專利名稱：大功率固態(tài)光源及帶該光源的手機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及帶固態(tài)發(fā)光器件例如適用于光發(fā)射的半導(dǎo)體器件的光源，尤其涉 及所述光源實(shí)現(xiàn)光斑勻光或形狀控制的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
以固態(tài)發(fā)光器件，例如固態(tài)半導(dǎo)體發(fā)光器件(尤其是LED)為發(fā)光源的燈具或投 影機(jī)光源已經(jīng)得到越來越廣泛的使用。順應(yīng)于對(duì)光源光輸出功率大小的要求越來越高，基 于光波長轉(zhuǎn)換的大功率固態(tài)光源因其較強(qiáng)的實(shí)用性脫穎而出。該方案將源自于LED的高功 率光投射到光波長轉(zhuǎn)換材料上來激發(fā)產(chǎn)生具有預(yù)定主波長的高功率輸出光，往往具有如下 所述的結(jié)構(gòu)包括固態(tài)光源及承載光波長轉(zhuǎn)換材料的材料盤，準(zhǔn)直透鏡把來自固態(tài)光源的 光準(zhǔn)直成近平行光，進(jìn)一步通過聚焦透鏡會(huì)聚到光波長轉(zhuǎn)換材料的某一點(diǎn)。上述現(xiàn)有技術(shù)的問題在于，固態(tài)光源往往采用大功率LED，甚至是具有高功率密度 的激光二極管，這樣匯聚到所述J點(diǎn)上的激發(fā)光功率往往會(huì)過高而導(dǎo)致光波長轉(zhuǎn)換材料， 例如但不限于熒光粉溫度上升，從而造成光轉(zhuǎn)換效率下降。尤其固態(tài)光源采用激光二極管 時(shí)，由于激光的發(fā)射角度很小，在所述投射點(diǎn)處的光斑的光分布將很不均勻，中心光強(qiáng)很強(qiáng) 且遠(yuǎn)高于邊緣光強(qiáng)，使得中心區(qū)的能量密度過高。為此，現(xiàn)有技術(shù)提出了兩種解決方案來降低光斑中心區(qū)的能量密度一種是采用準(zhǔn)直透鏡離焦，和/或成像面離焦的方法以激光二極管為例，準(zhǔn)直透 鏡離焦方法是使激光二極管偏離其所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)位置，以使通過準(zhǔn)直透鏡后的 光束偏離平行光而略呈發(fā)散，這樣聚焦到熒光粉上的投射光斑將變大；成像面離焦方法采 用的是把熒光粉所在的材料盤放置在一偏離聚焦透鏡焦點(diǎn)所在的位置，以使實(shí)際投射到熒 光粉上的光斑變大。這兩種離焦方式都是通過離焦來放大投射光斑的尺寸，可以同時(shí)或單 獨(dú)使用。離焦后往往光斑中心的能量密度下降較大，邊緣的略有上升，光斑略有擴(kuò)大。另一種是采用加散光膜的方法在聚焦透鏡后的光路中插入散光膜，或稱擴(kuò)散膜 (diffuser，常用于將一束光束打散或失去其原有的方向性)，以使原來會(huì)聚的光束被打散。 散光膜參數(shù)不同，光束被打散的程度也不同。挑選合適的散光膜參數(shù)，即可以產(chǎn)生與前述離 焦方案相類似的光斑擴(kuò)大效果，從而降低光功率密度的峰值。該兩種解決方案的不足之處在于由于離焦造成了光斑的擴(kuò)散，而收集系統(tǒng)的數(shù) 值孔徑有限，因此擴(kuò)散出收集系統(tǒng)的光收集有效面積以外的光不可避免被損失掉，從而離 焦方法將造成光收集效率的下降。離焦距離越大，光收集效率越低，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)離焦3mm時(shí)可 造成10%左右的光收集效率損失。加散光膜的方案具有與上述相類似的缺點(diǎn)，同時(shí)由于散 光片的屬性并非任意可控，其光學(xué)特性也不能隨意定制，從而也不能完全對(duì)投射光斑的功 率分布進(jìn)行控制。另外，現(xiàn)有散光膜對(duì)光線的透過率往往達(dá)不到百分之九十，加散光膜導(dǎo)致 的部分激發(fā)光損耗會(huì)降低光源的光效率。此外，上述現(xiàn)有技術(shù)還存在一個(gè)重要問題，即整個(gè)光源出射光的光斑形狀不可控， 一般為圓形或橢圓形。對(duì)于一些特殊場合，比如顯示區(qū)域?yàn)殚L方形(例如但不限于長寬比4 3)的投影機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，投影機(jī)光源的輸出光斑最好呈相同比例的長方形；事實(shí)上采用 現(xiàn)有技術(shù)光源時(shí)，考慮到所述的形狀不匹配(如圖1所示，中間的橢圓代表投影機(jī)光源的輸 出光斑，長方形代表投影機(jī)的投影光斑)，投影機(jī)出于對(duì)光利用效率的考慮，勢(shì)必要使所述 投影機(jī)光源的輸出光斑內(nèi)接于呈長方形的所述投影光斑，以便在對(duì)來自光源的輸入光斑進(jìn) 行整形時(shí)把光損失壓低到最小。與投影機(jī)實(shí)際所需的長方形光斑相比，無疑現(xiàn)有光源的橢 圓形光斑具有更高的能量密度。而能量密度越高，越不利于光波長轉(zhuǎn)換材料提高光轉(zhuǎn)換效 率。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提出一種大 功率固態(tài)光源及帶該光源的手機(jī)，以產(chǎn)生具有高均勻性且光斑的輸出形狀可控的光輸出， 同時(shí)解決激發(fā)光功率密度過高所導(dǎo)致的光轉(zhuǎn)換效率下降、進(jìn)而整個(gè)光源效率下降的問題。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的基本構(gòu)思為若將基于光波長轉(zhuǎn)換的固態(tài)光 源的光輸出光斑形狀設(shè)計(jì)為可控，隨應(yīng)用場合的不同要求而定，則在同樣輸出功率的前提 下，既可大大提高該固態(tài)光源在實(shí)際應(yīng)用場合的耦合效率，減少了光功率損耗，又可適度降 低該固態(tài)光源輸出光的能量密度；為此將該固態(tài)光源中投射到光波長轉(zhuǎn)換材料上的激發(fā)光 設(shè)計(jì)為具有高均勻性且光斑形狀可控是解決現(xiàn)有問題之不足的關(guān)鍵。作為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型構(gòu)思的技術(shù)方案是，提供一種大功率固態(tài)光源，包括固態(tài)發(fā) 光器件，承載有光波長轉(zhuǎn)換材料的透光片；尤其是，還包括對(duì)來自該固態(tài)發(fā)光器件的光進(jìn) 行勻光處理的勻光裝置，以及用來改變經(jīng)勻光處理的光的光斑形狀的整形裝置，將均勻光 束投射到所述透光片上以在該透光片上形成一具有預(yù)定形狀的光斑。具體地說，上述方案中，所述固態(tài)發(fā)光器件包括LED或激光二極管。所述光波長轉(zhuǎn) 換材料包括熒光粉、發(fā)光染料或納米發(fā)光材料。來自各固態(tài)發(fā)光器件的光的光斑形狀為橢 圓形或圓形，所述預(yù)定形狀為圓形、長方形或方形。更進(jìn)一步，上述方案中，所述勻光裝置和整形裝置合為衍射光學(xué)元件，對(duì)來自所述 固態(tài)發(fā)光器件的光進(jìn)行勻光和整形處理以產(chǎn)生具有所述預(yù)定形狀的均勻光束并投射往所 述透光片?；蛘?，所述勻光裝置和整形裝置合為由兩片復(fù)眼透鏡構(gòu)成的復(fù)眼透鏡對(duì)，每片復(fù) 眼透鏡均由微小的透鏡單元呈周期性重復(fù)排布而成，該兩片復(fù)眼透鏡間的透鏡單元呈一對(duì) 一或一對(duì)二及以上的對(duì)應(yīng)關(guān)系；還包括一聚光透鏡或透鏡組，來自所述固態(tài)發(fā)光器件的光 經(jīng)所述復(fù)眼透鏡對(duì)后再經(jīng)該聚光透鏡或透鏡組匯聚投射往所述透光片?；蛘撸鰟蚬庋b 置和整形裝置合為積分棒，該積分棒的前端收集來自所述固態(tài)發(fā)光器件的光進(jìn)行勻光和整 形處理，后端的口徑為所述預(yù)定形狀以產(chǎn)生具有該預(yù)定形狀的一均勻光束并投射往所述透 光片。上述方案中，還包括準(zhǔn)直透鏡對(duì)準(zhǔn)所述固態(tài)發(fā)光器件，用以準(zhǔn)直該各固態(tài)器件發(fā) 出的光并投射往所述勻光裝置和整形裝置。或者，還包括置于所述勻光裝置和整形裝置與 所述透光片之間的成像透鏡或成像透鏡組。作為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型構(gòu)思的技術(shù)方案還是，提供一種手機(jī)，包括通信模塊，尤其 是，還包括上述方案中的大功率固態(tài)光源；光收集裝置，收集來自該大功率固態(tài)光源的光投 射往一超小型圖像調(diào)制器；該超小型圖像調(diào)制器還連接手機(jī)視頻信號(hào)處理器以接收來自該手機(jī)視頻信號(hào)處理器的視頻圖像信號(hào)，投射出圖像光信號(hào)往一超小型投影鏡頭；所述手機(jī) 視頻信號(hào)處理器通過連接來接收來自視頻接插頭的視頻輸入信號(hào)，或接收來自手機(jī)基帶處 理器的圖像通信數(shù)據(jù)，以解碼輸出所述視頻圖像信號(hào)。采用上述各技術(shù)方案的大功率固態(tài)光源，有效降低激發(fā)光的光功率密度的同時(shí)， 提高了光源對(duì)激發(fā)光的利用率，尤其提高了固態(tài)光源在應(yīng)用領(lǐng)域中的光使用效率。

圖1示意了現(xiàn)有光源出射光斑與投影領(lǐng)域顯示區(qū)域之間的形狀關(guān)系；圖2示意了本實(shí)用新型光源的結(jié)構(gòu)；圖3示意了本實(shí)用新型使用ODE元件來勻光和整形的實(shí)施例；圖4示意了本實(shí)用新型使用積分棒陣列來勻光和整形的實(shí)施例；圖5示意了采用本實(shí)用新型光源的手機(jī)實(shí)現(xiàn)投影功能的部分結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
下面，結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)施例進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。圖2示意了本實(shí)用新型大功率固態(tài)光源的結(jié)構(gòu)包括固態(tài)發(fā)光器件，承載有光波 長轉(zhuǎn)換材料的透光片，尤其還包括對(duì)來自固態(tài)發(fā)光器件的光進(jìn)行勻光處理的勻光裝置，以 及用來改變經(jīng)勻光處理的光的光斑形狀的整形裝置，將均勻光束投射到所述透光片上以在 該透光片上形成一具有預(yù)定形狀的光斑。其中，固態(tài)發(fā)光器件可以是大功率LED，或最好是 具有大功率密度的激光二極管。光波長轉(zhuǎn)換材料包括熒光粉、發(fā)光染料或納米發(fā)光材料。來 自固態(tài)發(fā)光器件的光的光斑形狀為圓形或橢圓形，所述預(yù)定形狀為圓形、長方形或方形。如圖3所示，可以采用衍射光學(xué)元件5來實(shí)現(xiàn)所述整形裝置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所述勻光處 理。所述衍射光學(xué)元件(DOE，Diffractive optical element)指的是一種特殊的光學(xué)元 件，一般是由計(jì)算機(jī)計(jì)算產(chǎn)生的全息器件，通過控制其表面的微結(jié)構(gòu)(例如光波長數(shù)量級(jí)) 的形狀、深度和分布，使光線在穿透該元件時(shí)發(fā)生衍射，產(chǎn)生波面的相位變化；由于每個(gè)衍 射單元的形態(tài)和深度不同，通過選定不同形狀的單元及其組合，可以使各單元所產(chǎn)生的波 面相疊加，進(jìn)而產(chǎn)生所需要的透射光之空間光強(qiáng)分布。例如，美國專利US7，251，41282公開 過一種使用DOE的背光源模塊。不同設(shè)計(jì)的DOE元件可以具有不同的勻光和整形效果。在 本實(shí)用新型的實(shí)施例中，可以采用一種把任何形狀的入射光斑整形成一個(gè)具有4 3長寬 比例的均勻的矩形輸出光斑。還可以采用積分棒來實(shí)現(xiàn)所述整形裝置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所述勻光處理。如圖4所示，所 述勻光裝置和整形裝置合積分棒6，該積分棒6的前端收集來自固態(tài)發(fā)光器件1的光，使入 射光在積分棒中通過不斷的反射相疊加，從而在積分棒的后端形成均勻的光分布，對(duì)積分 棒的形狀進(jìn)行控制，則可同時(shí)對(duì)光束起到整形的作用。這樣經(jīng)過積分棒的勻光和整形處理， 由積分棒后端射出的具有所述預(yù)定形狀的一均勻光束將并投射往投射到透光片4上。當(dāng)所 述積分棒6的后端口徑較大而超出了本實(shí)用新型光源所限制的出射光孔徑時(shí)，或由該后端 口徑射出的光具有較大出射角(例如但不限于超過30度)時(shí)，為了使光束以適當(dāng)?shù)娜肷浣?和光斑尺寸到光波長轉(zhuǎn)換材料上，本實(shí)用新型如該圖4所示還可以包括設(shè)置在積分棒后端 的成像透鏡或成像透鏡組3，以成像方式把來自積分棒7后端的具有該預(yù)定形狀的均勻光
5束投射往所述透光片。同樣也可以在圖3中的DOE元件5與透光片4之間增加一所述成像 透鏡或成像透鏡組3。此外，對(duì)圖4實(shí)施例還可以改進(jìn)為用復(fù)眼透鏡對(duì)來替換所述積分棒；復(fù)眼透鏡對(duì) 中的每片復(fù)眼透鏡均由微小的透鏡單元呈周期性重復(fù)排布而成，構(gòu)成該兩片復(fù)眼透鏡的透 鏡單元的參數(shù)(例如但不限于大小)可以一樣，也可以不一樣，也就是說，該兩片復(fù)眼透鏡 間的透鏡單元可以呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系或一對(duì)多(二及以上)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣，第一復(fù)眼 透鏡中重復(fù)排布的微小透鏡單元可以將入射光切分成很多塊，再經(jīng)過第二復(fù)眼透鏡中透鏡 單元的作用形成預(yù)定形狀的均勻光斑，再利用一聚光透鏡或聚光透鏡組來將這些具有預(yù)定 形狀的均勻光斑的光匯聚重疊得到一個(gè)光束投射往所述透光片4，在該透光片4上產(chǎn)生一 個(gè)具有該預(yù)定形狀的均勻光斑。上述各實(shí)施例中，有必要時(shí)還可以如圖3或4所示增加準(zhǔn)直透鏡2來對(duì)準(zhǔn)固態(tài)發(fā) 光器件1，以將來自該固態(tài)發(fā)光器件1的光準(zhǔn)直成近平行光(例如但不限于發(fā)散角小于15 度的光束)，來匹配所選定的DOE元件或積分棒之規(guī)格。本實(shí)用新型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)積分棒6較 優(yōu)化的前后孔徑比為1.5 1 4 1，可以取得較好的勻光效果。尤其當(dāng)前后孔徑比為 2 1時(shí)，積分棒的前孔徑與長度的優(yōu)化比值最好為1 8。以正方形出射光斑為例，將積 分棒設(shè)計(jì)成內(nèi)壁反光的截頭四棱錐狀，本實(shí)施例的光收集效率可以達(dá)到90%以上。在圖4的實(shí)施例中，還可以考慮在所述積分棒6的前端放置散光片用來放大入射 于積分棒入口的近平行光束的發(fā)散角度，進(jìn)而增強(qiáng)積分棒的勻光效果。因?yàn)楝F(xiàn)有散光片具 有一定的光透射損耗，增加散光片與否要酌情考慮。本實(shí)用新型上述各實(shí)施例中，透光片4不限定為一固定裝置，該透光片4還可以相 對(duì)于入射光束呈運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng))狀態(tài)，以便通過輪換被照射的光波長轉(zhuǎn)換材料來進(jìn)一 步達(dá)到保護(hù)光波長轉(zhuǎn)換材料的目的；當(dāng)所述光波長轉(zhuǎn)換材料分種類在該透光片4上分區(qū)域 分布時(shí)，對(duì)不同光波長轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行輪換照射還可以達(dá)到變換受激發(fā)光顏色的目的。圖5的框圖示意了一采用本實(shí)用新型光源的手機(jī)賴以實(shí)現(xiàn)投影功能的部分結(jié)構(gòu)。 所述手機(jī)包括通信模塊、手機(jī)電池；還包括本實(shí)用新型光源，所輸出的具有預(yù)定形狀光斑的 光束通過光收集裝置的收集投射往一超小型圖像調(diào)制器，經(jīng)來自手機(jī)視頻信號(hào)處理器的視 頻圖像信號(hào)調(diào)制后產(chǎn)生圖像光信號(hào)，該圖像光信號(hào)投射往一超小型投影鏡頭，經(jīng)該超小型 投影鏡頭投射往墻壁或其它投影屏幕。該手機(jī)視頻信號(hào)處理器可以是一連接手機(jī)基帶處理 器的專用微處理器，接收來自各種視頻接插頭的視頻輸入信號(hào)，或接收來自所述手機(jī)基帶 處理器的圖像通信數(shù)據(jù)，解碼輸出所述視頻圖像信號(hào)。該手機(jī)視頻信號(hào)處理器還可以內(nèi)置 于手機(jī)基帶處理器中，從而由手機(jī)基帶處理器接收來自各種視頻接插頭的視頻輸入信號(hào)或 來自無線通信射頻收發(fā)模塊的通信數(shù)據(jù)。采用本實(shí)用新型光源，可以延長使用投影功能的 手機(jī)電池的使用時(shí)間。
權(quán)利要求1.一種大功率固態(tài)光源，包括固態(tài)發(fā)光器件，承載有光波長轉(zhuǎn)換材料的透光片；其特 征在于還包括對(duì)來自該固態(tài)發(fā)光器件的光進(jìn)行勻光處理的勻光裝置，以及用來改變經(jīng)勻光處 理的光的光斑形狀的整形裝置，將均勻光束投射到所述透光片上以在該透光片上形成一具 有預(yù)定形狀的光斑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于所述固態(tài)發(fā)光器件包括LED或激光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于所述光波長轉(zhuǎn)換材料包括熒光粉、發(fā)光染料或納米發(fā)光材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于來自所述固態(tài)發(fā)光器件的光的光斑形狀為橢圓形或圓形，所述預(yù)定形狀為圓形、長方 形或方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于所述勻光裝置和整形裝置合為衍射光學(xué)元件，對(duì)來自所述固態(tài)發(fā)光器件的光進(jìn)行勻光 和整形處理以產(chǎn)生具有所述預(yù)定形狀的均勻光束并投射往所述透光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于所述勻光裝置和整形裝置合為由兩片復(fù)眼透鏡構(gòu)成的復(fù)眼透鏡對(duì)，每片復(fù)眼透鏡均由 微小的透鏡單元呈周期性重復(fù)排布而成，該兩片復(fù)眼透鏡間的透鏡單元呈一對(duì)一或一對(duì)二 及以上的對(duì)應(yīng)關(guān)系；還包括一聚光透鏡或透鏡組，來自所述固態(tài)發(fā)光器件的光經(jīng)所述復(fù)眼透鏡對(duì)后再經(jīng)該 聚光透鏡或透鏡組匯聚投射往所述透光片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于所述勻光裝置和整形裝置合為積分棒，該積分棒的前端收集來自所述固態(tài)發(fā)光器件的 光進(jìn)行勻光和整形處理，后端的口徑為所述預(yù)定形狀以產(chǎn)生具有該預(yù)定形狀的一均勻光束 并投射往所述透光片。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于還包括準(zhǔn)直透鏡對(duì)準(zhǔn)所述固態(tài)發(fā)光器件，用以準(zhǔn)直該各固態(tài)器件發(fā)出的光并投射往所 述勻光裝置和整形裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或7所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于還包括置于所述勻光裝置和整形裝置與所述透光片之間的成像透鏡或成像透鏡組。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于還包括放置于所述積分棒的前端的散光片。
11.一種手機(jī)，包括通信模塊，其特征在于還包括如權(quán)利要求1 10任一項(xiàng)所述的大功率固態(tài)光源；光收集裝置，收集來自該大 功率固態(tài)光源的光投射往一超小型圖像調(diào)制器；該超小型圖像調(diào)制器還連接手機(jī)視頻信號(hào) 處理器以接收來自該手機(jī)視頻信號(hào)處理器的視頻圖像信號(hào)，投射出圖像光信號(hào)往一超小型 投影鏡頭；所述手機(jī)視頻信號(hào)處理器通過連接來接收來自視頻接插頭的視頻輸入信號(hào)，或接收來 自手機(jī)基帶處理器的圖像通信數(shù)據(jù)，以解碼輸出所述視頻圖像信號(hào)。
專利摘要一種大功率固態(tài)光源，包括固態(tài)發(fā)光器件，承載有光波長轉(zhuǎn)換材料的透光片，尤其是，還包括對(duì)來自該固態(tài)發(fā)光器件的光進(jìn)行勻光處理的勻光裝置，以及用來改變經(jīng)勻光處理的光的光斑形狀的整形裝置，將均勻光束投射到所述透光片上以在該透光片上形成一具有預(yù)定形狀的光斑?？刹捎醚苌涔鈱W(xué)元件、積分棒或復(fù)眼透鏡對(duì)來實(shí)現(xiàn)該勻光裝置和整形裝置。采用本實(shí)用新型的光源，有效降低了激發(fā)光的光功率密度，有利于提高光源在應(yīng)用領(lǐng)域中的光使用效率；采用該光源的手機(jī)，可以延長使用投影功能的手機(jī)電池的使用時(shí)間。
文檔編號(hào)F21V5/04GK201885062SQ20102056253
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者李屹, 楊毅, 詹勝雄 申請(qǐng)人:深圳市光峰光電技術(shù)有限公司