CN111474731A - 光源系统及包括该光源系统的照明装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光源系统及包括所述光源系统的照明装置，该光源系统包括至少一个激光器，至少一个反射镜，和匀光转换组件。激光器发射的激发光经反射镜反射后进入匀光转换组件，被转换成受激光后从匀光转换组件中出射，匀光转换组件的出射受激光的区域的面积小于匀光转换组件接收激发光的表面的面积。通过上述方式，本申请提供的光源系统及包括该光源系统的照明装置减小了光源体积，并增强了出射光的颜色及亮度的均匀性。

Description

光源系统及包括该光源系统的照明装置

技术领域

本申请涉及激光照明领域，特别涉及光源系统及包括该光源系统的照明装置。

背景技术

激光荧光技术是实现GaN基蓝光激光白光照明的主要技术路线，也可用于光谱变换的单色照明，具有亮度高、性能稳定等优点。

在激光荧光技术中，为了获得具有良好方向性的出射光束，通常需要用到激光激发荧光、荧光收集以及光束整形等技术，以实现较小的出光角度。同时，为了获得高亮度的出射光束，可以通过提高光源功率或减少发光面积来实现。

考虑实际制备及装配需求，激光光束照射荧光片时，通常光束要小于荧光片面积。由于激光荧光材料的发光强度受激发激光功率密度影响，容易存在荧光片发光不均匀的问题。通过成像系统收集、汇聚并整形后，这种荧光发光的不均匀性会影响出射光束的质量，因此需要通过匀光系统对光束进行均匀化。

但是，通常的光源系统中的匀光装置，受限于加工能力以及精度，对于1mm以下的尺寸，采用传统加工方式会导致大量的加工成本并降低成品率。

发明内容

本申请提供一种光源系统及包括光源系统的照明装置，能够解决现有技术中光源系统光束均匀性较差的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是提供一种光源系统，包括：至少一个激光器，用于发射激发光；至少一个反射镜，位于激发光的光路上，用于反射激发光；匀光转换组件，位于被反射镜反射后的激发光的光路上，用于接收激发光并出射受激光，匀光转换组件的出射受激光的区域的面积小于匀光转换组件的接收激发光的表面的面积。

根据本申请的一实施方式，匀光转换组件包括：第一匀光元件，激发光从第一匀光元件的顶面入射第一匀光元件，第一匀光元件的顶面包括第一透光区域与包围第一透光区域的选择性透反区域，第一匀光元件的侧壁为反射结构，第一匀光元件的底面为第二透光区域；波长转换元件，设置在第一匀光元件底面用于吸收激发光并发出受激光，波长转换元件的底面设置有反射面；其中，选择性透反区域用于透射激发光并反射受激光。

根据本申请的一实施方式，第一匀光元件与波长转换元件之间存在间隙。

根据本申请的一实施方式，第一透光区域的面积小于第二透光区域的面积。

根据本申请的一实施方式，匀光转换组件包括：第二匀光元件，激发光从第二匀光元件的顶面入射第二匀光元件，第二匀光元件的顶面包括第一透光区域与包围第一透光区域的选择性透反区域，第二匀光元件的侧壁为反射结构，第二匀光元件底部设置有用于吸收激发光并发出受激光的波长转换结构，第二匀光元件底面设置有反射面；其中，选择性透反区域用于透射激发光并反射受激光。

根据本申请的一实施方式，匀光转换组件在顶端到底端方向上，横截面逐渐变小。

根据本申请的一实施方式，反射镜为凹反射镜或者全内反射镜。

根据本申请的一实施方式，光源系统还包括外壳，以及与外壳固定的第一热沉与第二热沉；其中，激光器承载于第一热沉上，匀光转换组件承载于第二热沉上，第一热沉与第二热沉组合式结构或为一体式结构。

根据本申请的一实施方式，光源系统还包括整形透镜，整形透镜设置在匀光转换组件的出射光的光路上。

根据本申请的一实施方式，匀光转换组件出射的受激光的主光轴与激光器出射的激发光的主光轴平行。

为解决上述问题，本申请采用的另一技术方案是提供一种照明装置，照明装置包括上述的光源系统。

区别于现有技术，本申请提供的光源系统及包括光源系统的照明装置，通过设置激光器、反射镜以及匀光转换组件，使得激光器发射的激发光在匀光转换组件进行波长转换形成受激光并匀光化后出射，增强了出射光的颜色及亮度的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1是本申请一实施例的光源系统的结构示意图；

图2是本申请一实施例的光源系统中匀光转换组件的俯视示意图；

图3是本申请另一实施例的光源系统中匀光转换组件的俯视示意图；

图4是本申请另一实施例的光源系统的结构示意图；

图5是本申请另一实施例的光源系统的结构示意图；

图6是是本申请图1中匀光转换组件内的激光光路示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，均属于本申请保护的范围。

需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态 (如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1，本申请提供一种光源系统10，该光源系统10包括激光器200，反射镜300以及匀光转换组件400。

其中，激光器200用于发射激发光，具体的，可以用于发射蓝色激光；反射镜300位于激发光的光路上，用于反射激光器200所发射的激发光；匀光转换组件400位于被反射镜300反射后的激发光的光路上，用于接收激发光并发出受激光，并将受激光进行匀光后出射。具体的，匀光转换组件400通过荧光材料实现波长转换，通过多个反射面实现匀光。

在具体实施例中，光源系统10还可以包括外壳100，外壳100 具体可以为金属外壳，其材质可以为铝合金或者散热性良好的材料，其形状可以为柱型。该外壳100可以围合形成一个容纳空间110。

如图1所示，激光器200设置在容纳空间110的底部位置，其激发光的方向是容纳空间110从底部朝向顶部的方向。反射镜300设置在容纳空间110的顶部位置，且该反射镜300设置在从激光器200出射的激发光的光路上，能对激发光进行反射并使激发光入射到匀光转换组件400中。

在一具体实施例中，反射镜300可以为凹反射镜或者全内反射镜 (TIR反射镜)，能够大幅度减少对激发光的损耗，能够最大化实现无损反射。

在具体实施例中，匀光转换组件400可以为整体的一体结构，也可以为组合结构。

如图4所示，在一个具体实施例中，匀光转换组件400包括第一匀光元件500a和波长转换元件600a，该波长转换元件600a设置在第一匀光元件500a底部；其中，第一匀光元件500a的顶面包括第一透光区域410与围绕该第一透光区域410的选择性透光区域420，第一透光区域410用于透过激发光以及受激光，选择性透反区域420用于透射激发光并反射受激光。

图2是匀光转换组件400的俯视图，如图2所示，第一透光区域 410可以设置在顶面的中心位置，选择性透反区域420围绕该第一透光区域410进行设置。在其他实施例中，根据设计需要，如图3所示，第一透光区域410’也可以位于顶面的中心位置以外的其他的位置，其形状也可以为圆形、正方形或椭圆形等，选择性透反区域420’围绕该第一透光区域410’设置。匀光转换组件400的顶面包括第一透光区域 410和选择性透反区域420，第一透光区域410的面积小于匀光转换组件400的顶面的面积，使得被匀光转换组件400的底面反射至匀光转换组件400顶面的受激光中的至少一部分可以被选择性透反区域 420反射回匀光转换组件400，并在匀光转换组件400进行来回反射，直至最终从第一透光区域410出射，改善了匀光效果。选择性透反区域420优选为高反射镜面，以保持荧光(和/或激光)的反射角度保持不变，到达匀光转换组件底部时光学扩展量不变。反射结构也可以是全内(TIR)反射镜面，能够减少其光的损耗，实现无损反射。第一匀光元件500a的底面为第二透光区域510。

波长转换元件600a的顶面与第一匀光元件500a的底面正对设置，即波长转换元件600a设置在第一匀光元件500a的正底部。该波长转换元件600a设置有波长转换结构430，其顶面则为透光面，底面设置有反射面，波长转换元件600a的侧面为散射面，其波长转换结构430的主体部分则为荧光转换层。

具体的，其第一匀光元件500a为一个倒圆台形或倒锥台形结构，其顶部的横截面要大于横截面的宽度，具体的，在其顶部到底部的方向上，横截面逐渐变小，使得从顶部入射的激发光全部被引导至底部。

在一个具体实施例中，激发光从第一匀光元件500a的顶面入射到第一匀光元件500a后，由于激发光为蓝光，选择性透反区域420 为镀于第一匀光元件500a顶面的透蓝反黄膜，激发光可以通过第一透光区域410或/和选择性透反区域420进行入射，在激发光进入到第一匀光元件500a后，通过在其第一匀光元件500a进行来回反射后通过其底部的第二透光区域510进入到波长转换元件600a中，并被波长转换元件600a中的荧光转换层进行转换后形成受激光。本实施例中，受激光为黄光，受激光被波长转换元件600a底部的反射面反射而重新进入到第一匀光元件500a中，进一步的在第一匀光元件 500a中进行来回反射，直到从第一透光区域410进行出射。可以理解，本实施例中，第一匀光元件为实心的匀光棒，选择性透反区域为第一匀光元件顶面的镀有透蓝反黄膜的区域，在其他实施例中，第一匀光元件也可以是空心的匀光棒，此时选择性透反区域可以是盖设于第一匀光元件顶部开口处的选择性滤光片。

在改进的实施例中，选择性透反区域420还具有透射入射角较小 (例如小于等于17°)的激发光，反射入射角较大(例如大于17°) 的激发光的特性。这样，进入第一匀光元件500a而未被波长转换元件600a吸收的部分激发光也会在选择性透反区域420处被反射，重新在第一匀光元件500a内循环，直至从第一透光区域410出射，提高了激发光的利用率；另一部分激发光以较小的角度从选择性透反区域420出射，即蓝光的出光角度也得到改善。

由于选择性透反区域420镀有透蓝反黄膜，受激光(黄光)到达选择性透反区域420时，会被反射，重新在第一匀光元件500a内循环，从而可以提升匀光效果。并且，通过设计第一透光区域410的面积，可以控制穿过第一透光区域410出射的光的角度。

进一步的，其第一匀光元件500a与波长转换元件600a之间存在间隙，即第一匀光元件500a的顶面与波长转换元件600a并非贴合设置，其存在一定高度的空气隙。间隙的存在可以令出射光进入第一匀光元件500a时发生由空气至光密媒质的折射而具有更小的出光角度。在发光面积一定的情况下，进一步减小了光学扩展量，同时折射现象令光线进入第一匀光元件500a后更易发生全内反射。

上述实施例中，通过组合式的第一匀光元件500a与波长转换结构600a的配合，在第一匀光元件500a的顶面设置第一透光区域410 与选选择性透反区域420，增强了出射光的颜色及亮度的均匀性，保证了出射光的光学质量。

如图5所示，在一具体实施例中，匀光转换组件400’包括有第二匀光元件500b，其第二匀光元件500b与第一匀光元件500a相似，其顶面也设置激发光的光路上，包括第一透光区域与包围第一透光区域的选择性透反区域，使得激发光从其第二匀光元件500b的顶面入射，第二匀光元件的侧壁为反射结构。

具体的，其第二匀光元件500b的底部设置有波长转换结构600b，其具体也可以是荧光层结构，其作用于上述实施例中的波长转换元件相似，均进行波长转换，从而吸收激发光并发出受激光，具体的，该第二匀光元件500b底面设置有反射面。

上述实施例中，通过将波长转换结构设置在第二匀光元件500b 中，有效的节省了整个光源系统的体积，并增强了整个匀光转换组件 400的强度，且由于匀光转换组件400’可以直接与热沉进行接触，从而可以增强散热。

在具体实施例中，其激发光入射匀光转换组件400’的入射角要小于其受激光的出射角，且其激发光的入射角要小于透蓝反黄膜的透蓝角度，从而能更好的通过选择性透光区域420进入到匀光转换组件 400’中。

如图5所示，光源系统10还包括第一热沉120与第二热沉130，其中激光器200承载于第一热沉120上，匀光转换组件400’承载于第二热沉130上，其第一热沉120与第二热沉130固定在外壳100上，从而使得激光器200与匀光转换组件400’固定在外壳100上。

进一步的，该第一热沉120与第二热沉130优选为散热结构，能够加强其激光器200与匀光转换组件400’散热。

在一个具体实施例中，第一热沉120与第二热沉130为组合式结构，分开组装在外壳上，其中其第一热沉120可以设置在其外壳100 的底座上，其第二热沉130可以设置在外壳100的侧壁上。

在其他实施例中第一热沉120与第二热沉130优选为一体式结构，能够集中散射，且便于组装，加强散热。

如图4所示，在具体实施例中，光源系统10还包括整形透镜700，整形透镜70设置在从匀光转换组件400出射的受激光的光路上，以对受激光进行整形并出射形成出射光。被整形后出射的光的方向与激光器200发出的激发光的方向相同。

在一具体实施例中，如图4所示，光源系统10还进一步包括准直透镜800，该准直透镜800设置在激光器200与反射镜300之间，用于调整激光器200发射的第一激光的准直性，能够聚集更多的第一激光，从而发射到反射镜300上。

如图4所示，在一具体实施例中，其激光器100、反射镜300具体可以为两个，相应的，其第二透镜800也为两个，且两组激光器 100设置在匀光转换组件400的两侧。

在其他实施例中，其具体可以为四组，且围绕着匀光转换组件 400四面进行设置。从而进一步增强其光源系统10的亮度。

在具体实施例中，其反射镜300、准直透镜800以及整形透镜700 等均可以通过支架安装固定在外壳100上。

如图6所示，图6是本申请提供的一匀光转换组件400”内的光路图，当激发光从其顶面进行入射时，其具体的，可以是从而透光区域410”进行入射，也可以是从选择性透反区域420”进行入射，其入射后的激发光910被设置在侧壁的反射结构进行来回反射到底部，具体的，其部分激发光910可能进行过多次反射才会到底部，部分受激光910也可以是直接直射到底部，进行波长转换，从而形成了受激光 920，受激光920一部分会直接从透光区域410”出射，形成出射的受激光930，一部分会继续在内壁后反射在出射，一部分受激光920会在内壁反射后，反射到其选择性透反区域420”上，由于其选择性透反区域420的选择作用，其受激光920则会被发射，并在其内壁进行来回的反射，直到从透光区域410”出射。一方面使得光在匀光转换组件400”内循环，增强了匀光效果，一方面由于选择性透反区域 420”，使得入射光入射面积大，但一方面由于其限制了透光区域410”的大小，使得出射光的出射面积小，不会发生逸散，从而提高了光的利用率。

需要知道的是，对于匀光元件而言，如果是方棒结构则可以进行照度和色坐标的匀光，但基于光学扩展量的原理可以知道，方棒结构的角度不会变化，出口仍为朗伯分布，因此不利于后续整形透镜的收光。而如果采用圆锥棒，可以实现减小角度的目的、提升收光整形效率，但是却无法实现匀色和照度均匀。

在具体实施例中，空心或实心的多边形锥棒匀光元件都可以实现颜色和照度的均匀化，同时，可以减小光源出光角度，便于收光整形。

然而为了保持高亮度和匀光效，也需要对匀光元件的物理尺寸进行限制，即减小匀光元件的发光面积以提高光源亮度，同时保持一定长径比以保证匀光效果。

为了实现其匀光元件的匀光效果，其对于匀光元件的物理尺寸要求，如一般要小于1mm，以现有的技术如机械加工及抛光工艺而言，采用传统加工方式会导致大量的加工成本并降低成品率。而加工尺度受限，则会在低光通量光源情况下，降低光源亮度。尤其是在光学匀光元件中，光学面的光洁度、边角的锐利度以及倾角都会影响最后的光学质量。

在磨抛加工工程中，由于采用机械固定方式加工易导致光学元件表面刮伤或，通常采用蜡封、粘接等方式固定元件。但小于1mm的尺寸且带有一定倾角，加工精度难以保证。特别是逐一加工，会严重影响生产速率和加工精度。

本申请提供的光源系统，其提供的匀光组件为较大尺寸的锥棒结构，从而避免了加工难度，并在锥棒顶部制备小面积透明窗口控制锥棒系统出光的光学量，同时采用其他区域高反射镀膜或等效工艺实现激光荧光的光循环利用，提高系统出光效率；采用折叠式反射光路，实现激光出光方向与光源系统出光方向的一致性，并实现激光防护；采用反射式固定荧光片，实现光热分离，提高转光材料对激光的耐受功率并减少采用马达等带来的可靠性问题；顶部光循环的透蓝反黄膜或反射膜具有镜面反射特性，以保持反射时光学扩展量不变，令不能透射的光可以回到荧光层或光棒底部再次反射而增加光循环利用率。

进一步的，在追求高亮度、小面积光源及匀光器件的同时，兼顾元件加工生产难题，通过优化的光学系统和光学核心元件改进，设计合理的光学元件和光学系统，实现理想的匀光特性并提供合理的制备方案，解决核心匀光器件的制备难题，并提供具有优良光学特性的紧凑型激光荧光光源结构，同时提供一种结合方棒优点并可实现圆形光斑而无需光阑的光源结构方案。

本申请还提供一种照明装置，该照明装置包括上述的光源系统 10，可以应用于便携式激光荧光照明光源系统、车用激光荧光系统，以及相应的激光荧光光源产品，特别是具有固定式转光元件的超小型激光照明光源。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请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，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种光源系统，其特征在于，所述光源系统包括：

至少一个激光器，用于发射激发光；

至少一个反射镜，位于所述激发光的光路上，用于反射所述激发光；

匀光转换组件，位于被所述反射镜反射后的激发光的光路上，用于接收所述激发光并出射受激光，所述匀光转换组件的出射所述受激光的区域的面积小于所述匀光转换组件的接收所述激发光的表面的面积。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述匀光转换组件包括：

第一匀光元件，所述激发光从所述第一匀光元件的顶面入射所述第一匀光元件，所述第一匀光元件的顶面包括第一透光区域与包围所述第一透光区域的选择性透反区域，所述第一匀光元件的侧壁为反射结构，所述第一匀光元件的底面为第二透光区域；

波长转换元件，设置在所述第一匀光元件的底面，用于吸收所述激发光并发出受激光，所述波长转换元件的底面设置有反射面；

其中，所述选择性透反区域用于透射所述激发光并反射所述受激光。

3.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述第一匀光元件与所述波长转换元件之间存在间隙。

4.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述第一透光区域的面积小于所述第二透光区域的面积。

5.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述匀光转换组件包括：

第二匀光元件，所述激发光从所述第二匀光元件的顶面入射所述第二匀光元件，所述第二匀光元件的顶面包括第一透光区域与包围所述第一透光区域的选择性透反区域，所述第二匀光元件的侧壁为反射结构，所述第二匀光元件底部设置有用于吸收所述激发光并发出受激光的波长转换结构，所述第二匀光元件底面设置有反射面；

其中，所述选择性透反区域用于透射所述激发光并反射所述受激光。

6.根据权利要求2或5所述的光源系统，其特征在于，所述匀光转换组件在顶端到底端方向上，横截面逐渐变小。

7.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述反射镜为凹反射镜或者全内反射镜。

8.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，还包括外壳，以及与所述外壳固定的第一热沉与第二热沉；

其中，所述激光器承载于第一热沉上，所述匀光转换组件承载于第二热沉上，所述第一热沉与所述第二热沉组合式结构或为一体式结构。

9.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述光源系统还包括整形透镜，所述整形透镜设置在从所述匀光转换组件出射的受激光的光路上。

10.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述匀光转换组件出射的受激光的主光轴与所述激光器出射的激发光的主光轴平行。

11.一种照明装置，其特征在于，所述照明装置包括权利要求1-10中任一权利要求所述的光源系统。

Images