CN106324958B - 一种荧光转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光转换系统，包括激光激励光源，荧光轮，以及分别位于荧光轮正面和背面的第一透镜组件，第二透镜组件，激光激励光源经所述第一透镜组件入射至所述荧光轮，激发所述荧光轮发出荧光，所述荧光经所述荧光轮反射后透过所述第一透镜组件出射；以及所述激光激励光源还透过所述荧光轮经所述第二透镜组件出射；其中，第二透镜组件与所述第一透镜组件之间的距离大于所述第一透镜组件的等效焦距，从而减轻了激光激励光源透过第二透镜组件后产生光衰的技术问题。

Description

一种荧光转换系统

技术领域

本发明涉及激光投影光源技术领域，具体地，涉及一种利用激光激发产生荧光的转换系统。

背景技术

目前，激光因为高亮度，单色性强，色域宽广等优点被应用于投影显示领域，但由于激光的成本高，且激光带来的图像散斑现象较为严重，目前商用的激光光源以激光和LED光源或者荧光的混合光源为主。

图1示出了一种激光激发荧光的光学系统示意图，该混合光源系统包括激光器阵列11，发出激光，自然界中蓝光波长短，且蓝色激光器的成本相对低，通常选用蓝色激光器。荧光产生的原理是利用激光的高能量激发荧光粉发出荧光。当蓝色激光到达波长转换部件13时，波长转换部件13的轮状表面具有反射部和透射部（图中未示出），其中反射部涂覆有荧光粉，其入射面前方设置有透镜组件131a，透镜组件131a具有聚焦和准直的双重作用。当激光经此入射时，能够使激光光束会聚成较小的光斑，波长转换部件13旋转至反射部位置时，蓝色激光光斑照射到波长转换部件13反射部的荧光粉上，激发出荧光。其中受激的荧光被轮状表面反射并透过透镜组件131a，由于荧光的发散角度比较大，经过透镜组件131a后就进行了准直，转换成平行的光束射出。当波长转换部件13旋转至透射部位置时，允许蓝色激光光斑从波长转换部件13透射过去，且由于光沿直线传播，蓝光先经过透镜组件131a被聚焦后还会发散，因此根据光路可逆，蓝色激光到达波长转换部件13的背面时还需要再次经过透镜组件131b进行准直，以平行的光束传播。

上述激光光束入射到波长转换部件表面进行荧光激发时，理论上，激光光束应该会聚在透镜组件131a的焦点处，此处能量最为集中，光能量密度最大，从而使得荧光的激发效率也最高。但在实际应用时，由于光学镜片加工等原因，凸透镜成像会存在像差现象，如图2所示，经过凸透镜的光束经折射后不是交于一点（理论上的焦点），而是呈逐渐会聚再发散的传播路径。为使波长转换部件的荧光激发效率最高，将波长转换部件设置于经透镜组件131a后的最小的激光光斑位置处，以期获得最集中的激发能量，而此时的最小激光光斑处通常不是理论上的焦平面位置，会位于理论焦点位置之前，称为正像差，也有负像差，但以正像差居多。

在应用于产品时，技术人员发现，蓝色激光经过上述的波长转换部件及透镜组件后会出现较为严重的光衰现象。

亟需解决上述波长转换部件系统中蓝光的光衰问题。

发明内容

本发明提供了一种荧光转换系统，将荧光轮背面的第二透镜组件与荧光轮正面的第一透镜组件之间的距离设置为大于第一透镜组件的等效焦距，减轻了激光激励光源透过第二透镜组件后产生光衰的技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种荧光转换系统，包括激光激励光源，荧光轮，以及分别位于荧光轮正面和背面的第一透镜组件，第二透镜组件；激光激励光源经第一透镜组件入射至 荧光轮，激发 荧光轮发出荧光， 荧光经 荧光轮反射后透过第一透镜组件出射；以及激光激励光源还透过荧光轮经第二透镜组件出射；第二透镜组件与第一透镜组件之间的距离大于第一透镜组件的等效焦距；

进一步地，第一透镜组件与荧光轮正面之间的距离d1小于第一透镜组件的等效焦距F；

进一步地，第二透镜组件与第一透镜组件之间的距离大于两倍的d1，且小于等于三倍的d1；

进一步地，第一透镜组件包括一片非球面透镜和一片超球面透镜，第二透镜组件包括一片非球面透镜和一片超球面透镜或者第二透镜组件包括一片非球面透镜；

进一步地，第一透镜组件为一片非球面透镜，第二透镜组件为一片非球面透镜；

进一步地，第二透镜组件的等效焦距与第一透镜组件的等效焦距相等；

进一步地，激光激励光源为蓝色激光；

进一步地，荧光轮包括反射部和透射部，反射部上涂覆有荧光粉，用于受 蓝色激光激发发出荧光，透射部用于透过蓝色激光；

进一步地，荧光转换系统还包括中继透镜，光轴转换镜片，其中，第二透镜组件，中继透镜和光轴转换镜片构成激光激励光源的中继回路，蓝色激光经 中继回路后与荧光进行合光；

进一步地，位于荧光轮之前还设置有合光部件，用于对蓝色激光和荧光进行合光，并将合光输出至导光部件。

本发明技术方案，至少具有如下有益技术效果或者优点：

本发明技术方案提供的波长转换系统，包括激光激励光源，荧光轮，以及分别位于荧光轮正面和背面的第一透镜组件和第二透镜组件，通过将第二透镜组件与第一透镜组件之间的距离设置为大于第一透镜组件的等效焦距，减轻了激光的光衰现象。这是因为，实际应用时荧光轮位于第一透镜组件的最小激光光斑处，而非理论上的焦平面位置，为正像差时，最小光斑位置比焦点位置更靠近第一透镜组件。而激光发生光衰的原因，技术人员经研究发现是由于现有技术中第二透镜组件处于第一透镜组件的焦平面位置或极靠近焦平面位置，虽然实际中的这些位置的激光光斑并不聚焦在一点，光斑面积也不是最小的，但仍具有较高的光能量密度，而光斑能量密度越大，就容易吸附灰尘，从而造成位于此位置的光学镜片上积累较多的灰尘，引起光学镜片的穿透效率下降，导致光的衰减问题的产生。在本发明方案实施例中，通过将当第二透镜组件与第一透镜组件之间的距离大于第一透镜组件的等效焦距，从而将激光透过的第二透镜组件远离第一透镜组件的焦平面位置，使接收到的激光的光斑密度较小，能够较大程度上减轻由于光能量密度较大造成灰尘容易积累最终导致光衰的现象。

本发明技术方案通过改变荧光轮背面透镜组件的位置，不需要额外的除尘或者防尘部件，并且不影响其他光学部件的设置，就能够减轻由于第二透镜组件处于光密度较大位置造成灰尘积累进而导致激光光衰的问题。

附图说明

图1为一种现有技术的荧光转换系统图；

图2为现有技术中像差形成的光路示意；

图3为本发明实施例荧光转换系统结构示意图；

图4为本发明实施例荧光轮平面分布示意图；

图5为本发明实施例中荧光转换部件和透镜组件放大结构示意图；

图6A,6B,6C分别为本发明实施例中激光光斑大小变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种荧光转换系统，如图3所示，包括激光激励光源11，荧光轮13，分别位于荧光轮两侧的第一透镜组件131a，第二透镜组件131b。其中，荧光轮13，如图4所示，包括反射部136和透射部135，反射部136涂覆有荧光粉，荧光粉的涂覆不限于一种颜色，也不限于一定的圆周角度，与光源配色有关。本发明实施例仅示例性的说明荧光粉被激发转换成荧光的光学系统。透射部为透明材质制成，可以透射激光激励光源。荧光轮13具有转轴和驱动马达，能够进行旋转运动，从而使激光激励光源根据时序依次打在透射部135，和反射部136的位置上。

激光激励光源11经过第一透镜组件131a再照射至荧光轮上，第一透镜组131a具有对透过的光束进行聚焦和准直的双重作用。其中，第一透镜组件131a如图3所示，可以包括一片非球面透镜和一片超球面透镜，其中内侧超球面透镜靠近荧光轮设置，设置两片透镜的原因是除了透过激光激励光源，该透镜组件还接收荧光轮反射回来的荧光，由于荧光的发散角度较大，使用一片透镜很难将大发散角度的光束收集、准直，因此使用两片透镜组合，能够较好的收集发散角度较大的荧光。

第一透镜组件131a也可以为一片非球面透镜，但需要设计能够接收大发散角度且能够对该光束进行准直的光学参数，这样非球面曲率要求较大，设计和加工难度较大，成本较高。基于成本考虑，实际应用时通常会使用两片透镜组成的透镜组合。

第一透镜组件由两片透镜组成，因此其等效焦距可利用两片透镜的焦距计算得到，等效焦距F1=（f1*f2）/(f1+f2+△)，其中，f1，f2分别为透镜组件中两片透镜的理论焦距，F为计算得到的理论等效焦距，△为透镜间距。现有技术中也存在其他复杂的计算方法，在此仅举例说明一种计算方法。

在本发明实施例中，激光激励光源为蓝色激光，蓝色激光透过第一透镜组件131a的聚焦后，会聚成小的光斑照射到达荧光轮13上，具体地，当照射到荧光轮13的反射部136时，激发其表面的荧光粉发出荧光。被激发的荧光经过荧光轮表面的反射，以与蓝色激光传播方向相反的方向透过第一透镜组131a，此时第一透镜组件131a就对发散角度较大的荧光进行准直，从而得到平行或近似平行的荧光光束。当蓝色激光照射到荧光轮13的透射部135时，蓝色激光透射出去并到达第二透镜组131b。在本发明实施例中，第二透镜组131b如图3所示，包括一片超球面透镜和一片非球面透镜，其中，超球面透镜位于内侧，非球面透镜位于外侧（图中均为标注），与第一透镜组件131a中两片透镜的排列方式对称。但，第二透镜组件131b的超球面透镜与第一透镜组件的131a中的超球面透镜面型通常不同，这是因为两者距离荧光轮的距离不同，不是完全对称的光路，第二透镜组件131b的超球面透镜接收到的光束的扩散角度比第一透镜组件131a中的超球面透镜的发射角度要大，也就是第二透镜组件中超球面透镜对光的约束能力需更强。如果两者面型相同，则关于荧光轮呈对称才能保证光路的还原，但这种设置方式非常容易造成第二透镜组件131b的超球面透镜接受面位于第一透镜组件131a的焦平面附近。

为使蓝色激光光束经过第一透镜组件131a及荧光轮之后的光路仍以平行的光束传播，第二透镜组件131b与第一透镜组件131a的等效焦距相等，从而使得蓝色激光光束能够进行光路会聚以及光路准直的逆变换，保证激光光束仍以平行光束出射。

第二透镜组件131b也可以为一片非球面透镜，此时，第一透镜组件131a可以为一片非球面透镜和超球面透镜的组合，也可以为一片非球面透镜。前面已经提及，非球面透镜的成本较高，从而通常采用两片透镜的组合。

如图5所示，F1为第一透镜组件131a的等效焦距，图中仅示意标出，实际应用中因为像差原因，从第一透镜组件131a主点到等效焦距的长度位置处，即等效焦点位置是不能看到光线聚焦于一点的，在正像差情况下，荧光轮正面距离第一透镜组件131a的距离d1小于第一透镜组件131a的等效焦距，在等效焦点位置处的光斑也小于荧光轮正面接收到的光斑大小。由于荧光轮位于蓝色激光的最小光斑位置处，因此在实际应用时可以认为光束会聚与此，从而，F2为第二透镜组件131b的等效焦距，是指从荧光轮到第二透镜组件131b主点的距离。当F1=F2，即将两个透镜组件的等效焦距设置为相等，根据光沿直线传播和光路可逆原理，当蓝色激光光束经过第一透镜组件131a会聚在荧光轮上后，再从荧光轮处发散射出，经第二透镜组件131b进行光路逆变换被准直成平行光束或近似平行光束射出。

在本发明实施例中，第二透镜组件131b与第一透镜组件131a之间的距离大于第一透镜组件131a的等效焦距，是指，第二透镜组件131b内侧透镜镜片距离第一透镜组件131a主点平面的距离D大于第一透镜组件131a的等效焦距F1。从而第二透镜组件131b的镜片能够不再位于第一透镜组件131a的焦平面位置处，因这个焦平面在实际中不是可以测量到的恒定值，因此将D设置为大于F1，也可以认为第二透镜组件131b不再位于第一透镜组件131a的焦平面或其附近，从而使第二透镜组件131b，无论是内侧超球面透镜还是外侧非球面透镜接收到的激光光斑变大，而光能量密度变小，能够较大程度上减轻由于第二透镜组件接收到的光能量密度较大造成灰尘容易积累而最终导致透过第二透镜组件的激光光束光衰的现象。

在一具体实施中，第二透镜组件131b与第一透镜组件131a之间的距离D大于两倍的第一透镜组件131a到荧光轮正面之间的距离d1, 且小于等于三倍的d1。如图6A，为第二透镜组件131b位于第一透镜组件131a焦平面位置处的激光光斑示意图，图6B，图6C分别给出了第二透镜组件远离第一透镜组件131a焦平面，其中D=2.5*d1，和D=3*d1时的激光光斑示意图。

如果D过大，虽然接收到的激光光斑光密度减小，但由于光斑面积也随距离成倍率增加，激光光束的扩散角度也会非常大，那么收集激光光束的效率就会降低，对第二透镜组的透镜面型设计要求也会更高，可能对整个光路架构的光学部件位置或者体积造成一些改动，设计成本上升。

通过对比可知，在焦平面或极为靠近焦平面时，根据透镜成像原理为激光点的成像平面，此时，可以通过仪器观察到如图6A所示的示意图，为一个个激光点的成像，此处成像激光点与激光阵列的排布有关，本附图仅作为示意。在此处激光光斑非常小，从而光能量密度较大，由于灰尘容易在能量密度较大的位置被吸附积累，于是造成光学镜片即第二透镜组件131b的光学穿透效率下降，引起透过第二透镜组件的蓝色激光光束的衰减。当第二透镜组件131b远离第一透镜组件131a的焦平面位置，如图6B，图6C所示，与图6A相比，接收到的为呈弥散状态的大的激光光斑，距离越远，光斑发散程度越大，而光斑光能量密度较小，因此能够在较大程度上减轻蓝色激光的光衰的现象。

优选地，为了达到荧光高效激发的目的以及减少蓝色激光在传输过程中光损，激光激励光源还要经过光束整形装置111的缩束、匀化后形成较小的能量均匀的光斑再入射到荧光轮表面，在一具体实施例中，激光激励光源光束先到达合光部件12，合光部件12设置为对蓝色激光进行透射，经透射后，激光激励光源光束再经过第一透镜组件131a的聚焦，再次缩小光斑照射至荧光轮反射部136表面。合光部件可以采用二向色镜，通过镀膜可以对相应波长的光进行选择性透过和反射，实现透蓝反红反绿的光输出效果。以及，被激发的荧光经过第一透镜组件131a后也达到合光部件12，如果荧光为绿色荧光和红色荧光，则二向色镜可设置为对绿色和红色荧光均进行反射。

以及，进一步地，蓝色激光光束经过第二透镜组件131b后，还经过中继透镜132，光轴转换镜片133，经过光轴转换和会聚再次返回至合光部件12，经合光部件12透射后与被反射的荧光输出方向一致，达到导光部件，比如光棒，或者经过滤色轮14进行滤色输出后再进入光棒。其中，第二透镜组件131b，中继透镜132，光轴转换镜片133组成蓝光中继回路，构成对蓝光的收集光路，作为整个激光和荧光混合光源中蓝光的输出源。因此，如果蓝光经过中继回路后产生了衰减，就会造成整个激光混合光源中蓝光分量的衰减，从而造成激光混合光源亮度的下降，同时也会因为蓝光分量的衰减导致各基色比例的失衡，导致色温的偏移，激光投影图像的显示质量也降低。

在本发明实施例中，通过对蓝光中继回路中透镜组件与荧光轮正面的第一透镜组件之间的距离设置为大于第一透镜组件的等效焦距长度，从而可以避免第二透镜组件的镜片位于第一透镜组件的等效焦平面或附近位置，从而可以接收到较大的激光光斑，光能量密度较小，减轻了灰尘积累的情况，减轻了蓝光经过中继回路后衰减的程度，对于整个激光光源系统来说，蓝光衰减的程度减缓，色温偏移和光源亮度下降的问题也减轻了。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种荧光转换系统，包括激光激励光源，荧光轮，以及分别位于荧光轮正面和背面的第一透镜组件，第二透镜组件；

所述激光激励光源经所述第一透镜组件入射至所述荧光轮，激发所述荧光轮发出荧光，所述荧光经所述荧光轮反射后透过所述第一透镜组件出射；以及所述激光激励光源还透过所述荧光轮经所述第二透镜组件出射；

其特征在于，所述第二透镜组件与所述第一透镜组件之间的距离大于所述第一透镜组件的等效焦距；所述激光激励光以会聚状态照射到达所述荧光轮。

2.根据权利要求1所述的荧光转换系统，其特征在于，所述第一透镜组件与所述荧光轮正面之间的距离d1小于所述第一透镜组件的等效焦距。

3.根据权利要求2所述的荧光转换系统，其特征在于，第二透镜组件与所述第一透镜组件之间的距离大于两倍的d1，且小于等于三倍的d1。

4.根据权利要求3所述的荧光转换系统，其特征在于，所述第一透镜组件包括一片非球面透镜和一片超球面透镜，所述第二透镜组件包括一片非球面透镜和一片超球面透镜或者所述第二透镜组件包括一片非球面透镜。

5.根据权利要求3所述的荧光转换系统，其特征在于，所述第一透镜组件为一片非球面透镜，第二透镜组件为一片非球面透镜。

6.根据权利要求3所述的荧光转换系统，其特征在于，所述第二透镜组件的等效焦距与所述第一透镜组件的等效焦距相等。

7.根据权利要求1所述的荧光转换系统，其特征在于，所述激光激励光源为蓝色激光。

8.根据权利要求7所述的荧光转换系统，其特征在于，所述荧光轮包括反射部和透射部，所述反射部上涂覆有荧光粉，用于受所述蓝色激光激发发出荧光，所述透射部用于透过所述蓝色激光。

9.根据权利要求7所述的荧光转换系统，其特征在于，所述荧光转换系统还包括中继透镜，光轴转换镜片，其中，所述第二透镜组件，中继透镜和光轴转换镜片构成所述激光激励光源的中继回路，所述蓝色激光经所述中继回路后与所述荧光进行合光。

10.根据权利要求9所述的荧光转换系统，其特征在于，位于所述荧光轮之前还设置有合光部件，用于对所述蓝色激光和所述荧光进行合光，并将所述合光输出至导光部件。