CN107688274A - 一种光源装置以及投影设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光源装置，包括：第一光源模块、透镜组、第一匀光部件、第一合光装置以及波长转换装置；第一光源模块用于出射具有第一波长的第一光束；所述透镜组以及所述第一匀光部件位于所述第一光束的传递路径上，所述透镜组用于对所述第一光束进行会聚，所述第一匀光部件用于匀化所述第一光束，经匀化后形成的第二光束入射至所述第一合光装置，所述第一合光装置位于所述透镜组的焦点位置处；所述波长转换装置位于经所述第一合光装置出射后的第三光束的传递路径上，用于受激产生具有第二波长的受激光。本申请缩小了第一合光装置扩展量分光所需的区域的面积，提高了系统的均匀性以及效率。本发明还提供了一种包括上述光源装置的投影设备。

Description

一种光源装置以及投影设备
技术领域
本发明涉及光源技术领域，特别是涉及一种光源装置以及投影设备。
背景技术
激光作为一种亮度高、单色性好、方向性好的光源，近些年在投影装置中得到了广泛的应用。单色高亮度的照明光源对显示图像的质量起着重要的作用，对投影装置的性能有极大的提高，因此，激光已经成为投影装置的主要光源之一。但是，由于激光的光场在整个截面上通常不具有均匀分布的光强，比如激光的高斯分布，使得激光在照明区域内光场分布不均匀。对于照明均匀性要求很高的激光投影装置，光强分布的不均匀性将直接影响到系统的性能。
目前，现有激光光源采用扩展量分光的形式。激光先经过匀光方棒的匀光后经过中继系统将方棒的端面成像到荧光轮上，因此入射到荧光轮的光斑较为均匀，光功率密度较低。但是，经过区域分光膜片时面积较大。相对于其他光来说，与入射光波长相同或相近的光损失较多，并且其角度分布不均匀，对系统的光均匀性有较大的影响。
因此，如何进一步提升光源的效率以及均匀性是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种光源装置以及投影设备，目的在于提升光源的效率以及均匀性，以提高显示图像的质量。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光源装置，包括：
第一光源模块、透镜组、第一匀光部件、第一合光装置以及波长转换装置；
所述第一光源模块用于出射具有第一波长的第一光束；
所述透镜组以及所述第一匀光部件位于所述第一光束的传递路径上，所述透镜组用于对所述第一光束进行会聚，所述第一匀光部件用于匀化所述第一光束，经匀化后形成的第二光束入射至所述第一合光装置，所述第一合光装置位于所述透镜组的焦点位置处；
所述波长转换装置位于经所述第一合光装置出射后的第三光束的传递路径上，用于受激产生具有第二波长的受激光。
可选地，所述第一匀光部件为多个透镜组成的微透镜阵列，所述第一光束由所述微透镜阵列的入光口入射，并由所述微透镜阵列的出光口出射至所述第一合光装置。
可选地，所述透镜组为第一聚光镜，所述第一合光装置位于所述第一聚光镜的焦点位置处；
或者所述透镜组为多个透镜的组合，所述第一合光装置位于光束传递路径上最接近所述第一合光装置的透镜的焦点位置处。
可选地，所述第一光源模块为第一激光阵列，所述第一激光阵列的长宽比例与空间光调制器的微镜阵列的长宽比例相同。
可选地，还包括：压缩透镜组，位于光束传递路径上所述第一匀光部件之前，用于对所述第一光束的光斑进行压缩。
可选地，所述压缩透镜组包括压缩正透镜或压缩负透镜中的一种或多种。
可选地，还包括：
第二光源模块，用于出射具有第三波长的第四光束；
以及第二合光装置，位于所述第一光束以及所述第四光束的光路上，用于透射或反射所述第一光束及相应反射或透射所述第四光束。
可选地，
所述第一光源模块为蓝激光阵列，所述第二光源模块为红激光阵列，所述第一合光装置对所述第一光束以及所述第四光束经所述第一匀光部件匀光后的光束进行合光。
可选地，所述第一合光装置为二向色镜，用于对所述第二光束进行分光，第一分光透射或反射至所述波长转换装置。
可选地，还包括：
散射板，与所述第一合光装置的第一分光相对应，第二分光反射或透射至所述散射板。
可选地，还包括：
第三光源模块，第二匀光部件以及第三合光装置；
所述第三光源模块用于出射具有第四波长的第五光束；
所述第二匀光部件位于所述第五光束的传递路径上，以匀化所述第五光束，将匀化后形成的第六光束与所述第二光束一并入射至所述第三合光装置后，入射至所述第一合光装置。
可选地，所述第一光源模块为红激光阵列，所述第三光源模块为蓝激光阵列，所述第二匀光部件为匀光方棒，所述第一合光装置将中间部分的蓝光入射至散射板上，其余部分的蓝光和红光入射到所述波长转换装置。
本发明还提供了一种投影设备，包括上述任一种光源装置。
本发明所提供的光源装置以及具有光源装置的投影设备，通过透镜组以及第一匀光部件，对第一光源模块出射的光束进行会聚以及匀化，经匀化后的形成的光束入射至第一合光装置上，第一合光装置位于透镜组的焦点位置处，将第一光源模块的面分布成像到波长转换装置上，缩小了第一合光装置扩展量分光所需的区域的面积，提高了系统的均匀性以及效率。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一所提供的光源装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一所提供的光源装置的波长转换装置上的光斑的形状示意图；
图3为本发明中各激光芯片在第一分光装置上的光斑的形状示意图；
图4为本发明所提供的光源装置的实施例二的结构示意图；
图5为本发明所提供的光源装置的实施例三的结构示意图；
图6为本发明所提供的光源装置的实施例四的结构示意图；
图7为本发明所提供的光源装置的实施例五的结构示意图；
图8为本发明所提供的光源装置的实施例六的结构示意图；
图9为本发明所提供的光源装置的实施例七的结构示意图；
图10为本发明所提供的光源装置的实施例八的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，为本发明实施例一所提供的光源装置的结构示意图。参见图1所示，本发明光源装置包括：
第一光源模块1、透镜组2、第一匀光部件3、第一合光装置4以及波长转换装置5。
其中，第一光源模块1用于出射具有第一波长的第一光束；
透镜组2以及第一匀光部件3位于第一光束的传递路径上，透镜组2用于对第一光束进行会聚，第一匀光部件3用于匀化第一光束，经匀化后形成的第二光束入射至第一合光装置4，第一合光装置4位于透镜组2的焦点位置处；
波长转换装置5位于经第一合光装置4出射后的第三光束的传递路径上，用于受激产生具有第二波长的受激光。
本发明所提供的光源装置，通过透镜组以及第一匀光部件，对第一光源模块出射的光束进行会聚以及匀化，经匀化后的形成的光束入射至第一合光装置上，第一合光装置位于透镜组的焦点位置处，将第一光源模块的面分布成像到波长转换装置上，缩小了第一合光装置扩展量分光所需的区域的面积，提高了系统的均匀性以及效率。
第一光源模块1可以为固态光源LED或者激光。本实施例中，可具体采用第一激光阵列，第一激光阵列的长宽比例与空间光调制器的微镜阵列的长宽比例相同。通过这样的设置，能够提高效率，使得光学扩展量匹配，方便后续光路的匀光、光整形等处理。
透镜组2可以为第一聚光镜。当透镜组为单个透镜时，如图1所示，第一合光装置4位于该聚光镜的焦点位置处。此外，当透镜组2为多个透镜的组合时，第一合光装置4位于光束传递路径上最接近第一合光装置的透镜的焦点位置处。
第一匀光部件3用于匀化第一光束，使得第一光束的光强部分均匀，从而提高显示图像的质量，进而改变投影装置的性能。第一匀光部件3可以具体为多个透镜组成的微透镜阵列，第一光束由所述微透镜阵列的入光口入射，并由所述微透镜阵列的出光口出射至所述第一合光装置。此外，第一匀光部件还可以为复眼透镜对。其他能够实现匀光的元件均可，并不限于这两种。
本实施例中，微透镜阵列可以为多个相同的透镜组成的阵列，也可以为多个不同的透镜组成的阵列。多个透镜的阵列可以采用矩形排列、六角形排列或者三角形排列的方法，这均不影响本发明的实现。
当第一光束入射至微透镜阵列的多个透镜时，每个透镜将第一光束分割为尺寸相同的子光束，多个子光束再经过第一合光装置的聚光作用，在第一合光装置的焦面上叠加形成均匀光场，从而实现对第一光束的匀光，即多个透镜的阵列的匀光原理是将第一光束分割成若干个尺寸相同的子光束，再使子光束相互累加实现匀光，因此，光场分布的均匀程度取决于分割成的子光束的个数或者透镜的个数，而子光束的个数又取决于透镜的个数。例如，当第一匀光部件包含3个透镜时，第一光束被分割成3个子光束，因此，透镜个数越多，第一光束被分割成的子光束也越多，得到的光束的光程分布越均匀。当然第一匀光部件包含的透镜个数具有由设计人员根据实际情况而定，并非越多越好。并且，由于第一光束通过多个透镜的阵列时，无需经过多次反射，因此可获得较高的能量利用率。较佳的，多个透镜可以通过镀增透膜并选用在工作波长(本实施例中为第一波长)吸收系数较小的材料制成，以进一步提高能量利用率，但不以此为限。此外，多个透镜阵列的厚度小于积分棒的长度，有利于减小装置的轴向尺寸。
第一合光装置4可以具体为二向色镜。在第一光源模块1为蓝激光阵列的情况下，该二向色镜的镀膜形式为中间区域透射蓝色光束，反射除蓝色光以外的其他颜色光，例如，具体可以为反射黄色光束，该黄色光束与未激发的蓝色激光合为白光，其余区域对入射光束全部反射。
波长转换装置5可以具体包括：荧光收集透镜以及荧光轮。其中，荧光轮可以分为透光区域以及转换区域；因波长转换装置的旋转，使得入射光束入射到透光区域时，穿透透光区域，使得入射光束入射到第一转换区域时，第一转换区域发射出具有第二波长的出射光束。较佳的，第一转换区域涂覆有荧光粉，因入射光束入射到荧光粉上，第一转换区域产生第二波长的出射光束。且因涂覆的荧光粉的不同，第一转换区域发出的光束的波长也不同。例如，若第一转换区域涂覆有红光荧光粉，因蓝光的频率较红光高，因而当第一光源模块1发出的蓝色光束入射至第一转换区域时，激发红光荧光粉而产生红光，红光的波长大于蓝光的波长。若第一转换区域涂覆有黄光荧光粉，则当第一光源模块l发出的蓝色光束入射至第一转换区域时，激发黄光荧光粉而产生黄光。于实际应用中，波长转换装置为可旋转的荧光轮。此外，需要说明的是，为了减少光损，上述波长转换装置5亦可以设计成全反射型，即入射至波长转换装置5的光束全部用于激发波长转换装置5上的荧光粉以产生新的光束，而不会穿透波长转换装置5，具体由设计人员根据实际情况而定。
本实施例将激光阵列的长宽比例与空间光调制器的微镜阵列的比例设为一致，然后直接经过透镜组进行聚焦，将第一合光装置置于聚光镜的焦点处，聚焦后的激光再经过荧光收集系统后会在荧光轮上形成均匀分布的光斑，该光斑的形状为矩形，其长宽比例与SLM的长宽比例相一致。
图2为采用微透镜阵列后在荧光轮上生成的光斑形状示意图；图3为本发明中各激光芯片在第一分光装置上生成的光斑的形状示意图。实施例二至七中任一实施例的第一光源模块和/或第二光源模块在第一合光装置或第三合光装置上的光斑具有类似于图3所示的形状。
通过图3可以发现，本申请能够使得各激光芯片在二向色镜上的光斑形状缩小。。这样，对应于二向色镜上所设置的具有透射激发光(例如蓝光或/和红光)反射受激光(例如黄光)功能的镀膜形状也相应缩小，由此可以减少未激发的激发光经过荧光轮反射而经过该镀膜所造成的损失。
第一光源模块在第一合光装置上光斑具体形状可根据激光发光源芯片的形状而定。如当发光源为激光阵列时，由矩形缩小为近似一条线形，这样使得整个装置减少了未激发激发光和/或与激发光波长相同或相近的光的损失，提高了系统的均匀性。具体地，发光源在二向色镜上的成像形状满足下式：f1×s1＝f2×s2，其中，f1准直透镜焦距，s1为激发光芯片(无论单个还是阵列中的每个)，面积f2为最接近二向色镜的会聚透镜的焦距，s2为二向色镜上的光斑面积。
此外，本实施例在透镜组以及第一匀光装置之间加入第一匀光部件，对光斑进行分割，使其在荧光轮上的光斑得到均匀化，提高了荧光轮的激发效率。
在上述实施例的基础上，本发明所提供的光源模块还可以进一步包括：
压缩透镜组6，位于光束传递路径上第一匀光部件3之前，用于对第一光束的光斑进行压缩。
具体地，压缩透镜组包括压缩正透镜或压缩负透镜中的一种或多种。
如图4本发明所提供的光源装置的实施例二的结构示意图以及图5本发明所提供的光源装置的实施例三的结构示意图所示。与上述实施例相比，本实施例中增加了压缩透镜组6，可应用于大孔径的激光阵列中。由于第一聚光透镜的口径较大，因此焦距会变长，导致区域的面积也会变大。所以需要采用压缩透镜组6将激光的光斑进行压缩，从而缩小区域的大小。实施例二中的压缩透镜组为压缩正透镜61，而实施例三中的压缩透镜组采用压缩负透镜62，可以减小系统的体积。实施例二以及实施例三中还可以包括第二聚光镜63，与压缩正透镜61或压缩负透镜62共同构成压缩透镜组。
在上述任一实施例的基础上，本发明所提供的光源装置还可以进一步包括第二光源模块7以及第二合光装置8。
其中，第二光源模块7用于出射具有第三波长的第四光束；
第二合光装置8位于第一光束以及第四光束的光路上，用于透射或反射第一光束及相应反射或透射第四光束。
本实施例中第一光源模块1可以为蓝激光阵列，第二光源模块6可以为红激光阵列，第一合光装置4对第一光束以及第四光束经第一匀光部件3匀光后的光束进行合光。
第一合光装置为二向色镜，用于对所述第二光束进行分光，第一分光透射或反射至所述波长转换装置。
请参照图6本发明所提供的光源装置的实施例四以及图7本发明所提供的光源装置的实施例五所示。如图6所示，第一光源模块1出射的光束与第二光源模块7出射的光束，经第二合光装置8合光后，经第一匀光部件3进行匀光，匀化后形成的光束入射至第一合光装置4，经第一合光装置4合光后，透射光束进入至荧光轮。本实施例中，第一合光装置具体为区域膜片，其镀膜形式为中间区域透射红光以及蓝光的光束，反射绿光的光束，其余部分入射光束则全部反射。
而图7中的区域膜片的分光性能则由入射光的透射改为反射，即中间区域反射红光、蓝光的光束，透射绿光的光束，其余部分入射光束则全部透射。与实施例四相比，本实施例可以进一步提升系统的效率以及可靠性。
本实施例中，第一光源模块1或/和第二光源模块7中的至少一个发光部件在第一合光装置4上形成的光斑的形状与发光部件的形状相适配。
需要指出的是，各包括红激光阵列的实施例中，优选的是，只有在蓝光激发红荧光区时，蓝、红激光才是同时经第一匀光部件(合光)入射至波长转换装置的，其他情况下，蓝光都是单独入射至波长转换装置(也就是此时并不存在合光)。
本发明所提供的光源装置的实施例六如图8所示，与上一实施例相比，本实施例中增加了散射板9，第一合光装置4的第一分光入射至后续的波长转换装置5，，而第二分光通过反射或透射至该散射板9。本实施例中，第一光源模块1为蓝激光阵列，第二光源模块7为红激光阵列，入射的蓝光部分由第一合光装置4分为两个部分，大部分反射到荧光轮，以激发荧光粉，小部分光透射到散射板9。本实施例可降低荧光轮上产生的热量，提升荧光轮的效率。
此外，本发明所提供的光源装置的实施例七如图9所示。该装置还可以进一步包括：
第三光源模块10，第二匀光部件11以及第三合光装置12。
第三光源模块10用于出射具有第四波长的第五光束；
第二匀光部件11位于第五光束的传递路径上，以匀化第五光束，将匀化后形成的第六光束与第二光束一并入射至所述第三合光装置12后，入射至第一合光装置4。
其中，第一光源模块1可以具体为红激光阵列，第三光源模块10可以具体为蓝激光阵列，第二匀光部件11为匀光方棒，第一合光装置4将中间部分的蓝光入射至散射板上，其余部分的蓝光和红光入射到波长转换装置5。
蓝激光部分采用方棒匀光，匀化后的光经过中继系统成像到荧光轮上，红光部分经透镜组、第一匀光部件匀光。蓝激光经过中继系统后的光斑为大口径光斑，其中中间部分的蓝光入射到散射板9上，其余部分的蓝光和红光入射到荧光轮上。中心区域的大小可由红光部分以及需分配的蓝光的比例来确定，原则是使得红光的效率最大化。另外，该方案解决了入射到区域膜片上蓝光功率密度过高的问题，防止区域膜片烧毁，使得系统的可靠性得到保证。
第一光源模块1和/或第三光源模块可以与反射元件配合使用，以使第一光源模块1发射的光束的光轴发生变化，从而利于光源装置的整体结构的排布，以使其更加紧凑。如图9所示，红激光阵列发射第一光束，经透镜组后，入射至反射元件，其光轴被旋转90度后入射至第一匀光部件3。需要说明的是，反射元件的作用在于改变光路的方向，使结构紧凑，但并非是必要使用的。在实际中，设计人员亦可根据实际光源装置的布局和空间情况，决定是否需要使用。
另外，本发明所提供的光源装置的实施例八如图10所示。以波长转换装置为包括荧光收集透镜和荧光轮为例来说，上述各实施例中的波长转换装置的荧光轮采用反射式荧光轮，而本实施例的光源装置与以上各实施例的光源装置的最主要区别即在于荧光轮采用透射式荧光轮，具体来说，可参照图2和上述实施例一的相关描述，第一光源模块1’发出的具有第一波长的第一光束经过透镜组2’、第一匀光部件3’、第一合光装置4’入射至波长转换装置5’，可知的是，第一匀光部件3’对应于第一光束入射区域设有镀膜，关于该镀膜，上文已有详细描述，在此不再赘述，因此，第一光束对透射式荧光轮上的荧光进行激发时，大部分的受激光(如图10中L2所示意)透射出透射式荧光轮而出射，由于受激光是朗伯分布，因此，难以避免的，小部分的受激光(如图10中L1所示意)将会射向第一合光装置4’，并且少部分的未激发的激发光(如图10中L1所示意)也可能会受散射、反射或其他方式的荧光轮作用也射向第一合光装置4’，因此，由于本实施例中，第一合光装置4’扩展量分光所需的区域的面积被最大程度地缩小，从而，当上述射向第一合光装置4’的小部分的受激光的波长与第一波长相同或相近时，上述受荧光轮作用的激发光和/或小部分的受激光经第一合光装置4’的镀膜而透射所造成的损失被极大地减少，另外，本实施例的第一合光装置4’的除镀膜以外的区域还可以将未激发的激发光进一步引导至上述透射式荧光轮以进一步激发作为波长转换材料的荧光粉，因此，也提高了激发光的激发效率。
此外，本发明还提供了一种投影设备，包括上述任一种光源装置。该光源装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该投影系统可以采用各种投影技术，例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)投影技术、数码光路处理器(DLP，Digital LightProcessor)投影技术。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的光源装置以及投影设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种光源装置，其特征在于，包括：
第一光源模块、透镜组、第一匀光部件、第一合光装置以及波长转换装置；
所述第一光源模块用于出射具有第一波长的第一光束；
所述透镜组以及所述第一匀光部件位于所述第一光束的传递路径上，所述透镜组用于对所述第一光束进行会聚，所述第一匀光部件用于匀化所述第一光束，经匀化后形成的第二光束入射至所述第一合光装置，所述第一合光装置位于所述透镜组的焦点位置处；
所述波长转换装置位于经所述第一合光装置出射后的第三光束的传递路径上，用于受激产生具有第二波长的受激光。
2.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述第一匀光部件为多个透镜组成的微透镜阵列，所述第一光束由所述微透镜阵列的入光口入射，并由所述微透镜阵列的出光口出射至所述第一合光装置。
3.如权利要求2所述的光源装置，其特征在于，所述透镜组为第一聚光镜，所述第一合光装置位于所述第一聚光镜的焦点位置处；
或者所述透镜组为多个透镜的组合，所述第一合光装置位于光束传递路径上最接近所述第一合光装置的透镜的焦点位置处。
4.如权利要求3所述的光源装置，其特征在于，所述第一光源模块为第一激光阵列，所述第一激光阵列的长宽比例与空间光调制器的微镜阵列的长宽比例相同。
5.如权利要求3所述的光源装置，其特征在于，还包括：压缩透镜组，位于光束传递路径上所述第一匀光部件之前，用于对所述第一光束的光斑进行压缩。
6.如权利要求5所述的光源装置，其特征在于，所述压缩透镜组包括压缩正透镜或压缩负透镜中的一种或多种。
7.如权利要求1至6任一项所述的光源装置，其特征在于，还包括：
第二光源模块，用于出射具有第三波长的第四光束；
以及第二合光装置，位于所述第一光束以及所述第四光束的光路上，用于透射或反射所述第一光束及相应反射或透射所述第四光束。
8.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，
所述第一光源模块为蓝激光阵列，所述第二光源模块为红激光阵列，所述第一合光装置对所述第一光束以及所述第四光束经所述第一匀光部件匀光后的光束进行合光。
9.如权利要求8所述的光源装置，其特征在于，所述第一合光装置为二向色镜，用于对所述第二光束进行分光，第一分光透射或反射至所述波长转换装置。
10.如权利要求9所述的光源装置，其特征在于，还包括：
散射板，与所述第一合光装置的第一分光相对应，第二分光反射或透射至所述散射板。
11.如权利要求1至3任一项所述的光源装置，其特征在于，还包括：
第三光源模块，第二匀光部件以及第三合光装置；
所述第三光源模块用于出射具有第四波长的第五光束；
所述第二匀光部件位于所述第五光束的传递路径上，以匀化所述第五光束，将匀化后形成的第六光束与所述第二光束一并入射至所述第三合光装置后，入射至所述第一合光装置。
12.如权利要求11所述的光源装置，其特征在于，所述第一光源模块为红激光阵列，所述第三光源模块为蓝激光阵列，所述第二匀光部件为匀光方棒，所述第一合光装置将中间部分的蓝光入射至散射板上，其余部分的蓝光和红光入射到所述波长转换装置。
13.一种投影设备，其特征在于，包括如权利要求1至12任一项所述的光源装置。
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