CN107643645A - 一种rgb三色激光光源投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光显示技术领域，公开了一种RGB三色激光光源投影系统，解决现有技术中激光投影显示的散斑效应和不均匀性，以及三色激光的耦合过于复杂的问题。本发明包括：RGB阵列激光光源模组、X式耦合器、缩束镜组、匀化与消散斑装置、整形镜组、TIR棱镜、DLP调制器、投影镜头，通过对RGB阵列激光光源模组和X式耦合器的结构进行优化，缩小了RGB三色激光光源模组的体积，降低了成本；利用匀化与消散斑装置成功解决了RGB三色激光显示的匀场和散斑问题。本发明适用于投影仪等投影系统。

Description

一种RGB三色激光光源投影系统

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，特别涉及一种RGB三色激光光源投影系统。

背景技术

目前投影系统照明部分大多采用LED光源、蓝光激光激发荧光粉光源等，这些光源受发光物质的限制，发光光谱均为带状或连续光谱，导致光源的色彩饱和度偏低，不能很好的还原图像。此外，LED光源由于电光效率较低，不满足节能、高亮的投影需求，而蓝光激光激发荧光粉由于荧光粉长时间使用会出现衰减，投影画面色彩随时间变化较大。

随着半导体激光二极管技术的成熟，三色纯激光光源作为一种高亮度、高准直的新型光源，正被逐步应用到投影、照明等领域。三色纯激光显示技术以红、绿、蓝三基色为光源，充分利用激光波的可选择性和高光谱亮度特点，使显示图像具有更大的色域表现空间，以实现最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更震撼的表现力。激光显示色域覆盖率可达90％，具有完美的色彩还原度。

在实际应用的激光光源中，由于激光具有高相干性，包括空间相干和时间相干，会导致激光投影显示的散斑效应和不均匀性，特别是人眼对绿光敏感，因此对激光光源的效散斑及匀化处理显得尤为重要，此外现有技术对三色激光的耦合过于复杂，散热多为液冷系统，不能与后续的匀化/消散斑装置进行有效耦合，无法试验光机的小型化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种RGB三色激光光源投影系统，解决现有技术中激光投影显示的散斑效应和不均匀性，以及三色激光的耦合过于复杂的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种RGB三色激光光源投影系统，包括：RGB阵列激光光源模组、X式耦合器、缩束镜组、匀化与消散斑装置、整形镜组、TIR棱镜、DLP调制器、投影镜头；

所述RGB阵列激光光源模组用于提供最初的三色激光，三色激光分别由X式耦合器的左侧、右侧、正后方进入X式耦合器，各色光源中心处于同一高度，三色激光经X式耦合器后耦合成单路光场；所述的缩束镜组紧贴于X式耦合器后面，压缩光束口径；所述匀化与消散斑装置对压缩后的光场进行匀化、消散斑处理并在其光棒出口处产生均匀的方形光场；所述的整形镜组将光棒出口的方形光场按一定倍率放大照射到DLP调制器中的数字微镜片DMD，整形后的光线先经过TIR棱镜的下半部分的斜面发生全反射后照射至DLP调制器的数字微镜片DMD，光线在数字微镜片反射后，经TIR棱镜、投影镜头投射至荧屏上。

进一步的，所述RGB阵列激光光源模组具体包含红色激光二极管阵列、绿光激光二极管阵列、蓝光激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片、准直透镜阵列；各色激光二极管阵列均匀排列安装在导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片，准直透镜阵列置于各色激光二极管阵列前端，准直透镜阵列的排列布局与激光二极管阵列的排列布局一致，形成一一对应，激光二极管阵列可采用间距平行布局或者杨氏倒三角布局。

进一步的，所述准直透镜阵列的透镜面型采用双曲非球面，可有效减小光源模组尺寸，将激光发射的高斯分布场转换为平顶分布场，起到初步匀化的效果，双曲非球面透镜方程为：

其中，c_x、c_y、k_x、k_y分别为非球面透镜在X、Y方向的曲率和圆锥系数。

进一步的，所述RGB阵列激光光源模组采用高频分时驱动，驱动调整频率为120Hz，调制时序采用RBGR_共G_共实现RGBY的驱动方案，可充分发挥绿光激光光源的使用率，提高系统光通亮。

进一步的，所述X式耦合器为XPlate耦合器，由一长两短的平板胶合成“X”形状，平板各面的膜系只有长波通分光膜和短波通分光膜两种，各面的膜系只有长波通分光膜和短波通分光膜两种，由此制作的XPlate耦合器膜系简单，成本低廉，易于装配。

进一步的，所述匀化与消散斑装置具体包含静态扩散片、相位调节器、耦合聚光透镜、高速全向扩散轮、光棒、光机结构件、驱动电路；整个匀化与消散斑装置可封装集成一个独立模块，减小系统尺寸。

进一步的，静态扩散片、高速全向扩散轮的扩散半角HWHM控制在1.5°-2.5°之间，扩散角太小，匀化和消散斑效果不足，扩散角太大，不利于后端的耦合，会造成光效的下降。

进一步的，所述耦合聚光透镜采用非球面透镜，非球面的方程为：

其中，R为球面顶点处的曲率半径(从左向右为正),K、Rn为非球面系数，ρ为归一化径向坐标。

进一步的，所述相位调节器包含平板玻璃、驱动器，驱动元件为压电陶瓷，在驱动电路控制下按设定的随机频率驱动平板玻璃左右倾摆，从而使穿过的各个位置的激光光场产生随机相位变化。

进一步的，所述高速全向扩散轮包含全向扩散片、马达、驱动器，马达频率180Hz-300HZ。

进一步的，所述光棒采用低成本的空心光棒。

进一步的，所述整形镜组采用双远心光路，分为前群和后群，前群和后群均包含两个球面透镜，前群两个镜片的间距大于20mm，前群和后群间距大于35mm，有利于具体实施中进行光路折叠，缩小了系统整体尺寸；整形镜组的孔径光阑放置在两群之间偏向前群，有利于像差校正，放大倍率可根据DLP调制器中DMD有效面积和光棒出口大小进行调整设定。一般将经孔径光阑放大后的方形光场面积略大于调制器的DMD有效工作区。

进一步的，经孔径光阑放大后的方形光场面积略大于调制器的DMD有效工作区，可保证DMD全工作区照度的均匀性。

进一步的，TIR棱镜由上、下两个三角棱镜构成，棱镜材料可选择H-K9l或S-lam60等普通的光学材料，下棱镜斜角控制在27°-35°之间，实现DMD照明场和投射场的全耦合。

本发明的有益效果是：本发明不仅提高了光源亮度及效率，通过对RGB阵列激光光源模组和X式耦合器的结构进行优化，缩小了RGB三色激光光源模组的体积，降低了成本；利用匀化与消散斑装置成功解决了RGB三色激光显示的匀场和散斑问题，真正发挥了RGB三色纯激光投影的广色域、长寿命、环保节能特性，而本发明中的模块化设计使其更加具备产业化可能性。

附图说明

图1为本发明所述一种高效三色纯激光投影系统的结构示意图；

图2为本发明所述激光二极管阵列杨氏倒三角布局的示意图；

图3为本发明所述RGB三色激光光源模组驱动时序示意图；

图4为本发明所述Xplate耦合器中RGB三色激光的耦合示意图；

图5为本发明所述匀化与消散斑装置的组成与结构示意图。

图中编号：101为RGB阵列激光光源模组，102为XPlate耦合器，103为缩束镜组、104为匀化与消散斑装置、105为整形镜组、106为TIR棱镜、107为DLP调制器、108为投影镜头，501为静态扩散片、502为相位调节器、503为耦合聚光透镜、504为高速全向扩散轮、505为散光挡板、506为光棒、507为光机结构件、508为驱动电路，R为激光光源模组中红光激光光源部分，B为激光光源模组中蓝光激光光源部分，G为激光光源模组中绿光激光光源部分,θ为LD(激光)方向槽口方向,L1为长平板，S1、S2为分别为两个短平板，A、B分别为长平板的两侧的面，C、D分别为短平板两侧的面,RL、GL、BL分别为红、绿、蓝光。

具体实施方式

实施例意在于提供一种高效、紧凑布局、节能三色纯光源及DLP激光投影系统，如图1所示，包括：RGB阵列激光光源模组101、XPlate耦合器102、缩束镜组103、匀化与消散斑装置104、整形镜组105、TIR棱镜106、DLP调制器107、投影镜头108。所述RGB阵列激光光源模组101中红光激光光源部分R产生的红光激光由XPlate耦合器102的左侧进入，蓝光激光光源部分B产生的蓝光激光由XPlate耦合器102的右侧进入，绿光激光光源部分G产生的绿光激光由XPlate耦合器102的正后方进入，各色激光的光源中心处于同一高度，三色纯激光经Xplate102后耦合成单路光场；所述的缩束镜组103紧贴于Xplate耦合器102后面，压缩光束口径，便于后续的匀化、消散斑及整形；所述的匀化与消散斑装置104为集静态、动态扩散轮、相位调节器、聚光透镜、光棒为一体的装置，对压缩后的光场进行匀化、消散斑处理并在光棒出口处产生高均匀性的方形光场；所述的整形镜组105将光棒出口的方形光场按一定倍率放大照射到DLP调制器107中的微镜DMD，整形后的光线先经过TIR棱镜106的下半部分的斜面发生全反射后才照射至DLP调制器107的微镜DMD，放大后的照明光场应略大于DMD的有效工作区，才可保证DMD全工作区照度的均匀性；所述的DLP调制器107包含微镜DMD及驱动器，DMD微镜所处位置可以等效为一个物面，调制器107的微镜DMD对光线进行调制，调制后的光线经微镜DMD经TIR棱镜106、投影镜头108投射至荧屏上，荧屏可以是白墙、软幕布或者硬屏。

本案例所采用的所述RGB阵列激光光源模组101具体包含红色激光二极管阵列、绿光激光二极管阵列、蓝光激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片、准直透镜阵列；各色激光二极管阵列、绿光激光二极管阵列、蓝光激光二极管阵列安装在各自的导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片，在外置风扇作用下带走热量，准直透镜阵列置于各色激光二极管阵列前端，排列布局上与激光二极管阵列一致，形成一一对应，如示意图1中各，色激光二极管数量均为16颗，成4X4均匀排列布局，LD均为TO9的封装规格。经阵列透镜准直后出射的照明光场为方形场，在集成靶条出口位的最大面积为35mmX35mm，也可采用“杨氏”倒三角布局，如图2所示，增加激光二极管数量，提高单位能量密度，提高独立光源数量，降低系统的散斑对比度。

准直透镜阵列和激光二极管阵列耦合集成靶条，准直透镜阵列的透镜面型采用双曲非球面，可有效减小光源模组尺寸，将激光发射的高斯分布场转换为平顶分布场，起到初步匀化的效果，双曲非球面透镜方程为：

其中，c_x、c_y、k_x、k_y分别为非球面透镜在X、Y方向的曲率和圆锥系数。

本案例中光阀若采用单DLP，RGB阵列激光光源采用高频分时驱动方式，驱动时序采用RBGR_共G_共的方案，可有效提高光源利用率，提高系统光通亮，分时驱动时序示意图如图3所示

所述X式耦合器为XPlate耦合器，由一长平板L1与两短平板S1、S2胶合成“X”形状，平板各面的膜系只有长波通分光膜和短波通分光膜两种，各面的膜系只有长波通分光膜和短波通分光膜两种，由此制作的XPlate耦合器膜系简单，成本低廉，易于装配。图4显示了Xplate耦合器耦合RGB三色纯激光的光线走向，从示意图可知，左侧部分红光RL经L1的B面反射后与绿光GL平行输出，部分红光RL经穿过S1的C/D面后再经L1的B面反射后与绿光GL平行输出，右侧部分蓝光BL经S2的D面反射后与绿光BL平行输出，部分蓝光BL经穿过L1的A/B面后再经S2的D面反射后与绿光GL平行输出，L1的A/B均镀制反红透蓝绿的短波通分光膜，S1、S2的C/D面均镀制反蓝透绿红的长波通分光膜，短波通分光膜的膜系为波长600nm以下高透过，波长600nm以上高反射，长波通的膜系为波长470nm以下高反射，波长470nm以上高透过，耦合的有效口径截面应覆盖各色激光光源模组出射光场，本案例中有效截面可设置为40mmX40mm。

如图1显示，缩束镜组应紧贴于Xplate耦合器的后面，有效通光口径应覆盖各色激光光源模组出射光场，缩束镜组采用伽利略望远系统的架构，可有效缩短系统长度，缩束镜组的倍率控制在0.3-0.5。光源口径的压缩，有利后端光学元件尺寸的减小，降低成本，提高光源耦合效率。

如图5显示，匀化与消散斑装置包含静态扩散片501、相位调节器502、耦合聚光透镜503、高速全向扩散轮504、散光挡板505、光棒506、光机结构件507、驱动电路508，静态扩散片501对激光光场初步匀化，相当于增加激光独立光源的个数，降低激光的空间相干性；相位调节器502和高速全向扩散轮503配合可有效消除激光的时间相干特性，其中相位调节器502调制频率范围可在30Hz-3000Hz可调，高速全向扩散轮503转动频率为180Hz-300Hz；静态扩散片501、高速全向扩散轮504的扩散半角HWHM控制在1.5°-2.5°之间，扩散角太小，匀化和消散斑效果不足，扩散角太大，不利于后端的耦合，会造成光效的下降；耦合聚光透镜503用于将扩散的光场耦合进光棒进行光场匀化，该透镜采用非球面透镜，利于减小空间尺寸，提高耦合效率；光棒506采用低成本的空心光棒，光棒长度大于50mm。耦合聚光透镜503采用非球面透镜，非球面的方程为：

其中，R球面顶点处的曲率半径(从左向右为正),K、Rn为非球面系数，ρ为归一化径向坐标。

整形镜组105采用双远心光路，放大倍率控制在1.8-2.5之间，镜组分为前群和后群，各群包含两个球面透镜，有利于降低成本，孔径光阑放置在两群之间，偏向前群，有利于控制系统的像差；前群两个镜片的间距大于20mm，前群和后群之间的间距大于35mm，分别在前期第一透镜后和两群之间加入折叠反射镜，可有效地减少系统的长度。

TIR棱镜106作用是改变光路方向，整形后的光线先经过TIR棱镜106的下半部分的斜面发生全反射后才照射至DLP调制器107的数字微镜片DMD，再由数字微镜片DMD反射，将携带有画面信息的光传递到投影镜头108上。

DLP调制器107包含数字微镜片DMD和驱动板，数字微镜片DMD用于显示数字图像，照明光场从底部向上入射，当数字微镜DMD转动﹢17°为开状态，转换后的光场垂直于微镜片DMD所在平面投射出去，被投影镜头所接收；当数字微镜DMD转动﹢17°后在沿投影光轴旋转90°时为闭状态，产生的OFF光从微镜片DMD斜45°方向射出，不被投影镜头接收。

投影镜头108是将数字微镜DMD显示的画面成像到接收屏幕，投影镜头F数应小于等于数字微镜DMD匹配，如本案例中采用的投影镜头F数为2.4；投影镜头的投射比可根据实际投射环境需要进行选择，如家用环境下可用超短焦的投影镜头；另外所述的接收屏幕可以为硬屏、软屏或者白墙。

以上描述了本发明的基本原理和主要的特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (16)

1.一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，包括：RGB阵列激光光源模组(101)、X式耦合器(102)、缩束镜组(103)、匀化与消散斑装置(104)、整形镜组(105)、TIR棱镜(106)、DLP调制器(107)、投影镜头(108)；

所述RGB阵列激光光源模组(101)用于提供最初的三色激光，三色激光分别由X式耦合器(102)的左侧、右侧、正后方进入X式耦合器(102)，各色光源中心处于同一高度，三色激光经X式耦合器(102)后耦合成单路光场；所述的缩束镜组(103)紧贴于X式耦合器(102)后面，压缩光束口径；所述匀化与消散斑装置(104)对压缩后的光场进行匀化、消散斑处理并在其光棒出口处产生均匀的方形光场；所述的整形镜组(105)将光棒出口的方形光场按一定倍率放大照射到DLP调制器(107)中的数字微镜片，整形后的光线先经过TIR棱镜(106)的下半部分的斜面发生全反射后照射至DLP调制器(107)的数字微镜片，光线在数字微镜片反射后，经TIR棱镜(106)、投影镜头(108)投射至荧屏上。

2.如权利要求1所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述RGB阵列激光光源模组(101)具体包含红色激光二极管阵列、绿光激光二极管阵列、蓝光激光二极管阵列、导热铜板、导热管、散热片、准直透镜阵列；各色激光二极管阵列均匀排列安装在导热铜板上，导热铜板内插导热管，导热管内含冷媒，导热管另一端接散热片，准直透镜阵列置于各色激光二极管阵列前端，准直透镜阵列的排列布局与激光二极管阵列的排列布局一致，形成一一对应，激光二极管阵列采用间距平行布局或者杨氏倒三角布局。

3.如权利要求2所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述准直透镜阵列的透镜面型采用双曲非球面，用于将激光发射的高斯分布场转换为平顶分布场，双曲非球面透镜方程为：

<mrow> <mi>z</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>c</mi> <mi>x</mi> </msub> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>y</mi> </msub> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <msup> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>x</mi> </msub> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <msup> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>y</mi> </msub> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </msqrt> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，c_x、c_y、k_x、k_y分别为非球面透镜在X、Y方向的曲率和圆锥系数。

4.如权利要求2所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述RGB阵列激光光源模组(101)采用高频分时驱动，驱动调整频率为120Hz，调制时序采用RBGR_共G_共实现RGBY的驱动方案。

5.如权利要求1所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述X式耦合器(102)，由一长两短的平板胶合成“X”形状，平板各面的膜系只有长波通分光膜和短波通分光膜两种。

6.如权利要求1所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述缩束镜组(103)采用伽利略望远系统的架构，缩束镜组的倍率控制在0.3-0.5。

7.如权利要求1所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述匀化与消散斑装置(103)具体包含静态扩散片(501)、相位调节器(502)、耦合聚光透镜(503)、高速全向扩散轮(504)、光棒(506)、光机结构件(507)、驱动电路(508)；整个匀化与消散斑装置(103)封装集成一个独立模块。

8.如权利要求7所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述静态扩散片(501)、高速全向扩散轮(504)的扩散半角控制在1.5°-2.5°之间。

9.如权利要求7所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述耦合聚光透镜(503)采用非球面透镜，非球面的方程为：

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其中，R为球面顶点处的曲率半径(从左向右为正),K、Rn为非球面系数，ρ为归一化径向坐标。

10.如权利要求7所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述相位调节器(502)包含平板玻璃、驱动器，驱动元件为压电陶瓷，在驱动电路控制下按设定的随机频率驱动平板玻璃左右倾摆，从而使穿过的各个位置的激光光场产生随机相位变化。

11.如权利要求7所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述高速全向扩散轮(504)包含全向扩散片、马达、驱动器，马达频率180Hz-300HZ。

12.如权利要求7所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述光棒(506)采用空心光棒。

13.如权利要求1所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述整形镜组(105)采用双远心光路，分为前群和后群；所述整形镜组(105)的孔径光阑放置在两群之间且偏向前群，孔径光阑的放大倍率根据DLP调制器(107)中数字微镜片有效面积和光棒出口大小进行调整设定。

14.如权利要求13所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述前群和后群包含两个球面透镜，前群两个镜片的间距大于20mm，前群和后群之间的间距大于35mm，分别在前群的第一透镜后以及两群之间加入折叠反射镜。

15.如权利要求13所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，经孔径光阑放大后的方形光场面积略大于调制器(107)的数字微镜片有效工作区。

16.如权利要求1所述的一种RGB三色激光光源投影系统，其特征在于，所述TIR棱镜(106)由上、下两个三角棱镜构成，下棱镜斜角控制在27°-35°之间。