一种基于激光光源和LED光源的混合光源耦合系统的制作方法

本发明涉及投影显示的光源系统，具体涉及一种基于激光光源和led光源的混合光源耦合系统。

背景技术：

激光因其良好的单色性以及高亮度使得其在显示效果上相对于其他投影光源有较大优势，同时一般激光器寿命均在几万小时以上，能有效避免汞灯投影机使用过程中需要经常更换光源的问题。目前激光显示市场正处于高速发展的时期，技术的更迭也日新月异，虽然目前主流的产品仍为单色激光加荧光粉方案的激光显示，但双色、三色激光显示已经成为未来的发展方向。

无论是单色、双色还是三色激光显示，激光极窄的谱线宽度都会引入较长的相干长度(或相干时间)，如果不进行消相干处理而直接在投影屏幕上进行显示，在屏幕上我们就会看到明显的亮斑，也即平常我们所说的散斑。散斑对于成像质量有着严重的影响，尤其针对三色纯激光显示，由于其r、g、b三基色均采用激光器，各自都会产生散斑，其中红色激光由于线宽最长，相干长度(相干时间)最长，干涉最严重，散斑也是最明显的。可以说散斑问题的解决与否是直接关系到三色激光显示能否推向市场的必要条件。

目前在消散斑方面，大部分的方案是在光路中引入散射元件来进行匀化，对于散斑有一定的改善作用，但仍无法达到令人满意的显示效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于激光光源和led光源的混合光源耦合系统，有效降低散斑对于显示效果的影响，同时为投影显示提供一种新的光源方案。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种基于激光光源和led光源的混合光源耦合系统，包括：合色组件以及三个基色光源组件：红光光源组件、蓝光光源组件和绿光光源组件；各个基色光源组件包含对应基色的led光源和激光光源中的一种或者两种，各个基色光源组件的光束经过合色组件合束后沿同一方向传播。

作为进一步优化，至少一个所述基色光源组件中包含对应基色的分光镜，所述分光镜通过对led光源的光束进行透射，对激光光源的光束进行反射的形式进行对应基色的光束合束；或者，通过对led光源的光束进行反射，对激光光源的光束进行透射的形式进行对应基色的光束合束，合束时透射光束不改变光轴传输方向，反射光束的光轴方向转折90°，使得两个光束向同一方向传播。

作为进一步优化，至少一个所述基色光源组件中包含用于对对应基色的led光源的光束进行准直的准直透镜。

作为进一步优化，至少一个所述基色光源组件中的激光光源与分光镜之间还设置有散射组件，激光光源的光束以90°角度入射到所述散射组件上。

作为进一步优化，相同基色的led光源和激光光源的发光光谱之间具有一定错位。

作为进一步优化，所述合色组件包括第一合色镜和第二合色镜，第一合色镜用于将三个基色光源组件中的其中两个基色的光源的光束通过一个投射、一个反射的方式整合到同一方向的光路中；所述第二合色镜用于将剩余基色的光源发出的光束整合到相同方向的光路中。

作为进一步优化，所述各基色光源组件的驱动模式根据显示调制方式的要求选择pw(时序脉冲)模式或者cw(连续恒流)模式。

作为进一步优化，所述激光光源为由多颗相同的激光器封装而成，并设计有准直透镜。

作为进一步优化，所述各个基色光源组件的先后顺序根据系统设计需要可自由排布。

本发明的有益效果是：

本发明通过led光源与激光光源的巧妙混合，相对于纯激光显示，在混入led光源后，既可以补充一部分亮度，同时也能对于纯激光显示带来的散斑起到一定的缓和作用。相对于led光源投影系统，与激光光源结合后可以解决led投影亮度偏低的问题，同时也能突破led投影的色域极限，为当前激光投影和led投影两个领域提供了新的光源选择，对于投影行业的发展有很大的积极作用。因此，本发明可以减弱纯激光投影的散斑对于显示效果的影响，也能弥补led投影亮度和色彩上的缺陷。

附图说明

图1为三色混合光源同侧合光系统架构示意图；

图2为三色混合光源同侧合光系统架构示意图(增加激光散射器件)；

图3为三色混合光源异侧合光系统架构示意图；

图4为r单色混合光源的激光投影光源架构示意图；

图5为r、b双色混合光源的激光投影光源架构示意图；

图6为纯激光无混合光源的激光投影光源架构示意图。

图中各个标记说明：

10绿光光源组件：

11绿光激光光源；12绿光led光源；13绿光led准直透镜组；14绿光分光镜；15绿光激光散射器件；

20蓝光光源组件：

21蓝光激光光源；22蓝光led光源；23蓝光led准直透镜组；24蓝光分光镜；25蓝光激光散射器件；

30红光光源组件：

31红光激光光源；32红光led光源；33红光led准直透镜组；34红光分光镜；35红光激光散射器件；

40合色组件：

41bg合色镜；42rgb合色镜；

50照明系统。

具体实施方式

本发明旨在提出一种基于激光光源和led光源的混合光源耦合系统，有效降低散斑对于显示效果的影响，同时为投影显示提供一种新的光源方案。

在具体实现上，本发明中的混合光源耦合系统包含蓝光光源组件、绿光光源组件、红光光源组件以及合色组件，各光源组件通过合色组件实现合束，最终光束沿同一方向传播。

进一步地，所述光源耦合系统各基色分组件分别包含该基色对应的激光光源、led光源以及对应该基色的分色镜。

进一步地，所述光源耦合系统各基色分组件根据系统设计需要可选择只选用激光光源或者只选用led光源，或者两者兼用。

进一步地，所述各基色分组件激光光源在入射到分色镜前根据系统的均匀性设计需求可选择增加散射片，激光光源发出的激光光束以90°入射角入射到散射片上。

进一步地，所述各基色分组件的激光光源和led光源通过分色镜实现合束，根据系统设计需求可以选择两种方式，其一是led光束透射，激光光源的激光光束反射，其二是led光束反射，激光光源的激光光束透射。

进一步地，基于所述各基色的激光光源以及led光源要实现通过分色镜合束，所述led光源和激光光源之间有效波长在选择光源时应考虑具有一定的间隔，以保证分色镜在镀膜时难度尽可能降低，保证量产具有工艺性且成本不会太高。

进一步地，所述光源组件中的激光光源一般出厂时自带准直透镜，出射光束基本为平行光，当然有部分激光光源厂商供应的激光二极管出厂时未对激光光束进行准直，对于此类激光光源，在光路设计中应考虑增加激光光源的准直透镜组件。

进一步地，所述光源组件中的led光源厂商出厂时一般未做准直，在光路设计时需先针对led光源设计准直透镜组，以保证led光源与后端光学系统的耦合效率。

进一步地，所述光源组件所用的激光光源为多颗相同的激光器封装在一起，以提供足够的光功率，准直后的光斑尺寸应尽可能小，以保证激光光源与后端光学系统的耦合效率。

进一步地，所述光源组件中各光源均以45°角入射到分色镜表面上。

进一步地，所述红光光源组件、蓝光光源组件以及绿光光源组件的先后顺序根据系统设计需要可以自由排布。

进一步地，所述合色组件包含两块分立的合色镜。

进一步地，所述光源耦合系统包含的三基色光源组件合束时先通过合色组件的第一块合色镜将其中两基色的光源利用一透一反的方式整合到同一方向，然后再以同样的形式利用合色组件的第二块合色镜将剩余基色的光源发出的光束整合到光路中。

进一步地，所述光源耦合系统合光后光束中包含相干光与非相干光，光束基本以平行光出射，以便于耦合到后面的照明光路中，根据后端的图像调试方式，光源可以选择pw模式在不同的时间输出不同的单色光，也可以选择cw模式输出合成的白光。

下面结合附图及实施例对本发明的方案作进一步的描述：

实施例1：

本实施例为rgb三色混合光源同侧合光示例，如图1所示，从左至右依次排布有绿光光源组件10、蓝光光源组件20、红光光源组件30；其中绿光光源组件10中包括绿光激光光源11、绿光led光源12、绿光led准直透镜13、绿光分光镜14；蓝光光源组件20中包括蓝光激光光源21、蓝光led光源22、蓝光led准直透镜23、蓝光分光镜24；红光光源组件30中包括红光激光光源31、红光led光源32、红光led准直透镜33、红光分光镜34；合色组件40由bg合色镜41和rgb合色镜42组成，照明系统50位于三色混合光源合光后光路的后端。

本实施例中选用的绿光激光光源11为峰值波长525nm的ld集成产品，且已经进行准直，出射光束基本为平行光，发光光谱大约为518nm-527nm。绿光led光源12的发光光谱大致为480nm-600nm，能量较高的波段集中在500nm-600nm。绿光激光光源11和绿光led光源12发出的光束均以45°入射角入射到绿光分光镜14上。绿光分光镜14镀膜要求为：aoi＝45°，tmin≥98％at518nm-527nm，rmin≥98％at545nm-600nm，t50＝535nm，slope＝∣t10-t90∣≤15nm。绿光分光镜14实质上是低通滤波片，当满足以上镀膜要求时，激光光源11发出的激光光束经过绿光分光镜14后传播方向不变，绿光led光源12发出的光束先经过绿光led准直透镜组13准直后尽量接近平行光束，再经过绿光分光镜14反射后传播方向改变90°，从而实现绿光激光光束与led光束沿同一方向传播。

蓝光激光光源21同样为ld集成产品，出厂时已经做了准直，峰值波长为465nm，发光光谱大致为462nm-468nm，蓝光led光源22发光光谱为425nm-475nm，峰值波长约为450nm，故此处蓝光分光镜24的镀膜要求为：aoi＝45°，tmin≥98％at462nm-468nm，rmin≥98％at445nm-452nm，t50＝458nm，slope＝∣t10-t90∣≤8nm。蓝光分光镜24实质上是高通滤波片，当满足以上镀膜要求时，蓝光激光光源21和蓝光led光源22就能按照与绿光光源组件一样的模式实现合光，当然蓝光led光源同样需要先经过蓝光led准直透镜组23准直后才入射到蓝光分光镜24上。

红光激光光源31峰值波长638nm，发光光谱637nm-640nm，红光led光源32发光光谱为600nm-640nm，峰值波长为622nm，故此处红光分光镜34的镀膜规格定为：aoi＝45°，tmin≥98％at637nm-640nm，rmin≥98％at610nm-624nm，t50＝630nm，slope＝∣t10-t90∣≤9nm，亦即红光分光镜34的实质是高通滤波片，红光led光源32经红光led准直透镜组33准直后与红光激光光源31按照与上述蓝绿光源组件一样的方式合光。

经过上述排布已实现三基色光源组件各自只有一个光轴方向，绿光光源组件10与蓝光光源组件20的光束均以45°入射角入射到bg合色镜41上，根据上述的蓝绿光所用的光源波长，此处bg合色镜41的镀膜要求为：aoi＝45°，tmin≥98％at510nm-580nm，rmin≥98％at440nm-475nm，t50＝492nm，slope＝∣t10-t90∣≤20nm，实质上bg合色镜41为高通滤波片。所述绿光光源组件10发出的混合光束经过bg合色镜41后光轴方向不变，所述蓝光光源组件20发出的混合光束经过bg合色镜41后光轴方向发生90°转折，从而绿光与蓝光实现沿同一方向传播。所述rgb合色镜42需要满足透射来自绿光光源组件10以及蓝光光源组件20的bg光的同时反射来自红光光源组件30的r光，根据上述各基色光源的波长，rgb合色镜42应满足镀膜要求：aoi＝45°，tmin≥98％at440nm-580nm，rmin≥98％at610nm-650nm，t50＝595nm，slope＝∣t10-t90∣≤20nm，经过rgb合色镜42后，r光光轴方向转折90°，bg光光轴方向不变，最终rgb三基色的混合光源沿同一方向以平行光束入射到投影光机的照明系统50中。

在图1所示的光源耦合系统的基础上，为了更好的消除激光散斑，在三基色光源组件的激光光束进入分光镜前可以有选择的增加激光散射器件，如散射片，也即如附图2所示增加了15、25、35等散射器件，所述15、25、35等散射器件可以同时选用，根据系统设计需要也可部分选用。

当然，有时出于方便整机设计或者提高系统散热效率的目的，可以选择将蓝光光源组件20或者红光光源组件30排布在主光轴的不同侧，此时只需同时将对应的合色镜旋转90°即可，具体架构可参考附图3，在这里就不再做重复说明。

实施例2：

请参考附图4，为r单色混合光源的激光投影光源架构示意图。在纯激光显示领域，红光激光由于本身波长的原因，干涉效应最强，故红光散斑对于显示效果影响最大，在实际应用中，减弱红光散斑是比较迫切的需求，针对实际应用场景，在实施例1的基础上进行简化，仅在红光光源组件30中引入混合光源，而蓝光光源组件与绿光光源组件则只含有激光光源，本实施例中三基色的合束方式以及所述红光光源组件31与实施例1相同，在此就不做赘述。

更进一步地，在不采用混合光源的条件下，追求极致色彩的投影系统中，可直接采用三基色的激光光源以上述合束方式进行耦合，具体架构请参考附图6。

实施例3：

请参考附图5，为r、b双色混合光源的激光投影光源架构示意图，本实施例是上述实施例的变形，以满足更多场景的使用需求。在本实例中，蓝光光源组件20与红光光源组件30为混合光源，其合束方式与实施例一相同，绿光光源组件为只包含绿光激光光源11，三基色光源组件10、20以及30同样通过合色组件40进行合束。

另外，本实施例所述的双色混合光源根据不同的使用需求选择不同的基色组合(如rg、gb)作为混合光源亦是可行的，其基本架构仍不脱离上述实施例。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，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各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的权利要求保护范围内。