CN111474816A

CN111474816A - 激光投影设备

Info

Publication number: CN111474816A
Application number: CN201910063920.0A
Authority: CN
Inventors: 陈陆; 田勇; 阴亮; 曹秀燕
Original assignee: Qingdao Hisense Laser Display Co Ltd
Current assignee: Qingdao Hisense Laser Display Co Ltd
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-07-31

Abstract

本发明提供了一种激光投影设备。激光投影设备的照明系统包括球面透镜、棱镜及芯片。球面透镜的光束经球面透镜折射，球面透镜用于多光束进行校正光型。棱镜设于球面透镜的一侧，棱镜包括三个呈三角形分布的第一侧面、第二侧面及第三侧面，光束经球面透镜折射后经第一侧面入射到棱镜内，并从第二侧面出射。芯片与棱镜的第二侧面相对设置，光束经第二侧面出射至芯片的表面，经芯片反射后进入棱镜内，经第一侧面全反射至第三侧面，从第三侧面出射。在上述激光投影设备通过球面透镜、棱镜设置，减少棱镜的使用数量，有利于激光投影设备的微型化发展。

Description

激光投影设备

技术领域

本发明涉及激光投影领域，特别是一种激光投影设备。

背景技术

目前，激光投影系统构成均是由光源系统和光机系统构成，光机系统又分为照明系统与成像系统。大部分光源系统均是由蓝光激光器发出的蓝光激发荧光轮产生荧光，蓝光经过光学系统后，打在荧光轮上，通过激发荧光轮上的荧光粉后荧光粉受到激发后，向外辐射荧光，荧光光路系统是通过光路可逆原则使荧光按着原有路径返回至后续光学系统中，而蓝光则需要透过荧光轮上的透明区域，经过后续的光学系统整合至荧光光路中。该光源系统较为复杂，光源体积较大。

并且，通常照明系统均采用轴对称TIR照明光学光路系统，该照明系统包括两块楔形棱镜，两块楔形棱镜胶合，在两个棱镜的相交面上发生全反射。并经芯片反射至屏幕上。因此，上述照明系统使用较多个棱镜，其结构复杂度上升，光学效率降低，体积较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、体积较小的激光投影设备。

一种激光投影设备，包括壳体及照明系统，所述照明系统固定收容于所述壳体内，所述照明系统包括：

球面透镜，光束经所述球面透镜折射，所述球面透镜用于多光束进行校正光型；

棱镜，设于所述球面透镜的一侧，所述棱镜包括三个呈三角形分布的第一侧面、第二侧面及第三侧面，所述光束经所述球面透镜折射后经所述第一侧面入射到所述棱镜内，并从所述第二侧面出射；

芯片，与所述棱镜的第二侧面相对设置，所述光束经所述第二侧面出射至所述芯片的表面，经所述芯片反射后进入所述棱镜内，经所述第一侧面全反射至所述第三侧面，从所述第三侧面出射。

在上述激光投影设备中，通过球面透镜的设置，只使用一个棱镜，经棱镜发生全反射后照射到芯片表面，再经由芯片表面的阵列小镜片将光反射，并垂直通过棱镜照射到镜头中。上述照明系统通过减少楔形棱镜的使用个数，减少使用光学器件的个数，缩短光路的长度，使照明系统的结构简单，降低成本。

附图说明

图1为本实施方式的激光投影设备的结构示意图；

图2为本实施方式的激光投影设备的结构示意图；

图3为图1所示的激光投影设备的照明系统的结构示意图；

图4为另一实施方式的照明系统的结构示意图；

图5为另一实施方式的照明系统的结构示意图；

图6为另一实施方式的照明系统的结构示意图；

图7为传统的激光投影设备的照明系统的结构示意图。

附图标记说明如下：11、壳体；12、成像系统；100、照明系统；13、合光元件；14、透光孔；110、对称光学系统；111、匀光件；112、负透镜；113、正透镜；120、非对称光学系统；121、球面透镜；122、棱镜；1221、第一侧面；1222、第二侧面；1223、第三侧面；123、芯片；124、平板振镜；125、反射镜；15、镜头；21、透镜组件；211、凹凸透镜；212、双凸透镜；213、平凸透镜；22、TIR组件；221、第一楔形棱镜；222、第二楔形棱镜；23、 DMD；24、矩形光导管；21、镜组件；25、光源系统；26、成像系统。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明提供一种激光投影设备。请同时参阅图1及图2，激光投影设备包括壳体11、成像系统12及光机。光机包括照明系统100。照明系统100 固定收容于壳体11内

激光投影设备还包括光源。光源用于发出激发光束。光源设于壳体11 的一侧。壳体11与光源的相对位置处开设有透光孔14。透光孔14可以使光源光束照射进入照明系统100内。

具体在本实施方式中，光源为蓝色激光器。多个蓝色激光器呈阵列排布，形成蓝色激光器阵列。蓝色激光器发射出蓝色激光光束。荧光轮为反射式荧光轮或透射式荧光轮。可以理解，光源为激光器、LED灯或气体灯。

激发光束投射到荧光轮上，产生具有时序的三基色光。三基色光通过合光元件进行合束，形成白光光束。

本实施方式的激光投影设备还包括合光元件13。合光元件13可以为X 合光镜或者二向色镜。X合光镜具有合光功能。二向色镜用于反射蓝色激光光束，透射红、绿色光束。则蓝色激光光束经该二向色镜反射至荧光轮。

需要说明的是，在本申请中，对于三基色光的产生方式并不做限定，只需要能够产生具有一定时序的三基色光即可。并且，上述技术方案同样适用于双色激光光源，只要可以产生形成三基色光，相互合束成白光光束即可。

本实施方式的照明系统100包括对称光学系统110及非对称光学系统 120。对称光学系统的光轴与非对称光学系统的光轴之间存在夹角。

其中，对称光学系统110包括位于同一光轴上的匀光件111、光束平行放大系统。根据图3所示，为方便说明，垂直于纸面方向为Z轴方向，沿纸面向上为X轴方向，垂直于X\Z方向的为Y方向。对称光学系统的光轴与Y 轴方向之间存在一定的夹角。

白光入射到匀光件上，匀光件111对光束进行匀光。匀光件111可以为光导管和复眼透镜。光导管为矩形光导管及锥形光导管。矩形光导管可以圆形光斑的入射光束整合为一定比例的矩形光斑。请参阅图4，在其他实施方式中，复眼透镜同样可以对光束进行匀化，整形。

光束平行放大系统包括负透镜112及正透镜113。光束平行放大系统用于将光束放大后汇聚为平行光束，或是具有一定角度的会聚光出射至非对称光学系统120。负透镜112为凹凸透镜。正透镜113为双凸透镜12。负透镜设于匀光件的一侧。负透镜用于将光束发散。负透镜将经过匀光件匀化后的光束进行发散。可以理解，负透镜可以为球面透镜或非球面透镜。

正透镜用于将光束会聚成平行光束出射。正透镜为正透镜。正透镜将发散的光束进行收束。可以理解，正透镜可以为球面透镜或非球面透镜。

正透镜与负透镜配合以从光导管出射光斑进行放大并确保通过正透镜的出射光线的主光线为平行光束出射。

非对称光学系统120包括球面透镜121、棱镜122及芯片123。

光束经球面透镜121折射。球面透镜121的光轴与对称光学系统110的光轴之间存在夹角。球面透镜121的光轴与在Y方向上存在一定的夹角，并且在X方向上有一定的偏移量。球面透镜121光轴的夹角与偏移量设置，均是为了保证入射到球面透镜121的光束的有效光程满足设计要求。通过加入夹角与偏移量的操作可以降低光学元件数量，降低光学系统复杂性，减低成本。则经对称光学系统出射的光束经过球面透镜121的折射，使光束的主光轴方向改变。

并且，球面透镜121用于多光束进行校正光型。校正后的光束光型与芯片123的形状相近似，以使光束能够尽量均匀地投射到芯片123上，则提高了芯片123的光效。球面透镜121为平凸透镜。棱镜122设于所述球面透镜 121的一侧。棱镜122包括三个呈三角形分布的第一侧面1221、第二侧面1222 及第三侧面1223。光束经所述球面透镜121折射后经所述第一侧面1221入射到棱镜122内，并从第二侧面1222出射。第一侧面1221为三角形的斜边。三角形为等腰三角形。

具体在本实施方式中，棱镜122为等腰直角三角形棱镜。第一侧面1221 为等腰直角三角形的斜边。第二侧面1222及第三侧面1223分别为等腰直角三角形的两个直角边。因此，等腰直角楔形的棱镜的锐角角度为45度，可以保证经由等腰直角楔形棱镜斜边反射出去的光束能够以平行于芯片123表面的方向出射。

相应地，对称光学系统的光轴与该等腰直角楔形棱镜下方的球面透镜 121的光轴之间的夹角为35度，保证经球面透镜121、棱镜出射，投射到芯片123上的光束的光强最强，以增强上述激光投影设备的成像效果。

芯片123为DMD(Digital Micromirror Device)芯片。DMD芯片包括多个微小的反射镜，微反射镜在电流驱动下在一定角度范围内进行翻转，以调节进入镜头的光量，从而使图像呈现不同的色彩。

芯片123与棱镜122的第二侧面1222相对设置。光束经第二侧面1222 出射至芯片123的表面，经芯片123反射后进入棱镜内，经第一侧面1221 全反射至所述第三侧面1223，从第三侧面1223出射。

光源出射光入射至光导管中，由矩形的光导管反射后整形为矩形光斑后出射至负透镜，由第负透镜将光斑发散后出射至正透镜，由正透镜汇聚后平行或以一定收束角度出射至球面透镜121，经球面透镜121折射后，入射至等腰直角三角楔形棱镜的第一侧面1221的斜边表面后折射至等腰直角三角的平行于芯片123的直角边，并出射至芯片123的表面，由芯片123表面的阵列镜组将光束反射至楔形棱镜的平行于芯片123的第二侧面1222，经由第二侧面1222折射后，出射至第一侧面1221上并发生全反射，出射至第三侧面1223并出射。

并且，球面透镜121将光束的光型与芯片123的反射面的形状相同。球面透镜121将光束的光型进行校正，以保证光束的光型与芯片123的反射面的形状相同，使光束能够全部投射到芯片123的表面上。

球面透镜121与棱镜122之间存在间隙。将球面透镜121与棱镜122以一定空气间隙进行叠放是为了达到全反射条件，为了保证经芯片123反射回来的光，经由棱镜122的第一侧面1221反射后肯以发生全反射。并且，在该间隙内设有胶层，该胶层可以使球面透镜121与棱镜之间进行粘接。

具体在本实施方式中，照明系统还包括平板振镜124。平板振镜124设于棱镜的第三侧面1223的外侧。光射反射至平板振镜光学元件上，由平板振镜124出射后，入射至镜头15中。

在其他实施方式中，棱镜122也可以不是上述实施方式中提到的直角等腰三角形楔形棱镜。棱镜122还可以是横截面为钝角、锐角三角形的棱镜结构。

请参阅图5及图6，棱镜122的横截面分别为锐角三角形和钝角三角形。球面透镜121的上半部分与锐角三角形、钝角三角形形成互补关系，以球面透镜121的光轴为基准从光轴到镜片的边缘镜片厚度由厚变窄，与其相关的棱镜部分为由下至上为由窄变厚，棱镜122与球面透镜121形成互补。

因此，棱镜122与球面透镜121胶合连接，光线通过球面透镜121、棱镜并出射至芯片123的反射面上，通过芯片123反射后照射到横截面为锐角三角形、钝角三角形的斜边上通过全反射效应进入镜头中。

请再次参考图2，照明系统100还包括反射镜125。反射镜125设于正透镜113与球面透镜121之间。反射镜125可以改变光路的光轴方向，对光路进行调整，便于整体激光投影设备的布局设计。

本实施方式的激光投影设备10的成像系统12还包括镜头15及投影屏幕。投影屏幕用于承载投影图像。

镜头15与棱镜的第三侧面1223相对设置，光束从第三侧面1223出射，射入镜头15内。具体在本实施方式中，激光投影设备10为适合家庭或者便携式使用的超短焦投影设备，镜头15为超短焦投影镜头。超短焦投影镜头可以在低投射比下投射出高质量的图像。光线经过DMD芯片123调制后到达镜头15后，由镜头15内的光学镜片，经过多次折射和反射最终投射到投影屏幕上形成投影图像。其中，光学镜片包括多片凸透镜、凹透镜、正透镜、曲面反射镜等。

投影屏幕可以根据使用需要设置不同位置，投影屏幕设置位置不同。因此，棱镜122的形状可以设计为不同形状，以调整最终从棱镜122出射的方向，使光束能够投射到镜头15及投影屏幕上。

相对于传统的激光投影设备如图7所示，照明系统主要包括透镜组件21、 TIR(Total Internal Reflection，全反射)组件22、DMD 23和光源系统25。透镜组件21的中心线与光源系统25出射的光束的主光轴重合。TIR组件22 是将呈三棱柱结构的第一楔形棱镜221的第一侧面和呈三棱柱结构的第二楔形棱镜222的第一侧面胶合而成。DMD 23所在的平面与第一楔形棱镜221 的第二侧面平行。其中，主光轴是指一束光束中沿中心线方向的光束。光源系统25出射的光束先经过矩形光导管24进行整形处理，并将处理后的光束入射至透镜组件21，再经过透镜组件21进行处理，以保证在成像系统上的成像质量，同时保证处理后的光束在DMD 23所在平面上形成的光斑能够覆盖DMD 23。之后，处理后的光束出射至第一楔形棱镜221的第三侧面，并入射至第一楔形棱镜221的第一侧面，从而在第一楔形棱镜221的第一侧面发生全反射后，沿第一楔形棱镜221的第二侧面出射至DMD 23，DMD23 在将光束进行反射后，依次穿过第一楔形棱镜221的第二侧面和第一侧面，以及第二楔形棱镜222的第一侧面和第二侧面出射至投影设备的成像系统26。

相对而言，上述激光投影设备中，通过照明系统的一个楔形棱镜取代双棱镜的TIR组件22，仍能与光源，镜头匹配正常工作，光学光路经过一个楔形棱镜发生全反射后照射到芯片123表面，再经由芯片123表面的阵列小镜片将光反射，并垂直通过棱镜全反射后照射到镜头中。本实施方式的照明系统通过球面透镜121的设置，只使用一个棱镜122即可，减少使用光学器件的个数，使照明系统的结构简单，降低成本。

并且，上述激光投影设备中，光束的光利用率较高，减少光能的消耗，提高照明系统的光效，即可以提高激光投影设备的成像效果。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims

1.一种激光投影设备，其特征在于，包括壳体及照明系统，所述照明系统固定收容于所述壳体内，所述照明系统包括：

2.根据权利要求1所述的激光投影设备，其特征在于，所述球面透镜将光束的光型与所述芯片的反射面的形状相同。

3.根据权利要求1所述的激光投影设备，其特征在于，所述球面透镜与所述棱镜之间存在间隙。

4.根据权利要求1所述的激光投影设备，其特征在于，还包括平板振镜，所述平板振镜设于所述棱镜的第三侧面的外侧。

5.根据权利要求1所述的激光投影设备，其特征在于，所述第一侧面为所述三角形的斜边。

6.根据权利要求1所述的激光投影设备，其特征在于，所述三角形为等腰三角形。

7.根据权利要求1所述的激光投影设备，其特征在于，还包括对称光学系统，所述对称光学系统包括位于同一光轴上的匀光件、负透镜及正透镜，所述匀光件用于对光束匀光，负透镜设于所述匀光件的一侧，所述负透镜用于将光束发散，所述正透镜用于将光束会聚成平行光束出射。

8.根据权利要求7所述的激光投影设备，其特征在于，所述球面透镜的光轴与所述对称光学系统的光轴之间存在夹角。

9.根据权利要求1所述的激光投影设备，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜设于所述正透镜与所述球面透镜之间。

10.根据权利要求1所述的激光投影设备，其特征在于，还包括镜头，所述镜头与所述棱镜的第三侧面相对设置，光束从所述第三侧面出射，射入所述镜头内。