CN201097088Y - 一种用于投影***的光源装置及投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型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***的光源装置和一种投影显示装置；本实用新型提供的一种光源装置，包括被补充光源和激光光源，其特征在于，还包括一反射镜，所述反射镜包括一反射面，所述激光光源发射的激光经过所述反射镜的反射面反射后与所述被补充光源发出的光在同一方向上混合输出；本实用新型将激光器的激光巧妙地引入投影***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***照明光源的新想法，可以成功地调整红绿蓝三基色的强度分布，提高了亮度、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。

Description

一种用于投影***的光源装置及投影显示装置

技术领域

本实用新型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***的光源装置和投影显示装置。

背景技术

现有的投影***照明所用的超高压汞灯、金属卤化物灯、氙灯、卤素灯等，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。我们以超高压汞灯的发光光谱图1来作解释，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***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***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***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***的光学扩展量，超出的这部分光则不能有效耦合入投影***。

发光二极管的光学扩展量为

E_Led＝n²·π·sin²(α)·S

其中n为发光介质的折射率；α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，1mm²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***，投影***的光学扩展量为E_projector＝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***，可充分利用的光通量总数仅为几百个流明，大于7mm²的面积发出的光根本无法耦合进入投影***，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6mm²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***，发光面积为7mm²的某发光二极管，受投影***光学扩展量的限制，可以被耦合入投影***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***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；又或者采用减小红光和蓝光的光功率来获得白平衡，这种方法又由于绿光光功率的限制导致了合成白光的光功率偏低。

总之，现有技术中的各种投影显示用光源都存在红绿蓝光功率比值与白场需求上的差别，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，本实用新型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***的光源装置。

本实用新型的另一任务是提供一种投影显示装置。

一方面，本实用新型提供了一种光源装置，包括被补充光源和激光光源，其特征在于，还包括一反射镜，所述反射镜包括一反射面，所述激光光源发射的激光经过所述反射镜的反射面反射后与所述被补充光源发出的光在同一方向上混合输出。

进一步地，所述被补充光源和激光光源共轴混合输出。

进一步地，所述反射镜为反射面设于其内部的反射棱镜。

进一步地，所述反射棱镜由两块棱镜组成，每块棱镜包括一个粘合面，所述两块棱镜的粘合面除中心部分外都用光学胶粘合，从而在两个粘合面的中心部分形成空气间隙作为所述反射面。

进一步地，所述空气间隙的大小在让激光束焦斑通过的前提下，尽可能地小，空气间隙的截面可以为圆形、矩形等形状。

进一步地，所述光学胶与所述棱镜材料的相对折射率为0.98-1.02。

进一步地，所述棱镜为直角棱镜，所述直角棱镜优选三角棱镜，所述粘合面为所述直角棱镜的底面。

进一步地，所述棱镜的表面有镀膜，在反射棱镜上激光的入射面需镀对应激光波长的增透膜，而被补充光源在反射棱镜上的入射面和出射面均镀有对应被补充光源输出光波长的增透膜。

所述激光光源与所述反射镜之间还可以设有光束调整***。

进一步地，所述光束调整***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投影***所用光源，包括LED灯、超高压汞灯、金属卤化物灯、氙灯、卤素灯等。

另一方面，本实用新型还提供了一种投影仪，该投影仪使用上述光源装置作为投影仪的光源。

本实用新型将激光器的激光巧妙地引入投影***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***照明光源的新想法。

采取上述技术方案，可以成功地弥补超高压汞灯、金属卤化物灯、氙灯、卤素灯等灯泡的红光照明不足的缺陷，调整了红绿蓝三基色的强度分布，提高了亮度、色饱和度与对比度，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，本实用新型同时具有广色域、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。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中：

图1是超高压汞灯的发光光谱的示意图；

图2是使用普通反射镜的激光补充灯泡的光源装置的示意图；

图3是使用普通反射镜的激光补充发光二极管的光源装置的示意图；

图4和图5分别是一种新型反射棱镜的侧视图和立体图；

图6是另外一种反射棱镜的示意图；

图7是使用反射棱镜的激光补充灯泡的光源装置的示意图；

图8是激光补充光源后超高压汞灯的光谱图；

图9是使用反射棱镜的激光补充发光二极管的光源装置的示意图；

图10和图11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；

图12是在单片DLP中使用本实用新型光源装置的一种投影仪光路的示意图；

图13是在三片DLP中使用本实用新型光源装置的一种投影仪光路的示意图；

图14是在三片LCD中使用本实用新型光源装置的一种投影仪光路的示意图；

图15是在三片LCOS中使用本实用新型光源装置的一种投影仪光路的示意图。

图16是使用本实用新型装置的三基色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；

图17是使用本实用新型装置的三基色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；

图18是使用本实用新型装置的三基色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；

图19是使用本实用新型装置的三基色LED灯与RGB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：

E_laser＝π²r²sin²θ

其中，r为光纤束的半径，sinθ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5.22×10^-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E_led，激光的光学扩展量为E_laser，混合光源的总光学扩展量为E_total，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E_total＝E_led+E_laser≤E_projector，则此时该混合光源的光功率能够全部有效地耦合进投影***。由于E_laser和E_led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是使用普通反射镜的激光补充灯泡的光源装置。该光源装置主要由激光器202、聚焦透镜203、反射镜204以及作为被补充光源的灯泡201组成，其中，激光器202发射的红光激光束经过聚焦透镜203后，聚焦于反射镜204的表面或者附近上，反射镜204的表面镀有对入射的红色激光的波长高反的高反膜，激光束在反射镜的表面经过反射镜204反射后，出射的方向与灯泡发出光束的方向相同，就实现了激光光源与灯泡的输出光束混合的目的。聚焦透镜203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。聚焦透镜组中也可以包括扩束透镜，将激光扩束，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202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202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、金属卤化物灯、卤素灯和氙灯之一或者其组合，这对本领域技术人员是熟知的。为了减小反射镜对灯泡输出光束的影响，同时又能够将全部入射的激光反射，聚焦透镜203应尽量使激光的焦点处于反射镜204的表面或附近位置，这样才有可能将反射镜204制作的体积更小，以减小因其体积而对灯泡输出光的阻挡。

图3是使用普通反射镜的激光补充发光二极管的光源装置，主要包括发光二极管光源301、光束整形装置302、反射镜303、激光器307、耦合透镜组306、光纤305和聚焦透镜组304，发光二极管光源301所发光通过光束整形装置302整形后，朗伯体形式的光发散角被压缩，压缩后的发散角可以根据后续投影***的孔径角而定；激光光源307所发射的激光通过耦合透镜组306进入光纤305，光纤305的出射光通过聚焦透镜组304聚焦，发散角同样要控制在投影***的孔径角内，调整光路，使经过聚焦透镜组304聚焦后的激光束焦点位于反射镜303的表面或其附近，经过反射镜303反射后，激光束光轴的方向与所述光束整形装置302输出的LED光束的光轴方向一致，从而实现两种光源的混合输出。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；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。

然而，使用图2或图3中的反射镜的一个缺点显而易见，那就是被补充光源发出的光束会有一部分光被反射镜所阻挡，为了尽可能的减小反射镜阻挡过多的光束能量，只有尽可能的将反射镜制作的更小，实际上，只要反射镜的反射面大小与激光束的截面相等就够了，实际应用中，激光束的焦斑直径一般为毫米量级，然而，这样小的反射镜不但制作成本高，而且由于其非常微小的体积在实际光路中也很难固定，而且其固定装置也会对光路有所影响，甚至由于其固定装置必然出现在光路之中，反而比反射镜阻挡了更多的被补充光束。

因此，图4和图5给出了一种具有新型结构的反射棱镜，该反射棱镜由两块直角三角棱镜407和408组成，两个直角三角棱镜407和408的斜面除中心部分外都用光学胶406粘合在一起，由于光学胶406具有一定厚度，从而在两个粘合面的中心部分形成空气间隙405。空气间隙405的大小只要能够让入射的激光束或聚焦后的激光束全部通过即可，截面形状可以为圆形或矩形等各种合适的形状。圆形空气隙在粘合时比较麻烦，矩形空气隙相对比较容易，有两面与空气直通，但圆形空气隙由于粘合面积比矩形多出一部分，可以使被补充光源通过更多的光线，所以可以根据情况选择不同的空气隙形状。在应用中，棱镜的表面可以根据光束通过的不同需要分别镀有不同的膜系，例如在反射棱镜上激光的入射面需镀对激光波长高透的增透膜，而在反射棱镜上被补充光源的入射面和出射面均镀有对被补充光源高透的增透膜。在保证空气间隙405的截面大于激光束截面的条件下，应当尽可能减小反射棱镜的厚度d，这仍然是出于减小对被补充光源输出光干扰的考虑。而这种反射棱镜的结构由于其体积上的增大更容易实现固定，而固定装置则不必出现在光路中，避免了对光路的干扰。

图6给出了另外一种反射棱镜的结构，该反射棱镜是图4和图5所示反射棱镜结构的一种变形，使用两块直角梯形棱镜替代图3和图4中的直角三角棱镜，所述直角梯形棱镜的斜面与直角面的夹角为45°，其他结构与图3和图4的反射棱镜相同。当然，还可以有其他的变形，如图6中边b和边c的长度可以改变，而边a的形状在不影响被补充光源光线通过的前提下可以改为其他任意形状，原则上，在不影响棱镜主体作用的情况下，反射棱镜在形状上的任何变化，都应涵盖于本专利的内容之中。

图7为采用上述图4和图5所示新型结构反射棱镜的激光补充灯泡的光源装置，包括激光光源708、聚焦透镜705、超高压汞灯706和反射棱镜707；其中，激光光源708为635nm的红光固体激光器，反射棱镜的两个直角棱镜都由折射率为1.51的K9玻璃制成，而中间的光学胶则采用折射率为1.51的紫外固化胶。红光固体激光器发射的激光束经聚焦透镜705后，从一个直角棱镜的直角面垂直入射，此直角面镀有对波长为635nm激光的增透膜(透过率大于99％)，经过聚焦透镜705会聚后的激光焦斑处于空气间隙704处并在空气间隙704处发生全反射，由该直角棱镜的另一个直角面垂直出射；所述超高压汞灯706发出的光束由另一个直角棱镜的直角面入射，并直接透射，穿过所述反射棱镜707后与所述激光束的光轴重合，从而实现红光的补入，反射棱镜707上超高压汞灯入射和出射的两个直角面均镀有可见光宽带增透膜。混合后的光谱示意图如图8所示。图8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，所述反射棱镜的厚度d可以很小，本领域普通技术人员应当理解，只要厚度d大于入射激光束的截面直径，就可以保证激光束的全反射，在此条件下，厚度d可以做得非常薄，这样，普通光源发出的光只有一部分经过所述反射棱镜透射，另一部分则不经过反射棱镜而直接与所述激光束混合。

图9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。该光源装置的结构与图3相似，只是反射镜使用图4和图5所示结构的反射棱镜，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***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棱镜903，LED光束在反射棱镜903上入射和出射的相应表面上镀有宽带增透膜；激光光源907为532nm的绿光固体激光器，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，发散角控制在投影***的孔径角内。激光在反射棱镜903的激光入射面上镀有对波长为532nm激光的增透膜(透过率大于99％)。调整光路，使激光束的焦点处于反射棱镜903的空气间隙处，激光在空气间隙处发生全反射，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棱镜之后，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空气间隙的大小，也可以使激光束的焦点处于空气间隙的表面的附近，同时使激光束在空气间隙处的光斑面积小于或等于空气间隙，因为如果激光束的光斑面积大于空气间隙的话，会有光能的浪费，同样激光束的光斑面积如果小于空气间隙过多的话，则最好缩小空气隙大小，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。

图10和图11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10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4和图5所示结构的反射棱镜，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1002发出的绿光与绿光激光器1008发射的绿色激光混合，蓝色LED灯1003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9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11中的投影显示用光源使用合色棱镜(X-cube)1122来替代图10中的两个二向色镜，其他结构与图10相同，同颜色的光束混合方式与图9相同，同样可以得到投影显示所需的白光。此外，同图10相同，红光和蓝光的光路可以彼此换位，但是绿光必须从X-cube合色棱镜1122的中间位置不经反射直接通过，这对本领域技术人员是熟知的。

图10和图11的合成白光可用于单片DLP(digital lightprocessing)、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。具体实施例参看下面将要介绍的图16与图17。

图12-图19给出了几种使用本实用新型光源装置的投影仪光路结构。

图12是在单片DLP光机中使用本实用新型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、反射棱镜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，反射棱镜1207结构与图4和图5所示相同，反射棱镜1207由折射率为1.51的K9玻璃制成，光学胶使用紫外固化胶，其折射率也为1.51。超高压汞灯1209发射的白色光束垂直入射反射棱镜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，再入射到反射棱镜1207中，并聚焦在反射棱镜1207的空气间隙处，经过反射棱镜1207反射后与所述超高压汞灯1209发射的光束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，使得激光与被补充光源的发散程度较接近，从而增强了混合效果。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。反射棱镜1207的激光入射面镀有对波长635nm激光的增透膜，在反射棱镜1207的超高压汞灯1209输出光的入射面和出射面上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转像后照射到数字微镜器件(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13是在三片DLP光机中使用本实用新型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、反射棱镜1307、光棒1310、聚焦透镜组1312、平面反射镜1320、内部全反射棱镜(Total InterfaceReflection，简称TIR棱镜)1321、分色再合色棱镜(colorsplitting/recombiningprism)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4和图5所示结构的反射棱镜，反射棱镜使用折射率为1.51的K9玻璃，光学胶使用紫外固化胶，其折射率为1.51。但是反射棱镜1307的厚度为2毫米。由于厚度较小，氙灯1309发射的光只有部分射到上面。激光光源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耦合进入光纤1319，从光纤1319出射的激光束再通过聚焦透镜1311垂直入射并聚焦于反射棱镜1307的空气间隙上，经过全反射后出射，由于反射棱镜1307的厚度很小，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棱镜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。在反射棱镜1307的激光入射面镀有对波长635nm激光的增透膜，在反射棱镜1307对应的氙灯1309输出光的入射面和出射面上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 Reflection，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1322使混合光顺序分为蓝、绿、红三色，并分别入射到蓝、绿、红DMD1325、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氙灯外，还可以为LED灯(包括LED阵列)、超高压汞灯、金属卤化物灯、卤素灯等。

图14是在三片液晶光阀中使用本实用新型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4和图5所示的反射棱镜来实现，反射棱镜使用折射率为1.51的K9玻璃，光学胶使用紫外固化胶，其折射率为1.51。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棱镜1407的空气间隙上，经过全反射后出射，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输出光的焦点不能位于反射棱镜1407的空气间隙上，两束光经过反射棱镜1407后同方向输出，实现混合。其中第一聚焦透镜组中也可以包括扩束透镜。在反射棱镜1407的激光入射面镀有对波长635nm激光的增透膜，在反射棱镜1407对应超高压汞灯1409输出光的入射面和出射面上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、第一聚焦透镜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，所述绿光经过第二聚焦透镜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踪迹透镜1429、第三平面反射镜1450、第二踪迹透镜1439、第四平面反射镜1420、第三聚焦透镜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。其中，由于蓝光与绿光的光程相同，而红光的光程较长，踪迹透镜的作用是使红光转为与蓝绿光相同光程的效果。

图14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***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***，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，再使用反射棱镜1407将红色激光引入到投影仪的光学***中。

图15是使用本实用新型光源装置的一种具有三片LCOS(LiquidCrystal 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4和图5所示结构的反射棱镜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、第一和第二踪迹透镜1529和1539、三片LCOS1541、1551和1561、三个PBS1542、1552和1562、合色棱镜1530，以及投影透镜组1515，其中，图15中的投影显示光源前半部分的混合方式光路结构与图14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踪迹透镜1529、第二平面反射镜1550、第二踪迹透镜1539后入射到第一PBS1562中，第一PBS1562将入射的p偏振红光反射并将其偏振转换为s偏振，s偏振的红光入射到红光LCOS上并被反射，再次透射穿过第一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偏振的蓝光经过第二PBS1542反射并转换为s偏振并入射到蓝光LCOS1541上，经过蓝光LCOS1541的反射并透射穿过第二PBS1542后进入合色棱镜1530；同蓝光相类似，所述绿光经过第三PBS1552的反射并由p偏振转换为s偏振，被绿光LCOS1551反射并透射穿过第三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，踪迹透镜的作用是使红光转为与蓝绿光相同光程的效果。

图16是使用本实用新型装置的三基色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11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。经激光混合补充后，投影***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17是使用本实用新型装置的三基色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10基本相同，只是这里仅采用绿光激光器补充绿光LED灯，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***，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0.7W、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1.1W、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18是使用本实用新型装置的三基色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。图中绿光LED阵列1801按图9所示方式与绿光激光器1804使用反射棱镜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液晶光阀后进入合色棱镜1838；而红光和蓝光LED灯1811和1821经过各自的光束整形装置1812和1822压缩其发散角后，再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后进入合色棱镜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1840上成像。其中，为了提高光束的利用效率，用于压缩绿光LED灯输出光束发散角的绿光光束整形装置1802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，在绿光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19是使用本实用新型装置的三基色LED灯与RGB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19与图18基本相同，只是混合光源为红绿两个激光器分别混合入红绿LED阵列中，而蓝光则全部由蓝光LED灯提供，并且使用PBS和LCOS的组合替代了图18中的LCD液晶光阀，有关PBS和LCOS的组合和使用方式在图15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10、11、13、14、15、16、17、18、19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，本实用新型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实用新型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实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (14)

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，其特征在于，还包括一反射镜，所述反射镜包括一反射面，所述激光光源发射的激光经过所述反射面反射后与所述被补充光源发出的光在同一方向上混合输出。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述被补充光源和所述激光光源共轴混合输出。

3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述反射镜为反射面设于其内部的反射棱镜。

4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，所述反射棱镜由两块棱镜组成，每块棱镜包括一个粘合面，所述两块棱镜的粘合面除中心部分外都用光学胶粘合，从而在两个粘合面的中心部分形成空气间隙作为所述反射面。

5.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于，所述空气间隙的截面为圆形或矩形。

6.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于，所述光学胶与所述棱镜材料的相对折射率为0.98-1.02。

7.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于，所述棱镜为直角棱镜，所述粘合面为直角棱镜的底面。

8.根据权利要求4所述的光源装置，其特征在于，所述反射棱镜的激光入射面镀有对激光透射的增透膜，而反射棱镜的被补充光源入射面和出射面均镀有对被补充光源透射的增透膜。

9.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***。

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***包括光纤以及用于将所述激光耦合进所述光纤的耦合镜。

11.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***还包括聚焦透镜。

12.根据权利要求11所述的光源装置，其特征在于，所述光束调整***还包括扩束透镜。

13.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、金属卤素灯、氙灯和卤素灯之一或其组合。

14.一种投影仪，其特征在于，所述投影仪使用上述权利要求1-13任一项所述的光源装置作为投影仪的光源。

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