CN117850142A - 投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种投影系统。投影系统包括：第一激光器出射第一激发光，第二激光器出射第二激发光，第一激发光与第二激发光的波段不重合，且相干涉；合光器件位于激光器的出光侧；第一激发光和第二激发光经合光器件后入射至静态荧光器件；投影系统包括多帧投影图像，第一基色时序为仅第一激光器出射第一激发光，第一激发光入射至静态荧光器件输出第一基色；第二基色时序为仅第二激光器出射第二激发光，第二激发光入射至静态荧光器件输出第二基色；第三基色时序为第一激光器和第二激光器均发光，第一激发光和第二激发光同时入射至静态荧光器件输出第三基色。本发明解决了现有技术中的投影系统存在体积大和显示色域有限的问题。

Description

投影系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种投影系统。

背景技术

以目前的激光投影架构而言，其中的投影系统通常采用单色蓝激光配合荧光轮产生三色光源，光线时序为荧光轮的扇形区的角度进行控制，具有结构误差，对白平衡的调试造成一些困难。荧光轮本身的扇区角度公差，会导致RGB三色的占比具有误差，从而使白场混合的色点出现偏差，保障一致性的难度提升，通常的做法是对电流进行调整来修正白场色点，但相对于三色LED或三色激光来说，最终调节出的白场色点一致性会相对较差。

同时，投影系统中配合了荧光轮，由于荧光轮的外径较大，会增加整个光机的设计体积，从而导致投影仪整体外观尺寸变大。在实际应用中，单色激光激发荧光轮后还会配合色轮进行滤色，也会增加使用体积。另外，采用单一激光进行激发使得最终的显示色域有限，从而使得能够表现的色彩丰富程度有限。

也就是说，现有技术中的投影系统存在体积大和显示色域有限的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种投影系统，以解决现有技术中的投影系统存在体积大和显示色域有限的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种投影系统，包括：激光器，激光器包括第一激光器和第二激光器，第一激光器出射第一激发光，第二激光器出射第二激发光，第一激发光与第二激发光的波段不重合，且第一激发光与第二激发光之间相干涉；合光器件，合光器件位于激光器的出光侧；静态荧光器件，第一激发光和第二激发光经合光器件后入射至静态荧光器件；投影系统包括多帧投影图像，每一帧投影图像包括第一基色时序、第二基色时序和第三基色时序；第一基色时序为仅第一激光器出射第一激发光，第一激发光入射至静态荧光器件输出第一基色；第二基色时序为仅第二激光器出射第二激发光，第二激发光入射至静态荧光器件输出第二基色；第三基色时序为第一激光器和第二激光器均发光，第一激发光和第二激发光同时入射至静态荧光器件输出第三基色。

进一步地，第一激发光与第二激发光之间具有相位差。

进一步地，第一激发光和第二激发光中的一个的波长是另一个的波长的至少两倍。

进一步地，第一激光器的光轴与第二激光器的光轴在合光器件上相交，且合光器件用于反射第一激发光和第二激发光中的一个，透射第一激发光和第二激发光中的另一个。

进一步地，第一激发光为紫光，第二激发光为蓝光，第一基色为绿光；第二基色为蓝光；第三基色为红光。

进一步地，第一激发光的光谱带宽与第二激发光的光谱带宽之间的差值大于等于70nm。

进一步地，第一激发光的光谱带宽大于等于200nm且小于等于350nm；和/或第二激发光的光谱带宽大于等于400nm且小于等于500nm。

进一步地，投影系统还包括分光片，第一激发光为紫光，第二激发光为蓝光，分光片用于将蓝光分为两束，两束蓝光中的一束用于激发静态荧光器件的荧光粉以形成第四基色。

进一步地，静态荧光器件具有多种荧光粉，不同种的荧光粉用于吸收不同波段的激发光，多种荧光粉至少包括第一荧光粉、第二荧光粉，第一荧光粉的光谱带宽范围与第二荧光粉的光谱带宽范围不同。

进一步地，第一荧光粉为红色荧光粉，红色荧光粉的材料包括Y2O3:Eu；和/或第二荧光粉为绿色荧光粉，绿色荧光粉的材料包括β塞隆、LuAG:Ce中的一种。

应用本发明的技术方案，投影系统包括激光器、合光器件和静态荧光器件，激光器包括第一激光器和第二激光器，第一激光器出射第一激发光，第二激光器出射第二激发光，第一激发光与第二激发光的波段不重合，且第一激发光与第二激发光之间相干涉；合光器件位于激光器的出光侧；第一激发光和第二激发光经合光器件后入射至静态荧光器件；投影系统包括多帧投影图像，每一帧投影图像包括第一基色时序、第二基色时序和第三基色时序；第一基色时序为仅第一激光器出射第一激发光，第一激发光入射至静态荧光器件输出第一基色；第二基色时序为仅第二激光器出射第二激发光，第二激发光入射至静态荧光器件输出第二基色；第三基色时序为第一激光器和第二激光器均发光，第一激发光和第二激发光同时入射至静态荧光器件输出第三基色。

本申请采用第一激光器和第二激光器出射不同波段的激发光，且规划第一激发光与第二激发光的波段不重合，且第一激发光与第二激发光之间相干涉，从而使得第一激发光和第二激发光能够对静态荧光器件的多种荧光粉形成多光子激发效应，尤其在相干涉的两种激发光同时作用时，能够达到更高能级，可以达到更宽的色域范围，使得显示色彩更加丰富。同时采用两个激光器进行激发，就能实现对后续光路系统中RGB三色时序的控制，可以使最终混光的白色色点更准确且具有一致性。同时，本申请采用静态荧光器件而不是转动的荧光轮，避免了采用动态的荧光轮带来的尺寸增加的问题，有利于保证投影系统的小型化。通过合理设置第一基色时序、第二基色时序和第三基色时序的通断时间，就能实现对后续光路系统中RGB三色时序的控制，可以使最终混光的白色色点更准确且具有一致性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一个可选实施例的投影系统的光路示意图；

图2示出了本发明的一个可选实施例的投影系统的能级跃迁的示意图；

图3示出了现有技术中的相干光波叠加的示意图；

图4示出了本发明的一种可选的两种相干光波叠加的示意图；

图5示出了本发明的另一种可选的两种相干光波叠加的示意图；

图6示出了本发明的一个可选实施例的两种激发光的光谱带宽图；

图7示出了现有技术中的投影系统的色域图；

图8示出了本发明的一个可选实施例的投影系统的色域图；

图9示出了本发明的一个可选实施例的紫光激发静态荧光器件所形成的光谱图；

图10示出了本发明的一个可选实施例的蓝光激发静态荧光器件所形成的光谱图；

图11示出了本发明的一个可选实施例的蓝光和紫光同时激发静态荧光器件所形成的光谱图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一激光器；20、第二激光器；30、合光器件；40、静态荧光器件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中的投影系统存在体积大和显示色域有限的问题，本发明提供了一种投影系统。

如图1至图11所示，投影系统包括激光器、合光器件30和静态荧光器件40，激光器包括第一激光器10和第二激光器20，第一激光器10出射第一激发光，第二激光器20出射第二激发光，第一激发光与第二激发光的波段不重合，且第一激发光与第二激发光之间相干涉；合光器件30位于激光器的出光侧；第一激发光和第二激发光经合光器件30后入射至静态荧光器件40上。投影系统包括多帧投影图像，每一帧投影图像包括第一基色时序、第二基色时序和第三基色时序；第一基色时序为仅第一激光器10出射第一激发光，第一激发光入射至静态荧光器件40输出第一基色；第二基色时序为仅第二激光器20出射第二激发光，第二激发光入射至静态荧光器件40输出第二基色；第三基色时序为第一激光器10和第二激光器20均发光，第一激发光和第二激发光同时入射至静态荧光器件40输出第三基色。

本申请采用第一激光器10和第二激光器20出射不同波段的激发光，且规划第一激发光与第二激发光的波段不重合，且第一激发光与第二激发光之间相干涉，从而使得第一激发光和第二激发光能够对静态荧光器件40的多种荧光粉形成多光子激发效应，尤其在相干涉的两种激发光同时作用时，能够达到更高能级，可以达到更宽的色域范围，使得显示色彩更加丰富。同时采用两个激光器进行激发，就能实现对后续光路系统中RGB三色时序的控制，可以使最终混光的白色色点更准确且具有一致性。同时，本申请采用静态荧光器件40而不是转动的荧光轮，避免了采用动态的荧光轮带来的尺寸增加的问题，有利于保证投影系统的小型化。控制投影系统在上述三种基色时序的通断时间，就能实现对后续光路系统中RGB三色时序的控制，对每一台机器时序进行调试和程序记录，可以使最终混光的白色色点更准确且具有一致性。

需要说明的是，上述静态荧光器件40为静态不转动的荧光器件。

具体的，上述第一激发光与第二激发光之间相干涉，是通过调试两个激光器的发射光的相位实现，使得第一激发光与第二激发光的光波具有相位差，从而使得两束光进行相长干涉。这样使得这两束光叠加出的能量更高，色域更高。

当调整上述第一激发光与第二激发光相干涉时，可以对静态荧光器件40上的荧光粉形成多光子激发效应。荧光粉在两束相干光的共同作用下可以达到更高的能级。如图2所示，在通常的单光子激发中，一个光子被吸收，使得物质中的一个电子从一个能级跃迁到另一个能级，产生发光或其他电子激发的效应。在多光子激发中，需要多个光子，其能量总和足够高，以激发电子跃迁到更高能级，从而在跃迁回基态时产生光线。这是本专利提供的发光系统的理论基础，这一现象可以作为实现若干光通过荧光激发形成多个发光光源的效果的基础。

另外，光波的相干特性，根据不同光波的干涉情况，任一两个波长、相位一定的光波都能形成进行叠加。普通的干涉理论是使用两个频率相同的光波进行演示，参考图3，1和2为同频率的两个光波，0为两个光波叠加后的效果。基于对干涉的理解不同，上文提到的光波的干涉可以更换说法为光波的叠加。因为任意两个光波都是可以进行叠加的，在多光子干涉的描述中，并非一定要达到同频率干涉的状态，而需要在两束不同波长的光波控制相位形成相位差后达到一个叠加状态，叠加后，两束光波的在某一时段的能量会更高，从而进行对光子的荧光粉激发。参考图4，将绿光和蓝光进行叠加时，可以看到红色为光波的叠加状态，叠加后有部分时段能量会超过原有的绿色光波的能量，因此可以做出区分。

当然，波长和相位的设置可以有很多种组合状态，来达到叠加波峰具有更高的能量，比如图5中所示，在设置两种波长相干涉后会叠加出下方图示的叠加波形，叠加后的波峰能量会更多地超过原来波长的幅值，从而具备更高的能量进行荧光激发。因此，可根据需求选择波长和相位的组合。另外，相干性的概念也需要进一步理解，其解释为两束光波具有相干性意味着，他们之间存在一定的相对稳定的相位关系，使得他们在某些位置和时间上产生干涉现象，这种相干性表明光波的波动特性在空间和时间上存在一定的协调，使得它们能够产生有序的干涉图样。

具体的，第一激发光和所述第二激发光中的一个的波长是另一个的波长的至少两倍。由于用于激发荧光粉的光谱带宽需要是一个较宽的范围，因此需要设置相干涉的两个激发光的光谱带宽范围之间存在差值空间，使得相干涉的两个激发光的光谱带宽范围不能过于接近。

在本申请的具体实施例中，能够形成的光源组合包括：第一激光器10出射第一激发光、第二激光器20出射第二激发光、第一激光器10出射第一激发光激发荧光粉的光、第二激光器20出射第二激发光激发荧光粉的光、第一激光器10和第二激光器20同时发光激发荧光粉的光，从而使得本申请采用两种激光器实现五种光源组合。

根据激发荧光的基本原理，必须由更高能量的短波光线激发出长波光线。所以激发荧光粉的光会比激光器发射的光的波长更长。所以在实际设定中，第一激光器10和第二激光器20通常选择蓝光波段或紫外波段，从而可以激发红光和绿光等长波段可见光。优选地，第一激光器10出射紫光，第二激光器20出射蓝光。

具体的，第一激发光的光谱带宽与第二激发光的光谱带宽之间的差值大于等于70nm。由于现行的激发荧光粉的激光的光谱带宽是一个较宽的范围，因此需要设置两个激发光的光谱带宽之间存在差值区间。

在本实施例中，第一激发光为紫光，且第一激发光的光谱带宽大于等于200nm且小于等于350nm，优选大于等于300nm且小于等于350nm；第二激发光为蓝光，且第二激发光的光谱带宽大于等于400nm且小于等于500nm。通过合理选取两个激发光的光谱带宽，使得两个激发光的光谱不会过于接近，有利于保证激发荧光粉的激光的光谱带宽是一个较宽的范围。

具体的，第一激光器10的光轴与第二激光器20的光轴在合光器件30上相交，且合光器件30用于反射第一激发光和第二激发光中的一个，透射第一激发光和第二激发光中的另一个。在本申请的具体实施例中，合光器件30为合光镜片，第一激光器10发射紫光，第二激光器20发射蓝光，第一激光器10到合光镜片的连线与合光镜片到静态荧光器件40的连线垂直，第二激光器20位于合光镜片远离静态荧光器件40的一侧且第二激光器20到合光镜片的连线与静态荧光器件40到合光镜片的连线位于同一条直线上，合光镜片用于反射紫光，透射蓝光。

在本申请的优选实施例中，选择紫外光225nm波长作为第一激光器10的发射光谱，选择蓝光450nm波长作为第二激光器20的发射光谱，也就是说，第一激发光为225nm的紫外光，第二激发光为450nm的蓝光，第二激发光的光谱值为第一激发光的光谱值的二倍，波长的简单倍数关系更利于光的波动相干性。在实际应用时，调试第一激光器10和第二激光器20的光的相位到第一激发光和第二激发光在到达静态荧光器件40上时进行相长干涉，形成能量的叠加，以激发荧光粉。其中蓝光，可以直接进入后面光路的投影系统，作为可见光的蓝光进行混色。而225nm的紫外光静态荧光器件40的荧光粉形成绿光后进入后面光路的投影系统，作为可见光中绿光进行混色。450nm的蓝光与225nm的紫光共同激发荧光粉产生红光，进入后面光路的投影系统，作为可见光的红色进行混色。

具体的，第一基色时序为仅第一激光器10出射第一激发光，第一激发光激发静态荧光器件40上的荧光粉输出第一基色；第二基色时序为仅第二激光器20出射第二激发光，第二激发光透射经过静态荧光器件40输出第二基色；第三基色时序为第一激光器10和第二激光器20均发光，第一激发光和第二激发光同时激发静态荧光器件40上的荧光粉以输出第三基色。当第一激发光为225nm波长的紫光时，第二激发光为450nm波长的蓝光时，上述第一基色为绿光，第二基色为蓝光，第三基色为红光。

因此，控制投影系统在上述三种基色时序的通断时间，就能实现对后续光路系统中RGB三色时序的控制，对每一台机器时序进行调试和程序记录，可以使最终混光的白色色点更准确且具有一致性。同时由于不需要线性方案的荧光轮角度分区，所以在散热满足的条件下可以只使用静态荧光片就能满足本申请静态荧光器件40的功能，进一步节省了投影系统的体积。

在上述实施例的基础上，可以进一步优化出形成4个颜色光源的合光系统。光源部分还是依据上一个实施例使用450nm蓝光和225nm紫外光，且依然照射静态荧光器件40。不同点在于增加具有一定透过率的分光片，将450nm蓝光分为两束，一束直接使用，一束用于激发静态荧光器件40的荧光粉。举例排布及激发顺序为，225nm紫外光单独激发500nm青色光，450nm蓝光部分直接照明，450nm蓝光部分激发红光，225nm紫外光与450nm蓝光共同激发出绿光。这样就能形成蓝、青、绿、红四种波段的有效光源，实现更广泛的色域。

在色域概念中，在色坐标图上，现行的投影、显示多为三色显示，参考图7，在色坐标上会有三个基准单色长色坐标，可以通过三个光源颜色按照不同光强比例混色成所包含范围内的颜色，称之为色域。色域决定了投影或显示器能够表现的色彩丰富程度。而在上述四种有效光源的混色情况中。增加了青色光源进行混色，可以达成更宽的色域范围，使显示色彩更加丰富，参考图8。

综上，在上述实施例中，实际采用两个激光器，当然在本申请的可选实施例中，可以增加激光器的数量以达到更多种类的光源颜色。

具体的，静态荧光器件40具有多种荧光粉，不同种的所述荧光粉用于吸收不同波段的所述激发光，多种所述荧光粉至少包括第一荧光粉、第二荧光粉，第一荧光粉的光谱带宽范围与第二荧光粉的光谱带宽范围不同。

在本申请的具体实施例中静态荧光器件40包括第一荧光粉、第二荧光粉和粘结剂，第一荧光粉为红色荧光粉，红色荧光粉的材料包括Y2O3:Eu；红色荧光粉占总成分含量1％-20％；参考图9，250nm的紫光照射红色荧光粉能够形成615nm的红光。第二荧光粉为绿色荧光粉，绿色荧光粉的材料包括β塞隆、LuAG:Ce中的一种，绿色荧光粉占总成分含量20％～50％，参考图10，450nm的蓝光照射绿色荧光粉能够形成540nm的绿光。参考图11，250nm的紫光和450nm的蓝光同时照射红色荧光粉和绿色荧光粉能够形成黄光或白光。粘结剂为有机粘结剂或者无机粘结剂，粘结剂占总成分含量30％-60％。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种投影系统，其特征在于，包括：

激光器，所述激光器包括第一激光器(10)和第二激光器(20)，所述第一激光器(10)出射第一激发光，所述第二激光器(20)出射第二激发光，所述第一激发光与所述第二激发光的波段不重合，且所述第一激发光与所述第二激发光之间相干涉；

合光器件(30)，所述合光器件(30)位于所述激光器的出光侧；

静态荧光器件(40)，所述第一激发光和所述第二激发光经所述合光器件(30)后入射至所述静态荧光器件(40)；

所述投影系统包括多帧投影图像，每一帧所述投影图像包括第一基色时序、第二基色时序和第三基色时序；

所述第一基色时序为仅所述第一激光器(10)出射第一激发光，所述第一激发光入射至所述静态荧光器件(40)输出第一基色；

所述第二基色时序为仅所述第二激光器(20)出射第二激发光，所述第二激发光入射至所述静态荧光器件(40)输出第二基色；

所述第三基色时序为所述第一激光器(10)和所述第二激光器(20)均发光，所述第一激发光和所述第二激发光同时入射至所述静态荧光器件(40)输出第三基色。

2.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述第一激发光与所述第二激发光之间具有相位差。

3.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述第一激发光和所述第二激发光中的一个的波长是另一个的波长的至少两倍。

4.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述第一激光器(10)的光轴与所述第二激光器(20)的光轴在所述合光器件(30)上相交，且所述合光器件(30)用于反射所述第一激发光和所述第二激发光中的一个，透射所述第一激发光和所述第二激发光中的另一个。

5.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述第一激发光为紫光，所述第二激发光为蓝光，

所述第一基色为绿光；

所述第二基色为蓝光；

所述第三基色为红光。

6.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述第一激发光的光谱带宽与所述第二激发光的光谱带宽之间的差值大于等于70nm。

7.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述第一激发光的光谱带宽大于等于200nm且小于等于350nm；和/或所述第二激发光的光谱带宽大于等于400nm且小于等于500nm。

8.根据权利要求5所述的投影系统，其特征在于，所述投影系统还包括分光片，所述第一激发光为紫光，所述第二激发光为蓝光，所述分光片用于将所述蓝光分为两束，两束蓝光中的一束用于激发所述静态荧光器件(40)的荧光粉以形成第四基色。

9.根据权利要求1至所述的投影系统，其特征在于，所述静态荧光器件(40)具有多种荧光粉，不同种的所述荧光粉用于吸收不同波段的所述激发光，多种所述荧光粉至少包括第一荧光粉、第二荧光粉，所述第一荧光粉的光谱带宽范围与所述第二荧光粉的光谱带宽范围不同。

10.根据权利要求9所述的投影系统，其特征在于，

所述第一荧光粉为红色荧光粉，所述红色荧光粉的材料包括Y2O3:Eu；和/或

所述第二荧光粉为绿色荧光粉，所述绿色荧光粉的材料包括β塞隆、LuAG:Ce中的一种。