本實(shí)用新型涉及光學(xué)器件，具體為一種RGB激光光源光功率輸出自匹配系統(tǒng)，應(yīng)用于激光顯示、激光照明技術(shù)領(lǐng)域中對(duì)光源輸出亮度、色溫及均勻度穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備與儀器。

背景技術(shù)：

激光具有亮度高、波長(zhǎng)帶寬小，光學(xué)擴(kuò)展量小等特點(diǎn)，在顯示顏色的豐富程度，設(shè)備輸出亮度，系統(tǒng)效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上都具有傳統(tǒng)光源（燈泡）無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，隨著可見(jiàn)光波段的半導(dǎo)體激光產(chǎn)業(yè)鏈的日漸豐富，激光必然代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

但是，激光顯示和激光照明領(lǐng)域使用的RGB三色半導(dǎo)體激光器，在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，另一方面由于灰塵、濕度、溫度、鍍膜工藝等其他因素的影響，光器件對(duì)不同波長(zhǎng)的激光損耗程度會(huì)不同，這樣會(huì)導(dǎo)致RGB光源配比失調(diào)，設(shè)備輸出光的色溫及亮度不穩(wěn)定，從而影響畫(huà)面質(zhì)量或照明質(zhì)量。

如何同時(shí)以較低成本較精確的方式實(shí)現(xiàn)RGB激光光源光功率輸出的自匹配自校正功能，是激光顯示及照明系統(tǒng)中存在的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種低成本高精度的RGB激光光源光功率輸出的自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)亮度和色溫的穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種RGB激光光源光功率輸出自匹配系統(tǒng)，包括分光光路和反饋調(diào)節(jié)電路；

分光光路包括鍍了增透膜系的光學(xué)玻璃平板，針對(duì)RGB三種激光波長(zhǎng)的三種窄帶濾波片，匯聚透鏡，衰減片，散射片以及對(duì)光束進(jìn)行整形的錐形光通管。具體如下：

所述分光光路包括鍍有增透膜系的第一、二、三光學(xué)玻璃平板；所述第一光學(xué)玻璃平板的光路上依次設(shè)置窄帶R濾波片、第一匯聚透鏡、第一光衰減片、第一勻光散射片及第一錐形光通管；

所述第二光學(xué)玻璃平板的光路上依次設(shè)置窄帶G濾波片、第二匯聚透鏡、第二光衰減片、第二勻光散射片及第二錐形光通管；

所述第三光學(xué)玻璃平板的光路上依次設(shè)置窄帶B濾波片、第三匯聚透鏡、第三光衰減片、第三勻光散射片及第三錐形光通管；

所述反饋調(diào)節(jié)電路包括分別置于第一、二、三錐形光通管出射端的光電探測(cè)器，三個(gè)光電探測(cè)器實(shí)時(shí)將探測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)并分別通過(guò)AD采樣芯片輸入系統(tǒng)控制芯片，所述系統(tǒng)控制芯片通過(guò)DA轉(zhuǎn)換芯片輸出RGB激光亮度調(diào)整信號(hào)。

工作時(shí)，主光路分出的平行光束，一部分經(jīng)鍍了增透膜系的第一光學(xué)玻璃平板反射，反射光經(jīng)激光窄帶R濾波片濾波后成為單色激光，單色激光經(jīng)第一匯聚透鏡匯聚后，照射在第一衰減片上對(duì)激光進(jìn)行衰減，衰減后的光照射到第一散射片上對(duì)激光進(jìn)行勻化，勻化后的光直接入射進(jìn)入第一錐形光通管進(jìn)行光束整形，進(jìn)而得到第一種單色均勻的方形光場(chǎng)；另一部分經(jīng)鍍了增透膜系的第二光學(xué)玻璃平板透射，透射后的光一部分經(jīng)下一級(jí)，鍍了增透膜系的第二光學(xué)玻璃平板反射，反射光經(jīng)窄帶G濾波片濾波、第二匯聚透鏡匯聚、第二衰減片衰減、第二散射片勻化以及第二錐形光管進(jìn)行整形，進(jìn)而得到第二種單色均勻的方形光場(chǎng)；另一部分經(jīng)下一級(jí)鍍了增透膜系的第二光學(xué)玻璃平板透射，透射后的光一部分經(jīng)下一級(jí)，鍍了增透膜系的第三光學(xué)玻璃平板反射，反射光經(jīng)窄帶B濾波片濾波、第三匯聚透鏡匯聚、第三衰減片衰減、第三散射片勻化以及第三錐形光管進(jìn)行整形，從而得到第三種單色均勻的方形光場(chǎng)；另一部分經(jīng)下下一級(jí)，鍍了增透膜系的第三光學(xué)玻璃平板透射，透射后的光能量為光場(chǎng)廢光，故對(duì)廢光進(jìn)行了合理的散熱設(shè)計(jì)，一方面通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的散熱赤片將熱量導(dǎo)出，另一方面對(duì)導(dǎo)出的熱量通過(guò)散熱風(fēng)扇排放到空氣中，從而保證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。

反饋調(diào)節(jié)電路，關(guān)鍵元器件包括光電探測(cè)器、A/D采樣芯片，系統(tǒng)主控芯片。

首先，三個(gè)光電探測(cè)器分別固定在三個(gè)光通管的出射端，由光電探測(cè)器分別探測(cè)出光通管出射的均勻光場(chǎng)的光強(qiáng)度，并通過(guò)反饋控制電路，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。光電探測(cè)器在有光照的情況下，輸出電壓或電流信號(hào)，光強(qiáng)增加，輸出電壓或電流也隨之增加，但是在該電路過(guò)程中并未直接測(cè)量光電探測(cè)器輸出的電壓或電流信號(hào)，而是將光電探測(cè)器作為隨光照內(nèi)阻會(huì)發(fā)生變化的器件使用，避免了當(dāng)光照強(qiáng)度較低，光電探測(cè)器輸出信號(hào)極弱，難以測(cè)量或者需要信號(hào)放大增加成本，同時(shí)光電探測(cè)器的內(nèi)阻可以視為其開(kāi)路電壓和短路電流的比值，消弱了探測(cè)器本質(zhì)為光敏二極管而固有的電壓電流非線性的特性。

轉(zhuǎn)化的模擬電信號(hào)經(jīng)A/D采樣芯片采樣后獲得數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)主控芯片對(duì)獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波和算法調(diào)整，進(jìn)而確定對(duì)RGB激光亮度調(diào)整的信號(hào)，從而對(duì)RGB三色半導(dǎo)體激光器進(jìn)行調(diào)節(jié)光源輸出的光功率。

在這個(gè)過(guò)程中要控制光照的光強(qiáng)度，使得光電探測(cè)器工作在其線性區(qū)，以便于對(duì)激光器進(jìn)行線性調(diào)整，同時(shí)也避免了對(duì)光電探測(cè)器進(jìn)行逐一標(biāo)定，和非線性化處理。這樣既可以提高測(cè)試精度又可以降低系統(tǒng)成本。

此外，AD采樣芯片頻率應(yīng)控制在20HZ左右，對(duì)激光器的調(diào)整頻率0.2S/次。因?yàn)榧す馄饕话悴捎盟浠蝻L(fēng)冷，水冷具有較高的溫度穩(wěn)定度，風(fēng)冷的環(huán)境溫度變化幅度也較慢，在這種特性下，激光二極管功率調(diào)節(jié)后達(dá)到二次平衡所需要的時(shí)間在0.2S左右。過(guò)快的光功率調(diào)節(jié)反而會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)精度下降。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)調(diào)節(jié)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將目前RGB光功率和經(jīng)過(guò)采樣反饋計(jì)算得到的目標(biāo)RGB光功率之間的差值分為5~10份，做階梯性調(diào)節(jié)，每調(diào)節(jié)一個(gè)階梯都要重新進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，修正下一次的調(diào)整量。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，達(dá)到的有益效果如下：

1、單色性高：分光光路設(shè)計(jì)，通過(guò)濾波片對(duì)分光光束進(jìn)行有效濾波，從而將RGB三色激光進(jìn)行有效分離，進(jìn)而有效阻止了不同光之間的相互干擾，使電路調(diào)節(jié)RGB激光光源輸出光功率更有效精準(zhǔn)。

2、均勻性好：平行光束經(jīng)鍍膜光學(xué)玻璃平板反射，通過(guò)濾波片濾波后，由匯聚透鏡匯聚，進(jìn)入衰減片對(duì)光束進(jìn)行衰減，衰減后的光經(jīng)大角度散射片勻化，勻化光進(jìn)入錐形光通管進(jìn)行進(jìn)一步勻化整形，從而得到均勻分布的光場(chǎng)，這樣有利于降低由于光場(chǎng)不均帶來(lái)的探測(cè)器測(cè)量誤差，從而有效提高了反饋調(diào)節(jié)的精度。

3、調(diào)節(jié)精度高：基于合理的光路設(shè)計(jì)，排除不同顏色光的相互干擾以及光場(chǎng)的不均勻性，進(jìn)而提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，再經(jīng)過(guò)合理的反饋電路設(shè)計(jì)，從而對(duì)RGB激光光源輸出的光功率進(jìn)行高精度的控制調(diào)節(jié)。

4、散熱密封效果好：根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計(jì)了特殊形狀的散熱赤片，散熱赤片的功能是收集多余廢光，并將其轉(zhuǎn)化成熱量，防止反射光進(jìn)入探測(cè)器，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，另外散熱赤片對(duì)分光光路系統(tǒng)起到了良好的密封作用，進(jìn)而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最后該散熱結(jié)構(gòu)散熱效果好，整體外形美觀。

5、本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，易于加工及安裝。

6、裝置中各組成部分均可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，性能穩(wěn)定，安全可靠。

本實(shí)用新型一方面通過(guò)對(duì)光束的合理分光，勻場(chǎng)整形以及剩余廢光的有效處理，提高了探測(cè)器的探測(cè)準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高了電路反饋調(diào)節(jié)的精度；另一方面通過(guò)選擇高精度的探測(cè)器，性能穩(wěn)定且精度高的A/D采樣芯片，和高效的反饋控制電路設(shè)計(jì)，從而保證了RGB激光光源輸出光功率的高精度自匹配控制，進(jìn)而提高了屏幕圖像的顯示質(zhì)量，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，對(duì)RGB激光光源輸出光功率進(jìn)行高精度反饋控制，可應(yīng)用于對(duì)光場(chǎng)穩(wěn)定性要求較高的激光照明或激光顯示技術(shù)領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1表示分光光路設(shè)計(jì)示意圖。

圖2表示反饋控制電路示意圖。

圖3表示系統(tǒng)布局圖。

圖中，1-第一光學(xué)玻璃平板，2-第二光學(xué)玻璃平板，3-第三光學(xué)玻璃平板，4-窄帶R濾波片，5-窄帶G濾波片，6-窄帶B濾波片，7-第一匯聚透鏡，8-第二匯聚透鏡，9-第三匯聚透鏡，10-第一光衰減片，11-第二光衰減片，12-第三光衰減片，13-第一勻光散射片，14-第二勻光散射片，15-第三勻光散射片，16-第一錐形光通管，17-第二錐形光通管，18-第三錐形光通管，19-光電探測(cè)器，20-散熱赤片，21-反饋控制電路板，22-AD采樣芯片，23-系統(tǒng)控制芯片，24-DA轉(zhuǎn)換芯片，25-RGB激光亮度調(diào)整信號(hào)，26-模擬電信號(hào)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

一種RGB激光光源光功率輸出自匹配系統(tǒng)，包括分光光路設(shè)計(jì)、反饋控制電路設(shè)計(jì)以及根據(jù)分光光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行的散熱赤片設(shè)計(jì)。

如圖1所示，包括鍍有增透膜系的第一、二、三光學(xué)玻璃平板1、2、3；所述第一光學(xué)玻璃平板1的光路上依次設(shè)置窄帶R濾波片4、第一匯聚透鏡7、第一光衰減片10、第一勻光散射片13及第一錐形光通管16。

所述第二光學(xué)玻璃平板2的光路上依次設(shè)置窄帶G濾波片5、第二匯聚透鏡8、第二光衰減片11、第二勻光散射片14及第二錐形光通管17；

所述第三光學(xué)玻璃平板3的光路上依次設(shè)置窄帶B濾波片6、第三匯聚透鏡9、第三光衰減片12、第三勻光散射片15及第三錐形光通管18。

第一、二、三衰減片用于調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，根據(jù)情況可選擇不同衰減值的衰減片，或取消該衰減片。

分光光路中，透過(guò)第三光學(xué)玻璃平板3的廢光照射至散熱赤片20，所述散熱赤片20的熱量通過(guò)散熱風(fēng)扇排放至空氣中。

所述反饋調(diào)節(jié)電路包括分別置于第一、二、三錐形光通管16、17、18出射端的光電探測(cè)器19，三個(gè)光電探測(cè)器19實(shí)時(shí)將探測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)26并分別通過(guò)AD采樣芯片22輸入系統(tǒng)控制芯片23，所述系統(tǒng)控制芯片23通過(guò)DA轉(zhuǎn)換芯片24輸出RGB激光亮度調(diào)整信號(hào)25。

所述光電探測(cè)器19的輸出端通過(guò)電阻外加反偏5V電壓。

所述系統(tǒng)控制芯片23采用STM32芯片。

工作時(shí)，如圖3所示，RGB平行光束入射在鍍了增透膜系的第一光學(xué)玻璃平板1上，一部分光經(jīng)鍍膜的第一光學(xué)玻璃平板1反射，反射光經(jīng)窄帶R濾波片4濾波，濾波后的單色R光進(jìn)入第一匯聚透鏡7，經(jīng)第一匯聚透鏡匯聚后入射在第一光衰減片10上，衰減后的R光進(jìn)入第一勻光散射片13進(jìn)行光束散射勻化，勻化后的光束進(jìn)入第一錐形光通管16對(duì)激光光束進(jìn)行進(jìn)一步勻化整形，從而得到一個(gè)均勻的方斑光束，出射的方斑光束照射在光電探測(cè)器19上，進(jìn)行光電探測(cè)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)26，通過(guò)反饋控制電路板21對(duì)轉(zhuǎn)化的模擬電信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，stm32對(duì)獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波和算法調(diào)整，進(jìn)而確定對(duì)RGB激光亮度調(diào)整的信號(hào)309，從而調(diào)節(jié)光源輸出的光功率，對(duì)光源進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；另一部分經(jīng)鍍膜的第一光學(xué)玻璃平板1透射，透射的RGB平行光束入射到鍍膜的第二光學(xué)玻璃平板2，一部分經(jīng)鍍膜的第二光學(xué)玻璃平板2反射，經(jīng)鍍膜的第二光學(xué)玻璃平板2反射的光同上述方式一樣，依次經(jīng)過(guò)窄帶G濾波片5、第二匯聚透鏡8、第二衰減片11、第二勻光散射片14、第二錐形光通管17，整形成均勻的方斑后，入射在光電探測(cè)器19上，通過(guò)反饋控制電路板21對(duì)RGB激光光源進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣反饋控制；另一部分經(jīng)鍍膜的第二光學(xué)玻璃平板2透射，透射的RGB平行光束同上入射到鍍膜的第三光學(xué)玻璃平板3，入射的RGB平行光束一部分經(jīng)鍍膜的第三光學(xué)玻璃平板3反射，反射光的光路路徑同上經(jīng)過(guò)濾波、勻場(chǎng)、整形，另一部分經(jīng)鍍膜的第三光學(xué)玻璃平板3透射，透射光即為剩余廢光，剩余廢光進(jìn)入設(shè)計(jì)的散熱赤片，被散熱赤片吸收并將吸收的光能轉(zhuǎn)化成熱能，同時(shí)將轉(zhuǎn)化的熱能導(dǎo)出，然后通過(guò)散熱風(fēng)扇排放進(jìn)入空氣中。

其中，窄帶R濾波片4、窄帶G濾波片5和窄帶B濾波片6將RGB平行光分離成單色激光，如圖1所示，這樣能有效避免不同顏色光之間的相互干擾。光衰減片起到對(duì)光路中光強(qiáng)度的衰減作用，盡管采用鍍了增透膜的光學(xué)玻璃平板做反射鏡，其光強(qiáng)也超出了光電探測(cè)器的探測(cè)范圍，故采用光衰減片，對(duì)光路中的光強(qiáng)進(jìn)行合理衰減，使光電探測(cè)器工作在最敏感區(qū)，進(jìn)一步提高反饋電路的控制精度。勻光散射片和錐形光通管起到對(duì)光場(chǎng)的勻化和整形作用，激光在勻化前是標(biāo)準(zhǔn)的高斯光譜，勻化后則是均勻的方斑光場(chǎng)，這樣進(jìn)一步提高光電探測(cè)器測(cè)量的準(zhǔn)確度。散熱赤片的合理設(shè)計(jì)有效防止了剩余廢光進(jìn)入分光光路系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的反饋控制精度，其次將光能轉(zhuǎn)化成熱能，并對(duì)其有效導(dǎo)出，高效散熱，同時(shí)也對(duì)分光光路系統(tǒng)起到了良好的密封作用，使內(nèi)外隔絕，有效防塵，進(jìn)而保障了系統(tǒng)的潔凈度，提高了產(chǎn)品的使用壽命。

反饋控制電路如圖2，包括外加反偏5V電壓、電阻、光電探測(cè)器、采樣點(diǎn)、AD采樣芯片、系統(tǒng)控制芯片Stm32。所述反饋調(diào)節(jié)電路集成于反饋控制電路板21上。

工作時(shí)，主光路系統(tǒng)引出的RGB平行光束，經(jīng)分光、勻化、整形后分別進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器實(shí)時(shí)將探測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)26，通過(guò)A/D采樣芯片22，將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)Stm32控制芯片對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波以及算法調(diào)整，最終輸出RGB激光亮度調(diào)整信號(hào)25，并將信號(hào)反饋給主光路，對(duì)RGB激光光源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。

本發(fā)明利用鍍了增透膜的光學(xué)玻璃平板將RGB激光光束分成四部分，其中三部分為RGB激光光源輸出光功率自動(dòng)反饋控制光路，另一部分為剩余廢光，廢光經(jīng)設(shè)計(jì)的散熱赤片轉(zhuǎn)化、導(dǎo)出并最終排放在空氣中；RGB激光光源輸出光功率自動(dòng)反饋控制光路，利用RGB窄帶濾波片分別將激光分離成三種單色光，接著分別對(duì)分離的單色光進(jìn)行勻化整形，整形后的激光光束分別照射在3個(gè)光電探測(cè)器上，對(duì)RGB三種激光光源輸出的光功率同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并反饋控制，以確保輸出光場(chǎng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)合理的將平行的RGB激光光源分離成三種單色光，成功的避免了不同光之間的相互干擾；衰減片的合理選擇使光電探測(cè)器能夠工作在準(zhǔn)線性區(qū)；散熱赤片的合理設(shè)計(jì)，一方面避免了剩余廢光對(duì)光電探測(cè)器測(cè)量結(jié)果造成影響，另一方面對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了良好的散熱以及密封作用；對(duì)反饋控制電路主要元器件如光電探測(cè)器和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了篩選測(cè)試，選取高精度的元器件，從而保證反饋控制的高精度；該設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，可應(yīng)用于對(duì)光源穩(wěn)定性能要求較高的激光照明或顯示技術(shù)領(lǐng)域。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)施例本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本實(shí)用新型的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋本實(shí)用新型的權(quán)利要求保護(hù)范圍中。