CN109976076B - 波长转换装置、光源装置及投影设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供波长转换装置、光源装置及投影设备，所述波长转换装置包括阻隔元件、像素单元阵列及驱动单元，其中，所述阻隔元件由光阻隔材料制成，所述阻隔元件形成有贯通其厚度方向的通孔阵列；所述像素单元阵列，设置有散射材料或至少一种波长转换材料以对所述入射光线进行散射或波长转换，所述像素单元阵列中的像素单元一一对应地容置于所述通孔阵列中的通孔中；所述驱动单元用于驱动所述阻隔元件周期性运动。所述像素单元之间设置有所述阻隔材料，有效抑制了波长转换装置出射光斑扩散。
Description
技术领域
本发明涉及投影技术领域，尤其涉及波长转换装置、光源装置及投影设备。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的具体实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
现有技术中的照明系统或者投影系统的发光装置中，常采用激发光激发波长转换装置上的波长转换材料以产生受激光。
由于波长转换装置出射的光线为朗伯光，出射光线的发散角较大，导致出射光斑严重扩散，在某些应用中，特别是在需要区域照明光束的使用场景中带来极大的不便。
发明内容
为解决现有技术中波长转换装置出射光线发散角较大，导致出射光斑严重扩散的现象，本发明提供一种可以有效抑制波长转换装置出射光斑扩散的波长转换装置，本发明还提供一种光源装置及投影设备。
一种波长转换装置，包括
阻隔元件，由光阻隔材料制成，所述阻隔元件形成有贯通其厚度方向的通孔阵列；
像素单元阵列，设置有散射材料或至少一种波长转换材料以对所述入射光线进行散射或波长转换，所述像素单元阵列中的像素单元一一对应地容置于所述通孔阵列中的通孔中；及
驱动单元，用于驱动所述阻隔元件周期性运动。
一种光源装置，应用如上所述的波长转换装置。
一种投影设备，应用如上所述的波长转换装置。
本发明提供的波长转换装置包括像素单元阵列，像素单元中设置有波长转换材料，像素单元之间设置有阻隔元件，有效抑制了波长转换装置出射光斑扩散。
附图说明
图1为本发明优选实施例提供的投影设备的结构示意图。
图2为如图1所示的波长转换装置的立体结构示意图。
图3为如图2所示的波长转换装置沿III-III线剖视结构示意图。
图4为如图2所示的波长转换装置的第二实施方式的结构示意图。
图5为如图2所示的波长转换装置的第三实施方式的结构示意图。
图6为如图5所示的波长转换装置的另一实施方式的结构示意图。
图7为如图2所示的波长转换装置的入射光斑示意图。
图8为如图1所示的投影设备的第二实施例的结构示意图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1-图3，图1为本发明优选实施例提供的投影设备100的结构示意图，图2为如图1所示的波长转换装置150的立体结构示意图，图3为如图2所示的波长转换装置150沿III-III线剖视结构示意图。本发明实施例提供的波长转换装置150可以应用于光源装置及投影设备100中。
如图1及图2所示，投影设备100，包括激发光源110、偏振分光装置130、第一空间光调制器140、波长转换装置150、滤光装置160、第二空间光调制器170及投影镜头180。其中，激发光源110用于发出第一偏振态的激发光L1；偏振分光装置130用于反射第一偏振态的激发光L1；第一空间光调制器140用于接收并调制激发光L1，以及出射第二偏振态的第一调制光L2；第一调制光L2穿过偏振分光装置130入射至波长转换装置150；波长转换装置150用于对第一调制光L2进行波长转换并产生受激光L3；滤光装置160对受激光L3进行修色后出射调整光L4；第二空间光调制器170对调整光L4进行调制并产生图像光L5。
具体地，激发光源110包括用于产生激发光的发光体111与对激发光进行散射的散射元件113。
进一步地，激发光源110可以为蓝色光源，发出蓝色激发光L1。可以理解的是，激发光源110不限于蓝色光源，激发光源110也可以是紫色光源、红色光源或绿色光源等。本实施方式中，发光体111为蓝色激光器，用于发出蓝色激光作为激发光L1。可以理解，发光体111可以包括一个、两个激光器或若干激光器阵列，用于发出偏振态的激发光L1，本实施例中，发光体111发出第一偏振态的激发光L1。在其他实施方式中，激发光源110也可以是LED或LED阵列。可以理解，激发光源为LED或LED阵列的情况下，激发光L1为非偏振光。
散射元件113用于将激发光L1进行散射后出射至后续装置，以对所述激发光L1进行消相干，减小出现激光散斑的几率。本实施例中，散射元件113为散射片或散射轮。可以理解的是，在其他实施方式中，散射元件113是可以省略的，从而避免散射元件113改变激发光L1的偏振特征，进而提高了第一空间光调制器140对激发光L1的使用效率。
第一空间光调制器140为LCOS或LCD空间光调制器，并包括阵列化的多个第一调制单元，每一第一调制单元用于对第一偏振态的激发光光束进行调制并出射一条第二偏振态的第一像素光束，第一空间光调制器140出射的第一调制光L2包括阵列化的多条第一像素光束；偏振分光装置130透射第二偏振态的第一调制光L2。在一种实施方式中，空间光调制器140将多个第一调制单元分为一个区域，所述一个区域具有相同的调制方式，然后调制出具有相类似特性的至少一条第一像素光束；至少一条第一像素光束由所述一个区域的每个调制单元所调制的光束共同组成。
可以理解的是，在其他实施方式中，第一空间光调制器140可以为DMD、LCOS或LCD空间光调制器中的任意一种，本领域技术人员可以将第一空间光调制器140呈一定角度设置于激发光源110及波长转换装置150之间，同时省略偏振分光装置130。激发光源110出射的激发光经过第一空间光调制器150的调制后得到包括阵列化第一像素光束的第一调制光L2，第一空间光调制器150将所述第一调制光L2反射至波长转换装置150的对应区域。从而减少了投影设备100中的光引导装置数量，有利于投影设备100的小型化设计。
如图2-图3所示，波长转换装置150包括阻隔元件151，阻隔元件151由光阻隔材料制成。在一些实施方式中，阻隔元件为陶瓷材料或玻璃-陶瓷材料。在一些具体的实施方式中，陶瓷材料中可以为氧化铝钇(YAG)、氧化铝(Al2O3)、三氧化钇(Y2O3)、二氧化钛(TiO2)中的一种或组合。在一些实施方式中，阻隔元件151由光阻隔材料制成，光阻隔材料还包括具有高反射率的反射材料。反射材料可以选择光学折射率较高的反射颗粒；其光学折射率大于或等于1.7。在一些具体的实施方式中，反射材料可以为氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化锌、硫酸钡、氧化镁、三氧化钇中的至少一种。当然，存在于阻隔元件151中的气孔也可以作为反射颗粒。
阻隔元件151表面设置有像素单元阵列158，至少一条采用相同调制方式的第一像素光束L2至少照射波长转换装置150上一个像素单元159，并对应产生一条第二像素光束。
每个像素单元159包括贯穿所述阻隔元件151厚度方向的通孔，所述通孔中设置有波长转换材料或者散射材料，每条第一像素光束照射至所述阻隔元件151表面上的光斑覆盖至少一像素单元，每个像素单元159用于将其对应的第一像素光束中的一部分进行波长转换或散射。
阻隔元件151由光阻隔材料制成，所述通孔间隔设置，所述通孔中的光线被阻隔元件151阻隔，阻隔元件151用于抑制相邻像素单元159产生的光线串扰，同时抑制光斑的扩散，使得每条第一像素光束与其对应的第二像素光束在阻隔元件151表面形成的光斑尺寸大致相同。即，每条第一像素光束与对应的第二像素光束在波长转换装置150上分别形成的入射光斑与出射光斑尺寸大致相同。
本发明所述的“大致相同”是指在误差范围内相同。优选地，设一条第一像素光束在波长转换装置150表面形成的光斑尺寸为x，则与所述第一像素光束对应的第二像素光束在波长转换装置150表面形成的光斑尺寸在0.8x～1.2x的范围内。在本发明的一个优选的实施方式中，与所述第一像素光束对应的第二像素光束在波长转换装置150表面形成的光斑尺寸在0.9x～1.1x的范围内。在本发明的一个优选的实施方式中，与所述第一像素光束对应的第二像素光束在波长转换装置150表面形成的光斑尺寸在在0.95x～1.05x的范围内，在该范围内，所述一条第一像素光束与其对应的第二像素光束在波长转换装置150上分别形成的入射光斑与出射光斑尺寸大致相同。可以理解，在最理想的情况下，与所述第一像素光束对应的第二像素光束在波长转换装置150表面形成的光斑尺寸为x，使得波长转换装置150上的光斑完全没有扩散，但实际的误差精度难以做到这一点，只能趋近于使得对应的第二像素光束在波长转换装置150上形成的出射光斑尺寸接近x。
本实施例中，波长转换装置150的阻隔元件151呈条形，在其他一些实施方式中，阻隔元件151也可以制备成圆柱形、圆环形或圆筒形。当然，还可以通过将阻隔元件151固定在其他形状基板上的方式实现特定形状制备，这里不再赘述。可以理解，在一些实施方式中像素单元159呈条形。在其他一些实施方式中，像素单元也可以为圆柱形、直三棱柱、立体六边形等任意其他形状；其中，优选为正多边形，好处在于方便制备，同时材料的利用率较高。
在一些实施方式中，驱动单元(未图示)可驱动矩形的阻隔元件151进行周期性的往复运动。具体地，可以将驱动单元设置于矩形的阻隔元件151的一端，驱动其进行周期性的简谐运动。当然，在其他实施方式中，驱动单元也可以根据需要设置在其他位置，方便阻隔元件151运动为宜。
请结合图1进一步参阅图4，图4为如图2所示的波长转换装置150的第二实施方式的结构示意图。在波长转换装置150的第二实施例方式中，波长转换装置250与波长转换装置150的区别主要在于：本实施方式中，波长转换装置250设置有基板，所述基板表面包括第一区域252及第一区域252以外的第二区域256。第一区域252内承载有圆环状的阻隔元件251，其中，阻隔元件251中设置像素单元阵列258。波长转换装置250对应第二区域256的位置可设置有驱动单元(图未示)，所述驱动单元用于驱动波长转换装置250周期性转动。本实施方式中的波长转换装置250的其他结构与波长转换装置150相同，不做赘述。
本实施例中，所述基板可以为设置于波长转换装置250入射面的玻璃基板，所述玻璃基板同时可以镀增透膜等结构用以提高出光效率。基板还可以是其他透明材料，如透明陶瓷材料等；具体地，如蓝宝石基板等。
具体地，第二区域256位于阻隔元件251几何中心附近，第一区域252环绕于第二区域256外围，并处于第一调制光L2(图1)所在光路上。阻隔元件251中设置有像素单元阵列258。像素单元阵列258在阻隔元件251上设置有贯通阻隔元件251厚度方向的通孔阵列。所述通孔阵列沿相互垂直的两个方向呈矩阵排布，至少部分所述通孔中设置有波长转换材料。相邻通孔间的阻隔元件251避免了相邻像素单元中的光线相互串扰，同时抑制了通孔中的光斑向外扩散。当然，在其他实施方式中，阻隔元件251可以直接固定于所述驱动单元上，实现周期性转动。可以理解的是，阻隔元件251还可以呈圆柱形或条形，固定于驱动单元以周期性运动。
所述波长转换材料可以将所述通孔填充满，也可以将所述通孔部分填充。本实施方式中，全部通孔中填充有黄色荧光粉，以在蓝色激发光L1的激发下产生黄色受激光L3。可以理解的是，在其他实施例中，波长转换装置250可以设置其他颜色的波长转换材料，以产生其他颜色的受激光L3。在其他一些实施方式中，部分通孔中也可以填充散射材料，用以实现对激发光L1的散射。
本实施方式中，波长转换装置250对应第二区域256的位置设置驱动单元，可以有效减小由于光线入射波长转换材料产生的热效应，有利于提高波长转换装置250的光线转换效率，延长其使用寿命。
请一并参阅图1及图5，图5为如图2所示的波长转换装置150的第三实施方式的结构示意图。在波长转换装置150的第三实施例方式中，波长转换装置350与波长转换装置250的区别主要在于：波长转换装置350第一区域352中的像素单元阵列包括转换单元353与散射单元355。其中，转换单元353中的通孔中设置有用于产生至少一种颜色受激光的波长转换材料，散射单元355中的通孔中设置有散射材料。
本实施方式中，通孔阵列围绕第二区域356边缘均匀分布。多个转换单元353包括设置有一种颜色波长转换材料的多个转换单元353，及设置有另一种颜色波长转换材料的多个转换单元353，比如，设置有红色荧光粉与绿色荧光粉，或者黄色荧光粉与绿色荧光粉。在又一实施方式中，转换单元353中可以设置两种以上的波长转换材料。
散射单元355的通孔中设置有散射材料，以对入射第一调制光L2进行散射，以进一步消相干。波长转换装置350在对应第二区域356的位置设置有驱动单元(图未示)，所述驱动单元驱动阻隔元件351高速旋转。转换单元353与散射单元355在所述驱动单元的驱动下间隔位于第一调制光L2(图1)所在的光路上，波长转换装置350间隔出射两种颜色的受激光L3与散射后的第一调制光L2。
本实施方式中，第一区域352中的阻隔元件351为相同材料制成，在转换单元353之间的间隔与散射单元355之间的间隔相同。
请参阅图6，为如图5所示的波长转换装置350的另一实施方式的结构示意图，波长转换装置450的转换单元453之间的间隔与散射单元455之间的间隔不同，具体地，散射单元455相对于转换单元453排列紧密，以保证散射单元455对入射激发光的散射效率。可以理解的是，在其他实施方式中，可以选择性调整不同颜色的转换单元453中之间的分布密度，以相应调整波长转换装置450中不同颜色光的转换效率。
请一并参阅图1及图7，图7为如图2所示的波长转换装置150的入射光斑示意图。如图7(a)所示，当第一调制光L2与波长转换装置150对准后，第一调制光L2在波长转换装置150上形成的光斑面积至少覆盖4个像素单元159。本实施例中，第一调制光L2在波长转换装置150上形成的光斑面积覆盖4个像素单元159；当第一调制光L2与波长转换装置150没有对准时，容易出现图7(b)-图7(d)的情况。即，一条第一像素光束形成的光斑覆盖多个像素单元159的开口，并且被所述第一像素光束光斑覆盖的多个像素单元159中，至少包括一个像素单元159的开口的一部分被所述光斑覆盖，所述开口的另一部分没有被所述光斑覆盖，比如所述光斑覆盖半个像素单元159的开口。由于第一像素光束在像素单元159中产生的光线在整个像素单元159中呈直线传播，导致波长转换装置150出射第二像素光束相对于对应的第一像素光束光斑扩散，相邻第一像素光束在波长转换装置150中相互串扰，不利于投影设备100中第二空间光调制器170对入射光线进行像素化调制。
一般地，第一调制光L2要求与波长转换装置150对准。实际上，像素单元159的横截面越小，第一调制光L2在波长转换装置150内光斑扩散程度越小。优选地，第一调制光L2在波长转换装置150上形成的光斑面积能够覆盖8个像素单元159。当像素单元159的横截面足够小时，在每个像素单元159中的第二像素光束的光斑扩散可以忽略，第一调制光L2可以不要求与波长转换装置150对准。
请进一步参阅图1，滤光装置160设置在波长转换装置150与第二空间光调制器170之间，波长转换装置150出射的阵列化第二像素光束经过滤光装置160修色后入射至第二空间光调制器170。本实施例中，滤光装置160为RGB三色滤光轮。可以理解的是，在其他实施方式中，滤光装置160可以包括与波长转换装置150的像素单元159对应的其他分区组合，比如黄色区与蓝色区，以间隔出射黄光与蓝光。进一步地，由于波长转换装置150出射的光线波长分布较宽，基色光纯度不高，滤光装置160可以对波长转换装置150出射的光线进行修色以出射调整光L4，将预设波长范围以外的光线进行截留，以提高出射基色光的纯度。
滤光装置160出射的调整光L4入射至第二空间光调制器170。第二空间光调制器用于对调整光L4进行调制后得到所述图像光L5。具体地，每条第二像素光束照射对应的至少一个第二调制单元，每个第二调制单元用于调制其对应的第二像素光束并出射一条第三像素光束，每条第三像素光束为待显示图像中一个像素对应的图像光L5，图像光L5包括阵列化的多条第三像素光束。图像光L5经过投影镜头180从投影设备100出射。
本实施例提供的波长转换装置150包括阵列化的像素单元159，像素单元之间设置有光阻隔材料制成的阻隔元件151，有效抑制了每条第一像素光束照射至波长转换装置150出射的第二像素光束光斑扩散，第二像素光束较好的保持了第一像素光束的区域照明特性；投影设备100中依次设置第一空间光调制器140与第二空间光调制器170，能够保证高动态范围的出射图像光L5；第一空间光调制器140直接对激发光L1进行调制，而激发光L1具有较小的光学扩展量并保持了偏振性，可简化光学系统，特别是在采用LCD或LCOS空间光调制器等需要偏振光入射调制的实施方式中，提高投影设备100的出光效率；此外，第一空间光调制器140调制激发光L1时，截留了激发光L1中的一部分不能利用的光线，从而得到了能量相对较低的入射至波长转换装置550第一调制光L2，与激发光L1直接激发波长转换装置150相比，减小了波长转换材料的热效应，提高了波长转换装置150的转换效率，延长了波长转换装置150的使用寿命。最后，第一空间光调制器140与第二空间光调制器170之间设置波长转换装置150，有利于第二空间光调制器170中像素化处理入射光线，提高了出射图像光L5质量。
请参阅图8，为如图1所示的投影设备100的第二实施例的结构示意图。本实施例中提供的投影设备500与投影设备100相比较，主要区别在于，投影设备500中的滤光装置560与第二空间光调制器570之间还设置有透镜阵列591及方棒阵列595。透镜阵列591中的透镜单元592与方棒阵列595中的方棒单元(图未示)及第一空间光调制器440中的第一调制单元一一对应。本实施例中的其他装置与投影设备100相同，不做赘述。
相邻像素单元之间为由光阻隔材料制成的阻隔元件(图未示)，当第一调制光M2照射至波长转换装置550上的光斑覆盖多个像素单元(图未示)时，波长转换装置550出射的每条第二像素光束形成的光斑内颜色和亮度不均匀。本实施例中，每条第二像素光束依次经过对应的透镜单元592及对应方棒单元的匀光后，光斑内光强分布均匀地入射至第二空间光调制器570，有利于提升投影图像质量。透镜阵列591中每一个透镜单元592用于收集与其对应的第一调制单元所调制的光束在波长转换装置550上对应的光斑所发出的光。也即第二像素光束光斑所发出的光。
本实施例中，激发光源510出射的激发光M1依次经过偏振分光装置530反射后入射至第一空间光调制器540，第一空间光调制器540至少对激发光M1进行偏振态调制后出射第一调制光M2、第一调制光M2穿过偏振分光装置530入射至波长转换装置550，波长转换装置550出射的光线依次经过滤光装置560修色、透镜阵列591收集、方棒阵列595匀光、第二空间光调制器570调制后从投影镜头580出射。本发明第二实施例与第一实施例相同的是，波长转换装置550包括阵列化的像素单元，像素单元之间设置由光阻隔材料制成的阻隔元件，有效抑制了波长转换装置550出射光斑扩散，第二像素光束较好的保持了第一像素光束的区域照明特性；投影设备500中依次设置第一空间光调制器540与第二空间光调制器570，能够保证高动态范围的出射图像光M5；第一空间光调制器540直接对激发光M1进行调制，而激发光M1具有较小的光学扩展量和偏振性，可简化光学系统，提高提高投影设备500的出光效率，此外，第一空间光调制器540调制激发光M1时，截留了激发光M1中的一部分不能利用的光线，从而得到了能量相对较低的入射至波长转换装置550上的第一调制光M2，与激发光M1直接激发波长转换装置550相比，减小了波长转换材料的热效应，提高了波长转换装置550的转换效率，延长了波长转换装置550的使用寿命。最后，第一空间光调制器540与第二空间光调制器570之间设置波长转换装置550，有利于第二空间光调制器570中像素化处理入射光线，提高了出射图像光M5质量。
以上所述仅为本发明的实施方式，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 (12)
1.一种波长转换装置，其特征在于，包括
阻隔元件，由光阻隔材料制成，所述阻隔元件形成有贯通其厚度方向的通孔阵列；
像素单元阵列，设置有散射材料或至少一种波长转换材料以对入射光线进行散射或波长转换，所述像素单元阵列中的像素单元一一对应地容置于所述通孔阵列中的通孔中；及
驱动单元，用于驱动所述阻隔元件周期性运动；
其中，所述通孔具有相对的两个开口，所述入射光线从所述两个开口中的一个处入射，且所述入射光线经散射或波长转换后从所述两个开口中的另一个处出射。
2.如权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换装置还设置有用于承载所述阻隔元件、所述像素单元阵列及所述驱动单元的基板。
3.如权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述阻隔元件呈圆形、圆环形或圆筒形，所述驱动单元设置于所述阻隔元件几何中心附近，用以驱动所述阻隔元件周期性转动。
4.一种光源装置，其特征在于，应用如权利要求1-3任意一项所述的波长转换装置。
5.一种投影设备，其特征在于，应用如权利要求1-3任意一项所述的波长转换装置。
6.如权利要求5所述的投影设备，其特征在于，还包括：
激发光源，用于发出激发光；
第一空间光调制器，用于接收并调制所述激发光，以及出射第一调制光，所述波长转换装置用于对所述第一调制光进行波长转换并产生受激光；及
第二空间光调制器，用于对所述波长转换装置出射的光线进行调制并产生图像光。
7.如权利要求6所述的投影设备，其特征在于，所述第一空间光调制器包括阵列化的多个第一调制单元，每一第一调制单元对激发光光束进行调制并出射一条第一像素光束，所述第一空间光调制器出射的第一调制光包括阵列化的多条第一像素光束；
至少一条采用相同调制方式的第一像素光束至少照射所述波长转换装置上一个像素单元，所述波长转换装置对应每条第一像素光束出射一条第二像素光束；
第二空间光调制器，包括多个第二调制单元，每条第二像素光束至少对应所述第二空间光调制器的一个第二调制单元，每个第二调制单元用于调制其对应的第二像素光束。
8.如权利要求6所述的投影设备，其特征在于，所述波长转换装置与所述第二空间光调制器之间还设置有滤光装置，所述受激光经过所述滤光装置的修色后入射至所述第二空间光调制器。
9.如权利要求6所述的投影设备，其特征在于，所述第一空间光调制器或所述第二空间光调制器分别为DMD、LCD或LCOS空间光调制器。
10.如权利要求6-9任意一项所述的投影设备，其特征在于，所述激发光源出射第一偏振态的激发光，所述第一空间光调制器为LCOS或LCD空间光调制器，并将所述激发光调制为第二偏振态的光。
11.如权利要求6-9任意一项所述的投影设备，其特征在于，所述波长转换装置与所述第二空间光调制器之间还设置有透镜阵列及方棒阵列，所述透镜阵列中的透镜单元与所述方棒阵列中的方棒单元及所述第一空间光调制器中的至少一个第一调制单元一一对应，所述波长转换装置出射的每条第二像素光束依次经过对应的透镜单元光收集及方棒单元的匀光后入射至所述第二空间光调制器。
12.如权利要求10所述的投影设备，其特征在于，所述波长转换装置与所述第二空间光调制器之间还设置有透镜阵列及方棒阵列，所述透镜阵列中的透镜单元与所述方棒阵列中的方棒单元及所述第一空间光调制器中的至少一个第一调制单元一一对应，所述波长转换装置出射的每条第二像素光束依次经过对应的透镜单元光收集及方棒单元的匀光后入射至所述第二空间光调制器。
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