一种光源系统及其投影设备、照明装置的制作方法

本申请涉及投影及照明领域，具体涉及一种光源系统及其投影设备、照明装置。

背景技术：

目前，在投影及照明领域越来越广泛到应用激光光源，由于激光具有能量密度高、光学扩展量小的优势，在高亮度光源领域，激光光源已经逐渐取代灯泡和LED光源。其中，采用蓝光激光作为激发光源激发黄色荧光粉产生黄光并合光成白光的设计方案，以其光效高、稳定性好等优点成为应用的主流。现有技术通常采用两个独立光源，其中一路光源发出的蓝光激光经过中继处理后成像到黄色荧光粉片处，从而蓝光激光激发黄色荧光粉产生黄色荧光；另外一路光源也发出的蓝光激光，并经中继系统后与黄色荧光合光成白光出射；现有技术的这种方案导致系统结构过于复杂，体积大，光学器件设置过多，且成本高昂，很难做成小型化产品。

技术实现要素：

根据本实用新型的一方面，提供一种光源系统，其包括激发光单元、分光滤光单元、散射单元、受激光单元。

激发光单元用于向分光滤光单元发射激发光。分光滤光单元用于将激发光的一部分反射/透射到散射单元，散射单元用于对分光滤光单元反射/透射的这部分激发光进行散射从而产生具有第一偏振态的第一光和具有第二偏振态的第二光并发射到分光滤光单元；分光滤光单元透射/反射来自散射单元的第二光。分光滤光单元还用于将激发光的另一部分透射/反射到受激光单元，受激光单元在分光滤光单元透射/反射的这部分激发光的照射下产生受激光并发射到分光滤光单元；分光滤光单元还反射/透射来自受激光单元的受激光，从而分光滤光单元将其透射/反射的第二光和反射/透射的受激光合光出射。

根据本实用新型的第二方面，提供一种投影设备，其光源采用上述光源系统。

根据本实用新型的第三方面，提供一种照明装置，其光源采用上述光源系统。

本实用新型在分光滤光单元处将一个激发光单元产生的激发光分为两路，并最终由激发光和受激光合光出射，由于只需采用一个激光源，因此大大简化了光路结构的设计，在光束照明、三片式投影系统等领域具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的光源系统结构示意图；

图2为本实用新型实施例二的光源系统结构示意图；

图3为本实用新型实施例三的光源系统结构示意图；

图4为本实用新型实施例四的光源系统结构示意图；

图5为本实用新型实施例五的光源系统结构示意图；

图6为本实用新型实施例六的光源系统结构示意图；

图7为本实用新型实施例七的光源系统结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例的光源系统包括激发光单元、分光滤光单元、散射单元、受激光单元。

具体地，激发光单元包括激光光源301和中继透镜303，激光光源301优选地采用蓝光LD。中继透镜303位于激光传播的光路上。

分光滤光单元包括至少一片分光片304，本实施例具体为一片，倾斜设置在经中继透镜303后激光传播的光路上；分光片304具有两面，朝向激发光单元与散射单元的面为第一面3041，分光片304朝向受激光单元的面为第二面3042；分光片的第二面3042镀有透射P光及S光、反射受激光功能的膜(AR膜)，其第一面3041未镀膜。

散射单元包括第一收集透镜305和散射片306；受激光单元包括第二收集透镜307和荧光粉装置(即旋转反射式色轮)308。

光源系统的光路原理详述如下：

激光光源301发出线偏振光即S光，中继透镜303对S光进行光处理(例如匀光、整形、汇聚、压缩等处理)使其作为激发光发射到分光滤光单元，利用中继透镜303可以提高后续入射到色轮308上的光斑的能量密度均匀性，从 而提高色轮308的光转换效率。在其它的实施方式中，激光光源301发出的也可以是P光。

分光片的第一面3041将S光的一部分反射到散射单元(例如分光片的第一面3041对S光的反射率为9％，则9％的S光被反射到散射单元)；第一收集透镜305将分光滤光单元反射的该部分S光汇聚到散射片306，散射片306对该部分S光进行朗伯散射从而产生相同比例的S光和P光并经第一收集透镜305发射到分光片304；分光片304透射其中的P光，反射S光。在其它实施方式中，当根据需要选择特定散射片时，散射片306产生的P光和S光也可以是不同比例。

分光片的第一面3041和第二面3042还将S光的另一部分透射到受激光单元，第二收集透镜307将分光滤光单元透射的该部分S光汇聚到色轮308，色轮308具有黄色荧光粉材料，其在该部分S光的照射下产生受激光即黄色荧光并经第二收集透镜307发射到分光滤光单元；分光片的第二面3042反射来自受激光单元的黄色荧光。

从而，分光滤光单元将其透射的P光和反射的黄色荧光合光出射，由于P光为蓝光，因此蓝光和黄光合光形成均匀的白光出射。

在其它的实施方式中，激光光源301发出的激光不限于蓝色激光，也不限于一种颜色；色轮根据荧光材料的选取，也可以产生黄色荧光之外其它颜色的光，只要分光滤光单元透射的光和反射的荧光合光成白光即可；根据实际需要，分光滤光单元透射的光和反射的荧光也可以合光成其它颜色的光。

实施例二：

与实施例一的区别在于，本实施例的激发光单元还包括设置于激光光源301与中继透镜303之间光路上的液晶装置302，通过调节液晶装置302使得液晶分子偏转一定的角度，经过液晶装置302的光的偏振方向也会旋转一定的角度，液晶分子偏转角度越大，光的偏振方向也偏转得越大，因此液晶装置302主要用于调节激光的偏振态.

本实施例中，激光光源301发射的激光经液晶装置302后形成具有一定比例关系的第一偏振态的S光和第二偏振态的P光，并经中继透镜303发射到分光滤光单元。例如，液晶分子旋转的角度为α，则经过液晶装置302出射的S光为Icosα，P光为Isinα，I为激光的强度，技术人员可以根出射白光的需求来 调节液晶装置302的偏转角。

本实施例与实施例一的另一区别在于，本实施例的分光片第一面3041镀有PBS(polarization beam splitter，偏振分光器)功能的膜，即反射S光、透射P光；其第二面3042镀有透射P光、反射受激光功能的膜。

则，分光片的第一面3041将来自激发光单元的S光反射到散射单元；散射单元对S光进行朗伯散射从而产生相同比例的S光和P光并发射到分光滤光单元；分光片的第一面3041和第二面3042透射其中的P光，其中的S光被第一面3041反射掉。

分光片的第一面3041和第二面3042还将来自的激发光单元的P光透射到受激光单元，受激光单元在P光的照射下产生黄色荧光并发射到分光滤光单元；分光片的第二面3042反射黄色荧光。

从而，分光滤光单元将其透射的P光和反射的黄色荧光合光成白光出射。

实施例三：

如图3所示，本实施例的光源系统也包括激光光源301、中继透镜303、分光片304、第一收集透镜305、散射片306、第二收集透镜307、反射式色轮308。

与实施例一的区别在于，本实施例的激发光单元还包括设置于激光光源301与中继透镜303之间光路上的液晶装置302。本实施例的分光片的第二面3042镀有透射P光、反射受激光功能的膜，第一面3041未镀膜。根据不镀膜的玻璃性质，分光片的第一面3041可以对S光和P光分别以不同的反射率进行反射，本实施例中，分光片的第一面3041对S光的反射率为9％，对P光的反射率为2％。

光源系统的光路原理详述如下：

激光光源301发出蓝色激光，激光经液晶装置302后会形成具有一定比例关系的S光和P光，经中继透镜303后作为激发光发射到分光滤光单元。

通过调节液晶装置302，S光和P光的比例会发生变化，则激发光在分光片的第一面3041的反射率的变化范围为2％-9％。

散射单元对分光片304反射的S光和P光进行朗伯散射从而产生相同比例的S光和P光并发射到分光滤光单元。对于这部分S光和P光，在第一面3041处S光有9％反射，P光有2％反射，则平均后反射率为5.5％，透射率为94.5％，分光片的第一面3041和第二面3042透射其中94.5％的光，即被分光片304反射的激发光中，仍然有94.5％的光再次得到利用。

分光片的第一面3041和第二面3042还将来自的激发光单元的激发光中91％的S光和98％的P光透射到受激光单元，受激光单元在这部分激发光的照射下产生黄色荧光并发射到分光滤光单元；分光片的第二面3042反射黄色荧光。

从而，分光滤光单元将其透射的S光、P光和反射的黄色荧光合光成白光出射。

本实施例中，S光为垂直于入射面的光矢量，P光为平行于入射面的光矢量(在其它实施方式中，也可以采用P光为垂直于入射面的光矢量，S光为平行于入射面的光矢量的设计)，分光片304采用玻璃材质。关于分光片对激发光的反射率可根据菲涅尔公式得到，本实施例中，令θ₁为入射角，θ₂为折射角，n₁为空气折射率，n₁为分光片折射率。根据菲涅尔公式，垂直于入射面的偏振光即S光的反射率Rs和折射率Ts的表达式如下，

$Rs=\frac{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}$

$Ts=\frac{n_2{\mathrm{cos\θ}}_2}{n_1{\mathrm{cos\θ}}_1}\·\frac{4{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(1\right)$

平行于入射面的偏振光即P光的反射率Rp和折射率Tp的表达式如下，

$Rp=\frac{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{{\tan }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}$

$Tp=\frac{n_2{\mathrm{cos\θ}}_2}{n_1{\mathrm{cos\θ}}_1}\·\frac{4{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}{{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2){\cos }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(2\right)$

可见，入射光的光矢量与分光片折射率、空气折射率以及入射角等因素相关，本实施例具体求得的分光片第一面3041对S光的反射率Rs为9％，对P光的反射率Rp为2％，在其它的实施方式中，由于相关参数的具体取值不同，因此分光片对S光和P光的反射率也会是其它的值。技术人员可以根据实际需要，灵活合理地设计激发光透、反射的比例，从而控制分光滤光单元透射的光和受激光合光时的比例，从而得到最终所需的光。

实施例四：

如图4所示，本实施例的光源系统也包括激光光源301、液晶装置302、中继透镜303、分光滤光单元、第一收集透镜305、散射片306、第二收集透镜307、反射式色轮308。

为了满足不同的蓝光与黄光比例要求，可以增加分光片数量，本实施例与 上述各实施例的区别在于，本实施例的分光滤光单元包括多片分光片，分光片中至少一片分光片的第二面镀有透射P光、反射受激光功能的膜，优选地，该膜镀在最接近受激光单元的分光片的第二面上，图3中，分光片具体为两片，面404镀有透射P光、反射受激光功能的膜。面401、面402、面403中部分面可以是镀有反射S光、透射P光功能的膜，当其中有两面不镀膜而另一面镀有AR膜时，S光反射率约为18％；当三面都不镀膜时，S光反射率约为27％，依次类推，结合液晶装置302的偏转角度，可以实现激发光从2％-27％之间的任意反射率。

本实施例其它技术方案可以采取与上述各实施例一致的原理，故不再赘述。

实施例五：

上述各实施例中，为便于设计和制备，激发光单元发射的激发光相对于分光片304的入射角为45°，从而入射的激发光与出射的白光垂直，如图5所示，本实施例与上述各实施例的区别在于，本实施例中激发光相对于分光片304的入射角不等于45°，可以大于45°，也可以小于45°，这样的设计可以满足一些特殊的结构需求。本实施例其它技术方案可以采取与上述各实施例一致的原理，故不再赘述。

实施例六：

如图6所示，本实施例是根据实施例一派生设计的的光路结构，本实施例的分光片的第二面4042镀有反射P光、透射受激光功能的膜，其第一面4041未镀膜。

激发光单元向分光滤光单元发射S光；分光片的第一面4041将S光的一部分透射到散射单元；散射单元的散射片406对该部分S光进行朗伯散射从而产生相同比例的S光和P光并发射到分光滤光单元，分光片反射其中的P光。

分光片的第一面4041和第二面4042还将S光的另一部分反射到受激光单元，受激光单元的色轮408在该部分S光的照射下产生黄色荧光并发射到分光滤光单元；分光片的第二面4042透射黄色荧光。

从而，分光滤光单元将其反射的P光和透射的黄色荧光合光成白光出射。

实施例七

如图7所示，本实施例是根据实施例二派生设计的的光路结构，本实施例 的分光片的第一面4041镀有透射S光、反射P光的膜，其第二面4042镀有反射P光、透射受激光功能的膜。

激发光单元向分光滤光单元发射具有一定比例关系的S光和P光，分光片将来自激发光单元的S光的透射到散射单元；散射单元的散射片406对S光进行朗伯散射从而产生相同比例的S光和P光并发射到分光滤光单元；分光片的第二面4042反射其中的P光。

分光片的第一面4041将来自激发光单元的P光反射到受激光单元，受激光单元的色轮408在P光的照射下产生黄色荧光并发射到分光滤光单元；分光片透射黄色荧光。

从而，分光滤光单元将其反射的P光和透射的黄色荧光合光成白光出射。

本实用新型所提供的光源系统及其投影设备、照明装置，在分光滤光单元处将一个激发光单元产生的激发光分为两路，并最终由激发光和受激光合光出射，由于只需采用一个激光源，因此大大简化了光路结构的设计；本实用新型对激发光进行分光利用了偏振的原理，从而使得对同一激发光就能有效分光，而不需要激发光本身包含不同的光成分；本实用新型通过调节液晶装置，可以根据不同的需求分配S光和P光的比例，使得最终出射的白光是按照预定比例的P光与荧光合光得到的，可以根据需要满足不同的设计要求；本实用新型对分光片是否镀膜、分光片的数量以及组合形式可以做出灵活多样的设计，从而更为精确得控制经过分光滤光单元后S光和P光的比例，使得最终出射的白光满足不同的需求，本实用新型的设计在光束照明、三片式投影系统等领域表现出诸多优势，具有重要的实际应用价值。

以上内容是结合具体的实施方式对所作的进一步详细说明，不能认定的具体实施只局限于这些说明。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。