CN114391251A - 光束调制设备和投影系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于调制输入光场的光束调制设备和一种包含该设备的投影系统。输入光场具有第一光场和第二光场，它们的偏振态相差90°。设备包括PBS棱镜、第一LCOS面板和第二LCOS面板。第一和第二LCOS面板分别在PBS棱镜与光学入射表面和光学出射表面相对的侧表面上方。每个LCOS面板都包括在其反射表面上的多个像素，其中每个像素可控地开启或关闭，使得经对应于光束的反射表面的一部分反射的该光束的偏振态发生变化或保持不变。该光束调制设备能够应用在投影系统(诸如激光电视投影系统)中。

Description

光束调制设备和投影系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月6日提交的中国专利申请No.201910491333.1的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开总体涉及激光显示技术领域，更具体地涉及一种光束调制设备和一种投影系统。
背景技术
激光电视投影系统是在我们生活中应用广泛的装置，它利用光阀控制投影光源来产生投影图像，然后利用投影镜头将投影图像放大以显示在投影屏幕上。目前，大多数现有激光电视投影系统包括单片光阀或三片光阀。本文提及的单片光阀是指通过时分方式用来加载RGB(红绿蓝)信号的一片光阀。本文提及的三片光阀是指分别用来加载RGB信号的三片光阀。
目前，在应用单片光阀的系统中，一般使用单色纯激光光源激发RGB或RGBY(红绿蓝黄)荧光轮。由于时分的影响，观察到诸如低显示亮度和低画面质量的缺陷。还由于光源和光阀的扩展不变性的限制，为了提高显示亮度，则需要加大光阀的尺寸，这导致UST(超短焦，Ultra Short Throw)投影镜头的较大的物体表面。因此，如果镜头尺寸变大，则整个系统的体型也相应变大。在应用三色纯激光光源的系统中，受限于绿光、红光半导体激光二极管的价格，整体成本相当高，并且存在激光散斑效应的问题。尽管三片式光阀的激光电视投影系统具有诸如高亮度和高画面质量的优点，但是由于诸如中继光路的分光折叠的因素，使用的透镜元件过多，导致UST投影镜头的后截距拉长。同等光圈条件下，UST投影镜头的尺寸也就变大。
目前还不存在小型化、低成本以及高亮度的激光电视投影系统。
发明内容
鉴于与现有激光电视投影系统相关联的缺点，本公开提供一种光束调制设备和一种投影系统。
在一方面，本公开提供一种光束调制设备，其用于调制沿第一轴线进入到该光束调制设备中的输入光场，以便得到沿正交于第一轴线的第二轴线从中离开的输出光场。输入光场包括第一光场和第二光场，它们分别具有S偏振态和P偏振态或者分别具有P偏振态和S偏振态。
光束调制设备包括偏振分束器(PBS)棱镜和硅基液晶(LCOS)组件。PBS棱镜包括两个直角棱镜，这两个直角棱镜在它们各自的基部表面上彼此附接，并且布置成使得第一轴线和第二轴线均相对于它们之间的界面基本上成45°。PBS棱镜具有光学入射表面和光学出射表面，该光学入射表面允许输入光场穿过其进入，而光学出射表面允许输出光场从其离开，并且PBS棱镜的界面配置为选择性地允许P偏振入射光透射穿过该界面，S偏振入射光被该界面反射。LCOS组件包括第一LCOS面板和第二LCOS面板。第一LCOS面板在PBS棱镜与光学入射表面相对的第一侧表面的上方，对准以使得入射在该第一LCOS面板上的光沿第一轴线反射回PBS棱镜。第二LCOS面板在PBS棱镜与光学出射表面相对的第二侧表面的上方，对准以使得入射在该第二LCOS面板上的光沿第二轴线反射回PBS棱镜。第一LCOS面板和第二LCOS面板中的每一个都包括在其反射表面上的多个像素，其中多个像素中的每一个配置为可控地开启或关闭，使得反射表面的经对应于光束的部分反射的该光束的偏振态发生变化或保持不变。
可选地，输入光场是由三基色光耦合的白光场(即三基色光共同形成复合/耦合白光场)。第一光场包括以分时的方式彼此耦合的两个基色光，并且第二光场包括最后一个基色光。PBS棱镜还包括夹在两个直角棱镜的基部表面之间的偏振装置，该偏振装置能够是偏振分光膜或线栅。光束调制设备还能够包括夹在PBS棱镜与第一LCOS面板之间和/或夹在PBS棱镜与第二LCOS面板之间的一个或两个1/4波片。在光束调制设备中，PBS棱镜的透射光束的消光比能够为至少500：1、更优选地为至少1000：1。两个直角棱镜中的每一个都能够包括光学玻璃(诸如N-SF1、H-ZF3或H-ZEAF)。在光束调制设备中，PBS棱镜的光学入射表面、光学出射表面、第一侧表面或第二侧表面中的至少一个涂覆有用于降低其上的菲涅尔反射的抗反射膜。
另一方面，本公开还提供一种投影系统，其包括根据上述任一实施例的光束调制设备。
在投影系统中，输入光场能够是由三基色光耦合的白光场，第一光场包括三基色光中的以分时的方式彼此耦合的两个，并且第二光场包括三基色光中的最后一个。
投影系统还能够包括偏振调制设备，该偏振调制设备配置为在接收到具有基本相同的偏振态的第三光场和第四光场时，调制第三光场和第四光场中的一个的偏振态而不是另一个的偏振态，以分别对应地输出第一光场和第二光场。可选地，偏振调制设备能够将第三光场和第四光场之一的线偏振轴线旋转90°。如此，偏振调制设备能够是法拉第旋转器、双折射旋转器(例如半波片)或棱镜旋转器。
投影系统还能够包括偏振设备，该偏振设备配置为对入射到其中的非偏振第五光场和非偏振第六光场进行偏振，以分别对应地输出第三光场和第四光场。偏振设备能够包括前复眼透镜、后复眼透镜和棱镜的PCS偏振阵列，该前复眼透镜配置为将第五光场和第六光场中的每一个光学地分成多个光束，该后复眼透镜配置为将多个光束聚焦在其后表面上，该棱镜的PCS偏振阵列配置为对聚焦的多个光束进行偏振，以得到第三光场和第四光场。
投影系统还能够包括配置为提供第五光场和第六光场的光源设备。可选地，第五光场和第六光场能够配置为共同形成白光场，第五光场为包括第一基色光和第二基色光的分时耦合光场(即第一基色光和第二基色光以分时方式耦合以形成第五光场)，第六光场包括第三基色光。
可选地，第一基色光为蓝光，第二基色光和第三基色光分别为绿光和红光或者分别为红光和绿光。在投影系统中，光源设备能够配置为发射第一基色光，并且还能够配置为通过由第一基色光对相应的荧光材料的激发来得到第二基色光和第三基色光中的每一个。可选地，光源设备能够配置为发射第一基色光和第二基色光，并且还配置为通过由第一基色光或第二基色光对相应的荧光材料的激发来得到第三基色光。
光源设备能够包括光源模组(例如激光模组)以及包括第一荧光片和第二荧光片的两个荧光片。光源模组包括第一光源子模组和第二光源子模组，这些光源子模组配置为分别发射第一束第一基色光和第二束第一基色光。第一荧光片和第二荧光片分别与第一束第一基色光和第二束第一基色光光学对准，并且配置为接收第一束第一基色光和第二束第一基色光。第一荧光片在其面向第一束第一基色光的表面上包括透射区和第一荧光区。第一荧光区包括能够在被第一基色光激发时产生第二基色光的第一荧光材料(即第一染料)。第一荧光片还配置为使透射区和第一荧光区以预定方式交替地面向(即对准以便接收)第一束第一基色光(即以预定时间模式(诸如透射区为50ms，第一荧光区为150ms)交替)，使得透射穿过透射区的第一束第一基色光和由第一荧光区并且从第一荧光区产生的第二基色光的光束以分时的方式耦合以作为第五光场输出。第二荧光片包括第二荧光区，该第二荧光区在其面向第二束第一基色光(即与之对准)的表面上包括第二荧光材料(第二染料)，该第二荧光材料配置成使得在由第二束第一基色光激发时，由第二荧光区并且从第二荧光区产生第三基色光的光束以作为第六光场输出。
在此，第一荧光片能够呈旋转轮(即旋转色轮)的形式，透射区和第一荧光区中的每一个都设置在该旋转轮上的扇形区域中。透射区和第一荧光区的角度能够是互补的(即总和为360°)，并且分别为大约89°-91°和大约269°-217°。旋转轮能够具有至少7200rpm的转速。第二荧光片也能够呈旋转轮的形式。
可选地，光源设备还包括一组反射器，这些反射器设置成使得透射穿过透射区的第一束第一基色光的光路被重新引导，以与一束第二基色光的光路光学组合，从而产生第五光场。
在光源模组中，第一光源子模组和第二光源子模组中的每一个都能够包括激光二极管阵列，并且光源模组还能够包括分别设置在第一光源子模组和第二光源子模组的发光表面上方的第一准直透镜阵列和第二准直透镜阵列。第一准直透镜阵列和第二准直透镜阵列中的每一个中的子眼设置成与对应的光源子模组的激光二极管阵列中的激光二极管对应低对准。每个子眼能够包括双曲非球面透镜，该双曲非球面透镜的曲面表示为：
Figure BDA0003496504430000051
其中，Cx为双曲非球面透镜在x方向的曲率，Cy为双曲非球面透镜在y方向的曲率，Kx为双曲非球面透镜在x方向的圆锥系数，Ky为双曲非球面透镜在y方向的圆锥系数。
光源设备还能够包括第一二向色滤光片和第二二向色滤光片，这些二向色滤光片分别设置在第一光源子模组和第二光源子模组的发光表面上方，并且配置为分别对第一束基色光和第二束基色光中的每一个进行滤光。第一基色光的远场能够呈高斯分布，并且投影系统还包括第一扩散片和第二扩散片，这些扩散片分别设置在第一光源子模组与第一二向色滤光片之间以及在第二光源子模组与第二二向色滤光片之间。第一扩散片和第二扩散片配置为对第一束第一基色光和第二束第一基色光进行扩散，使得它们的远场被扩展为具有双向类平顶分布。第一扩散片和第二扩散片中的每一个能够配置为具有二向扩散特性，并且在水平方向上具有大约1.2°-1.8°、优选1.5°的扩散半角，在俯仰方向上具有大约0.65°-1.05°、优选0.85°的扩散半角。
光源设备还能够包括用于消除由第一基色光形成的光场的散斑的至少一个装置，该至少一个装置包括：(1)透射区，其包括扇形扩散片；(2)准直透镜模组，其设置在第一荧光片的发光表面上方；(3)准直补偿透镜和第三扩散片，它们设置在第一束第一基色光的光路上，其中，第三扩散片配置为具有连续的小幅移动。在此，第三扩散片能够与振动马达机械耦合(或连接)，该振动马达配置为具有100Hz至300Hz的振动频率，并且第三扩散片的扩散半角能够为2°至3°。
光源设备还能够包括第一聚光透镜模组和第二聚光透镜模组，这些聚光透镜模组分别设置在第一二向色滤光片与第一荧光片之间以及在第二二向色滤光片与第二荧光片之间。第一聚光透镜模组和第二聚光透镜模组中的每一个都沿光透射方向包括第一聚光透镜子模组和第二聚光透镜子模组，这些聚光透镜子模组分别包括非球面透镜和球面透镜。在此，非球面透镜的非球面表示为：
Figure BDA0003496504430000061
其中，c为球面顶点处的曲率，k为二次项非球面系数，An为高阶项非球面系数，n取2-7，ρ为归一化径向坐标。
在投影系统中，可选地，光源设备能够配置为发射第三基色光，并且还能够配置为通过由第三基色光对相应的荧光材料的激发来得到第一基色光和第二基色光中的每一个。光源设备能够包括光源模组和第三荧光片。光源模组能够包括第三光源子模组和第四光源子模组，这些光源子模组配置为分别发射第一束第三基色光和第二束第三基色光。第三荧光片与第一束第三基色光光学对准，并在该第三荧光片面向第一束第三基色光的表面上包括第三荧光区和第四荧光区。第三荧光区包括能够在由第三基色光激发时产生第一基色光的第三荧光材料。第四荧光区包括能够在由第三基色光激发时产生第二基色光的第四荧光材料。第三荧光片还配置为使第三荧光区和第四荧光区以预定方式交替面向第一束第三基色光，使得在第三荧光区上生成的第一基色光的光束和在第四荧光区上生成的第二基色的光束以分时方式耦合，以作为第五光场输出。第二束第三基色光作为第六光场输出。在此，在一个示例中，第一基色光和第二基色光能够分别是绿光和红光，或者能够分别是红光和绿光，第三基色光能够是蓝光。
在整个公开中，术语“模组”、“单元”等是指一个特定的光学设备或执行特定功能的多个光学部件或设备的组件。
在整个公开中，数字后面的相对术语“大约”、“约”、“左右”等是指对在指示数字的5％以内的实际数字的描述。在一个说明性示例中，“大约1.00”能够解释为实际数字为0.95至1.05。
附图说明
图1A和图1B分别示出了由本公开的一些实施例提供的光束调制设备的框图和结构图；
图2A和图2B分别示出了在第一LCOS面板上的像素处于“开启”状态(图2A)和“关闭”状态(图2B)的情况下，在P偏振光束进入到光束调制设备的PBS棱镜中时，光束调制设备内的光路；
图2C和图2D分别示出了在第二LCOS面板上的像素处于“开启”状态(图2C)和“关闭”状态(图2D)的情况下，在S偏振光束进入到光束调制设备的PBS棱镜中时，光束调制设备内的光路；
图3示出了根据本公开的一些实施例的投影系统的框图；
图4A与图4B分别示出了根据本公开的两个不同实施例的光源设备中的光路和方案；
图5示出了根据本公开一个具体实施例的激光电视投影系统的示意性结构的主视图；
图6示出了图5所示激光电视投影系统的仰视图；
图7示出了图5和图6所示激光电视投影系统的实施例中的局部结构的右视图；
图8示出了在激光电视投影系统的实施例中PCS偏振阵列棱镜的结构图；以及
图9示出了在激光电视投影系统的实施例中投影光源的结构图。
具体实施方式
下文中将结合本公开所附附图，对本公开各种实施例中提供的技术方案进行更详细的描述。应当注意的是，本公开提供的实施例应被视为仅代表本公开涵盖的实施例的一部分，而非全部实施例，因此不应被视为对本公开的保护范围施加任何限制。基于本文提供的实施例，在设计上稍有变化的其他实施例，只要它们遵循本文公开的发明主旨，并能够由本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下轻松获得，都应被视为涵盖在本公开的范围内。
在第一方面，本公开提供了一种光束调制设备，其配置为调制和/或重新引导进入到其中的输入光场，从而得到输出光场。
图1A示出了本公开的一些实施例提供的光束调制设备的框图。如图所示，光束调制设备1000包括PBS棱镜100和硅基液晶(LCOS)组件200，它们彼此光学耦合以在输出输出光场之前调制输入光场。输入光场配置为包括两个空间耦合的光场(即第一光场和第二光场)的复合光场，这两个空间耦合的光场均为线偏振光束但具有两个不同的正交线性偏振态(即S偏振态和P偏振态)。换言之，在配置为进入到光束调制设备1000中的输入光场中，第一光场和第二光场分别配置为P偏振光束和S偏振光束(如图1A所示)或分别配置为S偏振光束和P偏振光束(图中未示出)。
本文中可选地，输入光场还配置为由三基色光耦合的白光场。具体地，第一光场能够包括以分时的方式彼此耦合的两种基色光(例如第一基色光和第二基色光)，而第二光场包括最后一种基色光(即第三基色光)。输入光场的这种配置允许光束调制设备1000用作投影系统(诸如电视投影系统或微显示系统(例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)显示器等))的一部分以基于其发射的输出光场投射/显示彩色图像。
可选地，光束调制设备1000还能够包括1/4波片组件300(如图1A中的虚线框所示)，该1/4波片组件与PBS棱镜100和LCOS组件200二者光学耦合，并且配置为增加从光束调制设备1000发射的输出光场的对比度。
图1A所示的光束调制设备1000的结构图在图1B中进一步示出。如图所示，在设备1000中，PBS棱镜100包括两个直角棱镜(即三角棱镜)120和140，这两个直角棱镜在其各自的基部(即斜边)上相对彼此附接，从而形成PBS立方体。可选地，通过在两个棱镜120与140之间的界面C处设置光学胶合剂和/黏结剂材料(例如环氧树脂)的薄膜将两个棱镜120和140胶合或黏结在一起。可选地，在不使用胶合剂和/黏结剂的情况下，两个棱镜120和140能够设置在一起。
PBS立方体100具有光学入射表面A和光学出射表面B，输入光场配置为沿第一轴线穿过光学入射表面A进入到PBS立方体100中，输出光场配置为沿与第一轴线正交(即基本上成90°)的第二轴线穿过光学出射表面B离开PBS立方体100。第一轴线和第二轴线均相对于界面C基本上成45°。
PBS棱镜100的界面C配置为选择性地允许P偏振入射光透射穿过，并且允许S偏振入射光反射。为此目的，偏振装置130能够夹在界面C处，使其成为PBS立方体100的偏振表面。可选地，偏振装置130能够包括偏振分光膜或线栅。在一个示例中，偏振分光膜能够包括介电分束器涂层，该涂层能够在三角棱镜120和140中的一个或两个的斜边表面上涂敷，然后将用光学黏结剂黏结在一起。根据应用，PBS棱镜能够配置为对于透射光束具有不同消光比(TP：TS)。例如，在诸如电视投影系统或VR/AR显示系统的应用中，光束调制设备1000中的PBS棱镜100能够具有至少500：1的消光比，或者更优选地，具有至少1000：1的消光比。
如图1B所示，LCOS组件200包括两个LCOS面板。第一LCOS面板220设置在PBS棱镜100的与光学入射表面A相对的第一侧表面的上方，配置为使其反射表面D2面向PBS棱镜100并平行于第一侧表面，使得来自PBS棱镜100的入射光束能够沿第一轴线反射回PBS棱镜100。第二LCOS面板240设置在PBS棱镜与光学出射表面B相对的第二侧表面的上方，配置为使其反射表面D4面向PBS棱镜100并平行于第一侧表面，使得来自PBS棱镜100的入射光束能够沿第二轴线反射回PBS棱镜100。
第一LCOS面板220和第二LCOS面板240中的每一个包括在其各自反射表面上的多个像素，其中，多个像素中的每一个配置为可控地开启或关闭，使得经反射表面的对应于光束的部分反射的该光束的偏振状态发生变化或保持不变。
图2A和图2B示出了输入光场(“P偏振(输入)”)内P偏振光束的光路，当像素处于“开启”状态(图2A中的实心圆)或“关闭”状态(空心圆)时，该光束穿过光学入射表面A进入到PBS立方体100中，透射穿过偏振界面C，并射到第一LCOS面板220上对应于其上一个特定像素的区域处，其中带箭头的直线和带箭头的虚线分别指的是P偏振光束和S偏振光束。如图2A所示，如果像素开启，则入射P偏振光束(“P偏振(入射)”)被反射回来以产生反射S偏振光束(“S偏振(反射)”)，该反射S偏振光束进入到PBS立方体100中，并在到达偏振界面C时被其反射，从而穿过光学出射表面B离开PBS立方体100以输出。如图2B所示，如果像素关闭，则入射P偏振光束(“P偏振(入射)”)被第一LCOS面板220反射回来以产生反射P偏振光束(“P偏振(反射)”)，该反射P偏振光束进入到PBS立方体100中，并在到达偏振界面C时透射穿过该界面，以穿过光学入射表面A离开PBS立方体100，从而在没有从光学出射表面B输出的情况下丢失。这样，通过控制第一LCOS面板220上的像素的状态，输入P偏振光束能够被操纵为从棱镜立方体100的光学出射表面B输出(作为S偏振光束)或丢失。
图2C和图2D示出了输入光场(“S偏振(输入)”)内S偏振光束的光路，当像素处于“开启”状态(图2C中的实心圆)或“关闭”状态(图2D中的空心圆)时，该光束穿过光学入射表面A进入到PBS立方体100中，在偏振界面C处发生反射，并射到第二LCOS面板240上对应于其上一个特定像素的区域处，其中带箭头的直线和带箭头的虚线分别指的是P偏振光束和S偏振光束。如图2C所示，如果像素开启，则入射S偏振光束(“S偏振(入射)”)经第二LCOS面板240反射回来以产生反射P偏振光束(“P偏振(反射)”)，该反射P偏振光束进入到PBS立方体100中，并在到达偏振界面C时透射穿过该界面，以穿过光学出射表面B离开PBS立方体100以输出。如图2D所示，如果像素关闭，则入射S偏振光束(“S偏振(入射)”)经第二LCOS面板240反射回来以产生反射S偏振光束(“S偏振(反射)”)，该反射S偏振光束进入到PBS立方体100中，并在到达偏振界面C时再次发生反射，以穿过光学入射表面A离开PBS立方体100，从而在没有从光学出射表面B输出的情况下丢失。这样，通过控制第二LCOS面板240上的像素的状态，输入S偏振光束能够被操纵为从光学出射表面B输出(作为P偏振光束)或丢失。
应当注意的是，图2A与图2B以及图2C和图2D仅分别显示了第一LCOS面板220和第二LCOS面板240上像素的两种极端状态(即“开启”与“关闭”)。对于特定LCOS面板上的像素来说，其可以被操纵以允许入射光束的部分极性(或偏振态)转换(即角度0°<a<90°的偏振旋转)，因此反射光束基本上是P偏振光束和S偏振光束的混合。根据反射光束的来源，只有相应的光束能够实现从PBS棱镜100的光学出射表面B的输出，这只是光束的一部分，而不是全部。
另外应当注意的是，上面两种对输入光场中的输入P偏振光束和输入S偏振光束的像素控制操作能够同时同步进行，以实现两个输出光束的受控空间耦合，以在显示屏幕上产生不同间距的彩色像素。
还应当注意的是，第一LCOS面板220和第二LCOS面板240中的每一个都包含多个像素(即多个第一像素和多个第二像素)，这些像素的状态能够借助于控制电路(未示出)单独控制，该控制电路诸如CMOS芯片或另一芯片，该控制电路与LCOS面板组装在一起，并配置为基于预定程序接收来自处理器的指令。这样，能够基于从本文公开的光束调制设备输出的输出光场在显示屏幕上生成彩色图像，该输出光场基本上是分别对应于在第一LCOS面板和第二LCOS面板上的多个第一像素和多个第二像素的多个输出光束的组合。
如图1B进一步所示，包括两个1/4波片(即第一1/4波片320和第二1/4波片340)的1/4波片组件300能够设置在光束调制设备1000中。第一1/4波片320沿第一轴线夹在PBS棱镜100与第一LCOS面板220之间，第二1/4波片340沿第二轴线夹在PBS棱镜100与第二LCOS面板240之间。应当注意的是，这两个1/4波片是可选的，并且可以不设置或仅设置两个1/4波片中的一个在光束调制设备1000中。
在光束调制设备1000中，抗反射或抗眩光(AR)涂层或膜能够可选择性地设置在PBS棱镜100的光学入射表面A、光学出射表面B、第一侧表面或第二侧表面中的一个或更多个上，以便减少在这些表面上的菲涅尔反射。
第二方面，还提供了一种投影系统，其包括如上所述的光束调制设备。
图3示出了根据本公开的一些实施例的投影系统的框图。如图所示，投影系统001包括在光路中依次光学耦合的光源设备4000、偏振设备3000、偏振调制设备2000、光束调制设备1000和投影设备5000。
其中，光束调制设备1000能够基于上面第一方面所述的光束调制设备的任一实施例。按照上述配置方案，光束调制设备1000配置为调制包括具有不同的线性偏振态(即S偏振和P偏振)的第一光场和第二光场的输入光场，从而向投影设备5000提供输出光场以供投影。
在光路的上游，输入到光束调制设备1000的第一光场和第二光场能够由偏振调制设备2000提供，该偏振调制设备配置为在接收到具有基本相同的偏振态的第三光场和第四光场时，调制第三光场和第四光场中一个而不是另一个的偏振态以对应地输出，然后向光束调制设备1000分别提供第一光场和第二光场。在图3所示的一个示例中，输入到偏振调制设备2000的第三光场和第四光场均为S偏振，借助于偏振调制设备2000，S偏振第三光场被调制成为P偏振第一光场，而S偏振第四光场成为S偏振第二光场。输入到偏振调制设备2000的第三光场和第四光场均为P偏振，或者，输出的第一光场和第二光场分别为S偏振和P偏振的其他实施例也是可能的，但未示出。更具体地，偏振调制设备2000能够配置为将第三光场和第四光场之一的线偏振轴线旋转90°，并且能够可选地包括法拉第旋转器、双折射旋转器或棱镜旋转器。例如，偏振调制设备2000能够包括半波片，该半波片实质上是双折射旋转器。
在更上游，输入到偏振调制设备2000的第三光场和第四光场能够由偏振设备3000提供，该偏振设备配置为对入射到其中的非偏振第五光场和非偏振第六光场进行偏振以相应地输出，从而分别向偏振调制设备2000提供具有基本相同偏振态的第三光场和第四光场。在特定实施例中，偏振设备包括前复眼透镜、后复眼透镜和棱镜的PCS偏振阵列。前复眼透镜配置为将第五光场和第六光场中的每一个光学地分成多个光束；后复眼透镜配置为将多个光束聚焦在其后表面上；棱镜的PCS偏振阵列配置为对从后复眼透镜输出的聚焦的多个光束进行偏振，以得到第三光场和第四光场。下面利用具体实施例1提供更多的细节。
在更上游，输入到偏振设备3000的非偏振第五光场和非偏振第六光场由光源设备4000提供。
第五光场和第六光场中的每一个能够包括单个光束，然而根据投影系统的一些优选实施例，第五光场和第六光场、第三光场和第四光场以及第一光场和第二光场中的每一对是由每对光场中的两个光场空间耦合形成的复合白光场，使得投影系统能够应用在电视投影系统或VR/AR显示系统中以投影彩色图像。为此目的，在每个复合白光场的每对光场中，一个光场配置为包括第一基色光和第二基色光的分时耦合光场(即第一基色光和第二基色光以分时的方式在时间上彼此耦合)，并且另一个光场配置为包括第三基色光。在图3的说明性示例中，第五光场以及相应的第三光场和第一光场各自配置为包括以分时的方式彼此耦合的第一基色光和第二基色光的分时耦合光场(图中以*标注)。第六光场以及对应的第四光场和第二光场各自包括第三基色光。
根据一些实施例，第一基色光能够是蓝光(B)，第二基色光和第三基色光分别是绿光(G)和红光(R)或者分别是红光(R)和绿光(G)。
根据上述这些方案，光源设备4000配置为发射第一基色光(即蓝光)，并且还配置为通过第一基色光(即蓝光)对相应的荧光材料(即染料)的激发来得到第二基色光(即绿光)和第三基色光(即红光)中的每一个。
如图4A中所示，在下面实施例1中也会详细描述的一个具体实施例中，光源设备4000包括光源模组4100，该光源模组包括第一光源子模组4110和第二光源子模组4120，这两个子模组配置为分别发射第一束第一基色光和第二束第一基色光(例如两束蓝光)。光源设备4000还包括第一荧光片4200和第二荧光片4300，它们与第一束第一基色光和第二束第一基色光光学对准，并且配置为分别接收第一束第一基色光和第二束第一基色光。
第一荧光片4200在其面向第一束第一基色光的表面上包括透射区4210和第一荧光区4220。第一荧光区4220包括能够在被第一基色光激发时产生第二基色光的第一荧光材料(即染料#1)。第一荧光片4200还配置为使透射区4210和第一荧光区4220以预定方式(例如在一个周期中的预定持续时间)交替地面向第一束第一基色光，使得当透射穿过透射的第一束第一基色光(即透射的第一基色光)与在第一荧光区产生的第二基色光的光束(即激发产生的第二基色光，例如图4A中的绿光)在空间上光学组合，例如通过调制透射的第一基色光和激发的第二基色光的光路，形成分时耦合光场，从而产生第五光场。第二荧光片4300包含第二荧光区4320，该第二荧光区在其面向第二束第一基色光的表面上包括第二荧光材料(即染料#2)，该第二荧光材料配置成使得在由第二束第一基色光激发时，从第二荧光区4320产生第三基色光的光束(例如图4A中的激发红光)，从而得到第六光场。
在本文中，可选地，第一荧光片4200能够呈旋转轮(即色轮)的形式，透射区和第一荧光区中的每一个都设置在该旋转轮上的扇形区域中。透射区的角度和第一荧光区的角度能够可选地配置为互补的(即总和为360°)。例如，它们能够分别大约为89°-91°和大约269°-217°，并且优选地能够大约为90°和大约为270°。此外，旋转轮能够具有至少7200rpm的转速，以便实现第一基色光和第二基色光的交替采集以用于产生分时耦合光场(即第五光场)。可选地，第二荧光片4300也能够呈旋转轮的形式。
为了实现透射的第一基色光和激发的第二基色光的光路的空间组合，光源设备还能够包括一组反射器，这些反射器布置成使得透射穿过透射区的第一束第一基色光的光路被重新引导，以与第二基色光的光束的光路光学组合，从而产生第五光场。
在光源设备的任一实施例中，光源模组中的第一光源子模组和第二光源子模组中的每一个能够包括激光二极管阵列。光源模组还能够包括分别设置在第一光源子模组和第二光源子模组的发光表面上方的第一准直透镜阵列和第二准直透镜阵列。第一准直透镜阵列和第二准直透镜阵列中的每一个中的子眼设置成与对应的光源子模组的激光二极管阵列中的激光二极管对应地对准。此外，每个子眼包括双曲非球面透镜，该双曲非球面透镜的曲面表示为：
Figure BDA0003496504430000141
在此，Cx为双曲非球面透镜在x方向的曲率，Cy为双曲非球面透镜在y方向的曲率，Kx为双曲非球面透镜在x方向的圆锥系数，Ky为双曲非球面透镜在y方向的圆锥系数。
光源设备还能够包括第一二向色滤光片和第二二向色滤光片，这些二向色滤光片分别布置在第一光源子模组和第二光源子模组的发光表面上方，并且配置为分别对第一束基色光和第二束基色光中的每一个进行滤光。
该光源设备还能够配置为使得第一基色光的远场呈高斯分布，这样，光源设备还包括第一扩散片和第二扩散片，这些扩散片分别布置在第一光源子模组与第一二向色滤光片之间以及第二光源子模组与第二二向色滤光片之间。第一扩散片和第二扩散片配置为对第一束第一基色光和第二束第一基色光进行扩散，使得它们的远场被扩展为具有双向类平顶分布。此外，第一扩散片和第二扩散片中的每一个能够可选地配置为具有二向扩散特性，并且在水平方向上具有大约1.2°-1.8°的扩散半角，在俯仰方向上具有大约0.65°-1.05°的扩散半角。在优选实施例中，第一扩散片和第一扩散片的扩散半角均能够为在水平方向上大约1.5°，在俯仰方向上大约0.85°。
为了尽可能消除第一基色光形成的光场的散斑，光源设备还能够包括以下装置中的一种或更多种：(1)透射区，其包括扇形扩散片；(2)准直透镜模组，其设置在第一荧光片的发光表面上方；(3)准直补偿透镜和第三扩散片，它们设置在第一束第一基色光的光路上，第三扩散片配置为具有连续的小幅移动。更具体地，第三扩散片能够与振动马达机械耦合(即连接)，该振动马达配置为具有100Hz至300Hz的振动频率，并且第三扩散片能够具有2°至3°的扩散半角。
光源设备还能够包括第一聚光透镜模组和第二聚光透镜模组，这些聚光透镜模组分别设置在第一二向色滤光片与第一荧光片之间以及在第二二向色滤光片与第二荧光片之间。第一聚光透镜模组和第二聚光透镜模组中的每一个沿光透射方向包括第一聚光透镜子模组和第二聚光透镜子模组，这些聚光透镜子模组分别包括非球面透镜和球面透镜。可选地，非球面透镜的非球面能够表示为：
Figure BDA0003496504430000151
在此，c为球面顶点处的曲率，k为二次项非球面系数，An为高阶项非球面系数，n取2-7，ρ为归一化径向坐标。
在上面的实施例中，第一基色光为蓝光(B)，第二基色光和第三基色光分别为绿光(G)和红光(R)或者分别为红光(R)和绿光(G)。此外，第二基色光和第三基色光的产生依赖于第一基色光对相应的染料材料的激发。然而，应当注意的是，这些配置仅代表说明性示例，不应被视为限制本公开的范围。其他实施例也是可能的。
例如，在图4B所示的另一实施例中，光源设备4000配置为分别借助于第一光源子模组和第二光源子模组4110和4120分别发射两束第三基色光(例如，如图4B所示的第一束蓝光和第二束蓝光)。第三荧光片4400(例如旋转的色轮)在其面向第一束蓝光的表面上具有第三荧光区4410(包括染料#1)和第四荧光区4420(包括染料#2)，该第三荧光片配置为在由第一束第三基色光(即蓝光)激发时交替产生第一基色光的光束(即激发的绿光)和第二基色光的光束(即激发的红光)。由第三荧光片4400交替产生的第一基色光的光束和第二基色光的光束能够被管理以耦合并作为分时耦合的第五光场输出。第二光源子模组4120发射的第二束第三基色光(即蓝光)直接提供第六光场。光源设备4000的该实施例具有相对简单的结构。
在又一示例中，光源设备4000能够配置为(例如借助于第一光源子模组)发射第一基色光和(例如借助于第二光源子模组)发射第二基色光，并且还配置为通过第一基色光或第二基色光对相应的荧光材料的激发来得到第三基色光。在这样的具体实施例中，第一基色光、第二基色光和第三基色光分别为蓝光(B)、绿光(G)和红光(G)，光源设备配置为单独地发射蓝光和绿光，并且还配置为通过发射的绿光对相应的荧光材料的激发来得到红光。这样，输出的第五光场包括分时耦合的蓝光和绿光，输出的第六光场包括红光。
下文中，提供激光电视投影系统的一个具体实施例(即实施例1)作为说明性示例。
图5和图6分别示出了根据本公开的一个具体实施例的示意图中所示的激光电视投影系统的主视图和仰视图。
如图所示，激光电视投影系统的该具体实施例包括：投影光源模组1、匀化与偏振模组2、半波片5、PBS棱镜6、LCOS光阀组件8和投影镜头9。
投影光源模组1配置为提供第一白光场。第一白光场实质上为包括第一基色光、第二基色光和第三基色光的耦合光场。其被进一步配置成使得第一基色光与第二基色光分时耦合以首先得到分时耦合光场，并且分时耦合光场进一步与第三基色光空间耦合以得到第一白光场。
匀化与偏振模组2配置为对第一白光场进行偏振，从而得到第二白光场。在第二白光场中，每个光均为预设类型偏振光，并且预设类型偏振光为P偏振光和S偏振光之一。
半波片5配置为对第二白光场中的分时耦合光场或第三基色光中的一个进行位相转换，从而得到第三白光场。第三白光场包括P偏振光和S偏振光。
PBS棱镜6配置为将第三白光场中的P偏振光透射以及将第三白光场中的S偏振光反射。P偏振光透射后经第一LCOS光阀得到的第一反射光场，以及S偏振光反射后经第二LCOS光阀得到的第二反射光场，均在透射穿过PBS棱镜6后射入到投影镜头9中。
LCOS光阀组件8包括第一LCOS光阀和第二LCOS光阀。
在图5和图6所示的具体激光电视投影系统中，通过匀化与偏振模组2和半波片5的组合，第三白光场中分时耦合光场的偏振方向和第三基色光的偏振方向配置成相差90°。此外，通过PBS棱镜6，分时耦合光场和第三基色光分别透射至LCOS光阀组件8中它们对应的光阀(即第一LCOS光阀和第二LCOS光阀)。这样，能够避免在具有常规的三片式光阀结构的激光电视投影系统中由于中继光路的分光折叠和其他因素而使用过多透镜元件的问题。减少透镜元件的使用能够缩短投影镜头9的后截距，并能够有效地缩小现有激光电视投影系统的厚度，从而减少整体外形并降低成本。通过使用双LCOS光阀架构能够改进显示亮度和画面质量，从而满足高分辨率和超短焦投影的需求。
在激光电视投影系统的该具体实施例中，投影镜头9采用UST投影镜头，更具体地采用4K高分辨率超短焦投影镜头。投影镜头9包括正光焦度镜组、负光焦度镜组、反光碗。投影镜头9采用折反形式的物方远心设计，投影镜头9的透射比小于0.25，投影镜头9的投影尺寸为80英寸至120英寸，并且投影镜头9在空气中的等效后截距大于15.2mm。应当注意的是，根据本公开的不同实施例，也能够使用其他类型的投影镜头。
参照图5和图6，图5为本公开的一些实施例提供的激光电视投影系统的主视图，图6为本公开的一些实施例提供的激光电视投影系统的仰视图。激光电视投影系统包括：投影光源模组1、匀化与偏振模组2、半波片5、PBS棱镜6、LCOS光阀组件8和投影镜头9。LCOS光阀组件8包括第一LCOS光阀和第二LCOS光阀；
投影光源模组1配置为提供第一白光场，并且第一白光场为包括第一基色光、第二基色光和第三基色光的耦合光场。第一基色光与第二基色光分时耦合以得到分时耦合光场，并且分时耦合光场与第三基色光空间耦合以得到第一白光场。
匀化与偏振模组2配置为对第一白光场进行偏振以得到第二白光场。在第二白光场中，每种光均为预设类型的偏振光，并且预设类型的偏振光为P偏振光和S偏振光之一。
半波片5配置为对第二白光场中的分时耦合光场或第三基色光中的一个进行位相转换以得到第三白光场。第三白光场包括P偏振光和S偏振光。
PBS棱镜6配置为将第三白光场中的P偏振光透射以及将第三白光场中的S偏振光反射。P偏振光在透射后经第一LCOS光阀得到的第一反射光场，以及S偏振光在反射后经第二LCOS光阀得到的第二反射光场，在透射穿过PBS棱镜6后射入到投影镜头9中。
在图5和图6所示的激光电视投影系统中，通过匀化与偏振模组2和半波片5的组合，第三白光场中分时耦合光场的偏振方向和第三基色光的偏振方向将相差90°。此外，通过PBS棱镜6，分时耦合光场和第三基色光透射至对应的光阀。这样，能够避免三片式光阀结构中由于中继光路的分光折叠和其他因素而使用过多透镜元件。减少透镜元件的使用能够缩短投影镜头9的后截距，并有效地缩小现有激光电视投影系统的厚度，从而缩小整体外形并降低成本。通过使用双LCOS光阀架构能够改进显示亮度和画面质量，从而满足高分辨率和超短焦投影的需求。
此外，在本公开的一个实施例中，投影镜头9能够采用UST投影镜头，更具体地能够采用4K高分辨率超短焦投影镜头。投影镜头9包括正光焦度镜组、负光焦度镜组、反光碗。投影镜头9采用折反形式的物方远心设计，投影镜头9的透射比小于0.25，投影镜头9的投影尺寸为80英寸至120英寸，并且投影镜头9在空气中的等效后截距大于15.2mm。
在其他实施例中，也能够使用其他类型的投影透镜。在本文中没有限制。
此外，LCOS光阀组件8与PBS棱镜6之间能够设置有1/4波片7，这能够提升画面对比度。
具体的，第一LCOS光阀与PBS棱镜6之间能够设置有第一1/4波片，并且第二LCOS光阀与PBS棱镜6之间能够设置有第二1/4波片。
具体的，H-ZLAF52A材料能够用于PBS棱镜6，这允许PBS棱镜6的偏振对比度大于1000：1，以便提升画面对比度。
具体的，PBS棱镜6能够由两块三角棱镜胶合而成。每个三角棱镜的胶合表面镀有偏振分光膜。S偏振光在偏振分光膜处被反射，而P偏振光透射穿过偏振分光膜。
此外，参照图7，图7示出了在图6所示激光电视投影系统的实施例中局部结构(PBS棱镜6与LCOS光阀组件8的装配结构)的右视图。第一LCOS光阀和第二LCOS光阀之一设置在PBS棱镜6的顶部上方，另一个设置在PBS棱镜6的侧面上方。
投影镜头9、PBS棱镜6和第二LCOS光阀设置在同一直线方向上，并且PBS棱镜6设置在投影镜头9与第二LCOS光阀之间。
具体的，第一LCOS光阀和第二LCOS光阀的尺寸能够具有大约0.55英寸的尺寸，使得激光电视投影系统的尺寸能够减小。
具体的，第三白光场中的P偏振光透射穿过PBS棱镜6的偏振分光膜，然后经第一LCOS光阀反射回来，从而得到第一反射光场。第一反射光场为S偏振光。第一反射光场在PBS棱镜6的偏振分光膜处被反射，然后透射至投影镜头9。第三白光场中的S偏振光透射至PBS棱镜6的偏振分光膜。第二反射光场为P偏振光，并且第二反射光场透射穿过PBS棱镜6的偏振分光膜，然后透射至投影镜头9。
此外，第一基色光为蓝光，第二基色光为绿光，并且第三基色光为红光。替换地，第一基色光为蓝光，第二基色光为红光，并且第三基色光为绿光。
此外，半波片5能够为R(红)半波片、RB(红蓝)半波片、G(绿)半波片或GB(绿蓝)半波片。
R半波片配置为将红光的偏振方向旋转90°；RB半波片配置为将红光和蓝光的偏振方向旋转90°；G半波片配置为将绿光的偏振方向旋转90°；GB半波片配置为将绿光和蓝光的偏振方向旋转90°。
具体的，如果第一基色光、第二基色光和第三基色光分别为蓝光、绿光和红光，则半波片5能够为R半波片或GB半波片，只要第三白光场中的分时耦合光场和第三基色光的偏振方向相差90°即可。如果第一基色光、第二基色光和第三基色光分别为蓝光、红光和绿光，则半波片5能够为G半波片或RB半波片，只要第三白光场中的分时耦合光场和第三基色光的偏振方向相差90°即可。
匀化与偏振模组2包括前复眼透镜、后复眼透镜和PCS偏振阵列棱镜。第一白光光场穿过前复眼透镜后被分成多个光阵列，这些光阵列聚焦在后复眼透镜的后表面上。PCS偏振阵列棱镜对透射穿过后复眼透镜的光场进行偏振，从而得到第二白光光场。
具体的，参照图8所示，图8示出了本公开实施例提供的PCS偏振阵列棱镜的结构图。PCS偏振阵列棱镜包括第一平行四方棱镜201、第二平行四方棱镜202、金属片203和半波片204。第一平行四方棱镜201、第二平行四方棱镜202、金属片203和半波片204的数量为多于一个。从下向上按照第一平行四方棱镜201、第二平行四方棱镜202、第一平行四方棱镜201、第二平行四方棱镜202……的方式设置。每个第一平行四方棱镜201和每个第二平行四方棱镜202的两端为竖直面。偏振分光膜设置在每个第一平行四方棱镜201与其相邻的第二平行四方棱镜202之间。金属片203以一一对应的方式设置在每个第一平行四方棱镜201的前端处。透射穿过后复眼透镜的光场穿过每两个相邻金属片203之间的空间进入到第二平行四方棱镜202中。
当半波片204设置在第一平行四方棱镜201的后端处并且半波片204与第一平行四方棱镜201一一对应时，第一白光场中的S偏振光经偏振分光膜反射，然后竖直射向相邻的偏振分光膜处，并在那里发生反射，然后水平射向第二平行四方棱镜202的后端处；而第一白光光场中的P偏振光透射穿过偏振分光膜，然后射在第一平行四方棱镜201的后端处，并且在透过半波片204时，该P偏振光的偏振方向旋转90°。这样，在第二白光场中包括的光均为S偏振光。
当半波片204设置在第二平行四方棱镜202的后端处并且半波片204与第二平行四方棱镜202一一对应时，第一白光场中的P偏振光透射穿过偏振分光膜，然后在第一平行四方棱镜201的后端处射出；而第一白光场中的S偏振光经偏振分光膜反射，然后竖直射向相邻的偏振分光膜处并被反射。当该S偏振光水平透射穿过半波片204时，偏振方向旋转90°。这样，包括在第二白光场中的光均为P偏振光。
匀化与偏振模组2与半波片5之间设置有整形透镜模组3和折叠反射镜4。
整形透镜模组3包括第一透镜和第二透镜。在透射穿过匀化与偏振模组2的第二白光场穿过第一透镜后，经折叠反射镜4反射射向第二透镜，然后穿过第二透镜到达半波片5；
整形透镜模组3、前复眼透镜和后复眼透镜按照形成柯勒照明系统所要求的方式设置，使得整形透镜模组的出瞳位上形成均匀的照明光场。
在本公开实施例提供的激光电视投影系统中，第一白光场穿过前复眼透镜后被分成多个光阵列，然后聚焦在后复眼透镜的后表面上，然后穿过相邻金属片203之间的空间。这样，能够保证第一白光场的利用率，并降低第二白光场在PCS偏振阵列棱镜处的损失。此外，每个半波片204的水平位置与相邻金属片203之间的空间的水平位置重合，这能够更好地提升第一白光场的利用率，并进一步降低第二白光场在PCS偏振阵列棱镜处的损失。
此外，在图9所示的本公开的另一个实施例中，示出了根据本公开实施例的投影光源模组的结构图。投影光源模组1包括：光源模组101、第一二向色滤光片103、第二二向色滤光片104、第一荧光轮106(即第一色轮)、第二荧光轮107(即第二色轮)、第一反射器109、第二反射器110、第三反射器111。
光源模组101配置成发射两个平行的第一基色光，其中之一被导向第一荧光轮106，而另一个被导向第二荧光轮107。
第一荧光轮106包括透射区、第一荧光区以及与第一荧光区对应的散热基板。散热基板靠近第一荧光区的一侧涂敷有镜面高反射膜(或镜面高反射表面等)。第一基色光穿过设置在光源模组101与第一荧光轮106之间的第二二向色滤光片104，然后射向第一荧光轮106。当第一基色光射在第一荧光区上时被激发，从而得到第二基色光。第二基色光经镜面高反射膜反射，然后射到第二二向滤光片104上并被其反射，以便得到第二基色光的水平光场。当第一基色光射在透射区上时，它穿过该透射区，并且透射穿过透射区的第一基色光依次经第一反射器109、第二反射器110和第三反射器111反射，以便得到第一基色光的水平光场。
第一基色光的水平光场穿过第二二向色滤光片104后以分时的方式与第二基色光的水平光场耦合，从而得到分时耦合光场。
第二荧光轮107包括第二荧光区以及与第二荧光区对应的散热基板。散热基板靠近第二荧光区的一侧涂敷有镜面高反射膜(或镜面高反射表面等)。第一基色光穿过设置在光源模组101与第二荧光轮107之间的第一二向色滤光片103，然后射到第二荧光轮107的第二荧光区上被激发，从而得到第三基色光。第三基色光经镜面高反射膜反射，然后射到第一二向色滤光片103上并被其反射，以便得到第三基色光的水平光场。
具体的，第一荧光轮106设置有马达和控制器，控制器控制马达使第一荧光轮106的转速保持为7200rpm或14400rpm；第二荧光轮107也设置有马达和控制器，控制器控制马达使第二荧光轮107的转速保持为7200rpm或14400rpm。
此外，光源模组101包括第一阵列激光光源子模组和第二阵列激光光源子模组，并且第一阵列激光光源子模组和第二阵列激光光源子模组的结构相同。
第一阵列激光光源子模组和第二阵列激光光源子模组中的每一个包括激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片、准直透镜阵列、电源、控制系统和风扇。
激光二极管阵列均匀设置在导热铜板上。导热管插入导热铜板中。导热管含有冷媒，并且导热管的另一端与散热片连接。在风扇作用下将散热片的热量带走。电源为恒流电源。控制系统使用PWM(脉宽调制，Pulse Width Modulation)模式控制电流的幅值，控制激光二极管阵列中电流的通断状态和强度，并监控激光二极管阵列的每个靶条温度和风扇的转速。准直透镜阵列设置在激光二极管阵列前端处，准直透镜阵列的透镜面上的子眼设置成与激光二极管阵列中的激光二极管一一对应。
准直透镜阵列的透镜面上的每个子眼采用双曲非球面透镜，双曲非球面透镜的曲面的双曲方程表示为：
Figure BDA0003496504430000231
此处：cx为双曲非球面透镜在x方向的曲率，cy为双曲非球面透镜在y方向的曲率，kx为双曲非球面透镜在x方向的圆锥系数，ky为双曲非球面透镜在y方向的圆锥系数。
采用上述的子眼结构，能够更好地准直激光场，并减少光束散角。
此外，第一基色光的远场呈高斯分布；
扩散片102设置在光源模组101与第一二向色滤光片103或第二二向色滤光片104之间，扩散片102包括第一扩散片和第二扩散片。
对应地，第一扩散片设置在第一阵列光源模组与第二二向色滤光片104之间，第二扩散片设置在第二阵列光源模组与第一二向色滤光片103之间；
第一扩散片和第二扩散片配置为将第一基色光进行扩散，使得第一基色光的远场能够扩展为具有双向类平顶分布。
具体的，第一扩散片配置为对激发返回的光场(激发返回光场)中的第二基色光进行反射，还配置为对激发返回光场中第二基色光以外的光进行滤光。第二扩散片配置为对激发返回光场中的第三基色光进行反射，还配置为对激发返回光场中第三基色光以外的光进行滤光。这样能够满足白场配色的要求。
具体的，如果第一荧光轮106上的第一荧光区设置有绿色荧光片，则仅波长大于500nm的光保留在经第二二向色滤光片104反射的光场中。如果第二荧光轮107上的第二荧光区设置有红色荧光片，则仅波长大于600nm的光保留在经第一二向色滤光片103反射的光场中。
第一扩散片和第二扩散片配置为各自具有二向扩散特性，其中扩散半角被控制为在水平方向上为1.2°-1.8°，在俯仰方向上为0.65°-1.05°。优选地，扩散半角在水平方向上大约为1.5°，在俯仰方向上大约为0.85°。
此外，系统中还包括聚光透镜模组105，其包括第一聚光透镜子模组和第二聚光透镜子模组；
第一聚光透镜子模组设置在第一二向色滤光片103与第二荧光轮107之间。第一聚光透镜子模组配置为将透射穿过第一二向色滤光片103的第一基色光聚焦在第二荧光轮107上，从而形成条形光斑，并将第二荧光轮107激发的第三基色光准直成平行光场，该平行光场然后射向第一二向色滤光片103；
第二聚光透镜子模组设置在第二二向色滤光片104与第一荧光轮106之间。第二聚光透镜子模组配置为将透射穿过第二二向色滤光片104的第一基色光聚焦在第一荧光轮106上，从而形成条形光斑，并将第一荧光轮106激发的第二基色光准直成平行光场，该平行光场然后射向第二二向色滤光片104。
此外，第一聚光透镜子模组和第二聚光透镜子模组的结构基本相同。第一聚光透镜子模组和第二聚光透镜子模组中的每一个都包括非球面透镜和球面透镜。非球面透镜设置成较靠近光源模组，而球面透镜设置成较靠近第一荧光轮或第二荧光轮。
非球面透镜的非球面的方程能够表示为：
Figure BDA0003496504430000251
这里，c为球面顶点处的曲率，k为二次项非球面系数，An为高阶项非球面系数，n取2-7，ρ为归一化径向坐标。
使用上述的聚光透镜模组105，能够减少像差，从而导致更好的聚焦效应，这有利于在第一荧光轮106和第二荧光轮107上聚焦以形成条形光斑。第一聚光透镜子模组和第二聚光透镜子模组的组合焦距f控制在15mm至20mm，并且最大口径控制在32mm以内。
此外，透射区能够设置有扇形扩散片，并且准直透镜模组108设置在第一荧光轮与第一反射器之间，这能够消除蓝光场的散斑。
具体的，扇形扩散片的扩散半角控制在3.5°至6.5°。
第三反射器111与第二二向色滤光片104之间依次设置有准直补偿透镜112和第三扩散片113。第三扩散片113配置为左右或者上下循环移动。具体地，通过在第三扩散片113上装载振动马达，第三扩散片113能够左右或者上下轻微平移，并且马达震动频率控制在100Hz至300Hz，这能够消除蓝光场的散斑。
具体地，第三扩散片113的扩散半角控制在2°至3°。优选地，第三扩散片113的扩散半角大约为2.5°。
此外，透射区配置为具有扇形结构(扇区结构)，并且第一荧光区配置为具有扇形环带结构。透射区的角度为89°-91°，并且第一荧光区的角度为269°-271°。透射区的角度配置为与第一荧光区的角度互补，这有利于实现白光配色场。当透射区的角度为90°，第一荧光区的角度为270°时，能够较好地满足配光需求。
本公开实施例提供的激光电视投影系统的投影光源模组实现了第一基色光与第二基色光的分时耦合，从而得到分时耦合光场，并且还实现了分时耦合光场与第三基色光的空间耦合，从而得到第一白光场。此外，使用双路荧光轮来实现RGB配色，这能够改进显示色域，并解决纯激光显示中的散斑的问题，从而以丰富、艳丽的色彩再现客观世界。通过简单折叠光路，使得系统布局紧凑，这能够有效减小现有激光电视的厚度，缩小整体外形，并降低成本。

Claims (48)

1.一种光束调制设备，其用于调制沿第一轴线进入到其中的输入光场，以便得到沿正交于所述第一轴线的第二轴线从所述光束调制设备离开的输出光场，其中，所述输入光场包括第一光场和第二光场，其中，所述第一光场和所述第二光场中的一个具有S偏振态，所述第一光场和所述第二光场中的另一个具有P偏振态，所述光束调制设备包括：
偏振分束器(PBS)棱镜，其包括两个直角棱镜，所述两个直角棱镜在它们各自的基部表面上彼此附接，并且设置成使得所述第一轴线和所述第二轴线均相对于所述两个直角棱镜之间的界面基本上成45°，其中，所述PBS棱镜设置有光学入射表面和光学出射表面，所述光学入射表面允许所述输入光场穿过其进入，而所述光学出射表面允许所述输出光场从其离开，并且所述PBS棱镜的界面配置为选择性地允许P偏振入射光透射穿过所述界面，而S偏振入射光被所述界面反射；以及
硅基液晶(LCOS)组件，其包括第一LCOS面板和第二LCOS面板，其中：
所述第一LCOS面板在所述PBS棱镜与所述光学入射表面相对的第一侧表面之上对准以使得入射在所述第一LCOS面板上的光沿所述第一轴线反射回所述PBS棱镜；
所述第二LCOS面板在所述PBS棱镜与所述光学出射表面相对的第二侧表面的之上对准以使得入射在所述第二LCOS面板上的光沿所述第二轴线反射回所述PBS棱镜；以及
所述第一LCOS面板和所述第二LCOS面板中的每一个都包括在其反射表面上的多个像素，其中所述多个像素中的每一个配置为可控地开启或关闭，使得经反射表面的对应于光束的部分反射的所述光束的偏振态发生变化或保持不变。
2.根据权利要求1所述的光束调制设备，其中，所述输入光场是由三种基色光耦合的白光场，其中：
所述第一光场包括所述三种基色光中的以分时的方式彼此耦合的两个；以及
所述第二光场包括所述三种基色光中的最后一个。
3.根据权利要求1或2所述的光束调制设备，其中，所述PBS棱镜还包括夹在所述两个直角棱镜的基部表面之间的偏振装置，其中，所述偏振装置包括偏振分光膜或线栅。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光束调制设备，其还包括一个1/4波片，其中：
所述一个1/4波片夹在所述PBS棱镜的第一侧表面与所述第一LCOS面板之间，或者所述PBS棱镜的第二侧表面与所述第二LCOS面板之间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的光束调制设备，其还包括两个1/4波片，所述两个1/4波片分别夹在所述PBS棱镜的第一侧表面与所述第一LCOS面板之间，以及所述PBS棱镜的第二侧表面与所述第二LCOS面板之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光束调制设备，其中，PBS棱镜光束的透射光的消光比为至少500：1。
7.根据权利要求6所述的光束调制设备，其中，所述消光比为至少1000：1。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光束调制设备，其中，所述两个直角棱镜中的每一个包括选自N-SF1、H-ZF3或H-ZLAF的光学玻璃。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光束调制设备，其中，所述PBS棱镜的光学入射表面、光学出射表面、第一侧表面或第二侧表面中的至少一个涂覆有抗反射膜。
10.一种包括根据权利要求1至9中任一项所述的光束调制设备的投影系统。
11.根据权利要求10所述的投影系统，其中所述输入光场是由三种基色光耦合的白光场，其中：
所述第一光场包括所述三种基色光中的以分时的方式彼此耦合的两个；以及
所述第二光场包括所述三种基色光中的最后一个。
12.根据权利要求10或11所述的投影系统，其还包括偏振调制设备，其中，所述偏振调制设备配置为在接收到具有基本相同的偏振态的第三光场和第四光场时，调制所述第三光场和所述第四光场中的一个的偏振态而不是另一个的偏振态，以分别对应地输出所述第一光场和所述第二光场。
13.根据权利要求12所述的投影系统，其中，所述偏振调制设备配置为将所述第三光场和所述第四光场之一的线偏振轴线旋转90°。
14.根据权利要求12或13所述的投影系统，其中，所述偏振调制设备包括法拉第旋转器、双折射旋转器或棱镜旋转器。
15.根据权利要求14所述的投影系统，其中所述偏振调制设备包括双折射旋转器。
16.根据权利要求15所述的投影系统，其中所述双折射旋转器包括半波片。
17.根据权利要求12至15中任一项所述的投影系统，其还包括偏振设备，所述偏振设备配置为对入射到其中的非偏振第五光场和非偏振第六光场进行偏振，以分别对应地输出所述第三光场和所述第四光场。
18.根据权利要求17所述的投影系统，其中所述偏振设备包括：
前复眼透镜，其配置为将所述第五光场和所述第六光场中的每一个光学地分成多个光束；
后复眼透镜，其配置为将所述多个光束聚焦在其后表面上；以及
棱镜的PCS偏振阵列，其配置为对聚焦的多个光束进行偏振，以得到所述第三光场和所述第四光场。
19.根据权利要求17或18所述的投影系统，其还包括配置为提供所述第五光场和所述第六光场的光源设备。
20.根据权利要求19所述的投影系统，其中，所述第五光场和所述第六光场配置为共同形成白光场，其中：
所述第五光场为包括第一基色光和第二基色光的分时耦合光场；以及
所述第六光场包括第三基色光。
21.根据权利要求20所述的投影系统，其中：
所述第一基色光为蓝光；并且
所述第二基色光和所述第三基色光分别为绿光和红光或者分别为红光和绿光。
22.根据权利要求20或21所述的投影系统，其中，所述光源设备配置为发射所述第一基色光，并且还配置为通过由所述第一基色光对相应的荧光材料的激发来得到所述第二基色光和所述第三基色光中的每一个。
23.根据权利要求20或21所述的投影系统，其中，所述光源设备配置为发射所述第一基色光和所述第二基色光，并且还配置为通过由所述第一基色光或所述第二基色光对相应的荧光材料的激发来得到所述第三基色光。
24.根据权利要求22所述的投影系统，其中，所述光源设备包括：
光源模组，其包括第一光源子模组和第二光源子模组，所述第一光源子模组和所述第二光源子模组配置为分别发射第一束第一基色光和第二束第一基色光；以及
第一荧光片和第二荧光片，所述第一荧光片和所述第二荧光片分别与所述第一束第一基色光和所述第二束第一基色光光学对准，并且配置为接收所述第一束第一基色光和所述第二束第一基色光；
其中：
所述第一荧光片在其面向所述第一束第一基色光的表面上包括透射区和第一荧光区，其中，所述第一荧光区包括能够在被所述第一基色光激发时产生所述第二基色光的第一荧光材料，其中，所述第一荧光片还配置为使所述透射区和所述第一荧光区以预定方式交替地与所述第一束第一基色光对准，使得透射穿过所述透射区第一束第一基色光和从所述第一荧光区产生的第二基色光的光束以分时的方式耦合以作为所述第五光场输出；以及
所述第二荧光片包含第二荧光区，所述第二荧光区在其面向所述第二束第一基色光的表面上包括第二荧光材料，所述第二荧光材料配置成使得在由所述第二束第一基色光激发时，从所述第二荧光区产生第三基色光的光束以作为所述第六光场输出。
25.根据权利要求24所述的投影系统，其中，所述第一荧光片呈旋转轮的形式，所述透射区和所述第一荧光区中的每一个都设置在所述旋转轮上的扇形区域中。
26.根据权利要求25所述的投影系统，其中，所述透射区的角度和所述第一荧光区的角度是互补的，并且分别为大约89°-91°和大约269°-217°。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的投影系统，其中，该旋转轮具有至少7200rpm的转速。
28.根据权利要求24所述的投影系统，其中，所述第二荧光片呈旋转轮的形式。
29.根据权利要求24所述的投影系统，其中，所述光源设备还包括一组反射器，所述一组反射器设置成使得透射穿过所述透射区的第一束第一基色光的光路被重新引导，以与所述一束第二基色光的光路光学组合，从而产生所述第五光场。
30.根据权利要求24所述的投影系统，其中，在所述光源模组中，所述第一光源子模组和所述第二光源子模组中的每一个都包括激光二极管阵列。
31.根据权利要求30所述的投影系统，其中，所述光源模组还包括分别设置在所述第一光源子模组和所述第二光源子模组的发光表面上方的第一准直透镜阵列和第二准直透镜阵列，其中在所述第一准直透镜阵列和所述第二准直透镜阵列中的每一个中的子眼设置成与对应的光源子模组的激光二极管阵列中的激光二极管对应地对准。
32.根据权利要求31所述的投影系统，其中每个子眼包括双曲非球面透镜，所述双曲非球面透镜的曲面表示为：
Figure FDA0003496504420000061
其中，cx为双曲非球面透镜在x方向的曲率，cy为双曲非球面透镜在y方向的曲率，kx为双曲非球面透镜在x方向的圆锥系数，ky为双曲非球面透镜在y方向的圆锥系数。
33.根据权利要求31或32所述的投影系统，所述光源设备还包括第一二向色滤光片和第二二向色滤光片，所述第一二向色滤光片和所述第二二向色滤光片二向色滤光片分别设置在所述第一光源子模组和所述第二光源子模组的发光表面上方，并且配置为分别对第一束基色光和第二束基色光中的每一个进行滤光。
34.根据权利要求33所述的投影系统，其中，所述第一基色光的远场呈高斯分布，其中，所述投影系统还包括第一扩散片和第二扩散片，所述第一扩散片和所述第二扩散片分别设置在所述第一光源子模组与所述第一二向色滤光片之间以及在所述第二光源子模组与所述第二二向色滤光片之间，其中：
所述第一扩散片和所述第二扩散片配置为对所述第一束第一基色光和所述第二束第一基色光进行扩散，使得它们的远场被扩展为具有双向类平顶分布。
35.根据权利要求34所述的投影系统，其中，所述第一扩散片和所述第二扩散片中的每一个配置为具有二向扩散特性，并且在水平方向上具有大约1.2°-1.8°的扩散半角，在俯仰方向上具有大约0.65°-1.05°的扩散半角。
36.根据权利要求35所述的投影系统，其中，所述第一扩散片的扩散半角在所述水平方向上大约为1.5°，在所述俯仰方向上大约为0.85°。
37.根据权利要求35所述的投影系统，其中，所述第二扩散片的扩散半角在所述水平方向上大约为1.5°，在所述俯仰方向上大约为0.85°。
38.根据权利要求29所述的投影系统，所述光源设备还包括用于消除由所述第一基色光形成的光场的散斑的至少一个装置，其中，所述至少一个装置包括以下的一个或组合：
透射区，其包括扇形扩散片；
准直透镜模组，其设置在所述第一荧光片的发光表面上方；以及
准直补偿透镜和第三扩散片，它们设置在所述第一束第一基色光的光路上，其中，所述第三扩散片配置为具有连续的小幅移动。
39.根据权利要求38所述的投影系统，其中，所述第三扩散片与振动马达机械耦合，所述振动马达配置为具有100Hz至300Hz的振动频率。
40.根据权利要求38所述的投影系统，其中，所述第三扩散片的扩散半角为2°至3°。
41.根据权利要求33所述的投影系统，所述光源设备还包括第一聚光透镜模组和第二聚光透镜模组，所述第一聚光透镜模组和所述第二聚光透镜模组分别设置在所述第一二向色滤光片与所述第一荧光片之间以及所述第二二向色滤光片与所述第二荧光片之间，其中，所述第一聚光透镜模组和所述第二聚光透镜模组中的每一个都沿光透射方向包括第一聚光透镜子模组和第二聚光透镜子模组，所述第一聚光透镜子模组和所述第二聚光透镜子模组分别包括非球面透镜和球面透镜。
42.根据权利要求41所述的投影系统，其中，所述非球面透镜的非球面表示为：
Figure FDA0003496504420000071
其中，c为球面顶点处的曲率，k为二次项非球面系数，An为高阶项非球面系数，n取2-7，ρ为归一化径向坐标。
43.根据权利要求20所述的投影系统，其中，所述光源设备配置为发射所述第三基色光，并且还配置为通过由所述第三基色光对相应的荧光材料的激发来得到所述第一基色光和所述第二基色光中的每一个。
44.根据权利要求43所述的投影系统，其中，所述光源设备包括：
光源模组，其包括第三光源子模组和第四光源子模组，所述第三光源子模组和所述第四光源子模组配置为分别发射第一束第三基色光和第二束第三基色光；以及
第三荧光片，其与所述第一束第三基色光光学对准并配置为接收所述第一束第三基色光；
其中：
所述第三荧光片在其面向所述第一束第一基色光的表面上包括第三荧光区和第四荧光区，其中：
所述第三荧光区包括能够在由所述第三基色光激发时产生所述第一基色光的第三荧光材料；
所述第四荧光区包括能够在由所述第三基色光激发时产生所述第二基色光的第四荧光材料；
所述第三荧光片还配置为使所述第三荧光区和所述第四荧光区以预定方式交替面向所述第一束第三基色光，使得从所述第三荧光区生成的第一基色光的光束和从所述第四荧光区生成的第二基色的光束以分时方式耦合，以作为所述第五光场输出；以及
所述第二束第三基色光作为所述第六光场输出。
45.根据权利要求44所述的投影系统，其中，所述第三荧光片呈旋转轮的形式，所述第三荧光区和所述第四荧光区中的每一个设置在所述旋转轮上的扇形区域中。
46.根据权利要求45所述的投影系统，其中，所述透射区的角度和所述第一荧光区的角度是互补的，并且分别大约为180°至大约180°。
47.根据权利要求45所述的投影系统，其中，该旋转轮具有至少7200rpm的转速。
48.根据权利要求43至47中任一项所述的投影系统，其中
所述第一基色光和所述第二基色光分别为绿光和红光，或者分别为红光和绿光；
所述第三基色光为蓝光。
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