光源装置及投影系统的制作方法

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光源装置及投影系统。

背景技术：

目前，空间光调制器(slm)在投影显示领域获得广泛应用，空间光调制器一般包括lcd、lcos、dmd等。根据slm数量进行分类，可分为单片式、双片式与三片式三种系统，其中双片式系统因具有兼顾光效与成本的优点正在被广泛地推广。

现有的双片式系统，大多采用蓝激光激发黄光荧光粉来产生时序的蓝光和黄光，再通过分光合光棱镜将黄光分成绿光和红光，从而构成投影所需要的红绿蓝三基色光。但是，由于绿光和红光为黄光分出的光，因此，红光的亮度不足且色纯度较低。

技术实现要素：

鉴于上述状况，有必要提供一种提高基色亮度及色纯度的光源装置及投影系统。

本发明提供一种光源装置，包括：激发光源，用于发出第一基色激发光；色轮，包括用于接收所述第一基色激发光并产生混色受激光的转换区域，以及用于接收所述第一基色激发光并出射未被转换的第一基色光的非转换区域；补充光源，用于发出第二基色补充光以及第三基色补充光；光引导组件，用于引导所述第二基色补充光、第三基色补充光以及由所述色轮出射的第一基色光与混色受激光从相同的出射通道出射。

本发明还提供一种投影系统，包括上述的光源装置；分光元件，用于将由所述光源装置出射的第一基色光、混色受激光、第二基色补充光以及第三基色补充光分成沿第一光路传输的光以及沿第二光路传输的光，其中所述混色受激光被分离为第二基色光与第三基色光；第一空间光调制器，用于对沿第一光路传输的光进行调制；以及第二空间光调制器，用于对沿第二光路传输的光进行调制。

本发明提供的光源装置以及投影系统，通过补充光源发出的第二基色补充光以及第三基色补充光，分别用于补充由混色受激光分离形成的第二基色以及第三基色光的亮度及色纯度。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的投影系统的结构示意图。

图2为图1所示投影系统的光源装置的结构示意图。

图3是图2所示光源装置的色轮的结构示意图。

图4是图1所示投影系统的色域图。

图5是本实施例提供的激发光源、补充光源的开断时序的示意图。

图6是本实施例的投影系统的图像调制时序图。

图7是本发明投影系统的第二实施例的图像调制时序图。

图8是本发明投影系统第三实施例的光源装置的结构示意图。

图9是图8所示光源装置的色轮的结构示意图。

图10是本发明投影系统第四实施例的光源装置的结构示意图。

图11是本实施例激光器阵列的示意图。

图12是本实施例第二合光元件的结构示意图。

图13是本发明投影系统第五实施例的光源装置的结构示意图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似应用，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。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。

请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的投影系统的结构示意图。所述投影系统100包括光源装置10、分光元件20、第一空间光调制器60、第二空间光调制器70以及投影镜头80。光源装置10用于发出第一光与第二光，其中第一光包括第一基色光与混色受激光，第二光包括第二基色补充光与第三基色补充光。需要说明的是，混色受激光指的是受激光的颜色并不是光的三原色(三基色)，其可被分离为两种基色光。所述分光元件20用于将所述第一光与第二光分成沿第一光路传输的光以及沿第二光路传输的光，其中所述混色受激光被分离为第二基色光与第三基色光。所述第一空间光调制器60用于对沿第一光路传输的光进行调制，所述第二空间光调制器70用于对沿第二光路传输的光进行调制。所述投影镜头80用于接收空间光调制器产生的投影光以进行图像的投影显示。可以理解的是，所述投影系统100还包括用于将由所述分光元件20出射的光分别引导至所述第一空间光调制器60与第二空间光调制器70的光引导元件。所述空间光调制器可以为dmd空间光调制器、lcos空间光调制器或lcd空间光调制器，但并不以上述为限。

请参阅图2，图2为图1所示投影系统的光源装置的结构示意图。所述光源装置10包括激发光源120、补充光源130、光引导组件、色轮160及匀光器件180。所述激发光源120用于发出至少一种颜色的第一基色激发光。本实施例中，所述激发光源120用于发出第一基色激发光。所述色轮160用于接收所述第一基色激发光并出射第一光。所述补充光源130用于发出第二光。所述光引导组件用于引导所述第一光与第二光从相同的出射通道出射。所述匀光器件180对所述第一光与第二光进行匀光。

所述激发光源120可以为蓝色光源，发出蓝色第一基色激发光，但可以理解的是，所述激发光源120不限于蓝色光源，也可以是紫色光源、红色光源、绿色光源等。本实施例中，所述激发光源120为蓝色激光器，用于发出蓝色激光作为所述第一基色激发光。可以理解，所述激发光源120可以包括一个、两个或多个蓝色激光器，具体其激光器的数量可以依据实际需要选择。

所述色轮160位于所述第一基色激发光的光路上。所述色轮160包括至少两个分段区域，所述至少两个分段区域接收所述第一基色激发光并对应出射所述第一光，其中所述第一光包括至少两种颜色光，每个分段区域对应发出一种颜色光。具体的，所述色轮160的分段区域上可以设置波长转换材料，例如荧光材料，所述荧光材料接收所述第一基色激发光产生荧光(混色受激光)。可以理解的是，所述色轮160可以沿其圆心周期性旋转，使得各分段区域周期性位于所述激发光源120的光路上，从而时序出射所述第一基色光与所述混色受激光。本实施例中，所述色轮160为半透射半反射式色轮，例如部分分段区域为透射区域，另一部分分段区域为反射区域，所述色轮160的出射光线中部分出射光线的传播方向与入射光线的传播方向相同，部分出射光线的传播方向与入射光线的传播方向相反。

请参阅图3，图3是图2所示光源装置的色轮的结构示意图。具体的，所述色轮160包括沿圆周方向设置的非转换区域b以及转换区域y。所述非转换区域b上可设置散射材料，用于接收所述第一基色激发光并将所述第一基色激发光散射后射出所述第一基色光，其中所述第一基色光的波长范围与所述第一基色激发光的波长范围相同。所述转换区域y上设置有黄色荧光材料，用于接收所述第一基色激发光来产生混色受激光(黄色受激光)。本实施例中，所述非转换区域b位于所述透射区域，所述转换区域y位于所述反射区域，即所述第一基色光由所述非转换区域b透射射出，所述混色受激光由所述转换区域y反射射出。可以理解的是，在变更实施例中，所述非转换区域b可设于所述反射区域，所述转换区域y可设于所述透射区域。可以理解的是，在变更实施例中，所述转换区域可包括周向设置的第二基色荧光区域r、第三基色荧光区域g。

所述补充光源130设置于所述色轮160背离所述激发光源120的一侧，即，所述补充光源130与激发光源120位于所述色轮160的不同侧。所述补充光源130包括至少一激光器，用于发出至少一种颜色的激光作为所述第二光。本实施例中，所述补充光源130包括用于发出第二基色补充光(如红色补充光)的第一发光元件，以及用于发出第三基色补充光(如绿色补充光)的第二发光元件。

所述光引导组件包括第一光引导组件140、第二光引导组件150以及第一合光元件170。本实施例中，所述第一光引导组件140用于将由所述色轮160的第一侧出射的光引导至所述第一合光元件170，所述第二光引导组件150用于将由所述色轮160上与第一侧相对设置的第二侧出射的光引导至所述第一合光元件170，其中所述色轮160出射的所述第一光以及所述补充光源130出射的所述第二光在所述第一合光元件170处利用扩展量的方式合光后从相同的出射通道出射。

所述第一光引导组件140包括第二合光元件142。所述第二合光元件142位于所述激发光源120与所述色轮160之间，用于透射所述第一基色激发光并反射所述混色受激光。本实施例中，所述第二合光元件142为包括透蓝反黄镀膜的镜片。

进一步，所述第一光引导组件140还包括第一收集透镜组144以及第一聚光透镜146。所述第一收集透镜组144用于将所述激发光源120发出的第一基色激发光会聚于所述色轮160的表面，并对所述色轮160的出射光进行准直。本实施例中，所述第一收集透镜组144与所述激发光源120同轴设置。所述第一聚光透镜146用于将由所述第二合光元件142出射的混色受激光进行会聚出射。本实施例中，所述混色受激光透过所述第一合光元件170后会聚于所述匀光器件180的入口面上。

所述第二光引导组件150包括第三合光元件152。所述第三合光元件152位于所述补充光源130与所述色轮160之间，用于透射所述第二基色补充光以及第三基色补充光并反射由所述色轮160出射的第一基色光。其中，所述第一基色光、第二基色补充光以及第三基色补充光在所述第三合光元件152处利用扩展量的方式合光。本实施例中，所述第三合光元件152为包括透黄反蓝镀膜的镜片。

进一步，为获得更好的出光效果，所述第二光引导组件150还包括设置在所述第三合光元件152与所述第一合光元件170之间的散射元件153，用于对第二基色补充光、第三基色补充光以及第一基色光进行消相干处理，从而避免第一光与第二光的合光存在的散斑现象。另外，优选的，所述第二光引导组件150还包括第二收集透镜组154以及第二聚光透镜156。所述第二收集透镜组154用于对由所述色轮160出射的第一基色光进行准直后射入所述第三合光元件152。所述第二聚光透镜156用于将所述第二基色补充光、第三基色补充光以及第一基色光会聚于所述第一合光元件170上。进一步，为使得光源装置10的结构更为紧凑，所述第二光引导组件150还包括第一反射元件157，用于反射由所述第三合光元件152出射的第二基色补充光、第三基色补充光与第一基色光。

所述第一合光元件170可以采用波长分光的光学结构，即根据入射光的不同波长范围进行合光。作为波长分光的一种实施例，所述第一合光元件170用于透射所述混色受激光，反射所述第二基色补充光、第三基色补充光与第一基色光。具体地，所述第一合光元件170包括反射区域以及透射区域，所述反射区域用于反射所述第一基色光、第二基色补充光、第三基色补充光，所述透射区域用于透射所述混色受激光。具体的，所述第一合光元件170的反射区域设置有反射镀膜。由于所述第一基色光与第二基色补充光、第三基色补充光会聚于所述反射区域(反射镀膜)，因此所述反射镀膜的面积可设计得足够小，由此所述混色受激光透过所述第一合光元件170的反射区域产生的损失可达到最小。

由所述第一合光元件170出射的第一光与第二光经所述匀光器件180匀光后出射至所述分光元件20。

请参阅图4，图4是图1所示投影系统的色域图。r1、g1、b1分别为所述补充光源130发出的第二基色补充光、第三基色补充光以及所述激发光源120发出的第一基色光的色坐标。r2、g2分别为由所述混色受激光分离出的第二基色光以及第三基色光的色坐标。本实施例中所述第一光与第二光可以展示的色域范围可以为dci色域范围，例如色域范围dci-p3，其三基色色坐标分别为r、g、b，基色的色纯度更高。其中投影系统的第二基色光(色坐标r)由第二基色补充光(色坐标r1)与分离出的第二基色光(色坐标r2)混色形成，即由红激光与红荧光合光得到；投影系统的第三基色光(色坐标g)由第三基色补充光(色坐标g1)与分离出的第三基色光(色坐标g2)混色形成，即由绿激光与绿荧光合光得到；投影系统的第一基色光(色坐标b)由激发光源出射的第一基色光(色坐标b1)与第三基色补充光(色坐标g1)混色形成，即由蓝激光与绿激光合光得到。现有双片式投影系统的三基色色坐标分别为r2、g2、b1，与现有双片式投影系统相比，本实施例通过增加第二基色补充光以及第三基色补充光，使得投影系统的三基色色标准分别为r、g、b，扩大了色域范围。

请一并参阅图5，图5是本实施例提供的激发光源、补充光源的开断时序的示意图。所述激发光源120一直处于开启状态，所述补充光源130在所述非转换区域b位于所述第一基色激发光的光路上时开启发出具有较小强度的第三基色补充光(绿色激光)，在所述转换区域y位于所述第一基色激发光的光路上时开启发出第二基色补充光(红色激光)与第三基色补充光。本实施例中，通过在所述非转换区域b位于第一基色激发光的光路上时开启所述补充光源130发出具有较小强度的第三基色补充光，弥补由所述非转换区域b出射的第一基色光，从而扩大投影系统的色域范围。

其中，所述三基色指的是红绿蓝三基色，所述第一基色指蓝色，所述第二基色指红色，所述第三基色指绿色。但是可以理解，在其他实施方式中，所述第一基色也可以指绿色，所述第二基色也可以指蓝色，各基色的指代均可以依据具体实施情况变化，并不以上述指代为限。

本实施例中，所述分光元件20包括透红蓝反绿的膜层，用于透射所述第一基色光、第二基色补充光与第二基色光且反射第三基色补充光与第三基色光。所述第一基色光、第二基色补充光与第二基色光透过所述分光元件20沿所述第一光路传输至所述第一空间光调制器60。第三基色补充光与第三基色光经所述分光元件20反射沿所述第二光路传输至所述第二空间光调制器70。

请一并参阅图6，图6是本实施例的投影系统的图像调制时序图。在所述非转换区域b位于所述第一基色激发光的光路上时，所述第一空间光调制器接收包含第一基色光(蓝色)信号的图像信号并对所述第一基色光进行调制，所述第二空间光调制器接收包含第一基色光信号的图像信号并对第三基色光(绿色)进行调制，从而成像出第一基色图像。在所述转换区域y位于所述第一基色激发光的光路上时，所述第一空间光调制器接收包含第二基色光(红色)信号的图像信号并对所述第二基色光进行调制以成像出第二基色图像，所述第二空间光调制器接收包含第三基色光(绿色)信号的图像信号并对所述第三基色光进行调制以成像出第三基色图像。

本实施例提供的光源装置10，通过提供产生第二基色补充光以及第三基色补充光的补充光源130，用于补充由混色受激光分离形成的第二基色光与第三基色光，从而提高第二基色光与第三基色光的亮度及色纯度。另外，由于光源装置10出射的第一基色光由激发光源120发出的第一基色光以及补充光源130发出的第三基色补充光合光形成，从而提高了第一基色光的色域范围。

请参阅图7，图7是本发明投影系统的第二实施例的图像调制时序图。所述第二实施例的投影系统与第一实施例的投影系统100基本相同，也就是说，所述第一实施例的投影系统100的描述基本上均适用于第二实施例的投影系统，二者的主要差别在于：分光元件的结构不同，空间光调制器的图像调制时序有所不同。

具体地，所述分光元件包括透蓝绿反红的膜层，用于透射第一基色光、第三基色补充光与第三基色光，且反射所述第二基色补充光与第二基色光。第一基色光、第三基色补充光与第三基色光透过所述分光元件沿所述第一光路传输至所述第一空间光调制器。第二基色补充光与第二基色光经所述分光元件反射沿所述第二光路传输至所述第二空间光调制器。在所述非转换区域b位于所述第一基色激发光的光路上时，所述第一空间光调制器接收包含第一基色光(蓝色)信号的图像信号并对所述第一基色光以及第三基色光(绿色)进行调制，从而成像出第一基色图像。在所述转换区域y位于所述第一基色激发光的光路上时，所述第一空间光调制器接收包含第二基色光(红色)信号的图像信号并对所述第二基色光进行调制以成像出第二基色图像，所述第二空间光调制器接收包含第三基色光(绿色)信号的图像信号并对所述第三基色光进行调制以成像出第三基色图像。

请参阅图8，图8是本发明投影系统第三实施例的光源装置30的结构示意图。所述第三实施例的投影系统与第一实施例的投影系统100基本相同，也就是说，所述第一实施例的投影系统100的描述基本上均适用于第三实施例的投影系统，二者的主要差别在于：散射元件353、补充光源330、第三合光元件352以及第一反射元件357的设置位置不同。

具体地，所述散射元件353设置于所述色轮360上，用于对所述第一基色光、第二基色补充光以及第三基色补充光进行消相干处理，从而消除散斑现象。请参阅图9，图9是图8所示光源装置的色轮的结构示意图。所述散射元件353环绕设置于所述色轮360的内周而彼此成一体结构。本实施例中，所述散射元件353大致为圆环状。可以理解的是，在变更实施例中，所述散射元件353还可环绕设置于所述色轮360的外周而彼此成一体结构。

所述第三合光元件352与所述第一反射元件357进行互调，即将所述第三合光元件352设于图2中第一反射元件157的位置处，将所述第一反射元件357设于图2中第三合光元件152的位置处，由此，由所述色轮出射的第一基色光依次经过所述第二收集透镜组以及所述第一反射元件157后射入所述第三合光元件352，并在所述第三合光元件352处合为一路后射入所述散射元件353。

请参阅图10，图10是本发明投影系统第四实施例的光源装置40的结构示意图。所述第四实施例的投影系统与第三实施例的投影系统基本相同，也就是说，所述第三实施例的投影系统的描述基本上均适用于第四实施例的投影系统，二者的主要差别在于：补充光源与激发光源集成于同一激光器阵列450中，第一合光元件470以及第二合光元件442的结构不同，所述第二光引导组件还包括仅用于反射第一基色光的第二反射元件458，省略所述第三合光元件。

具体地，所述第二反射元件458替代所述第三合光元件并设于所述第三合光元件的位置上。由所述色轮出射的第一基色光依次经过所述收集透镜组、第一反射元件、第二反射元件458后射入所述滤光元件。

请参阅图11，图11是本实施例激光器阵列的示意图。具体的，所述激发光源中用于发出第一基色激发光的激光器芯片451、所述补充光源中用于发出第二基色补充光的激光器芯片452、以及所述补充光源中用于发出第三基色补充光的激光器芯片453按照阵列排布后封装于同一封装结构455中，以形成所述激光器阵列450。所述激光器阵列450用于发出包含三基色的激光。

所述第二合光元件442用于透射所述三基色激光，并反射所述混色受激光。请参阅图12，图12是本实施例第二合光元件的结构示意图。具体地，所述第二合光元件442包括透射区域445以及反射区域446，所述透射区域445用于透射所述三基色光，所述反射区域446用于反射所述混色受激光。本实施例中，所述透射区域445大致位于中心区域，所述透射区域445设置有全波段增透(ar，anti-reflection)膜层，用于透射所述三基色激光；所述反射区域446设置有反黄膜层，用于反射所述混色受激光。第二基色补充光以及第三基色补充光照射至所述转换区域y时被所述色轮反射，且转换区域y中的荧光材料对所述第二基色补充光以及第三基色补充光进行散射，由此消除第二基色补充光以及第三基色补充光的相干性。反射后，以朗伯形式分布的第二基色补充光以及第三基色补充光以与混色受激光相同的光路进入匀光器件中。可以理解的是，在变更实施例中，所述透射区域445还可设置偏振片，用于透射具有第一偏振态的激光，反射具有第二偏振态的激光，例如针对具有同一种偏振态(p态)的红、绿、蓝激光进行透射，针对具有s偏振态的激光进行反射；或者所述透射区域445还可设置为通孔。

所述第一合光元件470用于透射所述混色受激光、第二基色补充光以及第三基色补充光，且反射所述第一基色光。混色受激光、第二基色补充光以及第三基色补充光在透过所述第一合光元件470后与由第二光引导组件引导的第一基色光进行合光。

请参阅图13，图13是本发明投影系统第五实施例的光源装置50的结构示意图。所述第五实施例的投影系统与第四实施例的投影系统基本相同，也就是说，所述第四实施例的投影系统的描述基本上均适用于第五实施例的投影系统，二者的主要差别在于：所述色轮560的结构不同，所述第二光引导组件以及第一合光元件被省略。

具体的，所述色轮560为反射式色轮，即所述色轮560的入射光线与出射光线位于同一侧。所述色轮560的非转换区域b设置反射镜或小角度散射片，例如高斯反射片，用于反射所述激光器阵列发出的第一基色光。激光器阵列发出的第一基色光依次经所述色轮560的非转换区域b散射以及经所述色轮560的转换区域y转换成为朗伯形式分布的光由所述色轮560出射，激光器阵列发出的第二基色补充光以及第三基色补充光经所述转换区域y散射为朗伯形式分布的光由所述色轮出射。因此，所述色轮560的入射光以及出射光的光学扩展量不同，所述入射光以及出射光在所述第二合光元件542处采用光学扩展量分光的方式进行分光，使得所述出射光直接经由所述第一聚光透镜546会聚于所述匀光器件的入口端。

本实施例的光源装置50中，由色轮560出射的混色受激光与第一基色光、所述第二基色补充光以及第三基色补充光共用光学引导元件，减小了光源装置的体积和成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。