TWI417632B - 包含準直光源之照明系統 - Google Patents

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TWI417632B TW095145195A TW95145195A TWI417632B TW I417632 B TWI417632 B TW I417632B TW 095145195 A TW095145195 A TW 095145195A TW 95145195 A TW95145195 A TW 95145195A TW I417632 B TWI417632 B TW I417632B
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Description

包含準直光源之照明系統
本揭示案一般而言係關於照明系統，且係尤其應用於運用一或多個準直光源之照明系統。
照明系統一般包括一光源及用於將光從該光源傳送至一所需目的地之照明光學。照明系統運用於各種應用，例如投影顯示器及用於液晶顯示器(LCD)之背光。在一照明系統內的光源可以包括(例如)一弧燈(例如一汞弧燈)、一白熾燈、一螢光燈、一發光二極體(LED)或一雷射。
投影系統一般包括用於產生一影像之一主動光閥、用於照明該光閥之一照明系統及用於一般將該影像投影並顯示在一投影螢幕上之光學。在一投影系統內的照明系統一般使用一或多個白光源，例如弧燈。該照明系統之照明光學可包括用於將白光分離成不同顏色(例如紅色、綠色及藍色)之構件。
經常需要均勻地照明該光閥。由此，該照明系統普遍使用一均質器來均質化光源所發射之光。
一般而言，本發明係關於照明系統。本發明還關於運用於投影系統之照明系統。
在本發明之一具體實施例中，一種光學系統包括一能夠發射光之光源。該發射光包括一或多個實質準直離散光束。該光學系統進一步包括一小透鏡陣列，其用於接收並透射該發射光。在該發射光中的各離散光束在該透鏡陣列處具有一強度半高寬(FWHM)，其覆蓋該小透鏡陣列中的複數個小透鏡之至少一部分。該光學系統進一步包括一光學元件。該光學元件從該光學元件之一輸入面接收該透射光。該光學元件進一步均質化該接收光並從該光學元件之一輸出面透射該均質光。
在本發明之另一具體實施例中，一種光學系統包括一或多個光源。各光源能夠發射一實質準直光束。該光學系統進一步包括一小透鏡陣列。該小透鏡陣列接收並擴展該一或多個光源所發射之光。該光學系統進一步包括一光學均質器。該均質器均質化該小透鏡陣列所擴展之光。在該小透鏡陣列處各發射準直光束之一強度半高寬(FWHM)與一小透鏡外徑之一比率係至少1.05。
本發明一般而言係關於照明系統。本發明還應用於投影系統，該投影系統包括一照明系統與一光閥，其中需要使用高強度光來照明該光閥。本發明尤其可應用於包括一或多個能夠發射準直光之光源(例如雷射光源)之照明及投影系統。
在本說明書中，用於多個圖示中的一相同參考數字係指具有相同或類似特性及功能性之相同或類似元件。
雷射光源已用於照明及投影系統。例如，美國專利公告案第2005/0057727號揭示一種雷射投影系統，其中一準直可見雷射光源藉由掃描一成像液晶光閥來照明該光閥。最近，已揭示緊密型高功率半導體雷射。例如，美國專利案第6,243,407號揭示一垂直空腔表面發光雷射(VCSEL)，其能夠產生數十瓦特的輸出功率。運用於一投影系統之高功率雷射光源可增加一投射影像之亮度及對比度。
本發明揭示具有一或多個準直光源之照明及投影系統。例如，該等光源可以係雷射光源。運用雷射光源(例如美國專利案第5,923,475號所揭示之該等光源)之已知照明系統經常包含一或多個小透鏡陣列，其中在該照明系統內的該等小透鏡陣列之各小透鏡陣列中各雷射光源具有一專用小透鏡。此類照明系統需要在各雷射光源與其對應小透鏡之間的精確對準，由於一較小的誤對準可能實質上影響照明光之均勻度與角分佈。本發明之一優點在於該等準直光源可提供均勻照明而極少需要或不需要個別準直光源與在照明系統中的其他組件之間的精確對準。例如，該優點允許在一照明或投影系統中使用較低精確尺寸且因而較低廉的組件。該優點進一步排除或減小在一照明或投影系統中精確定位光學組件(例如光源)之需要。
本發明之另一優點在於一照明系統之輸出之角強度分佈或同義而言該輸出之遠場強度分佈非在個別準直光源與照明系統中的其他組件之間精確對準的一敏感函數。此優點允許使用更小的組件(例如透鏡或孔徑光闌)，藉此減小照明系統之成本與整體足跡大小。
本發明進一步揭示用於減小或排除(例如)當一或多個連貫光源(例如雷射光源)係用於一照明或投影系統時可能存在的斑點(斑點雜訊)。斑點一般係一干涉圖案且係連貫成像之一特徵。斑點可能劣化影像品質，因此經常需要減小一照明或投影系統中的斑點。
圖1a係依據本發明之一具體實施例之一照明系統100之一示意性側視圖。照明系統100係中心定位於一光軸190上並包括一光源裝配件110、一透鏡120、一光學均質器130、一光學傳送系統140及一光調變器150。光源裝配件110包括一或多個光源(例如光源110A及110B)，各分別發射一實質準直光束，例如準直光束111A及111B。各發射的實質準直光束具有一半發散角。例如，準直光束111A具有一半發散角α而準直光束111B具有一半發散角β。各光束可沿不同方向具有不同的半發散角。例如，光束111A沿z軸傳播並在xz平面內具有一半發散角α，但可能在(例如)yz平面內具有一不同半發散角。依據本發明之一具體實施例，各發射的準直光束之最大半發散角係小於2度，較佳的係小於1.5度，且更佳的係小於1.0度。在某些應用中，各發射的準直光束之最大半發散角係小於0.75度且較佳的係小於0.5度。
光源裝配件110可包括一單一光源。在某些應用中，光源裝配件110可包括複數個離散光源，其採用(例如)一或多個列或採用一應用中可能需要的任何圖案配置。光源裝配件110可包括位於一平面內的複數個離散光源。在某些應用中，光源裝配件110可包括一三維離散光源陣列，其係配置於(例如)一球形、橢圓形、抛物線、雙曲線、平面或任何其他適當表面上。
光源110A可以係任何能夠發射實質準直光的光源，例如一雷射光源。
各發射的實質準直光束在垂直於傳播方向的一方向上具有一強度輪廓。例如，準直光束111A沿z軸傳播並在xy平面內具有一二維強度輪廓。該強度輪廓可能在xy平面內沿不同方向而不同。例如，準直光束111A可在xy平面內沿x方向具有一強度輪廓112，其可不同於沿y方向的強度輪廓。強度輪廓112具有一峰值強度113及一強度半高寬(FWHM)114。
透鏡120具有一第一表面121、一第二表面122及一標稱厚度t，其中t係(例如)表面121與122之間的平均距離。第一表面121包括一小透鏡陣列123，小透鏡陣列123包括複數個小透鏡，例如小透鏡123A。該等小透鏡可以係全正、全負或正負小透鏡之一組合。依據本發明之一具體實施例，在該小透鏡陣列處各發射準直光束之一光強度FWHM覆蓋複數個小透鏡之至少一部分。例如，準直光束111A之強度FWHM 114覆蓋5個小透鏡之至少一部分。在小透鏡陣列123中各小透鏡具有一內徑，其係該小透鏡所能封閉之最大圓周之直徑。類似地，在小透鏡陣列123中各小透鏡具有一外徑，其係該小透鏡所能封閉之最小圓周之直徑。
依據本發明之一具體實施例，在該小透鏡陣列123處的一發射準直光束之一強度FWHM與在該小透鏡陣列內的一小透鏡之一外徑之比率較佳的係不小於0.94，更佳的係不小於0.97且甚至更佳的係不小於1.0。在某些應用中，在該小透鏡陣列123處的一發射準直光束之一強度FWHM與在該小透鏡陣列內的一小透鏡之一外徑之比率較佳的係不小於1.05，更佳的係不小於1.10且甚至更佳的係不小於1.15。
依據本發明之另一具體實施例，在該小透鏡陣列123處的所有發射準直光束中的一最小強度FWHM與在該小透鏡陣列內的所有小透鏡中的最大有限外徑之比率較佳的係不小於0.94，更佳的係不小於0.97且甚至更佳的係不小於1.0。在某些應用中，在該小透鏡陣列123處的所有發射準直光束中的一最小強度FWHM與在該小透鏡陣列內的所有小透鏡中的最大有限外徑之比率較佳的係不小於1.05，更佳的係不小於1.10且甚至更佳的係不小於1.15。
依據本發明之一具體實施例，一發射準直光束覆蓋4個小透鏡之至少一部分，較佳的係7個小透鏡之至少一部分，且更佳的係9個小透鏡之至少一部分。依據本發明之另一具體實施例，各發射準直光束覆蓋4個小透鏡之至少一部分，較佳的係7個小透鏡之至少一部分，且更佳的係9個小透鏡之至少一部分。範例性照明系統100(其中各發射準直光束覆蓋在小透鏡陣列123中的複數個小透鏡之至少一部分)提供均勻照明及一遠場強度分佈，其均不對該等個別發射準直光束與小透鏡陣列123中的該等小透鏡之間的精確對準敏感。
為了簡單並容易地說明，圖1a顯示以一單一焦點聚焦該等入射準直光束之各光束之小透鏡陣列123。一般而言，可在複數個焦點處聚焦一入射準直光束，該等焦點對應於該入射準直光束所照明之該等小透鏡。一照明系統100(其中各入射準直光束照明複數個小透鏡)之一優點在於入射光係聚焦於複數個焦點處，藉此減小該照明系統中的斑點。
在小透鏡陣列123中的各小透鏡具有一或多個焦點。該等小透鏡之該等焦點可位於或可不位於相同平面內。例如，圖1b顯示來自小透鏡陣列123之四個範例性正小透鏡，其分別具有焦點F1、F2、F3及F4，其中該等四個焦點不位於相同平面內。圖1c說明藉由圖1b所示之該等四個小透鏡之一入射實質準直光束111C之擴展。準直光束111C係有效地分割成四個更小光束，其係聚焦於焦點F1至F4。該聚焦光束隨後隨著其沿z軸傳播而擴展。圖1d顯示來自小透鏡陣列123之四個範例性負小透鏡，其具有各別虛擬焦點F5、F6、F7及F8，其中該等四個焦點不位於相同平面內。在此情況下，一入射實質準直光束111D係有效地分割成四個更小光束，一旦一對應小透鏡折射各光束，其便擴展。一照明系統100(其中該等小透鏡之焦點不位於相同平面內)之一優點在於減小的斑點。
依據本發明之一具體實施例，對於小透鏡陣列123中的所有小透鏡而言，一小透鏡外徑與該小透鏡之一焦距之比率均相同。然而，該等小透鏡可具有不同的焦距及/或外徑。依據本發明之另一具體實施例，在小透鏡陣列123中的該等小透鏡具有實質上相同的外徑，但該等小透鏡之至少某些小透鏡具有不同焦距。
在小透鏡陣列123中的不同小透鏡可具有不同光學功率，其中一光學功率可以係正或負。小透鏡陣列123可以係一線性或二維小透鏡陣列。此外，可緊密堆積或可不緊密堆積在小透鏡陣列123中的該等小透鏡，儘管在本發明之一較佳具體實施例中，該等小透鏡係緊密堆積以(例如)改良傳遞至光調變器150之光之均勻度。
在小透鏡陣列123中的一小透鏡可具有不同形狀，例如一方形形狀、一六角形形狀、一矩形形狀或可適用於一應用之任何其他形狀。此外，在小透鏡陣列123中的不同小透鏡可具有不同形狀、不同內徑及/或不同外徑。在小透鏡陣列123中的一小透鏡可以係一球形透鏡、一圓柱形透鏡、一非球形透鏡或一應用中可能需要的任何其他類型透鏡。
依據本發明之一具體實施例，透鏡120能夠擴展各入射準直光束。在圖1a所示之範例性具體實施例中，在小透鏡陣列123中的小透鏡係平凸。在此情況下，透鏡120先聚焦各入射準直光束，然後擴展各聚焦光束，如(例如)圖1c所示。在小透鏡陣列123中的該等透鏡之某些或全部可以係平凸，在此情況下，一旦被第一表面121透射，一入射準直光束便可擴展。一般而言，在小透鏡陣列123內的一小透鏡可以係一應用中所需的任何小透鏡，例如一雙凹小透鏡、雙凸小透鏡、一凹凸小透鏡或一凸凹小透鏡或可適用於一給定應用的任何其他類型小透鏡。
在圖1a所示之範例性照明系統中，在小透鏡陣列123內的該等小透鏡係形成於基板174之一表面173上。在某些照明系統中，在小透鏡陣列123內的該等小透鏡及基板174可藉由(例如)將該等小透鏡直接模製於基板174之表面173上而形成一單一系統。
在圖1a中的光學元件130係主要設計成用以均質化透鏡120所透射之光，其中均質化係指射出光學元件130之光比射入光學元件130之光具有一更均勻的空間強度分佈。習知的光均質器之範例可見於美國專利案第5,625,738號及第6,332,688號與美國專利申請公告案第2002/0114167號、第2002/0114573號及第2002/0118946號。
光學元件130具有一輸入面131、具有一長度"d"之一光學桿132及一輸出面133。光學元件130從輸入面131接收透鏡120所透射之光，隨著光沿該光學桿之長度傳播而均質化該接收光，並從該光學元件之輸出面133透射一均質化光。
輸入面131、輸出面133及光學桿132之一斷面可具有任何形狀，例如一矩形、一梯形、一方形、一橢圓形或一應用中可能需要的任何其他形狀。輸入面131、輸出面133及光學桿132之一斷面可具有不同形狀。例如，輸入面131可以係一圓形而輸出面133可以係一方形。光學桿132之一斷面可沿該光學桿在不同位置不同。例如，光學桿132可沿光軸190而沿其長度漸縮。該光學桿可沿該光軸而向內或向外漸縮。光學桿132之一斷面之該等側可以係筆直或彎曲。一漸縮光學桿之一範例係說明於美國專利案第6,332,688號中。
均質器130可具有任何三維形狀，例如一多面體(例如一六面體)。均質器130之一部分或整個均質器130可以係固體或中空。均質器130可藉由任何適當的光學方法(例如反射、全內反射、折射、散射或繞射或其任一組合)或任何可適用於均質化接收光之其他方法來均質化所接收光。
圖1a顯示一筆直光軸190與一筆直光學元件130。一般而言，光軸190可在一應用中視需要沿該光軸在一或多個點折疊。在此情況下，光學元件130還可沿光學桿132之長度"d"在一或多個點折疊。
依據本發明之一具體實施例，組合光學元件130之均質化功能藉由透鏡120擴展發射準直光束在光學元件130之輸出面133傳遞一充分的空間均勻光。
依據本發明之一具體實施例，透鏡120在xy平面內的一方向上不大於一小透鏡外徑之一距離之一偏移會改變在輸出面133處的光之空間均勻度(有時稱為近場強度分佈)小於30%，較佳的係小於20%且更佳的係小於15%。在某些應用中，此偏移改變在輸出面133處的光之空間均勻度小於10%、較佳的係小於5%、更佳的係小於1%且甚至更佳的係小於0.5%。
依據本發明之另一具體實施例，透鏡120在xy平面內的一方向上不大於在小透鏡陣列123中的該等小透鏡中最大外徑之一距離之一偏移改變在輸出面133處的光之空間均勻度小於30%，較佳的係小於20%且更佳的係小於15%。在某些應用中，此偏移改變在輸出面133處的光之空間均勻度小於10%、較佳的係小於5%、更佳的係小於1%且甚至更佳的係小於0.5%。
在圖1a中，透鏡120與光學均質器130係分離一距離"1"。一般而言，距離"1"可以係任何在一應用中能夠產生一所需結果之距離。例如，距離"1"可足夠大以改良輸出面133處的均勻度。在某些應用中，距離"1"可足夠小以增加光學均質器130所接收並收集之光之數量。在某些其他應用，距離"1"可以係零以(例如)改良機械穩定性及/或減小維持透鏡120與光學均質器130之間對準的需要。例如，可藉由排除基板174並直接在光學均質器130之輸入面131上形成小透鏡陣列123來使距離"1"為零。
依據本發明之一具體實施例，透鏡120係藉由一黏著層(在圖1a中未顯示)而光學耦合至光學元件130。本文所使用的術語黏著係指一種能夠藉由表面附著將相鄰層接合在一起的材料。例如，藉由在一黏著宿主材料內散佈小顆粒，該黏著層可以係光學擴散性的，其中該等顆粒之折射率不同於該黏著宿主材料之折射率。類似地，透鏡120可沿該透鏡之厚度"t"而光學擴散。
依據本發明之一具體實施例，透鏡120係光學元件130之一整體部分，其表明透鏡120與光學元件130形成一單一構造。例如，小透鏡陣列123可以係光學均質器130之輸入面131之一整體部分。
光學傳送系統140從其輸入面141接收光學均質器130所發射之光，將該接收光傳送至其輸出面142，並從其輸出面將該傳送光傳遞至光調變器150。依據本發明之一具體實施例，輸出面133與光調變器150形成一共軛對，其表明(例如)光調變器150位於輸出面133之一影像平面內。
光學傳送系統140包括具有一開放區域144的一孔徑光闌143。依據本發明之一具體實施例，輸出面133與孔徑光闌143形成一傅立葉轉換對，其表明一般在輸出面133內的每個點(例如點134)實質上照明整個開放區域144。此外，均沿一相同方向傳播之所有射出輸出面133之光線(例如光線135)實質上會聚於一個別點處，例如開放區域144內的點145。
光學傳送系統140可包括(例如)本質上折射性、反射性、繞射性或全像性的一或多個光學組件，例如一透鏡、一微透鏡陣列、一光學濾波器、一色彩輪、一鏡面或任何其他可以用於光學傳送系統140將光從光學元件130傳送至光調變器150之作用區域151之光學組件。
光調變器150具有能夠顯示一影像之一作用區域151。依據本發明之一具體實施例，孔徑光闌143與作用區域152形成一傅立葉轉換對。
光調變器150具有能夠顯示一影像之任何光調變器。光調變器150可以係像素化。例如，光調變器150可以係一微電機系統(MEMS)，例如一數位微鏡面裝置(DMD)。一DMD一般包括一可傾斜微鏡面陣列。可藉由(例如)一電氣信號來獨立地控制各鏡面之傾斜。各鏡面(或像素)之傾斜允許該鏡面用作一快速且精確的光開關。由此，一DMD可用作一空間光調變器，在使用一入射光照明時，其散位調變一入射光以(例如)顯示一影像。一DMD之一範例係一數位光處理器T M (DLPT M )，其係購自德州達拉斯市德州儀器公司。
光調變器150之另一範例包括(例如)在美國專利案第5,841,579號所論述之一光柵光閥(GLV)或一液晶顯示器(LCD)。一LCD型調變器150可以分別係(例如)透射型或反射型，例如一高溫多晶矽(HTPS)LCD或一矽上液晶(LCoS)顯示器。
一般而言，光調變器150可以係任何能夠形成一影像之電子可切換裝置。在某些應用中，光調變器150可顯示一靜態影像，取決於特定應用，該影像可作為時間之一函數(例如)而再新、改變或另外方式更新。
光學均質器130所透射之光具有一近場分佈，其係在輸出面133處的空間光強度分佈。光學元件130所透射之光還具有一遠場或一角強度分佈。遠場分佈在理論上係在位於離輸出面133無限遠之一平面內的透射光之空間強度分佈。在實務上，遠場分佈可藉由考量在位於離輸出面133一較長距離(例如數米)處之一平面內的透射光之空間強度分佈來決定。
依據本發明之一具體實施例，透鏡120沿xy平面內的一方向上不大於小透鏡陣列123內該等小透鏡中的一小透鏡外徑之一距離之一偏移改變均質器130所透射之光之角強度分佈小於40%，較佳的係小於20%，更佳的係小於10%，更佳的係小於5.0%且甚至更佳的係小於1.0%。
依據本發明之另一具體實施例，透鏡120沿xy平面內的一方向上不大於小透鏡陣列123內該等小透鏡中的最大小外徑之一距離之一偏移改變均質器130所透射之光之角強度分佈小於40%，較佳的係小於20%，更佳的係小於10%，更佳的係小於5.0%且甚至更佳的係小於1.0%。
藉由下列範例進一步說明本發明之優點及具體實施例。範例中所陳述之特定材料、光學參數(例如折射率)與尺寸以及其他條件與細節不應視為不當地限制本發明。
範例1：
針對入射透鏡120上的一實質準直光來數值分析類似於圖1a之照明系統100之一照明系統。參考圖2至4說明該範例中所使用的系統變數及參數之細節。一單一圓形入射準直光束111A係用於該分析。在表面131處在xy平面內沿x方向與y方向二者的該光束之強度FWHM係0.2 mm。該光束具有等於0.344度的一半發散角α。該光束之波長係0.532微米。
在該分析中，小透鏡陣列123係一二維緊密堆積相同方形小透鏡陣列，其係直接形成於光學元件130之輸入表面131上。各小透鏡具有如圖3中小透鏡301所示之一凸起第一表面，其曲率半徑為0.3 mm，而一小透鏡厚度"P"等於0.04 mm。輸入面131係一矩形，其沿y軸側面尺寸為6.8 mm而沿x軸為4.0 mm。光學桿132係40 mm長。
在該分析中存在二變數。第一變數係"q"，即各方形小透鏡之各側之大小，其係圖2及4所示之各方形小透鏡之內徑。第二變數係誤對準之大小"h"，其係定義為入射準直光束111A在小透鏡陣列123之中心401與一指定小透鏡123B之中心402之間的距離，如圖4所示。三個不同的值係用於h。第一值係h＝0，其表明中心401位於中心402處。第二值係h＝q/4，其表明沿y軸橫向偏移等於小透鏡123B之側之四分之一的一距離。第三值係h＝q/2，其表明沿y軸橫向偏移等於小透鏡123B之側之二分之一的一距離。
針對各組變數之分析之輸出係D，即封閉光學均質器130所透射之光之遠場分佈之最小半錐角。參考圖1a，D對應於實質上透射全部射出光學均質器130之光之孔徑光闌143之開放區域144之最小直徑，表明(例如)一更大D將要求一更大的開放區域144，其一般還將要求該照明系統中的其他組件更大。
表1顯示用於該範例中所考量之不同組變數之D。
在表1中，"OD"係小透鏡123B之外徑，如圖2及4所示，而S係FWHM對OD之比率。從表1可以看出，對於OD＝0.283 mm，等於小透鏡側之大小一半的一誤對準(即對於h＝0.1 mm)將造成D從7.5度增加至12.5度，接近%67的一增加。類似地，對於OD＝0.212 mm，等於小透鏡側之大小一半的一誤對準(即對於h＝0.075 mm)將造成D從7.0度增加至10.0度，接近%43的一增加。另一方面，對於OD＝0.188 mm，等於小透鏡側之大小一半的一誤對準(即對於h＝0.067 mm)將造成D從8.0度增加至8.5度，接近僅大約%6的一增加。對於OD＝0.177 mm，q/4或q/2之一誤對準不會改變D。因此，對於大於1.06之S值，在入射準直光束與對應小透鏡之間的一誤對準改變遠場分佈小於10%。因此，本發明之優點在於，對於足夠大的值S，遠場分佈同時足夠小且對一入射準直光束與該小透鏡陣列中的該等小透鏡之間的誤對準不敏感。
圖5a至d顯示在該範例中對於四個不同組變數之角強度分佈。特定言之，圖5a顯示對於S＝0.707，具有零誤對準之角強度分佈510，而圖5b顯示對於相同S，但具有0.1 mm誤對準之角強度分佈520。類似地，圖5c顯示對於S＝1.131，具有零誤對準之角強度分佈530，而圖5d顯示對於相同S，但具有0.062 mm誤對準之角強度分佈540。一用以定義角θ與Φ之方法係參考在光學均質器130之輸出面133處一任意點501，如圖5a所示。從點501射出輸出面133之一光線502終止於在遠場分佈504中的一點503。角θ係光線502與z軸所成之角。角Φ係在xy平面內光線502之投影(即直線505)與x軸所成之角。由此，D係圍繞光學均質器130所發射之光之遠場分佈之最小角θ。
圖5a及5b顯示一誤對準0.1 mm引起該角強度分佈之大小之一實質上增加，因此需要在圖1a之照明系統100內的一較大開放孔徑144以容納在(例如)製造、裝配或使用照明系統100期間可能發生的任何誤對準。
相比之下，圖5c及5d顯示本發明之一優點，即甚至0.062 mm之一誤對準不影響該角強度分佈之大小。因此，本發明在製造並裝配照明系統100內的不同組件時允許一更大容限。本發明可進一步允許一更大系統操作溫度，由於在不同系統組件之間由於熱膨脹及收縮所引起之一誤對準不會實質上影響整體系統效能。此外，本發明藉由使用更小光學組件(包括在孔徑143內的更小開放區域144)允許使用更大f數照明或投影系統，藉此減小該照明或投影系統之成本及整體足跡。一更大f數系統之使用還藉由(例如)減小光學像差來改良光學效能，從而隨之藉由在照明系統100或包括此類照明系統之一投影系統內允許使用更少及/或更低複雜的光學組件。
在表1中的該等結果之某些結果係如圖6所示。特定言之，曲線600顯示對於等於小透鏡123B之側一半的一誤對準(參見圖4)之% D改變作為S之一函數。依據曲線600，對於大於大約1之S，% D改變小於大約25%。
圖7顯示依據本發明之一具體實施例之一投影系統700之一示意性側視圖。投影系統700包括一照明系統710、投影光學720及一投影螢幕730。照明系統710係依據本發明之任一具體實施例之一照明系統，例如圖1a之照明系統100。儘管圖1a顯示一單一照明系統，一般而言，投影系統700可包括多個照明系統，例如三個照明系統。
投影光學720投影照明系統710在投影螢幕730上所產生的一影像。投影光學720一般包括多個透鏡。已知的投影光學之範例係論述於美國專利案第6,417,971號、第6,301,057號及第5,969,876號中。
投影系統700可以係一背投影系統，在此情況下，投影系統730較佳的係一背投影螢幕。投影系統700可以係一前投影系統，在此情況下，投影系統730較佳的係一前投影螢幕。
投影系統700係顯示為中心定位於一筆直光軸790上。一般而言，可在一或多個點折疊光軸790以(例如)減小該投影系統之整體足跡。
上文所引用之所有專利案、專利申請案及其他公告案均如同完全複製而以引用方式併入此文件。儘管上面詳細地說明本發明之具體範例以方便解釋本發明之各種方面，但應明白本發明不侷限於該等範例之具體細節。相反，本發明涵蓋所有修改、具體實施例與替代例而不脫離由所附申請專利範圍所定義之本發明之精神及範疇。
100．．．照明系統
110．．．光源裝配件
110A．．．光源
110B．．．光源
111A．．．準直光束
111B．．．準直光束
111C．．．入射實質準直光束
111D．．．入射實質準直光束
112．．．強度輪廓
113．．．峰值強度
114．．．強度半高寬(FWHM)
120．．．透鏡
121．．．第一表面
122．．．第二表面
123．．．小透鏡陣列
123A．．．小透鏡
123B．．．小透鏡
130．．．光學均質器/光學元件
131．．．輸入面
132．．．光學桿
133．．．輸出面
134．．．點
135．．．光線
140．．．光學傳送系統
141．．．輸入面
142．．．輸出面
143．．．孔徑光闌
144．．．開放區域
145．．．點
150．．．光調變器
151．．．作用區域
152．．．作用區域
173．．．基板174之表面
174．．．基板
190．．．光軸
301．．．小透鏡
401．．．中心
402．．．中心
501．．．點
502．．．光線
503．．．點
504．．．遠場分佈
505．．．直線
510．．．角強度分佈
520．．．角強度分佈
530．．．角強度分佈
540．．．角強度分佈
600．．．曲線
700．．．投影系統
710．．．照明系統
720．．．投影光學
730．．．投影螢幕
790．．．筆直光軸
F1．．．焦點
F2．．．焦點
F3．．．焦點
F4．．．焦點
F5．．．虛擬焦點
F6．．．虛擬焦點
F7．．．虛擬焦點
F8．．．虛擬焦點
結合附圖，考量本發明之各種具體實施例之上面詳細說明，可更全面地明白並瞭解本發明，其中：圖1a顯示依據本發明之一具體實施例之一照明系統之一示意性側視圖；圖1b顯示如圖1所示之小透鏡陣列之一範例性部分之一示意性側視圖；圖1c顯示藉由圖1b之小透鏡之一準直光之擴展；圖1d顯示如圖1所示之小透鏡陣列之另一範例性部分之一示意性側視圖；圖2顯示範例1中所分析之一照明系統之一部分之一示意性三維圖；圖3顯示範例1中所分析之一照明系統之一部分之一示意性側視圖；圖4顯示範例1中所分析之小透鏡陣列之一部分之一示意性正視圖；圖5a至d顯示範例1中所使用之四個不同組變數之角強度分佈；圖6顯示範例1中所揭示之該等結果之某些結果之一曲線；以及圖7顯示依據本發明之一具體實施例之一投影系統之一示意性側視圖。
100．．．照明系統
110．．．光源裝配件
110A．．．光源
110B．．．光源
111A．．．準直光束
111B．．．準直光束
112．．．強度輪廓
113．．．峰值強度
114．．．強度半高寬(FWHM)
120．．．透鏡
121．．．第一表面
122．．．第二表面
123．．．小透鏡陣列
123A．．．小透鏡
130．．．光學均質器/光學元件
131．．．輸入面
132．．．光學桿
133．．．輸出面
134．．．點
135．．．光線
140．．．光學傳送系統
141．．．輸入面
142．．．輸出面
143．．．孔徑光闌
144．．．開放區域
145．．．點
150．．．光調變器
151．．．作用區域
173．．．基板174之表面
174．．．基板
190．．．光軸

Claims (28)

  1. 一種光學系統，其包含：一能夠發射光之光源，該發射光包含一或多個實質準直離散光束；一小透鏡陣列，其接收並透射該發射光，在該發射光中的各離散光束在該小透鏡陣列處具有一強度半高寬(FWHM)，其覆蓋在該小透鏡陣列中的複數個小透鏡之至少一部分；以及一光學元件，其從該光學元件之一輸入面接收該透射光，該光學元件均質化該接收光並從該光學元件之一輸出面透射該均質化光，其中該光學系統具有一光軸，且進一步其中該小透鏡陣列垂直於該光軸之一偏移達該小透鏡陣列中的一小透鏡之一外徑之一半會改變該均質化光之一均勻度，該改變小於5%。
  2. 如請求項1之光學系統，其中該光源包括一雷射光源。
  3. 如請求項1之光學系統，其中各實質準直離散光束之一半發散角係小於2度。
  4. 如請求項1之光學系統，其中各實質準直離散光束之一半發散角係小於1度。
  5. 如請求項1之光學系統，其中該光源包含一或多個列離散光源。
  6. 如請求項1之光學系統，其中該光源包含一二維離散光源陣列。
  7. 如請求項1之光學系統，其中該光源包含一三維離散光源陣列。
  8. 如請求項1之光學系統，其中在該小透鏡陣列處的各離散光束之FWHM覆蓋4個小透鏡之至少一部分。
  9. 如請求項1之光學系統，其中在該小透鏡陣列處的各離散光束之FWHM覆蓋7個小透鏡之至少一部分。
  10. 如請求項1之光學系統，其中在該小透鏡陣列處的各離散光束之FWHM覆蓋9個小透鏡之至少一部分。
  11. 如請求項1之光學系統，其中在該小透鏡陣列中的該等小透鏡之至少某些之焦點不位於一相同平面內。
  12. 如請求項1之光學系統，其中在該小透鏡陣列中的至少二小透鏡具有不同光學功率。
  13. 如請求項1之光學系統，其中各小透鏡具有一六角形形狀。
  14. 如請求項1之光學系統，其中各小透鏡具有一方形形狀。
  15. 如請求項1之光學系統，其中各小透鏡具有一矩形形狀。
  16. 如請求項1之光學系統，其中在該小透鏡陣列中的該等小透鏡係緊密堆積。
  17. 如請求項1之光學系統，其中該小透鏡陣列係該光學元件之一整體部分。
  18. 如請求項1之光學系統，其中該光學元件藉由全內反射來均質化該接收光。
  19. 如請求項1之光學系統，其中該光學元件係漸縮。
  20. 如請求項1之光學系統，其中該光學元件之該等輸入及輸出面之至少一者係一矩形。
  21. 如請求項1之光學系統，其中該光學元件之該等輸入及輸出面之至少一者係一方形。
  22. 如請求項1之光學系統，其中該光學元件之該等輸入及輸出面之至少一者係一梯形。
  23. 一種包含如請求項1之光學系統之投影系統。
  24. 一種光學系統，其包含：一或多個光源，各光源能夠發射一實質準直光束；一小透鏡陣列，其用於接收並擴展各實質準直光束；以及一光學均質器，其用於均質化該小透鏡陣列所擴展之光，其中在該小透鏡陣列處的各發射實質準直光束之一強度半高寬(FWHM)與一小透鏡外徑之一比率係至少1.05。
  25. 如請求項24之光學系統，其中該比率係至少1.10。
  26. 如請求項24之光學系統，其中該比率係至少1.15。
  27. 如請求項24之光學系統，其中在該小透鏡陣列中的該等小透鏡係緊密堆積。
  28. 如請求項24之光學系統，其中該一或多個光源之至少一者係一雷射光源。
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