一种高效激光投影系统的制作方法

本发明涉及激光显示技术领域，具体涉及一种高效激光投影系统。

背景技术：

近年来，激光投影显示系统因具有使用寿命长，颜色丰富及画面亮度高等优点而被广泛的应用于各种场合。由于激光具有高相干性,导致使用纯激光光源照明模组的激光投影显示系统画面出现严重的散斑现象，极大的削弱了用户的观影效果，此类激光显示产品的价格也十分高昂，只能大规模用于电影放映机和工程投影市场。

目前，进入家庭的主流的激光显示产品中采用蓝色激光二极管激发荧光粉产生三基色方案，该方案中激光二极管可使用多颗阵列的方式排布，通过光学系统将激光束聚焦于荧光粉表面，利用合光装置将蓝光与荧光粉发出的黄绿光进行合光。使用该方案时，由于蓝光光束的方向性好，而荧光粉产生的黄绿光近似为朗伯发光体，二者的光强分布差异导致激光显示产品均匀度不好；其次，由于整个光学系统在进行光学传递时，不可避免的存在光效损失，整体系统的光学效率非常低下。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高效激光投影系统，实现新的红绿蓝三色光的输出方式，解决传统技术中光学效率低下、均匀度不好的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高效激光投影系统，包括：激光光源模块101；扩束透镜组102；扩散片103；合光元件104；准直聚光透镜组105；荧光体颜色转换装置106；蓝光光传递模块107/108；三色合光元件109；颜色过滤系统110；光隧道装置111；照明元件组112；光阀113；投影镜头114；

所述扩束透镜组102与激光光源模块101对立设置，用于将激光光源模块发出的光束以近似平行光束照射至扩散片103；所述扩散片103对光束进行匀并将匀光后的光速以45角照射至合光元件104上；所述合光元件104提供蓝色光束和其它颜色光束的分光作用；穿透合光元件104的光束入射至准直聚光透镜组105，经过聚光优化后汇聚于荧光体颜色转换装置106上；荧光体颜色转换装置106用于在不同颜色的光束之间进行切换；蓝光光传递模块107/108用于将蓝光光束传递至合光元件104上；三色合光元件109将来自合光元件104的激光光束及经过颜色转换装置106和准直聚光透镜组105共同作用输出的荧光光束汇聚于光隧道装置111的入口处；颜色过滤系统110设置于三色合光元件109与光隧道入口之间；光隧道装置111用于提供光束传输隧道，在光隧道出口后设置照明元件组112，用于提供光束到光阀113的传递作用；光阀113后端设置投影镜头114。

作为进一步优化，所述激光光源模块101为单颗激光二极管或集成有两颗或两颗以上数量的激光二极管，可输出互相平行的激光束阵列。

作为进一步优化，所述激光光源模块101为半导体激光光源加与单颗半导体激光光源一一对应的准直透镜；所述半导体激光光源为激光二极管，准直透镜为非球面玻璃透镜。

作为进一步优化，所述激光二极管为蓝光激光二极管阵列，非球面玻璃透镜为与单颗蓝光激光二极管阵列一一对应的准直透镜阵列，使输出光为近似椭圆光源或圆形光斑输出的平行光。

作为进一步优化，所述扩束透镜组102为由两个或两个以上透镜组成的透镜组，实现较大入射光斑进入透镜组后，使得输出光斑尺寸变小。

作为进一步优化，所述扩散片103为表面带有微结构的光散射元件，通过表面的微结构实现三维空间任何方向上的光线角度的改变。

作为进一步优化，所述合光元件104为让蓝光光束穿透，而对其他颜色光的光束提供反射作用的分色镜或分色棱镜；

或者，为对蓝光光束提供反射作用，而让其他颜色的光的光束穿透的分色镜或分色棱镜。

作为进一步优化，所述荧光体颜色转换装置106由可旋转的盘状元件及可使盘状元件高速旋转的马达共同组成；所述盘状元件包括至少一波长转换区以及至少一激光波长透过区。

作为进一步优化，所述波长转换区包括反射基板、涂覆在基板上的荧光粉层及荧光粉层上的增透膜；所述荧光粉层的颜色为红色、绿色及黄色的任何一种或任意两种组合或者三种组合。

作为进一步优化，所述激光波长透过区为盘状元件对应蓝光段的基板镂空结构或是对应蓝光段的基板镂空并安装有增透玻璃基板的结构。

作为进一步优化，所述增透玻璃基板为双面精抛光并镀有蓝光波长增透膜系的玻璃基板；

或是任何一面为表面精抛光另一面为表面有微结构的扩散元件并镀有蓝光段增透膜系的玻璃基板。

作为进一步优化，所述准直聚光透镜组105，实现对由合光元件104至荧光体颜色转换装置106方向上的激光束形成汇聚作用，使蓝光激光束以近似点光源的形式照射至荧光体颜色转换装置106表面上；荧光粉受蓝光激光照射后激发发出的红绿光被准直聚光透镜组105收集并能以近似准直光束输出到合光元件104表面。

作为进一步优化，所述蓝光光传递模块107/108包括至少3个透镜以及配置于这些透镜之间的反射镜，以将荧光体颜色转换装置106盘面上激光波长透过区的激光光束转折回合光元件104。

作为进一步优化，所述蓝光光传递模块107/108中还包括使激光光源消相干及匀光的扩散片103。

作为进一步优化，所述三色合光元件109为具有光汇聚作用的球面透镜、非球面透镜、非球面反光装置或自由曲面反光装置。

作为进一步优化，所述颜色过滤系统110与荧光体颜色转换装置106同步转动，具有对应的颜色分区；根据荧光体颜色转换装置106的旋转时序，当荧光体颜色转换装置106输出激光光束时，蓝光激光透过所述蓝光激光透过区；当荧光体颜色转换装置106输出绿色荧光时，绿色荧光透过滤色轮的绿色过滤区进行滤色；当荧光体颜色转换装置106输出黄色荧光时，在滤色轮对应黄光区分为两段，分别为黄色过滤区和红色过滤区，黄色荧光透过滤色轮的红色过滤区进行滤色得到红色，黄色荧光透过滤色轮的黄色透过区，从而经滤色轮输出得到三基色。

作为进一步优化，所述颜色过滤系统110中的蓝光透过区为玻璃基板，且该玻璃基板双面精抛光并镀有蓝光波长增透膜系或是任何一面为表面精抛光另一面为表面有微结构的扩散元件并镀有蓝光段增透膜系。

作为进一步优化，所述光隧道装置111包括光导管及位于光导管外端的利于安装及保护光导管的铁衣。

作为进一步优化，所述照明元件组112包括多个透镜与配置于这些透镜之间的反射镜组，以实现经过光导管匀光后从光导管后端输出的均匀方形光斑到光阀113的光传递作用。

本发明的有益效果是：利用该系统通过将红绿蓝三色合光，并在现有激光荧光粉技术的照明技术方案上效率大幅提高，改善投影系统均匀性，实现新的红绿蓝三色光的输出方式，解决光学元件数量多造成的光学系统装调难度大及体积大等问题。

附图说明

图1是本发明实施例的一种投影装置的架构示意图；

图2(a)、2(b)是本发明激光光束经过扩束透镜组102前、后光束截面图；

图3(a)、3(b)是本发明荧光体颜色转换装置106的正视及剖面示意图；

图4(a)、4(b)是本发明颜色过滤系统110的正视及剖面示意图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种高效激光投影系统。本发明通过将蓝光激光与红绿荧光一起，共同实现三色合光，并在现有激光荧光粉技术的基础上通过特殊的光处理方式使光学系统输出效率和均匀度大幅提高，同时解决现有技术中光学元件数量多造成的光学系统装调难度大及体积大等问题。

下面结合附图及具体实施例就本发明的技术方案做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

如图1所示，本实施例中的高效激光投影系统包括：激光光源模块101；扩束透镜组102；扩散片103；合光元件104；准直聚光透镜组105；荧光体颜色转换装置106；蓝光光传递模块107/108；三色合光元件109；颜色过滤系统110；光隧道装置111；照明元件组112；光阀113；投影镜头114。

在具体实现上，激光光源模块101为半导体激光光源加与单颗半导体激光光源一一对应的准直透镜。例如该半导体激光光源为激光二极管，准直透镜为非球面玻璃透镜。进一步地，激光二极管可为蓝光激光二极管阵列(Blue Laser diode Bank array)，非球面玻璃透镜可为与单颗蓝光激光二极管阵列一一对应的准直透镜阵列，使经过激光光源模块101输出的光束为椭圆阵列光斑。

进一步而言，在本实施例中，当激光光源模块101发出的激光光束离开蓝光激光二极管保护窗口时，发散角会有快轴和慢轴的区别，换言之，蓝光激光二极管的保护窗口发射出来的光束会形成椭圆锥，然后再通过非球面准直透镜阵列，使激光光束的椭圆锥发散角转化为平行光出射的椭圆光斑。阵列状椭圆光斑经过扩束透镜组102后，光线在保持与光轴平行的情况下，使阵列光束更向光轴中心靠近。同时，阵列状椭圆光斑在经过扩束透镜组前和在经过扩束透镜组后的光斑形状如图2(a)、2(b)所示，可以看出光斑的分布尺寸明显减小，有利于后端透镜的高效收光，使激光光束经过后端光学器件以最优的光斑形状聚焦在荧光体颜色装置106上。

在本实施例中，经过扩束透镜组102后的准直输出的椭圆阵列光斑以近似平行光束照射至扩散片103上，经过扩散片103后的准直椭圆光斑因为扩散片103表面的微结构，使准直输出光转变为有一定发散的小角度光束，同时由于激光二极管的特殊发光特性，单颗激光二极管输出光斑为近似高斯能量分布，中心点能量密度高，通过扩散片103表面的微结构使单颗激光二极管输出的椭圆光斑为近似均匀的能量分布，解决了激光光束在通过后端光学元件作用聚焦在荧光体颜色转换装置106上的光斑产生的局部热点问题。

经过扩散片103匀光作用后的椭圆阵列光束以45角照射至合光元件104上。具体而言，合光元件104为分色镜或分色棱镜，而根据不同波长的光束提供不同的光学作用。举例而言，在本实施例中，合光元件104让蓝色光束穿透，而对其他波长颜色(如红色、绿色、黄色等)的光束提供反射作用。也就是说，在本实施例中，合光元件104可让激光光束穿透，如此一来，激光光束可穿透合光元件104并入射至准直聚光透镜组105上并汇聚于荧光体颜色转换装置106上。

同时，合光元件104设置有结构微调装置，可以有效利用经过荧光体颜色转换装置106反射回的荧光(如红光、绿光、黄光等)，使经过合光元件104反射至光隧道装置112内的荧光能量更高。原因主要是考虑合光元件安装固定中引入的公差，使理论45°夹角安装成为困难，通过合光元件104的微调节装置，可在45±2度范围内调节，以实现荧光光束的最大能量汇聚在光隧道装置112内。

进一步地，合光元件104采用激光光束穿透，荧光光束反射相比激光光束反射，荧光光束透射的功能，可有效减小光学系统的尺寸。

准直聚光透镜组105在本实施例中是由两片透镜构成的透镜组系统，但准直聚光透镜组105可以是一个透镜或是三个或更多透镜构成的透镜系统，主要功能以实现对激光光束的传递并以最优的光斑形状汇聚在荧光体颜色装换装置106上，同时，反方向传递经过荧光体颜色装换装置106反射回的荧光光束，使荧光光束再次到达分光元件104上时以近似平行光入射。

如图3(a)、3(b)所示，荧光体颜色转换装置106为可旋转的盘状结构，包括至少一波长转换区以及至少一光穿透区。举例而言，在本实施例中，荧光体颜色转换装置106包括R、G、B三段式荧光轮结构，激光光束以最优光斑汇聚在荧光体颜色转换装置106的反射区上，该反射区所包含的荧光粉层的颜色例如分别为红色与绿色。荧光体颜色转换装置106具有在G区和R区衬底上叠层有反射层和荧光粉层，而在B区为盘状元件上对应的基板镂空结构或是对应有基板镂空并安装增透玻璃基板结构以实现在马达工作中，使盘状元件高速旋转运动时轮流切入激光光束的目的，对应蓝光段的基板镂空处安装的玻璃基板为双面精抛光并镀有蓝光波长增透膜系或是任何一面为表面精抛光而另一面为表面有微结构的扩散元件同时该元件镀有蓝光段增透膜系。

当至少一波长转换区轮流切入激光光束的传递路径上时，激光光束被至少一波长转换区分别转换为红色或绿色的至少一荧光光束，且至少一荧光光束则可被荧光体颜色转换转至的盘状结构的基板反射，通过荧光粉前端的准直聚光透镜组105以荧光体基板层发出的180°近似朗伯光源的光分布进行高效收光。另一方面，合光元件104位于荧光光束的传递路径上，因此至少一荧光光束会被准直并传递至合光元件104上。

当至少一光穿透区切入激光光束的传递路径上时，激光光束穿透波长转换装置，并经蓝光光传递模块107/108传递至合光元件104，并穿透合光元件104传递至三色合光透镜109上，所述蓝光光传递模块107/108包括多个透镜与配置于这些透镜之间的反射镜，以将荧光体颜色转换装置106盘面上激光波长透过区的激光光束转折回合光元件104，蓝光光传递模块107/108中的多个透镜为实现经过光的转折、折射后的激光光源效率至少由3片或以上的透镜组成。在本实施例中，该多个透镜由5片透镜组成。蓝光光传递模块107/108中还包括使激光光源消相干及匀光的扩散片103，该扩散片103规格可采用与扩束透镜组102后端的扩散片103相同规格或也可采用与前端扩散片103不同规格，在本实施例中，蓝光光传递模块107/108中的扩散片103采用与光束透镜组102后端的扩散片103相同规格的扩散片103。

在本实施例中，该蓝光光传递模块107/108包含的5片透镜为改进系统装配复杂的原因，其中三片透镜采用相同规格光学元件实现，可有效提高产品工艺的装配速度，降低的装配错误率。

在本实施例中，当激光光束和荧光光束经过前端照明系统传递至三色合光元件109上，并通过三色合光元件109汇聚在光隧道装置111的入口处，在三色合光元件109与光隧道入口之间放置有颜色过滤系统110。由以上可知，三色合光元件109具有使三基色光高效汇聚到光隧道装置111入口处的功能，所以，该装置可为单颗球面透镜，单颗非球面透，单非球面反射元件、单自由曲面反射面或以上任何两种或以上元件组合成的元件组形势，实现光隧道装置111入口处更高光效入光，在本实施例中采用单颗非球面透镜的形式实现对三基色光的收光。

同时，位于三色合光元件109与光隧道装置111之间的颜色过滤系统110，如图4(a)、4(b)所示，与荧光体颜色转换装置106同步转动，具有对应的颜色分区。根据荧光体颜色转换装置106的旋转时序，当荧光体颜色转换装置106输出激光光束时，蓝光激光透过所述蓝光激光透过区；当荧光体颜色转换装置106输出绿色荧光时，绿色荧光透过滤色轮的绿色过滤区进行滤色；当荧光体颜色转换装置106输出黄色荧光时，在滤色轮对应黄光区分为两段，分别为黄色过滤区和红色过滤区，黄色荧光透过滤色轮的红色过滤区进行滤色得到红色，黄色荧光另一部分光透过滤色轮的黄色过滤区进行滤色得到黄光。从而经滤色轮输出得到色纯度较高的三基色。

进一步，所述颜色过滤系统110中的蓝光透过区为玻璃基板，且该玻璃基板双面精抛光并镀有蓝光波长增透膜系或是任何一面为表面精抛光另一面为表面有微结构的扩散元件并镀有蓝光段增透膜系。在本实施例中，蓝光透过区的玻璃基板采用玻璃片其中一面为精抛光另一面为表面有微结构的扩散元件，实现对激光光束的动态消散斑的作用。同时，颜色过滤系统110的绿色滤光片及黄色滤光片可以根据需要切换至无滤色功能的双面镀增透膜的平板玻璃基材组成。甚至，对于由于特殊场合需要也可将黄色滤光片取消全部切换为红色滤光片。以上滤光片颜色的组合及配比均已实现不同场合颜色需要进行切换，也是本发明的优势，可以实现一套光学系统，仅在更换颜色过滤系统110的滤色片规格及角度即可实现不同场合颜色需要。

在本实施例中，光隧道装置111包括光导管及位于光导管外端的利于安装及保护光导管的铁衣。光导管接收激光光束和经过荧光体颜色转换装置106和准直聚光透镜组105共同作用输出的荧光光束时条件彼此接近，因此激光光束和荧光光束在经过光导管匀光后可提供颜色较为均匀的照明；光隧道装置111的尺寸由后端照明元件组112和光阀113的尺寸决定。

在本实施例中，所述照明元件组112包括多个透镜与配置于这些透镜之间的反射镜组，以实现经过光导管匀光后从光导管后端输出的均匀方形光斑到光阀113之间的光传递作用；

进一步地，在本实施例里中，所述照明元件112采用远心光路方式实现，该原理可使光阀113上光斑更加均匀，使光学系统输出光斑均匀。但为了实现光传递，亦可采用非远心光路方式实现在DMD面板上的照明。所述照明元件组112中的多个透镜包括常规球面透镜、非球面透镜以及选择性光束分离(包括实现对光阀113入射及反射的光进行分离)的棱镜组；同时可依据设计需要取消棱镜组的使用；照明元件组113中的反射镜组可为平面反射镜、球面反射镜、非球面反射镜或自由曲面反射镜；

在本实施例中，所述光阀113为数字微镜元件或硅基液晶面板或其它空间光调变器。在本实施例中，光阀113为数字微镜元件；

在本实施例中，所述投影镜头114配置于影像光束的传递路径上，以将影像光束投射于一屏幕上，以产生影像画面。在本实施例中，由于照明光束包含红色光束、绿色光束及蓝色光束，因此投影装置可投影出全彩画面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。