CN101815376A

CN101815376A - 一种混合光源装置

Info

Publication number: CN101815376A
Application number: CN200910078291A
Authority: CN
Inventors: 成华; 桂周琦; 毕勇; 贾中达
Original assignee: Beijing Phoebus Vision Optoelectronic Co ltd; Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: Beijing Phoebus Vision Optoelectronic Co ltd; Academy of Opto Electronics of CAS
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-08-25

Abstract

本发明提供一种混合光源装置，包括红光LED阵列、蓝光LED阵列，还包括绿光激光器和激光腔体；激光腔体包括入射孔和出光面，激光腔体内表面为漫反射表面，其用于漫反射绿光激光器发出的激光，入射孔用于所述绿光激光器发出的激光入射进入激光腔体，出光面用于出射经激光腔体漫反射的绿色激光，并且出光面的绿色激光出射方向与红光LED阵列和蓝光LED阵列的发光主轴方向相同。根据本发明的混合光源装置利用简单的结构在尽可能低成本的前提下，提供了单位面积内更大光通量的非相干光。

Description

一种混合光源装置

技术领域

本发明涉及一种光源装置，尤其涉及一种用于投影显示系统的混合光源装置。

背景技术

传统的投影显示系统采用超高压汞灯、金属卤化物灯、氙灯、卤素灯等作为照明的光源，这些光源的光谱为连续谱或带状谱，因此色度不纯，加之色域不够宽，因此造成画面的对比度和色饱和度不够高，从而投影画面不够真实。

近年来，随着二极管技术的成熟，人们尝试采用LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为投影显示系统的光源，与传统的光源相比，LED具有更大的色域范围，而且LED线宽较窄，具有高的色饱和度，可显示自然界真实、鲜艳的色彩。同时LED寿命长，是一种无汞的环保光源。将LED作为光源已成为显示领域的重大发展方向。

虽然LED不如激光的光谱纯且不如其明亮，但是与激光相比，LED用于显示方面的优势是低成本和非相干性。激光制造商至今仍无法在数字投影所需的功率范围内提供成本适当的蓝色激光。实际上，在所需功率水平上，获得蓝色激光的成本可能是获得绿色激光的成本的10倍左右。在一定程度上，在某些功率范围中，红色激光也存在成本和可用性问题，特别是为大屏幕投影提供照明时。成本问题使激光投影不可能在短期内成为投影显示系统广为接受的替代技术。而同等光功率的红、蓝光LED的价格仅为红、蓝光固体激光器或红、蓝光LD(Laser Diode，半导体激光器)的十分之一至几十分之一，与气体激光器相比则更便宜，绿色LED的成本为同等功率绿色固体激光器成本的五分之一。综合来看，在成本上，LED优势明显。此外由于激光的相干性造成画面出现所谓的散斑，严重影响画面质量，而使用LED作为光源则没有这方面的困扰。并且以LED作为光源得到的画面质量也相当的不错，能为大众所认可。因此以LED作为光源的投影显示系统是一种低成本的投影解决方案，尤其适用于小屏幕的数字投影显示系统。

然而随着技术发展的成熟，LED的单位面积的光通量已经接近极限，但是还没有达到投影显示系统应用的要求，特别是一些需要高亮度照明应用的场合。现有技术是靠增大LED的阵列面积来提高光通量和亮度，但是由于LED是朗伯体发光光源，其发射的光束发散角一般为180°，如果组合后的LED阵列的光学扩展量超出了投影显示系统的光学扩展量，超出的这部分光则不能有效耦合入投影显示系统。

LED的光学扩展量为

E_Led＝n²·π·sin²(α)·S

其中n为发光介质(LED发光元所处的环境介质)的折射率；α为光源的发射半角；S为光源的发光面积。取LED的发射半角为90°，取发光介质为空气，并以空气折射率为1做近似计算，1mm²LED的光学扩展量约为3.14mm²sr。

对于使用典型的0.79英寸的成像芯片、F数为2.4的投影镜头的投影显示系统，投影显示系统的光学扩展量约为E_projector＝22mm²sr，只有大概7mm²的LED阵列输出的光可以耦合入投影显示系统，可充分利用的光通量总数仅为一千多流明，考虑到后续光路中的一些损耗，可能最终得到的白场仅有几百流明，因此通过增大LED的面积来提高光通量的做法是行不通的，因此很难将其用于需要高光通量的投影场合，这也是限制以LED为光源的投影装置大规模应用的最大因素。人们开始利用激光光源代替部分LED光源，将一些面积腾给其他LED光源，最大化地提高白场的总功率，而且激光器的光学扩展量一般来讲很小(至少比同等功率的LED小)，功率可以做到很大，亮度可以很高，且高效环保，所以综合成本和效果等因素来讲，激光是一种理想的针对LED光源的补充光源。

由于激光始终都是一种相干光，传统方法将激光补充进LED光场后，必须对混合后的光场进行消相干处理。通常的消相干装置使得整个系统变得复杂难实施，而且往往效率不高。

发明内容

因此，为了克服现有技术不足，本发明提供一种混合光源装置。

一方面，本发明一种混合光源装置，包括红光LED阵列、蓝光LED阵列，其中，还包括绿光激光器和激光腔体；其中，所述激光腔体包括入射孔和出光面，所述激光腔体内表面为漫反射表面，其用于漫反射所述绿光激光器发出的激光，所述入射孔用于所述绿光激光器发出的激光入射进入所述激光腔体，所述出光面用于出射经所述激光腔体漫反射的绿色激光，并且所述出光面的绿色激光出射方向与所述红光LED阵列和所述蓝光LED阵列的发光主轴方向相同。

上述的混合光源装置，其中，所述激光腔体的出光面与所述红光LED阵列、蓝光LED阵列的发光面共面设置，构成所述混合光源装置的发光平面。

上述的混合光源装置，其中，在所述发光平面上，所述激光腔体出光面的三个侧边被红光LED阵列和蓝光LED阵列所包围。

上述的混合光源装置，其中，在所述发光平面上，所述激光腔体出光面的四个侧边被红光LED阵列和蓝光LED阵列所包围。

上述的混合光源装置，其中，所述激光腔体形状为长方体。

上述的混合光源装置，其中，所述入射孔上安装有使得所述激光发散角变大的光学元件。

上述的混合光源装置，其中，所述激光在所述激光腔体内表面的光斑面积与所述激光腔体内表面积之比介于1∶5和1∶10之间。

上述的混合光源装置，其中，所述激光腔体为环形腔体，在所述发光平面上，所述环形腔体的出光面在所述发光平面内包围所述红光LED阵列和所述蓝光LED阵列。

上述的混合光源装置，其中，包括设置在所述发光平面前方的复合抛物型聚光器，以及设置在所述复合抛物型聚光器出口处用于匀场的自由曲面透镜。

另一方面，本发明提供一种单片式DMD投影显示装置，其采用上述的混合光源装置的任意一种作为光源。

本发明的有益效果是：

1.成本低。由于同等功率的绿光激光的成本远低于红、蓝两色激光，略高于同等功率绿色LED的成本，而红、蓝光LED的成本也更是远远低于相应颜色激光的成本，所以利用绿色激光和红、蓝光LED的整体光源方案成本很低；

2.结构简单，部件少。激光腔体采用常见的中空几何体，在引导激光与LED光混合的同时，也对激光进行了消相干处理，省去了单独的消相干装置；

3.高效。由于采用了高反射率的漫反射材料并减少了整个系统的部件，因此使得激光损耗小，利用率高；

4.体积小，静态作业。本发明装置几乎适用于所有的投影显示场合，尤其适用于微型投影或便携投影以及其他对噪声要求较高的场合。

总之，根据本发明的混合光源装置，利用简单的结构在尽可能低成本的前提下，提供了单位面积内更大光通量的非相干光。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1A为根据本发明实施例1的混合光源装置示意图；

图1B为在图1A中沿x轴负向观察所得到的本发明混合光源装置的示意图；

图2为实施例1中激光腔体101的立体示意图；

图3为根据本发明实施例2的混合光源装置示意图；

图4为根据本发明实施例3的混合光源装置示意图；

图5为根据本发明实施例4的产生均匀白光的混合光源装置的示意图；

图6为将本发明的实施例4中的产生均匀白光的混合光源装置用于单片式DMD投影显示装置的示意图。

具体实施方式

根据目前工业上的制造水平，红、绿、蓝三色LED的发光密度最大分别可以做到1501m/mm²、300lm/mm²和50lm/mm²，根据人眼可视见函数计算的，人眼可感受到的红、绿、蓝(按红光635nm左右，绿光532nm左右，蓝光457nm左右计算)三色光通量约分别为150lm/W、600lm/W和35lm/W。色温为6500K的白场要求红光、绿光与蓝光(按红光635nm左右，绿光532nm左右，蓝光457nm左右计算)的光功率比值大约为1.82∶1.33∶1，对于典型的0.79英寸的成像芯片、F数为2.4的投影镜头的投影显示系统而言，红、绿、蓝三色LED的面积占7mm²的总面积的比例分别为35％、51％和14％，面积约分别为2.45mm²、3.57mm²和0.98mm²；而色温为9300K的白场要求红光、绿光与蓝光(按红光635nm左右，绿光532nm左右，蓝光457nm左右计算)的光功率比值大约为1.26∶1.04∶1，对于典型的0.79英寸的成像芯片、F数为2.4的投影镜头的投影显示系统而言，红、绿、蓝三色LED的面积占7mm²的总面积的比例分别为31％、51％和18％，面积约分别为2.17mm²、3.57mm²和1.26mm²。由此可见，在常用的色温6500K和9300K下，绿光LED需要占用的面积均是三基色中最多的，而且超过了总面积的一半，如果将绿光LED的面积分配给红、蓝两色LED，则可以使白场的总功率提升约1倍，另外由于同样功率的绿光固体激光器的成本比其他颜色的固体激光器低，比同等功率的绿光LED成本也要低，因此使用绿光固体激光器来补充红、蓝两色LED是一种提高白场总功率、降低成本的很好的方案。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1：

图1A为根据本发明实施例1的混合光源装置示意图，图1B为在图1A中沿x轴负向观察所得到的本发明混合光源装置的示意图。如图1A中所示，红光LED102的阵列和蓝光LED103的阵列的发光主轴均沿z轴负向。绿光固体激光器107发射波长为532nm的绿色激光106，红光LED102发射主波长为617nm的红光，蓝光LED103发射主波长为464nm的蓝光。在混合光源装置的出光平面上(以下称为出光平面)，激光腔体101一个侧面开有入射孔105以供绿色激光106沿X轴负方向入射到腔体内部，激光腔体101的出光面104的三个侧边被LED包围。激光腔体101的出光面104由透光材料制成，透光材料的入射面和出射面均镀有针对绿色激光106的增透膜，特别的，可将出光面104设置为开口。绿色激光106在激光腔体101的内表面发生漫反射后，产生向空间各个方向发射的散射光，这些散射光继续在激光腔体内表面发生多次漫反射，不断地被分束和漫反射，最终散射后的绿色激光从激光腔体的出光面104出射，此时出射的绿色激光的相干度相对于入射的绿色激光106已经被极大地降低。针对绿色激光的高漫反射型激光腔体101的内表面具有朗伯体漫反射特性，其内表面可以采用反射率近100％的漫反射材料制成，例如，常用的Avian Fluorilon-99W(一种具有高漫反射系数的白色、高稳定热塑性材料)，或者在其内表面涂覆BaSO₄或CaSO₄等反射率高达99.8％的材料。由于采用了高反射率材料进行漫反射，最终从出光面104出射的激光效率(相对于入射激光而言)很高，一般能达到90％以上。

图2为实施例1中激光腔体101的立体示意图。激光腔体101形状为长方体abcd-a′b′c′d′，在aa′d′d面设置有入射孔105以供绿色激光106入射，dd′c′c面为激光出光面104，出光面104供绿色激光出射，通常，绿色激光106在从入射孔105入射前，会对其进行扩束整形处理，即将绿色激光106扩束后聚焦于入射孔105处，使得其以发散形式进入激光腔体101。优选的，将绿色激光106做扩束准直处理后入射，在入射孔105上安装有凸透镜或凹透镜一类的可以将绿色激光106的发散角变大的光学元件，这样在bb′c′c面上得到的光斑205的面积比绿色激光106的横截面积要大，使得激光能够被更大程度的漫反射，消相干效果更好。相关实验表明，当光斑205的面积与激光腔体内表面积之比为1∶5至1∶10时，从出光面104出射的绿色激光的相干度已经低到足以满足显示的要求。继续参照图1A，若干个红光LED102构成的阵列和若干个蓝光LED103构成的阵列以及激光腔体101紧密排列构成一体的光源，其中红光LED102阵列和蓝光LED103阵列的出光面与激光腔体101的出光面104共面设置。其中红光LED102的阵列和蓝光LED103的阵列的面积比应根据所需色温下白平衡的要求进行布置，绿光固体激光器107的功率也应根据所需色温下白平衡的要求相应地进行匹配，由于绿光激光的功率与激光腔体101的出光面104的面积无关，因此出光面104的面积可以做得比发出同功率绿光的绿光LED所需的面积小很多(本发明中的各附图为了示意，对激光腔体的出射口均做了非成比例的放大)，只要出光面104能够保证激光的出射即可，这样就将投影显示系统中本该应用于绿光LED的面积几乎全部转移给红、蓝两色LED，使得总的白场功率大为提升。举例说明，对于典型的0.79英寸的成像芯片、F数为2.4的投影镜头的投影显示系统而言，要得到色温为9300K的白场，如果全部采用LED作为光源，则红、绿、蓝三色LED的总面积最多为7mm²，白场总光通量最多为1488lm，其中红、绿、蓝LED面积约分别为2.17mm²、3.57mm²和1.26mm²，光通量分别为326lm、1071lm、63lm；而如果采用根据本发明实施例的绿光激光和红、蓝光LED的光源方案，则红、蓝光LED阵列的总面积为7mm²，其中红、蓝光LED阵列面积约分别为4.43mm²、2.57mm²，白场总光通量最多为2979lm，红、绿、蓝三色光通量分别为665lm、2185lm、129lm。采用根据本发明实施例的混合光源装置比全部采用LED的光源装置总的光通量提高了1倍。

图1B为在图1A中沿x轴负向观察所得到的本发明混合光源装置的示意图。可以看到，红、绿、蓝三色光的出射方向均沿z轴负向，发散角都比较大，接近于180°，混合也不够均匀，此时还不能直接将其用于对光阀等元件进行照明，需要压缩其发散角并进行匀场处理。需要说明是，激光腔体101的形状不局限于长方体，还可以是球形、椭球形甚至不规则几何体，只要是可以将激光充分匀光的形状均可。

实施例2：

图3为根据本发明实施例2的混合光源装置示意图。如图3所示，z轴负向为出光主轴方向。本实施例与实施例1大体相同，区别在于：实施例1中在出光平面上激光腔体101的出光面的三个侧边被LED包围，而本实施例中在出光平面上激光腔体301的出光面的四个侧边均被LED包围。由于激光302入射的位置相对于出光平面在z轴正方向上，所以不会被LED所遮挡。因此，将激光腔体301设置成其四面均被蓝光LED阵列303和红光LED阵列304包围，从实施的角度讲，和实施例1是类似的。采用本实施例中的装置将激光和LED光混合，可以得到和实施例1相同的效果。需要说明是，激光腔体301的形状不局限于图3所示的长方环形体，只要是可以将激光充分匀光的形状均可。

实施例3：

图4为根据本发明实施例3的混合光源装置示意图。如图4所示，本实施例与实施例1、实施例2不同的是，在出光平面上，环形的激光腔体401将蓝光LED403的阵列和红光LED402的阵列四个侧边包围。采用本实施例中的混合光源装置将激光和LED光混合，同样可以得到和实施例1、实施例2相同的效果。

实施例4：

图5为根据本发明实施例4的产生均匀白光的混合光源装置的示意图。如图所示，本实施例在实施例1的基础上增加了全反射腔505和自由曲面透镜506。绿光激光器501发射的绿色激光入射到激光腔体502中，经不断漫反射后在激光腔体502的出光面与蓝光LED阵列503以及红光LED阵列504发射的LED光混合，混合后的光在全反射腔505内部不断发生全反射，本实施例中全反射腔505为被称作复合抛物形聚光器(CPC，Compound ParabolicConcentrator，一种轴对称体)的中空腔，其内壁镀有针对上述激光和LED光波长的全反射膜，使用这种形状的空腔对光束匀场可以得到发散角很小的光束，这意味着匀场后的光束的光学扩展量很小，这种性能在投影显示中极为有利。在全反射腔505出光端面设置有自由曲面透镜506，全反射腔505的出口处的光束经自由曲面透镜506的作用后生成近平行光束507。由于本实施例中红、绿、蓝三色光的功率是按照白平衡配比原则进行匹配的，所以近平行光束507是符合白平衡的非相干白光，并且经过全反射腔505和自由曲面透镜506的作用，近平行光束507可以在自由曲面透镜506后续光路上的目标平面上实现照度均匀。实现照度均匀的原理和设置在申请号为200810117243.8的中国专利申请中详细披露。

实施例5：

图6为将本发明的实施例4中的产生均匀白光的装置用于单片式DMD投影显示装置的示意图。非相干的光照度均匀分布的均匀白光601通过TIR(total internal reflection)棱镜后照在DMD光阀602上，所述均匀白光经DMD光阀602调制后再由TIR棱镜603出射，最后通过投影透镜组604投影到屏幕605形成彩色图像。将根据本发明实施例的混合光源装置产生的均匀白光通过起偏器后也可以用于LCD或Lcos型光阀的投影显示系统。

此外，激光腔体和LED的设置还可以采用其他形式，例如多个激光腔体散布于LED阵列之间，并被LED阵列所包围；激光腔体可以包围部分的LED阵列；发射不同波长的LED可以混杂地排列成阵列；激光腔体的出射面可以是圆形或其他形状。总之，所有的设置的目的是将激光与LED发光高效的混合在一起，最后得到的应该是相干度较低的均匀白光，因此，本领域技术人员应理解，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种混合光源装置，包括红光LED阵列、蓝光LED阵列，其特征在于，还包括绿光激光器和激光腔体；

其中，所述激光腔体包括入射孔和出光面，所述激光腔体内表面为漫反射表面，其用于漫反射所述绿光激光器发出的激光，所述入射孔用于所述绿光激光器发出的激光入射进入所述激光腔体，所述出光面用于出射经所述激光腔体漫反射的绿色激光，并且所述出光面的绿色激光出射方向与所述红光LED阵列和所述蓝光LED阵列的发光主轴方向相同。

2.根据权利要求1所述的混合光源装置，其特征在于，所述激光腔体的出光面与所述红光LED阵列、蓝光LED阵列的发光面共面设置，构成所述混合光源装置的发光平面。

3.根据权利要求2所述的混合光源装置，其特征在于，在所述发光平面上，所述激光腔体出光面的三个侧边被红光LED阵列和蓝光LED阵列所包围。

4.根据权利要求2所述的混合光源装置，其特征在于，在所述发光平面上，所述激光腔体出光面的四个侧边被红光LED阵列和蓝光LED阵列所包围。

5.根据权利要求2所述的混合光源装置，其特征在于，所述激光腔体形状为长方体。

6.根据权利要求2所述的混合光源装置，其特征在于，所述入射孔上安装有使得所述激光发散角变大的光学元件。

7.根据权利要求6所述的混合光源装置，其特征在于，所述激光在所述激光腔体内表面的光斑面积与所述激光腔体内表面积之比介于1∶5和1∶10之间。

8.根据权利要求2所述的混合光源装置，其特征在于，所述激光腔体为环形腔体，在所述发光平面上，所述环形腔体的出光面在所述发光平面内包围所述红光LED阵列和所述蓝光LED阵列。

9.根据权利要求2-8之一所述的混合光源装置，其特征在于，包括设置在所述发光平面前方的复合抛物型聚光器，以及设置在所述复合抛物型聚光器出口处用于匀场的自由曲面透镜。

10.一种单片式DMD投影显示装置，其特征在于，采用权利要求9所述的混合光源装置。