背景技术
目前,基于波长转换的投影显示技术越来越受到人们的关注。该技术方案由于其高亮度、长寿命的优点被认为代表了投影显示技术未来发展的方向。
美国专利7547114首次公开了该技术方案的整体光学架构。在该技术方案中,一个激发光源被用来激发的一个旋转的荧光粉色轮,该荧光粉色轮上涂覆有红、绿、蓝三种颜色的荧光粉;随着该色轮的旋转,不同颜色的荧光粉依次被激发光源发射的激发光所激发,并受激发射出不同颜色受激光。该红、绿、蓝基色光序列经过一个光阀的调制后再经过投影镜头的投影可以在屏幕上得到各基色光的图像,并经过人眼的视觉暂留效应在时域混合在一起而形成彩色图像。
应用该技术方案制造的投影光源的效率取决于荧光粉的能量转换效率。为了提高荧光粉的能量转换效率,人们做了大量的实验和尝试。实验结果表明,激发光源发出的激发光在荧光粉色轮表面形成的激发光斑的功率密度越低,则荧光粉的能量转换效率越高。
众所周知,在相同光功率下激发光斑越均匀、激发光斑的面积越大则光斑的峰值功率密度越低,进而越有利于荧光粉效率的提高。现有技术中,通过使用复眼透镜对可以将激发光的光斑变为均匀的长方形,如图1a所示。其中,激发光源101发出的光经过准直透镜102准直后,入射到复眼透镜对103上,经复眼透镜对103整形和匀光后再经聚光透镜104会聚于荧光粉110表面并形成激发光斑130。
其中,复眼透镜对103包括两片相对的复眼透镜103a和103b,复眼透镜103a包括周期性排列的透镜单元103a1,复眼透镜103b包括周期性排列的透镜单元103b1,复眼透镜103a和复眼透镜103b的透镜单元一一对应。图1b显示了复眼透镜103a的正视图。
当入射光入射到复眼透镜103a表面时,入射光束被多个透镜单元103a1分割成多个子光束,这多个子光束经过其对应的复眼透镜103b上的透镜单元103b1和聚光透镜104的作用后,相互叠加地成像于荧光粉110表面并共同形成激发光斑130,其成像的形状与复眼透镜103a的透镜单元103a1的形状相同,如图1c所示。
然而,这样的光源***在应用于实际的投影显示***中时存在问题。目前最常用的光阀是数字微镜器件(DMD,Digital Micromirror Device),它的正视图如图2a所示。数字微镜器件221的表面包括光调制区222,光调制区222内包括多个光调制单元223,每一个光调制单元223都对应于屏幕上的一个像素,通过光调制单元223的微镜的翻转可以决定这个像素的灰度和颜色,进而通过同时控制多个光调制单元223的微镜的翻转可以得到完整的彩色图像。
光调制单元223的放大图如图2b所示,其微镜的翻转是以其对角线223a为轴进行的;因此,它要求入射光以垂直于其翻转轴223a的方向入射于其表面。
在具体的投影显示***中,如图3a所示,中继***351用于将从荧光粉色轮311上发出的光沿垂直于光阀的微镜翻转轴的方向投射到光阀321表面。显而易见的,当其投射光斑323刚好覆盖光阀321的光调制区时,投影显示***的整体效率最高。
根据光路可逆原理,光斑330发出的光经过中继***351后投射于光阀321的光斑323刚好覆盖光阀321的调制区,则光阀321的光调制区在中继***351的光入口处的共轭面就在荧光粉色轮311上,且其在共轭面上的像被光斑330所覆盖(需要解释的是,一个成像光学***的物面及其像面互为共轭面)。因此光斑330的具体形状由光阀321的光调制区在中继***351的光入口处的共轭面上的像的形状所决定。
具体来说,在实际应用中,光阀321的光调制区在中继***351的光入口处的共轭面上的像的形状往往是一个经过扭转的长方形,因此光斑330就需要在图1c所示的形状的基础上扭转一个角度。光斑330沿图3a中的a方向的侧视图如图3b所示。
为了实现如图3b所示的光斑的扭转,一般的做法是直接扭转激发光源300本身以使其激发光斑330扭转,但是这样做会使光源300的一部分翘起,进而使整个***的厚度变大。因此需要一种投影显示装置,在激发光斑扭转以匹配光阀的光调制区的同时,不增大***的厚度。
具体实施方式
为了解决从荧光粉色轮上发出的光与光阀的光调制区的形状匹配,与投影显示***的厚度之间的矛盾,在本发明的投影显示装置中,利用极性导光装置对激发光斑进行整形使其形状具有一极性方向,且该极性方向与光阀的光调制区在中继***的光入口端的共轭面上的像的长边方向平行,进而有效保证了从荧光粉色轮上发出的光与光阀的光调制区的形状匹配,同时并不增大投影显示装置的厚度。
具体来说,本发明的第一实施例的投影显示装置的光源的结构示意图如图4a所示。其中,光源400包括用于发射激发光的激发光源401,和波长转换层410,该波长转换层410包括至少一种波长转换材料。激发光入射于该波长转换层410并形成激发光斑430,该波长转换层410吸收入射的激发光并发射受激光(图中未画出)。光源400还包括位于激发光源401与波长转换层410的光路之间的极性导光装置403,用于对激发光斑430进行整形使其形状具有一极性方向。
光斑形状的极性方向的定义是:若光斑形状在某方向u上的长度与垂直于该方向u上的长度的比值定义为该光斑在该方向u的纵横比,则极性方向指的是光斑形状的纵横比最大的方向。可以说,只要光斑形状不是各向同性的,该光斑形状就具有一极性方向。例如长方形光斑的极性方向为其长边方向,此时该光斑在极性方向上的长度为其长边长度,在垂直于极性方向上的长度为其短边长度,二者比值为该长方形的长宽比。又例如椭圆形光斑,其极性方向是其长轴方向,此时该光斑在极性方向上的长度为其长轴长度,在垂直于极性方向上的长度为其短轴长度。
如前所述,由于光阀的光调制区的形状往往为长方形,同时由于受激光的发光光斑与激发光斑430的形状几乎相同,因此优选的激发光斑430的形状为长方形或椭圆形。
在本实施例中,激发光源401包括至少一颗激光二极管401a,该激光二极管发射蓝色或紫外的激发光。为了提高激光二极管光路后端的光学***的性能,优选的,该激发光源401还包括至少一个准直透镜402b,如图4a所示,该至少一个准直透镜402b与至少一个激光二极管401a一一对应,用于准直至少一个激光二极管401a发出的光。在实际应用中,一个激光二极管的能量往往是不足的,所以在本实施例中使用了激光二极管阵列,该激光二极管阵列中包括多颗激光二极管,同时需要包括多个准直透镜的准直透镜阵列与激光二极管阵列相对应。
在本实施例中,极性导光装置403包括用于接收激发光的极性散光层403a,该极性散光层403a的出射光的光强分布具有一极性方向;极性导光装置403还包括位于极性散光层403a的光路后端的聚光透镜403c,用于将从极性散光层403a出射的光汇聚于波长转换层410并形成激发光斑430。
出射光的光强分布的极性方向的定义是:若光强分布在某方向u上的角度与垂直于该方向u上的角度的比值定义为该光强分布在该方向u的纵横比,则光强分布的极性方向指的是光强分布的纵横比最大的方向。例如长方形光锥的极性方向为其长边方向,椭圆形光锥的极性方向是其长轴方向。
根据光学原理可知,合理设计的聚光透镜403c可以将光强分布转变为聚焦光斑的面分布,也就是说从极性散光层403a出射的光强分布具有一极性方向的出射光,经过聚光透镜403c后可以在波长转换层410形成具有相同极性方向的激发光斑430。因此通过对极性散光层403a出射的光强分布的极性方向的控制,就可以控制激发光斑430的极性方向。
极性散光层具有多种实现方式,在本实施例中,极性散光层403a的具体实现方式是第一透镜阵列403a,该第一透镜阵列403a包括多个第一透镜单元403a1。为了第一透镜阵列403a的出射光的光强分布具有一极性方向,第一透镜单元403a1的外形具有一极性方向,如图4c所示。
如图4b所示,当准直入射光入射于第一透镜单元403a1时,入射于第一透镜单元表面不同位置的入射光由于入射角不同而发生的折射不同,也就是说,不同的入射位置对应于不同的发射角度,因此入射位置的分布就对应于光强分布。由于第一透镜阵列403a包括多个第一透镜单元403a1,所以入射光入射位置的分布近似的等于第一透镜单元403a1的外形。也就是说,第一透镜单元403a1的外形决定了出射光的光强分布。
综上所述,在本实施例中,第一透镜单元403a1的外形具有一极性方向决定了从第一透镜阵列403a出射的光的光强分布具有相同的极性方向,再通过聚光透镜403c的作用使激发光斑430具有相同的极性方向。
除了上述的透镜阵列,极性散光层还存在其它的实现方式。例如经过设计的具有特定微观形貌的散光片,只要在该散光片表面形成不同斜率分布的微观结构,利用不同斜率与出射光角度的对应关系,就可以形成不同的出射光角度的分布,也就是不同的光强分布。极性散光层还可以是衍射光学元件,利用其表面的微观结构所引起的入射光的干涉和衍射,实现特定的光强分布。这是现有技术,此处不赘述。
本实施例的投影显示装置还包括用于接收并调制从波长转换层410发出的光的光阀,该光阀具有光调制区,该光调制区的外形为长方形。光阀的光调制区的外形决定了投影显示的外形,常用的有两种,分别是4∶3和16∶9的长方形。从波长转换层410发出的光包括受激光,也可能是没有被波长转换层410吸收的剩余的激发光和受激光的混合光。
本实施例的投影显示装置还包括位于波长转换层410与光阀的光路之间的用于将从波长转换层410出射的光投射到光阀的光调制区的中继***,该中继***包括用于接收波长转换层发出的光的光入口。结合图3a和3b的描述可知,通过调节激发光斑的极性方向,使其与光阀的光调制区在中继***的光入口端的共轭面上的像的长边方向平行,可以最大限度的提高***效率。同时,由于激发光斑的极性方向由极性导光装置决定,因此不必要扭转整个光源,进而不会增大投影显示装置的厚度。
在实际操作中,由于误差的存在,激发光斑的极性方向可能与光阀的光调制区在中继***的光入口端的共轭面上的像的长边方向存在一个夹角;一般来说只要这个夹角小于20度就是可以接受的。当然,这个夹角越接近于零度越好,因此,为了调节方便,优选的,本实施例的投影显示装置还包括第一调节装置,用于旋转调节极性散光层403a出射光的光强分布的极性方向。通过该第一调节装置,可以调节激发光斑430的极性方向使其与光阀的光调制区在中继***的光入口端的共轭面上的像的长边方向平行,如图4d所示。在第一调节装置的调节过程中,可以通过测量投影显示***在屏幕上的图像的亮度来判断该调节是否达到最优值。
在优选的情况下,激发光斑430的形状与光阀的光调制区的外形相同,因此在本实施例中,第一透镜单元的外形为长方形,且该长方形的长宽比等于光阀的光调制区的长宽比。
本发明的第二实施例的投影显示装置的光源的结构示意图如图5a所示。与第一实施例不同的是,本实施例还包括驱动装置514,波长转换层511与该驱动装置514固定连接;该驱动装置用于带动波长转换层511与激发光斑530按照预定的轨迹发生周期性相对运动。具体的在本实施例中,驱动装置514是一个马达,波长转换层511被加工成具有圆形的外形,马达514可以带动波长转换层511以一个旋转轴为轴心旋转,该旋转轴过波长转换层511的圆形外形的圆心。这种旋转运动可以使局部的波长转换材料在被激发光激发后立刻离开激发光斑的范围,进而避免了连续激发造成的局部温度过高,进而大幅度的提高了波长转换材料的转换效率。
实际上,波长转换层511沿运动方向可以分布有一个以上的区,如图5b所示的波长转换层511包括了三个区511a、511b和511c。其中第一区511a包括第一波长转换材料,第二区511b包括第二波长转换材料,第三区包括散光材料或激发光透明。在本实施例中,第一波长转换材料为绿光波长转换材料,第二波长转换材料为红光波长转换材料,激发光为蓝光激光。蓝光激光激发绿光波长转换材料和红波长转换材料后分别产生绿光和红光,而蓝光直接由激发光在第三区产生,散光材料的作用是消除激发光的相干性。这样,随着波长转换层511的转动,不同的区依次的被激发光照射,进而从波长转换层511发出的光是红、绿、蓝得基色光序列,通过光阀的调制和投影***的投射可以在屏幕上生成彩色图像。
可以理解的是,当激发光为紫外光是,第三区也可以包括蓝光波长转换材料,该蓝光波长转换材料可以被激发光激发而产生蓝光受激光。
值得说明的是,在本发明的所有实施例中,波长转换层都可以相对于激发光斑运动而提高波长转化材料的效率和生成基色光序列。
本发明的第三实施例的投影显示装置的光源的结构示意图如图6所示。与第一实施例不同的是,在本实施例中,极性导光装置603还包括位于第一透镜阵列603a与聚光透镜603c的光路之间的第二透镜阵列603b,该第二透镜阵列603b包括多个第二透镜单元603b1;第一透镜单元603a1与第二透镜单元603b1在光路上一一对应。
第二透镜阵列603b的加入有助于激发光斑的成像质量和均匀性的提高,优选的,第二透镜阵列603b位于第一透镜阵列603a的焦平面上。优选的,第二透镜单元603b1的外形为长方形,且该长方形的长宽比等于光阀的光调制区的长宽比。
为了方便调节,与第一实施例相似的,在本实施例中还包括第二调节装置,用于同步旋转调节第一透镜阵列和第二透镜阵列;同步的原因使使第一透镜单元603a1和第二透镜单元603a2在调节过程中保持对应关系不变。
本发明的第四实施例的投影显示装置的光源的结构示意图如图7a所示。与第一实施例不同的是,本实施例中的极性导光装置703包括积分棒703b,该积分棒703b包括光入口703b1和光出口703b2,该积分棒的光出口703b2的形状具有一极性方向。极性导光装置703还包括位于激发光源与积分棒703b的光路之间的用于将激发光汇聚于积分棒703b的光入口703b1的聚光透镜703a。
激发光被聚光透镜703a导入到积分棒703b的光入口703b1后,在积分棒内壁发生不断地反射同时沿着积分棒703b传播,当激发光到达积分棒703b的光出口703b2后由于多次的反射和叠加可以形成均匀光分布,其光斑形状与积分棒703b的光出口703b2的形状相同,故而也具有一极性方向。在本实施例中,从光出口703b2出射的激发光直接入射于波长转换层710,因此积分棒的光出口703b2的形状及其极性方向就决定了激发光斑的极性方向。
图7b显示了在本实施例中光出口703b2的形状。优选的,积分棒的光出口703b2的形状为长方形,且该长方形的长宽比等于光阀的光调制区的长宽比。
在本实施例中,积分棒的光出口703b2和光入口703b1的形状相同,均匀长方形。实际上,这两者的形状可以不同,例如光出口的尺寸大于光入口,或光入口的尺寸大于光出口,甚至还可能两者中一个是正方形,另一个是长方形。
为了实现更好的匀光效果,优选的,本实施例极性导光装置703还包括位于积分棒703b的光入口703b1的散光片703d。当激发光被聚光透镜703a导入到积分棒703b的光入口703b1前,先经过散光片703d的散射,使激发光的发散角度扩大,这有助于激发光在积分棒光出口703b2的均匀性。
为了方便调节,与第一实施例相似的,在本实施例中还包括第三调节装置,用于旋转调节积分棒光出口703b2的极性方向,进而调节激发光斑的极性方向。
在本实施例中,激发光从积分棒的光出口703b2出射后直接入射于波长转换层710,这就要求积分棒的光出口703b2与波长转换层710的间距很近,否则激发光在两者的空隙中会快速的扩散进而使激发光斑的尺寸变大。而积分棒的光出口703b2与波长转换层710的间距存在一定限制,尤其是当波长转换层710与激发光斑发生相对运动时,由于运动速度往往很快,因此积分棒的光出口703b2与波长转换层710的间距不能太小,否则有相互碰撞的危险。
为了解决这个问题,与第四实施例不同的是,如图8所示,本发明的第五实施例的投影显示装置的光源的极性导光装置803还包括位于积分棒803b和波长转换层810的光路之间的中继透镜或透镜组803c,用于将从积分棒803b的光出口出射的光投射到波长转换层810并形成激发光斑。这样积分棒的光出口与波长转换层的间距不需要太小,但缺点在于***较复杂。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。