CN105045025A - 投影光源设备及具有其的投影装置、控制光斑运动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投影光源设备及具有其的投影装置、控制光斑运动的方法。该投影光源设备，包括单色光源和色轮，色轮包括光色转换单元，光色转换单元上设置有光色转换材料，单色光源和色轮依次设置以使单色光源的光照射至光色转换材料上，投影光源设备还包括：第一电机，单色光源安装在第一电机上，第一电机驱动单色光源做直线往复运动；第二电机，第二电机与色轮驱动连接，第二电机驱动色轮绕其中心轴转动；或者，第二电机与第一电机连接，且第二电机的转轴与第一电机的转轴之间形成夹角，第二电机驱动第一电机绕色轮的中心轴线转动。本发明的投影光源设备可以解决现有技术中投影装置的光效损失大的问题。

Description

投影光源设备及具有其的投影装置、控制光斑运动的方法

技术领域

本发明涉及投影成像技术领域，具体而言，涉及一种投影光源设备及具有其的投影装置、控制光斑运动的方法。

背景技术

投影装置根据工作原理一般可以分为DLP投影装置，LCD投影装置和LCOS投影装置三种，其中，DLP(数字光学处理技术)投影装置从性价比角度来看，更容易被普通消费者接受，其也是当前市场的主流。DLP投影装置通过色轮来分离光源的色彩，并通过DMD(数字微镜芯片)技术控制单一像素颜色的开关，最终形成图像投射到屏幕上。

此外，投影装置的光源从传统的超高压汞灯、短弧氙灯和金属卤素灯等气体放电光源替换为LED发光二级管或者激光等固态光源。

DLP投影装置主要有两种实现方式：

一是使用白色LED光源，白光通过透镜聚焦在色轮上，色轮按区域由不容颜色的滤色片组成，白光透过滤色片后形成周期性变化的单色光序列，被DMD芯片接收。

二是使用激光或者单色LED作为激发光源(单色光源)，单色光一般为蓝光、紫光等短波长的光，激发光源发出的光线聚焦在色轮上，色轮按区域涂覆或印刷有不同的荧光材料，激发光线激发色轮上的荧光粉发出不同颜色的光线，随着色轮的转动，DMD芯片接收到一个具有周期性变化的单色光序列。

对于使用白色LED光源的DLP投影装置，色轮上的彩色滤色片会吸收80％左右的光线，因此光效损失非常大，整体能耗就高，并且经过滤色片后得到的单色光的色纯度不高，显示色域低，光颜色显示效果较差。

而对于使用单色光源的DLP投影装置，色轮上的荧光材料对温度非常敏感，因此该投影装置的亮度随着温度上升会有较大的衰减，同时还会有颜色的偏移。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种投影光源设备及具有其的投影装置、控制光斑运动的方法，以解决现有技术中投影装置的光效损失大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种投影光源设备，包括单色光源和色轮，色轮包括光色转换单元，光色转换单元上设置有光色转换材料，单色光源和色轮依次设置以使单色光源的光照射至光色转换材料上，投影光源设备还包括：第一电机，单色光源安装在第一电机上，第一电机驱动单色光源做直线往复运动；第二电机，第二电机与色轮驱动连接，第二电机驱动色轮绕其中心轴转动；或者，第二电机与第一电机连接，且第二电机的转轴与第一电机的转轴之间形成夹角，第二电机驱动第一电机绕色轮的中心轴线转动。

进一步地，光色转换单元为多个，每个光色转换单元上的光色转换材料为量子点或荧光粉或量子点和荧光粉的混合物。

进一步地，投影光源设备还包括：第一分光镜，第一分光镜设置在单色光源的一侧，以使单色光源的光照射至第一分光镜上并被第一分光镜分为单色原光和其余色光，第一分光镜设置在色轮的朝向单色光源的一侧，以使单色原光穿过光色转换单元；第二分光镜；第一反光镜，第一反光镜的镜面朝向色轮和第二分光镜，以将穿过光色转换单元的光反射至第二分光镜并由第二分光镜再次反射；第二反光镜，第二反光镜的镜面与第一反光镜的镜面相对设置，以使其余色光从第二反光镜反射至第二分光镜且其余色光穿过第二分光镜后与由第一反光镜反射的光汇合。

进一步地，投影光源设备还包括第一透镜，第一透镜位于单色光源和第一分光镜之间。

进一步地，投影光源设备还包括第二透镜，第二透镜位于色轮与第一反光镜之间。

进一步地，投影光源设备还包括第三透镜，第三透镜位于第一分光镜与第二反光镜之间。

进一步地，投影光源设备还包括第四透镜，第四透镜位于第二分光镜的下游，以使穿过第二分光镜的光汇合后经第四透镜后照射出去。

进一步地，投影光源设备还包括：第三反光镜；第四反光镜，第四反光镜的镜面与第三反光镜的镜面具有夹角地设置，以使穿过第二分光镜的光汇合后照射到第三反光镜并由第三反光镜反射至第四反光镜；色轮还包括滤色单元，滤色单元位于光色转换单元的外侧，且第四反光镜将光反射至滤色单元进行滤色。

进一步地，滤色单元和光色转换单元以色轮的轴心为中心沿色轮的径向方向向外延伸，且滤色单元与光色转换单元相接。

进一步地，滤色单元为多个。

进一步地，投影光源设备还包括第四透镜，第四透镜位于滤色单元的下游，以使穿过滤色单元的光经第四透镜后照射出去。

根据本发明的另一方面，提供了一种投影装置，该投影装置包括投影光源设备，该投影光源设备为前述的投影光源设备；或者，使单色光源同时绕色轮的中心轴线转动。

根据本发明的又一方面，提供了一种控制光斑运动的方法，该方法应用于投影光源设备，其中，投影光源设备包括单色光源和色轮，色轮包括光色转换单元，光色转换单元上设置有光色转换材料，单色光源和色轮依次设置以使单色光源的光照射至光色转换材料上，该方法包括以下步骤：直线运动步骤：是单色光源做直线往复运动；转动运动步骤：在所述单色光源做直线运动时，使色轮绕其中心轴线转动。

应用本发明的技术方案，单色光源发出的光照射至色轮上的光色转换单元上的光色转换材料，并且，第一电机驱动单色光源做直线往复运动，同时第二电机驱动色轮绕其中心轴转动；或者第一电机与第二电机连接，以使单色光源在做直线运动的同时单色光源自身也绕色轮的中心轴线转动。当单色光源的光照射在色轮上时，由于单色光源与色轮同时运动，或者单色光源在做直线运动的同时单色光源自身也绕色轮的中心轴线转动，因此，单色光源照射在色轮上的光斑不断地变换位置而不能形成光聚焦，从而稳定了光斑引起的温度变化的范围以保证光色转换的稳定性，使得光效损失减少。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的投影光源设备的第一实施例的结构示意图；

图2示出了图1的投影光源设备的色轮的主视结构示意图；

图3示出了根据本发明的投影光源设备的第二实施例的结构示意图；

图4示出了图3的投影光源设备的色轮的主视结构示意图；

图5示出了应用本发明的投影光源设备工作时光斑在色轮上的运动轨迹；

图6示出了本发明的投影光源设备的色轮应用量子点时的量子点效率与温度变化的曲线图；

图7示出了应用本发明的投影光源设备得到的三种色光的光谱示意图；

图8示出了应用本发明的投影光源设备得到的色域示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、单色光源；20、色轮；

21、光色转换单元；22、滤色单元；

30、第一电机；40、第二电机；

51、第一分光镜；52、第二分光镜；

61、第一反光镜；62、第二反光镜；

63、第三反光镜；64、第四反光镜；

71、第一透镜；72、第二透镜；

73、第三透镜；74、第四透镜。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种投影光源设备，该投影光源设备包括单色光源10和色轮20，其中，色轮20包括光色转换单元21，光色转换单元21上设置有光色转换材料，单色光源10和色轮20依次设置以使单色光源10的光照射至光色转换材料上，具体地，投影光源设备还包括第一电机30和第二电机40，单色光源10安装在第一电机30上，在平行于色轮20的表面的平面上，第一电机30驱动单色光源10做直线往复运动，在本实施例中，第一电机30驱动单色光源10沿色轮20的竖直的径向方向做直线往复运动(即单色光源10在平行于色轮20的表面的平面上做直线往复运动)，第二电机40与色轮20驱动连接，第二电机40驱动色轮20绕其中心轴转动。或者，当单色光源10在平行于色轮20的表面的平面上做直线往复运动时，单色光源10同时绕色轮20的中心轴线转动，此时，第二电机40与第一电机30连接，且第二电机40的转轴与第一电机30的转轴之间形成夹角，优选地，该夹角为直角(即第二电机40的转轴与第一电机30之间的夹角相垂直)，然后第二电机40驱动第一电机30绕色轮20的中心轴线转动，并且第二电机40的转轴轴线与色轮20的中心轴线相重合。当单色光源10做直线运动的同时也绕色轮20的中心轴线转动时，色轮20可以固定设置，色轮20也可以绕着自身中心轴线转动设置。

当单色光源10的光照射在色轮20上时，由于单色光源10与色轮20同时运动(即单色光源10做直线运动的同时色轮20转动)，或者单色光源10在做直线运动的同时单色光源10自身也绕色轮20的中心轴线转动，因此，单色光源10照射在色轮20上的光斑不断地变换位置而不能形成光聚焦，如图5所示，图中a1图表示光斑沿靠近色轮20的轴心方向作直线运动，图中a2图表示光斑沿远离色轮20的轴心方向作直线运动，当光斑照射在色轮20上，光斑在色轮20的运动轨迹为螺旋线形状，具体地，此运动轨迹符合阿基米德螺线定律，运动轨迹的极坐标方程为ρ＝aθ，ρ为极径，θ为角度，同时ρ＝vt，θ＝ωt，t为时间，v为第一电机30移动速度，ω为第二电机40带动色轮20的角速度，a表示变量系数，并且a由v和ω共同决定。一般色轮20转速在60Hz，角速度约为377弧度/秒。假设单色光源10照射在色轮20上的光斑沿色轮20径向长度为d(即光斑在径向方向上运动的范围)，色轮20上沿径向方向的光色转换单元21的长度为r，可以得到第一电机30的移动速度只要小于60d2/r(此为计算得到的第一电机30的实现往复运动的速度大小)，光斑的轨迹就可以遍布整个光色转换单元21区域。此时，本发明涉及的色轮20上每一个光斑面积照射时间是传统技术的20-40％，即受热时间降到传统技术的20-40％，经过经验数据验证，光转换单元表面热量会降低到原来的60-70％。如图6所示，其所示的温度与量子点效率试验数据曲线，可以得到当温度降低60-70％时，量子点效率会随之增加，即提高投影光源整体的光效，从而稳定了光斑引起的温度变化的范围以保证光色转换的稳定性，使得光效损失减少。

在本发明的实施例中，如图3和图4所示，光色转换单元21为多个，每个光色转换单元21上的光色转换材料为量子点或荧光粉或量子点和荧光粉的混合物。优选地，光色转换材料为量子点。相邻的两个光色转换单元21上的光色转换材料能够转换的色光可以相同也可以不同，由于第一电机30和第二电机40之间的运动配合，使得单色光源10发出的单色原光会周期性地照射到每一个光色转换单元21上。其中，色轮20上的光色转换单元21可以是两个、三个、四个、五个、六个或者更多。

优选地，投影光源设备还包括第一分光镜51、第二分光镜52、第一反光镜61和第二反光镜62，第一分光镜51设置在单色光源10的一侧，以使单色光源10的光照射至第一分光镜51上并被第一分光镜51分为单色原光和其余色光，第一分光镜51设置在色轮20的朝向单色光源10的一侧，以使单色原光穿过光色转换单元21，第一反光镜61的镜面朝向色轮20和第二分光镜52，以将穿过光色转换单元21的光反射至第二分光镜52并由第二分光镜52再次反射，第二反光镜62的镜面与第一反光镜61的镜面相对设置，以使其余色光从第二反光镜62反射至第二分光镜52且其余色光穿过第二分光镜52后与由第一反光镜61反射的光汇合。在本发明中，第一分光镜51和第二分光镜52具有不同的分光性质，即第一分光镜51将所需的其余色光与单色原光分离，当分离后的其余色光与单色原光穿过第一分光镜51之后，再将其余色光与单色原光分别向不同的方向进行照射，而在第二分光镜52中，其余色光被反射至第二分光镜52后可以穿过第二分光镜52，而经过光色转换单元21将单色原光转成所需色光之后被反射至第二分光镜52时无法穿过第二分光镜52而被直接反射，从而使得两束光可以汇合。

具体地，投影光源设备还包括第一透镜71、第二透镜72和第三透镜73，第一透镜71位于单色光源10和第一分光镜51之间，第二透镜72位于色轮20与第一反光镜61之间，第三透镜73位于第一分光镜51与第二反光镜62之间。当光经过第一透镜71、第二透镜72和第三透镜73时，透镜可以对光的照射方向进行校正，从而使光按照正确的照射路径进行传送。

如图1所示，其示出了本发明的第一实施例的结构示意图。在第一实施例中，该投影光源设备应用了如图3所示的色轮20。投影光源设备还包括第四透镜74，第四透镜74位于第二分光镜52的下游，以使穿过第二分光镜52的光汇合后经第四透镜74后照射出去。

当工作人员利用第一实施例的投影光源设备照射出来的光作为投影用的光源时，该投影光源设备的工作过程如下：

工作人员首先打开单色光源10发出单色光(第一实施例中的色轮20中的多个光色转换单元21为3个，并且，第一种情况为当3个光色转换单元21上均设置有光色转材料时，单色光源10发出的单色光为紫光或紫外，第二种情况为当3个光色转换单元21中有两个设置有光色转换材料，而另一个没有设置光色转换材料而成为纯粹的透光区域时，单色光源10发出的为蓝光)，并同时启动第一电机30和第二电机40，这样，单色光源10发出的光先由第一透镜71进行首次校正，然后光经过第一分光镜51，在第一分光镜51中，第一分光镜51将单色光源10发出的单色光分离为单色原光(第一种情况下为紫色原光，第二种情况下为蓝色原光)和其余色光，然后单色原光照射至色轮20的光色转换单元21上的光色转换材料上进行光色转换，此时，单色原光被转换为多种色光(单色原光为紫光或紫外时，转换后的多种色光为红、绿、蓝三原色的光；单色原光为蓝光时，转换后的多种色光为红色光和黄色光)，转换后的多种色光再次经过第二透镜72的校正后照射到第一反光镜61上进行发射，多种色光被第一反光镜61反射到第二分光镜52，多种色光无法穿过第二分光镜52而被第二分光镜52完全反射，此外，被第一分光镜51分离出来的其余色光照射到第二反光镜62，被第二反光镜62反射到第二分光镜52穿过第二分光镜52与上述的被第二分光镜52完全反射的多种色光汇合，汇合后的光再次经过第四透镜74校正后照射出去成为投影使用的光源。

如图2所示，其示出了本发明的第二实施例的结构示意图。在第二实施例中，该投影光源设备应用了如图4所示的色轮20。具体地，投影光源设备还包括第三反光镜63和第四反光镜64，第三反光镜63位于第二分光镜52的下游，第四反光镜64的镜面与第三反光镜63的镜面具有夹角地设置，以使穿过第二分光镜52的光汇合后照射到第三反光镜63并由第三反光镜63反射至第四反光镜64，在第二实施例中，色轮20还包括滤色单元22，第四反光镜64位于滤色单元22的上游，滤色单元22位于光色转换单元21的外侧，且第四反光镜64将光反射至滤色单元22进行滤色。

如图4所示，滤色单元22为多个，其中，多个滤色单元22可以是两个、三个、四个甚至更多。并且，滤色单元22和光色转换单元21以色轮20的轴心为中心沿色轮20的径向方向向外延伸，且滤色单元22与光色转换单元21相接。多个滤色单元22与多个光色转换单元21可以一一对应地设置，多个滤色单元22与多个光色转换单元21也可以相互错开地设置。

在第二实施例中，投影光源设备还包括第四透镜74，第四透镜74位于滤色单元22的下游，以使穿过滤色单元22的光经第四透镜74后照射出去。

当工作人员利用第二实施例的投影光源设备照射出来的光作为投影用的光源时，该投影光源设备的工作过程如下：

由于第二实施例与第一实施例的不同之处在于第二分光镜52下游之后的结构不同，因此，应用第二实施例的投影光源设备时，在第二分光镜52之前的工作情况与第一实施例相同。当其余色光与转换后的多种色光汇合后照射到第三反光镜63上，由第三反光镜63将光反射到第四反光镜64上，然后第四反光镜64将反射到色轮20的滤色单元22进行滤色，从而提高光的色纯度，然后光经过第四透镜74的校正后照射出去成为投影用的光源。

如图7和图8所示，选用445nm的蓝光LED作为激发光源，色轮20采用三个光色转换单元21的类型，其中两个光色转换单元21上设置有光色转换单元，分别是峰值波长526nm，半波宽26nm的绿色量子点和峰值波长为632nm，半波宽32nm的红色量子点，另一个光色转换单元为直接透光区域，并且不添加滤色结构(即采用第一实施例进行测试)。经过测试，最后得到如图7所示的RGB三色光谱，如图8所示，整个投影光源的色域可以达到105％NTSC标准以上。

根据本发明的另一方面，提供了一种投影装置，该投影设备包括投影光源设备，该投影光源设备为前述的投影光源设备。

根据本发明的又一方面，提供了一种控制光斑运动的方法，该方法应用于投影光源设备，其中，投影光源设备为上述的投影光源设备，并且，该方法包括以下步骤：直线运动步骤：是单色光源10做直线往复运动，即在本实施例中应用第一电机30驱动单色光源10做直线往复运动；转动运动步骤：在所述单色光源10做直线运动时，使色轮20绕其中心轴线转动，即应用第二电机40驱动色轮20做转动运动；或者，在单色光源10做直线往复运动的同时使单色光源10绕色轮20的中心轴线转动。这样，单色光源10与色轮20之间的运动叠加，或者单色光源10自身做直线运动和转动的运动叠加(此时单色光源10自身的运动轨迹是螺旋线形的运动轨迹)，使得形成在色轮20上的光斑以如图5所示的螺旋线形轨迹运动。

解释说明：

在本发明中，色轮20的轮廓形状可以是多种形式，例如，色轮20的轮廓形状可以是圆形轮；也可以是方形，此时，色轮20的中心轴线为穿过方形色轮20的几何中心的轴线；还可以是多边形，如五边形、六边形、八边形等等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种投影光源设备，包括单色光源(10)和色轮(20)，其特征在于，所述色轮(20)包括光色转换单元(21)，所述光色转换单元(21)上设置有光色转换材料，所述单色光源(10)和所述色轮(20)依次设置以使所述单色光源(10)的光照射至所述光色转换材料上，所述投影光源设备还包括：

第一电机(30)，所述单色光源(10)安装在所述第一电机(30)上，所述第一电机(30)驱动所述单色光源(10)做直线往复运动；

第二电机(40)，所述第二电机(40)与所述色轮(20)驱动连接，所述第二电机(40)驱动所述色轮(20)绕其中心轴转动；或者，所述第二电机(40)与所述第一电机(30)连接，且所述第二电机(40)的转轴与所述第一电机(30)的转轴之间形成夹角，所述第二电机(40)驱动所述第一电机(30)绕所述色轮(20)的中心轴线转动。

2.根据权利要求1所述的投影光源设备，其特征在于，所述光色转换单元(21)为多个，每个所述光色转换单元(21)上的所述光色转换材料为量子点或荧光粉或量子点和荧光粉的混合物。

3.根据权利要求1所述投影光源设备，其特征在于，所述投影光源设备还包括：

第一分光镜(51)，所述第一分光镜(51)设置在所述单色光源(10)的一侧，以使所述单色光源(10)的光照射至所述第一分光镜(51)上并被所述第一分光镜(51)分为单色原光和其余色光，所述第一分光镜(51)设置在所述色轮(20)的朝向所述单色光源(10)的一侧，以使所述单色原光穿过所述光色转换单元(21)；

第二分光镜(52)；

第一反光镜(61)，所述第一反光镜(61)的镜面朝向所述色轮(20)和所述第二分光镜(52)，以将穿过所述光色转换单元(21)的光反射至所述第二分光镜(52)并由所述第二分光镜(52)再次反射；

第二反光镜(62)，所述第二反光镜(62)的镜面与所述第一反光镜(61)的镜面相对设置，以使所述其余色光从所述第二反光镜(62)反射至所述第二分光镜(52)且所述其余色光穿过所述第二分光镜(52)后与由所述第一反光镜(61)反射的光汇合。

4.根据权利要求3所述的投影光源设备，其特征在于，所述投影光源设备还包括第一透镜(71)，所述第一透镜(71)位于所述单色光源(10)和所述第一分光镜(51)之间。

5.根据权利要求3所述的投影光源设备，其特征在于，所述投影光源设备还包括第二透镜(72)，所述第二透镜(72)位于所述色轮(20)与所述第一反光镜(61)之间。

6.根据权利要求3所述的投影光源设备，其特征在于，所述投影光源设备还包括第三透镜(73)，所述第三透镜(73)位于所述第一分光镜(51)与所述第二反光镜(62)之间。

7.根据权利要求3所述的投影光源设备，其特征在于，所述投影光源设备还包括第四透镜(74)，所述第四透镜(74)位于所述第二分光镜(52)的下游，以使穿过所述第二分光镜(52)的光汇合后经所述第四透镜(74)后照射出去。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的投影光源设备，其特征在于，所述投影光源设备还包括：

第三反光镜(63)；

第四反光镜(64)，所述第四反光镜(64)的镜面与所述第三反光镜(63)的镜面具有夹角地设置，以使穿过所述第二分光镜(52)的光汇合后照射到所述第三反光镜(63)并由所述第三反光镜(63)反射至所述第四反光镜(64)；

所述色轮(20)还包括滤色单元(22)，所述滤色单元(22)位于所述光色转换单元(21)的外侧，且所述第四反光镜(64)将光反射至所述滤色单元(22)进行滤色。

9.根据权利要求8所述的投影光源设备，其特征在于，所述滤色单元(22)和所述光色转换单元(21)以所述色轮(20)的轴心为中心沿所述色轮(20)的径向方向向外延伸，且所述滤色单元(22)与所述光色转换单元(21)相接。

10.根据权利要求9所述的投影光源设备，其特征在于，所述滤色单元(22)为多个。

11.根据权利要求8所述的投影光源设备，其特征在于，所述投影光源设备还包括第四透镜(74)，所述第四透镜(74)位于所述滤色单元(22)的下游，以使穿过所述滤色单元(22)的光经所述第四透镜(74)后照射出去。

12.一种投影装置，包括投影光源设备，其特征在于，所述投影光源设备为权利要求1至11中任一项所述的投影光源设备。

13.一种控制光斑运动的方法，其特征在于，该方法应用于投影光源设备，其中，

所述投影光源设备包括单色光源(10)和色轮(20)，所述色轮(20)包括光色转换单元(21)，所述光色转换单元(21)上设置有光色转换材料，所述单色光源(10)和所述色轮(20)依次设置以使所述单色光源(10)的光照射至所述光色转换材料上；

所述方法包括以下步骤：

直线运动步骤：使所述单色光源(10)做直线往复运动；

转动运动步骤：在所述单色光源(10)做直线往复运动时，使所述色轮(20)绕其中心轴线转动；或者，使所述单色光源(10)同时绕所述色轮(20)的中心轴线转动。