《雷射光源、波長轉換光源、合光光源及投影系統》是深圳市繹立銳光科技開發有限公司於2013年5月13日申請的專利，該專利的公布號為CN103279005A，申請公布日為2013年9月4日，發明人是胡飛、侯海雄、徐虎。該發明涉及照明及顯示技術領域。
《雷射光源、波長轉換光源、合光光源及投影系統》該雷射光源包括具有雷射元件陣列的雷射光源陣列，用於產生一次雷射光束陣列；聚焦光學元件和準直光學元件，分別用於對一次雷射光束陣列匯聚和準直並形成二次雷射光束陣列，其中各二次雷射光束的間距小於各一次雷射光束的間距；積分棒，用於接收二次雷射光束陣列並使其均勻化；雷射元件陣列和積分棒之間的光路上還設有角分布控制元件，用於增大雷射光束陣列中在光分布的短軸方向的發散角，使得入射於積分棒的每個二次雷射光束在光分布的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。該發明實施例能夠提供一種提高出射的雷射光束的均勻度的雷射光源。
2020年11月，《雷射光源、波長轉換光源、合光光源及投影系統》獲得第六屆廣東專利獎金獎。
（概述圖為《雷射光源、波長轉換光源、合光光源及投影系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：雷射光源、波長轉換光源、合光光源及投影系統
- 申請日：2013年5月13日
- 申請人：深圳市繹立銳光科技開發有限公司
- 申請號：2013101749874
- 公布號：CN103279005A
- 公布日：2013年9月4日
- 發明人：胡飛、侯海雄、徐虎
- 地址：廣東省深圳市南山區西麗鎮茶光路南側深圳積體電路設計套用產業園402、403、410-1、411繹立銳光科技開發有限公司
- 分類號：G03B21/20(2006.01)I、G02B27/09(2006.01)I、G02B27/30(2006.01)I、G02B27/10(2006.01)I、F21V9/10(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著半導體技術的發展，固態照明光源的優勢越來越明顯。雷射光源作為一種高亮度、高準直的新型光源，正被逐步套用到投影、照明等領域。雷射光源的光學擴展量小，可以得到高亮度的光輸出，同時也使對其勻光會更加困難。
圖1是2013年5月之前的技術中利用方棒進行勻光的一種雷射光源，其中，11a-11c為雷射二極體，12a-12c為準直透鏡，13為匯聚透鏡，14為矩形方棒。其中準直透鏡12a-12c為球面或非球面透鏡陣列，每個透鏡對應一個雷射二極體。從雷射二極體11a-11c發出的雷射，先經準直透鏡12a-12c準直為平行光束，然後經匯聚透鏡13會聚成一個小光斑，該光斑尺寸與矩形方棒14的入光口尺寸匹配。矩形方棒14是中空或實心的導光棒，用來對輸入光束進行勻光。然而，經過實驗發現這樣的勻光效果並不好，從方棒14出口的出射光依然呈現分離的雷射點而不能混為一個均勻的面分布。延長方棒14的長度來增加雷射在方棒中的反射次數也不能顯著的改善。
發明內容
專利目的
該發明主要解決的技術問題是提供一種提高出射的雷射光束的均勻度的雷射光源。
技術方案
《雷射光源、波長轉換光源、合光光源及投影系統》實施例提供一種雷射光源，包括：雷射元件陣列的雷射光源陣列，用於產生準直的一次雷射光束陣列；位於所述雷射光源陣列後端依次排列的聚焦光學元件和準直光學元件，所述一次雷射光束陣列依次經過聚焦光學元件和準直光學元件後形成準直的二次雷射光束陣列，二次雷射光束陣列中的二次雷射光束的間距小於一次雷射光束陣列中的一次雷射光束的間距；位於準直光學元件後端的積分棒，用於接收二次雷射光束陣列並使其均勻化。
所述雷射元件陣列和所述積分棒之間的光路上還設有角分布控制元件，用於增大所述雷射光束陣列中在光分布的短軸方向的發散角，使得入射於所述積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束在光分布的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
優選地，所述角分布控制元件為準直透鏡陣列，其中每個準直透鏡對應於一個雷射元件，用於對該雷射元件發出的雷射進行準直；所述雷射元件位於與其對應的準直透鏡的光軸上並偏離該準直透鏡的焦點，使得該準直透鏡出射的一次雷射光束的光分布的短軸方向上的發散角與其長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
優選地，所述角分布控制元件為至少一個柱面透鏡，位於所述準直光學元件和所述積分棒之間，其中每一柱面透鏡對應經所述準直光學元件出射的二次雷射光束陣列中的至少一列二次雷射光束，該至少一列二次雷射光束中每一列的走向平行於該柱面透鏡的母線，且每一列二次雷射光束中各二次雷射光束的光分布的長軸方向平行於該柱面透鏡的母線；各二次雷射光束經與其對應的柱面透鏡後，光分布的的短軸方向上的發散角與其長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
優選地，所述角分布控制元件為散光片，位於所述準直光學元件與所述積分棒之間，使得經該散光片散射後的二次雷射光束陣列的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。優選地，所述角分布控制元件為微透鏡陣列，位於所述準直光學元件與所述積分棒之間，其中每一個微透鏡呈長方形；入射於該微透鏡陣列的二次雷射光束陣列在光分布的短軸方向平行於每個微透鏡的長邊方向；且經該微透鏡陣列出射的二次雷射光束陣列在光分布的短軸方向上的發散角與在長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
優選地，所述雷射光源陣列包括雷射元件陣列和準直透鏡陣列，其中每個準直透鏡對應於一個雷射元件，用於對該雷射元件發出的雷射進行準直，且各雷射元件位於與其對應的準直透鏡的光軸上並偏離該準直透鏡的焦點；所述角分布控制元件位於所述準直光學元件和所述積分棒之間，用於增大入射的二次雷射光束的光分布的短軸方向上的發散角，或者用於減小入射的二次雷射光束的光分布的長軸方向上的發散角，使得入射於所述積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束在光分布的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。優選地，所述積分棒為實心的，且所述角分布控制元件和所述積分棒一體成型。
該發明實施例還提供一種雷射光源，包括：雷射光源陣列，用於產生準直的一次雷射光束陣列；位於所述雷射光源陣列後端依次排列的聚焦光學元件和準直光學元件，所述一次雷射光束陣列依次經過聚焦光學元件和準直光學元件後形成準直的二次雷射光束陣列，二次雷射光束陣列中的二次雷射光束的間距小於一次雷射光束陣列中的一次雷射光束的間距；位於準直光學元件後端的積分棒，用於接收二次雷射光束陣列並使其均勻化，其中該積分棒的入光口的面積大於其出光口的面積；該積分棒的入光口包括相互垂直的第一邊和第二邊，出光口包括相互垂直的第一邊和第二邊，其中入光口和出光口的第一邊平行，且入光口與出光口的第一邊長度的比值小於入光口與出光口的第二邊長度的比值；所述二次雷射光束陣列在入射於所述積分棒時，各二次雷射光束的光分布的長軸方向平行於該積分棒的入光口的第一邊。
優選地，所述積分棒的入光口的第一邊等於出光口的第一邊。優選地，所述積分棒的入光口呈正方形。優選地，所述雷射元件陣列和所述積分棒之間的光路上還設有角分布控制元件，用於對所述雷射光束陣列進行整形，以增大入射於所述積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束在光分布的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值。
該發明實施例還提供一種波長轉換光源，包括：上述雷射光源；波長轉換裝置，用於接收所述雷射光源發出的光並發射受雷射。該發明實施例還提供一種合光光源，包括：上述雷射光源；波長轉換光源，該波長轉換光源包括激發光源和波長轉換裝置，該波長轉換裝置用於吸收來自該激發光源發出的激發光並發射受雷射；合光裝置，所述雷射光源發射的光和所述波長轉換光源發射的受雷射從不同方向入射於合光裝置並經合光裝置合為一束光出射。
該發明實施例還提供一種投影系統，包括：上述合光光源；空間光調製裝置，用於接收來自所述合光光源的光束並對其進行調製。
有益效果
與2013年5月之前的技術相比，《雷射光源、波長轉換光源、合光光源及投影系統》包括如下有益效果：在該發明中，經過聚焦光學元件和準直光學元件的作用後一次雷射光束陣列的截面被壓縮而形成二次雷射光束陣列，二次雷射光束的發散角大於一次雷射光束的發散角；這樣二次雷射光束經過其後端的積分棒後可以實現更加均勻的面分布；同時，雷射光源陣列和積分棒之間的光路上設有角分布控制元件，用於增大所述雷射光束陣列中在光分布的短軸方向的發散角，使得入射於積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7；以提高二次雷射光束陣列中在短軸方向上的光束在積分棒內的反射次數，使得短軸方向和長軸方向上的光束在積分棒內反射的次數接近，進一步提高二次雷射光束經過積分棒後的均勻度。
附圖說明
圖1是2013年5月之前的技術中利用方棒進行勻光的一種雷射光源；
圖2是2013年5月之前的技術中矩形方棒工作原理的示意圖；
圖3A是該發明的雷射光源的一個實施例的結構示意圖
圖3B是雷射元件的發光示意圖；
圖3C是雷射元件所發光經準直透鏡後的發光示意圖；
圖3D是該發明的雷射光源中微透鏡陣列的結構示意圖；
圖4是雷射元件位於準直透鏡的焦點和偏離該焦點的結構示意圖；
圖5為該發明的雷射光源的又一個實施例的結構示意圖；
圖6為圖5所示雷射光源中積分棒的立體圖。
權利要求
1.一種雷射光源，其特徵在於，包括：包括雷射元件陣列的雷射光源陣列，用於產生準直的一次雷射光束陣列；位於所述雷射光源陣列後端依次排列的聚焦光學元件和準直光學元件，所述一次雷射光束陣列依次經過聚焦光學元件和準直光學元件後形成準直的二次雷射光束陣列，二次雷射光束陣列中的二次雷射光束的間距小於一次雷射光束陣列中的一次雷射光束的間距；位於準直光學元件後端的積分棒，用於接收二次雷射光束陣列並使其均勻化；所述雷射元件陣列和所述積分棒之間的光路上還設有角分布控制元件，用於增大所述雷射光束陣列中在光分布的短軸方向的發散角，使得入射於所述積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束在光分布的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
2.根據權利要求1所述的雷射光源，其特徵在於，所述角分布控制元件為準直透鏡陣列，其中每個準直透鏡對應於一個雷射元件，用於對該雷射元件發出的雷射進行準直；所述雷射元件位於與其對應的準直透鏡的光軸上並偏離該準直透鏡的焦點，使得該準直透鏡出射的一次雷射光束的光分布的短軸方向上的發散角與其長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
3.根據權利要求1所述的雷射光源，其特徵在於，所述角分布控制元件為至少一個柱面透鏡，位於所述準直光學元件和所述積分棒之間，其中每一柱面透鏡對應經所述準直光學元件出射的二次雷射光束陣列中的至少一列二次雷射光束，該至少一列二次雷射光束中每一列的走向平行於該柱面透鏡的母線，且每一列二次雷射光束中各二次雷射光束的光分布的長軸方向平行於該柱面透鏡的母線；各二次雷射光束經與其對應的柱面透鏡後，光分布的的短軸方向上的發散角與其長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
4.根據權利要求1所述的雷射光源，其特徵在於，所述角分布控制元件為散光片，位於所述準直光學元件與所述積分棒之間，使得經該散光片散射後的二次雷射光束陣列的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
5.根據權利要求1所述的雷射光源，其特徵在於，所述角分布控制元件為微透鏡陣列，位於所述準直光學元件與所述積分棒之間，其中每一個微透鏡呈長方形；入射於該微透鏡陣列的二次雷射光束陣列在光分布的短軸方向平行於每個微透鏡的長邊方向；且經該微透鏡陣列出射的二次雷射光束陣列在光分布的短軸方向上的發散角與在長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
6.根據權利要求1所述的雷射光源，其特徵在於，所述雷射光源陣列包括雷射元件陣列和準直透鏡陣列，其中每個準直透鏡對應於一個雷射元件，用於對該雷射元件發出的雷射進行準直，且各雷射元件位於與其對應的準直透鏡的光軸上並偏離該準直透鏡的焦點；所述角分布控制元件位於所述準直光學元件和所述積分棒之間，用於增大入射的二次雷射光束的光分布的短軸方向上的發散角，或者用於減小入射的二次雷射光束的光分布的長軸方向上的發散角，使得入射於所述積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束在光分布的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
7.根據權利要求3至6任一項所述的雷射光源，其特徵在於，所述積分棒為實心的，且所述角分布控制元件和所述積分棒一體成型。
8.一種雷射光源，其特徵在於，包括：雷射光源陣列，用於產生準直的一次雷射光束陣列；位於所述雷射光源陣列後端依次排列的聚焦光學元件和準直光學元件，所述一次雷射光束陣列依次經過聚焦光學元件和準直光學元件後形成準直的二次雷射光束陣列，二次雷射光束陣列中的二次雷射光束的間距小於一次雷射光束陣列中的一次雷射光束的間距；位於準直光學元件後端的積分棒，用於接收二次雷射光束陣列並使 其均勻化，其中該積分棒的入光口的面積大於其出光口的面積；該積分棒的入光口包括相互垂直的第一邊和第二邊，出光口包括相互垂直的第一邊和第二邊，其中入光口和出光口的第一邊平行，且入光口與出光口的第一邊長度的比值小於入光口與出光口的第二邊長度的比值；所述二次雷射光束陣列在入射於所述積分棒時，各二次雷射光束的光分布的長軸方向平行於該積分棒的入光口的第一邊。
9.根據權利要求8所述的雷射光源，其特徵在於，所述積分棒的入光口的第一邊等於出光口的第一邊。
10.根據權利要求8所述的雷射光源，其特徵在於，所述積分棒的入光口呈正方形。
11.根據權利要求8所述的雷射光源，其特徵在於，所述雷射元件陣列和所述積分棒之間的光路上還設有角分布控制元件，用於對所述雷射光束陣列進行整形，以增大入射於所述積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束在光分布的短軸方向的發散角與長軸方向上的發散角的比值。
12.一種波長轉換光源，其特徵在於，包括：根據權利要求1至11任一項所述的雷射光源；波長轉換裝置，用於接收所述雷射光源發出的光並發射受雷射。
13.一種合光光源，其特徵在於，包括：根據權利要求1至11任一項所述的雷射光源；波長轉換光源，該波長轉換光源包括激發光源和波長轉換裝置，該波長轉換裝置用於吸收來自該激發光源發出的激發光並發射受雷射；合光裝置，所述雷射光源發射的光和所述波長轉換光源發射的受雷射從不同方向入射於合光裝置並經合光裝置合為一束光出射。
14.一種投影系統，其特徵在於，包括：如權利要求13所述的合光光源；空間光調製裝置，用於接收來自所述合光光源的光束並對其進行調製。
實施方式
針對圖1所示的雷射光源不能產生均勻面分布的問題，發明人做了針對性的研究。發明人發現，一般的光束之所以在方棒中能夠實現均勻化，其關鍵在於該光束的角分布是連續的，這樣經過方棒內多次反射後其面分布才可能是連續的，而且能夠實現反射次數越多面分布的均勻性越好。
然而經過匯聚透鏡13會聚的雷射光束不同於一般的光束，它是由多個雷射光束組合而成的，每個雷射光束來自於一個雷射二極體和對應的準直透鏡，所以總的光束的角分布並不是連續的，而是分立的。這些分立的雷射束在方棒14中的傳播過程如圖2所示。雷射束L1以入射角α入射，以出射角α出射，雷射束L2以入射角β入射，以出射角β出射，兩者由於各自的角度都很小，在方棒中反射多次仍然保持為一根很細的光線，因此在方棒的出口處無法形成混合的效果，即均勻的光分布。
- 實施例一
圖3A為該發明的雷射光源的一個實施例的結構示意圖。該雷射光源300包括雷射光源陣列，該雷射光源陣列用於產生準直的一次雷射光束陣列381。其中雷射光源陣列包括雷射元件陣列和準直透鏡陣列，雷射元件陣列包括雷射元件31a、31b和31c，準直透鏡陣列包括32a、32b和32c，其中每個準直透鏡對應於一個雷射元件，雷射元件的發光位置位於對應的準直透鏡的焦點上，其發出的光經過準直透鏡後得以準直。
在該實施例中，雷射元件為雷射二極體，實際上雷射元件也可以是其它發射雷射的元件，該發明不做限制。當然，雷射元件陣列和準直透鏡陣列中的元件數量只是舉例，並不做限制。
如圖3B所示，圖3B為雷射元件的發光示意圖。雷射元件31的發光面為長方形，經過該長方形長邊311的截面上的光發散角為α，經過該長方形短邊312的截面上的光發散角為β，其中α小於β。一般來說，β大於α的5倍。也即雷射元件31的出射光光分布的長軸313平行於長方形的短邊312，出射光光分布的短軸314平行於長方形的長邊311。
雷射元件31所發光經準直透鏡後的一次雷射光束並不是嚴格的平行光。相比雷射元件所發光，經準直的雷射光束的發散角減小，但經準直的雷射光束仍存在光分布的長軸方向和短軸方向。如圖3C所示，圖3C為雷射元件31所發光經準直透鏡32後的發光示意圖。需注意的是，一次雷射光束的光分布的長軸315平行於雷射元件31的發光面的長邊311，一次雷射光束的光分布的短軸316平行於雷射元件31的發光面的短邊312，且長軸315方向上的發散角與短軸方316方向上的發散角的比值較大，而且一般會大於5。為描述清楚，下文所說的“長軸方向”和“短軸方向”均指的是光束的光分布上的長軸方向和短軸方向。
這樣，各雷射元件所發光經準直透鏡準直得到的一次雷射光束陣列381中，各個一次雷射光束的光軸相互平行，但每一個雷射光束具有一定發散角，且光分布的長軸方向的發散角與短軸方向的發散角的比值仍較大。
雷射光源300還包括位於雷射光源陣列後端並依次排列的聚焦光學元件33和準直光學元件34，一次雷射光束陣列381依次經過聚焦光學元件33和準直光學元件34後形成準直的二次雷射光束陣列382。
在該實施例中，聚焦光學元件為凸透鏡33，準直光學元件為凹透鏡34，凸透鏡33和凹透鏡34的焦點重合，其中凹透鏡34的焦點為虛焦點，該虛焦點在凹透鏡34的光路後端。這樣，一次雷射光束陣列381首先被凸透鏡33所聚焦而面向其焦點會聚，在入射到凹透鏡34上時其光束截面積會小於在入射到凸透鏡33上時的光束截面積，此時由於該雷射光束也是面向凹透鏡的焦點會聚的，因此經過凹透鏡34後會再次呈平行光出射，即形成準直的二次雷射光束陣列382，但雷射光束的截面面積被壓縮了，即二次雷射光束陣列382中的各二次雷射光束的間距小於一次雷射光束陣列中的各一次雷射光束的間距。
根據光學擴展量守恆原理，光束的截面面積被壓縮，其發散角必然增大，即：S1·sinθ1＝S2·sinθ2（1）
其中S1、θ1分別是一次雷射光束陣列的橫截面積和發散半角，S2、θ2分別是二次雷射光束陣列的橫截面積和發散半角，其中S2<S1，則θ2一定大於θ1。值得注意的，公式（1）中的發散半角並不是各雷射光束之間的夾角，而是每個雷射光束自己的發散角的一半。
在實際套用中，通過控制凸透鏡33和凹透鏡34的位置和曲率，可以控制二次雷射光束陣列382對一次雷射光束陣列381截面積的壓縮比例（近似來說，凸透鏡33和凹透鏡34的焦距之比就是光束的壓縮比），進而控制二次雷射光束陣列中每一個雷射光束的發散半角相比一次雷射光束陣列中每一雷射光束的發散半角增大的程度。容易理解的是，其中二次雷射光束陣列中每一個雷射光束的光分布上長軸方向上的發散角與短軸方向上的發散角的增大程度是近似一樣的，因此該兩個方向上的發散角的比值仍然較大。
雷射光源300還包括位於準直光學元件34後端的角分布控制元件35，用於接收二次雷射光束陣列382並對其進行整形，使得經整形後的二次雷射光陣列382中每個二次雷射光束在光分布的短軸方向上的發散角與在長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
具體地，該實施例中，角分布控制元件35為柱面透鏡。由於柱面透鏡可以只在一個維度上改變一束光束的發散角，因此可利用柱面透鏡增大雷射光束的短軸方向上的發散角而不改變長軸方向上的發散角，並通過對柱面透鏡的柱面的曲率設計使得每一個雷射光束在短軸方向上的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。為實現以上目的，入射於柱面透鏡的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束的光分布的長軸方向均平行於該柱面透鏡的母線。
雷射光源300還包括位於角分布控制元件35後端的積分棒36，用於接收經角分布控制元件35整形的二次雷射光束陣列382並使其均勻化。
在2013年5月之前的對積分棒（背景技術中的方棒和錐形棒均是積分棒的一種）的理解中，入射光必須以一個較大的角度範圍入射才能夠產生較好的勻光效果，因為只有這樣光線才能夠在積分棒內部發生多次反射而均勻化。然而針對該發明的研究使我們對積分棒的認識更加深入，即若套用於雷射領域，僅將各束雷射會聚形成較大的角度範圍是不能工作的，必須使每一束雷射的發散半角增大。只要每一束雷射的發散半角增大，即使各束雷射之間接近於平行，也能夠經過積分棒產生很好的均勻化效果。
但是，在使得每一束雷射的發散半角增大的過程中，每一束雷射在光分布上的長軸方向上和短軸方向上的發散角增大的程度是近似一樣的，因此，在入射於積分棒時，雖然每一束雷射的發散半角增大，但每一束雷射在短軸方向的發散角相比長軸方向的發散角小很多，因此這兩個方向上的光束在積分棒內反射的次數相差也較大，進而導致各個二次雷射光束在積分棒的出光口所在面上所形成的光斑在長軸方向上得到了較均勻的混光，而在短軸方向上的勻光效果較差。因此，該實施例中通過在準直光學元件和積分棒之間設定角分布控制元件，使得入射於積分棒的各個二次雷射光束在光分布的短軸方向和長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7，進而提高各個二次雷射光束在短軸方向上的勻光效果。
該實施例中，角分布控制元件也可以為柱面透鏡陣列。柱面透鏡陣列的設定使得，每一個柱面透鏡對準至少一列二次雷射光束，每一列二次雷射光束的走向均平行於該柱面透鏡的母線，其中該至少一列二次雷射光束中的每一個二次雷射光束的光分布的長軸方向均相互平行，且平行於該柱面透鏡的母線。相比只採用一個柱面透鏡，採用柱面透鏡陣列可以使得每個二次雷射光束在其光分布的短軸方向上的發散角增加得更大，更接近長軸方向上的發散角。但只採用一個柱面透鏡有利於實際加工方便。
該實施例中，在雷射元件自身發射的雷射束的準直度較好的場合中，準直透鏡也是可能省略的。但需要注意的是，在雷射光源陣列中省略掉準直透鏡陣列後，一次雷射光束陣列中每一個一次雷射光束的長軸方向和短軸方向發生了90度旋轉。因此，相對應地，柱面透鏡的擺放位置相比以上實施例中所描述的位置要在垂直於雷射光束陣列的光軸的平面內發生90度旋轉。
當然，該實施例中，角分布控制元件35也可以不是柱面透鏡陣列，而是散光片，且該散光片對二次雷射光束的短軸方向上的散射程度大於對該二次雷射光束的長軸方向上的散射程度，或者只對該二次雷射光束的短軸方向上進行散射，並使得該雷射光束的在光分布的短軸方向上的發散角與在長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
例如，該散光片表面的散射結構為透光的多個相互緊密排列的微結構，其中每個微結構為柱面結構，各個微結構的母線均相互平行，且平行於入射的二次雷射光束的光分布的長軸方向。或者，還可以將呈柱狀或者柱狀的一部分的透光散射結構摻合到一個透明基底內，其中該散射結構和該基底存在折射率差，且每個散射結構的母線相互平行或近似平行，且平行於入射的二次雷射光束的光分布的長軸方向。或者，該散光片還可以是DOE（DiffractionOpticalElement，衍射光學元件），通過對DOE上每一點的相位設計，使得該DOE只增大入射的二次雷射光束的光分布的短軸方向的發散角，或者對入射的二次雷射光束的光分布的短軸方向上的發散角的增大大於長軸方向上的發散角的增大。
該實施例中，角分布控制元件35還可以是微透鏡陣列，其中該微透鏡陣列中由多個長方形透鏡相互拼接而成。如圖3D所示，圖3D為該發明的雷射光源中微透鏡陣列的結構示意圖。每一個微透鏡351為長方形，兩個邊長分別為D1和D2，其中D1小於D2。一束平行光束入射於微透鏡陣列後，形成一束沿長方形的兩個邊方向上的發散角不同的光束，其中沿長邊方向上的發散角與沿短邊方向上的發散角之比約為D2:D1。因此，可使得入射於微透鏡陣列的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束的光分布的短軸方向平行於每個微透鏡的長邊方向，使得每個二次雷射光束的光分布的短軸方向上的發散角的增大大於長軸方向上的發散角的增大，同時通過對各微透鏡的兩個邊長比以及微透鏡的表面曲率設計，使得經該微透鏡陣列出射的二次雷射光束陣列在光分布的短軸方向上的發散角與在長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
該實施例中，還可以將角分布控制元件和積分棒一體成形。例如，積分棒採用實心的，並將入光口處做成一個柱面結構，或者在入光口處設有和散光片一樣的散射結構。
在以上實施例中，角分布控制元件35均設定在準直光學元件和積分棒之間。實際運用中，可以將角分布控制元件35設定在雷射光源陣列和積分棒之間的光路中的任意位置上，只要能夠使得雷射光源陣列出射的雷射光束陣列中每一個雷射光束在短軸方向上的發散角與長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7，就能實現該發明的目的。
在該實施例中，準直光學元件為凹透鏡。實際運用中，準直光學元件也可以使用凸透鏡，只要聚焦光學元件33與該凸透鏡的焦點重合，其效果與使用凹透鏡是相同的，只是在光傳播方向的長度會增大，使整個系統變得稍大。更一般的，聚焦光學元件和準直光學元件並不限於該實施例中使用的凸透鏡或凹透鏡，例如聚焦光學元件還可能是一個或多個反射鏡使多束雷射光束聚焦，準直光學元件則可以是菲涅爾透鏡，總之只要能夠實現相同的功能就屬於該專利的保護範圍。
- 實施例二
在實施例一中，通過在雷射光源陣列和積分棒之間設定角分布控制元件來實現增大每一個雷射光束的短軸方向上的發散角與長軸方向上的發散角比值。然而，也可以不在雷射光源陣列和積分棒之間設定角分布控制元件，而是通過雷射光源陣列中的準直透鏡陣列來實現這個目的。該實施例中，該準直透鏡陣列充當角分布控制元件。
為描述清楚，下文所說的“長寬比”指的是橢圓的長軸與短軸的比。如圖4所示，當雷射元件41剛好位於準直透鏡42焦點時，此時準直透鏡42位於其光軸的位置A，準直透鏡42出射的雷射光束經聚焦透鏡（圖未示）聚焦在目標面上的光斑為細長條形的橢圓a。當雷射元件41放在準直透鏡42的光軸上偏離其焦點的位置時，例如將準直透鏡42放在離雷射元件41較近的位置B處，準直透鏡42出射的雷射經聚焦透鏡聚焦在目標面上的光斑為橢圓b，b的長寬比小於a的長寬比。若將準直透鏡42放在離雷射元件41更近的位置A處，準直透鏡42出射的雷射經聚焦透鏡聚焦在目標面上的光斑為橢圓c，c的長寬比小於b的長寬比。
經實驗統計和理論分析，發明人發現原因如下：在離焦時，雷射元件所發光的光分布的長軸方向上最外沿上的光線與準直透鏡的光軸的距離，相比短軸方向上最外沿上的光線與光軸的距離增大得快，且快上幾倍。由圖3B可知，雷射元件所發光的光分布的長軸方向平行於該雷射元件的發光面的短邊，光分布的短軸方向平行於該雷射元件的發光面的長邊。因此，經準直透鏡出射的光束中，沿平行於該雷射元件的發光面的短邊的方向上的發散角增大的速度，要比沿平行於該雷射元件的發光面的長邊的方向上的發散角增大的速度快很多。
而由圖3C可知，經準直透鏡出射的光束中，沿平行於該雷射元件的發光面的短邊的方向為該光束的光分布的短軸方向，沿平行與該雷射元件的發光面的長邊的方向為該光束的光分布的長軸方向。因此，也即經準直透鏡出射的光束中光分布的短軸方向上的發散角增大的速度要大於長軸方向上的發散角增大的速度，且大上幾倍。這樣，導致目標面上的橢圓光斑的短軸比長軸增大得更快，因此橢圓光斑的長寬比發生改變。
因此，與實施例一不同的是，該實施例中，每個雷射元件位於與其對應的準直透鏡的光軸上並偏離該準直透鏡的焦點（以下簡稱為離焦），其中偏離焦點的程度使得該準直透鏡出射的一次雷射光束的短軸方向上的發散角與其長軸方向上的發散角的比值大於或等於0.7。
實施例一中採用的散光片或者柱面鏡都會造成一定程度上的光損耗，尤其是散光片；而該實施例中，採用離焦可以使得光損耗較小，效率更高。
優選地，將準直透鏡位置從理想準直位置（即使得雷射元件位於準直透鏡焦點的位置）向雷射元件的方向移動，即使得雷射元件和與其對應的準直透鏡的距離小於該準直透鏡的焦距，此時準直透鏡收集光的角度更大，光利用率較高。離焦的距離不宜過大，以避免準直透鏡出射的光束的發散角過大。優選地，離焦後的準直透鏡的位置與理想準直位置之間的距離小於或等於0.05毫米。
在實際運用中，也可以結合實施例一和實施例二中所採用的方法，即在雷射光源陣列中使得每一雷射元件和與其對應的準直透鏡離焦，同時在雷射光源陣列和積分棒之間放置角分布控制元件，來實現每一雷射光束在入射積分棒時在短軸方向上的發散角與長軸方向上的發散角比值大於或等於0.7。
- 實施例三
在以上實施例中，均通過在積分棒之前的光路上對每一雷射光束進行整形來達到該發明的目的。然而，還可以通過對積分棒的設定，來使得短軸方向上的發散角與長軸方向上的發散角的比值較小的雷射光束經積分棒後仍能在該兩個方向上均得到均勻地勻光。以下具體說明。
如圖5所示，圖5為該發明的雷射光源的又一個實施例的結構示意圖。雷射光源500包括雷射光源陣列、聚焦光學元件53、準直光學元件54和積分棒56。
與以上實施例不同的是：該實施例中，雷射光源陣列包括一一對應的雷射元件陣列51和準直透鏡陣列52，用於產生準直的一次雷射光束陣列，其中各雷射元件和與其對應的準直透鏡並不離焦。當然，在雷射元件自身發射的雷射束的準直度較好的場合中也可以不採用準直透鏡陣列。
一次雷射光束陣列依次經聚集光學元件53聚焦和經準直光學元件54準直後形成二次雷射光束陣列，並直接入射至積分棒56。
如圖6所示，圖6為圖5所示雷射光源中積分棒的立體圖。積分棒56的入光口561的面積大於出光口562的面積。該實施例中入光口561和出光口562均呈矩形。優選地，出光口562的長邊與短邊的比值為16/9或者4/3，以和後續光路上的光調製裝置中的光閥的形狀相匹配。
該實施例中，入光口561的長邊561a為第一邊，短邊561b為第二邊。出光口562的長邊562a為第一邊，短邊562b為第二邊。入光口的長邊561a與出光口562a的長邊平行，且入光口的第一邊561a的長度與出光口的第一邊562a的長度的比值，小於入光口的第二邊561b的長度與出光口的第二邊562b的長度的比值。
二次雷射光束陣列在入射於積分棒56的入光口561時，各個二次雷射光束的長軸方向均平行於入光口561的第一邊561a，那么，各個二次雷射光束的短軸方向均平行於或接近平行於入光口561的第二邊561b。由於積分棒的入光口的第一邊561a的長度與出光口的第一邊562a的長度的比值，小於入光口的第二邊561b的長度與出光口的第二邊562b的長度的比值。因此，沿該雷射光束的短軸方向上的光束在積分棒內反射的次數要多於沿長軸方向上的光束，進而提高二次雷射光束陣列經勻光棒後沿短軸方向上的均勻度。
該實施例中，積分棒的入光口的第一邊561a的長度與出光口的第一邊562a的長度的比值優選為1，以避免增大二次雷射光束的光分布的長軸方向上的發散角。
優選地，積分棒的入光口561呈方形，以能耦合更多的二次雷射光束。
該實施例中，還可以結合實施例一所描述的採用角分布控制元件和/或實施例二所描述的離焦，來增大入射於積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束的光分布的短軸方向的發散角與長軸方向的發散角的比值，以進一步提高經積分棒勻光後的雷射光束的均勻度。容易理解的是，在使用該實施例中所描述的積分棒的同時，採用角分布控制元件和/或雷射元件與準直透鏡離焦的方法來增大雷射光束的光分布的短軸方向的發散角與長軸方向的發散角的比值時，該比值可以不如實施例一和實施例二中所描述的這般嚴格，該比值也可以小於0.7，只要相比未設有角分布控制元件和/或未採用離焦時入射於積分棒的二次雷射光束陣列中每個二次雷射光束的光分布的短軸方向的發散角與長軸方向的發散角的比值大就可以。
該說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
該發明實施例還提供一種波長轉換光源，包括雷射光源，該雷射光源可以具有上述各實施例中的結構與功能；還包括波長轉換裝置，用於接收雷射光源發出的光並發射受雷射。
該發明實施例還提供一種合光光源，包括雷射光源，該雷射光源可以具有上述各實施例中的結構與功能；還包括波長轉換光源，該波長轉換光源包括激發光源和波長轉換裝置，該波長轉換裝置用於吸收來自該激發光源發出的激發光並發射受雷射；還包括合光裝置，該雷射光源發射的光和該波長轉換光源發射的受雷射從不同方向入射於合光裝置並經合光裝置合為一束光出射。
該發明實施例還提供一種投影系統，包括上述合光光源，還包括空間光調製裝置，用於接收來自該合光光源的光束並對其進行調製。該投影系統可以採用各種投影技術，例如液晶顯示器（LCD，LiquidCrystalDisplay）投影技術、數碼光路處理器（DLP，DigitalLightProcessor）投影技術。此外，上述合光光源也可以套用於照明系統，例如舞檯燈照明。
榮譽表彰
2020年11月，《雷射光源、波長轉換光源、合光光源及投影系統》獲得第六屆廣東專利獎金獎。
