CN109404748B - 采用半导体激光器矩阵光源的照明装置 - Google Patents

采用半导体激光器矩阵光源的照明装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109404748B
CN109404748B CN201811055901.5A CN201811055901A CN109404748B CN 109404748 B CN109404748 B CN 109404748B CN 201811055901 A CN201811055901 A CN 201811055901A CN 109404748 B CN109404748 B CN 109404748B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
light source
lasers
semiconductor laser
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811055901.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109404748A (zh
Inventor
郭志友
龚星
孙慧卿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China Normal University
Original Assignee
South China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Normal University filed Critical South China Normal University
Priority to CN201811055901.5A priority Critical patent/CN109404748B/zh
Publication of CN109404748A publication Critical patent/CN109404748A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109404748B publication Critical patent/CN109404748B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/20—Light sources comprising attachment means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/69—Details of refractors forming part of the light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种采用半导体激光器矩阵光源的照明装置，其包括：半导体激光器矩阵光源，用于输出激光束；负弯月透镜组，用于扩散来自所述半导体激光器的激光束；荧光粉片，用于将所述扩散后的所述激光转变为可见光；自由曲面透镜，用于实现所述可见光的光强均匀分布以及所述可见光的光斑整形。本发明的照明装置结构简单，装配方便，耗损低，照明光斑强度分布均匀，可用于城市主干道、机场、广场、商场等大型场所的照明。

Description

采用半导体激光器矩阵光源的照明装置
技术领域
本发明涉及照明领域，尤其涉及一种采用半导体激光器矩阵光源的照明装置。
背景技术
随着半导体技术的发展，传统照明方式大有被取代的趋势。半导体激光器具有功率大、体积小、效率高、响应快、功耗低等特点，相比于LED光源，激光照明不仅能增加投射距离，提高安全性，同时其体积更小、结构更紧凑，是照明光源更好的选择，但是由激光器发出的光发散角很小，不能直接用于照明，现有的激光照明装置大多采用单独的激光单元进行照明，由于技术限制，单个激光器并不能做到高的功率，所以采用单独激光器进行照明的装置只能应用在部分场合，并不能满足大范围高亮度的照明要求。
采用激光器矩阵作为照明光源，能很好地满足需要大范围高亮度照明场合的照明要求，实现激光照明难点在于激光光束的匀化扩散，目前基于激光照明的研究热点集中在如何实现小体积高显色性的白光光源上，对光学***设计研究缺乏。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明至少提供如下技术方案：
采用半导体激光器矩阵光源的照明装置，其包括：
半导体激光器矩阵光源，用于输出激光束；
负弯月透镜组，用于扩散来自所述半导体激光器的激光束；
荧光粉片，用于将所述扩散后的所述激光转变为可见光；
自由曲面透镜，用于实现所述可见光的光强均匀分布以及所述可见光的光斑整形。
进一步的，所述半导体激光器矩阵光源包括若干个半导体激光器，所述若干个半导体激光器组成多个条状激光器组合，通过沿所述激光器的快轴和慢轴方向偏转所述激光器光轴实现所述激光器矩阵光源光束扩散。
进一步的，所述半导体激光器矩阵中的激光器经过光轴旋转后所述激光器矩阵光束的发散角大于或等于照明所需发散角，且相邻两所述激光器之间光轴夹角为定值。
进一步的，所述半导体激光器为中心波长在450nm波段的边发射半导体激光器，所述激光器快轴与慢轴方向发散角分别为23°和7°。
进一步的，所述激光器光束经过负弯月透镜扩散后的发散角等于相邻两激光器之间光轴夹角。
进一步的，所述负弯月透镜组包括若干个条状负弯月透镜，每个条状负弯月透镜与对应的条状激光器组合中心重合，且每个所述条状负弯月透镜与所对应的条状激光器组合旋转相同的角度。
进一步的，所述荧光粉片由半径相差不大的两同心圆弧拉伸而成，且圆弧圆心所在直线与激光器阵列的对称轴重合，使其对光线偏折不产生明显影响。
进一步的，所述自由曲面透镜设置于所述照明装置的最外部。
进一步的，所述半导体激光器矩阵光源、负弯月透镜、荧光粉片以及自由曲面透镜中至少一个镀有增透膜。
进一步的，所述荧光粉片为圆弧状，所述荧光粉片的一面涂有黄色荧光粉。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果至少如下：
本发明的照明装置采用矩阵激光器作为光源，结合负弯月透镜组以及自由曲面透镜，能够满足大功率高亮度大范围的激光照明要求；并且负弯月透镜组和自由曲面透镜的使用能够很好的匀化光斑；该圆弧状的荧光粉片的加入能够使其光线的偏折不产生明显影响；该装置结构简单，装配方便，损耗低，照明光斑强度分布均匀，可应用于大范围照明领域。
附图说明
图1为本发明的其照明装置整体结构示意图。
图2为本发明的其照明装置3D结构示意图。
图3为本发明其照明装置剖视结构示意图。
图4为本发明的半导体激光器矩阵光源示意图。
图5为本发明的负弯月透镜组示意图。
图6为本发明的自由曲面透镜示意图。
附图标记：1为半导体激光器矩阵光源，2为负弯月透镜组，3为涂有黄色荧光粉的荧光粉片，4为具有匀化功能的自由曲面透镜。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
本实施例参照国家城市道路照明设计标准CJJ45-2015中的相关要求进行设计，选取用杆高10m，排列间隔为25m的路灯对宽8m的道路进行照明的案例。
如图1所示，本发明的采用半导体激光器矩阵光源的照明装置包括半导体激光器矩阵光源1；负弯月透镜组2；荧光粉片3；自由曲面透镜4。
如图2至图4所示，本实施例的荧光粉片3涂有黄色荧光粉，半导体激光器矩阵光源1采用24个光功率为1600mW的中心波长在450nm波段的边发射半导体激光器作为光源，所述半导体激光器快轴与慢轴方向的发散角分别为23°和7°。根据上述照明案例中的照明范围要求，将所述半导体激光器按照如下方式排列：沿所述激光器的慢轴方向，将6只所述激光器排列组成条状组合，相邻两激光器之间的光轴夹角为7°、间隔10mm，从而形成4组条状组合；沿所述激光器快轴方向，将所述4组条状组合交错摆放，摆放间距为第一组与第二组之间间隔10mm，第二组与第三组之间间隔20mm，第三组与第四组之间间隔10mm；且相邻两条状组合之间的光轴夹角为28°。所述激光器经过以上方式排列摆放后，能够满足上述照明案例中的照明规范要求，排列摆放后的激光器矩阵能够使其激光光源发散角在道路延伸方向至少达到102°，道路宽度方向发散角至少达到43°，从而使其激光器矩阵的慢轴方向实现光强角密度分布均匀，而其快轴方向需将单只激光器光束进行扩散以实现光强角密度分布均匀。
在激光器矩阵上方放置如图3、图5所示的负弯月透镜组2，该透镜由4个相同的条状负弯月透镜在快轴方向排列而成，每块透镜内外表面曲率分别为-2mm，-6mm，长度为200mm，其排列方式与激光器条状组合排列方式一致，且保证每块透镜内表面圆心所在直线与对应条状组合的各激光器圆心所在直线重合；在透镜组上方放置半径为50mm，长200mm，圆心在激光光源中心处的圆弧状荧光粉片3，所述荧光粉片上所涂荧光粉的激发波长与激光器发光波长一致。
上述荧光粉片3由半径相差不大的两同心圆弧拉伸而成，且圆弧圆心所在直线与激光器阵列的对称轴重合，使其对光线偏折不产生明显影响。
在荧光粉片上方放置如图6所示的自由曲面透镜，其自由曲面透镜内表面半径为100mm，长宽均为200mm，透镜外表面为由20个平面按照一定角度偏转后组成的自由曲面，内表面为快轴方向上从透镜中心区域到透镜边缘曲率半径逐渐由负变正的自由曲面，其中外表面作用为将光强分布重新规划以实现平面接收面上光强均匀分布，内表面作用为将光斑整形为规则矩形。
需要说明的是：激光器矩阵光源具有一定体积，上述自由曲面设计均以点光源近似为前提进行，按照相关理论，自由曲面体积至少为光源体积的4倍，从而获得的实际结果与理论效果接近。
由上述装置结构可知，本发明的照明装置结构简单，装配方便，耗损低，照明光斑强度分布均匀，可用于城市主干道、机场、广场、商场等大型场所的照明。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.采用半导体激光器矩阵光源的照明装置，其特征在于，其包括：
半导体激光器矩阵光源，用于输出激光束，其中所述半导体激光器矩阵光源包括若干个半导体激光器，所述若干个半导体激光器组成多个条状激光器组合，通过沿所述激光器的快轴和慢轴方向偏转所述激光器光轴实现所述激光器矩阵光源光束扩散；
负弯月透镜组，用于扩散来自所述半导体激光器的激光束，其中所述负弯月透镜组包括若干个条状负弯月透镜，每个条状负弯月透镜与对应的条状激光器组合中心重合，且每个所述条状负弯月透镜与所对应的条状激光器组合旋转相同的角度，所述激光器的激光束经过负弯月透镜扩散后的发散角等于相邻两激光器之间光轴夹角；
圆弧状荧光粉片，用于将所述扩散后的激光转变为可见光，其中所述荧光粉片由半径相差不大的两同心圆弧拉伸而成，且圆弧圆心所在直线与激光器阵列的对称轴重合，使其对光线偏折不产生明显影响；
自由曲面透镜，用于实现所述可见光的光强均匀分布以及所述可见光的光斑整形，其中所述自由曲面透镜的内表面为快轴方向上从透镜中心区域到透镜边缘曲率半径逐渐由负变正的自由曲面。
2.根据权利要求1的所述照明装置，其特征在于，所述半导体激光器矩阵中的激光器经过光轴旋转后所述激光器矩阵光束的发散角大于或等于照明所需发散角，且相邻两所述激光器之间光轴夹角为定值。
3.根据权利要求1或2的所述照明装置，其特征在于，所述半导体激光器为中心波长在450nm波段的边发射半导体激光器，所述激光器快轴与慢轴方向发散角分别为23°和7°。
4.根据权利要求1的所述照明装置，其特征在于，所述自由曲面透镜设置于所述照明装置的最外部。
5.根据权利要求1的所述照明装置，其特征在于，所述半导体激光器矩阵光源、负弯月透镜、荧光粉片以及自由曲面透镜中至少一个镀有增透膜。
6.根据权利要求1的所述照明装置，其特征在于，所述荧光粉片的一面涂有黄色荧光粉。
CN201811055901.5A 2018-09-11 2018-09-11 采用半导体激光器矩阵光源的照明装置 Active CN109404748B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811055901.5A CN109404748B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 采用半导体激光器矩阵光源的照明装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811055901.5A CN109404748B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 采用半导体激光器矩阵光源的照明装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109404748A CN109404748A (zh) 2019-03-01
CN109404748B true CN109404748B (zh) 2020-08-07

Family

ID=65463984

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811055901.5A Active CN109404748B (zh) 2018-09-11 2018-09-11 采用半导体激光器矩阵光源的照明装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109404748B (zh)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4768038B2 (ja) * 2009-02-13 2011-09-07 シャープ株式会社 照明デバイスおよび該照明デバイスを使用した照明装置
CN101545582B (zh) * 2009-05-05 2011-01-05 浙江大学 半导体激光器阵列光束整形照明***
JP5747546B2 (ja) * 2010-03-29 2015-07-15 東芝ライテック株式会社 照明装置
JP2013130835A (ja) * 2011-12-22 2013-07-04 Sharp Corp ホモジナイザ、ホモジナイザ装置および照明装置
CN108398800A (zh) * 2018-02-11 2018-08-14 天津理工大学 基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学***装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109404748A (zh) 2019-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10295153B2 (en) Optical system for producing uniform illumination
US7581855B2 (en) Apparatus and method for improved illumination area fill
US8789969B2 (en) Compact LED light engine with reflector cups and highly directional lamps using same
CN103968270B (zh) 一种led光源***
US9316378B2 (en) Arrangement for outputting light with punctiform light sources and light deflection element
US8851718B2 (en) Combined aircraft landing and taxi light
EP2721656B1 (en) Led light source
JP2016212962A (ja) 照明装置
JP2021529355A (ja) 光源装置
CN103499067A (zh) 对称结构式理论无损光效的led光全反射准直***
CN107270151B (zh) 一种发光装置及激光照明灯
CN111981431A (zh) 一种照明灯具
CN109404748B (zh) 采用半导体激光器矩阵光源的照明装置
CN105156990B (zh) Led路灯透镜单元、模组及具有该led路灯透镜模组的路灯
CN209458674U (zh) 用于激光照明的光学装置及灯具
CN111240026A (zh) 一种激光照明装置
EP1998214B1 (en) Lighting device
CN109899694B (zh) 采用光学透镜和反光杯的激光照明单元及光学***
CN107940268B (zh) 激光模组及激光照明灯
CN212673020U (zh) 一种激光探照灯
CN212805522U (zh) 一种折反混合式激光照明模块及光学***
CN215008913U (zh) 一种自聚焦的半导体激光光源模组
CN220471424U (zh) 照明装置、照明设备和车辆
CN203517635U (zh) 一种内全反射准直透镜
CN212456691U (zh) 一种照明灯具

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant