照明装置和激光投影设备的制作方法

1.本技术涉及激光技术领域，特别涉及一种照明装置和激光投影设备。


背景技术：

2.目前，超短焦投影仪可以在短距离投影的情况下投射出大尺寸的画面，其空间利用率高、体积小等优点，被广泛利用。光阀(英文：digital micromirror device，简称dmd)是一种数字微镜元件，通常使用光阀的短边接受光的入射的方式来缩小照明装置的体积。
3.相关技术中的一种照明装置，包括匀光部件、透镜组件、平面反射镜和补偿棱镜，由于光阀和匀光部件具有一定夹角时才能更好地接受光路，因此在匀光部件和光阀之间依次设置透镜组件，位于透镜组件中的平面反射镜、和与光阀平行设置的补偿棱镜。光路从匀光部件射入后透过透镜组件中的部分透镜，被平面反射镜反射至与光阀平行设置的部分透镜和补偿棱镜中，再从补偿棱镜反射至光阀中，通过光阀入射至投影镜头成像。
4.上述照明装置的体积较大。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种照明装置和激光投影设备，所述技术方案如下：
6.一方面，提供一种照明装置，所述照明装置包括：
7.沿所述照明装置的光路方向依次设置透镜组件、全内反射棱镜组件和光阀；
8.所述透镜组件包括沿所述光路方向依次设置的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜接收到光束后，将所述光束导向所述第二透镜，所述第二透镜将接收到的光束导向所述全内反射棱镜组件，并由所述全内反射棱镜组件输出至所述光阀，所述光阀将接收到的光束输出至镜头；
9.所述第一透镜的光轴与射入所述第一透镜的光束的光轴之间具有第一夹角，用于补偿视场光程。
10.可选的，所述照明装置还包括匀光组件，所述匀光组件位于所述透镜组件的入光侧。
11.可选的，所述第一透镜的光轴朝向远离所述光阀的方向偏转所述第一夹角，所述第一夹角满足公式：
[0012][0013]
其中θ1为所述第一夹角角度，l1为所述匀光部件出光口到所述第一透镜轴心的距离；d1为所述第一透镜的直径。
[0014]
可选的，所述全内反射棱镜组件包括全内反射棱镜，所述全内反射棱镜包括第一侧面、底面以及第二侧面围成的空间，经所述第二透镜射向所述全内反射棱镜的光束穿过所述第一侧面后，经所述底面反射后从所述第二侧面射出所述全内反射棱镜，所述全内反射棱镜满足：
[0015][0016]
其中，β为所述全内反射棱镜第一侧面与所述底面的夹角，α为所述第一侧面的光线入射角；θ
l
为所述底面的全反射临界角，n1为所述全内反射棱镜的折射率。
[0017]
可选的，所述全内反射棱镜组件还包括补偿棱镜；
[0018]
所述补偿棱镜位于所述全内反射棱镜的所述底面，从所述全内反射棱镜的第二侧面射出的光束经所述光阀反射后从所述第二侧面射入所述全内反射棱镜，并穿过所述底面以及所述补偿棱镜后射向所述镜头，所述补偿棱镜用于补偿视场光程。
[0019]
可选的，所述透镜组件还包括第三透镜，所述第一透镜、所述第三透镜和所述第二透镜沿靠近所述全内反射棱镜组件的方向依次设置，所述第三透镜的光轴和射入所述第一透镜的光束的光轴平行。
[0020]
可选的，所述第一透镜的有效焦距为f1，所述第三透镜的有效焦距为f2，所述第二透镜的有效焦距为f3；
[0021]
所述f1满足公式0.05<|f1/f|<0.5；
[0022]
所述f2满足公式0.1<|f2/f|<0.5；
[0023]
所述f3满足公式0.1<|f3/f|<0.5；
[0024]
其中f为所述照明装置的有效焦距。
[0025]
可选的，所述匀光组件包括光导管，所述光导管的出光口呈梯形，所述梯形的短边与所述光阀靠近所述光导管的边对应，所述梯形的长边与所述光阀远离所述光导管的边对应。
[0026]
可选的，所述照明装置还包括振镜，所述振镜位于所述全内反射棱镜组件和所述镜头之间。
[0027]
另一方面，提供一种激光投影设备，包括第一方面所述的照明装置。
[0028]
本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0029]
提供一种照明装置，包括沿该照明装置的光路方向依次设置透镜组件、全内反射棱镜组件和光阀，透镜组件中的第一透镜接收到光束后，可以将光束导向第二透镜，并由第二透镜导向全内反射棱镜组件，且第一透镜的光轴与射入第一透镜的光束的光轴之间具有第一夹角，可以补偿视场光程。该照明装置中的透镜组件以及全内反射棱镜组件中，无需设置反射镜，因而可以减少照明装置体积。解决了相关技术中照明装置的体积较大的问题，达到了减小照明装置体积的效果。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1是本技术实施例所涉及的实施环境示意图；
[0032]
图2是图1所示的照明装置的结构示意图；
[0033]
图3是本技术实施例提供的一种照明装置的结构示意图；
[0034]
图4是本技术实施例提供的另一种照明装置的结构示意图；
[0035]
图5为本技术实施例提供的一种光导管的结构示意图；
[0036]
图6为图5中光导管与普通光导管的出光口对比示意图；
[0037]
图7为本技术实施例提供的一种第一透镜的夹角结构示意图；
[0038]
图8为本技术实施例提供的一种全内反射棱镜的全反射临界角的结构示意图；
[0039]
图9为本技术实施例提供的一种激光投影设备60的结构示意图。
[0040]
通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
[0041]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
[0042]
图1是本技术实施例所涉及的实施环境示意图，该实施环境可以包括超短焦投影仪10和投影幕布20。
[0043]
激光投影仪10可以包括照明装置11和投影镜头12。照明装置11用于向投影镜头12提供光源，而投影镜头12用于根据照明装置11提供的光源来将预设图案投影到投影幕布20上。
[0044]
投影幕布20用于承载投影镜头12投影的图案。投影幕布20可以由各种材料构成，如聚氯乙烯(polyvinyl chloride，pvc)、金属、玻璃纤维和玻珠等，本技术实施例不作出限制。
[0045]
图2是相关技术中的一种照明装置的结构示意图。该照明装置11包括匀光部件111、透镜组件112、平面反射镜113、全内反射棱镜114和光阀115，其中透镜组件112包括第一透镜1121，第二透镜1122和第三透镜1123。当光束116从匀光部件111射出后，经过沿射入第一透镜的光束的光轴的方向垂直设置的第一透镜1121至第二透镜1122，此时由于使用光阀的短边接受光的入射，因此设置平面反射镜113反射光束116来改变光束116的方向。改变方向后的光束116射入第三透镜1123，再从第三透镜1123垂直射出至全内反射棱镜114，再从全内反射棱镜114反射至光阀115，由光阀115射出至投影镜头。
[0046]
上述照明装置由于设置了平面反射镜，光路为倾斜光路，各个透镜也沿光路倾斜设置，导致照明装置整体厚度较厚，整个光学引擎系统中的其他部件均配合该照明装置设置，从而使整个超短焦投影仪的厚度较厚。
[0047]
本技术实施例提供了一种照明装置和激光投影设备，可以解决上述相关技术中的问题。
[0048]
图3是本技术实施例提供的一种照明装置的结构示意图，该照明装置30的结构如下：
[0049]
沿照明装置30的光路方向依次设置透镜组件31、全内反射棱镜组件32和光阀33。
[0050]
透镜组件31包括沿该光路方向依次设置的第一透镜311和第二透镜312，第一透镜311接收到光束后，将光束导向第二透镜312，第二透镜312将接收到的光束导向全内反射棱镜组件32，并由全内反射棱镜组件32输出至光阀33，光阀33将接收到的光束输出至镜头。
[0051]
第一透镜311的光轴与射入第一透镜311的光束的光轴之间具有第一夹角，用于补偿视场光程。
[0052]
综上所述，本技术实施例提供一种照明装置，包括沿该照明装置的光路方向依次设置透镜组件、全内反射棱镜组件和光阀，透镜组件中的第一透镜接收到光束后，可以将光束导向第二透镜，并由第二透镜导向全内反射棱镜组件，且第一透镜的光轴与射入第一透镜的光束的光轴之间具有第一夹角，可以补偿视场光程。该照明装置中的透镜组件以及全内反射棱镜组件中，无需设置反射镜，因而可以减少照明装置体积。解决了相关技术中照明装置的体积较大的问题，达到了减小照明装置体积的效果。
[0053]
如图4所示，其为本技术实施例提供的另一种照明装置的结构示意图。
[0054]
可选的，照明装置还包括匀光组件34，匀光组件34位于透镜组件的入光侧。匀光组件34可以对入射光束的光斑进行光斑形状的优化及光束匀化。相关技术中的超短焦投影仪通常包括激光光源的超短焦投影仪和led光源的超短焦投影仪。led光源的超短焦投影仪可以达到体积小型化，但是led光源的超短焦投影仪的分辨率多为720p，而激光光源的超短焦投影仪可以提高分辨率和显示亮度，从而使激光超短焦投影仪的画面对比度更好，成像更为清晰，色彩鲜艳，亮度更高，由于激光超短焦投影仪中的激光光束具有质量的差异及方向性容易出现偏差等特点，因此在本技术实施例提供的照明装置中，可以设置匀光组件34接收激光光束，使激光光束通过匀光组件34后进入透镜组件前，先进行光束匀化以及光斑优化。
[0055]
可选的，匀光组件34包括光导管341。光导管341是一种玻璃制透明导管，光导管341的入光口和出光口为形状面积均一致的矩形，激光光束从光导管341的入光口进入照明装置，再从光导管341的出光口射向透镜组件31，在经过光导管341的过程中完成光束匀化以及光斑优化。
[0056]
另外匀光组件34也可以包括复眼透镜，复眼透镜通常由一系列小透镜组合形成，将两列复眼透镜阵列平行排列，以对输入的激光光束的光斑分割，在通过后续聚焦透镜将分割的光斑累加，从而得到对光束的匀化以及光斑优化。在一个照明装置中，匀光组件34可以选择光导管341或复眼透镜，本技术实施例在此不作限定。
[0057]
光导管341的出光口呈梯形，梯形的短边与光阀33靠近光导管341的边对应，梯形的长边与光阀33远离光导管341的边对应。光阀(英文：digital micromirror device，简称dmd)是一种数字微镜元件，光阀可以将入射到光阀上的光源反射到投影镜头50中，产生成像光束，该成像光束投射到屏幕上的图像为最终成像。超短焦投影仪中使用光阀的短边入射模式可以减小超短焦投影仪的体积，光阀通常呈长方形，而短边入射模式是指光阀的两个短边沿远离激光器的方向排布，可以减小整个照明装置的厚度。光束经过光导管341射入透镜组件和全内反射棱镜组件32后进入光阀33时，光阀33靠近光导管341的一端和远离光导管341的另一端所接受到的光束量不一致，也即是光阀33两端接收到的光线发散角不一致，从而会导致从光阀33反射到投影镜头50中的成像光束亮度不一致，也即是投射到屏幕上的图像中靠近光导管341的一侧亮度较高，远离光导管341的一侧亮度较低。
[0058]
图5为本技术实施例提供的一种光导管的结构示意图。光导管341的梯形出光口中，梯形的短边3411与光阀33靠近光导管341的边对应，梯形的长边3422与光阀33远离光导管341的边对应，也即是从梯形的短边3411射出的光束射入光阀33靠近光导管341的边，梯
形的长边3422射出的光束射入光阀33远离光导管341的边。图6为图5中光导管与普通光导管的通光口对比示意图。图中虚线为普通光导管的通光口，实线为光导管341的梯形通光口。从图6中可以看出，本技术中的光导管341通光口的短边与普通通光口一致，也即是光导管341的短边不做改变，因此光导管341射出的光束中，光阀33靠近光导管341的边接收到的光量与普通光导管一致。本技术中光导管341出光口的长边较普通光导管更长，使通过光导管341出光口的长边的光量更多，因此光阀33远离光导管341的边可以接受到更多量的光束，增加了相应物方视场，以此提高光阀33远离光导管341的一端的亮度，从而使光阀33反射到投影镜头50中的成像光束亮度一致，提高成像亮度和成像效果。
[0059]
可选的，第一透镜311的光轴朝向远离光阀33的方向偏转第一夹角，图7为本技术实施例提供的一种第一透镜的夹角结构示意图，第一夹角满足公式：
[0060][0061]
其中θ1为第一夹角角度，l1为匀光部件34出光口到第一透镜311轴心的距离；d1为第一透镜311的直径。第一夹角是第一透镜311的光轴与射入第一透镜的光束的光轴所形成的第一夹角。相关技术中的照明装置中，由于包括可以反射光源从而改变光路的平面反射镜，因此相关技术中的第一透镜垂直于匀光部件即可。而本技术实施例中，光阀33与匀光组件34平行设置，且光阀33与匀光组件34之间设置有全内反射棱镜组件32，全内反射棱镜组件32导致边缘视场的光线光程不同，继而导致各别视场的像面弥散斑较大。其中弥散斑是指点光源经过光学系统后在像面前后不同截面上所成的衍射像的光强分布，较好的情况下成像时像平面前后的光强呈对称分布，并随着视场不同而变化；实际光学系统成像时，像差等缺陷很容易破坏这种对称性。而本技术中将第一透镜311由于靠近光导管341，也即是靠近物方视场，因此将第一透镜311设置为倾斜状，在汇聚光束的同时，可以平衡各视场光程，从而缩小像面弥散斑。第一透镜311可以是球面透镜，也可以是非球面透镜，本技术实施例在此不做限定。
[0062]
可选的，全内反射棱镜组件32包括全内反射棱镜321，全内反射棱镜321包括第一侧面m1、底面m3以及第二侧面m2围成的空间，经第二透镜312射向全内反射棱镜321的光束穿过第一侧面m1后，经底面m3反射后从第二侧面m2射出全内反射棱镜321，全内反射棱镜321满足：
[0063][0064]
其中，β为全内反射棱镜321第一侧面m1与底面m3之间的夹角，α为全内反射棱镜321的第一侧面m1的光线入射角；θ
l
为全内反射棱镜321的底面的全反射临界角，n1为全内反射棱镜321的折射率。全内反射棱镜321由两块楔形棱镜胶合而成，两块楔形棱镜之间具有一定空气间隙。从第二透镜312射出的光束从全内反射(英文：total internal reflection，缩写tir)棱镜321的斜边进入，经全内反射棱镜321反射后进入光阀33，再将光阀33反射的光透射至投影镜头50，也即是全内反射棱镜321可以分离光束中的照明光束和成像光束。通过调整全内反射棱镜321中的第一侧面m1与底面m3之间的夹角β可以调整入射光和出射光之间的角度，从而使匀光组件34与光阀33可以平行设置。
[0065]
图8为本技术实施例提供的一种全内反射棱镜的全反射临界角的结构示意图。全
内反射棱镜321的夹角β满足上述公式，通过夹角β可以得到全内反射棱镜321中钝角的具体角度。本技术实施例中的全内反射棱镜321中的钝角大于相关技术中的全内反射棱镜的钝角，可以使全内反射棱镜更好地反射光束，同时由于钝角角度增大，全内反射棱镜321入光面与射入第一透镜311的光束的光轴的夹角减小，使匀光组件34与全内反射棱镜321可以沿射入第一透镜311的光束的光轴方向设置，减小照明装置厚度的同时提高成像效果。
[0066]
可选的，全内反射棱镜组件32还包括补偿棱镜322，补偿棱镜322位于全内反射棱镜321的底面m3，从全内反射棱镜的第二侧面m2射出的光束经光阀33反射后从第二侧面m2射入全内反射棱镜321，并穿过底面m3以及补偿棱镜322后射向镜头，补偿棱镜322用于补偿视场光程。如图4所示，补偿棱镜322位于全内反射棱镜321的底面，以补偿视场光程，减少系统成像差异。
[0067]
可选的，透镜组件还包括第三透镜313，第一透镜311、第三透镜313和第二透镜312沿靠近全内反射棱镜组件32的方向依次设置，第三透镜313的光轴和射入第一透镜311的光束的光轴平行。第三透镜313的光轴与射入第一透镜311的光束的光轴平行，也即是第三透镜313垂直于射入第一透镜311的光束的光轴放置，以此可以进一步汇聚光束，缩小光斑尺寸。第二透镜312设置在透镜组件中靠近全内反射棱镜组件32的一侧，第二透镜312的光轴与射入第一透镜311的光束的光轴可以形成的第二夹角，也即是第二透镜312倾斜于射入第一透镜311的光束的光轴放置，由于第二透镜312靠近全内反射棱镜组件32，倾斜设置可以使其避免与全内反射棱镜组件32相互干渉，同时还可以减小透镜之间的距离，平衡各视场光程。第二透镜312的具体倾斜角度满足上述条件即可，本技术实施例在此不做限定。另外，第三透镜313和第二透镜312均可以为球面透镜或非球面透镜，本技术实施例在此不做限定。
[0068]
第一透镜311的有效焦距为f1，第三透镜313的有效焦距为f2，第二透镜312的有效焦距为f3；
[0069]
f1满足公式0.05<|f1/f|<0.5；
[0070]
f2满足公式0.1<|f2/f|<0.5；
[0071]
f3满足公式0.1<|f3/f|<0.5；
[0072]
其中f为照明装置30的有效焦距。有效焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。本技术实施例中第一透镜311、第三透镜313和第二透镜312的焦距满足上述公式，透镜有效焦距可以为其他范围，本技术实施例在此不作限定。
[0073]
可选的，照明装置30还包括振镜35，振镜35位于全内反射棱镜组件32和镜头50之间。振镜通常为一平片玻璃，通过高频振动，实现光束的错位透射。相关技术中为了提高led光源的超短焦投影仪的分辨率使用激光光源的超短焦投影仪，本技术在激光光源的超短焦投影仪添加振镜，可以使超短焦投影仪的分辨率高于光阀33的分辨率，从而使分辨率从相关技术中的720p提升到1080p。
[0074]
综上所述，本技术实施例提供一种照明装置，包括沿该照明装置的光路方向依次设置透镜组件、全内反射棱镜组件和光阀，透镜组件中的第一透镜接收到光束后，可以将光束导向第二透镜，并由第二透镜导向全内反射棱镜组件，且第一透镜的光轴与射入第一透镜的光束的光轴之间具有第一夹角，可以补偿视场光程。该照明装置中的透镜组件以及全
内反射棱镜组件中，无需设置反射镜，因而可以减少照明装置体积。解决了相关技术中照明装置的体积较大的问题，达到了减小照明装置体积的效果。
[0075]
如图9所示，其为本技术实施例提供的一种激光投影设备的结构示意图。该激光投影设备60包括上述任一实施例中的照明装置30，投影镜头50和其他光源组件、散热组件等。蓝色激光器61发出的光束经过望远镜系统，复眼透镜后先入射至二向色片62，二向色片62将该激光导向透镜组件63，并穿过透镜组件63进入荧光轮64，荧光轮64将荧光反射后再次入射至透镜组件63，并经过透镜组件63会聚后入射至二向色片62，二向色片62透射该光束并将该光束导向二向色片62临近的反射镜，经反射后再次透射二向色片62，并经过会聚透镜，进入匀光棒。
[0076]
相关技术中如图2所示，照明装置中设置有反射镜，为使光阀可以完整的接收匀光部件射出的光，照明装置中的整体光路是倾斜的，匀光部件和光阀倾斜放置后，导致激光投影设备中与照明装置匹配的光源组件、散热组件等其他部件均倾斜放置，从而使整个激光投影设备厚度较厚，体积较大。当激光投影设备为桌面超短焦激光投影设备时，其优点之一为体积较小，led光源的超短焦投影仪可以达到体积小型化，但是led光源的超短焦投影仪的分辨率多为720p，达不到高分辨率的效果。综上也即是相关技术中的桌面超短焦激光投影设备在提高分辨率和减小设备体积无法兼得。
[0077]
本技术实施例提供的激光投影设备60，包括上述任一实施例中的照明装置30，通过公式计算将照明装置中透镜组件中的第一透镜沿射入第一透镜的光束的光轴方向倾斜设置，可以汇聚光束，平衡各视场光程，第三透镜沿射入第一透镜的光束的光轴方向垂直设置，可以进一步汇聚光束，缩小光斑尺寸，第二透镜沿射入第一透镜的光束的光轴方向倾斜设置，可以避免与全内反射棱镜组件干涉，同时还可以平衡各视场光程，缩短照明装置中透镜组件的镜间距以减小体积。且本技术中的照明装置30中的匀光组件与光阀可以沿射入第一透镜的光束的光轴方向平行设置，降低了照明装置30的厚度，整个激光投影设备60中与该照明装置30相匹配的其他光源组件、散热组件等可以随着照明装置30垂直或水平放置，从而降低了整个激光投影设备60的厚度，减小了整个激光投影设备60的体积。
[0078]
另外，本技术实施例中的激光投影设备60包括振镜，振镜可以提高激光投影设备的分辨率，使激光投影设备60达到1080p分辨率。本技术实施例中的激光投影设备60还包括梯形出光口的光导管，梯形出光口较长的边可以增加通光，使光阀远离光导管的一侧接收到更多量的光束，可以平衡光阀两端反射出的光束的亮度，从而使光阀反射到投影镜头50中的成像光束亮度一致。由于本技术中的照明装置体积较小，使后工作距离减小，其中后工作距离是指系统最后的一面是玻璃的话则此面到像面的距离，也即是在光学引擎系统中投影镜头50的最后一个镜片到光阀之间的距离。后工作距离减小，也即是投影镜头50到光阀之间的距离减小，从而可以使投影镜头的体积减小，从而得到体积更小的激光投影设备60。
[0079]
因此，本技术实施例中提供的一种包括照明装置30的激光投影设备60，可以在减小设备体积的同时达到较高的分辨率，同时照明效率更高，且均匀性更好。
[0080]
综上所述，本技术实施例提供一种激光投影设备，包括照明装置，该照明装置包括沿该照明装置的光路方向依次设置透镜组件、全内反射棱镜组件和光阀，透镜组件中的第一透镜接收到光束后，可以将光束导向第二透镜，并由第二透镜导向全内反射棱镜组件，且第一透镜的光轴与射入第一透镜的光束的光轴之间具有第一夹角，可以补偿视场光程。该
照明装置中的透镜组件以及全内反射棱镜组件中，无需设置反射镜，因而可以减少照明装置体积。解决了相关技术中照明装置的体积较大的问题，达到了减小照明装置体积的效果。
[0081]
以上所述仅为本技术的可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。