TWI330750B - Method for designing a discharge lamp - Google Patents
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Description
1330750 年/月4修正補充 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係P於申請專利範圍第1項之前言部份(Preamble )之一種設計放電燈的方法,以及利用這種方法設計的燈 及利用這種方法設計之反射器。 【先前技術】 自從發明DLP技術後在全球之市場上對數據或視訊投影 用之數位投影機(digital projectors for data or video projection)之需求一直是強勢增加。這種需求之增加擴 展也基於使用之技術所生產之投影機具有更吸引人之價格 ,以及能設計成在一般公司活動上可攜帶使用之輕巧尺寸 的事實。 數位投影機之光學系統(光引擎)通常具有微顯示盤( microdisplay panel),此微顯示盤原理上係構成爲晶片 ,並在晶片之表面上配置可控制之影素。投影機之光學系 統照亮微顯示盤,並藉投影之對物透鏡(〇b jective)將產 生之影像(resulting image)投射在壁上。在原理上,微 顯示器係被區分爲三種主要型.式:DMD,LCD,LCoS。投影 機之小型化係,在其它事物中,依這些微顯示盤之尺寸, 及使用之光源之大小而定。使用LCD盤之投影機之基本設 計係揭示於,例如,美國專利文獻第US 5, 902,033號上, 而有關 DMD盤之功能,則可參考德州儀器公司(Texas Instruments)之一些相關專利申請案,這些專利申請案係 與 DLP( digital light processing®)方法有關》 1330750 年/用t日修正補充 上述之數位投影系統主要係使用高壓放電燈( h i g h - p r e s s u r e d i s c h a r g e 1 a ro p s )做爲光源,前述高壓放 電燈,例如,在網站www. os ram. com上之視訊及投影燈之主 題下有敘述。這些高壓放電燈具有插入玻璃反射器內之燈 頭(burner )。在設計這種高壓放電燈時必須牢記在心的 事是反射器也好,燈頭也好,皆不能因所產生之極高溫度 而導致熱損害(thermally damaged)。這些燈頭一般具有 設置在約略中間並投入(merges into)兩個相互正相反對 地(diametrically)配置之燈軸(burner shaft)之放電 室(discharge chamber)。由於這些燈頭具有比較大的軸 向長度,部份之輸出輻射光被反射到燈軸之端部,進而此 端部曝露在強的熱負載下。專利文獻EP 1 220 294 A1提 議在燈軸的端部設置做爲絕熱層(heat insulation layer )之反射層以將射入之輻射光反射,藉此能避免燈頭在此 區域受到額外加熱。替代地或額外地可以送入冷卻空氣來 實現’但送入冷卻空氣所需之風扇不但增大投影機之整體 空間而且也增加雜音之發出(noise emission)。 【發明內容】 本發明之一個目的係提供一種設計放電燈的方法,及利 用這種方法設計之燈,具體說,係一種放電燈及適用於此 放電燈之反射器,此放電燈具有最小的整體空間,高光學 效率及低熱負載。 此目的係藉由組合與上述方法有關之申請專利範圍第1 項之特徵組合、與燈(特別是放電燈)有關之申請專利範圍 1330750 兮半^月14丨’|正補充 第5項之特徵組合,以及與反射器有關之申請專利範圍第9 項之特徵組合而達成。特別有利之改良例係在各個申請專 利範圍之附屬項(dependent claims)上陳述。 依本發明,設計反射器隨著一些諸如光展量(光電導率) 、集光系統之受光角、及所用放電燈之放電弧光之長度的 參數而改變。接著,能藉助這些參數來決定絕對値偏心率 (numerical eccentricity),亦即,橢圓反射器之形狀 ,前述絕對値偏心率係以受光角爲變數而算出者,受光角 係藉由爲光展量及弧光長度之函數之修改値(adaptation value)而被校正(corrected)。亦即,反射器係藉此修 改値而配合集光系統。 依本發明,橢圓形狀因此係做爲上述之參數之函數來決 定,上述參數中之兩個(光展量及受光角)係由光學系統 所限定,而第3個參數(弧光長度)係由被使用之燈所限 定。如此保證集光系統之最大效率完全與反射器之尺寸無 關。 本發明因此容許橢圓反射器之幾何形狀以極爲簡單之方 式最佳地配合集光系統,例如,投影機做成係爲一些參數 之函數。 爲了更進一步最小化系統之整體空間,依照本發明能對 指定之偏心率選擇兩個橢圓軸(axes ),以便最小化上述 最初反射器或燈之熱負載。 若是投影系統用之放電燈之情形,放電弧光係安排在橢 圚反射器之聚焦點F,(較短之焦距)上》依本發明,此焦 -7- 1330750 距(focal length)係選擇爲28mm,其業已顯示出此措施 係構成有關燈頭及反射器之小巧設計與最小熱負載間在光 學上之折衷處理(optical compromise)。反射器之尺寸 係選擇成使燈頭係完全或實質上位在透鏡孔徑(aperture hole)內。這個透鏡孔徑所知係爲中間區域,由於燈頭之 典型之光束強度分佈,反射器不會反射進入此中間區域之 光線。依此條件(燈頭之末端係位在透鏡孔徑內部),較 長之焦距能做爲燈軸之長度及直徑,以及先前計算之偏心 率之函數而被決定,燈頭發射之光束在此焦距內係藉橢圓 反射器聚焦。瞭解此焦距後可用來藉簡單之幾何考量計算 兩個橢圓軸。 藉容許燈軸從透鏡孔徑突出一些,能進一步縮短燈之整 體長度。這種情形,計算較長焦距則除了使用上述之參數 外,另包含燈頭從透鏡孔徑突出所涵蓋之角範圍(angul a r range ) 〇 裝設反射器所需之整體空間當反射器上設有一些平坦部 份時則爲最小,任何情形,兩個平坦部份係相互間隔平行 配置,此兩個平坦部份間之間隔最好係小於另外兩個平坦 部份間之間隔。 燈頭係良好地設計成高壓放電燈。 【實施方式】 第1圖係表示用於視訊投影之DLP(數位光處理:digital light processing)投影機之基本設計。投影機1之光學 系統主要包括 HID燈(高強度放電燈:High Intensity 1330750 修正補充
Discharge lamp) 2,集成器(integrator) 4,中繼光學 系統(relay optical system) 6,DMD晶片8及對物透鏡 (obj ec t i ve ) 10,影像係經此對物透鏡而投射在顯示幕12 。使用在DIP技術上且通常係配置在集成器4與燈2之間 之色輪(colorwheel)未圖示。HID燈2,集成器4,中繼 光學系統6,DMD晶片8,及對物透鏡1 0等之構件也有用光 引擎(light engine)稱之。 第2圖係表示第1圖之HID燈2之放大說明圖。依第2 圖,Η I D燈具有燈頭1 4,其之燈泡具有約略位在中間之放 電容器(discharge vessel) 16,此放電容器係與在軸向 上正相反之兩個突出之燈頭軸18, 20鄰接。在放電容器16 內設有兩個鎢電極(tungsten electrode) 22,24 (示意 地表示),它們以一個預定距離相互設置,該距離確定了 一放電弧光之長度g(未圖示)。 這種HID燈之設計係爲人所知,這些燈,例如,在網站 www.osram.de上VIP燈之主題下有所敘述,在此不再贅述 〇 燈頭14係被插入橢圓、實質上旋轉對稱之反射器26內 ,此反射器上形成有反射層。具有兩個電極22,24之放電 容器16係配置成使產生之放電弧光位在反射器26之聚集 點F,。在放電容器16內藉放電弧光產生之光係藉反射器26 在焦點F2上成像(imaged ),該焦點F2係位在集成器4之 輸入鏡徑(aperture)內。因爲放電燈不是點光源,所以不 會像第2圖中所示的理想情況那樣精確地以點形式成像到 -9- 1330750 年pi1 4修正補充 集點F 2上。 HID燈2射出之光係藉在集成器4上之多重反射而被均質 化,然後經中繼光學系統6在射出側成像於DMD晶片8上 。實際之影像係藉DMD晶片8產生。依設計而不同,例如 ,在DMD晶片上形成有600,000個做光閥(light value) 之可旋轉微鏡(swivelable micromirrors)。然後,依微 鏡之位置而定,能產生影素(image p1Xel)或保持黑暗被 DMD晶片8反射之光從設在其上游之色輪獲得對應之顏色資 訊。灰度(grey scales)及顏色之微小差異(color nuance )係藉對應較長或較短之反射時間而被複製。DMD晶片8射 出之影像最後係經對物透鏡10而投影於顯示幕12上。 在設計投影機1之際,意欲將這些投影機1設計成儘可 能小巧且具有高效率俾能達成具有高水準之亮度( brightness)及良好的對比度(contrast)之優異之投影 。這種情形,具有集成器、中繼光學系統6、及DMD晶片 84之投影機1之集光系統一般係被限定成使DMD晶片8之 光展量(表面及受光角度)亦被適正地限定成一定。 —個0.7”之DMD晶片8之DMD晶片微鏡普通能被以1 2° 角反射,進而DMD晶片之受光角r也對應地成爲12° 。中 繼光學系統6擴大此受光角度俾使集光系統之受光角r’位 在20°與40°間之某處。然後,一般僅能藉適宜地設計HID 燈2而在既存之投影系統上執行最佳化。 下文可假設具有放電燈14之特定長度(specificlength) 爲g和半個燈頭之長度(從放電容器16之中點到燈軸20 -10- 1330750 k修正補充 之端面)爲L之已知燈頭14;及具有光展量(光展量)E 和受光角度爲r’之既存集光系統,此係著眼於設計儘可 能小巧之反射器26,另外減少對HID燈2之構件之熱負載 到最小。 (反射器之橢圓幾何形狀之設計) 設計之第1步驟,係初步決定反射器26之偏心率( eccentricity) ea此偏心率係實質地決定反射器26之幾何形 狀之特徵。其係依下列方程式計算: V2 +1 - tan — (方程式1 ) _2_ V2 +1 + tan— 2 其中係爲受光角。 下一步驟係計算偏心率之修改因素(adaptation factor) ,此修改因素本質上係爲投影機1之上述參數之函數。此 修改因素△ e係依下列方程式計算: -εολί 1
Ae = 1.3 sin 2^'exp -2- (方程式 2 ) L g 其中g係爲放電弧之長度; E係爲光展量;及 T ’係爲受光角度。 然後從偏心率ea與修改因素△ e間之差算出絶對値偏心 率e〇 : -11- 1330750 eo ^ea(/)-Ae(r',E,g) (方程式 3 ) 假設一特定之中繼光學系統6,就具有12°之微鏡傾斜 角及光展量爲E = 20mm2sr之0.7” DMD晶片6,對被中繼光 學系統6所特定之受光角7 ’言,算出之絶對値偏心率e。 之結果係如第1表所示。 第1表 » r ea e〇 23° 0.85 0.81 29° 0.81 0.77 34° 0.77 0.72 結果,橢圓反射器26之基本形狀係由上述之設計規則所 限定。爲了減小反射器26,須考慮一些熱設計準則。 (設計反射器之尺寸) 如在開頭時所說明,非常小之橢圓反射器內之高功率燈 頭在運轉會產生熱的問題,燈頭14對反射器26之距離極爲 重要,具體說,太短之距離會導致燈頭14和反射器26產生 近的熱接觸。迄今,利用例如由玻璃陶瓷作成之高品質反 射器或藉結合劑(cement)將燈頭粘接於反射器之陶瓷部份 以避免熱負載。 另外之熱的問題係在於燈軸20太長致突入被放射之光錐 (emitted light cone)內,進而因吸收光而被加熱。爲了去 除此項問題,在本文開頭時提及之文獻EP 1 220 294 A1曾 建議在燈軸20之端部設置反射層。本發明放棄此比較複雜 之方案而藉適當地設計反射器26以消除熱負載之問題。本 -12- 1330750 發明將參照第2圖到第5圖之示意圖說明。 第3圖係表示反射器26要據以製造之橢圓體(ellips〇id )。此橢圓體之特徵,在其它事物中,爲聚焦之點(focal point )F»及焦點(focus ) F2,聚焦之點F,與頂點(vertex ) 28 之距離界定焦距(focal length ) Fi,而焦點F2與頂點28之 距離係對應焦距F2。第3圖也繪出兩個橢圓半軸a(長半軸 )及b(短半軸)。從聚焦之點?,射出之光束係被橢圓體 朝焦點F2反射,此光束在第3圖上,例如,係以角度r ’ 射入焦點F 2。 依本發明,燈頭14係以下述方式配置在反射器26之光 軸30上:燈軸20特別是其之端面32係完全配置在以鏡徑 錐(aperture cone) 34 標示之透鏡孔徑(aperture hole) 35 內。透鏡孔徑35區分燈頭14內無形成影像之區域。如果將 端面32插入此透鏡孔徑34時反射器26反射之輻射光不會 撞擊(strike )燈軸20,從而燈軸20不會被吸收之輻射能 額外地加熱。 在第2圖所示之良好實施例上,端面32並不正確地位在 鏡徑錐34內,而是以其之外部周面段36突出超過鏡徑錐 34(參閱第4圖之放大圖)。在第2圖及第4圖上,參考數 字32’係標示使端面32完全位在鏡徑錐34內之位置’爲 了能獲得此位置,則需使用軸向較短設計之燈頭。 但是,依本發明,能收容突出較少之周面段36,如第4 圖所示,此角度範圍能清楚地用角度f識別’且其大小需 小於2° ,最好係小於Γ 。 -13- 1330750 若是燈軸20上之熱負載需最小之情形時則端面( 表示)係全部處在鏡徑錐34之內,設燈軸20之長 及半徑爲d時則焦距(focal length ) F2係依下式計 以3 2, 度爲L 算 (方程式4) 而焦距比m 1_e〇 — /1 n =-=— l + e〇 /2 (方程式5) 焦距比m能以先前算出之絕對値偏心率e。爲變婁 此焦距f2然後被用來依下式計算較長之橢圓半軸 a--i l + e0 及較短之橢圓半軸b b = a^\-e02 來決定 (方程式6) (方程式7) 焦距另f2可依下式8算出 -14- 1330750 /2 =ϊ L + V^ + l
(方程式8) 若是容許燈軸20稍微從鏡徑錐34突出之情形時則意謂 使燈頭14承受稍許之熱負載。 方程式6及7然後可用來以焦距f2及絕對値偏心率e。之 函數重新計算橢圖之兩半軸a及b。 當焦距,亦即放電容器16與橢圓體之頂點28之平均距 離(mean distance )選擇大於8mm俾燈頭與反射器在熱的 情事(thermal terms )上係可靠地無牽扯時則燈頭14之熱 負載能再行降低。 應用上述之設計準則到具有12。傾斜角(10%過滿)之 0.7” DMD晶片8,及被中繼光學系統6設定之30°受光角 之投影機’產生第2表所列之特性値,這些特性値係爲對 應地限定之光展量(光展量)E,受光角r’ ,放電弧光長 度g ’燈軸20之長度L,燈軸20之直徑d,及燈軸20從鏡 徑錐容許之突出I:等之函數,這些特性値能利用方程式1 至8直接計算,這些方程式都是極爲簡單之結構。 藉修改因素A e造成之絕對値偏心率之減少不僅達成系 統之最佳效率,而且也增加焦距比m,進而對既定之焦距 ^而言’實現較長之f,,藉此達成放電容器16與反射器之 頂點28間有較長之距離。 第5圖係表示最小化HID燈2所需之整體空間之另一可 -15- 1330750 能性。依此項可能性 ^^年1/月修正補充 反射器/ 26上可設置平坦部38、40 以及二個平坦部42, 44及於第5圖中用虛線表示之位在第5 圖之平面上方及下方的兩個平坦部42、44。這些平坦部份 係藉由“切除"(“ cutting away”)第5圖中之斜線所示之 區域而產生。依第5圖,在平坦部42,44上從原先之圖形 反射器26去掉之材料係比在平坦部38, 40上需去掉之材料 多。亦即,反射器26垂直於第5圖之紙面之寬度係小於在 第5圖之紙面上之寬度。 第2表 變數 値 單位 E 22.7 mmJsr r · 30 O g 1.0 mm L 31 mm d 6 mm ξ 0.48 0 tz 0.800 Δ e 0.038 e〇 0.762 m 0.135 f2 64.56 mm fl 8.74 mm a 36.65 mm b 23.75 mm 這些平坦部在較小之總體尺寸及較高之效率之間構成折 衷處理(compromise)。 在上述之良好實施例之情形上係使用HID燈2。當然,有 關設計a,b之大小,也能夠使用其它之放電燈,原則上是 -16- 1330750 ”年/月2^^正補充 白熾燈。在此再度重申,也能ίέ用例如在本文引言裡提及 之放電燈之設計而不必是所敘述之DMD晶片8。 本發明係關於一種設計用在集光系統特別是數據或視訊 投影用之投影機;之放電燈。本發明另揭示使用這種方法 設計之燈及提供給該燈使用之反射器。 【圖式簡單說明】 本發明已參照下列附圖藉良好實施例說明如上,其中: 第1圖係表示具有高壓放電燈及投影機之光學系統之投 影機之示意圖; 第2圖係爲示出第1圖之高壓放電燈之橢圓反射器之幾 何形狀之圖: 第3圖係爲第1圖之高壓放電燈之放大圖; 第4圖係爲第3圖之高壓放電燈之變更例; 第5圖係表示具有平坦化反射器之高壓放電燈之另外良 好之實施例;及 第6圖係表示高壓放電燈之光束強度分佈圖。 【主要部分之代表符號說明】 1 投影機 2 高強度放電燈 4 集成器 6 中繼光學系統 8 DMD晶片 10 對物透鏡 12 顯示幕 -17- 1330750 14 燈頭 16 放電容器 18,20 燈軸 22,24 電極 26 反射器 30 光軸 32 端面 34 鏡徑錐
日修正補充 -18-
Claims (1)
1330750 今产和2/奋修正補充 第941 2 04 1 7號「設計放電燈的方法」專利案 (2010年4月26日修正)十、申請專利範圍: 1. 一種設計用在集光系統之放電燈之方法,特別於數據或 視訊投影用之投影機中,具有一燈頭(14),而該燈頭 具有收納電極(22,24)並插入橢圓反射器(26)之放 電容器(16),其中橢圓體之幾何形狀係特別由兩個聚 焦點(Fi,F2)、數値偏心率(e〇 )及兩個橢圓半軸(a ,b)所決定,並且該集光系統之特性係由光展量(E) 及受光角(γ’)所決定,其特徵爲該橢圓體之偏心率( e〇)係依下式計算: e〇=ea(r')-^e(Y',E,g) (方程式 3 ) 其適用於集光系統,並且下列方程式 ^ + 1 + tan2 (方程式1 ) 及Γ £0.17 △e = 1.3sin2/exp -2- g (方程式2) 是有效的,且g爲放電燈(2)之弧長。 2.如申請專利範圍第1項之方法,其中配置較接近橢圓頂 1330750 點(28 )之焦距(fi )係選擇大於8mm。 3.如申請專利範圍第1項或第2項之方法,其中較長之焦 距(f2)係依下式決定 Λ r d L + — 4 V2+1 λ/2+1 m (方程式4) 其中 ί ~ e〇 /1 m =-=— 1+e〇 /2 (方程式5) 並且橢圓半軸(a,b)係依下式計算 Λ (方程式6) l + e0 b = a
方程式7)。
如申請專利範圍第1或2項之方法,其中較長之焦距( f2)係依下式決定
L + d 十 1 m m V2 +1 -2tan^ 2 2 + -s/2 +1 m m V2+1 tan岑 (方程式8) 其中 -2- 1330750 %年y:月2/έ修正補充 方程式” 並且橢圓半軸(a,b)係依下式計算 〇- l + e0 (方程式6) b = ΰφ - e02 (方程式7)。 5. —種用在集光系統之燈,特別是放電燈,其中該集光系 統特別於數據或視訊投影用之投影機中,具有一燈頭( 14),而該燈頭具有收納電極(22,24)並插入橢圓反 射器(26)之放電容器(16),其中橢圓體之幾何形狀 係特別由兩個聚焦點(Fi,F:)、數値偏心率(e。)及兩 個橢圓半軸(a,b)所決定,並且該集光系統之特性係 由光展量(E)和受光角(γ’)所決定,其特徵爲該反射 器之幾何形狀係依前述申請專利範圍中任一項之方法所 設計。 6. 如申請專利範圍第5項之燈,其中該反射器(26)在大 致平行於光軸(30)的方向上設有4個平坦部(38’ 40 ;42,44)其中每兩個平坦部(3S’ 40; 42,44)係隔 某一間距相互平行配置。 7. 如申請專利範圍第6項之燈,其中該兩個平坦部(42, 44 )間之間距係小於另外兩個平坦部(38 ’ 40 )間之間 距。 1330750 8. 如申請專利範圍第5至7項中任一項之燈,其中該燈頭 (1 4 )爲高壓放電燈。 9. 一種用在集光系統特別是數據或視訊投影用之投影機之 反射器,特別是放電燈用之反射器,具有一燈頭(1 4 ) ,而該燈頭具有收納電極並插入橢圓反射器(26)之放 電容器(1 6 ),該橢圓體之幾何形狀係特別由兩個聚焦 之點(FI,F2 )、數値偏心率(e。)及兩個橢圓半軸(a ’ b)所決定,並且該集光系統之特性係由光展量(E) 和受光角(γ’)所設定,其特徵爲該反射器之幾何形狀 係依申請專利範圍第1項至第4項中任一項之方法設計 -4- 1330750 正補充 七、指定代表圖: (一) 本案指定代表圖為:第1圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明: 1 投影機 2 高強度放電燈 4 集成器 6 中繼光學系統 8 DMD晶片 10 對物透鏡 12 顯示幕 14 燈頭 26 反射器 八、本案若有化學式時,請揭示最能顯示發明特徵的化學式:
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