激光发光装置、光源和投影显示系统.pdf

提出一种激光发光装置、光源和投影显示系统，包括用于发射平行的多束激光束的多颗激光器，包括聚焦透镜，用于将平行的多束激光束聚焦；还包括位于该聚焦透镜光路后端的光散射元件；光散射元件位于光路位置A，使得多束激光束照射在该光散射元件上的各光斑所共同构成的区域的外接圆直径，小于平行的多束激光束的截面上各激光光斑所共同围成的区域的外接圆直径的五分之一；其中，光散射元件的散射角不小于聚焦后相邻激光束的最大夹角的三分之二。与现有技术相比，虽然同样是实现光斑的均匀分布，但本发明的出射光束为准直的，这样光学扩展量更小，而且出射光束不需要比较长的光路来使得光束之间相互交叠，因此所需要的空间更小。

1.  一种激光发光装置，包括用于发射平行的多束激光束的多颗激光器，其特征在于：
包括聚焦透镜，用于将平行的多束激光束聚焦；
包括位于该聚焦透镜光路后端的光散射元件；光散射元件位于光路位置A，使得所述多束激光束照射在该光散射元件上的各光斑所共同构成的区域的外接圆直径，小于平行的多束激光束的截面上各激光光斑所共同围成的区域的外接圆直径的五分之一；其中，光散射元件的散射角不小于聚焦后相邻激光束的最大夹角的三分之二；
还包括光收集透镜，用于收集经光散射元件散射的激光束。

2.  根据权利要求1所述的激光发光装置，其特征在于，还包括驱动装置，用于驱动光散射元件运动，使得光散射元件的不同位置周期性的位于光路位置A。

3.  根据权利要求1或2所述的激光发光装置，其特征在于，光路位置A位于聚焦透镜的焦点上。

4.  根据权利要求1或2所述的激光发光装置，其特征在于，光散射元件的散射角不大于聚焦后两两激光束夹角的最大值。

5.  根据权利要求1或2所述的激光发光装置，其特征在于，所述平行出射的多束激光束为均匀排列的。

6.  根据权利要求1或2所述的激光发光装置，其特征在于，还包括位于光散射元件与光收集透镜光路之间的导光棒，从光散射元件出射的激光束经过在导光棒内部传播后再由光收集透镜收集。

7.  根据权利要求6所述的激光发光装置，其特征在于，所述导光棒的入光口靠近光散射元件。

8.  一种光源，其特征在于，包括权利要求1至7中的任一项所述的激光发光装置，还包括光传递系统和波长转换装置，所述激光发光装置出射的激光束经过光传递系统后聚焦于波长转换装置以使其受激产生受激光。

9.  一种投影显示系统，其特征在于，包括权利要求8所述的光源。

10.  一种投影显示系统，其特征在于，包括权利要求1至7中的任一项所述的激光发光装置。

激光发光装置、光源和投影显示系统
技术领域
本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种激光发光装置及使用该激光发光装置的光源和投影显示系统。
背景技术
投影技术已经广泛应用于我们的生活工作中，如投影机。目前，投影技术中的光源依然以高压汞灯为主流。然而，高压汞灯的寿命只有几千小时，长时间使用灯泡会变暗而影响显示效果。高压汞灯的替代方案包括LED光源和激光光源两种，这两种方案都具有长寿命的优点，而不同的是LED光源发光亮度不足但价格便宜，激光光源亮度高但比较昂贵。
从技术发展的角度来看，激光光源取代高压汞灯是必然的趋势。然而，激光光源所使用的激光具有准直性极高的特点，这使得多个激光束在传播时不能有效的混合，激光光斑之间是分立存在的。因此激光光源存在均匀性不佳的问题。
为了解决这个问题，目前广泛使用的是图1所示的方案。其中光线111、112和113示意三束平行出射的激光束，在截面O上它们显然将形成分立的三个激光光斑。这三个光束入射于光散射元件121后被其散射，例如激光束111就被光散射元件121散射成为一个小角度发散的光锥116。这样，每个激光束都被散射成一个小角度光锥后，随着光的传播这些光锥将逐渐靠近并发生相互交叠，这样在截面P上会得到一个比较均匀的光斑。
这样的方案的问题在于，激光光束的发散角变大了，这对应于整个光束的光学扩展量的扩大和光功率密度的降低；而且光散射元件的散射角越大（对应于激光光束越均匀）则光学扩展量成正比的扩大，这对于很多应用来说是不能承受的。也就是说，激光光束的均匀性与光学扩展量是一对矛盾。同时，要想使光斑充分的均匀化需要比较长的光路使得各个光斑相互之间充分的交叠，这样对于空间要求也比较高，结构不够紧凑。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种激光发光装置，包括用于发射平行的多束激光束的多颗激光器，包括聚焦透镜，用于将平行的多束激光束聚焦；还包括位于该聚焦透镜光路后端的光散射元件；光散射元件位于光路位置A，使得多束激光束照射在该光散射元件上的各光斑所共同构成的区域的外接圆直径，小于平行的多束激光束的截面上各激光光斑所共同围成的区域的外接圆直径的五分之一；其中，光散射元件的散射角不小于聚焦后相邻激光束的最大夹角的三分之二。还包括光收集透镜，用于收集经光散射元件散射的激光束。
本发明还提出一种光源，包括上述的激光发光装置，还包括光传递系统和波长转换装置，激光发光装置出射的激光束经过光传递系统后聚焦于波长转换装置以使其受激产生受激光。
本发明还提出一种投影显示系统，包括上述的光源。
本发明还提出一种投影显示系统，包括上述的激光发光装置。
与现有技术相比，虽然同样是实现光斑的均匀分布，但本发明的出射光束为准直的，这样光学扩展量更小，而且出射光束不需要比较长的光路来使得光束之间相互交叠，因此所需要的空间更小。
附图说明
图1是现有技术中实现激光光束均匀分布的方法的结构示意图；
图2A是本发明激光发光装置的第一实施例的结构示意图；
图2B说明了一束激光入射于光散射元件后的散射效果；
图3A说明了一束激光入射于光散射元件后的光分布；
图3B说明了多束激光入射于光散射元件后的总光分布；
图4A是本发明激光发光装置的另一个实施例的结构示意图；
图4B是图4A实施例中光散射元件的正视图；
图5是本发明激光发光装置的另一个实施例的结构示意图；
图6是本发明光源的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种激光发光装置，其第一实施例的结构示意图如图2A所示。该激光发光装置包括用于发射平行的多束激光束211、212、213的多颗激光器（图中未画出），还包括聚焦透镜201，用于将平行的多束激光束211、212、213聚焦形成光锥214。聚焦透镜201可以是一片透镜也可以是一个透镜组，这里并不限制。激光发光装置还包括位于聚焦透镜201光路后端的光散射元件202，该光散射元件202的散射角不小于聚焦后相邻激光束的最大夹角的三分之二。
首先需要对相邻激光束的最大夹角和光散射元件的散射角这两个概念进行说明。如图2A，激光束211、212、213经过聚焦透镜201后汇聚为光锥214，该光锥214中相邻激光束间成一个夹角。这里定义光锥中一个激光束X的相邻激光束指的是与激光束X夹角最小的那个激光束。由于相邻的激光束的夹角不一定都相同，因此存在相邻激光束夹角的最大值。图2B显示了激光束214a入射于光散射元件202后的出射光216a的情况。可见，出射光216a由于散射的作用已经变成了一个小光锥，该光锥的主光轴还是沿着入射激光束214的传播方向；即光散射元件202的作用就在于将入射的激光束214以其传播方向为中心进行扩散。扩散后光锥216a的发散角是由光散射元件202本身的属性决定的，该发散角就被定义为光散射元件202的散射角。具体来说，光散射元件202的散射角指的是散射后光锥中光强度是中心强度的1/2处所对应的全角角度。图3A光散射元件的发散角以图示的方式进行了解释。图3A中横坐标为角度，纵坐标为相对光强，311表示入射于光散射元件的一束激光束的光分布，可见其发散角非常小；311a表示激光束311被光散射元件散射后的光分布，可见其主光轴仍沿着激光束311的方向，但发散角要大得多。散射光束的中心相对亮度为1，则其相对亮度为中心亮度1/2即0.5的点之间的角度（半高全宽）就是该光散射元件的散射角。
在本实施例中，光散射元件202的散射角不小于聚焦后相邻激光束的最大夹角的三分之二，这样所带来的效果如图3B所示。图3B中，横坐标为角度，纵坐标为相对光强。图中的三束激光束（以其中的一束311为例）对应于图2A中的光锥214中的三个激光束，而这三个激光束经过光散射元件202散射后的光分布分别如图3B中的虚线所示（例如，其中311a为激光束311的散射光束）。如图3B中可见，由于光散射元件的散射角不小于相邻激光束的最大夹角的三分之二，这样，这三个激光束经过光散射元件散射后其光分布发生相当程度的交叠，而交叠后的总光分布如316所示，可以看出其光分布已经基本均匀。
回到图2A进行说明。在图2A中，光散射元件202位于激光光锥214的焦点上，三个激光束经过光散射元件202后散射且每个散射后的光锥相互交叠形成光锥216。激光发光装置还包括光收集透镜203，用于收集经光散射元件散射的激光束216并形成准直光束217。在本实施例中光收集透镜203可以是一片透镜也可以是一组透镜，这里并不做限制。
由于光锥216的光分布如图3B中的316所示呈均匀的分布，因此根据基本光学原理，准直光束217的P截面上光也呈均匀分布。与图1所示的现有技术相比，虽然同样是实现光斑的均匀分布，但本实施例的出射光束217为准直的，这样光学扩展量更小。从本质上说，本实施例中出射光束217的均匀性与其光学扩展量不再是一对矛盾；这是因为，在本实施例中光散射元件被放置在各激光束的汇聚点上，散射所产生的散射角刚好用于填补各汇聚激光束之间的角度空隙，所以基本不增加光学扩展量。另外，与现有技术相比，本实施例中出射光束217不需要比较长的光路来使得光束之间相互交叠，因此所需要的空间更小。
与现有技术相比，本发明增加了聚焦透镜和光收集透镜，这在光学设计中是有负面效果的。但正是这些光学元件的使用使得光散射元件在散射激光束并使之更均匀的同时基本不增加光学扩展量（即没有增加出射光束的发散角），这正是本发明的巧妙之处。
值得说明的是，本实施例中光散射元件位于聚焦透镜201的焦点上；而实际上光散射元件202只要放在聚焦透镜201的焦点附近即可，不一定精确的放在焦点上。具体来说，该光散射元件202所在的光路位置A，使得多束激光束214照射在该光散射元件上的各光斑所共同构成的区域的外接圆直径，小于平行的多束激光束的截面上（例如O截面）各激光光斑所共同围成的区域的外接圆直径的五分之一。也就是说，光散射元件所在的光路位置A是聚焦透镜将多束激光束聚焦到足够小的位置，这样才能够保证出射光束的准直性（即出射光束的光学扩展量）。当然，光散射元件202放在聚焦透镜的焦点上可以使得出射光束有最好的准直性，但是考虑到焦点处的功率密度很高可能会对光散射元件造成损伤，因此实际上也可能将光散射元件放置于偏离焦点的地方，这样既避免了光散射元件的高功率损伤也能实现出射均匀光束的效果。
本发明的另一个实施例的结构如图4A所示。与图2A所示的实施例不同的是，在本实施例中激光发光装置还包括驱动装置404，用于驱动光散射元件402运动，使得光散射元件402的不同位置周期性的位于光路位置A。光散射元件402的正视图如图4B所示，可见它是一个正圆形，驱动装置404驱动它转动，这样多束激光束就会聚焦于该光散射元件402的一个圆周上，而该圆周上的每个点依次周期性的转动到多束激光束聚焦的位置（光路位置A）。这样的好处在于使得每个点的温度都不会太高以至于被聚焦的激光束打坏，同时也有利于激光散斑的消除。
在本实施例中，光散射元件402在被驱动装置驱动转动的过程中始终位于光路位置A上。在实际应用过程中，光散射元件则可能只是圆周上的一部分，圆周上的其余部分可以是其它光学元件，例如滤光片或光波长转换片（荧光片），这样随着转动，整个圆周上的不同部分依次位于光路位置A上而发挥作用，其中光散射元件会在每个周期的特定时间段位于光路位置A并起到散射光的作用。
在上述实施例中，光散射元件的散射角不小于聚焦后相邻激光束的最大夹角的三分之二，这样能够保证相邻激光束能够在角分布上连成一片。然而光散射元件的散射角也不是越大越好，因为散射角越大则光收集透镜的收集效率越低。因此优选的，光散射元件的散射角不大于聚焦后两两激光束夹角的最大值，这样即使夹角最大的两个激光束其角分布都已经连成一片，这样就保证了所有激光束的角分布都连成一片并形成均匀分布。
在上述实施例中，平行出射的多束激光束为均匀排列的。这样的好处在于每个激光束和其相邻的激光束的夹角都几乎是一致的，这样光散射元件的散射角比较容易确定，而且散射后光分布比较均匀。
本发明的另一个实施例的结构如图5所示。与图2A所示的实施例不同的是，该激光发光装置还包括位于光散射元件502与光收集透镜503光路之间的导光棒506，从光散射元件502出射的激光束（以虚线516示意）经过在导光棒506内部传播后再由光收集透镜503收集。这样的好处在于，导光棒506可以将入射到其中的各激光束通过多次反射而整形，从而在出光口形成均匀光斑；同时光散射元件502能够形成均匀的角分布，这样经过光收集透镜503收集后的激光束就在面分布和角分布两个层面上都实现了均匀分布。需要说明的是，光散射元件502必须位于导光棒506的光路之前，这样入射于导光棒的光分布是一个角度范围（而不是几个特定角度的光分布很窄的激光束），这样多次反射后的匀光效果会大大增强。优选的，导光棒506的入光口靠近光散射元件502，这样在达到匀光效果的基础上可以提高光散射元件的出射光传播到导光棒的效率。
本发明还提出一种光源，该光源的结构示意图如图6所示。该光源包括上述的激光发光装置690。该激光发光装置690采用与图4A所示的实施例相同的结构，但上述激光发光装置的其它实施例也同样可以用于本实施例的光源。本实施例的光源还包括光传递系统607和波长转换装置608，激光发光装置出射的激光束617经过光传递系统607后聚焦于波长转换装置608以使其受激产生受激光。在本实施例中光传递系统607是一个凸透镜607，当然也可以是透镜组。根据前面的说明可以知道，激光束617具有均匀的分布，这样经过光传递系统聚焦后会在波长转换装置608上得到均匀的光斑，这样的好处在于波长转换装置的光转换效率的提高。在本实施例中，优选的，波长转换装置608是荧光转盘608，另外该光源还包括驱动装置609，用于驱动荧光转盘608转动，使得荧光转盘上的荧光材料周期性的被入射的激光激发，从而避免了荧光材料的过热烧毁。
本发明还提出一种投影显示系统，包括上述的激光发光装置。
本发明还提出一种投影显示系统，包括如图6所示的光源。
以上所述仅为本发明的实施例，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。