CN103792766B - 发光装置及相关投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种发光装置及相关投影系统，包括：用于出射偏振激发光的激发光源；包括波长转换片的波长转换装置，该波长转换片具有一基准面，该波长转换片用于吸收偏振激发光以出射受激光，偏振激发光以－10°至10°范围内的入射角度入射于该波长转换片。波长转换片的偏振激发光入射侧形成有微棱镜阵列，微棱镜阵列包括多个微棱镜，微棱镜包括至少一微棱镜面，该微棱镜面用于接收偏振激发光，该微棱镜面与波长转换片的基准面的角度为θ±10°，其中θ满足：θ＝arctan？n，n为微棱镜的折射率；且入射于微棱镜面的偏振激发光的偏振态相对于该微棱镜面为p偏振态。本发明提供了一种减小激发光入射界面的菲涅尔损失的发光装置及相关投影系统。

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

荧光粉光源是目前一种应用领域越来越广泛的发光光源，相对于激光光源来说，荧光粉光源的价格优势非常明显，而且不存在激光的安全性问题；相对于纯LED光源来说，荧光粉光源的色彩显示效果较好，特别是绿光显示效果，优势也很明显。

目前荧光粉光源的结构包括激发光源和荧光粉片，其中荧光粉片基本上是由硅胶包裹荧光粉颗粒粘接而成。一般情况下，为了减少光源的光学体积，激发光源出射的激发光会垂直入射到荧光粉片。然而由于硅胶的折射率和空气的折射率不匹配，将不可避免地在激发光的入射界面上造成菲涅尔损失，而使得激发光的利用效率降低。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种可以减小激发光入射界面的菲涅尔损失的发光装置及相关投影系统。

本发明实施例提供了一种发光装置，其特征在于，包括：

激发光源，该激发光源用于出射偏振激发光；

包括波长转换片的波长转换装置，该波长转换片具有一基准面，该波长转换片用于吸收偏振激发光以出射受激光，偏振激发光以－10°至10°范围内的入射角度入射于该波长转换片；

波长转换片的偏振激发光入射侧形成有微棱镜阵列，微棱镜阵列包括多个微棱镜，微棱镜包括至少一微棱镜面，该微棱镜面用于接收偏振激发光，该微棱镜面与波长转换片的基准面的角度为θ±10°，其中θ满足：θ＝arctann，n为微棱镜的折射率；且入射于微棱镜面的偏振激发光的偏振态相对于该微棱镜面为p偏振态。

本发明还提供了一种投影系统，该投影系统包括上述发光装置。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下有益效果：

本实施例中，波长转换片的偏振激发光入射侧形成有微棱镜阵列，其中的微棱镜的面与基准面的夹角为θ±10°，且偏振激发光以－10°至10°范围内的入射角度入射于该波长转换片的基准面，因此偏振激发光入射在微棱镜面的角度为θ±20°，位于布儒斯特角附近。而且偏振激发光相对于微棱镜面为p偏振态，因此在该微棱镜面上，偏振激发光的反射率比较低，可以减少菲涅尔损失。

附图说明

图1a为两种介质界面上的入射光的反射率与入射角度的关系曲线；

图1b为入射到一平面的p偏振态的光的示意图；

图2为本发明发光装置的一个实施例的结构示意图；

图3a为图2所示发光装置的波长转换片的立体结构图；

图3b为图3a中所示波长转换片的局部剖视图；

图3c为本发明发光装置的另一实施例中波长转换装置的剖视图；

图4为本发明发光装置的另一实施例的结构示意图;

图5a为本发明发光装置的另一实施例中波长转换片的立体结构图；

图5b为图5a所示的波长转换片的局部剖视图；

图6a为本发明发光装置的另一实施例中波长转换片的立体结构图；

图6b为图6a所示的波长转换片的局部剖视图。

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。

专业词语解释：

布儒斯特角：在光的传输过程中，当光从第一介质入射到第二介质时，入射光会在两种介质的界面处会发生部分反射，产生菲涅尔损失。图1a为两种介质的界面上的入射光的反射率与入射角度的关系曲线，从图1a中可以看出，p偏振态的入射光与s偏振态的入射光的反射率与入射角度关系曲线分别为Rp、Rs，二者并不相同，在入射角为0度时，界面对p偏振态的光和s偏振态的光的反射率相同，随着入射角度增大，s偏振态的光反射率逐渐增大，p偏振态的光的反射率随着入射角度的增大先减小后增大，且p偏振态的光的反射率总是小于s偏振态的光的反射率。p偏振态的光的反射率在角度θ处的反射率最低，该角度θ为布儒斯特角。对于从第一介质入射到第二介质的情况下，布儒斯特角满足公式：n₁为第一介质的折射率，n₂为第二介质的折射率。

p偏振态：图1b是入射到一平面的p偏振态的光的示意图，如图1b所示，一光束入射到平面M上，此时入射光L1和反射光L2会构成一个平面，p偏振态的光为偏振方向平行于入射光L1和反射光L2构成的平面的光，而s偏振态的光的偏振方向垂直于入射光L1和反射光L2构成的平面的光，图1b中所示的光的偏振方向平行于入射光L1和反射光L2构成的平面，为p偏振态的光。

图2是本发明发光装置的一个实施例的结构示意图，如图2所示，发光装置100包括激发光源110和波长转换装置120。

激发光源110用于出射偏振激发光L1。具体地，本实施例中的激发光源为激光，激光为具有良好的准直性的偏振光，还具有高功率的优点。当然，激发光源还可以是其它类型的光源，例如LED与偏振片组成的光源。

波长转换装置120包括波长转换片121，该波长转换片121用于吸收偏振激发光L1以出射受激光L2。波长转换片包括波长转换材料，波长转换材料具有将激发光转换为受激光的功能。

图3a为图2所示发光装置的波长转换片121的立体结构图，如图3a所示，本实施例中，波长转换片121的偏振激发光入射侧形成有微棱镜阵列，具体地，本实施例中的微棱镜阵列为三棱锥阵列。波长转换片121位于偏振激发光入射一侧的表面为第一表面121a。由于微棱镜阵列的存在，这里的第一表面121a在微观上有一定的起伏，但在宏观上，波长转换片121的第一表面121a是一个平面，可以看作是波长转换片121的基准面，图3b为图3a中所示波长转换片的局部剖视图，如图3b所示，平面1212即为波长转换片121的基准面。波长转换片121的微棱镜阵列包括多个微棱镜1211，微棱镜1211包括一微棱镜面1211a，该微棱镜面1211a可以接收偏振激发光，该微棱镜面1211a与波长转换片121的基准面1212的角度β为θ±10°，且入射于微棱镜面1211a的偏振激发光相对于该微棱镜面1211a的偏振态为p偏振态，其中θ满足：θ＝arctann，n为微棱镜1211的折射率。偏振激发光相对于基准面以－10°至10°范围内的入射角度入射到该波长转换片121。

具体地对本实施例中的微棱镜阵列进行分析：如图3b所示，本实施例中，偏振激发光入射在三棱锥阵列的其中一个三棱锥1211的一微棱镜面1211a时，该偏振激发光相对于该微棱镜面1211a的偏振态为p偏振态。在实际应用中，要实现入射到上述微棱镜面的光为p偏振态的光，可以通过调整光源位置来实现，例如通过转动光源，也可以设置二分之一波片调整光源出射光的偏振方向。特别地，对本实施例中的激光光源来说，由于其出射光的光斑为椭圆形且激光光源的出射光的偏振方向沿椭圆的短轴方向，因此可以通过调整激光光源的位置，使得入射在微棱镜面上的光斑的短轴在该微棱镜面上的长度最长，此时激光入射光的偏振态是p偏振态。

本实施例中，对于偏振激发光从空气入射到波长转换片121的微棱镜面的情况，第一介质为空气，n₁=1，因此布儒斯特角满足：θ＝arctann₂，n₂为第二介质即波长转换片的微棱镜的折射率。当激发光相对于基准面1212为垂直入射，从图3b中可以看出，激发光在微棱镜面1211a上的入射角度α与第一微棱镜面1211a与基准面1212的夹角β相等，因此当本实施例中的微棱镜面1211a与基准面1212的夹角为θ，θ为布儒斯特角，实现了激发光入射在微棱镜面1211a上的入射角度为θ，可以使得入射在微棱镜面1211a的激发光的菲涅尔损失减少。

但是由于考虑到安装的精密度限制和配合误差的存在，偏振激发光在微棱镜面1211a上的入射角度较难达到理想的布儒斯特角，在实际应用中，只需保证微棱镜面与基准面的夹角为近似布儒斯特角，即：θ±10°，此时，偏振激发光在－10°至10°误差范围内相对于基准面垂直入射可以认为是近似垂直入射，不会影响发光装置的结构紧凑性，并且至少在三棱锥的微棱镜面1211a上，偏振激发光在微棱镜面1211a上的入射角为布儒斯特角的－20°至20°误差范围内，可以认为是近似布儒斯特角，偏振激发光的菲涅尔损失依然被大大降低了。

本实施例中，波长转换片包括波长转换材料与粘接剂，该粘接剂用于粘接波长转换材料，粘接剂一般会包覆在波长转换材料的表面，入射光会先入射到波长转换材料外围的粘接剂上。目前应用比较广泛的粘接剂是硅胶，其无色且化学性质比较稳定。此时该微棱镜面上的激发光的入射角度为近似布儒斯特角，光的反射率较低。波长转换材料除了可以是荧光粉外，也可以是量子点或者荧光染料等，在波长转换材料为荧光玻璃等自身具有粘性的材料时，波长转换材料不需要粘接剂。波长转换片可以通过模具成型来实现波长转换片的偏振激发光入射侧的表面具有微棱镜阵列。

当微棱镜阵列的微棱镜的尺寸小于波长转换材料的粒径时，微棱镜阵列可以只由粘接剂构成。而当微棱镜阵列的微棱镜的尺寸大于波长转换材料的粒径时，优选地，微棱镜阵列的微棱镜内部包括波长转换材料。当偏振激发光相对于基准面近似垂直入射到波长转换片的第一表面时，由于微棱镜阵列的存在，入射光斑面积将会扩大，从而可以降低偏振激发光的光斑的光功率密度，减少了发热量，提高了波长转换材料对激发光的转化效率。

波长转换片可以只有一个区域，也可以包括多个区域。例如波长转换片包括第一区域包括波长转换材料，第二区域包括功能不同于第一区域的波长转换材料的材料，如散射材料，因此在驱动装置的驱动下，波长转换片的两个区域轮流接收偏振激发光的入射并出射不同的出射光。优选地，第一区域和第二区域都包括微棱镜阵列，以减少区域表面的菲涅尔损失。由于第一区域和第二区域设置的材料不完全相同，因此两个区域上的微棱镜阵列也不相同，微棱镜阵列中微棱镜的微棱镜面与基准面的夹角需要根据微棱镜的材料的折射率进行设计，此时不同区域的接收的偏振激发光入射角都在布儒斯特角附近。

本实施例中，波长转换装置120还包括驱动装置123，驱动装置123用于驱动波长转换片121周期性运动，以使激发光在波长转换片121上形成的光斑沿预定路径作用于该波长转换片121，以避免激发光长时间作用于波长转换片121的同一位置导致的该波长转换片温度升高的问题。优选地，波长转换片在驱动装置的作用下水平往复运动，此时微棱镜阵列成直线排布，以使得入射到第一微棱镜面1211a的光始终为p偏振态。另外，在波长转换片121的波长转换材料可以耐受较高温度的情况下，波长转换装置120也可以不设置驱动装置。

波长转换装置120还可以包括基板122。本实施例中，基板122是平板状的透明玻璃，并和波长转换材料层紧密接触，可以对波长转换材料层起到支撑作用。但是在波长转换材料层本身刚性足够的情况下（例如波长转换材料层是通过将荧光粉掺杂在透明玻璃中形成的），基板是可以省略的。

在本发明其它实施方式中，基板可以有其它形式以利于波长转换片的设计。图3c为本发明发光装置的另一实施例中波长转换装置的剖视图，如图3c所示，基板210可以包括多个凸起结构211，该凸起结构211包括至少一个凸起结构表面，该凸起结构表面与基准面212的夹角α₂为θ±10°，其中θ满足：θ＝arctann，n为波长转换片的微棱镜221的折射率，因此近似垂直入射的激发光入射到凸起结构211表面的入射角度为近似布儒斯特角。波长转换片220与多个凸起结构211贴合，且该波长转换片220的各处厚度均匀。此时，波长转换片220的表面与基板210的表面相互平行，波长转换片220在基底的凸起结构211处形成微棱镜221，该微棱镜221的微棱镜面与基准面的夹角α₂等于凸起结构表面与基准面的夹角α₁，因此偏振激发光入射到波长转换片220上微棱镜221的微棱镜面的入射角度也为近似布儒斯特角。相对于直接成型包括微棱镜阵列的波长转换片，利用包括凸起结构的基板来成型包括微棱镜阵列的波长转换片的加工工艺相对简单，并且波长转换片厚度比较均匀。

图4为本发明发光装置的另一实施例的结构示意图，如图4所示，发光装置包括激发光源310、波长转换装置320以及光路区分装置330。本实施例中的发光装置与图2所示发光装置的不同点在于：

（1）波长转换装置320还可以包括反射层322，该反射层322位于波长转换片321背向偏振激发光入射方向的表面，反射层322可以反射入射到该反射层表面的激发光或者受激光，此时波长转换片的出射光从第一表面320a出射。相对于，透射式波长转换装置，反射式的波长转换装置的优点在于发光装置的结构比较紧凑，对激发光的利用效率较高。在实际应用中，往往将反射层与基板合成一个部件，例如利用高反铝板作为基板，同时高反铝板具有反射层的功能。反射式波长转换装置的问题在于需要将入射到波长转换装置的偏振激发光与波长转换装置的出射光区分光路，因此，还需要设置光路区分装置330。光路区分装置330可以是利用波长的差异进行分光，例如图4中所示的滤光片330；光路区分装置330也可以是利用光学扩展量的差异进行分光，如小反射镜，小反射镜可以引导光学扩展量较小的激发光入射到波长转换片，波长转换片的出射光的光学扩展量较大，该出射光的较小部分被小反射镜反射损失，大部分从小反射镜的周围的空气或其它透光介质出射。

（2）图5a本发明发光装置的另一实施例中的波长转换片的立体示意图，如图5a所示，微棱镜阵列中的微棱镜410为四棱锥。图5b为图5a所示的波长转换片的剖视图，该四棱锥的侧面包括两个相对的微棱镜面411、412，相对的两个微棱镜面411、412与基准面413的夹角为θ±10°，其中θ为布儒斯特角，且在偏振激发光在该两个微棱镜面上的入射光始终为p偏振光，相对于三棱锥只有一个微棱镜面的入射光的偏振态可以是p偏振态，本实施例中的四棱锥的两个侧面的入射光的偏振态都可以是p偏振态，因此四棱锥微棱镜上可以减少菲涅尔损失的面积比例增大了，可以大大减少菲涅尔损失。在发明其它实施方式中，微棱镜阵列中的微棱镜还可以其它棱锥，只需保证该棱锥的至少一个微棱镜面与基准面的夹角在布儒斯特角附近，且入射到该微棱镜面的偏振激发光为p偏振态的光即可。

（3）本实施例中，驱动装置323驱动波长转换片321的运动方式为转动，以使偏振激发光L1在波长转换片321上形成的光斑沿预定的圆形路径作用于该波长转换片321。优选地，波长转换片321呈圆盘状，驱动装置323为呈圆柱形的马达，并且驱动装置323与波长转换片321同轴固定。此时，微棱镜阵列可以是直线排布，因而偏振激发光在微棱镜面412、413的入射角度始终在布儒斯特角附近，虽然转动会改变微棱镜面的偏振态，但是至少有一个时刻，偏振激发光是以相对于微棱镜面412、413偏振状态为p偏振态入射的，可以较大程度的减小菲涅尔损失。当第一表面的微棱镜阵列为棱锥阵列时，优选地，微棱镜阵列为关于转轴旋转对称分布的棱锥阵列。这种结构的优点在于，随着波长转换片321的转动，偏振激发光依次入射到各个棱锥上时，都会存在至少一个时刻，使得偏振激发光入射到该棱锥的至少一个微棱镜面的偏振态为p偏振态。

图6a是本发明发光装置的另一实施例中的波长转换片的立体示意图，如图6a所示，波长转换片包括微棱镜阵列510。本实施例与图4所示实例的不同点在于：本实施例中，波长转换片的微棱镜阵列是一维的分布，微棱镜具体为截面呈多边形的条状结构。具体地，微棱镜阵列包括多个条状结构510，条状结构510的截面为等腰三角形，等腰三角形的两个腰所在的第一微棱镜面511和第二微棱镜面512接收偏振激发光，且该两个微棱镜面与基准面的夹角为θ±10°。图6b为图6a所示的波长转换片的局部剖视图，如图6b所示，入射到第一微棱镜面511和第二微棱镜512的偏振激发光均为p偏振光，由于两个微棱镜面与基准面的夹角为θ±10°，因此入射在两个微棱镜面的激发光的入射角度为近似布儒斯特角。这样，入射到微棱镜阵列的所有偏振激发光都为近似布儒斯特角，最大程度减小了菲涅尔损失。

在本发明其它实施方式中，对于一维的微棱镜阵列，只需保证该多边形其中一个边所在的微棱镜面的入射光为p偏振态，且该微棱镜面与基准面的夹角在布儒斯特角附近即可。相对于二维的阵列，一维阵列的优点在于条状分布的结构制作更加容易，成本也更低。

图6a所示实施例中，驱动装置驱动波长转换片的运动方式为转动，优选地，当波长转换片第一表面的微棱镜阵列为一维排布时，微棱镜阵列为同心排列的环状结构，且环状结构的圆心为波长转换片的转轴，或为以转轴为中心呈放射状地分布。这样，随着波长转换片的转动，微棱镜阵列的微棱镜面也在大多数时刻使得入射光为p偏振态。

值得说明的是，若波长转换装片的第一表面为平面，偏振激发光以布儒斯特角入射到第一表面，并使得偏振激发光的偏振状态为p偏振态，同样实现可以降低激发光的反射率，减小菲涅尔损失。但是，激发光源的出射的偏振激发光需要倾斜入射到波长转换片，并且一般入射角度较大，从而导致发光装置的结构不够紧凑，发光装置的体积变大。另一方面，对于激发光为激光的情况来说，由于激光的光斑为椭圆形光斑，且激光的偏振方向为激光光斑的短轴方向，因此，相对于垂直入射的情况下的激光光斑，当激光倾斜入射到波长转换片时，激光光斑在短轴方向上将会被拉长，并且拉长的程度与布儒斯特角有关，这样，波长转换片的出射光光斑也同样会在短轴方向上被拉长，不利于出射光光斑的形状控制。

本发明中，由于激发光入射的微结构面与基准面夹角近似为布儒斯特角θ，θ＝arctann，且激发光的入射方向近似垂直于基准面，因此激发光入射于微棱镜面的入射角近似为θ；又因为激发光的偏振态相对于微棱镜面为p偏振态，因此激发光入射角为近似布儒斯特角，使得激发光的损失降低到最小。由于激发光的入射方向相对于波长转换片的基准面垂直，因此激发光源与波长转换片之间较为紧凑。因此，在降低激发光损失的同时，能够使得结构保持较为紧凑。

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，LiquidCrystalDisplay）投影技术、数码光路处理器（DLP，DigitalLightProcessor）投影技术。

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 (11)

1.一种发光装置，其特征在于，包括：

激发光源，该激发光源用于出射偏振激发光；

包括波长转换片的波长转换装置，该波长转换片具有一基准面，该波长转换片用于吸收所述偏振激发光以出射受激光，所述偏振激发光以－10°至10°范围内的入射角度入射于该波长转换片；

所述波长转换片的偏振激发光入射侧形成有微棱镜阵列，所述微棱镜阵列包括多个微棱镜，所述微棱镜包括至少一微棱镜面，该微棱镜面用于接收所述偏振激发光，该微棱镜面与所述波长转换片的基准面的角度为θ±10°，其中θ满足：θ＝arctann，n为所述微棱镜的折射率；

且入射于所述微棱镜面的所述偏振激发光的偏振态相对于该微棱镜面为p偏振态。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述微棱镜为截面呈多边形的条状结构。

3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于：所述条状结构的截面为等腰三角形，该等腰三角形的两个腰所在的微棱镜面与所述基准面的夹角为θ±10°。

4.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于：所述波长转换装置包括驱动装置，该驱动装置用于驱动所述波长转换片周期性地转动，所述微棱镜阵列为同心排列的环状结构，且所述环状结构的圆心位于所述波长转换片的转轴上；或者所述微棱镜阵列以所述波长转换片的转轴为中心呈放射状地分布。

5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述微棱镜为棱锥。

6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于：所述微棱镜为四棱锥，该四棱锥的侧面包括两个相对的微棱镜面，该两个相对的微棱镜面与所述基准面的夹角为θ±10°。

7.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于：所述波长转换装置包括驱动装置，该驱动装置用于驱动所述波长转换片周期性地转动，所述微棱镜阵列为关于所述波长转换片的转轴旋转对称分布的棱锥阵列。

8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述波长转换装置包括驱动装置，该驱动装置用于驱动所述波长转换片周期性地水平往复运动，所述微棱镜阵列成直线排布，以使得入射到所述微棱镜的一微棱镜面的光始终为p偏振态。

9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述微棱镜阵列的微棱镜包括波长转换材料。

10.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述波长转换装置还包括基板，该基板包括多个凸起结构，该多个凸起结构包括至少一个凸起结构表面，该凸起结构表面与所述基准面的夹角为θ±10°，其中θ满足：θ＝arctann，n为所述微棱镜的折射率；

所述波长转换片与所述多个凸起结构贴合，且该波长转换片的各处厚度均匀。

11.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的发光装置。