CN104808425A - 一种激光光源光束参数一致性的调整装置及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光源光束参数一致性的调整装置，包括光源部件、耦合部件、汇聚透镜和散光部件；其中，光源部件发出激光束，包括第一光束、第二光束和第三光束；耦合部件包括第一二向色滤光片与第二二向色滤光片；第一二向色滤光片将第一光束与第二光束耦合成第一耦合光束；第二二向色滤光片将第一耦合光束与第三光束耦合生成第二耦合光束；汇聚透镜设置在第二耦合光束的光轴上，将第二耦合光束汇聚于散光部件上；散光部件将第二耦合光束以固定发散角射出。本发明有效地提高光源输出的光束均匀度并保证输出光的利用效率。本发明还公开了一种激光光源光束参数一致性的调整方法。

Description

一种激光光源光束参数一致性的调整装置及其调整方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，尤其涉及一种激光光源光束参数一致性的调整装置及其调整方法。

背景技术

近年来，在使用液晶面板或数字微镜芯片(DMD)作为显示元件的投影显示设备(或投影仪)中，逐渐使用了发光二极管作为光源的技术，如专利文献JP2003-186110A中公开的。虽然与采用传统光源的技术相比，采用LED发光二极管作为光源可以具有一系列优势，但从光源光谱纯度、色彩范围及在大屏幕投影市场的亮度等方面，以激光作为光源的投影仪，比采用LED发光二极管作为光源的投影设备更具有明显的优势。为解决LED发光二极管亮度低的问题，很多发明提出了不同的改进方法，例如发明CN103250096提出了采用半导体激光器激发荧光材料提高光源亮度的方案。这种方案虽然可以提高光源亮度，但由于荧光材料的宽光谱特性，因此其构成的光源模块的色彩特性仍然不足。

目前投影显示设备中所采用的精密光学部件，制作成本较为昂贵。投影显示设备的光路都经过精确校准，各光学部件的结构及其连接关系都需要密切配合，为了获取不同光源亮度或者相应的色彩时，无法灵活地改变投影显示设备中的光学部件结构，因此在使用中产生了诸多不便。

发明内容

本发明克服了现有技术中无法灵活调节投影显示设备内部结构、不能提高通光率和制作成本较高的缺陷，提出了一种激光光源光束参数一致性的调整装置及其调整方法

本发明提出了一种激光光源光束参数一致性的调整装置，包括：光源部件、耦合部件、汇聚透镜和散光部件；其中，

所述光源部件用于发出激光束，所述激光束包括第一光束、第二光束和第三光束；

所述耦合部件包括第一二向色滤光片与第二二向色滤光片；所述第一二向色滤光片设置在所述第一光束与所述第二光束之间夹角的角平分线上，用于将所述第一光束与所述第二光束耦合生成第一耦合光束；所述第二二向色滤光片设置在所述第一耦合光束与所述第三光束之间夹角的角平分线上，用于将所述第一耦合光束与所述第三光束耦合生成第二耦合光束；

所述汇聚透镜设置在所述第二耦合光束的光轴上，用于将所述第二耦合光束汇聚于所述散光部件上；

所述散光部件将所述第二耦合光束以固定发散角射出。

本发明提出的激光光源光束参数一致性的调整装置中，所述汇聚透镜将所述第二耦合光束汇聚至所述散光部件表面，并且使得形成光斑的面积小于所述散光部件的通光口径。

本发明提出的激光光源光束参数一致性的调整装置中，经所述汇聚透镜汇聚的所述第二耦合光束的汇聚角度位于±7°以内。

本发明提出的激光光源光束参数一致性的调整装置中，所述散光部件的入射面设有微结构，所述散光部件设置在所述汇聚透镜的后焦点处，所述入射面正对于所述汇聚透镜。

本发明提出的激光光源光束参数一致性的调整装置中，位于所述光源部件的后方进一步设置有调整部件，所述调整部件将所述激光束进行扩束或准直后射入所述耦合部件；所述调整部件包括凹透镜和／或凸透镜。

本发明还提出了一种激光光源光束参数一致性的调整方法，包括如下步骤：

步骤一：发出激光束，所述激光束包括第一光束、第二光束和第三光束；

步骤二：将所述第一光束与所述第二光束耦合，生成第一耦合光束；

步骤三：将所述第一耦合光束与所述第三光束耦合，生成第二耦合光束；

步骤四：将所述第二耦合光束汇聚至散光部件表面；

步骤五：所述散光部件将所述第二耦合光束以固定发散角射出。

本发明提出的激光光源光束参数一致性的调整方法中，步骤二之前进一步包括：对所述激光束进行扩束和准直。

本发明提出的激光光源光束参数一致性的调整方法中，所述第二耦合光束汇聚至散光部件表面所形成的光斑的面积小于所述散光部件的通光口径。

本发明提出的激光光源光束参数一致性的调整方法中，步骤四中汇聚至所述散光部件表面的所述第二耦合光束的汇聚角度位于±7°以内。

本发明提出的激光光源光束参数一致性的调整方法中，所述固定发散角位于±12°内。

本发明的有益效果包括：将不同激光器组成的红、绿、蓝三个颜色通道的激光光束耦合、汇聚到空间同一较小平面区域及较小范围的汇聚角度，具有接近的光学扩展量，符合散光片的输入要求，并通过散光片使光具有一定空间角度范围、照度分布范围的输入光束形成统一的，均匀的输出光束。本发明对每个单独的通道采用不同的调整部件，可以在每个通道任意选择不同形式的光源而充分利用每种光源的特点，并且采用散光片器件不再需要采用更昂贵的导光棒结构而获得复合要求的出口光分布形式。

附图说明

图1为本发明激光光源光束参数一致性的调整装置的结构图。

图2为本发明中散光片对光束的调整特性示意图。

图3为本发明中散光片的输出光束特性曲线图。

图4为本发明激光光源光束参数一致性的调整方法的流程图。

图5为实施例中蓝色半导体激光器的光束特性曲线。

图6为实施例中红色半导体激光器的光束特性曲线。

图7为实施例中绿色通道光束调整光路图。

图8为实施例中蓝色通道光束调整光路图。

图9为实施例中红色通道光束调整光路图。

图10为实施例中三种颜色激光经所有光学器件耦合后照射到光出射口的光通量分布。

图11为实施例中三种颜色激光经所有光学器件耦合后照射到光出射口的光强度分布。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

为了不仅仅提高投影设备的亮度，本发明涉及的内容采用了全激光光源，并使用特殊设计结构和光束整形透镜，将多个激光通道耦合到符合要求的光源出口，同时具有符合要求的光学扩展量。

如图1所示，本发明激光光源光束参数一致性的调整装置，包括光源部件1、耦合部件2、汇聚透镜3和散光部件4。

本发明中，光源部件1包括第一光源11、第二光源12与第三光源13，第一光源11、第二光源12与第三光源13分别用于发出第一光束、第二光束与第三光束。第一光束、第二光束与第三光束分别是由一个激光器或者多个激光器组成的激光器阵列产生的特定波长的激光光束。根据最终输出的光通量要求的变化，可以增加或减少激光器阵列中激光器的数量，从而增加或减少该激光光束的总光通量。

本发明中，耦合部件2包括第一二向色滤光片21与第二二向色滤光片22。第一二向色滤光片21与第二二向色滤光片22对某一波长的光束具有高透过率，对另一种波长的光束具有高反射率。第一二向色滤光片21的方向设置在第一光束与第二光束的光轴夹角的角平分线上，通过透射第一光束与反射第二光束，将第二光束耦合至第一光束的光路中，形成第一耦合光束。

同样地，第二二向色滤光片22的方向设置在第一耦合光束与第三光束的光轴夹角的角平分线上，通过透射第一耦合光束与反射第三光束，将第三光束耦合至第一耦合光束的光路中，形成第二耦合光束投射至汇聚透镜3。

本发明中，汇聚透镜3设置在第二耦合光束的光轴上，汇聚透镜3将第二耦合光束汇聚到散光部件4的表面，在散光部件4表面形成光斑，该光斑面积小于散光部件4的通光口径，同时经汇聚透镜3汇聚后的激光束满足散光部件4对于入射光束的汇聚角度的要求，例如入射光束的汇聚角度小于±7°的范围。

本发明中，散光部件4设置在汇聚透镜3的后焦点处，散光部件4为一散光片，散光片的入射面具有微结构，可以将入射的光束以固定的发散角和强度分布射出。散光部件4对于光束的调整特性以及输出光束特性分别参阅图2与图3，以一定角度入射的光束在被散光部件4以一固定角度出射，该固定角度位于±12°以内，且输出光束的光束强度分布较佳。

本发明的激光光源光束参数一致性的调整装置进一步包括调整部件5。调整部件5设置在光源部件1的后方，其对激光束进行扩束或者准直后射入耦合部件2中。

调整部件5包括凹透镜51和／或凸透镜52。凹透镜51与凸透镜52依次设置在激光束的光轴上，光源部件1输出的激光束通过凹透镜51与凸透镜52共同扩大激光束的光束截面积。进一步地，该凸透镜52为弯月形的凸透镜，对于光源部件1呈发散状射出的激光束起到准直作用。

以上是本发明激光光源光束参数一致性的调整装置的主要组成部件及其结构。本发明还公开了一种激光光源光束参数一致性的调整方法，如图4所示，其包括如下步骤：

步骤S1：发出激光束，激光束包括第一光束、第二光束和第三光束；

步骤S2：将第一光束与第二光束耦合，生成第一耦合光束；

步骤S3：将第一耦合光束与第三光束耦合，生成第二耦合光束；

步骤S4：将第二耦合光束汇聚至散光部件表面；

步骤S5：散光部件将第二耦合光束以固定发散角射出，该固定发散角位于±12°内。

其中，步骤S2之前进一步包括：对激光束进行扩束和准直。

其中，第二耦合光束汇聚至散光部件表面所形成的光斑的面积小于散光部件的通光口径。

其中，步骤S4中汇聚至散光部件表面的第二耦合光束的汇聚角度位于±7°以内。

以下结合一个具体的实施例，对激光光源光束参数一致性的调整装置的工作原理和功能作进一步描述。该优选实施例中本发明调整装置被应用于为一高亮度激光投影设备的光源，其输出光束将被用于对一块0.61英寸的反射式液晶LCoS芯片进行照明，该芯片的长度和宽度的比为16∶9，即长13.44mm，宽7.56mm，输入光束角度范围为±12°。因此，对于超出该照明区域或大于该角度范围的光束能量，将无法被该芯片所有效利用。

该装置中的光源部件1包括三个主要激光通道：一个绿色激光通道(第一光束)、一个蓝色激光通道(第二光束)和一个红色激光通道(第三光束)。绿色激光通道则采用532nm的固体激光器作为第一光源11，蓝色激光通道及红色激光通道分别采用450nm波长及638nm波长的具有较小体积的半导体激光器作为第二光源12与第三光源13。

由于激光器种类的不同，激光器出的光束特性将有所不同，为了能使每个独立通道激光器被汇聚透镜3汇聚后具有相同汇聚角度的光束，要在每个激光器后加入一调整部件5。

根据最终在出光口所需的总光通量要求，每个激光通道都采用一定数量的激光器形成阵列进行布置。在本实施例中，第一光源11采用9个绿色固体激光器组成的阵列，第二光源12采用9个蓝色半导体激光器组成的阵列，第三光源13采用16个红色半导体激光器组成的阵列进行布置。

如图7所示，本实施例中第一光源11采用的绿色固体激光器发出的光束结构具有较小的发散角，约2mrad；及较小的光束截面，约1mm。针对绿色通道使用的激光器所设计的调整部件5，该组调整部件5具有凹透镜51和凸透镜52，本实施例中凹透镜51具体为一平凹透镜，凸透镜52具体为一平凸透镜，其作用也是将从绿色通道出射的光束整形为具有最小的发散角并将其光束截面积放大到2mm的范围，可见使用后的激光光束的截面积比使用调整部件5前的光束放大了至少一倍。本实施例中，平凹透镜与平凸透镜的参数如表1所示：

表1平凹透镜与平凸透镜的光学参数

r(mm)	d(mm)	n
			2.13	1.10	1.5190457
0.00	7.347	-
			0.00	3.00	1.5190457
7.85		-

表1中，r为透镜的折射半径，d表示透镜序列每个表面与其后面折射面沿光轴位置的距离，n为透镜的折射率。

如图8所示，第二光源12采用的蓝色半导体激光器呈发散状输出第二光束，并从图5中可知蓝色半导体激光器具有与前述的绿色固体激光器不同的发散角特点，因此采用另外设计的调整部件5。针对该发散角特性的半导体激光器设计了调整部件5，调整部件5采用一凸透镜52，该凸透镜52为一弯月形的凸透镜，将发散的激光束准直后射入耦合部件2中。由于不同通道可能采用不同种类的光源，光源的发光情况如光强分布形式可能存在差异，因此通过每个通道设置的调整部件5，可以将不同类型光源发出的不同光强分布的光线调整为统一的光强分布。本实施例中，凸透镜52将蓝色通道半导体激光器的发散光束调整为准直光束，射出的准直光束参阅图8。本实施例中，凸透镜52的参数如表2所示：

表2上述弯月形的凸透镜的光学参数

r(mm)	d(mm)	n
			38.85	4.00	1.724859
4.70		-

表2中，r为透镜的折射半径，d表示透镜序列每个表面与其后面折射面沿光轴位置的距离，n为透镜的折射率。

如图9所示，第三光源13采用的红色半导体激光器呈发散状输出第一光束，图6显示了该红光半导体激光器的发散角特性。红色半导体激光器具有与前述的绿色固体激光器及蓝色半导体激光器不同的发散角特点，因此调整部件5采用一凸透镜52，该凸透镜52为一弯月形的凸透镜，是为针对该发散角特性的半导体激光器设计的。该凸透镜52将红色通道半导体激光器的发散光束调整为准直光束，射出的准直光束参阅图9。本实施例中，凸透镜52的参数如表3所示：

表3上述弯月形的凸透镜的光学参数

r(mm)	d(mm)	n
			35.15	4.00	1.6937783
4.50	-	-

对三个通道的光束进行空间耦合的第一二向色滤光片21与第二二向色滤光片22。第一二向色滤光片21具有对绿色波长(具体的说为532nm)的高透过率和对蓝色波长(具体的说为450nm)的高反射率特性；第二二向色滤光片22具有对蓝、绿色波长(具体的说是450nm和532nm的光波)的高透过率和对红色波长(具体的说为638nm)的高反射率。

因此，第一二向色滤光片21与第二二向色滤光片22将可以使三个通道的激光光波在汇聚透镜3之前的空间合并为一束多波长的耦合光束，该耦合光束由于前述各个通道的调整部件5而具有较小的发散角和一定范围的光束截面。该耦合光束将被汇聚透镜3汇聚至光源出口附近的散光片4上。耦合光束被汇聚到该散光片4的入射面时，具有一比散光片通光口径更小的汇聚面积，同时符合散光片对于入射光束发散角的要求，该汇聚角度为小于±7°的范围。汇聚透镜3的参数如表4所示。

表4汇聚透镜的光学参数

r(mm)	d(mm)	n
			0.00	8.10	1.5190457
105.28	-	-

表4中，r为汇聚透镜的折射半径，d表示汇聚透镜序列每个表面与其后面折射面沿光轴位置的距离，n为透镜的折射率。

如图10所示为汇聚光出口处的光照度分布，汇聚光集中在散光片4出口处的±1.5mm以内的小区域，同时保证出口光束具有符合要求的光束发散角，三个通道的激光器阵列发出的光束，经过汇聚透镜3之后，其汇聚角度均集中在±7°以内，这样的汇聚光束参数，可以使从后续的散光片出射的光束发散角位于±12°范围内，这与被该光源模块照明的LCoS芯片的输入光源要求匹配。

图11中白色的部分代表光照度大的区域，图像四周的数值标明光束在照射到散光片4出射口时所具有的入射角度。根据前面提到的本实施例中各个通道所采用的不同数量的激光光源。蓝色通道与绿色通道的光源分别为9个独立的激光器所组成的阵列，因此，在图11中可以看到其在光出射口形成9个较亮的亮斑；红色通道所采用的16个独立的激光器，在图11所表示的光出射口形成16个较暗的光斑。对于采用不同数量和排列形式构成光源通道的其它实施例，其具体的在光出射口的光照度分布可能会有所不同。

本实施例只是根据本发明的核心思路和结构所完成的一个典型实例。本领域的技术人员完全可以根据其它具体的光源要求，依据本发明的设计思想采用不同的透镜参数和散光片参数，从而达到充分利用光源光能并匹配光源输出光束参数的目的。本发明的保护范围包括但不限于本实施例所阐述的元件的具体参数。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (10)

1.一种激光光源光束参数一致性的调整装置，其特征在于，包括：光源部件(1)、耦合部件(2)、汇聚透镜(3)和散光部件(4)；其中，

所述光源部件(1)用于发出激光束，所述激光束包括第一光束、第二光束和第三光束；

所述耦合部件(2)包括第一二向色滤光片(21)与第二二向色滤光片(22)；所述第一二向色滤光片(21)设置在所述第一光束与所述第二光束之间夹角的角平分线上，用于将所述第一光束与所述第二光束耦合生成第一耦合光束；所述第二二向色滤光片(22)设置在所述第一耦合光束与所述第三光束之间夹角的角平分线上，用于将所述第一耦合光束与所述第三光束耦合生成第二耦合光束；

所述汇聚透镜(3)设置在所述第二耦合光束的光轴上，用于将所述第二耦合光束汇聚于所述散光部件(4)上；

所述散光部件(4)将所述第二耦合光束以固定发散角射出。

2.如权利要求1所述的激光光源光束参数一致性的调整装置，其特征在于，所述汇聚透镜(3)将所述第二耦合光束汇聚至所述散光部件(4)表面，并且使得形成光斑的面积小于所述散光部件(4)的通光口径。

3.如权利要求1所述的激光光源光束参数一致性的调整装置，其特征在于，经所述汇聚透镜(3)汇聚的所述第二耦合光束的汇聚角度位于±7°以内。

4.如权利要求1所述的激光光源光束参数一致性的调整装置，其特征在于，所述散光部件(4)的入射面设有微结构，所述散光部件(4)设置在所述汇聚透镜(3)的后焦点处，所述入射面正对于所述汇聚透镜(3)。

5.如权利要求1所述的激光光源光束参数一致性的调整装置，其特征在于，位于所述光源部件(1)的后方进一步设置有调整部件(5)，所述调整部件(5)将所述激光束进行扩束或准直后射入所述耦合部件(2)；所述调整部件(5)包括凹透镜(51)和／或凸透镜(52)。

6.一种激光光源光束参数一致性的调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：发出激光束，所述激光束包括第一光束、第二光束和第三光束；

步骤二：将所述第一光束与所述第二光束耦合，生成第一耦合光束；

步骤三：将所述第一耦合光束与所述第三光束耦合，生成第二耦合光束；

步骤四：将所述第二耦合光束汇聚至散光部件表面；

步骤五：所述散光部件将所述第二耦合光束以固定发散角射出。

7.如权利要求5所述的激光光源光束参数一致性的调整方法，其特征在于，步骤二之前进一步包括：对所述激光束进行扩束和准直。

8.如权利要求5所述的激光光源光束参数一致性的调整方法，其特征在于，所述第二耦合光束汇聚至散光部件表面所形成的光斑的面积小于所述散光部件的通光口径。

9.如权利要求6所述的激光光源光束参数一致性的调整方法，其特征在于，步骤四中汇聚至所述散光部件表面的所述第二耦合光束的汇聚角度位于±7°以内。

10.如权利要求6所述的激光光源光束参数一致性的调整方法，其特征在于，所述固定发散角位于±12°内。