TWI782861B - 光源模組及其照明裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係一種光源模組及其照明裝置，包括光轉換單元、雷射單元及光學單元，其中光學單元包括第一拋物面鏡與第二拋物面鏡，第一拋物面鏡與第二拋物面鏡的拋物面相對，且第一拋物面鏡的長度大於第二拋物面鏡，而第一拋物面鏡大於第二拋物面鏡的位置稱為光源接收區，雷射單元設在面對第一拋物面鏡的光源接收區，又第一拋物面鏡與第二拋物面鏡為共焦，且光轉換單元設在共焦位置處，使得雷射單元所發出的雷射光源反射到光轉換單元，讓光轉換單元充分使用雷射光源，提高發光效率，此外，光源模組可以設在散熱單元上而形成照明裝置。

Description

光源模組及其照明裝置

本發明係有關於光源模組及其照明裝置，尤指一種以雷射作為光源的光源模組及其照明裝置。

早期在固態照明領域，針對雷射二極體(Laser Diode，簡稱：LD )的應用研究並不多，直到近幾年藍光雷射二極體發光效率在更高電流下獲得改善後，加上在光學擴展量(Étendue)限制下提供的光線    ，甚至有機會比發光二極體(light-emitting diode，簡稱：LED)多，以及因為它們具有方向性，能在需要之處提供精確照明等優勢，因此讓「雷射照明」有望成為固態照明的另一個新名詞。

近年來，國際照明大廠歐司朗(OSRAM)、飛利浦(PHILIPS)、日亞化學(NICHIA)等都對雷射照明相當重視，尤其是這一兩年內，應用市場上陸續有高端、高品質的產品問世，包含投影顯示器、車燈、路燈、內視鏡照明、建築照明等需要高亮度光源之照明燈具。

另外，傳統LED照明技術多數為使用LED激發單晶螢光晶體的方法，此方法將為長方體的單晶螢光晶體四周設有反射層，並且將LED緊貼至晶體表面，藉此將激發轉換後的光壓縮至極小的空間後發光，以此縮小光學擴展量，並提升光源輝度，該方法雖能有效的縮小光學擴展量，但因LED本身的發光特性，必須緊貼至晶體表面，且在高功率的應用下，LED仍然無法解決在高電流密度時，效率下降的問題。

而近年來，LD已經被公認為將會是下一個世代的光源，但是基於LD激發單晶螢光晶體的光源設計，目前技術還在發展初期，如何能夠使用LD取代LED作為激發光源，利用LD本身高準直性、體積小、高功率的特性，有效將LD激發光束聚焦在一個很緊湊的面積上，且能夠在使用LD激發單晶螢光晶體的架構下，使LD入射至晶體表面時減少介面反射，且破壞出光面處的全內反射，並將激發轉換後的光壓縮至極小的空間後出光，有效最小化光學擴展量，並實現最高輝度的光源設計，乃是目前亟待解決的問題。

有鑑於先前技術的問題，本發明之一目的，係以雷射二極體配合光學組件激發單晶螢光晶體，藉以達到超高輝度光源之光源模組，本發明之另一目的則是以光源模組製作成照明裝置。

根據本發明之一目的，係提供一種光源模組，包括光轉換單元、雷射單元及光學單元，其中光學單元包括第一拋物面鏡與第二拋物面鏡，第一拋物面鏡與第二拋物面鏡的拋物面彼此相互面對，且第一拋物面鏡與第二拋物面鏡之焦點在同一個位置，稱為共焦位置，光轉換單元設在二拋物面鏡的共焦位置，且第一拋物面鏡的長度大於第二拋物面鏡，第一拋物面鏡大於第二拋物面鏡的位置稱為光源接收區，雷射單元面對第一拋物面鏡的光源接收區。

其中，光轉換單元係為六面體，六面體的一面設有反射層，六面體相對反射層的另一面設有出光層，且六面體在反射層與出光層之間為入光面。

其中，反射層為介電質膜或是金屬銀膜，或是介電質模與金屬膜組成的複合膜。

其中，出光層設有複數個微結構，此些微結構破壞光轉換單元全內反射，使得進入光轉換單元的雷射光源從出光層再朝向第一拋物面鏡的方向出光。

其中，各微結構係可為圓凸體、三角錐體或平行三角條體。

其中，光轉換單元係為單晶螢光晶體。

其中，雷射單元係可為單一個雷射二極體。

其中，雷射單元係包括雷射陣列模組及光學導引模組，雷射陣列模組係由

雷射二極體以陣列排列而成，而光學導引模組包括複數個入光部、集光部及至少一個出光部，其中集光部連接各入光部與各出光部，且各入光部係設在相對各列雷射二極體的位置，用以接收同一列的各雷射二極體所發出的光線，集光部將各入光部接收的雷射光源導引到出光部，而各出光部則設在相對光源接收區的位置，用以將雷射光源從各出光部分別出光到第一拋物面鏡。

根據本發明之一目的，係提供一種照明裝置，包括如前所述的光源模組及散熱模組，光源模組係設在散熱模組之一面。

綜上所述，光源模組利用光學單元使得雷射單元的雷射光經過一定的距離後才會到達光轉換單元，使得光轉換單元有足夠的時間吸收雷射光，同時光轉換單元將未完全吸收的雷射光在出射到光學單元，光學單元在將未完全吸收的雷射光反射回到光轉換單元，重複此過程，直到雷射光被光轉換單元完全吸收，如此，不僅可以有效解決介面反射的問題，還能使光轉換單元能在較小的尺寸小達到最佳的轉換效率。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但並不用於限定本發明。

請參閱圖1及圖2所示，本發明係一種光源模組，光源模組1包括光轉換單元10、雷射單元12及光學單元14，其中光學單元14包括第一拋物面鏡140與第二拋物面鏡142，第一拋物面鏡140與第二拋物面鏡142的拋物面彼此相互面對，且第一拋物面鏡140與第二拋物面鏡142之焦點在同一個位置，稱為共焦位置，光轉換單元10設在二拋物面鏡的共焦位置，且第一拋物面鏡140的長度大於第二拋物面鏡142，第一拋物面鏡140大於第二拋物面鏡142的位置稱為光源接收區1400，雷射單元12面對第一拋物面鏡140的光源接收區1400，並朝向第一拋物面鏡140發出雷射光源。

承上述，由於光轉換單元10對於雷射光源的吸收，需要一定的距離才能達到最佳的轉換效率，因此，本發明利用了共焦的第一拋物面鏡140與第二拋物面鏡142，並將光轉換單元10放置在共焦位置上，能使雷射光源入射到第一拋物面鏡140後，經過反射打到位於焦點上的光轉換單元10，並且讓光轉換單元10的尚未被光轉換單元10吸收完全的雷射光源，藉由第二拋物面鏡142再一次反射至光轉換單元10上，重複此過程，直到雷射光源被光轉換單元10完全吸收，不僅可以有效解決光轉換單元10的介面反射的問題，還能使光轉換單元10能達到最佳的轉換效率。

在本發明中，請參閱圖3及圖4所示，光轉換單元10為單晶螢光晶體，進一步而言，光轉換單元10係為六面體形狀的單晶螢光晶體，且單晶螢光晶體係為透明狀，例如：Ce:YAG螢光晶體或Ce:LuAG螢光晶體，但本發明實際實施時，並不以此為限，舉凡可以單晶螢光晶體配合不同顏色的光產生出白光的方式，皆屬於本發明所欲主張者。再者，由於單晶螢光晶體高折射率的特性，激發轉換後的光容易在單晶螢光晶體內部產生全反射，雷射光源在光轉換單元10內的反射距離短，使得雷射光源無法被有效利用，導致發光效率降低，為了提高光轉換單元10的光轉換效率，以六面體的單晶螢光晶體而言，六面體面對第二拋物面鏡142的一面設有反射層100，六面體面對第一拋物面鏡140的一面設有出光層102，且六面體在反射層100與出光層102之間為入光面104。在本發明中，反射層100為介電質膜或是金屬膜，或是介電質膜與金屬膜組成的複合膜，而金屬膜可為鋁薄膜或銀薄膜。

據上所述，請參閱圖2所示，雷射單元12發出的雷射光源投射到第一拋物面鏡140會被反射到光轉換單元10的其中一個入光面104，當雷射光源在光轉換單元10內經過全反射，而遭遇到反射層100時，反射層100將雷射光源反射朝向出光層102的方向行進，並且在出光層102的位置出光到第一拋物面鏡140，然後第一拋物面鏡140與第二拋物面鏡142反射，而在進入到入光面104，重複此過程，直到雷射光源被光轉換單元10完全吸收。

在本發明中，請參閱圖5~7所示，出光層102設有複數個微結構1020，此些微結構1020破壞光轉換單元10的全內反射，使得到達出光層102的雷射光源再朝向第一拋物面鏡140的方向出光。再者，各微結構1020係可為圓凸體、三角錐體或平行三角條體。

此外，當光轉換單元10內並非為全反射時，則雷射光源可以由光轉換單元10任一位置出光，此時藉由第一拋物面鏡140與第二拋物面鏡142，仍可以將雷射光源在第一拋物面鏡140與第二拋物面鏡142之間反射，使得雷射光源經過足夠的距離在進入到入光面104，使得雷射光源被充分使用。以光轉換單元10為單晶螢光晶體而言，由於單晶螢光晶體本身是透明狀，所以雷射光源入射至單晶螢光晶體表面時，會產生介面反射，而且單晶螢光晶體不像螢光粉具有散射的特性，單晶螢光晶體對於雷射光源的吸收，需要一定的距離才能達到最佳的轉換效率，故利用雷射光源在第一拋物面鏡140與第二拋物面鏡142之間反射，使得雷射光源經過足夠的距離在進入到入光面104，使得雷射光源被充分使用。

在本發明中，雷射單元12係可為單一個雷射二極體，利用雷射二極體發出雷射光源到光源接收區1400，進一步而言雷射二極體係為藍光雷射二極體，也可以是紫外光雷射光源，搭配RGB光轉換單元。

在本發明中，為了加強雷射光源的強度，使得光轉換單元10接收到高效能的雷射光源，請參閱圖8所示，雷射單元12係包括雷射陣列模組120及光學導引模組122，雷射陣列模組120係由

雷射二極體1200以陣列排列而成，其中M及N為正整數，且M等於1時N不等於1，或者N等於1時M不等於1。

而光學導引模組122包括複數個入光部1220、集光部1222及至少一個出光部1224，其中集光部1222連接各入光部1220與各出光部1224，且集光部1222將各入光部1220接收的雷射光源導引到出光部1224。各入光部1220係設在相對各列雷射二極體的位置，用以接收同一列的各雷射二極體所發出的光線，換言之，入光部1220的總數量等於M。再者，各出光部1224則設在相對光源接收區1400的位置，用以將雷射光源從各出光部1224分別出光到第一拋物面鏡140，如此，利用入光部1220將雷射二極體陣列有效的合成至少一個雷射光源入射到光轉換單元10中。

在本發明中，請參閱圖8所示，係提供一種照明裝置，包括如前所述的光源模組1及散熱模組2，光源模組1係設在散熱模組2之一面，讓光源模組1可以利用散熱模組2提高散熱效率，尤其是雷射陣列模組120貼靠在散熱模組2上，讓雷射陣列模組120藉由散熱模組2加快散熱速度。

綜上所述，本發明係藉由光學單元14提供雷射單元12的雷射光源可以有足夠的距離到達光轉換單元10，使得雷射光源可以進行第一次的利用，之後再將光轉換單元10尚未利用完的雷射光源，再次利用光學單元14經過足夠距離的光路後反射回到光轉換單元10繼續利用，如此反覆使得雷射光源可以被充分利用，再者，利用出光面所設置的微結構1020來破壞光轉換單元10內部的全反射，使得光轉換單元10內尚未利用完的雷射光源出射到光學單元14中，如此使得光轉換單元10能在較小的尺寸小達到最佳的轉換效率。

上列詳細說明係針對本發明的可行實施例之具體說明，惟前述的實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1:光源模組 10:轉換單元 100:反射層 102:出光層 1020:微結構 104:入光面 12:雷射單元 120:雷射陣列模組 1200:雷射二極體 122:光學導引模組 1220:入光部 1222:集光部 1224:出光部 14:光學單元 140:第一拋物面鏡 1400:光源接收區 142:第二拋物面鏡 2:散熱模組

圖1為本發明之光源模組之立體外觀示意圖。 圖2為圖1之側面示意圖。 圖3為本發明之光轉換單元之一外觀示意圖。 圖4為本發明之光轉換單元之另一外觀示意圖。 圖5為本發明之出光面之一微結構外觀示意圖。 圖6為本發明之出光面之另一微結構外觀示意圖。 圖7為本發明之出光面之又一微結構外觀示意圖。 圖8為本發明之照明裝置之立體外觀示意圖。

1:光源模組1

10:轉換單元10

12:雷射單元12

14:光學單元14

140:第一拋物面鏡140

142:第二拋物面鏡142

Claims (10)

1. 一種光源模組，包括： 一光學單元，包括： 一第一拋物面鏡； 一第二拋物面鏡，第一拋物面鏡與第二拋物面鏡的拋物面彼此相互面對，且第一拋物面鏡與第二拋物面鏡之焦點在同一個位置，稱為共焦位置，且第一拋物面鏡的長度大於第二拋物面鏡，第一拋物面鏡大於第二拋物面鏡的位置稱為光源接收區； 一光轉換單元，係設在該共焦位置；及 一雷射單元，係設在面對第一拋物面鏡的光源接收區的位置，該雷射單元發出至少一雷射光源，並由該光源接收區收反射到該光轉換單元，使得該光轉換單元與至少一個該雷射光源作用而發光，且該光轉換單元未利用完的至少一個該雷射光源從該光轉換單元出光後，則由該第一拋物面鏡與該第二拋物面鏡再反射回到該光轉換單元，並依此循環到所有該雷射光源完全被該光轉換單元吸收使用為止。
2. 如請求項1所述的光源模組，其中該光轉換單元係為六面體，該六面體的一面設有一反射層，該六面體相對該反射層的另一面設有一出光層，且一六面體在一反射層與一出光層之間的各面為一入光面。
3. 如請求項2所述的光源模組，其中該反射層為一介電質膜或是一金屬膜。
4. 如請求項2所述的光源模組，其中該反射層為至少一介電質模與至少一金屬膜組成的複合膜。
5. 如請求項2所述的光源模組，其中該出光層設有複數個微結構，該些微結構破壞該光轉換單元全內反射，使得進入該光轉換單元的雷射光源從該出光層再朝向該第一拋物面鏡的方向出光。
6. 如請求項5所述的光源模組，其中各該微結構係為圓凸體、三角錐體或平行三角條體。
7. 如請求項1所述的光源模組，其中該光轉換單元係為單晶螢光晶體。
8. 如請求項1所述的光源模組，其中該雷射單元係為單一個雷射二極體。
9. 如請求項1所述的光源模組，其中該雷射單元係包括： 一雷射陣列模組，係由

   

   個雷射二極體以陣列排列而成，其中M及N為正整數，且M等於1時N不等於1，或者N等於1時M不等於1；及 一光學導引模組，該光學導引模組包括： 複數個入光部，各該入光部係設在相對其中一列的所有該雷射二極體的位置，接收同一列的各該雷射二極體所發出的雷射光源； 至少一個出光部，係設在相對該光源接收區的位置，且各該出光部係分別提供其中一個該雷射光源出光到該第一拋物面鏡；及 一集光部，該集光部連接各該入光部與各該出光部，該集光部將各該入光部接收的所有該雷射光源導引到各該出光部。
10. 一種照明裝置，包括： 如請求項1~9任一項所述的該光源模組；及 一散熱模組，該光源模組係設在散熱模組之一面。

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