CN104330947A - 激光光源和投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光光源和投影装置，包括激光二极管阵列，用于向第一方向发射激光；波长转换转盘，该波长转换转盘的盘面所在的平面平行于第一方向；波长转换转盘包括垂直于盘面的环形侧壁，该环形侧壁上包括波长转换层。还包括反射装置，用于将沿第一方向发射的激光反射并汇聚于所述波长转换转盘环形侧壁上的波长转换层；还包括驱动装置，用于驱动波长转换转盘转动。在该激光光源中，将波长转换层置于波长转换转盘的环形侧壁上，这使得波长转换转盘的盘面可以平行于激光的发射方向而不是像背景技术中的垂直于激光的发射方向；同时激光二极管阵列和波长转换转盘是位于反射装置的同侧。这样的好处在于激光光源的光学结构更为紧凑，体积也更小。

Description

激光光源和投影装置

技术领域

本发明涉及光源领域，特别是涉及使用激光技术的光源和使用该激光光源的投影装置。 

  

背景技术

当前，光源技术已经被应用于诸多领域，应用最多的光源是卤素灯和荧光灯。这些光源的最大的问题是亮度不足。近年来，LED光源发展迅速，利用蓝色的LED激发涂敷于LED表面的黄色荧光粉来产生白光，这种光源已经开始在市场上普及。但问题在于单颗LED光源的功率较低，依然存在亮度不足的问题。 

而高亮度光源领域，常用的是高压汞灯和氙灯光源，这样的光源依靠超短的灯弧而具有很高的亮度（能量密度），但问题在于其寿命只有1000小时左右，使用成本很高。 

目前出现了一种半导体光源，其结构如图1所示。激发光源（图中未画出）发出的激发光121经过分光滤光片111的透射入射于透镜103并经过透镜103的折射而聚焦于波长转换转盘102。波长转换转盘102上包括沿圆周方向分布的波长转换层101，且该波长转换转盘102被马达104驱动而匀速转动，使得波长转换层101的不同位置周期性的位于激发光121的激发之下而持续发光。从波长转换层101出射的受激光122被透镜103收集后准直，经过分光滤光片111的反射而最终出射。在该光源中，分光滤光片111透射激发光同时反射受激光，其作用在于将激发光和受激光的光路相分离。若没有该分光滤光片，则受激光将全部向激发光源方向出射从而造成严重的光损失。 

然而，由于有了分光滤光片的存在，整个光源结构变得复杂而庞大，这不利于当前光源小型化的发展趋势。另外，分光滤光片会将出射光中的剩余的激发光过滤掉，这也是一部分光损失。 

  

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种激光光源，包括激光二极管阵列，用于向第一方向发射激光；波长转换转盘，该波长转换转盘的盘面所在的平面平行于第一方向；波长转换转盘包括垂直于盘面的环形侧壁，该环形侧壁上包括波长转换层。还包括反射装置，用于将沿第一方向发射的激光反射并汇聚于所述波长转换转盘环形侧壁上的波长转换层；还包括驱动装置，用于驱动波长转换转盘转动。 

本发明还提出一种投影装置，包括上述的激光光源用于该投影装置的照明光源，还包括光阀对激光光源发出的光进行调制以产生图像。 

在本发明的激光光源中，将波长转换层置于波长转换转盘的环形侧壁上，这使得波长转换转盘的盘面可以平行于激光的发射方向而不是像背景技术中的垂直于激光的发射方向；同时激光二极管阵列和波长转换转盘是位于反射装置的同侧。这样的好处在于激光光源的光学结构更为紧凑，体积也更小。 

  

附图说明

图1表示了现有技术中光源的结构示意图； 

图2A、2B、2C分别表示本发明第一实施例在三个方向上的示意图；

图3A表示了本发明的另一个实施例的结构示意图；

图3B表示图3A所示实施例中的第一光收集透镜的正视图；

图4表示了本发明另一个实施例的结构示意图；

图5表示了本发明另一个实施例的结构示意图；

图6A和6B分别表示了本发明另一个实施例在两个方向上的结构示意图。

  

具体实施方式

本发明提出一种激光光源，其结构示意图如图2A、2B和2C所示。图2A、2B和2C的左侧分别标有直角坐标系的示意图：图2A中向上为x方向，向右为z方向，垂直纸面向外为y方向；图2B中向上为y方向，向右为z方向，垂直纸面向里为x方向；图2C中向上为y方向，向右为x方向，垂直纸面向外为z方向。图2A、2B和2C均使用同一个坐标系，这表示出了三幅示意图的观察方位。值得注意的是，本发明中所有实施例的图例都是用相同的坐标系，在后面图中所标识出的坐标系均表示了所对应实施例的观察方位，这在后面的叙述中不再重复说明。 

如图2A所示，在本实施例中，激光光源包括激光二极管阵列201，用于向第一方向(z方向)发射激光221。激光光源还包括波长转换转盘202，该波长转换转盘202的盘面202a所在的平面平行于第一方向（z方向）；该波长转换转盘202包括垂直于盘面202a的环形侧壁202b，该环形侧壁202b上包括波长转换层202c。激光光源还包括反射装置（204为反射装置中的一个反射镜的举例），用于将沿第一方向发射的激光221反射并汇聚于波长转换转盘202环形侧壁202b上的波长转换层202c；还包括驱动装置203，用于驱动波长转换转盘202转动。 

在本实施例中，反射装置包括多个与激光二极管一一对应的反射镜（以反射镜203表示其中的一个），每个反射镜的方位都被调整到将入射到其上的激光光束反射到波长转换层202c上的同一点，这样所有激光都可以汇聚于波长转换层202c上并对其进行激发而产生受激光。受激光是各向同性发射的，优选的，环形侧壁202b的表面为反射表面（例如环形侧壁202b本身为反射铝板或其表面附有反射膜），则向心方向发射的受激光会被环形侧壁的反射表面反射而转为离心方向出射，这有助于提高受激光的收集效率。 

在本实施例中，驱动装置203驱动波长转换转盘202转动，这使得波长转换层202c上的不同位置周期性的被激发光激发，这可以有效的避免波长转换层的某一个点被连续的激发而过热失效。 

在本实施例中，将波长转换层202c置于波长转换转盘的环形侧壁202b上，这使得波长转换转盘的盘面可以平行于激光的发射方向而不是像背景技术中的垂直于激光的发射方向；同时激光二极管阵列和波长转换转盘是位于反射装置的同侧。这样的好处在于激光光源的光学结构更为紧凑，体积也更小。 

本实施例中，优选的，激光221被反射装置204反射后，被反射的激光221入射于波长转换层202c的入射角大于第一角度，这样的好处在于受激光中的大部分可以从小于第一角度的孔径内出射而不会与激光221的光路重合而造成损失，例如图2A中受激光222就是从小于第一角度的孔径内出射的。 

本实施例的激光光源没有采用图1中的大片滤光片111分光的光学结构来区分激发光（激光）和受激光的光路，而是通过设置反射装置的方位使得经反射装置反射的激光入射于波长转换层202a的角度大于第一角度，这样就让开了第一角度以内的孔径使得受激光可以输出，使得受激光与激光的光路得以区分。与图1中的背景技术相比，本实施例中的激光光源结构更为紧凑，体积更小。 

图2B和图2C是为了更清楚的表示本实施例的结构所画。可以看出，在沿第一方向的投影上，激光二极管阵列中的多个激光二极管201排列在波长转换转盘202的周围，这样能够进一步的提升系统的紧凑性。 

在本实施例中，优选的，波长转换转盘的环形侧壁上，波长转换层202a沿圆周方向分布有多个段，其中至少一段包括波长转换材料。这样的好处在于，这多个段可以具有不同的波长转换属性，这样当波长转换转盘202被驱动装置203所驱动转动时，这多个段可以周期性的依次被激光221入射而产生不同颜色的受激光。这些周期性变化的不同颜色的受激光可以作为投影装置的光源光。 

进一步的，激光为蓝光激光，波长转换层的多个段中至少包括散射段，散射段上包括散射材料。当该散射段转动到蓝光激光的汇聚点时，蓝光激光被散射材料所散射并出射形成蓝色出射光，其中散射材料的作用在于消除激光的相干性。优选的，散射段上还可能包括青色波长转换材料、绿色波长转换材料、青绿色波长转换材料、黄绿色波长转换材料、黄色波长转换材料中的至少一种，这样当蓝色激光入射于散射段时，部分蓝色激光直接被散射出射，而部分蓝色激光被上述波长转换材料吸收而产生相应颜色的受激光，这部分受激光会与被直接散射出射的蓝色激光混合在一起出射。这部分受激光对于蓝色激光的颜色有一定的矫正作用，使得出射的混合光的颜色更接近于标准的蓝光颜色。 

当然，波长转换层也可能只包括一个段，例如只包括一个含有绿色波长转换材料的绿色段，这样该激光光源将出射绿光。再例如只包括一个含有黄色波长转换材料的段，这样该激光光源将出射黄光；此时若激光为蓝光则该激光光源还可能出射黄光和没有被吸收的剩余的蓝光从而出射白色的混合光。 

值得说明的是，本实施例中的反射镜204是针对激光的反射镜，它可能反射受激光也可能透射受激光。若其透射受激光，则受激光的出射范围就不仅限于第一角度以内，第一角度以外的受激光也可能穿过反射镜204而出射。此时，虽然反射镜204具有了滤光片的对光波长的选择属性，但是与图1所示的结构相比本实施例仍然具有结构紧凑体积小的优点。 

在实际应用中，第一角度的选取有一定的规则。若选取过大，则激光的入射光路设计和组装都很困难；而若选取过小则波长转换层上的出射光出射孔径将受到影响。优选的，第一角度一般取值于45度至70度之间。 

本发明的另一个实施例的结构示意图如图3A所示。与图2A所示的实施例不同的是，在本实施例中，还包括第一光收集透镜305。第一光收集透镜305的正视图如图3B所示，其有效孔径内包括内部305b、外部305a两个区域。如图3A所示，经反射装置304反射的激光321入射于第一光收集透镜305的有效孔径的外部区域305a并被其折射而汇聚于波长转换转盘的环形侧壁上，从环形侧壁上的波长转换层302c出射的大部分光322（包括受激光或受激光和被散射的激发光的混合光，在图3A中以带箭头的虚线表示）入射于第一光收集透镜305的有效孔径的内部区域305b并被其收集并出射。 

根据几何光学的知识可以理解，入射于第一光收集透镜的外部区域305a的光经过折射后会以较大的角度入射于波长转换层，控制外部区域305a的范围就可以控制入射激光的角度范围，使其满足大于第一角度的要求。也就是说，在本实施例中，通过控制第一光收集透镜305的有效孔径内的内部区域和外部区域的范围，可以实现控制激光321的入射角度范围，使其满足入射角大于第一角度的要求。同时，从波长转换层出射的光322（包括受激光或受激光和被散射的激发光的混合光）中大部分入射于第一光收集透镜305的有效孔径的内部区域305b并被其收集并出射，这样就成功的区分了激光和受激光的光路。 

当然在本实施例中，反射镜304也可以是反射激光透射受激光的滤光片，这样受激光中的大于第一角度出射的部分也可以透过反射镜304而出射并被后面的光路所收集。 

本实施例与图2A所示的实施例相比，使用了第一光收集透镜来实现激光的汇聚和受激光的收集，光效更高，系统设计更为简单和紧凑。 

在本施例中，优选的，还包括位于激光二极管阵列到第一光收集透镜之间的光路上的光整形装置或光散射装置。光整形装置可能是微透镜阵列或光学衍射原件（DOE），用于将入射于波长转换层的激光光斑整形成预定的形状，例如正方形或长方形，而光散射装置可以将入射于波长转换层的激光光斑散射成大致呈高斯分布的圆形或椭圆形。总之，无论光整形装置还是光散射装置都可以将入射于波长转换层的激光光斑扩散以降低激光功率密度，这对于波长转换层的转换效率的提升有帮助。 

本发明的另一个实施例的结构示意图如图4所示。本实施例是图3A所示的实施例的改进型。与图3A所示的实施例相比，本实施例的激光光源还包括位于第一光收集透镜405光路后端的第二光收集透镜406，第二光收集透镜406的有效孔径内包括内部、外部两个区域；反射装置404为位于第二光收集透镜406的外部区域的反射镀膜，且第二光收集透镜的有效孔径的内部区域用于收集从第一光收集透镜405出射的光。这样，第二光收集透镜406就与反射装置404合为一体，激光421经第二光收集透镜406的外部区域上的反射装置404反射而入射于第一光收集透镜405的外部区域并最终入射于波长转换层402c，同时从第一光收集透镜405的内部区域出射的光422经过第二光收集透镜的内部区域进一步的准直或聚焦出射。显然，这样形成的激光光源结构更为紧凑。 

在前述实施例中，在沿第一方向的投影上，激光二极管阵列中的多个激光二极管都是以平行于波长转换转盘盘面的方向排列在波长转换装盘的周围，这样整个光源在第一方向（z方向）看过去具有近似长方形的外形（例如图2C中所示的近似圆形的光源外壳241）。在实际应用中，近似圆形的外形也是经常应用的，如图5所示的实施例中，在沿第一方向的投影上，激光二极管阵列中的多个激光二极管501是以近似圆形排列在波长转换转盘周围的，这显然并不影响上述实施例中所描述过的光源的工作方式。显然激光二极管的排列方式可以根据实际应用中对外形的需求来改变。 

本发明的另一个实施例如图6A和图6B所示，图6B为从图6A左侧看过去的图。该实施例在图2A所示的实施例的基础上增加了散热器631，激光二极管阵列601安装于该散热器631表面。该散热器631表面包括一个凹槽或一个槽型通孔631a，用于容纳波长转换装盘602的部分环形侧壁，以使得散热器631与波长转换转盘602不接触。这样的好处在于既可以为激光二极管散热，也避开了转动的波长转换转盘并实现了结构的紧凑。 

本发明还提出一种投影装置，包括上述的激光光源用于该投影装置的照明光源，还包括光阀对激光光源发出的光进行调制以产生图像。 

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 (10)

1.一种激光光源，其特征在于，包括：

激光二极管阵列，用于向第一方向发射激光；

波长转换转盘，该波长转换转盘的盘面所在的平面平行于第一方向；波长转换转盘包括垂直于盘面的环形侧壁，该环形侧壁上包括波长转换层；

还包括反射装置，用于将沿第一方向发射的激光反射并汇聚于所述波长转换转盘环形侧壁上的波长转换层；

还包括驱动装置，用于驱动波长转换转盘转动。

2.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述波长转换转盘的环形侧壁上，波长转换层沿圆周方向分布有多个段，其中至少一段包括波长转换材料。

3.根据权利要求2所述的激光光源，其特征在于，所述激光为蓝光激光，所述波长转换层的多个段中至少包括散射段，散射段上包括散射材料。

4.根据权利要求3所述的激光光源，其特征在于，所述散射段上还包括青色波长转换材料、绿色波长转换材料、青绿色波长转换材料、黄绿色波长转换材料、黄色波长转换材料中的至少一种。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的激光光源，其特征在于，在沿第一方向的投影上，所述激光二极管阵列排列在所述波长转换转盘的周围。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的激光光源，其特征在于，激光被反射装置反射后，被反射的激光入射于波长转换层的入射角大于第一角度。

7.根据权利要求6所述的激光光源，其特征在于，还包括第一光收集透镜，该第一光收集透镜的有效孔径内包括内部和外部两个区域，经反射装置反射的激光入射于第一光收集透镜有效孔径的外部区域并汇聚于波长转换转盘的环形侧壁上，从波长转换转盘的环形侧壁出射的光中的大部分入射于第一光收集透镜有效孔径的内部区域并被其收集并出射。

8.根据权利要求7所述的激光光源，其特征在于，还包括位于第一光收集透镜光路后端的第二光收集透镜，第二光收集透镜的有效孔径内包括内部、外部两个区域；所述反射装置为位于第二光收集透镜的外部区域的反射镀膜，且第二光收集透镜的有效孔径的内部区域用于收集从第一光收集透镜出射的光。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的激光光源，其特征在于，还包括散热器，激光二极管阵列安装于该散热器表面；该散热器表面包括一个凹槽或一个槽型通孔，用于容纳波长转换装盘的部分环形侧壁，以使得散热器与波长转换转盘不接触。

10.一种投影装置，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的激光光源用于该投影装置的照明光源，还包括光阀对激光光源发出的光进行调制以产生图像。