CN215867491U

CN215867491U - 一种模块化均匀场激光荧光光源系统

Info

Publication number: CN215867491U
Application number: CN202121619851.6U
Authority: CN
Inventors: 陈海洋; 李泽太; 胡元元; 兰旭阳
Original assignee: Shanxi Hanwei Laser Polytron Technologies Inc
Current assignee: Shanxi Hanwei Laser Polytron Technologies Inc
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2031-07-16

Abstract

本实用新型公开一种模块化均匀场激光荧光光源系统，包括蓝色激光光源A（101），散射片A（102），反蓝透黄合束镜（103），透镜组A（104），荧光元件（105），透镜组B（106），散射片B（107），蓝色激光光源B（108），透镜组C（109），反红绿透蓝合束镜A（110），透镜（111），散射片C（112），红绿蓝激光光源（113），透镜组D（114），光通管（115），反红绿透蓝合束镜B（116）。本实用新型提出在光源系统中同时掺入黄色荧光与青色荧光，使用这种合束镜的新颖光学光路，增加了光路中荧光强度比例，使得激光投影机在有高亮度的同时还有优异的消除散斑效果，显示画面的全色段均无散斑。

Description

一种模块化均匀场激光荧光光源系统

技术领域

本实用新型涉及激光投影技术领域，具体为一种模块化均匀场激光荧光光源系统。

背景技术

激光投影作为目前最先进的投影技术，经过近几年迅猛发展，形成了纯激光光源、激光荧光轮和激光LED光源等三种主要产品形态，其中荧光粉方式的激光投影机是性价比最高的机型。激光荧光投影通过蓝光激光照射在荧光粉上，产生黄色光，与另一部分透射光路的蓝光机激光进行波长合束，有效降低了光源的相干性，可以有效地消除散斑。但高流明或长时间的激光照射荧光轮，会使荧光粉局部温度很高，导致荧光效率下降，难以做出高亮投影机。由此，产生了激光荧光加纯激光光源系统，它既具激光荧光无散斑的特点，又具有纯激光的高亮度、高清晰、宽色域投影输出特点，可真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩。

在投影机应用的纯激光光源中，由于激光器具有非常强相干性和高单色性会导致激光投影画面的散斑效应和不均匀性。同时，激光器的功率和波长会受环境温度变化而波动，纯激光光源的电光转换效率一般只有13％～40％，其余电能全部产生热量，因此激光器的散热显得尤为重要。传统激光器散热是将激光器固定于散热板上，在激光器与散热板间涂抹导热硅脂，在使用大功率激光器时，很难将激光器温度控制在标称工作温度范围。

半导体RGB激光二极管的高相干性会导致激光投影显示的散斑效应和不均匀性，同时工作温度的变化会影响激光器的波长和功率，因此激光投影系统的匀化和激光器散热处理显得尤为重要。

发明内容

本实用新型目的是提供一种模块化均匀场激光荧光光源系统，在光源系统中同时掺入黄色荧光与青色荧光的方式，大大增加了光路中荧光强度比例，尤其是蓝色荧光比例，使得激光投影机在有高亮度的同时还有优异的消除散斑效果，显示画面的全色段均无散斑。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种模块化均匀场激光荧光光源系统，包括蓝色激光光源A，散射片A，反蓝透黄合束镜，透镜组A，荧光元件，透镜组B，散射片B，蓝色激光光源B，透镜组C，反红绿透蓝合束镜A，透镜，散射片C，红绿蓝激光光源，透镜组D，光通管，反红绿透蓝合束镜B。

所述荧光元件上同圆心设有反射式黄色荧光环和透射式青色荧光环。

所述蓝色激光光源A发出的蓝色光束经散射片A入射至反蓝透黄合束镜，反射后经过透镜组A汇聚入射至荧光元件的反射式黄色荧光环；激发产生的黄光依次经透镜组A、反蓝透黄合束镜、透镜组D汇聚入射至光通管。

所述蓝色激光光源B发出的蓝色光束依次经散射片B、透镜组B汇聚入射至荧光元件的透射式青色荧光环，激发产生的青色荧光经透镜组C后入射至反红绿透蓝合束镜A进行分解，其中绿色光束经反红绿透蓝合束镜A、反红绿透蓝合束镜B及透镜组D汇聚入射至光通管，蓝光束通过反红绿透蓝合束镜A经透镜组D汇聚入射至光通管。

所述红绿蓝激光光源发出的红绿光依次经过散射片C、透镜、反红绿透蓝合束镜A及透镜组D汇聚入射至光通管；所述红绿蓝激光光源发出的蓝光依次经过散射片C、透镜、反红绿透蓝合束镜A、反红绿透蓝合束镜B、反蓝透黄合束镜及透镜组D入射至光通管。

激光具有单色性好、方向性好和高亮度的特性，在显示上有色域广、颜色饱和度高、亮度高的优点，相比于传统的显示技术有天然的优势。但由于激光是受激辐射光，波长分布范围较窄导致其振动频率、相位都高度一致，有很强的相干性。如果将激光直接投影到屏幕上会出现很严重的散斑，影响显示效果。在激光光源中掺入多波长非相干光光源，大大降低了光源的相干性，可以有效地消除散斑，且激光光强平均值与非相干光源平均值约接近，消除散斑效果越好。

本方案中，荧光元件为荧光轮，上面设有反射式黄色荧光环和透射式青色荧光环，使其在同一个荧光轮上可以由两个激发光源进行激发，极大地提高了荧光轮的激发效率，在减小光路体积的同时，由于两个荧光环互不影响，极大提高了其散热效率。

蓝色激光光源A发出的光束通过散射片A后入射至反蓝透黄合束镜，之后通过透镜组A入射至荧光元件。荧光元件激发后产生的光束依次通过透镜组A、反蓝透黄合束镜及透镜组D入射至光通管。

蓝色激光光源B发出的光束通过透镜组B后入射至荧光元件，荧光元件激发后产生的绿光束依次通过透镜组C、反红绿透蓝合束镜A、反红绿透蓝合束镜B及透镜组D入射至光通管；荧光元件激发后产生的蓝光束依次通过反红绿透蓝合束镜及透镜组D入射至光通管。

激光光源散斑对比度CR计算公式如下：

其中σ是激光光场部分的标准偏差，

是激光光场部分的光强平均值，I₁、I₂、…I_n是摄像机单元像素的光强值。在激光光源中加入均匀的非相干光光源，光源的光强

则该非相干光光源的标准偏差σ′＝0，故加入非相干光光源后，合光光场的平均光强

如下：

合光光场的标准差σ₀如下：

因此合光光场的散斑对比度CR₀如下：

上述计算公式表明，通过调节控制激光光源和非相干光光源的配合比例，可以实现对屏幕散斑对比度的调节控制，从而实现不同使用环境对散斑对比度的需求，且激光光强平均值与非相干光源平均值约接近，消除散斑效果越好。目前市面上大多选用在激光中掺入荧光的方式，但激光器的出光光强较高，要使荧光光强均值与激光光强均值接近或荧光光强均值尽量高，要高流明或长时间的激光照射荧光轮，会使荧光粉局部温度很高，导致荧光效率下降，难以做出消除散斑效果好的高亮投影机，且市面上激光加荧光投影机所掺荧光大多为黄光，使得投影机在显示偏蓝画面时，散斑影响亦非常严重，本发明创新性地提出在光源系统中同时掺入黄色荧光与青色荧光的方式，大大增加了光路中荧光强度比例，尤其是蓝色荧光比例，使得激光投影机在有高亮度的同时还有优异的消除散斑效果，显示画面的全色段均无散斑；同时本发明还提出反射荧光和透射荧光均设置在同一荧光轮上错位分布的结构，不仅有效优化了荧光轮的散热问题，也极大减小了光源系统的结构大小，减小了投影机体积和重量。

进一步优选的，所述散射片C位于振动机构上，形成振动散射片，用于消除激光散斑。所述红绿蓝激光光源发出的红绿光依次经过振动散射片、透镜、反红绿透蓝合束镜及透镜组D入射至光通管；红绿蓝激光光源发出的蓝光依次经过振动散射片、透镜、反红绿透蓝合束镜A、反红绿透蓝合束镜B、反蓝透黄合束镜及透镜组D入射至光通管。

进一步优选地，所述红绿蓝激光光源包括蓝光激光光源、绿光激光光源、红光激光光源，所述蓝光激光光源、绿光激光光源和红光激光光源分别通过铟锡合金焊片焊接于半导体制冷器(TEC)，所述半导体制冷器(TEC)分别通过铟锡合金焊片焊接于水冷块上，水冷块上设有进水口和出水口；所述蓝光激光光源发出的光束依次通过反射镜、反绿透蓝合束镜、反红透蓝绿合束镜、透镜射出，所述绿光激光光源发出的光束依次通过反绿透蓝合束镜、反红透蓝绿合束镜、透镜射出，所述红光激光光源发出的光束通过反红透蓝绿合束镜、透镜射出。

本实用新型所述的模块化均匀场激光荧光光源系统，采用激光荧光轮加纯激光混合光源，通过波长合束的方式耦合进入光通管，在纯激光光路中加振动散射片装置的方式，获得无散斑均匀的画面投影输出。同时优化激光器的散热结构，将激光器通过导热系数更高的铟锡合金焊片焊接于半导体制冷器(TEC)上，半导体制冷器(TEC)分别通过铟锡合金焊片焊接于水冷块上，半导体制冷器(TEC)使激光器上产生的热量迅速通过冷面传导到热面，进而传导到水冷块上，这种导热方式与传统方式相比，有极高的效率，可以有效散掉激光器产生的热量，把温度控制在激光器工作温度范围，延长激光器寿命。

本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型创新性地提出在光源系统中同时掺入黄色荧光与青色荧光的方式，设计了使用这种合束镜的新颖光学光路，大大增加了光路中荧光强度比例，尤其是蓝色荧光比例，使得激光投影机在有高亮度的同时还有优异的消除散斑效果，显示画面的全色段均无散斑；同时本发明还提出反射荧光和透射荧光均设置在同一荧光轮上错位分布的结构，不仅有效优化了荧光轮的散热问题，也极大减小了光源系统的结构大小，减小了投影机体积和重量。

2、本实用新型在红绿蓝激光光源前端，将散射片位于振动结构(可以采用现有任意结构的振动机构，例如微型的振动电机)上，利用散射片的随机振动降低了激光光束的空间相干性和时间相干性，从而有效消除了激光散斑，提高了匀场。

3、本实用新型采用循环水冷与半导体制冷器复合散热的方式，改进了激光器的散热结构，减小了激光器的波长波动，提高了其使用寿命。

本实用新型设计合理，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示本实用新型的整体光路示意图。

图2表示荧光元件示意图。

图3表示反蓝透黄合束镜的透光特性示意图。

图4表示反红绿透蓝合束镜的透光特性示意图。

图5表示红绿蓝激光光源的散热结构及出射光路示意图。

图中：101-蓝色激光光源A，102-散射片A，103-反蓝透黄合束镜，104-透镜组A，105-荧光元件(荧光轮)，106-透镜组B，107-散射片B，108-蓝色激光光源B，109-透镜组C，110-反红绿透蓝合束镜A，111-透镜，112-散射片C，113-红绿蓝激光光源，114-透镜组D，115-光通管，116-反红绿透蓝合束镜B；反射式黄色荧光环501，透射式青色荧光环502；130-出水口，131-水冷块，132-半导体制冷器(TEC)，133-蓝光激光光源，134-绿光激光光源，135-红光激光光源，136-反射镜，137-反绿透蓝合束镜，138-反红透蓝绿合束镜，139-进水口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细。

一种模块化均匀场激光荧光光源系统，如图1所示，包括蓝色激光光源A101，散射片A102，反蓝透黄合束镜103，透镜组A104，荧光元件105，透镜组B106，散射片B107，蓝色激光光源B108，透镜组C109，反红绿透蓝合束镜110，透镜111，散射片C112，红绿蓝激光光源113，透镜组D114，光通管115。

如图2所示，荧光元件5上同心设有反射式黄色荧光环501和透射式青色荧光环502。

如图1所示，蓝色激光光源A101发出的光束通过散射片A102后入射至反蓝透黄合束镜103，之后通过透镜组A104汇聚入射至荧光元件5的反射式黄色荧光环501上，激发出黄色荧光。

反蓝透黄合束镜103具有图3所示透光特性，在光沿45°角入射反蓝透黄合束镜3时，440～470nm波长色光平均透过率小于1％，480～680nm波长色光平均透过率大于97％。

如图1所示，荧光元件105激发后产生的黄光依次通过透镜组A104、反蓝透黄合束镜103及透镜组D114入射至光通管115。即聚焦至荧光元件105的蓝光光源激发荧光材料产生黄光，经透镜组A104平行出射至反蓝透黄合束镜103透射至透镜组D114。

反红绿透蓝合束镜A110和反红绿透蓝合束镜B116具有图4所示透光特性，在光沿45°角入射反红绿透蓝合束镜A10和B16时，480～660nm波长色光平均透过率小于1％，420～475nm波长色光平均透过率大于97％。

如图1所示，蓝色激光光源B108发出的光束通过透镜组B106后入射至荧光元件105，蓝色激光汇聚照射到透射式青色荧光环502，激发出青色荧光(包括绿光和蓝光)。荧光元件105激发后产生的绿光束依次通过透镜组C109、反红绿透蓝合束镜A110、反红绿透蓝合束镜B116及透镜组D114入射至光通管115；荧光元件105激发后产生的蓝光束依次通过反红绿透蓝合束镜A110及透镜组D114入射至光通管115。即聚焦至荧光元件105的蓝光光源激发荧光材料产生青色光，经透镜组C109平行出射至反红绿透蓝合束镜A110，经其对不同波长的光进行分解，透射出的绿光束经反红绿透蓝合束镜B116反射至透镜组D114；透射出的蓝光束透射至透镜组D114。

如图1所示，红绿蓝激光光源113发出的红绿光依次经过振散射片C112、透镜111、反红绿透蓝合束镜A110及透镜组D114入射至光通管115；红绿蓝激光光源发出的蓝光依次经过散射片C12、透镜111、反红绿透蓝合束镜A110、反红绿透蓝合束镜B116、反蓝透黄合束镜103及透镜组D114入射至光通管115。

由蓝色激光光源A101激发出的黄色荧光，由蓝色激光光源B18激发出的绿蓝色(青色)荧光和红绿蓝激光均平行进入透镜组D114聚焦耦合进入光通管115。

具体实施时，散射片C112位于振动机构上，形成振动散射片，当激光光束以一定的角度入射到散射片112上时，散射片112在振动机构上进行随机振动会使得激光入射位置以及入射角度不断发生变化，从而降低激光光束的时间相干性和空间相干性，从而有效抑制了激光散斑，提升了匀场。

如图5所示，红绿蓝激光光源13经下述结构散热并出射至振动散射片，包括蓝光激光光源133、绿光激光光源134、红光激光光源135，蓝光激光光源133、绿光激光光源134和红光激光光源135分别通过铟锡合金焊片焊接于半导体制冷器(TEC)132上，半导体制冷器(TEC)132分别通过铟锡合金焊片焊接于水冷块131上，水冷块131上设有进水口139和出水口130。蓝光激光光源133发出的光束依次通过反射镜136、反绿透蓝合束镜137、反红透蓝绿合束镜138、透镜111射出，绿光激光光源134发出的光束依次通过反绿透蓝合束镜137、反红透蓝绿合束镜138、透镜111射出，红光激光光源135发出的光束通过反红透蓝绿合束镜138、透镜111射出。通过半导体制冷器(TEC)132使红绿蓝激光器上产生的热量迅速通过冷面传导到热面，进而传导到水冷块131上，水冷块131水路外接风扇或水冷机制冷。蓝光激光光源133发出的激光经反射镜136反射至反绿透蓝合束镜137。绿光激光光源134经反绿透蓝合束镜137与蓝光激光进行波长合束。红光激光光源138经反红透蓝绿合束镜138与蓝光激光，绿光激光进行多波长合束，进入透镜111汇聚出射。

具体实施时，经合束镜透射或反射的光束均以45°角入射。半导体红绿蓝激光二极管光源波长分别为455nm、465nm，520nm、525nm，638nm、642nm。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照本实用新型实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本实用新型的权利要求保护范围中。

Claims

1.一种模块化均匀场激光荧光光源系统，其特征在于：包括蓝色激光光源A（101），散射片A（102），反蓝透黄合束镜（103），透镜组A（104），荧光元件（105），透镜组B（106），散射片B（107），蓝色激光光源B（108），透镜组C（109），反红绿透蓝合束镜A（110），透镜（111），散射片C（112），红绿蓝激光光源（113），透镜组D（114），光通管（115），反红绿透蓝合束镜B（116）；

所述荧光元件（105）上同圆心设有反射式黄色荧光环（501）和透射式青色荧光环（502）；

所述蓝色激光光源A（101）发出的蓝色光束经散射片A（102）入射至反蓝透黄合束镜（103），反射后经过透镜组A（104）汇聚入射至荧光元件（105）的反射式黄色荧光环（501）；激发产生的黄光依次经透镜组A（104）、反蓝透黄合束镜（103）、透镜组D（114）汇聚入射至光通管（115）；

所述蓝色激光光源B（108）发出的蓝色光束依次经散射片B（107）、透镜组B（106）汇聚入射至荧光元件（105）的透射式青色荧光环（502），激发产生的青色荧光经透镜组C（109）后入射至反红绿透蓝合束镜A（110）进行分解，其中绿色光束经反红绿透蓝合束镜A（110）、反红绿透蓝合束镜B（116）及透镜组D（114）汇聚入射至光通管（115），蓝光束通过反红绿透蓝合束镜A（110）经透镜组D（114）汇聚入射至光通管（115）；

所述红绿蓝激光光源（113）发出的红绿光依次经过散射片C（112）、透镜（111）、反红绿透蓝合束镜A（110）及透镜组D（114）汇聚入射至光通管（115）；所述红绿蓝激光光源（113）发出的蓝光依次经过散射片C（112）、透镜（111）、反红绿透蓝合束镜A（110）、反红绿透蓝合束镜B（116）、反蓝透黄合束镜（103）及透镜组D（114）入射至光通管（115）。

2.根据权利要求1所述的一种模块化均匀场激光荧光光源系统，其特征在于：所述散射片C（112）位于振动机构上，形成振动散射片。

3.根据权利要求1或2所述的一种模块化均匀场激光荧光光源系统，其特征在于：所述红绿蓝激光光源（113）包括蓝光激光光源（133）、绿光激光光源（134）、红光激光光源（135），所述蓝光激光光源（133）、绿光激光光源（134）和红光激光光源（135）分别通过铟锡合金焊片焊接于各自的半导体制冷器（132）上，各半导体制冷器（132）分别通过铟锡合金焊片焊接于水冷块（131）上，所述水冷块（131）上设有进水口（139）和出水口（130）；

所述蓝光激光光源（133）发出的光束依次通过反射镜（136）、反绿透蓝合束镜（137）、反红透蓝绿合束镜（138）射出，所述绿光激光光源（134）发出的光束依次通过反绿透蓝合束镜（137）、反红透蓝绿合束镜（138）射出，所述红光激光光源（135）发出的光束通过反红透蓝绿合束镜（138）射出。