CN105932546A - Rgb激光光源光功率输出自匹配系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对RGB激光光源输出光功率实时自动控制的技术。本技术方案包括镀了增透膜的光学玻璃平板、窄带R滤波片、窄带G滤波片、窄带B滤波片、汇聚透镜、光衰减片、匀光散射片、锥形光通管、光电探测器以及相应的反馈控制电路系统。保证了RGB激光光源输出光功率的高精度自匹配控制，进而提高了屏幕图像的显示质量，该设计结构简单、性能稳定，对RGB激光光源输出光功率进行高精度反馈控制，可应用于对光场稳定性要求较高的激光照明或激光显示技术领域。

Description

RGB 激光光源光功率输出自匹配系统

技术领域

本发明涉及光学器件，具体为一种RGB激光光源光功率输出自匹配系统，应用于激光显示、激光照明技术领域中对光源输出亮度、色温及均匀度稳定性要求较高的设备与仪器。

背景技术

激光具有亮度高、波长带宽小，光学扩展量小等特点，在显示颜色的丰富程度，设备输出亮度，系统效率等关键技术指标上都具有传统光源（灯泡）无法比拟的优点，随着可见光波段的半导体激光产业链的日渐丰富，激光必然代替传统光源占据市场的主导地位。

但是，激光显示和激光照明领域使用的RGB三色半导体激光器，在使用过程中会出现不同程度的衰减，另一方面由于灰尘、湿度、温度、镀膜工艺等其他因素的影响，光器件对不同波长的激光损耗程度会不同，这样会导致RGB光源配比失调，设备输出光的色温及亮度不稳定，从而影响画面质量或照明质量。

如何同时以较低成本较精确的方式实现RGB激光光源光功率输出的自匹配自校正功能，是激光显示及照明系统中存在的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本高精度的RGB激光光源光功率输出的自动调节技术，实现亮度和色温的稳定性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种RGB激光光源光功率输出自匹配系统，包括分光光路和反馈调节电路；

分光光路包括镀了增透膜系的光学玻璃平板，针对RGB三种激光波长的三种窄带滤波片，汇聚透镜，衰减片，散射片以及对光束进行整形的锥形光通管。具体如下：

所述分光光路包括镀有增透膜系的第一、二、三光学玻璃平板；所述第一光学玻璃平板的光路上依次设置窄带R滤波片、第一汇聚透镜、第一光衰减片、第一匀光散射片及第一锥形光通管；

所述第二光学玻璃平板的光路上依次设置窄带G滤波片、第二汇聚透镜、第二光衰减片、第二匀光散射片及第二锥形光通管；

所述第三光学玻璃平板的光路上依次设置窄带B滤波片、第三汇聚透镜、第三光衰减片、第三匀光散射片及第三锥形光通管；

所述反馈调节电路包括分别置于第一、二、三锥形光通管出射端的光电探测器，三个光电探测器实时将探测的光信号转化成模拟电信号并分别通过AD采样芯片输入系统控制芯片，所述系统控制芯片通过DA转换芯片输出RGB激光亮度调整信号。

工作时，主光路分出的平行光束，一部分经镀了增透膜系的第一光学玻璃平板反射，反射光经激光窄带R滤波片滤波后成为单色激光，单色激光经第一汇聚透镜汇聚后，照射在第一衰减片上对激光进行衰减，衰减后的光照射到第一散射片上对激光进行匀化，匀化后的光直接入射进入第一锥形光通管进行光束整形，进而得到第一种单色均匀的方形光场；另一部分经镀了增透膜系的第二光学玻璃平板透射，透射后的光一部分经下一级，镀了增透膜系的第二光学玻璃平板反射，反射光经窄带G滤波片滤波、第二汇聚透镜汇聚、第二衰减片衰减、第二散射片匀化以及第二锥形光管进行整形，进而得到第二种单色均匀的方形光场；另一部分经下一级镀了增透膜系的第二光学玻璃平板透射，透射后的光一部分经下一级，镀了增透膜系的第三光学玻璃平板反射，反射光经窄带B滤波片滤波、第三汇聚透镜汇聚、第三衰减片衰减、第三散射片匀化以及第三锥形光管进行整形，从而得到第三种单色均匀的方形光场；另一部分经下下一级，镀了增透膜系的第三光学玻璃平板透射，透射后的光能量为光场废光，故对废光进行了合理的散热设计，一方面通过特殊设计的散热赤片将热量导出，另一方面对导出的热量通过散热风扇排放到空气中，从而保证系统性能的稳定性。

反馈调节电路，关键元器件包括光电探测器、A/D采样芯片，系统主控芯片。

首先，三个光电探测器分别固定在三个光通管的出射端，由光电探测器分别探测出光通管出射的均匀光场的光强度，并通过反馈控制电路，将光信号转化成电信号。光电探测器在有光照的情况下，输出电压或电流信号，光强增加，输出电压或电流也随之增加，但是在该电路过程中并未直接测量光电探测器输出的电压或电流信号，而是将光电探测器作为随光照内阻会发生变化的器件使用，避免了当光照强度较低，光电探测器输出信号极弱，难以测量或者需要信号放大增加成本，同时光电探测器的内阻可以视为其开路电压和短路电流的比值，消弱了探测器本质为光敏二极管而固有的电压电流非线性的特性。

转化的模拟电信号经A/D采样芯片采样后获得数字信号，经过系统主控芯片对获得的数字信号进行数字滤波和算法调整，进而确定对RGB激光亮度调整的信号，从而对RGB三色半导体激光器进行调节光源输出的光功率。

在这个过程中要控制光照的光强度，使得光电探测器工作在其线性区，以便于对激光器进行线性调整，同时也避免了对光电探测器进行逐一标定，和非线性化处理。这样既可以提高测试精度又可以降低系统成本。

此外，AD采样芯片频率应控制在20HZ左右，对激光器的调整频率0.2S/次。因为激光器一般采用水冷或风冷，水冷具有较高的温度稳定度，风冷的环境温度变化幅度也较慢，在这种特性下，激光二极管功率调节后达到二次平衡所需要的时间在0.2S左右。过快的光功率调节反而会导致调节精度下降。

为了进一步增强调节精度和系统的稳定性，将目前RGB光功率和经过采样反馈计算得到的目标RGB光功率之间的差值分为5~10份，做阶梯性调节，每调节一个阶梯都要重新进行测试和计算，修正下一次的调整量。

本发明设计合理、结构简单，达到的有益效果如下：

1、单色性高：分光光路设计，通过滤波片对分光光束进行有效滤波，从而将RGB三色激光进行有效分离，进而有效阻止了不同光之间的相互干扰，使电路调节RGB激光光源输出光功率更有效精准。

2、均匀性好：平行光束经镀膜光学玻璃平板反射，通过滤波片滤波后，由汇聚透镜汇聚，进入衰减片对光束进行衰减，衰减后的光经大角度散射片匀化，匀化光进入锥形光通管进行进一步匀化整形，从而得到均匀分布的光场，这样有利于降低由于光场不均带来的探测器测量误差，从而有效提高了反馈调节的精度。

3、调节精度高：基于合理的光路设计，排除不同颜色光的相互干扰以及光场的不均匀性，进而提高测试结果的准确性，再经过合理的反馈电路设计，从而对RGB激光光源输出的光功率进行高精度的控制调节。

4、散热密封效果好：根据系统结构需求，设计了特殊形状的散热赤片，散热赤片的功能是收集多余废光，并将其转化成热量，防止反射光进入探测器，对测量结果造成影响，另外散热赤片对分光光路系统起到了良好的密封作用，进而保证了系统的稳定性，最后该散热结构散热效果好，整体外形美观。

5、本设计结构简单，造价低，易于加工及安装。

6、装置中各组成部分均可实现长时间连续工作，性能稳定，安全可靠。

本发明一方面通过对光束的合理分光，匀场整形以及剩余废光的有效处理，提高了探测器的探测准确度，进而提高了电路反馈调节的精度；另一方面通过选择高精度的探测器，性能稳定且精度高的A/D采样芯片，和高效的反馈控制电路设计，从而保证了RGB激光光源输出光功率的高精度自匹配控制，进而提高了屏幕图像的显示质量，该设计结构简单、性能稳定，对RGB激光光源输出光功率进行高精度反馈控制，可应用于对光场稳定性要求较高的激光照明或激光显示技术领域。

附图说明

图1表示分光光路设计示意图。

图2表示反馈控制电路示意图。

图3表示系统布局图。

图中，1-第一光学玻璃平板，2-第二光学玻璃平板，3-第三光学玻璃平板，4-窄带R滤波片，5-窄带G滤波片，6-窄带B滤波片，7-第一汇聚透镜，8-第二汇聚透镜，9-第三汇聚透镜，10-第一光衰减片，11-第二光衰减片，12-第三光衰减片，13-第一匀光散射片，14-第二匀光散射片，15-第三匀光散射片，16-第一锥形光通管，17-第二锥形光通管，18-第三锥形光通管，19-光电探测器，20-散热赤片，21-反馈控制电路板，22-AD采样芯片，23-系统控制芯片，24-DA转换芯片，25-RGB激光亮度调整信号，26-模拟电信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种RGB激光光源光功率输出自匹配系统，包括分光光路设计、反馈控制电路设计以及根据分光光路结构进行的散热赤片设计。

如图1所示，包括镀有增透膜系的第一、二、三光学玻璃平板1、2、3；所述第一光学玻璃平板1的光路上依次设置窄带R滤波片4、第一汇聚透镜7、第一光衰减片10、第一匀光散射片13及第一锥形光通管16。

所述第二光学玻璃平板2的光路上依次设置窄带G滤波片5、第二汇聚透镜8、第二光衰减片11、第二匀光散射片14及第二锥形光通管17；

所述第三光学玻璃平板3的光路上依次设置窄带B滤波片6、第三汇聚透镜9、第三光衰减片12、第三匀光散射片15及第三锥形光通管18。

第一、二、三衰减片用于调节光照强度，根据情况可选择不同衰减值的衰减片，或取消该衰减片。

分光光路中，透过第三光学玻璃平板3的废光照射至散热赤片20，所述散热赤片20的热量通过散热风扇排放至空气中。

所述反馈调节电路包括分别置于第一、二、三锥形光通管16、17、18出射端的光电探测器19，三个光电探测器19实时将探测的光信号转化成模拟电信号26并分别通过AD采样芯片22输入系统控制芯片23，所述系统控制芯片23通过DA转换芯片24输出RGB激光亮度调整信号25。

所述光电探测器19的输出端通过电阻外加反偏5V电压。

所述系统控制芯片23采用STM32芯片。

工作时，如图3所示，RGB平行光束入射在镀了增透膜系的第一光学玻璃平板1上，一部分光经镀膜的第一光学玻璃平板1反射，反射光经窄带R滤波片4滤波，滤波后的单色R光进入第一汇聚透镜7，经第一汇聚透镜汇聚后入射在第一光衰减片10上，衰减后的R光进入第一匀光散射片13进行光束散射匀化，匀化后的光束进入第一锥形光通管16对激光光束进行进一步匀化整形，从而得到一个均匀的方斑光束，出射的方斑光束照射在光电探测器19上，进行光电探测，将光信号转化成模拟电信号26，通过反馈控制电路板21对转化的模拟电信号进行采集，并将采集的模拟电信号转化成数字信号，stm32对获得的数字信号进行数字滤波和算法调整，进而确定对RGB激光亮度调整的信号309，从而调节光源输出的光功率，对光源进行实时控制；另一部分经镀膜的第一光学玻璃平板1透射，透射的RGB平行光束入射到镀膜的第二光学玻璃平板2，一部分经镀膜的第二光学玻璃平板2反射，经镀膜的第二光学玻璃平板2反射的光同上述方式一样，依次经过窄带G滤波片5、第二汇聚透镜8、第二衰减片11、第二匀光散射片14、第二锥形光通管17，整形成均匀的方斑后，入射在光电探测器19上，通过反馈控制电路板21对RGB激光光源进行实时采样反馈控制；另一部分经镀膜的第二光学玻璃平板2透射，透射的RGB平行光束同上入射到镀膜的第三光学玻璃平板3，入射的RGB平行光束一部分经镀膜的第三光学玻璃平板3反射，反射光的光路路径同上经过滤波、匀场、整形，另一部分经镀膜的第三光学玻璃平板3透射，透射光即为剩余废光，剩余废光进入设计的散热赤片，被散热赤片吸收并将吸收的光能转化成热能，同时将转化的热能导出，然后通过散热风扇排放进入空气中。

其中，窄带R滤波片4、窄带G滤波片5和窄带B滤波片6将RGB平行光分离成单色激光，如图1所示，这样能有效避免不同颜色光之间的相互干扰。光衰减片起到对光路中光强度的衰减作用，尽管采用镀了增透膜的光学玻璃平板做反射镜，其光强也超出了光电探测器的探测范围，故采用光衰减片，对光路中的光强进行合理衰减，使光电探测器工作在最敏感区，进一步提高反馈电路的控制精度。匀光散射片和锥形光通管起到对光场的匀化和整形作用，激光在匀化前是标准的高斯光谱，匀化后则是均匀的方斑光场，这样进一步提高光电探测器测量的准确度。散热赤片的合理设计有效防止了剩余废光进入分光光路系统，从而进一步提高系统的反馈控制精度，其次将光能转化成热能，并对其有效导出，高效散热，同时也对分光光路系统起到了良好的密封作用，使内外隔绝，有效防尘，进而保障了系统的洁净度，提高了产品的使用寿命。

反馈控制电路如图2，包括外加反偏5V电压、电阻、光电探测器、采样点、AD采样芯片、系统控制芯片Stm32。所述反馈调节电路集成于反馈控制电路板21上。

工作时，主光路系统引出的RGB平行光束，经分光、匀化、整形后分别进入光电探测器，光电探测器实时将探测的光信号转化成模拟电信号26，通过A/D采样芯片22，将模拟电信号转化成数字信号，经过Stm32控制芯片对采集的数字信号进行数字滤波以及算法调整，最终输出RGB激光亮度调整信号25，并将信号反馈给主光路，对RGB激光光源进行实时监测控制。

本发明利用镀了增透膜的光学玻璃平板将RGB激光光束分成四部分，其中三部分为RGB激光光源输出光功率自动反馈控制光路，另一部分为剩余废光，废光经设计的散热赤片转化、导出并最终排放在空气中；RGB激光光源输出光功率自动反馈控制光路，利用RGB窄带滤波片分别将激光分离成三种单色光，接着分别对分离的单色光进行匀化整形，整形后的激光光束分别照射在3个光电探测器上，对RGB三种激光光源输出的光功率同时进行实时监测，并反馈控制，以确保输出光场的稳定性。本设计合理的将平行的RGB激光光源分离成三种单色光，成功的避免了不同光之间的相互干扰；衰减片的合理选择使光电探测器能够工作在准线性区；散热赤片的合理设计，一方面避免了剩余废光对光电探测器测量结果造成影响，另一方面对光学系统进行了良好的散热以及密封作用；对反馈控制电路主要元器件如光电探测器和A/D转换器进行了筛选测试，选取高精度的元器件，从而保证反馈控制的高精度；该设计方案结构简单，性能稳定，可应用于对光源稳定性能要求较高的激光照明或显示技术领域。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例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修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (5)

1.一种RGB激光光源光功率输出自匹配系统，其特征在于：包括分光光路和反馈调节电路；

所述分光光路包括镀有增透膜系的第一、二、三光学玻璃平板（1、2、3）；所述第一光学玻璃平板（1）的光路上依次设置窄带R滤波片（4）、第一汇聚透镜（7）、第一匀光散射片（13）及第一锥形光通管（16）；

所述第二光学玻璃平板（2）的光路上依次设置窄带G滤波片（5）、第二汇聚透镜（8）、第二匀光散射片（14）及第二锥形光通管（17）；

所述第三光学玻璃平板（3）的光路上依次设置窄带B滤波片（6）、第三汇聚透镜（9）、第三匀光散射片（15）及第三锥形光通管（18）；

所述反馈调节电路包括分别置于第一、二、三锥形光通管（16、17、18）出射端的光电探测器（19），三个光电探测器（19）实时将探测的光信号转化成模拟电信号（26）并分别通过AD采样芯片（22）输入系统控制芯片（23），所述系统控制芯片（23）通过DA转换芯片（24）输出RGB激光亮度调整信号（25）。

2.根据权利要求1所述的RGB激光光源光功率输出自匹配系统，其特征在于：所述光电探测器（19）的输出端通过电阻外加反偏5V电压。

3.根据权利要求1或2所述的RGB激光光源光功率输出自匹配系统，其特征在于：所述第一匀光散射片（13）之前设置第一光衰减片（10）；所述第二匀光散射片（14）之前设置第二光衰减片（11）；所述第三匀光散射片（15）之前设置第三光衰减片（12）。

4.根据权利要求3所述的RGB激光光源光功率输出自匹配系统，其特征在于：分光光路中，透过第三光学玻璃平板（3）的废光照射至散热赤片（20），所述散热赤片（20）的热量通过散热风扇排放至空气中。

5.根据权利要求4所述的RGB激光光源光功率输出自匹配系统，其特征在于：所述反馈调节电路集成于反馈控制电路板（21）上。