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CN111830770B - 波长转换装置、光源系统与显示设备 - Google Patents

波长转换装置、光源系统与显示设备 Download PDF

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CN111830770B CN201910300500.XA CN201910300500A CN111830770B CN 111830770 B CN111830770 B CN 111830770B CN 201910300500 A CN201910300500 A CN 201910300500A CN 111830770 B CN111830770 B CN 111830770B
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Abstract

本发明提供了一种波长转换装置及包含该波长转换装置的光源系统，包括：角度偏折区，所述角度偏折区包括多个偏折单元，每个偏折单元包括用于出射第一光的出光面，所述出光面与参考平面间存在第一夹角，至少两个偏折单元的出光面与参考平面的第一夹角不相等；多个偏折单元时序地位于第一光的光路上，以时序地改变所述第一光的出射角度使所述第一光在预设位置依次扫描形成多个虚拟像素；以及波长转换区，用于将入射的第二光转换成受激光出射。本发明还提供了一种包含该光源系统的显示设备，用于根据待显示图像的图像亮度数据形成显示图像，有利于增加系统显示的亮度。

Description

波长转换装置、光源系统与显示设备
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种波长转换装置、光源系 统与显示设备。
背景技术
传统的激光荧光投影系统通常用激光激发波长转换装置上的荧光 区以产生荧光，通常使用蓝色激光进行激发，波长转换装置上通常设 置有红色荧光区和绿色荧光区以及使蓝色激光透射的透射区，产生的 红色荧光、绿色荧光和透射的蓝光通过光调制装置的光调制后得到具 有明暗分布的图像，光调制装置上的光源阵列控制显示画面每个像素 的灰阶，三种颜色的光经调制后得到的图像叠加得到显示画面。
然而，由于光调制装置能承受的最大光功率限制了显示画面的亮 度，若要使显示画面获得更高的亮度，则投影系统需要选用更大的光 调制装置以降低功率密度，如此也增加了投影系统的体积，不利于显 示设备的小型化、轻巧化发展，同时也大大的增加了投影系统的制造 成本。
发明内容
本发明第一方面提供一种波长转换装置，包括：
角度偏折区，包括多个偏折单元，每个偏折单元包括用于出射第 一光的出光面，所述出光面与参考平面间存在第一夹角，至少两个偏 折单元的出光面与参考平面的第一夹角不相等；多个偏折单元时序地 位于第一光的光路上，以时序地改变所述第一光的出射角度使所述第 一光在预设位置依次扫描形成多个虚拟像素；以及
波长转换区，用于将入射的第二光转换成受激光出射。
本发明第二方面提供一种光源系统，包括：
上述波长转换装置；
第一光源，用于发出激光作为所述第一光；以及
第二光源，用于发出所述第二光。
本发明第三方面提供一种显示设备，用于根据每帧待显示图像的 原始图像数据出射图像光至投影成像面上并形成显示图像，待显示图 像中包括多个像素单元，包括：
控制装置，用于根据待显示图像发出光调制信号；
上述光源系统；以及
光调制装置，用于根据所述光调制信号调制所述受激光后出射调 制光并形成调制图像，所述调制图像与所述第一光经角度偏折区出射 后形成的扫描图像叠加并自所述显示设备出射在所述投影成像面上， 所述扫描图像中的一个虚拟像素覆盖多个投影像素。
本发明提供的波长转换装置和光源系统一方面利用角度偏折区调 整出射光的出射方向以形成扫描图像，一方面利用波长转换区产生受 激光以应用于彩色图像的显示；本发明提供的显示设备将所述扫描图 像和光调制装置调制受激光得到的调制图像进行叠加，有利于在不增 大光调制装置的分辨率的前提下提高显示设备的显示亮度，有利于避免因增大光调制装置的分辨率带来的显示设备体积增大、成本增加的 问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例/方式技术方案，下面将对实施例 /方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图是本发明的一些实施例/方式，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的 附图。
图1为本发明第一实施方式提供的显示设备的结构示意图。
图2为图1所示的波长转换装置的立体结构示意图。
图3为图2所示的波长转换装置的俯视结构示意图。
图4为图2所示的波长转换装置中的角度偏折区在另一实施方式 中的光线引导示意图。
图5为图2所示的波长转换装置中的角度偏折区的光线引导示意 图。
图6为图1所示显示设备中形成扫描图像的成像示意图。
图7为本发明第二实施方式提供的显示设备的结构示意图。
图8为本发明第三实施方式提供的显示设备的结构示意图。
图9为本发明第四实施方式提供的显示设备的结构示意图。
图10a为一帧待显示图像。
图10b为本发明中的显示设备根据图10a得到的扫描图像。
图10c为本发明中的显示设备根据图10a得到的调制图像。
图10d为图10b中的扫描图像和图10c中的调制图像叠加后的显 示图像。
图10e为图10a中的待显示图像和图10d中的显示图像的差别。
主要元件符号说明
Figure BDA0002028073620000031
Figure BDA0002028073620000041
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
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结 合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲 突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所 描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发 明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说 明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于 限制本发明。
本发明提供一种波长转换装置、包括该波长转换装置的光源系 统、包括该光源系统的显示设备。本发明提供的波长转换装置与光源 系统适用于商业教育投影机、微型激光投影以及影院放映机等投影设 备中。可以理解的是，本发明提供的波长转换装置以及包括该波长转 换装置的光源系统还可以应用于激光电视等其他类型的显示设备中。 即该显示设备可以是商业教育投影机、微型激光投影、影院放映机或 激光电视等多种类型的显示设备。
本发明提供的显示设备能够通过两部分图像叠加得到显示图像， 一部分通过波长转换装置上设置的角度偏折区来产生扫描图像，另一 部分通过显示设备中的光调制装置得到调制图像。显示设备将扫描图 像和调制图像叠加以形成供用户观看的显示图像，有利于提高显示设 备的显示亮度，能够在增加少量成本的基础上实现高亮高清的显示。
请参阅图1，显示设备10包括光源系统100、光调制装置160和 控制装置150。其中，控制装置150用于发出光调制信号；光源系统 100用于出射受激光，以及用于在预设位置191上形成扫描图像；光 调制装置160用于根据光调制信号对光源系统100的出射光进行调制， 生成调制光并形成调制图像。自预设位置191出射的扫描图像和调制 图像叠加后自显示设备10出射，在显示设备10表面或显示设备10 之外的投影成像面192上形成显示图像。
具体地，光源系统100包括第一光源111、第二光源112、波长转 换装置120。其中，第一光源111用于发出激光作为第一光；第二光 源112用于发出第二光；波长转换装置120包括波长转换区121和角 度偏折区122，其中角度偏折区122用于改变第一光的偏折角度以使 出射的第一光依次投射至预设位置191的不同区域上，波长转换区121 用于将第二光转换成至少一种颜色的受激光。
进一步地，第一光源111用于发出激光作为第一光。第一光源111 为激光光源，包括至少一个发光体，在本实施方式中，发光体的数目 为1到10个，具体其发光体的数量可以根据实际需要选择；第一光源 111包括发出三种颜色的光的发光体，能够分别发出红色、绿色、蓝 色的第一光。在其他实施方式中，发光体的数量可不限于10个；第一 光源111可发出一种颜色的光，也可以发出两种或三种以上颜色以上 光。第二光源112用于发出第二光。本实施方式中，第二光源112为 蓝色激光光源。第二光源112发出的第二光和第一光源111发出的第 一光和具有不同的偏振态。在其他实施方式中，还可以使用其他类型 的光源，一些示例是弧光灯、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)、 荧光光源等。在其他实施方式中，第二光源112的颜色可以是白色， 也可以是绿色、红色、紫色或其他颜色。
波长转换装置120包括波长转换区121、角度偏折区122、驱动单 元123，其中，波长转换区121用于将入射的第二光转换成受激光出 射；角度偏折区122用于时序地改变第一光的出射角度，使出射的第 一光能够投射至预设位置191的不同区域以得到扫描图像；本实施例 中驱动单元用于驱动波长转换装置120时序地同步运动。在一种实施 例中，波长转换区121和角度偏折区122设置于同一波长转换装置上， 驱动单元驱动波长转换装置120时，波长转换区121和角度偏折区122 同步运动。在另一种实施例中，波长转换区121和角度偏折区122设 置于不同的波长转换装置120上，控制装置150的驱动单元驱动波长 转换区121所在的波长转换装置120与角度偏折区122同步运动，例 如，控制装置150控制角度偏折区122在一个运动周期内(一个图像 帧期间)刚好全部被所述第一光入射，且在该运动周期内所述波长转 换区121所有荧光区被所述第二光依次照射。在本实施方式中，波长 转换装置为色轮。
本实施方式中，波长转换区121用于透射第二光，此时第二光的 入射方向与波长转换区121产生的受激光的出射方向相同。波长转换 区121包括多个荧光区，每个荧光区用于将第二光转换为一种颜色的 受激光。请参阅图2，本实施方式中，角度偏折区122和波长转换区121呈圆环状相邻设置并具有相同的旋转中心。波长转换区121上的 多个荧光区分别为红色荧光区R和绿色荧光区G，其中红色荧光区R 和绿色荧光区G分别涂覆了用于产生红色和绿色受激光的波长转换材 料，可将第二光分别转换成大角度发散的红色受激光和绿色受激光。 本实施方式中波长转换区121上还包括散射区B，使蓝色第二光透射 散射。红色受激光、绿色受激光和蓝色激光分别自光源系统100出射 并入射至光调制装置160。在另一实施例中，波长转换区121还可用 于反射第二光，此时第二光的入射方向与波长转换区121产生的受激 光的出射方向相反。
在一种实施方式中，波长转换区121可包括黄色荧光区与散射区。 在另一种实施方式中，波长转换区121可不分区，此时波长转换区包 括黄色荧光区，用于激发黄色受激光，且该黄色荧光区可用于透射或 反射第二光源112发出的蓝光，黄色受激光和蓝光自光源系统100出 射后照射至光调制装置160上进行调制。
请参阅图3，角度偏折区122包括多个偏折单元D，偏折单元D 用于透射或反射第一光，多个偏折单元D时序地位于入射的第一光的 光路上，以时序地改变第一光的出射角度，使得所述至少两个偏折单 元D出射的第一光依次在预设位置191上的不同位置进行扫描得到扫 描图像。每个偏折单元D用于透射或反射一束第一光以时序地改变每 束第一光的出射角度。
请参阅图4-图5，每个偏折单元D包括用于出射第一光的出光面 a，出光面a与参考平面b存在第一夹角，多个偏折单元D中的至少 两个偏折单元D对应的第一夹角不相等。参考平面b可为水平面或波 长转换区121所在的平面。本实施例中不同偏折单元D的参考平面b 为波长转换区121所在的平面，换句话说，不同偏折单元D与波长转 换装置120的转盘存在所述第一夹角。本实施例中每个角度偏折区122 的每个区段中不同偏折单元D的出光面a和参考平面b形成的第一夹 角不相等。
请参阅图4，本实施方式中，角度偏折区122为透射型角度偏折 区。为区别不同的偏折单元D，将多个偏折单元进行编号。从第一光 源111发出的第一光照射在角度偏折区122中编号为m的偏折单元D 上并发生折射，此时对应的第一夹角为θm，第一光的出射角度为αm； 当第一光入射到角度偏折区122中编号为n的偏折单元并发生折射时， 第一夹角则为θn，第一光的出射角度为αn。当θm不等于θn时，αm≠αn， 则第一光出射到预设位置191的不同位置上。本实施例中角度偏折区 122的出光面朝波长转换装置120的旋转轴倾斜，随着波长转换装置 120的转动，第一光入射的偏折单元D的第一夹角不断变化，使得出 射的第一光依次投射到预设位置191的不同位置上。
在另一种实施方式中，角度偏折区为反射型角度偏折区，请参阅 图5，反射型角度偏折区和透射型反射偏折区的区别在于，从第一光 源111发出的第一光照射在角度偏折区122的偏折单元D上发生反射， 出射为第一光形成扫描图像。
请参阅图6，角度偏折区122中的偏折单元D时序地位于入射的 第一光的光路上，使得至少两个偏折单元D出射的第一光依次扫描预 设位置191上的不同区域形成多个阵列排布的虚拟像素。在本实施方 式中，扫描图像用于形成低分辨率的低频图像。具体地，每束第一光 在预设位置191上投射的光斑对应一个虚拟像素。每个图像帧期间， 至少一个偏折单元D发出的第一光在预设位置191上形成一个虚拟像 素。虚拟像素的尺寸大小与第一光的光斑尺寸及第一光在预设位置 191上扫描速度有关。
光调制装置160用于根据控制装置150发出的光调制信号调制受 激光后出射调制光并形成调制图像。在本实施方式中，光调制装置160 为数字微镜元件。调制图像与扫描图像在合光装置170叠加后自显示 设备10出射在投影成像面192上形成显示图像，其中扫描图像中的一 个虚拟像素覆盖多个投影像素。本实施方式中，合光装置170为全内 反射棱镜(Total Internal Reflection，TIR)。
光调制装置160可以显示高分辨率的图像，但光调制装置160由 于受限于散热和元器件的可靠性因素影响，能够承受的光功率是有限 的，从而限制了图像的亮度。例如0.37”的硅基液晶一般能够承受的流 明数在几百lm量级。由于扫描图像的形成不需要对应的光调制装置， 从而扫描图像亮度没有理论上的限制，故预设位置上形成的扫描图像 的亮度远大于光调制装置160出射的调制图像的亮度。本发明将两者 相叠加以恢复显示图像应有的亮度和细节，从而在不增加光调制装置 的面积的情况下大大增加画面的亮度。
控制装置150用于光调制信号，光调制装置160根据光调制信号 对波长转换装置120出射的受激光进行调制并形成调制图像。在一种 实施例中，控制装置150还用于根据待显示图像中的每个像素单元的 原始图像亮度数据发出功率调节信号，功率调节信号用于调节第一光 源111照射至对应的偏折单元D时的驱动电流，第一光源111用于根 据功率调节信号发出第一光。
通过光路设计，可使第一光到达预设位置191的偏离角度小于投 影镜头180的收光角度，从而使扫描图像和调制图像在投影成像面192 上完全重合。另外，本发明实施方式中的光源系统100中还包括本领 域公知的引导元件，如收集透镜131、中继透镜132等等，在此不一 一例举。
请参阅图7，在本发明的第二实施方式中，显示设备20与显示设 备10的主要区别在于：第一光源111和第二光源112发出的第一光和 第二光具有相同的偏振态。在光调制装置260与合光装置270之间设 置了起偏元件233，起偏元件233用于转换光线的偏振态。从光调制 装置260出射的调制光经起偏元件233后成为偏振光，偏振光入射到 合光装置270与自预设位置出射216的第一光合光后从投影镜头280 出射。
请参阅图8，在本发明的第三实施方式中，显示设备30与显示设 备20的主要区别在于：光调制装置360为三片式液晶面板，包括第一 双色镜361a、第二双色镜361b、第一反射镜362a、第二反射镜362b、 第三反射镜362c、第一液晶面板363a、第二液晶面板363b、第三液 晶面板363c以及合光棱镜364。
本实施方式中，自中继透镜出射的受激光在第一双色镜361a上分 离出蓝光和黄光，蓝光经第一反射镜362a引导投射至第一液晶面板 363a上；黄光经第二双色镜361b分离出绿光和红光，绿光投射至第 二液晶面板363b上，红光经第二反射镜362b和第三反射镜362c引导 透射至第三液晶面板363c上。蓝光、绿光和红光分别经第一液晶面板 363a、第二液晶面板363b、第三液晶面板363c的光强调制后在合光 棱镜364合光出射，产生具有不同灰度层次和色彩的调制图像。
具体地，控制装置350分别对第一液晶面板363a、第二液晶面板 363b、第三液晶面板363c发出光调制信号，用于分别改变蓝光、绿光、 红光通过第一液晶面板363a、第二液晶面板363b、第三液晶面板363c 的透过率，从而对进入合光棱镜364的蓝光、绿光、红光的光强进行 调制。
请参阅图9，显示设备40与显示设备20的主要区别在于：自中 继透镜432出射的受激光经反射元件434引导入射至起偏元件433， 经起偏元件433后出射的偏振光入射至光调制装置460进行调制，经 光调制装置460调制后出射的调制光与经预设位置491的第一光在合 光装置470合光后出射。本实施方式中光调制装置460为硅基液晶空 间光调制器。
需要说明的是，在本发明的精神范围或基本特征内，各个实施方 式中的显示设备的具体技术方案可以相互适用，为节省篇幅及避免重 复起见，在此就不再赘述。
为更好地理解本发明的实际效果，请参阅图10a至图10e，可以 看出，本发明提供的显示设备的输出图像亮度和光调制装置输出图像 亮度相比提高了至少两倍。对于受限于光调制装置的最大输出亮度的 投影系统，采用本发明提供的显示设备能够大大提高显示设备的输出 图像的峰值亮度，其中最高峰值亮度取决光调制装置的最大可承受光 强以及第一光源的峰值光强以及第一光源包含的发光体的数目。
本发明提供的波长转换装置和光源系统一方面利用角度偏折区调 整出射光的出射方向以形成扫描图像，一方面利用波长转换区产生受 激光以应用于彩色图像的显示；本发明提供的显示设备将所述扫描图 像和光调制装置调制受激光得到的调制图像进行叠加，有利于在不增 大光调制装置的分辨率的前提下提高显示设备的显示亮度，有利于避免因增大光调制装置的分辨率带来的显示设备体积增大、成本增加的 问题。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例 的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其 他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例 看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求 而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和 范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标 记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单 元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个装置也可以 由同一个装置或系统通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通 技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换， 而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种波长转换装置，其特征在于，包括：
角度偏折区，包括多个偏折单元，每个偏折单元包括用于出射第一光的出光面，所述出光面与参考平面间存在第一夹角，至少两个偏折单元的出光面与参考平面的第一夹角不相等；多个偏折单元时序地位于第一光的光路上，以时序地改变所述第一光的出射角度使所述第一光在预设位置依次扫描形成多个虚拟像素；以及
波长转换区，用于将入射的第二光转换成受激光出射。
2.如权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述参考平面为水平面或所述波长转换区所在的平面。
3.如权利要求1或2所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换区包括多个荧光区，在一个图像帧期间，每个荧光区依次位于第二光的光路上被激发而产生所述受激光，同时至少一个偏折单元发出的第一光投射至所述预设位置上形成一个虚拟像素。
4.如权利要求1或2所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换区包括一个荧光区。
5.如权利要求1或2所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换装置为色轮，所述波长转换装置还包括驱动单元，用于驱动所述波长转换装置时序地运动。
6.如权利要求5所述的波长转换装置，其特征在于，所述角度偏折区的出光面朝所述波长转换装置的旋转轴倾斜。
7.一种光源系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-6任意一项所述的波长转换装置；
第一光源，用于发出激光作为所述第一光；以及
第二光源，用于发出所述第二光。
8.如权利要求7所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统包括：
功率控制装置，用于根据原始图像数据调节所述第一光源的驱动电流。
9.一种显示设备，用于根据每帧待显示图像的原始图像数据出射图像光至投影成像面上并形成显示图像，待显示图像中包括多个像素单元，其特征在于，包括：
控制装置，用于根据待显示图像发出光调制信号；
如权利要求7或8所述的光源系统；以及
光调制装置，用于根据所述光调制信号调制所述受激光后出射调制光并形成调制图像，所述调制图像与所述第一光经角度偏折区出射后形成的扫描图像叠加并自所述显示设备出射在所述投影成像面上，所述扫描图像中的一个虚拟像素覆盖多个投影像素。
10.如权利要求9所述的显示设备，其特征在于，所述控制装置还用于根据待显示图像中的每个像素单元的原始图像亮度数据发出功率调节信号，所述功率调节信号用于调节所述第一光源照射至对应的偏折单元时的驱动电流，所述第一光源用于根据所述功率调节信号发出所述第一光。
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