專利名稱：光源及其應(yīng)用的投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光源及其應(yīng)用的投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
以固態(tài)發(fā)光器件，例如固態(tài)半導(dǎo)體發(fā)光器件，尤其是發(fā)光二極管(LED，Light Emitting Diode)為光源的投影機(jī)已經(jīng)得到越來越廣泛的使用。順應(yīng)于對光源光輸出功率的要求越來越高，基于光波長轉(zhuǎn)換的投影機(jī)光源因其較強(qiáng)的實(shí)用性脫穎而出，該方案將源自于一組固態(tài)光源的高功率光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上來激發(fā)產(chǎn)生具有預(yù)定主波長的高功率輸出光。請參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)中投影機(jī)光源的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，投影機(jī)光源包括固態(tài)光源陣列1、準(zhǔn)直透鏡陣列2、聚焦透鏡3、承載波長轉(zhuǎn)換材料的波長轉(zhuǎn)換裝置4、收集透鏡5以及方棒6。固定光源陣列1發(fā)出激發(fā)光，準(zhǔn)直透鏡陣列2把來自固態(tài)光源陣列1的激發(fā)光準(zhǔn)直成近平行光，該近平行光進(jìn)一步通過聚焦透鏡3匯聚到波長轉(zhuǎn)換裝置4上的波長轉(zhuǎn)換材料的某一點(diǎn)，形成如J所代表的投射光斑。波長轉(zhuǎn)換材料4吸收激發(fā)光產(chǎn)生受激發(fā)光，該受激發(fā)光經(jīng)收集透鏡5收集后入射到方棒6，方棒6將入射光斑均勻化并整形得到特定形狀的出射光斑以作為投影光斑。現(xiàn)有技術(shù)中的固態(tài)光源陣列的光斑形狀不可控，一般為圓形或橢圓形。對于一些特殊場合，比如顯示區(qū)域?yàn)殚L方形(例如但不限于長寬比4 3)的投影機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，投影機(jī)光源的輸出光斑最好呈相同比例的長方形。事實(shí)上采用現(xiàn)有技術(shù)中的固定光源陣列時(shí)， 考慮到其光斑形狀與顯示區(qū)域的形狀不匹配的問題，通常采用上述方棒將圓形或橢圓形的入射光斑整形為上述長方形的出射光斑。請參閱圖2，圖2是圖1中方棒6的入射光斑與出射光斑的形狀關(guān)系的示意圖。如圖2所示，中間的橢圓代表方棒的入射光斑，長方形代表方棒的出射光斑，即與顯示區(qū)域匹配的投影機(jī)的投影光斑，為了保證光利用效率的同時(shí)降低光功率密度，勢必要使橢圓光斑內(nèi)接于長方形光斑。請參閱圖3，圖3是實(shí)驗(yàn)測量的熒光粉的光轉(zhuǎn)化效率與激發(fā)光的功率密度的關(guān)系示意圖。如圖3所示，隨著光功率密度的上升，熒光粉的光轉(zhuǎn)化效率呈明顯的下降。通過對現(xiàn)有技術(shù)的研究，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)由于固態(tài)光源往往采用大功率LED，甚至是具有高功率密度的激光二極管，或隨著固態(tài)光源陣列規(guī)模的擴(kuò)大，匯聚到圖1所示J點(diǎn)上的激發(fā)光功率往往會過高而導(dǎo)致波長轉(zhuǎn)換材料(例如熒光粉)溫度上升，從而造成波長轉(zhuǎn)換材料的光轉(zhuǎn)換效率下降，縮短波長轉(zhuǎn)換裝置的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供一種光源及其應(yīng)用的投影系統(tǒng)，能夠降低波長轉(zhuǎn)換材料上的光功率密度。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種光源，包括固態(tài)光源陣列，由復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光器件組成，用于發(fā)出激發(fā)光；波長轉(zhuǎn)換裝置，承載有吸收激發(fā)光并產(chǎn)生受激發(fā)光的波長轉(zhuǎn)換材料；
整形裝置，位于固態(tài)光源陣列與色輪之間，用于對該固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理，使固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀。本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種投影系統(tǒng)，包括上述光源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例包括如下有益效果現(xiàn)有技術(shù)中為了降低光功率密度，需要將投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的未經(jīng)整形的激發(fā)光光斑形狀內(nèi)接于與顯示區(qū)域匹配的形狀；而本發(fā)明實(shí)施例中，由于在激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料之前，先將激發(fā)光整形為特定形狀，因此投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑形狀可以更為接近甚至等于與顯示區(qū)域匹配的形狀，從而比現(xiàn)有技術(shù)中最好只能內(nèi)接于與顯示區(qū)域匹配的形狀的光斑面積更大，使得在相同光功率的條件下光功率密度較低，提高了波長轉(zhuǎn)換材料的光轉(zhuǎn)換效率，延長了波長轉(zhuǎn)換裝置的使用壽命。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中投影機(jī)光源的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1中方棒6的入射光斑與出射光斑的形狀關(guān)系的示意圖3是實(shí)驗(yàn)測量的熒光粉的光轉(zhuǎn)化效率與激發(fā)光的功率密度的關(guān)系示意圖
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中光源的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一-實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一-實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖7是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一-實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖8是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一-實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖9是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一-實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖10是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另-一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖11是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另-一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖12是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另-一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖13是圖11中固定器件242沿A-A線的橫截面示意圖14a是圖11所示實(shí)施例中離焦為0時(shí)的光斑示意圖14b是圖11所示實(shí)施例中離焦為0. 2毫米時(shí)的光斑示意圖15是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另-一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖16是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另-一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
請參見圖4，圖4是本發(fā)明實(shí)施例中光源的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，光源包括固態(tài)光源陣列10、整形裝置20以及波長轉(zhuǎn)換裝置30。固態(tài)光源陣列10由復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光器件11組成，用于發(fā)出激發(fā)光。波長轉(zhuǎn)換裝置30承載有吸收來自固態(tài)光源陣列的激發(fā)光并產(chǎn)生受激發(fā)光的波長轉(zhuǎn)換材料。整形裝置20位于固態(tài)光源陣列10與波長轉(zhuǎn)換裝置30之間，用于對該固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理，并將整形處理后的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換裝置30上，使固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀。
固態(tài)發(fā)光器件11可以是LED，或是激光二極管，來自各固態(tài)發(fā)光器件11的光的光斑形狀可以為圓形或橢圓形。波長轉(zhuǎn)換材料包括熒光粉、發(fā)光染料或納米發(fā)光材料。本實(shí)施例中的特定形狀為與投影系統(tǒng)中顯示區(qū)域相似的預(yù)定面積的形狀，例如4 3長寬比例且具預(yù)定面積的矩形。整形裝置可以為衍射光學(xué)元件、復(fù)眼透鏡對、方棒等整形元件，此處不進(jìn)行限定?，F(xiàn)有技術(shù)中為了降低光功率密度，需要將投射到波長轉(zhuǎn)換材料未經(jīng)整形的激發(fā)光光斑形狀(如圖2所示的橢圓形)內(nèi)接于與顯示區(qū)域匹配的形狀；而本實(shí)施例中，由于在激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料之前，先將激發(fā)光整形為特定形狀(如圖2所示的與顯示區(qū)域匹配的長方形)，再投射到波長轉(zhuǎn)換材料，因此投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑形狀可以更為接近甚至等于與顯示區(qū)域匹配的形狀，從而比現(xiàn)有技術(shù)中最好只能內(nèi)接于與顯示區(qū)域匹配的形狀的光斑面積更大，使得在相同光功率的條件下光功率密度較低，提高了波長轉(zhuǎn)換材料的光轉(zhuǎn)換效率，延長了波長轉(zhuǎn)換裝置的使用壽命。當(dāng)固態(tài)發(fā)光器件采用激光二極管時(shí)，由于激光的發(fā)射角度很小，導(dǎo)致其投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑的光分布很不均勻，光斑中心的光強(qiáng)很強(qiáng)且遠(yuǎn)高于邊緣光強(qiáng)，使得光斑中心的光功率密度過高。為解決光分布不均的問題，本發(fā)明實(shí)施例還提供光源的另一實(shí)施例。請參閱圖5，圖5是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示， 本實(shí)施例在圖4所示實(shí)施例的基礎(chǔ)上，增加了一勻光裝置40，位于固態(tài)光源陣列10與整形裝置20之間，用于在激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料之前，對該激發(fā)光進(jìn)行勻光處理，使激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑的光分布更加均勻，降低了光斑中心的光功率密度，從而進(jìn)一步提高了波長轉(zhuǎn)換材料的光轉(zhuǎn)換效率?？梢岳斫獾氖?，勻光裝置40也可以位于整形裝置20與波長轉(zhuǎn)換裝置30之間；也可以與整形裝置20 —體成型，即與整形裝置20合為一能進(jìn)行勻光處理與整形處理的元件，如衍射光學(xué)元件、復(fù)眼透鏡對、方棒等。請參閱圖6，圖6是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6所示實(shí)施例與圖5所示實(shí)施例的區(qū)別之處主要包括整形裝置與勻光裝置合為衍射光學(xué)元件21。 衍射光學(xué)元件(DOE，Diffractive Optical Element)為一種特殊的光學(xué)元件，一般是由計(jì)算機(jī)計(jì)算產(chǎn)生的全息器件，通過控制其表面的微結(jié)構(gòu)(例如光波長數(shù)量級)的形狀、深度和分布，使光線在穿透該元件時(shí)發(fā)生衍射，產(chǎn)生波面的相位變化。衍射光學(xué)元件通常包括復(fù)數(shù)個(gè)衍射單元，由于每個(gè)衍射單元的形態(tài)和深度不同，通過選定不同形狀的衍射單元及其組合，可以使各衍射單元所產(chǎn)生的波面相疊加，進(jìn)而產(chǎn)生所需要的透射光之空間光強(qiáng)分布。例如，美國專利US7，251，412B2公開過一種使用DOE的背光源模塊。不同設(shè)計(jì)的DOE元件可以具有不同的勻光和整形效果。在本實(shí)施例中，衍射光學(xué)元件21對固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理，使固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀且光分布均勻。本實(shí)施例中的衍射光學(xué)元件21可以包括與固態(tài)發(fā)光器件11對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)衍射單元(衍射單元可以與固態(tài)發(fā)光器件一對一，也可以一對多)，每一衍射單元對至少一固態(tài)發(fā)光器件11發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理得到具有特定形狀的均勻出射光斑的子光束。通過設(shè)計(jì)各個(gè)衍射單元的微觀形貌，可以使各子光束組合為一束光束并投射到波長轉(zhuǎn)換材料，使組合得到的該光束投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有上述特定形狀。例如，本實(shí)施例可以采用一種把任何形狀的入射光斑整形成一個(gè)特定形狀為4 3長寬比例的具有預(yù)定面積的矩形且均勻的輸出光斑的衍射光學(xué)元件。此外，當(dāng)固態(tài)發(fā)光器件在固態(tài)光源陣列中分布較為疏散時(shí)，可以采用由復(fù)數(shù)個(gè)衍射光學(xué)元件組成的衍射光學(xué)元件陣列，以適當(dāng)降低本發(fā)明光源的成本。在本實(shí)施例中，將衍射光學(xué)元件替換成一對復(fù)眼透鏡對也可以起到相似的效果。 復(fù)眼透鏡對可以包括與固態(tài)發(fā)光器件對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)透鏡單元對，每一透鏡單元對對至少一固態(tài)發(fā)光器件發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理得到具有特定形狀的出射光斑的子光束，并且將各子光束組合為一束光束并投射到波長轉(zhuǎn)換材料上，使組合得到的該光束投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有上述特定形狀。構(gòu)成兩片復(fù)眼透鏡的透鏡單元的參數(shù)(例如尺寸)可以一樣，也可以不一樣，也就是說，該兩片復(fù)眼透鏡間的透鏡單元可以呈一一對應(yīng)的關(guān)系或一對多的對應(yīng)關(guān)系。第一片復(fù)眼透鏡中的復(fù)數(shù)個(gè)透鏡單元可以將入射光切分成多塊，再經(jīng)過第二片復(fù)眼透鏡中復(fù)數(shù)個(gè)透鏡單元的作用形成多個(gè)具有特定形狀的均勻子光束。通過設(shè)計(jì)第二片復(fù)眼透鏡中各個(gè)透鏡單元的參數(shù)(如曲率)，可以使各子光束組合為一束光束并投射到波長轉(zhuǎn)換材料，使組合得到的該光束投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有上述特定形狀。由于經(jīng)過切分和分別的成像后再疊加，原本的光能量被重新分布，而多個(gè)像疊加的過程保證了投射到波長裝置材料上的光斑的均勻性。請參閱圖7，圖7是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例中，勻光裝置依然是包括衍射光學(xué)元件21，但與圖7所示實(shí)施例不同的是，本實(shí)施例中，衍射光學(xué)元件21不對各子光束進(jìn)行組合，而是由一合光裝置50a對衍射光學(xué)元件發(fā)出的各子光束進(jìn)行組合并投射到波長轉(zhuǎn)換材料上。也就是說，本實(shí)施例中的整形裝置包括衍射光學(xué)元件21與合光裝置50a。衍射光學(xué)元件21包括與發(fā)光器件對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)衍射單元，每一衍射單元對至少一固態(tài)發(fā)光器件發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理得到具有特定形狀的均勻出射光斑的子光束。合光裝置50a將衍射光學(xué)元件出射的各子光束組合為一束光束并投射到波長轉(zhuǎn)換材料，使組合得到的該光束投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有特定形狀。本實(shí)施例中，合光裝置50a可以由聚光透鏡、聚光透鏡組或菲涅爾透鏡來實(shí)現(xiàn)，用來將源自衍射光學(xué)元件21的各子光束匯聚并投射往波長轉(zhuǎn)換材料。此外，本實(shí)施例還在圖6所示實(shí)施例的基礎(chǔ)上增加了一準(zhǔn)直透鏡陣列60，位于固態(tài)光源陣列10與衍射光學(xué)元件21之間。準(zhǔn)直透鏡陣列60由與固態(tài)發(fā)光器件11對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)準(zhǔn)直透鏡61組成，每一準(zhǔn)直透鏡61對準(zhǔn)一固態(tài)發(fā)光器件11。準(zhǔn)直透鏡陣列60與固態(tài)光源陣列10排布呈平行于衍射光學(xué)元件21，且該準(zhǔn)直透鏡陣列60發(fā)出的近平行光垂直于衍射光學(xué)元件21，以將來自該固態(tài)發(fā)光器件的激發(fā)光準(zhǔn)直成近平行光并投射到衍射光學(xué)元件21，匹配所選定的衍射光學(xué)元件之規(guī)格?？梢岳斫獾氖?，與圖6所示實(shí)施例相同，圖7所示實(shí)施例中的衍射光學(xué)元件也可以用復(fù)眼透鏡對來代替。合光裝置50a組合來自復(fù)眼透鏡對發(fā)出的各子光束光為一束光束， 并投射于波長轉(zhuǎn)換材料上。除了衍射光學(xué)元件與復(fù)眼透鏡對之外，還可以用方棒來實(shí)現(xiàn)對光的整形與均勻化，以下對此進(jìn)行詳細(xì)說明。請參閱圖8，圖8是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8所示，本實(shí)施例與圖7所示實(shí)施例的不同之處包括用方棒22代替了衍射光學(xué)元件21，且該方棒的入射端的尺寸大于其出射端的尺寸；準(zhǔn)直透鏡陣列60位于固態(tài)光源陣列10與方棒22之間，與固態(tài)光源陣列10向心排列在以方棒22的入射端的中心為圓心的弧面上；合光裝置50a為成像透鏡或成像透鏡組，以成像方式把來自方棒的均勻光束投射往波長轉(zhuǎn)換材料。本實(shí)施例中，準(zhǔn)直透鏡陣列60由與固態(tài)發(fā)光器件11對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)準(zhǔn)直透鏡61組成，每一準(zhǔn)直透鏡61對準(zhǔn)一固態(tài)發(fā)光器件11，以將來自該固態(tài)發(fā)光器件的激發(fā)光準(zhǔn)直成近平行光并投射到方棒22的入射端。并且，由于上述向心排列，來自各固態(tài)發(fā)光器件的激發(fā)光將聚集到方棒22的入射端。方棒22的作用是使入射光在其中通過不斷的反射相疊加， 從而在出口形成均勻的光分布，實(shí)現(xiàn)對固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行勻光處理；同時(shí)對方棒22出射端的形狀進(jìn)行控制，則可對光束起到整形的作用，例如，將方棒22出射端制成具有預(yù)定面積的正方形，則方棒22的出射光束形狀為該正方形。本實(shí)施例中，整形裝置還包括合光裝置50a，經(jīng)方棒22整形及勻光的激發(fā)光經(jīng)合光裝置50a投射到波長轉(zhuǎn)換材料上，使該激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有特定形狀。優(yōu)選地，方棒22的入射端尺寸與出射端尺寸的比例范圍為1.5 1 4 1，在這種條件下方棒22具有較好的勻光效果。尤其是當(dāng)方棒22的入射端尺寸與出射端尺寸的比例為2 1，且方棒22的入射端尺寸與方棒22長度的優(yōu)化比值為1 8時(shí)方棒勻光效果更佳。以正方形出射光斑為例(即方棒的出射端形狀為正方形)，本實(shí)施例的光收集效率可以達(dá)到90%以上。當(dāng)方棒的出射端尺寸較大而超出了本發(fā)明光源所限制的出射光斑尺寸時(shí)，或由該方棒出射端射出的光具有較大出射角(例如但不限于超過30度)時(shí)，為了使光束以適當(dāng)?shù)娜肷浣呛凸獍叱叽缤渡涞讲ㄩL轉(zhuǎn)換材料上，可以采用合光裝置50a以成像方式把來自方棒 22出射端的均勻光束投射往波長轉(zhuǎn)換材料?？梢岳斫獾氖?，本實(shí)施例中，通過控制方棒22 出射端尺寸的大小、以及方棒22與波長轉(zhuǎn)換裝置30之間的距離，可以使方棒22出射的激發(fā)光直接投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有特定形狀，此時(shí)整形裝置與勻光裝置合為方棒22，而不需要有合光裝置50a，該方棒22對固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理，使固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀，因此本實(shí)施例中合光裝置50a是可以省略的。此外，固態(tài)光源陣列10與準(zhǔn)直透鏡陣列60也可以如圖7所示實(shí)施例一樣排布，只要能將固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光投射到方棒22的入射端即可?？梢岳斫獾氖牵诒緦?shí)施例中，準(zhǔn)直透鏡陣列60的作用是為了將來自固態(tài)發(fā)光器件的激發(fā)光準(zhǔn)直成近平行光(例如但不限于發(fā)散角小于15度的光束)，以提高光利用率。在對光利用率要求不高的情況下， 準(zhǔn)直透鏡陣列60也是可以省略的。請參閱圖9，圖9是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖9所示，本實(shí)施例與圖8所示實(shí)施例相同的是，勻光裝置包括方棒22，該方棒22對固態(tài)光源陣列 10發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行勻光處理，整形裝置包括該方棒22與合光裝置50a，該方棒22與合光裝置50a對該固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理，使固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀。與圖7所示實(shí)施例的區(qū)別之處包括方棒22的入射端的尺寸與出射端的尺寸相同；固態(tài)光源陣列10與準(zhǔn)直透鏡陣列60為如圖7 所示實(shí)施例一樣排布；同時(shí)還包括一位于準(zhǔn)直透鏡陣列60與方棒之間的合光裝置50b，通過該合光裝置50b將準(zhǔn)直透鏡陣列60發(fā)出的激發(fā)光匯聚到方棒22的入射端。
請參閱圖10，圖10為本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖10 所示，本實(shí)施例與圖9所示實(shí)施例的區(qū)別之處包括方棒22的入射端的尺寸小于其出射端的尺寸；方棒22出射的激發(fā)光直接投射到波長轉(zhuǎn)換材料上，即方棒22與波長轉(zhuǎn)換裝置30 之間無合光裝置50a。本實(shí)施例中，方棒22對固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行了整形處理和勻光處理，使固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀。本實(shí)施例中，由于方棒22的出射端尺寸大于入射端尺寸，根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量不變原理，方棒22的出射光發(fā)散角度一定小于其入射光發(fā)散角度。由于出射光角度比較小，方棒 22的出射光可以直接投射到波長轉(zhuǎn)換材料而不會引起過大的光斑形變。優(yōu)選地，本實(shí)施例中的方棒的出射端尺寸與入射端尺寸的比例范圍為1.2 1 2 1。可以理解的是，同于圖8所示實(shí)施例，本實(shí)施例中的準(zhǔn)直透鏡陣列60與合光裝置50b是可以省略的。還可以采用方棒陣列來實(shí)現(xiàn)上述方棒的功能，請參閱圖11，圖11為本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖11所示，本實(shí)施例包括固態(tài)光源陣列10、方棒陣列23、透鏡陣列70、合光裝置50a與波長轉(zhuǎn)換裝置30。方棒陣列23由與固態(tài)發(fā)光器件11對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)方棒組成，每一方棒對一固態(tài)發(fā)光器件11發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理得到具有特定形狀的出射光斑的子光束。透鏡陣列70包括與方棒對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)透鏡， 各透鏡收集來自對應(yīng)方棒出射的子光束并投射往合光裝置50a。合光裝置50a將方棒陣列 23出射的各子光束組合為一束光束，使組合得到的該光束投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀。本實(shí)施例中，勻光裝置包括由與固態(tài)發(fā)光器件11對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)方棒組成的方棒陣列23，整形裝置包括該方棒陣列23及合光裝置50a，每一方棒對至少一固態(tài)發(fā)光器件發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理得到具有特定形狀的均勻出射光斑的子光束，合光裝置50a將方棒陣列23出射的各子光束組合為一束光束，使組合得到的該光束投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有上述特定形狀。本實(shí)施例中，在各方棒的出射光角度較小的情況下，可以省略掉透鏡陣列70而將各方棒的出射光直接投射往合光裝置50a?？紤]到方棒的形狀及其入射端尺寸，每一方棒的入射端還可以是收集來自兩個(gè)或兩個(gè)以上固態(tài)發(fā)光器件的激發(fā)光。在圖8至圖11所示各實(shí)施例中，還可以包括至少一散光片(圖未示)，設(shè)置于各方棒的入射端，用于放大入射于方棒入射端的激發(fā)光的發(fā)散角度，進(jìn)而增強(qiáng)方棒的勻光效果。本發(fā)明還采用光波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)勻光處理。請參閱圖12與圖13，圖12是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖13是圖12中固定器件242沿A-A線的橫截面示意圖。如圖12所示，本實(shí)施例與圖7所示實(shí)施例的區(qū)別之處包括本實(shí)施例中的勻光裝置包括與固態(tài)發(fā)光器件11對應(yīng)的復(fù)數(shù)根光波導(dǎo)M1，每一光波導(dǎo)241對至少一固態(tài)發(fā)光器件 11發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行勻光處理；整形裝置包括一固定器件M2，該固定器件M2把各光波導(dǎo) 241的出口固定排列以將所有光波導(dǎo)的出口組合成特定形狀；合光裝置50a以成像方式將固定器件242的光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上。此外，本實(shí)施例中還包括與各光波導(dǎo)對應(yīng)的聚焦耦合透鏡構(gòu)成的聚焦耦合透鏡陣列80，替代了圖7所示實(shí)施例中的準(zhǔn)直透鏡陣列60，每一聚焦耦合透鏡把來自至少一固態(tài)發(fā)光器件11的光導(dǎo)入與該透鏡對應(yīng)的光波導(dǎo)對1。本實(shí)施例中，通過在光波導(dǎo)241中的傳播實(shí)現(xiàn)光的均勻化，以在該光波導(dǎo)241的出口得到一個(gè)均勻的光斑，且該光斑形狀與光波導(dǎo)241的芯層形狀相同。也就是說，每一光波導(dǎo)241對至少一固態(tài)發(fā)光器件發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理，得到具有與光波導(dǎo) 241芯層的橫截面形狀相同的均勻出射光斑的子光束。如圖13所示，固定器件242把各光波導(dǎo)Ml的出口固定排列以將所有光波導(dǎo)Ml的出口組合成特定形狀，再由合光裝置50a 將固定器件242發(fā)出的光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上，使固態(tài)光源陣列10發(fā)出的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀。優(yōu)選地，本實(shí)施例中的光波導(dǎo)241芯層的橫界面的形狀為長方形或正多邊形(如正方形、正六邊形)，光波導(dǎo)Ml的外保護(hù)層越小越好，以使各光纖實(shí)現(xiàn)無縫隙拼接為最佳。 但現(xiàn)有光波導(dǎo)的芯層截面以圓形最易于加工，考慮到實(shí)現(xiàn)成本，本實(shí)施例可以以現(xiàn)有芯徑為50um、總直徑為IOOum的光波導(dǎo)為例進(jìn)行如圖13所示的緊密排列，組合成所需要的光斑形狀(例如矩形)的近似形狀。本實(shí)施例中，通過合光裝置50a將固定器件242發(fā)出的光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上， 這尤其適用于光波導(dǎo)241的組合規(guī)模較大導(dǎo)致圖13所示的橫截面積較大時(shí)?？梢岳斫獾氖?，當(dāng)光波導(dǎo)241組合規(guī)模較小，使得固定器件242發(fā)出的光束面積較小時(shí)，也可以不經(jīng)合光裝置50a，而直接將固定器件242發(fā)出的光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上。請參閱圖1 及圖14b，圖1 是圖12所示實(shí)施例中離焦為0時(shí)的光斑示意圖， 圖14b是圖12所示實(shí)施例中離焦為0. 2毫米時(shí)的光斑示意圖。假設(shè)光波導(dǎo)出射光的發(fā)光半角約為25度，在不采用合光裝置50a的情況下，各光波導(dǎo)出口處的光強(qiáng)分布如圖1 所示，本實(shí)施例為此將固定器件242上各光波導(dǎo)的出口設(shè)置成距波長轉(zhuǎn)換材料一定距離(例如0. 2mm)，來達(dá)到離焦擴(kuò)散成均勻光斑的目的，這樣從固定器件242直接投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑將具有如圖14b所示的光強(qiáng)分布，可見該光斑為近矩形的均勻光斑。上述各實(shí)施例中，波長轉(zhuǎn)換裝置可以為透射式或反射式。請參閱圖15，圖15是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖15所示，本實(shí)施例與圖7所示實(shí)施例的區(qū)別之處在于還包括光收集裝置90，位于波長轉(zhuǎn)換裝置30的背離合光裝置50a的一側(cè)，用于收集波長轉(zhuǎn)換材料產(chǎn)生的受激發(fā)光，以及未被波長轉(zhuǎn)換材料吸收的剩余激發(fā)光。本實(shí)施例中，波長轉(zhuǎn)換裝置30為透射式，即激發(fā)光從波長轉(zhuǎn)換裝置30的第一側(cè)入射，受激發(fā)光從波長轉(zhuǎn)換裝置30的第二側(cè)發(fā)出。請參閱圖16，圖16是本發(fā)明實(shí)施例中光源的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖16 所示，本實(shí)施例與圖15所示實(shí)施例的區(qū)別之處在于本實(shí)施例還包括光路分離裝置，例如分光濾光片91，分光濾光片91位于合光裝置50a與波長轉(zhuǎn)換裝置30之間。分光濾光片91 透射激發(fā)光且反射波長轉(zhuǎn)換材料產(chǎn)生的受激發(fā)光，如圖16所示，光線Ll為入射分光濾光片的激發(fā)光，光線L2為波長轉(zhuǎn)換材料產(chǎn)生的受激發(fā)光，光線Ll與光線L2處于波長轉(zhuǎn)換裝置 30的同側(cè)。波長轉(zhuǎn)換材料產(chǎn)生的受激發(fā)光被分光濾光片反射后被光收集裝置90收集。本實(shí)施例中，波長轉(zhuǎn)換裝置30為反射式，即激發(fā)光從波長轉(zhuǎn)換裝置30的第一側(cè)入射，受激發(fā)光也從波長轉(zhuǎn)換裝置的第一側(cè)發(fā)出。上述各實(shí)施例中，波長轉(zhuǎn)換裝置30不限定為一固定裝置，該波長轉(zhuǎn)換裝置30還可以相對于激發(fā)光呈運(yùn)動(轉(zhuǎn)動或移動)狀態(tài)，以便通過輪換照射波長轉(zhuǎn)換材料來進(jìn)一步達(dá)到保護(hù)波長轉(zhuǎn)換材料的目的。波長轉(zhuǎn)換裝置30還可以進(jìn)一步包括至少兩個(gè)具有不同波長轉(zhuǎn)換材料的分區(qū)，在這種情況下，輪換照射還可以達(dá)到變換光源出射的受激發(fā)光顏色的目的。
本發(fā)明實(shí)施例還提供一種投影系統(tǒng)，可以包括上述各實(shí)施例所述的光源。投影系統(tǒng)中除了光源以外的其它部件為公知技術(shù)，此處不作贅述。本實(shí)施例中，由于在激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料之前，先將激發(fā)光整形為特定形狀，因此投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑形狀可以更為接近甚至等于與顯示區(qū)域匹配的形狀，從而比現(xiàn)有技術(shù)中最好只能內(nèi)接于與顯示區(qū)域匹配的形狀的光斑面積較大，使得在相同光功率的條件下光功率密度較低，提高了波長轉(zhuǎn)換材料的光轉(zhuǎn)換效率，延長了波長轉(zhuǎn)換裝置的使用壽命。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光源，其特征在于，包括固態(tài)光源陣列，由復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光器件組成，用于發(fā)出激發(fā)光；波長轉(zhuǎn)換裝置，承載有吸收所述激發(fā)光并產(chǎn)生受激發(fā)光的波長轉(zhuǎn)換材料；整形裝置，位于所述固態(tài)光源陣列與波長轉(zhuǎn)換裝置之間，用于對該固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理，使固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光投射到所述波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，還包括勻光裝置，用于在所述激發(fā)光投射到所述波長轉(zhuǎn)換材料之前，對該激發(fā)光進(jìn)行勻光處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述整形裝置與勻光裝置合為衍射光學(xué)元件，該衍射光學(xué)元件對所述固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行所述整形處理和勻光處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述勻光裝置包括衍射光學(xué)元件，所述整形裝置包括該衍射光學(xué)元件與合光裝置，該衍射光學(xué)元件包括與所述發(fā)光器件對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)衍射單元，每一衍射單元對至少一所述固態(tài)發(fā)光器件發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理得到具有所述特定形狀的均勻出射光斑的子光束，所述合光裝置將衍射光學(xué)元件出射的各子光束組合為一束光束并投射到所述波長轉(zhuǎn)換材料，使組合得到的該光束投射到所述波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有所述特定形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述整形裝置與勻光裝置合為復(fù)眼透鏡對，該復(fù)眼透鏡對對所述固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行所述整形處理和勻光處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述勻光裝置包括復(fù)眼透鏡對，所述整形裝置包括該復(fù)眼透鏡對與合光裝置，該復(fù)眼透鏡對包括與所述發(fā)光器件對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)透鏡單元對，每一透鏡單元對對至少一所述固態(tài)發(fā)光器件發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理得到具有所述特定形狀的均勻出射光斑的子光束，所述合光裝置將復(fù)眼透鏡對出射的各子光束組合為一束光束并投射到所述波長轉(zhuǎn)換材料，使組合得到的該光束投射到所述波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有所述特定形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述整形裝置與勻光裝置合為方棒，該方棒對所述固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行所述整形處理和勻光處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光源，其特征在于，所述方棒的入射端的尺寸小于其出射端的尺寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述勻光裝置包括方棒，該方棒對所述固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行所述勻光處理，所述整形裝置包括該方棒與合光裝置，該方棒與合光裝置對該固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行所述整形處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或9所述的光源，其特征在于，還包括由與所述發(fā)光器件對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)準(zhǔn)直透鏡組成的準(zhǔn)直透鏡陣列，每一準(zhǔn)直透鏡對準(zhǔn)一所述固態(tài)發(fā)光器件，以將來自該固態(tài)發(fā)光器件的激發(fā)光準(zhǔn)直成近平行光并投射到所述方棒的入射端。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光源，其特征在于，所述準(zhǔn)直透鏡陣列與所述固態(tài)光源陣列向心排列在以所述方棒的入射端的中心為圓心的弧面上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光源，其特征在于，所述方棒的入射端的尺寸大于其出射端的尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求7或9所述的光源，其特征在于，還包括一位于所述方棒與固態(tài)光源陣列之間的合光裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述勻光裝置包括由與所述發(fā)光器件對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)方棒組成的方棒陣列，所述整形裝置包括該方棒陣列及合光裝置，每一方棒對至少 一所述固態(tài)發(fā)光器件發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形和勻光處理得到具有所述特定形狀的均勻出射光斑的子光束，所述合光裝置將方棒陣列出射的各子光束組合為一束光束，使組合得到的該光束投射到所述波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑均勻且具有所述特定形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光源，其特征在于，還包括由與所述發(fā)光器件對應(yīng)的復(fù)數(shù)個(gè)透鏡組成的透鏡陣列，位于所述方棒陣列與合光裝置之間，每一透鏡收集來自對應(yīng)方棒出射的子光束并投射往該合光裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求7、9或14所述的光源，其特征在于，還包括至少一散光片，設(shè)置于所述方棒的入射端。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其特征在于，所述勻光裝置包括與所述固態(tài)發(fā)光器件對應(yīng)的復(fù)數(shù)根光波導(dǎo)，所述整形裝置包括該光波導(dǎo)與固定器件，每一光波導(dǎo)對至少一所述固態(tài)發(fā)光器件發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理和勻光處理，得到具有與光波導(dǎo)芯層的橫截面形狀相同的均勻出射光斑的子光束，該固定器件把各光波導(dǎo)的出口固定排列以將所有光波導(dǎo)的出口組合成所述特定形狀。
18.根據(jù)權(quán)利要求17中所述的光源，其特征在于，所述光波導(dǎo)芯層的橫截面呈長方形或正多邊形。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換裝置允許相對于所述激發(fā)光呈運(yùn)動狀態(tài)。
20.一種投影系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的光源。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光源及其應(yīng)用的投影系統(tǒng)，該光源包括固態(tài)光源陣列，由復(fù)數(shù)個(gè)固態(tài)發(fā)光器件組成，用于發(fā)出激發(fā)光；波長轉(zhuǎn)換裝置，承載有吸收激發(fā)光并產(chǎn)生受激發(fā)光的波長轉(zhuǎn)換材料；整形裝置，位于固態(tài)光源陣列與色輪之間，用于對該固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光進(jìn)行整形處理，使固態(tài)光源陣列發(fā)出的激發(fā)光投射到波長轉(zhuǎn)換材料上的光斑具有特定形狀。本發(fā)明實(shí)施例能夠降低波長轉(zhuǎn)換材料上的光功率密度較低，提高波長轉(zhuǎn)換材料的光轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號G02B27/09GK102375315SQ20111023486
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者李屹, 楊毅, 詹勝雄 申請人:深圳市光峰光電技術(shù)有限公司