CN101278232B - 基于发光屏幕的激光投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的激光投影系统由至少一个激光光源(1)、投影屏幕(7)和空间光调制器(6)组成，所述激光光源(1)产生的激光光束投射到所述投影屏幕(7)上形成图像。所述投影屏幕(7)包括在所述激光光束激励下发蓝光的发光层(9)。为此，所述发光层(9)包括发光材料MSi6-aAlaN8-aOx+a:Eu2+(其中M＝Sr，Ba，Ca；0≤x≤1；0≤a≤1)。借助这种材料，激光二极管发出405nm波长的激光，高效转换为450nm波长的蓝光。因此，所述投影系统适合于采用激光二极管作为激光光源的RGB投影。

Description

基于发光屏幕的激光投影系统
本发明所涉及一种激光投影系统，其由至少一个激光光源、投影屏幕和空间光调制器组成，所述激光源产生的激光光束投射到所述投影屏幕上形成图像。所述投影屏幕包括在所述激光光束激励下的发出蓝光的发光层。
投影对于光展度(optical etendue，光学径角性指标)的要求非常苛刻。现在人们使用例如超高功率灯或氙灯的短弧灯来提供尽可能呈现为点状的光源。普通投影系统中，光源发出的光通过光调制器调制光强投影到投影屏幕上，以形成预期的图像。
就聚光能力而言，激光器具有特别的优点，其允许更小的显示尺寸，并且因此拥有了巨大的降低成本的潜力。加上一些其它的优点，使得激光器成为一种比较理想的投影光源。
现今基于激光的投影系统的主要障碍是，缺少在可见光波长范围内适当波长上发光的合适的激光光源，特别是二极管激光器。虽然对于从630nm到红外波长范围的红色激光二极管可普遍得到，有效的蓝色二极管现今却仍只能在不适合于人眼的紫色和紫外波长范围内可得到。对于RGB-显示器(R：红色，G：绿色，B：蓝色)所需要的450-465nm的蓝色波长，却不能找到具有有效输出功率和效率的激光二极管。因此，现今依赖于激光光源的激光投影系统体积大并且价格贵。基于此理由，激光投影系统或激光显示器仅仅使用于高端应用，并且尚未在消费市场找到出路。
JP2003-287802公开了根据其权利要求1前序部分所述的一种激光投影系统。此种投影系统提供三个激光光源，且所述光束由空间光调制器投影在投影屏幕上形成图像。两个激光光源射出RGB投影所需要的三种颜色中的两种。剩下的颜色由投影屏幕上被第三个激光光源(被称作激励光源)的激光光束所激励的发光层所射出。本发明所公开的一个实施例中，所述激励光源是射出紫外光的半导体激光器，其中发光层将该紫外光转换为蓝色光。作为该发光层的基本材料，建议为Sr10(PO4)6Cl2:Eu。然而此种材料并非发光屏幕装置的理想使用材料。自从这些二极管容易利用以来，该装置中的激光光源优选为405nm激光二极管。上述文件中的此种发光材料在405nm波长仅有很小的吸收，并导致低的转换效率。
本发明的一个目的是提供一种基于发光屏幕(luminscent screen)的激光投影系统，其能有效地将至少在405nm波长范围的激光转换成蓝光。
该目的由权利要求1的激光投影系统实现。本系统的优选实施例是从属权利要求的内容，并在以下说明书和附图中加以描述来实现本发明。
提出的激光投影系统由至少一个第一激光光源、投影屏幕和空间光调制器组成，所述第一激光光源发出的激光光束投射到投影屏幕上形成图像。所述空间光调制器可以是任何的光调制器，例如从其他的投影系统可知。所述投影屏幕包括基于激光光束激励发出蓝色光的发光层。所述发光层包括BaMgAl11O17:Eu或者MSi6-aAlaN8-aOX+a:Eu2+(其中M＝Sr，Ba，Ca；0≤x≤1；0≤a≤1)中的至少一种作为发光材料。
采用包括上述材料的所述发光层，第一激光光源所发出的波长范围为405nm的激光被有效转换为波长范围为450-460nm的荧光(fluorescent)和磷光(phosphorescent)。本投影系统的发明人发现这种材料在405nm激励波长处比已知的JP2003-287802中所用的材料具有令人惊讶的较高转换效率。因此，本投影系统允许使用市场上容易买到的405nm激光二极管以在投影屏幕上生成蓝光。可采取多种方法途径在所述投影屏幕上设置发光层，例如，本领域技术人员熟知的镀膜(coating)技术。优选地，所述提出的投影系统包括至少三个不同的激光光源，第一激光光源、第二激光光源和第三激光光源，其发射光的波长各不相同。通过适当地选择第二激光光源和第三激光光源的发射波长，可以实现RGB激光投影系统。
为了得到在该RGB投影系统的投影屏幕上与蓝色图像叠覆的红色图像，可以使用基于例如GaAs材料的红色激光二极管。为了得到在投影屏幕上与蓝色和红色图像叠覆的绿色图像，可以使用例如倍频Nd:YAG激光器或者上变频(upconversion)激光器。
同样有可能采用如同产生蓝色光的方法来通过投影屏幕上的发光层产生绿色光或者红色光，例如使用下变频(down-conversion，下变换)。为此，所述发光层需要包含其它材料来将第二激光光源或者第三激光光源发出的光转换为红光或者绿光。优选地，第二激光光源或者第三激光光源在此实施例中发射紫外光或者紫色光。该光线，自然地，必须具有与第一激光光源发出的光不同的波长。此外，所述两种发光材料，即产生蓝光的材料和产生红光或者绿光的材料必须具有不同的吸收带，使得这些材料仅仅受到所对应的激光光源的光线的激发。一种材料必须吸收从第一激光光源辐射的光线，同时最好不吸收第二或者第三激光光源辐射的波长范围的光线。另一种材料必须吸收第二或者第三激光光源辐射的光线，同时最好不吸收第一激光光源辐射的波长范围的光线。
替代通过紫外光或者紫色光的下变频(down-conversion，下变换)来产生红色光或者绿色光，所述发光层可采用允许上变频成绿色光或者红色光的材料。使用激光二极管发射例如970nm波长的光，发光层中的掺铒(Er3+)物质能有效的吸收两种红外光子，并能发射出一种550nm的绿色光子。可利用此种类型的多种有效的荧光剂，例如，Er，Yb:NaYF4；Er，Yb:YF3；Er，Yb:BaYF5；或者掺铒(Er3+)ZBLAN玻璃(53ZrF4，20BaF2，4LaF3，3AlF3，20NaF)。
优选地，本投影系统中使用上变频和/或下变频激光二极管作为激光光源，其射出光的波长范围在360nm和440nm之间和/或780nm和1200nm之间。特别地，第一激光光源优选为GaN激光二极管，其发射405nm的波长区域。然而，也可使用射出光在紫色和紫外范围内的其他激光二极管，例如385nm。为了产生红光和绿光(绿光通过上变频)，激光二极管优选基于GaAs材料的系统，并且射出光的波长范围从630nm直到红外范围。可选择地，优选以上的紫外光或紫色光激光二极管结合下变频发光材料来产生绿色光。
在说明书和权利要求中采用词语“包括”并不排除其他元件和步骤，采用词语“一个”也不排除多个。同时权利要求中的任意附图标记不被认为限制这些权利要求的范围。
以下实施例和参考附图表示本激光投影系统，但并不局限本发明的范围。所述附图表示：
图1表示本发明激光投影系统的例子的结构图。
图1表示根据本发明实施例的激光投影系统的结构图。该投影系统包括具有三个激光二极管的激光光源，第一GaN激光二极管1发射405nm波长的光，第二GaA激光二极管2发射630nm波长的光，而第三GaAs激光二极管发射970nm波长的光。三个激光二极管的激光光束通过强度调制器(indensitymodulator)4，并且在合适的光束合成器(beam combiner)5中组合为一个激光光束。该激光光束通过空间光调制器6(例如是双轴偏转扫描器)，投影到投影屏幕7上。所述强度调制器4和空间光调制器6由视频控制单元8所控制以在所述投影屏幕7上产生预期的图像，就如现有技术那样。
在本实施例中，所述投影屏幕7覆盖有发光层9，其可在细节放大图中看到。所述发光层9覆盖了整个投影屏幕。该发光层9包含SrSi6N8O:Eu2+和Er，Yb:NaYF4作为主要成份的混合物，该混合物嵌置在合适的基体材料中。
通过该发光层9，从第一激光二极管1发出的激光在投影屏幕上转换为450-460nm的蓝光(下变频，down-conversion)。另一方面，从第三激光二极管3射出的激光转换为550nm波长的绿光(上变频，up-conversion)。因此，投影屏幕上由三个激光二极管产生的颜色具有630nm(R)、550nm(G)和450-460nm(B)的波长。这就允许RGB投影向观看者提供逼真的彩色图像。
这样的投影系统是基于投影仪的灯泡的很好的可选替换。使用激光二极管作为光源有可能实现非常紧致的排列，其可以低成本实现。由于材料对于蓝光的高效转换和对红色(同样可为绿色)波长的光的高效转换，可以投影出非常明亮的图像。
附图标记列表
1第一激光二极管
2第二激光二极管
3第三激光二极管
4强度调制器
5光束合成器
6空间光调制器
7投影屏幕
8视频控制单元
9发光层

Claims (10)

1.一种激光投影系统，其由至少一个第一激光光源(1)、投影屏幕(7)和空间光调制器(6)组成，用于将所述第一激光光源(1)的激光光束投射到所述投影屏幕(7)上以形成图像，所述投影屏幕(7)包括发光层(9)，发光层(9)受到所述激光光束的激励发出蓝光，其特征在于：
所述发光层(9)包含MSi6-aAlaN8-aOx+a:Eu2+作为发光材料，其中M＝Sr，Ba，Ca；0≤x≤1；0≤a≤1。
2.根据权利要求1所述的激光投影系统，其特征在于：所述第一激光光源(1)是发出紫色光或者紫外波长范围的光的激光二极管。
3.根据权利要求2所述的激光投影系统，其特征在于：所述激光投影系统至少包括一个第二激光光源(2)和一个第三激光光源(3)，所述第一激光光源(1)，第二激光光源(2)和第三激光光源(3)射出不同波长的光。
4.根据权利要求3所述的激光投影系统，其特征在于：所述第二激光光源(2)射出红色波长范围的光。
5.根据权利要求4所述的激光投影系统，其特征在于：所述第三激光光源(3)射出绿色波长范围的光。
6.根据权利要求4所述的激光投影系统，其特征在于：所述发光层(9)还包括适于上变频红外波长范围的光为绿光的发光材料，其中所述第三激光光源(3)，具体地讲是一种激光二极管，它发射出红外波长范围的光。
7.根据权利要求4所述的激光投影系统，其特征在于：所述发光层(9)还包括适于下变频紫色或者紫外波长范围的光为绿光的发光材料，其中所述第三激光光源(3)，具体地讲是一种激光二极管，它发射出紫色或者紫外波长范围的光。
8.根据权利要求3所述的激光投影系统，其特征在于：所述第三激光光源(3)射出绿色波长范围的光。
9.根据权利要求8所述的激光投影系统，其特征在于：所述发光层(9)还包括适于上变频红外波长范围的光为红光的发光材料，其中所述第二激光光源(2)，具体地讲是一种激光二极管，它发射出红外波长范围的光。
10.根据权利要求4所述的激光投影系统，其特征在于：所述第二激光光源(2)是激光二极管。
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