CN208255546U - 一种合束激光均匀化光路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种合束激光均匀化光路，包括依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜和像面，其特征在于在准直透镜、聚焦透镜之间设置调整透镜，通过改变调整透镜的光焦度以改变对应的已经准直过的激光器的快慢轴发散角，从而改变像面处的光斑横纵比以达到均匀光斑的作用。本实用新型的优点在于通过改变调整镜组与聚焦透镜的参数可以实现将快慢轴光束分布不同的多束激光均匀聚焦于像面。同时此结构能够降低输入多束激光束的同轴度要求。

Description

一种合束激光均匀化光路

技术领域

本实用新型涉及激光照明领域、激光投影领域，尤其涉及多路激光合束与均匀聚焦，具体为一种合束激光均匀化光路。

技术背景

如图1至4，由于LED光源高效、稳定、体积小，其近年来正在取代传统的白炽灯和节能灯成为一种新型的照明光源，并且大量应用于环境照明和投影系统等领域。但LED亮度有限，在一些需要高亮光源的特殊应用领域，例如舞台灯光照明，汽车大灯，投影显示等领域，激光照明具有更大的优势。与LED同源的半导体激光二极管，也具有高效，节能，环保，寿命长的优点，利用激光激发荧光粉技术(远程荧光粉技术)可以得到超高亮度的点光源，该点光源可用在一些特殊的照明领域。激光激发荧光粉技术是将激光聚焦到荧光粉层上，形成一个发光点很小的点光源，荧光粉受激产生高亮度的受激光，通常激光白光照明是由蓝色激光激发黄色荧光粉，产生的黄光与剩余的蓝光混合形成白光，再由光学系统收集出射。而激光投影是由蓝色激光激发多色荧光粉产生多色光束从而后续产生彩色图像。激光光源的特点是，由于激光能量集中，因而可以形成超高亮度的点光源，点光源具有更小的光学拓展量，能够实现更小的灯具体积和窄光束照明。在上述过程中，激光需要照射到荧光材料以产生荧光激发，此处照射到荧光材料上的激光光斑的均匀性会直接影响到荧光材料的使用寿命和出光的均匀性。例如激光投影仪通常的办法是添加匀光片（或称磨砂片）或者导光管进行激光的匀光，但是前者会产生杂散光，后者对光路精度要求高，且存在较大损耗，最终都会导致激光利用率下降。本实用新型的优点在于结构简单，能够对半导体激光快慢轴在像面的聚焦光斑的形状进行调整，使得像面形成一个均匀的光斑。另外，此结构能够一定程度上弥补激光器光轴间相对位置误差造成的像面光斑分裂。

通常的多路激光聚焦光学系统，所示，像面（荧光材料）处的光斑会因为激光器快慢轴光分布不同而不均匀，同时激光器阵列之间的光轴不平行会导致像面（荧光材料）处光斑分裂，最终会影响激光投影仪或激光照明系统的输出光分布的均匀度。所以此种结构对激光器准直精度要求极高。图中序号：1、激光器（或激光器阵列）；2、准直透镜；5、聚焦透镜；像面6。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种合束激光均匀化光路，通过简单高效的光路实现多路激光的合束与均匀化，使得激光照射目标处的激光均匀分布，提高荧光材料的使用寿命和激发效率。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种激光合束均匀化光路，包括依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜和像面，其特征在于在准直透镜、聚焦透镜之间设置调整透镜，通过改变调整透镜的光焦度以改变对应的已经准直过的激光器的快慢轴发散角，从而改变像面处的光斑横纵比以达到均匀光斑的作用。

进一步地，所述调整透镜与聚焦透镜贴合设置。

进一步地，所述调整透镜与聚焦透镜间隔有效距离。

进一步地，一个聚焦透镜配合设置一个或多个调整透镜，每个调整透镜对应一个激光器和对应的准直透镜，每一激光器发出一路激光，每一路激光单独对应于一个调整透镜用以调整激光快慢轴光束分布，聚焦透镜将激光聚焦到像面。

进一步地，当多个独立的激光器分布不集中的情况下，准直透镜的后端设置有棱镜用以将多束激光压缩为后续透镜组的近轴光线，每一近轴激光单独对应于一个调整透镜用以调整激光快慢轴光束分布，多个调整透镜组成调整透镜组，调整透镜组之后包含一片聚焦透镜，用以将多束激光聚焦到像面，通过改变调整透镜的光焦度和聚焦透镜的光焦度使得多路激光在像面上的聚焦激光光斑达到均匀的照射效果。

进一步地，激光器光轴与对应的准直透镜光轴重合，调整透镜的光轴与其对应光束的中轴线重合，聚焦透镜的光轴与调整透镜的光轴平行，像面的光轴和聚焦透镜的光轴重合，当聚焦透镜的光轴超出调整透镜及聚焦透镜的范围时，聚焦透镜的后端设置压缩棱镜改变光路。当多个独立的激光器分布不集中的情况下，所诉准直透镜的另外一侧可以设置有棱镜用以将多束激光压缩为后续透镜组的近轴光线，每一近轴激光单独对应于一个调整透镜用以调整激光快慢轴光束分布。

本光学系统的整体焦距根据需要而定，其值取决于聚焦透镜的焦距，而像面光斑的尺寸及横纵比取决于调整透镜。本光学系统的优点在于系统像面的位置不由对应于单个激光器的调整透镜决定，当改变调整透镜以调整单个激光器快慢轴光束分布时不会影响多路激光聚焦的焦距，可以通过改变调整透镜以调整像面光斑。依据该光学系统的工作原理可以引申出多种光学结构，将调整透镜做成复眼透镜组的形式，并且与聚焦透镜合为一体，此结构具有光学部件数量少的优点，便于安装。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1为通常使用的激光聚焦光路（Y轴方向）。

图2 为通常使用的激光聚焦光路（X轴方向）。

图3 为通常使用的多路激光聚焦光路（Y轴方向）。

图4 为通常使用的多路激光聚焦光路（X轴方向）。

图5为含有调整透镜的激光聚焦光路。（Y轴方向）

图6为含有调整透镜的激光聚焦光路。（X轴方向）

图7为含有调整透镜组的多路激光聚焦光路。

图8为含有调整透镜组的多路激光聚焦光路。

图9为含有压缩棱镜组和调整透镜组的多路激光聚焦光路。

具体实施方式

图5至9示出的是一种激光合束均匀化光路设计，其主要组成包括有激光器、准直透镜、调整透镜、聚焦透镜，当激光器分布分散而需要将多路激光压缩为后续光学系统的近轴光束时还可以包含压缩棱镜。

图中包括激光器1（或激光器阵列）、准直透镜2、压缩棱镜3、调整透镜4、聚焦透镜5、像面6（或荧光材料）。其中准直透镜2光轴与激光器1光轴重合，调整透镜4的光轴与其对应光束的中轴线重合，聚焦透镜5的光轴与调整透镜组的光轴平行，像面6（或荧光材料）的光轴和聚焦透镜5的光轴重合。调整透镜4可以是分立的透镜元件，也可以是柱透镜组，也可以是复眼透镜阵列，也可以是与聚焦透镜做成一体的复杂外形透镜。通过改变调整透镜4的光焦度（当调整透镜为柱透镜组时分别改变两个方向柱透镜的光焦度）以改变对应的已经准直过的激光器的快慢轴发散角，从而改变像面6（或荧光材料）处的光斑横纵比以达到均匀光斑的作用。若系统设计参数同时限制了像面6（荧光材料）处光斑的大小和纵横比时，可能会出现改变调整透镜4和聚焦透镜5光焦度不能实现设计要求的情况，此时可以增加对准直透镜2的设计自由度，通过三种透镜参数的配合以实现设计要求。

该光学系统的主要特征在于通过改变调整透镜的光焦度和聚焦透镜的光焦度使得多路激光在像面上的聚焦激光光斑达到均匀的照射效果。其中系统的整体焦距根据需要而定，其值取决于聚焦透镜的焦距，而像面光斑的尺寸及横纵比取决于调整透镜。本光学系统的优点在于系统像面的位置不由对应于单个激光器的调整透镜决定，当改变调整透镜以调整单个激光器快慢轴光束分布时不会影响多路激光聚焦的焦距，所以非常方便通过改变调整透镜以调整像面光斑。

依据该光学系统的工作原理可以引申出多种光学结构。图7图8是将调整透镜做成复眼透镜组的形式，并且与聚焦透镜合为一体，此结构具有光学部件数量少的优点，便于安装。图9是将分散的激光器阵列通过压缩棱镜压缩光束再进行后续的聚焦与均匀化处理，分散激光器阵列式排布的优点在于激光器部分发热面分散，易于散热。

Claims (6)

1.一种合束激光均匀化光路，包括依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜和像面，其特征在于在准直透镜、聚焦透镜之间设置调整透镜，通过改变调整透镜的光焦度以改变对应的已经准直过的激光器的快慢轴发散角，从而改变像面处的光斑横纵比以达到均匀光斑的作用。

2.按照权利要求1所述的一种合束激光均匀化光路，其特征在于：所述调整透镜与聚焦透镜贴合设置。

3.按照权利要求1所述的一种合束激光均匀化光路，其特征在于：所述调整透镜与聚焦透镜间隔有效距离。

4.按照权利要求1所述的一种合束激光均匀化光路，其特征在于：一个聚焦透镜配合设置一个或多个调整透镜，每个调整透镜对应一个激光器和对应的准直透镜，每一激光器发出一路激光，每一路激光单独对应于一个调整透镜用以调整激光快慢轴光束分布，聚焦透镜将激光聚焦到像面，通过改变调整透镜的光焦度和聚焦透镜的光焦度使得多路激光在像面上的聚焦激光光斑达到均匀的照射效果。

5.按照权利要求4所述的一种合束激光均匀化光路，其特征在于：当多个独立的激光器分布不集中的情况下，准直透镜的后端设置有棱镜用以将多束激光压缩为后续透镜组的近轴光线，每一近轴激光单独对应于一个调整透镜用以调整激光快慢轴光束分布，多个调整透镜组成调整透镜组，调整透镜组之后包含一片聚焦透镜，用以将多束激光聚焦到像面。

6.按照权利要求1所述的一种合束激光均匀化光路，其特征在于：激光器光轴与对应的准直透镜光轴重合，调整透镜的光轴与其对应光束的中轴线重合，聚焦透镜的光轴与调整透镜的光轴平行，像面的光轴和聚焦透镜的光轴重合，当聚焦透镜的光轴超出调整透镜及聚焦透镜的范围时，聚焦透镜的后端设置压缩棱镜改变光路。