CN106444251A - 荧光色轮装置、光源系统及激光投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光投影显示领域，公开了一种荧光色轮装置、光源系统及激光投影设备，解决光机厚度与荧光色轮的直径和散热的矛盾。本发明的激光投影设备包括光机、镜头和激光光源系统；其中，激光光源系统包括激光器、后置透镜组、前置透镜组、二向色镜、激光传递和处理系统、光束会聚组件、荧光色轮装置；荧光色轮装置包括驱动装置和色轮，色轮呈一个无盖圆柱筒形，包括基底和侧壁；侧壁上有对称对向的开口，开口将侧壁分为两侧，每一侧的侧壁的外侧涂覆有多种荧光粉体，且在两侧的侧壁的同种荧光粉体宽度总是相等且对称对向。本发明适用于激光投影仪。

Description

荧光色轮装置、光源系统及激光投影设备

技术领域

本发明涉及激光投影显示领域，特别涉及荧光色轮装置、光源系统及激光投影设备。

背景技术

目前，投影设备广泛用于家庭、商业、教育以及广告等各种应用场景。随着使用需求的提高，卤素灯和LED作为投影显示光源在寿命或者亮度方面有很大的不足，已经很难满足越来越高的使用需求。

激光二极管(Laser Diode)具有高效率、高亮度、功耗低、寿命长等特点，目前逐步广泛应用于投影显示中。根据色度学原理，在投影领域中一般使用红绿蓝三种色光作为三基色。但是对于激光二极管LD，红、绿LD因为效率和系统散斑方面的原因，目前激光投影大多使用蓝色单色激光光束照射波长荧光粉色轮使荧光粉产生红/黄和绿色受激光，通过时序调色实现投影显示。

荧光色轮工作方式可分为反射式和透射式两种，反射式荧光色轮转换效率相比透射式更高，在实际应用中更加常见。

目前广泛使用的反射式荧光色轮如图8所示，其主体结构为一铝制镜面圆形薄基板103，在圆面边缘均匀涂覆一定宽度和厚度，受激光照射可发射出多种颜色的多种荧光粉体A1。这种荧光色轮在安装时均采用基板垂直安装，荧光色轮基板的直径直接影响着光机的厚度，在光机轻薄化的需求下，必须减小色轮的直径才能减小光机的厚度。但是减小色轮直径会减小色轮的散热面积，从而导致色轮温度过高，影响荧光粉发光效率和转换效率。

因此，需要一种新的荧光色轮装置结构和投影光源系统，解决以上问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种荧光色轮装置、光源系统及激光投影设备，解决光机厚度与荧光色轮的直径和散热的矛盾。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：荧光色轮装置，为反射式荧光轮，且在使用的时候水平设置；包括驱动装置以及设置在驱动装置上的色轮；所述色轮呈一个无盖圆柱筒形，所述色轮包括基底和位于基底圆周的侧壁；所述侧壁上有对称对向的开口，所述开口将侧壁分为两侧，每一侧的侧壁的外侧涂覆有多种荧光粉体，且在两侧的侧壁的同种荧光粉体宽度总是相等且对称对向；所述色轮驱动装置的驱动轴与色轮的轴心重合，驱动装置以其驱动轴为旋转中心，驱动所述基底作旋转运动。

进一步的，所述基底为含铝金属基底。

进一步的，在所述基底上除侧壁以外其他区域设有用于为所述色轮散热的金属基片。

进一步的，在所述基底的内圆周上设有多层金属基片。

光源系统，包括激光器、后置透镜组、前置透镜组、二向色镜、光束会聚组件激光传递和处理系统，以及上述的荧光色轮装置，所述荧光色轮装置设置在后置透镜组与前置透镜组之间；所述光束会聚组件设置在荧光色轮装置与前置透镜组之间；其中，所述激光传递和处理系统，用于将激光束行进方向偏转并扩束。

进一步的，所述光束会聚组件为反光碗，所述反光碗包括外壳和以及于外壳中间的抛物反光曲面，抛物反光曲面的顶部有一开口；反光碗的碗口端面与前置透镜组贴合，且前置透镜组中靠近荧光色轮端的第一颗透镜的中心位于抛物反光曲面的焦点上。

进一步的，所述激光传递和处理系统用于将小面积高能量密度的单光束蓝色激光束点变成大面积低能量密度的激光区域照明面，包括平面反射镜、扩散片和透镜。

进一步的，所述平面反射镜为表面涂覆有针对激光器发光波长的高反介质膜的石英平板玻璃；所述扩散片为一个表面有微小凸起单元的石英平板玻璃；所述透镜为球面透镜

激光投影设备，包括光机、镜头和上述的激光光源系统；

所述激光光源系统，将单色激光按时序转换为三基色光，并输入所述光机；

所述光机调制所述时序三基色光并输出至所述镜头；

所述镜头将从光机输入的调制光汇聚成像并投影。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明中的荧光色轮可以采用水平安装的方式，能够不减小荧光色轮尺寸的同时降低光机的厚度。即使减小荧光色轮尺寸也比现有荧光色轮拥有更大的散热面积，保证色轮的散热效率和荧光粉转换效率。由于采用水平安装方式，色轮驱动装置受力更加均匀，能有效减小色轮的振动提高马达的寿命。由于存在对称对向开口，在一个周期内有两次完整的光源波长转换，故也可以降低色轮的旋转速度，进一步减少光机振动。

附图说明

图1为本发明光源系统结构示意图；

图2为本发明荧光色轮侧视图；

图3为本发明荧光色轮立体结构示意图；

图4为本发明荧光色轮增加散热结构示意图；

图5为本发明中反光碗立体示意图；

图6为本发明中反光碗的俯视图；

图7为图6的A-A剖面图；

图8为现有荧光色轮结构示意图。

图中编号：10为荧光色轮装置，20为反光碗，30为前置透镜组，40为后置透镜组，50为激光器，701、702、703为不同位置的蓝光反射镜，80为扩散片，90为透镜，101为金属基底，102为侧壁的开口，103为侧壁，104为红/黄色荧光粉，105为红/黄色荧光粉，105为绿色荧光粉，106为金属基片，107为色轮驱动装置，201为外壳，202为反光曲面，203为反光碗的开口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

为使得本领域技术人员更易于理解本发明的技术方案，首先对本发明的一个实施例光源装置的结构进行说明。

如图2、3所示，本发明的荧光色轮装置10主要包括驱动装置107以及设置在驱动装置107上的色轮；色轮为一个无盖圆柱筒形，包括含铝金属基底101以及圆柱侧壁103，圆柱侧壁103位于基底101的外圆周上，圆柱侧壁103上有对称对向开口102，开口102将圆柱侧壁103分为两侧，在每一侧的圆柱侧壁103均按比例均匀涂覆红/黄色荧光粉104和绿色荧光粉105；色轮驱动装置107的驱动轴与色轮的轴心重合，驱动装置107以驱动轴为旋转中心，驱动基底101作旋转运动。

荧光色轮装置10为反射式荧光轮，圆柱侧壁103的一个切平面上的一点始终接受激光光源光斑的照射。开口102为荧光轮透射区，圆柱侧壁103为反射区。荧光色轮装置10安装方式为水平安装，即圆柱底面与水平面保持平行。

进一步的，为提高在荧光色轮装置10的散热能力，可以在基底101上除圆柱侧壁103以外其他区域设置金属基片106，作为色轮辅助散热。优选的，可以如图4所示，在基底101的内圆周上设置多层金属基片106，从而实现设置更多的多层金属基片106，进一步提高辅助散热能力。

荧光粉发光可以看作朗伯体，发散角度较大；色轮反射区为圆柱侧面，使得光斑照射在一个微曲面上；同时存在加工误差，圆柱侧面不可能完全垂直于底面。三种因素同时存在，如果在本发明光源系统中应用现有的反射光收集方案，反射光收集效率会非常低，无法满足投影系统亮度需求。由此，需要引入一个光束汇聚部件，大发散角度的反射光通过反光碗二次曲面反射后以一定角度汇入前置透镜组，提高光收集效率，提高系统光通量。

如图5-7所示，光束汇聚组件为一个反光碗20，该反光碗20包括一个外壳201和一个抛物反光曲面202，在抛物反光曲面202顶部有一开口203。在安装实用时，光束会聚组件设置在荧光色轮装置与前置透镜组之间，反光碗端面与前置透镜组贴合，且透镜组中靠近荧光色轮端的第一颗透镜的中心位于抛物反光曲面的焦点上；反光碗的抛物反光曲面202轴线垂直于色轮驱动装置107驱动轴，荧光色轮金属基底101从反光碗开口203略微伸入反光碗，反光抛物面轴线穿过荧光粉带，与荧光粉带交点附近即为蓝色激光光斑照射区域。

图1是本发明光源系统，其中包括激光器50，后置透镜组40，前置透镜组30，反光碗20，荧光色轮装置10，二向色镜60，蓝光反射镜701、702、703，扩散片80和透镜90；其中，荧光色轮装置设置在后置透镜组与前置透镜组之间；所述光束会聚组件设置在荧光色轮装置与前置透镜组之间。部分光学器件在本光源系统示意图中省略。

以下对图1所示的系统的工作原理进行详细说明。

激光器50发射单色蓝光激光光束，荧光色轮由驱动装置驱动旋转至反射区，激光光束透过二向色镜60，被前置透镜组30会聚形成较小光斑，照射到荧光色轮装置10上的荧光粉104、105，荧光粉受激发产生相应红/黄和绿色受激光，红/黄、绿色受激光一部分经荧光色轮侧壁103反射进入前置透镜组30，发散角度较大的受激光在反光碗上经抛物反光曲面202反射以一定角度汇入前置透镜组30，被前置透镜组30准直变成近似平行光出射，二向色镜60反射所述红/黄、绿色平行受激光进入光机系统。

激光器50发射单色蓝光激光光束，荧光色轮由驱动装置驱动旋转至透射区，激光光束透过二向色镜60，经过前置透镜组30会聚，于反光碗顶部开口203以及荧光色轮开口102透射，进入后置透镜组40，经过后置透镜组40准直形成近似的平行光，通过蓝光反射镜701和702反射，通过扩散片80扩束和透镜90整形形成平行光束，最后被蓝光反射镜703反射和二向色镜60透射进入光机系统。

色轮每旋转一个周期，将有两次完整的光源波长转换，即每一个周期有红/黄、绿、蓝、红/黄、绿、蓝时序色光进入光机系统。

与现有光机系统一致，光机对三种时序色光进行调制，通过镜头输出所需要的投影影像。

本发明通过改变了现有激光投影设备的荧光色轮结构，使之能够由现有的垂直安装变成水平安装，使光机的厚度不受荧光轮直径约束，通过反光碗的引入解决本发明中所述荧光轮反射光收集问题。

以上描述了本发明的基本原理和主要的特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.荧光色轮装置，其特征在于，为反射式荧光轮，且在使用的时候水平设置；包括驱动装置以及设置在驱动装置上的色轮；所述色轮呈一个无盖圆柱筒形，所述色轮包括基底和位于基底圆周的侧壁；所述侧壁上有对称对向的开口，所述开口将侧壁分为两侧，每一侧的侧壁的外侧涂覆有多种荧光粉体，且在两侧的侧壁的同种荧光粉体宽度总是相等且对称对向；所述色轮驱动装置的驱动轴与色轮的轴心重合，驱动装置以其驱动轴为旋转中心，驱动所述基底作旋转运动。

2.根据权利要求1所述的荧光色轮装置，其特征在于，所述基底为含铝金属基底。

3.根据权利要求1所述的荧光色轮装置，其特征在于，在所述基底上除侧壁以外其他区域设有用于为所述色轮散热的金属基片。

4.根据权利要求3所述的荧光色轮装置，其特征在于，在所述基底的内圆周上设有多层金属基片。

5.光源系统，包括激光器、后置透镜组、前置透镜组、二向色镜、激光传递和处理系统，其特征在于，还包括光束会聚组件以及权利要求1所述的荧光色轮装置，所述荧光色轮装置设置在后置透镜组与前置透镜组之间；所述光束会聚组件设置在荧光色轮装置与前置透镜组之间；

所述激光传递和处理系统，用于将激光束行进方向偏转并扩束。

6.根据权利要求5所述的光源系统，其特征在于，所述光束会聚组件为反光碗，所述反光碗包括外壳和以及于外壳中间的抛物反光曲面，抛物反光曲面的顶部有一开口；反光碗的碗口端面与前置透镜组贴合，且前置透镜组中靠近荧光色轮端的第一颗透镜的中心位于抛物反光曲面的焦点上。

7.根据权利要求5所述的光源系统，其特征在于，所述激光传递和处理系统用于将小面积高能量密度的单光束蓝色激光束点转换为大面积低能量密度的激光区域照明面，包括平面反射镜、扩散片和透镜。

8.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于，所述平面反射镜为表面涂覆有针对激光器发光波长的高反介质膜的石英平板玻璃；所述扩散片为一个表面有微小凸起单元的石英平板玻璃；所述透镜为球面透镜。

9.激光投影设备，其特征在于，包括光机、镜头和权利要求5所述的激光光源系统；

所述激光光源系统，将单色激光按时序转换为三基色光，并输入所述光机；

所述光机调制所述时序三基色光并输出至所述镜头；

所述镜头将从光机输入的调制光汇聚成像并投影。