CN107797294A - 一种分段式激光光源*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光显示技术领域，公开了一种分段式激光光源***，解决现有技术中激光投影显示的散斑效应和不均匀性的问题。本发明包括半导体激光光源、望远缩束***、激光消散斑‑匀化器；所述半导体激光光源包括二极管阵列模组、阵列准直透镜、分光镜，二极管阵列模组通过各自对应的阵列准直透镜后平行输出激光光场，激光光场通过分光镜耦合成共孔径的激光光场，并进入望远缩束***；望远缩束***对激光光场进行孔径压缩，压缩后的激光光场输出至激光消散斑‑匀化器，激光消散斑‑匀化器对压缩后的光场进行匀化、消散斑处理并在其光棒出口处产生均匀的方形光场。本发明适用于投影仪等投影***。
Description
技术领域
本发明涉及激光显示技术领域，特别涉及一种分段式激光光源***。
背景技术
目前投影***照明部分大多采用LED光源，由于电光效率较低，不满足节能、高亮的投影需求，随着半导体激光二极管技术的成熟，激光光源作为一种高亮度、高准直的新型光源，具有广色域、高亮度、高饱和度、低能耗、长寿命等特点，正被逐步应用到投影、照明等领域，。
实际应用的激光光源中，由于激光具有高相干性，使得激光经过粗糙表面反射或透射时，由于粗糙表面基于的高度涨落不同引起光程差，导致投影的图案呈颗粒状图样，也就是激光散斑，这一现象严重影响了显示图像的质量；激光相干性包括空间相干和时间相干，两者均会导致激光投影显示的散斑效应和不均匀性，特别是人眼对绿光敏感，因此对激光光源的效散斑及匀化处理显得尤为重要。
现有技术对激光消散斑有很多方法，如振动衍射光学或者屏幕、电/磁振动光纤、超声波驱动液晶单元等技术，均利用人眼积分时间效应来降低散斑视觉。这些装置手段过于单一，无法在工程上进行应用或者造成整个激光投影***结构复杂、成本高，难于小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种分段式激光光源***，解决现有技术中激光投影显示的散斑效应和不均匀性的问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种分段式激光光源***，包括半导体激光光源、望远缩束***、激光消散斑-匀化器；
所述半导体激光光源包括二极管阵列模组、阵列准直透镜、分光镜，二极管阵列模组通过各自对应的阵列准直透镜后平行输出激光光场，激光光场通过分光镜耦合成共孔径的激光光场，并进入望远缩束***；望远缩束***对激光光场进行孔径压缩，压缩后的激光光场输出至激光消散斑-匀化器，激光消散斑-匀化器对压缩后的光场进行匀化、消散斑处理并在其光棒出口处产生均匀的方形光场。
进一步的，所述二极管阵列模组包含激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片；激光二极管阵列均匀排列安装在导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片；所述二极管阵列为以下的任意一种形式：
A.单色蓝光激光二极管阵列；
B.蓝、红双色激光二极管阵列；
C.RGB三色激光二极管阵列。
进一步的，所述阵列准直透镜的透镜面型采用双曲非球面，可有效减小光源模组尺寸，将激光发射的高斯分布场转换为平顶分布场，起到初步匀化的效果，双曲非球面透镜方程为：
其中，cx、cy、kx、ky分别为非球面透镜在X、Y方向的曲率和圆锥系数。
进一步的，所述缩束镜***采用伽利略望远***的架构，望远物镜采用弯月正透镜，次镜为双凹负透镜，缩短了整个装置的尺寸。透镜材料选用低成本的成都光明材料，如H-k9l、H-QK3L，缩束倍率控制在0.3～0.6之间，出光口径控制在25mm以下。
进一步的，激光消散斑-匀化器包含静态扩散片、相位调节器、聚光透镜、扩散部、开口式遮光板、匀化导光棒、机构壳体、驱动控制板；
静态扩散片对输入的光场进行初步的匀化、消散斑，相位调节器将初步匀化、消散斑的光场进行消相干处理，聚光透镜对消相干处理后的光场进行聚光耦合，聚光耦合后的光场经过扩散部再次匀化、消散斑，从扩散部出来的光场再由开口式遮光板的开口进入匀化导光棒，匀化导光棒进行进一步的匀化和消散斑处理，最终在光棒后端得到光场分布均匀的激光光场。
进一步的，所述静态扩散片的扩散半角控制在2～4°，扩散半角增大会增大激光光源的扩展不变量，不利于后续光场的耦合，扩散半角太小，消散斑效应下降。
进一步的，所述相位调节器包含楔形相位波片、驱动机构和驱动控制电路板，激光通过楔形相位波片分解为O光和E光，且波片上不同口径处分解出的O光和E光相位差各部相同，通过驱动结构随机上下或者左右推动楔形相位波片实时改变相位差，从而降低激光的相干特性，降低激光散斑效应，驱动机构的驱动频率控制在30Hz～3000Hz。
进一步的，所述聚光透镜采用偶次非球面透镜，可有效降低光学***的像差，提高激光耦合效应，非球面的方程为：
其中，R为球面顶点处的曲率半径(从左向右为正),K、An为非球面系数，ρ为归一化径向坐标。
进一步的，当二极管阵列模组的二极管阵列为单色蓝光激光二极管阵列或者蓝、红双色激光二极管阵列时，所述扩散部为含有扩散片的一体式荧光-滤光轮，包含荧光片、滤光片、扩散片、马达、驱动控制板，马达转速与激光投影应用的帧率匹配；
当二极管阵列模组的二极管阵列为RGB三色激光二极管阵列时，所述扩散部为全向扩散轮，包含扩散片、马达、驱动控制板，马达转速频率控制在70HZ～300HZ。
进一步的，所述光棒采用低成本的空心光棒。
本发明的有益效果是：本发明通过分段式匀化控制，静、动态扩散片结合带有楔形波片的相位调节器相结合方式提供了一种高效耦合、紧凑布局、低成本的激光匀化消散斑装置及激光匀化照明光源，可大幅降低散斑对比度，从而有效抑制激光显示画面中的散斑效应；本发明集成后的激光消散斑-匀化器，体型小巧，成本低廉，可降低激光投影显示***的整体尺寸，具有很好的工程可实现性，可充分发挥激光投影的广色域、长寿命、环保节能特性。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例1的激光消散斑-匀化器的结构示意图。
图3为实施例2的结构示意图。
图中编号：101为半导体激光光源，102为望远缩束***，103为激光消散斑-匀化器，201为静态扩散片、202为相位调节器、203为耦合聚光透镜、204为扩散部、205为散光挡板、206为光棒、207为光机结构件、208为驱动电路，R为半导体激光光源中红光激光光源部分，B为半导体激光光源中蓝光激光光源部分，G为半导体激光光源中绿光激光光源部分。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，实施例1提供一种分段式激光光源***，包括半导体激光光源101、望远缩束***102、激光消散斑-匀化器103；
如图1和图2所示，所述半导体激光光源101包括RGB二极管阵列模组、阵列准直透镜、分光镜，激光消散斑-匀化器102包含静态扩散片201、相位调节器202、聚光透镜203、全向动态扩散轮204、开口式遮光板205、匀化导光棒206、机构壳体207、驱动控制板208。
实施例1工作原理为：RGB二极管阵列模组通过各自对应的阵列准直透镜后平行输出激光光场，激光光场通过分光镜耦合成共孔径的激光光场，并进入望远缩束***102；望远缩束***102对激光光场进行孔径压缩，压缩后的激光光场仍为平行光输出至静态扩散片201进行光场初步的匀化、消散斑，相位调节器202则将初步匀化的光场进行消相干处理；经过静态扩散片201、相位调节器202处理后的激光光场分布还不是特别均匀，还具有一定的相干特性，因此聚光透镜203对消相干处理后的光场进行聚光耦合，聚光耦合后的光场经过全向动态扩散轮204再次匀化、消散斑，从全向动态扩散轮204出来的光场再由开口式遮光板205的开口进入匀化导光棒206，匀化导光棒206进行进一步的匀化和消散斑处理，最终在匀化导光棒206后端得到光场分布均匀的激光光场。
本例的阵列准直透镜的透镜面型采用偶次双曲非球面，用于将激光发射的高斯分布场转换为平顶分布场，双曲非球面透镜方程为：
其中，cx、cy、kx、ky分别为非球面透镜在X、Y方向的曲率和圆锥系数。
本例中，RGB激光光源模组包含RGB激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片；RGB激光二极管阵列均匀排列安装在各自的导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片，在外置风扇作用下带走热量，准直透镜阵列置于各色激光二极管阵列前端，排列布局上与激光二极管阵列一致，形成一一对应，各色激光二极管数量均为16颗，成4X4均匀排列布局，LD均为TO9的封装规格。经阵列透镜准直后出射的照明光场为方形场，在集成靶条出口位的最大面积为35mmX35mm，增加激光二极管数量，可提高独立光源数量，降低***的散斑对比度。
本例所采用的望远缩束***102为伽利略构架，望远物镜采用弯月正透镜，次镜为双凹负透镜，可缩短了整个装置的尺寸。透镜材料选用低成本的成都光明材料，如H-k9l、H-QK3L，缩束倍率控制在0.3～0.6之间，出光口径控制在25mm以下，口径压缩后可有效减小后端各类光学元件的尺寸。
本例所采用的静态扩散片201扩散半角应控制在2°～4°，扩散半角增大会增大激光光源的扩展不变量，不利于后续光场的耦合，扩散半角太小，消散斑效应下降，因此需要根据前面激光光源的独立数量进行匹配设置。
本例所采用的相位调节器202包含楔形相位波片、驱动机构和驱动控制电路板，激光通过楔形相位波片分解为O光和E光，且波片上不同口径处分解出的O光和E光相位差各部相同，通过驱动结构随机上下或者左右推动楔形相位波片可实时改变相位差，从而降低激光的相干特性，降低激光散斑效应，驱动机构的驱动频率一般控制在30Hz～3000Hz。
本案例所采用的聚光透镜203为非球面透镜，可有效降低光学***的像差，提高激光耦合效应，非球面的方程为：
R球面顶点处的曲率半径(从左向右为正),K、An为非球面系数，ρ为归一化径向坐标。
本案例所采用的全向动态扩散轮204，包括扩散片、马达、驱动控制板，马达转速频率可控制在70HZ～300HZ，转速越高，消散斑效果越明显，但转速的提高需要马达提供更大的动力，所需马达的尺寸必然增大，不利于装置的集成，鉴于上述原因，本案例选用的转速频率为240HZ。
本案例所采用的导光匀光棒206为直形空心光棒，光棒口径应略大于与聚焦光斑，长度应保证光场在光棒的全反射次数大于3次，才可保证光棒出口端的匀化激光光场达到实用化要求。
本案例所采用的相位调节器和全向动态扩散轮驱动板可集成为单块电路板。
本案例激光消散斑-匀化器集成封装后可以成为独立模块，便于减小激光投影显示***的尺寸。
实施例2
如图3所示，实施例2提供一种分段式激光光源***，包括蓝色、红色半导体激光光源、望远缩束***、激光消散斑-匀化器。
本例中蓝色、红色半导体激光光源包括RB二极管阵列模组、阵列准直透镜、分光镜，RB二极管阵列模组包含RB激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片；RGB激光二极管阵列均匀排列安装在各自的导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片，在外置风扇作用下带走热量，准直透镜阵列置于各色激光二极管阵列前端，排列布局上与激光二极管阵列一致，形成一一对应。
与实施例1类似，实施例2中激光消散斑-匀化器包含静态扩散片201、相位调节器202、聚光透镜203、含有扩散片的一体式荧光-滤光轮204、开口式遮光板205、匀化导光棒206、机构壳体207、驱动控制板208。
实施例2工作原理为：蓝色、红色半导体激光通过各自对应的阵列准直透镜后平行输出激光光场，各色激光通过带通分光镜耦合成共孔径的激光光场，进入望远缩束***102；望远缩束***102对激光光场进行孔径压缩，压缩后的激光光场仍为平行光输出至静态扩散片201进行光场初步的匀化、消散斑，相位调节器202则将初步匀化的光场进行消相干处理；经过静态扩散片201、相位调节器202处理后的激光光场由聚光透镜203会聚于导管匀化导光棒206前端，含扩散片的一体式荧光-滤光轮204放置在匀化导光棒206前端，一体式荧光-滤光轮在角分布上布由扩散片和可由蓝光激光激发产生绿光的荧光粉体，荧光-滤光轮在角分布分段上应一一对应，也就是荧光片上装有扩散片的段位，相同角度上的滤光片上也为扩散片，而荧光片上装有荧光粉体的段位，相同角度上的滤光片上应为能透过绿光的带通滤波片，由于荧光粉体受激发出的绿光光场为朗泊辐射体，后接耦合透镜将光场进一步耦合至匀化导光棒进一步进行的匀化处理，最终即可在光棒后端得到光场分布均匀的混合白光光场，。
本案例与实例1的工作原理基本相同，其区别在于激光光源只包含了蓝色、红色半导体激光光源，绿光则由蓝光激光光源激发荧光体产生，对应的全向扩散轮变更为含扩散片的一体式荧光-滤光轮，并在其后面增加了耦合透镜。
以上描述了本发明的基本原理和主要的特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种分段式激光光源***，其特征在于，包括半导体激光光源(101)、望远缩束***(102)、激光消散斑-匀化器(103)；
所述半导体激光光源(101)包括二极管阵列模组、阵列准直透镜、分光镜，二极管阵列模组通过各自对应的阵列准直透镜后平行输出激光光场，激光光场通过分光镜耦合成共孔径的激光光场，并进入望远缩束***(102)；望远缩束***(102)对激光光场进行孔径压缩，压缩后的激光光场输出至激光消散斑-匀化器(103)，激光消散斑-匀化器(103)对压缩后的光场进行匀化、消散斑处理并在其匀化导光棒(206)出口处产生均匀的方形光场。
2.如权利要求1所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，所述二极管阵列模组包含激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片；激光二极管阵列均匀排列安装在导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片。
3.如权利要求1所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，所述阵列准直透镜的透镜面型采用双曲非球面，用于将激光发射的高斯分布场转换为平顶分布场，双曲非球面透镜方程为：
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其中，cx、cy、kx、ky分别为非球面透镜在X、Y方向的曲率和圆锥系数。
4.如权利要求3所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，所述缩束镜***(102)采用伽利略望远***的架构，缩束倍率维持在0.3～0.6之间，入射光瞳口径大于40mm，出射口径小于25mm。
5.如权利要求1所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，激光消散斑-匀化器(103)包含静态扩散片(201)、相位调节器(202)、聚光透镜(203)、扩散部(204)、开口式遮光板(205)、匀化导光棒(206)、机构壳体(207)、驱动控制板(208)；
静态扩散片(201)对输入的光场进行初步的匀化、消散斑，相位调节器(202)将初步匀化、消散斑的光场进行消相干处理，聚光透镜(203)对消相干处理后的光场进行聚光耦合，聚光耦合后的光场经过扩散部(204)再次匀化、消散斑，从扩散部(204)出来的光场再由开口式遮光板(205)的开口进入匀化导光棒(206)，匀化导光棒(206)进行进一步的匀化和消散斑处理，最终在匀化导光棒(206)后端得到光场分布均匀的激光光场。
6.如权利要求5所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，所述静态扩散片(201)的扩散半角控制在2°～4°。
7.如权利要求5所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，所述相位调节器(202)包含楔形相位波片、驱动机构和驱动控制电路板，激光通过楔形相位波片分解为O光和E光，且波片上不同口径处分解出的O光和E光相位差各部相同，通过驱动结构随机上下或者左右推动楔形相位波片实时改变相位差，驱动机构的驱动频率控制在30Hz～3000Hz。
8.如权利要求5所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，所述聚光透镜(203)采用偶次非球面透镜，非球面的方程为：
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其中，R为球面顶点处的曲率半径(从左向右为正),K、An为非球面系数，ρ为归一化径向坐标。
9.如权利要求5所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，当二极管阵列模组的二极管阵列为单色蓝光激光二极管阵列或者蓝、红双色激光二极管阵列时，所述扩散部(204)为含有扩散片的一体式荧光-滤光轮，包含荧光片、滤光片、扩散片、马达、驱动控制板，马达转速与激光投影应用的帧率匹配；
当二极管阵列模组的二极管阵列为RGB三色激光二极管阵列时，所述扩散部(204)为全向扩散轮，包含扩散片、马达、驱动控制板，马达转速频率控制在70HZ～300HZ。
10.如权利要求1所述的一种分段式激光光源***，其特征在于，所述匀化导管光棒(206)为空心光棒。
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