CN106950785B - 一种光源装置及照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种光源装置，包括激光光源和位于激光光路上的分光装置，该分光装置透射部分激光形成第一激光，并反射部分激光形成第二激光，波长转换装置位于第一光路上，接收第一激光并将至少部分第一激光转换为不同波长的光后将其反射回所述分光装置，散射反射装置位于第二光路上，将第二激光转换为不同光分布的第二光后将其反射回所述分光装置，分光装置部分反射第一光部分透射第二光，被分光装置反射的第一光和被分光装置透射的第二光合为一束出射。使得分光装置在出射光路上的任意区域都能够既出射第一光又出射第二光，避免了现有技术中分光装置对激光和受激光的选择透过性对最终出射光均匀性的不利影响，从而提高了光源的出光均匀性。

Description

一种光源装置及照明装置

技术领域

本发明涉及照明领域，特别是涉及一种光源装置及照明装置。

背景技术

目前，在照明和投影显示领域大量地应用白光光源，常用的白光光源包括LED和UHP灯泡等，其提供均匀的白光光束应用于舞台灯、剧院灯、探照灯等照明领域，以及以LCD、LCOS和DMD为代表的投影仪领域。对于LED光源来说，其具有很好的可靠性和颜色性能，但受限于光学扩展量较大，应用于照明领域光束比较发散，应用于投影领域亮度受限；对于灯泡光源来说，其可以实现要求的光学效果，但其瓶颈在于寿命问题，灯泡光源寿命一般只有几百到一两千小时，这大大限制了其应用的推广。随着技术的发展，以半导体激光器为激发光源激发荧光粉作为光源的方案，正逐步替代传统的照明光源。

然而在实际应用中，激光和激光激发出的荧光合光时，往往产生光均匀性问题，使得出射光颜色分布不均匀。

发明内容

针对上述现有技术的光源颜色均匀性差的缺陷，本发明提供一种均匀性好、亮度高的光源装置：

包括用于发射激光的激光光源，包括分光装置，位于激光光路上，该分光装置透射部分激光形成第一激光，并反射部分激光形成第二激光，第一激光所在的光路为第一光路，第二激光所在的光路为第二光路；包括波长转换装置，位于第一光路上，用于接收第一激光，并将至少部分第一激光转换为不同波长的光后，形成第一光出射，波长转换装置将该第一光反射回分光装置，分光装置部分反射第一光；包括散射反射装置，位于第二光路上，用于将第二激光转换为不同光分布的第二光，并将该第二光反射回分光装置，分光装置部分透射第二光；被分光装置反射的第一光和被分光装置透射的第二光合为一束出射。

优选地，包括光整形装置，位于激光光源与分光装置之间的激光光路上，光整形装置沿激光光路方向依次包括凸透镜、凹透镜和散射片。

优选地，分光装置包括两个或两个以上层叠设置的透明片。

优选地，透明片与透明片之间具有空气隙。

优选地，分光装置包括第一透明片，第一透明片为各透明片中距离波长转换装置最近的透明片，分光装置还包括滤光膜，该滤光膜位于第一透明片靠近波长转换装置的表面上，滤光膜透射激光且反射第一光。

优选地，分光装置包括第二透明片，第二透明片为各透明片中距离波长转换装置最远的透明片，分光装置还包括增透膜，该增透膜位于第二透明片远离波长转换装置的表面上。

优选地，分光装置包括第一区域和第二区域，第一区域部分透射激光且部分反射激光，第二区域反射第一光且透射第二光。

优选地，波长转换装置包括固定不动的荧光粉片或者可旋转的荧光色轮。

本发明还提供了一种光源装置，包括用于发射激光的激光光源，包括分光装置，位于激光光路上，该分光装置反射部分激光形成第一激光，并透射部分激光形成第二激光，第一激光所在的光路为第一光路，第二激光所在的光路为第二光路；包括波长转换装置，位于第一光路上，用于接收第一激光，并将至少部分第一激光转换为不同波长的光后，形成第一光出射，波长转换装置将该第一光反射回分光装置，分光装置部分透射第一光；包括散射反射装置，位于第二光路上，用于将第二激光转换为不同光分布的第二光，并将该第二光反射回分光装置，分光装置部分反射第二光；被分光装置透射的第一光和被分光装置反射的第二光合为一束出射。

优选地，分光装置包括两个或两个以上层叠设置的透明片。

优选地，分光装置包括第一区域和第二区域，第一区域部分透射激光且部分反射激光，第二区域透射第一光且反射第二光。

本发明还提供了一种照明装置，包括上述任一项所述的光源装置。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

通过在激光光路上设置既能透射部分该激光又能反射部分该激光的分光装置，将激光分别引导入射于波长转换装置和散射反射装置，并分别转换为第一光和第二光，该分光装置又将第一光和第二光合光后出射，使得分光装置在出射光路上的任意区域都能够既出射第一光又出射第二光，避免了现有技术中分光装置对激光和受激光的选择透过性对最终出射光均匀性的不利影响，从而提高了光源的出光均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例一的光源装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一中光源装置的分光装置的结构示意图；

图3为本发明实施例二的光源装置的结构示意图；

图4为本发明实施例二中光源装置的分光装置的结构示意图；

图5为本发明实施例三的光源装置的结构示意图；

图6为本发明实施例四的光源装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方式提供了一种提供一种均匀性好、亮度高的光源装置：包括用于发射激光的激光光源，包括分光装置，位于激光光路上，该分光装置透射部分激光形成第一激光，并反射部分激光形成第二激光，第一激光所在的光路为第一光路，第二激光所在的光路为第二光路；包括波长转换装置，位于第一光路上，用于接收第一激光，并将至少部分第一激光转换为不同波长的光后，形成第一光出射，波长转换装置将该第一光反射回分光装置，分光装置部分反射第一光；包括散射反射装置，位于第二光路上，用于将第二激光转换为不同光分布的第二光，并将该第二光反射回分光装置，分光装置部分透射第二光；被分光装置反射的第一光和被分光装置透射的第二光合为一束出射。

不同于一些现有技术中的分光装置，本发明的分光装置中既能透射激光又能反射激光的区域并非是通过在该部分设置两个不同子区域对透射激光和反射激光进行区分的，即该区域是通过同一个相同结构的区域达到透射和反射的效果，第一激光和第二激光的光谱特性也基本相同(此处的“基板相同”是指在检测误差范围内的相同)。因此，分光装置在出射光路上的任意区域都能够出射与激光光源发出的激光具有相同光谱的光。而现有技术中的分光装置，总有一些区域无法出射激光，这将导致整个出射光的截面中，出现一个颜色不均匀的区域，对图像显示造成巨大的不利影响。

因此，本发明正是利用分光装置的特殊设计，既非利用波长选择特性分光，也非利用区域选择特性几何分光，使得既有部分激光透射又有部分激光反射，最终达到出射光均匀的效果，本发明的所有技术方案都是在这一发明构思下实施的。

下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例一的结构示意图。如图所述，光源装置100包括激光光源101、分光装置105、波长转换装置109和散射反射装置107。其中激光光源101用于发射激光，分光装置105位于激光光路上，分光装置105透射部分激光形成第一激光，并反射部分激光形成第二激光，第一激光所在的光路为第一光路，第二激光所在的光路为第二光路。波长转换装置109位于第一光路上，用于接收第一激光后，将至少部分第一激光转换为不同波长的光形成第一光出射，散射反射装置107位于第二光路上，用于将第二激光转换为不同光分布的第二光。波长转换装置109和散射反射装置107分别将第一光和第二光反射至分光装置，分光装置105部分反射第一光并部分透射第二光，被分光装置105反射的第一光和被分光装置105透射的第二光合为一束出射。

本实施例中，激光光源101可以为激光器光源、激光二极管光源，也可以是由激光二极管阵列组成的光源，凡是现有技术中应用的激光光源都可以用作本发明的激光光源。

本实施例中，波长转换装置109为反射式波长转换装置，即包括一个波长转换层和一个反射层，其中反射层位于波长转换层远离分光装置的表面上。波长转换装置109的波长转换层吸收第一激光，并将第一激光转换为不同于第一激光波长的受激光，受激光及未被吸收的第一激光被反射层反射，并形成第一光出射(当然，本发明也包括第一激光完全被吸收并转换为受激光的情况)。波长转换层包括荧光粉、磷光材料、量子点发光材料。本实施例中，激光光源为蓝光光源，波长转换装置包括黄色荧光粉(如YAG荧光粉)。当然，本发明其他实施方式中也可以采用其他波长范围的激光光源及其他发光特性的波长转换装置，并不限于上述具体实施方式的技术方案。

本实施例中，散射反射装置107改变入射激光的光分布，将高斯分布的激光转换为朗伯分布的光，从而改善了光的均匀性，避免了该光在出射后产生散斑。散射反射装置107包括一散射材料层，该散射材料层包括氧化铝、氧化钛、硫酸钡、氧化钇、氧化锆、氧化锌中的一种或多种，可选的，该散射材料层还可以包括用于粘结的玻璃粉等材料。本实施例中的散射材料层为利用与激光波长相近的散射颗粒，对第二激光进行散射反射作用。在本发明的其他实施方式中，散射反射装置107还可以选用表面凹凸不平的散射面。为增强散射反射装置107的反射性能，还可以选用散射反射层与镜面反射层叠置结合的技术方案，在此不再赘述。

本实施例中，波长转换装置109可以是固定不动的荧光粉片，也可以是被马达等驱动装置驱动的可旋转的荧光色轮。散射反射装置107也可以分别是固定不动的散射片或者可旋转的散射轮。

本实施例中，激光光源101发出蓝光激光，部分透射分光装置部分被分光装置105反射，透射的第一蓝光激光被波长转换装置109转换为黄光后返回分光装置105，反射的第二蓝光激光被散射反射装置107反射后形成第二光返回分光装置105。最终，被分光装置105反射的黄光和透射过分光装置105的第二光蓝光合光，成为白光出射。

本实施例中，还包括光整形装置，位于激光光源101与分光装置105之间的激光光路上，光整形装置沿激光光路方向依次包括凸透镜102、凹透镜103和散射片104。凸透镜102对激光光源101发出的激光光束进行汇聚，再由凹透镜103准直，得到一个光束截面积被压缩减小的光束。经压缩后的准直光束经散射片104进行匀光，由于散射片104的散射特性为旋转对称，因此入射于波长转换装置109和散射反射装置107的光斑近似为圆形。通过光整形装置，得到的是一个发散角小、亮度均匀、亮度高的圆形光斑。

本实施例中，进一步的，还包括位于分光装置105与波长转换装置109之间的第一聚焦透镜108，该第一聚焦透镜108使得入射于波长转换装置109的光斑面积进一步缩小，小光斑在波长转换装置109上产生的光的光学扩展量小，使得最终出射光的发散角小，在要求光束照明灯的光束发散角小、光能量集中的场合，本发明能够满足对光束照明灯的需求。进一步的，还包括位于分光装置105与散射反射装置107之间的第二聚焦透镜106，该第二聚焦透镜106使得入射于散射反射装置107的光斑面积进一步缩小，小光斑在散射反射装置107上产生的光的光学扩展量小，使得最终出射光的发散角小，在要求光束照明灯的光束发散角小、光能量集中的场合，本发明能够满足对光束照明灯的需求。

本实施例中，由于存在第一激光不能被波长转换装置109完全吸收的情况，第一光中可能既包含受激光又包含第一激光，当该第一光被波长转换装置109反射回分光装置105时，第一光中的第一激光将再次产生部分透射部分反射的现象，将损失部分第一激光。由于该本身未被吸收的第一激光较少，不会对出射光产生巨大影响。同样的，当第二激光被散射反射装置107转换为不同光分布的第二光反射回分光装置105时，该第二光同样发生部分透射部分反射的现象。在实际应用中，白光所需的蓝光比例相对于黄光较少，在分光装置105初次分光时，需要约85％的光透射形成第一激光、15％的光反射形成第二激光。在不考虑光损失的粗略模型中，15％的第二激光被散射反射装置107反射后再次入射于分光装置105，其中的85％透射，那么损失的光仅占原激光光源的2.25％，该光损失相对于现有技术中在分光片上挖孔的技术方案并无明显劣势。由于分光装置105是整体均匀的，那么经分光装置105反射的第一光和透射的第二光分别各自是光分布均匀的，则合光也是颜色均匀的。

本实施例中，分光装置包括两个或两个以上层叠设置的透明片。请参见图2，图2为本实施例的分光装置105的结构示意图。图2中的分光装置105包括两个透明片1051和1052。激光入射至透明片时，在透明片的每一个表面上，都同时发生反射和折射作用，即透明片对激光的透射率并非100％，这种分光不是利用光束波长特性区别实现的，也不是利用分光装置不同区域不同透射(例如设置镂空区)实现的。最终透射过两个透明片的光为第一激光，最终被反射的光为第二激光。

本发明利用两个或两个以上层叠设置的透明片，就是利用透明片对光部分地反射的功能的叠加，相应的，在透明片材质不变的情况下，透明片数量越多，被反射的光越多，第一激光与第二激光的光通量的比值越小。通过这种方式，可以简单的调节第一激光与第二激光的比例。

本实施例中，透明片1051与透明片1052之间具有空气隙，该空气隙使得光从透明片1052出射及光入射1051时因界面前后折射率不同而发生反射+折射的现象。假如透明片1051与透明片1052直接贴合，将可能导致光由透明片1052进入1051时直接透射过去，不发生反射和折射，此时的透明片1051和透明片1052相当于一个透明片，这将导致分光装置105的透射反射功能大打折扣。在某些情况下，本发明也可以只利用一个透明片作为分光装置，这将对透明片的材料和内部结构产生要求，这是由于通过单片的透明片难以获得透射反射比恰当的分光装置，此种具体技术不在本发明的讨论范围内，而该利用材料和内部结构的技术方案与本实施例的多个透明片叠加的技术方案为两种不同的子技术方案，这两种技术方案都是能够包含于本发明的发明构思之内的。

本实施例中，如图2所示，分光装置105还包括滤光膜1053和增透膜1054。其中，滤光膜1053位于第一透明片1051的表面上，第一透明片1051为各透明片中距离波长转换装置109最近的透明片，而滤光膜1053位于第一透明片1051靠近波长转换装置109的表面上；增透膜1054位于第二透明片1052的表面上，第二透明片1052为各透明片中距离波长转换装置109最远的透明片，增透膜1054位于第二透明片远离波长转换装置109的表面上。

本实施例中，滤光膜1053能够透射激光，使得第一激光经分光装置入射于波长转换装置109，同时，滤光膜1053还能够将波长转换装置109发出的第一光反射，将其引导至出射光路。

本实施例中，增透膜1054增强激光的透射性能，对分光装置105的激光透射反射比进行调节，使得出射光中的第一光和第二光的比例可控。在本发明中，增加增透膜1054是一个优选的技术方案，即使分光装置105中没有增透膜，也可以实现透射和反射的功能。

实施例二

请参见图3，图3为本发明实施例二的光源装置的结构示意图，光源装置200包括激光光源201、分光装置205、波长转换装置209和散射反射装置207。本实施例与实施例一的区别在于，分光装置205与实施例一中的分光装置105略有不同。

如图4所示，图4为本发明实施例二中光源装置200的分光装置205的结构示意图。其中，分光装置205包括第一区域2051和第二区域2052。第一区域2051部分透射激光且部分反射激光，第二区域2052反射第一光且透射第二光。

本实施例中，分光装置205的第一区域2051与实施例一中的分光装置105相同，其结构和功能可以参照上述实施例一对分光装置105的描述。即本实施例的分光装置205的第一区域2051也可以是包括两个或两个以上层叠设置的透明片，透明片与透明片之间具有空气隙，该第一区域2051还可以包括滤光膜和增透膜。

本实施例中，第二区域2052为一个利用波长特性进行合光的区域。来自波长转换装置209的第一光(如黄光)和来自散射反射装置207的第二光(如蓝光)分别从第二区域2052的两侧入射，第一光被反射，第二光被透射，使得两束光合为一束出射。

在实施例一中，分光装置105只有一个均一的区域，而在本实施例中，第一区域2051的面积相对于分光装置105缩小，并在第一区域2051的周围设置了第二区域2052。

首先，激光光源201产生的激光经光整形装置整形后，入射于第一区域2051，而不入射于第二区域2052，这大大减小了光束的截面积，便于在波长转换装置109上产生小光斑。

其次，如上述实施例一所述，第二光会在分光装置105处产生损失，在本实施例中，第二光被散射反射装置207反射后，覆盖第一区域2051和第二区域2052，其中，入射于第一区域2051的第二光产生与实施例一中相同的光损失比率，而入射于第二区域2052的第二光具有更高的透射率，从而减少了第二光的光损失。

本实施例二相对于实施例一的设计更为复杂，但也带来了减少光损失等有益效果。

实施例三

请参见图5，图5为本发明实施例三的光源装置的结构示意图。本实施例与实施例一的区别在于，波长转换装置和散射反射装置的位置进行了调换。

本实施例的光源装置300包括激光光源301、分光装置305、波长转换装置309和散射反射装置307。其中激光光源301用于发射激光，分光装置305位于激光光路上，分光装置305反射部分激光形成第一激光，并透射部分激光形成第二激光，第一激光所在的光路为第一光路，第二激光所在的光路为第二光路。波长转换装置309位于第一光路上，用于接收第一激光后，将至少部分第一激光转换为不同波长的光形成第一光出射，散射反射装置307位于第二光路上，用于将第二激光转换为不同光分布的第二光。波长转换装置309和散射反射装置307分别将第一光和第二光反射至分光装置，分光装置305部分透射第一光并部分反射第二光，被分光装置305透射的第一光和被分光装置305反射的第二光合为一束出射。

本实施例的分光装置305的透射反射特性恰好与实施例一中的分光装置105的相反。本实施例中，分光装置305包括两个或两个以上层叠设置的透明片。在实际应用中，要求有更多的激光被反射至波长转换装置309，则分光装置305的透明片数量将大大多于实施例一中的透明片数量。这将带来光损失增多(光吸收率不可能是0)、结构体积大、光路错位加重(折射带来的光路偏移)的问题，此问题不在本发明的讨论范围内，不影响本发明实施方式改善出射光颜色均匀性的效果。

本实施例中其他部件的描述，请参照实施例一的描述，此处不再赘述。

实施例四

请参见图6，图6为本发明实施例四的光源装置的结构示意图。本实施例与实施例二的区别在于，波长转换装置和散射反射装置的位置进行了调换。

本实施例的光源装置400包括激光光源401、分光装置405、波长转换装置409和散射反射装置407。其中激光光源401用于发射激光，分光装置405位于激光光路上，分光装置405反射部分激光形成第一激光，并透射部分激光形成第二激光，第一激光所在的光路为第一光路，第二激光所在的光路为第二光路。波长转换装置409位于第一光路上，用于接收第一激光后，将至少部分第一激光转换为不同波长的光形成第一光出射，散射反射装置407位于第二光路上，用于将第二激光转换为不同光分布的第二光。波长转换装置409和散射反射装置407分别将第一光和第二光反射至分光装置，分光装置405部分透射第一光并部分反射第二光，被分光装置405透射的第一光和被分光装置405反射的第二光合为一束出射。

与实施例二相同，本实施例的分光装置405也包括两个区域，其中第一区域透射部分激光且反射部分激光，与之不同的是，第二区域透射第一光并反射第二光。

如实施例五所述，本实施例也需要更多的激光被第一区域反射至波长转换装置409，在透明片的材质不变的情况下，所需要的透明片的数量也多于实施例二中的透明片数量。但是本实施例中的第一区域面积小于实施例五中的分光装置305的面积，因此如实施例五所述的结构体积大、光路错位等问题在本实施例中不会过于严重。

本实施例中其他部件的描述，请参照实施例二的描述，此处不再赘述。

本发明的又一实施例还提供了一种照明装置，包括上述任一实施例的光源装置，此外，还包括设置在分光装置的出射光光路上的透镜组等部件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种光源装置，包括用于发射激光的激光光源，其特征在于：

包括分光装置，位于激光光路上，该分光装置透射部分激光形成第一激光，并反射部分激光形成第二激光，第一激光所在的光路为第一光路，第二激光所在的光路为第二光路，所述分光装置包括两个或两个以上层叠设置的透明片，所述分光装置通过利用所述透明片对光同时发生反射和折射的特性以及功能叠加，来在透明片材质不变的情况下，通过调节所述透明片的数量，来调节所述第一激光与所述第二激光的比例；

包括波长转换装置，位于所述第一光路上，用于接收第一激光，并将至少部分第一激光转换为不同波长的光后，形成第一光出射，所述波长转换装置将该第一光反射回所述分光装置，所述分光装置部分反射第一光；

包括散射反射装置，位于所述第二光路上，用于将所述第二激光转换为不同光分布的第二光，并将该第二光反射回所述分光装置，所述分光装置部分透射第二光；

被所述分光装置反射的第一光和被所述分光装置透射的第二光合为一束出射。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，包括光整形装置，位于所述激光光源与所述分光装置之间的激光光路上，所述光整形装置沿所述激光光路方向依次包括凸透镜、凹透镜和散射片。

3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述透明片与透明片之间具有空气隙。

4.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述分光装置包括第一透明片，第一透明片为各所述透明片中距离所述波长转换装置最近的透明片，所述分光装置还包括滤光膜，该滤光膜位于第一透明片靠近所述波长转换装置的表面上，所述滤光膜透射所述激光且反射第一光。

5.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述分光装置包括第二透明片，第二透明片为各所述透明片中距离所述波长转换装置最远的透明片，所述分光装置还包括增透膜，该增透膜位于第二透明片远离所述波长转换装置的表面上。

6.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述波长转换装置包括固定不动的荧光粉片或者可旋转的荧光色轮。

7.一种光源装置，包括用于发射激光的激光光源，其特征在于：

包括分光装置，位于激光光路上，该分光装置反射部分激光形成第一激光，并透射部分激光形成第二激光，第一激光所在的光路为第一光路，第二激光所在的光路为第二光路，所述分光装置包括两个或两个以上层叠设置的透明片，所述分光装置通过利用所述透明片对光同时发生反射和折射的特性以及功能叠加，来在透明片材质不变的情况下，通过调节所述透明片的数量，来调节所述第一激光与所述第二激光的比例；

包括波长转换装置，位于所述第一光路上，用于接收第一激光，并将至少部分第一激光转换为不同波长的光后，形成第一光出射，所述波长转换装置将该第一光反射回所述分光装置，所述分光装置部分透射第一光；

包括散射反射装置，位于所述第二光路上，用于将所述第二激光转换为不同光分布的第二光，并将该第二光反射回所述分光装置，所述分光装置部分反射第二光；

被所述分光装置透射的第一光和被所述分光装置反射的第二光合为一束出射。

8.一种照明装置，包括如权利要求1-7任一项所述的光源装置。

Images