CN117075356A - 一种激光照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光照明技术领域，特别涉及一种激光照明装置，包括光源模块，光源模块包括平行阵列排布的红光光源、绿光光源及蓝光光源，红光光源、绿光光源及蓝光光源的出射光方向的前侧均设置有整形透镜，每一整形透镜的前侧均设置有偏振分光镜；光束匀化模块，光束匀化模块包括依次排布的匀化片、第一双列微透镜阵列、积分透镜、第一双凹透镜、非球面透镜、第二双列微透镜阵列以及第二双凹透镜；以及外扩束模块，外扩束模块包括第一外扩束镜、第二外扩束镜、步进电机、霍尔传感器、磁铁以及光轴，第二外扩束镜穿设于光轴并驱动连接于步进电机。本发明技术方案旨在降低模组制作成本，提高能量利用率。

Description

一种激光照明装置

技术领域

本发明涉及激光照明技术领域，特别涉及一种激光照明装置。

背景技术

激光照明装置是一种利用激光器发射激光光束来进行照明的装置。它可以产生一束高亮度、高聚焦的激光光束，通过调节激光器的参数和光束控制系统，实现不同形状、颜色和强度的照明效果。激光照明装置具有集中度高、亮度高、能耗低等优点，因此在舞台照明、建筑物照明、景观照明等领域得到广泛应用。

目前的激光照明装置多采用光纤波导法进行光束匀化，光纤波导法利用光线的全反射原理将耦合进光纤的光多次反射，在光纤出射面得到能量分布均匀的光斑，但采用前述方法光纤制作成本较高，设备体积大且光纤易折弯损坏，能量利用率不高，效果不甚理想。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种激光光束装置，旨在降低模组制作成本，提高能量利用率。

为实现上述目的，本发明提出的一种激光照明装置，包括：

光源模块，所述光源模块包括平行阵列排布的红光光源、绿光光源及蓝光光源，所述红光光源、绿光光源及蓝光光源的出射光方向的前侧均设置有整形透镜，每一所述整形透镜的前侧均设置有偏振分光镜；

光束匀化模块，所述光束匀化模块包括依次排布的匀化片、第一双列微透镜阵列、积分透镜、第一双凹透镜、非球面透镜、第二双列微透镜阵列以及第二双凹透镜；

外扩束模块，所述外扩束模块包括第一外扩束镜、第二外扩束镜、步进电机、霍尔传感器、磁铁以及光轴，所述第二外扩束镜穿设于所述光轴并驱动连接于所述步进电机，所述磁铁连接于所述第二外扩束镜，所述霍尔传感器和所述磁铁相对设置，用于确定所述第一外扩束镜和第二外扩束镜的相对距离；以及

控制模块，所述控制模块包括控制台和微处理模块，所述控制台用于输入光束直径信号，所述微处理模块用于接收所述控制台输入的光束直径信号，并将该光束直径信号转换为所述第二外扩束镜的位置信息，并接收霍尔传感器反馈的位置信号，并对比两所述位置信号，得出位置差；依据所述位置差向所述步进电机发送电脉冲信号，以使所述步进电机带动所述第二外扩束镜移动到相应位置；

其中，所述匀化片对光束进行初次匀化，所述第一双列微透镜阵列将光束分割为多个子光束，并通过所述积分透镜后在所述积分透镜的后焦面重合，所述第一双凹透镜和所述非球面透镜组成第一扩束系统，将子光束发散角扩大再收缩，所述第二双列微透镜阵列对子光束进行再次分割，所述第二双凹透镜将再次分割后的子光束进行发散角放大，并与所述外扩束模块的透镜组成第二扩束系统。

在本申请的一实施例中，所述第一双列微透镜阵列和所述第二双列微透镜阵列均包括两相对设置的微透镜阵列，每一所述微透镜阵列均包括若干阵列排布的子透镜，形成单面微透镜阵列平凸结构，两所述微透镜阵列之间构成光束通道，所述光束通道的长度等于子透镜的焦距。

在本申请的一实施例中，所述子透镜为六边形、圆形或正方形的凸透镜或柱镜中任一形状，且呈M×N型阵列排布，M和N为正整数，M和N中至少一个大于1。

在本申请的一实施例中，在所述第一双列微透镜阵列和所述第二双列微透镜阵列中，第一列所述微透镜阵列中的任一子透镜与第二列所述微透镜阵列中对应位置的子透镜组成子光束通道。

在本申请的一实施例中，所述红光光源设置有两个，两所述红光光源经所述偏振分光镜束合为一路红光。

在本申请的一实施例中，所述第一外扩束镜为双凸正焦透镜，所述第二外扩束镜为一面凸一面凹的凸透镜。

本发明技术方案通过采用匀化片、第一双列微透镜阵列、积分透镜、第一双凹透镜、非球面透镜、第二双列微透镜阵列以及第二双凹透镜的光学方案，并配合外扩束模块解决激光束因不同光源发散角不同导致光束远场光斑能量分布不均、光束边缘不锐利的问题，同时降低了激光本身搞相干性对光束匀化的影响，形成光束能量分布均匀且光束边缘锐利的平顶光束，提高了光束的实际使用效果。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明激光照明装置一实施例的光路示意图；

图2为本发明光束匀化模块一实施例的光路示意图；

图3为本发明双列微透镜阵列一实施例的光路示意图；

图4为本发明双列微透镜阵列的子透镜阵列排布示意图；

图5为本发明光源模块一实施例的光路示意图；

图6为本发明外扩束模块一实施例的结构示意图；

图7为本发明控制模块一实施例的控制原理图。

附图标号说明：

10、光源模块；11、红光光源；12、绿光光源；13、蓝光光源；14、整形透镜；15、偏振分光镜；20、光束匀化模块；21、匀化片；22、第一双列微透镜阵列；23、积分透镜；24、第一双凹透镜；25、非球面透镜；26、第二双列微透镜阵列；27、第二双凹透镜；30、外扩束模块；31、第一外扩束镜；32、第二外扩束镜；33、步进电机；34、磁铁；35、光轴；36、霍尔传感器。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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、完整地描述，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B为例”，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

为解决背景技术中的问题，结合参照图1至图7所示，本发明提出的一种激光照明装置，包括光源模块10、光束匀化模块20以及外扩束模块30，光源模块10包括平行阵列排布的红光光源11、绿光光源12及蓝光光源13，红光光源11、绿光光源12及蓝光光源13的出射光方向的前侧均设置有整形透镜14，每一整形透镜14的前侧均设置有偏振分光镜15；光束匀化模块20包括依次排布的匀化片21、第一双列微透镜阵列22、积分透镜23、第一双凹透镜24、非球面透镜25、第二双列微透镜阵列26以及第二双凹透镜27；外扩束模块30包括第一外扩束镜31、第二外扩束镜32、步进电机33、霍尔传感器36、磁铁34以及光轴35，第二外扩束镜32穿设于光轴35并驱动连接于步进电机33，磁铁34连接于第二外扩束镜32，霍尔传感器36和磁铁34相对设置，用于确定第一外扩束镜31和第二外扩束镜32的相对距离。

结合参照图2所示，其中，匀化片21对光束进行初次匀化，第一双列微透镜阵列22将光束分割为多个子光束，并通过积分透镜23后在积分透镜23的后焦面重合，第一双凹透镜和非球面透镜25组成第一扩束系统，将子光束发散角扩大再收缩，第二双列微透镜阵列26对子光束进行再次分割，第二双凹透镜27将再次分割后的子光束进行发散角放大，并与外扩束模块30的透镜组成第二扩束系统。

可以理解地，三个不同颜色光源发出的激光束分别经过整形透镜14进行准直，激光束再经过偏振分光镜15组成的合束系统将红、绿、蓝三种颜色的激光束合束成白色的多模激光束；需要说明的是，偏振分光镜15可以将入射光按照其偏振方向分割成两个不同的光束，这种分割可以使偏振分光镜15起到筛选特定偏振方向光束的作用。

激光器的快慢轴通常是指激光器输出束的两个不同方向，在大多数激光器中，由于激光介质和谐振腔的结构，光束在一个方向上发散或聚焦比另一个方向快或慢。因此，由于激光器快慢轴结构的不对称，导致光束远场发散角快慢轴方向不对称，因此可以将白色激光束经过光束匀化模块20将原本高斯分布的激光能量转换为能量均匀分布的平顶激光束。

如图2和图6所示，具体地，首先经过设置的匀化片21将长条形平顶光束转化为具有一定发散角的圆形发散光束，转换后的圆形光束入射至第一双列微透镜阵列22，将圆光束分割为多个子光束，子光束入射至积分透镜23孔径内，子光束经过积分透镜23聚焦在积分透镜23的后焦面重合，此时每个子光束的微小不均匀性在重合过程中被叠加而实现进一步匀化；但此时匀化后的光斑是由多个小光斑叠加而成，近处光斑面积小，且发散角较小，直接准直扩束后远场光斑的效果并不理想；因此，在积分透镜23的后焦面设置了第一双凹透镜24，将叠加后的小光束发散角进行放大，放大后的光束再经过非球面透镜25收缩发散角，将多个小光束重新准直，扩束准直后的光束再次经过第二双列微透镜阵列分束匀化，分束后的多个小光束为平顶光束，小平顶光束再经过第二双凹透镜27将发散角进放大，与外扩束模块30配合组成伽利略式扩束模块，可以将匀化后的光束扩束为直径更小的光束。如此，就解决了激光束远场光斑因不同光源发散角不同而导致光束能量分布不均匀，边缘光强下降的问题；通过调节第一外扩束镜31和第二外扩束镜32之间的相对距离对光束粗细进行调节，同时通过对三色激光光源的电性控制调节红绿蓝三色激光束的功率强弱实现色彩的渐变效果。

在本申请的一实施例中，通过采用匀化片21、第一双列微透镜阵列22、积分透镜23、第一双凹透镜24、非球面透镜25、第二双列微透镜阵列26以及第二双凹透镜27的光学方案，并配合外扩束模块30解决激光束因不同光源发散角不同导致光束远场光斑能量分布不均、光束边缘不锐利的问题，同时降低了激光本身搞相干性对光束匀化的影响，形成光束能量分布均匀且光束边缘锐利的平顶光束，提高了光束的实际使用效果。

需要说明的是，在本实施例中，积分透镜23为平凸镜，材质为镀膜光学玻璃，后焦可根据需要在15-20mm焦距之间调整，积分透镜23的功能是将子光束聚集，使子光束在焦平面叠加；双凹透镜材质为高透镀膜光学玻璃,两边凹面曲率相等，直径为φ8mm；非球面透镜25为平凸状，材质为高透镀膜光学玻璃，功能是将经过双凹透镜发散的子光束发散角收缩，形成平顶光束。

结合参照图6和7所示，在本申请的一实施例中，激光光束装置还包括控制模块，控制模块包括控制台和微处理模块，控制台用于输入光束直径信号；微处理模块用于接收控制台输入的光束直径信号，并将光束直径信号转换为第二外扩束镜32的位置信息，并接收霍尔传感器36反馈的位置信号，并对比两位置信号，得出位置差；依据位置差向步进电机33发送电脉冲信号，以使步进电机33带动第二外扩束镜32移动到相应位置。

可以理解地，可以通过控制台输入已知的光束直径信号，可以根据光源模块10的参数获悉光束的直径信号，并将该光束直径信号发送至微处理模块，微处理模块将光束直径信号转换为第二外扩束镜32的位置信息，同时，微处理模块还可以接收来自霍尔传感器36反馈的位置信号，并对比两位置信号，得出位置差，再根据步进电机33参数自动计算出控制电机运动的电脉冲信号，将该信号发送至步进电机33，使步进电机33带动第二外扩束镜32移动到相应位置。

进一步地，控制模块还可以对光束的粗细进行调节，配合三色光源的亮度配比形成绚丽多彩、变化多样的光束效果。

结合参照图3所示，在本申请的一实施例中，第一双列微透镜阵列22和第二双列微透镜阵列均包括两相对设置的微透镜阵列，每一微透镜阵列均包括若干阵列排布的子透镜，形成单面微透镜阵列平凸结构，两微透镜阵列之间构成光束通道，光束通道的长度等于子透镜的焦距。

可以理解地，第一双列微透镜阵列22和第二双列微透镜阵列均包括两相对设置的微透镜阵列，在双列微透镜阵列中，其中一个微透镜阵列的任意一个子透镜与另一个微透镜阵列对应的子透镜构成一个光束通道，且通道长度正好等于子透镜焦距，经过双微透镜阵列作用下，单一光束经过光束通道分割为多个小光束，每个子光束与微透镜阵列中的子透镜孔径相对应；子光束经一微透镜阵列的子透镜聚焦至另一微透镜阵列对应子透镜孔径上并通过该微透镜阵列子透镜后入射到积分透镜23孔径，从而完成在各自通道内的传输。

结合参照图4所示，在本申请的一实施例中，子透镜为六边形、圆形或正方形的凸透镜或柱镜中任一形状，且呈M×N型阵列排布，M和N为正整数，M和N中至少一个大于1。

可以理解地，子透镜为六边形、圆形或正方形的凸透镜或柱镜中任一形状，且呈M×N型阵列排布，M和N为正整数，M和N中至少一个大于1，在本实施例中，单个子透镜尺寸可以为1mm边长的正六边形，材质为高透光学玻璃，采用六边形子透镜阵列透镜间隙小，光束利用率高。

结合参照图3所示，在本申请的一实施例中，在第一双列微透镜阵列22和第二双列微透镜阵列中，第一列微透镜阵列中的任一子透镜与第二列微透镜阵列中对应位置的子透镜组成子光束通道。

可以理解地，在双列微透镜阵列中，第一列任意一子透镜与第二列中对应位置的子透镜组成一个子光束通道，每个通道成为分割光束的重要单元元件。在每一通道中两子透镜的参数完全相同，且通道的长度正好等于子透镜的焦距。第一列子透镜阵列将入射光分割为一系列子光束，每个子光束与子透镜阵列中的子透镜孔径相对应，这些子光束经第一子透镜聚焦至对应的第二子透镜孔径上并通过第二子透镜后入射到积分透镜23孔径，从而完成在各自通道内的传输，此时每个子光束的微小不均匀性在重合过程中被叠加而实现进一步匀化。

结合参照图5所示，在本申请的一实施例中，红光光源11设置有两个，两红光光源11经偏振分光镜15束合为一路红光。

由于红光光源11单管功率低，因此，可以设置两路红光，经过偏振合束合为一路红光，与绿光及蓝光功率配比合成接近正白光的色温效果。需要合并的红光光源11的正前方可以设置全反镜，将其与另一路红光合并。

结合参照图6所示，在本申请的一实施例中，第一外扩束镜31为双凸正焦透镜，第二外扩束镜32为一面凸一面凹的凸透镜。

可以理解地，双凸正焦透镜有两个凸面，可以将平行光聚焦到一个点上；一面凸一面凹的凸透镜的凸面是向外弯曲的，凹面是向内弯曲的，可以使透镜同时具有透过和聚焦光线的能力，凸面使得透镜能够使平行光线聚焦到一个点上，而凹面则提供了透镜的折射能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种激光照明装置，其特征在于，包括：

光源模块，所述光源模块包括平行阵列排布的红光光源、绿光光源及蓝光光源，所述红光光源、绿光光源及蓝光光源的出射光方向的前侧均设置有整形透镜，每一所述整形透镜的前侧均设置有偏振分光镜；

光束匀化模块，所述光束匀化模块包括依次排布的匀化片、第一双列微透镜阵列、积分透镜、第一双凹透镜、非球面透镜、第二双列微透镜阵列以及第二双凹透镜；

外扩束模块，所述外扩束模块包括第一外扩束镜、第二外扩束镜、步进电机、霍尔传感器、磁铁以及光轴，所述第二外扩束镜穿设于所述光轴并驱动连接于所述步进电机，所述磁铁连接于所述第二外扩束镜，所述霍尔传感器和所述磁铁相对设置，用于确定所述第一外扩束镜和第二外扩束镜的相对距离；以及

控制模块，所述控制模块包括控制台和微处理模块，所述控制台用于输入光束直径信号，所述微处理模块用于接收所述控制台输入的光束直径信号，并将该光束直径信号转换为所述第二外扩束镜的位置信息，并接收霍尔传感器反馈的位置信号，并对比两所述位置信号，得出位置差；依据所述位置差向所述步进电机发送电脉冲信号，以使所述步进电机带动所述第二外扩束镜移动到相应位置；

其中，所述匀化片对光束进行初次匀化，所述第一双列微透镜阵列将光束分割为多个子光束，并通过所述积分透镜后在所述积分透镜的后焦面重合，所述第一双凹透镜和所述非球面透镜组成第一扩束系统，将子光束发散角扩大再收缩，所述第二双列微透镜阵列对子光束进行再次分割，所述第二双凹透镜将再次分割后的子光束进行发散角放大，并与所述外扩束模块的透镜组成第二扩束系统。

2.如权利要求1所述的激光照明装置，其特征在于，所述第一双列微透镜阵列和所述第二双列微透镜阵列均包括两相对设置的微透镜阵列，每一所述微透镜阵列均包括若干阵列排布的子透镜，形成单面微透镜阵列平凸结构，两所述微透镜阵列之间构成光束通道，所述光束通道的长度等于子透镜的焦距。

3.如权利要求2所述的激光照明装置，其特征在于，所述子透镜为六边形、圆形或正方形的凸透镜或柱镜中任一形状，且呈M×N型阵列排布，M和N为正整数，M和N中至少一个大于1。

4.如权利要求3所述的激光照明装置，其特征在于，在所述第一双列微透镜阵列和所述第二双列微透镜阵列中，第一列所述微透镜阵列中的任一子透镜与第二列所述微透镜阵列中对应位置的子透镜组成子光束通道。

5.如权利要求1至4任一所述的激光照明装置，其特征在于，所述红光光源设置有两个，两所述红光光源经所述偏振分光镜束合为一路红光。

6.如权利要求1至4任一所述的激光照明装置，其特征在于，所述第一外扩束镜为双凸正焦透镜，所述第二外扩束镜为一面凸一面凹的凸透镜。