投影系统、调色装置的保护方法及装置的制作方法

专利名称：投影系统、调色装置的保护方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大功率光源的控制或调节技术，尤其涉及对调色装置，诸
如色轮或荧光粉的保护。
技术背景典型的投影显示系统包括光源系统，该光源系统包括若干单色光源， 例如但不限于红光源、绿光源和蓝光源，分别来产生红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)光束。所 述投影显示系统还包括用来调制使所述红、绿、蓝光束产生彩色图像的光阀，和用来投射经 所述光阀调制后的红、绿、蓝光束到屏幕以产生图像的光投影镜头。所述红、绿、蓝光束可 以但不限于通过光纤来传导向合色棱镜，经汇聚后输往光阀。所述光阀可以是微电机系统 (MEMS，micro—electron—mechanical system)设备，例如基于德州仪器(Texaslnstrument) 公司DLP(Digital Light Processing)技术的光调制器。投影显示系统的图像信号处理 器通过驱动信号来控制各光源，并输出相应的图像数据往光调制器。例如，当红光光源被开 启并发射红光时，图像信号处理器将把红色图像数据送往光调制器(例如数字微镜装置， 匿D);类似地，当绿光或蓝光光源被开启并发射绿/蓝光时，图像信号处理器将把相应的绿 /蓝色图像数据送往光调制器。若所有红、绿和蓝光光源都被开启时，灰色图像数据将被送 往光调制器。其中，光源系统还可以提供反馈信号往图像信号处理器，与所述驱动信号一起 组成用来稳定光源色度和亮度的反馈环路。调制后的图像光束最后经由所述光投影镜头投 射到显示屏幕。 现有光源系统为节省成本，早期多采用UHP(超高性能)灯为光源来产生白光；再
通过调色装置，例如分段色轮，来透射产生显示所需的红、绿、蓝等单色光。该方案的不足之
处在于UHP灯启动需要较高的启动电压，往往高达数千伏；且UHP灯的启动与关闭等待时
间较长；采用该方案来产生的各单色光色彩效果比较差，色域范围较小。 随着LED(Light Emitting Diode，发光二极管)技术的发展，光源系统越来越多采
用LED来克服上述不足。 按单色光的产生方式可以将现有光源系统分成下列几种(为叙述方便起见，发光 源以LED为例): 1)采用不同颜色的LED来分别产生各种单色光束，例如红、绿、蓝、黄光束。该方式 显示效果好，色域范围宽，但是LED成本较高。 2)采用单色LED及调色装置来产生各种单色光束。最常见的调色装置为分段色 轮。如图1所示，将所述色轮20置于LED 10的出射光光路中，从而光线以透射方式经由旋 转着的色轮来分时产生与各分段的颜色相对应的单色光。 3)采用单色LED及带光波长转换材料的调色装置来产生各种单色光束。所述光波 长转换材料包括荧光粉。通常在色轮的双层玻璃之间分段涂荧光粉来实现分段调色。所述 玻璃本身可耐高温，而荧光粉能承受的温度极限一般为100 200°C。在所述LED的照射 下，可以通过所述色轮的旋转来分时获得与各分段的荧光粉相对应的单色受激发光。例如 三色投影显示系统通常是基于蓝光LED来产生显示所需的红、绿、蓝单色光。有时为了提高 荧光粉的激发效率会以蓝光LED加紫外LED来共同激发荧光粉。 上述现有技术的不足之处在于随着市场对光源系统的功率要求越来越大，各种高功率的光源不断涌现，使光源系统中的调色装置接收越来越大的光能量。当所示调色装 置(例如色轮)处于高速运动时，单位时间内这些光能量不会集中积聚在一固定分段。但 若出现意外，例如光机系统出现故障等原因，使色轮突然停转或转速显著降低时，单位时间 内这些光能量将使得色轮因局部集聚过高热量而烧毁或造成所涂覆的光波长转换材料永 久性失效。另外还有一种可能正常情况下投影仪启动后色轮也应该启动；但若因某种意 外色轮并没有随之启动，此时系统若还按正常顺序启动LED光源，则同样会在很短的时间 内对色轮或荧光粉效能造成损害。 发明内容本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一
种保护方法及装置，用于投影显示系统，可以使调色装置免遭高功率光照射而受损或毁坏。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为若设置一个装置来实时监测调色装
置的运动，例如色轮的转速，当发现转速低到足以危害荧光粉功效或色轮性状时，迅速切断
发光源的供电源，则可以达到保护色轮或荧光粉的目的。具体来说，包括在投影系统启动之
时及在投影系统正常工作过程中，若监测到色轮转速低于预设值，则不开启所述供电源；当
监测或再次监测到转速恢复正常时，开启所述供电源，便于投影系统安全工作。 作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种调色装置的保护方法，用于光源系
统，包括 给该光源系统的发光源供电的步骤；来自该发光源的光通过一个光通道进行输 出； 控制使设置在所述光通道上的调色装置运动的步骤；所述调色装置包括具有不同 光学特性的至少两个区域，该调色装置的运动使各所述区域不断轮换进入所述光通道；尤 其是，还包括步骤 监测所述调色装置的运动，当测到所述运动的速度小或等于一预定值时，切断对 所述发光源的供电；否则，启动或维持对所述发光源的供电。 上述方案中，所述光源系统先启动监测所述调色装置的运动的步骤，来控制执行
给所述发光源供电的步骤。则可以自光源启动起开始对色轮及荧光粉进行保护。 上述方案中，所述光源系统一旦上电，始终执行监测所述调色装置的运动的步骤。
则便于在调色装置故障排除后，即时恢复光源系统的工作。所述调色装置为一运动盘。 上述方案中，所述不同光学特性或者是指所述区域对相同入射光的不同透射或反
射特性；或者是当在所述区域之一上承载有光波长转换材料时，指所述区域对相同入射光
的不同光波长转换特性。 上述方案中，所述光波长转换材料是被以涂覆、填充或贴膜的形式承载到所述区 域上。 上述方案中，监测所述调色装置的运动时，是在所述调色装置上设置一定位装置， 用来提供一个据以评估该调色装置运动速度的参考信号给所述光源系统的控制单元进行 所述监测的。 所述定位装置被包括在所述调色装置的伺服装置内，所述参考信号为该伺服装置 输出的一个角度或位置相关信号。或所述定位装置为安装在所述调色装置边缘的一突起， 该调色装置的运动使该突起周期性地触发一个光或机电的检测信号，用作为所述参考信 号。
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上述方案中，所述控制单元是根据所述参考信号的脉宽来评估所述调色装置运动 速度，或是根据单位时间内所述参考信号的脉冲数来评估所述调色装置运动速度。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种调色装置的保护装置，用于光源 系统，该光源系统包括发光源及调色装置，来自所述发光源的光通过一个光通道投射到所 述调色装置；该调色装置包括具有不同光学特性的至少两个区域，当该调色装置处于运动 状态时，各所述区域将不断轮换进入所述光通道的投射范围；尤其是，所述保护装置包括一 控制单元及一设置在所述调色装置上的定位装置；所述定位装置提供一个随该调色装置的 运动而变化的参考信号给所述控制单元；该控制单元输出一控制信号给所述发光源的电源 开关。 上述方案中，所述控制单元还连接一个温度传感器的输出端；该温度传感器感应 来自所述发光源的散热装置的环境温度变化而输出相应的温控信号。 上述方案中，所述调色装置为一运动盘，具有呈不同透光特性的至少两个区域；或
具有呈不同光波长转换特性的至少两个区域，其中至少一个区域承载有光波长转换材料。 作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种投影系统，包括光源系统，该光源
系统包括发光源及调色装置，来自所述发光源的光通过一个光通道投射到所述调色装置；
该调色装置包括具有不同光学特性的至少三个区域，当该调色装置处于运动状态时，各所
述区域将不断轮换进入所述光通道的投射范围，从而该光源系统提供包括红光、绿光和蓝
光在内的若干单色光束；该投影系统还包括用来调制使所述红、绿、蓝光束产生彩色图像的
光阀，和用来投射经所述光阀调制后的红、绿、蓝光束到屏幕以产生图像的光投影镜头；该
投影系统还包括图像信号处理器，该图像信号处理器通过驱动信号来控制光源系统的光输
出，并输出相应的图像数据往所述光阀；尤其是，所述投影系统还包括一控制单元及一设置
在所述调色装置上的定位装置；所述定位装置提供一个随该调色装置的运动而变化的参考
信号给所述控制单元；该控制单元输出一控制信号给所述发光源的电源开关。 上述方案中，所述控制单元还连接一个温度传感器的输出端；该温度传感器感应
来自所述发光源的散热装置的环境温度变化并输出相应的温控信号。 上述方案中，所述控制单元测到该温控信号所代表的环境温度或温度变化超过一 预定警戒值时，给出让系统产生报警的控制信号。 上述方案中，所述调色装置包括具有与所述红光、绿光和蓝光相分别对应的呈不 同透光特性的至少三个区域的色轮；或包括具有与所述红光、绿光和蓝光相分别对应的具 有不同光波长转换特性的至少三个区域的色轮，该色轮上至少承载有两种按不同区域分布 的光波长转换材料。 采用上述各技术方案，均可以对调色装置起到保护作用，同时具有实现成本低的 优点。


图1是现已知光源系统光路结构示意图；
图2是以转盘为例的本发明光源系统结构示意图；
图3是本发明光源系统的光路结构替换实施例之一示意图；
图4是本发明光源系统的光路结构替换实施例之二示意图；
图5是本发明光源系统的光路结构替换实施例之三示意图；
图6是本发明投影系统的结构示意 其中，各附图标记为10——发光源，11——激发光线，11'——激发光线的变换光
线；20——调色装置/色轮，21——定位装置；30——透镜；41、42——光探测器。
具体实施方式
下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。 如图1所代表的现已知光源系统，包括发光源10及色轮20，来自所述发光源10的
光通过一个(例如透镜30所引导的)光通道投射到所述色轮20 ;该色轮20包括具有不同
光学特性的至少两个区域，例如20a、20b、20c及20d所代表的四个具有不同透光特性的区
域，当该色轮处于运动状态时，各所述区域将不断轮换进入所述光通道的投射范围，从而分
时透射产生不同单色光。 当在所述色轮20的四个区域上以涂覆、填充或贴膜的形式来分别承载不同光波长转换材料时，各区域之间将具有不同光波长转换特性，从而各区域轮换进入光通道将把来自发光源10的激发光线11轮换变换成具有不同波长的光线ll'。可以允许所述各区域中有一个(例如20a)或一个以上(例如20a及20c)不承载任何光波长转换材料来直通所述激发光线11。 本发明根据光源的应用场合，设计并提供了几种用以替换图l光路结构的实施例。 图3所示的实施例之一是将所述色轮20与反射镜相配合，用反射来等同替换所述透射，来改变光路方向。因该替换为现有技术，不在此及下文赘述。 图4所示的实施例之二是以由透明材料构成的转筒来替换所述色轮20，将所述转筒的旋转曲面沿筒缘分成三个区域，发光源10在所述转筒20的内部提供激发光线并通过光通道(未加以图示)定向往一投射区域。 图5所示的实施例之三是以由不透明材料构成的矩形移动盘来替换所述色轮20，该移动盘作直线往复移动，被分成三个区域，通过该移动盘对光线的反射作用改变所述光通道方向。 上述几种实施例不是对本发明光源系统的结构穷举，其它遵从本发明思想的结构也将在本发明的保护范围内。因此，为阐述简洁起见，下文中若无另外说明，调色装置将包括具有呈不同透光特性的至少两个区域的运动盘，或具有呈不同光波长转换特性的至少两个区域的运动盘(其中至少一个区域承载有光波长转换材料)；所述运动盘包括转动盘或移动盘；所述光波长转换材料包括荧光粉、染料或量子点；所述发光源包括LED光源、激光光源或UHP(超高性能)灯。 控制基于上述结构的光源系统进行工作的过程一般包括步骤 A.给该光源系统的发光源供电；来自该发光源的光通过一个光通道进行输出； B.控制使设置在所述光通道上的调色装置运动；所述调色装置包括具有不同光
学特 性的至少两个区域，该调色装置的运动使各所述区域不断轮换进入所述光通道；基于上述步骤，本发明提出用来保护调色装置的方法是监测所述调色装置的运动，当测到所述运动的速度小或等于一预定值时，切断对所述发光源的供电。 为了避免光源系统供电后调色装置无法运动而发光源开始工作对调色装置造成损害，本发明可以进一步调整上述各步骤的执行次序为所述光源系统先启动监测所述调色装置的运动的步骤，来控制执行给所述发光源供电的步骤。即把发光源的供电控制步骤
7调整为由监测结果来启动，仅当调色装置受控后运动且运动速度被监测到合理之后系统才能给所述发光源供电。 当所述发光源采用LED时，可以将所述光源系统设置成一旦上电，始终执行监测所述调色装置的运动的步骤。这样，当系统因为某种原因切断LED供电后，所述控制单元继续监测所述调色装置的运动，便于在该原因排除之后，尽快测到所述运动速度的恢复(到大于所述预定值)，进而恢复对所述发光源的供电。 具体的监测措施可以是在所述调色装置上设置一定位装置，用来提供一个据以评估该调色装置运动速度的参考信号给所述光源系统的控制单元进行所述监测。以图3为例，所述定位装置可以设置为安装在所述调色装置20边缘的一个突起21 ;在所述调色装置20外设置一个对准预定位置的光检测器或机电检测装置，当所述调色装置20的转动周期性地带动所述突起21到达该预定位置时，将周期性地触发产生一个检测脉冲，用作为所述参考信号。 以投影系统中一般转速高于7200转每分钟的色轮为例，假设所述控制单元用一个单片机来实现的话，可以令该控制单元以秒为单位时间来计所述参考信号中出现的脉冲数，从而评估出所述色轮的转速。当发现所述脉冲数降低到一预定值时，意味着转速已经降低到足以危害荧光粉功效或色轮材质的程度，应迅速切断对所述发光源的供电。所述预定值根据具体的色轮或荧光粉材料来经验确定。所述单片机还可以被FPGA(FieldProgrammableGate-Array现场可编禾呈门阵列)、CPU)(Comlpex Programmable LogicDevice,复杂可编程逻辑器件)或DSP (Digital Signal Processor,数字信号处理器)等所取代。 上述监测的最小精度为1秒，对于某些较为脆弱的荧光粉仍有可能造成损害。为此，可以利用各脉冲脉宽与色轮转速的相关性，令所述控制单元实时计算各脉冲脉宽，当监测到一脉冲的脉宽或连续多个脉冲的脉宽大到一预定值时，迅速切断对所述发光源的供电。 因为所述调色装置的故障可能由该调色装置的伺服装置工作不正常而引发，而所述转动盘或移动盘在伺服装置的作用下产生运动时，所述伺服装置有可能输出一个角度或位置相关的信号，因此，可以将所述定位装置设置为该伺服装置的一部分，将所述角度或位置相关的信号用作为所述参考信号。 此外，如图4所示所述定位装置还可以是安装在所述调色装置中的一反射或吸收装置(例如在转筒内壁设置的一个反射块21);同时在调色装置外静止安装一光电发射及接收装置，例如用所述发光源兼作为发射装置，再设置一个光探测接收装置41 ;该调色装置的运动使该光电发射及接收装置接通或被所述反射块21所阻断，以产生所述参考信号。 或该定位装置为安装在所述调色装置外的出射光路的边缘的一光电探头，如图4的光探测器42所示，该探头的探测灵敏度随光波长的不同而变化，从而随所述运动装置的运动将该探头输出信号的变化用作为所述参考信号。相应地，调整控制单元识别该参考信号并评估所述调色装置运动速度的方式。 所述定位装置还可以是安装在所述调色装置中的一线形或圆形光栅尺，在所述调色装置外还安装一光电探头，从而通过"读取"该光栅尺直接给出对应于不同位置的参考信号。 根据本发明方法，本发明设计用来保护光源系统调色装置的保护装置如图2所
示，包括一控制单元及一设置在所述调色装置上的定位装置(未加以图示)。所述定位装置
提供一个随该调色装置的运动而变化的参考信号给所述控制单元；该控制单元输出一控制
信号给所述发光源的电源开关，从而该控制单元根据所述参考信号评估所述调色装置的运
动速度并提供相应的所述控制信号来切断或开启对所述发光源的供电。 使用本发明保护方法和装置的投影系统以6的具体实施例为例，包括光源系统，
该光源系统包括发光源及调色装置，来自所述发光源的光通过一个光通道投射到所述调色
装置；该调色装置包括具有不同光学特性的至少三个区域，当该调色装置处于运动状态时，
各所述区域将不断轮换进入所述光通道的投射范围，从而该光源系统提供包括红光、绿光
和蓝光在内的至少三种单色光束。当所述光学特性指对相同入射光的透光(透射或反射)
特性时，所述调色装置包括具有与所述红光、绿光和蓝光相分别对应的呈不同透光特性的
至少三个区域的色轮。当所述光学特性指对相同入射光的不同光波长转换特性时，所述调
色装置包括具有与所述红光、绿光和蓝光相分别对应的具有不同光波长转换特性的至少三
个区域的色轮，该色轮上至少承载有两种按不同区域分布的光波长转换材料。也就是说，对
图6的色轮实施例，允许区域a、b、 c和d中有两个区域具有相同的光学特性并对应相同的
单色光输出；以及允许至少有一个区域不使用光波长转换材料，只是直通利用来自所述发
光源的光。在较高色彩要求场合下，还可以按所述区域a、b、c和d分别输出蓝、绿、黄、红四
色单色光束。 所述投影系统还包括用来调制使所述红、绿、蓝光束产生彩色图像的光阀，例如图 示的数字微镜装置(匿D);和用来投射经所述光阀调制后的红、绿、蓝光束到屏幕以产生图 像的光投影镜头；还包括图像信号处理器，该图像信号处理器通过驱动信号来控制光源系 统的光输出，并输出相应的图像数据往所述光阀。 所述投影系统还包括一控制单元及一设置在所述调色装置上的定位装置；在该图 6实施例中，所述控制单元可以是所述图像信号处理器的一内部单元。所述定位装置提供一 个随该调色装置的运动而变化的参考信号给所述控制单元；该控制单元输出一控制信号给 所述发光源的电源开关。 在该投影系统中，以LED发光源为例，所得到的电能中将只有一部分转化成光能， 而必有另一部分转换成热能。为了保证LED的正常工作，通常会在例如但不限于LED金属基 板的背面上设置一散热装置。在一些特定情形下，比如该散热装置失效，则LED将因自身发 热导致的温度急速上升而过热损坏，使投影系统无法正常显示。为此，如图2的虚线所示， 本发明中所述投影系统的控制单元上还可以同时对一个温控信号进行监测。该控制单元可 以连接一个温度传感器(未加以图示)的输出端；该温度传感器感应来自所述散热装置的 环境温度变化并输出相应的温控信号。所述控制单元测到该温控信号所代表的环境温度或 温度变化超过一预定警戒值时，可以给出让系统产生报警的控制信号；当达到一可能损坏 发光源的预定临界值时，输出一控制信号给所述发光源的电源开关以彻底切断电源，以确 保发光源的安全。 所述温度传感器，例如采用热敏感元件时，可以直接被装在所述LED发光源的基 板上，从而随环境温度的变化电阻大小发生变化。所述温控信号实际为与该热敏感元件相关的取样电压或取样电流信号。该信号可以是模拟信号或数字信号，可以根据所述控制单 元的接口要求来决定是否应进行相应的信号变换。所述温度传感器还可以采用其它类型的 传感器并调整相应的信号类型。因为这些均为现有技术，不再赘述。 实验证明，使用本发明方法的光源系统或投影系统可以在硬件改动不大的前提 下，有效地实现对荧光粉或色轮的保护。
权利要求
一种调色装置的保护装置，用于光源系统，该光源系统包括发光源及调色装置，来自所述发光源的光通过一个光通道投射到所述调色装置；该调色装置包括具有不同光学特性的至少两个区域，当该调色装置处于运动状态时，各所述区域将不断轮换进入所述光通道的投射范围；其特征在于所述保护装置包括一控制单元及一设置在所述调色装置上的定位装置；所述定位装置提供一个随该调色装置的运动而变化的参考信号给所述控制单元；该控制单元输出一控制信号给所述发光源的电源开关。
2. 根据权利要求1所述调色装置的保护装置，其特征在于所述控制单元还连接一个温度传感器的输出端；该温度传感器感应来自所述发光源的 散热装置的环境温度变化而输出相应的温控信号。
3. 根据权利要求1所述调色装置的保护装置，其特征在于所述调色装置为一运动盘，具有呈不同透光特性的至少两个区域；或具有呈不同光波 长转换特性的至少两个区域，其中至少一个区域承载有光波长转换材料。
4. 一种调色装置的保护方法，用于光源系统的控制，包括给该光源系统的发光源供电的步骤；来自该发光源的光通过一个光通道进行输出；控 制使设置在所述光通道上的调色装置运动的步骤；所述调色装置包括具有不同光学特性的 至少两个区域，该调色装置的运动使各所述区域不断轮换进入所述光通道；其特征在于，还包括步骤监测所述调色装置的运动，当测到所述运动的速度小或等于一预定值时，切断对所述 发光源的供电；否则，启动或维持对所述发光源的供电。
5. 根据权利要求4所述调色装置的保护方法，其特征在于所述光源系统先启动监测所述调色装置的运动的步骤，来控制执行给所述发光源供电 的步骤。
6. 根据权利要求4所述调色装置的保护方法，其特征在于所述不同光学特性或者是指所述区域对相同入射光的不同透射或反射特性；或者是当 在所述区域之一上承载有光波长转换材料时，指所述区域对相同入射光的不同光波长转换 特性。
7. 根据权利要求4所述调色装置的保护方法，其特征在于监测所述调色装置的运动时，是在所述调色装置上设置一定位装置，用来提供一个据 以评估该调色装置运动速度的参考信号给所述光源系统的控制单元进行所述监测的。
8. —种投影系统，包括光源系统，该光源系统包括发光源及调色装置，来自所述发光源 的光通过一个光通道投射到所述调色装置；该调色装置包括具有不同光学特性的至少三个 区域，当该调色装置处于运动状态时，各所述区域将不断轮换进入所述光通道的投射范围， 从而该光源系统提供包括红光、绿光和蓝光在内的若干单色光束；该投影系统还包括用来 调制使所述红、绿、蓝光束产生彩色图像的光阀，和用来投射经所述光阀调制后的红、绿、蓝 光束到屏幕以产生图像的光投影镜头；该投影系统还包括图像信号处理器，该图像信号处 理器通过驱动信号来控制光源系统的光输出，并输出相应的图像数据往所述光阀；其特征 在于所述投影系统还包括一控制单元及一设置在所述调色装置上的定位装置；所述定位装置提供一个随该调色装置的运动而变化的参考信号给所述控制单元；该控制单元输出一控 制信号给所述发光源的电源开关。
9. 根据权利要求8所述的投影系统，其特征在于所述控制单元还连接一个温度传感器的输出端；该温度传感器感应来自所述发光源的 散热装置的环境温度变化并输出相应的温控信号。
10. 根据权利要求8所述的投影系统，其特征在于所述调色装置包括具有与所述红光、绿光和蓝光相分别对应的呈不同透光特性的至 少三个区域的色轮；或包括具有与所述红光、绿光和蓝光相分别对应的具有不同光波长转换特性的至少三个区域的色轮，该色轮上至少承载有两种按不同区域分布的光波长转换材 料。
全文摘要
一种投影系统、调色装置的保护装置，包括一控制单元及一设置在所述调色装置上的定位装置；该定位装置提供一个随调色装置的运动而变化的参考信号给所述控制单元；该控制单元输出一控制信号给发光源的电源开关，从而将调色装置的保护方法用于控制光源系统，包括给该光源系统的发光源供电的步骤；控制使设置在发光源光通道上的调色装置运动的步骤；尤其是，还包括监测所述调色装置的运动的步骤，当测到该运动速度小等于一预定值时，切断对所述发光源的供电，否则启动或维持对所述发光源的供电。采用本发明，可以低成本实现对调色装置的色轮或光波长转换材料进行保护。
文档编号G03B21/00GK101750855SQ200810241830
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者李屹, 陈泉泉 申请人:绎立锐光科技开发(深圳)有限公司