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CN102418907B - 光源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光源，包括用来提供激发光的激发光源，远离激发光源的光波长转换部件，该光波长转换部件包括用来将激发光转换成受激发光的光波长转换材料；还包括用来引导激发光入射到光波长转换材料上的光引导部件，以及用来收集源自光波长转换材料的受激发光的光收集部件；为了区分开受激发光和激发光的光路，所述光引导部件的光学扩展量小或等于所述光收集部件的光学扩展量的1/4，从而利用该光引导部件来引入激发光的同时避免受激发光通过该光引导部件过度逃逸。本发明能够区分激发光光路与受激发光光路，且具有光路简单、光学部件易于加工实现的优点。

Description

光源
技术领域
本发明涉及光源，尤其涉及基于光波长转换的光源。
背景技术
传统光源如荧光灯、白炽灯、超高性能灯或氙灯等难以做到高效率、长寿命。随着固态光源的发展，发光二极管（LED,Light Emitting Diode）和半导体激光器逐步走入照明和显示市场。
产生白光或色光的方式一般有两种：一种是直接利用色光光源如红、绿或蓝光LED来提供色光，或利用这些色光来合成白光；另一种是基于光波长转换用激发光源来激发光波长转换材料产生色光，进而利用激发光或激发产生的各种色光来合成白光。例如以能产生短波长如蓝光或UV光的光源为激发光源来激发波长转换材料，例如但不限于如荧光粉。以绿光为例，目前的绿光LED或绿光激光器因难以做到高效，价格很高；反之，蓝光和UV光的固态器件效率高且价格低，采用后一种方案来产生绿光无疑具有更大的市场前景。
以荧光粉为例，传统基于光转换及采用LED芯片的光源一般将荧光粉设在LED芯片表面。其不足之处在于：部分受激发光穿透荧光粉层背向散射回LED芯片时，由于LED芯片对光具有一定的吸收率，这部分受激发光不会被完全反射成光源的出射光，会具有一定的损耗；另外，LED芯片发出的热与荧光粉发出的热之间存在互相影响，将降低LED芯片的发光效率和荧光粉的转换效率，甚至缩短LED器件的寿命。因此，此类结构的光源难以做到高亮度。
美国专利US7,070,300B2为克服上述缺陷，采用一种分离LED和荧光粉的方法，具体如图1所示。将来自一个或多个LED光源102的激发光以光学准直装置108来准直，再利用波长选择片110来把这些激发光反射到另一个准直装置114进行聚焦后投射往荧光粉片112，来自该荧光粉片112的受激发光透射所述波长选择片110而提供为光源的出射光。在该方案中，受激发光不会回射到LED芯片，LED芯片产生的热和荧光粉产生的热不会互相影响。而波长选择片110对激发光和受激发光起到的光路区分作用有助于受激发光的提取，及使绝大部分背向散射的受激发光或激发光得到循环利用，基本能解决上述传统技术所存在的问题。但该方案也存在其不足之处：基于现有LED芯片一般呈方形或矩形，其出射光呈朗伯分布，能高效率收集并准直来自该LED芯片的光的光学模组较难以被设计并制作出来；这或也是该发明产品至今未见商业化的一个重要原因。此外，由于波长选择片110的分光，激发光未能被提供为光源的出射光，以当选择蓝光LED为激发光源时为例，光源若需要蓝光成份需得再加一组蓝光LED和准直系统来进行合光，势必增加光源成本且加大了光源的体积和结构复杂度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种光源，以简单的光路和结构来实现激发光源和光波长转换材料的分离。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：在分离激发光源和光波长转换材料的同时，既要允许受激发光单独被提取的情况存在，也要容许受激发光和未被吸收利用的激发光同时被提取的情况存在，为此为节省光源的占体空间而考虑使激发光和受激发光共用光路时，还要注意避免引入激发光的引入装置对受激发光反射或透射所造成的损失；本发明注意到光波长转换材料的受激发光具有近似朗伯分布的特点，其对应的光收集装置应有较大的光血扩展量，而同时入射的激发光束最好具有较小的光学扩展量来提高光波长转换材料的光转换效率，从而本发明想到可以通过限制所述引入装置的光学扩展量来减少该引入装置对受激发光的影响，即，可以利用入射光源的光学扩展量和光波长转换材料的受激发光的光学扩展量的差异来将激发光的入射光路引入到受激发光的出射光路中，同时降低该引入对未被吸收的受激发光造成的损耗，这样达到区分受激发光和激发光光路的同时，便于简化光源的结构。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种光源，包括用来提供激发光的激发光源，远离激发光源的光波长转换部件，该光波长转换部件包括用来将激发光转换成受激发光的光波长转换材料；还包括用来引导激发光入射到光波长转换材料上的光引导部件，以及用来收集源自光波长转换材料的受激发光的光收集部件；尤其是，所述光收集部件包括用来改变受激发光的投射方向的第一光反射装置，第一光反射装置呈半球状，光反射面朝内；第一光反射装置带有通光口，所述光引导部件为所述通光口，来自激发光源的激发光由该通光口射入往光波长转换材料；光收集部件还包括一光收集元件，该光收集元件的入光口设置成临近第一光反射装置的球心，光波长转换部件的放置使得光波长转换材料的受光点临近所述球心处与所述入光口大致关于该球心对称；为了区分开受激发光和激发光的光路，所述光引导部件的光学扩展量小或等于所述光收集部件的光学扩展量的1/4，从而利用该光引导部件来引入激发光的同时避免受激发光通过该光引导部件过度逃逸。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种光源，包括用来提供激发光的激发光源，远离激发光源的光波长转换材料，该光波长转换材料用来将激发光转换成受激发光；还包括用来引导及分离激发光入射光路和受激发光出射光路的光传导装置，尤其是，为了区分开受激发光和激发光的光路，所述光传导装置传导激发光所具有的光学扩展量小或等于该光传导装置传导受激发光所具有的光学扩展量的1/4。
采用上述各技术方案，具有光路简单、光学部件易于加工实现、实用性强的优点，同时便于根据系统的照明需求适应性调整光源的出射光波长范围而不必对光源结构作较大改动。
附图说明
图1示意了现有基于LED和荧光粉来产生高效色光的光源的结构；
图2实施例示意了本发明光源以带通光口的光收集部件来区分光路的结构；
图3实施例示意了本发明以在受激发光光路中的反射面为光引导部件的光源结构；
图4示意了本发明光源一种使用椭球状反射器的结构；
图5示意了本发明光源一种使用半球状反射器的的结构；
图6示意了图5实施例的替换实施例；
图7示意了图4实施例的替换实施例；
图8示意了图4实施例的改进实施例之一；
图9示意了图5实施例的改进实施例之一；
图10示意了图4实施例的改进实施例之二；
图11示意了图5实施例的改进实施例之二；
图12示意了本发明中激发光光斑尺寸对收集效率的影响曲线；
图13示意了图4实施例的替换实施例；
图14示意了图4实施例的替换实施例。
具体实施方式
下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
使用本发明区分激发光光路与受激发光光路的方法的前提是，光源应包括光波长转换材料和一用来提供激发光的激发光源。在此基础上，设置光收集部件来收集并引导源自光波长转换材料的受激发光或部分未被吸收的激发光提供为光源的出射光；限制所述激发光源的光学扩展量小或等于所述光收集部件的光学扩展量的1/4；设置一光学扩展量与所述激发光源的光学扩展量相当的光引导部件，借道所述光收集部件所引导的受激发光的出射光路，把来自激发光源的激发光引射到光波长转换材料上。
其中，光波长转换材料包括荧光粉、纳米发光材料或发光染料，可以通过一种或一种以上的透明材料来结合在一起，以便光源具有稳定的出光特性。以但不限于荧光粉为例，透明材料可以是透明胶体（例如但不限于硅胶）或透明玻璃材料，与荧光粉混合或溶合成型；也可以是透明薄膜材料，将荧光粉热压在该透明塑料薄膜材料上；最后被以涂覆或贴膜的形式设置成预定的构件，例如光波长转换部件。对具有防潮要求的荧光粉而言，还可以用上述提及的任何透明材料来夹持所述荧光粉，及可进一步进行密封。为加强光波长转换材料对入射光的散射作用及提高光波长转换材料对激发光的吸收率，还可以在光波长转换材料中混杂散射材料，例如但不限于氧化钛颗粒或氧化铝颗粒。
所述激发光源可以是固态发光器件，例如但不限于发短波长光如UV或蓝光的LED或半导体激光器。当激发光为蓝光时，波长转换材料可以为分别用于将蓝光转换为红光、绿光、黄光的红光、绿光、黄光荧光粉。此处值得说明的是，当波长转换材料包括用于将该蓝光转换为黄光的黄光荧光粉时，可以设置较多的波长转换材料，使得来自波长转换材料的光包括黄色受激发光及未被波长转换材料吸收的蓝色激发光，从而光源可以出射由黄色受激发光与蓝色激发光组成的白光。
本发明先以图2为例来阐述光源的结构。本发明光源至少包括用来提供激发光的激发光源110，远离激发光源的光波长转换部件，该光波长转换部件包括用来将激发光转换成受激发光的光波长转换材料150。本发明光源还包括用来引导激发光入射到光波长转换材料上的光引导部件（例如反光片130A上的通光孔），以及用来收集源自光波长转换材料的受激发光的光收集部件（例如透镜组330和反光片130A）。在不同的实施例中，所述光引导部件或光收集部件可以有多种不同的实现形式；但为了区分开受激发光和激发光的光路，所述光引导部件的光学扩展量应小或等于光收集部件的光学扩展量的1/4，从而利用该光引导部件来引入激发光的同时避免受激发光通过该光引导部件过度逃逸。
在光学中，光学扩展量（Etendue）被用来描述光在空间中的分布面积和角度。光波长转换材料能够将光学扩展量扩大；在图2的实施例中，来自激发光源110的激发光经通光孔直射到光波长转换材料150上后，从该光波长转换材料发出的受激发光呈近似朗伯分布，光学扩展量变大很多。向收集系统正面出射的受激发光和未被光波长转换材料所吸收利用的激发光经准直透镜组330的收集以近平行光的形式射往反光片130，进而大部分被带孔的反光片130A反射后输出得到有效利用，小部分将从孔中漏出被损耗掉。由于光源110发出的激发光的光学扩展量较小，可以控制孔的大小占整个光收集部件的很小比例；而经准直透镜组330收集的受激发光的光学扩展量较大，故可以控制光从孔中漏损的比例在一可接受范围内。实用中该孔投影到透镜组330的面积小等于透镜组本身面积的1/4是可被光源接受的。
以图2为例，若光波长转换部件还包括具有反光面的衬底（例如但不限于热沉151），光波长转换材料设置在该反光面上，光波长转换材料位于该反光面与透镜组330之间，将有利于双面出射的受激发光通过反射成同一面被透镜组330所完全收集，进而提高光源的光使用效率。若光波长转换部件还包括一紧贴所述热沉的散热装置152，将有助于通过光波长转换材料的散热进而使光转换效率得以保持。若所述光波长转换部件150～152被设置成可移动或转动，无疑更有助于所述散热。
图2中的光源进一步包括介于激发光源110和所述光引导部件（通光孔）之间对激发光进行匀光和整形的匀光装置，例如但不限于将激发光整成长宽比为4:3的矩形的复眼透镜阵列120。根据投影仪、舞台灯、电视或探照灯的不同使用需求，所述匀光装置还可以采用其它的透镜阵列，或采用空心或实心的导光棒，甚至采用散光片。
滤光片、亮度增强片或偏振反射片也可以进一步用在本发明光源中，将其设置在光收集部件的入光口处或出光口处，或者紧贴所述光波长转换材料而设置以得到特定效果。如图2中放在出光口处的滤光片180可以用来调整光源出射光的光谱：当选择该滤光片180具有反射激发光及透射受激发光的特性时，光源将可以提供纯色的受激发光输出，同时未被吸收利用的激发光经反光片130A反射回光波长转换材料150进行二次或多次循环利用，有利于提高光的色纯度。设置在滤光片180上的膜170可以是增亮膜或衍射光学膜；或者直接使用亮度增强片或偏振反射片来替换膜170和滤光片180，从而提高光源出射光的亮度或产生偏振出射光。因这些滤光片、亮度增强片或偏振反射片及其作用为现有技术，本发明不再赘述；需要指出的是，这些膜/片也可以放置在波长转换部件尤其是光波长转换材料的表面。以滤光片为例，介于被引入的激发光和光波长转换材料之间的所述滤光片可以用多层介质膜来制作，以具有预定的透光特性：例如但不限于可透射受激发光及入射角为0～15度的激发光，同时反射入射角为15度以上的激发光，这样让受激发光有选择性地通过，同时让来自激发光源110的小角度激发光通过，及有效地阻止被光波长转换材料150散射回来的激发光通过，从而有效提高光源对激发光的使用效率。
实际上图2实施例中的光收集部件或光引导部件可以被各种不同的器件以不同的组合所代替。在本发明构思下的光源结构可以具体是：由所述光收集部件收集的受激发光由一出射光路射出光源；所述光引导部件为设置在所述出射光路中的第二光反射装置，该第二光反射装置的光反射面把来自激发光源的激发光反射往光波长转换材料；受激发光的出射光斑的面积为该第二光反射装置在所述出射光斑上的投影面积的4倍或4倍以上。以图3为代表，光源至少包括激发光源110，远离激发光源的光波长转换部件（至少包括光波长转换材料150）外，还至少包括以透镜组330为例的光收集部件和以反光片130B为例的第二光反射装置。入射的激发光被反光片130B反射往光波长转换材料150，双面出射的受激发光经光波长转换部件的反射和透镜组330的收集后以近平行光射出。控制反光片130B的尺寸相对透镜组330较小即可控制被该反光片130B反射而未能出射的受激发光的比例。从实用角度出发，反光片130B投影到透镜组330的面积小等于透镜组330的面积的1/4是可被接受的。
图示的反光片130B的放置角度使得入射光和出射光成90度，实际上所述放射角度可以是使入射光和发射光的角度不成90度相交的其他角度。反光片130B的形状可以是圆形、椭圆形或矩形，甚至是不规则形状。此外，平面反光片130B还可以被曲面反射光镜或带有反光面的无定形形体所等同替换，曲面的形状可以是球面、椭球面、抛物面或自由曲面等。更进一步，反光片130B用可透射受激发光及反射激发光的滤光反射片来代替可以降低引入反光片130B所导致的受激发光损耗。
相应地，以透镜组330为例的光收集部件可以用其它的成像或者非成像器件及其组合来等同替换，例如采用透镜、空心导光棒、实心导光棒、空心复合型聚光器、实心复合型聚光器、反射平面或反射曲面及其组合：具体有已实现商业化生产的锥形方棒，或公开于美国专利US3,923,381的空心或者实心复合型聚光器。这些器件及其使用均为成熟的技术，本发明不在此赘述。
综合图2和图3的实施例，光导引部件可以是平面反射镜或曲面反射镜，或为所述光收集部件上的通光孔，通光孔的形状取决于入射激发光的光斑形状。因此，在本发明构思下的光源结构还可以具体描述为：光收集部件包括用来改变受激发光的投射方向的第一光反射装置；光引导部件为设置在该第一光反射装置上的通光口，来自激发光源的激发光由该通光口射入往光波长转换材料；所述通光口的面积小或等于该第一光反射装置的反光面面积的1/4。图2实施例为符合本描述结构的代表之一：所述第一光反射装置包括带有所述通光口的反光面，例如该图中带有通光口的反光片130A。如果在所述通光口上覆有用来透射激发光及反射受激发光的介质膜则有利于降低本光源结构的受激发光损耗率。
除了图2实施例外，符合本描述结构的实施例还可以列举出更多。本发明将以图4～11逐一说明。对图4～11中与上述各实施例具有相同标号的部件，若因其在图4～11中的功效与在上述各实施例中相当，则或许将不对这些部件另作详细说明。
本描述结构中的第一光反射装置若设计成呈半椭球状或半球状，具有朝内的光反射面，则本发明光源将具有更高的效率和更紧凑的结构。以图4和图7为例，当该第一光反射装置为半椭球状时，光收集部件的入光口设置为大致以该第一光反射装置的一个焦点为中心；光波长转换部件的放置使得光波长转换材料的受光点大致处于该第一光反射装置的另一个焦点所在处。以图5和图6为例，当该第一光反射装置为半球状时，光收集部件的入光口设置成临近该第一光反射装置的球心；光波长转换部件的放置使得光波长转换材料的受光点大致处于所述球心处与所述入光口隔着光波长转换材料相对。
具体阐述图4实施例：光源包括激发光源110和光波长转换部件（至少包括光波长转换材料150）。第一光反射装置以内空结构、内壁镀反射膜的半椭球状反射器140为例，通光口为该半椭球状反射器140反射壁上的一开口。所述反射膜为反射激发光和受激发光的金属膜或介质膜。在该实施例中，光收集部件包括锥形方棒160和所述半椭球状反射器140，锥形方棒160的入光口设置为大致以半椭球状反射器140的一个焦点为中心。同前述各实施例，光波长转换部件包括光波长转换材料150，最好还包括一表面镀有反射膜或带反光面的衬底（例如但不限于热沉151），将光波长转换材料设置在热沉151的反光面或反射膜上，且与反射器140的光反射面相对，即光波长转换材料位于热沉151的反光面与反射器140之间，有助于使光波长转换材料150上双面发射的受激发光由同一面射出；贴紧所述热沉151设散热装置152有助于光波长转换材料散热。光波长转换部件的放置使得光波长转换材料150的受光点大致处于该第一光反射装置的另一个焦点所在处。匀光装置包括前述实施例中的透镜阵列120外，还包括一用来将激发光会聚到所述另一个焦点处的聚光透镜130；假设该匀光装置把入射光斑均匀整形成长宽比为4:3的矩形。则来自激发光源110的激发光经过匀光装置和通光口后将一个矩形光斑投射在半椭球状反射器140的所述另一个焦点处，该半椭球状反射器140进而将来自光波长转换材料150的受激发光及未被吸收的激发光反射到位于焦点附近的所述锥形方棒160的入光口，通过锥形方棒160的收集来提供均匀的受激发光和激发光的合光，合光光斑为矩形。可以用滤光片180放置在所述入光口处，来调整出射光的光谱，以提高出射光的色纯度。该实施例中控制通光口的口径是减少受激发光或未被吸收利用的激发光的漏光的关键。经测试，该通光口的半径为椭球长半轴的半径的20%时，漏掉的受激发光大致占总发出受激发光的4%。因此实用中最好将该通光口的半径控制在小于或等于椭球长半轴的1/2。
图7实施例结构大体接近于图4结构。不同的是，在图7中第一光反射装置以外曲面镀有反射膜421的实心半椭球状透明体420为例，通光口为所述反射膜的一缺口422。所述反射膜421同样为反射激发光和受激发光的金属膜或介质膜。在图7实施例中，滤光片180的缺失使得光源输出受激发光和激发光的合光。与图4实施例不同的还有一点在于：图7实施例中，可以设置使受光点处的光波长转换材料与所述透明体之间具有一厚度小于半椭球长半轴的1%的空气隙，该空气隙有助于提高光输出亮度。
在上述图4或7实施例中，通光口可考虑设置为所述半椭球状第一光反射装置的偏心孔，即根据所述光波长转换材料所在的焦点的位置来确定使通光口偏离所述拱状顶部一预定距离，以使激发光的准直光束垂直入射到光波长转换材料。这样，当光波长转换材料150从热沉151的反射面上不慎脱落时，垂直入射的激发光可被垂直反射回半椭球状第一光反射装置之外，从而避免了高亮度激发光（尤其采用半导体激光器为激发光源时）通过半椭球状第一光反射装置的反射被锥形方棒160所收集射出并可能损伤人眼视觉。
具体阐述图5实施例：光源包括激发光源110和光波长转换部件（至少包括光波长转换材料220）。第一光反射装置以内空结构、内壁镀反射膜的半球状反射器240为例，通光口为该半球状反射器240反射壁上的一开口。所述反射膜为反射激发光和受激发光的金属膜或介质膜。在该实施例中，光收集部件包括锥形方棒160和所述半球状反射器240，锥形方棒160的入光口设置成临近该半球状反射器240的球心。光波长转换部件还包括一用来承载光波长转换材料220的透明衬底210，该光波长转换部件的放置使得光波长转换材料220的受光点大致处于所述球心处与所述入光口隔着光波长转换材料220相对。该图中光波长转换材料220被涂覆在所述透明衬底210朝向锥形方棒160的一面，实际上该光波长转换材料220也可以被涂覆在透明衬底210朝向半球状反射器240的一面。或者还可以将光波长转换材料220和玻璃、陶瓷等封装材料等混合后制成具有一定机械强度且可不依靠衬底而独立存在的光波长转换部件，以省略透明衬底210，将有利于受激发光的被提取。
匀光装置的聚光透镜130用来将激发光会聚到所述球心附近。来自激发光源110的激发光经过匀光装置和通光口后将一个长宽比为4:3的矩形光斑投射到所述球心附近，受激发光在光波长转换部件的双面形成朗伯分布，其中前向光直接被锥形方棒160所收集，后向光经半球状反射器240的反射回到光波长转换材料220，由于光波长转换材料对自身发射光的吸收很小，该部分被反射回到光波长转换材料220的受激发光将有效地穿透光波长转换材料后被锥形方棒160所收集；同时该半球状反射器240也可以把未被吸收利用的散射激发光反射回光波长转换材料220进行二次或多次循环利用，从而提高了激发光的利用率。光源通过锥形方棒160的收集可以提供受激发光和激发光的合光。同样可以用放置在该锥形方棒160入光口处的滤光片180或增亮片170来调整出射光的光谱或角度，不再赘述。与图4或图7的实施例类似，控制通光口的口径是减少受激发光漏光的关键，实用中最好将该通光口的半径控制在小于或等于半球半径的1/2。
图6实施例大体接近于图5结构。不同的是，在图6中第一光反射装置以外曲面镀有反射膜321的实心半球状透明体320为例，通光口为所述反射膜的一缺口322。所述反射膜321同样为反射激发光和受激发光的金属膜或介质膜。此外，光波长转换部件可以只包含以涂覆或贴膜形式设置在半球状透明体320上的光波长转换材料310（及与其掺杂的混合物如硅胶、散射材料等）。与图5实施例不同的还有一点可以在于：图6实施例中，可以设置使受光点处的光波长转换材料310与所述透明体320之间具有一厚度小于半球半径的1%的空气隙，以助于提高光转换率及提高光输出强度。另外，为了说明光收集部件实现方式的多样性，本实施例中用透镜或透镜组330来替换图5实施例中的锥形方棒160。介于光波长转换材料310和透镜组330之间的滤光片180或增亮膜170或偏振光选择片等同样可以用来改变出射光的特性。
上述图6或图7实施例中的透明体可以为透明的玻璃或者塑料。所述通光口322或422处可以涂覆有用来透射激发光及反射受激发光的介质膜，以降低通光口对受激发光造成的损耗。
在图5或图6实施例中，所述通光口可以大致设置在半椭球状或半球状第一光反射装置的拱状顶部，以便来自激发光源的激发光大致直射往光波长转换材料。此外，为了降低通光口对受激发光造成的损耗，还可以在该通光口处设置一滤光部件，令该滤光部件具有的一弧状表面的曲率与所述第一光反射装置在该通光口处的曲率一致，使得镀在该弧状表面上用来透射激发光及反射受激发光的介质膜与所述光反射装置的光反射面平滑拼接成一体。如图8所示的光源，在图4结构的光源基础上增加滤光部件，例如但不限于如图所示的镀膜透镜510。该镀膜透镜510的左面曲率和半椭球状反射器140完全相同且镀有所述用来透射激发光及反射受激发光的介质膜；右面可以被设计成具有一定的形状，例如但不限于凸透状以将入射的激发光会聚到光波长转换材料150上。图9示意的光源则是在图5结构的光源基础上增加填充通光孔的镀膜透镜610，该镀膜透镜610具有与图8中镀膜透镜510类似的结构和功效，因而不再详述。所述镀膜透镜610或510还可以用滤光曲片来替换，所述滤光曲片设计成具有透射激发光及反射受激发光的特性。实际上关于图6或7实施例讨论中提及的涂覆在通光口322或422上的介质膜也是所述滤光部件的表现形式之一。
本发明还可以对上述图2～8各图的实施例进行改进，例如使光波长转换部件还包括一承载所述光波长转换材料的运动体，该运动体的运动使得预定区域内的光波长转换材料轮换进入被光引导部件所引入的激发光的照射范围，这样有利于解决光波长转换材料的积热问题而延长光源（尤其是大功率光源）的使用寿命。所述运动体包括转动的轮盘、滚筒或移动的移动台；所述预定区域内用来承载所述光波长转换材料的基材或者为反光材料，或者为透明材料。所述基材为具有反光面的热沉为最佳，光波长转换材料被设置在该反光面上，且与光收集部件相对。图10示意了在图4结构基础上的一种改进光源：以蓝光光源为激发光源为例；光波长转换部件包括可以转动的轮子710；该轮子710用来承载光波长转换材料的圆形衬底采用的材料例如不限于金属或玻璃，在该圆形衬底上镀反光膜，进而在反光膜上涂覆一种或一种以上的光波长转换材料，这些光波长转换材料分区域规则分布，例如但不限于如图所示的红光荧光粉段714或绿光荧光粉段715、不含任何荧光粉的反射面段716。所述反射面可以涂覆硫酸钡或者特富龙涂料。还可以在各所述光波长转换材料中掺杂散射材料。为了设计特定的光源出射光，还可以紧贴所述光波长转换材料在光波长转换材料与光收集部件之间设置滤光片，并根据所对应的分区域上光波长转换材料的不同令滤光片的透光波长有所不同，例如与红光荧光粉段714对应的是红色滤光片712，用来将红光荧光粉发出的光过滤，使其颜色变纯。以此类推，与绿光荧光粉段715对应的是绿色滤光片711，与蓝光反射面段716对应的是蓝光滤光片或者双面镀有增透膜的玻璃713。滤光片段711，712和713与光波长转换材料或散射材料段714，715和716被组装在一起被一个马达带动旋转，转速可以与投影机要求的频率同步。绿色滤光片711和红色滤光片712可以反射蓝光，所以被绿色荧光粉715或者红色荧光粉714反射的蓝光到达滤光片711或712时会被反射回到荧光粉涂层。同时，由于滤光片711和712可以反射一部分激发光回到波长转换材料，而这部分激发光中的短波长部分会被光波长转换材料重新吸收再次发射。这样滤光片711，712和713可以起到循环利用光子的作用，从而提高系统的效率。
图11则示意了图5及图6基础上的光波长转换部件的改进实施例。与图10实施例不同的是图10实施例中光波长转换部件所述预定区域内用来承载所述光波长转换材料的基材为反光材料，而该图11中的基材为透明材料，即轮子810的圆形衬底涂覆有波长转换材料或者散射材料的部分是透明的。同样多种光波长转换材料可以分区域例如但不限于子区域812、813或814设置，因与图10实施例类似不再详述。
本发明以图3结构的实施例为例，用一直径为50mm的半球做反射器，设其内壁对光的反射率是96%；光收集部件包括一锥形方棒，其入口为2.3mm x1.8mm，出口为4.7mm x3.7mm，长度是20mm，内壁反射率设为97.5%；则当激发光入射到波长转换材料上的光斑尺寸小于锥形方棒入口尺寸时，受激发光能被有效收集，图12示意了光线跟踪的模拟结果：当入射光斑相对锥形方棒的入口尺寸是0.8时，即光斑是1.84mm x1.44mm时，光收集效率是78.5%。
此外，本发明试验发现，基于图4或7结构的本发明光源还可以改进如下：将半椭球状反射器140或半椭球状透明体420以易于实现的半球状或球状反射器或透明体来替代，光收集部件的入光口设置成临近该第一光反射装置的球心，光波长转换部件的放置使得光波长转换材料的受光点临近所述球心处与所述入光口大致关于该球心对称，使受光点或入光口越接近该球心越好；光波长转换部件最好还包括带反光面的衬底（例如但不限于可传热的热沉），光波长转换材料被设置在该衬底的反光面上，且与该第一光反射装置的光反射面相对。上述改进结构也将具有较高的集光效率和光转换效率。同样，为防止光波长转换材料可能脱落对视觉造成的伤害，此时通光口可以设置为所述半球状第一光反射装置的偏心孔，以使激发光的准直光束垂直入射到不在球心的所述光波长转换材料。
可以理解的是，除了上述半球形、半椭球形反射器之外，第一光反射装置还可以为其它形式的弧形反射装置，甚至也可以为非弧形的其它曲面形反射装置，例如锯齿形反射装置，以下对此进行详细阐述。
请参阅图13，图13示意了图4实施例的另一替换实施例。如图13所示，本实施例与图4实施例的主要区别之处在于：光源1300还包括透镜330，用于将来自波长转换材料的光收集并准直至反射器140；反射器140为抛物面形的弧形反射装置，该反射器140用于将来自透镜组330的平行光反射至放置于反射器140的焦点的锥形方棒160的入光口。由于来自波长转换材料的光呈近似朗伯分布，因此先通过透镜组330对该朗伯分布的光进行收集再中继至反射器140，相对于来自波长转换材料的光直接出射至反射器140，具有出光效率较高的优点。可以理解的是，在对出光效率要求较低的应用场景下，透镜组330也可以省略。
请参阅图14，图14示意了图4实施例的另一替换实施例。如图14所示，本实施例与图4实施例的主要区别之处在于：光源1400中的反射器140为锯齿形反射器，该锯齿形反射器包括两个锯齿面1401和1402，每一个锯齿面都是一组同心球面的一部分。参考图4实施例中的描述可知，锯齿面1401和1402都分别可以起到半球状反射器的作用，因此锯齿形反射装置可以看作是一组同心的半球状反射器的嵌套组合，对于来自波长转换材料的光具有和半球状反射器相同的作用。锯齿形反射器与半球状反射器的区别在于，锯齿形反射器所占的空间更小，结构更紧凑。容易理解的是，该锯齿形反射器可能包括两个以上的同心锯齿面。与本实施例相似的，锯齿面还可能是具有相同焦点的一组椭圆的嵌套组合，也可能是具有相同焦点的一组抛物面的嵌套组合（参考图13所示的实施例），本领域技术人员可以根据上面的描述确定其光学结构，这里不一一举例赘述。
综合上述各实施例，本发明光源可以最简化为：包括用来提供激发光的激发光源及远离该激发光源的光波长转换材料，该光波长转换材料用来将激发光转换成受激发光；还包括用来引导及分离激发光入射光路和受激发光出射光路的光传导装置，为了区分开受激发光和激发光的光路，该光传导装置传导激发光所具有的光学扩展量小或等于该光传导装置传导受激发光所具有的光学扩展量的1/4。

Claims (20)

1.一种光源，包括用来提供激发光的激发光源，远离激发光源的光波长转换部件，该光波长转换部件包括用来将激发光转换成受激发光的光波长转换材料；还包括用来引导激发光入射到光波长转换材料上的光引导部件，以及用来收集源自光波长转换材料的受激发光的光收集部件；其特征在于：
所述光收集部件包括用来改变受激发光的投射方向的第一光反射装置，第一光反射装置呈半球状，光反射面朝内；
第一光反射装置带有通光口，所述光引导部件为所述通光口，来自激发光源的激发光由该通光口射入往光波长转换材料；
光收集部件还包括一光收集元件，该光收集元件的入光口设置成临近第一光反射装置的球心，光波长转换部件的放置使得光波长转换材料的受光点临近所述球心处与所述入光口大致关于该球心对称；
为了区分开受激发光和激发光的光路，所述光引导部件的光学扩展量小或等于所述光收集部件的光学扩展量的1/4，从而利用该光引导部件来引入激发光的同时避免受激发光通过该光引导部件过度逃逸。
2.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述光收集部件还用于收集源自光波长转换材料的未被波长转换材料吸收的激发光。
3.根据权利要求1或2所述的光源，其特征在于：
所述激发光为蓝光，所述波长转换材料包括用于将该蓝光转换为黄光的黄光荧光粉。
4.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：
所述激发光源包括激光或发光二极管。
5.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述光波长转换部件还包括带反光面的衬底，光波长转换材料被设置在该反光面上。
6.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述通光口的面积小或等于该第一光反射装置的反光面面积的1/4。
7.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：
所述第一光反射装置为内空结构，内壁镀反射膜；通光口为该第一光反射装置反射壁上的一开口。
8.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：
所述第一光反射装置为外曲面镀有反射膜的实心透明体，通光口为所述反射膜的一缺口。
9.根据权利要求8所述的光源，其特征在于：受光点处的光波长转换材料与所述透明体之间具有一厚度小于半球半径的1%的空气隙。
10.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：
所述通光口为第一光反射装置的偏心孔，以使所述激发光垂直入射到光波长转换材料。
11.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述通光口上设有用来透射激发光及反射受激发光的介质膜。
12.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：
还包括滤光片、亮度增强片或偏振反射片，设置在所述光收集元件的入光口处或出光口处；或者紧贴所述光波长转换材料而设置。
13.根据权利要求12所述的光源，其特征在于：
介于被引入的激发光和光波长转换材料之间的所述滤光片的透光特性为：透射受激发光及入射角为0～15度的激发光，同时反射入射角为15度以上的激发光。
14.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：
还包括介于激发光源和所述光引导部件之间对激发光进行匀光和整形的匀光装置。
15.根据权利要求14所述的光源，其特征在于：
所述匀光装置包括复眼透镜阵列、空心导光棒、实心导光棒或散光片。
16.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述光波长转换部件还包括混杂在所述光波长转换材料中的散射材料。
17.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：
所述光波长转换部件还包括一承载所述光波长转换材料的运动体，该运动体的运动使得预定区域内的光波长转换材料轮换进入被光引导部件所引入的激发光的照射范围。
18.根据权利要求17所述的光源，其特征在于：
所述运动体包括转动的轮盘、滚筒或移动的移动台；所述预定区域内用来承载所述光波长转换材料的基材或者为反光材料，或者为透明材料。
19.根据权利要求17所述的光源，其特征在于：
所述预定区域内包括一种以上的光波长转换材料，这些光波长转换材料分区域规则分布。
20.根据权利要求19所述的光源，其特征在于：
光波长转换部件还包括紧贴所述光波长转换材料并设置在光波长转换材料与光收集部件之间的滤光片，根据所对应的分区域上光波长转换材料的不同，滤光片的透光波长有所不同。
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