CN101493207B - 固态光源装置、采用该装置的投影系统及集束照明灯具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种固态光源装置、采用该装置的投影系统及集束照明灯具，包括中空光学构件，光学构件的腔体内为空气、真空或其它透光介质，光学构件上设有出光口，光学构件呈多面体状，其上设有至少一个入光口，与入光口对应设有至少一个导光棱镜，与导光棱镜底面对应设有固态发光组件，光学构件内或者光学构件内和光学构件外都设有反射件，固态发光组件发出的光经导光棱镜折射或全反射、反射件反射或直接从光学构件出光口射出。本发明充分利用光学构件的侧壁设置更多的固态发光组件，增大固态发光组件有效的发光面积，在出光口面积不变的情况下，增大光源的产光量，并将多个固态发光组件发出的光通过反射件、导光棱镜都向出光口方向集中导出，既提高了产光量，又高效率地导出。
Description
技术领域
本发明涉及一种光源装置及其应用，尤其涉及一种固态光源装置、采用该装置的投影系统及集束式照明灯具。
背景技术
大功率LED(包括OLED)等固态发光器件作为新型的高亮度、长寿命光源在照明等应用领域获得了长足的发展，其具有的长寿命、高色纯等特点正是现有基于电弧发光的投影光源所欠缺的，但要将LED等固态发光器件应用于投影系统，就必须要求所构成光源为一个较为理想的点光源，但每一个LED的发光体为一个具有一定发光面积的半导体芯片，本质上是一个小型面光源，且由于单只LED芯片发光亮度有限，为了达到足够大的发光通量，通常还需要将多个LED芯片排列成阵列，或采用更大尺寸的LED面发光体，在形成发光通量倍增的同时，其光源发光面积也相应倍增，当光源发光面积越大，其相应的投影成像光学系统的成像光效率就越低，即试图通过传统方式增加LED数量来增加光源的光输出通量(发光亮度)努力是难以凑效的，这是将大功率LED等固体光源应用于投影系统的主要技术障碍。
通常，对于非严格点光源，采用“光学扩展量”(Etendue)来表明其对点光源的近似程度，即有E＝πAsin2θ，其中E为光学扩展量(Etendue)值，A为面光源发光面积，θ为面光源出射光线最大扩散角，发光面积越小，光线最大扩散角越小，E值越小，越接近点光源，反之则离点光源要求越远。在现有技术条件下，以较为典型的40mil(1mm2)LED芯片为例，其Etendue值约为 3.14mm2*sr，而对于一种典型的投影光学系统的设计，其显示光芯片的匹配Etendue值约为34.36mm2*sr，按照光源的Etendue值≤显示光芯片Etendue值的设计要求，即只能采用9只LED芯片排成3×3的阵列，以LED芯片的发光效率为40流明/W，投影系统光效率为15％计算，则最后只能得到54流明的投影光输出，这样的水平只能作为一般的个人应用“袖珍”型投影机所使用，远远达不到一般的家用或商务用投影显示装置(背投影或前投影方式的投影装置)所需要的几百流明乃至几千流明的光输出要求。要将LED等固态发光器件取代传统“弧光”式投影光源，其所要解决的技术难点之一，是要使其在满足投影系统所要求的Etendue值的条件下，大幅度提高光源的“产光量”，或者说在不增大光源输出Etendue值的前提下，大量增加光源中所能容纳的LED芯片数量或LED面发光体的发光面积，并能将LED芯片所发出的光以足够高的效率导出。为达其目的，如图1所示，公开号为CN1682070A的中国专利“光源装置和投影式显示装置”中披露了一种光源装置，按照该技术方案，首先要构造一个棒状的光学构件，棒状光学构件的一个端面为出光面，该光源的光输出Etendue值由该端面面积所确定，棒状光学构件的其它表面均为反射面，LED芯片沿棒状光学构件纵向设置于其侧反射面上，LED芯片所发的光在棒状光学构件内部的反射面之间反复反射后从其出光端面输出，从而可以通过无限制地延伸棒状光学构件的长度来无限制地增加设置于棒状光学构件内部的LED芯片数量来无限制地提高从出光端面获得的光输出量，试图达到在不增加光源Etendue值的条件下大幅增加光源产光量的目标。然而，在该专利所披露的技术方案中存在严重的缺陷：设置于棒状光学构件中的LED芯片，既是提供该光源光输出的源泉，又是将所发出的光从棒状光学构件内部导向出光端面的障碍，因为当LED芯片所发出的光通过棒状构件内部的反射面反复反射导出的过程中，一旦这些光线射到LED芯片上，就会被LED芯片吸收，在芯片内部反复反射衰减，变成芯片的热量而损失掉。因此，为了获得更多的光输出而在棒状构件内部设置更多的LED芯片，但同时却为光线的导出而设置了更多的障碍，使光线的导出效率降低，没有实现通过在棒状构件内部增加LED的数量来大幅增加光源产光量的目的。另外，如图2所示，LED芯片的发光特性满足“Lambertian分布”，由于LED芯片发光能量与其发射角有关，发射角越小的光，其发射能量越大，发射角越大的光，其发射能量越小，在上述专利所披露的技术方案中，发射角越小的光，在棒状构件内部所要经历的反射次数反而越多，其被LED芯片吸收而损失的几率就越大。最后的结果是，当为了谋求高光输出而在棒状构件内部大量设置LED芯片时，仅有能量很小的部分大发射角的光线能够被较为有效地从出光端面导出，光导出效率很低，亦难以达到大幅提高产光量的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高产光量、高效率导出的固态光源装置。
本发明采用以下技术方案来实现上述目的：一种固态光源装置，包括中空光学构件，光学构件的腔体内为空气、真空或其它透光介质，光学构件上设有出光口，光学构件呈多面体状，其上设有至少一个入光口，与入光口对应设有至少一个导光棱镜，导光棱镜底面设有固态发光组件，光学构件内或者光学构件内和光学构件外都设有反射件，固态发光组件发出的光经导光棱镜折射或全反射、反射件反射或直接从光学构件出光口射出。所述光学构件内设有反射件、至少一个导光棱镜，导光棱镜底面与入光口对应，光学构件外与入光口对应设有固态发光组件，固态发光组件发出的光经导光棱镜折射或全反射、反射件反射或直接从出光口射出。
所述光学构件为六面体状光学构件，其前壁设有一个出光口，侧壁设有至 少一个入光口，除出光口、入光口外的光学构件的内壁面上设有反射件，导光棱镜底面大小与入光口匹配。
固态发光组件包括发光板，发光板由热沉、封装在热沉上密集排布的发光芯片构成，发光板大小与入光口匹配一致，发光板的发光面与导光棱镜底面匹配安装，匹配面之间留有空气隙，或者在匹配面之间设有折射率匹配剂；发光板的热沉上设有半导体制冷器，制冷器后设有导热器，其中制冷器的制冷面与热沉的散热面贴合，制冷器的发热面与导热器贴合，所述的贴合面之间设有导热剂。
所述的反射件为镜面反射层。
与出光口相对的光学构件内后壁面上设有棱锥状镜面反射层。
导光棱镜为条状楔形棱镜，二个以上的导光棱镜平行无间隙组成导光棱镜阵列板，导光棱镜阵列板与入光口大小匹配。
导光棱镜为非对称棱镜，与底面夹角较大的导光棱镜的侧面朝向出光口。
出光口的大小与投影光学系统匹配。
光学构件四个侧壁在靠近后壁的位置分别都设有入光口，除出光口、入光口以外的光学构件内壁面上设有反射件。
所述入光口在水平方向的宽度小于入光口垂直方向的腔体宽度。
每个入光口设置有不同的单基色发光板，对应的导光棱镜底面设置有只透过该基色光的滤光介质膜。
光学构件入光口外侧设有折光直角棱镜，折光直角棱镜相互垂直的两个侧面分别与入光口的导光棱镜、发光板的发光面匹配，其倾斜侧面设有反射层，匹配面之间设有空气隙或折射率匹配剂。
光学构件入光口外侧设有合光棱镜组，合光棱镜组由一个三角棱镜和两个平行四边形棱镜顺序叠合而成，三角棱镜的一个垂直侧面为出光面，其与光学 构件入光口内的导光棱镜匹配，三角棱镜的另一个垂直侧面及与其同侧的平行四边形棱镜的底面为入光面，三者分别对应设有固态发光组件，合光棱镜组除入光面、出光面以外的所有外侧面都设有反射层。
三角棱镜、平行四边形棱镜之间的贴合面分别设置对一种单基色光产生反射对其余基色光透过的分色膜，在三个棱镜的入光面都设有与其匹配的发光板，所述的每个发光板均发出与其匹配的棱镜的分色膜所能反射的基色光，匹配面之间设有空气隙或折射率匹配剂。
光学构件相邻侧面的入光口相互交错设置，相应的导光棱镜、固态发光组件也相互交错设置。
所述固态发光组件为LED固态发光组件。
在相邻的两个侧面上分别交错设置两个入光口。
一种光学积分棒型投影照明系统，所述光学积分棒型投影照明系统的光源采用了上述本发明的固态光源装置。
一种集束照明灯具，所述集束照明灯具的光源采用了上述本发明的固态光源装置。
本发明固态发光组件发出的光经入光口处的导光棱镜或导光棱镜阵列板进入多面体光学构件内部空间，通过在导光棱镜内产生的折射或全反射，并通过多面体光学构件内侧壁上设置的反射件反射，使光线传播无损失地向出光口方向集中导出，这样可充分利用多面体光学构件侧面设置更多的固态发光组件，增大有效的固态发光组件发光面积，在出光口面积不变的情况下，增大光源的产光量，并将多个固态发光组件发出的光都通过这种方式向出光口方向集中导出，既提高了产光量，又高效率地导出。
六面体结构是一个最稳定的结构，并且其出光口几何形状便于与投影系统匹配，另外，六面体是多面体结构中最方便加工、组装的一种结构。
由于大量高密度安装的发光芯片，大功率固态发光组件在工作时会产生高温，为了将发光芯片的PN结温度控制在可以长时间高效率工作的温度范围内，就要对固态发光组件进行有效散热，因此将发光芯片贴装在导热良好的热沉上制作成发光板，并通过半导体制冷器对发光板进行冷却，再通过导热装置将所产生的热量导出。
在多面体光学构件与出光口相对的底面设有棱锥状反射层，该棱锥状反射层可以将经导光棱镜折射或全反射后射到此表面的光线再反射，并以较小的发射角射向出光口，减小从出光口导出光线的发射角，并减少光线再反射回入光口而造成的光线损失，提高了光效率。
导光棱镜采用条状、非对称楔形导光棱镜，不同方向的折射或反射不同，具有非对称型光能量分布特性，可利用这个特性，使光的主要能量输出方向朝向出光口方向，光线可在多面体内低损耗地导向出光口，从而获得高的光导出效率，并在有限的光源Etendue值的限制下，大幅增加发光板的发光面积，从而获得高的产光量。
在多面体光学构件的侧面所设置的发光板分别发出红、绿、蓝三基色中不同的基色光，在多面体光学构件内合成，并在出光口输出合成白光。在每一种基色的发光板所对应的导光棱镜或导光棱镜阵列板的底面，分别设置能透过该种基色光而反射其它基色光的滤光介质膜，由于不同侧面所设置的发光板和对应的滤光介质膜不同，则当发光板所发出的光在多面体光学构件空间内传输而反射或折射进其它侧面的导光棱镜阵列板时，就可被该导光棱镜阵列板底面的不同基色滤光介质膜所反射而得以回收，从而减少光线的逃逸损失，提高光导出效率。
在发光板和导光棱镜阵列板的匹配面之间可以留有空气隙，以使六面体光学构件内的部分光线在导光棱镜底面产生全反射，降低光线逃逸损耗，或者在 匹配面之间辅以折射率匹配剂，可以防止发光板所发出的光线在匹配面产生全反射，提高光的导入效率。
在入光口处设有三角折光棱镜，通过三角折光棱镜的反射面反射使得固态发光组件的安装方向与出光口平行，从而可以使固态发光组件处于同一平面(或同一方向)，减小了固态发光组件所占的空间位置。
将折光棱镜扩展形成合光棱镜组，合光棱镜组由一个三角棱镜和两个平行四边形棱镜顺序叠合而成，三角棱镜的一个垂直侧面作为棱镜出光面，与导光棱镜匹配，合光棱镜组内部的两个倾斜贴合面分别设置能对某种基色光产生反射，对其余基色光产生透射的不同分色膜；合光棱镜组的三个棱镜的底面作为棱镜组的入光面，按照不同基色光分别匹配于三个棱镜的底面，其余面可以设置为反射面或折射面，三基色光在合光棱镜出光面进行了合成，输出到多面体光学构件内的为白光，这种结构将用于光源的发光板面积扩大为原来的3倍，提高了产光量。
将两个相邻侧面的入光口沿出光口垂直方向交错设置，也即将发光板和导光棱镜交错设置，这样避免了两个相邻侧面设置的导光棱镜在六面体光学构件内部造成的几何位置干涉，因而可以加大棱镜阵列中的棱镜尺寸，减少棱镜阵列中的棱镜个数，从而可以有效避免部分光线通过棱镜阵列中的不同棱镜折射后返回发光板造成光线逃逸损失，提高光导入效率，并且可以降低器件制造和安装精度要求。
在六面体光学构件的四个侧面中，只有两个相邻的侧面设置入光口，在入光口处设置有发光板和导光棱镜，消除了在相对的侧面上设置入光口时，发光板发出的光线通过导光棱镜折射到对面的导光棱镜上所造成的光线被吸收损失，可以明显提高装置的导光效率，并且由于相对侧面没有设置导光棱镜，可以增大该导光棱镜的尺寸，与四个侧面都设置入光口的情况相比，在导光棱镜 数量相同时，导光棱镜的尺寸可增大一倍，与导光棱镜匹配的发光板的面积相应也提高一倍，因此，增大了产光量，增大了装置的导光效率。
附图说明
图1是现有技术的结构示意图；
图2是LED芯片的Lambertian分布图；
图3是实施例1的结构示意图；
图4a是实施例2的结构示意图；
图4b是实施例2另一种实施方式的结构示意图；
图5a是实施例3的结构示意图；
图5b是实施例3另一种实施方式的结构示意图；
图6a是实施例4的结构示意图；
图6b是实施例4另一种实施方式的结构示意图；
图7a是实施例5的结构示意图；
图7b是实施例5合光棱镜拆分后的结构示意图；
图7c是实施例5另一种实施方式的结构示意图；
图8a是实施例6的结构示意图；
图8b是实施例6的立体外观示意图；
图8c是实施例6另一种实施方式的结构示意图；
图9a是实施例7的结构示意图；
图9b是实施例7另一种实施方式的结构示意图；
图10是实施例8的结构示意图；
图11a是实施例9单片式DLP型投影成像系统示意图；
图11b是实施例9固态器件光源取代传统的弧光型投影光源后的投影成像 系统示意图；
图12是实施例10的结构示意图。
具体实施方式
实施例1，如图3所示，一种固态光源装置包括中空的六面体光学构件1，其前壁设有出光口3，出光口3的大小与投影光学系统匹配，在六面体光学构件1的一个侧面内壁设有入光口5，除出光口3、入光口5外的光学构件1内壁面上设有镜面反射层2，入光口5可以设置一个导光棱镜4，只要导光棱镜4底面总和与入光口5匹配，也可以设置多个不同大小的导光棱镜平行无间隙组成的导光棱镜阵列板，导光棱镜4为对称的条状楔形棱镜，光学构件1外与入光口5对应设有固态发光组件6，固态发光组件包括发光板6-1，发光板6-1由热沉6-1-2、封装在热沉6-1-2上的发光芯片或密集排布的发光芯片阵列6-1-1构成，发光芯片或密集排布的发光芯片阵列6-1-1形成发光面的大小与入光口5匹配一致，发光板6-1的发光面与导光棱镜4底面匹配安装，二者匹配面之间留有空气隙，还可以在匹配面之间设有折射率匹配剂，发光板6-1的热沉6-1-2上设有半导体制冷器6-2，制冷器6-2后设有导热器6-3，其中制冷器6-2的制冷面与热沉6-1-2的散热面贴合，制冷器6-2的发热面与导热器6-3贴合，所述的贴合面之间设有导热剂，光学构件1内填充有透光树脂材料或玻璃。
实施例2，如图4a所示，一种固态光源装置包括中空的六面体光学构件1，其前壁设有出光口3，出光口3的大小与投影光学系统匹配，在六面体光学构件1四个侧面内壁分别设有四个入光口5，除出光口3、入光口5外的光学构件1内壁面上设有镜面反射层2，六个导光棱镜平行无间隙组成导光棱镜阵列板4设置在入光口5，导光棱镜阵列板4还可以由其他不同数量的导光棱镜组 成，导光棱镜的数量和其大小、相邻侧面导光棱镜阵列板设置情况相关，导光棱镜为对称的条状楔形棱镜，导光棱镜阵列板4底面与入光口匹配，光学构件1外与入光口5对应设有固态发光组件6，固态发光组件6结构同实施例1，在此不再赘述，发光板6-1的热沉上设有半导体制冷器6-2，制冷器6-2后设有导热器6-3，其中制冷器6-2的制冷面与热沉的散热面贴合，制冷器6-2的发热面与导热器6-3贴合，所述的贴合面之间设有导热剂，光学构件内填充有透光树脂材料或玻璃。出光口3的长宽比与投影系统显示图像宽高比(16∶9或4∶3)对应，出光口3的面积与投影光学系统所要求的Etendue值匹配；对应于采用风冷式的光源外部散热结构，导热器6-3可以为具有良好导热性能的材料制成，对应于采用液冷式光源外部的散热结构，导热器6-3可以为具有良好导热性能的空心材料，并在其内部空间中充入导热性流体制成。
本实施例充分利用六面体光学构件空间的四个侧表面面积设置发光板6-1，以增大有效的发光板6-1发光面积，在出光口3面积即六面体光学构件1横截面确定的条件下，增大光源产光量；发光板6-1所发出的光由入光口5进入六面体光学构件1空间后，通过导光棱镜或导光棱镜阵列板4对光线的折射或全反射，使光线发生向有利于光线无损失地从出光口3射出的方向转折，发光板6-1的宽度与入光口5配合一致，尽量减少通过入光口5发生的光线逃逸；为了使大量高密度安装的发光芯片阵列所构成的大功率发光板6-1工作时产生的高温进行有效散热，以保证其进行高效率工作所需要的结温，将发光板6-1贴装在导热良好的基板(热沉)上，并可引入半导体制冷器6-2对发光板6-1进行冷却，再通过导热装置将所产生的热量导出，在发光板6-1和棱镜阵列板4的匹配面之间可以留有空气隙，以使六面体光学构件1空间内的部分光线在导光棱镜4底面产生全反射，降低光线逃逸损耗，也可以在匹配面之间辅以折射率匹配液，以防止发光板6-1所发光线在匹配面产生全反射，提高光的导入 效率。
如图4b所示，另一种实施方式是与出光口3相对的光学构件1内后壁面上设有棱锥状镜面反射层2，导光棱镜4为非对称的条状楔形棱镜，其余结构与上述实施例相同，在此不再赘述，棱锥状镜面反射层2可以将经导光棱镜4折射或全反射后射到此表面的光线经此表面反射后以较小的发射角射向出光口3，减小从出光口3导出光线的发射角，并减少光线经由入光口5而造成的光线逃逸，提高光效率。
装配过程：六面体光学构件由玻璃、金属或其它材料制成，并在其内表面覆以镜面反射层，在靠近底面一端的开出入光口，装配时，先将棱镜阵列板从入光口装入，再将发光组件(由发光板、半导体制冷器、导热器贴合装配构成)装配到与入光口对应的位置。
实施例3，如图5a所示，一种固态光源装置包括中空的六面体光学构件1，其前壁设有出光口3，出光口3的大小与投影光学系统匹配，在六面体光学构件1四个侧面内壁分别设有四个入光口5，除出光口3、入光口5外的光学构件1内壁面上设有镜面反射层2，六个导光棱镜平行无间隙组成导光棱镜阵列板4设置在入光口5，导光棱镜阵列板4还可以由其他不同数量的导光棱镜组成，导光棱镜的数量和其大小、相邻侧面导光棱镜阵列板设置情况相关，导光棱镜为对称的条状楔形棱镜，导光棱镜阵列板4底面与入光口5匹配，光学构件1外与入光口5对应设有固态发光组件6，固态发光组件结构同实施例1，在此不再赘述，发光板6-1的发光面与导光棱镜4底面匹配安装，二者匹配面之间留有空气隙，还可以在匹配面之间设有折射率匹配剂，每个入光口5设置有不同的单基色发光板6-1，对应的导光棱镜4底面设置有只透过该基色光的滤光介质膜9，本实施例优选六面体光学构件1中四个侧面中的两个相邻侧面 的发光板6-1和滤光介质膜9设置为绿色，另两个相邻侧面的发光板6-1和滤光介质膜9分别设置为红色和蓝色，每个发光板6-1的发光面与导光棱镜阵列板4底面匹配，发光板6-1的热沉上设有半导体制冷器6-2，制冷器6-2后设有导热器6-3，其中制冷器6-2的制冷面与热沉的散热面贴合，制冷器6-2的发热面与导热器6-3贴合，所述的贴合面之间设有导热剂，光学构件内填充有透光树脂材料或玻璃。出光口3的长宽比与投影系统显示图像宽高比(16∶9或4∶3)对应，出光口3的面积与投影光学系统所要求的Etendue值匹配。
如图5b所示，另一种实施方式是与出光口3相对的光学构件1内后壁面上设有棱锥状镜面反射层2，导光棱镜为非对称的条状楔形棱镜，其余结构与上述实施例相同，在此不再赘述。
六面体光学构件1的四个侧面所设置的发光板6-1分别发出红、绿、蓝三基色中不同基色的光，在六面体光学构件1内合成，并在出光口输出合成白光。并且，在每一种基色的发光板6-1所对应的导光棱镜板阵列板4的底面，分别设置能透过该种基色光，反射其它基色光的滤光介质膜9，由于不同侧面所设置的发光板6-1和对应的滤光介质膜9不同，则当发光板6-1所发出的光在六面体光学构件1空间内反射进设置于其它侧面的导光棱镜阵列板4时，就可被该棱镜阵列板4底面的不同基色滤光介质膜9所反射而得以回收，从而减少光线的逃逸损失，提高光导出效率。
实施例4，如图6a所示，一种固态光源装置包括中空的六面体光学构件1，其前壁设有出光口3，出光口3的大小与投影光学系统匹配，在六面体光学构件1四个侧面内壁分别设有四个入光口5，除出光口3、入光口5外的光学构件1内壁面上设有镜面反射层2，六个导光棱镜平行无间隙组成导光棱镜阵列板4设置在入光口5，导光棱镜阵列板4还可以由其他不同数量的导光棱镜组 成，导光棱镜的数量和其大小、相邻侧面导光棱镜阵列板4设置情况相关，导光棱镜为对称的条状楔形棱镜，导光棱镜阵列板4底面与入光口5匹配，光学构件1外与入光口5对应设有固态发光组件6，固态发光组件6结构同实施例1，在此不再赘述，发光板6-1的发光面与导光棱镜4底面匹配安装，二者匹配面之间留有空气隙，还可以在匹配面之间设有折射率匹配剂，光学构件1入光口5外侧设有折光直角棱镜10，折光直角棱镜10相互垂直的两个侧面10-1、10-2分别与入光口5的导光棱镜阵列板4、固态发光组件6匹配贴合，其第三面10-3设有反射层，匹配面之间设有空气隙或折射率匹配剂，其中固态发光组件6结构与实施例1相同，在此不再赘述，发光板6-1的热沉上设有半导体制冷器6-2，制冷器6-2后设有导热器6-3，其中制冷器6-2的制冷面与热沉的散热面贴合，制冷器6-2的发热面与导热器6-3贴合，所述的贴合面之间设有导热剂，光学构件内填充有透光树脂材料或玻璃。本实施例由于在入光口5与固态发光组件6之间设有三角折光棱镜10，通过三角折光棱镜10的反射面10-3反射使得固态发光组件6的安装方向与出光口3平行，从而可以使与各入光口5对应的固态发光组件6处于同一平面(或同一方向)，因此发光板6-1可以采用将发光芯片对应地安装在同一个热沉的不同区域的方法来构成，即实现对应于各入光口5的发光板6-1公用为一个，半导体制冷器6-2和导热器6-3也可相应地公用一个，减小了固态发光组件6所占的空间位置和结构及装配工艺。出光口3的长宽比与投影系统显示图像宽高比(16∶9或4∶3)对应，出光口3的面积与投影光学系统所要求的Etendue值匹配；对应于采用风冷式的光源外部散热结构，导热器6-3可以为具有良好导热性能的材料制成，对应于采用液冷式光源外部的散热结构，导热器6-3可以为具有良好导热性能的空心材料，并在其内部空间中充入导热性流体制成。
如图6b所示，另一种实施方式是与出光口3相对的光学构件1内后壁面 上设有棱锥状镜面反射层2，导光棱镜为非对称的条状楔形棱镜，其余结构与上述实施例相同，在此不再赘述。
实施例5，如图7a、7b所示，一种固态光源装置包括中空的六面体光学构件1，其前壁设有出光口3，出光口3的大小与投影光学系统匹配，在六面体光学构件1四个侧面内壁分别设有四个入光口5，除出光口3、入光口5外的光学构件1内壁面上设有镜面反射层2，六个导光棱镜平行无间隙组成导光棱镜阵列板4设置在入光口5，导光棱镜阵列板4还可以由其他不同数量的导光棱镜组成，导光棱镜的数量和其大小、相邻侧面导光棱镜阵列板4设置情况相关，导光棱镜为对称的条状楔形棱镜，导光棱镜阵列板4底面与入光口5匹配，光学构件入光口5外侧设有合光棱镜组11，合光棱镜组11由一个三角棱镜11-1和两个平行四边形棱镜11-2、11-3顺序叠合而成，三角棱镜11-1的一个垂直侧面D1为出光面，其与光学构件入光口5内的导光棱镜阵列板4匹配，三角棱镜11-1的另一个垂直侧面B1及与其同侧的两个平行四边形棱镜11-2、11-3的底面B2、B3为入光面，三者分别设有固态发光组件6，固态发光组件6结构同实施例1，在此不再赘述，发光板6-1大小与入光口5匹配一致，发光板6-1的发光面与导光棱镜阵列板4底面匹配，合光棱镜组11除入光面、出光面以外的所有外侧面C1、C2、C3都设有镜面反射层13，三角棱镜11-1、平行四边形棱镜11-2、11-3之间的第一贴合面12-1、第二贴合面12-2分别设置对一种单基色光产生反射对其余基色光透过的分色膜，在三个棱镜的入光面B1、B2、B3都设有与其匹配的发光板6-1，所述的每个发光板6-1均发出与其匹配的棱镜的分色膜所能反射的基色光，匹配面之间设有空气隙或折射率匹配剂，优选贴合面12-1设置为“反红透蓝绿”的分色膜，贴合面12-2设置为“反蓝透绿”分色膜，入光面B1匹配有发红色光的发光板6-1，由该发光 板6-1所发红光经由第一贴合面12-1反射后从出光面D1导入上述六面体光学构件1，入光面B2匹配有发蓝色光的发光板6-1，由该发光板6-1所发蓝光经由第二贴合面12-2反射并从第一贴合面12-1透射后从出光面D1导入上述六面体光学构件1，入光面B3匹配有发绿色光的发光板6-1，由该发光板6-1所发绿光经由反射面C3反射并经第二贴合面12-2、第一贴合面12-1透射后从出光面D1导入上述六面体光学构件1，以此实现三基色光在合光棱镜组11出光面的光合成，并将发光板6-1的总面积扩大为出光面的三倍。发光板6-1的热沉上设有半导体制冷器6-2，制冷器6-2后设有导热器6-3，其中制冷器6-2的制冷面与热沉的散热面贴合，制冷器6-2的发热面与导热器6-3贴合，所述的贴合面之间设有导热剂，光学构件内填充有透光树脂材料或玻璃。本实施例也由于在入光口5与固态发光组件6之间设有所述的合光棱镜组11，通过合光棱镜组11中的倾斜反射面C3或分色膜12-1、12-2的反射使得固态发光组件6的安装方向与出光口3平行，从而可以使与各入光口5对应的固态发光组件6处于同一平面(或同一方向)，因此发光板6-1可以采用将发光芯片对应地安装在同一个热沉的不同区域的方法来构成，即实现对应于各入光口5的发光板公用为一个，半导体制冷器6-2和导热器6-3也可相应地公用一个，减小了固态发光组件6所占的空间位置和结构及装配工艺。
组装过程：棱镜组组装：将各棱镜按序进行粘合，形成完整的合光棱镜组整体。
光源组装：先将各棱镜阵列板和合光棱镜组分别按序装到多面体上各对应的入光口，形成光学组件。将发光板贴合封装于热沉的预定位置，构成发光板，将发光板的散热面与半导体制冷器的制冷面贴合，半导体制冷器的发热面与导热器贴合，在各贴合面之间再使用导热剂，形成发光组件。最后，将光学组件和发光组件组装贴合在一起，完成装配。
如图7c所示，另一种实施方式是与出光口相对的光学构件内后壁面上设有棱锥状镜面反射层2，导光棱镜为非对称的条状楔形棱镜，其余结构与实施例相同，在此不再赘述。
实施例6，如图8a所示，一种固态光源装置包括中空的六面体光学构件1，其前壁设有出光口3，出光口3的大小与投影光学系统匹配，在四个侧面内壁分别设有四个入光口5，二个导光棱镜平行无间隙设置在入光口5，组成导光棱镜阵列板4，光学构件1相邻侧面的入光口5相互交错设置，相应的导光棱镜阵列板4、固态发光组件6也相互交错设置，除出光口3、入光口5外的光学构件1内壁面上设有镜面反射层2，导光棱镜阵列板4还可以由其他不同数量的导光棱镜组成，由于入光口5交错设置，导光棱镜阵列板4可以设置数量少、较大的导光棱镜，导光棱镜的数量和大小，以不造成与相对面的导光棱镜几何位置干涉为限制条件，导光棱镜为对称的条状楔形棱镜，导光棱镜阵列板4底面总和与入光口配合，光学构件1外与入光口5对应设有固态发光组件6，固态发光组件6包括发光板6-1，发光板6-1的结构与实施例1相同，在此不再赘述，发光板6-1大小与入光口匹配一致，发光板6-1的发光面与导光棱镜阵列板4底面匹配安装，匹配面之间留有空气隙，还可以在匹配面之间设有折射率匹配剂，发光板6-1的热沉上设有半导体制冷器6-2，制冷器6-2后设有导热器6-3，其中制冷器6-2的制冷面与热沉的散热面贴合，制冷器6-2的发热面与导热器6-3贴合，所述的贴合面之间设有导热剂，光学构件内填充有透光树脂材料或玻璃。出光口3的长宽比与投影系统显示图像宽高比(16∶9或4∶3)对应，出光口3的面积与投影光学系统所要求的Etendue值匹配；对应于采用风冷式的光源外部散热结构，导热器6-3可以为具有良好导热性能的材料制成，对应于采用液冷式光源外部的散热结构，导热器6-3可以为具有良好 导热性能的空心材料，并在其内部空间中充入导热性流体制成。
因为将两个相邻侧面入光口5的发光板6-1和导光棱镜阵列4沿六面体光学构件1出光口3垂直方向交错设置，避免了两个相邻侧面入光口5的导光棱镜阵列板4可能在六面体光学构件1内部造成的几何位置干涉，因而可以加大棱镜阵列4中的棱镜尺寸，减少棱镜阵列4中的棱镜个数，从而可以有效避免部分光线通过棱镜阵列4中的不同棱镜折射后返回发光板造成光线逃逸，提高光导入效率，并且可以降低器件制造和安装精度要求。
如图8b所示，另一种实施方式是与出光口相对的光学构件1内后壁面上设有棱锥状镜面反射层2，导光棱镜为非对称的条状楔形棱镜，其余结构与上述实施例相同，在此不再赘述。
实施例7，如图9a、9b所示，一种固态光源装置包括中空的六面体光学构件1，其前壁设有出光口3，出光口3的大小与投影光学系统匹配，在六面体光学构件1四个侧面中，只相邻的两个侧壁上分别各设有一个入光口5，两个入光口5相互交错设置，每个入光口5处设置二个导光棱镜组成导光棱镜阵列板4，相应的导光棱镜阵列板4、固态发光组件6也相互交错设置，除出光口3、入光口5外的光学构件1内壁面上设有镜面反射层2，由于对面没有入光口5，相邻的入光口5也是交错设置，导光棱镜的数量和大小以导光棱镜不与六面体光学构件1的侧壁造成几何干涉为限制条件，导光棱镜或导光棱镜阵列板4的底面与入光口配合一致，导光棱镜为对称的条状楔形棱镜，光学构件1外与入光口5对应设有固态发光组件6，固态发光组件6包括发光板6-1，发光板6-1的结构同实施例1，在此不再赘述，发光板6-1大小与入光口5匹配一致，发光板6-1的发光面与导光棱镜阵列板4底面匹配安装，匹配面之间留有空气隙，还可以在匹配面之间设有折射率匹配剂，发光板6-1的热沉上设有 半导体制冷器6-2，制冷器6-2后设有导热器6-3，其中制冷器6-2的制冷面与热沉的散热面贴合，制冷器6-2的发热面与导热器6-3贴合，所述的贴合面之间设有导热剂，光学构件内填充有透光树脂材料或玻璃。出光口3的长宽比与投影系统显示图像宽高比(16∶9或4∶3)对应，出光口3的面积与投影光学系统所要求的Etendue值匹配。
如图9c所示，另一种实施方式是与出光口相对的光学构件1内后壁面上设有棱锥状镜面反射层2，导光棱镜为非对称的条状楔形棱镜，其余结构与上述实施例相同，在此不再赘述。
在六面体光学构件的四个侧面中，只有两个相邻的侧面设置入光口，在入光口处设置有发光板和导光棱镜阵列板，消除了在相对的侧面上设置入光口时，发光板发出的光线通过导光棱镜折射到对面的导光棱镜上所造成的光线被吸收损失，可以明显提高装置的导光效率，并且由于相对侧面没有设置导光棱镜，可以增大该导光棱镜的尺寸。与四个侧面都设置入光口的情况相比，虽然容纳的固态发光组件由四个减少为两个，但在导光棱镜数量相同时，两个侧面导光棱镜的尺寸可增大一倍，与导光棱镜匹配的发光板的面积相应也提高一倍，因此，固态发光组件的(发光芯片)发光面积不变，但增大了装置的导光效率。
实施例8，如图10所示，一种固态光源装置包括中空的六面体光学构件1，其前壁设有出光口3，出光口3的大小与投影光学系统匹配，在六面体光学构件1的一个侧面内壁设有入光口5，除出光口3、入光口5外的光学构件1内壁面上设有镜面反射层2，与入光口5对应光学构件1外设置有反光筒13，反光筒13形状与入光口1配合一致，本实施例为立方体状筒体，反光筒13内壁面设有反射层，反光筒13一端与入光口5配合，另一端18设有固态发光组件 6，反光筒13内设置一个导光棱镜4，导光棱镜4为对称的条状楔形棱镜，固态发光组件6包括发光板6-1，发光板6-1由热沉6-1-2、封装在热沉6-1-2上的发光芯片或密集排布的发光芯片阵列6-1-1构成，发光芯片或密集排布的发光芯片阵列6-1-1形成发光面的大小与反光筒端部18匹配一致，发光板6-1的发光面与导光棱镜4底面匹配安装，二者匹配面之间留有空气隙，还可以在匹配面之间设有折射率匹配剂，发光板6-1的热沉6-1-2上设有半导体制冷器6-2，制冷器6-2后设有导热器6-3，其中制冷器6-2的制冷面与热沉6-1-2的散热面贴合，制冷器6-2的发热面与导热器6-3贴合，所述的贴合面之间设有导热剂，光学构件1内填充有透光树脂材料或玻璃。
与上述实施例不同的，是将导光棱镜4设置在光学构件1的入光口5外侧，由固态发光组件6发出并经由导光棱镜4折射或全反射后的光再经由反光筒13内表面的反复反射后从入光口5导入光学构件1，对于在光学构件的不同内侧壁均设置固态发光组件、导光棱镜及入光口的情况，采用本设计可以避免上述实施例中对应于相邻内侧面的导光棱镜存在的结构干涉的问题，因而可以采用增大导光棱镜尺寸，减少导光棱镜个数的方法来提高从固态发光组件发出的光的导入效率。
实施例9，如图11a所示，为单片式DLP型投影成像系统示意图，其成像工作原理为现有技术，在此不再赘述。
如图11b所示，为采用本发明的LED等固态器件光源直接取代传统的弧光型投影光源的示意图，是将本发明的固态光源15的出光口3尺寸设计为与所述现有单片式DLP型投影成像系统的光学积分棒14的入光口径匹配，以便将本发明光源所输出的光直接耦合进入所述光学积分棒14，避免产生额外的光损失，实施例1～7中的任意一种固态光源15都可用于本实施例的投影系统， 其中优选实施例3～7中的固态光源15。其中最优选实施例3，由于LED固态光源15的白光输出可以为红、绿、蓝三基色面发光体所发出的单基色光合成，三基色面发光体可以分别控制驱动，对三基色面发光体采用脉冲电流时分驱动即可实现传统单片式DLP型投影成像系统中采用色轮所实现的时间分色功能，因而采用LED固态光源15可以同时取消投影成像系统中的分色色轮，使得投影成像系统更为简单。
另一优选方式是将本发明固态光源15的六面体光学构件沿出光方向延长至与所述光学积分棒14相当的长度，使得本发明固态光源15的光导出部分同时具有光学积分棒14的匀光处理功能，从而可以取消所述现有单片式DLP型投影成像系统中的光学积分棒14，进一步简化系统。
本发明的固态光源15还可以用于其它的采用光学积分棒型照明系统的单片或非单片式DLP、LCD或LCOS光学引擎系统。
实施例10，如图12所示，为集束式照明光源示意图，由固态光源15与光集束反光杯16组成，固态光源15设置在反光杯16的底部，固态光源15发出的光直射或通过反光杯反射，产生集束式输出光源，固态光源15优选采用实施例1～实施例7所述的固态光源，若需要提供白光光源，则可由含有两种以上基色的发光芯片混合设置构成“合成白光”输出，亦可以以一种基色光激发其补色荧光粉而产生“荧光白光”输出。所述光集束反光杯1 6优选抛物面型，本实施例可以提供高稳定、长寿命的高亮度集束式照明光源，直接代替传统的热丝型或弧光型灯泡，应用于高亮度射灯或交通运输照明等集束照明系统。
Claims (19)
1.一种固态光源装置，包括中空光学构件，光学构件的腔体内为空气、真空或其它透光介质，光学构件上设有出光口，其特征在于，光学构件呈多面体状，其上设有至少一个入光口，与入光口对应设有至少一个导光棱镜，该至少一个导光棱镜位于光学构件内，且该至少一个导光棱镜底面与入光口对应，光学构件外与入光口对应设有固态发光组件，光学构件内设有反射件，固态发光组件发出的光经导光棱镜折射或全反射、反射件反射或直接从出光口射出。
2.如权利要求1所述的固态光源装置，其特征在于，所述光学构件为六面体状光学构件，其前壁设有一个出光口，侧壁设有至少一个入光口，除出光口、入光口外的光学构件的内壁面上设有反射件，导光棱镜的底面大小与入光口匹配。
3.如权利要求2所述的固态光源装置，其特征在于，固态发光组件包括发光板，发光板由热沉、封装在热沉上密集排布的发光芯片构成，发光板大小与入光口匹配一致，发光板的发光面与导光棱镜底面匹配安装，二者的匹配面之间留有空气隙，或者在匹配面之间设有折射率匹配剂；发光板的热沉上设有半导体制冷器，制冷器后设有导热器，其中制冷器的制冷面与热沉的散热面贴合，制冷器的发热面与导热器贴合，所述的贴合面之间设有导热剂。
4.如权利要求3所述的固态光源装置，其特征在于，所述的反射件为镜面反射层。
5.如权利要求4所述的固态光源装置，其特征在于，与出光口相对的光学构件内后壁面上设有棱锥状镜面反射层。
6.如权利要求5所述的固态光源装置，其特征在于，导光棱镜为条状楔形棱镜，二个以上的导光棱镜平行无间隙组成导光棱镜阵列板，导光棱镜阵列板与入光口大小匹配。
7.如权利要求6所述的固态光源装置，其特征在于，导光棱镜为非对称棱镜，与底面夹角较大的导光棱镜的侧面朝向出光口。
8.如权利要求7所述的固态光源装置，其特征在于，出光口的大小与投影光学系统匹配。
9.如权利要求2～8任意一项所述的固态光源装置，其特征在于，光学构件四个侧壁在靠近后壁的位置分别都设有入光口，除出光口、入光口以外的光学构件内壁面上设有反射件。
10.如权利要求9所述的固态光源装置，其特征在于，所述入光口在水平方向的宽度小于入光口垂直方向的腔体宽度。
11.如权利要求1～8任意一项所述的固态光源装置，其特征在于，每个入光口设置有不同的单基色发光板，对应的导光棱镜底面设置有只透过该基色光的滤光介质膜。
12.如权利要求1～8任意一项所述的固态光源装置，其特征在于，光学构件入光口外侧设有折光直角棱镜，折光直角棱镜相互垂直的两个侧面分别与入光口的导光棱镜、发光板的发光面匹配，其倾斜侧面设有反射层，匹配面之间设有空气隙或折射率匹配剂。
13.如权利要求1～8任意一项所述的固态光源装置，其特征在于，光学构件入光口外侧设有合光棱镜组，合光棱镜组由一个三角棱镜和两个平行四边形棱镜顺序叠合而成，三角棱镜的一个垂直侧面为出光面，其与光学构件入光口内的导光棱镜匹配，三角棱镜的另一个垂直侧面及与其同侧的平行四边形棱镜的底面为入光面，三者分别对应设有固态发光组件，合光棱镜组除入光面、出光面以外的所有外侧面都设有反射层。
14.如权利要求13所述的固态光源装置，其特征在于，三角棱镜、平行四边形棱镜之间的贴合面分别设置对一种单基色光产生反射对其余基色光透过的分色膜，在三个棱镜的入光面都设有与其匹配的发光板，所述的每个发光板均发出与其匹配的棱镜的分色膜所能反射的基色光，匹配面之间设有空气隙或折射率匹配剂。
15.如权利要求1～8任意一项所述的固态光源装置，其特征在于，光学构件相邻侧面的入光口沿出光口垂直方向相互交错设置，相应的导光棱镜、固态发光组件也相互交错设置。
16.如权利要求15所述的固态光源装置，其特征在于，在相邻的两个侧面上分别沿出光口垂直方向交错设置两个入光口。
17.如权利要求1～8任意一项所述的固态光源装置，其特征在于，所述固态发光组件为LED固态发光组件。
18.一种光学积分棒型投影系统，其特征在于，所述光学积分棒型投影系统的光源采用了权利要求1中所述的固态光源装置。
19.一种集束照明灯具，其特征在于，所述集束照明灯具的光源采用了权利要求1中所述的固态光源装置。
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