[发明专利]光源、合光装置及带该光源的投影装置

说明书

本申请为申请人于2011年08月29日递交的申请号为201110253070.4，发明名称为光源、合光装置及带该光源的投影装置的分案申请。

技术领域  本发明涉及光源，尤其涉及组合多光源的光束的结构及装置。

背景技术  随着光源技术的发展，光源不再满足于使用单一发光源。尤其固态光源发展到发光二极管(LED，Light Emitting Diode)和半导体激光器(LD，Laser Diode)逐渐步入照明和显示市场后，大功率光源已经普遍采用阵列排布的多个发光源，例如LED阵列或LD阵列，来自这些发光源的光经过合光处理后再作为该光源的大功率输出光。但是某些应用场合需要高亮度的光源，比如投影显示。如果单纯使用发光二极管阵列，其成本较低，但是其亮度还不能满足主流投影显示的需要。单纯使用半导体激光器阵列，其亮度足够，但是成本太高。如果一种光源能够合用发光二极管和半导体激光器，能够使其亮度达到需求，而且成本比单纯使用半导体激光器阵列具有优势，那么这种光源将具有良好的应用前景。

光学扩展量，即Etendue，被用来描述光在空间中的分布面积和角度。光源的平均亮度等于光源发出的光通量除以光源发光的光学扩展量。若两个发光源的发光光通量相同，发光的光学扩展量也相同(例如两个相同的LED光源)，采用几何的方式来合并这两个光源的发光，那么合光的结果是总发光通量比单个光源加倍，总发光的光学扩展量也比单个光源发光的光学扩展量加倍，其结果是合光的平均亮度比单个光源没有变化。

如果两个发光源的亮度有差异，比如发光二极管和激光二极管，也可以采用以上的光学扩展量来分析将这两个发光源合并的情况。可以假设发光二极管的发光光通量是Φ，发光的光学扩展量是E，平均亮度是Φ/E；激光二极管的发光光通量也是Φ，发光的光学扩展量是0.01E，平均亮度是100Φ/E。那么用这样一个发光二极管和一个激光二极管合光后，总发光通量是2Φ，总光学扩展量是1.01E，则平均亮度为1.98Φ/E。可见，用发光二极管和激光二极管合并光束能够提高合并光的平均亮度。将多个发光源同向组合在同一空间上能够实现光束合并，例如申请号为200810065453.7的中国专利申请所公开的一种混合封装光源，将多个LED和多个LD混合进行阵列排布来提供适合投影显示所用的高亮度光源。

如果两个发光源的波长有区别，则可以用另一种方式，即波长耦合方式，通过二向色滤光片来合并来自不同方向的发光源的光。如图1所示，采用这种合光方式的光源的发光源具有两种不同的发光波长的光，该两种不同的发光波长的光分别被二向色滤光片所反射和透射；因此，如图将峰值波长为420纳米的LED阵列2与峰值波长为465纳米的LED阵列1分置在二向色滤光片的两边来完成合光处理。现有技术一般用该方式来产生混合的白光或色光。可以假设峰值波长是420纳米的LED阵列的发光通量是Φ，发光的光学扩展量是E，平均亮度是Φ/E；同时假设峰值波长是465纳米的LED阵列的发光通量是Φ，发光的光学扩展量是E，平均亮度是Φ/E；那么用这样两种发光二极管合光后，总发光通量是2Φ，总光学扩展量是E，则平均亮度为2Φ/E。可见，采用二向色滤光片能够把两种光谱不重叠的光合并，其合光的光学扩展量与一种光的光学扩展量相同。合光的平均亮度是一种光的平均亮度的2倍。

上述第一种方式既可以用来混合同色光，也可以用来混合不同色光，但是具有一个显著的不足之处。该方式要求发光二极和激光二极管是并列封装在一起的，而且发光源的阵列需要紧密排列才能保证高亮度。激光二极管在高温下的寿命和可靠性急剧衰减，所以通常激光二极管需要加半导体制冷器来控制热沉温度。把激光二极管和发光与发光二极管并列封装，导致激光二极管的温度较高，要求整个光源配备半导体制冷器，否则激光二极管的寿命和可靠性将不能保证。这样一来成本和功耗都大大提高，所以这种合光方式不够经济，不够节能。第二种方式虽然解决了第一种方式的不足之处，却只适用于不同色光的合光处理；此外，二向色滤光片之使用增加了光源成本。

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，而提出一种光源及其合光装置，以新型合光方式来实现不同来源的相同或不同色光的高亮度合光。