技术摘要：
本发明提供了一种激光发光装置，其特征在于，包括激光光源、偏振分光器、波片、聚光元件、波长转换装置、聚光零件。本发明提供的一种激光发光装置，具有亮度高、光学扩展量小、结构简单、光斑均匀、工作寿命长、效率高等特点。本发明可适用于需要高光照强度和小光学扩  全部
背景技术：
激光作为理想的点光源，具有光学扩展量小、寿命长且不含汞等优点。由它作为光 源，激发荧光体可以产生彩光或者白光，同时配合使用光学元件，可以得到理想的具有较小 光学扩展量的发光装置。 现有的偏振分光式激光发光装置有两种方案：多色荧光轮方案和单色荧光轮方 案。在多色荧光轮方案中，使用的波长转换装置为动态的荧光轮且荧光轮上有不同的扇区， 这些扇区分别为漫反射扇区和单个或多个荧光体扇区，如图1和图2所示，图1为有2个不同 扇区的荧光轮(其中：B为蓝光漫反射扇区、Y为黄色荧光体扇区)，图2为有3个不同扇区的荧 光轮(其中：B为蓝光漫反射扇区、R为红色荧光体扇区、G为绿色荧光体扇区)。当蓝色激光射 入荧光轮且荧光轮旋转至漫反射扇区时，蓝光被反射回原光路，当蓝色激光射入荧光轮且 荧光轮旋转至荧光体扇区时，蓝光可以激发扇区上的荧光体，从而产生受激光(比如黄光)， 黄光自荧光轮也射回原光路，然后通过荧光轮的高速旋转，可以使得黄光和蓝光交替而出， 由于荧光轮的旋转速度非常快，黄光和蓝光交替的频率也就非常高，并且由于人眼无法识 别高于一定频率的颜色变化，而会自行把这些颜色进行混合，因此人们看到的颜色就是蓝 光和黄光的混合光，也就是白光。这种方案的优点在于光路设计简单，因为各个不同颜色的 光线都会自荧光轮射回同一光路，所以通常只需单个光路就能实现白光的输出。但这种方 式也有很大的缺陷，比如当使用高帧频照相机或高帧频摄像机拍摄或录制时，就可能会记 录下蓝光和黄光交替的情况，因此会在视频中看到蓝光和黄光交替出现的类似某种频闪的 现象。而在大多数的舞台照明场合中，一般都会有演出节目的录制，这样就会使用到摄像 机，而这种不同颜色交替出现的情况也可能会被记录下来，这是让人无法接受的。又比如有 些人的视觉系统可以感知到的颜色变化的频率高于常人所能感知到的颜色变化的频率，这 样他们也会看到蓝光和黄光交替变化，这也是让人无法接受的。为了解决这一问题，人们一 般采用单色荧光轮方案，它和多色荧光轮方案的区别在于荧光轮上没有不同的扇区，而只 有一个荧光区，它受激后会发出某一种颜色的光线，因此需另增加一路或多路光线来和其 一起混合成白光。例如，当蓝色激光射入荧光轮的荧光体区时，蓝光可以激发荧光轮上的荧 光体，使之产生受激光(比如黄光)，黄光自荧光轮射回原光路，然后和另一路的蓝光混合成 为白光并输出。单色荧光轮方案虽然可以避免发生不同颜色的光线交替出现的情况，但其 光路会变得更加复杂，通常无法通过单个光路来实现，而需要另增加一路或多路光路，然后 通过混光来实现白光的输出。而且单色荧光轮方案对不同颜色的光线的混光有着较高的要 求，特别是对混光部分的光学设计和制造精度的要求都非常高，如果处理不好的话，会有混 4 CN 111578165 A 说　明　书 2/9 页 光不佳、颜色存在差异等问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：避免现有的多色荧光轮方案由于使用多个不同扇区 的荧光轮而导致的不同颜色的光线交替出现的情况，同时避免现有单色荧光轮方案中相对 较为复杂的多个光路的结构。 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种激光发光装置，其既保 持了简单的光路结构，同时又不会有不同颜色的光交替出现的情况，其特征在于，包括激光 光源、偏振分光器、波片、聚光元件、波长转换装置、聚光零件。 激光光源射出的激光光线包含有相对于偏振分光器的入射面为S偏振光或P偏振 光的第一色光线，第一色光线由激光光源内部的一个或多个激光器产生。所有这些激光器 可以随机放置或放置成阵列。这些激光器发出中心波长在λ1～λ2之间的光线，它能够激发波 长转换装置。 将偏振分光器与波长转换装置之间的光路定义为第一光路，其中： 偏振分光器使波长在λ1～λ2之间且相对于其入射面为S偏振光的光线反射、使波长 在λ1～λ2之间且相对于其入射面为P偏振光的光线透射、使波长长于λ2的可见光光线透射或 反射。偏振分光器可以是立方体型或者是平板型的，它会根据入射光线的波长和偏振方向， 使其发生反射或透射。激光光源发出的包含有相对于偏振分光器的入射面为S偏振光或P偏 振光的第一色光线射向偏振分光器，偏振分光器可以反射在某波长范围内的S偏振光、透射 在某波长范围内的P偏振光。 具体而言，当偏振分光器使波长长于λ2的可见光光线透射时： 激光光源发出包含有相对于偏振分光器的入射面为S偏振光的第一色光线，第一 色光线的中心波长在λ1～λ2之间，且它能够激发波长转换装置，激光光源发出的第一色光线 射向偏振分光器。 偏振分光器将相对于其入射面为S偏振光且波长在λ1～λ2之间的第一色光线反射 入第一光路。 聚光元件位于第一光路上，用于将自偏振分光器反射入第一光路的第一色光线汇 聚至波长转换装置，同时用于将自波长转换装置反射入第一光路的光线进行准直后沿第一 光路射向偏振分光器。 波长转换装置是反射式的，波长转换装置吸收自偏振分光器反射入第一光路的部 分第一色光线后，受激产生第二色光线且该第二色光线的中心波长长于第一色光线的中心 波长，第二色光线与未被波长转换装置吸收的第一色光线自波长转换装置沿第一光路射向 偏振分光器。 本发明中的波长转换装置的一种常规结构包括反射衬底和设置在反射衬底上的 波长转换材料。波长转换装置是静态的或动态的。当波长转换装置是动态的装置时，波长转 换装置为可旋转的荧光轮且该荧光轮上仅有能反射光线的荧光体区。荧光体区可以只有一 个，此时该荧光体区受激产生第二色光线，同时荧光体区也可以反射未被波长转换装置吸 收的第一色光线。也可以在物理上将荧光体区分隔为两个或者两个以上，但应当注意的是， 所有荧光体区都受激产生同一色的光线，即第二色光线。 5 CN 111578165 A 说　明　书 3/9 页 波片位于第一光路上，用于使得自波长转换装置沿第一光路到达偏振分光器的未 被波长转换装置吸收的第一色光线的偏振方向不同于自偏振分光器反射入第一光路的第 一色光线的偏振方向。 自波长转换装置沿第一光路到达偏振分光器的光线经偏振分光器透射后射向聚 光零件，光线经聚光零件收敛后从激光发光装置射出。 当偏振分光器使波长长于λ2的可见光光线反射时： 激光光源发出包含有相对于偏振分光器的入射面为P偏振光的第一色光线，第一 色光线的中心波长在λ1～λ2之间，且它能够激发波长转换装置，激光光源发出的第一色光线 射向偏振分光器。 偏振分光器将相对于其入射面为P偏振光且波长在λ1～λ2之间的第一色光线透射 入第一光路。 聚光元件位于第一光路上，用于将自偏振分光器透射入第一光路的第一色光线汇 聚至波长转换装置，同时用于将自波长转换装置反射入第一光路的光线进行准直后沿第一 光路射向偏振分光器。 波长转换装置是反射式的，波长转换装置吸收自偏振分光器透射入第一光路的第 一色光线后，受激产生第二色光线且该第二色光线的中心波长长于第一色光线的中心波 长，第二色光线与未被波长转换装置吸收的第一色光线自波长转换装置沿第一光路射向偏 振分光器。 本发明中的波长转换装置的一种常规结构包括反射衬底和设置在反射衬底上的 波长转换材料。波长转换装置是静态的或动态的。当波长转换装置是动态的装置时，波长转 换装置为可旋转的荧光轮且该荧光轮上仅有能反射光线的荧光体区。荧光体区可以只有一 个，此时该荧光体区受激产生第二色光线，同时荧光体区也可以反射未被波长转换装置吸 收的第一色光线。也可以在物理上将荧光体区分隔为两个或者两个以上，但应当注意的是， 所有荧光体区都受激产生同一色的光线，即第二色光线。 波片位于第一光路上，用于使得自波长转换装置沿第一光路到达偏振分光器的未 被波长转换装置吸收的第一色光线的偏振方向不同于自偏振分光器透射入第一光路的第 一色光线的偏振方向。 自波长转换装置沿第一光路到达偏振分光器的光线经偏振分光器反射后射向聚 光零件，光线经聚光零件收敛后从激光发光装置射出。 优选地，所述激光光源内包含激光器及准直元件： 激光器发出的光线为线偏振光； 准直元件可以集成于激光器内部，当所采用的激光器内部未集成准直元件时，也 可以在激光器外增设准直元件(例如：准直透镜)，准直元件用于准直光线。 优选地，所述激光光源内还包含透镜组，用来缩小光束，所有由所述激光器产生的 光线射入透镜组，自透镜组透射出的第一色光线为所述激光光源发出的第一色光线。 除上文指出的激光器、透镜组、准直元件外，激光光源内部也可以包含其它光学元 件(比如反射镜)，这些光学元件可以用来收集从激光器发射出的光线，使其射向偏振分光 器。 优选地，所述聚光元件由至少一个具有准直特性的光学元件构成，比如透镜或复 6 CN 111578165 A 说　明　书 4/9 页 合抛物面聚光器或锥形导光柱构成，或由上述提到的光学元件之间的任意组合构成。 优选地，所述聚光零件由至少一个第一透镜构成，用来使原本平行或发散的光线 收敛后射出。 优选地，所述激光光源与所述偏振分光器之间设有匀光装置，用于均匀从所述激 光光源射出的第一色光线。匀光装置可以是扩散片、复眼透镜组、导光柱或其它具有匀光功 能的光学元件，它可以使得汇聚于所述波长转换装置上的激光光斑均匀化，从而使得所述 波长转换装置上的波长转换材料不易被激光光线烧坏并且可以提高波长转换材料的效率。 优选地，所述激光光源与所述匀光装置之间或所述匀光装置与所述偏振分光器之 间设有第二透镜，用于收敛自所述激光光源射向所述偏振分光器的第一色光线。使用第二 透镜可以使得汇聚于所述波长转换装置上的激光光斑变大，从而使得所述波长转换装置上 的波长转换材料不易被激光光线烧坏并且可以提高波长转换材料的效率。同时第二透镜也 可以收敛因使用所述匀光装置而发散的第一色光线，从而减少由于光线发散而导致的光 损。 优选地，所述聚光元件与所述波长转换装置之间设有导光柱，用于均匀自所述偏 振分光器射向所述波长转换装置的第一色光线。 优选地，所述导光柱为实心结构的导光柱，或为空心结构的导光柱。 优选地，还包括用于激光光源和/或波长转换装置散热的散热器。 本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的激光发光装置在娱乐照明系统中 的应用。 为了引用和清楚起见，对本发明中使用的技术名词说明如下： 波长转换材料：波长转换材料可以采用磷光材料或荧光材料。比如磷光粉、荧光 粉、荧光陶瓷、发光晶体、闪烁晶体等等。 激发光：能够激发波长转换材料，使得波长转换材料产生波长更长的光。 受激光：波长转换材料受激发光激发而产生的光。 基于上述对技术名词的说明，本发明的工作原理及工作过程为： 本发明通过使用偏振分光器，把激光光源发出的包含有相对于偏振分光器的入射 面为S偏振光或P偏振光的第一色光线通过反射或透射的方式使其射入第一光路。偏振分光 器会反射在某波长范围内的S偏振光、透射在某波长范围内的P偏振光。第一光路中，第一色 光线经聚光元件汇聚于波长转换装置，第一色光线激发波长转换装置上的波长转换材料， 使其发出第二色光线，第二色光线与未被波长转换装置吸收的第一色光线一起自波长转换 装置射回第一光路，并经聚光元件准直之后返回偏振分光器，第一光路中设有波片，在此过 程中，未被波长转换装置吸收的第一色光线两次通过波片，因此其偏振方向发生改变。第一 光路的第一色光线和第二色光线经偏振分光器透射或反射后射向聚光零件，经聚光零件收 敛后从激光发光装置射出。 现有技术中，在和本发明类似的单光路(对应本发明中的第一光路)结构中，波长 转换装置采用的都是有多个扇区的可高速旋转的动态荧光轮，其中扇区一般分为漫反射扇 区和荧光体扇区。漫反射扇区可以反射入射的激发光(比如蓝光)，而荧光体扇区可以把激 发光转化成其他颜色的受激光(比如黄光)。蓝光和黄光自荧光轮射回原光路，然后通过荧 光轮的高速旋转，可以使得黄光和蓝光交替而出，由于荧光轮的旋转速度非常快，黄光和蓝 7 CN 111578165 A 说　明　书 5/9 页 光交替的频率也就非常高，并且由于人眼无法识别高于一定频率的颜色变化，而会自行把 这些颜色进行混合，从而人们看到的颜色就是蓝光和黄光的混合光，也就是白光。此结构的 缺陷在于在某些情况下，黄光和蓝光的交替出现会被观察到，这是让人无法接受的。为了解 决这一问题，一般的常规方式是使用没有不同扇区的荧光轮，由于在荧光轮上只有一个荧 光区，因此它受激后只会发出一种颜色的光线，这就需要另增加一路或多路光线来和其一 起混合成白光，这就构成了多光路结构。例如，当蓝色激光射入荧光轮的荧光体区时，蓝光 可以激发荧光轮上的荧光体，使之产生受激光(比如黄光)，黄光自荧光轮射回原光路，然后 和另一路的蓝光混合成为白光并输出。这种多光路系统虽然可以避免发生不同颜色的光线 交替出现的情况，但其光路要更加复杂，而且对不同颜色的光线的混光有着较高的要求，特 别是对混光部分的光学设计和制造精度的要求都非常高，如果处理不好的话，会有混光不 佳、颜色存在差异等问题。 本发明的技术方案中使用的波长转换装置的一种常规结构包括反射衬底和设置 在反射衬底上的波长转换材料。本发明中，波长转换装置可以是静态的，也可以是动态的， 当波长转换装置是动态的装置时，波长转换装置为可旋转的荧光轮且该荧光轮没有不同的 扇区。其工作原理有两种，一种是使汇聚到波长转换材料上的激发光(比如蓝光)多于该区 域上的波长转换材料能够吸收并转换的激发光，波长转换材料受激产生受激光(比如黄 光)，而剩余的未被波长转换材料吸收的激发光和受激光一起自波长转换装置射回第一光 路。另一种是在波长转换材料(比如黄色荧光粉)中掺入反射粒子，反射粒子会把入射的部 分激发光反射回第一光路。此时，自波长转换装置射回第一光路的光线为激发光和受激光 的混合光(比如蓝光和黄光的混合光)，此混合光可以形成白光。本发明的技术方案利用了 波长转换装置的反射衬底和/或波长转换材料内部掺入的反射粒子来反射部分激发光，从 而既避免了使用有不同扇区的动态荧光轮，也可以使用静态的波长转换装置，这样就不会 有不同颜色的光线交替出现的情况发生了。同时，本发明的技术方案也保留了单光路结构， 使得整个光学系统的结构较为简单，易于设计和制造。 需要说明的是，无论是反射还是透射都不是100％的，按照实际元器件的规格，一 般可以达到80％以上的反射或透射都在可接受范围内。 激光光源内激光器所发出的光线可以激发波长转换装置上的波长转换材料，使其 发出受激光，换句话说，它可以被波长转换材料吸收从而使其发出受激光。由于激光光源内 部设有激光器且激光器所发射出的光线为线偏振光，因此通过合理放置激光器的位置，就 可以得到一个可以发出包含有相对于偏振分光器的入射面为S偏振光或P偏振光的光线的 激光光源。 同时因为激光光源内部的光学元件可以准直光线(这里所用到的光学元件可以是 准直透镜)，这样就可以得到一个可发射出近平行的光线的激光光源。 激光光源发出的光线射向偏振分光器，偏振分光器可以在某波长范围内反射S偏 振光、透射P偏振光，而对于波长长于该波长范围的最长波长的可见光光线，偏振分光器会 使其透射或者反射。比如，当使用某一窄带偏振分光器时，它会反射波长在440-470nm之间 的S偏振蓝光、透射波长在440-470nm之间的P偏振蓝光，而对于波长长于470nm的可见光光 线，它会使其透射。又比如，当使用另一窄带偏振分光器时，它会反射波长在440-470nm之间 的S偏振蓝光、透射波长在440-470nm之间的P偏振蓝光，而对于波长长于470nm的可见光光 8 CN 111578165 A 说　明　书 6/9 页 线，它会使其反射。这两种窄带偏振分光器在后面的实施例中都有具体的应用。 偏振分光器可以在某波长范围内反射S偏振光、透射P偏振光。激光光源发出的光 线射向偏振分光器，其中在该波长范围内的S偏振光或P偏振光会射入第一光路。 第一光路：激光光源所发射出的S偏振光或P偏振光射入第一光路，然后由波片使 其偏振状态发生改变，具体来说由原来的S偏振或者P偏振光变为圆偏振光。比如，使用四分 之一波片，入射的线偏振光线的偏振面与四分之一波片的快轴或慢轴的夹角为45°，这样线 偏振光通过四分之一波片后就变成了圆偏振光。光线经聚光元件汇聚到波长转换装置上。 波长转换装置是反射式的，包括反射衬底和设置在反射衬底上的波长转换材料。激发光中 有部分被波长转换装置上的波长转换材料吸收后，波长转换材料会发出波长更长的受激 光。受激光与未被波长转换材料吸收的激发光自波长转换装置射回第一光路。当这些未被 波长转换材料吸收的激发光第二次经过波片后，就会由圆偏振光变为P偏振光或者S偏振 光。 聚光元件把从波长转换装置反射回的光线进行准直，使其成为近平行光线。在第 一光路中，未被波长转换材料吸收的激发光(S偏振光或P偏振光)两次通过波片，其偏振方 向发生改变，具体来说，可以由原来的S偏振光变为P偏振光或者由原来的P偏振光变为S偏 振光。 第一光路的光线经偏振分光器透射或反射后射向聚光零件，光线经聚光零件收敛 后从激光发光装置射出。 本发明提供的一种激光发光装置，具有亮度高、光学扩展量小、结构简单、光斑均 匀、工作寿命长、效率高等特点。本发明可适用于需要高光照强度和小光学扩展量的系统 中，比如娱乐照明系统、投影系统、汽车照明系统、医疗照明系统、探照照明系统、野外作业 照明系统、航海照明系统、便携式照明系统等。 附图说明 图1为有2个不同扇区的荧光轮的结构示意图； 图2为有3个不同扇区的荧光轮的结构示意图； 图3为实施例1至5中所使用的动态的波长转换装置的结构示意图； 图4为实施例1至5中所使用的静态的波长转换装置的结构示意图； 图5及图6为实施例1至5中所使用的第一种方案的激光光源的结构示意图； 图7为实施例1至5中所使用的第二种方案的激光光源的结构示意图； 图8为实施例1公开的一种激光发光装置的结构示意图； 图9为实施例2公开的一种激光发光装置的结构示意图； 图10为实施例3公开的一种激光发光装置的结构示意图； 图11为实施例4公开的一种激光发光装置的结构示意图； 图12为实施例5公开的一种激光发光装置的结构示意图。