CN219302861U - 光学系统和投影设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学系统和投影设备。所述光学系统包括红光光源模块、绿光光源模块、蓝光光源模块、合光装置和光调制器，所述红光光源模块、所述绿光光源模块和所述蓝光光源模块中的至少一者包括激光光源、LED光源和引导元件，所述引导元件用于将所述激光光源发出的激光和所述LED光源发出的光引导至所述合光装置，且所述激光光源和所述LED光源满足预设条件。本实用新型混合了激光和LED光源，兼容了这两种光源的优点，可无需动态消散元件；同时，本实用新型采用小面积的LED光源组合激光，在满足投影统的光学扩展量的情况下，通过几何光路合光，在提升色域和亮度的同时，没有合光损失，且性价比高。

Description

光学系统和投影设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学系统和投影设备。

背景技术

随着投影技术的发展，投影仪已经广泛应用于家用、教育、办公等领域，其中LED投影仪的长寿、发热少、高可靠性、色域广且更方便携带更得到广泛的应用。投影仪整体亮度是由光源亮度、光路的几何效率、光学元件的透过率及反射率和点亮时间(duty)所决定的。现有投影技术中，为提升亮度和色域，有多种将激光(LD)和LED光源进行混合或补充的方式，但大部分是通过波长合光、偏振合光等方式，存在较多的能量损失。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种光学系统和投影设备，提升色域和亮度的同时，没有合光损失。

第一方面，本实用新型提供一种光学系统，包括红光光源模块、绿光光源模块、蓝光光源模块、合光装置和光调制器，所述红光光源模块用于产生红光，所述绿光光源模块用于产生绿光，所述蓝光光源模块用于产生蓝光，所述合光装置用于引导所述红光、所述绿光和所述蓝光从相同的方向出射，所述光调制器用于将所述合光装置出射的光处理成图像光；

所述红光光源模块、所述绿光光源模块和所述蓝光光源模块中的至少一者包括激光光源、LED光源和引导元件，所述引导元件用于将所述激光光源发出的激光和所述LED光源发出的光引导至所述合光装置，且所述激光光源和所述LED光源满足以下条件：

E_LD+E_LED≤π*S*sin²(θ)，

其中，E_LD是所述激光光源的光学扩展量，E_LED是所述LED光源的光学扩展量，S是所述光调制器的表面面积，θ是光束入射到所述光调制器的表面的锥角。

一种可能的实现方式中，所述激光光源发出的激光从所述引导元件的至少一侧入射至所述引导元件，所述LED光源发出的光从所述引导元件的另一侧入射至所述引导元件。

一种可能的实现方式中，所述激光光源发出的激光从所述引导元件的两侧对称入射至所述引导元件。

一种可能的实现方式中，所述激光光源包括多个激光器。

一种可能的实现方式中，所述LED光源包括一个或多个LED芯片，所述激光光源包含一个或多个激光器，所述引导元件上激光器的光斑大小小于等于所述LED光源的光斑大小。

一种可能的实现方式中，经所述合光装置出射的所有LED光源发出的光共轴，且经所述合光装置出射的所有激光光源发出的激光共轴，而经所述合光装置出射的LED光源发出的光的光轴与激光光源发出的激光的光轴平行。

一种可能的实现方式中，所述激光光源包括第一激光光源，所述LED光源包括第一LED光源，所述引导元件包括第一引导元件；

所述绿光光源模块包括第一激光光源、第一LED光源、激发光源和第一引导元件，所述第一激光光源用于发出绿色激光；所述第一LED光源的表面设置有绿色荧光粉层；所述激发光源用于发出蓝色激发光；

所述第一引导元件用于将所述蓝色激发光引导照射至所述第一LED光源表面的绿色荧光粉层；所述绿色荧光粉层用于在所述蓝色激发光和所述第一LED光源发出的光的激发下产生绿色荧光；所述第一引导元件还用于将所述绿色激光和所述绿色荧光引导至所述合光装置；

经所述合光装置出射的所述绿色激光的光轴与所述绿色荧光的光轴平行，且经所述合光装置出射的所述红光和所述蓝光均与所述绿色荧光共轴。

一种可能的实现方式中，所述激光光源包括第二激光光源，所述LED光源包括第二LED光源，所述引导元件包括第二引导元件；

所述蓝光光源模块包括第二激光光源、第二LED光源和第二引导元件，所述第二激光光源用于发出蓝色激光，所述第二LED光源用于发出蓝色光源光，所述第二引导元件用于将所述蓝色激光和所述蓝色光源光引导至所述合光装置；

经所述合光装置出射的所述蓝色激光的光轴与所述蓝色光源光的光轴平行，且经所述合光装置出射的所述红光和所述绿光均与所述蓝色光源光共轴。

一种可能的实现方式中，所述激光光源包括第三激光光源，所述LED光源包括第三LED光源，所述引导元件包括第三引导元件；

所述红光光源模块包括第三激光光源、第三LED光源和第三引导元件，所述第三激光光源用于发出红色激光，所述第三LED光源用于发出红色光源光，所述第三引导元件用于将所述红色激光和所述红色光源光引导至所述合光装置；

经所述合光装置出射的所述红色激光的光轴与所述红色光源光的光轴平行，且经所述合光装置出射的所述蓝光和所述绿光均与所述红色光源光共轴。

第二方面，本实用新型提供一种投影设备，包括第一方面所述的光学系统。

本实用新型混合了激光和LED光源，兼容了这两种光源的优点，可无需动态消散元件；同时，本实用新型采用小面积的LED光源组合激光，在满足投影统的光学扩展量的情况下，通过几何光路合光，在提升色域和亮度的同时，没有合光损失，且性价比高。

附图说明

通过结合附图对本实用新型实施例进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件。其中：

图1为本实用新型实施例提供的一种光学系统的模块示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种光源模块的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种引导元件的光斑示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种光学系统的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的另一种光学系统的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种光学系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。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，都应当属于本实用新型保护的范围。此外，虽然本实用新型中公开内容按照示范性一个或几个实例来介绍，但应理解，可以就这些公开内容的各个方面也可以单独构成一个完整技术方案。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而是仅用于区分描述。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。需要理解的是，“上”、“下”、“内”、“外”、“正面”、“背面”等术语，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是具备暗示或指示意义，因此不能理解为对本实用新型的限制。

为了彻底理解本实用新型，将在下面提供详细的描述，以便阐释本实用新型的技术方案。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

图1为本实用新型实施例提供的一种光学系统的模块示意图。如图1所示，本实用新型的光学系统包括红光光源模块100、绿光光源模块200、蓝光光源模块300、合光装置400和光调制器(图中未示出)，红光光源模块100用于产生红光，绿光光源模块200用于产生绿光，蓝光光源模块300用于产生蓝光，合光装置400用于引导红光、绿光和蓝光从相同的方向出射，光调制器用于将合光装置400出射的光处理成图像光，这里的光调制器可为LCD、DMD、LCOS芯片等。

红光光源模块100、绿光光源模块200和蓝光光源模块300中的至少一者为激光和LED(发光二极管)的混合光源，如图2所示，混合光源包括激光光源11、LED光源12和引导元件13，引导元件13用于将激光光源11发出的激光和LED光源12发出的光引导至光学系统的合光装置，且激光光源11和LED光源12满足以下条件：

E_LD+E_LED≤E_P，

其中，E_LD是激光光源11的光学扩展量，E_LED是LED光源12的光学扩展量，E_P是光学系统的光学扩展量。光调制器决定了光学系统的光学扩展量，即E_P＝π*S*sin²(θ)，S是光调制器的表面面积，θ是光束入射到所述光调制器的表面的锥角。

继续参阅图2，激光光源11可从侧边入射至引导元件13，LED光源12从中间入射至引导元件13，使得激光光源11和LED光源12在引导元件13上的光斑并排排列，如图3所示，其中A为激光光源11的光斑，B为LED光源12的光斑，A的面积小于等于B的面积。可选地，可使得激光从两个侧边对称入射至引导元件13，进一步提升光的均匀性。

在一些实施例中，可采用小的LED芯片作为LED光源12，使得其在引导元件13上的光斑较小，使得混合光源的光学扩展量满足系统要求。由于激光的发散角度较小，因此E_LD较小，可使用一个或多个激光器作为激光光源11。进一步地，激光光源可以是光纤耦合激光后输出的方式，准直性较好；或者激光光源具有聚焦准直透镜组件，或者可有多个反射镜压缩后再整形的方式，从而兼容多个激光器。

以下结合具体实施例对本实用新型的光学系统进行进一步说明。

实施例一

图4为本实用新型实施例提供的一种光学系统的结构示意图。如图4所示，红光光源模块100包括激光光源101、LED光源102和分光合光元件103，激光光源101用于发出红色激光，LED光源102用于发出红色光源光，分光合光元件103用于反射激光光源111发出的红色激光，并透射LED光源112发出的红色光源光，将红色激光和红色光源光进行合光后，入射至合光装置。应理解，红光光源模块100也可只包括一个或更多个光源，如激光光源和/或LED光源，其组合方式可根据需要进行设置，本实用新型对此不进行限制。

绿光光源模块200包括激光光源201、LED光源202、激发光源203和分光合光元件204，其中，激光光源201用于发出绿色激光，LED光源202的表面设置有绿色荧光粉层，激发光源203用于发出蓝色激发光，分光合光元件204用于透射蓝光反射绿光。

激发光源203发出的蓝色激发光经分光合光元件204透射至LED光源202表面的绿色荧光粉层，该绿色荧光粉层在蓝色激发光和LED光源202发出的光的激发下产生绿色荧光，绿色荧光和绿色激光在分光合光元件204处合光，然后后入射至合光装置。

继续参阅图4，绿色激光从侧边入射至分光合光元件204，绿色荧光从中间入射至分光合光元件204，经合光装置出射的绿色激光的光轴与绿色荧光的光轴平行，且经合光装置出射的红光和蓝光均与绿色荧光共轴。绿色激光的光学扩展量与绿色荧光的光学扩展量之和小于等于光学系统的光学扩展量，使得光源模块的光尽可能地全部耦合进光学系统。

合光装置包括二向色元件401和二向色元件402，二向色元件401用于反射经分光合光元件103出射的红光，并透射经分光合光元件204出射的绿光和蓝光光源模块300中蓝色LED光源301发出的蓝光；二向色元件402用于反射蓝色LED光源301发出的蓝光，并透射经分光合光元件103出射的红光和经分光合光元件204出射的绿光，从而使得三个光源模块出射的红光、绿光和蓝光从相同的方向射出。

以上以绿光光源模块中的激光光源和LED光源为示例进行了说明，在一些实施例中，红光光源模块或蓝光光源模块也可包含相应的激光光源和LED光源，LED光源的表面可设置相应颜色荧光粉层，荧光粉层的正反两面在光源的激发下产生相应颜色的荧光，然后与同样颜色的激光进行合光。

实施例二

图5为本实用新型实施例提供的另一种光学系统的结构示意图。如图5所示，红光光源模块100包括激光光源111、LED光源112和分光合光元件113，激光光源111用于发出红色激光，LED光源112用于发出红色光源光，分光合光元件113用于反射激光光源111发出的红色激光，并透射LED光源112发出的红色光源光，将红色激光和红色光源光进行合光后，入射至合光装置。

绿光光源模块200包括LED光源211、激发光源212和分光合光元件213，其中，LED光源211的表面设置有绿色荧光粉层，激发光源212用于发出蓝色激发光，分光合光元件213用于透射蓝光反射绿光。

激发光源212发出的蓝色激发光经分光合光元件213透射至LED光源211表面的绿色荧光粉层，该绿色荧光粉层在蓝色激发光和LED光源211发出的光的激发下产生绿色荧光，绿色荧光经分光合光元件213反射至合光装置。

蓝光光源模块300包括激光光源311、LED光源312和反射元件313，激光光源311用于发出蓝色激光，LED光源312用于发出蓝色光源光，激光光源311发出的蓝色激光经反射元件313反射后从侧边入射至分光合光元件213，在分光合光元件213处与LED光源312发出的蓝色光源光合光后入射至合光装置。可选地，激光光源311可包括蓝色激光器和绿色激光器，蓝色激光器用于发出蓝色激光，绿色激光器用于发出绿色激光，使得光学系统中包含红、绿、蓝三种颜色的激光器，可提升整个光学系统的亮度。

继续参阅图5，蓝色激光从侧边入射至分光合光元件213，蓝色光源光从中间入射至分光合光元件213，经合光装置出射的蓝色激光的光轴与蓝色光源光的光轴平行，且经合光装置出射的红光和绿光均与蓝色光源光共轴。蓝色激光的光学扩展量与蓝色光源光的光学扩展量之和小于等于光学系统的光学扩展量，使得光源模块的光尽可能地全部耦合进光学系统。

合光装置400包括二向色元件411，用于反射红光，并透射绿光和蓝光，使得三个光源模块出射的红光、绿光和蓝光从相同的方向射出。

实施例三

图6为本实用新型实施例提供的另一种光学系统的结构示意图。如图6所示，红光光源模块100包括激光光源121、LED光源122和分光合光元件123，激光光源121用于发出红色激光，LED光源122用于发出红色光源光，分光合光元件123用于反射激光光源121发出的红色激光，并透射LED光源122发出的红色光源光，将红色激光和红色光源光进行合光后，入射至合光装置。

红色激光从侧边入射至分光合光元件123，红色光源光从中间入射至分光合光元件123，经合光装置出射的红色激光的光轴与红色光源光的光轴平行，且经合光装置出射的蓝光和绿光均与红色光源光共轴。红色激光的光学扩展量与红色光源光的光学扩展量之和小于等于光学系统的光学扩展量，使得光源模块的光尽可能地全部耦合进光学系统。

绿光光源模块200包括LED光源221、激发光源222和分光合光元件223，其中，LED光源221的表面设置有绿色荧光粉层，激发光源222用于发出蓝色激发光，分光合光元件223用于透射蓝光反射绿光。

激发光源222发出的蓝色激发光经分光合光元件223透射至LED光源221表面的绿色荧光粉层，该绿色荧光粉层在蓝色激发光和LED光源221发出的光的激发下产生绿色荧光，绿色荧光经分光合光元件223反射至合光装置。

蓝光光源模块300包括LED光源321，LED光源321发出的蓝色光源光经分光合光元件223透射至合光装置。

合光装置400包括二向色元件421，用于反射红光，并透射绿光和蓝光，使得三个光源模块出射的红光、绿光和蓝光从相同的方向射出。

需要说明的是，在实施例一至实施例三中，都只有一个光源模块的激光光源和LED光源在相应的分光合光元件上的光斑并排排列，且这两个光源的光学扩展量之和小于等于光学系统的光学扩展量。在其他一些实施例中，也可有多个光源模块为混合光源，即包括激光光源和LED光源，各个光源模块中的激光光源和LED光源的光学扩展量之和都小于等于光学系统的光学扩展量，进一步地，可使得经合光装置出射的所有LED光源发出的光共轴，且经合光装置出射的所有激光光源发出的光共轴，而经合光装置出射的LED光源发出的光的光轴与激光光源发出的激光的光轴平行。

本实用新型实施例还提供一种投影设备，包括上述实施例涉及的光学系统，投影设备中还可包括其他组件，如镜头组件等，这些组件的设置可参见相关现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括红光光源模块、绿光光源模块、蓝光光源模块、合光装置和光调制器，所述红光光源模块用于产生红光，所述绿光光源模块用于产生绿光，所述蓝光光源模块用于产生蓝光，所述合光装置用于引导所述红光、所述绿光和所述蓝光从相同的方向出射，所述光调制器用于将所述合光装置出射的光处理成图像光；

所述红光光源模块、所述绿光光源模块和所述蓝光光源模块中的至少一者包括激光光源、LED光源和引导元件，所述引导元件用于将所述激光光源发出的激光和所述LED光源发出的光引导至所述合光装置，且所述激光光源和所述LED光源满足以下条件：

E_LD+E_LED≤π*S*sin²(θ)，

其中，E_LD是所述激光光源的光学扩展量，E_LED是所述LED光源的光学扩展量，S是所述光调制器的表面面积，θ是光束入射到所述光调制器的表面的锥角。

2.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述激光光源发出的激光从所述引导元件的至少一侧入射至所述引导元件，所述LED光源发出的光从所述引导元件的另一侧入射至所述引导元件。

3.根据权利要求2所述的一种光学系统，其特征在于，所述激光光源发出的激光从所述引导元件的两侧对称入射至所述引导元件。

4.根据权利要求2所述的一种光学系统，其特征在于，所述激光光源包括多个激光器。

5.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述LED光源包括一个或多个LED芯片，所述激光光源包含一个或多个激光器，所述引导元件上激光器的光斑大小小于等于所述LED光源的光斑大小。

6.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，经所述合光装置出射的所有LED光源发出的光共轴，且经所述合光装置出射的所有激光光源发出的激光共轴，而经所述合光装置出射的LED光源发出的光的光轴与激光光源发出的激光的光轴平行。

7.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述激光光源包括第一激光光源，所述LED光源包括第一LED光源，所述引导元件包括第一引导元件；

所述绿光光源模块包括第一激光光源、第一LED光源、激发光源和第一引导元件，所述第一激光光源用于发出绿色激光；所述第一LED光源的表面设置有绿色荧光粉层；所述激发光源用于发出蓝色激发光；

所述第一引导元件用于将所述蓝色激发光引导照射至所述第一LED光源表面的绿色荧光粉层；所述绿色荧光粉层用于在所述蓝色激发光和所述第一LED光源发出的光的激发下产生绿色荧光；所述第一引导元件还用于将所述绿色激光和所述绿色荧光引导至所述合光装置；

经所述合光装置出射的所述绿色激光的光轴与所述绿色荧光的光轴平行，且经所述合光装置出射的所述红光和所述蓝光均与所述绿色荧光共轴。

8.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述激光光源包括第二激光光源，所述LED光源包括第二LED光源，所述引导元件包括第二引导元件；

所述蓝光光源模块包括第二激光光源、第二LED光源和第二引导元件，所述第二激光光源用于发出蓝色激光，所述第二LED光源用于发出蓝色光源光，所述第二引导元件用于将所述蓝色激光和所述蓝色光源光引导至所述合光装置；

经所述合光装置出射的所述蓝色激光的光轴与所述蓝色光源光的光轴平行，且经所述合光装置出射的所述红光和所述绿光均与所述蓝色光源光共轴。

9.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于，所述激光光源包括第三激光光源，所述LED光源包括第三LED光源，所述引导元件包括第三引导元件；

所述红光光源模块包括第三激光光源、第三LED光源和第三引导元件，所述第三激光光源用于发出红色激光，所述第三LED光源用于发出红色光源光，所述第三引导元件用于将所述红色激光和所述红色光源光引导至所述合光装置；

经所述合光装置出射的所述红色激光的光轴与所述红色光源光的光轴平行，且经所述合光装置出射的所述蓝光和所述绿光均与所述红色光源光共轴。

10.一种投影设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光学系统。

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