一种光源系统及投影系统的制作方法

1.本技术涉及光学技术领域，特别是涉及一种光源系统及投影系统。


背景技术：

2.目前，在显示(如投影领域)领域都开始越来越广泛的应用激光加荧光的光源，比如，有些光源需要考虑将红绿蓝激光和蓝光激光的黄色荧光(或者红荧光+绿荧光)进行合光，光源在合光的同时也需要考虑匀光，相关技术中，匀光方案多使用方棒或者复眼透镜。
3.本技术的发明人在长期的研发过程中发现，目前的光源系统中，激光和荧光的合光在使用复眼透镜进行匀光时，匀化光斑的激光角分布会出现离散化的问题，影响光源系统的亮度均匀性、色彩均匀性以及光源的安全性。


技术实现要素：

4.本技术主要解决的技术问题是提供一种光源系统及投影系统，通过牺牲远心特性来减弱匀化光斑的角分布的离散性，以提高光源系统的亮度和色彩的均匀性及光源的安全性。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种光源系统，该光源系统包括：第一光源，用于发出第一光束；第二光源，用于发出第二光束，第一光束的光学扩展量大于第二光束；合光组件，用于对第一光束和第二光束进行合光；复眼透镜组，包括第一复眼透镜和第二复眼透镜，用于对合光后的第一光束和第二光束进行匀光；收集透镜，位于复眼透镜远离合光组件的一侧，用于对匀光后的第一光束和第二光束进行聚焦，其中，第二复眼透镜位于第一复眼透镜和收集透镜之间，且偏离收集透镜的焦点设置。
6.进一步地，收集透镜的前焦平面位于第二复眼透镜的光路上游。
7.进一步地，第一复眼透镜包括阵列排布的第一微透镜单元；第二复眼透镜包括阵列排布的第二微透镜单元；第一微透镜单元与第二微透镜单元一一对应，且第一微透镜单元和第二微透镜单元的结构相同。
8.进一步地，单个第二微透镜单元出射的光线经过收集透镜后的展宽角度δ满足以下公式：
[0009][0010]
其中，a为第二微透镜单元的较长边的边长，f
bfl
为收集透镜的等效后焦距。
[0011]
进一步地，收集透镜为单透镜。
[0012]
进一步地，收集透镜为至少两片透镜的组合。
[0013]
进一步地，光源系统还包括第一中继透镜，第一中继透镜位于合光组件与复眼透镜组之间，用于使合光后的第一光束和第二光束聚集至第一复眼透镜的第一预设区域。
[0014]
进一步地，第一光源为荧光光源，第二光源为激光光源，激光光源包括至少一个发出绿色激发光的绿光激光器、至少一个发出红色激发光的红光激光器以及至少一个发出蓝
色激发光的蓝光激光器。
[0015]
进一步地，光源系统还包括第二中继透镜，中继透镜组位于第二光源与合光组件之间，用于将第二光源发出的第二光束聚集至合光组件的第二预设区域。
[0016]
为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供一种投影系统，该投影系统包括上述任一实施例的光源系统和位于光源系统出光光路上的空间光调制器，空间光调制器用于将光源系统出射的光束调制成携带图像信息的图像光。
[0017]
本技术的有益效果是：区别于现有技术，本技术的光源系统包括用于发出第一光束的第一光源、用于发出第二光束的第二光源、合光组件、复眼透镜组和收集透镜，第一光束的光学扩展量大于第二光束，合光组件用于对第一光束和第二光束进行合光，以得到第一光束和第二光束合光后的组合光，复眼透镜组用于对第一光束和第二光束合光后的组合光进行匀光，收集透镜用于对匀光后的第一光束和第二光束进行聚焦，其中，第二复眼透镜偏离收集透镜的焦点设置，通过此种方式，能够使得通过复眼透镜组匀光后的第一光束和第二光束在经过收集透镜后仍具有一定扩散角，从而使匀光后的第一光束和第二光束的能量分布相对一致；即本技术通过牺牲远光特性以减弱匀化第二光束光斑的角分布的离散性，有利于提高光源系统亮度和色彩的均匀性以及光源系统的安全性。
附图说明
[0018]
图1是本技术提供的光源系统一实施例的结构示意图；
[0019]
图2是图1中复眼透镜组及收集透镜一实施例的光路结构示意图；
[0020]
图3是图1中复眼透镜组中的光路结构示意图；
[0021]
图4是相关技术中双远心设计的复眼透镜与收集透镜结构示意图；
[0022]
图5是图1中复眼透镜组和收集透镜一实施例的分布示意图；
[0023]
图6是本技术提供的投影系统一实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0024]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0025]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0026]
请参阅图1，图1是本技术提供的光源系统一实施例的结构示意图，本实施例的光源系统包括至少两个光源，分别为第一光源1和第二光源2，第一光源1用于发出第一光束，第二光源2用于发出第二光束，其中第一光束的光学扩展量大于第二光束。
[0027]
第一光源1指的是出射的光束的光学扩展量较大的光源，例如第一光源1可以为荧光光源，第一光束可以为荧光光束；第二光源2指的是出射的光束的光学扩展量较小的光源，例如第二光源2可以为激光光源，第二光束可以为激光光束。在一个具体的实施例中，第一光源1可以包括激发光源(图未示)和荧光色轮(图未示)，激发光源发出的激发光如蓝色
激光入射到荧光色轮上，荧光色轮在激发光的照射下产生相应的荧光，例如第一光束可以为黄色荧光，或者第一光束也可以为红色荧光和绿色荧光。第二光源2可以包括发出红色激发光的红光激光器201、发出绿色激发光的绿光激光器202以及发出蓝色激发光的蓝光激光器203。
[0028]
如图1所示，光源系统还包括合光组件3、复眼透镜组4和收集透镜5。
[0029]
具体地，合光组件3用于对光学扩展量不同的第一光束和第二光束进行合光，以得到第一光束和第二光束合光后的组合光。如图1所示，合光可以利用第二光束的光学扩展量小于第一光束的思路，在合光组件3上设置反射膜片31，以对第一光束和第二光束进行合光。由于第二光束的光学扩展量相比第一光束较小，通过光束控制可以使第二光束入射到合光组件3的反射膜片31上，经过反射之后出射；而第一光束的光学扩展量相对较大，通过光束控制使第一光束入射到合光组件3周边透射区域，经过透射之后出射。入射到合光组件3的反射膜片31上的第一光束被反射，会导致第一光束效率的降低，因此，反射膜片的面积可以设计的尽可能小。
[0030]
复眼透镜组4包括第一复眼透镜41和第二复眼透镜42，用于对合光后的所述第一光束和所述第二光束进行匀光和整形，整形可以形成预定的光斑形状，例如矩形、方形等。其中，第一复眼透镜41位于合光组件3和第二复眼透镜42之间，即第一光束和第二光束合光后的组合光依次经过第一复眼透镜41和第二复眼透镜42以进行匀光和整形。
[0031]
复眼透镜组4可以为单片双复眼透镜或者双片单复眼透镜。具体地，单片双复眼透镜是指单片透镜的相背两个面设置有多个微透镜。其中该相背设置的两个面可以分别为本实施例中的第一复眼透镜41和第二复眼透镜42。
[0032]
优选地，复眼透镜组4也可以为双片单复眼透镜，即第一复眼透镜41和第二复眼透镜42呈镜像设置。其中，第一复眼透镜41包括阵列排布的第一微透镜单元411；第二复眼透镜42包括阵列排布的第二微透镜单元421，第一微透镜单元411与第二微透镜单元421一一对应，且对应设置的第一微透镜单元411和第二微透镜单元421可以为形状完全相同的凸透镜。
[0033]
更优选地，第一复眼透镜41透镜和第二复眼透镜42之间的距离等于第一微透镜单元411或者第二微透镜单元421的焦距。这样可以使得第一微透镜单元411在第二微透镜单元421上成像，以实现光束的均匀化输出。
[0034]
收集透镜5位于复眼透镜组4远离合光组件3的一侧，用于对匀光后的第一光束和第二光束进行聚焦。如图2所示，图2是图1中复眼透镜组4一实施例的光路结构示意图，第一微透镜单元411发出的光束在经过对应的第二微透镜单元421后平行于光轴传播，再经过收集透镜5后汇聚到收集透镜5的后焦平面bfp上。当收集透镜5为双透镜组时，光束通过双透镜组的第一主平面pp1后，从双透镜组的第二主平面pp2出射后聚焦到双透镜组的后焦平面bfp上。
[0035]
由于光学扩展量的差异，第一光束的光学扩展量较大，因此第一光束在合光组件3的光斑面积较大，相比之下，第二光束的光学扩展量比较小。如图3所示，第一光束在经过第一复眼透镜41之后可以在第二复眼透镜42上有较大的扩展光斑，光能量密度分布较均匀；而第二光束在第二复眼透镜42上光斑较小，光能量密度分布不均匀。
[0036]
本实施例中，第二复眼透镜42位于第一复眼透镜41和收集透镜5之间，且偏离收集
透镜5的焦点的设置。也就是说，将收集透镜5的前焦平面ffp调整到第二复眼透镜42的光路上游或者将收集透镜5的前焦平面ffp调整到第二复眼透镜42的光路下游，以使第二复眼透镜42与收集透镜5之间的距离小于或者大于收集透镜5的焦距。通此种方式，能够使得复眼透镜组4匀光后的第二光束在经过收集透镜5后仍具有一定扩散角，以使匀光后的第一光束和第二光束的能量分布相对一致，以提高光源系统亮度和色彩的均匀性和提高光源的安全性。
[0037]
具体地，如图4所示，若收集透镜5与第二复眼透镜42的距离等于收集透镜5的焦距，即收集透镜5的前焦平面ffp与第二复眼透镜42空间上相互重合，则平行于光轴入射到第一微透镜单元411上的光束汇聚到第二复眼透镜42后收集透镜5的前焦平面ffp上，会以平行的方式照射到收集透镜5的后焦平面bfp上。也就是说，入射到第一复眼透镜41的光束的角分布被映射到后焦平面bfp的角分布，对应到收集透镜5的后焦平面bfp的角分布呈现一定的分离，可见匀化光斑8角分布呈分立的点，出现离散化。具体来讲，某个特定角度范围内第二光束的能量过于集中，而另外一些角度上能量分布较少，导致某个特定角度上第一光束和第二光束配比多于理想值，而另外一些角度上，第一光束和第二光束配比少于理想值，从而出现亮度均匀性与色彩均匀性问题。这会对光源系统的亮度均匀性、色彩均匀性以及光源的安全性产生影响。
[0038]
如图5所示，本实施例通过将第二复眼透镜42的位置调整到偏离收集透镜5的焦点的位置，则使入射到收集透镜5的后焦平面bfp的主光线不再平行于光轴传播，而具有一定扩散角，使得匀化光斑8的角分布离散性得到较好解决。
[0039]
优选地，将收集透镜5的前焦平面ffp调整到第二复眼透镜42的光路上游方向，以使第二复眼透镜42与收集透镜5之间的距离小于收集透镜5的焦距，进而使汇聚到第二复眼透镜42上的分离光斑在收集透镜5的一倍焦距以内，再经过收集透镜5之后成像，能更好地匀化光束在收集透镜5的后焦平面bfp上的角分布。
[0040]
具体地，本实施例中，单个第二微透镜单元421出射的光束经过所述收集透镜5后的展宽角度δ是关于收集透镜5的等效前焦距与收集透镜5的前焦平面ffp与第二片复眼透镜阵列距离d1的函数，优选地，δ满足以下公式：
[0041][0042]
其中，a为所述第二微透镜单元421的较长边的边长，f
bfl
为收集透镜5的等效后焦距。通过此种方式，能够使得收集透镜5后焦平面的光斑8呈现较为均匀的角分布。
[0043]
可选地，收集透镜5可以为单透镜，收集透镜5为单透镜时，可以使整个光源系统的结构更简单，便于设计，且节省成本。
[0044]
在其他实施例中，收集透镜5还可以为至少两片透镜的组合。当收集透镜5为至少两片透镜的组合时，也可以等效为一个单透镜。在一个具体的实施例中，收集透镜5可以为简单的双薄透镜组，收集透镜5的第一主平面pp1与第一片透镜重合，收集透镜5的第二主平面pp2与第二片透镜的位置重合，其中，第一片透镜的焦距为f1，第二片透镜的焦距为f2，第一主平面pp1和第二主平面pp2之间的距离为d，则收集透镜5的等效焦距f
efl
的计算公式为：
收集透镜5的等效后焦距f
bfl
的计算公式为：收集透镜5的等效前焦距f
fel
为：
[0045]
当收集透镜5为多片透镜的组合时，收集透镜5与第二复眼透镜42的距离较近，且能够减小整个光源系统的体积。
[0046]
本实施例中，将第二复眼透镜42设置于偏离收集透镜5的焦点的位置，能够使得通过复眼透镜组4匀光后的第二光束在经过收集透镜5后仍具有一定扩散角，从而使匀光后的第一光束和第二光束的能量分布相对一致；本技术在一定程度上牺牲远光特性来减弱第二光束匀化光斑的角分布的离散性，有利于提高光源系统的亮度和色彩的均匀性及提高光源系统的安全阈值，从而使得光源系统的具有更强的适用性。
[0047]
可选地，如图1所示，光源系统还包括第一中继透镜6，第一中继透镜6位于合光组件3与复眼透镜组4之间，用于使合光后的第一光束和第二光束聚集至第一复眼透镜41的第一预设区域，本实施例中，第一中继透镜6使第一光束和第二光束都被拉直之后进入复眼透镜组4。合光组件3合光后的第一光束和第二光束均经由第一中继透镜6聚焦后射出，以改善后续光路系统对光束的利用率。也即合光后的第一光束和第二光束经过第一中继透镜6后，两束光的光轴大致重合，且使得合光后的两束光的发散角也变的更小，从而有利于后续的复眼透镜组4的匀光处理。
[0048]
可选地，如图1所示，光源系统还可以包括第二中继透镜7，第二中继透镜7位于第二光源2与合光组件3之间，用于将第二光源2发出的第二光束聚集至合光组件3的第二预设区域。本实施例中，可以通过第二中继透镜7的光束控制使第二光束能够入射到合光组件3的反射膜片31上。
[0049]
本实施例的光源系统，可以有效改善第一光束和第二光束因光学扩展量不同而导致的合光之后角分布离散化的问题。有利于提高光源系统亮度和色彩的均匀性，及提高光源系统的安全阈值，增强光源系统的适用性。
[0050]
如图6所示，本技术还提供一种投影系统，该投影系统包括上述任一实施例的光源系统61和位于光源系统61出光光路上的空间光调制器62。
[0051]
空间光调制器62用于将光源系统61出射的光束调制成携带图像信息的图像光。空间光调制器62可以是单片式或多片式空间光调制器。
[0052]
空间光调制器62可以为反射型显示元件，例如空间光调制器62可以为dmd(digital micro mirror device，数字微镜器件)。在其他可替代的实施例中，空间光调制器62还可以是lcos(liquid crystal on silicon，硅基液晶显示器)和lcd(liquid crystal display，液晶显示器)等。
[0053]
关于光源系统61的具体结构请参阅上述实施例的文字及附图的相关说明，在此不再赘述。
[0054]
本实施例的投影系统中，光源系统61的第二复眼透镜偏离收集透镜的焦点设置，通过牺牲远心特性来改善第一光束和第二光束因光学扩展量不同而导致的合光后第二光束的匀化光斑角分布离散化的问题，能够提高光源系统61的亮度及色彩的均匀性，从而能
够提高投影系统的效果。
[0055]
以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术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，均同理包括在本技术的专利保护范围内。