CN103645596A - 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，包括发光二极管芯片，该发光二极管芯片表面覆盖有波长转换层，发光二极管芯片发出的第一光能够激发该波长转换涂层使其发射受激光；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。在本发明的发光装置中，由于波长转换层的两侧分别被发光二极管芯片和激发源发出的光激发，因此激发能量更高，因此亮度更高。

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，包括发光二极管芯片，该发光二极管芯片表面覆盖有波长转换层，发光二极管芯片发出的第一光能够激发该波长转换涂层使其发射受激光；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。

本发明还提出一种投影显示系统，包括光阀和上述的光源，其中，光阀接收从光源发出的光并对其进行调制使其携带图像信息。

在本发明的发光装置中，由于波长转换层的两侧分别被发光二极管芯片和激发源发出的光激发，因此激发能量更高，因此亮度更高。

 

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和图8是激光二极管光源发出的激发光入射于波长转换层所形成的光斑的示意图；

图9和图10是两种发光二极管芯片、波长转换层和透明导热片的封装结构的举例；

图11是激发光入射于波长转换层的有效区的示意图。

 

具体实施方式

图1是本发明第一实施例的结构示意图。如图1所示，本发明提出一种发光装置，包括发光二极管芯片101，该发光二极管芯片101表面覆盖有波长转换层102，发光二极管芯片101发出的第一光能够激发该波长转换涂层102使其发射受激光132。具体来说，在本实施例中，发光二极管芯片发射的第一光为蓝光，波长转换层中包含有黄色或黄绿色或绿色波长转换材料，这样波长转换层就能够吸收第一光并发射黄光或黄绿光或绿光。优选的，波长转换层中包含有YAG体系的荧光材料（例如荧光粉）。在实际应用中，发光二极管芯片也可以发射紫外光或紫色光或者其它波长的光，而波长转换层受激发射的光的颜色也并不做限制。

本实施例的发光装置还包括激发源103，该激发源103发射的激发光133入射于发光二极管芯片表面的波长转换层102并使其发射受激光132。在本实施例中，具体来说激发源103为激光二极管光源103。优选的，为了提高激光二极管光源发出的激光133的效率，本实施例的发光装置还包括准直透镜113，用于收集并准直激光二极管光源103发出的激光。激发源103使用激光二极管光源的好处在于，激光二极管光源光束的准直性较好，光束比较容易控制，收集效率比较高，而缺点在于激光二极管的成本比较高。在实际应用中，激发源103也可以使用发光二极管（LED）光源，此时就需要使用透镜或其它光学元件将发光二极管光源的光收集起来并投射到波长转换层102表面，最佳的方式是在波长转换层表面形成发光二极管光源发光面的像。

在本实施例的发光装置中，还包括位于发光二极管芯片101光路后端的光收集装置，用于收集从发光二极管芯片表面的波长转换层102发出的受激光132。在本实施例中，光收集装置包括第一透镜111和第二透镜112，两片透镜组成的透镜组共同实现对波长转换层102发出的光132的收集和准直作用，其好处在于使用两片透镜可以较好的修正球差。激发源发出的激发光133经过光收集装置111和112入射于波长转换层102背对发光二极管芯片101的一面。

发光装置还包括位于激发源103与光收集装置111和112光路之间的分光装置114，用于将激发源发出的激发光133的光路与波长转换层发出的受激光132的光路分开，避免受激光132入射于激发源103。具体来说，在本实施例中，分光装置114为透射激发光133同时反射受激光132的分光滤光片114，激发光133透射该分光滤光片114后入射于波长转换层，而波长转换层发出的受激光132经过光收集装置111和112收集后沿着激发光133的光路反向的出射，并且在入射于分光滤光片114后被反射从而从激发光133的光路中脱离出来避免了入射于激发源103。在实际应用中，分光滤光片也可以反射激发光同时透射受激光，这样只要重新设置激发源103的位置使得激发光光路与受激光光路对调即可，同样可以实现将两者光路分离的作用。

在本实施例中，由于波长转换层102的两侧分别被发光二极管芯片101和激发源103发出的光激发，因此激发能量更高，因此亮度更高。同时，发光二极管芯片101是热的良导体，它还可以为波长转换层102散热从而提升波长转换层102的发光效率。

在本实施例中，光收集装置111和112在起到收集和准直受激光132的同时，还起到了引导激发光133入射于波长转换层102的作用，也正因为如此，激发光133和受激光132在光收集装置111和112处的光路必然是重合的，因此也就需要分光装置114将二者的光路分开。这是最常用的光学结构，其好处在于光学布局规整简明；但是在实际应用中，也可以不实用光收集装置来引导激发光133，例如使得激发光133直接以较大的角度入射于波长转换层表面，这样同样可以实现波长转换层102两个表面同时被激发从而实现高亮度光输出，此时分光装置就可以省略了。

在本实施例中，优选的，发光二极管芯片表面镀有滤光膜，该滤光膜透射第一光同时反射受激光。由于波长转换层发出的受激光是各向同性发射的，因此必然有相当一部分受激光会面向发光二极管芯片发射。滤光膜的设置可以反射这部分受激光使其从波长转换层的另一面出射从而提高效率。当然，即使没有滤光膜，由于发光二极管芯片内部存在发射层，因此入射于发光二极管芯片内部的受激光大部分仍会被反射出来，但其反射率一般低于滤光膜的反射率。

在图1所示的实施例中，分光装置采用分光滤光片，实际上还可以采用其它类型的分光装置来达到相同的区分光路的目的，如图2和图3所示。

在图2所示的发光装置中，与图1所示的发光装置不同的是，分光装置变成了带孔的反射镜214，即反射镜中间有小孔214a。激发源发出的激发光透射小孔214a并经过光收集装置入射于波长转换层，而波长转换层发出的受激光中的大部分会在小孔214a周围的反射区域反射从而与激发光的光路分开，只有很少的受激光会透过小孔214入射于激发源上。

在图3所示的发光装置中，与图1所示的发光装置不同的是，分光装置变成了小反射镜314，激发源发出的激发光入射于小反射镜314上并被反射至波长转换层，而波长转换层发出的受激光332中的大部分会从小反射镜周围的空间穿过从而与激发光的光路相分离，只有很少的受激光332会入射于小反射镜并被其反射至激发源。

图2和图3的实施例是图1的实施例的两个变形。在下文的说明中不做特殊说明的都在图1所示的实施例基础上进行进一步的描述，但下文中所描述的技术特征同样适用于图2和图3的实施例。

图4表示了本发明又一个实施例的结构示意图。与图1所示的实施例不同的是，在本实施例中，还包括位于波长转换层与光收集装置光路之间的反射装置415，该反射装置415用于将从波长转换层发出的角度大于特定出射角的光434（大角度光）反射回波长转换层。相对于图1所示的实施例，本实施例的好处在于，可以将不能被利用的或者利用效率很低的大角度光434反射回波长转换层，并经过波长转换层的散射和反射再出射出来，其中部分光变成小角度光从而经过光收集装置的收集而出射，其余大角度光再次被反射回波长转换层，往复循环直到大部分光都从小角度出射形成出射的受激光432，从而提高了效率。

在实际应用中，特定出射角往往由以下一些因素决定。第一，从波长转换层发出的大于65度的光被光收集装置收集利用的效率很低；第二，发光装置后端的光学系统限制了发光装置的光学扩展量，从而限制了波长转换层的发光角度。一般来说，特定出射角大于60度，但这并不构成限制。

在本实施例中，反射装置434为以波长转换层发光中心为圆心的球面，它大致可以将从波长转换层发出的光再反射回波长转换层。球面的好处在于容易加工、成本低。效果更为理想的，反射装置434为以波长转换层的发光区域两个端点为焦点的椭球面，这样可以实现从发光区域一个端点发出的光经过反射装置434反射后能够回到波长转换层发光区域的另一个焦点，根据边缘光线理论，这样最大程度的保证了从波长转换层的发光区域的每一个点发出的光都能够回到波长转换层的发光区域里。

在图4所示的实施例中，使用了位于波长转换层与光收集装置光路之间的反射装置415，实际上反射装置还可以位于光收集装置内部和光收集装置的光路后端，下面分别以图5和图6予以详细说明。

图5所示的实施例与图4的实施例不同的是，反射装置515位于光收集装置的内部，即位于透镜511和512的光路之间。大角度的受激光534经过透镜511的收集后位于光束的外围，反射装置515被设置于覆盖该光束的外围并将这部分光反射回去并使其再次入射于波长转换层。而图6所示的实施例与图4的实施例不同的是，反射装置615位于光收集装置的光路后端，大角度的受激光634经过光收集装置的收集后位于光束的外围，反射装置615被设置于覆盖该光束的外围并将这部分光反射回去并使其再次入射于波长转换层。相对于图4的实施例，图5和图6的实施例的好处在于反射装置相对比较大，调节比较方便，但缺点在于反射装置515和615能够反射的受激光比图4的实施例中反射装置415反射的受激光要少。在图5和图6的实施例中，反射装置515和615的截面不一定为直线，也可能为曲线，其设计原则在于将入射到其表面的受激光尽量多的反射回波长转换层。该设计方法为现有技术，此处不需要赘述。

在上述实施例中都是用了激光二极管光源作为激发源，同时使用准直透镜来收集和准直其发出的激发光。激光二极管光源的特点在于发光点极小，仅为几个至几十个微米，因此若将其放置于准直透镜的焦点处，在准直透镜的光路后端一定可以形成发散角很小的光束。该光束经过光收集装置后会聚焦于波长转换层形成很小的光斑，如图7所示。

图7中表示了发光二极管芯片701和其表面的波长转换层702的俯视图。图中实线701a表示了发光二极管芯片701上的金线，该金线用于为发光二极管芯片701供电。金线可能为一条或多条（图中表示了4条）。图中的小圆形区域733a表示了当激光二极管光源的发光点位于准直透镜的焦点时，激发光入射于波长转换层形成的光斑。在这种情况下，由于光斑733a的面积很小因此激发光功率密度很大，这可能造成波长转换层的被激发局部过热从而造成效率的下降。一个简单的解决方法是，设置激光二极管光源的发光点与准直透镜的焦点存在一个偏移，使得激发光入射于波长转换层所形成的光斑大于当激光二极管光源的发光点位于准直透镜的焦点时激发光入射于波长转换层所形成的光斑。例如在图7中，当激光二极管光源相对于准直透镜离焦时，激发光在波长转换层上的光斑大致如长条椭圆形733b所示，离焦越多该光斑733b越长。当然需要控制该光斑的长度不要超出波长转换层的大小范围为效率最佳。当激发光入射于波长转换层的光斑如733b所示时，其局部光功率密度相较于光斑733a要小得多，因此效率有明显提升。

在实际应用中，要想扩大激发光入射于波长转换层表面的光斑还有其它的办法。例如，发光装置还包括位于准直透镜光路后端的整形光学元件，用于对激光光束进行整形使得其入射于波长转换层表面所形成的光斑为预定的形状。整形光学元件可以是衍射光学元件(DOE)，也可以是复眼透镜阵列。举例来说，复眼透镜阵列中每一个小复眼单元均为长宽比为16：9的长方形，这样激发光入射于波长转换层的表面后也会形成一个均匀的长宽比为16：9的长方形光斑，如图8中的光斑833所示。

本发明的核心思想在于使得发光二极管芯片表面的波长转换层的两个面能够同时被激发从而实现高亮度的光输出，这会带来一个问题。定义波长转换层贴附于发光二极管芯片的一面为第一面，与其相对的一面为第二面。当波长转换层只被发光二极管芯片发出的第一光激发时，第一光从波长转换层的第一面入射，并在波长转换层内部逐渐被吸收，因此波长转换层的第一面所承受的激发光光强最大，第二面所承受的激发光光强最小，进而波长转换层的第一面所产生的热量最多。这部分热量可以直接经过发光二极管芯片散失掉。而波长转换层被从激发源发出的激发光激发时，相反的，波长转换层的第二面为激发光功率最大的面，因此第二面产生的热量最大，这部分热量必须经过波长转换层自身的传导才能到达发光二极管芯片。由于波长转换层一般导热性不佳，因此其第二面产生的热的散热效果不会很好，热量容易在波长转换层的第二面累积从而降低波长转换层的发光效率。

为了解决这个问题，可以在波长转换层的第二面上覆盖一块透明导热片。如图9所示。图9表示了发光二极管芯片901和其表面的波长转换层902的封装结构图。其中，发光二极管芯片被固定于衬底916的表面，透明导热片917覆盖在波长转换层的表面为其散热。热量通过在透明导热片传递到空气中或者通过透明导热片两侧附近的用于支撑透明导热片的支撑件918传递到衬底上。透明导热片为玻璃片或者蓝宝石片，其中玻璃片成本很低，而蓝宝石片的导热性能更好，但价格较高。优选的，透明导热片的两个面镀有增透膜。

在图9中，波长转换层的上表面即为其第二面，激发光入射于这个面上，这个面所产生的热量最多，而这些热量可以被透明导热片直接导走，这样就避免了热量的累积和温度过高，从而提高了波长转换层的效率。

在实际应用中，当工作温度较高时，波长转换层会变软，这时波长转换层就可能与其表面的透明导热片粘住，此时波长转换层发出的光就会直接入射于透明导热片的内部并发生横向的扩散，从而降低了发光亮度。为了避免这个现象的出现，如图10所示，可以在波长转换层1002与透明导热片1017之间设置一层硬质的不吸光的颗粒1019，这层颗粒的材料可以是白色的金属氧化物例如氧化硅、氧化钛，也可能是荧光粉颗粒，也可能是透明的玻璃粉等等，有多种选择。当波长转换层变软时，这层硬质的不吸光的颗粒可以起到将波长转换层与透明导热片隔离开的作用从而避免二者粘接。

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。

在实际应用中，由于光学扩展量不匹配或者光阀的长宽比不匹配，往往并不是发光装置中的发光二极管芯片上的每个位置的光都能够被光阀收集到，因此发光二极管芯片表面的波长转换层分为有效区和无效区，其中有效区发出的受激光能够被光阀利用而无效区的受激光不能被光阀利用。为了实现效率的最大化，发光装置中激发源发出的激发光入射于波长转换层的有效区内。如图11所示。发光二极管芯片1101的表面覆盖有波长转换层1102，波长转换层1102上的有效区1102a占据了波长转换层1102的大部分面积，可见该有效区在长度上基本上充满了波长转换层的长度但是在宽度上并没有充满波长转换层的宽度。激发光在波长转换层上形成光斑1133在有效区1102a的内部，这样可以保证由激发光激发产生的受激光都能够被光阀有效的利用。

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：

包括发光二极管芯片，该发光二极管芯片表面覆盖有波长转换层，发光二极管芯片发出的第一光能够激发该波长转换涂层使其发射受激光；

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。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：

还包括位于发光二极管芯片光路后端的光收集装置，用于收集从发光二极管芯片表面的波长转换层发出的受激光；

激发光经过光收集装置入射于波长转换层；

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。

3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述激发源为激光二极管光源；还包括准直透镜，用于收集并准直激光二极管光源发出的激光。

4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，所述激光二极管光源的发光点与所述准直透镜的焦点存在一个偏移，使得激发光入射于波长转换层所形成的光斑大于当激光二极管光源的发光点位于准直透镜的焦点时激发光入射于波长转换层所形成的光斑。

5.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，还包括位于准直透镜光路后端的整形光学元件，用于对激光光束进行整形使得其入射于波长转换层表面所形成的光斑为预定的形状。

6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述发光二极管芯片表面镀有滤光膜，该滤光膜透射第一光同时反射受激光。

7.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，还包括反射装置，用于将从波长转换层发出的角度大于特定出射角的光反射回波长转换层；反射装置位于波长转换层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。

8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述波长转换层上覆盖有透明导热片。

9.一种投影显示系统，其特征在于，包括光阀和根据权利要求1至8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。

10.根据权利要求9所述的投影显示系统，其特征在于，发光装置中的发光二极管芯片表面的波长转换层分为有效区和无效区，其中有效区发出的受激光能够被光阀利用而无效区的受激光不能被光阀利用；发光装置中激发源发出的激发光入射于波长转换层的有效区内。

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