CN109578824A - 一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置 - Google Patents

一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光照明封装技术领域,并公开了一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置。该装置包括反光杯和荧光粉膜,反光杯包括侧壁和底面,侧壁的横截面呈抛物线状,该抛物线的焦点设置在底面的中心,底面的中心设置有通孔,用于与荧光粉膜配合工作;荧光粉膜设置在抛物线焦点上,用于将激光光源发出的光分别以A光和B光出射,并以此形成白色光斑,该光斑的中间部分为A光,边缘是B光;反光杯用于将出射的B光沿竖直方向反射,并使得反射的B光汇聚在光斑的中间部分,从而与A光在中间部分混合形成白光,以此提高白光光斑颜色的均匀性。通过本发明,实现高亮度且颜色均匀的激光白光照明,结构简单,成本低。

Description

一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置
技术领域
本发明属于激光照明封装技术领域,更具体地,涉及一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置。
背景技术
目前,LED由于具有光电转化效率高、环保节能、体积小、使用寿命长等优点,被广泛应用于固态照明领域。但是LED在高电流密度下会存在“效率下降”的现象,限制了LED应用于高亮度照明领域。激光二极管作为另一种固态照明光源,在高电流密度下不存在效率下降的现象,反而能维持较高的发光效率。另外与LED相比,LD的发光面积和光束发散角都要更小,这都有利于实现高亮度照明。理论上,单位芯片面积LD能发射的光能量要远高于LED。因此,LD被认为是继LED之后的下一代照明光源,在未来高功率和高亮度照明领域具有巨大的市场潜力。
和白光LED相似,激光白光实现方式包括三种:第一种是多色(RGB)LD混光形成白光;第二种是采用近紫外(UV)LD激发多色(RGB)荧光粉形成白光;第三种是采用蓝光LD(GaN/InGaN)激发黄色(YAG或TAG),透射的蓝光和转化的黄光混光形成白光。第一种方案需要多个LD模块,不仅使得光色质量稳定性降低,并且会增加光源系统的成本;第二种方案多色荧光粉会存在重吸收效应,整体光效较低;第三种方案光效最高,并且结构最简单、成本最低,是目前应用最广泛的激光白光封装方式。
为了体现激光的优势,LD一般被应用于高亮度照明领域,为了获得高亮度,从LD出射的激光光束一般会经过准直或聚焦透镜,从而得到聚焦的激发光斑。经过透镜后的激光光束具有高度准直性,并且在空间分布上呈现高斯光束特性,这就意味着95%的光能量汇聚在-5~5°的空间角度之间。当采用如此汇聚的激光光斑激发荧光粉时,在小角度空间角内(-5~5°)蓝光无法充分被吸收、散射和转化,而在大角度空间角内几乎不存在蓝光;导致形成的白光光斑存在明显颜色分区:中间呈蓝色、边缘呈黄色(“黄圈”),整体空间颜色均匀性极差,非常不利于视觉感受。但是现有激光白光设计更多地关注如何提高亮度和光通量,包括高导热高热稳定性荧光粉材料研究、LD和荧光粉热管理研究等,很少关注激光白光的空间照明质量。也有研究提出采用扩束透镜将激光先进行扩束处理,让汇聚的激光光束空间能量分布更加发散,从而得到较好的空间颜色均匀性。然后激光扩束处理丢失了激光本身的优势,无法体现与LED相比高亮度的优势。目前仍缺乏一种简单的、低成本的封装工艺既能保留激光照明高亮度的优势,又能克服激光照明空间颜色均匀性差的缺点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,通过对其关键组件反光杯和荧光粉膜的结构设计和位置的设置,使得荧光粉膜出射的B光被反光杯垂直反射,使得该反射的B光与中间部分的A光混合形成白光,一方面缩小了光斑的范围,使得光照更加集中,另一方面使得原有光斑中外圈的B光消失,从而使得光斑颜色更加均匀,既能保留了激光照明高亮度的优势,又能克服了激光照明空间颜色均匀性差的缺点。
为实现上述目的,按照本发明,提供了一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,该装置包括反光杯和荧光粉膜,其中,
所述反光杯包括侧壁和底面,所述侧壁的横截面呈抛物线状,该抛物线的焦点设置在所述底面的中心,所述底面的中心设置有通孔,用于与所述荧光粉膜配合工作;
所述荧光粉膜设置在所述抛物线焦点上,用于将激光光源发出的光分别以A光和B光出射,并以此形成白色光斑,该光斑的中间部分为A光,边缘是B光;所述反光杯用于将出射的所述B光沿竖直方向反射,并使得反射的所述B光汇聚在所述光斑的中间部分,从而与所述A光在中间部分混合形成白光,以此提高白光光斑颜色的均匀性。
进一步优选地,所述激光的光源发出的光优选为蓝光,所述A光优选为蓝色光,所述B光优选为黄色光。
进一步优选地,所述激光光源发出的光优选为紫外光,所述A光为近紫外光,所述B光为红/绿/蓝混合光光。
进一步优选地,所述荧光粉膜以荧光粉为原材料,该荧光粉优选为玻璃荧光粉、透明陶瓷荧光粉或单晶荧光粉中的一种。
进一步优选地,所述反光杯的侧壁抛物线的焦距的取值范围优选为2mm~100mm,所述反光杯的壁厚优选为2mm~10mm。
进一步优选地,所述荧光粉膜设置在所述通孔中,用于实现前向散射。
进一步优选地,所述反光杯的焦点与所述侧壁的顶点的连线与竖直方向的夹角为θ,该θ的取值范围为10°~70°。
进一步优选地,所述反光杯的开口端设置有透明基板,所述荧光粉膜设置在所述透明基板的中心,用于实现后向散射。
进一步优选地,所述透明基板为对可见光透光率高于85%的材料,优选为蓝宝石或高导热的透明陶瓷材料。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
1、本发明通过在反光杯抛物面、底面或顶面的设计,将荧光粉膜安装在抛物面的焦点或焦点的延长线上,使得反光杯将荧光粉膜的出射光垂直反射,进而使得反射的光与中间部分的A光混合形成白光;
2、本发明将所述反光杯采用抛物面的设计,实现大范围的收集从荧光粉发射的前向或者后向散射的大角度B光,并能将其全部反射,克服了空间颜色均匀性极差的缺点;
3、本发明中没有对激光进行扩束处理,保留了激光照明高亮度的优点;该种方法只需要对反光杯进行设计和加工,成本低、结构简单、易实现,适用范围广。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例1所构建的基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置的结构原理示意图;
图2是是按照本发明的优选实施例1所构建的反光杯的结构示意图;
图3是按照本发明的优选实施例1所构建的反光杯的尺寸示意图;
图4是按照本发明的优选实施例2所构建的基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置的结构原理示意图;
图5是按照本发明的优选实施例2所构建的反光杯的结构示意图;
图6是按照本发明的优选实施例2所构建的反光杯的尺寸示意图;
图7(a)是没有采用反光杯是的激光白光的空间颜色分布曲线示意图;
图7(b)是按照本发明的优选实施例1采用反光杯后获得的激光白光的空间颜色分布曲线示意图;
图7(c)是按照本发明的优选实施例2采用反光杯后获得的激光白光的空间颜色分布曲线示意图。
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:
1-反光杯 2-抛物面焦点 3-荧光粉膜 4-通孔 5-透明基板
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合具体的实施例进一步说明本发明的装置。
实施例1
图1是按照本发明的优选实施例1所构建的基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置的结构原理示意图,如图1所示,该装置包括反光杯1和荧光粉膜3,图2是是按照本发明的优选实施例1所构建的反光杯的结构示意图,图3是按照本发明的优选实施例1所构建的反光杯的尺寸示意图,如图2和3所示,反光杯1内壁面为抛物面,顶面开口,底面为平面并开有一个通孔4,其直径为D;抛物面的焦点2位于通孔4的顶面中心;焦点2与内壁面顶部端点的连线与抛物面的准线成夹角为θ,焦点2距抛物面的最底部即焦距为a,反光杯1的壁面厚度为b;θ、a和b共同决定了反光杯1的整体尺寸。夹角θ的范围为10°~70°;焦距a的范围为2~100mm;厚度b的范围为2~10mm。
抛物面镀有高反射率涂层,可以为银或其他反光材料,抛物面的镜面反射率≥95%。
反光杯1可以通过冲压、线切割、铸造或其他机械加工方式实现。
如图1所示,荧光粉膜3安装于荧光粉安装孔4上;荧光粉膜3为底部圆柱形、顶部凸起的自由曲面形貌,底部的厚度与所述安装孔4的深度相等;该设计是为了增强对小空间角度蓝光的吸收、散射和转化,进一步提高空间颜色均匀性;荧光粉3为高导热荧光粉材料,为玻璃荧光粉、透明陶瓷荧光粉或单晶荧光粉的一种;荧光粉形貌可以通过特定的模具加工而成。
以激光发出的光为蓝光为例,激光二极管发出的蓝光光束经过透镜准直后入射到荧光粉膜3的底面,部分蓝光被荧光粉颗粒吸收并转化为黄光,剩余部分蓝光直接透射,并与转化的黄光混合形成白光;由于荧光粉的各向异性散射特性,产生的光束会从荧光粉的顶部和底部射出,分别为前向散射和后向散射;由于激光光束能量非常集中,95%的能量汇聚在小空间角度(-5~5°),因此小空间角度的蓝光比例特别大,而大空间角度的蓝光比例特别小,造成了严重的不均匀照明效果,在采用反光杯1后,从荧光粉前向散射的光束在小于θ角时直接出射,在大于θ角时会在抛物面发生全反射而准直出射;通过光路设计,前向散射光束中大空间角度的黄光被收集至小空间角度,并与直接出射的小空间角度蓝光进行二次混光,提高了白光的空间颜色均匀性;通过光束收集又减小了整体光源的光学扩展量,有利于提高激光白光的亮度。
反光杯1的材料为金属或其他高导热材料,可以作为荧光粉膜3的热沉。
荧光粉膜3的底部直径范围为0.5-10mm。通过调节θ的大小可以控制反光杯1的整体高度和出射口径,从而控制激光白光的照明角度和空间颜色均匀性。
实施例2
图5是按照本发明的优选实施例2所构建的反光杯的结构示意图;图6是按照本发明的优选实施例2所构建的反光杯的尺寸示意图,如图5和6,反光杯1的内壁面为抛物面,最底端开有一个通孔4,直径为D,用于透过入射的激光光束,抛物面的焦点2所在平面为顶面,顶面开口;焦点2与抛物面的最底端的距离为焦距a;下反光杯的壁面厚度为b;a、b共同决定了下反光杯的整体尺寸,焦距a的范围为2~100mm;厚度b的范围为2~10mm。
反光杯顶部装有一个透明基板5,其形状为圆柱形,直径与下反光杯的口径相等,透明基板5的中间开有一个荧光粉安装孔,用于安装荧光粉膜3,荧光粉3底部的厚度与透明基板5的厚度相等;
图4是按照本发明的优选实施例2所构建的基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置的结构原理示意图,如图4所示,从激光二极管发射的蓝光激光经过透镜准直后通过通孔4,入射到荧光粉膜3的底部;从荧光粉前向散射的光束直接从荧光粉膜3的顶部出射,而后向散射的光束在抛物面41发生全反射后准直出射,然后在透明基板5中发生折射后出射;通过光路设计,从荧光粉后向散射的光束尤其是大空间角度黄光光束被收集至小空间角度,并与前向散射的小空间角度的蓝光进行二次混光,从而显著提高激光白光的空间颜色均匀性;通过收集后向散射光束,不仅有利于减小整体光源的光学扩展量从而提高激光白光光源的亮度,并且利用了后向散射光能量从而提高整体流明效率。
透明基板5对整个可见光波段的透光率均高于85%;透明基板5材料为蓝宝石或其他高导热透明陶瓷材料。
图7(a)是没有采用反光杯是的激光白光的空间颜色分布曲线示意图;图7(b)是按照本发明的优选实施例1采用反光杯后获得的激光白光的空间颜色分布曲线示意图;图7(c)是按照本发明的优选实施例2采用反光杯后获得的激光白光的空间颜色分布曲线示意图,如图7(a)~(c)所示,分别为没有采用反光杯、采用实施例1和2的装置的激光白光的空间颜色分布曲线;从图中可以看到,在没有采用反光杯时,在小空间角度(-5~5°)色温很大(>10000K),说明在小角度空间几乎全为蓝光;而在大角度空间,色温约为3200K,说明大角度空间几乎全为黄光;因此在没有采用反光杯时白光的混光效果极差,当采用实施例1和2后,大角度空间的光束被收集到小角度空间,并且整体色温均在3600~5400K之间,说明此时的混光效果较好,从而都实现了小角度高亮度激光白光均匀照明。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,该装置包括反光杯(1)和荧光粉膜(3),其中,
所述反光杯(1)包括侧壁和底面,所述侧壁的横截面呈抛物线状,该抛物线的焦点(2)设置在所述底面的中心,所述底面的中心设置有通孔(4),用于与所述荧光粉膜配合工作;
所述荧光粉膜(3)设置在所述抛物线焦点(2)上,用于将激光光源发出的光分别以A光和B光出射,并以此形成白色光斑,该光斑的中间部分为A光,边缘是B光;所述反光杯(1)用于将出射的所述B光沿竖直方向反射,并使得反射的所述B光汇聚在所述光斑的中间部分,从而与所述A光在中间部分混合形成白光,以此提高白光光斑颜色的均匀性。
2.如权利要求1所述的一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,所述激光的光源发出的光优选为蓝光,所述A光优选为蓝色光,所述B光优选为黄色光。
3.如权利要求1所述的一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,所述激光光源发出的光优选为近紫外光,所述A光为近紫外光,所述B光为红/绿/蓝混合光。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,所述荧光粉膜(3)以荧光粉为原材料,该荧光粉优选为玻璃荧光粉、透明陶瓷荧光粉或单晶荧光粉中的一种。
5.如权利要求1所述的一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,所述反光杯(1)的侧壁抛物线的焦距的取值范围优选为2mm~100mm,所述反光杯的壁厚优选为2mm~10mm。
6.如权利要求1所述的一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,所述荧光粉膜(3)设置在所述通孔(4)中,用于实现前向散射。
7.如权利要求6所述的一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,所述反光杯的焦点(2)与所述侧壁的顶点的连线与竖直方向的夹角为θ,该θ的取值范围为10°~70°。
8.如权利要求1所述的一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,所述反光杯(1)的开口端设置有透明基板,所述荧光粉膜设置在所述透明基板的中心,用于实现后向散射。
9.如权利要求8所述的一种基于抛物面反光杯的白光均匀照明装置,其特征在于,所述透明基板(5)为对可见光透光率高于85%的材料,优选为蓝宝石或高导热的透明陶瓷材料。
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