CN204575981U - 激光合光装置及投影设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光合光装置及投影设备，包括聚光装置、第一光源、反射装置和光收集装置，该聚光装置包括具有以中心轴的反射曲面，第一光源包括至少两组呈平面状排布并位于中心轴的周围的光源阵列，该光源阵列沿着中心轴的方向分布，并且出射光方向与中心轴垂直，反射装置位于第一光源的出射光路上，用于将第一光源的出射光引导至与中心轴平行的方向再入射于反射曲面，光收集装置将来自反射曲面的会聚光引导沿远离反射曲面的方向出射。基于上述技术方案，平行光束与压缩整形后的会聚光束存在交叠，以使合光区域长宽两方向上的空间得到重复利用，结构布局紧凑，在缩小合光装置体积的同时实现了高亮度激光输出。

Description

激光合光装置及投影设备

技术领域

本实用新型涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种激光合光装置及投影设备。

背景技术

目前，越来越多的投影显示产品通过采用激光激发荧光粉的光源方案来实现高亮度输出。本领域的技术人员周知，输出光束的亮度与激光功率正相关，在对亮度需求高的情况下，现有通常采用小功率的激光器阵列来实现，这就需要将各个激光器出射的光束进行合成。然而，现有的激光合光结构体积较大，不利于后续的光路处理以及整机内部结构的布局。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种激光合光装置，旨在解决现有的激光合光结构体积大的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种激光合光装置，聚光装置，所述聚光装置包括反射曲面，该反射曲面具有中心轴；第一光源，所述第一光源包括至少两组呈平面状排布的光源阵列，所述光源阵列位于所述中心轴的周围，并且沿着所述中心轴的方向分布，所述第一光源的出射光方向与所述中心轴垂直；反射装置，所述反射装置包括与各组所述光源阵列一一对应的反射单元阵列，所述反射装置位于所述第一光源的出射光路上，用于将所述第一光源的出射光引导至与所述中心轴平行的方向再入射于所述反射曲面；光收集装置，所述光收集装置位于所述中心轴上，所述光收集装置至少部分位于两组光源阵列之间，所述反射曲面将来自所述反射装置的光会聚至所述光收集装置的入射面，并由光收集装置将光引导沿远离所述反射曲面的方向出射。

优选地，所述激光合光装置还包括设置在所述光收集装置的光束入口处的散光元件。

优选地，所述第一光源中的各组光源阵列的激光光源在垂直于其出射光光轴且垂直于所述中心轴的方向上相互错开。

优选地，所述光源阵列对称设置在所述中心轴的两侧，所述反射装置对称设置在所述中心轴的两侧。

优选地，所述反射单元阵列由反射条组成，所述反射条在垂直于所述第一光源的出射光光轴且垂直于所述中心轴的方向上具有最大长度，对应于一组所述光源阵列的反射单元阵列的反射条沿该光源阵列的出射光方向错位排布，并使该光源阵列发出的光经反射单元阵列反射后光束间距减小。

优选地，所述反射条包括在其最大长度方向上交替分布的反射区和透射区。

优选地，所述激光合光装置还包括第二光源，第二光源位于所述聚光装置远离所述第一光源的一侧，第二光源发出不同于所述第一光源的波段光；

所述聚光装置包括透镜本体和镀在所述反射曲面上的介质膜，所述透镜本体用于将来自所述第二光源的光会聚至所述光收集装置的入射面，所述介质膜反射来自所述反射装置的光束，而透射所述第二光源发出的光束。

优选地，所述激光合光装置还包括第二光源和聚光元件；其中，所述第二光源位于所述聚光装置远离所述第一光源的一侧，第二光源发出不同于所述第一光源的波段光；所述聚光装置包括透镜本体和镀在所述反射曲面上的介质膜，所述介质膜反射来自所述反射装置的光束，而透射所述第二光源发出的光束；所述聚光元件位于所述第二光源与所述聚光装置之间，且所述聚光元件的主光轴与所述中心轴重合，所述聚光元件将来自所述第二光源的光会聚至所述光收集装置的入射面。

优选地，所述激光合光装置还包括第二光源、聚光元件和二向色反射元件；其中，所述第二光源与所述第一光源位于所述聚光装置的同一侧，第二光源发出不同于所述第一光源的波段光；所述二向色反射元件位于所述聚光装置与所述光收集装置之间，用于透射所述第一光源发出的光束，而反射所述第二光源发出的光束；所述聚光元件位于所述第二光源与所述二向色反射元件之间，该聚光元件将来自所述第二光源的光经所述二向色反射元件会聚至所述光收集装置的入射面。

优选地，所述第二光源发出的光束在所述光收集装置的入射面的入射角 角度小于所述第一光源发出的光束在所述光收集装置的入射面的入射角角度。

此外，为实现上述目的，本实用新型还提供一种投影设备，包括上述任一项技术方案中所述的激光合光装置。

本实用新型所提供的一种激光合光装置及投影设备，先通过第一光源产生密集排列的平行光束，再利用聚光装置和反射装置对该平行光束进行压缩整形，最后经过光收集装置的引导输出一均匀的光斑，光束合束过程中的光束传输路径均位于第一光源围合的区域内，平行光束与经过聚光装置会聚后的会聚光束存在交叠，以使合光区域长宽两方向上的空间得到重复利用，整套合光装置的结构布局更加紧凑，可以容纳更多的激光光源，由此在缩小合光装置体积的同时实现了高亮度激光输出。

附图说明

图1为本实用新型的激光合光装置第一实施例的俯视图；

图2为图1中所示的激光合光装置局部结构在侧视视角下的简化结构示意图；

图3为本实用新型的激光合光装置第二实施例的俯视图；

图4为本实用新型的激光合光装置第三实施例的俯视图；

图5为本实用新型的激光合光装置第四实施例的俯视图；

图6为本实用新型的激光合光装置第五实施例的俯视图；

图7为本实用新型的激光合光装置第六实施例的俯视图；

图8为图7中所示的激光合光装置的侧视图。

具体实施方式

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种激光合光装置，参见图1，在第一实施例中，该激光合光装置包括聚光装置100、第一光源200、反射装置以及光收集装置500，其中聚光装置100包括反射曲面110，该反射曲面110具有中心轴，反射曲面110可以是球面、抛物柱面等任意适用的曲面，对第一光源200发出的光具有高反射率，比如为镜面；第一光源200包括至少两组呈平面状排布的光源阵列，该光源阵列位于中心轴的周围，并且沿着该中心轴的方向分布，光源阵列由若干按照一定规律排列的激光光源组成，激光光源优选为蓝光固态光源，比如激光二极管、蓝光激光器等任意适用的激光器，其中图示为激光二极管，第一光源200的出射光方向与中心轴垂直；反射装置包括与各组光源阵列一一对应的反射单元阵列，其位于第一光源200的出射光路上，用于将第一光源200的出射光引导至与中心轴平行的方向再入射于反射曲面110；光收集装置500位于中心轴上，并且至少部分位于两组光源阵列之间，该两组光源阵列指的是在垂直于中心轴的方向上的光源阵列，以将光收集装置500置于光源阵列围合的空间内，提高了激光合光装置在垂直于中心轴的方向上的空间利用率，反射曲面110将来自反射装置的光会聚至光收集装置500的入射面，并由光收集装置500将该会聚光引导沿远离反射曲面110的方向出射，即整体沿着中心轴的方向出射，比如该光收集装置500为匀光棒，对第一光源200发出的光束具有高透射率，通过匀光棒对光束的扩散作用，可以减小光束的扩散角，在匀光板的光束出口处得到一均匀的光斑，当然该光收集装置500还可以是其他任意适用的光学器件。

具体地，为了对多束光束进行合成，以实现高亮度激光输出，上述光学元件采用如下组合结构：如图1所示，第一光源200为多组，对称设置在反射曲面110的中心轴的两侧，位于同一侧的各组第一光源200对应的反射装置在第一光源200的出射光方向上相互错开，更具体地，每一侧设置有两组沿着反射曲面110的中心轴以给定距离分开的第一光源200，第一光源200的出光方向与反射曲面110的中心轴相垂直，这样可以减小第一光源200在合光区域宽度方向上占用的空间。但应当理解，本实施例中的第一光源200的数目和其相对于反射曲面110的位置关系仅为举例，在实际应用时可灵活调整。

反射装置的数目与第一光源200的数目相等，各反射装置位于其对应的 第一光源200的出射光路上，以将第一光源200发出的光束沿着平行于反射曲面110的中心轴的方向反射至反射曲面110上，由此保证将第一光源200发出的光束会聚在一起，实现高亮度激光输出。

本实施例的激光合光装置先通过第一光源200产生密集排列的平行光束，再利用反射装置调整该平行光束的传输方向，以使该平行光束沿着平行于反射曲面110的中心轴的方向照射在反射曲面110上，再一次利用反射曲面110调整平行光束的传输方向并对该平行光束进行压缩整形，各光束会聚在反射曲面110的焦点处，最后被光收集装置500接收，比如当光收集装置500为匀光棒时，可以得到一高亮度、均匀的激光光束。由此，光束合束过程中的光束传输路径均位于第一光源200围合的区域内，平行光束与经过聚光装置100会聚后的会聚光束存在交叠，以使合光区域长宽两方向上的空间得到重复利用，整套装置的结构布局更加紧凑，可以容纳更多的激光光源，由此在缩小装置体积的同时实现了高亮度激光输出。

进一步地，该激光合光装置还包括设置在光收集装置500的光束入口处的散光元件(图未示)，该散光元件可以是具有高透射率的扩散片，通过对会聚在反射曲面110的焦点处的光束进行扩散，以使光束在进入光收集装置500前先调整为一均匀的面光源，再通过光收集装置500的调整后可输出一扩散量较小的合成光束。

结合图1和图2，以第一光源200包括两组光源阵列为例进行说明。具体地，第一光源200中的各组光源阵列的激光光源在垂直于其出射光光轴且垂直于反射曲面110的中心轴的方向上相互错开，为了便于描述，第一光源200中的两组光源阵列分别是第一光源阵列210和第二光源阵列220(定义横向为平行于反射曲面110的中心轴的方向，纵向为垂直于反射曲面110的中心轴的方向)，由此第一光源阵列210中各激光光源发出的光束与第二光源阵列220中各激光光源发出的光束在垂直于反射曲面110的中心轴的方向上错开。第一光源阵列210和第二光源阵列220中的激光光源数目可以相同，也可以不同，比如两光源阵列均由激光光源按4×8的矩阵排列方式组成，即每一光源阵列中有32个激光光源。反射装置上设置有分别与第一光源阵列210和第二光源阵列220相对应的反射区，反射区可以由反射镜构成，也可以由具有高反射率的镀膜构成，反射装置上与第一光源阵列210相对应的位置还设置有 可供第二光源阵列220发出的光束穿过的透射区，该透射区可以是具有高透射率的光学镜片，也可以是通孔，通过使第一光源阵列210发出的光束与第二光源阵列220发出的光束共面，以达到减小第一光源200和反射装置在合光区域宽度方向上所占用空间的目的。

如图1所示，位于聚光装置100同一侧的第一光源200排列在同一平面上，为了防止靠近聚光装置100的反射装置阻挡远离聚光装置100的反射装置所反射的光束，位于同一侧的各组第一光源200对应的反射装置在第一光源200的出射光方向上相互错开，由此可避免同一侧分布有多组第一光源200时所引起的光束阻挡问题。作为示例，沿着会聚光束的传输方向，反射装置逐渐靠近反射曲面110的中心轴，形成阶梯状的分布结构，从而达到避开光路的目的。当然，在其他实施例中，沿着会聚光束的传输方向，反射装置逐渐远离反射曲面110的中心轴，亦形成阶梯状的分布结构，同样达到避开光路的目的，具体应用时可任意选择反射装置的分布结构，本实用新型对此不作限制。

本实施例中，反射单元阵列由反射条组成，并且反射条在垂直于第一光源200的出射光光轴且垂直于反射曲面110的中心轴的方向上具有最大长度，比如该反射条呈长条形，具体可为矩形板状结构，即反射条的长边垂直于反射曲面110的中心轴。对应于一组光源阵列的反射单元阵列的反射条沿该光源阵列的出射光方向错位排布，并使该该光源阵列发出的光经反射单元阵列反射后光束间距减小，因此反射装置中的各组反射单元阵列在平行于反射曲面110的中心轴的方向上重叠设置，以减小激光合光装置的体积。

具体地，反射条包括在其最大长度方向上交替分布的反射区和透射区，由此在反射光路上，位于前方的反射单元阵列不会对来自后方的反射光造成阻挡。例如，与上述第一光源阵列210和第二光源阵列220相对应，反射装置包括第一反射单元阵列300和第二反射单元阵列400，第一反射单元阵列300包括与第一光源阵列210中的各纵向列激光光源一一对应的第一反射条310，第二反射单元阵列400包括与第二光源阵列220中的各纵向列激光光源一一对应的第二反射条410，其中第一反射单元阵列300中的各第一反射条310等间距分布，并且在垂直于反射曲面110的中心轴的方向上相互错开，第二反射单元阵列400中的各第二反射条410等间距分布，并且在垂直于反射 曲面110的中心轴的方向上相互错开。

具体地，第一反射条310包括交替分布的第一反射区311和透射区312，第一反射区311用于反射其对应的第一光源阵列210中的纵向列激光光源发出的光束，如图2所示，第一反射条310包括八个第一反射区311，由此可同时反射多束激光，方向一致性高、光束质量好；第二反射条410包括间隔分布的第二反射区或连续分布的第二反射区(未标号)，为了简化结构设计，第二反射区优选为连续分布的一体结构，第二反射区用于反射其对应的第二光源阵列220中的纵向列激光光源发出的光束，而第一反射条310的透射区312用于透射其对应的第二反射条410反射的光束，因此第一反射单元阵列300和第二反射单元阵列400在垂直于反射曲面110的中心轴的方向上不需要相互错开，即第一反射单元阵列300和第二反射单元阵列400在平行于反射曲面110的中心轴的方向上相重叠，大大减小了第一光源200和反射装置在合光区域宽度方向上所占用空间，整个合光装置的结构更加紧凑。另外，第一反射条310与第二反射条410的构造也可以相同。

比如第一反射条310通过区域镀膜的方式形成第一反射区311和透射区312，第二反射条410则可以由反光镜形成，应当保证第一反射区311和第二反射区对第一光源200发出的光束具有高反射率，而透射区312对第一光源200发出的光束具有高透射率。

参见图3，在第二实施例中，与上述第一实施例的主要区别在于，靠近聚光装置100的第一光源阵列210与第一光源阵列210′、第二光源阵列220与第二光源阵列220′在平行于反射曲面110的中心轴的方向上相错开，第一光源阵列210发出的光束先穿过第一反射单元阵列300留有的通光间隙再照射在第一反射单元阵列300′上，第二光源阵列220发出的光束先穿过第二反射单元阵列400留有的通光间隙再照射在第二反射单元阵列400′，同理，第一光源阵列210′发出的光束先穿过第一反射单元阵列300′留有的通光间隙再照射在第一反射单元阵列300上，第二光源阵列220′发出的光束先穿过第二反射单元阵列400′留有的通光间隙再照射在第二反射单元阵列400。而对于远离聚光装置100的其余光源阵列，由于光收集装置500会与横跨反射曲面110的中心轴的光路产生干涉，因此还是采用与第一实施例相同的对称布置方式。

参见图4，在第三实施例中，与上述第一实施例的主要区别在于反射装置中反射元件的布置方式，图4中示出的第一反射单元阵列300与第二反射单元阵列400组合构成“V”字形，应当理解，反射装置的作用在于改变第一光源200发出的光束的传输方向，以使第一光源200发出的光束平行于反射曲面110的中心轴的方向照射在反射曲面110上，因此反射装置中的反射元件具有多种布置方式，在此不一一列举，比如本实施例的反射装置将第一光源200发出的光束翻转90°。

参见图5，在第四实施例中，与上述第一实施例的区别在于，该激光合光装置还包括第二光源600，第一光源200和第二光源600分别发出不同的波段光，比如第一光源200发出蓝色波段光，而第二光源600发出红色波段光，具体应用时，可对应选择第一光源200和第二光源600的出光类型。第二光源600位于聚光装置100的远离第一光源200的一侧，也即聚光装置100将第一光源200和第二光源600隔开。聚光装置100包括透镜本体和镀在反射曲面110上的介质膜，透镜本体对第二光源600发出的光束具有会聚作用，介质膜反射来自反射装置的光束，对第一光源200发出的光束具有高反射率，而透射第二光源600发出的光束，对第二光源600发出的光束具有高透射率，透镜本体将来自第二光源600的光会聚至光收集装置500的入射面，由此实现光束的合成。为了保证光束质量，透镜本体的主光轴与反射曲面110的中心轴重合，并且透镜本体的焦点与反射曲面110的焦点也重合，第二光源600的光束平行于透镜本体的主光轴的方向入射至透镜本体，经过透镜本体的会聚后与第一光源200的会聚光重叠并被光收集装置500接收。

参见图6，在第五实施例中，与上述第四实施例的区别在于，该激光合光装置还包括聚光元件700，聚光装置100包括透镜本体和镀在反射曲面110上的介质膜，聚光元件700位于第二光源600与聚光装置100之间，且聚光元件700的主光轴与反射曲面110的中心轴重合，第二光源600发出的光束经过聚光元件700会聚后从光收集装置500的光束入口进入光收集装置500中，也即聚光元件700的焦点与反射曲面110的焦点重合。相较于第五实施例，增加了聚光元件700，在一定程度上增加了激光合光装置的长度，但是通过采用聚光元件700可以简化聚光装置100的结构设计，降低生产成本，比如聚光元件700可采用现有的凸透镜或其他任意适用的透镜。

参见图7，在第六实施例中，与第四、五实施例的区别在于，本实施例的第二光源600与第一光源200位于聚光装置100的同一侧，并且相较于第四实施例增加聚光元件700和二向色反射元件800，二向色反射元件800位于聚光装置100与光收集装置500之间。更具体地，二向色反射元件800位于聚光装置100与邻近聚光装置100的反射装置之间，聚光元件700位于第二光源600与二向色反射元件800之间，二向色反射元件800对第一光源200发出的光束具有高透射率，而对第二光源600发出的光束具有高反射率，比如二向色反射元件800可采用滤光片，第二光源600发出的光束先经过聚光元件700会聚，再经过二向色反射元件800的反射后从光收集装置500的光束入口进入光收集装置500中。相较于第四、五实施例，本实施例增设的光学元件不会对激光合光装置的长度尺寸造成影响，但是适当增加了激光合光装置的宽度尺寸。

应当理解，上述第四、五及六实施例中增加的第二光源合光结构还可以基于第二、三实施例实现，具体应用时具有多种组合。

值得一提的是，在实际应用时，还需要对光收集装置500输出的光束进行分光合光，而较为简便的是通过不同光束的光学扩展量进行，因此通过调整反射装置与光收集装置500在平行于反射曲面110的中心轴的方向上的距离、反射装置与光收集装置500在垂直于反射曲面110的中心轴的方向上的距离来调整第一光源200发出的光束在光收集装置500的入射面的入射角度，以使第二光源600发出的光束在光收集装置500的入射面的入射角角度小于第一光源200发出的光束在光收集装置500的入射面的入射角角度。

由此，本实用新型的激光合光装置在采用两组不同的光源时，可以根据长宽尺寸的裕量选择对应的布置结构，比如当长度尺寸的裕量较大时，可采用第四、五实施例的技术方案，而当宽度尺寸的裕量较大时，则可采用第六实施例的技术方案，相较于现有的激光合光结构具有更高的拓展能力。

根据本实用新型实施例的技术方案，光束合束过程中的光束传输路径均位于第一光源围合的区域内，平行光束与经过聚光装置会聚后的会聚光束存在交叠，以使合光区域长宽两方向上的空间得到重复利用，整套装置的结构布局更加紧凑，可以容纳更多的激光光源，由此在缩小装置体积的同时实现了高亮度激光输出。

本实用新型还提供一种投影设备，在一实施例中，该投影设备包括激光合光装置、显示元件、光源侧光学装置、投影侧光学装置及控制装置等，其中激光合光装置采用上述各实施例中的激光合光装置，而其余部件为现有技术。

本投影设备实施例包括上述激光合光装置全部实施例的全部技术方案，所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种激光合光装置，其特征在于，包括：

聚光装置，所述聚光装置包括反射曲面，该反射曲面具有中心轴；

第一光源，所述第一光源包括至少两组呈平面状排布的光源阵列，所述光源阵列位于所述中心轴的周围，并且沿着所述中心轴的方向分布，所述第一光源的出射光方向与所述中心轴垂直；

反射装置，所述反射装置包括与各组所述光源阵列一一对应的反射单元阵列，所述反射装置位于所述第一光源的出射光路上，用于将所述第一光源的出射光引导至与所述中心轴平行的方向再入射于所述反射曲面；

光收集装置，所述光收集装置位于所述中心轴上，所述光收集装置至少部分位于两组光源阵列之间，所述反射曲面将来自所述反射装置的光会聚至所述光收集装置的入射面，并由光收集装置将光引导沿远离所述反射曲面的方向出射。

2.如权利要求1所述的激光合光装置，其特征在于，所述激光合光装置还包括设置在所述光收集装置的光束入口处的散光元件。

3.如权利要求1所述的激光合光装置，其特征在于，所述第一光源中的各组光源阵列的激光光源在垂直于其出射光光轴且垂直于所述中心轴的方向上相互错开。

4.如权利要求1所述的激光合光装置，其特征在于，所述光源阵列对称设置在所述中心轴的两侧，所述反射装置对称设置在所述中心轴的两侧。

5.如权利要求1、3或4所述的激光合光装置，其特征在于，所述反射单元阵列由反射条组成，所述反射条在垂直于所述第一光源的出射光光轴且垂直于所述中心轴的方向上具有最大长度，对应于一组所述光源阵列的反射单元阵列的反射条沿该光源阵列的出射光方向错位排布，并使该光源阵列发出的光经反射单元阵列反射后光束间距减小。

6.如权利要求5所述的激光合光装置，其特征在于，所述反射条包括在其最大长度方向上交替分布的反射区和透射区。

7.如权利要求1所述的激光合光装置，其特征在于，所述激光合光装置还包括第二光源，第二光源位于所述聚光装置远离所述第一光源的一侧，第二光源发出不同于所述第一光源的波段光；

所述聚光装置包括透镜本体和镀在所述反射曲面上的介质膜，所述透镜本体用于将来自所述第二光源的光会聚至所述光收集装置的入射面，所述介质膜反射来自所述反射装置的光束，而透射所述第二光源发出的光束。

8.如权利要求1所述的激光合光装置，其特征在于，所述激光合光装置还包括第二光源和聚光元件；其中，

所述第二光源位于所述聚光装置远离所述第一光源的一侧，第二光源发出不同于所述第一光源的波段光；

所述聚光装置包括透镜本体和镀在所述反射曲面上的介质膜，所述介质膜反射来自所述反射装置的光束，而透射所述第二光源发出的光束；

所述聚光元件位于所述第二光源与所述聚光装置之间，且所述聚光元件的主光轴与所述中心轴重合，所述聚光元件将来自所述第二光源的光会聚至所述光收集装置的入射面。

9.如权利要求1所述的激光合光装置，其特征在于，所述激光合光装置还包括第二光源、聚光元件和二向色反射元件；其中，

所述第二光源与所述第一光源位于所述聚光装置的同一侧，第二光源发出不同于所述第一光源的波段光；

所述二向色反射元件位于所述聚光装置与所述光收集装置之间，用于透射所述第一光源发出的光束，而反射所述第二光源发出的光束；

所述聚光元件位于所述第二光源与所述二向色反射元件之间，该聚光元件将来自所述第二光源的光经所述二向色反射元件会聚至所述光收集装置的入射面。

10.如权利要求7、8或9所述的激光合光装置，其特征在于，所述第二光源发出的光束在所述光收集装置的入射面的入射角角度小于所述第一光源发出的光束在所述光收集装置的入射面的入射角角度。

11.一种投影设备，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的激光合光装置。