CN111624840B - 一种光源装置以及投影显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源装置，包括激发光源、棱镜和波长转换器；其中，棱镜设置在激发光源和波长转换器之间；波长转换器上至少设置有第一转换区域和第二转换区域；激发光源用于透过棱镜向波长转换器的第一转换区域和第二转换区域入射激发光线，使第一转换区域和第二转换区域向棱镜输出和激发光线波长不同的转换光线；棱镜用于将入射至棱镜内的转换光线在棱镜的第一表面全反射后，经棱镜的第二表面出射。本申请中将棱镜设置在激发光源和波长转换器之间，利用棱镜可对入射至棱镜内部的光线发生全反射的特性，对经过波长转换器的各种光线偏转输出，简化了光路结构，本申请还提供了一种投影显示设备，具有上述有益效果。

Description

一种光源装置以及投影显示设备

技术领域

本发明涉及光源设备技术领域，特别是涉及一种光源装置以及投影显示设备。

背景技术

光源在指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外线、红外线、X射线等不可见光)的物体，通常指能发出可见光的发光体。对于传统的光源而言，主要是用作照明。随着科技的发展，光源的用途越来越广泛，例如投影显示光源。

基于光源的不同应用环境的需求，需要输出多种不同颜色光线混合后的光线。在对各种不同颜色的光束进行合并时，往往需要用到二向色镜、滤光片以及合光片等光学元件并结合反射镜，通过对某一波段的光束进行反射，其他波段的光束进行透射实现光束合并的，光学元件种类数量多、光路复杂。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种光源装置，包括：激发光源、棱镜和波长转换器；

其中，所述棱镜设置在所述激发光源和所述波长转换器之间；

所述波长转换器上至少设置有第一转换区域和第二转换区域；

所述激发光源用于透过所述棱镜向所述波长转换器的第一转换区域和第二转换区域入射激发光线，以使所述第一转换区域和所述第二转换区域向所述棱镜输出和所述激发光线波长不同的转换光线；

所述棱镜用于将入射至所述棱镜内的所述转换光线在所述棱镜的第一表面全反射后，经所述棱镜的第二表面出射。

在本申请的一种可选地实施例中，所述波长转换器上还包括反光区域；

所述激发光源用于透过所述棱镜向所述反光区域入射激发光线；

所述棱镜用于对经过所述反光区域反射入射至所述棱镜内部的激发光线，在所述第一表面全反射后经所述棱镜的第二表面出射。

在本申请的一种可选地实施例中，所述激发光源为蓝光光源；所述波长转换器为荧光轮；

所述第一转换区域和所述第二转换区域均为设置在所述波长转换器表面的黄光荧光区域。

在本申请的一种可选地实施例中，所述激发光源为紫光光源；所述波长转换器为荧光轮；

所述第一转换区域为黄色荧光区域；所述第二转换区域为蓝光荧光区域。

在本申请的一种可选地实施例中，所述棱镜为三棱镜；其中，所述三棱镜的第一表面位于所述激光光源的出射光路，所述波长转换器位于所述三棱镜的第二表面的出射光路，所述三棱镜的第三表面为所述三棱镜出射光线的表面。

在本申请的一种可选地实施例中，所述三棱镜满足2β-arcsin[sin(α)/n]>arcsin(1/n)，其中，α为所述激发光源向所述棱镜表面发射所述激发光线的入射角；β为所述三棱镜的第一表面和第三表面之间的夹角；n为所述棱镜对所述激发线的折射率。

在本申请的一种可选地实施例中，所述三棱镜的第二表面和所述波长转换器之间设置有聚光透镜。

在本申请的一种可选地实施例中，还包括补光光源，所述补光光源用于向所述棱镜入射补光光线，并从所述棱镜的第二表面出射；

其中，所述棱镜的第二表面出射的光线均相互平行。

在本申请的一种可选地实施例中，所述补光光源为可输出和所述激发光线以及所述转换光线颜色相同的光线的光源；所述补光光源为可输出和所述激发光线以及所述转换光线颜色不同的光线的光源。

本发明所提供的光源装置，包括激发光源、棱镜和波长转换器；其中，棱镜设置在激发光源和波长转换器之间；波长转换器上至少设置有第一转换区域和第二转换区域；激发光源用于透过棱镜向波长转换器的第一转换区域和第二转换区域入射激发光线，以使第一转换区域和第二转换区域向棱镜输出和激发光线波长不同的转换光线；棱镜用于将入射至棱镜内的转换光线在棱镜的第一表面全反射后，经棱镜的第二表面出射。

本申请中所提供的光源中，采用激发光源和波长转换器实现一种光源产生多种不同颜色光线的输出，同时将棱镜设置在激发光源和波长转换器之间，避免了棱镜对激发光线中部分光线的吸收影响，利用棱镜可对入射至棱镜内部的光线发生全反射的特性，对经过波长转换器的各种光线偏转输出，简化了光路结构。

在本申请的另一可选地实施例中，还进一步地设置有补光光源，该补光光源可向该棱镜中入射和波长转换器输出的相同颜色的光线，实现同种颜色的光线的合并输出，使得光源中某一种颜色光线的光照强度不足时，仅仅通过一个棱镜即可实现同种颜色的光线的合并输出，进一步简化整个光路的结构，并满足光源的不同应用需求。

本申请中还提供了一种投影显示设备，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的光源装置的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的波长转换器的示意图；

图3为本申请实施例提供的三棱镜的光路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一光源装置的光路结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

在光源设备中，实际发出光束的发光光源的种类包含有多种，例如目前最长用的激光光源和LED光源等，另还有一种激发光束激发荧光材料产生和激发光束的波长不同的荧光光束；最典型的是设置有各种不同荧光区域的荧光轮，在不同荧光区域接收激发光束照射时，分别输出不同波长的荧光光束。这种基于激发光束输出不同波长光束的荧光轮这一类光学器件，也常称为波长转换器。

包含有波长转换器的光源的优势在于，仅仅只采用一个发光光源即可实现多种不同波长的输出。但在实际工作过程中，波长转换器表面出射和入射的光线种类较多，光路却在一定程度上重合，要实现不同波长的光束出射，就需用到各种不同的光路偏转部件，导致光路复杂，光源占据空间大。

为此，本申请中提供了一种利用棱镜实现波长转换器上输出光线的偏转的技术方案，在一定程度上实现光路的简化。

如图1和图2所示，图1为本申请实施例提供的光源装置的光路结构示意图，图2为本申请实施例提供的波长转换器的示意图。该光源装置可以包括：

激发光源1、棱镜3和波长转换器2；

其中，棱镜3设置在激发光源1和波长转换器2之间；

波长转换器2上至少设置有第一转换区域21和第二转换区域22；

激发光源1用于透过棱镜3向波长转换器2的第一转换区域21和第二转换区域22入射激发光线，以使第一转换区域21和第二转换区域22向棱镜3输出和激发光线波长不同的转换光线；

棱镜3用于将入射至棱镜3内的转换光线在棱镜3的第一表面31全反射后，经棱镜3的第二表面32出射。

本实施例中，激发光源1可以采用激光光源，最常用的是蓝色激光光源和紫色激光光源；该波长转换器2具体可以是设置有荧光粉的荧光轮。

可以参考图2，图2中第一转换区域21和第二转换区域22内可以设置不同颜色的荧光粉，也即是第一转换区域21为第一荧光区域，第二转换区域22为第二荧光区域，激发光源1分别透过第一荧光区域和第二荧光区域产生的转换光线，即为受激光线。

参考图1，激发光源1向棱镜3的第一表面31入射激发光线，该激光光线经过棱镜3内部入射至棱镜3的第三表面33，通过设定棱镜3的第一表面31和第三表面31之间的棱角，使得激发光线可经过棱镜3的第三表面33透射出射至波长转换器2。

当激发光线入射至波长转换器2的第一转换区域21时，第一转换区域21受激发光线激发产生相应的受激光线，该受激光线经过棱镜3的第三表面31入射至棱镜3内，并再次入射至棱镜3的第一表面31，而此时该受激光线在第一表面31发生全反射后入射至棱镜3的第二表面32，并从第二表面32输出，使得受激光线的光路方向经过棱镜3后发生偏转进而输出。激发光线入射至波长转换器2的第二转换区域21时的光路近似，在此不再赘述。

另外，需要说明的是，对于波长转换器2而言，一般是可以旋转的，使得激发光线可以依次入射至波长转换器2的不同转换区域。

根据图1可知，当激发光线入射至波长转换器2产生的受激光线是向激发光源1所方向传输的，因此需要采用光路元件使得其光路发生偏转。但是显然受激光线和激发光线的光路接近于重合，因此需要保证设置的光学元件不影响激发光线的传输并能够偏转受激光线。本实施例中采用棱镜3作为转换受激光线的光学元件，并不影响激发光源1的光束传输方向。

在本申请的一种可选地实施例中，激发光源1、棱镜3和波长转换器2；棱镜3设置在激发光源1和波长转换器2之间；

波长转换器2上至少设置有荧光区域和反光区域；

激发光源1用于透过棱镜3向波长转换器2的荧光区域1和反射入射激发光线，以使荧光区域和反光区域分别向棱镜3输出荧光光线和激发光线。

棱镜3用于将入射至棱镜3内的荧光光线和激发光线在棱镜3的第一表面31全反射后，经棱镜3的第三表面33出射。

参考图2，本实施例中是以图2中第一转换区域为荧光区域，第二转换区域为反光区域进行说明。

考虑到在某些应用环境中激发光源1所发出的光线也是需要光源装置能够输出的多种不同颜色光线之一，因此在实际应用过程中，波长转换器2表面不仅仅包含设置有荧光粉的区域，还设置有对激光光线进行反射的反光区域。因此波长转换器2的表面接可能存在部分区域为荧光区域而部分为反光区域。

当激发光线入射至波长转换器2的荧光区域，则激发产生相应地荧光光线入射至棱镜3后发生全反射输出；而激发光线入射至反光区域时，则反射至棱镜3中发生全反射后输出。

当激发光线入射至波长转换器2的反光区域，激发光线通过棱镜3先进行了透射入射至波长转换器2发生反射，再次入射至棱镜3，又在棱镜3内进行了全反射的光路偏转。整体上而言，相当于仅仅采用一个棱镜3即可实现同一种光线的透射和反射，且光路简单。

需要说明的是，本实施例中仅仅以波长转换器2只有一个荧光区域为例进行说明，在实际应用中波长转换器2可以具有多个不同颜色的荧光区域，激发光线入射时，可分别产生不同颜色的受激光线。例如，在投影显示设备中，往往需要光源装置输出红、绿、蓝三种不同颜色的光线，可以将波长转换器2表面设置红色荧光区域和蓝色荧光区域以及反光区域，并以蓝色光源作为激发光源1。也可以将反光区域变为蓝色荧光区域，并且采用紫色光源作为激发光源1，对此本申请中都不做限制。

下面以具体实施例针对波长转换器2上不同的转换区域进行说明。

在本申请的另一可选地实施例中，该光源装置可以包括作为激发光源1的蓝光激光光源、包括黄色荧光区域和反光区域的波长转换器2，以及设置在激发光源1和波长转换器2之间的棱镜3。

该波长转换器2具体可以荧光轮。驱动装置可以启动荧光轮旋转，使得激发光源1的激发光束的光斑交替入射至黄色荧光区域和反光区域，相应地，棱镜3即可交替输出黄色光线和蓝色光线。

因为紫色激光光源也是常用的激发光源1之一，在一种具体实施例中，该光源装置可以包括作为激发光源1的紫光激光光源、包括黄色荧光区域和蓝色荧光区域的波长转换器2，以及设置在激发光源1和波长转换器之间的棱镜3。

同理，该波长转换器2同样可以是可选转的荧光轮，当该激发光源1分别入射至黄光荧光区域和蓝光荧光区域时，波长转换器2表面可以分别产生黄色和蓝色的受激光线，并入射至棱镜3中全反射输出。

在本申请的另一可选地实施例中，该光源装置可以包括作为激发光源1的蓝色激光光源；

红色荧光区域、绿色荧光区域和反光区域的波长转换器2，以及设置在激发光源1和波长转换器之间的棱镜3。

当然可以理解的是，当激发光源1为紫色激光光源时，则该反光区域则采用蓝色荧光区域。

需要说明的是，无论棱镜3最终从同一表面输出多少种颜色的光线，应当尽可能的保证不同颜色的光线平行输出，避免光路复杂化。

为了尽可能的简化光路，在本申请的另一可选地实施例中，该光源装置可以包括：

激发光源1；

包括第一转换区域1和第二转换区域2的波长转换器2；

以及设置在激发光源1和波长转换器2之间的棱镜3，具体地该棱镜3可以采用三棱镜。

其中，三棱镜的第一表面31正对激发光源1，第三表面33正对波长转换器，第二表面32作为输出光线的表面。

可选地，在波长转换器2和三棱镜的第三表面33之间还设置有聚光透镜4，起到会聚光线的作用。

如图3所示，图3为本申请实施例提供的三棱镜的光路结构示意图。根据图3可知，由三角形ABC的三个角度相加为180°的原理可得：

(90°-γ)+(θ+90°)+β＝180°，简化后可得γ＝θ+β (1)

基于几何原理可得：β＝δ+Φ (2)

由反射的对称性可得：Φ＝θ (3)

由折射定律可得：sin(α)/sin(δ)＝n，其中n为三棱镜的折射率，进一步可求得：δ＝arcsin[sin(α)/n] (4)

由公式(1)、(2)、(3)和(4)可以求得：

γ＝Φ+β＝β-δ+β＝2β-δ＝2β-arcsin[sin(α)/n] (5)

由全反射原理可得：γ>arcsin(1/n) (6)

结合公式(5)和公式(6)可得：

2β-arcsin[sin(α)/n]>arcsin(1/n)。

由此可见，当本申请中采用的棱镜3为三棱镜时，可以是棱角和折射率满足上述公式(7)的三棱镜。

为了进一步地简化光路，该三棱镜具体地可以采用直角三棱镜。当然在实际应用过程中，也不排除采用其他形状的棱镜3的实施例，对此本申请中不再详细列举说明。

如前所述对于激发光源1其具体可以采用激光光源，以激光光源激发出的荧光光线作为输出光源输出，但是在实际应用过程中激发产生的荧光光线可能难以满足输出光线的亮度需求，因此在本申请中还可以进一步地设置补光光源5。

可以参考图4，图4为本申请实施例提供的另一光源装置的光路结构示意图。在本申请的另一可选地实施例中，该光源装置可以包括：

激发光源1；

包括第一转换区域1和第二转换区域2的波长转换器2；

设置在激发光源1和波长转换器2之间的棱镜3，具体地该棱镜3可以采用三棱镜；

设置在棱镜3的入射光路上的补光光源5，具体地，波光光源5可以是设置在棱镜3的第一表面的入射光路上，该补光光源5的光线可以由棱镜3的第一表面31入射后经过第二表面32出射。

对于补光光源5而言，具体可以采用LED光源，经LED光源发出的光线和荧光光线合并输出的光线，相对于激光光源，能够消除散斑的问题，而又避免了LED光源光线亮度不足的问题。

当然，在实际应用过程中，激发光源和补光光源均不仅限于激光光源和LED光源，可以根据实际需要选择各种不同类型的光源，对此，本申请中不作具体限制。

因为补光光源5主要是增强光线的亮度，因此，补光光源5的光线可以是经过波长转换器2输出的光线同种颜色的光线，也即是说波长转换器2和补光光源5分别从不同角度向棱镜3输出相同颜色的光线后，该棱镜3可以实现同种颜色光线的混合。

当然，补光光源5作用也并不仅限于补充经过波长转换器2输出的光线的亮度，也可以作为补充荧光光线中所缺少的光线。

例如，经过波长转换器2入射棱镜后经过棱镜3的第三表面33输出的光线中包括蓝色光线和黄色光线，补色光源5中可以同时输出红色光线、绿色光线和蓝色光线。

或者，经过波长转换器2入射棱镜3后经过棱镜3的第三表面3输出的光线中包括蓝色光线和绿色光线，补色光源5中可以同时输出红色光线和蓝色光线。

对于本申请中的光源装置，可以应用到多种不同的环境中，投影显示设备是最典型的应用之一。

在本申请的一种具体实施例中，提供了一种投影显示设备的实施例，该投影显示设备中包括有上述任意实施例所述的光源装置。

当该光源装置经过棱镜输出的光线入射至带有投影图像的芯片表面时，光线在芯片表面发生反射，将携带有投影图像的信息的光线入射至人眼中，实现投影图像的投影显示。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光源装置，其特征在于，包括：激发光源、棱镜和波长转换器；

其中，所述棱镜设置在所述激发光源和所述波长转换器之间；

所述波长转换器上至少设置有第一转换区域和第二转换区域；

所述激发光源用于透过所述棱镜向所述波长转换器的第一转换区域和第二转换区域入射激发光线，以使所述第一转换区域和所述第二转换区域向所述棱镜输出和所述激发光线波长不同的转换光线；

所述棱镜用于将入射至所述棱镜内的所述转换光线在所述棱镜的第一表面全反射后，经所述棱镜的第二表面出射；

还包括补光光源，所述补光光源用于向所述棱镜入射补光光线，并从所述棱镜的第二表面出射；

其中，所述棱镜的第二表面出射的所述转换光线和所述补光光线均相互平行。

2.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述波长转换器上还包括反光区域；

所述激发光源用于透过所述棱镜向所述反光区域入射激发光线；

所述棱镜用于对经过所述反光区域反射入射至所述棱镜内部的激发光线，在所述第一表面全反射后经所述棱镜的第二表面出射。

3.如权利要求2所述的光源装置，其特征在于，所述激发光源为蓝光光源；所述波长转换器为荧光轮；

所述第一转换区域和所述第二转换区域均为设置在所述波长转换器表面的黄光荧光区域。

4.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述激发光源为紫光光源；所述波长转换器为荧光轮；

所述第一转换区域为黄色荧光区域；所述第二转换区域为蓝光荧光区域。

5.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述棱镜为三棱镜；其中，所述三棱镜的第一表面位于所述激发光源的出射光路，所述波长转换器位于所述三棱镜的第二表面的出射光路，所述三棱镜的第三表面为所述三棱镜出射光线的表面。

6.如权利要求5所述的光源装置，其特征在于，所述三棱镜满足2β-arcsin[sin(α)/n]>arcsin(1/n)，其中，α为所述激发光源向所述棱镜表面发射所述激发光线的入射角；β为所述三棱镜的第一表面和第三表面之间的夹角；n为所述棱镜对所述激发光线的折射率。

7.如权利要求1至6任一项所述的光源装置，其特征在于，所述补光光源为可输出和所述激发光线以及所述转换光线颜色相同的光线的光源；所述补光光源为可输出和所述激发光线以及所述转换光线颜色不同的光线的光源。

8.一种投影显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的光源装置。

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