CN109283781A - 基于孔径压缩的投影仪光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及投影仪技术领域，特别是涉及一种基于孔径压缩的投影仪光源装置，通过耦合两路出光孔径压缩的白色光束形成白色光源，第一路为第一彩光发生器发出的第一彩色光束经过第一凸透镜的聚焦作用之后，穿过第一曲面反射镜上设有的小孔进入第一卡塞格林反射镜之内，输出第一准直彩色光束；第一准直彩色光束的上半部分经双面反射镜到达第一反射镜，再以偏移原来的路径经双面反射镜反射回第一卡塞格林反射镜之内，多次反射之后最终也成为第一准直彩色光束的下半部分；第二路为与第一路相同的配置，得到第二准直彩色光束的左半部分，再与第一准直彩色光束的下半部分耦合形成白色光源；本方案得到的的光源稳定，亮度高，成本低，寿命长，绿色环保。

Description

基于孔径压缩的投影仪光源装置

技术领域

本发明涉及投影仪技术领域，特别是涉及一种基于孔径压缩的投影仪光源装置。

背景技术

现有的激光显示光源大体可以分为两种形式，一种是红绿蓝(RGB)三基色激光混合得到白光光源，另一种是采用蓝色激光光源激发绿色、红色或者黄色等色彩组合的荧光粉，混合得到白光光源。为了提高亮度，前者可以通过增加激光光源功率实现，但是绿色激光器的研发难度要高很多，不论是半导体泵浦固体激光器还是半导体激光器，绿色产品的成本都要高很多，并且难以做到高功率，并且此方法效率低，而且还有高功耗散热等问题。采用蓝色激光混合荧光粉的方法可以产生稳定的三基色光源，提高输出亮度就需要提高蓝光激光功率以及提高荧光粉转换效率，然而提高激光的功率，会导致荧光粉的老化加速，甚至是直接烧坏荧光粉；而提高荧光粉转换效率需要荧光粉厂家开发高效的荧光材料，无疑也增加了成本。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种成本低、寿命长、光源稳定的投影仪光源装置，以产生高亮度的白色光源，提高在白天条件下观赏画面的效果。

一种基于孔径压缩的投影仪光源装置，包括第一彩光发生器、第一凸透镜、第一曲面反射镜、第二曲面反射镜、第二彩光发生器、第二凸透镜、第三曲面反射镜、第四曲面反射镜、双面反射镜、第一反射镜和第二反射镜；

第一曲面反射镜与第二曲面反射镜分别构成第一卡塞格林反射镜的主镜和次镜；第一凸透镜设于第一曲面反射镜之前；第一彩光发生器发出的第一彩色光束经过第一凸透镜的聚焦作用之后，穿过第一曲面反射镜上设有的小孔进入第一卡塞格林反射镜之内，输出第一准直彩色光束；第一准直彩色光束的上半部分经双面反射镜到达第一反射镜，再以偏移原来的路径经双面反射镜反射回第一卡塞格林反射镜之内，多次反射之后最终也成为第一准直彩色光束的下半部分；

第三曲面反射镜与第四曲面反射镜分别构成第二卡塞格林反射镜的主镜和次镜；第二凸透镜设于第三曲面反射镜之前；第二彩光发生器发出的第二彩色光束经过第二凸透镜的聚焦作用之后，穿过第三曲面反射镜上设有的小孔进入第二卡塞格林反射镜之内，输出第二准直彩色光束；第二准直彩色光束的右半部分到达第二反射镜，再以偏移原来的路径反射回第二卡塞格林反射镜之内，多次反射之后最终也成为第二准直彩色光束的左半部分；

第二准直彩色光束的左半部分被双面反射镜反射之后与第一准直彩色光束的下半部分耦合形成白色光源。

在其中一个实施例中，第一反射镜的法线与其入射光线之间的夹角大于0°。

在其中一个实施例中，第二曲面反射镜的雾度不为0。

在其中一个实施例中，双面反射镜朝向第一曲面反射镜的光焦度不为0。

在其中一个实施例中，第一反射镜的光焦度不为0。

在其中一个实施例中，第二曲面反射镜嵌入在透明的平面玻璃上，再与第一曲面反射镜固定连接。

在其中一个实施例中，第一反射镜和第二反射镜为分体设计。

在其中一个实施例中，第一彩光发生器包括设于第一凸透镜之前的第一蓝光激光光源、第一准直模块和第一混色模块；

第一蓝光激光光源发射出第一蓝色激光，经过第一准直模块得到第一蓝色准直光束，再经过第一混色模块得到所述第一彩色光束，射入第一凸透镜。

在其中一个实施例中，第一准直模块为伽利略式准直镜。

在其中一个实施例中，第一混色模块包括第一分光镜、第三凸透镜、第一荧光粉轮、第四凸透镜和第一折叠反射镜组；第一蓝色准直光束穿过第一分光镜，在第三凸透镜聚焦后，一部分照射在第一荧光粉轮上，第一荧光粉轮激发出黄光和绿光，经过第三凸透镜之后形成准直的光束，在第一分光镜上被反射；另一部分穿过第一荧光粉轮的通孔，经过第四凸透镜之后再次形成准直的光束，经过第一折叠反射镜组到达第一分光镜的另一面，与被反射后的黄光和绿光耦合形成所述第一彩色光束。

与现有技术相比，本发明采用蓝光激光二极管激发双荧光轮，通过孔径压缩耦合方式，减小了光源输出孔径，两路压缩过的光源孔径拼接在一起可以得到与原孔径相同面积的出光孔径，如此可在相同面积的出光孔径下，将总的光通量提高一倍，有效提升光引擎的耦合效率；当利用蓝色激光光源与荧光粉轮混色获取白色光源时，可在相同亮度的情况下将照射到荧光粉轮的光通量降低一半，大幅度提高了荧光粉轮的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的结构示意图；

图4为本发明一个实施例中荧光粉轮的结构示意图；

图5为本发明一个实施例中色轮的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1至图5进行进一步说明：

一种基于孔径压缩的投影仪光源装置，包括第一彩光发生器、第一凸透镜41、第一曲面反射镜42、第二曲面反射镜43、第二彩光发生器、第二凸透镜41’、第三曲面反射镜42’、第四曲面反射镜43’、双面反射镜44、第一反射镜45和第二反射镜45’；

第一曲面反射镜42与第二曲面反射镜43分别构成第一卡塞格林反射镜的主镜和次镜；第一凸透镜41设于第一曲面反射镜42之前；第一彩光发生器发出的第一彩色光束经过第一凸透镜41的聚焦作用之后，穿过第一曲面反射镜42上设有的小孔进入第一卡塞格林反射镜之内，输出第一准直彩色光束；第一准直彩色光束的上半部分经双面反射镜44到达第一反射镜45，再以偏移原来的路径经双面反射镜44反射回第一卡塞格林反射镜之内，多次反射之后最终也成为第一准直彩色光束的下半部分；

第三曲面反射镜42’与第四曲面反射镜43’分别构成第二卡塞格林反射镜的主镜和次镜；第二凸透镜41’设于第三曲面反射镜42’之前；第二彩光发生器发出的第二彩色光束经过第二凸透镜41’的聚焦作用之后，穿过第三曲面反射镜42’上设有的小孔进入第二卡塞格林反射镜之内，输出第二准直彩色光束；第二准直彩色光束的右半部分到达第二反射镜45’，再以偏移原来的路径反射回第二卡塞格林反射镜之内，多次反射之后最终也成为第二准直彩色光束的左半部分；

第二准直彩色光束的左半部分被双面反射镜44反射之后与第一准直彩色光束的下半部分耦合形成白色光源。

在本方案中，通过孔径压缩耦合方式，减小了光源输出孔径，两路压缩过的光源孔径拼接在一起可以得到与原孔径相同面积的出光孔径，如此可在相同面积的出光孔径下，将总的光通量提高一倍，有效提升光引擎的耦合效率，功率密度更高；所述的第一彩光发生器可以通过蓝色激光照射在荧光粉轮上，取得除蓝光以外的绿光和黄光，可在相同亮度的情况下将照射到荧光粉轮的光通量降低一半，大幅度提高了荧光粉轮的使用寿命。

具体地，为了使第二准直彩色光束的左半部分与第一准直彩色光束的下半部分耦合形成光照度均匀的白色光源，需要对两个压缩过的白色准直光束进行精确的位置调整，使得两半孔径既没有重叠，也没有分开。

组成第一卡塞格林反射镜的两片透镜第一曲面反射镜42与第二曲面反射镜43，可以为球面、椭球面、抛物面、双曲面、偶次非球面或者是其他自由曲面，两个自由曲面可以是相同额面型，也可以是不同面型的组合；同理地，组成第二卡塞格林反射镜的两片透镜第三曲面反射镜42’与第四曲面反射镜43’，可以为球面、椭球面、抛物面、双曲面、偶次非球面或者是其他自由曲面，两个自由曲面可以是相同额面型，也可以是不同面型的组合。

可选地，所述耦合形成的白色光源可通过光斑整形和均匀化系统，以获得准直效果更好的白色光源。

在其中一个实施例中，第一反射镜45的法线与其入射光线之间的夹角大于0°。

在本方案中，所述的夹角大于0°，可使得反射光线的路径偏离入射光线的路径，第一准直彩色光束的上半部分在第一曲面反射镜42、第二曲面反射镜43、双面反射镜44和第一反射镜45之间往复反射，由于第一反射镜45每次反射光线的路径都偏离入射光线的路径，因此第一准直彩色光束的上半部分最终也成为第一准直彩色光束的下半部分，实现了光源的孔径压缩，使得光源亮度提高一倍；本方案中只需要反射光线的路径与入射光线路径为不重合的路径，因此只需要第一反射镜45的法线与其入射光线之间存在一个微小的角度即可，例如1°～2°，本领域所述技术人员可以自行确定其角度的大小；以图1为例，为了使得第一准直彩色光束的上半部分最终能够成为第一准直彩色光束的下半部分，第一反射镜45的入射光线应从法线的右侧入射，从左侧出射，即第一反射镜45的法线向入射光线的左侧偏离微小的角度。

同理地，第二反射镜45’的法线与其入射光线之间的夹角也可以为大于0°，使得第二准直彩色光束的右半部分在第三曲面反射镜42’、第四曲面反射镜43’和第二反射镜45’之间往复反射，由于第二反射镜45’每次反射光线的路径都偏离入射光线的路径，因此第二准直彩色光束的右半部分最终也成为第二准直彩色光束的左半部分，实现了光源的孔径压缩，使得光源亮度提高一倍。

在其中一个实施例中，第二曲面反射镜43的雾度不为0。

如图3所示，在本方案中，第二曲面反射镜43的雾度不为0，可使得第二曲面反射镜43并非为完全的镜面反射，而是具有一定角度的散射特性，使其反射光线的路径与入射光线的路径为不同的路径，第一准直彩色光束的上半部分在第一曲面反射镜42、第二曲面反射镜43、双面反射镜44和第一反射镜45之间往复反射，由于第二曲面反射镜43每次反射光线的路径都偏离入射光线的路径，因此第一准直彩色光束的上半部分最终也成为第一准直彩色光束的下半部分，实现了光源的孔径压缩，使得光源亮度提高一倍；本方案中只需要反射光线的路径与入射光线路径为不重合的路径，因此只需要第二曲面反射镜43具有一定的雾度即可，例如1％～15％，本领域所述技术人员可以自行确定其雾度的大小；同时应对散射角度的大小进行仔细的选择，使从双面反射镜44经第一曲面反射镜42反射回来的光线的散射角度正好充满第二曲面反射镜43。

同理地，第四曲面反射镜43’的雾度也可以不为0，使得第四曲面反射镜43’并非为完全的镜面反射，而是具有一定角度的散射特性，使其反射光线的路径与入射光线的路径为不同的路径，第二准直彩色光束的右半部分在第三曲面反射镜42’、第四曲面反射镜43’和第二反射镜45’之间往复反射，由于第四曲面反射镜43’每次反射光线的路径都偏离入射光线的路径，因此第二准直彩色光束的右半部分最终也成为第二准直彩色光束的左半部分，实现了光源的孔径压缩，使得光源亮度提高一倍。图3中为使方案的展示能够更清晰，此部分的光线与结构未画出。

在其中一个实施例中，双面反射镜44朝向第一曲面反射镜42的光焦度不为0。

在本方案中，双面反射镜44朝向第一曲面反射镜42的光焦度不为0，可使得从第一反射镜45经双面反射镜44反射到第一曲面反射镜42的光束路径与从第一曲面反射镜42经双面反射镜44反射到第一反射镜45的光束路径不重合，第一准直彩色光束的上半部分在第一曲面反射镜42、第二曲面反射镜43、双面反射镜44和第一反射镜45之间往复反射，最终也成为第一准直彩色光束的下半部分，实现了光源的孔径压缩，使得光源亮度提高一倍；本方案中只需要反射光线的路径与入射光线路径为不重合的路径，因此只需要从第一反射镜45经双面反射镜44反射到第一曲面反射镜42的光束路径与从第一曲面反射镜42经双面反射镜44反射到第一反射镜45的光束路径不重合即可，即要求双面反射镜44具有微小的光焦度，本领域所述技术人员可以自行确定其光焦度的大小。

在其中一个实施例中，第一反射镜45的光焦度不为0。

在本方案中，第一反射镜45的光焦度不为0，可使得反射光线的路径偏离入射光线的路径，第一准直彩色光束的上半部分在第一曲面反射镜42、第二曲面反射镜43、双面反射镜44和第一反射镜45之间往复反射，由于第一反射镜45每次反射光线的路径都偏离入射光线的路径，因此第一准直彩色光束的上半部分最终也成为第一准直彩色光束的下半部分，实现了光源的孔径压缩，使得光源亮度提高一倍；本方案中只需要反射光线的路径与入射光线路径为不重合的路径，因此只需要第一反射镜45具有微小的光焦度即可，本领域所述技术人员可以自行确定其光焦度的大小。

同理地，第二反射镜45’的光焦度也可以不为0，使得反射光线的路径偏离入射光线的路径，第二准直彩色光束的右半部分在第三曲面反射镜42’、第四曲面反射镜43’和第二反射镜45’之间往复反射，由于第二反射镜45’每次反射光线的路径都偏离入射光线的路径，因此第二准直彩色光束的右半部分最终也成为第二准直彩色光束的左半部分，实现了光源的孔径压缩，使得光源亮度提高一倍。

在其中一个实施例中，第二曲面反射镜43嵌入在透明的平面玻璃上，再与第一曲面反射镜42固定连接。

在本方案中，第二曲面反射镜43嵌入在透明的平面玻璃上，一方面可以将第二曲面反射镜43与第一曲面反射镜42固定连接，另一方面可降低第二曲面反射镜43的安装对第一曲面反射镜42反射的光线造成遮挡。

同理地，第四曲面反射镜43’也可以嵌入在透明的平面玻璃上，再与第三曲面反射镜42’固定连接，以取得与上述相似的效果。

在其中一个实施例中，第一反射镜45和第二反射镜45’为分体设计。

如图2所示，在本实施例中，第一反射镜45和第二反射镜45’为分体设计，可以方便两块镜片各自的单独调整，第二反射镜45’可以设置在更靠近第三曲面反射镜43’的位置，使得装置的结构更紧凑。

可选地，如图1所示，第一反射镜45与第二反射镜45’也可以为同一块反射镜。

在其中一个实施例中，第一彩光发生器包括设于第一凸透镜41之前的第一蓝光激光光源1、第一准直模块2和第一混色模块；

第一蓝光激光光源1发射出第一蓝色激光，经过第一准直模块2得到第一蓝色准直光束，再经过第一混色模块得到所述第一彩色光束，射入第一凸透镜41。

同理地，第二彩光发生器包括设于第二凸透镜41’之前的第二蓝光激光光源1’、第二准直模块2’和第二混色模块；

第二蓝光激光光源1’发射出第二蓝色激光，经过第二准直模块2’得到第二蓝色准直光束，再经过第二混色模块得到所述第二彩色光束，射入第二凸透镜41’。

在其中一个实施例中，第一准直模块2为伽利略式准直镜。

具体地，所述伽利略式准直镜包含一片凸透镜和一片凹透镜，蓝色激光经过凸透镜，聚焦后射入凹透镜，形成蓝色准直光束；两片透镜的曲率、厚度和距离等可根据光源强度分布进行优化，使得出射光接近水平。

同理地，第二准直模块2’也可以为伽利略式准直镜。

在其中一个实施例中，第一混色模块包括第一分光镜31、第三凸透镜32、第一荧光粉轮33、第四凸透镜34和第一折叠反射镜组35；第一蓝色准直光束穿过第一分光镜31，在第三凸透镜32聚焦后，一部分照射在第一荧光粉轮33上，第一荧光粉轮33激发出黄光和绿光，经过第三凸透镜32之后形成准直的光束，在第一分光镜31上被反射；另一部分穿过第一荧光粉轮33的通孔，经过第四凸透镜34之后再次形成准直的光束，经过第一折叠反射镜组35到达第一分光镜31的另一面，与被反射后的黄光和绿光耦合形成所述第一彩色光束。

具体地，蓝色激光光源与荧光粉轮混色时，可根据不同用户不同场景的需求，精确计算以确定荧光粉轮各部分的角度，实现不同色温、色坐标、光谱的白色光源；第三凸透镜32在具体应用中可采用多片透镜组合形成透镜组，以提供良好的蓝光聚焦效果和其他色光的准直效果。

如图4所示，为其中一个实施例中第一荧光粉轮33的结构示意图，包括绿色荧光区G、黄色荧光区Y和通孔B；聚焦后的蓝色准直光束照射在特定的荧光区时会反射出相应颜色的光，经第三凸透镜32成为准直的光束，返回至第一分光镜31上再被反射；当遇到通孔B时则从通孔B穿过，到达第一折叠反射镜组35；同一时刻到达第一分光镜31的光为单一色光，但由于使用时荧光粉轮33不断旋转，使得从第一分光镜31射向第一凸透镜41的光的颜色不断变换，利用人眼视觉暂留的特点，可使得颜色不断变换的光线看起来为白色的光；本领域所属技术人员可以理解，从第一分光镜31得到的颜色不断变换的光线之后，可再配合色轮，可以获得颜色更丰富的光线，以满足所需投影光源的要求。如图5所示，为其中一个实施例中色轮的结构示意图，包括黄色滤光片y、红色滤光片r、绿色滤光片g和散射板b，色轮的转速和各滤光片及散射版的角度占比可根据具体所需光源要求而设置。本实施例通过对多种颜色光线的时分复用可使人眼看到的光为白光。

同理地，第二混色模块包括第二分光镜31’、第五凸透镜32’、第二荧光粉轮33’、第六凸透镜34’和第二折叠反射镜组35’；第二蓝色准直光束穿过第二分光镜31’，在第五凸透镜32’聚焦后，一部分照射在第二荧光粉轮33’上，第二荧光粉轮33’激发出黄光和绿光，经过第五凸透镜32’之后形成准直的光束，在第二分光镜31’上被反射；另一部分穿过第二荧光粉轮33’的通孔，经过第六凸透镜34’之后再次形成准直的光束，经过第二折叠反射镜组35’到达第二分光镜31’的另一面，与被反射后的黄光和绿光耦合形成所述第二彩色光束。

具体地，第一折叠反射镜组35可包括三片平面镜，其摆放方式可以如图1所示，从第四凸透镜34出来的第一蓝色准直光束依次被三片平面镜反射，三次反射的入射角与反射角均为45°，被反射三次后的第一蓝色准直光束到达第一分光镜31的另一面，穿过第一分光镜31，与被第一分光镜31反射后的黄光和绿光耦合形成所述第一彩色光束；第二折叠反射镜组35’也可包括三片平面镜，其摆放方式可以如图1所示，从第六凸透镜34’出来的第二蓝色准直光束依次被三片平面镜反射，三次反射的入射角与反射角均为45°，被反射三次后的第二蓝色准直光束到达第二分光镜31’的另一面，穿过第二分光镜31’，与被第二分光镜31’反射后的黄光和绿光耦合形成所述第二彩色光束。

Claims (10)

1.一种基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：包括第一彩光发生器、第一凸透镜(41)、第一曲面反射镜(42)、第二曲面反射镜(43)、第二彩光发生器、第二凸透镜(41’)、第三曲面反射镜(42’)、第四曲面反射镜(43’)、双面反射镜(44)、第一反射镜(45)和第二反射镜(45’)；

第一曲面反射镜(42)与第二曲面反射镜(43)分别构成第一卡塞格林反射镜的主镜和次镜；第一凸透镜(41)设于第一曲面反射镜(42)之前；第一彩光发生器发出的第一彩色光束经过第一凸透镜(41)的聚焦作用之后，穿过第一曲面反射镜(42)上设有的小孔进入第一卡塞格林反射镜之内，输出第一准直彩色光束；第一准直彩色光束的上半部分经双面反射镜(44)到达第一反射镜(45)，再以偏移原来的路径经双面反射镜(44)反射回第一卡塞格林反射镜之内，多次反射之后最终也成为第一准直彩色光束的下半部分；

第三曲面反射镜(42’)与第四曲面反射镜(43’)分别构成第二卡塞格林反射镜的主镜和次镜；第二凸透镜(41’)设于第三曲面反射镜(42’)之前；第二彩光发生器发出的第二彩色光束经过第二凸透镜(41’)的聚焦作用之后，穿过第三曲面反射镜(42’)上设有的小孔进入第二卡塞格林反射镜之内，输出第二准直彩色光束；第二准直彩色光束的右半部分到达第二反射镜(45’)，再以偏移原来的路径反射回第二卡塞格林反射镜之内，多次反射之后最终也成为第二准直彩色光束的左半部分；

第二准直彩色光束的左半部分被双面反射镜(44)反射之后与第一准直彩色光束的下半部分耦合形成白色光源。

2.根据权利要求1所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：第一反射镜(45)的法线与其入射光线之间的夹角大于0°。

3.根据权利要求1所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：第二曲面反射镜(43)的雾度不为0。

4.根据权利要求1所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：双面反射镜(44)朝向第一曲面反射镜(42)的光焦度不为0。

5.根据权利要求1所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：第一反射镜(45)的光焦度不为0。

6.根据权利要求1所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：第二曲面反射镜(43)嵌入在透明的平面玻璃上，再与第一曲面反射镜(42)固定连接。

7.根据权利要求1所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：第一反射镜(45)和第二反射镜(45’)为分体设计。

8.根据权利要求1所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：第一彩光发生器包括设于第一凸透镜(41)之前的第一蓝光激光光源(1)、第一准直模块(2)和第一混色模块；

第一蓝光激光光源(1)发射出第一蓝色激光，经过第一准直模块(2)得到第一蓝色准直光束，再经过第一混色模块得到所述第一彩色光束，射入第一凸透镜(41)。

9.根据权利要求8所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：第一准直模块(2)为伽利略式准直镜。

10.根据权利要求8所述的基于孔径压缩的投影仪光源装置，其特征在于：第一混色模块包括第一分光镜(31)、第三凸透镜(32)、第一荧光粉轮(33)、第四凸透镜(34)和第一折叠反射镜组(35)；第一蓝色准直光束穿过第一分光镜(31)，在第三凸透镜(32)聚焦后，一部分照射在第一荧光粉轮(33)上，第一荧光粉轮(33)激发出黄光和绿光，经过第三凸透镜(32)之后形成准直的光束，在第一分光镜(31)上被反射；另一部分穿过第一荧光粉轮(33)的通孔，经过第四凸透镜(34)之后再次形成准直的光束，经过第一折叠反射镜组(35)到达第一分光镜(31)的另一面，与被反射后的黄光和绿光耦合形成所述第一彩色光束。