TWI731105B

TWI731105B - 光源結構及投影系統

Info

Publication number: TWI731105B
Application number: TW106120755A
Authority: TW
Inventors: 胡飛; 侯海雄; 李屹
Original assignee: 大陸商深圳光峰科技股份有限公司
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2021-06-21
Also published as: WO2018010486A1; TW201802565A; CN107621745B; CN107621745A

Abstract

本發明公開一種光源結構及應用該結構的投影系統，包括：發光裝置、波長轉換裝置、分光裝置、光機方棒和中繼裝置，所述發光裝置發出單色光入射到分光裝置，經過發射後進入波長轉換裝置，形成具有時序的第一光和第二光，所述第一光經所述分光裝置透射後導入出射光接收裝置；所述第二光經中繼裝置多次反射後，再次入射到所述分光裝置形成反射後導入出射光接收裝置，分配給具有SLM的投影系統產生投影圖像。本發明的光源結構相比傳統方案減少了將白光分割形成三基色光時光能的損失，簡化了光源的結構，提高了光效。

Description

光源結構及投影系統

本發明涉及一種光源結構及應用該結構的投影系統。

目前，相關的投影系統中，將R(紅光)、G(綠光)、B(藍光)三基色光交替進入影像處理系統而被其調制，調制得到的單色光圖像在螢幕上快速交替切換，進而利用人眼的視覺殘留效應將各時序的單色光圖像混合在一起而形成彩色圖像。這些投影系統中最常用的光源，其結構是採用由直流電源驅動的發光裝置產生單色光，入射螢光片上，激發其上的螢光粉產生白光，然後用旋轉的修色片(R、G、B三種修色片)對白光進行分離，得到對應修色片的三基色時序光。但是這種光源結構從白光中僅分離出RGB三種單色光，其它顏色的光均被修色片過濾掉了，對光源的利用率不高，光效低。

本發明的主要目的是提供一種應用於具有SLM(Spatial Light Modulator空間光調制器)的投影系統簡化的光源結構，提高光源的光效，為實現上述目的，本發明提出的一種光源結構，包括：發光裝置，用於發射單色光，並入射到分光裝置；所述分光裝置，反射所述單色光到波長轉換裝置，並透射經波長轉換裝置改變波長範圍的第一光；及反射經中繼裝置出射的第二光；所述波長轉換裝置，為旋轉結構，包括第一區域和第二區域，使得經所述分光裝置反射的所述單色光交替射入所述第一區域與第二區域；所述入射的單色光經所述第一區域後改變波長範圍並出射所述第一光，所述單色光經所述第二區域光處理形成所述第二光；所述中繼裝置，用於會聚所述第一光並導入出射光接收裝置，以及會聚並調整所述第二光的傳播方向後導入所述分光裝置。

優選地，所述第一區域上設有波長轉換材料層，用於吸收經所述分光裝置反射的所述單色光並在單色光的激發下產生所述第一光。

優選地，所述第一區域與第二區域均為扇形區域，且圓心角之和為360度。

優選地，所述第二區域用於散射所述單色光形成第二光，所述中繼裝置包括三片呈夾角設置的反射鏡用於反射第二光，沿光路的傳播方向依次為第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，所述第一反射鏡和第三反射鏡平行設置。

優選地，所述第二區域用於透射所述單色光形成第二光，所述中繼裝置包括散光片以及用於反射第二光的三片呈夾角設置的反射鏡，沿光路的傳播方向依次為第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，所述第一反射鏡和第三反射鏡平行設置，所述散光片位於所述第二反射鏡與第三反射鏡之間。

優選地，所述第二區域用於反射所述單色光形成第二光，所述第二區域的邊緣設置一斜面，所述第二區域的朝向入射的單色光的一面的半徑小於背離入射的單色光的一面的半徑，所述斜面設置有用於反射單色光形成第二光的反射段。

優選地，所述中繼裝置包括散光片和兩片呈夾角設置的反射鏡，所述反射鏡用於反射第二光，沿光路的傳播方向依次為第四反射鏡和第五反射鏡，所述散光片設置在第四反射鏡和第五反射鏡之間。

優選地，所述發光裝置為雷射器陣列，用於發射藍色鐳射，所述波長轉換裝置的第一區域上設置的波長轉換材料為黃色螢光粉。

優選地，所述發光裝置和分光裝置之間還設有勻光棒。

本發明還提出一種投影系統，包括如上述所述的光源結構。

本發明技術方案中，光源結構通過發光裝置發出的單色光，經過分光裝置和波長轉換裝置的光處理後，一段時間內的單色光被吸收後激發產生第一光，另一段時間內的單色光被改變傳播方向後形成第二光，第一光和第二光依照一定時序的依次導入出射光接收裝置，分配給具有SLM的投影系統產生投影圖像。該光源結構相比傳統方案減少了將白光分割形成三基色光時光能的損失，簡化了光源的結構，提高了光效。

<本發明>

10:發光裝置

20:波長轉換裝置

21:螢光輪

211:第一區域

212:第二區域

213:反射段

30:分光裝置

40:出射光接收裝置

51:第一反射鏡

52:第二反射鏡

53:第三反射鏡

54:第四反射鏡

55:第五反射鏡

56:散光片

60:勻光棒

圖1為本發明光源結構實施例一的結構示意圖；圖2為本發明光源結構實施例一波長轉換裝置的俯視圖；圖3為本發明光源結構實施例二的結構示意圖；圖4為本發明光源結構實施例二波長轉換裝置的俯視圖；圖5為本發明光源結構實施例三的結構示意圖；圖6為本發明光源結構實施例三波長轉換裝置的俯視圖和截面圖。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

需要說明，本發明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、後……)僅用於解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。

另外，在本發明中如涉及“第一”、“第二”等的描述僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“連接”、“固定”等應做廣義理解，例如，“固定”可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

另外，本發明各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護範圍之內。

請參照圖1與圖2，其中，圖1為本發明光源結構實施例一的結構示意圖，圖2為為本發明光源結構實施例一波長轉換裝置的俯視圖。如圖所示，在本發明的實施例一提出的一種應用於具有SLM的投影系統的光源結構，包括：發光裝置10，用於發射單色光，並入射到分光裝置30；所述分光裝置30，反射所述單色光到波長轉換裝置20，並透射經波長轉換裝置20改變波長範圍的第一光；及反射經中繼裝置(未標示)出射的第二光；所述波長轉換裝置20，為旋轉結構，包括第一區域211和第二區域212，使得經所述分光裝置30反射的所述單色光交替射入所述第一區域211與第二區域212；所述入射的單色光經所述第一區域211後改變波長範圍並出射所述第一光，所述單色光經所述第二區域212光處理形成所述第二光；所述中繼裝置，用於會聚所述第一光並導入出射光接收裝置40，以及會聚並調整所述第二光的傳播方向後導入所述分光裝置30。

需要說明的是，發光裝置10產生的單色光為RGB三基色光中的一種，經過所述第一區域211的波長轉換材料吸收後轉為另外兩種基色光的複合光。即發光裝置10發出藍光，那麼波長轉換裝置20吸收藍光後出射的第一光即為紅光和綠光的複合光-黃光；同理，若發光裝置10發射的是紅光，那麼第一光即為藍光和綠光的複合光-青光，若發光裝置10發射的是綠光，那麼第一光即為紅光和藍光的複合光-品紅。為了便於敘述，本實施例裡面的單色光均採用藍光進行描述，那麼相應的分光裝置30中包括反藍透黃膜片。

第二區域212對所述單色光進行的光處理，一般是指常見的透射、透射加散射、反射等等對光束的調整手段。

本方案中的出射光接收裝置40是投影系統設備中常用的部件，一般包括光機方棒，採用光機方棒和透鏡組成了光源結構中的勻光結構，應當理解地，將複眼透鏡代替光機方棒和透鏡的組合，也在本發明的保護範圍之內。

藍光經過波長轉換裝置20的第一區域211後形成的黃光穿過反藍透黃膜片導入出射光接收裝置40，再進入光機處理系統(圖未示)後會被分成紅光和綠光；而另一部分藍光在第二區域212被改變傳播方向形成第二光-藍光，經過中繼裝置改變光路後經反藍透黃膜片反射導入出射光接收裝置40，再進入光機處理系統。最後圖像調制系統將藍光與綠光或者藍光與紅光分配到其中的一個DMD(Digital Micromirror Device資料微鏡裝置，SLM的一種)上，另外一個DMD分配剩餘的紅光或者綠光，實現由一種單色光轉變為三種基色光，最終經過調制形成投影圖像。

本發明技術方案中，光源結構通過發光裝置10發出的單色光，經過分光裝置30和波長轉換裝置20的光處理後，一段時間內的單色光被吸收後激發產生第一光，另一段時間內的單色光被改變傳播方向後形成第二光，第一光和第二光依照一定時序的依次導入出射光接收裝置40，分配給具有SLM的投影系統產生投影圖像。該光源結構相比傳統方案減少了將白光分割形成三基色光時光能的損失，簡化了光源的結構，提高了光效。

優選地，所述第一區域211上設有波長轉換材料層，用於吸收經所述分光裝置30反射的所述單色光並在單色光的激發下產生所述第一光。

請繼續參見圖2。如圖2所示，優選地，所述第一區域211與第二區域212均為扇形區域，且圓心角之和為360度。

本發明的波長轉換裝置20優選為可以旋轉的螢光輪21，以及驅動該輪形結構旋轉的驅動裝置(未標示)。驅動裝置在本實施例中的選擇為電機，電機用於驅動螢光輪21以一個特定的速度旋轉，這樣螢光輪21上的兩個區域就會週期性的分時的進入藍色光的光路上。當發光裝置10發射的藍光照射在第一區域211時，會被吸收藍光並產生第一光即黃光；當螢光輪21旋轉，使藍光照射在第二區域212時，藍光發生散色，形成第二光。

優選地，所述第二區域212用於散射所述單色光形成第二光，所述中繼裝置包括三片呈夾角設置的反射鏡用於反射第二光，沿光路的傳播方向依次為第一反射鏡51、第二反射鏡52和第三反射鏡53，所述第一反射鏡51和第三反射鏡53平行設置。

為了使散射後的藍光，也即第二光，能夠在投影系統的有限空間內完成傳輸並最終導入出射光接收裝置40，需要中繼裝置對第二光的光路進行調整以盡可能的縮減光源結構的體積。本實施例的中繼裝置主要包括由三片反射鏡，使第二光在入射第一反射鏡51前和出射第三反射鏡53後的方向轉變了270°。同時，第一反射鏡51和第三反射鏡53平行設置，可以使第二光經過第一反射鏡51反射後的光路與經過第三反射鏡53反射後的光路是平行反向的，可以保證第二光經過中繼裝置再由分光裝置30反射後的光斑與第一光經分光裝置30透射出的光斑直徑相匹配，最終由出射光接收裝置40導入光機處理系統，實現較好的顯示效果。

進一步，本發明的實施例二，請同時參閱圖3與圖4，其中，圖3為本發明光源結構實施例二的結構示意圖，圖4為本發明光源結構實施例二波長轉換裝置的俯視圖。如圖3與圖4所示，所述第二區域212用於透射所述單色光形成第二光，所述中繼裝置包括散光片56以及用於反射第二光的三片呈夾角設置的反射鏡，沿光路的傳播方向依次為第一反射鏡51、第二反射鏡52和第三反射鏡53，所述第一反射鏡51和第三反射鏡53平行設置，所述散光片56位於所述第二反射鏡52與第三反射鏡53之間。

本實施例二與實施例一的不同主要在螢光輪21的第二區域212結構，本實施例的第二區域212為鑲嵌的AR玻璃(也叫減反射玻璃，能夠有效消減玻璃的反射率低於4%，增加玻璃的平均透過率超過95%)或者為鏤空結構。此種結構的螢光輪21能夠顯著降低第二光的損耗，提高光源的光效。

由於本實施例的藍光經過第二區域212後損耗很小，其光斑直徑也較小，相應的可以同時減小第一反射鏡51和第二反射鏡52的面積，為了使藍光和黃光進入出射光接收裝置40之前的光斑直徑相匹配，在第二反射鏡52和第三反射鏡53之間設有一個散光片56對藍光的光斑放大，以實現較好的顯示效果。本實施例由於減小了第一反射鏡51和第二反射鏡52的面積，因此相比實施例一減小了光源結構的體積。

再進一步，本發明的實施例三，請同時參閱圖5與圖6，其中，圖5為本發明光源結構實施例三的結構示意圖，圖6為本發明光源結構實施例三波長轉換裝置的俯視圖和截面圖。如圖5與圖6所示，所述第二區域212用於反射所述單色光形成第二光，所述第二區域的邊緣設置一斜面，所述第二區域212的朝向入射的單色光的一面的半徑小於背離入射的單色光的一面的半徑，所述斜面設置有用於反射單色光形成第二光的反射段213。

本實施例三相比於上一實施例最大的不同在於螢光輪21的第二區域212結構。本實施例的螢光輪21相對厚度較大，因此可以在第二區域212的邊緣部分的斜面設有藍光反射段213，當藍光照射到第二區域212時，會被斜面直接反射出去，相當於直接改變了傳播方向，代替了本實施例二中第一反射鏡51的作用，因此相比於上一實施例，進一步減小了光源結構的體積。

優選地，所述中繼裝置包括散光片56和兩片呈夾角設置的反射鏡，所述反射鏡用於反射第二光，沿光路的傳播方向依次為第四反射鏡54和第五反射鏡55，所述散光片56設置在第四反射鏡54和第五反射鏡55之間。

由於本實施例中螢光輪21的第二區域212具備反射作用，因此中繼裝置僅需要兩個反射鏡即可，同時為了使藍光和黃光進入出射光接收裝置40之前的光斑直徑相匹配，在第四反射鏡54和第五反射鏡55之間設有一個散光片56對藍光的光斑放大，以實現較好的顯示效果。本實施例的中繼裝置由於僅需兩個反射鏡，因此能進一步的減小光源結構的體積。

優選地，所述發光裝置10為雷射器陣列，用於發射藍色鐳射，所述波長轉換裝置20的第一區域211上設置的波長轉換材料為黃色螢光粉。

鐳射具有方向性好、顏色純度高、亮度極高等特點，因此採用鐳射作為投影設備中光源結構的初始光能產生極佳的顯示效果。由於藍光在三基色中頻率最高、波長最短，在光的傳播過程中能量的損失也就最小，因此能保證較高的傳輸效率；而黃色螢光材料是目前效率最高、性能最為穩定的螢光材料(波長轉換材料)，因此本發明的第一區域211採用黃色螢光粉用於產生黃光，能夠提高入射藍色鐳射的利用率，同時保證該部件的工作可靠性。

優選地，所述發光裝置10和分光裝置30之間還設有勻光棒60，用於將雷射器陣列發射的高斯分佈的鐳射重新配光，以實現均勻分佈的光斑，實現投影圖像亮度和色彩的均勻化。

本發明還提出一種投影系統，包括如上述所述的光源結構。該光源結構的具體結構參照上述實施例，由於本投影系統採用了上述所有實施例的全部技術方案，因此至少具有上述實施例的技術方案所帶來的所有有益效果，在此不再一一贅述。

必須加以強調的是，以上對本發明所提供的一種光源結構進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用以幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。

10‧‧‧發光裝置

20‧‧‧波長轉換裝置

30‧‧‧分光裝置

40‧‧‧出射光接收裝置

51‧‧‧第一反射鏡

52‧‧‧第二反射鏡

53‧‧‧第三反射鏡

60‧‧‧勻光棒

Claims

一種光源結構，係包括：一發光裝置，用於發射一單色光，並入射到一分光裝置；其中，該分光裝置，反射所述單色光到波長轉換裝置，並透射經波長轉換裝置改變波長範圍的第一光；及反射經中繼裝置出射的第二光；其中，該波長轉換裝置，為旋轉結構，包括第一區域和第二區域，使得經所述分光裝置反射的所述單色光交替射入所述第一區域與第二區域；所述入射的單色光經所述第一區域後改變波長範圍並出射所述第一光；其中，所述第二區域用於反射所述單色光形成所述第二光，所述第二區域的邊緣設置一斜面，所述第二區域的朝向入射的單色光的一面的半徑小於背離入射的單色光的一面的半徑，所述斜面設置有用於反射所述單色光以形成所述第二光的反射段；其中，該中繼裝置用於會聚述第一光並導入一出射光接收裝置，以及會聚並調整所述第二光的傳播方向後導入所述分光裝置。
如申請專利範圍第1項所述的光源結構，其中，該第一區域上設有波長轉換材料層，用於吸收經所述分光裝置反射的所述單色光並在單色光的激發下產生所述第一光。
如申請專利範圍第1項所述之光源結構，其中，該第一區域與第二區域均為扇形區域，且圓心角之和為360度。
如申請專利範圍第2項所述之光源結構，其中，該第二區域用於散射所述單色光形成第二光，所述中繼裝置包括三片呈夾角設置的反射鏡用於反射第二光，沿光路的傳播方向依次為第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，所述第一反射鏡和第三反射鏡平行設置。
如申請專利範圍第2項所述之光源結構，其中，該第二區域用於透射所述單色光形成第二光，所述中繼裝置包括散光片以及用於反射第二光的三片呈夾角設置的反射鏡，沿光路的傳播方向依次為第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，所述第一反射鏡和第三反射鏡平行設置，所述散光片位於所述第二反射鏡與第三反射鏡之間。
如申請專利範圍第5項所述的光源結構，其中，該中繼裝置包括散光片和兩片呈夾角設置的反射鏡，所述反射鏡用於反射第二光，沿光路的傳播方向依次為第四反射鏡和第五反射鏡，所述散光片設置在第四反射鏡和第五反射鏡之間。
如申請專利範圍第1項所述的光源結構，其中，該發光裝置為雷射器陣列，用於發射藍色鐳射，所述波長轉換裝置的第一區域上設置的波長轉換材料為黃色螢光粉。
如申請專利範圍第1至7項中的任一項所述的光源結構，其中，該發光裝置和分光裝置之間還設有勻光棒。
一種投影系統，係包括如申請專利範圍第1至8項中的任一項所述的光源結構。