技术摘要：
本发明提供了一种固态光源发光装置，其特征在于，包括第一激光光源、偏振分光器、波片、第一聚光元件、第一波长转换装置、二向色镜、第三色光线发生部、聚光零件。本发明提供的一种固态光源发光装置，具有亮度高、光学扩展量小、显色指数高、光斑均匀、工作寿命长、效  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，激发荧光粉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。图1是现有技术中的一种发光装置的结构示意图。如图1所示，现有 的发光装置包括激光光源10、二向色镜20、第一准直透镜组30、黄色荧光粉片40、第二准直 透镜组50、朗伯型散射装置60和聚焦透镜70。激光光源10向二向色镜20发出蓝色激光光线， 二向色镜20可以反射部分蓝光、透射黄光，激光光源10发出蓝色光线，其中一部分蓝光经二 向色镜20反射至第一准直透镜组30，然后经第一准直透镜组30汇聚于黄色荧光粉片40，黄 色荧光粉片40吸收蓝光而产生黄光，随后黄光被黄色荧光粉片40底部的反射基板反射回第 一准直透镜组30，然后经准直透镜组30准直后射向二向色镜20，由于二向色镜20可以透射 黄光，因此黄光得以射出。激光光源10射出的另一部分蓝光透射过二向色镜20，然后经第二 准直透镜组50汇聚于朗伯型散射装置60，朗伯型散射装置60可以反射蓝光并且反射的蓝光 满足朗伯分布，这些蓝光经第二准直透镜组50准直后射向二向色镜20，其中部分蓝光被二 向色镜20反射，与从二向色镜20透射而出的黄光合成白光，最后白光经聚焦透镜70聚焦后 射出。 在图1所示方案中，由朗伯型散射装置60发射的蓝光在经过二向色镜20时会有部 分蓝光透射过二向色镜20而无法与黄光汇合合成白光，因此在整个光路中，会有部分的蓝 光的损失，从而使得发光装置的发光效率不高且通常会有蓝光不足的问题。同时由于黄色 荧光材料通常无法提供足够的红光，从而会导致发光装置输出的红光不足且输出光的显色 指数一般都比较低。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：现有发光装置的发光效率不高且通常蓝光不足，同 时现有发光装置输出的红光不足且输出光的显色指数一般都比较低。 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种固态光源发光装置，其 特征在于，包括第一激光光源、偏振分光器、波片、第一聚光元件、第一波长转换装置、二向 色镜、第三色光线发生部、聚光零件。 第一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，第一色光线由第一激光光源内部的一个或多个第一激光器产生。所 有这些第一激光器可以随机放置或放置成阵列。这些第一激光器发出中心波长在λ1～λ2之 6 CN 111578164 A 说　明　书 2/13 页 间的光线，它能够激发第一波长转换装置。 将偏振分光器与第一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。第一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： 第一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，且它能够激发第一波长转换装置，第一激光光源发出 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。 第一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 线汇聚至第一波长转换装置，同时用于将自第一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。 第一波长转换装置是反射式的，第一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，第二色光线与未被第一波长转换装置吸收的第一色光线自第一波长转换装 置沿第一光路射向偏振分光器。 波片位于第一光路上，用于使得自第一波长转换装置沿第一光路到达偏振分光器 的未被第一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。 自第一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 向二向色镜。 第三色光线发生部用于发出经过准直的第三色光线，第三色光线中至少有部分光 线的波长长于或等于λ3且λ3＞λ2，这些第三色光线射向二向色镜。 二向色镜可以反射波长长于或等于λ3的光线、透射波长短于λ3的光线或透射波长 长于或等于λ3的光线、反射波长短于λ3的光线。 当二向色镜反射波长长于或等于λ3的光线、透射波长短于λ3的光线时，自偏振分光 器射向二向色镜的至少部分光线经二向色镜透射和自第三色光线发生部射向二向色镜的 至少部分第三色光线经二向色镜反射后合为一路光线，光线经聚光零件收敛后从发光装置 射出。 当二向色镜透射波长长于或等于λ3的光线、反射波长短于λ3的光线时，自偏振分光 器射向二向色镜的至少部分光线经二向色镜反射和自第三色光线发生部射向二向色镜的 至少部分第三色光线经二向色镜透射后合为一路光线，光线经聚光零件收敛后从发光装置 射出。 当偏振分光器使波长长于λ2的可见光光线反射时： 7 CN 111578164 A 说　明　书 3/13 页 第一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，且它能够激发第一波长转换装置，第一激光光源发出 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。 第一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 线汇聚至第一波长转换装置，同时用于将自第一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。 第一波长转换装置是反射式的，第一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，第二色光线与未被第一波长转换装置吸收的第一色光线自第一波长转换装置沿 第一光路射向偏振分光器。 波片位于第一光路上，用于使得自第一波长转换装置沿第一光路到达偏振分光器 的未被第一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。 自第一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 向二向色镜。 第三色光线发生部用于发出经过准直的第三色光线，第三色光线中至少有部分光 线的波长长于或等于λ3且λ3＞λ2，这些第三色光线射向二向色镜。 二向色镜可以反射波长长于或等于λ3的光线、透射波长短于λ3的光线或透射波长 长于或等于λ3的光线、反射波长短于λ3的光线。 当二向色镜反射波长长于或等于λ3的光线、透射波长短于λ3的光线时，自偏振分光 器射向二向色镜的光线经二向色镜透射和自第三色光线发生部射向二向色镜的第三色光 线经二向色镜反射后合为一路光线，光线经聚光零件收敛后从发光装置射出。 当二向色镜透射波长长于或等于λ3的光线、反射波长短于λ3的光线时，自偏振分光 器射向二向色镜的至少部分光线经二向色镜反射和自第三色光线发生部射向二向色镜的 至少部分第三色光线经二向色镜透射后合为一路光线，光线经聚光零件收敛后从发光装置 射出。 上文中的第一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，第一波长转换装置可以是静态的，也可以是动态的(比如：荧光 轮)。 优选地，所述第一激光光源内包含第一激光器及第一准直元件： 第一激光器发出的光线为线偏振光； 第一准直元件可以集成于第一激光器内部，当所采用的第一激光器内部未集成第 一准直元件时，也可以在第一激光器外增设第一准直元件(例如：准直透镜)，第一准直元件 用于准直光线。 优选地，所述第一激光光源内还包含第一透镜组，用来缩小光束，所有由所述第一 激光器产生的光线射入第一透镜组，自第一透镜组透射出的第一色光线为所述第一激光光 源发出的第一色光线。 8 CN 111578164 A 说　明　书 4/13 页 除上文指出的第一激光器、第一透镜组、第一准直元件外，第一激光光源内部也可 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第一激光器发射出的光 线，使其射向偏振分光器。 优选地，所述第一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，所述第三色光线发生部包括固态光源及第二准直元件，其中： 固态光源发出第三色光线，第三色光线中至少有部分光线的波长长于或等于λ3且 λ3＞λ2，这些第三色光线射入第二准直元件； 第二准直元件用于将自固态光源发出的第三色光线准直后射向所述二向色镜。 优选地，所述固态光源为LED或者激光。 优选地，所述第二准直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，所述第一激光光源与所述偏振分光器之间设有第一匀光装置，用于均匀 从所述第一激光光源射出的第一色光线。第一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，它可以使得汇聚于第一波长转换装置上的激光光斑均匀 化，从而使得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，所述第一聚光元件与所述第一波长转换装置之间设有第一导光柱，用于 均匀自所述偏振分光器射向所述第一波长转换装置的第一色光线。 优选地，所述第三色光线发生部包括第二激光光源、第二聚光元件、第二波长转换 装置，将所述二向色镜与第二波长转换装置之间的光路定义为第二光路，则有： 第二激光光源发出中心波长短于λ3的光线，且它能够激发第二波长转换装置，第 二激光光源发出的光线射向所述二向色镜，并经由二向色镜透射或反射后进入第二光路； 第二聚光元件位于第二光路上，用于将自所述二向色镜透射或反射后进入第二光 路的光线汇聚至第二波长转换装置，同时用于将自第二波长转换装置反射入第二光路的光 线进行准直后沿第二光路射向所述二向色镜； 第二波长转换装置是反射式的，第二波长转换装置吸收自所述二向色镜透射或反 射入第二光路的中心波长短于λ3的光线后，受激产生第三色光线，第三色光线中至少有部 分光线的波长长于或等于λ3且λ3＞λ2，第三色光线自第二波长转换装置沿第二光路射向二 向色镜。第二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，第二波长转换装置可以是静态的，也可以是动态的(比如：荧光轮)。 优选地，所述第二激光光源内包含第二激光器及第三准直元件。第三准直元件可 以集成于第二激光器内部，当所采用的第二激光器内部未集成第三准直元件时，也可以在 第二激光器外增设第三准直元件(例如：准直透镜)，第三准直元件用于准直光线。 优选地，所述第二激光光源内还包含第二透镜组，用来缩小光束，所有由所述第二 激光器产生的光线射入第二透镜组，自第二透镜组透射出的光线为所述第二激光光源发出 的光线。 优选地，所述第一激光光源与所述偏振分光器之间设有第一匀光装置，用于均匀 9 CN 111578164 A 说　明　书 5/13 页 从所述第一激光光源射出的第一色光线。 优选地，所述第二激光光源与所述二向色镜之间设有第二匀光装置，用于均匀从 所述第二激光光源射出的光线。第二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，它可以使得汇聚于第二波长转换装置上的激光光斑均匀化，从而 使得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，所述第二聚光元件与所述第二波长转换装置之间设有第二导光柱，用于 均匀由所述二向色镜射向所述第二波长转换装置的光线。 优选地，所述第一聚光元件与所述第一波长转换装置之间设有第一导光柱，用于 均匀由所述偏振分光器射向所述第一波长转换装置的第一色光线。 优选地，所述第二激光光源与所述二向色镜之间设有第二匀光装置，用于均匀从 所述第二激光光源射出的光线。 优选地，所述第二聚光元件与所述第二波长转换装置之间设有第二导光柱，用于 均匀由所述二向色镜射向所述第二波长转换装置的光线。 优选地，所述第二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。 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，把第一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 一色光线经第一聚光元件汇聚于第一波长转换装置，第一色光线激发第一波长转换装置上 的波长转换材料，使其发出第二色光线，第二色光线与未被第一波长转换装置吸收的第一 色光线一起自第一波长转换装置射回第一光路，并经第一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，未被第一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。第一光路的光线经偏振分光器透射或反射后射向二向色 镜。二向色镜可以反射波长长于或等于其设计的截止波长的光线、透射波长短于其设计的 截止波长的光线或透射波长长于或等于其设计的起始波长的光线、反射波长短于其设计的 起始波长的光线。随后，根据第三色光线发生部的具体实现结构的不同，分为以下两种情 况： 第一种情况) 上文从第一光路中射出的光线透射或反射通过二向色镜并与由二向色镜反射或 透射的由固态光源发出的光线合为一路光线，最后所有光线由聚光零件收敛后射出。 第二种情况) 第二激光光源发出的光线经二向色镜透射或反射后进入第二光路。在第二光路 中，激发光激发第二波长转换装置上的波长转换材料，使其发出受激光，这些受激光为第三 10 CN 111578164 A 说　明　书 6/13 页 色光线，第三色光线自第二波长转换转换装置射回第二光路，并经第二聚光元件准直之后 返回二向色镜。最后自偏振分光器射向二向色镜的光线经二向色镜透射或反射和自第二聚 光元件射向二向色镜的光线经二向色镜反射或透射后合为一路光线，经聚光零件收敛后从 发光装置射出。 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。 第一激光光源内第一激光器所发出的光线可以激发第一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。 由于第一激光光源内部设有第一激光器且第一激光器所发射出的光线为线偏振光，因此通 过合理放置第一激光器的位置，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偏振光的光线的第一激光光源。 同时因为第一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第一激光光源。 第一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 会使其反射或者透射。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。第一激光光源发出 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：第一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。光线经第一聚光元件汇聚到第一波长 转换装置上。第一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。激发光中有部分被第一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第一波长转换装置射 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。 第一聚光元件把从第一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反射或透射后射向二向色镜。 二向色镜可以反射波长长于或等于其设计的截止波长的光线、透射波长短于其设 计的截止波长的光线或透射波长长于或等于其设计的起始波长的光线、反射波长其设计的 起始波长的光线。 11 CN 111578164 A 说　明　书 7/13 页 对于上文所述第一种情况，则有： 固态光源发出的光线经第二准直元件准时后射向二向色镜，且固态光源发出的第 三色光线中至少有部分光线的波长长于或等于二向色镜的设计的截止波长或起始波长，同 时第一色光线和第二色光线中至少有部分光线的波长短于二向色镜的设计的截止波长或 起始波长。二向色镜可以反射波长长于或等于其设计的截止波长的光线、透射波长短于其 设计的截止波长的光线或透射波长长于或等于其设计的起始波长的光线、反射波长短于其 设计的起始波长的光线。 当使用的二向色镜为反射波长长于或等于其设计的截止波长的光线、透射波长短 于其设计的截止波长的光线时，通过选用具有适合截止波长的二向透镜，就可以使自偏振 分光器射向二向色镜的光线中的至少大部分光线透射通过二向色镜、使自第二准直元件射 向二向色镜的第三色光线中的至少大部分光线被二向色镜反射，最后这些光线合为一路光 线，经聚光零件收敛后从发光装置射出。 当使用的二向色镜为透射波长长于或等于其设计的起始波长的光线、反射波长短 于其设计的起始波长的光线时，通过选择具有适合起始波长的二向透镜，就可以使自偏振 分光器射向二向色镜的光线中的至少大部分光线被二向色镜反射、使自第二准直元件射向 二向色镜的第三色光线中的至少大部分光线透射通过二向色镜，最后这些光线合为一路光 线，经聚光零件收敛后从发光装置射出。 对于上文所述第二种情况，则有： 第二激光光源发出中心波长短于二向色镜的设计的截止波长或起始波长的光线， 这些光线中的至少大部分光线经二向色镜透射或反射后进入第二光路。 第二光路：第二激光光源所发射出的光线射入第二光路，然后由第二聚光元件汇 聚到第二波长转换装置上。第二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。激发光被第二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，且该受激光中至少有部分光线的波长长于或等于二向色镜的 设计的截止波长或起始波长。受激光自第二波长转换装置射回第二光路。 第二聚光元件把从第二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。 二向色镜可以反射波长长于或等于其设计的截止波长的光线、透射波长短于其设 计的截止波长的光线或透射波长长于或等于其设计的起始波长的光线、反射波长短于其设 计的起始波长的光线。 当使用的二向色镜为反射波长长于或等于其设计的截止波长的光线、透射波长短 于其设计的截止波长的光线时，通过选用具有适合截止波长的二向透镜，就可以使自偏振 分光器射向二向色镜的光线中的至少大部分光线透射通过二向色镜、使自第二聚光元件射 向二向色镜的光线中的至少大部分光线被二向色镜反射，最后这些光线合为一路光线，经 聚光零件收敛后从发光装置射出。 当使用的二向色镜为透射波长长于或等于其设计的起始波长的光线、反射波长短 于其设计的起始波长的光线时，通过选择具有适合起始波长的二向透镜，就可以使自偏振 分光器射向二向色镜的光线中的至少大部分光线被二向色镜反射、使自第二聚光元件射向 二向色镜的第三色光线中的至少大部分光线透射通过二向色镜，最后这些光线合为一路光 12 CN 111578164 A 说　明　书 8/13 页 线，经聚光零件收敛后从发光装置射出。 本发明提供的一种固态光源发光装置，具有亮度高、光学扩展量小、显色指数高、 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是现有技术中的一种发光装置的结构示意图； 图2及图3是所有实施例公开的固态光源发光装置中第一激光光源可选用的第一 种结构形式的结构示意图； 图4是所有实施例公开的固态光源发光装置中第一激光光源可选用的第二种结构 形式的结构示意图； 图5是实施例1公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图6是实施例2公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图7是实施例3公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图8是实施例4公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图9是实施例5公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图10是实施例6公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图11是实施例7公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图12是实施例8公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图13是实施例9公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图14是实施例10公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图15是实施例11公开的固态光源发光装置的结构示意图； 图16是实施例12公开的固态光源发光装置的结构示意图。