CN109164668A - 一种激光光源及激光投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种激光光源及激光投影系统，用以简化光路系统，满足激光器小型化的要求，本发明实施例提供的激光光源包括激光器以及与所述激光器相连的光棒，所述光棒的入射口与所述激光器的出射口相连；所述光棒的第一截面在所述光棒入射口处的第一边的长度大于所述第一截面在所述光棒出射口处的第二边的长度，所述光棒的第一截面为垂直于所述光棒的入射口并与快轴方向平行；和/或所述光棒的第二截面在所述光棒入射口处的第三边的长度大于所述第二截面在所述光棒出射口处的第四边的长度，所述光棒的第二截面为垂直于所述光棒的入射口并与慢轴方向平行。

Description

一种激光光源及激光投影系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种激光光源及激光投影系统。
背景技术
激光显示投影技术是新兴的投影显示技术，正快速发展，其亮度高、色域大、成本低是其显著的特点。目前双色激光器技术已成熟，但是三色激光器还在研发阶段，如何进一步提高亮度和色彩表现，使激光器更集成化，是现阶段正在研究的问题。
由于半导体激光器的快轴和慢轴之间差异性很大，即激光器发出的光束在快轴和慢轴上的发散角度不同。其中，激光器发出的光束在快轴方向上的发散角最大，在慢轴方向上的发散角最小。尤其是红色激光器，光束在快轴上的发散角高达35度，在慢轴上只有8度。目前现有的激光器设计方案是红蓝绿激光光路分开设计，通过在每一束光路上加准直透镜对光束进行准直，再利用后续光学器件进行光束整形，解决发散角差异性问题，最后利用合光方式进行整合。
上述激光投影系统的结构需要针对每个单色的激光光路设置一个透镜，成本较高，光学架构复杂，不满足激光器集成化小型化的发展要求。
发明内容
本发明提供一种激光光源及激光投影系统，用以在对光束进行匀光整形的同时，简化光路系统，满足激光器小型化的要求。
第一方面，本发明实施例提供一种激光光源，包括激光器以及与所述激光器相连的光棒，所述光棒的入射口与所述激光器的出射口相连；
所述光棒的第一截面在所述光棒入射口处的第一边的长度大于所述第一截面在所述光棒出射口处的第二边的长度，所述光棒的第一截面为垂直于所述光棒的入射口并与快轴方向平行；
和/或
所述光棒的第二截面在所述光棒入射口处的第三边的长度大于所述第二截面在所述光棒出射口处的第四边的长度，所述光棒的第二截面为垂直于所述光棒的入射口并与慢轴方向平行；
其中，所述激光器出射的光束在所述快轴方向上的发散角大于所述光束在所述慢轴方向上的发散角。
第二方面，本发明实施例提供一种激光投影系统，包括：如上所述的激光光源，光机照明组件以及光机镜头；
所述激光光源提供光束，所述光束从所述激光光源出射至所述光机照明组件后照射至所述光机镜头。
本发明实施例中，光棒的入射口设置有长边和短边，将光棒入射口的长边与激光器的快轴平行，光棒入射口的短边与激光器的慢轴平行。光束从激光器中射出后直接从光棒的入射口射入光棒，并在光棒中进行多次反射后从光棒的出射口射出。由于光棒入射口的第一边的长度大于出射口的第二边的长度，这样，快轴方向上的光线经过在光棒内的反射后，发散角被减小，相应的，第三边的长度小于第四边的长度，这样慢轴方向上的光线经过反射后，发散角被增大。因此，通过光棒减少了发散角的差异，对光斑进行了整形。又因为光束在光棒内经过多次反射，光束也同时进行了匀化。本发明实施例中，利用一个光棒对光束整体进行整形和匀化，相较于现有技术，无需针对每个单色的激光光路设置一个透镜，减少了光路中的部件。本发明实施例中光棒的多功能化，使得激光投影系统中能够减少独立整形光斑或匀化光束的部件的使用，因此进一步降低了成本，简化了光学架构，满足激光器集成化小型化的要求。此外，背景技术中的方案，大角度出射的光束无法被后面的光机照明系统利用而损失，本发明实施例中光束从激光器射出后直接射入了光棒，不会减少光源进入光棒的入射率，因而不会减少光束的利用率。
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为现有技术提供的激光投影系统的结构示意图；
图2为现有技术中激光器的发光示意图；
图3为光束在激光器的Y轴方向上的发散情况示意图；
图4为光束在激光器的X轴方向上的发散情况示意图；
图5为本发明实施例提供的激光光源的截面示意图；
图6为本发明实施例提供的光棒的第一截面的示意图以及快轴方向上的光线在光棒内反射的光路图；
图7为本发明实施例提供的光棒的第二截面的示意图以及慢轴方向上的光线在光棒内反射的光路图；
图8为本发明实施例提供的光束从激光器中射出时的光斑；
图9为本发明实施例提供的光束经光棒内部反射后的光斑；
图10为本发明实施例提供的光棒的入射口和出射口的示意图；
图11为本发明实施例提供的光棒为内部中空的桶状结构的示意图；
图12为本发明实施例提供的光棒的内壁和外壁之间通过粘合剂相粘合的示意图；
图13为本发明实施例提供的激光投影系统的示意图。
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。
如图1所示，为现有技术中的激光投影系统10的结构示意图。从激光光源11a-11c发出的光束，先经过准直透镜12a-12c准直为平行光束，然后多条平行光束经汇聚透镜13汇聚成一个小光斑，该光斑从矩形匀光棒14的入口射入。矩形匀光棒14是中空或实心的导光棒，用来对输入光束进行匀光。
现有技术中，激光光源11包括激光器阵列，激光器阵列中的每个激光器产生一束单色激光光束。与激光器阵列对应的，准直透镜12也包括准直透镜阵列，其中每个准直透镜与一个激光器相对应，激光器的发光位置位于对应的准直透镜的焦点上，其发出的光经过准直透镜后得以准直。
图2示出了激光器的发光示意图。如图2所示，激光器200的发光面为长方形，经过该长方形短边201所在截面上的光发散角为α，经过该长方形长边202所在截面上的光发散角为β，其中α大于β。在激光器发光面上建立坐标系，其中，将垂直于激光器发光面的方向为Z轴，即光束射出方向作为Z轴，长方形短边201所在的方向为Y轴，长方形长边202所在的方向为X轴。
图3示出了光束在激光器的Y轴方向上的发散情况；图4示出了光束在激光器的X轴方向上的发散情况。如图3和图4所示，从激光器中发射出的光束在Y轴上的发散角大于光束在X轴上的发散角。具体的数值为：红光在X轴的发散角为9°，在Y轴上的发散角为65°；绿光在X轴上的发散角为11°，在Y轴上的发散角为46°；蓝光在X轴上的发散角为9°，在Y轴上的发散角为45°。
现有技术中为了解决光束的发散角差距问题，一般在每个单色光路上设置光学器件，对单色光束进行整形，再利用合光方式进行整合。该方法成本高、光学架构复杂。
为了解决以上问题，本发明实施例提供了一种激光光源。图5示出了本发明实施例提供的激光光源的截面示意图。如图5所示，激光光源500包括激光器501以及与激光器501相连的光棒502，光棒502的入射口与激光器501的出射口相连。
光棒的第一截面在所述光棒入射口处的第一边的长度大于所述第一截面在所述光棒出射口处的第二边的长度，所述光棒的第一截面为垂直于所述光棒的入射口并与快轴方向平行；和/或所述光棒的第二截面在所述光棒入射口处的第三边的长度大于所述第二截面在所述光棒出射口处的第四边的长度，所述光棒的第二截面为垂直于所述光棒的入射口并与慢轴方向平行。
其中，所述激光器出射的光束在所述快轴方向上的发散角大于所述光束在所述慢轴方向上的发散角。本发明实施例中，快轴即相当于上述描述中的Y轴，慢轴相当于X轴。
为了进一步地缩小发散角差距，达到更好的光斑整形效果，本发明实施例中第一边与第三边的长度之比大于1，且第二边与第四边的长度之比小于1。
图6示出了光棒的第一截面的示意图以及快轴方向上的光线在光棒内反射的光路图。其中，第一截面600的第一边601在光棒入射口处，第一截面600的第二边602在光棒出射口处，第一边601的长度大于第二边602的长度。因此，光棒侧壁，即第一边601与第二边602之间的边，与Z轴方向存在夹角，记为υ。
如图6所示，激光器发出的光线进入光棒时入射光线与Z轴方向的夹角为θ1，光棒的折射率为n，光线进入光棒后与Z轴方向的夹角为ω，则夹角θ1和夹角ω满足以下公式1：
此外，μM为进入光棒后第M次反射的光线与光棒侧壁法线之间的夹角，μM满足以下公式：
ω+μM+υ(2M-1)＝90°…………公式2
本发明实施例中，光棒在快轴方向上向内倾斜，因此光线在光棒内每经过一次反射，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υ，因而，相邻两次反射的入射角满足一下公式：
μM＝μM-1-2υ…………公式3
随着光棒的长度增加，光线的反射次数增多，每增加一次反射，下一次反射的入射角均减小，因而光线从光棒中射出时，出射光线与Z轴方向的夹角θ2，小于入射光线与Z轴方向的夹角θ1，即减小了快轴方向的发散角。
图7示出了光棒的第二截面的示意图以及慢轴方向上的光线在光棒内反射的光路图。其中，第二截面700的第三边701在光棒入射口处，第二截面700的第四边702在光棒出射口处，第三边701的长度小于第四边702的长度。
慢轴方向上，光线在光棒内的反射过程，与快轴方向上光线的反射过程正相反，光线从光棒中射出时，出射光线与Z轴方向的夹角，大于入射光线与Z轴方向的夹角，因此增大了慢轴方向的发散角。
这样，光束从光棒中射出后，其快轴方向的发散角被减小，慢轴方向的发散角被增大，减少快慢轴的发散角之间的差异。此外，由光棒射出的光斑也可看出这种效果。图8示出了光束从激光器中射出时的光斑，图9示出了光束经光棒内部反射后的光斑。图8和图9对比来说，光斑的长度被缩短，宽度被拉长，减小了光斑的长宽比，对光斑进行了整形。
为了使光棒与其它的光学器件更好地匹配，本发明实施例中光棒入射口或出射口的形状由与之相连的其它光学器件决定。具体的，光棒入射口的形状由激光器出射口的形状决定，光棒出射口的形状由激光光源之后的DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜设备)光阀入射口的形状决定。
因此，由于激光器的出射口为矩形，因此，本发明实施例中光棒入射口的形状设置为矩形。且由于DMD光阀入射口的形状为矩形，因此，本发明实施例中光棒出射口的形状也设置为矩形。
进一步地，光棒入射口的长边方向对应快轴方向，光棒入射口的短边方向对应慢轴方向，即光棒入射口的长边与激光器出射口的长边对齐，光棒入射口的短边与激光器出射口的短边对齐。
这样，光束从激光器中发射出来后，直接射入到光棒中，因此，光棒可以充分收集入射光能量，光束没有损失。相较于现有技术，激光器中大角度出射的光束无法被后续的光学器件利用而损失，本发明实施例中，提高了激光投影系统对光源的利用率。
此外，光棒入射口的长边与光棒出射口的短边相平行，光棒入射口的短边与光棒出射口的长边相平行。如图10所示，光棒的入射口为长条状的矩形，出射口为扁平状的矩形。
需要说明的是，本发明实施例中，光棒入射口以及出射口的形状仅为举例，对光棒入射口的形状，以及光棒出射口的形状不做限制。其中，入射口的形状可以为正方形、长方形、椭圆形、圆形等；出射口的形状也可以为正方形、长方形、椭圆形、圆形等；且入射口的形状与出射口的形状不要求一致。
本发明实施例中的光棒还具有匀光效果。光束在光棒中反射的次数越多，其匀光效果越好，但又需要考虑到激光投影系统整体的小型化要求，因此，本发明实施例中将光棒侧壁的长度设置为35mm。
本发明实施例中，光棒可以为内部中空的桶状结构，也可以为内部填充满透明材料的柱状结构。
图11示出了光棒为内部中空的桶状结构的示意图。此时，光棒包括了内壁和外壁。此时，内壁和外壁之间通过粘合剂相粘合，如图12所示。
当光棒为内部填充满透明材料的柱状结构时，为了实现光棒内部对光线全反射，该透明材料的折射率满足以下公式：
其中，μM为所述光束射入所述光棒后第M次反射的光线与所述光棒的侧壁法线之间的夹角，μ为所述光束的全反射临界角，n为所述透明材料的折射率。
下面对本发明实施例中光棒各部分的尺寸作进一步详细描述。
实施例一、
激光器出射口为矩形，长宽比为16:10。DMD光阀的形状为矩形，长宽比为16:9。光棒入射口和出射口均为矩形，以平行于X轴的边为横边，平行于Y轴的边为纵边，光棒入射口的纵横比为9:16，出射口的纵横比为16:9。
在实施例一中，由于光棒入射口的尺寸与激光器的出射口尺寸未完全对应，因此，无法对激光器中射出的光束进行高效收集。
实施例二、
激光器出射口为矩形，长宽比为16:10。DMD光阀的形状为矩形，长宽比为16:9。光棒入射口和出射口均为矩形，入射口的纵横比为10:16，出射口的纵横比为16:10。光棒的长度为20+/-0.2mm。
在实施例二中，由于光棒长度较短，匀光效果未能达到最佳。同时，出射口的尺寸未与DMD完全匹配，因此无法高效利用光束。
实施例三、
激光器出射口为矩形，长宽比为16:10。DMD光阀的形状为矩形，长宽比为16:9。光棒入射口和出射口均为矩形，入射口的纵横比为10:16，出射口的纵横比为16:9。光棒的长度为35+/-0.2mm。
若光棒为内部中空的桶状结构，具体来说，入射口内径的尺寸为6.8+/-0.1mm×4.2+/-0.1mm，外径的尺寸为9+/-0.2mm×6.4+/-0.2mm；出射口内径的尺寸为3.5+/-0.1mm×5.6+/-0.1mm，外径的尺寸为5.35+/-0.2mm×7.8+/-0.2mm。
在实施例三中，光棒各部分的尺寸与现有的光学器件相匹配，即光棒入射口匹配激光器出射口的尺寸，光棒出射口匹配DMD的光阀，使得光束发散角的差距得到优化，发散角之差控制到20度以内。
本发明实施例中，光棒的入射口设置有长边和短边，将光棒入射口的长边与激光器的快轴平行，光棒入射口的短边与激光器的慢轴平行。光束从激光器中射出后直接从光棒的入射口射入光棒，并在光棒中进行多次反射后从光棒的出射口射出。由于光棒入射口的第一边的长度大于出射口的第二边的长度，这样，快轴方向上的光线经过在光棒内的反射后，发散角被减小，相应的，第三边的长度小于第四边的长度，这样慢轴方向上的光线经过反射后，发散角被增大。因此，通过光棒减少了发散角的差异，对光斑进行了整形。又因为光束在光棒内经过多次反射，光束也同时进行了匀化。本发明实施例中，利用一个光棒对光束整体进行整形和匀化，相较于现有技术，无需针对每个单色的激光光路设置一个透镜，减少了光路中的部件。本发明实施例中光棒的多功能化，使得激光投影系统中能够减少独立整形光斑或匀化光束的部件的使用，因此进一步降低了成本，简化了光学架构，满足激光器集成化小型化的要求。此外，背景技术中的方案，大角度出射的光束无法被后面的光机照明系统利用而损失，本发明实施例中光束从激光器射出后直接射入了光棒，不会减少光源进入光棒的入射率，因而不会减少光束的利用率。
本发明实施例还提供了一种激光投影系统，包括：上述实施例中的激光光源，光机照明组件以及光机镜头。图13示出了本发明实施例中激光投影系统的结构示意图。其中，激光光源中包括激光器和光棒，光机照明组件中包括照明镜片、TIR和DMD。如图13所示，所述激光光源提供光束，所述光束从所述激光光源出射至所述光机照明组件后照射至所述光机镜头，最后由光机镜头投影到屏幕上。
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)

1.一种激光光源，其特征在于，包括激光器以及与所述激光器相连的光棒，所述光棒的入射口与所述激光器的出射口相连；
所述光棒的第一截面在所述光棒入射口处的第一边的长度大于所述第一截面在所述光棒出射口处的第二边的长度，所述光棒的第一截面为垂直于所述光棒的入射口并与快轴方向平行；
和/或
所述光棒的第二截面在所述光棒入射口处的第三边的长度大于所述第二截面在所述光棒出射口处的第四边的长度，所述光棒的第二截面为垂直于所述光棒的入射口并与慢轴方向平行；
其中，所述激光器出射的光束在所述快轴方向上的发散角大于所述光束在所述慢轴方向上的发散角。
2.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述第一边与所述第三边的长度之比大于1，且所述第二边与所述第四边的长度之比小于1。
3.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述光棒入射口的形状由所述激光器出射口的形状决定，所述光棒出射口的形状由所述激光光源之后的数字微镜设备DMD光阀入射口的形状决定。
4.如权利要求3所述的激光光源，其特征在于，所述光棒入射口的形状和所述光棒出射口的形状均为矩形。
5.如权利要求4所述的激光光源，其特征在于，所述光棒入射口的长边与所述光棒出射口的短边相平行，所述光棒入射口的短边与所述光棒出射口的长边相平行。
6.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述光棒侧壁的长度为35mm。
7.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述光棒为内部中空的桶状结构。
8.如权利要求1所述的激光光源，其特征在于，所述光棒为内部填充满透明材料的柱状结构。
9.如权利要求8所述的激光光源，其特征在于，所述透明材料的折射率满足以下公式：
其中，μM为所述光束射入所述光棒后第M次反射的光线与所述光棒的侧壁法线之间的夹角，μ为所述光束的全反射临界角，n为所述透明材料的折射率。
10.一种激光投影系统，其特征在于，包括：如权利要求1至9任一项所述的激光光源，光机照明组件以及光机镜头；
所述激光光源提供光束，所述光束从所述激光光源出射至所述光机照明组件后照射至所述光机镜头。
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