CN109388003B - 光源系统及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光源系统及投影装置。所述光源系统包括激发光源、光路改变装置、多个波长转换装置以及控制装置。所述激发光源用于发射激发光。所述光路改变装置能够在多个预设位置之间往复运动，用于接收并改变激发光的出射光路，使激发光选择性地沿多条预设光路中的其中一条出射。多个波长转换装置分别设置于所述多条预设光路上，用于吸收激发光并产生不同颜色的受激光。所述控制装置用于依据待显示图像的图像数据改变光路改变装置的位置以及控制光路改变装置在各个预设位置上的停留时间，以调节各色受激光的出光时序及其出光时间在一帧图像时间内所占的比例。利用本发明能够动态调节各基色光的发光时间比例，以提高光能的利用率，从而减少能耗。

Description

光源系统及投影装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光源系统及投影装置。

背景技术

目前，通过时序发射各种基色光的投影光源主要应用在单空间光调制器的投影系统上。只要切换光源发射各种基色光的速度足够快，利用人眼的残留效应，人眼会把各种基色光合成需要显示的图像色彩。现有技术中各种基色光时序出射的时间比例一般是固定，通过改变每个时段的光源功率和空间光调制器的灰阶来调节每种基色光的明暗程度，并通过控制每个像素不同基色光的明暗程度来达到控制每个像素所需要显示的色彩效果和明暗程度。一般基色光至少需要包括红、绿、蓝三段，有的投影系统为了增加系统的名义亮度，还会加入黄、白等色段。

这种投影光源由于各种基色光的出光时间比例固定，当光源显示白光的时候，光源的每段基色光均匀发光，利用率最高。而当图像显示不是白场时，比如极端的例子全红的情况，光源在一整个发光周期中只有一段时间在发光，光源的利用率没有达到最高。另外由于几种基色光固定时序出现，当这个时序的切换速度不足够快的话就会产生彩虹效应，影响观众的欣赏感受。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种光源系统及投影装置，能够动态调节各基色光的发光时间比例，以提高光能的利用率，从而减少能耗。

本发明实施例一方面提供一种光源系统，所述光源系统包括：

光源装置，包括用于发射激发光的激发光源；

光路改变装置，能够在多个预设位置之间往复运动，用于接收并改变所述激发光的出射光路，使所述激发光选择性地沿多条预设光路中的其中一条光路出射；

多个波长转换装置，分别设置于所述多条预设光路上，所述多个波长转换装置用于吸收所述激发光并产生不同颜色的受激光；以及

控制装置，用于依据待显示图像的图像数据改变所述光路改变装置的位置以及控制所述光路改变装置在各个预设位置上的停留时间，以调节各色受激光的出光时序及其出光时间在一帧图像时间内所占的比例。

在一种实施方式中，所述控制装置还用于依据待显示图像的图像数据控制所述激发光源的发光强度，以调节各色受激光的强度。

在一种实施方式中，所述多个波长转换装置包括：

第一波长转换装置，其上设有第一波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第一基色的受激光；

第二波长转换装置，其上设有第二波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第二基色的受激光；以及

第三波长转换装置，其上设有第三波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第三基色的受激光。

在一种实施方式中，所述光源装置还包括用于发射第一基色激光的第一光源，用于发射第二基色激光的第二光源，以及用于发射第三基色激光的第三光源；

所述光源系统光还包括光引导装置，所述光引导装置用于将所述受激光以及所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光分别引导至输出光路。

在一种实施方式中，所述控制装置还用于依据待显示图像的图像数据控制所述第一光源、第二光源和第三光源的发光时序及其发光时间在一帧图像时间内所占的比例。

在一种实施方式中，所述控制装置还用于依据待显示图像的图像数据控制所述第一光源、第二光源和第三光源的发光强度，以调节各颜色光的强度。

在一种实施方式中，所述第一基色为红色，所述第二基色为绿色，所述第三基色为蓝色；

所述第一波长转换材料为红色波长转换材料，所述第二波长转换材料为绿色波长转换材料，所述第三波长转换材料为蓝色波长转换材料。

在一种实施方式中，所述光引导装置包括消相干片，所述消相干片用于接收所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光，并消除接收到的光线的相干性。

在一种实施方式中，所述光引导装置包括分光装置，所述分光装置用于接收所述受激光以及所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光，并将所述受激光透射/反射至所述输出光路，以及将所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光反射/透射至所述输出光路。

本发明实施例另一方面还提供一种投影装置，所述投影装置包括上述任一所述的光源系统。

本发明的光源系统能够动态调节各基色光的发光时间比例，以提高光能的利用率，从而减少能耗。此外，本发明的光源系统解决了现有技术中在显示特定单色画面时因分段色轮各段长度比例固定，导致可能出现的彩虹效应的技术问题。

附图说明

图1是本发明的光源系统的方框结构示意图。

图2是两幅待显示图像的示意图。

图3是本发明提供的光源装置的出射光的时序示意图。

图4是激光强度与驱动电流之间的关系示意图。

图5是荧光强度与驱动电流之间的关系示意图。

图6是本发明提供的受激光和激光在色谱图上的色域三角形示意图。

图7是本发明第一实施方式的光源系统的结构示意图。

图8是本发明第二实施方式的光源系统的结构示意图。

主要元件符号说明

光源系统 10、100、200

激发光源 11、21

光路改变装置 12、22

光引导装置 13

第一分光装置 131、231

第一聚光装置 132、232

第一合光装置 133、233

第二分光装置 134、234

第二合光装置 135、235

消相干片 136、236

第二聚光装置 137、237

第一波长转换装置 141、241

第二波长转换装置 142、242

第三波长转换装置 143、243

第一光源 151、251

第二光源 152、252

第三光源 153、253

控制装置 16、26

第一预设光路 171、271

第二预设光路 172、272

第三预设光路 173、273

第一色域范围 F1

第二色域范围 F2

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的光源系统10的方框结构示意图。在本实施方式中，所述光源系统10包括光源装置、光路改变装置12、多个波长转换装置、光引导装置13以及控制装置16。

在本实施方式中，所述光源装置包括用于发射激发光的激发光源11。所述光路改变装置12能够在多个预设位置之间往复运动，用于接收并改变所述激发光的出射光路，使所述激发光选择性地沿多条预设光路171-173中的其中一条光路出射。

所述多个波长转换装置分别设置于所述多条预设光路171-173上，所述多个波长转换装置用于吸收所述激发光并产生不同颜色的受激光。

在本实施方式中，所述多个波长转换装置包括第一波长转换装置141、第二波长转换装置142和第三波长转换装置143，其中，所述第一波长转换装置141设于第一预设光路171上，其上设有第一波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第一基色的受激光。所述第二波长转换装置142设于第二预设光路172上，其上设有第二波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第二基色的受激光。所述第三波长转换装置143设于第三预设光路173上，其上设有第三波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第三基色的受激光。

在本实施方式中，所述第一基色为红色，所述第二基色为绿色，所述第三基色为蓝色。相应地，所述第一波长转换材料为红色波长转换材料，所述第二波长转换材料为绿色波长转换材料，所述第三波长转换材料为蓝色波长转换材料。

在本实施方式中，所述控制装置16用于依据待显示图像的图像数据改变所述光路改变装置12的位置以及控制所述光路改变装置12在各个预设位置上的停留时间，以调节各色受激光的出光时序及其出光时间在一帧图像时间内所占的比例。在本实施方式中，所述控制装置16还可用于依据待显示图像的图像数据控制所述激发光源11的发光强度，以调节各色受激光的强度。

为了拓展所述光源系统出射光的色域、提高出射光的亮度，同时为了避免散斑影响成像质量的问题，在本实施方式中，所述光源装置还包括用于发射第一基色激光的第一光源151，用于发射第二基色激光的第二光源152，以及用于发射第三基色激光的第三光源153。所述光引导装置13还用于将所述受激光以及所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光分别引导至输出光路。

可以理解，能够将所述受激光以及所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光引导至所述输出光路有多种实施方案，本申请后续的第一、第二实施方式中将对所述光引导装置13以及所述光源系统10的其他结构的一些具体实现方案进行说明，但可以理解，本申请的光源系统10并不以后续的第一、第二实施方式中的实施方式为限。

在本实施方式中，所述控制装置16还可用于依据待显示图像的图像数据控制所述第一光源151、第二光源152和第三光源153的发光时序及其发光时间在一帧图像时间内所占的比例。所述控制装置16还可用于依据待显示图像的图像数据控制所述第一光源151、第二光源152和第三光源153的发光强度，以调节各颜色光的强度。可以理解，所述第一光源151、第二光源152和第三光源153的发光时序及其发光时间比例与相应颜色的受激光的出光时序及其出光时间比例是一致的。

在实际的投影显示中，对于每一帧图像画面，各个基色光的亮度是会有差异的。以图2为例，图2是两幅待显示图像的示意图，其中，图2(a)为沙漠风景图，整个画面的亮度偏暗、偏红一些，在显示图像的时候，光源发出光的亮度不需要达到最大值，且R基色光占的比重会多一些。图2(b)为植物图，画面整体要更亮一些，且以绿色为主，也就是说，显示图2(b)时需要光源发出光的亮度会比显示图2(a)时需要光源发出光的亮度高一些，且G基色光占的比重会多一些。

在本发明提供的所述光源系统10中，各种基色光的发光时间比例和发光强度是可以根据图像信号主动可调的，通过分析每一帧图像的图像信号，如果某一帧图像的某种基色最亮点比较亮而其他基色的最亮点比较暗，则可以按比例提高该基色的发光时间或者强度。由于人眼在一帧画面的时间内感应到的光信息是对该时间内的所有光的积分，因此，如图3(a)所示，既可以高亮度低发光时间比例的方式(如箭头E1所示)来得到画面所需的亮度，也可以低亮度高发光时间比例的方式(如箭头E2所示)来得到画面所需的亮度，只要总的光能量相同，两种方式的显示效果是一样的。其中，根据图像信息来动态调整发光时间比例和发光强度，可提高光能的利用率，从而减少能耗，或者可以提升单色的亮度，或者保持单色的亮度不变，降低激发光源的功率以降低能耗。

具体地，可以分析每帧图像信息，分别找到每帧图像红、绿、蓝三基色的最亮点，根据红、绿、蓝三基色的亮度比来调节一帧画面时间中不同基色光的发光时间比例和发光强度以满足显示需要。

例如，在显示图2(a)的沙漠风景图像时，如图3(a)所示，可通过控制所述光路改变装置12和发射红色激光的第一光源151，使R基色光的发光时间比例增加，而G、B基色光的发光时间比例减小，就可以低功耗模式来满足显示需求，从而达到省电的目的。

而对应于投影仪的高亮模式，如图3(b)所示，通过增大发光时间比例和发光强度的方式可得到高亮度的输出图像。

需要注意的是，在调节基色光强度时，波长转换装置和激光光源的发光亮度对驱动电流的响应都是非线性的。如图4-5所示，根据实验所得的数据(已做归一化处理)，激光强度和荧光强度达到最大值的一半时，其驱动电流大小分别约0.42和0.37。同时，驱动电流的突然变化会影响散热情况，从而影响到波长转换装置和激光器的发光效率。因此，在调节发光强度时，需要考虑各种情况预先测定好驱动电流的调节值。而在调节发光时间比例时，电流突然变化的幅值要小一些，情况与调节基色光强度略有不同，因此其电流调节值也会不一样，需要另行调较。

图6是本发明提供的受激光和激光在色谱图上的色域三角形示意图。其中，第一色域范围F1为受激光可以展示的色域范围，第二色域范围F2为激光可以展示的色域范围。由图6可看出，在加入激光作为基色光之后，所述光源系统10的出射光的色域得到了极大的拓展。其中，若实际需要显示的画面色域落入受激光的色域三角形范围中，则在这一帧画面中，无需点亮发射激光的所述第一光源151、第二光源152、第三光源153，仅使用受激光作为基色光就可以满足显示要求。若显示的画面色域超出了受激光的色域三角形范围，则可通过点亮发射激光的所述第一光源151、第二光源152、第三光源153的方式来拓展色域，以混合的基色光逼真的显示出画面的色彩，同时也可以提升画面亮度。可以理解，采用纯激光基色光也能达到这种宽广的色域，但由于激光的高相干性，会出现散斑影响显示质量。

本发明这种光源系统100能够根据图像信息动态调节各基色光的发光时间比例和亮度，同时具有亮度高、色域宽广等优点，可应用于单空间光调制器的投影系统中。

请参阅图7，为本发明第一实施方式的光源系统100的结构示意图，图7也是图1所示的光源系统10的具体结构示意图。所述激发光源11用于发射激发光，所述光路改变装置12位于所述激发光源11发出的激发光所在的光路上。

所述光源系统100还包括驱动装置(图未示)，所述驱动装置用于驱动所述光路改变装置12运动，使所述光路改变装置12能够在所述多个预设位置之间往复运动。

在本实施方式中，所述驱动装置用于驱动所述光路改变装置12沿预设方向往复转动，通过改变所述光路改变装置12的偏转角度，使所述光路改变装置12在转动过程中能够将所述激发光交替地引导至所述多条预设光路171-173中的其中一条预设光路。

在本实施方式中，所述多个波长转换装置还用于反射其产生的受激光。

在一种实施方式中，所述多个波长转换装置的位置可设计为固定不变，从而利于所述光源系统100的薄型化设计，例如，通过合理地设计光路，可将所述光源系统100做成超薄结构。

在另一种实施方式中，所述多个波长转换装置可做成色轮结构，并在其入光面设置波长转换材料，在与入光面相反的表面设置散热结构，以便所述波长转换装置散热。

在又一种实施方式中，所述多个波长转换装置可一体成型为具有多个区域的片状或板状结构，每个区域设置一种波长转换材料。

在本实施方式中，所述光引导装置13包括分别设置于所述光路改变装置12与所述多个波长转换装置之间的所述多条预设光路171-173上的多个第一分光装置131，所述第一分光装置131用于接收所在光路上的所述激发光，并将接收到的所述激发光透射至相应的波长转换装置，以及接收并反射相应的波长转换装置出射的受激光。在本实施方式中，所述第一分光装置131为二向色镜。

在本实施方式中，所述光引导装置13还包括设置于所述第一分光装置131与所述波长转换装置之间的第一聚光装置132，所述第一聚光装置132用于将所述第一分光装置131的出射光在入射至所述波长转换装置之前进行聚焦、匀光和整形，以及用于将所述波长转换装置的出射光在入射至所述第一分光装置131之前进行聚焦、匀光和整形。在本实施方式中，所述第一聚光装置132为聚光透镜。

在本实施方式中，所述光引导装置13还包括第一合光装置133，所述第一合光装置133用于将各个所述第一分光装置131出射的受激光引导至所述输出光路。在本实施方式中，所述第一合光装置133的数量为多个，且分别与所述多个第一分光装置131对应。

具体地，如图1所示，所述第一分光装置131以及所述第一合光装置133的数量都为三个，其中，部分所述第一合光装置133用于接收并反射所对应的所述第一分光装置131出射的受激光。部分所述第一合光装置133用于接收并反射所对应的所述第一分光装置131出射的受激光，以及接收并透射其他所述第一合光装置133出射的受激光。部分所述第一合光装置133用于接收并透射所对应的所述第一分光装置131出射的受激光，以及接收并反射其他所述第一合光装置133出射的受激光。在本实施方式中，所述第一合光装置133为二向色镜。

在本实施方式中，所述光引导装置13还包括设置于所述输出光路上的第二分光装置134，所述第二分光装置134用于接收所述第一合光装置133出射的受激光，并将接收到的所述受激光透射/反射至所述输出光路。

在本实施方式中，所述光引导装置13还包括第二合光装置135，所述第二合光装置135用于将所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光合光后引导至所述输出光路。其中，所述第一光源151、第二光源152和第三光源153发射的激光分别从不同方向入射至所述第二合光装置135。在本实施方式中，所述第二合光装置135为合色棱镜。

在本实施方式中，所述第二分光装置134还用于接收所述第二合光装置135出射的所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光，并将接收到的所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光反射/透射至所述输出光路。

在本实施方式中，所述第二分光装置134为区域镀膜片，所述区域镀膜片包括中心区域和设在所述中心区域周围的外围区域。其中，所述中心区域与所述外围区域的透反特性不同。

在本实施方式中，所述光引导装置13还包括消相干片136，所述消相干片136设置于所述第二合光装置135与所述第二分光装置134之间的光路上，用于在所述第二合光装置135出射的所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光入射至所述第二分光装置134之前消除所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光的相干性。

在本实施方式中，所述光引导装置13还包括第二聚光装置137，所述第二聚光装置137设置于所述消相干片136与所述第二分光装置134之间的光路上，用于在所述消相干片136出射的所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光入射至所述第二分光装置134之前对所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光进行聚焦、匀光和整形。

图2是本发明第二实施方式的光源系统100的结构示意图。第二实施方式的光源系统200与第一实施方式的光源系统100的主要区别在于，第二实施方式的光源系统200包含的驱动装置可用于驱动光路改变装置22沿预设方向往复移动，使所述光路改变装置22在移动过程中能够将所述激发光交替地引导至多条预设光路271-273中的其中一条预设光路。需要说明的是，在本发明实施例的精神或基本特征的范围内，适用于第一实施方式中的各具体方案也可以相应的适用于第二实施方式中，为节省篇幅及避免重复起见，在此就不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施方式，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 (10)

1.一种光源系统，其特征在于，所述光源系统包括：

光源装置，包括用于发射激发光的激发光源；所述光源装置还包括用于发射第一基色激光的第一光源，用于发射第二基色激光的第二光源，以及用于发射第三基色激光的第三光源；

光路改变装置，能够在多个预设位置之间往复运动，用于接收并改变所述激发光的出射光路，使所述激发光选择性地沿多条预设光路中的其中一条光路出射；

多个波长转换装置，分别设置于所述多条预设光路上，所述多个波长转换装置用于吸收所述激发光并产生不同颜色的受激光；以及

控制装置，用于依据待显示图像的图像数据改变所述光路改变装置的位置以及控制所述光路改变装置在各个预设位置上的停留时间，以调节各色受激光的出光时序及其出光时间在一帧图像时间内所占的比例；所述第一光源、所述第二光源和第三光源的发光时序及其发光时间比例与相应颜色的受激光的出射光时序及其出光时间比例是一致的。

2.如权利要求1所述的光源系统，其特征在于：所述控制装置还用于依据待显示图像的图像数据控制所述激发光源的发光强度，以调节各色受激光的强度。

3.如权利要求2所述的光源系统，其特征在于：所述多个波长转换装置包括：

第一波长转换装置，其上设有第一波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第一基色的受激光；

第二波长转换装置，其上设有第二波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第二基色的受激光；以及

第三波长转换装置，其上设有第三波长转换材料，用于吸收所述激发光并产生第三基色的受激光。

4.如权利要求3所述的光源系统，其特征在于：

所述光源系统还包括光引导装置，所述光引导装置用于将所述受激光以及所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光分别引导至输出光路。

5.如权利要求1所述的光源系统，其特征在于：所述控制装置还用于依据待显示图像的图像数据控制所述第一光源、第二光源和第三光源的发光时序及其发光时间在一帧图像时间内所占的比例。

6.如权利要求5所述的光源系统，其特征在于：所述控制装置还用于依据待显示图像的图像数据控制所述第一光源、第二光源和第三光源的发光强度，以调节各颜色光的强度。

7.如权利要求3所述的光源系统，其特征在于：所述第一基色为红色，所述第二基色为绿色，所述第三基色为蓝色；

所述第一波长转换材料为红色波长转换材料，所述第二波长转换材料为绿色波长转换材料，所述第三波长转换材料为蓝色波长转换材料。

8.如权利要求4所述的光源系统，其特征在于：所述光引导装置包括消相干片，所述消相干片用于接收所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光，并消除接收到的光线的相干性。

9.如权利要求4所述的光源系统，其特征在于：所述光引导装置包括分光装置，所述分光装置用于接收所述受激光以及所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光，并将所述受激光透射/反射至所述输出光路，以及将所述第一基色激光、第二基色激光和第三基色激光反射/透射至所述输出光路。

10.一种投影装置，其特征在于：所述投影装置包括如权利要求1至9中任意一项所述的光源系统。