专利名称：大功率固态光源及带该光源的手机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及带固态发光器件例如适用于光发射的半导体器件的光源，尤其涉 及所述光源实现光斑勻光或形状控制的结构。
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LED)为发光源的灯具或投 影机光源已经得到越来越广泛的使用。顺应于对光源光输出功率大小的要求越来越高，基 于光波长转换的大功率固态光源因其较强的实用性脱颖而出。该方案将源自于LED的高功 率光投射到光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，往往具有如下 所述的结构包括固态光源及承载光波长转换材料的材料盘，准直透镜把来自固态光源的 光准直成近平行光，进一步通过聚焦透镜会聚到光波长转换材料的某一点。上述现有技术的问题在于，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，这样汇聚到所述J点上的激发光功率往往会过高而导致光波长转换材料， 例如但不限于荧光粉温度上升，从而造成光转换效率下降。尤其固态光源采用激光二极管 时，由于激光的发射角度很小，在所述投射点处的光斑的光分布将很不均勻，中心光强很强 且远高于边缘光强，使得中心区的能量密度过高。为此，现有技术提出了两种解决方案来降低光斑中心区的能量密度一种是采用准直透镜离焦，和/或成像面离焦的方法以激光二极管为例，准直透 镜离焦方法是使激光二极管偏离其所对应的准直透镜的焦点位置，以使通过准直透镜后的 光束偏离平行光而略呈发散，这样聚焦到荧光粉上的投射光斑将变大；成像面离焦方法采 用的是把荧光粉所在的材料盘放置在一偏离聚焦透镜焦点所在的位置，以使实际投射到荧 光粉上的光斑变大。这两种离焦方式都是通过离焦来放大投射光斑的尺寸，可以同时或单 独使用。离焦后往往光斑中心的能量密度下降较大，边缘的略有上升，光斑略有扩大。另一种是采用加散光膜的方法在聚焦透镜后的光路中插入散光膜，或称扩散膜 (diffuser，常用于将一束光束打散或失去其原有的方向性)，以使原来会聚的光束被打散。 散光膜参数不同，光束被打散的程度也不同。挑选合适的散光膜参数，即可以产生与前述离 焦方案相类似的光斑扩大效果，从而降低光功率密度的峰值。该两种解决方案的不足之处在于由于离焦造成了光斑的扩散，而收集系统的数 值孔径有限，因此扩散出收集系统的光收集有效面积以外的光不可避免被损失掉，从而离 焦方法将造成光收集效率的下降。离焦距离越大，光收集效率越低，实验发现离焦3mm时可 造成10%左右的光收集效率损失。加散光膜的方案具有与上述相类似的缺点，同时由于散 光片的属性并非任意可控，其光学特性也不能随意定制，从而也不能完全对投射光斑的功 率分布进行控制。另外，现有散光膜对光线的透过率往往达不到百分之九十，加散光膜导致 的部分激发光损耗会降低光源的光效率。此外，上述现有技术还存在一个重要问题，即整个光源出射光的光斑形状不可控， 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 现有技术光源时，考虑到所述的形状不匹配(如图1所示，中间的椭圆代表投影机光源的输 出光斑，长方形代表投影机的投影光斑)，投影机出于对光利用效率的考虑，势必要使所述 投影机光源的输出光斑内接于呈长方形的所述投影光斑，以便在对来自光源的输入光斑进 行整形时把光损失压低到最小。与投影机实际所需的长方形光斑相比，无疑现有光源的椭 圆形光斑具有更高的能量密度。而能量密度越高，越不利于光波长转换材料提高光转换效 率。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种大 功率固态光源及带该光源的手机，以产生具有高均勻性且光斑的输出形状可控的光输出， 同时解决激发光功率密度过高所导致的光转换效率下降、进而整个光源效率下降的问题。为解决上述技术问题，本实用新型的基本构思为若将基于光波长转换的固态光 源的光输出光斑形状设计为可控，随应用场合的不同要求而定，则在同样输出功率的前提 下，既可大大提高该固态光源在实际应用场合的耦合效率，减少了光功率损耗，又可适度降 低该固态光源输出光的能量密度；为此将该固态光源中投射到光波长转换材料上的激发光 设计为具有高均勻性且光斑形状可控是解决现有问题之不足的关键。作为实现本实用新型构思的技术方案是，提供一种大功率固态光源，包括固态发 光器件，承载有光波长转换材料的透光片；尤其是，还包括对来自该固态发光器件的光进 行勻光处理的勻光装置，以及用来改变经勻光处理的光的光斑形状的整形装置，将均勻光 束投射到所述透光片上以在该透光片上形成一具有预定形状的光斑。具体地说，上述方案中，所述固态发光器件包括LED或激光二极管。所述光波长转 换材料包括荧光粉、发光染料或纳米发光材料。来自各固态发光器件的光的光斑形状为椭 圆形或圆形，所述预定形状为圆形、长方形或方形。更进一步，上述方案中，所述勻光装置和整形装置合为衍射光学元件，对来自所述 固态发光器件的光进行勻光和整形处理以产生具有所述预定形状的均勻光束并投射往所 述透光片。或者，所述勻光装置和整形装置合为由两片复眼透镜构成的复眼透镜对，每片复 眼透镜均由微小的透镜单元呈周期性重复排布而成，该两片复眼透镜间的透镜单元呈一对 一或一对二及以上的对应关系；还包括一聚光透镜或透镜组，来自所述固态发光器件的光 经所述复眼透镜对后再经该聚光透镜或透镜组汇聚投射往所述透光片。或者，所述勻光装 置和整形装置合为积分棒，该积分棒的前端收集来自所述固态发光器件的光进行勻光和整 形处理，后端的口径为所述预定形状以产生具有该预定形状的一均勻光束并投射往所述透 光片。上述方案中，还包括准直透镜对准所述固态发光器件，用以准直该各固态器件发 出的光并投射往所述勻光装置和整形装置。或者，还包括置于所述勻光装置和整形装置与 所述透光片之间的成像透镜或成像透镜组。作为实现本实用新型构思的技术方案还是，提供一种手机，包括通信模块，尤其 是，还包括上述方案中的大功率固态光源；光收集装置，收集来自该大功率固态光源的光投 射往一超小型图像调制器；该超小型图像调制器还连接手机视频信号处理器以接收来自该手机视频信号处理器的视频图像信号，投射出图像光信号往一超小型投影镜头；所述手机 视频信号处理器通过连接来接收来自视频接插头的视频输入信号，或接收来自手机基带处 理器的图像通信数据，以解码输出所述视频图像信号。采用上述各技术方案的大功率固态光源，有效降低激发光的光功率密度的同时， 提高了光源对激发光的利用率，尤其提高了固态光源在应用领域中的光使用效率。
图1示意了现有光源出射光斑与投影领域显示区域之间的形状关系；图2示意了本实用新型光源的结构；图3示意了本实用新型使用ODE元件来勻光和整形的实施例；图4示意了本实用新型使用积分棒阵列来勻光和整形的实施例；图5示意了采用本实用新型光源的手机实现投影功能的部分结构框图。
具体实施方式
下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本实用新型。图2示意了本实用新型大功率固态光源的结构包括固态发光器件，承载有光波 长转换材料的透光片，尤其还包括对来自固态发光器件的光进行勻光处理的勻光装置，以 及用来改变经勻光处理的光的光斑形状的整形装置，将均勻光束投射到所述透光片上以在 该透光片上形成一具有预定形状的光斑。其中，固态发光器件可以是大功率LED，或最好是 具有大功率密度的激光二极管。光波长转换材料包括荧光粉、发光染料或纳米发光材料。来 自固态发光器件的光的光斑形状为圆形或椭圆形，所述预定形状为圆形、长方形或方形。如图3所示，可以采用衍射光学元件5来实现所述整形装置，同时实现所述勻光处 理。所述衍射光学元件(DOE，Diffractive optical element)指的是一种特殊的光学元 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；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单元及其组合，可以使各单元所产生的波 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US7，251，41282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勻光和整形效果。在 本实用新型的实施例中，可以采用一种把任何形状的入射光斑整形成一个具有4 3长宽 比例的均勻的矩形输出光斑。还可以采用积分棒来实现所述整形装置，同时实现所述勻光处理。如图4所示，所 述勻光装置和整形装置合积分棒6，该积分棒6的前端收集来自固态发光器件1的光，使入 射光在积分棒中通过不断的反射相叠加，从而在积分棒的后端形成均勻的光分布，对积分 棒的形状进行控制，则可同时对光束起到整形的作用。这样经过积分棒的勻光和整形处理， 由积分棒后端射出的具有所述预定形状的一均勻光束将并投射往投射到透光片4上。当所 述积分棒6的后端口径较大而超出了本实用新型光源所限制的出射光孔径时，或由该后端 口径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 和光斑尺寸到光波长转换材料上，本实用新型如该图4所示还可以包括设置在积分棒后端 的成像透镜或成像透镜组3，以成像方式把来自积分棒7后端的具有该预定形状的均勻光
5束投射往所述透光片。同样也可以在图3中的DOE元件5与透光片4之间增加一所述成像 透镜或成像透镜组3。此外，对图4实施例还可以改进为用复眼透镜对来替换所述积分棒；复眼透镜对 中的每片复眼透镜均由微小的透镜单元呈周期性重复排布而成，构成该两片复眼透镜的透 镜单元的参数(例如但不限于大小)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(二及以上)的对应关系。这样，第一复眼 透镜中重复排布的微小透镜单元可以将入射光切分成很多块，再经过第二复眼透镜中透镜 单元的作用形成预定形状的均勻光斑，再利用一聚光透镜或聚光透镜组来将这些具有预定 形状的均勻光斑的光汇聚重叠得到一个光束投射往所述透光片4，在该透光片4上产生一 个具有该预定形状的均勻光斑。上述各实施例中，有必要时还可以如图3或4所示增加准直透镜2来对准固态发 光器件1，以将来自该固态发光器件1的光准直成近平行光(例如但不限于发散角小于15 度的光束)，来匹配所选定的DOE元件或积分棒之规格。本实用新型试验中发现积分棒6较 优化的前后孔径比为1.5 1 4 1，可以取得较好的勻光效果。尤其当前后孔径比为 2 1时，积分棒的前孔径与长度的优化比值最好为1 8。以正方形出射光斑为例，将积 分棒设计成内壁反光的截头四棱锥状，本实施例的光收集效率可以达到90%以上。在图4的实施例中，还可以考虑在所述积分棒6的前端放置散光片用来放大入射 于积分棒入口的近平行光束的发散角度，进而增强积分棒的勻光效果。因为现有散光片具 有一定的光透射损耗，增加散光片与否要酌情考虑。本实用新型上述各实施例中，透光片4不限定为一固定装置，该透光片4还可以相 对于入射光束呈运动(转动或移动)状态，以便通过轮换被照射的光波长转换材料来进一 步达到保护光波长转换材料的目的；当所述光波长转换材料分种类在该透光片4上分区域 分布时，对不同光波长转换材料进行轮换照射还可以达到变换受激发光颜色的目的。图5的框图示意了一采用本实用新型光源的手机赖以实现投影功能的部分结构。 所述手机包括通信模块、手机电池；还包括本实用新型光源，所输出的具有预定形状光斑的 光束通过光收集装置的收集投射往一超小型图像调制器，经来自手机视频信号处理器的视 频图像信号调制后产生图像光信号，该图像光信号投射往一超小型投影镜头，经该超小型 投影镜头投射往墙壁或其它投影屏幕。该手机视频信号处理器可以是一连接手机基带处理 器的专用微处理器，接收来自各种视频接插头的视频输入信号，或接收来自所述手机基带 处理器的图像通信数据，解码输出所述视频图像信号。该手机视频信号处理器还可以内置 于手机基带处理器中，从而由手机基带处理器接收来自各种视频接插头的视频输入信号或 来自无线通信射频收发模块的通信数据。采用本实用新型光源，可以延长使用投影功能的 手机电池的使用时间。
权利要求1.一种大功率固态光源，包括固态发光器件，承载有光波长转换材料的透光片；其特 征在于还包括对来自该固态发光器件的光进行勻光处理的勻光装置，以及用来改变经勻光处 理的光的光斑形状的整形装置，将均勻光束投射到所述透光片上以在该透光片上形成一具 有预定形状的光斑。
2.根据权利要求1所述的大功率固态光源，其特征在于所述固态发光器件包括LED或激光二极管。
3.根据权利要求1所述的大功率固态光源，其特征在于所述光波长转换材料包括荧光粉、发光染料或纳米发光材料。
4.根据权利要求1所述的大功率固态光源，其特征在于来自所述固态发光器件的光的光斑形状为椭圆形或圆形，所述预定形状为圆形、长方 形或方形。
5.根据权利要求1所述的大功率固态光源，其特征在于所述勻光装置和整形装置合为衍射光学元件，对来自所述固态发光器件的光进行勻光 和整形处理以产生具有所述预定形状的均勻光束并投射往所述透光片。
6.根据权利要求1所述的大功率固态光源，其特征在于所述勻光装置和整形装置合为由两片复眼透镜构成的复眼透镜对，每片复眼透镜均由 微小的透镜单元呈周期性重复排布而成，该两片复眼透镜间的透镜单元呈一对一或一对二 及以上的对应关系；还包括一聚光透镜或透镜组，来自所述固态发光器件的光经所述复眼透镜对后再经该 聚光透镜或透镜组汇聚投射往所述透光片。
7.根据权利要求1所述的大功率固态光源，其特征在于所述勻光装置和整形装置合为积分棒，该积分棒的前端收集来自所述固态发光器件的 光进行勻光和整形处理，后端的口径为所述预定形状以产生具有该预定形状的一均勻光束 并投射往所述透光片。
8.根据权利要求5、6或7所述的大功率固态光源，其特征在于还包括准直透镜对准所述固态发光器件，用以准直该各固态器件发出的光并投射往所 述勻光装置和整形装置。
9.根据权利要求5或7所述的大功率固态光源，其特征在于还包括置于所述勻光装置和整形装置与所述透光片之间的成像透镜或成像透镜组。
10.根据权利要求7所述的大功率固态光源，其特征在于还包括放置于所述积分棒的前端的散光片。
11.一种手机，包括通信模块，其特征在于还包括如权利要求1 10任一项所述的大功率固态光源；光收集装置，收集来自该大 功率固态光源的光投射往一超小型图像调制器；该超小型图像调制器还连接手机视频信号 处理器以接收来自该手机视频信号处理器的视频图像信号，投射出图像光信号往一超小型 投影镜头；所述手机视频信号处理器通过连接来接收来自视频接插头的视频输入信号，或接收来 自手机基带处理器的图像通信数据，以解码输出所述视频图像信号。
专利摘要一种大功率固态光源，包括固态发光器件，承载有光波长转换材料的透光片，尤其是，还包括对来自该固态发光器件的光进行匀光处理的匀光装置，以及用来改变经匀光处理的光的光斑形状的整形装置，将均匀光束投射到所述透光片上以在该透光片上形成一具有预定形状的光斑。可采用衍射光学元件、积分棒或复眼透镜对来实现该匀光装置和整形装置。采用本实用新型的光源，有效降低了激发光的光功率密度，有利于提高光源在应用领域中的光使用效率；采用该光源的手机，可以延长使用投影功能的手机电池的使用时间。
文档编号F21V5/04GK201885062SQ20102056253
公开日2011年6月29日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者李屹, 杨毅, 詹胜雄 申请人:深圳市光峰光电技术有限公司