CN106909019A - 一种发光装置及投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光装置，其包括第一光源阵列、第二光源阵列、合光单元阵列。合光单元阵列设置在第一光源阵列与第二光源阵列之间，合光单元阵列包括至少一个合光单元，合光单元包括反射装置和透反装置。本发明的第一光源将第一光发射至反射装置，第二光源将第二光发射至透反装置，反射装置将第一光反射至透反装置，透反装置透射第一光并反射第二光，使得从透反装置出射的第一光和第二光至少部分重合从而形成合光并沿预定方向出射，利用光的偏振特性，以及反射装置和透反装置的组合，可将发光装置最终形成的光斑之间的距离压缩，缩小后续光路中聚光透镜的口径，减小发光装置的整体体积。

Description

一种发光装置及投影系统

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种发光装置及投影系统。

背景技术

在高功率的光源装置中，需要多颗固态发光元件同时发光后出射才能保证其高功率，并且要求出射光的光斑小(光斑越小，光密度越大，单位面积上的功率越高)，而为了实现多颗固态发光元件发射的光能够以较小的光斑出射，现有技术中常规的实现方式是采用合光元件对多颗固态发光元件发出的光进行压缩。如图1所示，现有技术的合光元件02包括多个V形排列的反射镜阵列，第一固态光源阵列01和第二固态光源阵列03分别通过V形排列的合光元件02将光合在同一光路上出射。通过图1所示的合光元件02进行光斑压缩，使得光源装置的整体的体积较大，后续的出光光路需要采用大的聚光透镜进行光收集，聚光透镜的体积也较大，从而导致光源装置的整个光路结构占据较大体积，不利于后续的光路处理以及整体的布局。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种发光装置，其包括第一光源阵列、第二光源阵列、合光单元阵列。第一光源阵列包括至少一排第一光源组，第一光源组包括至少一个第一光源，第一光源用于发射第一光；第二光源阵列包括至少一排第二光源组，第二光源组包括至少一个第二光源，第二光源用于发射第二光。第二光源阵列和第一光源阵列相互平行面对设置，且一个第一光源和一个第二光源对应组成一个光源对，每个光源对中的第一光源和第二光源发出的光束之间具有预定距离的错位。

合光单元阵列设置在第一光源阵列与第二光源阵列之间，合光单元阵列包括至少一个合光单元，每个光源对与预定的一个合光单元对应。合光单元包括反射装置和透反装置，反射装置设置在与其对应的第一光源发射的光束的光路上，用于对入射的第一光进行反射；透反装置设置在经反射装置反射后的第一光的光路上，同时也位于与其对应的第二光源发射的光束的光路上，用于对入射的第一光进行透射并对入射的第二光进行反射。反射装置和透反装置相对于第一光和第二光具有预定的入射角度以使得从透反装置透射的第一光和从透反装置反射的第二光都沿预定的合光方向传播且第一光和第二光所形成的光斑至少有部分重合，从而输出第一光和第二光的合光。

本发明的第一光源将第一光发射至反射装置，第二光源将第二光发射至透反装置，反射装置将第一光反射至透反装置，透反装置透射第一光并反射第二光，使得从透反装置出射的第一光和第二光至少有部分重合从而形成合光并沿预定方向出射。

进一步地，现有技术的发光装置中，各个合光结构之间的距离相距较远，本发明通过将合光单元的第一参考距离、第二参考距离的值设置为等于第二参考光的半径值，可以使得相邻合光单元之间的距离达到最小，从而使得发光装置最终形成的光斑之间的距离得以压缩，能够缩小后续光路中聚光透镜的口径，减小发光装置的整体体积。

附图说明

图1为现有技术的合光单元结构示意图；

图2为本发明实施例一的发光装置结构示意图；

图3为本发明实施例一的合光单元结构示意图；

图4为本发明实施例一的第一光源阵列、第二光源阵列、合光单元阵列的相对位置关系示意图；

图5为本发明实施例二的合光单元结构示意图；

图6为本发明实施例三的合光单元结构示意图；

图7为第二光的激光光斑的长边对应偏振片的窄边示意图；

图8为本发明实施例四的发光装置结构示意图；

图9为本发明实施例四的第二光的激光光斑的长边对应偏振片的长边示意图；

图10为本发明实施例五的发光装置结构示意图；

图11为本发明实施例六的合光原理示意图；

图12为本发明实施例七的合光原理示意图；

图13为本发明实施例八的合光原理示意图；

图14为本发明实施例九的合光原理示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的发明思想在于通过合光单元阵列将相对设置的第一光源阵列和第二光源阵列进行合光，第一光源阵列所包括的第一光源和第二光源阵列所包括的第二光源形成光源对，第一光源发射的第一光通过合光单元阵列的反射装置反射到第一方向上，第二光源发射的第二光通过合光单元阵列的透反装置反射到第一方向上，同时透反装置透射来自反射装置的第一光，使得该光源对出射光的光斑至少有部分重合，此种压缩方式一方面使得出射光的光斑小(每个光源对的光轴基本重合)，使得光源亮度高，另一方面使得发光装置的体积小(合光单元阵列的体积小)。

实施例一：

本实施例的发光装置包括第一光源阵列、第二光源阵列、合光单元阵列。

如图2所示，第一光源阵列包括至少一排第一光源组10，一个第一光源组10包括至少一个第一光源101。第二光源阵列和第一光源阵列相互平行面对设置，即第二光源阵列所在平面平行于第一光源阵列所在平面。第二光源阵列包括至少一排第二光源组20，一个第二光源组20包括至少一个第二光源201。一个第一光源101和一个第二光源201对应组成一个光源对，每个光源对中的第一光源101和第二光源201发出的光束之间具有预定距离的错位。第一光源101和第二光源201可以是出射激光。

第一光源阵列10包括按照排和列排布的多个第一光源101，第二光源阵列20包括按照排和列排布的多个第二光源201，相同或相邻位置坐标的一个第一光源101和一个第二光源201对应组成一个光源对，每个光源对中的第一光源101和第二光源201发出的光束在行和列上都具有预定距离的错位。具体地，第一光源阵列中，与第一光源组10的方向相垂直的方向上的各第一光源组成至少一列第一光源列，一个第一光源列包括至少一个第一光源101。第二光源阵列中，与第二光源组20的方向相垂直的方向上的各第二光源201组成至少一列第二光源列，一个第二光源列包括至少一个第二光源201。从而，第一光源101在第一光源阵列中以及第二光源201在第二光源阵列中都是横成行、竖成列，整齐排布。在第一光源组10中，相邻两第一光源之间的间距大于第一光/第二光的光束直径值；在第二光源组20中，相邻两第二光源之间的间距大于第一光/第二光的光束直径值。

合光单元阵列设置在第一光源阵列与第二光源阵列之间，合光单元阵列包括至少一个合光单元30，每个光源对与预定的一个合光单元30对应，相邻合光单元30之间具有预定距离的错位并沿合光方向逐渐靠近第一光源阵列。合光单元30包括反射装置和透反装置，本实施例的反射装置具体采用反射镜301，透反装置具体采用偏振片302。反射镜301设置在与其对应的第一光源发射的光束的光路上，用于对入射的第一光进行反射，偏振片302设置在经反射镜301反射后的第一光的光路上，同时也位于与其对应的第二光源发射的光束的光路上，用于对入射的第一光进行透射并对入射的第二光进行反射，反射镜301和偏振片302相对于第一光和第二光具有预定的入射角度以使得从偏振片302透射的第一光和从偏振片302反射的第二光都沿预定的合光方向传播且光轴重合，从而输出合光。图2只是示例性地展现了一个第一光源组10和一个第二光源组20，反射镜301的数量与该第一光源组10的第一光源101的数量一致，且各反射镜301与第一光源组10的各第一光源101一一对应设置。偏振片302的数量与该第二光源组20的第二光源201的数量一致，且各偏振片302与第二光源组20的各第二光源201一一对应设置。

反射镜301和偏振片302可以设计成长条形，则一个合光单元30与同一列的光源对相对应，即一个反射镜301与一个第一光源列对应设置，一个偏振片302与一个第二光源列对应设置。

定义第一方向为平行于第一光源阵列所在平面的方向，图2中，第一方向具体为水平向右的方向。

反射镜301沿第一方向的反方向向逐渐靠近第一光源阵列的方向倾斜设置；偏振片302沿第一方向向逐渐靠近第一光源阵列的方向倾斜设置。作为一种优选的方式，本实施例的第一光源101发射的光束在反射镜301上的入射角为45度，第二光源201发射的光束在偏振片302上的入射角也为45度，反射镜301和偏振片302之间的夹角为135度，从而反射镜301具体设置为与第一方向成145度夹角，偏振片302设置为与第一方向成45度夹角。

定义被反射镜301反射至偏振片302的第一光为第一参考光。

在一个合光单元30中，反射镜301与偏振片302的设置使得被偏振片302透射的第一光与被偏振片302反射的第二光重合为第二参考光，且被偏振片302透射的第一光与被偏振片302反射的第二光的光轴重合。

如图3所示，定义反射镜301最靠近第二光源阵列所在平面的边缘为反射镜下边缘，即端点a所对应的边缘；在反射镜301上与反射镜下边缘处于同一端的边缘为反射镜上边缘，即端点b所对应的边缘。

定义偏振片302最靠近第二光源阵列所在平面的边缘为偏振片下边缘，即端点c所对应的边缘；在偏振片302上与偏振片下边缘处于同一端的边缘为偏振片上边缘，即端点d所对应的边缘。

在合光单元30中，第一参考光的光轴到反射镜301上边缘的距离为第一参考距离A，反射镜下边缘和偏振片下边缘二者最靠近第二光源阵列的边缘到上/下一个合光单元30出射的第二参考光的光轴的距离为第二参考距离B。本实施例中，反射镜301与偏振片302的尺寸相同，呈对称结构，因此，反射镜下边缘和偏振片下边缘二者离第二光源阵列的距离相同，反射镜下边缘和偏振片下边缘到上/下一个合光单元30所出射的第二参考光的光轴的距离也相同，则第二参考距离B为反射镜下边缘到上/下一个合光单元30的第二参考光的光轴的距离，或者，第二参考距离B为偏振片下边缘到上/下一个合光单元30的第二参考光的光轴的距离。

定义相邻两合光单元30之间的垂直距离为C，则相邻两反射镜301或偏振片302之间的垂直距离也为C，为了使发光装置的体积达到最小，C的值应当尽量小。

本发明中，由于第一光、第二光与反射镜301、偏振片302的尺寸处于相同或相近数量级，因此第一光、第二光都是具有一定半径值的光束，而不能理解为忽略尺寸的光线。为达到第一光、第二光最终合光的目的，优选地，第一光、第二光的半径相同，在其它实施方式中，第一光、第二光的半径也可以不同。

定义第二参考光的光束半径为参考半径，本实施例中，第二参考光、第一光、第二光的光束半径相同。

取第一参考距离A的值等于参考半径值，若A＞B，则可以保持C取最小值，但由前一合光单元的偏振片302出射的第二参考光的部分光被后一合光单元的反光镜301或偏振片302挡住，导致发光装置出光效率低下。

为使前一合光单元的偏振片302出射的第二参考光不被后一合光单元的反光镜301或偏振片302挡住，可使A＜B，但会使得C增加，导致发光装置体积增大。

因此，当A＝B时，C可取最小值，发光装置达到最小体积，且发光装置出光效率不受影响。

故本实施例中，第一光源101、第二光源201、反射镜301、偏振片302的设置使得第一参考距离A等于第二参考距离B。具体地，第一参考距离A、第二参考距离B的值等于参考半径值。

本实施例中，镜片形式的反射镜301即为长方体形状，反射镜上边缘与反射镜下边缘相互平行；片状形式的偏振片302也为长方体形状，偏振片上边缘与偏振片下边缘相互平行。

与第一光源阵列所在平面相垂直且与第二参考光相交的平面为第一平面，第一光源101在第一平面上的投影与对应的第二光源201在第一平面上的投影之间具有第一偏移距离。与第一光源阵列所在平面相垂直且与第二参考光相平行的平面为第二平面；第一光源101在第二平面上的投影与对应的第二光源201在第二平面上的投影之间具有第二偏移距离。因此，通过图2中一个第一光源组10和一个第二光源组20的相对位置关系可见，在第二平面上来考察，第一光源101与第二光源201是相间设置的。同理，通过一个第一光源列和一个第二光源列的相对位置关系也可知，在第一平面上来考察，第一光源101与第二光源201也是相间设置的。如图4所示，从第一光源阵列所在平面的视角来看第一光源阵列、第二光源阵列以及合光单元阵列的相对位置关系，可见第一光源101与第二光源201在横向与纵向都是间隔设置的。

本发明不对第一光与第二光的类型做限制，第一光与第二光可以是具有不同的偏振态，例如第一光可以为P光，第二光可以为S光，或者，第一光可以为S光，第二光可以为P光。

实施例二：

如图5所示，本实施例与实施例一相比，其区别在于，本实施例的反射镜301与偏振片302由于尺寸差异或者相对位置关系，使得反射镜下边缘和偏振片下边缘到第二光源阵列的距离不同，具体地，反射镜下边缘离第二光源阵列更近，因此，第二参考距离B为反射镜下边缘到上一个合光单元30的第二参考光的光轴的距离。该实施例可以根据实际需求合理设计反射镜和偏振片的厚度，不必保证反射镜和偏振片都保持一样的厚度及尺寸，具体地，反射镜较厚，在保证反射镜的厚度达到要求后，偏振片能设计得尽量薄，因此能够最大限度得节省材料，同时能减小整个系统的体积。

实施例三：

如图6所示，本实施例与实施例一相比，其区别在于，本实施例的反射镜301与偏振片302由于尺寸差异或者相对位置关系，使得反射镜下边缘和偏振片下边缘到第二光源阵列的距离不同，具体地，偏振片下边缘离第二光源阵列更近，因此，第二参考距离B为偏振片下边缘到上一个合光单元30的第二参考光的光轴的距离。该实施例可以根据实际需求合理设计反射镜和偏振片的厚度，不必保证反射镜和偏振片都保持一样的厚度及尺寸，具体地，偏振片较厚，在保证偏振片的厚度达到要求后，反射镜能设计得尽量薄，因此能够最大限度得节省材料，同时能减小整个系统的体积。

实施例四：

由于第一光/第二光是椭圆高斯光的激光，准直后照射到反光镜301/偏振片302上的光斑为一椭圆，因此其合光的效率会受到合光单元阵列的影响。

为了使第一光和第二光具有不同的偏振态，若只是通过调整第二光源201即旋转激光的方向来获得不同的偏振态，则如图7所示，会遇到第二光的激光光斑的长边对应偏振片302的窄边的情况，因此偏振片302的尺寸则需加大，C会增加。

如图8所示，本实施例在第二光源阵列与合光单元阵列之间设置半波片40，借助于半波片40，通过半波片改变第二光的激光的偏振态40，但是不改变上下两排光源的排列方向，如图9所示，在第二光的激光光斑的窄边对应偏振片302的窄边的同时，获得最小化的C。

同理，也可以在第一光源阵列与合光单元阵列之间设置半波片，通过半波片改变第一光的激光的偏振态，但是不改变上下两排光源的排列方向，在第一光的激光光斑的窄边对应反射镜的窄边的同时，获得最小化的C，各个合光单元之间的距离得以压缩，能够进一步缩小后续光路中聚光透镜的口径，减小整个系统的体积。

实施例五：

本发明的反射镜301与偏振片302与第一方向或者与第一光源阵列/第二光源阵列所在平面的夹角可以是任何大于零的角度，如图10所示，本实施例与实施例一相比，其区别在于，本实施例的反射镜301与偏振片302与第一方向不成145°或45°，因此，第一参考光也不平行与第一方向。本领域技术人员可以根据实际情况，调整反射镜301与偏振片302的相对位置关系，使得本实施例的由偏振片302出射的第二参考光的方向沿第一方向，此系本领域常规技术，故不赘述。本实施例的设计使得技术人员可以根据不同产品、不同使用场合，合理设计光源相对于合光单元的入射方向以及各合光单元的相对位置关系，使得本发明的发光装置在应用方面更加灵活。

实施例六：

如图11所示，本实施例与实施例一相比，其区别在于，本实施例中，第一光源101发出的第一光与第二光源201发出的第二光具有不同的光束直径，具体地，第一光的光束直径更大，优选地，从偏振片302透射的第一光与被偏振片302反射的第二光的光轴重合，在其它的实施方式中，二者光轴也可以不重合，只需保证从偏振片302透射的第一光光束与被偏振片302反射的第二光光束部分重合即可，也即从偏振片302透射的第一光与被偏振片302反射的第二光所形成的光斑部分重合即可。在本实施例中，第一参考距离和第二参考距离都等于第一光的光束半径值。在某些应用场合，要求合光中的第一光和第二光具有不同的光束半径但光轴重合，本实施例的设计方案可以很好地符合此类要求，使得本发明的发光装置具有更为广阔的应用前景。

实施例七：

如图12所示，本实施例与实施例一相比，其区别在于，本实施例中，第一光源101发出的第一光与第二光源201发出的第二光具有不同的光束直径，具体地，第二光的光束直径更大，优选地，从偏振片302透射的第一光与被偏振片302反射的第二光的光轴重合，在其它的实施方式中，二者光轴也可以不重合，只需保证从偏振片302透射的第一光光束与被偏振片302反射的第二光光束部分重合即可。在本实施例中，第一参考距离等于第一光的光束半径值，第二参考距离等于第二光的光束半径值。

在从偏振片302透射的第一光光束与被偏振片302反射的第二光二者光轴也不重合的实施方式中，第一参考距离仍等于第一光的光束半径值，但第二参考光的直径与第二光的直径可能不同，因此第二参考距离等于第二参考光的光束半径值。

在某些应用场合，要求合光中的第一光和第二光具有不同的光束半径但光轴重合，本实施例的设计方案可以很好地符合此类要求，使得本发明的发光装置具有更为广阔的应用前景。

实施例八：

如图13所示，本实施例与实施例一相比，其区别在于，本实施例中，第一光源101发出的第一光与第二光源201发出的第二光具有不同的光束直径，具体地，第二光的光束直径更大，且从偏振片302透射的第一光与被偏振片302反射的第二光的光轴不重合，使得从偏振片302透射的第一光光束与被偏振片302反射的第二光光束部分重合。在本实施例中，第一参考距离等于第一光的光束半径值，第二参考距离等于第二参考光的光束半径值。由于第二参考光的光束直径与第一光、第二光的光束直径均不相同，因此第二参考距离不等于第二光的光束半径值。在某些应用场合，要求合光中的第一光和第二光具有不同的光束半径且光轴不重合，本实施例的设计方案可以很好地符合此类要求，使得本发明的发光装置具有更为广阔的应用前景。

实施例九：

如图14所示，本实施例的第一光源101发出的第一光与第二光源201发出的第二光具有相同的光束半径r1，但是，从偏振片302透射的第一光与被偏振片302反射的第二光的光轴不重合，使得从偏振片302透射的第一光光束与被偏振片302反射的第二光光束部分重合。在本实施例中，第一参考距离A等于第一光的光束半径值r1，第二参考距离B等于第二参考光的光束半径值。由于第二参考光的光束直径与第一光、第二光的光束直径均不相同，因此第二参考距离B不等于第二光或第一光的光束半径值，如图可见，第二参考距离B大于r1。在某些应用场合，要求合光中的第一光和第二光具有相同的光束半径但光轴不重合，本实施例的设计方案可以很好地符合此类要求，使得本发明的发光装置具有更为广阔的应用前景。

本发明的发光装置，从偏振片出射第一光和第二光至少部分重合，使得第一光和第二光的合光更加均匀，合光效果更好，利用光的偏振特性，以及反光镜和偏振片的组合，可将发光装置最终形成的光斑之间的距离压缩，提高光斑的填充率，缩小后续光路中聚光透镜的口径，减小发光装置的整体体积。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种发光装置，其特征在于，包括第一光源阵列、第二光源阵列、合光单元阵列；

所述第一光源阵列包括至少一排第一光源组，所述第一光源组包括至少一个第一光源，所述第一光源用于发射第一光；

所述第二光源阵列包括至少一排第二光源组，所述第二光源组包括至少一个第二光源，所述第二光源用于发射第二光；

所述第二光源阵列和所述第一光源阵列相互平行面对设置，且一个第一光源和一个第二光源对应组成一个光源对，每个光源对中的第一光源和第二光源发出的光束之间具有预定距离的错位；

所述合光单元阵列设置在所述第一光源阵列与所述第二光源阵列之间，所述合光单元阵列包括至少一个合光单元，每个光源对与预定的一个合光单元对应；所述合光单元包括反射装置和透反装置，所述反射装置设置在与其对应的第一光源发射的光束的光路上，用于对入射的第一光进行反射；所述透反装置设置在经反射装置反射后的第一光的光路上，同时也位于与其对应的第二光源发射的光束的光路上，用于对入射的第一光进行透射并对入射的第二光进行反射；所述反射装置和所述透反装置相对于第一光和第二光具有预定的入射角度以使得从所述透反装置透射的第一光和从所述透反装置反射的第二光都沿预定的合光方向传播且第一光和第二光所形成的光斑至少有部分重合，从而输出第一光和第二光的合光。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述反射装置最靠近所述第二光源阵列的边缘为反射装置下边缘；在所述反射装置上与所述反射装置下边缘处于同一端的边缘为反射装置上边缘；

所述透反装置最靠近所述第二光源阵列的边缘为透反装置下边缘；在所述透反装置上与所述透反装置下边缘处于同一端的边缘为透反装置上边缘；

入射到所述透反装置的第一光的光轴到所述反射装置上边缘的距离为第一参考距离；

被所述透反装置透射的第一光与被所述透反装置反射的第二光至少部分重合得到的合光为第二参考光；所述第二参考光的光轴到下一个合光单元的反射装置和/或透反装置的下边缘的距离为第二参考距离。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述第二参考距离的值等于所述第二参考光的半径值。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述第一参考距离的值等于被所述反射装置反射的第一光的半径值。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

被所述透反装置透射的第一光的光轴与被所述透反装置反射的第二光的光轴重合，从而得到第二参考光。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，

被所述透反装置透射的第一光的光束半径、被所述透反装置反射的第二光的光束半径以及第二参考光的光束半径相等；

相邻合光单元之间的错位距离使得所述第一参考距离、所述第二参考距离的值等于所述第二参考光的光束半径值。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光源用于发射第一偏振态的第一光，所述第二光源用于发射第二偏振态的第二光；

所述透反装置包括偏振片，所述偏振片用于透射第一偏振态的第一光并反射第二偏振态的第二光。

8.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，

在所述第一光源组中，相邻两第一光源之间的间距大于第一光/第二光的光束直径值；

在所述第二光源组中，相邻两第二光源之间的间距大于第一光/第二光的光束直径值。

9.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，

所述第一光源阵列包括按照排和列排布的多个第一光源，所述第二光源阵列包括按照排和列排布的多个第二光源；

将光束发射至同一合光单元的一个第一光源和一个第二光源对应组成一个光源对，每个光源对中的第一光源和第二光源发出的光束在行和列上都具有预定距离的错位；

一个合光单元与同一列的光源对相对应。

10.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，

所述第一光源阵列/所述第二光源阵列与所述合光单元阵列之间还设置有半波片；

所述半波片用于改变所述第一光源阵列/所述第二光源阵列发出的第一光/第二光的偏振态，从而使得第一光/第二光的窄边对应所述反射装置/透反装置的窄边。