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CN101893204A - 光源及其光转换方法、光转换装置及该光源的应用系统 - Google Patents

光源及其光转换方法、光转换装置及该光源的应用系统 Download PDF

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CN101893204A CN2009101073742A CN200910107374A CN101893204A CN 101893204 A CN101893204 A CN 101893204A CN 2009101073742 A CN2009101073742 A CN 2009101073742A CN 200910107374 A CN200910107374 A CN 200910107374A CN 101893204 A CN101893204 A CN 101893204A
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Abstract

一种光源及其光转换方法、光转换装置，所述光源还包括发光源；所述光转换装置包括固定装置(107)以及相对于所述固定装置(107)具有运动状态的运动面(105)，该运动面使用透光材料，并承载有光波长转换材料(102)；该光转换装置尤其还包括紧邻所述运动面、被固定在所述固定装置上的静止的第一滤光片(101)，引导来自发光源的光透射往所述运动面，同时反射来自所述光波长转换材料的受激发光。所述光波长转换材料的受激发光可透过第二滤光片(103)成为所述光源的出射光。采用本发明，通过减小所述第一滤光片(101)的面积来降低光转换装置及光源的成本，进而降低了照明或投影应用系统使用光源的成本。

Description

光源及其光转换方法、光转换装置及该光源的应用系统
技术领域  本发明涉及光源的光转换方法及装置。所述光源主要用于照明或投影系统。
背景技术  光源技术发展的重要方向之一是同时提高光源的输出亮度和功率。以用于图像投影的光源为例，或以用于交通运输工具，例如汽车、摩托车、船或飞机的前灯或照明灯为例，或以探照灯为例，这些光源为节省成本，早期多采用UHP(超高性能)灯为光源来产生白光；再通过光转换装置，例如分段色轮，来透射产生显示所需的红、绿、蓝等单色光。
随着固态光源，尤其LED(Light Emitting Diode，发光二极管)技术的发展，光源系统越来越多采用固态光源(例如但不限于LED)为发光源，以克服UHP灯所存在的启动电压高、启动与关闭等待时间长等不足，并使系统所产生的各单色光的色彩效果得到改善或色域范围得到提高、使用寿命延长、功耗降低。
在所述LED光源系统中，为了提高光源出射光的亮度，一般采用单色LED及带光波长转换材料的光转换装置来产生各种单色光束。所述光波长转换材料包括荧光粉、染料或纳米发光材料。所述光转换装置以色轮装置为例，通常用一色轮来承载一种或一种以上的荧光粉，利用所述LED出射光来照射旋转着的所述色轮，以获得与各种荧光粉相对应颜色的受激发光。例如三色投影显示系统通常是基于蓝光LED采用分段色轮来分段承载不同的荧光粉，从而相应地分时产生显示所需的红、绿、蓝单色光。
众知荧光粉受激发光时，发光方向具有各向同性，也就是受激发光各方向均匀出射。为了提高光源效率，现有光转换装置以如图1所示的色轮10为例，往往在荧光粉层102下方固定一滤光片101，使该滤光片101具有透射来自下方的激发光同时反射来自荧光粉层的受激发光的光学特性。此外，考虑到光收集系统的限制，为了调整光源出射光的颜色或发射角度，还可以在所述荧光粉层102上方固定一第二滤光片103，该第二滤光片103往往也具一定的光学特性，如光波的低通、高通或带通等特性，与所述荧光粉层102的各分段受激发光相对应。
上述现有技术的不足之处在于：滤光片尤其第一滤光片101的成本比较高，往往滤光片的成本占到了整个荧光粉色轮的60％～80％。
发明内容  本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种用于光源的光转换方法及光转换装置，在保持光源性能的前提下，尽可能降低光源的成本，从而相应降低应用系统使用光源的成本。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：对光源的光转换装置进行结构改造，以色轮为例，现有色轮转动时，滤光片每刻的在使用面积仅是近似光斑大小；若将固定在色轮上转动的滤光片与色轮分离出来，使之固定在靠近色轮的光路上且不随色轮转动，就可以缩小滤光片的面积，甚至缩小为近似光斑大小，以大幅降低色轮成本。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种光源的光转换方法，包括步骤：
设置光转换装置，使承载有一种或一种以上光波长转换材料的运动面处于运动状态；
引导来自发光源的光定向投射往该光转换装置，该光直接落在所述运动面上的投射光斑小于所述运动面，使得所述运动面的不同局部周期性轮换进入该光的投射范围；
引导来自所述光波长转换材料的受激发光为所述光源的出射光；；尤其是，还包括步骤：在靠近所述运动面的位置设置一静止的第一滤光片，来反射来自所述光波长转换材料的受激发光，同时所述来自发光源的光透射穿过该第一滤光片而投射往所述运动面；该第一滤光片的面积小于所述运动面的面积。
具体地说，上述方案中，所述第一滤光片与所述运动面之间的距离小于所述投射光斑的外接圆直径的20％。该第一滤光片的面积小于所述运动面上光波长转换材料的承载面积。所述光转换装置包括色轮、移动盘或转动滚筒。所述光波长转换材料包括荧光粉、染料或纳米发光材料。所述光波长转换材料或者以与胶剂混合的方式胶贴在使用透光材料的所述运动面上，或者被掺杂在使用透光材料的所述运动面上。还可以是被夹持固定在一透光片与使用透光材料的所述运动面之间。还可以在所述透光片或运动面上镀覆增透膜。
上述方案中，还可以包括步骤：在所述运动面背向所述第一滤光片的一侧设置一静止的第二滤光片，来反射来自发光源的光或限制所述受激发光可透射穿过的角度或波长范围。该第二滤光片与所述运动面之间的距离小于所述光斑的外接圆直径的20％。作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种光转换装置，包括固定装置；以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料；尤其是，该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第一滤光片，该第一滤光片紧邻所述运动面，且面积小于所述运动面的面积。
具体地说，上述方案中，所述第一滤光片的面积为所述运动面面积的0.2％～20％。所述运动面由色轮、移动盘或转动滚筒构成。该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第二滤光片，该第二滤光片紧邻所述运动面与所述第一滤光片相背的一侧，面积与该第一滤光片相当。所述第一滤光片或第二滤光片是通过夹持装置固定在所述固定装置上。该第一滤光片或第二滤光片在该固定装置上的固定结构还包括微调结构，用来微调所述第一滤光片或第二滤光片到所述运动面的距离。所述第一滤光片或第二滤光片与所述运动面之间的距离小于0.6毫米。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种光源，包括发光源和光转换装置；所述光转换装置包括固定装置，以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料；尤其是，该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第一滤光片，该第一滤光片介于所述发光源和运动面之间并紧邻所述运动面；该第一滤光片面积小于所述运动面的面积。具体地，还可以包括被固定在所述固定装置上的第二滤光片，该第二滤光片紧邻所述运动面与所述第一滤光片相背的一侧，面积与该第一滤光片相当。所述第一滤光片或第二滤光片是通过夹持装置固定在所述固定装置上；与所述运动面之间的距离小于0.6毫米。所述发光源为LED。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种带光源的投影系统，包括用来分时提供包括红光、绿光和蓝光在内的若干单色光束的光源，以及用来调制使所述红、绿、蓝光束产生彩色图像的光阀，和用来投射经所述光阀调制后的红、绿、蓝光束到屏幕以产生图像的光投影镜头；所述光源包括发光源和光转换装置，所述光转换装置包括固定装置，以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料；尤其是，该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第一滤光片，该第一滤光片介于所述发光源和运动面之间并紧邻所述运动面；该第一滤光片面积小于所述运动面的面积。具体地，还包括被固定在所述固定装置上的第二滤光片，该第二滤光片紧邻所述运动面与所述第一滤光片相背的一侧，面积与该第一滤光片相当。该第一滤光片或第二滤光片与所述运动面之间的距离小于0.6毫米。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种带光源的照明灯具，包括光收集组件、光源和控制电路；所述光源包括发光源和光转换装置，所述光转换装置包括固定装置，以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料；所述控制电路根据控制指令提供相应的电功率来驱动所述发光源和所述运动面；光收集组件收集来自于所述光转换装置的受激发光以进行定向投射；尤其是，该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第一滤光片，该第一滤光片介于所述发光源和运动面之间并紧邻所述运动面；该第一滤光片面积小于所述运动面的面积。具体地，该光转换装置还可以包括被固定在所述固定装置上的第二滤光片，该第二滤光片紧邻所述运动面与所述第一滤光片相背的一侧，面积与该第一滤光片相当。
采用上述各技术方案，基于第一滤光片的面积缩小，降低了光源及其光转换装置的成本，进而降低了应用系统使用光源的成本。同时，所述光源及其光转换装置以简单结构保持了性能，具有易于实现的优点。
附图说明  图1是现有光源色轮的结构示意图；
          图2是本发明以色轮为例的光转换装置结构之一示意图；
          图3是本发明以色轮为例的光转换装置结构之二示意图；
          图4是本发明色轮与滤光片之间距离对光斑大小影响示意图；
          图5曲线图表明了图3中第一滤光片与色轮间间距对出射光的亮度影响；
          图6以探照灯为例示意了本发明光源的应用实施例；
          图7以汽车灯为例示意了本发明光源的应用实施例；
          图8是本发明以转动滚筒为例的光转换装置结构之三示意图；
图9示意了本发明光转换装置实施例之四中的移动盘；
其中，各附图标记为：10——色轮，101——第一滤光片，102——荧光粉/光波长转换材料，103——第二滤光片，104——色轮转轴，105——色轮基盘/运动面，106——透光片，107——色轮固定罩，108——调节钮；20——反射杯；301——光导纤维束，302——光收集透镜，303——车灯外部结构。
具体实施方式  下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
如背景技术所述，现有光源基于光波长转换材料的光转换方法包括下列步骤：
设置光转换装置，使承载有一种或一种以上光波长转换材料的运动面处于运动状态；所述光转换装置或包括如图2或图3所示的色轮，或如本发明实施例所提出的包括如图8所示的转动滚筒或如图9所示的移动盘(运动方式或方向用图中箭号示意)；所述光波长转换材料包括荧光粉、染料或纳米发光材料；
引导来自发光源的光定向投射往该光转换装置，该光直接落在所述运动面上的投射光斑小于所述运动面，使得所述运动面的不同局部周期性轮换进入该光的投射范围；
引导来自所述光波长转换材料的受激发光为所述光源的出射光；
本发明方法基于上述步骤，尤其在靠近所述运动面的位置设置一静止的第一滤光片，来反射来自所述光波长转换材料的受激发光，同时所述来自发光源的光透射穿过该第一滤光片而投射往所述运动面；因为该第一滤光片不必附随运动面进行运动，使得令第一滤光片的面积小于所述运动面上的光波长转换材料承载面积成为可能。
图2以色轮为例以剖视示意图的形式示意了现有光转换装置根据本发明方法进行改造后结构。该光转换装置包括固定装置107以及相对于该固定装置107具有运动状态的运动面105，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料102。所述固定装置107可以是色轮的固定罩或壳体，色轮转轴104通过轴套可转动地嵌在该固定装置107上。所述光波长转换材料102可以是以与胶剂混合的方式胶贴在构成所述运动面105的透光基盘上。或者如虚线所示，该光波长转换材料102是被夹持固定在一透光片106(例如低成本的玻璃片)与所述透光基盘之间。为了增加光线的穿透力，还可以低成本地在所述透光片106或运动面透光基盘105上的一侧或两侧镀覆增透膜(AR Coating)；因其为现有成熟技术，不在此赘述或示意。
该实施例中，所述光转换装置还包括被固定在所述固定装置107上的第一滤光片101，该第一滤光片101紧邻所述运动面105，且面积小于所述运动面的面积。进一步说，对于运动面仅局部承载有光波长转换材料的情况，可以设定所述第一滤光片101的面积小于所述运动面上光波长转换材料的承载面积。基于现有技术中，来自发光源的投射光斑往往面积仅为所述运动面面积的0.2％～20％，所述第一滤光片的面积设定为所述运动面面积的0.2％～20％即可以大大降低光转换装置的成本。
本发明方法如该实施例所示意，还可以包括在所述运动面105背向所述第一滤光片101的另一侧设置一静止的第二滤光片103的步骤。该第二滤光片103用来反射来自发光源的光以提高光波长转换材料对激发光的利用；或用来限制所述受激发光可透射穿过的角度或波长范围，从而改变光源的光出射特性。因此，该第二滤光片103也被固定在所述固定装置107上，紧邻所述运动面与所述第一滤光片101相背的一侧，且与所述运动面间的距离距离越小越好。为了尽量节省成本，该第二滤光片103的形状或面积设定为与所述第一滤光片101的形状或面积大致相同。
图2示意了所述第一滤光片101或第二滤光片103是通过夹持装置固定在所述固定装置107上。所述夹持装置或夹持装置采用的夹持方式，或其等同替换手段因为现有技术，不在此赘述。
图3示意了本发明光转换装置结构以色轮为例的又一实施例。在本实施例中，所述光波长转换材料102可以是被掺杂在使用透光材料的所述运动面105上。例如但不限于将荧光粉掺杂到玻璃中，以一个具有相当强度的带荧光粉基盘来用作为所述运动面105。
基于第一滤光片101的尺寸越小则光转换装置的成本越省，当使用本发明光转换装置的光源具有很小的来自发光源的所述投射光斑时，第一滤光片101或第二滤光片103到运动面105(例如色轮)的距离需要精确控制。如图4所示，以d来表示下方的滤光片与上方的色轮之间的距离。若所述滤光片以第一滤光片为例，该第一滤光片反射来自荧光粉的受激发光，则经过所述反射，原始受激发光的光斑尺寸将由A被扩大成B；若所述滤光片为第二滤光片，该第一滤光片反射激发光，则A和B分别代表激发光的原始光斑尺寸和扩大尺寸。显然，无论是对第一滤光片101还是对第二滤光片103，d越大，B将被扩大得越大，对光源的输出亮度影响也越大。为了保持光斑尺寸，所述第一滤光片101或第二滤光片103与所述运动面105之间的距离应小于所述投射光斑的外接圆直径的20％，越小越好。
图5示意了在一个边长4毫米的方形投射光斑下，采用图3光转换装置的光源的出射光亮度与所述距离d之间的关系曲线。当d为0.3毫米时，输出亮度降低了10％。
为此，图3实施例中，光转换装置不采用透光片有助于缩小第一滤光片101到色轮105的距离。所述第一滤光片101在所述固定装置107上的固定结构还可以包括微调结构108，用来微调所述距离。本实施例中虽未加以图示，也可以考虑添加使用第二滤光片103及其微调结构。根据本发明试验结果，对于前述的边长为4毫米的方形透射光斑，所述第一滤光片或第二滤光片与所述运动面之间的距离以小于0.6毫米为最佳。
以(但不限于)上述图2或图3为例的本发明光转换装置使用在还包括有发光源的光源上，有助于光源降低成本。其中，第一滤光片介于所述发光源和运动面之间并紧邻所述运动面。所述发光源可以采用固态光源，例如但不限于LED。
承上所述，本发明光转换装置还可以用转动滚筒来代替色轮，如图8所示。假设如箭头示意方向转动的中空透光滚筒运动面划分成包括a和b在内的至少两个区域，通过承载不同的光波长转换材料或至少一个区域不承载光波长转换材料而具有不同光波长转换特性；将发光源设置在该滚筒内部，则可以在滚筒内部贴近所述滚筒运动面的地方固定设置一第一滤光片，该第一滤光片的面积可以大大小于所述滚筒运动面的面积或光波长转换材料的承载面积。所述中空透光滚筒的运动面也可以不进行区域划分，承载一种光波长转换材料或混合承载一种以上光波长转换材料。同样，当用图9沿直线运动的移动盘来代替转动的色轮时，也可以根据本发明精神设计对应的光转换装置，与图2或图3相比，不过改变一下活动轴的位置及活动方式，不在此另加图示。
典型的投影系统包括光源系统，该光源系统包括若干单色光源，例如但不限于红光源、绿光源和蓝光源，分别来产生红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)光束。所述投影显示系统还包括用来调制使所述红、绿、蓝光束产生彩色图像的光阀，和用来投射经所述光阀调制后的红、绿、蓝光束到屏幕以产生图像的光投影镜头。所述红、绿、蓝光束可以但不限于通过光纤来传导向合色棱镜，经汇聚后输往光阀。所述光阀可以是微电机系统(MEMS，micro-electron-mechanical system)设备，例如基于德州仪器(Texas Instrument)公司DLP(Digital Light Processing)技术的光调制器。投影系统的图像信号处理器通过驱动信号来控制各光源，并输出相应的图像数据往光调制器。例如，当红光光源被开启并发射红光时，图像信号处理器将把红色图像数据送往光调制器(例如数字微镜装置，DMD)；类似地，当绿光或蓝光光源被开启并发射绿/蓝光时，图像信号处理器将把相应的绿/蓝色图像数据送往光调制器。若所有红、绿和蓝光光源都被开启时，灰色图像数据将被送往光调制器。调制后的图像光束最后经由所述光投影镜头投射到显示屏幕。本发明光源可以使用在所述投影系统中，用来分时提供包括红光、绿光和蓝光在内的若干单色光束。
本发明光源还可以使用在包括有光收集组件和控制电路的照明灯具上。所述控制电路根据控制指令提供相应的电功率来驱动本发明光源的发光源和所述运动面。光收集组件收集来自于本发明光源的光转换装置的受激发光以进行定向投射。图6以探照灯为例示意了一种所述照明灯具。在该实施例中，反射杯20起到所述光收集组件的作用。所述控制电路可以是电源开关。本发明光源有助于降低高亮度、大功率的探照灯的成本。
图7以汽车灯为例示意了又一种所述照明灯具。其中，光收集透镜302起到所述光收集组件的作用。考虑到散热问题及与现有汽车灯结构兼容问题，车灯外部结构303沿用现有汽车灯结构，将光收集透镜302置于该车灯外部结构303内，通过光导纤维束301把来自于本发明光转换装置的受激发光引导往所述光收集透镜302，则包括发光源和光转换装置在内的本发明光源可以设置在车上便于散热的地方。

Claims (12)

1.一种光源的光转换方法，包括步骤：
设置光转换装置，使承载有一种或一种以上光波长转换材料的运动面处于运动状态；
引导来自发光源的光定向投射往该光转换装置，该光直接落在所述运动面上的投射光斑小于所述运动面，使得所述运动面的不同局部周期性轮换进入该光的投射范围；
引导来自所述光波长转换材料的受激发光为所述光源的出射光；
其特征在于，还包括步骤：
在靠近所述运动面的位置设置一静止的第一滤光片，来反射来自所述光波长转换材料的受激发光，同时所述来自发光源的光透射穿过该第一滤光片而投射往所述运动面；该第一滤光片的面积小于所述运动面的面积。
2.根据权利要求1所述光源的光转换方法，其特征在于：
所述第一滤光片与所述运动面之间的距离小于所述投射光斑的外接圆直径的20％。
3.根据权利要求1所述光源的光转换方法，其特征在于：
所述光波长转换材料被夹持固定在一透光片与使用透光材料的所述运动面之间。
4.根据权利要求3所述光源的光转换方法，其特征在于：
在所述透光片或运动面上镀覆增透膜。
5.根据权利要求1所述光源的光转换方法，其特征在于，还包括步骤：
在所述运动面背向所述第一滤光片的一侧设置一静止的第二滤光片，来反射来自发光源的光或限制所述受激发光可透射穿过的角度或波长范围。
6.一种光转换装置，包括固定装置(107)；以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面(105)，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料(102)；
其特征在于：
该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第一滤光片(101)，该第一滤光片紧邻所述运动面，且面积小于所述运动面的面积。
7.根据权利要求6所述的光转换装置，其特征在于：
所述第一滤光片的面积为所述运动面面积的0.2％～20％。
8.根据权利要求6所述的光转换装置，其特征在于：
该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第二滤光片(103)，该第二滤光片紧邻所述运动面与所述第一滤光片相背的一侧，面积与该第一滤光片相当。
9.根据权利要求6或8所述的光转换装置，其特征在于：
所述第一滤光片(101)或第二滤光片(103)与所述运动面之间的距离小于0.6毫米。
10.一种光源，包括发光源和光转换装置；所述光转换装置包括固定装置，以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料；其特征在于：
该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第一滤光片，该第一滤光片介于所述发光源和运动面之间并紧邻所述运动面；该第一滤光片面积小于所述运动面的面积。
11.一种带光源的投影系统，包括用来分时提供包括红光、绿光和蓝光在内的若干单色光束的光源，以及用来调制使所述红、绿、蓝光束产生彩色图像的光阀，和用来投射经所述光阀调制后的红、绿、蓝光束到屏幕以产生图像的光投影镜头；所述光源包括发光源和光转换装置，所述光转换装置包括固定装置，以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料；其特征在于：
该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第一滤光片，该第一滤光片介于所述发光源和运动面之间并紧邻所述运动面；该第一滤光片面积小于所述运动面的面积。
12.一种带光源的照明灯具，包括光收集组件、光源和控制电路；所述光源包括发光源和光转换装置，所述光转换装置包括固定装置，以及相对于所述固定装置具有运动状态的运动面，该运动面使用透光材料，并承载有一种或一种以上光波长转换材料；所述控制电路根据控制指令提供相应的电功率来驱动所述发光源和所述运动面；光收集组件收集来自于所述光转换装置的受激发光以进行定向投射；其特征在于：
该光转换装置还包括被固定在所述固定装置上的第一滤光片，该第一滤光片介于所述发光源和运动面之间并紧邻所述运动面；该第一滤光片面积小于所述运动面的面积。
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