專利名稱：大功率固態(tài)光源及帶該光源的手機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及帶固態(tài)發(fā)光器件例如適用于光發(fā)射的半導體器件的光源，尤其涉 及所述光源實現(xiàn)光斑勻光或形狀控制的結構。
背景技術：
以固態(tài)發(fā)光器件，例如固態(tài)半導體發(fā)光器件(尤其是LED)為發(fā)光源的燈具或投 影機光源已經(jīng)得到越來越廣泛的使用。順應于對光源光輸出功率大小的要求越來越高，基 于光波長轉換的大功率固態(tài)光源因其較強的實用性脫穎而出。該方案將源自于LED的高功 率光投射到光波長轉換材料上來激發(fā)產(chǎn)生具有預定主波長的高功率輸出光，往往具有如下 所述的結構包括固態(tài)光源及承載光波長轉換材料的材料盤，準直透鏡把來自固態(tài)光源的 光準直成近平行光，進一步通過聚焦透鏡會聚到光波長轉換材料的某一點。上述現(xiàn)有技術的問題在于，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點上的激發(fā)光功率往往會過高而導致光波長轉換材料， 例如但不限于熒光粉溫度上升，從而造成光轉換效率下降。尤其固態(tài)光源采用激光二極管 時，由于激光的發(fā)射角度很小，在所述投射點處的光斑的光分布將很不均勻，中心光強很強 且遠高于邊緣光強，使得中心區(qū)的能量密度過高。為此，現(xiàn)有技術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直透鏡離焦，和/或成像面離焦的方法以激光二極管為例，準直透 鏡離焦方法是使激光二極管偏離其所對應的準直透鏡的焦點位置，以使通過準直透鏡后的 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所在的位置，以使實際投射到熒 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，可以同時或單 獨使用。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散，而收集系統(tǒng)的數(shù) 值孔徑有限，因此擴散出收集系統(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，實驗發(fā)現(xiàn)離焦3mm時可 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，同時由于散 光片的屬性并非任意可控，其光學特性也不能隨意定制，從而也不能完全對投射光斑的功 率分布進行控制。另外，現(xiàn)有散光膜對光線的透過率往往達不到百分之九十，加散光膜導致 的部分激發(fā)光損耗會降低光源的光效率。此外，上述現(xiàn)有技術還存在一個重要問題，即整個光源出射光的光斑形狀不可控， 一般為圓形或橢圓形。對于一些特殊場合，比如顯示區(qū)域為長方形(例如但不限于長寬比4 3)的投影機應用領域，投影機光源的輸出光斑最好呈相同比例的長方形；事實上采用 現(xiàn)有技術光源時，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光源的輸 出光斑，長方形代表投影機的投影光斑)，投影機出于對光利用效率的考慮，勢必要使所述 投影機光源的輸出光斑內接于呈長方形的所述投影光斑，以便在對來自光源的輸入光斑進 行整形時把光損失壓低到最小。與投影機實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，越不利于光波長轉換材料提高光轉換效 率。
發(fā)明內容本實用新型要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足之處，而提出一種大 功率固態(tài)光源及帶該光源的手機，以產(chǎn)生具有高均勻性且光斑的輸出形狀可控的光輸出， 同時解決激發(fā)光功率密度過高所導致的光轉換效率下降、進而整個光源效率下降的問題。為解決上述技術問題，本實用新型的基本構思為若將基于光波長轉換的固態(tài)光 源的光輸出光斑形狀設計為可控，隨應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)光源在實際應用場合的耦合效率，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換材料上的激發(fā)光 設計為具有高均勻性且光斑形狀可控是解決現(xiàn)有問題之不足的關鍵。作為實現(xiàn)本實用新型構思的技術方案是，提供一種大功率固態(tài)光源，包括固態(tài)發(fā) 光器件，承載有光波長轉換材料的透光片；尤其是，還包括對來自該固態(tài)發(fā)光器件的光進 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 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，所述預定形狀為圓形、長方形或方形。更進一步，上述方案中，所述勻光裝置和整形裝置合為衍射光學元件，對來自所述 固態(tài)發(fā)光器件的光進行勻光和整形處理以產(chǎn)生具有所述預定形狀的均勻光束并投射往所 述透光片。或者，所述勻光裝置和整形裝置合為由兩片復眼透鏡構成的復眼透鏡對，每片復 眼透鏡均由微小的透鏡單元呈周期性重復排布而成，該兩片復眼透鏡間的透鏡單元呈一對 一或一對二及以上的對應關系；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)所述復眼透鏡對后再經(jīng)該聚光透鏡或透鏡組匯聚投射往所述透光片?；蛘?，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)光器件的光進行勻光和整 形處理，后端的口徑為所述預定形狀以產(chǎn)生具有該預定形狀的一均勻光束并投射往所述透 光片。上述方案中，還包括準直透鏡對準所述固態(tài)發(fā)光器件，用以準直該各固態(tài)器件發(fā) 出的光并投射往所述勻光裝置和整形裝置?；蛘?，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。作為實現(xiàn)本實用新型構思的技術方案還是，提供一種手機，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制器；該超小型圖像調制器還連接手機視頻信號處理器以接收來自該手機視頻信號處理器的視頻圖像信號，投射出圖像光信號往一超小型投影鏡頭；所述手機 視頻信號處理器通過連接來接收來自視頻接插頭的視頻輸入信號，或接收來自手機基帶處 理器的圖像通信數(shù)據(jù)，以解碼輸出所述視頻圖像信號。采用上述各技術方案的大功率固態(tài)光源，有效降低激發(fā)光的光功率密度的同時， 提高了光源對激發(fā)光的利用率，尤其提高了固態(tài)光源在應用領域中的光使用效率。

圖1示意了現(xiàn)有光源出射光斑與投影領域顯示區(qū)域之間的形狀關系；圖2示意了本實用新型光源的結構；圖3示意了本實用新型使用ODE元件來勻光和整形的實施例；圖4示意了本實用新型使用積分棒陣列來勻光和整形的實施例；圖5示意了采用本實用新型光源的手機實現(xiàn)投影功能的部分結構框圖。
具體實施方式
下面，結合附圖所示之最佳實施例進一步闡述本實用新型。圖2示意了本實用新型大功率固態(tài)光源的結構包括固態(tài)發(fā)光器件，承載有光波 長轉換材料的透光片，尤其還包括對來自固態(tài)發(fā)光器件的光進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，可以采用衍射光學元件5來實現(xiàn)所述整形裝置，同時實現(xiàn)所述勻光處 理。所述衍射光學元件(DOE，Diffractive optical element)指的是一種特殊的光學元 件，一般是由計算機計算產(chǎn)生的全息器件，通過控制其表面的微結構(例如光波長數(shù)量級) 的形狀、深度和分布，使光線在穿透該元件時發(fā)生衍射，產(chǎn)生波面的相位變化；由于每個衍 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，進而產(chǎn)生所需要的透射光之空間光強分布。例如，美國專利US7，251，41282公開 過一種使用DOE的背光源模塊。不同設計的DOE元件可以具有不同的勻光和整形效果。在 本實用新型的實施例中，可以采用一種把任何形狀的入射光斑整形成一個具有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現(xiàn)所述整形裝置，同時實現(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，對積分 棒的形狀進行控制，則可同時對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定形狀的一均勻光束將并投射往投射到透光片4上。當所 述積分棒6的后端口徑較大而超出了本實用新型光源所限制的出射光孔徑時，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，為了使光束以適當?shù)娜肷浣?和光斑尺寸到光波長轉換材料上，本實用新型如該圖4所示還可以包括設置在積分棒后端 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，對圖4實施例還可以改進為用復眼透鏡對來替換所述積分棒；復眼透鏡對 中的每片復眼透鏡均由微小的透鏡單元呈周期性重復排布而成，構成該兩片復眼透鏡的透 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，該兩片復眼透鏡 間的透鏡單元可以呈一一對應的關系或一對多(二及以上)的對應關系。這樣，第一復眼 透鏡中重復排布的微小透鏡單元可以將入射光切分成很多塊，再經(jīng)過第二復眼透鏡中透鏡 單元的作用形成預定形狀的均勻光斑，再利用一聚光透鏡或聚光透鏡組來將這些具有預定 形狀的均勻光斑的光匯聚重疊得到一個光束投射往所述透光片4，在該透光片4上產(chǎn)生一 個具有該預定形狀的均勻光斑。上述各實施例中，有必要時還可以如圖3或4所示增加準直透鏡2來對準固態(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。本實用新型試驗中發(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。尤其當前后孔徑比為 2 1時，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 分棒設計成內壁反光的截頭四棱錐狀，本實施例的光收集效率可以達到90%以上。在圖4的實施例中，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，進而增強積分棒的勻光效果。因為現(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。本實用新型上述各實施例中，透光片4不限定為一固定裝置，該透光片4還可以相 對于入射光束呈運動(轉動或移動)狀態(tài)，以便通過輪換被照射的光波長轉換材料來進一 步達到保護光波長轉換材料的目的；當所述光波長轉換材料分種類在該透光片4上分區(qū)域 分布時，對不同光波長轉換材料進行輪換照射還可以達到變換受激發(fā)光顏色的目的。圖5的框圖示意了一采用本實用新型光源的手機賴以實現(xiàn)投影功能的部分結構。 所述手機包括通信模塊、手機電池；還包括本實用新型光源，所輸出的具有預定形狀光斑的 光束通過光收集裝置的收集投射往一超小型圖像調制器，經(jīng)來自手機視頻信號處理器的視 頻圖像信號調制后產(chǎn)生圖像光信號，該圖像光信號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。該手機視頻信號處理器可以是一連接手機基帶處理 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，或接收來自所述手機基帶 處理器的圖像通信數(shù)據(jù)，解碼輸出所述視頻圖像信號。該手機視頻信號處理器還可以內置 于手機基帶處理器中，從而由手機基帶處理器接收來自各種視頻接插頭的視頻輸入信號或 來自無線通信射頻收發(fā)模塊的通信數(shù)據(jù)。采用本實用新型光源，可以延長使用投影功能的 手機電池的使用時間。
權利要求1.一種大功率固態(tài)光源，包括固態(tài)發(fā)光器件，承載有光波長轉換材料的透光片；其特 征在于還包括對來自該固態(tài)發(fā)光器件的光進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 有預定形狀的光斑。
2.根據(jù)權利要求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，所述預定形狀為圓形、長方 形或方形。
5.根據(jù)權利要求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元件，對來自所述固態(tài)發(fā)光器件的光進行勻光 和整形處理以產(chǎn)生具有所述預定形狀的均勻光束并投射往所述透光片。
6.根據(jù)權利要求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眼透鏡構成的復眼透鏡對，每片復眼透鏡均由 微小的透鏡單元呈周期性重復排布而成，該兩片復眼透鏡間的透鏡單元呈一對一或一對二 及以上的對應關系；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)所述復眼透鏡對后再經(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 光進行勻光和整形處理，后端的口徑為所述預定形狀以產(chǎn)生具有該預定形狀的一均勻光束 并投射往所述透光片。
8.根據(jù)權利要求5、6或7所述的大功率固態(tài)光源，其特征在于還包括準直透鏡對準所述固態(tài)發(fā)光器件，用以準直該各固態(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，包括通信模塊，其特征在于還包括如權利要求1 10任一項所述的大功率固態(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制器；該超小型圖像調制器還連接手機視頻信號 處理器以接收來自該手機視頻信號處理器的視頻圖像信號，投射出圖像光信號往一超小型 投影鏡頭；所述手機視頻信號處理器通過連接來接收來自視頻接插頭的視頻輸入信號，或接收來 自手機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。
專利摘要一種大功率固態(tài)光源，包括固態(tài)發(fā)光器件，承載有光波長轉換材料的透光片，尤其是，還包括對來自該固態(tài)發(fā)光器件的光進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定形狀的光斑?？刹捎醚苌涔鈱W元件、積分棒或復眼透鏡對來實現(xiàn)該勻光裝置和整形裝置。采用本實用新型的光源，有效降低了激發(fā)光的光功率密度，有利于提高光源在應用領域中的光使用效率；采用該光源的手機，可以延長使用投影功能的手機電池的使用時間。
文檔編號F21V5/04GK201885062SQ20102056253
公開日2011年6月29日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權日2010年10月8日
發(fā)明者李屹, 楊毅, 詹勝雄 申請人:深圳市光峰光電技術有限公司