CN108957929A - 一种激光光源及激光投影仪 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光光源及激光投影仪。该激光光源包括：激光器，以及在所述激光器发射的激光光束的光路中设置的耦合聚焦镜以及由金属薄板制成的保护板，所述保护板上对应于耦合光纤端面的位置设置有通孔，所述通孔的直径介于所述耦合聚焦镜聚焦得到的激光光斑直径和所述耦合光纤的包覆层内径之间。激光器发射的激光光束入射至耦合聚焦镜，耦合聚焦镜将入射光束进行聚焦，聚焦后的光束通过保护板上的通孔入射至耦合光纤的端面。

Description

一种激光光源及激光投影仪

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种激光光源及激光投影仪。

背景技术

三基色激光投影仪的示意图如图1所示。其中，半导体激光器(蓝色DLP，绿色DLP和红色DLP)发出的激光经过扩束、匀场、消相干等处理后进入光机，光机对入射光束进行调制后输出到投影镜头，并最终在投影到屏幕上形成投影图像。

目前，针对激光投影仪，为了实现高亮度输出，并在体积上紧凑，安装方便，通常采用超短焦设计，以达到三基色激光投影的高亮度输出，这对半导体激光器的散热提出了更高的要求，特别是红色半导体激光器，随着功率的增加，通常需要进行水冷散热来严格控制温度。因此，目前5000lm以上的三基色激光投影仪通常采用光纤耦合的方案，将光源及散热系统做到机下摆放，而激光投影的照明模块和投影镜头放在机上部分，形成了灵活的分离式设计。

目前，为了实现高功率可见光半导体激光耦合进入光纤，通常采用空间透镜耦合的方式，如图2所示，通过耦合聚焦镜将入射光束汇聚到光纤端面。光纤外层包裹有包覆层，以起到保护光纤的作用，包覆层所承受的耐光功率密度低于光纤内芯的耐光功率密度一到两个数量级。由于可见光半导体激光器的输出功率较大，而耦合光纤端面通常仅为百微米量级，因此受光面积极其有限，耦合聚焦镜对入射光束的汇聚点位置的微小的位置偏移，会导致汇聚的高功率激光光束照射到包覆层，由于其耐光功率密度低，因此造成光纤包覆层的损伤。

发明内容

本申请实施例提供一种激光光源及激光投影仪。

第一方面，提供一种激光光源，包括：激光器，以及在所述激光器发射的激光光束的光路中设置的耦合聚焦镜以及由金属薄板制成的保护板，所述保护板上对应于耦合光纤端面的位置设置有通孔，所述通孔的直径介于所述耦合聚焦镜聚焦得到的激光光斑直径和所述耦合光纤的包覆层内径之间。所述激光器发射的激光光束入射至所述耦合聚焦镜，所述耦合聚焦镜将入射光束进行聚焦，聚焦后的光束通过所述保护板上的通孔入射至所述耦合光纤的端面。

根据本申请的上述实施例，在激光光束的光路中，在耦合聚焦镜与耦合光纤之间设置有保护板，该保护板上设置有通孔，使得耦合聚焦镜将入射光束进行聚焦，聚焦后的光束通过保护板上的通孔入射至耦合光纤的端面。由于通孔的直径介于耦合聚焦镜聚焦得到的激光光斑直径和耦合光纤的包覆层内径之间，这样，一方面保证在激光光斑未发生偏移时，可以使得激光光斑通过该通孔，并被耦合到耦合光纤中，另一方面，在激光光斑发生偏移时，可以避免耦合光纤端面的包覆层被偏移的激光光斑照射造成耦合光纤损坏，

在一种可能的实现方式中，所述保护板与所述耦合光纤的端面之间存在空气间隙。

根据本申请的上述实施例，保护板与耦合光纤的端面之间存在空气间隙，可以避免保护板直接接触耦合光纤端面，进而避免保护板的热量直接传导到耦合光纤端面，导致耦合光纤端面烧蚀。

在一种可能的实现方式中，在所述保护板朝向所述耦合光纤端面方向的表面上，贴敷有高导热材料。

根据本申请的上述实施例，通过在保护板朝向所述耦合光纤端面方向的表面上贴敷有高导热材料，可以更好地散热。

在一种可能的实现方式中，所述保护板具有散热结构，或者连接散热结构。

根据本申请的上述实施例，通过在保护板上设置散热结构或链接散热结构，更有利于激光光源的散热。

在一种可能的实现方式中，所述保护板连接有温度传感器，所述温度传感器检测到所述保护板的温度超过阈值时报警。

根据本申请的上述实施例，通过保护板连接温度传感器，可以在温度传感器检测到保护板的温度过高时进行报警，以便及时进行相应处理，避免器件因高温被损坏。

在一种可能的实现方式中，所述激光光源中还设置有反光镜、控制器以及CCD(电荷耦合元件)探测器。所述反光镜位于所述耦合聚焦镜之前，所述激光器发射的激光光束入射至所述反射镜，所述反射镜将入射光束反射至所述耦合聚焦镜。所述CCD探测器接收所述反光镜透过的激光光束，形成数字图像信号并输出给所述控制器；所述控制器用于根据所述CCD探测器输出的图像数字信号，确定是否发生激光光斑偏移，若发生激光光斑偏移，则调整所述反射镜的反射角度，使得所述耦合聚焦镜出射的激光光束的光斑位于所述耦合光纤的端面上。

根据本申请的上述实施例，通过在激光光源中设置控制器以及CCD，使其构成用于调节反射镜的反射角的反馈系统。基于该反馈系统，CCD探测器接收反光镜透过的激光光束，形成数字图像信号并输出给控制器；控制器根据CCD探测器输出的图像数字信号，确定是否发生激光光斑偏移，若发生激光光斑偏移，则调整反射镜的反射角度，使得耦合聚焦镜出射的激光光束的光斑位于耦合光纤的端面上。

在一种可能的实现方式中，所述激光光源中还设置有反光镜、控制器以及光电二级管。所述反光镜位于所述耦合聚焦镜之前，所述激光器发射的激光光束入射至所述反射镜，所述反射镜将入射光束反射至所述耦合聚焦镜。所述光电二极管用于检测所述耦合光纤出射的激光光束的光强，或者检测所述耦合光纤出射并被准直后的激光光束的光强，并将检测结果输出给所述控制器；所述控制器用于根据所述光电二级管检测到的光强，确定是否发生激光光斑偏移，若发生激光光斑偏移，则调整所述反射镜的反射角度，使得所述耦合聚焦镜出射的激光光束的光斑位于所述耦合光纤的端面上。

根据本申请的上述实施例，通过在激光光源中设置控制器以及光电二级管，使其构成用于调节反射镜的反射角的反馈系统。基于该反馈系统，光电二极管用于检测耦合光纤出射的激光光束的光强，或者检测耦合光纤出射并被准直后的激光光束的光强，并将检测结果输出给控制器；控制器用于根据光电二级管检测到的光强，确定是否发生激光光斑偏移，若发生激光光斑偏移，则调整反射镜的反射角度，使得耦合聚焦镜出射的激光光束的光斑位于耦合光纤的端面上。

在一种可能的实现方式中，所述耦合聚焦镜对入射的激光光束聚焦后，在所述保护板或所述耦合光纤的端面所在的平面形成的激光光斑的面积，大于所述耦合光纤的端面面积的二分之一。

根据本申请的上述实施例，经耦合聚焦镜聚焦后形成的激光光斑进入耦合光纤端面时的大小，大于的耦合光纤端面面积，使得激光光束聚焦后的光斑分布波前平滑，光斑中心光强分布集中，同时应尽量减少透镜球差带来的影响。

在一种可能的实现方式中，所述耦合聚焦镜包括第一镜片和第二镜片，所述第一镜片和所述第二镜片分别为弯月型，所述第一镜片的凸面为激光光束入射面，所述第二镜片的凸面为激光光束的出射面。

根据本申请的上述实施例，可以使得激光光束聚焦后的光斑分布波前平滑，光斑中心光强分布集中。

第二方面，提供一种激光投影仪，包括光机、镜头以及如上述第一方面中任一项所述的激光光源。所述激光光源为所述光机提供照明，所述光机对光源光束进行调制，并输出至所述镜头进行成像，投影至投影介质形成投影画面。

附图说明

图1为现有技术中三基色激光投影仪的原理示意图；

图2为现有技术中控件透镜光纤耦合示意图；

图3A和图3B分别为本申请实施例提供的激光光源的结构示意图；

图4为本申请实施例中的耦合聚焦镜的结构示意图；

图5为本申请实施例中保护板的示意图；

图6为本申请另外的实施例提供的激光光源的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的激光投影仪的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的激光光源以及激光投影仪，设置有保护板，可以基于该保护板，在激光光斑发生偏移时，避免耦合光纤端面的包覆层被偏移的激光光斑照射造成耦合光纤损坏。

下面以应用于激光投影仪的激光光源为例，结合附图对本申请实施例进行详细描述。

参见图3A和图3B，分别为本申请实施例提供的激光光源的结构示意图。

如图3A所示，激光光源300A中包括激光器301，以及在激光器301发射的激光光路上依次设置的耦合聚焦镜304、保护板305。其中，保护板305上对应于耦合光纤端面的位置设置有通孔，该通孔的直径介于耦合聚焦镜304聚焦得到的激光光斑直径和耦合光纤的包覆层内径之间。

如图3B所示，激光光源300B中包括激光器301，以及在激光器301发射的激光光路上依次设置的光学系统302、反射镜303、耦合聚焦镜304、保护板305。其中，保护板305上对应于耦合光纤端面的位置设置有通孔，该通孔的直径介于耦合聚焦镜304聚焦得到的激光光斑直径和耦合光纤的包覆层内径之间。

需要说明的是，在另外的一些实施例中，根据上述激光光源，其中的光学系统和反射镜两者可以仅包含其中之一，相应地，激光光源中的部件的位置进行相应调整，这里不再一一列举。

下面的实施例，在不特别声明的情况下，以激光光源300B的结构为例进行描述，其相关结构及相关描述同样适用于激光光源300A。

激光器301发射激光，光学系统302对激光器301发射的激光光束进行整形后，将其入射至反射镜303；反射镜303将入射光束反射至耦合聚焦镜304；耦合聚焦镜304将入射光束进行聚焦，聚焦后的光束通过保护板305上的通孔入射至耦合光纤的端面。激光光束从耦合光纤306的另一端面出射，并入射到准直透镜307。准直透镜307将激光光束投射至光机308，进行调制，最终通过投影镜头投影至屏幕。

可选地，激光器301也可由一组激光器代替。激光器301可以是半导体激光器。激光器的数量可以是多个，比如应用于三基色投影仪时，激光器可包括用于发射蓝色激光的激光器，用于发射绿色激光的激光器以及用于发射红色激光的激光器。图3仅以一个激光器为例描述。

光学系统302中可包括一个或多个光学元件，比如聚焦透镜等。激光投影仪中的光学系统通常为倒置的开普勒望远光学系统，主要用于对激光器发出的激光进行整形缩束。目前，半导体激光器多为Bank封装形式，激光器发射的激光光束通常为宽光束，该宽光束的激光光束在进入到耦合透镜之前，先通过倒置的开普勒望远光学系统进行整形缩束，以使得激光光束的宽度与耦合透镜的尺寸相匹配，

反射镜303可以通过镀高反膜实现，这样可以实现对激光光束99％以上的反射率。

可选地，本申请实施例对于耦合聚焦镜304的要求可以是：使得激光光束聚焦后的光斑分布波前平滑，光斑中心光强分布集中，同时应尽量减少透镜球差带来的影响。为此，耦合聚焦镜304的设计原则可以是：经耦合聚焦镜304聚焦后形成的激光光斑进入耦合光纤端面时的大小，大于1/2的耦合光纤端面面积，也就是说，耦合聚焦镜304对入射的激光光束聚焦后，在保护板305或耦合光纤306的端面所在的平面形成的激光光斑的面积，大于耦合光纤306的端面面积的二分之一。这是为了尽量降低光纤端面承受的激光功率密度。但光斑大小与耦合聚焦镜的焦距成反比，又与耦合聚焦的焦深成正比，因此设计耦合聚焦镜304以得到满足上述尺寸要求的光斑时，还可以进一步考虑尽量长的焦深范围。

可选地，耦合聚焦镜304可以包括一个镜片也可以包括两个镜片。图4中的A示出了一种由2个镜片实现的耦合聚焦镜304，图4所示的耦合聚焦镜304中，按照激光光束的光路方向，可包括第一透镜3041和第二透镜3042。其中，第一透镜3041和第二镜片3042可分别采用弯月型设计，第一镜片3041的凸面为激光光束的入射面，第二镜片3042的凸面为激光光束的出光面。图4中的B示出了该耦合聚焦镜304聚焦后的激光光斑在光纤端面耦合光斑波前分布示意图，图4中的C示出了该耦合聚焦镜304聚焦后的激光光斑的光强分布。可以看出，采用图4中的A所示的耦合聚焦镜，可以使得激光光束聚焦后的光斑分布波前平滑，光斑中心光强分布集中。

保护板305可以为金属薄板，该金属薄板上开设有圆形通孔。图5示出了一种圆形的保护板，以及该保护板与耦合光纤端面、激光光斑的相互位置示意图。

如图5中的A所示，从激光光束的入射方向上看，保护板305的圆心开设有圆形通孔3051。需要说明的是，图中的耦合光纤端面的映射结构3052并不是该保护板的结构，而是耦合光纤的端面的结构在该保护板所在平面上的映射，用以表示该端面与保护板的圆形通孔3051之间的位置关系。

从图5中的B所示的局部放大图来看，圆形通孔3051的直径d1介于入射激光光束在保护板305平面上形成的激光光斑直径d0和光纤包覆层内径d2之间。这是因为半导体激光器由于温度漂移和机械振动等影响，激光光斑位置发生微小移动，如果聚焦的高功率激光光斑入射到耦合光纤端面的中心层和包覆层的交界面处，会产生激光能量的较大吸收，瞬时产生的热量会造成耦合光纤端面的烧蚀，从而使得激光耦合输出效率降低。而采用图5所示的由金属薄板制成的保护板的保护，即使高功率激光光斑发生位置偏移，该金属薄板也能起到防护耦合光纤端面损伤的作用，同时也可以提高激光耦合输出效率。另外，光纤端面通常难以保证绝对的平滑度，其暴露在空气中容易积尘，采用本申请实施例，在耦合光纤端面上设置保护板，可以起到防尘作用。

可选地，保护板305可以选择高导热的材料，如铝或铜等金属材料制成。保护板305中的通孔可以通过铝基板放电打孔或激光打孔的方式实现，通常孔径直径在百微米量级。

在具体应用场景中，通常可见光的光纤芯径尺寸在200μm到1mm的范围内，保护板305上的通孔的直径可以是光纤内径的0.6-0.9倍之间。圆形保护板305的直径可以是光纤外径的2到10倍大小，也可以根据应用场合来定制。比如在实际应用中，可以从激光光源的内部空间大小，以及散热效果方面来考虑，可以在空间大小允许的范围内，将保护板305的直径做得大一些，以提高散热效率。

可选地，保护板305与耦合光纤306的端面之间存在空气间隙，以避免保护板305直接接触耦合光纤端面，进而避免保护板的热量直接传导到耦合光纤端面，导致耦合光纤端面烧蚀。可选地，该空气间隙的距离为微米级，比如可以是几十个微米。

可选地，保护板305在朝向耦合光纤端面方向的表面上，可以贴敷高导热材料，比如导热硅脂或石墨烯等，可以增强保护板305的散热效果。

可选地，可以根据激光光源实际需要散热功率来设计保护板305的面积和散热结构。可选地，为了加强散热效果，可以对保护板305采用主动散热制冷技术，如风冷和水冷强制散热。具体实施时，保护板305具有散热结构，或者保护板305连接散热结构。

可选地，保护板305上设置有温度传感器或者保护板305连接有温度传感器，该温度传感器用于检测保护板305的温度，比如，可在保护板305上放置电热偶温度传感器。该温度传感器可以在检测到保护板305的温度超过阈值时报警。如果保护板305温度过高，间接表面当前可能发生激光光斑位置偏移(即激光光斑偏移耦合光纤端面)，从而导致部分激光能量被保护板305遮挡，产生了能量吸收，进而导致温度上升。可选地，温度传感器检测到的结果或其所产生的报警信号可传输给控制器，以使该控制器控制反射镜303的角度，使得激光光斑位于耦合光纤的端面。

可选地，保护板305位于耦合聚焦透镜304的焦点附近，通常具体指位于焦点前后根号2倍的光斑半径的的位置。

在本申请的一些实施例中，可以在激光光源中设置控制器，以对反射镜的角度进行调整，使得激光光斑可位于耦合光纤的端面。

参见图6，为本申请另外的实施例提供的激光光源的结构示意图。

如图所示，激光光源600可在激光光源装置300的基础上，增加设置控制器310以及电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)探测器311。

激光光源600中引入控制器310的目的为，对激光耦合进入耦合光纤的光斑位置的精确进行实时控制。在实际应用中，可以采用压电陶瓷促动的方式对反射镜的反射角进行控制，可以使得反射镜的响应速率大于1000Hz。

CCD探测器311位于反射镜303的后面，即，位于反射镜303透射的光束的光路中。反射镜303虽然可以将大部分能量的激光光束反射至耦合聚焦镜304，但仍可能有一小部分激光光束被透射。CCD探测器311可以接收到反射镜303透射的激光光束，并将检测到的光信号转换为数字图像信号，并输出给控制器310。

控制器310可以控制反射镜303的反射角度，并与CCD探测器311电性连接，可以接收CCD探测器311输出的数字图像信号。对于控制器310所在的位置，本申请实施例不作限制。

控制器310可以根据CCD探测器311输出的图像数字信号，确定是否发生激光光斑偏移，若发生激光光斑偏移，则调整反射镜303的反射角度，使得耦合聚焦镜304出射的激光光束的光斑位于耦合光纤306的端面上。

具体地，控制器310可以根据CCD探测器311输出的数字图像信号，通过相关算法(比如图像边缘处理算法)，确定当前激光光束在耦合光纤端面所在平面上的光斑位置，将当前激光光束的光斑位置与基准光斑位置进行比较，如果当前激光光束的光斑位置偏离该基站光斑位置，则调整反射镜303的反射角度，使得调整后的激光光斑的位置与该基准光斑位置相一致。

其中，基准光斑位置即为光纤耦合后，具有最大输出光功率的光斑位置。在基准光斑位置上，激光光束被耦合到耦合光纤后，不会照射到耦合光纤端面的包覆层。

由于激光光源600中的其他元器件与激光装置300中的相应元器件相同，因此不再重复描述。

在本申请另外的实施例中，在激光光源300B的基础上，和可以增加设置控制器以及光电二级管。

该光电二级管可设置在耦合光纤的出射光束的光路中，比如设置在准直透镜307的之前或之后。如果光电二级管设置在准直透镜307的之前，则可以检测耦合光纤出射的激光光束的光强；如果光电二级管设置在准直透镜307的之后，则可以检测耦合光纤出射并被准直后的激光光束的光强。

该光电二级管可以将检测结果输出给控制器。控制器可以根据光电二级管检测到的光强，确定是否发生激光光斑偏移，若发生激光光斑偏移，则调整反射镜的反射角度，使得耦合聚焦镜出射的激光光束的光斑位于耦合光纤的端面上。

具体地，控制器根据光电二级管检测到的光强，判断该光强是否达到设定阈值，若达到设定阈值，则表明激光光斑位置位于耦合光纤端面，此种情况下耦合光纤出射的激光光束具有较强光强；否则，表明激光光斑位置偏移。

其中，所述设定阈值可以通过测试确定，也可以根据经验值或者基于相关算法计算得到。

本申请实施例提供的激光光源，可以用于单数字光处理(Digital LightProcessing，DLP)系统(采用分时序显色)，也可以用于3DLP系统(采用空间显色)，尤其可以用于3LCD和3LCos液晶芯片的激光投影仪。

本申请实施例还提供了激光投影仪的结构。如图7所示，该激光投影仪700可包括光机720、镜头730以及如前述实施例描述的激光光源710，激光光源710为光机720提供照明，光机720对光源光束进行调制，并输出至镜头830进行成像，投影至投影介质740形成投影画面。

综上所述，根据本申请实施例，可以避免耦合光纤端面损伤，还可以保证耦合光纤的最优效率。本申请实施例提供的结构简单易操作，可以用于三基色激光投影仪的大规模生产，可以提高可见光半导体激光器光纤耦合在适应不同环境下的可靠性。

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)

1.一种激光光源，其特征在于，包括：激光器，以及在所述激光器发射的激光光束的光路中设置的耦合聚焦镜以及由金属薄板制成的保护板，所述保护板上对应于耦合光纤端面的位置设置有通孔，所述通孔的直径介于所述耦合聚焦镜聚焦得到的激光光斑直径和所述耦合光纤的包覆层内径之间；

所述激光器发射的激光光束入射至所述耦合聚焦镜，所述耦合聚焦镜将入射光束进行聚焦，聚焦后的光束通过所述保护板上的通孔入射至所述耦合光纤的端面。

2.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述保护板与所述耦合光纤的端面之间存在空气间隙。

3.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，在所述保护板朝向所述耦合光纤端面方向的表面上，贴敷有高导热材料。

4.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述保护板具有散热结构，或者连接散热结构。

5.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述保护板连接有温度传感器，所述温度传感器检测到所述保护板的温度超过阈值时报警。

6.如权利要求1至5中任一项所述的激光光源，其特征在于，所述激光光源中还设置有反光镜、控制器以及电荷耦合元件CCD探测器；

所述反光镜位于所述耦合聚焦镜之前，所述激光器发射的激光光束入射至所述反射镜，所述反射镜将入射光束反射至所述耦合聚焦镜；

所述CCD探测器接收所述反光镜透过的激光光束，形成数字图像信号并输出给所述控制器；

所述控制器用于根据所述CCD探测器输出的图像数字信号，确定是否发生激光光斑偏移，若发生激光光斑偏移，则调整所述反射镜的反射角度，使得所述耦合聚焦镜出射的激光光束的光斑位于所述耦合光纤的端面上。

7.如权利要求1至5中任一项所述的激光光源，其特征在于，所述激光光源中还设置有反射镜、控制器以及光电二级管；

所述反光镜位于耦合聚焦镜之前，所述激光器发射的激光光束入射至所述反射镜，所述反射镜将入射光束反射至所述耦合聚焦镜；

所述光电二极管用于检测所述耦合光纤出射的激光光束的光强，或者检测所述耦合光纤出射并被准直后的激光光束的光强，并将检测结果输出给所述控制器；

所述控制器用于根据所述光电二级管检测到的光强，确定是否发生激光光斑偏移，若发生激光光斑偏移，则调整所述反射镜的反射角度，使得所述耦合聚焦镜出射的激光光束的光斑位于所述耦合光纤的端面上。

8.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述耦合聚焦镜对入射的激光光束聚焦后，在所述保护板或所述耦合光纤的端面所在的平面形成的激光光斑的面积，大于所述耦合光纤的端面面积的二分之一。

9.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述耦合聚焦镜包括第一镜片和第二镜片，所述第一镜片和所述第二镜片分别为弯月型，所述第一镜片的凸面为激光光束入射面，所述第二镜片的凸面为激光光束的出射面。

10.一种激光投影仪，其特征在于，包括光机、镜头以及如权利要求1至9中任一项所述的激光光源；

所述激光光源为所述光机提供照明，所述光机对光源光束进行调制，并输出至所述镜头进行成像，投影至投影介质形成投影画面。