JP2021529355A

JP2021529355A - 光源装置

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Publication number: JP2021529355A
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Inventors: チェン，ビン; リ，イ
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Abstract

【課題】本発明は光源装置を提供する。【解決手段】光源装置であって、第１光を発するためのレーザ光源（３１０）と、レーザ光源（３１０）の出射光路に設置され、第１光を光変換装置（３４０）に入射するように案内することに用いられ、１つの出射面（３３１）を備える屈折光学素子（３３０）であって、屈折光学素子（３３０）の出射面（３３１）により屈折された光が光変換装置（３４０）の方向へシフトして出射される屈折光学素子（３３０）と、屈折光学素子（３３０）の出射側に設置され、入射面及び出射面が同一面である光変換装置（３４０）であって、光変換装置（３４０）の入射面媒質のブリュースター角をαとすると、屈折光学素子（３３０）の出射光がα−２０°〜α＋１０°の入射角で光変換装置（３４０）に斜め入射される光変換装置（３４０）と、光変換装置（３４０）の出射側に設置され、光変換装置（３４０）が発する光を収集してから射出するための光収集装置（３５０）と、を備える。光源装置は光路構造のコンパクト化を実現するとともに、カラーが均一で合致する出射光スポットを得ることができる。【選択図】図３

Description

本願は照明技術分野に関し、具体的に光源装置に関する。

照明分野における省エネ・環境保護に関連する法規が徐々に公布されるにつれて、ハロゲンランプは徐々に歴史の舞台から退場し、代替品として、ＬＥＤ照明は現在照明分野の主流となっている。ところが、高輝度照明分野において、ＬＥＤはハロゲンランプ、ガス放電灯を代替することが困難である。これは、ＬＥＤの発光効率が十分に高くないので、高電流における高効率の光出力を実現できないためであり、従って、通常、複数のＬＥＤを使用してアレイを構成することで高輝度の出力光を取得するが、複数のＬＥＤを用いると、放熱及び配線の問題を引き起こしてしまう。従って、高輝度照明には低コストのＬＥＤ解決策がない。

ＬＥＤと同じ「冷光源」であるレーザ光源は同様に省エネ・環境保護の利点を有し、しかもレーザ光源の高電流における発光効率がＬＥＤより遥かに高いため、高輝度照明の新たな研究開発の焦点となり、次世代照明技術として称賛される。一般的に、レーザ光で蛍光体を励起させることで、残りのレーザ光と蛍光体の発する蛍光とをコンバインして、必要な白色光照明ビームを得る必要がある。

照明光源については、一般的に照明光スポットのカラーが均一で、光スポットの中心がエッジより明るく、照射距離が遠いように要求される。図１には従来技術における光源を示し、青色レーザ装置１０１の発するビームがレンズ１０２によりコリメートされた後、１つの分光シート１０３に入射され、該分光シートの中央には青色光を反射させて黄色光を透過させる膜層がメッキされ、他の領域には可視光波長域の反射防止膜がメッキされる。レーザビームが分光シート１０３の青色光を反射させて黄色光を透過させる膜層により光収集装置１０４に反射され、次に反射式光変換装置１０５に入射され、光変換装置１０５の発する蛍光と残りの青色光とが光変換装置１０５の反射層により反射されてから光変換装置１０５の入射面から出射され、その後、光収集装置１０４により収集され、光収集装置により再び分光シート１０３に入射される。分光シート１０３の反射防止膜領域に入射された光がすべて透過するが、分光シート１０３の青色光を反射させて黄色光を透過させる膜層に入射された光のうち、青色光が反射され、黄色光が透過する。該技術案によれば、出射光の中心領域の青色光が不十分であり、光スポットのカラーが均一でない。

他の光源は図２に示されるとおり、レーザ装置２０１の発するビームが光ファイバー２０２を用いて伝播され、次にレンズ２０３を通過して反射式光変換装置２０４に直接入射され、１つの反射カップ２０５を用いて光変換装置２０４の出射光を受信してから反射し、光変換装置２０４が反射カップ２０５の中心に設置されるため、反射カップ２０５の中心のビームが出射できず、出射光の中心が黒い穴になる。該技術案によれば、光スポット中心の輝度が十分でない。

以上より、従来技術における白色光照明光源はカラーが均一で、中心の輝度が高いという要件を満たすことが困難であり、且つ体積が大きくて膨大である。

本願の目的は構造がコンパクトで、出射光の色が均一で、発光効率が高い光源装置を提供することである。

上記技術的問題を解決するために、本願は、光源装置であって、第１光を発するためのレーザ光源と、前記レーザ光源の出射光路に設置され、前記第１光を光変換装置に入射するように案内することに用いられ、一つの出射面を備える屈折光学素子であって、前記屈折光学素子の出射面により屈折された光が前記光変換装置の方向へシフトして出射される屈折光学素子と、前記屈折光学素子の出射側に設置され、第１光の少なくとも一部を蛍光に変換する及び／又は前記第１光の光分布を変更することに用いられ、入射面及び出射面が同一面である光変換装置であって、前記光変換装置の入射面の媒質のブリュースター角をαとすると、前記屈折光学素子の出射光がα−２０°〜α＋１０°の入射角で前記光変換装置に斜め入射される光変換装置と、前記光変換装置の出射側に設置され、前記光変換装置が発する光を収集してから射出するための光収集装置と、を備える光源装置を提供することである。

いくつかの実施形態では、前記屈折光学素子の出射光はαの入射角で前記光変換装置に斜め入射される。該入射角で前記光変換装置に斜め入射されることにより、斜め入射時の光反射を最大限に低減し、光損失を低減し、光利用率を向上させて、レーザ光が側面から漏れることによる安全上の問題を防止することができる。

いくつかの実施形態では、前記第１光は前記光変換装置に入射される際にＰ偏光状態にあり、Ｐ偏光状態の光はブリュースター角に近い角で入射されるとき、その反射率が低い。ビームが前記光変換装置の入射面に入射される際の正反射を低減し、入射率を増加させ、光利用率を向上させてレーザ光の横漏れを低減することができる。

いくつかの実施形態では、前記レーザ光源はレーザダイオードを備え、前記レーザダイオードの共振空胴出光面の短辺が該レーザダイオードが発する第１光の前記光変換装置への光入射面に垂直であり、前記第１光が前記レーザ光源から前記光変換装置まで通過する光学デバイスが非イメージング光学デバイスである。該技術案において、レーザ光源の出射光の偏光方向は光変換装置の光入射面内に位置し、レーザ光源が光変換装置に対するＰ偏光状態で出射される（当業者であれば理解されるように、Ｐ偏光状態又はＳ偏光状態が光入射面に対するものであり、相対属性であり、光の固有属性ではない。）ことに相当し、従って、該第１光は屈折光学素子を通過してからＰ偏光状態で光変換装置に直接入射されることができ、それにより光利用率を向上させる。第１光はレーザ光源から光変換装置まで光学イメージングを行わず、つまりレーザダイオードの共振器出光面の矩形を光変換装置の表面にイメージングして光スポットを形成するのではないことを意味し（これにより、斜め入射される場合に光スポットが更に長く伝播され、光変換装置の表面の光スポットが「一」字型になる。）、レーザダイオードの出射光発散角特性に基づき、光学イメージングを行わずに屈折光学素子の出射面に１つの楕円形光スポットを得、且つ光スポットの長軸が光入射面に垂直であり、そうすると、斜め入射作用によって光スポットが「Ｏ」字型になる。従って、該技術案によれば、より少ない光学デバイスを使用する場合、光分布がより均一な出射光を得ることができる。

いくつかの実施形態では、前記レーザ光源と前記光変換装置とが同一の放熱基板に熱結合されている。該解決手段によれば、構造をよりコンパクトにすることができるだけでなく、放熱器を共用することもできる。

いくつかの実施形態では、前記光変換装置は波長変換装置であり、前記波長変換装置は第１光の少なくとも一部を蛍光に変換して出射する。

前記光変換装置は他の実施形態を有してもよく、他の実施形態では、前記光変換装置は光散乱反射装置であり、前記光変換装置は第１光の少なくとも一部の角分布を変更する。該解決手段によれば、ガウス分布のレーザ光をランベルト分布の光に変換することができる。

更なる実施形態では、光変換装置が光散乱反射装置である場合、更にＲＧＢ三色レーザ光を光変換装置に入射してからコンバインして直接白色光を得ることができ、該光が光散乱反射装置により散乱反射されてからデコヒーレンスされ、レーザ光の直接出射による弊害が低減される。

いくつかの実施形態では、前記屈折光学素子が前記光収集装置と前記光変換装置との間の空間に設置され、且つ前記光変換装置の位置する平面での前記光収集装置の投影は、前記光変換装置の位置する平面での前記屈折光学素子の出射面の投影を覆う。該技術案は光源装置の光出射方向に垂直な方向における体積を減少させる。

前記屈折光学素子は末端に斜角切断面を有する光ファイバーであってもよいし、プリズムであってもよい。具体的に、前記屈折光学素子の前記光変換装置に向かう出射面が前記斜角切断面又は前記光変換装置の入射面と角度をなすプリズムの一面であり、これにより、前記第１光が前記屈折光学素子を通過した後、前記光変換装置の入射面に入射されるように案内する。具体的ないくつかの実施例では、前記屈折光学素子の出射面と前記光変換装置の入射面とがなす夾角は９０度より大きい。

前記レーザ光源が前記屈折光学素子と協働し、前記屈折光学素子がプリズムである場合、前記レーザ光源が前記プリズムに対応する入射面の方位に置かれてもよく、これにより、レーザビームが前記プリズムに入射された後、前記光変換装置の入射面に斜め入射されるように案内する。１つの好適な実施形態では、前記第１光が屈折光学素子としてのプリズムに入射される入射角はブリュースター角であり、該技術案によって、第１光が屈折光学素子に入る際に光反射による損失を低減し、第１光の光利用率を向上させることができる。

いくつかの実施形態では、前記屈折光学素子が末端に斜角切断面を有する光ファイバーである場合、前記レーザ光源が前記光源装置の出射光を遮らない任意の位置に置かれてもよく、且つ位置の選択を最適化することにより構造全体をよりコンパクトにすることができ、レーザビームが前記光ファイバーを介して伝播され、前記光学末端の斜角切断面から前記光変換装置の入射面に斜め入射され、設計自由度を向上させる。

いくつかの実施形態では、前記光源装置は少なくとも２つの前記レーザ光源を備え、前記少なくとも２つのレーザ光源のビームがコンバインされた後、前記屈折光学素子を通過して光変換装置に入射される。前記少なくとも２つのレーザ光源のビームのコンバイン方式はレーザビームが光学素子により光路を変更してから結合されることであってもよく、前記光学素子が反射鏡又はプリズム等であってもよい。

他の実施形態では、前記光源装置は少なくとも２つの前記レーザ光源と、前記レーザ光源に１対１に対応する前記屈折光学素子とを備え、前記レーザ光源のビームが対応する屈折光学素子を介してそれぞれ前記光変換装置に入射される。

この場合、前記少なくとも２つのレーザ光源のビームが前記光変換装置に照射された光スポットは完全に重なる。これにより、より高い出射光強度を実現することができ、且つ光スポットの重なりによって光スポットの均一化を実現し、更に異なるレーザ光源のオンオフを制御することにより、異なる出射光強度を得ることができる。

他の実施形態では、前記少なくとも２つのレーザ光源のビームが前記光変換装置に照射された光スポットは部分的に重なるか又は互いに分離してもよい。該実施形態は異なる光スポットの組み合わせによって光スポットパターンを得ることができ、異なるレーザ光源のオンオフを制御することにより、光スポットパターンの形状を制御し、異なる照明目的を実現する。

いくつかの実施形態では、少なくとも２つのレーザ光源のビームが前記光変換装置に照射された光スポットは部分的に重なるか、又は互いに分離し、異なるレーザ光源のビームが前記光変換装置に照射された光スポットは前記光収集装置により収集された後、それらの出射光の角度が異なる。該実施形態では、レーザ光源のオンオフを制御することにより、出射光の照射角度を制御することができる。

いくつかの実施形態では、前記光変換装置は波長変換材料粒子と接着材料とを均一に混合して蛍光材料を形成し、更に該蛍光材料を基板に塗布し、蛍光材料が塗布された面を前記光変換装置の入射面とする。該接着材料はシリカゲル又はエポキシ樹脂等を用いてもよい。該反射式光変換装置は前記基板と蛍光材料との間に更に反射層を設置することにより、励起蛍光を出光方向に効果的に反射することができる。放熱効果を向上させるために、前記光変換装置の裏面に放熱装置を設置してもよく、又は基板を熱伝播機能を持つもの例えば金属熱伝導基板にしてもよく、これにより、光変換装置の発する熱が該金属熱伝導基板に伝導されて最終的に散逸することができる。なお、前記光変換装置の蛍光材料の表面に反射防止膜がメッキされ、それにより出射率を向上させる。

本願は更に上記光源装置を備えるレーザ照明装置を提供することである。前記レーザ照明装置は自動車のヘッドライト、レーザスポットライト、レーザ懐中電灯等に適用されてもよいが、前記列挙に限らない。

従来技術に比べて、本願は以下の有益な技術的効果を有する。

本願の光源装置は屈折光学素子を用いてレーザ光源が発する第１光を屈折した後、前記屈折光学素子の出射側に設置される光変換装置の入射面に斜め入射する。直接斜め入射する解決手段に比べて、このような屈折してから斜め入射する解決手段はレーザ光源の位置がより柔軟に設定でき、レーザ光源が光変換装置に一層接近するようにし、それにより光源装置の体積を減少させる一方、光変換装置の出射光がレーザ光源又は屈折光学素子により遮断されることがなく、カラーが均一で合致する出射光スポットを得ることができ、特に高輝度の中心光スポットを得ることができる。且つ、本願は屈折光学素子の出射光が光変換装置に斜め入射された入射角度を約ブリュースター角に設定することにより、第１光におけるＰ偏光の反射率を低減し、本願における斜め入射によるレーザ光の横漏れ問題を解決し、安全性を向上させる。

図１は従来のレーザ光源装置の１つの構造模式図である。図２は従来のレーザ光源装置のもう一つの構造模式図である。図３は本願の光源装置の第1の実施例の模式図である。図４はガラス表面のＰ光及びＳ光の反射率と入射角度との関係を示す図である。図５は本願の光源装置の第２の実施例の模式図である。図６は本願の光源装置の第３の実施例の模式図である。図７は本願の光源装置の第４の実施例の模式図である。図８は本願のレーザビームの光変換装置での位置関係の第１の実施例を示す図である。図９は本願のレーザビームの光変換装置での位置関係の第２の実施例を示す図である。図１０は本願のレーザビームの光変換装置での位置関係の第３の実施例を示す図である。図１１は本願のレーザビームの光変換装置での位置関係の第４の実施例を示す図である。図１２は本願の出射ビームの角度とレーザ光が光変換装置に照射された位置との関係を示す図である。図１３は本願の光源装置の第５の実施例の模式図である。図１４は本願の光源装置の第６の実施例の模式図である。図１５はレーザダイオード光源の光スポット変化の模式図である。図１６は本願の光源装置の第７の実施例の模式図である。

以下、図面を参照しながら実施形態によって本願を詳しく説明する。

図３には本願の光源装置の第1の実施例を示し、該光源装置はレーザ光源３１０、レンズ３２０、屈折光学素子、光変換装置３４０、光収集装置３５０を備え、３１０３２０本実施例の屈折光学素子が斜角ガラス３３０である。レーザ光源３１０から発する第１光がレンズ３２０によりコリメートされてから出射光路上の斜角ガラス３３０に入射され、斜角ガラス３３０は第１光が光変換装置３４０に入射されるように案内する。具体的に、第１光が斜角ガラス３３０の出射面３３１により屈折された後のビームが光変換装置の方向へシフトして出射される。

本実施例では、光変換装置３４０は波長変換装置であり、光変換装置３４０における基板３６０に蛍光材料（図示せず）が塗布された面が蛍光面であり、蛍光面が光変換装置３４０の入射面及び出射面であり、蛍光材料が入射された第１光の少なくとも一部を吸収して蛍光を発し、該波長変換装置は基板３６０と蛍光材料との間に更に反射層（図示せず）を設置し、これにより蛍光と残りの第１光とを出光方向に効果的に反射して光収集装置３５０に受信され、発射層の設置は出光率を大幅に向上させる。光変換装置の蛍光材料の表面に更に反射防止膜がメッキされてもよい。

蛍光面に対向するのが光変換装置３４０の裏面であり、放熱効果を向上させるために、光変換装置３４０の裏面に放熱装置を設置してもよく、又は基板３６０を熱伝播機能を持つもの例えば金属熱伝導基板、セラミック熱伝播基板にしてもよく、光変換装置３４０が発する熱が該熱伝播基板に伝導されて最終的に散逸することができる。理解されるように、基板３６０は反射基板であってもよく、光変換装置３４０からの光を反射することができる。

光変換装置３４０が屈折光学素子である斜角ガラス３３０の出射側に設置され、斜角ガラス３３０の光変換装置３４０の蛍光面側に向かう出射面３３１が斜面であり、斜面と光変換装置３４０の蛍光材料を塗布した蛍光面とがなす傾斜角度は９０度より大きく、これにより、レーザ光源のビームが斜角ガラス３３０を通過して斜面で屈折されるようにして、ビームを光変換装置３４０の蛍光材料を塗布した蛍光面に斜め入射させ、それにより蛍光を励起させる。一般的に、該傾斜角度の範囲が９０度〜１８０度である。

本発明の実施例では、屈折光学素子からの出射光がα−２０°〜α＋１０°の入射角で光変換装置に斜め入射され、αが光変換装置の入射面媒質のブリュースター角である。図４に示すように、蛍光材料の表面媒質の屈折率が１．７である場合、そのブリュースター角が６０度であり、これにより、多くのＰ偏光状態のレーザ光が透過して蛍光材料層に入るようにし、第１光の利用率を効果的に向上させて第１光の横漏れを防止する。入射角がブリュースター角から−２０°〜＋１０°ずれる場合、Ｐ偏光状態の光の反射率を０にすることができないが、Ｐ偏光状態の光の反射率を５％以下にすることができる。第１光の利用率を向上させて横漏れを防止する効果を実現することもできる。

本実施例では、レーザ光源３１０の偏光状態は光変換装置３４０の蛍光面に入射される場合がＰ偏光状態であるように設定される。理解されるように、本発明では、第１光の光変換装置への入射角度の設定はＰ偏光状態の光に有効であり、すべての第１光がＰ偏光状態にあるように要求されるのではなく、光変換装置に入射される第１光がＰ偏光状態の光を含めば、該部分の光の利用率を向上させることができる。

光収集装置３５０は光変換装置３４０の出射側に設置され、光変換装置３４０の蛍光ビームを収集してから光線を出射することに用いられる。レーザ光源３１０が発するレーザビームがレンズ３２０によりコリメートされてから斜角ガラス３３０に入射され、次に斜角ガラス３３０の斜面により屈折されてから光変換装置３４０の蛍光材料を塗布した蛍光面に斜め入射され、励起蛍光が光収集装置３５０を通過してから出射される。本実施例の光収集装置３５０は１つのレンズであり、他の実施例では、光収集装置は更にレンズ群、曲面反射カップ又はＴＩＲレンズであってもよい。

本実施例では、屈折光学素子である斜角ガラス３３０が光収集装置３５０と光変換装置３４０との間の空間に設置され、且つ光変換装置３４０の位置する平面での光収集装置３５０の投影は光変換装置３４０の位置する平面での屈折光学素子である斜角ガラス３３０の出射面の投影を覆う。

レーザ光源３１０はレンズ３２０の焦点距離と、レーザ光源３１０からレンズ３２０までの距離とを調節することにより、斜角ガラス３３０に入射された光スポットを光変換装置３４０と光収集装置３５０との距離より小さくすることができる。レーザビームはレンズ３２０によりビームを小さな光スポット例えば１００μｍの光スポットに収束することができ、従って、斜角ガラス３３０の寸法が小さくてもよく、それにより光収集装置３５０の効率を向上させる。

斜角ガラス３３０のビームを受信する入射面は入射された第１光に対して垂直面であってもよく、図３の実施例のように、レーザ光源３１０とレンズ３２０とが図中に示すように斜角ガラス３３０の左側に設置され、レーザビームが垂直面から入射された後、光路が斜角ガラス３３０の出射面３３１に至る。ここで言われる左側は図３の例を方位として説明したが、本願はこれに限らず、想到されるように、レーザ光源３１０とレンズ３２０とが斜角ガラス３３０の他側に設置されることも可能である。

図５に示すように、本発明の光源装置の第２の実施例では、光源装置はレーザ光源４１０、レンズ４２０、屈折光学素子４３０、光変換装置４４０、光収集装置４５０及び基板４６０を備える。屈折光学素子はプリズム４３０であり、入射ビームを屈折光学素子の出射面に反射させる。本実施例では、プリズム４３０の入射側に入射ビームを出射面４３１に反射することができる傾斜切断面４３２を有し、レーザ光源４１０、レンズ４２０、光変換装置４４０及び放熱装置が光収集装置４５０の同一側に位置してもよく、更に構造をよりコンパクトにすることができる。図５に示すように、レーザ光源４１０とレンズ４２０とが光変換装置４４０の裏面の後方に位置し、レーザビームがプリズム４３０に入射されてから傾斜切断面により反射されて光路を変更し、次に光線を出射する側の斜面から屈折されてから光変換装置４４０に斜め入射され、励起蛍光が光収集装置４５０を介して再び出射される。ここで言われる後方は図５の例を方位として説明したが、本願はこれに限らない。

図６は光源装置の上面図であり、光源装置は少なくとも２つのレーザ光源を備える。本実施例では、屈折光学素子５４０及び光変換装置５５０の左側に設置される３つのレーザ光源５１１、５１２及び５１３を備え、それぞれ光線をコリメートするレンズ５２１、５２２、５２３の作用によって、レーザ光源のビームがコンバインされた後、屈折光学素子５４０を通過して光変換装置５５０に入射される。複数のレーザ光源が屈折光学素子５４０を共用する場合、初期光路が必要な入射角度に合致しないレーザビームを調整し、図６の実施例のように、中央のレーザ光源５１２及びレンズ５２２の発するレーザビームが屈折光学素子５４０に直接入射され得るが、上下両側のレーザ光源５１１、５１３及びレンズ５２１、５２３の発するレーザビームが光路切替素子５３１、５３２を通過して光路を変更してから屈折光学素子５４０に入射され、これにより、必要な入射角度を満たし、レーザビームが光変換装置５５０への入射角度を満たすようにし、蛍光を効果的に励起させる。光路切替素子５３１、５３２は反射鏡面、反射レンズ、又は光路を変更できる他の光学素子であってもよいし、これらの光学素子のうちの１つ又は１つ以上の組み合わせであってもよい。ここで言われる左側、上下両側は図６の例を方位として説明したが、本願はこれに限らない。

図６の実施例では、複数のレーザ光源５１１、５１２及び５１３が１つの屈折光学素子５４０に対応する。他の実施例では、１つ以上の屈折光学素子を備えるものであってもよく、屈折光学素子はレーザ光源に１対１に対応し、対応するレーザ光源のビームを受信して、それぞれ光変換装置の表面に出射する。異なる屈折光線素子が光変換装置の異なる側に置かれてもよい。

図７に示すように、光源装置は２つのレーザ光源６１１、６１２、２つの屈折光学素子６３１、６３２、光変換装置６４０、光収集装置６５０及び基板６６０を備える。本実施例では、それぞれ光変換装置６４０の左右両側に設置される２つのレーザ光源６１１及び６１２の発する光は光線をコリメートするレンズ６２１及び６２２の作用によって、レーザ光源に１対１に対応する屈折光学素子６３１及び６３２（２つの屈折光学素子もそれぞれ光変換装置６４０の左右両側に設置される）に入射されて、それぞれ対応する屈折光学素子６３１及び６３２を介して光変換装置６４０に入射される。ここで言われる左右側は図７の例を方位として説明したが、本願はこれに限らない。少なくとも２つのレーザ光源も対向する両側に分布されることに制限されず、同一側又は隣接する両側に分布されてもよいし、他の角度分布方式であってもよい。

少なくとも２つのレーザ光源が設置される実施例では、各レーザ光源のオンオフを制御することにより本願の光源装置の出光強度を調節することができる。

図８〜図１１に示すように、蛍光材料に照射されたレーザ光スポットのパワー均一性を修正するよう、少なくとも２つのレーザ光源のビームの光変換装置での位置関係は１つの光スポットに重なることであってもよいし、部分的に重なることであってもよい。

図８に示すように１つの光スポット７０１に重なる場合、該光スポットの輝度は異なるレーザ光源の光スポットの重ね合わせである。異なる光源のオンオフを制御し、又は異なるレーザ光源の電流を制御することにより、該総光スポットの輝度を調節することができ、それにより光源装置の出射光の輝度を調節する。

図９に示すように、３つのレーザ光源の光変換装置での光スポット７０２、７０３、７０４が上下に配列されて部分的に重なり、図１０に示すように、３つのレーザ光源の光変換装置での光スポット７０５、７０６、７０７が「品」字型に配列されて部分的に重なる。少なくとも２つのレーザ光源のビームの光変換装置での位置関係も異なるレーザ光源の光スポットが異なる位置に分離されることであってもよく、図１１に示すように、３つのレーザ光源の光変換装置での光スポット７０８、７０９、７１０が上下に配列されて互いに重ならない。該３つの実施形態では、それぞれ異なるレーザ光源のオンオフを制御することにより、形状の異なる光スポットパターンを得ることができ、該光スポットパターンは光変換装置の作用によって光収集装置により収集された後、最終的な投射位置で異なる形状の照明光スポットを形成することができ、それにより照明の多様化効果を実現する。

図１２に示すように、一実施例では、複数のレーザ光源のビームの光変換装置８０１での光スポット８０３、８０４、８０５は異なる位置に分離され、それらの対応する光収集装置８０２の光軸位置が異なる。光収集装置８０２の光軸上方の光スポット８０３が収集された後、ビームが光軸下方へシフトして出射され、光収集装置８０２の光軸下方の光スポット８０５が収集された後、ビームが光軸上方へシフトして出射され、異なるレーザ光源のビームが光変換装置に照射された光スポットは光収集装置により収集された後、それらの出射光の角度が異なる。光収集装置８０２から出射されたビームの角度に相違がある場合があり、異なるレーザ光源をオンすることにより、光源がビームを出射する角度を制御することができ、それにより異なる領域、異なる方向、異なる輝度の照明を制御できるという目的を実現する。

図１３は本願の光源装置の第５の実施例の模式図であり、該光源装置はレーザ光源９１０、反射素子９７０、レンズ９２０、屈折光学素子９３０、光変換装置９４０、光収集装置９５０を備え、９１０９７０９２０レーザ光源９１０が基板９６０に設置され、光変換装置９４０が同一の基板９６０に設置され、具体的な実施例では、レーザ光源９１０が基板９６０に嵌め込まれることができる。

レーザ光源９１０の発する第１光が反射素子９７０により反射されてレンズ９２０によりコリメートされてから屈折光学素子９３０に入射され、具体的な実施例では、屈折光学素子９３０がプリズムを用いる。屈折光学素子９３０の出射面（図示せず）により屈折されたビームが光変換装置９４０の方向へシフトして出射され、レーザ光源のビームが光変換装置９４０に入射されるように案内する。光変換装置９４０は屈折光学素子９３０の出射側に設置され、第１光の少なくとも一部を蛍光に変換して、光収集装置９５０に出射することに用いられ、光変換装置９４０の入射面及び出射面が同一面である。光収集装置９５０は光変換装置９４０の出射側に設置され、光変換装置９４０の発する光を収集してから出射することに用いられる。

光変換装置９４０の入射面媒質のブリュースター角がαであり、屈折光学素子９３０の出射光がα−２０°〜α＋１０°の入射角で光変換装置９４０に斜め入射される。該入射角度で光変換装置９４０に斜め入射されることにより、斜め入射時の光反射を低減し、光損失を低減し、光利用率を向上させて、レーザ光が側面から漏れることによる安全上の問題を防止することができる。

さらに、屈折光学素子９３０が光収集装置９５０と光変換装置９４０との間の空間に設置され、且つ光変換装置９４０の位置する平面での光収集装置９５０の投影が光変換装置９４０の位置する平面での屈折光学素子９３０の出射面の投影を覆う。

本実施例では、第１光が屈折光学素子９３０に入射された入射角はブリュースター角であり、該技術案は光が光変換装置９４０に入射される際に光利用率を向上させるだけでなく、光が屈折光学素子９３０に入射される際に光利用率も向上させる。

図１４は本発明の光源装置の第６の実施例の構造模式図である。本実施例の光源装置はレーザ光源１０１０、屈折光学素子１０３０、光変換装置１０４０及び光収集装置１０５０を備え、更に基板１０６０を備える。

レーザ光源１０１０は第１光を発し、該第１光がレーザ光源の出射光路に設置される屈折光学素子１０３０により光変換装置１０４０に入射されるように案内し、屈折光学素子１０３０は出射面１０３１を備え、出射面１０３１により屈折された後、第１光が光変換装置１０４０の方向へシフトして出射される。

屈折光学素子１０３０の出射光がほぼブリュースター角を呈する入射角（ブリュースター角の−２０°〜＋１０°）で光変換装置１０４０に斜め入射され、変換された後、光収集装置１０５０は光変換装置１０４０の出射光を収集してから射出する。

本実施例が上記各実施例と異なるところは、屈折光学素子が異なることにある。本実施例の屈折光学素子１０３０は末端に斜角切断面を有する光ファイバーである。第１光が該光ファイバー内に光ファイバーの軸方向に沿って伝播され、末端の斜角切断面で屈折され、次に光変換装置１０４０に斜め入射される。該実施例は光ファイバーの小さな軸方向寸法を利用して光源装置の体積を減少させる一方、光ファイバーの導光作用を利用してレーザ光源の位置をより柔軟に設定する。

本実施例では、屈折光学素子１０３０は更に偏波保持光ファイバーであってもよく、光ファイバーに伝播される第１光の偏光状態を基本的に変化せず、これにより、より多くのＰ偏光を光変換装置１０４０に入射することができ、より高い光利用率を実現して光の横漏れを防止する。

本実施例の相違点は、更に、本実施例の光収集装置１０５０が曲面反射カップであり、具体的に、放物面反射カップ又は楕円面反射カップであり得ることにある。出射光を遮断することを回避するよう、屈折光学素子１０３０が反射カップの光軸近傍に設置される。理解されるように、上記各実施例の光収集装置は本実施例のタイプで代替されてもよく、それらが更に全反射レンズ（ＴＩＲレンズ）の技術案と等価であってもよく、ここで詳細な説明は省略する。

以上の実施例では、一般的に、レーザ光源の光路にレンズを設置して第１光をコリメートし、レンズをイメージング光学素子とし、光変換装置の表面の最終的な光スポットがレーザ装置の出光口の像（無論、斜め入射等の要素により該像が長く伝播される可能性がある）として呈示したり、コリメートレンズ以外に、更に他のレンズ等のイメージング光学素子を設置して光スポットをイメージングしたりする。

図１５の（ａ）はレーザダイオードの共振空胴出光面の断面図であり、該出光面が矩形形状である。レーザダイオードの直線偏光度が高く、当業者であれば理解されるように、偏光ベクトル方向が長辺に平行する方向（すなわち、図中の座標軸のＹ方向）に沿う。且つ、出光面位置で、長辺に平行するＹ方向の光発散角が短辺に平行するＸ方向の光発散角より小さく、例えば、典型的なレーザダイオードにおいて、長辺方向の光の発散半角がθ₁＝３．５°であり、短辺方向の光の発散半角がθ₂＝１１°である。

光がレーザダイオードの共振空胴出光面から離れると、ビームがＸ方向に平行する方向に急に広がってＹ方向の広がりを超え、ビームの断面が短距離伝播されてから図１５の（ｂ）の楕円光スポット形状となって、無限遠まで維持し、光スポットの長手方向及び幅方向が位置を交換した。

レーザダイオードの出射光路にイメージング光学システムを設置する場合、遠いところの光スポットが共振器出光面の像となり、収差の影響により、該光スポットが図１５の（ｃ）の楕円に近似する光スポット形状を呈し、該光スポットの長手方向及び幅方向が図１５の（ａ）に合致する。

図１６は本願の光源装置の第７の実施例の模式図である。光源装置はレーザ光源１１１０、屈折光学素子１１３０、光変換装置１１４０及び光収集装置１１５０を備える。レーザ光源１１１０は第１光を発し、該第１光がレーザ光源の出射光路に設置される屈折光学素子１１３０を通過して光変換装置１１４０に入射されるように案内し、屈折光学素子１１３０は出射面１１３１を備え、出射面１１３１により屈折された後、第１光が光変換装置１１４０の方向へシフトして出射される。屈折光学素子１１３０の出射光がほぼブリュースター角を呈する入射角（ブリュースター角の−２０°〜＋１０°）で光変換装置１１４０に斜め入射され、変換された後、光収集装置１１５０は光変換装置１１４０の出射光を収集してから射出する。

上記実施例との相違点は、本実施例では、第１光がレーザ光源１１１０から光変換装置１１４０まで光学イメージングを行わず、その間にイメージング光学素子が設置されず、すべて非イメージング光学素子が設置されることである。

且つ、本実施例では、レーザ光源１１１０はレーザダイオード（１つ又は複数のレーザダイオードを含んでもよい）であり、レーザダイオードの共振空胴出光面の短辺が該レーザダイオードにおける第１光の光変換装置１１４０への光入射面に垂直である。この場合、共振空胴出光面の長辺が光入射面に平行し、つまり第１光は光変換装置の光入射面に対して常にＰ偏光である。

上記した図１５についての検討に基づき、イメージング光学素子を設置しないため、レーザ光源１１１０の出射面の光スポット断面が基本的に図１６のＡ光スポットの形状であるようにし、屈折光学素子の入射面の光スポット断面が基本的にＢ光スポットの形状であるようにする。ここの光スポット形状はビームの前進方向に沿って観測して得られたものであり、光路に１つの平板を挿入することで光スポット形状を得ることができる。第１光が屈折光学素子１１３０に入った後、出射面１１３１に斜め入射され、楕円光スポットＢが短軸方向に長く伝播されるようにし、その後、第１光が更に光変換装置１１４０の表面１１４１に斜め入射され、光スポットの短軸方向が更に長く伝播され、図１６のＣ光スポットの形状を得る。該技術案は光変換装置に入射された光スポット形状を改善し、ビーム面の分布をより均一にする。

逆に、図１６を基にイメージング光学素子を光路に追加する場合、屈折光学素子の入射面に図１５の（ｃ）の光スポット形状を得て、該ビームが２回斜め入射されて長く伝播され、楕円形の長軸と短軸との比率を更に大きくし、光スポットが「一」字型に近似する形状となり、これはビーム面の分布均一性を破壊するだけでなく、長い光スポットが光収集装置による収集にとっても不利になり、光利用率が低下してしまう。

レーザダイオードを長辺が第１光の前記光変換装置への光入射面に垂直であるように設置する場合は、図１６のＡ光スポットが９０°回転することに相当し、そうすると、イメージング光学素子を通過した後、屈折光学素子の表面でＢ光スポットの形状を得ることもでき、更に光変換装置の表面でＣ光スポットの形状を得る。しかしながら、該技術案において、第１光のレーザダイオードの出口位置で光変換装置の光入射面に対してＳ偏光であり、光路に偏光変換素子例えば半波長板を追加することにより第１光をＰ偏光に変換しなければ、設定された入射角で第１光の利用率を向上させることができない。そうすると、該技術案はイメージング光学素子を追加するだけでなく、偏光変換素子も追加し、コストを大幅に増加させる。

従って、図１６の実施例は同時にレーザダイオードの偏光出光特性、斜め入射による光スポット形状が変化する特性、及び直線偏光の媒質表面での反射率特性と組み合わせて、デバイスが最も少なく、構造がコンパクトで、光分布が良い光学システムを得る。

無論、図１６の実施例を基に、その設計思想を違反しない限り、上記実施例における複数の光源、２回のブリュースター角での入射、光源と光変換装置とが共に放熱するという技術的特徴及び応用シーンと組み合わせて、多くの実施形態を得ることができ、ここで詳細な説明は省略する。図１６の実施例の屈折光学素子は偏波保持光ファイバーであってもよいが、第１光が光ファイバーを伝播するとき、光変換装置の光入射面に対する偏光方向が変化しないように確保すべきである。

以上の各実施例では、光変換装置はいずれも波長変換装置の例を列挙し、つまり第１光が光変換装置に入射された後、第１光の少なくとも一部が蛍光に変換して出射される。本発明のいくつかの変形実施例では、上記波長変換装置は光散乱反射装置、例えば拡散反射板等で代替されてもよい。光散乱反射装置は光の波長範囲を変更するのではなく、第１光の少なくとも一部の角分布を変更し、特にガウス分布のレーザ光をランベルト分布の光に変更して出射し、レーザの可干渉性を除去して、第１光を均一化した。

いくつかの実施形態では、レーザ光源は複数の異なる波長のレーザ素子、例えばＲＧＢ（赤緑青）三色のレーザ素子を備えてもよく、該ＲＧＢレーザ素子の発する光が光散乱反射装置に入射された後、混合して均一の白色光となって出射され、ピュアレーザの白色光照明・表示光源装置が提供される。無論、理解されるように、いくつかの特別な応用シーンにおいて、単色レーザ光又は混色レーザ光により他の色の出射光を得ることができ、ここで詳細な説明は省略する。

以上は本願の実施形態であって、本願の特許範囲を制限するためのものではなく、本願の明細書及び添付の図面に基づき行われた等価構造又は等価プロセスの変換、あるいは直接又は間接的に他の関連技術分野に応用されるものは、いずれも本願の特許保護範囲内に含まれる。

Claims

光源装置であって、
第１光を発するためのレーザ光源と、
前記レーザ光源の出射光路に設置され、前記第１光を光変換装置に入射するように案内することに用いられ、一つの出射面を備える屈折光学素子であって、前記屈折光学素子の出射面により屈折された光が前記光変換装置の方向へシフトして出射される屈折光学素子と、
前記屈折光学素子の出射側に設置され、前記第１光の少なくとも一部を蛍光に変換する、及び／又は、前記第１光の光分布を変更することに用いられ、入射面及び出射面が同一面である光変換装置であって、前記光変換装置の入射面の媒質のブリュースター角をαとすると、前記屈折光学素子の出射光がα−２０°〜α＋１０°の入射角で前記光変換装置に斜め入射される光変換装置と、
前記光変換装置の出射側に設置され、前記光変換装置が発する光を収集してから射出するための光収集装置と、を備えることを特徴とする光源装置。
前記レーザ光源はレーザダイオードを備え、前記レーザダイオードの共振空胴出光面の短辺は、該レーザダイオードが発する前記第１光の前記光変換装置への光入射面に垂直であり、前記第１光が前記レーザ光源から前記光変換装置まで通過する光学デバイスが非イメージング光学デバイスであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記レーザ光源と前記光変換装置とが同一の放熱基板に熱結合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記光変換装置は前記第１光の少なくとも一部を蛍光に変換して出射する波長変換装置であり、或いは、前記光変換装置は前記第１光の少なくとも一部の角分布を変更する光散乱反射装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記屈折光学素子が前記光収集装置と前記光変換装置との間の空間に設置され、且つ前記光変換装置が位置する平面での前記光収集装置の投影は前記光変換装置が位置する平面での前記屈折光学素子の出射面の投影を覆うことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記屈折光学素子は末端に斜角切断面を有する光ファイバーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記屈折光学素子がプリズムであり、且つ前記第１光の前記屈折光学素子への入射角がブリュースター角であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記光源装置は少なくとも２つの前記レーザ光源と、前記レーザ光源に１対１に対応する前記屈折光学素子とを備え、各前記レーザ光源のビームが対応する屈折光学素子を介してそれぞれ前記光変換装置に入射されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記少なくとも２つのレーザ光源のビームが前記光変換装置に照射された光スポットは完全に重なることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
前記少なくとも２つのレーザ光源のビームが前記光変換装置に照射された光スポットは部分的に重なるか又は互いに分離されることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
異なるレーザ光源のビームが前記光変換装置に照射された光スポットは前記光収集装置により収集された後、出射光の角度が異なることを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。