一种激光光源模组及激光投影系统的制作方法

本发明涉及半导体激光器领域,更具体地说，它涉及一种激光光源模组及激光投影系统。

背景技术：

随着显示技术不断发展，人们对高亮度、大色域、长寿命的显示设备的需求越来越迫切，而激光显示技术则正好对应这一痛点。激光显示技术的核心光源多采用具有亮度高、体积小、寿命长、成本低和高可靠性等特点的半导体激光器，俗称激光二极管(ld，laserdiode)。受限于半导体工艺水平及材料本身特性，目前单颗半导体激光器输出功率较低，多为几百毫瓦到几瓦之间，ld的封装也多采用to封装。为满足激光显示产品对高功率激光光源的需求，实际应用中，常常将多颗激光二极管按阵列封装排布，通过光束合束实现高功率激光输出。

目前现有的常用技术方案是将多颗ld按阵列封装到一个模块上，采用与激光传播方向呈90°进行错位放置模块，利用平面反射镜条对其中一个模块的光束转折，最后通过缩束系统进行缩束，达到提升激光功率密度的目的，另一种方案是将平面反射镜条置于缩束系统中间，以达到缩小体积的目的。

但是，现有技术没有考虑半导体激光器的光束特性，只是简单的通过空间的排布提升激光功率密度，光斑间存在较大的间隙，功率密度低，且体积较大，不利于整机系统设计。因此，现有技术还有待改进与发展。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光光源模组及激光投影系统，达到消除因激光阵列封装结构限制导致光斑的较大间隙。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种激光光源模组，其中，包括的激光器阵列封装以及滤光片，所述滤光片对应设置于所述激光器阵列封装的光路上，所述激光器阵列封装包括阵列排布的半导体激光器，所述滤光片包括与所述半导体激光器对应设置的滤光功能区，所述滤光功能区包括间隔设置的反射区以及透射区。

所述的激光光源模组，其中，所述半导体激光器包括封装壳体、设置于所述封装壳体内的半导体激光芯片、以及设置于所述半导体激光芯片前端的准直透镜，所述激光器阵列封装包括呈矩形阵列排布的半导体激光器。

所述的激光光源模组，其中，所述半导体激光器包括不同波长的单色或不同颜色的半导体激光芯片，所述滤光片设置有对应波长的滤光功能区。

所述的激光光源模组，其中，所述激光器阵列封装还包括热沉，所述半导体激光器封装于所述热沉上，所述滤光功能区的宽度大于半导体激光器准直光斑的慢轴宽度。

所述的激光光源模组，其中，所述滤光片包括第一滤光面以及第二滤光面，所述反射区上镀有反射膜且所述透射区上镀有透射膜从而形成所述第一滤光面，所述第二滤光面上镀有透射膜。

所述的激光光源模组，其中，所述滤光片包括依次设置的滤光功能区、胶层以及基片，所述滤光功能区为功能片，所述功能片的一面粘接于所述胶层，所述功能片的另一面镀膜；所述透射区为一面镀有透射膜的透射片，所述反射区为一面镀有反射膜的反射片。

所述的激光光源模组，其中，所述基片的一面粘接于胶层，所述基片的另一面镀有透射膜；所述功能片的折射率小于所述胶层的折射率，所述胶层的折射率小于所述基片的折射率。

所述的激光光源模组，其中，所述激光光源模组还包括错位设置的至少两组激光器阵列封装，每组所述激光器阵列封装之间设置有预定的封装偏移量；每组所述激光器阵列封装对应的滤光片在垂直于所述激光器阵列封装的方向上错位设置，且具有预定间隔的滤光偏移量。

所述的激光光源模组，其中，所述激光光源模组还包括相对设置的至少四组激光器阵列封装，两侧所述激光器阵列封装对称排布。

一种激光投影系统，其中，包括如上任一项所述的激光光源模组。

综上所述，本发明消除了因激光阵列封装结构限制光斑间隙较大的问题，简化了激光光源模组的内部结构，降低了后续装配工艺难度。

附图说明

图1是本发明中激光器阵列封装的结构示意图。

图2是本发明的第一实施例中滤光片的结构示意图。

图3是本发明中半导体激光器的结构示意图。

图4是本发明的第二实施例中滤光片的结构示意图。

图5是本发明的第三实施例中激光光源模组的整体结构示意图。

图6是本发明中激光光源模组的光路透射示意图。

图7是本发明的第四实施例中激光光源模组的整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例：本发明实施例提供的一种激光光源模组，如图1与图5所示，包括激光器阵列封装100以及滤光片200，所述滤光片200对应设置于所述激光器阵列封装100的光路上，所述激光器阵列封装100包括热沉110以及阵列排布且封装于所述热沉110上的半导体激光器120，如图2所示，所述滤光片200包括并排设置的滤光功能区，所述滤光功能区包括间隔设置的反射区210以及透射区220。

如图3所示，所述半导体激光器120包括封装壳体121、设置于所述封装壳体121内的半导体激光芯片122、以及设置于所述半导体激光芯片122前端的准直透镜123。所述激光器阵列封装100包括呈矩形阵列排布的半导体激光器120，在本实施例中，所述激光器阵列封装100包括9个呈矩形阵列排布的半导体激光器120。所述滤光功能区的宽度大于半导体激光器120准直光斑的慢轴宽度。

具体的，半导体激光器采用to封装，半导体激光器还包括谐振腔。同时，半导体激光芯片(即ld芯片)的发光表面可近似认为是一个矩形区域，长边约几十微米，称为慢轴方向，短边约1微米左右，称为快轴方向。半导体激光器在工作时，由于短边方向的尺寸接近激光波长，因此激光快轴方向上只存在一种振荡模式，即tem基模；而长边方向的尺寸有几十个微米，激光在慢轴方向上存在振荡模式，输出多模高斯光束。

从半导体激光器的远场分布来看，快轴方向光束质量好，发散角较大，约30°至60°之间，慢轴反向光束质量差，发散角较小，约6°至10°之间。因此经过准直透镜准直后的光斑为椭圆光斑，设长轴为a，短轴为b。

光学扩展量(etendue)是光学系统中一个重要的光学属性，用来刻画光学系统的通光能力，这种通光能力对一定面积的面光源来说，可以用光斑面积和光束立体角的乘积来描述：

e＝n²∫∫cosθdadω

其中，e表示光学扩展量，n表示介质折射率，θ表示光束发散角，da表示面元，dω表示面元对应的立体角。对于理想光学系统，光学扩展量是一个守恒量，而对于非理想光学系统，光学扩展量只增不减。

对于激光光源模组来说，由于受到封装结构的限制，故而采用激光器阵列封装(即ld阵列)，即将半导体激光器分别沿两垂直方向阵列排布，并封装于一个热沉上。其中，激光器阵列封装的输出光斑近似于一个矩形面光源，对于矩形面光源，其光学拓展量可转化为：

e＝πssin²θmax

其中，s为矩形光源的面积，θmax为面光源输出光束的最大发散角。考虑到半导体激光器的输出光束是经过准直透镜准直过后的准直光束，远场发散角很小。因此，对ld阵列的光学拓展量影响较为显著的是ld阵列的面积。

综合上述分析，激光光源模块的本质就是构建一套有效行之有效的光学系统，尽可能的将激光阵列封装的光学拓展量压小。理论上，如果能够完全消除半导体激光器输出光斑(即ld输出光斑)之间的间隙，n个ld组成的ld阵列，其最小光学拓展量可以做到

e0＝πabnsin²θmax

其中，a为ld输出光斑的长轴宽度，b为ld输出光斑的短轴宽度，n为ld个数，θmax为ld输出光束的最大发散角。基于上述理论，本发明提出了一种新的设计方法消除因ld封装结构带来的间隙导致的ld阵列光学扩展量“虚高”的问题。

本发明基于光学扩展量守恒理论，充分考虑了半导体激光器的光斑特性，将ld阵列式封装于热沉上并错位排布，采用滤光片，对每个ld发出的激光束选择性反射与透射，实现了光学拓展量最小化输出。滤光片的设计，简化了光源模块的结构，缩小了光源模组的体积，同时简化了后续繁琐的光学装调工艺。

在本发明的第一实施例中，如图2所示，所述滤光片200包括第一滤光面s1以及第二滤光面s2，所述反射区210上镀有反射膜且所述透射区220上镀有透射膜从而形成所述第一滤光面s1，所述第二滤光面s2上镀有透射膜。

具体的，滤光片200为分区反射透射式滤光片，其中滤光片200包括第一滤光面s1以及第二滤光面s2，滤光片200的材料折射率为n1，滤光片200的厚度为d1。第一滤光面s1上共设置有7个区域，每个区域的宽度均大于半导体激光器准直光斑的慢轴宽度b，上述7个区域为间隔设置的透射区220以及反射区210。

其中，具体包括第一透射区221、第二透射区222、第三透射区223和第四透射区224，透射区220上均镀有对应激光波长的透射膜，第二滤光面s2上也镀有对应激光波长的透射膜，透射膜的入射角度为45度，透射膜优选具有高反射率的单波长介质膜。

反射区210包括分别设置于各透射区220之间的第一反射区211、第二反射区212以及第三反射区213，反射区210上均镀有对应激光波长的反射膜，反射膜的入射角度为45度，反射膜优选为基友高反射率的单波长介质反射膜。

在本发明的第二实施例中，其滤光片的结构与第一实施例中的滤光片结构不同。

如图4所示，所述滤光片200包括依次设置的滤光功能区、胶层240以及基片250，所述滤光功能区为功能片230，所述功能片230的一面粘接于所述胶层240，所述功能片230的另一面镀膜；所述透射区为一面镀有透射膜的透射片232，所述反射区为一面镀有反射膜的反射片231。

所述基片250的一面粘接于胶层240，所述基片250的另一面镀有透射膜；所述功能片230的折射率小于所述胶层240的折射率，所述胶层240的折射率小于所述基片250的折射率。

具体的，滤光片200为分区反射透射式滤光片，滤光片200包括第一滤光面s1以及第二滤光面s2，还包括三层通过胶合拼接的滤光功能区、胶层240以及基片250，滤光功能区、胶层240以及基片250的厚度分别为d2、d3以及d4，滤光功能区、胶层240以及基片250的折射率分别为n2、n3、n4，其中折射率满足n2＜n3＜n4。

优选的，所述胶层240的折射率设置为：

优选的，滤光功能区包括7个功能片230，各功能片230拼接形成滤光功能区，功能片230包括间隔设置的透射片232以及反射片231，所述透射片232上镀有透射膜，所述反射片231上镀有反射膜。

透射片232包括第一透射片2321、第二透射片2322、第三透射片2323以及第四透射片2324，各透射片232上均镀有对应激光波长的透射膜，第二滤光面s2上也镀有透射膜。其中，透射膜的入射角度为45度，透射膜优选为具有高反射率的单波长介质膜。

反射片231设置于各透射片232之间，反射片231具体包括第一反射片2311、第二反射片2312以及第三反射片2313，各反射片231上均镀有反射膜，反射膜的入射角度为45度，反射膜优选为具有极高反射率的单波长介质反射膜。

与本发明的第一实施例相比，第二实施例中每个功能片以及基片仅需要单面镀膜，非镀膜面通过无影胶(紫外胶)胶合拼接而成，因此透射膜与反射膜能够透过紫外光，以便无影胶胶合时的紫外固化。

如图5所示，图5为激光光源模组的一个子模块，子模块包括激光器阵列封装100以及三个错位设置的滤光片200，激光器阵列封装包括9个半导体激光器120，9个半导体激光器120呈阵列分布，形成一个3×3阵列并封装于同一热沉110上，构成激光器阵列封装100。

具体的，结合图5与图6所示，首先建立一个三维坐标系，假定本发明中激光器阵列封装100处于该坐标系中，半导体激光器120的慢轴方向平行于x轴方向，半导体激光器120的快轴方向平行y轴方向，半导体激光器120的激光输出方向平行于z轴方向。激光器阵列封装100的激光输出面定义为p1，半导体激光器120之间的间距为l＝a+δy，其中a为ld输出光斑的长轴宽度，δy为ld输出光斑的间距。

滤光片200的长度方向与x轴方向平行，且滤光片200与激光器阵列封装100的角度为45度，每一滤光片200的反射区210分别在z轴方向上对应激光器阵列封装100上的每一半导体激光器120。三个滤光片200在z轴方向上依次阶梯错位设置，每一滤光片200的高度差为a+δy’。

从而，激光器阵列封装100输出的激光束经过滤光片200的整理后，投射至子模块输出面上，子模块输出面定义为p2。子模块输出面p2上y轴方向的光斑间隙，由原来ld输出光斑的间距，减少到δy’。δy’的大小取决于ld准直光束的远场发散角以及滤光片的装配公差，在实际应用中，δy’无法做到完全为零。

在本发明的第三实施例中，如图5所示，所述激光光源模组还包括错位设置的至少两组激光器阵列封装100，每组所述激光器阵列封装100之间设置有预定的封装偏移量；每组所述激光器阵列封装100对应的滤光片200在垂直于所述激光器阵列封装100的方向上错位设置，且具有预定间隔的滤光偏移量。

具体的，将两个子模块在y轴方向进行拼接，并在x方向错位δx’的距离，使后一子模块的输出光束刚好对应前一子模块的滤光片的透射区，其中，δx’即为预定的封装偏移量。当光束透过滤光片时，由斯涅耳定律(snell'slaw)可知，光束会发生横向偏移。

如果采用第一实施例中的滤光片，则其横向偏移量为：

如果采用第二实施例中的滤光片，则其横向偏移量为：

因此，在后的子模块分区反射透射式滤光片组相较于在前的子模块分区反射透射式滤光片组，在z轴方向上要高δd或δd’，以保证输出光斑的一致性，其中，δd或δd’即为预定间隔的滤光偏移量。

由于两子模块间设置有δx’的偏移量，因此，两子模块的光束在在后子模块的分区反射透射式滤光片组间实现穿插，δx’的大小需满足一下关系：

其中，m为子模块的数量，作为本发明的一个方面，子模块的数量不限于2个，为保证足够的光学透过效率，子模块的数量优选为2至3个。

作为本发明的一个方面，在先的子模块中，滤光片可替换为相同尺寸的普通反射镜。如果子模块的数量大于2个，则距离模块输出面最远的子模块的分区反射透射式滤光片组可以替换成相同尺寸的普通反射镜组。普通反射镜组优选光学效率更高的单波长介质膜反射膜。

所述半导体激光器包括不同波长的单色或不同颜色的导体激光芯片，优选的，所述半导体激光芯片为单色、双色或三色。所述滤光片设置有对应波长的滤光功能区。

具体的，半导体激光器包括不同波长的rgb双色或三色激光，通过设置分区反射透射式滤光片对应功能片的镀膜，从而，在不改变基本结构的情况下实现rgb双色或三色激光光源模组，激光光源模组可拓展性更强，模块化程度更高。同时，选用尽可能大发散角的半导体激光器，且设置于靠近激光光源模组输出面的子模块上，以减少光程过长导致后继光学系统耦合效率降低带来的能量损失。

在本发明的第四实施例中，如图7所示，所述激光光源模组还包括相对设置的至少四组激光器阵列封装100，两侧所述激光器阵列封装100对称排布。

具体的，将本发明第一实施例中的激光光源模组旋转180度，然后将两激光光源模组对称排布，得到一个双面排布的激光光源模组。

本发明还提供一种激光投影系统，其中，包括如上所述的激光光源模组；具体如上所述。

综上，本发明具有以下有益效果：

第一，基于光学扩展量理论，充分考虑了半导体激光器的发光特性，通过激光器阵列封装的错位排布以及滤光片，消除了因激光阵列封装结构限制导致光斑间隙较大的问题，实现了光学拓展量的最小化输出。

第二，滤光片采用分区反射透射式滤光片的设计，简化了激光光源模组内部的结构，使得结构更加紧凑，降低了后续装调工艺难度，具有更好的可制造性。

第三，滤光片还可采用胶合拼接方式的分区反射透射式滤光片设计，在不改变基本结构的情况下，实现了rgb双色或三色激光光源模组，激光光源模组拓展性更强，模块化程度高。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。