CN112526812B - 紧凑光引擎 - Google Patents

Abstract

一种光引擎，包括：波长转换装置，接收第一波长范围和第一偏振的源光，从所接收的源光的一部分产生第二波长范围的光，所述第二波长范围的至少一部分与所述第一波长范围不重叠，所述波长转换装置反射包括所产生的光的输出光并且包括偏振转换器，所述偏振转换器将所述输出光的至少一些设置为与所述第一偏振不同的第二偏振；以及二向色元件，所述二向色元件接收所反射的输出光并且与所述第二偏振的光不同地引导所述第一偏振的光。

Description

紧凑光引擎

本申请是申请号为201380033382.1、申请日为2013年7月22日、题为“紧凑光引擎”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种包括光源、波长转换装置和二向色元件的光引擎、涉及一种操作这样的光引擎的方法并涉及一种产生光的方法。

背景技术

用于投影仪的光源的普通设计使用磷光体轮来顺序地产生不同颜色的光。通常，蓝色激光激发磷光体轮，以产生绿色光或红色光。磷光体轮通常具有含有不同类型的磷光体的一些扇形节段，以将激发的蓝光转换为绿色、黄色或红色。

磷光体轮还可以具有一个或多个间隙，以使未转换的蓝色源光穿过。通常使用反射类型的磷光体轮，以使激发光和发射光停留在磷光体轮的一侧。然后，使用二向色来分离激发光和发射光。

在图1A中示出了已知的此设计的示例，其包括二向色元件100和磷光体轮200。磷光体轮包括盘部201和使盘部201旋转的马达202。源蓝光301穿过二向色元件100，并且穿过的蓝光302（还称作激发光）集中在磷光体轮200的盘201上。盘部201具有包括磷光体的至少一个节段。入射在这些节段上的蓝色激发光302被磷光体吸收，并且经转换的光303（通常为绿色或红色）被发射。为了提取绿光或红光303，使用二向色元件100。二向色元件100反射发射光303，并反射的光304被输出。盘部可以具有带有不同磷光体的多个节段，从而当盘部201旋转时，输出的光304可以依次提供有不同的颜色。

投影仪通常需要红光、绿光和蓝光来产生图像。通过蓝色激发光302，磷光体轮将通常产生绿色和红色输出光304。然而，该光引擎的设计需要：二向色元件100使蓝光穿过，以到达磷光体轮200。因此，二向色元件100通常不能反射接收的任何蓝光。

一些已知的技术以不同方式产生蓝光。磷光体轮200的盘部201设计有间隙节段。该间隙节段允许源光304穿过磷光体轮（未被反射），并提供与源光301例如蓝光相同颜色的二次输出光305。

在图1B中还示出了光引擎的替代的已知的设计。在US-7,070,300中讨论了类似的光引擎设计。该光引擎实现了如在图1A中示出的相同功能，并通常使用相同部件。因此，已经使用相同的附图标记来标识如在图1A中示出的相同特征。然而，与图1A相比，在图1B中，这些部件的布置是不同的。此外，二向色元件101与图1A的二向色元件100不同。

源光301被二向色元件101反射，从而使得激发光302入射在磷光体轮200的盘202上。然后，与激发光302具有不同颜色的发射光304穿过二向色元件101。再次，通过使用磷光体轮200的盘部201中的间隙节段来实现提供与源光301具有相同颜色的光。这允许提供与源光301具有相同颜色的二次输出光305。

因此，对于在图1A和图1B中示出的设计，有两条输出光路径。例如，一条被提供用于绿光和红光，第二条用于蓝光。这导致了额外的组件，从而增加尺寸、复杂度和成本。

发明内容

针对该背景技术，本发明提供了一种光引擎。在第一方面，光引擎包括：波长转换装置，所述波长转换装置被布置为接收第一波长范围和第一偏振的源光，以从所述接收的源光的一部分产生第二波长范围的光，所述第二波长范围的至少一部分与所述第一波长范围不重叠，所述波长转换装置还被布置为反射包括所产生的光的输出光，其中，所述波长转换装置还包括偏振转换器，所述偏振转换器被构造为将所述输出光的至少一些设置为与所述第一偏振不同的第二偏振；以及二向色元件，所述二向色元件被布置为接收反射的输出光，所述二向色元件被构造为与所述第二偏振的光不同地引导所述第一偏振的光。

在第二方面，光引擎包括：波长转换装置，所述波长转换装置被布置为接收第一波长范围和第一偏振的源光，并被选择地构造为从所述接收的源光的一部分产生第二波长范围的光，所述第二波长范围与所述第一波长范围不同，所述波长转换装置还被布置为反射包括所产生的光的输出光，其中，所述波长转换装置还包括偏振转换器，所述偏振转换器被构造为将所述输出光的至少一些设置为与所述第一偏振不同的第二偏振；致动器，所述致动器被构造为使所述波长转换装置运动，由此选择所述第二波长范围的光的产生；以及二向色元件，所述二向色元件被布置为接收所述反射的输出光，所述二向色元件被构造为与所述第二偏振的光不同地引导所述第一偏振的光。可选地，所述第二波长范围的至少一部分与所述第一波长范围不重叠。在可选的方面，本发明可以被认为是光引擎，其包括：二向色元件，所述二向色元件被布置为使初始偏振的源光入射在磷光体轮上，所述源光的一些被转换为不同颜色的光，所述源光的一些在没有颜色变化但具有偏振变化的情况下被反射，并且其中，所述转换的光和所述反射的源光入射在所述二向色元件上，所述二向色元件被构造为与所述初始偏振的所述源光不同地引导所述反射的源光。

因此，所述二向色镜不仅根据其颜色而且根据其偏振来分离光。因此，可以简单地通过改变被所述磷光体轮的反射节段反射的激发光的偏振来实现与所述源光具有相同颜色的输出光。这产生了更加紧凑的光引擎，同时复杂性减小并且成本降低。

许多优选的和可选的特征可以应用于这些方面中的任何一个或多个方面。

优选地，所述二向色元件还被布置为引导所述源光以入射在所述波长转换装置上。在优选的实施例中，所述波长转换装置被构造为反射所述接收的源光的一部分，由此所述输出光包括所述第二波长范围的所述产生的光和所述第一波长范围的所述反射的源光。这里，所述偏振转换器有益地被构造为将所述第一波长范围的所述反射的源光设置为所述第二偏振。可选地，所述第一偏振和所述第二偏振是正交的。

有利地，所述二向色元件被构造为与所述第一波长范围和第二偏振的光不同地引导所述第一波长范围和第一偏振的光。

在优选的实施例中，所述二向色元件被构造为与所述第二波长范围的光不同地引导所述第一波长范围和第一偏振的光。在一些实施例中，所述二向色元件可以被构造为使所述第一波长范围和第一偏振的光穿过，并反射所述第一波长范围和第二偏振的光以及所述第二波长范围的光。在其它实施例中，所述二向色元件被构造为反射所述第一波长范围和第一偏振的光，并使所述第二波长范围的光以及所述第一波长范围和第二偏振的光穿过。

在许多实施例中，所述第二波长范围与所述第一波长范围基本上不重叠。然后，所述波长转换装置可以包括磷光体元件，以产生所述第二波长范围的光。所述磷光体元件可以包括任何形式的发光材料。

优选地，所述波长转换装置是轮，轮表面的第一部分被构造为产生所述第二波长范围的光。所述轮可以是可旋转的，可选地，可以提供马达以使所述轮旋转。所述轮可以由作为基板的盘形部分形成。所述轮的所述第一部分可以包括涂覆在所述基板的表面的节段上的磷光体。

可选地，所述波长转换装置还被构造为从所述接收的源光的一部分产生第三波长范围的光。当所述波长转换装置是轮时，轮表面的第一部分可以被构造为产生所述第二波长范围的光，而轮表面的第二部分可以被构造为产生所述第三波长范围的光。

在优选的实施例中，轮表面的一部分被构造为反射所述第一波长范围的光。现有技术的磷光体轮在轮的盘部中需要孔，以允许激发光穿过所述轮。通常，通过去除磷光体轮基板的一部分来形成透明的孔。当轮旋转时，这导致了轮的平衡的损失。采用改进的盘形基板形状，其中在基板上具有可选的反射涂层，以反射光，并使光穿过偏振转换器。有利地，这可以改善轮在旋转时的平衡，从而促进其旋转灵便性。还更加简单地进行磷光体轮的制造。

在优选的实施例中，所述光引擎还包括：光源，所述光源被布置为提供源光。本发明还在包括如这里描述的光引擎的投影仪中实施。

在另一方面，本发明可以在产生光的方法中找到，所述方法包括：在波长转换装置处接收第一波长范围和第一偏振的源光；在所述波长转换装置处从所述接收的源光的一部分产生第二波长范围的光，所述第二波长范围与所述第一波长范围不同，从而所述波长转换装置提供包括所述产生的光的输出光；将所述输出光的至少一些的所述偏振设置为与所述第一偏振不同的第二偏振；将所述输出光从所述波长转换装置朝二向色元件反射，所述二向色元件被构造为与所述第二偏振的光不同地引导所述第一偏振的光。

本发明的又一方面提供了一种产生光的方法，其包括：在波长转换装置处接收第一波长范围和第一偏振的源光；在波长转换装置处从所述接收的源光的一部分选择性地产生第二波长范围的光，所述第二波长范围与所述第一波长范围不同，从而所述波长转换装置提供包括所述产生的光的输出光；使所述波长转换装置运动，由此选择第二波长范围的所述光的产生；将所述输出光的至少一些的所述偏振设置为与所述第一偏振不同的第二偏振；以及将所述输出光从所述波长转换装置朝二向色元件反射，所述二向色元件被构造为与所述第二偏振的光不同地引导所述第一偏振的光。可选地，所述第二波长范围的至少一部分与所述第一波长范围不重叠。

本发明的另一方面提供了一种操作光引擎的方法，其包括：在二向色元件处接收初始偏振的源光，所述二向色元件使所述源光入射在磷光体轮上；在所述磷光体轮处将所述源光的一些转换为不同颜色的光；在所述磷光体轮处在没有颜色变化但具有偏振变化的情况下反射所述源光的一些；以及使所述转换的光和所述反射的光入射在所述二向色元件上，所述二向色元件在光学上与所述初始偏振的所述源光不同地影响所述反射的源光。

再次，许多优选的和可选的特征可以应用于基于这些方法的方面中的任何一个或多个方面。此外，将理解的是，也可以可选地提供实施上面描述的任何装置特征的操作的方法步骤。

优选地，所述方法还包括：在所述二向色元件处接收所述源光；以及使用所述二向色元件引导所述源光以入射在所述波长转换装置上。

有利地，所述输出光包括所述第二波长范围的所述产生的光和所述第一波长范围的反射的源光，使得反射所述输出光的步骤包括将在所述波长转换装置处接收的所述源光的一部分朝所述二向色元件反射。可选地，设置所述偏振的步骤包括将所述第一波长范围的所述反射的源光设置为所述第二偏振。所述二向色元件可以被构造为与所述第一波长范围和第二偏振的光不同地引导所述第一波长范围和第一偏振的光。

有益地，所述二向色元件被构造为在光学上与所述第二波长范围的光不同地影响所述第一波长范围和第一偏振的光。然后，所述方法还可以包括：使在所述二向色元件处接收的所述第一波长范围和第一偏振的光穿过；以及反射在所述二向色元件处接收的所述第一波长范围和第二偏振的光以及所述第二波长范围的光。可选地，所述方法还可以包括：反射在所述二向色元件处接收的所述第一波长范围和第一偏振的光；以及使在所述二向色元件处接收的所述第一波长范围和第二偏振的光以及所述第二波长范围的光穿过。

优选地，所述第二波长范围与所述第一波长范围基本上不重叠。然后，产生第二波长范围的光可选地包括使用磷光体元件。

在优选的实施例中，所述波长转换装置为轮，轮表面的第一部分被构造为产生所述第二波长范围的光。

在一些实施例中，所述方法还可以包括：在波长转换装置处从所接收的源光的一部分产生第三波长范围的光，所述第三波长范围与所述第一波长范围和所述第二波长范围不同。在所述波长转换装置是轮的情况下，轮表面的第一部分可以被构造为产生所述第二波长范围的光，而轮表面的第二部分可以被构造为产生所述第三波长范围的光。有利地，轮表面的一部分被构造为反射所述第一波长范围的光。

还将理解的是，本发明不限于明确公开的特征的特定组合，而是还包括独立地描述的且本领域技术人员可以实现在一起的特征的任何组合。

附图说明

本发明可以以各种方式实施，其中的一些方式现在将仅通过示例并参照附图来描述，在附图中：

图1A示出了现有的光引擎的第一实施例；

图1B示出了现有的光引擎的第二实施例；

图2示出了根据本发明的光引擎的第一实施例；

图3示出了根据本发明的光引擎的第二实施例；

图4示出了根据本发明的光引擎的第三实施例；以及

图5示出了显示出用于在图2、图3和图4中示出的实施例中的任何实施例使用的二向色元件的样例反射率。

具体实施方式

首先参照图2，示出了根据本发明的光引擎的第一实施例。光引擎包括：二向色元件102；以及磷光体轮200′。磷光体轮200′包括：马达202；盘部203；以及偏振转换器500。

从诸如激光的偏振源提供通常被偏振的第一颜色的源光401，例如作为具有p偏振的蓝光。我们将p偏振限定为线偏振，方向是沿纸的平面。相比之下，s偏振垂直于纸的平面。

二向色元件102的性能不仅依赖于入射光的波长，而且依赖于该光的偏振。例如，二向色元件102被设计为使p偏振蓝光的光穿过，以使激发光402入射并集中在磷光体轮200′的盘部203。磷光体轮的盘部203具有多个节段。该多个节段中的一些含有一种或多种不同种类的磷光体。通常为蓝色的激发光402入射在这些节段上，并被转换为绿色、黄色、红色或一些其它颜色的光。在这方面，盘部203与在图1A和图1B中示出的盘部201类似。

除了这些磷光体节段之外，磷光体轮200'的盘部203具有至少一种其他类型的节段。该节段不包括磷光体。而是，其包括偏振转换器500，偏振转换器500将p偏振光反射为s偏振光。以这种方式，激发光402在没有颜色变化但具有偏振变化的情况下与发射光403一起被反射。

二向色元件102反射该s偏振蓝光以及由盘部203上的磷光体发射的转换光403，从而形成最终的输出光404。例如，二向色元件可以反射由盘部203上的磷光体发射的绿光和红光，而不管该光的偏振如何。

尽管上面已经描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以想到各种修改或替换。

将理解的是，偏振转换器500不需要旋转。偏振转换器被示为四分之一波片。然而，其他变量也是可以的。

在图2中示出的实施例中，偏振转换器500作为一个节段附接到磷光体轮，并随磷光体轮旋转。然而，本领域技术人员将认识到，其他实施例也是可以的。例如，偏振转换器500可以设置在磷光体轮200'的盘部203的整个表面上。或者，偏振转换器500可以作为与磷光体轮200'独立的部件设置为在二向色元件102和磷光体轮200'之间的插入件。此外，偏振转换器500可以设置在盘部203和二向色元件102之间的任何地方，如图3所示。

当然，偏振转换器500可以设置在磷光体轮200'的后方，如图4所示。与在图1A中示出的实施例类似，磷光体轮200'的盘部203包括间隙节段，并且当光穿过这些间隙节段时，光在偏振改变的情况下被偏振转换器500反射。

还将理解的是，基于图2、图3和图4所示的但具有在图1B中示出的此类布置的实施例也将是可以的。换言之，这些将是本发明的实施例，其基于图2、图3和图4所示的，但是具有二向色元件，其被设计为反射源偏振的源光，又设计成使波长转换的光或与源光具有相同颜色但具有转换的偏振的光通过。

在图5中示出了显示出二向色元件的样例反射率的曲线图。将看出的是，s偏振光在多数波长上被反射。然而，二向色元件被设计为：当颜色为蓝色时，p偏振光未被反射。该设计基于如下原理：如果入射光束角度不为零（换言之，非垂直入射），则限定入射平面使得s和p偏振光将具有不同的反射率。在本领域技术人员的理解内，二向色元件的其它反射率轮廓（形态）也是可以的。

虽然已经使用光的s偏振和p偏振作为示例，但本领域技术人员将理解，可以使用其它偏振。类似地，在相应地采用不同的磷光体的情况下（或其它种类的波长转换材料），可以使用其它颜色组合。本发明还可以应用于除了磷光体轮之外的波长转换装置，例如色轮或其它非旋转装置。虽然光源有利地包括紧凑光引擎的一部分，但将理解的是，在没有合适位置的光源而具有接收源光的适当光学输入的情况下，可以实施本发明。

Claims (21)

1.一种光引擎，其包括：

波长转换装置，所述波长转换装置被布置为接收第一波长范围和第一偏振的源光，

其中，所述波长转换装置包括轮，所述轮具有轮表面，所述轮表面的第一部分被构造成从所接收的源光的一部分产生第二波长范围的光，所述第二波长范围的至少一部分与所述第一波长范围不重叠，所述波长转换装置还被布置为反射包括所产生的光的输出光，

其中，所述波长转换装置还包括偏振转换器，所述偏振转换器被构造为将所述第一波长范围和第一偏振的光的至少一些设置为与所述第一偏振不同的第二偏振；以及

二向色元件，所述二向色元件被布置为引导所述源光以入射和集中在所述轮上，所述二向色元件被布置为接收所述第二波长范围的光和所述第二偏振的光，其中，所述二向色元件被构造为使所述第一波长范围和第一偏振的光穿过，并反射所述第一波长范围和第二偏振的光以及所述第二波长范围的光，或者其中，所述二向色元件被构造为反射所述第一波长范围和第一偏振的光，并使所述第二波长范围的光以及所述第一波长范围和第二偏振的光穿过；

其中，所述偏振转换器（i）被定位在所述轮的前方，使得所述偏振转换器安置在所述轮与所述二向色元件之间，并且所述偏振转换器设置在整个前轮表面上，或者（ii）被定位在所述轮后方，使得所述轮被安置在所述偏振转换器和所述二向色元件之间，且所述轮包括间隙节段，所述间隙节段被构造成使光通过所述轮的间隙节段而传递以由所述偏振转换器反射。

2.如权利要求1所述的光引擎，其还包括：

致动器。

3.如权利要求1或2所述的光引擎，其中，所述波长转换装置被构造为反射所接收的源光的一部分，由此所述输出光包括所述第二波长范围的所产生的光和所述第一波长范围的所反射的源光。

4.如权利要求3所述的光引擎，其中，所述偏振转换器被构造为将所述第一波长范围的所反射的源光设置为所述第二偏振。

5.如权利要求1或2所述的光引擎，其中，所述第二波长范围与所述第一波长范围基本上不重叠。

6.如权利要求1或2所述的光引擎，其中，所述波长转换装置还包括磷光体元件，以产生所述第二波长范围的光。

7.如权利要求1或2所述的光引擎，其中，轮表面的第一部分被构造为产生所述第二波长范围的光。

8.如权利要求1或2所述的光引擎，其中，所述波长转换装置还被构造为从所接收的源光的一部分产生第三波长范围的光。

9.如权利要求8所述的光引擎，其中，轮表面的第一部分被构造为产生所述第二波长范围的光，而轮表面的第二部分被构造为产生所述第三波长范围的光。

10.如权利要求1或2所述的光引擎，所述光引擎包括二向色元件，所述二向色元件被布置为使初始偏振的源光入射和集中在所述轮上，

其中，所述源光的一些被转换为不同颜色的光，

其中，所述源光的一些在没有颜色变化但具有偏振变化的情况下被反射，并且

其中，所转换的光和所反射的源光入射在所述二向色元件上，所述二向色元件被构造为与所述初始偏振的所述源光不同地引导所反射的源光。

11.如权利要求1或2所述的光引擎，其还包括：

光源，所述光源被布置为提供源光。

12.一种投影仪，其包括如权利要求1-11中任一项所述的光引擎。

13.一种产生光的方法，其包括：

使用二向色元件将第一波长范围和第一偏振的源光引导成入射和集中在波长转换装置上，其中，所述波长转换装置包括具有轮表面的轮；

在所述轮表面的第一部分处从所接收的源光的一部分产生第二波长范围的光，所述第二波长范围的至少一部分与所述第一波长范围不重叠，从而所述波长转换装置提供包括所产生的光的输出光；

通过使用偏振转换器将所述第一波长范围和第一偏振的光的至少一些的偏振设置为与所述第一偏振不同的第二偏振，其中，所述偏振转换器（i）被定位在所述轮的前方，使得所述偏振转换器安置在所述轮与所述二向色元件之间，并且所述偏振转换器设置在整个前轮表面上，或者（ii）被定位在所述轮后方，使得所述轮被安置在所述偏振转换器和所述二向色元件之间，且所述轮包括间隙节段，所述间隙节段被构造成使光通过所述轮的间隙节段而传递以由所述偏振转换器反射；以及

将所述输出光从所述波长转换装置朝所述二向色元件反射，所述二向色元件被构造为使在所述二向色元件处接收的所述第一波长范围和第一偏振的光穿过，并反射在所述二向色元件处接收的所述第一波长范围和第二偏振的光以及所述第二波长范围的光；或者所述二向色元件被构造为反射在所述二向色元件处接收的所述第一波长范围和第一偏振的光，并使在所述二向色元件处接收的所述第一波长范围和第二偏振的光以及所述第二波长范围的光穿过。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述输出光包括所述第二波长范围的所产生的光和所述第一波长范围的所反射的源光，使得反射所述输出光的步骤包括将在所述波长转换装置处接收的所述源光的一部分朝所述二向色元件反射。

15.如权利要求14所述的方法，其中，设置所述偏振的步骤包括将所述第一波长范围的所反射的源光设置为所述第二偏振。

16.如权利要求13至15中的任一项所述的方法，其中，所述二向色元件被构造为在光学上与所述第二波长范围的光不同地影响所述第一波长范围和第一偏振的光。

17.如权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，产生所述第二波长范围的光包括使用磷光体元件。

18.如权利要求13至15中的任一项所述的方法，其还包括：

在波长转换装置处从所接收的源光的一部分产生第三波长范围的光，所述第三波长范围与所述第一波长范围和所述第二波长范围不同。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述轮表面包括第一部分和第二部分，所述第一部分被构造为产生所述第二波长范围的光，所述第二部分被构造为产生所述第三波长范围的光。

20.如权利要求13所述的方法，其中，轮表面的一部分被构造为反射所述第一波长范围的光。

21.一种操作光引擎的方法，其包括：

在二向色元件处接收初始偏振的源光，以使所述源光入射和集中在轮上，所述轮包括：（i）盘部和（ii）偏振转换器；

在所述轮处将所述源光的一些转换为不同颜色的光；

在所述轮处在没有颜色变化但具有偏振变化的情况下反射所述源光的一部分；以及

使所转换的光和所反射的源光入射在所述二向色元件上，所述二向色元件与所述初始偏振的所述源光不同地引导所反射的源光，其中，所述偏振转换器在所述二向色元件与所述盘部之间，其中所述偏振转换器设置在所述盘部的整个前表面上。

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