一种大功率激光照明装置及设计方法与流程

1.本发明属于照明装置技术领域，具体涉及一种大功率激光照明装置及设计方法。


背景技术：

2.激光照明的发光面积更小，发光效率更高，感官上更容易聚焦且照射距离更远，因此，激光照明装置可以广泛应用于汽车车头灯及其他领域。激光照明装置通常包括灯筒，设置在灯筒中的激光光源、调焦机构等结构。
3.激光光源偏离焦点就会出现散射，越接近焦点，发散角越小，光线平行射出时，光能得到最大限度的聚集，因此，如何使光线近似平行地射出，使能量得到最大限度的汇聚，是激光照明装置目前需要解决的问题之一。同时，工作过程中，激光光源会产生非常集中的热量，如果产生的热量不被及时转移分散，一段时间后会造成光源的损坏。而目前的激光照明装置散热性能不佳，无法迅速将光源产生的热量分散，导致照明装置的使用寿命缩短。此外，具体应用中，需要调节激光照明装置的照射方向或角度，如何实现激光照明装置的照射方向及角度的灵活调节，也是目前需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是提供一种大功率激光照明装置，设有调焦装置，可通过调节透镜的位置，使光源处发射的光线经过透镜后近似平行地射出，能量得到最大限度的汇聚；散热装置采用相变热管加鳍片强制散热装置，利用热管主动高效散热，同时与石墨材料的横向高导热特点相结合，大大降低激光芯片的工作结温，提高了光功率密度。
5.为了解决上述问题，本发明提供一种大功率激光照明装置，包括：
6.灯筒；
7.云台，所述云台的顶部与所述灯筒的底部连接，所述云台用于使所述灯筒进行方位转动和/或俯仰转动；
8.激光光源，设于所述灯筒中；
9.第一透镜，设于所述灯筒中，并位于所述激光光源的前端，所述第一透镜与所述激光光源同轴设置；
10.调焦装置，所述调焦装置设于所述灯筒中，并位于所述激光光源的前端，所述调焦装置包括直线导轨、透镜安装支架和驱动装置，所述第一透镜设于所述透镜安装支架上，所述透镜安装支架可移动的设于所述直线导轨上，所述驱动装置用于驱动所述透镜安装支架沿所述直线导轨移动，所述直线导轨设于所述灯筒的内壁上，所述直线导轨的方向与所述第一透镜的轴线平行；
11.散热装置，所述散热装置设于所述灯筒中，所述散热装置包括散热器和风扇；所述散热器包括基板、热管和鳍片；所述基板为石墨材质，所述基板与所述激光光源的散热面贴合，所述热管贯穿所述基板、所述鳍片，将所述基板与所述鳍片连接；所述风扇位于所述激光光源的后端。
12.优选地，所述云台包括：
13.云台底座；
14.水平机构，可绕方位轴转动的设于所述云台底座上；
15.方位传动机构，设于所述云台底座与所述水平机构之间，包括第一涡轮蜗杆传动装置、第一电机、第一电机驱动单元，所述第一电机驱动单元控制所述第一电机驱动所述第一涡轮蜗杆传动装置的转动，从而控制所述水平机构相对于所述云台底座进行方位转动；
16.灯筒支架，可绕俯仰轴进行俯仰转动的设于所述水平机构上；
17.俯仰传动机构，设于所述水平机构与所述灯筒支架之间，包括第二涡轮蜗杆传动装置、第二电机、第二电机驱动单元，所述第二电机驱动单元控制所述第二电机驱动所述第二涡轮蜗杆传动装置的转动，从而控制所述灯筒支架相对于所述水平机构进行俯仰转动；
18.所述大功率激光照明装置还包括主控板，所述第一电机驱动单元、所述第二电机驱动单元分别与所述主控板电连接。
19.优选地，所述云台还包括方位转动硬限位机构、俯仰转动硬限位机构；
20.所述方位转动硬限位机构包括设于所述方位轴的末端的第一限位柱、设于所述云台底座上的滑道、滑动设于所述滑道的两端的滑块和与所述滑块连接的复位弹簧；所述方位轴旋转到限位角度时，所述第一限位柱撞击所述滑块，至所述滑块滑至所述滑道的尽头，所述滑块停止滑动，所述第一限位柱被所述滑块阻止不能继续原方向旋转，所述第一限位柱反方向旋转后，所述滑块在所述复位弹簧的作用下回到初始位置；
21.所述俯仰转动硬限位机构包括对称设于所述俯仰轴的圆柱面上的第二限位柱和第三限位柱；所述俯仰轴的俯仰转动到极限位置时，所述第二限位柱或所述第三限位柱与所述水平机构的非运动部分接触，阻挡所述俯仰轴继续原方向转动。
22.优选地，所述云台还包括方位转动电气限位机构、俯仰转动电气限位机构：
23.所述方位转动电气限位机构包括设置在所述滑道的两端的第一接近开关，所述第一接近开关与所述主控板电连接；当所述滑块与所述第一接近开关的距离达到阈值时，所述主控板接收所述第一接近开关发送的信号，并通过所述第一电机驱动单元控制所述第一电机，使所述水平机构停止原方向转动；
24.所述俯仰转动电气限位机构包括设于所述俯仰轴上的接近开关感应片和对称设于所述水平机构的非运动部分上的第二接近开关，所述第二接近开关与所述主控板电连接；当所述俯仰轴转动到极限位置时，所述接近开关感应片与所述第二接近开关靠近，所述主控板接收所述第二接近开关发送的信号，并通过所述第二电机驱动单元控制所述第二电机，使所述灯筒支架停止原方向转动。
25.优选地，所述驱动装置包括：
26.滚珠丝杠，平行于所述直线导轨设置，所述透镜安装支架通过螺母设置在所述滚珠丝杠上，所述螺母与所述滚珠丝杠螺纹配合；
27.调焦电机，所述调焦电机的输出端与所述滚珠丝杠的一端连接；
28.调焦电路控制单元，与所述调焦电机、所述主控板分别电连接。
29.优选地，所述灯筒的底部设有防水透气阀；所述防水透气阀包括阀体、透气薄膜、薄膜防护盖和密封圈；所述阀体中设置透气薄膜；所述阀体的一端设有外螺纹，适于与所述灯筒上的内螺纹配合，所述密封圈设于所述外螺纹的根部；所述阀体的另一端设置薄膜防
第一透镜；5-直线导轨；6-透镜安装支架；7-滚珠丝杠；8-防水透气阀；9-进线孔；10-防水填料函；11-第二透镜；12-风扇；13-散热器。
具体实施方式
47.下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.实施例1
49.如图1、图2、图3所示，本实施例的一种大功率激光照明装置，包括：
50.灯筒1；
51.云台2，云台2的顶部与灯筒1的底部连接，云台2用于使灯筒1进行方位转动和/或俯仰转动；
52.激光光源3，设于灯筒1中；
53.第一透镜4，设于灯筒1中，并位于激光光源3的前端，第一透镜4与激光光源同轴设置；
54.调焦装置，调焦装置设于灯筒1中，并位于激光光源3的前端，调焦装置包括直线导轨5、透镜安装支架6和驱动装置，第一透镜4设于透镜安装支架6上，透镜安装支架6可移动的设于直线导轨5上，驱动装置用于驱动透镜安装支架6沿直线导轨5移动，直线导轨5设于灯筒1的内壁上，直线导轨5的方向与第一透镜4的轴线平行；
55.散热装置，散热装置设于灯筒1中，散热装置包括散热器13和风扇12；散热器13包括基板、热管和鳍片；基板为石墨材质，基板与激光光源的散热面贴合，热管贯穿基板、鳍片，将基板与鳍片连接；风扇12位于激光光源3的后端。
56.根据凸透镜的光学性质，当光源中心位于透镜的焦点f处时，光源在焦点发出的光线经透镜后光线平行射出，在这种情况下，光能得到最大限度的聚集。若光源不在透镜的焦点处，此时光源发出的光线经过透镜后向各个方向发散的射出，能量得不到汇聚。在实际系统中再小的光源也有一定的体积，可以将它看作是无数个点光源，分布在焦点区域，有一点在焦点，其他在焦点的上下左右，而且散布距离不同。总之，点光源偏离焦点就会出现散射，越接近焦点，发散角越小。
57.为了避免这种现象的发生，本实施例的大功率激光照明装置，光源前端设置有调焦装置，在灯筒内壁设置直线导轨，透镜安装支架可移动设置在直线导轨上，在驱动装置的驱动下透镜安装支架带动第一透镜沿直线导轨前后移动，从而调节第一透镜的位置，使它能够连续光源与焦点的连线方向上前后相对运动，从而可将光源的中心调节置于第一透镜的焦点处，最终使光源处发射的光线经过透镜后近似平行地射出，能量得到最大限度的汇聚。
58.大功率激光光源散热的难点在于如何将光源部分非常集中的热量迅速扩散到散热器上并保证散热器各点温度的均匀性以增加散热器的利用率。本实施例的大功率激光照明装置，散热系统针对激光光源特点，采用相变热管加鳍片强制散热装置，实现热管主动高效散热，同时利用石墨材料的横向高导热特点，形成热的快速导热路径。利用热管主动高效
散热，石墨横向极好的导热性能相结合，大大降低激光光源的工作结温，提高了光功率密度，缩小灯具体积，而且减小了散热器体积，使灯具重量大大减小。此外还设有风扇，可对光源部分进行被动散热。
59.作为一种优选的实施方式，如图3所示，云台2包括：
60.云台底座21；
61.水平机构22，可绕方位轴转动的设于云台底座21上；
62.方位传动机构，设于云台底座21与水平机构22之间，包括第一涡轮蜗杆传动装置、第一电机、第一电机驱动单元，第一电机驱动单元控制第一电机驱动第一涡轮蜗杆传动装置的转动，从而控制水平机构相对于云台底座进行方位转动；
63.灯筒支架23，可绕俯仰轴进行俯仰转动的设于水平机构22上；
64.俯仰传动机构，设于水平机构与灯筒支架之间，包括第二涡轮蜗杆传动装置、第二电机、第二电机驱动单元，第二电机驱动单元控制第二电机驱动第二涡轮蜗杆传动装置的转动，从而控制灯筒支架相对于水平机构进行俯仰转动；
65.大功率激光照明装置还包括主控板，第一电机驱动单元、第二电机驱动单元分别与主控板电连接。
66.主控板通过第一电机驱动单元、第二电机驱动单元控制第一电机、第二电机，驱动第一涡轮蜗杆传动装置、第二涡轮蜗杆传动装置的转动，实现灯筒的方位转动和俯仰转动。云台采用涡轮蜗杆传动装置实现灯筒的方位转动、俯仰转动功能，涡轮蜗杆传动具有传动比大，工作较平稳，噪声低，结构紧凑，可实现无级锁止的优点。
67.作为一种优选的实施方式，云台底座21、水平机构22、灯筒支架23选用铝合金材质，外表面钝化后烤漆处理。进一步地，云台外壳，即云台底座、水平机构、灯筒支架选用铝合金6061，表面采用天津灯塔牌防护漆，耐盐雾，抗腐蚀。
68.作为一种优选的实施方式，第一涡轮蜗杆传动装置、第二涡轮蜗杆传动装置选用钢制材料磨制而成，并作消间隙处理，以达到高精度转动控制。
69.作为一种优选的实施方式，第一电机、第二电机采用高精度步近电机，第一电机驱动单元、第二电机驱动单元采用步近电机驱动单元来实现涡轮蜗杆的转动。
70.作为一种优选的实施方式，如图5所示，第一电机、第二电机的伺服控制原理为：摇杆通过rs422串口获取后，发送给伺服控制模块，伺服控制模块对数据进行解析，并转换成pwm信号发送给驱动器，驱动器驱动电机到制定位置，电机轴后面带编码器，形成闭环控制。
71.作为一种优选的实施方式，灯筒1的外壳选用铝合金6061拼接而成，防护等级满足ip66要求，表面采用天津灯塔牌防护漆，耐盐雾，抗腐蚀。
72.作为一种优选的实施方式，激光光源选用大功率、高功率密度的激光光源。
73.作为一种优选的实施方式，透镜安装支架6选用6063铝材整体切割而成。
74.作为一种优选的实施方式，云台的水平转速达20
°
/秒，垂直旋转速度10
°
/秒，加速度30
°
/s2。
75.作为一种优选的实施方式，基板与激光光源的贴合面上涂抹有导热硅脂。
76.具体地，激光光源有两个散热面，从外形上看分为一大一小两个面，大面：激光器面，热功率220w；小面：热功率60w，在两个散热面上均安装散热器。
77.作为一种优选的实施方式，云台2还包括方位转动硬限位机构、俯仰转动硬限位机
构；
78.方位转动硬限位机构包括设于方位轴的末端的第一限位柱、设于云台底座21上的滑道、滑动设于滑道的两端的滑块和与滑块连接的复位弹簧；方位轴旋转到限位角度时，第一限位柱撞击滑块，至滑块滑至滑道的尽头，滑块停止滑动，第一限位柱被滑块阻止不能继续原方向旋转，第一限位柱反方向旋转后，滑块在复位弹簧的作用下回到初始位置；
79.俯仰转动硬限位机构包括对称设于俯仰轴的圆柱面上的第二限位柱和第三限位柱；俯仰轴的俯仰转动到极限位置时，第二限位柱或第三限位柱与水平机构22的非运动部分接触，阻挡俯仰轴继续原方向转动。
80.作为一种优选的实施方式，云台2还包括方位转动电气限位机构、俯仰转动电气限位机构：
81.方位转动电气限位机构包括设置在滑道的两端的第一接近开关，第一接近开关与主控板电连接；当滑块与第一接近开关的距离达到阈值时，主控板接收第一接近开关发送的信号，并通过第一电机驱动单元控制第一电机，使水平机构22停止原方向转动；
82.俯仰转动电气限位机构包括设于俯仰轴上的接近开关感应片和对称设于水平机构22的非运动部分上的第二接近开关，第二接近开关与主控板电连接；当俯仰轴转动到极限位置时，接近开关感应片与第二接近开关靠近，主控板接收第二接近开关发送的信号，并通过第二电机驱动单元控制第二电机，使灯筒支架23停止原方向转动。
83.云台的方位转动、俯仰转动采用接近传感器进行限位，采用非接触式的接近传感器，控制精度高，传感器寿命长。
84.本实施例的大功率激光照明装置，采用了硬限位和电气限位双重限位保护的功能，可靠性更高。
85.灯筒支架23根据实际要求进行动态设计，考虑到接近限位开关行程间隙和灯筒1的重心，作为一种优选的实施方式，将灯筒支架23连接接于靠后端210mm处，实现灯光俯仰角度不小于
±
20
°
的范围稳定可靠转动。
86.作为一种优选的实施方式，云台底座21的底部设有法兰，法兰面设计成圆形，均布4个安装孔，法兰面厚度为10mm。
87.作为一种优选的实施方式，调焦装置中，驱动装置包括：
88.滚珠丝杠7，平行于直线导轨5设置，透镜安装支架6通过螺母设置在滚珠丝杠7上，螺母与滚珠丝杠螺纹配合；
89.调焦电机，调焦电机的输出端与滚珠丝杠7的一端连接；
90.调焦电路控制单元，与调焦电机、主控板分别电连接。
91.作为一种优选的实施方式，直线导轨为多个，平行设置。
92.作为一种优选的实施方式，灯筒1的底部设有防水透气阀8，防水透气阀包括阀体、透气薄膜、薄膜防护盖和密封圈；阀体中设置透气薄膜；阀体的一端设有外螺纹，适于与灯筒上的内螺纹配合，密封圈设于外螺纹的根部；阀体的另一端设置薄膜防护盖，薄膜防护盖为圆柱帽的外形，圆柱面上设置多个透气孔，中间部分为六角螺栓的螺帽样，方便扳手拧紧。设备安装在户外较恶劣的环境，为保障强光设备的使用寿命，在灯筒下方设计防水透气阀，平衡灯具内外压差，提高强光设备的可靠性。
93.作为一种优选的实施方式，该大功率激光照明装置还包括配电箱，主控板、第一电
机驱动单元、第二电机驱动单元、调焦电路控制单元设于配电箱中。
94.作为一种优选的实施方式，第一电机驱动单元、第一电机、主控板之间通过云台控制电缆连接，第二电机驱动单元、第二电机、主控板之间通过云台控制电缆连接。
95.作为一种优选的实施方式，该大功率激光照明装置还包括显控装置，显控装置与主控板电连接。
96.作为一种优选的实施方式，云台上设有进线孔9，进线孔9中设有防水填料函10。云台进线孔均设计成防水填料函结构，既能够使电缆进线位置密封处理，又能够牢固的固定电缆。具体地，进线孔可以设置在水平机构上或云台底座上。
97.作为一种优选的实施方式，该大功率激光照明装置还包括：
98.温度感应装置，设于灯筒1内，温度感应装置、风扇分别与主控板电连接，主控板用于接收温度感应装置监测的灯筒内的温度信号，根据监测到的灯筒内的温度信号与设定阈值的比较，控制风扇的开关。本实施例的大功率激光照明装置，灯筒内设有温度感应装置，根据周围环境温度变化进行主动散热或进入被动散热，当环境温度超过设定阈值时，风扇开启进行自主散热，当温度低于阈值时，风扇关闭，这样灵活的进行温度的控制反馈，从而节约电能，增加散热装置的使用寿命。
99.作为一种优选的实施方式，该大功率激光照明装置还包括：
100.第二透镜11，设于透镜安装支架6上，位于第一透镜4的前端，且与第一透镜4同轴设置；第二透镜11与激光光源之间的相对位置固定。
101.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。