光源及其应用的投影系统的制作方法

技术领域

本发明涉及投影技术领域，特别是涉及一种光源及其应用的投影系统。

背景技术：

以固态发光器件，例如固态半导体发光器件，尤其是发光二极管(LED，Light Emitting Diode)为光源的投影机已经得到越来越广泛的使用。顺应于对光源光输出功率的要求越来越高，基于光波长转换的投影机光源因其较强的实用性脱颖而出，该方案将源自于一组固态光源的高功率光投射到波长转换材料上来激发产生具有预定主波长的高功率输出光。请参阅图1，图1是现有技术中投影机光源的结构示意图。如图1所示，投影机光源包括：固态光源阵列1、准直透镜阵列2、聚焦透镜3、承载波长转换材料的波长转换装置4、收集透镜5以及方棒6。固定光源阵列1发出激发光，准直透镜阵列2把来自固态光源阵列1的激发光准直成近平行光，该近平行光进一步通过聚焦透镜3汇聚到波长转换装置4上的波长转换材料的某一点，形成如J所代表的投射光斑。波长转换材料4吸收激发光产生受激发光，该受激发光经收集透镜5收集后入射到方棒6，方棒6将入射光斑均匀化并整形得到特定形状的出射光斑以作为投影光斑。

现有技术中的固态光源阵列的光斑形状不可控，一般为圆形或椭圆形。对于一些特殊场合，比如显示区域为长方形(例如但不限于长宽比4：3)的投影机应用领域，投影机光源的输出光斑最好呈相同比例的长方形。事实上采用现有技术中的固定光源阵列时，考虑到其光斑形状与显示区域的形状不匹配的问题，通常采用上述方棒将圆形或椭圆形的入射光斑整形为上述长方形的出射光斑。请参阅图2，图2是图1中方棒6的入射光斑与出射光斑的形状关系的示意图。如图2所示，中间的椭圆代表方棒的入射光斑，长方形代表方棒的出射光斑，即与显示区域匹配的投影机的投影光斑，为了保证光利用效率的同时降低光功率密度，势必要使椭圆光斑内接于长方形光斑。

请参阅图3，图3是实验测量的荧光粉的光转化效率与激发光的功率密度的关系示意图。如图3所示，随着光功率密度的上升，荧光粉的光转化效率呈明显的下降。通过对现有技术的研究，本发明的发明人发现：由于固态光源往往采用大功率LED，甚至是具有高功率密度的激光二极管，或随着固态光源阵列规模的扩大，汇聚到图1所示J点上的激发光功率往往会过高而导致波长转换材料(例如荧光粉)温度上升，从而造成波长转换材料的光转换效率下降，缩短波长转换装置的使用寿命。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种光源及其应用的投影系统，能够降低波长转换材料上的光功率密度。

本发明实施例提供了一种光源，包括：

固态光源阵列，由复数个固态发光器件组成，用于发出激发光；

波长转换装置，承载有吸收激发光并产生受激发光的波长转换材料；

整形装置，位于固态光源阵列与色轮之间，用于对该固态光源阵列发出的激发光进行整形处理，使固态光源阵列发出的激发光投射到波长转换材料上的光斑具有特定形状。

本发明实施例还提供了一种投影系统，包括上述光源。

与现有技术相比，本发明实施例包括如下有益效果：

现有技术中为了降低光功率密度，需要将投射到波长转换材料上的未经整形的激发光光斑形状内接于与显示区域匹配的形状；而本发明实施例中，由于在激发光投射到波长转换材料之前，先将激发光整形为特定形状，因此投射到波长转换材料上的光斑形状可以更为接近甚至等于与显示区域匹配的形状，从而比现有技术中最好只能内接于与显示区域匹配的形状的光斑面积更大，使得在相同光功率的条件下光功率密度较低，提高了波长转换材料的光转换效率，延长了波长转换装置的使用寿命。

附图说明

图1是现有技术中投影机光源的结构示意图；

图2是图1中方棒6的入射光斑与出射光斑的形状关系的示意图；

图3是实验测量的荧光粉的光转化效率与激发光的功率密度的关系示意图；

图4是本发明实施例中光源的一个实施例的结构示意图；

图5是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图6是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图7是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图8是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图9是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图10是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图11是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图12是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图13是图11中固定器件242沿A-A线的横截面示意图；

图14a是图11所示实施例中离焦为0时的光斑示意图；

图14b是图11所示实施例中离焦为0.2毫米时的光斑示意图；

图15是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图；

图16是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

请参见图4，图4是本发明实施例中光源的一个实施例的结构示意图。如图4所示，光源包括固态光源阵列10、整形装置20以及波长转换装置30。固态光源阵列10由复数个固态发光器件11组成，用于发出激发光。波长转换装置30承载有吸收来自固态光源阵列的激发光并产生受激发光的波长转换材料。整形装置20位于固态光源阵列10与波长转换装置30之间，用于对该固态光源阵列10发出的激发光进行整形处理，并将整形处理后的激发光投射到波长转换装置30上，使固态光源阵列10发出的激发光投射到波长转换材料上的光斑具有特定形状。

固态发光器件11可以是LED，或是激光二极管，来自各固态发光器件11的光的光斑形状可以为圆形或椭圆形。波长转换材料包括荧光粉、发光染料或纳米发光材料。本实施例中的特定形状为与投影系统中显示区域相似的预定面积的形状，例如4:3长宽比例且具预定面积的矩形。整形装置可以为衍射光学元件、复眼透镜对、方棒等整形元件，此处不进行限定。

现有技术中为了降低光功率密度，需要将投射到波长转换材料未经整形的激发光光斑形状(如图2所示的椭圆形)内接于与显示区域匹配的形状；而本实施例中，由于在激发光投射到波长转换材料之前，先将激发光整形为特定形状(如图2所示的与显示区域匹配的长方形)，再投射到波长转换材料，因此投射到波长转换材料上的光斑形状可以更为接近甚至等于与显示区域匹配的形状，从而比现有技术中最好只能内接于与显示区域匹配的形状的光斑面积更大，使得在相同光功率的条件下光功率密度较低，提高了波长转换材料的光转换效率，延长了波长转换装置的使用寿命。

当固态发光器件采用激光二极管时，由于激光的发射角度很小，导致其投射到波长转换材料上的光斑的光分布很不均匀，光斑中心的光强很强且远高于边缘光强，使得光斑中心的光功率密度过高。为解决光分布不均的问题，本发明实施例还提供光源的另一实施例。请参阅图5，图5是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。如图5所示，本实施例在图4所示实施例的基础上，增加了一匀光装置40，位于固态光源阵列10与整形装置20之间，用于在激发光投射到波长转换材料之前，对该激发光进行匀光处理，使激发光投射到波长转换材料上的光斑的光分布更加均匀，降低了光斑中心的光功率密度，从而进一步提高了波长转换材料的光转换效率。可以理解的是，匀光装置40也可以位于整形装置20与波长转换装置30之间；也可以与整形装置20一体成型，即与整形装置20合为一能进行匀光处理与整形处理的元件，如衍射光学元件、复眼透镜对、方棒等。

请参阅图6，图6是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。图6所示实施例与图5所示实施例的区别之处主要包括：整形装置与匀光装置合为衍射光学元件21。衍射光学元件(DOE，Diffractive Optical Element)为一种特殊的光学元件，一般是由计算机计算产生的全息器件，通过控制其表面的微结构(例如光波长数量级)的形状、深度和分布，使光线在穿透该元件时发生衍射，产生波面的相位变化。衍射光学元件通常包括复数个衍射单元，由于每个衍射单元的形态和深度不同，通过选定不同形状的衍射单元及其组合，可以使各衍射单元所产生的波面相叠加，进而产生所需要的透射光之空间光强分布。例如，美国专利US7,251,412B2公开过一种使用DOE的背光源模块。不同设计的DOE元件可以具有不同的匀光和整形效果。

在本实施例中，衍射光学元件21对固态光源阵列10发出的激发光进行整形处理和匀光处理，使固态光源阵列10发出的激发光投射到波长转换材料上的光斑具有特定形状且光分布均匀。本实施例中的衍射光学元件21可以包括与固态发光器件11对应的复数个衍射单元(衍射单元可以与固态发光器件一对一，也可以一对多)，每一衍射单元对至少一固态发光器件11发出的激发光进行整形处理和匀光处理得到具有特定形状的均匀出射光斑的子光束。通过设计各个衍射单元的微观形貌，可以使各子光束组合为一束光束并投射到波长转换材料，使组合得到的该光束投射到波长转换材料上的光斑均匀且具有上述特定形状。例如，本实施例可以采用一种把任何形状的入射光斑整形成一个特定形状为4:3长宽比例的具有预定面积的矩形且均匀的输出光斑的衍射光学元件。

此外，当固态发光器件在固态光源阵列中分布较为疏散时，可以采用由复数个衍射光学元件组成的衍射光学元件阵列，以适当降低本发明光源的成本。

在本实施例中，将衍射光学元件替换成一对复眼透镜对也可以起到相似的效果。复眼透镜对可以包括与固态发光器件对应的复数个透镜单元对，每一透镜单元对对至少一固态发光器件发出的激发光进行整形处理和匀光处理得到具有特定形状的出射光斑的子光束，并且将各子光束组合为一束光束并投射到波长转换材料上，使组合得到的该光束投射到波长转换材料上的光斑均匀且具有上述特定形状。构成两片复眼透镜的透镜单元的参数(例如尺寸)可以一样，也可以不一样，也就是说，该两片复眼透镜间的透镜单元可以呈一一对应的关系或一对多的对应关系。第一片复眼透镜中的复数个透镜单元可以将入射光切分成多块，再经过第二片复眼透镜中复数个透镜单元的作用形成多个具有特定形状的均匀子光束。通过设计第二片复眼透镜中各个透镜单元的参数(如曲率)，可以使各子光束组合为一束光束并投射到波长转换材料，使组合得到的该光束投射到波长转换材料上的光斑均匀且具有上述特定形状。由于经过切分和分别的成像后再叠加，原本的光能量被重新分布，而多个像叠加的过程保证了投射到波长装置材料上的光斑的均匀性。

请参阅图7，图7是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。本实施例中，匀光装置依然是包括衍射光学元件21，但与图7所示实施例不同的是，本实施例中，衍射光学元件21不对各子光束进行组合，而是由一合光装置50a对衍射光学元件发出的各子光束进行组合并投射到波长转换材料上。也就是说，本实施例中的整形装置包括衍射光学元件21与合光装置50a。衍射光学元件21包括与发光器件对应的复数个衍射单元，每一衍射单元对至少一固态发光器件发出的激发光进行整形处理和匀光处理得到具有特定形状的均匀出射光斑的子光束。合光装置50a将衍射光学元件出射的各子光束组合为一束光束并投射到波长转换材料，使组合得到的该光束投射到波长转换材料上的光斑均匀且具有特定形状。

本实施例中，合光装置50a可以由聚光透镜、聚光透镜组或菲涅尔透镜来实现，用来将源自衍射光学元件21的各子光束汇聚并投射往波长转换材料。

此外，本实施例还在图6所示实施例的基础上增加了一准直透镜阵列60，位于固态光源阵列10与衍射光学元件21之间。准直透镜阵列60由与固态发光器件11对应的复数个准直透镜61组成，每一准直透镜61对准一固态发光器件11。准直透镜阵列60与固态光源阵列10排布呈平行于衍射光学元件21，且该准直透镜阵列60发出的近平行光垂直于衍射光学元件21，以将来自该固态发光器件的激发光准直成近平行光并投射到衍射光学元件21，匹配所选定的衍射光学元件之规格。

可以理解的是，与图6所示实施例相同，图7所示实施例中的衍射光学元件也可以用复眼透镜对来代替。合光装置50a组合来自复眼透镜对发出的各子光束光为一束光束，并投射于波长转换材料上。

除了衍射光学元件与复眼透镜对之外，还可以用方棒来实现对光的整形与均匀化，以下对此进行详细说明。请参阅图8，图8是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。如图8所示，本实施例与图7所示实施例的不同之处包括：用方棒22代替了衍射光学元件21，且该方棒的入射端的尺寸大于其出射端的尺寸；准直透镜阵列60位于固态光源阵列10与方棒22之间，与固态光源阵列10向心排列在以方棒22的入射端的中心为圆心的弧面上；合光装置50a为成像透镜或成像透镜组，以成像方式把来自方棒的均匀光束投射往波长转换材料。

本实施例中，准直透镜阵列60由与固态发光器件11对应的复数个准直透镜61组成，每一准直透镜61对准一固态发光器件11，以将来自该固态发光器件的激发光准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，来自各固态发光器件的激发光将聚集到方棒22的入射端。方棒22的作用是使入射光在其中通过不断的反射相叠加，从而在出口形成均匀的光分布，实现对固态光源阵列10发出的激发光进行匀光处理；同时对方棒22出射端的形状进行控制，则可对光束起到整形的作用，例如，将方棒22出射端制成具有预定面积的正方形，则方棒22的出射光束形状为该正方形。本实施例中，整形装置还包括合光装置50a，经方棒22整形及匀光的激发光经合光装置50a投射到波长转换材料上，使该激发光投射到波长转换材料上的光斑均匀且具有特定形状。

优选地，方棒22的入射端尺寸与出射端尺寸的比例范围为1.5:1～4:1，在这种条件下方棒22具有较好的匀光效果。尤其是当方棒22的入射端尺寸与出射端尺寸的比例为2:1，且方棒22的入射端尺寸与方棒22长度的优化比值为1:8时方棒匀光效果更佳。以正方形出射光斑为例(即方棒的出射端形状为正方形)，本实施例的光收集效率可以达到90％以上。

当方棒的出射端尺寸较大而超出了本发明光源所限制的出射光斑尺寸时，或由该方棒出射端射出的光具有较大出射角(例如但不限于超过30度)时，为了使光束以适当的入射角和光斑尺寸投射到波长转换材料上，可以采用合光装置50a以成像方式把来自方棒22出射端的均匀光束投射往波长转换材料。可以理解的是，本实施例中，通过控制方棒22出射端尺寸的大小、以及方棒22与波长转换装置30之间的距离，可以使方棒22出射的激发光直接投射到波长转换材料上的光斑均匀且具有特定形状，此时整形装置与匀光装置合为方棒22，而不需要有合光装置50a，该方棒22对固态光源阵列10发出的激发光进行整形处理和匀光处理，使固态光源阵列10发出的激发光投射到波长转换材料上的光斑具有特定形状，因此本实施例中合光装置50a是可以省略的。

此外，固态光源阵列10与准直透镜阵列60也可以如图7所示实施例一样排布，只要能将固态光源阵列10发出的激发光投射到方棒22的入射端即可。可以理解的是，在本实施例中，准直透镜阵列60的作用是为了将来自固态发光器件的激发光准直成近平行光(例如但不限于发散角小于15度的光束)，以提高光利用率。在对光利用率要求不高的情况下，准直透镜阵列60也是可以省略的。

请参阅图9，图9是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。如图9所示，本实施例与图8所示实施例相同的是，匀光装置包括方棒22，该方棒22对固态光源阵列10发出的激发光进行匀光处理，整形装置包括该方棒22与合光装置50a，该方棒22与合光装置50a对该固态光源阵列10发出的激发光进行整形处理，使固态光源阵列10发出的激发光投射到波长转换材料上的光斑具有特定形状。与图7所示实施例的区别之处包括：方棒22的入射端的尺寸与出射端的尺寸相同；固态光源阵列10与准直透镜阵列60为如图7所示实施例一样排布；同时还包括一位于准直透镜阵列60与方棒之间的合光装置50b，通过该合光装置50b将准直透镜阵列60发出的激发光汇聚到方棒22的入射端。

请参阅图10，图10为本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。如图10所示，本实施例与图9所示实施例的区别之处包括：方棒22的入射端的尺寸小于其出射端的尺寸；方棒22出射的激发光直接投射到波长转换材料上，即方棒22与波长转换装置30之间无合光装置50a。本实施例中，方棒22对固态光源阵列发出的激发光进行了整形处理和匀光处理，使固态光源阵列发出的激发光投射到波长转换材料上的光斑具有特定形状。

本实施例中，由于方棒22的出射端尺寸大于入射端尺寸，根据光学扩展量不变原理，方棒22的出射光发散角度一定小于其入射光发散角度。由于出射光角度比较小，方棒22的出射光可以直接投射到波长转换材料而不会引起过大的光斑形变。优选地，本实施例中的方棒的出射端尺寸与入射端尺寸的比例范围为1.2:1～2:1。可以理解的是，同于图8所示实施例，本实施例中的准直透镜阵列60与合光装置50b是可以省略的。

还可以采用方棒阵列来实现上述方棒的功能，请参阅图11，图11为本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。如图11所示，本实施例包括固态光源阵列10、方棒阵列23、透镜阵列70、合光装置50a与波长转换装置30。方棒阵列23由与固态发光器件11对应的复数个方棒组成，每一方棒对一固态发光器件11发出的激发光进行整形处理和匀光处理得到具有特定形状的出射光斑的子光束。透镜阵列70包括与方棒对应的复数个透镜，各透镜收集来自对应方棒出射的子光束并投射往合光装置50a。合光装置50a将方棒阵列23出射的各子光束组合为一束光束，使组合得到的该光束投射到波长转换材料上的光斑具有特定形状。

本实施例中，匀光装置包括由与固态发光器件11对应的复数个方棒组成的方棒阵列23，整形装置包括该方棒阵列23及合光装置50a，每一方棒对至少一固态发光器件发出的激发光进行整形处理和匀光处理得到具有特定形状的均匀出射光斑的子光束，合光装置50a将方棒阵列23出射的各子光束组合为一束光束，使组合得到的该光束投射到波长转换材料上的光斑均匀且具有上述特定形状。

本实施例中，在各方棒的出射光角度较小的情况下，可以省略掉透镜阵列70而将各方棒的出射光直接投射往合光装置50a。考虑到方棒的形状及其入射端尺寸，每一方棒的入射端还可以是收集来自两个或两个以上固态发光器件的激发光。

在图8至图11所示各实施例中，还可以包括至少一散光片(图未示)，设置于各方棒的入射端，用于放大入射于方棒入射端的激发光的发散角度，进而增强方棒的匀光效果。

本发明还采用光波导来实现匀光处理。请参阅图12与图13，图12是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图，图13是图12中固定器件242沿A-A线的横截面示意图。如图12所示，本实施例与图7所示实施例的区别之处包括：本实施例中的匀光装置包括与固态发光器件11对应的复数根光波导241，每一光波导241对至少一固态发光器件11发出的激发光进行匀光处理；整形装置包括一固定器件242，该固定器件242把各光波导241的出口固定排列以将所有光波导的出口组合成特定形状；合光装置50a以成像方式将固定器件242的光投射到波长转换材料上。此外，本实施例中还包括与各光波导对应的聚焦耦合透镜构成的聚焦耦合透镜阵列80，替代了图7所示实施例中的准直透镜阵列60，每一聚焦耦合透镜把来自至少一固态发光器件11的光导入与该透镜对应的光波导241。

本实施例中，通过在光波导241中的传播实现光的均匀化，以在该光波导241的出口得到一个均匀的光斑，且该光斑形状与光波导241的芯层形状相同。也就是说，每一光波导241对至少一固态发光器件发出的激发光进行整形处理和匀光处理，得到具有与光波导241芯层的横截面形状相同的均匀出射光斑的子光束。如图13所示，固定器件242把各光波导241的出口固定排列以将所有光波导241的出口组合成特定形状，再由合光装置50a将固定器件242发出的光投射到波长转换材料上，使固态光源阵列10发出的激发光投射到波长转换材料上的光斑具有特定形状。

优选地，本实施例中的光波导241芯层的横界面的形状为长方形或正多边形(如正方形、正六边形)，光波导241的外保护层越小越好，以使各光纤实现无缝隙拼接为最佳。但现有光波导的芯层截面以圆形最易于加工，考虑到实现成本，本实施例可以以现有芯径为50um、总直径为100um的光波导为例进行如图13所示的紧密排列，组合成所需要的光斑形状(例如矩形)的近似形状。

本实施例中，通过合光装置50a将固定器件242发出的光投射到波长转换材料上，这尤其适用于光波导241的组合规模较大导致图13所示的横截面积较大时。可以理解的是，当光波导241组合规模较小，使得固定器件242发出的光束面积较小时，也可以不经合光装置50a，而直接将固定器件242发出的光投射到波长转换材料上。

请参阅图14a及图14b，图14a是图12所示实施例中离焦为0时的光斑示意图，图14b是图12所示实施例中离焦为0.2毫米时的光斑示意图。假设光波导出射光的发光半角约为25度，在不采用合光装置50a的情况下，各光波导出口处的光强分布如图14a所示，本实施例为此将固定器件242上各光波导的出口设置成距波长转换材料一定距离(例如0.2mm)，来达到离焦扩散成均匀光斑的目的，这样从固定器件242直接投射到波长转换材料上的光斑将具有如图14b所示的光强分布，可见该光斑为近矩形的均匀光斑。

上述各实施例中，波长转换装置可以为透射式或反射式。请参阅图15，图15是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。如图15所示，本实施例与图7所示实施例的区别之处在于：还包括光收集装置90，位于波长转换装置30的背离合光装置50a的一侧，用于收集波长转换材料产生的受激发光，以及未被波长转换材料吸收的剩余激发光。本实施例中，波长转换装置30为透射式，即激发光从波长转换装置30的第一侧入射，受激发光从波长转换装置30的第二侧发出。

请参阅图16，图16是本发明实施例中光源的另一实施例的结构示意图。如图16所示，本实施例与图15所示实施例的区别之处在于：本实施例还包括光路分离装置，例如分光滤光片91，分光滤光片91位于合光装置50a与波长转换装置30之间。分光滤光片91透射激发光且反射波长转换材料产生的受激发光，如图16所示，光线L1为入射分光滤光片的激发光，光线L2为波长转换材料产生的受激发光，光线L1与光线L2处于波长转换装置30的同侧。波长转换材料产生的受激发光被分光滤光片反射后被光收集装置90收集。本实施例中，波长转换装置30为反射式，即激发光从波长转换装置30的第一侧入射，受激发光也从波长转换装置的第一侧发出。

上述各实施例中，波长转换装置30不限定为一固定装置，该波长转换装置30还可以相对于激发光呈运动(转动或移动)状态，以便通过轮换照射波长转换材料来进一步达到保护波长转换材料的目的。波长转换装置30还可以进一步包括至少两个具有不同波长转换材料的分区，在这种情况下，轮换照射还可以达到变换光源出射的受激发光颜色的目的。

本发明实施例还提供一种投影系统，可以包括上述各实施例所述的光源。投影系统中除了光源以外的其它部件为公知技术，此处不作赘述。

本实施例中，由于在激发光投射到波长转换材料之前，先将激发光整形为特定形状，因此投射到波长转换材料上的光斑形状可以更为接近甚至等于与显示区域匹配的形状，从而比现有技术中最好只能内接于与显示区域匹配的形状的光斑面积较大，使得在相同光功率的条件下光功率密度较低，提高了波长转换材料的光转换效率，延长了波长转换装置的使用寿命。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。