具有红色激光器辅助的LED照明的制作方法

具有红色激光器辅助的led照明


背景技术：

1.一些光学投影系统使用发光二极管(led)(例如蓝色、绿色及红色led)作为照明源。投影系统的输出图像质量可通过从照明源实现更高亮度来改进。实现更高亮度的一种方式是增加来自绿色led的输出。一些绿色led在蓝色led的输出侧上具有磷光体。此类型的绿色led称为经转换绿色led。绿色led内的内部蓝色led照射磷光体，其致使磷光体发射绿光。绿色led光输出可通过将蓝光照射到磷光体的顶面及底面上来改进。利用此额外蓝光从顶侧及底侧激发磷光体称为顶侧泵浦(tsp)绿色led。对于tsp架构，通常使用外部蓝色led来照射经转换绿色led的前侧。此外部照明致使绿色led发射更多绿光。绿光输出可增加高达50％。


技术实现要素：

2.在一些实例中，一种系统包含红色led、蓝色led及绿色led。所述系统还包含红色激光器、第一滤光器、第二滤光器及透镜。所述系统包含第一光学路径，其包含所述红色led、所述红色激光器、所述第一滤光器、所述第二滤光器及所述透镜，其中所述第一滤光器具有滤光器响应以透射来自所述红色激光器的红光及反射来自所述红色led的红光。所述系统还包含第二光学路径，其包含所述蓝色led、所述绿色led、所述第二滤光器及所述透镜，其中所述第二滤光器具有滤光器响应以透射来自所述蓝色led的蓝光、透射来自所述绿色led的绿光、反射来自所述红色激光器的红光及反射来自所述红色led的红光。
3.在一些实例中，一种系统包含：红色led，其经配置以发射第一波长处的红光；蓝色led，其经配置以发射第二波长处的蓝光；及绿色led，其经配置以发射第三波长处的绿光。所述系统包含经配置以发射第四波长处的红光的激光器，其中所述第四波长大于所述第一波长。所述系统还包含经配置以接收所述第一波长处的所述红光、所述第二波长处的所述蓝光、所述第三波长处的所述绿光及所述第四波长处的所述红光且将所述所接收红光、蓝光及绿光传输到光学投影仪的透镜。
4.在一些实例中，一种系统包含：红色led，其经配置以发射第一波长处的红光；蓝色led，其经配置以发射第二波长处的蓝光；及绿色led，其经配置以发射第三波长处的绿光。所述系统包含经配置以发射第四波长处的红光的激光器，其中所述第四波长大于所述第一波长。所述系统还包括经配置以反射约所述第一波长处的所述红光且透射约所述第四波长处的所述红光的滤光器。所述系统还包含经配置以接收所述第一波长处的所述红光、所述第二波长处的所述蓝光、所述第三波长处的所述绿光及所述第四波长处的所述红光且经由投影透镜投射图像的投影系统。
附图说明
5.为了详细描述各种实例，现将参考附图，其中：
6.图1是各种实例中用于具有红色激光器辅助的发光二极管(led)照明的系统。
7.图2是各种实例中用于具有红色激光器辅助的led照明的系统。
8.图3是各种实例中具有及不具有红色激光器辅助的源功率对投影仪流明的曲线图。
9.图4是各种实例中具有及不具有红色激光器辅助的投影仪效率的曲线图。
10.图5是各种实例中的光谱响应的曲线图。
11.图6是各种实例中的光谱响应及反射率滤光器响应的曲线图。
12.图7是各种实例中的光学投影系统。
具体实施方式
13.如上文描述，可增加绿光输出来改进led光学投影系统中的亮度。然而，增加绿光输出存在其它问题，例如当投影系统试图产生白光时。具体来说，在不对应增加红光输出的情况下增加绿光输出可致使所得白光具有浅绿色。这是因为红色led通常无法供应足够红光来平衡绿色输出增加。添加红色led通常无法充分增加红光输出，因为投影系统可使用led的多少发射面积存在限制。此限制由投影仪系统的光展量给出。光展量是从给定光源发射的光有多少可通过投影仪光学系统的测量。一旦投影仪系统的光展量由led完全利用，则无法收集来自led的额外光。在具有tsp绿色led的投影仪的情况中，可用绿光通常比适当白光色彩平衡投影仪输出所需的红光更多。在所述情况中，必须将绿色led调低到比绿色led能够产生的输出更低的输出，其限制投影仪输出流明。当投影仪系统的光展量充满时，添加更多光的唯一方式是加入当前未由led源发射的其它波长的光。
14.在本文的实例中，具有比红色led更长的波长的红色激光器用于通过组合来自激光器的红光与来自led的红光来增加投影仪的总红色输出。在一些实例中，红色激光器可产生比红色led更长的波长处的光，其意味着红色激光器可与红色led光组合且不受使用额外红色led或较大红色led时发生的光展量限制。可使用二向色滤光器将红色激光器添加到光学系统。因为红色激光器具有比红色led更长的波长，所以滤光器用于将由红色led发射且引导到投影系统的照明组件中的光添加到红色激光器。通过经由红色激光器添加更多红光，绿色输出可用tsp绿色led增加，且可增加投影系统的总流明输出，同时维持适当白色平衡。在一些实例投影系统中，用红色激光器增加红色输出及用tsp增加绿色输出可引起白色亮度增加高达40％。红色激光器还可实现投影系统的更高效率。举例来说，如果投影系统的流明要求较低，那么添加红色激光器能够至少减小红色led电流同时仍实现输出流明要求，其提高led效率。本文描述的各种实例可在具有tsp的投影系统或不具有tsp的投影系统中实施。
15.图1是各种实例中具有红色激光器辅助的led照明系统100。在一些实例中，led照明系统100可为光投影系统的部分，例如在一个实例中空间光调制器(slm)光学投影仪。led照明系统100包含实例光投影系统的一些组件以及由源于led照明系统100内且从led照明系统100发射的光采用的实例光学路径(在本文称为路径)。led照明系统100包含投影光学器件102以接收源于led照明系统100内的光且将图像投射到观看者。slm(未展示)还可接收源于led照明系统100内的光且接着将所述光引导到投影光学器件102。投影光学器件102包含用于通过光学路径投射图像的任何合适光学组件，例如投影透镜、其它透镜、光圈、棱镜等。举例来说，来自led照明系统100的光可在由slm反射到光圈之前通过一或多个棱镜。光圈可调整从slm反射到投影仪的输出透镜的光。
108发射。在一个实例中，来自红色激光器组138的光为约640nm。在其它实例中，来自红色激光器组138的光可在另一波长处。在一些实例中，光可高于635nm。在其它实例中，来自红色激光器组138的光可为638nm、642nm或在633到660nm的范围内。
21.来自红色激光器组138的光由于其波长、带宽及偏振而在本文的实例中有用。在一些实例中，使用波长、带宽及偏振的不同组合。如果使用来自红激光器组138的偏振光，那么可在实例系统中有效使用较短波长。如果激光器光源是随机偏振的，那么较高波长是有用的。在一个实例中，使用的激光器光的波长越长，添加到红光的额外流明越少。在一些例子中，窄带量子点源对产生激光器光有用，但此源可产生随机偏振的光。如果量子点光源产生随机偏振的光，那么比偏振光源略高的波长是有用的。
22.来自红色激光器组138的光沿路径140行进到镜142。沿路径140，来自红色激光器组138的光可通过透镜139、透镜144及漫射器/消斑器146。透镜144与透镜139一起用于使光束变小(例如，压缩光束)，使得使用较小消斑器及/或漫射器元件146。透镜139及144使光束保持紧凑，因此在一个实例中，漫射/消斑光学器件可较小且较便宜。
23.漫射器/消斑器146可包含漫射来自红色激光器组138的光的一或多个光学元件，且还可包含使来自红色激光器组138的光消斑的一或多个光学元件。在一些实例中，可省略漫射及/或消斑光学元件。
24.来自红色激光器组138的光从镜142反射且沿路径148行进通过透镜150而到滤光器128。透镜150有助于将来自红色激光器组138的光高效耦合到光隧道120。即使透镜150展示于红色激光器路径148中，但其也可放置于滤光器112与116之间以提高所述led到光隧道120路径的效率。滤光器128经配置以反射来自红色led 108的光的波长处的光，如上文描述(约600到630nm)。滤光器128是二向色滤光器，其也经配置以透射来自红色激光器组138的光的波长处的光，例如640nm。来自红色激光器组138的光通过滤光器128到滤光器116，在滤光器116处其被反射且沿路径132行进。来自红色激光器组138的光通过透镜118及光隧道120到投影光学器件102。
25.在led照明系统100中，投影光学器件102由于蓝色泵浦led 134而接收增加绿光，且由于红色激光器组138而接收增加红光。这些增加使投影光学器件102能够投射更亮图像且产生适当白光色彩平衡投影仪输出。如下文描述，使用红色激光器组138也实现led照明系统100的提高功率效率。
26.在其它实例中，可重新布置led照明系统100中组件的结构，但系统仍将落在本文描述的实例的范围内。举例来说，可交换红色led 108及红色激光器组138的位置以及与所述两个光源相关联的各种透镜、镜及其它组件的位置。接着，滤光器128可经配置以反射来自红色激光器组138的光且透射来自红色led 108的光。led照明系统100中的其它led或滤光器也可重新布置。此外，在其它实例中，额外透镜、镜、滤光器或棱镜是有用的。
27.led照明系统100包含使光行进的多个光学路径。第一光学路径包含红色led 108、红色激光器组138、滤光器128、滤光器116及透镜118。第一光学路径包含由滤光器128透射的来自红色激光器组138的光及由滤光器128反射的来自红色led 108的光。第一光学路径中的光由滤光器116反射到透镜118。
28.led照明系统100包含第二光学路径，其包含蓝色led 104、绿色led 106、滤光器112、滤光器116及透镜118。滤光器116具有滤光器响应，其透射来自蓝色led 104的蓝光，透
射来自绿色led 106的绿光，反射来自红色激光器组138的红光，且反射来自红色led 108的红光。
29.led照明系统100包含第三光学路径，其包含蓝色泵浦led 134、滤光器112及绿色led 106。在此第三光学路径中，来自蓝色泵浦led 134的光由滤光器112反射到绿色led 106。
30.图2是各种实例中具有红色激光器辅助的led照明系统200。led照明系统200在结构及操作上类似于led照明系统100，且相同元件符号标示相同组件。未详细描述led照明系统200的组件；所述描述可在上文关于图1找到。led照明系统200与led照明系统100的不同之处在于：led照明系统200不包含蓝色泵浦led 134。在led照明系统200中，绿光没有使用蓝色泵浦led 134来增加。然而，红光使用红色激光器组138来增加。在一些实例中，led照明系统200用于以比led照明系统100更低的功耗提供增加红光。电力节省是由于没有蓝色泵浦led 134。led照明系统200还可通过减少流过红色led 108的电流量且代以经由红色激光器组138供应额外红光来实现效率，如上文描述。
31.图3是各种实例中具有及不具有红色激光器辅助的源功率对投影仪流明输出的曲线图300。曲线图300的x轴指示以流明为单位的光通量(用于投影仪)。曲线图300左侧的y轴指示以瓦特(w)为单位的照明系统的源功率。曲线图300右侧的y轴指示以w为单位的红色激光器光功率。
32.在曲线图300中，曲线302表示具有顶侧泵浦绿色(tspg)led但不具有红色激光器的led照明系统的源功率。曲线304表示具有tspg led及红色激光器的类似led照明系统的源功率。如曲线图300中所见，随着源功率增加，两个系统的流明输出也增加。然而，对于x轴上投影仪流明的给定值，具有红色激光器的led系统(由曲线304表示)比不具有红色激光器的led系统(由曲线302表示)使用更少源功率。因此，具有红色激光器的照明系统更高效。
33.曲线图300还指示红色激光器的激光器光功率。点306a、306b、306c、306d、306e、306f、306g及306h指示给定流明值的激光器光功率的水平。举例来说，点306a、306b、306c及306d指示在所述流明水平处，用于产生曲线304的激光器光功率为9w。点306e、306f及306g指示在所述流明水平处，用于产生曲线304的激光器光功率为18w。点306h指示在所述流明水平处，用于产生曲线304的激光器光功率为27w。选择这些光功率水平用于此实例；在其它实例中使用其它光功率水平。
34.曲线图300还指示可通过添加红色激光器来将流明输出扩展到更高量。曲线302在约4500流明处达到最大流明输出。曲线304指示流明输出可用适当激光器光功率达到至少6000流明。曲线304展示：当红色激光器光添加到红色led光输出时，tspg led流明输出可由投影系统完全利用。
35.图4是各种实例中具有及不具有红色激光器辅助的投影仪系统效率的曲线图400。用于产生曲线图300的测试系统及条件类似于用于产生曲线图400的测试系统及条件。如从上文曲线图300明白，具有tspg led且添加红色激光器的投影系统比具有tspg led但不具有红色激光器的投影系统使用更少功率。因此，具有红色激光器的系统也将更高效。效率展示于曲线图400中。曲线图400的x轴指示以流明为单位的光通量(用于投影仪)。曲线图400左侧的y轴指示指示以流明每瓦特(lm/w)测量的效率。曲线图400右侧的y轴指示以w为单位的激光器光功率。
36.在曲线图400中，曲线402表示具有tspg led但不具有红色激光器的led照明系统的效率。曲线404表示具有tspg led及红色激光器的类似led照明系统的源功率。如曲线图400中所见，随着输出流明增加，每一系统的效率降低。然而，在x轴上的给定流明输出水平处，对于x轴上投影仪流明的给定值，具有红色激光器的led系统(由曲线404表示)比不具有红色激光器的led系统(由曲线402表示)更高效。因此，具有红色激光器的照明系统更高效。
37.曲线图400还指示红色激光器的激光器光功率。点406a、406b、406c、406d、406e、406f、406g及406h指示给定流明值的激光器光功率的水平。举例来说，点406a、406b、406c及406d指示在所述流明水平处，用于产生曲线404的激光器光功率为9w。点406e、406f及406g指示在所述流明水平处，用于产生曲线404的激光器光功率为18w。点406h指示在所述流明水平处，用于产生曲线404的激光器光功率为27w。选择这些光功率水平用于此实例；在其它实例中使用其它光功率水平。
38.图5是各种实例中的光谱响应的曲线图500。曲线图500的x轴指示以nm为单位的波长。曲线图500的y轴指示0.0到1.0的归一化标度上的led及激光器光谱响应。这些响应用曲线图500上的曲线指示。
39.曲线502是实例中来自蓝色led 104的蓝光的光谱响应。在此实例中，蓝光具有约440到475nm的波长，其中在曲线502上在455nm附近展示峰值。曲线504是实例中来自绿色led 106的绿光的光谱响应。在此实例中，绿光具有约500到600nm的波长，其中在曲线504上在520nm附近展示峰值。曲线506是实例中来自红色led 108的红光的光谱响应。在此实例中，红色led光具有约600到630nm的波长，其中在曲线506上在620nm附近展示峰值。曲线508是实例中来自红色激光器组138的红光的光谱响应。此红色激光器光具有约640nm的波长。
40.如上文描述，来自红色激光器组138的红色激光器光具有比来自红色led 108的光更长的波长。因为波长不同，所以可使用二向色滤光器来透射来自红色激光器组138的光但反射来自红色led 108的光。此类型的滤光器的一个实例是图1及2中的滤光器128。此实例滤光器的反射响应在图6中展示。
41.在一些实例中，来自红色激光器组138的光可偏振。如果光线性偏振，那么激光器光束的电场在垂直于光束轴的特定线性方向上振荡，且磁场在垂直于传播轴及电场方向两者的方向上振荡。如果光以某个角度照射光学表面(例如滤光器128)，那么光的偏振态通常很重要。如果电场方向位于由入射光束及反射光束横跨的平面中，那么线性偏振态表示为p偏振。具有垂直于所述平面的方向的光的偏振态称为s偏振。
42.图6是各种实例中的光谱响应及反射率滤光器响应的曲线图600。曲线图600的x轴指示以nm为单位的波长。曲线图600左侧的y轴指示0.0到1.0的归一化标度上的led及激光器光谱响应。这些响应用曲线图600上的实曲线表示。曲线图600右侧的y轴指示0.0到1.0的归一化标度上的反射滤光器响应。这些响应用曲线图600上的虚曲线指示。
43.曲线602是实例中来自红色led 108的红光的光谱响应。在此实例中，红光具有约600到630nm的波长，其中在曲线602上在620nm附近展示峰值。曲线604是实例中来自红色激光器组138的红光的光谱响应。此红色激光器光具有以约640nm为中心的波长。
44.曲线606表示例如滤光器128的滤光器对s偏振光的反射滤光器响应。如果s偏振光照射滤光器128，那么滤光器128具有对应于曲线606的反射响应。在约620nm之前，曲线606具有约1.0的反射响应。滤光器128完全反射s偏振光的低于620nm的波长。在620nm处，曲线
606开始下降，且在约640nm处达到0.0的反射响应。因此，滤光器128完全透射高于约640nm的波长处的s偏振光，其中在620到640nm之间一些光被透射且一些光被反射。如果来自红色激光器组138的光s偏振且中心位于640nm附近，那么在此实例中，来自红色激光器组138的光将大部分由滤光器128透射。
45.如果来自红色激光器组138的光p偏振，那么滤光器128具有不同于s偏振光的反射率响应。曲线608表示滤光器128对p偏振光的反射率响应。在约640nm之前，曲线608具有约1.0的反射响应。在640nm处，曲线608开始下降，且在约655nm处达到0.0的反射响应。因此，滤光器128完全透射高于约655nm的波长处的p偏振光。如果来自红色激光器组138的光p偏振且中心位于640nm附近，那么来自红色激光器组138的光将大部分由滤光器128反射。
46.如果来自红色激光器组138的光是大致相等部分s及p偏振光的混合物(或如果光随机偏振)，那么曲线610表示滤光器128的响应。曲线610在620nm处具有约1.0的反射响应及在约655nm处具有0.0的反射响应。如果来自红色激光器组138的光是以640nm为中心的相等部分s及p偏振光的混合物，那么根据由曲线610指示的滤光器响应，一些光将被反射且一些光将被透射。在一个实例中，来自红色led 108的光随机偏振，且此光具有相等量的s偏振及p偏振光。因而，来自红色led 108的光像曲线610那样响应，其使更多led光谱通过。在其中来自红色激光器组138的光s偏振的实例中，此光响应由使大部分或全部激光器光通过的曲线606表示的滤光器。因此，与其中红色led108及红色激光器组两者产生随机偏振光的情况相比，红色led 108及红色激光器组138能够透射更多光。如果激光器随机偏振，那么来自激光器的光将如曲线610所展示那样响应滤光器，且约一半激光器光将经由滤光器丢失。
47.在其它实例中，来自红色激光器组138的光可具有不同波长。在所述实例中，滤光器128或其它滤光器可经配置以根据照明系统的布局透射或反射不同波长处的来自红色激光器组138的光。在一些实例中，p偏振光被反射，而s偏振光被透射。在其它实例中，s偏振光被反射，而p偏振光被透射。可使用具有任何合适反射响应的任何合适类型的滤光器。
48.图7是各种实例中的光学投影系统700。光学投影系统700包含投影仪702。投影仪702可包含上文关于图1及2描述的一些或全部组件。投影仪702包含led系统704。在实例中，led系统704包含上述led 104、106及108。在使用tspg led的实例中，led系统704还可包含蓝色泵浦led 134。led系统704可包含上述透镜、滤光器及镜或其它实例中的任何其它合适光学组件。
49.投影仪702还包含激光器706。在实例中，激光器706可包含红色激光器组138。由于上述原因，红色激光器组138可操作以增加光学投影系统700中的红光量。投影仪702还包含投影光学器件708。投影光学器件708包含用于通过光学路径投射图像的任何合适光学组件，例如投影透镜、其它透镜、光圈、棱镜、空间光调制器等。
50.光学投影系统700包含投影屏710。来自投影仪702的图像被投射到投影屏710上用于观看。可在光学投影系统700中使用任何合适类型的投影屏710。
51.在此实例中，投影仪702包含控制器712及存储器714。存储器714包含可执行代码716。可执行代码716在由控制器712或另一处理器执行时致使控制器712执行本文描述且归因于投影仪702或led照明系统100及200的动作中的一或多者。这些动作可包含使用投影仪702的组件将图像投射到投影屏710上。
52.如上文描述，将红色激光器添加到本文的照明系统可增加投影系统的亮度。可使
具有tsp架构的系统及不具有tsp架构的系统增加亮度。添加红色激光器也可提高照明系统的功率效率，如图3及4中展示。二向色滤光器在一些实例中是有用的，因此可将红色激光器放置于照明系统的光学路径中。光的偏振也对提高滤光器效率有用，如上文描述。
53.在本描述中，术语“耦合”可涵盖实现与本描述一致的功能关系的连接、通信或信号路径。举例来说，如果装置a提供信号来控制装置b执行动作，那么：(a)在第一实例中，装置a直接耦合到装置b；或(b)在第二实例中，如果中介组件c没有大体上更改装置a与装置b之间的功能关系，那么装置a通过中介组件c间接耦合到装置b，因此装置b由装置a经由装置a提供的控制信号控制。
[0054]“经配置以”执行任务或功能的装置可在由制造商制造时配置(例如编程及/或硬连线)以执行功能，及/或可在制造之后由用户配置(或重新配置)以执行功能及/或其它额外或替代功能。配置可通过装置的固件及/或软件编程、通过装置的硬件组件及互连的构造及/或布局或其组合。
[0055]
除非另有说明，否则在值之前的“大约”、“约”或“大体上”意味着所述值的 /-10％。在权利要求书的范围内，所描述实例可修改且其它实例是可能的。