发光装置及相关投影系统的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种发光装置及相关投影系统。发光装置包括：光源单元，包括激光单元和与激光单元对应的准直透镜，该激光单元的发光面为长方形，且经过该长方形长边的截面上的光发散角小于经过其短边的截面上的光发散角，该准直透镜用于将来自激光单元的激光准直至聚焦透镜；聚焦透镜，用于将来自准直透镜的激光聚焦至目标面上形成预定光斑；激光单元位于准直透镜的光轴上偏离其焦点的预定位置，以使得预定光斑具有预定的长宽比。本发明实施例具有至少调节量较少、装配效率较高的优点。
【专利说明】发光装置及相关投影系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及照明及显示【技术领域】，特别是涉及一种发光装置及相关投影系统。
【背景技术】
[0002]由于激光具有高亮度、高单色性等优点，因此近年来激光已被大量应用于照明及显示【技术领域】。
[0003]激光的光分布为椭圆高斯形，其长轴与短轴的比例较大，比如10:1。但是在一些应用场合，要求光源光斑为具有特定长宽比的矩形。例如在显示【技术领域】中，显示屏的长宽比一般为4:3和16:9，因此激光无法直接作为显示用光源，而需要通过聚焦透镜将多个激光的发光进行合光，使各激光光斑拼接成长宽比为4:3和16:9的光斑。
[0004]例如，请参阅图1a和图lb，图1a是现有投影系统中的投影光源的主视图，图1b是图1a中荧光粉上的光斑示意图。如图1a和图1b所示，现有投影系统中的投影光源包括多个激光单元11、多个准直透镜12、聚焦透镜13、荧光粉14、基板15与马达16。基板15固定在马达上并被马达带动转动，荧光粉14呈与基板同轴的环状并紧贴基板15。激光单元11出射的激光经与其对应的准直透镜12准直至聚焦透镜13后，经聚焦透镜13聚焦至荧光粉14上，以激发荧光粉14。多个激光单元11分为八组，每组中的所有激光单元11出射的激光在荧光粉14上形成的光斑重合。八组激光单元出射的激光在荧光粉14上分别形成八个不重合的光斑17a，这八个光斑在荧光粉14 (目标面)的矩形区域17上叠加组成一个预定光斑。
[0005]由于需要多个光斑叠加组成预定光斑，因此每组激光单元中，激光单元11和与其对应的准直透镜12两者中至少有一者在装配时需要调节，以使每组激光单元11出射的激光在荧光粉上形成的光斑在每组对应的预定位置上，极大地影响装配效率并且增加装配成本。
【发明内容】
[0006]本发明主要解决的技术问题是提供一种至少调节量较少、装配效率较高的发光装置及相关投影系统。
[0007]本发明实施例提供一种发光装置，包括光源单元，包括激光单元和与激光单元对应的准直透镜，该激光单元的发光面为长方形，且经过该长方形长边的截面上的光发散角小于经过其短边的截面上的光发散角，该准直透镜用于将来自激光单元的激光准直至聚焦透镜；聚焦透镜，用于将来自准直透镜的激光聚焦至目标面上形成预定光斑；激光单元位于准直透镜的光轴上偏离其焦点的预定位置，以使得预定光斑具有预定的长宽比。
[0008]其中，发光装置包括一组光源单元组，该光源单元组包括多个光源单元；聚焦透镜用于将光源单元组中的各个光源单元出射的激光聚集至目标面上同一个光斑位置形成预定光斑。
[0009]该发光装置包括两组光源单元组，每组光源单元组包括多个光源单元；聚焦透镜用于将同组光源单元组中的各个光源单元出射的激光聚集至目标面上同一个光斑位置，将两组光源单元组出射的激光分别聚集至两个光斑位置，以使得该两个光斑叠加形成预定光斑。
[0010]其中，该发光装置还包括具有透射部分和反射部分的合光装置；两组光源单元组中，第一组光源单元组出射的激光经透射部分透射至聚焦透镜，第二组光源单元组出射的激光经反射部分反射至聚焦透镜。
[0011]其中，合光装置包括带狭缝的反射镜或带反射条的透光片。
[0012]其中，该发光装置还包括角度调节机构，用于调节合光装置，以改变第二组光源单元组出射的激光入射于反射部分的入射角。
[0013]其中，激光单元和与其对应的准直透镜的距离小于该准直透镜的焦距。
[0014]其中，该发光装置还包括位置调节机构，能够在准直透镜的光轴上线性移动准直透镜。
[0015]其中，该发光装置还包括波长转换层，目标面位于该波长转换层上。
[0016]本发明实施例还提供一种投影系统，其特征在于，包括上述发光装置。
[0017]与现有技术相比，本发明包括如下有益效果:
[0018]本发明通过将激光单元设置在偏离准直透镜焦点的预定位置，可以使得激光在目标面上形成具有预定长宽比的预定光斑。因此，当预定光斑单个充满整个预定矩形区域时，只需要用一组甚至一个激光单元形成这一个预定光斑即可，而无需多组激光单元来形成不重合的多个光斑，因此省去了现有技术中对各组激光单元调节的环节；即使一组激光单元形成的光斑不能充满整个矩形区域，由于离焦时形成的光斑比在焦点位置时形成的光斑大，因此相对于现有技术，为了充满整个矩形区域而需要的光斑数量较少，所需要的激光单元的组数也就较少，因此减少了对激光单元或准直透镜的调节量。可见，本发明具有至少调节量较少、装配效率较高的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1a是现有投影系统中的投影光源的主视图；
[0020]图1b是图1a中荧光粉上的光斑示意图；
[0021]图2a是激光单元位于准直透镜的焦点和偏离该焦点的结构示意图；
[0022]图2b是图2a中激光单元的发光示意图；
[0023]图3a是本发明实施例中发光装置的一个实施例的主视图；
[0024]图3b是图3a所示实施例中目标面上形成的光斑示意图；
[0025]图4a是本发明实施例中发光装置的另一实施例的主视图；
[0026]图4b是图4a所示实施例中目标面上形成的光斑示意图；
[0027]图5a是本发明实施例中发光装置的另一实施例的主视图；
[0028]图5b是图5a所示实施例中合光装置的左视图；
【具体实施方式】
[0029]为了引用和清楚起见，下文以及附图中使用的技术名词的说明如下:
[0030]长宽比:椭圆的长轴与短轴的比例，或者是矩形区域的长与宽的比例。[0031]不论是将激光单元放在准直透镜的焦点上，还是将激光单元放在准直透镜的光轴上偏离其焦点的位置，激光单元出射的激光在目标面上形成的光斑形状都相似于激光单元的发光面的形状，目前本领域的研发人员往往会这么认为。
[0032]但是，本发明人在实验中却发现一些激光单元放在准直透镜的光轴上偏离其焦点的位置时，激光单元出射的激光在目标面上形成的光斑形状不同于激光单元位于该焦点时的光斑形状。具体请参阅图2a，图2a是激光单元位于准直透镜的焦点和偏离该焦点的结构示意图，以及对应的激光在目标面上形成的椭圆光斑的示意图。
[0033]如图2a所示，当激光单元210刚好位于准直透镜220焦点时，此时准直透镜220位于其光轴的位置A，准直透镜220出射的激光经聚焦透镜(图未示)聚焦在目标面上的光斑为细长条形的椭圆a。当激光单元210放在准直透镜220的光轴上偏离其焦点的位置时，例如将准直透镜220放在离激光单元210较近的位置B处，准直透镜220出射的激光经聚焦透镜聚焦在目标面上的光斑为椭圆b，b的长宽比小于a的长宽比。若将准直透镜220放在离激光单元210更近的位置A处，准直透镜220出射的激光经聚焦透镜聚焦在目标面上的光斑为椭圆c，c的长宽比小于b的长宽比。并且，光斑c几乎充满目标面上的整个预定矩形区域270。[0034]经实验统计得到，当激光单元放在准直透镜的光轴上偏离其焦点的位置(以下简称为离焦)时，目标面上椭圆光斑的长宽比会发生改变的激光单元须具有这些技术特征:激光单元的发光面为长方形，且激光经过该长方形长边的截面上的光发散角小于经过其短边的截面上的光发散角。针对该实验结论，发明人经过进一步的理论分析，得知这种激光单元在目标面上形成的椭圆光斑会改变长宽比的原因，具体如下:如图2b所示，激光单元210的发光面为长方形，经过该长方形长边211的截面上的光发散角为α，经过该长方形短边212的截面上的光发散角为β。由于α小于β，所以在离焦时，激光光分布的长轴213比激光光分布的短轴214增大得更快，导致目标面上的椭圆光斑(图未示)的短轴比长轴增大得更快，因此椭圆光斑的长宽比发生改变。
[0035]由此可见，通过将激光单元设置在准直透镜的光轴上偏离其焦点的预定位置，可以改变目标面上椭圆光斑的长宽比，从而达到预定的长宽比。基于此发现，本发明人提出以下一种发光装置，该发光装置包括:
[0036]光源单元，包括激光单元和与激光单元对应的准直透镜，该激光单元的发光面为长方形，且经过该长方形长边的截面上的光发散角小于经过其短边的截面上的光发散角，该准直透镜用于将来自该激光单元的激光准直至聚焦透镜；
[0037]聚焦透镜，用于将来自准直透镜的激光聚焦至目标面上形成预定光斑；
[0038]并且，激光单元位于与其对应的准直透镜的光轴上偏离其焦点的预定位置，以使得预定光斑具有预定的长宽比。
[0039]与现有技术相比，本发明通过将激光单元设置在偏离准直透镜焦点的预定位置，可以使得激光在目标面上形成具有预定长宽比的预定光斑。因此，当预定光斑单个充满整个预定矩形区域时，只需要用一组甚至一个激光单元形成这一个预定光斑即可，而无需多组激光单元来形成不重合的多个光斑，因此省去了现有技术中对各组激光单元调节的环节；即使一组激光单元形成的光斑不能充满整个矩形区域，由于离焦时形成的光斑比在焦点位置时形成的光斑大，因此相对于现有技术，为了充满整个矩形区域而需要的光斑数量较少，所需要的激光单元的组数也就较少，因此减少了对激光单元或准直透镜的调节量。可见，本发明具有至少调节量较少、装配效率较高的优点。
[0040]下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。
[0041]实施例一
[0042]请参阅图3a与图3b，图3a是本发明实施例中发光装置的一个实施例的主视图，图3b是图3a所示实施例中目标面上形成的光斑示意图。如图3a所示,发光装置300包括光源单元1、聚焦透镜330、波长转换层340。光源单元I包括激光单元310和与激光单元对应的准直透镜320。
[0043]激光单元310可以为产生各种颜色的激光产生器件。例如，激光单元310可以为产生蓝光、绿光或红光的激光二极管。
[0044]每一个激光单元310，都有一个对应的准直透镜320，用于将来自激光单元310的激光准直至聚焦透镜330。准直透镜320优选为非球面准直透镜，此时准直效果较好。准直透镜320也可以为球面准直透镜或自由曲面准直透镜。
[0045]本实施例中，发光装置300包括一组光源单元组，该光源单元组包括多个光源单元I ;并且，目标面位于波长转换层340上。聚焦透镜330将光源单元组中的各个光源单元出射的激光聚集至目标面上同一个光斑位置形成预定光斑370a，即各个光源单元出射的激光在目标面上形成的光斑相互重合成预定光斑370a。预定光斑370a几乎充满整个预定矩形区域370，其长宽比大致等于预定矩形区域的长宽比。
[0046]本实施例中，矩形区域370与图1b所示的矩形区域17相同，并且各光学元件的配置与图1a所示的也相同，假设图1b中单个光斑的长宽比为a:b，矩形区域17的长与单个光斑的长的比例为1.5 ;那么本实施例中经过离焦后，单个光斑充满了整个矩形区域370。结合图1b与图3b可知，本实施例中单个光斑的长宽比为(1.5a)/(6b)=a/(4b)。由此可见，本实施例中经过离焦后，单个光斑的长宽比缩小了 4倍。
[0047]本实施例中，由于每个光源单元形成的预定光斑单个充满整个预定矩形区域，因此只需要用一组光源单元甚至一个光源单元形成这一个预定光斑370a即可，而无需多组光源单元来形成不重合的多个光斑，因此省去了现有技术中对各组激光单元调节的环节，提闻了装配效率。
[0048]优选地，一组光源单元组的所有光源单元I的配置均一致，在根据预定光斑的长宽比设计好激光单元310与准直透镜320的距离之后，可以将一组光源单元组的所有光源单元设置在同一个基板上形成一个光源模组。此后只需要调节该光源模组、聚焦透镜330即可，因此大大减少了装配工作量。
[0049]本实施例中，激光单元310出射的激光为蓝光。波长转换层340为荧光粉层，例如YAG荧光粉，它可以吸收蓝光并受激发射黄色的受激光。波长转换层340也可以包括其它波长转换材料，例如量子点、荧光染料等具有波长转换能力的材料，并不限于荧光粉。在很多情况下，荧光粉往往是粉末状或颗粒状的，难以直接形成荧光粉层。此时就需要使用一种粘接剂把各个荧光粉颗粒固定在一起，并形成片层状。最常用的方法是将荧光粉分散于一种粘结剂中，利用粘结剂作为载体来承载荧光粉并形成片层状。
[0050]由于荧光粉层通常较为脆弱易破碎，因此优选地，发光装置300还包括基板350，用于承载荧光粉层340。具体可以通过粘贴、涂覆等方式将荧光粉层340设置在基板350上。当然，在荧光粉层的刚性足够的条件下，例如将荧光粉掺入刚性足够的透明玻璃中形成的荧光粉层，也可以不设置基板来承载荧光粉层。
[0051]更进一步地，基板350呈圆盘状，荧光粉层340呈与基板350同心的圆环状。并且，发光装置300还包括驱动装置360，与基板350固定连接，用于驱动基板350绕其圆心转动，以使得来自聚焦透镜330的激光在荧光粉层340上形成的预定光斑沿圆形路径作用于荧光粉层，以避免激光长时间作用于同一位置的荧光粉导致的该荧光粉温度升高的问题。容易理解的是，驱动装置360与荧光粉层340也可以采用其它配合方式，只要能够实现来自聚焦透镜330的激光在荧光粉层340上形成的光斑能够分时作用于不同位置即可。例如，荧光粉层可以呈带状，驱动装置360可以驱动基板以往复运动的形式沿该带状方向移动。
[0052]实施例二
[0053]发光装置也可以包括两组光源单元组，以在目标面上形成两个不重合的光斑以叠加组成预定光斑。具体请参阅图4a与图4b，图4a是本发明实施例中发光装置的另一实施例的主视图，图4b是图4a所示实施例中目标面上形成的光斑示意图。如图4a所示,发光装置400包括光源单元1、聚焦透镜430、波长转换层440、基板450与驱动装置460。光源单元I包括激光单元410和与激光单元对应的准直透镜420。
[0054]本实施例与图3a所示实施例的区别之处在于:
[0055]发光装置400包括两组光源单元组，每组光源单元组包括多个光源单元I。并且，聚焦透镜430用于将同组光源单元组中的各个光源单元出射的激光聚集至目标面上同一个光斑位置，将两组光源单元组出射的激光分别聚集至两个光斑位置470a与470b。两个光斑470a与470b叠加形成预定光斑,该预定光斑几乎充满整个预定矩形区域470,该预定光斑的长宽比大致等于预定矩形区域的长宽比。
[0056]本实施例中，虽然一组光源单元组形成的光斑不能充满整个矩形区域，但由于离焦时形成的光斑比在焦点位置时形成的光斑大，因此本实施例相对于现有技术，为了充满整个预定矩形区域而需要的光斑数量较少，所需要的光源单元组的组数也就较少，因此减少了对光源单元组中激光单元或准直透镜的调节量。
[0057]进一步地，如图4b所示，两组光源单元组在目标面上形成的光斑相同，且有部分边缘交叠。由于光斑边缘的强度相对光斑中央的较弱，因此通过叠加两个光斑的边缘部分，可以使得叠加组成的预定光斑较均匀。
[0058]由于两组光源单元组所形成的光斑相同，因此两组光源单元组的配置可以一致，可以将两组光源单元组分别设置在不同基板上形成两个相同的光源模组，此时只需要分别调整两个光源模组的基板相对于聚焦透镜的角度，即可使两组光源单元组在目标面上形成的光斑在不同的预定位置。
[0059]实施例三
[0060]为了便于调节图4实施例所示的两组光源单元组，发光装置还可以包括具有透射部分和反射部分的合光装置；该两组光源单元组中，第一组光源单元组出射的激光经透射部分透射至聚焦透镜，第二组光源单元组出射的激光经反射部分反射至聚焦透镜，从而与第一组光源单元组出射的激光合为一束合光。此时只需要调节合光装置相对于聚焦透镜的角度，即可调节被反射部分反射的激光的角度，进而调节被反射的激光在目标面上形成的光斑与被透射的激光在目标面上形成的光斑的相对位置。[0061]具体请参阅图5a与图5b，图5a是本发明实施例中发光装置的另一实施例的主视图，图5b是图5a所示实施例中合光装置的左视图。如图5a所示，发光装置500包括光源单元1、聚焦透镜530、波长转换层540、基板550与驱动装置560。
[0062]本实施例与图4a所示实施例的区别之处在于:
[0063]发光装置500还包括合光装置580。如图5b所示，合光装置580为带狭缝581的反射镜。两组光源单元组中，第一组光源单元组出射的激光经狭缝581透射至聚焦透镜530，第二组光源单元组出射的激光经反射镜的狭缝以外的部分反射至聚焦透镜530，从而两组光源单元组出射的激光合为一束合光。如上分析，此时只需要调节反射镜580相对于聚焦透镜530的角度，即可控制两个光斑进行合适的叠加以形成预定光斑。并且，通过反射镜580对两组光源单元组出射的激光进行合光，还可以压缩两组光源单元组的合光的光斑。
[0064]容易理解的是，在其它实施例中，合光装置也可以为带反射条的透光片。此时两组光源单元组中，第一组光源单元组出射的激光经反射条反射至聚焦透镜，第二组光源单元组出射的激光经透光片的反射条以外的部分透射至聚焦透镜。
[0065]进一步地，发光装置还可以包括角度调节机构，用于调节合光装置，以改变第二组光源单元组出射的激光入射于合光装置的反射部分的入射角。例如角度调节机构可以旋转反射镜580，以改变入射于反射镜580的反射部分的激光的入射角，从而便于用户根据需求的改变而适时地改变目标面上由两个光斑叠加组成的光斑。
[0066]以上各实施例中，并未对具体如何离焦进行说明。优选地，将准直透镜位置从理想准直位置(即使得激光单元位于准直透镜焦点的位置)向激光单元的方向移动，即使得激光单元和与其对应的准直透镜的距离小于该准直透镜的焦距，此时准直透镜收集光的角度更大，光利用率较高。离焦的距离不宜过大，优选地，离焦后的准直透镜的位置与理想准直位置之间的距离小于0.5_。
[0067]进一步地，发光装置还可以包括位置调节机构，能够在准直透镜的光轴上线性移动准直透镜，以便于用户根据需求的改变而适时地改变激光单元出射的激光在目标面上形成的光斑的长宽比。
[0068]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0069]本发明实施例还提供一种投影系统，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该投影系统可以采用各种投影技术，例如液晶显示器(LCD，LiquidCrystal Display)投影技术、数码光路处理器(DLP,Digital Light Processor)投影技术。此外，上述发光装置也可以应用于照明系统，例如舞台灯照明。
[0070]以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种发光装置，其特征在于，包括: 光源单元，包括激光单元和与激光单元对应的准直透镜，该激光单元的发光面为长方形，且经过该长方形长边的截面上的光发散角小于经过其短边的截面上的光发散角，该准直透镜用于将来自所述激光单元的激光准直至聚焦透镜； 聚焦透镜，用于将来自所述准直透镜的激光聚焦至目标面上形成预定光斑； 所述激光单元位于所述准直透镜的光轴上偏离其焦点的预定位置，以使得所述预定光斑具有预定的长宽比。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该发光装置包括一组光源单元组，该光源单元组包括多个光源单元； 所述聚焦透镜用于将所述光源单元组中的各个光源单元出射的激光聚集至目标面上同一个光斑位置形成所述预定光斑。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该发光装置包括两组光源单元组，每组光源单元组包括多个光源单元； 所述聚焦透镜用于将同组光源单元组中的各个光源单元出射的激光聚集至目标面上同一个光斑位置，将两组光源单元组出射的激光分别聚集至两个光斑位置，以使得该两个光斑叠加形成所述预定光斑。
4.根据权利要求3所述的发光装置，其特征在于，该发光装置还包括具有透射部分和反射部分的合光装置； 所述两组光源单元组中，第一组光源单元组出射的激光经所述透射部分透射至所述聚焦透镜，第二组光源单元组出射的激光经所述反射部分反射至所述聚焦透镜。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述合光装置包括带狭缝的反射镜或带反射条的透光片。
6.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，该发光装置还包括角度调节机构，用于调节所述合光装置，以改变第二组光源单元组出射的激光入射于所述反射部分的入射角。
7.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述激光单元和与其对应的准直透镜的距离小于该准直透镜的焦距。
8.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该发光装置还包括位置调节机构，能够在准直透镜的光轴上线性移动所述准直透镜。
9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，该发光装置还包括波长转换层，所述目标面位于该波长转换层上。
10.一种投影系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的发光装置。
【文档编号】G03B21/20GK103901707SQ201210580399
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】胡飞, 侯海雄, 曹亮亮 申请人:深圳市光峰光电技术有限公司