CN105044806A

CN105044806A - 一种具有激光合束功能的二向色镜及投影装置

Info

Publication number: CN105044806A
Application number: CN201510586053.0A
Authority: CN
Inventors: 顾培夫; 艾曼灵; 张梅骄; 杨晓华
Original assignee: Keting Optical Tech Co Ltd Hangzhou
Current assignee: Keting Optical Tech Co Ltd Hangzhou
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-09-15
Also published as: CN105044806B

Abstract

本发明公开了一种具有激光合束功能的二向色镜及投影装置，该二向色镜包括基板以及二向色膜和减反射膜，二向色膜包括依次设置的基板匹配膜系、主膜系和空气匹配膜系。基板匹配膜系由高折射率膜、次高折射率膜和低折射率膜组成，主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成，空气匹配膜系由高折射率膜、次高折射率膜、次低折射率膜和低折射率膜组成。高折射率膜为TiO₂膜，次高折射率膜为Ta₂O₅膜，次低折射率膜为Al₂O₃膜，低折射率膜为SiO₂膜。本发明的二向色镜可用于投影装置中，这种具有激光合束功能的二向色镜不仅可避免激光对合束器件的损伤，而且可降低制造成本，缩小系统体积，在激光投影系统中具有重要的应用价值。

Description

一种具有激光合束功能的二向色镜及投影装置

技术领域

本发明涉及用于投影装置的激光光源模块领域，具体涉及一种具有激光合束功能的二向色镜及投影装置。

背景技术

现有投影机几乎95％以上的光源都釆用高压汞灯(UHP)，不仅体积大、重量重、易爆炸，更重要的是灯泡使用寿命短、亮度低、能耗大、色彩差，而且使用非环保的汞材料。为此，业界一直在寻找可以替代UHP的光源。在新光源领域中，激光(LD)一直是投影显示新光源的发展方向，其重要优势是：1.长寿命，目前UHP的实际使用寿命小于2000小时，而激光光源可大于2万小时；2.高亮度，常规UHP投影机的亮度为3000流明左右，而激光光源投影机报导的最高亮度已达50000流明；3.节能环保，激光的能耗只有灯泡的1/7左右，且不使用UHP的有毒材料--汞；4.彩色艳丽，激光具有高的色饱和度，呈现最艳丽的色彩，为宽色域显示提供了基础。正因为如此，近年来激光光源投影机成为该领域的热点之一。

考虑到激光光源的成本和激光的散斑等问题，目前最常用的方式是用460nm的蓝激光激发荧光粉来获得白光。由于1个激光束的亮度太低，故常用2个激光束并用偏振分束器(PBS)合束的工作模式。其中一个激光二极管(LD)以s偏振光出射，被PBS薄膜反射，而另一激光二极管(LD)以p偏振光出射，被PBS薄膜透射，这两束蓝激光被二向色镜反射到荧光盘后，被蓝激光激发出来的红绿荧光返回后再透过二向色镜(DM)，同时剩余部分蓝激光透过荧光盘，通过一额外的光学系统最后被二向色镜收集并反射，从而获得红绿蓝三基色光。这种工作模式有二个问题：一是随着激光功率增大，合束PBS的光学胶会很快破坏而失效；二是由于二向色镜不透射蓝激光，为此需要一额外的光学系统收集蓝激光。

申请公布号为CN104698729A(申请号为201410723068.2)的中国发明专利申请公开了一种投影装置、DPL投影仪的光模块和用于制造二向色镜的方法，一种用于投影装置的光膜块，包括：第一激发光束源，所述第一激发光束源设计用于发射具有至少一个光学属性的第一值的第一激发光束；第二激发光束源，所述第二激发光束源设计用于发射具有至少一个光学属性的第二值的第二激发光束，所述第二值与第一值不同；至少一种荧光材料，所述荧光材料设计用于，使得所述第一激发光束转换成第一转化光束并且使得所述第二激发光束转换成第二转化光束；第一二向色镜，所述第一二向色镜布置在所述第一激发光束源和能预定的照明区域之间的光路中；第二二向色镜，所述第二二向色镜布置在所述第二激发光束源和能预定的照明区域之间的光路中；第一聚焦装置，所述第一聚焦装置布置在所述第一二向色镜和能预定的所述照明区域之间的光路中；第二聚焦装置，所述第二聚焦装置布置在所述第二二向色镜和能预定的所述照明区域之间的光路中；光学元件，在保持了所述第一激发光束和第二激发光束的至少一种光学属性相应值的情况下至少部分地反射。上述的技术方案通过光学结构的改进，使其结构紧凑，效率提高，但是，仍没有对二向色镜进行较大改进，仍存在上述问题。

发明内容

为了克服现有用于投影装置的光模块的问题，本发明提供了一种具有激光合束功能的二向色镜及投影装置，可以简化用于投影装置的光模块的结构。

本发明的构思是：

为了提高投影装置亮度，必须增加激光光源数量，如何把2个以上的激光束有效地合成，但又可回避现用的PBS，这是本发明需解决的第一个问题。为此设想省去PBS，将s偏振的激光束按不同角度直接入射到二向色镜。第二个问题是如何把激发荧光粉后的剩余蓝激光在不使用额外光学系统的前提下收集起来。为此，设想在光路中加上一块四分之一波片，使s偏振激光束的偏振面转90°而变成p偏振光，从而使二向色镜能透射剩余蓝激光。

根据上述设想，二向色镜必须作如下变革：1.对蓝激光束，由现用的反射s偏振光和p偏振光改变为反射s偏振光、透射p偏振光；2.为了提高p偏振光的透射率，对蓝激光束的入射角，由现用的45°改变为中心角55°，以满足布儒斯特角条件；3.对二向色膜的角度效应，由现用的没有任何要求改变为角度效应必须尽可能地小，使不同入射角下二向色镜的特性变化最小，这对激光束数目较多时尤为重要。

为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：

一种具有激光合束功能的二向色镜，包括基板以及设置在基板两侧的二向色膜和减反射膜，所述的二向色膜包括沿基板向外依次设置的基板匹配膜系、主膜系和空气匹配膜系；

所述的基板匹配膜系由高折射率膜、次高折射率膜和低折射率膜组成；

所述的主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成；

所述的空气匹配膜系由高折射率膜、次高折射率膜、次低折射率膜和低折射率膜组成；

所述的高折射率膜为TiO₂膜，所述的次高折射率膜为Ta₂O₅膜，所述的次低折射率膜为Al₂O₃膜，所述的低折射率膜为SiO₂膜。

本发明中，这种具有激光合束功能的二向色镜不仅可避免激光对合束器件的损伤，而且可降低制造成本，缩小系统体积，在激光投影系统中具有重要的应用价值。

进一步地，所述的基板为石英玻璃基板。

最优选地，本发明中，所述的基板匹配膜系为6层，从基板一侧向外第1至6层的厚度依次为：23.24，56.15，13.97，38.1，70.47，4.67，单位为nm，在基板匹配膜系中，第1、4层为高折射率膜，第3、6层为次高折射率膜，其余为低折射率膜。

所述的主膜系为15层，从基板匹配膜系向外第1至15层的厚度依次为：35.12，76.25，44.5，77.44，40.84，75.32，44.05，80.01，41.94，73.88，43.1，81.39，43.46，70.87，34.57，单位为nm，在主膜系中，奇数层为高折射率膜，偶数层为低折射率膜。

所述的空气匹配膜系为13层，从主膜系向外第1至13层的厚度依次为：9.69，78.1，39.12，16.59，41.65，38.48，75.39，28.46，25.97，18.87，47.73，36.15，112.17，单位为nm，在空气匹配膜系中，第3、6、9、12层为高折射率膜，第1、4、11层为次高折射率膜，第7层为次低折射率膜，其余为低折射率膜。

一种用于投影装置的光模块，包括：沿光路方向设置的激光模块、具有激光合束功能的二向色镜、四分之一波片以及荧光盘；

所述的激光模块用于发射蓝激光并将蓝激光射在具有激光合束功能的二向色镜的二向色膜上，具有激光合束功能的二向色镜的二向色膜将蓝激光反射到四分之一波片上，透过四分之一波片后，蓝激光由s偏振光变为圆偏振光，圆偏振光入射到荧光盘上，激发出来的红绿荧光和激发荧光后剩余的圆偏振光被荧光盘反射后一起透过四分之一波片和具有激光合束功能的二向色镜，合成白光。

所述的激光模块为2～13个，进一步优选，为3～5个。

所述的激光模块的发射激光波长为455～465nm，进一步优选，为460nm。

所述的激光模块在具有激光合束功能的二向色镜的二向色膜上的入射角为50°～60°，进一步优选，所述的激光模块为三个，入射角分别为52°、55°和58°。

一种投影装置，包括用于投影装置的光模块，即采用用于投影装置的光模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，现有技术釆用PBS合束，但随着激光功率的增加，PBS已不敷应用。而本发明将多个激光束以不同入射角入射到二向色膜上进行直接合束，不仅回避了PBS中光学胶的激光损伤，而且减少了合束器件的成本。但这在以前并未被认识到，通过降低二向色膜的角度效应可以实现不同入射角的多个激光束合束，因为入射角对二向色膜的特性漂移极为严重，特别是在中心角55°的情况下。但本发明通过基板匹配膜系和空气匹配膜系，不仅减少了透射-反射过渡区的角度漂移，而且实现了透射带的高透射率和反射带的高反射率。第二，通过在蓝激光波长上把二向色膜设计为偏振膜，即反射s偏振激光而透射p偏振激光，借助于在四分之一波片中的二次透射，使得被荧光盘反射的蓝激光可以直接透过二向色镜，而不像现用合束系统需要额外的光学系统来收集剩余的蓝激光，不仅降低了制造成本和装调难度，而且合束系统的体积大大缩小。

附图说明

图1是现用二向色镜的激光光源工作原理示意图；

图2是本发明中具有激光合束功能的二向色镜的激光光源工作原理示意图；

图3是本发明中具有激光合束功能的二向色镜的示意图；

图4是本发明中二向色膜的每层膜的膜厚和折射率的对应关系图；

图5是本发明中二向色膜在入射角为52°、55°、58°时的偏振透射分光曲线，图5中(a)为入射角52°时的偏振透射分光曲线，图5中(b)为入射角55°时的偏振透射分光曲线，图5中(c)为入射角58°时的偏振透射分光曲线。

具体实施方式

图1是现用二向色镜的激光光源工作原理示意图，如图1所示，波长为460nm的激光模块11调成s偏振光出射，被偏振分束器(PBS)13反射后入射到二向色镜14；激光模块12调成p偏振光出射，被偏振分束器(PBS)13透射后入射到二向色镜14。这二束蓝激光被二向色镜14反射后入射到荧光盘16，被蓝激光激发的红绿荧光被荧光盘16反射后透过二向色镜14；而激发荧光后剩余的蓝激光透过荧光盘16，经三个反射镜和准直透镜组成的额外光学系统收集，最后被二向色镜14反射，该蓝激光与透过二向色镜14的红绿荧光一起合成白光。这就是现用的投影机激光光源。显然，此激光光源是通过偏振分束器(PBS)13合束的，入射到二向色镜上的激光包含s偏振光和p偏振光，而且其二向色膜上的入射角均为45°。

现用激光光源存在着二个问题：一是偏振分束器(PBS)13的光学胶会很快被激光破坏；二是需要一额外的光学系统收集蓝激光。为克服这二个问题，本发明提出了一种具有激光合束功能的二向色镜，它具有三个特异的特性：1.反射s偏振的蓝激光束而透射p偏振的蓝激光束；2.蓝激光束在二向色膜上的中心入射角为55°；3.二向色膜的角度效应非常小。以此二向色镜构成的新激光光源工作原理如图2所示，一种用于投影装置的光模块，包括：沿光路方向设置的激光模块(为3个，激光模块1、2、3)、具有激光合束功能的二向色镜4、四分之一波片5以及荧光盘6。激光模块1、2、3用于发射蓝激光并将蓝激光入射到具有激光合束功能的二向色镜4的二向色膜8上，具有激光合束功能的二向色镜4的二向色膜8将蓝激光反射到四分之一波片5上，透过四分之一波片5后，蓝激光由s偏振光变为圆偏振光，圆偏振光入射到荧光盘6上，荧光盘6被激发出来的红绿荧光和激发荧光后剩余的圆偏振光(剩余的蓝激光)被荧光盘6反射后，透过四分之一波片5和具有激光合束功能的二向色镜4，一起合成白光。图中激光模块以激光模块1、2、3合束为例，若有必要也可五束甚至更多束激光合束。蓝激光模块1、2、3发出的s偏振光分别以55°±3°入射至具有激光合束功能的二向色镜4，即蓝激光模块1、2、3的入射角分别为52°、55°、58°，经具有激光合束功能的二向色镜4反射后第一次透过四分之一波片5，使s偏振光(蓝激光)变为圆偏振光(蓝激光)入射到荧光盘6，被蓝激光激发出来的红绿荧光被荧光盘6反射后透过四分之一波片5和具有激光合束功能的二向色镜4；而激发荧光后剩余的圆偏振光(蓝激光)被荧光盘6反射，经四分之一波片5再次透射后变为p偏振光，恰好也能透过具有激光合束功能的二向色镜4，最后与透过具有激光合束功能的二向色镜4的红绿荧光一起合成白光。很显然，釆用本发明的用于投影装置的光模块已不复存在现用激光光源的二个问题。

图3是本发明中具有激光合束功能的二向色镜的示意图。如图3所示，具有激光合束功能的二向色镜4包括基板7以及设置在基板7两侧的二向色膜8和减反射膜9，基板7由石英玻璃制成，减反射膜9为可见光区常用的宽带减反射膜系，二向色膜8为了获得上面所述的三个独异特性，从基板7向外依次设置了基板匹配膜系、主膜系和空气匹配膜系。基板匹配膜系由高折射率膜、次高折射率膜和低折射率膜三种材料组成；主膜系由高折射率膜和低折射率膜二种材料交替组成；空气匹配膜系由高折射率膜、次高折射率膜、次低折射率膜和低折射率膜四种材料组成。所述的高折射率膜为TiO₂膜，在波长550nm的折射率为2.385；次高折射率膜为Ta₂O₅膜，在波长550nm的折射率为2.11；次低折射率膜为Al₂O₃膜，在波长550nm的折射率为1.621；低折射率膜为SiO₂膜，在波长550nm的折射率为1.46。

基板匹配膜系为6层，从基板7一侧向外各膜层(即第1层至第6层)的厚度依次为：23.24，56.15，13.97，38.1，70.47，4.67，单位为nm；在基板匹配膜系中，第1、4层为高折射率膜，第3、6层为次高折射率膜，其余为低折射率膜。

主膜系为15层，从基板匹配膜系向外各膜层(即第1层至第15层)的厚度依次为：35.12，76.25，44.5，77.44，40.84，75.32，44.05，80.01，41.94，73.88，43.1，81.39，43.46，70.87，34.57，单位为nm；在主膜系中，奇数层为高折射率膜，偶数层为低折射率膜。

空气匹配膜系为13层，从主膜系向外各膜层(即第1层至第13层)的厚度依次为：9.69，78.1，39.12，16.59，41.65，38.48，75.39，28.46，25.97，18.87，47.73，36.15，112.17，单位为nm；在空气匹配膜系中，第3、6、9、12层为高折射率膜，第1、4、11层为次高折射率膜，第7层为次低折射率膜，其余为低折射率膜。

图4是本发明上述二向色膜8每层膜的膜厚和折射率的对应关系图，可以看出，膜系总层数为34层，总厚度为1638nm。

图5是本发明的二向色膜8在入射角为52°、55°、58°时的偏振透射分光曲线，图5中a为入射角52°时的偏振透射分光曲线，图5中b为入射角55°时的偏振透射分光曲线，图5中c为入射角58°时的偏振透射分光曲线。从图5可见，对短波蓝激光波长460nm附近的波段，在入射角52°至58°范围内，s偏振光均具有高反射率，而p偏振光均具有高透射率，它是一个偏振薄膜；而在长波红绿光区，无论是s偏振光还是p偏振光，都具有高透射率，它是长波通薄膜。

本发明通过变换激光束入射角，把多路s-偏振激光同时被具有激光合束功能的二向色镜4合束，并被具有激光合束功能的二向色镜4反射到一个荧光盘6上，百瓦级/mm²光功率密度的蓝激光束足以使荧光粉激发出很强的红绿光，最终与被荧光盘6反射的蓝激光合成满足一定色温要求的白光，可成功取代现用的UHP灯。

Claims

1.一种具有激光合束功能的二向色镜，包括基板以及设置在基板两侧的二向色膜和减反射膜，其特征在于，所述的二向色膜包括沿基板向外依次设置的基板匹配膜系、主膜系和空气匹配膜系；

所述的主膜系由高折射率膜和低折射率膜交替组成；

2.根据权利要求1所述的具有激光合束功能的二向色镜，其特征在于，所述的基板为石英玻璃基板。

3.根据权利要求1所述的具有激光合束功能的二向色镜，其特征在于，所述的基板匹配膜系为6层，从基板一侧向外第1至6层的厚度依次为：23.24，56.15，13.97，38.1，70.47，4.67，单位为nm，其中，第1、4层为高折射率膜，第3、6层为次高折射率膜，其余为低折射率膜。

4.根据权利要求1所述的具有激光合束功能的二向色镜，其特征在于，所述的主膜系为15层，从基板匹配膜系向外第1至15层的厚度依次为：35.12，76.25，44.5，77.44，40.84，75.32，44.05，80.01，41.94，73.88，43.1，81.39，43.46，70.87，34.57，单位为nm，其中，奇数层为高折射率膜，偶数层为低折射率膜。

5.根据权利要求1所述的具有激光合束功能的二向色镜，其特征在于，所述的空气匹配膜系为13层，从主膜系向外第1至13层的厚度依次为：9.69，78.1，39.12，16.59，41.65，38.48，75.39，28.46，25.97，18.87，47.73，36.15，112.17，单位为nm，其中，第3、6、9、12层为高折射率膜，第1、4、11层为次高折射率膜，第7层为次低折射率膜，其余为低折射率膜。

6.一种投影装置，其特征在于，包括用于投影装置的光模块，所述的用于投影装置的光模块包括：沿光路方向设置的激光模块、权利要求1～5任一项所述的具有激光合束功能的二向色镜、四分之一波片以及荧光盘；

7.根据权利要求6所述的投影装置，其特征在于，所述的激光模块为2～13个。

8.根据权利要求7所述的投影装置，其特征在于，所述的激光模块为3～5个。

9.根据权利要求6所述的投影装置，其特征在于，所述的激光模块的发射激光波长为455～465nm。

10.根据权利要求6所述的投影装置，其特征在于，所述的激光模块在具有激光合束功能的二向色镜的二向色膜上的入射角为50°～60°。