CN104122742A - 一种激光混合光源投影机及其光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光混合光源投影机及其光源装置，该光源装置包括蓝光LED光源、红光LED光源、绿光LED光源及位于各光源前端的透镜组，蓝色半导体激光管及其前端的透镜组，分光镜A，和分光镜B；所述绿光LED光源表面有绿色荧光粉；所述绿光LED光源与半导体激光管相对，分光镜B位于二者之间，所述蓝光LED光源设置在分光镜B一侧，分光镜A设置在红光LED光源前面。本发明不再使用色轮的涉激光投影机光源系统，杜绝了色轮对画质影响的先天不足；用蓝色半导体激光器照射绿色LED上的荧光粉，在没有增加LED发光面积数值孔径的前提下，显著提升原绿色LED的亮度，最终提升投影机的输出亮度。

Description

一种激光混合光源投影机及其光源装置

 

技术领域

本发明属于投影显示技术领域，具体涉及一种激光混合光源投影机及其光源装置。

背景技术

激光混合光源指投影机的光源由LED和LD（Laser Diode，半导体激光器）共同组成。目前，激光混合/纯激光光源（R+B）投影机，原理方案见图1：通过红色LED（或红色LD）、蓝色LD激励色轮上的绿色荧光粉产生绿光，蓝色LD直接出光，在时间上交替照射DMD（Digital Micro mirror Device），利用人眼的视觉残留效应，通过投影镜头在屏幕上呈现出彩色图像。

在色轮上，约1/5～1/4的圆周区域，是一片透明玻璃，而剩下约3/4～4/5的区域，是一片和玻璃一样厚的金属板，金属板和玻璃在保证极高的平面度和旋转动平衡性能上，粘接成一个圆盘（色轮），再组装于马达的转轴上。在金属板上面，涂了一圈环带状的绿色荧光粉，色轮按DMD的场序同步旋转，在图像的绿色场时，LD点亮，照在荧光粉上，荧光粉发绿光，由反射镜L合入光路系统，当到了蓝色场时，色轮的玻璃转到光路上，LD发出的蓝色光线，透过色轮，经反射镜N、H合入主光路，而当红色的场时，蓝色LD熄灭，红色的LED/LD点亮，红色的场完毕后，红色LED/LD熄灭。

采用色轮不足之处主要体现在：由于使用了旋转的机械色轮，这让整个光源系统的响应速度，大幅降低，没有发挥出固体光源纳秒级高速响应的先天优势；色轮的转速有极轻微偏差，会出现颜色失真和图像像质恶化；涂有荧光粉的色轮，转盘全部裸露在空气中，运行一段时间后，色轮会脏污，投影机性能下降，需要清洗和维护。

发明内容

针对前述的不足，本发明的目的是提供一种不采用色轮的激光混合光源投影机及其光源装置，使投影机性能得到提升。

本发明提供的激光混合光源投影机的光源装置，该装置包括蓝光LED光源、红光LED光源、绿光LED光源及位于各光源前端的透镜组，蓝色半导体激光管及其前端的透镜组，分光镜A，分光镜B；所述绿光LED光源表面有绿色荧光粉；所述绿光LED光源与半导体激光管相对，分光镜B位于二者之间，所述蓝光LED光源设置在分光镜B一侧，分光镜A设置在红光LED光源前面；所述蓝光LED光源发射的蓝光透过分光镜B和分光镜A；所述红光LED光源发射的红光经分光镜A反射；所述绿光LED光源发射的绿光，与绿光LED光源经半导体激光管发射的蓝色激光照射荧光粉激发的绿光叠加，经分光镜B反射，透过分光镜A；然后上述三色光通过中继透镜汇合进入积分系统。

所述绿光LED光源为蓝色LED晶片，表面涂有绿色荧光粉。

所述分光镜B反射绿光、透射蓝光，分光镜A反射红光、透射绿光和蓝光。

优选所述蓝色半导体激光管有9颗，呈3*3矩阵排列。相对应，蓝色半导体激光管前端的透镜组共9组，呈3*3矩阵排列，每组由1片非球面镜片和1片柱面镜组成。优选在3*3透镜阵列的出口，设置有光栅散射片。

本发明还提供一种激光混合光源投影机，包括上述的光源装置，在分光镜A后依次排列有中继透镜、全反射镜A、梯形实心光棒、两片转折透镜和成像系统。

优选在两片转折透镜之间设置一片非对称光阑。

因为不采用色轮，投影机的光学引擎响应速度由速度较快的DMD决定，不再有高速旋转的机械色轮这个物理瓶颈，横向对比显著改善了画质；同时，杜绝了色轮的光圈效应影响，图像更加稳定，比现有的激光混合光源DLP投影机，有本质的改善；而且整个光学系统全密封，充入氮气，永远消除了灰尘、湿度变化起雾和集灰等天敌。

本发明用独立的蓝色半导体激光器，和绿色LED同步点亮，照射绿色LED上的荧光粉，在没有增加LED发光面积（数值孔径）的前提下，显著提升原绿色LED的亮度，最终提升投影机的输出亮度。

具体来说，本发明有如下有益效果：

（1）不再使用色轮的涉激光投影机光源系统，杜绝了色轮对画质影响的先天不足，真正体现固体光源的优越性；

（2）用发绿光的荧光粉型LED，利用其自身发光，代替市场上现有系统的部分LD发光，利用LED自带的荧光粉，代替现有系统色轮的荧光粉，在实现输出亮度满足市场需求时，实现成本的大幅降低，性能的本质提升；

（3）引入激光系统，在不增加光源发光面积的情况下，成倍增加投影机的亮度输出。

附图说明

附图1为现有激光/激光混合光源DLP投影机光学引擎基本结构。

附图2为本发明的投影仪光学系统。

具体实施方式

如图2所示，本发明的激光混合光源投影机的光源装置，包括蓝光LED光源、红光LED光源、绿光LED光源（蓝色LED晶片，表面涂有绿色荧光粉）及位于各光源前端的透镜组（即LED收集镜头系统），蓝色半导体激光管（即LD系统）及其前端的透镜组，分光镜A（反射红光、透射绿光和蓝光），和分光镜B（反射绿光、透射蓝光）。绿光LED光源与半导体激光管相对，分光镜B位于二者之间，蓝光LED光源设置在分光镜B一侧，分光镜A设置在红光LED光源前面。

    蓝光LED光源发射的蓝光透过分光镜B和分光镜A；红光LED光源发射的红光经分光镜A反射；绿光LED光源发射的绿光，与绿光LED光源经半导体激光管发射的蓝色激光照射荧光粉激发的绿光叠加，经分光镜B反射，透过分光镜A；然后上述三色光通过中继透镜汇合进入积分系统。

蓝光LED光源、红光LED光源和绿光LED光源前端的透镜组均为3片镜片构成（适当牺牲效率也可以用两片），靠近LED的两片为玻璃，余下一片为注塑，RGB三个通道的该模组一模一样，可以互换。光源发射的光线，以较高的收集效率，转变其发散角度至准平行光输出。

LD系统有9颗蓝色半导体激光管，呈3*3矩阵排列。与之对应的是3*3的透镜系统，呈3*3矩阵排列，每组由1片非球面镜片和1片柱面镜组成，分别安装于对应的LD光轴上，对LD光斑整形后，穿过分光镜B，通过绿色LED前端的透镜组，将LD汇聚在绿色LED的荧光粉上，均匀照明荧光粉，激发出绿光。设置有精密限位装置和LD金属封装上的缺口对应，以定好LD的安装方向。在3*3透镜阵列的出口，装有20×20mm的光栅散射片。

LD汇聚在绿色LED的荧光粉上，总光斑尺寸约1.6*2.6mm，是现有方案1mm圆斑面积的5倍，即相当于单位面积的荧光粉，在约相同的光功率（22～23W）照射下，被蓝光轰击的瞬间能量密度低了5倍，经过测试，荧光粉已经脱离了被烧毁的危险区域，且未进入饱和区域，更耐久。

本发明的激光混合光源投影机，包括上述的光源装置，在分光镜A后依次排列有中继透镜、全反射镜A、梯形实心光棒、两片转折透镜和成像系统（由TIR棱镜、DMD和镜头组成）。合成的光线经过中继透镜后，经全反射镜A，使光源像成像在梯形实心光棒的入口上（小端），光源像略大于光棒入口。在两片转折透镜之间，可以设置非对称光阑一片，以使投影机可以输出更好的对比度。

经过实测，投影机采用：LED为德国欧司朗LE*P1W套装（含RGB三颗，“*”代表R/CG/B，三颗分别对应的型号为LERP1W、LECGP1W和LEBP1W），DMD为TI（德州仪器）0.45寸1280*800的芯片（型号DLP4500：.45 WXGA-800 DDR SERIES 310），激光系统为9颗欧司朗2014款PL TB450B蓝色半导体激光管。实测系统Normal模式输出光通量可达到1050流明（绿色LED选择亮度为7T级），性价比远远高于前述色轮方案。

绿色LED的荧光粉热量经过热阻极低的蓝色LED晶片进入热管散热器系统，荧光粉随LED为固定安装方式，没有凹凸不平的旋转移动，所以光线稳定，无光圈闪烁现象。荧光粉吸收蓝光产生热量，到热量散到大气过程的热阻，本系统优于色轮上荧光粉的散热能力，且没有局部尖峰的能量分布，荧光粉寿命进一步得到保证，经过了约半年4300h的老化测试，荧光粉完好，吸收蓝光转化绿光的效率维持度高。

Claims (9)

1.一种激光混合光源投影机的光源装置，其特征在于：

该装置包括蓝光LED光源、红光LED光源、绿光LED光源及位于各光源前端的透镜组，蓝色半导体激光管及其前端的透镜组，分光镜A，分光镜B；所述绿光LED光源表面有绿色荧光粉；

所述绿光LED光源与半导体激光管相对，分光镜B位于二者之间，所述蓝光LED光源设置在分光镜B一侧，分光镜A设置在红光LED光源前面；

    所述蓝光LED光源发射的蓝光透过分光镜B和分光镜A；所述红光LED光源发射的红光经分光镜A反射；所述绿光LED光源发射的绿光，与绿光LED光源经半导体激光管发射的蓝色激光照射荧光粉激发的绿光叠加，经分光镜B反射，透过分光镜A；然后上述三色光通过中继透镜汇合进入积分系统。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于：所述绿光LED光源为蓝色LED晶片，表面涂有绿色荧光粉。

3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于：分光镜B反射绿光、透射蓝光，分光镜A反射红光、透射绿光和蓝光。

4.根据权利要求1-3之一所述的光源装置，其特征在于：所述蓝色半导体激光管有9颗，呈3*3矩阵排列。

5.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于：蓝色半导体激光管前端的透镜组共9组，呈3*3矩阵排列，每组由1片非球面镜片和1片柱面镜组成。

6.根据权利要求5所述的光源装置，其特征在于：在3*3透镜阵列的出口，设置有光栅散射片。

7.一种激光混合光源投影机，其特征在于包括权利要求1-6之一所述的光源装置。

8.根据权利要求7所述的激光混合光源投影机，其特征在于：在分光镜A后依次排列有中继透镜、全反射镜A、梯形实心光棒、两片转折透镜和成像系统。

9.根据权利要求8所述的激光混合光源投影机，其特征在于：在两片转折透镜之间设置一片非对称光阑。