CN101749566A - 半导体照明装置及使用该照明装置的微型投影光学引擎 - Google Patents

Abstract

一种半导体照明装置，包括半导体发光元件、锥体反射器以及聚光透镜组。其中，锥体反射器罩住所述半导体发光元件，用于直射或反射所述半导体发光元件所发出的光。所述锥体反射器中空，其内壁为平面或者曲面，所述平面或者曲面上镀有反射膜。聚光透镜组设置于所述锥体反射器输出光路上，用于会聚并整形所接收到的光。本发明的半导体照明装置，通过锥体反射器以及聚光透镜组，输出均匀性好的光束，结构简单，制作工艺较低，适合大批量生产。另外，还提供一种使用该照明装置的微型投影光学引擎。

Description

半导体照明装置及使用该照明装置的微型投影光学引擎

技术领域

本发明涉及照明光源和投影显示技术，尤其涉及一种半导体照明装置及使用该照明装置的微型光学引擎。

背景技术

半导体发光元件，例如：发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种磷化镓(GAP)、氮化镓(GAN)等半导体材料制成的、能直接将电能转化为光能的发光器件。当其内部有一定电流通过时，它就会发光。由于LED发光效率高、寿命长、反应灵敏、不含有毒物质等特点，使得其的应用越来越广泛，尤其是白光LED，被认为是继白炽灯、荧光灯以后的第三代照明光源，被广泛应用在液晶投影装置、手机背光源、显示屏幕等。

中国发明专利申请公开说明书中公开号“CN1643703”名称为“用于收集并均匀传输LED光的***”公开了一种用于以近均匀柱收集并传输LED发出的光的装置。这种类型的LED具有底部、发光元件以及安装在底部上并且覆盖发光元件的圆顶透明塑料壳体。该发光装置包括围绕该LED底部的、用于收集从LED发光元件发射的旁带光的锥形反射器，以及与LED壳体相对并且与该壳体分开设置的用于聚焦来自LED的直射和反射光的透镜。其中，锥形反射器包括粗糙的内表面，用于散射所传输的光。透镜在其表面的中心处设置有使透镜投射成近均匀光的场的平点，且该透镜的曲表面为椭圆形。然而，这种结构的光源装置，工艺要求较高，制作比较复杂，成本较高，且，通过这种锥形反射器反射出来的光投射到屏幕上后，容易形成中间亮，边缘较暗的不均匀现象，无法满足高品质的投影需求。

发明内容

有鉴于此，须提供一种结构简单，工艺要求较低，均匀性较高的半导体照明装置。

另外，还需提供一种结构简单，光亮度均匀，尺寸小的微型投影光学引擎。

一种半导体照明装置，包括半导体发光元件、锥体反射器以及聚光透镜组。其中，锥体反射器罩住所述半导体发光元件，用于直射或反射所述半导体发光元件所发出的光。所述锥体反射器中空，其内壁为平面或者曲面，所述平面或者曲面上镀有反射膜。聚光透镜组设置于所述锥体反射器输出光路上，用于会聚并整形所接收到的光。

一种微型投影光学引擎，包括偏振分光器、微液晶显示单元、投影透镜以及上述的半导体照明装置。偏振分光器设置于所述半导体照明装置的输出光路上，用于把接收到的光转化为偏振光。液晶显示单元用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。投影透镜用于接收并投射携有图像信息的另一偏振光。

本发明的半导体照明装置，半导体发光元件发出的光，通过锥体反射器的反射以及聚光透镜组的会聚和整形，输出均匀性好的光束，结构简单，制作工艺较低，适合大批量生产。此外，使用上述半导体照明装置的微型投影光学引擎，其光学***设计过程仅涉及半导体照明装置，偏振分光器、微液晶显示单元以及投影透镜，不涉及其他光学器件，结构简单，光亮度均匀，且，尺寸小，生产成本较低。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明一实施方式的半导体照明装置的立体结构示意图；

图2为图1的半导体发光元件的第一实施方式的结构示意图；

图3为图1的半导体发光元件的第二实施方式的结构示意图；

图4为图1的半导体发光元件的第三实施方式的结构示意图；

图5为图1的锥体反射器的立体结构示意图；

图6为本发明第一实施方式的微型投影光学引擎的立体结构示意图；

图7为本发明第二实施方式的微型投影光学引擎的平面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1所示为本发明半导体照明装置的立体结构示意图，其包括半导体发光元件20、锥体反射器30、聚光透镜组40以及中空聚光透镜组50。其中，锥体反射器30罩住半导体发光元件20，用于直射或反射半导体发光元件20所发出的光。聚光透镜组40设置于锥体反射器30输出光路上，用于会聚并整形所接收到的光。中空聚光透镜组50设置于聚光透镜组40输出光路上，用于接收聚光透镜组40所发出的光，并对边缘光做聚光处理。

本发明实施方式中，半导体发光元件20为发光二极管(Light EmittingDiode，LED)芯片，用于发出180°的光。本实施方式中，半导体发光元件20时序发射三种不同颜色的光，例如：红光、蓝光以及绿光。参阅图2，该半导体发光元件20为方形布置的四个发光芯片：一个出射红光的红光发光芯片R、一个出射蓝光的蓝光发光芯片B以及两个对角布置的出射绿光的绿光发光芯片G1、G2。且，红光发光芯片R、绿光发光芯片G1、G2以及蓝光发光芯片B均连接有控制器(图中未示出)，用于控制芯片的时序发光。各个芯片工作频率按液晶面板所需光照参数进行设定，以达到显示最好的颜色视觉效果。

参阅图3及图4，半导体发光元件20也可以为三角形布置或者线性排列三个发光芯片：一个出射红光的红光发光芯片R、一个出射蓝光的蓝光发光芯片B以及一个出射绿光的绿光发光芯片G。

本发明其它实施方式中，半导体发光元件20也可以采用激光芯片来代替LED芯片。其次，半导体发光元件20的数量也可以为三个以上或四个以上发光芯片，也可以布置成其它形式，只要满足发出红色、蓝色以及绿色这三种不同颜色的光，且这三种不同颜色的光能混合成为白光即可。当然，该半导体发光元件20也可以包括蓝光LED芯片以及用于吸收蓝光LED芯片所发出的一部分光并转换成长波长光的稀土发光材料(荧光粉)。荧光粉受蓝光LED芯片所发出的蓝光的激励，转换成黄色系列的光，与另一部分透过荧光粉的蓝光复合成白光。

参阅图5，锥体反射器30为中空结构，其内壁31为曲面，曲面上镀有反射膜(图中未示出)。本发明实施方式中，为凸柱面，采用凸柱面的结构，增大光的反射角，有利于提高投射到屏幕上光的均匀性。又，锥体反射器30的竖面半径范围为20毫米～26毫米，即，凸柱面的竖柱面半径R范围为20毫米～26毫米，如：20毫米、23毫米或者26毫米等。此外，锥体反射器30由四个透镜粘结而成，即，由四个凸柱面透镜粘结而成。四个凸柱面透镜中相对分布的凸柱面透镜的结构相同，有利于锥体反射器30的加工制作。

本发明其它实施方式中，锥体反射器30的内壁也可以为球面，即由四个球面透镜粘结而成，其中，相对分布的球面透镜的结构相同。同时，球面上镀有反射膜，而球面的竖面半径范围也为20毫米～26毫米。当然，锥体反射器的内壁还可以为平面，这里不再赘述。

聚光透镜组40为多个顺序排列的透镜，其材质为玻璃，本发明实施方式中，聚光透镜组40中的透镜为正透镜，其数量为2个：一个弯月形透镜41以及一个双凸透镜42，用于会聚并整形所接收到的光，逐步减小锥体反射器30出射光的发散角，且，进一步混合半导体发光元件20所发射的光为均匀的光。

本发明其它实施方式中，正透镜的数量也可以为一个，或者两个以上。又，依照照明装置光路设计的需求，聚光透镜组40中所选取的透镜并不限于本具体实施方式中的正透镜，其也可以为负透镜或者胶合透镜。即，聚光透镜组40为正透镜、胶合透镜的组合，或者负透镜与胶合透镜的组合，或者正透镜、负透镜的组合，或者正透镜、负透镜、胶合透镜的组合等。采用不同材料的正透镜与负透镜组合成聚光透镜组的结构，有利于消除色差与球差。

因此，本发明的半导体照明装置，三原色半导体发光元件发出的光，部分光通过锥体反射器30的曲面或者平面的反射后，通过聚光透镜组40的折射，与部分从锥体反射器30直射的光混合为一束均匀的光，相比传统的三原色通过合光棱镜合成一束光的照明装置而言，光路较短，尺寸较小，同时，在投影屏幕上能获得亮度均匀的白光，满足微型化、高品质的需求。而对于半导体发光元件是蓝光LED芯片和荧光粉的照明装置而言，通过锥体反射器30的平面或者曲面，能够把原本泄漏在装置外的光反射回装置内，提高了光能利用率。

中空聚光透镜组50为框架结构，其包括至少一个中空聚光透镜，每一个中空聚光透镜均包括用于直射入射光的大部分光的中空部51以及用于使入射光的边缘光朝向中空部51方向折射的折射部52。本发明实施方式中，中空聚光透镜为矩形空心框，其数量为一个。大部分光从中空部51中直接出射，不损失光输出的效率，而边缘光则通过折射部52的折射，更能有效提高了光能的利用率。

本发明的其它实施方式中，中空聚光透镜的数量也可以为多个，其框架也不限于矩形方框，当然，为了进一步提高照明装置的均匀性，使投射到屏幕上的光亮度均匀，该中空聚光透镜也可以省略，即省略中空聚光透镜组50。

因此，本发明的半导体发光元件20发出的光，通过锥体反射器30的反射以及聚光透镜组40的会聚和整形，输出均匀性好的光束，结构简单，制作工艺较低，适合大批量生产。

图6所示为本发明第一实施方式的微型投影光学引擎的立体结构示意图。该微型投影光学引擎包括半导体照明装置，偏振分光器60、微液晶显示单元70以及投影透镜(图中未示出)。其中，半导体照明装置为上述任一实施方式的半导体照明装置。本发明实施方式中，半导体照明装置输出非偏振光。

偏振分光器60设置于半导体照明装置的输出光路上，用于把接收到的光，即非偏振光转化为偏振光。本发明实施方式中，偏振分光器60为立方体形状，由二个三角棱镜胶合而成，在其中间接触面上镀有偏振分光膜层，由该偏振分光膜层形成一个偏振分光面，该偏振分光面可以将非偏振光转换为偏振光并分离出S偏振光和P偏振光。当然，偏振分光器60也可以由其它棱镜胶合而成或者是平板式偏振分光器，只要满足入射的光被转化为偏振光出射即可。

微液晶显示单元70用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息。本实施方式中，微液晶显示单元为单片液晶面板，设置于偏振分光器60与半导体照明装置的非相邻的一侧。当微液晶显示单元70接收到的偏振光为P偏振光时，经过微液晶显示单元的调制后，将转换为携有图像信息的S偏振光，并反射至偏振分光器60。

本发明其它实施方式中，该微液晶显示单元70所接收到的偏振光也可以为S偏振光，经过微液晶显示单元70的调制后，转换为携有图像信息的P偏振光，并反射至偏振分光器60。

当微液晶显示单元70接收到的偏振光为P偏振光时，投影透镜与微液晶显示单元70相邻设置于偏振分光器60的一侧，换句话说，投影透镜与微液晶显示单元70分别设置于偏振分光器60的相邻两侧面上。此时，投影透镜是用于接收并投射携有图像信息的S偏振光。而当微液晶显示单元70接收到的偏振光为S偏振光时，该投影透镜与微液晶显示单元70相对平行设置于偏振分光器60的一侧，用于接收并投射携有图像信息的另一偏振光，即P偏振光。

本发明实施方式中，微液晶显示单元为LCOS液晶面板。

图7所示为本发明第二实施方式的微型投影光学引擎的平面结构示意图。该微型投影光学引擎与图6所示的微型投影光学引擎的结构基本相同，区别在于，图7所示的微液晶显示单元为两片式液晶面板，分别设置于偏振分光器60’的相邻两侧面上。半导体照明装置发射出均匀的光经偏振分光器60’后分成为两束偏振光：S偏振光、P偏振光，分别提供给液晶面板71、72。两液晶面板输出图像光经偏振分光器60’后再合成为一束光，从投影镜头输出到外部屏幕。

因此，本发明的微型投影光学引擎中，照明装置发出光亮度均匀的光经偏振分光器分光后，提供给微液晶显示单元，之后，微液晶显示单元调制出图像光再次进入偏振分光器，由偏振分光器从投影镜头输出到外部屏幕，其光学***设计过程仅涉及半导体照明装置，偏振分光器、微液晶显示单元以及投影透镜，不涉及其他光学器件，结构简单，均匀性好，光能利用率高，且，尺寸小，生产成本较低。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种半导体照明装置，包括：

半导体发光元件；

其特征在于，所述半导体照明装置还包括：

锥体反射器，罩住所述半导体发光元件，用于直射或反射所述半导体发光元件所发出的光，所述锥体反射器中空，其内壁为平面或者曲面，所述平面或者曲面上镀有反射膜；以及

聚光透镜组，设置于所述锥体反射器输出光路上，用于会聚并整形所接收到的光。

2.根据权利要求1所述的半导体照明装置，其特征在于，所述锥体反射器由四个透镜粘结而成。

3.根据权利要求2所述的半导体照明装置，其特征在于，所述四个透镜中相对分布的透镜的结构相同。

4.根据权利要求2所述的半导体照明装置，其特征在于，所述透镜为凸柱面透镜或者球面透镜。

5.根据权利要求4所述的半导体照明装置，其特征在于，所述凸柱面或者球面的竖面半径范围为20毫米～26毫米。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的半导体照明装置，其特征在于，所述聚光透镜组为一个或者至少两个顺序排列的透镜。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的半导体照明装置，其特征在于，所述半导体照明装置还包括中空聚光透镜组，设置于所述聚光透镜组输出光路上，用于接收该聚光透镜组所发出的光，并对边缘光做聚光处理。

8.根据权利要求7所述的半导体照明装置，其特征在于，所述中空聚光透镜组为框架结构，其包括至少一个中空聚光透镜，每一个中空聚光透镜均包括用于直射入射光的大部分光的中空部以及用于使入射光的边缘光朝向中空部方向折射的折射部。

9.根据权利要求1至5任意一项所述的半导体照明装置，其特征在于，所述半导体发光元件为发光二极管芯片或者激光芯片。

10.根据权利要求1至5所述的半导体照明装置，其特征在于，所述半导体发光元件包括三角形布置或者线性排列的至少三个发光芯片：至少一个红光发光芯片、至少一个蓝光发光芯片以及至少一个绿光发光芯片。

11.根据权利要求1至5所述的半导体照明装置，其特征在于，所述半导体发光元件为方形布置的至少四个发光芯片：至少一个红光发光芯片、至少一个蓝光发光芯片以及至少两个对角布置的绿光发光芯片。

12.根据权利要求1至5任意一项所述的半导体照明装置，其特征在于，其特征在于，所述半导体发光元件包括蓝光发光二极管芯片以及用于吸收所述蓝光发光二极管芯片所发出的一部分光并转换成长波长光的荧光粉。

13.一种微型投影光学引擎，包括：

偏振分光器，用于把接收到的光转化为偏振光；

微液晶显示单元，用于对所接收到的偏振光进行调制，转换为与该偏振光垂直的另一偏振光，并使该另一偏振光携有图像信息；

投影透镜，用于接收并投射携有图像信息的另一偏振光；

其特征在于，所述微型投影光学引擎还包括根据权利要求1至12中任意一项所述的半导体照明装置，所述偏振分光器设置在所述半导体照明装置的输出光路上。

14.根据权利要求13所述的一种微型投影光学引擎，其特征在于，所述微液晶显示单元为单片液晶面板，设置于所述偏振分光器与半导体照明装置的非相邻的一侧。

15.根据权利要求13所述的一种微型投影光学引擎，其特征在于，所述微液晶显示单元为两片液晶面板，分别设置于所述偏振分光器的相邻两侧面上。

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