CN211128021U - 一种阵列光源与投影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种阵列光源，包括：子光源、整形元件；所述阵列光源由所述子光源以阵列形式排布构成，所述子光源为主动发光元件，所述整形元件在所述子光源的发光方向上设置，所述基底用于承载所述子光源和/或整形元件。本实用新型能够实现主动式的发光及光调制且光源阵列输出的光不再需要添加光调制器，从而减小系统体积，方便系统的小型化及低成本化，提升了光源的利用效率。

Description

一种阵列光源与投影系统

技术领域

本实用新型涉及光源系统，具体而言涉及一种阵列光源与投影系统。

背景技术

目前投影系统的主要工作原理是：通过光源照亮光调制器，光调制器再通过镜头成放大的像在屏幕上，达到画面输出的目的。其中光调制器的类型目前主要有LCD，DMD，LCOS三种，其主要功能是芯片包含很多小的像素格，每个小的像素能够实现对照在其上面光的关断或是改变方向，从而达到对每个入射到像素上光的调制，实现画面的输出。

然而，光调制器属于被动发光元件，需要额外的光源照明来实现光的输出，所以需要一组照明系统进行光的整形，造成系统的体积比较大；而且，光调制器的能量输出效率比较低，通常在60％左右，有的更低，使得系统光能量的利用率很差，大部分转换成热量，造成散热困难；同时，为了输出三基色，采用滤光色轮或是滤光棱镜得到基色，又额外造成部分光能量的损失。

为此，本实用新型提供了阵列光源与投影系统，用于解决现有技术中的问题。

实用新型内容

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本实用新型提供了一种阵列光源，包括：子光源、整形元件、基底；所述阵列光源由所述子光源以阵列形式排布构成，所述子光源为主动发光元件，所述整形元件与所述子光源一体设置，所述整形元件在所述子光源的发光方向上设置，所述基底用于承载子所述子光源或/和整形元件。

示例性地，所述子光源之间的间距小于20um。

示例性地，所述子光源彼此之间互相光隔离。

示例性地，所述子光源包括单个发光芯片，所述单个发光芯片与所述整形元件配合形成多色阵列光源输出。

示例性地，所述子光源包括至少两种颜色的发光芯片，所述至少两种颜色的发光芯片从以下的芯片中进行选择：红色、绿色或蓝色的LED芯片或者红色、绿色或蓝色的LD芯片。

示例性地，所述多种颜色的发光芯片按照芯片发散角小的方向排列。

示例性地，所述整形元件包括透镜、棱镜、滤光片、散射片或曲面反射镜中的至少一个。

示例性地，所述整形元件包括反光杯阵列、TIR透镜阵列、锥形光通道阵列，用于对子光源进行首次整形。

示例性地，整形元件包括正多边形透镜阵列或菲涅尔透镜阵列，用于对子光源进行再次整形。

示例性地，所述基底包括散热结构与电路结构，所述散热结构用于快速对所述子光源产生的热进行传导，所述电路结构用于对所述子光源的电路连接。

示例性地，所述电路结构还包括电路控制系统，所述子光源的开关及强弱由电路控制系统控制。

本实用新型还提供一种投影系统，包括前述的阵列光源。

根据本实用新型的一种阵列光源与投影系统，本实用新型能够实现主动式的发光及光调制且光源阵列输出的光不再需要添加光调制器，从而减小系统体积，方便系统的小型化及低成本化，提升了光源的利用效率。

附图说明

本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。

附图中：

图1为根据本实用新型的一个实施例的阵列光源的示意图；

图2为根据本实用新型的一个实施例的阵列光源中子光源的结构示意图；

图3为根据本实用新型的一个实施例的阵列光源的结构示意图；

图4为根据本实用新型的一个实施例的正六边形整形透镜阵列示意图；

图5为根据本实用新型的一个实施例的锥形光通道结构的示意图；

图6为根据本实用新型的一个实施例的菲涅尔透镜结构的示意图；

图7为根据本实用新型的一个实施例的单灯芯片结构的示意图；

图8为根据本实用新型的一个实施例的LD芯片结构的示意图；

图9为根据本实用新型的一个实施例的LD芯片阵列结构的示意图；

图10为根据本实用新型的一个实施例的LD芯片发光角度的示意图；以及

图11为根据本实用新型的一个实施例的光纤方案阵列结构的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本实用新型的阵列光源和投影系统。显然，本实用新型的施行并不限于垃圾处理领域的技术人员所熟习的特殊细节。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本实用新型的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本实用新型的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种阵列光源，包括：子光源、整形元件、基底；所述阵列光源由所述子光源以阵列形式排布构成，所述子光源为主动发光元件，所述整形元件与所述子光源一体设置，所述整形元件在所述子光源的发光方向上设置，所述基底用于承载所述子光源或/和整形元件。本实用新型能够实现主动式的发光及光调制且光源阵列输出的光不再需要添加光调制器，从而减小系统体积，方便系统的小型化及低成本化，提升了光源的利用效率。

图1为根据本实用新型的一个实施例的阵列光源示意图，如图1所示，阵列光源1，子光源2，发光点3和整形元件4，其中，子光源(cell)2为阵列光源的一个子光源(cell)，发光点3为子光源上发光的部分，整形元件4对发光点3发出的光进行整形。

示例性地，当阵列光源的阵列间距<20um，整体尺寸由阵列数量(像素点)决定，像素点越多，尺寸越大。每个像素点的光源可以独自发光，可以通过电路独自进行控制。发光的颜色及亮度可以选择性地控制。

示例性地，子光源之间互相光隔离。各个子光源之间的隔离可以通过消光结构实现，当然也可以由其他隔离方法实现。本申请中所称的光隔离，是指光线上的隔离，而非物理上的隔离，比如子光源之间设置有透明玻璃板，那么虽然实现了物理上的隔离，然而子光源之间的光线还是能够相互干扰，那么类似透明玻璃板的隔离并非本申请所指的光隔离。

示例性地，所述子光源包括单个发光芯片，所述单个发光芯片与所述整形元件配合形成多色阵列光源输出。发光芯片的颜色可以被控制电路控制，也可以发光芯片均发出相同颜色，而通过整形元件的设置实现不同颜色光源的输出。

示例性地，像素点的形状可以是正方形，矩形，正多边形或是圆形。像素点之间用消光材料或是导热材料填充。

示例性地，每个像素点光源内部还可以包含两种及以上的光源，比如R,G,B。每种光源的大小及位置可以根据设计要求进行最优布局。

通过以上的技术手段实现阵列光源代替传统的光源及光调制器，节约光源体积及增强投影机亮度。

示例性地，发光点3可以是LD chip或是LED chip，或是光纤。示例性地，其颜色可以包括红色、绿色或蓝色。可以通过电路及其他辅助装置控制其开关。根据发光点3发光角度的大小，采用合理的整形元件4进行整形，直至满足系统需要的光角度。

示例性地，所述多种颜色的发光芯片按照芯片发散角小的方向排列。

示例性地，所述整形元件包括透镜、棱镜、滤光片、散射片或曲面反射镜中的至少一个。

示例性地，所述整形元件包括反光杯阵列、TIR透镜阵列、锥形光通道阵列，用于对子光源进行首次整形。上述进行首次整形的元件可称为第一整形元件。

整形元件可以包含分别实现首次整形和再次整形的两部分元件，其中，首次整形元件包括反光杯阵列、TIR(Total Internal Reflection)透镜阵列和/或锥形光通道阵列。上述进行再次整形的元件可称为第二整形元件。

示例性地，再次整形的部分可以包括正多边形透镜阵列或菲涅尔透镜阵列，用于对子光源进行再次整形。

其中，首次整形和再次整形元件的顺序可以相互调整，光发出后也可以先通过再次整形元件，后通过首次整形元件，本申请做的整形元件名称仅作为区分，并未限定其先后顺序。

其中，正六边形的透镜阵列示例性地如图4所示，锥形光通道结构示例性地如图5所示，单独的菲涅尔透镜示例性地如图6所示，每个发光点3有一个单独的菲涅尔透镜进行整形。

在具体的实施方式中，图2为根据本实用新型的一个实施例的阵列光源中子光源的结构示意图，如图2所示，包括基底11，发光芯片12，第一整形元件13，第二整形元件14。

其中，基底11，主要包含电路及散热结构；发光芯片12，可以是LED或LD chip；第一整形元件13，和第二整形元件14，包括透镜、棱镜或曲面反射镜，所述结构整形元件包括消光结构或掩板结构。其中，掩板结构可以包括扩散片、滤光片或是菲涅尔透镜等光学元件。主要对芯片发出的光进行整形，达到系统需要的角度。

在附图2以及前面的描述中，将整形元件分为第一整形元件13和第二整形元件14是为了便于描述，在实际的应用中，其统称为整形元件，且其中可能仅包含第一整形元件13，或仅包含第二整形元件14。

示例性地，发光芯片12做在基底11上，可以更好的散热，灯的通断由电路控制系统控制，实现快速的开关，满足刷新率的要求。

图3为根据本实用新型的一个实施例的阵列光源的结构示意图。如图3所示的阵列结构中，所有的发光芯片可以分布在同一块或是分开的几块基底上，整形透镜也做成阵列状，整块或是单块，可以是正多边形或圆形等。结构整形元件为一整块或是多块拼接而成。

图4为根据本实用新型的一个实施例的正六边形整形透镜阵列示意图。

如图4所示，一个正六边形的透镜阵列，为一整块设计，多个正六边形顺序紧密排列，示例性地，图4所示出的正六边形的透镜阵列可以位于图3所示出的阵列光源上方，从而实现整形的作用。

如图4所示出的正六边形透镜阵列中，每一个子整形透镜均为正六边形，且除了边缘的子整形透镜，每一个子整形透镜均被其他子整形透镜包围，形成有序而紧密的排列结构。每一个子整形透镜对应于一个子光源设置，并对该子光源发出的光进行整形，示例性地，子整形透镜本身可以为凹透镜或凸透镜，这种结构设计可以节省空间，将阵列光源的间距做到最小，最大限度的利用有限的发光面积。

示例性地，正六边形透镜阵列也可以分为多块拼接而成。

图5为根据本实用新型的一个实施例的锥形光通道结构的示意图。

如图5所示，一个锥形的光通道结构，为一整块设计，多个四棱锥顺序紧密排列，示例性地，图5所示出的锥形的光通道结构可以位于图3所示出的阵列光源上方，从而实现整形的作用。

如图5所示出的锥形的光通道结构中，每一个子光通道均为四棱锥结构，且除了边缘的子整形透镜，每一个子子光通道均被其他子子光通道包围，形成有序而紧密的排列结构。每一个子子光通道对应于一个子光源设置，并对该子光源发出的光进行整形，示例性地，子整形透镜本身可以为空心的或实心的结构。

示例性地，表面积小的一端靠近发光芯片，表面积大的一端为出光端，整体结构可以是实心的玻璃或是空心的反射结构。这样的结构的优势在于可以高效率的对发光角度进行改变，满足镜头系统的要求。

图6为根据本实用新型的一个实施例的菲涅尔透镜结构的示意图。

如图6所示，菲涅尔透镜又名螺纹透镜，示例性地，其材料可由聚烯烃材料注压而成的薄片或者由玻璃制作。在结构上，菲涅尔透镜的镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的。

菲涅尔透镜的可以替换红外线及可见光的凸透镜使用，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。

示例性地，图6所示出的锥形的光通道结构可以位于图3所示出的阵列光源的子光源的上方，从而实现整形的作用。每个发光点有一个单独的菲涅尔透镜进行整形。对于单独的菲涅尔透镜组合成为透镜阵列的方式，可以参考图4或图5的方式，多个菲涅尔透镜可以为正六边形阵列结构，也可以为正方形阵列结构。

图7为根据本实用新型的一个实施例的单灯芯片结构的示意图。

如图7所示，对于单灯芯片来说，其对应的整形透镜还有其他选择，例如图7左侧所示的整形透镜使用棱镜与曲面反射镜实现对发光芯片发出光的整形，使得芯片发光的出射角变小，再经第二整形元件14进行调整。例如图7右侧所示的整形透镜使用反射镜实现对发光芯片发出的光的整形，使得芯片发光的出射角变小，并且出射角度相对集中，再经过第二整形元件14进行调整。

示例性地，根据芯片发光能量的多少及成型的要求，可以选择透镜的材质，塑胶或是玻璃。

图4至图7所述的整形结构，可以通过传统的激光蚀刻工艺制得，通过光刻机制作模板，再通过化学蚀刻对表面进行微加工。

在该实施方式中，其所示出的阵列光源，能够实现主动式的发光及光调制，并且集光源与光调制器一体，子光源与整形透镜一体设置，从而减小系统体积，方便系统的小型化及低成本化，并且，光源出射的光通过整形光学系统后，不再需要另外设置光调制器，因此，提升了光源的利用效率。

在另一个具体的实施方式中，为多芯片的方案，其中，每个子光源为多芯片，示例性地，至少包含两种芯片，示例地，芯片可以为LD或LED芯片，其中，LD或LED芯片为包含R,G,B三色的发光芯片，由于单灯的结构被分成了两个或是多个区域，为了散热及光学上的考虑，示例性的提出一种如图8所示的结构。

图8为根据本实用新型的一个实施例的LD芯片结构的示意图。

图8示出了一种LD芯片结构的示意图，其中，示出了一个子光源，在该子光源中，包含三个LD发光芯片，所述LD芯片上方还设置有光学整形元件和结构整形元件，从而实现对LD芯片所发出的光进行整形的作用。

示例性地，每个子光源还可以包含两个发光芯片，发光芯片还可以为LED芯片。

图9为根据本实用新型的一个实施例的LD芯片阵列结构的示意图。

图9为将图8所示的LD芯片组成LD芯片阵列结构的示意图，上下两图分别示出了侧视图和俯视图。

各个子光源顺序紧密排列，子光源包括三个LD发光芯片，其上所设置的整形元件包括光学整形元件和结构整形元件，其中的光学整形元件可以从图4至图7中所示的光学整形元件中进行选择，结构整形元件可以扩散片、滤光片或是菲涅尔透镜等光学元件。其中，扩散片、滤光片或是菲涅尔透镜也可以作为光学整形元件使用，本申请对此不做限定。

其中，光学整形元件可以作为前述的首次整形元件，也可以作为再次整形元件。

结构整形元件可以作为前述的首次整形元件，也可以作为再次整形元件。

图10为根据本实用新型的一个实施例的LD芯片发光角度的示意图。

如图10所示，一个子光源内包含RGB三个LD芯片，对于每一个LD芯片来说，LD芯片由于在垂直及平行反向的发散角不一样大，水平方向的发散角β大，垂直方向的发散角θ小，则可以多芯片在发散角小的方向进行排列，方便整形元件对芯片发出的光的整形。

如图10所示的LD芯片在发散角小的垂直方向进行排列，使得各个LD的光线重叠的区域较小，在考虑整形的过程中，能够降低多角度光线的量，降低了整形的整体难度。

在该实施方式中，其所示出的阵列光源，能够实现主动式的发光及光调制，并且集光源与光调制器一体，子光源与整形透镜一体设置，从而减小系统体积，方便系统的小型化及低成本化，并且，光源出射的光通过整形光学系统后，不再需要另外设置光调制器，因此，提升了光源的利用效率。在该实施方式中，避免为了输出三基色，采用滤光色轮或是滤光棱镜得到基色，额外造成部分光能量的损失，充分地利用光源能量，进一步提升光源的效率。

在又一个具体的实施方式中，为光纤方案，改芯片发光为光纤出光。

图11为根据本实用新型的一个实施例的光纤方案阵列结构的示意图。如图11所示，光纤阵列结构31，单个光纤结构31，光纤32，光纤的芯层33，光纤的包层34，连接光纤35，光调制器36，总光源37。示例性地，芯层33的折射率大于包层34的折射率，光调制器36，用于控制光纤的开关，实现光的调制，总光源37，给多束连接光纤35提供光。

总光源37输出激光，激光经过光调制器36的调制，并经过各个连接光纤35进行各个光纤结构31，各自独立发光。

示例性地，激光在光纤32中以全反射的状态传播，并且，总光源37输出的激光在经过光调制器36调制后，其通过光纤32输出的激光的波前分布能够得到控制，因此，从各个子光源出射的光不再需要进行进一步的整形或调制。

本实施方式中的光调制器36与现有技术中常用的光调制器不同，现有技术中，光调制器其主要功能是芯片包含很多小的像素格，每个小的像素能够实现对照在其上面光的关断或是改变方向，从而达到对每个入射到像素上光的调制，实现画面的输出。现有技术中的光调制器是位于光源和投影面之间，且往往是对光源输出光的空间调制，因此，其对于光的效率会造成浪费，而在该实施方式中，光调制器36位于单个光纤结构之前，在光源阵列输出光纤之前，对总光源37的光进行调制，且其连接方式均为光纤连接，因此，由于位置和连接关系均不同，本实施方式中的光调制器不会造成光源利用效率的下降，并且由于已经提前得到调制，本实施方式中不需要再添加其他影响光源利用效率的光调制器。

在该实施方式中，阵列光源为主动式发光及光调制，且光源阵列输出的光不再需要添加光调制器，因此，减小了阵列光源的体积，从而方便系统的小型化及低成本化。而且，由于光线在光源阵列中一直在光纤中传播，其光能量的损失很小，提高了光源的利用效率。

综上所述，根据本实用新型的阵列光源和投影系统，其能够实现主动式的发光及光调制且光源阵列输出的光不再需要添加光调制器，从而减小系统体积，方便系统的小型化及低成本化，提升了光源的利用效率。

本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (11)

1.一种阵列光源，其特征在于，包括：子光源、整形元件、基底；

所述阵列光源由所述子光源以阵列形式排布构成，

所述子光源为主动发光元件，

所述整形元件在所述子光源的发光方向上设置，

所述基底用于承载所述子光源和/或整形元件。

2.如权利要求1所述的阵列光源，其特征在于，所述子光源之间的间距小于20um。

3.如权利要求1所述的阵列光源，其特征在于，所述子光源彼此之间互相光隔离。

4.如权利要求1所述的阵列光源，其特征在于，所述子光源包括单个发光芯片，所述单个发光芯片与所述整形元件配合形成多色阵列光源输出。

5.如权利要求1所述的阵列光源，其特征在于，所述子光源包括至少两种颜色的发光芯片，所述至少两种颜色的发光芯片从以下的芯片中进行选择：

红色、绿色或蓝色的LED芯片或者红色、绿色或蓝色的LD芯片。

6.如权利要求5所述的阵列光源，其特征在于，所述至少两种颜色的发光芯片按照芯片发散角小的方向排列。

7.如权利要求1至6任一项所述的阵列光源，其特征在于，所述整形元件包括透镜、棱镜、滤光片、散射片或曲面反射镜中的至少一个。

8.如权利要求1至6任一项所述的阵列光源，其特征在于，所述整形元件包括第一整形元件和第二整形元件，所述子光源发出的光依次通过第一整形元件和第二整形元件；

所述第一整形元件包括反光杯阵列、TIR透镜阵列、锥形光通道阵列；

所述第二整形元件包括正多边形透镜阵列或菲涅尔透镜阵列。

9.如权利要求1所述的阵列光源，其特征在于，所述基底包括散热结构与电路结构，所述散热结构用于快速对所述子光源产生的热进行传导，所述电路结构用于对所述子光源的电路连接。

10.如权利要求9所述的阵列光源，其特征在于，所述电路结构还包括电路控制系统，所述子光源的开关及强弱由电路控制系统控制。

11.一种投影系统，其特征在于，包括权利要求1-10任一项所述的阵列光源。

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