CN104166300B - 一种激光显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光显示系统，所述系统包括红光半导体激光器模块(1)、绿光半导体激光器模块(2)、蓝光半导体激光器模块(3)、消相干器、光阀、准直整形装置、散热模块、温控模块及半导体激光器控制模块，所述红光半导体激光器模块(1)输出波长范围为635nm-670nm；所述绿绿光半导体激光器模块(2)输出波长范围为515nm-530nm；所述蓝光半导体激光器模块(3)输出波长范围为440nm-460nm。本发明通过波长可调实现尽可能大的色度三角形面积，显示色彩更加丰富、鲜艳，不仅具有激光显示通常的优点，并且具有电激发、高效率、长寿命、全固态、小型化、成本低廉、色温可调的优势，从而实现激光显示更大色域覆盖并可用于如大屏幕无缝拼接等特殊需求。

Description

一种激光显示系统
技术领域
本发明涉及激光显示技术领域，更具体涉及一种激光显示系统。
背景技术
激光具有高亮度，因此激光显示更易达到人眼几何分辨极限的大屏幕显示；激光是线谱，如激光的谱宽为5nm，而现有显示器光谱宽度为40nm，那么激光显示所能呈现的颜色数比现有显示器提高约500倍，因此激光显示能够实现双高清；同时激光具有更高的色饱和度，通过选择接近色度三角形顶角的三基色波长可使形成的色度三角形面积尽可能大，显示自然界更真实、更丰富的色彩，通过激光全息技术可以实现真三维显示。因此，激光显示是未来显示技术的发展方向。采用三基色半导体激光器LD模块作为激光显示的光源具有电激发、高效率、长寿命、全固态、小型化、成本低廉，因此，红、绿、蓝三基色LD模块是未来激光显示产业化的最佳光源。
由于目前三基色LD正处于产业化攻关阶段，性能和价格并不能满足激光显示产业化的需求，因此目前激光显示的报道多采用全固态激光或者混合光源获得三基色光源。如2006年，中科院采用全固态激光作为三基色光源，实现了84英寸、140英寸激光电视系列化样机演示；2009年，日本三菱采用固体激光器和LD混合光源研制出65英寸、75英寸激光电视；2010年，日本卡西欧研制出LD、LED和荧光粉混合光源的激光投影样机；2011年三菱又研制出了采用LD模块和LED混合照明的液晶电视。采用全固态激光作为三基色光源不能规模化量产，并且波长不可调、结构复杂、效率低；采用LD模块和荧光粉混合光源由于荧光光谱较宽，不能充分体现激光显示的优势。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何实现激光显示系统更高的色域覆盖和色温可调节。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光显示系统，包括红光半导体激光器模块、绿光半导体激光器模块、蓝光半导体激光器模块、准直整形装置、消相干器、光阀、成像镜头，
所述红光半导体激光器模块、绿光半导体激光器模块和蓝光半导体激光器模块的输出光路上均顺序安置准直整形装置和消相干器；经过所述消相干器处理后的三束激光首先经过自身光路上的光阀，然后进行光合束；或首先进行光合束，然后进入同一光阀，然后通过所述成像镜头在屏幕上呈现图像。
所述红光半导体激光器模块输出的波长范围为635nm—670nm；所述绿光半导体激光器模块输出的波长范围为515nm—530nm；所述蓝光半导体激光器模块输出的波长范围为440nm—460nm。
优选地，所述一种激光显示系统还包括温控模块以及三个散热模块；所述红光半导体激光器模块、绿光半导体激光器模块和蓝光半导体激光器模块分别固定在一个散热模块上；所述温控模块分别控制所述三个散热模块的散热量，从而控制所发射激光的波长。通过温控模块可以控制温度来调节半导体激光器模块在特定输出功率，特别是较大功率下的波长。
优选地，所述红光半导体激光器模块至少包括一个红光半导体激光器单元，每个所述半导体激光器单元的中心波长有差异并且它们的组合能覆盖所述红光半导体激光器模块输出的波长范围；所述绿光半导体激光器模块至少包括一个绿光半导体激光器单元，每个所述绿光半导体激光器单元的中心波长有差异并且它们的组合能覆盖所述绿光半导体激光器模块输出的波长范围；所述蓝光半导体激光器模块至少包括一个蓝光半导体激光器单元，每个所述蓝光半导体激光器单元的中心波长有差异并且它们的组合能覆盖所述蓝光半导体激光器模块输出的波长范围。
所述半导体激光器单元由半导体激光器单管或半导体激光器阵列组成。
优选地，所述一种激光显示系统还包括半导体激光器控制模块，所述半导体激光器控制模块可分别控制所述红光半导体激光器模块中的所述红光半导体激光器单元、绿光半导体激光器模块中的所述绿光半导体激光器单元、蓝光半导体激光器模块中的所述蓝光半导体激光器单元，根据显示的色彩要求选择红、绿、蓝半导体激光器模块中合适中心波长的半导体激光器单元使其发光，从而使形成的色度三角形覆盖相应的颜色区域；通过红、绿、蓝半导体激光器单元的相互波长组合所形成的相应色度三角形能覆盖的颜色范围即本发明的一种激光显示系统所能覆盖的颜色范围，显然其色域覆盖率比单一波长的红、绿、蓝三基色激光形成的色度三角形要大。
优选地，进行所述光合束的装置是光合束器，具体为X棱镜、TIR棱镜或空间时序合束装置。
优选地，所述经过所述消相干器处理后的三束激光首先进行光合束，然后进入同一光阀，用经过消相干器处理后的三束激光顺序经过反光膜、导光板、液晶面板代替。
优选地，所述光阀为透射式液晶光阀、反射式液晶光阀或数字微镜。
优选地，所述准直整形装置为非球面透镜、柱透镜、或者球面透镜；所述消相干器为微光学器件、震动反射镜、旋转波片、多模光纤或光束扫描器。
(三)有益效果
本发明提供了一种激光显示系统，本发明采用波长可调控的三基色LD模块作为激光光源，可实现更大的色域覆盖率，显示色彩更为丰富，更加鲜艳。通过调节红、绿、蓝三基色半导体激光器的波长和功率，还可实现显示器的色温调节，可用于大屏幕激光显示无缝拼接等领域。该系统不仅具有激光显示通常的优点，并且具有电激发、高效率、长寿命、全固态、小型化、成本低廉、色温可调、更高色域的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个较佳实施例一的一种激光显示系统的结构示意图；
图2为本发明的一个较佳实施例一的一种激光显示系统的色域覆盖示意图；
图3为本发明的另一个较佳实施例二的一种激光显示系统的结构示意图；
图4为本发明的另一个较佳实施例二的一种激光显示系统的时序原理图；
图5为本发明的另一个较佳实施例三的一种激光显示系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例一
图1为本发明的一个较佳实施例一的一种激光显示系统的结构示意图；所述一种激光显示系统包括红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3、消相干器、光阀、准直整形装置，所述红光半导体激光器模块1固定于散热模块16-1上，其包含5个红光半导体激光器单元，中心波长分别为635nm、640nm、650nm、660nm、670nm，在其输出光路上顺序安置红光准直整形透镜4、红光消相干器7、红光光阀12、光合束器15；所述绿光半导体激光器模块2固定于散热模块16-2上，其包含3个绿光半导体激光器单元，中心波长分别为515nm、520nm、530nm，在其输出光路上顺序安置绿光准直整形透镜5、绿光消相干器8、绿光光阀13、光合束器15；所述蓝光半导体激光器模块3固定于散热模块16-3上，其包含3个蓝光半导体激光器单元，中心波长分别为440nm、450nm、460nm，在其输出光路顺序安置蓝光准直整形透镜6、蓝光消相干器9、蓝光光阀14、光合束器15。所述光合束器的输出光路顺序设置成像镜头19和屏幕20。所述红光消相干器7与红光光阀12之间设置红光反射镜10；所述蓝光消相干器9与蓝光光阀13之间设置红光反射镜11。所述半导体激光器单元由半导体激光器单管或半导体激光器阵列组成。所述准直整形装置为非球面透镜、柱透镜、或者球面透镜。
所述一种激光显示系统还包括温控模块17和半导体激光器控制模块18，所述温控模块17可分别控制散热模块16-1、16-2、16-3的散热量，从而控制红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3的特定功率(特别是较大功率)下的温度和波长；半导体激光器控制模块18可根据显示器色彩要求自动选择合适中心波长的半导体激光器单元使其发光，从而可以实现比现有技术更高的色域覆盖。比如我们通过半导体激光器控制模块选择红光半导体激光器模块1中中心波长为635nm的红光半导体激光器单元发光，绿光半导体激光器模块2中中心波长为530nm的绿光半导体激光器单元发光，蓝光半导体激光器模块3中中心波长为440nm的蓝光半导体激光器单元发光，其色度三角形如图2所示。根据显示的色彩要求，为了显示图2中上述色度三角形左边一区域没有覆盖的部分颜色，通过半导体激光器控制模块可以控制绿光半导体激光器模块2中的中心波长为515nm的绿光半导体激光器单元发光，新组成的色度三角形就覆盖了第一个色度三角形所没有覆盖的部分颜色区域，扩展了显示器的色域覆盖率。同样道理，本实施例中红、绿、蓝半导体激光器模块中的不同中心波长的半导体激光器单元之间任意组合形成的色度三角形所能覆盖的颜色区域都是本发明的一种激光显示系统所能覆盖的颜色范围，从而显著提高了色域覆盖率。
该实施例采用的消相干器7、8、9可采用震动反射镜、旋转波片等方式构成；采用的光阀12、13、14是透射式液晶光阀；采用的光合束器15是X棱镜。在红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3输出端激光分别经过准直整形透镜和消相干器入射到光阀，信号源经过转换将数字调制信号加到光阀上，通过光阀单元的通断来控制产生不同灰度层次的红色、绿色、蓝色图像。经调制后带有不同灰度层次的三基色激光通过合束器15合为一束入射到成像镜头19中，这样三色图像就合为一副彩色图像，再将彩色图像投射到一定距离的屏幕20上即可实现大色域激光显示。
实施例二
图3为本发明的另一个较佳实施例二的一种激光显示系统的结构示意图；图4为本发明的另一个较佳实施例二的一种激光显示系统的时序原理图。本实施例的一种激光显示系统包括红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3、消相干器、光阀、准直整形装置，所述红光半导体激光器模块1固定于散热模块16-1上，其包含3个红光半导体激光器单元，中心波长分别为635nm、650nm、670nm，在其输出光路上顺序安置红光准直整形透镜4、红光消相干器7、光合束器15、单片式光阀21；所述绿光半导体激光器模块2固定于散热模块16-2上，其包含2个绿光半导体激光器单元，中心波长分别为515nm、530nm，在其输出光路上顺序安置绿光准直整形透镜5、绿光消相干器8、光合束器15、单片式光阀21；所述蓝光半导体激光器模块3固定于散热模块16-3上，其包含3个蓝光半导体激光器单元，中心波长分别为440nm、450nm、460nm，在其输出光路顺序安置蓝光准直整形透镜6、蓝光消相干器9、光合束器15、单片式光阀21。所述光合束器的输出光路顺序设置成像镜头19和屏幕20。所述红光消相干器7与光合束器之间设置红光反射镜10；所述蓝光消相干器9与光合束器15之间设置红光反射镜11。所述半导体激光器单元由半导体激光器单管或半导体激光器阵列组成。所述准直整形装置为非球面透镜、柱透镜、或者球面透镜。
所述一种激光显示系统还包括温控模块17和半导体激光器控制模块18，所述温控模块17可分别控制散热模块16-1、16-2、16-3的散热量，从而控制红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3特定输出功率(特别是大功率)下的温度和波长；半导体激光器控制模块18可根据显示器色彩要求选择合适中心波长的半导体激光器单元使其发光，从而可以实现比现有技术更高的色域覆盖。比如我们通过半导体激光器控制模块选择红光半导体激光器模块1中中心波长为635nm的红光半导体激光器单元发光，绿光半导体激光器模块2中中心波长为530nm的绿光半导体激光器单元发光，蓝光半导体激光器模块3中中心波长为440nm的蓝光半导体激光器单元发光，其色度三角形如图2中右边三角形所示。根据显示的色彩要求，为了显示上述色度三角形左下角一区域没有覆盖的颜色部分，通过半导体激光器控制模块可以控制蓝光半导体激光器模块3中的中心波长为460nm的蓝光半导体激光器单元发光，新组成的色度三角形就覆盖了第一个色度三角形所没有覆盖的部分颜色区域，扩展了显示器的色域覆盖。同样道理，本实施例中红、绿、蓝半导体激光器模块中的不同中心波长的半导体激光器单元之间任意组合形成的色度三角形所能覆盖的颜色区域都是本发明的一种激光显示系统所能覆盖的颜色，显著提高了激光显示色域覆盖率。
本实施例的红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3采用时序发光的方式，经光合束器15进行合束，然后采用单片式光阀21分时调制方式实现三基色合成。采用的单片式光阀是数字微镜(DMD)；在红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3输出端激光经过光准直整形装置和消相干器后通过光束空间时序合束装置合成为一束入射到单片式光阀，信号源经过转换将数字调制信号加到对红、绿、蓝三基色激光分时调制的单片式光阀上，通过所述单片式光阀21的通断来控制产生不同灰度层次的红色、绿色、蓝色图像入射到成像镜头系统19上，再将三基色图像投射到一定距离的屏幕20上即可实现大色域显示。由于人眼的视觉暂留效应并且三基色LD模块发光间隔远远小于人眼可分辨时间间隔，通过人眼观察的三色图像就合为一副彩色图像，实现大色域激光显示。
实施例三
图5为本发明的另一个较佳实施例三的一种激光显示系统的结构示意图；本实施例是将本发明的一种激光显示系统用于液晶背光显示的具体实施例。本实施例的系统包括红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3、消相干器、准直整形装置、液晶面板24、导光板23、反光膜22，所述红光半导体激光器模块1固定于散热模块16-1上，其包含2个红光半导体激光器单元，中心波长分别为635nm、670nm，在其输出光路上顺序安置红光准直整形透镜4、红光消相干器7、反光膜22、导光板23、液晶面板24；所述绿光半导体激光器模块2固定于散热模块16-2上，其包含2个绿光半导体激光器单元，中心波长分别为515nm、530nm，在其输出光路上顺序安置绿光准直整形透镜5、绿光消相干器8、反光膜22、导光板23、液晶面板24；所述蓝光半导体激光器模块3固定于散热模块16-3上，其包含2个蓝光半导体激光器单元，中心波长分别为440nm、460nm，在其输出光路顺序安置蓝光准直整形透镜6、蓝光消相干器9、反光膜22、导光板23、液晶面板24。
所述半导体激光器单元由半导体激光器单管或半导体激光器阵列组成。所述准直整形装置为非球面透镜、柱透镜、或者球面透镜。
所述一种激光显示系统还包括温控模块17和半导体激光器控制模块18，所述温控模块17可分别控制散热模块16-1、16-2、16-3的散热量，从而控制红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3在特定输出功率(特别是大功率)下的温度和波长；半导体激光器控制模块18可根据显示器色彩要求选择中心波长合适的半导体激光器单元使其发光，从而可以实现比现有技术更高的色域覆盖。比如我们通过半导体激光器控制模块选择红光半导体激光器模块1中中心波长为635nm的红光半导体激光器单元发光，绿光半导体激光器模块2中中心波长为530nm的绿光半导体激光器单元发光，蓝光半导体激光器模块3中中心波长为440nm的蓝光半导体激光器单元发光，其色度三角形如图2右边三角形所示。根据显示的色彩要求，为了显示上述色度三角形下边一区域没有覆盖的颜色部分，通过半导体激光器控制模块可以控制红光半导体激光器模块1中的中心波长为670nm的红光半导体激光器单元发光，这样就覆盖了第一个色度三角形下边所没有覆盖的部分颜色区域，扩展了显示器的色域覆盖。同样道理，本实施例中红、绿、蓝半导体激光器模块中的不同中心波长的半导体激光器单元之间任意组合形成的色度三角形所能覆盖的颜色区域都是本发明的一种激光显示系统所能覆盖的颜色，显著提高了色域覆盖率。
所述液晶面板24与所述光阀的作用相同。
所述红光半导体激光器模块1、绿光半导体激光器模块2、蓝光半导体激光器模块3发出的激光分别经过激光准直整形装置、消相干器混合后依次经过反光膜、导光板到达液晶面板。信号源经过转换将数字调制信号加到液晶面板上，通过液晶单元的转动来控制产生不同灰度层次的红色、绿色、蓝色三色图像。通过人眼观察，液晶面板上的三色图像就合为一副彩色图像，实现大色域激光显示。
本发明的一种激光显示系统采用波长可调控的三基色LD模块作为激光光源，实现尽可能大的色度三角形面积，显示色彩更为丰富，更加鲜艳，不仅具有激光显示通常的优点，并且具有电激发、高效率、长寿命、全固态、小型化、成本低廉、色温可调、更高色域的优势，从而实现激光显示更大色域覆盖并可用于大屏幕显示无缝拼接等领域。
显而易见地，上述发明内容描述适用于透射型显示系统，但是对于本领域工程技术人员来讲，对于反射型显示系统可依据此发明思想在不付出创造性劳动的前提下类推获得不同的解决方案。因此，反射型显示系统的解决方案也是本发明的主要内容。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种激光显示系统，包括红光半导体激光器模块(1)、绿光半导体激光器模块(2)、蓝光半导体激光器模块(3)、准直整形装置、消相干器、光阀、成像镜头，其特征在于，
所述红光半导体激光器模块(1)、绿光半导体激光器模块(2)和蓝光半导体激光器模块(3)的输出光路上均顺序安置准直整形装置和消相干器；经过所述消相干器处理后的三束激光首先经过自身光路上的光阀，然后进行光合束，或首先进行光合束，然后进入同一光阀，通过所述成像镜头在屏幕上获得清晰图像；
所述红光半导体激光器模块(1)输出激光的波长范围为635nm—670nm；所述绿光半导体激光器模块(2)输出激光的波长范围为515nm—530nm；所述蓝光半导体激光器模块(3)输出激光的波长范围为440nm—460nm；
所述红光半导体激光器模块(1)至少包括两个红光半导体激光器单元，每个所述红光半导体激光器单元的中心波长有差异，它们的组合能覆盖所述红光半导体激光器模块输出的波长范围；
所述绿光半导体激光器模块(2)至少包括两个绿光半导体激光器单元，每个所述绿光半导体激光器单元的中心波长有差异，它们的组合能覆盖所述绿光半导体激光器模块输出的波长范围；
所述蓝光半导体激光器模块(3)至少包括两个蓝光半导体激光器单元，每个所述蓝光半导体激光器单元的中心波长有差异，它们的组合能覆盖所述蓝光半导体激光器模块输出的波长范围；
所述半导体激光器单元由半导体激光器单管或半导体激光器阵列组成；
所述系统还包括半导体激光器控制模块(18)，所述半导体激光器控制模块(18)可分别控制所述红光半导体激光器模块(1)中的红光半导体激光器单元、绿光半导体激光器模块(2)中的绿光半导体激光器单元、蓝光半导体激光器模块(3)中的蓝光半导体激光器单元，根据显示的色彩要求选择合适中心波长的半导体激光单元，使其发光，从而使形成的色度三角形覆盖相应的颜色区域。
2.根据权利要求1所述的一种激光显示系统，其特征在于，还包括温控模块(17)以及三个散热模块(16-1、16-2、16-3)；所述红光半导体激光器模块(1)、绿光半导体激光器模块(2)和蓝光半导体激光器模块(3)分别固定在一个散热模块上；所述温控模块(17)分别控制所述三个散热模块的散热量，从而控制所发射激光的波长。
3.根据权利要求1所述的一种激光显示系统，其特征在于，进行所述光合束的装置是光合束器。
4.根据权利要求1所述的一种激光显示系统，其特征在于，进行所述光合束的装置是X棱镜、TIR棱镜或空间时序合束装置。
5.根据权利要求1所述的一种激光显示系统，其特征在于，所述光阀为透射式液晶光阀、反射式液晶光阀或数字微镜。
6.根据权利要求1所述的一种激光显示系统，其特征在于，所述准直整形装置为非球面透镜、柱透镜、或者球面透镜；所述消相干器(7、8、9)为微光学器件、震动反射镜、旋转波片、多模光纤或光束扫描器。
7.一种激光显示系统，包括红光半导体激光器模块(1)、绿光半导体激光器模块(2)、蓝光半导体激光器模块(3)、准直整形装置、消相干器、反光膜、导光板、液晶面板，其特征在于，
所述红光半导体激光器模块(1)、绿光半导体激光器模块(2)和蓝光半导体激光器模块(3)的输出光路上均顺序安置准直整形装置和消相干器；经过消相干器处理后的三束激光顺序经过反光膜、导光板、液晶面板获得清晰图像；
所述红光半导体激光器模块(1)输出激光的波长范围为635nm—670nm；所述绿光半导体激光器模块(2)输出激光的波长范围为515nm—530nm；所述蓝光半导体激光器模块(3)输出激光的波长范围为440nm—460nm；
所述红光半导体激光器模块(1)至少包括两个红光半导体激光器单元，每个所述红光半导体激光器单元的中心波长有差异，它们的组合能覆盖所述红光半导体激光器模块输出的波长范围；
所述绿光半导体激光器模块(2)至少包括两个绿光半导体激光器单元，每个所述绿光半导体激光器单元的中心波长有差异，它们的组合能覆盖所述绿光半导体激光器模块输出的波长范围；
所述蓝光半导体激光器模块(3)至少包括两个蓝光半导体激光器单元，每个所述蓝光半导体激光器单元的中心波长有差异，它们的组合能覆盖所述蓝光半导体激光器模块输出的波长范围；
所述半导体激光器单元由半导体激光器单管或半导体激光器阵列组成；
所述系统还包括半导体激光器控制模块(18)，所述半导体激光器控制模块(18)可分别控制所述红光半导体激光器模块(1)中的红光半导体激光器单元、绿光半导体激光器模块(2)中的绿光半导体激光器单元、蓝光半导体激光器模块(3)中的蓝光半导体激光器单元，根据显示的色彩要求选择合适中心波长的半导体激光单元，使其发光，从而使形成的色度三角形覆盖相应的颜色区域。
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