CN110107826A - 一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统及激光手电筒 - Google Patents

一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统及激光手电筒 Download PDF

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黄成�
郑治国
李秀斌
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Abstract

本发明涉及一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统及激光手电筒，光学系统包括入射光学系统、波长转换装置及出射光学系统；入射光学系统包括激光器及多个光学反射器，激光器用于发出激发光，多个光学反射器用于对激发光进行多次反射以折叠光束形成多光轴并引导最后折叠的激发光至波长转换装置；波长转换装置用于吸收部分激发光形成受激光；受激光和未被波长转换装置吸收的激发光形成照明光由出射光学系统出射；激光器发出的激发光所在光轴和照明光的出射光轴不重合。多个光学反射器使得激发光通过多光轴光路的折叠后进入波长转换装置形成照明光，实现高效率远距离照明效果的同时，降低使用大功率激光技术风险，且手电筒体积小。

Description

一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统及激光手电筒
技术领域
本发明涉及手电筒技术领域，更具体地，涉及一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统及激光手电筒。
背景技术
手持式照明设备又称为手电筒，由于其具有非常好的便携的可移动性，在许多户外及其他特种应用场合得到广泛使用，如户外登山、探险、警用搜救、小空间照明等场景。
这种手持式的照明设备通常又由筒体及筒头组成，筒体内置供电电池，筒头上设有特定的发光器件，应用于手电筒的发光器件，最为传统的是小功率的卤素灯泡，这类光源显色好，但亮度及效率不具优势，而且寿命短是其致命的缺点。其次是近些年流行起来的半导体照明LED，LED作为新兴的光源，发光效率高、寿命长、稳定性好，在各应用领域有取而代之传统光源的趋势。但由于应用于手电筒领域，其要求便携性的极高要求，无论是传统的卤素灯还是LED光源，都不是理想的点光源，这给应用于手电筒领域的二次光学增加不少难度，给手电筒的体积带来不利因素。
所以更新型的半导体激光技术的发展应用又给新型手电筒带来新机，由于半导体激光器的极好的方向性，接近于点光源作为理想光源，且激光具有高亮度的特性，所以在应用于手电筒这种指向性照明的应用领域的优势尤其突出。基于激光器的这两个特点，可以大大地缩小手电筒的体积及使光照射距离更远。
但激光存在的另一个问题就是激光的安全问题，也正是由于激光的高亮度特性，其能量密度非常地高，在使用如此大功率的激光器时，由于使用不慎容易对相关人员的眼睛或皮肤造成严重的伤害，甚至引起火灾、烫伤等严重的伴随伤害，尤其是对使用者眼睛不可逆转的伤害，所以在使用大功率激光时需要尤其谨慎。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术中的缺陷，提供一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，包括该光学系统的手电筒充分利用激光极好方向性和极高亮度的特点实现高效率远距离照明的同时，大大地降低了使用大功率激光技术的风险，且手电筒体积小。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，包括入射光学系统、波长转换装置及出射光学系统；入射光学系统包括激光器及多个光学反射器，激光器用于发出激发光，多个光学反射器用于对激发光进行多次反射以折叠光束形成多光轴并引导最后折叠的激发光至波长转换装置；波长转换装置用于吸收部分激发光形成受激光；受激光和未被波长转换装置吸收的激发光形成照明光由出射光学系统出射；激光器发出的蓝色激发光所在光轴和照明光的出射光轴不重合。
上述方案中，多个光学反射器的反射作用使得激发光通过多光轴光路的折叠后进入波长转换装置，经波长转换装置后形成的照明光由出射光学系统出射，实现高效率远距离的照明效果，由于激光器发出的激发光所在光轴和照明光的出射光轴不重合，大大地降低了使用大功率激光技术的风险，且激光接近点光源使得手电筒体积小。
优选地，所述入射光学系统还包括设于激光器和第一光学反射器之间的第一小透镜，第一小透镜用于将激光器发出的平行或近平行的蓝色激发光进行聚焦。
进一步优选地，最后一个光学反射器与波长转换装置之间设有第二小透镜，入射光学系统及出射光学系统均包括所述第二小透镜；波长转换装置位于第一小透镜和第二小透镜的组合焦点上。这样设置便于将蓝色激发光聚焦于波长转换装置上，以便于波长转换装置吸收部分激发光形成的受激光与未吸收的激发光合成高能量密度的照明光。
更进一步优选地，出射光学系统还包括设于光出射方向最外部的出光透镜；波长转换装置位于出光透镜与第二小透镜的组合焦点上；受激光和未被波长转换装置吸收的激发光经由第二小透镜及出光透镜准直后形成近平行的照明光出射。可根据使用需求选择不同的出光透镜尺寸及参数进行搭配，以变换该光学系统的照射角度，实现远近距离变化的需求。
优选地，光学反射器包括所述第一光学反射器及第二光学反射器；激光器和第一光学反射器设于第一光轴上，照明光的出射光轴为第二光轴，波长转换装置位于第二光轴上；第一光学反射器用于对激光器发出的蓝色激发光进行第一次偏转，经第一次偏转后的蓝色激发光与第二光轴相交位置设置第二光学反射器，第二光学反射器用于对第一次偏转后的蓝色激发光进行第二次偏转以使蓝色激发光光轴与第二光轴重合。经第二光学反射器第二次偏转后的蓝色激发光光轴与照明光的出射光轴重合，但传播方向相反。
进一步优选地，第一光轴和第二光轴相互平行并错开设置。定义手电筒长度方向为纵向，与纵向垂直方向为横向；这样设置使得激光器发出的蓝色激发光为纵向，进而使得激光器的设置不会使手电筒横向尺寸比原来大很多。
更进一步优选地，沿蓝色激发光出射方向在第一光学反射器后设有遮挡结构。遮挡结构可为挡片，这样设置能规避在使用过程中光学系统的损坏或意外使用，或激光传导过程中各光学元器件的烧损导致原蓝色激发光直接射出等使用风险，以防止激光手电筒使用的意外事故；另外，遮挡结构还具有防止光溢出的作用。
优选地，第二光学反射器镜面反射面积大于入射蓝色激发光束的截面积，且在垂直第二光轴上的投影面积小于经第二小透镜后出射的照明光束在第二光学反射器位置截面积上的1/3，并小于第二小透镜直径最大处截面积的1/2。第二光学反射器设置在第二光轴上会对出射的照明光进行遮挡，所以需要在满足入射蓝色激发光的前提上尽量缩小第二光学反射器的面积，以增加照明光的出射效率。
优选地，波长转换装置为黄磷荧光粉片。黄磷荧光粉受部分激发光激发形成受激光。
本发明还提供了另一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，包括上述的入射光学系统、波长转换装置及出射光学系统；入射光学系统为多个并围绕波长转换装置设置；且所有入射光学系统中的最后一个光学反射器形成的整体结构与波长转换装置之间设有第二小透镜，入射光学系统及出射光学系统均包括所述第二小透镜。
上述方案能用于实现高效率远距离或超远距离照明，同时降低使用大功率激光技术的风险，且手电筒体积小。
现有技术中为了实现超远距离照明，需要使用多个激光器来偶合成单束光出射，此时通常使用二向色镜作为合光装置来获取照明光，在二向色镜的镀膜上设计针对蓝色激发光的反射膜，且该反射膜对黄色光线高透，蓝色激发光入射至二向色镜上时，第一部分蓝色激发光被反射引导到波长转换装置上，第二部分蓝色激发光被二向色镜透射引导到朗伯型散射体上形成朗伯型次光源。这样在波长转换装置上受激辐射出的黄光和形成的朗伯型次光源在二向色镜上重新合光，形成所需要的照明光，这种方案由于需要二向色镜进行分光合光作用，相当于两个光学系统，会增大产品的相应设计体积，不方便携带，失去了便携性的最大意义，而上述方案具有使用二向色镜作为合光装置耦合多个激光器的光以实现超远距离照明效果的同时，恰好能解决二向色镜作为合光装置时导致的产品体积大的问题。
所述激光器为可发射出蓝色激发光的半导体激光器件并设于第一光轴上，激光器所辐射出的激发光沿第一光轴经第一小透镜进行聚焦，然后第一光轴蓝色激发光经过的路径上设置的第一光学反射器来使蓝色激发光发生偏转，被第一光学反射器偏转后的蓝色激发光与第二光轴垂直并相交(其中第二光轴为照明光的出射光轴)，并在蓝色激发光与第二光轴相交位置设置的第二光学反射器作用下使蓝色激发光发生第二次偏转，经第二次偏转后的蓝色激发光光轴与照明光的出射光光轴重合，并且传播方向相反。这样，通过第一光学反射器及第二光学反射器的偏转光路，蓝色激发光被引导到波长转换装置(黄磷荧光粉片)上，波长转换装置受部分蓝色激发光激发后形成受激光，受激光和未被波长转换装置吸收的激发光经由第二小透镜及出光透镜准直后形成近平行的照明光出射，以达到白色激光手电筒实现高效率远距离照明的效果。
本发明的另一个目的，在于提供一种折叠多光轴的激光手电筒，包括筒体及筒头，筒头内设有上述光学系统；筒体内设有为激光器提供电能的电池，筒体上设有用于控制激光器打开和关闭的开关。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
多个光学反射器的反射作用使得激发光通过多光轴光路的折叠后进入波长转换装置，经波长转换装置后形成的照明光由出射光学系统出射，实现高效率远距离的照明效果，由于激光器发出的激发光所在光轴和照明光的出射光轴不重合，大大地降低了使用大功率激光技术的风险，且激光接近点光源使得手电筒体积小。
附图说明
图1为实施例1一种折叠多光轴的激光手电筒的示意图。
图2为实施例1一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统的示意图。
图3为实施例2一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统的示意图。
图4为实施例2中现有技术中使用二向色镜来对多个激光器发出的蓝色激发光进行合光获取照明光的光学系统的示意图。
附图标识：100激光手电筒；101筒体；102开关；103筒头；104电池；201激光器；301第一小透镜；401第一光学反射器；402第二光学反射器；501第二小透镜；601出光透镜；701第一光轴；702第二光轴；801遮挡结构；901波长转换装置；2001二向色镜。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明的可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1至2所示，本实施例提供了一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，包括入射光学系统、波长转换装置901及出射光学系统；入射光学系统包括激光器201及多个光学反射器，激光器201用于发出蓝色激发光，多个光学反射器用于对蓝色激发光进行多次反射以折叠光束形成多光轴并引导最后折叠的蓝色激发光至波长转换装置901；波长转换装置901用于吸收部分激发光形成受激光；受激光和未被波长转换装置901吸收的激发光形成照明光由出射光学系统出射；激光器201发出的蓝色激发光所在光轴和照明光的出射光轴不重合。
本发明中，多个光学反射器的反射作用使得蓝色激发光通过多光轴光路的折叠后进入波长转换装置901，经波长转换装置901后形成的照明光由出射光学系统出射，实现高效率远距离的照明效果，由于激光器201发出的蓝色激发光所在光轴和照明光的出射光轴不重合，大大地降低了使用大功率激光技术的风险，且激光接近点光源使得手电筒100体积小。
其中，所述入射光学系统还包括设于激光器201和第一光学反射器401之间的第一小透镜301，第一小透镜301用于将激光器201发出的平行或近平行的蓝色激发光进行聚焦；使激发光经由入射光学系统聚焦于波长转换装置901上。
另外，最后一个光学反射器与波长转换装置901之间设有第二小透镜501，入射光学系统及出射光学系统均包括所述第二小透镜501；波长转换装置901位于第一小透镜301和第二小透镜501的组合焦点上。这样设置便于将蓝色激发光聚焦于波长转换装置901上，以便于波长转换装置901吸收部分激发光形成的受激光与未吸收的激发光合成高能量密度的照明光。
其中，出射光学系统还包括设于光出射方向最外部的出光透镜601；波长转换装置901位于出光透镜601与第二小透镜501的组合焦点上；受激光和未被波长转换装置901吸收的激发光经由第二小透镜501及出光透镜601准直后形成近平行的照明光出射。可根据使用需求选择不同的出光透镜601尺寸及参数进行搭配，以变换该光学系统的照射角度，实现远近距离变化的需求。
另外，光学反射器包括所述第一光学反射器401及第二光学反射器402；激光器201和第一光学反射器401设于第一光轴701上，照明光的出射光轴为第二光轴702，波长转换装置901位于第二光轴702上；第一光学反射器401用于对激光器201发出的蓝色激发光进行第一次偏转，经第一次偏转后的蓝色激发光与第二光轴702相交位置设置第二光学反射器402，第二光学反射器402用于对第一次偏转后的蓝色激发光进行第二次偏转以使蓝色激发光光轴与第二光轴702重合。经第二光学反射器402第二次偏转后的蓝色激发光光轴与照明光的出射光轴重合，但传播方向相反。
本实施例中，第一光轴701和第二光轴702相互平行并错开设置。定义手电筒100长度方向为纵向，与纵向垂直方向为横向；这样设置使得激光器201发出的蓝色激发光为纵向，进而使得激光器201的设置不会使手电筒100横向尺寸比原来大很多。
本实施例中，沿蓝色激发光出射方向在第一光学反射器401后设有遮挡结构801。这样设置能规避在使用过程中光学系统的损坏或意外使用，或激光传导过程中各光学元器件的烧损导致原蓝色激发光直接射出等使用风险，以防止激光手电筒100使用的意外事故；另外，遮挡结构还具有防止光溢出的作用。
其中，第二光学反射器402镜面反射面积大于入射蓝色激发光束的截面积，且在垂直第二光轴702上的投影面积小于经第二小透镜501后出射的照明光束在第二光学反射器402位置截面积上的1/3，并小于第二小透镜501直径最大处截面积的1/2。第二光学反射器402设置在第二光轴702上会对出射的照明光进行遮挡，所以需要在满足入射蓝色激发光的前提上尽量缩小第二光学反射器402的面积，以增加照明光的出射效率。
本实施例中，波长转换装置901为黄磷荧光粉片。黄磷荧光粉受部分激发光激发形成受激光。
本实施例中，所述激光器201为可发射出蓝色激发光的半导体激光器件并设于第一光轴701上，激光器201所辐射出的激发光沿第一光轴701经第一小透镜301进行聚焦，使激发光经由入射光学系统聚焦于波长转换装置901上，然后第一光轴701蓝色激发光经过的路径上设置的第一光学反射器401来使蓝色激发光发生偏转，被第一光学反射器401偏转后的蓝色激发光与第二光轴702垂直并相交(其中第二光轴702为照明光的出射光轴)，并在蓝色激发光与第二光轴702相交位置设置的第二光学反射器402作用下使蓝色激发光发生第二次偏转，经第二次偏转后的蓝色激发光光轴与照明光的出射光光轴重合，并且传播方向相反。这样，通过第一光学反射器401及第二光学反射器402的偏转光路，蓝色激发光被引导到波长转换装置901(黄磷荧光粉片)上，波长转换装置901受部分蓝色激发光激发后形成受激光，受激光和未被波长转换装置901吸收的激发光经由第二小透镜501及出光透镜601准直后形成近平行的照明光出射，以达到白色激光手电筒100实现高效率远距离照明的效果。
本实施例还提供了一种折叠多光轴的激光手电筒100，如图1所示，包括筒体101及筒头103，筒头103内设有上述光学系统；筒体101内设有为激光器201提供电能的电池104，筒体101上设有用于控制激光器201打开和关闭的开关102。开关102的设置便于打开和关闭该手电筒100。
实施例2
本实施例提供了另一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，如图3所示，包括实施例1所述的入射光学系统、波长转换装置901及出射光学系统；其与实施例1的区别在于：入射光学系统为多个并围绕波长转换装置901均匀设置；且所有入射光学系统中的最后一个光学反射器形成的整体结构与波长转换装置901之间设有第二小透镜501，入射光学系统及出射光学系统均包括所述第二小透镜501。
本实施例能用于实现高效率远距离或超远距离照明，同时降低使用大功率激光技术的风险，且手电筒体积小。
现有技术中为了实现超远距离照明，需要使用多个激光器来偶合成单束光出射，如图4所示，此时通常使用二向色镜2001作为合光装置来获取照明光，在二向色镜2001的镀膜上设计针对蓝色激发光的反射膜，且该反射膜对黄色光线高透，蓝色激发光入射至二向色镜2001上时，第一部分蓝色激发光被反射引导到波长转换装置901上，第二部分蓝色激发光被二向色镜2001透射引导到朗伯型散射体上形成朗伯型次光源。这样在波长转换器装置901上受激辐射出的黄光和形成的朗伯型次光源在二向色镜2001上重新合光，形成所需要的照明光，这种方案由于需要二向色镜2001进行分光合光作用，相当于两个光学系统，会增大产品的相应设计体积，不方便携带，失去了便携性的最大意义，而本实施例具有使用二向色镜作为合光装置耦合多个激光器的光以实现超远距离照明效果的同时，恰好能解决二向色镜作为合光装置时导致的产品体积大的问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应被包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，包括入射光学系统、波长转换装置(901)及出射光学系统；入射光学系统包括激光器(201)及多个光学反射器，激光器(201)用于发出激发光，多个光学反射器用于对激发光进行多次反射以折叠光束形成多光轴并引导最后折叠的激发光至波长转换装置(901)；波长转换装置(901)用于吸收部分激发光形成受激光；受激光和未被波长转换装置(901)吸收的激发光形成照明光由出射光学系统出射；激光器(201)发出的激发光所在光轴和照明光的出射光轴不重合。
2.根据权利要求1所述的一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，所述入射光学系统还包括设于激光器(201)和第一光学反射器(401)之间的第一小透镜(301)，第一小透镜(301)用于将激光器(201)发出的平行或近平行蓝色激发光进行聚焦。
3.根据权利要求2所述的一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，最后一个光学反射器与波长转换装置(901)之间设有第二小透镜(501)，入射光学系统及出射光学系统均包括所述第二小透镜(501)；波长转换装置(901)位于第一小透镜(301)和第二小透镜(501)的组合焦点上。
4.根据权利要求3所述的一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，出射光学系统还包括设于光出射方向最外部的出光透镜(601)；波长转换装置(901)位于出光透镜(601)与第二小透镜(501)的组合焦点上；受激光和未被波长转换装置(901)吸收的激发光经由第二小透镜(501)及出光透镜(601)准直后形成近平行的照明光出射。
5.根据权利要求3所述的一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，光学反射器包括所述第一光学反射器(401)及第二光学反射器(402)；激光器(201)和第一光学反射器(401)设于第一光轴(701)上，照明光的出射光轴为第二光轴(702)，波长转换装置(901)位于第二光轴(702)上；第一光学反射器(401)用于对激光器(201)发出的蓝色激发光进行第一次偏转，经第一次偏转后的蓝色激发光与第二光轴(702)相交位置设置第二光学反射器(402)，第二光学反射器(402)用于对第一次偏转后的蓝色激发光进行第二次偏转以使蓝色激发光光轴与第二光轴(702)重合。
6.根据权利要求5所述的一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，第一光轴(701)和第二光轴(702)相互平行并错开设置。
7.根据权利要求2所述的一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，沿蓝色激发光出射方向在第一光学反射器(401)后设有遮挡结构(801)；或/且波长转换装置(901)为黄磷荧光粉片。
8.根据权利要求5所述的一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，第二光学反射器(402)镜面反射面积大于入射蓝色激发光束的截面积，且在垂直第二光轴(702)上的投影面积小于经第二小透镜(501)后出射的照明光束在第二光学反射器(402)位置的截面积上的1/3，并小于第二小透镜(501)直径最大处截面积的1/2。
9.一种折叠多光轴的激光手电筒光学系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的入射光学系统、波长转换装置(901)及出射光学系统；入射光学系统为多个并围绕波长转换装置(901)设置；且所有入射光学系统中的最后一个光学反射器形成的整体结构与波长转换装置(901)之间设有第二小透镜(501)，入射光学系统及出射光学系统均包括所述第二小透镜(501)。
10.一种折叠多光轴的激光手电筒(100)，包括筒体(101)及筒头(103)，其特征在于，筒头(103)内设有权利要求1至9任一项所述的光学系统；筒体(101)内设有为激光器(201)提供电能的电池(104)，筒体(101)上设有用于控制激光器(201)打开和关闭的开关(102)。
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