基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学系统装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学系统装置，系统包括蓝色半导体激光光源、光束整形系统、荧光体单元、匀光系统；所述半导体激光光源包括用于提供激发光的一个或多个激光器；所述光束整形系统包括光线耦合、准直扩束系统；所述半导体激光光源发出的激发光经光束整形系统进入所述荧光体单元，透射荧光体的蓝光与转换的黄光复合成白光；所述自由曲面透镜内表面为球形，外表面为自由曲面，荧光体单元散射后的白光经所述自由曲面透镜匀光；本发明专利技术通过光学器件及荧光体对激光照射光源的转光照明效果进行调制，具有设计巧妙，成本低廉，光强分布及辐照度分布均匀等优点，能很好地贴合市场需求。

Light conversion optical system based on blue semiconductor laser beam shaping

The present invention discloses a switching light illumination optical system device based on the shaping of blue semiconductor laser beam, which includes a blue semiconductor laser source, a beam shaping system, a fluorescent body unit, and a leveling system. The system comprises a light coupling and collimating beam expanding system; the excited light emitted by the semiconductor laser source enters the fluorescent body unit through the beam shaping system, and the blue light and the converted yellow light of the fluorescent body are combined into white light; the inner surface of the free-form lens is spherical, the outer surface is free-form surface, and the fluorescent body unit scatters. The white light after irradiation is homogenized by the free-form surface lens; the invention modulates the effect of the laser irradiated light source by the optical device and the fluorescent body, and has the advantages of ingenious design, low cost, uniform distribution of light intensity and irradiance, etc., and can well meet the market demand.

【技术实现步骤摘要】
基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学系统装置
本专利技术涉及照明
，涉及光学设计领域，尤其涉及一种激光转光照明光学系统。
技术介绍
半导体照明亦称固态照明，是指用固态发光器件作为光源的照明。半导体照明技术发展迅速、应用领域广泛、产业带动性强、节能潜力大，被各国公认为最有发展前景的高效照明产业。与传统光源相比具有节能、环保的优势，在整个国民经济中发挥着举足轻重的作用。半导体激光照明就是以半导体激光器为核心光源，使用激光转光、色彩调节等技术，将激光光源转换成任意形式光源，形成各种照明灯具，进而应用到照明领域。激光照明继承了激光的特点：亮度高、颜色纯、方向性好。尽管半导体照明取得了巨大的成就，但是技术还存在许多不足，尤其是激光转光照明其辐照度、光强等分布不均匀。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决半导体激光激发荧光体后的照度和光强密度高度集中问题，使激光经该光学系统后照明面的照度和光强均匀化，提供一种基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学系统装置。为实现上述技术目的，本专利技术通过以下技术方案实现基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学系统装置，包括：蓝色半导体激光光源、光束整形系统、荧光体单元、自由曲面透镜，其中：蓝色半导体激光光源，具备一个或多个激光器，用于提供蓝色激发光；光束整形系统，其对半导体激光经光纤耦合及准直、扩束透镜，使半导体激光的准直性及激发面积提高；荧光体单元，半导体激光经光束整形后的光激发荧光体单元，激发光经所述荧光轮单元后输出白光；自由曲面透镜，复合后的白光经自由曲面透镜形成均匀的辐照度及光强分布。进一步的，所述光纤耦合是针对平衡半导体激光激发光源的快慢轴，进行半导体激光光场快慢轴调制的设计，用于实现照明光学系统所需的光场分布。进一步的，所述准直透镜是针对半导体激光激发光源的发散角性能，进行光场发散角调制的设计，用于实现照明光学系统所需的光场分布。进一步的，所述扩束透镜是针对半导体激光激发光源的激发面积，进行光场激发面积调制的设计，用于实现照明光学系统所需的光场分布。进一步的，所述的白光为蓝光半导体激光光源激发黄色荧光体后复合而成。进一步的，所述荧光体单元为YAG：Ce3+黄色荧光体。进一步的，所述黄色荧光体由树脂基质和YAG荧光粉混合而成。进一步的，所述自由曲面透镜是针对半导体激光转光光源的光强及照度分布性能，进行复合后的白光光场分布重新调制，用于实现照明光学系统所需的均匀光场分布。光束整形后的半导体激光配合自由曲面透镜元件的激光转光照明系统，通过光束整形后的激光光场与自由曲面透镜光学元件的结合设计，可以有效提高光能利用率，可达到90％以上，可满足均匀辐照度及光强分布的照明场需求。本专利技术提供的照明光学系统荧光体与光源是分离的，这样用光现场不需要像气体灯或LED灯那样把整个灯光系统安装到一个位置，而是把荧光体安装到需要的位置即可，荧光体体积小安装更容易。激光的方向性好，无需近距离安装，在探照领域应用效果更佳。激光的电光转换效率高，节能，且匀光透镜对光的利用率高，也间接提高了能源利用率。本专利技术提供的光束整形系统、复合白光光源、匀光系统在高强度光源处配置技术成熟且大功率激光成本相对低廉，通过激发荧光粉和自由曲面透镜匀光的方式，形成具有两种波长复合的发射光，从而能满足多种发射光的需求，扩大了照明光学系统的利用率。上述高强度激光光源只要更换荧光体属性，就可以根据用户的需要灵活地配置发射光，简便易行，能够满足具体的用户对多样化发射光的需求。通过用价格较低廉的激光器结合荧光激发的方式产生均匀的辐照度和光强分布，从而无需配置多种固定波长的激光器，大幅降低系统成本，扩展了激光照明系统的应用领域和应用方式。激光转光照明以其独特的优势，正逐渐成为新一代光源在市场上崭露头角。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的所涉及的半导体激光转光照明光学系统的整体结构示意图；图2为本专利技术的所涉及的半导体激光光纤耦合示意图；图3为本专利技术的所涉及的多激光光源光纤耦合示意图；图4为本专利技术的所涉及的准直系统示意图；图5为本专利技术的所涉及的扩束系统结构示意图；图6为本专利技术的所涉及的照明光学系统光路结构示意图。图标：1为半导体激光器，2为光导纤维，3为准直透镜，4为两个扩束透镜，5为荧光体，6为自由曲面透镜。具体实施方式下面结合具体实施例，对本专利技术的内容做进一步的详细说明，但并不是对本专利技术保护范围的限制，基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。下面结合具体实施例，对本专利技术的内容做进一步的详细说明：如图1，本专利技术的所涉及的激光转光照明光学系统包括激光整形系统和设置于后端的荧光体模块。其中激光整形系统包括激光光源、光导纤维、准直系统、扩束系统。所述激光光源包括用于提供激发光的一个或多个激光器，所述整形系统对激发光整形，使激发光进入所述荧光体，激发光与发射光复合后向后端输出为白光。实施例1图5为本专利技术所涉及的荧光光源具体实施例结构示意图。激光光源为一波长为447nm的单个蓝色激光，设置于荧光体上的荧光粉发射波长为570nm的黄光。将蓝色激光与转化后的黄光复合。在本实施例中，采用玻璃基板作为荧光粉的承载件，一方面既可以使得照射光线通过，另外一方面也能够耐受高温，避免承载件因高温照射而发生形变，影响光线的透射效果。通过在胶粘剂和荧光粉混合制备成荧光粉层，使得荧光层的制备工艺更为简单，只需将混有荧光粉的胶粘剂涂覆与玻璃基板，节约了大量的人力和物力，降低了工作人员的工作强度。在本实施例的优选实施方式中，，胶粘剂为有机胶粘剂或无机胶粘剂，如环氧树脂胶粘剂，无机硅胶胶粘剂、银胶等，进一步优选的，胶粘剂中含有导热填料粒子，以使得荧光层的耐热性能提升，从而提高荧光体的使用寿命，进一步优选的，导热填料粒子为氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化忆、氧化锌、氧化钦中的一种或至少两种。由于荧光体是由胶粘剂与荧光粉混合均匀后直接涂覆在玻璃表面固化而成，而荧光粉颗粒直径一般为10μm左右，所以荧光层的表面一般达到几百微米的粗糙度，因此，为了保证光线透射效果，需要先对荧光层进行平滑处理后再进行激发。在本实施例的优选实施方式中，荧光粉为黄色荧光粉，黄色荧光粉为铈激发的钇石榴石体系，Y3-xAl5O12:Cex(YAG)，也可以根据需要选择其它类型的黄色荧光粉。荧光体的长度尺寸与自由曲面透镜内表面直径的比例为1:2。在本实施例的优选实施方式中，透镜材料选择PMMA，透过率为92％。传统采用荧光粉生产白光的方式主要为蓝光发光光源配合红色荧光粉和绿色荧光粉，但是这需要在荧光体中分别设置红色荧光区域和绿色荧光粉区域，并在红色荧光层上设置红光波段的红光滤波膜，在绿色荧光层上设置绿光波段的绿光滤波膜，制备工艺繁琐复杂，耗费大量的人力和物力。在本实施例的优选实施方式中，采用蓝光激发光光源配合黄色荧光体产生白光，只需设置荧光体层，用于透射蓝光及转换黄光，形成白光，从而大大简本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学系统装置，其特征在于，所述的照明光学系统包括：蓝色半导体激光光源、光束整形系统、荧光体单元、自由曲面透镜，其中：蓝色半导体激光光源，具备一个或多个激光器，用于提供蓝色激发光；光束整形系统，其对半导体激光经光纤耦合及准直、扩束透镜，使半导体激光的准直性及激发面积提高；荧光体单元，半导体激光经光束整形后的光激发荧光体单元，激发光经所述荧光轮单元后，产生的透射光及发射光向后端复合输出形成白光；自由曲面透镜，其内表面为球面，外表面为自由曲面，复合后的白光经自由曲面透镜形成均匀的辐照度及光强分布。

【技术特征摘要】
1.基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学系统装置，其特征在于，所述的照明光学系统包括：蓝色半导体激光光源、光束整形系统、荧光体单元、自由曲面透镜，其中：蓝色半导体激光光源，具备一个或多个激光器，用于提供蓝色激发光；光束整形系统，其对半导体激光经光纤耦合及准直、扩束透镜，使半导体激光的准直性及激发面积提高；荧光体单元，半导体激光经光束整形后的光激发荧光体单元，激发光经所述荧光轮单元后，产生的透射光及发射光向后端复合输出形成白光；自由曲面透镜，其内表面为球面，外表面为自由曲面，复合后的白光经自由曲面透镜形成均匀的辐照度及光强分布。2.根据权利要求1所述的基于蓝色半导体激光光束整形的转光照明光学系统装置，其特征在于：所述光纤耦合为单模光纤，将光源产生的光传输到准直扩束端，激光光源在光纤内反射面上经过多次反射后，极大的改变了原来半导体激光光源的发散性能，在出射端水平和垂直方向得到分布一致的出射光。3.根据权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：田华，张泽宏，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津,12