CN103186020A - 激光模组和发光光源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光模组，包括至少两个光源组，每个光源组至少包括一颗激光二极管；还包括用于分别收集该至少两个光源组发出的光的至少两个会聚系统，和位于该至少两个会聚系统的光路后端的目标面，该至少两个会聚系统将至少两个光源组发出的光在该目标面上分别会聚为至少两个光斑。该至少两个光斑部分交叠，并共同形成一个与一特定形状更接近的总光斑。本发明还提出一种发光光源，包括用于发射激发光的激发源，该激发源包括上述的激光模组。在本发明的激光模组和发光光源中，将激光二极管至少分为两个组，再将每一组所形成的光斑进行拼接，使总光斑形状更接近于所需要的形状，同时均匀性。

Description

激光模组和发光光源

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及激光模组和发光光源。

背景技术

目前，基于波长转换的投影显示技术越来越受到人们的关注。该技术方案由于其高亮度、长寿命的优点被认为代表了投影显示技术未来发展的方向。

美国专利7547114首次公开了该技术方案的整体光学架构。在该技术方案中，一个激发光源被用来激发的一个旋转的荧光粉色轮，该荧光粉色轮上涂覆有红、绿、蓝三种颜色的荧光粉；随着该色轮的旋转，不同颜色的荧光粉依次被激发光源发射的激发光所激发，并受激发射出不同颜色受激光。该红、绿、蓝基色光序列经过一个光阀的调制后再经过投影镜头的投影可以在屏幕上得到各基色光的图像，并经过人眼的视觉暂留效应在时域混合在一起而形成彩色图像。

应用该技术方案制造的投影光源的效率取决于荧光粉的能量转换效率。为了提高荧光粉的能量转换效率，人们做了大量的实验和尝试。实验结果表明，激发光源发出的激发光在荧光粉色轮表面形成的激发光斑的功率密度越低，则荧光粉的能量转换效率越高。

常用的激发光源的结构如图1a所示。其中采用激光二极管作为发光源；由于单颗激光二极管的光功率往往不足以满足使用要求，所以需要使用一个激光二极管阵列101作为发光源，该激光二极管阵列包括多颗激光二极管101a。为了提高后续光路的光学性能，每一颗激光二极管需要一个准直透镜102a用来准直其发出的光线。准直后的激发光经过会聚透镜105后聚焦于目标面107上形成一个光斑108；由于激光二极管的光束很集中，所示该光斑108的直径可以很小。在这个光斑108内，由于集中了所有的激光二极管发射的光能量，所以能量密度很高。

为了降低激发光的能量密度，可以使用散光片109使每一颗激光二极管的发光都扩散为一个圆形光斑118，如图1b所示。使用散光片109散光后得到的圆形光斑并不是均匀的，而是一个近似于高斯分布，如图1c所示。显而易见的，多个高斯分布的光斑的叠加仍然是高斯分布，且分布宽度不变。

考虑到投影显示中的所需要的光斑形状是长方形的，圆形的高斯光斑的形状不能很好匹配，同时由于高斯光斑本身的均匀性很差，因此光斑108的能量密度仍然有很大的下降空间。因此需要一种激光模组，可以提供形状更接近于所需要的形状，同时均匀性更好的光斑。

发明内容

本发明解决的主要技术问题是激光光源的光斑的能量密度过高的问题。

本发明提出一种激光模组，包括：

至少两个光源组，每个光源组至少包括一颗激光二极管；

用于分别收集至少两个光源组发出的光的至少两个会聚系统；

位于至少两个会聚系统的光路后端的目标面，至少两个会聚系统将至少两个光源组发出的光在该目标面上分别会聚为至少两个光斑；

该至少两个光斑部分交叠，并共同形成一个与一特定形状更接近的总光斑。

本发明还提出一种发光光源，包括：

激发源，包括上述的激光模组，该激发源用于发射激发光；

放置于该激发源的激光模组的目标面并覆盖该激光模组的总光斑的波长转换层，用于吸收激发光并发射受激光。

在本发明的激光模组和发光光源中，将激光二极管至少分为两个组，再将每一组所形成的光斑进行拼接，实现形状更接近于所需要的形状同时均匀性更好的光斑。

附图说明

图1a是现有技术中的激光模组的结构示意图；

图1b和1c是现有技术中激光模组所产生的光斑的形状和光分布；

图2a和2b是本发明第一实施例及其变形的结构示意图；

图3a至3d是本发明的激光模组的激发光斑形状和光分布的示意图；

图4a和4b是本发明第二实施例及其变形的结构示意图；

图5是本发明第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的思路在于，将激光二极管阵列分为至少两组，并使每一组都形成一个独立的光斑，再将这些光斑在目标面上部分交叠的组合在一起，进而形成一个与特定形状更接近的总光斑，同时组合的过程还可以兼顾光斑的均匀性。

本发明的第一实施例的激光模组的结构示意图如图2a所示。在本实施例中，激光模组200包括两个光源组，第一光源组201和第二光源组221；如图所示，每个光源组各包括两颗激光二极管，例如第一光源组201中包括激光二极管201a。为了提高后续光路的性能，每个激光二极管分别对应一个准直透镜，例如激光二极管201a对应准直透镜202a。第一光源组201发出的光经过准直透镜后形成近平行光入射于第一会聚透镜205，再经过透镜245使光束聚焦于目标面207上并形成第一光斑208；相类似的，第二光源组221发出的光依次经过准直透镜、第二会聚透镜225和透镜245在目标面207上形成第二光斑228。

在本实施例中，准直透镜、第一会聚透镜和透镜245共同构成了第一光源组201的第一会聚系统，准直透镜、第二会聚透镜和透镜245共同构成了第二光源组221的第二会聚系统，总的来说，第一会聚系统和第二会聚系统用于分别收集第一光源组201和第二光源组221发出的光并将其分别会聚于位于这两个会聚系统的光路后端的目标面207上。可以理解的是，本发明中实施例所列举的会聚系统的光学结构只是举例，并不限制其它可能的会聚系统的设计；这是因为这样的光学系统设计属于公知技术，只要能够实现上述的会聚系统的功能的设计，就应属于本发明的保护范围。

优选的，本实施例的激光模组200还包括位于第一会聚透镜205的光路前的第一散光片209和位于第二会聚透镜225的光路前的第二散光片229，第一散光片209和第二散光片229分别用于对第一光斑208和第二光斑228进行扩散以降低二者的能量密度。在本实施例中，作为优选的实施例，散光片放置于会聚系统中近平行光束的光路上；实际上，散光片也可以放置于会聚透镜和透镜245的光路之间，甚至放置于透镜245与目标面的光路之间。在本实施例中，第一散光片209和第二散光片229可以是一片散光片的不同部分。

在本实施例中，第一光斑208和第二光斑228部分交叠，并共同形成一个与一特定形状更接近的总光斑218，如图3a所示。在本实施例中，特定形状为长宽比是4∶3的长方形，如图3c中的218A。

在图3a中，第一光斑208和第二光斑228均为圆斑，两者存在一定交叠，共同形成总光斑218。图3a中的光斑沿中轴线a的剖面的能量分布如图3d所示。其中，第一光斑208和第二光斑228分别为高斯分布，两者能量相叠加后形成的总光斑218。可以看出，总光斑218在顶部有一个相对较平坦的区域，这是由第一光斑208和第二光斑228的交叠部分相互补充共同形成的，其最大的光斑能量密度为1.06左右；而如果使用现有的如图1a所示的激光模组的结构，所有的激光二极管的能量均重合于一个光斑，可以理解，其光斑的最大能量密度为2。

另一方面，比较图3b和图3c可知，相对于现有的激光模组，本发明的激光模组形成的总光斑形状更接近于长方形218A。图3b是如图1a所示的现有激光模组的重合的光斑108的示意图，可见它无法充满长方形218A，而图3c所示的是本发明中的总光斑218的示意图，可见相对于光斑108，光斑218的形状更接近长方形218A，即对长方形218A填充得更饱满。

在本发明中，若设光斑一的面积为S₁₁，光斑二的面积为S₂₁，光斑一的外切的特定形状的面积为S₁₂，光斑二的外切的特定形状的面积为S₂₂，则若光斑一的形状相对于光斑二来说更接近于该特定形状，指的是以下公式(1成立：

$\frac{S_{11}}{S_{12}}>\frac{S_{21}}{S_{22}}---\left(1\right)$

例如在本实施例的图3b和3c中，总光斑218与其外切长方形218A的面积比，大于光斑108与其外切长方形218A的面积比。

在实际应用中，由于光斑的能量分布主要为高斯分布，因此往往没有清晰的边界。而定义光斑边界有多种方法，最常用的一种是定义能量密度是峰值能量密度的1/n的位置为光斑的边界，例如n取值为10，则光斑的边界处的能量密度为其峰值能量密度的1/10。常用的n的取值为2、10、e或e²，但并不排除其他数值的使用。

在本实施例中，利用将激光二极管分为两组后分别形成光斑，再使光斑部分交叠的方法，形成了形状更接近于特定形状的总光斑，相对于现有技术的激光模组的光斑，其功率密度大幅度降低。根据上述描述可以理解，第一光斑208和第二光斑228之间的距离决定了总光斑218的外形以及峰值功率密度，过近则外形太小而能量过于集中，过远则光斑太大，然而只要两个光斑相互交叠而且不重合，相对于现有技术来说其功率密度就是较低的。优选的，两个部分叠加的光斑相交叠边界上的功率密度分别是这两个光斑的峰值功率密度的一半。

因此，在实际使用中，优选的，两个光斑的间距可以调节，以便使其达到最佳的叠加效果。调节的方法有很多，例如使用机械的方法调节光源组或对应的会聚系统的位置或角度，就可以达到调剂对应的光斑位置的目的。这是公知技术，此处不赘述。

在本实施例中，第一光斑208和第二光斑228均为高斯分布，这是因为激光二极管的发光分布本身就是高斯形状的，同时使用第一散光片209和第二散光片229后光斑也会以高斯分布的规律扩散。然而高斯分布只是一个举例，并不限制其它光分布的可能性。本实施例中每一个光源组经过对应的会聚系统后在目标面上形成的光斑为圆形，这同样是举例，并不限制其它可能的光斑形状，例如椭圆光斑。

在本实施例中，第一光源组201和第二光源组221分别包括两颗激光二极管，然而从上述说明可见，即使第一光源组201和第二光源组221分别只包括一颗激光二极管，相对于现有技术方案本发明依然存在明确的有益效果。

在本发明中，特定形状指的是长宽比为4∶3的长方形，这与投影显示中常用的屏幕的形状相同。这只是举例，并不限制其它特定形状的使用，例如16∶9的长方形、梯形或椭圆形等。

在本实施例中，目标面207分别位于第一会聚系统和第二会聚系统的焦平面上，即第一光源组201经过第一会聚系统聚焦于目标面207，第二光源组经过第二会聚系统也聚焦于目标面207，此时第一光斑208和第二光斑228最小。实际上，目标面也可能偏离会聚系统的焦平面，此时第一光斑和第二光斑并不是位于光斑最小的位置，而是会因为离焦而出现光斑的发散。由于光斑发散本身会起到均匀化的作用，所以目标面相对于会聚系统一定程度的偏离是可以接受的，甚至有时是刻意设计实现的。

在本实施例中，激光二极管被分为两组并分别形成光斑。可以想象，激光二极管被分为两组以上，例如四组并分别形成光斑后进行组合，具有与上述第一实施例相近似的有益效果。

本实施例还存在一个变形，如图2b所示。与上述的第一实施例不同的是，该变形的激光模组中，透镜245被移除，第一光源组201和第二光源组221发出的光分别经过准直透镜、散光片和会聚透镜的作用后直接斜向入射于目标面207。可以理解的，该变形的激光模组具有与上述第一实施例同样的有益效果。

在本发明的第一实施例中，两个光源组201和221发出的光通过空间位置的不同合并为一束。在本发明的第二实施例中，如图4a和4b所示，还包括位于两个会聚系统光路中的光学滤光片451，两个光源组401和421发出的光以分别在该光学滤光片451表面透射和反射的方式合为一束。

在本实施例中，两个光源组401和421发出的光经过准直透镜准直后分别从两面入射于光学滤光片451表面，并分别发生透射和反射，并在光学滤光片451的后端光路上合光为一束，入射于散光片409，并最终被会聚透镜445聚焦于目标面407上，并分别形成光斑408和428。相对于第一实施例，本实施例的激光模组由于将两个光源组摆放在不同的位置，因此缩小了该光源模组的截面面积，使其变得更紧凑。

在本实施例中，优选的，光学滤光片451可以转动调节，以改变两个光源组401和421发出的光入射于其表面的入射角。随着光学滤光片451的转动，光源组401发出的光的方向不发生改变，因此光斑408的位置不变；同时光源组421发出的光在光学滤光片451上的反射角反射变化，光斑428的位置随之改变。因此转动光学滤光片451可以提到调节两个光斑408和428的作用。

在本实施例中，光学滤光片是线偏振片，其偏振方向与光源组401的发光的偏振方向相同，以实现透射光源组401发光的作用；同时与光源组421的发光的偏振方向相垂直，以实现反射光源组421发光的作用。在实际使用中，光学滤光片还可以是干涉滤光片，利用光源组401和421的发光波长的不同分别对其进行透射和反射。这是现有技术，此处不赘述。

作为本实施例的一个变形，如图4b所示，光学滤光片还可以是多块反射镜451a和451b的组合，光源组421中多颗激光二极管发出的光分别入射于对应的多块反射镜表面并反射，而光源组401中多颗激光二极管发出的光则穿过多块反射镜451a和451b之间的空隙得以透射。

在本发明的第三个实施例中，与前两个实施例不同的是，两个光源组501和521发出的光分别从目标面507的两侧入射到目标面507上并分别形成光斑508和528。显而易见的，这种光源组位置的不同的入射到目标面的入射方向的不同并不会妨碍本实施例具有如前述实施例的有益效果。

本发明还提出一种发光光源，包括激发源，该激发源使用上述的激光模组实现，该激发源用于发射激发光；还包括放置于激发源的激光模组的目标面并覆盖该激光模组的总光斑的波长转换层，用于吸收所述激发光并发射受激光。以图2a所示的第一实施例为例，当波长转换层放置于目标面207时，激光模组200在其表面形成形状如图3a所示的总光斑；波长转换层吸收该总光斑的激发光能量并受激发射受激光230。由于总光斑的能量密度已经大幅度降低，所以波长转换层的发光效率得到了大幅度提高。

图2a中的受激光230表示为与激光模组200发光同方向，实际上也可以与激光模组200发光反方向，依靠放置于激光模组与波长转换层之间的分光滤光片分离激光模组的发光和受激光。这是现有技术，此处不赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种激光模组，其特征在于，包括：

至少两个光源组，每个光源组至少包括一颗激光二极管；

用于分别收集所述至少两个光源组发出的光的至少两个会聚系统；

位于所述至少两个会聚系统的光路后端的目标面，所述至少两个会聚系统将所述至少两个光源组发出的光在该目标面上分别会聚为至少两个光斑；

所述至少两个光斑部分交叠，并共同形成一个与一特定形状更接近的总光斑。

2.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，所述会聚系统的光路中包括散光片。

3.根据权利要求2所述的激光模组，其特征在于，入射于散光片的入射光为近平行光。

4.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，所述目标面是所述会聚系统的焦平面。

5.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，所述特定形状是长方形或椭圆形。

6.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，所述至少两个光斑的距离可调节。

7.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，所述至少两个光源组发出的光通过空间位置的不同合并为一束。

8.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，还包括位于所述至少两个会聚系统光路中的光学滤光片，所述至少两个光源组发出的光以分别在该光学滤光片表面透射和反射的方式合为一束。

9.根据权利要求8所述的激光模组，其特征在于，所述光学滤光片可以转动调节，以改变所述至少两个光源组发出的光入射于该光学滤光片的入射角。

10.根据权利要求8所述的激光模组，其特征在于，所述光学滤光片为线偏振片或干涉滤光片。

11.根据权利要求1所述的激光模组，其特征在于，所述至少两个光源组发出的光分别从所述目标面的两侧入射到所述目标面上。

12.一种发光光源，其特征在于，包括：

激发源，包括根据权利要求1至11所述的任意一项描述的激光模组，该激发源用于发射激发光；

放置于所述激发源的激光模组的目标面并覆盖该激光模组的总光斑的波长转换层，用于吸收所述激发光并发射受激光。

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