包括用于回收多余光的颜色选择面板的照明设备

摘要

一种照明光源(100)包括至少一个发光二极管(104)，例如产生短波长光的LED阵列。一个或多个波长转换元件(114A)(例如，磷光体元件)将来自LED(104)的至少一部分短波长光转换为较长的波长(例如，红色和绿色)。位于(多个)LED与(多个)波长转换元件之间的分色元件(110)透射来自(多个)LED的光并且反射来自(多个)波长转换元件的较长波长。颜色选择面板(120)选择由照明设备(100)要产生的、以及要回收用于另一个机会由(多个)波长转换元件(114A)要转换的或由分色元件(110)要反射的光的颜色。颜色选择面板(120)可以在空间域和时间域的一个或两个中工作。

说明书

本发明涉及一种基于发光二极管的照明设备。

高亮度投影系统典型地需要具有大体积和高成本的照明光源。典 型的照明光源使用例如高压汞灯或可替代地三个发光二极管(LED) (即，每一种颜色对应一个LED)，以及用于分色滤波器的附加空间 需求，以组合单个面板系统的光。所希望的是减小例如用在紧凑的成 像设备(有时称为“袖珍投影仪”)中的照明光源的体积和成本。

根据本发明的一个实施例，照明光源包括LED或LED阵列，其产 生例如蓝色光的短波长光。一个或多个波长转换元件(例如，磷光体 元件)将来自(多个)LED的至少一部分光转换为较长的波长(例如， 红色和绿色)。位于(多个)LED与(多个)波长转换元件之间的分 色元件透射来自(多个)LED的光并且反射来自(多个)波长转换元 件的较长波长。颜色选择面板选择由照明设备要产生的、以及要回收 用于另一个机会由波长转换元件要转换或由分色元件要反射的光的 颜色。颜色选择面板可以在空间域和时间域的一个或两个中工作。

图1和2示出根据本发明的实施例的照明设备。

图3示出在空间域中工作并且包括多个透射红色、绿色或蓝色光 的单像素的颜色选择面板的平面图。

图4示出在图中3示出的颜色选择面板中的单像素工作的特写 图。

图5示出在空间域中工作并且包括多个透射红色、绿色或蓝色光 的单条纹的颜色选择面板的平面图。

图6示出反射一种偏振状态和任何期望的颜色的光并且在时间 域中透射期望的颜色和偏振状态的颜色选择面板的扩展透视图。

图7示出包括多个条纹的颜色选择面板的扩展透视图，该多个条 纹发射一种偏振状态和任何期望的颜色的光，以及透射期望的颜色和 偏振状态，并且在空间域和时间域中工作。

图8示出图7的颜色选择面板的平面图，并且示出由颜色选择面 板产生的组合颜色以及条纹如何可以控制成滚动(scroll)。

图9是示出蓝色、绿色和红色发射光谱以及来自照明设备的绿色 和红色吸收的曲线图。

图10示出使用5原色系统的另一个照明设备。

图1示出根据本发明的实施例的照明设备100。照明设备100能 够通过回收由微型显示器最初拒绝(reject)的光来为单个面板投影 系统提供均匀照明和大于50％的效率增益。照明设备100具有紧凑的 设计(大约0.5”×0.5”×1.8”，0.5”F#1.8设计)并且可以通过使用 产生大约相同的波长(例如，蓝色)的LED阵列来减少成本，而传统 系统需要不同类型的LED，以产生不同期望颜色的光，比如蓝色、绿 色和红色。而且，照明设备100具有高亮度，这是因为对于没有直接 使用的光的高回收效率。

如图1所示，照明设备100包括LED104的阵列102，其产生蓝 色(或其他短波长)光并且示出为安装在基座106和/或散热器上。 LED104可以包括光子晶体，以控制角发射图案，从而使得大部分光 集中到不大于例如45°的圆锥中。可替代地，复合抛物面聚光器(CPC) 或直角变换器(RAT)或其他类似的光学设备可以用来控制LED104的 阵列102的角发射图案。光子晶体的使用是有利的，因为它减小了照 明设备100的尺寸。

LED104的阵列102耦合到光学聚光器108，所述光学聚光器108 可以是固态光学聚光器。光学聚光器108包括位于光学聚光器108入 射表面处的分色滤波器110。分色滤波器110透射蓝色光，但是反射 较长的波长。陶瓷盘112光学地耦合到光学聚光器108的出射表面。 一个或多个波长转换元件114A和114B堆积或附着到陶瓷盘112上。 波长转换元件114A和114B分别是例如红色和绿色磷光体，或者可替 代地是YAG类型磷光体。红色磷光体114A可以放置在绿色磷光体114B 之前，即，更接近于陶瓷盘112，这是因为绿色发射谱带由某些红色 磷光体(例如，BSSN)再吸收。磷光体板可以形成陶瓷盘，或者可替 代地，磷光体也许涂覆到不必一定是陶瓷的透明衬底上。波长转换元 件114A和114B的顺序在回收路径中也起作用。陶瓷盘112对于蓝色 泵浦光以及转换后的光是透明的。具有内部反射表面的散热器113可 以在陶瓷盘112的周围形成，并且可以用来支撑陶瓷盘112和波长转 换元件。

波长转换元件114A和114B转换蓝色泵浦光，以产生红色和绿色 光。波长转换元件114A和114B的厚度是合适的，使得透射足够的蓝 色泵浦光，以建立具有良好白平衡的饱和红色、绿色和蓝色光谱发射， 从而用于包括LCD和投影透镜的系统。波长转换元件114A和114B沿 着向前的方向以及向后的方向发射转换后的光，即，背向LED104的 阵列102。然而，分色滤波器110反射并由此回收向后发射的转换后 的光。

准直器116光学地耦合到波长转换元件114A和114B，并且接收 红色、绿色和蓝色光谱发射。颜色选择面板120安装在准直器116的 出口处。颜色选择面板120可以使用例如透射型LCD或可以回收未使 用光的LCOS的技术。如果需要，颜色选择元件可以集成到面板中。 多余的光可以在空间域、时间域或二者中回收。在时间域中回收可能 涉及空间滚动(scrolling)，这将如下面所讨论的。回收明显地增 加了红色和绿色光的输出。在蓝色光回收的情况下，泵浦光将重新用 于波长转换元件114A和114B的附加波长转换，由此进一步增加透射 通过显示器的光的亮度。一个或多个投影透镜118接收并投射来自面 板120的光。

如上所述，颜色选择面板120透射期望的颜色并将多余的光反射 回去用于回收。在一个实施例中，颜色选择面板120在空间域上产生 颜色。例如，颜色选择面板120可以是例如透射型LCOS面板，其由 Massachusetts，Westboro的Kopin公司制造。可替代地，颜色选择 面板120可以使用其他的技术，例如，快速切换的多晶硅面板，在其 中代替使用固定的颜色滤波器，与光源R、G、B协同快速地开关切换 LED，以在所投射的图像上建立叠加的红色、绿色和蓝色图像。

图2示出照明设备150的另一个实施例。照明设备150包括例如 在基座156上的LED154的阵列152。波长转换元件164转换蓝色泵 浦光以产生红色和绿色光，并且位于阵列152与波长转换元件164之 间的分色滤波器160透射蓝色泵浦光以及反射红色和绿色光。波长转 换元件164可以由陶瓷片(在这里有时称为“发光陶瓷”)形成。具 有内部反射表面的散热器165可以用来支撑发光陶瓷的波长转换元 件164。对于涉及可以与本发明一起使用的发光陶瓷的更多信息，参 见U.S.Pub.No.2005/0269582，该文献通过引用合并于此。在2006 年8月9日由Bierhuizen等人提交的标题为“Illumination Device with Wavelength Converting Element Side Holding Heat Sink” 的美国序列号11/463,443中，描述了一种类似的照明设备，其一般 地由本申请拥有并且通过引用合并于此。可替代地，一个或多个波长 转换元件可以堆积或附着到如图1中所述的透明陶瓷盘上。准直器 116光学地耦合到波长转换元件164并且接收红色、绿色和蓝色光谱 发射。此外，颜色选择面板120安装在准直器116的出口处并且用来 在空间域和时间域的一个或两个中透射且回收颜色。

图3和4示出像颜色选择面板120一样工作的透射型LCOS面板 的工作。如图3所示，面板200由多个单元件或像素202组成，其透 射红色、绿色或蓝色光。举例来说，图3示出透射红色光(像素202R)、 绿色光(像素202G)和蓝色光(像素202B)的三个像素。面板200 由红色、绿色和蓝色像素的阵列组成。

图4示出像素202R的工作。如由实线204所示，像素202R接收 未偏振的光，所述未偏振的光包含来自准直器116的红色、绿色和蓝 色光谱发射。当像素202R制成透射性的时，如由线206所示，透射 具有单个偏振状态的红色光。如线208和210所示，未偏振的绿色和 蓝色光由像素202R反射，这如箭头212所示的其他偏振状态的红色 光。当像素202R不是透射性的时，反射入射光的全部光谱。因此， 像素202R持续地回收绿色和蓝色光并且根据像素202R是否是透射性 的来回收所选偏振状态的红色光或所有偏振状态的红色光。绿色和蓝 色像素202G和202B以类似的方式工作。

如上所述，颜色选择面板120可以是透射型LCD。例如由Florida， Dunedin的Ocean Optics制造的反射型颜色滤波器可以用来代替吸 收滤波器。举例来说，可以使用滚动滤波器，例如其在由Bierhuizen 在2002年5月17日提交并且在2006年8月24日公布的 U.S.Pub.2006/0187520中描述，所述文献通过引用合并于此。

在另一个实施例中，颜色选择面板120可以以剥离颜色图案的方 式生成颜色，该颜色与在像素中生成颜色相反。如图5所示，面板 250包括多个单元件或条纹202，其透射红色、绿色或蓝色光。图5 示出透射红色光(条纹252R)、绿色光(条纹252G)和蓝色光(条 纹252B)的三种条纹。面板250由红色、绿色和蓝色条纹的阵列组 成。面板250在空间域上生成颜色，这与图3和4中所示的面板200 相似，除了单色成分是与像素相反的条纹。面板250中的条纹252包 括透射一种颜色的谱带而反射其他颜色的反射型颜色滤波器。该实施 例适合在例如较低成本的系统(例如，袖珍尺寸的投影仪)中，因为 分辨率起着次要的作用并且这种面板比较便宜。反射光在波长转换元 件114A和114B上被回收且由分色滤波器110反射，并且当光入射到 相应颜色的像素上时具有透射通过面板的另一个机会。

在另一个实施例中，颜色选择面板120可以在时间域上生成颜 色，即，要透射的所选颜色随着时间变化。举例来说，颜色选择面板 120可以是胆甾型颜色面板300，例如图6中的扩展透视图中所示的， 其在整个颜色选择面板300上反射一种偏振状态的光，并且反射任何 不期望的颜色和透射期望的颜色和偏振状态。面板300包括分离的可 控颜色滤波器304、306和308以及反射型偏振器302(例如，线栅 偏振器)。每一个可控颜色滤波器304、306和308透射特定颜色的 光同时反射其他颜色，或者透射所有颜色。举例来说，滤波器304可 以透射红色、同时反射蓝色和绿色，滤波器306可以透射绿色、同时 反射红色和蓝色，以及滤波器308可以透射蓝色、同时反射红色和绿 色。因此，通过选择滤波器304、306和308之一来透射其特定颜色 和反射其他颜色，并且选择剩余的滤波器为透明的，面板300可以控 制成产生红色、绿色或蓝色光。而且，反射型偏振器302仅仅透射具 有期望偏振状态的光并且反射剩余的光。因此，基于颜色和偏振状态 两者来回收光。

在时间域上生成颜色具有这样的优点：在打开红色或绿色的周期 中将蓝色泵浦光送回到波长转换元件114A和114B，由此增加红色/ 绿色亮度。而且，除了在饱和的红色、绿色和蓝色谱带之间切换之外， 还可以控制胆甾型颜色面板300，以同时透射蓝色和红色/绿色(乃至 黄色)，从而为不饱和图像建立白色光源，由此进一步增加亮度。可 以使用的一种颜色面板由瑞士Allschwil的Rolic Technologies，Ltd.生产、并且在由Bachels等人在SID Symposium Digest of Technical Papers，Vol.32，Issuel，pp.1080-1083中发表 的“Advanced Electronic Color Switch for Time-Sequential Projection”中描述。

在另一个实施例中，颜色选择面板120可以在组合的时间和空间 域上生成颜色。举例来说，颜色选择面板120可以是条形的胆甾型颜 色面板350，例如，图7中的扩展透视图中所示。面板350相似于图 6中的面板300，其具有反射型偏振器和分离的可控颜色滤波器354、 356和358，例如，用于红色、绿色和蓝色。然而，可控颜色滤波器 354、356和358中的每一个包括多个独立可控的条纹354a、356a和 358a，所述独立可控的条纹可以控制成透射光的特定颜色，同时反射 其他颜色，或者透射所有颜色。条纹可以控制成滚动，使得由面板 350生成的单色滚动，例如，图8中箭头360所示朝下滚动，图8示 出了示出由颜色滤波器354、356和358生成的组合颜色的面板350 的平面图。滤波器354、356和358中的条纹可以被控制，使得滤波 器中的多个相邻条纹是反射性的(如图8中所示)，或者使得滤波器 中的相邻条纹不是反射性的(如图7中所示)。

因此，条形的胆甾型颜色面板350在空间域以及时间域上产生颜 色，这是有利的，因为它可以与比较慢切换单个面板的技术一起使用， 而同时回收所有三种颜色。在WO03098329和US2004/0174692中描述 了一种类似的条形颜色切换开关，上述文献通过引用合并于此。然而， 使用具有照明设备100/150的条形胆甾型颜色面板350优于 WO03098329和US2004/0174692中所描述的条形颜色切换开关，因为 使用了相同类型的LED阵列、波长转换元件114a/114b和分色滤波器 110，这增加了回收效率。

图9是示出蓝色光谱402、绿色发射408和红色发射410以及来 自照明设备100的绿色吸收404和红色吸收406的曲线图。图9中的 光谱信息示出磷光体吸收和发射光谱曲线并且显示了在回收时蓝色 光将大部分被吸收，而红色/蓝色被发射，而且一些所回收的绿色光 将由发光红色磷光体吸收。因此，在考虑了所有回收/吸收和磷光体 (重新)发射因素之后，对于正确的系统白色点，蓝色光和红色/绿 色磷光体之间的比需要平衡。

图10示出另一个照明设备500，其使用5原色系统以实现更丰 富的色彩并增加亮度。照明设备500包括红色/绿色照明光源510和 青色照明光源520。红色/绿色照明光源510包括蓝色LED阵列512、 具有分色滤波器515的聚光器元件514。波长转换元件516位于聚光 器514与准直器518之间，该波长转换元件可以是例如单独的红色/ 绿色波长转换元件516或由YAG产生的组合元件。

青色照明光源520包括蓝色LED阵列522、分色滤波器523、青 色波长转换元件524和准直器元件526。青色照明光源520提供足够 的蓝色光，以在所产生的光中建立良好的白平衡。分色滤波器530位 于红色/绿色照明光源510与青色照明光源520之间。照明透镜533 将组合光聚焦通过用于颜色切换开关536的反射偏振器534(例如， FLC LCOS)到投影透镜538。颜色切换开关536将在一个周期中透射 蓝色光，同时反射青色光，反之亦然。当回收蓝色光时，它将在青色 的转换光中建立附加的推进(boost)。

虽然出于指导性的目的，结合特定实施例说明了本发明，但是本 发明不限于此。在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变 和修改。因此，所附权利要求的精神和范围不应当限于前面的描述。