光器 電子錯誤偵測器 線路 線路 線路 X軸相對運動感應裝置 Z轴相對運動感應裝置 Y轴相對運動感應裝置 運動 運動 -14 -

Claims (1)

13 12負8^34852號專利申請案 -- 中文申請專利範圍替換本(98年4月）H抑[ί : 广 拾、申請專利範圍： f 1 · 一種光學系統’其包括： 矩形光導，其具有-内部纖核及-外部包覆層； 一第一光纖，其係光學地耦合至該外部包覆層之一第 -側’且配m貞測在該外部包覆層的該第—側内傳輪 的光； 一第一光纖，其係光學地耦合至該外部包覆層之—第 二側’且配置則貞測在該外部包覆層的該第二側内傳輪 的光； 一第一測光器’用以感測耦合至該第一光纖中的光； 以及 2. 3. 一第二測光器，用以感測耦合至該第二光纖中的光。 如申請專利範圍第i項之光學系統，纟包括_合至該第一 測光器及至該第二測光器的—錯誤㈣系統，該錯誤偵 測系統係用以根據由該第一測光器及由該第二測光器所 感測的光來產生X軸錯誤校正信號及γ軸錯誤校正信號。 如申請專利範圍第i項之光學系統，纟包㈣合至該第一 測光器及至該第二測光器的—錯誤㈣系統，該錯誤侦 測系統係用以根據由該第一測光器及由該第二測光器所 感測的光來產生z抽錯誤校正信號。 4.如t請專利範圍第2項之光學系、统，其包括—叫相對運 動感應裝置，用以相對於該内部纖核而 %似叩移動一光束以回 應δ亥專X抽錯誤校正信號。 5.如t請專利範圍第4項之光學系統，其包括—⑽相對運 88852-980417.doc 1312083 6. 7. 8. 9. 10. 動感應裝置，用以相對於該内部纖核而移 應該等Y軸錯誤校正信號。 元束以口 如申請專利範圍第3項之光學系統， 丹匕括一 Z軸相對 運動感應裝m相對於該㈣纖核㈣動 回應該等Z軸錯誤校正信號。 „圍第1項之光學系統，•包括-光源，用以 產生引導至該光導中的一光束。 如申請專利範圍第1項之光學系統，以該第-光纖包括 一第一纖核及一第一包覆層’其中該第-包覆層係部分 移除以便該第一纖核光學地接觸該外部包覆層。 如申請專利範圍第8項之光學系統中該第—纖核及該 外部包覆層具有如此類似的折射率以致該外部包覆層中 的光耦合至該第一纖核中。 一種影像投影系統，包括： -矩形光導’具有一内部纖核及—外部包覆層； 一光源，用以投影一光束至該光導中； 一弟一光纖，係光學地耦合至該外部包覆層之一第一 側，且配置以偵測在該外部包覆層的該第一側内傳輸的 光； 一第二光纖’係光學地輕合至該外部&覆層之一第二 側，且配置以債測在該外部包覆層的該第二側内傳輸的 光； -第-測光器’用以感測耦合至該第一光纖中的光； 以及 88852-980417.doc -2- 1312083 -第二測光器，用以感測耦合至該第二光纖中的光。 11. 如申請專利範㈣H)項之影像投影㈣，其包括輕合至 該第-測光器及至該第二測光器的_錯誤偵測系統，該 錯誤債測系統係用以根據由該第—測光器及由該第二測 光器所感測的光產生X軸錯誤校正信號、γ轴錯誤校正信 號及Z軸錯誤校正信號。 12. 如申請專利範圍第n項之影像投影系统，其包括一 χ轴相 對運動感應裝置，用以相對於該内部纖核來移動該光束 以回應該等X軸錯誤校正信號；_γ軸相對運動感應裝 置:用以相對於該内部纖核來移動該光束以回應該等Υ轴 錯誤校正信號；及一ζ轴相對運動感應裝置，用以聚焦該 光束以回應該等ζ軸錯誤校正信號。 13. 如申請專利範圍第12項之影像投影系統，其包括—分色 器，該分色器將來自該光源的光分為主要成分。 如申請專利範圍第13項之影像投影系統，其包括一調變 系統’該系統依據調變信號來調變該等主要成分。 15. 如申請專利範圍第14項之影像投影系統，其包括一光學 處理器，該處理器組合該等已調變主要成分來產生夺2 光束。 16. 如申請專利範圍第1〇項之影像投影系統其中該第—光 纖包括一第一纖核及一第一包覆層，其中該第一包覆層 係部分移除以便該第一纖核光學地接觸該矩形光導之該 外部包覆層’且其中該第一纖核及該外部包覆層具有二 此類似的折射率以致該外部包覆層中的光耦合至該第一 88852-980417.doc 1312083 纖核中。 17.—種耦合光至一矩形光導中之方法，該方法包括： 引導光至具有一包覆層的一光導中； 移除引導至該包覆層並在該矩形光導的一第一侧上的 該包覆層内傳輸的光之一第一部分，其中該第—部分係 沿一 X軸而移除； 移除引導至該包覆層並在該矩形光導的一第二側上的 s亥包覆層内傳輸的光之一第二部分，該第二側實質上與 該第一側垂直，其中該第二部分係沿一 γ軸而移除； 感測該光之該第一部分以決定該光之一 X軸未對準； 以及 ^ 感測"亥光之該苐一部分以決定該光之一 Y軸未對準。 18. 如申請專利範圍第〗7項之方法，包括採用該第一部分及 έ亥第二部分以決定該光之一Z軸未對準。 19. 如中請專利範圍第18項之方法，包括調整該光與該光導 之相對位置以便減小該丫軸、該χ軸及該ζ軸未對準。 20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中調整該光與該光導 之相對位置包括移動該光導。 21. 如申吻專利範圍第2〇項之方法，其中該光導係沿該X方向 以及該Υ方向加以移動。 22.如申凊專利範圍第2〇jg夕士、土 . 項之方法’其中調整該光與該夫 之相對位置包括移動光源之該影像。 23 ·如申請專利範圍第〗7 筮_ 之方法其中该光之感測的第 及第一 4刀產生錯誤校 说5亥等信號引起該X軸、 軸及忒2軸未對準得以減小。 88852-9804J7.doc