TWI332069B - Illumination system and method for recycling light to increase the brightness of the light source - Google Patents

Description

1332069 九、發明說明： 【相關申請】 本申請案宣稱擁有美國於2006年6月13日之臨時申請 案60/813,186、2006年6月16號之臨時申請案60/814,605、 2006年7月13號之臨時申請案60/830,946、2006年9月5 號之臨時申請案60/842,324、2006年9月28號之臨時申請 案60/84,8429、2006年10月30號之臨時申請案60/855,330 之優先權，上述申請案合併成一整體而為本案之參考。

【發明所屬之技術領域】 本發明為關於一種增加亮度的照明系統與方法，特別是 回收光源之射出光以增加亮度的照明系統與方法。 【先前技術】 所有被應用於照明系統的光源，典型的有弧光燈、鹵素 燈、螢光裝置、微波燈及發光二極體（light emitting diodes, ® LEDs)。於許多的應用中’均需要在小而有效的放射區域内， 但具有高亮度的照明系統’其為達高亮度之要求’傳統手段 係增加更多的光源。然而’此種作法並無法達成’一者係因 技術無法實現’實無法在小的空間中整合更多光源’ 一者係 因經濟上無法實現’預計使用並整合更多光源將使成本過 ' 高。因而，本發明在不增加光源的條件下’持續進行增加亮 . 度的發展。 例如，微型顯示器電視（micr〇display based television ’ MDTV)具有低成本、大螢幕的潛力。傳統的微型顯示器電視 5 利用弧光燈照明，雖然此光源的亮度最高且成本低，但需要 將白光區分為三種顏色且生命週期短，無法令人滿意。較先 進的技術，採用發光二極體作為MDTV之光源，其具有生命 週期長且即時開啟的優點。然而，對目前利用小型影像面板 或較大螢幕之低成本應用而言，以發光二極體作為光源，其 亮度不夠。發光二極體之回收光技術應運而生，請參考齊莫 門等人(Zimmerman et el)之美國專利第6,869,206號，其係將 多數個發光二極體封裝在具有光反射及單一開口的空腔内。 另，齊莫門等人之另一篇美國專利第6,144,536號所描述之 螢光燈，其具有塗佈磷光層的玻璃殼體，將氣體封入殼體内 之空間，磷光層產生之光被回收至磷光層。本發明基於此， 持續發展光回收裝置，其能有效的回收光並耦合至一個或多 個發光二極體以增加可用的亮度，使得小面板能被利用或大 螢幕能被足夠亮的光所照明。 例如，發光二極體被應用於許多款的照明系統，如一般 照明、建築照明及最近的投影電視系統。如應用在投影電視 系統，發光二極體必須在小而有效的放射區域内射出高亮度 的光，以供應輸出於電視螢幕上高亮度光源之需求。特別是， 發光二極體必須能在小且立體角度内，提供高強度及高亮度 等高流明（lumen)的光源，始能被應用於投影電視系統。不幸 地，目前使用的發光二極體之亮度不足以照亮目前消費者越 來越親睞的大型投影電視系統的螢幕。 因此，在合理的的成本考量下，為迎合目前與將來的應 用系統之需求，增加發光二極體的亮度之照明系統與方法， 有其必要。 【發明内容】 A 因此，本發明的目的之一係提供一種照明系統以解決先 前技術中之前述問題。 本發明的目的之一係提供一種照明系統，其包含光學回 收裝置，用以回收光源的部份射出光’進而增加輸出光之亮 度。 本發明之目的之一係提供一種照明系統，其包含空間回 收裝置，藉由反射光源的部份射出光至光源以回收光，進而 增加射出光之亮度。 本發明的目的之一係提供一種照明系統，其包含射角光 學回收裝置，藉由傳輸小角度光，而回收大角度光至光源， 以增加射出光之亮度。 本發明的目的之一係提供一種照明系統，其包含空間與 射角光學回收裝置，用以回收光源的部份射出光，進而增加 輸出光之亮度。 本發明的目的之一係提供前述之照明系統，其更包含偏 振器，用以反射並回收未符合需求的偏振光，因而提高光學 回收裝置的回收效能。 為了達到上述目的，本發明之一種照明系統，其能回收 光以增加光源亮度’因而使照明系統在合理的成本下，提供 較尚的光輸出。根據本發明的代表實施例，回收光以增加亮 度之照明系統包括一空間光學回收裝置，其具有一光管耦合 至光源，最佳的光源是被設置於基板上之發光二極體晶片。 於光管的光射出端的一部份，覆蓋反射介質或表層塗佈，使 得被反射介質所反射的光，經由光管回到光源，使得空間光 學回收裝置回收光’光源再次放射出被反射的光回到光管， 因而提升光照明系統的光輸出之亮度》 根據本發明之示範性實施例，回收光以增加亮度之照明 系統，包括一射角光學回收裝置。射角光學回收裝置包括一 錐形光管（tapered light pipe)耦合至光源’較佳的光源疋设置 於基板上之發光二極體。錐形光管係為漸細之光管’其由具 有較大的截面之射入端向具有較小的截面之射出端逐漸變 細。射角光學回收裝置傳輸小角度光，而反射大角度光回光 源，光源再次以不同角度射出被反射之光，因而提升光輸出 之亮度。 根據本發明之示範性實施例，射角光學回收裝置’包括 —漸細錐形光管並耦合至光源，特別是被設置於基板上之發 光二極體晶片，及一漸粗錐形光管耦合至漸細錐形光管之射 出端。漸細錐形光管由具有較小截面的射入端向具有較大截 面的射出端變粗。射角光學回收裝置傳輸小角度光而反射大 角度光回光源’因而提升光輸出之亮度。 根據本發明之示範性實施例，射角光學回收裝置，包括 —透鏡系統，其係耦合至光源，尤其是被設置於基板上之發 光二極體晶片。透鏡系統包括透鏡表面或透鏡並被設置於凹 面反射鏡或反射表面之中心。可選擇的，反射鏡可用雙曲面 反射鏡替代，其可將大角度的光經二次反射後聚焦至二極體 晶片。反射鏡或反射表面反射光回光源以回收光，透鏡或透 鏡表面耦合小角度光以作為光輸出，因而提升光輸出之亮度。 根據本發明之示範性實施例，可增加光源亮度的一種光 學回收裝置’包括一傳輸介質以傳輸光源之所放射之光，傳 輸介質具有一射出端及與光源耦合之一射入端。反射鏡耦合 至傳輸介質之射出端藉由反射部分的光源所放射之光’經由 傳輸介質之射入端回到光源，而再次被光源射出，因而提升 光輸出之亮度。 根據本發明之示紐實施例…财 統亮=包括步驟：提供—光源及具有—射人端及—射1 之一光#;設置反射介f於光管的射出端； = =管位置：其射入端逼近光源;於光管之射入端：集 光’籍反射"質反射部分的光回到光管；於光管的射出端 射出被反射之光，因而回收光以增加照明系統之亮度。 根據本發明之*範性實_，—财法心增加 統亮度：包括步驟：備置一光源及具有一射入端及一射、出端 =-^光f ’其由具有大截面之射人端向具有小截面之射 出錢細’由光源產生光；調整光管位置使其射人端趨近光 源；於光管之射入端收集光；反射大角度之光回錐形光管而 降低光之射出角度；於射出端射出小角度之光。 根據本發明之示範性實施例，—種方法用以增加光源亮 度’包括步驟：輕合—光學回«置至—光源，用以接收光 源所放射之光；回收部份的光源之光回到光源；以及由光源 再次放射出部份的光至光學时裝置，因而回收光 源之亮度。 本發明之不同的目的、優點及特徵將於詳細說明中被呈 現出來，其新穎特徵亦將於請求項指出。 【實施方式】 參考圖式以說明本發明之示範實施例，實施例係用 以說 明本發明的原理，非用以構成本發明範圍之限制。 根據本發明示範實施例，並參考第3-5、7-18圖，利用 回收光以增加光源亮度的照明系統1〇〇〇包括一光源1〇〇及一 光學回收裝置200。如第！圖所示，光源1〇〇係設置於一基 板140上，基板140最好但不限制為散熱片（heat sink)，其用 以吸收及發散光源所放射之熱’而光源1 〇〇表好為發光 二極體(LED)。發光二極體或光源1〇〇係被設置於基板140 上，其可為裸晶（bare die)、具有保護表層之晶片（chip)或具有 透鏡或準直排列的透鏡之晶片。晶片尺寸可小於1釐米（mm) X 1釐米（mm)或大於特定之合適的尺寸’一般商用之尺寸可 大至3〜5釐米，隨著技術的成熟度，晶片的尺寸與時俱增。 被設置於發光二極體光源1〇0的透鏡可以是圓形或符合任何 晶片的特定形狀以達最大的耦合度’例如非圓形或被塑形用 以傳輸光及用以反射的表面的組合。即使本照明系統以發光 二極體作為光源1〇〇,但亦可為其他種類之光源100 ’如電弧 燈、卤素燈、表面放射裝置（surface emitting device，SED)、 螢光燈 '微波燈以及其他同領域之技術人士所知之光源，但 不限於此處所述之光源。根據本發明之一實施例，請參考第 9a~13b及第15a〜15b圖，本發明可包括被設置在單一基板140 的複數光源1〇〇。根據本發明之精神，本發明的每一光源100 亦可獨立設置於一基板140上，如第11a〜12圖所示。 根據本發明之示範實施例，光學回收裝置200可以是空 間及/或射角光學回收裝置用以與光源100溝通而交換訊 號。這裡所要說明的是，一般空間或射角光學回收裝置200 包括一光管（light pipe)300，其可以是柱形（straight)或錐形 (tapered)。如第2圖所示，光源100或發光二極體之射出光 與光管300耦合，用以在光管300的射出端320提供均質強 度(uniform intensity profile)的光。光在光管300中，經内部 反射後被導向射出端320 ’發光二極體光源1〇〇的射出光被 光管300所捕獲’並被傳輸至光管300的射出端320。光管 300的形狀可以是方形、六角形或三角形，最好是光管3〇〇 的形狀能夠配合光源100或發光二極體以得到較大的麵合效 能。在理想的案例中，發光二極體光源100的射出光可完全 被光管300所捕獲。當光管300的截面符合發光二極體光源 100時，光管300的射出端320所射出的光亮度一般與發光 二極體光源100的亮度一致。然而，可預期的，在商業應用 中，其將存在發光二極體光源100與光管300的耦合損失 (coupling loss)及光管 300 中的傳輸損失(transmission loss)。 根據本發明之示範實施例，並參考第3-5、9a、10a、11a、 12、13a、14a及15a圖，空間光學回收裝置200包括光管300、 一反射件(reflector)、一鏡子（mirror)、一反射介質（reflective medium)或反射系統(reflector system)400設置於光管300的 射出端320。光管300的射入端310用以與光源100交換訊 號或結合至光源100，射出端320耦合至反射件400(例如反 射介質）。交換光學訊號可將光管300設置在逼近光源100之 處，使得光管300的射入端310能夠收集光源100所放射之 光。另，可選擇的，利用樹脂或其他透明的抗熱黏貼物質等， 將光管300的射入端310附著或黏貼於光源100上亦可。特 別是，光管300可以是實心或中空，以及任何形狀的截面， 如矩形、六角形及三角形等，但不限於此述之形狀。最佳的 是光管300的形狀能配合光源1〇〇或發光二極體光源1〇〇的 形狀，以取得良好的耦合效能。 光管300可以是等截面或是由射入端310到射出端320 有漸大或漸小截面的錐形。光學回收裝置200包括裁面漸粗 的光管300 ’其可降低射出端的數值孔徑，而截面漸細的光 管300可改善大角的的光回收，因而提供射角回收。 光管300係由玻璃、石英、塑膠、矽膠、及丙烯酸等等 所製成。光管300具有裸表面（bare surface)或塗佈低折射率 物質之表面，而如標準光纖般導光，亦可於光管3〇〇的任一 1332069 或全部的表面塗佈反射塗層，如鋁等，雖然此處所描述的光 - 管為實心光管，但在實務或商業應用上，光管300可以 • 是中空的’而在其射入端310及射出端320具有開口，而鏡 面形成其反射表面。在射入端310及射出端320的開口可塗 佈抗反射物質以增加光管300的光回收效能。 如反射介質的反射件400係設置於光管300的射出端 320，且覆蓋部份的射出端320。反射件400可以是外部的反 射鏡、鏡子或塗佈反射物質’可選擇的，反射件400亦可整 合至光管300，例如’於光管300的射出端320上塗佈反射 • 塗層。因反射件400覆蓋部分光管300的射出端320，部份 的光源100所放射的光被反射而回到光管300，經由光管 300 ’被反射回到光源1〇〇，再次被反射回光管300，如同光 - 源所放射的光，如第3圖所示。儘管光管300射出端320的 區域被反射件400覆蓋而縮減，任何被反射件400所反射回 光管300的光將增益光源1〇〇所放射的光之亮度而射出光管 300,根據本發明實施例的照明系統的亮度因而增加。即使由 光管300的淨射出功率（overall output power)較小，本發明之 光學回收裝置200，因回收部份光源100所放射的光，而增 φ 加射出的光亮度。 原則上，發光二極體光源100的晶片或裸晶具有一定的 反射率（reflectivity)，其被定義為被反射脫離表面的光量與入 射於表面的光量之比例。發光二極體光源100的表面是非反 射的（non-specula)，其被定義為散射因子。第24圖所示為不 * 同反射率的發光二極體之空間光學回收裝置200之回收效 能，依據光回溯所計算出的理論值。根據本發明的空間光學 回收裝置200的亮度增益與發光二極體光源數量之關係，其 中發光二極體光源100數量被定義為光管300射出端320的 開口比之倒數。例如，根據本發明的空間光學回收裝置200， 12 其光管300射出端320的開口比為20〇/o，其射出亮度係反射 率60%的發光二極體光源100(發光二極體光源數量為5)之亮 度的1.9倍。 相對於第24圖的空間光學回收裝置200的理論值，其實 驗結果被繪製於第25圖，其中的發光二極體係由未揭露的供 應商所提供。鏡子做的反射件4〇〇被設置在光管300射出端 320 ’其可被調整以提供不同的開口比。因發光二極體光源 1〇〇被設置於具有透明開口的散熱片基板14〇上，導致介於 發光二極體光源1〇〇與光管300的耦合效能並非100%，另 外’在光管300的射出端320之反射件400的反射率也並非 1〇〇%°因為發光二極體光源1〇〇的反射損失與實驗缺失所導 致的損失，被觀察到的反射率不如發光二極體的反射率。空 間光學回收裝置200的實驗之實體模型係以ASAp光線回溯 程式所模擬取得’其依據發光二極體的反射率R及散射因子 S作為曲線的擬合參數(fating parameters)。在最佳擬合時， 反射率R為52%，散射因子S為is度，當然，ASAP光線回 溯程式擬合時，窗口已被移除，使得光管30〇確實地逼近發 光二極體光源100。第26圖所示為發光二極體光源1〇〇直接 與光管300接觸，相對於發光二極體光源1〇〇數量的亮度增 益曲線圖’其中發光二極體光源100數量被定義為光管3〇〇 射出端320的開口比之倒數。例如，利用本發明光學回收裝 置200，其在光管300的射出端320的開口比例20%，相對 於發光二極體光源1〇〇(數量為5)的亮度增益為1.6。 根據本發明示範實施例，如第4圖所示，光學回收裝置 200 包括偏振光束分光器（polarizing beam splitter, PBS)220 或 偏振器（polarizer)210，特別是反射偏振器210，用以提供偏 振的照明系統1000。反射偏振器210或偏振光束分光器能覆 蓋光管300的全部射出端320或未被反射件4〇〇所覆蓋的射 13 出端320部分，另外，亦可被設置在光管300之射出端320 的反射件400之前或之後。偏振器210或偏振光束分光器將 非需要的偏振光反射回光管300，因而提升本發明回收光的 光學回收裝置200及增加射出光的亮度。 根據本發明示範實施例，如第4圖所示，光學回收裝置 200包括波片230可提高光偏振態的擾亂情況，用以提升光 學回收裝置200之效能。波片230可設置於光管300射出端 320與反射偏振器210之間。 參考第5圖，根據本發明之一示範實施例，空間及射角 光學回收裝置200包括發光二極體晶片光源1〇〇、錐形光管 300，其射入端310較射出端320細，以及鏡子形成的反射件 400，其設置於錐形光管300的射出端320之周邊。發光二極 體晶片光源100設置於散熱片基板140上，錐形光管300之 較細的射入端310用以與發光二極體晶片光源1〇〇交換光訊 號。特別要說明的是介於錐形光管300的射入端310與發光 二極體晶片光源100間的間隙可填充低反射係數的樹脂。應 用本發明之實施例’其中的錐形光管300可同時增加某立體 角（solid cone)内的光效能及亮度。當應用發光二極體晶片光 源100時，因僅收集應用小角度的射出光，亮度為其最重要 的參數’例如’商用的背投影電視(rear projecti〇n telvision, RPTV)的收集角度約為38度，因而發光二極體晶片光源ι〇〇 所放射的光，角度為介於38-90度的光無法利用而被浪費 掉。本發明用以回收光的錐形光管300收集在適當角度内， 發光二極體晶片光源1〇〇所放射的光，並傳輸而為射出之 光，並回收其他角度的光回發光二極體晶片光源1〇〇，因此 月匕回收特定角度外而未被應用的光，使得發光二極體光源 100之亮度增加。設置於錐形光管300的射出端320之周邊 的反射件400反射特定角度外的光，因此能回收未被利用的 1332069 光。利用本發明的空間光學回收裝置200，在特定角度内， - 發光二極體晶片光源1〇〇所放射的光，其被收集的光的量大 .- 於其本身所放射的量，因而增加可利用的角度範圍内的光之 亮度。 參考第14a-14b圖’根據本發明之示範實施例，回收光 • 的光管300(柱形或錐形）可與發光二極體光源1〇〇整合封 裝。發光二極體光源100和固定框（mounting frame)600被設 置於散熱片或基板140上，玻璃片或蓋體650被設置於固定 框600上，其可被整合或附著於光管300。玻璃片蓋體650 • 用以保護發光二極體光源1〇〇 ’固定框600之大小可以調整 以控制介於發光二極體光源1〇〇與光管300之間隙610。特 別是，光管300趨近發光二極體光源1 〇〇以使發光二極體光 源100之光耦合至光管300，並利用反射件400反射光，經 由光管300回到發光二極體光源100。 如第14a-14b圖所示’光管300的射出端320，部份表面 被反射表面所覆蓋（如反射介質、塗層或鏡子等反射件400), 用以提升光管300的光回收’特別是，反射介質反射件4〇〇 設置於光管300的射出端320的周邊。雖圖中未示，但其他 ® 形狀的光管亦可，例如，射出端320被反射介質反射件400 覆蓋的部分可以偏靠周邊的某一邊。此處要說明的是，光管 300可以被附著於玻璃蓋體650以利於與不同光學回收裝置 200中不同光學元件配合設置。本發明實施例，整合光管的 組裝過程類似於標準發光二極體的組裝，惟玻璃蓋體650須 • 與光管300 —起形成。特別要說明的是，光管300可以是錐 ' 形（漸細或漸粗）、柱形、實心或是空心，視應用而定。空心 的光管300的組裝，可附著4個鏡子於玻璃蓋體650上，附 著手段可應用樹脂、銲錫或其他黏貼技術。 15 1332069 根據本發明示範實施例，柱形或錐形光管300可以與多 個發光二極體光源100封裝整合，如第15a-l5b圖中具有兩 個發光二極體光源100。多發光二極體光源1〇〇被設置在散 熱片或基板140上，其僅具有單一固定框600。如第15a-l 5b 圖’在光管300的射入端310 ’對應於發光二極體光源ι〇〇 間的空間處之表面，可設置反射塗層，用以提升光管300的 光回收。 特別要說明的是’大部份的發光二極體有朗伯放射分布 (Lambertian emission pattern) ’特殊的發光二極體被製成具有 光子晶格(photonic lattice)的放射分布，小角度時被增益而使 亮度提高，在其他案例中，小角度的亮度較大角度的亮度高， 結果，若高亮度是所需求的’僅有小角度的放射光被利用， 而浪費所有的大角度的光，此種系統非常不效率的。為克服 此缺失，應用射角回收裝置以使得大角度的光被反射回發光 一極體’而僅有小角度的光被傳送’如第5圖所示之射角回 收裝置的示意圖。 參考第 6-8、9b、l〇b、lib、13c-13d、14b 及 15b 圖， 根據本發明示範實施例的光學回收裝置200，其包括空心或 實心錐形光管300。第6圖表示射角光學回收裝置200,其包 括一漸細錐形光管300，由較大區域向較小區域方向變細（射 入端310大於射出端320)。此種漸細錐形光管300可以過濾 掉大角度所射入的光，也就是說，大角度的入射光會被反射， 而僅有小角度的入射光會被此漸細錐形光管300所傳送。如 第6圖所示，入射光a0以入射角0 a射入漸細錐形光管300 的射入端310，經多次反射後，由漸細錐形光管300的射出 端320離開漸細錐形光管300 ’表示為射出光ai。特別要說 明的是，較大角度的入射光能脫離漸粗的錐形光管300。入 射光b0以入射角0b射入漸細錐形光管300的射入端310， 16 1332069 亦在漸細錐形光管300經多次反射，但在到達漸細錐形光管 3〇〇的射出端320前，入射光b0的角度以超過9〇度的入射 角，入射光b0開始被反射回漸細錐形光管3〇〇的射入端 310，並由漸細錐形光管300的射入端310脫離而非射出端 320 ’表示為射出光bl。漸細錐形光管300如同一入射光的 射角過濾器，其小角度的入射光被傳輸，而大角度光被反射 回漸細錐形光管300。 參考第 7-8、9b、10b、lib、13c-13d ' 14b 及 15b 圖， 根據本發明示範實施例的射角光學回收裝置200，其包括漸 細錐形光管300與複數發光二極體光源1〇〇，發光二極體光 源100被設置於漸細錐形光管300的射入端31〇前，發光二 極體光源100的安置區域密合漸細錐形光管3〇〇的射入端 310之區域。依據本發明之漸細的錐形光管3〇〇將大角度的 入射光反射回發光二極體光源1〇〇,被反射的光被回收至發 光二極體光源100後，再次以不同的角度射回漸細錐形光管 300。也就是說，被反射的部份光現在有了小的入射角（小角 度光）而被漸細錐形光管300所傳送，並耦合至漸細錐形光管 300所射出的光中，小角度光脫離漸細錐形光管3〇〇的射出 端320而射出。因發光二極體表面的散射，被反射的部分大 角度的光被散射至較小角度，並與射角光學回收裝置2〇〇的 =出光耦合，因而提昇照明系統1〇〇〇的亮度。根據本發明示 範實施例，如第8圖，漸細錐形光管300的射出端32〇可耦 合至另一光管300(最好是漸粗的錐形光管3〇〇)的射入端 310因而減少發光二極體的大角度光，並增加光的出射區域。 根據本發明示範實施例，照明系統1000包括多個發光二 極體光源100，其耦合到單一的輸出用的光管3〇〇。請回到第 lla-llb及12圖，並根據本發明示範實施例，二發光二極體 光源1〇〇利用兩個錐形光管35〇，最好是漸粗的二錐形光管 17 0再稱合至單-的輸出用的光管300，二錐形光管350之 射入端分別耦合至二發光二極體光源100,而二錐形光管350 :射出端耦合至輸出用的光管300。這裡所要說明的是，輸 出=的光管300的射出端32〇的部分被塗有反射塗層或介值 =提升在回收光之光學設備2〇〇的光回收因而提升了照明 =備1_的亮度。最佳的二錐形光管35〇之射出端的尺寸係 付合輸出用的光管300的射入端31〇的尺寸，使得與二錐形 光管350之射出端間的間隙小，而獲得較大的光耦合。 根據本發明示範實施例，如第9a 9b、1〇a i〇b、 及。1。2圖所示，照明系統1〇〇〇包括多個發光二極體光源綱， j早維（一列發光二極體）或二維陣列方式緊密包裹。最佳的 乾例如第lla-llb及12圖所示，發光二極體/晶片光源1〇〇 與錐形光管350緊密的包裹，其中錐形光管35()可以是圓形、 三角形、六角形或八角形等等。雖然發光二極體光源1〇〇與 錐形光管350可全部相同，但亦可依據應用而修改變更而有 不同的變化，也就是說，光學回收裝置2〇〇可包括多個不同 形狀及大小的發光二極體光源100及多個不同形狀及大小的 接收光之光管350。根據本發明示範實施例，發光二極體光 源100與其所耦合的光管35〇(也就是，發光二極體光管對） 有非常相似的形狀，例如，三角形的光管35〇為三角形耦 合至二角形的發光二極體光源根據本發明的優點是， 本發明允許被結合到不同功率與大小的發光二極體光源 100，用以提供特定的功率與大小的照明系統1〇〇〇，更進一 步’利用多發光二極體光源1 〇〇，對於輸出功率及波長可提 供額外的平均效果。典型上，製造發光二極體時，發光二極 體/發光二極體晶片的輸出功率及波長並未受到良好的控 制，目前發光二極體生產時，需依據波長及輪出功率範圍而 將LED晶片”編號(birming)，，。根據本發明不同的實施例，當 數個發光二極體結合到單一的光輸出時，整體的照明系統 1000(或光源），在輸出功率及波長上的變異較小，特別要說 明的是，根據本發明不同的實施例，當充足的發光二極體被 用作單一輸出光源時，並不需要此種編號，因而改善發光二 極體/發光二極體晶片的生產並節省製造成本。 典型的二種顏色以上的彩色投影系統，根據本發明示範 實施例，此照明系統1000包括不同顏色的發光二極體/發光 二極體晶片光源100，其能結合或混合，例如，應用已被本 案共同申請人所有的他案待審的（co-pending)申請案所揭露 之技術，序號11/351,013，名稱為「多光源的有效光束結合」 (Etendue Efficient Combination of Multiple Light Sources)，其 在此處被併為參考之整體。也就是說，本發明可被應用已提 供三色（紅、綠及藍）投影系統，或4色、5色的投影系統，已 開始能獲致某些動力。 根據本發明示範實施例，如第9a-9b及l〇a-l〇b圖所示， 光學回收裝置200包括多發光二極體光源100，其耦合至光 管300的射入端310，此處所要說明的是，盡量縮小發光二 極體光源100間的空間而緊密的包裹發光二極體光源100， 雖說發光二極體光源100間的空間可以被製成反射、部份反 射或不反射，但最佳範例是此空間能反射以增益光回收，因 而提升光學回收裝置200之回收效能。根據本發明示範實施 例，如第9a-9b圖所示，介於發光二極體光源100間的基板 140之空間（就是間隙130)，利用反射件、鏡子及反射塗層等 等’而被製成具反射功能。可選擇的，如第10a-10b圖所示， 對應於發光二極體光源100間的間隙130的光管3〇〇的射入 端310亦可利用反射件、鏡子及反射塗層等等，亦被製成具 反射功能。雖然在第9b圖及第l〇b圖中’僅有漸細錐形光管 300 ’但漸粗（小射入端到大射出端）或漸細（大射入端到小射 出端）錐形光管300皆可。漸粗錐形光管3〇〇可用以降低數值 孔徑’而漸細錐形光管300用以增益回收大入射角的光。 根據本發明示範實施例，如第13a及13b圖所示，照明 系統1000包括光管3〇〇(其可為柱形或錐形光管）及有色光束 結合器（color beam combiner) 700，用以結合來自不同顏色的 發光二極體光源1〇〇(也就是說，每一發光二極體光源100放 射不同的波長）的出射光至單一射出光250。如第13a圖所 示，光束結合器700包括立體稜鏡(cube prisims)P卜P2、P3 (最好疋偏振光束分光器，polarization beam splitter)及立體物 (cubes)Gl、G2用以結合來自不同顏色的發光二極體光源1〇〇 的射出光’例如，紅、藍、綠發光二極體光源1〇〇，立體稜 鏡P3耦合至光管300的射出端320。紅色發光二極體光源 100(R-LED)放射紅光，被立體稜鏡pi反射進到立體物G1， 立體稜鏡P2接收並傳輸來自立體物G1的紅光，並反射綠色 發光二極體光源 100(green light emmitting diode, G-LED)放 射的綠光，立體稜鏡P2傳輸被反射的綠光及被傳輸過來的 紅光進到立體物G2，立體稜鏡P3傳輸被立體物G2傳送過 來的綠光及紅光，並反射藍色發光二極體光源ioo(b-led) 放射的藍光進到光管300。最好是立體稜鏡710、立體物720 及光管300的邊都已拋光(polished)以能有效的導光穿過照明 系統1000的光學元件。此處所要說明的是，光管300射出端 320設有反射塗層、反射鏡、鏡子等反射件400，其覆蓋光管 300的射出端320的部分以增益回收，因而提升照明系統1 〇〇〇 的的亮度。 可選擇的，有色光束結合器700,例如三角稜鏡係與光 管300 —體成形。如第Ub圖所示，照明系統1〇〇〇包括紅色 發光二極體光源100、綠色發光二極體光源100及藍色發光 二極體光源1〇〇 ’波導段(waveguide sections)Wl-W5及輸出 1332069 段光管300(其可為錐形或柱形）’最佳的範例是’波導段W1、 W3、W5為三角稜鏡。紅色發光二極體光源1〇〇放射紅光’ 被波導段W1反射進到波導段W2,波導段W3接收並傳輸來 自波導段W2的紅光，並反射綠色發光二極體光源 lOO(G-LED)放射的綠光，波導段W3傳輸被反射的綠光及被 傳輸過來的紅光進到波導段W4，波導段W5傳輸被波導段 W4傳送過來的綠光及紅光，並反射藍色發光二極體光源 lOO(B-LED)放射的藍光進到輸出段光管300,光束結合器， 已被序號11/351，013之他案待審的申請案所揭露，併在此處 被併為參考之整體。最好的是，波導段W1-W5及輸出段光 管300的邊都已拋光以有效的導光穿過照明系統1 〇〇〇的光學 元件。此處所要說明的是，光管300的射出端320設有反射 塗層、反射鏡、鏡子等反射件400，其覆蓋光管300的射出 端320的部分以增益回收，因而提升照明系統ι000的的亮度。 根據本發明示範實施例，照明系統1 〇〇〇包括射角光學回 收裝置200，如第16圖所示，射角光學回收裝置2〇〇包括設 置於散射片基板140的發光二極體光源1〇〇以及玻璃或塑膠 製的實心光學元件8〇〇，其具有凹面反射面820及830及透 鏡之透射面810,最好是將凹面反射面82〇、83〇包圍透鏡之 透射面810,凹面反射面82〇、83〇可以是圓形、拋物形或橢 圓形，且可具反射塗層而能反射。反射面82〇、830作為回溯 反射件以反射大角度光線回發光二極體光源1〇〇，而發光二 極體光源100之小角度光線耦合至透鏡之透射面81〇，經由 射角光學回收裝置2〇〇射出而為射出光250。 可選擇的，如第17圖所示，射角光學回收裝置2〇〇包括 設置於散熱片基板14〇的發光二極體光源1〇〇、反射件 (reflector)840、850及透鏡860。大角度光線被反射件84〇、 21 1332069 850反射回發光二極體光源100，小角度光線耦合至透鏡 860，經由射角光學回收裝置200射出而為射出光250。 ' 根據本發明示範實施例，如第18圖所示，同第16、17 . 圖中所示之射角光學回收裝置200，包括具雙拋物反射面的 反射件840、850或可作為雙抛物反射面（reflective surface)820、830，其可經二次反射後，將大角度光線反射回 發光二極體光源100，也就是說’光被反射面820或反射件 840反射，而分別被反射面830或反射件850所接收，在被 φ 反射面830或反射件850反射而聚焦到發光二極體光源 100 ’因而被回收。另外，要特別說明的是，反射面820、830 或反射件840、850的曲率半徑可小於透射面810或透鏡860 的曲率半徑，使得反射面820、830或反射件840、850可比 透射面810或透鏡860更接近發光二極體光源100。 根據本發明示範實施例，本發明的光學回收裝置200能 與傳統的發光二極體照明系統結合，藉由空間及/或射角之光 回收’以增加發光二極體光源之亮度，典型的發光二極體照 明系統，光由發光二極體光源100，透過外部光學系統，耦 • 合至應用系統900(例如投影顯示螢幕）。如第19圖所示，根 據本發明之空間及/或射角之光學回收裝置200，設置於發光 二極體光源100與外部光學系統801間，用以增加應用系統 _的亮度。 參考第20圖，本發明的空間及/或射角光學回收裝置200 ' 能與傳統的發光二極體照明系統結合，而發光二極體光源 ； 100與整合性光學元件150結合，其用以從發光二極體光源 1()()擷取光，例如，將透鏡附著於發光二極體光源的封裝。 此處之空間及/或射角之光學回收裝置200，設置於整合性光 (S ) 22 1332069 學元件150與外部光學系統801間，以增加應用系統900的 ' 亮度。 • 根據本發明示範實施例，本發明的光學回收裝置200能 . 與傳統的發光二極體照明系統結合，藉由空間及/或射角之光 回收，以增加發光二極體光源之亮度，及/或耦合至投影系統 - 950的光量。典型的發光二極體照明系統，光由發光二極體 光源100所放射，經由透鏡861或透鏡系統，耦合至投影系 統950。如第21圖所示，根據本發明之空間及/或射角光學 回收裝置200，設置於發光二極體光源100與透鏡861間， • 以增加光的亮度及/或耦合至投影系統950的光量。 根據本發明示範實施例，如第22圖所示，本發明的光學 回收裝置200能與光纖系統結合，藉由空間及/或射角之光回 ' 收，以增加發光二極體光源之亮度以及/或耦合至光纖元件 . 920的總光量。此處所要說明的是，根據本發明之空間及/或 射角之光學回收裝置200，設置於發光二極體光源100與透 鏡861間，以增加光的亮度及/或耦合至光纖元件920的光量。 參考第23圖，本發明的光學回收裝置200能與第21圖 φ 所示之發光二極體光源投影系統950或第22圖所示之光纖系 統結合，其中發光二極體光源1〇〇與整合性光學元件150結 合，用以從發光二極體光源100擷取光。此處所要說明的是， 根據本發明之空間及/或射角之光學回收裝置200，設置於整 合性光學元件150與透鏡861間，以增加光的亮度及/或耦合 . 至發光二極體光源投影系統950或光纖元件920的光量。 . 以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特 " 點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之内容 並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依 23 神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本 * 【圖式簡單說明】 • 為使本發㈣於轉’以實施顺配合圖式說明本發明，圖中相似 的圖號代表相似的元件及特徵。 第1圖所示為-發光二極體晶片設置於—基板上的剖視圖。 鲁 f 2圖所不為第1圖中的發光二極體麵合至一光管。 第3圖所示為根縣發明之照明祕的示範實關之-反射件或一 鏡子覆蓋部分光管射出端的剖視圖。 ' 第4圖所示為根據本發明之第3圖所示實施例之外，更包含一偏振 器覆蓋於光管射㈣且未被反射件覆蓋的部分之剖視圖。 第5圖所示祕縣發明之綱祕的稀實施例之反射件設置於 錐形光管的射出端的周緣的剖視圖。 第6圖所示為根據本發明—實_之一漸細轉光管的剖視圖。 • 第7圖所示為根據本發明之照明系統的示範實施例係應用第6圖所 示之漸細錐形光管的剖視圖。 第8圖所示為根據本發明之照明祕一示範實施例的剖視圖，其係 包括耦合的二錐形光管。 ” 第％、％圖所示為根據本發明之照明系統一示範實施例剖視圖，其 • 包括二個設置於基板之發光二極體，分別耦合至一柱形或錐形光 • 管，二發光二極體間之基板塗佈一反射表層。 第10a、10b圖所示為根據本發明之照明系統一示範實施例剖視圖， 其包括二個設置於基板之發光二極體’分別耦合至一柱形或錐形光 24 1332069 管’於光f的射人端，介於二發光二極額塗佈—反射表層。 第lla圖所示為根據本發明之照明系統一示範實施例剖視圖，其包 括一個錐形光管，其射人端分_合至被設置在基板之發光二極 體’其射出端齡至同-柱形絲，柱形光管的射出端的一部分， 以反射件覆蓋以回收空間之光。 第lib圖所示為根據本發明之照明系統一示範實施例剖視圖，其包 含二個錐形綺’其射人端分_合至被設置在基板之發光二極 體，其射出端耦合至同一漸細錐形光管，以回收射角之光。 第12圖所示為根據本發明之照明系統一示範實施例剖視圖，除如第 lla圖所示實施例之外’更包括—反射偏振板設置於柱形光管之射出 端。 第13a-13d ®所示為根據本發明之照明系統一示範實施例剖視圖， 其包括搞合錄形或錐形絲之數侧色光束結合^，用以結合三 個發光二極體之射出光。 一 第14a-14b圖所示為根據擔明之照明系統一示範實施例剖視圖， 其包括一固定框用以固定玻璃板及耦合至被設置於基板之發光二極 體的柱形或錐形光管。 第15a-15b圖所示為根據第14a_14b圖之照明系統，其包含二發光二 極體》 第16圖所不為根據本發明之照明系統一示範實施例剖視圖，其包括 體光學元件，其具有一透鏡面以耦合小角度光，以及二凹面反射 面以回湖反射大角度光以射角回收光。 第17圖所示為根據本發明之照明系統一示範實施例剖視圖，其包括 一透鏡以耦合小角度光及二凹面反射面以回溯反射大角度光以射角 回收光。 25 為根據本發明第16圖或第17 51之·系統—示範實施 例°，j視圖，其_雙拋物鏡或反射面以射角回收光。 第一圖/t示為根據本發明之照叫統—示範實施例剖視圖，其係發 光一極體照明系統結合光學光回枚裝置。 第如圖所7F為根據本發明之照明系統_示範實施例剖視圖，其係發 光-極體酬魏具有整合絲元件(Gpties)之發光二極體晶片，並 結合光回收裝置。

第21圖所福根據本發明之結合光回«置的投射系統-示範實 施例的剖視圖。 第22圖所示為根據本發明之結合光时裝置的光齡統—示範實 施例的剖視圖。 第23圖所示為根據本發明之第21圖之投射系統或第22圖之光纖系 統一示範實施例得剖視圖，其具有整合光學元件(〇ptics)之發光二極 體晶片。 第24圖所示為根據本發明一示範實施例的數據圖，其依據不同反射 率所計算出之相對應亮度的改良曲線。

第25圖所示為根據本發明一示範實施例的數據圖，其依據不同反射 率實驗得出之相對應亮度的改良曲線。 第26圖所示為根據本發明一示範實施例的數據圖，其依據發光二極 體逼近光管計算所得出之相對應亮度的改良曲線。 【主要元件符號說明】 100 光源 130 間隙 26 1332069

140 基板 200 光學回收裝置 210 偏振益 230 波片 250 射出光 300、350 光管 310 射入端 320 射出端 400 反射件 600 固定框 610 間隙 650 蓋體 700 光束結合器 710、P卜 P2、P3 棱鏡 720、G1、G2 立體物 W1、W2 ' W3、W4、W5 波導段 800 光學元件 810 透射面 820 、 830 反射面 840 、 850 反射件 860 透鏡 150 整合性光學元件 801 光學系統 861 透鏡 27 1332069 900 應用系統 920 光纖元件 950 投影系統 1000 照明系統 a0、b0 入射光 0 a、0 b 入射角 al、bl 射出光

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Claims (1)

1. 七 申睛專利範圍 99年07月23日修正替換 一種照明系統，其用以提高光源亮度，包含： 一基板； —光源設置於該基板上，用以放射概光線；以及 之二學：收褒置，用以回收光線回該光源而增加該光源 翰出π度，其中該光學回收裝置包含： 光s，該光官之一射出端附著於一玻璃片 之-射入端耦合至該光源；以及 月上該先， 一固定框設置於該基板與該玻璃片間，其大小係用以控 制，！於該光管與該光源之一間隙。 2.如請求項1所述之照明系統，其中該光學回收裝置更包含一 反射件、一鏡子或一反射塗層，其係用以覆蓋部份該光管之 該射出端之周緣，用以反射大於一特定角度之光線回該光源 而回收光線。 3. 如請求項1所述之照明系統，其中該光管係為一光纖。 4. 如請求項1所述之照明系統，其中該光管係為一中空柱形光 官、一中空錐形光管、一實心柱形光管或一實心錐形光管， 且該光管之截面為圓形、三角形、四角形、六角形或八角形 之一。 5, 如請求項1所述之照明系統，其中該光管係為玻璃、石英或 塑膠之—所製成。 6. 如請求項丨所述之照明系統，其中該光管之表面被塗佈一反 射塗層或一低折射率物質，且其中該光管之該射入端被塗佈 一抗反射塗層。 99年07月23日修正替換 7. 如請求項4所述之照明系統，其中該中空柱形光管或該中空^ 錐形光管，其内璧被塗佈一反射塗層。 8. 如請求項1所述之照明系統，其中該光學回收裝置更包含一 反射偏振器或一偏振光束分光器’其覆蓋部份該光管之該射 出端，藉由反射部份該不需要的偏振光回該光源而回收光 線，用以輸出固定的偏振光。 9. 如請求項1所述之照明系統，其中該光學回收裝置更包含一 波片（quarter wave plate)，其用以增加該複數光線的偏振態 之混虜L。 10. 如請求項1所述之照明系統，其中該光源為一發光二極體 或一發光二極體晶片’且該光管之該射入端非常相似於該發 光二極體之形狀，用以獲得該光管與該發光二極體之間的高 1¾合效能。 11. 如請求項1所述之照明系統，其中該間隙被填充一低反射 係數之樹脂。 12. 如請求項1所述之照明系統，其中該光源包含複數發光二 極體晶片耦合至該光管，其中該些發光二極體晶片間之該基 板上具有反射塗層，用以提升該光管的光回收。 13·如請求項1所述之照明系統，其中該光源包含複數發光二 極體晶片耦合至該光管，該些發光二極體晶月間之該光管上 具有反射塗層，用以提升該光管的光回收。 14·如請求項1所述之照明系統’其中該光源更包含複數發光 二極體晶片，其任一柄合至一漸粗錐形光管之一射入端，用 以提供一發光二極體光管對’其中每一漸粗錐形光管的一射 出端耦合至該光管的該射入端。 99年07月23日修正替換 15·、如請求項14所述之照明系統’其中該複數-- 被緊密包裹為一維或二維陣列，且該發光二極體光管對的截 面非常相似。 16.如請求項丨所述之照明系統，其中該光學回收裝置更包含 複數有色發光二極體晶片且任一該有色發光二極體晶片所 放射的光具有不同波長，以及一光束結合器用以結合該複數 有色發光二極體晶片所射出之該複數光線。 Π. —種照明系統’其用以提高光源亮度，包含： 一光源用以放射複數光線；以及 一光學回收裝置用以回收大角度光線至該光源而增加該光 源之輸出亮度’其中該光學回收裝置包含： 一漸細錐形光管，其該射入端之截面係大於該射出端之 截面，其反射大角度光回該光源，以回收部份該複數光 線，以及傳輸小角度光回該光管之該射出端；以及 一漸粗錐形光管’其輕合至該漸細錐形光管之該射出端 藉以降低來自該光源之高角度光並提高該光源的輸出 區域。 18. 如請求項17所述之照明系統，更包含一反射件、一鏡子或 一反射塗層’其覆蓋部份該漸細錐形光管之該射出端，藉由 反射部份該複數光線回該光源而回收部份該複數光線。 19. 一種照明系統，其用以提高光源亮度，包含： 一光源用以放射複數光線；以及 一光學回收裝置用以回收大角度光線至該光源而增加該光 源之輸出亮度，其中該光學回收裝置包含： 一反射件用以反射大角度光回到該光源，以回收大角度 之光線；以及 1332069 99年07月23日修正替換 —透鏡用以傳輸小角度光至該光學回•之該輸-- 端’其中該反射件設置於該透鏡之周圍。 20. 如請求項19所述之照明系統，其中該反射件形成一雙拋物 反射表面，經兩次反射該大角度光，將光聚焦到該光源。 21. 如請求項2〇所述之照明系統，其中該光學回收裝置為一實 心光學元件，該透鏡形成於該實心光學元件之輸出端，該雙 拋物反射表面形成於該透鏡之周圍。 22. 如請求項19所述之照明系統，其中該光源係為—發光二極 體晶片，並應用於一發光二極體光源投影系統，該光學回收 裝置用以提升進入該發光二極體光源投影系統之耦合光量。 23_如請求項22所述之照明系統，其中該發光二極體晶片包含 整合光學元件，用以擷取該發光二極體晶片的光。 24. 如請求項19所述之照明系統，其中該光源係為—發光二極 體晶片，並應用於一光纖系統，該光學回收裝置用以提升進 入該光纖系統之輕合光量。 25. 如請求項24所述之照明系統，其中該發光二極體晶片包含 整合光學元件，用以擷取該發光二極體晶片的光。 26. —種方法用以提高光源亮度，包含步驟： 耦合一光學回收裝置與一光源，用以接收來自該光源的 複數光線； 回收大角度光線回該光源；以及 重射被回收光線回該光學回收裝置，因而增加該光源輸 出之亮度，其中該光學回收裝置包含： 一反射件用以反射大角度光回到該光源而回收大角 度之光線；以及 32 1332069 99年〇7月23日修正替換 學— 一透鏡用以傳輸小角度光至該光 出端。 27 :; 28·如請求項27所述之方法， 之步驟。 更包含混亂該複數光線之偏振態

   29.種方法用以提尚光源亮度，包含步驟： 2合-光學回收裝置與-光源，用以接收來自該光源的複 數光線； 回收光線回該光源；以及 重射部份被回收光線至該光學回收裝置，因而增加該光 輸出之亮度， 其中該光源包含： 一基板；以及 至少一發光二極體或至少一發光二極體晶片設置於該 基板上；

   其中該光學回收跋置包含： —光管，該光管之一射出端附著於一玻璃片上，該光管 之一射入端耦合至該光源；以及 —固定框設置於該基板與該玻璃片間’其大小係用以控 制介於該光管與該光源之一間隙，其中該光管之該射入 端非常相似於該光源之形狀，以提高該光管與該光源之 間的耦合效能。

   3〇.如請求項29所述之方法，其中該間隙填充一低反射係數之 樹脂。 33 99年07月23日修正替換 31.如請求項29所述之方法，其中該發光二極體或該發光二極 體晶片為複數，該些發光二極體或該些發光二極體晶片間之 該基板上，被塗佈反射塗層，以提升該空間光學回收裝置之 光回收。 32.如請求項29所述之方法，其中該發光二極體或該發光二極 體晶片為複數，該些發光二極體或該些發光二極體晶片間之 該光管上，被塗佈反射塗層，以提升該空間光學回收裝置之 光回收。 3 3.如請求項29所述之方法，其中該發光二極體或該發光二極 體晶片為複數’該些發光二極體或該些發光二極體晶片以一 維或二維陣列的緊密包裹於該基板上。 34. 如请求項29所述之方法，其中該發光二極體或該發光二極 體晶片之數量為複數，部份該些發光二極體或該些發光二極 體晶片為複數有色發光二極體晶片。 35. —種方法用以提高光源亮度，包含步驟： 耦合一光學回收裝置與一光源，用以接收來自該光源的複 數光線； 回收大角度光線回該光源；以及 重射部份被回收光線至該光學回收裝置，因而增加該光源 輸出之亮度，其中該光學回收裝置包含： 一漸細錐形光管，其一射入端之截面大於其一射出端之 截面，用以反射大角度光線回到該光源，並傳輸小角度 光線至該漸細錐形光管之該射出端；以及 —漸粗錐形光管，該漸粗錐形光管之射入端截面小於該 漸粗錐形光管之射出端戴面，以降低高角度光時並增加 射出區域。 1332069 99年07月23日修正替換 36.如請求項35所述之方法，其中該光學回收裝置更包含一反 射件、一鏡子或一反射塗層，其覆蓋部份的該漸細錐形光管 之該射出端。