CN110888290B - 光源系统及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光源系统，包括：激发光源，所述激发光源发出激发光；补充光源，所述补充光源发出补充光；波长转换装置，所述波长转换装置被所述激发光激发产生受激光，所述受激光的光学扩展量大于所述补充光；合光装置，所述合光装置将所述受激光与补充光进行合光；第一光引导组件用于将激发光引导至所述波长转换装置；第二光引导组件用于将受激光引导至所述合光装置；及第三光引导组件用于将补充光引导至所述合光装置，其中，波长转换装置上的受激光光斑经由第二光引导组件形成一中间像，补充光与受激光在中间像的位置合光。本发明还提供一种投影系统。本发明提升了光能利用效率，提高了画面均匀性。

Description

光源系统及投影系统

技术领域

本发明涉及光源系统，尤其涉及光源系统及使用所述光源系统的投影系统。

背景技术

在激光光源技术领域，激光由于亮度高、颜色好而受到人们的青睐，但激光器价格昂贵，特别是红光和绿光激光器的电光转换效率低，因此相对而言需要更多数量的激光器。而激光器的成本不仅在于其本身的价格，激光器输出功率需要依赖于较好的散热条件，散热成本也比较高。另外激光是一种相干光，其显示画面存在很严重的散斑问题，为了消除散斑就必须引入较多的消相干的光学元件，这些光学元件通常具有较高的价格。因此纯激光的显示技术极少用于消费类产品中。

激光荧光粉光源技术是利用激光做为激发光激发荧光粉产生受激光的技术，通常使用蓝激光作为激发光，荧光粉可以是黄光荧光粉、绿光荧光粉或红光荧光粉等，而蓝激光的成本相对较低，电光转化效率高，荧光粉的激发效率高。但荧光光谱较宽，色纯度低，因此不能直接满足于广色域的要求，为了提高颜色纯度，通常使用滤光片对其进行滤光，但这种方式会造成较大的光损失。

在此基础上，利用荧光和激光的混合光源既能获得较好的色纯度，又能利用两者混光消相干，维持一个可接受的成本。但与此同时也给光学设计带来一些难题，由于荧光光谱与激光光谱存在重叠的波段，将两者合光将无法避免地造成一些光效的损失，同时还有产生颜色不均匀的问题。

发明内容

鉴于上述状况，本发明提供一种光源系统及投影系统，以解决上述问题。

一方面，本发明提供一种光源系统，包括：激发光源，所述激发光源发出激发光；补充光源，所述补充光源发出补充光；波长转换装置，所述波长转换装置被所述激发光激发产生受激光，所述受激光的光学扩展量大于所述补充光；合光装置，所述合光装置将所述受激光与补充光进行合光；第一光引导组件，所述第一光引导组件置于所述激发光源与所述波长转换装置之间、用于将激发光引导至所述波长转换装置；第二光引导组件，所述第二光引导组件置于所述波长转换装置与所述合光装置之间、用于将受激光引导至所述合光装置；及第三光引导组件，所述第三光引导组件置于所述补充光源与所述合光装置之间、用于将补充光引导至所述合光装置；其中，所述波长转换装置上的受激光光斑经由所述第二光引导组件形成一中间像，所述补充光与所述受激光在所述中间像的位置合光。

在至少一个实施方式中，所述受激光的光学扩展量大于所述补充光，所述合光装置将所述受激光与补充光进行扩展量合光，在所述中间像位置处所述补充光的角度与所述受激光的角度相匹配。

另一方面，本发明还提供一种投影系统，所述投影系统包括空间光调制器以及上述的光源系统，所述空间光调制器用于将所述光源系统出射的光束调制成携带图像信息的图像光。

本发明实施例提供的照明装置的优点在于：利用受激光如荧光光斑的中间像，将补充光如激光与受激光在中间像的位置进行合光，由于激光的光斑较小，可以使得荧光损失较少，提高了激光的利用效率。合光装置将受激光与补充光进行扩展量合光，且受激光的角度分布与补充光的角度分布一致，可以使得光能效率高、损失少，既能实现广色域的色彩显示，又能实现一致的画面均匀性。

附图说明

图1为本发明光源系统的第一种实施方式的光路结构示意图。

图2为图1所示光源系统的波长转换装置与滤光轮为一体结构的示意图。

图3为图1所示光源系统的合光装置的示意图。

图4为本发明光源系统的第二种实施方式的光路结构示意图。

图5为本发明光源系统的第三种实施方式的光路结构示意图。

图6为本发明光源系统的第四种实施方式的光路结构示意图。

图7为图6所示光源系统的合光装置的示意图。

图8为本发明投影系统一种实施方式中的组成示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种光源系统，所述光源系统包括至少两个光源、波长转换装置、合光装置、第一光引导组件、第二光引导组件、第三光引导组件、第四光引导组件以及光通道。所述至少两个光源包括激发光源与补充光源，所述激发光源发出激发光，所述补充光源发出补充光，所述第一光引导组件将所述激发光源发出的激发光引导至所述波长转换装置，所述波长转换装置在所述激发光的激发下产生受激光，所述受激光的光学扩展量大于补充光的光学扩展量，所述第二光引导组件将所述受激光引导至所述合光装置，所述补充光源发出的补充光亦经由所述第三光引导组件引导至所述合光装置，所述补充光与受激光经由所述合光装置进行扩展量合光，合光后经由所述第四光引导组件引导至光通道，由光通道出射。

进一步地，所述受激光位于波长转换装置上的光斑经由第二光引导组件形成一中间像，所述补充光与受激光在所述中间像位置合光。

本发明实施方式还提供一种投影系统，所述投影系统包括如上所述的光源系统。

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，为使描述简要清晰，同一元件或相似元件在以下不同实施方式中采用相同编号。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1-3所示，为本发明第一种实施方式的光源系统的光路结构示意图，所述光源系统20包括至少两个光源，分别为激发光源和补充光源，在本实施方式中，所述激发光源为蓝光激光器201a，所述激发光源发射蓝激光作为激发光。所述补充光源为红绿光激光器201b，红绿激光器201b按特定时序发射红激光与绿激光作为补充光。所述光源系统20还包括第一光引导组件210、波长转换装置220、第二光引导组件230、第三光引导组件240、合光装置250、第四光引导组件260以及光通道270。第一光引导组件210将蓝激光引导至波长转换装置220上产生受激光，第二光引导组件230将受激光引导至合光装置250，第三光引导组件240将红绿激光引导至合光装置250，红绿激光与受激光经由合光装置250合光后经由第四光引导组件260引导至光通道270。

在本实施方式中，所述波长转换装置220为一反射式色轮，所述波长转换装置220上设置有波长转换材料，包括红光荧光粉材料与绿光荧光粉材料，或者采用黄光荧光粉材料，在激发光的激发下，波长转换装置220生成受激光，受激光为红荧光与绿荧光，或者受激光为黄荧光，黄荧光在滤光片的作用下滤出所需要的红荧光与绿荧光。为提高受激光与补充光的光纯度，可以在色轮外周或内周设置环形滤光轮，也就是说，反射式色轮与滤光轮为一体结构，请参阅图2所示，本实施方式中，滤光装置设置于色轮外周，色轮包括红光转换区R、绿光转换区G与蓝光区B，色轮转动，使红光转换区R、绿光转换区G与蓝光区B三者轮流交替切入第一光引导组件210出射光的光路路径上，从而进行波长转换产生红绿荧光或散射蓝激光。滤光轮包括红光滤光区R’、绿光滤光区G’与蓝光滤光区B’，跟随色轮转动，红光滤光区R’、绿光滤光区G’与蓝光滤光区B’三者轮流交替切入第四光引导组件260出射光的光路路径上，对入射光通道270的红绿荧光与蓝激光进行滤光，以提高其色纯度。

所述第一光引导组件210包括分光装置211、设置于分光装置211与蓝光激光器201a之间的匀光器件212、以及设置于分光装置211与波长转换装置220之间的光收集系统213。所述分光装置211与所述合光装置250相对于所述波长转换装置220成相异的45度角设置，所述第二光引导组件230复用第一光引导组件210中的光收集系统213与分光装置211，此外，第二光引导组件230还包括设置于分光装置211与合光装置250之间的光中继系统231。

在本实施方式中，分光装置211为中心区域镀透蓝反黄膜、周围区域镀全反膜的区域分光镜，蓝光激光器201a发射蓝光激光经过匀光器件212均匀化后在分光装置211中心区域透射，并在光收集系统213的作用下会聚于波长转换装置220的表面并激发波长转换装置220产生红绿荧光或散射蓝光激光。

合光装置250处于第二光引导组件230的对焦位置(像平面)，具体地，合光装置250处于光中继系统231的对焦位置。会聚于波长转换装置220表面的激发光激发波长转换装置220表面的荧光粉，产生受激光，受激光以郎伯光的形式反射。反射的受激光经过光收集系统213收集后出射至分光装置211，经分光装置211反射，并经过光中继系统231后，在合光装置250处形成波长转换装置220表面的受激光光斑的中间像m。合光装置250和中间像m还处于第四光引导组件260的物平面上，光通道270入口处于第四光引导组件260的像平面上，因此中间像m经过第四光引导组件260成像于光通道270的入口。在本实施方式中，第四光引导组件260包括一光中继系统261。

如图3所示，合光装置250为一区域合光镜、包括第一面S1和与第一面S1相背的第二面S2，第一面S1朝向光中继系统231与第四光引导组件260，第二面S2朝向第三光引导组件240。第一面S1的中心区域S11为透红绿反蓝的镀膜，红绿激光在此区域透射，周围区域S12为全反镀膜，红绿荧光及蓝激光在此区域反射；第二面S2表面则为散射平面，其对透射的红绿激光进行散射以消除红绿激光的相干性。因此红绿光激光器201b发射红绿激光经第三光引导组件240会聚于合光装置250的中心区域S11，并从该中心区域S11透射，红绿荧光与蓝光激光在合光装置250处反射。红荧光与红激光以及绿荧光与绿激光在中间像m处进行光斑面分布的扩展量合光。

在本实施方式中，通过控制优化第三光引导组件240的焦距及合光装置250的第二面S2的散射程度，可以使中间像m处的红激光角度与红荧光角度相匹配、绿激光角度与绿荧光角度相匹配，进而使红绿光激光器201b发射的红激光进入光通道270的角度与红荧光相匹配、绿激光进入光通道270的角度与绿荧光相匹配，以提高红绿荧光与红绿激光混合后在光通道270出口的照度均匀性。

在本实施例中，红绿荧光在透射合光装置250中心区域S11时会有一定的损失，但其与红绿激光合光后在角度分布上是连续的，因此不会产生光通道270出口均匀性的问题。在本实施方式中，光通道270为一匀光方棒271。第三光引导组件240包括聚光镜241，用以提高补充光的利用率。

可以理解，为了提高合光装置250中心区域荧光的利用率，在其他实施方式中，可以利用激光带宽较窄的特点，在合光装置250上针对红绿激光的波段(如G：515nm-525nm，R：633nm-643nm)镀带通透射的膜系，减少其他波段红绿荧光的损失。或者，可以利用红绿光激光器201b发射的红绿激光为偏振光，使合光装置250中心区域S11对红绿激光的偏振态透射，红绿荧光为圆偏振光，因此在此处只损失1/2的光效。

可以理解，在其他实施方式中，所述波长转换装置220亦可为透射式，第一光引导组件210与第二光引导组件230亦可不共用光学元件，所述波长转换装置220亦可与滤光装置分开设置。根据对出射光颜色的不同需求，波长转换装置220与滤光装置的结构亦可相应变化。

可以理解，根据实际光路设计，分光装置211亦可是中心区域镀全反膜，周围区域镀透黄反蓝膜。

可以理解，补充光源发出的补充光的颜色可根据对受激光的不同要求进行设置，如当受激光中红光不足而绿光满足要求时，补充光源可以仅为红光激光器或其他发出红光的固态光源。

可以理解，在上述实施方式中，由于受激光为例如由波长转换材料受激所产生的荧光，而补充光为激光，激光与荧光的光谱有重叠，然激光的光学扩展量小于荧光，因此可以通过合光装置对二者进行扩展量合光，从而能获得更高的补光效率，而当光源系统应用于投影系统中时，能使投影系统输出更好的图像质量。

可以理解，本实施方式中光学扩展量指光束的截面积与光束所围成的空间立体角在截面法线上的投影的乘积。光学扩展量合光是指利用两种光光学扩展量的不同，通过合适的光学元件例如合光装置引导扩展量小的光束加入扩展量大的光束中，使二者出射方向一致。

请参阅图4所示，是本发明第二种实施方式中的光源系统的光路示意图。本实施方式中的光源系统30光路结构与第一种实施方式中的光源系统20的光路结构大体相同，亦包括作为激发光源的蓝光激光器201a、作为补充光源的红绿光激光器201b、第一光引导组件210、波长转换装置220、第二光引导组件230、第三光引导组件240、合光装置250、第四光引导组件260以及光通道270。光源系统30与光源系统20的不同主要在于，通过改变第二光引导组件230中相关的一或多个元件的光学参数或位置，例如改变光中继系统231的光学参数或位置，使合光装置250处于光中继系统231的离焦位置，即合光装置250不处于光中继系统231的像平面上，波长转换装置220的表面光斑经光中继系统231所成的中间像m不落在合光装置250处，如此，波长转换装置220上产生的红绿荧光入射至合光装置250上的荧光光斑更大，此时合光装置250中心区域S11的面积相对入射的荧光光斑比例减少，即荧光损失的占比减少，因此相比光源系统20，本实施方式中的光源系统30亮度更高。

另外，中间像m处于第四光引导组件260的物平面上，光通道270的入口处于第四光引导组件260的像平面上。因此经由第四光引导组件260，波长转换装置220表面光斑最终成像于光通道270的入口。而由于合光装置250与中间像m的位置不重合，因此，红绿光激光器201b发射的红绿激光经第三光引导组件240会聚于合光装置250后，将被第四光引导组件260成像于光通道270的入口前或光通道270的内部，使得红绿光激光器201b发射的红绿激光进一步填充光通道270的入口，从而提高光通道270出口的照度均匀性。

由于红绿光激光器201b发射的红绿激光相干性较强，通过合光装置250中的第二面S2的散射作用不能很好地消除激光散斑，因此，进一步提出本发明的第三种实施方式。

请参阅图5所示，是本发明第三种实施方式中的光源系统的光路示意图，本实施方式中的光源系统40的光路结构与第二种实施方式中的光源系统30的光路结构大体相同，亦包括作为激发光源的蓝光激光器201a、作为补充光源的红绿光激光器201b、第一光引导组件210、波长转换装置220、第二光引导组件230、合光装置250、第四光引导组件260以及光通道270。光源系统40与光源系统30的不同在于：为获得更好的补充光的出光效果，光源系统40中的第三光引导组件240a还包括设置于聚光镜241之后的散射器件242与激光中继系统243。

在本实施方式中，散射器件242包括散射片242a与驱动散射片242a转动的驱动装置242b。红绿光激光器201b发射的红激光或绿激光经过聚光镜241第三光引导组件240a会聚于散射片242a上，此时散射片242a给予红激光或绿激光出射角度上一个较小的增量，但并不会增大散射片242a处的激光光斑尺寸。由于驱动装置242b驱动散射片242a高速转动，散射片242a对红绿激光的散射进一步在时间上进行积分，较好地消除了红绿激光的相干性。从散射片242a出射的红绿激光经激光中继系统243会聚进入合光装置250的中心区域S11，之后在中心像m处与红绿荧光合光。

请参阅图6所示，为本发明第四种实施方式中的光源系统的光路示意图。本实施方式中的光源系统50亦包括作为激发光源的蓝光激光器201a、作为补充光源的红绿光激光器201b、第一光引导组件210、波长转换装置220、第二光引导组件230、第三光引导组件280以及光通道270。光源系统50与光源系统30的不同在于：光源系统50中的合光装置250a为反射补充光、透射受激光与蓝激光的区域合光镜，光源系统50中的第四光引导组件260a还包括与合光装置大致成平行设置的反射件262。

在本实施方式中，合光装置250a处于光中继系统231的离焦位置。请参阅图7所示，合光装置250a包括面向第二光引导组件230的第一面S3及与第一面S3相背的第二面S4，其中第一面S3镀增透膜，第二面S4的中心区域S41镀透蓝反黄的二向色膜，第二面S4的周围区域S42镀增透膜。

在本实施方式中，波长转换装置220的表面光斑经过光中继系统231成像于光中继系统231的像平面M处，中间像m再经过第四光引导组件260成像于光通道270入口处。红绿荧光透射合光装置250a，红绿光激光器101b发射的红绿激光光束经第三光引导组件240会聚于散射器件242处，经过散射器件242散射后经过激光中继系统243会聚于合光装置250a的第二面S4的中心区域S41，并在该处被反射后，在中间像m位置处与红绿荧光光束进行扩展量合光。红绿荧光与红绿激光混合后在反射件262处反射，最终经过光中继系统261入射光通道270入口。

请参阅图8所示，为本发明一种实施方式中的投影系统，所述投影系统100包括光源系统20、30、40或50以及空间光调制器90，所述空间光调制器可以是单片式或多片式空间光调制器90，所述空间光调制器90将所述光源系统20、30、40或50出射的光束调制成携带图像信息的图像光。

综上所述，本发明实施方式中提供光源系统，利用补充光光学扩展量小于受激光光学扩展量这一特点，通过分区域设置不同膜片的合光装置进行扩展量合光。进一步地，本发明实施方式提供的光源系统，受激光位于波长转换装置上的光斑被成像于第二光引导组件的像平面上，形成中间像，而中间像亦处于第四光引导组件的物平面上，因此中间像最终经第四光引导组件成像于光通道的入口，而补充光与受激光于中间像位置进行合光，最终经第四光引导组件耦合至光通道。

在一种具体实施中，补充光为激光，受激光为荧光，由于激光扩展量较小，在荧光中间像通过合光装置与荧光合光时，激光的光斑较小，使得荧光损失较小，激光利用效率较高，另外，激光与荧光合光后，角度分布连续，因此，可以使得光能效率高、损失少，既能实现广色域的色彩显示，又能实现一致的画面均匀性。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种光源系统，其特征在于，包括：

激发光源，所述激发光源发出激发光；

补充光源，所述补充光源发出补充光；

波长转换装置，所述波长转换装置将所述激发光转换成受激光；

合光装置，所述合光装置将所述受激光与补充光进行合光；

第一光引导组件，置于所述激发光源与所述波长转换装置之间，所述第一光引导组件用于将激发光引导至所述波长转换装置；

第二光引导组件，置于所述波长转换装置与所述合光装置之间，所述第二光引导组件用于将受激光引导至所述合光装置；及

第三光引导组件，置于所述补充光源与所述合光装置之间，所述第三光引导组件用于将补充光引导至所述合光装置；

所述激发光为激光，所述补充光为激光，所述受激光为荧光；

其中，所述波长转换装置上的受激光光斑经由所述第二光引导组件形成一中间像，所述补充光与所述受激光在所述中间像的位置合光。

2.如权利要求1所述的光源系统，其特征在于，还包括一第四光引导组件和一光通道，所述第四光引导组件置于所述合光装置与所述光通道之间，用于将合光后的光束引导至所述光通道。

3.如权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述受激光的光学扩展量大于所述补充光，所述合光装置将所述受激光与补充光进行扩展量合光，在所述中间像位置处所述补充光的角度与所述受激光的角度相匹配。

4.如权利要求3所述的光源系统，其特征在于，所述合光装置设置于所述第二光引导组件的对焦位置，或者，所述合光装置设置于所述第二光引导组件的离焦位置。

5.如权利要求3所述的光源系统，其特征在于，所述中间像的位置位于所述第四光引导组件的物平面。

6.如权利要求5所述的光源系统，其特征在于，所述光通道的入口位于所述第四光引导组件的像平面。

7.如权利要求6所述的光源系统，其特征在于，所述第二光引导组件包括一第一光中继系统，所述波长转换装置上的受激光光斑经由所述第一光中继系统形成所述中间像，所述第四光引导组件包括一第二光中继系统，所述第四光引导组件的物平面即为所述第二光中继系统的物平面，所述第四光引导组件的像平面即为所述第二光中继系统的像平面。

8.如权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述合光装置为区域合光镜，包括第一区域与第二区域，所述第一区域用于引导受激光至所述第四光引导组件，所述第二区域用于引导补充光至所述第四光引导组件。

9.如权利要求8所述的光源系统，其特征在于，所述第一区域设置于所述第二区域外侧且环绕所述第二区域。

10.如权利要求8所述的光源系统，其特征在于，所述第二区域面向所述第三光引导组件的一面为散射平面，所述散射平面对经过的补充光进行消相干。

11.如权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述第三光引导组件包括散射器件，所述散射器件对所述补充光进行消相干。

12.如权利要求11所述的光源系统，其特征在于，所述散射器件包括散射片以及驱动所述散射片旋转的驱动装置。

13.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求1-12任一项所述的光源系统以及空间光调制器，所述空间光调制器用于将所述光源系统出射的光束调制成携带图像信息的图像光。

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