CN109557754B - 光源系统及投影设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供光源系统及投影设备，所述光源系统包括：激发光源、波长转换装置、引导装置及调整装置，所述激发光源用于产生激发光；所述引导装置用于引导所述激发光入射至波长转换装置；所述波长转换装置，包括转换区与非转换区，所述转换区用于将所述激发光进行波长转换并沿第一光路出射第一光，所述非转换区用于将所述激发光进行散射并沿第二光路出射第二光，所述波长转换装置时序出射所述第一光和所述第二光；所述调整装置用于调整所述第二光的传播方向与出射角，并将调整出射角后的第二光引导至所述引导装置；所述引导装置，还用于引导所述波长转换装置出射的第一光与第二光，从所述引导装置发出的第一光与第二光的出射角均小于角度阈值。
Description
技术领域
本发明涉及光源技术领域，尤其涉及一种光源系统及投影设备。
背景技术
投影技术领域，通常使用激光照射波长转换装置来得到受激光及散射后的激发光，然后将受激光及散射后的激发光进行合光。
由于光源发出的激发光与波长转换装置出射的散射后的激发光在光路上方向相反，但两者光谱有重叠，因此通常利用两者光学扩展量不同，采用区域镀膜的方式进行分光，这种方式不仅导致受激光的损失，光学效率低，并且区域镀膜还会带来颜色均匀性的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种能够提高出光均匀性的光源系统及投影设备。
一种光源系统，包括：
激发光源，用于产生激发光；
引导装置，用于引导所述激发光入射至波长转换装置；
波长转换装置，包括转换区与非转换区，所述转换区用于将所述激发光进行波长转换并沿第一光路出射第一光，所述非转换区用于将所述激发光进行散射并沿第二光路出射第二光，所述转换区与所述非转换区交替位于所述激发光的光路上，使得所述波长转换装置时序出射所述第一光和所述第二光；
调整装置，用于调整所述第二光的传播方向与出射角，并将调整出射角后的第二光引导至所述引导装置；
所述引导装置，还用于引导所述波长转换装置出射的沿重叠光路传输的第一光与第二光，从所述引导装置发出的第一光与第二光的出射角均小于角度阈值。
一种投影设备，所述投影设备应用如上所述任意一项的光源系统。
本发明提供光源系统及投影设备，所述光源系统出射的第一光与第二光的出射角均小于所述角度阈值，所述投影设备可以在所述光源系统之后设置要求光线入射角小于所述角度阈值的光机系统，进而所述第一光与所述第二光经过所述光机系统后能够得到良好的光学性能。
附图说明
图1为本发明一较佳施例提供的光源系统的结构示意图。
图2为如图1所示的波长转换装置的俯视结构示意图。
图3为如图1所示的实施例的另一实施方式提供的光源系统的结构示意图。
图4为如图3所示的激发光、波长转换装置、红光补充光及绿光补充光的时序图。
图5为如图3所示的分光合光装置的俯视结构示意图。
主要元件符号说明
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，图1为本发明一较佳实施例提供的光源系统100结构示意图。投影设备包括光源系统100及光机系统600。光源系统100出射的光线经过光机系统600后自所述投影设备出射。
本实施例中，光机系统600包括复眼透镜，入射光线覆盖所述复眼微透镜中的微透镜单元的数量决定了出射光线的均匀性，并且所述复眼微透镜阵列对入射光线的角度也有一定容纳范围。如果光线的入射角过大，使光线聚焦点超出对应微透镜的孔径范围而进入相邻的微透镜孔径，所述复眼透镜出射的中央光斑亮度降低，轮廓不清晰，且有旁瓣，会降低入射光线的利用率。对于具有一定发散角的入射光线来讲，微透镜的孔径数值需要足够大才能接收到所有的入射光线。所述复眼透镜要求光线的入射角度小于角度阈值，使得光线聚焦点在对应微透镜孔径范围内，以减小其出射光束产生的杂散光，提高出射光线的均匀性，提高对入射光线的利用率。
具体地，所述光源系统100包括激发光源120、引导装置、调整装置150及波长转换装置160。其中，激发光源120用于产生至少一种颜色的激发光。所述引导装置用于引导所述激发光入射至波长转换装置160。波长转换装置160用于对所述激发光进行波长转换并时序出射第一光和第二光。所述引导装置还用于引导沿重叠光路入射的第一光与第二光。所述重叠光路是指第一光的传输光路和第二光的传输光路至少存在部分重叠。调整装置150用于引导所述第二光入射至所述引导装置，调整所述第二光的传播方向与发散角，使得所述第二光与所述第一光从光源系统100出射的出射角小于所述角度阈值。角度阈值为限定光的出射角的一个角度范围，其根据接收第一光和第二光的光机系统600决定。例如，当光机系统600采用复眼透镜时，复眼透镜中每个小透镜允许的最大入射角为θ时，则角度阈值可以设定为θ，或者小于θ的一个角度值。
所述激发光源120包括用于产生所述激发光的发光体121与对所述激发光进行匀光的匀光器件122。
进一步地，本实施例中，激发光源120为蓝光光源，发出蓝光激发光。可以理解的是，激发光源120不限于蓝光光源，激发光源120也可以是紫光光源、红光光源或绿光光源等。本实施方式中，发光体121为蓝光激光器，用于发出蓝光激光作为所述激发光。可以理解，发光体121可以包括一个、两个或多个蓝光激光器，具体其激光器的数量可以依据实际需要选择。
匀光器件122用于将所述激发光进行匀光后出射至后续的引导装置。本实施例中，匀光器件122为匀光棒，可以理解的是，在其他实施例中，匀光器件122可以包括复眼透镜、匀光棒、散光片或散射轮等，并不以此为限。
请一并参阅图1-图2，图2为如图1所示的波长转换装置160的俯视结构示意图。波长转换装置160包括转换区161、非转换区164及设置于波长转换装置160底部的驱动单元166。本实施例中，驱动单元166为电机，驱动单元166驱动波长转换装置160周期性运动，波长转换装置160以驱动单元166为轴心高速旋转。
转换区161用于将所述激发光进行波长转换并沿第一光路出射第一光，所述第一光为受激光。非转换区164用于将所述激发光进行散射并沿第二光路出射第二光，所述第二光为散射后的激发光。转换区161与非转换区164在驱动单元166的作用下交替位于激发光源120发出的激发光所在的光路上，使得波长转换装置160时序出射第一光和第二光。
具体地，转换区161设置有波长转换材料，以在所述激发光的激发下产生至少一种颜色的朗伯光形式的第一光。如图2所示，转换区161分为红色段162与绿色段163。红色段162设置红色荧光粉，以在所述激发光的激发下产生红色第一光；绿色段163设置绿色荧光粉，以在所述激发光的激发下产生绿色第一光。可以理解的是，在其他实施方式中，转换区161还可以设置红色及绿色之外的其他颜色的荧光粉以产生其他颜色的第一光。例如，可以在转换区161设置黄色荧光粉及绿色荧光粉以产生黄色与绿色第一光。或者在转换区161仅设置黄色荧光粉以产生黄色第一光。
本实施例中，波长转换装置160为反射式色轮，非转换区164设置有高斯散射片以对所述激发光进行扩散，以扩大所述激发光的光学扩展量。另外，高斯散射片可以同时实现消相干和匀光功能，以缓解激光散斑现象。本实施例中，高斯散射片为反射式高斯散射片，以对激发光进行散射后反射。
所述激发光照射至波长转换装置160表面时，红色段162、绿色段163及非转换区164在驱动单元166的驱动下，周期性地交替位于所述激发光所在的光路上，以产生红色第一光-绿色第一光-蓝色第二光序列。
所述引导装置包括收集透镜组141、分光合光元件143及中继透镜145。其中，收集透镜组141用于对入射光线进行会聚与准直。具体地，收集透镜组141邻近波长转换装置160设置，收集透镜组141包括层叠设置的若干光轴同线的透镜，所述若干光轴同线的透镜焦距不同，所述光轴垂直于波长转换装置160表面，收集透镜组141在与波长转换装置160距离越近的位置，设置的透镜的焦距越小。收集透镜组141与波长转换装置160之间的距离大小，及收集透镜组141中的每个透镜曲率均影响所述第一光与所述第二光照射至波长转换装置160上的光斑大小，从而影响所述第一光与所述第二光从所述波长转换装置及光源系统100的出射角。
激发光源120出射的激发光平行且偏离收集透镜组141的光轴入射至收集透镜组141，经过收集透镜组141的会聚后，以预设倾斜角度照射至波长转换装置160上的光斑较小。
当转换区161位于所述激发光所在的光路上时，自波长转换装置160出射的朗伯形式的第一光经过收集透镜组141的准直后出射至分光合光元件143。波长转换装置160的入射激发光光路与出射的第一光路重叠且方向相反。
当非转换区164位于所述激发光所在的光路上时，反射式的高斯散射片对所述激发光进行散射后反射。根据反射定律可知，波长转换装置160以预设倾斜角度沿所述第二光路出射所述第二光，并且波长转换装置160的入射激发光光路与出射的第二光路沿收集透镜组141的光轴对称分布并且不重叠。第二光经过收集透镜组141的准直后出射至分光合光元件143。
分光合光元件143可以采用波长分光的光学结构，即根据入射光的不同波长范围进行分光合光。作为波长分光的一种实施例，分光合光元件143设置于收集透镜组141及激发光源120之间，用于对所述第一光与所述第二光进行分光合光。比如用于透射所述激发光与所述第二光，反射所述第一光。其中，所述激发光与所述第二光波长范围相同。
所述第一光依次经过所述分光合光元件143反射、所述中继透镜145准直后出射至所述光机系统600。由于包括所述复眼透镜的光机系统600要求光线的入射角小于所述角度阈值，根据所述角度阈值，可以确定收集透镜组141的曲率及激发光经过收集透镜组141照射至波长转换装置160上的光斑大小。所述光斑大小与收集透镜组141的曲率相互配合，使得所述第一光经过收集透镜组141、分光合光元件143及中继透镜145之后，从光源系统100以小于所述角度阈值的出射角出射。
所述第二光经所述分光合光元件143透射后入射至调整装置150。调整装置150包括一反射元件。本实施例中，所述反射元件为凸面反射镜。所述反射元件用于反射所述第二光及调整所述第二光的传播方向与发散角。本实施例中，收集透镜组141出射的第二光以近似于平行光的形式入射至所述凸面反射镜。所述凸面反射镜的曲率、摆放角度及其与收集透镜组141之间的距离大小均影响所述第二光自光源系统100的出射角。
所述第二光依次经过收集透镜组141准直、分光合光元件143透射、所述反射元件反射及分光合光元件143透射后，沿所述第二光路经过中继透镜145以小于所述角度阈值的出射角出射至光机系统600。由于光机系统600中的复眼透镜要求光线入射角小于所述角度阈值，根据所述角度阈值可以确定调整装置150中的反射元件的曲率与放置方位。所述反射元件的曲率与放置方位相互配合使得所述第二光自所述反射元件出射后经过直线传播能够沿中继透镜145光轴方向入射至中继透镜145，所述第二光以小角度入射至中继透镜145后沿大致平行于所述光轴的方向出射。
所述第二光与所述第一光沿大致平行于中继透镜145光轴方向从中继透镜145出射至光机系统600，从而所述第一光与所述第二光经过光机系统600中的复眼透镜后能够实现较好的均匀性，出现杂散光的可能性较小。
在本实施例的其他实施方式中，所述引导装置中可以省略中继透镜145，或者使用其他的光学元件代替中继透镜145，可以根据需要灵活选择光学元件。
本实施例中，光机系统600可以使用匀光棒来代替复眼透镜。所述匀光棒要求光线的入射角度大于第二角度阈值，使得入射光线能够充满所述匀光棒的横截面，并在所述匀光棒中经过多次反射，从而出射光线得到良好的均匀性。
根据所述第二角度阈值，可以确定收集透镜组141的曲率及激发光经过收集透镜组141照射至波长转换装置160上的光斑大小。所述光斑大小与收集透镜组141的曲率相互配合，使得所述第一光经过收集透镜组141、分光合光元件143及中继透镜145之后，从光源系统100以大于所述第二角度阈值的出射角出射至光机系统600。另外，根据所述第二角度阈值可以确定调整装置150中的反射元件的曲率与放置方位。所述反射元件的曲率与放置方位相互配合使得所述第二光自所述反射元件出射后经过直线传播能够沿中继透镜145光轴方向入射至中继透镜145，所述第二光以大于所述第二角度阈值的出射角从中继透镜145出射后入射至光机系统600。
本发明第一实施例中提供的光源系统100中包括所述引导装置与调整装置150，所述引导装置用于引导沿所述第一光路传输的第一光与沿所述第二光路传输的第二光，所述引导装置中的第一光路与第二光路至少存在部分重叠，从而使用较少的光引导元件及占用较少的光路空间，有效减小了光源系统100的体积，有利于光源系统100及所述投影设备的小型化设计。另外所述引导装置及调整装置150用于分别调整所述第一光与所述第二光以小于所述角度阈值的出射角出射，从而所述第一光与所述第二光经过包括所述复眼透镜的光机系统600后能够实现较好的均匀性。
请参阅图3，图3为如图1所示的实施例的另一实施方式提供的光源系统的结构示意图。本实施例中，光源系统200与第一实施例中的光源系统100的主要区别在于，光源系统200包括补充光源230及控制模块270。本实施例中的其他部分与第一实施例中的相同，不做赘述。
补充光源230用于发出补充光，进而提高光源系统200的出光亮度、基色纯度，并扩展出射光线的色域空间。补充光源230包括发光体231、散射元件232及透镜233。发光体231用于发出所述补充光，散射元件232用于对所述补充光进行散射，透镜233对散射元件232出射的补充光进行会聚并引导至反射元件251。
本实施例中，补充光源230为红绿光源，发出红光补充光与绿光补充光。可以理解的是，补充光源230不限于红绿光源，补充光源230也可以是单独的红光光源、绿光光源或紫光光源等。本实施方式中，发光体231包括红色激光器与绿色激光器，用于发出红光激光及绿光激光作为所述补充光，可以理解，发光体231可以包括一个、两个激光器或激光器矩阵，具体其激光器的数量可以依据实际需要选择。
散射元件232用于将所述补充光均匀化、消相干，并扩大补充光的光学扩展量，使其能够更好地和第一光匹配。本实施例中，所述散射元件232为散射轮，可以理解的是，所述散射元件232不限于散射轮，还可以是散射片等其他散射元件。
请结合图3进一步参阅图4，图4为如图3所示的激发光、波长转换装置260、红光补充光及绿光补充光的时序图。图中的R、G、B分别表示所述波长转换装置260的红色段、绿色段及非转换区位于激发光源出射的激发光所在的光路上，分别对应波长转换装置260出射红光第一光、绿色第一光及蓝色第二光的时段。如图4所示，所述激发光在光源系统200的工作时段一直开启。控制模块270用于根据所述激发光照射到的波长转换装置260的不同区域产生补充光源控制信号，所述补充光源控制信号用于控制补充光源230发出的补充光与波长转换装置260同一时刻出射的第一光颜色相同。
本实施例中，所述补充光包括红光补充光与绿光补充光，当控制模块270判定当前波长转换装置260的红色段位于所述激发光所在的光路上时，即波长转换装置260出射红光第一光时，控制模块270开启发光体231中的红光激光器，补充光源230发出红光补充光，当前波长转换装置260的红色段位于所述激发光所在的光路之外时，控制模块270关闭发光体231中的红光激光器。控制模块270采用相同的方法控制发光体231中的绿光激光器。
所述红光补充光与绿光补充光经过散射元件232的消相干后分别与红色第一光及绿色第一光合光，提高了所述光源系统200出射的红光基色光与绿光基色光的纯度与亮度，同时由于所述补充光为激光，从而扩展了所述光源系统200出射光线的色域。
调整装置250中的反射元件用于反射所述激发光，并透射所述补充光。本实施例中，所述激发光为蓝光，所述补充光为红光与绿光，在本发明实施例其中一实施方式中，所述反射元件可以设置有透黄反蓝二向色膜。
请一并参阅图3与图5，图5为如图3所示的分光合光元件243的俯视结构示意图。所述补充光穿过所述反射元件后聚焦于分光合光元件243附近，分光合光元件243上对应所述补充光的光斑位置设置有镀膜区域243a。从图5中可以看出，镀膜区域243a为设置于分光合光元件243中间位置的一个小区域，用于透射所述补充光，分光合光元件243除镀膜区域243a外的其他区域用于反射所述第一光，透射所述激发光与所述第二光。
由于所述补充光照射至分光合光元件243上的光斑面积较小，因此可以减小镀膜区域243a的面积，进而减小所述第一光在镀膜区域243a的损失。
所述补充光穿过镀膜区域243a与所述第一光进行合光后沿至少部分重叠的光路入射至中继透镜245，所述补充光与所述第一光及所述第二光从中继透镜245沿大致平行于中继透镜245光轴的方向出射。具体地，三者以小于所述角度阈值的出射角从光源系统200出射至包括复眼透镜的光机系统700，以得到较好的出光均匀性。
本发明第三实施例中增加了补充光源230，提高了出光亮度、基色光纯度并扩展了色域。与第一实施例相同的是，光源系统200有效减小体积，有利于光源系统200及所述投影设备的小型化设计。
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 (11)
1.一种光源系统，其特征在于，包括：
激发光源，用于产生激发光；
引导装置，用于引导所述激发光入射至波长转换装置；
波长转换装置，包括转换区与非转换区，所述转换区用于将所述激发光进行波长转换并沿第一光路出射第一光，所述非转换区用于将所述激发光进行散射并沿第二光路出射第二光，所述转换区与所述非转换区交替位于所述激发光的光路上，使得所述波长转换装置时序出射所述第一光和所述第二光；
调整装置，所述调整装置为凸面反射镜，用于调整所述第二光的传播方向与出射角，并将调整出射角后的第二光引导至所述引导装置；
所述引导装置，还用于引导所述波长转换装置出射的沿重叠光路传输的第一光与第二光，从所述引导装置发出的第一光与第二光的出射角均小于角度阈值。
2.如权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述引导装置包括收集透镜组及分光合光元件，所述第一光依次经过所述收集透镜组及所述分光合光元件在所述引导装置上的出射角小于所述角度阈值。
3.如权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述引导装置还包括用于准直的中继透镜，所述第一光与所述第二光经过所述中继透镜后沿大致平行的方向从所述引导装置出射。
4.如权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述收集透镜组邻近所述波长转换装置设置，所述收集透镜组包括若干光轴同线的透镜，所述激发光源出射的激发光平行且偏离所述光轴入射至所述收集透镜组，经过所述收集透镜组的会聚后，以预设倾斜角度照射至所述波长转换装置，所述波长转换装置的入射激发光光路与出射第二光光路不重叠。
5.如权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述分光合光元件设置于所述收集透镜组及所述激发光源之间，用于对所述激发光、所述第一光所述第二光进行分光与合光。
6.如权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统还包括至少发出一种颜色的补充光的补充光源。
7.如权利要求2-5任一所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统还包括至少发出一种颜色的补充光的补充光源，所述分光合光元件上对应所述补充光的光斑位置设置有镀膜区域，所述补充光穿过所述镀膜区域与所述第一光及所述第二光进行合光，所述补充光在所述引导装置上的出射角小于所述角度阈值。
8.如权利要求6所述的光源系统，其特征在于，所述补充光源包括用于发出所述补充光的发光体、用于对所述补充光进行散射的散射元件及用于对散射后的补充光进行会聚的会聚透镜。
9.如权利要求6所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统还包括控制模块，用于根据所述激发光照射到的所述波长转换装置的不同区域产生补充光源控制信号，所述补充光源控制信号用于控制所述补充光源发出的补充光与所述波长转换装置同一时刻出射的第一光颜色相同。
10.一种投影设备，其特征在于，所述投影设备包括光机系统及如权利要求1-9任一所述的光源系统，所述光机系统用于接收所述光源系统出射的光线。
11.如权利要求10所述的投影设备，其特征在于，所述光机系统包括复眼透镜，所述复眼透镜用于对所述光源系统发出光线进行匀光后出射。
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