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CN1934477A - 具有非相干固态光源的高亮度照明器件 - Google Patents

具有非相干固态光源的高亮度照明器件 Download PDF

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CN1934477A
CN1934477A CNA2005800084684A CN200580008468A CN1934477A CN 1934477 A CN1934477 A CN 1934477A CN A2005800084684 A CNA2005800084684 A CN A2005800084684A CN 200580008468 A CN200580008468 A CN 200580008468A CN 1934477 A CN1934477 A CN 1934477A
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H·邹
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Abstract

一种照明光源包括非相干固态光源，其适于在至少一个光发射表面(212)上方发射光并具有总的光发射表面积S0；光循环器件(220)，其包括适于接收来自非相干固态光源的光的至少一个光接收表面(222)，和具有第一表面积S1的光提取区域(224)；以及用于在光提取区域提取来自光循环器件的光的光提取装置(230)，其中S1＜S0。因此，光的表观亮度通过将其分布在较小区域上来增加。描述了涉及发光二极管(LED)的实施例。

Description

具有非相干固态光源的高亮度照明器件
本发明涉及用于显示器件的光源的领域，具体地说，涉及基于非相干固态光源的照明器件。
基于固态器件的照明器件，例如发光二极管(LED)，具有多种合乎需要的特性。因此，希望使这类照明器件适于用在基于微显示器件的投影显示器中，例如硅上液晶(LCOS)成像器件。例如，与现有投影显示器光源相比，例如超高压(UHP)弧光灯等，基于LED的照明器件具有较好的使用寿命，产生具有少量或不具有不希望有的紫外或红外光的更纯的颜色，并利用DC电源在合理的电压电平下工作。另外，基于LED的照明器件可以是强度调制的，这使得它们非常适于帧序列色彩照明方案。此外，单颜色LED光源的使用使得能够创建紧凑的颜色管理体系结构。
然而，对于用于投影显示系统的照明系统的关键要求是高亮度水平。不幸地是，现有基于LED的照明器件的亮度水平显著低于常规UHP弧光灯的亮度水平。因此，例如，当现有基于LED的照明器件用在投影显示系统中时，能够被照射并仍提供可接受的明亮图像的屏幕尺寸是有限的。尽管不断努力改善诸如用于制造LED光源的基底材料、LED光源的热沉等，但是到现在为止这些努力产生了有限的结果。
因此，希望提供一种使用非相干固态光源的照明器件，其具有高亮度水平。进一步希望提供一种适于用在投影显示系统中的改善的照明器件。本发明目的在于解决前面所关注的问题中的一个或多个。
在本发明的一个方面中，照明器件包括非相干固态光源，其适于在至少一个光发射表面上方发射光并具有总的光发射表面积S0；和反射腔，其具有用于接收来自非相干固态光源的光的入口孔和用于输出来自非相干固态光源的光的光提取孔，其中反射腔的光提取孔的表面积S1小于S0。
在本发明的另一方面中，照明器件包括非相干固态光源，其适于在至少一个光发射表面上方发射光并具有总的光发射表面积S0；和反射层，其直接设置在非相干固态光源上并覆盖该非相干固态光源以及在其中具有用于输出来自非相干固态光源的光的开口，其中反射层的开口的面积S1小于S0。
在本发明的另一方面中，照明器件包括非相干固态光源，其适于在至少一个光发射表面上方发射光并具有总的光发射表面积S0；和光循环器件，其包括适于接收来自非相干固态光源的光的至少一个光接收表面，和具有第二表面积S1的光提取区域；和用于在光提取区域提取来自光循环器件的光的装置，其中S1小于S0。
图1示出根据本发明的一个或多个方面的照明器件的第一实施例；
图2示出根据本发明的一个或多个方面的照明器件的第二实施例；
图3示出根据本发明的一个或多个方面的照明器件的第三实施例；
图4示出根据本发明的一个或多个方面的照明器件的第四实施例；
图5示出根据本发明的一个或多个方面的照明器件的第五实施例；
图6示出根据本发明的一个或多个方面的照明器件的第六实施例。
如这里所使用的，术语“非相干固态光源”指的是发射光的一个或多个非相干固态器件(例如发光二极管；有机发光二极管等)的装置，例如大表面积LED芯片、LED阵列、或者一个或多个延伸线性LED。
图1示出照明器件的第一实施例100。
图1的照明器件100包括非相干固态光源110和反射腔120，该反射腔具有入口孔122和光提取孔124。
非相干固态光源110可以包括单个延伸或大表面积发光二极管(LED)芯片，或较小LED的阵列。非相干固态光源110在具有总的光发射表面积S0的光发射表面112上发射光。作为固态器件，非相干固态光源110可以容易地根据需要来电控制(例如打开和关断、强度调制等)以控制照明器件100的光输出。
同时，反射腔120是光循环器件。反射腔120的顶表面125和侧壁127的内部在由非相干固态光源110发射的光的波长是高反射的。例如，反射腔120的内表面可以涂有高反射镜涂层129。这可以是金属涂层、电介质多层涂层，或者甚至可以通过全内反射获得。可替换地，用于形成反射腔120的结构的材料本身可以是高反射材料。
此外，反射腔120设置成入口孔122覆盖非相干固态光源110的光发射表面112。
明显地，反射腔120的光提取孔124的表面积S1显著小于非相干固态光源110的光发射表面112的表面积S0。
照明器件100按照下述工作。在光发射表面112由非相干固态光源110发射的光通过入口孔122进入反射腔120。该光中的一些最初将撞击在反射腔120的光提取孔124上，并由此离开反射腔120。由非相干固态光源110发射的光的剩余部分将通过反射内表面被限制在腔内。该光将在反射腔120内向四周散射直到它最终撞击在反射腔120的光提取孔124上为止，并由此离开反射腔120。因此，通过反射腔120的光提取孔124离开的光包括来自直接撞击在光提取孔124上的非相干固态光源110的一般发射区域的光的贡献，和非相干固态光源110的光发射表面112的其它部分的贡献。因此，光的表观亮度可以通过将其分布在较小区域上来增加。
可替换地，高反射镜涂层129可以直接设置在非相干固态光源110的光发射表面112上而不具有任何腔结构。高反射镜涂层129设有用于光提取孔124的开口，位于非相干固态光源110的光发射表面112的小区域上。有利地，将折射率匹配材料例如流体或凝胶设置在光发射表面112没有被高反射镜涂层129覆盖的小区域上。而且，LED材料通常是高折射的，并以高角度支持全内反射，尤其是在空气包层的情况下。因此，在另一替换装置中，非相干固态光源110包括大表面积LED芯片，其光发射表面112被包覆空气，除了光发射表面112的小区域中之外，在该小区域中提供了折射率匹配材料，例如流体或凝胶。
有利地，光提取孔124的形状可以任意选择以匹配由照明器件100产生的光束的所需形状。例如，当照明器件100用于照明用于宽屏投影显示系统的矩形微显示器件(例如，和LCOS成像器件)时，那么光提取孔124的纵横比可以设置为16∶9。
图2示出照明器件的第二实施例200。
图2的照明器件200包括非相干固态光源210、光导220、和光提取器件230。
非相干固态光源210设置成具有邻近光导220的光接收表面222设置的光发射表面212，其适于接收来自非相干固态光源210的光。光提取器件230被设置成通过具有提取表面积S1的光导220的光提取区域224光学上耦接到光导220。
非相干固态光源210可以包括配置成一个或多个阵列的大量单个LED，或较少量的大表面积或延伸线性LED。有利地，基于LED的照明器件200非相干固态光源210可以物理地分成两个或多个大表面积LED或LED阵列，每个具有邻近光导220的相应光接收表面222设置的不同的光发射表面212。非相干固态光源210的光发射表面212具有总的光发射表面积S0。
有利地，非相干固态光源210将准直光提供给光导220。
光导220是光循环器件。有利地，光导220由折射率N＞1的、低损耗的、固体的、透明材料制成。任选地，光导220可以是空的。在光导220的不支持全内反射(TIR)的外表面上，提供高反射材料229。高反射材料229可以Spectralon、Teflon、或另一适当材料。
有利地，光提取器件230是光准直结构，例如复合抛物线准直仪(CPC)、或从光导220提取光的棱镜光学部件。有利地，光提取器件230由与光导220的固体透明材料折射率匹配的材料制成。
明显地，光导220的光提取区域224的表面积S1显著小于非相干固态光源210的光发射表面212的总表面积S0。
照明器件200按照下述工作。在光发射表面212由非相干固态光源210发射的光在一个或多个相应光接收表面222进入光导220。该光中的一些最初将通过光提取区域224耦合到光导220之外，并在光提取器件230呈现为准直光束。由非相干固态光源210发射的光的剩余部分将通过TIR以及通过设置在不支持TIR的光导220的表面上的高反射材料229被限制在光导220内。该光将在光导220内向四周散射直到它最终通过光提取区域224耦合到光导220之外为止，并在光提取器件230呈现为准直光束。因此，通过光提取器件230离开的光包括来自非相干固态光源210的(多个)光发射表面212的整个区域的光的贡献。因此，光的表观亮度通过准直并将其分布在较小区域上来增加。
类似于图1的实施例，光提取孔224可以任意选择以匹配由照明器件200产生的光束的所需形状。例如，当照明器件200用于照射用于宽屏投影显示系统的矩形微显示器件(例如，和LCOS成像器件)时，那么光提取孔224的纵横比可以设置为16∶9。
在一些应用中，例如当照明器件用于照明用于宽屏投影显示系统的矩形微显示器件(例如，和LCOS成像器件)时，希望或有必要产生偏振(即线性偏振)光束。图3示出照明器件的第三实施例300，其可以产生并输出偏振光束。
照明器件300类似于照明器件200，除了下面的差别之外。首先，代替高反射材料229，漫反射器329设置在光导220的不支持全内反射(TIR)的外表面上。其次，反射偏振器340设置在光导220和光提取器件230之间。反射偏振器340可以包括线栅偏振器、胆甾型(cholesteric)偏振器、或反射具有一个偏振(例如通过TIR)的光的高各向异性材料层，并转变具有正交偏振的光。
如前所述，光导220是光循环器件，并且光导220的光提取区域224的表面积S1显著小于非相干固态光源210的(多个)光发射表面212的总表面积S0。
照明器件300还类似于照明器件200工作，除了下面的差别之外。
假设来自非相干固态光源210的光最初是非偏振的。到达光导220的光提取区域224的光被传递到反射偏振器340。具有所需偏振的光的部分穿过反射偏振器340，并被耦合到光提取器件230中，作为准直的、偏振光束。不具有所需偏振的光的剩余部分被反射偏振器340反射回光导220中。同时，漫反射器339工作以改变被反射回光导220中的光的偏振，以便它具有用于穿过反射偏振器340的正确偏振的分量。因此，在照明器件300中，来自非相干固态光源的光在低损耗光导220内循环直到它以正确的偏振到达光提取区域224以穿过反射偏振器340并进入光提取器件230。
因此，光的表观亮度通过准直并将其分布在较小区域上来增加，并且光已经根据需要在不用摒弃光的最初是错误偏振的部分的情况下被正确偏振。
在替换装置中，(多个)漫反射器339被(多个)镜面反射器339代替，其设置在光导220的不支持全内反射(TIR)的外表面上，并且四分之一波长箔345设置在每个镜面反射器339和反射偏振器之间的光学路径中。这里，四分之一波长箔的轴与反射偏振器340的传输方向形成约45度角。四分之一波长箔345可以设置在光导220和反射偏振器340之间，或者每个镜面反射器339和光导220的相应侧壁之间。
图4示出照明器件的第四实施例400，其可以产生并输出偏振光束。
照明器件400类似于照明器件200，具有大面积LED芯片、或LED阵列沿光导220的四个侧壁的每一个设置。高反射材料239覆盖没有设置LED的侧壁的任何区域。与照明器件200相比，在照明器件400中，光导220设置在包括光提取和准直光学元件的光提取器件450的一个表面上。
照明器件400的操作与照明器件200的操作相同。
图4示出如果采用足够大的光导的话，并且如果具有足够大的光发射表面积的LED或LED阵列被耦接到光导的话，这种照明器件的可获得的最终亮度可以极其高。最终的光输出亮度与非相干固态光源的光发射表面的总表面积S0和耦接光提取器件的光导的提取区域的表面积S1的比成比例。因此，被从非相干固态光源出耦合的该部分光(即耦合效率)也决定了积分输出亮度，并且应当是最大化的。
图5示出照明器件的第五实施例500。
照明器件500类似于照明器件200，除了下面的差别之外。
在照明器件500中，沿平行于耦接非相干固态光源210的(多个)光接收表面222(侧壁)的平面的光导220的截面尺寸变化。即光导220的截面在一些区域比在另一些“厚”。特别地，接近于光提取区域224的光导220的一部分的截面小于光导220的其它区域。邻近光提取区域224的减小的截面增加了单路径光提取的机会，并最小化了回射光线的反射损耗。因此，光导220的光耦合效率增加。
在一些应用中，例如当照明器件用于照明用于投影显示系统的矩形微显示器件(例如，和LCOS成像器件)时，希望或有必要产生可以具有不同颜色的光束。图6示出了照明器件的第六实施例600，其可以输出具有不同颜色的光。
照明器件600包括两个不同非相干固态光源210，其发射具有两种不同光谱颜色(例如，红色和蓝色)的光。然而，应当理解，可以采用具有两种以上颜色的两种以上的非相干固态光源210，并且除了红色和蓝色之外的颜色当然也是可以的。
除了以上参考图2描述的部件之外，照明器件600还包括两个二向色滤光器660，每个设置在相应非相干固态光源210的光发射表面212和光导220的相应光接收表面222之间。每个二向色滤光器660传输具有对应于从相邻非相干固态光源210发射的光的颜色的第一颜色的光，并反射具有由其它非相干固态光源210产生的耦合到光导220中的光的其它波长的光。每个非相干固态光源210可以被单独电控制(例如，打开和关断、强度调制等)以在光提取器件230提供准直光束的全彩色控制。
尽管这里公开了实施例，但是保持在本发明的概念和范围内的多种变型是可以的。例如，这些变型将在查阅这里的说明书、附图和权利要求之后对本领域普通技术人员变得清楚。因此，除了在所附权利要求的精神和范围内以外，本发明不受限制。

Claims (20)

1.一种照明器件(100)，包括：
非相干固态光源(110)，其适于在至少一个光发射表面(112)上发射光并具有总的光发射表面积S0；和
反射腔(120)，其具有适于接收来自非相干固态光源(110)的光的入口孔(122)和适于输出来自非相干固态光源(110)的光的光提取孔(124)，
其中反射腔(120)的光提取孔(124)的表面积S1小于表面积S0。
2.如权利要求1的照明器件(100)，其中非相干固态光源(210)包括单个延伸LED。
3.如权利要求1的照明器件(100)，其中非相干固态光源(210)包括LED阵列。
4.如权利要求1的照明器件(100)，其中光提取孔具有矩形形状和16∶9的纵横比。
5.一种照明器件(100)，包括：
非相干固态光源(110)，其适于在至少一个光发射表面(112)上发射光并具有总的光发射表面积S0；和
反射层(129)，其直接设置在非相干固态光源(110)上并覆盖该非相干固态光源以及在其中具有用于输出来自非相干固态光源(110)的光的开口(124)，
其中反射层(129)的开口(124)的表面积S1小于表面积S0。
6.如权利要求5的照明器件(100)，进一步包括设置在没有被反射层覆盖的第一表面的区域上的折射率匹配材料。
7.如权利要求5的照明器件(100)，其中开口具有矩形形状和16∶9的纵横比。
8.一种照明器件(200、300、400、500、600)，包括：
非相干固态光源(210)，其适于在至少一个光发射表面(212)上发射光并具有总的光发射表面积S0；
光循环器件(220)，包括：
适于接收来自非相干固态光源(210)的光的至少一个光接收表面(222)，和
具有表面积S1的光提取区域(224)；以及
用于在光提取区域(224)提取来自光循环器件(220)的光的光提取装置(230)，
其中S1小于S0。
9.如权利要求8的照明器件(200、300、400、500、600)，其中光循环器件(220)包括固体光导。
10.如权利要求9的照明器件(200、300、400、500、600)，其中光循环器件(220)进一步包括设置在不支持全内反射的光导的表面上的反射材料。
11.如权利要求8的照明器件(200、300、400、500、600)，其中光循环器件(220)包括空腔。
12.如权利要求8的照明器件(200、300、400、500、600)，其中光循环器件(220)包括光准直结构。
13.如权利要求8的照明器件(200、300、500、600)，其中光提取器件(230)包括复合抛物准直仪。
14.如权利要求8的照明器件(400)，其中光提取装置(450)包括棱镜光学部件。
15.如权利要求8的照明器件(300)，进一步包括设置在光提取区域(224)和光提取装置(230)之间的光学路径中的反射偏振器(340)，
其中光循环器件(220)包括设置在其侧壁处的至少一个漫反射器(339)。
16.如权利要求8的照明器件(300)，其中光循环器件(220)包括设置在其侧壁处的至少一个镜面反射器(339)，所述照明器件(300)进一步包括：
设置在光提取区域(224)和光提取装置(230)之间的光学路径中的反射偏振器(340)；和
在镜面反射器(339)和反射偏振器(340)之间的光学路径中的四分之一波长箔(345)。
17.如权利要求8的照明器件(400)，其中光循环器件(220)包括至少两个光接收表面(222)，并且非相干固态光源(210)包括至少两个发光部件，每个发光部件被设置邻近于并面对相应的其中一个光接收表面(222)。
18.如权利要求8的照明器件(500)，其中光循环器件(220)具有这样的截面，该截面的厚度在光提取区域(224)附近小于在光接收表面(222)处。
19.如权利要求8的照明器件(600)，进一步包括：
适于在至少一个光发射表面(212)上发射光的第二非相干固态光源，
其中光循环器件(220)至少包括适于接收来自第二非相干固态光源(210)的光的第二光接收表面(222)，并且
其中该两个非相干固态光源均发射具有不同光谱颜色的光。
20.如权利要求8的照明器件(100)，其中非相干固态光源(210)包括单个延伸LED。
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