一种用于投影系统的光源装置及投影显示装置的制作方法

专利名称：一种用于投影系统的光源装置及投影显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光源装置及投影显示装置，特别是一种用于投影显示 系统的光源装置和投影显示装置。
背景技术：
现有的投影系统照明所用的超高压汞灯、金属卤化物灯、氙灯、鹵素 灯等，这些发光光源的光谱均受到发光物质及其状态的限制，呈现出连续 或带状光谱的特征。以超高压汞灯的发光光谱图1为例，如图所示红光的 波段较宽，峰值偏低，红绿蓝三基色强度分布并不理想，无法满足白场色 平衡的要求，因此无法较好符合投影系统照明的要求。目前现有技术通常 采用选择宽谱段的方法来提高红光的光通量和亮度，但是采用此种方法会 相应地造成色饱和度的降低。同时，现有技术在视频信号的处理上，也是 以牺牲对比度和色饱和度为代价来增加红色的亮度。所以，虽然这些技术 可以将图像色彩柔和化，但是图像的整体质量却下降了。
近几年，随着发光二极管技术的成熟，也有人尝试用发光二极管作为 投影系统光源，发光二极管投影显示与传统的显示技术相比，具有更大的 色域范围，而且发光二极管线宽较窄，具有高的色饱和度，可显示自然界 真实、鲜艳的色彩。同时发光二极管寿命长，是一种无汞的环保光源。发 光二极管投影显示已成为显示领域的重大发展方向。
但是，由于发光二极管的光学扩展量较大和亮度较低的特性，现有发 光二极管照明技术存在着能够被投影系统有效利用的光能较少、输出的总 光功率偏低的不足。
尽管发光二极管的光通量和亮度已经得到了很大的提高，但是还没有 达到投影机应用的要求，特别是一些需要高亮度照明应用的场合。为了达 到投影机应用的要求，提高照明亮度，现有技术是靠发光二极管的排列组 合来提高光通量和亮度，但是由于发光二极管是朗伯体发光光源，如果组 合后的发光二极管光源的光学扩展量超出了投影系统的光学扩展量，超出 的这部分光则不能有效耦合入投影系统。发光二极管的光学扩展量为
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其中n为发光介质的折射率；oc为光源的发射半角；S为光源的发光 面积。发光二极管的发射半角为90度，取发光介质为空气，并以空气折 射率为1来做近似计算，lmm2发光二极管光学扩展量约为3. 14mm2sr。
对于使用0. 79英寸的成像芯片、F数为2. 4的投影镜头的投影系统，投 影系统的光学扩展量为=22mm2sr,只有大概7mm2的二极管组合阵列输
出的光可以耦合入投影系统，可充分利用的光通量总数仅为几百个流明，大 于7腿2的面积发出的光根本无法耦合进入投影系统，通过增大发光二极管的. 面积来提高光通量的做法是行不通的。 -
此外，现在市场上传统的超高压汞灯能在6mm'上产生数千流明的光通 量，亮度也比发光二极管高十多倍。可是超高压汞灯由于对重金属汞的使用， 不是一种环保的光源。
目前市场上的发光二极管光源中，对于使用0. 79英寸的成像芯片、F数 为2. 4的投影镜头的投影系统，发光面积为7mm2的某发光二极管，受投影系 统光学扩展量的限制，可以被耦合入投影系统的红光的最大光功率约为 1. 6W,绿光的最大光功率约为0. 7W，蓝光的最大光功率约为1. 8W,红光、 绿光、蓝光能被耦合进投影系统的最大光功率的比值为1: 0.44: 1.13。而 色温为6500K的白场要求发光二级管的红光、绿光与蓝光的光功率比值为1: 0.87: 1.73。由此可见，当发光二极管红光或者蓝光满足最大光功率时，绿 光的光功率都是不够的，绿光最为不足。由于绿光光功率的不足导致总光功 率受其制约而偏低，这是发光二极管投影显示亮度不够的其中 一个重要原 因。现有的解决方法是提高绿光在整个白光中的时间占空比来提高亮度，这 种方法没有充分利用红光及蓝光的光功率；又或者釆用减小红光和蓝光的光
功率偏低。
白场需求上的差别，从而使得色饱和度、亮度与对比度均有不足，无法同 时达到提高色饱和度、提高亮度、提高对比度与控制成本的综合效果。

发明内容
因此，本发明的任务是提供一种使用激光光源作为补充光源来提高投影显示图像的亮度、对比度与色饱和度的用于投影系统的光源装置。 本发明的另 一任务是提供一种投影显示装置。
一方面，本发明提供了一种用于投影显示的光源装置，包括被补充光
射的激光合成一束的反射镜，所述反射镜包括用于反射所述激光光源发射 的激光的反射部分和使所述被补充光源发出光束直接透射通过的透射部 分。
上述光源装置中，所述反射镜的透射部分表面镀有增加被补充光源发 出光束透射效率的增透膜。
上述光源装置中，所述反射镜的反射部分表面镀有增加激光反射效率 的高反膜。
进一步地，所述反射镜由平板形或条形透明材料制成，所述透明材料 包括玻璃、石英、硅片和透明塑料等。
上述光源装置中，所述反射部分可以为平面，也可以根据需要设计成 各种不同的形状，如抛物面形、双曲面形或3求面形等。
所述激光光源与所述反射镜之间还可以设有光束调整系统。
进一步地，所述光束调整系统可以包括光纤以及用于将所述激光耦合 进所述光纤的耦合镜还可以包括扩束透镜和聚焦透镜等。
上述光源装置中，所述被补充光源包括各种投影用光源，如LED灯、 超高压汞灯、金属卣化物灯、氛灯和卣素灯等。
另一方面，本发明还提供了一种投影装置，所述投影装置使用上述光 源装置作为投影显示的光源。
本发明将激光器的激光巧妙地？l入投影系统的灯泡和LED发光光源， 提出了 一种激光和其他光源混合作为投影系统照明光源的想法。
采取上述技术方案，可以成功地弥补超高压汞灯、金属卣化物灯、氙 灯、卣素灯等灯泡的红光照明不足的缺陷，提高了红光亮度，调整了红绿 蓝三基色的强度分布，提高了色饱和度与对比度等性能，在投影显示领域 具有很高的实用价值。
采取上述技术方案，还可以利用高亮度、光学扩展量较小的激光来补 充低亮度、光学扩展量较大的发光二极管光源，不仅提高了发光二极管的 光功率，明显地提高了光源亮度及光能的有效利用率，而且成功地解决了发光二极管绿光照明不足与红光蓝光未被充分利用或者浪费的缺陷。此 外，本发明同时具有广色域、长寿命、无汞环保的特点，且兼备相对廉价 的优势，在投影显示领域具有很高的实用价值。


以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中 图l是超高压汞灯的发光光谱的示意图； 图2是反射镜的结构示意图3是使用反射镜的用于投影显示的激光补充灯泡的光源装置示意
图4是用激光和趁高压汞灯混合后的光谱图； . 图5是激光和发光二极管灯光混合的光源装置示意图； 图6和图7是两种三基色LED灯分别与RGB激光合束作为投影显示光 源的示意图8是在单片DLP中使用本发明光源装置的一种投影仪光路的示意
图9是在三片DLP中使用本发明光源装置的一种投影仪光路的示意
图IO是在三片LCD中使用本发明光源装置的一种投影仪光路的示意图。
图ll是在三片LC0S中使用本发明光源装置的一种投影仪光路的示意
图12是使用本发明装置的三基色LED灯与RGB激光合束作为投影显 示光源的单片DLP的一种投影仪光路的示意图13是使用本发明装置的三基色LED灯与单色激光合束作为投影显 示光源的单片DLP的另一种投影仪光路的示意图14是使用本发明装置的三基色LED灯与单色激光合束作为投影显 示光源的三片LCD的一种投影仪光路的示意图15是使用本发明装置的三基色LED灯与激光合束作为投影显示光 源的三片LCOS的一种投影仪光路的示意图。
具体实施例方式
由于激光的光斑和发散角都很小，所以激光的光学扩展量很小。从光纤 输出的激光的光学扩展量由下式决定其中，r为光纤束的半径，sir^是光纤的数值孔径。光纤束由一个或多根光 纤合束而成。
例如，对于光纤束半径为0. 35mm,数值孔径为0. 22的光纤束输出激光 的光学扩展量仅为5. 22 x 10—2mm2sr，和发光二极管比起来要小2个数量级以 上。在此光学扩展量下的光通量可达数千至上万流明。因此，对于激光来说， 很小的光学扩展量就能得到极高的光通量输出。
在某发光二极管和激光的混合光源中，设定发光二极管的光学扩展量为 4"激光的光学扩展量为Am，混合光源的总光学扩展量为混合光源 的总光学扩展量为发光二极管的光学扩展量和激光光学扩展量的总和，如果 1^= <^一"。,，则此时该混合光源的光功率能够全部有效地耦合进
投影系统。由于A和Am相比要小得多，几乎可以忽略不计，因此，可以 让该混合光源的光学扩展量的绝大部分分配给发光二极管，目的是尽可能地 利用成本较为低廉的发光二极管的光能，而将混合光源的光学扩展量的极少 部分分配给激光，利用激光在很小的光学扩展量下就能获得极高的亮度的特 性，从而提高了混合光源的总亮度。
图2是反射镜的结构示意图。该反射镜包括用于反射所述激光光源发 射的激光的反射部分1和使所述被补充光源发出光束直接透射通过的透射 部分。反射镜除去反射部分1外，上表面2和下表面3都镀有增加被补充 光源发出光束透射效率的增透膜。反射镜的反射部分1表面镀有增加激光 反射效率的高反膜。该反射镜由平板形透明材料制成。所述透明材料可以 为玻璃、石英、硅片和透明塑料等。所述反射部分可以位于反射镜的中央， 也可以在反射镜的一端，或者根据不同需要改为其他位置。所述反射部分 可以为平面，也可以才艮据需要设计成各种不同的形状，如抛物面形、双曲 面形或球面形等。
图3所示的用于投影显示的激光补充灯泡的光源装置，包括激光光源 708、聚焦透镜705、灯泡706和反射镜707;其中，激光光源708为红光 激光器，反射镜707为由玻璃制成的平板状结构，反射镜的中间部分704 为反射部分，镀有对红光波长高反的高反膜，反射镜707的其余部分为透 射部分。红光激光器708发射的激光束经聚焦透镜705后入射到反射镜707 的反射部分704上，经过反射后输出；所述灯泡706发出的光束则直接透 射，穿过所述反射镜707后与所述经反射部分704反射后的激光束混合，且混合光中两种光的光轴重合，从而实现红光的补入。聚焦透镜705还可 以使用聚焦透镜组或其他可以实现聚焦作用的光学元器件。聚焦透镜组中 可以增加扩束透镜，增大激光的发散程度，因为以一定发散角发散的激光 与灯泡混合的效果会更好，且激光束反射后与灯泡的光束共轴则会使混合
效果最佳。所述激光器708可以为固体激光器，也可以为半导体激光器、 光纤激光器、气体激光器等。所述激光器708选用的红光激光器，选择630nm 到670nm的波长较好。而这里的灯泡也可以为超高压汞灯、金属卣化物灯、 囟素灯和氙灯。为了减小反射镜的反射部分对灯泡706输出光束的影响， 同时又能够将全部入射的激光反射，聚焦透镜705应尽量使激光的焦点处 于反射镜707的反射部分704的表面或附近位置，这样才有可能将反射镜 707的反射部分制作的面积更小，以减小反射部分对灯泡输出光的阻挡。 混合后的光谱示意图如图4所示。图4与图1比较可见，RGB三基色的分 布中，红光的强度明显提高，较好地符合白场配光的需要。
本光源装置中，所述反射镜707的反射部分可以设在反射镜中间，也 可以设在边缘或其他合适的位置，反射部分的表面形状可以为如图2所示 的平面型，也可以4艮才居需要设计成各种不同的形状，如抛物面形、双曲面 形或球面形等，反射镜707的材料可以使用透明材料制备，所述透明材料 包括玻璃、石英、硅片和透明塑料等；所述反射镜707的厚度可以很小， 其形状也可以制作成条状、圆盘状等各种形状，本领域普通技术人员应当 理解，只要反射部分的面积大于入射激光束的截面直径，就可以保证激光 束的反射，在此条件下，被补充光源发出的光也可以只有一部分经过所述 反射镜透射，另一部分则不经过反射镜而直接与所述激光束混合。
图5是作为被补充光源的发光二极管光源与激光光源混合进行投影显 示的光源装置。其中，发光二极管光源901为白光发光二极管，所发光通过 光束整形装置902后，朗伯体形式的光发散角被压缩，压缩后的发散角为投 影系统的孔径角，例如±12°;光束整形装置902的出射光直接透射通过反射 镜903，在反射镜903表面除去反射部分以外的区域都镀有宽带增透膜；激 光光源907为绿光激光器，所发射的激光通过耦合透镜组906进入光纤905, 光纤905的出射光通过聚焦透镜组904聚焦，且其发散角控制在投影系统的 孔径角内。反射镜903的激光入射面上镀有对激光波长高反的高反膜作为反 射镜的反射部分。调整光路，使激光束的焦点处于反射镜903的反射部分处， 激光在反射部分处发生反射，并由会聚光束转为发散光束；而白光发光二极管的光线则透过反射镜之后，和反射后的绿色激光混合，成为混合照明光源， 实现对发光二极管绿光进行补足。当然，上述光源装置中，应当使激光束的 焦斑面积小于或等于反射部分的大小，也可以使激光束的焦点处于反射部分 的表面的附近，同时使激光束在反射部分处的光斑面积小于或等于反射部分 面积，因为如果激光束的光斑面积大于反射部分的话，会有光能的浪费，同 样激光束的光斑面积如果小于反射部分过多的话，则最好缩小反射部分大 小，尽量少阻挡发光二极管的光线，否则不能使发光二极管的最大光功率得
以利用；同时，用于压缩发光二极管光源输出光发散角的光束整形装置可以 使用楔形四棱锥或其他光学器件来实现。本领域技术人员应当理解，LED光 源可以为白光LED光源，也可.以为其他单色LED光源，这是根据实际使用的 需要来确定的。
图6和图7是两种三基色LED灯分别与RGB激光合束作为投影显示光 源的示意图。
其中，图6的投影显示光源包括红、绿、蓝LED灯、红、绿、蓝光激 光器、两个二向色镜和三个具有图2所示结构的反射镜，其中，红色LED 灯1001发出的红光与红光激光器1007发射的红色激光混合，绿色LED灯
发出的蓝光与蓝光激光器1009发射的蓝色激光混合，上述同色LED灯光 与激光的混合方式都采用图5所示的方式，同时，混合后的红光与混合后 的绿光通过第一二向色镜1019合束后，红绿混合光再通过第二二向色镜 1020与混合后的蓝光合束，得到投影显示所需的白光。此外，红光LED和 蓝光LED的位置也可以彼此交换，补入的红光激光器和蓝光激光器的位置 也要相应地交换位置，同时也要更改第一二向色镜和第二二向色镜的相应 镀膜，这对本领域技术人员是可以理解的。
图7中的投影显示用光源使用合色棱镜(X-cube) 1122来替代图6中 的两个二向色镜进行三基色光的合成，同颜色的光束混合方式与图5相同， 同样可以得到投影显示所需的白光。此外，同图6相同，红光和蓝光的光 路可以彼此换位，但是绿光的位置必须为从X-cube合色棱镜1122的中间 位置不经反射直接通过的位置。
图6和图7的合成白光可用于单片DLP( digital light processing )、 单片LCOS及单片LCD的投影光源，而且由于光源全部由LED灯和激光器 提供，因此可以采用电控时序的方法，从而可以去掉传统技术中使用的色轮。此外，根据具体需要，可以选择性补入某一种或某几种颜色的光。
图8-图15给出了几种使用本发明光源装置的投影仪光路结构。 图8是在单片DLP光机中使用本发明光源装置的一种投影仪光路的实 施例。包括作为被补充光源的超高压汞灯1209、激光光源1208、扩束透 镜1217、聚焦透镜1218、反射镜1207、光棒1210、聚焦透镜组1211、色 轮1212、中继透镜组1213、数字微镜器件DMD1214和投影透镜组1215及 屏幕1216,其中，反射镜1207结构与图2所示相同。超高压汞灯1209发 射的白色光束垂直入射反射镜1207并直接透射出去，激光器1208为输出 635nm红色激光的固体激光器，红色激光经过扩束透镜1217扩束后入射到 聚焦透镜1218后.，再入射到反射镜1207的反射部分上，并且其焦点在反 射镜1207的反射部分处，经过反射镜1207反射后与所述超高压汞灯1209 发射的光束同一方向共轴输出，混合成为投影显示的光源。扩束透镜1217 增大了激光经过聚焦透镜1218后的发散程度，而激光与被补充光源的发 散程度较接近，会增强混合效果。但是如果激光器的光斑本身就可以满足 混合要求，则不必加入扩束透镜。反射镜1207的反射部分镀有对波长635憩 激光高反的高反膜，在反射镜1207的透射部分镀有可见光的宽带增透膜。 混合后的光束在光路中由光棒1210对其进行匀场处理，然后由所述聚焦 透镜组1211对其进行会聚，再进入色轮1212,使绿光、蓝光和红光三种 颜色的光按照色轮设置的一定顺序依序输出，接着通过中继透镜组1213 转像后照射到数字凝:4竟器件(Digital Micro-mirror Device,简称DMD) 1214上，由DMD1214处理过后的光束经过投影透镜组1215后，最后照射 到屏幕1216上成像。本实施例中的激光光源1208发射红色激光是为了提 高投影显示中的红光亮度，调整红绿蓝三基色的强度分布，从而提高了图 像的色饱和度与对比度。
图9是在三片DLP光机中使用本发明光源装置的一种投影仪光路的实 施例。包括作为被补充光源的氙灯1309、激光光源1308、耦合透镜1318、 光纤1319、聚焦透镜1311、反射镜13Q7、光棒1310、聚焦透镜组1312、 平面反射4竟1320、内部全反射棱4竟(Total Interface Reflection,筒称 TIR棱镜)1321、分色再合色棱镜(color spl i 11 ing/recombining prism) 1322、红、绿、蓝DMD1323、 1324和1325、以及投影透镜组1315，其中， 激光与氙灯混合仍然使用图2所示结构的反射镜。但是反射镜1307的厚 度和宽度仅为2毫米。由于宽度较小，氙灯1 309发射的光只有部分射到上面。激光器光源1308为发射635nm红色激光的半导体激光器。激光首 先通过耦合透镜1318后进入光纤1319，从光纤1319出射的激光束再通过 聚焦透镜1311入射并聚焦于反射镜1307的反射部分上，经过反射后出射， 由于反射镜1307的宽度很小，作为被补充光源的氙灯1309发射的光一部 分入射到所述反射镜1307上并透射后与所述激光束混合，另一部分则直 接与所述激光束混合。在反射镜1307的反射部分镀有对波长635nm激光 的高反膜，在反射镜1307的透射部分镀有可见光的宽带增透膜。混合后 的光束通过光棒1310进行匀场后，再通过聚焦透镜组1312会聚，然后经 过平面反射镜1320反射，进入内部全反射TIR棱镜(Total Interface Refaction,简称TIR棱镜)1321 ， TIR棱镜1321的作用是实现入射光与 出射光分离，互不干扰，使入射光全反射，出射光透过。TIR棱镜1321将 入射混合光反射进入分色再合色棱镜1322,分色再合色棱镜1 322使混合 光顺序分为蓝、绿、红三色，并分别入射到蓝、绿、红DMD1 325、 1324和 1323上，之后三束光先红绿合色，蓝光再与红绿混合光进行合色，最后再 次作为出射光通过TIR棱镜1321输出后，入射到投影透镜组1315后成像。 其中，TIR棱镜1321和分色再合色棱镜1322都是本领域技术人员熟知的 光学器件，其结构可以参考专利号为US6863401B2的美国专利说明书第一 页第二段。
本领域普通技术人员应当理解，作为投影显示的光源灯除了氛灯外， 还可以为LED灯(包括LED阵列)、超高压汞灯、金属卣化物灯、卣素灯 等。
图10是在三片液晶光阀中使用本发明光源装置的一种投影仪光路的 实施例。其中，被补充光源输出的光与激光的混合仍然通过图2所示的反 射镜来实现，但是反射部分设置在反射镜的一端。激光光源1408为发射 635nm红光激光的固体激光器，激光经过第一聚焦透镜组1411扩束后被聚 焦在反射镜1407的反射部分上，经过反射后出射，作为被补充光源的光 源灯采用超高压汞灯1409,调整输出会聚光束的超高压汞灯1409的焦平 面F，使激光束的焦点也落在焦平面F上，且激光束的焦点与超高压汞灯 1409输出光的焦点距离尽可能的接近,但超高压汞灯1409输出光的焦点 buzaifanshejingshang,更不能位于反射镜1407的反射部分上，两束光经 过反射镜1407后同方向输出，实现混合。其中第一聚焦透镜组可以包括 扩束透镜。在反射镜1407的反射部分镀有对波长635nm激光的高反膜，这里由于超高压汞灯1409的光线未通过反射镜1407，所以反射镜1407的 透射部分也不必再镀有可见光的宽带增透膜。混合光束经过第二聚焦透镜 组1417后成为平行光或准平行光，再经过第一复眼透镜1426进行匀场， 然后顺序经过第一平面反射镜1427、第二复眼透镜1436、偏极化分光镜 PBS阵列1434和第三聚焦透镜组1451,其中，第一平面反射镜1427的作 用是将光线全反射，所述第二复眼透镜1436仍然是起匀场的作用，所述 PBS阵列1434将自然混合光转换为偏振光；由第三聚焦透镜组1451出射 的偏振光在第一二向色镜1428上将混合偏振光分离为蓝光和红绿混合光， 所述蓝光顺序经过第二平面反射镜1440、第一场镜1441和第一液晶光阀 1431后进入合色棱镜1430，所述红绿混合光在第二二向色镜1438上进一 步被分离为绿光和红光，所述绿光经过第二场镜1442和第二液晶板1432 后进入合色棱镜1430,所述红光顺序经过第一中继透镜1429、第三平面 反射镜1450、第二中继透镜1439、第四平面反射镜1420、第三场镜1443、 以及第三液晶板1433后进入合色棱镜1430，这样，RGB三束光在所述合 色棱镜1430中重新合光经投影透镜组1415投射到屏幕上，实现图像的显 示。场镜的作用是使光线与LCD液晶板的表面垂直。其中，由于蓝光与绿 光的光程相同，而红光的光程较长，中继透镜的作用是使红光转为与蓝绿 光相同光程的效果。
图10的实施例是先将超高压汞灯1409的光束和红色激光束混合并匀 场后作为光源进入投影仪的光学系统中，本领域普通技术人员应当理解， 也可以先将超高压汞灯1409发射的光束作为光源引入投影仪的光学系统， 然后在后续的结构中，如第二二向色镜1438至第三液晶板1433之间的光 路上，再使用反射镜1407将红色激光引入到投影仪的光学系统中。
图ll是使用本发明光源装置的一种具有三片LCOS( Liquid Crystal on Silicon)的投影仪光路的示意图。包括作为被补充光源的超高压汞灯 1509、发射635nm红光的激光光源1508、第一聚焦透镜组1511、具有图2 所示结构的反射镜1507、第二聚焦透镜组1517、第一和第二复眼透镜1526 和1536、第一平面反射镜1527、 PBS阵列1534、第三聚焦透镜组1521、 第一和第二二向色镜1540和1560、第一和第二中继透镜1529和1539、 三片LCOS1541、 1551和1561、三个PBS1542、 1552和1562、合色棱镜15 30， 以及投影透镜组1515，其中，图11中的投影显示光源前半部分的混合方 式光路结构与图10相同，其后的光路采用传统的三片LCOS方案，即后半部分光路中，PBS阵列1534将自然光转换为p偏振光，经过第三聚焦透镜 组1521后入射到第一二向色镜1540上，第一二向色镜1540将入射p偏 振光分离为红光和蓝绿混合光，所述红光顺序经过第一中继透镜1529、第 二平面反射镜1550、第二中继透镜1539、第一场镜1563后入射到第一 PBS1562中，第一 PBS1562将入射的p偏振红光反射后，红光在红光 LCOS1561表面经调制转换为s偏振，s偏振的红光透射穿过第一 PBS1562 后进入合色棱镜1530;所述蓝绿混合光经过第二二向色镜1560后被分离 为蓝光和绿光，所述p偏振的蓝光先经过第二场镜1543,再经过第二 PBS1542反射并在蓝光LC0S1541表面经调制转换为s偏振，并透射穿过第 二PBS1542后进入合色棟镜1530;同蓝光相类似，所述p偏振的绿光先经 过第三场镜1553,再经过第三PBS1552的反射并在绿光LCOS1551表面经 调制为s偏振，并透射穿过第三PBS1552后进入合色棱镜1530,经过合色 棱镜1530将RGB三基色光重新合束后通过投影透镜组1515投射到屏幕上， 实现图像的投影显示。其中，由于蓝光与绿光的光程相同，而红光的光程 较长，中继透镜的作用是使红光具有与蓝绿光相同光程的效果。
图12是使用本发明装置的三基色LED灯与RGB激光合束作为投影显 示光源的单片DLP的一种投影仪光路的示意图。LED与激光的合光作为投 影光源的部分与图7所示的光路结构相同，混合后的光束先经聚焦透镜组 1623会聚到光棒1624中进行匀场，再经由中继透镜组1625转像后入射到 TIR棱镜1627中，在DMD1626上处理后被反射，再从TIR棱镜1627出射 到投射透镜组1628，最后在屏幕1629上成像。本光路中由于采用电控时 序的方法，已去掉传统单片DLP光路中的色轮，经激光混合补充后，投影 系统的红绿蓝三色的亮度均比先前有了较大的提高。此外，根据白光配光 比的不同，红绿蓝激光器可以选择功率不同的激光器，尤其针对绿光不足 的情况，可以选择补充入功率较大的绿光激光。
图13是使用本发明装置的三基色LED灯与单色激光合束作为投影显 示光源的单片DLP的另一种投影仪光路的示意图。LED与激光的合光作为 投影光源的部分同图6基本^目同，只是这里仅采用绿光激光器补充绿色混 合光，红蓝两路未进行补入。混合后的光束先经过聚焦透镜组1723后会 聚到光棒1724中进行匀场，再经由中继透镜组1725转像后入射到TIR棱 镜1727中，在DMD1726上处理后被反射，再从TIR棱镜1727出射到投射 透镜组1728,最后在屏幕1729上成像。上述投影显示光源中，在色温6500K下使用0. 79英寸的成像芯片、F数为2. 4的投影镜头的投影系统，所述LED 灯都采用LED阵列，发光面积为7mm2，在未加入绿光激光器前红绿蓝LED 阵列的光功率分别约为红光0. 8W、绿光O. 7W、蓝光1.4W，由于绿光已达最 大光功率，所以限制了红光和蓝光的光功率。采用上述投影显示光源，加入 光功率为0. 65W的532nm绿光激光器的激光后，红绿蓝的光功率分别提高到 红光约1.2W、绿光约I.IW、蓝光约1. 8W。加入绿光激光器后的光源装置 输出白光的亮度比先前提高了大约50%。这种方法大大提高了绿光的亮 度，及绿光的色饱和度，从而提高了白光的整体亮度。
图14是使用本发明装置的三基色LED与单色激光合束作为投影显示 光源的三片.LCD的一种投影仪光路的示意图。图中绿光LED阵列1801按 图5所示方式与绿光激光器1804使用反射镜1803进行光束混合，而红光 LED阵列1811和蓝光LED阵列1821则不再用激光进行补充，绿光的混合 光顺序经过准直透镜1831、偏光片1832、聚焦透镜1833、光棒1834和中 继透镜组1835和绿光LCD液晶光阀1808后进入合色棱镜1838;而红光和 蓝光LED灯1811和1821经过各自对应的准直透镜1813和1823、偏光片 1814和1824、聚焦透镜1815和1825、光棒1816和1826、中继透镜组1817 和1827及LCD液晶光阀1818和1828后进入合色棱4竟1838，由合色棱镜 1838将RGB三基色光重新合光，通过投影透镜组1839在屏幕184G上成像。 其中，为了提高光束的利用效率，用于压缩LED灯输出光束发散角的光束 整形装置可以使用楔形四棱锥，这样，还可以利用偏振片使S光通过，P 光反射回去，在LED阵列表面和楔形四棱锥中再次被改变为自然光并随后 续输出光一起输出，实现P光的部分再次利用。
图15是使用本发明装置的三基色LED灯与激光合束作为投影显示光 源的三片LCOS的一种投影仪光路的示意图。图15与图14基本相同，只 是混合光源为蓝绿两个激光器分别混合入蓝绿LED阵列中，而红光则全部 由红光LED灯提供，并且使用PBS和LCOS的组合替代了图14中的LCD液 晶光阀，有关PBS和LCOS的组合和使用方式在图11中已经进行了详细介 绍，这里就不再赘述。
最后需要强调的是，上述图6、 7、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15中， 为了实现图像显示，还要求红绿蓝三路的光路应满足光程相同或使光路达 到光程相同的效果的条件，这对本领域技术人员是公知的。
当然，根据实际应用中的需要，本发明的光源装置还可以将其他波长和颜色的激光与灯泡与LED发出的光相混合。最后应说明的是，以上各附 图中的实施例仅用以说明本发明的光源装置的结构和技术方案，但非限 制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应 当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技 术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1. 一种用于投影显示的光源装置，包括被补充光源和激光光源，还包括用于将所述被补充光源发射的光与所述激光光源发射的激光合成一束的反射镜，所述反射镜包括用于反射所述激光光源发射的激光的反射部分和使所述被补充光源发出光束直接透射通过的透射部分。
2. 根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述反射镜由透明 材料制成。
3. 根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于，所述透明材料包括 玻璃、石英、硅片和透明塑料。
4. 根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于，所述反射镜的反射 部分表面镀有增加激光反射效率的高反膜。
5. 根据权利要求2所述的光源装置，其特征在于，所述反射镜的透射 部分表面镀有增加被补充光源发出光束透射效率的增透膜。
6. 根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述反射部分形状 为平面、4勉物面、^又曲面或J求面。
7. 根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述激光光源与所 述反射镜之间设有光束调整系统。
8. 根据权利要求7所述的光源装置，其特征在于，所述光束调整系统 包括光纤以及用于将所述激光耦合进所述光纤的耦合镜。
9. 根据权利要求7所述的光源装置，其特征在于，所述光束调整系统 还包括聚焦透镜。
10. 根据权利要求9所述的光源装置，其特征在于，所述光束调整系 统还包括扩束透镜。
11. 根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述被补充光源 为LED灯、超高压汞灯、金属卣素灯、氙灯、卣素灯。
12. —种投影仪，其特征在于，所述投影仪使用上述权利要求1-11 任一项所述的光源装置作为投影仪的光源。
全文摘要
本发明提供了一种具有高亮度、高对比度与高色饱和度的用于投影系统的光源装置和投影显示装置；光源装置包括被补充光源、激光光源和用于将所述被补充光源发射的光与所述激光光源发射的激光合成一束的反射镜，所述反射镜包括用于反射所述激光光源发射的激光的反射部分和使所述被补充光源发出光束直接透射通过的透射部分；本发明将激光器的激光巧妙地引入投影系统的灯泡和LED发光光源，可以成功地调整了红绿蓝三基色的强度分布，提高了色饱和度与对比度等性能，在投影显示领域具有很高的实用价值。
文档编号G02B5/08GK101430491SQ200710187248
公开日2009年5月13日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月8日
发明者华 成, 勇 毕, 斌 王, 王延伟, 贾中达, 光 郑 申请人:北京中视中科光电技术有限公司;中国科学院光电研究院