CN112254021A - 一种色温可调的激光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光照明技术领域，更具体地，涉及一种色温可调的激光照明系统。用于解决在强照明领域，因LED光效率下降导致LED照明受到严重制约的问题。此种色温可调的激光照明系统，包括光学组件、激光发射器、波长转换装置、传动装置和控制装置；所述光学组件包括光学透镜组和第一光学透镜；所述激光发射器发射的激光光束先后经光学透镜组和波长转换装置的处理之后，从所述第一光学透镜出射；所述波长转换装置包括波长转换层和转换层基底；所述波长转换层为厚度变化的荧光粉层，所述转换层基底固定在所述传动装置上；所述控制装置控制所述传动装置的移动以调节色温。通过上述技术方案，以实现通过采用激光照明，使强照明领域的照明具有光效率高、光衰小、方向性强的技术效果。

Description

一种色温可调的激光照明系统

技术领域

本发明涉及激光照明技术领域，更具体地，涉及一种色温可调的激光照明系统。

背景技术

近年来，白光LED灯作为固态照明领域中高效节能光源，逐渐取代了传统照明光源。但随着人们对超大功率超高亮度照明领域的需求，例如航空航天、投影显示、汽车大灯等照明领域，新一代的激光照明技术(Laser lighting)应运而生。与现有LED照明光源相比，激光照明光源具有大功率、高亮度、智能控制等优势，拥有广阔的市场前景。

以白光LED为代表的半导体照明技术以其高效节能、超长寿命、绿色环保安全等优点，成为近几年来重要的新型照明光源。然而，白光LED的一个主要工作原理是利用紫外或者蓝光芯片激发涂敷在其表面的荧光粉且通过合适的混光技术实现白光。由于蓝光LED芯片具有效率骤降，也就是随着电流密度的增大，达到某一阈值时出现发光效率下降的现象，导致目前单颗白光LED的功率和流明都相对比较小。因此，大流明、高功率白光照明器件仅能通过简单地增加LED的数量来实现，但却由此带来诸如照明器件成本上升、结构复杂等问题，这些问题使得白光LED很难在诸如汽车前照大灯、航空照明等大功率高亮度照明产品中得以广泛的应用。

LED照明作为新一代照明技术，虽具有高亮度、低能耗、价格低廉以及使用寿命长等优势并逐步替代了传统的白炽灯和汞灯。但在强照明领域，其存在高亮度限制，发光效率随功率上升而下降情况等，使得LED在强照明领域受到了严重的制，这也催生了将激发光源替换为蓝光或近紫外LD的想法。同时激光照明在此领域与LED具有互补性，激光远程激发荧光粉技术相比较于传统LED光源具有光效率高、光衰小、方向性强等优点，特别适用于照明领域。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种色温可调的激光照明系统及其制作方法，用于解决因LED光效率下降导致LED照明受到严重制约的问题，以实现通过采用激光照明，使强照明领域的照明具有光效率高、光衰小、方向性强的技术效果。

本发明采取的技术方案是，一种色温可调的激光照明系统，包括光学组件、激光发射器、波长转换装置、传动装置和控制装置；所述光学组件包括光学透镜组和第一光学透镜；所述激光发射器发射的激光光束先后经光学透镜组和波长转换装置的处理之后，从所述第一光学透镜出射；所述波长转换装置与传动装置连接在一起，所述波长转换装置包括转换层基底及设于转换层基底上的波长转换层，所述波长转换层为厚度变化的荧光粉层；所述控制装置控制所述传动装置的移动，所述传动装置带动所述转换层基底和波长转换层移动以调节光束色温。本发明设计一种特殊的荧光粉层，具体为厚度变化的一个荧光片或多个荧光粉单元，此种荧光粉层的厚度变化由荧光片或荧光粉单元顶面与底面的夹角度数决定。再结合光学组件和激光发射器，以实现强照明领域的照明具有光效率高、光衰小、方向性强的技术效果。

进一步地，所述转换层基底为具有高透射率的材料。所述转换层基底采用高透射率的材料有利于减少光损耗，同时配合透镜组、光学扩散片和波长转换装置，形成透射式的色温可调的激光照明系统，与之相匹配的光路为透射光路。

进一步地，所述光学组件还包括反射棱镜组和第二光学透镜；所述激光发射器发射的激光光束经光学透镜组的透射后，入射至反射棱镜组，再经反射棱镜组反射至所述第二光学透镜，再经第二光学透镜和所述波长转换装置的处理之后，从第一光学透镜出射。当光学组件中加入反射棱镜组和第二光学透镜，再配合透镜组、光学扩散片和波长转换装置，形成反射式的色温可调的激光照明系统，与之相匹配的光路为反射光路。

进一步地，所述转换层基底为具有高反射率的材料；所述转换层基底采用高透射率的材料有利于减少光损耗，与反射棱镜组配合使用，应用于反射式的色温可调的激光照明系统。所述转换层基底与传动装置之间还设置有散热基板。所述散热基板与采用高反射率的材料的转换层基底配合使用，帮助加快散除激光光束经过所述波长转换装置时所产生的热量。

进一步地，所述第二光学透镜接收垂直入射的光束后，出射至所述波长转换装置，再经波长转换装置反射至所述第二光学透镜，再由所述第二光学透镜发散出射至第一光学透镜上。

进一步地，所述荧光粉层为厚度连续变化的荧光粉片，所述荧光粉片的底面与顶面所成的夹角为0.2°～0.5°，所述荧光粉片的最薄处厚度范围是5μm～15μm，最厚处厚度范围30μm～50μm。经多次试验，确定一个合适的夹角范围，该夹角度数决定了所述顶面的斜率，进而决定了荧光粉片厚度变化的快慢，这对于通过调节荧光粉片厚度，进而调节色温时操作的敏感度十分重要；因此选择底面与顶面所成的夹角范围为0.2°～0.5°，使得传动装置带动荧光粉层移动时，其厚度变化不至于太快，也至于太慢。

进一步地，所述荧光粉层为排列整齐的多个荧光粉单元；所述多个荧光粉单元的顶面均为水平面，所述任意两个相邻荧光粉单元之间存在缝隙，所述缝隙的距离为10μm～100μm；所述排列整齐的多个荧光粉单元的厚度逐渐递增或逐渐递减，所述任意两个相邻荧光粉单元之间的厚度差为5μm～15μm。采用多个荧光粉单元，可以预先设置若干个固定的色温，所述若干个固定的色温范围通常是排除了不常用的色温，便于使用者快速选择所需要的色温。

进一步地，所述光学组件还包括有光学扩散片，所述光学扩散片设置在光学透镜组和波长转换装置之间。所述激光光束经光学扩散片之后，形成一个均匀的面光源，增加了光源照射的均匀程度。

进一步地，所述激光光束为近平行光束，聚焦于所述波长转换装置，并以近平行光束从第一透镜出射。以近平行光束入射和以近平行光束出射以增加激光光束照射的均匀程度，聚焦于波长转换装置以实现集中均匀混色。

进一步地，其特征在于，所述激光发射器发射的激光光束为蓝光激光，所述转换层基底反黄透蓝。采用蓝光激光作为光源，再配合反黄透蓝的转换层基底，因而在所述波长转换装置中形成白光，最终从第一光学透镜出射。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明设计一种特殊的荧光粉层，具体为厚度变化的一个荧光片或多个荧光粉单元，此种荧光粉层的厚度变化由荧光片或荧光粉单元顶面与底面的夹角度数决定。再结合光学组件和激光发射器，为色温可调的激光照明系统提供了很好的技术方案，实现了强照明领域的照明具有光效率高、光衰小、方向性强的技术效果。其中光学组件根据是否加入反射棱镜组，将此种色温可调的激光照明系统为透射式激光照明系统和反射式的激光照明系统，从而实现了此种色温可调的激光照明系统在多种场景下的应用。

附图说明

图1为本发明实施例的透射式结构及光路图。

图2为本发明实施例的反射式结构及光路图。

图3为本发明实施例的波长转换装置结构图。

图4为本发明实施例的荧光粉片结构图。

图5为本发明实施例的荧光粉单元结构图。

附图标记说明：激光发射器1；准直透镜2；聚焦透镜3；第一反射棱镜4；光学扩散片5；第二反射棱镜6；第二光学透镜7；波长转换层8；转换层基底9；散热基板10；控制装置11；第一光学透镜12。

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可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例一种色温可调的激光照明系统，包括光学组件、激光发射器1、波长转换装置、传动装置和控制装置11；此种色温可调的激光照明系统为透射式激光照明系统，所述光学组件包括光学透镜组、第一光学透镜12和光学扩散片5；所述光学透镜组包括准直透镜2和聚焦透镜3，所述激光发射器1采用大功率蓝光激光发射器1；所述波长转换装置与传动装置连接在一起，所述波长转换装置包括波长转换层8和转换层基底9，所述波长转换层8具体为厚度变化的荧光粉层；所述转换层基底9为具有高透射率的材料，有利于减少光损耗；可采用具有高透射率的石英玻璃片或者蓝宝石片，所述具有高透射率的材料反黄透蓝；通过特殊工艺在具有高透射率的材料上制作厚度变化的荧光粉层，所述厚度变化的荧光粉层即为波长转换层8；所述荧光粉层固定在所述转换层基底9上，将所述转换层基底9固定在所述传动装置上，所述控制装置11控制所述传动装置的移动以调节色温，所述传动装置在设置时需避让激光光束照射的位置。本方案为色温可调的激光照明系统设计一种厚度变化的荧光粉层，并以控制装置11控制传动装置的移动使得激光光束照射部分的荧光粉层厚度发声变化，从而实现调节色温的技术效果。

所述厚度变化的荧光粉层具体为厚度连续变化地荧光粉片，所述荧光粉片的底面与顶面所成的夹角为0.2°～0.5°，所述荧光粉片的最薄处厚度范围是5μm～15μm，最厚处厚度范围30μm～50μm。经多次试验，确定所述夹角范围为0.2°～0.5°，该夹角度数决定了所述顶面的斜率，进而决定了荧光粉片厚度变化的快慢，这对于通过调节荧光粉片厚度，进而调节色温时操作的敏感度十分重要；因此选择底面与顶面所成的夹角范围为0.2°～0.5°，使得传动装置带动荧光粉层移动时，其厚度变化不至于太快，也不至于太慢。所述厚度连续变化的荧光粉片可替换为排列整齐的多个荧光粉单元；所述多个荧光粉单元的顶面均为水平面，所述任意两个相邻荧光粉单元之间存在缝隙，所述缝隙的距离为10μm～100μm；所述排列整齐的多个荧光粉单元的厚度逐渐递增或逐渐递减，所述任意两个相邻荧光粉单元之间的厚度差为5μm～15μm。采用多个荧光粉单元，可以预先设置若干个固定的色温，所述若干个固定的色温范围通常是排除了不常用的色温，便于使用者快速选择所需要的色温。

上述色温可调的激光照明系统的光路原理为：由大功率蓝光激光发射器1发射蓝光激光，所述蓝光激光为近平行光束，所述蓝光激光经准直透镜2、聚焦透镜3和光学扩散片5的共同作用聚焦于波长转换装置上，具体聚焦于具有高透射率的石英玻璃片上；此时蓝光激光入射至厚度连续变化的荧光粉片上时，激发荧光粉片产生黄光，所述黄光与入射于所述石英玻璃片上的蓝光激光混合形成白光，再入射至第一光学透镜12，最终以近平行光束从第一光学透镜12出射。所述控制装置11控制所述传动装置的移动，所述传动装置带动所述转换层基底9和波长转换层8移动，使得激光照射部分的荧光粉片厚度发生变化以调节色温，从而实现在不同场景下的照明。

本发明设计一种特殊的荧光粉层，具体为厚度变化的一个荧光片或多个荧光粉单元，此种荧光粉层的厚度变化由荧光片或荧光粉单元顶面与底面的夹角度数决定。再结合光学组件和激光发射器1，为色温可调的激光照明系统提供了很好的技术方案，实现了强照明领域的照明具有光效率高、光衰小、方向性强的技术效果。其中光学组件根据是否加入反射棱镜组，将此种色温可调的激光照明系统为透射式激光照明系统和反射式的激光照明系统，从而实现了此种色温可调的激光照明系统在多种场景下的应用。

实施例2

本实施例一种色温可调的激光照明系统，包括光学组件、激光发射器1、波长转换装置、传动装置和控制装置11；此种色温可调的激光照明系统为反射式激光照明系统，所述光学组件包括光学透镜组、反射棱镜组、第一光学透镜12、第二光学透镜7和光学扩散片5；所述光学透镜组包括准直透镜2和聚焦透镜3，所述反射棱镜组包括第一反射棱镜4和第二反射棱镜6，所述激光发射器1采用大功率蓝光激光发射器1；所述波长转换装置包括波长转换层8和转换层基底9，所述波长转换层8具体为厚度变化的荧光粉层；所述转换层基底9为具有高反射率的材料，有利于减少光损耗，同时配合反射棱镜组，形成反射式激光照明系统；所述有高反射率的材料采用具有高反射率的金属薄片或者陶瓷片，金属薄片可以是金属铝、金属铜、金属铁等，也可以是镀有高反射金属层的其他基板，陶瓷片可以是氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、硅基板等；所述具有高反射率的材料反黄透蓝。

通过特殊工艺在具有高透射率的材料上制作厚度变化的荧光粉层，所述厚度连续变化的荧光粉层即为波长转换层8；所述荧光粉层固定在转换层基底9上，再将转换层基底9固定在散热基板10上，所述散热基板10采用陶瓷基板、金属铜板、金属铝板等高导热材料，以帮助加快散除激光光束经过所述波长转换装置时所产生的热量；将所述散热基板10固定在所述传动装置上，所述传动装置带动所述散热基板10移动，从而带动固定在散热基板10上的波长转换装置移动；所述控制装置11控制所述传动装置的移动以调节色温。

所述厚度变化的荧光粉层具体为厚度连续变化地荧光粉片，所述荧光粉片的底面与顶面所成的夹角为0.2°～0.5°，所述荧光粉片的最薄处厚度范围是5μm～15μm，最厚处厚度范围30μm～50μm。经多次试验，确定所述夹角范围为0.2°～0.5°，该夹角度数决定了所述顶面的斜率，进而决定了荧光粉片厚度变化的快慢，这对于通过调节荧光粉片厚度，进而调节色温时操作的敏感度十分重要；因此选择底面与顶面所成的夹角范围为0.2°～0.5°，使得传动装置带动荧光粉层移动时，其厚度变化不至于太快，也不至于太慢。所述厚度连续变化的荧光粉片可替换为排列整齐的多个荧光粉单元；所述多个荧光粉单元的顶面均为水平面，所述任意两个相邻荧光粉单元之间存在缝隙，所述缝隙的距离为10μm～100μm；所述排列整齐的多个荧光粉单元的厚度逐渐递增或逐渐递减，所述任意两个相邻荧光粉单元之间的厚度差为5μm～15μm。采用多个荧光粉单元，可以预先设置若干个固定的色温，所述若干个固定的色温范围通常是排除了不常用的色温，便于使用者快速选择所需要的色温。

上述色温可调的激光照明系统的光路原理为：由大功率蓝光激光发射器1发射蓝光激光，所述蓝光激光为近平行光束；所述蓝光激光经准直透镜2和聚焦透镜3入射至第一反射棱镜4，再经第一反射棱镜4反射至所述光学扩散片5，所述光学扩散片5设置在第一反射棱镜4反射和第二反射棱镜6之间，将第一反射棱镜4反射的激光光束扩散至第二反射棱镜6，再由第二反射棱镜6反射至第二光学透镜7，所述激光光束经第二光学透镜7的透射之后聚焦于所述波长转换装置上，具体聚焦于具有高反射率的金属薄片或者陶瓷片上；此时蓝光激光入射至厚度连续变化的荧光粉片上时，激发荧光粉片产生黄光，与入射于所述具有高反射率的金属薄片或者陶瓷片上的蓝光激光混合形成白光，再入射至第四光学透镜12，最终以近平行光束从四光学透镜12出射。所述控制装置11控制所述传动装置的移动，所述传动装置带动所述转换层基底9和波长转换层8移动，使得激光照射部分的荧光粉片厚度发生变化以调节色温，从而实现在不同场景下的照明。

本发明设计一种特殊的荧光粉层，具体为厚度变化的一个荧光片或多个荧光粉单元，此种荧光粉层的厚度变化由荧光片或荧光粉单元顶面与底面的夹角度数决定。再结合光学组件和激光发射器1，为色温可调的激光照明系统提供了很好的技术方案，实现了强照明领域的照明具有光效率高、光衰小、方向性强的技术效果。其中光学组件根据是否加入反射棱镜组，将此种色温可调的激光照明系统为透射式激光照明系统和反射式的激光照明系统，从而实现了此种色温可调的激光照明系统在多种场景下的应用。

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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，包括光学组件、激光发射器(1)、波长转换装置、传动装置和控制装置(11)；所述光学组件包括光学透镜组和第一光学透镜(12)；所述激光发射器(1)发射的激光光束先后经光学透镜组和波长转换装置的处理之后，从所述第一光学透镜(12)出射；所述波长转换装置连接传动装置，所述波长转换装置包括转换层基底(9)及设于转换层基底(9)上的波长转换层(8)，所述波长转换层(8)为厚度变化的荧光粉层；所述控制装置(11)控制所述传动装置的移动，所述传动装置带动所述转换层基底(9)和波长转换层(8)移动以调节光束色温。

2.根据权利要求1所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，当激光光束直接穿过波长转换装置出射时，所述转换层基底(9)为具有高透射率的材料。

3.根据权利要求1所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，所述光学组件还包括反射棱镜组和第二光学透镜(7)；所述激光发射器(1)发射的激光光束经所述光学透镜组的透射后，入射至所述反射棱镜组，再经反射棱镜组反射至所述第二光学透镜(7)，再经第二光学透镜(7)和所述波长转换装置的处理之后，从第一光学透镜(12)出射。

4.根据权利要求3所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，所述转换层基底(9)为具有高反射率的材料；所述转换层基底(9)与传动装置之间还设置散热基板(10)。

5.根据权利要求3所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，所述第二光学透镜(7)接收垂直入射的光束后，出射至所述波长转换装置，再经波长转换装置反射至所述第二光学透镜(7)，再由所述第二光学透镜(7)发散出射至第一光学透镜(12)上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，所述荧光粉层为厚度连续变化的荧光粉片，所述荧光粉片的底面与顶面所成的夹角为0.2°～0.5°，所述荧光粉片的最薄处厚度范围是5μm～15μm，最厚处厚度范围30μm～50μm。

7.根据权利要求1至5任一项所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，所述荧光粉层为排列整齐的多个荧光粉单元；所述多个荧光粉单元的顶面均为水平面，所述任意两个相邻荧光粉单元之间存在缝隙，所述缝隙的距离为10μm～100μm；所述排列整齐的多个荧光粉单元的厚度逐渐递增或逐渐递减，所述任意两个相邻荧光粉单元之间的厚度差为5μm～15μm。

8.根据权利要求1至5任一项所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，所述光学组件还包括光学扩散片(5)，所述光学扩散片设置在光学透镜组和波长转换装置之间。

9.根据权利要求1至5任一项所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，所述激光光束为近平行光束，聚焦于所述波长转换装置，并以近平行光束从第一透镜(12)出射。

10.根据权利要求1至5任一项所述的一种色温可调的激光照明系统，其特征在于，所述激光发射器(1)发射的激光光束为蓝光激光，所述转换层基底(9)反黄透蓝。

Images