CN106454298A - 一种用于激光电视的三色激光脉冲光源 - Google Patents

Abstract

一种用于激光电视的三色激光脉冲光源，包括依次设置的透镜M1、透镜M2、反射镜M3、反射镜M4和反射镜M5；反射镜M3的下方依次设置有透镜M6和透镜M9，反射镜M4的下方依次设置有透镜M7和透镜M10，反射镜M5的下方依次设置有透镜M8和透镜M11；透镜M1和透镜M2之间设置有声光调制器AO，透镜M1和光调制器AO之间设置激光晶体，透镜M6和透镜M9之间设置有工作晶体LBO1，透镜M7和透镜M10之间设置有工作晶体KTP，透镜M8和透镜M11之间设置有工作晶体LBO2。该激光光源在不改变现有光机扫描成像***结构的情况下，利用脉冲光源峰值功率高的特点，解决了激光电视亮度低，对环境要求高的不足，而且扫描光斑在屏幕上聚焦更好，图像显示更清晰。

Description

一种用于激光电视的三色激光脉冲光源

技术领域

本发明涉及一种用于激光电视的激光源，属于激光电视技术领域。

背景技术

激光电视是20世纪90年代兴起的新一代彩色电视，采用的主要是全固态泵浦激光器，它是利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝三种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源，通过电视信号控制激光光源进行扫描来显示图像，其色域覆盖率理论上可达人眼色域范围的90％以上，而且克服了人眼长时间观看荧光粉产生的荧光色所带来的不适感，对人眼无辐射作用。与传统的等离子电视以及液晶电视相比，由于全固态激光器体积小、效率高、寿命长的特点，使得激光电视具有功耗低、使用寿命长、可靠性高等优势。

但是目前的全固态激光器基本还停留在低功率上，虽然也获得少量瓦及以上的输出，但均未能形成产品，然而，激光电视要求全固态激光器较高功率的激光输出，以保证足够的亮度。这就导致了激光电视亮度低、对环境要求高的不足。

CN101960681A公开的《激光源模块》，将铜类材料压入到形成于铁类材料制的管座上的贯通孔中、形成第1散热器，在该第1散热器上固定铜类材料制的支架，在其上安装至少1个半导体激光元件，另一方面，由导热性粘接材料在管座及第1散热器各个的下面接合第2散热器，从而使得容易确保所期望的机械强度，并且容易提高散热效率。另外，使第1散热器的上面位于与管座的上面同一平面上，使第1散热器的下面比管座的下面更处于上方，从而使得在与聚光光学***的光轴正交的方向上的半导体激光元件的位置调整及聚光光学***的光轴方向上的半导体激光元件的定位容易，并且防止聚光光学***的光轴与光纤等光学元件的光轴偏移。

上述专利文献公开的《激光源模块》只是用于防止聚光光学***的光轴与光纤等光学元件的光轴偏移，并不能解决激光电视亮度低、对环境要求高的问题。

发明内容

本发明针对现有激光电视存在的亮度低、对光照环境要求高的问题，提供一种能够改善激光电视亮度不足，降低对光照环境要求的提高激光电视亮度的用于激光电视的三色激光脉冲光源。

本发明的用于激光电视的三色激光脉冲光源，采用以下技术方案：

该三色激光脉冲光源，包括依次设置的第一透镜(M1)、第二透镜(M2)、第一反射镜(M3)、第二反射镜(M4)和第三反射镜(M5)；第一反射镜的下方依次设置有第三透镜(M6)和第四透镜(M9)，第二反射镜的下方依次设置有第五透镜(M7)和第六透镜(M10)，第三反射镜的下方依次设置有第七透镜(M8)和第八透镜(M11)；第一透镜和第二透镜之间设置有声光调制器(AO)，第一透镜和光调制器之间设置激光晶体，第三透镜和第四透镜之间设置有第一工作晶体(LBO1)，第五透镜和第六透镜之间设置有第二工作晶体(KTP)，第七透镜和第八透镜之间设置有第三工作晶体(LBO2)，第一透镜和第二透镜之间、第三透镜和第四透镜之间、第五透镜和第六透镜之间以及第七透镜和第八透镜之间形成谐振腔；

泵浦源(808nm半导体激光器)发出的激光脉冲，首先经过第一透镜和第二透镜之间的谐振腔，然后分别经过三个反射镜依次反射；经过第一反射镜反射后的光进入由第三透镜和第四透镜之间形成的谐振腔，获得470nm波长的蓝色光；经过第二反射镜反射后的光进入由第五透镜和第六透镜之间形成的谐振腔，获得532nm波长的绿色光；经过第三反射镜反射后的光进入由第七透镜和第八透镜之间形成的谐振腔，获得670nm波长的红色光。

所述激光晶体、第一工作晶体(LBO1)、第二工作晶体(KTP)和第三工作晶体(LBO2)的镀膜参数如下：

激光晶体，靠近第一透镜的一端：HT@808nm、HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm晶体另一端：HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm；

第一工作晶体(LBO1)：HT@940nm、HT@440nm；

第二工作晶体(KTP):HT@1064nm、HT@532nm；

第三工作晶体(LBO2)：HT@1342nm、HT@670nm。

所述声光调制器(AO)的镀膜参数为：HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm。

所述透镜及反射镜的镀膜参数如下：

第一透镜(M1)：HT@808nm、HR@940nm、HR@1064nm、HR@1342nm；

第二透镜(M2)：T＝2％@940nm、T＝10％@1064nm、T＝5％@@1342nm；

第一反射镜(M3)：HR@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm；

第二反射镜(M4)：HR@1064nm、HT@1342nm；

第三反射镜(M5)：HR@1342nm；

第三透镜(M6)：HT@940nm、HR@440nm；

第四透镜(M7)：HT@1064nm、HR@532nm；

第五透镜(M8)：HT@1342nm、HR@670nm；

第六透镜(M9)：HR@940nm、HT@440nm；

第七透镜(M10)：HR@1064nm、HT@532nm；

第八透镜(M11)：HR@1342nm、HR@670nm。

本发明采用三色脉冲激光源，替代传统的连续激光源，在不改变现有光机扫描成像***结构的情况下，利用脉冲光源峰值功率高的特点，解决了激光电视亮度低，对环境要求高的不足，而且扫描光斑在屏幕上聚焦更好，图像显示更清晰。

附图说明

图1是本发明三色脉冲激光光源的结构原理示意图。

图2是电视行场光机扫描成像***的结构原理示意图。

图3是光机扫描成像***的工作原理示意图。

图中：1.行扫描电机；2.场扫描步进电机；3.单面反射镜；4.旋转反射镜；5.脉冲激光光束；6.投影屏幕；7.扫描图像。

具体实施方式

本发明中的三色激光脉冲激光光源，如图1所示，图1中M1、M2、M6、M7、M8、M9、M10和M11为透镜，M3、M4和M5为起反射作用的反射镜。透镜M1、透镜M2、反射镜M3、反射镜M4和反射镜M5依次设置。透镜M6和透镜M9依次设置在反射镜M3的下方，透镜M7和透镜M10依次设置在反射镜M4的下方，透镜M8和透镜M11依次设置在反射镜M5的下方。透镜M1和透镜M2之间设置有声光调制器AO，用于控制脉冲的重复频率，在透镜M1和光调制器AO之间设置激光晶体，该激光晶体为Nd:YVO4晶体，Nd3+掺杂浓度0.5at.％。

透镜M6和透镜M9之间设置有工作晶体LBO1，透镜M7和透镜M10之间设置有工作晶体KTP，透镜M8和透镜M11之间设置有工作晶体LBO2。透镜M1和透镜M2之间、透镜M6和透镜M9之间、透镜M7和透镜M10之间以及透镜M8和透镜M11之间形成谐振腔。谐振腔中由激励源进来的部分光可以透过镜子射出，被反射回工作晶体的光不断诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。

采用掺钕增益介质，采用主动调制技术，获得纳秒级脉冲输出，输出波长为0.9微米、1.064微米和1.3微米，脉冲重复频率由声光控制，调制范围为1kHz-10kHz。采用二次谐波转换技术，将激光发射波长转换到可见光波段，三种基波的二次谐波波长分别对应蓝、绿、红三原色波段，泵浦源为808nm半导体激光器，采用风冷。

各晶体及各镜片的镀膜参数如下：

Nd:YVO4晶体，靠近M1镜的一端：HT@808nm、HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm晶体另一端：HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm；

M1：HT@808nm、HR@940nm、HR@1064nm、HR@1342nm；

AO:HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm；

M2：T＝2％@940nm、T＝10％@1064nm、T＝5％@@1342nm；

M3：HR@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm；

M4：HR@1064nm、HT@1342nm；

M5：HR@1342nm；

M6：HT@940nm、HR@440nm；

M7：HT@1064nm、HR@532nm；

M8：HT@1342nm、HR@670nm；

M9：HR@940nm、HT@440nm；

M10：HR@1064nm、HT@532nm；

M11：HR@1342nm、HR@670nm；

LBO1：HT@940nm、HT@440nm；

KTP:HT@1064nm、HT@532nm；

LBO2：HT@1342nm、HT@670nm。

尽量缩短M3，M4，M5的直接距离，使得输出倍频激光脉冲在时域上具有良好的重合度。

泵浦源(808nm半导体激光器)发出的激光脉冲，首先经过透镜M1和透镜M2之间的谐振腔，然后分别经过反射镜M3、M4和M5反射。经过反射镜M3反射后的光进入由透镜M6和透镜M9之间形成的谐振腔，获得470nm波长的蓝色光。经过反射镜M4反射后的光进入由透镜M7和透镜M10之间形成的谐振腔，获得532nm波长的绿色光。经过反射镜M5反射后的光进入由透镜M8和透镜M11之间形成的谐振腔，获得670nm波长的红色光。

本发明用三色脉冲激光源代替连续激光源，利用脉冲激光峰值功率高的特点克服现有激光电视亮度低、对光照环境要求高的问题。以下以1080p的图像格式为例，详细说明。

现有的高速光机扫描成像***，如图2所示，该***包括行扫描电机1、场扫描步进电机2、单面反射镜3、旋转反射镜4和投影屏幕6。旋转反射镜4与行扫描电机1连接，行扫描电机1带动旋转反射镜4转动，实现行扫描。单面反射镜3与场扫描步进电机2连接，场扫描步进电机2带动单面反射镜3实现场扫描。脉冲激光光束5作为光源，经行扫描和场扫描在投影屏幕6上呈现扫描图像7。

以下首先确定高速光机扫描成像***的有关参数。

为了有效降低行扫描电机(无刷直流电机)1的转速，消除由于电机1高转速引起的扫描扰动，***采用了一种等m面体的旋转反射镜4。当等m面旋转反射镜顺时针转过一个反射镜面时，反射光线扫过的角度为β，则行扫描角β应与等m面体旋转反射镜的面数m有关。本发明中取m＝20，由于人眼的视觉惰性，只要激光光束逐点扫描电视图像时，从第一个像素出现到最后一个像素出现的时间间隔小于0.1s，人就会获得一幅完整图像的感觉，此处为了保证电机运行的平稳性，将0.1s的扫描时间均匀的分成扫描正程和扫描逆程各0.05s，等20面体旋转反射镜每转过—个反射镜面，激光光束扫过一行，则等20面体转镜的转速n为：

n＝60×1080/(20×0.05)＝62800(r/min)。

在高速光机扫描成像***中，由于采用步进电机2直接拖动单面反射镜3实现场扫描，因此步进电机2的步距角的大小直接关系着激光电视图像的显示效果。但是步进电机2每转过一个步距角，激光光束所扫过的距离是不均匀的，如果距离之间相差过大，扫描出来的图像就会发生畸变，出现四周稀疏中间紧凑的情况，为此必须把每次的步进距离误差控制在一定范围内。根据推导，只要所选取的步进电机步距角θ<0.08°，就能有效的消除激光电视高速扫描***所引发的图像畸变现象，因为此时人眼已经分辨不出来了。因为常见步进电机的步距角一般只有0.6°、0.75°、0.9°、1.5°、1.8°几种，因此必须对电机的步距角再进行细分处理，本发明中，为了提高扫描精度，采用实际步距角为θ′＝0.9°,细分数λ＝20，细分后的步进电机的步距角为θ＝0.045°。在规定的正程扫描时间间隔t_z＝0.05(s)内，激光光束扫过一个场扫描视角α，则步进电机驱动单面反射镜转过角度ω＝14.0625°，此时步进电机的转速n′为：

n′＝60ω/2π×t Z＝60×14.0625°/(360°×0.05)＝46.875(r/min)。

如图3所示，光机扫描成像***工作时，视频信号先以帧的形式写入存储，取样窗内每帧图像的一个像素对应存储器的一个存储单元。视频信号的奇数场写入行地址为奇数的存储单元，偶数场信号写入行地址为偶数的存储单元，像素数据在存储器内排列成逐行扫描方式的数据结构，整个存储器由2个子存储器构成，分别存储分屏幕的像素数据。这些像素数据控制着灰度，也即激光脉冲的功率。

在光机扫描成像***中，场扫描频率低，振镜惯量小，场扫描的同步容易实现。而对于高速旋转的转镜(旋转反射镜4)，存在转速起伏和角度分割误差等问题，使得行扫描同步更加困难。为了显示电视图像，使激光脉冲5在屏幕6上的扫描与视频信号保持同步关系，也就要求旋转反射镜4和单面反射镜3必须与视频信号保持同步关系。为解决同步问题，以转镜为***的控制中心，采取图像信号存储缓冲和转镜镜面位置检测的措施。

考虑到旋转反射镜4间歇扫描光束从一个面过渡到另一个面所需时间，有效扫描时间占全部扫描时间的80％。每行扫描线为2000个像素的读出时间，则转镜每转过一个镜面所需时间为2500个像素的读出时间。由于旋转反射镜4为20面，则转镜旋转一周所需时间为2500×20个像素读出时间，像素读出时钟由编码器的输出脉冲经20倍频获得，所以编码器每转一周只需输2500×20÷20＝2500个脉冲。这样当旋转反射镜4转速起伏时，每行扫描线上的像素数保持不变、扫描线的长度也不变。

1080p电视图像每帧的扫描行为1125行，建立一个取样窗。视频信号取样频率为12.5MHz，垂直方向取1080行，每行取样点数为2000，则水平方向取样范围为160μs。当光电二极管接收到转镜镜面反射的半导体激光器发出的光束时，输出一个脉冲信号，该脉冲作为行地址计数器计数脉冲，还作为列地址计数器的计数控制脉冲，列地址计数器的计数脉冲为像素读出时钟。列地址计数器的计数范围为1-2000，其中1-1920为读出像素的列地址，2001-2100为行消隐时间。行地址计数器的计数范围是1-563，其中1-540为读出像素的行地址，541-563为场消隐时间。

光机扫描成像***中的控制单元(通用部件，主要实现指令寄存、指令译码、操作控制等功能，负责整个***动作的协同一致)在这些同步脉冲的控制下从存储器逐行读出像素数据，并且控制三色激光脉冲激光光源发出的光的频率和灰度，产生的脉冲通过合色调制器合成对应频率的单色激光脉冲，这些单色激光脉冲在帧同步信号的控制下，经光偏转器投射到接收屏上，实现行场每个像素点的扫描。

Claims (4)

1.一种用于激光电视的三色激光脉冲光源，其特征是：

该三色激光脉冲光源，包括依次设置的第一透镜(M1)、第二透镜(M2)、第一反射镜(M3)、第二反射镜(M4)和第三反射镜(M5)；第一反射镜的下方依次设置有第三透镜(M6)和第四透镜(M9)，第二反射镜的下方依次设置有第五透镜(M7)和第六透镜(M10)，第三反射镜的下方依次设置有第七透镜(M8)和第八透镜(M11)；第一透镜和第二透镜之间设置有声光调制器(AO)，第一透镜和光调制器之间设置激光晶体，第三透镜和第四透镜之间设置有第一工作晶体(LBO1)，第五透镜和第六透镜之间设置有第二工作晶体(KTP)，第七透镜和第八透镜之间设置有第三工作晶体(LBO2)，第一透镜和第二透镜之间、第三透镜和第四透镜之间、第五透镜和第六透镜之间以及第七透镜和第八透镜之间形成谐振腔；

泵浦源发出的激光脉冲，首先经过第一透镜和第二透镜之间的谐振腔，然后分别经过三个反射镜依次反射；经过第一反射镜反射后的光进入由第三透镜和第四透镜之间形成的谐振腔，获得470nm波长的蓝色光；经过第二反射镜反射后的光进入由第五透镜和第六透镜之间形成的谐振腔，获得532nm波长的绿色光；经过第三反射镜反射后的光进入由第七透镜和第八透镜之间形成的谐振腔，获得670nm波长的红色光。

2.根据权利要求1所述的用于激光电视的三色激光脉冲光源，其特征是：所述激光晶体、第一工作晶体(LBO1)、第二工作晶体(KTP)和第三工作晶体(LBO2)的镀膜参数如下：

激光晶体，靠近第一透镜的一端：HT@808nm、HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm晶体另一端：HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm；

第一工作晶体(LBO1)：HT@940nm、HT@440nm；

第二工作晶体(KTP):HT@1064nm、HT@532nm；

第三工作晶体(LBO2)：HT@1342nm、HT@670nm。

3.根据权利要求1所述的用于激光电视的三色激光脉冲光源，其特征是：所述声光调制器(AO)的镀膜参数为：HT@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm。

4.根据权利要求1所述的用于激光电视的三色激光脉冲光源，其特征是：

第一透镜(M1)：HT@808nm、HR@940nm、HR@1064nm、HR@1342nm；

第二透镜(M2)：T＝2％@940nm、T＝10％@1064nm、T＝5％@@1342nm；

第一反射镜(M3)：HR@940nm、HT@1064nm、HT@1342nm；

第二反射镜(M4)：HR@1064nm、HT@1342nm；

第三反射镜(M5)：HR@1342nm；

第三透镜(M6)：HT@940nm、HR@440nm；

第四透镜(M7)：HT@1064nm、HR@532nm；

第五透镜(M8)：HT@1342nm、HR@670nm；

第六透镜(M9)：HR@940nm、HT@440nm；

第七透镜(M10)：HR@1064nm、HT@532nm；

第八透镜(M11)：HR@1342nm、HR@670nm。