CN117215077A - 一种聚光模组及激光光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚光模组及激光光学系统，所述聚光模组用于收拢和/或聚焦激发光至波长转换装置，所述激发光在x轴方向的光束质量乘积大于在y轴方向的光束质量乘积，所述聚光模组包括模组支架、聚光支架和聚光透镜组，所述聚光透镜组包括依次设置的具有负屈光度的第一透镜、具有正屈光度的第二透镜和具有正屈光度的第三透镜，所述模组支架设有第一安装腔体，所述第一透镜设置于所述第一安装腔体内，所述聚光支架设有第二安装腔体，所述第三透镜设置于所述第二安装腔体内。所述聚光模组能够针对不对称的激发光进行高效整形聚焦、且结构简单紧凑，聚光效果优异。

Description

一种聚光模组及激光光学系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种聚光模组及激光光学系统。

背景技术

目前，市面上的高功率激光模组多是由多个激光器拼接成阵列结构，然而，激光器阵列在x y方向的光束质量乘积通常是不对称的，从而导致发射出来的激光在xy方向不均匀，光斑呈现椭圆形形状，从而影响激光对波长转换装置的激发效率。另外，对于激光光源系统，现今的主流趋势都在寻求小型化、轻便化以及加工工艺简便化。因此，如何在保证激光光学系统的光学效果优异的同时，缩小光学系统的尺寸和简化安装工艺，提高量产稳定性是本行业技术人员致力于解决的问题。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种聚光模组，所述聚光模组能够针对不对称的激发光进行高效整形聚焦、且结构简单紧凑，聚光效果优异。

本发明的另一目的在于提供一种激光光学系统，所述激光光学系统收光效率高，光学性能优异。

本发明采取的技术方案是：

一种聚光模组，用于收拢和/或聚焦激发光至波长转换装置，所述激发光在x轴方向的光束质量乘积大于在y轴方向上的光束质量，所述聚光模组包括模组支架、聚光支架和聚光透镜组，所述聚光透镜组包括依次设置的具有负屈光度的第一透镜、具有正屈光度的第二透镜和具有正屈光度的第三透镜，所述模组支架设有第一安装腔体，所述第一透镜设置于所述第一安装腔体内，所述聚光支架设有第二安装腔体，所述第三透镜设置于所述第二安装腔体内，所述聚光透镜组在x轴方向上的组合焦距为f1x，所述聚光透镜组在y轴方向上的组合焦距为f1y，所述第一透镜的入光面到波长转换装置的受激发面的距离为L1，所述L1、f1x、fly满足：0.7＜L1/f1x＜1.4；1.1＜L1/f1y＜1.7。

在其中一种实施方式中，所述第一安装腔体内设有第一台阶，所述第一透镜设置于第一台阶上，所述第二安装腔体内设有第二台阶，所述第三透镜设置于所述第二台阶上，所述第二透镜与所述第三透镜组通过透镜压环间隔设置。

在其中一种实施方式中，所述第一安装腔体内还设有若干个安装槽，若干个硅胶间隔柱设置于所述安装槽内，且所述硅胶间隔柱位于所述第一透镜和所述第二透镜之间。

在其中一种实施方式中，所述聚光支架内设还设有第三台阶，所述第三台阶上设有匀光扩散片。

在其中一种实施方式中，所述模组支架上设有定位柱或定位孔，所述聚光支架上设有与所述模组支架的定位柱配合的定位孔或与所述模组支架的定位孔配合的定位柱。

一种激光光学系统，包括发出激发光的激光光源、所述的聚光模组、用于将激发光转换为照明光的波长转换装置、用于准直照明光的准直模组以及用于出射照明光的出光透镜组，所述聚光模组、准直模组、出光透镜组依次同轴设置，所述激发光在x轴向的光束质量乘积与在y轴上的光束质量乘积比值为1.1-2。

在其中一个实施方式中，所述准直模组包括准直支架和设置在准直支架上的准直透镜组，所述准直透镜组包括具有正屈光度的第四透镜和具有正屈光度的第五透镜，所述第四透镜的有效通光孔径为D4，所述第四透镜与波长转换装置的间隙间距为L21，所述D4、L21满足：13<D4/L21<17。

在其中一个实施方式中，所述准直支架设有环形第三安装腔体，所述第三安装腔体内设有倒角，倒角上设有若干点胶槽，所述第四透镜通过所述倒角导向安装并通过点胶方式安装于所述第三安装腔体内，和/或所述准直支架上设有第四台阶，所述第五透镜设置于所述第四台阶上。

在其中一个实施方式中，所述准直支架上设有至少2个支撑柄，所述聚光支架的侧壁设有用于导向安装所述支撑柄的导向安装槽，或所述聚光支架上设有至少2个支撑柄，所述准直支架的侧壁设有用于导向安装所述支撑柄的导向安装槽，所述准直支架和所述聚光支架通过所述支撑柄连接。

在其中一个实施方式中，所述准直透镜组的组合焦距为f2，所述波长转换装置的受激发面到第五透镜的出光面的最远距离为L2，所述L2和f2满足：0.42＜f2/L2＜0.65。

在其中一个实施方式中，波长转换装置包括蓝宝石荧光色盘、驱动所述蓝宝石荧光色盘旋转的无刷电机，以及设置于所述蓝宝石荧光色盘上用于维持动平衡的金属环片。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明所述的聚光模组通过对聚光透镜组x轴方向和y轴方向的组合焦距进行设计，能够对不对称的激发光进行高效整形和聚焦，得到能量密度高的圆形光斑，提升聚光模组整体的激发效率，进而可以提升光学系统的光通量以及照度。

附图说明

图1为本发明实施例1聚光模组的爆炸图。

图2为本发明实施例1模组支架结构图。

图3为本发明实施例1聚光支架结构图。

图4为本发明实施例1聚光支架另一视角结构图。

图5为本发明实施例2激光光学系统的爆炸图。

图6为本发明实施例2激光光学系统的光学模拟图。

附图说明：10、聚光模组；11、模组支架；111、第一安装腔体、1111、第一台阶；1112、安装槽；112、定位柱；113、第四腔体；12、聚光支架；121、第二安装腔体；1211、第二台阶；1212、第三台阶；1213、第四台阶；122、定位孔；1221、螺纹孔；13、聚光透镜组；131、第一透镜；132、第二透镜；133、第三透镜；14、透镜压环；15、硅胶间隔柱；20、准直模组；21、准直支架；211、第三安装腔体；2111、倒角；2112、点胶槽；2113、第五台阶；212、支撑柄；2121、通孔；22、准直透镜组；221、第四透镜；222、第五透镜；30、激发光源；40、波长转换装置；41、蓝宝石荧光色盘；42、无刷电机；43、金属环片；50、出光模组；51、出光支架；52、出光透镜；60铜基板；70、外壳。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明所述的x轴方向和y轴方向为常规理解的互相垂直的两个方向，激发光在x轴方向的光束质量乘积最大，x轴方向和y轴方向均垂直于聚光透镜组的光轴方向(z轴)。

实施例1

如图1、图2、图3所示，一种聚光模组10，用于收拢和/或聚焦激发光至波长转换装置，所述激发光在x轴方向的光束质量乘积大于在y轴方向的光束质量乘积，所述聚光模组包括模组支架11、聚光支架12和聚光透镜组13，所述聚光透镜组13包括依次设置的具有负屈光度的第一透镜131、具有正屈光度的第二透镜132和具有正屈光度的第三透镜133，所述模组支架11设有第一安装腔体111，所述第一透镜131设置于所述第一安装腔体111内，所述聚光支架12设有第二安装腔体121，所述第三透镜133设置于所述第二安装腔体121内，所述聚光透镜组13在x轴方向上的组合焦距为f1x，所述聚光透镜组在y轴方向上的组合焦距为f1y，所述第一透镜131的入光面到波长转换装置的受激发面的距离为L1，所述L1、f1x、fly满足：0.7＜L1/f1x＜1.4；1.1＜L1/f1y＜1.7。

进一步地，本实施例中，所述激发光在x轴方向的光束质量乘积与在y轴方向的光束质量乘积的比值为1.1-2。

进一步地，本实施例中，0.79≤L1/f1x≤1.24；1.4≤L1/f1y≤1.5。

进一步地，本实施例中，L1＝16.5mm，f1x＝13.3mm，f1y＝11.7mm。在其他实施方式中，可为L1＝18.9mm，f1x＝23.8，f1y＝13.2。在其他实施例中，也可为L1＝21.8，f1x＝23.7，f1y＝15.5。

本实施方式采用特定结构和光学参数的聚光透镜组，并将聚光透镜组通过模组支架、聚光支架进行安装固定，使得聚光透镜组可以快速稳定地安装，在结构和工艺方面更为简单，精细度高，适合稳定生产。通过控制聚光透镜组在x轴方向上的组合焦距、在y轴方向上的组合焦距，以及第一透镜的入光面到波长转换装置的受激发面的距离，使得所述聚光透镜组可以对激发光束进行整形、聚焦，并且保持聚光模组结构整体结构小巧，同时聚光模组的成像光学系统成像差异小。

进一步地，本实施例中，所述第一安装腔体111内设有第一台阶1111，所述第一透镜131设置于第一台阶1111上，所述第二安装腔体121内设有第二台阶1211，所述第三透镜133设置于所述第二台阶1211上，所述第二透镜132与所述第三透镜133通过透镜压环14间隔设置。本实施例通过将第一透镜131、第三透镜133分别设置于模组支架11和聚光透镜12的台阶上，再用透镜压环14间隔设置第二透镜132和第三透镜133，可以实现对聚光透镜组13的快速、简便安装固定，对于整个聚光透镜组13的安装无需使用胶水、螺丝等方式进行固定，在保证各透镜位置精度的同时可以大大简化工序。

进一步地，本实施例中，所述第一安装腔体111内还设有若干个安装槽1112，若干个硅胶间隔柱15设置于所述安装槽1112内，且所述硅胶间隔柱15位于所述第一透镜131和所述第二透镜132之间。进一步地，本实施例中，所述安装槽1112和硅胶间隔柱15的数量均为2个，硅胶间隔柱15一方面可以压紧第一透镜131，另一方面可以弹性间隔第一透镜131、第二透镜132。

进一步地，本实施例中，所述聚光支架12内设还设有第三台阶1212，所述第三台阶1212上设有匀光扩散片80。匀光扩散片80可以匀化激发光，使得照射至波长转换装置的光斑均匀，避免波长转换装置烧粉现象的发生。进一步地，所述聚光支架12内还可以设有第四台阶1213，第四台阶1213也用于时匀光扩散片安置于另一位置。通过设置多个台阶，可以依实际需要调整匀光扩散片的位置，从而可以调整匀化的光斑的大小，进而达到调节光通量、照度的目的。值得一提的是，为了防止匀光扩散片安装空间受台阶的限制，匀光扩散片优选设置为长条状或椭圆状，从而可以通过改变匀光扩散片长短边、长短轴的位置以使其能够安装于不同台阶上。

进一步地，本实施例中，所述模组支架11上设有定位柱或定位孔，所述聚光支架上设有与所述模组支架的定位柱配合的定位孔或与所述模组支架的定位孔配合的定位柱。定位柱或定位孔的设置用于预固定模组支架和聚光支架的相对位置。如图2、图3所示，本实施例1以模组支架11上设有定位柱112为例，聚光支架12与定位柱112对应的位置则设有定位孔122，安装所述聚光模组可以先通过将定位柱插入定位孔122中，先实现预固定的作用，便于后续其他的紧固模组支架和聚光支架的操作。

进一步地，所述模组支架、聚光支架上设有通孔或螺纹孔。通过螺钉或螺丝等与通孔或螺纹孔的配合将模组支架、聚光支架紧固在一起，从而实现模组支架、聚光支架、透光透镜组三者的紧固安装。

进一步地，本实施例中，所述第一透镜131为柱面透镜，所述第一透镜组在x轴方向上的组合焦距为f1x，在y轴方向上的组合焦距为f1y，所述f1x、fly满足：1.14≤f1x/fly≤1.8。

进一步地，所述第一透镜在x轴方向上至少有一面为凹面，所述第一透镜在x轴方向的焦距为f11x，所述f11x和flx满足：1≤|f11x|/flx≤8。

进一步地，本实施例中，所述第二透镜入光面为凸面且曲率半径为R21，出光面为平面；所述第二透镜的有效通光孔径为D2，所述第二透镜的焦距为f12，所述R21和D2满足：1.0≤|R21|/D2≤1.5，f12>|f1y|。

进一步地，本实施例中，所述第三透镜为非球面透镜，其入光面为凸面且曲率半径为R31，出光面为凹面非球面且其近似球面曲率半径为R32，所述第三透镜的有效通光孔径为D3，所述第三透镜的焦距为f13，所述R31、R32、D3，f13满足：|R31|*1.2＜|R32|＜|R31|*2，0.45≤|R31|/D3≤0.82，所述f13>|f1y|。

进一步地，所述第二透镜的中心厚度分别为T2，所述T2满足：6<|R21|/T2<11。

实施例2

如图5所示，一种激光光学系统，包括发出激发光的激光光源30、实施例1所述的聚光模组10、用于将激发光转换为照明光的波长转换装置40、用于准直照明光的准直模组20以及用于出射照明光的出光透镜组50，所述聚光模组10、准直模组20、出光透镜组50依次同轴设置，所述激发光源30在x轴向的光束质量乘积大于在y轴上的光束质量乘积。

本实施例所述的光学系统能够针对在x y方向光束质量乘积不同的激发光进行的光学整形，以得到聚焦效果好的圆形光斑，从而使得聚焦于波长转换装置上的光斑的能量密度高，激发效率高。

进一步地，所述准直模组20包括准直支架21和设置在准直支架21上的准直透镜组22，所述准直透镜组22包括具有正屈光度的第四透镜221和具有正屈光度的第五透镜222，所述第四透镜221的有效通光孔径为D4，所述第四透镜221与波长转换装置30的间隙间距为L21，所述D4、L21满足：13<D4/L21<17。更进一步地，14≤D4/L21≤15。

进一步地，本实施例中所述激发光在x轴向的光束质量乘积与在y轴上的光束质量乘积的比值为1.1-2。

具体地，本实施例中，所述L21＝1.3mm，D4＝19.5mm。在其他实施例中，可以为L21＝1.5mm，D4＝21mm。在其他实施例中，还可以为L21＝1.74mm，D4＝24.4mm。通过控制第二透镜组中第四透镜与波长转换装置的距离及第四透镜的有效通光孔径，尽可能地增大第二透镜组22的数值孔径，使得第二透镜组22的收光率高，从而有效提升光学系统整体的收光效率。

进一步地，所述准直支架21设有环形第三安装腔体211，所述第三安装腔体211内设有倒角2111，倒角上设有若干点胶槽2112，所述第四透镜221通过所述倒角导向安装并通过点胶方式安装于所述第三安装腔体211内，和/或所述准直支架21上设有第五台阶2113，所述第五透镜设置于所述第五台阶2113上。

进一步地，如图4、图5本实施例中，所述准直支架21上设有至少2个支撑柄212，所述聚光支架12的侧壁设有用于导向安装所述支撑柄212的导向安装槽122，所述准直支架21和所述聚光支架12通过所述支撑柄212连接。在其他实施例中，也可以为所述聚光支架上设有至少2个支撑柄，所述准直支架的侧壁设有用于导向安装所述支撑柄的导向安装槽。

更进一步地，所述支撑柄212上设有通孔2121，所述聚光支架12的侧壁设有螺纹孔1221，通过螺丝穿过通孔2121、螺纹孔1221将支撑柄固定在聚光支架上。

进一步地，所述准直透镜组的组合焦距为f2，所述波长转换装置40的受激发面到第五透镜的出光面的最远距离为L2，所述L2和f2满足：0.42＜f2/L2＜0.65。进一步地，0.52≤f2/L2≤0.54。更具体地，本实施例中，所述f2＝8.9mm，L2＝16.58mm，其他实施例中，还可以为f2＝10.1mm，L2＝19.1mm，在其他实施例中，还可以为f2＝11.6mm，L2＝21.9mm。

进一步地，波长转换装置40包括蓝宝石荧光色盘41、驱动所述蓝宝石荧光色盘41旋转的无刷电机42，设置于所述蓝宝石荧光色盘上用于维持动平衡的金属环片43。进一步地，如图3所示，所述模组支架11上还设有与第一安装腔体111间隔的第四腔体113，所述无刷电机42部分容置于第四腔体113内。第四腔体113能够用于部分容置波长转换装置的无刷电机，保持照明系统整体结构紧凑且保证透镜组和波长转换装置的间隔符合光学设计要求。进一步地，所述蓝宝石色盘41上涂有荧光层411，蓝宝石色盘41上还设有增透膜和反黄透蓝膜(图中未标示)。进一步地，波长转换装置40的铜环片设置在靠近蓝宝石色盘41中心的位置，通过点胶的方式固定在蓝宝石色盘上。使用铜环片的原因在于因铜密度高，相对于铝，同等体积下具有更大的重量。铜环片本身有一定的重量和面积，可以对色轮的旋转起到维稳作用，另一方面，当色轮不平衡时，还可以在铜环片上质量偏轻的位置点胶或是在偏重的位置钻孔或切削减料，平衡色轮，整体上铜环片起到维持动平衡的作用。另外，铜环片是金属材质，导热效果好，还可以提升波长转换装置的散热性。

进一步地，所述出光透镜组50包括出光支架51和出光透镜52，所述出光支架51和所述准直支架21通过螺纹配合装配，即准直支架21上设有第一螺纹，出光支架51上设有与所述第一螺纹配合的第二螺纹。

进一步地，本实施所述的激光光学系统还包括铜基板60和壳体70，激光光源30设于铜基板上，壳体70用于封装整个激光光学系统。进一步地，所述铜基板60和壳体70之间还设有密封硅胶垫90，密封硅胶垫起到更牢固地密封整个激光光学系统的作用。

进一步地，所述第四透镜21为具有正曲折力的平凸透镜，其面向波长转换装置30的收光面为平面，背向波长转换装置的出光面为凸面且曲率半径为R42，所述第四透镜的有效通光孔径为D4，所述R42和D4满足：0.38≤|R42|/D4≤0.65；所述第四透镜的焦距为f21，0.46＜f2/f21＜0.7，1.32≤f21/|R42|≤1.75。

所述第五透镜为具有正曲折力的平凸非球面透镜，其面向波长转换装置的收光面为平面，背向波长转换装置的出光面为凸面非球面且其近似球面曲率半径为R52，所述第五透镜的有效通光孔径为D5，所述R52和D5满足：0.28≤|R52|/D5≤0.62；所述第五透镜的焦距为f22，0.4＜f2/f22＜0.85，1.35≤f22/|R52|≤1.82。

进一步地，所述第四透镜的中心厚度分别为T4，所述T4满足：1.1<|R42|/T4<1.6。

本实施例所述的激光光学系统的光学模拟图如图6所示(模拟距离为20m)，从图6可知，本实施例所述的光学系统最终呈现的光斑效果为圆形，且中心最大照度为8.32×10⁴lux。

进一步地，本实施例所述的激光光学系统还包括设置于照明光的光路上用于监测激光光照信号的检测元件，具体可以为蓝光监测PD器件(图中未标示)，蓝光监测PD器件监测所述照明光中蓝光的照度或强度，从而检测所述激光光学系统是否存在蓝光泄露，提高所述激光光学系统的安全性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种聚光模组，用于收拢和/或聚焦激发光至波长转换装置，所述激发光在x轴方向的光束质量乘积大于在y轴方向的光束质量乘积，其特征在于，所述聚光模组包括模组支架、聚光支架和聚光透镜组，所述聚光透镜组包括依次设置的具有负屈光度的第一透镜、具有正屈光度的第二透镜和具有正屈光度的第三透镜，所述模组支架设有第一安装腔体，所述第一透镜设置于所述第一安装腔体内，所述聚光支架设有第二安装腔体，所述第三透镜设置于所述第二安装腔体内，所述聚光透镜组在x轴方向上的组合焦距为f1x，所述聚光透镜组在y轴方向上的组合焦距为f1y，所述第一透镜的入光面到波长转换装置的受激发面的距离为L1，所述L1、f1x、fly满足：0.7＜L1/f1x＜1.4；1.1＜L1/f1y＜1.7。

2.根据权利要求1所述的聚光模组，其特征在于，所述第一安装腔体内设有第一台阶，所述第一透镜设置于第一台阶上，所述第二安装腔体内设有第二台阶，所述第三透镜设置于所述第二台阶上，所述第二透镜与所述第三透镜组通过透镜压环间隔设置。

3.根据权利要求2所述的聚光模组，其特征在于，所述第一安装腔体内还设有若干个安装槽，若干个硅胶间隔柱设置于所述安装槽内，且所述硅胶间隔柱位于所述第一透镜和所述第二透镜之间。

4.根据权利要求1所述的聚光模组，其特征在于，所述聚光支架内设还设有第三台阶，所述第三台阶上设有匀光扩散片。

5.根据权利要求1所述的聚光模组，其特征在于，所述模组支架上设有定位柱或定位孔，所述聚光支架上设有与所述模组支架的定位柱配合的定位孔或与所述模组支架的定位孔配合的定位柱。

6.一种激光光学系统，其特征在于，包括发出激发光的激光光源、权利要求1至5所述的聚光模组、用于将激发光转换为照明光的波长转换装置、用于准直照明光的准直模组以及用于出射照明光的出光透镜组，所述聚光模组、准直模组、出光透镜组依次同轴设置，所述激发光在x轴向的光束质量乘积与在y轴上的光束质量乘积比值为1.1-2。

7.根据权利要求6所述的激光光学系统，其特征在于，所述准直模组包括准直支架和设置在准直支架上的准直透镜组，所述准直透镜组包括具有正屈光度的第四透镜和具有正屈光度的第五透镜，所述第四透镜的有效通光孔径为D4，所述第四透镜与波长转换装置的间隙间距为L21，所述D4、L21满足：13<D4/L21<17。

8.根据权利要求7所述的激光光学系统，其特征在于，所述准直支架设有环形第三安装腔体，所述第三安装腔体内设有倒角，倒角上设有若干点胶槽，所述第四透镜通过所述倒角导向安装并通过点胶方式安装于所述第三安装腔体内，和/或所述准直支架上设有第四台阶，所述第五透镜设置于所述第四台阶上。

9.根据权利要求7所述的激光光学系统，其特征在于，所述准直支架上设有至少2个支撑柄，所述聚光支架的侧壁设有用于导向安装所述支撑柄的导向安装槽，或所述聚光支架上设有至少2个支撑柄，所述准直支架的侧壁设有用于导向安装所述支撑柄的导向安装槽，所述准直支架和所述聚光支架通过所述支撑柄连接。

10.根据权利要求7所述的激光光学系统，其特征在于，所述准直透镜组的组合焦距为f2，所述波长转换装置的受激发面到第五透镜的出光面的最远距离为L2，所述L2和f2满足：0.42＜f2/L2＜0.65。

11.根据权利要求6所述的激光光学系统，其特征在于，波长转换装置包括蓝宝石荧光色盘、驱动所述蓝宝石荧光色盘旋转的无刷电机，以及设置于所述蓝宝石荧光色盘上用于维持动平衡的金属环片。