CN212986806U - 一种消色差发光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开提出一种消色差发光装置，包括发光的光源，光源包括发光区，发光区发出光；收束透镜，收束透镜接收光，发光区与收束透镜之间的距离为L，所述收束透镜的收光半径为R、收光角为A，

；收束透镜远离光源的一侧设置有消色差透镜组，消色差透镜组包括第一凸透镜和紧靠第一凸透镜的第一凹透镜，第一凹透镜的色散系数小于第一凸透镜；消色差透镜组远离光源的一侧设置有准直透镜。收束透镜对光进行收束，光中的部分大角度光偏转为小角度光，使得光源发出的大部分光能够出射，增加了出射光的整体亮度；消色差透镜组将穿过收束透镜的光进行消色差处理；准直透镜对光角度调整，使得从装置出射的光是一个较为准直的平行光。

Description

一种消色差发光装置

技术领域

本实用新型涉及照明技术领域，具体地说，涉及消色差发光装置。

背景技术

随着照明技术的发展，已经变的越来越成熟。在照明装置中为了进行收光和聚焦，通常在光路中增加凸透镜进行收光。因为增加了凸透镜，从凸透镜出射的光会出现色散现象。所谓的色散现象即为，一束平行于主光轴的白光射至一个放置于空气（n≈1）中的玻璃制成的薄透镜，由于光的散射，射出透镜的不同波长的光产生不同的偏折。红光折射率

小于紫光折射率

，所以红光对应的透镜焦距

大于紫光对应的透镜焦距

。

在手电、枪灯、探照灯以及搜索灯等领域中，往往只需要光源发出的特定角度的光，而不处于特定角度内的光极大程度上是浪费掉的，同时也就导致了出射的光照亮度达不到预期。

因此为了使得不在特定角度内的光也能够出射，人们使用反光杯对无法出射的光进行收集，并将收集到的光反射出射。

使用反光杯来增加出射光，本质上是增加了光的利用率，但光源的发光量是一定的，即在面积一定、发光量相同的情况下，光的利用率越高，出射光的亮度也会越高。然而在使用反光杯时，提供光照的光源需要放置在反光杯的焦点处，否则就会出现离焦的情况，使得反光杯并不能最大程度上接收到来自光源的光。而且反光杯在制作时也由于工艺误差等因素，使得反光杯的焦点并不一定是相同的，这也造成了光源的位置很难与反光杯的焦点重合。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述传统技术的不足之处，本实用新型发明一种可以高效利用光源发出的光并进行消色差的发光装置。

为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种消色差发光装置，包括发光的光源，所述光源包括发光区，所述发光区发出光，其特征在于：还包括收束透镜，所述收束透镜接收发光区发出的光，所述发光区与收束透镜之间的距离为L，所述收束透镜的半径为R,所述收束透镜的收光角为A，

；所述收束透镜远离光源的一侧设置有消色差透镜组，所述消色差透镜组包括第一凸透镜和与第一凸透镜紧靠的第一凹透镜，所述第一凹透镜的色散系数小于第一凸透镜；所述消色差透镜组远离光源的一侧设置有准直透镜；

还包括围绕光源设置的固定壳，所述消色差透镜组的周向上围绕设置有固定装置，所述固定装置与固定壳滑动连接；

所述固定壳的侧壁上设置有滑动槽，所述滑动槽由固定壳的外表面延伸至固定壳的内表面，所述滑动槽沿固定壳的长度方向延伸，所述滑动槽中滑动连接有滑动装置，所述滑动装置与固定装置连接。

作为上述技术方案的一种改进：所述准直透镜覆盖固定壳远离光源的一端。

作为上述技术方案的一种改进：所述固定装置包括围绕消色差透镜组设置的圆环，所述圆环上设置有底座，所述底座的尺寸小于消色差透镜组的尺寸。

作为上述技术方案的一种改进：还包括螺栓和固定台，所述螺栓包括外螺纹，所述滑动装置上设置有与外螺纹对应的内螺纹，所述螺栓沿固定壳的长度方向穿过滑动装置，所述固定台设置在固定壳的侧壁，所述螺栓与固定台连接。

作为上述技术方案的一种改进：所述光源为LED芯片，所述LED芯片发光区的四周围绕设置有白色围墙。

作为上述技术方案的一种改进：还包括光阑，所述光阑包括圆形的光阑孔，所述光阑覆盖在发光区与白色围墙上，所述光阑孔的直径大于发光区的边长并且小于发光区的对角线的长度。

作为上述技术方案的一种改进：所述光源为发光的波长转换装置；还包括激光二极管，激光二极管发出激光激发波长转换装置，波长转换装置受激发出受激光。

作为上述技术方案的一种改进：所述波长转换装置包括透明导热基底，所述透明导热基底远离激光二极管的一侧设置有荧光材料，所述透明导热基底与荧光材料之间设置有透射激光反射受激光的反射膜。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本技术方案通过收束透镜来对光源发出的光进行收束，使得光源发出的光中的部分大角度光偏转为小角度光，从而使得光源发出的大部分光能够出射，也就增加了出射光的整体亮度；经过收束透镜收束后的光被消色差透镜组接收，消色差透镜组将穿过收束透镜的光进行消色差处理；被消色差透镜组处理后的光向准直透镜出射，准直透镜对光再次进行角度调整，从而使得从装置出射的光会是一个较为准直的平行光。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是一种消色差发光装置的结构示意图。

图2是光源发出光的光路图。

图3是图1局部放大图。

图4是固定装置的俯视图。

图5是白色围墙的俯视图。

图6是光阑的俯视图。

图7是另一种高效的消色差发光装置的结构示意图。

图8是波长转换装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

光源发出的光是有限的，往往只有特定角度的光才能够出射，这就造成了光能的浪费，也使得出射光整体亮度不高。而且光在穿过透镜时，往往会出现色差。所以我们需要将光源发出的光充分利用起来，才能增强出射光的整体亮度，而且也需要将光产生的色差消除才能使得出射光的视觉效果得以提升。因此在这里提出一种新型方案，用来提高光源发出光的利用率。如图1-6所示，一种高效的消色差发光装置，包括发光的光源111，所述光源111包括发光区111a，所述发光区111a发出光，还包括收束透镜112，所述收束透镜112接收发光区111a发出的光，所述发光区111a与收束透镜112之间的距离为L，所述收束透镜112的收光半径为R,所述收束透镜112的收光角为A，

；所述收束透镜112远离光源111的一侧设置有消色差透镜组113，所述消色差透镜组113包括第一凸透镜113a和与第一凸透镜113a紧靠的第一凹透镜113b，所述第一凹透镜113b的色散系数小于第一凸透镜113a；所述消色差透镜组113远离光源111的一侧设置有准直透镜114。发光区111a发出的光可以分为可出射的小角度光121与不可出射的大角度光122，而大角度光122可以分为能够被收束透112镜接收到的光束122a，和不能够被收束透镜112接收到的光束122b。小角度光121能够直接穿过收束透镜112出射；而大角度光122中的部分光122a被收束透镜112收束后，角度变小，从而光122a可以出射穿过收束透镜112出射。收束透镜112优选为凸透镜，根据光学知识可知，凸透镜具有收束光的特性，即可以将接收到的光进行角度扭转。发光区111a发出的小角度光121可以直接穿过收束透镜112，而大角度光122中的光束122a需要被收束透镜112接收到并进行角度扭转为小角度光121后才能够从装置中出射，从而收束透镜112的存在使得发光区111a发出的光能够被充分利用，减少了光能损失。收束透镜112想要接收到更多的大角度光122就需要非常靠近发光区111a，但由光学知识可知，凸透镜对光的收束能力是有限的，凸透镜存在一个焦点，当发光点处于焦点与凸透镜之间时，发光点距离凸透镜越近凸透镜的对光的收束能力越差。因此收束透镜112与发光区111a是不能紧贴的。但发光区111a与收束透镜112之间的距离也不能过远，如果两者之间的距离过远，收束透镜112就只能接收到一小部分来自发光区111a的光；而既想要保证发光区111a与收束透镜112之间的距离，又要保证收束透镜112能够接收更多的光，就只能选择增加收束透镜112的尺寸，但这又会增加整个装置的整体体积。总之，想要保证收束透镜112能够最大程度的接收来自发光区111a的光，就需要使得发光区111a与收束透镜112之间距离足够近；但发光区111a与收束透镜112之间的距离过近的话，收束透镜112的对光的扭转能力就会下降。只有收束透镜112与发光区111a之间处于最佳距离，才能保证收束透镜112能够有效的扭转光的角度并且兼顾最大程度上接收光。而经过发明人多次论证得出以下关系：假设发光区111a与收束透镜112之间的距离为L，收束透镜112的半径为R，收束透镜112的收光角为A，其中

。

可以得到收束透镜112的收光半径，而R为实际使用的收束透镜112的半径，因此只有满足

时，收束透镜112的尺寸以及收束透镜112与发光区111a之间的距离才能达到最佳平衡，此时收束透镜112在保证对光的扭转能力的同时，还能最大程度上接收发光区111a发出的光，从而保证了发光区111a发出的光能够被充分使用。由光学知识可知，当一束光穿过凸透镜的时候，由于凸透镜一般由两个球面（或一个球面和一个平面）组成，折射率为

的透镜放置于折射率为n的介质中，在物点发出的光线与透镜主光轴的夹角很小（一般小于5°）的情况下，薄透镜的焦距公式为f=

，其中

和

为透镜两个折射面的半径，不同波长的光（不同颜色的光）具有不同的

值，于是导致不同波长的光在穿过凸透镜后具有不同的焦距f。因为不同波长的光穿过同一透镜后的焦距f不同，所以发生色散现象。因此穿过收束透镜112后出射的小角度光121存在着色散现象，色散现象的存在会非常影响出射光的视觉效果，所以必须要消除色散现象。因此，本方案引入了消色差透镜组113来消除小角度光121的色散问题。根据光学原理可知，色散系数越小色散程度越大。在本实施方式中，第一凸透镜113a起到了对小角度光121进行汇聚的作用，根据光学原理可知，第一凸透镜113a对蓝光的汇聚程度比对红光的汇聚程度要大；第一凹透镜113b起到了对小角度光121进行发散的作用，根据光学知识可知，第一凹透镜113b对蓝光的发散程度比对红光的发散程度要大。又因为该装置最终出射的小角度光121需要是尽量准直的，所以第一凸透镜113a对小角度光121的汇聚、收拢的能力要大于第一凹透镜113b对小角度光121的发散能力。然而第一凹透镜113b与第一凸透镜113a对光的弯折能力不同，引起了色散。为了抵消第一凸透镜113a对小角度光121的汇聚、收拢过程中造成的色散，本方案通过增大第一凹透镜113b的色散程度的方式解决，即第一凹透镜113b的色散系数小于第一凸透镜113a。穿过消色差透镜组113后的小角度光121依旧存在部分是发散的，而发散的光最终会形成一个较大的光斑，由光学扩展量守恒可知，光形成的光斑越大其光强越低。因此在消色差透镜组113远离光源111的一侧设置了准直透镜114，准直透镜114同样优选为凸透镜。利用准直透镜114将穿过消色差透镜组113后的小角度光121再次进行收束，使得依旧发散的小角度光121会被收束透镜114扭转为较为准直的出射光，从而使得出射光形成的光斑不会变大，即出射光的光强也会提高。在本方案中消色差透镜组113中的第一凸透镜113a与第一凹透镜113b的位置关系是可以调整的，即第一凸透镜113a设置在消色差透镜组113靠近准直透镜114的一侧，第一凹透镜113b设置在消色差透镜组113靠近光源111的一侧，两者位置关系也可以是第一凸透镜113a设置在消色差透镜组113靠近光源111的一侧，第一凹透镜113b设置在消色差透镜组113靠近准直透镜114的一侧。

在本方案中，使用多个透镜辅助发光区111a发出的光出射，然而透镜一般为玻璃制品，容易被外力损坏。所以为了防止装置中的各个透镜损坏，优选的，还包括围绕光源111设置的固定壳101，所述消色差透镜组113的周向上围绕设置有固定装置102，所述固定装置102与固定壳101滑动连接，所述准直透镜114覆盖固定壳101远离光源111的一端。选用固定壳101围绕光源111设置，即光源111放置在固定壳101的一端，并且将收束透镜112与消色差透镜组113放置在固定壳101中，避免了固定壳101内部的各个元器件因外力而发生的损坏。而为了防止空气中的悬浮颗粒进入到固定壳101内部影响光的出射，所以准直透镜114覆盖在固定壳101远离光源111的一端，这样设计使得准直透镜114还兼具了出光口玻璃的功能。而为了方便消色差透镜组113的固定，在消色差透镜组113的周向上围绕设置有固定装置102，固定装置102将消色差透镜组113滑动连接在固定壳101上。滑动连接的目的是使得消色差透镜组113可以在连接的同时还可以移动。当消色差透镜组113在移动时，特别是可以改变与发光区111a之间的距离时，消色差透镜组113还可以对出射光进行调焦。而为了方便移动消色差透镜组113，一种优选的实施方式是，所述固定壳101的侧壁上设置有滑动槽105，所述滑动槽105由固定壳101的外表面延伸至固定壳101的内表面，所述滑动槽105沿固定壳101的长度方向延伸，所述滑动槽105中滑动连接有滑动装置106，所述滑动装置106与固定装置102连接。为了方便从装置外部就可以调节消色差透镜组113与发光区111a之间的距离，所以在固定壳101侧壁上设置有由固定壳101的外表面延伸至内表面，并且沿固定壳101的长度方向延伸的滑动槽105，而在滑动槽105中还滑动连接一个滑动装置106。这里所说的滑动连接可以理解为，滑动装置106与滑动槽105在连接的同时又不阻碍滑动装置106在滑动槽105中移动。滑动装置106与固定装置102连接，使得滑动装置106在滑动槽105中移动时可以带动固定装置102进行移动，也就间接带动了消色差透镜组113的移动，调节了消色差透镜组113与光源111之间的距离，从而实现了消色差透镜组113的调焦功能。然而只是调节消色差透镜组113与光源111之间的距离是不够的，我们还需要将消色差透镜组113调节到合适位置后进行固定以方便实用。所以优选的，还包括螺栓107和固定台108，所述螺栓107包括外螺纹，所述滑动装置106上设置有与外螺纹对应的内螺纹，所述螺栓107沿固定壳101的长度方向穿过滑动装置106，所述固定台108设置在固定壳101的侧壁，所述螺栓107与固定台108连接。滑动装置106上设置有与螺栓107外螺纹相对应的内螺纹，因此当拧动螺栓107时就可以带动滑动装置106进行移动，方便了对固定壳101内部的消色差透镜组113的调节。而为了避免螺栓107的滑落，因此在固定壳101的外部设置有固定台108，利用固定台108对螺栓107进行阻挡，也就使得消色差透镜组113在调节到合适位置后就可以固定住而不能随意移动。当然，想要对滑动装置106进行调节，也不必局限于使用螺栓107，还可以利用齿轮、电机等对滑动装置106进行位置调节。

在本方案中，利用固定装置102固定消色差透镜组113，但我们还需要防止固定装置102会遮挡小角度光121的出射，所以优选的，所述固定装置102包括围绕消色差透镜组113设置的圆环102a，所述圆环102a上设置有底座102b，所述底座102b的尺寸小于消色差透镜组113的尺寸。利用圆环102a将消色差透镜组113进行固定，其中圆环102a是围绕消色差透镜组113周向设置的，从而避免了固定装置102对光121的遮挡。但固定装置102只有圆环102a是很难对消色差透镜组113进行固定的，所以在圆环102a上设置有底座102b。底座102b的尺寸会小于消色差透镜组113的尺寸，消色差透镜组113的尺寸会小于圆环102a的尺寸。在对固定装置102与消色差透镜组113进行组装时，消色差透镜组113会放入圆环102a中，但会被底座102b卡住，然后在固定装置102与消色差透镜组113之间注入胶水即可固定，因此总体上更方便了固定。

为应对日益严重的能源危机，现在照明领域的主流光源一般需要考虑低耗能光源，所以优选的，所述光源111为LED芯片，所述LED芯片发光区111a的四周围绕设置有白色围墙103。LED芯片具有能耗低、寿命长等优点，并且价格较低，非常适合作为本方案的光源使用。现有的LED芯片大多是矩形，而LED芯片的发光区即光源111的发光区111a也同样是矩形的，矩形的LED芯片应用在本方案中最终形成的光斑是对LED芯片的成像，此时光斑也会是一个矩形，但在照明领域，我们更希望获得一个圆形的光斑。在LED芯片的发光区111a的四周围绕有白色围墙103。因为LED芯片是朗伯发光的，即LED芯片发出的光束会向四周随机出射，此时将白色围墙103围绕在LED芯片发光区111a的四周，并且将白色围墙103的外轮廓做成圆形。LED芯片向四周发出的无法直接出射的大角度光122会照射到白色围墙103上，这部分光经过白色围墙103的散射反射后也会出射，即LED芯片与白色围墙103相当于一个圆形出光区域，因此最终形成的光斑也会是圆形的。

使用外轮廓为圆形的白色围墙103，该方法虽然改变出射的小角度光121的光斑形状，但白色围墙103的制作难度较大，而且也相当于增大了发光区111a的发光面积。在光源111的光功率不变的情况下，由光学扩展量守恒可知，发光面积增大，光强减弱，而这个结果并不是我们想要的。所以优选的，还包括光阑104，所述光阑104包括圆形的光阑孔104a，所述光阑104覆盖在发光区111a与白色围墙103上，所述光阑孔104a的直径大于发光区111a的边长并且小于发光区111a的对角线的长度。为了尽量减小影响出射的小角度光121的光强，同时出射的小角度光121会形成一个圆形光斑，我们引入了光阑104这一元件，并且光阑104带有圆形的光阑孔104a。将光阑104覆盖在发光区111a和白色围墙103上，在此方法中，光阑孔104a区域相当于虚拟发光区，此时穿过光阑104出射的小角度光121形成的光斑为圆形光斑。为了不增大发光面积，光阑孔104a的直径不能大于发光区111a的对角线长度，但同时为了保证小角度光121能够最大程度上的出射，光阑孔104a的直径需要大于发光区111a的最短边长。

综上所述，在本方案中选用收束透镜112对从发光区111a出射的光进行收束，使得部分大角度光122能够转变为小角度光121从而最终能够出射，进而使得出射光的亮度增加；并且利用消色差透镜组113的存在，使得出射的小角度光121能够被消色差，避免了出射光中的色差出现；小角度光121穿过准直透镜114，准直透镜114将小角度光121再次进行角度校正，使得小角度光121变为较为准直的光束出射。

实施例2：

激光照明作为近些年新兴的照明技术，其拥有更高的亮度、更低的能耗以及更长的寿命等优点，非常适合本方案使用。如图7-8所示，优选的，所述光源211为发光的波长转换装置211b；还包括激光二极管211c，激光二极管211c发出激光223激发波长转换装置211b，波长转换装置211b受激发出受激光。激光二极管211c发出的激光223具有亮度高的优点，而激光223激发波长转换装置211b得到的受激光也同样具有亮度高的优点，而从波长转换装置211b出射的受激光也就是本方案中从发光区211a出射的小角度光221和大角度光222。本方案为了方便受激光的出射，波长转换装置211b优选透射式，即激光223从波长转换装置211b的一侧进入，波长转换装置211b转化激光223产生的受激光会从波长转换装置211b的另一侧出射。优选的，所述波长转换装置211b包括透明导热基底211d，所述透明导热基底211d远离激光二极管211c的一侧设置有荧光材料211e，所述透明导热基底211d与荧光材料211e之间设置有透射激光反射受激光的反射膜211f。波长转换装置211b在转化激光223时会产生大量的热，而为了避免热量的堆积造成荧光材料211e发生热淬灭而损坏，所以波长转换装置211b需要包括一个透明导热基底211d。透明导热基底211d既保证热量传递的同时又不会影响激光223的穿过。激光223的能量密度很高，当激光223直接照射荧光材料211e时，可能会造成荧光材料211e的局部温度急速升高，最终导致荧光材料211e烧毁，因此荧光材料 211e设置在透明导热基底211d远离激光二极管211c的一侧。荧光材料211e在受激发光时相当于一个朗伯发光体，受激光会向四周随机出射，这就造成了部分受激光无法朝向收束透镜212出射，造成了光能的浪费。而为了避免受激光的浪费，透明导热基底211d与荧光材料211e之间设置有透射激光223反射受激光的反射膜211f，这样设置使得受激光只能朝向收束透镜212出射，从而受激光能够被充分利用。当然，波长转换装置211b在选用透射式时也不只有上述透明导热基底211d、荧光材料211e以及反射膜211f组成，还可以是荧光陶瓷组成的。

综上所述，在本实施例中利用波长转换装置211b搭配激光二极管211c使用，从而获得更为明亮的出射光。

以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，所述内容为本实用新型的最佳实施方式，不能被用于限定本实用新型的保护范围。对于本领域技术人员而言，任何对该实用新型进行的等同修改和替代也都在本实用新型所要保护的范畴之中。

Claims (8)

1.一种消色差发光装置，包括发光的光源，所述光源包括发光区，所述发光区发出光，其特征在于：还包括收束透镜，所述收束透镜接收发光区发出的光，所述发光区与收束透镜之间的距离为L，所述收束透镜的半径为R,所述收束透镜的收光角为A，

；所述收束透镜远离光源的一侧设置有消色差透镜组，所述消色差透镜组包括第一凸透镜和与第一凸透镜紧靠的第一凹透镜，所述第一凹透镜的色散系数小于第一凸透镜；所述消色差透镜组远离光源的一侧设置有准直透镜；

还包括围绕光源设置的固定壳，所述消色差透镜组的周向上围绕设置有固定装置，所述固定装置与固定壳滑动连接；

所述固定壳的侧壁上设置有滑动槽，所述滑动槽由固定壳的外表面延伸至固定壳的内表面，所述滑动槽沿固定壳的长度方向延伸，所述滑动槽中滑动连接有滑动装置，所述滑动装置与固定装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种消色差发光装置，其特征在于：所述准直透镜覆盖固定壳远离光源的一端。

3.根据权利要求1所述的一种消色差发光装置，其特征在于：所述固定装置包括围绕消色差透镜组设置的圆环，所述圆环上设置有底座，所述底座的尺寸小于消色差透镜组的尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种消色差发光装置，其特征在于：还包括螺栓和固定台，所述螺栓包括外螺纹，所述滑动装置上设置有与外螺纹对应的内螺纹，所述螺栓沿固定壳的长度方向穿过滑动装置，所述固定台设置在固定壳的侧壁，所述螺栓与固定台连接。

5.根据权利要求1所述的一种消色差发光装置，其特征在于：所述光源为LED芯片，所述LED芯片发光区的四周围绕设置有白色围墙。

6.根据权利要求5所述的一种消色差发光装置，其特征在于：还包括光阑，所述光阑包括圆形的光阑孔，所述光阑覆盖在发光区与白色围墙上，所述光阑孔的直径大于发光区的边长并且小于发光区的对角线的长度。

7.根据权利要求1所述的一种消色差发光装置，其特征在于：所述光源为发光的波长转换装置；还包括激光二极管，激光二极管发出激光激发波长转换装置，波长转换装置受激发出受激光。

8.根据权利要求7所述的一种消色差发光装置，其特征在于：所述波长转换装置包括透明导热基底，所述透明导热基底远离激光二极管的一侧设置有荧光材料，所述透明导热基底与荧光材料之间设置有透射激光反射受激光的反射膜。

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