TWI470171B - 具有螢光元件的顏色可調光源單元 - Google Patents

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Description

具有螢光元件的顏色可調光源單元
本發明係關於一種光源單元，包括一用於射出幫浦光的幫浦光源；及一螢光體元件，用於將幫浦光變換為轉換光以供活用。
針對高亮度顏色可調光源，從外科手術領域、探照燈及資料投影系統的照明系統至醫療及工業用內視鏡的光纖照明之應用中有一增加的需求，尤其是可調白光源及可調紫外線及紅外線光源。關於高亮度的白光，明亮的放電燈係當今被廣泛使用的進步技術。近年來的發展係朝向固態光源的結合，尤其發光二極體(LED)及光轉換螢光體元件。其中，一般藍色或紫外線的固態基光藉螢光體元件之透射被轉換為具有一較長波長的光。
在先前技術中，高亮度固態白光源係例如藉將大量數目的白色及彩色LEDs配置於二維陣列中而獲得，其中此LED陣列輸出的顏色係藉個別顏色的LEDs之導通及關閉(switching on and off)而調整。
本發明之課題在提供一改善的可調光譜特性且具有幫浦光源及螢光體元件之光源單元。
此課題係藉本文開頭中特定的光源單元而解決，其中螢光體元件包括至少兩個螢光體元件部，分別與幫浦光不同地相互作用且適宜地配置成以同時及選擇之至少其中一個方式被幫浦光照射，且其中光源單元另包括一偏折單元，用於偏折幫浦光之至少一部分，以藉著相對於不同的螢光體元件部而改變入射到螢光體元件上之幫浦光的分布來變化螢光體元件之照射，從而改變轉換光之光譜特性。
本發明另外係關於一種方法，用於改變從本發明之光源單元出射的光之光譜特性，此方法包括下列步驟：調整偏折單元，以相對於不同的螢光體元件部改變入射到螢光體元件上之幫浦光的分布。
本發明另外係關於本發明光源單元用於照亮外科手術場所之外科照明系統、用於移動探照頭燈、資料投影系統或光纖照明系統的對應使用。
本發明之較佳實施例在依附項申請專利範圍中被具體化，且除此之外，由下列說明可清楚顯示。其中，細節係關於本發明之所有形態且因而意味著個別揭示。又，本發明之在過程、使用及設備特徵之間的細節並無分別，因此下列揭示係針對所有此等群體而解釋。
本發明之基本觀念係使用螢光體元件，其具有至少兩個不同的螢光體元件部，當被幫浦光照射時產生各不相同的光譜特性。藉改變各入射在不同的螢光體元件部上的相對幫浦光部分，可調製從結合的螢光體元件出射之結合轉換光束的光譜成分。
較佳為，結合的螢光體元件係單個但為複合的元件。又，該等螢光體元件部較佳為在一個平面上並排地配置。
在一簡單的情況中，螢光體元件僅包含兩個不同的螢光體元件部，其等為相鄰地配置且每一個係由不同的螢光體材料製成。藉單個幫浦光源照射此螢光體元件，可藉例如使用一掃瞄鏡令幫浦光束偏折而改變入射在各螢光體元件部上的幫浦光之相對部分。結果，結合轉換光束的光譜內容能以容易的方式改變及控制而不需要操縱幫浦光源或使用額外的光源。
但是，使用射出波長各不相同的不同幫浦光的二或多個幫浦光源亦可在依本發明之光源單元中實現。例如若所用的不同螢光體材料顯示明顯相異波長之幫浦光之轉換最大有效性時，此係有利的。
如已由使用掃瞄鏡之簡單例子所認知，除了從上述先前技術之系統所知的不連續變化之外，本發明之偏向單元可被引進以使結合轉換光之光譜特性亦可連續變化，若此係計劃應用上需要的話。
構成各螢光體元件部之螢光體材料可為單一螢光體類型或螢光體之結合的類型，其等每一種可藉幫浦光之吸收及具有較長波長的轉換光之射出而轉換幫浦光，其中自主性而非激發性的射出係為主要。雖然不限制本發明，所圖示的螢光體類型為鈰或銪掺雜YAG(釔鋁石榴石)或銪掺雜鍶原矽酸鹽。
在本發明之說明書中，並未將幫浦光或轉換光嚴格的限制在電磁頻譜之某個範圍內。亦不意味對名詞「照射：irradiation」及「照明：illumination」之使用係限制於此意。
然而，針對預期的一般應用，從紅外光到紫外光的範圍係合適。較佳為，轉換光在可視光的範圍內，幫浦光為紫外光及/或可視光。
在本發明之螢光體元件的一特佳實施例中，個別的螢光體元件在幫浦光之入射平面中係相對於幫浦光之一主傳播方向為旋轉對稱。在本說明書所有內容中，光束之主傳播方向例如在擴散或聚集光束之情況係被瞭解為中間或平均傳遞方向。
與旋轉對稱極類似者，例如亦可為矩形螢光體元件之相鄰配置。旋轉對稱螢光體元件之一明顯的優點在於如透鏡之習知光學元件之主要部分的旋轉對稱必須操控入射幫浦光及出射的轉換光。
在依本發明之光源單元的較佳實施例中，偏折單元被設計作為一可變繞射光柵，用於將起始幫浦光束分解為依不同的繞射次序偏折的局部幫浦光束。局部幫浦光束各在個別的光柵出射，對應的角度分布係視光柵結構而定。在此，偏折幫浦光之角度分布的變化例如可藉使用機械方式交換在一旋轉器中的光柵而執行。
或者，具有可變光柵結構的繞射光柵可被實施作為聲光調變器(acousto-optical modulator,AOM)，其中一相位光柵(phase grating)係以壓電方式激發的駐波之形式產生，或作為一產生視頻結構的裝置，如數位光處理(DLP)、液晶(LCD)、硅基液晶(LCOS)，其中幫浦光在代表性結構中折射。
在透射下操作的相位光柵中，多個光柵周期可重疊以產生改變自相位光柵出射之幫浦光的繞射角分布之額外可能性。通常，產生被幫浦光照射的特定相位光柵以獲得偏折幫浦光之所要角度分布的過程，係類似於產生一全息圖且以一基準光束照射此全息圖的過程。
在另一較佳實施例中，偏折單元包括一透鏡系統，此名詞透鏡系統在本說明書整體中係指單一透鏡或一個透鏡以上之系統，例如被設計為一變焦光學系統。其中，一變焦透鏡在入射至螢光體元件上的幫浦光之光束中縱向地移動以改變其角範圍及/或其橫截面寬度。螢光體元件被改變角範圍之幫浦光束照射而造成在螢光體元件之表面上照射一變化尺寸的面積。
在本實施例之一有利的變化例中，透鏡系統包括一圓錐形透鏡，所謂的旋轉三稜鏡(axicon)，在起初具有一圓形外觀形狀的幫浦光之光束形成環形外觀且沿其軸心照射在旋轉三稜鏡上。再次，除了賦予環狀外觀到初始幫浦光之外，在此包括一個透鏡以上之旋轉三稜鏡透鏡系統中藉著使透鏡之其中一個相對於其他透鏡在光束中縱向移動，可獲得一連續變焦功能。尤其，在本文中亦有超過一個以上之旋轉三稜鏡的結合。
亦能使用一偏折透鏡系統作為使透鏡沿著幫浦光束移動之取代，其中一透鏡橫向於幫浦光束移動以改變偏折幫浦光的偏折角。
在依本發明之光源單元的一特別較佳實施例中，相對於其傳播初期方向具有一所要角度分布且被偏折單元作用的幫浦光束，被連結至一導光體而透射至一遠隔螢光體元件。在一方面，導光體執行透射功能以橋接在一個側之幫浦光源及偏折單元與在另一側之螢光體元件之間的空間分隔。
尤其，此能使螢光體元件相對於幫浦光源及偏折單元有彈性的空間配置，因而可適合於一預定應用而不需對空間結構及幫浦光源之大小、其冷卻系統、及偏折單元施予限制。結果，如雷射光源之高功率幫浦光源可在此被使用，以對應地使轉換光束達到高的照度。
另一方面，旋轉對稱之導光體亦被瞭解為針對於連結到其等之光束中的導光體產生旋轉對稱光分布。自然地，導光體之此功能在本發明之光源單元，出射自偏折單元的幫浦光在方向空間中缺少旋轉對稱，而被幫浦光照射的螢光體元件係旋轉對稱的情況中，就變得特別重要。
玻璃纖維、及充填液晶的特別柔軟纖維、及具有反射內壁的一中空波導件適合作為一導光體；視計劃的應用而選擇。
較佳為，一連結透鏡系統被設置在偏折單元之出射面與導光體之入射面之間，藉著在導光體之入射面提供偏折單元之出射面的一影像而連結偏折幫浦光到導光體。連結透鏡系統可連結偏折幫浦光，此幫浦光依照本發明對導光體係具有可變的角度分布，在該角度分布變化時並不需要使導光體之入射面及偏折單元之出射面的相對位置配合。
或者，導光體之入射面可定位於與偏折單元之出射面接觸或靠近。
在某些應用中，另在導光體之入射面與螢光體元件之間設置一聚焦透鏡系統係合理的，用於使從導光體出射朝向螢光體元件的幫浦光透射。此在入射至螢光體元件上之幫浦光束的側向寬度超過螢光體元件之入射表面之尺寸的配置中特別重要。
在大部分情況中，此一透鏡或透鏡系統將以各由偏折單元作用的各偏折角度傳播的不同之局部幫浦光束各聚焦到計劃的螢光體元件部。又，若螢光體元件在下面將進一步更詳細地說明之反射模式下操作時，聚焦透鏡可同時被用來將從螢光體元件射出的轉換光加以準直化。
實際上，針對需要準直化轉換光束的應用，如在一探照燈裝置中，可設置一集光透鏡系統，用於集光從螢光體元件射出的轉換光之至少一部分並加以準直化。
較佳為，集光透鏡系統係針對螢光体元件適合地設計及配置，以提供由螢光體朝一個方向射出之轉換光被聚焦之平面。然後，一止於此平面之孔徑(aperture)係此透鏡或透鏡系統之出射瞳且用於轉換光之光束。
因而，從螢光體平面上之一位置射出之光完全充滿出射瞳但是朝一個方向傳播。此出射瞳特別適合用於混合從不同螢光體元件部射出的上述結合轉換光束之部分，此混光功能將在下面更詳細地說明。
或者，在依本發明之光源單元的一特別有利之實施例中，當螢光體元件在反射下操作時，集光透鏡系統之出射瞳被用來定位一鏡子於其中，以用於引導幫浦光到螢光體元件。一般，鏡子的法線向量與轉換光之主傳播方向及入射在鏡子上之幫浦光的主傳播方向兩者各圍成一45°之角度。
又，若使用一傳統鏡子來反射幫浦光及轉換光兩者之時，鏡子投射到轉換光束的橫截面係小於此橫截面之面積。在此情況下，將鏡子放置在集光透鏡系統的出射瞳中係特別有利，因為結合轉換光束在出射瞳之投射陰影並不從其中切除任何特定部分，相反地卻均勻地減少其亮度。
較佳為，幫浦光連結到在反射下操作的螢光體元件係藉分光鏡(dichroic mirror)達成，此分光鏡例如反射幫浦光且使轉換光以45°之入射角透射。分光鏡例如可為具有一層系(layer system)之干涉鏡的分光鏡之性能，係視光之入射角而定。
在依本發明之光源單元的一特別較佳實施例中，一混光元件(mixing optical element)被設置於結合轉換光的路徑中，用以混合從不同的螢光體元件部出射之轉換光束的各部分，此混合係橫跨結合轉換光束之橫截面積而進行。因為此等從不同的螢光體元件部出射之轉換光束的部分，一般具有相對於彼此稍不同的主傳播方向，照射在可能的遠隔目標之各面積可相對於彼此移動，此移動越大時，朝向目標的轉換光之自由場傳播之距離就越長。
事實上，在設置集光透鏡系統之情況中，在其出射瞳能以所要比例從不同的螢光體元件部出射的轉換光束之部分獲得近乎均勻之混合體。一般，因為上述理由無法維持一長的傳播距離。針對包含有結合轉換光之自由場傳播相當距離之應用，例如在探照燈或資料投影系統之情況中，較佳為設置一混光元件，以在目標準備光譜特性具有均勻橫截面分布的結合轉換光束。
混光元件例如被實施作為一蒼蠅眼聚光器，其包括兩個二維透鏡陣列或配置成垂直於轉換光束之主傳播方向的微透鏡，或作為一額外正或負透鏡或透鏡系統，其將集光透鏡或透鏡系統之出射瞳(exit pupil)之一點的影像形成於遠方場所或在遠隔的目標。
在任何情況中，混光元件之位置及結構被調整，以在被照射之目標處獲得從不同螢光體元件部出射之轉換光束的每一個具有均勻強度分布的各部分之完全重疊橫截面積。
如上所述，若存在的話，混光元件較佳為配置在集光透鏡系統之出射瞳中，其中橫截面係屬於從幾乎重疊之不同螢光體元件部出射之轉換光束的不同部分，且混合必須僅針對轉換光束各部分的各傳播方向進行。
較佳為入射在螢光體元件上之幫浦光的主傳播方向及在螢光體元件之轉換光之主傳播方向大致彼此相反。換言之，螢光體元件較佳係在反射模式下操作，其中自180°偏離+/-45°亦被認為係「相反方向」。此操作模式有一個優點，用於準備入射幫浦光束的光學元件之至少一部分特別是透鏡，可同時用來準備轉換光束以供活用。例如，此係上述實施例中的情況，其中幫浦光之聚焦透鏡同時作為轉換光之集光透鏡的功能。在視計劃應用而定的其他優點中，此會導致光源單元整體所需空間的減少。
在採用反射操作模式的一較佳實施例中，螢光體元件被設置在不透射幫浦光的散熱器上。散熱器將轉換過程期間例如由於史托克斯位移(Stokes shift)而在螢光體元件內部產生的熱傳遞到螢光體元件外部。故，具有良好熱傳導性的材料宜被使用作為散熱器，如銅、鋁或其合金等之金屬。又，散熱器較佳為具有大的表面積以傳遞熱到周圍媒介，例如到周圍之空氣，因而亦可設置散熱片。
作為反射操作模式之近似，螢光體元件透射之操作亦較受採用於例如在轉換光之光束中不需要設置額外光學元件的應用中。例如在內視鏡應用之特別情況中變成很重要，其中螢光體元件可配置在導光體的遠端附近且面對將被轉換光所照射的目標。
在透射操作模式中，通常入射在螢光體元件上之幫浦光的主傳播方向與在螢光體元件處之轉換光的主傳播方向係大致重疊。類似於反射操作模式，自0°偏離+/-45°亦被認為係「重疊方向」。
在此模式中，較佳為透射幫浦光且反射轉換光(此等特性係提供用於在任一情況的垂直入射)的分光鏡係支撐螢光體元件或設置在入射幫浦光的路徑中，用於反射由螢光體元件朝向與主傳播方向的其中任一個相反的方向出射的轉換光之至少一部分，即所謂反向散射光子(backscattered photons)。
下面，本發明將以實施例作例子說明，其中揭示的特徵，對本發明和對其他結合及如上述相關於本發明所有群體(categories)，係至關重要。
第1圖係概略地顯示適於照射一外科手術場所之外科照射系統之應用的光源單元之一實施例。一雷射光源2以一般位於紫外線範圍、或在可視光範圍之短波長部的波長射出幫浦光。一初始幫浦光束3入射一偏折單元4，其產生一偏折幫浦光束5，預定用於照射一遠隔螢光體元件6。偏折幫浦光束5具有一由偏折單元4所作用的特定角度分布，此分布係與在偏折幫浦光束5照射下由螢光體元件6出射的轉換光7所要的光譜成分對應。
依本發明，螢光體元件6係一結合的螢光體元件，包括至少兩個螢光體元件部，如下面第3,4圖所示，其等與幫浦光5以不同方式互相作用。個別之螢光體元件部可包含單一螢光體型式或為二或多種不同螢光體之混合物型式，如上述或下面將更進一步詳細所特定，此等螢光體元件將幫浦光轉換成低能量的轉換光，一般位於可視光範圍。
偏折幫浦光束5藉一導光體8被傳遞到遠隔螢光體元件6，導光體8係設計成可保持偏折幫浦光束5在傳送一個距離時的強度及極角度分布(polar angular distribution)，導光體之可能實施例係如上述所特定者。又，由兩個正透鏡10形成的一連結透鏡系統9被設置在偏折單元4之出射面11與導光體8之入射面12之間，用以藉著在導光體入射面12上形成出射面11之影像而連結偏折幫浦光束5到導光體8。
在第1圖中，螢光體元件6係在反射模式下操作，即偏折幫浦光束5入射在螢光體元件6之相同面的表面上，轉換光7從此表面出射以供活用。此結構之一個優點在於一冷卻元件14被設置在螢光體元件6之背側15，用於在轉換過程中冷卻螢光體元件。表面15會依序地反射幫浦光及轉換光以達到光源單元1之最大輸出。
最後，設置一反射器16用於將轉換光7準直化且將其引導至一目標17，使目標17被轉換光照射，此目標在此例中可為外科手術場所。
螢光體元件之最適尺寸可應用擴展度守恆原理(etendue conservation)來獲得。擴展度係光源面積及光源輸出之投射立體角乘以圍住光源之光學介質的折射係數平方的乘積，在此對空氣為幾近於1。然後螢光體圓盤之最適尺寸係使其擴展度等於應用的擴展度而選擇。假定螢光體元件6為在入射平面13具有圓形之進入半球形擴散式朗伯(Lambertian)發射器，由目標面積、目標距離及主反射器之直徑所定義的2200mm2 sr之一般擴展度值會導致螢光體元件6之最適半徑等於15 mm。
在第2圖中顯示依本發明之光源單元1之稍修正後之實施例，其適合於在一移動探照頭燈裝置之應用。在本文所有圖中，光源單元1之相同元件係以相同的參考符號表示。在此，幫浦光雷射光源2、偏折單元4、連結透鏡系統9、導光體8之入射面12再度以靜止且穩定的方式遠隔於實際應用裝置在此為移動探照頭燈18而裝設。尤其，對有關尺寸、重量、及偏折單元4之位置或雷射2之冷卻系統並無限制。
依照本發明，偏折單元4對初始幫浦光束3之偏折係為可變，以使偏折幫浦光束5相對於初始幫浦光束3之傳播方向獲得所要的角度分布。在本例中，此乃藉如上述特定的可能實施例之可變繞射光柵來達成。
為了照射與螢光體元件6離開大距離之目標17，主要被反射器16準直化的轉換光束7係被尤其包括有正透鏡20之一投影光學系統19作進一步處理。最終轉換光束21係準直化光束，其顏色藉選定偏折單元4之一適當設定而調整。光束21相對於投影光學系統19有固定的傳播方向，而朝向目標17之引導最終係藉相對於固定基部23移動該移動探照頭燈18之外殼22執行。
在此實施例中，導光體8除了透射偏折幫浦光束5的功能之外，尚具有提供幫浦光源2與在一側的偏折單元4及在另一側具準直光學元件16及19的螢光體元件6之間機械上柔軟連接的額外功能。因而，採用充填有液體媒介且透射幫浦光的特別柔軟纖維。
最後，風扇24被設置在冷卻元件14之背側以加強螢光體元件6及整個裝置18與環境之間的熱交換。
類似於第1圖，作為轉換光7,21之光源且在入射平面13具有圓形螢光體元件6之最適半徑，可由此裝置之擴展度的一般值750mm2 sr而決定為9mm。
在第3圖中，顯示依本發明之光源單元1之另一實施例，其適合於例如應用在簡單固定之探照燈，用於以具可變顏色之光照射舞台或工作室。在此，在透射下操作的螢光體元件6包含三個矩形螢光體元件部6a,6b,及6c配置成與幫浦光5之入射平面13相鄰。
初始幫浦光束3被如上述之繞射光柵的偏折單元4分解為各與不同繞射次序對應之局部偏折幫浦光束5a,5b,及5c。一聚焦透鏡25被設置於偏折單元4之出射面11與螢光體元件6之間，用以引導偏折幫浦光束5a/5b/5c到螢光體元件6之入射表面13。
藉著改變構成偏折單元4之繞射光柵之設定，初始幫浦光束3之強度可在局部偏折幫浦光束5a/5b/5c之間重新分布，而各偏折角度亦跟著改變。結果，入射在個別螢光體元件部6a/6b/6c上之幫浦光的照度會改變。然後從螢光體元件6之相反面側26出射的轉換光被反射器16準直化且因而被導向一目標(未圖示)。
較佳為，一透射幫浦光且反射轉換光的分光鏡27被設置在前面13，從目標看時其係在螢光體元件6之背側，用以反射反向散射光子。為了藉反射器16收集轉換光之主要部分，分光鏡27較佳為完全蓋住螢光體元件6之背側13。
在第4圖中顯示相對於幫浦光傳播方向具有旋轉對稱之螢光體元件部6a/6b/6c/6d之本發明螢光體元件6之俯視圖，以例示螢光體材料之結合a),b),及c)。
在螢光體元件6之旋轉對稱的情況中，與其他幾何形狀比較其能以最有效方式被用作幫浦光之轉換。這是由於具有旋轉對稱角度分布的幫浦光束可採用傳統光學元件如旋轉對稱透鏡或導光體進行準備及修改。對照於此，例如欲準備完全符合第3圖所示之矩形螢光體元件6的幾何形狀幫浦光束顯得很難。除此之外，旋轉對稱螢光體元件對旋轉對稱目標可在如外科手術燈或探照燈之情況中達到一較簡單且更有效的光學設計。
如第4圖所示之螢光體元件部6a/6b/6c/6d可使用例如中空同軸玻璃或金屬圓筒作為基板來製造，此基板的前面被各螢光體元件以例如電泳方法塗佈。關於螢光體元件6之厚度，1/4 mm至1/2 mm厚的螢光體元件切片一般可使入射光完全轉換為轉換光。當在反射操作模式下工作時，亦能考慮使螢光體元件6隨後被幫浦光通過兩次。
在第4a)圖中，螢光體元件部6a被設計成射出所謂薄荷白色之轉換光對應的螢光體材料周知在轉換過程的輸出特別有效。圖示中被設計成射出紅色光譜範圍之轉換光的螢光體元件部6b之結合，藉著重疊由個別螢光體元件部6a/6b射出的轉換光束而產生有效的暖白色光源。
關於個別螢光體元件部6a/6b之相對面積，不同的個別螢光體材料在本例中被結合成受到幫浦光照射之一相等面積。但是較佳為，對不同的螢光體型式或螢光體材料之各轉換過程的不同有效性，亦可在結合螢光體元件之各部設計中考慮，例如在下列之第4b),4c)圖所示者。
在第4b)圖中，被設計成以紅色、綠色、及藍色光譜範圍各射出轉換光之以螢光體元件部6a/6b/6c例示的三種不同螢光體型式之結合，藉著在螢光體元件6之顯示表面上選擇幫浦光強度之適當分布，可在重疊轉換光束中獲得任意顏色。尤其，超過一種不同幫浦光源之結合，例如以不同光譜範圍射出幫浦光的超過一個以上之雷射光源對不同螢光體材料特別有效，亦可在類似此之情況中被考慮。
在第4c)圖中顯示有，被設計成射出紅色、綠色、及藍色轉換光之以螢光體元件部6a/6b/6c例示具有螢光體材料設計成射出白色轉換光且構成中心螢光體元件部6d的螢光體型式之結合。
在第5a)圖中更詳細地顯示，偏折幫浦光束5與導光體8之連結而對應於第1及2圖之概示圖。其中，影像光學系統9係由對稱地配置且將偏折單元4之出射面11之影像以放大值在此例中等於1映入於導光體8之入射面12之兩個相同的正透鏡10形成。
在實施例中，導光體8可滿足雙功能。除了透射偏折幫浦光束5到遠隔之螢光體元件6以外，相對於導光軸具有旋轉對稱之導光體8另相對於此軸施加旋轉對稱至透射幫浦光束5，以保存由偏折單元4作用到光束5之極角度分布。導光體8已說明的功能，例如在偏折單元4被設計作為繞射光柵其光柵構造在其出射面11之平面中缺乏對稱的實施例中很重要。
在第5b)圖中，出射於導光體8之偏折幫浦光束5傳播至一分光鏡28，其被設計用於反射幫浦光且以45°之入射角透射轉換光7。因而，光束5被引導至在反射模式下操作的螢光體元件6。為了清楚起見，旋轉對稱光束5之一半在此圖中被省略。
在第6圖中，依本發明之偏折單元被實施為變焦透鏡系統29，在此包括三個透鏡30,31,及32。在本實施例中，初始幫浦光束3之角度分布係藉沿著幫浦光束相對於固定透鏡30及32移動中央變焦透鏡31而改變。較佳為初始幫浦光束3在進入偏折單元29之前已被擴展。針對中央變焦透鏡31之不同位置，例示於第6a)至6c)圖，進入導光體8之偏折幫浦光束5的角範圍係從第6a)圖中的10°變化至第6c)圖中的40°。
使如第6圖所示準備的偏折幫浦光束5例如依第1及2圖所示的方式被導光體8透射至遠隔的螢光體元件6，螢光體元件6之入射表面13上的圓形面積會被幫浦光束5均勻地照射，其中照射面積之尺寸係被光束5之角範圍及導光體8之出射面33(參考第1及2圖)與螢光體元件6之入射表面13之間的距離所定義。
依照第4圖，因而增加偏折幫浦光束5之角範圍時，被照射之螢光體元件部數目會增加，從中央一個如第4a)圖之6b或第4c)圖之6d開始。為了照射本發明中螢光體元件6之一環狀表面，在幫浦光束之路徑中，例如在第6圖之透鏡30與31之間可設置一遮罩。
在第7圖中，包括有錐狀透鏡35a/35b，且亦稱為旋轉三稜鏡的一旋轉三稜鏡變焦透鏡系統34被用作為本發明之偏折系統。其中，宜以均勻方式預先擴展且具有圓形外觀形狀的初始幫浦光束3，在中央沿著其軸心入射到旋轉三稜透鏡35a。旋轉三稜鏡透鏡35a藉折射而賦予一環狀角度分布至初始幫浦光束3之外觀。
在第7圖所示之例示結構中，兩個旋轉三稜透鏡35a及35b的基底37彼此面對，使得從旋轉三稜透鏡35b出射的幫浦光5’之偏折角度相對於在旋轉三稜透鏡35a/35b之顯示相對位置的旋轉三稜透鏡軸心為零，如第7圖中可看出。
為了個別將偏折幫浦光束5,5’連結到導光體8，設置有另一正透鏡36。連結到導光體8的偏折幫浦光束5之角範圍係以類似於第6圖所示的方式變化，即藉著將錐狀透鏡35b沿著幫浦光束5’相對於固定透鏡35a及36移動而變化。如第6圖中，藉第7a)圖及第7c)圖分別顯示的結構而獲得偏折幫浦光束5之最小及最大角範圍。
對照於第6圖所示之變焦透鏡系統29，旋轉三稜鏡變焦透鏡系統34能使可變側向寬度之環狀面積照射在設置於光導體8之出射側33之螢光體元件，如第4a)至4c)圖中所示之螢光體元件6上。
在第8圖中，顯示依本發明之偏折單元的一簡單實施例，包括有一正透鏡38，相對於一很狹窄(對照於第6，7圖無預先擴展)的初始幫浦光束3橫向移動，若光束3在中央入射於透鏡38上時，光束3並非整體偏折。實際上，光束3在此情況中僅被透鏡38準直化，透鏡38越薄的話其效果越小。由於透鏡軸心39在第8b)至8d)圖中逐漸從初始幫浦光束3離開，光束5整體相對於光束3之起始傳播方向之偏折會增大。為了連結偏折光束5至導光體8(未圖示)，設置包括有兩個正透鏡10的連結透鏡系統，類似於第1,2,5圖，且在被幫浦光照射的偏折透鏡上形成該面積的影像在導光體入射面上。
在第9圖中，顯示一聚焦透鏡系統40，將藉本發明之如前述之第1-3圖及第5-8圖所示之偏折單元所準備之幫浦光束5聚焦到如第4圖所示之本發明的螢光體元件6上。在此，螢光體元件6係在透射模式下操作，預定作活用之轉換光7朝箭號指示的方向傳播。如第3圖所示之實施例中，設置分光鏡27用於反射反向散射光子，此分光鏡27在此係配置在聚焦透鏡系統40之入射瞳41中。
對照於此，螢光體元件6在第10圖中係在反射模式下操作。因而，聚焦偏折幫浦光束5的聚焦透鏡系統40在本實施例中同時用作收集轉換光7。入射瞳41合理地用於提供分光鏡28以用於連結偏折幫浦光束5到光學系統40，如第11圖顯示之下列實施例中或第5圖之前述實施例中者。
在第11圖中，顯示依本發明之光源單元1之一實施例，其適合於應用在一光纖照明系統例如用於醫療或工業內視鏡。因為螢光體元件6在反射模式下操作，故螢光體元件6類似於第1及2圖所示之實施例中被設置在冷卻元件14上，本結構因而係適合於很高功率程度之幫浦光3,5。
在光纖應用之本情況中，轉換幫浦光7一般係藉類似於上述實施例中用於透射幫浦光之導光體8的導光體被透射到被光纖42照明的目標17。較佳為幫浦光束7係藉一正透鏡系統43而連結到光纖42。
第12a)圖係鎖定當一遠方目標17必須被遠方場所中之轉換光束7照射時例如在關於探照燈裝置之應用中產生的問題。在此圖中，顯示轉換光束7由螢光體元件6之兩個不同之螢光體元件部出射之兩個不同的部分7a及7b。被集光透鏡系統40準直化的光束7a/7b以相對於彼此稍微不同的角度傳播。結果，在遠方目標17上被各光束7a/7b照射的面積並不完全重疊，因而各顏色局部分離。故，針對轉換光7照射在遠場中之目標17的光源單元之此等應用，必須設置一額外的混光元件，以獲得從不同的螢光體元件部出射之轉換光所要的均勻重疊。
在第12b)圖中，已在上述中詳細說明的一蒼蠅眼聚光器44被設置靠近透鏡系統40之出射瞳41以作為一混光元件，用於獲得在入射於目標17上的結合轉換光束46中從不同螢光體元件部出射的轉換光束7之各部分7a/7b的均勻混合體。
在第12c)圖中，一用於相同目的之負透鏡系統45用來取代第12b)圖中之蒼蠅眼聚光器44。系統45亦可考慮為具有使結合轉換光束46之狹窄邊緣區漸隱之遮罩的諸負透鏡之結合，如可從圖中所示之模擬辨認者。
1．．．光源單元
2．．．雷射光源
3．．．初始幫浦光束
4．．．偏折單元
5．．．偏折幫浦光束
6．．．螢光體元件
7．．．轉換光
8．．．導光體
9．．．連結透鏡系統
10,20,36,38．．．正透鏡
11．．．偏折單元之出射面
12．．．導光體之入射面
13．．．入射平面
14．．．冷卻元件
15．．．螢光體元件之背側
16．．．反射器
17．．．標靶
18．．．移動探照頭燈
19．．．投影光學系統
21．．．最終轉換光束
22．．．移動探照頭燈之外殼
23．．．固定基部
24．．．風扇
25．．．聚焦透鏡
6a,6b,6c．．．螢光體元件部
5a,5b,5c．．．局部偏折幫浦光束
26．．．螢光體元件之相反面側
27,28．．．分光鏡
29．．．變焦透鏡系統
30,31,32．．．透鏡
33．．．出射面
34．．．旋轉三稜鏡變焦透鏡系統
35a/35b．．．錐狀透鏡
37．．．基底
40．．．聚焦透鏡系統
41．．．入射瞳
42．．．光纖
43．．．正透鏡系統
44．．．蒼蠅眼聚光器
45．．．負透鏡系統
46．．．結合轉換光束
第1圖係顯示適於照射外科手術場之應用的光源單元之一實施例。
第2圖係顯示在移動探照頭燈之應用中的光源單元之一實施例。
第3圖係顯示一光源單元之實施例，其中螢光體元件部具有矩形。
第4a)至4c)圖顯示具有環狀螢光體元件部之本發明例示的螢光體元件之俯視圖。
第5a)圖顯示本發明光源單元之一部分，其中偏折幫浦光藉一連結透鏡系統被連結到一導光體而透射到螢光體元件。
第5b)圖顯示本發明光源單元之一部分，其中一鏡子反射來自導光體之出射面的光到螢光體元件上。
第6a)至6c)圖顯示一變焦透鏡系統作為本發明偏折單元之一例。
第7a)至7c)圖顯示一旋轉三稜鏡變焦透鏡系統作為本發明偏折單元之一例。
第8a)至8d)圖顯示一側向位移因而偏折的透鏡作為本發明偏折單元之一例。
第9圖顯示本發明光源單元之一部分，其中螢光體元件係在透射下操作且一聚焦透鏡系統將幫浦光束聚焦到螢光體元件。
第10圖顯示本發明光源單元之一部分，其中螢光體元件係在反射下操作且一透鏡系統同時被用於將幫浦光束聚焦且將轉換光集光。
第11圖顯示適於光纖照射系統之應用的光源單元之一實施例。
第12a)圖顯示一轉換光束包括從不同的螢光體元件部出射的轉換光束之兩的部分，其中在一遠隔目標屏幕上的各被照射區域係相對於彼此位移。
第12b)圖顯示設置在第12a)圖中所示之轉換光束中的蒼蠅眼聚光器之混合功能。
第12c)圖顯示藉一額外透鏡獲得的第12a)圖中所示之轉換光束的各部分之混合。
1．．．光源單元
2．．．雷射光源
3．．．初始幫浦光束
4．．．偏折單元
5a,5b,5c．．．幫浦光束
6a,6b,6c．．．螢光體元件部
11．．．偏折單元之出射面
13．．．入射平面
25．．．聚焦透鏡
26．．．螢光體元件之相反面側
27．．．分光鏡

Claims (21)

  1. 一種光源單元(1)，包括：一幫浦光源(2)，用於幫浦光(3,5,5’,5a-5c)之射出；一螢光體元件(6)，用於使該幫浦光(3,5,5’,5a-5c)轉換為轉換光(7,21,46)以供活用，該螢光體元件(6)包括至少兩個螢光體元件部(6a-6d)分別以不同方式與該幫浦光(3,5,5’,5a-5c)相互作用且被適宜地配置成以同時及選擇的至少其中一個方式而被該幫浦光(3,5,5’,5a-5c)照射；及一偏折單元(4,29,34,38)，用於偏折該幫浦光(3,5,5’,5a-5c)之至少一部分，以藉改變相對於該螢光體元件部(6a-6d)之入射在該螢光體元件(6)上之該幫浦光(5,5a-5c)的分布來改變該照射，以變化該轉換光(7,21,46)之光譜特性；其中該偏折單元(4,29,34,38)包括一透鏡系統(29-32,34-36,38)，用於偏折該幫浦光(3)之至少一部分，以入射到該螢光體元件(6)上；其中，該透鏡系統包括一旋轉三稜透鏡(35a,35b)，用於在該偏折幫浦光(5,5’,5a-5c)之一光束中產生一環狀外觀的形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項之光源單元(1)，其中該幫浦光(5,5a-5c)朝一主傳播方向入射在該螢光體元件(6)上，且該螢光體元件部(6a-6d)係相對於該主傳播方向在一垂直於該主傳播方向的平面(13)中為旋轉對稱。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之光源單元(1)，其中該偏 折單元(4,29,34,38)包括一可變繞射光柵，用於偏折該幫浦光(3)之至少一部分，以入射到該螢光體元件(6)上。
  4. 如申請專利範圍第1項之光源單元(1)，其中該透鏡系統係為一變焦透鏡系統(29,31,34,35b)，用於改變該偏折幫浦光(5,5’,5a-5c)之一光束中的橫截面尺寸。
  5. 如申請專利範圍第1項之光源單元(1)，其中該透鏡系統(38)可在該幫浦光(3,5,5’,5a-5c)之一光束中橫向移動，以改變該偏折幫浦光(5,5’,5a-5c)相對於進入該偏折單元(4,29,34,38)的該幫浦光(3)之一主傳播方向之角度。
  6. 如申請專利範圍第1項之光源單元(1)，其中一導光體(8)被設置在該偏折單元(4,29,34,38)與該螢光體元件(6)之間，用於透射該偏折幫浦光(5,5a-5c)之至少一部分到該螢光體元件(6)。
  7. 如申請專利範圍第6項之光源單元(1)，其中一連結透鏡系統(9,10,32,36)被設置在該偏折單元(4,29,34,38)與該導光體(8)之一入射面(12)之間，用於連結該偏折幫浦光(5,5a-5c)之至少一部分到該導光體(8)。
  8. 如申請專利範圍第6或7項之光源單元(1)，其中一聚焦透鏡系統(40)被設置在該導光體(8)之一出射面(33)與該螢光體元件(6)之間，用於使自該導光體(8)朝向該螢光體元件(6)出射的透射幫浦光(5)聚焦。
  9. 如申請專利範圍第1項之光源單元(1)，其中一集光透鏡系統(19,20,40)被設置用來將自該螢光體元件(6)發 出的該轉換光(7)之至少一部分集光，該集光透鏡系統(19,20,40)針對該預定作活用的該轉換光(7,7a,7b,21)之一光束提供一出射瞳(41)。
  10. 如申請專利範圍第1項之光源單元(1)，其中一混光元件(44,45)被設置在該轉換光(7,7a,7b)之一路徑中，用於相對於與該路徑垂直之平面中的座標自該至少兩個不同的該螢光體元件部(6a-6d)發出的該轉換光(7,7a,7b)之混光，以在被照射的一目標(17)獲得具有光譜特性均勻橫截面分布的該轉換光(7,7a,7b,21)之一光束(46)。
  11. 如申請專利範圍第9或10項之光源單元(1)，其中該混光元件(44,45)係配置在該集光透鏡系統(19,20,40)之該出射瞳(41)中。
  12. 如申請專利範圍第9項之光源單元(1)，其中一鏡子(28)被設置在該集光透鏡系統(40)之該出射瞳(41)中，且該幫浦光(3)之至少一部分被連結到該鏡子(28)，以被引導到該螢光體元件(6)。
  13. 如申請專利範圍第12項之光源單元(1)，其中該鏡子是一分光鏡。
  14. 如申請專利範圍第1項之光源單元(1)，其中入射在該螢光體元件(6)上之該幫浦光(5,5a-5c)的主傳播方向係與在該螢光體元件(6)之該轉換光(7)的主傳播方向彼此大致相反，且該螢光體元件(6)被設置在對該幫浦光(3,5,5’,5a-5c)為不透明的散熱器(14)上。
  15. 如申請專利範圍第1項之光源單元(1)，其中入射在該螢光體元件(6)上之該幫浦光(5,5a-5c)的主傳播方向係 與在該螢光體元件(6)之該轉換光(7)的主傳播方向彼此大致重合，且一分光鏡(27)被設置在入射於該螢光體元件(6)上之該幫浦光(5,5a-5c)的路徑中，用以反射朝向與該等主傳播方向之其中任何一個相反的方向之自該螢光體元件(6)發出的該轉換光之至少一部分。
  16. 一種用於照射一外科手術區域(17)之外科照明系統，其包括依照申請專利範圍第1至15項中之任一項的光源單元(1)。
  17. 一種移動探照頭燈(18)，包括依照申請專利範圍第1至15項中之任一項的光源單元(1)。
  18. 一種投影系統，包括依照申請專利範圍第1至15項中之任一項的光源單元(1)。
  19. 一種光纖照明系統，包括依照申請專利範圍第1至15項中之任一項的光源單元(1)。
  20. 一種用於改變從如申請專利範圍第1至15項中任一項之光源單元(1)射出之光(7,21,46)的光譜特性之方法，該方法包括一步驟：調整該偏折單元(4,29,34,38)，用於改變相對於該螢光體元件部(6a-6d)之入射至螢光體元件(6)上的該幫浦光(5,5a-5c)之分布，以變化該轉換光(7,21,46)之光譜特性。
  21. 一種如申請專利範圍第1至15項中任一項之光源單元(1)之用途，該用途係針對下列其中的一個：外科照明系統，用於照明一外科手術場所(17)；移動探照頭燈(18)；資料投影系統及光纖照明系統。
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