CN103631020A - 发光装置、受激发光装置和投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种发光装置、受激发光装置和投影显示装置，包括用于发射第一光的第一发光源和用于发射第二光的第二发光源；还包括波长合光装置，该波长合光装置包括分光滤光膜，第一光和第二光分别以不同的第一入射角和第二入射角入射于该分光滤光膜；其中，分光滤光膜的光谱特性与入射角有关：对以第一入射角入射的光线分光滤光膜的光谱特性为透射第一光的至少部分光谱能量，对以第二入射角入射的光线分光滤光膜的光谱特性为反射第二光的至少部分光谱能量。利用分光滤光膜的对不同入射角的光的响应不同的特点再配合适当的膜系设计，分光滤光膜仍然能够透射第一光同时反射第二光来实现波长合光，并因此而提升了发光装置出射光的亮度。

Description

发光装置、受激发光装置和投影显示装置

 

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种发光装置、受激发光装置和投影显示装置。

 

背景技术

投影显示技术目前发展迅速，其中发光二极管（LED）光源作为一种新型的光源已经在投影显示技术中得到了广泛的应用。然而目前的主要问题在于LED光源的亮度不足。例如对于一定尺寸的光阀来说，其光学扩展量已经确定了，即LED的数量被限定了，而单颗LED的亮度不足就直接导致了入射于光阀的光通量不足。

要在不增加光学扩展量的前提下增加LED光源的亮度，可以使用波长合光的方法。然而，同一种颜色的LED的波长几乎相同，波长合光不能发挥作用。

 

发明内容

针对上述的问题，本发明提出一种发光装置，包括用于发射第一光的第一发光源和用于发射第二光的第二发光源，第一光和第二光的光谱有交叠；还包括波长合光装置，该波长合光装置包括分光滤光膜，第一光和第二光分别以不同的第一入射角和第二入射角入射于该分光滤光膜，该分光滤光膜透射至少部分第一光且反射至少部分第二光使得被透射的第一光和被反射的第二光在波长合光装置的光路后端合为一束；其中，分光滤光膜的光谱特性与入射角有关：对以第一入射角入射的光线分光滤光膜的光谱特性为透射第一光的至少部分光谱能量，对以第二入射角入射的光线分光滤光膜的光谱特性为反射第二光的至少部分光谱能量。

本发明还提出一种受激发光装置，包括波长转换装置，还包括上述的发光装置，该发光装置发射的激发光激发波长转换装置发光。

本发明还提出一种投影显示装置，包括上述的发光装置，还包括光阀和投影镜头，该发光装置发出的光入射于光阀并被其调制得到图像光，该图像光被投影镜头投射出来形成图像。

本发明还提出一种投影显示装置，包括上述的受激发光装置，还包括光阀和投影镜头，受激发光装置发出的光入射于光阀并被其调制得到图像光，该图像光被投影镜头投射出来形成图像。

第一发光源和第二发光源发出的第一光和第二光分别以不同的第一入射角和第二入射角入射于分光滤光膜，利用分光滤光膜的对不同入射角的光的响应不同的特点再配合适当的膜系设计，使得虽然第一光和第二光的光谱有交叠，分光滤光膜仍然能够透射第一光同时反射第二光来实现波长合光，并因此而提升了发光装置出射光的亮度。

 

附图说明

图1a是LED光源在使用中的工作原理；

图1b是图1a中的光源的发光角分布；

图2a是本发明第一实施例的发光装置的光学结构示意图；

图2b是图2a实施例中发光装置的发光角分布示意图；

图2c是图2a实施例中发光装置的发光角分布的另一种可能的示意图；

图3是图2a实施例中的光谱和分光滤光膜的滤光曲线示意图；

图4是图2a实施例中的光谱和分光滤光膜的滤光曲线的另一种可能的示意图；

图5是图2a实施例中的光谱和分光滤光膜的滤光曲线的另一种可能的示意图；

图6是本发明另一个实施例中的发光装置的光学结构示意图；

图7是本发明另一个实施例中的发光装置的光学结构示意图；

图8是图7所示的实施例中的光谱和分光滤光膜的滤光曲线示意图。

 

具体实施方式

在描述本发明第一实施例之前，首先解释一下LED光源在使用中的工作原理。LED光源在使用中的光学结构一般如图1a所示，LED光源101发出的光需要经过一个收集透镜111收集并准直形成出射光束。LED光源与透镜111是共轴的，也就是LED光源的光轴与透镜111的光轴为同一条，该光轴在图1a中表示为点划线A。

从光学的角度来说，由于LED光源不是理想的点光源，因此从透镜111出射的光束也不可能是理想的平行光束，它必然有一个发散角。具体来说，取LED光源发光面上101a和101b两个边缘点，其中101a点上发出的光线经过透镜111后形成近似平行的光束131，而101b点上发出的光线经过透镜111后形成近似平行的光束132，这两束光的出射角度就是从透镜出射的光束的最大角度，也就是说这两束光束决定了从透镜111出射的光束的发散角的范围。该光束的角分布如图1b所示。图1b中的横坐标为从透镜111出射的光束的出射角，纵坐标为光强，横坐标的零点代表了出射角为零即光线沿着光轴出射。可见，由于LED光源101与透镜111是共轴的，LED光源101被光轴分割的上下两部分发射的光束经过透镜111后分别向下和向上偏，使得出射光束具有对称的角分布。当然可以理解，这种结构并不限于LED光源，也可以应用于其它光源。

本发明的第一实施例的结构示意图如图2a所示。本发明提出一种发光装置，包括用于发射第一光的第一发光源201和用于发射第二光的第二发光源202，在本实施例中第一光和第二光的光谱相同。简单来说，第一发光源201和第二发光源202是相同的光源，例如都是红色LED光源。

本实施例中的发光装置还包括第一光收集元件211和第二光收集元件212，具体来说在本实施例中第一光收集元件211是收集透镜211，用于收集和准直从第一发光源201发出的第一光，而第二光收集元件212是收集透镜212，用于收集和准直从第二发光源202发出的第二光。收集透镜211的光轴在图2a中表示为点划线A。在本实施例中，与图1a所示的发光装置不同的是，第一发光源201与收集透镜211不是共轴的，即第一发光源201的中心不在收集透镜211的光轴上，而是第二发光源201紧靠收集透镜211的光轴为位于该光轴的一侧（上侧）。根据几何光学的原理可知这会使得从收集透镜211出射的光不再具有对称的角分布，而是向收集透镜的光轴的另一个方向（下侧）偏斜。

下面结合图2a以第一发光源201和收集透镜211做具体的说明。考察第一发光源201上的边缘的两个点201a和201b发出的光，其中点201b在光轴上，其发出的所有光经过收集透镜211的收集和准直后形成沿着光轴出射的平行光束232，而点201a在光轴外，其发出的所有光经过收集透镜211的收集和准直后形成向下偏斜出射的平行光束231。平行光束231和232决定了从收集透镜211出射的光束的发散角的范围。在下文中，以光束231和232来代表第一光。

同样的道理，第二发光源202位于收集透镜212的光轴的左侧，从收集透镜212出射的光束的发散角的范围由平行光束233和234决定。在下文中，以光束233和234来代表第二光。

发光装置还包括波长合光装置213，在本实施例中，波长合光装置213是分光滤光片213，分光滤光片213包括分光滤光膜。第一光中的平行光束232以45度的入射角入射于分光滤光膜，而平行光束231的入射角小于45度，例如，平行光束231以35度的入射角入射于分光滤光膜。同时，第二光中的平行光束234以45度的入射角入射于分光滤光膜，而平行光束233的入射角大于45度，例如，平行光束233以55度的入射角入射于分光滤光膜。

可见在本实施例中，由于第一发光源201和第二发光源202分别与收集透镜211和收集透镜212不共轴，使得第一光和第二光入射于分光滤光膜的入射角不同。设第一光入射于分光滤光膜的入射角为第一入射角，第二光入射于分光滤光膜的入射角为第二入射角，则在本实施例中，优选的，第一入射角与第二入射角的角度范围关于45度对称，例如第一入射角为35至45度，第二入射角为45至55度。这样的好处在于第一光和第二光在波长合光装置213的光路后端将具有对称的角分布。

分光滤光膜的光谱特性与入射角有关，这是分光滤光膜本身特有的属性，即随着入射角度的增大其滤光曲线向短波长漂移。正式利用这样的规律，通过合理的设计可以实现对相同光谱的第一光和第二光的波长合光。图3是这样的分光滤光片的设计的一种举例。图3中的横坐标是波长，曲线301表示了第一光和第二光的光谱，而曲线313-35为分光滤光膜在入射角为35度时的滤光曲线，曲线313-45和曲线313-55则分别为分光滤光膜在入射角为45度和55度时的滤光曲线，纵坐标表示透过率；可见随着入射角的增大，滤光曲线大致是形状不变的向短波长漂移。该滤光曲线可以通过现有的膜系技术技术得到，其设计过程此处不赘述。

下面结合图2a和图3来说明本实施例的工作原理。根据上面的说明可知，第一发光源201发出的第一光（231和232）入射于分光滤光膜的第一入射角为35度至45度，在图3中可见在该角度范围内第一光的光谱301的绝大部分光谱能量处于透射区，因此大部分第一光透射分光滤光膜；同时第二发光源202发出的第二光（233和234）入射于分光滤光膜的第二入射角为45度至55度，在图3中可见在45度时第二光的光谱301的绝大部分光谱能量透射，而随着入射角的增大第二光的光谱301的光谱能量逐渐开始反射，当入射角为55度时第二光的绝大部分光谱能量处于反射区，因此有相当一部分第二光分光滤光膜被反射。

至此，分光滤光膜透射至少部分第一光且反射至少部分第二光，被透射的第一光和被反射的第二光在分光滤光片213的光路后端合为一束。该束光可能具有与图1b相同的对称的光分布，如图2b所示（横坐标为出射角，纵坐标为光强），然而与图1b中的光分布不同的是，图2b中的光分布是由两部分组成的，分布区域252主要由第二发光源202贡献，而区域251主要由第一发光源201贡献。

这样，第一发光源和第二发光源发出的第一光和第二光分别以不同的第一入射角和第二入射角入射于分光滤光膜，利用分光滤光膜的对不同入射角的光的响应不同的特点再配合适当的膜系设计，使得虽然第一光和第二光的光谱相重叠，分光滤光膜仍然能够透射第一光同时反射第二光来实现波长合光，并因此而提升了发光装置出射光的亮度。

在本实施例中，虽然第一发光源和第二发光源均使用了光收集元件来收集和准直各自发出的光，但是在实际应用中第一发光源或第二发光源可能本身就具有准直的出射光，例如在下面的实施例中使用的激光，在这种情况下光收集元件可以被省略。

在本发明的所有列举的实施例中，波长合光装置都使用分光滤光片来举例。而实际上也可以是其它的形式，例如分光棱镜等。实际上本发明对此并不做限制，因为只要使用分光滤光膜作为将第一光和第二光合光的方式就能够具有本发明上面所描述的工作原理和有益效果。

在本实施例中，如图2b所示，第一光所形成的光分布与第二光所形成的光分布彼此很少重叠，这是因为，第一光的第一入射角与第二光的第二入射角之间几乎没有重叠。其好处在于由于第一入射角和第二入射角保持了足够大的差异才能使得分光滤光膜的曲线在这两个不同的角度范围上有足够大的差异从而保证了对于第一光和第二光分别透射和反射的效率。而在实际应用中，如图2c所示，第一光所形成的光分布253与第二光所形成的光分布254是可以相互交叠的，此时第一光的第一入射角与第二光的第二入射角之间也可能存在相互交叠。这并不难实现，例如在图2a中，将第一发光源201向收集透镜211的光轴方向移动，就可以使得第一光入射于分光滤光膜的第一入射角变大，例如由35度至45度变成37度至47度；同时，将第二发光源202向收集透镜212的光轴方向移动，就可以使得第二光入射于分光滤光膜的第二入射角变小，例如由45度至55度变成43度至53度，这样第一入射角和第二入射角就出现了从43度到47度的交叠。这样的交叠可能会产生合光效率下降的问题，但是在有些特定的场合是有用的，例如实现特定范围的光分布。例如，根据前面的例子容易算出，图2b的光分布的范围为-10度至+10度，而图2c的光分布的范围是-8度至+8度，可见角分布范围被压窄了。

在本实施例中，第一光和第二光的光谱完全相同。而实际上第一光和第二光即使颜色相同但光谱仍然可能存在差异，而利用这种差异可以进一步的提升波长合光效率。如图4所示，其中401和402分别表示了第一光和第二光的光谱，而曲线413-35、413-45和413-55分别表示了分光滤光膜在入射角为35度、45度和55度下的滤光曲线，纵坐标为透过率，且仍然使用图2a的发光装置的结构示意图。

第一光和第二光的光谱不重合但是必然存在交叠，因为只有这样才可能保证其颜色相近。例如红色LED和琥珀色LED，看起来颜色接近，而起光谱的峰值波长相差6至12nm。在这种情况下，合理的设计分光滤光膜可以实现高效率的波长合光。仍使用图2a的举例，第一光401以35度至45度的第一入射角入射于分光滤光膜，从图4中可以看出第一光的绝大部分光谱能量均处于的光谱范围，因此第一光的绝大部分光谱能量将透射分光滤光膜，而同时第二光402以45度至55度的第二入射角入射于分光滤光膜，由于第二光光谱相对于第一光光谱的波长更长，而分光滤光膜的滤光曲线由于入射角增大而向短波长漂移，这两个变化同时作用的结果就是第二光的绝大部分光谱能量落在了分光滤光膜45至55度的滤光曲线的反射波长范围，因此第二光的大部分光谱能量会被分光滤光膜反射。这样透射的大部分第一光和反射的大部分第二光就在分光滤光片上实现了合光并在其光路后端合为一束出射。

在图3和图4所示的两个实施例中，都是第一光的入射角较小而第二光的入射角较大，实际上也可以第一光的入射角较大而第二光的入射角较小，下面以图5作为举例来详细说明。仍然使用图2a的发光装置的光学结构，而图5中曲线501和502分别表示了第一光和第二光的光谱，曲线513-35、513-45和513-55分别表示了分光滤光膜在入射角为35度、45度和55度下的滤光曲线，纵坐标为透过率。与图3和图4中的低通的分光滤光膜不同的是，图5中的分光滤光膜采用了高通的设计。

在本实施例中，第一光501以45度至55度的入射角入射于分光滤光膜，可以看出第一光的绝大部分能量都会透射分光滤光膜，而第二光502以35度至45度的入射角入射于分光滤光膜，由于第二光的光谱比第一光光谱的波长短，同时第二光的入射角较小使得分光滤光膜对于第二光来说滤光曲线向长波长漂移，这两个变化同时起作用的结果是第二光的大部分光谱能量会被分光滤光膜反射，这样透射的大部分第一光和反射的大部分第二光就在分光滤光片上实现了合光并在其光路后端合为一束出射。

结合图4至图5的实施例可以总结出这样的规律，若第一光和第二光的光谱的峰值波长不同，则优选的，峰值波长较大的光的入射角较大，峰值波长较小的光的入射角较小，此时的合光效率较高。例如图4中，第二光402的峰值波长比第一光401的峰值波长大，因此其第二入射角大于第一入射角，而在图5中，第一光501的峰值波长比第二光502的峰值波长大，因此其第一入射角大于第二入射角。至于将哪个波长的光定义为第一光并不重要，在本发明中，实际上是将透射分光滤光膜的光定义为第一光，将被分光滤光膜反射的光定义为第二光的。

上面的实施例的说明中国均使用了图2a的发光装置的结构示意图，下面的实施例将使用另一个发光装置的结构示意图，如图6所示。图2a的发光装置中是通过控制第一发光源和/或第二发光源偏离其对应的光收集元件的光轴来实现对第一入射角和第二入射角的控制的，与之不同的是，在图6所示的实施例中，采用了将第一发光源及其光收集元件整体旋转来控制第一入射角、将第二发光源及其光收集元件整体旋转来控制第二入射角的方法。

在本实施例中，第一发光源601与其对应的光收集元件是共光轴的，即共有光轴A。第一发光源601发光面上边缘的两点601a和601b发出的光经过光收集元件准直后分别为光束631和632，光束631和632决定了第一光的角度范围。光束631相对于光轴A向下偏，光束632相对于光轴A向上偏，因此第一光相对于光轴A的对称分布的。而同时，相对于图2a，第一发光源及其光收集元件整体的顺时针旋转一个角度，例如10度，这使得光轴A也顺时针偏转10度，此时光束632以大致45度入射于分光滤光片，光束631以小于45度的角度（例如35度）入射于分光滤光片，这样也就实现了对第一光入射于分光滤光膜的第一入射角的控制。同样道理，也可以控制第二光入射于分光滤光膜的第二入射角，例如控制第二入射角为45度至55度。相对于图2a所示的实施例，图6的发光装置中由于发光源与其光收集元件共光轴因此收集效率相对高一些。

在上述实施例中，第一光和第二光具有形状相似的光谱，但实际上本发明的方法还可以用于将相同颜色的LED光源和激光光源进行合光，这在下一个实施例中将进行详细描述。图7是本发明另一个实施例的发光装置的光学结构示意图。其中第一发光装置701及其光收集元件以及其工作原理均与图2a中相同，此处不再重复描述。第一发光装置701发出的第一光以第一入射角入射于分光滤光片713上的分光滤光膜。在本实施例中第一入射角例如为35度至45度。与图2a的实施例不同的是，第二发光源为激光光源702，激光光源702发出的第二光733以第二入射角入射于分光滤光片713上的分光滤光膜。由于激光的发散角很小，因此光束733本身近似于一条光线，其第二入射角可以相对集中于某一个角度附近，例如为55度。

图8为本实施例中的第一光和第二光的光谱以及分光滤光膜对各入射角的滤光曲线。其中，曲线801和802分别是第一光和第二光的光谱，可以看出第二光的激光光谱的宽度小于第一光LED光源的光谱宽度。而曲线813-35、813-45和813-55分别为分光滤光膜在入射角为35度、45度和55度下的滤光曲线，纵坐标为透过率。可见，对于第一光801来说，在其入射角范围内其光谱位于分光滤光膜的透射光谱范围，因此第一光801的绝大部分光谱能量会透过分光滤光片，而第二光802在45度的入射角下会被分光滤光膜反射从而与透射的第一光合为一束。

图4和图5中，第一光和第二光的峰值波长不同，利用这一点与分光滤光膜的合理配合可以实现高效率的波长合光；与图4和图5所示的实施例不同的是，本实施例中第一光和第二光的峰值波长几乎相同，但是由于其光谱宽度有显著的差别，从而也能够利用本发明的原理，配合分光滤光膜的合理设计实现高效率的合光。

本发明还提出一种受激发光装置，包括波长转换装置，还包括上述的发光装置，该发光装置发射的激发光激发波长转换装置发光。其中波长转换装置可能包含荧光粉层，例如涂覆于一个反射衬底的荧光粉层，激发光入射于荧光粉层上激发荧光粉发射受激光。反射沉底优选的为导热衬底，可以帮助荧光粉层散热。

本发明还提出一种投影显示装置，包括上述的发光装置，还包括光阀和投影镜头，发光装置发出的光入射于光阀并被其调制得到图像光，该图像光被投影镜头投射出来形成图像。

本发明还包括一种投影显示装置，包括上述的受激发光装置，还包括光阀和投影镜头，受激发光装置发出的光入射于光阀并被其调制得到图像光，该图像光被投影镜头投射出来形成图像。

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。

Claims (10)

1.一种发光装置，其特征在于：

包括用于发射第一光的第一发光源和用于发射第二光的第二发光源，第一光和第二光的光谱有交叠；

还包括波长合光装置，该波长合光装置包括分光滤光膜，第一光和第二光分别以不同的第一入射角和第二入射角入射于该分光滤光膜，该分光滤光膜透射至少部分第一光且反射至少部分第二光使得被透射的第一光和被反射的第二光在波长合光装置的光路后端合为一束；

其中，分光滤光膜的光谱特性与入射角有关：对以第一入射角入射的光线分光滤光膜的光谱特性为透射第一光的至少部分光谱能量，对以第二入射角入射的光线分光滤光膜的光谱特性为反射第二光的至少部分光谱能量。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，第一入射角和第二入射角的角度范围关于45度对称。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，还包括用于收集和准直第一光的第一光收集元件，和/或包括用于收集和准直第二光的第二光收集元件。

4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，所述第一发光源的中心不在第一光收集元件的光轴上以实现对第一入射角的控制，和/或第二发光源的中心不在第二光收集元件的光轴上以实现对第二入射角的控制。

5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，第一光和第二光的峰值波长不同。

6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，第一光的峰值波长比第二光的峰值波长大，且第一入射角大于第二入射角；或者，第一光的峰值波长比第二光的峰值波长小，且第一入射角小于第二入射角。

7.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述第一发光源是发光二极管光源且第二发光源是激光光源，或第一发光源是激光光源且第二发光源是发光二极管光源。

8.一种受激发光装置，其特征在于，包括波长转换装置，还包括权利要求1至7中任一项所述的发光装置，该发光装置发射的激发光激发波长转换装置发光。

9.一种投影显示装置，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的发光装置，还包括光阀和投影镜头，所述发光装置发出的光入射于光阀并被其调制得到图像光，该图像光被投影镜头投射出来形成图像。

10.一种投影显示装置，其特征在于，包括权利要求8所述的受激发光装置，还包括光阀和投影镜头，所述受激发光装置发出的光入射于光阀并被其调制得到图像光，该图像光被投影镜头投射出来形成图像。

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