CN111897183A - 发光装置及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发光装置及投影系统，涉及照明技术领域，发光装置包括激发光源、二向色镜、匀光元件、弧面反射元件和波长转换装置，激发光源位于二向色镜的一侧，弧面反射元件位于二向色镜的另一侧，匀光元件设置在二向色镜与弧面反射元件之间，波长转换装置与匀光元件位于弧面反射元件的同侧；弧面反射元件呈椭球状，匀光元件的远离二向色镜的一端的端面中心点和波长转换装置的波长转换点分别位于弧面反射元件的两个焦点处。本发明提供的发光装置和投影系统，通过匀光元件和弧面反射元件，提高了激发光入射到波长转换材料上的匀光效果，增加了波长转换装置的散热空间，提高了对受激发光的收集效率，从而提高了发光效率。

Description

发光装置及投影系统

技术领域

本发明涉及照明技术领域，尤其是涉及一种发光装置及投影系统。

背景技术

传统光源如荧光灯、白炽灯、超高性能灯或氙灯等难以做到高效率、长寿命。随着固态光源的发展，LED(Light Emitting Diode，发光二极管)和半导体激光器逐步走入照明和显示市场。

产生色光或白光的方式一般有两种：一种是直接利用色光光源如红、绿或蓝光LED来提供色光，或利用这些色光来合成白光；另一种是基于光波长转换用激发光源来激发波长转换材料产生色光，例如以短波长如蓝光或UV(Ultraviolet，紫外线)光的光源为激发光源来激发诸如荧光粉等波长转换材料来产生色光，进而利用激发光或激发产生的各种色光来合成白光。以绿光为例，目前的绿光LED或绿光激光器因难以做到高效率，价格很高；而蓝光和UV光的固态器件效率高且价格低，采用后一种方案来产生绿光无疑具有更大的市场前景。

目前基于波长转换方式的发光装置中，激发光的强度分布不够均匀，使得波长转换材料的激发效率较低；另外，现有的发光装置通常采用聚焦透镜来收集波长转换材料产生的受激发光(色光)，使得受激发光的收集效率较低；同时聚焦透镜紧靠波长转换装置，造成波长转换材料的散热不便，影响波长转换材料的激发效率。由于波长转换材料的激发效率直接影响发光装置的发光效率，因此现有的发光装置的发光效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发光装置及投影系统，以提高发光效率。

本发明提供了一种发光装置，包括激发光源、二向色镜、匀光元件、弧面反射元件和波长转换装置，所述激发光源位于所述二向色镜的一侧，所述弧面反射元件位于所述二向色镜的另一侧，所述匀光元件设置在所述二向色镜与所述弧面反射元件之间，所述波长转换装置与所述匀光元件位于所述弧面反射元件的同侧；

所述弧面反射元件呈椭球状，所述匀光元件的远离所述二向色镜的一端的端面中心点和所述波长转换装置的波长转换点分别位于所述弧面反射元件的两个焦点处；

所述激发光源发出的激发光经所述二向色镜、所述匀光元件和所述弧面反射元件后，会聚到所述波长转换装置的波长转换点上，经所述波长转换装置的光波长转换作用变为受激发光；所述受激发光经所述弧面反射元件、所述匀光元件和所述二向色镜后输出。

进一步地，所述匀光元件包括匀光棒。

进一步地，所述匀光棒呈锥形，所述匀光棒的靠近所述二向色镜一端的端面尺寸大于所述匀光棒的远离所述二向色镜一端的端面尺寸。

进一步地，所述波长转换装置包括互连的转轮和驱动装置，所述转轮上设置有波长转换材料，所述驱动装置用于驱动所述转轮转动，以改变所述波长转换点的位置。

进一步地，所述转轮包括沿圆周方向设置的多个转换分区，每个所述转换分区内均设置有对应不同颜色的波长转换材料。

进一步地，所述激发光源与所述二向色镜之间设置有扩散片，所述扩散片用于消除所述激发光的相干性。

进一步地，所述激发光源与所述二向色镜之间设置有聚光元件，所述匀光元件的靠近所述二向色镜的一端位于所述聚光元件的焦点处。

进一步地，从所述二向色镜输出的受激发光的输出光路上还设置有整形透镜。

进一步地，所述激发光源包括激光二极管或发光二极管，所述激发光包括蓝光、紫光或紫外光。

本发明还提供了一种投影系统，包括上述的发光装置。

本发明提供的发光装置和投影系统中，发光装置包括激发光源、二向色镜、匀光元件、弧面反射元件和波长转换装置，激发光源位于二向色镜的一侧，弧面反射元件位于二向色镜的另一侧，匀光元件设置在二向色镜与弧面反射元件之间，波长转换装置与匀光元件位于弧面反射元件的同侧；弧面反射元件呈椭球状，匀光元件的远离二向色镜的一端的端面中心点和波长转换装置的波长转换点分别位于弧面反射元件的两个焦点处；激发光源发出的激发光经二向色镜、匀光元件和弧面反射元件后，会聚到波长转换装置的波长转换点上，经波长转换装置的光波长转换作用变为受激发光；受激发光经弧面反射元件、匀光元件和二向色镜后输出。本发明提供的发光装置和投影系统，通过匀光元件对激发光的匀光作用，提高了激发光入射到波长转换材料上的匀光效果；通过弧面反射元件收集受激发光，增加了波长转换装置的散热空间，并且提高了对受激发光的收集效率；因此与现有技术相比，提高了波长转换装置的激发效率和对受激发光的收集效率，从而提高了发光效率。另外，匀光元件还对受激发光具有匀光作用，因此在提高投影系统的显示效果的同时，还节省了光器件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的发光装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种发光装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种波长转换装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种发光装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种发光装置的结构示意图。

图标：101、201-激发光源；102、202-二向色镜；103-聚焦透镜；104、205-波长转换装置；203-匀光元件；2031-匀光棒；204-弧面反射元件；206-扩散片；207-聚光元件；208-整形透镜；301-转轮；3011-转换分区；302-驱动装置。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示的现有技术中的发光装置的结构示意图，现有的发光装置通常包括激发光源101、二向色镜102、聚焦透镜103和波长转换装置104，波长转换装置104上设置有波长转换材料。激发光源101发出的激发光透过二向色镜102后，再经聚焦透镜103聚焦到波长转换装置104上，波长转换装置104上的波长转换材料受激发产生受激发光，受激发光经波长转换装置104反射后通过聚焦透镜103，再经二向色镜102反射后输出。

图1中激发光的强度分布不够均匀，使得波长转换装置104的激发效率较低，从而使得发光装置的发光效率较低。为了使聚焦透镜103更好地收集受激发光，聚焦透镜103需要靠近波长转换装置104，这样会造成波长转换装置104的散热空间不足，从而影响波长转换装置104的激发效率，进而影响发光装置的发光效率。并且由于聚焦透镜103直径的限制，只能收集发散角为65°-70°以下的光，因此会造成部分受激发光的损失，使得对受激发光的收集效率较低，从而影响发光装置的发光效率。基于此，本发明实施例提供了一种发光装置及投影系统，能够提高激发光入射到波长转换材料上的匀光效果，增加波长转换装置的散热空间，提高对受激发光的收集效率，从而提高发光效率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种发光装置进行详细介绍。

参见图2所示的一种发光装置的结构示意图，该发光装置包括激发光源201、二向色镜202、匀光元件203、弧面反射元件204和波长转换装置205，激发光源201位于二向色镜202的一侧，弧面反射元件204位于二向色镜202的另一侧，匀光元件203设置在二向色镜202与弧面反射元件204之间，波长转换装置205与匀光元件203位于弧面反射元件204的同侧；弧面反射元件204呈椭球状，匀光元件203的远离二向色镜202的一端的端面中心点和波长转换装置205的波长转换点分别位于弧面反射元件204的两个焦点处。其中，波长转换装置205上设置有波长转换材料。

如图2所示，上述发光装置的工作过程如下：激发光源201发出的激发光(以实线表示激发光，下同)经二向色镜202、匀光元件203和弧面反射元件204后，会聚到波长转换装置205的波长转换点上，经波长转换装置205的光波长转换作用变为受激发光(以虚线表示受激发光，下同)；受激发光经弧面反射元件204、匀光元件203和二向色镜202后输出。

具体地，激发光源201可以但不限于为激光二极管或发光二极管，激发光包括蓝光、紫光或紫外光。其中，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点。例如，激发光源201可以选取450-460nm的蓝色激光二极管。

二向色镜202主要起到透射激发光，反射受激发光或是透射受激发光，反射激发光的作用。如图2所示，本实施例中二向色镜202的作用是透射激发光，反射受激发光；需要说明的是，在其他实施例中，也可以根据需要选用透射受激发光，反射激发光的二向色镜。

匀光元件203主要起到匀光的作用，包括对激发光的匀光，以及对受激发光的匀光。匀光元件203可以但不限于为匀光棒。匀光棒的端面与投影系统中的光调制器芯片的大小和形状有关，匀光棒的端面形状可以为具有平行边的多边形，例如矩形、正方形、菱形、六边形等。本实施例中，通过匀光元件203对激发光的匀光作用，能够提高激发光入射到波长转换材料上的匀光效果，使得入射到波长转换材料上的激发光的强度分布更加均匀，从而可以提高波长转换材料的激发效率；通过匀光元件203对受激发光的匀光作用，能够提高投影系统的显示效果。另外，激发光和受激发光共用匀光元件203，节省了光器件，从而降低了发光装置的成本。

弧面反射元件204呈椭球状，因此具有两个焦点，从其中一个焦点发出的光能够会聚到另一个焦点，也即从匀光元件203的远离二向色镜202的一端出射的激发光，经弧面反射元件204后会全部会聚到波长转换装置205的波长转换点，该波长转换点产生的受激发光经弧面反射元件204后会全部会聚到匀光元件203内。本实施例中，通过设置弧面反射元件204来收集受激发光，增加了波长转换装置205的散热空间，从而提高了波长转换装置205的激发效率，进而提高了发光装置的发光效率；还提高了对受激发光的收集效率，从而进一步提高了发光装置的发光效率。

另外，现有技术中采用聚焦透镜来收集受激发光时，聚焦透镜同时通过激发光和受激发光，能量密度过大，容易在灰尘或挥发物的影响下造成透镜的裂碎与膜层的损坏，针对该问题，本实施例中采用反光杯的方案，即用弧面反射元件204替换聚焦透镜，这样能够降低光学元件上的能量密度，从而提高发光装置的寿命。

本发明实施例中，发光装置包括激发光源、二向色镜、匀光元件、弧面反射元件和波长转换装置，激发光源位于二向色镜的一侧，弧面反射元件位于二向色镜的另一侧，匀光元件设置在二向色镜与弧面反射元件之间，波长转换装置与匀光元件位于弧面反射元件的同侧；弧面反射元件呈椭球状，匀光元件的远离二向色镜的一端的端面中心点和波长转换装置的波长转换点分别位于弧面反射元件的两个焦点处；激发光源发出的激发光经二向色镜、匀光元件和弧面反射元件后，会聚到波长转换装置的波长转换点上，经波长转换装置的光波长转换作用变为受激发光；受激发光经弧面反射元件、匀光元件和二向色镜后输出。本发明实施例提供的发光装置，通过匀光元件对激发光的匀光作用，提高了激发光入射到波长转换材料上的匀光效果；通过弧面反射元件收集受激发光，增加了波长转换装置的散热空间，并且提高了对受激发光的收集效率；因此与现有技术相比，提高了波长转换装置的激发效率和对受激发光的收集效率，从而提高了发光效率。另外，匀光元件还对受激发光具有匀光作用，因此在提高投影系统的显示效果的同时，还节省了光器件。

可选地，为了提高上述波长转换装置205的使用寿命，参见图3所示的一种波长转换装置的结构示意图，波长转换装置205包括互连的转轮301和驱动装置302，转轮301上设置有波长转换材料，驱动装置302用于驱动转轮301转动，以改变波长转换点的位置。

具体地，转轮301具有中心轴，转轮301可以但不限于呈圆盘状。驱动装置302用于驱动转轮301围绕其中心轴旋转，使得激发光按圆形路径周期性地作用于转轮301的波长转换材料上。这样激发光不会长时间作用在转轮301的同一位置，从而能够避免由于激发光长时间作用于转轮301的同一位置所导致的波长转换材料的温度过高问题，进而能够降低高温对波长转换材料寿命的影响，提高转轮301的使用寿命。

上述波长转换材料可以但不限于为荧光粉。可选地，波长转换材料包括以下中的一种或多种：硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉、铝酸盐荧光粉、氧化物荧光粉、氮氧化物荧光粉、氯化物荧光粉、氮化物荧光粉、硫化物荧光粉、氧硫化物荧光粉、卤化物荧光粉、硫属化合物荧光粉、卤磷酸盐化物荧光粉和石榴石系化合物荧光粉。

可选地，上述驱动装置302包括马达。

为了实现多色转换，如图3所示，上述转轮301包括沿圆周方向设置的多个转换分区3011，每个转换分区3011内均设置有对应不同颜色的波长转换材料。例如，参见图3，转轮301上设置有4个转换分区3011，4个转换分区3011内分别设置有对应黄色、绿色、橙色和红色的波长转换材料。这样可以根据需要切换波长转换点所在的转换分区3011，从而改变所产生的受激发光的颜色。

具体地，如图3所示，多个转换分区3011可以但不限于呈与转轮301同轴的环状分布。这样方便对转轮301的驱动控制。

考虑到激发光具有强的相干性，可能影响激发光强度分布的均匀性，参见图4所示的另一种发光装置的结构示意图，上述激发光源201与二向色镜202之间设置有扩散片206，扩散片206用于消除激发光的相干性。该发光装置通过扩散片206进一步提高了激发光强度分布的均匀性，从而进一步提高了波长转换装置205的激发效率。

进一步可选地，扩散片206可以采用毛玻璃。毛玻璃具有成本低的优点。

可选地，如图4所示，上述激发光源201与二向色镜202之间设置有聚光元件207，匀光元件203的靠近二向色镜202的一端位于聚光元件207的焦点处。聚光元件207可以将激发光源201发出的激发光聚焦到匀光元件203的一端，从而降低激发光进入匀光元件203时的能量损失。

进一步可选地，聚光元件207可以采用聚光透镜或聚光透镜组。

在一种可选的实现方式中，如图4所示，扩散片206设置在激发光源201与聚光元件207之间。在另一种可选的实现方式中，扩散片206设置在聚光元件207与二向色镜202之间。

可选地，为了提高投影系统的显示效果，如图4所示，从二向色镜202输出的受激发光的输出光路上还设置有整形透镜208。整形透镜208用于改变受激发光的光束方向或空间分布，实际应用中可以根据需要选取合适的整形透镜208。

进一步可选地，上述整形透镜208包括准直透镜和\或聚焦透镜。

为了使出射的受激发光的发散角处于合适的角度(诸如30°)，参见图5所示的另一种发光装置的结构示意图，在上述实施例的基础上，上述匀光元件203为呈锥形的匀光棒2031，匀光棒2031的靠近二向色镜202一端(图5中的左端)的端面尺寸大于匀光棒2031的远离二向色镜202一端(图5中的右端)的端面尺寸。

这样可以使得受激发光从匀光棒2031出射时的角度比入射到匀光棒2031时的角度小，从而将受激发光的发散角调整到合适的角度，使得受激发光能够在后续的光学系统中得到有效利用。例如，受激发光入射到匀光棒2031时发散角为50°，通过匀光棒2031后发散角变为30°。

本发明实施例还提供了一种投影系统，包括上述实施例中所示的发光装置。

本发明实施例中，发光装置包括激发光源、二向色镜、匀光元件、弧面反射元件和波长转换装置，激发光源位于二向色镜的一侧，弧面反射元件位于二向色镜的另一侧，匀光元件设置在二向色镜与弧面反射元件之间，波长转换装置与匀光元件位于弧面反射元件的同侧；弧面反射元件呈椭球状，匀光元件的远离二向色镜的一端的端面中心点和波长转换装置的波长转换点分别位于弧面反射元件的两个焦点处；激发光源发出的激发光经二向色镜、匀光元件和弧面反射元件后，会聚到波长转换装置的波长转换点上，经波长转换装置的光波长转换作用变为受激发光；受激发光经弧面反射元件、匀光元件和二向色镜后输出。本发明实施例提供的包括发光装置的投影系统，通过匀光元件对激发光的匀光作用，提高了激发光入射到波长转换材料上的匀光效果；通过弧面反射元件收集受激发光，增加了波长转换装置的散热空间，并且提高了对受激发光的收集效率；因此与现有技术相比，提高了波长转换装置的激发效率和对受激发光的收集效率，从而提高了发光效率。另外，匀光元件还对受激发光具有匀光作用，因此在提高投影系统的显示效果的同时，还节省了光器件。

本发明实施例提供的投影系统，与上述实施例提供的发光装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的投影系统的具体工作过程，可以参考前述发光装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种发光装置，其特征在于，包括激发光源、二向色镜、匀光元件、弧面反射元件和波长转换装置，所述激发光源位于所述二向色镜的一侧，所述弧面反射元件位于所述二向色镜的另一侧，所述匀光元件设置在所述二向色镜与所述弧面反射元件之间，所述波长转换装置与所述匀光元件位于所述弧面反射元件的同侧；

所述弧面反射元件呈椭球状，所述匀光元件的远离所述二向色镜的一端的端面中心点和所述波长转换装置的波长转换点分别位于所述弧面反射元件的两个焦点处；

所述激发光源发出的激发光经所述二向色镜、所述匀光元件和所述弧面反射元件后，会聚到所述波长转换装置的波长转换点上，经所述波长转换装置的光波长转换作用变为受激发光；所述受激发光经所述弧面反射元件、所述匀光元件和所述二向色镜后输出。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述匀光元件包括匀光棒。

3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，所述匀光棒呈锥形，所述匀光棒的靠近所述二向色镜一端的端面尺寸大于所述匀光棒的远离所述二向色镜一端的端面尺寸。

4.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互连的转轮和驱动装置，所述转轮上设置有波长转换材料，所述驱动装置用于驱动所述转轮转动，以改变所述波长转换点的位置。

5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述转轮包括沿圆周方向设置的多个转换分区，每个所述转换分区内均设置有对应不同颜色的波长转换材料。

6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述激发光源与所述二向色镜之间设置有扩散片，所述扩散片用于消除所述激发光的相干性。

7.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述激发光源与所述二向色镜之间设置有聚光元件，所述匀光元件的靠近所述二向色镜的一端位于所述聚光元件的焦点处。

8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，从所述二向色镜输出的受激发光的输出光路上还设置有整形透镜。

9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述激发光源包括激光二极管或发光二极管，所述激发光包括蓝光、紫光或紫外光。

10.一种投影系统，其特征在于，包括如上述权利要求1-9中任一项所述的发光装置。

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