一种低发散角全彩光束的产生装置的制造方法
【专利摘要】本发明属于光束产生装置技术领域，特别涉及一种低发散角全彩光束的产生装置，包括光源和光学系统，光学系统和光源连接；光源包括光学元件、望远镜式透镜和至少两个用于产生各种颜色的光束的多模激光二极管，光学元件包括非球面镜片和分光镜；光学系统包括至少一个镜片和至少一个光学透镜；光源和光学系统的布置可使得入射至光学透镜的光束能够照亮光学透镜的90%以上的面积，光学透镜的焦距大于镜片的焦距，并且镜片和光学透镜之间的距离小于或等于它们的焦距之和。相对于现有技术，本发明的有益效果为：低发射角（0到10°），圆形截面，锋利的边缘，均匀的光强分布，高的能量转换效率（25%），长使用寿命（20000h），以及柔和的混色效果。
【专利说明】
一种低发散角全彩光束的产生装置
技术领域
[0001]本发明属于光束产生装置技术领域，特别涉及一种低发散角全彩光束的产生装置。
【背景技术】
[0002]目前，具有圆形横截面的密集光束主要是由荧光蒸汽灯的光产生，或者由白炽灯泡的光产生，或者由通过一个或多个透镜聚焦的LED灯的光产生。
[0003]这些装置的主要缺点是它们无法得到低发散性、高的电光转换效率、光强分布均匀、边缘锋利、混色柔和、强度高、寿命长的密集的全彩光束。
[0004]虽然LED灯具有高效、混色柔和的优点，而且其寿命可以长达20000小时，但是其光束发散角很少能低于10°，而且它们的径向强度衰减地很快。
[0005]白炽灯泡和荧光蒸汽灯能够达到1°的光束发散角，但是由于光边的存在，原始能量的50%以上都会损失掉。进一步的，这两种光源无法形成柔和的混色效果，而且会产生较多的热量、需要调整镜头到合适的距离以实现均匀的光强分布。
[0006]相对于以上光源，激光器，尤其是二极管激光器，能够实现光束所需要的所有特征。其天然地具有低发散性、长使用寿命和高效率。多种波长能够混合成一种光束，以完成柔和的混光。但是，目前，能够产生具有圆形横截面和锋利的边缘的光束且得到均匀的光强分布的装置尚未见诸报道。
[0007]本发明旨在提供一种低发散角全彩光束的产生装置，其能够产生全色光束，而且光束具有圆形截面、均勾的光强分布，光束的分散角为O到10°。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于:针对现有技术的不足，而提供一种低发散角全彩光束的产生装置，其能够产生全色光束，而且光束具有圆形截面、均匀的光强分布，光束的分散角为O到10。。
[0009]为了实现上述目的，本发明所采用如下技术方案:
一种低发散角全彩光束的产生装置，包括光源和光学系统，所述光学系统和所述光源连接;所述光源包括光学元件、用于设定从光源产生的光束的所需宽度的望远镜式透镜和至少两个用于产生各种颜色的光束的多模激光二极管，所述光学元件包括非球面镜片和分光镜，所述光学元件用于将多模激光器二极管产生的单个激光束合并为一个准直光束；所述光学系统包括至少一个镜片和至少一个光学透镜，所述镜片用于将光束从置于光束的光轴上的光源导入光学系统，所述光学透镜设置于可被来自于所述镜片的光束照亮的位置；
所述光源和所述光学系统的布置可使得入射至所述光学透镜的光束能够照亮所述光学透镜的90%以上的面积，所述光学透镜的焦距大于所述镜片的焦距，并且所述镜片和所述光学透镜之间的距离小于或等于它们的焦距之和。照亮90%以上的面积这种照亮条件可以通过选择具有足够短的焦距的镜片来实现，因为照亮面积与镜片的焦距呈反比。所得到的光束在I m到1m远的距离处仍然能够达到所需的性质，而且能够保持到几百米以后。
[0010]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，所述光学元件包括用于将不同颜色的光束混合成单一的同心光束的平面分色光学元件。
[0011]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，所述多模激光二极管为用于生成红色、绿色和蓝色光谱区的激光二极管。红色、绿色和蓝色的光足以产生白光或其他各种颜色的光。
[0012]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，所述非球面镜片设置为三个，每个所述非球面镜片对应一个激光二极管，以对二极管的光束进行准直。
[0013]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，所述光源包括至少两个具有相同颜色的激光二极管，激光二极管发出的光束经过非球面镜片准直后，再经过偏振立方体混合在一起。
[0014]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，通过调整镜片和光学透镜之间的距离可以将光束的发散角调整至0°_10°。其中，只需要将镜片和光学透镜的焦点重叠，就可以得到具有0°发散角的光束。
[0015]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，每个二极管的光强和光束的颜色均是连续可调的。
[0016]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，进入光学系统的光束的截面为边长比为1:1到1: 5的矩形截面。光束的宽度可以通过望远镜式透镜来调节，该望远镜式透镜包括柱面透镜或一对变形棱镜，以调节光束的截面为边长比为1:1到1: 5的矩形截面。
[0017]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，镜片为非球面凹透镜。
[0018]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，光学透镜具有圆形光圈。
[0019]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，光学透镜的数值孔径大于
0.2。如果光学透镜的数值孔径大于0.1，则会出现球形误差，这从其所得的光束的突出的边缘就可以看出来。而如果光学透镜的数值孔径大于0.2，要实现照亮至少90%以上的区域这个条件并不需保留，而且由于入射光束的边缘没有被裁减，因此不会出现球面误差，因此就可以得到光束的圆形截面。
[0020]作为本发明低发散角全彩光束的产生装置的一种改进，在非球面镜片和偏振立方体之间设置有偏振旋转器，用于旋转经非球面镜片准直的光束的偏振平面。偏振立方体(或者用偏望远镜式透镜代替)是一种能够传输带有一定偏振性的光的光学原件，其还能反射偏振性与前述光垂直的光。如果两束具有相互垂直的偏振性的光射向偏振立方体的正确的面，它们就会被混合成一束非极性的同心光束。
[0021]相对于现有技术，本发明的有益效果为:低发射角(O到10°)，圆形截面，锋利的边缘，均匀的光强分布，高的能量转换效率(25%)，长使用寿命(20000h)，以及柔和的混色效果O
【附图说明】
[0022]图1为本发明实施例1的结构示意图。
[0023]图2为本发明实施例2的结构示意图。
[0024]图3为本发明实施例3的结构示意图。
[0025]图4为本发明实施例4的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
[0027]实施例1
如图1所示，其所示的为一种使用三个多模激光二极管作为光源的低发散角全彩光束的产生装置，其包括光源I和光学系统2，光学系统2和光源I连接;光源I包括光学元件11、用于设定从光源I产生的光束的所需宽度的望远镜式透镜12和三个用于产生各种颜色的光束的多模激光二极管13，光学元件11包括非球面镜片111和分光镜112，光学元件11用于将多模激光器二极管13产生的单个激光束合并为一个准直光束；
光学系统2包括至少一个镜片21和至少一个光学透镜22，镜片21用于将光束从置于光束的光轴上的光源I导入光学系统2，光学透镜22设置于可被来自于镜片21的光束照亮的位置；
光源I和光学系统2的布置可使得入射至光学透镜22的光束能够照亮光学透镜22的90%以上的面积，光学透镜22的焦距大于镜片21的焦距，并且镜片21和光学透镜22之间的距离小于或等于它们的焦距之和。
[0028]光学元件11包括用于将不同颜色的光束混合成单一的同心光束的平面分色光学元件。
[0029]多模激光二极管13为用于生成红色、绿色和蓝色光谱区的激光二极管。
[0030]非球面镜片111设置为三个，每个非球面镜片111对应一个激光二极管，以对二极管的光束进行准直。
[0031 ]进入光学系统2的光束的截面为边长比为1:1到1:5的矩形截面。
[0032]镜片21为非球面凹透镜。
[0033]光学透镜22具有圆形光圈。
[0034]光学透镜22的数值孔径大于0.2。
[0035]具体而言，本实施例中，其中一个二极管R1产生700mW的红光，第二个二极管G1产生IW的绿光，第三个二极管仏产生1.5W的蓝光。这三个二极管产生的每个激光光束均被一个焦距为4.6mm的非球面镜片(AS1, AS2, AS3)准直。每束得到的光都具有尺寸约为1.2*5mm的椭圆形的截面。得到的光束被三个分色镜(DZ1, DZ2，DZ3)混合成一束同心的光束。望远镜式透镜(CT)12由两个焦距分别为-6.4mm和25mm的柱状透镜组成。望远镜式透镜(CT)12的两个柱状透镜之间的距离为20+/-5111111。望远镜式透镜((:1')12以1:3.9的比例调整同心光束的宽度并且保持光束的方向。从望远镜式透镜(CT)12出来的光束具有尺寸为5*5mm的圆形横截面。
[0036]所得的光束通过光学系统(0S)2，该光学系统2由焦距为-15mm的球面凹透镜(S)和直径为100mm、焦距为260_的球形充气消色差光学透镜(OD)组成。这些镜片21均被放置在由望远镜式透镜(CT)12出来的激光光束的同一轴上。镜片(S)21和光学透镜(0D)22之间的距离大约为249+/-10mm。从光学系统(0S)2出来的光束为白色，直径为100mm，发散角为0°。沿着光束的轴，从光学系统(0S)2起，从3m到150m，光束的边缘是锋利的，而且光束截面上的光强是均匀的。如果镜片(S)21和光学透镜(OD)22之间的距离缩短15mm，则光束的发散角变为1°。通过改变光源(OS)I中任一个激光二极管的光强，所得到的光束的颜色会有平滑的改变，而且不会影响发散直径。通过关闭其中两个二极管，就能够得到单色的光束，同时也不会影响发散直径。
[0037]其中，图1中的镜片(S)21可以替换为焦距为20mm的凹透镜，而且镜片21(S)和光学透镜(0D)22之间的距离可被改变为150mm。通过这些改变，所得到的光束的发散角为10°。
[0038]图1中的镜片(S)21还可以替换为焦距为25mm的凹透镜，而且镜片(S)21和光学透镜(0D)22之间的距离可被改变为280+/-10mm。通过这些改变，所得到的光束的发散角为0°。
[0039]图1中的光学透镜(0D)22可替换为焦距为50mm的胶合的光学透镜，而且镜片(S)21和光学透镜(0D)22之间的距离可被改变为35+/-5mm，通过这些改变，所得到的光束的发散角为0.2°。
[0040]实施例2
如图2所示，与实施例1不同的是，本实施例加入了以下元件:(RQ)、(ASQ)(DZ())(分别与R1, AS1, DZ1相同)、(0R)和(PK)。二极管(Ro)和(R1)产生的光束紧密结合且平行，而且分别被非球面镜片(ASo)和(AS1)准直。二极管(R1)的光束经过镜片(ASD21后再不受影响地经过偏振立方体(PK)3。二极管(Ro)的光束经过镜片(ASo)21后经过光学偏振旋转器(0R)4，该光学偏振旋转器(0R)4可以将光束的偏振平面旋转90°。此后，光束被镜子(DZo)反射至偏振立方体(PK)3，由于光束的偏振旋转，该光束再次被反射并与二极管(R1)的光束混合，形成单束同心光束。与实施例1中的装置不同，本实施例得到的光束在红色光谱区具有双重能量。
[0041]测试实施例2产生的光束的截面图，其用到了如下的激光源:两个700mW的发射红光的激光二极管，一个IW的发射绿光的激光二极管，一个3.5W的发射蓝光的激光二极管。其中一个红光二极管产生的光束被偏振旋转器偏振旋转90°，然后通过偏振立方体与第二个红光二极管的光束混合成单束同心光束。最终的光束的散射角为0.1°，且光强度分布十分均匀。
[0042]实施例3
如图3所示，与实施例1不同的是，本实施例加入了以下元件= (G2)和(AS4)(分别与(G1)和(AS3)相同)、(OR)和(PK)。与实施例1相同，二极管(R1) JBKG1)*出的激光光束分别被非球面镜片(AS1, AS2，AS3)准直之后，在双色向滤光片(DZ1, DZ2，DZ3)上混合。然后，由于这三个激光二极管的光分别被偏振，混合后的光束可以不受影响地通过偏振立方体(PK)3。光束(G2)被非球面镜片(AS4)准直后通过光学旋转器(0R)4，该光学旋转器(0R)4可将偏振平面垂直旋转。入射偏振立方体(PK)3之后，光束被平行反射，而且与二极管(R1X(B1)JG1)发出的光束同心。
[0043]实施例4
如图3所示，与实施例1不同的是，本实施例减去了以下元件=(R1)、(AS1)、(021)和(DZ2)，而兀件(Bi)和(AS2)被加入，这样，二极管(B)的光束通过镜子(DZ3)后与从镜子(DZ3)的另一面反射过来的二极管(G)的光束混合。由于红色二极管的缺失，得到的光束的颜色区被限制为绿色和蓝色的混合。但是，光束的几何特性与实施例1是完全相同的。
[0044]总之，本发明提供了一种装置，其能够产生全色光束，而且光束具有低发射角(O到10°)，圆形截面，锋利的边缘，均匀的光强分布。该装置包括光源(ZS)，光源(ZS)包括至少两个具有不同颜色的多模激光二极管(R，G，B)和用于将激光二极管(R，G，B)产生的部分光束形成准直光束的光学元件(43，02，？1(，01?，(:1')。该装置进一步包括光学系统(03)，其包括至少一个镜片和至少一个光学透镜，光学透镜的焦距大于镜片的焦距，二者之间的距离小于或等于它们的焦距之和。所述光源(ZS)和所述光学系统(OS)的布置可使得入射至所述光学透镜(OD)的光束能够照亮所述光学透镜的90%以上的面积。
[0045]本发明适用于剧场、音乐厅、各种户外场合、大的体育场馆等。该装置尤其适用于发光装置和目标点之间的距离较大的场合。由于本发明的低的发散角，该目标点可以被很好的照亮。大的能源效率使得本发明可以用于只有燃料电池提供能量的场合或者在小的无效的光源产生大量的多余热量的室内。本发明适用于任何需要具有均匀光强分布、圆形横截面、锋利的边缘和低的发散角的激光光束的场合。
[0046]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【主权项】
1.一种低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于，包括光源和光学系统，所述光学系统和所述光源连接;所述光源包括光学元件、用于设定从光源产生的光束的所需宽度的望远镜式透镜和至少两个用于产生各种颜色的光束的多模激光二极管，所述光学元件包括非球面镜片和分光镜，所述光学元件用于将多模激光器二极管产生的单个激光束合并为一个准直光束； 所述光学系统包括至少一个镜片和至少一个光学透镜，所述镜片用于将光束从置于光束的光轴上的光源导入光学系统，所述光学透镜设置于可被来自于所述镜片的光束照亮的位置； 所述光源和所述光学系统的布置可使得入射至所述光学透镜的光束能够照亮所述光学透镜的90%以上的面积，所述光学透镜的焦距大于所述镜片的焦距，并且所述镜片和所述光学透镜之间的距离小于或等于它们的焦距之和。2.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:所述光学元件包括用于将不同颜色的光束混合成单一的同心光束的平面分色光学元件。3.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:所述多模激光二极管为用于生成红色、绿色和蓝色光谱区的激光二极管。4.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:所述非球面镜片设置为三个，每个所述非球面镜片对应一个激光二极管，以对二极管的光束进行准直。5.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:所述光源包括至少两个具有相同颜色的激光二极管，激光二极管发出的光束经过非球面镜片准直后，再经过偏振立方体混合在一起。6.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:进入光学系统的光束的截面为边长比为1:1到1:5的矩形截面。7.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:镜片为非球面凹透镜。8.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:光学透镜具有圆形光圈。9.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:光学透镜的数值孔径大于0.2。10.根据权利要求1所述的低发散角全彩光束的产生装置，其特征在于:在非球面镜片和偏振立方体之间设置有偏振旋转器，用于旋转经非球面镜片准直的光束的偏振平面。
【文档编号】G02B27/28GK105910062SQ201610442436
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】朱玲玲
【申请人】朱玲玲