CN103124514B - 具有荧光单元的颜色可调光源单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有可调光谱特性的光源单元（1），具有泵浦光源（2）和用于将泵浦光（3,5a‑5c）转换成用于对目标照明的转换光的荧光单元（6），其中，荧光单元（6）包括以不同方式与泵浦光交互的至少两个荧光单元部分（6），其中，所述光源单元（1）进一步包括偏光单元（4），例如，变焦透镜或可变衍射光栅，用于偏转泵浦光（3,5），以改变入射到荧光单元（6）上的泵浦光（5a‑5c）相对于不同荧光单元部分（6）的分布，从而改变从光源单元（1）发射的组合转换光束的光谱特性。

Description

具有荧光单元的颜色可调光源单元
技术领域
本发明涉及一种光源单元，包括用于发出泵浦光的泵浦光源和用于将所述泵浦光转换为转换光，用于进一步使用的荧光单元。
背景技术
在从用于外科手术区的照明系统、聚光灯和数据投影系统到用于医用和工业内窥镜检查的光纤照明的应用中，对高亮度颜色可调光源，特别是可调白色光源，以及可调紫外和红外光源的需求与日俱增。对于高亮度白光，现有技术水平的明亮放电灯在当今广泛使用。最新发展趋向于固态光源，特别是发光二极管(LED)和光转换荧光单元的组合。其中，通常基于蓝色或紫外固态的光通过荧光单元进行传输，从而转换为具有较长波长的光。
在现有技术中，通过(例如)在二维阵列中设置大量白色和彩色LED而获得高亮度固态白色光源，其中，通过打开和关闭单个彩色LED而调节这种LED集合体的输出颜色。
本发明旨在解决提供具有泵浦光源和荧光单元，具有可调光谱特性的改进光源单元的问题。
发明内容
该问题由开头指出的光源单元解决，其中，所述荧光单元包括至少两个荧光单元部分，该至少两个荧光单元部分以不同方式与泵浦光交互，并适合于以同时方式和选择性方式的至少其中之一的方式由泵浦光照射，其中，所述光源单元进一步包括偏光单元，用于偏转至少一部分泵浦光，以通过改变入射到荧光单元上的泵浦光的相对于不同荧光单元部分的泵浦光分布而改变荧光单元的照射情况，从而改变转换光的光谱特性。
本发明进一步涉及一种根据本发明改变光源单元发射的光的光谱特性的方法，所述方法包括：调整偏光单元，以改变入射到荧光单元上的泵浦相对于荧光单元部分的泵浦光分布。
本发明进一步涉及根据本发明的光源单元在用于对外科手术区进行照明的外科照明系统、摇头聚光灯、数据投影系统或光纤照明系统上的对应使用。
本发明的优选实施例在以下说明中出现。其中，细节指本发明的所有方面，因此，应单独公开。进一步，本文将不对本发明的过程、使用和装置特征进行详细区分，因此以下公开内容应理解为针对所有这些类别。
本发明的基本思想是使用具有至少两个不同荧光单元部分的荧光单元，所述荧光单元部分在被泵浦光照射时产生具有各自不同的光谱特性的转换光。通过分别改变入射到不同荧光单元部分上的相对泵浦光部分，可调节组合荧光单元发射的组合转换光束的光谱组成。
优选地，所述组合荧光单元(element)为单个而非复合单元。进一步，所述荧光单元部分优选在一个平面内并排设置。
在简单情况下，所述荧光单元仅包含两个不同荧光单元部分，其相邻设置，分别由不同荧光材料制成。用单个泵浦光源照射这种荧光单元，可通过使用(例如)扫描镜偏转泵浦光束而改变入射到各个荧光单元部分上的泵浦光的相对部分。因此，组合转换光束的光谱含量可易于改变和控制，不需要操纵泵浦光源或使用额外光源。
但是，也可在根据本发明的光源单元中采用发出各自不同波长的泵浦光的两个或多个不同泵浦光源。(例如)如果采用的不同荧光材料对具有显著不同波长的泵浦光的转换表现出最大功效，这十分有利。
从采用扫描镜的简单示例可以看出，如果预期应用需要，可实施根据本发明的偏光单元，以使组合转换光的光谱特性在除根据上述现有技术的系统中已知的非连续变化之外还可连续变化。
构成单个荧光单元部分的荧光材料可为单个荧光类型或荧光类型的组合，每种荧光材料通过吸收泵浦光和发射具有较长波长的转换光而转换泵浦光，其中，以自发发射为主，而不是以受激发射为主。图解本发明，但不具有限制性的荧光类型为掺Ce或掺Eu的YAG(钇铝石榴石)或掺Eu的正硅酸锶。
在本发明的背景下，不需要将泵浦光或转换光严格限制到电磁光谱的特定范围。从这个意义上说，术语“照射”和“照明”的使用也并非具有限制性。
但是，从红外到紫外光的范围将适用于预期典型应用。优选地，所述转换光处于可见光范围内，泵浦光为紫外和/或可见光。
在根据本发明的荧光单元的特定优选实施例中，所述单个荧光单元部分在泵浦光的入射平面相对于泵浦光的主传播方向旋转对称。在本发明中，在(例如)分散或会聚光束的情况下，光束的主传播方向应理解为传播方向的平均方向或者中间方向。
与旋转对称相对应的是，还可将(例如)矩形荧光单元部分相邻设置。旋转对称荧光单元部分的一个明显优点在于，常规光学单元(例如，透镜)的主要部分旋转对称，用于操纵入射泵浦光和发射的转换光。
在根据本发明的光源单元的一个优选实施例中，所述偏光单元设计为可变衍射光栅，用于将初始泵浦光束分解为按照不同衍射级偏转的部分泵浦光束。所述部分泵浦光束以各个衍射角度离开光栅，对应角分布取决于光栅结构。此处，偏转泵浦光的角分布可通过(例如)以机械方式交换旋转器中的光栅而变化。
可替代地，具有可变光栅结构的衍射光栅可实施为声光调制器(AOM)，其中，相位光栅以压电激励的驻波形式生成，或作为生成视觉结构的装置，例如，DLP(数字光处理)、LCD(液晶显示器)、LCOS(硅基液晶)，其中，泵浦光在所述结构中衍射。
在运行于传输模式的相位光栅中，多个光栅周期可叠加，产生改变离开相位光栅的泵浦光的衍射角分布的额外可能性。一般来说，生成将由泵浦光照射的特定相位光栅，以获得偏转泵浦光束的预期角分布的过程与生成全息图并用参考光束对其进行照射的过程相似。
在另一个优选实施例中，所述偏光单元包括透镜系统，术语“透镜系统”指整个本发明中的单个透镜或具有一个以上透镜的系统，例如，设计为变焦光学系统。其中，变焦透镜在用于入射到荧光单元上的泵浦光的光束中纵向移动，以改变其角范围和/或其横截面范围。具有可变角范围的泵浦光束对荧光单元的照射可导致照射荧光单元的表面上的可变尺寸的区域。
在该实施例的一个有利变型中，所述透镜系统包括锥形透镜，称为轴锥透镜(axicon lens)，在最初具有圆形轮廓形状，并沿其轴线入射到轴锥透镜上的泵浦光束中具有环形轮廓。另外，除在初始泵浦光束上具有环形轮廓之外，包括一个以上透镜的这种轴锥透镜系统还可通过在光束中将其中一个透镜相对于其他透镜纵向移动而获得连续变焦功能。特别地，该情况中可采用一个以上轴锥透镜的组合。
还可使用偏光透镜系统代替透镜沿泵浦光束的移动，其中，透镜向泵浦光横向束移动，用于改变偏转泵浦光的偏转角度。
在根据本发明的光源单元的特定优选实施例中，具有由偏光单元施加在其上的相对于其初始传播方向的预期角分布的泵浦光束与光导耦合，以传输给远处荧光单元。此处，一方面，所述光导进行传输功能，以桥接泵浦光源与一侧的偏光单元之间和与另一侧的荧光单元之间的空间间隔。
特别地，这使荧光单元相对于泵浦光源和偏光单元的空间设置较为灵活，因此可适应于预期应用，不会对泵浦光源、其冷却系统和偏光单元的空间配置和尺寸施加限制。因此，此处可采用高功率泵浦光源，例如，激光源，以达到转换光束的对应高亮度。
另一方面，已知旋转对称光导还可产生相对于与其耦合的光导轴线的旋转对称光分布。自然地，在离开偏光单元的泵浦光束在方向空间上缺乏旋转对称性，而将由泵浦光照射的荧光单元旋转对称的情况下，光导的该功能在根据本发明的光源单元中变得特别重要。
玻璃纤维以及填充有液体的特别柔性纤维，以及具有反光内壁的空心波导都适合作为光导；根据预期应用进行选择。
优选地，偏光单元的出口面与光导的入口面之间设有耦合透镜系统，用于通过在光导的入口面提供偏光单元的出口面的图像而将偏转泵浦光耦合到光导。所述耦合透镜系统能将根据本发明具有可变角分布的偏转泵浦光耦合到光导，不需要在改变角分布时适应光导的入口面与偏光单元的出口面的相对位置。
可替代地，所述光导的入口面可接触或靠近偏光单元的出口面。
在某些应用中，进一步合理的是，在光导的出口面与荧光单元之间提供聚焦透镜系统，用于将离开光导的泵浦光向荧光单元传输。否则在入射到荧光单元上的泵浦光束的侧向范围会超过荧光单元的入射表面的尺寸，这项设置特别重要。
大多数情况下，这种透镜或透镜系统将偏光单元施加的、以单个偏转角度传播的各个部分泵浦光束分别聚焦到预期荧光单元部分上。另外，如果荧光单元在反光模式下运行(下文进一步详细说明)，所述聚焦透镜可同时用于校准荧光单元发射的转换光。
实际上，对于要求转换光束被校准的应用，例如，在聚光灯装置中，可提供聚光透镜系统，用于聚集和校准荧光单元发射的至少一部分转换光。
优选地，所述聚光透镜系统相对于荧光单元适当设计和设置，以提供荧光单元在一个方向发射的转换光聚焦的平面。该平面中的孔径光阑是用于转换光的光束的透镜或透镜系统的出射光瞳。
由此，从荧光平面上的位置发出的光完全填充出射光瞳，但在一个方向传播。该出射光瞳特别适用于混合上述部分的从不同荧光单元部分发射出的组合后的转换光束，下文将对所述混合功能进行进一步详细说明。
可替代地，在根据本发明的光源单元的一个特别有利实施例中，所述聚光透镜系统的出射光瞳用于对其中的反光镜进行定位，以在荧光单元在反射模式下运行时将泵浦光引导到荧光单元上。一般来说，反光镜表面的法向矢量将与转换光的主传播方向和入射到反光镜上的泵浦光的主传播方向覆盖45°角。
进一步，如果使用常规反光镜反射泵浦光和转换光，反光镜在转换光束的横截面上的投影应小于该横截面的面积。这种情况下，将反光镜放置在聚光透镜系统的出射光瞳内特别有利，因为出射光瞳内的组合转换光束的任何阴影都不会将其分割出任何特定部分，相反，会均匀地减小其亮度。
优选地，泵浦光与在反射模式下运行的荧光单元的耦合由二向色镜实现，所述二向色镜(例如)反射泵浦光，并以45°的入射角传输转换光。二向色镜，例如，具有分层系统的干涉镜的性能一般取决于光的入射角。
在光源单元的一个特别优选实施例中，组合转换光的路径中提供混合光学单元，用于混合不同荧光单元部分发射的转换光束的各个部分，混合过程在组合转换光束的横截面区域上进行。由于不同荧光单元部分发射的转换光束的这些部分一般具有互相稍微不同的主传播方向，照射在可能的远程目标上的各个区域可互相移位，转换光朝向目标的自由场传播距离越远，所述移位越大。
实际上，在提供聚光透镜系统的情况下，其出射光瞳内实现不同荧光单元部分发射的转换光束的部分以预期比例几乎均匀混合。但是，一般来说，由于上述原因，在较长传播距离下，这无法保持。对于包括组合转换光在相当距离内自由场传播的应用，例如，在使用聚光灯或数据投影系统的情况下，优选提供混合光学单元，以在目标上准备光谱特性在横截面上均匀分布的组合转换光束。
所述混合光学单元可实施为(例如)蝇眼聚光器，包括与转换光束的主传播方向垂直设置的透镜或微透镜的两个二维阵列，或实施为额外正或负透镜或透镜系统，在远端场或远程目标上形成聚光透镜或透镜系统的出射光瞳的点的图像。
在任何情况下，可调整混合光学单元的位置和配置，以获得不同荧光单元部分发射的转换光束的各个部分的横截面区域的完美重叠，所述不同荧光单元部分分别在要照射的目标上具有均匀强度分布。
如上所述，所述混合光学单元(如果存在)优选设于聚光透镜系统的出射光瞳内，其中，属于不同荧光单元部分发射的转换光束的不同部分的横截面几乎，因此，仅需要相对于转换光束的各个部分的各个传播方向进行混合。
优选地，入射到荧光单元上的泵浦光的主传播方向与荧光单元上转换光的主传播方向大致互相相反。换句话说，荧光单元优选在反射模式下运行，其中，从180°偏离+/-45°也可认为是“相反方向”。该运行模式的优点在于，用于准备入射泵浦光束的至少一部分光学单元(特别是透镜)可同时用于准备转换光束，以进一步使用。这是(例如)上述实施例中用于泵浦光的聚焦透镜同时作为用于转换光的聚光透镜的情况。其一个优点在于，根据预期应用，可整体减小光源单元所需的空间。
在采用反射运行模式的优选实施例中，在对泵浦光非半透明的散热器上提供荧光单元。所述散热器将(例如)转换期间的斯托克斯频移在荧光单元内产生的热从荧光单元向外传输。因此，优选将具有良好导热性的材料用于散热器，例如，金属，例如，铜、铝或其合金。进一步，所述散热器优选具有较大表面用于将热传输给周围介质，例如，周围空气，因此还可提供散热片。
与反射运行模式相对应的是，优选将荧光单元在传输模式下运行，例如，用于不要求在转换光的光束中提供额外光学单元的应用。(例如)在内窥镜应用中，荧光单元可设于光导的远端，并朝向将由转换光照射的目标，在这种特殊情况下，这一点变得十分重要。
在传输运行模式下，通常入射到荧光单元上的泵浦光的主传播方向与荧光单元上转换光的主传播方向大致重合。与反射运行模式相似，从0°偏离+/-45°也可认为是“重合方向”。
在该模式下，优选地，传输泵浦光并反射转换光的二向色镜(在每种情况下为垂直入射提供这些特性)处于荧光单元的后方，或设于入射泵浦光的路径内，用于在与任一主传播方向相反的方向反射荧光单元发出的转换光的至少一部分(所谓的反向散射光子)。
下文通过实施例对本发明进行举例说明，其中，其中公开的特征还可以其他组合的形式对本发明有效，并隐含地涉及本发明的所有类别，如上所述。
附图说明
图1图解了适用于用于对外科手术区进行照明的应用的光源单元的一个实施例。
图2显示了光源单元在摇头聚光灯中的应用的一个实施例。
图3显示了光源单元的一个实施例，其中，所述荧光单元部分具有矩形形状。
图4a)-c)显示了根据本发明的具有环形荧光单元部分的示例荧光单元的顶视图。
图5a)显示了根据本发明的光源单元的一部分，其中，偏转泵浦光由耦合透镜系统耦合到光导，以传输给荧光单元。
图5b)显示了根据本发明的光源单元的一部分，其中，反光镜将光从光导的出口面反射到荧光单元上。
图6a)-c)显示了作为根据本发明的偏光单元的一个示例的变焦透镜系统。
图7a)-c)显示了作为根据本发明的偏光单元的一个示例的轴锥变焦透镜系统。
图8a)-d)显示了作为根据本发明的偏光单元的一个示例的横向移位偏光透镜。
图9显示了根据本发明的光源单元的一部分，其中，所述荧光单元在传输模式下运行，聚焦透镜系统将泵浦光束聚焦到荧光单元上。
图10显示了根据本发明的光源单元的一部分，其中，所述荧光单元在反射模式下运行，透镜系统同时用于聚焦泵浦光并聚集转换光。
图11显示了适用于在光纤照明系统中应用的光源单元的一个实施例。
图12a)显示了包括不同荧光单元部分发射的转换光束的两个部分的转换光束，其中，远程目标屏幕上的各个照明区域互相相对位移。
图12b)图解了图12a)所示的转换光束中设置的蝇眼聚光器的混合功能。
图12c)图解了图12a)所示的转换光束的各个部分通过额外透镜而实现的混合。
具体实施方式
图1图解显示了适用于在用于对外科手术区进行照明的外科照明系统中应用的根据本发明的光源单元的一个实施例。激光源2发射波长一般处于紫外范围或可见范围的短波长部分内的泵浦光。初始泵浦光束3进入偏光单元4，偏光单元4生成用于照射远程荧光单元6的偏转泵浦光束5。所述偏转泵浦光束5具有由偏光单元4施加的、与用偏转泵浦光束5照射荧光单元6时荧光单元6发射的转换光7的预期光谱组成对应的特定角分布。
根据本发明，所述荧光单元6为组合荧光单元，包括下文在图3,4中进一步所示的至少两个荧光单元部分，其以不同方式与泵浦光5交互。单个荧光单元部分可由一种荧光类型或由作为两种或多种不同荧光类型的混合物的荧光材料组成(如上所述，并在下文有进一步详细说明)，其将泵浦光转换成一般处于可见范围内的低能转换光。
所述偏转泵浦光5由光导8传输给远程荧光单元6，光导8用于在其传输距离中保持偏转泵浦光5的强度和极角分布，上文对光导的可能实施方式进行了进一步说明。进一步，偏光单元4的出口面11与光导8的入口面12之间设有两个正透镜10代表的耦合透镜系统9，用于通过在光导的入口面12形成出口面11的图像而将偏转泵浦光5耦合到光导8上。
在图1中，荧光单元6在反射模式下运行，即，偏转泵浦光5入射到荧光单元6的同一表面13上，用于进一步使用的转换光7从荧光单元6发射。这种配置的一个优点在于，荧光单元6的背面15提供了冷却单元14，用于在转换过程中进行冷却。所述表面15应反射泵浦光和转换光，以达到光源单元1的最大输出。
最后，提供反射器16，用于校准转换光7，并将其引导到将由转换光照射的目标17上，在该示例中，目标17可为外科手术区。
荧光单元6的最佳尺寸可通过应用光学扩展量扩展度守恒(etendueconservation)而确定。光学扩展量是光源面积与光源输出的投射立体角的积，再乘以光源周围的光学介质的折射率的平方，此处，对于空气，其折射率可约为1。随后通过使其光学扩展量等于应用的光学扩展量而选择荧光盘的最佳尺寸。假定荧光单元6为在入射平面13具有圆形形状的半球形漫射朗伯发射体，对于荧光单元6，目标面积、目标距离和主反射器的直径限定的通常为2200mm2sr光学扩展量将使最佳半径等于15mm。
图2显示了根据本发明的光源单元1的一个轻微修改实施例，适用于应用在摇头聚光灯装置中。在本发明的附图中，光源单元1的相似单元将用相同参考符号表示。另外，泵浦激光源2、偏光单元4、耦合透镜系统9和光导8的入口面12以固定和稳定的方式位于实际应用装置(此处为摇头聚光灯18)的远程位置。特别地，对偏光单元4或激光器2的冷却系统的尺寸、重量和位置没有限制。
根据本发明，偏光单元4对初始泵浦光束3的偏转可变，以获得偏转泵浦光束5相对于初始泵浦光束3的传播方向的预期角分布。在当前示例中，这可通过可变衍射光栅而完成，上文对可变衍射光栅的可能实施方式进行了说明。
为了对与荧光单元6相距较大距离的目标17进行照明，主要由反射器16校准的转换光束7进一步由特别包括正透镜20的投影光学系统19进一步处理。生成的转换光束21为校准光束，其颜色通过选择偏光单元4的适当设置而调整。所述光束21相对于投影光学系统19具有固定传播方向，而向目标17的引导最终通过相对于固定基座23移动摇头聚光灯18的外壳22而进行。
在该实施例中，除传输偏转泵浦光5的功能之外，所述光导8还具有在一侧的泵浦光源2和偏光单元4与另一侧的具有校准光学部件16和19的荧光单元6之间提供机械柔性连接的额外功能。因此，采用填充有对泵浦光半透明的液体介质的特别柔性纤维。
最后，在冷却单元14的背面提供风扇24，用于增强荧光单元6和整个装置18与环境的换热。
与图1相似，在入射平面13具有圆形形状的作为转换光7,21的光源的荧光单元6的最佳半径可根据该装置的750mm2sr典型光学扩展量确定为等于9mm。
图3图解了根据本发明的光源单元1的一个进一步实施例，(例如)适用于在用于通过可变颜色的光对舞台或摄影棚进行照明的简单固定聚光灯中应用。此处，在传输模式下运行的荧光单元6由在泵浦光5的入射平面13内相邻设置的三个矩形荧光单元部分6a、6b和6c组成。
初始泵浦光束3由偏光单元4(上述衍射光栅)分解为分别与不同衍射级对应的部分偏转泵浦光束5a、5b和5c。偏光单元4的出口面11与荧光单元6之间设有聚焦透镜25，用于将偏转泵浦光束5a/5b/5c引导到荧光单元6的入射表面13上。
通过改变构成偏光单元4的衍射光栅的设置，初始泵浦光束3的强度可在各个偏转角变化时在部分偏转泵浦光束5a/5b/5c之间重新分布。因此，改变了入射到单个荧光单元部分6a/6b/6c上的泵浦光的辐照度。荧光单元6的相反表面26发射的转换光随后由反射器16校准，从而向目标(未显示)引导。
优选地，在正面13设置传输泵浦光并反射转换光的二向色镜27，从目标观察时，正面13为荧光单元6的背面，用于反射反向散射转换光的光子。为了由反射器16聚集转换光的主要部分，所述二向色镜27优选应完全覆盖荧光单元6的背面13。
图4显示了用于荧光材料的示例组合a)、b)和c)的根据本发明的荧光单元6的顶视图，所述荧光单元6具有相对于泵浦光传播方向旋转对称的荧光单元部分6a/6b/6c/6d。
在荧光单元6旋转对称的情况下，相比其他几何形状，其可用于以最有效的方式转换泵浦光。这是因为，具有旋转对称角分布的泵浦光束可采用常规光学单元，例如，旋转对称透镜或光导准备和修改。与此相反，与(例如)图3所示的矩形荧光单元6的几何形状完美匹配的泵浦光束较难准备。另外，旋转对称荧光单元可使应用于手术灯或聚光灯的情况下的旋转对称目标的光学设计更简单、更有效。
图4所示的荧光单元部分6a-6d可(例如)用空心同轴玻璃或金属圆柱作为衬底而制成，所述衬底的正面(例如)采用电泳法被各个荧光单元覆盖。对于荧光单元6的厚度，一般1/4mm至1/2mm厚的荧光单元片可获得入射泵浦光到转换光的完全转换。在反射运行模式下工作时，还可考虑使泵浦光束两次经过荧光单元6。
在图4a)中，所述荧光单元部分6a用于发出所谓的薄荷白色的转换光，对应荧光材料已知对转换过程的输出特别有效。所示的与用于发出红色光谱范围内的转换光的荧光单元部分6b的组合通过分别叠加单个荧光单元部分6a/6b发出的转换光束而产生有效暖白光源。
对于各个荧光单元部分6a/6b的相对面积，在当前示例中，不同荧光材料组合为将由泵浦光照射的相等面积。但是，优选地，在组合荧光单元的各个部分的设计过程中，还应考虑用于不同荧光类型或荧光材料的各个转换过程的不同有效性，例如，如以下图4b),4c)所示。
在图4b)中，用于分别发出红色、绿色和蓝色光谱范围内的转换光的三种不同荧光类型(例如，由荧光单元部分6a/6b/6c表示)的组合可通过选择荧光单元6的显示表面上的泵浦光强度的适当分布而获得叠加的转换光束的随机颜色。特别地，在相似情况下，还可采用一种以上的不同泵浦光源，例如，发出不同光谱范围内的泵浦光(分别对使用的不同荧光材料特别有效)的一个以上激光源的组合。
图4c)显示了用于发出红色、绿色和蓝色转换光的荧光类型(例如，用部分6a/6b/6c表示)的组合，和用于发出白色转换光的荧光材料构成中心荧光单元部分6d。
图5a)详细显示了偏转泵浦光束5与光导8的耦合，与图1和图2中的示意图对应。其中，在该示例情况下，成像光学系统9用对称设置的两个相同正透镜10表示，其将偏光单元4的出口面11以等于1的放大值成像到光导8的入口面12上。
在当前实施例中，所述光导8可完成双重功能。除将偏转泵浦光5传输到远程荧光单元6之外，相对于光导轴线旋转对称的光导8进一步将相对于该轴线的旋转对称性施加到传输的泵浦光束5上，保持了偏光单元4施加在其上的极角分布。在(例如)偏光单元4设计为衍射光栅，其光栅结构在其出口面11的平面内缺乏径向对称性的实施例中，光导8的所述功能十分重要。
在图5b)中，离开光导8的偏转泵浦光束5向二向色镜28传播，所述二向色镜28用于反射泵浦光，并以45°的入射角传输转换光7。因此，所述光束5引导到在反射模式下运行的荧光单元6上。为了清晰起见，旋转对称光束5的一半在该图中省略。
在图6中，根据本发明的偏光单元实施为变焦透镜系统29，此处包括三个透镜30、31和32。在该实施例中，通过沿泵浦光束相对于固定透镜30和32移动中心变焦透镜31而改变初始泵浦光束3的角分布。优选地，所述初始泵浦光束3已在进入偏光单元29之前扩散。对于中心变焦透镜31(例如，如图6a)-6c)所示)的不同位置，进入光导8的该偏转泵浦光束5的角范围从图6a)中的10°改变为图6c)中的40°。
由光导8将如图6所示的准备的偏转泵浦光束5以图1和图2所示的方式传输到(例如)远程荧光单元6，荧光单元6的入射表面13上的圆形区域将用泵浦光束5均匀照射，其中，照射区域的尺寸由光束5的角范围以及光导8(参见图1和图2)的出口面33与荧光单元6的入射表面13之间的距离限定。
根据图4，因此增加了偏转泵浦光束5的角范围，从中心荧光单元部分(例如，图4a)中的6b或图4c)中的6d)开始，越来越多的荧光单元部分被照射。为了在当前实施例中的荧光单元6上照射出环形表面，可在泵浦光束的路径中，例如，在图6的透镜30和31之间设置遮罩。
在图7中，包括锥形透镜35a/35b(也称为轴锥透镜)的轴锥变焦透镜系统34用作根据本发明的偏光单元。其中，具有圆形轮廓形状的初始泵浦光束3(优选以均匀方式预先加宽)沿其轴线入射到轴锥透镜35a的中心。所述轴锥透镜35a通过折射将环形角分布施加到初始泵浦光束3的轮廓上。
在图7所示的示例配置中，两个轴锥透镜35a和35b的基座37互相面对，使离开轴锥透镜35b的泵浦光束5'在轴锥透镜35a/35的任何所示相对位置相对于轴锥透镜轴线的偏转角为零，如图7所示。
为了分别将偏转泵浦光束5'耦合到光导8，提供了进一步的正透镜36。与光导8耦合的偏转泵浦光束5的角范围以与图6所示相似的方式变化，即，沿泵浦光束5'相对于固定透镜35a和36移动轴锥透镜35b。如图6所示，通过图7a)和图7c)所示的配置，偏转泵浦光束5分别获得最小和最大角范围。
与图6所示的变焦透镜系统29相反，轴锥变焦透镜系统34能在设于光导8的出口侧33的荧光单元(例如，图4a)-4c)所示的荧光单元6)上照射出具有可变侧向范围的环形区域。
图8显示了根据本发明的偏光单元的一个简单实施方式，包括相对于相对较窄(与图6,7相反，没有预先扩展)的初始泵浦光束3横向移动的正透镜38。如图8a)所示，所述光束3如果入射到透镜38的中心，则非整体偏转。实际上，这种情况下，所述光束3仅由透镜38校准，透镜38越薄，效果越小。在图8b)-8d)中，由于透镜轴线39逐渐离开初始泵浦光束3，光束5相对于光束3的初始传播方向的整体偏转增加。为了将偏转光束5耦合到光导8(未显示)，提供了包括两个正透镜10的耦合透镜系统，与图1、2、5相似，并在由泵浦光在光导入口面照射的偏光透镜上形成该区域的图像。
图9显示了聚焦透镜系统40，所述聚焦透镜系统40将通过根据本发明的偏光单元准备的泵浦光束5(例如，如前图1-3和5-8所示)聚焦到根据本发明的荧光单元6(例如，如图4所示)上。此处，所述荧光单元6在传输模式下运行，做进一步使用的转换光7在箭头所示的方向传播。在图3所示的实施例中，提供了二向色镜27，用于反射反向散射转换光的光子，此处，其设于透镜系统40的入射光瞳41内。
与此相反，在图10中，所述荧光单元6在反射模式下运行。因此，在该实施例中，聚焦偏转泵浦光5的聚焦透镜系统40同时用于聚集转换光7。在图11所示的以下实施例中，或图5所示的前述实施例中，所述入射光瞳41可合理地用于提供二向色镜28，用于将偏转泵浦光5耦合到光学系统40。
图11显示了根据本发明的光源单元1的一个实施例，其适用于在光纤照明系统中应用，例如，适用于医用或工业内窥镜检查。由于荧光单元6在反射模式下运行，与图1和图2所示的实施例相似，其设于冷却单元14上，因此，当前配置适用于功率相对较高的泵浦光3,5。
在当前光纤应用的情况下，转换泵浦光7传输给将由光纤42照射的目标17，一般来说，由与上述实施例中用于传输泵浦光的光导8相似的光导照射。优选地，所述泵浦光束7由正透镜系统43耦合到光纤42。
图12a)解决了远程目标17需要被远端场的转换光束7照射时出现的问题，例如，聚光灯装置的有关应用中出现的问题。图中显示了从荧光单元6的两个不同荧光单元部分发射的转换光束7的两个不同部分7a和7b。所述光束7a/7b由聚光透镜系统40校准，以互相稍微不同的角度传播。因此，远程目标17上各个光束7a/7b照射的区域没有完全重合，因此各个颜色部分分离。因此，对于光源单元将转换光7在远端场照射目标17的应用，需要提供额外光学混合单元，以实现从不同荧光单元部分照射的转换光的预期均匀叠加。
在图12b)中，透镜系统40的出射光瞳41旁边设有蝇眼聚光器44(上文有进一步详细说明)，作为混合光学单元，用于实现入射到目标17上的组合转换光束46中不同荧光单元部分发射的转换光束7的各个部分7a/7b的均匀混合。
在图12c)中，采用负透镜系统45代替图12b)中的蝇眼聚光器44，用于相同目的。根据图中所示的模拟情况，可以理解的是，系统45还可将负透镜与将组合转换光束46的狭窄边缘区域渐隐的遮罩组合。

Claims (17)

1.一种光源单元(1)，包括：
泵浦光源(2)，用于发出泵浦光(3,5,5',5a-5c)，
荧光单元(6)，用于将所述泵浦光(3,5,5',5a-5c)转换成转换光(7,21,46)以进一步使用，所述荧光单元(6)包括至少两个荧光单元部分(6a-6d)，所述至少两个荧光单元部分以不同方式与所述泵浦光(3,5,5',5a-5c)交互并且适合于以同时方式和选择性方式的至少其中之一的方式由所述泵浦光(3,5,5',5a-5c)照射，
偏光单元(4,29,34,38)，用于偏转至少一部分所述泵浦光(3,5,5',5a-5c)，以通过改变入射到所述荧光单元(6)上的所述泵浦光相对于所述荧光单元部分(6a-6d)的分布而改变所述照射情况，从而改变所述转换光(7,21,46)的光谱特性，
所述偏光单元(4,29,34,38)包括透镜系统(29-32,34-36,38)，所述透镜系统用于偏转用于入射到所述荧光单元(6)上的所述泵浦光的至少一部分，所述透镜系统包括用于在偏转的所述泵浦光的光束中生成环形轮廓的轴锥透镜(35a,35b)，
所述泵浦光在主传播方向入射到所述荧光单元(6)上，所述荧光单元部分(6a-6d)相对于与其垂直的平面(13)上的所述主传播方向旋转对称。
2.根据权利要求1所述的光源单元(1)，其特征在于，所述透镜系统为变焦透镜系统，用于改变所述偏转泵浦光的光束的横截面尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的光源单元(1)，其特征在于，所述偏光单元(4,29,34,38)与所述荧光单元(6)之间设有光导(8)，用于将至少一部分所述偏转泵浦光传输到所述荧光单元(6)。
4.根据权利要求3所述的光源单元，其特征在于，所述偏光单元(4,29,34,38)与所述光导(8)的入口面(12)之间设有耦合透镜系统，用于将至少一部分所述偏转泵浦光耦合到所述光导(8)。
5.根据权利要求3所述的光源单元(1)，其特征在于，所述光导(8)的出口面(33)与所述荧光单元(6)之间设有聚焦透镜系统(40)，用于将离开所述光导(8)的所述传输泵浦光聚焦到所述荧光单元(6)上。
6.根据权利要求1或2所述的光源单元(1)，其特征在于，设有聚光透镜系统(19,20,40)，用于聚集从所述荧光单元(6)发射的至少一部分所述转换光，所述聚光透镜系统(19,20,40)为以进一步使用的所述转换光的光束提供出射光瞳(41)。
7.根据权利要求1或2所述的光源单元(1)，其特征在于，所述转换光的路径内设有混合光学单元(44,45)，用于混合从在所述路径垂直的平面内的坐标不同的至少两个荧光单元部分(6a-6d)发射的所述转换光，以获得在要照射的目标(17)的横截面上光谱特性均匀分布的所述转换光的光束(46)。
8.根据权利要求6所述的光源单元(1)，其特征在于，所述聚光透镜系统的所述出射光瞳(41)内设有反光镜(28)，至少一部分所述泵浦光与所述反光镜(28)耦合，以引导到所述荧光单元(6)上。
9.根据权利要求8所述的光源单元(1)，其特征在于，所述反光镜(28)为二向色镜。
10.根据权利要求1或2所述的光源单元(1)，其特征在于，入射到所述荧光单元(6)上的所述泵浦光的主传播方向和所述荧光单元(6)上的所述转换光的主传播方向大致互相相反，所述荧光单元(6)设于对所述泵浦光非半透明的散热器(14)上。
11.根据权利要求1或2所述的光源单元(1)，其特征在于，入射到所述荧光单元(6)上的所述泵浦光的主传播方向和所述荧光单元(6)上的所述转换光的主传播方向大致重合，入射到所述荧光单元(6)上的所述泵浦光的路径内设有二向色镜，用于在与所述主传播方向的任一个方向相反的方向上对从所述荧光单元(6)发射的至少一部分所述转换光进行反射。
12.一种外科照明系统，用于对外科手术区(17)进行照明，所述外科照明系统包括根据前述权利要求中任一项所述的光源单元(1)。
13.一种摇头聚光灯(18)，包括根据权利要求1至11中任一项所述的光源单元(1)。
14.一种投影系统，包括根据权利要求1至11中任一项所述的光源单元(1)。
15.一种光纤照明系统，包括根据权利要求1至11中任一项所述的光源单元(1)。
16.一种用于改变根据权利要求1至11中任一项所述的光源单元(1)发射的光的光谱特性的方法，包括
调整所述光源单元(1)的偏光单元的步骤，以改变入射到所述光源单元(1)的荧光单元(6)上的泵浦光相对于所述光源单元(1)的荧光单元部分(6a-6d)的分布，从而改变转换光的光谱特性。
17.一种根据权利要求1至11中任一项所述的光源单元(1)的使用，
用于对外科手术区(17)进行照明的外科照明系统、摇头聚光灯(18)、数据投影系统和光纤照明系统的其中之一。
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