一种高光效小体积的投影机的光源系统的制作方法

本发明属于激光投影显示技术领域，具体涉及一种高光效小体积的激光投影机光源系统。

背景技术

激光投影机相比传统投影机，具有寿命长、色域广和维护方便等优点，光源部分一般采用蓝激光，照射荧光粉后获得绿光、红光和黄光等，也有采用蓝色和红色激光器的双激光方案，以及红绿蓝三种激光器的三色方案。目前放映机和工程机中所使用的激光投影机，光通量要求上万流明，激光光源功率高，散热要求高，一般体积较大，结构复杂，光路损耗较多，光效低，成本非常高。

激光投影机的核心元件是光学引擎，而光学引擎中荧光轮主要用于产生除激发光以外的荧光，对系统光效影响非常大。荧光轮根据功能要求不同，分为反射式荧光轮和透射式荧光轮。反射式荧光轮一般采用铝基板作为基底，激发荧光后反射，与激发光传输方向相反。透射式荧光轮一般采用蓝宝石作为基底，涂覆荧光粉，激发荧光后直接透射，与激发光传输方向一致。相比反射式荧光轮，透射式荧光轮具有光路简单、系统结构体积小的特点。

另外荧光轮根据工艺不同，一般可分为有机荧光轮、无机荧光轮和玻璃荧光轮：有机荧光轮采用有机硅胶，一般可耐受200度；无机荧光轮采用陶瓷胶，可耐受1000度以上高温；玻璃荧光轮，可耐受1000度以上高温。但荧光粉均存在饱和效应，温度越高，荧光粉的激发效率越低，系统光效越低；温度越低，荧光粉的激发效率越高，系统光效越高。产品实际应用中，根据拉亥不变定理，光路上受限于dmd芯片的大小和入射角度要求，因此荧光轮上的光斑大小也受到限制。当光斑大小固定，而照射其上的功率增加时，荧光粉温度升高，荧光粉产生饱和效应，也就是随着入射功率增加，输出光通量不变甚至下降。另外，荧光粉的激发效率在光斑越均匀时效果越好。

对于高流明机器的需求，因受限于荧光粉的饱和效应，现有激光投影机一般都是荧光轮上单点激发荧光，通过多个低功率的光源组合，这样导致体积非常大，成本昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有高流明激光投影机一般都是荧光轮上单点激发荧光，通过多个低功率的光源组合来实现，单点高功率激发容易导致荧光粉产生饱和效应，光效下降的问题，本发明提供一种高光效小体积的激光投影机光源系统。

本发明采用的技术方案如下：一种高光效小体积的投影机的光源系统，包括顺次设置的光源、光束整形装置、分光装置、第一聚焦装置、荧光轮、第二聚焦装置、合光装置以及光棒；

所述第一聚焦装置包括多个第一聚焦镜片组，每一个第一聚焦镜片组包括多个第一聚焦镜片；第二聚焦装置包括多个第二聚焦镜片组，每一个第二聚焦镜片组包括多个第二聚焦镜片；

所述分光装置包括一个反射镜和至少一个分光元件；

所述分光装置，对经过汇聚整形后的光束进行部分透射和部分反射，从而将光束分为若干光束(≧2)；第一聚焦装置将若干光束汇聚到荧光轮上的相对位置不同处，激发荧光并从荧光轮透射或激发光直接透射，任意时刻各光束从荧光轮透射出的光的颜色相同；所述荧光轮分为荧光粉的荧光激发透射区和激发光透射区；所述第二聚焦装置分别对各光束进行汇聚整形后进入合光装置合并为一路，进入光棒匀光。

本发明的工作原理/有益效果为：光源发出的激光依次经过光束整形装置被准直和压缩，通过分光装置将高功率的激光功率分为多路低功率的光束，再汇聚到荧光轮上相对位置不同处，在荧光轮上进行激发或透射，激发出的荧光经过第二聚焦装置聚焦后经过合光装置合成一束光后射入光棒上进行均光处理。

本发明适用于小体积的高亮工程机，通过分光装置将高功率的激光功率分为多路低功率的光束，再汇聚到荧光轮上相对位置不同处，降低单点荧光粉的功率和温度，避免温度过高荧光粉饱和，荧光激发效率高，整体系统光效高；另外，透射式荧光轮让激发光和被激发的荧光都直接透射，光路简单体积小。

进一步地，所述光源为单色光源，该光源发射蓝激光或者紫外光激光。

用于激发荧光粉产生荧光。为产生白光，系统至少需要三基色光——红光、绿光和蓝光。当采用蓝激光作为光源时，荧光粉中至少含有红荧光粉或激发谱中含红光分量的荧光粉和绿荧光粉。当采用紫外光激光作为光源时，荧光粉中至少还需要多一种可激发产生蓝光的荧光粉。为提升系统的光通量，荧光轮上一般也涂覆有转换效率较高的黄荧光粉。

进一步地，所述光源为多色光源，该多色光源至少包含蓝激光或紫外光激光中的一种。

多色光源指光源可同时含有蓝激光器和红激光器，或者红、绿、蓝三种激光器，或者各色led光源作为补充光源。优选地，采用各色激光器作为光源，优点是激光器产生的光比荧光和led发出的光的线宽窄，颜色非常纯，色域范围广，但光通量比较低。采用多色光源时系统要求进行分时控制，即各色激光在不同时刻工作时，光源只发出一种颜色的激光。

进一步地，所述分光装置为二色向镜、合光滤镜组和棱镜中的一种或多种的组合。

对光束进行部分透射和部分反射。根据光束的多少或聚焦荧光轮上的光斑点数，光路中需要多个分光元件，优选为，能量均分的方案，即各光路能量一致。

进一步地，所述光束整形装置包含反射镜座、聚焦镜片和扩散片，反射镜座用于压缩光源光斑，扩散片用于对激光进行匀光且同时消除激光的散斑效应。

反射镜座用于压缩光源的光斑，对于高功率激光投影机，光源包含的激光器数量较多，此时直射激光光斑面积过大，为压缩光斑一般同时包含反射镜座。扩散片用于对激光进行匀光，同时消除激光的散斑效应。激光分布越均匀，在荧光轮上的激发效率更高。

进一步地，所述光束整形装置包括光棒。光棒具有匀光的作用，可用于对光源的光进行匀光。根据实际系统需要，可同时搭配聚焦镜片，或者聚焦镜片和扩散片。

进一步地，所述若干光束汇聚在荧光轮同一圆周上的不同位置或同一径向的不同位置，各不同位置在任一时刻透射的荧光或者激发光颜色相同。

任意时刻荧光轮上激发的荧光或透射的激发光的颜色相同，从而使得各光束汇聚后到达光棒上的光的颜色在任意时刻相同。第一聚焦装置和第二聚焦装置分别用于控制汇聚到荧光轮上的光斑的大小和汇聚到合光装置上的光斑的大小。

进一步，所述荧光轮的激发光透射区采用扩散片或白玻璃或镂空的方式。

荧光粉激发透射区涂覆有荧光粉，当激发光照射荧光粉时激发荧光后从荧光轮透射；激发光透射区对入射激光直接透射，透射区可以采用扩散片，或者白玻璃，或者镂空的方式，优选为扩散片，对激光进行散斑消除。

进一步，所述合光装置为聚焦镜片，或为反射镜和聚焦镜片的组合。

进一步，所述合光装置和所述光棒之间设置有滤色轮，该滤色轮至少包括扩散区域和过滤区域，扩散区域采用扩散片对激发光进行透射和散斑消除，过滤区域采用滤光片对激发的荧光进行过滤。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明中，将入射的高功率激光分为多束低功率光，聚焦到荧光轮上不同的位置，从而降低荧光轮上温度，提高转换效率，被激发的荧光和透射的激发光透过荧光轮后聚焦整形，再通过合光装置通过光路汇集，使得光效大幅提升。

2.采用透射式荧光轮，激发的荧光和入射的激发光同向传输，光路简单，无需多个整体光源进行组合，仅采用一个荧光轮和一个光源，结构简单，成本低，且体积较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1(a)是实施例一的结构示意图；

图1(b)是实施例一中光束整形装置的结构示意图；

图1(c)是实施例一中荧光轮的结构示意图；

图2(a)是实施例二中光束整形装置的结构示意图；

图2(b)是实施例二中分光元件的结构示意图；

图2(c)是实施例二中荧光轮的结构示意图；

图3是实施例三的结构示意图；

图4(a)是实施例四的结构示意图；

图4(b)是实施例四中荧光轮的结构示意；

图5是实施例五中分光元件的结构示意图；

图6是实施例六的结构示意图；

图7是实施例七的结构示意图；

图8(a)是实施例八中滤色轮的结构示意；

图8(b)是实施例八的结构示意图；

图9(a)是实施例九的结构示意图；

图9(b)是实施例九的另一种实施方式的结构示意图；

图9(c)是实施例九荧光轮的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

如图1(a)所示，一种高光效小体积的投影机的光源系统，包括：光源1、光束整形装置2、分光元件3、反射镜4、2个第一聚焦镜片组5、荧光轮6、2个第二聚焦镜片组7、合光元件8以及光棒9；

光源1，用于提供蓝色激光。

光束整形装置2，用于对激光源1发射的激光进行准直和压缩，并投射到分光元件3上。如图1(b)，光束整形装置2包含第一聚焦透镜21、第二聚焦透镜22和扩散片23，其中第一聚焦透镜21、第二聚焦透镜22用于对光源光束进行压缩和准直整形，扩散片23用于消除激光散斑，同时使得到达荧光粉轮6上的光斑均匀，荧光激发效率高。

分光元件3采用二色向镜，在400～700nm可见光波段，要求镀膜为在420～470nm波段部分反射部分透射，其余波段的光全部反射。在420～470nm波段，反射率可以为0～100％之间的任意值，即反射光和折射光两条光路的能量既可平均分配也可不平均分配。优选为能量平均分配，分光元件3的镀膜规格为：420～470nm波段，反射率为50％，透射率为50％。

如图1(a)所示，第一聚焦镜片组5、第二聚焦镜片组7均包含两个聚焦镜片，但本发明并不限定于聚焦镜片数量，只限定该第一聚焦镜片组5和第二聚焦镜片组7的功能是对光束进行汇聚整形。

如图1(c)所示，所述荧光轮6在高速旋转，部位a和部位b相对位置不同，循环透射出红荧光、绿荧光、蓝激光、黄荧光，但在任一时刻，部位a和部位b透射荧光轮的光颜色相同，经聚焦合光后两条光路合并为一条。荧光轮分为中心对称的两个完全相同的区域，即61、62、63、64与65、66、67、68分别对应相同，分别对应为红荧光区域、绿荧光区域、蓝激光透射区域以及黄荧光区域，随着荧光轮的旋转部位a和部位b始终保持出射光颜色一致。红荧光区域、绿荧光区域、黄荧光区域上分别涂覆有红荧光粉或激发光谱包含有红光波段的荧光粉、绿荧光粉、黄荧光粉，当光源1发出的光束照射到荧光轮6上的红荧光粉，激发红荧光且从荧光轮6透射而出；照射到绿荧光粉上时，激发绿荧光且从荧光轮6透射而出；照射到黄荧光粉上时，激发黄荧光且透过荧光轮6射出；照射到蓝激光透射区域时，光束直接透过荧光轮6射出。

其中，蓝激光透射区域，可以采用镂空方式、扩散片和白玻璃中的一种，让蓝激光从荧光轮6透射。优选地，蓝激光透射区域采用扩散片，消除激光散斑。黄色荧光粉用来提高色域，以及整体光通量。与单纯采用绿色荧光粉、蓝激光、红色荧光粉相比，黄色荧光粉转换效率相对高，会大幅度提高光通量。显然，荧光粉采用的种类以及排布在荧光轮上的顺序可进行不同的组合以实现本发明同样的目的。

经荧光轮透射后得到的荧光或激发光，分别进入第二聚焦镜片组7，再进入合光装置(8)对各色光进行汇聚后射入光棒(9)进行匀光。

如图1(a)所示，合光装置8为两个反射镜81，82和聚焦镜片83。两个反射镜分别放置在所述第二聚焦镜片组7出射光的光路的合适位置，将出射光以一定角度反射进入聚焦镜83后，聚焦镜片83汇聚两路光后输出。

实施例二

与实施例一不同的是：如图2(a)所示，光束整形装置2还包括了反射镜组，对光源光束进行压缩和光路折转，当光源出射光斑面积较大时采用该设计可以有效压缩光源光斑。

分光元件3采用合光滤镜组，如图2(b)所示，合光滤镜组上其中镜片a镀膜规格与实施例一中的二色向镜一致，镜片b为400-700nm增透。

如图2(c)所示，荧光粉涂覆在荧光轮6的整个转盘上，部位a和部位b位于荧光轮的不同半径的圆周上，有利于散热。

合光装置8采用足够的大的聚焦镜片，从第二聚焦镜片组7，10出射的光分别进入聚焦镜片的上半部分和下半部分，聚焦镜片为中心对称分布，将上下部分光合并为一路。

荧光轮上涂覆的荧光粉可只选择黄荧光粉和绿荧光粉，黄荧光粉激发的黄光通过设置于合光装置和光棒之间的滤色轮进行过滤可得到红光。

滤色轮至少包含扩散区域和过滤区域。所述过滤区域对入射光进行过滤，得到需求的颜色；扩散区域上为扩散片，用于消除蓝激光的散斑效应。

实施例三

如图3所示，与实施例一不同的是：从光束整形装置2出来的光束照射到分光元件3上，反射的光进入反射镜4上被反射后进入第二聚焦镜片组5聚焦，透射的光进入第一聚焦镜片组5聚焦。其余与实施例一相同，同样聚焦到荧光轮相对位置不同点，在任一时刻透射同样颜色光后，经第二聚焦装置7后汇聚到合光装置8，合光后进入光棒9匀光。

实施例四

光源通过光束整形装置后经分光装置可分为三路，进一步降低汇聚到荧光轮上单点的光通量，如图4(a)所示。本实施例中，一种高光效小体积的投影机的光源系统，包括：光源1、光束整形装置2、两个分光元件3、反射镜4、三个第一聚焦镜片组5、荧光轮6、三个第二聚焦镜片组7、合光元件8以及光棒9；

分光元件3射出的光束以及反射镜4射出的光束分别射入一个第一聚焦镜片组5上聚焦，聚焦完成的光束分别透射到荧光轮6上的a、b以及c三个点上，如图4(b)所示，荧光轮6被划分为3个相同的区域，其中611，612，613分别与621，622，623，以及631，632，633完全相同。其中一种实施方式为，611表示红色荧光粉区域，612表示绿色荧光粉区域，613表示蓝激光透射区域。荧光轮6上a、b以及c三个点的相对位置不同，a、b以及c三个点到荧光轮6圆盘的中心的距离既可以相等也可以不等，但是在任意时刻，a、b以及c三个点激发出的荧光颜色相同或透射出的激发光的颜色相同。

荧光轮上a、b、c点随荧光轮的旋转，分别激发荧光后透射或者激发光直接透射，透射后分别进入三个第二聚焦镜片组7，聚焦完成的荧光或是透射光进入合光元件9合成一束光然后射入光棒9进行匀光处理。与实施例一相同，在合光元件和光棒之间可采用滤色轮进行过滤等改善颜色，本实施例中，光源1、光束整形装置2、分光元件3、第一聚焦镜片组5、第二聚焦镜片组7以及光棒9均与实施例一相同。

实施例五

上述实施例四中，分光装置二色向镜也可用棱镜替代，如图5所示。当光源通过光束整形装置后在二色向镜31处部分反射部分透射，得到反射光1和透射光1。优选地，二色向镜的镀膜为400-700nm波段反射率为33％，透射率为67％。该透射光1作为棱镜的入射光，经过棱镜后得到反射光2和透射光2，其中反射光1和反射光2之间夹角为120度，反射光2和透射光2夹角为120度。棱镜mn面镀膜为400～700nm部分透射部分反射，优选为50％透射，50％反射，对透射光进行部分反射和部分透射；mo面镀膜为400～700nm全反射，对光线进行全部反射；pn面镀膜为400～700nm增透膜。注意θ角必须小于全反射角，否则发生全反射。因此三路光束在荧光轮上对称分布且能量相同。

实施例六

如图6所示，本实施例中，与实施例四不同之处为：分光元件31的透射光经第一聚焦镜片组5后汇聚到荧光轮6，反射光经分光元件32后部分透射进入反光镜4被反射，再经由第一聚焦镜片组5汇聚到荧光轮6，而分光元件32的反射光经第一聚焦镜片组5汇聚到荧光轮6。其余各装置或各元件的工作原理与实施例四相同。

实施例七

如图7所示，与实施例一的不同之处为：光源1为蓝激光器和红激光器的混合光源。因蓝激光器激发红色荧光粉或者黄色荧光粉产生的包含红光光谱的荧光，颜色不够鲜艳。而在合光元件8和光棒10之间设置滤色轮，虽可过滤得到更鲜艳的红色，但过滤导致光通量损失过大，且红色虽有改善但仍不够红。而红激光器发出的红光特别鲜艳，色坐标可达(0.72，0.28)。因此系统中采用蓝色和红色激光器可使得色域扩大，提升视频显示效果。

在本实施例中，因光源为蓝色和红色激光的混合光源，分时进行控制，在任意时刻只发射一种颜色的激光，当需要蓝色荧光、绿光和黄光时，则发射蓝激光；当需要红光时则发射红激光。

实施例八

与实施例七不同之处为：在本实施例中，光源1同时发射蓝色和红色激光，而非分时控制，通过采用滤色轮进行过滤来实现任意时刻只有一种颜色的光出射。滤色轮如图8(a)所示，分成呈中心对称的两部分，每一时刻只让r、g、b、y中一种颜色通过。r段为红色滤光片，镀膜要求为只透红色波段反射其他波段，为消除红激光的散斑，也可以采用扩散片上镀膜；g段为绿色滤光片，镀膜要求为只透绿色波段反射其他波段；b段为蓝色滤光片，镀膜要求为只透蓝色波段反射其他波段，为消除蓝激光的散斑，也可以采用扩散片上镀膜；y段主要是用于提升光通量，可采用白玻璃全透，或者镀膜要求为只透黄色波段反射其他波段；显然地，实施例七可修改为如图8(b)所示。

实施例九

本实施例与实施例一相比不同之处为：如图9(a)所示，光源1采用蓝激光器、红激光器以及绿激光器的混合光源，激光颜色鲜艳，色域广。因为三基色已有，不需要在荧光轮6上涂覆荧光粉，仅在透射区装配扩散片进行旋转后消除散斑。但三基色上光通量低，本实施例中为提高光通量，在荧光粉上涂覆黄粉。光源上对红绿蓝激光器进行控制，在任一时刻仅一种颜色的光出射。

产生红光：此时光源只发射红激光，经过光束整形装置后由分光元件3分为两路，分别经过反射镜4、两个第一聚焦镜片组5，荧光轮6，两个第二聚焦镜片组7、合光元件8和滤色轮9后进入光棒10；此时荧光轮6上为透射区域；

产生绿光：与红光类似，光源只发射绿激光，对应荧光轮6上为透射区域；

产生蓝光：与红光类似，光源只发射蓝激光，对应荧光轮6上为透射区域；

产生黄光：光源只发射蓝激光，光路经另个第一聚焦镜片组5汇聚到荧光轮6的黄粉段，激发黄荧光。

显然地，本实施例中可修改为如图9(b)所示。

基于本发明，可以很容易推论，光源的出射光经过光束整形装置后可采用棱镜或者多个二向色镜后，可分为不少于2条的光束，聚焦在荧光轮上位置不同的不少于2个点上。该聚焦点可为荧光轮涂覆有荧光粉的同一圆周上分布的多个点，荧光轮上相应划分为多个对称区域。另外，当荧光轮上不只局限于在圆周上涂覆荧光粉，而在整个基板或相应局部工作区域均涂覆有荧光时，该多个聚焦点也可以位于圆心发出的同一条线上，但相对中心的距离不同，如图9(c)所示。需要保证多条光路在任一时刻从荧光轮出射光颜色一致。其他聚焦光路等做匹配调整即可实现最终的汇聚合光进入光棒。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。