雷射投影光源模塊及其光束整形方法、雷射顯示設備的製作方法

2023-12-01 09:01:16 1

專利名稱：雷射投影光源模塊及其光束整形方法、雷射顯示設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學領域，具體而言，涉及一種雷射投影光源模塊及其光束整形方法、 雷射顯示設備。
背景技術：
雷射顯示技術具有色彩豐富、節能環保等特點，被認為是下一代主流顯示技術。與 LED光源相比，雷射光源的光學擴展量小了許多，有利於高效的投影光機的設計。但是，由於 雷射光源相干性會帶來投影圖像的散斑，為減小圖像的散斑噪聲，消散斑模塊會置於光源 與光機之間，消散斑模塊會增加雷射束的光學擴展量，以致光源的光束不能有效地為光機 接收。由於光學擴展量的限制，消散斑模塊的散射角不能太大，消散斑效果不夠理想。

發明內容
為此，本發明的主要目的在於提供一種雷射投影光源模塊及其光束整形方法、激 光顯示設備，以解決上述問題。為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了 一種雷射投影光源模塊。該激 光投影光源模塊包括第一雷射模塊，用於發出第一光束；第二雷射模塊，用於發出第二光 束；第三雷射模塊，用於發出第三光束；以及光耦合器，用於接收所述第一光束、所述第二光束 和所述第三光束以及將所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束耦合為第一耦合光束，其 中，所述第一雷射模塊、所述第二雷射模塊和所述第三雷射模塊為不同顏色的雷射模塊。為了實現上述目的，根據本發明的另一方面，提供了一種雷射投影光源模塊的光 束整形方法。該光束整形方法包括接收來自第一雷射模塊的第一光束；接收來自第二激 光模塊的第二光束；接收來自第三雷射模塊的第三光束；以及將所述第一光束、所述第二 光束和所述第三光束耦合為第一耦合光束，其中，所述第一雷射模塊、所述第二雷射模塊和 所述第三雷射模塊為不同顏色的雷射模塊。為了實現上述目的，根據本發明的又一方面，提供了 一種雷射顯示設備。該雷射顯 示設備包括本發明提供的任意一種雷射投影光源模塊。通過本發明，採用包括以下部分的雷射投影光源模塊第一雷射模塊，用於發出第 一光束；第二雷射模塊，用於發出第二光束；第三雷射模塊，用於發出第三光束；以及光耦 合器，用於接收所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束以及將所述第一光束、所述第 二光束和所述第三光束耦合為第一耦合光束，其中，所述第一雷射模塊、所述第二雷射模塊 和所述第三雷射模塊為不同顏色的雷射模塊，由於將三根光束耦合為了一根光束，從而壓 縮了光學擴展量，解決了現有技術中的雷射投影光源模塊消散斑效果不夠理想的問題，進 而達到了提高消散斑效果的目的。


構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖1是根據本發明實施例的投影系統的示意圖；圖2是根據本發明實施例的雷射投影光源模塊中光束耦合的示意圖；圖3是根據本發明實施例的雷射投影光源模塊中光束整形的示意圖；圖4是根據本發明的一種實施例的光束在光纖耦合器中耦合的示意圖；圖5是根據本發明的另一種實施例的光束在光纖耦合器中耦合的示意圖；以及圖6是根據本發明另一實施例的對多色光的拓展量進行壓縮的示意圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相 互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。圖1是根據本發明實施例的投影系統的示意圖。如圖1所示，該投影系統包括雷射器光源模塊(圖1中虛線框內)以及投影模塊。雷射器光源模塊包括三個部分單色紅、綠、藍雷射模塊，即，紅光模塊10、綠光模 塊20和藍光模塊30，多色光光學擴展量壓縮模塊200，雷射消相干模塊300。在雷射器光源 模塊中還可以包括整形勻光模塊。紅綠藍單色雷射模塊可由單個雷射器或者多個雷射器組成，或者也可以為雷射器 整列，進一步地，雷射器整列可以為雷射器線陣或者雷射器面陣。雷射器可以是半導體雷射 器和固體倍頻雷射器。光源的光學擴展量是光學發出光束的面積和發散角的乘積。對於多 個雷射器組成的單色雷射模塊，可以採用稜鏡組整形、GRIN透鏡整形、雙反射鏡整形等方法 壓縮其光學擴展量。在上述單色光的光學擴展量壓縮技術的基礎上，本發明提供的多色光光學擴展量 壓縮方案，可以同時與消散斑模塊整合為光源模組。當紅綠藍雷射模塊的輸出接口是光纖 時，優選地，多色光的光學擴展量壓縮可由光纖耦合器實現。圖2是根據本發明實施例的雷射投影光源模塊中光束耦合的示意圖。如圖2所示，紅光A通過耦合器進入綠光光纖與綠光B合束，藍光C也通過耦合器 進入綠光光纖與綠光B合束，這時輸出光束的面積仍是綠光光纖的面積，這與相關技術中 將三束光纖困綁起來的方案相比，輸出光纖是一根，不是捆綁方案的三根，輸出光束的面積 只是原來紅綠藍光束E總面積的三分之一，光學擴展量得到了壓縮。由於將三根光束耦合為了一根光束，壓縮了光學擴展量，能夠使得光源的光束有 效地為光機接收，進而能夠達到提高消散斑效果的目的。下面對本發明實施例所提供的雷射投影光源模塊進行詳細介紹。該雷射投影光源模塊包括第一雷射模塊，用於發出第一光束；第二雷射模塊，用於發出第二光束；第三雷射模塊，用於發出第三光束；以及光耦合器，用於接收第一光束、第二光束和第三光束以及將第一光束、第二光束和 第三光束耦合為第一耦合光束，其中，第一雷射模塊、第二雷射模塊和第三雷射模塊為不同 顏色的雷射模塊。
在該雷射投影光源模塊中，由於通過光耦合器將第一光束、第二光束和第三光束 三根光束耦合為了第一耦合光束一根光束，因而壓縮了光學擴展量，進而能夠達到提高消 散斑效果的目的。上述的第一雷射模塊、第二雷射模塊和第三雷射模塊可以是分別選自紅色雷射模 塊，藍色雷射模塊和綠色雷射模塊中之一(此時，第一光束、第二光束和第三光束中一個為 紅光、一個為綠光、一個為藍光)，也可以是分別選自其他的三種顏色之一，例如，紅黃綠。上述的雷射投影光源模塊除了可以包括三種顏色的雷射模塊，S卩，第一雷射模塊、 第二雷射模塊和第三雷射模塊之外，還可以包括四種顏色或者五種顏色的雷射模塊，例如 包括紅黃綠藍四種顏色的雷射模塊。優選地，光耦合器包括第一光耦合器和第二光耦合器。第一光耦合器，用於接收第一光束和第二光束以及將第一光束和第二光束耦合為 第二耦合光束；第二光耦合器，用於接收第二耦合光束和第三光束以及將第二耦合光束和第三光 束華禹合為弟二華禹合光束ο通過採用第一光耦合器和第二光耦合器兩個光耦合器分別實現對三個光束的兩 兩耦合，能夠使得耦合的效果更好。需要說明的是，也可以採用一個光耦合器實現三個光束的耦合，此時，能夠最大程 度的簡化結構。優選地，在第一雷射模塊、第二雷射模塊和第三雷射模塊中之一或任意多個為激 光器陣列時，雷射投影光源模塊還包括階梯鏡。階梯鏡包括多個反射部，該多個反射部分別用於反射來自雷射器陣列中各個雷射 器的光，其中，多個反射部中的每個反射部在雷射器陣列中各個雷射器的發光面的投影長 度分別等於與其對應的發光面的長度並且多個反射部中的每個反射部與其所對應的單管 發光區成45°夾角。圖3是根據本發明實施例的雷射投影光源模塊中光束整形的示意圖。如圖3所示，原來五個雷射器組成的陣列LD發出的光束直徑為D，經階梯鏡50整 形後出射光束為d，光束直徑大大減小，光學擴展量也隨之減小。需要說明的是，在經階梯鏡50整形之前，也可以通過快慢軸準直鏡40首先對來自 五個雷射器的光進行快軸準直和慢軸準直。通過採用上述的階梯鏡對來自第一雷射模塊、第二雷射模塊或第三雷射模塊的光 進行整形，能夠消除各個雷射器發出的光束之間的間隙，從而進一步地壓縮了拓展量。優選地，第一雷射模塊、第二雷射模塊和第三雷射模塊的輸出接口為光纖輸出接 口，光耦合器為光纖耦合器。通過採用光纖將第一雷射模塊、第二雷射模塊和第三雷射模塊 發出的光傳輸至光纖耦合器，能夠使得光耦合實現更加簡單。優選地，雷射投影光源模塊還可以包括多個光纖。其中第一光纖，連接於第一雷射模塊和光纖耦合器之間，用於傳輸第一光束；第二光纖，連接於第二雷射模塊和光纖耦合器之間，用於傳輸第二光束；第三光纖，連接於第三雷射模塊和光纖耦合器之間，用於傳輸第三光束；以及第四光纖，連接於光纖耦合器，用於傳輸第一耦合光束。
通過採用三根光纖分別傳輸耦合之前的光束，以及利用一根光纖傳輸耦合之後的 光束，能夠使得簡便地實現耦合後的光束截面積顯著小於耦合前的三束光的截面積之和。優選地，第一耦合光束的截面面積為第一光束、第二光束、第三光束的截面面積的 平均值或者等於第一光束、第二光束、第三光束中最大的截面面積，此時，進一步優選地，第 一光束、第二光束、第三光束和第一耦合光束的截面面積相等。通過使得耦合前的各個光束 和耦合後的光束截面面積相等，能夠使得輸出光束的面積只是原來紅綠藍光束總面積的三 分之一，光學擴展量得到了有效壓縮。優選地，雷射投影光源模塊還可以包括消相干模塊，連接於光耦合器，用於接收 弟「"華禹合光束ο圖4是根據本發明的一種實施例的光束在光纖耦合器中耦合的示意圖；圖5是根 據本發明的另一種實施例的光束在光纖耦合器中耦合的示意圖。光在光纖耦合器中從一根光纖轉移到另一根光纖是靠光學模之間的耦合實現的， 如圖4，當兩根光纖的纖芯靠得足夠近，兩光纖中各種的光學場模式會重疊，這時一根光纖 中的光場會激發另一根光纖的光場，結果是光在兩根光纖中反覆耦合。當有兩個不同波長 的光分別入射兩根光纖時，通過適當設計耦合器的長度可使兩個不同波長的光都到一根光 纖。光纖的纖芯靠近的方式可是平行的方式(圖4)，也可是楔形的方式(圖5)。本發明提出減小雷射光源光學擴展量的方案，為消散斑模塊的置入提供了設計空 間，可加強消散斑的效果。對比文件公開了多色自由空間合束方案的一個變化。多色自由空間合束用得非常 普遍，而我們的方案加了單色光合束壓光學擴展量模塊和消散斑模塊，更注重於雷射光源 模塊整體的架構。多色光的光學擴展量壓縮可由自由空間光學器件實現。圖6是根據本發明另一實施例的對多色光的拓展量進行壓縮的示意圖。如圖6所示，綠反紅透鏡片80對紅光A是全透，對綠光B是全反，同樣，藍反紅綠 透鏡片90對紅光A和綠光B是全透，對藍光C是全反。最後輸出的是紅綠藍合束的光，輸 出光束的面積也只是原來紅綠藍光束總面積的三分之一。以上方案是以紅綠藍光源為例，同樣也適用與四色(如紅黃綠藍)和五色光源的 情形。從多色光光學擴展量壓縮模塊200出來的光束，進一步進入消散斑模塊300，從消 散斑模塊300出來的光束，最後進入投影光機的勻光整形照明系統和投影模塊500。投影 光機的光學擴展量一般是由微投器件(DLP，LC0S)和投影鏡頭決定的。如果光源的光學擴 展量超過光機的光學擴展量，光源的光束就不會有效地收集。如果不通過圖中的多色光學 擴展量壓縮模塊200，從單色紅綠藍雷射模塊出來的光束經消散斑後其光學擴展量可能會 大於光機的光學擴展量，特別是，消散斑作用越強的模塊，對光學擴展量的增加越大。比如， 由紅綠藍輸出光纖捆綁起來的光纖束，其直徑為2. 5mm，發散角為12度。假設有一孔徑為 5mm消散斑隨機相位片，原始的光束經擴束後為5. Omm直徑，6度發散角的光束，如消散斑隨 機相位片自身的散射角為20度，則光束的光學擴展量為12mm2· sr。對採用0. 6時DLP和 F#/3. 0的光機，其光學擴展量為8. 5mm2 vr，光源的光不能有效地為光機接收。如採用多色 光學擴散量壓縮，這由一根光纖同時輸出紅綠藍光，光源的光學擴展量為原來的1/3，如果再結合圖3或其他的單色光光學擴展量壓縮技術，將光源的光學擴展量壓縮為原來的1/9， 等效地講，入射到5mm消散斑隨機相位片的光束可由原來的6度發散角壓縮到2度發散角， 這時從消散斑模塊出射的光束的光學擴展量為8. 5mm2 ·ν，與光機相配，光源的光得到有效 接收。本發明實施例還提供了一種雷射投影光源模塊中雷射光束的整形方法，該雷射投 影光源模塊中雷射光束的整形方法包括步驟S101，接收來自第一雷射模塊的第一光束；步驟S102，接收來自第二雷射模塊的第二光束；步驟S103，接收來自第三雷射模塊的第三光束；以及步驟S104，將所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束耦合為第一耦合光束，其中，所述第一雷射模塊、所述第二雷射模塊和所述第三雷射模塊為不同顏色的 雷射模塊。上述的第一雷射模塊、第二雷射模塊和第三雷射模塊可以是分別選自紅色雷射模 塊，藍色雷射模塊和綠色雷射模塊中之一(此時，第一光束、第二光束和第三光束中一個為 紅光、一個為綠光、一個為藍光)，也可以是分別選自其他的三種顏色之一，例如，紅黃綠。上述的雷射投影光源模塊除了可以包括三種顏色的雷射模塊，S卩，第一雷射模塊、 第二雷射模塊和第三雷射模塊之外，還可以包括四種顏色或者五種顏色的雷射模塊，例如 包括紅黃綠藍四種顏色的雷射模塊。優選地，將所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束耦合為第一耦合光束包 括將所述第一光束和所述第二光束耦合為第二耦合光束；以及將所述第二耦合光束和所 述第三光束耦合為第三耦合光束。本發明還提供了一種雷射顯示設備，該雷射顯示設備可以包括本發明任一實施例 所提供的雷射投影光源模塊。該雷射顯示設備可以為投影機或者雷射電視等。從以上的描述中，可以看出，本發明能夠提高消散斑的效果。以上所述僅為本發明 的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種 更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含 在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種雷射投影光源模塊，其特徵在於包括 第一雷射模塊，用於發出第一光束； 第二雷射模塊，用於發出第二光束； 第三雷射模塊，用於發出第三光束；以及光耦合器，用於接收所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束以及將所述第一光 束、所述第二光束和所述第三光束耦合為第一耦合光束，其中，所述第一雷射模塊、所述第二雷射模塊和所述第三雷射模塊為不同顏色的雷射 模塊。
2.根據權利要求1所述的雷射投影光源模塊，其特徵在於，所述光耦合器包括第一光耦合器，用於接收所述第一光束和所述第二光束以及將所述第一光束和所述第 二光束耦合為第二耦合光束；以及第二光耦合器，用於接收所述第二耦合光束和所述第三光束以及將所述第二耦合光束 和所述第三光束耦合為第三耦合光束。
3.根據權利要求1所述的雷射投影光源模塊，其特徵在於，在所述第一雷射模塊、所述 第二雷射模塊和所述第三雷射模塊中之一或任意多個為雷射器陣列時，所述雷射投影光源 模塊還包括階梯鏡，包括多個反射部，分別用於反射來自所述雷射器陣列中各個雷射器的光，其 中，所述多個反射部中的每個反射部在所述雷射器陣列中各個雷射器的發光面的投影長度 分別等於與其對應的發光面的長度並且所述多個反射部中的每個反射部與其所對應的單 管發光區成45°夾角。
4.根據權利要求1所述的雷射投影光源模塊，其特徵在於，所述第一雷射模塊、所述 第二雷射模塊和所述第三雷射模塊的輸出接口為光纖輸出接口，所述光耦合器為光纖耦合器
5.根據權利要求4所述的雷射投影光源模塊，其特徵在於還包括第一光纖，連接於所述第一雷射模塊和所述光纖耦合器之間，用於傳輸所述第一光束；第二光纖，連接於所述第二雷射模塊和所述光纖耦合器之間，用於傳輸所述第二光束；第三光纖，連接於所述第三雷射模塊和所述光纖耦合器之間，用於傳輸所述第三光束；以及第四光纖，連接於所述光纖耦合器，用於傳輸所述第一耦合光束。
6.根據權利要求1所述的雷射投影光源模塊，其特徵在於，所述第一耦合光束的截面 面積為所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束的截面面積的平均值或者等於所述第 一光束、所述第二光束、所述第三光束中最大的截面面積。
7.根據權利要求1所述的雷射投影光源模塊，其特徵在於還包括消相干模塊，連接於 所述光耦合器，用於接收所述第一耦合光束。
8.一種雷射投影光源模塊的光束整形方法，其特徵在於包括 接收來自第一雷射模塊的第一光束；接收來自第二雷射模塊的第二光束；接收來自第三雷射模塊的第三光束；以及將所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束耦合為第一耦合光束， 其中，所述第一雷射模塊、所述第二雷射模塊和所述第三雷射模塊為不同顏色的雷射 模塊。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，將所述第一光束、所述第二光束和所述第 三光束耦合為第一耦合光束包括將所述第一光束和所述第二光束耦合為第二耦合光束；以及 將所述第二耦合光束和所述第三光束耦合為第三耦合光束。
10.一種雷射顯示設備，其特徵在於包括權利要求1至7中任一項所述的雷射投影光源 模塊。
全文摘要
本發明公開了一種雷射投影光源模塊及其光束整形方法、雷射顯示設備。該雷射投影光源模塊包括第一雷射模塊，用於發出第一光束；第二雷射模塊，用於發出第二光束；第三雷射模塊，用於發出第三光束；以及光耦合器，用於接收第一光束、第二光束和第三光束以及將第一光束、第二光束和第三光束耦合為第一耦合光束，其中，第一雷射模塊、第二雷射模塊和第三雷射模塊為不同顏色的雷射模塊。通過本發明，能夠提高雷射投影光源模塊的消散斑效果。
文檔編號G02B27/09GK102147563SQ201110078869
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者李巍, 田有良, 陳昱 申請人:青島海信電器股份有限公司