CN103713454A - 发光装置及相关投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种发光装置，包括：发光光源阵列，包括分别用于产生第一颜色光与第二颜色光的第一颜色发光元件和第二颜色发光元件，该第一颜色光与第二颜色光合并为第一光束；滤光装置组，包括第一滤光装置和第二滤光装置，分别位于第一颜色发光元件和第二颜色发光元件的出射光路上，其中第一滤光装置用于透射第一颜色光并反射其他颜色光，第二滤光装置用于透射第二颜色光并反射其他颜色光；第一散射装置，位于经所述滤光装置组透射的第一光束的出射光路上，用于对第一光束的至少部分光进行散射。本发明中的发光装置能够减少光束损失。

Description

发光装置及相关投影系统
技术领域
本发明涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种发光装置及相关投影系统。
背景技术
目前，基于三基色(RGB)合光的光源系统因其寿命长以及色彩鲜明等优点而被广泛应用于照明和显示领域。在这种光源系统中，蓝光、红光以及绿光分别由蓝光LED、红光LED和绿光LED产生，且使用多颜色的密集封装技术。如图1所示，图1是现有技术中的一种多颜色的密集封装光源的排布图。LED光源100由两颗绿光LED、一颗蓝光LED和一颗红光LED排列成一个二乘二的阵列并密集封装而成，其中需要两颗绿光LED是因为在混合产生的白光中需要的绿光成分比较多。在这种密封结构中，每相邻两颗LED之间的间距一般小于每颗LED芯片的边长的一半。这种密集封装的结构用于实现在一个LED光源中实现多色光的输出，例如可以单独控制点亮不同LED以产生多色单色光，也可以一起点亮各LED以产生白光。在这种密集封装结构中，也可以将其中一颗绿光LED替换成白光LED，以提高该LED光源的亮度，其中该白光LED为蓝光LED表面涂覆有黄色荧光粉而产生。
但是，在这种密集封装结构中，四颗LED的发光虽然排列比较紧密，但仍然是分立的，因此在使用中往往出现均匀性问题。例如，如图2所示，图2是现有技术中的一种光源系统。在该光源系统中，LED光源的出射光路上放置有锥形积分棒205，以起到收集光束并同时使光束均匀化的作用。但本发明人在实验中发现，即使使用匀光装置，从锥形积分棒205的出口出射的各种颜色光的分布仍然不完全相同，而这是由于积分棒的入口处不同颜色的LED的位置不同造成的。
一种解决方法在于，在LED阵列表面加一层或多层散光层或散光体，以将不同颜色的光混合在一起。但这样的问题在于，若希望不同颜色光混合得越均匀，则散光层或者散光体的散射能力越强，这样会导致大量的光线被散射层或者散射体反射回LED，而被散射层反射回LED的光线会有大部分被LED吸收，从而出现较大的损失。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种减少光束损失的发光装置。
本发明实施例提供一种发光装置，包括：
发光光源阵列，包括分别用于产生第一颜色光与第二颜色光的第一颜色发光元件和第二颜色发光元件，该第一颜色光与第二颜色光合并为第一光束；
滤光装置组，包括第一滤光装置和第二滤光装置，分别位于第一颜色发光元件和第二颜色发光元件的出射光路上，其中第一滤光装置用于透射第一颜色光并反射其他颜色光，第二滤光装置用于透射第二颜色光并反射其他颜色光；
第一散射装置，位于经所述滤光装置组透射的第一光束的出射光路上，用于对第一光束的至少部分光进行散射。
本发明实施例还提供一种投影系统，包括上述发光装置。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
由于发光元件对自身发出的颜色光吸收能力不强，但对于其他颜色光往往有一定的吸收，因此，本发明在发光光源阵列中的第一颜色发光元件和第二颜色发光元件产生的第一光束在进入第一散射装置前的出射光路上分别设置有第一滤光装置和第二滤光装置，其中第一滤光装置用于透射第一颜色光并反射其他颜色光，第二滤光装置用于透射第二颜色光并反射其他颜色光，以使得发光光源阵列产生的第一光束经第一散射装置散射时所反射回发光光源阵列的部分光束中，其中一颜色光被另一颜色发光元件的出射光路上的滤光装置反射回去，以阻止该颜色光被另一颜色发光元件所吸收，进而阻止光束的损失；同时，第一光束经第一散射装置散射后使得第一光束中的不同颜色光混合得更加均匀。
附图说明
图1是现有技术中的一种多颜色的密集封装光源的排布图；
图2是现有技术中的一种光源系统；
图3是本发明实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图；
图4A是本发明的发光装置的又一个实施例的主视图；
图4B是该实施例的发光装置的右视图；
图4C是该实施例的发光装置的左视图；
图5是黄光荧光粉产生的黄光的光谱图和第二滤光片的滤光曲线；
图6是黄光荧光粉产生的黄光的光谱图和第一滤光片的滤光曲线；
图7是本发明实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图；
图8是本发明实施例中发光装置的又一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。
实施例一
请参阅图3，图3是本发明实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图。如图3所示，发光装置300包括发光光源阵列301、滤光装置组303和第一散射装置305。
发光光源阵列301包括用于产生第一颜色光的第一颜色发光元件301a，和用于产生第二颜色光的第二颜色发光元件301b，该第一颜色光与第二颜色光合并为第一光束。
发光装置300还包括滤光装置组303，该滤光装置组303包括第一滤光装置303a和第二滤光装置303b，分别位于第一颜色发光元件301a和第二颜色发光元件301b的出射光路上；其中第一滤光装置303a用于透射第一颜色光并反射其他颜色光(即不同于第一颜色的光)，第二滤光装置303b用于透射第二颜色光并反射其他颜色光(即不同于第二颜色的光)。
发光装置300还包括第一散射装置305，位于经滤光装置303透射的第一光束的出射光路上，用于对第一光束的至少部分光进行散射。
由于发光元件对自身发出的颜色光吸收能力不强，但对于其他颜色光往往有一定的吸收，因此，在本实施例中，由于第一散射装置305在对第一光束进行散射时会反射部分第一光束回发光光源阵列中，而通过在发光光源阵列出射第一光束至第一散射装置之前的光路上设置有滤光装置组，使得滤光装置组中的第一滤光装置和第二滤光装置分别位于第一颜色发光元件和第二颜色发光元件的出射光路上，并分别透射与其对应的颜色光并反射其他颜色光，进而防止其中一颜色发光元件对反射回其上的另一颜色光吸收而造成的光损失；同时，第一光束经第一散射装置散射后使得第一光束中的不同颜色光混合得更加均匀。
在本实施例中，发光元件可以是LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，也可以是LD(Laser Diode，激光二极管)，还可以是其他固态发光器件。
具体举例来说，在本实施例中，第一颜色发光元件301a为绿光LED，第二颜色发光元件301b为红光LED。相对应地，第一滤光装置为透射绿光并反射其他颜色光的第一滤光片303a，第二滤光装置为透射红光并反射其他颜色光的第二滤光片303b。绿光LED301a和红光LED301b发出的光分别透射过第一滤光片303a和第二滤光片303b后进入第一散射装置。
在本实施例中，第一散射装置是内部加入散光颗粒的透明基材。散光颗粒的折射率与透明基材的折射率不同，使得第一光束进入第一散射装置内后，在经过各散光颗粒时发生不同方向上的折射，进而打乱不同颜色光的传播方向，使得第一光束中的不同颜色光发生交叉和扩散，以到达混合不同颜色光的作用。该透明基材在沿光束传播方向的厚度越大时，第一光束中的不同颜色光扩散的范围更大进而交叉得更均匀，在该透明基材出射面上形成的光斑的均匀性越好。因此，通过控制该透明基材在沿光束传播方向的厚度，使得第一光束在该透明基材的第二表面出射时的光斑的均匀性达到实际需要。
在本实施例中，第一散射装置也可以是表面粗糙化的透明基材，包括面向滤光装置组303的第一表面和与其相对的第二表面。通过使该透明基材的第一表面凹凸不平，使得光束在从第一表面进入该透明基材时，不平行的光线在同一处由于入射角不同而折射角不同；而相互平行的光线入射到第一表面上的不同处时，由于不同处的折射面的倾斜角度不同，使得经过折射后的光束在透明基材内的传播方向变得不平行，以此使得第一光束中的不同颜色光在入射到该透明基材内时的传播方向发生交叉和扩散，以达到混合不同颜色光的作用。该透明基材在沿光束传播方向的厚度越大时，第一光束中的不同颜色光扩散的范围更大进而交叉得更均匀，因此在该透明基材出射面上形成的光斑的均匀性越好。因此，通过控制该透明基材在沿光束传播方向的厚度，使得第一光束在该透明基材的第二表面出射时的光斑的均匀性达到实际需要。
为使第一光束能达到更好的均匀化，该透明基材的第二表面也可以是粗糙化的，以使光束在从第二表面出射时再一次进行散射。
在本实施例中，第一散射装置还可以是荧光粉层，即利用荧光粉的作用对光线进行散射，同时荧光粉还能起到吸收激发光发射受激光的作用。相对于不被荧光粉层吸收的单色光来说，荧光粉层与散射层的作用相同；而对于被荧光粉层吸收的单色光来说，荧光粉层会吸收单色光并出射受激光，这些受激光会在荧光粉层内传播并最终全部出射；没有被荧光粉层吸收的单色光同样可以出射。
为防止荧光粉层全部吸收某种单色光而导致该种单色光不能出射，荧光粉层内部可掺杂部分散射材料，以降低荧光材料的密度，并进一步提高荧光粉层的散射能力。例如，在制作荧光粉层时，将荧光材料、硅胶和散射颗粒均匀混合后再烧制成荧光粉层。散光材料和荧光材料的比例可根据具体实际需要来调整。
第一散射装置305在对发光光源阵列301发出的红光和绿光进行散射时，会将部分红光和部分绿光均反射回第一滤光片303a和第二滤光片303b中。被反射回第一滤光片303a的部分红光和部分绿光中，该部分红光被第一滤光片303a再次反射回第一散射装置305进行散射，该部分绿光透射过第一滤光片303a进入绿光LED 301a；由于LED对自身发出的颜色光吸收能力不强，该部分绿光被绿光LED 301a再次反射出去并再次透射过第一滤光片303a进入第一散射装置305。容易理解的是，被反射回第二滤光片303b的部分红光和部分绿光也会经历类似的光路。以此反复地，最终第一光束经第一散射装置305散射并出射。因此，由于第一滤光片303a将被第一散射装置305反射至绿光LED301a的红光反射回第一散射装置305，阻止了绿光LED301a对该部分红光的吸收而造成的光损失。同样道理的，由于第二滤光片303b将被第一散射装置305反射至红光LED301b的绿光反射回第一散射装置305，阻止了红光LED301b对该部分绿光的吸收而造成的光损失。
第一散射装置内的散光材料的密度越大时，或者第一散射装置表面的粗糙化程度越大时，其对光束的反射能力也随之增大；为此，第一散射装置优选为运动的，以在时序上增强对光束的散射能力，使得在不提高其对光束的反射能力的情况下提高第一散射装置的散射能力。
由于第一颜色发光元件301a和第二颜色发光元件301b出射光束存在一定发散角，滤光装置组离发光光源阵列越远，则第一光束中的发散角较大的部分光束由于未经过滤光装置组而造成光损失，为此，第一滤光片303a和第二滤光片303b优选分别覆设在第一颜色发光元件301a的发光面和第二颜色发光元件301b的发光面上，且第一滤光片303a的面积和第二滤光片303b的面积优选分别大于或等于第一颜色发光元件301a的发光面的面积和第二颜色发光元件301b的发光面的面积，以提高光束的利用率。
同样道理的，第一散射装置305优选覆设在第一滤光片303a和第二滤光片303b背向发光光源阵列301的一面上，并且第一散射装置305覆盖在滤光装置组出射第一光束的发光面上，以提高光束的利用率。
优选地，第一滤光片303a和第二滤光片303b的镀膜面均面向发光光源阵列301。为防止LED发出的光束的光学扩展量变大，在LED的发光面上需设置有空气隙。为降低滤光片的镀膜面的加工设计的难度，在滤光片的镀膜面上也需设置有空气隙。若滤光装置组303中的各滤光片的镀膜面面向第一散射装置305，则滤光装置组与LED之间、滤光装置组303与第一散射装置305之间均需设置空气隙，这将提高固定该三者的难度。若滤光装置组303中的各滤光片的镀膜面面向发光光源阵列301，则滤光片和第一散射装置305之间不用设置空气隙，只需滤光装置组303与发光光源阵列301之间设置空气隙即可，这在制作工艺上较简便。可将滤光装置组303中的各滤光片与第一散射装置305用胶水粘接好，再将其整体放置在发光光源阵列301的出射光路上，并使得每个滤光片和与其对应的LED位置上一一对应；或者直接在第一散射装置305面向发光光源阵列301的一侧上，对应发光光源阵列的不同发光元件的各区域上镀有相对应的滤光膜。
在本实施例中，发光光源阵列301也可以包括多种不同颜色的发光元件。例如，发光光源阵列301还包括第三颜色发光元件。则相对应的，在第三颜色发光元件出射第三颜色光至第一散射装置305之前的光路上设置第三滤光片，用于透射第三颜色光并反射其他颜色光。在本实施例中，该第三颜色发光元件为蓝光LED。同样道理的，与第一、第二滤光片一样，第三滤光片的镀膜面优选面向发光光源阵列305，以提高光束的利用率。
优选地，第三滤光片覆设在第三颜色发光元件的发光面上，并且第三滤光片的面积大于第三颜色发光元件的发光面积，以提高光束的利用率。
在本实施例中，发光光源阵列301还可以包括波长转换材料发光元件，该波长转换材料发光元件是指将波长转换材料覆设于发光元件的发光面上，通过该发光元件产生的激发光激发该波长转换材料以产生受激光，该波长转换材料发光元件出射该受激光或者受激光与未被吸收的激发光的混合光。较常用的波长转换材料为荧光粉，例如YAG荧光粉，它可以吸收蓝光并受激发射黄色的受激光。波长转换材料还可能是量子点、荧光染料等具有波长转换能力的材料，并不限于荧光粉。由于波长转换材料发光元件产生的光的波长范围较大，能够使得发光光源阵列301产生的第一光束的光谱的覆盖范围更大，进而提高第一光束的显色指数。同时，由于第一光束在经第一散射装置305反射至波长转换材料发光元件上时，第一光束中被波长转换材料发光元件吸收的光会对波长转换材料进行激发以产生受激光，而未被吸收的光被反射回第一散射装置305，并未造成光的损失，因此在波长转换材料发光元件出射的光至第一散射装置305之前的光路上可以不放置滤光装置。
具体举例来说，如图4A、图4B和图4C所示，图4A是本发明的发光装置的又一个实施例的主视图，图4B是该实施例的发光装置的右视图，图4C是该实施例的发光装置的左视图。发光装置400包括发光光源阵列401、滤光装置组403和第一散射装置405。
发光光源阵列401包括绿光LED 401a、红光LED 401b和蓝光LED401c。滤光装置组403包括分别位于绿光LED 401a、红光LED 401b和蓝光LED 401c的出射光路上的第一滤光片403a、第二滤光片403b和第三滤光片403c。
与以上实施例不同的是，在本实施例中，发光光源阵列401还包括黄光荧光粉LED 401d。该黄光荧光粉LED 401d的出射光路上并没有放置滤光片，其出射光直接出射至第一散射装置405。当然，在实际运用中，也可以在黄光荧光粉LED 401d的出射光路上放置第四滤光片，用于透射黄光并反射其他颜色光。
该黄光荧光粉LED出射的黄光的光谱可以分解为红光成分和绿光成分，例如对于YAG荧光粉，其出射的黄光的光谱覆盖490nm至640nm的波长范围，该光谱可以分解为波长范围为490nm至570nm的绿光成分和波长范围为570nm至640nm的红光成分，当然，将该光谱分解成绿光成分和红光成分的界限并不唯一。
如图5所示，图5是黄光荧光粉所产生的黄光的光谱图501和第二滤光片的滤光曲线503。则黄光荧光粉LED产生的黄光被第一散射装置405反射至红光LED 401b时，该黄光中的红光成分透射第二滤光片403b并入射至红光LED 401b，经红光LED 401b反射后透射过第二滤光片403b并再次入射第一散射装置405；而黄光中的绿光成分经第二滤光片403b反射并再次入射第一散射装置405。
如图6所示，图6是黄光荧光粉所产生的黄光的光谱图601和第一滤光片的滤光曲线603。则黄光荧光粉LED产生的黄光被第一散射装置405反射至绿光LED 401a时，该黄光中的绿光成分透射第一滤光片403a并入射至绿光LED 401a，经绿光LED 401a反射后透射过第一滤光片403a并再次入射第一散射装置405；而黄光中的红光成分经第一滤光片403a反射并再次入射第一散射装置405。值得说明的是，黄光被第一滤光片403a所分成的绿光成分的波长范围是由第一滤光片403a的滤光曲线决定的，即由绿光LED 401a的波长范围决定的。同样的，黄光被第二滤光片403b所分成的红光成分的波长范围是由红光LED 401b的波长范围决定的。因此，由不同滤光片对黄光分光成的绿光成分和红光成分不一定一样。
红光LED 401b发出的红光和绿光LED 401a发出的绿光部分被第一散射装置405反射至黄光荧光粉LED时，由于黄光荧光粉不吸收绿光及红光，该部分绿光和红光被黄光荧光粉LED反射并再次入射第一散射装置405。而蓝光LED发出的蓝光部分被第一散射装置405反射至黄光荧光粉LED时，则黄光荧光粉同时被从其相对的两侧入射的激发光激发以产生黄色受激光；而未被吸收的蓝光被反射至第一散射装置405。以此反复地，最终第一光束经第一散射装置405散射并出射。
实施例二
请参阅图7，图7是本发明实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图。与实施例一不同的是，在本实施例中，经第一散射装置705散射的第一光束的出射光路上还放置有匀光装置707，以进一步提高发光光源阵列发出的第一光束的均匀性。
在本实施例中，匀光装置707包括反射式集光器。该反射式集光器包括两个端口，分别用于入射和出射第一光束，通过使得第一光束在该反射式集光器内多次反射以达到混合光束使之均匀的目的。反射式集光器可以是实心或者空心的积分棒、实心或者空心的锥形积分棒、空心或者实心的复合型聚光器等，其中实心的反射式集光器主要是利用光束在其内壁上发生全反射的原理来使光束在其内部多次反射，而空心的反射式集光器主要是利用在其内壁上设置的反射层来使得光束在其内部多次反射。在实际运用中，匀光装置707也可以是复眼透镜对或者其他带有匀光作用的光学元件。
优选地，反射式集光器707的入射端口覆设于第一散射装置705背向滤光装置组的一面上，且该入射端口覆盖第一散射装置705背向滤光装置组的一面上的光斑，以提高光束的收集率，减少光束损失。
在本实施例中，也可以将第一散射装置705直接加工于反射式集光器707的入射端口处，使得第一散射装置705与反射式集光器707一体成型。若反射式集光器为实心的，可在反射式集光器内部掺杂入散射材料。
请参阅图8，图8是本发明实施例中发光装置的又一个实施例的结构示意图。与图7所示实施例不同的是，在本实施例中，匀光装置807出射第一光束的出射光路上，还放置有第二散射装置809，以进一步提高第一光束的均匀性，其中第二散射装置809的工作原理与第一散射装置805一样。
优选地，匀光装置807出射第一光束的出射面与第二散射装置的入射面相重合，以提高光束的利用率。
同样道理的，匀光装置807为反射式集光器时，也可以将第二散射装置809直接加工于反射式集光器的出射端口处，使得第二散射装置809与反射式集光器一体成型。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本发明实施例还提供一种投影系统，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该投影系统可以采用各种投影技术，例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)投影技术、数码光路处理器(DLP，Digital Light Processor)投影技术。此外，上述发光装置也可以应用于照明系统，例如舞台灯照明。
以上所述仅为本发明的实施方式，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：
发光光源阵列，包括分别用于产生第一颜色光与第二颜色光的第一颜色发光元件和第二颜色发光元件，该第一颜色光与第二颜色光合并为第一光束；
滤光装置组，包括第一滤光装置和第二滤光装置，分别位于第一颜色发光元件和第二颜色发光元件的出射光路上，其中第一滤光装置用于透射第一颜色光并反射其他颜色光，第二滤光装置用于透射第二颜色光并反射其他颜色光；
第一散射装置，位于经所述滤光装置组透射的第一光束的出射光路上，用于对第一光束的至少部分光进行散射。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，第一颜色发光元件和第二颜色发光元件均包括发光面，所述第一滤光装置和第二滤光装置均为滤光片，并且分别覆设在第一颜色发光元件和第二颜色发光元件的发光面上，且第一滤光片的面积和第二滤光片的面积分别大于或等于第一颜色发光元件的发光面的面积和第二颜色发光元件的发光面的面积。
3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，所述滤光片的镀膜面均面向所述发光光源阵列。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述第一散射装置覆设于所述滤光装置组背向所述发光光源阵列的一面上，且第一散射装置覆盖该滤光装置组出射第一光束的发光面。
5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置还包括匀光装置，位于经第一散射装置散射的第一光束的出射光路上，用于对第一光束进行匀光。
6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，所述匀光装置包括反射式集光器，该反射式集光器的入射端口覆设于第一散射装置出射第一光束的发光面上，且该反射式集光器的入射端口覆盖第一散射装置出射第一光束的发光面的面积。
7.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置还包括第二散射装置，位于经所述匀光装置匀光的第一光束的出射光路上，用于对第一光束进行散射。
8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，所述匀光装置包括反射式集光器，第二散射装置覆设于该反射式集光器的出射端口上。
9.根据权利要求1或7所述的发光装置，其特征在于，散射装置包括荧光粉层。
10.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的发光装置。
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