本實(shí)用新型涉及用于視頻投影系統(tǒng)和醫(yī)療器械的光源的光組合單元。

背景技術(shù)：

用于視頻投影系統(tǒng)等的常規(guī)光引擎基于放電燈(discharge lamp)和激光遠(yuǎn)程激發(fā)熒光粉(LARP)的技術(shù)。在LARP中，激光光源(例如，藍(lán)色激光二極管的陣列)與熒光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用來產(chǎn)生投影應(yīng)用中所需的RGB顏色通道。專利文件1提出了使用藍(lán)色激光二極管作為光源單元的投影系統(tǒng)。

通常，全激光系統(tǒng)受限于低功率應(yīng)用(例如，嵌入在激光系統(tǒng)中的微型投影儀)或者高功率應(yīng)用(例如，電影)。然而，隨著激光二極管技術(shù)的最新發(fā)展，對(duì)于商業(yè)應(yīng)用中的投影系統(tǒng)，全激光系統(tǒng)正變得越來越引人注目。在該方面中的相關(guān)因素是光學(xué)輸出功率、功率轉(zhuǎn)換效率、熱需求、尺寸和成本。

常規(guī)技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利號(hào)4711154

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的問題

全激光系統(tǒng)的主要障礙是綠色光譜范圍。人類在光線充足的區(qū)域中最強(qiáng)感知具有約555nm波長(zhǎng)的光(相對(duì)可見度曲線V(λ)具有最大值)。綠色光譜區(qū)域?qū)φw亮度水平是至關(guān)重要的。然而，激光二極管在綠色光譜區(qū)域中的效率低于在藍(lán)色光譜區(qū)域和紅色光譜區(qū)域中的效率(在綠色光譜區(qū)域的情況下的功率轉(zhuǎn)換效率約為15％，而在藍(lán)色光譜區(qū)域和紅色光譜區(qū)域的情況下的功率轉(zhuǎn)換效率約為35％)。

現(xiàn)今，在市場(chǎng)中可買到的激光二極管的典型光學(xué)功率對(duì)紅色激光二級(jí)管、綠色激光二級(jí)管和藍(lán)色激光二級(jí)管分別為約1W、1W和3.5-4.5W。

本實(shí)用新型的目的是提供一種光組合單元，所述光組合單元作為放電燈和LARP光源的替選，用于全激光系統(tǒng)以在商業(yè)應(yīng)用中進(jìn)行投影，所述商業(yè)應(yīng)用不限于低功率應(yīng)用或者高功率應(yīng)用。

解決該問題的手段

本實(shí)用新型的概述如下：

本實(shí)用新型的光組合單元包括：

發(fā)射紅色激光的紅色光源；

發(fā)射綠色激光的第一綠色光源；

發(fā)射綠色激光的第二綠色光源；

發(fā)射藍(lán)色激光的藍(lán)色光源；

偏振分束器，所述偏振分束器用于將來自第一綠色光源的激光和來自第二綠色光源的激光組合在同一光軸上，來自第二綠色光源的激光相對(duì)于來自第一綠色光源的激光偏振了90度；以及

光學(xué)元件，所述光學(xué)元件用于組合紅色激光、綠色激光和藍(lán)色激光。

優(yōu)選地，本實(shí)用新型的光組合單元還包括半波長(zhǎng)板，其中，

來自第一綠色光源的激光和來自第二綠色光源的激光中的一個(gè)激光被半波長(zhǎng)板偏振了90度。

優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的光組合單元中，

第一綠色光源被布置成相對(duì)于第二綠色光源旋轉(zhuǎn)90度。

優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的光組合單元中，

光學(xué)元件包括第一反射鏡和第二反射鏡，并且

第二反射鏡設(shè)置有狹縫，所述狹縫用于透射被第一反射鏡反射的激光。

優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的光組合單元中，

光學(xué)元件包括反射鏡、分色鏡和透鏡。

附圖說明

圖1示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的光組合單元。

圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的光組合單元。

圖3示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第三實(shí)施例的光組合單元。

圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第四實(shí)施例的光組合單元。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參照附圖來詳細(xì)描述本實(shí)用新型的設(shè)備。

圖1示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的光組合單元。圖1的(a)僅示出了每個(gè)激光的光軸，而圖1的(b)示出了激光的光束直徑。雖然為了說明，在圖1的(a)中對(duì)每個(gè)激光的光軸進(jìn)行了移位，但是實(shí)際上每個(gè)激光的光軸彼此重合(agree)。

根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的光組合單元U1包括：發(fā)射紅色激光(實(shí)線)的紅色光源R；發(fā)射綠色激光(點(diǎn)劃線)的第一綠色光源G1；發(fā)射綠色激光(雙點(diǎn)劃線)的第二綠色光源G2；發(fā)射藍(lán)色激光(虛線)的藍(lán)色光源B；偏振分束器PBS，所述偏振分束器PBS用于將來自第一綠色光源G1的激光和來自第二綠色光源G2的激光組合在同一光軸上；以及光學(xué)元件M、DM1、DM2、L1和L2，所述光學(xué)元件用于組合紅色激光、綠色激光和藍(lán)色激光。光源R、G1、G2和B均可以是單個(gè)激光二極管或激光二極管陣列。從激光二極管陣列發(fā)射的光是一組薄準(zhǔn)直光束。

來自第一綠色光源G1的激光(p偏振光)被半波長(zhǎng)板PC偏振90度(s偏振光)、被反射鏡M反射、并且透過偏振分束器PBS進(jìn)行傳播。來自第二綠色光源G2的激光(p偏振光)被偏振分束器PBS反射，并且與來自第一綠色光源G1的激光(s偏振光)組合。借助于偏振分束器PBS，來自第一綠色光源G1的激光(s偏振光)和來自第二綠色光源G2的激光(p偏振光)被組合在同一光軸上，所述來自第二綠色光源G2的激光(p偏振光)相對(duì)于來自第一綠色光源G1的激光偏振了90度。雖然在示例中s偏振光透過偏振分束器PBS進(jìn)行傳播，而p偏振光被偏振分束器PBS反射，但是也有可能使用反射s偏振光而透射p偏振光的偏振分束器PBS。

所組合的綠色激光透過第一分色鏡DM1和第二分色鏡DM2進(jìn)行傳播。然后，所述光與藍(lán)色激光在第一分色鏡DM1處組合，并且與紅色激光在第二分色鏡DM2處組合。隨后，如圖1的(b)中所示，所組合的RGB光的光束直徑被構(gòu)成光學(xué)設(shè)備如望遠(yuǎn)鏡的第一透鏡L1和第二透鏡L2減小。

根據(jù)本實(shí)用新型，相對(duì)于彼此偏振了90度的兩個(gè)綠色激光光束被有效地組合在同一光軸上，使得可以增大綠色光譜區(qū)域中的光輸出功率。在這種情況下，激光的發(fā)射區(qū)域和發(fā)射角與在使用單個(gè)光源時(shí)的發(fā)射區(qū)域和發(fā)射角相同，從而保持投影光學(xué)系統(tǒng)所必需的低光學(xué)擴(kuò)展量(etendue value)。例如，如果通過使用兩個(gè)常規(guī)的放電燈來組合光，則光輸出功率由于投影機(jī)的光學(xué)特性而僅增加約140％-150％(因?yàn)楣鈱W(xué)擴(kuò)展量變大)。

在第一實(shí)施例中，半波長(zhǎng)板PC布置在第一綠色光源G1與反射鏡M之間，但是半波長(zhǎng)板PC可以布置在第二綠色光源G2與偏振分束器PBS之間。此外，第一綠色光源G1可以被布置成在不使用半波長(zhǎng)板PC的情況下相對(duì)于第二綠色光源G2旋轉(zhuǎn)90度。然而，使用半波長(zhǎng)板PC使得能夠?qū)崿F(xiàn)第一綠色光源G1和第二綠色光源G2的相同幾何定向，從而帶來以下優(yōu)點(diǎn)：這兩個(gè)光源可以布置在光引擎的外殼中，并且由單個(gè)散熱器一起冷卻。

圖2的(a)和(b)示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的光組合單元。圖2的(c)示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的光組合單元的比較例。圖2的(a)僅示出了每個(gè)激光的光軸，并且圖2的(b)和(c)示出了激光的光束直徑。

根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的光組合單元U2包括：發(fā)射紅色激光的紅色光源R(未示出)；發(fā)射綠色激光的第一綠色光源G1和G1'；發(fā)射綠色激光的第二綠色光源G2和G2'，該綠色激光相對(duì)于來自第一綠色光源G1和G1'的激光偏振了90度；發(fā)射藍(lán)色激光的藍(lán)色光源B和B'；偏振分束器PBS，所述偏振分束器PBS用于將來自第一綠色光源G1和G1'的激光和來自第二綠色光源G2和G2'的激光組合在同一光軸上；以及光學(xué)元件M、M'、DM1和DM1'，所述光學(xué)元件用于組合紅色激光、綠色激光和藍(lán)色激光。在根據(jù)第二實(shí)施例的光組合單元U2中，偏振分束器PBS的下游構(gòu)造與根據(jù)第一實(shí)施例的光組合單元U1的構(gòu)造(DM2、L1、L2等)相同，并且省略其說明。

來自第一綠色光源G1的激光被反射鏡M反射、透過第一分色鏡DM1進(jìn)行傳播、并且在第一分色鏡DM1處與來自藍(lán)色光源B的激光組合。藍(lán)色綠色組合光透過偏振分束器PBS進(jìn)行傳播，并且在偏振分束器PBS處與來自第二綠色光源G2的激光組合在同一光軸上。類似地，來自第一綠色光源G1'的激光被反射鏡M'反射、透過第一分色鏡DM1'進(jìn)行傳播、并且在第一分色鏡DM1'處與來自藍(lán)色光源B’的激光組合。綠色藍(lán)色組合光透過偏振分束器PBS進(jìn)行傳播，并且在偏振分束器PBS處與來自第二綠色光源G2'的激光組合在同一光軸上。

在圖2的(b)中，便于說明在被反射鏡M反射的綠色激光與被反射鏡M'反射的綠色激光之間存在間隙g。然而，因?yàn)榈谝环稚RDM1實(shí)際上與反射鏡M'緊密接觸(實(shí)際上，第一分色鏡DM1和反射鏡M'具有傾斜45度的接合表面)，所以間隙g具有約為零的尺寸。

反射鏡M和M'以及分色鏡DM1和DM1'是步鏡(step mirror)。通過使用步式反射鏡M和M'、步式分色鏡(step dichroic mirror)DM1和DM1'、以及偏振分束器PBS，來自第一綠色光源G1和G1'的激光以及來自第二綠色光源G2和G2'的、相對(duì)于來自第一綠色光源G1和G1'的激光偏振了90度的激光被組合，使得光束直徑可以被減小，如以下參照?qǐng)D2的(b)和(c)所說明的。因?yàn)閬碜缘诙G色光源G2和G2'的激光相對(duì)于來自第一綠色光源G1和G1'的激光偏振了90度，所以這些光束可以被偏振分束器PBS組合，并且所組合的光具有D的光束直徑(參見圖2的(b))。如果來自第一綠色光源G1和G1'的激光和來自第二綠色光源G2和G2'的激光在相同的偏振方向上，則必須將反射鏡M布置在圖2的(c)中所示的位置處以組合這些光束。因此，所組合的光具有2D的光束直徑，其是圖2的(b)的情況下的直徑的兩倍。

圖3示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第三實(shí)施例的光組合單元。圖3的(a)僅示出了每個(gè)激光的光軸，并且圖3的(b)示出了根據(jù)第三實(shí)施例的光組合單元的三維模型。

根據(jù)本實(shí)用新型的第三實(shí)施例的光組合單元U3與根據(jù)第二實(shí)施例的光組合單元U2不同，不同之處在于：使用了設(shè)置有狹縫S的第二反射鏡M2和M2'而不是分色鏡。在圖3的(b)中省略了狹縫S。

來自藍(lán)色光源B的激光被第一反射鏡M1反射、透過第二反射鏡M2的狹縫S進(jìn)行傳播、并且在第二反射鏡M2處與來自第一綠色光源G1的激光組合。綠色藍(lán)色組合光透過偏振分束器PBS進(jìn)行傳播，并且在偏振分束器PBS處與來自第二綠色光源G2的激光組合，所述來自第二綠色光源G2的激光相對(duì)于來自第一綠色光源G1的激光偏振了90度。類似地，來自藍(lán)色光源B'的激光被第一反射鏡M1'反射、透過第二反射鏡M2'的狹縫S進(jìn)行傳播、并且在第二反射鏡M2'處與來自第一綠色光源G1'的激光組合。綠色藍(lán)色組合光透過偏振分束器PBS進(jìn)行傳播，并且在偏振分束器PBS處與來自第二綠色光源G2'的激光組合，所述來自第二綠色光源G2'的激光相對(duì)于來自第一綠色光源G1'的激光偏振了90度。在激光透過偏振分束器PBS進(jìn)行傳播后，來自第一綠色光源G1'的激光的光軸與來自第二綠色光源G2'的激光的光軸重合。

第二反射鏡M2和M2'的狹縫S足夠大以透射藍(lán)色激光。狹縫S可以是如圖中所示設(shè)置在半透明光學(xué)元件中的機(jī)械間隙，或者可以是通過例如對(duì)光學(xué)元件施加涂層而形成的用于透射激光的器件?？梢赃m當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)狹縫S的數(shù)目和尺寸。

如圖3的(b)中所示，藍(lán)色光源B和B'、第一綠色光源G1和G1'、以及第二綠色光源G2和G2'可以分別被構(gòu)建為一個(gè)單元。如果縱向布置第一綠色光源G1和G1'的單元，則橫向布置第二綠色光源G2和G2'的單元。因此，來自第二綠色光源G2和G2'的激光相對(duì)于來自第一綠色光源G1和G1'的激光偏振了90度。

此外，透鏡L1可以布置在偏振分束器PBS的左側(cè)上，或者可以布置在如箭頭所示的圖的近側(cè)上。

此外，雖然在根據(jù)第三實(shí)施例的光組合單元U3中，按照藍(lán)色光源B和B'、第一綠色光源G1和G1'以及第二綠色光源G2和G2'的順序來布置藍(lán)色光源B和B'、第一綠色光源G1和G1'以及第二綠色光源G2和G2'，但是優(yōu)選地，在考慮光學(xué)元件的光譜透射因子和反射率的情況下布置每個(gè)光源。

圖4示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第四實(shí)施例的光組合單元。圖4僅示出了每個(gè)激光的光軸。

如根據(jù)第一實(shí)施例的光組合單元U1那樣，在根據(jù)第四實(shí)施例的光組合單元U4中，來自第一綠色光源G1和G1'的激光被半波長(zhǎng)板PC偏振了90度，并且在偏振分束器PBS處與來自第二綠色光源G2和G2'的激光組合在同一光軸上。然后，所組合的光透過第二反射鏡M2和M2'的狹縫S進(jìn)行傳播，并且與來自藍(lán)色光源B和B'的激光組合，如根據(jù)第三實(shí)施例的光組合單元U3那樣。

本實(shí)用新型的光組合單元用于視頻投影系統(tǒng)、醫(yī)療器械的光源等。