CN102681318A - 基于荧光粉的多泵浦光源及使用其的投影光学引擎 - Google Patents

Abstract

一种基于荧光粉的多泵浦光源，包括第一泵浦光源模组，第二泵浦光源模组以及二向色镜。所述第一泵浦光源模组出射第一泵浦光。所述第二泵浦光源模组包括出射第二泵浦光的发光芯片和设置在该发光芯片上的荧光粉层。所述二向色镜引导第一泵浦光射入所述荧光粉层。所述荧光粉层吸收第一泵浦光和第二泵浦光，并激发出荧光，由所述二向色镜出射。本发明的光源，采用多泵浦光共同激发荧光粉的方式，增加荧光粉的激发能量，从而增加荧光的出射亮度，且，泵浦光能量损耗较小，利用率高，光学效率高，成本低。另外，还提供一种使用该光源的投影光学引擎。

Description

基于荧光粉的多泵浦光源及使用其的投影光学引擎

技术领域

本发明涉及光源及投影显示技术，尤其涉及一种基于荧光粉的多泵浦光源及使用其的投影光学引擎。

背景技术

光源是液晶投影机重要的部件之一，其亮度、光利用率和发热量直接影响到投影图像的质量、投影机的功耗、投影机使用和维护成本等问题。在过去，大多数投影机均采用超高压汞灯(UHP)或金卤灯作为光源，这类光源虽然亮度能满足要求，但是其耗能高寿命短，光转换效率较低，发热量大，而且会对环境造成污染，因此不是很适合用作投影光源。如今，越来越多的液晶投影机都开始使用环保、转换效率高的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为光源。

作为显示和照明领域的LED光源，现有的低成本LED光源通常采用荧光转换，即，利用预定波长的发射光来激发荧光粉，产生白光。例如：日本日亚(Nichia)公司的白光专利，就是利用蓝光LED来激发黄色YAG荧光粉来产生白光。然而，这种利用单一光源配合荧光粉的方式，荧光粉的激发能量比较低，从而降低输出亮度。

而本公司已申请的中国发明专利申请，其申请号为“201010225914.x”，名称为“混光式带荧光粉激发的单色光源及使用其的投影光学引擎”公开了一种单色光源，包括出射第一泵浦光的第一泵浦光源模组，出射第二泵浦光的第二泵浦光源模组，用于合并第一泵浦光和第二泵浦光为一束泵浦光的合色镜，顺序设置在合色镜的出射光路上的滤光片、荧光粉层及光学透镜。荧光粉层用于吸收第一泵浦光、第二泵浦光，激发出波长不同与第一泵浦光、第二泵浦光的荧光。光学透镜朝向荧光粉层的表面镀有第一薄膜，用于透射荧光，反射第一泵浦光、第二泵浦光。滤光片朝向荧光粉层的表面镀有第二薄膜，用于透射第一泵浦光、第二泵浦光，反射荧光。这种结构的单色光源虽然荧光粉的激发能量大，然而，其泵浦光能量损耗比较严重，光学效率不高，而使用这种光源的系统也比较庞大。

发明内容

有鉴于此，须提供一种泵浦光利用率高、光学效率高、成本低的基于荧光粉的多泵浦光源。

另外，还需提供一种成本较低、系统简单、投影显示效果好的使用这种光源的投影光学引擎。

本发明的发明目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于荧光粉的多泵浦光源，包括第一泵浦光源模组，第二泵浦光源模组以及二向色镜。所述第一泵浦光源模组出射第一泵浦光。所述第二泵浦光源模组包括出射第二泵浦光的发光芯片和设置在该发光芯片出射光路上的荧光粉层。所述二向色镜引导第一泵浦光射入所述荧光粉层。所述荧光粉层吸收第一泵浦光和第二泵浦光，并激发出荧光，由所述二向色镜出射。

一种基于荧光粉的多泵浦光源，包括第一发光芯片，第二发光芯片，光源整形镜组以及二向色镜。其中，第一发光芯片出射第一泵浦光。第二发光芯片出射第二泵浦光。光源整形镜组罩住所述第一发光芯片和第二发光芯片，用于收集并整形所接收到的光。所述第一发光芯片和第二发光芯片以所述光源整形镜组的光轴为中心对称分布设置，且，至少一个发光芯片的出射光路上设置有荧光粉层。二向色镜设置在所述光源整形镜组的出射光路上，用于引导第一泵浦光射入所述荧光粉层。所述荧光粉层吸收第一泵浦光和第二泵浦光，并激发出荧光，由所述二向色镜出射。

一种投影光学引擎，包括微显示面板，投影镜头以及照明装置。其中，微显示面板对入射光进行调制，并调制出携有图像信息的图像光。投影镜头用于将所述微显示面板上的图像信息投影成像到屏幕上。照明装置照射所述微显示面板。该照明装置包括至少一个上述所述的基于荧光粉的多泵浦光源。

一种投影光学引擎，包括照明装置，数字微镜器件，全内反射棱镜以及投影镜头。其中，照明装置用于提供入射光线，其包括至少一个上述所述的基于荧光粉的多泵浦光源。数字微镜器件选择性的反射所述入射光线以产生影像光线。全内反射棱镜设置于所述照明装置与数字微镜器件之间，将入射光线导入所述数字微镜器件并反射所述数字微镜器件出射的影像光线。投影镜头用于接收该数字微镜器件所出射的影像光线，并将该影像光线投影成影像画面。

本发明的光源，采用多泵浦光共同激发荧光粉的方式，增加荧光粉的激发能量，从而增加荧光的出射亮度，且，泵浦光能量损耗较小，利用率高，光学效率高，成本低。而使用至少一个这种光源的投影光学引擎，光源出射亮度高的光，照射微显示面板/数字微镜器件，之后，由微显示面板/数字微镜器件调制出图像光，从投影镜头输出到外部屏幕，系统结构简单，亮度高，生产成本较低，投影显示效果好。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明第一实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。

图2为本发明第二实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。

图3为本发明第三实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。

图4为本发明第四实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。

图5为本发明第五实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。

图6为本发明第六实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。

图7为本发明第一实施方式投影光学引擎的平面结构示意图。

图8为本发明第二实施方式投影光学引擎的平面结构示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明第一实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图，其包括第一泵浦光源模组10，第二泵浦光源模组11以及二向色镜12。

第一泵浦光源模组10出射第一泵浦光，其包括第一发光芯片101以及用于收集并整形第一泵浦光的第一光源整形镜组102。第二泵浦光源模组11包括出射第二泵浦光(第一泵浦光的峰值波长与第二泵浦光的峰值波长相同或者不同)的第二发光芯片111，设置在该第二发光芯片111出射光路上的荧光粉层113以及用于收集并整形所接收到的光的第二光源整形镜组112。二向色镜12用于引导第一泵浦光射入荧光粉层113。而荧光粉层113则吸收第一泵浦光和第二泵浦光，并激发出荧光，由二向色镜12出射。故，本发明具体实施方式的光源是采用两路泵浦光共同激发荧光粉的结构来产生荧光。

本发明中，第一发光芯片101、第二发光芯片111均半导体发光芯片，具体实施方式中，为发光二极管(Light Emitting Diode，LED)芯片，用于发出180°的光(此处，LED芯片所发出的光称为泵浦光)。该LED芯片的数量可以为一个，也可以为以阵列方式排列的多个。采用多个LED芯片以阵列方式的排列，有利于提高整个光源的光通量，进而增加光亮度。当采用多个LED芯片时，多个LED芯片可以是发出同样波段光的同一种LED芯片(参阅图1)，此时，第一泵浦光和第二泵浦光是单色光，例如为蓝光、紫外光、红外光中的一种。当然，多个LED芯片也可以是发出不同波段光的不同种LED芯片(参阅图5)，此时，第一泵浦光和第二泵浦光是合色光，例如为蓝光、紫外光、红外光的结合。换句话说，第一泵浦光和第二泵浦光为蓝光、紫外光、红外光中的一种或者其结合。

又，荧光粉层113所激发的荧光为绿光、红光、黄光中的一种或者其结合。即，当荧光粉层113所激发的荧光为绿光、红光、黄光中的一种时，该多泵浦光源所出射的是单色光，反之，如果荧光粉层113所激发的荧光为绿光、红光、黄光中的组合时，该多泵浦光源所出射的就是合色光。本发明实施方式中，荧光粉层113设置在第二发光芯片111上，故，荧光粉热量处理简便。

参阅图1，二向色镜12倾斜设置于第一泵浦光源模组10和第二泵浦光源模组11的出射光路的交汇处。该二向色镜12是在平板玻璃的表面镀有薄膜，故，能透射预设波长的光，而反射另一预设波长的光。本发明实施方式中，是对荧光高透，而高反泵浦光。即，透射荧光并反射第一泵浦光。如图所示，第一泵浦光源模组10和第二泵浦光源模组11朝向二向色镜12的同一表面设置，即，第一泵浦光源模组10与第二泵浦光源模组11垂直设置。

因此，本发明实施方式的光源，采用两路泵浦光激发荧光粉的方式，增加荧光粉的激发能量，从而增加荧光的出射亮度，且，泵浦光能量损耗较小，利用率高，而荧光粉的热处理也比较简便，光学效率高，成本低。

图2所示为本发明第二实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。该光源与第一实施方式的光源的结构基本相同，区别在于图2所示的第一泵浦光源模组10与第二泵浦光源模组11平行设置；该光源还包括反射镜13，用于反射第一泵浦光至二向色镜12。

图3所示为本发明第三实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。该光源与第一实施方式的光源的结构基本相同，区别在于图3所示的二向色镜12’用于反射荧光并透射第一泵浦光，故，第一泵浦光源模组10与第二泵浦光源模组11相对设置。

图4所示为本发明第四实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图，其包括第一发光芯片20，第二发光芯片21，光源整形镜组22，以及二向色镜23。其中，第一发光芯片20出射第一泵浦光。第二发光芯片21出射第二泵浦光(第一泵浦光的峰值波长与第二泵浦光的峰值波长相同或者不同)。光源整形镜组22罩住第一发光芯片20和第二发光芯片21，用于收集并整形所接收到的光。本发明实施方式中，第一发光芯片20和第二发光芯片21以光源整形镜组22的光轴为中心对称分布设置，且，至少一个发光芯片的出射光路上设置有荧光粉层24。具体实施方式是第二发光芯片21上设置有荧光粉层24。二向色镜23设置在光源整形镜组22的出射光路上，具体说是垂直光源整形镜组的光轴设置，用于引导第一泵浦光射入荧光粉层24。同样，该荧光粉层24吸收第一泵浦光和第二泵浦光，并激发出荧光，由二向色镜23出射。因此，本实施方式中的光源同样是采用泵浦光共同激发荧光粉的结构来产生荧光，这里不再赘述。

此外，第一发光芯片20、第二发光芯片21同样为LED芯片，其数量可以为一个，也可以为以阵列方式排列的多个。第一泵浦光和第二泵浦光同样可以为蓝光、紫外光、红外光中的一种或者其结合。而荧光粉层24所激发的荧光同样为绿光、红光、黄光中的一种或者其结合。

图5所示为本发明第五实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。该光源与第一实施方式的光源的结构基本相同，区别在于图5所示的第一发光芯片301、301’为发出不同波段光的不同种LED芯片，而第二发光芯片311、311’也是发出不同波段光的不同种LED芯片。例如，第一发光芯片301和第二发光芯片311为紫外LED芯片，发出紫外光，而第一发光芯片301’和第二发光芯片311’则为蓝光LED芯片，发出蓝光。因此，第一泵浦光和第二泵浦光均为合色光(紫外光和蓝光的结合)，而荧光粉层所吸收的是这种结合在一起的紫外光和蓝光。

图6所示为本发明第六实施方式基于荧光粉的多泵浦光源的平面结构示意图。该光源与第三实施方式、第五实施方式的光源的结构基本相同，区别在于图6所示的第一泵浦光源模组40所出射的第一泵浦光为合色光，由蓝光LED芯片4011所发出的蓝光和紫外LED芯片4021所发出的紫外光，通过二向色镜403合成一束光(此处为蓝光和紫外光的结合)，作为第一泵浦光。第二泵浦光也是合色光，由蓝光LED芯片4111所发出的蓝光和紫外LED芯片4121所发出的紫外光，通过二向色镜413合成一束光(此处为蓝光和紫外光的结合)，作为第二泵浦光。荧光粉层414设置在第二泵浦光的出射光路上，用于吸收第二泵浦光和通过二向色镜42透射的第一泵浦光，激发出荧光，由二向色镜42反射出来。

本发明其它实施方式中，LED芯片不局限于蓝光LED芯片和紫外LED芯片，荧光粉层的位置也不局限，只要满足荧光粉层吸收至少两路泵浦光(其中至少一路泵浦光是由二向色镜所引导入射)来共同激发荧光粉发出荧光，该荧光从引导泵浦光的二向色镜出射即可。

因此，采用这种结构的多泵浦光源，通过多路泵浦光共同激发荧光粉发出荧光的方式，能增加荧光粉的激发能量，从而增加荧光的出射亮度，且，泵浦光能量损耗较小，利用率高，光学效率高，成本低。

图7所示为本发明第一实施方式投影光学引擎的平面结构示意图。投影光学引擎包括照明装置50，偏振分光器60，微显示面板70以及投影镜头80。其中，照明装置50照射微显示面板70，其包括至少一个上述任一实施方式的基于荧光粉的多泵浦光源。

偏振分光器60设置于照明装置50的输出光路上，本发明实施方式中，偏振分光器60为棱镜式偏振分光器，由二个三角棱镜胶合成立方体形状，在其中间接触面上镀有偏振分光膜层，由该偏振分光膜层形成一个偏振分光面，该偏振分光面可以将非偏振光转换为偏振光并分离出S偏振光和P偏振光。当然，偏振分光器60也可以由其它棱镜胶合成其它形状，只要满足入射的非偏振光被转化为偏振光出射即可。

本发明其它实施方式中，该偏振分光器60也可以由平板式偏振分光器来代替。

微显示面板70的数量为一个，设置于偏振分光器60与照明装置的非相邻的一侧，用于对所接收到的入射光进行调制，并调制出携有图像信息的图像光。本发明实施方式中，微显示面板70为反射式硅基液晶面板(Liquid Crystal onSilicon，LCOS)，当微显示面板70接收到的光为S偏振光时，经过微显示面板70的调制后，则反射出携有图像信息的另一偏振光P偏振光，经由偏振分光器60折叠光路后，将该P偏振光透射至投影镜头80上。本发明的实施方式中的投影镜头80与微显示面板70相对平行设置，用于将微显示面板70上的图像信息投影成像到屏幕上。

本发明其它实施方式中，微显示面板70’(图7的虚线所示)所接收到的偏振光也可以为P偏振光，经过微显示面板70’的调制后，转换为携有图像信息的S偏振光，且将其反射回偏振分光器60上，由偏振分光器60将该S偏振光反射至投影镜头80上。换句话说，投影镜头80与微显示面板70’相邻设置于偏振分光器60的一侧，即，投影镜头80与微显示面板70’分别设置于偏振分光器60的相邻两侧面上。此时，投影镜头80是用于接收并投射携有图像信息的S偏振光。

因此，本实施方式的投影光学引擎，包含至少一个前述的基于荧光粉的多泵浦光源，出射亮度高的光，经过偏振分光器的偏振分离，照射微显示面板，之后，微显示面板调制出图像光再次进入偏振分光器，由偏振分光器从投影镜头输出到外部屏幕，系统结构简单，亮度高，生产成本较低，投影显示效果好。

图8所示为发明第二实施方式投影光学引擎的平面结构示意图。该投影光学引擎包括照明装置51，全内反射棱镜61，数字微镜器件(Digital Micro mirrorDevice，DMD)71以及投影镜头80’。其中，照明装置51用于提供入射光线，其包括至少一个上述任一实施方式的基于荧光粉的多泵浦光源。

数字微镜器件71设置于该入射光线的传递路径上，用于选择性的反射入射光线以产生影像光线(图像光)，即，用于接收并调变该入射光线，反射出影像光线。全内反射棱镜61设置于照明装置51与数字微镜器件71之间，将入射光线导入数字微镜器件71并反射数字微镜器件71出射的影像光线。即，将入射的入射光线和出射的影像光线相分离。投影镜头80’用于接收该数字微镜器件71所出射的影像光线，并将该影像光线投影成影像画面。

因此，本实施方式的投影光学引擎，包括至少一个前述的基于荧光粉的多泵浦光源，出射亮度高的光，通过全内反射棱镜的反射，进入数字微镜器件进行调变，之后，数字微镜器件调制出影像光线(图像光)从投影镜头输出到外部屏幕，系统结构简单，亮度高，生产成本较低，投影显示效果好。

以上所述之具体实施方式为发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，例如，发光芯片为一个或者以阵列方式排列的多个LD芯片。或者微显示面板为透射式液晶面板(Liquid Crystal Display，LCD)，此时，省略偏振分光器，透射式液晶面板设置于照明装置的出射光路上，对入射光进行调制，并透射出携有图像信息的光。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.一种基于荧光粉的多泵浦光源，包括第一泵浦光源模组，第二泵浦光源模组以及二向色镜，所述第一泵浦光源模组出射第一泵浦光，所述第二泵浦光源模组包括出射第二泵浦光的发光芯片和设置在该发光芯片出射光路上的荧光粉层；其特征在于，所述二向色镜引导第一泵浦光射入所述荧光粉层；所述荧光粉层吸收第一泵浦光和第二泵浦光，并激发出荧光，由所述二向色镜出射。

2.根据权利要求1所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述二向色镜倾斜设置于所述第一泵浦光源模组和第二泵浦光源模组的出射光路的交汇处。

3.根据权利要求2所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述二向色镜透射荧光并反射所述第一泵浦光。

4.根据权利要求3所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述第一泵浦光源模组与第二泵浦光源模组垂直设置。

5.根据权利要求3所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述第一泵浦光源模组与第二泵浦光源模组平行设置；所述基于荧光粉的多泵浦光源还包括反射镜，用于反射所述第一泵浦光至所述二向色镜。

6.根据权利要求2所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述二向色镜反射荧光并透射所述第一泵浦光；所述第一泵浦光源模组与第二泵浦光源模组相对设置。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述第一泵浦光的峰值波长与所述第二泵浦光的峰值波长相同或者不同；所述第一泵浦光和第二泵浦光为蓝光、紫外光、红外光中的一种或者其结合。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述荧光粉层所激发的荧光为绿光、红光、黄光中的一种或者其结合。

9.根据权利要求1至6任意一项所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述第一泵浦光源模组包括出射所述第一泵浦光的另一发光芯片；所述出射第二泵浦光的发光芯片、出射第一泵浦光的另一发光芯片为一个或者以阵列方式排列的多个半导体发光芯片；该半导体发光芯片为LED芯片或者LD芯片。

10.一种基于荧光粉的多泵浦光源，包括：

第一发光芯片，其出射第一泵浦光；

第二发光芯片，其出射第二泵浦光；

光源整形镜组，罩住所述第一发光芯片和第二发光芯片，用于收集并整形所接收到的光；

其特征在于，所述第一发光芯片和第二发光芯片以所述光源整形镜组的光轴为中心对称分布设置，且，至少一个发光芯片的出射光路上设置有荧光粉层；

所述基于荧光粉的多泵浦光源还包括设置在所述光源整形镜组的出射光路上的二向色镜，用于引导第一泵浦光射入所述荧光粉层；所述荧光粉层吸收第一泵浦光和第二泵浦光，并激发出荧光，由所述二向色镜出射。

11.根据权利要求10所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述二向色镜垂直所述光源整形镜组的光轴设置，用于透射荧光并反射泵浦光。

12.根据权利要求10所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述第一泵浦光的峰值波长与所述第二泵浦光的峰值波长相同或者不同；所述第一泵浦光和第二泵浦光为蓝光、紫外光、红外光中的一种或者其结合。

13.根据权利要求10所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述荧光粉层所激发的荧光为绿光、红光、黄光中的一种或者其结合。

14.根据权利要求10所述的基于荧光粉的多泵浦光源，其特征在于，所述第一发光芯片、第二发光芯片为一个或者以阵列方式排列的多个半导体发光芯片；该半导体发光芯片为LED芯片或者LD芯片。

15.一种投影光学引擎，包括：

微显示面板，对入射光进行调制，并调制出携有图像信息的图像光；

投影镜头，用于将所述微显示面板上的图像信息投影成像到屏幕上；以及

照明装置，照射所述微显示面板，其特征在于，所述照明装置包括至少一个权利要求1至14中任意一项所述的基于荧光粉的多泵浦光源。

16.根据权利要求15所述的投影光学引擎，其特征在于，所述微显示面板为LCOS，其入射光路上还设置有偏振分光器。

17.根据权利要求15所述的投影光学引擎，其特征在于，所述微显示面板为LCD。

18.一种投影光学引擎，包括：

照明装置，用于提供入射光线，其特征在于，所述照明装置包括至少一个个权利要求1至14中任意一项所述的基于荧光粉的多泵浦光源；

数字微镜器件，选择性的反射所述入射光线以产生影像光线；

全内反射棱镜，设置于所述照明装置与数字微镜器件之间，将入射光线导入所述数字微镜器件并反射所述数字微镜器件出射的影像光线；及

投影镜头，用于接收该数字微镜器件所出射的影像光线，并将该影像光线投影成影像画面。

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