CN107870386A - 一种光导管及照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光导管及照明系统，用以提高光导管的收光效率照明系统的光能利用效率，由于光导管的入光面为圆形或者椭圆形，与光源的入射光斑的形状相同或相近，根据光学扩展量守恒原理，光导管的入光面收光角度范围与光源的出射角度范围一致，且面积相同或相近，因而可以将更多的光收入到光导管中，提高了收光效率；另一方面，由于光导管的出光面为矩形，与光阀的入光面的形状相同，因而可以有效保证光导管的出射光尽可能地投射到光阀的入光面，从而提高了出射光的光能利用效率。

Description

一种光导管及照明系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光导管及照明系统。

背景技术

激光显示投影技术是新兴的投影显示技术，激光投影产品相对于LED投影产品具有更高的亮度和寿命。

激光透镜产品中包含照明组件，照明组件主要由匀光部件和少量透镜组成，匀光部件有复眼透镜和光导管两种。由于激光的能量过高，一般采用光导管进行匀光。

现有技术中使用的光导管主要是以矩形光导管为主，但利用矩形光导管对光源进行收光时，由于光导管光入光面的光束角度范围与光源出射的光束角度范围要一致，并且遵循光学扩展守恒定律，矩形光导管的入光面是矩形，而光源光斑是圆形或近似圆形，因而矩形光导管在收光时，无法将光源光斑完全收入到光导管中，造成一定程度的光源浪费，导致矩形光导管的收光效率较低。

综上所述，现有技术中使用的光导管存在收光效率低的问题。

发明内容

本发明提供一种照明系统，用以提高光导管的收光效率。

一方面，本发明实施例提供一种光导管，所述光导管的入光面为圆形或椭圆形，用于将来自光源的光收入所述光导管；所述光导管的出光面为矩形，用于将所述光导管中的光出射到光阀的入光面。

另一方面，本本发明实施例提供一种照明系统，如上所述的光导管、第一球面镜组、反射镜组、第二球面镜组、全内反射TIR棱镜；

所述光导管出射的光依次经所述第一球面镜组、所述反射镜组及第二球面镜组，形成第一段光路；

所述第一段光路经所述TIR棱镜进行全内反射后形成第二段光路，且所述第二段光路以预设角度发射至光阀的入光面。

本发明实施例提供的光导管，由于光导管的入光面为圆形或者椭圆形，与光源的入射光斑的形状相同或相近，根据光学扩展量守恒原理，光导管的入光面收光角度范围与光源的出射角度范围一致，且面积相同或相近，因而可以将更多的光收入到光导管中，提高了收光效率；另一方面，由于光导管的出光面为矩形，与光阀的入光面的形状相同，因而可以有效保证光导管的出射光尽可能地投射到光阀的入光面，从而提高了出射光的光能利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光导管结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光导管入光面和出光面示意图；

图3为本发明实施例提供的光线路线示意图；

图4为现有技术中的矩形实心光导管入口端照度图；

图5为现有技术中的矩形空心光导管入口端空心处照度图；

图6为现有技术中的矩形空心光导管入口端玻璃壁处照度图；

图7为本发明实施例提供的光导管入口端照度图；

图8为现有技术中的矩形实心光导管出口端照度图；

图9为现有技术中的矩形空心光导管出口端照度图；

图10为本发明实施例提供的光导管出口端照度图；

图11为本发明实施例提供的一种照明系统；

图12为本发明实施例提供的照明系统光线示意图；

图13为本发明实施例提供的光源架构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例通过改变光导管的形状，对于光导管的入光面，为使更多的光能被光导管收进去，提高光导管的收光效率，因此将光导管的入光面设置成与光斑形状近似的圆形或者椭圆形，从而提高光导管的收光效率；对于光导管的出光面，由于光阀的入光面的形状的限制，为提高光导管出射的光在照明系统中的光能利用效率，因而使光导管的出光面与光阀的入光面的形状保持一致，从而可以提高照明系统对光能的利用率。

下面结合附图，对本发明实施例提供的光导管做详细说明。

参照图1，为本发明实施例提供的光导管结构示意图，其中，光导管的入光面为圆形或椭圆形，用于将来自光源的光收入所述光导管，光导管的出光面为矩形，用于将光导管中的光出射到光阀的入光面。

其中，光阀的入光面指的是照明系统中光阀的入光面，例如，光阀可以是DMD(Digital Micromirror Devices，数字微透镜装置)等。

通过本发明实施例中设计使用的光导管，具有如下有益效果：

对于光导管的入光面，由于光导管的入光面为圆形或者椭圆形，与光源的入射光斑的形状相同或相近，因而可以将光源的入射光中的全部光或者接近全部的光收入到光导管中，提高了收光效率；另一方面，由于光导管的出光面为矩形，与光阀的入光面的形状相同，因而可以有效保证光导管的出射光尽可能地全部投射到光阀的入光面，从而提高了出射光的光能利用效率。

下面以光导管的入光面为圆形为例，对如何确定光导管入光面的半径，出光面的矩形的长和宽，以及如何得到光导管的具体结构，结合附图，做进一步地说明。

可选地，本发明实施例中的光导管由光导管的入光面向光导管的出光面倾斜。

通过如上所述的光导管结构，由于光导管的入光面向光导管的出光面倾斜，因而可以增加光在光导管中的反射次数，每次反射都会形成虚拟光源像，多次反射形成二维的虚拟光源矩阵，从而使得光更加的均匀。即通过本发明实施例中的光导管，可使出射光更加均匀且具有更高的亮度。

下面示例性地给出一种将光导管设置成由光导管的入光面向光导管的出光面倾斜结构的方法。

参照图1，可选地，沿所述光导管的光轴方向有四个截面，其中，所述四个截面分别是所述光导管的入光面边缘处的顶点与所述光导管的出光面的一条边构成的截面，所述四个截面分别对应的所述光导管的入光面边缘处的顶点中任意相邻的两个顶点与所述入光面的中心构成直角。

具体地，图1所示的光导管，是通过将一个圆柱形的光导管(假设其半径为R)通过在圆柱形光导管的侧面上削去四个截面结构而得到的，具体地，可参照图2，为本发明实施例提供的光导管入光面和出光面示意图。

对于一个圆柱形的光导管，在圆形入光面的边缘处选取四个顶点A、B、C、D，以及在圆形出光面上根据需要的矩形的长和宽，确定出一个矩形EFGH，然后对圆柱形的光导管通过削去四个截面得到本发明实施例中使用到的具有圆形入光面和矩形出光面的光导管，具体地，削去的四个截面为：由顶点A与顶点E、顶点H构成的截面1，由顶点B与顶点E、顶点F构成的截面2，由顶点C与顶点F、顶点G构成的截面3，由顶点D与顶点G、顶点H构成的截面4，最终得到如图1所示的光导管。

下面对本发明实施例中圆形入光面的半径R，矩形出光面的长边a、短边b，以及光导管的长度L是如何确定和选取的，来做具体说明。

首先，在本发明实施例中，光导管的圆形入光面的半径R是根据光源的光斑的大小来确定的，可选地，所述光导管的入光面的面积(πR²)与所述光源的入射光斑的面积相同。

其次，在本发明实施例中，导管的矩形出光面的长a(即长边的长度)、宽b(即短边的长度)是根据下列方式确定的：

光导管的出光面矩形的长宽比与光阀的入光面的长宽比相同，因而在确定了使用的光阀的尺寸之后，可以确定光阀的入光面的长宽比，以及在确定了放大倍率之后，就可以确定光导管的出光面矩形的长宽。举例来说，假设光阀的入光面的长为16，宽为9，且放大倍率为1.5，则可以确定光导管的矩形出光面的长a＝10.67，宽b＝6。

在确定了光导管的入光面的半径R以及出光面的长a和宽b之后，就可以根据图2所示的方法，对半径为R的圆柱形的光导管进行截取掉四个截面之后，得到如图1所示本发明实施例中使用的光导管。

进一步地，本发明实施例中的光导管为实心的光导管，光在实心光导管中进行全反射，能量几乎没有损失，从而可以提高光能使用效率。

当本发明实施例使用实心的光导管时，下面对如何确定光导管的长度L进行推导和解释说明。

根据光导管出光面的光学扩展量和光阀上的光学扩展量守恒，当光阀确定了，则可确定光导管出光面的光学扩展量。同样的，光导管入光面的光学扩展量和光导管出光面的光学扩展量也守恒。即有：

πR²sin²θ＝ab sinθ₁sinθ₂，

ab sinθ₁sinθ₂＝A sin²θ₃。

其中，R为光导管入光面的半径，θ为光导管入光面的入射角度，a为光导管出光面的长边长度，b为光导管出光面的短边的长度，θ₁为光导管出光面的长边出射角度，θ₂为光导管出光面的短边出射角度，θ₃为光阀的入光面的入射角度，A为光阀的入光面的有效区域的面积。

其中，光阀的入光面的有效区域的面积A和光阀的入光面的入射角度θ₃，均是根据需要预先确定的，在确定了A和θ₃后，由于a和b可以根据之前描述的方法确定出，因此可以确定出θ₁和θ₂；由于R可以根据之前描述的方法确定出，因此可以确定出θ。下面结合图3来说明如何确定导管的长度L。其中，如图3为本发明实施例提供的光线路线示意图。

其中，光源的光线进入光导管的入射角为θ，光导管的折射率为n，光线进入光导管的之后的折射角为ω，则有：

如图3所示，α为所述四个截面中面积较大的两个截面与水平面的夹角，β_N为进入光导管后第N次反射的光线与光导管侧壁法线之间的夹角，因此有：

ω+β_N+α(2N-1)＝90°……(公式2)

由于随着光导管的长度增加，反射次数会增多。每增加一次发射，下一次反射的入射角相对于上一次反射的入射角，减少了2倍的倾角α，因而有：β_N＝β_N-1-2α。

并且为了实现对光导管内的光线进行全反射，因而有：

β_N≥β，且

其中，β为全反射临界角。

根据上述公式(1)、公式(2)和公式(3)，可以得到：

进一步地，将其中的ω换算成来θ表示，则有：

即，本发明实施例中，α与θ、n之间满足公式(5)的约束关系。

此外，光导管的长度L还满足如下约束关系：

因此，根据公式(5)和公式(6)，可以得知L满足如下约束关系：

因此，本发明实施例中，根据公式(7)可以得知光导管长度的最小值，因为实际应用中，为提高光导管收光效率和匀光效率，一般会将光导管长度在一定范围内设置的越长越好，但是光导管越长，将会导致成本增加，而上述公式(7)，可以确定光导管长度的最小值，为设计人员对光导管长度的选择提供依据。

下面将本发明实施例使用的光导管与现有技术中使用前后均为矩形端面的实心光导管以及前后均为矩形端面的空心光导管进行比较，来说明本发明中使用的光导管的有益效果：

在相同光源的情况下，使用相同长度但不同类型的光导管对光源进行匀光，矩形端面实心光导管的横截面尺寸与矩形端面空心光导管空心区域的横截面尺寸是相同的，并且，本发明实施例中的光导管的出光面与矩形端面实心光导管的大小也是相同的，则有：

当采用矩形端面实心光导管和矩形端面空心光导管时，将会有很大一部分的光被拦截掉了，此时，矩形端面实心光导管和矩形端面空心光导管的收光效率均在83％左右，而使用本发明实施例中的光导管，其收光效率达到了95％左右，相对于传统光导管收光效率提高了12％。

参照图4，为现有技术中的矩形实心光导管入口端照度图；参照图5，为现有技术中的矩形空心光导管入口端空心处照度图；参照图6，为现有技术中的矩形空心光导管入口端玻璃壁处照度图；参照图7，为本发明实施例提供的光导管入口端照度图。从中可以看出，本发明实施例提供的光导管，相较于现有技术中的矩形实心光导管，其具有更高的收光效率。

由于本发明实施例中的光导管存在倾角，在相同条件下，相对于没有倾角的光导管，会增加光在光导管内部的反射次数，提高系统的照度均匀性。此时，矩形端面实心光导管的照度均匀性为78.6％，矩形端面空心光导管的照度均匀性为79.3％，本发明实施例中的光导管的照度均匀性为81.3％。也就是说，矩形端面实心光导管和矩形端面空心光导管的照度均匀性几乎一致，但为满足全反射的条件，本方案光导管的倾角不是很大，因此，本发明实施例中的光导管的照度均匀性有所提高，但是幅度一定。但因为本发明实施例中的光导管利用的是全反射原理匀光，因此可以通过加长光导管长度的方式，提高系统的照度均匀性，同时，又能够保证能量不损失。

本发明实施例中，出光面为矩形，优选地，矩形的长宽比例与光阀的入光面的长宽比一致，从而经照明系统后入射到光阀的入光面时，可以适应光阀的的入光面形状，不会使得能量浪费。比如光阀的入光面长宽比是16:9时，光导管的出光面长宽比也为16:9。

参照图8，为现有技术中的矩形实心光导管出口端照度图；参照图9，为现有技术中的矩形空心光导管出口端照度图；参照图10，为本发明实施例提供的光导管出口端照度图，从中可以看出，本发明实施例通过将光导管设置成从入光面向出光面倾斜，增加了光在光导管中的反射次数，从而提高了出光面出光的均匀性；本发明实施例通过将光导管的入口端设置为与光源光斑形状接近的圆形或椭圆形，从而提高了收光效率且提高了光导管的出光亮度；同时，由于采用实心光导管结构，使得光导管内的光进行全反射，从而进一步地提高了光导管出光的亮度。

此外，现有技术中还有一种锥形的光导管，其形状通常是入光面小，出光面大，是根据光学扩展量守恒原理，使出光面的光发散角度得到压缩，减小后端照明系统的收光难度，减小设计难度。以及，锥形光导管的侧面倾角在四个面上通常一致，在本方案中，当出光面为矩形时，具有两种倾角，对光束反射角度的改变方式增多。

在本发明实施例中，因为光导管出光面面积小于入光面面积，也就是从入光面向出光面由大到小倾斜，这样使得光束随着光导管形状的变化，光束反射的法线向入光面倾斜，从而光束反射的次数增多，增强了匀化效率。

本发明实施例提供的光导管，由于光导管的入光面为圆形或者椭圆形，与光源的入射光斑的形状相同或相近，根据光学扩展量守恒原理，光导管的入光面收光角度范围与光源的出射角度范围一致，且面积相同或相近，因而可以将更多的光收入到光导管中，提高了收光效率；另一方面，由于光导管的出光面为矩形，与光阀的入光面的形状相同，因而可以有效保证光导管的出射光尽可能地投射到光阀的入光面，从而提高了出射光的光能利用效率。

实施例二

如图11所示，本发明实施例还提供一种照明系统，包括：

光导管101、第一球面镜组、反射镜组、第二球面镜组、TIR(Total InternalReflection，全内反射)棱镜102。

所述光导管101出射的光依次经所述第一球面镜组、所述反射镜组及第二球面镜组，形成第一段光路；所述第一段光路经所述TIR棱镜进行全内反射后形成第二段光路，且所述第二段光路以预设角度发射至光阀的的入光面，可选地，所述光阀为DMD。

其中，第一球面镜组包含第一镜片M3、第二镜片M4；反射镜组包含第一反射镜M1、第二反射镜M2，用于对照明系统光路进行转折；第二球面镜组包含第三镜片M5、第四镜片M6；其中，第一镜片M3、第二镜片M4、第三镜片M5、第四镜片M6均为球面镜，并且光导管101出射的光依次经所述第一球面镜组、所述反射镜组及第二球面镜组，形成第一段光路。

以及，所述第一段光路经所述TIR棱镜进行全内反射后形成第二段光路，且所述第二段光路以预设角度发射至光阀的入光面。

由光导管101出射后的光束经过M1～M6，以及TIR棱镜组成的照明光路，形成符合光阀入射要求的光斑，并入射至光阀的入光面。

具体地，第一段光路将光导管101出射的光束形成第一主光线平行光束，入射至TIR棱镜102上，由TIR棱镜102全内反射形成第二主光线平行光束，并将第二主光线平行光束按照预设入光角度发射至光阀的入光面。

其中，本发明实施例提供的照明系统中使用到的光导管101为上述实施例中提供的光导管。

本发明实施例中，为保证照明系统的小型化，可选地，可将光导管101与第一球面镜组之间的距离设置为小于目标阈值，具体地，可以拉近第一镜片到光导管101之间的距离(整个后端照明系统均向前拉近)，利于缩短光机照明光路部分。

本发明实施例提供的照明系统，使用了上述发明实施例提供的光导管，由于本发明实施例中的光导管相较于现有技术中的光导管，出光亮度更强且更均匀，从而也提高了照明系统的照明效率，具体地，提高了光路照射到光阀的入光面的亮度，以及提高了照明系统对光源的光的利用效率。

参考图12，为本发明实施例提供的照明系统光线示意图，可以看出，光源的光几乎全部被被光导管收入，并在光导管中进行全反射，使其达到100％的反射效率，提高了出光面出光的亮度和均匀性，从而提高了照明系统的照明效率。

此外，可选地，本发明实施中的光源是激光光源。

参考图13，为本发明实施例提供的光源架构示意图，其中，11为蓝色激光器，12为红色激光器，21为会聚透镜，用于对激光器发出的光斑进行缩束整形，22为二向色镜，允许蓝光透过，红光反射，23，41为荧光轮前后的准直透镜组，3为透射式荧光轮，具有蓝光透射区和荧光区，44为光导管，43为聚焦透镜，用于减小入射到光导管44入射端口的光斑大小。

其中，光导管44是使用本发明实施例提供的光导管，即为入光面为圆形或椭圆形，出光面为矩形的光导管。通过如图13所示的激光投影系统，可以得到激光光源，并将激光光源按照入射角为θ的角度投入到光导管44中。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光导管，其特征在于，

所述光导管的入光面为圆形或椭圆形，用于将来自光源的光收入所述光导管；

所述光导管的出光面为矩形，用于将所述光导管中的光出射到光阀的入光面。

2.如权利要求1所述的光导管，其特征在于，所述光导管的入光面的面积与所述光源的入射光斑的面积相同。

3.如权利要求1所述的光导管，其特征在于，所述光导管的出光面矩形的长宽比与所述光阀的入光面的长宽比相同。

4.如权利要求1所述的光导管，其特征在于，所述光导管由所述光导管的入光面向所述光导管的出光面倾斜。

5.如权利要求4所述的光导管，其特征在于，沿所述光导管的光轴方向有四个截面；

其中，所述四个截面分别是所述光导管的入光面边缘处的顶点与所述光导管的出光面的一条边构成的截面，所述四个截面分别对应的所述光导管的入光面边缘处的顶点中任意相邻的两个顶点与所述入光面的中心构成直角。

6.如权利要求5所述的光导管，其特征在于，所述光导管的入光面为圆形；所述光导管的长度满足以下约束条件：

<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

其中，L为所述光导管的长度，R为所述光导管的入光面的半径，b为所述光导管的出光面的短边的长度，α为所述四个截面中面积较大的两个截面与水平面的夹角，ω为所述光源进入所述光导管的入光面后的折射角的角度，n为所述光导管的折射率，N为光线在所述光导管内的反射次数。

7.如权利要求1所述的光导管，其特征在于，所述光导管为实心的光导管。

8.一种照明系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-7中任一项所述的光导管、第一球面镜组、反射镜组、第二球面镜组、全内反射TIR棱镜；

所述光导管出射的光依次经所述第一球面镜组、所述反射镜组及第二球面镜组，形成第一段光路；

所述第一段光路经所述TIR棱镜进行全内反射后形成第二段光路，且所述第二段光路以预设角度发射至光阀的入光面。

9.如权利要求8所述的照明系统，其特征在于，所述光导管与所述第一球面镜组之间的距离小于目标阈值。

10.如权利要求8所述的照明系统，其特征在于，所述光阀为数字微透镜装置DMD。