CN112628618A - 混合激光发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种混合激光发光装置，该混合激光发光装置包括第一激光器、第一激光准直镜、第一激光聚光镜组、二向色镜、光波长转换模组、抛物面反光镜、扩散光发生单元，第二光束输出镜。第一激光器发射的激光入射光波长转换模组后激发其产生荧光，荧光与扩散光发生单元发出的光经平行化转换及二向色镜合并后形成混合平行光输出。第一激光器发出的激光束经第一激光准直镜进行准直，然后得到平行光，平行光入射第一激光聚光镜组后形成汇聚光，汇聚光经二向色镜后汇聚至光波长转换模组。本技术方案不需要对抛物面反光镜开孔，也能让激光束入射聚焦到反光镜焦点，简化了反光镜制造工艺，不降低反光面积和光效。

Description

混合激光发光装置
技术领域
本发明涉及混合激光发光装置，可用于激光发光照明技术领域。
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。而利用半导体激光二极管的激光照明有着许多优点，例如响应速度快、照明亮度高、灯具体积小、节能效果明显，其亮度色温和照明效果都符合人眼视觉习惯。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利用多个透镜来收集荧光辐射发出的黄白光，由于透镜和荧光材料是相对平行的放置，透镜在实际安装中有口径限制，而荧光材料反射发光是呈现180°的朗伯发散，因此，辐射荧光的收集效率受到镜片数值孔径的影响。且在波长转换光收集以及合色的散射激光收集上，都需要聚光透镜组，增加了镜片数量和成本。此外，激光在激发荧光材料发光时，如果采用斜入射，聚焦的焦点有倾斜畸变，相当于扩大了焦点点光源的尺寸，不利于输出光束的准直，影响了光效。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种混合激光发光装置。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：混合激光发光装置，包括第一激光器、第一激光准直镜、第一激光聚光镜组、二向色镜、光波长转换模组、抛物面反光镜、扩散光发生单元，第二光束输出镜；第一激光器发射的激光束经第一激光准直镜进行准直，所得平行光入射第一激光聚光镜组得到汇聚光，且汇聚光经二向色镜透射汇聚至光波长转换模组并激发辐射荧光，荧光与扩散光发生单元发出的光经平行化转换及二向色镜合并，形成混合平行光输出。
优选地，所述光波长转换模组包括光波长转换材料单元，以及材料固定和散热模块，光波长转换材料单元为荧光陶瓷，辐射波长位于470nm~720nm范围内的荧光。
优选地，所述光波长转换模组的外围设置抛物面反光镜，且光波长转换材料单元位于抛物面反光镜的焦点上或者焦点附近；所述抛物面反光镜的内表面镀有金属银膜或介质膜的反射膜，抛物面反光镜中心光轴和第一激光聚光镜组的中心光轴重合。
优选地，所述扩散光发生单元包括第二激光器、第二激光准直镜、第二激光聚焦镜及透射式光扩散片，所述第二光束输出镜为包围透射式光扩散片的抛物面反光镜，第二激光器发出的激光波长位于400nm~470nm范围内，透射式光扩散片位于第二激光聚焦镜及抛物面反光镜各自的焦点或焦点附近，透射式光扩散片为表面散射片、体散射片或DOE衍射光学元件。
优选地，所述扩散光发生单元包括第二激光器、第二激光准直镜、第二激光聚焦镜及透射式光扩散片，所述第二光束输出镜为具有正光焦度的透镜或透镜组，透射式光扩散片位于第二激光聚焦镜的焦点及第二光束输出镜的物方焦点处。
优选地，所述二向色镜为平行平板或带45°分光面的立方体棱镜，二向色镜的光轴与第一激光聚光镜组的中心光轴成45°夹角。
优选地，所述二向色镜对第一激光器发出的光束完全透射，对光波长转换模组辐射出的荧光完全反射，同时，也对扩散光发生单元发出的光部分透射或者完全透射，经二向色镜反射的荧光光束与透射的扩散光光束重合叠加，生成混合光束出射。
优选地，所述第一激光聚光镜组为单个透镜或多个透镜组合，且具有正的光焦度。
本发明技术方案的优点主要体现在。本技术方案可以让激光正入射到光波长转换材料中，减少了倾斜聚焦的畸变扩散，输出辐射光和白光的准直性更好，光效更高，有利于后续进一步的光束变换。本技术方案能够把荧光的激发源和扩散光的生成源独立开，便于独立的调节控制。本技术方案镜片数量少，节省了成本。
本技术方案不需要对抛物面反光镜开孔，也能让激光束入射聚焦到反光镜焦点，简化了反光镜制造工艺，不降低反光面积和光效。
附图说明
图1为本发明混合激光发光装置实施例一的结构示意图。
图2为本发明混合激光发光装置实施例二的结构示意图。
图3为本发明混合激光发光装置实施例三的结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种混合激光发光装置，如图1所示，该混合激光发光装置包括第一激光器101、二向色镜105、光波长转换模组106、抛物面反射镜、扩散光发生单元109、第二光束输出镜。第一激光器101发射的激光入射光波长转换模组106后激发其产生荧光，荧光与扩散光发生单元109发出的光经二向色镜合并后形成混合平行光输出。
所述第一激光器101的光路上设置有二向色镜，所述第一激光激光器101与二向色镜之间设置有第一激光准直镜102和第一激光聚光镜组104，所述第一激光器101发出的激光束经第一激光准直镜102进行准直后得到平行光103，平行光103入射第一激光聚光镜组104后形成汇聚光，汇聚光经二向色镜后汇聚至光波长转换模组106。
第一激光器101通常采用激光二极管，所发射中心光波长在400nm~470nm范围内，典型的例如：455nm，423nm等。激光二极管可以被独立控制，包括开关、信号调制、驱动电流增大或减小。
第一激光器101发射的光束被第一激光准直镜102进行准直，然后得到平行光103入射到第一激光聚光镜组104。第一激光聚光镜组104，位于第一激光器101和二向色镜105之间。激光聚光镜组，具有正的光焦度，其组成可以是单个透镜，也可以是多个透镜组合，可以是非球面透镜，也可以是球面透镜和非球面透镜组合，可以全是正透镜组合，也可以是正透镜和负透镜组合，它还可以是凹面反射聚光镜。
所述二向色镜为平行平板或带45°分光面的立方体棱镜，二向色镜的光轴与第一激光聚光镜组的中心光轴成45°夹角。
光波长转换模组106包含有光波长转换材料单元106a，以及材料固定和散热模块106b，光波长转换材料单元可以是荧光陶瓷或者其它发光材料。第一激光器发射的激光束经过聚光镜组的会聚后，能聚焦到光波长转换材料单元106a上，使得光波长转换单元能吸收激光器发射的激光能量，并辐射波长位于470nm~720nm范围内的荧光108。
在光波长转换模组的外围设置抛物面反光镜107，其内表面镀有金属银膜或介质膜。抛物面反光镜107的中心光轴和第一激光聚光镜104的中心光轴重合。抛物面反光镜有一个焦点，光波长转换模组中的光波长转换材料单元106a，被设置于抛物面反光镜107的焦点上，或者焦点附近。当光波长转换材料单元106a被入射的激光激发，发出的荧光108，被抛物面反光镜的内壁反射，然后以平行光向二向色镜105方向出射，并被二向色镜105反射至出光口。
扩散光发生单元109，能发出扩散光110，中心波长在400nm~470nm范围内，扩散光110可以与第一激光器101发出的光中心波长相同，也可以不同。第二光束输出镜111能收集这些扩散光110，并且以平行光向二向色镜105方向输出。
在本实施例中，扩散光发生单元109包含第二激光器109a、第二激光准直镜109b、第二激光聚焦镜109c，以及透射式光扩散片109d。第二激光器109a发出的激光，被第二激光准直镜109b准直后入射到第二激光聚焦镜109c，透射式光扩散片109d位于第二激光聚焦镜109c的焦点或焦点附近，激光束被聚焦到光扩散片，然后透过光扩散片109d后扩散开，生成合色用的扩散光110。透射式光扩散片可以是表面微结构散射片、体散射片，DOE衍射光学元件等。第二激光器109a能被独立控制，包括开关、信号调制、驱动电流增大或减小。
在本实施例中，第二光束输出镜111是抛物面反光镜，其内表面镀有反射膜，扩散光发生单元109中的透射式光扩散片109d，被设置于抛物面反光镜111的焦点上，或者焦点附近。当透射式光扩散片109d被入射的激光激发，发出的扩散光110，被抛物面反光镜111的内壁反射，然后以平行光向二向色镜105方向出射，并透过105至出光口。
在本实施例中，二向色镜105对第一激光器101发出的光束完全透射，对光波长转换模组106辐射出的荧光108完全反射，同时，二向色镜105也对扩散光发生单元109发出的扩散光110完全透射，也可以是部分透射，取决于扩散光110的波长范围以及二向色镜105的镀膜设计。经过二向色镜105后，反射的荧光束108与透射的扩散光束110重合叠加，生成白色光束112出射。
实施例二：
如图2所示，第一激光器101发射的光束被第一激光准直镜102进行准直，然后得到平行光103入射到第一激光聚光镜组104。第一激光聚光镜组104，将激光聚焦到光波长转换模组106内的光波长转换材料单元106a，光波长转换材料单元106a位于抛物面反光镜107的焦点上，或者焦点附近。光波长转换材料单元106a能吸收激光能量，并辐射波长位于470nm~720nm范围内的荧光108。荧光108被光波长转换模组106外围的抛物面反光镜107内壁反射，然后以平行光向二向色镜105方向出射，并被二向色镜105反射至出光口。
在本实施例中，扩散光发生单元109包含第二激光器109a、第二激光准直镜109b、第二激光聚焦镜109c，以及透射式光扩散片109d。第二激光器109a发出的激光，被第二激光准直镜109b准直后入射到第二激光聚焦镜109c，透射式光扩散片109d位于第二激光聚焦镜109c的焦点或焦点附近，激光束被聚焦到光扩散片，然后透过光扩散片109d后扩散开，生成合色用的扩散光110。透射式光扩散片可以是表面微结构散射片、体散射片，DOE衍射光学元件等。第二激光器109a能被独立控制，包括开关、信号调制、驱动电流增大或减小。
在本实施例中，第二光束输出镜201是具有正光焦度的透镜或透镜组，镜片表面镀有增透膜，扩散光发生单元109中的透射式光扩散片109d，被设置于第二光束输出镜201的焦点上，或者焦点附近。当透射式光扩散片109d被入射的激光激发，发出的扩散光110，被第二光束输出镜201收集并准直后，以平行光向二向色镜105方向出射，并透过二向色镜105至出光口。
在本实施例中，二向色镜105对第一激光器101发出的光束完全透射，对光波长转换模组106辐射出的荧光108完全反射，同时，二向色镜105也对扩散光发生单元109发出的扩散光110完全透射，也可以是部分透射，取决于扩散光110的波长范围以及二向色镜105的镀膜设计。
经过二向色镜105后，反射的荧光束108与透射的扩散光束110重合叠加，生成白色光束202出射。
实施例三：
如图3所示，第一激光器101发射的光束被第一激光准直镜102进行准直，然后得到平行光103入射到第一激光聚光镜组104。第一激光聚光镜组104，将激光聚焦到光波长转换模组106内的光波长转换材料单元106a，光波长转换材料单元106a位于抛物面反光镜107的焦点上，或者焦点附近。光波长转换材料单元106a能吸收激光能量，并辐射波长位于470nm~720nm范围内的荧光108。荧光108被光波长转换模组106外围的抛物面反光镜107内壁反射，然后以平行光向二向色镜105方向出射，并被二向色镜105反射至出光口。抛物面反光镜107的中心光轴与第一激光聚光镜组104的中心光轴重合。
在本实施例中，扩散光发生单元是LED芯片发光，LED发射中心波长在400nm~470nm范围内，发光的发散角为0~120°范围。LED芯片为面发射，采用直流驱动，调制信号和驱动电流的大小都可控可调。
LED芯片301的发光面位于第二光束输出镜201的物方焦点，在本实施例中，第二光束输出镜201是具有正光焦度的透镜或透镜组，第二光束输出镜201的中心光轴与第一激光聚光镜组104的光轴垂直。另外，第二光束输出镜201也可以是内壁镀膜的抛物面反射镜。
LED芯片301发出的扩散光302被第二光束输出镜组201收集并准直，以平行光向二向色镜105出射，并透过二向色镜105，与荧光108的反射光束合并，生成平行白光303出射。
在本实施例中，二向色镜301对第一激光器101发出的光束完全透射，对光波长转换模组106辐射出的荧光108完全反射，同时，也对LED芯片301发出的扩散光302部分反射或者完全反射，具体取决于302的发光波长和105的镀膜设计。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.混合激光发光装置，其特征在于：包括第一激光器、第一激光准直镜、第一激光聚光镜组、二向色镜、光波长转换模组、抛物面反光镜、扩散光发生单元，第二光束输出镜；第一激光器发射的激光束经第一激光准直镜进行准直，所得平行光入射第一激光聚光镜组得到汇聚光，且汇聚光经二向色镜透射汇聚至光波长转换模组并激发辐射荧光，荧光与扩散光发生单元发出的光经平行化转换及二向色镜合并，形成混合平行光输出。
2.根据权利要求1所述的混合激光发光装置，其特征在于：所述光波长转换模组包括光波长转换材料单元，以及材料固定和散热模块，光波长转换材料单元为荧光陶瓷，辐射波长位于470nm~720nm范围内的荧光。
3.根据权利要求1所述的混合激光发光装置，其特征在于：所述光波长转换模组的外围设置抛物面反光镜，且光波长转换材料单元位于抛物面反光镜的焦点上或者焦点附近；所述抛物面反光镜的内表面镀有金属银膜或介质膜的反射膜，抛物面反光镜中心光轴和第一激光聚光镜组的中心光轴重合。
4.根据权利要求1所述的混合激光发光装置，其特征在于：所述扩散光发生单元包括第二激光器、第二激光准直镜、第二激光聚焦镜及透射式光扩散片，所述第二光束输出镜为包围透射式光扩散片的抛物面反光镜，第二激光器发出的激光波长位于400nm~470nm范围内，透射式光扩散片位于第二激光聚焦镜及抛物面反光镜各自的焦点或焦点附近，透射式光扩散片为表面散射片、体散射片或DOE衍射光学元件。
5.根据权利要求1所述的混合激光发光装置，其特征在于：所述扩散光发生单元包括第二激光器、第二激光准直镜、第二激光聚焦镜及透射式光扩散片，所述第二光束输出镜为具有正光焦度的透镜或透镜组，透射式光扩散片位于第二激光聚焦镜的焦点及第二光束输出镜的物方焦点处。
6.根据权利要求1所述的混合激光发光装置，其特征在于：所述二向色镜为平行平板或带45°分光面的立方体棱镜，二向色镜的光轴与第一激光聚光镜组的中心光轴成45°夹角。
7.根据权利要求1所述的混合激光发光装置，其特征在于：所述二向色镜对第一激光器发出的光束完全透射，对光波长转换模组辐射出的荧光完全反射，同时，也对扩散光发生单元发出的光部分透射或者完全透射，经二向色镜反射的荧光光束与透射的扩散光光束重合叠加，生成混合光束出射。
8.根据权利要求1所述的混合激光发光装置，其特征在于：所述第一激光聚光镜组为单个透镜或多个透镜组合，且具有正的光焦度。
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