CN111679542A - 一种激光投影装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种激光投影装置，其中的激光光源出射的三色激光经匀光部件进行匀光后投射至光阀元件；光阀元件对接收到的光束进行调制后出射至镜头；其中，激光光源中，第一绿色激光器阵列、第二绿色激光器阵列与红色激光器阵列、蓝色激光器阵列并列设置；第一合光部对第一绿色激光、第二绿色激光进行合光后反射至合束元件；第二合光部对蓝色激光、红色激光合光后出射至合束元件；合束元件将第一合光部发射来的光束及第二合光部发射来的光束进行合束后出射至匀光部件。上述激光投影装置能够发出高亮度的三色激光光束并兼顾光源体积的紧凑和小型化。

Description

一种激光投影装置

本申请是基于中国发明申请201810218721.8（2018-3-16），发明名称：一种三色激光光源及激光投影装置 的分案申请。

技术领域

本申请涉及激光光源技术领域，尤其涉及一种激光投影装置。

背景技术

激光光源作为一种固态光源，具有高亮，高效，寿命长，色域佳，环保等一系列优点成为新兴的投影光源的选择。

目前行业内使用的激光和荧光粉受激产生的荧光组成的光源中，通常使用蓝色激光作为激光投影系统的激光光源和激励光光源。在现有技术的一种实现方式中，蓝色激光打到荧光轮上会激发绿色荧光粉和黄色荧光粉分别产生绿色光和黄色光，再从黄色光中过滤得到红色光。如图1所示，从激光器阵列101发出的蓝色激光经过缩束系统102出射后到达二向色镜104，从二向色镜103透射后激光光束到达聚焦准直透镜组105，经聚焦准直透镜组105出射的光束打到荧光轮103上激发荧光轮发出荧光，此处示例的荧光轮103可以是反射型荧光轮（包括荧光区与透射区），因此荧光轮103的荧光区被激光激发出荧光后将荧光反射，被反射的荧光经过聚焦准直透镜组105收光，进行会聚准直，将朗伯体（指辐射源各方向上的辐射亮度不变，辐射强度随观察方向与面光源法线之间的夹角的变化遵守余弦规律）分布的大角度光束压缩为近似平行光束出射至二向色镜104，二向色镜104将该荧光反射至光棒。蓝色激光透过上述透射区后经过“蓝光回路”被传输到二向色片104并透过，最终进入光棒。该种光源架构所采用的激光激励荧光粉产生荧光的方案由于荧光的转换效率较低，导致较高比例的激光能量被浪费而且还产生了大量热量难以散除，而随着投影尺寸越来越大的发展趋势，对投影亮度的要求也越来越高，在不断增加激光激发功率的情况下，荧光转换效率低的问题愈发突出。

发明内容

为了解决激光光源中光源效率低的问题，本申请提供了一种激光投影装置，包括：一种激光投影装置，其特征在于，包括：激光光源、匀光部件、光阀元件、镜头；

激光光源出射的绿色激光、蓝色激光、红色激光经匀光部件进行匀光后投射至光阀元件；

光阀元件对接收到的光束进行调制后出射至镜头；其中，激光光源包括：垂直设置的第一绿色激光器阵列、第二绿色激光器阵列，发出第一绿色激光、第二绿色激光；垂直设置的红色激光器阵列、蓝色激光器阵列，发出红色激光、蓝色激光；第一绿色激光器阵列、第二绿色激光器阵列与红色激光器阵列、蓝色激光器阵列并列设置；第一合光部、第二合光部及合束元件，其中， 第一合光部对第一绿色激光、第二绿色激光进行合光后出射至合束元件；第二合光部对蓝色激光、红色激光合光后出射至合束元件；合束元件将第一合光部发射来的光束及第二合光部发射来的光束进行合束后出射至匀光部件。

进一步地，该三色激光光源还包括反射部，设置于第一合光部与合束元件之间，用于将上述第一合光部出射的光束折转预设角度θ后出射至上述合束元件；其中，60°≤θ≤125°。

进一步地，该第一合光部透射第一绿色激光并反射第二绿色激光，该第二合光部透射第一红色激光、透射第二红色激光并反射蓝色激光；该第三合光部透射蓝色激光、第一红色激光，并反射第二红色激光。

进一步地，上述第一合光部包括第一透射区，用于透射第一绿色激光，及第一反射区，用于反射第二绿色激光；上述第三合光部包括第三透射区，用于透射蓝色激光、第一红色激光，以及第三反射区，用于反射第二红色激光；其中，第一透射区、第三透射区为透明玻璃或者镂空设计，第一反射区、第三反射区均镀有反射膜；

上述第二合光部为二向色片，用于反射蓝色激光并透射红色激光。

进一步地，上述蓝色激光器阵列的功率P₁为50W~85W，上述第一红色激光器阵列与上述第二红色激光器阵列的功率之和P₂为65W~95W，上述第一绿色激光器阵列与上述第二绿色激光器阵列的功率之和P₃为25W~50W。

本申请提供的激光投影装置，设置有两组绿色激光器阵列并通过一个合光部进行合光，以及设置有一组蓝色激光器阵列和一组红色激光器阵列并通过两个合光部进行合光，提供了较高的光源亮度，并且上述两组绿色激光器阵列与蓝色激光器阵列、红色激光器阵列形成的两个发光单元并列设置，并使得其中一个发光单元的光束反射后再进行合光，这样两个发光单元的合光光路方向与两个发光单元的排列方向平行设置，使得多个激光器在保证功率足够高的情况下部件排列更紧凑，空间利用率高，从而光源体积更小。

附图说明

图1为现有技术中采用激光激发荧光方案的光源架构示意图；

图2为根据本申请实施例的三色激光光源架构示意图之一；

图3A为根据本申请实施例的三色激光光源中第一合光部的立体结构示意图；

图3B为根据本申请实施例的三色激光光源中第三合光部的立体结构示意图；

图4为根据本申请实施例的三色激光光源架构示意图之二；

图5为根据本申请实施例的三色激光光源中复眼透镜的截面示意图；

图6为根据本申请实施例的三色激光光源架构示意图之三；

图7为根据本申请实施例的三色激光光源架构示意图之四；

图8为根据本申请实施例的激光投影装置的架构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

下面将结合附图，对本申请实施例提供的技术方案进行详细说明。

本发明实施例提供了一种三色激光光源，图2为根据本发明实施例的三色激光光源架构示意图之一，如图2所示，该三色激光光源包括第一绿色激光器阵列11、第二绿色激光器阵列12、蓝色激光器阵列31、红色激光器阵列21、第一合光部51、第二合光部52及合束元件54。其中，第一绿色激光器阵列11发出第一绿色激光，第二绿色激光器阵列12发出第二绿色激光，蓝色激光器阵列31发出蓝色激光，红色激光器阵列21发出红色激光；

上述第一绿色激光、第二绿色激光经由第一合光部51合光后出射至合束元件54。当然，可选地，也可以在第一合光部51与合束元件54之间设置反射镜41，第一合光部51出射的光束经反射镜41折转后再入射至合束元件54。反射镜41对光束的折转角度θ可以在60°至125°之间任意取值，本实施例优选θ为90°，即设置反射镜41与第一合光部51出射光束主光轴之间的夹角为45°。通过反射镜41的折转作用，大大缩短了红色激光在图2中水平方向上的光路距离，有利于光源体积的减小。如果不设置反射镜41的话，第一合光部51出射的光束将沿图2中的水平方向水平入射至合束元件54。

第二合光部52对蓝色激光、红色激光合光后出射至合束元件54。

合束元件54将三色激光统一进行合束后出射至匀光部件91，即将第一合光部51发射来的绿色激光光束透射至匀光部件91，将第二合光部52发射来的蓝色激光光束、红色激光光束反射至匀光部件91。可以设置合束元件54与第一合光部51出射光束的主光轴之间夹角为β，25°≤β≤65°。合束元件54既能对三色激光进行合束，又能对蓝色激光、红色激光折转光路从而减小光源体积。

需要说明的是，合束元件54也可以对绿色激光的光路进行折转，此时，第一合光部51出射的红色激光光束到达合束元件54被反射至匀光部件91，而第二合光部52发射来的蓝色激光光束、红色激光光束到达合束元件54后则被透射至匀光部件91。在这种情况下，就可以在第二合光部52与合束元件54之间设置反射镜41，以实现对蓝色激光、红色激光光路的折转作用了。

本发明实施例提供的三色激光光源，设置有两组绿色激光器阵列并通过一个合光部进行合光，设置有一组蓝色激光器阵列和一组红色激光器阵列并通过一个合光部共同进行合光，避免了因使用荧光粉而带来的荧光转换效率较低的问题，并使得在激光器在数量充足的情况下排列更紧凑，光源体积更小。进一步地，又分别通过反射镜、合束元件对红色光路、蓝色光路、绿色光路进行折转，进一步缩小了光源设计的体积。

在本发明的一个实施方式中，如图2所示，第一绿色激光器阵列11与第二绿色激光器阵列12垂直设置，然后通过倾斜设置的第一合光部51对第一绿色激光和绿色红色激光合光成一束后出射，如此可以在有限的空间内排列更多的绿色激光器，以增大绿色激光的功率。至于第一合光部51倾斜的角度，并不作特别限定，只要能实现对第一绿色激光进行透射并对第二绿色激光进行反射即可。本实施例优选第一合光部51与第一绿色激光器阵列11的夹角范围为30°~65°，可进一步优选为40°~50°。当然，第一绿色激光器阵列11与第二绿色激光器阵列12也可以呈非垂直角度的夹角，比如可以呈110°设置或80°设置，此时只需要调整第一合光部51与第一绿色激光器阵列11的夹角设置以配合完成对第一绿色激光进行透射并对第二绿色激光进行反射即可。本发明实施例中还可以在第一合光部51的出射光路上设置第一缩束镜组81，以对绿色激光进行缩束，从而减小光斑面积，利于提高光束的传输效率。

另外，也可以设置红色激光器阵列21与蓝色激光器阵列31垂直设置，然后通过倾斜设置的第二合光部52对蓝色激光、红色激光合光成一束后出射，如此可以同时将蓝色激光器与红色激光器一起进行合光，节省了单独的蓝色光路所占用的光路空间，进一步缩小了光源体积。至于第二合光部52倾斜的角度，并不作特别限定，只要能实现由第二合光部52对红色激光进行透射并对蓝色激光进行反射即可。本实施例优选第二合光部52与红色激光器阵列21的夹角范围为30°~65°，可进一步优选为40°~50°。

当然，红色激光器阵列21与蓝色激光器阵列31也可以呈非垂直角度的夹角，比如可以呈110°设置或80°设置，此时只需要调整第二合光部51与红色激光器阵列21的夹角设置以配合完成对红色激光进行透射并对蓝色激光进行反射即可。当然，第一绿色激光器阵列11与第二绿色激光器阵列12也可以呈非垂直角度的夹角，比如可以呈110°设置或80°设置，此时只需要调整第一合光部51与第一绿色激光器阵列11的夹角设置以配合完成对第一绿色激光进行透射并对第二绿色激光进行反射即可。本发明实施例中还可以在第二合光部52的出射光路上设置第二缩束镜组82，以对蓝色激光、红色激光进行缩束，从而减小光斑面积，利于提高光束的传输效率。

在本发明的一个实施方式中，图3A与图3B分别为根据本发明实施例的三色激光光源中第一合光部与第二合光部的立体结构示意图，如图3A所示，第一合光部51包含有第一透射区512，设置在第一绿色激光的出射光路上，用于透射第一绿色激光；还包含有第一反射区511，设置在第二绿色激光的出射光路上，用于反射第二绿色激光。第一反射区511与第一透射区512一般是呈间隔排列，各自的数量没有特别限定，一般是分别根据第二绿色激光器12与第一绿色激光器阵列11中的激光器数量及排布而定。具体的，第一透射区512可以为透明玻璃，可以透过各种颜色的光。第一反射区511既可以是在玻璃基板上镀有反射膜，也可以是在不透明基板上镀有反射膜。

另，如图3B所示，第二合光部52包含有第二透射区522，设置在红色激光的出射光路上，用于透射红色激光；还包含有第二反射区521，设置在蓝色激光的出射光路上，用于反射蓝色激光。第二透射区522与第二反射区521一般是呈间隔排列，各自的数量没有特别限定，一般是根据蓝色激光器阵列31、红色激光器阵列21的激光器数量及排布而定。具体的，第二反射区521既可以是在玻璃基板上镀有反射膜，也可以是在不透明基板上镀有反射膜。第二透射区522为镂空设计，可以透过各种颜色的光。当然，在实际应用中，第一合光部51与第二合光部52中透射区的设计方案可以互相替换，不影响各自的应用。可选地，本实施方式中的第二合光部还可以为二向色片，利用蓝色激光与红色激光波长不同的原理，对蓝色激光进行反射，并对红色激光进行透射。

在本发明的一个实施方式中，蓝色激光器阵列31的功率P1取值范围为50W~85W；红色激光器阵列21的功率P2的取值范围为45W~75W；第一绿色激光器阵列11与第二绿色激光器阵列12的功率之和P3为25W~50W，其中，第一绿色激光器阵列21的功率与第二绿色激光器阵列22的功率可以相等，也可以有不超过10W的差值。

在本发明的一个实施方式中，图4为根据本发明实施例的三色激光光源架构示意图之二，如图4所示，本实施方式中的三色激光光源还包括扩散轮71，设置于合束元件54的出射光路上并通过马达控制进行转动。该扩散轮71的轮片可以选用扩散片材质，也可以选用透明玻璃并在该轮片表面上设置微结构或者涂覆有漫射体，以在透过蓝色激光、红色激光、绿色激光的同时进行动态扩散。本实施方式能够对激光光束产生一些空间上的随机相位，可以减弱由于激光的高相干性而在成像时产生的散斑效应，提升投影成像质量。

在上述实施方案的基础上更进一步，如图4所示，该三色激光光源还包括有第一扩散部61、第二扩散部62。该第一扩散部61固定设置在第一合光部51的出射光路上，以对绿色激光进行静态扩散。该第二扩散部62固定设置在第二合光部52的出射光路上，以对蓝色激光、红色激光进行静态扩散。第一扩散部61、第二扩散部62既可以选用扩散片材质，也可以选用复眼透镜（如图5所示），本实施例不作特别限定。在本实施方式中，绿色激光、蓝色激光和红色激光分别经过固定设置的第一扩散部61、第二扩散部62后可以增加各色光束的空间相位，在一定程度上破坏相位恒定这一产生干涉的条件。进一步，由于转动的扩散轮71本身相比于固定设置的第一扩散部61、第二扩散部62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，而本发明实施方式中使用固定的第一扩散部61、第二扩散部62和运动的扩散轮71相配合，使得静态扩散作用与动态扩散作用相叠加，使光束的发散角度变得多样化，而光束发散角度的多样化使得光束的光程差异变得多样化，光程决定了相位的变化，因此光束的相位发生变化，从而光程差异使得随机相位产生的概率增大，随机相位能够产生随机的散斑图样，而具有随机性的散斑图样在人眼产生积分效应时，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，提高投影图像显示质量。

另外，在上述实施方式中，还可以在第一合光部51的出射光路上设置第一缩束镜组81，以对绿色激光进行缩束；在第二合光部52的出射光路上设置第二缩束镜组82，以对蓝色激光、红色激光进行缩束。这样不仅有利于提高光束的传输效率，还可以因为各光束照射到扩散部件上的光斑面积缩小，从而提高激光光束的扩散效率。

在本发明的一个实施方式中，如图6所示，该三色激光光源还包括扩散轮71和第三扩散部63。该第三扩散部63既可以选用扩散片材质，也可以选用复眼透镜，固定设置于合束元件54的出射光路上，对合束元件54出射的红色激光、蓝色激光、绿色激光进行静态扩散。扩散轮71也设置在合束元件54的出射光路上，既可以设置在第三扩散部63的出射光路之后，也可以设置在第三扩散部63的出射光路之前，对红色激光、蓝色激光、绿色激光进行动态扩散。第三扩散部63可以增加各色光束的空间相位，在一定程度上破坏相位恒定这一产生干涉的条件。进一步，由于转动的扩散轮71本身相比于固定设置的第三扩散部63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，而本发明实施方式中使用固定的第三扩散部63和运动的扩散轮71相配合，使得静态扩散作用与动态扩散作用相叠加，使光束的发散角度变得多样化，而光束发散角度的多样化使得光束的光程差异变得多样化，光程决定了相位的变化，因此光束的相位发生变化，从而光程差异使得随机相位产生的概率增大，随机相位能够产生随机的散斑图样，而具有随机性的散斑图样在人眼产生积分效应时，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，提高投影图像显示质量。

在本发明的一个实施方式中，如图7所示，该三色激光光源还包括第四扩散部64、第五扩散部65、第六扩散部66。该第四扩散部64固定设置于第一合光部51的出射光路上，以对绿色激光进行静态扩散。该第五扩散部65固定设置于第二合光部52的出射光路上，以对蓝色激光、红色激光进行静态扩散。本实施方式中，第四扩散部64与第五扩散部65既可以选用扩散片材质，也可以选用复眼透镜，本实施例不作特别限定。在本实施方式中，绿色激光、蓝色激光和红色激光分别经过固定设置的第四扩散部64、第五扩散部65后可以增加各色光束的空间相位，在一定程度上破坏相位恒定这一产生干涉的条件。然后再通过在合束元件54的出射光路上设置第六扩散部66，对合束以后的三色光束再次进行扩散，进一步增加更多的随机相位，能够更好的破坏蓝色激光、红色激光及绿色激光的相干性。需要说明的是，本实施例中的第六扩散部66选用复眼透镜（如图5所示），因复眼透镜具有高透光性及对光束有较佳的匀化扩散作用，在与第四扩散部64、第五扩散部65配合时不仅能够有效减弱激光的散斑效应，还可以对光束能量进行匀化，并且避免了使用产生机械转动的扩散装置，进一步缩小了光源体积。

本发明实施例还提供了一种激光投影装置，图8为根据本发明实施例的激光投影装置的架构示意图，如图8所示，该激光投影装置包括三色激光光源01、光机02、镜头03。其中，三色激光光源01可以为上述各实施方式中任一实施方式的三色激光光源，光机02包括匀光部件91和光阀元件201。本实施方式中的三色激光光源01出射的红色激光、蓝色激光、绿色激光经光机02中的匀光部件91进行匀化后投射至光阀元件201，光阀元件201对接收到的光束进行调制后出射至镜头03，镜头03可以将调制后的光束进行成像并投影到屏幕04或任何其他可以显示的介质上。

本发明实施例提供的激光投影装置，因在三色激光光源01中设置有两组绿色激光器阵列并通过一个合光部进行合光，设置有一组蓝色激光器阵列和一组绿色激光器阵列并通过一个合光部共同进行合光，避免了因使用荧光粉而带来的荧光转换效率较低的问题，并使得在激光器在数量充足的情况下排列更紧凑，光源体积更小；而且又分别通过反射镜、合束元件对红色光路、蓝色光路、绿色光路进行折转，进一步缩小了光源设计的体积，从而缩小了该激光投影装置的体积。

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 (10)

1.一种激光投影装置，其特征在于，包括：激光光源、匀光部件、光阀元件、镜头；

所述激光光源出射的绿色激光、蓝色激光、红色激光经所述匀光部件进行匀光后投射至所述光阀元件；

所述光阀元件对接收到的光束进行调制后出射至所述镜头；

其中，所述激光光源包括：

垂直设置的第一绿色激光器阵列、第二绿色激光器阵列，发出第一绿色激光、第二绿色激光；

垂直设置的红色激光器阵列、蓝色激光器阵列，发出红色激光、蓝色激光；

所述第一绿色激光器阵列、第二绿色激光器阵列与红色激光器阵列、蓝色激光器阵列并列设置；

第一合光部、第二合光部及合束元件，

其中， 所述第一合光部对所述第一绿色激光、所述第二绿色激光进行合光后出射至所述合束元件；

所述第二合光部对所述蓝色激光、所述红色激光合光后出射至所述合束元件；

所述合束元件将所述第一合光部发射来的光束及所述第二合光部发射来的光束进行合束后出射至匀光部件。

2.根据权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述激光光源还包括反射部，设置于所述第一合光部与所述合束元件之间，用于将所述第一合光部出射的光束折转预设角度θ后出射至所述合束元件；其中，60°≤θ≤125°。

3.根据权利要求1所述的激光投影装置，其特征在于，所述第一绿色激光器阵列与所述第二绿色激光器阵列垂直设置，所述红色激光器阵列与所述蓝色激光器阵列垂直设置；

所述第一合光部透射所述第一绿色激光并反射所述第二绿色激光，所述第二合光部透射所述红色激光并反射所述蓝色激光。

4.根据权利要求3所述的激光投影装置，其特征在于，所述第一合光部包括第一透射区，用于透射所述第一绿色激光，及第一反射区，用于反射所述第二绿色激光；

所述第二合光部为二向色片，用于反射蓝色激光并透射红色激光；或者，

所述第二合光部包括第二透射区，用于透射所述红色激光，及第二反射区，用于反射所述蓝色激光。

5.根据权利要求3所述的激光投影装置，其特征在于，所述蓝色激光器阵列的功率P1为50W~85W，所述红色激光器阵列的功率P2为45W~75W，所述第一绿色激光器阵列与所述第二绿色激光器阵列的功率之和P3为25W~50W。

6.根据权利要求1至5任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述激光光源还包括：扩散轮，设置于所述合束元件的出射光路上并受控进行转动，用于对红色激光、蓝色激光、绿色激光进行动态扩散。

7.根据权利要求6所述的激光投影装置，其特征在于，所述激光光源还包括：第一扩散部、第二扩散部；

所述第一扩散部固定设置于所述第一合光部的出射光路上，用于对绿色激光进行静态扩散；

所述第二扩散部固定设置于所述第二合光部的出射光路上，用于对蓝色激光、红色激光进行静态扩散。

8.根据权利要求7所述的激光投影装置，其特征在于，所述激光光源还包括：

第三扩散部，固定设置于所述合束元件的出射光路上，用于对红色激光、蓝色激光、绿色激光进行静态扩散，所述第三扩散部为扩散片或复眼透镜。

9.根据权利要求1至5任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述激光光源还包括：第四扩散部、第五扩散部、第六扩散部；

所述第四扩散部固定设置于所述第一合光部的出射光路上，用于对绿色激光进行静态扩散；

所述第五扩散部固定设置于所述第二合光部的出射光路上，用于对蓝色激光、红色激光进行静态扩散；

所述第六扩散部固定设置于所述合束元件的出射光路上，用于对红色激光、蓝色激光、绿色激光进行静态扩散；其中，所述第四扩散部为扩散片或复眼透镜，所述第五扩散部为扩散片或复眼透镜，所述第六扩散部为复眼透镜。

10.根据权利要求1至5任一项所述的激光投影装置，其特征在于，所述第一合光部与所述第一绿色激光器阵列的夹角范围为30°~65°；

所述第二合光部与所述红色激光器阵列的夹角范围为30°~65°。

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