CN206863464U - 激发光强度控制系统及投影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激发光强度控制系统，包括照明部、成像部与控制部，所述照明部至少包括光源与中继系统，所述成像部至少包括光调制器与色彩转换元件，从所述光源出射的激发光被中继系统导入所述光调制器进行调制，经过调制的所述激发光激发所述色彩转换元件产生多色受激光，所述色彩转换元件上排列设置多个像素点，每个像素点包括至少两种色光子像素点，每种色光子像素点由相应的荧光粉材料涂布形成，所述控制部用于接收原始图像数据，根据相应的荧光粉的响应曲线参数控制所述光调制器出射的激发光强度或控制所述光源出射的激发光强度。利用本实用新型，可提高光能利用效率，本实用新型还提供一种应用所述激光光强度控制系统的投影系统。

Description

激发光强度控制系统及投影系统

技术领域

本实用新型涉及投影显示领域，尤其涉及一种带激发光强度控制的系统及应用所述激发光强度控制系统的投影系统。

背景技术

在目前的显示领域，主要是利用DMD或LCD做为光调制器，对照明光进行调制从而得到图像光，然目前采用DMD或LCD作为光调制器的显示设备普遍存在效率偏低的问题。

具体地，在以激光激发荧光材料产生多色光作为光源的显示设备中，激光发光元件发出的光经光学元件，如合光器件、光束整形器件等到达荧光材料，效率约为90％，经荧光材料转换后得到照明光，再耦合到光机系统(如3DMD光机系统、3LCD光机系统)，效率约为94％，经光机系统调制成图像光，效率约为30％～40％，然后经由投影镜头投影到屏幕上，可以看出，光机系统效率低，使相应的显示设备效率低下。

实用新型内容

鉴于上述状况，本实用新型提供一种光能利用效率高的激发光强度控制系统及投影系统。

一方面，本实用新型提供一种激发光强度控制系统，包括照明部、成像部与控制部，所述照明部包括光源与中继系统，所述成像部包括光调制器与色彩转换元件，从所述光源出射的激发光被中继系统导入所述光调制器进行调制，经过调制的所述激发光激发所述色彩转换元件产生多色受激光，所述色彩转换元件上排列设置多个像素点，每个像素点包括至少两种子像素点，每种子像素点由相应的荧光粉材料涂布形成，所述控制部用于接收原始图像数据，根据相应的荧光粉的响应曲线参数控制所述光调制器出射的激发光强度或控制所述光源出射的激发光强度。

另一方面，本实用新型还提供一种投影系统，所述投影系统包括上述的激发光强度控制系统及投影镜头，从所述激发光强度控制系统出射的激发光经所述投影镜头投射至屏幕，以呈现彩色图像。

本实用新型实施例提供的激发光强度控制系统及投影系统的优点在于：通过根据原始图像数据以及具体采用的荧光材料/散射材料的响应曲线数据对光调制器或光源出射的激发光强度进行控制，不仅保证了出射至屏幕的图像不失真，且提高了光能利用效率。

附图说明

图1为本实用新型第一种实施方式的激发光强度控制系统的系统框图。

图2为图1所示激发光强度控制系统的照明部与成像部前部分的光路图的示意图。

图3为图1所示激发光强度控制系统的成像部后部分的光路图的示意图。

图4为图1所示激发光强度控制系统的荧光芯片的像素点分布示意图。

图5为本实用新型第二种实施方式中的激发光强度控制系统的成像部后部分的光路图的示意图。

图6为激发光为蓝激光时，红、绿、蓝荧光材料/散射材料对激发光的响应曲线示意图。

图7为激发光为UV光时，红、绿、蓝荧光材料对激发光的响应曲线示意图。

图8为通过检测方式获得图像信号值与LCD信号值的关系列表的方法流程图。

图9为本实用新型第三种实施方式的激发光强度控制系统的系统框图。

图10为针对相同图像信号值，激发红、绿、蓝光所需要的激发光强度对比示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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实用新型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所示，图1是本实用新型第一种实施方式中的激发光强度控制系统的方框示意图，所述激发光强度控制系统1能够应用于投影系统2中。所述激发光强度控制系统1包括照明部、成像部以及控制部，具体地，在本实施方式中，所述照明部至少包括光源10，所述成像部至少包括光调制器11与色彩转换元件12，所述控制部包括控制器13。所述控制器13接收待显示的原始图像数据，根据原始图像数据调节光调制器11处及/或光源10处的激发光强度，在所述控制器13的控制下，针对每一帧图像，所述光调制器11调节针对每一像素(或子像素)的激发光强度，经由调节后的激发光进入色彩转化元件12，激发色彩转化元件12产生多色受激光，如R(红)、G(绿)、B(蓝)受激光，形成一帧彩色图像。在本实施方式中，所述激发光强度控制系统应用于一投影系统中，经过色彩转化元件12产生的彩色图像经由投影系统2的投影镜头20最终出射至屏幕(图未示)。在本实施方式中，所述激发光强度控制系统1还包括设置于光源10与光调制器11之间的中继系统14。

请参阅图2所示，为图1所示激发光强度控制系统1的照明部的光路图与成像部的前部分光路图示意图，即为激发光出射至色彩转化元件12之前的光路部分。在本实施方式中，所述光源10采用激光光源，且为蓝激光光源。因此，所述激发光为蓝激光。在本实施方式中，所述中继系统14包括复眼透镜阵列141、凸透镜142以及反光镜143。所述复眼透镜阵列141、凸透镜142与反光镜143依序排列，从所述光源10出射的蓝激光进入复眼透镜阵列141，经过复眼透镜阵列141提高均匀性与亮度后，进入凸透镜142。所述凸透镜142对进入的蓝激光进行整形形成适合光调制器11大小形状的光斑，所述光斑经反光镜143反射后进入所述光调制器11。在本实施方式中，所述复眼透镜阵列141为双排复眼透镜阵列。所述复眼透镜阵列141与凸透镜142大致平行设置，其光轴方向大致重合，所述光调制器11与所述复眼透镜阵列141、凸透镜142大致垂直设置，所述反光镜143与所述凸透镜142、光调制器11呈倾斜设置，如与所述凸透镜142、光调制器11均大致呈45度角设置，其反射面1431同时倾斜面向所述凸透镜142与光调制器11、以将从凸透镜142出射的蓝激光反射至光调制器11。

可以理解，中继系统也可采用其他光学元器件构成，或者采用不同的排布方式，只需其能将光源发出的激发光合适地导入至光调制器11即可。

所述光调制器11在本实施方式中为LCD光调制器11a，当然，所述LCD光调制器11a仅是举例而已，在其他实施方式中，所述光调制器11也可以是DMD光调制器或LCOS光调制器等。所述LCD光调制器11a在控制器13的控制下，针对每一帧图像的图像数据，对从反光镜143出射至LCD光调制器11a的蓝激光进行调制，从而使之携带图像信息，经过调制的蓝激光包括两部分，两部分均进入一偏极化分光镜(Polarization Beam Splitter，下称PBS)16。所述PBS 16将经过调制的两部分蓝激光分离成第一偏振光与第二偏振光，在本实施方式中第一偏振光为P偏振态的光(以下简称P光)、第二偏振光为S偏振态的光(以下简称S光)，其中S光进入色彩转换元件12。在本实施方式中，所述PBS 16设置于LCD光调制器11a的出光方向，包括相对的第一表面161与第二表面162。所述PBS 16与LCD光调制器11a呈倾斜设置，如呈45度角设置，第一表面161面向LCD光调制器11a，第二表面背向LCD光调制器11。所述PBS16分离P光与S光，其中P光经透射从第二表面162出射、S光经反射从第一表面161出射。

请参阅图3所示，为图1所示激发光强度控制系统1的成像部的后部分光路图示意图，在本实施方式中，所述成像部的后部分光路图示出了所述色彩转换元件12、1/4波片17以及二向色片18，在本实施例中所述色彩转换元件12为荧光芯片12a，且为反射式荧光芯片。所述1/4波片17与所述荧光芯片12a大致平行设置，所述二向色片18同时面向所述S光入射方向与所述1/4波片17、且与S光入射方向以及1/4波片17呈倾斜设置，如与S光入射方向以及1/4波片17均成45度角设置。

在本实施方式中，需说明的是，通过在一基板上通过涂布荧光材料及/或散射材料形成多个像素点，从而制成所述荧光芯片12a，每个像素点由红绿蓝三种子像素点构成，每种子像素点上分别涂布相应的荧光材料及/或散射材料，因此，在激发光激发下，荧光芯片12a的每个子像素点分别产生红、绿、蓝受激光或散射受激光，从而使荧光芯片12a出射彩色图像光。在其他实施方式中，荧光芯片的子像素点种类、数量与颜色可根据需要更改，例如，每个像素点只包括两种子像素点或更多种子像素点，每种子像素的数量为一个或多个，每个像素点包括不同于红绿蓝三色的其他颜色子像素点。

请参阅图4所示，为本实施方式中的荧光芯片12a上的R、G、B子像素点分布示意图，所述荧光芯片12a用于在所述激发光的激发下，产生R、G、B受激光或者产生R、G受激光以及散射所述激发光，形成彩色图像。所述荧光芯片12a上包括多个像素点S，所述像素点S按矩阵排列，每一像素点S包括至少两种子像素点，每种子像素点由相应的荧光粉材料涂布形成，或者，涂布有相应的散射材料，在本实施方式中，每一像素点S具体包括一个红子像素点R、两个绿子像素点G以及一个蓝子像素点B。在激发光的作用，红子像素点R产生红光，绿子像素点G产生绿光，而蓝子像素点B产生蓝光或散射入射的蓝激光，根据每个子像素点各自的光亮强度，每个像素点呈现所需的色彩，从而使荧光芯片12a通过投影镜头20出射至屏幕的图像为一帧彩色图像。

可以理解，所述像素点S可以按其他规则排列，例如，像素点最终并不一定排列成为矩阵，还可以排列成为其他需要的形状，例如圆形，每一像素点S仅需同时包括两种子像素点或者同时包括红、绿、蓝三种子像素点，至于每种子像素点的数量和比例可根据实际需要选取。

请再参阅图3所示，所述二向色片18反射S光、透射P光以及R(红)、G(绿)光。由PBS16出射的所述S光到达二向色片18后，被二向色片18反射至所述1/4波片17，所述S光经过1/4波片17后变成圆偏振光，所述圆偏振光到达荧光芯片12a后，激发对应的红、绿子像素点R、G产生红光和绿光，所述红光和绿光经1/4波片17后由所述二向色片18透射。另在本实施方式中，荧光芯片12a上的蓝子像素点B涂布保偏、即保证偏振方向不变的散射粉，因此圆偏振光到达荧光芯片12上对应的蓝子像素点B后，被保偏散射，再次经1/4波片17后变成P光，所述P光由所述二向色片18透射。

可以理解，根据光路方向布置的不同，所述二向色片18也可以是透射激发光、反射受激光，即透射由照明部进入的光与发射由荧光芯片12a出射的光。

可以理解，荧光芯片12a的数量也不限于一片，也可以是两片或多片，通过一定的规则进行排列。如，可将两片荧光芯片12a并排排列。

可以理解，虽然上述实施方式中的是采用将S光入射至二向色片18，二向色片18最终出射P光与红、绿光，然，也可以是将P光入射至二向色片，二向色片18最终出射S光与红、绿光。另，在采用其他基色光作为激发光时，基于其偏振态也可有不同的方案选择。

可以理解，也可采用透射式荧光芯片，激发光从透射式荧光芯片的一面入射，受激光从透射式荧光芯片的另一侧出射，此时，可以省略二向色片与波片的使用。

可以理解，除红、绿、蓝基色光外，还可以是其他合适光源，例如，紫外(UV)光源。

请参阅图5所示，为本实用新型第二种实施方式中利用UV光源成像部的后部分光路图示意图。所述成像部后部分光路图示出了二向色片31与荧光芯片32，所述二向色片31同时面向UV光入射方向及荧光芯片32、且与UV光入射方向及荧光芯片32呈倾斜设置。所述二向色片31反射UV光，透射红、绿、蓝光。UV光源发出的UV光在经过光调制器调制成携带图像信息后，由二向色片31反射进入荧光芯片32，所述荧光芯片32上的红、绿、蓝子像素点R、G、B分别涂布红荧光材料、绿荧光材料及蓝荧光材料，在UV激发光的激发下，荧光芯片32上对应的红、绿、蓝子像素点R、G、B产生红、绿、蓝光，所述红、绿、蓝光由所述二向色片31透射，并通过投影镜头出射至屏幕从而形成一帧彩色图像。

在本实施方式中，所述控制器13可控制从光调制器11出射的激发光强度。仍以LCD光调制器11a为例，对应每一帧图像数据的每一个R、G、B图像信号值(即子像素值)，控制器13可控制LCD光调制器11的信号值，从而控制从LCD光调制器11a出射的激发光强度。其中，对应每一帧图像的每一图像信号，所述LCD信号值正比于加于LCD光调制器11a对应光阀上的电压值(或电流值等)。以下具体描述控制器如何控制LCD光调制器11a。

所述LCD信号值由控制器13根据图像信号值与荧光芯片12a上涂布的具体荧光材料(如黄、绿、红、蓝荧光材料)或散射材料的响应曲线来确定。针对不同的荧光材料与散射材料，其对不同激发光的响应曲线受其热饱和与光饱和等因素的影响，请参阅图6与图7所示，分别为红、绿、蓝荧光材料或散射材料对激发光分别为蓝激光与UV光的响应曲线图。其中线x与x1分别代表蓝散射材料与蓝荧光材料的响应曲线，y与y1代表绿荧光材料的响应曲线，z与z1代表红荧光材料的响应曲线，可以看出，在同样的激发光强度下，对应的红、绿、蓝荧光材料或散射材料产生的受激光强度不同，从而导致出射的图像亮度值亦会不同，另外，在不同的激发光的激发下，采用荧光材料与采用散射材料的响应曲线亦不同，如图6为采用蓝激光为激发光，保偏散射粉的响应曲线大致呈线性递增，而图7中采用UV光激发蓝色荧光材料，蓝色荧光材料产生热量，因此蓝色荧光材料的相应曲线呈饱和的趋势、非线性递增。

在一种实施方式中，可将对应的荧光材料/散射材料的响应曲线数据存入控制器13或控制器13可获取到的其他装置内，将涉及LCD信号值与图像信号值以及荧光材料/散射材料的响应曲线参数相关的公式亦存入控制器13或控制器13可获取的其他装置内，从而在针对不同的R、G、B图像信号值时，可以由控制器13计算获得相应的红、绿、蓝子像素点的LCD信号值，控制LCD光调制器11a出射的激发光强度。例如，针对具体的R图像信号值时，可以由控制器13根据红色荧光材料的响应曲线参数与该具体的R图像信号值计算获得相应的红子像素点的LCD信号值；针对具体的G图像信号值时，可以由控制器13根据绿色荧光材料的响应曲线参数与该具体的G图像信号值计算获得相应的绿子像素点的LCD信号值；以此类推，可获得所需要的LCD信号值，从而控制从LCD光调制器11a出射的激发光强度。

进一步地，在另一种实施方式中，还可根据具体荧光材料的响应曲线数据制作图像信号值(即子像素值)与LCD信号值的关系列表，所述列表存于控制器13或控制器13可获取到的其他装置内，针对一帧图像，控制器13可根据图像信号值查询所述列表以获得所有图像信号值对应的LCD信号值，从而控制从LCD光调制器11a出射的激发光强度。

具体的，可由控制器13根据具体荧光材料的响应曲线数据计算R、G、B每一图像信号值0-255对应的LCD信号值，再将每一图像信号值与LCD信号值一一对应制作成所述关系列表。

或者，也可通过其他手段检测获得每一图像信号值与LCD信号值的关系列表，请参阅图8所示，图8示出了一种检测方式获得所述关系列表的流程图，首先，将检测用的屏幕调成全红、全绿或全蓝画面(步骤S801)，然后，利用检测工具检测全红、全绿或全蓝画面下屏幕的每一图像信号值0-255对应的激发光强度值(步骤S802)，再者，根据激发光强度值计算获得对应的LCD信号值(步骤S803)，最后，建立每一图像信号值与LCD信号值的关系列表(步骤S804)。上述检测方式中，也可以是直接利用检测工具检测全红、全绿或全蓝画面下屏幕的每一图像信号值0-255对应的LCD信号值，如此避免了后续的计算步骤。

请参阅图9所示，为本实用新型第三种实施方式中的激发光强度控制系统的系统框图，所述激发光强度控制系统4包括光源40、光调制器41、荧光芯片42以及控制器43，与第一种实施方式不同，本实施方式中，控制器43除控制光调制器41出射的激发光强度外，还控制光源40出射的激发光强度。当然，本实施方式中的激发光强度控制系统4还可以在光源40与光调制器41之间包括一中继系统(图未示)，此外，本实施方式中的激发光强度控制系统4采用时序出光的方式。

请参阅图10所示，为针对相同图像信号值255(即子像素值255)，激发红、绿、蓝光所需要的激发光强度对比图。从图上可以看出，针对相同图像信号值255，激发红、绿、蓝光所需要的激发光强度明显不同，其中，激发绿光所需的激发光强度最高为I，激发红光所需的激发光强度大约为绿光的0.5倍，即0.5I，激发蓝光所需的激发光强度大约为绿光的0.3倍，即0.3I。因此，在本实施方式中，针对红、绿、蓝时序出光的情况下，可根据具体图像信号值以及相应的荧光粉响应曲线数据，相应控制光源40出射的激发光强度。在本实施方式中，为根据同一时序内所有图像信号值的最大值控制光源40出射的激发光强度，例如，在某一红光出光时序内，根据该时序内对应所有红子像素点的图像信号值中的最大值，控制光源40出射的激发光强度。在光源40出射的激发光强度已被调节的情况下，所述控制器43再依照具体图像信号值控制光调制器41的信号值，从而控制从光调制器41出射的激发光强度。例如，在某一红光出光时序内，针对具体的一红子像素点的图像信号值20，所述控制器43控制光调制器41对应的信号值为20，而针对具体的一红子像素点的图像信号值255，所述控制器23控制光调制器41对应的信号值为255；在绿光出光时序内，针对具体的一G绿子像素点的图像信号值100，所述控制器43控制光调制器41对应的信号值为100，而针对具体的一绿子像素点的图像信号值255，所述控制器43控制光调制器41对应的信号值为255；在蓝光出光时序内，针对具体的一蓝子像素点的图像信号值50，所述控制器43控制光调制器41对应的信号值为50，而针对具体的一蓝子像素点的图像信号值250，所述控制器43控制光调制器41对应的信号值为250。因此，无论是哪个出光时序内，针对图像信号值0-255，控制器43均只需控制光调制器41的信号值相应为0-255即可。

综上所述，本实用新型实施例提供的激发光强度控制系统及投影系统，根据原始图像数据以及具体采用的荧光材料/散射材料对光调制器及/或光源出射的激发光强度进行控制，不仅保证了出射至屏幕的图像不失真，且提高了光能利用效率。

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

Claims (13)

1.一种激发光强度控制系统，包括照明部、成像部与控制部，其特征在于，所述照明部至少包括光源与一中继系统，所述成像部至少包括光调制器与色彩转换元件，从所述光源出射的激发光被所述中继系统导入所述光调制器进行调制，经过调制的所述激发光激发所述色彩转换元件产生多色受激光，所述色彩转换元件上排列设置多个像素点，每个像素点包括至少两种子像素点，每种子像素点由相应的荧光粉材料涂布形成，所述控制部用于接收原始图像数据，根据相应的荧光粉的响应曲线参数控制所述光调制器出射的激发光强度或控制所述光源出射的激发光强度。

2.如权利要求1所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述成像部还包括二向色片，所述二向色片设置于所述光调制器与所述色彩转换元件之间，用于透射由所述光调制器出射的激发光使之进入色彩转换元件及反射由所述色彩转换元件出射的受激光，或者反射由所述光调制器出射的激发光使之进入色彩转换元件及透射由所述色彩转换元件出射的受激光。

3.如权利要求1或2所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述成像部还包括设置于所述光调制器之后的偏极化分光镜，所述偏极化分光镜用于将从所述光调制器出来的激发光分离成第一偏振光与第二偏振光，其中所述第二偏振光在所述成像部被转换成第一偏振光后从所述成像部出射。

4.如权利要求3所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述光源出射蓝激光，所述蓝激光经所述偏极化分光镜后获得的第二偏振光被所述成像部转换成第一偏振光，所述成像部出射蓝激光的所述第一偏振光及/或至少一种其他颜色光。

5.如权利要求2所述的激发光强度控制系统，其特征在于，成像部还包括设置于所述二向色片与所述色彩转换元件之间的1/4波片。

6.如权利要求5所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述色彩转换元件上的每一像素点包括蓝子像素点，其中所述蓝子像素点上涂布保偏散射粉。

7.如权利要求1或2所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述光源出射UV光。

8.如权利要求1所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述控制元件根据所述原始图像数据的图像信号值以及涂布于所述色彩转换元件上的所述荧光粉的响应曲线参数计算所述光调制器的信号值，并进一步根据所述信号值控制所述光源出射的激发光强度。

9.如权利要求1所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述激发光强度控制系统为时序出光方式，在每一种特定光的出光时序内，所述控制部根据所述原始图像数据的图像信号值以及所述特定光对应的涂布于所述荧光芯片上的荧光粉的响应曲线参数控制所述光源出射的激发光强度。

10.如权利要求9所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述控制器还根据所述原始图像数据的图像信号值控制所述光调制器的信号值。

11.如权利要求10所述的激发光强度控制系统，其特征在于，对应所述原始图像数据的图像信号值0-255，所述控制器控制所述光调制器的信号值对应为0-255。

12.如权利要求1所述的激发光强度控制系统，其特征在于，所述光调制器为LCD光调制器。

13.一种投影系统，其特征在于，所述投影系统包括如权利要 求1-12任一所述的激发光强度控制系统、及投影镜头，从所述激发光强度控制系统出射的激发光经所述投影镜头投射至屏幕，以呈现彩色图像。