專利名稱：半導體照明裝置及使用該照明裝置的微型投影光學引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及照明光源和投影顯示技術(shù)，尤其涉及一種半導體照明裝置及使用該照
明裝置的微型光學引擎。
背景技術(shù)：
半導體發(fā)光元件，例如發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)是一種磷化鎵 (GAP)、氮化鎵(GAN)等半導體材料制成的、能直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光器件。當其內(nèi) 部有一定電流通過時，它就會發(fā)光。由于LED發(fā)光效率高、壽命長、反應靈敏、不含有毒物質(zhì) 等特點，使得其的應用越來越廣泛，尤其是白光LED，被認為是繼白熾燈、熒光燈以后的第三 代照明光源，被廣泛應用在液晶投影裝置、手機背光源、顯示屏幕等。 中國發(fā)明專利申請公開說明書中公開號"CN1643703"名稱為"用于收集并均勻傳 輸LED光的系統(tǒng)"公開了一種用于以近均勻柱收集并傳輸LED發(fā)出的光的裝置。這種類型 的LED具有底部、發(fā)光元件以及安裝在底部上并且覆蓋發(fā)光元件的圓頂透明塑料殼體。該 發(fā)光裝置包括圍繞該LED底部的、用于收集從LED發(fā)光元件發(fā)射的旁帶光的錐形反射器，以 及與LED殼體相對并且與該殼體分開設置的用于聚焦來自LED的直射和反射光的透鏡。其 中，錐形反射器包括粗糙的內(nèi)表面，用于散射所傳輸?shù)墓狻Ｍ哥R在其表面的中心處設置有使 透鏡投射成近均勻光的場的平點，且該透鏡的曲表面為橢圓形。然而，這種結(jié)構(gòu)的光源裝 置，工藝要求較高，制作比較復雜，成本較高，且，通過這種錐形反射器反射出來的光投射到 屏幕上后，容易形成中間亮，邊緣較暗的不均勻現(xiàn)象，無法滿足高品質(zhì)的投影需求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，須提供一種結(jié)構(gòu)簡單，工藝要求較低，均勻性較高的半導體照明裝置。 另外，還需提供一種結(jié)構(gòu)簡單，光亮度均勻，尺寸小的微型投影光學引擎。 —種半導體照明裝置，包括半導體發(fā)光元件、錐體反射器以及聚光透鏡組。其中，
錐體反射器罩住所述半導體發(fā)光元件，用于直射或反射所述半導體發(fā)光元件所發(fā)出的光。
所述錐體反射器中空，其內(nèi)壁為平面或者曲面，所述平面或者曲面上鍍有反射膜。聚光透鏡
組設置于所述錐體反射器輸出光路上，用于會聚并整形所接收到的光。 —種微型投影光學引擎，包括偏振分光器、微液晶顯示單元、投影透鏡以及上述的 半導體照明裝置。偏振分光器設置于所述半導體照明裝置的輸出光路上，用于把接收到的 光轉(zhuǎn)化為偏振光。液晶顯示單元用于對所接收到的偏振光進行調(diào)制，轉(zhuǎn)換為與該偏振光垂 直的另一偏振光，并使該另一偏振光攜有圖像信息。投影透鏡用于接收并投射攜有圖像信 息的另一偏振光。 本發(fā)明的半導體照明裝置，半導體發(fā)光元件發(fā)出的光，通過錐體反射器的反射以 及聚光透鏡組的會聚和整形，輸出均勻性好的光束，結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝較低，適合大批量 生產(chǎn)。此外，使用上述半導體照明裝置的微型投影光學引擎，其光學系統(tǒng)設計過程僅涉及半 導體照明裝置，偏振分光器、微液晶顯示單元以及投影透鏡，不涉及其他光學器件，結(jié)構(gòu)簡
4單，光亮度均勻，且，尺寸小，生產(chǎn)成本較低。


為了易于說明，本發(fā)明由下述的較佳實施例及附圖作以詳細描述。
圖1為本發(fā)明一實施方式的半導體照明裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為圖1的半導體發(fā)光元件的第一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為圖1的半導體發(fā)光元件的第二實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為圖1的半導體發(fā)光元件的第三實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為圖1的錐體反射器的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明第一實施方式的微型投影光學引擎的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本發(fā)明第二實施方式的微型投影光學引擎的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。 圖l所示為本發(fā)明半導體照明裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖，其包括半導體發(fā)光元件 20、錐體反射器30、聚光透鏡組40以及中空聚光透鏡組50。其中，錐體反射器30罩住半導 體發(fā)光元件20，用于直射或反射半導體發(fā)光元件20所發(fā)出的光。聚光透鏡組40設置于錐 體反射器30輸出光路上，用于會聚并整形所接收到的光。中空聚光透鏡組50設置于聚光 透鏡組40輸出光路上，用于接收聚光透鏡組40所發(fā)出的光，并對邊緣光做聚光處理。
本發(fā)明實施方式中，半導體發(fā)光元件20為發(fā)光二極管(Light EmittingDiode， LED)芯片，用于發(fā)出180。的光。本實施方式中，半導體發(fā)光元件20時序發(fā)射三種不同顏 色的光，例如紅光、藍光以及綠光。參閱圖2，該半導體發(fā)光元件20為方形布置的四個發(fā) 光芯片一個出射紅光的紅光發(fā)光芯片R、一個出射藍光的藍光發(fā)光芯片B以及兩個對角布 置的出射綠光的綠光發(fā)光芯片G1、G2。且，紅光發(fā)光芯片R、綠光發(fā)光芯片G1、G2以及藍光 發(fā)光芯片B均連接有控制器(圖中未示出)，用于控制芯片的時序發(fā)光。各個芯片工作頻率 按液晶面板所需光照參數(shù)進行設定，以達到顯示最好的顏色視覺效果。
參閱圖3及圖4，半導體發(fā)光元件20也可以為三角形布置或者線性排列三個發(fā)光 芯片一個出射紅光的紅光發(fā)光芯片R、一個出射藍光的藍光發(fā)光芯片B以及一個出射綠光 的綠光發(fā)光芯片G。 本發(fā)明其它實施方式中，半導體發(fā)光元件20也可以采用激光芯片來代替LED芯 片。其次，半導體發(fā)光元件20的數(shù)量也可以為三個以上或四個以上發(fā)光芯片，也可以布置 成其它形式，只要滿足發(fā)出紅色、藍色以及綠色這三種不同顏色的光，且這三種不同顏色的 光能混合成為白光即可。當然，該半導體發(fā)光元件20也可以包括藍光LED芯片以及用于吸 收藍光LED芯片所發(fā)出的一部分光并轉(zhuǎn)換成長波長光的稀土發(fā)光材料(熒光粉)。熒光粉 受藍光LED芯片所發(fā)出的藍光的激勵，轉(zhuǎn)換成黃色系列的光，與另一部分透過熒光粉的藍 光復合成白光。 參閱圖5，錐體反射器30為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)壁31為曲面，曲面上鍍有反射膜(圖 中未示出)。本發(fā)明實施方式中，為凸柱面，采用凸柱面的結(jié)構(gòu)，增大光的反射角，有利于提 高投射到屏幕上光的均勻性。又，錐體反射器30的豎面半徑范圍為20毫米 26毫米，即，凸柱面的豎柱面半徑R范圍為20毫米 26毫米，如20毫米、23毫米或者26毫米等。此 外，錐體反射器30由四個透鏡粘結(jié)而成，S卩，由四個凸柱面透鏡粘結(jié)而成。四個凸柱面透鏡 中相對分布的凸柱面透鏡的結(jié)構(gòu)相同，有利于錐體反射器30的加工制作。
本發(fā)明其它實施方式中，錐體反射器30的內(nèi)壁也可以為球面，即由四個球面透鏡 粘結(jié)而成，其中，相對分布的球面透鏡的結(jié)構(gòu)相同。同時，球面上鍍有反射膜，而球面的豎面 半徑范圍也為20毫米 26毫米。當然，錐體反射器的內(nèi)壁還可以為平面，這里不再贅述。
聚光透鏡組40為多個順序排列的透鏡，其材質(zhì)為玻璃，本發(fā)明實施方式中，聚光 透鏡組40中的透鏡為正透鏡，其數(shù)量為2個一個彎月形透鏡41以及一個雙凸透鏡42，用 于會聚并整形所接收到的光，逐步減小錐體反射器30出射光的發(fā)散角，且，進一步混合半 導體發(fā)光元件20所發(fā)射的光為均勻的光。 本發(fā)明其它實施方式中，正透鏡的數(shù)量也可以為一個，或者兩個以上。又，依照照 明裝置光路設計的需求，聚光透鏡組40中所選取的透鏡并不限于本具體實施方式
中的正 透鏡，其也可以為負透鏡或者膠合透鏡。即，聚光透鏡組40為正透鏡、膠合透鏡的組合，或 者負透鏡與膠合透鏡的組合，或者正透鏡、負透鏡的組合，或者正透鏡、負透鏡、膠合透鏡的 組合等。采用不同材料的正透鏡與負透鏡組合成聚光透鏡組的結(jié)構(gòu)，有利于消除色差與球 差。 因此，本發(fā)明的半導體照明裝置，三原色半導體發(fā)光元件發(fā)出的光，部分光通過錐 體反射器30的曲面或者平面的反射后，通過聚光透鏡組40的折射，與部分從錐體反射器30 直射的光混合為一束均勻的光，相比傳統(tǒng)的三原色通過合光棱鏡合成一束光的照明裝置而 言，光路較短，尺寸較小，同時，在投影屏幕上能獲得亮度均勻的白光，滿足微型化、高品質(zhì) 的需求。而對于半導體發(fā)光元件是藍光LED芯片和熒光粉的照明裝置而言，通過錐體反射 器30的平面或者曲面，能夠把原本泄漏在裝置外的光反射回裝置內(nèi)，提高了光能利用率。
中空聚光透鏡組50為框架結(jié)構(gòu)，其包括至少一個中空聚光透鏡，每一個中空聚光 透鏡均包括用于直射入射光的大部分光的中空部51以及用于使入射光的邊緣光朝向中空 部51方向折射的折射部52。本發(fā)明實施方式中，中空聚光透鏡為矩形空心框，其數(shù)量為一 個。大部分光從中空部51中直接出射，不損失光輸出的效率，而邊緣光則通過折射部52的 折射，更能有效提高了光能的利用率。 本發(fā)明的其它實施方式中，中空聚光透鏡的數(shù)量也可以為多個，其框架也不限于 矩形方框，當然，為了進一步提高照明裝置的均勻性，使投射到屏幕上的光亮度均勻，該中 空聚光透鏡也可以省略，即省略中空聚光透鏡組50。 因此，本發(fā)明的半導體發(fā)光元件20發(fā)出的光，通過錐體反射器30的反射以及聚 光透鏡組40的會聚和整形，輸出均勻性好的光束，結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝較低，適合大批量生產(chǎn)。 圖6所示為本發(fā)明第一實施方式的微型投影光學引擎的立體結(jié)構(gòu)示意圖。該微型 投影光學引擎包括半導體照明裝置，偏振分光器60、微液晶顯示單元70以及投影透鏡(圖 中未示出)。其中，半導體照明裝置為上述任一實施方式的半導體照明裝置。本發(fā)明實施方 式中，半導體照明裝置輸出非偏振光。 偏振分光器60設置于半導體照明裝置的輸出光路上，用于把接收到的光，S卩非偏 振光轉(zhuǎn)化為偏振光。本發(fā)明實施方式中，偏振分光器60為立方體形狀，由二個三角棱鏡膠
6合而成，在其中間接觸面上鍍有偏振分光膜層，由該偏振分光膜層形成一個偏振分光面，該 偏振分光面可以將非偏振光轉(zhuǎn)換為偏振光并分離出S偏振光和P偏振光。當然，偏振分光器 60也可以由其它棱鏡膠合而成或者是平板式偏振分光器，只要滿足入射的光被轉(zhuǎn)化為偏振 光出射即可。 微液晶顯示單元70用于對所接收到的偏振光進行調(diào)制，轉(zhuǎn)換為與該偏振光垂直 的另一偏振光，并使該另一偏振光攜有圖像信息。本實施方式中，微液晶顯示單元為單片液 晶面板，設置于偏振分光器60與半導體照明裝置的非相鄰的一側(cè)。當微液晶顯示單元70 接收到的偏振光為P偏振光時，經(jīng)過微液晶顯示單元的調(diào)制后，將轉(zhuǎn)換為攜有圖像信息的S 偏振光，并反射至偏振分光器60。 本發(fā)明其它實施方式中，該微液晶顯示單元70所接收到的偏振光也可以為S偏振 光，經(jīng)過微液晶顯示單元70的調(diào)制后，轉(zhuǎn)換為攜有圖像信息的P偏振光，并反射至偏振分光 器60。 當微液晶顯示單元70接收到的偏振光為P偏振光時，投影透鏡與微液晶顯示單元 70相鄰設置于偏振分光器60的一側(cè)，換句話說，投影透鏡與微液晶顯示單元70分別設置于 偏振分光器60的相鄰兩側(cè)面上。此時，投影透鏡是用于接收并投射攜有圖像信息的S偏振 光。而當微液晶顯示單元70接收到的偏振光為S偏振光時，該投影透鏡與微液晶顯示單元 70相對平行設置于偏振分光器60的一側(cè)，用于接收并投射攜有圖像信息的另一偏振光，即 P偏振光。 本發(fā)明實施方式中，微液晶顯示單元為LCOS液晶面板。 圖7所示為本發(fā)明第二實施方式的微型投影光學引擎的平面結(jié)構(gòu)示意圖。該微型 投影光學引擎與圖6所示的微型投影光學引擎的結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于，圖7所示的微液 晶顯示單元為兩片式液晶面板，分別設置于偏振分光器60'的相鄰兩側(cè)面上。半導體照明 裝置發(fā)射出均勻的光經(jīng)偏振分光器60'后分成為兩束偏振光S偏振光、P偏振光，分別提供 給液晶面板71、72。兩液晶面板輸出圖像光經(jīng)偏振分光器60'后再合成為一束光，從投影鏡 頭輸出到外部屏幕。 因此，本發(fā)明的微型投影光學引擎中，照明裝置發(fā)出光亮度均勻的光經(jīng)偏振分光 器分光后，提供給微液晶顯示單元，之后，微液晶顯示單元調(diào)制出圖像光再次進入偏振分光 器，由偏振分光器從投影鏡頭輸出到外部屏幕，其光學系統(tǒng)設計過程僅涉及半導體照明裝 置，偏振分光器、微液晶顯示單元以及投影透鏡，不涉及其他光學器件，結(jié)構(gòu)簡單，均勻性 好，光能利用率高，且，尺寸小，生產(chǎn)成本較低。 以上所述之具體實施方式
為本發(fā)明的較佳實施方式，并非以此限定本發(fā)明的具體 實施范圍，本發(fā)明的范圍包括并不限于本具體實施方式
。凡依照本發(fā)明之形狀、結(jié)構(gòu)所作的 等效變化均包含本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種半導體照明裝置，包括半導體發(fā)光元件；其特征在于，所述半導體照明裝置還包括錐體反射器，罩住所述半導體發(fā)光元件，用于直射或反射所述半導體發(fā)光元件所發(fā)出的光，所述錐體反射器中空，其內(nèi)壁為平面或者曲面，所述平面或者曲面上鍍有反射膜；以及聚光透鏡組，設置于所述錐體反射器輸出光路上，用于會聚并整形所接收到的光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述錐體反射器由四個透鏡 粘結(jié)而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述四個透鏡中相對分布的 透鏡的結(jié)構(gòu)相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述透鏡為凸柱面透鏡或者 球面透鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述凸柱面或者球面的豎面 半徑范圍為20毫米 26毫米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述聚光透鏡組 為一個或者至少兩個順序排列的透鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述半導體照明 裝置還包括中空聚光透鏡組，設置于所述聚光透鏡組輸出光路上，用于接收該聚光透鏡組 所發(fā)出的光，并對邊緣光做聚光處理。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述中空聚光透鏡組為框架 結(jié)構(gòu)，其包括至少一個中空聚光透鏡，每一個中空聚光透鏡均包括用于直射入射光的大部 分光的中空部以及用于使入射光的邊緣光朝向中空部方向折射的折射部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述半導體發(fā)光 元件為發(fā)光二極管芯片或者激光芯片。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述半導體發(fā)光元件包 括三角形布置或者線性排列的至少三個發(fā)光芯片至少一個紅光發(fā)光芯片、至少一個藍光 發(fā)光芯片以及至少一個綠光發(fā)光芯片。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的半導體照明裝置，其特征在于，所述半導體發(fā)光元件為 方形布置的至少四個發(fā)光芯片至少一個紅光發(fā)光芯片、至少一個藍光發(fā)光芯片以及至少 兩個對角布置的綠光發(fā)光芯片。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的半導體照明裝置，其特征在于，其特征在于，所 述半導體發(fā)光元件包括藍光發(fā)光二極管芯片以及用于吸收所述藍光發(fā)光二極管芯片所發(fā) 出的一部分光并轉(zhuǎn)換成長波長光的熒光粉。
13. —種微型投影光學引擎，包括 偏振分光器，用于把接收到的光轉(zhuǎn)化為偏振光；微液晶顯示單元，用于對所接收到的偏振光進行調(diào)制，轉(zhuǎn)換為與該偏振光垂直的另一 偏振光，并使該另一偏振光攜有圖像信息；投影透鏡，用于接收并投射攜有圖像信息的另一偏振光；其特征在于，所述微型投影光學引擎還包括根據(jù)權(quán)利要求1至12中任意一項所述的半 導體照明裝置，所述偏振分光器設置在所述半導體照明裝置的輸出光路上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種微型投影光學引擎，其特征在于，所述微液晶顯示單 元為單片液晶面板，設置于所述偏振分光器與半導體照明裝置的非相鄰的一側(cè)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種微型投影光學引擎，其特征在于，所述微液晶顯示單元為兩片液晶面板，分別設置于所述偏振分光器的相鄰兩側(cè)面上。
全文摘要
一種半導體照明裝置，包括半導體發(fā)光元件、錐體反射器以及聚光透鏡組。其中，錐體反射器罩住所述半導體發(fā)光元件，用于直射或反射所述半導體發(fā)光元件所發(fā)出的光。所述錐體反射器中空，其內(nèi)壁為平面或者曲面，所述平面或者曲面上鍍有反射膜。聚光透鏡組設置于所述錐體反射器輸出光路上，用于會聚并整形所接收到的光。本發(fā)明的半導體照明裝置，通過錐體反射器以及聚光透鏡組，輸出均勻性好的光束，結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝較低，適合大批量生產(chǎn)。另外，還提供一種使用該照明裝置的微型投影光學引擎。
文檔編號F21V7/22GK101749566SQ200810218349
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者曲魯杰, 高國欣 申請人:紅蝶科技(深圳)有限公司