CN103676436B - 一种用于投影的光源整形方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光光源整形方法、装置，及激光投影装置，所述光源整形装置包括一个或多个反射镜单元，用于调整光源的传输方向，反射镜单元包括一组或多组置于同一平面的反射镜，每组反射镜的各反射镜间有间隙，每一反射镜用于反射多个光束，反射镜单元将所述光源整形输出方向一致的合成光束。多个反射单元可以实现对光束的多次整形，可最大限度的调整光斑大小。这种配置能明显提高光束的光学质量。

Description

一种用于投影的光源整形方法及结构

技术领域

本发明涉及光电学领域，具体而言，涉及一种光源整形结构、方法及激光显示设备。

背景技术

目前投影显示产品发展迅猛，亮度不断提高。投影产品使用的光源多为三原色LED，由于LED输出光的空间光束质量不好光学扩展量大，很难实现光亮度输出。因此激光激发荧光粉方案应运而生。通常用来激发的激光功率都在几十瓦以上，这是通过小功率的蓝色激光器阵列来实现的。

主流的激光光源投影机一般都是利用一束激光激发一个荧光粉轮产生所需要的显示用光源，当对亮度需求高的情况下，需要的激光功率可能高达几十瓦，甚至一百瓦以上。如此高的激光功率一般都是通过一颗颗小功率的激光器出射的光束合成。光束合束整形前都是由这些众多独立的激光器发射的一束单独的激光束，通过在特定的位置安放特定角度的反射镜就可以将这些独立的光束整形到一个大的激光光束。

如附图1所示，最初激光是独立的向上传输，整个光束的宽度是a,通过在每一束光束前增加反射镜使得每一束光束都在不同的位置被反射到同一个方向，向右传输。经过反射后整个光束的宽度变为b，可以看到b的宽度远远小于a。即进行了简单的光束整形合束的过程。但是在反射镜的装配过程由于镜座或固定部加工公差和装配公差等原因，导致每一个反射镜的角度都不可能非常理想，从而反射后的光束方向就存在了一定的偏差。可以想象，由于光束之间存在的角度偏差，随着光束的传输距离增加，光束将会越来越分离，从而降低了光束的光学质量。传统的合束结构各个光束的角度偏差在0.3度以上，随着激光束的增加，0.3度的偏离越来越难保证光束的质量。产生这种情况的原因主要是每个反射面之间的关系仅仅是平行，但是并不重合，同时机械精度要求过于苛刻难以实现。

众多的激光器都有着其独立的光束，在使用前需要将这些离散的光束整合为方向一致、光斑较小的激光束来使用。如上所述采用单阵列激光器整体偏转整形合束，还可以采用反射镜配合多阵列激光器实现光束整形至某一阵列激光束，例如采用两组垂直放置的激光器阵列，一组阵列光束经过平面镜反射后与另外一组平行交叉组成一束光束，但这些处理方式对光束之间的间隔减少有限，受反射镜排布的影响，不能进一步压缩光斑大小，即不能根据需要灵活控制光斑大小。

另外，不论是单阵列还是多阵列激光器，采用反射镜进行光束整形时，每一激光器光束配置一独立的反射镜实现光束整形，或者激光器阵列的每一组激光器配置一独立反射镜实现光束整形，这种配置结构，在激光束传输方向偏转的过程中都不可能完全按照设计要求实现或很难达到完全的精度需求，因此整形之后的光斑是由多个传输方向有稍许偏差的众多小光束组成，而并不是完全的方向一致，大大降低了合束后的光束光学质量。由于上述现有结构的广泛使用，普遍采取提高机械精度等优化措施予以降低偏差，至今没有资料显示存在突破这种结构的设计，尤其是改进反射镜单元的结构。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种新型光源整形结构、方法及激光显示设备，这种光源整形结构主要应用于投影显示类产品的光源部分，用以解决上述现有技术中存在的多种问题。

为了实现上述目的，根据本发明的ー个方面，提供一种激光光源整形装置，采用了以下技术方案：

激光光源整形装置包括一个或多个反射镜单元，所述反射镜单元由一组或多组置于同一平面的反射镜及其固定部组成，每组反射镜中各反射镜间保留预定间隔，每一反射镜用于反射多个光束，反射镜单元将所述光源整形输出一种方向一致的合成光束。

所述反射镜单元配置在激光光源前方，用于实现第一次光束整形，以实现各光束间隔的调整，或者反射镜单元配置在另一反射镜单元反射合成光束的前方，用于实现第二次光束整形，同样实现各光束间隔的调整。第一次和第二次整形可分别用于调整激光器阵列发出的光束的横向或纵向间隔，以实现调整光斑大小。所述反射镜单元一般设置两个，但也可根据需要设置一个反射镜单元，从而实现一次反射整形即可满足需要，或着设置更多反射镜单元，从而依次进行多次反射整形以满足需要。

其次，所述激光光源由激光器阵列发出的若干光束组成，每组反射镜中的各反射镜平行配置，且每组反射镜的各反射镜之间存在一个或多个固定部，以使该组反射镜能保持在一个平面上。各反射镜可呈条形等形状结构，或者每组反射镜与固定部一起呈窗格或网格状结构。

再次，多组反射镜构成的反射镜单元，其每组反射镜平行配置，每组反射镜中各反射镜间隔大于或等于该组反射镜背面一组反射镜中各反射镜间隔，每组反射镜的镜面宽度不大于其背面一组反射镜的镜面宽度，以便于其背面其他组反射镜反射的光束能顺利通过，这样可最大限度的实现降低光束间隔。

进一步地，所述反射镜单元的每组反射镜可以一体成型，以使各反射镜能更稳定地保持在一个平面上，根据激光器阵列的需要，每组反射镜的各反射镜间间隔可以不同，当激光阵列的部分激光间隔不规则或与其它部分不一致时，对应于该部分所使用的反射镜组的反射镜也可以配置成相应的间隔。

根据本发明的另外ー个方面，提供一种激光光源整形方法，采用以下技术方案实现：

首先，将激光光源的全部光束划分为n个部分，分别对应于n组反射镜，每组反射镜均位于同一平面，其中n为整数且不小于1；然后将激光光源的第n部分光束入射到第n组反射镜，该组反射镜以预定角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部或部分反射后的光束依次从第n-1组至第1组反射镜的各反射镜间隙穿过；将激光光源的第n-1部分光束入射到第n-1组反射镜，该组反射镜也以上述预定角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部或部分反射后的光束从第n-2组至第1组反射镜的各反射镜间隙穿过……将激光光源的第1部分光束入射到第1组反射镜，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，该组反射镜也以上述预定的角度反射各入射光束，全部反射后的光束与其他组反射镜反射的光束合束。上述反射步骤分别进行，但同时实现。激光光源的全部光束经过上述第一次整形合束后向同一方向传输。

另外，当光源的部分光束满足需要时，可省略上述其中一组反射镜，即相应减少一个反射步骤，使上述其它组经预定角度反射后的光束的传输方向与所省略的该组反射镜相对应部分光束的传输方向保持一致即可实现全部光束的合束。

进一步地，对经过所述第一次整形合束后的光束进行第二次整形：将合束后的光束重新划分为m部分，分别对应于m组反射镜，每组反射镜均位于同一平面，其中m为整数且不小于1；将激光光源的第m部分光束入射到第m组反射镜，该组反射镜以预定角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部或部分反射后的光束依次从第m-1组至第1组反射镜的各反射镜间隙穿过；将激光光源的第m-1部分光束入射到第m-1组反射镜，该组反射镜也以上述预定角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部或部分反射后的光束从第m-2组至第1组反射镜的各反射镜间隙穿过……将激光光源的第1部分光束入射到第1组反射镜，该组反射镜也以上述预定的角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部反射后的光束与其他组反射镜反射的光束合束。同样上述反射步骤分别进行，但同时实现。第一次整形后的全部光束经过上述第二次整形合束后向同一方向传输，实现对光斑大小的调整。

再进一步地，所述整形方法中所使用的每组反射镜可以是一体成型部件，每组反射镜中各反射镜间隔大于或等于该组反射镜背面一组反射镜中各反射镜间隔。

根据本发明的另外ー个方面，提供一种激光显示装置，即该激光显示装置包括上述激光光源的整形装置，以及多个激光器。所述多个激光器为单个或多个激光器阵列。

采用上述光源整形结构，尤其是设置在同一平面的反射镜组的每一反射镜反射多个光束，有效缓解了高亮度工作状态下光束整形的难题,大大提高了光束整形后的方向性，使得光束合束过程中光束方向的一致性更容易得到保障，获得更好的光束整形效果。提高了合束光束的方向一致性也就提高了光学系统的效率，这样实现相同的亮度,可是使用更少的激光器，降低了成本。

另外通过这种改进的结构设计，光斑之间的间隔基本不受反射镜排布的影响，可以最大限度的压缩光斑；同时也简化了结构的加工难度，由阶梯状外形改变成了简单的平面结构。

附图说明

图1是根据本发明背景技术的激光光束整形示意图；

图2是根据本发明的反射镜组的结构示意图；

图3是根据本发明的反射镜组配置的激光光束整形示意图；

图4是根据本发明优选实施例1的激光光束整形示意图；

图5是根据本发明优选实施例2的激光光束整形示意图；以及

图6是根据本发明优选实施例3的激光光束整形示意图。

具体实施方式

本发明根据激光阵列的排布，将激光阵列划分为几个大的部分，每一部分由一组置于同一平面的反射镜反射，同一组的反射镜装配到同一平面，但是镜片之间留有空隙。例如每五列光束为一组，那么这一组的反射镜可以设置到如下的一个大的平面结构上。每一个反射镜之间还留有空隙。

如图2所示，反射镜组由5个反射镜21及其固定部22组成，每组反射镜中各反射镜间保留预定间隔，每一反射镜可用于反射多个光束。当激光阵列的部分激光间隔不规则或与其它部分不一致时，各反射镜间隔，即缝隙23可以相同也可以根据激光阵列的排布设置为大小不同的宽度。为保证各反射镜在同一平面的稳定性，也可以在反射镜21的上端部211或其与下端部212之间的一个或多个部分设置固定部，各反射镜可呈条形等形状结构，或者每组反射镜与固定部一起呈窗格或网格状结构，只要保证设置在其背面的其他组反射镜的反射光束能够顺利通过缝隙23即可，为进一步增强稳定性，所述反射镜单元的每组反射镜可以一体成型。如图2所示，固定部22可以安装在其下方的安装部上。

如附图3所示，左面三个激光束或三组激光束由置于一个平面上的三个反射镜反射，由于三个反射镜可以置于同一个平面上，所以方向一致性非常好。所述激光束经过反射后方向近似一致的向右传输，同样的过程发生在右侧的三个激光束或三个激光束组。左侧的激光束穿过右侧激光束之间的空隙，从而合束成一个大的光束。完成了基本的合束过程。

单一的平面结构容易保证平行度，因此安装在这个平面上的反射镜反射后的光束方向一致性非常好。然后每一大部分的激光束都向同一个方向反射，并有穿过前方平面镜之间的间隔一直传输，直到所有的激光束合成为一束。通过这样结构可以明显降低反射镜的排布对整形光束以及光斑大小的影响。采用这种基于同一个平面反射而合束的光斑之间的偏差一般可以做到0.05度以内，偏差明显降低。这样光束光学质量能得到明显提升。

如附图4所示，根据本发明的一种优选实施方式，一个激光阵列由四行八列的激光器组成，激光束41垂直向上传输。由于激光器本身尺寸、散热和装配等要求的限制，每颗激光器之间的间隔是10mm，四行有三个间隔，八列有七个间隔，这样激光阵列输出的初始激光束41约30mm*70mm。激光光源的全部激光束41划分为左右两部分，在传输方向上设置一反射镜单元，该反射镜单元有两个反射镜组43、44，每一组有四个反射镜，每一个反射镜反射1列4束光束，预定角度使激光束偏转90度向右传输。左侧的一组四个反射镜44将左侧的16个光束反射为水平向右，右侧的一组四个反射镜43将右侧的16个光束水平向右传输，左侧的1组光束穿过右侧光束的间隔与右侧的光束组成一个完整的光束，其中反射镜组44侧边的一个反射镜反射的光束从反射镜组43侧边穿过，当反射镜组44的反射镜与反射镜组43的反射镜数量不同时，则反射镜44的全部或部分反射后的光束可能从其镜面前方反射镜组43的反射镜间隙穿过。激光光源的全部光束经过第一次整形合束后向同一方向传输，整形后的光束42约为30*35mm，其中30mm的纬度没有变化，70mm的纬度光束密度增加了一倍。当激光束41为非矩形排布时，例如菱形排布时，反射组44两侧的反射镜可能只反射一个光束，而中间的反射镜则要反射多个光束。

如附图5所示，根据本发明的另一种优选实施方式，一个激光阵列由四行九列激光器组成，激光器之间的间隔仍是10mm，那么初始光斑51大小约30mm*80mm，利用本发明所描述的配置结构，除了可以将激光器分成2组分别反射以外，还可以分成2组以上反射，图5所示将激光光源的光束划分为三部分，在传输方向上所配置的一反射镜单元有三个反射镜组53、54和55，对应于九列所分的三组，每组激光束为4*3=12束，经过反射后都向右传输并依次经过其右侧的全部反射镜的空隙或侧边。最后合束光斑52大小约为30mm*26.7mm(26.7=80/3)。

当采用多个反射镜组构成反射镜单元时，其每组反射镜平行配置，每组反射镜中各反射镜间隔大于或等于该组反射镜背面一组反射镜中各反射镜间隔，每组反射镜的镜面宽度不大于其背面一组反射镜的镜面宽度，以便于其背面其他组反射镜反射的光束能顺利通过，这样可有效压缩光束间隔。如图5所示通过反射镜组53的各反射镜的宽度明显小于反射镜组54和55，通过减小反射镜的宽度即可获得增大反射镜间隔的效果。

本发明结构还可以在两个纬度上对光束进行合束整形，比如前一实施方式中整形后的光斑在另外一个纬度上依然存在较大的空隙，这种情况可以进行二次整形。即将合束后的光束重新划分为m部分，分别对应于m组反射镜，其中m为整数且不小于1；然后将激光光源的每部分光束一一对应地入射到每组反射镜，各组反射镜以预定角度反射各入射光束，全部或部分反射后的光束依次从其镜面前方的其它各组反射镜的反射镜间隙穿过。即光束的划分可能与第一次不同，但具体的反射过程是一样的。全部光束经过上述第二次整形合束后向同一方向传输，实现对光斑大小的调整。

如附图6所示，根据本发明的又一种优选实施方式，在第一次整形之后的方向上再设置一反射镜单元，该反射镜单元有两个反射镜组，每组2片反射镜。每一片反射镜反射9束光束，这样在另外一个纬度上也进行了整形。经过两个反射镜单元的二次整形之后的光斑61的尺寸变为约15*26.7mm。

当两个激光器阵列垂直排布时，可先对其中一个阵列进行上述整形，然后与另一激光器阵列的光束进行合束，再进行二次或多次整形。

根据本发明的反射镜单元可以用于激光显示装置中，这种激光显示装置可以根据所包括的单个或多个激光器阵列排布配置一个或多个反射镜单元，将各激光器发出的光束整形合束。

主要通过改进的结构设计,使得光束合束过程中光束方向的一致性更容易得到保障,而同时也简化了结构的加工难度,由阶梯状外形改变成了简单的平面结构。提高了合束光束的方向一致性就提高了光学系统的效率,这样实现相同的亮度,可是使用更少的激光器,降低了成本。

以上仅为本发明的一些优选实施方式，并不构成对本发明的限制，对于本领域的技术人员来说，本发明可以进行多种变形配置。凡根据本发明的基本结构和原则，所作的各种修改、组合、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光光源整形装置，包括一个或多个反射镜单元，所述反射镜单元配置在光源前方或前一反射镜单元反射光前方，用于调整光源或反射光的传输方向和形状，其特征在于，所述反射镜单元由一组或多组置于同一平面的反射镜及其固定部组成，固定部设置在反射镜的下端部，所述反射镜单元的每组反射镜一体成型，每组反射镜中各反射镜间保留预定间隔的缝隙，每组反射镜的至少部分反射镜用于反射多个光束，设置在背面的其他组反射镜的反射光束能够顺利通过所述间隔的缝隙，反射镜单元将所述光源整形输出一方向一致的合成光束。

2.根据权利要求1所述的激光光源整形装置，其特征在于，所述激光光源由激光器阵列发出的若干光束组成，每组反射镜中的各反射镜平行配置，且各反射镜之间存在一个或多个固定部，以使该组反射镜能保持在一个平面上，形成一种叉形结构。

3.根据权利要求2所述的激光光源整形装置，其特征在于，多组反射镜构成的反射镜单元，其每组反射镜平行配置，每组反射镜中各反射镜间隔的缝隙大于该组反射镜背面一组反射镜中各反射镜间隔的缝隙，每组反射镜的镜面宽度小于其背面一组反射镜的镜面宽度。

4.根据权利要求2所述的激光光源整形装置，其特征在于，所述反射镜单元包括两组或三组，分别用于调整激光器阵列发出的光束的横向或纵向间隔，以调整光斑大小，反射镜的固定部与安装部连接。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的激光光源整形装置，其特征在于，根据激光器阵列的需要，每组反射镜的各反射镜间间隔的缝隙可以不同。

6.一种激光显示装置，其包括多个激光器，其特征在于其包含权利要求1至5任意一项所述的激光光源整形装置。

7.根据权利要求6所述的激光显示装置，其特征在于，所述多个激光器为单个或多个激光器阵列。

8.一种激光光源整形方法，其特征在于，包括：配置如权利要求1至5任意一项所述的激光光源整形装置；将激光光源的全部光束划分为n个部分，分别对应于n组反射镜，每组反射镜均位于同一平面，其中n为整数且不小于1；激光光源的第n部分光束入射到第n组反射镜，该组反射镜以预定角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部或部分反射后的光束从第n-1组至第1组反射镜的各反射镜间的缝隙穿过；

激光光源的第n-1部分光束入射到第n-1组反射镜，该组反射镜也以上述预定角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部或部分反射后的光束从第n-2组至第1组反射镜的各反射镜间的缝隙穿过；激光光源的第1部分光束入射到第1组反射镜，该组反射镜也以上述预定的角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部反射后的光束直接与所有其他组反射镜反射的光束合束；

激光光源的全部光束同时经过上述整形后向同一方向传输，部分光束间隔可以得到调整。

9.根据权利要求8所述的激光光源整形方法，其特征在于，对经过所述整形合束后的光束进行再次整形，包括以下步骤：将合束后的光束重新划分为m部分，分别对应于m组反射镜，每组反射镜均位于同一平面，其中m为整数且不小于1；激光光源的第m部分光束入射到第m组反射镜，该组反射镜以预定角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部或部分反射后的光束从第m-1组至第1组反射镜的各反射镜间的缝隙穿过；激光光源的第m-1部分光束入射到第m-1组反射镜，该组反射镜也以上述预定角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部或部分反射后的光束从第m-2组至第1组反射镜的各反射镜间的缝隙穿过；激光光源的第1部分光束入射到第1组反射镜，该组反射镜也以上述预定的角度反射各入射光束，该组反射镜的部分或全部反射镜反射多个入射光束，全部反射后的光束直接与所有其他组反射镜反射的光束合束；全部光束同时经过上述再次整形合束后向同一方向传输，从而使光斑大小可以得到调整。

10.根据权利要求8或9所述的激光光源整形方法，其特征在于，每组反射镜一体成型部件，每组反射镜中各反射镜间隔的缝隙大于该组反射镜背面一组反射镜中各反射镜间隔的缝隙，和/或每组反射镜的镜面宽度小于其背面一组反射镜的镜面宽度。