发光装置及相关投影系统与照明系统的制作方法

本实用新型涉及照明及显示技术领域，特别是涉及一种发光装置及相关投影系统与照明系统。

背景技术：

目前，激光激发荧光粉以出射彩色光或白光的技术已广泛应用于照明与显示技术领域。

图1是现有技术中一种发光装置的结构示意图。如图1所示，发光装置10包括激光器11、准直透镜12、反射镜13、分光滤光片14、透镜15、透镜16、黄色荧光粉片17。激光器11出射的蓝色激光经过准直透镜12准直后，经过反射镜13反射至分光滤光片14。分光滤光片14具有反射蓝光透射黄光的属性，蓝色激光经分光滤光片14的反射后，依次入射于透镜15和16，并经过透镜15和16后聚焦于荧光粉片17（光线如虚线所示）。黄色荧光粉片17吸收至少部分蓝色激光而产生黄光，该黄光被反射基板反射至透镜16，并依次被透镜16收集，和被透镜15准直出射（光线如带箭头的实线所示）。

由于波长转换材料的发光是朗伯分布的，这种大角度分布的光要想收集起来，往往需要经过至少两个透镜才能实现高效率的收集和准直。发光装置10即通过透镜16与透镜15来共同完成两个作用，一个是将平行的激光聚焦到荧光粉片17，一个是对荧光粉片17发出的光收集并准直成平行光。透镜16口径较小且距离发光点（荧光粉片）很近，大角度的光（例如70度以内的所有光）入射于透镜16后角度被收小，然后入射于大口径的透镜15后被进一步的准直。

但是，受限于光学扩展量守恒定律，透镜15出射的准直光束的准直度越高（即发散角越小），就要求透镜15的口径越大（因为口径与发散角的正弦的乘积是一个常数，即光学扩展量守恒）。而激光光路需要绕过透镜15的边缘，并从透镜15的上方入射，因此透镜15的口径越大，激光的光路就越长，放置激光的位置也就越远，整个系统体积也就越庞大。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种体积较小的发光装置及相关投影系统与照明系统。

本实用新型实施例提供一种发光装置，包括第一激光器、汇聚透镜、光引导件、第一透镜、散射装置和第二透镜；第一激光器用于出射激光，光引导件用于将该激光沿第一光路引导至第一透镜，第一透镜用于将该激光聚焦至散射装置；散射装置用于将激光散射为散射光，并将其出射光反射至第一透镜；第一透镜还用于收集散射装置的出射光至光引导件，光引导件还用于将第一透镜收集的光的部分沿第二光路引导至第二透镜，第二透镜用于控制光引导件引导来的光实现特定的光分布；并且，第一激光器出射的激光经汇聚透镜汇聚至光引导件，以使得该激光经第一透镜入射散射装置的光路与散射光经第一透镜同一位置出射的光路匹配。

可选地，光引导件包括反射镜和该反射镜周围的透光介质，该反射镜在第一平面上的投影面积小于第一透镜在第一平面上的投影面积的1/3，第一平面为垂直于第一透镜轴线的平面；该反射镜用于将来自第一激光器的激光沿第一光路反射至第一透镜，该透光介质用于将第一透镜收集的散射装置的出射光的大部分沿第二光路透射至第二透镜。

可选地，光引导件包括透光孔和该透光孔周围的反射镜，该透光孔在第一平面上的投影面积小于第一透镜在第一平面上的投影面积的1/3，第一平面为垂直于第一透镜轴线的平面；该透光孔用于将来自第一激光器的激光沿第一光路透射至第一透镜，该反射镜用于将第一透镜收集的散射装置的出射光的大部分沿第二光路反射至第二透镜。

可选地，光引导件为分光滤光片，具有对激光部分透射部分反射的属性，用于将来自第一激光器的激光的部分光沿第一光路引导至第一透镜，将第一透镜收集的散射装置的出射光的部分光沿第二光路引导至第二透镜。

可选地，该发光装置还包括第二激光器，第一激光器出射的激光与第二激光器出射的第二激光合为一束激光并入射至汇聚透镜；光引导件还用于将第一透镜收集的第二激光的部分光沿第二光路引导至第二透镜。

可选地，第二激光器为红色激光器、绿色激光器或红外激光器。

可选地，第二透镜用于控制光引导件引导来的光实现准直。

本实用新型实施例还提供一种投影系统，包括上述任一发光装置。

本实用新型实施例还提供一种照明系统，包括上述任一发光装置。

与现有技术相比，本实用新型实施例包括如下有益效果：

本实施例将光引导件设置在第一透镜与第二透镜之间，使得第一激光器不用设置在第二透镜的外围，而可以设置在第二透镜与第一透镜之间，结构较为紧凑。并且，由于汇聚透镜使得激光经第一透镜入射散射装置的光路与散射光经第一透镜同一位置出射的光路匹配，所以无需增大第一透镜曲率，激光就能经第一透镜聚焦在散射装置上，从而避免了第一透镜至第二透镜间的距离需要加长的问题，真正地解决了现有技术中系统体积大的问题。

附图说明

图1是现有技术中一种发光装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中发光装置的另一实施例的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中发光装置的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文以及附图中使用的技术名词的说明如下：

波长转换材料：波长转换材料可以采用磷光性材料，例如磷光体，也可以采用纳米材料，如量子点，还可以采用荧光材料。

激发光：能够激发波长转换材料，使得波长转换材料产生不同波长光的光。

受激光：波长转换材料受激发光激发而产生的光。

激发光、波长转换材料、受激光是相对的概念。例如，蓝光激发黄色荧光粉产生黄光，此时蓝光是激发光，黄光是受激光。而黄光激发红色荧光粉产生红光，此时黄光是激发光，红光是受激光。

下面结合附图和实施方式对本实用新型实施例进行详细说明。

为了解决现有技术中的问题，本发明人最初考虑直接将反射镜13与14下移，并将反射镜14下移到透镜15与透镜16之间，即反射镜14反射的激光只通过透镜16入射于荧光粉片，这样即可以使得第一激光器不用设置在透镜16的外围，而可以设置在透镜15与透镜16之间，使得结构紧凑、体积减小。

但是，激光只通过透镜16就不能聚焦在荧光粉片17，对于本领域技术人员来说，激光不能聚焦在荧光粉片17上没关系，只要能充分汇聚在荧光粉片上即可。为了实现充分汇聚或聚焦，透镜16设计的曲率必须变大（曲率大会增强汇聚）。由于光路可逆，荧光粉片出射的荧光经过曲率变大的透镜16后会比较直，从透镜16出射的比较直的荧光需要经过比较长的距离扩散到透镜15，才能最终被透镜15准直出射，因而导致系统在从透镜16到透镜15这个方向上的长度变长，体积变大，仍然没有真正解决现有技术中系统体积大的问题。为此，本发明人提出本实用新型实施例来真正地解决体积大的问题。

实施例一

请参阅图2，图2是本实用新型实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图。如图2所示，发光装置200包括第一激光器210、汇聚透镜220、反射镜230、光引导件240、第一透镜250、波长转换装置260、第二透镜270。

第一激光器210用于出射激发光，本实施例中，激发光为蓝色激光。汇聚透镜220用于将该激发光汇聚至反射镜230，反射镜230用于将该激发光反射至光引导件240，光引导件240用于将该激发光沿第一光路引导至第一透镜250，第一透镜250用于将该激发光聚焦至波长转换装置260（激发光从第一激光器入射至波长转换装置的光线如带箭头的虚线所示）。

波长转换装置260用于将来自第一透镜的激发光全部波长转换为受激光，并将其出射光，即该受激光反射至第一透镜250。本实施例中，波长转换装置包括黄色荧光粉，该黄色荧光粉将蓝色激光全部波长转换为黄色受激光。

第一透镜250还用于收集波长转换装置260的出射光，即黄色受激光至光引导件240，光引导件还用于将第一透镜收集的光，即波长转换装置出射的黄色受激光全部沿第二光路引导至第二透镜270，第二透镜270用于控制光引导件240引导来的黄色受激光实现准直出射（受激光从波长转换装置经第一透镜、光引导件、第二透镜出射的光线如带箭头的实线所示）。

本实施例中，光引导件240具体为分光滤光片，具有反射激发光且透射受激光的属性，用于将来自反射镜230的激光反射至第一透镜，并将第一透镜收集的受激光透射至第二透镜270。

本实施例中，第一激光器210出射的激发光不是经准直透镜准直，而是经汇聚透镜220汇聚，以使得该激发光经第一透镜250入射波长转换装置的光路与受激光经第一透镜同一位置出射的光路匹配。如图2所示，光线91与光线93分别表示第一透镜一位置的受激光光路与激发光光路，这两条光线在第一透镜的部分是重合的，即匹配的；同样，光线92与光线94分别表示第一透镜另一位置的受激光光路与激发光光路，这两条光线在第一透镜的部分也是重合的，即匹配的。

本实施例中，由于汇聚透镜使得激发光经第一透镜入射波长转换装置的光路与受激光经第一透镜同一位置出射的光路匹配，所以无需增大第一透镜曲率，激发光就能经第一透镜聚焦在波长转换装置上，从而避免了第一透镜至第二透镜间的距离需要加长的问题。

因此，本实施例将光引导件设置在第一透镜与第二透镜之间，使得第一激光器不用设置在第二透镜的外围，而可以设置在第二透镜与第一透镜之间，结构较为紧凑；同时第一透镜至第二透镜间的距离也不需要加长，真正地解决了现有技术中系统体积大的问题。并且，相较于本发明人最初考虑的直接将第一反射镜设置在两透镜之间的方案（简称初始方案），本发明人进行了多次实验对比，发现本实施例聚焦至波长转换装置的光斑大小比初始方案的光斑大小要小很多。

本实施例中，反射镜230将来自汇聚透镜的激光弯折至光引导件240。在其它实施例中，反射镜230也可以省略，只要调整第一激光器210与汇聚透镜220的摆放位置和角度，使得汇聚透镜出射的激光直接入射光引导件240即可。

本实施例中，第二透镜用于控制光引导件引导来的光实现准直。在其它实施例中，第二透镜也可以用于控制光引导件引导来的光实现其它特定的光分布，例如聚焦、或者汽车车灯的光分布。汽车车灯的光分布在现有技术中具有确定的标准，此处不作赘述。

此外，在其它实施例中，波长转换装置可以使用LED作为基板，波长转换材料（如荧光粉）以涂覆或贴膜等方式设置在LED的发光面上。例如，当使用蓝色LED作为波长转换装置的基板时，波长转换材料的一面受来自第一透镜的激光的激发，另一面受该蓝色LED的激发，即波长转换材料双面同时被激发，因而可以提高发光装置的出射光亮度。再如，当使用红色LED作为波长转换装置的基板时，波长转换材料虽然不会被该红色LED激发，但是红色LED出射的红光可以与波长转换材料产生的受激光一起出射，从而可以为发光装置增加红光光谱的能量，弥补了受激光的红色能量不足的缺陷；此时分光滤光片240优选为反射激发光且透射受激光与红光的分光滤光片。

由于在LED上设置波长转换材料的工艺比较复杂，因此为了弥补受激光的红色能量不足的缺陷，发光装置还可以包括第二激光器，第一激光器出射的激光与第二激光器出射的第二激光合为一束激光并入射至汇聚透镜；并且，光引导件还用于将第一透镜收集的第二激光的部分光沿第二光路引导至第二透镜。例如，分光滤光片240针对第二激光器的激光优选具有部分透射部分反射的属性，以使得该激光被波长转换装置散射后最终能经分光滤光片沿第二光路出射至第二透镜。第二激光器优选为红色激光器或绿色激光器，使得波长转换装置出射受激光之外，还出射被波长转换材料散射了的红色激光或绿色激光，从而为发光装置增加红光光谱或绿光光谱的能量。第二激光器也可以为红外激光器，这样可以为发光装置增加红外光谱的能量，以便于用户在夜间可以通过红外光探测器发现该发光装置。

实施例二

请参阅图3，图3是本实用新型实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图。如图3所示，发光装置300包括第一激光器310、汇聚透镜320、反射镜330、光引导件340、第一透镜350、波长转换装置360、第二透镜370。

本实施例与实施例一的区别之处主要在于：

（一）波长转换装置360用于将来自第一透镜的激发光部分波长转换为受激光，并将其出射光，即该受激光与未被转换的激光反射至第一透镜。本实施例中，波长转换装置包括黄色荧光粉，波长转换装置的出射光为黄色受激光与未被转换的蓝色激光混合而成的白光。

（二）光引导件340包括反射镜和该反射镜周围的空气，该反射镜用于将反射镜330反射来的激发光沿第一光路反射至第一透镜。此处需要说明的是，此处的反射镜是针对来自第一激光器的激发光是反射的，并不表示对任何光都反射。光引导件340的反射镜在第一平面上的投影面积小于第一透镜在第一平面上的投影面积的1/3，第一平面为垂直于第一透镜350轴线的平面，可以使得激发光入射至第一透镜的光学扩展量小于第一透镜出射波长转换装置的出射光的光学扩展量的1/3。光引导件340的反射镜周围的空气用于将第一透镜350收集的波长转换装置360的出射光，即白光的大部分沿第二光路透射至第二透镜370，使得发光装置300出射准直的白光。可以理解的是，反射镜周围的空气也可以替换成其它透光介质。

（三）发光装置300还包括散射元件380，用于对来自第一激光器的激发光进行散射。散射元件380是为了使激光形成一个小的发散角，这样可以使得聚焦于波长转换材料上的激光光斑均匀化，提高波长转换材料的效率，因此散射元件380可以设置在汇聚透镜至波长转换装置的光路上的任一位置。因为散射元件必须放置在光束比较细的地方，否则光学扩展量会变大，而使得聚焦于波长转换材料上的光斑会变大，因此，本实施例中，散射元件380设置在光引导件340将激发光引导至第一透镜350的光路上。

同于实施例一，本实施例中，由于汇聚透镜使得激发光经第一透镜入射波长转换装置的光路与受激光经第一透镜同一位置出射的光路匹配，所以第一透镜至第二透镜间的距离无需加长，真正地解决了现有技术中系统体积大的问题。进一步地，本实施例利用入射激发光的光学扩展量远小于波长转换装置的出射光的光学扩展量的特点，在第一透镜的出射光路上设置面积较小的反射镜，来保证波长转换装置的大部分出射光可以从反射镜周围空气出射的同时引入激发光。相对于实施例一，具有结构更为紧凑、体积更小的优点。

本实施例中，由于光路可逆，波长转换装置360的小部分出射光，包括受激光与未被转换的激发光，会经第一透镜350出射至光引导件340的反射镜，倘若该反射镜也反射受激光，则受激光会被反射镜反射而逃逸掉。由于反射镜在第一平面上的投影面积小于第一透镜在第一平面上的投影面积的1/3，所以逃逸的这部分光能量比例比较小，这在有些场合中是可以接受的，例如远视场合。

为了减小光损失，在其它实施例中，光引导件340的反射镜可以为反射来自第一激光器的激发光且透射来自波长转换装置的受激光的滤光片，例如反射蓝色激发光透射黄色受激光，该滤光片还用于将该受激光沿第二光路透射至第二透镜。但是，不论怎样，波长转换装置出射的未被转换的激发光都会被反射镜反射而逃逸掉，因此光引导件340的反射镜的面积越小越好，足以接收来自第一激光器的全部激发光即可。

实施例三

请参阅图4，图4是本实用新型实施例中发光装置的一个实施例的结构示意图。如图4所示，发光装置400包括第一激光器410、汇聚透镜420、光引导件440、第一透镜450、波长转换装置460、第二透镜470。

本实施例与实施例二的区别之处主要在于：

本实施例中，光引导件440包括透光孔441和该透光孔周围的反射镜442，该透光孔441在第一平面上的投影面积小于第一透镜在第一平面上的投影面积的1/3，第一平面为垂直于第一透镜轴线的平面。透光孔441用于将来自第一激光器410的激发光沿第一光路透射至第一透镜450，反射镜442用于将第一透镜收集的波长转换装置的出射光的大部分沿第二光路反射至第二透镜470。此处需要说明的是，此处的透光孔是针对来自第一激光器的激发光是透射的，并不表示对任何光都透射。

本实施例中，由于光路可逆，波长转换装置460的小部分出射光，包括受激光与未被转换的激发光，会经第一透镜450出射至透光孔441，倘若透光孔也透射受激光，则受激光会被透光孔透射而逃逸掉。由于透光孔441在第一平面上的投影面积小于第一透镜在第一平面上的投影面积的1/3，所以逃逸的这部分光能量比例比较小，这在有些场合中是可以接受的，例如远视场合。

为了减小光损失，在其它实施例中，透光孔可以为透射来自第一激光器的激发光且反射来自波长转换装置的受激光的滤光片，例如透射蓝色激发光反射黄色受激光，该滤光片还用于将该受激光沿第二光路反射至第二透镜。但是，不论怎样，波长转换装置出射的未被转换的激发光都会被透光孔透射而逃逸掉，因此透光孔的面积越小越好，足以接收来自第一激光器的全部激发光即可。

同于实施例一，本实施例中，由于汇聚透镜使得激发光经第一透镜入射波长转换装置的光路与受激光经第一透镜同一位置出射的光路匹配，所以第一透镜至第二透镜间的距离无需加长，真正地解决了现有技术中系统体积大的问题。进一步地，本实施例利用入射激发光的光学扩展量远小于波长转换装置的出射光的光学扩展量的特点，在第一透镜的出射光路上设置带透光孔的反射镜，在保证波长转换装置的大部分出射光可以被反射镜反射出射的同时通过透光孔来引入激发光。相较于上述实施例中位于第一透镜与第二透镜之间的光引导件，本实施例中的光引导件可以位于第一透镜与第二透镜的侧边，更容易固定与安装。

上述各实施例解决的技术问题是，当需要收集波长转换装置出射的大角度分布光时，发光装置存在的体积大的问题。可以理解的是，本实用新型并不仅限于针对出射大角度分布光的波长转换装置，而同样适用于出射大角度分布光的其他装置，例如散射装置。事实上，在实施例一中提到的出射第二激光的第二激光器，例如红色激光器，波长转换装置针对该第二激光即相当于散射装置。因此，上述各实施例中的波长转换装置可以替换成散射装置，而此时，第一激光器出射的激光不需要是激发光。

将波长转换装置替换成散射装置的发光装置包括第一激光器、汇聚透镜、光引导件、第一透镜、散射装置和第二透镜；第一激光器用于出射激光，光引导件用于将该激光沿第一光路引导至第一透镜，第一透镜用于将该激光聚焦至散射装置；散射装置用于将激光散射为散射光，并将其出射光，即该散射光反射至第一透镜；第一透镜还用于收集散射装置的出射光至光引导件，光引导件还用于将第一透镜收集的光的部分沿第二光路引导至第二透镜，第二透镜用于控制光引导件引导来的光实现特定的光分布；并且，第一激光器出射的激光经汇聚透镜汇聚至光引导件，以使得该激光经第一透镜入射散射装置的光路与散射光经第一透镜同一位置出射的光路匹配。

本实用新型实施例中，由于汇聚透镜使得激发光经第一透镜入射至散射装置的光路与散射光经第一透镜同一位置出射的光路匹配，所以无需增大第一透镜曲率，激发光就能经第一透镜聚焦在散射装置上，从而避免了第一透镜至第二透镜间的距离需要加长的问题。因此，本实施例将光引导件设置在第一透镜与第二透镜之间，使得第一激光器不用设置在第二透镜的外围，而可以设置在第二透镜与第一透镜之间，结构较为紧凑；同时第一透镜至第二透镜间的距离也不需要加长，真正地解决了现有技术中系统体积大的问题。并且，相较于本发明人最初考虑的直接将第一反射镜设置在两透镜之间的方案（简称初始方案），本发明人进行了多次实验对比，发现本实施例聚焦至散射装置的光斑大小比初始方案的光斑大小要小很多。

将波长转换装置替换成散射装置的发光装置可以具备上述各实施例中的结构与功能，详细说明请参照上述各实施例，此处只简单列举几点：

光引导件可以是如实施例一中的分光滤光片，该分光滤光片具有对激光部分透射部分反射的属性，用于将来自第一激光器的激光的部分光沿第一光路引导至第一透镜，将第一透镜收集的散射装置的出射光的部分光沿第二光路引导出射。例如，分光滤光片可以用于将来自第一激光器的激光的部分光沿第一光路反射至第一透镜，将第一透镜收集的散射装置的出射光的部分光沿第二光路透射至第二透镜。

光引导件也可以如实施例二和实施例三中那样分区。例如，光引导件可以包括反射镜和该反射镜周围的透光介质，该反射镜在第一平面上的投影面积小于第一透镜在第一平面上的投影面积的1/3，第一平面为垂直于第一透镜轴线的平面；该反射镜用于将来自第一激光器的激光沿第一光路反射至第一透镜，该透光介质用于将第一透镜收集的散射装置的出射光的大部分沿第二光路透射至第二透镜。或者，光引导件包括透光孔和该透光孔周围的反射镜，该透光孔在第一平面上的投影面积小于第一透镜在第一平面上的投影面积的1/3，第一平面为垂直于第一透镜轴线的平面；该透光孔用于将来自第一激光器的激光沿第一光路透射至第一透镜，该反射镜用于将第一透镜收集的散射装置的出射光的大部分沿第二光路反射至第二透镜。

可选地，发光装置还包括第二激光器，第一激光器出射的激光与第二激光器出射的第二激光合为一束激光并入射至汇聚透镜；光引导件还用于将第一透镜收集的第二激光的部分沿第二光路引导至第二透镜。第二激光器优选为红色激光器、绿色激光器或红外激光器。

本说明书中，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。

本实用新型实施例还提供一种投影系统，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该投影系统可以采用各种投影技术，例如液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）投影技术、数码光路处理器（DLP，Digital Light Processor）投影技术。例如，上述出射白光的发光装置可以作为投影系统的白色光源。

本实用新型实施例还提供一种照明系统，包括发光装置，该发光装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。照明系统例如有手电照明系统、汽车灯照明系统、舞台灯照明系统等等。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。