CN210072301U - 一种激光光源的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光光源的光学系统，包括依次设置的激光光源、二向色镜、波长转换装置和朗伯型散射体，二向色镜包括一个区域反射膜，可将照射在其上的激光光源发出的第一特定波长光完全反射，区域反射膜上包括若干镂空的透射孔，使部分第一特定波长光穿过该孔，波长转换装置用于将接收到的第一特定波长光转换成第二特定波长光并反射回去，朗伯型散射体用于使二向色镜透射的第一特定波长光形成次朗伯型光源并反射回去，经朗伯型散射体反射后的第一特定波长光与第二特定波长光在二向色镜处混合，比例合适时，可产生白光，与现有技术比较，本实用新型光学效率更高，且降低了工艺难度，并提高了二向色镜针对第一特定波长光透过率调节的灵活性。

Description

一种激光光源的光学系统

技术领域

本实用新型涉及激光光源的技术领域，更具体地，涉及一种激光光源的光学系统。

背景技术

随着激光技术的不断发展，由于激光具有能量集中，准直性好等优势，使得激光照明作为新型光源逐渐在一些特种照明领域得到广泛应用，如激光投影，舞台灯照明，城市地标探照灯等。无论是应用最广泛的激光投影还是其他的特种照明，在很大程度上要求的不是简单的单色激光光源，而是需要如白色光等的非单色光源。传统技术手段通常采用红绿蓝三基色，这种方案不仅成本高，而且强相干的激光会产生散斑效应，严重影响照明的质量。为解决这一问题，现有技术中开始采用蓝色激光激发荧光粉产生红光和绿光，这样即能获取光质较好的白光，成本又相对低廉。

蓝色激光激发荧光粉的方案，又分为透射式和反射式两种，透射式方案优点是光学效率较高，荧光粉受激后的光学系统简单，方便设计调试，缺点是受材料限制，只能用于单位面积蓝光照度较低的系统，如图1所示，入射蓝光4穿过荧光粉片后，部分作为出射蓝光3直接射出，另一部分经荧光粉改变波长形成出射红光2射出，以及部分经荧光粉改变波长形成出射绿光1射出，最终通过混合三种颜色形成所需白光。而反射式方案刚好相反，如图2所示，能用于大功率的激光光源系统，若荧光粉涂抹在色轮装置上，输入的蓝光功率可以达到更高，但其光学效率没有透射式方案的高。

图3为反射式方案常用的光路设计，激光管6发出蓝色的光401经反射镜后，由反蓝透黄的二向色镜11把反射出的蓝光301引导至荧光粉8，并把透射出的蓝光302引导至朗伯型散射体9一侧，荧光粉8受激发出黄色的光501穿透二向色镜11，与朗伯型散射体9反射回的蓝光303光汇合成一束白光7，此时，有部分黄光501被反射，形成反射出的黄光502，也有部分蓝光303透射出二向色镜，形成透射出的蓝光304。

该方案使用二向色镜将入射的蓝光与受激发出的黄光进行分光与合光，以实现最终混合成白光的目的。该方案的缺点是，受制于对二向色镜反射/透射比例设置的要求，即需要保证荧光粉受激发产生的黄光在返回二向色镜时，可以有相应蓝光与黄光混合，要求二向色镜设置一个反射/透射蓝光的比例，基本上反射蓝光的比例 R₁与透射蓝光的比例T₁之和为1，通常情况R₁为80%左右，T₁为20%左右。光线经由二向色镜输出的损失比例与输入时设置的比例反射/透射是等效的，在黄光和蓝光第二次进入二向色镜后均会有一定比例的损失，即应透射与蓝光混合的黄光有部分被反射损失掉，即黄光502，应反射与黄光混合的蓝光有部分被透射损失掉，即蓝光304，蓝光经由荧光粉激发后的黄光及蓝光都不能高效输出，导致光学效率较低。

发明内容

为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种激光光源的光学系统，该系统在不需要改变原有系统光路结构同时，提高激光光源混合生成白光的光学转换效率。

为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：一种激光光源的光学系统，包括依次设置的激光光源、二向色镜、波长转换装置和朗伯型散射体，所述二向色镜包括一个区域反射膜，用于接收激光光源发出的第一特定波长光，并可将照射在其上的第一特定波长光完全反射。所述区域反射膜上包括若干镂空的透射孔，部分所述第一特定波长光可通过该透射孔射入二向色镜后方，和/或，所述二向色镜不完全遮挡所述第一特定波长光，部分第一特定波长光可通过二向色镜未遮挡位置射入二向色镜后方。所述波长转换装置用于接收由所述区域反射膜反射的第一特定波长光，并将其转换成第二特定波长光再沿入射的光路反射回去。所述区域反射膜对第二特定波长光具有完全透射功能。所述朗伯型散射体，用于使二向色镜透射的部分第一特定波长光形成次朗伯型光源并沿入射的光路反射回去。所述完全反射反射率高于95%，所述完全透射透射率为95%以上。经朗伯型散射体反射后的第一特定波长光与第二特定波长光在二向色镜处混合，比例合适时，可产生白光。

朗伯型散射体是指当入射的光线在所有的方向均匀反射，即入射光线以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性的反射光线的现象。当光线入射到朗伯型散射体上时，在朗伯型散射体上发生漫反射，形成一个与入射光不一样的次光源，即次朗伯型光源。

现有技术二向色镜区域反射膜通过对第一特定波长光设置反射率、透射率，反射大部分第一特定波长光并透射小部分第一特定波长光，最终实现在二向色镜处混合成白光，在多次反射、透射过程中，由于对反射、透射的光选择其一利用，造成另一种光的光损失。

本实用新型的技术方案可降低光损失的原理如下：在二向色镜平面建立一个平面直角坐标系，用x轴、y轴作为横纵坐标轴，设激光光源发出的光束中的第一特定波长光第一次照射在二向色镜平面直角坐标系的照度分布曲线为f(x,y)，照射面积为S₀₀，第一特定波长光照射在二向色镜平面的光功率为Q₀，此时Q₀可表示为：

。

即光功率为光分布在分布面积上的积分。

假设第一次经二向色镜区域反射膜反射的第一特定波长光的光功率为Q₁，光功率为Q₁的第一特定波长光经波长转换装置转换成第二特定波长光，光功率为Q₂由于该转换过程与现有技术一致，可以在不考虑各影响因素的理想状态下讨论，即完全转换时：Q₂=Q₁。

设所述二向色镜有a个镂空的透射孔，每个透射孔的面积分别为S₁、S₂、……S_a，则第一次经区域反射膜透射的第一特定波长光的光功率Q₃为：

。

由上述过程可知，第一次透射过程中二向色镜的第一特定波长光透过率即可表示为：η₁=Q₃/Q₀。

所述第一特定波长光透过二向色镜，入射朗伯型散射体一侧。朗伯型散射体是指入射的光线在所有的方向均匀反射，即入射光线以入射点为中心，在整个半球空间内向四周各向同性的反射光线的现象，也称为朗伯体。当光线入射到朗伯型散射体上时，在朗伯型散射体上发生漫反射，形成一个与入射光不一样的次光源。

因此所述第一特定波长光透过二向色镜，在朗伯型散射体一侧经过反射后，以较大的发散角进入准直系统，经准直系统后的形成较大截面积的光束再次照射在所述二向色镜上，假设此时所述再次照射在二向色镜上的较大截面积的第一特定波长光在二向色镜的照射面积为S₀₁，S₀₁应大于S₀₀。

假设再次照射在二向色镜上的较大截面积的第一特定波长光在二向色镜的照度分布曲线可表示为g(x,y)，由于S₀₁＞S₀₀，且假设此时所述较大截面积的第一特定波长光总光功率为Q₄，Q₄显然小于Q₀，因此：g(x,y)＜f(x,y)，此时，由于S₀₁＞S₀₀，再次照射在二向色镜上的较大截面积的第一特定波长光完全覆盖S₀₀区域，则所述再次照射在二向色镜上的第一特定波长光同样会通过二向色镜区域反射膜上的透射孔，造成一定光损失，此时损失的光功率为Q_S1：

。

由上述过程可知，第二次透射过程中二向色镜的第一特定波长光透过率即可表示为：η₂=Q_S1/Q₃。

根据已知条件，透射孔数量、大小是一定的，随着照射在二向色镜的光的面积的增大，其透射率会逐渐减小，由于S₀₁＞S₀₀，因此：η₁＞η₂。

现有技术中，二向色镜是通过设置一个反射/透射特定波长光的比例实现相应功能，因此其透射率恒定，设为η，根据同样的透射第一特定波长光，再经朗伯型散射体反射并放大从二向色镜透射的第一特定波长光，再次经过二向色镜时，出现第二次透射，此时损失的光功率为Q_S0，则：Q_S0=Q₀η²。

由于所述第一特定波长光与所述第二特定波长光在混合时要求一定比例，因此在等同情况下，使本实用新型所述透射孔总面积在某一特定范围内，让η₁≈η，Q₀一致时，现有技术和本实用新型所述第一特定波长光第一次透过二向色镜的光功率大小一致，而η₁＞η₂，η₁≈η，则产生的光损失Q_S1≤Q_S0，即同样或近似条件下，本实用新型较现有技术的光学效率更高。

进一步的，所述第一特定波长光、第二特定波长光照射在二向色镜平面时，光束全部位于二向色镜区域反射膜范围内。

进一步的，所述二向色镜与激光光源发出的第一特定波长光呈45°夹角设置。

进一步的，由所述区域反射膜反射的第一特定波长光与激光光源发出的第一特定波长光光轴互相垂直。

进一步的，所述透射孔全部位于所述第一特定波长光第一次照射在二向色镜平面时的照射范围内。

进一步的，所述透射孔总面积可根据经朗伯型散射体反射后的第一特定波长光与第二特定波长光在二向色镜处的混合比例设置。

进一步的，所述透射孔总面积与去除所述透射孔总面积后所述第一特定波长光第一次照射在二向色镜平面的照射面积的比值，等于或约等于所述第一特定波长光与所述第二特定波长光在二向色镜处混合时，二者光功率的比值。

进一步的，所述透射孔总面积占所述第一特定波长光第一次照射在二向色镜平面的照射面积的30%到36%，使得所述第一特定波长光与第二特定波长光在二向色镜处混合时比例约为1:2。

进一步的，所述第一特定波长光为蓝光，光谱范围为400-500nm。

进一步的，所述透射孔总面积一定时，其数量、单个面积、形状不受限制。

进一步的，所述透射孔为正方形或圆形。

进一步的，所述透射孔为多个单位面积相同的小孔，成规则形状排布。

进一步的，所述波长转换装置包括波长转换器、反射镜和准直透镜系统，反射镜用于将经波长转换器转换波长后的所述第二特定波长光延入射光路反射回去。

进一步的，所述准直透镜系统由若干聚光透镜组成。

进一步的，所述波长转换器为荧光粉片。

进一步的，所述波长转换器为黄磷荧光粉片，所述第二特定波长光为黄光，所述黄光为大于500nm的光谱成分。

进一步的，所述区域反射膜为介质反射膜。

为实现本实用新型的目的，还可采用以下技术方案予以实现：一种激光光源的光学系统，包括依次设置的激光光源、二向色镜，其特征在于，所述二向色镜包括一个区域反射膜，用于接收激光光源发出的第一特定波长光，并将其完全反射，所述二向色镜不完全遮挡所述第一特定波长光，部分第一特定波长光可通过二向色镜未遮挡位置射入二向色镜后方，所述激光光源的光学系统还包括一个波长转换装置，所述波长转换装置用于接收由所述区域反射膜完全反射的第一特定波长光，并将其转换成第二特定波长光再延入射的光路反射回去，所述区域反射膜对第二特定波长光具有完全透射功能，所述激光光源的光学系统还包括一个朗伯型散射体，用于使二向色镜透射的部分第一特定波长光形成次朗伯型光源并沿入射的光路反射回去。

进一步的，所述区域反射膜上包括若干镂空的透射孔，部分第一特定波长光可通过该孔射入二向色镜后方。

与现有技术相比，本实用新型的光学效率更高，且相较现有技术对二向色镜反射/透射比例的设置，本方案对透射孔的设置同时降低了工艺难度，并提高了针对所述第一特定波长光透过率调节的灵活性。

附图说明

图1为现有技术中的蓝色激光激发荧光粉透射式方案波长转换示意图。

图2为现有技术中的蓝色激光激发荧光粉反射式方案波长转换示意图。

图3为现有技术中的蓝色激光激发荧光粉反射式方案之一的光学系统示意图。

图4为本实用新型实施例一的光学系统示意图。

图5为本实用新型实施一区域反射膜透射孔及部分放大示意图。

图6为本实用新型实施二区域反射膜透射孔及部分放大示意图。

图7为本实用新型实施三区域反射膜透射孔及部分放大示意图。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。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。

实施例一

如图4、图5所示，本实施例提供了一种激光光源的光学系统，包括依次设置的激光光源601、602、603、604，与激光光源一一对应并与发射激光呈45°夹角设置的反射镜121、122、123、124，以及二向色镜111，二向色镜111包括一个区域反射膜151，用于接收激光光源601、602、603、604发出的蓝光401，并将其完全反射，蓝光401与二向色镜111呈45°夹角设置，区域反射膜151反射的蓝光与接收的蓝光401垂直，区域反射膜151上包括若干镂空的透射孔161，全部位于蓝光401照射范围内，部分蓝光401可通过该透射孔射161入二向色镜111后方，所述激光光源的光学系统还包括一个波长转换装置，所述波长转换装置用于接收由所述区域反射膜151完全反射蓝光401后的蓝光，并将其转换成黄光再延入射的光路反射回去，所述区域反射膜151对黄光具有完全透射功能，所述激光光源的光学系统还包括一个朗伯型散射体901，用于将由二向色镜111透射的部分蓝光401发生朗伯型散射。所述朗伯型散射体901与二向色镜111之间有一个准直系统，包括聚光透镜133、134。

所述波长转换装置包括波长转换器、反射镜801和聚光透镜131、132，波长转换器为黄磷荧光粉片，贴于反射镜801上，反射镜801用于将经波长转换器转换波长后的黄光光延入射光路反射回去，聚光透镜131、132用于形成一个准直系统，将平行光或近平行光汇聚，并将反射后的黄光发散成平行光或近平行光。

本实施例中透射孔161形状为圆形，如图5所示，透射孔161在区域反射膜151上规则排列成矩阵形状。

经反射镜801反射后的黄光与经朗伯型散射体901反射放大后的蓝光在二向色镜111处混合，产生白光，延光轴142出射。

实施例二

本实施例二基本与实施例一相同，其区别在于，透射孔161形状为方形，如图6所示，透射孔162在区域反射膜152上规则排列成矩阵形状。

实施例三

本实施例三基本与实施例一相同，其区别在于，透射孔163形状为近似于四角星的非常规图形，如图7所示，透射孔163在区域反射膜153上规则排列成矩阵形状。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型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，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种激光光源的光学系统，包括依次设置的激光光源、二向色镜、波长转换装置和朗伯型散射体，其特征在于，所述二向色镜包括一个区域反射膜，用于接收激光光源发出的第一特定波长光，并可将照射在其上的第一特定波长光完全反射，所述区域反射膜上包括若干镂空的透射孔，部分第一特定波长光可通过该透射孔射入二向色镜后方。

2.根据权利要求1所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置用于接收由所述区域反射膜完全反射的第一特定波长光，并将其转换成第二特定波长光再沿入射的光路反射回去，所述区域反射膜对第二特定波长光具有完全透射功能，所述朗伯型散射体，用于使二向色镜透射的部分第一特定波长光形成次朗伯型光源并沿入射的光路反射回去。

3.根据权利要求2所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述完全反射反射率为95%以上，所述完全透射透射率为95%以上。

4.根据权利要求2所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，经所述朗伯型散射体反射后的第一特定波长光与第二特定波长光在二向色镜处混合，比例合适时，可产生白光。

5.根据权利要求1所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述二向色镜与激光光源发出的第一特定波长光呈45°夹角设置，由所述区域反射膜反射的第一特定波长光与激光光源发出的第一特定波长光光轴互相垂直。

6.根据权利要求2所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述第一特定波长光、第二特定波长光照射在二向色镜平面时，其光束全部位于二向色镜区域反射膜范围内。

7.根据权利要求6所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述透射孔全部位于所述第一特定波长光第一次照射在二向色镜平面时的照射范围内。

8.根据权利要求4所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述透射孔总面积与去除所述透射孔总面积后所述第一特定波长光第一次照射在二向色镜平面的照射面积的比值，等于或约等于所述第一特定波长光与所述第二特定波长光在二向色镜处混合时，二者光功率的比值。

9.根据权利要求4所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述透射孔总面积占所述第一特定波长光第一次照射在二向色镜平面的照射面积的30%到36%，使得所述第一特定波长光与第二特定波长光在二向色镜处混合时比例约为1:2。

10.根据权利要求1所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述透射孔总面积一定时，其数量、单个面积、形状不受限制。

11.根据权利要求1所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述透射孔为正方形或圆形。

12.根据权利要求1所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述透射孔为多个单位面积相同的小孔，成规则形状排布。

13.根据权利要求2所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述第一特定波长光为蓝光，光谱范围为400-500nm。

14.根据权利要求2所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置包括波长转换器、反射镜和准直透镜系统，反射镜用于将经波长转换器转换波长后的所述第二特定波长光延入射光路反射回去。

15.根据权利要求14所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述波长转换器为荧光粉片。

16.根据权利要求15所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述波长转换器为黄磷荧光粉片，所述第二特定波长光为黄光，所述黄光为大于500nm的光谱成分。

17.根据权利要求1所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述区域反射膜为介质反射膜。

18.一种激光光源的光学系统，包括依次设置的激光光源、二向色镜，其特征在于，所述二向色镜包括一个区域反射膜，用于接收激光光源发出的第一特定波长光，并将其完全反射，所述二向色镜不完全遮挡所述第一特定波长光，部分第一特定波长光可通过二向色镜未遮挡位置射入二向色镜后方，所述激光光源的光学系统还包括一个波长转换装置，所述波长转换装置用于接收由所述区域反射膜完全反射的第一特定波长光，并将其转换成第二特定波长光再延入射的光路反射回去，所述区域反射膜对第二特定波长光具有完全透射功能，所述激光光源的光学系统还包括一个朗伯型散射体，用于使二向色镜透射的部分第一特定波长光形成次朗伯型光源并沿入射的光路反射回去。

19.根据权利要求18所述的一种激光光源的光学系统，其特征在于，所述区域反射膜上包括若干镂空的透射孔，部分第一特定波长光可通过该孔射入二向色镜后方。

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