TWI222505B - High efficient light collecting module for light source - Google Patents

Description

^22505 ΐΓί ·|·「Π_ _ I Ι_ , 1 ' ' ~1 >_. wfc犯5· 2〇修正 年月Η4 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域】 、 本發明是一種集光模組，利用此技術可提升聚光型燈 源的集光效率。 【先前技術】 ^ 一般投影顯示系統裝置皆需要利用集光模組來進行分 光、调變、合光及成像。然而，光利用效率的好與壞，直 接關係整體顯像品質的亮度、均勻度、色彩的表現。不僅 如此’隨著投影顯示器價格下滑的趨勢，投影顯示器所使 用的影像調變面板（如DMD panel等）的尺寸也愈來愈 ^ ’以節省成本；並且在單位面積上的像素也愈來愈多使 知面板的穿透率降低，不僅如此，光的利用效率會隨著面 板面積的縮小而降低。故各廠家，無不潛心研究如何提升 光源的利用效率。 一般來判斷光源經過反射罩所得之光束之效率的好 壞，可以用Etendue這個參數來表示。Etendue的定義及方 程式如下： E= ^ 5 cos ΘdAd Ω 而0 、dA、d Ω的關係可參閱第一圖。 此處dA表不光束所投影的面積，表示通過^之光束 的立體角’而0表示平面以的法向量與άΩ之中心轴的夾 角。 此方程式表示光束的幾合性質（ge〇metric proper ^ )，而光束的能量密度、強度、亮度等的性質， 並不在圪個方程式中被顯示出來。在同流明的光束下，當

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五、發明說明（2)

Et endue愈小，表示光束的面積、光束與平面法線的夾角 及光束之士體角的積分值是愈小的；也就是說，光的利用 效率也車乂回由以上的概念，光學設計工程師可以容易的 辨定光源模組的光利用效率的好壞。 一般利用於投影顯示器的集光模組，大致可分為橢球 面型燈泡（參閱第二圖）及拋物面型燈泡（參閱第三 圖）在第圖中’光源131a置於橢球面型反射罩1113的 第一焦點F 1111 a上，由光源丨31 a所發出的光線，經由橢球 面型反射罩11 la聚焦於第二焦點F1丨12a上，光線再進入柱 狀積分器21 a得到均勻化後，再進行分光、合光、成像 等。 參閱第三圖中，光源131a置於拋物面型反射罩121&的 焦點F1 2 11 a上’由光源所發出的光線，經由拋物面型反射 罩1 2 1 a的反射’光線彼此之間平行射出反射罩，經由置於 反射罩前的正透鏡4a，將光線匯聚於柱狀積分器2la進行 均勻化的處理。 由於反射罩與光源的搭配，還有其他因素須考量，諸 如光源的散熱問題、反射罩的鍍膜問題、反射罩開模的問 題及光源與反射罩之間調整的問題。林林總總，總是使得 反射罩的體積無法縮小（也就是說光束經由反射罩的投射 面積無法縮小），並且由於UHP (ultra-high pressure mercury lamp )光源的特性，使得聚光點的面積及光束的 立體角無法縮小。因此，當一般投影用的燈泡使用在小尺 寸的影像調變面板的之下，往往難以得到理想的光學效 圓

IMI 1222505 岣5%2〇修正]

五、發明說明（3) 率。因此，各廠商無不想盡辦法，改變上述三個因子 (0、Α、Ω)，以提升光學效率。 ^閱第四圖，此集光模組為Phi lips在這方面的傑 作。這是利用在燈管13a上的石英圓球體（bulb 〇f七“ burner) 132a的外表面為圓球面的特性，鍍上一層反射層 1321a，使得圓球體可以作為球面鏡，而將自光源131&所 韓射出來的光線，再折回原路徑，使得光源131&之發光角 I為原來的一半，而達到小etendue的作用，以提升光學 效率。 光源131a被包覆在中空石英圓球體132a (bulb of the burner)的球心位置，且光源131&也位於橢球面型反 射罩111 a的第一焦點F丨丨丨a位置。在石英圓球體的右半側 的外表面，鍍上乙層反射鍍膜層13213，使得由光源131a 所輻射出來的光線向右側射出的部份，經由反射鍍膜層 1321a再反射回石英圓球體132a的球心位置。由於光源 131a被置於橢球面型反射罩1118的第一焦點？111&處，所 以右半侧反射回來的光線重新經過第一焦點F丨丨丨&後，再 向左側射出。左側的光線，經由橢球面型反射罩丨丨丨a的反 射後，光束匯聚於橢球面型反射罩111&的第二焦點F1112a 處。 由於最終光源1 31 a的光線只向左侧射出，再經由橢球 面型反射罩111a聚焦，所以與第二圖之橢球面型反射罩相 比’第四圖的橢球面型反射罩要明顯小許多。也就是在橢 球面型反射罩的第一焦點？1113右半邊的反射罩皆用不

1222505 % 5· 2 〇 修£ 年月Θ 4 乂— 獻. 五、發明說明（4) 到，所以可取消。由Philips於20 0 2 SID (Holger Moench， Arnd Ritz， Higher Output, More Compact UHP Lamp Systems，SID 02)所發表的論文可知，在小 Etendue的狀況下（5〜15mnT2 ster )，收光效率可提升2〇 -3 0%。

Phi 1 ips這種光源模組有幾個問題：（一）石英圓球 體132a的球面經久變形：由於UHP lamp在使用時所產生的 南熱及南壓’會使石英圓球體發生變形，所以反射回來的 光線就不會沿原路徑回到圓球體球心位置，所以光學效率 會隨時間而降低。（二）燈泡壽命縮短：經石英圓球體 132a之反射鍍膜層1321a反射回來的光線有部份會被電極 1 32 2a遮擋，造成光學效率降低及加熱電極，造成燈泡壽 命縮短。（三）球面製作不易：在製造石英圓球體132a 時’石英圓球體之球面不易製作，造成反射光線不會沿原 路徑回到球心，所以光學效率降低。（四）貨源取得不 易：這種特殊光源模組，只有Phi 1 ips生產。 參閱第五圖。此光源模組為美國專利（US 63567〇〇 B1)由一件橢球面型反射罩3ia及一件球面型反射罩328組 成’其中光源131a被置於橢球面型反射罩3ia之第一焦點 F311a上，而球面型反射罩32a之球心C321與橢球面型反射 罩之第一焦點F31 la與光源131a都共點。而燈管13a的對稱 軸A133與光軸（光轴系橢球面型反射罩gia之第一焦點 F 3 11 a及第二焦點f 31 2 a的連線）垂直。光源右半側的光線 射出後’經由球面型反射罩32a反射後，再沿原路徑經過

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第一焦點F31 la到橢球面型反射罩31&上，經橢球面型反射 罩3 1 a反射後，與光源1 3 1 a左側的光線經橢球面型反射罩 31a—同反射後，共同匯聚於橢球面型反射罩3ia之 隹 點F3 12a 上。 一 本件除了可提升光學利用效率外，還有其他缺點： (一）組裝不易（二）經球面型反射罩再反射回來的光 線，有部伤會被電極遮播，造成光利用效率降低。（三） 承上，被電極遮擋的光線，會加熱電極，造成電極冷&困 難。（四）組件成本過高，均非標準品。（五）體積過 大0 參閱第六圖。此光源模組由一件球狀型反射罩M a及 兩個抛物面型反射罩331a、332a並一燈管i3a組成。球面 型反射罩32a的球心C321與第一拋物面型反射罩331a的焦 點F331 la及光源131a共心。光源下半侧的光線經由球面型 反射罩32a的反射，沿原路徑回到球心，再朝第一拋物面 型反射罩331a射出。光線經由第一拋物面型反射罩331&的 反射成平行光，平行光再經第二拋物面型反射罩332a的反 射，最終光線匯聚於第二拋物面型反射罩3 32a的焦點 F3321a。第六圖的優、缺點與第五圖相同。 【發明内容】 本發明的目的，在於提供一種集光模組，可有效縮小 Etendue，以提升光的利用效率。 因此，本集光模組包括 一 t光型的燈源系統’係一種使發光源所產生的光線共同

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聚焦於某一點上； 一反射罩，當光線會聚於其焦點再由反射罩反射時，可將 光線平行射出或是再次會聚於其第二焦點上或依預定的目 的方向射出。 在聚光型的燈源系統與反射罩的焦點之間光線的行經 路徑中’可裝置一傾斜的平面反射鏡，經由此傾斜平面反 射鏡的作用，將可使聚光型的燈源系統的焦點位置轉折， 使光線聚焦於反射罩的焦點上；若反射罩為橢球面型反射 罩，則再將光線聚焦於反射罩之第二焦點上。 【實施方式】 參閱第七圖。本聚光型的燈源系統由下列元件組成： 一橢球面型燈泡11、位於橢球面型燈泡丨丨前方之4 5。傾斜 板4、位於傾斜板4左側之橢球面型反射罩3丨、位於橢球面 型反射罩之第二焦點F312處之柱狀積分器21。在45。傾斜 板4靠橢球面型燈泡11的光線入射面有一層反射鍍膜層 41，此反射面41可將可見光的頻譜波段全部反射；在此一 45。傾斜反射鏡面4與橢球面型燈泡1丨的光軸人1113的交會 處的週圍，將45 °傾斜反射鏡面4鑽一小圓孔42，此小圓孔 的大小以不大於橢球面型燈泡丨丨之集光無效區。橢球面型 燈泡11的集光無效區的範圍為由橢球面型燈泡丨丨之虛焦點 F111 3 (原橢球面型燈泡11之第二焦點）a起，延伸至b， 由β沿著橢球面型反射罩111之内緣到C，再由c至A。所 以’45°傾斜反射鏡面4在橢球面型燈泡丨丨之集光無效區鑽 一小圓孔42，對整體之集光效果影響很小。

第9頁 1222505 五、發明說明（7)

因此，由光源1 21所射出來的光線，先經過橢球面型 反射罩111的反射，原本該直接聚焦於橢球面型燈泡之第 二焦點F 111 3，但由於先遇到4 5 °平面反射鏡的反射鍍模面 4 1，所以折向橢球面型反射罩3 1之第一焦點F 3 11聚焦。由 於橢球面型燈泡11的第二焦點FI 11 2與橢球面型反射罩3 ! 之第二焦點F311經由45°平面反射鏡4的反射後重合，所以 橢球面型燈泡11之光線聚於橢球面型反射罩之第一焦點 F3 11後，再向橢球面型反射罩31射出。經由橢球面型反射 罩的反射，光線穿過位於45 °平面反射鏡面4的小圓孔42， 並匯聚於橢球面型反射罩31之第二焦點F312。之後，光線 再經由柱狀積分器2 1進行均勻化。 本圖的優點有下列幾點：（一）由第七圖之簡易光線 追跡結果可見，橢球面型反射罩31之聚光點!^12之立體角 較橢球面型燈泡11的聚光點F 111 2之立體角小許多； (二）有效縮小光線分佈的面積；（三）光束在本集光模 組内的上、下、左、右對稱性良好，容易達到螢幕上的亮 度的均勻度的要求；（四）圖中的三個主件-橢球面型燈 泡、平面反射鏡、橢球面型反射罩的取得容易，不容易被 少數供應商控制；（五）組裝容易。 參閱第八圖。第八圖與第七圖不同的是沒有傾斜平面 反射鏡，但是在拋物面型反射罩33的對稱轴A331的轴線 2有一水平平面反射鏡5自拋物面型反射罩33的基點332 物面型反射罩的焦點F3311，而其鍍膜反射㈣ 化在軸線A331上；此水平平面反射鏡5為一矩型反射鏡，

第10頁 1222505 五、發明說明（8)

其對稱軸洽位於轴線A 3 31上，且平面反射鏡的一直邊與拋 物面型反射罩33的焦點F3311相切。由於橢球面型燈泡11 的聚焦點並非如數學上所定義的點—沒有體積、大小的 點’而是聚在一個小區域（此處稱為聚光區）1 3上，且由 於擴球面型燈泡11為一對稱性的照射光源，所以聚光區的 光點也為對稱的。因此，水平平面反射鏡5與拋物面型反 射罩之焦點F3311相切的直邊，洽可將聚光區的光點等分 為左、右兩半部丨31及132。左半部131被水平平面反射鏡 反射，右半部132直進。故原來斜向入射於拋物面型反射 罩33的光束，經由水平平面反射鏡5的等分作用，轉為對 稱的兩個光束射向拋物面型反射罩33，因此光線即可對稱 的自拋物面型反射罩33射出。 由於入射光束被水平平面反射鏡5分為左、右M2 兩部，所以也可被視為兩個聚焦點以^及以33，兩個 點分別為下半拋物面型反射罩334、上半拋物面型反射罩、、 333之焦點，因此上、下兩個半拋物面型反 二焦點分別作最佳化設計。 早 乂就此 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實佳例而已，舍 能以此限定本發明實施之範圍，大凡依本 抹： :圍=明說明書内容所作之簡單的等效變化與修ς，皆】 應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。

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本發明之其他特徵及優點，在以下配合參考圖式之較佳實 施到的詳細說明中，將可清楚的明白，在圖式中： 第一圖是entendue的說明圖。 第二圖是一種習知的橢球面型反射罩之光源集光系 統’光線經由橢球反射面將光線反射並匯聚於橢球面之第 二焦點處，之後光線進入柱狀積分器進行光線均勻化的作 用0 第三圖是一種習知的拋物面燈的光源集光系統，光線 經由拋物面燈平行射出，經由一正透鏡，將光線聚於正透 鏡的焦點上。之後再進入柱狀積分器進行光線均勻化。 第四圖為一習知小etendue的光源集光模組。燈管上 之石英圓球體（bulb of the burner)右半部表面上鑛有 =層反射層（可反射可見光部份），可將來自光源右半之 光線沿原路徑折回；而左半部為一橢球反射面。光源自左 半部射向橢球反射罩的光線，反射並匯聚於橢球反射面之 第二焦點處。本集光模組可提升光學效率2 〇〜3 〇 %。 第五圖為一習知小etendue的光源集光模組。燈管的 左側為一橢球面反射罩，燈管的右側為一圓球面反射罩。 橢球面之第一焦點、圓球面之圓心、光源所在的位置，三 者共點。所以光源的右半側光線經由圓球面反射罩的反 射’沿原路徑經過圓心射向橢球面反射罩。左半側的光線 經由橢球反射罩匯聚於橢球反射罩之第二焦點處。 第六圖為一習知小etendue的光源集光模組。集光模 組由一燈管，及位於燈管下方的球面型反射罩及燈管上方

1222505 圖式簡單說明 之雙拋物面反射罩組成 一拋物面反射罩之焦點 由球面 鏡。光 第一拋 反射罩 一柱狀 第 圖。本 且中央 45 °傾 面型反 擴球面 之區域 第 圖。橢 射罩的 光遠離 點重合 使自橢 行光自 【圖號 〔習知 la燈泡 型反射 源上半 物面反 ，光線 積分器 七圖為 集光模 局部小 斜鏡面 射罩之 型反射 ，匯聚 八圖為 球燈不 焦點上 反射罩 。然而 球燈射 反射罩 說明】 罩反射沿原 部的光線及 射罩後成平 並匯聚於第 將光線均勻 本發明之集 組由以下三 區域鏤空的 的反射緣故 第一焦點位 罩反射之後 於橢球面型 本發明之集 經由任何的 ，經由拋物 。橢球燈之 使用一水平 出的光束一 射出。 光源、球面型反射罩之球心、第 三點共點。光源下半部的光線經 路徑通過光源再射向第一拋物面 經由下半部反射來的光線，射向 行光，平行光再射向第二拋物面 二拋物面反射罩的焦點，再經由 化後再利用。 光系統之第一較佳實施例的俯視 項組成··一橢球燈、一 4 5。傾斜 鏡面、一橢球面型反射罩。由於 ’橢球燈之第二焦點位置與橢球 置共點。來自橢球燈之光線經由 ，穿過45 °傾斜之中央局部鏤空 反射罩的第二焦點處。 光系統之第二較佳實施例的俯視 傾斜鏡面直接聚焦於拋物面型反 面型反射罩的反射，光線成平行 第一焦點與拋物面型反射罩之焦 反射鏡於拋物面型反射罩内，可 分為二，而得到上、下對稱的平 1222505 年月日補充 圖式簡單說明 11 a橢球面型燈泡 111a橢球面型反射罩 F 1111 a第一焦點 FI 112a第二焦點 111 2a橢球面型反射罩的對稱軸 12a拋物面型燈泡 121a拋物面型反射罩 F 1 2 11 a焦點 13a燈管 1 3 1 a光源 132a石英圓球體 1321a反射鍍膜層 1 3 2 2 a電極 A1 3 3燈管的軸線 2a積分器 2 1 a柱積分器 22a矩陣透鏡積分器 3a反射罩 31a橢球面型反射罩 311a半橢球面型反射罩 F31 la橢球面型反射罩第一焦點 F312a橢球面型反射罩第二焦點 32a球面型反射罩 C321球面型反射罩圓心

第14頁 修 1222505

1W1U 圖式簡單說明 33a拋物面型反射罩 331a第一拋物面型反射罩 F3311a第一拋物面型反射罩焦點 332a第二拋物面型反射罩 F332 1 a第二拋物面型反射罩焦點 333a半拋物面型反射罩 4a正透鏡 F 41 a正透鏡焦點 〔本發明〕 1燈泡 11橢球面型燈泡 111橢球面型反射罩 F1111第一焦點 F111 2第二焦點 F111 3虛焦點 A111 3橢球面塑反射罩之對稱軸 12燈管 1 21光源 122石英圓球體 1 3聚光區（點） 1 31聚焦點左半部 132聚焦點右半部 2積分器 21柱積分器

第15頁 1222505 9a 5. 2〇#[[: 年月日V > 圖式簡單說明 3反射罩 31橢球面型反射罩 F311橢球面型反射罩第一焦點 F312橢球面型反射罩第二焦點 33拋物面型反射罩 F 3 3 11拋物面型反射罩焦點 A 3 31對稱軸 3 3 2基點 333上半拋物面型反射罩 F333上半拋物面型反射罩的焦點 334下半拋物面型反射罩 F334下半拋物面型反射罩的焦點 4 45 °平面反射鏡 41平面反射鏡鍍膜面 42平面反射鏡圓孔 5水平反射鏡面 51鍍膜反射面

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Claims (1)

1. 1222505 六、申請專利範圍 1、 一種高效率的燈源集光模組，包括· 一聚光型的燈源系統，至少有一發光源 構，共有一聚焦點，此聚焦點非發光^ 所聚成的光束呈一錐狀體； 、 一反射罩，反射面為曲面型，間接反射 線，至少有一焦點，焦點的位置與聚光 焦點的位置相同，反射來自焦點^光束 2、 如申請專利範圍第丨項所述之高效率 該反射罩的大小範圍如下：有一基點係 射曲面的延伸面上，與焦點的距離最近 與基點至焦點的連線所炎的角度為直角 小，通過基點與焦點的連線之反射罩剖 點’以該剖面上與焦點距離最近的點為 焦點距離最遠的點為終點，所圍成的扇 1 8 0 °的範圍。 ’ 3、 如申請專利範圍第1項所述之高效 其中反射罩可為橢球面型反射罩，或 罩’或可為自由曲面。 4、 如申請專利範圍第1項所述之高效 其中聚光型的燈源系統可為橢球面型 5、 如申請專利範圍第1項所述之高效 其中聚光型的燈源系統可由拋物面型 成0 ，至少有一聚光機 本身所在的位置， 來自發光源的光 型的燈源系統之聚 〇 的燈源集光模組， 在反射曲面上或反 處’且基點的切線 ;該反射罩的大 面，以焦點為原 始點，該剖面上與 形弧角，不超過 率的燈源集光模組， 可為拋物面型反射 率的燈源集光模組， 燈泡。 率的燈源集光模組， 燈泡及正透鏡所組

   一種高效率的燈源集光模組，包括：

   第17頁 1222505 sm修正]MM 年月曰

   一聚光型的燈源系統，至少有一發光源，至少有一聚光機 構，共有一 t焦點，此聚焦點非發光源本身所在的位置， 所聚成的光束呈一錐狀體； 一反射罩，反射面為曲面型，間接反射來自發光源的光 線’至少有一焦點’此焦點的位置與聚光型的燈源系統之 聚焦點的位置相同，反射來自焦點之光束；有一基點，該 點位於反射曲面上或反射曲面的延伸面上，與焦點的距離 最近處’且該點的切線與該點至焦點的連線所夾的角度為 直角； 一平面反射鏡，將聚光型的燈源系統之聚焦點折向反射 罩’並讓來自反射罩的光束通過該反射鏡。 7、 、如申凊專利範圍第6項所述之高效率的燈源集光模組， 該平面反射鏡上有一不致過度影響整體亮度的小透光區可 供反射罩的光束通過。 8、 、如申晴專利範圍第6項所述之高效率的燈源集光模組， 該平面反射鏡與基點與焦點的連線成45角。，小透光區位 於該連線與平面反射鏡的交點周圍。 、如申睛專利範圍第6項所述之高效率的燈源集光模組， 右反射罩為橢球面型反射罩，其第二焦點穿越透光區。 10、一種高效率的燈源集光模組，包括： 聚光型的燈源系統，至少有一發光源，至少有一聚光機 構’共有一聚焦點，此聚焦點非發光源本身所在的位置， 所聚成的光束呈一錐狀體； 一反射罩’反射面為曲面型，間接反射來自發光源的光 1222505 六、申請專利範圍 線，至少有 聚焦點的位 點位於反射 最近處，且 直角； 一平面反射 相切，反射 11、 如申請 组，該平面 12、 如申請 組’平面反 射鏡重合的 13、 如申請 組，若聚光 體，有一對 之法向量與 線為平面反

   修，正

   一焦點， 置相同， 曲面上或 該點的切 鏡，位於 罩接受來 專利範圍 反射鏡鍍 專利範圍 射鏡之一 光束反射 專利範圍 型的燈源 稱軸；該 對稱軸所 射鏡之法 效率的燈 燈源系統 14、一種高 一聚光型的 構，共有一聚焦點， 所聚成的光束呈一錐 一反射罩， 線，可分為 其焦點，此 此焦點 反射來 反射曲 線與該 反射罩 自該焦 第10項 膜面通 第10項 邊緣將 ，未重 第10項 系統所 平面反 成的平 向量。 源集光 ，至少 此聚焦 狀體； 曲面型 的位置與聚弁并丨 的 t九型的燈源系統之 自寒、點之光束· 仙π 有一基點，該 而的延伸面上 t 面Θ隹f J; Μ上，與焦點的距離 辦 哽線所夾的角度為 内’其 點的聚 戶斤述之 過基點 所述之 聚焦點 合的光 所述之 聚成的 射鏡的 面上， 一邊緣與 光束。 高效率的 與焦點的 高效率的 分為兩部 束繼續直 高效率的 光束呈一 位置，在 且反射曲 反射罩之焦點 燈源集光模 連線。 燈源集光模 份，與平面反 進。 燈源集光模 對稱的錐狀 該平面反射鏡 面在基點的切 反射面為 第一反射罩與第 四點在同一平面 模組，包括： 有一發光源’至少有一聚光機 點非發光源本身所在的位置， ’間接反射來自發光源的光 二反射罩，各有其基點，各有 上’第一反射罩及第一反射罩

   1222505 六、申請專利範圍 彼此接合在一起；第一反射罩與第二反射罩的功用相同； 一平面反射鏡，位於反射罩内，有一邊緣位於第一反射罩 與第二反射罩焦點的中間。 > 1 5、如申請專利範圍第1 4項所述之咼政率的燈源集光模 、、且，其中聚焦點非數學上所定義無體積、大小的點，乃是 一個小面積的聚光點，位於平面反射鏡的邊緣上， 疋 的：積同時涵蓋第一反射罩與第二反射罩之 ^點 1射^t，有部份光束反射，有 …因此， 6、如申請專利範圍第I4項所述之一穿透。 組，其中第一反射罩與第二反射馬效率的燈源集光模 點的面積大小而被最佳化設計。的曲面設計，可就聚光

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