JP7101886B2

JP7101886B2 - ノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システム

Info

Publication number: JP7101886B2
Application number: JP2021523985A
Authority: JP
Inventors: 海洋 ▲陳▼; 元元胡; ▲輝▼ 李; 晴郭
Original assignee: Jinmei Lasertec Corp Ltd
Current assignee: Jinmei Lasertec Corp Ltd
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-10-10
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2040-10-10
Also published as: JP2022512910A; US20220229353A1; CN110673430A; WO2021068935A1

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は２０１９年１０月１１日に中国特許庁に提出され、出願番号２０１９１０９６０７４７．４、発明の名称「ノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システム」の中国特許出願の優先権を要求し、その内容全体が参照により本出願に組み込まれている。

本発明は、レーザー投影の技術分野、特にノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システムに関する。

プロジェクタは、ディスプレイ業界で最も重要な機器の１つとして、誕生以来、教育、商業、エンジニアリング、監視、シミュレーショントレーニング、映画の映写に広く使用されてきた。しかし、現在の世界市場では、プロジェクタに広く使用されているキセノンランプや高圧水銀ランプ等の電球は、寿命が短く、色が薄く、明るさが制限され、使用コストが高く、環境にやさしくない等であるため、制御室や監視室、大規模ビル照明の実シーンなどの新しい業界の、２４時間年中無休の連続作業のニーズに対応できず、時代に追いつくのは難しい。赤、緑、青（ＲＧＢ）のレーザー投影ディスプレイ技術は、客観的な世界の豊かで鮮やかな色を最も真に再現し、より衝撃的な表現力を提供し、高輝度、超長寿命、低使用コスト、および緑で環境に優しい等の特性を備え、ディスプレイ業界で究極のディスプレイ技術として知られている。

プロジェクションディスプレイの高解像度、広い色域は、高品質の画質の業界の追求であり、解像度は１０８０ｐから２ｋにアップグレードされ、さらに４ｋにアップグレードされ、色域はＲｅｃ７０９からＤＣＩ－Ｐ３に拡張された。４Ｋ高解像度ディスプレイの下で、必要に応じてＲｅｃ．２０２０の色域が出現し、これは、ディスプレイの究極の色と完璧な表現力を発揮するための業界の新しい要件である。

しかしながら、現在、国内外の市場で商品化できる（低価格、長寿命、広い動作温度範囲）緑色半導体レーザーダイオードは、５２０ｎｍと５２５ｎｍの波長しかなく、これら２つのレーザー波長のどちらも色域Ｒｅｃ．２０２０をカバーできず、図３に示すように、Ｒｅｃ．２０２０をカバーするには、５３２ｎｍレーザーを使用する必要があり、現在、５３２ｎｍ緑色レーザーを生成できるのは固体レーザーのみであるが、このレーザーの価格は非常に高く、発光安定性は動作温度の影響を大きく受け、投影業界での商用利用が難しい。

上記を考慮して、本発明は、ノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システムを提供し、統合半導体ＲＧＢレーザーダイオードとレーザー蛍光ユニットと組み合わせた赤色光ノッチフィルターを使用した新しい光学光路であり、ノッチビーム結合により、広色域を備えたレーザー密充填統合光源システムを実現することが提供され、従来の半導体ＲＧＢレーザーダイオード結合統合光源が色域Ｒｅｃ．２０２０を満たさないという技術的課題を効果的に解決することができる。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の解決手段を提供する。

ノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システムであって、青色レーザー光源Ｉ、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ、緑色レーザー光源、青色の励起光源、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ、蛍光ユニット、赤色レーザー光源を含み、
前記青色レーザー光源Ｉから放射された光束は、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ、拡散板Ｉ、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ、赤色光ノッチフィルター及びレンズ群IIを順番に通過してライトパイプに入射し、
前記緑色レーザー光源から放射された光束は、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ、拡散板Ｉ、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ、赤色光ノッチフィルター及びレンズ群IIを順番に通過してライトパイプに入射し、
前記青色の励起光源から放出される光束は、順次拡散板II、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ、レンズ群Ｉを通過して蛍光ユニットに入射し、
前記蛍光ユニットから放出される光束は、レンズ群Ｉ、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ、赤色光ノッチフィルター及びレンズ群IIを順次通過してライトパイプに入射し、
前記赤色レーザー光源から放出される光束は、順次拡散板III、赤色光ノッチフィルター及びレンズ群IIを順次通過してライトパイプに入射し、
任意選択で、前記蛍光ユニット上の蛍光材料は、蛍光セラミック、蛍光結晶または蛍光粉末である。

任意選択で、前記蛍光材料は、青色の励起光源の照射下で５３２ｎｍを超える色光を生成する。

任意選択で、ビームコンバイナによって透過または反射された光束はすべて、４５°の角度で入射する。

任意選択で、前記赤色光トラップフィルタの光学特性は、６２０ｎｍ～６６０ｎｍ帯域の光源波長が反射し、光波長が４００ｎｍ～６２０ｎｍ、６６０ｎｍ～７００ｎｍの２つの光源波長が透過することである。

任意選択で、前記蛍光ユニットは、青色レーザーダイオードと、青色ダイオードの波長に適合された蛍光材料とで構成される。

本発明によって提供される特定の実施例によれば、本発明は、以下の技術的効果を開示する。

従来技術で製造されたレーザー光源は、赤、緑、青の半導体レーザーダイオードで製造されたレーザー光源であり、広色域Ｒｅｃ．２０２０の要件を満たすことができず、１つは本発明の解決手段により、レーザー光源の色域は、広色域Ｒｅｃ．２０２０の要件を満たすことができる。２つは固体レーザーの使用により、この実装方法は、広色域Ｒｅｃ．２０２０の要件にも対応できるが、非常に高価でかさばると同時に、レーザー光源は安定した動作のために厳しい環境温度などの条件を必要とし、投影業界での商用利用が難しく、レーザーディスプレイ技術の普及と使用が妨げられている。本発明の実施により、小型、高エネルギー効率、緩い作業環境要件を備え、広色域Ｒｅｃ．２０２０の要件を満たすことができ、同時に高コストパフォーマンスを備えた広色域レーザー光源、大量生産と商業化を完全に満たす生産が可能である。

本発明の設計は合理的であり、このＲＧＢレーザー光源の結合統合システムは、複数の光源の高効率で超小型の結合モードを実現し、これは、広色域Ｒｅｃ．２０２０の要件を満たすことができ、コストパフォーマンスが高く、使用温度適応範囲が幅広く、優れた実用価値を持っている。

本発明の実施例または従来技術の技術的解決手段をより明確に説明するために、以下では、実施例で使用する必要のある図面を簡単に紹介する。明らかに、以下の説明の図面は、本発明のいくつかの実施例にすぎない。当業者にとって、他の図面は、創造的な作業なしにこれらの図面に基づいて得ることができる。

図１は、本発明のレーザー光源システムの模式図を示している。図２は、本発明のレーザー光源システムによって使用される有効な蛍光スペクトルを示している。図３は、さまざまな色域での色域曲線を示している。図４は、ノッチフィルターのスペクトル曲線を示している。図５は、２つの色座標の光源を混合した後のＲＥＣ２０２０の要件を満たす新しい色座標の模式図を示している。

以下は、本発明の実施例における添付の図面を参照して、本発明の実施例における技術的解決手段を明確かつ完全に説明する。明らかに、記載された実施例は、すべての実施例ではなく、本発明の実施例の一部にすぎない。本発明の実施例に基づいて、創造的な作業なしに当業者によって得られる他のすべての実施例は、本発明の保護範囲に含まれるものとする。

本発明は、従来の半導体ＲＧＢレーザーダイオード結合統合光源が色域Ｒｅｃ．２０２０を満たさないという技術的課題を効果的に解決するために、ノッチビーム結合によって統合された広色域レーザー光源システムを提供することを目的とする。

本発明の上記目的、特徴及び利点をより顕著で分かりやすくするために、以下に図面及び発明を実施するための形態を参照しながら本発明をさらに詳しく説明する。

図１は、本発明のレーザー光源システムの模式図を示している。図１に示すように、ノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システムであって、青色レーザー光源Ｉ１、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ２、緑色レーザー光源３、青色の励起光源５、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ６、蛍光ユニット７、ＲＧＢレーザー光源７、赤色レーザー光源９等を含む。

青色レーザー光源Ｉ１から放射された光束は、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ２、拡散板Ｉ４ａ、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ６、赤色光ノッチフィルター１０、及びレンズ群II１１を順番に通過してライトパイプ１２に入射し、緑色レーザー光源３から放射された光束は、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ２、拡散板Ｉ４ａ、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ６、赤色光ノッチフィルター１０及びレンズ群II１１を順番に通過してライトパイプ１２に入射する。すると青色レーザー光源Ｉ１と緑色レーザー光源３は、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ２を介して結合される。青色レーザー光源Ｉ１と緑色レーザー光源３は結合された後に拡散板Ｉ４ａを透過し、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ６、赤色光ノッチフィルター１０を通過し、最後にレンズ群II１１を通過し、ライトパイプ１２に結合する。

青色の励起光源５から放出される光束は、順次拡散板II４ｂ、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ６、レンズ群Ｉ８を通過して蛍光ユニット７に入射する。すると青色の励起光源５は、拡散板II４ｂを透過し、赤色光を反射して青緑色光を透過するコンバイナ６、レンズ群Ｉ８を通過して蛍光ユニット７の蛍光材料に入射し、蛍光材料は、蛍光セラミック、蛍光結晶または蛍光粉末であり得る。蛍光材料は、２０Ｈｚから１２０Ｈｚで回転する蛍光ホイールを使用して光路に埋め込むことができまたは回転する必要のない蛍光結晶または蛍光セラミックを使用して光路に埋め込むことができる。

蛍光ユニット７から放出される光束は、レンズ群Ｉ８、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ６、赤色光ノッチフィルター１０及びレンズ群II１１を順次通過してライトパイプ１２に入射する。青色の励起光源５の照射下で蛍光材料によって生成された５３２ｎｍを超える色光は、レンズ群Ｉ８によって収集され、次いで、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ６に入り、青色レーザー光源１と緑色レーザー光源３との光源波長ビームを結合する。

赤色レーザー光源９から放出される光束は、順次拡散板III４ｃ、赤色光ノッチフィルター１０及びレンズ群II１１を順次通過してライトパイプ１２に入射する。すると赤色レーザー光源９は、拡散板III４ｃを透過し、赤色光ノッチフィルター１０を通過して青色レーザー光源Ｉ１、緑色レーザー光源３及び蛍光材料によって生成された蛍光励起光源と多波長光源ビームを結合し、赤色光ノッチフィルター１０によって合成されたレーザー光源は、レンズ群II１１を介して収集されライトパイプ１２に結合される。

半導体レーザーダイオードが色域Ｒｅｃ．２０２０の要件を満たすことを可能にするために、本発明の実施例は、ノッチビーム結合によってＲＧＢ半導体レーザーダイオードを統合する新しい結合統合手段を提供し、レーザー蛍光ユニット（＞５３２ｎｍ）を図２に示し、図の曲線スペクトルは蛍光粉末励起スペクトルであり、ここで、網掛け部分は、ノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システムで使用される有効スペクトルであり、Ｒｅｃ．２０２０の広色域の要件を満たすと同時に、コストパフォーマンスが高く、動作温度の適応範囲が広いため、大量生産と商品化のニーズを完全に満たす。

具体的な実装は、赤色光ノッチフィルターが図４に示す光学特性を有し、具体的には６２０ｎｍ～６６０ｎｍ帯域の光源波長反射、光波長が４００ｎｍ～６２０ｎｍ及び６６０ｎｍ～７００ｎｍで２つの光源波長透過である。

ビームコンバイナによって透過または反射されたビームはすべて、４５°の角度で入射する。半導体ＲＧＢレーザーダイオード光源の波長は、それぞれ４４８ｎｍ、４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、５２５ｎｍ、６３８ｎｍ、６４２ｎｍである。レーザー蛍光ユニットは、青色レーザーダイオードと、青色ダイオードの波長に適合した蛍光材料で構成でき、５３２ｎｍを超える色光を励起する。図１に示す新しい光学光路を使用して多波長結合を実施し、密堆積統合を完了し、Ｒｅｃ．２０２０の広色域を持つレーザー統合光源を実現でき、それによって広色域、高輝度、小型、安定した性能を有するレーザー光源システムを実現する。

例として緑を取り上げる。ＲＥＣ２０２０に必要な色域の緑の頂点座標は（０．１７、０．７９７）であるが、緑の半導体レーザーの現在の色座標は（０．１１４、０．８２６）であり、この半導体はＲＥＣ２０２０の色域要件を満たすことができず、光源を交換するかまたは他の色座標の緑色の光を混合する必要がある。図５に示すように、これら２つの色座標の光源を混合して、ＲＥＣ２０２０の要件を満たすことができる新しい色座標を形成する。具体的な計算方法は次のとおりである。スペクトルパワー分布に関係なく、任意の色の光を特定の比率で赤、緑、青の光と混合して、視覚で同じ色の光を与えることができ、これは人間の目がさまざまな色を作り出すことができる視覚の基礎である。光源の色度学の配光基本原理によれば、配光光源の色座標Ｇ１（ｘ１、ｙ１）、Ｇ２（ｘ２、ｙ２）、および配光後の光源の色座標Ｇ（ｘ、ｙ）がわかって、次の式で２つの部分の光源の刺激値ＡとＢを計算できる。
Ａ＊ｘ１＋Ｂ＊ｘ２＝ｘ。
Ａ＊ｙ１＋Ｂ＊ｙ２＝ｙ。

刺激値と見える関数に従って、次のように、比率エネルギーＥ１とＥ２をさらに計算する。
Ｅ１＝Ａ＊ｙ１／Ｖ（Ｇ１）。
Ｅ２＝Ｂ＊ｙ２／Ｖ（Ｇ２）。

配光光源Ｇ１の比率はＥ１／（Ｅ１＋Ｅ２）、配光光源Ｇ２の比率はＥ２／（Ｅ１＋Ｅ２）である。

本発明によって提供されたノッチビーム結合および統合解決手段は、多光色光源の結合および統合を実現し、広色域を有するレーザー光源統合システムを形成する。波長ビーム結合法とノッチビーム結合法により、光学光路と光学部品の新しい設計手段を提供することにより、半導体ＲＧＢレーザーダイオードとレーザー蛍光ユニットを密集して結合および統合し、色域Ｒｅｃ．２０２０の要件を効果的に満たすことができる。

本明細書における各実施例は段階的に説明されており、各実施例が主に説明することはいずれも他の実施例との相違点であり、各実施例間で同一または同様の部分は、互いに参照すればよい。

本発明の原理および実施形態を説明するために、本明細書では特定の例を使用する。上記の実施例の説明は、本発明の方法およびコアアイデアを理解するのを助けるためにのみ使用される。同時に、当業者の場合、本発明のアイデアによれば、発明を実施するための形態および適用範囲に変更がある。要約すると、本明細書の内容は、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

図中：１－青色レーザー光源Ｉ、２－緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ、３－緑色レーザー光源、４ａ－拡散板Ｉ、４ｂ－拡散板II、４ｃ－拡散板III、５－青色の励起光源、６－赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ、７－蛍光ユニット、８－レンズ群Ｉ、９－赤色の励起光源、１０－赤色光ノッチフィルター、１１－レンズ群II、１２－ライトパイプ。

Claims

ノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システムであって、青色レーザー光源Ｉ（１）、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ（２）、緑色レーザー光源（３）、青色の励起光源（５）、赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ（６）、蛍光ユニット（７）、赤色レーザー光源（９）、赤色光ノッチフィルター（１０）を含み、
前記赤色光ノッチフィルター（１０）の光学特性は、６２０ｎｍ～６６０ｎｍ帯域の光源波長の光を反射させ、４００ｎｍ～６２０ｎｍおよび６６０ｎｍ～７００ｎｍ範囲の２つの光源波長の光を透過させるものであり、
前記青色レーザー光源Ｉ（１）から放射された光束は、前記緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ（２）、拡散板Ｉ（４ａ）、前記赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ（６）、前記赤色光ノッチフィルター（１０）及びレンズ群II（１１）を順番に通過してライトパイプ（１２）に入射し、
前記緑色レーザー光源（３）から放射された光束は、前記緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ（２）、前記拡散板Ｉ（４ａ）、前記赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ（６）、前記赤色光ノッチフィルター（１０）及び前記レンズ群II（１１）を順番に通過して前記ライトパイプ（１２）に入射し、
前記青色の励起光源（５）から放出される光束は、順次拡散板II（４ｂ）、前記赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ（６）、レンズ群Ｉ（８）を通過して前記蛍光ユニット（７）に入射し、
前記蛍光ユニット（７）から放出される５３２ｎｍを超える色光を含む光束は、前記レンズ群Ｉ（８）を通過し、前記赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ（６）で反射され、前記赤色光ノッチフィルター（１０）を透過し、前記レンズ群II（１１）を通過して前記ライトパイプ（１２）に入射し、
前記赤色レーザー光源（９）から放出される光束は、拡散板III（４ｃ）を通過し、前記赤色光ノッチフィルター（１０）で反射され、前記レンズ群II（１１）を通過して前記ライトパイプ（１２）に入射することを特徴とする、ノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システム。
前記蛍光ユニット（７）の蛍光材料は、蛍光セラミック、蛍光結晶または蛍光粉末であることを特徴とする、請求項１に記載のノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システム。
前記青色レーザー光源Ｉ（１）から放射された光束は、前記緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ（２）に対して４５°の角度で入射し、
前記緑色レーザー光源（３）から放射された光束は、前記緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナ（２）に対して４５°の角度で入射し、
前記青色の励起光源（５）から放出される光束は、前記拡散板II（４ｂ）を透過した後に、前記赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ（６）に対して４５°の角度で入射し、
前記蛍光ユニット（７）から放出される５３２ｎｍを超える色光を含む光束は、前記レンズ群Ｉ（８）を通過した後に、前記赤色光を反射して青緑色光を透過するビームコンバイナ（６）に対して４５°の角度で入射することを特徴とする、請求項１に記載のノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システム。
前記蛍光ユニット（７）は、青色ダイオードと、前記青色ダイオードの波長と適合した蛍光材料で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のノッチビーム結合により統合された広色域レーザー光源システム。