CN102734659A - 一种光源和显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光源和显示系统,该光源包括:至少一个原始发光器件组和至少一个补光发光器件组,原始发光器件组包括至少两个彼此归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的50%的发光二极管LED,以及利用波长合光方式将原始发光器件组中的所有LED输出的光进行合光的波长合光器件;补光发光器件组包括至少一个LED,补光发光器件组的任一LED与原始发光器件组中的至少一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的10%;光源还包括几何合光器件,几何合光器件将原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出的光束利用几何合光的方式合为一束光束。
Description
技术领域
本发明涉及固态照明领域,更具体的说,是涉及一种光源和显示系统。
背景技术
固态发光器件,包括LED(Light Emitting Diode,发光二极管)、LD(Laser Diode,激光二极管),是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接将电能转化为可见光。
其中LED以及荧光粉覆盖的LED(phosphor-cover LED,PC-LED)多作为照明的光源适用于照明领域。荧光粉覆盖的LED的原理是将荧光粉涂覆在LED芯片的表面,利用LED发出的光来激发荧光粉并发出荧光。荧光粉覆盖的LED的最常见的例子是将黄色荧光粉涂覆于蓝光LED芯片表面,并被蓝光LED发射出的蓝光所激发产生黄色光,并与没有被吸收的剩余蓝光混合得到白光。另外,市场上也有将琥珀色荧光粉涂覆于蓝光LED表面并最终发射琥珀色光的LED产品。由于荧光粉覆盖LED具有和LED相同的优缺点,所以,下文中提到的LED包括LED芯片,以及荧光粉覆盖LED。
美国专利US7547114描述了另一种固态光源的形态。在该方案中,利用一个固态光源的激发光来激发一个转动的荧光粉色轮,来产生荧光或荧光与激发光的混合光。该荧光粉色轮上可以包含一种荧光粉,也可以包含多种荧光粉用于产生颜色光序列。在该方案中,激发光源可以是LED,也可以是激光二极管。
所以,固态发光器件就是指使用LED或LD发光,或利用LED或LD激发荧光材料发光的器件,其具体形势包括很多种,此处不一一赘述。在下文中,使用LED来举例进行具体说明。这并不限制其它类型的固态发光器件的使用,本领域的技术人员可以采用其它类型的固态发光器件对本发明中所举例的LED光源进行直接替换,仍然可以实现本发明的有益效果。
现有的LED光源多采用如图1中所示的现有技术一实现R(red,红光)、G(green,绿光)、B(blue,蓝光)和W(White,白光)颜色的光源照明。其中,图1为现有技术一中的RGBW形式的LED排列图。四种可发出不同颜色光的 LED芯片紧密排列封装,然后由一个光收集器件收集光。现有技术一中的LED光源可以发出红光、绿光、蓝光以及白光,并且通过LED的分别控制,其所发出的光的色域很大,颜色饱和度的可调范围也会很大。
但是,因为光学扩展量是四颗LED的光学扩展量之和,而根据光学扩展量守恒,光源光学扩展量越小,光源照明亮度越高的原理,现有技术一中的LED在实现RGBW颜色的光源照明的同时,无法实现高亮度的照明。
图2示出了现有技术二可以减小光学扩展量的一种光源,如图2所示,该光源中通过十字形二向色镜将红(R)、绿(G)、蓝(B)三色LED输出的光束合为一束光束,该光源的光域扩展量等于一颗LED的光学扩展量。虽然在光学扩展量方面有一定的优点,但是利用图2中的结构无法合入与R、G、B三者中任一LED光谱交叠较大的另一LED发出的光束,例如常用于提高亮度的白光光束,因此在亮度方面仍有局限。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种光源和显示系统,以克服现有技术中无法在合入与原始发光器件组中的任一LED光谱交叠较大的另一LED发出的光束。
为实现上述目的,本发明一方面提供一种光源,包括:至少一个原始发光器件组和至少一个补光发光器件组,所述原始发光器件组包括至少两个彼此归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的50%的发光二极管LED,以及利用波长合光方式将原始发光器件组中的所有LED输出的光进行合光的波长合光器件;所述补光发光器件组包括至少一个LED,补光发光器件组的任一LED与原始发光器件组中的至少一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的10%;
所述光源还包括几何合光器件,所述几何合光器件将原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出的光束利用几何合光的方式合为一束光束。
另一方面,本发明还提供一种显示系统,其特征在于,包括上述的光源
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,在本发明的光源中能够合入与原始发光器件组中的任一发光器件光谱交叠较大的另一发光器件发出的光 束。此外,由于原始发光器件组最终输出的光束的光学扩展量相当于其中的一个发光器件所占的光学扩展量,补光发光器件组输出的光束的光学扩展量也相当于一个发光器件所占的光学扩展量,所以最终经过几何合光得到的总的扩展量就等于原始发光器件组中一个发光器件的扩展量加上补光发光器件组中一个发光器件的光学扩展量,相对于现有技术中的方案能够在合入与原始发光器件组中的任一发光器件光谱交叠较大的另一发光器件发出的光束的前提下,降低整个光源的扩展量,提高光源的亮度。
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实施例,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,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术一中的LED光源的封装示意图;
图2为现有技术二中的LED光源的结构示意图;
图3为本发明中的光源的一个具体实施例的结构示意图;
图4为本发明中的光源的另一个具体实施例的结构示意图;
图5为本发明中的光源的另一个具体实施例的结构示意图;
图6A为本发明中的光源的另一个具体实施例的结构示意图;
图6B为本发明中的光源的另一个具体实施例的俯视图;
图6C为图6B中的光源的侧视图;
图7为本发明中的光源的另一个具体实施例的结构示意图;
图8为本发明中的光源的另一个具体实施例的结构示意图;
图9和图10分别为示出了原始发光器件组和补光发光器件组的光束传播路径的本发明的光源的另一个具体实施例的结构示意图;
图11为本发明中的光源的另一个具体实施例的结构示意图;
图12为本发明中的光源的另一个具体实施例中的原始发光器件组的结构示意图;
图13为本发明中的光源的另一个具体实施例中的原始发光器件组的结构示意图;
图14为本发明中的光源的另一个具体实施例中的原始发光器件组的结构示意图;
图15为两个LED的归一化发光光谱图。
具体实施方式
为了引用和清楚起见,下文以及附图中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下:
LED:Light Emitting Diode,发光二极管。
波长合光器件,是利用光波长的差异,将两束光合为一束光的器件。
几何合光器件,是利用空间位置的差异,将两束光合为一束光的器件。
在本发明具体实施方式的描述中,使用LED来举例进行具体说明。这并不限制其它类型的固态发光器件的使用,本领域的技术人员可以采用其它类型的固态发光器件对本发明中所举例的LED光源进行直接替换,仍然可以实现本发明的有益效果。固态发光器件可能是发光二极管、激光二极管或使用发光二极管和激光二极管中的至少一种激发荧光材料产生荧光的发光器件,以及这三者中至少任意两者的组合。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅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。
由背景技术可知,现有技术一中虽然能够通过将红、绿、蓝、白光四颗LED进行简单地几何合光,但是由于整个光源的光学扩展量是四颗LED的光学扩展量之和,所以无法达到高亮度的要求。而现有技术二中的光源虽然通过常规的波长合光器件(例如十字形分色镜X plane)能够实现红、绿、蓝三束光的合束,并且光学扩展量可以控制在一颗LED的光学扩展量左右,但是现有常规的波长合光器件无法将几束归一化光谱存在较大重叠的光束进行有效合束的,例如如果为了提高亮度,需要将白光LED发出的光束与红、绿、蓝三束光进行合束,由于白光LED发出的光的光谱范围较宽,其与红、绿、蓝光LED发出的三束光之间存在光谱上较大的重叠,不能直接现有的波长合光器件进行有效合光。
本发明正是考虑上述两种现有技术的缺陷后,提出了一种采用波长合光和几何合光相结合的方式的光源。
在下文中,使用两个归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的百分比来描述两个光谱光的交叠程度。例如在图15中显示的两个LED的归一化发光光谱1501和1502,其交叠部分1503的能量即为1503所指示区域的面积。而归一化光谱1501和1502各自的能量即为其各自包围的面积,归一化光谱1502的能量比归一化光谱1501稍大。而交叠部分1503的能量约占两个原始光谱中能量较小的归一化光谱1501的能量的80%,此时若使用波长合光器件对这两个光谱进行合光,则总的能量损失将达到30%~40%。这对于一般的光学系统来说是不能接受的,因此这两个光谱光1501和1502需要使用几何合光方式合光。
在实际应用中,判断两个光谱能否使用波长合光器件进行合光的标准往往是不确定的,因为不同的应用关注的重点不同。例如,对于两个归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的百分比达到50%的情况,对于重视亮度但不重视效率的应用,使用波长合光虽然会造成一定的效率损失,但是对亮度的增长是有帮助的,所以可能会被采用;而对于重视效率的应用,波长合光则可能不会被采用。
一般来说,两个归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的百分比大于等于50%时,由于采用波长合光器件的效率太低,因此往往采用几何合光器件合光;而两个归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的百分比小于等于10%时,往往采用波长合光器件合光;而两个归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的百分比小于50%且大于10%时,例如20%,视具体的应用来决定采用波长合光器件合光还是采用几何合光器件合光。
本发明提供的光源包括至少一个原始发光器件组和至少一个补光发光器件组,原始发光器件组中包括至少两个彼此归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的50%的LED,原始发光器件组中的所有LED通过波长合光器件进行合光。优选的,原始发光器件组中包括至少两个彼此归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的20%的LED。补光发光器件组包括至少一个LED,补光发光器件组的任一LED与原始发光器件组中的至少一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的10%。
原始发光器件组最终输出的光束和补光发光器件组最终输出的光束通过几 何合光器件利用几何合光的方式合为一束光束。
本发明实施例提供的光源能够合入与原始发光器件组中的任一LED光谱交叠较大的另一LED发出的光束。
在本发明中,原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的不同截面上进行几何合光,也可以在相同截面上进行几何合光,或者二者相结合。
另外,根据实际的需要,原始发光器件组中的LED的类型和个数是可以根据显示的需要灵活选择的,例如对于三基色显示的要求,原始发光器件组中可以包括红光LED、蓝光LED和绿光LED。补光发光器件组的内部具体结构并没有任何限定,只要其中的任一LED与原始发光器件组中的至少一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的10%即可,因此补光发光器件组可以是白光LED本身,也可以是多基色的LED。优选地,补光发光器件组的任一LED与原始发光器件组中的至少一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的20%。更加优选地,补光发光器件组的任一LED与原始发光器件组中的至少一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的50%。
此外,几何合光器件的类型也可以有很多种,例如,可以通过单一的透镜,使得原始发光器件组和补光发光器件组输出的光束在透镜的入射位置上几何拼接,就可以实现两束光束的几何合光;当然也可以通过两个或两个以上的器件实现上述几何合光器件。
以下根据原始发光器件组和补光发光器件组最终输出的光束是否在相同截面进行几何合光来详细说明本发明的各个具体实施例。
实施例一
图3示出了本发明中的光源的一个具体实施例,在本实施例中,原始发光器件组和补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的不同截面上。为便于描述,以下使用了“上方”“下方”来表示各元器件之间的位置关系,该“上方”“下方”分别为图中的上方、下方。
参见图3,在本实施例中,特别地以原始发光器件组包括三基色的LED为例进行说明,具体地,原始发光器件组1包括红光LED11(图中标为R)、绿光 LED12(图中标为G)和蓝光LED13(图中标为B)。本领域技术人员应该清楚,在实际中原始发光器件组中的LED的个数并没有任何限定,可以根据实际显示的需要灵活选择。此外即便是三基色的显示场景,也不一定局限于图3中所示的采用红、绿、蓝光LED的方式。
由于原始发光器件组1中的两个LED之间在归一化光谱上重叠较小,通常它们的归一化光谱中重叠光谱的能量小于两个中能量较小的50%,所以通过波长合光器件利用波长合光的方式进行合光,在图3中特别地以该波长合光器件为两个相互平行并且倾斜放置的二向色镜(在图中分别记为14和15)为例,应该能够理解,这里并不对波长合光器件的类型和数量做具体限定,只要能够利用波长合光的方式将原始发光器件组的LED发出的光进行合束即可。在本实施例中,几何合光器件为一个透镜31,补光发光器件组2包括一个白光LED21(图中标为W)。
当采用如图3中的两个相互平行的二向色镜14、15实现波长合光时,红光LED11、绿光LED12和蓝光LED13的位置是可以灵活调整的,只要满足其中第一个LED输出的光能够从第一个二向色镜14的正面透射,并在第二个二向色镜15的正面反射;而第二个LED输出的光能够从第一个二向色镜14的背面反射,并经过第二个二向色镜15的正面反射;第三个LED输出的光能够从第二个二向色镜15的背面透过;最终从第二个二向色镜15正面输出的三束光束共轴即可。
当红光LED11、绿光LED12和蓝光LED13的位置确定后,则需要根据这三个LED的位置,正确选择两个二向色镜的类型,例如,对于红光LED11、绿光LED12和蓝光LED13采用图3中示出的位置,则靠上的第一个二向色镜14需要选择能够透过蓝光并反射其他波长范围光的二向色镜,靠下的第二个二向色镜15需要选择能够透过绿光并反射其他波长范围光的二向色镜。
以图3为例,第一个二向色镜14与第二个二向色镜15沿水平方向的倾斜角为135度。蓝光LED13设置于第一个二向色镜14的上方,该蓝色LED13所发光束透过该第一个二向色镜14,经第二个二向色镜15反射至透镜31上。红光LED11设置于第一个二向色镜14的后方,该红光LED11所发光束依次经过一个二向色镜14和第二个二向色镜15的反射后,入射至透镜31上。绿光LED12 设置于第二个二向色镜15的后方,该绿光LED12所发光束透过第二个二向色镜15,入射至透镜31上。
本实施例中还包括白光LED21,该白光LED21与原始发光器件组中的至少一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的10%。例如,白光LED21的能量大于原始发光器件组中的红光LED11的能量,且白光LED21与红光LED11的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于红光LED11能量的10%。优选地,白光LED21的能量大于原始发光器件组中任一LED的能量,且白光LED21与原始发光器件组中的任一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的50%。由于红光LED11、绿光LED12和蓝光LED13输出的光束经过波长合光器件合束也形成一种白光光束,这就使得红光LED11、绿光LED12和蓝光LED13合光输出的光束和白光LED21输出的白光光束在归一化光谱中的重叠光谱的能量大于等于两者中的能量较小的10%,不能再利用波长合光的方式进行合光,而采用几何合光的方式进行合光。
本实施例中,原始发光器件组最终输出的光束,即红光LED11、绿光LED12和蓝光LED13的光经波长合光后的输出光束与白光LED21的输出光束分别入射到透镜31的上、下两个截面上,在该两个截面上进行几何合光。本发明中透镜的截面指的是透镜在图中水平方向上的截面。
为了使得原始发光器件组和补光发光器件组输出的光束在透镜的入射位置上几何拼接,可以让红光LED11、绿光LED12和蓝光LED13输出的光束和白光LED21输出的光束在入射到透镜31之前就进行空间上的几何拼接,比较方便的方式是将白光LED21与原始发光器件组1尽量靠近并贴合。例如,对于图3中,由于绿光LED12输出光的光轴就是最终原始发光器件组所有LED发出的光束合束后的光轴,所以只要将白光LED21与绿光LED12贴合,即可实现上述目的。可以理解的是,绿光LED12输出光的光轴与白光LED21输出光的光轴分别位于上述透镜31的上、下两个截面上。
优选地,本实施例中,红光LED11、绿光LED12与白光LED21沿第一直线排列;蓝光LED13、第一个二向色镜14与第二个二向色镜15沿第二直线排列,第一直线与第二直线平行,以使结构更为紧凑并便于LED的散热设计。
本实施例中光源中,通过波长合光和几何合光相结合的方式,合入了与原 始发光器件组中的任一LED光谱交叠较大的另一LED发出的光束。
此外,由于原始发光器件组最终输出的光束的光学扩展量相当于其中的一个LED所占的光学扩展量,补光发光器件组输出的光束的光学扩展量也相当于一个LED所占的光学扩展量,所以最终经过几何合光得到的总的扩展量就等于原始发光器件组中一个LED的扩展量加上补光发光器件组中一个LED的光学扩展量,相对于现有技术中的方案能够在合入与原始发光器件组中的任一LED光谱交叠较大的另一LED发出的光束的前提下,降低整个光源的扩展量,提高光源的亮度。
另外,几何拼接后,从透镜31出射的光可以直接聚焦入射到匀光器件4中。特别地,匀光器件4可以采用如图3中的匀光棒,当然也可以采用复眼透镜、菲涅尔透镜等其他类型的匀光器件。
实施例二
在图4中示出的光源的另一个实施例中,原始发光器件组和补光发光器件组最终输出的光束仍然不在几何合光器件的同一个截面上。但是在前面的实施例中,补光发光器件组是由白光LED构成的,实际上为了达到补光发光器件组的补光的目的,只要补光发光器件组由多个与原始发光器件组中的任一LED光谱交叠较大的LED构成。
如图4所示,补光发光器件组26包括青色LED261(图中标为Cyan)、琥珀色LED262(图中标为Amber)和宝蓝色LED263(图中标为Royal Blue)为例。青色LED261、琥珀色LED262和宝蓝色LED263输出的三束光束通过补光发光器件组中的波长合光器件进行波长合光。在图4中,补光发光器件组中的波长合光器件采用了两个相互平行并且倾斜放置的二向色镜(在图中分别记为2641和2642),应该能够理解这里并不对波长合光器件的类型做具体限定,只要能够将补光发光器件组中的LED发出的光利用波长合光的方式进行合束即可。在本实施例中,几何合光器件仍然可以采用透镜31。
当采用图4中的二向色镜2641和2642对补光发光器件组中的多数光束进行合束时,青色LED261、琥珀色LED262和宝蓝色LED263的位置与二向色镜2641和2642的类型是对应的,因此青色LED261、琥珀色LED262和宝蓝色 LED263的位置时可以调整的,只要满足其中第一个LED输出的光能够从第一个二向色镜2641的正面透射,并在第二个二向色镜2642的正面反射;而第二个LED输出的光能够从第一个二向色镜2641的背面反射,并经过第二个二向色镜2642的正面反射;第三个LED输出的光能够从第二个二向色镜2642的背面透过;最终从第二个二向色镜2642正面输出的三束光束共轴即可。当青色LED261、琥珀色LED262和宝蓝色LED263的位置确定后,则需要根据这三个LED的位置,正确选择两个二向色镜的类型,例如,对于青色LED261、琥珀色LED262和宝蓝色LED263采用图4中示出的位置,则靠下的第一个二向色镜2641需要选择能够透过宝蓝色光并反射其他波长范围光的二向色镜,靠上的第二个二向色镜2642需要选择能够透过青色光并反射其他波长范围光的二向色镜。
以图4为例,在补光发光器件组中,第一个二向色镜2641与第二个二向色镜2642沿水平方向的倾斜角为45度。宝蓝色LED263设置于第一个二向色镜2641的下方,该宝蓝色LED263所发光束透过该第一个二向色镜2641,经第二个二向色镜2642反射至透镜31上。琥珀色LED262设置于第一个二向色镜2641的后方,该琥珀色LED262所发光束依次经过一个二向色镜2641和第二个二向色镜2642的反射后,入射至透镜31上。青色LED261设置于第二个二向色镜2642的后方,该青色LED261所发光束透过第二个二向色镜2642,入射至透镜31上。
从原始发光器件组16通过波长合光输出的光束,与从补光发光器件组26通过波长合光输出的光束,利用几何合光器件,进行几何合光,两束光束在透镜31的入射面上进行拼接。
由于原始发光器件组16最终输出的光束与其中一个LED(在图4中为绿光LED12)输出的光束共轴,而补光发光器件组26最终输出的光束与其中的一个LED(在图4中为青色LED261)输出的光束共轴,所以在调整原始发光器件组16和补光发光器件组26之间的位置时,可以将绿光LED12和青色LED261进行无缝拼接,这就可以尽量使得从原始发光器件组1最终输出的光束与从补光发光器件组26最终输出的光束进行无缝拼接,最大效率地利用器件空间。
本实施例中,原始发光器件组最终输出的光束(即红光LED、绿光LED和 蓝光LED的光经波长合光后的输出光束),与补光发光器件组最终输出的光束(即青色LED261、琥珀色LED262和宝蓝色LED263的光经波长合光后的输出光束)分别入射到透镜31的上、下两个截面上,在该两个截面上进行几何合光。可以理解的是,绿光LED162输出光的光轴与青色LED261输出光的光轴分别位于此处的上、下两个截面上。
优选地,本实施例中,红光LED11、绿光LED12、青色LED261、琥珀色LED262沿第一直线排列;蓝光LED13、第一个二向色镜14与第二个二向色镜15、第二个二向色镜2642、第一个二向色镜2641与宝蓝色LED263沿第二直线排列,第一直线与第二直线平行,以使结构更为紧凑并便于LED的散热设计。
实施例三
上述实施例一和实施例二的技术方案中,补光发光器件组整体位于原始发光器件组的下方,当然补光发光器件组整体也可以位于原始发光器件组的上方。实际上,还可以将补光发光器件组置于原始发光器件组中的两个LED之间,例如图5中示出了本发明的光源的另一实施例。
本实施例中的光源与实施例一中的光源的区别在于,将作为补光发光器件组的白光LED21置于原始发光器件组中的红光LED11和绿光LED12之间。
原始发光器件组的内部结构,以及原始发光器件组中的LED与两个二向色镜之间的位置关系与实施例一中相同,这里不再赘述。
需要强调的是,本实施例中,白光LED21输出的光束要绕开原始发光器件组中的波长合光器件中的任一个二向色镜,例如在图5中,白光LED21输出的光束从第一个二向色镜14和第二个二向色镜15之间的空隙穿过,直接入射到透镜31上。
本实施例中的光源同样可以通过波长合光和几何合光相结合的方式,合入与原始发光器件组中的任一LED光谱交叠较大的另一LED发出的光束。
实施例四
为了进一步提高光源的紧凑程度,图6A中示出了另一种改进型的光源,该实施例中的光源的波长合光器件采用十字形二向色镜(简称为X Plane)。具体 地,本实施例中的光源的补光发光器件组仍然由白光LED25构成,而原始发光器件组包括至少两个彼此归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的50%的发光二极管LED,特别地,图6A以原始发光器件组包括红光LED151、绿光LED152和蓝光LED153为例。
红光LED151、绿光LED152和蓝光LED153输出的三束光分别从十字形二向色镜154的三个入射面入射,经过十字形二向色镜154的合光作用,从十字形二向色镜154输出的合束光束为白光光束。应该能够理解,红光LED151、绿光LED152和蓝光LED153的位置可以随意互换,红光LED151、绿光LED152和蓝光LED153的位置与十字形二向色镜154中的两个二向色镜的类型是对应的,其中一个因素定了之后,另一个也就确定了。
白光LED25环绕在原始发光器件组中输出光直接从十字形二向色镜154透射的LED(在图6A中为绿光LED152)的周围,并且白光LED25输出的白光光束绕开十字形二向色镜154的外围入射到作为几何合光器件的透镜31上。而经过十字形二向色镜154合束后的白光光束也入射到透镜31上,并且由于十字形二向色镜154合束后的白光光束与原始发光器件组中输出光直接从十字形二向色镜154透射的LED发出的光束在同一光轴上,所以在透镜3的入射面上,白光LED25输出的白光光束也仍然环绕在十字形二向色镜154合束的白光光束周围,实现白光LED25输出的光束与原始发光器件组输出的光束的几何合光。
需要说明的是,当十字形二向色镜154与作为几何合光器件的透镜31之间没有任何改变光束传输方向的器件时,上述原始发光器件组中输出光直接从十字形二向色镜154透射的LED就是正对透镜31入射面的LED,例如图6A中正对透镜31入射面的LED就是绿光LED152。
另外,白光LED25可以设计成多个小的白光LED拼接而成,只要能够环绕输出光直接从十字形二向色镜154透射的LED即可,例如,当图6A中的绿光LED152的形状为圆形时,则白光LED25可以排列成圆环形;而当图6A中的绿光LED152的形状为矩形时,则白光LED25可以排列成矩形框形。
经过透镜31合光的光束可以入射到匀光器件(在图6A中为匀光棒4)中,进一步进行匀光。
由此可见,本实施例中的光源不仅能够实现补光发光器件组输出的白光光 束与原始发光器件组输出的合束光束进行几何合光,而且还可以使得整个光源的器件排布更为紧凑,减少光源的体积,有利于整个装置的小型化。
另外,一种可替换的实施例中,将图6A中的原始发光器件组中输出光直接从十字形二向色镜154透射的LED的位置与白光LED25的位置互换,即环绕关系进行互换,原始发光器件组中输出光直接从十字形二向色镜透射的LED环绕在补光发光器件组中的白光LED25的周围。此时白光LED25位于输出光直接从十字形二向色镜154透射的LED的中心,为了让白光LED25输出的光仍然能够绕开十字形二向色镜154的表面,需要对传统的十字形二向色镜154进行改进,例如可以将十字形二向色镜154的中心交叉区域挖出一个通孔,使得白光LED25输出的白光光束刚好全部能够从这个通孔穿过。在这个可替换的实施例中,在透镜31的入射面上,白光LED25输出的白光光束的入射位置在原始发光器件组输出的合束光束的入射位置的中间。这种设计同样可以使得整个光源的器件排布更为紧凑,减少光源的体积。
图6B示出了实施例十一的光源的俯视图,图6C示出了该实施例中的光源的侧视图。与图6A中光源的不同点在于,该实施例中的补光发光器件中的白光LED25位于十字形二向色镜154的光出口处,并且排列在从十字形二向色镜154输出的原始发光器件的光束的周围。如图6C所示,白光LED25排布为围绕原始发光器件的光束的菱形,也可以变换为矩形、圆形,此处不作限定。此外,在本实施例中,原始发光器件组中的LED(包括红光LED151、绿光LED152和蓝光LED153)与十字二向色镜154之间都设置了透镜阵列56,此外在白光LED25的输出光路径上也设置了透镜阵列。白光LED25输出的光束与红光LED151、绿光LED152和蓝光LED153合束得到的光束先入射到复眼透镜57中进行匀光,而后经过作为几何合光器件的透镜31合为一束光,聚焦到具有预定图案的图案盘59中。
在本实施例中,补光发光器件组最终输出的光束围绕在原始发光器件组最终输出的光束的周围,并利用几何合光的方式合为一束光束。
实施例五
在上面的实施例一到实施例三中,原始发光器件组和补光发光器件组最终 输出的光束在几何合光器件的不同截面上。而在图7示出的本发明的光源的另一实施例中,原始发光器件组和补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的同一个截面上。
请参见图7,本实施例中原始发光器件组和补光发光器件组与图3中示出的光源中的原始发光器件组和补光发光器件组相同,只是在本实施例中调整了原始发光器件组和补光发光器件组的相对位置,使补光发光器件组位于原始发光器件组的左边或右边,本发明实施例中的从左边到右边的方向是指垂直于附图所在平面的方向。原始发光器件组最终输出的光束,即红光LED11、绿光LED12和蓝光LED13的光经波长合光后的输出光束与白光LED21的输出光束入射到透镜31的同个截面上,绿光LED12输出光的光轴与白光LED21输出光的光轴均位于该截面上。
以图7为例,构成补光发光器件组的白光LED21位于原始发光器件组中的绿光LED12的左边。
当然,原始发光器件组中的波长合光器件不仅可以采用如图7中的两个倾斜设置的二向色镜,而且还可以采用十字形二向色镜。
实施例六
以上实施例中,原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出的光束要么在几何合光器件的不同截面上进行几何合光,要么在几何合光器件的同一截面上进行合光。实际上,当原始发光器件组和补光发光器件组为多组时,还可以至少一组原始发光器件组与至少一组补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的不同截面上进行几何合光,而另外至少一组原始发光器件组与至少一组补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的相同截面上进行几何合光。
在图8示出的本发明的光源的另一实施例中,原始发光器件组和补光发光器件均为两组。并且作为一个例子,每组原始发光器件组与实施例一中的原始发光器件组的结构相同,这里不再赘述,原始发光器件组和补光发光器件组的各自结构与图3中示出的原始发光器件组和补光发光器件组相同,这里不再赘述。
但是本实施例中对于这些原始发光器件组和补光发光器件组之间的位置关系有比较优选的限定。第一组原始发光器件组18a输出的光束与第一组补光发光器件组28a输出的光束在几何合光器件(在图8中为透镜31)上的相同截面进行几何合光,第一组原始发光器件组18a输出的光束与第二组补光发光器件组28b输出的光束在透镜3上的不同截面上进行几何合光。同理,第二组原始发光器件组18b输出的光束与第一组补光发光器件组28a输出的光束在透镜31上的不同截面进行几何合光,第二组原始发光器件组18b输出的光束与第二组补光发光器件组28b输出的光束在透镜3上的相同截面上进行几何合光。
为了更好地改善最终光源输出的光束的亮度均匀性,可以设置两组原始发光器件组输出的两个光束在透镜31的入射面上关于原点对称,两组补光发光器件组的输出的两个光束在透镜31的入射面上也是关于原点对称的。比较容易达到上述目的的实现方式是,将两组原始发光器件组和两组补光发光器件组在平行于透镜31的平面上进行拼接(该平面以下也称为拼接面),使得两组原始发光器件组在该平面上关于原点对称(例如图8中位于一、三象限),两组补光发光器件组在该平面上关于原点对称(例如图8中位于二、四象限)。
这样可以使得最终合束得到的光的亮度的均匀性更高。
为了进一步满足更理想的亮度均匀性,一种更优的实施例中,上述两组原始发光器件组中的任意相同颜色的两个LED在拼接面上也是关于原点对称的。例如,在图8中,位于右上方的一组原始发光器件组中的红光LED11a,与位于左下方的一组原始发光器件组中的红光LED11b是关于原点对称的;位于右上方的一组原始发光器件组中的绿光LED12a,与位于左下方的一组原始发光器件组中的绿光LED12b是关于原点对称的。这样的设计,不仅能够从最细节上实现发光器件的对称排布。而且还可以让上下两组原始发光器件组在结构上完全相同,上下两组补光发光器件组在结构上也完全相同,进而不需要设计并生产两种结构的原始发光器件组,以及两种结构的补光发光器件组,降低了设计和制造成本。
实施例七
本实施例提供的光源与实施例六类似,原始发光器件组和补光发光器件组 也为多组,与实施例六的区别仅在于,补光发光器件组的结构采用如图4所示实施例中的补光发光器件组的结构。
具体地,图9和图10分别详细示出了该光源中原始发光器件组和补光发光器件组的光束传播路径。
在图9和图10中,两组原始发光器件组分别记为17a和17b,两组补光发光器件组分别记为27a和27b。
为了更好地改善最终光源输出的光束的亮度均匀性,可以设置两组原始发光器件组17a和17b输出的两个光束在透镜31的入射面上关于原点对称,两组补光发光器件组27a和27b输出的两个光束在透镜31的入射面上也关于原点对称。
比较容易达到上述目的的实现方式是,将两组原始发光器件组和两组补光发光器件组在平行于透镜31的平面上进行拼接,使得两组原始发光器件组17a和17b在该平面上关于原点对称(例如图9中位于一、三象限),两组补光发光器件组27a和27b在该平面上关于原点对称(例如图9中位于二、四象限)。
为了进一步满足更理想的亮度均匀性,一种更优的实施例中,上述两组原始发光器件组中的任意相同颜色的两个LED在拼接面上也是关于原点对称的,上述两组补光发光器件组中的任意相同颜色的两个LED在拼接面上也是关于原点对称的。这样的设计,不仅能够从最细节上实现发光器件的对称排布。而且还可以让上下两组原始发光器件组在结构上完全相同,上下两组补光发光器件组在结构上也完全相同,进而不再需要设计并生产两种结构的原始发光器件组,以及两种结构的补光发光器件组,降低了设计和制造成本。
实施例八
在上述各个实施例中,几何合光器件均只有透镜,在图11示出的光源的另一实施例中,几何合光器件中包括两个透镜(分别记为391和392)以及反射镜393。
在本实施例中,原始发光器件组19包括红光LED191、绿光LED192和蓝光LED193,应该可以理解,在实际中原始发光器件组中的LED的个数和类型并没有任何限定,可以根据实际显示的需要灵活选择。该原始发光器件组中的 LED之间的波长光谱不存在重叠。
在本实施例中,原始发光器件组19中的红光LED191(图中记为R)、绿光LED192(图中记为G)和蓝光LED193(图中记为B)通过十字形二向色镜194进行波长合光,波长合光的细节以及原始发光器件组中的各个LED的位置与上述实施例四中的原始发光器件组中的相关内容相同,这里不再赘述。
需要说明的是,原始发光器件组19中的波长合光器件也可以采用除了十字形二向色镜194以外的其他类型的波长合光器件,例如两个相互平行并且倾斜设置的二向色镜,可以参见实施例一中的原始发光器件组的具体结构。
原始发光器件组19最终输出的一束光束经过一个透镜391进行聚焦。
在本实施例中,补光发光器件组29包括一个白光LED291。应该可以理解,补光发光器件组29也可以借鉴实施例二中的补光发光器件组的方案,包括至少一个LED,并且补光发光器件组的任一LED与原始发光器件组中的至少一LED的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的10%。
补光发光器件组29最终输出的光束通过透镜392聚焦后,再经过反射镜393的反射,与从透镜391聚焦的原始发光器件组19输出的光束进行几何合光。几何合光后得到的光束可以入射到匀光器件4(在图11中为匀光棒)中。
如图11所示,原始发光器件组19最终输出的光束,即红光LED191、绿光LED192和蓝光LED193的光经波长合光后的输出光束与反射镜393的输出光束入射到匀光棒4入光口的不同水平截面上,可以理解的是,也可以通过调整白光LED291与反射镜393的位置,将反射镜393的输出光束调整到与原始发光器件组19最终输出的光束入射到匀光棒4入光口的相同水平截面上。
实施例九
本实施例中的光源相对于其他实施例中的光源的区别仅在于对原始发光器件组的结构进行了改进。在图12示出的本实施例中,原始发光器件组为多组,并且每组发光器件组中的波长合光器件也是两个相互平行并且倾斜设置的二向色镜,每个发光器件组中的波长合光器件也是倾斜并且平行的两个二向色镜。需要说明的是,在本实施例中,不同原始发光器件组中的对应LED拼接在一起,相应地,两组原始发光器件组中的滤光片也可以拼接在一起。
以图12为例,第一组原始发光器件组中包括绿光LED G1,红光LED R2, 蓝光LED B2。第二组原始发光器件组中包括绿光LED G2,红光LED R1和蓝光LED B1。通过二向色镜1A和1B将绿光LED G1,红光LED R2和蓝光LEDB2输出的光束以波长合光的方式进行合光。通过二向色镜2A和2B将绿光LEDG2,红光LED R1和蓝光LED B1输出的光束以波长合光的方式进行合光。
在图12中,将不同组原始发光器件组中归一化光谱较接近的LED拼接在一起,例如绿光LED G1和绿光LED G2拼接在一起,红光LED R1和红光LEDR2拼接在一起,蓝光LED B1和蓝光LED B2拼接在一起。拼接在一起的两个LED的归一化光谱可以存在较大的重叠。
相应地,二向色镜1A和二向色镜2A拼接在一起,二向色镜1B和二向色镜2B拼接在一起。
需要说明的是,每组原始发光器件组中的LED的位置与二向色镜的类型和位置是对应的。例如在图12中,绿光LED G1在二向色镜1A的后方,绿光LEDG2在二向色镜2A的后方;红光LED R2在二向色镜1A的下方,红光LED R1在二向色镜2A的下方;蓝光LED B2在二向色镜1A的下方,蓝光LED B1在二向色镜2A的下方;拼接在一起的二向色镜1A和2A位于拼接在一起的二向色镜1B和2B的后方。
可以在二向色镜1B和2B的前方可设置一几何合光器件,如透镜(图未示),用于将第一、第二组原始发光器件组最终输出的光束合为一束光。本发明中,以光线箭头指示的方向为前方,反之为后方。
图12中示出的波长合光器件的结构也可以兼容只有一组红光LED G绿光LED G和蓝光LED B的情况。
此外,在图12中的拼接在一起的LED也可以只有一组,例如如图13中示出的原始发光器件组中,蓝光LED只有一组(在图13中记为B),此时由于只有一组的蓝光LED输出的光束与绿光LED G1和绿光LED G2都没有交叠,因此位于蓝光LED上方只需要使用一块二向色镜1B就可以实现蓝光LED B分别与绿光LED G1和绿光LED G2的合光。
从以上描述可知,第一组原始发光器件组和第二组原始发光器件组也可以被理解为是原始发光器件组和补光发光器件组,两组内部的不同颜色的光源通过波长合光方式合光,两组各自合光后的光束则可以通过几何合光方式做合光。图12中虚线上方为原始发光器件组的光通道,虚线下方是补光发光器件组的光 通道,两个光通道依靠空间位置的不同组合成一束光。实际上,第二组原始发光器件组也可以被理解为补光发光器件组,同时第一组原始发光器件组也可以被理解为原始发光器件组。
实施例十
本实施例中的光源相对于其他实施例中的光源的区别仅在于对原始发光器件组的结构进行了改进。在图14示出的本实施例中,原始发光器件组为两组,并且两组二向色镜也呈十字形放置。
如图14所示,第一组原始发光器件组中包括绿光LED G1,红光LED R2,蓝光LED B2。第二组原始发光器件组中包括绿光LED G2,红光LED R1和蓝光LED B1。通过二向色镜1A和1B将绿光LED G1,红光LED R2和蓝光LEDB2输出的光束以波长合光的方式进行合光。通过二向色镜2A和2B将绿光LEDG2,红光LED R1和蓝光LED B1输出的光束以波长合光的方式进行合光。
同样,在图14中,将不同组原始发光器件组中归一化光谱较接近的LED拼接在一起,例如绿光LED G1和绿光LED G2拼接在一起,红光LED R1和红光LED R2拼接在一起,蓝光LED B1和蓝光LED B2拼接在一起。拼接在一起的两个LED的归一化光谱可以存在较大的重叠。
相应地,二向色镜1A和二向色镜2A拼接在一起,二向色镜1B和二向色镜2B拼接在一起。同时拼接在一起的二向色镜1A和二向色镜2A,与拼接在一起的二向色镜1B和二向色镜2B组成十字形二向色镜组,该二向色镜组的前方可设置一几何合光器件,如透镜(图未示),用于将第一、第二组原始发光器件组最终输出的光束合为一束光。
从以上描述可知,第一组原始发光器件组和第二组原始发光器件组也可以被理解为是原始发光器件组和补光发光器件组,两组内部的不同颜色的光源通过波长合光方式合光,两组各自合光后的光束则可以通过几何合光方式做合光。图14中虚线上方为原始发光器件组的光通道,虚线下方是补光发光器件组的光通道,两个光通道依靠空间位置的不同组合成一束光。实际上,第二组原始发光器件组也可以被理解为补光发光器件组,同时第一组原始发光器件组也可以被理解为原始发光器件组。
本实施例中的原始发光器件组可以显著地节省体积。
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。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (16)
1.一种光源,其特征在于,包括:至少一个原始发光器件组和至少一个补光发光器件组,所述原始发光器件组包括至少两个彼此归一化光谱中重叠光谱的能量小于该两个中能量较小的50%的固态发光器件,以及利用波长合光方式将原始发光器件组中的所有固态发光器件输出的光进行合光的波长合光器件;所述补光发光器件组包括至少一个固态发光器件,补光发光器件组的任一固态发光器件与原始发光器件组中的至少一固态发光器件的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的10%;
所述光源还包括几何合光器件,所述几何合光器件将原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出的光束利用几何合光的方式合为一束光束。
2.根据权利要求1所述的光源,其特征在于,补光发光器件组的任一固态发光器件与原始发光器件组中的至少一固态发光器件的归一化光谱中重叠光谱的能量大于等于两者中能量较小的50%。
3.根据权利要求1所述的光源,其特征在于,所述原始发光器件组中的波长合光器件为十字形二向色镜或至少一个倾斜放置的二向色镜。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的光源,其特征在于,所述原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的不同截面上进行几何合光。
5.根据权利要求4所述的光源,其特征在于,所述补光发光器件组位于原始发光器件组的上方或者下方。
6.根据权利要求4所述的光源,其特征在于,所述补光发光器件组位于原始发光器件组中的两个固态发光器件之间。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的光源,其特征在于,所述原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的相同截面上进行几何合光。
8.根据权利要求7所述的光源,其特征在于,所述补光发光器件组位于原始发光器件组的左边或右边。
9.根据权利要求1至3中任意一项所述的光源,其特征在于,所述原始发光器件组为多组,所述补光发光器件组为多组;其中,至少一组原始发光器件组与至少一组补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的不同截面上进 行几何合光,至少一组原始发光器件组与至少一组补光发光器件组最终输出的光束在几何合光器件的相同截面上进行几何合光。
10.根据权利要求9所述的光源,其特征在于,所述原始发光器件组为偶数组,所述补光发光器件组为偶数组;所述原始发光器件组输出的光束在几何合光器件的截面两两关于原点对称,所述补光发光器件组输出的光束在几何合光器件的截面两两关于原点对称。
11.根据权利要求9所述的光源,其特征在于,所述至少两组原始发光器件组中的任意相同颜色的两个固态发光器件在平行于几何合光器件的拼接面上关于原点对称;所述补光发光器件组中的任意相同颜色的两个固态发光器件在拼接面上关于原点对称。
12.根据权利要求1至3中任意一项所述的光源,其特征在于,补光发光器件组最终输出的光束围绕在原始发光器件组最终输出的光束的周围,并利用几何合光的方式合为一束光束。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的光源,其特征在于,所述补光发光器件组包括一个白光固态发光器件。
14.根据权利要求1至12中任意一项所述的光源,其特征在于,所述几何合光器件包括一个透镜,原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出光束在透镜的入射面上进行拼接。
15.根据权利要求1至12中任意一项所述的光源,其特征在于,所述几何合光器件包括两个透镜和一个反射镜,其中,原始发光器件组最终输出的光束入射到一个透镜中,补光发光器件组最终输出光束入射到另一个透镜中,并经过所述反射镜的反射,使得原始发光器件组最终输出的光束与补光发光器件组最终输出的光束几何合光。
16.一种显示系统,其特征在于,包括如权利要求1至15中任一项所述的光源。
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