一种实现多通道合色光源的组合式方法与流程

本发明涉及一种实现多通道合色光源的组合式方法，尤其涉及一种半导体光源实现多通道多波段的组合式合色照明方法，属于照明技术领域。

背景技术：

近年来，各种半导体照明技术如led，半导体激光器，vcsel等蓬勃发展，为各种应用开辟了新的技术途径。半导体光源与传统白织灯，卤素灯，氙灯等光源相比，一个显著的特点是发射的光谱带宽较窄，属于单波段光源，这对荧光分析等应用带来了诸多的便利条件，但也对多波段合色光源提出了更高的要求，如更多照明波段，更高的输出功率等，目前市场上的半导体照明光源产品最多合色输出六个波段，不能满足一些应用场合对波段数量的要求，因此需要开发更多照明通道和照明波段的半导体合色照明光源产品。本发明的一种实现多通道合色光源的组合式方法，就是针对此问题的有效解决方案。

技术实现要素：

本发明提供一种多通道多波段合色光源的组合式方法，利用三种基本合色单元，组合方式灵活，自由度大，便于模块化，最多可实现十六通道十六波段的合色输出光源，能充分满足各种应用的照明需求。

现结合附图详细说明本发明的技术方案：

一种实现多通道合色光源的组合式方法，涉及三种用于组合的基本合色单元，分别是准直合色单元（1），中继合色单元（2），聚焦合色单元（3），准直合色单元（1）是将两个波段光准直后合色输出的合色单元，含第一发光源（11），第一准直镜组（12），第二发光源（13），第二准直镜组（14），准直合色镜（15），准直出瞳面（16），第一发光源（11）和第二发光源（13）是发射不同波段光的发光源，如半导体发光源led，半导体发光源ld等，第一准直镜组（12）和第二准直镜组（14）是分别对第一发光源（11）和第二发光源（13）发射的光进行准直的透镜或透镜组，准直出瞳面（16）是第一准直镜组（12）和第二准直镜组（14）共同的出瞳面，准直合色镜（15）是透射第一发光源（11）发射波段的光且反射第二发光源（13）发射波段的光的合色镜，是合色棱镜或平面合色镜，第一发光源（11），第一准直镜组（12），准直合色镜（15）和准直出瞳面（16）以光的传输方向依次排列，第二发光源（13），第二准直镜组（14），准直合色镜（15），准直出瞳面（16）以光的传输方向依次排列，第一准直镜组（12）的光轴与第二准直镜组（14）的光轴互相垂直且相交于准直合色镜（15）的反射面上，中继合色单元（2）是将准直光合色并聚焦的单元，含第一中继透镜（21），第二中继透镜（22），中继合色镜（23），第三中继透镜（24），第一中继入瞳面（25），第二中继入瞳面（26），中继聚焦面（27），第一中继透镜（21），第二中继透镜（22），第三中继透镜（24）都是聚焦正透镜，第一中继透镜（21）和第二中继透镜（22）分别与第三中继透镜（24）形成中继镜组，第一中继入瞳面（25）是第一中继透镜（21）与第三中继透镜（24）形成的中继镜组的入瞳面，第二中继入瞳面（26）是第二中继透镜（22）与第三中继透镜（24）形成的中继镜组的入瞳面，中继聚焦面（27）是两个中继镜组的共同的聚焦面，中继合色镜（15）是透射透过第一中继透镜（21）的光的波段范围反射透过第二中继透镜（22）的光的波段范围的合色镜，中继合色镜（15）是合色棱镜或平面合色镜，第一中继入瞳面（25），第一中继透镜（21），中继合色镜（23），第三中继透镜（24），中继聚焦面（27）以光的传输方向依次排列，第二中继入瞳面（26），第二中继透镜（24），中继合色镜（23），第三中继透镜（24），中继聚焦面（27）以光的传播方向依次排列，第一中继透镜（21）和第二中继透镜（22）的光轴互相垂直且相交于中继合色镜（23）的反射面上，聚焦合色单元（3）是实现最终合色，反馈探测及聚焦输出的单元，含聚焦合色镜（31），聚焦镜组（32），反馈探测器（33），透射聚焦入瞳面（34），反射聚焦入瞳面（35），聚焦面（36），聚焦镜组（32）是会聚涵盖所有发光源发光光谱范围的聚焦透镜组，透射聚焦入瞳面（34）和反射聚焦入瞳面（35）是聚焦透镜组的两个等效入瞳面，聚焦面（36）是聚焦镜组（32）的焦平面，聚焦合色镜（31）置于聚焦镜组（32）之前，是实现最终合色并将每个发光源发射的光按一定的比例（如1%）反射或透射到反馈探测器（33）上的合色镜，聚焦合色镜（31）是合色棱镜，平面合色镜，偏振合色棱镜和平面偏振合色镜之一，反馈探测器（33）是一种光电转换器件，如光电二极管，是利用光电转化效应实现输出功率调节和保持输出恒定的探测器，透射聚焦入瞳面（34），聚焦合色镜（31），聚焦镜组（32），聚焦面（36）以光的传播方向依次排列，反射聚焦入瞳面（35），聚焦合色镜（31），聚焦镜组（32），聚焦面（36）以光的传播方向依次排列，透射聚焦入瞳面（34）和反射聚焦入瞳面（35）的光轴互相垂直且相交于聚焦合色镜（31）的反射面上，透射聚焦入瞳面（34），聚焦合色镜（31），反馈探测器（33）以光的传播方向依次排列，反射聚焦入瞳面（34），聚焦合色镜（31），反馈探测器（33）以光的传播方向依次排列，其特征在于，所述的组合方法含两个步骤，首先形成三种组合式合色单元，采用基本合色单元中的准直合色单元（1）和中继合色单元（2）可组合成四通道合色单元（4），六通道合色单元（5），八通道合色单元（6），具体讲，采用两个准直合色单元（1）和一个中继合色单元（2）组合成四通道合色单元（4），组合的方法是以两个准直合色单元（1）的准直出瞳面（16）分别与中继合色单元（2）的第一入瞳面（25）和第二入瞳面（26）重合且共光轴的方式连接，四通道合色单元（4）的四通道输出面（41）就是中继合色单元（2）的中继聚焦面（27），四通道输出面（41）是四通道合色单元（4）的输出面，也是继续组合的连接面，采用一个准直合色单元（1）和一个四通道合色单元（4）与中继合色单元（2）组合成六通道合色单元（5），组合的方法是以准直出瞳面（16）和四通道输出面（41）分别与中继合色单元（2）的第一入瞳面（25）和第二入瞳面（26）重合且共光轴的方式连接，六通道合色单元（5）的六通道输出面（51）就是中继合色单元（2）的中继聚焦面（27），六通道输出面（51）是六通道合色单元（5）的输出面，也是继续组合的连接面，采用两个四通道合色单元（4）和中继合色单元（2）组合成八通道合色单元（6），组合的方法是以两个四通道合色单元（4）的四通道输出面（41）分别与中继合色单元（2）的第一入瞳面（25）和第二入瞳面（26）重合且共光轴的方式连接，八通道合色单元（6）的八通道输出面（61）就是中继合色单元（2）的中继聚焦面（27），八通道输出面（61）是八通道合色单元（6）的输出面，也是继续组合的连接面，理论上八通道合色单元（6）可继续组合成其他组合式合色单元，但考虑空间限制，不再继续组合，然后形成组合式多通道合色光源，即在准直合色单元（1），四通道合色单元（4），六通道合色单元（5），八通道合色单元（6）共四种合色单元中，任意选取两种或两个相同的合色单元与聚焦合色单元（3）组合，形成组合式多通道合色光源，共计十种组合方式，每种组合式多通道合色光源的组合方法都是以组合式合色单元的输出面或准直合色单元（1）的准直出瞳面（16）分别与聚焦合色单元（3）的透射入瞳面（34）和反射入瞳面（35）重合且共光轴的形式连接，聚焦合色单元（3）的聚焦面（36）就是组合式多通道合色光源的输出面。

本发明的技术方案的进一步技术特征在于，所述的组合式多通道合色光源的十种组合方式分别是，两个准直合色单元（1）与聚焦合色单元（3）组合成四通道合色光源，一个准直合色单元（1）和一个四通道合色单元（4）与聚焦合色单元（3）组合成六通道合色光源，一个准直合色单元（1）和一个六通道合色单元（5）与聚焦合色单元（3）组合成八通道合色光源，一个准直合色单元（1）和一个八通道合色单元（5）与聚焦合色单元（3）组合成十通道合色光源，两个四通道合色单元（4）与聚焦合色单元（3）组合成八通道合色光源，一个四通道合色单元（4）和一个六通道合色单元（5）与聚焦合色单元（3）可组合成十通道合色光源，一个四通道合色单元（4）和一个八通道合色单元（6）与聚焦合色单元（3）组合成十二通道合色光源，两个六通道合色单元（5）与聚焦合色单元（3）可组合成十二通道合色光源，一个六通道合色单元（5）与一个八通道合色单元（6）与聚焦合色单元（3）可组合成十四通道合色光源，两个八通道合色单元（6）与聚焦合色单元（3）组合成十六通道合色光源。

本发明的技术方案的进一步技术特征在于，所述的多通道合色光源采用的所有第一发光源（11）和第二发光源（12）都分别发射不同波段光谱的光，多通道合色光源输出的光谱波段数目与通道数一致。

本发明的技术方案的进一步技术特征在于，所述的多通道合色光源采用的两个合色单元的发光源具有两两相同的发射光谱波段，且发射相同光谱波段的发光源具有互相垂直的偏振态，具有相同发射光谱不同偏振态的发光源位于不同的合色单元，所述的聚焦合色镜（31）是偏振合色棱镜或平面偏振合色镜，每个发光源偏振态的方向符合偏振合色镜（31）的偏振合色特性，多通道合色光源输出的光谱波段数目是通道数的一半，每个波段输出的光功率倍增。

本发明的技术方案的进一步技术特征在于，通过去掉多通道合色光源中某一路发光源及对应的准直透镜组，可以自由组合出三个通道至十六个通道的组合式合色光源。

本发明的技术方案的进一步技术特征在于，所述的组合式合色单元，即四通道合色单元（4），六通道合色单元（5）和八通道合色单元（6）直接输出，分别作为四通道合色光源，六通道合色光源和八通道合色光源使用。

本发明的优点在于：

1、利用组合式方法形成多通道多波段合色光源，能实现最多十六种波段输出，有效丰富了半导体照明光源的光谱范围。

2、便于模块化，组合自由度高，方便形成不同通道，不同波段输出的半导体照明光源，且能实现反馈控制，能提高输出的稳定性。

附图说明

图1：本发明的三种基本合色单元结构示意图。

图2：本发明的组合式四通道合色单元（4）结构示意图。

图3：本发明的组合式六通道合色单元（5）结构示意图。

图4：本发明的组合式八通道合色单元（6）结构示意图。

图5：实施例一的组合式六通道六波段合色光源结构示意图。

图6：实施例二的组合式八通道四波段合色光源结构示意图。

图7：实施例三的组合式十二通道十二波段合色光源结构示意图。

图8：实施例四的组合式十六通道十六波段合色光源结构示意图。

具体实施方式

实施例一：本实施例具有与发明内容所述方法完全相同的方法，为避免重复，仅罗列关键数据。两个合色单元分别采用准直合色单元（1）和四通道合色单元（4），组合成六通道合色光源，六个发光源均采用单色led，波长各不相同，中心波长分别为365nm，450nm，525nm，560nm，620nm，660nm，输出的波段数量为六个，与通道数一致。

工作原理为：准直合色单元的两个发光源分别采用中心波长为365nm和450nm的led，第一发光源的中心波长为365nm，经第一准直镜准直后，入射到准直合色镜上，第二发光源的中心波长为450nm，经第二准直镜准直后，入射到准直合色镜上，准直合色镜透射第一发光源发射的光反射第二发光源发射的光，则365nm和450nm的光经准直合色镜后会聚到准直出瞳面上，同理，四通道合色单元的四个中心波长分别为525nm，560nm，620nm，660nm的波段的光也分别会聚到第一中继入瞳面和第二中继入瞳面上，分别经过第一中继合色镜和第二中继透镜，在中继合色镜上分别透射和反射，并经过第三中继透镜会聚到中继聚焦面上，中继聚焦面与聚焦合色组件的透射入瞳面重合，准直出瞳面与聚焦合色组件的反射入瞳面重合，则上述六种波段的光经过聚焦合色镜时，从准直合色单元发出的中心波长为365nm和450nm的光会反射，从四通道合色单元发出的中心波长为525nm，560nm，620nm，660nm波段的光会透射，上述六种波段的光都通过聚焦镜组会聚到聚焦面上，完成六通道六波段光的合色输出。同时，六种波段的光都有小比例光能量照射到反馈探测器上，利用反馈探测光与输出光进行标定，可以实现稳定输出，输出波动可以控制在1%以内。

实施例二：本实施例具有与发明内容所述方法完全相同的方法，为避免重复，仅罗列关键数据。两个合色单元均采用四通道合色单元（4），两个四通道合色单元（4）的发光源均采用激光器，具有两两相同的发射光谱，中心波长分别为450nm，561nm，635nm，780nm，具有相同发射光谱的发光源的发光偏振方向互相垂直，且通过合色镜（31）反射的发光源的偏振方向相对合色镜（31）为s偏振光，通过合色镜（31）透射的发光源的偏振方向相对合色镜为p偏振光，合色镜（31）是偏振合色棱镜，输出的波段数量为四个，是通道数的一半。

工作原理：两个四通道合色单元的合色原理与实施例一类似，这里不展开，由于两个四通道合色单元具有相同的发射光谱，且偏振态符合偏振合色棱镜的偏振合色特性，s态偏振会反射，p态偏振会透射，这样对应相同波段的光也通过偏振合色棱镜完成合光，这样就实现了八个通道四个波段的输出，并且不会增加系统的光学扩展量，这样从聚焦透镜输出的每个波段的光能量都能增加一倍，解决某些应用照明强度不够的问题。

实施例三：本实施例具有与发明内容所述方法完全相同的方法，为避免重复，仅罗列关键数据。两个合色单元均采用六通道合色单元（5），组合成十二通道合色光源，十二个发光源均采用单色led，发射波长各不相同，中心波长分别为360nm，385nm，415nm，465nm，490nm，515nm，560nm，585nm，620nm，660nm，780nm，810nm，输出的波段数量为十二个，与通道数一致。

本实施例的工作原理与实施例一类似，不再赘述。

实施例四：本实施例具有与发明内容所述方法完全相同的方法，为避免重复，仅罗列关键数据。两个合色单元均采用八通道合色单元（6），组合成十六通道合色光源，十六个发光源部分采用单色led，部分采用激光器，波长各不相同，采用led的发光源的发射中心波长分别为360nm，385nm，415nm，450nm，475nm，520nm，550nm，585nm，620nm，660nm，采用激光器的发光源发射中心波长分别为690nm，750nm，780nm，810nm，830nm，880nm，输出的波段数量为十六个，与通道数一致。

本实施例的工作原理与实施例一类似，不再赘述。

本发明的技术方案，适宜应用于多通道的照明光源中，特别适宜应用于光学扩展量受限的照明系统中，做多波段照明光源用。