CN103869590A - 用于光束投影仪的照明光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于光束投影仪的照明光学系统，所述照明光学系统包括：光源；颜色转换单元，具有至少一个荧光物质层，所述荧光物质层用于反射来自所述光源的光或转换从所述光源发射的光的波长以形成波长被转换的光；二向色镜，使从所述光源发射的光入射到所述颜色转换单元上。由颜色转换单元反射或发射的具有不同的波长的光通过相同的路径入射到显示面板上。在所述照明光学系统中，从一个光源发出的光可被处理以产生红光、绿光和蓝光，所述红光、绿光和蓝光能够通过与由所述颜色转换单元反射或发射的光相同的光路依次入射到显示面板上。

Description

用于光束投影仪的照明光学系统
技术领域
本发明总体上涉及一种光学设备，更具体地说，涉及一种用于光束投影仪的光学系统，所述光学系统对从显示面板输出的图像进行放大，并将已放大的图像投射到屏幕上。
背景技术
光束投影仪是利用光学系统和显示面板来实现放大图像的光学仪器。图像的大小可以根据光束投影仪与屏幕之间的距离被调节。如果能确保光束投影仪与屏幕之间有足够距离，则易于实现具有高清晰度的大的图像，而与显示装置的大小无关。
光束投影仪结构中的光学系统可以分为照明光学系统和透射光学系统。所述照明光学系统表示由布置在从光源到显示面板的光路上的光学元件形成的光学系统，所述透射光学系统表示由布置在从显示面板到被构造为投射图像的投影透镜的光路上的光学组件形成的光学系统。在操作中，所述光源产生的光行进穿过照明光学系统，以入射到显示面板上，在显示面板上实现的图像行进穿过透射光学系统，并穿过透射透镜而最后投射到光束投影仪的外部。
通常，投影光学系统对在显示面板上实现的图像进行放大，并将图像投射到屏幕上。图像的清晰度可通过聚焦而被选择性地调整。照明光学系统使红光、绿光和蓝光分别入射到显示面板上。使用发光二极管以提供构成照明光学系统的光源，从而显著地提高光束投影仪的颜色再现。此外，使用激光二极管作为光源的产品已经被提出。第8167440美国专利(于2012年5月1日登记)公开了一种结构，在该结构中，将发光二极管和激光二极管组合起来作为照明光学系统的光源。在所述美国专利中公开的照明光学系统使用发射蓝色激光的激光二极管与发射红光的发光二极管的组合作为光源，并且红光、绿光和蓝光分别沿不同的路径行进，以到达显示面板。
最近，已经做出了使这样的光束投影仪小型化的技术开发，以将光束投影仪配备在便携式终端(诸如移动通信终端、便携式计算机、多媒体播放器以及紧凑型数码相机)中。通过这样的实现方式，可投射存储在配备有光束投影仪的便携式终端中的数据或运动图像。
为了构造小型化的光束投影仪，必须将显示面板和光学系统小型化。诸如DMD(数字微镜器件)和LCoS(硅基液晶)的紧凑型平板装置已经被开发作为显示面板，并应用于光束投影仪。然而，如上所述，尽管通过使用多个发光二极管和/或激光二极管来在颜色再现方面改善照明光学系统，但是根据将入射到显示面板上的光的颜色，光在照明光学系统中沿不同的路径行进，这需要诸如透镜和反射镜的多个光学组件。当在便携式终端中实现将多个光源以及所述透镜和反射镜布置在不同的光路上时，难以实现小型化。
发明内容
因此，本发明的一方面提供一种光束投影仪的照明光学系统，即使光具有不同的颜色，所述照明光学系统也能够使所述光的光路彼此一致。
本发明的另一方面是提供一种光束投影仪的照明光学系统，所述照明光学系统用于使光的光路彼此一致，以共用光学组件，从而利于小型化。
本发明的另一方面是提供一种照明光学系统和一种使用所述照明光学系统的光束投影仪，在所述照明光学系统中，在不用发光二极管作为光源的情况下，仅使用激光二极管便可实现红、绿、黄和蓝的颜色，使得这样的照明光学系统的结构可被简化，从而简化了其结构，降低了制造成本，并且使照明光学系统小型化。
本发明的又一方面是提供一种照明光学系统和一种包括所述照明光学系统的光束投影仪，在所述照明光学系统中，通过使用全反射棱镜，不管激光二极管的数量如何，所述照明光学系统都能够保持光学效率。
本发明的又一方面提供一种照明光学系统和一种包括所述照明光学系统的光束投影仪，在所述照明光学系统中，所述照明光学系统利用采用单个蓝色激光二极管的光源、多个棱镜和在预定区域内设置有反射区域的旋转轮来寻求结构简化。
根据本发明的一方面，一种用于光束投影仪的照明光学系统包括：光源；颜色转换单元，具有至少一个荧光物质层，所述至少一个荧光物质层反射从光源发射的光或转换光源发射的光的波长以形成波长被转换的光；二向色镜，以预定角度设置，用于偏转从所述光源发射的光，以使所述光入射到颜色转换单元上。由颜色转换单元反射的光或发射的具有不同波长的波长被转换的光通过相同的路径入射到显示面板上。
根据本发明的又一方面，一种用于光束投影仪的照明光学系统包括：光源；颜色转换单元，被形成为具有至少一个荧光物质层，所述至少一个荧光物质层转换从所述光源发射的光的波长以形成波长被转换的光。所述颜色转换单元可包括：反射板，绕着旋转轴旋转，所述旋转轴基本平行于从颜色转换单元发射的光的光轴的方向；反射层，反射从所述光源发射出的蓝色激光。所述荧光物质层可通过形成被从所述光源发射出的光激发并分别发射绿光和红光的绿色荧光物质层和红色荧光物质层而被构造，并且由所述反射层反射的光和由所述荧光物质层发射的光通过相同的路径入射到显示面板上。
根据本发明教导的用于光束投影仪的上述光学系统可包含在便携式终端、便携式计算机、多媒体播放器、紧凑型数码相机或适合于对存储在其中的数据或运动画面进行投射的任何双工系统中。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，本发明的以上和其它方面、特点及优点将变得更加清楚，附图中：
图1示出根据本发明的示例性实施例的光束投影仪的照明光学系统；
图2是示出图1中所示的照明光学系统的二向色镜的俯视图；
图3和图4是用于描述图2中所示的二向色镜的反射特性的视图；
图5是示出图1中所示的照明光学系统的颜色转换单元的俯视图；
图6是用于描述在图5中所示的颜色转换单元的反射层的反射特性的曲线图；
图7是示出根据本发明的另一示例性实施例的光束投影仪的照明光学系统的结构的视图；
图8是用于描述图7中所示的照明光学系统的操作的视图；
图9是示意性地示出了根据本发明的另一示例性实施例的包括照明光学系统的光束投影仪沿着光路的结构示图；
图10是示出了当采用蓝色激光二极管作为图9中所示的光束投影仪的单个光源时所使用的旋转轮的平面图；
图11是示出了当采用紫外激光二极管作为图9中所示的光束投影仪的单个光源时所使用的旋转轮的平面图；
图12是示意性地示出了图9中所示的光束投影仪的修改示例沿着光路的结构示图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的各种实施例。为了清楚和简明的目的，由于包含于此的已知的功能和构造的详细描述可能使本发明的主题反而模糊，因此将省略这些已知的功能和构造的详细描述。
图1示出了光束投影仪的照明光学系统100的结构。如图所示，光束投影仪的照明光学系统100包括光源101、颜色转换单元103和二向色镜102，其中，从光源101发射的光通过二向色镜102入射到颜色转换单元103上，由颜色转换单元103发射的具有不同的波长的光在同一路径中沿相反的方向传播，以入射到显示面板109上。这里，根据光的频率分别决定光的颜色。因此，如上所述的“具有不同波长的光”表示光具有不同颜色。
根据示例性实施例，激光二极管(具体地说，发射蓝色激光的激光二极管)可被用作光源101。可选择地，发射紫外激光的激光二极管可被用作光源101。激光具有固定的波长，因此具有一种颜色。在操作中，虽然激光光束的直径在行进路径上发生微小的变化，但是它仍然具有优良的准直性。因此，当使用激光二极管作为光源来构造光束投影仪的照明光学系统时，优选的是，使从光源101发射的激光传播给扩散板113以将光功率扩散。
颜色转换单元103形成有荧光物质层135，荧光物质被从光源101发射的光激发以改变光的波长，换句话说，以产生并发射不同颜色的光。在这种情况下，当在从光源101发射的光入射到颜色转换单元103的同时所述光被集中到狭窄的区域时，所述荧光物质可能会被损坏。为了克服所述问题，使用扩散板113对光源101的光功率在更大的区域进行扩散。另外，例如，用于调整从光源101射出的激光的路径或光束形状的透镜111可以被布置在激光的行进路径A1上。
由于颜色转换单元103包括荧光物质层135，所以颜色转换单元103对从所述光源101发射的激光进行处理，以发射红光、绿光和蓝光。这里，当光源101发射蓝色激光时，颜色转换单元103可设置有用于反射在其上接收到的蓝光的反射层。可选择地，当光源101发射紫外激光时，颜色转换单元103中的荧光物质层被在其上接收到的紫外激光激发，以从所述荧光物质层发射蓝光。
参照图5，颜色转换单元103可以包括由激光激发以发射红光、绿光或蓝光的荧光物质层135。荧光物质层135可以被分为红色荧光物质层(R)、绿色荧光物质层(G)和蓝色荧光物质层(B)，其中，红色荧光物质层(R)、绿色荧光物质层(G)和蓝色荧光物质层(B)环绕颜色转换单元103的荧光物质层135周向地布置。
如果光源101是发射蓝色激光的激光二极管，则每个蓝色荧光物质层(B)可由反射层140替代。如图5中所示，图5中以放大的比例示出了蓝色荧光物质层(B)的一部分，通过布置圆锥形或多边棱锥形的反射突起139来形成反射层140。注意：除了圆锥形或多边棱锥形之外，所述反射突起139可具有半球形或带有预定曲率的弯曲形状。
同时，颜色转换单元103还可设置有黄色荧光物质层(Y)。黄色荧光物质层(Y)被入射到颜色转换单元103上的光激发，从而发射黄光。与没有设置黄色荧光物质层(Y)的颜色转换单元相比，设置有黄色荧光物质层(Y)的颜色转换单元103可向显示面板109提供更明亮的照明。由于蓝色、红色和绿色照明的提供，可以实现几乎所有的通过视觉可识别的颜色，黄色荧光物质层(Y)被设置以提高照明的亮度。因此，不一定需要形成黄色荧光物质层(Y)。
如上所述的荧光物质层135形成在圆形的反射板133上，反射板133绕旋转轴R旋转，旋转轴R平行于从颜色转换单元103发射的光的光轴方向，更具体地说，旋转轴R平行于随后要进行描述的聚光透镜131的光轴方向O。从光源101发射的光入射在颜色转换单元103的固定位置上，随着反射板133被转动，在预定的时间间隔内产生任意一种颜色的荧光物质层被激发。因此，如果当光源101发射激光时转动反射板133，则颜色转换单元103交替地发射红光、绿光和蓝光。
在所述情况下，如果光源101发射蓝色激光，则蓝色荧光物质层(B)被反射层140取代，颜色转换单元103实际上将会反射蓝色激光，而不是发射蓝光。如上所述，反射层140通过布置圆锥形的、多边棱锥形的或弯曲的反射突起139而形成。因此，当最初从光源101发射的激光被集中到相对狭小的区域时，由反射层140反射的光被扩散到预定区域。
图6是示出了当反射层由圆锥形反射突起139形成时，测量得到的由所述反射层反射的光的光功率的曲线图。在图6中示出的所述曲线图中，零(0)度的角度表示实际入射到所述反射层上的蓝色激光的光轴。相对光功率值是绕入射在所述反射层上的激光的光轴180度的角度范围内进行测量的。可以看出，参照入射光的光轴，通过所述反射层的结构反射的蓝光的光功率集中在20度至50度的角度范围内，更具体地说，集中在30度到40度的角度范围内。因此，在距反射层特定的距离处，由反射层140反射的蓝光将在与入射光的光轴垂直的平面上形成圆形带状。因此，在蓝光穿过诸如用于调节光束形状的聚光透镜131和透镜111的其他光学组件的过程期间，蓝光被处理为适合显示面板109的形式。
二向色镜102改变从光源101发射的激光的路径A1，以使所述激光入射到颜色转换单元103上。在二向色镜102的一侧形成用于反射蓝色激光或紫外(UV)激光的反射区域121和123。当二向色镜102被放置在从颜色转换单元103发射的光的传播路径A2上时，优选地设置允许从颜色转换单元103发出的蓝光透射的透射区域125。
参照图2，二向色镜102的反射区域包括：第一反射区域121，形成在二向色镜102的一侧；第二反射区域123，形成在第一反射区域121的周围；透射区域125，形成在第一反射区域121和第二反射区域123之间。优选地，所述透射区域125具有大致的圆形带状。然而，由于二向色镜102相对于光源101的光轴和从颜色转换单元103发射的光的光轴倾斜地放置，所以透射区域125可投射椭圆形。
二向色镜102透射被如上所述的颜色转换单元103反射的蓝色激光，然而，二向色镜102也反射从光源101发射的蓝色激光。即，当光源101发射蓝色激光时，反射层140反射在颜色转换单元103上形成的蓝色激光。在距反射层140的一定距离处，由反射层140反射的蓝光在与入射光的光轴垂直的平面上具有圆形带状。因此，当光源101发射圆形带状的蓝色激光以穿过时，具有如图2中所示的反射区域121、反射区域123及透射区域125的二向色镜102是特别适合的结构，并且颜色转换单元103形成有反射蓝色激光的反射层140。
同时，在荧光物质层135被激发以发射红光和绿光的过程中，蓝光可被颜色转换单元103部分地反射，从而劣化红色和绿色的颜色再现。然而，由于第一反射区域121和第二反射区域123反射蓝光，并且仅透射红光和绿光，所以可抑制红色和绿色的颜色再现的劣化。
图3和图4是用于描述在图2中所示的二向色镜102的反射特性的视图。具体地说，从图3可以看出，第一反射区域121和第二反射区域123对于蓝光(Blue)具有接近100％的反射率，对于红光(Red)和绿光(Green)具有接近100％的透射率。此外，当光源101输出紫外激光时，二向色镜102的整个一侧被优选地形成为紫外反射区域。在这种情况下，如图4中所示，显而易见的是，二向色镜102的反射区域对于紫外线具有接近100％的反射率特性，同时对于红光(Red)、绿光(Green)、蓝光(Blue)具有接近100％的透射率特性。
当光源101发射蓝色激光时，蓝色激光被第一反射区域121或第二反射区域123反射，以入射到颜色转换单元103上。此外，从颜色转换单元103发射或反射的光实际上透射穿过二向色镜102，以入射到显示面板109上。此时，从颜色转换单元103发射的红光或绿光不仅可以传播穿过透射区域125，也可传播穿过第一反射区域121和第二反射区域123。从颜色转换单元103发射或反射的蓝光传播穿过透射区域125。当光源101发射紫外激光时，颜色转换单元103产生并发射的红光、绿光和蓝光传播穿过二向色镜102的反射区域。
同时，诸如聚光透镜131的光学组件可被布置在二向色镜102和颜色转换单元103之间，以调整入射到颜色转换单元103上的光或从颜色转换单元103发射的光的光束形状或者路径。这里，聚光透镜131将由二向色镜102反射并入射到颜色转换单元103上的光聚集到预定位置，并调整从颜色转换单元103发射的光的传播路径A2，以使其基本上平行于光轴O。也就是说，从颜色转换单元103发射的光基本上平行于聚光透镜131的光轴O传播，并入射到显示面板109上。
由于颜色转换单元103分别产生并发射红光、绿光和蓝光，所以可减小布置在光源101和显示面板109之间的光学组件的数量，并且不同颜色的光通过相同的路径入射到显示面板109上。因此，所述光束投影仪的光学系统(具体地说，照明光学系统)可以在结构上被简化，以使所述光束投影仪小型化，这可便于将所述光束投影仪安装到诸如移动通信终端的便携式终端。
图7和图8示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于光束投影仪的照明光学系统200。根据本示例性实施例的照明光学系统200与前面的示例性实施例的区别在于：二向色镜被替换为具有全反射特性的反射镜202。因此，应当注意，在详细描述本示例性实施例时，易于从前面的示例性实施例中使用的所述组件将由相同的标号表示，或者可省略所述标号或其详细描述。
如图所示，示例的照明光学系统200包括多个光源101。光源101的数量可以考虑诸如光束投影仪所需的规格及各光源本身的功率进行不同的设置，显然，如果一个光源满足光束投影仪所需的规格，则可以仅使用一个光源。
每个光源101可以由发射蓝色激光的激光二极管或发射紫外激光的激光二极管构成。当发射的蓝色激光的激光二极管被用于每个光源101时，颜色转换单元103的荧光物质层135可以通过沿着圆周方向布置三种类型的层来形成，所述三种类型的层被蓝色激光激发，以分别发射红光、绿光和蓝光。此时，在前面的示例性实施例中，发射蓝光(B)的荧光物质层可以被由圆锥形的、多边棱锥形的或弯曲的反射突起139的布置而形成的反射层取代。当发射紫外激光的激光二极管被用于每一个光源101时，颜色转换单元103的荧光物质层135可以通过沿圆周方向布置三种类型的层而形成，所述三种类型的层由紫外激光激发，以分别发射红光、绿光和蓝光。
当从光源101发射的光LO具体为激光时，用于调整光束的形状的扩散板113和透镜213优选地布置在光源101和反射镜202之间。如上所述，扩散板113被设置为将光源101的光功率进行更广泛地扩散，以防止损坏诸如颜色转换单元103的荧光物质层135。此时，通过扩散板113扩散的光透射穿过透镜213，然后由反射镜202反射。此时，反射镜202优选地安装在从颜色转换单元103发射的光的传播路径之外。
通过布置所述二向色镜，可这样构造前面的示例性实施例：从所述光源发射的激光被二向色镜反射，以通过与颜色转换单元的光轴一致的路径入射到所述颜色转换单元上。也就是说，在前面的示例性实施例中，入射到颜色转换单元上的光被颜色转换单元发射，并沿着与通过聚光透镜传播的光的相同的路径传播。然而，所述传播方向与从颜色转换单元发射并传播穿过聚光透镜的光的传播方向相反。反之，如本示例性实施例中，当反射镜202具有全反射特性时，从颜色转换单元103发射的光也由反射镜202反射。因此，在根据本示例性实施例的照明光学系统200中，由反射镜202反射以入射到聚光透镜131上的光沿着与相应的聚光透镜131的光轴O平行的方向在聚光透镜131的光轴O之外传播。也就是说，反射镜202被布置在颜色转换单元103发射的光PI的传播路径之外的位置。
如图8中所示，根据本示例性实施例的照明光学系统200，从光源101发射的光LO基本上彼此平行地传播，并且由反射镜202反射。由反射镜202反射的光平行于聚光透镜131的光轴O传播并入射到聚光透镜131上，聚光透镜131改变入射光的路径，从而所述光被聚集到颜色转换单元103上的预定位置。颜色转换单元103的荧光物质层135被入射光激发，并且根据时间间隔产生并发射红光、绿光或蓝光。聚光透镜131改变从颜色转换单元103发射的光的路径，使得所述光沿着基本上平行于光轴O的方向传播。从颜色转换单元103发射的光或由颜色转换单元103的反射层反射的光的传播路径被聚光透镜改变，以入射到显示面板109上。
由于如上所述的颜色转换单元103的反射板133旋转，所以在光入射点穿过红色荧光物质层(R)的时间间隔期间，颜色转换单元103发射红光。也就是说，根据使得光入射点穿过的荧光物质层的特性，在预定的时间间隔期间，由相应的荧光物质层发射的相应颜色的光被提供给显示面板109。
如前面的示例性实施例中，根据本示例性实施例的照明光学系统200被构造为使得从颜色转换单元103发射的红光、绿光和蓝光通过相同的路径而入射到显示面板109上，因此，与传统的照明光学系统相比，所述照明光学系统的光学组件的数量可以减小。因此，有利于照明光学系统200的小型化。
图9是示意性地示出了根据本发明的另一示例性实施例的光束投影仪10的结构视图。应当注意，图9中所示的光学系统可以应用到紧凑型光束投影仪，所述紧凑型光束投影仪可连接到或应用到诸如移动通信终端、计算机、MP3播放器、紧凑型数码相机的便携式装置中，以便允许用户通过将内容投影到屏幕上，在期望的时间和任何地方查看信息。目前普及的移动通信终端的示例包括智能电话和平板PC。
如前面所述，光束投影仪由照明光学系统和投影光学系统组成。照明光学系统表示布置在从单个光源300到显示面板390的光路上的光学系统，投影光学系统表示布置在从显示面板390到投影透镜组301的光路上的光学系统。下面将在此描述设置在光束投射仪10中以发射光束从而产生各种颜色的照明光学系统的操作过程。
如图9中所示，在根据本发明的示例性实施例的光束投影仪10中使用的照明光学系统使用单个光源300和作为颜色转换单元的旋转轮340或342，所述旋转轮340或342使得从单个光源300发出的光束产生红/绿/黄/蓝(R/G/Y/B)颜色，从单个的光源300发出的光束被准直/均匀化，然后通过反射装置入射到显示面板390上，然后从显示面板的390输出的光束通过投影透镜系统301投影到屏幕(未示出)上。
上述的照明光学系统利用单个光源300以及旋转轮340和旋转轮342来实现R/G/Y/B颜色。
图10示出了采用波长为450nm的蓝色激光二极管作为单个光源时所使用的旋转轮340的结构。
参照图10连同图9，单个光源300由激光二极管(具体地说，用于发射蓝色光束的蓝色(B)激光二极管)构成。另外，旋转轮340由第一区域(R、G、Y)和第二区域340a构成，第一区域(R、G、Y)被构造为产生与从单个光源300发出的光束(即，蓝色光束)不同的颜色，第二区域340a被构造为产生与从单个光源300发出的光束(即，蓝色光束)相同的颜色。旋转轮340包括旋转轴，所述旋转轴是驱动电机(未示出)的旋转轴，并且旋转轮340在圆周区域上包括作为第一区域的三个荧光区域(R、G、Y)和作为第二区域的一个反射区域340a。以下，第一区域将被称为“荧光区域(R、G、Y)”，第二区域将被称为“反射区域340a”。
每个荧光区域上涂覆有R/G/Y荧光物质。每个荧光区域(R、G、Y)被入射光束激发，以产生以朗伯(Lambertian)光束形状的R/G/Y颜色。也就是说，各个荧光区域在旋转轮上以预定的形状涂覆有R/G/Y荧光物质，其中，所述荧光物质包括：荧光物质(G)，通过被光束激发以发射绿色；荧光物质(R)，通过被光束激发以发射红色；荧光物质(Y)，通过被光束激发以发射黄色。涂覆在荧光区域(R、G、Y)上的荧光物质的每个涂层的形状可作各种改变。此外，可调节单个光源300的强度和设置在旋转轮340的荧光区域(R、G、Y)中的每个荧光物质涂覆的区域的大小，以便调节R/G/Y颜色。
反射区域340a是反射从单个光源300发射的光束的区域。如前所述，从单个的光源300发射的光束是蓝光，所述蓝光由旋转轮340的反射区域340a反射。
优选地，为了反射蓝色光束，反射区域340a可通过经由喷砂制造多个圆锥形图案、半圆形或半椭圆形的形状而被构造，以产生朗伯反射光。可选择地，反射区域340a可以通过涂覆白色荧光物质或通过设置诸如反射镜的反光材料而被构造。所述涂覆在反射区域340a上的白色荧光物质可以由高反射的白色扩散荧光涂层形成。
可选择地，反射区域340a可通过多个产生朗伯反射光的圆锥形图案或通过喷砂法而随机地设置有多个反射镜。也就是说，入射的蓝光通过被随机图案化的反射镜反射。在反射区域中，形成多个凹陷的形状，其中，随机形成了三维圆锥形形状、半圆形形状或棱锥形状，以便将入射的蓝色光束向第一棱镜反射。
注意前面所描述的，当单个光源300由蓝色激光二极管构成时，反射区域340a应设置在旋转轮340中，以反射蓝色光束。然而，当单个光源300由UV(紫外)激光二极管构成时，在旋转轮上不需要设置反射区域。
图11是示出当单个光源300由UV激光二极管构成时所使用的旋转轮342的结构的平面图。以下，将参照图11连同图9对旋转轮342的结构进行描述。
在图11中示出的旋转轮342具有当使用波长为405nm的紫外激光二极管作为单个光源时所使用的构造，其中，旋转轮342的中心是驱动电机(未示出)的旋转轴，在外圆周区域设置有四个荧光区域(R、G、B、Y)。所述荧光区域(R、G、Y、B)是通过交替涂覆荧光物质R/G/Y/B而形成的区域。每个荧光区域(R、G、Y、B)被入射光激发，从而以朗伯形状产生R/G/Y/B颜色中的每种颜色。每种所产生的颜色通过第一棱镜320改变其光路，从而引导其朝向复眼透镜350。
返回参照图9，将描述根据本发明的示例性实施例的设置有照明光学系统的光束投影仪10的构造。首先，参照光路，照明光学系统按照下述顺序包括：单个光源300、被构造为执行准直/聚光的第一透镜组310和第二透镜组330、旋转轮340或旋转轮342、复眼透镜350、中继透镜360、反射镜370和聚光透镜380。在照明光学系统中，反射镜370是用于按照期望改变从所述光源发射的光束的光路的反射镜，在照明光学系统中也可以不设置反射镜370。
对于单个光源300，可采用诸如波长为450nm的蓝色激光二极管或波长为405nm的UV激光二极管。根据从驱动单元(未示出)输入的驱动信号来操作单个光源300。
为了提高从单个光源发射的光束的效率，可设置扩散膜或扩散板(未示出)。也就是说，所述扩散膜或扩散板可布置在单个光源300和第一准直透镜310之间。此外，为了将穿过扩散膜或扩散板的光束生成均匀光束形状，还可设置光束整形器(未示出)。所述光束整形器(未示出)可设置在第一准直透镜310上或设置在第一准直透镜310与第一棱镜320之间。
从单个光源300发射的光束穿过第一准直透镜310。第一准直透镜310提供集中或准直光束的功能。穿过第一棱镜320的光束通过第二准直透镜330被集中到旋转轮340或旋转轮342上。对于第一棱镜320，采用RTIR(逆向全内反射)棱镜。
第二准直透镜330提供双重功能，即，集中穿过第一棱镜320朝向旋转轮340或旋转轮342的光束的功能，以及准直由旋转轮340或旋转轮342反射或发射的光束的功能。
入射到旋转轮340或旋转轮342上的光束激发涂覆在旋转轮上的荧光物质(R/G/Y或R/G/Y/B)或者被部分地反射。因此，入射在旋转轮340、342上的具有单一波长带为450nm或405nm的光被转换成不同的波长带(诸如红、绿、黄或蓝)的光。光路被旋转轮340或342后面的第一棱镜改变的光束通过复眼透镜350被均匀化，然后穿过中继透镜360，光束的光路被中继透镜360调整或改道而到达显示面板390。
穿过中继透镜360的光束被反射镜(二向色镜)370改变光路。然后，在穿过聚光透镜380之后，光束通过第二棱镜395到达显示面板390。对于显示面板390，可以使用DMD(数字微镜器件)、LCOS(硅基液晶)、LCD、GLV(光栅光阀)或SOM(空间光调制器)。
如上所述，光束投影仪10是紧凑型光束投影仪，对所述光束投影仪进行小型化和变轻是很重要的。由于与参照图1所描述的光束投影仪相比，在光束投影仪10中设置数量较小的光学元件和较少的光路，所以根据图9中所示的实施例的光束投影仪10在小型化方面具有优势并有效地降低了产品成本，同时在将图像投射到屏幕方面保持高水平的质量。
此外，从单个光源300发射的光束的路径和从旋转轮发射的光束的路径被布置在相同的光轴方向上，这使得易于参照光学方向来布置光学系统的元件。其结果是，与现有技术相比，光学元件的安装或对准过程的变得更加方便。此外，由于以这样的方式制作结构，使得从旋转轮发射的光束通过第一棱镜320被引导朝向复眼透镜350，从旋转轮发射的光束和通过第一棱镜320被引导朝向复眼透镜350的光束彼此垂直，因此容易安装和对准光学元件。
图12示出了根据本发明的又一实施例的在图9中所示的光束投射仪的修改示例。将省略对图12中示出的光束投射仪的光学系统的组件中的单个光源和旋转轮的结构的描述，因为已经参照图10和图11详细描述过单个光源和旋转轮。就光路和棱镜结构而言，图12中所示的光束投影仪不同于图10中所示的光束投射仪。因此，在描述图12中所示的光束投射仪40时，根据与图9中所示的光束投射仪10相比的光路，仅描述光学系统的不同结构，为避免冗余将省略重复的描述。
如图12中所示，光束投影仪40包括与显示面板相关的照明光学系统和投影光学系统。在照明光学系统中，通过一对第一棱镜420和422，从单个光源400发射的光束的光路与从入射在旋转轮440或442上或从旋转轮440或442发射的光束的光路的取向彼此垂直。第一棱镜420和422由两个全内反射棱镜构成，所述两个内反射棱镜被布置成在其倾斜面上彼此紧密接触。
如上所述构造的照明光学系统具有的优点在于：因为从单个光源发射的光能够被处理以产生通过相同的光路能够依次入射到显示面板上的红光、绿光和蓝光，所以可减小布置在光路中的诸如透镜和反射镜的光学部件的数量。另外，所述照明光学系统具有优点：因为随着光学部件的数量减小有利于小型化，所以所述照明光学系统可有助于光束投影仪的小型化。此外，照明光学系统可以使将光束投影仪安装到例如便携式终端变得容易。
此外，本发明的照明光学系统仅利用单个蓝色或紫外激光二极管作为光源来实现R/G/Y/B颜色，因此，可降低制造成本。具体地说，本发明的光束投影仪中采用的准直透镜执行光束聚焦和准直功能，因此光学元件的数量可被减小。因此，可进一步降低制造成本并可使光束投影仪小型化。
此外，优点在于：由于在本发明的光束投影仪中采用第一棱镜，因此不管激光二极管光源的数量如何，所述照明光学系统都能够保持光学效率。此外，入射在旋转轮上的光束和由旋转轮发射的光束在同一轴线上，这样既可以提高光学效率，也有助于光学系统元件的对准。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其形式和细节进行各种改变。

Claims (32)

1.一种用于光束投影仪的照明光学系统，其特征在于，所述照明光学系统包括：
至少一个光源(101)，用于产生光；
颜色转换单元(103)，具有至少一个荧光物质层(135)，所述荧光物质层(135)用于反射从所述至少一个光源(101)发射的光，或者转换从所述至少一个光源(101)发射的光的波长以形成波长被转换的光；
至少一个二向色镜(102)，以预定的角度布置，用于偏转从所述至少一个光源(101)发射的光，以使所述光入射到所述颜色转换单元(103)上，
其中，由所述颜色转换单元(103)反射的光或波长被转换的光通过相同的路径入射到显示面板(109)上。
2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其特征在于，所述至少一个光源(101)是用于产生蓝色激光或紫外激光的激光二极管。
3.根据权利要求2所述的照明光学系统，其特征在于，所述颜色转换单元(103)包括：反射板(133)，绕旋转轴旋转，所述旋转轴平行于从所述颜色转换单元(103)发射的波长被转换的光的光轴方向，所述至少一个荧光物质层(135)形成在所述反射板(133)上，
所述至少一个荧光物质层(135)包括：绿色荧光物质层和红色荧光物质层，布置在所述反射板(133)的圆周方向上，被构造成被从所述光源发射的光激发，以分别发射绿光和红光。
4.根据权利要求3所述的照明光学系统，其特征在于，所述荧光物质层(135)包括：反射层(140)，反射从所述至少一个光源(101)发射的蓝色激光。
5.根据权利要求3所述的照明光学系统，其特征在于，所述颜色转换单元(103)的所述至少一个荧光物质层(135)还包括：黄色荧光物质层，布置在反射板(133)的圆周方向上，被构造成被从所述至少一个光源(101)发射的光激发，以发射黄光。
6.根据权利要求3所述的照明光学系统，其特征在于，所述二向色镜(102)包括：
第一反射区域(121)，用于反射蓝色激光以入射到所述颜色转换单元(103)上；
第二反射区域(123)，在所述第一反射区域(121)的周围形成，用于反射蓝色激光以入射到所述颜色转换单元(103)上；
透射区域(125)，形成在所述第一反射区域(121)和所述第二反射区域(123)之间，
其中，由所述荧光物质层(135)发射的绿光和红光透射穿过所述第一反射区域(121)、所述第二反射区域(123)和所述透射区域(125)，被所述颜色转换单元(103)的所述反射层(140)反射的蓝光透射穿过所述透射区域(125)。
7.根据权利要求6所述的照明光学系统，其特征在于，所述透射区域(125)具有圆形或椭圆形带状。
8.根据权利要求3所述的照明光学系统，其特征在于，所述照明光学系统还包括：至少一个聚光透镜(131)，设置在所述颜色转换单元(103)与所述二向色镜(102)之间，用于使得被所述二向色镜(102)反射的光入射到颜色转换单元(103)上，并用于对准由颜色转换单元(103)发射的光的传播方向，使所述传播方向基本平行于所述至少一个聚光透镜(131)的光轴方向，从而使由所述颜色转换单元(103)发射的光入射到所述二向色镜(102)上。
9.根据权利要求4所述的照明光学系统，其特征在于，所述反射层(140)由多个圆锥形或棱锥形反射突起(139)形成。
10.一种用于光束投影仪的照明光学系统，其特征在于，所述照明光学系统包括：
至少一个光源(101)；
颜色转换单元(103)，具有至少一个荧光物质层(135)，所述荧光物质层转换从所述至少一个光源(101)发射的光的波长以形成波长被转换的光；
其中，所述颜色转换单元(103)包括：反射板(133)，绕旋转轴旋转，所述旋转轴平行于从颜色转换单元(103)发射的波长被转换的光的光轴方向，所述至少一个荧光物质层(135)形成在反射板(133)上，
所述至少一个荧光物质层(135)包括：绿色荧光物质层和红色荧光物质层，形成在反射板(133)的圆周方向上，被构造成被从所述光源(101)发射的光激发，以分别发射绿光和红光；
反射层(140)，用于反射从所述至少一个光源(101)发射的蓝色激光。
11.根据权利要求10所述的照明光学系统，其特征在于，由反射层(140)反射的光和由颜色转换单元(103)发射的波长被转换的光通过相同的路径入射到显示面板(109)上。
12.根据权利要求11所述的照明光学系统，其特征在于，所述照明光学系统还包括：
至少一个反射镜(202)，以预定的角度布置，用于偏转从所述光源(101)发射的光以入射到所述颜色转换单元(103)上；
至少一个聚光透镜(131)，设置在所述反射镜(202)和所述颜色转换单元(103)之间，用于使得被所述反射镜(202)反射的光入射到所述颜色转换单元(103)上，
其中，通过所述反射镜(202)入射到所述至少一个聚光透镜(131)上的光基本平行于所述聚光透镜(131)的光轴传播。
13.根据权利要求12所述的照明光学系统，其特征在于，被所述反射层(140)反射的光和从所述颜色转换单元(103)发射的波长被转换的光透射穿过所述至少一个聚光透镜(131)，并且基本平行于所述至少一个聚光透镜(131)的光轴的传播。
14.根据权利要求10所述的照明光学系统，其特征在于，所述反射层(140)由多个圆锥形或棱锥形反射突起(139)形成。
15.根据权利要求10所述的照明光学系统，其特征在于，所述至少一个荧光物质层(135)还包括：黄色荧光物质层，布置在反射板(133)的圆周方向上，被构造成被从所述至少一个光源(101)发射的光激发，以发射黄光，
其中，所述反射层(140)、绿色荧光物质层、红色荧光物质层和黄色荧光物质层交替地围绕反射板(133)。
16.一种设置在光束投影仪中的照明光学系统，其特征在于，所述照明光学系统包括：
单个光源(300，400)；
旋转轮(340，342)，包括：涂覆有多种荧光物质的区域，所述多种荧光物质被从单个光源(300，400)发射的光束激发，所述区域用于反射所述光束，以产生具有与所述光束的颜色不同的颜色的光束；区域(340a)，用于反射从棱镜入射的光束，以产生具有与所述光束的颜色相同的颜色的光束。
17.根据权利要求16所述的照明光学系统，其特征在于，所述单个光源(300，400)是蓝色激光二极管。
18.根据权利要求17所述的照明光学系统，其特征在于，反射与光源的颜色相同的颜色的所述区域(340a)由产生朗伯反射光的圆锥形或椭圆形的图案形成。
19.根据权利要求16的照明光学系统，其特征在于，反射光束的所述区域(340a)涂覆有白色的荧光物质或反射材料。
20.一种设置在光束投影仪中的照明光学系统，其特征在于，所述照明光学系统包括：
单个光源(300，400)；
旋转轮(340，342)，设置有涂覆有R/G/Y/B荧光物质的区域，所述荧光物质被从单个光源(300，400)入射的光束激发。
21.根据权利要求20所述的照明光学系统，其特征在于，所述单个光源(300，400)是紫外激光二极管。
22.一种包括照明光学系统的光束投影仪，其特征在于，所述照明光学系统包括：
单个光源(300，400)；
第一棱镜(320)，对从所述单个光源(300，400)发射的光束进行全反射；
旋转轮(340，342)，包括：涂覆有多种荧光物质的区域，所述多种荧光物质被从单个光源(300，400)入射的光束激发，所述区域用于反射所述光束，以产生具有与所述光束的颜色不同的颜色的光束；以及反射从棱镜入射的光束以产生具有与所述光束相同的颜色的光束的区域；
透镜系统(310，330)，将从单个光源(300，400)发射的光集中到旋转轮(340，342)，或者对从所述旋转轮(340，342)发射的光束进行准直，
其中，从照明光学系统发射的光束入射到显示面板(390)上，并且从所述显示面板(390)发射的光束通过投影透镜系统(301)投射到屏幕上。
23.根据权利要求22所述的光束投影仪，其中，反射蓝光的所述区域由产生朗伯反射光的多个圆锥形或椭圆形的图案形成。
24.根据权利要求23所述的光束投影仪，其中，通过喷砂将多个半椭圆形的图案随机地形成在反射光束的区域中。
25.根据权利要求22所述的光束投影仪，其中，所述单个光源(300，400)是发射蓝色激光的蓝色激光二极管，所述涂覆有荧光物质的区域根据R/G/Y颜色被划分地进行涂覆，从而所述荧光物质根据各个颜色被入射光束激发。
26.根据权利要求22所述的光束投影仪，其中，从所述单个光源(300，400)发射的光束以及入射到所述旋转轮(340，342)的光束或从所述旋转轮(340，342)反射的光束被布置在同一光轴上。
27.根据权利要求22所述的光束投影仪，还包括：
扩射膜或扩散板，设置在所述单个光源(300，400)和所述第一棱镜(320)之间。
28.根据权利要求22所述的光束投影仪，其中，从照明光学系统发射的光束通过穿过复眼透镜(350)被均匀化，并依次穿过中继透镜(360)、反射镜(370)、聚光透镜(380)和第二棱镜(395)，使得均匀化的光束传播到显示面板(390)上。
29.根据权利要求28所述的光束投影仪，其中，从所述显示面板(390)发射的光束的光路被所述第二棱镜(395)改变，以将所述光束引导至投影透镜系统(301)。
30.根据权利要求28所述的光束投影仪，其中，所述第一棱镜(320)是全内反射棱镜，所述第二棱镜(395)是逆向全内反射棱镜。
31.根据权利要求22所述的光束投影仪，所述显示面板由数字微镜器件或硅基液晶构成。
32.一种包括照明光学系统的光束投影仪，其中，所述照明光学系统包括：
单个光源(300，400)；
第一棱镜(320)和第二棱镜(395)，对从单个光源(300，400)发射的光束进行全反射，以改变或校正光束的光路；
旋转轮(340，342)，包括：涂覆有多种荧光物质的区域，所述多种荧光物质被从所述单个光源(300，400)发射的光束激发，所述区域用于反射所述光束，以产生具有与所述光束的颜色不同的颜色的光束；反射从棱镜入射的光束以产生具有与所述光束的颜色相同的颜色的光束的区域；
透镜系统(310，330)，将从单个光源发射的光集中到旋转轮，或者对由所述旋转轮发射的光束进行准直，
其中，从照明光学系统发射的光束入射到显示面板(390)上，从显示面板(390)发射的光束通过投影透镜系统(301)投射到屏幕上。
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