CN212112107U - 光源装置及投影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光源装置及投影系统，涉及光学技术领域，该光源装置包括阵列光源、棱镜和波长转换装置，阵列光源位于棱镜的入光侧，波长转换装置位于棱镜的出光侧；棱镜用于对阵列光源输出的激发光束进行激发光束垂直投影的长轴方向上的缩束，波长转换装置用于对经棱镜缩束得到的缩束后光束进行波长转换。这样通过棱镜实现了对激发光束的单方向缩束，且与现有的基于望远系统的缩束方式相比，基于棱镜的缩束方式减小了缩束过程对光束发散角的影响。

Description

光源装置及投影系统

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其是涉及一种光源装置及投影系统。

背景技术

现有的激光光源技术一般采用激发光激发荧光粉获得所需波长范围的受激发光。为了获得高亮度的受激发光，现有技术一般是通过增加激发光的激发功率来提升受激发光的亮度，而受限于单颗激光芯片的功率，一般采用多激光器的合光，即采用激光器阵列(即阵列光源)获得需要功率的激发光，激光器阵列中的每个激光器都使用透镜准直后，以近似平行的光入射到后续的光学元件。

参见图1所示的一种光源装置的结构示意图，该光源装置包括阵列光源10、望远系统11、散射片12、二向色镜13、第一会聚透镜14、波长转换装置15、第二会聚透镜16和匀光元件17；其中，望远系统11包括凸透镜111和凹透镜112，用于对阵列光源10发出的激发光束进行缩束。如图1所示，阵列光源10发出的激发光束经望远系统11缩束后，再穿过散射片12入射至二向色镜13上，被二向色镜13反射后入射至第一会聚透镜14上，第一会聚透镜14将激发光束会聚到旋转的波长转换装置15上；波长转换装置15产生受激发光，受激发光透过第一会聚透镜14和二向色镜13后出射，再经第二会聚透镜16会聚至匀光元件17。

参见图2所示的一种阵列光源输出的激发光束形状示意图，由于阵列光源10中激光器在不同方向上的排列宽度不一样，阵列光源10输出的激发光束的垂直投影在不同方向(即图2中的X方向和Y方向)上的尺寸不一致，需要对激发光束进行其中一个方向(即图2中的X方向)上的缩束。

采用现有技术中的望远系统11对阵列光源10发出的激发光束进行缩束的话，在缩小X方向上的光束宽度时，会导致Y方向上的光束更加窄，同时还会造成光束的发散角变大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光源装置及投影系统，以实现对激发光束的单方向缩束，减小缩束过程对光束发散角的影响。

本实用新型实施例提供了一种光源装置，包括阵列光源、棱镜和波长转换装置，所述阵列光源位于所述棱镜的入光侧，所述波长转换装置位于所述棱镜的出光侧；所述棱镜用于对所述阵列光源输出的激发光束进行所述激发光束垂直投影的长轴方向上的缩束，所述波长转换装置用于对经所述棱镜缩束得到的缩束后光束进行波长转换；

缩束前，所述激发光束垂直投影的长轴长度是所述激发光束垂直投影的短轴长度的第一预设倍数；缩束后，所述缩束后光束垂直投影的长轴长度是所述缩束后光束垂直投影的短轴长度的第二预设倍数，所述第二预设倍数小于所述第一预设倍数。

进一步地，所述第二预设倍数≤1.5。

进一步地，所述棱镜包括三棱镜。

进一步地，所述三棱镜包括直角棱镜；所述阵列光源位于所述直角棱镜的一个直角面所在的一侧，所述波长转换装置位于所述直角棱镜的斜面所在的一侧。

进一步地，所述棱镜包括异形棱镜，所述异形棱镜用于将所述激发光束的传播方向改变90°后，再对所述激发光束进行缩束。

进一步地，所述异形棱镜由第一直角棱镜和第二直角棱镜构成，所述第一直角棱镜的顶角为45°，且所述第一直角棱镜的斜面为反射面；所述第一直角棱镜的第一直角面与所述第二直角棱镜的第一直角面重合，所述第一直角棱镜的第一三角面与所述第二直角棱镜的第二直角面平行；

所述阵列光源位于所述第一直角棱镜的第二直角面所在的一侧，所述波长转换装置位于所述第二直角棱镜的斜面所在的一侧；

所述激发光束穿过所述第一直角棱镜的第二直角面入射至所述第一直角棱镜的斜面，被所述第一直角棱镜的斜面反射后，穿过所述第一直角棱镜的第一直角面入射至所述第二直角棱镜，并从所述第二直角棱镜的斜面出射。

进一步地，所述第一直角棱镜的第二直角面与所述第二直角棱镜的第一三角面处于同一平面，所述第一直角棱镜的第二三角面与所述第二直角棱镜的第二直角面处于同一平面。

进一步地，所述阵列光源与所述波长转换装置之间还设置有缩束结构，所述缩束结构用于同时对所述激发光束进行所有方向上的缩束。

进一步地，所述缩束结构包括由凸透镜和凹透镜组成的缩束透镜组。

本实用新型实施例还提供了一种投影系统，包括上述的光源装置。

本实用新型实施例提供的光源装置及投影系统中，该光源装置包括阵列光源、棱镜和波长转换装置，阵列光源位于棱镜的入光侧，波长转换装置位于棱镜的出光侧；棱镜用于对阵列光源输出的激发光束进行激发光束垂直投影的长轴方向上的缩束，波长转换装置用于对经棱镜缩束得到的缩束后光束进行波长转换；缩束前，激发光束垂直投影的长轴长度是激发光束垂直投影的短轴长度的第一预设倍数；缩束后，缩束后光束垂直投影的长轴长度是缩束后光束垂直投影的短轴长度的第二预设倍数，第二预设倍数小于第一预设倍数。这样通过棱镜实现了对激发光束的单方向缩束，且与现有的基于望远系统的缩束方式相比，基于棱镜的缩束方式减小了缩束过程对光束发散角的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为现有技术中的一种光源装置的结构示意图；

图2为一种阵列光源输出的激发光束形状示意图；

图3为现有技术中采用望远系统进行缩束时光束发散角的变化原理图；

图4为本实用新型实施例提供的一种光源装置的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种棱镜的缩束原理图；

图6为本实用新型实施例提供的一种异形棱镜的结构示意图；

图7为图6所示的异形棱镜的光路示意图。

图标：10-阵列光源；11-望远系统；111-凸透镜；112-凹透镜；12-散射片；13-二向色镜；14-第一会聚透镜；15-波长转换装置；16-第二会聚透镜；17-匀光元件；20-棱镜；21-直角棱镜；22-异形棱镜；221-第一直角棱镜；222-第二直角棱镜；301、401-第一直角面；302、402-第二直角面；303、403-斜面；304、404-第一三角面；305-第二三角面。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图3所示，望远系统11中凸透镜111的焦距为f1，焦点为F1；望远系统11中凹透镜112的焦距为f2，焦点为F2；F1与F2的位置近似重合；离轴的高度为H且平行于光轴的光线(即图3中的实线)经过凸透镜111和凹透镜112后，其出射光线近似与光轴平行，但是离轴的高度h小于H，H/h≈|f1/f2|。θ为小角度光线(即图3中的虚线)与光轴方向的夹角，θ’为小角度光线的出射光线与光轴的夹角，则tanθ’/tanθ＝H/h。因此，经望远系统11缩束得到的缩束后光束的发散角会比缩束前的发散角大，且存在tanθ’/tanθ＝H/h的关系。

如图2所示，当光源采用阵列光源10时，由于阵列光源10在两个方向上的光束分布不同，X方向宽，Y方向窄，如果采用图1中的望远系统11对阵列光源10发出的激发光束进行缩束，会造成两个方向同时的缩束，同时还使得光束的发散角变大(如图3所示)。基于此，本实用新型实施例提供的一种光源装置及投影系统，可以实现对激发光束的单方向缩束，减小缩束过程对光束发散角的影响。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种光源装置进行详细介绍。

图4为本实用新型实施例提供的一种光源装置的结构示意图，如图4所示，该光源装置包括阵列光源10、棱镜20和波长转换装置15，阵列光源10位于棱镜20的入光侧，波长转换装置15位于棱镜20的出光侧；棱镜20用于对阵列光源10输出的激发光束进行激发光束垂直投影的长轴方向上的缩束，波长转换装置15用于对经棱镜20缩束得到的缩束后光束进行波长转换；缩束前，激发光束垂直投影的长轴长度是激发光束垂直投影的短轴长度的第一预设倍数；缩束后，缩束后光束垂直投影的长轴长度是缩束后光束垂直投影的短轴长度的第二预设倍数，第二预设倍数小于第一预设倍数。

上述阵列光源10可以为窄光谱的激光光源，例如阵列光源10采用光谱宽度<10nm的蓝色激光光源，且蓝色激光光源的主波长很集中，以减小棱镜20对光源的色散影响。上述棱镜20是透明材料(如玻璃、水晶等)做成的多面体，不同结构的棱镜显然具有不同的入光面和出光面，入光面和出光面是预先定义好的，入光面所在的一侧为入光侧，出光面所在的一侧为出光侧。上述激发光束垂直投影的长轴方向可以垂直于激发光束垂直投影的短轴方向。上述波长转换装置15可以为反射式的，也可以为透射式的，这里不做限定。

上述第二预设倍数可以根据实际需求设置，这里不做限定。例如，第二预设倍数为1.5，第一预设倍数大于1.5，也即棱镜20对垂直投影的长轴长度是垂直投影的短轴长度的1.5倍以上的激发光束进行垂直投影的长轴方向上的缩束。基于此，可选地，第二预设倍数≤1.5。

在一种可选的实现方式中，如图4所示，上述光源装置还包括散射片12、二向色镜13、第一会聚透镜14、第二会聚透镜16和匀光元件17，且该光源装置采用反射式的波长转换装置15。该光源装置的工作过程如下：阵列光源10发出的激发光束经棱镜20在激发光束垂直投影的长轴方向上的缩束后，变为缩束后光束；缩束后光束穿过散射片12入射至二向色镜13上，被二向色镜13反射后入射至第一会聚透镜14上，第一会聚透镜14将缩束后光束会聚到旋转的波长转换装置15上；波长转换装置15经缩束后光束激发产生受激发光，受激发光被波长转换装置15反射至第一会聚透镜14，受激发光透过第一会聚透镜14和二向色镜13后，再经第二会聚透镜16入射至匀光元件17的入口。匀光元件17可以为光导管。

需要说明的是，虽然本实施例中二向色镜13用于反射缩束后光束、透射受激发光，但本实用新型的保护范围不限于此，在其他实施例中，二向色镜13也可以用于透射缩束后光束、反射受激发光。上述第一会聚透镜14可以是单个透镜，也可以是由多个透镜构成的透镜组；第二会聚透镜16可以是单个透镜，也可以是由多个透镜构成的透镜组。

可选地，上述棱镜20可以为三棱镜。三棱镜是光学上横截面为三角形的透明体，三棱镜包括两个侧面、一个底面和两个互相平行的三角面，两个侧面分别为三棱镜中光线入射的平面(即入光面)和出射的平面(即出光面)，即光从三棱镜的一个侧面射入，从其另一个侧面射出，两个侧面的夹角为顶角。依据折射原理，三棱镜的出射光线将向底面偏折，偏折角的大小与三棱镜的折射率、三棱镜的顶角和激发光束的入射角有关。

进一步地，上述三棱镜包括直角棱镜；直角棱镜包括两个直角面(一个直角面为入光面，另一个直角面为底面)、一个斜面(即出光面)和两个三角面，阵列光源10位于直角棱镜的一个直角面所在的一侧，波长转换装置15位于直角棱镜的斜面所在的一侧。直角棱镜的顶角可以根据实际需求设置，例如顶角为45°。

为了便于理解，下面以棱镜20为直角棱镜为例，对棱镜20的缩束原理进行介绍。参见图5所示的一种棱镜的缩束原理图，直角棱镜21的顶角为α，激发光束的高度(即激发光束垂直投影的长轴长度)为H，缩束后光束的高度(即缩束后光束垂直投影的长轴长度)为h，折射率记为n，激发光束从直角棱镜21的一个直角面垂直入射，从直角棱镜21的斜面出射，根据折射定律可以推知如下缩束公式：

从上述缩束公式可以看出，随着角度α或折射率n的增加，h/H越来越小，即缩束的程度越来越大。θ为图5中的入射虚线与光轴方向的夹角，θ’为出射虚线与光轴的夹角，当θ角度很小时(一般小于1°)，图5中直角棱镜21的出射实线相对于入射实线的偏折角度为(n-1)α，图5中直角棱镜21的出射虚线相对于入射虚线的偏折角度一样为(n-1)α，从而θ’近似等于θ，即光束的发散角基本不变化。

需要说明的是，上述棱镜20可以是非直角棱镜的其他三棱镜，应用折射定律，依然可以推出上述缩束公式。

本实用新型实施例中，上述光源装置通过棱镜20可以实现某一个方向上的缩束，而另外一个方向不变化(即图5中垂直纸面方向)，也即实现了对激发光束的单方向缩束；同时对于窄波段的阵列光源10，对光束发散角基本无影响，也即棱镜20的缩束过程基本不影响光束发散角，因此，与现有的基于望远系统11的缩束方式相比，基于棱镜20的缩束方式减小了缩束过程对光束发散角的影响。考虑到实际使用的阵列光源10为激光光源，光谱的宽度很窄(<10nm)，棱镜20对光源的色散的影响基本可以忽略。另外，通过棱镜20替代现有的望远系统11，在一定程度上减小了光源装置的体积。

如图4所示，考虑到使用棱镜20后，阵列光源10的位置相比现有技术中的光源位置有一个折角，这样会造成该光源装置布局上的不规则，从而会造成诸如阵列光源10的散热器外形设置上的困难，可选地，上述棱镜20还可以为异形棱镜，异形棱镜用于将激发光束的传播方向改变90°后，再对激发光束进行缩束。这样通过异形棱镜，该光源装置布局上就不会偏折了。

可选地，参见图6所示的一种异形棱镜的结构示意图，该异形棱镜22可以看成由第一直角棱镜221和第二直角棱镜222构成，第一直角棱镜221的顶角为45°(即第一直角棱镜221为45°直角棱镜)，且第一直角棱镜221的斜面303为反射面；第一直角棱镜221的第一直角面301与第二直角棱镜222的第一直角面401重合，第一直角棱镜221的第一三角面304与第二直角棱镜222的第二直角面402平行。该异形棱镜22中第一直角棱镜221的第二直角面302为入光面，第二直角棱镜222的斜面403为出光面。

如图7所示，阵列光源10位于第一直角棱镜221的第二直角面302所在的一侧，波长转换装置15位于第二直角棱镜222的斜面403所在的一侧；该异形棱镜22的光路如下：阵列光源10发出的激发光束穿过第一直角棱镜221的第二直角面302入射至第一直角棱镜221的斜面303，被第一直角棱镜221的斜面303反射后，穿过第一直角棱镜221的第一直角面301入射至第二直角棱镜222，并从第二直角棱镜222的斜面403出射。这样光束的传播方向发生了90°旋转，方便了阵列光源10的设置和其散热器的设计。

上述第一直角棱镜221的斜面303可以为全反射面。

优选地，上述第一直角棱镜221的第二直角面302与第二直角棱镜222的第一三角面404处于同一平面，第一直角棱镜221的第二三角面305与第二直角棱镜222的第二直角面402处于同一平面。这样可以使得异形棱镜22的体积较小，节约异形棱镜22的成本。

考虑到经过上述棱镜20的单向缩束后，激发光束的光束尺寸(如直径)可能仍然较大，本实施例中，阵列光源10与波长转换装置15之间还设置有缩束结构，该缩束结构用于同时对激发光束进行所有方向上的缩束。

可选地，上述缩束结构可以设置在阵列光源10与棱镜20之间，也可以设置在棱镜20与散射片12之间。棱镜20与缩束结构的位置关系可以根据实际结构要求调整。

可选地，上述缩束结构可以包括由凸透镜和凹透镜组成的缩束透镜组。

本实用新型实施例还提供了一种投影系统，该投影系统包括上述的光源装置。

本实施例所提供的投影系统，其实现原理及产生的技术效果和前述光源装置实施例相同，为简要描述，投影系统实施例部分未提及之处，可参考前述光源装置实施例中相应内容。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光源装置，其特征在于，包括阵列光源、棱镜和波长转换装置，所述阵列光源位于所述棱镜的入光侧，所述波长转换装置位于所述棱镜的出光侧；所述棱镜用于对所述阵列光源输出的激发光束进行所述激发光束垂直投影的长轴方向上的缩束，所述波长转换装置用于对经所述棱镜缩束得到的缩束后光束进行波长转换；

缩束前，所述激发光束垂直投影的长轴长度是所述激发光束垂直投影的短轴长度的第一预设倍数；缩束后，所述缩束后光束垂直投影的长轴长度是所述缩束后光束垂直投影的短轴长度的第二预设倍数，所述第二预设倍数小于所述第一预设倍数。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述第二预设倍数≤1.5。

3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述棱镜包括三棱镜。

4.根据权利要求3所述的光源装置，其特征在于，所述三棱镜包括直角棱镜；所述阵列光源位于所述直角棱镜的一个直角面所在的一侧，所述波长转换装置位于所述直角棱镜的斜面所在的一侧。

5.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述棱镜包括异形棱镜，所述异形棱镜用于将所述激发光束的传播方向改变90°后，再对所述激发光束进行缩束。

6.根据权利要求5所述的光源装置，其特征在于，所述异形棱镜由第一直角棱镜和第二直角棱镜构成，所述第一直角棱镜的顶角为45°，且所述第一直角棱镜的斜面为反射面；所述第一直角棱镜的第一直角面与所述第二直角棱镜的第一直角面重合，所述第一直角棱镜的第一三角面与所述第二直角棱镜的第二直角面平行；

所述阵列光源位于所述第一直角棱镜的第二直角面所在的一侧，所述波长转换装置位于所述第二直角棱镜的斜面所在的一侧；

所述激发光束穿过所述第一直角棱镜的第二直角面入射至所述第一直角棱镜的斜面，被所述第一直角棱镜的斜面反射后，穿过所述第一直角棱镜的第一直角面入射至所述第二直角棱镜，并从所述第二直角棱镜的斜面出射。

7.根据权利要求6所述的光源装置，其特征在于，所述第一直角棱镜的第二直角面与所述第二直角棱镜的第一三角面处于同一平面，所述第一直角棱镜的第二三角面与所述第二直角棱镜的第二直角面处于同一平面。

8.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述阵列光源与所述波长转换装置之间还设置有缩束结构，所述缩束结构用于同时对所述激发光束进行所有方向上的缩束。

9.根据权利要求8所述的光源装置，其特征在于，所述缩束结构包括由凸透镜和凹透镜组成的缩束透镜组。

10.一种投影系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光源装置。

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