[发明专利]固态光源装置、采用该装置的投影系统及集束照明灯具

说明书

技术领域

本发明涉及一种光源装置及其应用，尤其涉及一种固态光源装置、采用该装置的投影系统及集束式照明灯具。 

背景技术

大功率LED(包括OLED)等固态发光器件作为新型的高亮度、长寿命光源在照明等应用领域获得了长足的发展，其具有的长寿命、高色纯等特点正是现有基于电弧发光的投影光源所欠缺的，但要将LED等固态发光器件应用于投影系统，就必须要求所构成光源为一个较为理想的点光源，但每一个LED的发光体为一个具有一定发光面积的半导体芯片，本质上是一个小型面光源，且由于单只LED芯片发光亮度有限，为了达到足够大的发光通量，通常还需要将多个LED芯片排列成阵列，或采用更大尺寸的LED面发光体，在形成发光通量倍增的同时，其光源发光面积也相应倍增，当光源发光面积越大，其相应的投影成像光学系统的成像光效率就越低，即试图通过传统方式增加LED数量来增加光源的光输出通量(发光亮度)努力是难以凑效的，这是将大功率LED等固体光源应用于投影系统的主要技术障碍。 

通常，对于非严格点光源，采用“光学扩展量”(Etendue)来表明其对点光源的近似程度，即有E＝πAsin²θ，其中E为光学扩展量(Etendue)值，A为面光源发光面积，θ为面光源出射光线最大扩散角，发光面积越小，光线最大扩散角越小，E值越小，越接近点光源，反之则离点光源要求越远。在现有技术条件下，以较为典型的40mil(1mm²)LED芯片为例，其Etendue值约为 3.14mm^2*sr，而对于一种典型的投影光学系统的设计，其显示光芯片的匹配Etendue值约为34.36mm^2*sr，按照光源的Etendue值≤显示光芯片Etendue值的设计要求，即只能采用9只LED芯片排成3×3的阵列，以LED芯片的发光效率为40流明/W，投影系统光效率为15％计算，则最后只能得到54流明的投影光输出，这样的水平只能作为一般的个人应用“袖珍”型投影机所使用，远远达不到一般的家用或商务用投影显示装置(背投影或前投影方式的投影装置)所需要的几百流明乃至几千流明的光输出要求。要将LED等固态发光器件取代传统“弧光”式投影光源，其所要解决的技术难点之一，是要使其在满足投影系统所要求的Etendue值的条件下，大幅度提高光源的“产光量”，或者说在不增大光源输出Etendue值的前提下，大量增加光源中所能容纳的LED芯片数量或LED面发光体的发光面积，并能将LED芯片所发出的光以足够高的效率导出。为达其目的，如图1所示，公开号为CN1682070A的中国专利“光源装置和投影式显示装置”中披露了一种光源装置，按照该技术方案，首先要构造一个棒状的光学构件，棒状光学构件的一个端面为出光面，该光源的光输出Etendue值由该端面面积所确定，棒状光学构件的其它表面均为反射面，LED芯片沿棒状光学构件纵向设置于其侧反射面上，LED芯片所发的光在棒状光学构件内部的反射面之间反复反射后从其出光端面输出，从而可以通过无限制地延伸棒状光学构件的长度来无限制地增加设置于棒状光学构件内部的LED芯片数量来无限制地提高从出光端面获得的光输出量，试图达到在不增加光源Etendue值的条件下大幅增加光源产光量的目标。然而，在该专利所披露的技术方案中存在严重的缺陷：设置于棒状光学构件中的LED芯片，既是提供该光源光输出的源泉，又是将所发出的光从棒状光学构件内部导向出光端面的障碍，因为当LED芯片所发出的光通过棒状构件内部的反射面反复反射导出的过程中，一旦这些光线射到LED芯片上，就会被LED芯片吸收，在芯片内部反复反射衰减，变成芯片的热量而损失掉。因此，为了获得更多的光输出而在棒状构件内部设置更多的LED芯片，但同时却为光线的导出而设置了更多的障碍，使光线的导出效率降低，没有实现通过在棒状构件内部增加LED的数量来大幅增加光源产光量的目的。另外，如图2所示，LED芯片的发光特性满足“Lambertian分布”，由于LED芯片发光能量与其发射角有关，发射角越小的光，其发射能量越大，发射角越大的光，其发射能量越小，在上述专利所披露的技术方案中，发射角越小的光，在棒状构件内部所要经历的反射次数反而越多，其被LED芯片吸收而损失的几率就越大。最后的结果是，当为了谋求高光输出而在棒状构件内部大量设置LED芯片时，仅有能量很小的部分大发射角的光线能够被较为有效地从出光端面导出，光导出效率很低，亦难以达到大幅提高产光量的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高产光量、高效率导出的固态光源装置。