激光投影系统及光源装置

本申请是基于中国发明申请201910637240.5（2019-7-15），发明名称：激光投影系统及光源装置 的分案申请。

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种激光投影系统及光源装置。

背景技术

近年来，0.47”DMD的微型投影系统因其价格低廉、体积小，在各领域都得到广泛应用，但随着市场需求的不断提高，高亮度、大尺寸、高分辨率的投影机越来越多的受到市场关注。由于发光二极管（Light-emitting diode，简称LED）因为光学扩展量的原因，单位面积发光功率低，难以提高0.47”DMD等小尺寸投影系统的亮度，无法满足市场需求。

针对这一问题，又提出了采用激光器作为投影光源的投影系统，激光具有高亮度高、高准直性等优点，可以为激光投影系统提供更高亮度的光源。但是，由于激光器的出射光是相干光，投射到荧光轮上的光斑为高斯光斑，具有较高能量，不利于荧光转换。

发明内容

本发明提供了一种激光投影系统及光源装置，用以匀化激光，提高光转换效率。

第一方面，本发明提供一种激光投影系统，包括：光源装置，位于所述光源装置出光侧的光阀调制组件，以及位于所述光阀调制组件出光侧的投影镜头；

其中，所述光源装置包括：激光器阵列，位于所述激光器阵列出光侧的第一复眼透镜阵列，位于所述第一复眼透镜阵列出光侧的第二复眼透镜阵列，以及位于所述第二复眼透镜阵列出光侧的荧光轮；

所述激光器阵列中的各激光器与所述第一复眼透镜阵列中的各透镜一一对应，所述第一复眼透镜阵列中的一个透镜对应所述第二复眼透镜阵列中的至少两个透镜；

所述第一复眼透镜阵列，用于准直所述激光器阵列的出射光；

所述第二复眼透镜阵列，用于匀化所述第一复眼透镜阵列的出射光。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述第一复眼透镜阵列中的一个透镜对应所述第二复眼透镜阵列中的至少两行三列透镜。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述第一复眼透镜阵列中的各透镜与所述第二复眼透镜阵列中的各透镜的入光截面均为矩形；

所述激光器阵列的出射光斑的快轴与矩形的短边相互垂直。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述第一复眼透镜阵列的焦距为6-9mm；所述激光器阵列与所述第一复眼透镜阵列之间的距离至少为5mm。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述激光器阵列中相邻的激光器之间的间距至少为2mm；所述第一复眼透镜阵列中相邻的透镜之间的间距至少为2mm。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述第一复眼透镜阵列中的各透镜为非球面平凸透镜。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述第二复眼透镜阵列满足以下关系：

2/3D≤2R≤4/3D；

其中，R表示所述第二复眼透镜阵列中透镜的曲率半径，D表示所述第二复眼透镜阵列中透镜的通光孔径。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述光源装置还包括：位于所述第一复眼透镜阵列与所述第二复眼透镜阵列之间的望远透镜组。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述光源装置还包括：位于所述第二复眼透镜阵列与所述荧光轮之间，且位于所述激光器阵列成像位置处的孔径光阑。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述激光投影系统中，所述荧光轮包括：荧光区和反射区；所述荧光区，用于在所述激光器阵列的出射光的激发下产生荧光；所述反射区，用于反射所述激光器阵列的出射光；

所述光源装置还包括：位于所述第二复眼透镜阵列与所述反射式荧光轮之间的二向色镜，位于所述二向色镜与所述反射式荧光轮之间的会聚透镜组，位于所述二向色镜反射路径上的滤色轮，位于所述反射式荧光轮反射路径上且位于所述二向色镜背离所述会聚透镜组一侧的光路转向组件，以及位于所述滤色轮出光侧的光匀光元件。

第二方面，本发明提供一种光源装置，包括：激光器阵列，位于所述激光器阵列出光侧的第一复眼透镜阵列，位于所述第一复眼透镜阵列出光侧的第二复眼透镜阵列，以及位于所述第二复眼透镜阵列出光侧的荧光轮；

所述激光器阵列中的各激光器与所述第一复眼透镜阵列中的各透镜一一对应，所述第一复眼透镜阵列中的一个透镜对应所述第二复眼透镜阵列中的至少两个透镜；

所述第一复眼透镜阵列，用于准直所述激光器阵列的出射光；

所述第二复眼透镜阵列，用于匀化所述第一复眼透镜阵列的出射光。

本发明有益效果如下：

本发明提供的激光投影系统及光源装置，包括：光源装置，位于光源装置出光侧的光阀调制组件，以及位于光阀调制组件出光侧的投影镜头；其中，光源装置包括：激光器阵列，位于激光器阵列出光侧的第一复眼透镜阵列，位于第一复眼透镜阵列出光侧的第二复眼透镜阵列，以及位于第二复眼透镜阵列出光侧的荧光轮；激光器阵列中的各激光器与第一复眼透镜阵列中的各透镜一一对应，第一复眼透镜阵列中的一个透镜对应第二复眼透镜阵列中的至少两个透镜；第一复眼透镜阵列，用于准直激光器阵列的出射光；第二复眼透镜阵列，用于匀化第一复眼透镜阵列的出射光。通过在激光器阵列的出光侧设置第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列，可以对激光器阵列出射的光束充分匀光，由此适当降低激光器出射光线到达荧光轮时的能量密度，提高荧光的激发效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光投影系统的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的光源装置结构示意图之一；

图3为本发明实施例提供的经过第一复眼透镜阵列的出射光斑与第二复眼透镜阵列中各透镜对应关系的示意图；

图4为本发明实施例提供的光源装置结构示意图之二；

图5为本发明实施例提供的光源装置结构示意图之三；

图6为本发明实施例提供的荧光轮的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的光源装置结构示意图之四。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细介绍本发明具体实施例提供的激光投影系统及光源装置。

如图1所示，本发明实施例提供一种激光投影系统，包括：光源装置11，位于所述光源装置出光侧的光阀调制组件12，以及位于所述光阀调制组件出光侧的投影镜头13。光源装置11可时序性地输出不同颜色的光线入射至光阀调制组件12，通过光阀调组件12时序性的对不同颜色入射光的调制并将调制后的光线反射到投影镜头13，由投影镜头13将图像成像在投影屏幕上。在具体实施时，该激光投影设备可为数字光处理构架（Digital LightProcessing，简称DLP）投影系统，上述光阀调制组件12可为数字微镜芯片（DigitalMicromirror Device，简称DMD）。通过把影像信号数字化处理，使光源装置11时序性地出射的不同颜色光线投射在DMD芯片上，由DMD芯片根据数字化信号对光线进行调制后反射，最后经过投影镜头13在投影屏幕上成像。

本发明实施例提供的上述激光投影系统中，如图2所示，光源装置11包括：激光器阵列111，位于激光器阵列出光侧的第一复眼透镜阵列112，位于第一复眼透镜阵列出光侧的第二复眼透镜阵列113，以及位于第二复眼透镜阵列出光侧的荧光轮114；其中，激光器阵列111中的各激光器10与第一复眼透镜阵列112中的各透镜20一一对应，第一复眼透镜阵列112中的一个透镜20对应第二复眼透镜阵列113中的至少两个透镜30；第一复眼透镜阵列112，用于准直激光器阵列111的出射光；第二复眼透镜阵列113，用于匀化第一复眼透镜阵列112的出射光。

本发明实施例提供的上述激光投影系统中，采用双层复眼透镜阵列对激光器阵列出射的激光进行匀化，有效降低入射到荧光轮激光的能量，有利于提高荧光的激发效率。

具体来说，本发明实施例提供的上述双层复眼透镜阵列利用了柯勒照明原理，激光器10与第一复眼透镜阵列中透镜20一一对应，激光器10的出光面可设置在第一复眼透镜阵列对应的透镜20的焦点或近似焦点所在的位置，由此第一复眼透镜阵列对激光器阵列111的出射光进行准直后形成准直光束入射到第二复眼透镜阵列113；第一复眼透镜阵列中的一个透镜20对应第二复眼透镜阵列中的至少两个透镜30，被第一复眼透镜阵列112准直后的激光器阵列的光斑F与第二复眼透镜阵列的对应关系如图3所示，经第一复眼透镜阵列准直后的光束经第二复眼透镜阵列靠近第一复眼透镜阵列的光学前表面在远离第一复眼透镜阵列的光学后表面形成多激光器发光面的阵列像（图3中的10’表示激光器发光面的成像），每个激光器10的光斑都会成像在第二复眼透镜的光学后表面上。通过两个复眼透镜阵列最终把激光器阵列111的出射光斑成像在第二复眼透镜阵列113与荧光轮114之间，同时把第二复眼透镜阵列113的光学前表面的微镜成像于荧光轮114处，呈多重像，形成匀化的光斑，可以适当地降低光斑入射到荧光轮114时的能量密度，有效改善荧光的激发效率。

在本发明实施例提供的上述激光投影系统中，如图4所示，光源装置还包括：位于第二复眼透镜阵列113与荧光轮114之间，且位于激光器阵列111成像位置处的孔径光阑115。

本发明实施例提供的第一复眼透镜阵列112与第二复眼透镜阵列113对激光器阵列111的匀光利用了柯勒照明的原理，两个复眼透镜阵列将激光器阵列111的光斑成像在孔径光阑115处。孔径光阑115具有调控照明光束直径的大小的作用，可以起到限位以及消除杂散光的作用。激光器阵列111的出射光经过第一复眼透镜阵列112准直后，进入第二复眼透镜阵列113，第一复眼透镜阵列112第二复眼透镜阵列113对出射光进行多重匀光，实现光斑匀化。

在实际应用中，第一复眼透镜阵列112中的一个透镜20对应第二复眼透镜阵列113中的多个透镜30，第一复眼透镜阵列112中的一个透镜20对应的第二复眼透镜阵列113中的透镜30数据越多时，则经过第一复眼透镜阵列112后的光斑可被第二复眼透镜阵列113分割的程度则越高，匀光效果越好。因此在具体实施时，考虑到第一复眼透镜阵列与第二复眼透镜阵列中透镜的制作尺寸的要求以及实际需求，要使第一复眼透镜阵列112中的一个透镜20对应第二复眼透镜阵列113中的至少两行三列透镜30。当需要对更高程度的匀光时，可以增加第一复眼透镜阵列112中的透镜所对应的第二复眼透镜阵列113中透镜的数量，在此不做限定。

在本发明实施例中，激光器阵列111中的激光器可采用半导体激光器，半导体激光器出射光斑具有快轴和慢轴，因此出射光班一般为如图3所示的椭圆形或矩形。激光器出射光斑的快轴对应于椭圆的长轴或矩形的长边，激光器出射光斑的慢轴对应于椭圆的短轴或矩形的短边。为了配合激光器出射激光的快慢轴，本发明实施例提供的上述第一复眼透镜阵列112与第二复眼透镜阵列113中的各透镜的入光截面均为矩形；且激光器阵列的出射光斑的快轴与矩形的短边相互垂直。第一复眼透镜阵列112中的透镜20的长边与第二复眼透镜阵列113中的透镜30的长边相对应；第一复眼透镜阵列112中的透镜20的短边与第二复眼透镜阵列113中的透镜30的短边相对应；两个复眼透镜阵列中的透镜的长边与长边相互平行，短边与短边相互平行。

在具体实施时，激光器阵列111可采用2×5、2×6或2×7个激光器芯片的封装方式，激光器阵列可以出射2×5、2×6或2×7个激光光束。相应地，第一复眼透镜阵列112则需要采用2×5、2×6或2×7个透镜呈阵列分布的方式一一对应于激光器阵列111中的各激光器芯片。第一复眼透镜阵列112的焦距为6-9mm；第一复眼透镜阵列112用于对激光器阵列111的出射光进行准直，形成多束平行光，因此激光器阵列111中的各激光器需要位于对应的第一复眼透镜阵列112中各透镜的焦点附近，在本发明实施例中，将激光器阵列111与第一复眼透镜阵列112之间的距离至少为5mm，以使激光器阵列111的出射光在经过第一复眼透镜阵列112之后形成多束平行光。

在激光器阵列111中，各激光器的出射光斑之间存在设定距离，与激光器之间的设置距离有关，为了避免相邻的激光器出射光之间相互重叠而产生的不利影响，在本发明实施例中，可将激光器阵列111中相邻的激光器10之间的间距设置在2mm以上；相应地，第一复眼透镜阵列112中的各透镜20与激光器阵列111中的各激光器10一一对应，因此第一复眼透镜阵列112中相邻的透镜之间的间距也需要设置在2mm以上。

由于激光器出射的光束仍然具有一定的出射角度，为了使激光器出射的光束均能够被对应的第一复眼透镜阵列中的各透镜接收且准直，在本发明实施例中，第一复眼透镜阵列112中的各透镜20可采用非球面平凸透镜。非球面透镜相比于球面透镜来说，具有更大的接收角度，且具有更好的像差修正效果。在实际应用中，可将激光器阵列设置在第一复眼透镜阵列中透镜的平面一侧。

除此之外，第二复眼透镜阵列113可满足以下关系：

2/3D≤2R≤4/3D；

其中，R表示第二复眼透镜阵列中透镜的曲率半径，D表示第二复眼透镜阵列中透镜的通光孔径。第二复眼透镜阵列113的作用为将第一复眼透镜阵列112形成的多个平行光束的光斑进行切割，成像过程为光学积分，为了使得第二复眼透镜阵列113可以充分对第一复眼透镜阵列112形成的光斑进行匀化，可将第二复眼透镜阵列中的透镜的曲率半径和通光孔径设置在以上关系范围内。

在另一种可实施的方式中，如图5所示的本发明实施例提供的光源装置的另一结构示意图，光源装置还包括：位于第一复眼透镜阵列112与第二复眼透镜阵列113之间的望远透镜组116。望远透镜组116可以包括一个靠近第一复眼透镜阵列112的凸透镜和一个靠近第二复眼透镜阵列113的凹透镜。且凸透镜的像方焦点和凹透镜的焦点重合。平行光束在经过望远透镜组116之后出射光仍为平行光束，望远透镜组116可以放大经过第一复眼透镜阵列112的平行光束的细节，以使第二复眼透镜阵列113可以对光束进一步匀化，优化光束匀化的效果。

本发明实施例提供的上述光源装置中，荧光轮114可采用反射式荧光轮，如图6所示，荧光轮包括：荧光区41和反射区42；其中，荧光区41，用于在激光器阵列111的出射光的激发下产生荧光；反射区42，用于反射激光器阵列的出射光。在实际应用中，激光器阵列111可发射蓝色光，荧光区41在蓝色光的照射下可以激发出红色光和绿色光。激发光和入射的蓝色光均会被荧光轮反射。

如图7所示，光源装置还包括：位于第二复眼透镜阵列113与反射式荧光轮114之间的二向色镜117，位于二向色镜117与反射式荧光轮114之间的会聚透镜组118，位于二向色镜117反射路径上的滤色轮1110，位于反射式荧光轮114反射路径上且位于二向色镜117背离会聚透镜组118一侧的光路转向组件119，以及位于滤色轮1110出光侧的光匀光元件1111。

以常见的蓝色激光器阵列为例进行说明，蓝色的激光器阵列111出射的激光束经过第一复眼透镜阵列112和第二复眼透镜阵列113进行匀化，降低激光光斑能量密度，避免激光光束的能量过大而造成的荧光轮的转化效率低的问题，还可以起到降低激光散斑的作用。二向色镜117能够反射荧光并透射蓝光。当蓝色激光入射到二向色镜117之后被透射，经过会聚透镜组118的会聚照射到反射式荧光轮114上。反射式荧光轮分为反射区42和荧光区41两个区域。随着反射式荧光轮114的旋转，激光周期性地照射在这两个区域上。荧光区41经过激光的照射，会产生荧光，且荧光区具有可以发生光反射的背板，因此所激发的荧光会被背板反射。经背板反射的荧光经透镜准直之后，重新入射到二向色镜117上并被反射。当蓝色的激光射向反射式荧光轮114上的反射区时，蓝色激光直接被反射回二向色镜117被透射。被二向色镜117透射的蓝光入射到光路转向组件119之后，被重新向二向色镜117一侧反射，并与荧光（红色荧光和绿色荧光）合光，再经过一个透镜组会聚，入射到滤色轮1110之后到达匀光部件1111。其中，滤色轮18能够按照色纯度的需求，提供满足要求的三基色光。它与反射式荧光轮114同步转动，具有相对应的颜色分区。根据反射式荧光轮114的转动时序得到三基色。三基色光再经过匀光部件1111的匀化作用后向之后的光路出射。在实际应用中，上述光路转向组件119可为反射镜，匀光部件1111可采用光棒、光导管等装置，在此不做限定。

本发明实施例提供的上述激光投影系统，通过在激光器阵列的出光侧设置第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列，可以对激光器阵列出射的光束充分匀光，由此适当降低激光器出射光线到达荧光轮时的能量密度，提高荧光的激发效率。

本发明实施例的另一方面，还提供一种光源装置，该光源装置与上述光源装置的结构相同，具体可参见图7。该光源装置可包括：激光器阵列111，位于激光器阵列111出光侧的第一复眼透镜阵列112，位于第一复眼透镜阵列112出光侧的第二复眼透镜阵列113，以及位于第二复眼透镜阵列113出光侧的荧光轮114；激光器阵列111中的各激光器10与第一复眼透镜阵列112中的各透镜20一一对应，第一复眼透镜阵列112中的一个透镜20对应第二复眼透镜阵列113中的至少两个透镜30；第一复眼透镜阵列112，用于准直激光器阵列111的出射光；第二复眼透镜阵列113，用于匀化第一复眼透镜阵列112的出射光。激光器阵列的出射光束经过第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列的充分匀光，在到达荧光轮时的能量密度适宜，有利于提高荧光的激发效率。本发明实施例提供的上述光源装置的实施方式可参见上述激光投影系统的实施方式，重复之处不再赘述。

本发明实施例提供的激光投影系统及光源装置，包括：光源装置，位于光源装置出光侧的光阀调制组件，以及位于光阀调制组件出光侧的投影镜头；其中，光源装置包括：激光器阵列，位于激光器阵列出光侧的第一复眼透镜阵列，位于第一复眼透镜阵列出光侧的第二复眼透镜阵列，以及位于第二复眼透镜阵列出光侧的荧光轮；激光器阵列中的各激光器与第一复眼透镜阵列中的各透镜一一对应，第一复眼透镜阵列中的一个透镜对应第二复眼透镜阵列中的至少两个透镜；第一复眼透镜阵列，用于准直激光器阵列的出射光；第二复眼透镜阵列，用于匀化第一复眼透镜阵列的出射光。通过在激光器阵列的出光侧设置第一复眼透镜阵列和第二复眼透镜阵列，可以对激光器阵列出射的光束充分匀光，由此适当降低激光器出射光线到达荧光轮时的能量密度，提高荧光的激发效率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。