基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机的制作方法
【专利摘要】基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机，包括机芯区，设置于机芯区的电源、光学核心以及连接缆线，蓝色激光光源通过第一准直透镜入射激光荧光色轮，从激光荧光色轮射出的光线透过第二准直透镜射入第一二向色镜，第一二向色镜反射黄色光线进入第二二向色镜，第一二向色镜透射蓝色光线进入第二反射镜，第二反射镜反射蓝色光线进入角柱体，第二二向色镜反射绿色光线进入角柱体，第二二向色镜投射红色光线进入第一反射镜，第一反射镜反射红色光线进入第三反射镜，第三反射镜反射红色光线进入角柱体，角柱体将入射的红、黄、蓝三色混合入射射出镜片，射出镜片入射屏幕。有效防尘，降低了荧光体工作强度、提升了荧光色轮寿命。
【专利说明】
基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机
技术领域
[0001]本实用新型涉及投影技术领域，具体地，涉及一种高亮度的荧光粉激光投影系统。
【背景技术】
[0002]目前的激光显示所用激光光源，由于相干性的存在，激光散斑一直是纯激光光源无法避免的缺陷所在。
[0003]激光显示为何要使用荧光色轮:首先，在白光画面中，RGB三原色的能量并不是平均化的。其中，绿色部分的能力非常高，即绿色光要比红光、蓝光亮50%以上，这就使得，如果采用三基色RGB激光光源，绿色激光器的研发难度要高很多，而半导体栗浦固体激光器和半导体激光器两种常用的固体激光源，绿色产品的成本都较高，历史研发投入也比较少。第二，采用RGB三原色激光源的产品，必须对三原色分别进行点阵光源一一线光源一一画光源的光学转变。这必然增加整个光源产品的体积、光学组织的复杂性和成本。
[0004]第三，和LED半导体光源类似，可见光波段固体激光器产品中，高性能蓝光光源也是最容易实现的。参照很多白色LED光源实际也是蓝光LED与红绿色荧光粉转换部件组合的技术路线，激光白色光源亦可以采用低成本高性能蓝色激光与红绿色荧光粉组合的方式实现。其中。蓝光转化红绿色荧光粉产业链，有LED光源产品的完整产业支撑，技术、制备、成本都有保障。而蓝色激光器也有蓝光BD存储等众多前置产业应用中成熟技术、制备和成本的支撑。
[0005]所以，对比纯RGB激光方案对激光光源优势的最大发挥，蓝光+荧光粉方案的激光光源则具有充分利用其它产业成熟技术、最大程度降低技术难度，利用其他应用中更大的产业规模支撑，最低成本实现投影固态光源的优势。
[0006]市场三代荧光色轮的不同与发展:
[0007]激光荧光色轮技术既然是激光光源投影产品的最主流技术路线，也就能吸引众多厂商开发出不同特色的产品。到目前为止，这些差异产品大致可以分为三大类:
[0008]第一代产品:激光蓝光+红绿荧光粉、直接投射蓝光色轮。这种产品是用红绿荧光粉实现红色和绿色两种原色；但是蓝色部分直接采用蓝色激光光源。产品的好处在于成本最低，且能够保持蓝色激光部分的“激光原味”。不过，其缺点也很显著，在早期蓝色激光都采用半导体栗浦固体激光器。这种激光器出光光谱宽度为3纳米左右，光谱范围窄能量集中，且波长多为455纳米段，比较一般的蓝色光源更为偏向紫外波段。这些特性使得第一代激光荧光技术，在采用半导体栗浦固体激光器条件下，产品画面会有蓝色偏紫的现象和比较强的激光散斑。
[0009]第二代激光荧光技术，改进了蓝光部分效果。采用激光蓝光荧光粉，而不是直接使用蓝色激光。即第二代荧光轮是全荧光粉色轮，不再有蓝色透明部分。这可以显著改善第一代产品最终显示画面偏紫和激光散斑的问题。同时，这一时期，厂商还在色轮上额外加入黄色或者白色荧光粉区间，进而由此提高整个光源的输出亮度水平。
[0010]以上两种荧光色轮技术，有一个共同的缺陷:激光光源的出光是很小的一个光斑，接近线光源。很小的出光横截面积导致了荧光色轮上只有很窄的一部分扇形区域参与光色彩转化。这部分区域长期高强度接受激光照射，色度、亮度衰减更为剧烈。如何解决色轮上窄扇区的超强度工作和老化问题，是激光荧光显示技术进步的一大难题。
[0011 ]这个难题的解决有三个方案:第一个是研发寿命更长、能量损伤低的荧光粉产品。但是，这一方案无疑意味着很多崭新的工作，全新材料的开发也未必能够成功。技术、产业风险巨大。第二个方案是在色轮和激光器之间增加光学系统，扩大激光光斑的截面积。这个方案没有技术风险，不过会增加整个系统的光学复杂度和成本，同时也并没有根本上解决激光光斑集中照射色轮有限扇区的问题。
[0012]再者，传统的光机将所有的光、机、电组件包在大铁壳里，不管内部的线路布局。灰尘会从微小的缝隙进入光机，而附着在光学组件上。会导致亮度对比度降低，灰尘效应通常会在半年之后显现，煤矿区更严重。灰尘也容易会导致色轮损坏，因为灰尘会附着在色轮上，造成动平衡不稳定而损坏马达的轴心。灰尘的清理很难在现场排除，必须回原厂清理，等同于重新组装测试一台新机器;非常的浪费成本、时间；又必须停机停止工作，所以大屏监控用途的机芯必须具备气密防尘的能力。灰尘颗粒仅有15微米，大约为头发的五分之一，外包铁壳的缝隙大约为1-3厘米，是灰尘的10倍大，一般的公司多采用铁壳包覆光机或者没有气密的硅胶垫片，铁质的外壳没有防尘的效果。
【发明内容】
[0013]本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种有效防尘，让激光光斑在色轮上的照射区间能够改变，进而大幅度提升色轮荧光粉涂覆部分的有效工作面积，同时，不同工作面积还可以“轮流休息”，两项作用结合在一起，起到彻底改善荧光体工作工况过强、过集中的问题，降低了荧光体工作强度、提升了荧光色轮寿命的基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机。
[0014]为实现本实用新型目的，提供了以下技术方案:基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机，包括机芯区，设置于机芯区的电源、光学核心以及连接缆线，其特征在于光学核心包括蓝色激光光源、激光荧光色轮、第一二向色镜、与第一二向色镜纵向平行排布的第二二向色镜、与第一二向色镜纵向平行排布的第一反射镜、与第一二向色镜横向平行排布的第二反射镜、与第二反射镜纵向平行排布的角柱体、与角柱体纵向平行排布的第三反射镜以及与角柱体横向平行排布的射出镜片，第二二向色镜与角柱体横向平行排布，蓝色激光光源通过第一准直透镜入射激光荧光色轮，从激光荧光色轮射出的光线透过第二准直透镜射入第一二向色镜，第一二向色镜反射黄色光线进入第二二向色镜，第一二向色镜透射蓝色光线进入第二反射镜，第二反射镜反射蓝色光线进入角柱体，第二二向色镜反射绿色光线进入角柱体，第二二向色镜投射红色光线进入第一反射镜，第一反射镜反射红色光线进入第三反射镜，第三反射镜反射红色光线进入角柱体，角柱体将入射的红、黄、蓝三色混合入射射出镜片，射出镜片入射屏幕。
[0015]作为优选，电源、光学核心均为独立的模块，每个模块均单独设置有气密式铝合金壳体，壳体的上下盖均设置精密硅胶垫片密封。从灯泡的光线射入点到镜头的光线传输点完全气密，是第二代突破性独步全球的设计，保证滴尘不沾，有完全的防尘效果。
[0016]作为优选，激光荧光色轮为可垂直轴向旋转和平行轴向移动的滚筒状。色轮被制作成一个滚筒状，可以垂直轴向旋转，亦通知平行轴向移动一一后者使得激光光斑可以遍历整个色轮的每一份面积。在荧光色轮上，激沿轴向入射后，在色轮中心轴前方由反射镜90度折射，转向滚筒面一一即与传统色轮技术比较，滚筒色轮的出入光线成90度角，而不是一般色轮的出入方向一致。
[0017]作为优选，蓝色激光光源采用热导管水冷。激光光机性能及寿命与其工作温度有很大的关系，工作温度越低，寿命越长，OSRAM要求温度控制在50°C，此类光机产品采用热导管水冷设计，光源产生的热量通过导管内的水转移到外部散热片，再用风扇散热片上的热带走。此类光机产品可以将温度控制在47 °C以下。
[0018]作为优选，机芯区设置有亮度感知器、色彩感知器。大屏使用时最重要的功能之一是均匀度，每片屏的色彩与亮度一致性必须要非常好。然而因为每个机芯都是独立的光机，都有不同的亮度和色彩表现，其表现也因为使用的时间而变化，因此整个大屏必须顶起重新调整，确保整平的均匀度。亮度感知器，色彩感知器，用计算机来读取感知器的输出讯号；然后根据所得到的资料进行色彩或亮度的自动调整。在新装机时、更换新的灯泡时，及定期维护时;使用智能调整可以节省大量约70 %的调整时间。另外，同时使用定时自动换灯加上智能亮度调整，可以定时切换灯泡，增加灯泡。
[0019]本实用新型有益效果:本实用新型去除金属铁壳包覆，因为没有外罩机壳，机芯散热效果很好，机器运作的稳定性也相对提高50%，另外，无壳设计外观精致高压，模块间全部用缆线连接，没有一堆凌乱的电线；因为缆线连接安排简洁，不会让外界碰触，且可以抗干扰，因此产品的可靠度大幅增加，使用寿命变长，大大节约了使用成本。激光荧光色轮采用与一般色轮一样的垂直轴向旋转控制系统、软件算法和硬件芯片;其平行轴向移动，不需要复杂数字控制系统，仅以预设慢速周期运动即可。这一设计几乎不增加额外控制系统开发成本，同时，能够兼容以黄色、白色荧光粉段增加整体出光亮度的传统合计，能够融入任何既有的色轮投影系统设备之中。
[0020]激光荧光色轮技术的最大优势是使得荧光色轮的工作区荧光粉寿命与色轮机械相当，并大幅超过一半投影机内部工作温度下激光光源的寿命水平，这一变化导致两个产品设计结果:1、在理想散热系统中，激光荧光色轮光源体系的寿命可以做到非常高，入10万小时。2、在一般应用场景中，2万小时寿命下，低成本的荧光色轮方案可以实现10000-50000流明以上的高亮度一一高亮设计下，荧光轮不再是寿命瓶颈。
【附图说明】
[0021 ]图1为本实用新型的光学核心的系统示意图。
【具体实施方式】
[0022]实施例1:基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机，包括机芯区，设置于机芯区的电源、光学核心以及连接缆线，光学核心包括蓝色激光光源1、激光荧光色轮2、第一二向色镜3、与第一二向色镜3纵向平行排布的第二二向色镜4、与第一二向色镜3纵向平行排布的第一反射镜5、与第一二向色镜3横向平行排布的第二反射镜6、与第二反射镜6纵向平行排布的角柱体7、与角柱体7纵向平行排布的第三反射镜8以及与角柱体7横向平行排布的射出镜片9，第二二向色镜4与角柱体7横向平行排布，蓝色激光光源I通过第一准直透镜10入射激光荧光色轮2，从激光荧光色轮2射出的光线透过第二准直透镜11射入第一二向色镜3，第一二向色镜3反射黄色光线进入第二二向色镜4，第一二向色镜3透射蓝色光线进入第二反射镜6，第二反射镜6反射蓝色光线进入角柱体7，第二二向色镜4反射绿色光线进入角柱体7，第二二向色镜4投射红色光线进入第一反射镜5，第一反射镜5反射红色光线进入第三反射镜8，第三反射镜8反射红色光线进入角柱体7，角柱体7将入射的红、黄、蓝三色混合入射射出镜片9，射出镜片9入射屏幕。电源、光学核心均为独立的模块，每个模块均单独设置有气密式铝合金壳体，壳体的上下盖均设置精密硅胶垫片密封。激光荧光色轮为可垂直轴向旋转和平行轴向移动的滚筒状。蓝色激光光源采用热导管水冷。机芯区设置有亮度感知器、色彩感知器。
[0023]比之于UHP光源而言，使用激光光源的机芯具有比较宽色域表现。自然界的色彩很宽广，用科学的表示方式在下图中是:绿色圈住的那一最大的区域表示自然界的所有色域，UHP可以表现的色彩空间用蓝色表示，激光光源可以表现的色彩空间则用红色表示，可以看到的是激光光源比UHP光源可以表达更多的色彩，约可以增加50 %左右，这表示有些色彩在UHP会失真，在激光光源时会获得改善。另外光源的光源寿命很长，约两万小时，比传统的UHP光源的6000小时的寿命高了三倍以上，可以省掉换灯的麻烦，开机时可以瞬间点亮，UHP则需要20秒来达到最高亮度。同时，激光光源在亮度上也比传统的UHP光源有更大的优势。
[0024]传统的光机仅有一个电源，同时供应光机本体和控制的光机米用双独立电源的设计，也就是说光机本体和控制单元各有自己的电源。因为光机本体点亮UHP灯泡时，会产生高达2万伏特的瞬间高压电，高压电产生的干扰信号会造成控制单元的不稳定当机问题。清投视讯的设计让控制单元的电源独立，所以不再受高电压影响。另外，光机本体需要380V的高压电，380V是相当高的电压，其导线长度能短则短，高压线长线裸露在外容易造成安全性的问题。若仅有单一电源，则380V的导线自然拉长，本公司光机本体备有自己的电源，导线长度仅有传统的I /3长。
[0025]机芯采用双CPU，一个CPU专门负责图像处理，另一个CPU专用于负责控制功能，负责和控制单元沟通、温度监控、风扇转速等等。双CPU的好处是因为平行分散处理，大大提高了系统的处理速度。另外，色彩和亮度智能自动调整功能也需要用到CPU的强大计算能力，单一 CPU无法应付如此的重大负荷。一般的传统的设计则仅使用单一 CPU，虽然成本低但是功能比较有限，在系统忙碌时也比较容易出现不稳定的情形。
【主权项】
1.基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机，包括机芯区，设置于机芯区的电源、光学核心以及连接缆线，其特征在于光学核心包括蓝色激光光源、激光荧光色轮、第一二向色镜、与第一二向色镜纵向平行排布的第二二向色镜、与第一二向色镜纵向平行排布的第一反射镜、与第一二向色镜横向平行排布的第二反射镜、与第二反射镜纵向平行排布的角柱体、与角柱体纵向平行排布的第三反射镜以及与角柱体横向平行排布的射出镜片，第二二向色镜与角柱体横向平行排布，蓝色激光光源通过第一准直透镜入射激光荧光色轮，从激光荧光色轮射出的光线透过第二准直透镜射入第一二向色镜，第一二向色镜反射黄色光线进入第二二向色镜，第一二向色镜透射蓝色光线进入第二反射镜，第二反射镜反射蓝色光线进入角柱体，第二二向色镜反射绿色光线进入角柱体，第二二向色镜投射红色光线进入第一反射镜，第一反射镜反射红色光线进入第三反射镜，第三反射镜反射红色光线进入角柱体，角柱体将入射的红、黄、蓝三色混合入射射出镜片，射出镜片入射屏幕。2.根据权利要求1所述的基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机，其特征在于电源、光学核心均为独立的模块，每个模块均单独设置有气密式铝合金壳体，壳体的上下盖均设置精密硅胶垫片密封。3.根据权利要求1所述的基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机，其特征在于激光荧光色轮为可垂直轴向旋转和平行轴向移动的滚筒状。4.根据权利要求1所述的基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机，其特征在于蓝色激光光源采用热导管水冷。5.根据权利要求1所述的基于单色激光单色轮荧光粉技术的投影机，其特征在于机芯区设置有亮度感知器、色彩感知器。
【文档编号】G03B21/16GK205539895SQ201620386794
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】王展, 高玉斌
【申请人】清投视讯(北京)科技股份有限公司