一种透镜片及激光投影装置的制作方法

本发明涉及激光显示技术领域，尤其涉及一种扩散片及激光投影装置。

背景技术：

相关技术中，照射在荧光粉上的激发光的光斑一般都是圆形，所激发出的荧光光斑也是圆形，上述激发光或者荧光的圆形光斑需要经过光棒匀化之后再照射到光学芯片上。为了与光学芯片的尺寸比例保持一致，光棒的横截面一般为长方形，因此其入光口也为长方形，图1为本发明相关的现有技术中圆形光斑入射至光棒入光口的示意图，如图1所示，圆形光斑通过长方形的入光口照射入光棒会造成光棒的长边方向上有部分面积没有光线进入，造成部分光学扩展量被浪费，光棒所输出的光通量最高阈值也受到限制。

随着目前市场对投影亮度的要求越来越高，相关技术中通过增加光棒输出的光通量来提高投影亮度，而增加光棒输出光通量的方法一般为增加激发光的功率，并试图以此增加荧光的激发效率。

但是，激发光功率的增大不是无限的，达到荧光粉的光功率密度阈值后，荧光激发效率会大大下降。为此，相关技术中试图一方面增大激发光的功率，一方面增大激发光的光斑圆形面积，以此来保证激发光的光功率密度不会超过荧光粉的光功率密度阈值。

但是由于光棒的尺寸受光学芯片所限，在激发光或荧光的光斑圆形面积增大的情况下，光棒入光口面积却不能变，会导致圆形光斑在光棒短边方向上有部分面积未能进入光棒，即造成光路的有效接收效率降低。仍然无法起到增加光棒的光学扩展量，从而提高投影亮度的作用。

技术实现要素：

为了解决在激发光缩束过程中圆形光斑在光棒短边方向上有部分面积未能进入光棒，造成光路的有效接收效率降低的问题，本发明提供了一种扩散片及激光投影装置。

一方面，本发明提供的一种扩散片，应用于激光投影装置中，包括n个微结构，用于对入射的圆形光束进行扩散，n≥10且n为正整数；该微结构的第一截面和第二截面互相垂直，该第二截面出光方向的扩散角度大于该第一截面出光方向的扩散角度。

可选地，第一截面出光方向的扩散角度α满足：0°≤α＜30°，第二截面出光方向的扩散角度β满足：0°＜β≤30°。

可选地，该微结构为梯形台，光束从该梯形台的下底面入射，从该梯形台的腰面和上底面出射；该微结构的第一截面是第一等腰梯形，该微结构的第二截面是第二等腰梯形。

可选地，上述第二等腰梯形的下底角大于上述第一等腰梯形的下底角。

可选地，上述第一等腰梯形的下底角为10°至60°，上述第二等腰梯形的下底角为20°至80°。

可选地，该微结构为半椭球体，光束从该半椭球体的底面入射，从该半椭球体的弧面出射。

另一方面，本发明还提供了一种激光投影装置，包括激光器、光棒以及上述任一项扩散片，该光棒的入光口为长方形，该扩散片设于激光器与光棒之间；其中，该扩散片中微结构的第一截面出光方向与该光棒入光口的短边方向对应，该扩散片中微结构的第二截面出光方向与该光棒入光口的长边方向对应。

可选地，该激光投影装置还包括柱面透镜，位于光棒与扩散片之间，该柱面透镜包括位于入光侧的平面和位于出光侧的柱形面，该柱形面包括互相垂直的第三截面和第四截面，该第三截面出光方向的曲率半径大于该第四截面出光方向的曲率半径；其中，该第三截面出光方向与光棒入光口的长边方向对应，该第四截面出光方向与光棒入光口的短边方向对应。

可选地，上述第四截面出光方向的曲率半径r4满足：0mm≤r4＜1000mm，上述第三截面出光方向的曲率半径r3满足：0mm＜r3≤1000mm。

可选地，上述柱形面上设置有菲涅尔透镜层。

本发明提供的应用于激光投影装置中的扩散片，包括n个微结构，用于对入射的圆形光束进行扩散，n≥10且n为正整数；该微结构的第一截面和第二截面互相垂直，该第二截面出光方向的扩散角度大于该第一截面出光方向的扩散角度。使得激发光斑尺寸沿光棒长边方向增加（该激发光斑尺寸沿光棒短边方向不变，或者增加的幅度小于沿光棒长边方向增加的幅度），即该激发光斑由圆形光斑改变为椭圆形光斑。一方面增加了荧光粉的激发光斑面积，降低了激发光功率密度，可承受更高的激发光功率，另一方面，可有效利用光棒原未利用的面积，增加了光路的荧光收光量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明相关的现有技术中圆形光斑入射至光棒入光口的示意图；

图2为本发明实施例的扩散片中微结构的俯视图；

图3-a为本发明实施例的扩散片中微结构的第一截面示意图之一；

图3-b为本发明实施例的扩散片中微结构的第二截面示意图之一；

图3-c为本发明实施例的扩散片中微结构的第一截面示意图之二；

图3-d为本发明实施例的扩散片中微结构的第二截面示意图之二；

图3-e为本发明实施例的扩散片中微结构的底面示意图之一；

图4是本发明实施例的扩散片中微结构第一截面、第二截面出射光束分别与光棒入光口对应关系的示意图；

图5是本发明实施例的激光投影装置中设置有xy方向扩散角度不同的扩散片示意图；

图6-a是本发明实施例的激光投影装置中柱面透镜柱形面的第三截面示意图；

图6-b是本发明实施例的激光投影装置中柱面透镜柱形面的第四截面示意图；

图7是本发明实施例的激光投影装置中扩散片与柱面透镜配合应用的示意图；

图8-a是本发明实施例的柱面透镜中柱形面包含有菲涅尔透镜层的截面示意图；

图8-b是本发明实施例的柱面透镜中柱形面包含有菲涅尔透镜层的立体示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种扩散片，应用于激光投影装置中，图2为本发明实施例的扩散片中微结构的俯视图，如图2所示，该扩散片包括n个微结构，用于对入射的圆形光束进行扩散，n≥10且n为正整数；图3-a与图3-b分别为本发明实施例的扩散片中微结构的第一截面、第二截面示意图，如图3-a和图3-b所示，该n个微结构均具有互相垂直的第一截面和第二截面，该第二截面出光方向的扩散角度大于该第一截面出光方向的扩散角度。图4是本发明实施例的扩散片中微结构第一截面、第二截面出射光束分别与光棒入光口对应关系的示意图，实际应用中，如图4所示，可以将该第二截面出射的光束对应于光棒入光口的长边方向y，将该第一截面出射的光束对应于光棒入光口的短边方向x。

将本发明实施例中的扩散片应用于激光投影装置中时，可以使得原来圆形的激发光斑尺寸沿光棒长边方向增加（该激发光斑尺寸沿光棒短边方向不变，或者增加的幅度小于沿光棒长边方向增加的幅度），即该激发光斑由圆形光斑改变为椭圆形光斑。一方面增加了荧光粉的激发光斑面积，降低了激发光功率密度，可承受更高的激发光功率，另一方面，可有效利用光棒原未利用的面积，增加光路的荧光收光量。

在本发明的一个实施方式中，该微结构中第一截面出光方向的扩散角度α满足：0°≤α＜30°，该微结构中第二截面出光方向的扩散角度β满足：0°＜β≤30°，在上述取值范围内，只要β比α大即可，这样就能实现将原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。具体β比α的取值大多少，可以根据光棒入光口的长边与短边具体尺寸来作适应性调整，也可以根据其他需要适当调整β与α的取值。本发明实施例优选β比α大至少0.3°。

在本发明的一个实施方式中，该扩散片中的微结构为梯形台，实际应用中，光束从该梯形台的下底面入射，从该梯形台的腰面和上底面出射。如图3-a与图3-b所示，该梯形台的第一截面为第一等腰梯形，该梯形台的第二截面是第二等腰梯形。具体的，该第二等腰梯形的下底角大于该第一等腰梯形的下底角，进而保证该第二截面出光方向的扩散角度大于该第一截面出光方向的扩散角度。

在该实施方式中，优选第一等腰梯形的下底角的角度范围为10°至60°，第二等腰梯形的下底角的角度范围为20°至80°。在上述取值范围内，只要保证第二等腰梯形的下底角比第一等腰梯形的下底角取值大即可，这样就能实现将原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。

在该实施方式中，由于等腰梯形上底面出射的光束能量密度要比腰面出射的光束能量密度大，为了使光斑能量密度分布控制在合理范围内，本实施方式优选第一等腰梯形的上底边与下底边的边长之比为1:10至1:1.5；第二等腰梯形的上底边与下底边的边长之比也为1:10至1:1.5。

在本发明的一个实施方式中，该扩散片的微结构为半椭球体，实际应用中，光束从该半椭球体底面入射，从该半椭球体的弧面出射。如图3-c、图3-d与图3-e所示，该微结构（即该半椭球体）的第一截面为第一半弧形，该半椭球体的第二截面为第二半弧形，第一半弧形的弧长l1比第二半弧形的弧长l2要大，第一半弧形的直径d1也比第二半弧形的直径d2要大。而且，光束从图3-e所示的半椭球体底面入射、从该半椭球体的弧面出射时，该第二半弧形出光方向的扩散角度β要大于该第一半弧形出光方向的扩散角度α，α满足：0°≤α＜30°，β满足：0°＜β≤30°。本发明实施例优选β比α大至少0.3°。这样就能实现将原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。

本发明实施例还提供了一种激光投影装置，图5是本发明实施例的激光投影装置中设置有xy方向扩散角度不同的扩散片示意图，如图5所示，该装置包括激光器、光棒以及上述任一实施方式中的扩散片，其中，该光棒的入光口为长方形，该扩散片位于该激光器与该光棒之间。在实际应用中，上述扩散片中微结构的第一截面出光方向与上述光棒入光口的短边方向对应，上述扩散片中微结构的第二截面出光方向与上述光棒入光口的长边方向对应。

本发明实施例中的激光投影装置可以使得原来圆形的激发光斑尺寸沿光棒长边方向增加（该激发光斑尺寸沿光棒短边方向不变，或者增加的幅度小于沿光棒长边方向增加的幅度），即该激发光斑由圆形光斑改变为椭圆形光斑。一方面增加了荧光粉的激发光斑面积，降低了激发光功率密度，可承受更高的激发光功率，另一方面，可有效利用光棒原未利用的面积，增加光路的荧光收光量。

在本发明的一个实施方式中，该激光投影装置还包括柱面透镜，位于上述光棒与上述扩散片之间，图6-a、图6-b分别是本发明实施例的激光投影装置中柱面透镜柱形面的第三截面与第四截面的示意图，如图6-a、图6-b所示，该柱面透镜包括位于入光侧的平面和位于出光侧的柱形面，该柱形面又包括互相垂直的第三截面和第四截面，该第三截面出光方向的曲率半径大于第四截面出光方向的曲率半径，即该第三截面出射的光束最大直径d3要小于该第四截面出射的光束最大直径d4。在实际应用中，图7是本发明实施例的激光投影装置中扩散片与柱面透镜配合应用的示意图，如图7、图4所示，该第三截面出光方向与光棒入光口的长边方向y对应，第四截面出光方向与光棒入光口的短边方向x对应。由于第三截面出光方向的曲率半径比第四截面出光方向的曲率半径要大，在经过整形光路处理再照射至光棒入光口时，原来d3小于d4的现象就会反转过来，即，第三截面出射的光束最终在入射至光棒入光口时的光束最大直径要比第四截面出射的光束最终入射至光棒入光口时的光束最大直径要大。由此，在本发明实施例中，柱形面的第三截面出光方向与扩散片微结构的第二截面出光方向也是对应的，二者一起配合进一步使得原来圆形的激发光斑尺寸沿光棒入光口长边方向增加；柱形面的第四截面出光方向与扩散片微结构的第一截面出光方向也是对应的，该二者一起配合进一步使得该激发光斑尺寸沿光棒入光口短边方向不变或者增加的幅度小于沿光棒入光口长边方向增加的幅度。由此，该激发光斑最终由圆形光斑改变为椭圆形光斑。

在本发明的一个实施方式中，该柱形面中第四截面出光方向的曲率半径r4满足：0mm≤r4＜1000mm；该柱形面中第三截面出光方向的曲率半径r3满足：0mm＜r3≤1000mm，在上述取值范围内，只要保证r3的取值比r4的取值大即可，这样就能实现将原来圆形的激发光斑改变为椭圆形光斑。具体的，r3的取值比r4的取值大多少，可以根据光棒入光口的长边与短边具体尺寸来作适应性调整（光棒入光口长边与短边的差值越大，则r3与r4的差值也越大），也可以根据其他需要适当调整r3与r4的取值。

在本发明的一个实施方式中，图8-a和图8-b分别是本发明实施例的柱面透镜中柱形面包含有菲涅尔透镜层的截面示意图和立体示意图，如图8-a和图8-b所示，该透镜片的柱形面上设置有菲涅尔透镜层，该菲涅尔透镜层仍然能够保证r3的取值比r4的取值大，同时该柱面透镜的平面保持不变，与上述实施例中的平面是一致的。本发明实施例可以使得该透镜片在实现出射椭圆形光斑的基础上，进一步利用菲涅尔透镜层提高出射光束的准直效果。

在本发明的一个实施方式中，包含有平面和柱形面的该柱面透镜优选为一体成型，当然也可以由包含有该平面的第一部分和包含有该柱形面的第二部分贴合组成。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。