CN103969934B - 一种结构紧凑的光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光激发荧光粉的光源系统，包括：第一激发光源、第一反射镜、收集透镜、准直透镜、荧光粉层和第二反射镜。荧光粉层涂覆在第二反射镜上，准直透镜具有朝向荧光粉层的第一表面，第一反射镜位于该第一表面上，且第一激发光源和荧光粉层位于准直透镜的同侧，相对于现有技术，该光源系统具有体积小，结构紧凑，散热设计容易等优点。

Description

一种结构紧凑的光源系统

技术领域

本发明涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种结构紧凑的光源系统。

背景技术

激光光源作为一种高亮度、高准直的新型光源，正被逐步应用到照明、投影等各个领域。其中，利用激光激发荧光粉技术的光源，具有光学扩展量小、亮度高、寿命长等优点，引起人们广泛关注。

图1为现有技术中利用了激光激发荧光粉技术的一种光源系统。如图1所示，该光源系统包括激发光源110，散热装置120，第一反射镜130，准直透镜140，收集透镜150，荧光粉层160，第二反射镜170。典型地，激发光源110为激光二极管，焊接在散热装置120上，散热装置120用来对其进行散热。激发光源110产生的激发光180先入射到第一反射镜130上并被其反射，反射光然后透过准直透镜140和收集透镜150，最终入射到荧光粉层160上。荧光粉层160涂覆在第二反射镜170上。激发光从荧光粉层160的前表面入射，并被转换为另一波长范围的受激光出射。反射镜170的作用在于将向后输出的光反射回前表面出射。从荧光粉层160出射的输出光190包括被荧光粉层吸收转化的受激光以及没有被荧光粉层吸收的剩余激发光，该输出光190先后经透镜150和160的收集和准直，最后从反射镜130的四周出射。反射镜130处于输出光路中，所以会挡住部分输出光，但由于其面积很小，该部分光可以忽略。

图2为现有技术中利用激光激发荧光粉技术的另一种光源系统。该光源系统包括激发光源210，散热装置220，第一反射镜230，准直透镜240，收集透镜250，荧光粉层260，第二反射镜270。典型地，激发光源210为激光二极管，粘接在散热装置220上，散热装置220用来对其进行散热。它和图1所示光源系统的区别在于，将图1中的小反射镜130换成了带开孔231的反射镜230，此时，激发光源210发出的激发光280将透过该开孔231入射到荧光粉层260的前表面，而从荧光粉层出射的受激光以及没有被吸收的剩余激发光将合成输出光290，先后经透镜250和240的收集和准直，最后被反射镜230反射输出。这种结构中，虽然开孔231会漏掉部分输出光，但由于其面积很小，可以忽略。

以上两个例子中，最后的输出光都是激发光和受激光的混合光。实际上也可将光源系统中的小反射镜等分光装置替换为整块的分光滤光片，对图1所示光源系统而言，该分光滤光片反射激发光而透射受激光；对图2所示光源系统而言，该分光滤光片透射激发光而反射受激光。这样，通过分光滤光片的滤光，可以阻止激发光出射，使输出光中只有受激光。

然而，在现有的激光激发荧光粉技术的光源系统结构中存在着一个缺陷，那就是激发光源发出的激发光必须先经过收集透镜和准直透镜等光学元件后才能入射到荧光粉上，导致激发光源和荧光粉层之间的光路太长，同时需考虑所放置的分光装置的体积，使得整个系统体积庞大。此外，当激发光功率很大时，还需要分别设计激发光源和荧光粉的散热。

发明内容

本发明所要解决的问题是，简化激光激发荧光粉的光源系统的结构，从而缩小光源系统的体积；同时优化激发光源和荧光粉层的散热设计，整个光源系统结构更紧凑。

为解决以上问题，本发明实施例提出了一种结构紧凑的光源系统，包括：

第一激发光源，用于出射第一激发光；

第一反射镜，用于反射第一激发光源出射的第一激发光；

波长转换层，用于吸收第一激发光以出射受激光，它包括相对的第一表面和第二表面，其中第一表面用于接收第一反射镜反射的第一激发光，并将该第一激发光或者第一激发光与受激光的混合光出射；

第二反射镜，位于波长转换层的第二表面，用于反射波长转换层产生的受激光；

收集透镜，用于收集波长转换层第一表面的出射光；

准直透镜，具有朝向波长转换层的第一表面，用于接收收集透镜的出射光，并对其进行准直出射；

其中，第一激发光源和波长转换层位于准直透镜的第一表面的同侧，第一反射镜固定于准直透镜的第一表面上，且处于收集透镜的出射光在准直透镜的第一表面所形成的光斑范围内。

相对于现有技术，本发明的第一反射镜起到了原有的分光装置的作用，却省去了原分光装置所占的体积，同时将激发光源和荧光粉层设置于准直透镜的同侧，使他们之间的距离也不再受到收集透镜和准直透镜的限制，从而使得整个光源系统的体积大大减小。

附图说明

图1是现有技术中一种激光激发荧光粉的光源系统的结构示意图；

图2是现有技术中另一种激光激发荧光粉的光源系统的结构示意图；

图3a为本发明的光源系统的第一实施例的一种结构示意图；

图3b为本发明的光源系统的第一实施例的另一种结构示意图；

图4a为本发明的光源系统的第二实施例的一种结构示意图；

图4b为本发明的光源系统的第二实施例的另一种结构示意图；

图4c为本发明的光源系统的第二实施例的另一种结构示意图；

图5为本发明的光源系统的第三实施例的结构示意图；

图6a为本发明的光源系统的第四实施例的结构示意图；

图6b为本发明的光源系统的第四实施例的另一种结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式进行详细说明。

第一实施例

图3a为本发明的光源系统的第一实施例的结构示意图。在图3a中，光源系统包括激发光源310，散热装置320，第一反射镜330，准直透镜340，收集透镜350，荧光粉层360，第二反射镜370。准直透镜340具有朝向荧光粉层360的第一表面341。激发光源310和荧光粉层360设置在准直透镜340的第一表面341的同侧，第一反射镜330固定在该第一表面341上。收集透镜350位于准直透镜340和荧光粉层360之间。此外，激发光源310倾斜固定来使其出射的激发光380相对于准直透镜340的光轴倾斜，从而保证激发光源310出射的激发光380能入射到第一反射镜330上，并被其反射至荧光粉层360。

在本实施例中，激发光源310固定（最常用的是焊接）在散热装置320上，散热装置320用来对其进行散热。第一反射镜330固定在准直透镜340的第一表面341上，其作用是将激发光源310发出的激发光380反射至荧光粉层360，所以它应位于一个合适的位置：该位置须处于收集透镜350的出射光在准直透镜340的第一表面341上所形成的光斑范围内。因为根据光路可逆的原理，如果从荧光粉层360出射的全角发光能够照射到第一反射镜330，那么也必然存在一个光路，使得经第一反射镜330反射的激发光也能够入射到荧光粉层360上。由于第一反射镜330位于输出光的光路中，所以从荧光粉层360输出的光（包括受激光和没被荧光粉层吸收的剩余激发光）会有一部分入射到第一反射镜330上，该部分光将被反射而无法输出，为了使该反射损失最大程度地减小，必须将第一反射镜330的面积设计得足够小；而同时，为保证第一反射镜330能最大程度反射从激发光源310发出的激发光380，其面积又不能太小。故第一反射镜330的尺寸应该折中考虑，且选择光学扩展量小的光源作为激发光源310。优选地，激发光源310选用激光二极管，第一反射镜330的尺寸设置为正好全部反射从该激光二极管出射的所有激发光。

为了最大程度减小第一反射镜330对输出光390的遮挡造成的损失，优选地，设置该第一反射镜330位于从收集透镜350出射的光在准直透镜340的第一表面341上所形成的光斑范围的边缘，使得激发光源310发出的激发光380经第一反射镜330反射后，以尽可能大的入射角入射于收集透镜350，最终以尽可能大的入射角入射于荧光粉层360上。这样布局的好处在于，因为从荧光粉层360出射的光在空间的光强分布将大致呈现朗伯余弦分布：中心法线处的光强最强，角度越大的地方光强越弱，将第一反射镜330固定在从收集透镜350出射的光在准直透镜340的第一表面341上所形成的光斑范围的边缘，可以最大程度降低反射镜遮挡住的光强度，减小输出光的损失，从而提高输出光的效率。

收集透镜350的作用是收集从荧光粉层360输出的光，并缩小其发散角度。为了实现较好的收光效果，收集透镜350应位于荧光粉层360的前方且紧紧靠近荧光粉层。优选地，收集透镜350为凹凸透镜，其凹面朝向荧光粉层360，这样的好处在于：从荧光粉层360出射的光入射于凹面的入射角比入射于平面或者凸面的入射角小，故菲涅尔反射损失小，透过率较高。为了实现光束会聚的作用，其凹面的曲率半径应大于凸面的曲率半径。

准直透镜340位于输出光390的光路上且位于收集透镜350之后，其作用是将从收集透镜350出射的光进行准直出射，它具有朝向荧光粉层360的第一表面341。在本实施例中，该第一表面341为平面，这样可以方便的将第一反射330粘贴在其上。实际上，第一反射镜330也可通过在准直透镜340的第一表面341镀反射膜来实现：将其它不需要镀膜的区域使用夹具遮挡住，只在一个小的局部区域镀反射膜。但它的缺点在于镀膜的产量低，进而成本较高。

在本实施例中，激发光源310相对于第二反射镜倾斜固定，使得其出射的激发光380斜入射到第一反射镜330上并被其反射，反射光透过收集透镜350后入射至荧光粉层360上。荧光粉层360吸收激发光380，并将其部分转换为受激光，转化的受激光和未被荧光粉吸收利用的激发光合成输出光390从荧光粉层360表面输出。其中，荧光粉层360的背面粘贴在第二反射镜370上，可使从荧光粉层背面输出的光再次反射回荧光粉层，最终从前表面输出。第二反射镜370优选为表面镀银的金属基板，包括铝基板，铜基板等，这类金属基板具有相当的硬度，同时具有较高的热导率，有利于荧光粉层360的散热。

在本实施例中，第一反射镜330也可替换为分光滤光片，该分光滤光片反射激发光而透射受激光，这样就不存在因受激光被第一反射镜330遮挡造成的受激光的损失，可进一步提高输出光效率。在第一反射镜330为分光滤光片的情况下，可将其面积设计得足够大，例如完全覆盖准直透镜340的第一表面341，使得输出光390的每一部分都必须透过该分光滤光片出射。分光滤光片反射激发光而透射受激光的特性，使得输出光390中仅含有受激光成分，这就相当于对输出光390起到滤波的作用；同时被反射回去的激发光又有部分会再次入射到荧光粉层360上而被重复利用。

在本实施例中，可使荧光粉层360与激发光源310共用一个散热装置，这可简化整个系统的散热设计，进一步缩小系统体积，如图3b所示。图3b相对于图3a的区别在于，将激发光源310和第二反射镜370通过导热介质321固定在了同一个散热装置320上。导热介质由高热导率材料制成，并设计一个倾斜斜面保证激发光源310的出射光相对于准直透镜340的光轴倾斜。实际上，该导热介质321并非必须的，也可直接将激发光源310和第二反射镜370焊接在散热装置320上。

在本实施例中，荧光粉层360也可以被驱动装置驱动而周期性运动，这样可以避免局部荧光粉长时间受激发而过热发生热猝灭现象。优选地，可将荧光粉层360涂覆在一个可旋转的基板上（该基板可以是上述的第二反射镜），该基板在驱动装置（如马达）的驱动下高速旋转从而帮助荧光粉散热。

在本实施例中，荧光粉层360也可换成其他波长转换材料，例如，量子点材料或者荧光染料等，只要其能吸收激发光并产生受激光，这种替换为本领域技术人员的公知常识，也应包含在本发明的保护范围内。

相对于现有技术，在本实施例中，第一反射镜330起到了原有的分光装置的作用，却省去了原分光装置所占的体积，同时使激发光源310和荧光粉层360位于准直透镜340的同侧，他们之间的距离也不再受到收集透镜和准直透镜的限制，从而使得整个光源系统的体积大大减小。

第二实施例

在第一实施例中，为了利用第一反射镜将激发光源发出的激发光反射至荧光粉层，通过将激发光源倾斜固定来使其出射光相对于准直透镜的光轴倾斜；而在本实施例中，激发光源始终垂直固定，其出射光相对于准直透镜的光轴保持平行。

图4a为本实施例的光源系统的第一种结构示意图。在图4a中，光源系统包括激发光源410，散热装置420，第一反射镜430，棱镜431，准直透镜440，收集透镜450，荧光粉层460，第二反射镜470。其中，准直透镜440为平凸透镜，朝向荧光粉层460的第一表面441为平面，激发光源410和荧光粉层460设置在第一表面441的同侧，且激发光源410和第二反射镜470固定在同一个散热装置420上。第一反射镜430固定在该第一表面441上，且位于从收集透镜450出射的光在该第一表面441上所形成的光斑范围内。收集透镜450位于准直透镜440和荧光粉层460之间且紧密靠近荧光粉层460。

本实施例相对于第一实施例的区别在于：激发光源410垂直固定在散热装置420上，为了使激发光源410出射的激发光480能倾斜入射到第一反射镜430上，在激发光源410和第一反射镜之间设置了一个棱镜431，如图4a所示。其中，棱镜431位于激发光480的出射光路中，其作用是偏转激发光480使其能入射到第一反射镜430。对本领域技术人员来说，只要能实现光路偏转的光学元件都可满足要求，包括透镜、反射镜等，这种光学元件的替换也应在本发明的保护范围之内。这种结构的优点是激发光源可以垂直固定在散热装置上，安装更方便，散热装置加工更容易，成本更低。但缺点是需增加额外的光学元件来实现激发光的偏转，该偏转光学元件的固定和调整都会使光源系统更复杂。

为了实现激发光源的垂直安装而又不需要额外的光学元件来使激发光偏转，还可将第一反射镜倾斜固定，使第一反射镜的法线相对于准直透镜的光轴倾斜，如图4b所示。图4b和图4a的区别在于，准直透镜440为凹凸透镜，朝向荧光粉层460的第一表面441为凹面。第一反射镜430固定在该第一表面441上，且位于从收集透镜450出射的光在该第一表面441上所形成的光斑范围内。在本实施例中，由于准直透镜440的第一表面441被加工成凹面，这样，将第一反射镜430粘贴在准直透镜440的第一表面441时，其法线相对于准直透镜440的光轴就会有一定的倾斜，该倾斜角正好能将垂直向上出射的激发光480反射至荧光粉层460。这种结构的缺点是：对激发光源410的位置的限制以及准直透镜440的第一表面441的曲率的要求较为严格，保证从激发光源410出射的垂直向上传输的激发光480经第一反射镜430的反射后能正好入射到荧光粉层460上。此外，相对于前面的光源系统，本光源系统结构要求准直透镜440的尺寸足够大，且激发光源410和第二反射镜470之间的距离足够小，以保证从激发光源410垂直向上出射的激发光480能入射到准直透镜440内。

另一种实现激发光源的垂直安装的结构如图4c所示。在图4c中，准直透镜440仍为平凸透镜，朝向荧光粉层460的第一表面441为平面，但它和图4a的不同之处在于：在该第一表面441上对应于激发光480入射的地方设有一个凹槽442，该凹槽具有倾斜的内表面，第一反射镜430正是固定在其倾斜内表面上形成一定的倾斜角，该倾斜角能将垂直向上入射的激发光480反射至荧光粉层460。本光源系统同样要求准直透镜440的尺寸足够大，且激发光源410和第二反射镜470之间的距离足够小，以保证从激发光源410垂直向上出射的激发光480能入射到准直透镜440内。

在本实施例中，荧光粉层460同样可以保持静止或运动，这种改变和第一实施例完全相同，故不再赘述。

本实施例相对于第一实施例的优点在于：激发光源可垂直安装在散热装置上，光源布局方正更有助于体积的减小。激发光源还可以和荧光粉层共用一个散热装置，使得散热装置的设计和激发光源的固定更加简单。

第三实施例

图5为本发明的光源系统的第三实施例的结构示意图。本实施例中与第一实施例的区别在于：第一实施例中的激发光源被换成了激发光源组，该激发光源组包括多个独立的激发光源，分别设置于准直透镜540的周围。与之对应的，存在一个第一反射镜组530，该第一反射镜组530由多个反射镜组成，且反射镜的数目与激发光源组中所包含的激发光源的数目相同，保证每个激发光源都对应一个反射镜，该反射镜能将其对应的激发光源发出的激发光580反射至荧光粉层560上。通过分别设计每个反射镜530的位置，可保证使所有激发光源发出的激发光580都被反射至荧光粉层560的同一位置，从而最大限度提高单位面积荧光粉的亮度。

当第一反射镜组530中所包含的反射镜较多时，可将所有反射镜连成一个整体，从而形成一个轴对称的反射结构。该反射结构可以位于准直透镜第一表面的边缘或中央。虽然前面的实施例都是将第一反射镜固定于准直透镜第一表面的四周，实际上第一反射镜也可以固定在准直透镜的中央，如图5所示。在图5所示的结构中，准直透镜540为平凸透镜，朝向荧光粉层560的第一表面541为平面，在该平面的中央设计有一个圆锥凸起，在该圆锥凸起的表面镀反射膜形成中央反射结构。该中央反射结构530可将从四周入射的激发光580向下反射至荧光粉层560。当然，从荧光粉层560出射的光也会有部分被该中央反射结构530所遮挡而无法出射，但只要该反射结构530的面积比收集透镜550的出射光在准直透镜540的第一表面541上所形成的光斑面积小得多，其造成的输出光的损失就可以忽略不计。这种一体化设计，不仅省去了固定第一反射镜的不便，而且使激发光源的固定位置更灵活：由于反射结构530的圆周对称性，不必再考虑激发光源在以准直透镜光轴为轴的圆周方向上的入射角。

相对于第一实施例，本实施例的优点在于：由于设置有多个激发光源组成的激发光源组，可进一步提升光源亮度，同时，将第一反射镜设置成一个整体的反射结构，使激发光源的固定位置更灵活，整个光源系统结构更加紧凑小巧。

可以理解，本实施例的扩展也可用于第二实施例中，且具有同样的有益效果，所以也应在本发明的保护范围之内

第四实施例

图6a为本发明的光源系统的第四实施例的结构示意图。本实施例相对于第一实施例的区别在于：荧光粉层660具有相对的第一表面661和第二表面662，第二表面662上设置有第二反射镜671，在该第二反射镜671的下方进一步设置有第二激发光源670。该第二反射镜671能透射第二激发光源670出射的第二激发光，并反射荧光粉层660所发出的受激光。这样，第一激发光源610出射的第一激发光680经过第一反射镜630反射，然后透过收集透镜650从荧光粉层660的第一表面661入射至荧光粉层，第二激发光源670出射的第二激发光经第二反射镜671透射后从荧光粉层660的第二表面662入射至荧光粉层，所以荧光粉层660的两个表面将同时被激发发光。同时，由于第二反射镜671能反射荧光粉出射的受激光，所以最终受激光将只从荧光粉层660的上表面661出射。

优选地，将本实施例中第一激发光源610设为激光二极管，第二激发光源670设置为激光二极管或LED，荧光粉层660直接涂覆在该激光二极管或LED的表面，这可进一步省去第二反射镜671的存在，如图6b所示。在图6b中，作为第二激发光源的激光二极管或LED有一个有源区671，有源区671下面是衬底672，在有源区671和衬底672之间会形成一个镜面673，该镜面673正好充当了图6a中第二反射镜的功能，用于将从荧光粉层660的第二表面662出射的光反射回荧光粉层660的第一表面661出射，从而使所有光都从荧光粉层660的第一表面661输出。

在本实施例中，从第一激发光源610出射的第一激发光和从第二激发光源670出射的第二激发光的光波长可以相同，也可以不同。当第一激发光波长和第二激发光波长不同时，可进一步在荧光粉层660的第二表面662设置一分光滤光片，该滤光片反射第一激发光和受激光，同时透射第二激发光。

本实施例中，荧光粉层可设置为静止或运动，第一激发光源和第二激发光源也可共用一个散热装置来进行散热设计，同样具有和前面实施例相同的有益效果。

相对于前面的实施例，在本实施例中同时从荧光粉层的两面来激发荧光粉，相对于单面激发荧光粉的情况，进一步提高了单位面积荧光粉的发光强度，因而使输出光亮度更高。

以上实施例中，虽然都是将第一反射镜固定在准直透镜的第一表面上，实际上，也可使该反射镜离开准直透镜的表面一定的距离来固定，同样也不会改变整个光源系统的体积，只是需要增加额外的固定装置，效果不如直接固定在准直透镜上好。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (18)

1.一种光源系统，其特征在于，包括：

第一激发光源，用于出射第一激发光；

第一反射镜，用于反射所述第一激发光源出射的第一激发光；

波长转换层，包括相对的第一表面和第二表面，所述波长转换层用于吸收第一激发光以出射受激光，所述第一表面用于接收所述第一反射镜反射的第一激发光，并将所述受激光或者第一激发光与受激光的混合光出射；

第二反射镜，位于所述波长转换层的第二表面；

收集透镜，用于收集所述波长转换层的第一表面的出射光；

准直透镜，具有朝向波长转换层的第一表面，所述准直透镜用于接收所述收集透镜的出射光，并对其进行准直；

所述第一激发光源和波长转换层位于准直透镜的第一表面的同侧，所述第一反射镜固定于所述准直透镜和所述收集透镜之间，所述第一激发光经所述第一反射镜反射至所述波长转换层的光路经过所述收集透镜。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于：所述第一反射镜固定于准直透镜的第一表面上，且处于收集透镜的出射光在准直透镜的第一表面所形成的光斑范围内。

3.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于：所述第一反射镜位于收集透镜的出射光在准直透镜的第一表面所形成的光斑范围的边缘。

4.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于：所述第一激发光源的光轴相对于准直透镜的光轴倾斜。

5.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于：所述第一激发光源的光轴相对于准直透镜的光轴平行。

6.根据权利要求5所述的光源系统，其特征在于：在第一激发光的出射光路中设置偏转光学元件，所述偏转光学元件使第一激发光倾斜入射到所述第一反射镜上。

7.根据权利要求5所述的光源系统，其特征在于：第一反射镜的法线相对于准直透镜的光轴倾斜。

8.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于：所述准直透镜的第一表面为凹面，第一反射镜固定于该凹面内。

9.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于：所述准直透镜的第一表面具有凹槽，第一反射镜固定于该凹槽内。

10.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于：所述第一激发光源为第一激发光源组，所述第一反射镜为第一反射镜组，第一激发光源组和第一反射镜组中的第一激发光源和反射镜相互对应。

11.根据权利要求10所述的光源系统，其特征在于：所述第一反射镜连成一体形成轴对称结构，固定在准直透镜第一表面的四周或中央。

12.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于：所述第一激发光源和所述第二反射镜共用同一个散热装置。

13.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于：所述第一反射镜为分光滤光片，所述分光滤光片反射第一激发光源产生的第一激发光而透射波长转换层产生的受激光。

14.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于：所述第一反射镜通过在所述准直透镜的第一表面内镀反射膜而形成。

15.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于：还包括第二激发光源，用于发射第二激发光，该第二激发光透射所述第二反射镜并激发所述波长转换层，其中第二反射镜为透射第二激发光并反射受激光的分光滤光片。

16.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于：所述第二反射镜为具有反射功能的LED芯片或LED芯片组，所述波长转换层涂覆在该LED芯片或LED芯片组的表面。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的光源系统，其特征在于：还包括驱动装置，驱动波长转换层周期性运动。

18.一种投影系统，其特征在于，包括权利要求1至17中任一项所述的光源系统。