CN102854723B - 发光装置和投影装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种发光装置和投影装置，包括用于发射激发光的激发光源，和用于接收激发光并发射受激光的波长转换装置，该波长转换装置至少包括一个红光色段。还包括用于驱动波长转换装置与激发光周期性相对运动的驱动装置。还包括与波长转换装置同步运动的滤光装置，该滤光装置至少包括与红光色段相对应的红光滤光段，该红光滤光段将该红光色段发出的光过滤成红光。还包括光收集装置，该光收集装置用于收集并会聚该波长转换装置发出的光使其入射于滤光装置的入射角大于等于25度且小于等于45度。在本发明的发光装置和投影装置中，利用优化和控制入射于滤光装置光的入射角范围，兼顾了红光光通量和图像显示质量。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及发光装置和投影装置。
背景技术
目前，投影显示越来越引起人们的重视。目前，主流的投影显示技术是使用数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)作为光阀来调制一个时序的单色光序列，通过与该单色光序列的时序进行同步在屏幕上得到时序的单色光图像，并最终依靠人眼的视觉残留效应将各单色光图像叠加在一起形成彩色图像。
在该投影显示技术中，时序的单色光序列的形成是一个关键技术。一个方法是使用白光光源聚焦照射在一个滤光盘上，该滤光盘沿着圆周方向分布有多个颜色的滤光片，这些滤光片随着该滤光盘的周期性匀速转动依次通过该白光光源的聚焦光斑，进而形成各颜色的周期性序列。
美国专利7547114公开了另一种可行的方法，即使用一个激发光源照射到一个由在圆周方向分布有多个荧光粉段的荧光粉色轮，随着该色轮的转动这些荧光粉依次被激发进而实现各颜色的周期性序列。目前这种方案已经成为研究的热热点。
然而，该方案存在的问题是，红色荧光粉的效率太低，且使用寿命太短，进而使得红光成为整个光源***的效率和寿命的瓶颈。
为了解决产生红光的问题，有人提出使用高效率且稳定的黄色或绿色荧光粉，通过滤光片把其发射光谱中的绿光成分过滤掉来产生红光。目前最常用的黄色和绿色荧光粉的发射光谱如图1所示中的101所示。一般定义其中590nm以上的光谱部分为红光，在图1中表示为光谱区域102。当然由于光的颜色随波长是连续变化的，此处的590nm的界线仅是为了方便说明的举例。
在实际应用中，该滤光片安装于一个滤光轮上，该滤光轮与荧光粉色轮同步转动，使得滤光轮上每一个滤光片都与荧光粉色轮上某一种颜色的荧光粉段相对应。
由于黄色和绿色荧光粉被证明具有非常良好的稳定性，这种方法可以很好的解决红光的寿命瓶颈的问题，然而，滤光片的引入产生了新的问题。
一个典型的滤光片的透过率曲线如图2所示，其中201是当入射光线的入射角是0度时的透过率曲线，202、203、204、205则分别是入射光线的入射角是20度、40度、60度、80度时的透过率曲线；由此可见，滤光片的透过率曲线随着入射角度的增大而向短波长方向漂移，即该滤光片对不同入射角的光线存在不同的响应。
考虑到荧光粉色轮发出的黄色光或绿色光在入射到该滤光片上时，必然存在一个角度范围，即形成一个光锥，因此该滤光片对于入射的黄色光或绿色光的响应应该是对各个不同角度的光线的响应的综合效应。经过实验，可以得到该滤光片对不同角度范围的入射光线的综合的透过率曲线，如图3a所示，其中302是对于入射半角是20度的光锥该滤光片的综合透过率曲线，303、304、305分别是对于入射半角是40度、60度、80度的光锥该滤光片的综合透过率曲线。可以理解，相同光谱的入射光在形成不同入射角的光锥入射该滤光片时，得到的过滤后的出射光的颜色和光通量都是不同的。
为了得到特定的红光色坐标，可以通过设计滤光片使综合透过率曲线平移，例如当希望过滤后的出射光的颜色更偏红色，则可以使综合透过率曲线向长波长平移。
通过实验，发明人发现了这样的规律：在将如图1中101所示的黄光光谱过滤到相同的红光色坐标的前提下，入射光光锥的角度范围越大，则过滤后的红光光通量越低，如图3b所示。图中，横坐标是入射光光锥的半角角度，纵坐标是过滤后的红光相对的光通量；在这个实验中，每一个光锥过滤后的红光的色坐标都是(0.64，0.33)。
由此可见，为了实现最大的红光光通量输出，入射于滤光片的光锥的角度越小越好。然而，根据光学扩展量守恒定律，光锥的角度变小则意味着光斑的尺寸增大，而光斑尺寸增大进一步的会引起上述滤光片所在的滤光轮上的轮辐光(spoke light)的增加。当相邻两个滤光片的接缝转动到上述光锥所形成的光斑上时，这两个滤光片会同时对该光斑发生作用进而形成串扰，此时的过滤后的光线称为轮辐光。轮辐光的存在会降低图像显示的对比度和效果。可以想象，光锥半角角度越小，则光斑的尺寸越大，进而轮辐光越大，图像显示质量越低。
综上所述，目前红光光通量与图像的显示质量形成一对矛盾。
发明内容
本发明解决的主要技术问题是解决上述的红光光通量与图像的显示质量之间的矛盾。
本发明提出一种发光装置，包括用于发射激发光的激发光源，和用于接收激发光并发射受激光的波长转换装置，该波长转换装置包括至少两个色段，其中至少包括一个红光色段，该红光色段包括黄色或绿色波长转换材料。还包括用于驱动波长转换装置与激发光周期性相对运动并使该波长转换装置的至少两个色段周期性的依次被激发光照射的驱动装置。该发光装置还包括设置于波长转换装置光路后端的与波长转换装置同步运动的滤光装置，该滤光装置包括与波长转换装置的至少两个色段相对应的至少两个滤光段，该至少两个滤光段至少包括与红光色段相对应的红光滤光段，该红光滤光段将该红光色段发出的光过滤成红光；还包括设置于波长转换装置和滤光装置的光路之间的光收集装置，该光收集装置用于收集并会聚该波长转换装置发出的光使其入射于滤光装置的入射角大于等于25度且小于等于45度。
本发明还提出一种投影装置，包括上述的发光装置。
在本发明的发光装置和投影装置中，利用优化和控制入射于滤光装置光的入射角范围，兼顾了红光光通量和图像显示质量，实现了两者之间的折衷和整体性能的最优化。
附图说明
图1是现有的黄色荧光粉的发光光谱；
图2是现有一种过滤红光的滤光片对于不同入射角光线的透过率曲线；
图3a是图2所示的滤光片对于不同入射角度范围的光锥的相应；
图3b是在达到相同的红光色坐标的前提下图1所显示的光谱经过过滤后的红光光通量与入射光光锥的半角角度之间的关系曲线；
图4是在达到相同的红光色坐标的前提下图1所显示的光谱经过过滤后红光光通量与入射光光斑尺寸的关系；
图5a、5b和5c是本发明第一实施例的示意图；
图6是本发明第二实施例的示意图；
图7是本发明第三实施例的示意图。
具体实施方式
发明人通过实验，得到了在达到相同的红光色坐标的前提下图1所显示的黄光光谱经过过滤后的红光光通量与入射光的光斑尺寸之间的关系，如图4所示。其中，401指的是入射于滤光片上的入射光锥的半角是10度时的相对光斑尺寸和红光相对亮度，402至409分别指的是入射于滤光片上的入射光锥的半角是20度、25度、30度、40度、45度、50度、60度、70度时的相对光斑尺寸和红光相对亮度。由图中可见，当入射光光锥的半角在10度和25度之间时，相对光斑尺寸很大而红光相对亮度的提升并不显著，而当入射光光锥半角在45度和70度之间时，红光相对亮度过低，当入射光光锥半角大于等于25度且小于等于45度时，可以兼顾相对光斑尺寸与红光相对亮度，实现两者的折衷和整体性能的最优化。其中，更优选的入射光光锥半角为大于等于25度且小于等于35度，这是因为这时红光相对亮度较大，而且该角度范围比较匹配后端的DMD的入射光角度，便于光学设计。
本发明的第一实施例的结构如图5a所示，其中发光装置500包括用于发射激发光501的激发光源(图中未画出)，和用于接收激发光501并发射受激光的波长转换装置502。图5b是该波长转换装置502的正视图，该波长转换装置502上包括波长转换层503。在本实施例中，波长转换装置502和波长转换层503均被加工成圆形，波长转换层503包括沿圆周方向排列的两个色段503a和503b。其中色段503a是红光色段，该红光色段上包括黄色波长转换材料，该黄色波长转换材料的受激发光光谱如图1所示；色段503b是绿光色段。
在本实施例中，波长转换装置502还包括衬底511，波长转换层503附着于衬底511的一个表面上，该表面具有反光特性。在衬底511表面形成波长转换层503的方法有多种，例如将波长转换材料与粘结剂混合后涂敷于衬底511的表面，固化后形成波长转换层，又例如将波长转换材料与液态透明材料例如玻璃或环氧树脂等混合后浇注成型形成片材，再将该片材固定于衬底511表面形成波长转换层。
发光装置500还包括用于驱动波长转换装置502与激发光501周期性相对运动并使该波长转换装置502的两个色段503a和503b周期性的依次被激发光501照射的驱动装置504。在本实施例中，驱动装置504为马达，它驱动波长转换装置502绕其圆心匀速转动，色段503a和503b依次被激发光501照射产生受激光黄光和绿光，该受激光分为两个部分，一部分直接出射于波长转换装置502的外部，另一部分入射于衬底511表面后被反射，最终出射于波长转换装置502的外部。同时出射的还可能包括直接从波长转换装置502表面反射的激发光，这共同构成了波长转换装置502的出射光510。
发光装置500还包括设置于波长转换装置502光路后端的与波长转换装置502同步运动的滤光装置507，该滤光装置507的正视图如图5c所示。该滤光装置507也具有圆形的外形，它包括与波长转换装置502的两个色段相对应的两个滤光段507a和507b，其中滤光段507a与色段503a对应，滤光段507b与色段503b对应。此处的对应指的是：当波长转换装置502中的某一个色段运动到激发光的照射范围并发射受激光时，与其对应的滤光段也运动到该色段的后端光路上并对该色段发出的光进行过滤。
在本实施例中，滤光段507a是与红光色段503a相对应的红光滤光段。该红光滤光段为干涉滤光片，它透射红光并反射绿光，以透射的方式将该红光色段503a发出的光过滤成红光。
发光装置500还包括设置于波长转换装置502和滤光装置507的光路之间的光收集装置。该光收集装置用于收集并会聚波长转换装置502发出的光使其入射于滤光装置507的入射角大于等于25度且小于等于45度。在本实施例中，光收集装置包括弧形反射器506和锥形积分棒505。
弧形反射器506上存在通孔506a，且弧形反射器506的内表面上有反光层。锥形积分棒505包括入光口505a和出光口505b，光线从入光口505a入射于该锥形积分棒505并在其内部多次反射后从出光口505b出射出来。根据光学扩展量守恒原理，光线在该锥形积分棒505的入光口505a和出光口505b的光学扩展量保持不变，如公式(1)所示：
S入Ω入＝S出Ω出(1)
其中，S入和S出分别为入光口505a和出光口505b的面积，Ω入和Ω出分别为光锥入射于入光口505a和出射于出光口505b的立体角，而光锥的立体角一般与其半角的正弦的平方成正比。根据图4和上述的论述，在本发明中希望出射于出光口505b的光锥的半角大于等于25度并小于等于45度，而在本实施例中，入射于入光口505a的光锥半角为90度，因此可以得到在本实施例中入光口505a与出光口505b的面积比：
优选的，出射于出光口505b的光锥的半角大于等于25度并小于等于35度，因此可以得到优选的入光口505a与出光口505b的面积比：
在本实施例中，弧形反射器506具有半球形的内表面，波长转换装置502被激发的位置与锥形积分棒505的入光口505a的位置关于该半球形的球心对称放置。激发光501从该弧形反射器506的通孔506a入射于波长转换装置502表面，同时波长转换装置502的出射光510中的大部分能量入射于该弧形反射器506的内表面的反光层而被反射进入锥形积分棒505的入光口505a，其余小部分能量从通孔506a泄露形成损耗。由于一般通孔506a的尺寸较小，该部分损耗可以忽略不计。
从锥形积分棒505的出光口505b出射的光束入射于滤光装置507上，并最终得到过滤后的出射光509。由于入射于滤光装置507的光锥半角大于等于25度且小于等于45度，因此兼顾了出射光509中红光亮度与光斑尺寸，是***整体性能达到优化。
在本实施例中，利用锥形积分棒505和光学扩展量守恒原理，可以实现光锥半角角度的压缩，进而满足入射于滤光装置507的光锥的角度要求。实际上，锥形积分棒并不是完美的光学扩展量守恒器件，还可以使用复合抛物面集光器(CPC，Compound parabolic concentrator)来取代该锥形积分棒。该CPC同样具有入光口和出光口，而且根据光学扩展量守恒原理其入光口与出光口的面积比同样需要满足公式(2)或(3)。CPC是性能更好的光学扩展量守恒器件，但其缺点在于加工成本较高。这是现有技术，此处不赘述。
锥形积分棒还可以被透镜取代，这在下面的第三实施例中会有论述。
在本实施例中，红光色段503a上包括黄色波长转换材料，该黄色波长转换材料的受激发光光谱如图1所示；实际上该红光色段503a上也可以是绿色波长转换材料，只要其受激光光谱中存在红光成分即可。
在本实施例中，色段503b是绿光色段，上面包括黄色或绿色波长转换材料。当然该色段也可以是其它颜色的色段，这对于本发明针对红光色段的优化并没有影响。红光色段503a与绿光色段503b甚至可以使用相同的波长转换材料，例如都使用黄色波长转换材料，当红光色段转动到激发光的照射位置时，与红光色段相对应的红光滤光段过滤黄色波长转换材料发出的黄色光为红色光；当绿光色段转动到激发光的照射位置时，与绿光色段相对应的绿光滤光段过滤黄色波长转换材料发出的黄色光为绿色光。
可以理解，本发明中的波长转换装置上还可以包括两段以上的色段，同时滤光装置上包括相对应的两段以上滤光段。一种常用的结构是，波长转换装置包括红光色段、绿光色段、蓝光色段三个色段，其中红光色段包括黄色或绿色波长转换材料，绿光色段包括黄色或绿色波长转换材料，蓝光色段则根据激发光波长的不同有不同的选择。当激发光为蓝光时，蓝光色段可能不包括任何波长转换材料，直接使用激发光作为单色光输出，而相对应的蓝光滤光段则可能是镀有增透膜的透明玻璃；当激发光为蓝光时，蓝光色段也可能包括少量的蓝绿光波长转换材料或绿光波长转换材料或黄光波长转换材料，输出的蓝光为这些波长转换材料的受激光与剩余的激发光的混合；而当激发光为紫光或紫外光时，蓝光色段则可能包括蓝光波长转换材料。另一种常用结构是在上述三个色段的基础上，增加黄光或白光色段，上面包括黄色波长转换材料，用于增强白光亮度。
在本实施例中，具有半球形内表面的弧形反射器506起到收集波长转换装置发光并使其入射于光收集装置505的入光口的作用，实际上也可以使用其它方式来实现这个目的。例如使用平面反射器，或具有抛物面形内表面的弧形反射器，或具有阶梯状表面的反射器，只要能够实现收集波长转换装置发光并将其汇聚于锥形积分棒的入光口的目的即可。这是现有技术，此处不赘述。
在本发明中，滤光装置与波长转换装置同步运动；在本实施例中，另一个驱动装置508用于驱动滤光装置507运动，驱动装置508与驱动装置504保持同步。一种保持同步的方便的方式是，将驱动装置504与驱动装置508固定连接起来，变成一个整体的驱动装置，同时驱动滤光装置和波长转换装置。当然这并不限制使用电路控制的方法实现两个驱动装置504和508之间的同步。
本发明的第二实施例中的机构如图6所示，与上述实施例不同的是，在本实施例中滤光装置607包括与入射于其上的入射光的光轴呈45度角放置的滤光面6071，该滤光面具有以反射的方式过滤光的作用。该滤光面上包括至少两个滤光段，其中至少包括一个红光滤光段，该红光滤光段反射红光并透射绿光，进而以反射的方式将波长转换装置上的红光色段发出的光过滤成红光。
本发明的第三实施例的结构如图7所示，它与上述的两个实施例具有不同的光学结构。其中，波长转换装置702被激发光701激发产生受激光，该受激光被光收集装置705收集并会聚于滤光装置707，并经过滤光装置707的过滤形成出射光709。波长转换装置702被驱动装置704驱动与激发光701相对运动，同时滤光装置707与波长转换装置702保持同步。波长转换装置702和滤光装置707的结构与上述实施例相同，此处不再重复。
在本实施例中，优选的，波长转换装置702还包括一设置于波长转换材料接收激发光的一面的分光滤光片(图中未画出)，该分光滤光片透射激发光同时反射受激光。
在本实施例中，光收集装置705包括透镜或透镜组，同时波长转换装置和滤光装置分别位于该透镜或透镜组光路两侧的共轭面上，这保证了波长转换装置上的光斑通过光收集装置705后在滤光装置上形成该光斑的像。通过光学设计，透镜或透镜组705同样满足光学扩展量守恒原理，如公式(4)所示：
S1Ω1＝S2Ω2(4)
其中S1和S2分别为波长转换装置702上和滤光装置707上的光斑的面积，Ω1和Ω2分别为波长转换装置702上被光收集装置705收集的出射光的光锥的立体角和入射于滤光装置707的光锥立体角，其中Ω1对应的的半角大致为60度至80度之间。可见，通过设计可以使波长转换装置上的光斑通过透镜或透镜组705在滤光装置上成放大的像，即S1＜S2，此时就可以使Ω2小于Ω1。因此，通过调整透镜或透镜组705的成像的放大倍数S2/S1，就可以使入射于滤光装置的光锥的半角实现大于等于25度且小于等于45度。
本发明还提出一种投影装置，包括上述的发光装置。
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。
Claims (10)
1.一种发光装置，包括：
用于发射激发光的激发光源；
用于接收激发光并发射受激光的波长转换装置，该波长转换装置包括至少两个色段；
用于驱动所述波长转换装置与所述激发光周期性相对运动并使该波长转换装置的至少两个色段周期性的依次被所述激发光照射的驱动装置；
所述波长转换装置的至少两个色段中至少包括一个红光色段；
还包括：
光收集装置；
设置于所述波长转换装置光路后端的与波长转换装置同步运动的滤光装置；
其特征在于：
所述滤光装置包括与所述波长转换装置的至少两个色段相对应的至少两个滤光段，所述红光色段包括黄色或绿色波长转换材料，该至少两个滤光段至少包括与所述红光色段相对应的红光滤光段，该红光滤光段将该红光色段发出的光过滤成红光；
所述光收集装置设置于所述波长转换装置和所述滤光装置的光路之间，该光收集装置用于收集并会聚该波长转换装置发出的光使其入射于所述滤光装置的入射角大于等于25度且小于等于45度。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述滤光装置的红光滤光段透射红光并反射绿光，以透射的方式将该红光色段发出的光过滤成红光。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述滤光装置的红光滤光段反射红光并透射绿光，以反射的方式将该红光色段发出的光过滤成红光。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光收集装置包括锥形积分棒或复合抛物面激光器，该锥形积分棒或复合抛物面集光器包括入光口和出光口，入光口与出光口的面积比大于等于0.179且小于等于0.5。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述锥形积分棒或复合抛物面集光器的入光口与出光口的面积比大于等于0.179且小于等于0.329。
6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光收集装置包括透镜或透镜组，所述波长转换装置和滤光装置分别位于该透镜或透镜组光路两侧的共轭面上；该透镜或透镜组对波长转换装置一侧的物成放大的像。
7.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述波长转换装置发出的光入射于所述滤光装置的入射角大于等于25度且小于等于35度。
8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述波长转换装置的至少两个色段中至少包括一个绿光色段，该绿光色段包括黄色或绿色波长转换材料。
9.根据权利要求1或8所述的发光装置，其特征在于，所述波长转换装置至少包括红光色段、绿光色段、蓝光色段三个色段，其中红光色段包括黄色或绿色波长转换材料，绿光色段包括黄色或绿色波长转换材料，蓝光色段包括蓝光波长转换材料或蓝绿光波长转换材料或绿光波长转换材料或黄光波长转换材料或不包括任何波长转换材料。
10.一种投影装置，其特征在于，包括权利要求1至9中的任意一项所述的发光装置。
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