JP7150170B2 - モジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システム - Google Patents

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２０１９１０９６０７６１．４、発明の名称「モジュール化された高効率放熱均一フィールド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、そのすべての内容は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、特にモジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システムに関する。

現在の最先端の投影技術として、レーザー投影は近年急速に発展し、純粋なレーザー光源、レーザー蛍光ホイール、レーザーＬＥＤ光源等の３つの主要な製品形態を形成し、そのうち、蛍光体材料のレーザープロジェクターは最も価格性能比の高いモデルである。レーザー蛍光投影は、青色レーザーで蛍光体を照射して黄色の光を生成し、透過光路の他の部分の青色レーザーと波長を組み合わせると、光源のコヒーレンスが大幅に低下し、スペックルを効果的に排除できる。しかしながら、蛍光ホイールを高ルーメンまたは長時間レーザー照射すると、蛍光体の局所温度が非常に高くなり、蛍光効率が低下し、高輝度プロジェクターを作ることが困難になる。その結果、レーザー蛍光と純粋なレーザー光源システムが生成され、スペックルのないレーザー蛍光の特性だけでなく、純粋なレーザーの高輝度、高解像度、広色域投影出力の特性も備えて、客観的な世界の豊かでゴージャスな色を真に再現することができる。

プロジェクターに使用される純粋なレーザー光源では、レーザー装置は非常に強いコヒーレンスと高い単色性を持っているため、レーザー投影画像のスペックル効果と不均一性を引き起こす。同時に、レーザー装置の出力と波長は周囲温度の変化により変動し、純粋なレーザー光源の電気光学変換効率は一般にわずか１３％から４０％であり、残りの電気エネルギーは、すべて熱を発生するため、レーザー装置の放熱は特に重要である。従来のレーザー装置の放熱は、レーザー装置をヒートシンクに固定し、レーザーとヒートシンクとの間に熱伝導性シリコーングリースを塗布することにより実現した。高出力のレーザー装置を使用する場合、レーザー装置の温度を公称動作温度範囲内に制御することは困難である。

半導体ＲＧＢレーザーダイオードの高コヒーレンスは、レーザー投影ディスプレイのスペックル効果と不均一性を引き起こし、同時に、動作温度の変化は、レーザー装置の波長と出力に影響を与え、したがって、レーザー投影システムの均質化とレーザー装置の放熱処理は特に重要である。

上記を考慮して、本発明は、モジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システムを提供する。この解決手段は、レーザー装置の放熱構造を改善し、レーザーの光路に振動ディフューザー構造を追加することにより、公称動作温度範囲内のレーザー装置の温度の制御を実現し、同時に、スペックルのない均一な投影画像が得られ、レーザーの放熱と投影画像の不均一性の問題が解決される。

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。

青色レーザー光源Ｉ、ディフューザーＩ、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー、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ー、レンズグループＩ、蛍光ユニット、ＲＧＢレーザー光源、振動ディフューザー、レンズＩ、レンズグループII、集光管を含む。

前記青色レーザー光源Ｉから放射された光束は、ディフューザーＩを透過した後に青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナーに入射し、その後にレンズグループＩを通って蛍光ユニットに入射する。

前記蛍光ユニットの励起によって生成された光束は、レンズグループＩ、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー、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ー、およびレンズグループIIを順に透過して集光管に入射する。

前記ＲＧＢレーザー光源から放射された光束は、振動ディフューザー、レンズ、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ー及びレンズグループIIを順に透過し、集光管に入射する。

好ましくは、前記ＲＧＢレーザー光源には、青色レーザー光源、緑色レーザー光源、および赤色レーザー光源が含まれ、前記青色レーザー光源、緑色レーザー光源、赤色レーザー光源は、それぞれインジウムスズ合金はんだ板を介して水冷プレートに溶接され、前記青色レーザー光源から放射される光束は、反射鏡、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナー、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ー、レンズを順に透過して放射され、前記緑色の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ー、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ー、レンズを順に透過して放射される。

本発明の前記モジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システムは、レーザー蛍光ホイールおよび純粋なレーザーハイブリッド光源を採用し、波長ビーム混合によって集光管に結合され、純粋なレーザー光路に振動ディフューザーを追加する方法で、スペックルのない均一な投影画像を得る。同時に、レーザー装置の放熱構造が最適化され、レーザー装置は熱伝導率のより高いインジウムスズ合金はんだ板を介してヒートシンクに溶接され、インジウムスズ合金の熱伝導率は熱伝導性シリコーングリースの５倍以上であり、レーザー装置によって生成された熱を効果的に放散し、レーザー装置の動作温度範囲内で温度を制御し、レーザー装置の寿命を延ばすことができる。

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。

（１）、従来の熱伝導性シリコーングリース塗布による放熱方法では、高出力のレーザー装置の温度を動作温度範囲内に制御することは困難であるが、インジウムスズ合金の熱伝導率は、熱伝導性シリコーングリースの５倍以上であり、インジウムスズ合金のはんだ板を用いてレーザー装置を水冷プレートに溶接すると、レーザー装置を水冷プレートにより強固に固定すると同時に、公称動作温度範囲内で温度を制御できる。
（２）、本発明の実施により、振動ディフューザーが半導体ＲＧＢレーザー光路に追加され、蛍光ユニットによって生成された蛍光励起光の波長を結合することで、スペックルのない均一な画像表示を実現し、これにより、視聴体験を大幅に向上させる。

本発明の設計は合理的であり、このビームコンバイナーを使用する新しい光学光路が設計され、半導体ＲＧＢレーザーダイオードとレーザー蛍光ユニットが結合され、レーザー装置の放熱構造が最適化され、同時に、振動ディフューザーがＲＧＢレーザー光路に追加され、モジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システムが実現された。該モジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システムは、レーザー装置によって生成された熱を効果的に放散すると同時に、均一な投影画像を得ることができ、優れた実用的価値を有する。

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し、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に、モジュール化された高効率の放熱均一場レーザー光源システムの構造模式図を示す。 図２にＲＧＢレーザー光源と放熱構造を示す。 図３に振動ディフューザーの構造模式図を示す。 図４に、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナーの光学特性を示す。

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し、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、レーザー装置の放熱および投影画像の不均一性の問題を解決するために、モジュールされた高効率放熱均一フィールドレーザー光源システムを提供することを目的とする。

本発明の上記の目的、特徴および利点をより明白かつ理解可能にするために、本発明は、添付の図面および発明を実施するための形態を参照して、以下でさらに詳細に説明される。

図１に示すように、青色レーザー光源Ｉ１、ディフューザーＩ２、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー３、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ー４、レンズグループＩ５、蛍光ユニット６、ＲＧＢレーザー光源７、振動ディフューザー８、レンズＩ９、レンズグループII１０、集光管１１を含むモジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システム。

図１に示すように、青色レーザー光源Ｉ１から放射された光束は、ディフューザーＩ２を透過した後に青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー３に入射した後、レンズグループＩ５を通って蛍光ユニット６に入射する。この場合、青色レーザー光源Ｉ１から放出された光は、ディフューザーＩ２を介して青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー３を透過し、レンズグループＩ５を通って蛍光ユニット６の蛍光材料に焦点を当てる。

青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー３は、図４に示す光透過特性を備えて、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー３に４５°の角度で入射した場合、４４０～５３０ｎｍの色光の平均透過率は２％未満であり、５４０～６８０ｎｍの色光の平均透過率は９５％を超える。

図１に示すように、蛍光ユニット６の励起により発生する光束（黄色光）は、レンズグループＩ５、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー３、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ー４及びレンズグループII１０を順に透過し、集光管１１に入射する。この場合、蛍光ユニット６に焦点を合わせた青色光源は、蛍光材料を励起して黄色光を生成し、レンズグループ５を介して、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナーに平行に放射し透過して、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ー４に透過する。

図１に示すように、ＲＧＢレーザー光源７から放射された光束は、振動ディフューザー８、レンズＩ９を順に透過し、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ー４に入射し、次いでレンズグループII１０を透過し、集光管１１に入射する。ＲＧＢレーザー光源から放射された光束は、振動ディフューザー８を透過して、レンズＩ９を透過して、ＲＧＢレーザー光源の赤色レーザーは、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ー４で反射され、青と緑のレーザーは、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ー４を透過して、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー３で反射され、蛍光ユニット６によって生成された蛍光励起光と多波長ビーム混合を行い、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ー４を通るレーザー光源は、平行にレンズグループII１０に入り、焦点を合わせ、集光管１１に結合される。

図２に示すように、ＲＧＢレーザー光源７は、次の構造で放熱し、振動ディフューザーに放射し、青色レーザー光源７０３、緑色レーザー光源７０４、赤色レーザー光源７０５を含み、青色レーザー光源７０３、緑色レーザー光源７０４、および赤色レーザー光源７０５は、それぞれ、インジウムスズ合金はんだ板７０２を介して水冷プレート７０１に溶接され、青色レーザー光源７０３から放射される光束は、反射鏡７０６、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナー７０７、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ー７０８、レンズ７０９を順に通して放射され、緑色のレーザー光源７０４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ー７０７、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ー７０８、レンズ７０９を順に透過して放射され、赤色のレーザー光源７０５から放射された光束は、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ー７０８、レンズ７０９を透過して放射される。この場合、ＲＧＢレーザー光源はインジウムスズ合金はんだ板７０２を介して水冷プレート７０１に直接溶接され、水冷プレートの水路をファンまたはウォータークーラーで外部冷却する。青色レーザー光源７０３によって放出されたレーザー光は、反射鏡７０６によって、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナー７０７に反射される。緑色レーザー光源７０４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ー７０７を介して青色レーザーと波長ビーム結合される。赤色レーザー光源７０５は、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ー７０８を介して青色レーザー、緑色レーザーと多波長のビーム混合を行い、レンズ７０９に入り、収束して放射する。

図３に示すように、振動ディフューザー８は、ディフューザーサポート８０１を含み、ディフューザーサポート８０１にディフューザー８０２及び振動モーター８０３が取り付けられ、振動モーター８０３にドライブ８０４が外付けられる。

具体的な実施では、ビームコンバイナー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４５５ｎｍ、４６５ｎｍ、５２０ｎｍ、５２５ｎｍ、６３８ｎｍ、６４２ｎｍである。新しい光学光路を介して、ビームコンバイナーを使用して多波長光源ビームを混合し、半導体ＲＧＢレーザー光路に振動ディフューザー装置を追加することで、スペックルのない均一な投影画面を得ることができ、高輝度、高コスト性能、スペックルなし、安定した性能のレーザー光源システムを実現する。

本明細書における各実施例は漸進的に説明されており、各実施例は、他の実施例との違い特徴を重点として説明して、様々な実施例間の同じまたは類似の部分を互いに参照することができる。

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し、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ためのものであり、同時に、当業者にとって、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応用範囲に変更が生じるであろう。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－ディフューザーＩ、３－青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー、４－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ー、５－レンズグループＩ、６－蛍光ユニット、７－ＲＧＢレーザー光源、８－振動ディフューザー、９－レンズＩ、１０－レンズグループII、１１－集光管、７０１－水冷プレート、７０２－インジウムスズ合金はんだ板、７０３－青色レーザー光源、７０４－緑色レーザー光源、７０５－赤色レーザー光源、７０６－反射鏡、７０７－緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナー、７０８－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ー、７０９－レンズ、８０１－ディフューザーのサポート、８０２－ディフューザー、８０３－振動モーター、８０１－駆動装置。

Claims (5)

1. 青色レーザー光源Ｉ（１）、ディフューザーＩ（２）、青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー（３）、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ー（４）、レンズグループＩ（５）、蛍光ユニット（６）、ＲＧＢレーザー光源（７）、振動ディフューザー（８）、レンズＩ（９）、レンズグループII（１０）、集光管（１１）を含み、
   前記青色レーザー光源Ｉ（１）から放射された光束は、前記ディフューザーＩ（２）を透過した後に前記青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー（３）に入射し、その後に前記レンズグループＩ（５）を通って前記蛍光ユニット（６）に入射し、
   前記蛍光ユニット（６）の励起によって生成された黄色光を含む光束は、前記レンズグループＩ（５）、前記青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー（３）、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ー（４）、および前記レンズグループII（１０）を順に透過して前記集光管（１１）に入射し、
   前記ＲＧＢレーザー光源（７）から放射された光束に含まれる赤色光は、前記振動ディフューザー（８）、前記レンズＩ（９）を順に透過し、次いで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ー（４）に反射し、次いで前記レンズグループII（１０）を透過し、前記集光管（１１）に入射することを特徴とするモジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システム。
2. 前記ＲＧＢレーザー光源（７）には、青色レーザー光源（７０３）、緑色レーザー光源（７０４）、および赤色レーザー光源（７０５）が含まれ、前記青色レーザー光源（７０３）、前記緑色レーザー光源（７０４）、前記赤色レーザー光源（７０５）は、それぞれインジウムスズ合金はんだ板（７０２）を介して水冷プレート（７０１）に溶接され、前記青色レーザー光源（７０３）から放射される光束は、反射鏡（７０６）、緑色光を反射して青色光を透過するビームコンバイナー（７０７）、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ー（７０８）、レンズ（７０９）を順に透過して放射され、前記緑色レーザー光源（７０４）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ー（７０７）、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ー（７０８）、前記レンズ（７０９）を順に透過して放射され、前記赤色レーザー光源（７０５）から放射された光束は、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ー（７０８）、前記レンズ（７０９）を順に透過して放射されることを特徴とする請求項１に記載のモジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システム。
3. 前記振動ディフューザー（８）は、ディフューザーサポート（８０１）を含み、前記ディフューザーサポート（８０１）にディフューザー（８０２）及び振動モーター（８０３）が取り付けられ、前記振動モーター（８０３）にドライブ（８０４）が外付けられることを特徴とする請求項１または２に記載のモジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システム。
4. 前記青色レーザー光源Ｉ（１）から放射された光束は、前記青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー（３）に４５°の角度で入射し、前記ＲＧＢレーザー光源（７）から放射された光束は、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ー（４）に４５°の角度で入射することを特徴とする請求項３に記載のモジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システム。
5. 前記青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー（３）の光透過特性は、前記青色光を反射して黄色光を透過するビームコンバイナー（３）に４５°の角度で入射する場合、４４０～５３０ｎｍの色光の平均透過率は２％未満であり、５４０～６８０ｎｍの平均カラーライトの平均透過率は９５％を超えることであることを特徴とする請求項４に記載のモジュール化された高効率放熱均一フィールドレーザー光源システム

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