CN113189832B - 匀光装置及方法、光源装置和投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匀光装置及方法、光源装置和投影系统。该匀光装置包括：在光路上依次设置的分光装置和透镜阵列，所述分光装置用于对第一光束进行分光以获得多个第二光束；以及所述透镜阵列，用于将入射的所述多个第二光束分成更多束分别进行整形，以转变成第三光束。本发明中的匀光装置及方法、光源装置和投影系统可以提升激发光斑的均匀性，提升激发效率并且降低了透镜阵列上的功率密度。

Description

匀光装置及方法、光源装置和投影系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种匀光装置及方法、光源装置和投影系统。

背景技术

现有技术中的激光光源装置通常包括激发光源(一般为蓝色激光)、透镜组和匀光装置。由激发光源发出的光通过透镜组后，入射到匀光装置上。经过匀光装置的激发光入射到透镜组上。会聚后的激发光入射到波长转换装置，波长转换装置上设置有波长转换区与激发光透射区。该匀光装置一般由透镜阵列组成，其可以是单面的透镜阵列或是双面的透镜阵列阵列，其主要是由矩形的微透镜组成。

经过透镜阵列的激发光，入射到波长转换装置上后，形成一个规则的矩形的均匀的激发光斑。由于光源为激光，一般由许多的激光阵列组成，就会出现一个很小的光束或是具有一定间距的细光束。由于入射到透镜阵列上的光斑只能覆盖到部分的透镜阵列，造成参与匀光的透镜过少，最终使得激发光斑不均匀，激发效率变低。

实际中考虑透镜阵列的效率、工艺及生产成本，透镜阵列单个单元不能非常小，所以当出现上面的现象时，很难得到解决。

因此，现在需要提供一种匀光装置及方法、光源装置和投影系统，其能至少解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

为了解决上述问题中的至少一个，根据本发明的一方面，提出了一种匀光装置，包括：在光路上依次设置的分光装置和透镜阵列，所述分光装置用于对第一光束进行分光以获得多个第二光束；以及所述透镜阵列，用于将入射的所述第二光束转变成均匀的第三光束。

在一些实施例中，所述多个第二光束的光束形状与所述第一光束基本一致，所述多个第二光束之间的间距互不相等。

在一些实施例中，所述多个第二光束之间按照同一个方向分布。

在一些实施例中，所述多个第二光束之间的间距不等于所述透镜阵列中每个透镜之间在特定方向上的间距的整数倍，所述特定方向指所述多个第二光束的分布的方向。

在一些实施例中，所述分光装置包括由多个反射镜片构成的阵列。

在一些实施例中，所述多个反射镜片采用分光镀膜片或偏振片，用于满足不同比例的透反射。

根据本发明的另一方面，提出了一种匀光方法，其包括：由分光装置对第一光束进行分光以获得多个第二光束；以及由透镜阵列将入射的所述多个第二光束分成更多束分别进行整形，以转变成第三光束，其中所述分光装置和所述透镜阵列依次设置在光路上。

根据本发明的又一方面，提出了一种光源装置，包括本发明中的匀光装置。

在一些实施例中，所述匀光装置设置在激发光源与波长转换装置之间。

根据本发明的另一方面，提出了一种投影系统，包括本发明中的光源装置。

本发明中的匀光装置及方法、光源装置和投影系统可以提升激发光斑的均匀性，提升激发效率并且降低了透镜阵列上的功率密度。

附图说明

通过结合附图对本发明的实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1示出了现有技术中的激光光源装置；

图2示出了现有技术中的匀光装置的结构图；

图3示出了利用现有技术中的匀光装置所产生的激发光斑的示意图；

图4示出了现有的光机系统中产生的激发光斑的示意图；

图5示出了根据本发明的实施例的匀光装置的示意图；

图6示出了根据本发明的实施例的分光装置中的反射镜的两种布置以及各自所产生的激发光束的示意图；

图7示出了根据本发明的实施例的匀光装置与现有技术的效果对比示意图；

图8示出了根据本发明的实施例的匀光装置的入射光束所遵从的预定的间距要求的示意图；

图9示出了入射光束的两种不同间距所产生的激发光束的对比的示意图；

图10示出了根据本发明的实施例的匀光方法的流程图；以及

图11示出了根据本发明的实施例的一种光源装置的示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

图1为现有技术中的激光光源装置的示意图。其中，10为激发光源，一般为蓝色激光，其发出的光101通过透镜组11与12后，入射到匀光装置13上。经过匀光装置13的激发光入射到分光片14上，分光片与光路呈45°放置，对激发光反射与对受激发光透射。所入射到分光片14上面的激发光被反射到会聚透镜组15上，15一般由两个透镜组合而成。会聚后的激发光入射到波长转换装置16，波长转换装置16上设置有波长转换区与激发光透射区。部分激发光通过波长转换区产生受激发光103，受激发光103反向透过会聚透镜组15，准直成近平行光束，透过分光片14，最终通过会聚透镜组20会聚到光机系统中。部分激发光透过波长转换装置上的透射区形成透过的激发光102，激发光102经过透镜17、19与反射镜组18A、18B、18C后，入射到分光片14上被反射后与受激发光103合光，进入光机系统。

图2示出了上述现有技术中的激光光源装置中的匀光装置的结构图。如图2所示，该匀光装置一般由透镜阵列组成，其可以是单面的透镜阵列(左图)或是双面的透镜阵列(右图)，其特征主要是矩形的微透镜组成。

图3示出了利用现有技术中的匀光装置所产生的激发光斑。透镜阵列的作用是，经过透镜阵列的激发光，入射到波长转换装置上后，形成一个规则的矩形的均匀的激发光斑，如图3所示。

图4示出了现有的光机系统中产生的激发光斑。由于光源10为激光，一般由许多的激光阵列组成，就会出现上图4上部中的一个很小的光束或是图4下部中的具有一定间距的细光束。由于入射到透镜阵列上的光斑只能覆盖到部分的透镜阵列，造成参与匀光的透镜过少，最终使得激发光斑不均匀，激发效率变低。

实际中考虑透透镜阵列的效率、工艺及生产成本，透镜阵列单个单元不能非常小，所以当出现上面的现象时，很难得到解决。

为了解决上述技术问题，本发明利用匀光装置中所包含的分光装置将入射到透镜阵列上的激发光束分成多束后参与到匀光，使得更多的微透镜被使用到。在本发明中，微透镜阵列单个单元的大小可以不用做得很小，而是可以适当做大，满足均匀度要求的同时达到降低材料的成本的目的。将激发光束分成多束后，可以降低透镜阵列单位面积激发功率密度，使用普通的玻璃也可以满足信赖性要求，不是现有技术中所要求的石英材质，这大大降低了模具成本。

下面，参照图5来描述根据本发明的实施例的匀光装置。

如图5所示，根据本发明的实施例的一种匀光装置，包括：在光路上依次设置的分光装置和透镜阵列，所述分光装置用于对第一光束进行分光以获得多个第二光束；以及所述透镜阵列，用于将入射的所述多个第二光束分成更多束分别进行整形，以转变成第三光束。

具体地，入射光经过分光装置后再进入透镜阵列，实现了更好的匀光。其中分光装置的主要功能为：在时间上将入射光束分成多束输出，使得输出光束的相比入射光束在光束直径上变大或是光束密度上变高。

接下来，参照图6来描述根据本发明的实施例的分光装置中的反射镜的两种布置以及各自所产生的激发光束。

如图6所示，多束之间的不同分布指图6左上以及右上所示的两种分布。

在一些实施例中，所述分光装置包括由多个反射镜片构成的阵列。

具体地，本发明的匀光装置中的分光装置由多个反射镜片构成的阵列组成，反射镜片呈一定角度设置。在本实施例中，所有反射镜呈45度设置，光入射到第一个反射镜片上时，反射镜只反射2/3的光，其余1/3的光透射，一般通过反射镜的镀膜实现光按照既定比例的通过。从第一个反射镜反射的光经过第二个反射镜时，实现50％的透与50％的反，即1/3的光透射，1/3的光反射，经过第二个反射镜反射的光被第三个反射镜全部反射，即一束光被分成三束能量均匀的光出射。

反射镜之间的角度包括但不限于45度。45度可以保证所有的反射镜在与入射光线垂直的方向上分布，而其它角度(如图6右侧的55度)则反射镜会斜向分布。只要反射镜之间平行，就可以达到分束的目的，出射光线互相平行。理想的状况是将一束光分成能量均匀地多束，但是如果因实际需要也可以分成不均等的多束。

多束之间的不同分布所对应的透镜阵列上的激发光斑的分布如图6的左下和右下的示图所示，左下图中的多个第二光束偏居第一光束所在的光路的一侧，而右下图中的多个第二光束对称分布在第一光束所在的光路的两侧。后一种分布的好处是对称设置，会聚的激发光斑也成对称部分，均匀性好。

在一些实施例中，所述多个反射镜片采用分光镀膜片或偏振片，用于满足不同比例的透反射。具体地，本发明中的分光装置中的反射镜一般采用镀膜满足不同比例的透反射，同时也可以使用偏振片，利用光的偏振性与偏振片的方向性实现灵活地不同比例的透反射。

图7示出了根据本发明的实施例的匀光装置与现有技术的效果对比。如图7所示，图7的上部示图所示为采用分光装置后，将一束光分成三束，可以覆盖更多的透镜阵列。二图7的下部示图所示为采用本发明的分光装置后，将间距很大的多束光变成间距很小的更多束激发光。通过分光装置的使用，达到了让更多透镜阵列参与到匀光的效果。

图8示出了根据本发明的实施例的匀光装置的入射光束所遵从的预定的间距要求。

在一些实施例中，所述多个第二光束的光束形状与所述第一光束基本一致，所述多个第二光束之间的间距互不相等。

在一些实施例中，所述多个第二光束之间按照同一个方向分布。具体地，所述多个第二光束之间平行，或是按照一条直线分布。

在一些实施例中，所述多个第二光束之间的间距不等于所述透镜阵列中每个透镜之间在特定方向上的间距的整数倍，所述特定方向指所述多个第二光束的分布的方向。

具体地，出光光束的间距越小越好，一般是根据透镜阵列整体的大小来选择合适的间距。这是因为间距越小，出射光束直径就越小，这样透镜阵列可以做的越小。

为了获得更好的均匀度，出光的各束光束之间的距离可以设置不一样，一般光束之间的距离不等于透镜阵列微透镜间距的整数倍，具体如图8所示，透镜阵列中每个透镜之间在某一方向上的间距为d,入射光束的间距分别为d1，d2，其中的d1不等于d2,且d1与d2不等于d的整数倍。目的是使得分成多束光入射到透镜阵列上的光斑位置不相同，达到更好的匀光效果。

图9示出了入射光束的两种不同间距所产生的激发光束的对比。

多束之间的间隔指光束之间的间距。如图9中的左图所示，光束之间的间距相等且光束之间的间距等于两倍的透镜之间的间距，所有的光束基本覆盖相同的透镜位置，而右图所示为光束之间的间距不相等，一个在透镜间距的一倍到两倍之间，一个大于两倍，光束覆盖的透镜的位置不同。这样的目的在于，由于光束(图中单个黑点)分布不均匀(可以理解为中心光强，越往边缘光越弱)，这样就可以实现多不同位置光束的均匀化。

本发明中的匀光装置利用其所包含的分光装置将入射到透镜阵列上的激发光束分成多束后参与到匀光，使得更多的微透镜被使用到。在本发明中，微透镜阵列单个单元的大小可以不用做的很小，而是可以适当做大，满足均匀度要求的同时达到降低材料的成本的目的。将激发光束分成多束后，可以降低透镜阵列单位面积激发功率密度，使用普通的玻璃也可以满足信赖性要求，不是现有技术下要求的石英材质，大大降低模具成本。

在一些实施例中，所述透镜阵列采用玻璃制成。

下面，结合图10来描述根据本发明的实施例的一种匀光方法。

根据本发明的另一方面，提出了一种匀光方法。如图10所示，该匀光方法包括：由分光装置对第一光束进行分光以获得多个第二光束；以及由透镜阵列将入射的所述多个第二光束分成更多束分别进行整形，以转变成第三光束，其中所述分光装置和所述透镜阵列依次设置在光路上。

在一些实施例中，所述多个第二光束的光束形状与所述第一光束基本一致，所述多个第二光束之间的间距互不相等。

在一些实施例中，所述多个第二光束之间按照同一个方向分布。

在一些实施例中，所述多个第二光束之间的间距不等于所述透镜阵列中每个透镜之间在特定方向上的间距的整数倍，所述特定方向指所述多个第二光束的分布的方向。

本发明中的匀光方法利用分光装置将入射到透镜阵列上的激发光束分成多束后参与到匀光，使得更多的微透镜被使用到。在本发明中，微透镜阵列单个单元的大小可以不用做的很小，而是可以适当做大，满足均匀度要求的同时达到降低材料的成本的目的。将激发光束分成多束后，可以降低透镜阵列单位面积激发功率密度，使用普通的玻璃也可以满足信赖性要求，不是现有技术下要求的石英材质，大大降低模具成本。

根据本发明的又一方面，提出了一种光源装置。图11示出了根据本发明的实施例的一种光源装置。

如图11所示，本发明中的光源装置包括本发明中所述的匀光装置。

在一些实施例中，所述匀光装置设置在激发光源与波长转换装置之间。

当然，根据设计需要，本发明中的分光装置也可以设置在透镜11与光源10之间。即，本发明中的另一种光源装置，包括：设置在激发光源与透镜组之间的分光装置，所述分光装置用于对第一光束进行分光以获得多个第二光束；以及所述匀光装置，包括透镜阵列，用于获得均匀的第三光束。

根据本发明的又一方面，提供了使用本发明中的光源装置的投影系统。

本发明的匀光装置及方法、光源装置和投影系统具有如下技术优势：针对激光光源，尤其是激光阵列光源，在采用透镜阵列进行匀光时，如果入射到透镜阵列上的光束直径小，或是光束之间间距大，采用本发明的匀光装置与透镜阵列的搭配使用可以提升激发光斑的均匀性，提升激发效率；降低透镜阵列的成本，避免因为降低透镜阵列的单个透镜的大小造成的加工成本、模具成本的提高；并且降低了透镜阵列上的功率密度，可以使用成本更低的玻璃材质进行生产。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，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。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种光源装置，其特征在于，包括：

激发光源、匀光装置和波长转换装置，所述匀光装置设置在所述激发光源与所述波长转换装置之间；

所述匀光装置包括在光路上依次设置的分光装置和透镜阵列，

所述分光装置用于对第一光束进行分光以获得多个第二光束；

所述分光装置包括由多个反射镜片构成的阵列，所述第一光束经所述多个反射镜片反射后获得所述多个第二光束；以及

所述透镜阵列，用于将入射的所述多个第二光束分成更多束分别进行整形，以转变成第三光束。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述多个第二光束的光束形状与所述第一光束基本一致，所述多个第二光束之间的间距互不相等。

3.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，所述多个第二光束之间按照同一个方向分布。

4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，所述多个第二光束之间的间距不等于所述透镜阵列中每个透镜之间在特定方向上的间距的整数倍，所述特定方向指所述多个第二光束的分布的方向。

5.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述多个反射镜片采用分光镀膜片或偏振片，用于满足不同比例的透反射。

6.一种投影系统，其特征在于，包括根据权利要求1-5中任一项所述的光源装置。

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