CN105116676B

CN105116676B - 一种混合激光光源及投影机

Info

Publication number: CN105116676B
Application number: CN201510586359.6A
Authority: CN
Inventors: 顾培夫; 艾曼灵; 金波; 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: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-09-15
Also published as: CN105116676A

Abstract

本发明公开了一种采用抗蓝激光破坏的二向色镜的混合激光光源及投影机，该混合激光光源，包括沿光路方向依次设置的蓝激光模块、扩束透镜、抗蓝激光破坏的二向色镜、准直透镜和荧光盘以及蓝光LED；该抗蓝激光破坏的二向色镜，包括基板、设置在基板中部的二向色多层膜以及在基板上围绕二向色多层膜设置的散热膜；二向色多层膜由交替设置的低折射率层和高折射率层构成，低折射率层为SiO₂膜，高折射率层为钽铝氧化物混合膜。本发明解决了较高连续蓝激光光能使用时二向色镜温度过高、表面变形和破裂的问题，不仅可用于高亮度激光投影机，而且可用于抗连续蓝激光破坏的激光器件中。

Description

一种混合激光光源及投影机

技术领域

本发明涉及用于投影显示激光光源技术领域，具体涉及一种采用抗蓝激光破坏的二向色镜的混合激光光源及投影机。

背景技术

现用投影机几乎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。因此，近年来激光光源成了投影显示最关注的热点之一。

考虑到三基色全激光的激光光源的高昂成本和激光的匀场、散斑等难题，目前常用的激光光源是用波长440-480nm范围内连续输出的蓝激光来激发荧光粉而获得白光的。这种连续输出的半导体蓝激光输出功率现已可高达50W，单个芯片的输出亮度就可达到2000流明，其使用寿命(光衰减50％)可达2万小时以上。

由于连续蓝激光最先入射到二向色镜上，因此，二向色镜是过热、变形和破裂最为突出的薄膜器件。这是因为二向色多层膜经过块状材料汽化蒸发变成薄膜后，吸收系数会增加5～6个数量级。对一些常用的薄膜材料，典型的吸收(消光)系数会从块状材料的10^-10～10^-11上升至薄膜的10^-4～10^-6，因此，薄膜是抗强激光破坏最薄弱的环节。应用于较高亮度激光光源的二向色多层膜，若蓝激光的输出功率为150W，二向色镜上的通光直径为20mm，则二向色多层膜需要承受的最大功率密度为2000W/cm²以上。二向色多层膜吸收激光能量，特别是高折射率薄膜，从而引起二向色镜温度迅速升高至300℃以上，造成多层膜被破坏，器件产生破裂，这是迄今高亮度激光光源急待解决的一个难题。

经过近半个世纪的研究，虽然对其他许多高能激光波长，特别是对脉冲激光的破坏研究已经取得了长足的进步，但是对波长440-480nm范围内连续输出的半导体激光的破坏研究至今尚属空白，本发明就是在此技术背景下结合实验作了一些初步的探索。

申请公布号为CN 104698729A(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，该二向色镜包括第一子区域、第二子区域，第一子区域、第二子区域一体地构造在具有端口的基层上。在此，前侧和/或背侧能够具有散射结构。由此，在激发光束入射到光模块中之前，其还进行了一次散射，因此，能够与更宽地散射的转换光束相匹配。此外，在第一子区域和第二子区域的入射侧上还能够分别设置对于相应激发光束的抗反射层。在背侧上优选地设置了对于相应的其他激发光束以及所转换的光的高度反射性层。该二向色镜并没有对二向色膜进行改进，采用较高连续蓝激光光能使用时，该二向色镜会出现过热、表面变形甚至破裂的情况。

发明内容

为了克服较高连续蓝激光光能使用时二向色镜温度过高、表面变形甚至破裂的问题，本发明提供了一种采用抗蓝激光破坏的二向色镜的混合激光光源及投影机。

本发明的构思是：

1.氧化物薄膜是迄今应用最广、耐温性最好的光学薄膜，其中二氧化钛(TiO₂)由于其折射率在可见光区最高(如2.35)，而二氧化硅(SiO₂)的折射率最低(1.46)，因此常用TiO₂膜和SiO₂膜构成光学多层膜以产生强烈的干涉效应，遗憾的是这两种薄膜的导热性都不好，加上TiO₂膜在波长440-480nm的吸收系数较大，于是用这两种薄膜构成的二向色多层膜用于较高激光光能时，容易造成通光区急剧升温。用TiO₂和SiO₂膜制成的二向色镜在连续蓝激光作用下，实测温度会迅速上升到300-400℃，并致多层膜破坏、器件破裂。考虑到SiO₂膜在所有现用薄膜中具有最高的抗激光破坏特性，故二向色镜的低折射率材料理当首选SiO₂膜。但在高折射率材料中，相比二氧化钛(TiO₂)、氧化铌(Nb₂O₅)和氧化钽(Ta₂O₅)，虽然Ta₂O₅的折射率较低，但更重要的是它在波长440-480nm的吸收系数比较小，故从抗蓝激光破坏考虑，宜首选Ta₂O₅，而TiO₂被首先淘汰。

2.为降低蓝激光通光区的温度，除了减小薄膜的吸收系数外，选择高热导的薄膜非常重要。TiO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅和SiO₂膜的导热性都不好，唯有氧化铝(Al₂O₃)的导热系数要比TiO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅和SiO₂膜高一个数量级左右，为提高二向色多层膜的导热性，降低薄膜的温度，提出了在Ta₂O₅膜中掺入适量的Al₂O₃，即钽铝氧化物混合膜(Ta_xAl_yO_z)。问题是，Ta₂O₅膜的折射率本已较低，掺入Al₂O₃后进一步降低了高折射率膜的折射率，使二向色多层膜的设计难度增加，为此需适当控制Al₂O₃的掺入量，在设计难度和导热性两者中寻求折中。另一方面，既然Al₂O₃的导热系数比较高，故基板选用蓝宝石(Al₂O₃晶体)取代导热性较差的光学玻璃。

3.为提高散热效果，本发明在二向色多层膜外围设置了散热膜，选择导热性和散热性优良的金属银膜来加速向空气中扩散热量。但由于金属银膜在空气中，特别是在高温下极易氧化和硫化，故选用稳定性优良的铜铝合金膜作保护层，虽然铜铝合金膜的导热性和散热性不及银膜，但其保护性能却是很优良的。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种混合激光光源，包括沿光路方向依次设置的蓝激光模块、扩束透镜、抗蓝激光破坏的二向色镜、准直透镜和荧光盘以及蓝光LED；

所述的抗蓝激光破坏的二向色镜，包括基板、设置在基板中部的二向色多层膜以及在基板上围绕二向色多层膜设置的散热膜；

所述的二向色多层膜由交替设置的低折射率层和高折射率层构成，所述的低折射率层为SiO₂膜，所述的高折射率层为钽铝氧化物混合膜。

所述的蓝激光模块和蓝光LED在二向色镜的二向色多层膜上的入射光互为正交，入射角均为45°。

所述的蓝激光模块用于发射440-480nm的蓝激光，蓝激光经扩束透镜扩束后以45°角入射到二向色镜的通光区，透过二向色镜的二向色多层膜后，经准直透镜准直后垂直入射到荧光盘的荧光粉上，被蓝激光激发出来的红、绿光经准直透镜收集后再被二向色镜的二向色多层膜反射，蓝激光模块和蓝光LED在二向色镜的二向色多层膜上的入射光互为正交，蓝光LED同样以入射角为45°入射到二向色镜的通光区，蓝光LED发出的蓝光与蓝激光激发出来的红、绿光混合在一起，形成白光。

本发明选用SiO₂膜作为低折射率层，选用钽铝氧化物混合膜作为高折射率层，能够使得二向色多层膜在波长440-480nm的吸收系数比较小，同时，钽铝氧化物混合膜中掺入Al₂O₃，提高膜的散热性，并且，设置散热膜，将二向色多层膜上的热量加速向空气中扩散，从而使得本发明的二向色镜能够抗蓝激光破坏，克服了较高连续蓝激光光能使用时二向色镜温度过高、表面变形甚至破裂的问题。

所述的基板由蓝宝石制成，即所述的基板为蓝宝石基板。进一步地，所述的蓝宝石基板的厚度为1.5～3mm，更进一步为2mm。

所述的钽铝氧化物混合膜由Al₂O₃和Ta₂O₅混合制成，所述的Al₂O₃与Ta₂O₅的重量比为1：8～10，进一步地，所述的Al₂O₃与Ta₂O₅的重量比为1：9，所述的钽铝氧化物混合膜为Ta_xAl_yO_z膜，x＝0.9，y＝0.1，z＝2.4。该钽铝氧化物混合膜在波长550nm的折射率为2.05。

所述的二向色多层膜为83层，从基板一侧向外第1层至第83层的厚度依次为：112.17，88.46，137.75，75.04，112.32，102.85，126.25，77.79，109.12，86.12，159.49，68.39，193.29，73.3，103.86，74.22，165.62，68.94，107.6，105.42，119.15，73.36，108.26，64.27，103.24，109.13，97.22，67.35，153.1，94.09，107.75，66.78，97.35，59.15，204.25，29.01，88.66，74.35，98.75，119.58，123.26，67.12，92.97，50.49，33.76，28.23，88.37，65.57，102.6，66.6，97.7，60.75，79.34，30.24，40.0，46.51，90.16，63.31，99.79，64.61，95.0，53.32，57.6，27.62，60.61，52.95，91.35，63.79，99.6，63.95，89.57，39.9，33.52，37.82，86.0，61.77，96.98，67.61，91.76，97.04，96.46，73.68，43.92，单位为nm，其中，奇数层为低折射率层，偶数层为高折射率层。

所述的散热膜包括设置在所述基板上的金属银膜以及覆盖在所述金属银膜上的铜铝合金膜，进一步地，所述散热膜的金属银膜的厚度为40～80nm，铜铝合金膜的厚度为10～30nm，更进一步地，所述散热膜的金属银膜的厚度为60nm，铜铝合金膜的厚度为20nm。

进一步地，所述的铜铝合金膜由铜和铝混合制成，所述的铜和铝的体积比为9∶6～8，更进一步地，所述的铜和铝的体积比为9∶7。

二向色多层膜和散热膜均设置在基板上，散热膜设置在二向色多层膜的外围。进一步地，所述的二向色多层膜与散热膜的面积之比为4∶2～4，更进一步4∶2.85～3.05。

一种投影机，包括混合激光光源，即投影机采用混合激光光源替代现有的UHP灯泡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于现有激光光源投影机尚处小批量生产，特别是高亮度激光光源投影机尚处研发中试阶段，因此，现有技术尚未认识到高能半导体连续蓝激光对二向色镜的破坏作用竟有如此之大。为提高二向色镜的抗连续蓝激光的破坏，本发明提出了降低二向色镜激光通光区温度的构想，除了减小二向色多层膜的吸收外，选择高热导的钽铝氧化物混合膜(Ta_xAl_yO_z)作为二向色多层膜的高折射率膜，并选用高热导的蓝宝石(Al₂O₃晶体)作为二向色多层膜的基板，进而，在二向色多层膜外围设置散热膜，确保热量快速向外散发。而现有技术尚未见到这样的报道。更为甚者，现有技术没有涉及到釆用高折射率的钽铝混合膜Ta_0.9Al_0.1O_2.4来确保二向色镜的导热性能和光学特性，也没有涉及到釆用双层金属散热膜，更没有涉及到散热膜的面积与二向色多层膜的面积之比约为3∶4。本发明的抗蓝激光破坏的二向色镜，不仅可用于高亮度激光投影机，而且可用于抗连续蓝激光破坏的激光器件中。

附图说明

图1是投影机混合激光光源的工作原理示意图；

图2是本发明中抗蓝激光破坏的二向色镜的结构示意图；

图3是本发明的二向色多层膜的膜厚和折射率的对应关系图；

图4是本发明的二向色多层膜的s、p偏振光的透射率分光曲线；

图5是本发明的二向色多层膜与现用二向色多层膜的升温、降温曲线比较图；

图6是本发明的二向色镜抗蓝激光破坏测试装置的示意图。

具体实施方式

图1是投影机混合激光光源的工作原理示意图。迄今，由于三基色半导体激光模块的成本尚比较高，加上激光匀场、散斑等问题，故主流的激光光源是用波长440-480nm的连续蓝激光来激发荧光粉而获得白光的。一种混合激光光源，包括沿光路方向依次设置的蓝激光模块6、扩束透镜8、二向色镜4、准直透镜9和荧光盘5以及蓝光LED7，蓝激光模块6和蓝光LED7在二向色镜4的二向色多层膜3上的入射光互为正交，入射角均为45°，二向色镜4采用抗蓝激光破坏的二向色镜。由蓝激光模块6发出的440-480nm的高能蓝激光经扩束透镜8扩束后以45°角入射到二向色镜4的通光区，透过二向色镜4的二向色多层膜3后，经准直透镜9准直后垂直入射到荧光盘5的荧光粉上，被蓝激光激发出来的红、绿光经准直透镜9收集后再被二向色镜4的二向色多层膜3反射。由于二向色镜4透射蓝激光，故蓝光需由蓝光LED7提供，这样，在出射端产生红、绿、蓝三基色，形成白光，它相当于现用投影机的UHP灯泡。这种既有蓝激光又有蓝光LED构成的光源称为混合激光光源。

图2是本发明抗蓝激光破坏的二向色镜的示意图。二向色镜4(即抗蓝激光破坏的二向色镜)，包括基板1、设置在基板1中部的二向色多层膜3以及在基板1上围绕二向色多层膜3设置的散热膜2。基板1由蓝宝石制成，散热膜2包括金属银和铜铝合金两层膜，即散热膜2包括设置在基板1上的金属银膜以及覆盖在金属银膜上的铜铝合金膜，二向色多层膜3由低折射率的二氧化硅膜(SiO₂)和高折射率的钽铝氧化物混合膜(Ta_xAl_yO_z)交替组成。蓝激光模块6发出的蓝激光束在二向色镜4上的二向色多层膜3上的入射角为45°。

从导热性和机械强度考虑，基板1(由蓝宝石制成)的厚度取2mm。从导热性和散热性考虑，散热膜2首选金属银膜，但由于金属银膜在高温下极易氧化和硫化，故选用稳定性优良的铜铝合金膜作为金属银膜的保护层；虽然铜铝合金膜的导热性和散热性不及银膜，但其保护性能却是很优良的，其中铜的导热性比铝好，而铝的散热性比铜强，当铜铝体积比为9∶7时，其合金不仅可兼顾导热和散热性能，更重要的是可改善铜铝合金膜的机械化学性能；散热膜2的金属银膜的厚度取60nm，为提高对金属银膜的保护能力，铜铝合金膜的厚度取为20nm。从高折射率膜的导热性和折射率考虑，二向色多层膜3由低折射率的SiO₂和高折射率的混合膜Ta_xAl_yO_z交替组成，其中高折射率的Ta_xAl_yO_z混合膜的x＝0.9，y＝0.1，z＝2.4，这意味着Al₂O₃与Ta₂O₅的重量比为1：9。为了计算混合膜的折射率N，推导了如下公式：

式中,n_T,n_A分别为Ta₂O₅和Al₂O₃薄膜的折射率，ρ_T,ρ_A分别为Ta₂O₅和Al₂O₃薄膜的密度，C_T,C_A分别为Ta₂O₅和Al₂O₃在混合薄膜中的重量百分含量。据式(1)，当Al₂O₃与Ta₂O₅的重量比为1：9时，混合膜Ta_0.9Al_0.1O_2.4在波长550nm的折射率为2.05。

抗蓝激光破坏二向色镜4的直径为66mm，设置在基板1中央的二向色多层膜3镀膜直径为50mm，于是可知，散热膜2的面积与二向色多层膜3的面积之比约为3∶4，且散热膜2设置在二向色多层膜3的外围。

图3是本发明中二向色多层膜3的每层膜的厚度和折射率的对应关系图。二向色多层膜3总层数为83层，其中奇数层为低折射率的SiO₂膜，偶数层为高折射率的钽铝氧化物Ta_0.9Al_0.1O_2.4混合膜，所以高折射率的混合膜为41层，低折射率的SiO₂膜为42层；各层膜厚是经过商用薄膜设计软件TFCal优化的，优化后的二向色多层膜总厚度为7050nm；高折射率混合膜Ta_0.9Al_0.1O_2.4在波长550nm的折射率为2.05，低折射率SiO₂膜在波长550nm的折射率为1.46；二向色多层膜总层数较多、总厚度较大的主要原因就是因为高折射率膜的折射率较低所致。经优化的各膜层的厚度从基板一侧向外依次为(膜厚单位为nm)：112.17，88.46，137.75，75.04，112.32，102.85，126.25，77.79，109.12，86.12，159.49，68.39，193.29，73.3，103.86，74.22，165.62，68.94，107.6，105.42，119.15，73.36，108.26，64.27，103.24，109.13，97.22，67.35，153.1，94.09，107.75，66.78，97.35，59.15，204.25，29.01，88.66，74.35，98.75，119.58，123.26，67.12，92.97，50.49，33.76，28.23，88.37，65.57，102.6，66.6，97.7，60.75，79.34，30.24，40.0，46.51，90.16，63.31，99.79，64.61，95.0，53.32，57.6，27.62，60.61，52.95，91.35，63.79，99.6，63.95，89.57，39.9，33.52，37.82，86.0，61.77，96.98，67.61，91.76，97.04，96.46，73.68，43.92。

图4是图3所示的二向色多层膜3结构的s、p偏振光的透射率分光曲线，其中实线10是s偏振光的透射率分光曲线，虚线11是p偏振光的透射率分光曲线。从曲线可知，本实施例透射波长为440-480nm的蓝光，而反射波长为500-680nm的红绿光；在440-480nm范围内的s、p偏振光的平均透射率分别为：Ts＝99.4％，Tp＝99.5％；而500-680nm范围内的s、p偏振光的平均反射率分别为：Rs＝99.9％，Rp＝99.3％。可以看出，虽然二向色多层膜3的层数较多，但其光学特性依然优良。在实际设计时，根据二向色镜4的具体应用要求，本领域的技术人员可自行对其进行二向色多层膜3的设计。

图5是本发明的Ta_0.9Al_0.1O_2.4和SiO₂二向色多层膜与现有技术的Ta₂O₅和SiO₂二向色多层膜的升温、降温曲线比较。对于本实施例的高亮度激光投影机，二向色多层膜通光区直径约为20mm，二向色多层膜的镀膜直径为50mm，而基板1直径为66mm。实验以蓝激光光源开启计时，每隔5分钟读取通光区的温度，30分钟时关闭蓝激光光源冷却，直至60分时结束实验过程。

在图5中，现有技术的Ta₂O₅与SiO₂二向色多层膜的升温曲线12可以看出，经30分钟激光照射后在通光区的温度从室温23℃迅速上升到207℃；而从降温曲线12’可以看出，经30分钟冷却后，最低温度从207℃下降到64℃。相比本发明的Ta_0.9Al_0.1O_2.4和SiO₂二向色多层膜的升温曲线13，在同样的条件下，经30分钟激光照射后在通光区的温度从室温23℃上升到136℃；而从降温曲线13’可以看出，经30分钟冷却后，最低温度从136℃下降到35℃。显然，本发明的二向色镜4的降温效果是显著的，这主要归结为Ta_0.9Al_0.1O_2.4混合膜、散热膜2和基板1的贡献。

图6是本发明的二向色镜4抗蓝激光破坏测试装置的示意图，整个装置由激光模块14、扩束器15、匀束器16、孔径光阑17、衰减片18、聚焦透镜20和二向色镜样品21组成，样品常被装夹在三维样品台24上；如有需要，还可装上一片45°角的石英玻璃19，一方面可用功率计22监测激光功率，另一方面也可装上He-Ne激光器23，根据其反射光束的偏离大小判断二向色镜4的变形状态。该装置的激光输出为120W。

本发明的抗连续蓝激光破坏的二向色镜4，不仅可用于高亮度激光投影机，而且可用于抗连续蓝激光破坏的其他激光器件中。

Claims

1.一种混合激光光源，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的蓝激光模块、扩束透镜、抗蓝激光破坏的二向色镜、准直透镜和荧光盘以及蓝光LED；

所述的二向色多层膜由交替设置的低折射率层和高折射率层构成，所述的低折射率层为SiO₂膜，所述的高折射率层为钽铝氧化物混合膜；

所述的钽铝氧化物混合膜由Al₂O₃和Ta₂O₅混合制成，所述的Al₂O₃与Ta₂O₅的重量比为1：8～10；

所述的基板为蓝宝石基板；

所述的散热膜包括设置在所述基板上的金属银膜以及覆盖在所述金属银膜上的铜铝合金膜；

2.根据权利要求1所述的混合激光光源，其特征在于，所述的蓝宝石基板的厚度为1.5～3mm。

3.根据权利要求1所述的混合激光光源，其特征在于，所述的Al₂O₃与Ta₂O₅的重量比为1：9，所述的钽铝氧化物混合膜为Ta_xAl_yO_z膜，x＝0.9，y＝0.1，z＝2.4。

4.根据权利要求1所述的混合激光光源，其特征在于，所述的二向色多层膜为83层，从基板一侧向外第1层至第83层的厚度依次为：112.17，88.46，137.75，75.04，112.32，102.85，126.25，77.79，109.12，86.12，159.49，68.39，193.29，73.3，103.86，74.22，165.62，68.94，107.6，105.42，119.15，73.36，108.26，64.27，103.24，109.13，97.22，67.35，153.1，94.09，107.75，66.78，97.35，59.15，204.25，29.01，88.66，74.35，98.75，119.58，123.26，67.12，92.97，50.49，33.76，28.23，88.37，65.57，102.6，66.6，97.7，60.75，79.34，30.24，40.0，46.51，90.16，63.31，99.79，64.61，95.0，53.32，57.6，27.62，60.61，52.95，91.35，63.79，99.6，63.95，89.57，39.9，33.52，37.82，86.0，61.77，96.98，67.61，91.76，97.04，96.46，73.68，43.92，单位为nm，其中，奇数层为低折射率层，偶数层为高折射率层。

5.根据权利要求1所述的混合激光光源，其特征在于，所述散热膜的金属银膜的厚度为40～80nm，铜铝合金膜的厚度为10～30nm。

6.根据权利要求1所述的混合激光光源，其特征在于，所述的二向色多层膜与散热膜的面积之比为4∶2～4。

7.一种投影机，其特征在于，采用权利要求1～6任一项的混合激光光源。