发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光源***,旨在得到一种安装方便、光一致性较好的光源***。
为实现上述目的,本发明提出的光源***,包括发射激发光的固态光源,所述固态光源发射的激发光至少包括第一激发光;第一波长转换装置,包括第一表面,所述第一表面接收第一激发光,将其转换为第一受激光,并将所述第一受激光反射;第一光收集***,设置于所述激发光源与所述第一波长转换装置之间的光路上,汇聚所述第一激发光至所述第一波长转换装置的第一表面,并将所述第一受激光收集后引导至所述光源***的光出射路径;于所述第一光收集***靠近所述第一波长转换装置的一侧,所述第一光收集***对应所述第一激发光的波长的焦点为第一焦点,所述第一光收集***对应所述第一受激光的波长的焦点为第二焦点,第一焦点与第二焦点连线的中间位置为第一标准位置,所述第一波长转换装置的第一表面设置于偏离所述第一标准位置的距离不大于第一标准位置与第一光收集***间距的30%的位置。
可选地,分光装置,位于固态光源与第一光收集***之间的光路上,并将所述固态光源发射的激发光部分透射以形成所述第一激发光,部分反射以形成第二激发光;散射反射装置,接收经分光装置反射的第二激发光,将所述第二激发光转换为光强分布不同的第二光,并将第二光反射回至分光装置。
可选地,还包括分光装置,位于固态光源与第一光收集***之间的光路上,并将所述固态光源发射的激发光部分透射形成所述第一激发光,部分反射形成第二激发光;第二波长转换装置,包括第二表面,所述第二表面接收第二激发光,被第二激发光激发产生第二受激光,并将所述第二受激光反射;及第二光收集***,位于所述第二波长转换装置与所述分光装置之间的光路上,汇聚所述第二激发光至所述第二波长转换装置的第二表面,并将所述第一受激光收集后引导至所述分光装置,于所述第二光收集***靠近所述第二波长转换装置的一侧,所述第二光收集***对应所述第二激发光的波长的焦点为第三焦点,所述第二光收集***对应所述第二受激光的波长的焦点为第四焦点,第三焦点与第四焦点连线的中间位置为第二标准位置,所述第二波长转换装置的第二表面大致设置于所述第二标准位置。
可选地,所述第一波长转换装置的第一表面设置于所述第一焦点和所述第二焦点之间。
可选地,所述第一标准位置与所述第一光收集***之间的最短距离为d,所述第一波长转换装置偏离所述第一标准位置的距离小于等于0.1d。
可选地,所述第一激发光占所述固态光源发射的激发光的比例为75%~85%。
可选地,所述固态光源为蓝光光源,所述第一波长转换装置为黄色荧光色轮,所述第一光收集***为一聚焦透镜。
可选地,还包括光整形装置,所述光整形装置位于所述固态光源与分光装置之间的光路上,沿该光路方向上依次排布有压缩透镜装置及玻璃匀光装置。
可选地,所述分光装置包括两个或两个以上间隔层叠设置的透明玻璃片。
本发明的另一目的在于提出一种投影***,包括光源***、光机***、投影镜头及投影屏幕,所述光机***接收所述光源***发出的光,并转换为投影光通过投影镜头投射至所述投影屏幕,所述光源***为上述的光源***。
本发明的又一目的在于提出一种照明装置,包括光源***及壳体,所述光源***装设于所述壳体,所述光源***为上述的光源***。
本发明技术方案中,光源***中的第一波长转换装置通过第一光收集***接收第一激发光并传递第一受激光,该第一波长转换装置的安装位置可以是第一激发光于第一光收集***汇聚的焦点与第一受激光于第一光收集***汇聚的焦点连线的中间位置,即第一标准位置,也可以安装于临近第一标准位置的位置,即偏离第一标准位置的距离不大于第一标准位置与第一光收集***间距的30%的位置,且这两类的位置安装均不影响最终出射光的光通量,可以保持较好的光一致性,克服了惯有的波长转换装置必须设定于光收集***的焦点的技术偏见。进而,在进行安装固定第一波长转换装置时,可以有较宽的范围选择,从而使得安装方便快捷,提高了效率。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
另外,在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“铆接”“连接”、“固定”等应做广义理解,例如,“固定”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外,本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种光源***100。
请参照图1,在本发明一实施例中,光源***100包括发射激发光的固态光源10,固态光源10发射的激发光至少包括第一激发光;第一波长转换装置40,包括第一表面,第一表面接收第一激发光,将其转换为第一受激光,并将所述第一受激光反射;第一光收集***50,设置于激发光源10与第一波长转换装置40之间的光路上,汇聚第一激发光至第一波长转换装置40的第一表面,并将第一受激光收集后引导至光源***100的光出射路径,于第一光收集***50靠近第一波长转换装置40的一侧,第一光收集***50对应第一激发光的波长的焦点为第一焦点,第一光收集***50对应第一受激光的波长的焦点为第二焦点,第一焦点与第二焦点连线的中间位置为第一标准位置,第一波长转换装置40的第一表面大致设置于第一标准位置。波长转换装置40安装于标准位置;或波长转换装置40临近第一标准位置安装。可以理解,第一表面可垂直于第一激发光的主光轴方向设置,第一表面也可以与第一激发光的主光轴方向倾斜设置,第一表面接收第一激发光的位置(即第一激发光在第一波长转换装置40上的光斑)大致设置在第一标准位置。
在一个实施例中,固态光源10可以是激光器光源,也可以是激光二极管光源,或者激光二极管阵列组成的光源。在另一个实施方式中,固态光源10还可以是发光二极管光源或者发光二极管阵列组成的光源。
在一个实施例中,第一波长转换装置40是一种反射式波长转换装置,其包括一波长转换层(未图示)和一反射层(未图示),其中反射层设于第一波长转换装置40背离固态光源10的一侧。波长转换层吸收第一激发光,并将其转换为与第一激发光波长不同的受激光,未被吸收的第一激发光与受激光均被反射层反射。在一个实施例中,波长转换材料包括荧光粉、磷光材料和量子点发光材料,波长转换材料也可以是荧光陶瓷。可以理解,本发明的其他实施方式中,波长转换层和反射层也可以为一个复合层或混合层,波长转换材料和反射材料可以在层中混合分布。
在一个实施例中,固态光源10为蓝光光源,第一波长转换装置40为黄光荧光粉色轮。第一激发光为蓝光,第一受激光为黄光。
在一个实施例中,第一光收集***50可以为一聚焦透镜,用于将第一激发光汇聚到第一波长转换装置40的第一表面,使得入射到第一波长转换装置40的光束从一个较大的光束截面转换为一个小光斑,从该小光斑照射区域的波长转换材料发出的受激光更容易被第一光收集***50收集后得到近似平行光,并应用到后续的光机***中。第一激发光(蓝光)及第一受激光(黄光)因光的频率不同,其对于第一光收集***50的折射率也不同,在第一光收集***50即聚焦透镜上对应的焦点位置也不同,且黄光的焦点位置较蓝光离聚焦透镜的位置较远。
此外,如图1所示,光源***100还可以包括分光装置20,位于固态光源10与第一光收集***50之间的光路上,用于将固态光源10发射的激发光部分透射以形成第一激发光,部分反射以形成第二激发光。
光源***100还包括散射反射装置30,位于第二激发光的光路上,接收经分光装置20反射的第二激发光,将第二激发光转换为光强分布不同的第二光,并将第二光反射回至分光装置20。来自分光装置20的第二激发光经第二光收集装置50a入射至散射反射装置30之后,被散射反射装置30改变了光分布,由原来高斯分布的第二激发光改变为朗伯分布的第二光,从而可以改善光的均匀性,同时对第二激发光进行消相干以使出射的光不易产生散斑。散射反射装置30包括有一散射材料层,该散射材料层可以是由颗粒尺寸与第二激发光波长相近的散射颗粒组成,对第二激发光进行散射反射作用。该散射反射装置30将第二激发光转换为第二光,并将第二光反射回至分光装置20,由第二光与第一受激光发进行合光后形成最终的出射白光,在实际应用中,白光所需要的蓝光相对于黄光较少,故当第一激发光占固态光源10发射的激发光的比例为75%~85%时,可以使得最终出射的白光颜色更加均匀。需要注意的是,“第二激发光”并不必然代表该光参与光的激发作用,仅为描述方便。
在一个实施例中,分光装置20可以为一个或多个透明板,其反射激发光又透射激发光的区域可以是同一区域,且激发光经过透射和反射后形成的第一激发光和第二激发光的光谱特性未发生变化,其原理为——入射光入射到透明板表面时同时发生折射和反射,其中折射光进一步透射过透明板形成第一激发光,反射光形成第二激发光。随着透明板数量的增加,反射部分的光的比例逐渐提高。可选地,分光装置20包括两个或两个以上间隔层叠设置的透明玻璃片(未图示)。在另一个实施例中,分光装置20包括透明玻璃片,光束在每一透明玻璃片表面上均发生反射和折射,此分光装置20不是依据波长特性区别进行反射透射的选择,也不是通过分光装置20的不同区域不同透射实现的。分光装置20设置的透明玻璃片为两个或两个以上,随着透明玻璃片的数量增多,可以使部分反射的功能叠加,增加反射的激发光,从而可以调节第一激发光与第二激发光比值。此外,透明玻璃片之间间隔层叠,当光束由一透明玻璃片向另一透明玻璃片入射时,可以利用两两透明玻璃片之间的界面折射率不同,从而发生折射和反射现象,大大提高了分光装置20的分光效率。
在又一个实施例中,为增强分光效果,分光装置20还包括滤光膜(未图示),滤光膜位于距离第一波长转换装置40最近的一个透明玻璃片的面向第一波长转换装置40的表面,滤光膜透射第一激发光且反射受激光。本实施例中,滤光膜用于提高光的利用率,当第一激发光射入分光装置20时,滤光膜可透射第一激发光,使更多的第一激发光入射第一波长转换装置40。同时,当受激光射向分光装置20时,滤光膜也可以对受激光进行反射,引导其射向光机***200。
当然,在又一个实施例中,分光装置20还可以包括增透膜(未图示),增透膜位于距离第一波长转换装置40最远的一个透明玻璃片的背向第一波长转换装置40的表面。该实施例中,增透膜可以提高光的透射性能,可以调节第一激发光与第二激发光的比例,使得最终出射的受激光与第二光有合适的比例,从而控制的白光的白平衡。当然,不设置该增透膜,分光装置20也可以进行光的透射反射。
在本发明的另一个实施方式中,分光装置20不是透明板,而是区域特性不同的分光片,该分光片至少包括第一区域和第二区域,其中第一区域和第二区域对固态光源10发出的激发光的透射反射特性不同,透射部分形成第一激发光,反射部分形成第二激发光。
以上各实施方式中,经分光装置20分光,透射部分形成第一激发光,反射部分形成第二激发光。可以理解,也可以设置为反射部分形成第一激发光、透射部分形成第二激发光,同时相应改变第一波长转换装置40等的位置。
如图1所示,光源***100还包括光整形装置60,光整形装置60位于固态光源10与分光装置20之间的光路上,沿该光路方向上依次排布有压缩透镜装置61及玻璃匀光装置63。
本实施例中,光整形装置60用于将固态光源10发射的激发光进行修整,使得入射至分光装置20的激发光利用率高且均匀。光整形装置60位于固态光源10与分光装置20之间的光路上,沿该光路方向上依次排布有压缩透镜装置61及玻璃匀光装置63。压缩透镜装置61还包括有一凸透镜611和一凹透镜613,凸透镜611可以对发射的激发光光束进行汇集,再通过凹透镜613进行准直,使得激发光光束的横截面进行压缩减小,然后通过玻璃匀光装置63使得入射至分光装置20的激发光更加均匀。通过光整形装置60后可以获得发散角小、亮度均匀且亮度高的圆形光斑。在一个实施例中,玻璃匀光装置63可以为一散射片,该玻璃匀光装置63只对通过它的光的光分布进行改变,不改变光的主光轴/主传播方向。
本发明技术方案中,光源***100中的第一波长转换装置40通过第一光收集***50接收第一激发光并传递第一受激光,第一波长转换装置40安装位置大致设置于标准位置,既可以是第一激发光(即蓝光波长)于光收集***50对应的焦点与第一受激光(即黄光波长)于光收集***50对应的焦点连线的中间位置,即标准位置,也可以安装于临近标准位置的位置,即偏离第一标准位置的距离不大于第一标准位置与第一光收集***间距的30%的位置,且这两类的位置安装均不影响最终光源***100的出射光的光通量,可以保持较好的光一致性,克服了惯有的波长转换装置必须设定于光收集***的焦点位置的技术偏见。进而,在进行安装固定第一波长转换装置40时,可以有较宽的范围选择,从而使得安装方便快捷,提高了效率。
下面对本发明的原理进一步进行阐述。
请结合图1和图2,光源***可以保持较好的光一致性是因为最终出射的光的光通量L总光是由黄光的光通量LY及蓝光的光通量LB组成,即L总光=LY+LB。其中,黄光的光通量LY是由黄光的收集效率δY、黄光的光机效率ηY及发光效率LY的乘积决定的,即LY=δYηYLY;蓝光的光通量LB是由蓝光的收集效率δB、蓝光的光机效率ηB及反射效率LB的乘积决定的,即LB=δBηBLB。
分别对黄光和蓝光单独分析,针对蓝光而言,由于散射反射装置30不进行波长转换,本身产热少,可以采用固定安装的方式,而且散射反射装置30的功能结构件容易加工,本身的一致性好,因此其反射效率、收集效率、光机效率都可以保证一致性,即LB的一致性好。而对于黄光而言,其波长转换层一般通过烧结、粘接等方式制作,工艺复杂,决定了其产品的一致性必然不如散射反射装置30,不同光源***的波长转换层的厚度不一致,导致第一波长转换装置40实际接收光的位置不一致;而且第一波长转换装置40通常在一个驱动装置的驱动下相对于光源运动,运动过程中的振动以及光轴是否能够与第一波长转换装置40表面垂直决定了第一波长转换装置40的实际接收光的位置的一致性不好。因此本发明通过将第一波长转换装置40的第一表面大致设置于第一标准位置,使得即使第一波长转换装置40的材料一致性、安装位置一致性不好,也能保证光源***的出射光一致性。
当第一波长转换装置40安装于第一标准位置与第一焦点FB的位置之间时,即为图1中的第一波长转换装置40b。由于第一波长转换装置40b离第一光收集***50较近,第一波长转换装置40b发出的光更多的被第一光收集***50收集,使得第一光收集***50的收集效率δY变大;同时第一激发光在第一波长转换装置40b上的光斑变大,使黄光的发光效率LY变大;由于在FY位置的黄光经第一光收集***50后形成平行光,因此对于第一波长转换装置40b,黄光经第一光收集***50后,光束略发散,黄光的发散角度θY也变大,其中大发散角的黄光在后续的光路中(如光机的复眼透镜位置)将无法被收入出射光路中,导致黄光利用率下降,从而导致光机效率ηY的降低。综合考虑收集效率δY、发光效率LY和光机效率ηY,两增一减,使得黄光的光通量LY基本保持不变,使得最终的L总光保持不变。
相应地,当第一波长转换装置40安装于第一标准位置与第二焦点FY的位置之间时,即为图1中的第一波长转换装置40c。由于第一波长转换装置40c离第一光收集***50较远,使得第一光收集***50的收集效率δY相对于第一标准位置变小;第二激发光在第一波长转换装置40上的光斑变小,使黄光的发光效率LY变小;黄光的发散角度θY也相对于第一标准位置变小,使得黄光在后续光路中的利用率提高,导致光机效率ηY的升高。综合考虑收集效率δY、发光效率LY和光机效率ηY,两减一增,由于发光效率LY的影响较小(光斑变小的同时激发光密度会提高),而且小光斑相对于大光斑更容易收集(即光斑变小可以进一步增大收集效率δY),得出LY基本不变,使得最终的L总光保持不变。因此该结构的光源***100可以保持较好的光一致性,且安装较为方便。需要注意的是,第一波长转换装置40的安装位置不能位于比第二焦点更远的位置,因为该位置不仅光收集效率下降,而且发散角增大、光机效率下降,综合导致黄光的光通量下降。
请参见图2和图3,在本发明的一个实施方式中,设第一标准位置与第一光收集***50之间的最短距离为d(即聚焦透镜面向第一波长转换装置40的凸起点与第一标准位置之间的距离),第一波长转换装置40偏离第一标准位置的距离小于等于0.3d(可以向光收集***50的方向偏离,也可以背离光收集***50的方向偏离),也即第一波长转换装置40设置于偏离第一标准位置的距离不大于第一标准位置与第一光收集***50间距的30%的位置。进一步优选的实施例中,因第一焦点与第二焦点一般落入第一波长转换装置40偏离第一标准位置的距离小于等于0.3d的范围内,故第一波长转换装置40安装在第一焦点与第二焦点之间时,可以使得该光源***100的光一致性更好。进一步的,在本发明的另一个实施方式中,第一波长转换装置40偏离第一标准位置的距离小于等于0.1d,该技术方案下,光源的一致性会进一步好。
图2中的FY为第二焦点,FB为第一焦点,第一波长转换装置40与第一光收集***50之间的最短距离为d,s1是第一波长转换装置40向第一光收集***50方向偏离于第一标准位置的距离,s2是第一波长转换装置40背离第一光收集***50方向偏离于第一标准位置的距离。通过将第一波长转换装置40精确设置于轴上的不同位置,对黄光的光通量进行测试,得到图3的光通量-位移曲线。其中横轴代表第一波长转换装置40偏离第一标准位置的位移,纵轴为黄光的光通量。第一波长转换装置40偏离于第一标准位置也有一定的范围值(设定标准位置为0时,将向第一光收集***50的方向偏离的距离设定为负,背离第一光收集***50的方向偏离设定为正),才能使得最终出射的光通量保持不变,超过这一范围会使得黄光的光通量大大减小,从而不能达到使用要求。根据实验数据得出,第一波长转换装置40向第一光收集***50的方向偏离第一标准位置的距离s1小于等于0.3d,背离第一光收集***50的方向偏离第一标准位置的距离s2小于0.3d,此时最终出射的光的光通量可以保持一致,均处于较高的数值。
在本发明的技术方案中,也可以不必设置分光装置、散射反射装置及相关配套装置,只保留与第一波长转换装置相关的光学器件,该技术方案下光源***用于出射单色受激光。根据上述讨论,即使不设置散射反射装置,单独的黄光出射光的光通量在本案的设计思想下也可以保持高一致性。
请参照图4,于另外的实施例中,光源***100还包括分光装置20,位于固态光源10与第一光收集***50之间的光路上,并将所述固态光源10发射的激发光部分透射形成所述第一激发光,部分反射形成第二激发光;光源***100还包括第二波长转换装置70,包括第二表面,第二表面接收第二激发光,被第二激发光激发产生第二受激光,并将第二受激光反射;及第二光收集***50a,位于第二波长转换装置70与分光装置20之间的光路上,汇聚第二激发光至第二波长转换装置70的第二表面,并将第一受激光收集后引导至分光装置20,于第二光收集***50a靠近第二波长转换装置70的一侧,第二光收集***50a对应第二激发光的波长的焦点为第三焦点,第二光收集***50a对应第二受激光的波长的焦点为第四焦点,第三焦点与第四焦点连线的中间位置为第二标准位置,第二波长转换装置70的第二表面大致设置于第二标准位置。
本实施例中,第二波长转换装置70的设置位置可以参照上述实施例中第一波长转换装置40的设置位置。即第二波长转换装置70设置于偏离第二标准位置的距离不大于第二标准位置与第二光收集***50a间距的30%的位置。进一步的,第二波长转换装置70设置于第三焦点与第四焦点之间。
同样地,基于上述相同的理由,第二波长转换装置70的位置设置也使得光源***100的出射光的光通量具有高一致性。
在本实施例中,固态光源10出射紫外激光,第一波长转换装置40为黄色波长转换装置,第二波长转换装置70为蓝色波长转换装置。可以理解,在其他实施方式中,固态光源10、第一波长转换装置40、第二波长转换装置70也可以为出射其他颜色光的装置,例如,固态光源10出射蓝色激光,第一波长转换装置40出射绿色受激光,第二波长转换装置70出射红色激发光。
请参照图5,于又一实施例中,与图1所示的实施例相比,本实施例使用两种光源进行发射,其中分光装置20直接透射固态光源10的出射光,不对其反射。使用第二固态光源90代替第二波长转换装置70或散射反射装置30,使用第二固态光源90发射第三光,第三光由分光装置20透射后,与第一受激光进行合光射出。本实施例中,第三光与第一受激光在分光装置20处合光,可以理解,在其他变形实施方式中,第三光也可以在其他位置与第一受激光合光。
请参照图6,本发明的另一目的在于提出一种投影***,包括光源***100、光机***200、投影镜头300及投影屏幕400,所述光机***200接收所述光源***100发出的光,并转换为投影光通过投影镜头300投射至所述投影屏幕400,光源***100为上述的光源***。该投影***采用了上述发光装置后,小至家庭微型投影、客厅投影,大至工程投影、影院投影,都可以胜任。由于投影***的光源***采用了上述所有实施例的全部技术方案,因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果,在此不再一一赘述。
本发明的又一目的在于提出一种照明装置(未图示),包括光源***100及壳体(未图示),光源***100装设于壳体,所述光源***100为上述的光源***。该照明装置可以应用到一般的照明上,如各种灯具——路灯、探照灯、舞台灯、汽车大灯,也可以应用到显示***上,如投影机、电视机等。由于照明装置的光源***采用了上述所有实施例的全部技术方案,因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果,在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在本发明的发明构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。