CN113960866A - 激光光源及激光投影设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光光源，包括激光器，至少发出蓝色激光和红色激光；以及，沿光源的出光方向依次排布的第一透镜、第一扩散部及第二透镜，第一透镜用于将至少蓝色激光和红色激光会聚至第一扩散部；第一扩散部用于将至少蓝色激光和红色激光的发散角度均扩大后射向第二透镜；第二透镜用于将呈发散状态的至少蓝色激光和红色激光进行会聚，其中，第二透镜的焦点位于第一透镜和第二透镜之间，第一扩散部位于第二透镜的焦点平面处，经第二透镜出射的光斑的尺寸小于入射第一透镜入射侧的光斑的尺寸。上述技术方案的激光光源能够提高合光光斑的重合度，提高投影图像画面的质量。

Description

激光光源及激光投影设备

技术领域

本申请涉及投影技术领域，特别涉及一种激光光源及激光投影设备。

背景技术

随着显示技术的发展，对于激光投影设备的投影画面的显示效果的要求越来越高。

激光光源具有单色性好，亮度高，寿命长等优点，是较为理想的光源。随着激光器器件功率的提升，满足工业化应用的要求，激光器也逐渐被作为光源照明使用。比如近年来，投影设备中使用激光器作为投影光源，逐渐取代了汞灯照明，并且相比于LED光源，激光器也具有光学扩展量小，亮度高的优点。

激光器按照发光种类，分为蓝色激光器，红色激光器和绿色激光器，分别发出蓝色激光，红色激光和绿色激光。其中，蓝色激光器是最早进行工业化应用的，红色和绿色激光器受限于其功率提升的原因（比如不足1W的发光功率，亮度较低），之前很长一段时间无法应用，因此，业内出现的激光投影光源多数是单色激光（蓝色激光）和荧光的混合激光光源，荧光是由蓝色激光激发得到。

固态激光器本质上一种PN结半导体，如图1-1所示的激光器发光芯片原理示意图。P型半导体和N型半导体之间为激活区（active layer） ,也称有源区，有源区内谐振腔的振荡会导致不同波长的激光从前腔面发出。具体地，激光光束如图1-2所示，是从发光点呈辐射状光束发出的，图示的α，β分别指代慢轴和快轴方向的发散角，图示可以看出，快轴发散的较快，角度较大，慢轴发散的相对较慢，角度较小，从而激光光束的形状呈现椭圆状。

其中，蓝色激光和绿色激光可利用砷化镓发光材料产生，红色激光是利用氮化镓发光材料产生的。由于发光材料的发光机理不同，在各色激光产生的过程中，红色激光的发光效率较低，并且热转化率较高。蓝色激光器和绿色激光器的发光效率相对较高，其对应的芯片上通过设置一个发光点就可以满足发光的需求。而为了满足发光功率的要求，如图1-3所示，红色激光器芯片上通常通过设置多个发光点，来提高发光功率，这也造成了红色激光光束的尺寸相对较大，同时由于发光材料发光机理的不同，红色激光的快慢轴的发散速度均大于蓝色激光和绿色激光的发散程度。

而芯片的封装结构从外观上观察通常是相同的，因此，即便是相同封装结构下，由于快、慢轴发散程度的不同，使得红色激光器在应用时，比蓝色和绿色激光器发出的激光光束的发散角度大，扩散的程度大，红色激光的光斑尺寸也会较大，这会影响到红色激光和其他颜色激光合光时颜色重合度不一致，产生偏色问题，造成投影画面质量的下降。

发明内容

本申请提供了一种激光光源及激光投影设备，可以解决多色激光光源合光光斑重合度差进而导致投影画面质量差的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种激光光源，激光器，至少发出蓝色激光和红色激光；

沿光源的出光方向依次排布的第一透镜、第一扩散部及第二透镜，第一透镜用于将至少蓝色激光和红色激光会聚至第一扩散部；

第一扩散部用于将至少蓝色激光和红色激光的发散角度均扩大后射向第二透镜；

第二透镜用于将呈发散状态的至少蓝色激光和红色激光进行会聚，

其中，第二透镜的焦点位于第一透镜和第二透镜之间，第一扩散部位于第二透镜的焦点平面处，经第二透镜出射的光斑的尺寸小于入射第一透镜入射侧的光斑的尺寸。

以及，本申请还提供了一种激光投影设备，包括：

激光光源、光阀和镜头，激光光源用于向光阀发出光线，光阀用于将入射的光线调制后射向镜头，镜头用于将入射的光线进行投射；该激光光源采用前述的激光光源方案。

本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请提供的激光光源中，光源的出光方向上依次排布有第一透镜、第一扩散部、第二透镜，第一扩散部位于第二透镜的焦点平面处。一方面，根据光束会聚成像原理，该焦点（会聚成像处）处可以视为点光源，从而以任意光束角度向透镜出射，都可以被该透镜准直成平行光束，因此，第一扩散部部可以设置较大的发散角度，对入射的激光光束进行较大程度的扩散，使激光光束的匀化效果好，而经过大角度扩散后的激光光束射向第二透镜后，仍可以被第二透镜会聚或准直，这样可以对不同颜色的、原先具有不同发散角度的激光光束进行较大程度的发散角度的改变，可以减小出射后不同颜色激光光束的发散程度的差异性，利于提高合光光斑的重合度，减轻或避免光斑颜色的分界现象。

另一方面，经过第二透镜准直的激光光束的光斑尺寸减小，实现了激光光束的缩束，进而利于后面光学镜片的利用。

因此，上述激光光源和激光投影设备能够以较大程度扩大不同颜色的激光的发散角度，以减小不同颜色、原先具有不同发散角度的激光光束出射后的发散程度的差异性，提高不同颜色激光光斑合光的重合度，减轻或避免偏色现象，提高激光投影设备的投影画面的显示效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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1-1为激光器发光芯片的一种原理示意图；

图1-2为激光器发光芯片发出光束的原理示意图；

图1-3为一种红色激光器发光芯片的原理性结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种激光投影设备的结构示意图；

图3-1为本申请实施例提供的一种激光光源的光路示意图；

图3-2为本申请实施例提供的另一种激光光源的光路示意图；

图3-3为本申请实施例提供的又一种激光光源的光路示意图；

图3-4为本申请实施例提供的再一种激光光源的光路示意图；

图4为本申请实施例提供的一种扩散部件的平面结构示意图；

图5为本申请实施例采用的一种激光器的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种激光器光源的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的一种激光投影设备的光路示意图；

图8是本申请实施例提供的另一种激光投影设备的光路示意图；

图9是本申请实施例提供的一种激光投影设备的部分光路示意图；

图10是本申请实施例提供的又一种激光投影设备的结构示意图；

图11为现有技术中一种合光光斑的示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

首先，本申请技术方案应用于激光投影设备中。图2给出了一种激光投影设备的结构示例。首先根据图2所示的激光投影设备示例，对本实施例的激光投影设备结构和工作过程进行说明。

如图2所示，激光投影设备00包括整机壳体011和底座012，整机壳体011和底座012形成有容置空间，在容置空间内，还包括装配于底座012之上的光源10，光机20，以及镜头30，这三大部分构成光学引擎部分，并沿着光束传播方向依次连接。三大部分各自具有对应的壳体进行包裹，以对光学部件进行支撑并使得各光学部分达到一定的密封或气密要求。

在整机壳体011和底座012形成的容置空间内还包括多个电路板40，多个电路板40相互平行，且位于整机外壳011的内侧竖直设置于底座012上。

在一种具体实施中，参见图2，其中，光机20和镜头30连接且沿着整机第一方向设置，比如第一方向可以为整机的宽度方向，或者按照使用方式，第一方向与用户观看的方向相对，光源10和光机20的连接方向则与第一方向垂直，从而光源10，光机20，镜头30组成的光学引擎部分呈“L”型连接。光机位于“L”型的拐角位置。从而光轴发生90度转折，使得光路一个方向上的长度得到了压缩。

参见图2，激光投影设备00还包括多个电路板40，多个电路板40相对于底板102竖直并沿着整机外壳011的内侧设置。在图示中，仅示意性的表征了整机外壳011的一部分。具体地，多个电路板40相互平行设置，贴近整机壳体011的内侧设置，通常整机壳体011为包括顶盖的罩体，本文中所示的外壳可以是指设备主体四周的外壳部分。

多个电路板40包括供电板卡，也称电源板，用于为设备的多个模块提供供电；显示板卡，主要用于控制投影系统成像，本实施例中为DLP系统，比如DMD芯片信号的生成，光源时序信号以及PWM亮度调光信号的输出等；信号传输板卡，也称TV板，主要是用于将视频信号解码后形成图像信号传输给显示板卡，进一步进行图像的处理。

上述的光源10为激光光源，采用激光器，能够至少发出红色激光和蓝色激光。为简便说明，下面示例中以激光器发出红色激光和蓝色激光为例进行说明。

在一种示例中，如3-1所示的本申请实施例的一种激光光源示意图。如图3-1所示，激光光源包括激光器120，至少发出蓝色激光和红色激光，激光器120可以为两组各发出不同颜色的激光器。沿光源的出光方向依次排布的第一透镜1041、第一扩散部105及第二透镜1042。其中第一透镜1041具体地为凸透镜，用于将上述的至少色激光和红色激光会聚至第一扩散部105。

第一扩散部105，具体的可以为扩散片，用于将上述的至少蓝色激光和红色激光的发散角度均扩大后射向第二透镜1042。其中，比如，当第一扩散部105为一片扩散角度均匀设置的扩散片时，则其对透射通过的红色激光和蓝色激光的发散程度也是基本一致的，比如，在红色激光和蓝色激光原来发散角度的基础上均再改变或增加5度，这样红色激光和蓝色激光发散角度的范围均得到了扩大。以对快轴发散角度的改变而言，红色激光光束原快轴发散角度为30度，蓝色激光光束原快轴发散角度为15度，则经过第一扩散部105后，红色激光光束快轴发散角度增加5度，变为35度，而蓝色激光光束快快轴发散角度同理也增加5度，变为20度，虽然两者发散角度的差值仍基本维持不变，但是发散的差异度则由原来的100%（（30-15）/15）变为75%（（35-20）/20），差异性缩小，从而红色激光光束和蓝色激光光束在合光时，两者的发散程度接近，则光斑的重合程度也会提升。

第二透镜1042，具体的，为凸透镜，用于将呈发散状态的上述蓝色激光和红色激光进行会聚，压缩红色激光和蓝色激光的发散角度，减小光束光斑的尺寸。

其中，第二透镜1042的焦点位于第一透镜1041和第二透镜1042之间，第一扩散部105位于第二透镜1042的焦点平面处，这样，第一扩散部105相当于位于第二透镜1042焦平面处的一个面光源，第一扩散部105的部分区域可视为位于第二透镜1042焦点位置处的点光源。在不考虑第二透镜的尺寸时，这部分视为点光源的出射的光束照射到第二透镜1042上时，根据成像原理，该点光源发出的任何角度的光束都会被第二透镜1042会聚准直成平行光束出射。而除了该点光源区域之外的面光源部分的光束入射至第二透镜1042时也会被一定程度的会聚，此处的会聚是指相比原入射前，光束的发散角度减小。

从而，经第二透镜1042会聚的上述的至少蓝色激光和红色激光的光斑的尺寸，小于经第一透镜1041会聚后且入射第一扩散部105之前的光斑的尺寸，这样，激光器120发出的激光光束在依次经过第一透镜1041，第一扩散部105和第二透镜1042后，原发散程度不同的、不同颜色的激光光束光斑，比如红色激光和蓝色激光，此时的发散角度都得到了扩大，发散程度的差异性也得到了缩小，从而在合光时的重合度提升，利于减轻合光光斑的偏色现象，并且不同颜色激光光束的光斑尺寸减小。

以及，图3-2示出了另一种激光光源的实施例。在图3-2所示的激光光源中，第一透镜1041和第二透镜1042均为凸透镜，且两者的焦点重合，且重合的焦点位于第一透镜1041与第二透镜1042之间。

该第一扩散部105位于该焦点处。可选地，第一透镜1041和第二透镜1042的光轴可以共线。

这样，第一透镜1041可以将由激光器120入射的光线会聚至其焦点处，故第一透镜1041可以将激光器120发出的光线会聚至第一扩散部105，需要说明的是，第一扩散部105虽然在结构形态上可以为扩散片之类的片状结构，但根据光学原理，此处可视为一处点光源。第一扩散部105用于将入射的光线的发散角度扩大后射向第二透镜1042，第二透镜1042接收来自焦点处的多个发散角度的光束并将其准直成平行光束。由于第一扩散部105位于第一透镜的焦点处，因此，入射第一透镜1041的光束会会聚于此，形成一个点光源，而该焦点同时也为第二透镜1042的焦点，则根据光学成像原理，从此处发出的光束无论以多大的角度入射至第二透镜1042（假定不考虑第二透镜的尺寸）均会被第二透镜1042准直为平行光束。这样，第一扩散部105可以设置为具有较大的发散角，即使在对红色激光和蓝色激光均进行较大程度的发散后，仍可以以平行光束输出，因此可以较大程度的对红色激光和蓝色激光进行扩散匀化，减小不同颜色光束的发散程度的差异性。

光源射向第一透镜1041的光线可以平行于第一透镜1041的光轴，或者大致平行于该光轴（也即光线与该光轴的夹角小于某角度阈值）。由于凸透镜可以将平行于光轴的光会聚于焦点处，且凸透镜可以将由其焦点入射的光变为平行于光轴的光。故光源射出的光线在通过第一镜1041后可以会聚于其焦点，且该光线可以再射向第二透镜1042，并通过第二透镜1042变为平行光，这样第一透镜1041与第二透镜1042可以构成缩束系统，以对入射第一透镜的光线进行缩束。第一透镜1041上的光斑面积大于第二透镜1042上的光斑面积。也即是，光源射出的光线在第一透镜1041的形成的光斑的面积，大于从第一扩散部105射出的光线在第二透镜1042上的形成的光斑的面积。

本申请实施例中，由于光线在焦点处会聚后又继续传输至第二透镜1042，第一透镜1041上的光斑面积大于第二透镜1042上的光斑面积。也即是第一透镜1041和第二透镜1042组成的透镜组可以将输入的光束进行缩束，保证光线较多地射向后续光学部件以用于形成投影画面，保证光线的利用率较高。

在上述图3-1或图3-2所示激光光源的实施例中，第一扩散部105可以为运动状态的扩散部，比如为运动的扩散片，可以进行旋转运动或者振动。

以及，上述激光光源的实施例中，第一透镜1041入射侧的光斑面积与第二透镜1042出射侧的光斑面积的比值范围为1.5~3。

以及，上述激光光源的实施例中，第一透镜1041的焦距大于第二透镜1042的焦距。

以及，上述激光光源的实施例中，激光器120还发出绿色激光。其中，红色激光、蓝色激光、绿色激光可以时序性依次发出。

以及，作为上述多个激光光源示例的改进，图3-3示出了又一种激光光源的光学示意图。

如图3-3所示，第一扩散部105为运动状态，且通过第一驱动结构107进行驱动。以及，该激光光源示例还包括第二扩散部109，设置于光源发出的激光光线入射第一透镜1041的路径中，即位于激光器120和第一透镜1041之间。

第二扩散部109可以为固定设置的扩散片。

以及，图3-4还示出了另一种激光光源的示例，与上述图3-3所示例不同的是，激光光源还具有第二扩散部106，且第二扩散部106通过第二驱动结构108进行驱动运动。第二扩散部106设置于第二透镜1042之后，位于平行光束的出射路径中。

需要说明的是，在图3-4所示的激光光源中，第二扩散部106也可以为固定设置的扩散片。

以及，在上述多个示例的激光光源中，第二扩散部106或109的发散角小于第一扩散部105的发散角。

第一扩散部105的发散角范围可以为5度~16度。

以及，在上述多个示例的激光光源中，作为改进，第一扩散部105可以具有多个分区，如图4所示，以两个分区为例。第一分区1051可以用于透射通过红色激光，第二分区1052用于透射通过蓝色激光或绿色激光。并且，第一分区1051的扩散角度小于第二分区1052的扩散角度，比如第一分区1051对光线的发散角为6度，第二分区1052对光线的发散角为9度，这样，当原发散角为30度的红色激光经过第一分区1051后发散角度增加至36度，而原发散角为15度的蓝色激光或绿色激光的发散角增加至24度，这样两者的差异度为50%，通过设置不等的发散角度，对原发散角较小的光线进行较大程度的发散，可以进一步减小不同颜色激光光束的发散程度的差异，从而利于提高合光光斑的颜色重合度。

在一种实例中，激光器120可以为MCL型激光器，比如图5所示的结构形态。其中，MCL型激光器可以至少为三组，分别发出红色激光、蓝色激光、绿色激光，每组激光器都可以为图5所示的结构形态，且所有的发光区域发出同种颜色的光。或者，激光器120为一组MCL型激光器，包括呈行列排列的多种发光芯片，分别发出红色激光、蓝色激光、绿色激光。具体地，再次参见图5，激光器可以包括设置于同一基板上的第一发光区域2001，第二发光区域2002，第三发光区域2003，其中，第一出光区域、第二出光区域、第三出光区域依次相邻设置，且第三出光区域的面积均大于第一出光区域和第二出光区域的面积。

在一具体实施中，第一发光区域可以发出蓝色激光，第二发光区域发出绿色激光，第三发光区域发出红色激光。

图5所示，上述的三个发光区域位于同一个激光器封装组件上，即三色激光的发光芯片按照阵列排布，封装在一个模块中，比如本示例中应用的MCL型激光器为4X5的发光阵列。激光器组件包括基板2010，基板2010上封装有多颗发光芯片，在激光器组件的出光面位置还设置有准直透镜组2012。激光器组件的出光面具有多个出光区域，不同出光区域射出的光束颜色不同。其中一行发出为绿光，一行发出蓝光，剩余两行发出红光。上述激光器组件将三色发光芯片封装在一起，体积较小，利于减小光源装置的体积。

需要说明的是，本示例中的激光器组件并不限于上述的4X5阵列方式，也可以是其他阵列排列方式，比如3X5阵列，或者2X7阵列，只要能够满足发出三色激光光束即可。

图6示出了一种激光器120的具体结构。如图6所示，对应MCL激光器不同的出光区域设置有多个合光镜片1201，1202，1203，均用于将对应的出光区域射出的光束进行90度转折后射向光源的出光口方向。多个合光镜片均朝向激光光源的出光口方向依次排列，且至少一个合光镜片可透过其它出光区域对应颜色的光束，并与其反射的光束进行合束，沿激光光源的出光口方向出射。具体地，第一合光镜片1201用于接收第一出光区域发出的光束，第二合光镜片1202用于接收第二出光区域发出的光束，第三合光镜片1203用于接收第三出光区域发出的光束。第一合光镜片1201、第二合光镜1202和第三合光镜1203的光接收面与激光器组件110发光区域出射的第一颜色激光光束、第二颜色激光光束及第三颜色激光光束之间的夹角均可设置为45°±2°，其中，第一合光镜片1201为反射镜，第二合光镜片1202，第三合光镜片12033均为二向色镜。第一合光镜片1201，第二合光镜片1202和第三合光镜片1203相互平行设置。

第一合光镜片1201为反射镜，用于反射第一颜色的激光光束。第二合光镜片1202用于反射第二颜色的激光光束并透射第一颜色的激光光束，为一二向色镜。第三合光镜片1203用于反射第三颜色的激光光束并透射第一颜色和第二颜色的激光光束。其中，第三合光镜片1203为一二向色镜。

其中，第一颜色激光光束和第二颜色激光光束的光斑尺寸均小于第三颜色激光光束的光斑尺寸，且第一颜色激光光束、第二颜色激光光束的光束角度与第三颜色激光光束的角度不同，具体地，第一颜色激光光束、第二颜色激光光束的平行度均小于第三颜色激光光束的平行度，也即第三颜色激光光束的发散角度均大于第一颜色激光光束和第二颜色激光光束的发散角度。

其中，第三颜色激光为红色激光，第一颜色激光和第二颜色激光为蓝色激光和绿色激光。

通过上述示例可知，激光器120出射的光束中，红色激光光束的尺寸大于蓝色激光和绿色激光的光束尺寸。

以及，上述的激光器120出射的光束被集光装置，比如光棒收集时，会出现如图11所示的现象。比如会在光棒入光面测得光斑分布会呈现较为明显的内外圈颜色分界现象，比如会聚的光斑近似呈现圆形，最外圈呈现红色，依次向内为紫，蓝等不同同心圆的光圈。上述图示现象表面，三种颜色的激光光束存在光斑分界、合光颜色分布不均匀的现象。而这种现象会导致投影图像画面质量的下降。

通过上述示例的激光光源方案，利用第一扩散部位于第二透镜的焦点处，且位于第一透镜和第二透镜之间，尤其当第一透镜和第二透镜的焦点重合时，，第一扩散部可以设置较大范围的发散角度，对入射的激光光束进行较大程度的扩散，使激光光束的匀化效果好，而经过大角度扩散后的激光光束射向第二透镜后，仍可以被第二透镜会聚或呈准直状态，具体地，入射至第一扩散部且位于第二透镜焦点处的部分的光源可视为点光源，经第一扩散部出射的该部分的光束可以被第二透镜准直成平行或近似平行光束，而未入射至该焦点位置处的光束部分形成焦平面处的面光源，这部分光源仍可以被第二透镜进行光束发散角度的压缩，进行会聚。

这样，通过上述激光光源的方案，原先具有不同发散角度的、不同颜色的激光光束都可以进行较大角度的发散，但发散角度的改善率不同，从而经过第一扩散部后不同颜色的激光光束的发散角度的差异性可以得到减小，合光光斑的重合度就会提高，减轻或避免色圈、偏色现象，提高投影图像的画面质量。

本申请以下实施例提供了一种激光投影设备，该激光投影设备的投影画面的显示效果可以较好。另外，该激光投影设备也可以较容易实现小型化。

图7是本申请实施例提供的一种激光投影设备的结构示意图。如图7所示，该激光投影设备00包括：激光器120、光阀103和镜头30，激光器120用于向光阀103发出光线，光阀103用于将入射的光线调制后射向镜头30，镜头30用于将入射的光线进行投射。

激光投影设备00还包括：位于激光器120和光阀103之间的光路中的第一透镜1041、第一扩散部105、第二透镜1042和匀光部件101。示例地，该第一透镜1041、第一扩散部105、第二透镜1042和匀光部件101可以沿激光器120的出光方向（如图7中的x方向）依次排布。优选地，在本示例的激光投影设备光路中，第一透镜1041与第二透镜1042的焦点重合，且重合的焦点位于第一透镜1041与第二透镜1042之间。该第一扩散部105位于该焦点处。可选地，第一透镜1041和第二透镜1042的光轴可以共线。以及，第一透镜1041和第二透镜1042均为凸透镜。

第一透镜1041可以将由激光器120入射的光线会聚至其焦点处，故第一透镜1041可以将激光器120发出的光线会聚至第一扩散部105，第一扩散部105用于将入射的光线的发散角度扩大后射向第二透镜1042，第二透镜1042用于将入射的光线射向匀光部件101，匀光部件101用于将入射的光线匀化后射向管阀103。第一透镜1041与第二透镜1042可以构成缩束系统，以对入射第一透镜的光线进行缩束，故第一透镜1041上的光斑面积大于第二透镜1042上的光斑面积。也即是，光源射出的光线在第一透镜1041上的形成的光斑的面积，大于从第一扩散部105射出的光线在第二透镜1042上的形成的光斑的面积。

可选地，光源射向第一透镜1041的光线可以平行于第一透镜1041的光轴，或者大致平行于该光轴（也即光线与该光轴的夹角小于某角度阈值）。由于凸透镜可以将平行于光轴的光会聚于焦点处，且凸透镜可以将由其焦点入射的光变为平行于光轴的光。故光源射出的光线在通过第一透镜1041后可以会聚于其焦点，且该光线可以再射向第二透镜1042，并通过第二透镜1042变为平行光。此时，激光器120可以不包括会聚透镜，或者将会聚透镜置换为准直透镜，以保证光源射向光机的光线为平行光或近似为平行光。

本申请实施例中，由于光线在焦点处会聚后又继续传输至第二透镜1042，第一透镜1041上的光斑面积大于第二透镜1042上的光斑面积。也即是第一透镜1041和第二透镜1042组成的透镜组可以将输入的光束进行缩束，保证光线较多地射向匀光部件以用于形成投影画面，保证光线的利用率较高。

本申请实施例中第一扩散部位于第一透镜和第二透镜的焦点处，故即使第一扩散部的扩散角可以设置为较大，也可以保证从第一扩散部射出的光线可以视为点光源射向第二透镜，变为近似于平行光射出。如此，激光投影设备可以在不影响对光线缩束，保证光线利用率的基础上，一方面具有上述激光光源实施例所示出的可以减轻不同颜色、原具有不同发散角度的激光光束的发散程度的差异的作用，同时通过扩大光源发出的光线的发散角度还能提高激光光束的匀化性，进而减弱激光投影设备的散斑效应，提高激光投影设备的投影画面的显示效果。且由于射向匀光部件的光线的损失较少，故可以保证匀光部件的光利用率较高。

以及，本申请实施例中第一扩散部位于第一透镜与第二透镜的焦点处，即使第一扩散部的扩散角较大，也不会影响第一透镜与第二透镜对光线的缩束，故第一扩散部的扩散角可以较大，保证对散斑效应的消除效果较好。

需要说明的是，当第一透镜和第二透镜的焦点不重合，而第一扩散部位于第二透镜的焦点平面处时，也可以起到对激光光束较大程度的发散程度的改变的效果，与第一透镜、第二透镜的焦点重合的情形不同的时，当两者的焦点重合时，可以将第一扩散部的入光处或出光处视为一个点光源，这样，即便较大的扩散角对激光光束进行扩散，改变激光光束的发散角，也仍然可以被第二透镜准直为平行光束，而第一透镜的入光侧也为平行光束，这样，对于第一透镜和第二透镜组成的光学系统而言，入射光和出射光均为平行光束，且出射光斑尺寸减小，可以同时起到缩束的目的。上述说明同样适用前述的激光光源的多个实施例的情形。

以及，本申请实施例中将第一扩散部设置在第一透镜与第二透镜之间，同时进行光束发散和缩束的光学处理，无需单独设置用于设置第一扩散部的位置，光学系统中的部件布置紧凑，故可以在减弱散斑效应的同时保证激光投影设备的体积较小。

综上所述，本申请实施例提供的激光投影设备中，光源和光阀之间的光路上依次排布有第一透镜、第一扩散部、第二透镜和匀光部件。第一透镜与第二透镜的焦点重合，且第一透镜上的光斑面积大于第二透镜上的光斑面积，第一透镜和第二透镜可以对光源发出的光线进行缩束，保证光线较多地射向匀光部件以用于形成投影画面，保证光线的利用率较高。且由于第一扩散部位于该重合的焦点处，光束在此会聚后再发出可视为点光源，一方面，根据光束会聚成像原理，该焦点（会聚成像处）处的光线可以视为点光源以任意光束角度向透镜出射，都可以被该透镜准直成平行光束，因此，第一扩散部可以设置为较大发散角度，对入射的激光光束进行较大程度的扩散，使激光光束的匀化效果好，而经过大角度扩散后的激光光束射向第二透镜后，仍可以被第二透镜会聚成准直状态。

另一方面，经过第二透镜准直的激光光束的光斑尺寸减小，实现了激光光束的缩束，进而利于后面光学镜片的利用。在上述技术方案中，不需要额外为第一扩散部设置专门的光路位置，而是位于原有的两个透镜之间，就能够达到缩束、提高不同颜色光斑光斑重合度、消散斑的多重作用，同时不会增加光路的长度。

因此，激光投影设备可以在不影响对光线缩束，保证光线利用率和光路长度不增加的前提下，还能够通过扩大光源发出的光线的发散角度减轻不同颜色不同发散角度的激光光束的发散差异，提高合光的重合度，减轻色偏，同时还通过较大角度的扩散对光束起到匀化作用，进而减弱激光投影设备的散斑效应，提高激光投影设备的投影画面的显示效果。

可选地，第一透镜1041在垂直于其光轴的平面上的正投影面积，大于第二透镜1042在该平面上的正投影面积，也即是第一透镜1041的尺寸大于第二透镜1042的尺寸，第一透镜1041的孔径大于第二透镜1042的孔径。由光线在第二透镜1042上形成的光斑可以小于光线在第一透镜1041上形成的光斑，故可以使第一透镜1041的尺寸大于第二透镜1042的尺寸，避免设置较大的第二透镜1042导致对凸透镜的浪费。

可选地，第一扩散部105的光入射中心可以与第一透镜1041和第二透镜1042的焦点重合。该第一扩散部105可以垂直于第一透镜1041与第二透镜1042的排布方向（也即是图7中的x方向），也即第一扩散部105位于该第一透镜1041与第二透镜1042重合的焦平面处。可选地，第一扩散部105的扩散角的范围为5度~16度。

本申请实施例的激光器120可以发出至少两种颜色的激光，或者，也可以发出三色激光。光源发出的光线为激光时激光投影设备会产生散斑效应，故需要设置扩散片来降低散斑效应。可选地，该至少两种颜色的激光可以包括：第一发散角度的激光和第二发散角度的激光，该第一发散角度大于第二发散角度。示例地，该至少两种颜色的激光可以包括：红色激光、绿色激光和蓝色激光，其中红色激光的发散角度大于蓝色激光和绿色激光的发散角度，故红色激光为第一发散角度的激光，绿色激光和蓝色激光为第二发散角度的激光。

基于该激光器120，同图4所示，本申请实施例中第一扩散部105可以包括第一扩散区和第二扩散区，该第一扩散区的扩散角小于第二扩散区的扩散角。该第一发散角度的激光可以射向该第一扩散区，该第二发散角度的激光可以射向该第二扩散区。由于射向第一扩散区的激光的发散角度大于射向第二扩散区的激光的发散角度，且第一扩散区的扩散角小于第二扩散区的扩散角。如此可以保证从第一扩散部105射出的不同发散角度的激光光束的差异性缩小，提高多种颜色激光光束合光光斑的重合度，避免出现合光光斑的分界现象，并且还可以保证用于投射的激光的均匀性，减轻散斑效应，进一步提高投影画面的显示效果。

本申请实施例中，匀光部件101可以包括复眼透镜。复眼透镜对光线的匀化效果较好，且复眼透镜对光线的匀化效果与其厚度无关，故采用较薄的复眼透镜即可保证对光线较好的匀化效果，进一步保证了激光投影设备的小型化。

可选地，复眼透镜对平行光的匀化效果较好，射向复眼透镜的光线可以为平行光或者近似为平行光。可选地，第一透镜1041、第二透镜1042和复眼透镜的光轴可以共线。需要说明的是，本申请实施例在光源与复眼透镜之间设置缩束系统以缩小射向复眼透镜的光斑，如此一来，复眼透镜的尺寸可以较小。由于复眼透镜的成本较高，故可以节省复眼透镜的成本，进而节省激光投影设备的制造成本。

请继续参考图7，复眼透镜可以包括多个透镜单元Y。如该多个透镜单元Y可以阵列排布。复眼透镜可以满足以下至少一种：

复眼透镜在垂直于复眼透镜的光轴的平面上的正投影面积范围为144平方毫米~265平方毫米；

复眼透镜在垂直于复眼透镜的光轴的平面上的正投影呈矩形，该矩形的长宽比范围为1.6~2；

透镜单元Y中位于垂直于该光轴的方向上的两端的最大距离范围为0.5毫米~1.5毫米；

以及，复眼透镜的透光率范围为98%~99%。

需要说明的是，图7仅示出了该复眼透镜中的六个透镜单元Y。可选地，复眼透镜中该透镜单元Y的个数可以根据透镜单元Y的形状和尺寸，以及复眼透镜的尺寸进行设置。如该复眼透镜中的透镜单元Y的个数也可以为10个、20个、50个甚至更多，本申请实施例不做限定。

示例地，复眼透镜在垂直于复眼透镜的光轴的平面（也即垂直于x方向的平面）上的正投影可以呈四边形，如该四边形为正方形，则该正方形的边长范围可以为12毫米~25毫米。可选地，该复眼透镜在该平面上的正投影也可以呈其他形状，如矩形、圆形或者椭圆形等，本申请实施例不做限定。

又示例地，透镜单元Y在垂直于复眼透镜的光轴的平面上的正投影可以呈圆形、椭圆形、四边形、六边形或者其他形状。若透镜单元Y在该平面上行的正投影呈圆形，则该透镜单元Y中位于垂直于光轴的方向上的两端的距离均为该圆形的直径。若透镜单元Y在该平面上的正投影呈椭圆形，则该透镜单元Y中位于垂直于光轴的方向上的两端的最大距离为该椭圆形的长轴。若透镜单元Y在该平面上的正投影呈矩形，则该透镜单元Y中位于垂直于光轴的方向上的两端的最大距离为该矩形的长。若透镜单元Y在该平面上的正投影呈六边形，则该透镜单元Y中位于垂直于光轴的方向上的两端的最大距离为该矩形的最长对角线的长度。

由于复眼透镜上的光斑与光阀103上的光斑呈物像关系，复眼透镜上光斑的长宽比与光阀103处的光斑的长宽比相同，故可以根据光阀103对复眼透镜进行设计。如将复眼透镜设计为在垂直于其光轴的平面上的正投影的长宽比与光阀103的长宽比相同，如该长宽比范围为1.6~2。

相关技术中采用光导管作为匀光部件，光线在光导管中传输的过程中的损耗较高，光导管的透光率较低。且光导管呈长条状，光导管的入光口尺寸较小，光导管的入光角度较小。如光导管的入光口的中心可以位于会聚透镜的光轴上，会聚透镜射出的光线与会聚透镜的光轴的夹角处于光导管的入光角度范围内时，该光线才可以入射光导管。通常光导管的入光角度小于23度，而会聚透镜射出的光线中存在较多与光轴的夹角大于23度的光线，这些光线会被浪费，故光源发出的较多光线被浪费，光源发出的光线的利用率较低。

而本申请实施例中，复眼透镜的透光率能够达到98%~99%，复眼透镜的透光率大于光导管的透光率，故可以降低光线在匀光过程中的损耗。且复眼透镜的尺寸可以大于光导管的入光口的尺寸，光源射出的光线可以较多地射向复眼透镜，进而被复眼透镜均匀化后射出，故光源发出的光线的利用率高，光线损失较少，光机的光效较高。

图8是本申请实施例提供的另一种激光投影设备的结构示意图。如图8所示，激光投影设备00还可以包括：第二扩散部106，该第二扩散部106位于第二透镜1042与匀光部件101之间。可选地，该第二扩散部106的扩散角可以小于第一扩散部105的扩散角。如第二扩散部106的扩散角的范围为1度~6度。可选地，该第二扩散部106可以固定设置。可选地，该第二扩散部106也可以位于激光器120发出的光线入射第一透镜1041之前的光路中，如第二扩散部106也可以位于激光器120与第一透镜1041之间，本申请实施例未对此种方式进行示意。

本申请实施例中，在设置第一扩散部105的基础上，可以再设置第二扩散部106以进一步辅助第一扩散部105对光线进行扩散匀化，进一步降低激光投影设备的散斑效应。另外，由于第二扩散部106靠近匀光部件101，且通过第二扩散部106的光会按照其出射角度传输，故使第二扩散部106的扩散角较小，进而避免通过第二扩散部106的光由于发散角度较大而射向匀光部件101之外，导致光线浪费的情况发生。另外，由于透镜组104对光线的缩束，使得射向第二扩散部106的光斑较小，第二扩散部106的面积也可以较小，进而可以进一步降低光机的制备成本。

可选地，请继续参考图8，激光投影设备00还可以包括：第一驱动结构107，和/或，第二驱动结构108。图8以该激光投影设备同时包括第一驱动结构107和第二驱动结构108为例进行示意。该第一驱动结构107用于驱动光源与匀光部件101之间的扩散片（如第一扩散部105和第二扩散部106）沿目标方向运动，该目标方向相交于光源与匀光部件101的排布方向（也即x方向）。例如该目标方向垂直于x方向，如该目标方向可以为y方向，或者该目标方向同时垂直于x方向和y方向（也即是垂直纸面的方向）。该第二驱动结构108用于驱动扩散片绕平行于光源与匀光部件101的排布方向（也即x方向）的轴向转动。

扩散片中包括按照一定规律排布的扩散角不同的微结构，如该微结构可以为类似于微型凸透镜的结构。扩散片在运动时可以保证光线在不同时刻射向扩散片的不同位置，如此光线在不同时刻的发散角度不同，激光投影设备根据该光线进行投影形成的不同形状位置的散斑可以散乱叠加，进而用户可以无法看到明显的散斑，起到了更好的消除散斑的作用。

需要说明的是，第一扩散部105和第二扩散部106中可以仅一个扩散片能在上述至少一个驱动结构的驱动下运动，或者该两个扩散片也可以均在至少一个驱动结构的驱动下运动，该两个扩散片的运动方式可以相同也可以不同，本申请实施例不做限定。示例地，图8以第一扩散部105在第一驱动结构107的驱动下运动，第二扩散部106在第二驱动结构108的驱动下运动为例进行示意。

可选地，请继续参考图7和图8，激光投影设备00还可以包括：位于匀光部件101与光阀103之间的照明镜组102。该照明镜组102可以包括：第三凸透镜T3、反射片F、第四凸透镜T4和全内反射棱镜L。匀光部件101射出的光线可以通过第三凸透镜T3射向反射片F，反射片F可以将入射的光线反射至第四凸透镜T4，第四凸透镜T4可以将入射的光线会聚至全内反射棱镜L，全内反射棱镜L将入射的光线反射至光阀103。需要说明的是，对于该照明镜组102的介绍可以参考对图1中照明镜组0023的相关介绍。

需要说明的是，相关技术中光导管射出的光线需要通过至少两个透镜才射向反射片。而本申请实施例中第一透镜和第二透镜组成的缩束系统可以将光线射出平行光，复眼透镜射出的光线准直度较高，故之后可以仅通过一个收光凸透镜（也即是第三凸透镜）缩小光线的发散角度，便可以得到符合光阀调制需求的光线，进而使该光线依次射向反射片、第四凸透镜和光阀。由于本申请实施例中减少了匀光部件与反射片之间收光透镜的个数，故可以进一步保证激光投影设备的体积较小，便于激光投影设备的小型化。

图9是本申请实施例提供的一种激光投影设备的部分结构示意图，且其中仅对照明镜组中的部分结构和光阀进行示意。图9所示的照明镜组102和光阀103可以为图7或图8中的照明镜组102和光阀103的左视图，图7或图8中的照明镜组102和光阀103可以为图9所示的照明镜组102和光阀103的俯视图顺时针旋转90度后的视图。如图9所示，照明镜组102中的全内反射棱镜L可以包括两个三棱镜（分别为第一棱镜L1和第二棱镜L2），该第二棱镜L2可以位于第一棱镜L1远离光阀103的一侧。该第一棱镜L1和第二棱镜L2中相互靠近的两个表面之间可以存在空气间隙，进而该两个三棱镜可以构成全内反射棱镜，保证入射该第一棱镜L1的光线可以在其靠近第二棱镜L2的侧面上发生全反射，进而射出第一棱镜L1且射向光阀103。该光阀103可以对该光线进行反射，使该光线依次穿过第一棱镜L1和第二棱镜L2进而射向镜头。可选地，光线在照明镜组102中的光路也可以称为照明光路。

可选地，本申请实施例中的光阀可以根据激光投影设备的投影架构的不同而进行适应的更改。示例地，光阀可以为硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS），液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）或者数字微镜器件（Digital Micromirror Device，DMD）。本申请实施例以激光投影设备采用数字光处理（Digital Light Processing，DLP）架构，光阀为DMD为例进行解释说明。示例地，DMD包括多个微小的反射片（图中未示出），每个反射片可以看做一个像素，每个反射片反射的光可以用于显示投影画面中的一个像素点。反射片可以处于两个状态，在第一状态下反射片可以将入射的光线反射至镜头，在第二状态下反射片可以将入射的光线反射至镜头外，以此来实现像素的明暗显示。例如，反射片从初始状态旋转正17度或正12度时，该反射片可以处于第一状态，反射片从初始状态旋转负17度或负12度时，该反射片可以处于第二状态。示例地，若图8所示的光阀表示一个反射片，则此时该反射片可以处于第一状态，该反射片的初始状态可以为该反射片平行于其靠近的第一棱镜L1的侧面的状态。如该反射片从初始状态顺时针旋转的角度为正的角度，从初始状态逆时针旋转的角度为负的角度。如此可以通过调整DMD中各个反射片的状态，以使激光投影设备能够投射相应地投影画面。

综上所述，本申请上述实施例提供的激光投影设备中，光源和光阀之间的光路上依次排布有第一透镜、第一扩散部、第二透镜和匀光部件。优选地，第一透镜与第二透镜的焦点重合，且第一透镜上的光斑面积大于第二透镜上的光斑面积，第一透镜和第二透镜可以对光源发出的光线进行缩束，保证光线较多地射向匀光部件以用于形成投影画面，保证光线的利用率较高。且由于第一扩散部位于该重合的焦点处，一方面，根据光束会聚成像原理，该焦点（会聚成像处）处的光线原理上可以视为点光源以任意光束角度向透镜出射，都可以被该透镜准直成平行光束，因此，第一扩散部可以设置较大的发散角度，对入射的激光光束进行较大程度的扩散，减轻不同颜色的激光光束发散程度的差异性，且使激光光束的匀化效果好，而经过大角度扩散后的激光光束射向第二透镜后，仍可以被第二透镜会聚成准直状态。

由于经过大角度的扩散，激光光束的匀化效果提高，还有利于改善散斑效应。

另一方面，经过第二透镜准直的激光光束的光斑尺寸减小，实现了激光光束的缩束，进而利于后面光学镜片的利用。在上述技术方案中，不需要额外为第一扩散部设置专门的光路位置，而是位于原有的两个透镜之间，就能够达到缩束、减轻不同颜色激光光束发散差异性、消散斑的多重作用，而不会增加光路的长度，利于光源架构的小型化。

图10是本申请实施例提供的又一种激光投影设备光学引擎结构示意图。图10所示的可以为激光投影设备的光学引擎的整体外观图，该外观图可以为上述实施例中的任一可选结构的激光投影设备的光学引擎的整体外观图。如图10所示，该激光投影设备包括：光源10，光机20和镜头30。该光源10用于向光机20发出光线，该光机20用于将入射的光线调制后射向镜头30，镜头30用于将入射的光线进行投射。如该光源10可以包括可以为上述图3-1~图3-4及其改进型的任一激光光源的实施例。或者，该光学引擎光路可以为上述图7或图8及其改进型的激光投影光路系统，并具有上述激光光源或激光投影光路的有益效果，在此不再赘述。

本申请中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请中术语“A、B和C的至少一种”表示可以存在七种关系，可以表示：单独存在A，单独存在B，单独存在C，同时存在A和B，同时存在A和C，同时存在C和B，同时存在A、B和C这七种情况。在本申请实施例中，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种激光光源，其特征在于，包括:

激光器，至少发出蓝色激光和红色激光；

沿光源的出光方向依次排布的第一透镜、第一扩散部及第二透镜，所述第一透镜用于将至少所述蓝色激光和所述红色激光会聚至所述第一扩散部；

所述第一扩散部用于将至少所述蓝色激光和红色激光的发散角度均扩大后射向所述第二透镜；

所述第二透镜用于将呈发散状态的至少所述蓝色激光和红色激光进行会聚，

其中，所述第二透镜的焦点位于所述第一透镜和所述第二透镜之间，所述第一扩散部位于所述第二透镜的焦点平面处，经所述第二透镜出射的光斑的尺寸小于入射所述第一透镜入射侧的光斑的尺寸。

2.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，

第一扩散部的扩散角的范围为5度~16度。

3.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，

所述第一透镜和所述第二透镜均为凸透镜，两者的焦点重合。

4.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，

所述第一扩散部为运动的扩散片。

5.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，

所述第一透镜和所述第二透镜的光轴重合，所述第一透镜入射侧的光斑面积与所述第二透镜出射侧的光斑面积的比值范围为1.5~3。

6.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，

所述第一透镜的焦距大于所述第二透镜的焦距。

7.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，

所述激光器还发出绿色激光。

8.根据权利要求1-7任一所述的激光光源，其特征在于，

所述激光器和所述第一透镜之间还设置第二扩散部，

或者，所述第二透镜后还设置第二扩散部。

9.根据权利要求8所述的激光光源，其特征在于：

所述第二扩散部为固定设置的扩散片。

10.根据权利要求8所述的激光光源，其特征在于，

所述第二扩散部的发散角小于所述第一扩散部的发散角。

11.根据权利要求1-7任一所述的激光光源，其特征在于，

所述第一扩散部具有至少两个分区，其中，红色激光透射通过第一分区，蓝色激光透射通过第二分区，所述第一分区的扩散角度小于所述第二分区的扩散角度。

12.根据权利要求7所述的激光光源，其特征在于，

所述激光器为MCL型激光器，所述MCL型激光器至少为三组，分别发出红色激光、蓝色激光、绿色激光；

所述MCL型激光器为一组，包括呈行列排列的多种发光芯片，分别发出红色激光、蓝色激光、绿色激光。

13.一种激光投影设备，其特征在于，包括：

激光光源、光阀和镜头，所述激光光源用于向所述光阀发出光线，所述光阀用于将入射的光线调制后射向所述镜头，所述镜头用于将入射的光线进行投射；所述激光光源为权利要求1-12任一所述的激光光源。

14.根据权利要求13所述的激光投影设备，其特征在于，所述激光投影设备还包括：匀光部件；

所述激光光源发出的光线射向所述匀光部件，所述匀光部件用于将入射的光线匀化后经照明镜组射向所述光阀。

15.根据权利要求14所述的激光投影设备，其特征在于，所述匀光部件包括复眼透镜，

所述复眼透镜满足以下至少一种：

所述复眼透镜在垂直于所述复眼透镜的光轴的平面上的正投影面积范围为144平方毫米~265平方毫米；

所述复眼透镜在垂直于所述复眼透镜的光轴的平面上的正投影呈矩形，所述矩形的长宽比范围为1.6~2；

以及，所述透镜单元中位于垂直于所述光轴的方向上的两端的最大距离范围为0.5毫米~1.5毫米。

16.根据权利要求13所述的激光投影设备，其特征在于，

所述照明镜组包括第三凸透镜、反射片、第四凸透镜和全内反射棱镜，所述匀光部件射出的光线通过所述第三凸透镜射向所述反射片，所述反射片用于将入射的光线反射至所述第四凸透镜，所述第四凸透镜用于将入射的光线会聚至所述全内反射棱镜，所述全内反射棱镜用于将入射的光线反射至所述光阀。

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