激光投影光源模块及其光束整形方法、激光显示设备的制作方法

专利名称：激光投影光源模块及其光束整形方法、激光显示设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学领域，具体而言，涉及一种激光投影光源模块及其光束整形方法、 激光显示设备。
背景技术：
激光显示技术具有色彩丰富、节能环保等特点，被认为是下一代主流显示技术。与 LED光源相比，激光光源的光学扩展量小了许多，有利于高效的投影光机的设计。但是，由于 激光光源相干性会带来投影图像的散斑，为减小图像的散斑噪声，消散斑模块会置于光源 与光机之间，消散斑模块会增加激光束的光学扩展量，以致光源的光束不能有效地为光机 接收。由于光学扩展量的限制，消散斑模块的散射角不能太大，消散斑效果不够理想。

发明内容
为此，本发明的主要目的在于提供一种激光投影光源模块及其光束整形方法、激 光显示设备，以解决上述问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了 一种激光投影光源模块。该激 光投影光源模块包括第一激光模块，用于发出第一光束；第二激光模块，用于发出第二光 束；第三激光模块，用于发出第三光束；以及光耦合器，用于接收所述第一光束、所述第二光束 和所述第三光束以及将所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束耦合为第一耦合光束，其 中，所述第一激光模块、所述第二激光模块和所述第三激光模块为不同颜色的激光模块。为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种激光投影光源模块的光 束整形方法。该光束整形方法包括接收来自第一激光模块的第一光束；接收来自第二激 光模块的第二光束；接收来自第三激光模块的第三光束；以及将所述第一光束、所述第二 光束和所述第三光束耦合为第一耦合光束，其中，所述第一激光模块、所述第二激光模块和 所述第三激光模块为不同颜色的激光模块。为了实现上述目的，根据本发明的又一方面，提供了 一种激光显示设备。该激光显 示设备包括本发明提供的任意一种激光投影光源模块。通过本发明，采用包括以下部分的激光投影光源模块第一激光模块，用于发出第 一光束；第二激光模块，用于发出第二光束；第三激光模块，用于发出第三光束；以及光耦 合器，用于接收所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束以及将所述第一光束、所述第 二光束和所述第三光束耦合为第一耦合光束，其中，所述第一激光模块、所述第二激光模块 和所述第三激光模块为不同颜色的激光模块，由于将三根光束耦合为了一根光束，从而压 缩了光学扩展量，解决了现有技术中的激光投影光源模块消散斑效果不够理想的问题，进 而达到了提高消散斑效果的目的。


构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1是根据本发明实施例的投影系统的示意图；图2是根据本发明实施例的激光投影光源模块中光束耦合的示意图；图3是根据本发明实施例的激光投影光源模块中光束整形的示意图；图4是根据本发明的一种实施例的光束在光纤耦合器中耦合的示意图；图5是根据本发明的另一种实施例的光束在光纤耦合器中耦合的示意图；以及图6是根据本发明另一实施例的对多色光的拓展量进行压缩的示意图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。图1是根据本发明实施例的投影系统的示意图。如图1所示，该投影系统包括激光器光源模块(图1中虚线框内)以及投影模块。激光器光源模块包括三个部分单色红、绿、蓝激光模块，即，红光模块10、绿光模 块20和蓝光模块30，多色光光学扩展量压缩模块200，激光消相干模块300。在激光器光源 模块中还可以包括整形勻光模块。红绿蓝单色激光模块可由单个激光器或者多个激光器组成，或者也可以为激光器 整列，进一步地，激光器整列可以为激光器线阵或者激光器面阵。激光器可以是半导体激光 器和固体倍频激光器。光源的光学扩展量是光学发出光束的面积和发散角的乘积。对于多 个激光器组成的单色激光模块，可以采用棱镜组整形、GRIN透镜整形、双反射镜整形等方法 压缩其光学扩展量。在上述单色光的光学扩展量压缩技术的基础上，本发明提供的多色光光学扩展量 压缩方案，可以同时与消散斑模块整合为光源模组。当红绿蓝激光模块的输出接口是光纤 时，优选地，多色光的光学扩展量压缩可由光纤耦合器实现。图2是根据本发明实施例的激光投影光源模块中光束耦合的示意图。如图2所示，红光A通过耦合器进入绿光光纤与绿光B合束，蓝光C也通过耦合器 进入绿光光纤与绿光B合束，这时输出光束的面积仍是绿光光纤的面积，这与相关技术中 将三束光纤困绑起来的方案相比，输出光纤是一根，不是捆绑方案的三根，输出光束的面积 只是原来红绿蓝光束E总面积的三分之一，光学扩展量得到了压缩。由于将三根光束耦合为了一根光束，压缩了光学扩展量，能够使得光源的光束有 效地为光机接收，进而能够达到提高消散斑效果的目的。下面对本发明实施例所提供的激光投影光源模块进行详细介绍。该激光投影光源模块包括第一激光模块，用于发出第一光束；第二激光模块，用于发出第二光束；第三激光模块，用于发出第三光束；以及光耦合器，用于接收第一光束、第二光束和第三光束以及将第一光束、第二光束和 第三光束耦合为第一耦合光束，其中，第一激光模块、第二激光模块和第三激光模块为不同 颜色的激光模块。
在该激光投影光源模块中，由于通过光耦合器将第一光束、第二光束和第三光束 三根光束耦合为了第一耦合光束一根光束，因而压缩了光学扩展量，进而能够达到提高消 散斑效果的目的。上述的第一激光模块、第二激光模块和第三激光模块可以是分别选自红色激光模 块，蓝色激光模块和绿色激光模块中之一(此时，第一光束、第二光束和第三光束中一个为 红光、一个为绿光、一个为蓝光)，也可以是分别选自其他的三种颜色之一，例如，红黄绿。上述的激光投影光源模块除了可以包括三种颜色的激光模块，S卩，第一激光模块、 第二激光模块和第三激光模块之外，还可以包括四种颜色或者五种颜色的激光模块，例如 包括红黄绿蓝四种颜色的激光模块。优选地，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，用于接收第一光束和第二光束以及将第一光束和第二光束耦合为 第二耦合光束；第二光耦合器，用于接收第二耦合光束和第三光束以及将第二耦合光束和第三光 束華禹合为弟二華禹合光束ο通过采用第一光耦合器和第二光耦合器两个光耦合器分别实现对三个光束的两 两耦合，能够使得耦合的效果更好。需要说明的是，也可以采用一个光耦合器实现三个光束的耦合，此时，能够最大程 度的简化结构。优选地，在第一激光模块、第二激光模块和第三激光模块中之一或任意多个为激 光器阵列时，激光投影光源模块还包括阶梯镜。阶梯镜包括多个反射部，该多个反射部分别用于反射来自激光器阵列中各个激光 器的光，其中，多个反射部中的每个反射部在激光器阵列中各个激光器的发光面的投影长 度分别等于与其对应的发光面的长度并且多个反射部中的每个反射部与其所对应的单管 发光区成45°夹角。图3是根据本发明实施例的激光投影光源模块中光束整形的示意图。如图3所示，原来五个激光器组成的阵列LD发出的光束直径为D，经阶梯镜50整 形后出射光束为d，光束直径大大减小，光学扩展量也随之减小。需要说明的是，在经阶梯镜50整形之前，也可以通过快慢轴准直镜40首先对来自 五个激光器的光进行快轴准直和慢轴准直。通过采用上述的阶梯镜对来自第一激光模块、第二激光模块或第三激光模块的光 进行整形，能够消除各个激光器发出的光束之间的间隙，从而进一步地压缩了拓展量。优选地，第一激光模块、第二激光模块和第三激光模块的输出接口为光纤输出接 口，光耦合器为光纤耦合器。通过采用光纤将第一激光模块、第二激光模块和第三激光模块 发出的光传输至光纤耦合器，能够使得光耦合实现更加简单。优选地，激光投影光源模块还可以包括多个光纤。其中第一光纤，连接于第一激光模块和光纤耦合器之间，用于传输第一光束；第二光纤，连接于第二激光模块和光纤耦合器之间，用于传输第二光束；第三光纤，连接于第三激光模块和光纤耦合器之间，用于传输第三光束；以及第四光纤，连接于光纤耦合器，用于传输第一耦合光束。
通过采用三根光纤分别传输耦合之前的光束，以及利用一根光纤传输耦合之后的 光束，能够使得简便地实现耦合后的光束截面积显著小于耦合前的三束光的截面积之和。优选地，第一耦合光束的截面面积为第一光束、第二光束、第三光束的截面面积的 平均值或者等于第一光束、第二光束、第三光束中最大的截面面积，此时，进一步优选地，第 一光束、第二光束、第三光束和第一耦合光束的截面面积相等。通过使得耦合前的各个光束 和耦合后的光束截面面积相等，能够使得输出光束的面积只是原来红绿蓝光束总面积的三 分之一，光学扩展量得到了有效压缩。优选地，激光投影光源模块还可以包括消相干模块，连接于光耦合器，用于接收 弟“"華禹合光束ο图4是根据本发明的一种实施例的光束在光纤耦合器中耦合的示意图；图5是根 据本发明的另一种实施例的光束在光纤耦合器中耦合的示意图。光在光纤耦合器中从一根光纤转移到另一根光纤是靠光学模之间的耦合实现的， 如图4，当两根光纤的纤芯靠得足够近，两光纤中各种的光学场模式会重叠，这时一根光纤 中的光场会激发另一根光纤的光场，结果是光在两根光纤中反复耦合。当有两个不同波长 的光分别入射两根光纤时，通过适当设计耦合器的长度可使两个不同波长的光都到一根光 纤。光纤的纤芯靠近的方式可是平行的方式(图4)，也可是楔形的方式(图5)。本发明提出减小激光光源光学扩展量的方案，为消散斑模块的置入提供了设计空 间，可加强消散斑的效果。对比文件公开了多色自由空间合束方案的一个变化。多色自由空间合束用得非常 普遍，而我们的方案加了单色光合束压光学扩展量模块和消散斑模块，更注重于激光光源 模块整体的架构。多色光的光学扩展量压缩可由自由空间光学器件实现。图6是根据本发明另一实施例的对多色光的拓展量进行压缩的示意图。如图6所示，绿反红透镜片80对红光A是全透，对绿光B是全反，同样，蓝反红绿 透镜片90对红光A和绿光B是全透，对蓝光C是全反。最后输出的是红绿蓝合束的光，输 出光束的面积也只是原来红绿蓝光束总面积的三分之一。以上方案是以红绿蓝光源为例，同样也适用与四色(如红黄绿蓝)和五色光源的 情形。从多色光光学扩展量压缩模块200出来的光束，进一步进入消散斑模块300，从消 散斑模块300出来的光束，最后进入投影光机的勻光整形照明系统和投影模块500。投影 光机的光学扩展量一般是由微投器件(DLP，LC0S)和投影镜头决定的。如果光源的光学扩 展量超过光机的光学扩展量，光源的光束就不会有效地收集。如果不通过图中的多色光学 扩展量压缩模块200，从单色红绿蓝激光模块出来的光束经消散斑后其光学扩展量可能会 大于光机的光学扩展量，特别是，消散斑作用越强的模块，对光学扩展量的增加越大。比如， 由红绿蓝输出光纤捆绑起来的光纤束，其直径为2. 5mm，发散角为12度。假设有一孔径为 5mm消散斑随机相位片，原始的光束经扩束后为5. Omm直径，6度发散角的光束，如消散斑随 机相位片自身的散射角为20度，则光束的光学扩展量为12mm2· sr。对采用0. 6时DLP和 F#/3. 0的光机，其光学扩展量为8. 5mm2 vr，光源的光不能有效地为光机接收。如采用多色 光学扩散量压缩，这由一根光纤同时输出红绿蓝光，光源的光学扩展量为原来的1/3，如果再结合图3或其他的单色光光学扩展量压缩技术，将光源的光学扩展量压缩为原来的1/9， 等效地讲，入射到5mm消散斑随机相位片的光束可由原来的6度发散角压缩到2度发散角， 这时从消散斑模块出射的光束的光学扩展量为8. 5mm2 ·ν，与光机相配，光源的光得到有效 接收。本发明实施例还提供了一种激光投影光源模块中激光光束的整形方法，该激光投 影光源模块中激光光束的整形方法包括步骤S101，接收来自第一激光模块的第一光束；步骤S102，接收来自第二激光模块的第二光束；步骤S103，接收来自第三激光模块的第三光束；以及步骤S104，将所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束耦合为第一耦合光束，其中，所述第一激光模块、所述第二激光模块和所述第三激光模块为不同颜色的 激光模块。上述的第一激光模块、第二激光模块和第三激光模块可以是分别选自红色激光模 块，蓝色激光模块和绿色激光模块中之一(此时，第一光束、第二光束和第三光束中一个为 红光、一个为绿光、一个为蓝光)，也可以是分别选自其他的三种颜色之一，例如，红黄绿。上述的激光投影光源模块除了可以包括三种颜色的激光模块，S卩，第一激光模块、 第二激光模块和第三激光模块之外，还可以包括四种颜色或者五种颜色的激光模块，例如 包括红黄绿蓝四种颜色的激光模块。优选地，将所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束耦合为第一耦合光束包 括将所述第一光束和所述第二光束耦合为第二耦合光束；以及将所述第二耦合光束和所 述第三光束耦合为第三耦合光束。本发明还提供了一种激光显示设备，该激光显示设备可以包括本发明任一实施例 所提供的激光投影光源模块。该激光显示设备可以为投影机或者激光电视等。从以上的描述中，可以看出，本发明能够提高消散斑的效果。以上所述仅为本发明 的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种 更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种激光投影光源模块，其特征在于包括 第一激光模块，用于发出第一光束； 第二激光模块，用于发出第二光束； 第三激光模块，用于发出第三光束；以及光耦合器，用于接收所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束以及将所述第一光 束、所述第二光束和所述第三光束耦合为第一耦合光束，其中，所述第一激光模块、所述第二激光模块和所述第三激光模块为不同颜色的激光 模块。
2.根据权利要求1所述的激光投影光源模块，其特征在于，所述光耦合器包括第一光耦合器，用于接收所述第一光束和所述第二光束以及将所述第一光束和所述第 二光束耦合为第二耦合光束；以及第二光耦合器，用于接收所述第二耦合光束和所述第三光束以及将所述第二耦合光束 和所述第三光束耦合为第三耦合光束。
3.根据权利要求1所述的激光投影光源模块，其特征在于，在所述第一激光模块、所述 第二激光模块和所述第三激光模块中之一或任意多个为激光器阵列时，所述激光投影光源 模块还包括阶梯镜，包括多个反射部，分别用于反射来自所述激光器阵列中各个激光器的光，其 中，所述多个反射部中的每个反射部在所述激光器阵列中各个激光器的发光面的投影长度 分别等于与其对应的发光面的长度并且所述多个反射部中的每个反射部与其所对应的单 管发光区成45°夹角。
4.根据权利要求1所述的激光投影光源模块，其特征在于，所述第一激光模块、所述 第二激光模块和所述第三激光模块的输出接口为光纤输出接口，所述光耦合器为光纤耦合器
5.根据权利要求4所述的激光投影光源模块，其特征在于还包括第一光纤，连接于所述第一激光模块和所述光纤耦合器之间，用于传输所述第一光束；第二光纤，连接于所述第二激光模块和所述光纤耦合器之间，用于传输所述第二光束；第三光纤，连接于所述第三激光模块和所述光纤耦合器之间，用于传输所述第三光束；以及第四光纤，连接于所述光纤耦合器，用于传输所述第一耦合光束。
6.根据权利要求1所述的激光投影光源模块，其特征在于，所述第一耦合光束的截面 面积为所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束的截面面积的平均值或者等于所述第 一光束、所述第二光束、所述第三光束中最大的截面面积。
7.根据权利要求1所述的激光投影光源模块，其特征在于还包括消相干模块，连接于 所述光耦合器，用于接收所述第一耦合光束。
8.一种激光投影光源模块的光束整形方法，其特征在于包括 接收来自第一激光模块的第一光束；接收来自第二激光模块的第二光束；接收来自第三激光模块的第三光束；以及将所述第一光束、所述第二光束和所述第三光束耦合为第一耦合光束， 其中，所述第一激光模块、所述第二激光模块和所述第三激光模块为不同颜色的激光 模块。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述第一光束、所述第二光束和所述第 三光束耦合为第一耦合光束包括将所述第一光束和所述第二光束耦合为第二耦合光束；以及 将所述第二耦合光束和所述第三光束耦合为第三耦合光束。
10.一种激光显示设备，其特征在于包括权利要求1至7中任一项所述的激光投影光源 模块。
全文摘要
本发明公开了一种激光投影光源模块及其光束整形方法、激光显示设备。该激光投影光源模块包括第一激光模块，用于发出第一光束；第二激光模块，用于发出第二光束；第三激光模块，用于发出第三光束；以及光耦合器，用于接收第一光束、第二光束和第三光束以及将第一光束、第二光束和第三光束耦合为第一耦合光束，其中，第一激光模块、第二激光模块和第三激光模块为不同颜色的激光模块。通过本发明，能够提高激光投影光源模块的消散斑效果。
文档编号G02B27/09GK102147563SQ201110078869
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者李巍, 田有良, 陈昱 申请人:青岛海信电器股份有限公司