CN110221509B - 一种透镜片及激光投影装置 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种透镜片，位于缩束光路的出光端，该透镜片包括球形凹面和柱形面。该球形凹面位于上述透镜片的入光侧，与该缩束光路中的其他透镜片配合对入射的圆形光束进行会聚。该柱形面位于上述透镜片的出光侧，包括第一截面和第二截面，该第一截面出光方向的曲率半径大于该第二截面出光方向的曲率半径。使得原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。一方面增加了荧光粉的激发光斑面积，使荧光轮可承受更高的激发光功率，另一方面，可有效利用光棒原未利用的面积，增加了光路的荧光收光量。

Description

一种透镜片及激光投影装置

技术领域

本发明涉及激光显示技术领域，尤其涉及一种透镜片及激光投影装置。

背景技术

在激光显示的相关技术中，激发光照射在荧光粉上的光斑一般都是圆形，所激发出的荧光光斑也是圆形，上述激发光或者荧光的圆形光斑需要经过光棒匀化之后再照射到光学芯片上。为了与光学芯片的尺寸比例保持一致，光棒的横截面一般为长方形，因此其入光口也为长方形，图1为本发明相关的现有技术中圆形光斑入射至光棒入光口的示意图，如图1所示，圆形光斑通过长方形的入光口照射入光棒会造成光棒的长边方向上有部分面积没有光线进入，造成部分光学扩展量被浪费，光棒所输出的光通量最高阈值也受到限制。

尤其是随着目前市场对投影亮度的要求越来越高，相关技术中一般都通过增加光棒输出的光通量来提高投影亮度，而增加光棒输出光通量的方法一般为增加激发光的功率，并试图以此增加荧光的激发效率。

但是，激发光功率的增大不是无限的，达到荧光粉的光功率密度阈值后，荧光激发效率会大大下降。为此，相关技术中试图一方面增大激发光的功率，一方面增大激发光的光斑圆形面积，以此来保证激发光的光功率密度不会超过荧光粉的光功率密度阈值。

但是由于光棒的尺寸受光学芯片所限,在激发光或荧光的光斑圆形面积增大的情况下，光棒入光口面积却不能变，会导致圆形光斑在光棒短边方向上有部分面积未能进入光棒，即造成光路的有效接收效率降低。仍然无法起到增加光棒的光学扩展量从而提高投影亮度的作用。

发明内容

为了解决在激发光缩束过程中圆形光斑在光棒短边方向上有部分面积未能进入光棒，造成光路的有效接收效率降低的问题，本发明提供了一种透镜片及激光投影装置。

一方面，本发明提供的一种透镜片，应用于缩束光路中，包括球形凹面和柱形面；该球形凹面位于上述透镜片的入光侧，该柱形面位于上述透镜片的出光侧，包括互相垂直的第一截面和第二截面，该第一截面出光方向的曲率半径R₁大于该第二截面出光方向的曲率半径R₂。

可选地，第二截面出光方向的曲率半径R₂满足：-1000mm≤R₂＜1000mm；第一截面出光方向的曲率半径R₁满足：-1000mm＜R₁≤1000mm。

可选地，该柱形面上设置有菲涅尔透镜层。

可选地，该透镜片是一体成型或者由包含有上述球形凹面的第一部分和包含有上述柱形面的第二部分贴合组成。

另一方面，本发明还提供了一种激光投影装置，包含应用了上述任一项透镜片的缩束光路、光棒，该光棒的入光口为长方形，该透镜片中的第一截面出光方向与该光棒入光口的长边方向对应；该透镜片中的第二截面出光方向与该光棒入光口的短边方向对应。

可选地，该激光投影装置还包括扩散片，位于缩束光路与光棒之间，该扩散片包括N个微结构，用于对入射的光束进行扩散（N≥10且N为正整数），该微结构的第三截面和第四截面互相垂直，该第四截面出光方向的扩散角度大于该第三截面出光方向的扩散角度；且，该第三截面出光方向与光棒入光口的短边方向对应，该第四截面出光方向与光棒入光口的长边方向对应。

可选地，该第三截面出光方向的扩散角度α满足：0°≤α＜30°，该第四截面出光方向的扩散角度β满足：0°＜β≤30°。

可选地，微结构为梯形台，光束从梯形台的下底面入射，从梯形台的腰面和上底面出射；该微结构的第三截面是第三等腰梯形，该微结构的第四截面是第四等腰梯形。

可选地，上述第四等腰梯形的下底角大于上述第三等腰梯形的下底角。

可选地，上述第三等腰梯形的下底角为10°至60°，上述第四等腰梯形的下底角为20°至80°。

本发明提供的应用于缩束光路中的透镜片，应用于缩束光路中，包括球形凹面和柱形面；该球形凹面位于上述透镜片的入光侧，该柱形面位于上述透镜片的出光侧，包括互相垂直的第一截面和第二截面，该第一截面出光方向的曲率半径大于该第二截面出光方向的曲率半径。使得激发光斑尺寸沿光棒长边方向增加（该激发光斑尺寸沿光棒短边方向不变，或者增加的幅度小于沿光棒长边方向增加的幅度），即该激发光斑由圆形光斑改变为椭圆形光斑。一方面增加了荧光粉的激发光斑面积，降低了激发光功率密度，可承受更高的激发光功率，另一方面，可有效利用光棒原未利用的面积，增加了光路的荧光收光量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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为本发明相关的现有技术中圆形光斑入射至光棒入光口的示意图；

图2-a为本发明实施例的透镜片中球形凹面与柱形面第一截面示意图；

图2-b为本发明实施例的透镜片中球形凹面与柱形面第二截面示意图；

图3-a是本发明实施例的透镜片中柱形面第一截面对光束处理过程的示意图；

图3-b是本发明实施例的透镜片中柱形面第二截面对光束处理过程的示意图；

图4是本发明实施例的透镜片中柱形面第一截面、第二截面出射光束分别与光棒入光口对应关系的示意图；

图5-a是本发明实施例的透镜片中柱形面包含有菲涅尔透镜层的截面示意图；

图5-b是本发明实施例的透镜片中柱形面包含有菲涅尔透镜层的立体示意图；

图6是本发明实施例的透镜片及缩束光路应用于激光投影装置中的示意图；

图7-a是本发明实施例的激光投影装置中扩散片微结构俯视图；

图7-b是本发明实施例的激光投影装置中扩散片微结构的第三截面示意图；

图7-c是本发明实施例的激光投影装置中扩散片微结构的第四截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种透镜片，位于缩束光路的出光端，实际应用中可以用该透镜片代替原有缩束光路中出光末端的凹透镜（这样不会增加缩束光路中的镜片数量）。图2-a与图2-b分别为本发明实施例的透镜片中球形凹面与柱形面第一截面及柱形面第二截面示意图，如图2-a和图2-b所示，该透镜片包括球形凹面和柱形面。该球形凹面位于上述透镜片的入光侧，与该缩束光路中的其他透镜片配合对入射的圆形光束进行会聚。该柱形面位于上述透镜片的出光侧，包括第一截面（如图2-a）和第二截面（如图2-b），该第一截面出光方向的曲率半径R₁大于该第二截面出光方向的曲率半径R₂，即该第一截面出射的光束最大直径D₁要小于该第二截面出射的光束最大直径D₂。图4是本发明实施例的透镜片中柱形面第一截面、第二截面出射光束分别与光棒入光口对应关系的示意图，实际应用中，可以将该第一截面出射的光束对应于光棒入光口的长边方向Y（如图4），将该第二截面出射的光束对应于光棒入光口的短边方向X（如图4），因为由于第一截面出光方向的曲率半径比第二截面出光方向的曲率半径要大，在经过整形光路处理再照射至光棒入光口时，原来D₁小于D₂的现象就会反转过来。图3-a是本发明实施例的透镜片中柱形面第一截面对光束处理过程的示意图，图3-b是本发明实施例的透镜片中柱形面第二截面对光束处理过程的示意图，如图3-a和图3-b所示，第一截面出射的光束最终在入射至光棒入光口时的光束最大直径要比第二截面出射的光束最终入射至光棒入光口时的光束最大直径要大。

将本发明实施例中的透镜片应用于缩束光路的出光端时，可以在不增加镜片数量的基础上，使得原来圆形的激发光斑尺寸沿光棒入光口长边方向增加（该激发光斑尺寸沿光棒入光口短边方向不变，或者增加的幅度小于沿光棒入光口长边方向增加的幅度），即该激发光斑由圆形光斑改变为椭圆形光斑。一方面增加了荧光粉的激发光斑面积，降低了激发光功率密度，使荧光轮可承受更高的激发光功率，另一方面，可有效利用光棒原未利用的面积，增加了光路的荧光收光量。

在本发明的一个实施方式中，该柱形面中第二截面出光方向的曲率半径R₂满足：-1000mm≤R₂＜1000mm；该柱形面中第一截面出光方向的曲率半径R₁满足：-1000mm＜R₁≤1000mm，在上述取值范围内，只要保证R₁的取值比R₂的取值大即可，这样就能实现将原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。具体的，R₁的取值比R₂的取值大多少，可以根据光棒入光口的长边与短边具体尺寸来作适应性调整，也可以根据其他需要适当调整R₁与R₂的取值。本实施例可以优选R₁的取值比R₂的取值至少大10mm。

在本发明的一个实施方式中，该柱形面中第二截面出光方向的曲率半径R₂优选为：0mm≤R₂＜1000mm；该柱形面中第一截面出光方向的曲率半径R₁优选为：0mm＜R₁≤1000mm，在上述取值范围内，只要保证R₁的取值比R₂的取值大即可，这样就能实现将原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。优选上述取值范围，可以使得柱形面的加工难度降低、加工成本下降。具体的，R₁的取值比R₂的取值大多少，可以根据光棒入光口的长边与短边具体尺寸来作适应性调整即可。本实施例可以优选R₁的取值比R₂的取值至少大10mm。

在本发明的一个实施方式中，图5-a和图5-b分别是本发明实施例的透镜片中柱形面包含有菲涅尔透镜层的截面示意图和立体示意图，如图5-a和图5-b所示，该透镜片的柱形面上设置有菲涅尔透镜层，该菲涅尔透镜层仍然能够保证R₁的取值比R₂的取值大，同时该透镜片的球形凹面保持不变，与上述实施例中的球形凹面是一致的。本发明实施例可以使得该透镜片在实现出射椭圆形光斑的基础上，进一步利用菲涅尔透镜层提高出射光束的准直效果。

在本发明的一个实施方式中，包含有球形凹面和柱形面的该透镜片优选为一体成型，当然也可以由包含有该球形凹面的第一部分和包含有该柱形面的第二部分贴合组成。

本发明实施例还提供了一种激光投影装置，图6是本发明实施例的透镜片及缩束光路应用于激光投影装置中的示意图，如图6所示，该装置包括缩束光路、光棒，其中，该光棒的入光口为长方形，该缩束光路中包含有上述实施例中的任一种透镜片，该透镜片中第一截面出光方向与光棒入光口的长边方向对应，该透镜片中第二截面的出光方向与光棒入光口的短边方向对应。

本发明实施例中的激光投影装置可以在不增加镜片数量的基础上，使得原来圆形的激发光斑尺寸沿光棒入光口长边方向增加（该激发光斑尺寸沿光棒入光口短边方向不变，或者增加的幅度小于沿光棒入光口长边方向增加的幅度），即该激发光斑由圆形光斑改变为椭圆形光斑。一方面增加了荧光粉的激发光斑面积，降低了激发光功率密度，使荧光轮可承受更高的激发光功率，另一方面，可有效利用光棒原未利用的面积，增加了光路的荧光收光量。

在本发明的一个实施方式中，该激光投影装置还包括扩散片，如图6所示，位于上述缩束光路与上述光棒之间。图7-a、图7-b、图7-c分别是本发明实施例的激光投影装置中扩散片微结构的俯视图、第三截面示意图、第四截面示意图，如图7-a、图7-b、图7-c所示，该扩散片包括N个微结构，用于对入射的光束进行扩散，N≥10且N为正整数。该微结构的第三截面和第四截面互相垂直，该第四截面出光方向的扩散角度大于该第三截面出光方向的扩散角度。

实际应用中，如图4所示，可以将该第四截面出射的光束对应于光棒入光口的长边方向Y，将该第三截面出射的光束对应于光棒入光口的短边方向X。由此，在本发明实施例中，该扩散片微结构的第四截面出光方向与透镜片中柱形面的第一截面出光方向也是对应的，二者一起配合进一步使得原来圆形的激发光斑尺寸沿光棒入光口长边方向增加；该扩散片微结构的第三截面出光方向与透镜片中柱形面的第二截面出光方向也是对应的，该二者一起配合进一步使得该激发光斑尺寸沿光棒入光口短边方向不变或者增加的幅度小于沿光棒入光口长边方向增加的幅度。由此，该激发光斑最终由圆形光斑改变为椭圆形光斑。

在本发明的一个实施方式中，该微结构中第三截面出光方向的扩散角度α满足：0°≤α＜30°，该微结构中第四截面出光方向的扩散角度β满足：0°＜β≤30°，在上述取值范围内，只要β比α大即可，这样就能实现将原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。具体β比α的取值大多少，可以根据光棒入光口的长边与短边具体尺寸来作适应性调整，也可以根据其他需要（比如透镜片的柱形面尺寸）适当调整β与α的取值。本实施例优选β比α大至少0.3°。

在本发明的一个实施方式中，该扩散片中的微结构为梯形台，实际应用中，光束从该梯形台的下底面入射，从该梯形台的腰面和上底面出射。如图7-b与图7-c所示，该梯形台的第三截面为第三等腰梯形，该梯形台的第四截面是第四等腰梯形。具体的，该第四等腰梯形的下底角大于该第三等腰梯形的下底角，进而保证该第四截面的扩散角度大于该第三截面的扩散角度。

在该实施方式中，优选第三等腰梯形的下底角的角度范围为10°至60°，第四等腰梯形的下底角的角度范围为20°至80°。在上述取值范围内，只要保证第四等腰梯形的下底角比第三等腰梯形的下底角取值大即可，这样就能实现将原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种激光投影装置，其特征在于，包括缩束光路、光棒，其中，所述光棒的入光口为长方形；

所述缩束光路的出光端包含有透镜片；

所述透镜片包括球形凹面和柱形面；

所述球形凹面位于所述透镜片的入光侧；

所述柱形面位于所述透镜片的出光侧，包括互相垂直的第一截面和第二截面，所述第一截面出光方向的曲率半径R1大于所述第二截面出光方向的曲率半径R2，所述透镜片用于接收圆形光斑并输出椭圆形光斑，

其中，所述柱形面设置有菲涅尔透镜层，用于准直所述椭圆形光斑的光束；

所述透镜片中的所述第一截面出光方向与所述光棒入光口的长边方向对应；

所述透镜片中的所述第二截面出光方向与所述光棒入光口的短边方向对应。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二截面出光方向的曲率半径R₂满足：-1000mm≤R₂＜1000mm；

所述第一截面出光方向的曲率半径R₁满足：-1000mm＜R₁≤1000mm。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述透镜片是一体成型或者由包含有所述球形凹面的第一部分和包含有所述柱形面的第二部分贴合组成。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述激光投影装置还包括扩散片，位于所述缩束光路与所述光棒之间；

所述扩散片包括N个微结构，用于对入射的光束进行扩散，N≥10且N为正整数；

所述微结构的第三截面和第四截面互相垂直，所述第四截面出光方向的扩散角度β大于所述第三截面出光方向的扩散角度α；

所述扩散片中所述微结构的第三截面出光方向与所述光棒入光口的短边方向对应；

所述扩散片中所述微结构的第四截面出光方向与所述光棒入光口的长边方向对应。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第三截面出光方向的扩散角度α满足：0°≤α＜30°，所述第四截面出光方向的扩散角度β满足：0°＜β≤30°。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微结构为梯形台，所述光束从所述梯形台的下底面入射，从所述梯形台的腰面和上底面出射；

所述微结构的所述第三截面是第三等腰梯形，所述微结构的所述第四截面是第四等腰梯形。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第四等腰梯形的下底角大于所述第三等腰梯形的下底角。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三等腰梯形的下底角为10°至60°，所述第四等腰梯形的下底角为20°至80°。