CN102722077A - 光源***及相关投影*** - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光源***及相关投影***，该光源***包括：光源模组，包括三个固态发光器件并且产生的光束围绕一个中心轴平行或汇聚排布；反射装置组，包括三个与所述三个固态发光器件一一对应的反射装置，用于反射其产生的光束，使得各光束的传播方向的弯折角度不小于30度并往所述中心轴汇聚；光收集装置，包括三个与所述三个反射装置一一对应并围绕所述中心轴排布的反射面，用于反射经与其对应的反射装置反射的光束，使出射光束的传播方向与所述中心轴一致或者往所述中心轴汇聚，并且该最终出射光束的出射面面积小于所述光源模组的出射光束的出射面面积。本发明能在较短的距离内有效压缩半导体光源的输出光束。

Description

光源***及相关投影***

技术领域

本发明涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种光源***及相关投影***。

背景技术

目前，在现有投影仪中通常使用UHP灯(Ultra High Power，超高压汞灯)作为光源。其中，UHP灯利用超高压汞蒸汽(1Mpa以上)放电获得可见光。但是，由于汞容易造成环境污染，因此业界正在寻找一种环境友好的光源来替代UHP灯。

请参见图1。图1是一种现有技术的投影仪用的代替UHP光源的半导体光源***的结构示意图。如图1所示，该光源***包括一个激光阵列101，激光阵列101里各颗固态发光器件103产生的激发光先经准直透镜105准直，然后经透镜107汇聚。经汇聚的激发光再被透镜109准直，从而相比入射到透镜107的准直光束，透镜109出射的准直光束具有更小的尺寸，因而可以采用较小尺寸的复眼透镜111和113进行匀光和整形。从复眼透镜113出射的激发光再经透镜115汇聚到荧光粉轮117上，对荧光粉轮117进行激发进而产生受激发光。

在投影***中，在对激光阵列的光束进行压缩时光路的长度受限于透镜的焦距，并且透镜在沿光束传播的方向上逐步对光束进行压缩，造成光源***的光路较长，进而导致光源***的体积较大。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种能在较短的距离内有效压缩现有半导体光源的输出光束的光源***。

本发明实施例提供一种光源***，包括：

光源模组，包括三个固态发光器件，用于产生光束，所述三个固态发光器件产生的光束围绕一个中心轴排布，并且出射方向平行于该中心轴或者往该中心轴汇聚；

反射装置组，包括三个反射装置，该三个反射装置与所述三个固态发光器件一一对应，每个反射装置位于与其对应的固态发光器件的出射光路上，用于反射该固态发光器件产生的光束，使得每个固态发光器件产生的光束的传播方向的弯折角度不小于30度，并且往所述中心轴汇聚；

光收集装置，包括三个反射面，该三个反射面与所述三个反射装置一一对应，该光收集装置的反射面围绕所述中心轴排布，每个反射面用于反射经与其对应的反射装置反射的光束，以将所述光源模组产生的各束光束合成一束出射光束，该出射光束的传播方向与所述中心轴一致或者往所述中心轴汇聚，并且该出射光束的出射面面积小于所述光源模组的出射光束的出射面面积。

本发明实施例还提供一种光源***，包括：

光源模组，包括三个固态发光器件，用于产生光束，所述固态发光器件呈环状排布，产生的光束围绕一个中心轴排布，并往该中心轴上的同一处汇聚；

光收集装置，包括三个反射面，该三个反射面与所述三个固态发光器件一一对应，并围绕所述中心轴排布，用于分别反射与其对应的固态发光器件产生的光束，并使得每个固态发光器件产生的光束的传播方向的弯折角度不小于30度，以将所述光源模组产生的各束光束合成一束出射光束，该出射光束的传播方向与所述中心轴一致或者往所述中心轴汇聚，并且该出射光束的出射面面积小于所述光源模组的出射光束的出射面面积。

本发明实施例还提供一种投影***，包括上述光源***。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

本发明采用反射面代替透镜对固态发光器件的光进行收集。透镜需沿光传播方向逐步压缩光束，光束的弯折角度较小，而反射面改变光的传播方向的角度可以为任意角度，并且反射面改变光的传播方向只需在反射面处即可完成。在本发明中，每个固态发光器件产生的光束在经过反射装置时其传播方向的弯折角度不小于30度，使得光源模组中产生的各束光束在较短距离内往中心轴汇聚；而光收集装置中的每个反射面将经与其对应的反射装置反射的光束的方向反射至同一方向或者向同一处汇聚，由于光收集装置的出射光束的出射面积小于光源模组的出射光束的出射面积，光收集装置的输出光束的尺寸比光源模组的的输出光束的尺寸更小，而相比经反射装置组反射的各束光束往中心轴汇聚时形成的光束，光收集装置的输出光束的发散角度更小。

附图说明

图1是现有技术中的光源***的示意图；

图2是本发明的光源***的第一实施例的示意图；

图3是本发明的光源***的第一实施例中的另一示意图；

图4是本发明的光源***的第二实施例的示意图；

图5是本发明的光源***的第二实施例中各固态发光器件的示意图；

图6是本发明的光源***的第三实施例的示意图；

图7是图6的光源***中的光收集装置的主视图和剖面图；

图8是本发明的光源***的第四实施例的示意图；

图9是本发明的光源***的第五实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

实施例一

请参阅图2，图2左侧图是本实施例中光源***的结构示意图。如图2所示，光源***200主要包括光源模组201、反射装置组203、光收集装置205。图2右侧图为图2左侧图中所示光源***的光源模组201和光收集装置205的主视图。

光源模组201由三个固态发光器件201a围绕一个中心轴排布组成，用于产生光束。优选地，光源模组201中的各固态发光器件呈环状排布。各固态发光器件的光束的出射方向一致，围绕光源模组的中心轴排布，并平行于该中心轴。固态发光器件可以是LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，或是激光二极管。

反射装置组203由三个反射镜组成，各反射镜与光源模组201中的固态发光器件一一对应，并围绕光源模组201的中心轴分布。优选地，各反射镜围绕该中心轴呈环状分布。每个反射镜分别置于与其对应的固态发光器件的出射光路上，用于将该固态发光器件产生的光束往中心轴汇聚，其中每束光束经各反射装置反射后传播方向的弯折角度为30度。相较于现有技术中的利用透镜的折射对各固态发光器件产生的光束进行汇聚时对各束光束的传播方向造成的弯折角度，本实施例中的弯折角度较大，以使各固态发光器件产生的光束在较短的光路内往中心轴汇聚。

光收集装置205呈棱台状，该棱台包括三个侧面，该三个侧面分别为各反射面205a。各反射面205a围绕中心轴排布，并且与反射装置组203中的各反射镜一一对应，每个反射面用于反射经与其对应的反射镜反射过来的光束，以使经光收集装置205反射的各光束合成一束出射光束，并且该出射光束的出射方向与光收集装置205的中心轴平行。其中光收集装置205背向出射方向一侧的底面面积小于光源模组201中各固态发光器件围成的圆形的面积，这使得光源***200的输出光束的尺寸小于光源模组201的输出光束的尺寸，以达到压缩光源模组201的输出光束的目的。优选地，反射装置组203中的各反射镜和与其对应的光收集装置205的反射面平行。

本发明中，采用两次反射来对光源模组201产生的各束光束进行压缩，其中第一次反射使得光源模组201的每个固态发光器件产生的光束的传播方向的弯折角度不小于30度，由于反射对光束实现较大角度的偏折，而透镜采用的折射方式对光束实现偏折的角度较小，因此相比现有技术，本发明能够在更短的光路上实现对光源模组201产生的光束压缩。在第一次反射后，各固态发光器件产生的光束在光源模组的中心轴上汇聚，此时各光束的发散角度较大，因此通过第二次反射来使得各光束的传播方向一致，由于实现第二次反射的光收集装置205出射光束的出射面的轮廓面积，即光收集装置205背向出射方向一侧的底面面积，小于光源模组201输出光束的输出面的轮廓面积，即光源模组201中各固态发光器件围成的图形面积，所以各束光束经光收集装置反射后的发散角度较小，并且该光束的尺寸较光源模组输出光束的尺寸小。

在其它实施例中，光源模组中各固态发光器件产生的光束的传播方向在各反射装置反射前后改变的角度也可以是其它大于30度的角度，这可根据实际需要通过对各反射装置和光收集装置中的各反射面的摆放角度和位置来进行调整。光源***200的输出光束也可以不是平行光而是汇聚光。例如，当光源模组201中的各固态发光器件产生的光束往光源模组201的中心轴汇聚时，反射装置组203中的各反射装置和与其对应的光收集装置205中的各反射面相互平行，则光源***200的输出光束往光源模组201的中心轴汇聚。在其他实施例中，也可以通过改变光收集装置205各反射面的摆放角度来使得光源***的输出光束往中心轴汇聚。如图3所示，光源模组301的各固态发光器件301a产生的光束平行于光源模组301的中心轴，各光束经反射装置组303中的各反射装置反射后往光收集装置305汇聚，并经光收集装置305的各反射面305a反射后往光收集装置305的中心轴汇聚。光收集装置305的各反射面的具体摆放角度可根据实际需要来进行调整。

实施例二

请参阅图4，图4左侧是本实施例中光源***的结构示意图。如图4左侧所示，光源***400主要包括光源模组401、准直透镜403、反射装置组405、光收集装置407、复眼透镜对409和汇聚透镜411。

与实施例一不同的是，在本实施例中，光源模组401中的各个固态发光器件401a产生的光束在进入反射装置组405前的光路上设置有准直透镜403，用于对各光束进行准直，以提高各光束的利用率。入射光入射于每个反射装置的入射角均为45度，以使光的传播方向在反射装置反射前后改变90度。根据几何知识可知，一个点与一条直线之间的距离中过该点到该直线的垂线段最短，因此这样可以使各固态发光器件的光束在最短的光路内往光源模组401的中心轴汇聚，以最大程度地对光源模组401的输出光束进行压缩。在其他实施例中，入射光入射于每个反射装置的入射角也可以为其他角度，只要使得每个固态发光器件产生的光束在经与其对应的反射装置反射后传播方向的弯折角度不小于30度即可。优选地，入射光入射于每个反射装置的入射角也可以小于45度，这样，经每个反射装置反射前和反射后的各光束的光路在沿光源模组401的中心轴的方向上重叠，使得整个光源***400的光路在沿光源模组401的中心轴的方向上较短，以使光源***400的结构更加紧凑。

光收集装置407呈棱锥状，该棱锥的三个侧面为光收集装置407的反射面407a，用于反射经反射装置组405反射的光源模组401的输出光束，使得经光收集装置407反射的各束光束的出射方向一致并汇成一束光束，沿反射装置组405的中心轴出射。光收集装置407的输出光束的传播路径上设置有复眼透镜对409和汇聚透镜411，用于对光收集装置407的输出光束进行匀光和收集，以使得光源***400的输出光束尺寸更小、更均匀。

图4右侧图为本实施例中光收集装置407由迎向光束出射方向看过去的主视图。在本实施例中，由于光收集装置407采用棱锥状，该棱锥的各个侧面在平行于光收集装置的中心轴方向上的投影没有缝隙，而实施例一中的光收集装置407的各个侧面在平行于光收集装置的中心轴方向上的投影中间有一空处，因此，当各束光束在光收集装置的各反射面上形成的光斑均充满整个反射面时，相比实施例一，本实施例中光收集装置407中各个固态发光器件的不同光束无缝拼接，使得光功率密度提高。

在其它实施例中，也可以将准直透镜403替换成匀光透镜或整形透镜，如复眼透镜或匀光棒等其他装置，以对光源模组401中各固态发光器件产生的光束进行匀光或整形。当替换准直透镜403的透镜具有匀光作用时，光收集装置407的出射光路上的复眼透镜对409可以省略不用。在对各束光束进行整形时，将各束光束在垂直于其传播方向上的截面整形成所需的形状，例如圆形、方形、椭圆形或其它任意形状。具体举例来说，经汇聚透镜411汇聚后的光束用于激发光波长转换材料，光源模组401中各固态发光器件产生的光束经整形透镜整形后形成矩形光锥，经复眼透镜对409匀光和汇聚透镜411汇聚后在光波长转换材料上同一位置形成均匀的矩形光斑。为使各个固态发光器件在光波长转换材料形成的矩形光斑相互重合，各固态发光器件的放置的朝向应该一致，如图5左侧图所示。图中各固态发光器件501的放置朝向均一致，使得任意两个固态发光器件之间，一个固态发光器件平移至另一个固态发光器件的位置后两者产生的光束重合。若需光源模组501产生的输出光束在光波长转换材料上形成的光斑为旋转对称的，则可以使光源模组501的各固态发光器件连同与其对应的整形透镜在各自的固定位置上关于光源模组501的中心轴对称旋转，如图5右侧图所示。光源模组中的各固态发光器件的放置方向并不局限上述两种，还可根据实际需要对各固态发光器件的放置方向进行设置。在其他实施例中，也可以将准直透镜403替换成同时具有匀光和整形作用的透镜，或者替换成同时具有准直和整形作用的透镜，或者替换成同时具有匀光和准直作用的透镜，或者替换成同时具有准直、匀光和整形作用的透镜。

实施例三

请参阅图6，图6是本实施例中光源***的结构示意图。如图6所示，光源***600主要包括光源模组601、反射装置组605、光收集装置607。相比实施例二，在光源模组601具有更多固态发光器件601a，并且在光源模组601的中心上增添一个固态发光器件，该固态发光器件的产生的光束的出射方向与光源模组601的其他各固态发光器件的出射光的方向一致。

与实施例二不同的是，在本实施例中，光收集装置607呈半足球状。如图7所示，图7左侧是图6中光收集装置607的主视图，图7右侧是图7左侧图中在A1-A2截面内的剖面图。光收集装置607由多个正五边形和多个正六边形组成，一起构成半足球面。其中每个正五边形和正六边形为光收集装置607的各反射面。位于光收集装置607的中心轴上的正五边形上留空，未放置反射面，用于直接出射位于光收集装置607的中心轴上的固态发光器件产生的光束；也可以在光收集装置607的中心轴上的正五边形上设置透光镜，用于透射位于光收集装置607的中心轴上的固态发光器件产生的光束，以使光源***600的输出光束的功率密度更大。光收集装置607的反射面的数量和反射装置组605中的反射装置的数量一致，并且一一对应。反射装置组605中的各反射装置的数量与光源模组601中的固态发光器件的数量一致，并且一一对应。每个反射装置用于将与其对应的固态发光器件产生的光束反射到光收集装置607的与其对应的反射面上。

反射装置组605中的各反射装置为反射曲面，该反射曲面带有匀光和整形的作用。各反射曲面可以采用具有复眼形式的反射面，或者自由曲面反射器等其他反射曲面。因此，相比实施例二，本实施例中可以在光收集装置607的出射光路上减少使用复眼透镜。复眼透镜会给光束带来较大的光损耗。本实施例中，因为复眼透镜的减少使用，可以减少复眼透镜给光束带来的光损耗。而光收集装置607中的多个反射面的紧密排布，能将较多的光束紧密地聚集在一起。

实施例四

请参阅图8，图8左侧图是本实施例中光源***的结构示意图，右侧图是本实施例中光源***的侧视图。如图8所示，光源***800主要包括光源模组801、光收集装置803。

光源模组801包括三个固态发光器件801a，用于产生光束。该三个固态发光器件801a呈环状排布，并且各固态发光器件产生的光束围绕一个中心轴排布，并且往该中心轴上的同一处汇聚。

光收集装置803呈棱锥状，并放置在光源模组801的中心轴上。该棱锥包括三个侧面，每个侧面为反射镜，与光源模组801中的三个固态发光器件一一对应，并且分别位于与其对应的固态发光器件的出射光路上，用于直接反射该固态发光器件产生的光束，并使得每束光束的传播方向的弯折角度为30度。以将光源模组801产生的光束合成一束出射光束，并且该出射光束的传播方向与光源模组801的中心轴一致。其中光收集装置803的底面面积小于光源模组801中各固态发光器件围成的圆形的面积，这使得光源***800的输出光束的尺寸小于光源模组801的输出光束的尺寸，以达到压缩光源模组801的输出光束的目的。也可以通过改变光收集装置803各反射面的摆放角度，以使光收集装置803反射的各光束的出射方向往光收集装置803的中心轴汇聚，这可根据实际需要来进行调整。

在本实施例中，光源模组801的输出光束不用经反射装置反射，直接由光收集装置803的各反射面收集汇聚。相比以上实施例，本实施例中光路少一次折叠，光路更短，并且使用的光学元件更少，使得光源***的尺寸更小。并且由于光在经过光学元件时，在每个光学界面上都会有一定的光损耗，减少光学元件的使用，能减少光源模组801的输出光束的光损耗。

进一步地，可以在每个固态发光器件产生的光束在进入光收集装置803前的光路上放置具有准直、整形或匀光作用的透镜，用于对每束光束进行准直、整形或匀光。以上提到的和以下实施例提到的具有准直、整形或匀光作用的透镜包括准直透镜、整形透镜、匀光透镜、同时具有匀光和整形作用的透镜、同时具有准直和整形作用的透镜、同时具有匀光和准直作用的透镜和同时具有准直、匀光和整形作用的透镜。

实施例五

请参阅图9，图9左侧图是本实施例中光源***的结构示意图，右侧图是本实施例中光源***的侧视图。如图9所示，光源***900主要包括光源模组901、光收集装置903。

与实施例四不同的是，光收集装置903位于光源模组901的中心轴上，并且光收集装置903的各反射面为反射曲面。各反射曲面带有准直、整形或匀光作用，用于对各固态发光器件产生的光束进行准直、整形或匀光。各反射曲面可以采用具有复眼形式的反射面，或者自由曲面反射器等其他反射曲面。光源模组901位于光收集装置903的出射光路一侧，并且各固态发光器件的出射光束往光收集装置903汇聚。每个反射曲面位于一个固态发光器件的出射光路上，用于将各固态发光器件产生的光束反射至沿平行于光源模组901的中心轴的方向传播。

在本实施例中，光收集装置903的入射光路和出射光路位于其同一侧，使得整个光源***900的光路在沿光源模组901的中心轴的方向上较短，以使光源***900的结构更加紧凑，光源尺寸更小。

在其他实施例中，每个固态发光器件产生的光束入射于光收集装置的各反射面的入射角也可以为其他角度，这可通过调整光源模组901中的各固态发光器件出射光束的方向以及光收集装置903中的每个反射面的摆放角度来调整，只要使得每束光束经光收集装置903的各反射面反射后传播方向的弯折角度不小于30度即可。

优选地，在以上各实施例中，各固态发光器件、各反射装置和光收集装置的各反射面均围绕同一个中心轴对称分布，这样可以使得在设计和制造上更加简便。

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。

本发明实施例还提供一种投影***，包括光源***，该光源***可以具有上述各实施例中的结构与功能。该投影***可以采用各种投影技术，例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)投影技术、数码光路处理器(DLP，Digital Light Processor)投影技术。此外，上述光源***也可以应用于照明***，例如舞台灯照明。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种光源***，其特征在于，包括：

光源模组，包括三个固态发光器件，用于产生光束，所述三个固态发光器件产生的光束围绕一个中心轴排布，并且出射方向平行于该中心轴或者往该中心轴汇聚；

反射装置组，包括三个反射装置，该三个反射装置与所述三个固态发光器件一一对应，每个反射装置位于与其对应的固态发光器件的出射光路上，用于反射该固态发光器件产生的光束，使得每个固态发光器件产生的光束的传播方向的弯折角度不小于30度，并且往所述中心轴汇聚；

光收集装置，包括三个反射面，该三个反射面与所述三个反射装置一一对应，该光收集装置的反射面围绕所述中心轴排布，每个反射面用于反射经与其对应的反射装置反射的光束，以将所述光源模组产生的各束光束合成一束出射光束，该出射光束的传播方向与所述中心轴一致或者往所述中心轴汇聚，并且该出射光束的出射面面积小于所述光源模组的出射光束的出射面面积。

2.根据权利要求1所述的光源***，其特征在于，所述固态发光器件产生的光束在进入所述反射装置前的光路上设置有准直、匀光或者整形装置，用于对所述固态发光器件产生的光束进行准直、匀光或者整形。

3.根据权利要求1所述的光源***，其特征在于，所述反射装置或所述光收集装置的反射面为反射曲面；该反射曲面带有准直、匀光或者整形作用。

4.根据权利要求1所述的光源***，其特征在于，所述反射装置的反射面为平面，并且所述反射装置的入射光的入射角度小于或等于45度。

5.根据权利要求1所述的光源***，其特征在于，所述光源模组的各固态光源器件的排布、所述反射装置组中的各反射装置的排布和所述光收集装置的各反射面的排布均围绕所述中心轴对称。

6.根据权利要求1所述的光源***，其特征在于，所述光收集装置呈棱台状，该棱台的各个侧面为所述反射面；或者所述光收集装置为棱锥状，该棱锥的各个侧面为所述反射面；或者所述光收集装置呈半足球状，该半足球面上除位于所述光源模组的中心轴上的六边形，其余的多边形为所述反射面。

7.一种光源***，其特征在于，包括：

光源模组，包括三个固态发光器件，用于产生光束，所述固态发光器件呈环状排布，产生的光束围绕一个中心轴排布，并往该中心轴上的同一处汇聚；

光收集装置，包括三个反射面，该三个反射面与所述三个固态发光器件一一对应，并围绕所述中心轴排布，用于分别反射与其对应的固态发光器件产生的光束，并使得每个固态发光器件产生的光束的传播方向的弯折角度不小于30度，以将所述光源模组产生的各束光束合成一束出射光束，该出射光束的传播方向与所述中心轴一致或者往所述中心轴汇聚，并且该出射光束的出射面面积小于所述光源模组的出射光束的出射面面积。

8.根据权利要求7所述的光源***，其特征在于，所述光源模组中的固态发光器件的排布和所述反射面的排布关于所述中心轴对称。

9.根据权利要求7所述的光源***，其特征在于，所述光收集装置的反射面的入射光的入射角度小于或等于45度。

10.根据权利要求7所述的光源***，其特征在于，所述光收集装置的反射面为反射曲面，所述反射曲面具有准直、匀光或者整形作用。

11.根据权利要求10所述的光源***，其特征在于，所述固态发光器件产生的光束在进入该光收集装置前的光路上设置有准直、匀光或者整形装置，用于对该各束光束进行准直、匀光或者整形。

12.一种投影***，其特征在于，包括如权利要求1至11中任一项所述的光源***。

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