一种高寿命提升光源匀场的模块化激光荧光光源系统的制作方法

1.本发明涉及激光投影技术领域，具体为一种高寿命提升光源匀场的模块化激光荧光光源系统。


背景技术：

2.激光投影作为目前最先进的投影技术，经过近几年迅猛发展，形成了纯激光光源、激光荧光轮和激光led光源等三种主要产品形态，其中荧光粉方式的激光投影机是性价比最高的机型。激光荧光投影通过蓝光激光照射在荧光粉上，产生黄色光，与另一部分透射光路的蓝光机激光进行波长合束，有效降低了光源的相干性，可以有效地消除散斑。但高流明或长时间的激光照射荧光轮，会使荧光粉局部温度很高，导致荧光效率下降，难以做出高亮投影机。由此，产生了激光荧光加纯激光光源系统，它既具激光荧光无散斑的特点，又具有纯激光的高亮度、高清晰、宽色域投影输出特点，可真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩。
3.在投影机应用的纯激光光源中，由于激光器具有非常强相干性和高单色性会导致激光投影画面的散斑效应和不均匀性。同时，激光器的功率和波长会受环境温度变化而波动，纯激光光源的电光转换效率一般只有13％～40％，其余电能全部产生热量，因此激光器的散热显得尤为重要。传统激光器散热是将激光器固定于散热板上，在激光器与散热板间涂抹导热硅脂，在使用大功率激光器时，很难将激光器温度控制在标称工作温度范围。
4.激光具有单色性好、方向性好和高亮度的特性，在显示上有色域广、颜色饱和度高、亮度高的优点，相比于传统的显示技术有天然的优势。但由于激光是受激辐射光，波长分布范围较窄导致其振动频率、相位都高度一致，有很强的相干性。如果将激光直接投影到屏幕上会出现很严重的散斑，影响显示效果，达不到显示要求。因此需要对激光散斑进行抑制，提升显示质量。目前，为解决这一难题，主要有两种技术途径：一种是利用计算机软件对画面进行后期处理抑制散斑；另一种方法是在激光光路上加装消除散斑装置从而抑制散斑。在激光显示上需要实时对图像进行接收显示，所以通常采用第二种方式对散斑进行抑制，应运而生了很多方法，比如旋转光纤法、控制激光谐振腔法、振动屏幕法、多光纤分束法、超声光栅消散斑法等，但现有的方法存在消除散斑机理单一、散斑消除效果不佳、屏幕显示模糊和装置结构复杂成本过高等问题。
5.半导体rgb激光二极管的高相干性会导致激光投影显示的散斑效应和不均匀性，同时工作温度的变化会影响激光器的波长和功率，因此激光投影系统的匀化和激光器散热处理显得尤为重要。


技术实现要素：

6.本发明目的是提供一种高寿命提升光源匀场的模块化激光荧光光源系统，在光源系统中同时掺入黄色荧光与青色荧光的方式，大大增加了光路中荧光强度比例，尤其是蓝色荧光比例，使得激光投影机在有高亮度的同时还有优异的消除散斑效果，显示画面的全色段均无散斑；同时利用振动散射片结构，从有效抑制激光散斑，提升匀场。
7.本发明是采用如下技术方案实现的：
8.一种高寿命提升光源匀场的模块化激光荧光光源系统，包括蓝色激光光源a，散射片a，反蓝透黄合束镜，透镜组a，荧光元件，透镜组b，散射片b，蓝色激光光源b，透镜组c，反红绿透蓝合束镜 a，透镜，散射片c，红绿蓝激光光源，透镜组d，光通管，反红绿透蓝合束镜b。
9.所述荧光元件上同圆心设有反射式黄色荧光环和透射式青色荧光环。
10.所述蓝色激光光源a发出的蓝色光束经散射片a入射至反蓝透黄合束镜，反射后经过透镜组a汇聚入射至荧光元件的反射式黄色荧光环；激发产生的黄光依次经透镜组a、反蓝透黄合束镜、透镜组d 汇聚入射至光通管。
11.所述蓝色激光光源b发出的蓝色光束依次经散射片b、透镜组b 汇聚入射至荧光元件的透射式青色荧光环，激发产生的青色荧光经透镜组c后入射至反红绿透蓝合束镜a进行分解，其中绿色光束经反红绿透蓝合束镜a、反红绿透蓝合束镜b及透镜组d汇聚入射至光通管，蓝光束通过反红绿透蓝合束镜a经透镜组d汇聚入射至光通管。
12.所述红绿蓝激光光源发出的红绿光依次经过散射片c、透镜、反红绿透蓝合束镜a及透镜组d汇聚入射至光通管；所述红绿蓝激光光源发出的蓝光依次经过散射片c、透镜、反红绿透蓝合束镜a、反红绿透蓝合束镜b、反蓝透黄合束镜及透镜组d入射至光通管。
13.所述散射片c安装于振动机构中。
14.所述振动机构包括振动固定架组件、振动组件和驱动电路板，所述振动固定架组件包括振动固定架、永磁铁和角垫，所述振动固定架的四角分别设有角垫固定架，所述角垫固定架上通过预留的固定孔安装角垫，所述振动固定架的上下左右四个磁铁安装槽中分别安装有永磁铁；所述振动固定架以长度方向(水平方向)的中心线为x轴、以宽度方向(竖直方向)的中心线为y轴。
15.所述振动组件包括振动支架、驱动线圈，所述振动支架安装于振动固定架内部，所述振动支架与x轴和y轴对应分别设有x向转动轴和y向转动轴；所述振动支架包括外支架和内支架，所述内支架的y轴方向上分别通过y向转动轴安装于外支架内，所述外支架的 x轴方向分别通过x向转动轴安装有连接座，两个连接座分别固定安装于振动固定架两侧；位于x轴上的两个驱动线圈固定于内支架左右两侧的线圈安装槽中，位于y轴上的两个驱动线圈固定于外支架上下两侧的线圈安装槽中；所述驱动线圈与永磁铁成对分布。
16.所述驱动电路板安装于振动固定架上，所述驱动线圈与驱动电路板电连接。
17.所述散射片c安装于内支架内，形成振动散射片。
18.激光具有单色性好、方向性好和高亮度的特性，在显示上有色域广、颜色饱和度高、亮度高的优点，相比于传统的显示技术有天然的优势。但由于激光是受激辐射光，波长分布范围较窄导致其振动频率、相位都高度一致，有很强的相干性。如果将激光直接投影到屏幕上会出现很严重的散斑，影响显示效果。在激光光源中掺入多波长非相干光光源，大大降低了光源的相干性，可以有效地消除散斑，且激光光强平均值与非相干光源平均值约接近，消除散斑效果越好。
19.本发明方案中，荧光元件为荧光轮，上面设有反射式黄色荧光环和透射式青色荧光环，使其在同一个荧光轮上可以由两个激发光源进行激发，极大地提高了荧光轮的激发效率，在减小光路体积的同时，由于两个荧光环互不影响，极大提高了其散热效率。
20.蓝色激光光源a发出的光束通过散射片a后入射至反蓝透黄合束镜，之后通过透镜组a入射至荧光元件。荧光元件激发后产生的光束依次通过透镜组a、反蓝透黄合束镜及透镜组d入射至光通管。
21.蓝色激光光源b发出的光束通过透镜组b后入射至荧光元件，荧光元件激发后产生的绿光束依次通过透镜组c、反红绿透蓝合束镜a、反红绿透蓝合束镜b及透镜组d入射至光通管；荧光元件激发后产生的蓝光束依次通过反红绿透蓝合束镜及透镜组d入射至光通管。
22.激光光源散斑对比度cr计算公式如下：
[0023][0024]
其中σ是激光光场部分的标准偏差，是激光光场部分的光强平均值，i1、i2、
…
i
n
是摄像机单元像素的光强值。在激光光源中加入均匀的非相干光光源，光源的光强则该非相干光光源的标准偏差σ
′
＝0，故加入非相干光光源后，合光光场的平均光强如下：
[0025][0026]
合光光场的标准差σ0如下：
[0027][0028]
因此合光光场的散斑对比度cr0如下：
[0029][0030]
上述计算公式表明，通过调节控制激光光源和非相干光光源的配合比例，可以实现对屏幕散斑对比度的调节控制，从而实现不同使用环境对散斑对比度的需求，且激光光强平均值与非相干光源平均值约接近，消除散斑效果越好。目前市面上大多选用在激光中掺入荧光的方式，但激光器的出光光强较高，要使荧光光强均值与激光光强均值接近或荧光光强均值尽量高，要高流明或长时间的激光照射荧光轮，会使荧光粉局部温度很高，导致荧光效率下降，难以做出消除散斑效果好的高亮投影机，且市面上激光加荧光投影机所掺荧光大多为黄光，使得投影机在显示偏蓝画面时，散斑影响亦非常严重，本发明创新性地提
出在光源系统中同时掺入黄色荧光与青色荧光的方式，大大增加了光路中荧光强度比例，尤其是蓝色荧光比例，使得激光投影机在有高亮度的同时还有优异的消除散斑效果，显示画面的全色段均无散斑；同时本发明还提出反射荧光和透射荧光均设置在同一荧光轮上错位分布的结构，不仅有效优化了荧光轮的散热问题，也极大减小了光源系统的结构大小，减小了投影机体积和重量。
[0031]
并且，振动散射片结构可以安装在所需要消散斑的激光光路上，也可作为单独模块插入到不同的光路系统中使用，该装置有效消除了激光散斑，提高了匀场，抑制激光散斑效果明显；而市面上其他振动散射片消散斑装置，大多采用振动电机和偏心电机带动散射片振动，而电机的寿命只有电磁组件的几百分之一甚至上千分之一，该振动散射片消散斑装置的寿命大大延长，使投影机的长时间消散斑使用成为可能。
[0032]
进一步优选的，所述红绿蓝激光光源发出的红绿光依次经过振动散射片、透镜、反红绿透蓝合束镜及透镜组d入射至光通管；红绿蓝激光光源发出的蓝光依次经过振动散射片、透镜、反红绿透蓝合束镜a、反红绿透蓝合束镜b、反蓝透黄合束镜及透镜组d入射至光通管。
[0033]
进一步优选地，所述红绿蓝激光光源包括蓝光激光光源、绿光激光光源、红光激光光源，所述蓝光激光光源、绿光激光光源和红光激光光源分别通过铟锡合金焊片焊接于半导体制冷器(tec)，所述半导体制冷器(tec)分别通过铟锡合金焊片焊接于水冷块上，水冷块上设有进水口和出水口；所述蓝光激光光源发出的光束依次通过反射镜、反绿透蓝合束镜、反红透蓝绿合束镜、透镜射出，所述绿光激光光源发出的光束依次通过反绿透蓝合束镜、反红透蓝绿合束镜、透镜射出，所述红光激光光源发出的光束通过反红透蓝绿合束镜、透镜射出。
[0034]
本发明所述的激光荧光光源系统，采用激光荧光轮加纯激光混合光源，通过波长合束的方式耦合进入光通管，在纯激光光路中加振动散射片装置的方式，获得无散斑均匀的画面投影输出。同时优化激光器的散热结构，将激光器通过导热系数更高的铟锡合金焊片焊接于半导体制冷器(tec)上，半导体制冷器(tec)分别通过铟锡合金焊片焊接于水冷块上，半导体制冷器(tec)使激光器上产生的热量迅速通过冷面传导到热面，进而传导到水冷块上，这种导热方式与传统方式相比，有极高的效率，可以有效散掉激光器产生的热量，把温度控制在激光器工作温度范围，延长激光器寿命。
[0035]
本发明具有如下优点：
[0036]
1、本发明创新性地提出在光源系统中同时掺入黄色荧光与青色荧光的方式，设计了使用这种合束镜的新颖光学光路，大大增加了光路中荧光强度比例，尤其是蓝色荧光比例，使得激光投影机在有高亮度的同时还有优异的消除散斑效果，显示画面的全色段均无散斑；同时本发明还提出反射荧光和透射荧光均设置在同一荧光轮上错位分布的结构，不仅有效优化了荧光轮的散热问题，也极大减小了光源系统的结构大小，减小了投影机体积和重量。
[0037]
2、本发明在红绿蓝激光光源前端，设计加入了振动散射片结构，利用散射片的随机振动降低了激光光束的空间相干性和时间相干性，从而有效消除了激光散斑，提高了匀场。
[0038]
3、本发明采用循环水冷与半导体制冷器复合散热的方式，改进了激光器的散热结
构，减小了激光器的波长波动，提高了其使用寿命。
[0039]
本发明设计合理，运行稳定性高，应用范围较广，具有很强的推广性和很好的实际应用价值。
附图说明
[0040]
图1表示本发明的整体光路示意图。
[0041]
图2表示荧光元件示意图。
[0042]
图3表示反蓝透黄合束镜的透光特性示意图。
[0043]
图4表示反红绿透蓝合束镜的透光特性示意图。
[0044]
图5表示红绿蓝激光光源的散热结构及出射光路示意图。
[0045]
图中：101
‑
蓝色激光光源a，102
‑
散射片a，103
‑
反蓝透黄合束镜， 104
‑
透镜组a，105
‑
荧光元件(荧光轮)，106
‑
透镜组b，107
‑
散射片 b，108
‑
蓝色激光光源b，109
‑
透镜组c，110
‑
反红绿透蓝合束镜a， 111
‑
透镜，112
‑
散射片c，113
‑
红绿蓝激光光源，114
‑
透镜组d，115
‑ꢀ
光通管，116
‑
反红绿透蓝合束镜b；反射式黄色荧光环501，透射式青色荧光环502；130
‑
出水口，131
‑
水冷块，132
‑
半导体制冷器(tec)， 133
‑
蓝光激光光源，134
‑
绿光激光光源，135
‑
红光激光光源，136
‑
反射镜，137
‑
反绿透蓝合束镜，138
‑
反红透蓝绿合束镜，139
‑
进水口。
[0046]
图6表示振动结构的整体结构示意图。
[0047]
图7表示振动结构的整体爆炸示意图。
[0048]
图8表示振动支架的结构示意图。
[0049]
图9表示振动结构的背面示意图。
[0050]
图10表示振动结构的正面示意图。
[0051]
图11表示振动结构中，驱动线圈为正向电流时，振动支架绕y 轴逆时针转动时的驱动原理图。
[0052]
图12表示振动结构中，驱动线圈为反向电流时，振动支架绕y 轴顺时针转动时的驱动原理图。
[0053]
图中：1
‑
振动组件固定架，2
‑
振动支架，3
‑
振动散射片(散射片c)， 4
‑
角垫，5
‑
驱动线圈，6
‑
驱动电路板，7
‑
电路板固定螺钉，8
‑
支架固定螺钉，9
‑
永磁铁，10
‑
线圈安装槽，11
‑
磁铁安装槽，12
‑
角垫固定孔， 13
‑
x向转动轴，14
‑
y向转动轴，15
‑
支架固定孔，16
‑
支架定位孔， 17
‑
连接座，201
‑
外支架，202
‑
内支架。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细。
[0055]
一种高寿命提升光源匀场的模块化激光荧光光源系统，如图1所示，包括蓝色激光光源a101，散射片a102，反蓝透黄合束镜103，透镜组a104，荧光元件105，透镜组b106，散射片b107，蓝色激光光源b108，透镜组c109，反红绿透蓝合束镜110，透镜111，散射片c112，红绿蓝激光光源113，透镜组d114，光通管115。
[0056]
如图2所示，荧光元件5上同心设有反射式黄色荧光环501和透射式青色荧光环502。
[0057]
如图1所示，蓝色激光光源a101发出的光束通过散射片a102后入射至反蓝透黄合束镜103，之后通过透镜组a104汇聚入射至荧光元件5的反射式黄色荧光环501上，激发出黄色荧光。
[0058]
反蓝透黄合束镜103具有图3所示透光特性，在光沿45
°
角入射反蓝透黄合束镜3时，440～470nm波长色光平均透过率小于1％， 480～680nm波长色光平均透过率大于97％。
[0059]
如图1所示，荧光元件105激发后产生的黄光依次通过透镜组 a104、反蓝透黄合束镜103及透镜组d114入射至光通管115。即聚焦至荧光元件105的蓝光光源激发荧光材料产生黄光，经透镜组a104 平行出射至反蓝透黄合束镜103透射至透镜组d114。
[0060]
反红绿透蓝合束镜a110和反红绿透蓝合束镜b116具有图4所示透光特性，在光沿45
°
角入射反红绿透蓝合束镜a10和b16时，480 ～660nm波长色光平均透过率小于1％，420～475nm波长色光平均透过率大于97％。
[0061]
如图1所示，蓝色激光光源b108发出的光束通过透镜组b106后入射至荧光元件105，蓝色激光汇聚照射到透射式青色荧光环502，激发出青色荧光(包括绿光和蓝光)。荧光元件105激发后产生的绿光束依次通过透镜组c109、反红绿透蓝合束镜a110、反红绿透蓝合束镜b116及透镜组d114入射至光通管115；荧光元件105激发后产生的蓝光束依次通过反红绿透蓝合束镜a110及透镜组d114入射至光通管115。即聚焦至荧光元件105的蓝光光源激发荧光材料产生青色光，经透镜组c109平行出射至反红绿透蓝合束镜a110，经其对不同波长的光进行分解，透射出的绿光束经反红绿透蓝合束镜b116反射至透镜组d114；透射出的蓝光束透射至透镜组d114。
[0062]
如图1所示，红绿蓝激光光源113发出的红绿光依次经过振散射片c112、透镜111、反红绿透蓝合束镜a110及透镜组d114入射至光通管115；红绿蓝激光光源发出的蓝光依次经过散射片c12、透镜 111、反红绿透蓝合束镜a110、反红绿透蓝合束镜b116、反蓝透黄合束镜103及透镜组d114入射至光通管115。
[0063]
由蓝色激光光源a101激发出的黄色荧光，由蓝色激光光源b18 激发出的绿蓝色(青色)荧光和红绿蓝激光均平行进入透镜组d114 聚焦耦合进入光通管115。
[0064]
如图5所示，红绿蓝激光光源13经下述结构散热并出射至振动散射片，包括蓝光激光光源133、绿光激光光源134、红光激光光源135，蓝光激光光源133、绿光激光光源134和红光激光光源135分别通过铟锡合金焊片焊接于半导体制冷器(tec)132上，半导体制冷器(tec) 132分别通过铟锡合金焊片焊接于水冷块131上，水冷块131上设有进水口139和出水口130。蓝光激光光源133发出的光束依次通过反射镜136、反绿透蓝合束镜137、反红透蓝绿合束镜138、透镜111 射出，绿光激光光源134发出的光束依次通过反绿透蓝合束镜137、反红透蓝绿合束镜138、透镜111射出，红光激光光源135发出的光束通过反红透蓝绿合束镜138、透镜111射出。通过半导体制冷器 (tec)132使红绿蓝激光器上产生的热量迅速通过冷面传导到热面，进而传导到水冷块131上，水冷块131水路外接风扇或水冷机制冷。蓝光激光光源133发出的激光经反射镜136反射至反绿透蓝合束镜 137。绿光激光光源134经反绿透蓝合束镜137与蓝光激光进行波长合束。红光激光光源138经反红透蓝绿合束镜138与蓝光激光，绿光激光进行多波长合束，进入透镜111汇聚出射。
[0065]
具体实施时，经合束镜透射或反射的光束均以45
°
角入射。半导体红绿蓝激光二极管光源波长分别为455nm、465nm，520nm、525nm， 638nm、642nm。
[0066]
具体实施时，散射片c位于振动机构上，形成振动散射片结构。
[0067]
振动机构包括振动固定架组件、振动组件和驱动电路板6，如图6、 7所示。
[0068]
如图7所示，振动固定架组件包括振动固定架1、四个永磁铁9 和四个角垫4，振动组件固定架1呈框状、且四角设有角垫固定架12，角垫固定架12上设有固定孔，并安装四个角垫4，四个永磁铁9分别通过点胶固定于振动固定架1的上下左右四个磁铁安装槽11中；振动固定架1以长度(水平)方向的中心线为x轴、以宽度(竖直) 方向的中心线为y轴，如图10所示。
[0069]
如图7、10所示，振动组件包括振动支架2和四个驱动线圈5。振动支架2位于振动固定架1内部，振动支架2与x轴和y轴对应分别设有x向转动轴13和y向转动轴14。如图8所示，振动支架2 包括外支架201和内支架202；内支架202沿x轴方向的上下侧分别通过y向转动轴14连接于外支架201内，外支架201沿y轴的左右侧分别通过x向转动轴13与连接座17连接，每个连接座17上设有两个支架固定孔15和两个支架定位孔16，通过四个支架固定螺钉8 将位于外支架201左右两侧的连接座17安装于振动固定架1两侧，角垫4采用缓冲材料。振动散射片3(散射片c112)通过点胶安装于内支架202内，位于x轴方向上的两个驱动线圈5分别通过点胶固定于内支架20 2左右两侧的线圈安装槽10中，位于y轴方向上的两个驱动线圈5分别通过点胶固定于外支架201上下两侧的线圈安装槽 10中。此时，驱动线圈5与永磁铁9成对分布于振动散射片3的四周，即永磁铁9和驱动线圈5数量相同且位置相应，永磁铁9根据驱动线圈5的位置分布于振动组件固定架1的长度边与宽度边上，驱动线圈5和永磁铁9设置有4组，也就是在振动散射片3的四边各设有一组驱动线圈5和永磁铁9，二者间距为0.2～mm之间，位于相同边上的永磁铁9与驱动线圈5所形成的多组磁力对沿x轴或者y轴方向并列设置。驱动电路板6通过四个电路板固定螺钉7安装于振动固定架1上，驱动线圈5与驱动电路板6电连接，驱动电路板6对4组驱动线圈5进行控制驱动。
[0070]
具体操作为：将整个匀场装置通过角垫和角垫安装架安装在所需要消散斑的激光光路上，也可作为单独模块插入到不同的光路系统中使用。工作时，参照图，装置上驱动振动散射片3绕y轴转动的驱动线圈5所对应的永磁铁9的s极、n极按如图11方向所放置，当驱动线圈5通正向电流时，根据安培左手定则，驱动线圈5受如图 11所示方向的电磁驱动力，带动振动散射片3绕y轴逆时针旋转；相反，参照图12，当驱动线圈5通反向电流时，根据安培左手定则，驱动线圈5受如图12所示方向的电磁驱动力，带动振动散射片3绕 y轴顺时针旋转。同理，振动散射片3绕x轴进行逆时针或顺时针方向旋转。振动散射片可以同时绕x轴和y轴旋转进行振动，或者，在同一时刻只绕x轴或y轴旋转进行振动。
[0071]
具体实施时，安装有散射片的振动机构可以通过安装角垫将其安装在所需要消散斑的激光光路上，可作为单独模块插入到不同的光路系统中使用，应用范围较广，具有很强的推广性和很好的实际应用价值。安装角垫使用缓冲材料制作，使其工作时不会让驱动线圈产生的振动传递到固定装置的其他结构，让其限制在振动组件固定架组件上。当激光光束以一定的角度入射到振动散射片上时，散射片的随机振动会使得激光入射位置以及入射角度不断发生变化，从而降低激光光束的时间相干性和空间相干性，从而有效抑制了激光散斑，提升了匀场。振动散射片内部散布的纳米散射颗粒使激光光束有任意的散射角度，从而降低激光光束的时间相干性和空间相干性，有效抑制了激光散斑。
[0072]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参
照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。