CN102692712A

CN102692712A - 激光光束整形装置、方法及激光显示设备

Info

Publication number: CN102692712A
Application number: CN2011100745472A
Authority: CN
Inventors: 闫国枫; 陈昱; 李巍
Original assignee: Qingdao Hisense Electronics Co Ltd
Current assignee: Hisense Visual Technology Co Ltd
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: CN102692712B

Abstract

本发明提供了一种激光光束整形装置、方法及激光显示产品，其中，激光光束整形装置设置在多个激光器的出射端，用于将多颗分散的激光光束合成为一束使用，该激光光束整形装置包括空间合束结构，在空间合束结构中设置多个可调谐光学反射元件，多个可调谐光学反射元件与多个激光器分别相对应，用于反射多个激光器的输出光束以得到激光合成光束。与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过改变激光光束的传输方向，使多束激光光束合成为一束使用，提高了光束质量，降低了合成光束的成本。

Description

激光光束整形装置、方法及激光显示设备

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种激光光束整形装置、方法及激光显示设备。

背景技术

激光显示技术的一个突出优点即为输出光束质量优异，因此特别适合用于大功率的投影显示用光源。但是激光输出光束不同于普通的灯泡，一般是由多个激光器组合而成，因此输出光束是多个离散的近似点光源，使用前需要进行空间整形，参见图1所示。不良的整形技术会大大劣化激光的光束质量，导致投影显示亮度下降。因此激光光束的空间整形对于投影显示具有至关重要的作用。

传统的激光合束技术有的采用光纤耦合，但是存在劣化光束质量，损失光能量等问题；也有采用阶梯反射镜的方式，但是对配套零件的机械精度要求十分苛刻，价格也十分昂贵，不利于民用。

现有技术中对于激光合束价格昂贵，质量差的问题尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种激光光束整形装置、方法及激光显示设备，用以解决现有技术中激光合束价格昂贵，质量差的问题尚未提出有效的解决方案。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，采用了以下技术方案：

一种激光光束整形装置，设置在多个激光器的出射端，包括空间合束结构，在空间合束结构中设置多个可调谐光学反射元件，多个可调谐光学反射元件与多个激光器分别相对应，用于反射多个激光器的输出光束以得到激光合成光束。

进一步地，可调谐光学反射元件为以下元件之一：反射镜、镀高反膜系的镜片、全反射棱镜和折射镜。

进一步地，激光光束整形装置还包括：光学准直元件，设置在多个激光器与多个可调谐光学反射元件之间。

进一步地，多个可调谐光学反射元件与多个激光器分别按照预设角度设置，并根据多个激光器出射光束的角度调谐多个可调谐光学反射元件，使多个可调谐光学反射元件将来自多个激光器的光束反射至同一区域。使多个可调谐光学反射元件将来自多个激光器的光束反射至同一区域。

根据本发明的另外一个方面，提供一种激光光束整形方法，采用以下技术方案实现：

一种激光光束整形方法，包括：改变激光出射光束的传输方向，使激光出射光束在改变传输方向之后合成预设大小的激光光束。

进一步地，在改变激光出射光束的传输方向之前，激光光束整形方法还包括：对激光出射光束做准直处理。

进一步地，改变激光出射光束的传输方向包括：

在激光出射光束的前方设置可调谐光学反射元件，通过可调谐光学反射元件改变激光出射光束的传输方向。

进一步地，改变激光出射光束的传输方向还包括：根据激光出射光束的位置和角度，调谐可调谐光学反射元件的角度，使多个可调谐光学反射元件将来自多个激光器的光束反射至同一区域。

根据本发明的又一个方面，提供一种激光显示设备，通过以下技术方案实现：

一种激光显示设备，包括：激光光束整形装置以及多个激光器。

进一步地，多个激光器的排列方式包括以下方式之一：单行字排列、单列排列和多行多列排列。

上述技术方案具有如下有益效果：通过使用可调谐光学反射元件，对激光光束的反射，由于反光装置的可调谐性，大大降低了激光光源的装卡精度与排列要求；同时还可以根据不同要求调节整形后光束的光斑大小与发散角，得到需要的激光光束。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明型的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明背景技术的激光整形装置的结构示意图；

图2是根据本发明优选实施例1的激光光束整形装置的结构示意图；

图3是根据本发明优选实施例2的调谐前的激光光束整形装置的结构示意图；

图4是根据本发明优选实施例2的调谐后的激光光束整形装置的结构示意图；

图5是根据本发明优选实施例3的激光器理想出射光束的结构示意图；

图6是根据本发明优选实施例3的激光器实际出射光束的结构示意图；

图7是根据本发明优选实施例4的激光光束整形装置的结构示意图；以及

图8是根据本发明优选实施例5的激光光束整形装置的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1：

图2是根据本发明优选实施例1的激光光束整形装置的结构示意图。

参见图2所示，一种激光光束整形装置，设置在多个激光器100的出射端，包括空间合束结构300，在空间合束结构300中设置多个可调谐光学反射元件，多个可调谐光学反射元件与多个激光器100分别相对应，用于反射多个激光器的输出光束以得到激光合成光束。具体的，激光器1、激光器2、激光器3及激光器4产生激光光束，该激光光束进入空间合束结构300，通过对应设置的多个可调谐光学反射元件反射，改变激光光束的传输方向，使得激光光束向一个方向反射，且保持预设的宽度，得到需要的激光光束。

在本实施例中，激光器1、激光器2、激光器3及激光器4采用单列的排列方式，相应的，多个可调谐光学反射元件对应放置，使得多个可调谐光学反射元件恰好接收到激光光束，并且让经过该多个可调谐光学反射元件的激光朝一个方向反射。

优选地，在激光光束整形装置中还可以包括光学准直元件200，光学准直元件200设置在多个激光器100与多个可调谐光学反射元件之间。

优选地，可调谐光学反射元件可以为镀高反膜系的镜片、全反射棱镜和折射镜，从而实现调谐输出光束角度的目的，进而大大降低了对激光器装夹零件的加工精度的要求；还可以减少对激光器排列的要求，激光器不仅可以一字排列，还可以多行多列排列都可以通过一次反射或者折射后整形；而且可以根据不同使用情况实现对应的光束空间输出要求，即减小光斑扩大发散角或者压缩发散角而扩大光斑。由于反光原件位置与角度都可以调谐，还可以应用于激光阵列中含有不同波长激光器的情况。

优选地，可以将准直元件设置在合束结构中，使得激光器的出射光束在合束结构中一同完成光束的准直处理和反射处理，直接得到理想光束，简化了激光整形的装置和操作过程。

本实施例在整形光路中加入可改变激光传输方向的元件，并可调谐元件的空间位置与角度，大大降低了激光光源的装卡精度与排列要求；同时还可以根据不同要求调节整形后光束的光斑大小与发散角，得到需要的激光光束。

实施例2：

图3是根据本发明优选实施例2的调谐前的激光光束整形装置的结构示意图。

参见图3所示，激光器1、激光器2、激光器3及激光器4采用单列的排列方式，但是当激光器的机械装夹零件或者反射镜装配件加工精度低下或者安装有少许误差时，准直的光斑经反射后会偏离理想位置一个角度。最后整形完毕的光斑光束质量劣化，甚至偏离的光束射出光路无法利用。如图3中的激光器2，该激光器2的出射光束偏离了光路，如果不采用对反射光学元件进行调谐其角度和位置，很难得到理想的激光光束，在本实施例中在空间合束结构300加入可调谐反射元件，一旦激光器出射光束偏离，可以调谐对应的反光元件，补偿反射后光束出射方向的偏差，整形后依然是完好的光斑，如图4所示，图4是根据本发明优选实施例2的调谐后的激光光束整形装置的结构示意图。在图4中，对激光器2对应得可调谐光学反射元件，使得激光器2的出射光束经调谐角度和位置后的可调谐光学反射元件反射，跟预设反射角度吻合，得到理想的激光光束。

在本实施例中，当激光器的机械装夹零件或者反射镜装配件加工精度低下或者安装有少许误差时，准直的光斑经反射后会偏离理想位置一个角度。最后整形完毕的光斑光束质量劣化，甚至偏离的光束射出光路无法利用，通过加入可调谐反射元件，一旦激光器出射光束偏离，可以调谐对应的反光元件，补偿反射后光束出射方向的偏差，整形后依然是完好的光斑。

实施例3：

图5是根据本发明优选实施例3的激光光束整形装置的结构示意图。

在图5中，对12颗500mw、450nm波长蓝光半导体激光器输出光空间整形，首先了解单颗蓝光半导体激光器光学特性为出光截面积约100um*1um，86％能量范围出光半发散角度为0.1rad与0.65rad。因此准直透镜采用标准的快慢轴准直镜，准直后两个方向上发散角为毫弧度量级，耦合空间范围内近似平行。由光学扩展量不变原理得光斑为条形光斑，长短边比例约为16∶1。

因此12颗蓝光激光器可以采用单行一字排列，输出光方向同向并且平行，理想情况如图5所示。

但是由于配件的加工精度问题，激光器的安装极有可能导致12束光线出现方向偏差而并不一致，出现变差后的情况如图6所示，图6是根据本发明优选实施例3的激光器实际出射光束的结构示意图。反射镜采用镀高反膜的镜片，即时调谐偏差光束对应的反射镜，便可以另反射后的光束依然平行，如图6所示：由于是12束光斑，每束光斑的长短边比例是16∶1，并且光斑之间有少量的空隙，所以最后合成的为近似方形的理想整形光斑。

实施例4：

图7是根据本发明优选实施例4的激光光束整形装置的结构示意图。

系统中单颗激光器的数量众多时，并不适合一字排开激光器，而采用多行多列结构。传统的空间整形结构需要安装2组阶梯反射元件。而本发明利用一组可调谐的反射元件同时在水平和竖直两个维度旋转反射元件便得到良好的整形光斑。

空间整形12颗红光半导体激光器，单颗参数为发光面150*1um，86％能量范围出光发散角度为0.09rad与0.65rad。由于装配条件的限制12颗红光激光器不能一字排列，而至少要排成2列，因此我们排列为2*6的结构。此时装夹精度满足设计要求，12颗红光激光器出光方向一致，经快慢轴准直透镜准直后光束依然为2*6空间结构。因为每束光斑经准直后为长短边比例约为20∶1，因此如直接反射光斑，空间整形光束的长短边比例约为20∶3，是非常不理想的整形结果。

本实例中，反射元件可以采用棱镜全反射实现，在水平和竖直方向同时适量调谐同一列全部6颗激光器对应的反射棱镜，如图6所示，使其反射的光与另外一列6颗激光器在某一距离处形成规则的近似方形光斑，这样12束20∶1的光束合束，由于光束之间的空隙，整体光斑形状较理想。

优选地，将准直元件设置在合束结构中，使得激光器的出射光束在合束结构中一同完成光束的准直处理和反射处理，直接得到理想光束，简化了激光整形的装置和操作过程。

实施例5：

针对数目众多的一字排开激光器光束空间整形的情况，可以改变反射元件的角度而有意使出射光束间形成汇拢的微小角度，从而可以改变合束光斑的大小与发散角度，满足不同情况的使用。

整形20颗蓝光半导体激光器，具体情况参见图8所示。如果依然按照实例1的方式整形，那么整形后光斑将长短边失配，是不理想的整形光斑。

在本实施例中可以采用由中心至两侧逐渐加大反射镜角度的调谐，从而形成汇拢的光斑形状，反射的光路情况如图8所示。尽管在这个方向也产生了比原来更大的发散角度，但是使用合适的数值孔径的聚焦透镜即可。

优选地，在改变激光出射光束的传输方向之前，激光光束整形方法还包括：对激光出射光束做准直处理。

优选地，改变激光出射光束的传输方向包括：

优选地，改变激光出射光束的传输方向还包括：根据激光出射光束的位置和角度，调谐可调谐光学反射元件的角度，使多个可调谐光学反射元件将来自多个激光器的光束反射至同一区域。

优选地，多个激光器的排列方式包括以下方式之一：单行一字排列、单列排列和多行多列排列。

可以发现，上述技术方案具通过使用可调谐光学反射元件，对激光光束的反射，由于反光装置的可调谐性，大大降低了激光光源的装卡精度与排列要求；同时还可以根据不同要求调节整形后光束的光斑大小与发散角，得到需要的激光光束。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光光束整形装置，设置在多个激光器的出射端，包括空间合束结构，其特征在于，在所述空间合束结构中设置多个可调谐光学反射元件，所述多个可调谐光学反射元件与所述多个激光器分别相对应，用于反射所述多个激光器的输出光束以得到激光合成光束。

2.根据权利要求1所述的激光光束整形装置，其特征在于，所述可调谐光学反射元件为以下元件之一：反射镜片、镀高反膜系的镜片、全反射棱镜和折射镜。

3.根据权利要求1所述的激光光束整形装置，其特征在于，还包括：光学准直元件，设置在所述多个激光器与所述多个可调谐光学反射元件之间。

4.根据权利要求1所述的激光光束整形装置，其特征在于，所述多个可调谐光学反射元件与所述多个激光器分别按照预设角度设置，并根据所述多个激光器出射光束的角度调谐所述多个可调谐光学反射元件，使所述多个可调谐光学反射元件将来自所述多个激光器的光束反射至同一区域。

5.一种激光光束整形方法，其特征在于，包括：

改变激光出射光束的传输方向，使所述激光出射光束在改变传输方向之后合成预设大小的激光光束。

6.根据权利要求5所述的激光光束整形方法，其特征在于，在所述改变激光出射光束的传输方向之前，所述激光光束整形方法还包括：对所述激光出射光束做准直处理。

7.根据权利要求6所述的激光光束整形方法，其特征在于，所述改变激光出射光束的传输方向包括：

在所述激光出射光束的前方设置可调谐光学反射元件，通过所述可调谐光学反射元件改变所述激光出射光束的传输方向。

8.根据权利要求5所述的激光光束整形方法，其特征在于，所述改变激光出射光束的传输方向还包括：

根据所述激光出射光束的位置和角度，调谐所述可调谐光学反射元件的角度，使所述多个可调谐光学反射元件将来自所述多个激光器的光束反射至同一区域内。

9.一种激光显示设备，其特征在于包括：权利要求1至4中任一项所述的激光光束整形装置；以及多个激光器。

10.根据权利要求9所述的激光显示设备，其特征在于，所述多个激光器的排列方式包括以下方式之一：单行排列、单列排列和多行多列排列。