一種光源裝置及投影系統的製作方法

2023-06-16 04:06:11

本發明涉及雷射投影技術領域，尤指一種光源裝置及投影系統。

背景技術：

目前投影系統中一必不可少的部分即為光源裝置。光源裝置是一種複雜的光學系統，在光源裝置的光學架構中，螢光粉輪為常見波長轉換裝置，螢光產生的原理是利用激發光激發螢光粉發光，為保證系統光效，激勵光束聚焦到螢光粉輪發光面能量密度有一定的限制，若能量密度較大，則螢光轉化效率較低，且雷射能量密度較大會加大對所經光學鏡片的損傷。擴散片作為光源勻化元件，可將激勵光束勻化擴束，從而確保光束聚焦螢光粉輪發光面的能量密度使得螢光粉轉化效率較高。

而在現有光源裝置中，擴散片的擴散角度是固定的，由於光學系統元器件較多，而現有工藝及機械製造無法通常無法滿足精度要求，從而無法滿足光源所需要的擴散角度精度，導致光源輸出光束不能有效進入光棒，影響光學效率。並且當擴散片固定後，光源的光斑固定照射到鏡片上，如採用雷射時其功率密度較大，極易造成鏡片透過率下降，造成光源輸出亮度衰減。此外，螢光粉輪塗覆有可發出不同顏色的螢光粉，而不同類型的螢光粉在同一光源功率密度下，激發轉化效率不同，現有的擴散片已不能滿足更高的要求。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種光源裝置及投影系統，用以調整光源出射光的能量密度以適應不同螢光材料。

第一方面，本發明實施例提供一種光源裝置，包括第一光源，以及沿所述第一光源出光光路依次設置的第一擴散輪、螢光輪；其中，

所述第一擴散輪包括至少兩個擴散角度不同的擴散部；所述螢光輪包括螢光部和透射部；

所述第一擴散輪以及所述螢光輪在轉動過程中，所述螢光部和所述透射部分別對應至少一個所述擴散部，所述第一光源的出射光經過所述擴散部入射對應的所述螢光部或透射部。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述螢光部包括：第一螢光部和第二螢光部；

所述第一擴散輪包括：對應於所述第一螢光部的第一擴散部、對應於所述第二螢光部的第二擴散部以及對應於所述透射部的第三擴散部；其中，

所述第一擴散部的擴散角度以及所述第二擴散部的擴散角度均大於所述第三擴散部的擴散角度。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述第一螢光部與所述第一擴散部對應的圓心角相等，所述第二螢光部與所述第二擴散部對應的圓心角相等，所述透射部和所述第三擴散部對應的圓心角相等。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述第一螢光部、所述第二螢光部和所述透射部的形狀相同，面積相等；

所述第一擴散部、所述第二擴散部和所述第三擴散部的形狀相同，面積相等。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述第一螢光部為黃色螢光部，所述第二螢光部為綠色螢光部；

所述第二擴散部的擴散角度大於或等於所述第一擴散部的擴散角度；所述第一擴散部的擴散角度大於所述第三擴散部的擴散角度。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述第一擴散輪包括：至少四個擴散角度不等的擴散部；

所述螢光部和所述透射部分別對應至少兩個所述擴散部。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述第一擴散輪包括：六個面積相等且擴散角度依次遞增的連續排布的擴散部；

所述螢光部的面積為所述透射部的面積的兩倍；所述螢光部對應任意四個連續的所述擴散部。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述擴散部的擴散角度為0-10度。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，各所述擴散部的擴散角度以等差角度遞增；所述等差角度為0.1-1度。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述第一光源為藍色光源。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述螢光輪為反射式螢光輪，所述光源裝置還包括：位於所述螢光輪透射光的光路上的第二擴散輪；

所述第二擴散輪包括至少兩個擴散角度不等的擴散部，用於對所述螢光輪的透射光擴束。

在一種可能的實現方式中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，所述螢光輪為透射式螢光輪。

第二方面，本發明實施例提供一種投影系統，包括上述任一光源裝置。

本發明有益效果如下：

本發明實施例提供的光源裝置及投影系統，包括第一光源，以及沿第一光源出光光路依次設置的第一擴散輪、螢光輪；第一擴散輪包括至少兩個擴散角度不同的擴散部；螢光輪包括螢光部和透射部；第一擴散輪以及螢光輪在轉動過程中，螢光部和透射部分別對應至少一個擴散部，第一光源的出射光經過擴散部入射對應的螢光部或透射部。通過設置具有不同擴散角度的擴散輪，使得不同的螢光部對應適合的擴散部，從而調整出射光的能量密度適應螢光部材料，提高其發光效率。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的光源裝置的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的螢光輪的結構示意圖之一；

圖3為本發明實施例提供的擴散輪的結構示意圖之一；

圖4為本發明實施例提供的螢光輪與擴散輪的工作原理圖；

圖5為本發明實施例提供的螢光輪的結構示意圖之二；

圖6為本發明實施例提供的擴散輪的結構示意圖之二；

圖7為本發明實施例提供的擴散輪的結構示意圖之三。

具體實施方式

本發明實施例提供一種光源裝置及投影系統，用以調整光源出射光的能量密度以適應不同螢光材料。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本發明更全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。在圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略對它們的重複描述。本發明中所描述的表達位置與方向的詞，均是以附圖為例進行的說明，但根據需要也可以做出改變，所做改變均包含在本發明保護範圍內。

如圖1所示，本發明實施例提供的光源裝置，包括：第一光源11，以及沿第一光源出光光路依次設置的第一擴散輪12、螢光輪13。

進一步地，如圖2所示，螢光輪13包括螢光部131和透射部132。如圖3所示，第一擴散輪12包括至少兩個擴散角度不同的擴散部(如圖3所示的擴散部121和擴散部122)。

在實際應用時，如圖4所示，第一擴散輪12以及螢光輪13在轉動過程中，可以控制第一擴散輪12以及螢光輪13的時序，使得螢光輪13中的螢光部131以及透射部分別對準第一擴散輪12中擴散角度適合的擴散部，從而使得第一光源的出射光在經過與螢光部131相對應的擴散部之後，光束被擴束為適合螢光部131高效發光的能量密度。在具體實施時，螢光部131和透射部132可分別對應至少一個擴散部，且通常情況下螢光部131和透射部132所對應的擴散部的擴散角度不相同。

以使用圖2所示的螢光輪以及圖3所示的擴散輪為例，第一光源11的出射光波長小於螢光部131的螢光材料受激發射的螢光的波長，且螢光部131的螢光材料所需要的激發光能量密度小於第一光源11的出射光束的能量密度，因此需要在第一光源的出射光入射到螢光部131之前先通過擴散片勻光以降低出射光的能量密度，然而透射部則需要光束以較小的擴散角度通過以減小能量損失。有鑑於此，本發明實施例提供的上述光源裝置中設置的第一擴散輪12包括具有不同擴散角度的擴散部，在螢光輪13以設定的轉速旋轉時，第一光源11的出射光束可以既定的時序交替入射到螢光部131和透射部132時，此時設置第一擴散輪12的時序與螢光輪13的時序相匹配，使得第一擴散輪12中擴散角度較大的擴散部對準上述螢光部131，從而使得光源出射光束在通過該擴散部入射到螢光部131時降低到適合的能量密度，以提調螢光部131的螢光材料的發光效率；與此同時，使第一擴散輪12中擴散角度較小的擴散部對準上述透射部132，從而使得光源出射光束以相對較小的擴散角度通過透射部，以避免透射光的能量損失。

除此之外，現有技術中所採用的勻光元件在固定後，光源出射光的光斑會以固定的能量密度長期入射到鏡片的同位置，由於光源光束功率較大，長期以固定能量密度照射的鏡片的透過率會下降，造成光源的輸出亮度衰減。本發明實施例提供的上述光源裝置中，採用擴散角度可變的擴散輪作為光源裝置中的勻光元件可以避免固定高功率光源出射光長期照射鏡片的同一位置，由此可以避免鏡片的損壞而造成的不必要成本。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，第一擴散輪12中的各擴散部可為擴散角度不同的擴散片，各擴散片相互粘合成一個平面，固定在如圖4所示的轉軸123上，轉軸123連接驅動電機，使得第一擴散輪12可以設定的時序旋轉。同樣地，螢光輪13的螢光部131可形成在一透明襯底的部分區域上，而未塗覆螢光材料的部分即可作為透射部132，將該透明襯底固定於如圖4所示的轉動軸133上，連接驅動電機後可帶動螢光輪13以設定的時序旋轉。在實際應用中，只需要設定第一擴散輪12和螢光輪13以匹配的時序，即可使得螢光部131和透射部132對應合適的擴散角度的擴散部。

在具體實施時，螢光部不限於僅塗覆一種顏色的螢光粉，且通常情況下，為實現白色光出射，如圖5所示，螢光部可包括：第一螢光部231、第二螢光部232和透射部233。相應地，作為一種優選實施方式，如圖6所示，第一擴散輪可包括：對應於第一螢光部231的第一擴散部221、對應於第二螢光部232的第二擴散部222以及對應於透射部233的第三擴散部223。

由於螢光部對光源光束的能量密度承受能力有限，相對小於透射部所能承受的光能量密度，因此在具體實施時，第一擴散部221和第二擴散部222的擴散角度均大於第三擴散部223的擴散角度。

進一步地，各擴散部與對應的各螢光部、透射部可恰好相對應，即第一螢光部231與第一擴散部221對應的圓心角相等，第二螢光部232與第二擴散部222對應的圓心角相等，透射部233和第三擴散部223對應的圓心角相等。採用上述一一對應的設置可以在具體實施時保持第一擴散輪與螢光輪的時序一致，即可使螢光輪的各部分所接收到的光束的擴散角度(能量密度)與各部分的需要相適應。

為簡化製作工藝，如圖5所示，可將第一螢光部231、第二螢光部232和透射部233設置相同的形狀和面積；相應地，如圖6所示，第一擴散部221、第二擴散部222和第三擴散部223的形狀也相同，面積相等。

在實際應用中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，第一光源可為藍色光源，第一螢光部231可為黃色螢光部，第二螢光部232為綠色螢光部；由於黃色螢光部相對於綠色螢光部能夠承受更大的光源光束的光功率密度，因此可相應地將黃色螢光部對應的第一擴散部221的擴散角度大於綠色螢光部對應的第二擴散部222的擴散角度。

通常情況下，第二擴散部222的擴散角度可大於或等於第一擴散部的擴散角度221；第一擴散部221的擴散角度大於第三擴散部223的擴散角度。作為一種優選的實施方式，綠色螢光部對應的第二擴散部的擴散角度大於黃色螢光部對應的第一擴散部的擴散角度大於透射部對應的第三擴散部的擴散角度。

舉例來說，第一光源的發射光為藍色雷射，圖5所示的第一螢光部231為黃色螢光部，第二螢光部232為綠色螢光部(以下的231指代黃色螢光部，232指代綠色螢光部)；如圖6所示的第一擴散輪中，第一擴散部221與黃色螢光部231對應，第二擴散部222與綠色螢光部232對應，第三擴散部223與透射部233對應。其中，擴散部221、222的擴散角度為1-5度，擴散部223的擴散角度為0-1度。黃色螢光部231塗覆的黃色螢光粉能夠耐受的光源光束的能量密度大於綠色螢光部232塗覆的綠色螢光粉所面耐受的光源光束的能量密度，因此，可將第一擴散部221的擴散角度設置相對小於第二擴散部222的擴散角度，如第一擴散部221的擴散角度為2度，第二擴散部的擴散角度為3度，以保護黃色螢光部231和綠色螢光部232均有較高的激發效率。而透射部所透射的藍光需要以較小的擴散角度經過，以減小藍光能量損失。例如，在上述第一擴散部和第二擴散部所設置的擴散角度的前提下，可將對應於透射部233的第三擴散部223的擴散角度設置為1度。在具體實施時，通過調節第一擴散輪與螢光輪的時序使各擴散部與對應的螢光部或透射部對應，即可實現螢光輪各部分所需要的不同擴散角度光源出射光束的要求。

此外，還可將黃色螢光部231對應的第一擴散部221，與綠色螢光部232對應的第二擴散部222的擴散角度設置相等，且均大於透射部233對應的第三擴散部223的擴散角度。在此不做限定，螢光輪除使用螢光材料塗覆之外，還可採用量子點發光材料塗層等，在此不做限定。通過將第一擴散輪設置多個不同擴散角度的擴散部，使得光源的出射光束通過第一擴散輪之後光束髮散角度不同，則光束在鏡片上的分布也發生了變化，從而減緩鏡片因高能光束長期照射而透過率下降。

在另一種可實施的方式中，本發明實施例提供的上述第一擴散輪中的擴散部與螢光輪中的螢光部和透射部也可為非一一對應的關係。具體地，如圖7所示，第一擴散輪可包括：至少四個擴散角度不等的擴散部(如圖7中的擴散部321-326)；則螢光部和透射部可分別對應至少兩個擴散部。

在具體實施時，可通過調節第一擴散輪與螢光輪的時序，使得螢光輪中的螢光部對應第一擴散輪中不同擴散角度的多個擴散部，並且可根據需要變化螢光部所對應的擴散角度，從而實現螢光部激發效率的改變。

如下以圖7所示的包括6個擴散部的第一擴散輪以及圖5所示的螢光輪的對應關係為例進行說明。具體地，如圖7所示，第一擴散輪包括6個面積相等且擴散角度依次遞增的連續排布的擴散部(分別對應圖7中的擴散部321-326)。如上所述，螢光輪包括螢光部和透射部233，其中，螢光部可為分黃色螢光部231和綠色螢光部232，且各螢光部和透射部的面積相等，因此，螢光部(231和232)的面積為透射部233的2倍。那麼在實際應用中，可以使螢光部對應第一擴散輪中任意四個連接的擴散部，如螢光部在第一時間段對應擴散部321-324，在第二時間段對應擴散部322-326等，通過第一擴散輪與螢光輪的轉速調節，可以按時序調整螢光部所對應的擴散部擴散角度，從而使得入射到螢光部的光源光束的能量密度發生變化，以改變螢光的激發效率。

進一步地，第一擴散輪中各擴散部的擴散角度可為0-10度，且各擴散部的擴散角度以等差角度遞增，其中，等差角度可為0.1-1度。

舉例來說，如圖7所示第一擴散輪可包括第一擴散部321、第二擴散部322、第三擴散部323、第四擴散部324、第五擴散部325和第六擴散部326，且各擴散部的面積相等構成一個圓環，各擴散部在該圓環上對應的圓心角均為60度。其中，各擴散部的擴散角度依次設置為第一擴散部321為5度、第二擴散部322為5.1度、第三擴散部323為5.2度、第四擴散部324為5.3度、第五擴散部325為5.4度和第六擴散部326為5.5度，通過時序控制，螢光部可以對應5度到5.3度的4個擴散角度較小的擴散區域，也可對應5.2度到5.5度的擴散角度較大的擴散區域，通過調節第一擴散輪時序可以實現光源光束的擴散角度的改變，即照射到螢光部的光源光束的能量密度發生變化，從而實現在螢光激發效率的改變。

需要說明的是，上述僅以等面積分布的6個擴散部舉例說明，在實際應用中，根據需要亦可設置更多的擴散角度不同的擴散部，以實現螢光部更精細的激發效率的控制。擴散輪包括更多的擴散角度不等的擴散部，相當於提高增大照射到螢光部的光源光束的光斑覆蓋的面積，功率密度相對降低。各擴散部的面積可相同也可不相同，擴散角度的分布還可以採用非等差角度遞增的方式進行設置，本發明實施例在此均不做限定。

在實際應用中，在本發明實施例提供的上述光源裝置中，螢光輪可為反射式螢光輪也可為透射式螢光輪，其應用原理相同參見上述說明，此處不再贅述。

當螢光輪為反射式螢光輪時，如圖1所示，本發明實施例提供的上述光源裝置，還包括：位於螢光輪13透射光的光路上的第二擴散輪14；第二擴散輪14包括至少兩個擴散角度不等的擴散部，用於對螢光輪的透射光擴束。

如圖1所示，反射式螢光輪激發的螢光光束將反射回第一光源的一側，在經過光束轉向元件改變螢光光束的傳播方向，最終經過混光後入射到光棒。而對於螢光輪透射部分的透射光源光束減小能量損失是以較小擴散角度傳播，然而受光學系統拓展量守恆的限制，光源光束在螢光輪發光面聚焦光斑尺寸越小，在光棒入口聚焦的光斑越小，則光源輸出的能量進入光棒的效率越高。因此，通過調節第二擴散輪14的時序，可改變穿過螢光輪透射部分光源光束的擴束角度，從而影響透射光束進入光棒的能量以及螢光光束與透射光束的混光效果。具體來說，透射光束的擴散角度越大，則在光棒入口聚焦的光斑越大，進入光棒的能量則越小，但與螢光光束的混光效果越好。因此，可通過控制第二擴散輪14的時序控制透射光束入射到光棒能量較高的前提下，使透射光束入射至擴散角度較大的擴散部，進而提升螢光光束與透射光束的混光效果，提高顯示系統的畫面效果。在實際應用時，上述的第二擴散輪14可優選使用包含擴散角度較多的擴散輪，從而通過控制第二擴散輪14的時序適應透射光束所需的擴散角度。

進一步地，如圖1所示，本發明實施例提供的上述光源裝置，還包括：位於第一光源11與第一擴散輪之間的整形透鏡15，對第一光源11的出射光束整形；位於第一擴散輪12與螢光輪13之間的二向色鏡16，可反射螢光束，透射雷射光束；位於螢光輪兩側的聚光透鏡17和發散透鏡18；以及用於改變光路方向的多個光路轉向鏡19和用於對光束準直處理的準直透鏡20。第一光源11的出射雷射光束在經過第一擴散輪12、螢光輪13以及第二擴散輪等光學元件的作用之後，螢光光束與透射光束混光生成白光光束入射至合光透鏡21，再經過濾色輪22生成顯示所需要的三基色光束入射光棒。

基於同一發明構思，本發明實施例還提供一種投影系統，該投影系統包括上述任一光源裝置。該光源裝置中的第一光源通常可為雷射激勵光源，在使用雷射激勵光源時上述投影系統可為雷射投影系統。光源裝置的出射光通過濾色輪濾色輸出進入光機照明系統(包括上述的光棒)。光機照明系統將光束輸出給光閥部件，例如在數字光處理(digitallightprocession，簡稱dlp)構架中，光閥部件可為數字微鏡晶片(digitalmicromirrordevice，簡稱dmd)，dmd晶片接收圖像信號的驅動，將三基色光光束進行調製後輸出給投影鏡頭，由投影鏡頭將光束投射到投影屏幕上提供給觀看者觀看。

本發明實施例提供的光源裝置及投影系統，包括第一光源，以及沿第一光源出光光路依次設置的第一擴散輪、螢光輪；第一擴散輪包括至少兩個擴散角度不同的擴散部；螢光輪包括螢光部和透射部；第一擴散輪以及螢光輪在轉動過程中，螢光部和透射部分別對應至少一個擴散部，第一光源的出射光經過擴散部入射對應的螢光部或透射部。通過設置具有不同擴散角度的擴散輪，使得不同的螢光部對應適合的擴散部，從而調整出射光束的能量密度適應螢光部材料，提高其發光效率。

儘管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明範圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。