CN107065413A - 一种光源装置及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源装置及投影系统，包括第一光源，以及沿第一光源出光光路依次设置的第一扩散轮、荧光轮；第一扩散轮包括至少两个扩散角度不同的扩散部；荧光轮包括荧光部和透射部；第一扩散轮以及荧光轮在转动过程中，荧光部和透射部分别对应至少一个扩散部，第一光源的出射光经过扩散部入射对应的荧光部或透射部。通过设置具有不同扩散角度的扩散轮，使得不同的荧光部对应适合的扩散部，从而调整出射光的能量密度适应荧光部材料，提高其发光效率。

Description

一种光源装置及投影系统

技术领域

本发明涉及激光投影技术领域，尤指一种光源装置及投影系统。

背景技术

目前投影系统中一必不可少的部分即为光源装置。光源装置是一种复杂的光学系统，在光源装置的光学架构中，荧光粉轮为常见波长转换装置，荧光产生的原理是利用激发光激发荧光粉发光，为保证系统光效，激励光束聚焦到荧光粉轮发光面能量密度有一定的限制，若能量密度较大，则荧光转化效率较低，且激光能量密度较大会加大对所经光学镜片的损伤。扩散片作为光源匀化元件，可将激励光束匀化扩束，从而确保光束聚焦荧光粉轮发光面的能量密度使得荧光粉转化效率较高。

而在现有光源装置中，扩散片的扩散角度是固定的，由于光学系统元器件较多，而现有工艺及机械制造无法通常无法满足精度要求，从而无法满足光源所需要的扩散角度精度，导致光源输出光束不能有效进入光棒，影响光学效率。并且当扩散片固定后，光源的光斑固定照射到镜片上，如采用激光时其功率密度较大，极易造成镜片透过率下降，造成光源输出亮度衰减。此外，荧光粉轮涂覆有可发出不同颜色的荧光粉，而不同类型的荧光粉在同一光源功率密度下，激发转化效率不同，现有的扩散片已不能满足更高的要求。

发明内容

本发明实施例提供一种光源装置及投影系统，用以调整光源出射光的能量密度以适应不同荧光材料。

第一方面，本发明实施例提供一种光源装置，包括第一光源，以及沿所述第一光源出光光路依次设置的第一扩散轮、荧光轮；其中，

所述第一扩散轮包括至少两个扩散角度不同的扩散部；所述荧光轮包括荧光部和透射部；

所述第一扩散轮以及所述荧光轮在转动过程中，所述荧光部和所述透射部分别对应至少一个所述扩散部，所述第一光源的出射光经过所述扩散部入射对应的所述荧光部或透射部。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述荧光部包括：第一荧光部和第二荧光部；

所述第一扩散轮包括：对应于所述第一荧光部的第一扩散部、对应于所述第二荧光部的第二扩散部以及对应于所述透射部的第三扩散部；其中，

所述第一扩散部的扩散角度以及所述第二扩散部的扩散角度均大于所述第三扩散部的扩散角度。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述第一荧光部与所述第一扩散部对应的圆心角相等，所述第二荧光部与所述第二扩散部对应的圆心角相等，所述透射部和所述第三扩散部对应的圆心角相等。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述第一荧光部、所述第二荧光部和所述透射部的形状相同，面积相等；

所述第一扩散部、所述第二扩散部和所述第三扩散部的形状相同，面积相等。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述第一荧光部为黄色荧光部，所述第二荧光部为绿色荧光部；

所述第二扩散部的扩散角度大于或等于所述第一扩散部的扩散角度；所述第一扩散部的扩散角度大于所述第三扩散部的扩散角度。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述第一扩散轮包括：至少四个扩散角度不等的扩散部；

所述荧光部和所述透射部分别对应至少两个所述扩散部。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述第一扩散轮包括：六个面积相等且扩散角度依次递增的连续排布的扩散部；

所述荧光部的面积为所述透射部的面积的两倍；所述荧光部对应任意四个连续的所述扩散部。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述扩散部的扩散角度为0-10度。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，各所述扩散部的扩散角度以等差角度递增；所述等差角度为0.1-1度。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述第一光源为蓝色光源。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述荧光轮为反射式荧光轮，所述光源装置还包括：位于所述荧光轮透射光的光路上的第二扩散轮；

所述第二扩散轮包括至少两个扩散角度不等的扩散部，用于对所述荧光轮的透射光扩束。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，所述荧光轮为透射式荧光轮。

第二方面，本发明实施例提供一种投影系统，包括上述任一光源装置。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的光源装置及投影系统，包括第一光源，以及沿第一光源出光光路依次设置的第一扩散轮、荧光轮；第一扩散轮包括至少两个扩散角度不同的扩散部；荧光轮包括荧光部和透射部；第一扩散轮以及荧光轮在转动过程中，荧光部和透射部分别对应至少一个扩散部，第一光源的出射光经过扩散部入射对应的荧光部或透射部。通过设置具有不同扩散角度的扩散轮，使得不同的荧光部对应适合的扩散部，从而调整出射光的能量密度适应荧光部材料，提高其发光效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光源装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的荧光轮的结构示意图之一；

图3为本发明实施例提供的扩散轮的结构示意图之一；

图4为本发明实施例提供的荧光轮与扩散轮的工作原理图；

图5为本发明实施例提供的荧光轮的结构示意图之二；

图6为本发明实施例提供的扩散轮的结构示意图之二；

图7为本发明实施例提供的扩散轮的结构示意图之三。

具体实施方式

本发明实施例提供一种光源装置及投影系统，用以调整光源出射光的能量密度以适应不同荧光材料。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。本发明中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。

如图1所示，本发明实施例提供的光源装置，包括：第一光源11，以及沿第一光源出光光路依次设置的第一扩散轮12、荧光轮13。

进一步地，如图2所示，荧光轮13包括荧光部131和透射部132。如图3所示，第一扩散轮12包括至少两个扩散角度不同的扩散部(如图3所示的扩散部121和扩散部122)。

在实际应用时，如图4所示，第一扩散轮12以及荧光轮13在转动过程中，可以控制第一扩散轮12以及荧光轮13的时序，使得荧光轮13中的荧光部131以及透射部分别对准第一扩散轮12中扩散角度适合的扩散部，从而使得第一光源的出射光在经过与荧光部131相对应的扩散部之后，光束被扩束为适合荧光部131高效发光的能量密度。在具体实施时，荧光部131和透射部132可分别对应至少一个扩散部，且通常情况下荧光部131和透射部132所对应的扩散部的扩散角度不相同。

以使用图2所示的荧光轮以及图3所示的扩散轮为例，第一光源11的出射光波长小于荧光部131的荧光材料受激发射的荧光的波长，且荧光部131的荧光材料所需要的激发光能量密度小于第一光源11的出射光束的能量密度，因此需要在第一光源的出射光入射到荧光部131之前先通过扩散片匀光以降低出射光的能量密度，然而透射部则需要光束以较小的扩散角度通过以减小能量损失。有鉴于此，本发明实施例提供的上述光源装置中设置的第一扩散轮12包括具有不同扩散角度的扩散部，在荧光轮13以设定的转速旋转时，第一光源11的出射光束可以既定的时序交替入射到荧光部131和透射部132时，此时设置第一扩散轮12的时序与荧光轮13的时序相匹配，使得第一扩散轮12中扩散角度较大的扩散部对准上述荧光部131，从而使得光源出射光束在通过该扩散部入射到荧光部131时降低到适合的能量密度，以提调荧光部131的荧光材料的发光效率；与此同时，使第一扩散轮12中扩散角度较小的扩散部对准上述透射部132，从而使得光源出射光束以相对较小的扩散角度通过透射部，以避免透射光的能量损失。

除此之外，现有技术中所采用的匀光元件在固定后，光源出射光的光斑会以固定的能量密度长期入射到镜片的同位置，由于光源光束功率较大，长期以固定能量密度照射的镜片的透过率会下降，造成光源的输出亮度衰减。本发明实施例提供的上述光源装置中，采用扩散角度可变的扩散轮作为光源装置中的匀光元件可以避免固定高功率光源出射光长期照射镜片的同一位置，由此可以避免镜片的损坏而造成的不必要成本。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光源装置中，第一扩散轮12中的各扩散部可为扩散角度不同的扩散片，各扩散片相互粘合成一个平面，固定在如图4所示的转轴123上，转轴123连接驱动电机，使得第一扩散轮12可以设定的时序旋转。同样地，荧光轮13的荧光部131可形成在一透明衬底的部分区域上，而未涂覆荧光材料的部分即可作为透射部132，将该透明衬底固定于如图4所示的转动轴133上，连接驱动电机后可带动荧光轮13以设定的时序旋转。在实际应用中，只需要设定第一扩散轮12和荧光轮13以匹配的时序，即可使得荧光部131和透射部132对应合适的扩散角度的扩散部。

在具体实施时，荧光部不限于仅涂覆一种颜色的荧光粉，且通常情况下，为实现白色光出射，如图5所示，荧光部可包括：第一荧光部231、第二荧光部232和透射部233。相应地，作为一种优选实施方式，如图6所示，第一扩散轮可包括：对应于第一荧光部231的第一扩散部221、对应于第二荧光部232的第二扩散部222以及对应于透射部233的第三扩散部223。

由于荧光部对光源光束的能量密度承受能力有限，相对小于透射部所能承受的光能量密度，因此在具体实施时，第一扩散部221和第二扩散部222的扩散角度均大于第三扩散部223的扩散角度。

进一步地，各扩散部与对应的各荧光部、透射部可恰好相对应，即第一荧光部231与第一扩散部221对应的圆心角相等，第二荧光部232与第二扩散部222对应的圆心角相等，透射部233和第三扩散部223对应的圆心角相等。采用上述一一对应的设置可以在具体实施时保持第一扩散轮与荧光轮的时序一致，即可使荧光轮的各部分所接收到的光束的扩散角度(能量密度)与各部分的需要相适应。

为简化制作工艺，如图5所示，可将第一荧光部231、第二荧光部232和透射部233设置相同的形状和面积；相应地，如图6所示，第一扩散部221、第二扩散部222和第三扩散部223的形状也相同，面积相等。

在实际应用中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，第一光源可为蓝色光源，第一荧光部231可为黄色荧光部，第二荧光部232为绿色荧光部；由于黄色荧光部相对于绿色荧光部能够承受更大的光源光束的光功率密度，因此可相应地将黄色荧光部对应的第一扩散部221的扩散角度大于绿色荧光部对应的第二扩散部222的扩散角度。

通常情况下，第二扩散部222的扩散角度可大于或等于第一扩散部的扩散角度221；第一扩散部221的扩散角度大于第三扩散部223的扩散角度。作为一种优选的实施方式，绿色荧光部对应的第二扩散部的扩散角度大于黄色荧光部对应的第一扩散部的扩散角度大于透射部对应的第三扩散部的扩散角度。

举例来说，第一光源的发射光为蓝色激光，图5所示的第一荧光部231为黄色荧光部，第二荧光部232为绿色荧光部(以下的231指代黄色荧光部，232指代绿色荧光部)；如图6所示的第一扩散轮中，第一扩散部221与黄色荧光部231对应，第二扩散部222与绿色荧光部232对应，第三扩散部223与透射部233对应。其中，扩散部221、222的扩散角度为1-5度，扩散部223的扩散角度为0-1度。黄色荧光部231涂覆的黄色荧光粉能够耐受的光源光束的能量密度大于绿色荧光部232涂覆的绿色荧光粉所面耐受的光源光束的能量密度，因此，可将第一扩散部221的扩散角度设置相对小于第二扩散部222的扩散角度，如第一扩散部221的扩散角度为2度，第二扩散部的扩散角度为3度，以保护黄色荧光部231和绿色荧光部232均有较高的激发效率。而透射部所透射的蓝光需要以较小的扩散角度经过，以减小蓝光能量损失。例如，在上述第一扩散部和第二扩散部所设置的扩散角度的前提下，可将对应于透射部233的第三扩散部223的扩散角度设置为1度。在具体实施时，通过调节第一扩散轮与荧光轮的时序使各扩散部与对应的荧光部或透射部对应，即可实现荧光轮各部分所需要的不同扩散角度光源出射光束的要求。

此外，还可将黄色荧光部231对应的第一扩散部221，与绿色荧光部232对应的第二扩散部222的扩散角度设置相等，且均大于透射部233对应的第三扩散部223的扩散角度。在此不做限定，荧光轮除使用荧光材料涂覆之外，还可采用量子点发光材料涂层等，在此不做限定。通过将第一扩散轮设置多个不同扩散角度的扩散部，使得光源的出射光束通过第一扩散轮之后光束发散角度不同，则光束在镜片上的分布也发生了变化，从而减缓镜片因高能光束长期照射而透过率下降。

在另一种可实施的方式中，本发明实施例提供的上述第一扩散轮中的扩散部与荧光轮中的荧光部和透射部也可为非一一对应的关系。具体地，如图7所示，第一扩散轮可包括：至少四个扩散角度不等的扩散部(如图7中的扩散部321-326)；则荧光部和透射部可分别对应至少两个扩散部。

在具体实施时，可通过调节第一扩散轮与荧光轮的时序，使得荧光轮中的荧光部对应第一扩散轮中不同扩散角度的多个扩散部，并且可根据需要变化荧光部所对应的扩散角度，从而实现荧光部激发效率的改变。

如下以图7所示的包括6个扩散部的第一扩散轮以及图5所示的荧光轮的对应关系为例进行说明。具体地，如图7所示，第一扩散轮包括6个面积相等且扩散角度依次递增的连续排布的扩散部(分别对应图7中的扩散部321-326)。如上所述，荧光轮包括荧光部和透射部233，其中，荧光部可为分黄色荧光部231和绿色荧光部232，且各荧光部和透射部的面积相等，因此，荧光部(231和232)的面积为透射部233的2倍。那么在实际应用中，可以使荧光部对应第一扩散轮中任意四个连接的扩散部，如荧光部在第一时间段对应扩散部321-324，在第二时间段对应扩散部322-326等，通过第一扩散轮与荧光轮的转速调节，可以按时序调整荧光部所对应的扩散部扩散角度，从而使得入射到荧光部的光源光束的能量密度发生变化，以改变荧光的激发效率。

进一步地，第一扩散轮中各扩散部的扩散角度可为0-10度，且各扩散部的扩散角度以等差角度递增，其中，等差角度可为0.1-1度。

举例来说，如图7所示第一扩散轮可包括第一扩散部321、第二扩散部322、第三扩散部323、第四扩散部324、第五扩散部325和第六扩散部326，且各扩散部的面积相等构成一个圆环，各扩散部在该圆环上对应的圆心角均为60度。其中，各扩散部的扩散角度依次设置为第一扩散部321为5度、第二扩散部322为5.1度、第三扩散部323为5.2度、第四扩散部324为5.3度、第五扩散部325为5.4度和第六扩散部326为5.5度，通过时序控制，荧光部可以对应5度到5.3度的4个扩散角度较小的扩散区域，也可对应5.2度到5.5度的扩散角度较大的扩散区域，通过调节第一扩散轮时序可以实现光源光束的扩散角度的改变，即照射到荧光部的光源光束的能量密度发生变化，从而实现在荧光激发效率的改变。

需要说明的是，上述仅以等面积分布的6个扩散部举例说明，在实际应用中，根据需要亦可设置更多的扩散角度不同的扩散部，以实现荧光部更精细的激发效率的控制。扩散轮包括更多的扩散角度不等的扩散部，相当于提高增大照射到荧光部的光源光束的光斑覆盖的面积，功率密度相对降低。各扩散部的面积可相同也可不相同，扩散角度的分布还可以采用非等差角度递增的方式进行设置，本发明实施例在此均不做限定。

在实际应用中，在本发明实施例提供的上述光源装置中，荧光轮可为反射式荧光轮也可为透射式荧光轮，其应用原理相同参见上述说明，此处不再赘述。

当荧光轮为反射式荧光轮时，如图1所示，本发明实施例提供的上述光源装置，还包括：位于荧光轮13透射光的光路上的第二扩散轮14；第二扩散轮14包括至少两个扩散角度不等的扩散部，用于对荧光轮的透射光扩束。

如图1所示，反射式荧光轮激发的荧光光束将反射回第一光源的一侧，在经过光束转向元件改变荧光光束的传播方向，最终经过混光后入射到光棒。而对于荧光轮透射部分的透射光源光束减小能量损失是以较小扩散角度传播，然而受光学系统拓展量守恒的限制，光源光束在荧光轮发光面聚焦光斑尺寸越小，在光棒入口聚焦的光斑越小，则光源输出的能量进入光棒的效率越高。因此，通过调节第二扩散轮14的时序，可改变穿过荧光轮透射部分光源光束的扩束角度，从而影响透射光束进入光棒的能量以及荧光光束与透射光束的混光效果。具体来说，透射光束的扩散角度越大，则在光棒入口聚焦的光斑越大，进入光棒的能量则越小，但与荧光光束的混光效果越好。因此，可通过控制第二扩散轮14的时序控制透射光束入射到光棒能量较高的前提下，使透射光束入射至扩散角度较大的扩散部，进而提升荧光光束与透射光束的混光效果，提高显示系统的画面效果。在实际应用时，上述的第二扩散轮14可优选使用包含扩散角度较多的扩散轮，从而通过控制第二扩散轮14的时序适应透射光束所需的扩散角度。

进一步地，如图1所示，本发明实施例提供的上述光源装置，还包括：位于第一光源11与第一扩散轮之间的整形透镜15，对第一光源11的出射光束整形；位于第一扩散轮12与荧光轮13之间的二向色镜16，可反射荧光束，透射激光光束；位于荧光轮两侧的聚光透镜17和发散透镜18；以及用于改变光路方向的多个光路转向镜19和用于对光束准直处理的准直透镜20。第一光源11的出射激光光束在经过第一扩散轮12、荧光轮13以及第二扩散轮等光学元件的作用之后，荧光光束与透射光束混光生成白光光束入射至合光透镜21，再经过滤色轮22生成显示所需要的三基色光束入射光棒。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种投影系统，该投影系统包括上述任一光源装置。该光源装置中的第一光源通常可为激光激励光源，在使用激光激励光源时上述投影系统可为激光投影系统。光源装置的出射光通过滤色轮滤色输出进入光机照明系统(包括上述的光棒)。光机照明系统将光束输出给光阀部件，例如在数字光处理(DigitalLight Procession，简称DLP)构架中，光阀部件可为数字微镜芯片(Digital MicromirrorDevice，简称DMD)，DMD芯片接收图像信号的驱动，将三基色光光束进行调制后输出给投影镜头，由投影镜头将光束投射到投影屏幕上提供给观看者观看。

本发明实施例提供的光源装置及投影系统，包括第一光源，以及沿第一光源出光光路依次设置的第一扩散轮、荧光轮；第一扩散轮包括至少两个扩散角度不同的扩散部；荧光轮包括荧光部和透射部；第一扩散轮以及荧光轮在转动过程中，荧光部和透射部分别对应至少一个扩散部，第一光源的出射光经过扩散部入射对应的荧光部或透射部。通过设置具有不同扩散角度的扩散轮，使得不同的荧光部对应适合的扩散部，从而调整出射光束的能量密度适应荧光部材料，提高其发光效率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种光源装置，其特征在于，包括：第一光源，以及沿所述第一光源出光光路依次设置的第一扩散轮、荧光轮；其中，

所述第一扩散轮包括至少两个扩散角度不同的扩散部；所述荧光轮包括荧光部和透射部；

所述第一扩散轮以及所述荧光轮在转动过程中，所述荧光部和所述透射部分别对应至少一个所述扩散部，所述第一光源的出射光经过所述扩散部入射对应的所述荧光部或透射部。

2.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述荧光部包括：第一荧光部和第二荧光部；

所述第一扩散轮包括：对应于所述第一荧光部的第一扩散部、对应于所述第二荧光部的第二扩散部以及对应于所述透射部的第三扩散部；其中，

所述第一扩散部的扩散角度以及所述第二扩散部的扩散角度均大于所述第三扩散部的扩散角度。

3.如权利要求2所述的光源装置，其特征在于，所述第一荧光部与所述第一扩散部对应的圆心角相等，所述第二荧光部与所述第二扩散部对应的圆心角相等，所述透射部和所述第三扩散部对应的圆心角相等。

4.如权利要求3所述的光源装置，其特征在于，所述第一荧光部、所述第二荧光部和所述透射部的形状相同，面积相等；

所述第一扩散部、所述第二扩散部和所述第三扩散部的形状相同，面积相等。

5.如权利要求2所述的光源装置，其特征在于，所述第一荧光部为黄色荧光部，所述第二荧光部为绿色荧光部；

所述第二扩散部的扩散角度大于或等于所述第一扩散部的扩散角度；所述第一扩散部的扩散角度大于所述第三扩散部的扩散角度。

6.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述第一扩散轮包括：至少四个扩散角度不等的扩散部；

所述荧光部和所述透射部分别对应至少两个所述扩散部。

7.如权利要求5所述的光源装置，其特征在于，所述第一扩散轮包括：六个面积相等且扩散角度依次递增的连续排布的扩散部；

所述荧光部的面积为所述透射部的面积的两倍；所述荧光部对应任意四个连续的所述扩散部。

8.如权利要求6所述的光源装置，其特征在于，所述扩散部的扩散角度为0-10度。

9.如权利要求6所述的光源装置，其特征在于，各所述扩散部的扩散角度以等差角度递增；所述等差角度为0.1-1度。

10.如权利要求1-9任一项所述的光源装置，其特征在于，所述第一光源为蓝色光源。

11.如权利要求1-9任一项所述的光源装置，其特征在于，所述荧光轮为反射式荧光轮，所述光源装置还包括：位于所述荧光轮透射光的光路上的第二扩散轮；

所述第二扩散轮包括至少两个扩散角度不等的扩散部，用于对所述荧光轮的透射光扩束。

12.如权利要求1-9任一项所述的光源装置，其特征在于，所述荧光轮为透射式荧光轮。

13.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求1-12任一项所述的光源装置。