CN105093795B - 一种双色激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双色激光光源，包括蓝色激光器和红色激光器，分别发出蓝色激光和红色激光；荧光轮，其表面涂覆有绿色荧光粉，绿色荧光粉受蓝色激光激发发出绿色荧光，还包括消散斑系统，消散斑系统包括：第一扩散部，固定设置于蓝色激光和红色激光的光束整形光路中，用于扩散蓝色激光和红色激光；及第二扩散部，第二扩散部受控进行转动，设置于蓝色激光、红色激光和绿色荧光入射光棒之前，用于时序性地至少透过蓝色激光和红色激光并形成蓝光、红光输出，本发明技术方案提供的双色激光光源，能够有效减弱散斑效应，提高投影图像显示质量。

Description

一种双色激光光源

技术领域

本发明涉及投影显示领域，尤其涉及一种双色激光光源。

背景技术

激光是一种高亮度，方向性强，发出单色相干光束的光源，由于激光的诸多优点，近年来被逐渐作为光源应用于投影显示技术领域。但由于激光的高相干性，不可避免地产生散斑效应，这种现象不仅在使用纯激光作为光源的方案中尤其明显，也存在于激光和荧光，以及激光和LED的混合光源的方案中。所谓散斑是指相干光源在照射粗糙的物体时，散射后的的光，由于其波长相同，相位恒定，就会在空间中产生干涉，空间中有些部分发生干涉相长, 有部分发生干涉相消, 最终的结果是在屏幕上出现颗粒状的明暗相间的斑点，也就是一些未聚焦的斑点闪烁, 长时间观看易产生眩晕感，这无疑会造成投影图像质量的下降，降低用户的观看体验。

双色激光的应用提高了激光光源的整体亮度，满足目前激光投影的亮度应用需求，但是激光本身带来的散斑问题也随之加重，成为其推广应用的一个障碍。

如何在应用双色激光光源的同时减小激光由于本身特性带来的散斑效应成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种双色激光光源，由固定设置的第一扩散部和受控转动的第二扩散部组成消散斑系统，能够同时对蓝色激光和红色激光进行消散斑，有效减弱散斑现象，解决了现有技术中由于使用激光光源带来的散斑效应而导致投影图像质量降低的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双色激光光源，包括蓝色激光器和红色激光器，分别发出蓝色激光和红色激光；荧光轮，其表面涂覆有绿色荧光粉，绿色荧光粉受蓝色激光激发发出绿色荧光， 还包括消散斑系统，该消散斑系统包括：

第一扩散部，固定设置于蓝色激光和红色激光的光束整形光路中，用于扩散蓝色激光和红色激光；

及第二扩散部，第二扩散部受控进行转动，设置于蓝色激光、红色激光和绿色荧光入射光棒之前，用于时序性地至少透过蓝色激光和红色激光并形成蓝光、红光输出；

进一步地，第一扩散部为一扩散片；

进一步地，第一扩散部设置于光束整形光路的后端，其中，蓝色激光透过第一扩散部后入射至荧光轮，红色激光透过第一扩散部后入射至合光部件；

进一步地，第二扩散部包括扩散区和非扩散区，扩散区用于透过蓝色激光和红色激光，非扩散区用于透过绿色荧光；

进一步地，第二扩散部的扩散区为扩散片材质，其表面涂覆有漫射体；

进一步地，非扩散区为绿色滤色片或透明材质，用于透过绿色荧光进入光棒；

进一步地，第二扩散部的扩散区包括蓝色激光扩散区和红色激光扩散区，用于在第二扩散部转动时时序性地透过蓝色激光和所述红色激光；

进一步地，红色激光扩散区包括多个子扩散区，多个子扩散区对红色激光的发散角度不同；

进一步地，多个子扩散区中位于中间区域的子扩散区对所述红色激光的发散角度大于位于两侧区域的子扩散区对所述红色激光的发散角度；

进一步地，多个子扩散部中位于中间区域的子扩散部的面积大于位于两侧区域的子扩散部的面积。

本发明技术方案，至少具有如下有益技术效果或者优点：

本发明技术方案首先通过在蓝色激光和红色激光的光束整形光路中固定设置第一扩散部，用于扩散蓝色激光或者红色激光，无论对蓝色激光光束还是激光光束均可以通过增加激光光束的空间相位，在一定程度上破坏相位恒定这一产生干涉的条件，从而达到一定的消散斑的目的；并在蓝色激光和红色激光以及绿色荧光入射光棒之前设置第二扩散部，第二扩散部受控进行转动，时序性至少透过蓝色激光和红色激光，由于运动的扩散部本身相比于固定设置的扩散部本身能够对激光光束产生一些空间上的随机相位，随机相位的产生能够更大程度上破坏激光的相干性，而本发明技术方案中使用固定的扩散部和运动的扩散部相配合，能够在固定的扩散部增多空间相位的基础上，由运动的扩散部再进一步产生更多的随机相位，能够更好的破坏蓝色激光和红色激光的相干性，从而用于投影的激光光源在投影图像上能够形成较多独立的散斑图样，而独立散斑图样的数目越多，利用人眼的积分作用，明暗斑点的现象就越弱，从而能够有效减弱激光的散斑效应，提高了投影图像显示质量。

进一步地，在本发明技术方案中，第二扩散部包括扩散区和非扩散区，扩散区用于透射并对蓝色激光和红色激光消散斑，而非扩散区用于透过绿色荧光，兼具对激光光源消散斑和为系统输出三基色的作用，可以减少滤色轮部件的使用，从而利于简化光源系统架构。

进一步地，本发明技术方案，对于蓝色激光和红色激光的消散斑共用由第一扩散部和第二扩散部组成的消散斑系统，非不是针对每路激光分别进行消散斑光路设计，降低了光源光路的复杂性，提高了消散斑效率。

附图说明

图1为本发明实施例1双色激光光源结构示意图；

图2为本发明实施例2双色激光光源结构示意图；

图3为本发明实施例2中荧光轮平面分布示意图；

图4为本发明实施例2中第二扩散片示意图；

图5为本发明实施例2中又一第二扩散片分区示意图；

图6为本发明实施例2中激光光束能量高斯分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例1提供了一种双色激光光源，如图1所示，包括蓝色激光器阵列11和红色激光器阵列12，分别发出蓝色激光和红色激光，荧光轮4，其表面涂覆有绿色荧光粉，绿色荧光粉受蓝色激光激发发出绿色荧光，其中，蓝色激光和红色激光在进入荧光轮4和合光部件5之前还要经过光束整形装置2进行整形，在光束整形装置2中包括消散斑系统3的第一扩散部31，其中第一扩散部31固定设置，位于蓝色激光和红色激光的光束整形光路中，用于扩散该蓝色激光和红色激光。蓝色激光经过合光部件5反射至荧光轮，并经荧光轮透射和中继回路光路再次到达合光部件5，并被反射输出，红色激光和绿色荧光组分别经过合光部件5的反射和透射，三种颜色混合形成白色合光。第二扩散部32受控进行转动，即为一运动的扩散部件，其设置于蓝色激光、红色激光和绿色荧光入射光棒6之前，用于时序性地至少透过蓝色激光和红色激光，由于通过转动进行时序性的透过蓝色和红色激光，从而可以形成时序性的输出蓝光和红光，可以用于为系统输出三基色。第二扩散部32与第一扩散部31组成本发明实施例激光光源的消散斑系统。

光棒6收集三基色光进入光机部分（图中未出），实现激光光源为光机部分提供照明。

在本发明实施例中，由于蓝色激光和红色激光依次通过消散斑系统3的第一扩散部和第二扩散部，能够利用固定设置和运动的两个扩散部件同时对蓝色激光和红色激光进行消散斑，解决了双色激光光源使用时由于散斑效应带来的投影图像显示质量差的技术问题，同时还能够时序性的输出蓝光和红光，可用于为系统提供三基色输出。

实施例2

本发明实施例2提供了一种激光光源，如图2所示，用于输出蓝色激光的蓝色激光器阵列11和输出红色激光的红色激光器阵列12垂直排列，垂直排列的阵列发出的光束也互相垂直。这种排列方式利于减少激光器所占用的体积，同时有利于光束整形装置的共用。

由于激光器发出的激光光斑可能存在亮度不均，及光束面积过大的问题，进而造成光学部件光透过率低，荧光激发效率低，以及激光光束扩散角大于光棒收集角度导致激光收集效率低影响投影光源亮度等诸多问题，因此需要对激光进行反射，折射等一系列光束整形，减小其发散角，减小光束面积，并匀化光斑能量，经过光束整形的激光光束才能被用于照明，以及用于后续的荧光轮的荧光激发。

其中，第一扩散部固定设置于蓝色激光和红色激光的光束整形光路的后端，用于扩散所述蓝色激光和红色激光。具体地，如图2所述，光束整形装置2包括一个反射镜单元21，一个凸透镜22和一个凹透镜23，以及优选地光束整形装置2还包括位于凹透镜之后的第一扩散部31，第一扩散部31固定设置。凸透镜22和凹透镜23组成望远镜系统。光束整形装置依次对蓝色激光和红色激光进行合束，缩束，匀化的整形处理。

其中，反射镜单元21位于蓝色和红色激光器阵列前，且与这两个激光阵列均呈45°夹角放置。反射镜单元21可以由一组具有间隔的反射镜组成，反射镜镜片部分能够反射一种光源，反射镜间隔能够允许透射另一种光源。从而仅使用一个反射镜单元，就可以实现对蓝色和红色激光光源当中对一种光源的反射，及对另一种光源的透射，既能够将这两个激光阵列输出的光束减小光束间隔并输出方向一致的合成光束，又能够达到结构紧凑的目的。

优选地，蓝色激光和红色激光在达到反射镜单元21之前，还各自经过一个准直透镜（图中未示出）进行准直，以减小激光的发散角，使更多的光量到达或透过反射镜单元，从而提高激光的整形效率。

经反射镜单元21合束后的蓝色激光和红色激光依次通过凸透镜41和凹透镜42组成的望远镜系统,此处望远镜组的作用是将激光光束进一步缩束，减小光斑尺寸或者说光束的面积，提高光束在后端光学器件中的透过率。

经过望远镜系统之后，蓝色激光和红色激光经过第一扩散部31进行第一次扩散后射出，其中，蓝色激光透过第一扩散部31后入射至荧光轮4，红色激光透过第一扩散部31后入射至合光部件5。无论对于红色激光还是蓝色激光，该第一扩散部都可以对激光光束进行扩散，一方面可以通过增多激光光束的空间相位，在一定程度上破坏相位恒定这一产生干涉的条件，从而达到一定的消散斑的目的；另一方面对激光光束的扩散还可以对光束能量进行匀化，这一点对于蓝色激光来说尤为重要，由于蓝色激光将作为荧光轮的激励光，如果光束未进行匀化，可能造成由于激光光斑强度分布不均，能量集中，直接入射到荧光轮表面时，光强更为集中的的激光光斑会对荧光轮表面产生灼烧损坏，导致无法正常激发荧光。

该第一扩散部31设置于光束整形光路的后端，是考虑到激光已经经过缩束，光斑面积已经较小，利于通过光学镜片传输到下面的光学系统中，此时再进行扩散，可以提高激光光束的扩散效率，同时，为了达到入射荧光轮进行激发的条件，也必须要进行最后一次的光斑匀化，使能量均匀分布。

具体地，第一扩散部31可以是一片扩散片，其表面可以涂覆均匀分布的漫射体，可以选用比如毛玻璃或者二元器件，能够对光线产生漫反射，破坏激光的方向性。也可以在扩散片表面加工微结构，起到同样的漫反射效果。

由于图像是由红绿蓝三基色组成的，在本发明实施例中激光已经可以提供蓝色和红色两种基色，还需要波长转换装置来产生三基色之一的绿色。荧光轮是常用的波长转换装置，具有转轴，能够受马达驱动进行转动，如图3所示，荧光轮4包括透射部42和反射部41，其中透射部42用于透射激励光，利用波长短的光激发波长长的光的原理，选用蓝色激光为激励光。反射部41表面涂覆有绿色荧光粉。当荧光轮4转动时，透射部42和反射部41，就会交替处于激励光源入射的位置。从而当经过光束整形的蓝色激光入射到荧光轮表面时，既能够透射出一部分激光，还能受一部分激光的激发发出荧光。当荧光轮4转动反射部41位置时，蓝色激光照射绿光荧光粉发出绿色荧光并经荧光轮4的表面反射出去达到合光部件5。当荧光轮转动到透射部42部位时，透射部可以为透明玻璃，蓝色激光就会透过透射部42，再从荧光轮4的背面经蓝色激光回路返回至合光器件5，蓝色激光回路通常由中继透镜和反射镜构成。

优选地，在荧光轮4的正面/背面还可以设置准直透镜组，用于减小被透射激光或被反射的荧光光线的扩散角，增强光束的会聚程度。

而经过光束整形的红色激光则透过第一扩散片后直接入射到合光器件5，在本实施例中，合光器件5可选用一片X合光镜。

其中，X合光镜由交叉设置成“X”型的两片镜片组成，其表面通过镀膜实现反A透B，或反B透A 的颜色选择通过效果。例如，反红透绿镜片，或者反绿透红、透蓝镜片，通过在X合光镜片上进行合理的镀层，并且在光路设计上让光线尽量避开镜片中心透过率不高的区域，就可以实现光的高反射率和高透过率。

在本发明实施例中，X合光镜5由一片反蓝透红、透绿镜片和一片反红透蓝、透绿镜片组成，其中反红透蓝透绿镜片，能够将红色激光进行反射，并将蓝色激光进行透射，透射后的蓝色激光又被另一片反蓝透红透绿镜片反射至荧光轮，最终经过一系列光路转换又回到X合光镜5，并被X合光镜5中的反蓝透红透绿镜片反射出去。而受激的绿色荧光则被荧光轮反射至X合光镜5，并经过X合光镜5的反红透蓝透绿镜片和反蓝透红透绿镜片均透射出去，红色激光则先由反红透蓝、透绿镜片反射到达反蓝透红、透绿镜片透射出去。三种色彩的光在X合光镜中的传播路径如图2合光光路部分所示。最终，红色激光，蓝色激光和绿色荧光均经一个X合光镜5合光形成混合白光并沿同一方向出射。

为了更加有效的对激光进行消散斑，经过合光之后，激光和荧光的混合光还要经过消散斑系统3的第二扩散部32，第二扩散部32可以通过马达受控进行转动。具体地，第二扩散部32可以为一色轮结构，如图4所示，该色轮结构包括扩散区321和非扩散区322，扩散区321用于透过蓝色激光和红色激光，非扩散区322用于透过绿色荧光。扩散区321和非扩撒区322拼接形成该色轮轮面。

其中，扩散区321可选用扩散片材质制成，其表面也可以涂覆有漫射体或者设置微结构。为分别能够对蓝色激光和红色激光进行扩散，扩散区321又分为蓝色激光扩散区321B和红色激光扩散区321R，如图5所示用于在第二扩散部转动时时序性地依次透过蓝色激光和红色激光。

非扩散区322可以为绿色滤色片或者透明材质，比如透明玻璃，用于透过绿色荧光，将荧光导入光棒6进行匀化。当非扩散区322为绿色滤色片时，第二扩散部就起到了滤色输出的作用，提高了绿色荧光的色彩纯度。

考虑系统白平衡所要求的红色和蓝色的配比，蓝色激光扩散区321B和红色激光扩散区321R在色轮结构上所占的扇形面积或者说圆心角度一般不同，因而这两个扩散区上的漫射体的涂覆面积一般也不同。比如在本实施例中，蓝色，红色和绿色三者圆心角占比分别为15%，25%，60%，具体是蓝色激光扩散区321B占圆心角54度，红色激光扩散区321R占圆心角90度，非扩散区322占圆心角216度。上述第二扩散部中红色激光扩散区、蓝色激光扩散区和非扩散区的色轮圆心角度分配仅为举例，R、G、B色彩的配比与系统所要求的白平衡有关，在此并不限定于上述数值范围。白平衡是描述显示器件中红、绿、蓝三基色混合生成后白色精确度的一项指标，白平衡会受到物色温，环境光等因素影响，不同的白平衡会呈现不同的图像色调。以及，在上述实施例中，如果系统散斑现象严重，则需要减小非扩散区部所占的角度，而增大扩散区所占的角度，使用大角度的扩散区以期减弱散斑现象。

虽然蓝色激光和红色激光的相干特性较为接近，但是由于人眼对红色激光和蓝色激光形成的散斑的敏感程度不同，实际情况是人眼对红色激光形成的散斑敏感程度较高，因此对于红色激光的消散斑要更为注重。对于红色激光扩散区312R，可以包括多个子扩散区，多个子扩散区对红色激光的发散角度设置为不同，可以是多个子扩散区中位于中间区域的子扩散区对红色激光的发散角度大于位于两侧区域的子扩散区对红色激光的发散角度，且所占的面积也大于两侧区域的子扩散区的面积，这样设置的原因是考虑到激光的能量分布为高斯型，如图6所示意，激光光束的能量在中间较为集中，因此越位于中间位置的扩散区的发散角需要更大，以及面积比例越大才能有效的对能量较为集中的激光光束进行发散。

例如图5所示，红色激光扩散部分为3个红色激光子扩散部，Ra，Rb，Rc，其中Rb扇形圆心角为45度，Ra为20度，Rc为25度，以及Rb处漫反射体的发散角可以设置为5度~5.5度，Ra处处漫反射体的发散角可以设置为2度~2.5度，Rc处漫反射体的发散角可以设置为2.5度~3度，如此设置，红色激光扩散部各子扩散部渐进式的排列可以针对激光高斯型光束的特点有效的进行消相干。

本实施例中激光进行消散斑的工作过程为: 根据激光器点亮时序，当点亮蓝色激光器时，蓝色激光经过光束整形，透过第一扩散部31，实现初步的消相干和匀化，经过X合光镜5反射至荧光轮4，当荧光轮4转到透射部42位置时，并从荧光轮透射部42透射，随后经中继回路光路转换到达X合光镜5再次反射输出，此时，第二扩散部32转动至蓝色激光扩散区321B，从而蓝色激光经过运动的扩散片扩散出射形成蓝光。当荧光轮4转到反射部41时，蓝色激光照射到反射部41表面圆周部分的绿色荧光粉，发出的绿色荧光被荧光轮反射并经X合光镜5透射输出，此时，第二扩散部32转动到非扩散区322位置，比如为绿色滤色片，从而绿色荧光透过转动的第二扩散部的绿色滤光片，经滤色形成绿光。

同理，当红色激光器点亮，红色激光经光束整形装置并经透过第一扩散部31，实现初步的消相干，到达并被X合光镜反射，此时，第二扩散部32转到红色激光扩散区321R位置，红色激光将随着红色激光扩散区321R的转动依次通过Ra，Rb，Rc，经过再次扩散，从而红色激光透过红色激光扩散区321R的扩散出射形成红光。

在本实施例提供双色激光光源技术方案中，蓝色和红色激光器发出的蓝色激光和红色激光首先经过固定设置的第一扩散部31，可以为扩散片材质，能够增多蓝色激光或红色激光光束的空间相位，在一定程度上破坏相位恒定这一产生干涉的条件。当蓝色激光、红色激光与荧光合光后再经过运动状态的第二扩散部32时，可以为扩散片材质，由于运动的扩散部本身相比于固定设置的扩散部本身就能够对激光光束产生一些空间上的随机相位，能够更好的破坏激光的相干性，而本发明实施例中使用固定的扩散片和运动的扩散片相配合，能够在固定的扩散片增多空间相位的基础上，由运动的扩散片再进一步增加更多的随机相位，能够更好的破坏蓝色激光和红色激光的相干性，从而用于投影的激光光源在投影图像上能够形成较多独立的散斑图样，而独立散斑图样的数目越多，利用人眼的积分作用，明暗斑点的现象就越弱，从而能够有效减弱激光的散斑效应，提高了投影图像显示质量。

以及，本实施例还针对人眼对红色激光散斑更为敏感的特点，将第二扩散部中红色激光扩散区分为多个子扩散区，且位于中间区域的子扩散区在面积和对红色激光的发散角度方面均大于两侧区域的子扩散区，从而能够针对激光光束高斯分布的特点，进一步增强对红色激光的消散斑效果。

以及，本发明实施例中，第二扩散部为一色轮结构，包括扩散区和非扩散区，两部分通过拼接形成轮面，扩散区和非扩散区随着色轮的旋转可以时序性地依次输出蓝光，红光和绿光，即能够时序性地输出三基色，从而兼具对激光光源消散斑和为系统输出三基色的作用，可以减少滤色轮部件的使用，提高了激光光源系统中光学部件的利用率，利于简化光源系统架构。

以及，本发明实施例，对于蓝色激光和红色激光的消散斑共用由第一扩散部和第二扩散部组成的消散斑系统，非不是针对每路激光分别进行消散斑光路设计，降低了光源光路的复杂性，提高了消散斑效率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种双色激光光源，包括蓝色激光器和红色激光器，分别发出蓝色激光和红色激光；荧光轮，其表面涂覆有绿色荧光粉，所述绿色荧光粉受所述蓝色激光激发发出绿色荧光，其特征在于，

还包括消散斑系统，所述消散斑系统包括：

第一扩散部，所述第一扩散部固定设置于所述蓝色激光和红色激光的光束整形光路中，用于扩散所述蓝色激光和红色激光，所述第一扩散部设置于所述光束整形光路的后端，其中，所述蓝色激光透过所述第一扩散部后入射至所述荧光轮，所述红色激光透过所述第一扩散部后入射至合光部件；

及第二扩散部，所述第二扩散部受控进行转动，设置于所述蓝色激光、红色激光和绿色荧光入射光棒之前，用于时序性地至少透过所述蓝色激光和红色激光并形成蓝光、红光输出；

所述第二扩散部包括扩散区和非扩散区，所述扩散区用于透过所述蓝色激光和红色激光，所述非扩散区用于透过所述绿色荧光。

2.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述第一扩散部为一扩散片。

3.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述扩散区为扩散片材质，其表面涂覆有漫射体。

4.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述非扩散区为绿色滤色片或透明材质，用于透过所述绿色荧光进入光棒。

5.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述第二扩散部的扩散区包括蓝色激光扩散区和红色激光扩散区，用于在所述第二扩散部转动时时序性地透过所述蓝色激光和所述红色激光。

6.根据权利要求5所述的激光光源，其特征在于，所述红色激光扩散区包括多个子扩散区，所述多个子扩散区对所述红色激光的发散角度不同。

7.根据权利要求6所述的激光光源，其特征在于，所述多个子扩散区中位于中间区域的子扩散区对所述红色激光的发散角度大于位于两侧区域的子扩散区对所述红色激光的发散角度。

8.根据权利要求6或7所述的激光光源，其特征在于，所述多个子扩散部中位于中间区域的子扩散部的面积大于位于两侧区域的子扩散部的面积。