CN104914659A - 一种高集成度的激光投影光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高集成度的激光投影光学引擎，控制开关控制各个半导体激光器发出激光，红光半导体激光器发出的激光通过反射镜反射到凸透镜上，蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器发出的激光经过分色镜后入射到凸透镜上，激光通过凸透镜后经过散射片汇聚到凹透镜上，再进入匀光模块。凸透镜和凹透镜构成共焦系统对光束进行整形，从而获得光斑大小合适的用于投影的平行光束。本发明合光方式不仅对阵列的激光束在空间上有压缩的作用，而且成倍地提高了可利用的半导体激光器数目，能有效地利用空间，并可方便地根据实际需求安排RGB三色激光器的数目，以达到更好的白平衡效果，进而提高投影的亮度和色彩还原真实度。

Description

一种高集成度的激光投影光学引擎

技术领域

    本发明涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种高集成度的激光投影光学引擎。

背景技术

激光全色显示技术是一种新兴的显示技术，相比于超高压汞灯（Ultra High Performance, UHP）、金属卤化物灯（Metal Halide Lamp, MHP）作为光源，半导体激光器采用直流驱动，相比于发光二极管（Light Emission Diode, LED）作为光源，激光具有高单色性、高色彩饱和度的特点。

目前，投影仪光学引擎按空间调制技术的不同主要分为数字光处理（Digital Light Process, DLP）、硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon, LCOS）、液晶光阀（Liquid Crystal Light Valve, LCLV）三类，其中LCD和LCOS需要入射光为单偏振，DLP对入射偏振无需求。

目前，激光投影采用光纤耦合和空间光耦合两种方式。光纤耦合的缺点是器件无法小型化，空间耦合多采用X棱镜或双分色镜结构，X棱镜工艺复杂，成本高，双分色镜结构无法进一步小型化。特别的，针对目前商用的半导体激光器，相同封装规格的红光和蓝光和绿光的单管输出功率差别较大，单个红光LD(RED)功率仅为700毫瓦，单个绿光(Green)激光器功率为1瓦,单个蓝光LD(Blue)功率为3.5瓦，而且人眼对于RGB三色的视效函数差异也很大，RGB阵列模块的数目比为1:1:1的系统是无法满足白平衡需求的。实际使用时，必须使用数目较多的红光LD和数目较少的蓝光LD和绿光LD来获得较好的白平衡。此外，为了获得高亮度，必须使用大量的激光管构成阵列，这样会导致体积无法缩小，并且合束和难度的尺寸都会随着激光器数目增加而提升。本发明可以简单有效解决这一问题，并且实现匀光一体化。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高集成度的激光投影光学引擎。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高集成度的激光投影光学引擎，包括有红光半导体激光器阵列模块、蓝绿光半导体激光器阵列模块、分离式排布反射镜及分色镜阵列、控制开关、凸透镜、散射片、凹透镜和匀光模块，所述的红光半导体激光器阵列模块是由多个红光半导体激光器密排布构成的矩形阵列，所述的蓝绿光半导体激光器阵列模块是由多个蓝光半导体激光器和多个绿光半导体激光器组合密排布构成的与红光半导体激光器阵列模块相同的矩形阵列，将红光半导体激光器阵列模块与蓝绿光半导体激光器阵列模块左右对称放置，所述的控制开关分别与红光半导体激光器、蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器电连接，所述的分离式排布反射镜及分色镜阵列包括有多个反射镜和多个分色镜，将每个反射镜与分色镜的端部成直角固定连接构成镜片组合，将分离式排布反射镜及分色镜阵列放置在红光半导体激光器阵列模块和蓝绿光半导体激光器阵列模块之间，反射镜与红光半导体激光器是一一对应的，分色镜与蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器是一一对应的，从而获得压缩的光束阵列，将所述的凸透镜、散射片、凹透镜和匀光模块按从上到下依次分布在分离式排布反射镜及分色镜阵列的正下方；控制开关控制各个半导体激光器发出激光，红光半导体激光器发出的激光通过反射镜反射到凸透镜上，蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器发出的激光经过分色镜后入射到凸透镜上，激光通过凸透镜后经过散射片汇聚到凹透镜上，再进入匀光模块。凸透镜和凹透镜构成共焦系统对光束进行整形，从而获得光斑大小合适的用于投影的平行光束。

在所述的红光半导体激光器阵列模块和蓝绿光半导体激光器阵列模块上均安装有TEC元件的散热装置，保证系统稳定运行。

在每个红光半导体激光器、蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器的前面均安装有准直透镜，用于准直半导体激光器的出射光束。

在所述的反射镜上镀有金属膜或介质膜，以保证对红光的高效反射；在分色镜上镀有对红光波段高透射率、对蓝绿光波段高反射率的介质膜，以实现高效合光。

所述的散射片可以是旋转或震动的，也可以是静止的或者使用电控液晶，从而可以消除散斑。

所述的匀光模块包括有依次放置的两块阵列透镜、一块凸透镜和LCD。

所述的匀光模块包括有方形光通管，在方形光通管的左右端分别放有凸透镜和LCD。

使用RGB三色激光器提供的三种基色光来代替传统的利用单一激光光源照射色轮产生三色光的方法，彻底解决了色轮使用寿命短的问题，同时，全激光显示具有色彩还原度更好、亮度更高的优点，而且，由于商用的半导体激光器技术越发成熟，大大降低了使用RGB三色半导体激光器的成本。

使用两个对称的激光器阵列，红光半导体激光器置于一个单独的阵列中，在使用了更多数量半导体激光器的同时，能够方便地根据实际需求安排RGB三色激光器的数目，兼顾了提高亮度和实现白平衡的要求，可获得高质量的白光光源输出。

采用分离式排布的反射镜及分色镜阵列，通过特定的排列，在空间上对激光器阵列输出的准直激光束进行了压缩，因此尽管使用了更大规格的阵列以容纳更多激光器，但整个系统仍可以保持小型、紧凑的结构。

本发明的优点是：本发明采用了分离式的、按照特定方式排布的反射镜和分色镜阵列进行合光，结构简单直观，该合光方式不仅对阵列的激光束在空间上有压缩的作用，而且成倍地提高了可利用的半导体激光器数目，能有效地利用空间，使用更多半导体激光器来提高功率，并可方便地根据实际需求安排RGB三色激光器的数目，以达到更好的白平衡效果，进而提高投影的亮度和色彩还原真实度。

附图说明

图1为本发明激光投影光学引擎的结构示意图。

图2为本发明分离式排布反射镜及分色镜阵列结构示意图。

图3为本发明一种反射镜及分色镜排列方案示意图。

图4为本发明半导体激光器阵列结构示意图（图4a为红光半导体激光器阵列模块结构图，图4b为蓝绿光半导体激光器阵列模块结构图）。

图5为本发明特别设计的单鼓镜示意图。

图6为本发明使用阵列透镜匀光方案的示意图。

图7为本发明使用方形光通管匀光方案的示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，一种高集成度的激光投影光学引擎，包括有红光半导体激光器阵列模块1、蓝绿光半导体激光器阵列模块2、分离式排布反射镜及分色镜阵列3、控制开关4、凸透镜5、散射片6、凹透镜7和匀光模块8，所述的红光半导体激光器阵列模块1是由多个红光半导体激光器9密排布构成的矩形阵列，所述的蓝绿光半导体激光器阵列模块2是由多个蓝光半导体激光器10和多个绿光半导体激光器11组合密排布构成的与红光半导体激光器阵列模块1相同的矩形阵列，将红光半导体激光器阵列模块1与蓝绿光半导体激光器阵列模块2左右对称放置，以获得最初的准直激光光源，所述的控制开关4分别与红光半导体激光器9、蓝光半导体激光器10和绿光半导体激光器11电连接，所述的分离式排布反射镜及分色镜阵列3包括有多个反射镜12和多个分色镜13，将每个反射镜12与分色镜13的端部成直角固定连接构成镜片组合，将多个镜片组合成抛物面方式排列，将分离式排布反射镜及分色镜阵列3放置在红光半导体激光器阵列模块1和蓝绿光半导体激光器阵列模块2之间，反射镜12与红光半导体激光器9是一一对应的，分色镜13与蓝光半导体激光器10和绿光半导体激光器11是一一对应的，从而获得压缩的光束阵列，将所述的凸透镜5、散射片6、凹透镜7和匀光模块8按从上到下依次分布在分离式排布反射镜及分色镜阵列3的正下方；控制开关4控制各个半导体激光器发出激光，红光半导体激光器9发出的激光通过反射镜12反射到凸透镜5上，蓝光半导体激光器10和绿光半导体激光器11发出的激光经过分色镜后入射到凸透镜5上，激光通过凸透镜5后经过散射片6汇聚到凹透镜7上，再进入匀光模块8。凸透镜5和凹透镜7构成共焦系统对光束进行整形，从而获得光斑大小合适的用于投影的平行光束。

在所述的红光半导体激光器阵列模块1和蓝绿光半导体激光器阵列模块2上均安装有TEC元件的散热装置，保证系统稳定运行。

若激光器阵列采用如图3所示的排布方式，分色镜可以镀上仅对蓝光或绿光波段高反，对红光波段高透的介质膜，以简化工艺及提高透过率。

图4给出本发明的半导体激光器阵列结构示意图（图4a为红光半导体激光器阵列模块结构图，图4b为蓝绿光半导体激光器阵列模块结构图）。

如图5所示，在每个红光半导体激光器9、蓝光半导体激光器10和绿光半导体激光器11的前面均安装有准直透镜14，用于准直半导体激光器的出射光束。

在所述的反射镜12上镀有金属膜或介质膜，以保证对红光的高效反射；在分色镜13上镀有对红光波段高透射率、对蓝绿光波段高反射率的介质膜，以实现合光。

所述的散射片6可以是旋转或震动的，也可以是静止的或者使用电控液晶，从而可以消除散斑。

如图6所示，所述的匀光模块8包括有依次放置的两块阵列透镜15、一块凸透镜16和LCD17。

如图7所示，所述的匀光模块包括有方形光通管18，在方形光通管18的左右端分别放有凸透镜16和LCD17。

实施例：

所述的半导体激光器阵列模块由RGB三色激光器密排布构成，目前商用的半导体激光器，单个红光激光器功率为700毫瓦，单个蓝光激光器功率为3.5瓦，单个绿光激光器功率为1瓦，可以通过调整各基色半导体激光器的数目比例，来获得高质量的白光。由于半导体激光器的发散角比较大，所以在各个激光器之后放置准直透镜以获得平行光。控制开关用于控制激光器是同时工作还是分时工作，从而适用于不同的微显示元件。散射片的作用是消除散斑。过凸透镜会聚的光束先经过散射片，再经过凹透镜。消除散斑的装置可以是旋转的、震动的散射片，或者是静止的散射片，也可以采用电控液晶来消除散斑。凸透镜与凹透镜构成共焦系统，从而能够有效均匀的利用光能量。匀光模块可采用阵列透镜或方形匀光管等方案。

所述的分离式排布反射镜及分色镜阵列3是本发明的关键部分，如图2所示，每个小单元由反射镜和分色镜组成。反射镜12上镀有金属膜或介质膜以保证对红光的高效反射；分色镜13上镀有对红光波段高透射率，对蓝绿光波段高反射率的介质膜，以实现合光。反射镜与分色镜成直角关系。反射镜12或分色镜13的数量并不局限于图2中的数量，其数量和位置应与半导体激光器阵列模块中的激光器对应。由于经过准直镜之后的光束平行度比较好，同时光斑大小也较小，所以反射镜的大小应与光斑大小相适配。采取图中所示的排列方式，可以将输出的激光光束阵列在一个方向上由宽度b压窄到宽度a。

所述的半导体激光器阵列模块结构示意图如图4所示，将RGB三色的激光器以密排布的方式排列，图中只是列出了一种可能的排布方式，实际的激光器数目由最终需要满足的白平衡的要求决定。

所述的特别设计的准直透镜示意图如图5所示。可以将透镜置于模块的筒状凹槽内，并通过在凹槽内前后移动透镜的位置来调节透镜与激光器的间距，使得从激光器阵列出射的激光束具有更好的准直性及一致性。

所述的匀光模块可以采取阵列透镜或方形光通管两种方案，如图6和图7所示。阵列透镜中的微透镜单元可以根据实际需要设计成特定的形状，以匹配不同纵横比、不同大小的微显示面板。方形光通管的纵横比应与微显示面板匹配，且长度应由实际需要的匀光效果决定。

Claims (7)

1.一种高集成度的激光投影光学引擎，其特征在于：包括有红光半导体激光器阵列模块、蓝绿光半导体激光器阵列模块、分离式排布反射镜及分色镜阵列、控制开关、凸透镜、散射片、凹透镜和匀光模块，所述的红光半导体激光器阵列模块是由多个红光半导体激光器密排布构成的矩形阵列，所述的蓝绿光半导体激光器阵列模块是由多个蓝光半导体激光器和多个绿光半导体激光器组合密排布构成的与红光半导体激光器阵列模块相同的矩形阵列，将红光半导体激光器阵列模块与蓝绿光半导体激光器阵列模块左右对称放置，所述的控制开关分别与红光半导体激光器、蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器电连接，所述的分离式排布反射镜及分色镜阵列包括有多个反射镜和多个分色镜，将每个反射镜与分色镜的端部成直角固定连接构成镜片组合，将分离式排布反射镜及分色镜阵列放置在红光半导体激光器阵列模块和蓝绿光半导体激光器阵列模块之间，反射镜与红光半导体激光器是一一对应的，分色镜与蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器是一一对应的，将所述的凸透镜、散射片、凹透镜和匀光模块按从上到下依次分布在分离式排布反射镜及分色镜阵列的正下方；控制开关控制各个半导体激光器发出激光，红光半导体激光器发出的激光通过反射镜反射到凸透镜上，蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器发出的激光经过分色镜后入射到凸透镜上，激光通过凸透镜后经过散射片汇聚到凹透镜上，再进入匀光模块。

2.根据权利要求1所述的一种高集成度的激光投影光学引擎，其特征在于：在所述的红光半导体激光器阵列模块和蓝绿光半导体激光器阵列模块上均安装有TEC元件的散热装置。

3.根据权利要求1所述的一种高集成度的激光投影光学引擎，其特征在于：在每个红光半导体激光器、蓝光半导体激光器和绿光半导体激光器的前面均安装有准直透镜。

4.根据权利要求1所述的一种高集成度的激光投影光学引擎，其特征在于：在所述的反射镜上镀有金属膜或介质膜；在分色镜上镀有对红光波段高透射率、对蓝绿光波段高反射率的介质膜。

5.根据权利要求1所述的一种高集成度的激光投影光学引擎，其特征在于：所述的散射片可以是旋转或震动的，也可以是静止的或者使用电控液晶。

6.根据权利要求1所述的一种高集成度的激光投影光学引擎，其特征在于：所述的匀光模块包括有依次放置的两块阵列透镜、一块凸透镜和LCD。

7.根据权利要求1所述的一种高集成度的激光投影光学引擎，其特征在于：所述的匀光模块包括有方形光通管，在方形光通管的左右端分别放有凸透镜和LCD。