CN112596331B - 一种荧光芯片及其显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光芯片及其显示系统，该荧光芯片包括若干荧光模块，各荧光模块呈矩阵排列；每一所述荧光模块包括基体、功能材料以及光收集结构；所述各荧光模块的基体在同一侧形成有凹状结构的容纳腔，所述容纳腔具有供入射光进入以及出射光射出的开口，功能材料置于所述容纳腔的底部，所述功能材料为波长转换材料或者散射材料；所述各荧光模块的所述光收集结构置于所述容纳腔内，将入射到所述容纳腔内的入射光汇聚到所述功能材料上，并将功能材料接收入射光后产生的出射光从所述开口出射，且控制出射光的发散角在预设范围内。该荧光芯片能够提供平行出射的图像光。

Description

一种荧光芯片及其显示系统

本申请基于申请号为2017年1月17日、申请号为201710035152.9、发明名称为“一种荧光芯片及其显示系统”的分案申请。

技术领域

本发明涉及图像显示技术领域，尤其涉及一种荧光芯片及其显示系统。

背景技术

在目前的显示领域中，显示方法主要利用DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜装置)或LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)作为光调制器，对照明光进行调制从而得到图像光。然而DMD技术掌握在美国企业手中，LCD技术掌握在日本企业手中，形成技术垄断，新企业进入显示领域，无法绕开该技术，从而不利于显示领域成本的降低。此外，以DMD或LCD为技术基础的显示设备，各有其效率方面的缺陷。

具体地，在以激光激发荧光材料产生多色光作为光源的显示设备中，激光发光元件发出的光经光学元件(如合光器件、光束整形器件)到达荧光材料，经荧光材料转换后得到照明光；将照明光耦合到光机系统；经光机系统调制成图像光；最后经过投影镜头将图像光投射到屏幕上。在上述过程中，荧光粉的出光效率约为90％，耦合到光机系统的效率约为94％，经光机系统调制成图像光的效率大约为30％～40％。由此可知，上述过程中，光机效率低，严重制约了高亮度显示。

以3DMD的光机系统为例，照明光首先需要整形成适合DMD大小、形状的光斑，然后经过全反射棱镜、分光棱镜到达DMD，经调制后再次穿过分光棱镜和全反射棱镜进入投影镜头，这其中损失了大量的光，制约了高亮度显示的上限。

以3LCD的光机系统为例，照明光照射到LCD上被调制成图像光，然后该图像光从LCD位置经投影镜头成像到屏幕上。受投影镜头的限制，LCD的面积不能太大；同时，LCD的每个像素的配线、电子元件等必要的器件限制了LCD的开口率。因此，现有技术中所用的LCD受面积与本身结构的限制，小面积的LCD效率低，使得光大量损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种荧光芯片及其显示系统，旨在提供能应用于显示的平行光。

本发明是这样实现的，一种荧光芯片，包括若干荧光模块，各荧光模块呈矩阵排列；

每一所述荧光模块均包括基体、功能材料以及光收集结构；

所述各荧光模块的基体在同一侧形成有凹状结构的容纳腔，所述容纳腔具有供入射光进入以及出射光射出的开口；

所述功能材料置于所述容纳腔的底部，所述功能材料为波长转换材料或者散射材料，所述波长转换材料用于接收入射光而产生与入射光波长不同的受激光，所述散射材料用于对入射光进行反射及散射后出射；

所述各荧光模块的所述光收集结构置于所述容纳腔内，将入射到所述容纳腔内的入射光汇聚到所述功能材料上，并将所述功能材料接收所述入射光后产生的出射光从所述开口出射，且控制出射光的发散角在预设范围内，进而使得各所述荧光模块构成出射近似平行光的面光源。

进一步地，所述容纳腔为倒梯形、倒多棱台形或倒圆台形。

进一步地，所述光收集结构为置于所述容纳腔开口位置处的光学透镜，所述功能材料置于所述光学透镜的焦点位置处。

进一步地，所述容纳腔的内表面为抛物面形状，所述光收集结构为置于所述抛物面上的反射膜，所述功能材料置于所述抛物面的焦点位置处。

进一步地，所述荧光芯片还包括用于减小出射光角度的调光装置，所述调光装置置于所述容纳腔的开口处。

进一步地，所述调光装置为透镜或者匀光棒。

进一步地，所述基体为金属板、透明的硅基板或氮化铝基板。

进一步地，每相邻的四个所述荧光模块构成一个像素点，所述一个像素点中，至少有一出射蓝色出射光的荧光模块，至少有一出射红色出射光的荧光模块，至少有一出射绿色出射光的荧光模块。

进一步地，所述出射光从所述开口处出射的发散角的范围为0～17度。

进一步地，所述容纳腔开口的半径小于或等于与所述容纳腔的高度的0.2倍。

进一步地，所述开口处的面积至少为所述功能材料在所述容纳腔的底部填充的面积的25倍。

进一步地，所述荧光芯片还包括若干滤光片，所述若干滤光片的数量与所述若干荧光模块的数量一致，所述若干滤光片分别置于所述各个荧光模块的上方并将所述容纳腔的开口密封。

进一步地，所述滤光片为能够透射小于预设角度的光并反射其它角度的光的角度选择滤光片。

本发明还提供一种显示系统，该显示系统包括光源，以及上述任一项所述的荧光芯片，所述光源用于发出激发光，所述荧光芯片接收所述激发光并产生不同波长范围的受激光，并将所述受激光近似平行出射。

进一步地，所述显示系统还包括光调制器，所述光调制器置于所述光源的出射光路上，用于将所述激发光转换为单色图像光并输出给所述荧光芯片；所述荧光芯片接收所述单色图像光并产生不同波长范围的受激光，并将所述受激光近似平行出射。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：所述荧光芯片中的各个荧光模块将波长转换材料置于容纳腔的底部，通过光收集结构将入射光聚焦到波长转换材料上，同时，光收集结构也能将波长转换材料产生的受激光从容纳腔的开口处平行出射，即图像光经过荧光芯片后能转换为平行的彩色光出射，即从荧光芯片上出射的光源为面光源，从而使得该荧光芯片能够应用于显示领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本发明实施例提供的荧光芯片的一种结构示意图；

图2是本发明实施例提供的荧光芯片的另一种结构示意图；

图3是本发明实施例提供的荧光芯片的又一种结构示意图；

图4是本发明实施例提供的荧光芯片的又一种结构示意图；

图5是本发明实施例提供的单个荧光模块中受激光从开口出射形成的发散角的示意图；

图6是本发明实施例提供的荧光模块中容纳腔的高度与开口的宽度的关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种荧光芯片及其显示系统旨在对目前的显示领域中的显示技术进行改进，其思路主要为荧光芯片由若干个荧光模块组成，各荧光模块可以排列成一维矩阵、二维矩阵或者n×m的矩阵，其中，n、m均为正整数。荧光芯片可以直接接收经调制后的单色图像光，并将单色图像光转化为彩色图像光，用于图像显示。各荧光模块包括基体、光收集结构和功能材料，各荧光模块的基体在同一侧形成有凹状结构的容纳腔。光收集结构能将入射光引导到功能材料上，并将经过功能材料后产生的出射光引导出射，出射的光从容纳腔的开口处平行出射，使得荧光芯片出射光的发散角尽可能小，即荧光芯片出射的光为近似平行出射的面光源，不需要经过光学器件对出射光进行收集，减少了光收集过程中的光浪费现象，能够较高效率地应用在显示上。

为了便于对荧光模块及荧光芯片的理解，将荧光芯片对应的显示系统光路进行简要的说明。光源发出的单色激发光经过光整形系统后形成均匀的光斑，该光斑照射到光调制器上，经光调制器调制后形成单色图像光，该单色图像光成像到荧光芯片上，从而得到彩色图像光。光源可以是LD(Laser Diode，激光二极管)阵列。优选的，荧光芯片的面积大于从光调制器的出射面面积，根据光学扩展量守恒可知，可以使得在成像过程中，入射到荧光芯片的图像光的光发散角更小，提高了光的利用率。

如图1所示，为荧光芯片的一种结构示意图。荧光芯片1包括若干荧光模块10，各荧光模块10呈矩阵排列。其中，荧光模块10，包括基体101、功能材料103以及光收集结构104。各荧光模块10的基体101在同一侧形成有凹状结构的容纳腔102，容纳腔102具有供入射光进入以及出射光射出的开口1021，功能材料103置于容纳腔102的底部，功能材料103为波长转换材料或者散射材料。波长转换材料用于将至少部分入射光而产生与入射光波长不同的受激光，该入射光为激发光。散射材料用于对入射光进行反射及散射后出射。

各荧光模块10的光收集结构104置于容纳腔102内，将入射到容纳腔102内的入射光汇聚到功能材料103上，并将功能材料103接收入射光后产生的出射光从开口1021出射，且控制出射光的发散角在预设范围内，进而使得各荧光模块10构成出射近似平行光的面光源。各荧光模块10组成荧光芯片，各荧光模块10的光出射面构成一个平面，发散角为该出射光束角度最大的光线与垂直于荧光芯片的平面的直线所构成的角度。如图5所示，角度θ₁即为发散角。较理想的状态为所有的出射光所形成的光束为平行光束，即该光束的发散角为0度，当然，只要将该光束的出射方向控制好，发散角控制在合理的范围内也是允许的，即出射的光束类似于平行光出射。为了使出射光平行出射，功能材料103置于光收集结构104的焦点位置附近，从而使得在任意入射光的照射下，出射的受激光为平行光。该平行光为面分布光源，能够应用在显示技术上。由于显示技术上需要的图像光为面光源，该荧光芯片直接出射的光即为面光源，不需要经过光学元件的调整即可直接使用，避免了光转换过程中的光损失，提高了光的使用效率。

上述实施例中，各荧光模块10的基体101连接为一个整体，以方便荧光芯片在实际使用中出射的面光源较为聚集。优选的，基体101可以一体成型，也就是说基体101可以由一块完整的散热效果较好的块状材料构成，比如基体101为长方体状的铝基板，在铝基板的一个平面上设置若干凹状结构，各相邻凹状结构之间等间距分布，各凹状结构所形成的空间即为容纳腔102。例如，该凹状结构可以为凹槽，或者该凹状结构与水平面垂直的一个切面为梯形、半圆形、半椭圆形等，即凹状结构的内部空间的形状可以为倒四棱台形、倒多棱台形、半球形、半椭球形等。功能材料103涂敷在容纳腔102的底部，功能材料103可以为波长转换材料或者散射材料。也即各个荧光模块10的容纳腔102的底部设置的功能材料103不一样中，例如，部分荧光模块10的容纳腔102的底部设置波长转换材料，该波长转换材料接收入射光而产生与入射光波长不同的受激光；部分荧光模块10的容纳腔102的底部设置散射材料，该散射材料对入射光进行反射及散射后出射，从而可以消除入射光的相干性。

荧光模块10为若干个，各荧光模块10呈矩阵排列。例如，各个荧光模块10可以排列成一维阵列、二维阵列、n×m维阵列等，其中，n、m均为正整数。例如，图1所示的为1×n阵列，图中只是示意性地画出四个荧光模块10作为示例。

入射光为激发光，比如，可以为蓝色激光器产生的蓝色激发光，或者，也可以为LED光源。产生激发光的光源置于容纳腔102开口1021处的上方，激发光经过空间光调制器后，直接入射到容纳腔102内，能够以最短的路径入射，减少了光程，减少了光损失。当然，根据产品的实际结构，也可以调整光源的放置位置及光源类型，比如，可以将光源放置于基体101的侧面，然后通过光学器件将光源发出的激发光引导到容纳腔102内，又如，通过反射镜改变激发光的传播方向，使得激发光能从开口1021处入射到容纳腔102内。

容纳腔102可以为倒梯形、倒多棱台形、倒圆台形中的一种结构。容纳腔102主要用于放置功能材料103，以及为光收集结构104提供容置空间，在具体的应用中，还可以对容纳腔102的结构进行改进。

光收集结构104为光学透镜，例如可以为球形透明体，或者凸透镜，对凸透镜的形状不作要求。光学透镜置于容纳腔102开口位置处，功能材料置于光学透镜的焦点位置处。此处，从容纳腔102的底部往上，依次是功能材料、光学透镜、容纳腔的开口。可以理解，本发明所述的开口位置同样包括开口所在平面穿过光学透镜的技术方案。当然，光收集结构104还可以是其它的结构，只要能满足将入射的激发光聚集到功能材料103上，并将功能材料103产生的出射光平行出射即可。

结合上述的实施例，荧光芯片还可以包括滤光片105，滤光片105置于容纳腔102的开口1021处。具体为，滤光片的数量与荧光模块的数量一致，各个滤光片分别设置于各个荧光模块的上方并将容纳腔的开口密封。滤光片105不仅可以对从开口1021处出射的出射光进行过滤，还可以将荧光芯片中的各个容纳腔102的开口1021进行密封设置，使容纳腔102的内部和滤光片105之间形成一个封闭的容纳空间，以防止灰尘、水蒸气等杂质进入到容纳腔102的内部空间。或者，该滤光片105可以为角度选择滤光片，该角度选择滤光片能够将小于特定角度的光出射，其它角度的光进行反射，以使不出射的其它角度的光进行重复利用。角度选择滤光片能够控制出射光的角度，使得荧光芯片的出射光控制在适当的方向和角度出射。

在具体的制作中，例如，可以选取一块散热效果较好的材质作为荧光芯片的基体，该基体为长方体、正方体或棱台体等，将基体的一个面平均划分成若干块，该若干块呈矩阵排列。在每一个荧光模块位于基体的同一个面上挖取容纳腔，优选的，在荧光模块的一个面的中间位置进行挖取，并预留一些边缘，即开口的面积小于该开口所处的荧光模块的面的面积，且开口的边缘与荧光模块的边缘预留有基体材质，该设计不但使得加工方便，且边缘预留的基体材质还可以增加荧光芯片整体结构的机械强度。该容纳腔具有开口、侧壁和底部，在挖取时没有将该基体相对的两个面完全挖通，该容纳腔即为荧光模块的容纳腔。该基体中各个容纳腔的底面均设置有功能材料，相邻两个容纳腔设置的功能材料可以相同，也可以不同。光收集结构为光学透镜，该光学透镜置于功能材料的上方；或者，光收集结构为反射膜，相应的，容纳腔的内表面为抛物面形状，反射膜设置于抛物面形状的容纳腔的侧壁上，用于将入射光汇聚到功能材料上，并将经过功能材料转换产生的出射光引导从开口处平行出射。

如图2所示，为荧光芯片的另一种结构示意图。图2所示的实施例为在图1实施例的基础上变形得到。同样的，荧光芯片2包括若干荧光模块20，各荧光模块20呈矩阵排列。例如，各个荧光模块20可以排列成一维阵列、二维阵列、n×m维阵列等，其中，n、m均为正整数。该荧光模块20包括基体201、功能材料203以及光收集结构(未在图中标示出)。各荧光模块的基体201在同一侧形成有凹状结构的容纳腔202，容纳腔202具有供入射光进入以及出射光射出的开口2021，功能材料203置于容纳腔202的底部。光收集结构置于容纳腔202内，将入射到容纳腔202内的入射光汇聚到功能材料203上，并将经过功能材料203产生的出射光从开口2021处出射，且控制受激光的发散角在预设范围内。较优的，当发散角为0度时，功能材料203经过转换产生的受激光从开口2021处平行出射。

各荧光模块20的基体101可以由各个相互独立的模块连接为一个整体，也可以将各个荧光模块20的结构一体成型。当基体201一体成型时，基体201可以由一块完整的具有较好散热效果的块状材料构成，比如基体201为长方体状的金属基板，在金属基板的一个平面上设置若干凹状结构，各相邻的凹状结构之间间距相等，每一个凹状结构所形成的空间即为一个容纳腔202。功能材料203涂敷在容纳腔202的底部，用于将至少部分入射光转换为与入射光波长不同的受激光，或者将至少部分入射光进行反射及散射后出射。

由于每个荧光模块20的功能材料203分别设置在各自的光收集结构的焦点位置，使得在任意入射光的照射下，出射的出射光为平行光，从而使得荧光芯片2成为发散角小的面分布光源，该光源能够用在显示技术上。

容纳腔202的内表面为抛物面形状，光收集结构为置于抛物面上的反射膜，反射膜可以粘贴在容纳腔202的内表面，或者，直接涂敷在容纳腔202的内表面，又或者，可以为镀制的反射膜。功能材料设置于容纳腔202的底部，即位于抛物面形状腔体的焦点处。

与上述的实施例相结合，如图3所示，荧光芯片2还可以包括用于减小出射光角度的调光装置206，该调光装置206置于抛物面形状的开口处，以进一步将出射的受激光转换为平行光出射。减小出射光角度指的是在使用调光装置206的情况下出射光的立体角小于无调光装置206的情况下出射光的立体角。例如，该调光装置206设置为透镜或者匀光棒等。调光装置206并不限定为透镜或者匀光棒，只要能将出射光转换为平行光出射的器件均可。调光装置206的设置，可以进一步减小从开口处出射的受激光的发散角，使得从荧光芯片2出射的光成为发散角小的面分布光源。

与上述各个实施例相结合，荧光芯片还可以包括滤光片205，滤光片205置于容纳腔202的开口2021处，用于将出射的受激光进行过滤。滤光片205还可以将荧光芯片中各个容纳腔202的开口2021进行密封设置，使各个容纳腔202和滤光片205围合形成若干个封闭的容纳空间，以防止灰尘、水蒸气等杂质进入到容纳腔202的内部空间，影响功能材料的转换效率以及散热效率。滤光片205上还可以设置滤光膜，滤光膜置于滤光片205上且位于各个荧光模块的开口处，以进一步对出射光进行修色。

在上述各个实施例的基础上，基体101、201可以采用金属板、铝基板、透明的硅基板、氮化铝基板等制作。在选择制作基体101、201的材质时，主要考虑选择散热性能好的材质，基体101、201可以将波长转换材料在激发光转换为受激光过程中产生的热量较快地进行散热。

功能材料103、203可以包括荧光粉、荧光陶瓷、量子点等。其中，荧光粉可以为黄色荧光粉、蓝色荧光粉、绿色荧光粉、红色荧光粉等。功能材料103、203仅在容纳腔102、202的底部且位于光收集结构的焦点处设置，可以很好地控制出射的受激光的发散角的角度。当激发光为蓝色光时，设置蓝色荧光粉的荧光模块可以使用白色散射材料粉替换蓝色荧光粉，即部分荧光模块的容纳腔的底部设置白色散射材料粉。白色散射材料粉将入射的蓝色激光进行漫反射后出射，可以消除蓝色激光的相干性。

荧光陶瓷可以为纯相的荧光陶瓷，具体可以是各种氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或氮氧化物陶瓷，通过在陶瓷制备过程中掺入微量的激活剂元素(如镧系元素)形成发光中心。或者，荧光陶瓷也可以是复合陶瓷，以透明/半透明陶瓷作为基质，在陶瓷基质内分布着发光陶瓷颗粒(如荧光粉颗粒)。透明/半透明陶瓷基质可以是各种氧化物陶瓷(如氧化铝陶瓷、Y₃Al₅O₁₂陶瓷)、氮化物陶瓷(如氮化铝陶瓷)或氮氧化物陶瓷，陶瓷基质的作用在于对光和热进行传导，使得激发光能够入射到发光陶瓷颗粒上，并使受激光能够从发光陶瓷中出射，荧光陶瓷中的荧光粉颗粒承担主要的发光功能，用于吸收激发光并将其转换为受激光。

其中一种实施方式，功能材料103、203至少能将入射光转换为两种不同波长范围的出射光。比如，荧光芯片中部分荧光模块的容纳腔的底部涂敷有红色荧光粉材料，另外一部分荧光模块的容纳腔的底部涂敷有绿色荧光粉材料。当激发光入射到红色荧光粉材料时，红色荧光粉材料受激发产生红色的受激光，红色的受激光通过光收集结构后形成接近平行的出射光束出射。当激发光入射到绿色荧光材料时，绿色荧光粉材料受激发产生绿色的受激光，绿色的受激光通过光收集结构后形成接近平行的出射光束出射。又如，功能材料还可以包括为黄色荧光粉材料，部分荧光模块的容纳腔的底部涂敷黄色荧光粉材料，黄色荧光粉材料接收激发光并受激产生黄色受激光，其中，黄色受激光包括红色光和绿色光，黄色光的使用可以增加整幅图像的亮度。

上述各实施例中的荧光芯片可以应用于投影系统，也可以应用于照明系统，例如舞台灯照明、汽车大灯、手术灯等。

如图5所示，为单个荧光模块中出射光从开口出射形成的发散角的示意图，发散角为出射光形成的出射光束的角度最大的光线与垂直荧光模块的开口所在的平面的直线所构成的角度，如图5所示，角度θ₁即为发散角。较优的，发散角θ₁为0度时，受激光形成的出射光束平行出射。由于荧光模块中的结构、功能材料的设置位置以及受工艺制造等因素的影响，发散角控制在0度，需要严格控制加工精度及制造过程中的每一个工序。当将发散角控制在预设的范围内时，从开口出射的受激光束接近于平行光束，同样能够应用在显示领域上，发散角的预设范围为0～17度。即将发散角控制在0～17度的范围内，出射的受激光都可以看作为平行光。例如，在实际的应用中，可以将发散角控制在3度、5度、7度、10度、12度或15度等范围内，出射的受激光应用在显示技术上，均能达到要求的效果。

如图6所示，为单个荧光模块中容纳腔的高度与开口的宽度的关系示意图，为了将受激光的发散角控制在预设的范围内，需要限定容纳腔的高度与开口的宽度的关系，设功能材料设置在容纳腔的底部的高度为d₁，功能材料的上表面到开口的高度为d₂，容纳腔的高度为H，开口的半径为R，发散角为θ₁。根据三角函数关系有发散角的tanθ₁＝R/H，即控制容纳腔的高度与开口的直径之间的比例关系，即可控制发散角在要求的范围内。

当将发散角θ₁控制在17度时，R/H约为0.3，即开口的半径R为容纳腔的高度H的0.3倍，要控制发散角在17度范围内时，控制开口的半径R与容纳腔的高度H在0.3倍或0.3倍以下即可。当将发散角θ₁控制在12度时，R/H约为0.2，即开口的半径R为容纳腔的高度H的0.2倍，要控制发散角在12度范围内时，控制开口的半径R与容纳腔的高度H在0.2倍或0.2倍以下即可。当将发散角θ₁控制在5度时，R/H约为0.09，即开口的半径R为容纳腔的高度H的0.09倍，要控制发散角在5度范围内时，控制开口的半径R与容纳腔的高度H在0.09倍或0.09倍以下即可。

在图2或图3所示的实施例中，设功能材料置于容纳腔底部的面积为S₂，容纳腔开口的面积为S₁，出射光在功能材料表面的发散角为θ₂，出射光在开口处的发散角为θ₁。根据光学扩展量守恒可以得到S₁sin²θ₁＝S₂sin²θ₂，其中，出射光在功能材料表面的发散角为θ₂最大值为90度，当θ₂为90度时，S₂/S₁＝sin²θ₁，即容纳腔开口的面积与功能材料在容纳腔底部形成的面积之间的关系跟发散角的角度大小有关系，也就是说，需要控制出射光从开口处出射的发散角的角度范围，可以通过控制每一个荧光模块中功能材料的面积与开口的面积的比例关系来实现。

当θ₁为17度时，S₂/S₁＝sin²17°，即S₁约为S₂的11倍；需要将发散角控制在17度范围内时，控制容纳腔开口的面积S₁大于或等于功能材料置于容纳腔底部的面积S₂的11倍即可。也就是说，θ₁的角度控制在17度范围内时，开口处的面积至少为功能材料在容纳腔的底部填充的面积的11倍。当θ₁为12度时，S₂/S₁＝sin²12°，即S₁约为S₂的25倍；需要将发散角控制在12度范围内时，控制容纳腔开口的面积S₁大于或等于功能材料置于容纳腔底部的面积S₂的25倍即可。也就是说，θ₁的角度控制在12度范围内时，开口处的面积至少为功能材料在容纳腔的底部填充的面积的25倍。当θ₁为8度时，S₂/S₁＝sin²8°，即S₁约为S₂的52倍；需要将发散角控制在8度范围内时，控制容纳腔开口的面积S₁大于或等于功能材料置于容纳腔底部的面积S₂的52倍即可。也就是说，θ₁的角度控制在8度范围内时，开口处的面积至少为功能材料在容纳腔的底部填充的面积的52倍。当θ₁为5度时，S₂/S₁＝sin²5°，即S₁约为S₂的125倍；需要将发散角控制在5度范围内时，控制容纳腔开口的面积S₁大于或等于功能材料置于容纳腔底部的面积S₂的125倍即可。也就是说，θ₁的角度控制在5度范围内时，开口处的面积至少为功能材料在容纳腔的底部填充的面积的125倍。

如图4所示，为荧光芯片3的又一种结构示意图，该图示意性地示出了荧光芯片3的入射/出射光的面。荧光芯片3由若干荧光模块30排列成二维矩阵，其中，相邻的两个荧光模块30出射相同颜色或者不同颜色的光。例如，相邻的两个荧光模块30可以设置不同的波长转换材料，使其受激产生不同波长范围的受激光。

例如，当若干荧光模块30组成9列6行的阵列时，第一行中九个荧光模块出射的光的颜色依次为红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色；第二行中九个荧光模块出射的光的颜色依次为红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色；第三行中九个荧光模块出射的光的颜色依次为红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色；第四行、第五行、第六行中九个荧光模块出射的光的颜色与第一行中出射的光的颜色的顺序一致。也就是说，第一行中各个荧光模块按照一定的顺序依次出射三种颜色的光，其它各行中出射光的颜色与第一行中出射光的颜色的顺序一致。即，每一列中各荧光模块的出射光颜色相同，相邻两列的荧光模块出射光颜色不同。

又如，当若干荧光模块30组成9列6行的阵列时，第一行中九个荧光模块出射的光的颜色依次为红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色；第二行中九个荧光模块出射的光的颜色依次为蓝色、红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色、红色、绿色；第三行中九个荧光模块出射的光的颜色依次为绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色、红色、绿色、蓝色、红色；第四行中九个荧光模块出射的光的颜色与第一行中出射光的颜色的顺序一致；第五行中九个荧光模块出射的光的颜色与第二行中出射光的颜色的顺序一致；第六行中九个荧光模块出射的光的颜色与第三行中出射光的颜色的顺序一致。以此类推，可以扩展到更多荧光模块组成的荧光芯片。

如图4所示，在一个荧光芯片中，部分荧光模块30中容纳腔的底部设置有蓝色荧光材料301或者散射材料，部分荧光模块30中容纳腔的底部设置有绿色荧光材料302，部分荧光模块30中容纳腔的底部设置有红色荧光材料303，其中，相邻的两个荧光模块30设置不同颜色的荧光材料。本实施例中，为8×9的一个矩阵，即有8行9列，具体的行数和列数可以根据实际的情况确定。例如，可以是每相邻四个荧光模块构成一个像素点，一个像素点中至少有一个荧光模块出射蓝色的出射光，至少有一个荧光模块出射红色的出射光，至少有一个荧光模块出射绿色的出射光。其中，出射蓝色出射光的荧光模块可以设置蓝色的荧光材料，或者当入射的激发光为蓝色激光时，该出射蓝色出射光的荧光模块设置散射材料。

激发光入射到荧光芯片3上时，能够受激产生不同颜色的受激光，受激光形成的光束接近平行光束，也就是说受激光与空纳腔的出口所在的平面垂直。当激发光入射到红色荧光材料303上时，红色荧光材料303受激产生红色受激光，从各个设置有红色荧光材料303的荧光模块30上出射的红色受激光近似平行光束出射，从而该荧光芯片3出射红色受激光时为近似平行出射的红色面光源。当激发光入射到绿色荧光材料302上时，绿色荧光材料302受激产生绿色受激光，从各个设置有绿色荧光材料302的荧光模块30上出射的绿色受激光近似平行光束出射，从而该荧光芯片3出射绿色受激光时为近似平行出射的绿色面光源。当激发光入射到蓝色荧光材料301上时，蓝色荧光材料301受激产生蓝色受激光，从各个设置有蓝色荧光材料301的荧光模块30上出射的蓝色受激光近似平行光束出射，从而该荧光芯片3出射蓝色受激光时为近似平行出射的蓝色面光源。

本发明实施例还提供一种显示系统，该显示系统包括光源和荧光芯片，所述荧光芯片为上述任一实施例所述的荧光芯片。光源用于发出激发光，例如，光源可以为LD阵列、LED、激光二极管、激光器等，光源产生的激发光经过整形装置进行整形后形成均匀的光斑，该光斑进入荧光芯片。荧光芯片接收激发光并产生不同波长范围的受激光，并将受激光近似平行出射。该显示系统可以为电视系统，投影系统等，如影院放映机、激光电视、工程投影机、教育投影机、拼接屏投影机等。

该显示系统还可以包括光调制器，所述光调制器置于光源出射的激发光的光路上，激发光经过整形装置进行整形后形成均匀的光斑，该光斑再进入到光调制器上，经调制形成单色图像光，该单色图像光成像到荧光芯片上，荧光芯片上的各荧光模块接收图像光并产生不同波长范围的受激光，并将所述受激光平行出射。荧光芯片上的各个荧光模块可以同时接收图像光，也可以部分接收图像光，或者也可以按照一定的时序或排布方式接收所述图像光，进而出射彩色的图像光。

图4所示的荧光芯片3对应于采用一个空间光调制器的显示系统中使用。当显示系统中采用三个空间光调制器时，三个空间光调制器分别调制一种颜色的图像光，此时，可以对应三个荧光芯片，一个荧光芯片对应一个空间光调制器，每一荧光芯片分别只出射一种颜色的面光源。比如，第一空间光调制器用于调制蓝色的图像光，与第一空间光调制器对应的第一荧光芯片接收该图像光后产生蓝色的出射光，该第一荧光芯片出射的光为近似平行出射的蓝色面光源；第二空间光调制器用于调制绿色的图像光，与第二空间光调制器对应的第二荧光芯片接收该图像光后受激产生绿色的受激光，该绿色受激光从第二荧光芯片出射时为近似平行出射的绿色面光源；第三空间光调制器用于调制红色的图像光，与第三空间光调制器对应的第三荧光芯片接收该图像光后产生红色的受激光，该红色受激光从第三荧光芯片出射时为近似平行出射的红色面光源。

在另一个实施方式中，显示系统还可以只包括一个空间光调制器和三个荧光芯片，三个荧光芯片都是单色的荧光芯片(即荧光芯片中各荧光模块的功能材料相同)，空间光调制器出射的图像光依时序依次提供给三个荧光芯片，从而三个荧光芯片出射的图像光合光后经时序合成得到彩色图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种荧光芯片，其特征在于，包括若干荧光模块，各荧光模块呈矩阵排列；

每一所述荧光模块均包括基体、功能材料以及光收集结构；

所述各荧光模块的基体在同一侧形成有凹状结构的容纳腔，所述容纳腔具有供入射光进入以及出射光射出的开口；

所述功能材料置于所述容纳腔的底部，所述功能材料为波长转换材料或者散射材料，所述波长转换材料用于接收入射光而产生与入射光波长不同的受激光，所述散射材料用于对入射光进行反射及散射后出射；

所述各荧光模块的所述光收集结构置于所述容纳腔内，将入射到所述容纳腔内的入射光汇聚到所述功能材料上，并将所述功能材料接收所述入射光后产生的出射光从所述开口出射，且控制出射光的发散角在预设范围内，进而使得各所述荧光模块构成出射近似平行光的面光源。

2.根据权利要求1所述的荧光芯片，其特征在于，所述容纳腔为倒梯形、倒多棱台形或倒圆台形。

3.根据权利要求1所述的荧光芯片，其特征在于，所述光收集结构为置于所述容纳腔开口位置处的光学透镜，所述功能材料置于所述光学透镜的焦点位置处。

4.根据权利要求1所述的荧光芯片，其特征在于，所述容纳腔的内表面为抛物面形状，所述光收集结构为置于所述抛物面上的反射膜，所述功能材料置于所述抛物面的焦点位置处。

5.根据权利要求4所述的荧光芯片，其特征在于，所述荧光芯片还包括用于减小出射光角度的调光装置，所述调光装置置于所述容纳腔的开口处。

6.根据权利要求5所述的荧光芯片，其特征在于，所述调光装置为透镜或者匀光棒。

7.根据权利要求1所述的荧光芯片，其特征在于，所述基体为金属板、透明的硅基板或氮化铝基板。

8.根据权利要求1所述的荧光芯片，其特征在于，每相邻的四个所述荧光模块构成一个像素点，所述一个像素点中，至少有一出射蓝色出射光的荧光模块，至少有一出射红色出射光的荧光模块，至少有一出射绿色出射光的荧光模块。

9.根据权利要求1至8任一所述的荧光芯片，其特征在于，所述出射光从所述开口处出射的发散角的范围为0～17度。

10.根据权利要求1至8任一所述的荧光芯片，其特征在于，所述容纳腔开口的半径小于或等于与所述容纳腔的高度的0.2倍。

11.根据权利要求1至8任一所述的荧光芯片，其特征在于，所述开口处的面积至少为所述功能材料在所述容纳腔的底部填充的面积的25倍。

12.根据权利要求1至8任一所述的荧光芯片，其特征在于，所述荧光芯片还包括若干滤光片，所述若干滤光片的数量与所述若干荧光模块的数量一致，所述若干滤光片分别置于各个荧光模块的上方并将所述容纳腔的开口密封。

13.根据权利要求12所述的荧光芯片，其特征在于，所述滤光片为能够透射小于预设角度的光并反射其它角度的光的角度选择滤光片。

14.一种显示系统，其特征在于，包括光源，以及权利要求1至13任一项所述的荧光芯片，所述光源用于发出激发光，所述荧光芯片接收所述激发光并产生不同波长范围的受激光，并将所述受激光近似平行出射。

15.根据权利要求14所述的显示系统，其特征在于，所述显示系统还包括光调制器，所述光调制器置于所述光源的出射光路上，用于将所述激发光转换为单色图像光并输出给所述荧光芯片；所述荧光芯片接收所述单色图像光并产生不同波长范围的受激光，并将所述受激光近似平行出射。

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