CN117321783A - 包括双原色红色led的发光系统 - Google Patents

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Abstract

本文描述了包括多个发光二极管(LED)的发光系统(例如，投影系统)。例如，该系统可以包括双(即两个)原色红色LED。

Description

包括双原色红色LED的发光系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年6月23日提交的美国临时申请第63/043,083号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及包括多个发光二极管(LED)的发光系统(例如，投影系统)。
背景技术
投影仪系统可以利用发光二极管(LED)作为其光源。例如，投影仪可以利用红-绿-蓝(RGB)LED的阵列。这种投影仪可以将这些原色(即，红色、绿色和蓝色)中的每一个与由微显示装置(例如，数字光处理器(DLP))调制的每个原色进行光学组合，以递送投影图像。
可以例如根据发射光中的每一个的强度独立地优化每个LED的操作，以产生具有期望特性(例如，期望的白点和亮度)的投影图像。例如，为了使投影图像的亮度最大化，可能期望使绿色LED的占空比最大化，因为绿色LED贡献最多的流明。另一方面，红色LED的性能(例如，具有605nm至630nm的范围内的主波长)通常限制投影图像的亮度，因为红色LED的量子效率例如在操作期间随着温度增加而显著降低。
此外，在当前市场投影仪的投影仪系统中，增加了顶部泵浦蓝色通道来泵浦绿色LED的绿色荧光板，这可以将绿色LED亮度增加超过40％。在这些系统中，为了产生期望的白点，需要显着地增加红色LED的占空比并且减少绿色LED占空比。因此，需要解决绿色LED亮度增强投影仪系统中的红色LED亮度不足问题。
因此，解决投影仪系统中红色LED性能的缺陷的创新将是有利的。
发明内容
本文描述了包括多个发光二极管(LED)的发光系统(例如，投影系统)。例如，该系统可以包括双(即两个)原色红色LED。
在一个方面，提供了一种发光系统。该系统包括：第一基于LED的光源，其被配置成发射蓝光；，第二基于LED的光源，其被配置成发射绿光；第三基于LED的光源，其被配置成发射具有在605nm至630nm之间的峰波长的红光；以及第四基于LED的光源，其被配置成发射具有在640nm至665nm之间的峰波长的深红光。该系统还包括被配置成接收来自基于LED的光源的光并且产生输出光的微显示装置。
在一些实施方式中，第二基于LED的光源包括：被配置成发射蓝光的LED芯片以及被配置成吸收从芯片发射的蓝光并且发射绿光的波长转换材料。
在一些实施方式中，发光系统还包括可选的基于LED的泵，其被配置成发射被第二基于LED的光源的波长转换材料(例如，来自LED的顶部)吸收的蓝光。
在一些实施方式中，发光系统还包括第一波长组合元件(例如，二向色镜)。第一波长组合元件可以被配置成组合绿光和蓝光以产生同轴的绿光束和蓝光束。在一些情况下，第一波长组合元件可以被配置成反射绿光并且透射蓝光以产生同轴的绿光束和蓝光束。
在一些实施方式中，发光系统还包括第二波长组合元件。第二波长组合元件可以被配置成组合红光和深红光以产生同轴原色红光束。在一些情况下，第二波长组合元件可以被配置成透射红光并且反射深红光以产生同轴原色红光束。在一些情况下，第二波长组合元件可以被配置成组合红光和同轴的原色绿光束和蓝光束以产生同轴的红光束、绿光束和蓝光束。
在一些实施方式中，发光系统还包括第三波长组合元件。第三波长组合元件可以被配置成组合同轴的双原色红光束以及同轴绿光束和蓝光束以产生同轴原色红光束、绿光束和蓝光束。在一些情况下，第三波长组合元件可以被配置成透射绿光和蓝光并且反射红光和深红光以产生同轴的原色红光束、绿光束和蓝光束。在一些情况下，第三波长组合元件可以被配置成组合同轴的红光束、绿光束和蓝光束和深红光以产生同轴的原色红光束、绿光束和蓝光束。在一些情况下，第三波长组合元件可以被配置成反射深红光并且透射同轴的红光束、绿光束和蓝光束以产生同轴的原色红光束、绿光束和蓝光束。
在一些实施方式中，该发光系统还包括被配置成接收光并且对光进行聚焦和/或准直的一个或更多个光学元件。
在一些实施方式中，微显示装置包括用于产生输出光的多个微镜。
在一些实施方式中，微显示装置包括用于通过偏振分束器棱镜产生输出光的硅上液晶(LCOS)面板。
在一些实施方式中，发光系统还包括投影透镜系统，其被配置成接收来自微显示装置的光并且投影输出光。
在一些实施方式中，发光系统不包括发射除红光、深红光、绿光和蓝光之外的光的任何基于LED的光源。
在一些实施方式中，发光系统仅包括四种不同类型的基于LED的光源。
在一些实施方式中，发光系统是投影系统。
当结合附图考虑时，本发明的其他方面、实施方式和特征将从本发明的各种非限制性实施方式的以下详细描述中变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，以本说明书为准。
附图说明
本发明的非限制性实施方式将参照附图以示例的方式进行描述，这些附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，所示的每个相同或几乎相同的部件通常由单个数字表示。为了清楚起见，不是每个部件在每个图中都被标记，也没有示出本发明的每个实施方式的每个部件，其中图示对于允许本领域普通技术人员理解本发明不是必需的。在附图中：
图1示意性地示出了根据某些实施方式的发光系统；
图2示意性地示出了根据某些实施方式的另一发光系统。
图3示意性地示出了根据某些实施方式的另一发光系统。
具体实施方式
本文描述了包括多个发光二极管(LED)的发光系统和相关方法。该系统可以利用RGB LED的布置(其包括常规的红色LED(例如，AlInGaP红色LED)(峰波长605nm至635nm)、常规的绿色LED和常规的蓝色LED)以及深红色LED(峰波长在640nm与665nm之间)。例如，从深红色LED发射的光可以与从RGB LED发射的光组合。将深红色LED添加到RGB LED形成所谓的“双原色红色”配置，其可以用于4通道或5通道光引擎架构中。这样的配置可以显着地增加红色通道的光输出，因为可以以更高的功率和相应更高的亮度驱动深红色LED。深红色LED的使用还可以使得能够减小红色通道的占空比，这可以使得能够增加绿色通道的占空比。绿色通道的增加的占空比可以相应地增加从绿色通道发射的光的亮度，并且因此增加投影图像的亮度。增加红色通道亮度和绿色通道亮度的组合效应可以致使整体系统级性能的显著增加(例如，15％或更大或大于24％的亮度增益)。双原色红色配置的另一益处是改善系统的色域，这产生更好的图像质量。如下面进一步描述的，发光系统可以用作投影仪，该投影仪还包括微显示装置(例如，数字光处理器(DLP)或硅上液晶(LCOS)面板)，该微显示装置调制原色(即，红、绿和蓝)中的每一种以递送投影图像。
图1示出了根据一些实施方式的可以用作投影系统的发光系统100。该系统包括基于蓝色LED的光源102、基于绿色LED的光源104、基于红色LED的光源106和基于深红色LED的光源108。如图所示，该系统可选地包括用作顶部泵浦光的光源109，其例如可以是基于蓝色LED的。每个光源被配置成发射在相应光学路径102a、104a、106a、108a、109a上行进的光。在一些实施方式中并且如图所示，光路径(例如，以45度的入射角)穿过波长组合元件110a、110b、110c。如下面进一步描述的，波长组合元件可以组合不同波长的光以形成同轴光束。最终，当该系统被用作投影系统时，包括红色光、深红色光、绿色光和蓝色光的同轴光束120被传输到微镜光学元件136，微镜光学元件136将同轴光束投影到微显示面板138上。同轴光束被微显示面板138反射以产生输出光140。在说明性实施方式中，输出光进入投影透镜系统142，投影透镜系统142根据需要投影光(例如，投影到屏幕、墙壁等上)。
应当理解，本文所述的发光系统可以包括图1(和/或图2)中未示出的附加部件。例如，该系统可以包括光通过的附加光学元件(例如透镜)。在一些实施方式中，光学元件可以被配置成对光进行准直。在一些实施方式中，光学元件可以被配置成聚焦光，例如以控制光束尺寸。在一些实施方式中，该系统包括一个或更多个聚光器光学元件，该聚光器光学元件例如可以使光束均匀化。
此外，应当理解，发光系统可以不包括图1(和/或图2)中所示的所有部件(例如，泵109)。
基于LED的光源102、104、106、108、109包括发射期望波长的光的相应LED芯片。在一些实施方式中，光源包括单个芯片，而在其他实施方式中，光源包括发射相同类型光的多于一个芯片的阵列。可以使用常规技术将一个或更多个芯片安装在封装上。应当理解，通常，商业上可获得的LED可以用于本文所述的系统中。在一些实施方式中，系统可以仅包括红色光源、深红色光源、绿色光源和蓝色光源(和/或LED)。即，该系统不需要使用附加的光源和/或LED(例如，琥珀色发射光源和/或LED)。
LED芯片包括由一个或更多个半导体材料层(例如，其可以由III-V半导体材料形成)组成的光生成区域。如本领域技术人员已知的，可以选择材料层的组成和布置以产生具有期望波长的光。例如，在一些实施方式中，基于红色LED的光源包括包含AlInGaP材料的芯片。产生的光通过芯片的一个或更多个发射表面发射。在一些情况下，通过波长转换材料(例如，磷光体材料)将最初由芯片产生的光的波长转换为不同的期望波长。例如，该芯片最初可以产生蓝光，该蓝光通过结合到基于绿色LED的光源中的波长转换材料(例如，磷光体材料)转换成绿光。
波长转换材料是可以以不同波长吸收原色光并且发射次级光的发光材料。例如，发光材料可以吸收具有相对短波长的原色光(例如蓝光)并且发射具有较长波长的次级光(例如绿光)。合适的发光材料的示例包括磷光体。可以使用任何合适的磷光体材料。在一些实施方式中，磷光体材料可以为黄色磷光体材料(例如，(Y,Gd)(Al,Ga)G:Ce3+，有时称为“YAG”(钇、铝、石榴石)磷光体)、红色磷光体材料(例如，宽带宽红色氮化物磷光体、窄带宽红色氮化物磷光体，例如KSF磷光体、Eu2+/Mn4+掺杂的红色磷光体)、绿色磷光体材料(例如，ZnS:Cu,Al,Mn,Lu3Al5O12:Ce3+(LuAG))、和/或蓝色磷光体材料。
波长转换材料可以是以下形式：板(例如陶瓷)、或膜、或单独制造并且附接至芯片的浆料涂层。
在一些实施方式中，波长转换材料可以是量子点的形式。量子点可以分布在第二材料(例如，密封剂或粘合剂，例如环氧树脂、或如玻璃的绝缘体)中以形成复合结构。例如，量子点可以由以下各项形成：IV族半导体(例如硅、锗)、III-V族半导体、II-VI族半导体及其组合。在一些实施方式中，量子点是发红光的CdSe/CdS核/壳量子点和/或无Cd的量子点。
如图1所示，该系统包括几个波长组合元件110a、110b、110c，相应的光路径穿过这些波长组合元件。波长组合元件可以组合不同波长的光以形成同轴光束。在一些实施方式中，波长组合元件被配置成反射具有特定波长的光并且透射具有其他特定波长的光。例如，波长组合元件110a被配置成透射来自光源102(和泵浦109，当存在时)的蓝光并且反射来自光源104的绿光以形成包括绿光和蓝光的同轴光束。在说明性实施方式中，波长组合元件110b被配置成透射来自光源106的红光并且反射来自光源104的绿光以形成包括红光和深红光的同轴光束。如图所示，波长组合元件110c被配置成透射同轴的绿光束和蓝光束并且反射同轴的红光束和深红光束以形成所有四种类型的光(红色、深红色、绿色、蓝色)的同轴光束120。
应当理解，波长组合元件可以具有其他配置和/或可以与结合图1描述的那些不同地布置。特定的配置和布置将取决于特定系统的设计。
通常，波长组合元件可以具有本领域已知的任何合适的配置，以实现其期望的性能。在一些实施方式中，波长组合元件可以是涂覆有二向色(例如，以形成二向色镜)和/或多层膜的基板。在一些实施方式中，波长组合元件可以是滤波器。
图2示出了根据一些实施方式的可以用作投影系统的另一发光系统200。类似于图1，该系统包括基于蓝色LED的光源202、基于绿色LED的光源204、基于红色LED的光源206、基于深红色LED的光源208和用作顶部泵浦光的可选光源109，可选光源109例如可以是基于蓝色LED的。如下面进一步描述的，在某些光源的布置以及某些波长组合元件的布置和配置方面，系统200与系统100相比具有某些差异。
如图2所示，类似于发光系统200，波长组合元件210a被配置成透射来自光源202(和泵浦209，当存在时)的蓝光并且反射来自光源204的绿光以形成包括绿光和蓝光的同轴光束。在说明性实施方式中，波长组合元件210b被配置成透射绿光和蓝光并且反射来自光源206的红光以形成包括红光、绿光和蓝光的同轴光束。如图所示，波长组合元件210c被配置成透射同轴的红光束、绿光束和蓝光束并且反射同轴的深红光束以形成所有四种类型的光(红色、深红色、绿色、蓝色)的同轴光束220。
图3示出了根据一些实施方式的可以用作硅上液晶(LCOS)投影系统的另一发光系统300。类似于图1，该系统包括基于蓝色LED的光源102、基于绿色LED的光源104、基于红色LED的光源106、基于深红色LED的光源108以及用作顶部泵浦光的可选光源109，可选光源109例如可以是基于蓝色LED的。如图3所示，类似于发光系统100(图1)，波长组合元件可以组合不同波长的光以形成同轴光束。包括红光、深红光、绿光和蓝光的同轴光束120作为同轴光束332进入偏振分束器(PBS)336，当同轴光束332在PBS处反射时，只有S偏振光束334在PBS的偏振涂层表面处反射并且投射到微显示面板138上，其中面板138是硅上液晶(LCOS)面板，其液晶层涂覆在高反射硅电路基板上。同轴光束被微显示面板138反射以产生输出光140，输出光140是P偏振光束并且通过PBS。在说明性实施方式中，输出光进入投影透镜系统142，投影透镜系统142根据需要投影光(例如，投影到屏幕、墙壁等上)。
如上所述，深红色LED与常规RGB LED一起使用可以实现许多性能优点。例如，该配置可以实现红色通道的光输出的显著增益。这种流明增益可以高达24％或甚至更高。该红色通道的光输出的显著增加是因为可以以更高的功率和相应更高的亮度驱动深红色LED。深红色LED的使用还可以使得能够减小红色通道的占空比，这可以使得能够增加绿色通道的占空比。例如，红色LED通道的占空比可以保持在约30％或更小，绿色LED通道的占空比可以保持在约45％或更大。绿色通道的增加的占空比可以相应地增加从绿色通道发射的光的亮度，并且因此增加投影图像的亮度。增加红色通道亮度和绿色通道亮度的组合效应可以致使整体系统级性能的显著增加(例如，与不使用深红色LED的类似系统相比，亮度增益为15％或更大，或20％或更大)。双原色红色配置的另一益处是改善系统的色域，这产生更好的图像质量。

Claims (21)

1.一种发光系统，包括：
第一基于LED的光源，其被配置成发射蓝光；
第二基于LED的光源，其被配置成发射绿光；
第三基于LED的光源，其被配置成发射具有在605nm至630nm之间的峰波长的红光；以及
第四基于LED的光源，其被配置成发射具有在640nm至665nm之间的峰波长的深红光，
微显示装置，其被配置成接收来自所述基于LED的光源的光并且产生输出光。
2.根据权利要求1所述的发光系统，其中，所述第二基于LED的光源包括：被配置成发射蓝光的LED芯片，以及被配置成吸收从所述芯片发射的所述蓝光并且发射转换的绿光的波长转换材料。
3.根据权利要求2所述的发光系统，还包括可选的基于LED的泵，其被配置成发射被所述第二基于LED的光源的所述波长转换材料吸收的蓝光。
4.根据任何前述权利要求所述的发光系统，还包括第一波长组合元件。
5.根据任何前述权利要求所述的发光系统，其中，所述第一波长组合元件被配置成反射所述绿光并且透射所述蓝光以产生同轴的绿光束和蓝光束。
6.根据任何前述权利要求所述的发光系统，还包括第二波长组合元件。
7.根据权利要求6所述的发光系统，其中，所述第二波长组合元件被配置成组合所述红光和所述深红光以产生同轴的双原色红光束。
8.根据权利要求7所述的发光系统，其中，所述第二波长组合元件被配置成透射所述红光并且反射所述深红光以产同轴的双原色红光束。
9.根据权利要求6所述的发光系统，其中，所述第二波长组合元件被配置成组合所述红光以及所述同轴的原色绿光束和蓝光束以产生同轴的红光束、绿光束和蓝光束。
10.根据任何前述权利要求所述的发光系统，还包括第三波长组合元件。
11.根据权利要求7和10中任一项所述的发光系统，其中，所述第三波长组合元件被配置成组合所述同轴的双原色红光束以及所述同轴的绿光束和蓝光束以产生同轴的原色红光束、绿光束和蓝光束。
12.根据权利要求11所述的发光系统，其中，所述第三波长组合元件被配置成透射所述绿光和所述蓝光，并且反射所述红光和所述深红光以产生所述同轴的原色红光束、绿光束和蓝光束。
13.根据权利要求9和10中任一项所述的发光系统，其中，所述第三波长组合元件被配置成组合所述同轴的红光束、绿光束和蓝光束以及所述深红光以产生同轴的原色红光束、绿光束和蓝光束。
14.根据权利要求13所述的发光系统，其中，所述第三波长组合元件被配置成反射所述深红光并且透射所述同轴的红光束、绿光束和蓝光束以产生同轴的原色红光束、绿光束和蓝光束。
15.根据任何前述权利要求所述的发光系统，还包括被配置成接收光并且对光进行聚焦和/或准直的一个或更多个光学元件。
16.根据任何前述权利要求所述的发光系统，其中，所述微显示装置包括用于产生输出光的多个微镜。
17.根据任何前述权利要求所述的发光系统，其中，所述微显示装置包括涂覆在高反射硅基板上以产生输出光的液晶层。
18.根据任何前述权利要求所述的发光系统，还包括投影透镜系统，其被配置成接收来自所述微显示装置的光并且投影所述输出光。
19.根据任何前述权利要求所述的发光系统，其中，所述发光系统不包括发射除红光、深红光、绿光和蓝光之外的光的任何基于LED的光源。
20.根据任何前述权利要求所述的发光系统，其中，所述发光系统仅包括四种不同类型的基于LED的光源。
21.根据任何前述权利要求所述的发光系统，其中，所述发光系统是投影系统。
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