CN1721963A - 一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置，包括红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器，其输出光路的光路上分别对应放置3个消相干器，经消相干后的红光输出光路上顺序安置第一反射镜、液晶光阀、合束棱镜；绿光激光器输出的光束经消相干后的输出光路上顺序安置第二液晶光阀、合束棱镜；蓝光激光器输出光路上安置一反射镜，反射镜与合束棱镜中间光路上安置第三液晶光阀；经合束棱镜后输出光的光路上安置投影透镜系统。该显示用激光装置进行激光显示时，形成的色度三角形面积更大，扩展了现有激光显示的色域范围，同时由于所选择的波长更接近于色度三角形的三个顶角，因此显示的颜色更鲜艳。

Description

一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置

技术领域

本发明涉及一种激光显示装置，特别是一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置。

背景技术

由于激光是线谱，具有比荧光粉更高的色饱和度，并且可以通过选择接近色度三角形顶角的三基色波长，使得显示的颜色更加鲜艳。同时还可使形成的色度三角形面积更大，显示出自然界更真实、更丰富的色彩，因此激光显示是高端显示技术的重大发展方向之一，受到国际上的高度关注。

目前，激光显示有多家报道，分别采用不同的技术路线获得三基色激光，所采用的三基色波长也不尽相同，如：2001年SPIE杂志4362卷203-212页，报道美国的Q-Peak公司研发的激光显示用的三基色激光器，采用LD泵浦Nd:YLF的振荡—放大结构产生高功率1047nm激光后，倍频获得高功率的524nm绿光，然后泵浦LBO OPO产生898nm的信号光和1256nm的闲频光，信号光和闲频光分别倍频获得449nm蓝光和628nm的红光，剩余的524nm绿光作为三基色的绿光光源，该系统也采用OPO结构，结构比较简单，获得的三基色波长形成的色度学三角形面积大约为荧光粉显示的2倍，然而，由于该系统采用的三基色激光波长(628nm、524nm、449nm)尤其是红光的波长偏离色度三角形的顶角比较远，因此显示的颜色不够鲜艳。

发明内容

本发明的目的在于：通过选择激光器波长接近色度三角形顶角，使激光显示色彩鲜艳；同时由于增加了色度三角形的面积，激光显示色彩更丰富；使用3个消相干器，使激光显示图像更为清晰；从而提供一种红光采用半导体激光器、半导体激光器泵浦的固态激光器、光学参量振荡器，输出波长范围为630～700nm；绿光可以采用半导体激光器、半导体激光器泵浦的固态激光器、光学参量振荡器，输出波长范围为510～520nm；蓝光可以采用半导体激光器、半导体激光器泵浦的固态激光器、光学参量振荡器，输出波长范围为400～445nm。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置，见附图1，包括：红光激光器1、绿光激光器5和蓝光激光器8；反射镜3、第一、第二和第三液晶光阀4、7、11，第一、第二和第三消相干器2、6、9、合束棱镜12和投影透镜系统13；其特征在于：所述的红光激光器1输出波长范围为630～700nm；所述的绿光激光器5输出波长范围为510～520nm；所述的蓝光激光器8输出波长范围为400～445nm；其中红光激光器1、绿光激光器5、蓝光激光器8三基色激光器输出光路的光路上分别对应设置第一、第二和第三消相干器2、6、9，经消相干后的红光激光器1输出光路上顺序安置第一反射镜3、第一液晶光阀4、合束棱镜12；绿光激光器5输出的光束经扩束后的输出光路上顺序安置第二液晶光阀7、合束棱镜12；蓝光激光器8输出光路上安置一反射镜9，反射镜9与合束棱镜12中间光路上安置第三液晶光阀11；经合束棱镜12后输出光的光路上安置投影透镜系统13。

所述的红光激光器1由半导体激光器LD，由LD泵浦工作物质为掺Nd⁺³离子、非线性晶体腔内/外倍频方式获得(如图3～4所示)。

所述的绿光激光器5由半导体激光器LD，或由LD泵浦工作物质为掺Yb⁺³、非线性晶体腔内/外倍频方式获得(如图5～6所示)。

所述的蓝光激光器8为：半导体激光器(LD)，工作物质为掺Ti⁺³、Cr⁺³离子的腔内或腔外外倍频可调谐激光器，或由LD泵浦工作物质为掺Nd⁺³离子、非线性晶体腔内/外三倍频方式获得(如图7～8所示)。

所述的红、绿、蓝三基色激光器可以是连续波，也可以是准连续或脉冲波。

所述的液晶光阀包括：透射式液晶光阀、反射式液晶光阀或数字微镜等光阀。

所述的合束棱镜为X棱镜。

所述的投影透镜系统包括：前投式投影透镜系统或背投式投影透镜系统等。

所述的消相干器包括：振转型反射镜、多模光纤、位相调制板、光束扫描或光场重建方式构成的。

本发明采用红、绿、蓝三基色激光器，并在激光器输出光的光路上分别放置消相干器，其输出红光和蓝光通过反射镜将光反射到合束棱镜前方的光阀上，信号源经过转换将数字调制信号加到液晶光阀上，通过控制液晶光阀单元的开启和闭合，从而控制光路的通断，产生具有不同灰度层次的红色和蓝色图像，绿光直接入射到合束棱镜前方的绿光光阀上进行调制，经调制后带有不同灰度层次的三基色激光通过合束棱镜合成一束后入射到投影透镜系统中，这样三色图像就合成为一幅彩色图像，再将合成的彩色图像投射到距离合适的屏幕上，即可实现全色显示，利用上述三基色激光器实现的激光全色显示，形成的色度三角形面积比已有的激光显示系统的三角形面积更大(见附图2)，显示的色彩更为丰富，同时由于使用的三基色激光波长更接近色度三角形的顶角，因此显示的色彩更鲜艳。

本发明的优越性：本发明利用特定波长的红、绿、蓝三基色激光配合投影显示系统可显示色彩更为鲜艳、丰富的图像，与已有的激光显示采用的630nm左右红光、532nm或524nm绿光和473nm蓝光相比，具有更大的色度三角形面积(约为荧光粉的2.2～2.5倍，如图2所示)，同时由于选择的三基色激光波长更接近色度三角形的顶角，因此显示的色彩更丰富、更鲜艳。

本发明提供的一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置，使用特定波长范围的三基色激光，扩展了现有激光显示的色域，并且结构简单，效率高、寿命长、输出稳定，其功率可达几瓦到几十瓦，可广泛用于激光家庭影院和激光大屏幕显示等领域。

                         附图说明：

图1是本发明的具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置

图2是本发明的显示用激光装置与其他大色域三基色激光显示装置的色度三角形面积比较示意图

图3是LD端泵Nd:YAG/Nd:YV04 660/671nmnm红光激光器组成示意图

图4是LD侧泵Nd:YAG 660nm红光激光器组成示意图

图5是LD端泵Yb:YAG 515nm绿光激光器组成示意图

图6是LD泵浦Yb:YAG薄片515nm绿光组成示意图

图7是LD端泵Nd:YAG 1319nm和频440nm蓝光激光器组成示意图

图8是LD侧泵Nd:YAG 1319nm和频440nm蓝光激光器组成示意图

图9是一种消相干器结构示意图

图面说明：

1-660nm或671nm红光激光器；      2-红光消相干器；

3-红光激光器反射镜；            4-红光液晶光阀；

5-515nm绿光激光器；             6-绿光消相干器；

7-绿光液晶光阀；                8-440nm蓝光激光器；

9-蓝光消相干器；                10-蓝光反射镜；

11-蓝光液晶光阀；               12-合束(X)棱镜；

13-投影透镜系统；               14-屏幕；

15-泵光源；                     16-耦合系统；

17～19-谐振腔镜；               20-激光晶体；

21-非线性晶体；                 22-声光调制器；

23-90°旋光片；                 24-辅助镜；

25-反射镜；                     26-激光光源；

27-光束；                       28-转镜上的反射镜；

29-多面转镜；                   30-多面转镜的轴线；

31-光束移动形成的直线；         32-显示屏；

                 具体实施方式

实施例1

按照图3的光路制作一台671/660nm红光激光器

激光晶体20使用Nd:YV04或Nd:YAG晶体，其上镀光学膜，镀膜参数为HT@808nm&1342nm或HT@808nm&1319nm，泵光源15采用808nm半导体激光器LD，泵光源15的前方光路上设置耦合系统16、由一对谐振腔镜17，与谐振腔镜18和谐振腔镜19作成的谐振腔，激光晶体20放置在对谐振腔镜17中间，谐振腔镜18和谐振腔镜19之间设置一块非线性光学晶体21；谐振腔镜17输出光路上置耦合系统16和泵光源15。

泵光通过耦合系统16泵浦后，产生1342nm或1319nm的荧光，通过调节谐振腔镜17、18、19，使1342nm或1319nm荧光形成振荡，产生激光，非线性光学晶体21选用LBO或BiBO晶体，LBO的切割角为θ＝0°，＝0°，镀膜参数为HT@1342nm&671nm或HT@i319nm&660nm，放在谐振腔镜18和19之间，将1342nm或1319nm波长的激光倍频成为671nm或660nm的红光通过腔镜18输出；调节腔镜19可获得671nm或660nm红光输出。还可以在谐振腔中插入调制元件，如声光Q开关或锁模器件使产生高峰值功率的基频光，以提高倍频转换效率。

耦合系统16可采用相干或OPC等公司的1∶1或1.8∶1的成像系统产品，也可以根据泵光源15的光纤输出参数不同自己设计定做。

按照图5的光路制作一台515nm绿光激光器

泵光源15为940nm半导体激光器，激光器的输出光路上设置耦合系统16，和一由谐振腔镜17、谐振腔镜18和谐振腔镜19组成的谐振腔，激光晶体20放置在谐振腔镜18和谐振腔镜19中间的光路上，谐振腔镜18和谐振腔镜19之间设置一块非线性光学晶体21。

半导体激光通过耦合系统16后，泵浦到激光晶体20Yb:YAG上产生1030nm荧光，通过调节谐振腔镜17、18、19，使1030nm产生振荡，非线性晶体21为LBO或KTP晶体放在腔镜18和19之间将1030nm倍频为515nm绿光，调节19使515nm绿光从腔镜18输出，还可以在谐振腔中加入双折射滤波片等波长调谐元件使基频光波长在一定范围内可以微调，从而使产生的绿光波长可以在510nm～520nm间微调。还可以在谐振腔中插入调制元件，如声光Q开关或锁模器件使产生高峰值功率的基频光，以提高倍频转换效率。

按照图7的光路制作一台440nm的蓝光激光器，与图5的差别就在于图7中还包括在谐振腔镜19与非线性光学晶体21中间的光路上，还放置另一块非线性光学晶体26。

半导体激光通过耦合系统16泵浦激光晶体20Nd:YAG晶体，产生1319nm荧光，通过调节谐振腔镜17、18、19，使1319nm产生振荡，非线性晶体21和26分别为倍频晶体LBO和和频晶体LBO，依次放置在腔镜18和19之间，将1319nm的激光变为440nm，调节腔镜19使440nm蓝光通过腔镜18输出。还可以在谐振腔中插入调制元件，如声光Q开关或锁模器件使产生高峰值功率的基频光，以提高倍频转换效率。

参考图1，利用上述的三种激光器，制作一台激光显示装置

使用上述制作好的三台激光器，作为本发明图1中的红光激光器1，绿光激光器5和蓝光激光器8，每一激光器台后面分别对应设置一红、绿、蓝激光的消相干器2，6，9，经扩束后的红光激光器1输出光路上顺序安置第一反射镜3、通常的透射式液晶光阀4、合束棱镜12；绿光激光器5输出的光束经消相干后的输出光路上顺序安置第二透射式液晶光阀7、合束棱镜12；蓝光激光器8输出光路上安置一反射镜9，反射镜9与合束棱镜12中间光路上安置第三透射式液晶光阀11；经合束棱镜12后输出光的光路上安置投影透镜系统。该消相干器可以采用通常的振动反射镜、光束扫描或光场重建方式构成的。图9中的显示屏32由图1中的红光和蓝光的反射镜3和10代替即可将形成的均匀光场反射到X合束棱镜12前的红、蓝光光阀4，11上进行调制。形成的绿光光场直接通过X合束棱镜12前的绿光光阀7进行调制，调制后的红、绿、蓝光束经X合束棱镜12合成一束后经常规的前投式投影透镜系统13投射到距离合适的屏幕14上，即可实现色彩鲜艳、丰富的图像显示。本实施例使用的合束棱镜为市场上购买的X棱镜，其由四个棱镜分别经研磨、抛光、镀膜后胶合而成(如图中所示)，胶和面镀膜参数为：Rs＞95％@420-475nm，Rs＞95％@600-680nm，Tp＞95％@490-580nm(45°入射)，四个直角面镀膜参数为：R＜0.25％@420-680nm。

实施例2

按照图4的光路制作一台侧泵660nm红光激光器

激光晶体20采用Nd:YAG棒，两个通光面镀1319nm增透膜；泵光15采用多维808nm半导体激光列阵按照一定的形状和位置放置在激光晶体20的周围，这样组成的部件称为一个激光头，光路中可以只使用一个激光头，也可以多个激光头串接使用，在使用两个激光头串接时，之间插入90度旋光片23以补偿热致双折射，在激光头两边的光路上依次设置由一对谐振腔镜17、谐振腔镜18和谐振腔镜19组成的复合谐振腔，一块非线性光学晶体21放置在谐振腔镜18和谐振腔镜19之间；两个激光头和之间的90度旋光片23都放置在谐振腔镜17和18之间。

泵光15泵浦激光晶体20时，可产生1319nm的荧光，通过调节谐振腔镜17、18，使1319nm荧光形成振荡，产生激光，光路中还可以插入调制元件22声光调制器使产生高峰值功率激光，非线性光学晶体21选用LBO晶体，可以放置在18和19腔镜之间，也可以不使用腔镜18，LBO的切割角为θ＝0°，＝0°，镀膜参数为HT@i319nm&660nm，将1319nm波长的激光倍频产生660nm的红光，调节腔镜18、19可获得660nm红光输出，谐振腔也可以采用折叠腔结构以提高倍频效率。调制元件22还可以是电光Q开关或锁模器件，同样可以产生高峰值功率的基频光，以提高倍频转换效率。

按照图6的光路制作一台515nm薄片绿光激光器

泵光15为940nm的半导体激光器，其下面并排放置激光晶体2Yb:YAG薄片和辅助镜24，Yb:YAG薄片厚度约为0.2mm，其后表面镀1030nm高反膜和泵光940nm的高反膜，前表面镀1030nm和940nm的增透膜，辅助镜24辅助镜24为平镜，镀940nm高反膜，泵光和辅助镜位置对称放置，激光晶体放置在中间，其后面放置四个位置对称的反射镜25，其镀膜参数为940nm高反膜，四个反射镜之间留出一3mm左右的孔以使振荡光自由通过，激光晶体的正后方光路上依次放置谐振腔镜18和19与激光晶体的后端面形成谐振腔，谐振腔镜18和19之间设置一块非线性晶体21。

泵光15入射到第一个反射镜25，泵光经反射镜被反射到激光晶体20Yb:YAG薄片上，吸收部分940nm泵光，剩余泵光反射回第二个反射镜25，后被反射到辅助镜24上，辅助镜24为平镜，镀940nm高反膜，泵光经辅助镜反射到第三个反射镜上，后被反射回激光晶体薄片上，吸收部分泵光后，剩余泵光反射到第四个反射镜上，后被反射回激光晶体薄片上，如此泵光在薄片晶体上往返多次通过以增加对泵光的吸收，激光晶体Yb:YAG后表面的1030nm高反膜和腔镜18、19形成谐振腔产生1030nm激光振荡，非线性晶体21为LBO或KTP晶体放在腔镜18和19之间将1030nm倍频为515nm绿光，调节19使515nm绿光从腔镜18输出，还可以在谐振腔中加入双折射滤波片等波长调谐元件使基频光波长在一定范围内可以微调，从而使产生的绿光波长可以在510nm～520nm间微调。还可以在谐振腔中加入调制元件，如声光Q开关或锁模器件使产生高峰值功率的基频光，以提高倍频转换效率。

按照图8的光路制作一台440nm的蓝光激光器，与图4的差别就在于图7中还包括在谐振腔镜19与非线性光学晶体21中间的光路上，还放置另一块非线性光学晶体26。

泵光15泵浦激光晶体20产生1319nm荧光，通过调节谐振腔镜17、18，19，使1319nm荧光形成振荡，产生激光，光路中还可以插入调制元件(22)声光调制器使产生高峰值功率激光，非线性晶体21和26分别为倍频晶体LBO和和频晶体LBO，两通光面镀制1319nmHT、660nmHT和440nmHT膜，倍频晶体LBO采用I类匹配，和频晶体LBO采用II类匹配以获得高的转换效率，依次放置在腔镜18和19之间，将1319nm的激光变为440nm，调节腔镜19使产生的440nm蓝光通过腔镜18输出。调制元件22还可以是电光Q开关或锁模器件，同样可以产生高峰值功率的基频光，以提高倍频转换效率。

参考图1，利用上述的三种激光器，制作一台激光显示装置

将上述三台激光器作为图1中的红光激光器1、绿光激光器5和蓝光激光器8，后面分别放置红、绿、蓝激光消相干器2，6，9，红、绿、蓝激光的消相干器可采用实施例一中的方法，也可采用多模光纤法、反射镜振动法等方法，多模光纤法即是将三色激光分别通过透镜组将激光耦合到三根多模光纤中，光场在光纤中被重建以减小相干性，输出后分别通过由透镜组成的扩束系统进行扩束形成一定面积的比较均匀的光场，由此实现扩束、匀场和消相干的目的。红光和蓝光通过反射镜3和10将光束反射到X合束棱镜12前的红、蓝光光阀4，11上进行调制，绿光直接通过X合束棱镜12前的绿光光阀7进行调制，调制后的红、绿、蓝光束经X合束棱镜12合成一束后经投影透镜系统13投射到距离合适的屏幕14上，即可实现色彩鲜艳、丰富的图像显示。所述的消相干器也可采用专利“一种用于激光视频显示中的扫描式面光源”(专利号为ZL02251313.2)所述的方法，光路示意图如图9所示，红、绿、蓝激光分别代替图9中的激光光源26，经多面转镜29上的角度不同的各个反射镜28的反射后形成一定面积的比较均匀的光场，这样就达到了扩束和匀场的目的，由于光束在快速扫描，同一位置出现的光束是不同时刻的光，因此也达到了消除相干干涉的目的。

本发明根据色度学理论，进一步扩展色域，通过采用LD泵浦Nd:YVO4/Nd:YAG倍频方式获得671nm或660nm的红光激光器、LD泵浦Yb:YAG倍频的方式获得515nm左右的绿光激光器和LD泵浦Nd:YAG 1319nm谱线和频的方式获得440nm的蓝光激光器，从而更大程度的扩展了现有报道的激光显示的三基色的色域，形成的色度三角形面积约是荧光粉的2.2倍，可显示更为鲜艳、更为丰富和真实的色彩。

Claims (7)

1.一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置，包括：红光激光器(1)、绿光激光器(5)和蓝光激光器(8)；反射镜(3)、第一、第二和第三液晶光阀(4、7、11)，第一、第二和第三消相干器(2、6、9)、合束棱镜(12)和投影透镜系统(13)；其特征在于：所述的红光激光器(1)输出波长范围为630～700nm；所述的绿光激光器(5)输出波长范围为510～520nm；所述的蓝光激光器(8)输出波长范围为400～445nm；其中红光激光器(1)、绿光激光器(5)、蓝光激光器(8)三基色激光器输出光路的光路上分别对应设置第一、第二和第三消相干器(2、6、9)，经扩消相干束后的红光激光器(1)输出光路上顺序安置第一反射镜(3)、第一液晶光阀(4)、合束棱镜(12)；绿光激光器(5)输出的光束经扩束后的输出光路上顺序安置第二液晶光阀(7)、合束棱镜(12)；蓝光激光器(8)输出光路上安置一反射镜(9)，反射镜(9)与合束棱镜(12)中间光路上安置第三液晶光阀(11)；经合束棱镜(12)后输出光的光路上安置投影透镜系统(13)。

2.按权利要求1所述的一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置，其特征是：所述的输出波长范围为630～700nm的红光激光器(1)包括：半导体激光器、半导体激光器泵浦的固态激光器、半导体激光器泵浦工作物质为掺Nd⁺³离子固态激光器、非线性晶体腔内/外倍频方式获得激光器，或光学参量振荡器。

3.按权利要求1所述的一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置，其特征是：所述的输出波长范围为510～520nm的绿光激光器(5)包括：半导体激光器、半导体激光器泵浦的固态激光器、或由半导体激光器泵浦工作物质为掺Yb⁺³固态激光器、非线性晶体腔内/外倍频方式获得的固态激光器，或光学参量振荡器。

4.按权利要求1所述的一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置，其特征是：所述的输出波长范围为400～445nm的蓝光激光器(8)包括：半导体激光器、半导体激光器泵浦的固态激光器、工作物质为掺Ti⁺³、Cr⁺³离子的腔内或腔外外倍频可调谐激光器、或由半导体激光器泵浦工作物质为掺Nd⁺³离子、非线性晶体腔内/外三倍频方式获得的激光器，或光学参量振荡器。

5.按权利要求1所述的一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置，其特征是：所述的红光激光器(1)、绿光激光器(5)和蓝光激光器(8)包括：连续运转或准连续运转的激光器。

6.按权利要求1所述的一种具有红、绿、蓝三基色大色域高清晰度的激光彩色显示装置，其特征是：所述的光阀包括：透射式液晶光阀或反射式液晶光阀。

7.按权利要求1所述的一种具有红、绿、蓝三基色大色域高清晰度的激光彩色显示装置，其特征是：所述的消相干器包括：振转型反射镜、多模光纤、光束扫描器。

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