CN117270307A - 一种光源系统及投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种光源系统，包括红色激光光源、红色LED光源和合光元件，所述红色激光光源和所述红色LED光源分别位于所述合光元件的两侧，所述红色激光光源用于发出红激光，所述红色LED光源用于发出红LED光；第一散射元件，所述第一散射元件设置在所述红色激光光源的光路上，用于对所述红激光进行散射；扩束元件，设置在所述第一散射元件之后，用于扩大从所述第一散射元件出射的所述红激光的光束的光斑面积；所述红激光的主波长和所述红LED光的主波长不同，经过所述扩束元件之后的所述红激光和所述红LED光通过所述合光元件进行波长合光；所述红激光的主光轴和所述红LED光的主光轴在所述合光元件上的位置近似重合。

Description

一种光源系统及投影装置

技术领域

本发明涉及投影装置技术领域，特别是涉及一种光源系统及投影装置。

背景技术

在投影显示领域，由于采用发光二极管(LED)使得光束比较大，无法实现高亮度，也无法满足动态色域范围；而采用红激光，红激光一方面比较贵，另一方面存在严重散斑问题；无论是单一采用激光还是LED都无法完美解决亮度和散斑的问题。

为了解决上述问题，一种现有技术是将红LED光和红激光合光，但是红激光和红LED光共同使用，红激光和红LED通过使用合光元件将两束光的主光轴重合并合成一束光，由于红LED光的光束大，红激光的光束小，导致投影时，中心光束光密度大，边缘光束密度小，导致红光中心亮两边暗，对于高精密的投影显示设备来说，这将严重影响显示效果。

为了解决亮度和散斑的问题，出现了各种各样的技术方案，例如公开号为CN219302865U的专利，用红激光和红LED进行波长合光。该技术方案参阅图1所示，第一激光光源110包括第一激光器111和第一匀光元件113。第一激光器111发出红色激光经反射元件112反射至第一匀光元件113，第一匀光元件113可为扩散元件，在经过第一匀光元件113扩散后，然后经第一扩束元件114至合光元件140；第二激光光源120包括第二激光器121和第二匀光元件122，第二激光器121发出蓝色激光，依次经过第二匀光元件122和第二扩束元件123至合光元件140，LED光源130发出红色LED光，经过透镜后到达合光元件140。所述红色激光、蓝色激光光和LED光经过合光元件140合光后，形成一束光在透镜150处聚焦。该技术方案，虽然解决了光亮度的问题，但同样存在光束不均匀的问题，LED光束的一半是和红色激光的合光，一半是和蓝色激光的合光。因此，同样存在光分布不均匀的问题。

发明内容

针对上述现有技术红激光和红LED光合光之后光分布不均匀，比如红光中心亮两边暗的缺陷，本发明提供一种光源系统及投影装置，本发明能够有效解决红光亮度不足、红激光和红LED光合光之后光均匀性问题，实现光源系统出射光亮度更高的同时，能够使得光更加均匀。

第一方面，本发明提供了一种光源系统，包括红色激光光源、红色LED光源和合光元件，所述红色激光光源和所述红色LED光源分别位于所述合光元件的两侧，所述红色激光光源用于发出红激光，所述红色LED光源用于发出红LED光；第一散射元件，所述第一散射元件设置在所述红色激光光源的光路上，用于对所述红激光进行散射；扩束元件，设置在所述第一散射元件之后，用于扩大从所述第一散射元件出射的所述红激光的光束的光斑面积；所述红激光的主波长和所述红LED光的主波长不同，经过所述扩束元件之后的所述红激光和所述红LED光通过所述合光元件进行波长合光；所述红激光的主光轴和所述红LED光的主光轴在所述合光元件上的位置近似重合。

第二方面，本发明提供了一种投影装置，包括如上所述的光源系统。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：光源系统、投影装置通过设置红色激光光源、红色LED光源和合光元件，所述红色激光光源和所述红色LED光源分别位于所述合光元件的两侧，所述红色激光光源用于发出红激光，所述红色LED光源用于发出红LED光；第一散射元件，所述第一散射元件设置在所述红色激光光源的光路上，用于对所述红激光进行散射；扩束元件，设置在所述第一散射元件之后，用于扩大从所述第一散射元件出射的所述红激光的光束的光斑面积；所述红激光的主波长和所述红LED光的主波长不同，经过所述扩束元件之后的所述红激光和所述红LED光通过所述合光元件进行波长合光；所述红激光的主光轴和所述红LED光的主光轴在所述合光元件上的位置近似重合。通过设置第一散射元件对红激光进行扩散，并通过扩束元件扩大所述红激光的光束的光斑面积，根据红激光和红LED光的主波长不同来进行波长合光，设置红激光的主光轴和红LED光的主光轴在合光元件上的位置近似重合，使得光源系统以及投影装置能够解决红光亮度不足、红激光和红LED光合光之后光分布不均匀，比如红光中心亮两边暗的问题，并能够使得光源系统的出射光更加均匀、提高了红光的亮度、提高图像显示的色域范围、并能够提高光利用率、减少光损失。

附图说明

为更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为现有技术光源系统的示意图。

图2为本发明第一实施例的光源系统的示意图。

图3为图2的红色LED光源的示意图。

图4为分光滤光片对不同角度的光的透射波长范围和对应的透射率的曲线图。

图5为本发明的合光元件和红色激光光源、红色LED光源的设置位置方式的示意图。

图6为本发明第二实施例的光源系统的示意图。

图7为本发明第三实施例的光源系统的示意图。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在投影显示领域，红光是投影显示中非常重要的一种基色光，红色光是评估产品是否合乎标准，产品能否进入流通领域的重要因素之一。一方面红色光在投影光中的占比是否满足要求，另一方面红色光的色域是否满足标准，都决定这产品是否能够进入市场。所以各种关于红光的技术研究不断涌现。以下将结合具体的实施例对本发明的技术方案展开描述。

请参阅图2，图2是本发明第一实施例的光源系统的示意图，光源系统2包括红色激光光源202、红色LED光源201和合光元件205，所述红色激光光源202和所述红色LED光源201分别位于所述合光元件205的两侧，所述红色激光光源202用于发出红激光，所述红色LED光源201用于发出红LED光；第一散射元件203，所述第一散射元件203设置在所述红色激光光源202的光路上，用于对所述红激光进行散射；扩束元件204，设置在所述第一散射元件之后，用于扩大从所述第一散射元件203出射的所述红激光的光束的光斑面积；所述红激光的主波长和所述红LED光的主波长不同，经过所述扩束元件204之后的所述红激光和所述红LED光通过所述合光元件205进行波长合光；所述红激光的主光轴和所述红LED光的主光轴在所述合光元件上的位置近似重合(由于产品在实际制造时，存在工业误差，所以两者近似重合，也即两者的重合允许在一定的误差范围内，从而不会对混光的均匀性产生影响)。扩束元件204可以是两面均是凹面的凹透镜，设置第一散射元件203对红激光进行消散斑，设置扩束元件204以扩大红激光的光斑大小，以减少红LED光的光束大小和红激光的光束大小的差距，从而可以实现合光后的光束更加均匀。

本实施例中，采用红激光和红LED合光，解决了红LED亮度不足的问题，同时也解决了红激光的散斑的问题，另外，通过两者合光使得单位面积上的光密度更高，也即提高了出射光的亮度。

值得说明的是，所述红激光的主光轴和红LED光的主光轴在合光元件205上重合。该方案有效解决了现有技术中由于合光时主光轴不重合导致合光后的光斑各处的光密度不同(也即出射光不均匀)而严重影响显示效果的问题。

本实施例中，为了获得更加的出光效果，所述第一散射元件和扩束元件对红激光散射和扩束之后，使得红激光的光斑足够大，能够与红LED在合光元件上的光斑大部分重合，如此可以解决现有技术中光斑中颜色不均匀的问题。红激光经过散射和扩束之后到达合光元件上的光斑和红LED光到达合光元件上的光斑至少有80％以上的重合率。更优选的，红激光的光斑和红LED光的光斑在90％以上的重合率。由于红激光是椭圆的光斑，长轴和短轴差距很大，而红LED的光斑则是根据LED芯片的排布来决定，所以两者不可能完全重合。本实施例中，如果均为椭圆的光斑，优选两者的长轴和长轴交叠，短轴和短轴交叠，交叠后的光再经过后续的匀光部件进行匀光和光整形部件整形。从而形成和显示芯片匹配的光斑形状和更均匀的光斑。

进一步的，所述红激光到所述合光元件的距离与红LED光到所述合光元件的距离相等。这样使得两光路的光程基本相等，更好的实现红激光和红LED光在收光时能够减少光损失，同时在后续的光路中更好的重合。本发明所述的光程是指光行进的路程。

图3为图2的红色LED光源的示意图，请参阅图3，对红色LED光源进一步的说明，红色LED光源201包括至少两个红LED芯片2011和2012，所述红LED光的主波长在608nm-618nm之间，峰值波长在618nm-628nm之间，红LED光的波长范围在570nm-680nm之间。当红LED芯片为更多个时，红LED芯片以近似圆形或椭圆形的方式排布，如此能够使得出射的光斑更贴合显示芯片4:3或16:9，减少后续光到达芯片时截取部分光的损失。当芯片为3个时，芯片呈等三角形式排布，当芯片为4个时，四个芯片呈正方形排布。在此不再一一列举。

为了减少合光损失，所述红激光的主波长大于635nm，所述红激光的波长范围在636nm-645nm之间。

所述红激光的主波长和所述红LED光的主波长不同，一方面可以使得红色光的波长范围更广，如此可以实现更宽的色域范围，另一方面由于两者的主波长的差异，可以在使用波长合光时，将合光的损失降低到最小，从而实现了更高的亮度。

本发明中，合光元件采用分光滤光片进行示例性说明。由于分光滤光片对光的角度有严格的限制，同一分光滤光片，对同一波长不同角度入射的光的透反可能完全不同，所以充分利用分光滤光片光角度的特性，可以更大程度合光后出射光的总亮度，减少合光带来的损失。以下结合图4对本发明的合光元件和红LED光与红激光三者之间最少合光损失进行示例说明。

图4为分光滤光片对不同角度的光的透射波长范围和对应的透射率的曲线图。图4示出了分光滤光片在常温时对0度、15度、30度、45度、60度入射的光的透射波长范围和透射率曲线，从曲线图可以看出，分光滤光片对0度入射的光透射率大于50％的光的波长范围为578nm-683nm；分光滤光片对45度角入射的光透射率大于50％的的光的波长范围为540nm-636nm。本实施例中的0度、15度、30度、45度、60度是指与分光滤光片的法线的夹角。

根据上述曲线图可知，由于红LED光发出的光在60度以下时(LED的光是朗伯分布的光，光的角度会很大)，分光滤光片对其透射率在85％以上的光仍然在主波长的范围内，而红激光的光束非常集中(激光是相干光束，光束非常集中，发散角非常小)，当其倾斜一定角度入射到分光滤光片时，其与分光滤光片的角度大致成一定的角度，此时红激光的透射率非常低，所以本发明优选的采用分光滤光片透射红LED光反射红激光，从而可以保障足够多的红光被合成之后出射。本实施例中，结合分光滤光片的特性和红LED光与红激光的光束特性，能够使得更多的光进入到合光的光路中。

当然在产品实际使用中，可能会采用分光滤光片反射红LED光透射红激光，如此可能损失的光增多。

请参阅图5，图5为本发明的合光元件和红色激光光源、红色LED光源的设置位置方式的示意图，是省略了其他光学元件的一个简化示意图。图5中的5-1设置方式为，所述红色激光光源202发出的所述红激光的主光轴和所述红色LED光源201发出的红LED光的主光轴近似垂直设置，所述合光元件205和所述红激光的主光轴呈45度角度设置，所述合光元件和所述红LED光的主光轴呈45度角度设置；所述合光元件205为分光滤光片，所述合光元件与红激光的主光轴可以呈30～50度的角度，优选45度角度，如此设置，可以使得合光元件的安装更便利，减少了安装合光元件角度调整的麻烦和精度调整不当对光的损失。所述合光元件用于反射所述红激光和透射所述红LED光，这样可以保证光利用率高。图5中的5-2设置方式为，所述红色激光光源202发出的所述红激光的主光轴和所述红色LED光源201发出的红LED光的主光轴近似垂直设置，所述合光元件和所述红激光的主光轴呈45度角度设置，所述合光元件和所述红LED光的主光轴呈45度角度设置；所述合光元件205为分光滤光片，和5-1不同的是，可以改变合光元件的透射和反射的波长，所述合光元件205可以采用长波长分光滤光片，使得大部分红LED光被反射，红激光被透射，所述合光元件205用于透射所述红激光和反射所述红LED光，从而也是可以提高合光的效率。

进一步的，为了实现不同的显示效果，可以控制所述红色激光光源和所述红色LED光源的电源控制开关以及电流大小，如可以同时开启或只开其中之一。如实现获得更红的红光，得到更大的色域点，可以仅开启红色激光光源的电源控制开关；为了节能，可以仅开启红色LED光源的电源控制开关；也可以控制驱动所述红色激光光源和红色LED光源的电流大小，从而获得不同红色的配比显示；如驱动所述红色激光光源的电流设置为预设的额定电流，驱动所述红色LED光源的电流为所述额定电流的30％。

请参阅图6，图6是为本发明第二实施例的光源系统的示意图。第二实施例和第一实施例的区别在于：光源系统3增加了第一透镜306、第二透镜307、第三透镜308。

光源系统3包括红色激光光源302、红色LED光源301和合光元件305，所述红色激光光源302和所述红色LED光源301分别位于所述合光元件305的两侧，所述红色激光光源302用于发出红激光，所述红色LED光源301用于发出红LED光；第一散射元件303，所述第一散射元件303设置在所述红色激光光源302的光路上，用于对所述红激光进行散射；扩束元件304，设置在所述第一散射元件303之后，用于扩大从所述第一散射元件303出射的所述红激光的光束的光斑面积；所述红激光的主波长和所述红LED光的主波长不同，经过所述扩束元件304之后的所述红激光和所述红LED光通过所述合光元件305进行波长合光；所述红激光的主光轴和所述红LED光的主光轴在所述合光元件上的位置近似重合。

光源系统3还包括第一透镜306、第二透镜307、第三透镜308，所述第一透镜306和所述第二透镜307依次设置在所述红色LED光源301的光路上，用于将所述红LED光引导至所述合光元件305，所述第三透镜308设置在所述扩束元件304之后，用于将经过所述扩束元件304之后的所述红激光收集至所述合光元件305。所述第三透镜308比所述第一透镜306和所述第二透镜307的体积小，用来节约材料并缩小红色激光光源所在的光路的空间，进而缩小了光源系统的体积。所述第三透镜308和所述扩束元件304之间的距离小于所述第二透镜307和所述第一透镜306之间的距离，用来实现红色激光光源和和红色LED光源到合光元件的距离近似，从而实现两路光源的光程基本相等，避免两路光源产生光程差而导致的光路不能完全叠加的问题，更好的实现红激光和红LED光的光线在后续的光路中更好的重合。所述红激光的主光轴和红LED光的主光轴近似重合，如此可以实现两者合光后，光线更加均匀，进而实现了更好的光效。

请参阅图7，图7是本发明第三实施例的光源系统的示意图。第三实施例和第二实施例的区别在于：光源系统4增加了第二散射元件409。所述第二散射元件409设置在所述第三透镜之后，用于对经过所述第三透镜的所述红激光进行散射，所述红激光的光斑和所述红LED光的光斑在所述合光元件上的大小近似，便于更好的匀光，所述第二散射元件409对红激光进一步的散射，如此可以进一步消除红激光的相干性，使得红激光和红LED光的光学特性更相似，从而在后续光路中处理光束能够得到更均匀的光束。

本发明进一步提供一种由上述光源系统形成的投影装置。

光源系统、投影装置通过设置红色激光光源、红色LED光源和合光元件，所述红色激光光源和所述红色LED光源分别位于所述合光元件的两侧，所述红色激光光源用于发出红激光，所述红色LED光源用于发出红LED光；第一散射元件，所述第一散射元件设置在所述红色激光光源的光路上，用于对所述红激光进行散射；扩束元件，设置在所述第一散射元件之后，用于扩大从所述第一散射元件出射的所述红激光的光束的光斑面积；所述红激光的主波长和所述红LED光的主波长不同，经过所述扩束元件之后的所述红激光和所述红LED光通过所述合光元件进行波长合光；所述红激光的主光轴和所述红LED光的主光轴在所述合光元件上的位置近似重合。通过设置第一散射元件对红激光进行扩散，并通过扩束元件扩大所述红激光的光束的光斑面积，根据红激光和红LED光的主波长不同来进行波长合光，设置红激光的主光轴和红LED光的主光轴在合光元件上的位置近似重合，使得光源系统以及投影装置能够解决红光亮度不足、红激光和红LED光合光之后光分布不均匀，比如红光中心亮两边暗的问题，并能够使得光源系统的出射光更加均匀、提高了红光的亮度、提高图像显示的色域范围、并能够提高光利用率、减少光损失。

以上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 (14)

1.一种光源系统，其特征在于，包括红色激光光源、红色LED光源和合光元件，所述红色激光光源和所述红色LED光源分别位于所述合光元件的两侧，所述红色激光光源用于发出红激光，所述红色LED光源用于发出红LED光；

第一散射元件，所述第一散射元件设置在所述红色激光光源的光路上，用于对所述红激光进行散射；

扩束元件，设置在所述第一散射元件之后，用于扩大从所述第一散射元件出射的所述红激光的光束的光斑面积；

所述红激光的主波长和所述红LED光的主波长不同，经过所述扩束元件之后的所述红激光和所述红LED光通过所述合光元件进行波长合光；

所述红激光的主光轴和所述红LED光的主光轴在所述合光元件上的位置近似重合。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述红激光经过所述第一散射元件和所述扩束元件到达所述合光元件上形成红激光的光斑，所述红LED光在所述合光元件上形成红LED光的光斑，所述红激光的光斑和所述红LED光的光斑重合率在90％以上。

3.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述红激光到所述合光元件的距离与红LED光到所述合光元件的距离相等。

4.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述红激光的主光轴和所述红LED光的主光轴近似垂直设置。

5.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述合光元件为分光滤光片，所述合光元件和所述红激光的主光轴呈45度角度设置，所述合光元件和所述红LED光的主光轴呈45度角度设置，所述合光元件用于透射所述红激光和反射所述红LED光。

6.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述红激光的主波长大于635nm，所述红激光的波长范围在636nm-645nm之间。

7.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述红色LED光源至少包括两个红LED芯片，所述红LED光的主波长在608nm-618nm之间，所述红LED光的波长范围在570nm-680nm之间。

8.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，还包括第一透镜、第二透镜、第三透镜，所述第一透镜和所述第二透镜依次设置在所述红色LED光源的光路上，用于将所述红LED光引导至所述合光元件，所述第三透镜设置在所述扩束元件之后，用于将经过所述扩束元件之后的所述红激光收集至所述合光元件。

9.根据权利要求8所述的光源系统，其特征在于，所述第三透镜比所述第一透镜和所述第二透镜的体积小，所述第三透镜和所述扩束元件之间的距离小于所述第二透镜和所述第一透镜之间的距离。

10.根据权利要求9所述的光源系统，其特征在于，还包括第二散射元件，所述第二散射元件设置在所述第三透镜之后，用于对经过所述第三透镜的所述红激光进行散射，所述红激光的光斑和所述红LED光的光斑在所述合光元件上的大小近似。

11.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述红色激光光源和所述红色LED光源的电源控制开关同时开启或只开其中之一。

12.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，驱动所述红色激光光源的电流设置为预设的额定电流，驱动所述红色LED光源的电流为所述额定电流的30％。

13.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述合光元件为分光滤光片，所述分光滤光片透射所述红LED光，反射所述红激光。

14.一种投影装置，其特征在于，包括权利要求1-13中任一项所述的光源系统。