CN102720986B - 发光装置及其投影系统与舞台灯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光装置及其投影系统与舞台灯系统，该发光装置包括：激发光源，用于产生激发光；波长转换装置，包括将激发光至少部分转换为受激光的波长转换层；分光装置，包括至少两个区段，将波长转换装置的出射光至少出射两种颜色光；第一驱动装置，用于驱动波长转换装置，使得激发光入射在波长转换层上的光斑沿预定轨迹作用于波长转换层；第二驱动装置，用于驱动分光装置，使得分光装置的不同区段周期性地位于波长转换装置的出射光的光路上，且波长转换装置的运动速度为所述分光装置的运动速度的n倍，n≥1.1或者n＝1/m且m满足：其中m＞1，L为满足1≤L≤4的整数。本发明实施例中发光装置能够使得分光装置出射光的亮度或颜色变化不被人眼所感知。

Description

发光装置及其投影系统与舞台灯系统

技术领域

本发明涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种发光装置及其投影系统与舞台灯系统。

背景技术

UHP(Ultra High Power，超高功率)光源是飞利浦照明在20世纪90年代初开发出的一种高性能光源，UHP光源的推出为投影光源带来了革命性的突破。UHP光源现广泛应用于前投影机、背投电视、电视墙等各个领域。

但是UHP光源受其发光机制的限制，其亮度不能够做到很高，因此不能满足一些对亮度要求很高的场合，例如商用投影机，舞台灯系统等，另外UHP光源还具有价格高，含有高污染的汞，不能实现瞬间启动与关闭等缺点，所以随着对投影光源等光源系统的要求越来越高，人们越来越需要一种新的高性能光源来替代UHP光源。

利用激发光来激发荧光粉产生的高亮度光源是目前一种比较有潜力替代UHP光源的技术。如图1a所示的结构为其中一种常见的此类光源结构，包括激发光源180，荧光色轮130，第一驱动装置120，分光色轮150，第二驱动装置170。图1b为荧光色轮130的正视图，设置有荧光粉层131，例如由黄色荧光粉构成。图1c为分光色轮150的正视图，包括红光滤光区、黄色滤光区以及蓝色滤光区3个区段。如图1a所示，在激发光源180产生的激发光110入射到荧光色轮130产生受激光后，该受激光或者受激光与激发光的混合光140入射到分光色轮150，经分光后产生一组序列光160。在实际应用中，激发光110多为蓝色激发光，其激发黄色荧光粉后产生的黄色光与未激发的蓝色光混合成白光出射，经分光色轮过滤产生红绿蓝三者颜色的序列光，可以作为投影光源或者舞台灯光源等应用。

现有的光源系统中，为了便于控制、简化装置，荧光色轮和分光色轮基本上都是将第一驱动装置和第二驱动装置设置为同步转动。但是由于驱动控制本身存在偏差，同时驱动装置的转动角速度并不能保持绝对的稳定，因此第一驱动装置的转动周期和第二驱动装置之间的转动周期并不能完全同步，而是往往存在着浮动的微小差异。而另一方面，目前的荧光粉层的成型技术还不完善，成型后的荧光粉层往往会出现厚度不均匀、浓度不均匀或者表面有凸凹等问题，使得荧光粉层的不同位置的受激发光的强度有所不同。因此，在荧光色轮的转动周期和分光色轮转动周期存在微小差异的情况下，荧光粉色轮的转动和分光色轮的转动会产生一个拍频现象，并且该拍频现象的频率很低，使得分光装置的出射光的亮度变化频率相对较低，从而人眼很容易察觉到出射光的闪烁现象。

例如当第一驱动装置的转动周期和第二驱动装置之间的转动周期严格同步时，对于分光色轮上的特定的段，在荧光色轮上有与该段角度相同的一段与之相对应，而且这种对应关系是恒定不变的。当第一驱动装置的转动周期和第二驱动装置之间的转动周期存在微小偏差，例如相差1％时，则对于分光色轮上的特定的段，其在荧光色轮上对应的段的位置不是固定的，而是分光色轮每转动一周则该在荧光色轮上对应的段在圆周方向上会多移动360度×1％＝3.6度。由于荧光粉层不同位置的发光亮度有所差别，因此在分光色轮转动一周前后，该分光色轮上特定的段发出的光的亮度也会变化。这种变化的频率在最慢的情况下大约为第一驱动装置的转动频率和第二驱动装置之间的转动频率的差乘以两者的转动频率，例如在投影显示中最常用的分光色轮转动频率为120Hz，因此在本例子中该分光色轮上特定的段的亮度变化的频率为1.2Hz。这大大低于人眼的响应频率，因此会形成闪烁现象。当然，如果荧光色轮上的不均匀性存在一定规律，例如沿着圆周方向也呈现多个大致周期性的变化，例如3个大致周期性的变化，此时亮度闪烁的频率为1.2Hz × 3＝3.6Hz，依然大大低于人眼的响应频率。

可以理解，对于分光色轮上不同的颜色段，上述的亮度闪烁都是存在的，且其闪烁情况并不相同，这在人眼看来会发生颜色的闪烁。人眼对于颜色变化比亮度变化要敏感得多，长期观看这样的闪烁会对人眼造成伤害。

因此，需要一种发光装置，能够使得分光装置出射光的亮度和颜色闪烁不被人眼所感知。

发明内容

本发明解决的主要技术问题是提供能够使得分光装置出射光的亮度和颜色闪烁不被人眼所感知的发光装置及其投影系统与舞台灯系统。

本发明提供一种发光装置，包括：

激发光源，用于产生激发光；

波长转换装置，包括波长转换层，该波长转换层用于接收激发光并将该激发光至少部分转换为受激光；

分光装置，包括至少两个区段，用于将波长转换装置的出射光出射为至少两种不同颜色光；

第一驱动装置，用于驱动波长转换装置，使得波长转换装置周期性运动；

第二驱动装置，用于驱动分光装置，使得分光装置的不同区段周期性地位于波长转换装置的出射光的光路上，

且波长转换装置在第一驱动装置驱动下的运动速度为分光装置在第二驱动装置驱动下的运动速度的n倍，n≥1.1或者n＝1/m且m满足：其中m＞1，L为满足1≤L≤4的整数。

本发明实施例还提供一种投影系统和舞台灯系统，包括上述发光装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明实施例中的发光装置中，波长转换装置和分光装置分别在第一驱动装置和第二驱动装置驱动下运动，当波长转换装置的运动速度与分光装置的运动速度的比值变大，对于分光装置上特定的分光段，其对应的波长转换装置上的波长转换段会变大，从而该波长转换段内的不均匀会被平均化，从而由该波长转换段的位置变化造成的亮度变化的幅度会缩小，经实验验证当波长转换装置的运动速度为分光装置的运动速度1.9倍以上时，分光装置出射光的闪烁现象得到明显改善。当波长转换装置的运动速度为分光装置的运动速度1.1-1.9倍时，波长转换装置的运动和分光装置的运动产生的拍频现象的频率为分光装置运动频率的0.1倍至0.5倍，再加上波长转换装置本身的不均匀性存在一定的规律，所以分光装置的出射光的闪烁现象也会有较大改善。当波长转换装置的运动速度为分光装置的运动速度的n倍，n＝1/m且m满足：

$\frac{L+1}{1.1}\≥m\≥\frac{L}{0.9},$

其中m＞1，L为满足1≤L≤4的整数时，此条件下的拍频的频率满足为分光装置运动频率的0.1倍至0.5倍，依然能够改善分光装置出射光的闪烁现象。相对于现有技术，本发明实例中的发光装置具有能够使得分光色轮的出射光的亮度和颜色变化不易被人眼所感知的优点。

附图说明

图1a是现有技术的一种发光装置的结构示意图；

图1b是图1a中的发光装置的荧光色轮的正视图；

图1c是图1a中的发光装置的分光色轮的正视图；

图2a是本发明实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图；

图2b是图2a中的发光装置的波长转换装置的正视图；

图2c是图2a中的发光装置的分光装置的正视图。

图3是黄色荧光粉、绿光荧光粉、红色荧光粉与蓝光LED的归一化光谱。

图4a是本发明实施例中发光装置的另一个实施例的结构示意图；

图4b是图4a中的发光装置的波长转换装置的正视图；

图4c是图4a中的发光装置的分光装置的正视图。

图5为图4a中的发光装置中出射光序列周期对应分光装置出射的光序列周期的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对发明实施例进行详细说明。

实施例一

图2a所示的发光装置的结构图为本发明的第一个实施例。发光装置200包括激发光源280，波长转换装置230、第一驱动装置220、分光装置250、第二驱动装置270。图2b为图2a波长转换装置230的正视图，该波长转换装置为碟形装置，并且在第一驱动装置220的驱动下转动。图2c为图2a中分光装置250的正视图，该分光装置也是碟形装置，并且在第二驱动装置270的驱动下转动。

本实施例中，激发光源280产生的激发光210入射到波长转换装置230并被至少部分的被转换成受激光，例如激发光为蓝光，激发黄色荧光粉产生黄光，并且黄光与未被吸收的蓝光混合产生白光。受激光或者受激光与未被激发的激发光的混合光240又入射到分光装置250，经分光装置250后出射输出光260。本实施例中的激发光源可以是激光或者LED(1ight emitting diode，发光二极管)。

在本发明中，发明人基于理论推导和实验结果提出，只要波长转换装置的运动速度大于等于分光装置的运动速度的1.1倍，就可以消除闪烁现象。下面予以详细说明。

由背景技术中的介绍可知，闪烁现象根源于两个原因：第一是波长转换装置的不均匀，使得与分光装置上特定的分光段所对应的波长转换段的发光亮度随着位置的变化而变化；第二是波长转换装置与分光装置之间存在拍频，使得上述的亮度的变化频率远远的低于分光装置的转动频率，从而被人眼所感知。

从上述两方面入手可以解决该闪烁问题。对于第一个根源，只要波长转换装置的运动速度提高，则对于分光装置上特定的分光段，其对应的波长转换装置上的波长转换段会变大，从而该波长转换段内的不均匀会被平均化，从而由该波长转换段的位置变化造成的亮度变化的幅度会缩小。实验证明，当波长转换装置的运动速度是分光装置的运动速度的2倍时，其闪烁的幅度得到了明显的改善，当波长转换装置的运动速度是分光装置的运动速度的3倍时，闪烁现象基本消失，当波长转换装置的运动速度是分光装置的运动速度的4倍时。闪烁现象完全消失。

对于第二个根源来说，只要提高波长转换装置与分光装置之间存在的拍频的频率，使其高于人眼响应的频率，就可以使其不被人眼察觉。如果波长转换装置与分光装置的运动频率相等或互为整数倍，则由于第一和/或第二驱动装置的速度的不稳定使两者之间出现低频率的拍频，因此，只要人为的使两者之间的转动速度相差一个特定比例，就可以显著的提高该拍频的频率。例如，当波长转换装置的运动速度为分光装置的运动速度的1.1倍时，即波长转换装置的运动速度比分光装置的运动速度高10％时，拍频频率为120Hz×10％＝12Hz，此时闪烁的频率大大提高，虽然仍然低于人眼的响应频率，但是由于波长转换装置上不均匀的周期性等因素的存在，实际在实验中发现其闪烁现象得到了明显的抑制。又例如，当波长转换装置的运动速度为分光装置的运动速度的1.5倍时，容易算出拍频频率为120Hz×50％＝60Hz，该频率超出人眼的响应频率，闪烁现象消失。而当波长转换装置的运动速度与分光装置的运动速度的比值高于1.5时，由于该比值靠近2倍(整数倍)，拍频频率开始下降；可以理解，当波长转换装置的运动速度为分光装置的运动速度的1.9倍时，其拍频频率与该比值等于1.1时相同，其效果也接近。从这里容易看出，当拍频的频率与分光装置的运动频率的比值的小数部分为0.1至0.9时，拍频的频率为分光装置的运动频率的10％以上，此时闪烁现象的得到明显改善。这种方法对于驱动装置速度的不稳定是不敏感的，因为这种不稳定造成的频率偏差由于远远小于人为造成的频率偏差而被后者淹没。

实验证明，当波长转换装置的运动速度与分光装置的运动速度的比值大于1.9且小于2时，由于闪烁幅度变小和频率提高，闪烁现象也得到了显著的改善。

综上所述，只要波长转换装置的运动速度大于等于分光装置的运动速度的1.1倍，就可以基本消除闪烁现象。另一方面，从上面的描述中可以理解，如果波长转换装置的运动速度低于分光装置的运动速度，虽然闪烁的幅度增大了，也可能由于拍频频率的增大而使人眼无法响应进而消除闪烁。下面进行具体说明。

设波长转换装置的运动速度设置为分光装置的运动速度的n倍，n＜1，n＝1/m，可以理解，当m为整数时会出现低频的拍频而闪烁。若此时的分光装置的运动频率为f，则波长转换装置的运动频率为f/m，拍频的频率F可以表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}F=\frac{m-\left[m\right]}{m}\&CenterDot;f& (m-[m]<0.5)\\ F=\frac{1-(m-[m\left]\right)}{m}\&CenterDot;f& (m-[m]\&GreaterEqual;0.5)\end{array}\right.$

其中[m]为m的整数部分。

从前面的分析和实验可知，对于人为设置的频率偏差，拍频的频率F与分光装置的运动频率f的比值大于等于0.1时，闪烁现象得到抑制，即：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{m-\left[m\right]}{m}\&GreaterEqual;0.1& (m-[m]<0.5)\\ \frac{1-(m-[m\left]\right)}{m}\&GreaterEqual;0.1& (m-[m]\&GreaterEqual;0.5)\end{array}\right.$

其中[m]为m的整数部分，这里引入L，L为大于等于零的整数，则上述公式可以推导出m应该满足：

$\frac{L+1}{1.1}\&GreaterEqual;m\&GreaterEqual;\frac{L}{0.9}$

其中m＞1，为使上述公式成立，L必须满足1≤L≤4的整数。

具体地，在本实施例中，激发光为蓝色激发光；波长转换装置230包括波长转换层231，并且该波长转换层包括黄色波长转换材料，受到蓝色激发光的激发产生黄色光。波长转换装置230出射由黄色光与未被吸收的蓝色激发光混合形成的白光。如图2c所示，分光装置由三个区段组成，包括红色滤光区、绿色滤光区和蓝色滤光区。如图3所示，从波长转换层出射的白光中含有黄光部分，且黄光与红光和绿光的归一化光谱有交叠的部分，所以可以利用滤光片对黄光进行过滤掉不需要的波长部分得到所需的波长的光，因此波长转换层的出射光可以经过分光装置的过滤后形成红绿蓝三色的序列光，可以作为投影机或者舞台灯系统的光源。

容易理解的是，波长转换层231的波长转换材料不仅限于黄色波长转换材料，也可以是其它种类的波长转换材料，另一方面，波长转换层231的波长转换材料也不仅限于一种波长转换材料，也可以是两种以上波长转换材料的混合物或者波长转换层231具有两个以上的区段，并且各个区段设置有不同的波长转换材料。相应的，分光装置也不仅限于由三个不同颜色区段构成，它可以是任意两种以上的滤光片组成。

本实施例中的第一驱动装置220和第二驱动装置270具体为马达，可以分别驱动波长转换装置230和分光装置250转动。但是，第一驱动装置220和第二驱动装置270并不仅限于马达，还是可以是其它驱动装置。另一方面，第一驱动装置220和第二驱动装置270也可以是分别驱动波长转换装置230和分光装置250以其他方式运动，例如波长转换装置230和分光装置250分别在第一驱动装置240和第二驱动装置270驱动下线性往复移动，这是公知技术，此处不作赘述。

本实施例中，发光装置200还包括光调整装置290，光调整装置290具体为锥形光棒，该锥形光棒收集波长转换装置的出射光，调整后入射至分光装置250，以减小出射光的发散角度，使得部分原来会被反射的大角度的出射光从分光装置透射，以减小因分光装置250的滤光片的漂移特性引起的光损失。在其它实施例中，光调整装置290也可以为CPC(Compound Parabolic Concentrator，复合抛物面收集器)或其它形式的积分棒，还可以为透镜等其它形式的能够减小光束发散角度的光学器件。

本实施例中的波长转换装置230还可以包括基板232，用于承载波长转换层231。波长转换层231与基板232的固定方式有很多种，如粘结固定。然而在波长转换层的刚性足够强的情况下，例如波长转换层231是通过将荧光粉掺杂在透明玻璃中形成的，基板232是可以省略的。

实施例二

图4a所示的发光装置的结构图为本发明的第二个实施例。本实施例中的发光装置400包括激发光源410，波长转换装置430，第一驱动转换装置460，分光装置480，第二驱动装置490，光收集装置420，第一光调整装置450以及第二光调整装置470。

本实施例中的波长转换装置430为反射型波长转换装置，该波长转换装置430包括波长转换层431并且具有一个反射层，该反射层设置于波长转换层431的背向激发光入射方向的一面，用于将入射到该反射层的激发光与被激发光反射往入射面方向。

本实施例中，波长转换装置的运动速度可以设置为分光装置的运动速度的1.1倍以上，也可以设置为分光装置的n倍，n＝1/m且m满足：其中m＞1，L为满足1≤L≤4的整数。

具体地，本实施例中的光收集装置420为包括透光孔与透光孔外部的反射面的弧面反射装置，激发光经过透光孔入射至波长转换层上，波长转换层的出射光的大部分被弧面反射装置的反射面反射并被第一光调整装置450收集，小部分从透光孔泄漏。优选地，弧面反射装置420呈半椭球形或半椭球形的一部分，且波长转换层被设置于该椭球的一个焦点，从而波长转换层出射的大部分光经弧面反射装置的反射面反射至该椭球的另一焦点；或者，弧面反射装置420呈半球形或半球形的一部分，且波长转换层被设置于靠近该球形球心的一点，从而波长转换层出射的大部分光经弧面反射装置的反射面反射至与该点关于球心对称的另一点，以便于进行光收集。另外，光收集装置并不仅限于本实施例中的带透光孔的弧面反射装置，在其它实施例中也可以是透镜或者不带孔的弧面反射装置等装置。

另外，本实施例中还包括第一光调整装置450和第二光调整装置470，波长转换装置430的出射光440经光收集装置420收集后先后入射到第一光调整装置450和第二光调整装置470，并且经第一光调整装置450和第二光调整装置470调整后入射至分光装置480。而出射光440经过第一光调整装置450和第二光调整装置470后，其发散角度变小，使得部分原来会被反射的大角度的出射光从分光装置透射，减小了因分光装置480的滤光片的漂移特性引起的光损失。本实施例中的第一光调整装置440为入光口小于出光口的锥形积分棒，第二光调整装置470为透镜对；在其它实施例中，第一光调整装置440和第二光调整装置470也可以为CPC或其它形式的积分棒，还可以为透镜等其它形式的能够减小光束发散角度的光学器件。另外其它实施例也可以单独使用第一光调整装置440或者第二光调整装置470来达到减小光线发散角度的目的。

如图4b所示，本实施例中的波长转换装置430包括波长转换层431，该波长转换层431包括两个不同区段，每个区段包含不同的波长转换材料，例如黄色波长转换材料和绿色波长转换材料。对应地，如图4c，分光装置480设置有两个区段，例如红色滤光区和绿色滤光区。当波长转换装置的转速为波长转换装置的转速1.9倍以上时，例如比值为4，此时波长转换装置的出射的光序列周期对应分光装置的出射的光序列周期的示意图如图5所示，波长转换装置转动第一周期的黄光区段对应分光装置的转动第一周期的红色滤光区，而波长转换装置转动的第一周期的绿色区段和第二到第四周期的全部区段对应着分光装置的第一周期的绿色滤光区。对于两个区段的波长转换装置，其出射光同样存在亮度的周期性变化，但是当设置本实施例中的波长转换装置转速为分光装置的转速1.9倍以上时，该出射光的亮度周期性变化就不易被察觉。另外在本实例中，利用激发波长转换装置的绿色荧光粉段效率要高于使用黄色荧光粉再进行二次过滤产生绿光的效率，其适用于一些对绿光亮度要求比较高的场合。容易想到的是，在其它实施例中，如果波长转换装置的运动速度为分光装置的运动速度的1.9倍以上，那么分光装置不仅可以是由两个以上区段组成，也可以是只有一个区段，此时波长转换装置的出射光的亮度周期性变化同样不易被人眼所察觉。

本发明实施例还提供一种投影系统，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。上述投影系统可以应用于投影机，LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)显示等。

本发明实施例还提供一种舞台灯系统，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种发光装置，包括

激发光源，用于产生激发光；

波长转换装置，包括波长转换层，该波长转换层用于接收所述激发光并将该激发光至少部分转换为受激光；

分光装置，包括至少两个区段，分别用于将所述波长转换装置的出射光出射为至少两种不同颜色光；

第一驱动装置，用于驱动所述波长转换装置，使得所述激发光入射在所述波长转换层上的光斑沿预定轨迹作用于所述波长转换层；

第二驱动装置，用于驱动所述分光装置，使得所述分光装置的不同区段周期性地位于所述波长转换装置的出射光的光路上，

其特征在于：

所述波长转换装置在所述第一驱动装置驱动下的运动速度为所述分光装置在所述第二驱动装置驱动下的运动速度的n倍，n≧1.1或者n=1/m且m满足：

其中m>1，L为满足1≤L≤4的整数。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述波长转换装置的运动速度为所述分光装置的运动速度的1.9倍以上。

3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于：所述波长转换装置的运动速度为所述分光装置的运动速度的4倍以上。

4.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述波长转换装置的运动速度为所述分光装置的运动速度的1.1-1.9倍。

5.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于：所述波长转换层包括黄色荧光粉，所述激发光源为蓝色光源。

6.根据权利要求5所述的发光装置，其特征在于：所述分光装置包括三个区段，该三个区段分别为红色滤光区、绿色滤光区和蓝色滤光区。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的发光装置，其特征在于：所述发光装置还包括一光收集装置，该光收集装置为弧形反射罩，该弧形反射罩收集所述波长转换装置的出射光并反射至一点后出射。

8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于：所述弧形反射装置设置有一透光孔，所述激发光通过该透光孔入射到所述波长转换装置。

9.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项所述的发光装置。

10.一种舞台灯系统，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项所述的发光装置。