CN105182672B - 发光装置和投影显示装置 - Google Patents

Abstract

提出一种发光装置和投影显示装置，包括用于发射原激光的激光光源，还包括分光装置和位于该分光装置光路后端的聚光装置，其中分光装置包括导入区和导出区；还包括波长转换装置，该波长转换装置包括波长转换段和反射散射段，波长转换段包括反射层和覆盖在反射层表面的波长转换层，还包括覆盖在波长转换层表面的功能滤光片和驱动装置。分光装置的导入区反射激光，导出区透射激光，且导入区和导出区都透射受激光。利用分光装置的两个区与功能滤光片的配合，成功的使得波长转换段上出射的第一散射激光被抑制而不能出射，同时使得反射散射段上出射的第二散射激光能够大部分的出射。

Description

发光装置和投影显示装置

技术领域

本发明涉及光源领域，特别是涉及发光装置和使用该发光装置的投影显示装置。

背景技术

目前，激光激发转动的荧光粉转盘产生分时的荧光，这种方法已经被比较广泛的应用于投影显示产业中。但是目前的方案或者结构复杂庞大，或者出射光颜色不纯，都存在一定的缺陷。因此很需要一种高效、紧凑、出射光颜色好的解决方案。

发明内容

本发明提出一种发光装置，包括用于发射原激光的激光光源，还包括分光装置和位于该分光装置光路后端的聚光装置，其中分光装置包括导入区和导出区，从导入区出射的光经过聚光装置聚光后的角分布范围为第一角度范围，从导出区出射的光经过聚光装置聚光后的角分布范围为第二角度范围；激光光源发射的原激光入射于分光装置的导入区。发光装置还包括波长转换装置，该波长转换装置包括波长转换段和反射散射段，波长转换段包括反射层和覆盖在反射层表面的波长转换层，该波长转换层吸收原激光后会出射受激光和第一散射激光，其中第一散射激光为原激光被波长转换层反射散射但未吸收的剩余激光；波长转换段还包括覆盖在波长转换层表面的功能滤光片，该功能滤光片能够大部分地透射入射角在第一角度范围内的原激光和第一散射激光，且能够大部分地反射入射角在第二角度范围的原激光和第一散射激光，同时功能滤光片还能够大部分地透射全角度范围的受激光；反射散射段则可以对入射的原激光进行反射散射形成第二散射激光。波长转换装置还包括驱动装置，用于驱动波长转换段和反射散射段周期性的轮流进入聚光装置焦点处的原激光光路。分光装置的导入区反射原激光、第一散射激光和第二散射激光，分光装置的导出区透射原激光、第一散射激光和第二散射激光，且导入区和导出区都透射受激光。

本发明还提出一种发光装置，包括用于发射原激光的激光光源，还包括分光装置和位于该分光装置光路后端的聚光装置，其中分光装置包括导入区和导出区，从导入区出射的光经过聚光装置聚光后的角分布范围为第一角度范围，从导出区出射的光经过聚光装置聚光后的角分布范围为第二角度范围；激光光源发射的原激光入射于分光装置的导入区。发光装置还包括波长转换装置，该波长转换装置包括波长转换段和反射散射段，波长转换段包括反射层和覆盖在反射层表面的波长转换层，该波长转换层吸收原激光后会出射受激光和第一散射激光，其中第一散射激光为原激光被波长转换层反射散射但未吸收的剩余激光；波长转换段还包括覆盖在波长转换层表面的功能滤光片，该功能滤光片能够大部分地透射入射角在第一角度范围内的原激光和第一散射激光，且能够大部分地反射入射角在第二角度范围的原激光和第一散射激光，同时功能滤光片还能够大部分地透射全角度范围的受激光；反射散射段则可以对入射的原激光进行反射散射形成第二散射激光。波长转换装置还包括驱动装置，用于驱动波长转换段和反射散射段周期性的轮流进入聚光装置焦点处的原激光光路。分光装置的导入区透射原激光、第一散射激光和第二散射激光，分光装置的导出区反射原激光、第一散射激光和第二散射激光，且导入区和导出区都反射受激光。

本发明还提出一种投影显示装置，使用上述的发光装置作为光源。

本发明利用分光装置的两个区与功能滤光片的配合，成功的使得波长转换段上出射的第一散射激光被抑制而不能出射，同时使得反射散射段上出射的第二散射激光能够大部分的出射。这样既高效实现了分时发光，同时保证了各单色光的单色性，而且实现结构非常简单。

附图说明

图1是本发明第一实施例的发光装置的结构示意图；

图2是图1所示实施例中聚光装置的工作原理示意；

图3是图1所示实施例中分光装置的正视图；

图4是图1所示实施例中波长转换装置的正视图；

图5是图1所示实施例中功能滤光片的透过谱举例；

图6是图1所示实施例中激光和受激光的光谱举例；

图7是图1所示实施例中当反射散射段运动到原激光光路时的示意图；

图8是本发明另一个实施例的发光装置的结构示意图；

图9是本发明另一个实施例中激光光源采用多颗激光二极管后压缩光束的原理示意图；

图10是本发明另一个实施例的发光装置的结构示意图；

图11是图10所示实施例中分光装置的正视图。

具体实施方式

本发明提出一种发光装置，其第一实施例的结构示意图如图1所示。该发光装置包括用于发射原激光121的激光光源101，还包括分光装置102和位于该分光装置光路后端的聚光装置103。其中，如图3所示，分光装置102包括导入区102a和导出区102b，激光光源101发射的原激光121入射于分光装置的导入区102a。

分光装置102上不同的区出射的光经过聚光装置103聚光后会处于不同的角度范围，即从导入区102a出射的光经过聚光装置103聚光后的角分布范围为第一角度范围，从导出区102b出射的光经过聚光装置103聚光后的角分布范围为第二角度范围。具体来说，在本实施例中，分光装置102的导入区102a位于分光装置作用面的中部，导出区102b位于导入区102a周围。如图2所示，导入区102a出射的光为中心的光线193和194，这两条光线经过聚光装置聚光后处于小角度范围，而导出区102b出射的光为外围的光线191和192，这两条光线经过聚光装置聚光后处于大角度范围。因此在本实施例中，第一角度范围是角度小于特征角度的角度范围，第二角度范围是角度大于特征角度并小于90度的角度范围，其中特征角度就是导入区和导出区的边界所对应的角度，这个角度在不同系统中是不同的，例如为30度。

分光装置上不同的区出射的光经过聚光装置聚光后处于不同的角度范围，是由一般的光学原理决定的。对于聚光装置来说，一侧是平行光，一侧是会聚光，那么平行光一侧的光的面分布，就对应于会聚光一侧的光的角分布。举例来说，平行光一侧的中心光，就对应于会聚光一侧的小角度光，平行光一侧的外围光，就对应于会聚光一侧的大角度光。

本发明的发光装置还包括位于聚光装置光路后端的波长转换装置104，该波长转换装置104包括波长转换段104a和反射散射段104b，波长转换装置104的正视图如图4所示。波长转换段104a包括反射层105和覆盖在反射层表面的波长转换层104a1(见图1)，该波长转换层104a1吸收原激光121后会出射受激光和第一散射激光，其中第一散射激光为原激光121被波长转换层反射散射但未吸收的剩余激光。波长转换段104a还包括覆盖在波长转换层104a1表面的功能滤光片104a2，该功能滤光片104a2能够大部分地透射入射角在第一角度范围内的原激光和第一散射激光，且能够大部分地反射入射角在第二角度范围的原激光和第一散射激光，同时该功能滤光片还能够大部分地透射全角度范围的受激光。

图5是功能滤光片透过谱的一个举例，同时参考图6的激光和受激光的光谱进行说明。在图6中，181为原激光和第一散射激光的光谱(散射作用不改变光谱，因此下文提到的第二散射激光的光谱也与原激光的光谱相同)，182表示受激光的光谱。在图5中，如图中标注的，五条曲线分别表示入射角为0度、20度、30度、45度和60度时的透过谱，比较图6中的激光和受激光的光谱可知，该功能滤光片能够大部分地透射0度和20度的原激光和第一散射激光，并能够大部分地反射30度、45度和60度的原激光和第一散射激光，同时还能够大部分地透射全角度范围的受激光。在该示例中，第一角度范围指的是角度小于25度的角度范围，第二角度范围指的是角度大于25度并小于90度的角度范围，也就是特征角度是25度。实际上，该功能滤光片就是利用了光谱滤光片的透过谱随着入射角度增大而向短波长漂移的特性来实现上述功能的。本举例用于说明本实施例中的功能滤光片的功能是完全可以实现的，但不构成对本发明的限制。

在该波长转换装置中，反射散射段104b用于对入射的原激光121进行反射散射形成第二散射激光；反射散射段的作用原理将在图7中予以说明。

在本实施例中，波长转换装置104还包括驱动装置106，用于驱动波长转换段和反射散射段周期性的轮流进入聚光装置103焦点处的原激光光路。

在本实施例中，分光装置的导入区透射原激光、第一散射激光和第二散射激光，分光装置的导出区反射原激光、第一散射激光和第二散射激光，且导入区和导出区都反射受激光。

下面具体介绍本实施例的工作原理。

波长转换段104a位于原激光光路上时的情况如下，如图1所示。激光光源101发射的原激光121入射于分光装置的导入区102a，由于导入区102a透射原激光，因此原激光被导入区引导经过聚光装置会聚于波长转换段104a，入射角的角分布范围为第一角度范围，例如小于等于25度的范围。根据功能滤光片的特性，该原激光能够大部分地透射功能滤光片104a2并入射于波长转换层104a1。从波长转换层104a1出射的光则分为三部分。其中，大部分受激光透射功能滤光片104a2并被聚光装置收集并准直，由于分光装置102的导入区和导出区都反射受激光，因此该受激光123被分光装置反射引导与原激光121的光路分开并被导出为发光装置的出射光。从波长转换层出射的第一散射激光又分为两部分，其中，出射角在第一角度范围的第一散射激光大部分地透射功能滤光片104a2并被聚光装置收集并准直，由于光路可逆，这部分第一散射激光122入射于分光装置的导入区102a并被导入区透射引导沿着原激光的光路逆向传播；而出射角在第二角度范围的第一散射激光大部分地被功能滤光片104a2反射从而返回到波长转换层进行再利用。可见，当波长转换段104a位于原激光光路上时，发光装置可以发射纯的受激光，第一散射激光无法导出形成出射光。

反射散射段104b位于原激光光路上时的情况如下，如图7所示。激光光源101发射的原激光121入射于分光装置的导入区102a，由于导入区102a透射原激光，因此原激光被导入区透射引导经过聚光装置会聚于反射散射段并被其反射散射。从反射散射段104b出射的第二散射激光分为两部分。其中，由于光路可逆，出射角在第一角度范围的第二散射激光129入射于分光装置的导入区102a并被导入区透射引导沿着原激光121的光路逆向传播，而出射角在第二角度范围的第二散射激光会入射于分光装置的导出区102b并被导出区反射引导形成出射光124。可见，当反射散射段104b位于原激光光路上时，发光装置可以发射第二散射激光。虽然部分第二散射激光129形成了光损失，但是只要导出区的面积大于导入区的面积，第二散射激光的大部分就可以被引导出来形成出射。因此在本实施例中优选的，导出区的面积不小于导入区面积的二倍。

在本实施例中，利用分光装置的两个区与功能滤光片104a2的配合，成功的使得波长转换段104a上出射的第一散射激光被抑制而不能出射，同时使得反射散射段104b上出射的第二散射激光能够大部分的出射。这样既高效实现了分时发光，同时保证了各单色光的单色性。

本发明的另一个实施例的结构示意图如图8所示。与图1所示的实施例不同的是，在本实施例中，还包括发光二极管光源208，分光装置202的导入区和导出区都透射发光二极管光源208发出的光225；发光二极管光源发出的光225入射于分光装置202上并被其透射引导形成发光装置的出射光。本实施例的好处在于在图1所示实施例的基础上又增加了一个发光二极管光源，在提高亮度的基础上结构复杂性并没有提高。

如上所述，在图1所示的实施例中，一个比较关键的地方在于导出区与导入区的面积比，该面积比越大则第二散射激光的出射效率就越高。因此当分光装置的作用面面积一定时，导入区面积越小则第二散射激光的出射效率就越高。而限制导入区面积的是原激光的截面积，尤其是当原激光包括多颗激光二极管组成的阵列时，其截面积显然会扩大使得其难以全部入射于导入区。为了解决这个问题，图9所示的结构提供了一个解决方案的举例。

在图9中，激光光源301包括激光二极管阵列，各激光二极管发射一束相互平行的激光，各激光束依次入射于第一凸透镜312和第二透镜313，其中第一凸透镜的口径大于第二透镜，且第一凸透镜的与第二透镜的焦点相重合。其中，各激光束入射于第一凸透镜后会聚于其焦点，在从焦点出射并入射于第二透镜形成平行光，由于第二透镜的口径较小，所以从第二透镜出射的平行光比入射于第一凸透镜的平行光光束截面积更小。所以，第一凸透镜与第二透镜的组合起到了压缩光束的作用。在本实施例中第二透镜为凸透镜；实际中第二透镜也可以是凹透镜，这样两个透镜之间的距离可以进一步压缩，结构可以更加紧凑。

在本实施例中，还使用了多个小反射镜(图中311为其中的两个)来对多束激光束进行反射，这多个小反射镜构成阶梯状，实际上反射的激光光束的间距也小于从激光光源301直接射出的激光光束的间距，也就是合理设计的阶梯状的反射镜也起到了压缩光束的作用。

总的来说，利用本实施例中的阶梯状的反射镜和两个透镜组合可以有效的压缩多束激光束的截面积，这样可以有效的减小分光装置中导入区的面积。

在上述实施例中，原激光透射导入区且受激光和第二散射激光是被分光装置反射导出形成出射光的。在实际应用中还有另一种选择，如图10所示。在图10所示的实施例中，与图1所示的实施例不同的是，分光装置402(其正视图如图11所示)的导入区402a反射原激光、第一散射激光和第二散射激光，分光装置的导出区402b透射原激光、第一散射激光和第二散射激光，且导入区402a和导出区402b都透射受激光。

在本实施例中，当波长转换段位于原激光光路上时，激光光源401发射的原激光421入射于分光装置的导入区402a并被其反射引导从而经过聚光装置403会聚于波长转换段，入射角的角分布范围为第一角度范围。该原激光421透射功能滤光片404a2并入射于波长转换层404a1。从波长转换层出射的大部分受激光透射功能滤光片并被聚光装置收集并准直，由于分光装置402的导入区和导出区都透射受激光，因此该受激光423被分光装置透射引导与原激光421的光路分开并被导出为发光装置的出射光。从波长转换层出射的第一散射激光中，出射角在第一角度范围的第一散射激光大部分地透射功能滤光片并被聚光装置收集并准直，由于光路可逆，这部分第一散射激光422入射于分光装置的导入区402a并被导入区反射引导沿着原激光的光路逆向传播。从波长转换层出射的第一散射激光中，出射角在第二角度范围的第一散射激光大部分地被功能滤光反射从而返回到波长转换层进行再利用。当反射散射段404b位于原激光光路上时，激光光源401发射的原激光421入射于分光装置的导入区402a并被其反射引导从而经过聚光装置403会聚于反射散射段404b。从反射散射段出射的第二散射激光中，由于光路可逆，出射角在第一角度范围的第二散射激光入射于分光装置的导入区并被导入区反射引导沿着原激光421的光路逆向传播。从反射散射段出射的第二散射激光中，由于光路可逆，出射角在第二角度范围的第二散射激光入射于分光装置的导出区402b并被导出区透射引导形成出射光。

在本实施例的发光装置中，还包括发光二极管光源408，分光装置402的导入区和导出区都透射发光二极管光源发出的光；发光二极管光源发出的光425入射于分光装置上并被其反射引导形成发光装置的出射光。

在上述实施例中，优选的，发光二极管光源与激光光源共用散热背板，这样散热设计最简洁。

在上述实施例中，反射散射段实际上包括反射层和覆盖在反射层表面的散射层，且反射散射段的反射层与波长转换段的反射层共用。例如使用高反射铝板作为反射层，散射层则使用二氧化钛颗粒的白色涂层。实际上还有其它实现方式。例如波长转换段的反射层是散射反射层，且该反射散射层与反射散射段构成一个整体。例如使用一个整体的白色陶瓷板作为反射散射段和波长转换段的散射反射层。这些实现方式此处不一一赘述。

在上述实施例中，导入区都是位于分光装置作用面的中部。实际上导出区也可以位于分光装置作用面的中部，导入区位于导出区的四周。显然，此时第一角度范围指的是大于特征角度并小于90度的角度范围，而第二角度范围指的是角度小于特征角度的角度范围。这样，重新设计原激光的光路使得原激光入射于位于四周的导入区，并重新设计功能滤光片，同样可以达到前面实施例所达到的效果。

本发明还提出一种投影显示装置，使用上述的发光装置作为光源。随着驱动装置驱动波长转换区与反射散射区轮流进入原激光光路，发光装置分时的出射受激光和第二散射激光，该分时输出光被光阀同步调制后再投影可以得到彩色图像。如果发光装置还包括发光二极管光源，则激光光源可以在驱动装置运动的一个周期内关闭一个时间段，同时在该时间段内发光二极管光源开启，这样发光装置就可以分时出射三种颜色的光。。例如原激光为蓝色激光，受激光为绿色，而发光二极管光源发射红色光，这样就可以实现分时出射三基色光，从而实现彩色投影显示。

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 (15)

1.一种发光装置，其特征在于：

包括用于发射原激光的激光光源，还包括分光装置和位于该分光装置光路后端的聚光装置，其中分光装置包括导入区和导出区，从导入区出射的光经过聚光装置聚光后的角分布范围为第一角度范围，从导出区出射的光经过聚光装置聚光后的角分布范围为第二角度范围；激光光源发射的原激光入射于分光装置的导入区；

还包括位于聚光装置光路后端的波长转换装置，该波长转换装置包括波长转换段和反射散射段，波长转换段包括反射层和覆盖在反射层表面的波长转换层，该波长转换层吸收原激光后会出射受激光和第一散射激光，其中第一散射激光为原激光被波长转换层反射散射但未吸收的剩余激光；波长转换段还包括覆盖在波长转换层表面的功能滤光片，该功能滤光片能够大部分地透射入射角在第一角度范围内的原激光和第一散射激光，且能够大部分地反射入射角在第二角度范围的原激光和第一散射激光，同时功能滤光片还能够大部分地透射全角度范围的受激光；反射散射段则可以对入射的原激光进行反射散射形成第二散射激光；

波长转换装置还包括驱动装置，用于驱动波长转换段和反射散射段周期性的轮流进入聚光装置焦点处的原激光光路；

分光装置的导入区反射原激光、第一散射激光和第二散射激光，分光装置的导出区透射原激光、第一散射激光和第二散射激光，且导入区和导出区都透射受激光。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，还包括发光二极管光源，分光装置的导入区和导出区都反射发光二极管光源发出的光；发光二极管光源发出的光入射于分光装置上并被其反射引导形成发光装置的出射光。

3.根据权利要求2所述的发光装置，其特征在于，所述发光二极管光源与所述激光光源共用散热背板。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的发光装置，其特征在于，分光装置的导入区位于分光装置作用面的中部，导出区位于导入区周围；第一角度范围是角度小于特征角度的角度范围，第二角度范围是角度大于特征角度并小于90度的角度范围。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述导出区的面积不小于导入区面积的二倍。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述反射散射段也包括反射层，且与波长转换段共用同一个反射层；或者，所述波长转换段的反射层是反射散射层，且该反射散射层与反射散射段构成一个整体。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述激光光源包括激光二极管阵列，各激光二极管发射一束相互平行的激光，各激光束依次入射于第一凸透镜和第二透镜，其中第一凸透镜的口径大于第二透镜，且第一凸透镜的与第二透镜的焦点相重合。

8.一种发光装置，其特征在于：

包括用于发射原激光的激光光源，还包括分光装置和位于该分光装置光路后端的聚光装置，其中分光装置包括导入区和导出区，从导入区出射的光经过聚光装置聚光后的角分布范围为第一角度范围，从导出区出射的光经过聚光装置聚光后的角分布范围为第二角度范围；激光光源发射的原激光入射于分光装置的导入区；

还包括位于聚光装置光路后端的波长转换装置，该波长转换装置包括波长转换段和反射散射段，波长转换段包括反射层和覆盖在反射层表面的波长转换层，该波长转换层吸收原激光后会出射受激光和第一散射激光，其中第一散射激光为原激光被波长转换层反射散射但未吸收的剩余激光；波长转换段还包括覆盖在波长转换层表面的功能滤光片，该功能滤光片能够大部分地透射入射角在第一角度范围内的原激光和第一散射激光，且能够大部分地反射入射角在第二角度范围的原激光和第一散射激光，同时功能滤光片还能够大部分地透射全角度范围的受激光；反射散射段则可以对入射的原激光进行反射散射形成第二散射激光；

波长转换装置还包括驱动装置，用于驱动波长转换段和反射散射段周期性的轮流进入聚光装置焦点处的原激光光路；

分光装置的导入区透射原激光、第一散射激光和第二散射激光，分光装置的导出区反射原激光、第一散射激光和第二散射激光，且导入区和导出区都反射受激光。

9.根据权利要求8所述的发光装置，其特征在于，还包括发光二极管光源，分光装置的导入区和导出区都透射发光二极管光源发出的光；发光二极管光源发出的光入射于分光装置上并被其引导形成发光装置的出射光。

10.根据权利要求9所述的发光装置，其特征在于，所述发光二极管光源与所述激光光源共用散热背板。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的发光装置，其特征在于，分光装置的导入区位于分光装置作用面的中部，导出区位于导入区周围；第一角度范围是角度小于特征角度的角度范围，第二角度范围是角度大于特征角度并小于90度的角度范围。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述导出区的面积不小于导入区面积的二倍。

13.根据权利要求8至10中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述反射散射段也包括反射层，且与波长转换段共用同一个反射层；或者，所述波长转换段的反射层是反射散射层，且该反射散射层与反射散射段构成一个整体。

14.根据权利要求8至10中任一项所述的发光装置，其特征在于，所述激光光源包括激光二极管阵列，各激光二极管发射一束相互平行的激光，各激光束依次入射于第一凸透镜和第二透镜，其中第一凸透镜的口径大于第二透镜，且第一凸透镜的与第二透镜的焦点相重合。

15.一种投影显示装置，其特征在于，使用根据权利要求1至14中任一项所述的发光装置作为光源。