CN102063002A - 用于固体光源投影机的彩色调制盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于固体光源投影机的彩色调制盘，在其中心设有固定孔，且该盘沿其圆周方向划分为兰光区、绿光区和红光区。绿光区自入射面至出射面依次设有透兰红光反绿光滤光片、绿荧光粉层、基板和透绿光反兰红光滤光片；红光区自入射面至出射面依次设有透兰绿光反红光滤光片、红荧光粉层、基板和透红光反兰绿光滤光片；兰光区由基板构成。彩色调制盘的三基色光的色度值在固体光源和绿、红荧光粉层确定以后，通过调节兰光区、绿光区和红光区所张圆周角的大小进行匹配。彩色调制盘可产生兰、绿、红三基色光。在使用时彩色调制盘以一定速度旋转，可观察到无闪烁、运动物体无拖尾的彩色图像，且具有光效高、功耗低、寿命长、安全、轻巧等优点。

Description

用于固体光源投影机的彩色调制盘

技术领域

本发明涉及一种用于固体光源投影机的彩色调制盘，以产生兰(B)、绿(G)、红(R)三基色光。

背景技术

现用数字投影机多采用超高压(UHP)汞灯作为光源，其功耗为100～300瓦，光效为60流明/瓦，因此能产生的亮度大于6000流明，但由于灯泡的最小弧长为1～1.4mm，因此光能利用率仅20％左右，灯泡的平均寿命约3000小时。显然，由于灯泡功耗大、寿命短，因此极大地限制了其进入家庭的应用。

发光二极管(LED)和激光二极管(LD)作为新一代节能环保的固体光源正在迅速推广应用，它们的优点：一是光效高，如LED最新报道的实验室测量结果为208流明/瓦，产业应用已达到160流明/瓦左右，且方向性好；二是功耗低，且使用小于24V的低压电源，十分安全；三是寿命长，使用寿命可达10万小时以上；四是光源体积小，适宜于在数码相机、手机中作为内置式袖珍投影机或与手提电脑、手机等配套作为外置式便携投影机。目前全球主要投影机生产商都在开发用固体光源取代现用的UHP灯，特别是卡西欧、NEC、Sony和三星都已推出投影图像亮度500～2000流明的固体光源数字投影机。随着固体光源亮度的进一步提高，LED和LD光源逐渐取代现用的UHP灯已是不争的事实。另一方面，LED和LD还是发展袖珍投影机和便携投影机的唯一可选用的光源。

在LED和LD作为光源的数字投影机中，由于单个固体光源还存在着亮度不足的问题，因此兰、绿、红三基色固体光源都必须采用多个LED或LD构成三组阵列光源才能满足一定的亮度要求，这样就带来一个固体光源散热困难和投影机体积增大、成本提高的问题，特别是散热问题是迄今使用固体光源碰到的一个难以愈越的技术关键，因此尽量减少使用固体光源的数量，缓解散热的困难，减小投影机的体积和成本，不失为一种明智的选择。本发明提出采用目前技术成熟的发光波长为460～470nm的兰光固体光源作为数字投影机光源，利用一个彩色调制盘来产生兰光、绿光、红光三基色光。当彩色调制盘以一定的速度旋转时，由于人眼的视觉残留效应，就可以观察到一幅无闪烁、运动物体无拖尾的彩色图像。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于固体光源投影机的彩色调制盘，该彩色调制盘可产生兰(B)、绿(G)、红(R)三基色光。

本发明的构思是：由于固体光源LED和LD相对于现用的数字投影机UHP光源具有节能环保、安全、寿命长等优点，但迄今由于单个固体光源还存在着亮度不够高的问题，因此兰、绿、红三组三基色固体光源都必须采用多个LED或LD构成阵列才能满足一定的亮度要求，这样就带来一个固体光源散热困难和投影机体积增大、成本提高的问题，为此，本发明提出采用目前技术最为成熟的发光波长为460～470nm的兰光固体光源阵列作为数字投影机的光源，利用一个彩色调制盘来产生兰光、绿光、红光三基色光。彩色调制盘分为兰光区、绿光区、红光区三部分。在兰光区，固体光源发出的兰光直接穿过彩色调制盘后得到所需的兰光；在绿光区，固体光源发出的兰光激发镀在基板上的绿荧光粉层，绿荧光粉层发出的绿光穿过彩色调制盘后得到所需的绿光；在红光区，固体光源发出的兰光激发镀在基板上的红荧光粉层，红荧光粉层发出的红光穿过彩色调制盘后得到所需的红光。这样就得到了兰(B)、绿(G)、红(R)三基色光。当彩色调制盘旋转时，就可以观察到一幅无闪烁、运动物体无拖尾的彩色图像。

为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：在该用于固体光源投影机的彩色调制盘的中心设有固定孔，以便把彩色调制盘固定在马达的转轴上，且该盘沿其圆周方向划分为兰光区、绿光区和红光区，所述绿光区自入射面至出射面依次设有透兰红光反绿光滤光片、绿荧光粉层、基板和透绿光反兰红光滤光片，所述红光区自入射面至出射面依次设有透兰绿光反红光滤光片、红荧光粉层、基板和透红光反兰绿光滤光片，所述兰光区由基板构成。

进一步地，本发明所述绿荧光粉层的成分为Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺；所述红荧光粉层的成分为0.35Ba²⁺共掺Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)现有技术的LED和LD固体光源投影机中，由于单个固体光源还存在着亮度严重不足的问题，因此兰、绿、红三基色固体光源都必须采用多个LED或LD构成三组阵列光源才能满足一定的亮度要求，这样就带来一个固体光源散热困难和体积增大、成本提高的问题；本发明仅采用目前技术成熟的发光波长为460～470nm的兰光固体光源作为数字投影机光源，利用一个彩色调制盘来产生兰光、绿光、红光三基色光，较好地解决了散热困难和体积增大、成本提高的问题。

(2)现有技术采用UHP光源作为数字投影机光源，不仅功耗大、寿命短，而且体积大、安全性差；而本发明由于彩色调制盘可产生兰光、绿光、红光三基色光，因此只需用节能环保的兰光LED或LD固体光源，使之取代现有技术使用的UHP光源成为现实，不仅如此，LED和LD还是发展袖珍投影机和便携投影机唯一可选用的小型光源。

(3)现有技术的LD固体光源投影机中，由于兰、绿、红三组LD的激光相干性都很好，彩色图像会产生耀眼的散斑，为此需要采取毛玻璃转轮等技术来减轻或消除，因而一部分光能量被损失；本发明由于人眼敏感的绿、红光都用兰光LED或LD激发荧光粉层来产生，所以观察不到散斑。

(4)现有技术的LED和LD固体光源投影机中，根据视觉函数，绿光固体光源的亮度要求远比兰光、红光高，但目前绿光固体光源的亮度却比较低；而本发明通过采用绿光荧光粉层获得较高亮度，无需使用绿光固体光源。

(5)本发明提出的绿荧光粉层(即Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺)和红荧光粉层(0.35Ba²⁺共掺Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺)分别具有很好的绿光和红光增强效果。

附图说明

图1是本发明的彩色调制盘用于固体光源投影机的示意图；

图2是本发明的彩色调制盘的结构示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是本发明的一种实施方式中绿荧光粉层和红荧光粉层的发射光谱示意图。

具体实施方式

作为本发明的具体实施例子，即固体光源投影机的示意图如图1所示。图1中，固体光源1(LED或LD)作为投影机的照明光源，它的发射光波长为460-470nm的兰光；本发明的彩色调制盘2用来产生兰(B)、绿(G)、红(R)三基色光，其中兰光直接由固体光源1发出的波长为460-470nm的兰光得到，绿光由固体光源1发出的波长为460-470nm的兰光激发绿荧光粉层得到，红光由固体光源1发出的波长为460-470nm的兰光激发红荧光粉层得到；当彩色调制盘2以每秒120转的速度旋转时，兰(B)、绿(G)、红(R)三基色光依次通过光学系统3被准直入射在数字微镜器件4(Digital Micro-mirror Device(简称DMD))上；兰(B)、绿(G)、红(R)三基色光经过数字微镜器件4调制后产生兰(B)、绿(G)、红(R)图像信息，并由数字微镜器件4反射后投射到投影物镜5；最后，投影物镜5将彩色图像放大投射到屏幕6上。

图2是本发明的彩色调制盘的结构示意图。彩色调制盘2包括兰光区21、绿光区22、红光区23和固定孔24。固定孔24设于彩色调制盘2的中心，兰光区21、绿光区22、红光区23沿彩色调制盘2的圆周方向分布。

图3是图2的A-A剖视图。如图3所示，兰光区21为单层结构，由基板25构成；绿光区22和红光区23均为多层结构，各层之间镀制而成。其中，绿光区22自入射面至出射面依次设有透兰红光反绿光滤光片27、绿荧光粉层26、基板25和透绿光反兰红光滤光片28，红光区23自入射面至出射面依次设有透兰绿光反红光滤光片27’、红荧光粉层26’、基板25和透红光反兰绿光滤光片28’，兰光区21为彩色调制盘2的基板25本身，基板25的材料通常可选用玻璃或塑料。兰光区21直接透射兰光固体光源1发出的波长为460～470nm的兰光。绿光区22由基板25上的绿荧光粉层26、透兰红光反绿光滤光片27和透绿光反兰红光滤光片28组成；在绿光区22中，固体光源1发出的波长为460～470nm的兰光穿过透兰红光反绿光滤光片27后入射到绿荧光粉层26，绿荧光粉层26被固体光源1发出的兰光激发后产生以绿为主的荧光；绿荧光粉层26产生的以绿为主的荧光中，其中前向辐射荧光29直接穿过基板25后，入射到透绿光反兰红光滤光片28，该滤光片借助于反射阻拦兰红光，而所需的绿光透过该滤光片，于是得到来自绿荧光粉层26前向辐射荧光29中的一部分绿光；而后向辐射荧光30中的兰红光透过透兰红光反绿光滤光片27，被该滤光片反射的绿光穿过绿荧光粉层26后，再穿过基板25和透绿光反兰红光滤光片28，于是得到来自绿荧光粉层26后向辐射荧光30中的另一部分绿光；来自绿荧光粉层26前向辐射荧光29中的一部分绿光和来自绿荧光粉层26后向辐射荧光30中的另一部分绿光合成总的绿光。红光区23由基板25上的红荧光粉层26’、透兰绿光反红光滤光片27’和透红光反兰绿光滤光片28’组成；在红光区23中，固体光源1发出的波长为460～470nm的兰光穿过透兰绿光反红光滤光片27’后入射到红荧光粉层26’，红荧光粉层26’被固体光源1发出的兰光激发后产生以红为主的荧光；红荧光粉层26’产生的以红为主的荧光中，其中前向辐射荧光29’直接穿过基板25后，入射到透红光反兰绿光滤光片28’，该滤光片借助于反射阻拦兰绿光，而所需的红光透过该滤光片，于是得到来自红荧光粉层26’前向辐射荧光29’中的一部分红光；而后向辐射荧光30’中的兰绿光透过透兰绿光反红光滤光片27’，被该滤光片反射的红光穿过红荧光粉层26’后，再穿过基板25和透红光反兰绿光滤光片28’，于是得到来自红荧光粉层26’后向辐射荧光30’中的另一部分红光；来自红荧光粉层26’前向辐射荧光29’中的一部分红光和来自红荧光粉层26’后向辐射荧光30’中的另一部分红光合成总的红光。这样就得到了彩色图像合成所需的兰(B)、绿(G)、红(R)三基色光。彩色调制盘的三基色光的色度值在固体光源1和绿荧光粉层26、红荧光粉层26’确定以后，通过调节兰光区21、绿光区22、红光区23所张圆周角的大小进行匹配。为使彩色调制盘2满足彩色的色度要求，使兰光区21、绿光区22、红光区23合成白光，在一般情况下，兰光区21、绿光区22、红光区23的圆周角不同，通常绿光区22所张的圆周角最大，兰光区21所张的圆周角最小。兰光区21、绿光区22、红光区23的圆周角设定取决于固体光源1的亮度以及绿荧光粉层26和红荧光粉层26’的发射强度，本领域的技术人员可按照实际情况进行相应配置。当本发明的彩色调制盘通过固定孔24固定于马达的转动轴(图中未示出)上时，可使彩色调制盘2在马达的驱动下以一定速度(通常为每秒120转)旋转时，就可以观察到一幅无闪烁、运动物体无拖尾的彩色图像。

图4是本发明的一种优选实施方式中绿荧光粉层和红荧光粉层的发射光谱示意图。钇铝石榴石Y₃Al₅O₁₂(简称YAG)是目前常用的一种荧光粉，因Y₃Al₅O₁₂(YAG)具有石榴石结构，故称之为钇铝石榴石荧光粉，它的发射光谱峰值波长为545nm左右，半宽度约110nm，这种荧光粉由于发射黄色荧光，而投影显示所需的绿光和红光却很弱，如图4发射光谱曲线7所示。本发明的彩色调制盘首次提出采用绿荧光粉层(Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺和红荧光粉层(0.35Ba²⁺共掺Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺)，可与目前亮度最高的波长为460～470nm的兰光固体光源LED或LD相匹配，发射较强的绿光和红光，具体效果如图4所示：在波长为460～470nm的兰光固体光源LED或LD激发下，绿荧光粉Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺的发射光谱峰值波长为530nm左右，半宽度约60nm，这种荧光粉由于发射光谱峰值波长从YAG的545nm左右短移至530nm，而且半宽度从110nm减小至60nm，所以其发射荧光以绿光为主，如图4发射光谱曲线8所示。红荧光粉0.35Ba²⁺共掺Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺的发射光谱峰值波长为590nm左右，半宽度约160nm，这种荧光粉由于发射光谱峰值波长从YAG的545nm左右长移至590nm，而且半宽度从110nm增加至160nm，所以其发射荧光以红光为主，如图4发射光谱曲线9所示。

采用本发明的彩色调制盘来产生兰(B)、绿(G)、红(R)三基色光具有以下优点：

(1)相比现有技术的LED和LD固体光源投影机，由于单个固体光源还存在着亮度严重不足的问题，因此兰、绿、红三基色固体光源都必须采用多个LED或LD构成三组阵列光源才能满足一定的亮度要求，这样就带来一个固体光源散热困难和体积增大、成本提高的问题，特别是大功率固体光源的散热至今还没有得到很好的解决，当散热不良时，随着固体光源温度升高，固体光源的发光光谱会随温度漂移，导致色度变化和显色不自然，同时还会导致固体光源发光亮度降低，使用寿命缩短；本发明仅采用目前技术成熟的发光波长为460～470nm的兰光固体光源作为数字投影机光源，利用一个彩色调制盘来产生兰光、绿光、红光三基色光，较好地解决了散热困难和体积增大、成本提高的问题，而且使用时不会产生色度变化，发光光强稳定，色彩自然。

(2)相比现有技术采用UHP光源作为数字投影机光源，不仅功耗大、寿命短，而且体积大、安全性差；而本发明由于彩色调制盘可产生兰光、绿光、红光三基色光，因此只需用节能环保的兰光LED和LD固体光源，避免了使用UHP光源，因而为发展袖珍投影机和便携式投影机提供了一种很好的选择。

(3)现有技术的LD固体光源投影机中，由于兰、绿、红三组LD的激光相干性都很好，彩色图像会产生耀眼的散斑，为此需要采取毛玻璃转轮等技术来减轻或消除，因而一部分光能量被损失掉；本发明由于绿、红光都用兰光LED或LD激发荧光粉层来产生，而兰光对人眼的刺激不大，人眼最敏感的绿光和红光由发射光谱带宽很宽的荧光粉产生，光的相干性差，所以观察不到散斑。

(4)现有技术的LED和LD固体光源投影机中，根据视觉函数，绿光固体光源的亮度要求远比兰光、红光高，但目前实际情况恰好相反，绿光固体光源的亮度比较低；本发明选用绿荧光粉层(即Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺)，直接回避了采用绿光固体光源时亮度偏低的问题，且具有很好的绿光增强效果。

Claims (2)

1.一种用于固体光源投影机的彩色调制盘，其特征在于：在其中心设有固定孔(24)，且该盘沿其圆周方向划分为兰光区(21)、绿光区(22)和红光区(23)。所述绿光区(22)自入射面至出射面依次设有透兰红光反绿光滤光片(27)、绿荧光粉层(26)、基板(25)和透绿光反兰红光滤光片(28)，所述红光区(23)自入射面至出射面依次设有透兰绿光反红光滤光片(27’)、红荧光粉层(26’)、基板(25)和透红光反兰绿光滤光片(28’)，所述兰光区(21)由基板(25)构成。

2.根据权利要求1所述的用于固体光源投影机的彩色调制盘，其特征在于：所述绿荧光粉层(26)的成分为Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺；所述红荧光粉层(26’)的成分为0.35Ba²⁺共掺Sr₃SiO₅:0.018Ce³⁺，0.018Li⁺。

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