一種熒光輪裝置及光源系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種熒光輪裝置，該熒光輪裝置包括熒光輪基板和多種顏色的熒光粉，其中，該多種顏色的熒光粉包括在激光激發下產生藍色受激光的藍色熒光粉，該多種顏色的熒光粉分段附著在熒光輪基板被激光照射的區域。本實用新型還涉及一種包括上述熒光輪裝置的光源系統。本實用新型采用RGBY顏色的光全部使用熒光粉激發的方式，無需針對藍光進行特殊的光路和結構設計，使得系統簡單；并且能夠實現無激光輸出，達到綠色無傷害的效果。
【專利說明】
一種熒光輪裝置及光源系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種光學系統，具體涉及一種熒光輪裝置及光源系統。
【背景技術】
[0002]激光投影機光源目前都是使用藍光進行激發的方案，如圖1所示，包括LD模塊101、LD模塊102、藍光反射鏡103、反射式熒光輪104、藍光光路擴散片105、半透半反濾光片106(透紅綠，反藍)、色輪107、激光擴散片108，該方案將藍色激光器光源激發出來的光通過透鏡組等會聚到熒光輪上，熒光輪受激后產生紅R、綠G、黃Y顏色的光，R、G、Y顏色的光經過透鏡組、色輪等聚焦到光導管入口處;激光器本身的藍光則通過熒光輪上的缺口或透明玻璃片，再經過反射鏡的反射，最后聚焦到光導管入口處與R、G、Y顏色的光合光，合光后進入投影機光機系統A。
[0003]目前R、G和Y顏色的光都是通過熒光粉受激產生，藍色的光是采用AR膜片使藍光透射或利用反射材料使藍光原路反射得到。采用AR膜片的片狀熒光輪結構如圖2所示，熒光輪基板是鋁片，表面外緣附著有各種需要顏色的熒光粉:黃色熒光粉201、紅色熒光粉202和綠色熒光粉203。其中，采用AR膜片204與反射材料的熒光輪結構存在以下缺陷:藍光激光偏振特性無法消除，藍光偏紫問題無法解決。其中采用AR膜片的熒光輪結構還存在藍光光路調整制程復雜，均勻性無法達到最好的問題。
[0004]因此，目前的激光投影機存在如下缺陷:
[0005]1.在設計方面，光源由于需要分光、合光的動作，所以系統比較復雜，組成結構也比較龐大，而且還需要額外針對白色均勻度來做調整。
[0006]2.合光中含有激光的成分，對人眼有輕微的傷害，同時藍色激光的高同調性導致存在嚴重的散斑效應，影響畫質和觀感。
[0007]3.目前激光投影機所使用的藍色激光波段大部分都在440nm?460nm左右，此藍光呈現的顏色是偏紫的藍色，導致現階段激光投影機在許多畫面上所呈現出來的顏色失真。
【實用新型內容】
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型提出了一種熒光輪裝置及光源系統，采用RGBY顏色的光全部使用熒光粉激發的方式，克服了使用AR膜片所存在的缺陷；并且整個光源系統無需針對藍光進行特殊的光路和結構設計，使得系統簡單;并且能夠實現無激光輸出，達到綠色無傷害的效果。
[0009]本實用新型提出的一種熒光輪裝置，該熒光輪裝置包括熒光輪基板和多種顏色的熒光粉，其中，該多種顏色的熒光粉分段附著在熒光輪基板被激光照射的區域;該多種顏色的熒光粉包括在激光激發下可產生藍色受激光的藍色熒光粉。
[0010]進一步地，該熒光輪基板的表面形成高漫反射結構。
[0011]進一步地，所述熒光輪基板的形狀為片狀、滾筒狀、多邊柱體、半球狀或半橢球形。
[0012]進一步地，該多種顏色的熒光粉還包括在激光激發下產生黃色受激光的黃色熒光粉、在激光激發下產生紅色受激光的紅色熒光粉以及在激光激發下產生綠色受激光的綠色熒光粉。
[0013]進一步地，該藍色熒光粉為在激光激發下可產生藍色受激光的稀土摻雜的下述物質的一種或多種:硅酸鹽、鋁酸鹽、氮化物、氮氧化物。
[0014]優選地，所述稀土摻雜的娃酸鹽例如為BaAhSi208: Eu、SnMgSisOg: Eu等。所述稀土摻雜的鋁酸鹽例如為Lu3Al5O12 = CejaMgAl1OOmEu等。所述稀土摻雜的氮化物例如為AlN:Eu。所述稀土摻雜的氮氧化物例如為MSi202N2: Eu，M=Ba、Ca或Sr中的一種或兩種或三種。還優選地，所述藍色熒光粉為上述的稀土摻雜的鋁酸鹽、上述的稀土摻雜的氮氧化物或其混合物。
[0015]進一步地，該多種顏色的熒光粉通過粘接劑附著在熒光輪基板被激光照射的區域。該粘接劑可為娃膠等聚合物，也可為水玻璃等無機粘接劑。
[0016]本實用新型還提出一種光源系統，該光源系統包括:激光光源裝置、反射/透射部、如前所述的熒光輪裝置和光機系統;反射/透射部對激發光反射而對受激光透射，或者對激發光透射而對受激光反射;激光光源裝置發出的激光經反射/透射部反射或透射后進入熒光輪裝置，熒光輪裝置中的熒光粉被激發后產生受激光，再經反射/透射部透射或反射進入光機系統。
[0017]進一步地，該反射/透射部為偏光片或濾波片。
[0018]進一步地，該偏光片經鍍膜技術形成對激發光反射而對受激光透射的光譜區域，或者形成對激發光透射而對受激光反射的光譜區域。
[0019]進一步地，該激光光源裝置具有單一偏振特性。
[0020]進一步地，熒光輪裝置通過結構或通過波長轉換材料的比例控制來控制波長轉換強度與漫反射的強度比例。
[0021]進一步地，所述熒光輪裝置通過結構控制波長轉換強度與漫反射的強度比例是在熒光輪基板表面形成高漫反射結構來控制該強度比例;所述熒光輪裝置通過波長轉換材料的比例控制來控制波長轉換強度與漫反射的強度比例是調整熒光輪裝置上的波長轉換材料和漫反射材料的搭配比例而獲得不同比例的原反射光和激發光。
[0022]進一步地，所述光源系統還包括漫射器，漫射器位于激光光源裝置與反射/透射部之間。
[0023]進一步地，激光光源裝置與反射/透射部之間、反射/透射部與熒光輪裝置之間和/或熒光輪裝置與光機系統之間設置透鏡或透鏡組。
[0024]本實用新型的有益效果:
[0025]1.本實用新型采用RGBY顏色的光全部使用熒光粉激發的方式，因此從結構上取消對藍光的特殊調整，簡化了設計與生產制程;并且可以縮小光源體積，減少鏡片數量，降低產品成本;再者，解決了藍光偏紫的問題，畫面色彩真實度高，也使得白畫面的顏色均勻性獲取提升；另外，通過各顏色的光去激光化，消除了散斑效應。這種受激產生藍光的技術不僅可以用在投影用光源系統，也可以用在照明等光源系統中。
[0026]2.本實用新型可自由調整熒光輪上轉換波長與漫反射的比例，得出不同的色坐標。
[0027]3.現有的激光投影機使用的是單純的半透半反濾光片，短波段藍光高反射率，長波段高透過率，不含偏振特性。本實用新型通過使用鍍膜技術制得的偏光片，實現對某一波段的S光的反射率，以及其余波段的光高透過率，同時利用藍色激光的S偏振特性及其發射光譜窄帶寬分布的特性，實現LD藍光(440nm-450nm) S光高反射率，波長在460nm以上的可見光不分偏振均尚透射率。
【附圖說明】
[0028]圖1是現有技術的光源系統結構示意圖。
[0029]圖2為現有技術熒光輪的結構示意圖。
[0030]圖3是本實用新型的第一實施例的光源系統結構示意圖。
[0031 ]圖4為本實用新型的偏光片工作方式示意圖。
[0032]圖5是本實用新型的第一實施例的光譜示意圖。
[0033]圖6a_6g為本實用新型提出的熒光輪結構示意圖。
[0034]圖7為本實用新型提出的熒光粉膠片的結構示意圖。
[0035]圖8是本實用新型的第一實施例的光源系統與熒光粉膠片結合后的光路結構示意圖。
[0036]圖9是本實用新型的第二實施例的光源系統結構示意圖。
[0037]圖10是本實用新型的第二實施例的光譜示意圖。
[0038]圖11是本實用新型的第三實施例中濾波片的光譜圖。
【具體實施方式】
[0039]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。但本領域技術人員知曉，本實用新型并不局限于附圖和以下實施例。
[0040]實施例1:
[0041]本實用新型提出的一種光源系統，如圖3所示，該光源系統包括:激光光源裝置1、透鏡或透鏡組、偏光片4、焚光輪裝置6和光機系統8。激光光源裝置I發出的激光(S偏振光)經透鏡或透鏡組后經偏光片4反射并經透鏡5透射后進入熒光輪裝置6，由熒光輪裝置6進行轉換波長后，產生以朗伯發散光形式的受激光，再透過偏光片4經透鏡7進入光機系統8。
[0042]該激光光源裝置I具有單一偏振特性，目前使用較多的是日本日亞公司的445nm/30W的激光光源，當然也可以使用其他激光光源。為了保證光源的出光效果，根據使用的激光光源數量及偏振特性不同，可適當調整合光的光路。
[0043]該透鏡組可以由多個透鏡組成，圖3中示出了透鏡組由透鏡2和透鏡3組成的示例，透鏡2為凸透鏡，透鏡3為凹透鏡，但本領域技術人員知曉該透鏡組還可以由其他數量和其他類型的透鏡組成。
[0044]偏光片4可通過鍍膜技術形成對激發光反射而對受激光透射的光譜區域，例如對某一波段的S光的反射率，以及對其余波段的光的透過率。圖4給了一種偏光片的作用示意圖，該示例中偏光片為45度偏光片401，利用藍色激光的S偏振特性及其發射光譜窄帶寬分布的特性，該偏光鏡實現LD藍光(445+/-3nm) S光的高反射率，波長在460nm以上的可見光的高透過率。結合圖3中的光源結構，該偏光片4反射原始LD激光器發射出的含S偏振特性的LD藍光402，并透射經波長轉換材料激發后的460nm以上可見光及被轉換了偏振特性的LD藍光403。偏光片4的光譜如圖5所示，利用鍍膜技術對偏光片進行光學鍍膜，形成使單色激發光在S反射的光譜區域，當單色激發光通過偏光片時，可反射進入熒光輪裝置，然后單色激發光通過熒光輪裝置轉換波長后成為單色受激光，單色受激光回到偏光片，此時因光的波長發生轉換，因此單色受激光可直接透過偏光片進入光機系統。在本實施例中，該鍍膜技術使得偏光片4對445+/-3nm的S偏振的激發藍光全反射，對460nm以上的受激發光全穿透。
[0045]透鏡5對偏光片4反射的激發光進行會聚，同時收集熒光輪裝置6發出的受激光，從而提尚了光收集效率。
[0046]本實用新型提出的熒光輪裝置6包括:熒光輪基板和RGBY熒光粉，RGBY熒光粉分段附著在熒光輪基板被激光照射的區域，其中該RGBY熒光粉可以為RGBY各顏色熒光粉分別搭配硅膠、樹脂膠水或水玻璃等粘接劑進行混合固化后形成的熒光粉膠片。
[0047]熒光輪裝置6的結構如圖6a_6g所示，圖6a中示出了熒光輪基板為片狀的結構示意圖，此時熒光輪基板被激光照射的區域為熒光輪基板外緣，紅色熒光粉601、綠色熒光粉602、藍色熒光粉603和黃色熒光粉604的位置如圖6a所示；圖6b和6c中示出了熒光輪基板為滾筒狀的結構示意圖，此時熒光輪基板被激光照射的區域為熒光輪基板的內外側壁，優選為外側壁，紅色熒光粉段605、綠色熒光粉段606、藍色熒光粉段607和黃色熒光粉段608的位置如圖6c所示；圖6d和6e中示出了熒光輪基板為多邊柱體(圖中示出了五邊形柱體)的結構示意圖，此時熒光輪基板被激光照射的區域為熒光輪基板的內外側壁，優選為外側壁，紅色熒光粉段609、綠色熒光粉段610、藍色熒光粉段611、白色熒光粉段612和黃色熒光粉段613的位置如圖6d所示；圖6f和6g示出了熒光輪基板為半球狀的結構示意圖，此時熒光輪基板被激光照射的區域為熒光輪基板的內外側壁，優選為內側壁，紅色熒光粉段614、綠色熒光粉段615、藍色熒光粉段616和黃色熒光粉段617的位置如圖6f所示;但本領域技術人員知曉，熒光輪基板的形狀不限于上述提到的形狀，例如還可以為半橢球形狀。
[0048]本實用新型中的各顏色熒光粉，可以采用現有技術中已知的在激光激發下產生對應顏色受激光的紅色熒光粉、綠色熒光粉、藍色熒光粉或黃色熒光粉。
[0049]非限制的，紅色熒光粉的組成為YAG:Ce;綠色熒光粉的組成為LuAG= Ce;黃色熒光粉的組成為YAG: Ce ,Gd。
[0050]非限制的，本實用新型的藍色熒光粉可為在激光激發下可產生藍色受激光的稀土摻雜的下述物質的一種或多種:硅酸鹽、鋁酸鹽、氮化物、氮氧化物等。所述稀土摻雜的硅酸鹽例如為BaAl2Si2O8: Eu、Sr2MgSi3O9: Eu等。所述稀土摻雜的鋁酸鹽例如為LuAG: Ce、BaMgAl ιοΟιγ: Eu等。所述稀土摻雜的氮化物例如為AlN: Eu。所述稀土摻雜的氮氧化物例如為MSi202N2:Eu，M=Ba、Ca或Sr中的一種或兩種或三種。優選地，所述藍色熒光粉為上述的稀土摻雜的鋁酸鹽、上述的稀土摻雜的氮氧化物或其混合物。例如，藍色熒光粉采用如下組合的熒光粉:在激光激發下可產生藍色受激光的LuAG = Ce(組分I)和在激光激發下可產生藍色受激光的MSi202N2:Eu，M = Ba、Ca或Sr中的一種或兩種或三種(組分2)。其中，所述藍色熒光粉中，LuAG:Ce與MSi2O2N4 = Eu以任意比例混合，例如可以以1:1?50的比例混合。
[0051]本實用新型中，藍光也通過熒光粉受激產生，因此消除了LD藍光激光特性，并且提升了白畫面的顏色均勻性，節省了藍光光路調整工藝，也克服了藍光偏紫的問題。本實施例中激光通過熒光輪裝置前后的光譜如圖5所示。
[0052]熒光輪裝置6可在結構上或是在波長轉換材料的比例控制上來控制波長轉換強度與漫反射的強度比例，利用不同的強度比可以自由地控制需要的色坐標點。熒光粉膠片的結構如圖7所示，相應的光源系統如圖8所示，包括激光光源裝置801(發出S偏振光809)、透鏡802、透鏡803、偏光片804 (對S光反射，受激光透射)、透鏡805、熒光輪806、透鏡807、光機系統808。在基板表面制作高漫反射結構，含偏振特性的LD藍光入射到漫反射結構面上，馬達帶動高速運轉的漫反射材料會破壞LD藍光的偏振特性，并將其反射回透鏡組，從而該部分藍光中P光會透過偏光片進入后端光路系統。
[0053]通過調整熒光輪裝置6上的波長轉換材料和漫反射材料的搭配比例而獲得不同比例的原反射藍光和激發藍光，這樣可以獲得不同色坐標點的藍光，如漫反射材料與波長轉換材料比例為2:8，即可以使得20%左右原LD藍光不會被激發而被漫反射材料直接發射回透鏡組5，另外80 %左右LD藍光會通過波長轉換材料進行轉換成所需要的藍光，調整該兩部分藍光的比例可耦合任何所需要的色坐標點藍光。
[0054]在偏光片4和光機系統8的光路結構上還可以設置透鏡或透鏡組7，用于對受激發透射光進行會聚。其中，透鏡組包括多個透鏡，用于將受激發透射光最大限度地耦合到光機系統8中，確保整機的亮度。
[0055]光機系統8中如果使用藍色的濾光片對藍色受激光進行濾色，受激發藍色光的波段盡可能集中在460-490nmo
[0056]由于目前傳統的激光投影技術中，藍光光路并沒有透過熒光輪裝置被激發，而是利用另外一條光路最后再與被熒光輪裝置激發的光做合光，這樣的架構除了激光本身的藍光偏紫、需合光調整、系統體積笨重外，還會在激光投射到畫面后，畫面會有散斑的效應。而本實用新型通過將現有光路中的熒光輪換成藍光受激方式的熒光輪，同時將現有光路中的45度藍光反射鏡換成45度偏光鏡，實現了RGBY顏色的光全部使用熒光粉激發的方式。采用激發熒光粉產生藍光，從而能有效地解決藍光偏紫問題，也能讓各顏色去激光化，在畫面上不會有散斑效應;再者，本實用新型的光路只需單一光路，除了可以縮小系統體積、減少鏡片數量以及降低成本外，還可以因為簡化設計后減少了生產制程上的問題;另外，在白光合光的部分，因為是單一光路，因此不會出現白畫面不均勻的現象。
[0057]本領域技術人員根據實施例1中的描述能夠知曉，這種受激產生藍光的技術不僅可以用在投影用光源系統，也可以用在照明等光源系統中；該光源系統相應的可作為投影用光源系統，也可作為照明等光源系統。
[0058]實施例2:
[0059]本實用新型提出的另一種光源系統，如圖9所示，該光源系統包括:激光光源裝置I’、透鏡或透鏡組(透鏡2’、3’、7’)、偏光片4’、透鏡5’、焚光輪裝置6’和光機系統8’。激光光源裝置I’發出的激光(P偏振光10’)經透鏡或透鏡組后經偏光片4’和透鏡5’透射后進入熒光輪裝置6’，由熒光輪裝置6 ’進行轉換波長后，產生以朗伯發散光形式的受激光，再經透鏡5’透射以及經偏光片4’反射進入光機系統8’。
[0060]本實施例中激光通過熒光輪裝置前后的光譜如圖10所示，利用鍍膜技術對偏光片進行鍍膜，形成對P偏振光透射而對受激光反射的光譜區域。P偏振光通過偏光片4 ’時，可直接透射進入熒光輪裝置6，； P偏振光經熒光輪裝置6，轉換波長后形成單色受激光，再回到偏光片4’時，因波長已發生轉換，因此單色受激光經偏光片4’反射進入光機系統8，。
[0061]在透鏡組和偏光片4’之間還可以設置起勻光作用的漫射器9’。激光發出的光線屬于高同調性且角度極小的高能量光線，角度較小的激光光束在通過漫射器9’時可以將激光光線的高同調性打散，并讓光束有比較大的角度。
[0062]漫射器9’起到破壞激光偏振性的作用，通過在高透光率的基材上加入一顆顆的化學顆粒，作為散射粒子，光線通過時就會發生折射、反射與散射的現象，如此便造成了光學擴散的效果。
[0063]其余內容與實施例1相同，在此不再贅述。
[0064]實施例3:
[0065]本實施例與實施例1和2不同之處在于，實施例1和2的偏光片換成濾波片，其余光路結構不變，該濾波片光譜參考圖11，其鍍膜光譜Slop Tavg 10%?Tavg 90%小于10nm，乃至小到5nm以下。
[0066]以上，對本實用新型的實施方式進行了說明。但是，本實用新型不限定于上述實施方式。凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種熒光輪裝置，其特征在于，該熒光輪裝置包括熒光輪基板和多種顏色的熒光粉，該多種顏色的熒光粉分段附著在熒光輪基板被激光照射的區域，該多種顏色的熒光粉包括在激光激發下產生藍色受激光的藍色熒光粉。2.根據權利要求1所述的熒光輪裝置，其特征在于，該熒光輪基板的表面形成高漫反射結構，和/或，所述熒光輪基板的形狀為片狀、滾筒狀、多邊柱體、半球狀或半橢球形。3.根據權利要求1所述的熒光輪裝置，其特征在于，該多種顏色的熒光粉還包括在激光激發下產生黃色受激光的黃色熒光粉、在激光激發下產生紅色受激光的紅色熒光粉以及在激光激發下產生綠色受激光的綠色熒光粉。4.根據權利要求1至3中任一項所述的熒光輪裝置，其特征在于，該多種顏色的熒光粉通過粘接劑附著在熒光輪基板被激光照射的區域。5.一種光源系統，其特征在于，該光源系統包括:激光光源裝置、反射/透射部、如權利要求I至4中任一項所述的熒光輪裝置和光機系統;反射/透射部對激發光反射而對受激光透射，或者對激發光透射而對受激光反射;激光光源裝置發出的激光經反射/透射部反射或透射后進入熒光輪裝置，熒光輪裝置中的熒光粉被激發后產生受激光，再經反射/透射部透射或反射進入光機系統。6.根據權利要求5所述的光源系統，其特征在于，該反射/透射部為偏光片或濾波片。7.根據權利要求6所述的光源系統，其特征在于，該偏光片經鍍膜技術形成對激發光反射而對受激光透射的光譜區域，或者形成對激發光透射而對受激光反射的光譜區域。8.根據權利要求5至7中任一項所述的光源系統，其特征在于，該激光光源裝置具有單一偏振特性。9.根據權利要求5至7中任一項所述的光源系統，其特征在于，熒光輪裝置通過結構或通過波長轉換材料的比例控制來控制波長轉換強度與漫反射的強度比例。10.根據權利要求9所述的光源系統，其特征在于，所述熒光輪裝置通過結構控制波長轉換強度與漫反射的強度比例是在熒光輪基板表面形成高漫反射結構來控制該強度比例； 所述熒光輪裝置通過波長轉換材料的比例控制來控制波長轉換強度與漫反射的強度比例是調整熒光輪裝置上的波長轉換材料和漫反射材料的搭配比例而獲得不同比例的原反射光和激發光。11.根據權利要求5至7中任一項所述的光源系統，其特征在于，所述光源系統還包括漫射器，漫射器位于激光光源裝置與反射/透射部之間。12.根據權利要求5至7中任一項所述的光源系統，其特征在于，激光光源裝置與反射/透射部之間、反射/透射部與熒光輪裝置之間和/或熒光輪裝置與光機系統之間設置透鏡或透鏡組。
【文檔編號】G03B21/20GK205721048SQ201620547732
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】陳龍, 樸賢卿, 葛明星, 劉金根, 周建勝, 葉文彬
【申請人】無錫視美樂激光顯示科技有限公司