本实用新型涉及照明领域，特别是涉及一种激光光源，和使用这种激光光源的发光装置和灯具。
背景技术：
激光光源已经应用于汽车大灯、投影显示中。一种常见的激光光源的结构如图1所示。激光121入射于凸透镜组101和102，并经过凸透镜组聚焦在位于凸透镜组焦点上的荧光装置103上。荧光装置103受激发射受激光122，该受激光122以全角反射，并大部分被凸透镜组101和102收集并准直出射。位于激光发射源和凸透镜组光路之间的分光滤光片用于透射激光121同时反射受激光122，以将两者的光路分开，避免受激光沿入射激光的光路返回激光发射源形成光损失。其中，平行的激光121经过凸透镜组聚焦于凸透镜组焦点上的荧光装置，而荧光装置的发光经过凸透镜组的收集后形成平行光出射。这完全符合光路可逆的原理。这种光源结构的问题在于，凸透镜组要收集荧光装置的大角度范围出射光并将其折射成平行光，凸透镜组中必然至少有一片是非球面透镜。玻璃非球面透镜的加工难度和成本都很高。
技术实现要素：
本实用新型提出一种激光光源，包括用于发射激光的激光发射源，第一汇聚装置和第二汇聚装置，其中第一汇聚装置和第二汇聚装置都是球透镜或球透镜组且都有实焦点，第二汇聚装置的面向第一汇聚装置的一侧称为第一侧，背向第一汇聚装置的一侧称为第二侧；到光轴不同距离的平行光线，入射于第二汇聚装置的第一侧口径内在第二汇聚装置的第二侧形成焦点，远离光轴的平行光线所对应焦点的焦距小于靠近光轴的平行光线所对应焦点的焦距，入射于第二汇聚装置第一侧口径边缘的平行光线对应于第二汇聚装置第二侧的最小焦距的焦点；还包括位于第二汇聚装置第二侧光轴上的荧光装置，该荧光装置到第二汇聚装置的主面的距离小于第二汇聚装置第二侧的最小焦距，且荧光装置发射的角度为A的光线经过第二汇聚装置出射后的出射角，大于等于任何发射角度小于A的光线经过第二汇聚装置出射后的出射角，其中A大于等于50度；第一汇聚装置和第二汇聚装置相组合的光学系统，使得光轴附近的平行光线经过第一汇聚装置和第二汇聚装置后在第二汇聚装置第二侧产生的焦点位于荧光装置上；激光从光轴附近先后经过第一汇聚装置和第二汇聚装置后聚焦于荧光装置并使荧光装置产生受激光。
本实用新型还提出一种发光装置，包括两组上述的激光光源，第一激光光源和第二激光光源；其中第一激光光源的激光发射源发射的是第一激光，第一激光是蓝色激光，其荧光装置是第一荧光装置，第一荧光装置发射的受激光是黄光、黄绿光、橙光、红光或绿光；第二激光光源的激光发射源发射的是第二激光，第二激光是紫色或紫外激光，其荧光装置是第二荧光装置，第二荧光装置发射的受激光是蓝光；第一激光光源和第二激光光源共用同一个波长分光装置，该波长分光装置透射紫色或紫外激光、反射蓝光且透射黄光到红光的波段，第一激光入射于该波长分光装置并被反射入射于第一荧光装置，第一荧光装置发射的受激光透射波长分光装置，同时第二激光透射该波长分光装置并入射于第二荧光装置，第二荧光装置发射的受激光被波长分光装置反射，第一荧光装置和第二荧光装置发射的受激光在波长分光装置处合为一束并出射；或者，第一激光光源和第二激光光源共用同一个波长分光装置，该波长分光装置反射紫色或紫外激光、透射蓝光且反射黄光到红光的波段，第一激光透射该波长分光装置并入射于第一荧光装置，第一荧光装置发射的受激光被波长分光装置反射，同时第二激光被该波长分光装置反射并入射于第二荧光装置，第二荧光装置发射的受激光透射波长分光装置，第一荧光装置和第二荧光装置发射的受激光在波长分光装置处合为一束并出射。
本实用新型还提出一种灯具，包括上述的激光光源，还包括位于激光光源光路后端的发散装置和准直装置，激光光源发出的光经过发散装置发散后入射于准直装置并形成平行光出射。
本实用新型还提出一种灯具，包括上述的发光装置，还包括位于发光装置光路后端的发散装置和准直装置，发光装置发出的光经过发散装置发散后入射于准直装置并形成平行光出射。
第二汇聚装置使用全球面设计，将荧光装置放置于第二汇聚装置焦点以内的适当位置，可以使出射光仍然有序而不会交叉，这样通过后端的光学设计可以实现想要的光学目的。第一汇聚装置则能够使光轴附近入射的激光的焦点提前到荧光装置的位置。这样可以实现光学设计目标，同时避免了非球面透镜的高成本。
附图说明
图1表示了现有的激光光源的结构示意图；
图2a表示了本实用新型中第二汇聚装置的焦点示意图；
图2b表示了本实用新型中荧光装置经过第二汇聚装置的收集后的光路图；
图2c表示了激光先后入射于第一汇聚装置和第二汇聚装置后的聚焦光路图；
图3表示了本实用新型第一实施例的激光光源的结构示意图；
图4a表示了本实用新型灯具的一种结构示意图，其中发散装置在激光光源的出光口；
图4b表示了图4a结构中发散装置远离激光光源出光口的状态；
图5表示了本实用新型发光装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
在描述本实用新型的技术方案之前，先描述一些光学原理的推演。如图2a所示，球面凸透镜201和球面凸透镜202组成凸透镜组。平行光线22A、22C、22E从该凸透镜组的左侧入射，其中光线22A靠近光轴，光线22E靠近凸透镜组有效口径的边缘，光线22C的入射位置在光线22A和22E之间。由于201和202都是球面凸透镜，有实焦点，因此平行光会在凸透镜组的右侧形成焦点。由于球面的原因，各个位置入射的平行光线的焦点并不相同，这就是“球差”的产生原因。光线越靠近有效口径的边缘，则球差越大。具体来说，就是光线22A靠近光轴，其在凸透镜组的右侧产生的焦点最远，在图中表示为fA；而光线22E最远离光轴从凸透镜组的有效口径的边缘入射，其在凸透镜组的右侧产生的焦点最近，在图中表示为fE，在光线22A和光线22E之间入射的光线（例如光线22C）在凸透镜组右侧产生的焦点则会依次落在fA和fE之间。这样，在光线22A和22E之间位置连续变化的平行光线，会在凸透镜组右侧的光轴上形成在fA和fE之间位置连续变化的焦点，这些焦点共同组成了线段fAfE。
事实上，任何球透镜或球透镜组，只要具有实焦点（对光线具有汇聚作用），就会存在这样的焦点组成的线段，而且都是焦点线段的距离球透镜或球透镜组近的一端端点对应于近轴的平行光线，焦点线段距离球透镜或球透镜组远的一端端点对应于远离光轴的在有效口径边缘入射的平行光线。
在图2b中，凸透镜组201和202组成的凸透镜组简化表示为一条双箭头的线段209，该线段209位于该凸透镜组的主面。发光源203位于凸透镜组右侧，它距离主面209的距离u（即物距）小于fE距离主面209的距离，即发光源203位于凸透镜组的所有焦点以内。根据光学原理，发光源u经过凸透镜组后形成同侧的虚焦点，虚焦点到主面209的距离（即像距）v，与物距和焦距f满足成像公式：
(1)
由于u固定，随着f的增大，v的绝对值减小，因此远轴光线对应的焦点fE所对应虚像E距离主面209最远，近轴光线对应的焦点fA所对应虚像A距离主面最近，其余位于中部的光线对应的虚像位于A和E之间。从发光源203发出的光线经过凸透镜组收集后的光线，就是从各个虚像点到主面上点的连线：像距最大的虚像E对应于凸透镜组有效口径的边缘，该光线23E就是E到凸透镜组有效口径边缘的连线；像距最小的虚像A对应于凸透镜组的靠近光轴的位置，该光线23A就是A到凸透镜组光轴附近点的连线；其余光线23B、23C和23D就是依次由虚像B、C、D与主面上不同点的连线。
由于球差的存在，可能会出现一种情况，就是23E的出射角小于23D的出射角，此时光线23E和光线23D就会在传播一段距离后交叉。这种交叉非常不利于后端的光路设计。因为交叉后，必然会出现两个光线入射到后端光路的同一个位置，而光路上任何光学器件上的一点都只能处理一条光线，例如后端的聚焦透镜，光线23E和23D同时入射于聚焦透镜上的同一点（因为光线23E的出射角小于23D），而这一点如果将光线23D聚焦到焦点，那么光线23E就一定会离焦，如果这一点将光线23E聚焦到焦点，那么光线23D就一定会离焦。
因此，必须避免光线交叉的情况出现，即远离光轴的光线的出射角必须大于靠近光轴的光线的出射角。只有满足这样的条件才能使得后端的光学设计能够达到设计目标。那么这就要求发光点203的位置处于特定位置。可以证明一定存在这样的位置，证明如下。
见公式(1)，设u=fE，即发光点位于远轴光线的焦点fE上，这样虚像点E位于无穷远处，即光线23E是平行光；而其它光线（例如23D），由于虚像点的像距都不是无穷远，因此其它光线的发散角一定大于0，此时就出现了23E的发散角小于光线23D的情况，即出现了光线交叉。
而另一方面，当u趋近于0时，v也趋近于0，即像点A、B、C、D、E会趋近于重合。越趋近于重合，即D和E越接近，则23E必然会大于23D，即不会出现光线交叉这是由图2b中的几何原理决定的。对于入射角越大的光线，球差的影响越显著。因此入射角（也是对发光点发出光的收集角）越大，对大角度光就越容易出现光线的交叉，因此收集角越大，发光点就应该放置在越靠近凸透镜组的地方使得u越小来避免光线交叉的出现。
图2b探讨了由球面凸透镜201和202组成的凸透镜组对于发光点203发出的光收集后发出光线23A-23E的情况，结论是只要发光点203放置在最近焦点fE以内的适当位置，就能够避免出射光线交叉。而以下图2c需要探讨的是平行光线入射后聚焦的情况。根据图2a可知，不同位置入射的平行光线产生不同位置的焦点，这些焦点集中于线段fAfE上。而发光点203位于fE以内，这就决定了任何平行光线都不可能直接聚焦于203上，近轴光线就更加不可能。
在凸透镜组的左侧光路前端，防止另一个凸透镜205，对于近轴平行光线241，如果没有凸透镜205，则会沿着图2c中虚线24A传播并聚焦于焦点fA，而经过凸透镜205的汇聚作用后会将其焦点提前，凸透镜205的汇聚作用越强（例如曲率越大），则焦点就越靠近凸透镜组。显然会出现一个合适的凸透镜205，使得近轴平行光线241聚焦于发光点203。
基于以上的原理，本实用新型提出以下激光光源的技术方案。
本实用新型提出的激光光源的结构示意图如图3所示。该激光光源包括用于发射激光321的激光发射源（图中未画出），第一汇聚装置305和第二汇聚装置，其中第一汇聚装置和第二汇聚装置都是球透镜或球透镜组且都有实焦点。具体来说，第一汇聚装置305就是球面凸透镜，第二汇聚装置是由球面凸透镜301和302组成的凸透镜组。当然，第一汇聚装置也可以是透镜组，第二汇聚装置也可以包括球面凹透镜，只要第二汇聚装置整体具有实焦点即可。为了表述方便，第二汇聚装置的面向第一汇聚装置的一侧称为其第一侧，背向第一汇聚装置的一侧称为其第二侧。
根据前述的光学知识，我们可以理解，到光轴不同距离的平行光线，入射于第二汇聚装置的第一侧口径内，将在第二汇聚装置的第二侧形成焦点，远离光轴的平行光线所对应焦点的焦距小于靠近光轴的平行光线所对应焦点的焦距，入射于第二汇聚装置第一侧口径边缘的平行光线对应于第二汇聚装置第二侧的最小焦距的焦点。
该激光光源还包括位于第二汇聚装置第二侧光轴上的荧光装置303，该荧光装置到第二汇聚装置的主面的距离小于第二汇聚装置第二侧的最小焦距。根据前述的光学知识可知，只要荧光装置位于合适的位置，且到主面的距离（物距u）足够小，就可以实现荧光装置发射的角度为A的光线经过第二汇聚装置出射后的出射角，大于等于任何发射角度小于A的光线经过第二汇聚装置出射后的出射角。其中A大于等于50度。这样可以保证荧光装置发射的角度在A以内的光线322，在经过第二汇聚装置收集后没有相互交叉，以保证光路后端的光学设计可以理想的实现其设计效果。而A大于等于50度至少50度以内所收集的光线能够达到设计目的，而50度以内能够收集到至少58%的光能量，这在很多应用中是足够好的。当然A越大则收集效率越高，但是需要注意的是，A越大则A所对应的出射光的出射角越大，这时系统会变得庞大。因此在实际设计中合理的选择A的值是很重要的。在实际操作中，发明人发现A选择60-65度是比较合适的。
另一方面，根据前述的光学知识可知，通过第一汇聚装置305的合理设计，第一汇聚装置305和第二汇聚装置相组合的光学系统，可以使得光轴附近的平行光线经过第一汇聚装置和第二汇聚装置后在第二汇聚装置第二侧产生的焦点位于荧光装置303上。激光321从光轴附近先后经过第一汇聚装置和第二汇聚装置后聚焦于荧光装置并使荧光装置303产生受激光322。
与图1所示的现有技术相比，本实施例的激光光源中使用了两片球面凸透镜301和302来取代非球面收集透镜组101和102，这样可以显著降低系统成本和显著地提高良率，同时并不影响后端光学系统的设计性能的实现。由于本实施例中两片球面凸透镜301和302并不能像图1中凸透镜101和102一样将收集到的光线全部准直，而是会发散，因此在激光的入射端配合使用的第一汇聚装置，能够使激光的聚焦点提前到荧光装置303，使得激发光斑足够小以实现理想的发光强度。
在本实施例中，激光321是从光轴附近入射于第一汇聚装置的，这是比较常见的设计。实际上这并不是的。因为即使激光321从远离光轴的区域入射，通过对第一汇聚装置设计，将激光321经过第一汇聚装置和第二汇聚装置的汇聚作用后聚焦于荧光装置。
在本实施例中，优选的，还包括位于第一汇聚装置和第二汇聚装置之间的波长分光装置304，用于以透射的方式引导激光321入射于荧光装置303同时以反射的方式引导受激光322出射。这样可以避免受激光322返回到激光发射源而造成的光损失。在本实施例中，激光采用蓝色激光，而荧光装置吸收蓝光并受激发射黄色光。波长分光装置是能够透射蓝光同时反射黄光的分光滤光片（波长分光装置的一种，当然也可以采用分光棱镜等光学元件）。波长分光装置304位于第一汇聚装置和第二汇聚装置的光路之间，这样不会有部分受激光在出射之前就不会经过第一汇聚装置的作用，从而保证后端光学系统的设计目标能够比较理想的实现。
当然，也可以采用另外一种方式来引导受激光与激光的光路分开。波长分光装置还可以以反射的方式引导激光入射于荧光装置同时以透射的方式引导受激光出射，例如波长分光装置采用反射蓝光同时透射黄光的分光滤光片，激光经过第一汇聚装置后先被波长分光装置反射，然后再入射于第二汇聚装置，并经过第二汇聚装置的作用后聚焦于荧光装置，而荧光装置发出的受激光可以透射波长分光装置而出射。本领域技术人员根据的描述就可以自行设计出这种方式，因为原理相同，只是元件放置的方位需要重新摆放，因此本实用新型不在赘述。
实际上，波长分光装置只是一种优选的方式，也可以采用其他的方式，例如在本实施例中，波长分光装置304可以换成中心开孔的反射镜，激光经过第一汇聚装置后穿过中心开孔入射于第二汇聚装置，而受激光经过第二汇聚装置收集后大部分会被中心孔周围的反射镜反射而出射，只有可很少部分从中心开孔透射而形成一定的光损失，这个小的光损失往往是可以接受的。这样设计的好处在于从荧光装置出射的部分剩余的激光也可以出射从而形成混合光出射。进一步的，反射镜还可以是弯曲的，这样在反射引导受激光出射的同时，还可以对光分布进行控制。在举一个例子。分光装置还可以是小反射镜，激光经过小反射镜反射后入射于第二汇聚装置，而受激光经过第二汇聚装置收集后从小反射镜周围透射出射。总之，分光装置只要起到将激光光路和受激光光路分开的目的即可。甚至，可以没有分光装置，受激光沿着激光光路返回，也只会在激光发射源上有一些损失，这个光损失也是可控的。
在本实施例中，优选的，还包括位于激光光路上的散射装置，用于将聚焦于荧光装置上的激光散射成一个光斑，以避免局部激光功率过高造成的荧光材料的烧毁。最常用的散射装置是散射片，当然还可以使用其他散射装置。这是现有技术，此处不赘述。
上述的激光光源，本实用新型还提出一种灯具，其结构示意图如图4a所示。该灯具包括上述的激光光源，还包括位于激光光源光路后端的发散装置406和准直装置407，激光光源发出的光422经过发散装置发散后入射于准直装置并形成平行光出射。发散装置406的用途是扩大光束，然后再经过准直装置407准直，这样所形成的的准直光的准直度较高。优选的，发散装置406是一片球面凹透镜，而准直装置407是一片非球面凸透镜。整个系统只使用了407这一片非球面透镜，使得成本较低，而且品质更有保证。
发散装置和准直装置相配合来实现更高的准直度，这本身属于现有技术。只是这种技术目前是应用于对平行光的扩束后再准直，例如应用于如图1所述的光源，即平行光先经过发散装置的扩束后再经过准直装置准直。本实用新型的激光光源配合这样的发散装置和准直装置，由于保证了光线没有相互交叉，因此在设计层面同样可以实现很好的准直。另一方面，由于本实用新型的激光光源的出射光422本身就是发散的，这样可以带来更好的调焦均匀性。现对此进行说明。
如图4a所示，发散装置406位于激光光源的出光口，这是通过对发散装置和准直装置的设计可以使得出射的准直光达到发散角最小、准直度最高的状态。而为了在实际应用中调焦（即使得出射光斑可大可小），该灯具还包括移动装置（图中未画出），用于使发散装置向远离激光光源出光口的方向移动。移动后的光路如图4b所示。在本实施例中，发散装置的有效口径大于激光光源的出光口的光斑口径。这样在发散装置移动后的光路中，由于激光光源发出的光是发散的，因此光线入射于发散装置的覆盖面更大，发散装置的受光口径更大，也就是发散装置更大直径的位置会发生作用，而在图4a所示的准直状态中更大直径的位置并没有发挥作用（因为没有光入射）。
如果入射光是平行光，则发散装置的移动就对应于虚焦点的移动，该虚焦点离开了准直装置的焦点，得到的出射光自然不再完全平行，这就是调焦的原理。但问题是，虚焦点的离焦所产生的部分发散的出射光所形成的的光斑不均匀，会中心暗四周亮，甚至形成亮环。这样调焦后的照明效果就不好。
而本实用新型中，发散装置的移动使得发散装置本身的受光面积也更大了，也就是发散装置更大直径的位置会发生作用，这就在虚焦点移动的同时，虚焦点被拉成了线，即不同的光线不再有同样的焦点，而是焦点位置不同。这等效于随着发散装置的移动，原来的虚焦点还在，同时产生了新的虚焦点，等效于原来的点光源变成了沿着光轴的线光源。这样自然也会使得经过准直装置的发散角变大，但是出射光的光斑就均匀得多。
优选的，发散装置406距离激光光源最远的位置，是激光光源发出的光填充满发散装置有效口径的位置。此时出射的准直光束的发散角最大，同时如果再继续移动，就会出现光射到发散装置外而不能收集造成光损失。
在前述的激光光源的基础上，本实用新型还提出一种发光装置，其结构示意图如图5所示。该发光装置包括两组前述的激光光源，在此称为第一激光光源和第二激光光源。
其中第一激光光源的激光发射源（图中未画出）发射的是第一激光422，第一激光是蓝色激光422，其荧光装置是第一荧光装置403，第一荧光装置403发射的受激光是黄光、黄绿光、橙光、红光或绿光424；第二激光光源的激光发射源（图中未画出）发射的是第二激光421，第二激光是紫色或紫外激光421，其荧光装置是第二荧光装置413，第二荧光装置发射的受激光423是蓝光。
第一激光光源和第二激光光源共用同一个波长分光装置404，该波长分光装置404反射紫色或紫外激光、透射蓝光且反射黄光到红光的波段。第一激光422透射该波长分光装置404并入射于第一荧光装置403，第一荧光装置403发射的受激光424被波长分光装置404反射；同时第二激光421被该波长分光装置404反射并入射于第二荧光装置413，第二荧光装置413发射的受激光423透射波长分光装置404，第一荧光装置和第二荧光装置发射的受激光423和424在波长分光装置404处合为一束并出射。
在本实施例中，第一激光光源和第二激光光源共用同一个第一汇聚装置405，第一激光光源的第二汇聚装置是球面凸透镜401和402组成的凸透镜组，第二激光光源的第二汇聚装置是球面凸透镜411和412组成的凸透镜组。利用第一激光和第二受激光都是蓝光，波长分光装置可以由第一激光光源和第二激光光源共用，这样的结构最为紧凑，而且也能够同时出射两种荧光的合光。例如同时出射蓝光和黄光的合光，既可以出射白光。
在本实用新型的另一个实施例中，同样道理的，第一激光光源和第二激光光源共用同一个波长分光装置，该波长分光装置透射紫色或紫外激光、反射蓝光且透射黄光到红光的波段，第一激光入射于该波长分光装置并被反射入射于第一荧光装置，第一荧光装置发射的受激光透射波长分光装置，同时第二激光透射该波长分光装置并入射于第二荧光装置，第二荧光装置发射的受激光被波长分光装置反射，第一荧光装置和第二荧光装置发射的受激光在波长分光装置处合为一束并出射。这只是将第一激光光源和第二激光光源的位置相颠倒。
图4a所示的灯具是基于一个激光光源的。同样道理，本实用新型还提出另一种基于上述发光装置的灯具，包括上述的发光装置，还包括位于发光装置光路后端的发散装置和准直装置，发光装置发出的光经过发散装置发散后入射于准直装置并形成平行光出射。发散装置位于靠近发光装置出光口的位置时，从准直装置出射的光束的发散角最小，即光束达到最准直的状态；发散装置的有效口径大于发光装置的出光口的光斑口径；还包括移动装置，用于使发散装置向远离发光装置出光口的方向移动。发散装置距离发光装置最远的位置，是发光装置发出的光填充满发散装置有效口径的位置。该灯具的工作原理与图4a和图4b所示的灯具完全相同，只是将图4a和图4b中的激光光源换成发光装置。
以上所述仅为本实用新型的实施例，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。