CN110673430A - 一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，包括蓝光激光光源Ⅰ1，反绿透蓝合束镜2，绿光激光光源3，蓝光激发光源5，反红透蓝绿合束镜6，荧光单元7，红光激光光源9；所述蓝光激光光源Ⅰ1发出的光束依次经过反绿透蓝合束镜2、匀光片Ⅰ4a、反红透蓝绿合束镜6、红光陷波滤波片10及透镜组Ⅱ11入射至导光管12；所述绿光激光光源3发出的光束依次经过反绿透蓝合束镜（2）、匀光片Ⅰ4a、反红透蓝绿合束镜6、红光陷波滤波片10及透镜组Ⅱ11入射至导光管12。该RGB激光光源的耦合集成系统实现了多光源高效率超小体积的耦合方式，可以满足大色域Rec.2020的要求，同时性价比高，工作温度适应范围广。

Description

一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统
技术领域
本发明涉及激光投影领域，具体为一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，应用于照明、显示、舞台灯光等方面。
背景技术
投影机作为显示行业中最主要的设备之一，自诞生以来即被广泛应用于教育、商业、工程、监控、模拟训练及影院放映等各个行业。但目前全球市场范围内，投影仪中所广泛使用的氙灯，高压汞灯等灯泡寿命短、颜色差、亮度受限、使用成本高、不环保等，已经很难跟上时代的步伐，无法满足24小时/每日，每周7天的持续性工作的需求，诸如控制与监控室，大型建筑物亮化实景等新的行业应用需求。红绿蓝（RGB）激光投影显示技术，可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力，又具有高亮度、超长寿命、使用成本低和绿色环保等特性，被誉为显示行业的终极显示技术。
投影显示的高清晰度、广色域是行业对高质量画质的追求，清晰度从1080p升级到2k，现在进一步升级至4k，色域从Rec.709扩展到DCI-P3。在4k的高清显示下，又应运而生了Rec.2020色域，这是业界对显示画面极致色彩完美表现力的新要求。
但是目前国内外市场上能够商用化（价格低、寿命长、工作温度适应范围广）的绿色半导体激光二极管的波长仅有520nm和525nm，这两种激光波长均不能涵盖色域Rec.2020见附图3所示，要想涵盖Rec.2020必须使用532nm的激光器，目前只有固态激光器可以产生532nm的绿色激光，但是该激光的价格超高，发光稳定性受工作温度影响剧烈，难以在投影行业商业化应用。
发明内容
现有的半导体RGB激光二极管集成光源不满足色域Rec.2020的需求，为了弥补现有的半导体RGB激光二极管耦合集成在色域上的这一缺陷，本发明设计使用红光陷波滤波片的新颖光学光路，耦合集成半导体RGB激光二极管和激光荧光单元，提出了通过陷波合束实现具有大色域的激光密堆积集成光源系统，可有效解决现有由半导体RGB激光二极管耦合集成光源不满足色域Rec.2020的技术问题。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，包括蓝光激光光源Ⅰ，反绿透蓝合束镜，绿光激光光源，蓝光激发光源，反红透蓝绿合束镜，荧光单元，红光激光光源等。
所述蓝光激光光源Ⅰ发出的光束依次经过反绿透蓝合束镜、匀光片Ⅰ、反红透蓝绿合束镜、红光陷波滤波片及透镜组Ⅱ入射至导光管。
所述绿光激光光源发出的光束依次经过反绿透蓝合束镜、匀光片Ⅰ、反红透蓝绿合束镜、红光陷波滤波片及透镜组Ⅱ入射至导光管。
所述蓝光激发光源发出的光束依次经过匀光片Ⅱ、反红透蓝绿合束镜、透镜组Ⅰ入射至荧光单元。
所述荧光单元发出的光束依次经过透镜组Ⅰ、反红透蓝绿合束镜、红光陷波滤波片及透镜组Ⅱ入射导光管。
所述红光激光光源发出的光束依次经过匀光片Ⅲ、红光陷波滤波片及透镜组Ⅱ入射导光管。
以绿色为例：REC2020要求的色域绿色顶点坐标要求为（0.17，0.797），而目前绿色半导体激光器的色坐标为（0.114，0.826），采用该半导体无法满足REC2020对色域的要求，需要更换光源或者掺入部分其它色坐标的绿光。这两种色坐标的光源混合后形成新的色坐标可以达到REC2020的要求，如图5所示。具体计算方法如下：任何一种颜色的光，不论其光谱功率分布如何，都可以由红、绿、蓝三种颜色的光按一定的比例混合，给出视觉感觉上与之相同的颜色光，这就是人眼能产生各种颜色的视觉基础。根据光源色度学配光基本原理，已知配光光源色坐标G1(x1、y1)、G2(x2、y2)和配光后的光源色坐标G(x、y)，可以通过以下公式计算出两部分光源的刺激值A和B：
A*x1+B*x2=x
A*y1+B*y2=y
依据刺激值和视见函数进一步计算出配比能量E1和E2，具体如下：
E1=A*y1/V(G1)
E2=B*y2/V(G2)
配光光源G1的比例为：E1/(E1+E2)，配光光源G2的比例为：E2/(E1+E2)。
本发明提出的陷波合束集成方案，实现多光色光源的耦合集成，形成具有大色域的激光光源集成系统。通过提供新颖的光学光路以及光学元器件的设计方案，通过波长合束以及陷波合束的方法，以密堆积的方式对半导体RGB激光二极管和激光荧光单元耦合集成，可有效满足色域Rec.2020的要求。
与现有技术相比，本发明优点如下：
1、现有技术制作的激光光源，一种是采用红绿蓝半导体激光二极管制作的激光光源满足不了大色域Rec.2020的要求，通过本发明方案，可以使激光光源的色域满足大色域Rec.2020的要求。
2、第二种是采用固态激光器，这种实现方式虽然也可以满足大色域Rec.2020的要求，但价格成本超高、体积较大，同时激光光源稳定工作需要的环境温度等条件苛刻，难以在投影行业商业化应用，阻碍了激光显示技术的推广使用。通过本发明的实施，可以生产出体积小，能效高，工作环境要求宽松、且能满足大色域Rec.2020的要求，同时又性价比高的大色域激光光源，完全满足批量化、商用化的需求。
本发明设计合理，该RGB激光光源的耦合集成系统实现了多光源高效率超小体积的耦合方式，可以满足大色域Rec.2020的要求，同时性价比高，工作温度适应范围广，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1表示本发明激光光源系统示意图。
图2表示本发明激光光源系统利用的有效荧光光谱图。
图3表示不同色域下的色域曲线图。
图4表示陷波滤波片光谱曲线图。
图5表示两种色坐标的光源混合后形成新的色坐标达到REC2020要求示意图。
图中：1-蓝光激光光源Ⅰ，2-反绿透蓝合束镜，3-绿光激光光源，4a-匀光片Ⅰ，4b-匀光片Ⅱ，4c-匀光片Ⅲ，5-蓝光激发光源，6-反红透蓝绿合束镜，7-荧光单元，8-透镜组Ⅰ，9-红光激光光源，10-红光陷波滤波片，11-透镜组Ⅱ，12-导光管。
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。
一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，包括蓝光激光光源Ⅰ1，反绿透蓝合束镜2，绿光激光光源3，蓝光激发光源5，反红透蓝绿合束镜6，荧光单元7，红光激光光源9等。
蓝光激光光源Ⅰ1发出的光束依次经过反绿透蓝合束镜2、匀光片Ⅰ4a、反红透蓝绿合束镜6、红光陷波滤波片10及透镜组Ⅱ11入射至导光管12；绿光激光光源3发出的光束依次经过反绿透蓝合束镜2、匀光片Ⅰ4a、反红透蓝绿合束镜6、红光陷波滤波片10及透镜组Ⅱ11入射至导光管12。则蓝光激光光源Ⅰ1和绿光激光光源3通过反绿透蓝合束镜2进行合束。蓝光激光光源Ⅰ1和绿光激光光源3合束后透过匀光片Ⅰ4a，通过反红透蓝绿合束镜6，经过陷波滤波片10，最后穿过透镜组Ⅱ11耦合进入导光管12。
蓝光激发光源5发出的光束依次经过匀光片Ⅱ4b、反红透蓝绿合束镜6、透镜组Ⅰ8入射至荧光单元7。则蓝光激发光源5透过匀光片Ⅱ4b，通过反红透蓝绿合束镜6，经过透镜组Ⅰ8入射至荧光单元7的荧光材料上，荧光材料可以是荧光陶瓷、荧光晶体或者荧光粉。荧光材料可以以20Hz到120Hz转动的荧光轮植入到光路中或者以不需要转动的荧光晶体或荧光陶瓷植入到光路中。
荧光单元7发出的光束依次经过透镜组Ⅰ8、反红透蓝绿合束镜6、红光陷波滤波片10及透镜组Ⅱ11入射导光管12。则荧光材料在蓝光激发光源5照射下产生的＞532nm的色光经过透镜组Ⅰ8收集后进入反红透蓝绿合束镜6与蓝光激光光源1和绿光激光光源3进行光源波长合束。
红光激光光源9发出的光束依次经过匀光片Ⅲ4c、红光陷波滤波片10及透镜组Ⅱ11入射导光管12。则红光激光光源9透过匀光片Ⅲ4c，经过红光陷波滤波片10与蓝光激光光源Ⅰ1、绿光激光光源3和荧光材料产生的荧光激发光源进行多波长光源合束；经过红光陷波滤波片10合成的激光光源通过透镜组Ⅱ11收集耦合进入导光管12。
为使半导体激光二极管可以满足色域Rec.2020的需求，本发明实施例提出新颖的耦合集成方案，通过陷波合束集成RGB半导体激光二极管，激光荧光单元（＞532nm）见附图2所示，图中曲线光谱图形为荧光粉激发光谱，其中阴影部分为通过陷波合束集成的大色域激光光源系统所利用的有效光谱，可以实现达到Rec.2020大色域的要求，同时性价比高，工作温度适应范围广，完全满足批量化，商用化的需求。
具体实施是，红光陷波滤波片其具有图4所示的光学特性，具体为620nm~660nm波段的光源波长反射，光波长在400nm~620nm和660nm~700nm的两段光源波长透射。
经合束镜透射或反射的光束均以45°角入射。半导体RGB激光二极管光源波长分别为448nm、455nm、465nm，520nm、525nm、638nm，639nm、640nm、642nm。激光荧光单元可由蓝色激光二极管和适应于蓝光二极管的波长相适配的荧光材料构建，激发发光＞532nm的色光。通过使用新颖如图1所示的光学光路实施多波长耦合，完成密堆积集成，可实现达到Rec.2020大色域的激光集成光源，从而实现大色域、高亮度、小体积、性能稳定的激光光源系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，其特征在于：包括蓝光激光光源Ⅰ（1），反绿透蓝合束镜（2），绿光激光光源（3），蓝光激发光源（5），反红透蓝绿合束镜（6），荧光单元（7），红光激光光源（9）；
所述蓝光激光光源Ⅰ（1）发出的光束依次经过反绿透蓝合束镜（2）、匀光片Ⅰ（4a）、反红透蓝绿合束镜（6）、红光陷波滤波片（10）及透镜组Ⅱ（11）入射至导光管（12）；
所述绿光激光光源（3）发出的光束依次经过反绿透蓝合束镜（2）、匀光片Ⅰ（4a）、反红透蓝绿合束镜（6）、红光陷波滤波片（10）及透镜组Ⅱ（11）入射至导光管（12）；
所述蓝光激发光源（5）发出的光束依次经过匀光片Ⅱ（4b）、反红透蓝绿合束镜（6）、透镜组Ⅰ（8）入射至荧光单元（7）；
所述荧光单元（7）发出的光束依次经过透镜组Ⅰ（8）、反红透蓝绿合束镜（6）、红光陷波滤波片（10）及透镜组Ⅱ（11）入射导光管（12）；
所述红光激光光源（9）发出的光束依次经过匀光片Ⅲ（4c）、红光陷波滤波片（10）及透镜组Ⅱ（11）入射导光管（12）。
2.根据权利要求1所述的一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，其特征在于：所述荧光单元（7）上的荧光材料为荧光陶瓷、荧光晶体或者荧光粉。
3.根据权利要求2所述的一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，其特征在于：所述荧光材料在蓝光激发光源（5）照射下产生＞532nm的色光。
4.根据权利要求1所述的一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，其特征在于：经合束镜透射或反射的光束均以45°角入射。
5.根据权利要求1所述的一种通过陷波合束集成的大色域激光光源系统，其特征在于：所述红光陷波滤波片（10）的光学特性为，620nm~660nm波段的光源波长反射，光波长在400nm~620nm和660nm~700nm的两段光源波长透射。
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