CN112628615A - 一种激光光源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种激光光源装置，包括两套激光器模组、二向色镜、荧光透镜组、荧光材料单元，其中两个二向色镜平行且与各自所对应的激光器模组的激光入射中心光轴成夹角45°倾斜定位设置；一套激光器模组发出的激光束经二向色镜和荧光透镜组激发荧光材料单元产生荧光，经准直的荧光束再通过本组二向色镜朝向另组二向色镜反射；另一套按相同原理产生荧光，经准直的荧光束再通过本组二向色镜与另一荧光束合成一束叠加输出。应用本发明的激光光源装置，将参与合色的两路激光及荧光体分离、单独控制，增加了光源设计的自由度，且色温和显色效果设计更灵活；所得到的扩散光角分布更均匀，照明输出光中心和边缘叠加均匀，合色的白光效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种光源装置，尤其涉及激光光源模组和使用该模组的激光光源装置，属于激光器件领域。
背景技术
近些年来，LED光源正在取代传统的自炽灯和节能灯成为一种新型的照明光源，作为一种通用照明光源，它具有高效，节能，环保以及寿命长等优点。但LED的电光效率限制了它自身发光亮度有限。在一些需要高亮光源的应用领域，例如户外探照灯、舞台灯光，汽车远光灯，大尺寸投影显示等领域，LED就无法满足要求了。与LED同源的半导体激光二极管，也具有高效，节能，环保，寿命长的优点，利用激光激发荧光粉技术可以得到光学扩展量（发光面角积）小、亮度高的点光源，该点光源可用在需要高亮度照明的应用领域。
激光激发荧光粉技术是将激光聚焦到荧光粉层上，形成一个发光点很小的点光源，荧光粉受激产生高亮度的辐射光，这种荧光发光大致具有朗伯分布。常见的激发方式有：蓝色激光激发黄色荧光粉，产生的光谱为黄色的辐射光。根据颜色互补的原理，如果再混合一部分蓝光，则可以形成白光，再由光学系统收集发射，形成了白光光源。
在激光荧光投影显示中，为了散热通常将荧光粉涂覆在一个转动的色轮上，合成白光中的蓝光部分是由荧光轮旋转分时形成的，结构复杂，不适合静态照明。
目前一些静态照明光源方案是将荧光粉涂覆在固定的散热基底上，合成白光往往采用一个部分透射部分反射蓝光的透反镜，参与合色的两部分光关联在一起不便于独立调节，限制了设计的自由度。此外，蓝激光聚焦到扩散片上，容易导致焦点能量过高损坏扩散片，且扩散的角分布效果也不好，合成的白光边缘效果不佳，照明均匀性不好，调节不灵活。蓝激光波长光谱窄，与荧光合色成的白色显色不好。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的旨在提出一种激光光源装置，解决静态照明光源合成白光显色效果及调节灵活性的问题。
本发明实现上述目的的技术解决方案是，一种激光光源装置，其特征在于：包括第一激光器模组、第一二向色镜、第一荧光透镜组、第一荧光材料单元、第二激光器模组、第二二向色镜、第二荧光透镜组、第二荧光材料单元，其中两个二向色镜平行且与各自所对应的激光器模组的激光入射中心光轴成夹角45°倾斜定位设置；第一激光器模组发出的激光束经第一二向色镜和第一荧光透镜组激发第一荧光材料单元产生第一荧光，经准直的第一荧光束通过第一二向色镜朝向第二二向色镜反射；第二激光器模组发出的激光束经第二二向色镜和第二荧光透镜组激发第二荧光材料产生第二荧光，经准直的第二荧光束通过第二二向色镜与第一荧光束合成一束叠加输出。
上述激光光源装置，进一步地，生成第一荧光束的构件中，第一激光器模组发出的激光束经第一二向色镜正侧面完全透射，以平行于第一荧光透镜组中心光轴的方向入射，并由第一荧光透镜组聚焦到第一荧光材料单元上，产生与对应激发光相异波长的第一荧光，第一荧光经第一荧光透镜组收集准直成第一荧光束，并入射到第一二向色镜背侧面、朝向第二二向色镜反射。
上述激光光源装置，进一步地，生成第二荧光束的构件中，第二激光器模组发出的激光束经第二二向色镜正侧面完全透射，以平行于第二荧光透镜组中心光轴的方向入射，并由第二荧光透镜组聚焦到第二荧光材料单元上，产生与对应激发光及第一荧光相异波长的第二荧光，第二荧光经第二荧光透镜组收集准直成第二荧光束，并入射到第二二向色镜背侧面反射、与入射到第二二向色镜正侧面且完全透射的第一荧光束叠加合成。
上述激光光源装置，进一步地，生成第二荧光束的构件中，第二激光器模组发出的激光束经第二二向色镜背侧面反射，以平行于第二荧光透镜组中心光轴的方向入射，并由第二荧光透镜组聚焦到第二荧光材料单元上，产生与对应激发光及第一荧光相异波长的第二荧光，第二荧光经第二荧光透镜组收集准直成第二荧光束，并入射到第二二向色镜背侧面完全透射、与入射到第二二向色镜正侧面且反射的第一荧光束叠加合成。
上述激光光源装置，更进一步地，在第二荧光透镜组与第二二向色镜之间还设有带通滤光片，且带通滤波器对第二激光器模组发出的激光束完全透射，并对第二荧光材料单元辐射出的第二荧光束裁剪波长光谱、部分透过。
上述激光光源装置，进一步地，所述第一激光器模组包含一个以上激光二极管及其对应匹配的准直透镜，该第二激光器模组包含一个以上激光二极管及其对应匹配的准直透镜，各激光器模组中所有激光二极管经对应的准直透镜射出相互平行的激光束。
上述激光光源装置，更进一步地，所述第一激光器模组发出的激光束的中心波长介于445nm~465nm，所述第一荧光材料单元包含荧光陶瓷或类荧光陶瓷胶体，吸收第一激光器模组的激光束并辐射波长介于470nm~720nm的荧光。
上述激光光源装置，更进一步地，所述第二激光器模组发出的激光束的中心波长介于350nm~430nm，所述第二荧光材料单元包含荧光粉硅胶、荧光陶瓷或类荧光陶瓷胶体，吸收第二激光器模组的激光束并辐射波长介于435nm~470nm的荧光。
上述激光光源装置，更进一步地，所述第一激光器模组或第二激光器模组中的激光二极管点亮数及驱动光功率可调，且对应所生成的各荧光束的功率正比例匹配调整。
上述激光光源装置，进一步地，所述第一荧光透镜组、第二荧光透镜组为由球面镜组合而成的复合透镜组，且各个复合透镜组的焦距和数值孔径相同或相异、通光孔径相同或相近似。
应用本发明该激光光源装置，具备突出的实质性特点和显著的进步性：其将参与合色的两路激光及荧光体相分离、单独控制，增加了设计的自由度。采用激光激发荧光来生成合色光，得到的扩散光角分布更均匀，照明输出光中心和边缘叠加均匀，合色的白光效果更好。此外，激光激发荧光得到的蓝紫光，光谱范围比激光宽，可以通过带通滤光片更精确地选择合色的光谱波长范围，更易于控制色温和显色效果，设计更灵活。
附图说明
图1是本发明激光光源装置第一实施例的结构示意图。
图2是本发明激光光源装置第二实施例的结构示意图。
图3是本发明激光光源装置第三实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
本发明所提出的该种激光光源装置，从技术概述来看，包括第一激光器模组、第一二向色镜、第一荧光透镜组、第一荧光材料单元、第二激光器模组、第二二向色镜、第二荧光透镜组、第二荧光材料单元，其中两个二向色镜平行且与各自所对应的激光器模组的激光入射中心光轴成夹角45°倾斜定位设置；第一激光器模组发出的激光束经第一二向色镜和第一荧光透镜组激发第一荧光材料单元产生第一荧光，经准直的第一荧光束通过第一二向色镜朝向第二二向色镜反射；第二激光器模组发出的激光束经第二二向色镜和第二荧光透镜组激发第二荧光材料产生第二荧光，经准直的第二荧光束通过第二二向色镜与第一荧光束合成一束叠加输出。由此可见，该激光光源装置的设计原理是先采用激光激发荧光，而后再利用来生成合色光，这样得到的扩散光角分布更均匀。而为了该合色过程的精准实施，需要分别对其中激光器模组、二向色镜、荧光透镜组、荧光材料单元等各自对应的控制参数、相对位置关系等进行合理设计。
细化来看，生成第一荧光束的构件中，上述第一激光器模组包含一个或多个激光二极管及其对应匹配的准直透镜，激光二极管点亮后发出准直后且相互平行的激光束，这些激光束在垂直于传输方向的截面内可以任意分布排列，例如成圆形、方形、三角形等。该第一激光器模组发出的激光束经第一二向色镜正侧面完全透射，然后以平行于第一荧光透镜组中心光轴的方向入射进入第一荧光透镜组，并由第一荧光透镜组聚焦到第一荧光材料单元上，激发第一荧光材料单元中的荧光材料发光，产生与对应激发光相异波长的第一荧光。而第一荧光向第一荧光透镜组辐射并被收集准直成第一荧光束，并引导入射到第一二向色镜背侧面、朝向第二二向色镜反射。
而生成第二荧光束的构件中，该第二二向色镜具有两种可选的设计方案，分别开展描述如下。第一种方案下，上述第二激光器模组同样包含一个或多个激光二极管及其对应匹配的准直透镜，激光二极管点亮后发出准直后且相互平行的激光束，这些激光束在垂直于传输方向的截面内可以任意分布排列，例如成圆形、方形、三角形等。该第二激光器模组发出的激光束与第一激光器模组发出的激光束及所产生的第一荧光束的波长相异，且经第二二向色镜正侧面完全透射，然后以平行于第二荧光透镜组中心光轴的方向入射进入第二荧光透镜组，并由第二荧光透镜组聚焦到第二荧光材料单元上，激发第二荧光材料单元中的荧光材料发光，产生与对应激发光及第一荧光相异波长的第二荧光，而第二荧光向第二荧光透镜组辐射并被收集准直成第二荧光束，再引导入射到第二二向色镜背侧面反射、与入射到第二二向色镜正侧面且完全透射的第一荧光束叠加合成。
第二种方案下，该第二激光器模组发出的激光束，经第二二向色镜背侧面反射，然后以平行于第二荧光透镜组中心光轴的方向入射进入第二荧光透镜组，并由第二荧光透镜组聚焦到第二荧光材料单元上，激发第二荧光材料单元中的荧光材料发光，产生与对应激发光及第一荧光相异波长的第二荧光，而第二荧光向第二荧光透镜组辐射并被收集准直成第二荧光束，再引导入射到第二二向色镜背侧面完全透射、与入射到第二二向色镜正侧面且反射的第一荧光束叠加合成。
实施例一、如图1所示，本实施例中该第一激光器模组包含激光二极管101a和101b，相应的准直透镜102a和102b，它们分别输出准直的激光束103a和103b。第一激光器模组发出准直后相互平行的激光束，这些激光束在垂直于传输方向的截面内可以任意分布排列，例如成圆形、方形、三角形等。该激光束103a和103b相对于第一激光器模组输出光路中心光轴对称分布，该中心光轴与第一荧光透镜组105的光轴重合。
第一激光器模组发射的激光束103a和103b，中心波长可以是445nm~465nm范围内。该准直激光束入射到第一二向色镜104上。该第一二向色镜104与激光束103a、103b的光轴成负45°角倾斜定位设置。第一二向色镜104可以用镀膜的平板玻璃基材，在第一二向色镜104的正侧面（靠近第一激光器模组一侧）镀增透膜，并在背侧面（靠近第一荧光透镜组一侧）镀带通介质膜，该带通介质膜要求对激光束透射，对从第一荧光材料单元106辐射的荧光完全反射。激光束103a和103b完全从第一二向色镜104透射穿过，然后被第一荧光透镜组105聚焦到第一荧光材料单元106，激发其中的荧光材料辐射发光，第一荧光材料单元106辐射的荧光波长位于470nm~720nm范围内。辐射出的荧光107被第一荧光透镜组105收集准直输出荧光束108，并沿入射激光束的反方向传输，被第一二向色镜104反射后入射至第二二向色镜112，并从其中透射后输出。
该第二激光器模组包含激光器二极管109a和109b，相应的准直透镜110a和110b，它们分别输出准直的激光束111a和111b。第二激光器模组发出准直后相互平行的激光束，这些激光束在垂直于传输方向的截面内可以任意分布排列，例如成圆形、方形、三角形等。该激光束111a和111b相对于第二激光器模组输出光路中心光轴对称分布，该中心光轴与第二荧光透镜组113的光轴重合。
第二激光器模组发射的激光束111a和111b，中心波长可以在350nm~430nm范围内。该准直激光入射到第二二向色镜112上。该第二二向色镜112和第一二向色镜104平行设置，第二二向色镜112与激光束111a、111b的光轴成45°夹角。第二二向色镜112可以用镀膜的平板玻璃基材，在第二二向色镜112的正侧面（靠近第二激光器模组一侧）镀增透膜，该增透膜对激光束111a和111b完全透射，同时也对从第一二向色镜104反射过来的荧光束108完全透射。在第二二向色镜112的背侧面（靠近第二荧光透镜组一侧）镀带通介质膜，该介质膜要求对激光束111a和111b透射，而且也对从第一二向色镜104反射过来的荧光束108完全透射，同时，还要对从第二荧光材料单元114辐射的荧光束116完全反射。
激光束111a和111b完全从第二二向色镜112透射穿过，然后被第二荧光透镜组113聚焦到第二荧光材料单元114，激发其中的荧光材料辐射发光，第二荧光材料单元114辐射的荧光波长位于435nm~470nm范围内。辐射出的荧光115被第二荧光透镜组113收集准直输出荧光束116，并沿入射激光束的反方向传输，被第二二向色镜112反射后与荧光束108合并，从第二二向色镜112输出白光117。
在本实施例中，第一二向色镜104能对从第一荧光材料单元106发出的荧光进行滤光。除了能完全反射从106辐射出的荧光外，还能将104激发光的残余反射光分离，让其透射，不随辐射的荧光反射，从而更准确的设计白色光源的色温。
本实施例中，第一荧光材料单元106和第二荧光材料单元114包含有不同的荧光发光材料，第一荧光材料单元106可以包含荧光陶瓷或者类荧光陶瓷胶体，能吸收第一激光器模组发射的激光束，并辐射波长位于470nm~720nm范围内的荧光。第二荧光材料单元可以包含荧光粉硅胶涂层、荧光陶瓷或者类荧光陶瓷胶体，能吸收第二激光器模组发射的激光束，并辐射峰值波长在435nm~470nm范围内的荧光。此外，两个荧光材料单元还包含导热粘接层/烧结层、散热底座等。可以在荧光陶瓷光入射面镀增透膜，在与底座连接的面镀反射膜，也可以在散热底座上镀反光膜，增加激发光效。
上述两个荧光透镜组分别可以由球面或者非球面的多个镜片组成，两者可以具有相同或者不同焦距和数值孔径，以及相等或近似相等的通光孔径，以便获得输出白光更好的边缘合色效果。
此外，改变第一激光器模组中点亮工作的激光二极管的单元数或者光功率，可以改变第一荧光束的功率，从而改变输出白光117的亮度。对第二激光器模组的可调性同理参考，也能，改变输出白光117的合色状态，色温等。由此可见，该激光光源装置具有很大的设计及调节自由度，利用该光源结构只需将入射激光和荧光材料换成不同波长的激光和荧光粉，就能得到不同的输出光，这种简单的替换也包含在本发明的保护范围内。
实施例二、如图2所示，本实施例中与第一激光器模组相关激光激发荧光部分与实施例一相同，可参照理解，故省略赘述，惟第一荧光束的出射对象为第二二向色镜204。
从相区别的第二激光器模组及第二荧光产生来看。该第二激光器模组包含激光器二极管201a和201b，相应的准直透镜202a和202b，它们分别输出准直的激光束203a和203b。第二激光器模组发出准直后相互平行的激光束，这些激光束在垂直于传输方向的截面内可以任意分布排列，例如成圆形、方形、三角形等。该激光束203a和203b相对于第二激光器模组输出光路中心光轴对称分布，且该中心光轴经第二二向色镜204反射转折后与第二荧光透镜组113的光轴重合。
第二激光器模组发射的激光束203a和203b，中心波长可以在350nm~430nm范围内。该准直激光入射到第二二向色镜204上。该第二二向色镜204和第一二向色镜104平行设置，第二二向色镜204与激光束203a、203b的光轴成45°夹角。第二二向色镜204可以用镀膜的平板玻璃基材，在第二二向色镜204背侧面（靠近第二激光器模组一侧）镀带通介质膜，该介质膜要求对激光束203a和203b反射，同时对从第二荧光材料单元114辐射的荧光116完全透射。在第二二向色镜204的正侧面（靠近第一二向色镜一侧）镀带通介质膜，该介质膜要求对从第一二向色镜反射过来的荧光束108完全反射，同时还要对从第二荧光材料单元114辐射的荧光束116完全透射。
激光束203a和203b从第二二向色镜204反射，然后被第二荧光透镜组113聚焦到第二荧光材料单元114，激发其中的荧光材料辐射发光，第二荧光材料单元114辐射的荧光波长位于435nm~470nm范围内。辐射出的荧光115被第二荧光透镜组113收集准直输出荧光束116，并沿入射激光束的反方向传输，透过第二二向色镜204后与荧光束108合并输出白光205。
本实施例中，也可以在第二二向色镜204的背侧面（靠近第二激光器模组一侧）镀增透膜，对激光束203a和203b以及从第二荧光材料单元114辐射的荧光束116完全透射。在第二二向色镜204的正侧面（靠近第一二向色镜一侧）镀带通介质膜，该介质膜要求对激光束203a和203b反射，对从第一二向色镜反射过来的荧光束108完全反射，同时，还要对从第二荧光材料单元114辐射的荧光束116完全透射。
实施例三、如图3所示，与实施例一相近似。本实施例中可以在第二二向色镜112和第二荧光透镜组113之间增加滤光片301。滤光片301对第二激光器模组发射出的激光束完全透射，对第二荧光材料单元辐射出的第二荧光束部分透过。
通常，第二荧光材料单元辐射的荧光束116是宽光谱范围，通过设计滤光片301的透过率，可以裁剪荧光束116的波长光谱，这种选择光谱透过可以改变输出白光的合色色温，提升显色效果。
综上关于本发明激光光源装置的方案介绍及实施例详述可见，本方案具备突出的实质性特点和显著的进步性：该装置将参与合色的两路激光及荧光体相分离、单独控制，增加了设计的自由度。采用激光激发荧光来生成合色光，得到的扩散光角分布更均匀，照明输出光中心和边缘叠加均匀，合色的白光效果更好。此外，激光激发荧光得到的蓝紫光，光谱范围比激光宽，可以通过带通滤光片更精确地选择合色的光谱波长范围，更易于控制色温和显色效果，设计更灵活。
以上所述仅为本发明的部分优选实施例，并非以此限制本发明的专利保护范围，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种激光光源装置，其特征在于：包括第一激光器模组、第一二向色镜、第一荧光透镜组、第一荧光材料单元、第二激光器模组、第二二向色镜、第二荧光透镜组、第二荧光材料单元，其中两个二向色镜平行且与各自所对应的激光器模组的激光入射中心光轴成夹角45°倾斜定位设置；第一激光器模组发出的激光束经第一二向色镜和第一荧光透镜组激发第一荧光材料单元产生第一荧光，经准直的第一荧光束通过第一二向色镜朝向第二二向色镜反射；第二激光器模组发出的激光束经第二二向色镜和第二荧光透镜组激发第二荧光材料产生第二荧光，经准直的第二荧光束通过第二二向色镜与第一荧光束合成一束叠加输出。
2.根据权利要求1所述激光光源装置，其特征在于：生成第一荧光束的构件中，第一激光器模组发出的激光束经第一二向色镜正侧面完全透射，以平行于第一荧光透镜组中心光轴的方向入射，并由第一荧光透镜组聚焦到第一荧光材料单元上，产生与对应激发光相异波长的第一荧光，第一荧光经第一荧光透镜组收集准直成第一荧光束，并入射到第一二向色镜背侧面、朝向第二二向色镜反射。
3.根据权利要求1所述激光光源装置，其特征在于：生成第二荧光束的构件中，第二激光器模组发出的激光束经第二二向色镜正侧面完全透射，以平行于第二荧光透镜组中心光轴的方向入射，并由第二荧光透镜组聚焦到第二荧光材料单元上，产生与对应激发光及第一荧光相异波长的第二荧光，第二荧光经第二荧光透镜组收集准直成第二荧光束，并入射到第二二向色镜背侧面反射、与入射到第二二向色镜正侧面且完全透射的第一荧光束叠加合成。
4.根据权利要求1所述激光光源装置，其特征在于：生成第二荧光束的构件中，第二激光器模组发出的激光束经第二二向色镜背侧面反射，以平行于第二荧光透镜组中心光轴的方向入射，并由第二荧光透镜组聚焦到第二荧光材料单元上，产生与对应激发光及第一荧光相异波长的第二荧光，第二荧光经第二荧光透镜组收集准直成第二荧光束，并入射到第二二向色镜背侧面完全透射、与入射到第二二向色镜正侧面且反射的第一荧光束叠加合成。
5.根据权利要求1、3或4所述激光光源装置，其特征在于：在第二荧光透镜组与第二二向色镜之间还设有带通滤光片，且带通滤波器对第二激光器模组发出的激光束完全透射，并对第二荧光材料单元辐射出的第二荧光束裁剪波长光谱、部分透过。
6.根据权利要求1所述激光光源装置，其特征在于：所述第一激光器模组包含一个以上激光二极管及其对应匹配的准直透镜，该第二激光器模组包含一个以上激光二极管及其对应匹配的准直透镜，各激光器模组中所有激光二极管经对应的准直透镜射出相互平行的激光束。
7.根据权利要求1或6所述激光光源装置，其特征在于：所述第一激光器模组发出的激光束的中心波长介于445nm~465nm，所述第一荧光材料单元包含荧光陶瓷或类荧光陶瓷胶体，吸收第一激光器模组的激光束并辐射波长介于470nm~720nm的荧光。
8.根据权利要求1或6所述激光光源装置，其特征在于：所述第二激光器模组发出的激光束的中心波长介于350nm~430nm，所述第二荧光材料单元包含荧光粉硅胶、荧光陶瓷或类荧光陶瓷胶体，吸收第二激光器模组的激光束并辐射波长介于435nm~470nm的荧光。
9.根据权利要求1或6所述激光光源装置，其特征在于：所述第一激光器模组或第二激光器模组中的激光二极管点亮数及驱动光功率可调，且对应所生成的各荧光束的功率正比例匹配调整。
10.根据权利要求1所述激光光源装置，其特征在于：所述第一荧光透镜组、第二荧光透镜组为由球面镜组合而成的复合透镜组，且各个复合透镜组的焦距和数值孔径相同或相异、通光孔径相同或相近似。
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