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，发光装置包括发光二极管（LED）11、反射杯12。LED11为朗伯光源，反光杯12为塑料或金属材质，内壁设计成抛物线形状，并镀反射膜，用来收集反射LED11出射的朗伯光。LED11位于抛物线的焦点处，从抛物线焦点发出的光经过抛物线反射后将形成平行光出射。反光杯12被设计成前后可调，当调节反光杯12的位置时，可以使得LED11不再位于抛物线的焦点（称此时LED为离焦状态），经反光杯12反射的光束不再为平行光，而是具有一定的发散角，藉此可改变发光装置出射光的发散角度，从而满足不同照射范围的需求。

但是，现有技术存在如下缺陷：虽然可以通过调节反光杯来改变发光装置出射光的发散角，但是，即使LED位于抛物线的焦点处时，LED出射的光中总有部分光，例如光线L会不经反光杯反射出射，而是会直接出射，导致这部分光无法出射至预定位置的目标口径A内。

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发散角可调，且出射光均能出射至预定位置的目标口径内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：发光源；第一透镜，用于收集发光源的出射光并将收集的至少大部分光出射至预定位置的目标口径；调焦装置，用于调节第一透镜的位置，以改变第一透镜到发光源的距离；反射装置，用于在第一透镜位于预定离焦位置上时，将第一透镜出射的至少部分大于第一角度的光反射至目标口径内。

可选地，发光装置还包括第二透镜，目标口径为第二透镜。

可选地，调焦装置调节第一透镜使得发光源位于第一透镜的焦点时，第一透镜出射的光全部能够直接出射至目标口径。

可选地，反射装置为环绕在第一透镜边缘与目标口径边缘之间的反射壁，该反射壁的侧壁走向大致沿着从预定离焦位置的第一透镜边缘到目标口径边缘的方向。

可选地，反射壁为圆锥面；或者，反射壁为圆锥曲面，该曲面的斜率沿着从第一透镜到目标口径的方向逐渐增大。

可选地，发光源包括波长转换装置，该发光装置还包括用于出射第一激光的第一激光器；波长转换装置用于接收来自第一激光器的激光，并将该激光的至少部分波长转换为受激光；波长转换装置的出射光为受激光或者受激光与未被转换的激光的混合光。

可选地，该发光装置还包括位于第一透镜的出射光路上的反射镜，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1/4，第一平面为垂直于第一透镜轴线的平面；反射装置设置有通光孔，该通光孔用于透射第一激光器出射的激光至反射镜，该反射镜用于将该激光反射至第一透镜。

可选地，反射镜为反射激光且透射受激光的滤光片。

本实用新型实施例还提供一种投影系统，该投影系统包括上述发光装置。

本实用新型实施例还提供一种照明系统，该照明系统包括上述发光装置。

与现有技术相比，本实用新型实施例包括如下有益效果：

本实用新型实施例通过调焦装置来改变第一透镜到发光源的距离，使得发光装置出射光的发散角可调；同时，通过反射装置将预定离焦位置的第一透镜出射的至少部分大于第一角度的光反射至预定位置的目标口径内。并且，还可以通过调焦装置使得第一透镜靠近发光源，从而收集到更多的光，而这些额外收集到的光会被反射装置反射至目标口径内，因此本实施例还提高了出射光的光通量。

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2a与图2b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2c是图2a、2b所示实施例的调焦装置的结构示意图；

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。

实施例一

请参阅图2a与图2b，图2a与图2b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2a与2b所示，发光装置100包括发光源110、第一透镜120、调焦装置（图中未示出）与反射装置140。

发光源110可以为发光二极管、激光二极管或者其它能够发光的光学元件或元件组合。第一透镜120位于发光源110的出射光路上，用于收集发光源110的出射光并将收集的至少大部分光出射至预定位置的目标口径A。

调焦装置用于调节第一透镜的位置，以改变第一透镜120到发光源110的距离，从而使得发光装置出射光的发散角可调。请参阅图2c，图2c是图2a、2b所示实施例的调焦装置的结构示意图。如图2c所示，第一透镜120固定于调焦装置130上，调焦装置130具体包括从内至外的固定框131、限位框132与旋转框133，固定框131、限位框132与旋转框133优选为三个同心圆柱体。第一透镜140固定在固定框131上。固定框131侧壁长出两个支杆1311，限位框132侧壁有两个限位槽1321，旋转框133侧壁有两个斜槽1331，两个支杆1311分别嵌入一个限位槽1321与斜槽1331。限位槽1321用于限制支杆1311水平方向上的运动，具体实现方式可以是旋转框133的外部还有个外框，限位框的底部与该外框的底部固定连接，因此限位框相对该外框不可动，而旋转框相对该外框可转动。推动旋转框133使其旋转，旋转框的斜槽1331也跟着旋转，由于支杆1311被限位槽1321限制了水平方向上的运动，因此支杆1311会随着斜槽1331的转动而在竖直方向上升高或降低，进而带动第一透镜140在竖直方向上升高或降低，从而使第一透镜140远离或靠近发光源110。例如，当旋转框133顺时针旋转时，斜槽1331顺时针转动，而支杆1311在水平方向上不能动，因而支杆1311随着斜槽1331的转动而在竖直方向上升高，进而带动第一透镜也升高。可以理解的是，能够调节从第一透镜120到发光源110的距离的调焦装置在现有技术中存在许多其它实现方式，本实施例中的调焦装置130的实现方式只是一个举例，并不作为本实用新型的限定。

图2a中的发光装置，是通过调焦装置调节第一透镜，使得发光源位于第一透镜120的焦点上时的状态，此时第一透镜110出射的光全部出射至预定位置的目标口径A内。相对于图2a，图2b中，第一透镜处于经过调焦装置的调节后更加靠近发光源的状态，此时第一透镜的收光角度变大了，能够收集更多的光。

但是，图2b中，第一透镜出射光的发散角也变大了，以至于有些光大于第一角度，而无法直接出射至目标口径A内。因此，发光装置100还包括反射装置140，用于在第一透镜位于预定离焦位置上时，将第一透镜110出射的至少部分大于第一角度的光反射至目标口径A内。第一透镜位于预定离焦位置指的是第一透镜位于发光源与焦点位置之间的预定位置，具体由本领域技术人员根据不同需求设定。本实施例中，反射装置为环绕在第一透镜边缘与目标口径边缘之间的反射壁，该反射壁的侧壁走向大致平行于第一透镜的轴线。

因此，本实施例中，通过调焦装置来改变第一透镜到发光源的距离，使得发光装置出射光的发散角可调；同时，通过反射装置将预定离焦位置的第一透镜出射的至少部分大于第一角度的光反射至预定位置的目标口径内。并且，还可以通过调焦装置使得第一透镜靠近发光源，从而收集到更多的光，而这些额外收集到的光会被反射装置反射至目标口径内，因此本实施例还提高了出射光的光通量。

可以理解的是，发光源位于第一透镜120的焦点上时，第一透镜110出射的光也可以有部分光大于第一角度，这部分光会被反射装置140反射至目标口径A内。当然，优选地，发光源位于第一透镜120的焦点上时，第一透镜110出射的光全部小于等于第一角度，这样形成的出射光束的发散角最小。

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另一实施例的结构示意图。如图3所示，发光装置200包括发光源210、第一透镜220、调焦装置（图中未示出）与反射装置240。

本实施例与实施例一的区别之处包括：

（1）发光装置200还包括用于出射第一激光的第一激光器250。发光源210包括波长转换装置，用于接收来自第一激光器的激光，并将该激光的部分波长转换为受激光，波长转换装置的出射光为该受激光与未被转换的激光的混合光。本实施例中，波长转换装置为透射式（此为公知技术，此处不作赘述），其出射光出射至第一透镜220。具体地，第一激光为蓝色激光，波长转换装置包括黄色荧光粉，该黄色荧光粉将蓝色激光的部分光波长转换为黄色受激光，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。在其它实施例中，波长转换材料也可以将所有激光波长转换为受激光。

在其它实施例中，发光装置还可以包括散射元件，以对来自第一激光器的激光进行散射，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。

（2）发光装置200还包括第二透镜260，本实施例中的预定位置的目标口径即为第二透镜。第一透镜220收集的发光源210的出射光中，较小角度的光直接出射至第二透镜，而较大角度的光经反射装置240反射至第二透镜，因此第一透镜220收集的发光源210的出射光的全部出射至第二透镜260。优选地，波长转换装置210位于第一透镜的焦点时，第一透镜出射的光全部能够直接出射至第二透镜，这样第二透镜的出射光束的发散角最小。

（3）反射装置240为环绕在第一透镜边缘与第二透镜边缘之间的反射壁，该反射壁的侧壁走向大致沿着从预定离焦位置的第一透镜边缘到第二透镜边缘的方向，以使得被反射光线扭转不大，因此被反射光线相对于直接出射至第二透镜的光线来说相差不大，两者之间不会有暗的区域。具体地，反射壁240为两端开口的圆锥面，且第二透镜260设置在反射壁240的大开口处，第二透镜的直径与反射壁240大开口的直径相同，这样经反射壁240内壁反射的光束都能完全被第二透镜260收集出射。

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另一实施例的结构示意图。如图4所示，发光装置300包括发光源310、第一透镜320、调焦装置（图中未示出）、反射装置340、第一激光器350和第二透镜360。

本实施例与实施例二的区别之处包括：

（1）发光装置300还包括位于第一透镜320的出射光路上的反射镜370，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1/4，第一平面为垂直于第一透镜轴线的平面。

（2）反射壁340上设置有通光孔，该通光孔用于透射第一激光器350出射的激光至反射镜370，该反射镜用于将来自第一激光器的激光反射至第一透镜320，该激光经第一透镜入射波长转换装置310。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光是反射的，并不表示对任何光都反射。波长转换装置310为反射式（此为公知技术，此处不作赘述），其出射光出射至第一透镜320被第一透镜320收集。第一透镜收集的波长转换装置310的出射光中，小于等于第一角度的光直接出射至第二透镜360或反射镜370，而大于第一角度的光经反射装置340反射至第二透镜。

（3）反射壁340为圆锥曲面，该曲面的斜率沿着从第一透镜到第二透镜的方向逐渐增大，以使得反射壁反射的光均反射到第二透镜边缘以内靠近边缘的位置。在其它实施例中，反射壁也可以是精准设计的自由曲面。

一般地，令光源从透镜焦点离焦是常用的技术，但是在本实施例中有格外好的效果。例如，当第一透镜向波长转换装置靠近，激光在入射于波长转换材料时就有第一次离焦的效果，即在波长转换材料上的光斑变大，然后第一透镜在收集这个变大后的光斑时也是离焦的收集，所以发光装置出射光的发散角就变得更大。也就是说，移动第一透镜的位置产生了两次离焦的效果，这样出射光的发散角对于第一透镜的移动距离比较敏感，使得发光装置出射光的发散角比较容易调节。例如，为了使发光装置出射光的发散角由1度变为40度，原本需要将第一透镜移动几十毫米，本实施例只需要移动几毫米就够了。

因此，本实施例通过设置调焦装置来调节从第一透镜到波长转换装置的距离，使得发光装置出射光的发散角可调。进一步地，本实施例利用入射激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引导激光至波长转换装置，使得移动第一透镜的位置能产生两次离焦的效果，从而使得发光装置出射光的发散角比较容易调节，因此能够有效地满足不同照射范围的需求。

本实施例中，由于光路可逆，波长转换装置310的小部分出射光，包括受激光与未被转换的激光，会经第一透镜320出射至反射镜370，倘若反射镜也反射受激光，则受激光会被反射镜反射而逃逸掉。由于逃逸的这部分光能量比例比较小，所以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，反射镜优选为反射来自第一激光器的激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。但是，不论怎样，波长转换装置出射的未被转换的激光都会被反射镜反射而逃逸掉，因此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光即可。

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；此时反射镜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激光合为一束激光并入射至反射镜370；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激发光与受激光之外，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。

在其它实施例中，反射镜370也可以替换为大的分光滤光片，该分光滤光片反射激光且透射受激光，第一透镜收集的波长转换装置310的出射光中，小于等于第一角度的光出射至该分光滤光片，而大于第一角度的光经反射装置340反射至第二透镜。

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。