投影机光源及投影机的制作方法

技术领域

本发明涉及光学领域，具体而言，涉及一种投影机光源及投影机。

背景技术：

激光和LED等固体光源因其能耗低、体积小、寿命长和绿色环保等特点，在各个领域中正在逐渐代替传统的气体光源，应用越来越广泛。在投影显示应用领域，激光和LED投影系统已成为研究和开发的热点。各种激光和LED及荧光光源系统相续出现。尽管如此，要实现激光显示超出其它显示技术的突出的色彩表现能力，同时抑制激光散斑带来的图像噪音，仍有不少困难。特别是对最关键的绿光光源，如以激光为光源，可实现大色域的功能，但图像散斑噪音严重。如以短波长激光激励的荧光为光源，散斑噪音可消除，但色彩功能很局限。

针对相关技术中在实现大色域时散斑现象往往比较严重的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中在实现大色域时散斑现象往往比较严重的问题而提出本发明，为此，本发明的主要目的在于提供一种投影机光源、投影机及电视机，以解决上述问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种投影机光源。该投影机光源采用激光和荧光的合成光作为输出光。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种投影机。该投影机包括本发明所提供的投影机光源。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种电视机。该电视机包括本发明所提供的投影机光源。

通过本发明，采用激光和荧光的合成光作为光投影机光源，解决了相关技术中在实现大色域时散斑现象往往比较严重的问题，进而达到了在实现大色域的同时实现低散斑的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1a是根据本发明第一实施例的投影机光源的示意图；

图1b是根据本发明第二实施例的投影机光源的示意图；

图1c是激光光谱和荧光光谱的对比示意图；

图2a是根据本发明第一实施例的合成光的示意图；

图2b是根据本发明第二实施例的合成光的示意图；

图3a是根据本发明实施例的合成光源产生的色域的效果图；

图3b是根据本发明实施例的当激光荧光比变化时，相应的色域变化和散斑对比度变化的示意图；

图4是根据本发明实施例的采用蓝光激光作为激励光的示意图；

图5a是根据本发明的投影机光源的一种优选实施例的示意图；

图5b是根据本发明的投影机光源的另一种优选实施例的示意图；

图5c是根据本发明的投影机光源的另一种优选实施例的示意图；

图6是根据本发明实施例的一种合成机构的示意图；以及

图7是根据本发明实施例的另一种合成机构的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1a是根据本发明第一实施例的投影机光源的示意图。

如图1a所示，该投影机光源采用激光和荧光的合成光作为输出光。

在该实施例中，由于采用激光作为光源，因而能够实现大色域，同时由于采用激光和荧光的合成光作为输出光，因而可以实现在增大显示系统色域的同时降低图像的激光散斑。

图1b是根据本发明第二实施例的投影机光源的示意图；图1c是激光光谱和荧光光谱的对比示意图。

如图1b所示，在该实施例中，荧光采用激励产生，其中，该荧光可以采用激光激励产生，也可以采用LED光激励产生。激光与激励后产生的荧光相合成得到复合光。

首先以绿光光源为例说明合成光的产生。如图所示，用蓝光或紫外光激光激励绿光荧光粉，以产生绿色荧光(绿色荧光指峰值波长和大部分光在绿色波段的荧光)，宽带的绿色荧光再与窄带的绿色激光合成作为投影机的绿色光源，如图1c所示。

优选地，在所述投影机光源中，蓝光、红光、绿光中任意一个或多个采用激光和荧光合成，例如，绿光可以由激光和荧光合成、蓝光或者红光也可以由激光和荧光合成，或者蓝光、红光、绿光均由激光和荧光合成，相比于不同颜色的光分别采用激光和荧光合成(例如，蓝光为纯激光、绿光为纯荧光)，该种形式的投影机光源能够实现更大的色域。

图2a是根据本发明第一实施例的合成光的示意图；图2b是根据本发明第二实施例的合成光的示意图。

如图2a所示，荧光和激光可由光纤耦合器、波导耦合器合成，也可由自由空间光学合成，如图2b所示，两个处在临近位置的光源可同时投射到物上去。即，光源1和光源2，例如，激光光源和激光光源激励的荧光光源，位于透镜的一侧，透镜将光源1和光源2投射的光进行合成。

优选地，根据本发明实施例的投影机光源可以包括激光光源、荧光光源以及合成机构，其中，该合成机构用于对激光光源产生的激光和荧光光源产生的荧光进行合成。

上述荧光光源可以包括荧光粉机构和激励光源，其中，激励光源发出的光经由荧光粉机构后产生荧光。

荧光粉机构可以包括色轮和/或叠加机构，其中，在荧光粉机构包括色轮的情况下，在色轮的不同区域涂有不同颜色的荧光粉；在荧光粉机构包括叠加机构的情况下，其中，在叠加机构的不同层涂有不同颜色的荧光粉。

上述的激励光源既可以为激光光源，也可以为LED光源。

合成机构包括光纤耦合器、波导耦合器和透镜中的任意一个或者多个。

图3a是根据本发明实施例的合成光源产生的色域的效果图。

经由图1a到图1c合成光源产生的效果可由色域三角形展示，如图3a所示，三角形ABC代表红(激光)-绿(荧光)-蓝(激光)三色光源的可表现的色域，由于荧光粉波长带宽大，绿光色坐B标靠近中心，色域三角形面积小，可表现的色彩少。

当加入绿光激光成分后，绿光色坐标D远离中心，色域三角形ADC面积更大，可表现的色彩大大增加。

可以用上述方式产生蓝光和红光，即，蓝光、红光采用激光和荧光相合成。因为各色光对色域三角形大小和散斑影响的程度不同，用上述方式合成绿光光源，效果最明显，可以在增大色域面积的同时，抑制散斑。

上述合成激光和荧光的方式提供了优化光源色彩饱和度的手段。

如图3a中AEC所示，该种情况为完全采用激光的情况，从图中可以看出，虽然完全采用激光可以获得最大的色域，但是在该种情况下，同样会出现散斑比较严重的情况。即，如果纯粹用激光为光源，绿光色坐标会在整个色域的边界，色域三角形面积会更大，但纯激光光源会带来严重的激光相干散斑，影响图像画质。

综合以上各种情况可以看出，对于色域三角形为ADC的情况为本发明中对荧光和激光进行合成的最优方式，在该种情况下，既可以获得比较大的色域，又可以大大地减少散斑。

现在对图3a做进一步的定量描述。为描述色域大小，我们须获得光源的色彩刺激值，如：

$X=\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}I\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

$Y=\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}I\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

$Z=\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}I\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)d\mathrm{\λ}$

其中I(λ)是光源光谱分布。是标准刺激曲线。在xy色彩空间，色坐标是：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}$

z＝1-x-y

根据红绿蓝光源的xy坐标，可计算色域三角形的面积大小。

为定量描述散斑，设有均匀光强照射到屏幕上，由于激光的相干性，屏幕反射或投射的光强度产生不均匀性(即散斑)，画面光强分布为p(I)(p为强度I的几率)，则散斑对比度的定义为：

$C=\frac{{\mathrm{\σ}}_I}{\stackrel{\‾}{I}}$

其中，为光强平均值，σ_I为标准偏差。此二者可由p(I)计算。要严格地计算出实际投影系统屏幕的p(I)，理论非常复杂。现在侧重光源讨论。对常用的固体激光，其光谱非常窄，可近似为完全相关光，其散斑光强几率分布为负指数函数：

$p_1\left(I\right)=\frac{1}{\stackrel{\‾}{I}}\exp (-I/\stackrel{\‾}{I})$

对荧光光源，由于光谱非常宽，可近似为完全非相关光，其散斑光强几率分布为δ函数：

p₂(I)＝δ(I)

根据分布函数p1，p2和激光光源和荧光光源混合比例，我们可得到合成光源的光强分布函数，进而得到散斑对比度。

图3b是图3a例子的计算结果。这里蓝光采用激光LD，红光采用LED，蓝光和红光的色坐标分别为(0.1813，0.0818)，(0.6190，0.3521)。绿光采用固体激光和荧光的混合。固体激光的中心波长为532nm，带宽为0.1nm。荧光中心波长为532nm，带宽为80nm。

图3b是当绿光激光荧光比变化时，相应的色域的变化和散斑对比度变化。图中曲线A代表散斑对比度，我们可以观察到当荧光成分从0增大至约60％时，散斑对比度降低，在60～90％对比度下降不明显，过了90％右继续下降。这样的变化行为是由负指数分布和δ分布的合成引起的。曲线B为色域三角形的相对面积(即色域三角形面积与纯绿光荧光时色域三角形面积之比)，我们可以看到当荧光成分增大时，色域变小。

为降低散斑对比度和增大色域的设计的目的，约60％荧光成分最为有效。这时散斑对比度由纯激光光源的100％降低到了27％，同时xy空间色域面积比纯荧光光源增加了32％。需要指出的是，为计算简单的缘故，色域面积是在xy色域空间进行的，由于xy空间的非均匀性会低估色域增加，实际色域面增加会更高。荧光光源的色域太小，色彩饱和度低，只适合某些商用投影应用，通过激光和荧光的混合，增大后的色域能满足家庭影院等娱乐应用的需求。另外，散斑对比度大约须小到5％人眼才觉察不到。在此例中假设光源的完全相干的，在实际系统中由于激光列阵的采用，系统中的各种随机器件和过程，即使不混合荧光，激光已不是完全相干光，散斑对比度不是100％，根据光学系统不同，可小到15-20％。通过本发明的激光和荧光混合，是可以将散斑对比度降低到5％的程度。

图4是根据本发明实施例的采用蓝光激光作为激励光的波长示意图。

当以蓝光激光为激励光时，可设计荧光激励的方式只使部分蓝光转换为绿光。这样剩余的蓝光可作为蓝光光源。

在投影机光源中，优选地，激光和荧光采用以下方式之一合成：对红光激光、绿光激光和第一荧光进行合成，其中，第一荧光为蓝光激励光激励红光荧光粉和绿光荧光粉产生的荧光；或者，对红光LED发出的光、绿光激光和第二荧光进行合成，其中，第二荧光为蓝光激励光激励绿光荧光粉产生的荧光。即、在上述的投影机光源中，所述激光可以包括红光激光和绿光激光，所述荧光为由蓝光激光激励红光荧光粉和绿光荧光粉而产生的第一荧光，或者，所述投影机光源还包括红光LED发出的光，所述激光包括绿光激光，所述荧光为由蓝光激光激励绿光荧光粉而产生的第二荧光。

图5a是根据本发明的投影机光源的一种优选实施例的示意图。

如图5a所示，以蓝光激光激励红光荧光粉和绿光荧光粉再与红光激光和绿光激光混合，用剩余的蓝光可作为蓝光光源，这样就可制成色彩饱和度优化的红绿蓝三色光源，从而达到大色域、低散斑的效果。

图5b是根据本发明的投影机光源的另一种优选实施例的示意图。

在实际应用中，根据应用情况不同，红光光源也可由LED代替，如图5b所示，激励光也可以是LED光源。例如，以红光LED为例，利用红光LED产生的光、绿光激光和蓝光激励光对绿荧光粉激励后产生的光进行合成，将合成后的复合光作为光源。

图5c是根据本发明的投影机光源的另一种优选实施例的示意图。

如图5c所示，在该实施例中，采用紫外光作为激励光，由于采用紫外光对荧光粉进行激励时，既可以产生绿光的荧光，也可以产生红光的荧光或者产生蓝光的荧光，因而在该种情况下，可以使得激光光源的选择更为灵活，需要说明的是，作为激励光源的紫外光光源既可以是激光光源，也可以是LED光源，同时，图中的光源1和光源2可以均为激光光源，可以一个为激光光源，另一个为LED光源。

如图所示，在采用紫外光作为激励光产生荧光之后，可以使用该荧光与激光光源产生的激光相合成，也可以使用该荧光与激光光源产生的激光和LED光源产生的光相合成。

综上可以看出，在采用紫外光作为激励光时，由于采用紫外光作为激励光可以产生绿光、蓝光和红光中任意一种颜色的荧光，因而可以使得对产生激光的激光光源和产生荧光的激励光源的选择更为灵活。

图6是根据本发明实施例的一种合成机构的示意图；以及图7是根据本发明实施例的一种合成机构的示意图。

图6和图7示出了产生荧光的不同方式。图6采用色轮的方式，不同色的荧光粉涂在色轮的不同区域。图7采用荧光粉层叠加的方式，将不同色荧光粉逐层涂在同一地方。其中在图6中，图6中的图a对应紫外光作为激励光源的情况，这时可产生红、绿、蓝荧光；图6中的图b对应蓝光作为激励光源的情况(对应图5a的情况)，这时可产生红、绿荧光，蓝光将通过透明色轮部分，作为激励光源的蓝光可部分投射直接用作蓝光光源；图6中的图c对应图5c的情况，这时红光由LED产生，只需产生绿光荧光。

该荧光采用反射方式或者投射方式产生。

本发明实施例还提供了一种投影机，该投影机具有上述任意一个实施例所述的投影机光源。

具体地，该投影机可以包括投影机光源、微显示器，其中，投影机光源用于输出合成光；微显示器，用于对投影机光源输出的合成光进行调制。

在该实施例中，由于采用了偏振光源，并且通过微显示器来利用3D信号对偏振光进行调制，以及对调制后的偏振光进行投影，可以实现立体投影。

上述根据本发明实施例的投影机可以分为前投式，也可以是背投式，其中，前投的屏幕为反射式，背投的屏幕为投射式。

本发明实施例还提供了一种电视机，该电视机具有上述任意一个实施例所述的投影机光源。

电视机作为显示设备，其信号源主要来自于天线和有线电视频道。而投影机作为显示设备，信号源主要来自DVD、蓝光(Blu-Ray)和计算机等。但是，由于机顶盒的出现，电视也可播放来自DVD、Blu-Ray等的片源，投影机也可也可播放来自电视频道的片源。

根据本发明实施例的投影机可分为前投和背投两种形式，对于背投的投影机，屏幕和投影机一体化，内置机顶盒，从而能接收和处理电视信号，也即可以作为根据本发明实施例的电视机。对于前投的投影机，屏幕和投影机分离，一般不含机顶盒。其中，前投的保偏屏幕为反射式，背投的保偏屏幕为投射式。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

本发明考虑了激光、荧光和LED在投影显示中的合成应用，从而实现大色域和低散斑的显示效果；

本发明综合激光和荧光的优点，提出了一种激光和激光激励的荧光同时使用作为光源，实现大色域同时低散斑的激光投影显示效果；

通过利用激光和激光产生的荧光的合成光作为投影机光源，提供了一个新的大色域和低散斑激光显示方案。该方案可实现激光显示色彩丰富的优势，同时克服激光显示最大的性能缺陷激光散斑。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。