CN103631078A - 发光装置和投影显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种发光装置和投影显示系统，包括发光源，发光源的发光角度范围为A；还包括位于发光源光路后端的光收集装置，用于收集从发光源发出的光；还包括反射装置，用于将从发光源发出的角度范围为B的光反射回发光源，角度范围B在角度范围A内；其中，反射装置位于发光源与光收集装置光路之间，或者位于光收集装置内部，或者位于光收集装置光路后端。在本发明的发光装置中，利用反射装置将原本不能被利用的一定角度范围的光反射回发光源，再被发光源反射散射后最终改变角度从而被利用，有效的提高的光利用效率。

Description

发光装置和投影显示系统

 

技术领域

本发明涉及光源领域，特别是涉及一种发光装置和使用这种发光装置的投影显示系统。

 

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。尤其是绿色LED，更是整个LED光源系统的瓶颈。

 

发明内容

针对上述的问题，本发明提出一种发光装置，包括发光源，发光源的发光角度范围为A；还包括位于发光源光路后端的光收集装置，用于收集从发光源发出的光；还包括反射装置，用于将从发光源发出的角度范围为B的光反射回发光源，角度范围B在角度范围A内；其中，反射装置位于发光源与光收集装置光路之间，或者位于光收集装置内部，或者位于光收集装置光路后端。

本发明还提出一种投影显示系统，包括光阀和上述的发光装置，其中，光阀接收从发光装置发出的光并对其进行调制使其携带图像信息；其中，发光装置中的发光源的被光收集装置接收的光的光学扩展量与光阀的光学扩展量匹配。

在本发明的发光装置中，利用反射装置将原本不能被利用的一定角度范围的光反射回发光源，再被发光源反射散射后最终改变角度从而被利用，有效的提高的光利用效率。

 

附图说明

图1是本发明的发光装置的第一实施例的结构示意图；

图2是本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图3是本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图4是本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图5是本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图6是本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图7是本发明的发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图8是本发明的发光二极管的封装结构的实施例的结构示意图；

图9是本发明的发光二极管的封装结构的另一个实施例的结构示意图。

 

具体实施方式

图1是本发明第一实施例的发光装置的结构示意图。该发光装置包括发光源101和102。其中101为发光二极管芯片，102为覆盖在发光二极管芯片101表面的波长转换层，发光二极管芯片101发出的第一光能够激发该波长转换层102使其发射受激光。受激光为朗伯分布，即发光角度为半角90度。为了收集尽量多的受激光，发光装置还包括位于发光源光路后端的光收集装置。在本实施例中，光收集装置包括透镜103和透镜104，两片透镜组成透镜组来共同达到收集发光源出射的光的目的。

在有些特定的场合，光学扩展量受到限制，因此透镜组只需要收集一定角度范围内的光，例如半角60度内的光，大角度光即使得到收集在后端也很难得到应用。为了提高光收集效率，发光装置还包括位于发光源与光收集装置光路之间的反射装置105，用于将从发光源发出的出射角大于60度的光反射回发光源。例如在图1中，受激光131的出射角小于60度，因此这些光得以直接被透镜103和104收集出射，而受激光132的出射角大于60度，这些光则被反射装置105反射回波长转换层102，并被波长转换层102散射和反射，再次以朗伯光的形式出射，其中又有一部分角度小于60度的光被透镜103和104收集并出射，其它部分则再次被反射装置105反射回波长转换层102，如此反复循环，最终受激光132中的大部分都在波长转换层102的散射和反射作用下得以被透镜103和104收集而出射。

通过设置反射装置105，可以将原本不能被收集利用的光最终被收集利用起来，这有效的提高了发光装置的发光效率。

为了实现将入射的光最大效率的反射回波长转换层102，反射装置105的反射面形状为以发光源为中心的曲面。例如其截面可以是以发光源为中心的圆，这样发光源发出的光大部分能够反射回发光源。而当发光源大尺寸较大时，反射装置的反射面的截面优化的可以是以发光源的两个边缘点为两个焦点的椭圆，这样根据边缘光线理论从发光源两个边缘点以内发出的光都可以被反射回这两个边缘点之间。当然在光学设计上还可以有很多对反射面形状优化的技巧，此处不做赘述。

可以理解，上面描述中角度60度只是一个举例，实际上也可以以其它角度作为收集和反射回波长转换层的分界。甚至，也可以反射小角度的光回波长转换层而使大角度的光被收集并出射。推而广之，若发光源出射的光的角度范围为A，则将其中的角度范围为B的光反射回发光源，角度范围B在角度范围A内，就可以实现本发明的有益效果。

在本实施例中，发光源为表面覆盖有波长转换层的发光二极管芯片；在实际应用中，也可以只使用发光二极管芯片本身。发光二极管芯片本身发光角度也是朗伯分布，当其发出的大角度光被反射装置反射回发光二极管芯片时，这些被反射的光也可以被发光二极管芯片散射和反射。当然，本发明中的发光源也不限于使用发光二极管，也可以使用其它光源。例如，发光源可以为一个波长转换装置，该波长转换装置包括波长转换层；还包括激发源，该激发源发射的激发光入射于波长转换装置的波长转换层并使其发射受激光。在后面的实施例中，均使用表面覆盖有波长转换层的发光二极管芯片作为发光源来举例，但实际上在这些实施例中也可以使用其他发光源。

本发明的另一个实施例的结构示意图如图2所示。与图1所示的发光装置不同的是，图2所示的发光装置还包括激发源207，在本实施例中激发源207为激光光源207。激光光源207发射的激发光233经过准直透镜208准直后出射。该激发光233透射分光装置206和光收集装置后入射于发光二极管芯片表面的波长转换层并使其发射受激光。可以理解，若激发源207的出射光角度足够小，则准直透镜也可以省略。

分光装置206用于将受激光231和激发光233的光路分开以避免受激光入射于激发源207而造成能量损失，因此在本实施例中分光装置206的特性是能够透射激发光233和反射受激光231，具体来说分光装置206是分光滤光片206，该分光滤光片206的设计使得激发光233的光谱透射而受激光231的光谱范围反射。实际上，该分光滤光片206也可以设计成使得激发光233的光谱反射而受激光231的光谱透射，这样可以调整激发源207的位置使得激发光233入射于分光滤光片后被反射并入射于发光源，而发光源发出的光可以透射分光滤光片206从而与激发光233的光路分开。

本实施例中使用了激发源207，激发源207发出的激发光233能够从波长转换层的背向发光二极管芯片的一侧入射并激发波长转换层，因此波长转换层的两面能够同时被激发，发光强度更高。

在图2所示的实施例中，分光装置使用分光滤光片，实际上分光装置还可以使用其它光学元件，下面将以图3和图4所示的两个实施例予以详细说明。

在图3所示的另一个实施例中，与图2所示的实施例不同的是，分光装置306为带孔反射镜，即反射镜306中有一个通孔306a，激发源307发出的激发光333透过通孔306a而入射于波长转换层，波长转换层发出的受激光入射于带孔反射镜306，其中大部分被通孔306a周围的区域反射而与激发光333的光路相分离，只有一小部分受激光透过通孔306a而造成损耗。只要通孔306a的面积相对足够小，则透过通孔306a的受激光的能量就很小。

在图4所示的另一个实施例中，与图2所示的实施例不同的是，分光装置406为小反射镜406，通过改变激发源的位置从而使得激发光433入射于小反射镜406后被反射并入射于波长转换层，而从波长转换层发出的受激光431则大部分从小反射镜406的四周透过，只有一小部分受激光入射于小反射镜而形成损耗。可以理解，只要小反射镜406的尺寸相对足够小，则被小反射镜损耗的受激光很少。

图3和图4所示的实施例是在图2的实施例的基础上对分光装置做了改变，在下面的实施例中，仍然使用图2的实施例作为基础进行改进，但可以理解图3和图4中的分光装置在下面的实施例中显然也可以应用。

在图2至图4所示的实施例中，激发源均为激光光源，其特点是发光光束的发散角小，易于收集，因此只使用一片准直透镜即可。而为了降低成本，激发源也可以使用发光二极管芯片，如图5所示。在图5所示的发光装置中，与图2的发光装置不同的是，激发源为第二发光二极管芯片507。该第二发光二极管芯片507发出的第二光533能够激发波长转换层502并使其发射受激光531。

与图2中的激光激发源不同的是，第二发光二极管芯片507的发光角度为全角，因此需要收集透镜508对第二发光二极管芯片507发出的光做尽量多的收集，例如收集其80度以内的发光。收集后的第二光533透射分光装置后通过透镜504和503后入射于波长转换层502，在入射过程中不能被反射装置505所遮挡。设发光源发出的光中角度范围B内的光被反射装置反射，则为了保证第二光533不被反射装置505所遮挡，第二光533的光学扩展量需要与发光源的发光角度范围B之外的光的光学扩展量相匹配，即与出射的受激光531的光学扩展量相匹配。

从光学扩展量匹配计算的角度，波长转换层502发出的光中只有一部分角度被直接收集，而第二发光二极管芯片507的收集角度更大一些（光收集系统503和504的设计也与收集透镜508的设计有区别），因此第二发光二极管芯片507的尺寸可以比发光二极管芯片501小一些，这样的效率最高。当然这是最为优化的情况，实际中由于受限于市场上现成的发光二极管芯片的尺寸，第二发光二极管芯片的尺寸可能不是最优化的，此时其发射的第二光533的光学扩展量就与直接出射的受激光531不同，可能会存在部分第二光533入射于反射装置505而造成损耗的情况。

在上面的实施例中，均使用了位于发光源和光收集装置光路之间的反射装置。在实际应用中还可以使用其它的反射装置，下面以图6和图7予以详细说明。

在图6所示的发光装置中，反射装置605位于透镜组内部，即透镜603和透镜604之间，其反射面截面为平面反射镜。该平面反射镜所在光路上的位置所对应的光线为发光源的大角度光线632，这部分光线被反射装置605反射后会沿着原光路逆向的回到发光源，最终转化为小角度光线631出射。

在图7所示的发光装置中，与图6的发光装置不同的是，反射装置705位于光收集装置光路后端，其反射面截面为平面反射镜，其在光路上的位置所对应的光线为发光源的大角度光线732，这部分光线被反射装置705反射后会沿着原光路逆向的回到发光源，最终转化为小角度光线731出射。

在图6和图7所示的实施例中，反射装置的位置有所不同，这可以根据实际情况从优选择。反射装置的反射面截面的形状可以是平面的，也可以是曲面的，前者比较便宜而后者反射效果比较好。

本发明还提出一种投影显示系统，包括光阀和上述的发光装置，其中，光阀接收从发光装置发出的光并对其进行调制使其携带图像信息。其中，发光装置中的发光源的被光收集装置接收的光的光学扩展量与光阀的光学扩展量匹配。在整个系统中，光阀为光学扩展量的瓶颈，因此往往发光装置中的发光源的总的光学扩展量比较大。应用分发明的方法，可以提取发光源中与光阀光学扩展量相匹配的部分，并将其它部分通过反射装置反射回发光源进行散射反射和再利用，从而提高了光的利用效率。

本发明还提出一种发光二极管的封装结构，如图8所示。在该发光二极管封装结构中，，包括衬底851和固定在衬底表面的发光二极管。在本实施例中发光二极管为表面覆盖有波长转换层802的发光二极管芯片801，但实际上发光二极管也可以仅为发光二极管芯片801。该发光二极管封装结构中还包括罩在发光二极管上的反射罩805，该反射罩内壁805a为反射面805a，且其中心有通孔852；发光二极管发出的光中的出射角小于特定角度的光得以从反射罩的中心通孔852直接出射，而发光二极管发出的光中出射角大于特定角度的光入射于反射罩的内壁805a而被反射回发光二极管。

为了将入射的光尽量多的反射回发光二极管，反射罩的反射面需要进行设计。常用的设计有两种，第一种是反射罩的反射面为球面的一部分，该球面的球心在发光二极管的发光中心；第二种是反射罩的反射面的过中轴的截线（即为图8中805a所示的曲线）为椭圆的一部分，该椭圆以发光二极管的发光面两个端点802a和802b为椭圆的两个焦点。

在本实施例中，发光二极管芯片801是通过金线801a与衬底上的线路进行电连接的。

利用该发光二极管的封装结构，一方面可以利用反射罩来保护发光二极管免受机械冲击，另一方面，结合前面的实施例的说明可以理解，该封装结构还可以起到将原本不能被利用的发光角度大于特定角度的光反射回发光二极管并经过反射和散射最终得以利用，提高了光利用效率。

在本实施例中，反射罩805的底面固定于所述衬底上，这样在实际组装中最为简便。更为实用的，反射罩底部有定位柱，衬底上有相对应的定位孔，反射罩底部的定位柱插入衬底上的定位孔来为反射罩定位。这样的好处在于可以方便的精确定位反射罩的位置。

图9所示的发光二极管的封装结构为另一个实施例，与图8所示的实施例不同的是，该实施例中还包括固定于反射罩905的中心通孔上的透明窗口903。具体来说在本实施例中，该透明窗口903为透镜903，用于收集发光二极管发出的光中出射角小于特定角度的光。这样可以实现最为紧凑的透镜组装。在图9中透镜903为双凸透镜，这并不构成对本发明的限制，在实际应用中可以使用其他种类的透镜。当然实际应用中，透明窗口也可以是透明玻璃平片或者透明塑料平片。

本发明还提出一种发光装置，包括上述的发光二极管封装结构。

本发明还提出一种发光装置，包括红色、绿色和蓝色三种发光二极管光源，其中至少一种颜色的光源使用了上述的发光二极管封装结构。

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：

包括发光源，发光源的发光角度范围为A；还包括位于发光源光路后端的光收集装置，用于收集从发光源发出的光；

还包括反射装置，用于将从发光源发出的角度范围为B的光反射回发光源，角度范围B在角度范围A内；其中，反射装置位于发光源与光收集装置光路之间，或者位于光收集装置内部，或者位于光收集装置光路后端。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述发光源为第一发光二极管芯片。

3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，所述第一发光二极管芯片表面覆盖有波长转换层，第一发光二极管芯片发出的第一光能够激发该波长转换层使其发射受激光。

4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，还包括激发源，该激发源发射的激发光入射于发光二极管芯片表面的波长转换层并使其发射受激光。

5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述激发源为第二发光二极管芯片，第二发光二极管芯片所发出的的第二光能够激发该波长转换层使其发射受激光；第二光的光学扩展量与发光源的角度范围B之外的光的光学扩展量相匹配。

6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述发光源为波长转换装置，波长转换装置包括波长转换层；还包括激发源，该激发源发射的激发光入射于波长转换装置的波长转换层并使其发射受激光。

7.根据权利要求3至6中所述的发光装置，其特征在于，还包括位于激发源与光收集装置光路之间的分光装置，用于将激发源发出的激发光的光路与波长转换层发出的受激光的光路分开，避免受激光入射于激发源。

8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，角度范围B为角度范围A内的大角度范围。

9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于；

反射装置位于发光源与光收集装置光路之间；反射装置的反射面形状为以发光源为中心的曲面；或者，

光收集装置为透镜组，反射装置位于该透镜组内部，其反射面截面为平面或曲面的反射镜，其在光路上的位置所对应的光线为发光源的角度范围B内的光线；或者，

反射装置位于光收集装置光路后端，其反射面截面为平面或曲面的反射镜，其在光路上的位置所对应的光线为发光源的角度范围B内的光线。

10.一种投影显示系统，其特征在于，包括光阀和根据权利要求1至9中任一项所述的发光装置，其中，光阀接收从发光装置发出的光并对其进行调制使其携带图像信息；其中，发光装置中的发光源的被光收集装置接收的光的光学扩展量与光阀的光学扩展量匹配。

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