阅读说明：本技术 高显色指数及色温可调的高光通量白光激光照明装置 (High-color-rendering-index and color-temperature-adjustable high-luminous-flux white-light laser lighting device ) 是由 刘喆 吴晨昱 张韵 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：一种白光激光照明装置,包括激光模块、激光合束系统和荧光转换模块,其中,激光模块包括至少一颗红光激光二极管与至少一颗蓝光激光二极管,其发出的光束通过激光合束系统进行合束混光后耦合进光纤中,混合激光经光纤传输后入射到封装在多元件组合套筒内的荧光转换模块上。本发明采用红光激光器作为弥补红光光谱缺失的手段,可以有效避免因红光荧光材料发生荧光饱和现象而带来的稳定性问题,实现高光通量白光显色指数的提升以及色温的调整,具有广泛的应用前景。(A white light laser lighting device comprises a laser module, a laser beam combining system and a fluorescence conversion module, wherein the laser module comprises at least one red light laser diode and at least one blue light laser diode, light beams emitted by the laser module are combined and mixed by the laser beam combining system and then coupled into an optical fiber, and the mixed laser is transmitted by the optical fiber and then is incident on the fluorescence conversion module packaged in a multi-element combined sleeve. The invention adopts the red laser as a means for compensating the red light spectrum deficiency, can effectively avoid the stability problem caused by the fluorescence saturation phenomenon of the red light fluorescent material, realizes the improvement of the high luminous flux white light color rendering index and the adjustment of the color temperature, and has wide application prospect.)

高显色指数及色温可调的高光通量白光激光照明装置

技术领域

本发明涉及激光照明技术领域，具体涉及一种采用红光激光器提升高光通量荧光转换激光照明模组显色指数以及实现其色温可调的装置。

背景技术

激光照明作为LED照明的补充，具有很多优点：(1)激射后无“效率骤降”现象；(2)近单色性；(3)体积更小、亮度更高。

采用蓝光激光器照射黄色荧光粉是合成白光的一个重要方式，目前激光照明的重要的性能指标包括光通量、显色指数以及色温等。例如，汽车制造商旨在通过在紧凑的外壳中为不同驾驶条件下的驾驶员提供足够的视野来提高道路安全性，这无疑需要高通量的照明模块。显色指数和色温电是与照明条件有关的关键问题，因为研究表明，不合适的照明条件会破坏人体的化学反应并造成有害的健康影响。已经实施了多种方法来改善显色指数和调整色温，例如将YAG：Ce荧光粉与红色荧光粉混合。这些红色荧光粉可以弥补红光的不足，从而优化光谱组成并改善显色指数和色温。但是，由于红色荧光材料在高光注入下的热或化学不稳定性，在考虑基于高通量LD的白光源时，尚未研究改善显色指数和降低色温的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高显色指数及色温可调的高光通量白光激光照明装置，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种白光激光照明装置，其特征在于，包括激光模块、激光合束系统和荧光转换模块，其中，激光模块包括至少一颗红光激光二极管与至少一颗蓝光激光二极管，其发出的光束通过激光合束系统进行合束混光后耦合进光纤中，混合激光经光纤传输后入射到封装在多元件组合套筒内的荧光转换模块上。

其中，所述蓝光激光二极管和红光激光二极管安装在散热片上，用于提高激光二极管的散热能力，控制激光二极管的运行温度，以实现大功率稳定激光输出。

其中，所述照明装置包含至少一颗蓝光激光二极管和至少一颗红光激光二极管，其封装形式为TO封装，其激射波段分别为蓝光(波长为440-455nm)和红光(波长为625nm-650nm)。

其中，单颗所述蓝光激光二极管能够实现功率2瓦以上的蓝光输出，单颗所述红光激光二极管能够实现功率0.8瓦及其以上的红光输出。

其中，所述照明装置采用两路独立电路分别给蓝光激光二极管和红光激光二极管供电，以实现双色激光功率的独立调整。

其中，所述照明装置采用金属外壳对多颗蓝光和红光激光二极管以及激光合束系统进行封装，金属外壳材料为铝、铜及其合金材料。

其中，所述激光合束系统对激光器光束进行准直合束，其合束方式为光束准直、空间合束、扩束整形或光纤耦合。

其中，所述混合激光经光纤传输后在光纤端口进行出射，其光纤端口通过转换装置安装在多元件组合套筒内，实现光束的垂直入射且位置的前后可调。

其中，所述多元件组合套筒能够满足荧光材料以及激光出光端口的组合，并且安装在套筒内的元件的位置能够通过套筒的任何一端进行调整。

其中，将所述荧光材料安装在距离可调的多元件组合套筒上，根据使用需求调节荧光材料和激光出光端的距离；

所述荧光材料能够将接收的波长为440nm-470nm的蓝光转换为波长为520nm-560nm的黄绿光，尺寸为：(5-20mm)×(5-20mm)。

基于上述技术方案可知，本发明的白光激光照明装置相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1、采用光纤传输激光的方式实现激光模组部分与荧光转换部分进行分离，极大地提高了装置的灵活性。激光模组部分由多颗蓝光激光二极管和多颗红光激光二极管组成，其中的多颗蓝光二极管提供大功率的蓝光激发黄色荧光材料，多颗红光激光二极管提供功率可调的红光以提高激光模组的显色指数并且实现色温的可调。

2、通过光束准直模块对多束激光进行合束输出，并且通过光学设计对混合光束进行扩束来调节混合光束的发散角。

3、采用金属外壳对激光部分进行封装，可以保护激光器不受到环境的破坏并且提高激光模组的散热能力。

4、荧光转换部分采用的荧光材料为具有高导热率和良好光散射能力的荧光材料，例如荧光陶瓷等。该荧光材料具有高的导热率，可以承受大功率激光，吸收蓝光下转换为黄光，在大功率激光功率密度下不易发生饱和现象，因此可以保证高光通量白光的得到，且具有良好的散射能力可以提高光束的颜色角度均匀性。

5、通过多元件组合套筒将荧光片和激光发光端口进行封装，可以调节荧光片与出光端的距离，配合光束发散角可以控制照射在荧光材料上的光斑尺寸，达到激光与荧光陶瓷的功率匹配，避免因热量聚集而产生的荧光材料热淬灭的问题。

6、本发明采用红光激光器作为弥补红光光谱缺失的手段，可以有效避免因红光荧光材料发生荧光饱和现象而带来的稳定性问题，实现高光通量白光显色指数的提升以及色温的调整，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明中采用多光纤耦合的激光照明装置结构示意图；

图2是本发明中采用空间合束的激光照明装置结构示意图；

图3是本发明中得到的光谱示意图；

图4是本发明中得到的显色指数和加入红光激光比例关系图；

图5是本发明中得到的色温和加入红光激光比例关系图。

上图中，附图标记含义如下所示：

1、红光激光二极管；2、蓝光激光二极管；3.1、金属封装壳；

3.2、金属散热片；4.1、光纤耦合合束；4.2、空间合束；

5、光纤传输；6、荧光陶瓷片；7、多元件组合套筒。

具体实施方式

本发明提供的透射式大功率的激光照明装置，从提高光通量以及色品质的角度出发，考虑蓝光激发黄色荧光陶瓷的光谱特性以及激光二极管的发光特性，解决目前大功率激光照明模组中存在的显色指数低以及色温高的问题，实现具有广泛应用前景的大功率激光白光照明。本发明一方面采用多颗蓝光激光二极管和可以承受高功率激光输入的荧光转换材料实现高光通量激光白光照明，另一方面采用红光激光器弥补激光照明中红光波段的缺失，提高激光照明模组的显色指数并实现色温的可调。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，是本发明采用多光纤耦合的激光照明装置结构示意图，包括红光激光二极管1、蓝光激光二极管2、金属封装壳3.1、光纤耦合合束4.1、光纤传输5、荧光陶瓷片6、多元件组合套筒7。

将多颗红光激光二极管1与多颗蓝光激光二极管2发出的光束通过光纤耦合合束进行合束混光后耦合进光纤中，经光纤传输5后入射到封装在多元件组合套筒7上的荧光陶瓷片6上面。

所述照明装置包含一颗及其以上的蓝光激光二极管和红光激光二极管，其封装形式包括但不限于TO封装，其激射波段分别为蓝光(波长为440-455nm)和红光(波长为625nm-650nm)。

单颗蓝光激光二极管可以实现功率2瓦以上的蓝光输出，单颗红光激光二极管可以实现功率0.8瓦及其以上的红光输出。

所述照明装置采用两路独立电路分别给蓝光激光二极管和红光激光二极管供电，以实现双色激光功率的独立调整。

所述照明装置采用金属外壳对多颗激光二极管以及准直合束系统进行封装，金属外壳材料包括但不限于铝、铜等具有良好导热率的材料。

混合激光经光纤传输后在光纤端口进行出射，其光纤端口通过转换装置安装在多元件组合套筒内，实现光束的垂直入射且位置的前后可调。

所述多元件组合套筒可以满足荧光材料以及激光出光端口的组合，并且安装在套筒内的元件的位置可以进行调整。

将荧光陶瓷片安装在距离可调的多元件组合套筒上，根据使用需求调节荧光材料和激光出光端的距离。所述荧光陶瓷片能够将接收的主波长为440nm-470nm的蓝光转换为主波长为520nm-560nm的黄绿光，尺寸为：(5-20mm)×(5-20mm)。

实施例2

如图2所示，是本发明中采用空间合束的激光照明装置结构示意图，包括红光激光二极管1、蓝光激光二极管2、金属散热片3.2、空间合束4.2、光纤传输5、荧光陶瓷片6、多元件组合套筒7。

将多颗红光激光二极管1与多颗蓝光激光二极管2发出的光束通过空间合束进行合束混光后耦合进光纤中，经光纤传输5后入射到封装在多元件组合套筒7上的荧光陶瓷片6上面。

所述红光和蓝光激光二极管安装在散热片上，可以提高激光二极管的散热能力，控制激光二极管的运行温度，以实现大功率稳定激光输出。

所述照明装置包含一颗及其以上的蓝光激光二极管和红光激光二极管，其封装形式包括但不限于TO封装，其激射波段分别为蓝光(波长为440-455nm)和红光(波长为625nm-650nm)。

单颗蓝光激光二极管可以实现2W以上的蓝光输出，单颗红光激光二极管可以实现0.8W及其以上的红光输出。

所述照明装置采用两路独立电路分别给蓝光激光二极管和红光激光二极管供电，以实现双色激光功率的独立调整。

混合激光经光纤传输后在光纤端口进行出射，其光纤端口通过转换装置安装在多元件组合套筒内，实现光束的垂直入射且位置的前后可调。

所述多元件组合套筒可以满足荧光材料以及激光出光端口的组合，并且安装在套筒内的元件的位置可以进行调整。

将荧光陶瓷片安装在距离可调的多元件组合套筒上，根据使用需求调节荧光材料和激光出光端的距离。所述荧光陶瓷片能够将接收的主波长为440nm-470nm的蓝光转换为主波长为520nm-560nm的黄绿光，尺寸为：(5-20mm)×(5-20mm)。

所述激光合束系统可以对激光器光束进行准直合束，其方式中包括但不限于光束准直、空间合束，扩束整形、光纤耦合等技术，合束得到的混合激光耦合进光纤中最后通过光纤端口进行出光。所述激光合束系统可以实现光纤端口处的激光光束发散角可调，且光斑近似为圆形或椭圆形。

以采用YAG-Al₂O₃复合荧光陶瓷作为荧光材料，采用光纤耦合作为合束方式的照明系统进行说明。当激光模组正常工作状态时，每一颗蓝光激光二极管发出的蓝光激光以及红光激光二极管发出的红光分别耦合进如图1所示的各单根光纤中，通过将多颗单根光纤的光耦合进一根光纤中实现原始多束以及多色激光的合束，合束得到的混合光通过固定在多元件组合套筒的光纤端口垂直照射在如图1所示的YAG-Al₂O₃复合荧光陶瓷上，其中的蓝光激发黄色荧光材料发出黄光、其中的红光由于波段的不匹配不会激发黄色荧光材料而透过荧光陶瓷进行输出，最后得到混合白光，其典型光谱图如图3所示，包括剩余的蓝光激光，转换的黄光荧光以及透过荧光陶瓷的红光激光，红光激光可以弥补未加红光激光二极管的设计中红光波段的缺失，如图4和图5所示，提高系统的显色指数并且通过对红光加入功率比例的调节实现可调的色温。由于在设计过程中对混合光束进行了扩束并且可以通过套筒调节激光出光端与荧光陶瓷的距离，因此照射在荧光陶瓷上的光斑尺寸可调，并且荧光陶瓷具有良好的散热能力以及Al₂O₃具有双折射效应，可以增加入射激光的传输路径提高荧光材料的散射能力，最终实现功率与荧光陶瓷的匹配得到光通量高且角度颜色均匀性好的白光。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。