CN221004756U - 一种白激光光源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种白激光光源，其特征在于，包括激光二极管模组、第一透镜、第一反射片、扩散片、第二反射片、第二透镜、波长转换片、压片、垫圈、激光二极管固定底座、反射主体底座、玻璃窗口、保护盖板。激光二极管在外加电流的作用下发射单色激光，经第一透镜、第一反射片、扩散片和第二反射片后，被第二透镜聚焦并照射到波长转换片上激发后者里面的荧光材料而产生白光，其再被第二透镜汇聚后从玻璃窗口输出。本实用新型的光源具有结构紧凑、转换效率高、装配方便等优点，可应用于汽车照明、投影显示、机器视觉、显微观察等多种场合。
Description
技术领域
本实用新型为一种白激光光源，用于照明和显示等领域。
背景技术
基于激光激发荧光的光源技术，即依靠激光二极管产生的单色光激发荧光材料而产生白光，又称为白激光，正在获得越来越广泛的应用。根据激光照射到荧光材料而产生白光的光路不同，白激光光源的结构可分为透射式和反射式两种。透射式白激光光源虽然结构简单，但因其荧光材料的固定方式，导致荧光材料的散热条件不好，从而影响激光到白光的转换效率；特别是在大功率激光作为激发光源的情况下，荧光材料在高能量密度的激光照射下由于导热不良而可能直接失效。另一方面，由于反射式白激光光源的荧光材料可以直接贴放在金属的散热板上，当其被激光照射时，所产生的热量能够更好地导出，从而使得其有比透射式更高的蓝光-白光转换效率，进一步提高光源的整体效率。
实用新型内容
本实用新型为一种白激光光源，其特征在于，依次包括激光二极管模组、第一透镜、第一反射片、扩散片、第二反射片、第二透镜、波长转换片、激光二极管固定底座、压片、垫圈、反射主体底座、玻璃窗口、保护盖板，激光从激光二极管模组发出，经过第一透镜收缩后被第一反射片反射进入扩散片并从其另一侧输出，然后经第二反射片反射进入第二透镜后聚焦于波长转换片并将入射激光转换为白光，最后白光向外输出。
进一步地，上述激光二极管模组、第一透镜、第一反射片三者中心处于同一垂直轴线上。
进一步地，上述第一反射片、扩散片、第二反射片三者中心处于同一水平轴线上。
进一步地，上述第二反射片、第二透镜、波长转换片三者中心处于同一垂直轴线上。
进一步地，上述激光二极管模组由1-10个激光二极管组成，其发射波长在430nm–470nm之间。
进一步地，上述第一透镜位于激光二极管模组之后、第一反射片之前，直径在8mm-30mm之间，焦距在15mm–50mm之间。
进一步地，上述第一反射片位于第一透镜之后、扩散片之前，厚度在0.5mm–2mm之间，对波长为430nm-470nm蓝光的反射率大于90％。
进一步地，上述扩散片位于第一反射片之后、第二反射片之前，扩散片对激光的扩散角度在0.5°-5°之间，厚度在0.3mm–2.0mm之间。
进一步地，上述第二反射片位于扩散片之后、第二透镜之前，只在其中心区域对波长为430nm-470nm的蓝光有反射作用，其余部分对波长在400nm-750的光线的透过率大于90％，对蓝光有反射作用的中心区域的面积在0.5mm2-9mm2之间。
进一步地，上述第二透镜位于第二反射片之后、波长转换片之前，直径在4mm-12mm之间，焦距在2mm–8mm之间。
进一步地，上述波长转换片含有的荧光材料是以下材料中的一种或多种组合：YAG-Ce基荧光材料、LuAG-Ce基的荧光材料、或者氮氧化合物的荧光材料,能将波长在430nm-470nm之间的激光转换为波长在400nm–700nm之间的荧光。
进一步地，上述反射主体底座将所有光学元件集成于一体，为所有元件的基准。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)结构紧凑：各零件单元之间距离小，特殊光路设计使结构所需空间小，光源整体体积的小，应用环境多样化；(2)光路精准：发光源和光学元器件安装定位参考于同一主体构件，定位精度高；(3)转换效率高：激光在到达波长转换片之前的光能损失整体小，保证了光源的整体效率；(4)装配方便：光源整体零件单元数量少、无任何可移动定位构件且每个元件都有底座承接使得元件安装便捷稳定。
附图说明
图1为反射式白激光光源的原理示意图。
图2为入射激光束和波长转换片的作用原理示意图。
图3为入射激光束整形过程示意图。
图4为本实用新型所设计的一种白激光光源的光路系统示意图。
图5为单激光二极管激发荧光的光源的结构示意图。
图6为单激光二极管激发荧光的光源中反射主体底座示意图。
图7为单片部分镀膜的第二反射片结构示意图。
图8为两片玻璃胶合组成的第二反射片结构示意图。
图9为本实用新型改用两片玻璃胶合的第二反射片后光源的光路系统示意图。
图10为本实用新型中采用的波长转换片结构示意图。
图11为用激光模块阵列代替单激光二极管的光源结构示意图。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例，并结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的描述,但本实用新型并不限于这些实施例。
一般地，一个反射式白激光光源的激发光路如图1所示，其主要包括在外加电流的作用下产生单色激光的激光二极管(101)和波长转换片(102)。在外加电流的作用下，由激光二极管(101)发出的单色波长的激光束(103)照射到波长转换片表面，与波长转换片中的荧光材料发生作用，产生不同波长的光，经过底层反射后从激光入射的同一表面，以多个不同的角度输出。
入射激光束与波长转换片的作用原理可以用图2示意表示，a表示入射激光束在转换片表面形成的光斑宽度，b为经过波长转换片转换后的输出光束在转换片表面形成的光斑宽度。入射激光束(201)照射到波长转换片的荧光材料(202)后，与荧光材料作用，其结果是输出光(203)的光斑尺寸变大。很显然，入射光束的a越大，输出光束的b也越大。因此，可以通过控制入射激光束的几何尺寸和形状来控制输出光束的几何尺寸和形状。
参照图3，从激光二极管(301)发出的光先经过透镜(302)，其沿快轴和慢轴方向的发散都得到很好的压制，具体地说，其发散角减少到1-2度以内。然后，再进入透镜(303)聚焦。为了达到准直的效果，透镜(302)与激光二极管的距离需要大于其焦距。透镜(303)的作用是将准直后的光束聚焦到波长转换片(305)上，所以其焦距需要根据波长转换片的位置进行选择。透镜(302)与透镜(303)之间的距离尽可能地小，以降低光路损失、减小光学系统的体积。但激光二极管(301)距波长转换片(305)的实际距离相较于距聚焦透镜(303)的实际距离远得多，因此在波长转换片(305)的表面相近处增加聚焦透镜(304)进一步聚焦。
本实用新型所设计的光源原理图如图4所示，激光由激光二极管(含准直透镜)(401)产生后，经过第一透镜(402)，于第一反射片(403)发生第一次反射，光线以水平方向经过扩散片(404)后，于第二反射片(405)处发生二次反射，光线垂直向下由第二透镜(406)聚焦至波长转换片(407)，进行波长转换并发生第三次反射被第二透镜收光，向外输出。
图5为根据图4的光路设计的白激光光源的结构示意图。激光二管固定底座(501)和反射主体(503)通过定位柱及螺丝紧固，保护盖板(505)也同反射主体通过螺丝进行定位，进而保证了光源结构的稳定性。第一反射片(506)和第二反射片(509)分别固定于反射主体底座(503)上端的定位凸台上。激光二极管(502)发射的激光束经过第一透镜(504)、第一反射片(506)、扩散片(507)、第二反射片(509)、第二透镜(510)到达波长转换片(513)的表面。其中第二透镜与波长转换片间距通过垫圈(512)控制，压片(508)通过螺丝将透镜、垫圈、波长转换片紧固于反射主体底座的定位槽内，各元件配合紧密，光学性能更稳定。该激光束对波长转换片(510)的入射角为0°，波长转换片表面光斑形状规整且对称，第二透镜对出射白光的聚光效果也更好，白光经第二透镜聚光后透过玻璃窗口(511)出射。
图5中用于固定反射片的定位凸台(601和602)如图6中所示，凸台呈现为以水平x方向为基准，两斜面与水平方向成45°夹角且直角边平行的两个等腰直角三角形，反射片可快速有效的固定于各自的定位凸台上。
本实用新型中，图5所述的第一反射片为长6mm、宽2.83mm、厚1.1mm，单面镀有全反射膜的玻璃，第二反射片表面镀膜结构如图7所示，在长22mm、宽2.83mm、厚1.1mm的玻璃单面镀上2mmX2.83mm的反射膜。反射膜对蓝光(波长为430nm-470nm)的反射率大于90％。也可如图8，采用两块同图7中镀膜尺寸与无镀膜尺寸分别一致的玻璃相互胶合形成第二反射片。
由于玻璃存在厚度，对比图4和图9可看出由两块玻璃胶合形成的第二反射片在白光出光时会阻挡更多白光，直接导致胶合形成的第二反射片效率低于仅中部分镀膜的反射片。
图5中波长转换片的结构如图10所示，包括金属基片(1001)、反射薄膜(1002)、荧光材料层(1003)和光学增透膜(1004)。入射激光经过增透膜(1004)进入荧光材料层(1002)与之作用，部分或全部入射激光被荧光材料层吸收并且转换层波长不同的光，一部分直接通过增透膜(1004)从其外表面输出，一部分经过反射层(1002)再反射出增透膜(1004)。一般地，荧光材料层由荧光粉加低熔点有机物，如硅胶或者环氧树脂混合而成，存在明显的缺点是难以承受大能量密度的激光照射。本实用新型使用一种不含有任何有机物的荧光材料层，直接与下面的金属基底高温烧结结合，因此其可以承受比较大能量密度的激光束照射。
进一步，根据图4的光路图，我们还可以用多个激光二极管组成激光模块阵列作为光源来激发波长转换片，得到输出功率更大的光源。图11为激光模块阵列激发荧光的光源的结构示意图，用由多个激光二极管组成的激光模块阵列(1102)替代单激光二极管，使其在保持光源效率不变的情况下，提高输入的激光光照强度，从而提高白光光照强度，同时增加发光面积。
如图11所示，将激光模块阵列(1102)固定在激光二极管固定底座(1101)上，将第一透镜(1103)、第一反射片(1105)、扩散片(1106)、第二反射片(1107)、第二透镜(1108)、垫圈(1109)、波长转换片(1110)依次置于于反射主体底座(1104)对应安装处。各元件安装方式及其工作原理与单激光二极管激发荧光的光源相同。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型专利的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (8)
1.一种白激光光源，其特征在于，依次包括激光二极管模组、第一透镜、第一反射片、扩散片、第二反射片、第二透镜、波长转换片、激光二极管固定底座、压片、垫圈、反射主体底座、玻璃窗口、保护盖板，激光从激光二极管模组发出，经过第一透镜收缩后被第一反射片反射进入扩散片并从其另一侧输出，然后经第二反射片反射进入第二透镜后聚焦于波长转换片并将入射激光转换为白光，最后白光向外输出。
2.根据权利要求1所述的一种白激光光源，其特征在于，所述的激光二极管模组由1-10个激光二极管组成，其发射波长在430nm–470nm之间。
3.根据权利要求1所述的一种白激光光源，其特征在于，所述的第一透镜直径在8mm-30mm之间，焦距在15mm–50mm之间。
4.根据权利要求1所述的一种白激光光源，其特征在于，所述的扩散片对激光的扩散角度在0.5°–10°之间，厚度在0.3mm-2.0mm之间。
5.根据权利要求1所述的一种白激光光源，其特征在于，所述的第一反射片厚度在0.5mm–2mm之间，对波长为430nm-470nm蓝光的反射率大于90％。
6.根据权利要求1所述的一种白激光光源，其特征在于，所述的第二反射片对波长为430nm-470nm的蓝光的反射率大于90％。
7.根据权利要求1所述的一种白激光光源，其特征在于，所述的第二反射片只在其中心区域对波长为430nm-470nm的蓝光有反射作用，其余部分对波长在400nm-750的光线的透过率大于90％，对蓝光有反射作用的中心区域的面积在0.5mm2-9mm2之间。
8.根据权利要求1所述的一种白激光光源，其特征在于，所述的第二透镜直径在4mm-12mm之间，焦距在2mm–8mm之间。
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