CN112578619A - 一种低散斑高均匀性激光光源光路结构 - Google Patents

一种低散斑高均匀性激光光源光路结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低散斑高均匀性激光光源光路结构，包括红绿蓝半导体激光光源组件、激光荧光组件以及合光组件。其中蓝色半导体激光光源激发荧光材料产生荧光光源，与经过一次匀化的激光光源通过合光组件结合后，进入二次匀化系统对激光光源进行二次匀化，从而获得均匀性很高的无可视散斑激光光源，同时该光源具有颜色丰富，色域空间满足DCI标准；能效利用率高，激光荧光光源为了满足DCI色域空间，在显示领域需要滤除多余部分波长的荧光光源，从而使光源的能效利用率降低，本发明中利用激光光源的高饱和性、大色域的特性，可以使激光荧光光源充分利用，从而提高了激光荧光光源的能效利用率。

Description

一种低散斑高均匀性激光光源光路结构
技术领域
本发明属于激光显示、激光照明领域，具体为一种低散斑高均匀性激光光源光路结构，可用于投影显示、城市亮化以及特种照明等对亮度、显示色彩要求较高的应用环境。
背景技术
投影机常用的光源可分为三种：传统光源、LED光源和激光光源。传统光源是发展时间最长的一种光源，技术上与其他光源相比更加成熟，最大的缺点就是寿命短，正常使用情况下的寿命一般集中在4000~6000小时左右，与其他光源相比相差很多，而且在使用过程中有可能出现炸灯的现象。
LED光源最大的弊端是亮度不高，亮度问题始终很难突破。这是因为LED光源的技术瓶颈比较明显，绿色LED的发光频率较低，散热问题比较突出，加上成本昂贵，如果想要实现和普通灯泡光源一样的亮度，LED光源的产品体积需要更大，并且成本很高。
激光光源具有波长可选择性大和光谱亮度高等特点，可以合成人眼所见自然界颜色90%以上的色域覆盖率，实现完美的色彩还原。同时，激光光源具有超高的亮度和较长的使用寿命，大大降低了后期的维护成本。
激光因其独特的高亮度、高相干和单色性好等特性而被广泛应用，比如激光显示和天文光谱仪定标等领域。这些应用领域对激光的能量分布均匀性都有较高的要求。
激光在系统中传输时，由于相干性好，容易产生空间强度起伏的散斑结构，造成能量分布不均匀，严重影响了激光的使用范围。比如在激光显示领域，这种能量的不均匀会造成显示图像分辨率和对比度下降，同时对观看者造成眼部不适。
激光具有高相干性，在接收端会形成散斑颗粒，严重影响视觉效果，另外由于激光的准直度很高，能量高度集中，因此如何实现激光光源的光场均匀性是目前激光光源存在的一大难题，但是市场上不管是显示行业还是照明行业，对激光光场的均匀性都有相当高的要求，针对目前市场对激光应用方面的需求，本发明提出了一种低散斑高均匀性激光光源光路结构。
发明内容
为了解决激光在使用过程中存在的上述问题，获得无可视散斑且激光光场均匀度大于95%的低散斑、高均匀性激光光源，本发明目的是采用激光和激发光源混合的方式降低由于激光散斑产生的能量分布不均匀，同时采用激光二次匀光技术，设计出一款无可视散斑、高均匀度的激光光源光路结构，有效降低激光光源的散斑对比度，提高激光光源的光场均匀性，从而实现了均匀性高且无可视散斑的激光光源系统。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种低散斑高均匀性激光光源光路结构，包括激光荧光组件和红绿蓝激光光源组件。
所述激光荧光组件包括蓝色半导体激光光源Ⅰ，所述蓝色半导体激光光源Ⅰ发出的蓝色光束经过由透镜Ⅰ和透镜ⅰ组成的透镜组a后，透过反红绿透蓝合束镜，再经过由透镜Ⅱ和透镜ⅱ组成的透镜组b后，入射至荧光器件上产生朗伯光源，光束再依次通过透镜组b、反红绿透蓝合束镜反射，经过由透镜Ⅲ和透镜ⅲ组成的透镜组c后，入射至合光组件。
所述红绿蓝激光光源组件包括蓝色半导体激光光源、绿色半导体激光光源和红色半导体激光光源；所述蓝色半导体激光光源发出的激光光束经反射镜Ⅰ反射，所述绿色半导体激光光源发出的激光光束经反绿透蓝合束镜反射，所述红色半导体激光光源发出的激光光束经反红透蓝绿合束镜反射，三路激光光束合成后的RGB激光光源依次通过透镜、匀光器件Ⅰ后进入光通管Ⅰ，进行初次激光光源匀化整形后的激光光源经反射镜Ⅱ反射后，通过由透镜Ⅳ和透镜ⅳ组成的透镜组d，再经反射镜Ⅲ反射后， 通过由透镜Ⅴ和透镜ⅴ组成的透镜组e，入射至合光组件与朗伯光源进行光源合束后，通过匀光器件Ⅱ，入射至光通管Ⅱ进行激光光源二次匀化后出射。
工作时，激光荧光组件中，蓝色半导体激光光源Ⅰ发出的蓝色激光，经过透镜组a、反红绿透蓝合束镜、透镜组b，入射至荧光器件的荧光材料上，荧光材料受蓝色激光光源激发，进行光谱转换，转换后的朗伯光源，经透镜组b进行光收集后，入射至反红绿透蓝合束镜，经反射后的荧光光源通过透镜组c整形，与红绿蓝激光光源组件通过合光组件进行光源合束后，通过匀光器件Ⅱ进入光通管Ⅱ进行光源掺和匀化。
红绿蓝半导体激光光源组件中，蓝色半导体激光光源发出的蓝色激光，经反射镜Ⅰ反射后通过反绿透蓝合束镜，和绿色半导体激光光源发出的绿色激光经反绿透蓝合束镜反射合光，在通过反红透蓝绿合束镜，最后和红色半导体激光光源发出的红色激光经反红透蓝绿合束镜反射后合成RGB激光光源，合成后的RGB激光光源通过透镜和匀光器件Ⅰ后进入光通管Ⅰ进行初次激光光源匀化整形，匀化后的激光光源经反射镜Ⅱ反射后，进入透镜组d，经反射镜Ⅲ反射后，入射至透镜组e，与激光荧光光源（朗伯光源）通过合光组件Ⅰ进行光源合束后，通过匀光器件Ⅱ，进入光通管Ⅱ进行激光光源二次匀化，进而使的混合后的激光光源，既无可视散斑又具有很高的亮度及色度均匀性。
本发明所述激光光源光路结构，由红绿蓝半导体激光光源组件、激光荧光组件以及合光组件等组成。其中蓝色半导体激光光源激发荧光材料产生荧光光源，与经过一次匀化的激光光源通过合光组件结合后，进入二次匀化系统对激光光源进行二次匀化，从而获得均匀性很高的无可视散斑激光光源，同时该光源具有颜色丰富，色域空间满足DCI标准；能效利用率高，激光荧光光源为了满足DCI色域空间，在显示领域需要滤除多余部分波长的荧光光源，从而使光源的能效利用率降低，本发明中利用激光光源的高饱和性、大色域的特性，可以使激光荧光光源充分利用，从而提高了激光荧光光源的能效利用率。
本发明具有如下优点：
（1）、采用RGB半导体激光光源和激光荧光光源进行混合的方式，从而有效降低激光的散斑特性，进而获得无可视散斑且颜色特性满足激光显示和激光照明的相关要求。
（2）、使用二次激光匀场整形光路结构，激光光源通过透镜组整形后，首先进入一次匀光系统，进行激光匀化处理，匀化后的激光经透镜组成像至二次匀光系统，进一步对激光光源进行匀化整形处理，从而使激光光源得到充分扩散匀化，进而获得均匀性很高的激光光源产品。
（3）、采用折返光路设计，可以有效减小光源装置外形尺寸，适应不同应用场合更灵活。
本发明设计合理，具有该光路结构的激光光源与当前市场上激光光源相比具有无可视散斑、均匀性高等特点，与荧光光源相比具有色域空间大、能效利用率高等特点。
附图说明
图1表示激光荧光光路和激光合光示意图。
图2表示红绿蓝激光光路示意图。
图3表示陷波合束器件原理示意图。
图4表示反射合束组件原理示意图。
图中：1-蓝色半导体激光光源Ⅰ，2-透镜Ⅰ，3-透镜ⅰ，4-反红绿透蓝合束镜，5-透镜Ⅱ，6-透镜ⅱ，7-荧光器件，8-透镜Ⅲ，9-透镜ⅲ，10-红绿蓝激光光源组件，11-合光组件，12-匀光器件Ⅱ，13-光通管Ⅱ，14-蓝色半导体激光光源，15-绿色半导体激光光源，16-红色半导体激光光源，17-反射镜Ⅰ，18-反绿透蓝合束镜，19-反红透蓝绿合束镜，20-透镜，21-匀光器件Ⅰ，22-光通管Ⅰ，23-反射镜Ⅱ，24-透镜Ⅳ，25-透镜ⅳ，26-反射镜Ⅲ，27-透镜Ⅴ，28-透镜ⅴ。
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。
一种低散斑高均匀性激光光源光路结构，包括激光荧光组件和红绿蓝激光光源组件，通过激光二次匀场组件对激光光场进行调配，从而实现激光光场的高均匀度，同时系统中增加了激光荧光组件，利用荧光的非相干特性，有效降低激光光源的散斑特性，使激光光源系统实现无可视散斑且均匀度很高的光场分布特性。主要有透镜组、匀光器件、反射镜、合束镜、光通管、激光荧光材料、合光组件、激光光源等。
如图1所示，激光荧光组件包括蓝色半导体激光光源Ⅰ1，蓝色半导体激光光源Ⅰ1发出的蓝色光束经过由透镜Ⅰ2和透镜ⅰ3组成的透镜组a后，透过反红绿透蓝合束镜4，再经过由透镜Ⅱ5和透镜ⅱ6组成的透镜组b后，入射至荧光器件7上产生朗伯光源，光束再依次通过透镜组b、反红绿透蓝合束镜4反射，经过由透镜Ⅲ8和透镜ⅲ9组成的透镜组c后，入射至合光组件11。
被蓝色激光激发产生荧光的主要荧光材料种类有，YAG（Y3AL5O12:Ce3+）、TAG（Tb3AL5O12:Ce3+）、BOSE/BOSS（(BaSrCa)2SiO4:Eu2+）、6-12-2 （Ba3Si6O12N2:Eu2+）、Calsin（(SrCa)AlSiN3:Eu2+）等，本发明选用的荧光材料是YAG，该材料转换效率高，热稳定性好。激光荧光材料工作原理：激光荧光光源通常采用激光远程激发荧光材料来产生一种或多种基色荧光，荧光与一种或多种基色激光混合后作为投影显示光源和特殊照明光源。该技术中使用远程激发的方法将蓝色激光光源和荧光材料分开设置，单独散热，有效的解决了高功率激光激发荧光材料时的光饱和及热饱和问题，提高了荧光材料的光效和可靠性。
如图2所示，红绿蓝激光光源组件10包括蓝色半导体激光光源14、绿色半导体激光光源15和红色半导体激光光源16；蓝色半导体激光光源14发出的激光光束经反射镜Ⅰ17反射，绿色半导体激光光源15发出的激光光束经反绿透蓝合束镜18反射，红色半导体激光光源16发出的激光光束经反红透蓝绿合束镜19反射，三路激光光束合成后的RGB激光光源依次通过透镜20、匀光器件Ⅰ21后进入光通管Ⅰ22，进行初次激光光源匀化整形后的激光光源经反射镜Ⅱ23反射后，通过由透镜Ⅳ24和透镜ⅳ25组成的透镜组d，再经反射镜Ⅲ26反射后，通过由透镜Ⅴ27和透镜ⅴ28组成的透镜组e，入射至合光组件11与朗伯光源进行光源合束后，通过匀光器件Ⅱ12，入射至光通管Ⅱ13进行激光光源二次匀化后出射。
具体工作时，激光荧光组件中，蓝色半导体激光光源Ⅰ1发出的蓝色激光，经过透镜组a（透镜Ⅰ2和透镜ⅰ3组成）、反红绿透蓝合束镜4、透镜组b（透镜Ⅱ5和透镜ⅱ6组成），入射至荧光器件7的荧光材料上，荧光材料受蓝色激光光源激发，进行光谱转换，转换后的朗伯光源，经透镜组b进行光收集后，入射至反红绿透蓝合束镜4，经反射后的荧光光源通过透镜组c（透镜Ⅲ8和透镜ⅲ9组成）整形，与红绿蓝激光光源组件10通过合光组件11进行光源合束后，通过匀光器件Ⅱ12进入光通管Ⅱ13进行光源掺和匀化，其中合光组件11、匀光器件Ⅱ12、光通管Ⅱ13为合光匀化整形光路。
红绿蓝半导体激光光源组件中，蓝色半导体激光光源14发出的蓝色激光，经反射镜Ⅰ17反射后通过反绿透蓝合束镜18，和绿色半导体激光光源15发出的绿色激光经反绿透蓝合束镜18反射合光，在通过反红透蓝绿合束镜19，最后和红色半导体激光光源16发出的红色激光经反红透蓝绿合束镜19反射后合成RGB激光光源，合成后的RGB激光光源通过透镜20和匀光器件Ⅰ21后进入光通管Ⅰ22进行初次激光光源匀化整形，匀化后的激光光源经反射镜Ⅱ23反射后，进入透镜组d（透镜Ⅳ24和透镜ⅳ25组成），经反射镜Ⅲ26反射后，入射至透镜组e（透镜Ⅴ27和透镜ⅴ28组成），与激光荧光光源（朗伯光源）通过合光组件Ⅰ11进行光源合束后，通过匀光器件Ⅱ12，进入光通管Ⅱ13进行激光光源二次匀化，进而使的混合后的激光光源，既无可视散斑又具有很高的亮度及色度均匀性。
本发明中，光源为红绿蓝半导体激光光源与激光荧光光源合成无可视散斑且色彩丰富的激光光源，激光光源采用二次匀场结构，使激光光源充分扩散均匀，进而获得均匀度大于90%的激光光源。具体实施时，采用合光组件将激光光源和激光荧光光源合为一束进行匀场处理，合光组件可以是波长合束，如图3所示陷波合束器件，也可以是空间光合束，如图4所示，反射合束组件。
以上所述仅为本发明的实施例，并不因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种低散斑高均匀性激光光源光路结构，其特征在于：包括激光荧光组件和红绿蓝激光光源组件（10）；
所述激光荧光组件包括蓝色半导体激光光源Ⅰ（1），所述蓝色半导体激光光源Ⅰ（1）发出的蓝色光束经过由透镜Ⅰ（2）和透镜ⅰ（3）组成的透镜组a后，透过反红绿透蓝合束镜（4），再经过由透镜Ⅱ（5）和透镜ⅱ（6）组成的透镜组b后，入射至荧光器件（7）上产生朗伯光源，光束再依次通过透镜组b、反红绿透蓝合束镜（4）反射，经过由透镜Ⅲ（8）和透镜ⅲ（9）组成的透镜组c后，入射至合光组件（11）；
所述红绿蓝激光光源组件（10）包括蓝色半导体激光光源（14）、绿色半导体激光光源（15）和红色半导体激光光源（16）；所述蓝色半导体激光光源（14）发出的激光光束经反射镜Ⅰ（17）反射，所述绿色半导体激光光源（15）发出的激光光束经反绿透蓝合束镜（18）反射，所述红色半导体激光光源（16）发出的激光光束经反红透蓝绿合束镜（19）反射，三路激光光束合成后的RGB激光光源依次通过透镜（20）、匀光器件Ⅰ（21）后进入光通管Ⅰ（22），进行初次激光光源匀化整形后的激光光源经反射镜Ⅱ（23）反射后，通过由透镜Ⅳ（24）和透镜ⅳ（25）组成的透镜组d，再经反射镜Ⅲ（26）反射后， 通过由透镜Ⅴ（27）和透镜ⅴ（28）组成的透镜组e，入射至合光组件（11）与朗伯光源进行光源合束后，通过匀光器件Ⅱ（12），入射至光通管Ⅱ（13）进行激光光源二次匀化后出射。
2.根据权利要求1所述的一种低散斑高均匀性激光光源光路结构，其特征在于：所述荧光器件（7）上的荧光材料为YAG。
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