CN102109099A - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

提出了一种照明装置，能够减小从激光照射装置发出的激光的相干性，以低成本确保对于眼睛的安全性。在该照明装置中，通过利用来自激光照射装置的激光照射荧光物质，来激励荧光物质，以发出用作照明光的可见光，将光散射材料放置到激光的光轴上以及光轴周围。

Description

照明装置
技术领域
本发明涉及一种照明装置，通过利用来自激光照射装置的激光照射荧光物质来激励荧光物质，以发出用作照明光的可见光。
背景技术
通常，已经提出了有关使用激光发送和接收信号的通信装置的安全措施，以避免由发射到发射机外部的具有高相干性的光引起对于人眼的危险。
以在日本专利申请公开No.2003-258353中描述的红外通信模块为例，在红外通信模块的发送装置所用的光源装置中，将包括动态光散射系统的流体或膨胀凝胶(swollen gel)(包括光散射系统的区域)放置在从半导体激光器元件发出的光的光路中，从而当从半导体激光器元件发出的光通过包括动态光散射系统的区域时，由于动态多重光散射(布朗运动)将具有高相干性的光转换为对人无害的非相干光。
作为另一示例，日本专利申请公开No.2006-352105描述了一种光发送装置，其中将包括用于散射激光的光散射颗粒在内的光散射构件放置在从半导体激光器元件发出的光的光路中，使得从半导体激光器元件发出的光在通过光散射构件时被散射，从而将具有高相干性的光转换为对人无害的非相干光。
另外，还提出了一种照明装置，通过以来自激光照射装置的激光照射荧光物质来激励荧光物质以发射可见光、并且通过反射镜将可见光转换为平行光线用作照明光(参见日本专利申请公开No.2003-295319)。同样，在这种照明装置中，具有高相干性的光可能泄露到外部而导致所谓的伤害眼睛的风险。作为防止荧光物质不能完全吸收激光并且透射一部分激光的情况的对策，日本专利申请公开No.2003-295319描述了这样一种结构，其中将副反射镜放置在荧光物质的前面，使得透射通过荧光物质的激光被副反射镜反射而重新进入荧光物质，并且因此被荧光物质完全吸收。
在以来自激光照射装置的激光照射荧光物质来激励荧光物质发射可见光从而用作照明光的照明装置中，如果用作荧光物质的激励光、具有高相干性的激光泄露，则对于人眼的风险较高。可能的原因在于：(1)由于部件随时间的变化/变形、外部压力或碰撞等，激光照射装置的光学元件变得不对准；(2)由于部件随时间的变化/变形、外部压力或碰撞等，荧光物质位置移动；以及(3)激光没有被荧光物质完全吸收，并且一部分激光透射通过荧光物质。
日本专利申请公开No.2003-258353和2006-352105均涉及通信装置。因此，将包括动态光散射系统的区域或者光散射构件放置为与作为光源的半导体激光器元件接触或者与半导体激光器元件集成就足够了。然而，在照明装置中，以从半导体激光器元件发出的激光照射荧光物质以激励荧光物质，并且因此应该考虑与荧光物质之间的位置关系。在这一点上，日本专利申请公开No.2003-258353和2006-352105并没有提供这种知识。
另外，尽管为了解决上述原因(3)，日本专利申请公开No.2003-295319描述了使用副反射镜的结构，其中透射通过荧光物质的激光被副反射镜反射重新进入荧光物质，但是并没有考虑上述原因(1)和(2)的情况。
发明内容
鉴于上述问题，做出了本发明，并且因此本发明的目的在于以低成本提供一种照明装置，该照明装置通过减小从激光照射装置发出的激光的相干性，能够确保对眼睛的安全性。
为了实现上述目的，根据本发明，提出了一种照明装置，通过利用来自激光照射装置的激光照射荧光物质来激励荧光物质，以发出用作照明光的可见光，该照明装置包括激光的光轴上以及光轴周围的光散射材料。
利用光散射材料的这种布置，光散射材料透射激光，以按照随机方向散射光，并且减小激光的相干性，从而防止具有高相干性的光泄露到外部。另外，将光散射材料放置到激光的光轴上和周围，使得即使在激光的光轴或者荧光物质位置移动时激光也必定会透射通过光散射材料，从而增加安全性。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，激光在激励荧光物质之后透射通过光散射材料。利用这种结构，激光激励荧光物质减小相干性，然后透射通过光散射材料，沿随机方向散射并且进一步减小了相干性，从而防止了具有高相干性的光泄露到外部。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，激光在透射通过光散射材料之后激励荧光物质。利用这种结构，激光透射通过光散射材料，沿随机方向散射以减小相干性，然后激励荧光物质以进一步减小相干性，从而防止了具有高相干性的光泄露到外部。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，将光散射材料和荧光物质彼此分离地放置。利用这种结构，激光通过光散射材料，并且在激励荧光物质之前发射到空间中。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，将光散射材料和荧光物质彼此紧密接触地放置。利用这种结构，激光通过光散射材料，并且激励荧光物质而不会发射到空间中。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，光散射材料的表面具有尺寸上小于激光波长的凸起和凹陷。利用这种结构，可以抑制在光散射材料的表面上反射的激光。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，将荧光物质放置在金属板上。利用这种结构，通过使用金属板可以积极地耗散从荧光物质产生的热。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，激光照射装置包括：多个半导体激光器元件，用于发出激光；以及聚光构件，用于将从多个半导体激光器元件中每一个发出的激光收集到荧光物质上。利用这种结构，可以增加激光的亮度，从而增加照明装置的亮度。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，激光照射装置包括：光源，用于发出激光；以及光导构件，用于将从光源发出的激光引导至荧光物质；将光散射材料放置为与光导构件的输出端紧密接触。
利用这种结构，集成了光导构件和光散射材料。因此，即使当荧光物质位置移动时，从光导构件发出的激光必然会透射通过光散射材料。结果，可以可靠地防止从光源发出的激光在维持高相干性的同时泄露到外部。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，将荧光物质放置为与光散射材料的外侧紧密接触。
利用这种结构，集成了光导构件、光散射材料和荧光物质。因此，即使当荧光物质位置移动时，激光的光轴跟随荧光物质的位移，并且因此光导构件和光散射材料也移动位置。结果，从光导构件发出的激光必然会透射通过光散射材料，并且激励荧光物质。因此，可以更加可靠地防止从光源发出的激光在维持高相干性的同时泄露到外部。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，光散射材料是其中散布了光散射颗粒的玻璃或树脂。利用这种结构，由于作为散布介质的玻璃或树脂与作为散布体的光散射颗粒之间的折射率差，从激光照射装置发出的激光被折射和散射，并且以随机相位出射到外部，从而减小了相干性。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，光散射材料包括其中散布光散射颗粒的流体和用于容纳流体的透明容器。利用这种结构，流体中的光散射颗粒利用布朗运动随时间摆动，这在利用动态波动减小激光的相干性方面是有效的。
另外根据本发明，在如上所述配置的照明装置中，使得透明容器紧密接触荧光物质。利用这种结构，从被激励的荧光物质产生的热作为热能通过透明容器传送到流体，从而促进了流体中光散射颗粒的布朗运动。
另外根据本发明，如上所述配置的照明装置还包括：流体的循环路径；以及泵，设置在循环路径途中。利用这种结构，由于流动，循环通过循环路径的流体的局部折射率随时间波动，干扰了通过光散射材料的激光的相位，这在减小激光的相干性方面是有效的。另外，利用与荧光物质紧密接触的透明容器，从荧光物质产生的热可以通过循环流体传送，同时获得了冷却荧光物质的效果。
根据本发明，光散射材料透射激光，按照随机方向散射光并且减小了激光的相干性，从而防止了具有高相干性的光泄露到外部。另外，将光散射材料放置在激光的光轴上以及周围。因此，即使当激光的光轴或者荧光物质位置移动时，激光必然会透射通过光散射材料。结果，可以低成本提供能够确保眼睛安全的照明装置。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明第一实施例的照明装置结构的侧视截面图。
图2是示意性地示出根据本发明第二实施例的照明装置结构的侧视截面图。
图3是示意性地示出根据本发明第三实施例的照明装置结构的侧视截面图。
图4是示出了在根据第三实施例的照明装置中使用的光散射材料的透视图。
图5是示意性地示出根据本发明第四实施例的照明装置结构的侧视截面图。
图6是示出了在根据第四实施例的照明装置中使用的光散射材料的透视图。
图7是示意性地示出根据本发明第五实施例的照明装置结构的侧视截面图。
图8是由图7的虚线包围的部分(部分P)的放大图。
图9是沿图8的x-x线得到的截面图。
图10是示意性地示出根据本发明第六实施例的照明装置结构的侧视截面图。
图11是由图10的虚线包围的部分(部分Q)的放大图。
图12是沿图11的y-y线得到的截面图。
图13是示意性地示出根据本发明第七实施例的照明装置结构的侧视截面图。
图14是示出了根据第七实施例的照明装置中的荧光物质单元的侧视截面图。
图15A是荧光物质单元的侧视截面图，示出了光散射材料对于用来激励荧光物质的光的效果，以及图15B是荧光物质单元的侧视截面图，示出了光散射材料对于从荧光物质发出的光的效果。
图16是荧光物质单元的侧视截面图，示出了金属板和光散射材料对于从荧光物质产生的热的效果。
图17是示意性地示出根据本发明第八实施例的照明装置结构的侧视截面图。
具体实施方式
随后将参考附图描述本发明的实施例。
<第一实施例>
参考图1，描述了本发明的第一实施例。图1是示意性地示出根据第一实施例的照明装置结构的侧视截面图。
如图1所示，根据本发明的照明装置(由1表示)包括激光照射装置2、以来自激光照射装置2的激光照射的荧光物质3以及放置在激光的光轴L上以及光轴L周围的光散射材料4。照明装置1通过激光激励荧光物质3，以将激光转换为用作照明光的可见光(例如，白光)。例如，照明装置1用作汽车前照灯。
反射镜5具有用于将由荧光物质3转换的可见光向前反射(向图1页面的右侧)的凹部5a，并且反射镜5例如是由金属制成的抛物面镜。在反射镜5的顶点周围的区域中形成多个(在该实施例中是3个)通孔5b，以允许来自反射镜5外部的激光通过通孔5b照射凹部5a中的荧光物质3。可选地，可以通过用具有较高反射率的金属薄膜(例如银或铝)涂覆由树脂制成的主体来获得反射镜5。涂覆不需要覆盖主体的整个表面，但是需要至少覆盖构成凹部5a的表面(反射表面)。
激光照射装置2包括：多个(在该实施例中是三个)半导体激光器元件2a，用于发射激光；以及多个准直透镜2b，与半导体激光器元件2a相应地设置，用于将从半导体激光器元件2a发出的激光转换成平行光线。当半导体激光器元件2a直接发出令人满意的平行光线时，不必设置准直透镜2b。
在本申请中，激光的“光轴”并不意味着实际发出的激光的轨迹，而是意味着从激光照射装置2发出的激光的轨迹延伸的线。另外，“准直器”是光学仪器的生产和调整所用的光学元件，用来产生平行光线。另外，“荧光物质”意味着通过按照某种方式将荧光材料的颗粒处理成体材料形式或者将荧光材料的颗粒散布到体材料中而获得的产品，例如将荧光材料的颗粒混合到玻璃树脂等中并且固化混合物，将荧光材料的颗粒混合到粘合剂中并且涂覆混合物，或者通过烧结或者挤压来固化荧光材料的颗粒。
在该实施例中，例如，使用三个半导体激光器元件2a(总输出：3W)，每一个半导体激光器元件均具有1W的输出，且发出具有405nm波长的激光(蓝紫光)，并且通过准直透镜2b将激光转换为平行光线，使得这三束平行光线在荧光物质3的后表面上交叉。这样，可以用具有高亮度的激光集中照射荧光物质3，来激励荧光物质3。
例如，荧光物质可以是Ce3+-激活α-SiAlON和CaAlSiN3:Eu2+的复合材料。荧光物质3的外形理想地是关于中心轴对称的形状，并且可以采用圆柱状、纺锤状和方柱状等。当荧光物质3被具有405nm波长的蓝紫激光激励时，前一种材料发出蓝绿光而后一种材料发出红光，它们混合在一起从而发出白色的荧光。通过固定装置(未示出)将荧光物质3固定到反射镜5的凹部5a的焦点处，使得通过反射镜5将来自荧光物质3的荧光向前投射。
通过装配到反射镜5，附上由透明树脂制成的、用于覆盖反射镜5的前端面的盖子6。盖子6具有防止灰尘等进入反射镜5的功能。优选地，盖子6的形状是与反射镜5的前端面的圆周相对应的圆盘。然而，本发明不局限于此，并且可以采用任意形状。
光散射材料4是本发明的特征要素，功能是沿随机方向散射光并减小激光的相干性。
用粘合剂将光散射材料4附着到盖子6的背面，以便定位于荧光物质3的前面。通过光散射材料4的这种位置，激光激励荧光物质3减小相干性，并且然后透射通过光散射材料4以沿随机方向散射并且进一步减小相干性。因此，防止具有高相干性的光泄露到外部。粘合剂可以是固化之后透明的已知粘合剂。可选地，可以通过粘合剂将光散射材料4附着到盖子6的前表面。盖子6兼具保持光散射材料4的功能，并且因此不需要用于保持光散射材料4的部件。因此，可以避免用于保持光散射材料4的部件在反射镜5的凹部5a上投射不必要的阴影从而阻碍照明的缺点。
另外，将光散射材料4定位为其有效部分位于激光的光轴L上以及光轴L周围。通过光散射材料4的这种位置，即使当激光的光轴L或荧光物质3位置移动时，也可以避免激光在维持高相干性的同时泄露到外部。因此，可以以低成本提供能够确保眼睛安全性的照明装置1。
优选地，光散射材料4的外形是关于中心轴对称的，以便覆盖激光的光轴L或者荧光物质3在与中心轴垂直的平面上沿任意方向的位移，例如可以采用圆盘状、方板状等。光散射材料4与中心轴垂直的截面的面积应该大于等于荧光物质3与中心轴垂直的截面，以便覆盖超出激光的光轴L之外的荧光物质3的位移，并且优选地，截面面积的大小使得当从前面观看照明装置1时，荧光物质3隐藏在光散射材料4的内部。
在该实施例中，将光散射颗粒以高浓度均匀地散布到其中的玻璃用作光散射材料4。氧化硅颗粒(直接：1微米)可以适于用作光散射颗粒。将这种光散射颗粒散布在熔融的玻璃基材中，并且在模具中凝固为所需形状，从而产生光散射材料4。例如，光散射颗粒和玻璃基材的重量比是30％。利用这种光散射材料4，由于玻璃和氧化硅颗粒之间的折射率差，从激光照射装置2发出的激光被折射和散射，导致激光以随机相位出射到外部，并且因此减小了相干性。
如图1所示，可以将用于吸收具有405nm波长的激光且透射白光的滤波器7设置在盖子6的外表面上。滤波器7确保通过光散射材料4减小激光的相干性。没有散射材料4的情况下99％的激光由滤波器7吸收，而1％的激光不可避免地泄露到外部。例如，3W的激光输出导致30mW的泄露，当激光在维持高相干性的同时泄露时是危险的。在该实施例中，将光散射材料4定位在滤波器7后边。因此，激光透射通过光散射材料4被散射并充分地减小了相干性，然后通过滤波器7。这种所谓的双重安全措施可以百分百地防止激光的泄露。
<第二实施例>
接下来参考图2描述本发明的第二实施例。图2是示意性地示出根据第二实施例的照明装置结构的侧视截面图。在根据该实施例的照明装置中，与图1中所示根据第一实施例的照明装置中的部件类似的部件以相同的参考符号表示，并且省略其详细描述。
根据该实施例的照明装置(由1表示)包括反射镜5前端处圆周内侧的透镜8，来代替第一实施例的照明装置1的盖子6。透镜8不但具有控制待投射的荧光的立体角的功能，而且具有用于防止灰尘等进入反射镜5的盖子功能。图2中示出了凸透镜作为透镜8的示例。然而应该注意的是，取决于照明装置的用途和目的，可以使用凹透镜或者其他这种透镜。
与第一实施例类似，激光照射装置2包括：多个(在该实施例中是5个)半导体激光器元件2a，用于发出激光；以及多个准直透镜2b，与半导体激光器元件2a相应设置，用于将从半导体激光器元件2a发出的激光转换为平行光线。当半导体激光器元件2a直接发出令人满意的平行光线时，不必设置准直透镜2b。
在该实施例中，例如使用5个半导体激光器元件2a(总输出：2.5W)，每一个半导体激光器元件具有0.5W输出且发出具有450nm波长的激光(蓝光)，并且通过准直透镜2b将激光转换为平行光线，使得这五束平行光线在荧光物质3的后表面上交叉。这样，可以用具有高亮度的激光集中照射荧光物质3，来激励荧光物质3。
在反射镜5的顶点周围的区域中形成多个(在该实施例中是5个)通孔5b，以允许来自反射镜5外部的激光通过通孔5b照射凹部5a中的荧光物质3。
例如，荧光物质3的材料可以是(Y，Gd)3Al5O12:Ce。荧光物质3的外形理想地是关于中心轴对称的形状，并且可以采用圆柱状、纺锤状、方柱状等。当荧光物质3被具有450nm波长的蓝激光激励时，材料发出黄光与多余的蓝光混合，从而发出白色的荧光。通过固定装置(未示出)将荧光物质3固定到反射镜5的凹部5a中的焦点处，使得通过反射镜5将来自荧光物质3的荧光向前投射。
用粘合剂将光散射材料4附着到透镜8的背面，以定位于荧光物质3前面处于激光光轴L上以及光轴L周围。粘合剂可以是固化后透明的已知粘合剂。可选地，可以通过粘合剂将光散射材料4附着到透镜8的前表面上。透镜8兼具保持光散射材料4的功能，因此不需要用于保持光散射材料4的部件。因此，可以避免用于保持光散射材料4的部件在反射镜5的凹部5a上投射不必要的阴影从而阻碍照明的缺点。
在该实施例中，将光散射颗粒以高浓度均匀地散布到其中的树脂用作光散射材料4。具体地，可以适当地使用其中散布有氧化钛颗粒(直径：2微米)的硅树脂。将这种光散射颗粒散布在熔融的玻璃基材中，并且在模具中凝固为所需形状，从而产生光散射材料4。例如，光散射颗粒和玻璃基材的重量比是30％。利用这种光散射材料4，由于玻璃和氧化钛颗粒之间的折射率差，从激光照射装置2发出的激光被折射和散射，导致激光以随机相位出射到外部，并且因此减小了相干性。
根据该实施例的光散射材料4，由于硅树脂和氧化钛颗粒之间的折射率差，从激光照射装置2发出的激光被折射和散射，导致激光以随机相位出射到外部，并且因此减小了相干性。
与第一实施例类似，可以将具有吸收激光功能的滤波器设置在透镜8的前表面上。
<第三实施例>
接下来参考图3和图4描述本发明的第三实施例。图3是示意性地示出根据第三实施例的照明装置结构的侧视截面图，图4是示出了在照明装置中使用的光散射材料的透视图。在根据该实施例的照明装置中，与图1中所示根据第一实施例的照明装置的部件类似的部件由相同的参考符号表示，并且省略其详细描述。
在该实施例中，激光照射装置2包括：多个(在该实施例中是3个)半导体激光器元件2a，用于发出激光；多个准直透镜2b，与半导体激光器元件2a相应设置，用于将从半导体激光器元件2a发出的激光转换为平行光线；以及会聚透镜2c，与半导体激光器元件2a和准直透镜2b相应设置，用于收集转换为平行光线的激光。当半导体激光器元件2a直接发出令人满意的平行光线时，不必设置准直透镜2b。
在该实施例的激光照射装置2中，会聚透镜2c收集激光，并且因此激光在透射通过会聚透镜2c之后不再是平行光线，而是会聚到荧光物质的光线。与上述实施例不同，照射荧光物质的激光不是平行光线。因此，如果激光通过荧光物质，那么激光将发散。在本申请中，即使当在这种情况下激光不是平行光线时，仍以词语“光轴”广义地表达相干光发散的范围。
在包括反射镜5顶点以及在其周围的区域中形成通孔5b，以允许来自反射镜5外部的激光通过通孔5b照射凹部5a中的荧光物质3。
在该实施例中，如图3和图4所示，光散射材料4包括其中散布了光散射颗粒的流体4a和用于容纳流体4a的透明容器4b。例如，可以适当地使用包含高浓度氧化硅颗粒的硅油(silicone oil)作为其中散布光散射颗粒的流体4a。可以适当地使用圆盘状的透明玻璃容器作为透明容器4b。
将光散射材料4定位于由W表示的相干光发散的范围中及其周围，并且位于荧光物质3前面，使得透明容器4b与荧光物质3的前表面紧密接触。对于透明容器4b和荧光物质3之间的紧密接触，优选地是使用粘合剂以便不会在反射镜5的凹部5a中投射不必要的阴影。粘合剂可以是固化后透明的已知粘合剂。
根据该实施例的光散射材料4，流体4a中的光散射颗粒可以利用布朗运动随时间摆动，这在利用动态波动减小通过光散射材料4的激光的相干性方面是有效的。利用与荧光物质3紧密接触的透明容器4b，将从受激荧光物质3发出的热作为热能通过透明容器4b传递到流体4a，从而促进了流体4a中的光散射颗粒的布朗运动。
与第一实施例类似，可以将盖子设置在反射镜5的前端面上，并且还可以将用于吸收激光的滤波器设置在盖子上。
<第四实施例>
接下来参考图5和图6描述本发明的第四实施例。图5是示意性地示出根据第四实施例的照明装置结构的侧视截面图，图6是示出了在照明装置中使用的光散射材料的透视图。在根据该实施例的照明装置中，与图3和4所示根据第三实施例的照明装置的部件类似的部件由相同的参考符号表示，并且省略其详细描述。
与第三实施例类似，激光照射装置2包括：多个(在该实施例中是3个)半导体激光器元件2a，用于发出激光；多个准直透镜2b，与半导体激光器元件2a相应设置，用于将从半导体激光器元件2a发出的激光转换为平行光线；以及会聚透镜2c，与半导体激光器元件2a和准直透镜2b相应设置，用于收集转换为平行光线的激光。当半导体激光器元件2a直接发出令人满意的平行光线时，不必设置准直透镜2b。
在该实施例的激光照射装置2中，会聚透镜2c收集激光，并且因此激光在透射通过会聚透镜2c之后不再是平行光线，而是会聚到荧光物质的光线。与上述实施例不同，照射荧光物质的激光不是平行光线。因此，如果激光通过荧光物质，那么激光将发散。在本申请中，即使在这种情况下激光不是平行光线时，仍以词语“光轴”广义地表达相干光发散的范围。
与第三实施例类似，如图5和图6所示，光散射材料4包括其中散布了光散射颗粒的流体4a和用于容纳流体4a的透明容器4b。例如，可以适当地使用包含高浓度氧化硅颗粒的硅油作为其中散布光散射颗粒的流体4a。可以适当地使用圆盘状的透明玻璃容器作为透明容器4b。
将光散射材料4定位于由W表示的相干光发散的范围中及其周围，并且位于荧光物质3前面，使得透明容器4b与荧光物质3的前表面紧密接触。对于透明容器4b和荧光物质3之间的紧密接触，优选地是使用粘合剂以便不会在反射镜5的凹部5a中投射不必要的阴影。粘合剂可以是固化后透明的已知粘合剂
在该实施例中，如图5所示，构成闭合回路的管道9与透明容器4b的上端和下端相连，从而形成流体4a的循环路径。另外，将作为动力源的泵10设置在循环路径途中，使得泵10驱动流体4a在循环路径中循环。
根据该实施例的光散射材料4，由于通过循环路径9循环的流体4a的流动，流体4a中的光散射颗粒在局部折射率上随时间波动，干扰了通过光散射材料4的激光的相位，这在减小激光相干性方面是有效的。另外，利用与荧光物质3紧密接触的透明容器4b，从荧光物质3产生的热可以通过循环硅油传送，同时获得冷却荧光物质3的效果。因此，可以抑制荧光物质3随时间的变化以延长寿命。
与第一实施例类似，可以将盖子设置在反射镜5的前端面上，并且还可以将用于吸收激光的滤波器设置在盖子上。
<第五实施例>
接下来参考图7至图9描述本发明的第五实施例。图7是示意性地示出根据第五实施例的照明装置结构的侧视截面图，图8是由图7的虚线包围的部分(部分P)的放大图，图9是沿图8的x-x线得到的截面图。在根据该实施例的照明装置中，与图1和图2所示根据第一实施例的照明装置的部件类似的部件由相同的参考符号表示，并且省略其详细描述。
在根据该实施例的照明装置1中，激光照射装置2包括：多个(在图7的实施例中是3个)半导体激光器元件(光源)2a，用于发出激光；多个准直透镜2b，与半导体激光器元件2a相应设置，用于将从半导体激光器元件2a发出的激光转换为平行光线；以及光纤2d，与半导体激光器元件2a和准直透镜2b相应设置，用于引导和发射转换为平行光线的激光。光纤2d是光导构件的示例，光导构件用于将从半导体激光器元件2a发出的激光引导和发射到荧光物质3，并且光导构件不局限于光纤。
如图8和9所示，光纤2d可以是已知结构的光纤，包括核心处的纤芯2e和覆盖纤芯2e外围的包层2f。在光纤2d的这种结构中，在从纤芯2e的一端(输入端)进入之后，激光在纤芯2e和包层2f之间的边界处反射的同时在纤芯2e内传播，从纤芯2e的另一端(输出端)发射。
如图8所示，将光散射材料4放置为与光纤2d的输出端紧密接触，以便将其定位于荧光物质3后面(图7的页面左侧)。利用光散射材料的这种结构，激光透射通过光散射材料4，按照随机方向散射并且减小了相干性，然后激励荧光物质3。因此，如果由于部件随时间的变化或变形、外部压力或碰撞等而导致激光照射装置的光学元件变得不对准，或者如果由于部件随时间的变化或变形、外部压力或碰撞等而导致荧光物质位置移动，来自半导体激光器的激励光相干性较低，并且因此防止了具有高相干性的光泄露到外部。
对于光纤2d和光散射材料4之间的紧密接触，优选地是使用由金属制成的金属箍(ferrule)12。在图8中，为了描述方便，将三根光纤2d示出为在输出端处垂直排列，但是实际上如图9所示，通过圆柱形金属箍12将光纤2d尽可能靠近地捆扎在一起，以当沿截面线x-x观看时形成一捆。通过这样将光散射材料4与光纤2d集成，可以将光纤2d固定到将光从半导体激光器元件2a可靠地引导到荧光物质3的位置，并且同时，可以将光散射材料4固定到从光纤2d发出的激光必定通过光散射材料4的位置。
将光散射材料4定位为其有效部分位于激光的光轴L上以及在光轴L周围。在该实施例中，激光的“光轴”是由从每一光纤2d的输出端处的中心轴延伸的线所表示的线，并且光轴不必与所发出的激光实际占据的轨迹相一致。
应该注意的是，通过固定装置(未示出)将凹面的副反射镜11固定在反射镜5的凹部5a中荧光物质3的前面。副反射镜11是半球形镜。这样，可以通过副反射镜11将从荧光物质3向前发射的荧光反射回荧光物质3，并且因此可以再利用沿与反射镜5相反的方向发射的荧光。优选地，副反射镜11尺寸较小，以便尽可能不阻碍从反射镜5投射的光。
在该实施例中，将光散射材料4放置为与在反射镜5的凹部5a中的焦点处保持的荧光物质3相分离。因此，从光纤2d发出的激光通过光散射材料4，并且在激励荧光物质3之前发射到空间中。
如上述实施例所述，光散射材料4可以适当地是从其中散布光散射颗粒的玻璃或树脂中选择的材料，或者是包含其中散布光散射颗粒的流体的透明容器。
通过光纤2d传播的光基本上保持与从半导体激光器元件2a发出的激光的相干性相当的高相干性，但是可以通过透射过光散射材料4来减小相干性。激光在减小相干性之后不会改变波长，通过调节半导体激光器元件2a的数目和光散射材料4的长度可以抑制亮度的减小。因此，可以用激光照射设置在光散射材料4外部的荧光物质3以发射足够亮度的光。
根据该实施例的照明装置，作为光导构件的柔性光纤2d用于将从作为光源的半导体激光器元件2a发出的激光引导至荧光物质3。因此，与其中使用会聚透镜来将激光收集到荧光物质3上的第一至第四实施例的情况相比较，优点在于不要求光学元件的精确位置对准。另外，在设计照明装置时，增加了布置半导体激光器元件2a的灵活性，从而扩展了照明装置的应用如远程照明。
应该注意的是，与第一实施例类似，可以将盖子设置在反射镜5的前端面上，并且还可以将用于吸收激光的滤波器设置在盖子上。
<第六实施例>
接下来参考图10至图12描述本发明的第六实施例。图10是示意性地示出根据第六实施例的照明装置结构的侧视截面图，图11是由图10的虚线包围的部分(部分Q)的放大图，图12是沿图11的y-y线得到的截面图。在根据该实施例的照明装置中，与图7至图9所示根据第五实施例的照明装置的部件类似的部件由相同的参考符号表示，并且省略其详细描述。
在根据该实施例的照明装置1中，与第五实施例类似，激光照射装置2包括：多个(在图10的实施例中是3个)半导体激光器元件(光源)2a，用于发出激光；多个准直透镜2b，与半导体激光器元件2a相应设置，用于将从半导体激光器元件2a发出的激光转换为平行光线；以及光纤2d，与半导体激光器元件2a和准直透镜2b相应设置，用于引导和发射转换为平行光线的激光。光纤2d是光导构件的示例，光导构件用于将从半导体激光器元件2a发出的激光引导和发射到荧光物质3，并且光导构件不局限于光纤。
如图11和12所示，在反射镜5的凹部5a的焦点处保持的荧光物质3在背部中央包括与光散射材料4的外形相对应的腔体部分3a。将腔体部分3a的轴向长度设置为大于光散射材料4的轴向长度。
如图10和11所示，将光散射材料4放置为与光纤2d的输出端紧密接触。通过将光散射材料4保持为与光纤2d的输出端紧密接触、然后将光散射材料4和光纤2d插入到荧光物质3的腔体部分3a中，来完成光纤2d和光散射材料4的固定。如图11所示，覆盖光散射材料4的荧光物质3的外形希望是球形，使得可以沿所有方向向周围发射荧光。然而，外形可以是关于中心轴对称的形状，并且例如可以采用圆柱状、方柱状等。
应该注意的是，在该实施例中，光散射材料4相对于荧光物质3的前后位置关系可能看起来不清楚，但是考虑到光散射材料4在激励荧光物质3之前减小激光相干性的功能，与第五实施例类似，可以将光散射材料4看作是定位于荧光物质3后面。
在该实施例中，将光散射材料4放置为与在反射镜5的凹部5a中的焦点处保持的荧光物质3紧密接触。因此，从光纤2d发出的激光通过光散射材料4，并且激励荧光物质3，而不会发射到空间中。另外，由于荧光物质3覆盖从光散射材料4的外围表面到前表面的较宽范围，整个激光可以照射荧光物质3。
如上述实施例所述，光散射材料4可以适当地是其中散布了光散射颗粒的玻璃或树脂，或者是包含其中散布了光散射颗粒的流体的透明容器。
根据该实施例的照明装置，集成了光纤2d、光散射材料4和荧光物质3。因此，即使当荧光物质3位置移动时，激光的光轴L跟随荧光物质3的位移，并且因此光纤2d和光散射材料4d也移动位置。结果，从光纤2d发出的激光必然透射通过光散射材料4，并且激励荧光物质3，从而可靠地防止了从半导体激光器元件2a发出的激光在维持高相干性的同时泄露到外部。另外采用了这样一种结构，其中如果荧光物质3由于部件随时间的变化或变形、外部压力或碰撞等而退化或损耗时，通过在光纤2d的输出端处设置的光散射材料4可靠地减小了激光的相干性，从而防止了具有高相干性的光泄露到外部。
<第七实施例>
接下来参考图13至16描述本发明的第七实施例。图13是示意性地示出根据第七实施例的照明装置结构的侧视截面图。图14是示出了第七实施例的照明装置中所包括的荧光物质单元的侧视截面图。在根据该实施例的照明装置中，与图7至图9所示根据第五实施例的照明装置的部件类似的部件由相同的参考符号表示，并且省略其详细描述。
在该实施例中，如图13所示，将具有深凹部5a的抛物面镜用作反射镜5。具有深凹部5a的抛物面镜具有焦点更靠近顶点的特征。这一特征提供以下优点：即使当荧光物质3位于反射镜5的顶点附近时，也可以有效地提取平行光线。特别地，当荧光物质3位于反射镜5的顶点处时，可以通过反射镜5本身保持荧光物质3，从而不需要单独的保持构件，并且不会在凹部5a中投射不必要的阴影。
另一个特征是反射表面从顶点急剧地上升。这种特征提供以下优点：可以拉长反射镜5的外形。拉长的反射镜5具有的侧表面部分的倾斜与中心轴Z近似平行，并且因此在允许激光从侧表面外部以锐角入射角进入到顶点时是有用的。这样，与其中在荧光物质3后面形成穿过反射镜5的通孔5b的第一至第六实施例不同(参见图1、2、3、5、7和10)，在该实施例中，如图13所示，在荧光物质3前面形成了通孔5b。
在反射镜5的顶点处以及顶点周围打开圆形安装孔5c，并且将下面将要描述的荧光物质单元14如图所示安装到安装孔5c，其中荧光物质单元14通过在金属板13上集成荧光物质3和光散射材料4而获得。
在根据该实施例的照明装置1中，放置在反射镜5外部的激光照射装置2包括：多个(例如10个)半导体激光器元件(光源)2a，用于发出激光；多个准直透镜2b，与半导体激光器元件2a相应设置，用于将从半导体激光器元件2a发出的激光转换为平行光线；多根光纤2d，与半导体激光器元件2a和准直透镜2b相应设置，用于引导和发射转换为平行光线的激光；会聚透镜2e，用于将从多根光纤2d发出的多个激光束收集为平行光线；以及反射器2f，用于反射所收集的光。当半导体激光器元件2a直接发出令人满意的平行光线时，不必设置准直透镜2b。
将会聚透镜2e放置为与从成捆的光纤2d的输出端发出的激光的光轴L1成直角。将反射器2f相对于反射镜5中的通孔5b定位于前部。设置反射器2f与垂直轴的倾角(由图13中的参考符号α表示)，使得所反射的激光的光轴L2穿过反射镜5中的通孔5b指向反射镜5的顶点。
将荧光物质3固定到金属板13上，并且将光散射材料4形成为覆盖荧光物质3表面的层。在该实施例中，将荧光物质3和光散射材料4集成地设置在金属板13上的这种结构称作荧光物质单元(由符号14表示)。
接下来，参考图14具体描述荧光物质单元14的结构。
可以适当地使用诸如铜或铝之类的具有良好导热性的金属作为金属板13的材料。金属板13可以采用诸如圆形或矩形之类的任意平面形状，其厚度没有特殊限制。然而，因为金属板13具有传导从荧光物质3产生的热并且将热耗散到空气中的功能，金属板13需要具有一定的面积和厚度。另外，优选地，提高金属板13的放置了荧光物质3的表面的反射率(例如，镜面精加工)，使得可以反射和再利用从荧光物质3发射到金属板13的荧光。
可以适当地使用其中均匀散布上述荧光材料粉末的透明树脂作为荧光物质3的材料。透明树脂可以适当地是UV-固化粘合剂。例如，荧光材料和透明树脂的重量比是30％。在该实施例中，将其中混合了荧光材料粉末的粘合剂涂覆到金属板13上并且进行固化。例如，荧光物质直径为3mm，厚度为0.2mm。应该注意的是，荧光物质3可以采用任意外形如圆柱状或圆锥状。然而在该实施例中，希望采用的形状至少具有用作固定表面的表面，因为需要将荧光物质3固定到金属板13上。
光散射材料4可以适当地是玻璃基材，在玻璃基材中以30％的重量比均匀地散布了具有1至50μm直径的氧化钛颗粒作为光散射颗粒。将光散射材料4放置为荧光物质3的整个表面(在圆柱状的情况下，是上表面和侧表面)上的层。例如，将光散射材料4的层厚设置为0.5mm。
在该实施例中，如图13所示，激光从形成为荧光物质3表面上的层的光散射材料4的外部进入荧光物质3以激励荧光物质3，荧光物质3发出荧光，荧光从光散射材料4的表面提取。因此，光散射材料4的表面对于激光和荧光理想地是非反射的。因此如图14所示，在光散射材料4的整个表面上形成用于减小表面反射的微小凸起和凹陷4c。
需要设置凸起和凹陷4c的尺寸，使得平面内任意两个相邻凸起之间的距离(两个相邻凹陷之间的距离)(在下文中称作“凸起和凹陷的间隔”，并且在图14中用参考符号p表示)以及凸起的高度(凹陷的深度)(在图14中由参考符号h表示)比激光和荧光的波长小。通过在光散射材料4的表面上形成尺寸小于波长的这种凸起和凹陷结构，可以在光散射材料4表面处将光散射材料内部和外部介质(在该实施例中分别是玻璃和空气)之间的折射率变化调节为适度变化，从而几乎不会发生表面反射。
在该实施例中，凸起和凹陷的间隔(p)是约100nm，凸起采用约150nm的高度(h)。同时，激光的光谱在405nm处具有单独的强峰，荧光的光谱具有420nm至800nm的较宽波长范围。因此，凸起和凹陷4c尺寸的上述示例相对于激光和荧光的波长足够小。
可以按照规则的间隔(图14的p和h的维度均匀)形成或者随机(图14的p和h的维度非均匀)形成凸起和凹陷4c。由于凸起和凹陷的间隔非常小，按照规则的间隔形成凸起和凹陷比随机形成凸起和凹陷更加易于实现具有对激光和荧光非反射的所需特性的结构。
可以使用各种方法来生产这种荧光物质单元14，并且可以采用以下方法作为示例。具体地，将其中混合了荧光材料粉末的UV-固化粘合剂涂覆到金属板13上，以便形成所需形状(在该实施例中是圆柱状)。然后，用紫外光线照射UV-固化树脂来进行固化。利用这种方法，容易形成将具有所需形状的荧光物质3固定到金属板13上的结构。然后，将低熔点玻璃粉末和氧化钛粉末放到荧光物质3的暴露表面上，并且加热到600℃来熔融玻璃，并且当玻璃流扩散到整个表面上时停止加热以使玻璃凝固。利用这种方法，易于形成将光散射材料4形成为荧光物质3表面上的层的结构。
将如上构建的荧光物质单元14固定到反射镜5上，使得如图13所示，将荧光物质部分从反射镜5后面插入到安装孔5c中，并且金属板13的表面配置为与反射镜5的中心轴Z实质上正交。可以通过用粘合剂将荧光物质部分装配或者附着到安装孔5c、或者通过使用诸如螺钉之类的固定构件将金属板部分固定到反射镜5的外表面部分，来将荧光物质单元14固定到反射镜5。
在该实施例中，如在第五和第六实施例中那样(参见图7和图10)，激光在透射通过光散射材料4之后激励荧光物质3。
接下来参考图15A、15B和16，描述荧光物质单元14的效果。图15A是该实施例的荧光物质单元的侧视截面图，示出了光散射材料对于用来激励荧光物质的光(在下文中有时也称作“激励光”)的效果，图15B是示出了光散射材料对于从荧光物质发出的光(在下文中有时也称作“荧光”)的效果的侧视截面图。图16是该实施例的荧光物质单元的侧视截面图，示出了金属板和光散射材料对于从荧光物质产生的热的效果。
如图15A的箭头A1所示，调节激光(在该实施例中，具有405nm波长的蓝紫激光)的方向，使其光轴实质上碰撞荧光物质3的上表面中心。由于将光散射材料14形成为荧光物质3表面上的层，激光不会直接进入荧光物质3，而是从光散射材料4的表面进入内部。在这种情况下，由于在光散射材料4的表面上设置的尺寸小于激光波长(即，图14的维度p和h小于激光的波长)的凸起和凹陷4c，激光几乎不会在光散射材料4的表面上反射(反射率：小于0.1％)，并且实质上全部进入光散射材料4内部。
在进入光散射材料4内部之后，如图15A的箭头A2所示，激光被光散射材料4中的散射颗粒散射，然后进入荧光物质3。在这种情况下，利用散布在光散射材料4中的尺寸大于波长的光散射颗粒(氧化钛颗粒)，将进入光散射材料4内部的激光多次散射。这减小了激光的相干性。这种散射的激励光减小了相干性，但是维持了原始激光的波长。因此，激励光进入荧光物质3以激励荧光物质3中的荧光材料。
荧光物质3被激光激励，发出白色的荧光。此时，如图15B所示，如同激励光的情况，通过光散射材料4中的光散射颗粒将白色的荧光多次散射。散射的荧光到达在荧光物质3的上表面和侧表面上设置的光散射材料4的表面。传播到荧光物质3的底部表面的荧光大多数被金属板13反射，并且也到达光散射材料4的表面。在这种情况下，由于光散射材料4的表面上设置的尺寸小于激光波长(即，图14的维度p和h小于激光的波长)的凸起和凹陷4c，荧光几乎不会在光散射材料4的表面上反射(反射率：小于0.1％)，并且实质上全部发射到光散射材料4外部。发出的荧光被反射镜5反射(参见图13)以作为平行光线向前投射。
同时，受激励的荧光物质3产生非常高密度的热。尤其是当照明装置1是为了获得高亮度时，荧光物质3需要足够小到能看作是点光源。然而在这种情况下，小荧光物质3可以达到几百摄氏度的温度，因此需要散热结构来有效地耗散荧光物质3的热。
在该实施例中，如图16所示，荧光物质3的底部表面与具有良好导热性的金属板13热接触。因此，如图16的箭头B1所示，荧光物质3的热传导至金属板13，以便从金属板13的表面有效地耗散到空气中。另外，如果覆盖荧光物质3表面的光散射材料4的热导率没有金属高，但比空气高。因此如箭头B2所示，荧光物质3的一部分热也传导到光散射材料4，以通过光散射材料4耗散掉。换句话说，光散射材料4对于荧光物质3的散热有贡献。荧光物质3形成的足够薄，以避免在其中堆积热，因此可以有效地将热从荧光物质3的表面传导至金属板13和光散射材料4。
根据该实施例的照明装置，激光在激励荧光物质3之前进入具有微小凸起和凹陷4c的光散射材料4。因此，除了以上在第一至第六实施例中所述的通过光散射材料4中的光散射颗粒的散射效应来减小相干性的效果之外，可以抑制在光散射材料4的表面处反射的激光。因此，可靠地防止了激光的泄露，从而大大增加了对眼睛的安全性。如图13所示，激光相对于中心轴Z倾斜进入。然而，由于尺寸明显大于荧光物质3的光散射材料4覆盖荧光物质3，即使当激光照射装置2变得不对准、且激光的光轴L2位移一定程度时，激光被反射镜5直接反射而原样出射到外部的可能性较小。
另外，根据该实施例的照明装置，通过使用金属板13，将从荧光物质3产生的热积极地耗散掉。因此，可以抑制荧光物质3随时间的退化或烧灼。此外，将金属板13暴露到反射镜5外部的空间，以避免在凹部5a中堆积热，这在使用如图13所示的具有深凹部5a的反射镜5的情况下是合适的。
另外，根据该实施例的照明装置，其中使用将荧光物质3与光散射材料4集成到金属板13上的荧光物质单元14，这增加了处理光散射材料4的便利性。此外，可以将这些部件按单元拆分，以节省交换这些部件的时间和精力。
<第八实施例>
接下来参考图17描述本发明的第八实施例。图17是示意性地示出根据第八实施例的照明装置结构的侧视截面图。在根据该实施例的照明装置中，与图16所示根据第七实施例的照明装置的部件类似的部件由相同的参考符号表示，并且省略其详细描述。
在该实施例中，如图17所示，通过沿穿过中心轴Z的平面将抛物面镜(参见图13)一分为二获得具有如此形状的半反射器。半反射器具有反射表面的一半面积。然而，当由具有通过中心轴Z的平面的板状支架(参见图17的金属板13)支撑反射镜5时，焦点位于支架上。因此，易于将荧光物质3支撑在焦点处而无需使用单独的保持构件。在该实施例中，将构成荧光物质单元14的金属板13用作支架。
根据该实施例的照明装置，可以将荧光物质3放置到反射镜5的焦点处，从而改善平行光线的利用效率。这对于产生长距离传播而不发散的小光通量的束状光是有效的，尤其是在具有深凹部5a的抛物面镜的情况下。
另外，根据该实施例的照明装置，构成荧光物质单元14的金属板13可以具有较大的表面积而不会增加装置的尺寸，从而改进了荧光物质3的散热效率。
在上文中，已经参考具体实施例描述了根据本发明的照明装置。然而，本发明并不依赖于半导体激光器元件的类型、波长、输出、荧光物质的类型、荧光的波长或者将激光引导至荧光物质的方式。
例如，在上述实施例中，统一地使用具有相同本征波长的多个半导体激光器元件。然而，可以组合地使用具有不同本征波长的半导体激光器元件，以实现所要求的照明光色调。例如，对于半导体激光器元件可以使用405nm(蓝紫光)和650nm(红光)的两种类型本征波长，并且将SiAlON(蓝绿光)用于荧光物质。在这种情况下，具有405nm波长的激光激励SiAlON荧光物质以发射蓝绿光，并且以发出650nm波长的光的半导体激光器元件来补充较弱的红光。

Claims (16)

1.一种照明装置，通过利用来自激光照射装置的激光，照射荧光物质，来激励荧光物质，以发出用作照明光的可见光，该照明装置包括激光的光轴上以及光轴周围的光散射材料。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，激光在激励荧光物质之后透射通过光散射材料。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，激光在透射通过光散射材料之后激励荧光物质。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其中，将光散射材料和荧光物质彼此分离地放置。
5.根据权利要求3所述的照明装置，其中，将光散射材料和荧光物质彼此紧密接触地放置。
6.根据权利要求3所述的照明装置，其中，光散射材料的表面具有尺寸上小于激光波长的凸起和凹陷。
7.根据权利要求5所述的照明装置，其中，将荧光物质放置在金属板上。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其中，光散射材料的表面具有尺寸上小于激光波长的凸起和凹陷。
9.根据权利要求1所述的照明装置，其中，激光照射装置包括：多个半导体激光器元件，用于发出激光；以及聚光构件，用于将从所述多个半导体激光器元件中每一个发出的激光收集到荧光物质上。
10.根据权利要求3所述的照明装置，
其中，激光照射装置包括：光源，用于发出激光；以及光导构件，用于将从光源发出的激光引导至荧光物质；以及
其中，将光散射材料放置为与光导构件的输出端紧密接触。
11.根据权利要求10所述的照明装置，其中，将荧光物质放置为与光散射材料的外部紧密接触。
12.根据权利要求1所述的照明装置，其中，光散射材料包括其中散布了光散射颗粒的玻璃或树脂。
13.根据权利要求1所述的照明装置，其中，光散射材料包括其中散布光散射颗粒的流体和用于容纳所述流体的透明容器。
14.根据权利要求13所述的照明装置，其中，使透明容器紧密接触荧光物质。
15.根据权利要求13所述的照明装置，还包括：所述流体的循环路径；以及泵，设置在循环路径途中。
16.根据权利要求14所述的照明装置，还包括：所述流体的循环路径；以及泵，设置在循环路径途中。
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