激光器壳体和带有激光器的双光源照明装置的制作方法

1.本文公开的设备包括用于室内或室外照明应用的照明装置。


背景技术：

2.照明设计既是一门科学，也是一门艺术。综合照明设计需要考虑所提供的功能光的量、所消耗的能量以及由照明系统提供的美学影响。诸如娱乐场、剧院、夜总会和音乐会舞台之类的场所中的照明主要涉及通过照明系统来增强建筑或音乐会的外观和情感影响。因此，重要的是使光产生和照明器光度测量的科学与光在我们的建筑环境中作为介质的艺术应用相平衡。通常，用于上述类型场所的重点照明可能非常复杂且昂贵。
3.较小的场所，诸如餐馆、小型企业或者甚至家庭，也采用重点照明。这样的重点照明通常限于“较暗”的照明能力和/或单色照明。为了在这些类型的场所中使用更复杂的照明系统，可能需要特殊的设备，大量的电气重新布线，并且可能通常是成本过高的。
4.此外，使用相干光源(例如，激光器)的室内照明通常被保留用于特殊情况。常规灯泡使用非相干照明。最近，作为相干光源的led灯泡已被用于室内照明。
5.然而，需要一种允许相干光源和常规非相干光源两者的设备。这样的设备将允许结合相干光源使用常规的非相干室内或室外照明，并且还在两个光源之间切换。
6.此外，需要一种具有小的激光器壳体并且可以以合适的焦距准确且高效地制造的照明装置。


技术实现要素：

7.本文公开了一种照明装置，该照明装置具有未被散热器包围的相干光源，诸如直接二极管激光器，该激光器能够在被供电时产生激光；准直由激光器产生的光的透镜；静止衍射光栅；全息光学元件；在激光器和透镜之间的间隔件，该间隔件具有定义为焦距的距离，其中间隔件在一端上接触激光器并且在第二端上接触透镜；以及用于向激光器提供电力的开关模式电源。
8.本文公开了一种照明装置，该照明装置包括：相干光源；准直由激光器产生的光的透镜；在激光器和透镜之间的具有第一端和第二端的间隔件，该间隔件具有定义为焦距的距离，其中间隔件在第一端上接触激光器并且在第二端上接触透镜；静止衍射光栅；一个或多个led；以及用于向激光器和led提供电力的开关模式电源。
附图说明
9.图1示出了用以产生全息图的光路设置。
10.图2示出了根据设备的一个实施方案的激光器和壳体的剖切视图。
11.图3示出了激光器和壳体的另一个实施方案的视图。
12.图4示出了根据设备的一个实施方案的照明装置的分解图。
13.图5示出了图4的照明装置的外部的透视图。
14.图6示出了根据设备的一个实施方案的电气示意图。
具体实施方式
15.以下详细描述是实施本发明的目前预期的最佳模式。该描述不应被理解为限制意义，而仅仅是出于说明本发明的一般原理的目的而进行的。
16.本发明的实施方案涉及一种用于重点照明应用中的照明装置。在一个实施方案中，照明装置包括诸如激光器之类的相干光源以及衍射光学元件。衍射光学元件可以是例如全息光学元件。照明装置可适于改装到预先存在的灯具中。在一种应用中，照明装置可投射静态或可移动的星空背景和/或静态或可移动的云。
17.衍射光学元件(doe)是根据衍射原理操作的一类光学器件。传统的光学元件使用它们的形状来使光弯折。相比之下，衍射光学器件将入射光波分裂成大量波，然后重新组合以形成全新的波。doe可用作光栅、透镜、非球面的或任何其他类型的光学元件。它们提供了常规光学元件不可能具有的独特光学特性。此外，doe可以用多种材料制造，这些材料包括但不限于铝、硅、二氧化硅或塑料。
18.全息照相术是一种技术，所述技术允许记录从物体散射的光并随后对其进行重构，以使看起来物体好像相对于记录介质处于与记录时相同的位置。随着观察系统的位置和取向的变化，图像以与物体仍然存在时完全相同的方式变化，由此使记录的图像(被称为全息图)看起来是三维的。图1示出了用以产生全息图的光路设置。
19.全息图可由从物体散射并受到参考光束干涉的激光束产生。例如感光板或全息胶片等的二维记录介质记录物体三维体积相位信息，其被称为条纹或迭代傅里叶变换算法(ifta)图案。此过程类似于摄影，在摄影中，将从被摄物体散射的白光记录在卤化银胶片上。光具有相位(体积)和振幅(强度)，但常规摄影中仅记录了强度。然而，由于参考光束的干涉，全息图会存储振幅和相位两者。由于激光的作用，所述参考光束具有与散射光相同的特性。相位信息是全息照相术中最重要的因素，这是因为它为眼睛提供了深度提示，并且允许图像以三维的形式显示。
20.在计算机科学领域中，计算机生成的全息图像是通过数值模拟光衍射和干涉的物理现象来计算的。计算机软件计算从或通过物体反射或透射的光的相位是有可能的。计算不同物体(诸如点、线和线框)的光的相位会产生干涉模拟，该干涉模拟继而可被传送到摄影敏感介质。
21.全息光学元件(hoe)是一种类型的doe。全息光学元件是点光源的全息图，并用作具有光焦度(即，聚光能力)的透镜或镜。全息图由呈现为表面浮雕的衍射图案组成，该衍射图案可以是例如在整个胶片厚度上包含折射率调制的薄胶片(使用光刻胶和/或重铬酸盐明胶创建)。“折射率调制”是指周期性特征集，其具有图案的线性分布，以产生在制备hoe的过程中创建的新颖光学效果。任一种方法(重铬酸盐明胶或光刻胶)都可用于创建数学分布，以创建线性导数，从而产生在相位掩模中实现的周期性特征集。在本发明的一个实施方案中，ifta的非线性实现产生对数的或者双曲线的ifpta波函数，该波函数可用于在衍射表面上产生非线性相位导数。根据本发明的实施方案，全息图可分类成两种类别：(i)“反射全息图”，其中入射光和衍射光在hoe的同一侧上；(ii)“透射全息图”，其中入射光和衍射光在相对侧上。
22.图2描绘了根据设备的一个实施方案的激光二极管和相关联的壳体和透镜。圆柱形中空壳体2设置有固定在壳体2一端内的激光器4。激光器具有三根电源线34，用于连接到印刷电路板(在图3中示出)。壳体的另一端带有螺纹以接收容纳透镜8和衍射光栅12的插入件10。透镜8固定在插入件10内，使得当插入件10旋入壳体2内时，透镜8在由激光器2提供的光的路径内居中。透镜8被旋入直到来自激光器的光聚焦。聚焦光可以手动进行，例如，将使透镜8保持在适当位置的插入件10旋入壳体2中，然后调节距离直到光看起来聚焦。另选地，壳体可被配置为规定透镜8以使得其停留在距激光器2的最佳距离处以便聚焦的方式接合。例如，壳体2中的螺纹可在透镜8被设置了用于最佳聚焦的最佳距离的位置处停止或束缚插入件10的螺纹。还另选地，可以提供将透镜8设置在期望距离处的间隔件6，然后当旋入壳体2时，间隔件6阻止插入件10进一步旋入壳体2中。静止衍射光栅12在激光路径中固定到插入件10的端部。光栅12由两个环14固定在适当位置。管腔16位于壳体2的端部开口端处。
23.在替代实施方案中，衍射光栅可以直接印刷在透镜上，从而将衍射光栅和透镜集成为单个部件。
24.在一些实施方案中，激光器4是二极管泵浦固态(dpss)激光器。dpss激光器是将某种形式的能量(例如电、光、化学)转换为单色、定向和相干的窄光束的装置。“单色”意指与一种颜色的光或与单一波长或窄波长范围的辐射有关。“定向”意指光束以低发散度(例如，小于10毫弧度)非常好地准直，并且以非常小的直径扩展在长距离上行进。如果使用具有长腔的激光二极管，则由激光器产生的光可被高度准直，而无需对光进行任何其他修改(例如，通过透镜)。这在二极管泵浦固态激光器中是常见的。如果使用直接二极管激光器，则光可能会更发散，在这种情况下，用于聚焦光的透镜也可以是减少光发散的准直透镜。“相干”意指保持固定相位关系的波或与其相关。一个波的效果增强了每隔一个波的强度，使得相干光的总体效果比如果波不同相的情况大得多。在一个实施方案中，dpss激光器可以是具有约两百(200)毫瓦的总激光功率的flpps 2类单光束激光器。在其他实施方案中，照明装置的激光器是直接二极管激光器光源，而激光直接由固态二极管产生，而不是如dpss类型中的多光学晶体激光器。
25.图3提供了设备中的激光器壳体配置的实施方案。激光器4位于壳体2的一端，电源线连接到印刷电路板18。壳体2具有保持透镜8的插入件10。在该配置中，插入件10向下延伸到壳体2的内部底座，并且向上延伸到壳体2的与激光器4相对的外部边缘。在该实施方案中，将衍射光栅12保持在适当位置的环14在插入件10内。
26.印刷电路板18容纳在附接到壳体2的后端的容器20内。帽22将印刷电路板18保持在适当位置。如实施方案中所示，印刷电路板18延伸穿过帽22中的狭槽以允许接近用于为印刷电路板18和激光器2供电的导线。
27.印刷电路板18还可包括控制led(在下文中描述)和/或激光器的照明的附加功能。首先，如图6所描绘的，板18具有与控制装置无线通信的接收器。这可以以任意数量的方式实现，例如使用bluetooth
tm
技术、无线电波、以太网连接或其他无线通信方法。基于所选择的通信技术的类型来选择接收器。控制装置允许用户指示处理器根据灯泡所允许的照明的变化来按照需要改变照明。
28.电路板和接收器通过布线连接来为上述灯泡的各种元件供电。控制板还包括包含控制软件指令的存储器和用于按照需要执行指令的处理器。顺着期望的功能，控制板可以：
控制led是接通还是断开；控制激光器或其他相干光源是接通还是断开；控制马达以使全息光学元件旋转进入或离开激光的光路；控制其他旋转光学元件以使得它们旋转以产生移动的星空背景或其他效果；通过增加或减小smps的输出电压来控制激光的强度；或控制其他特性。
29.图2和图3的实施方案较小。激光器的整个壳体2的长度可为约5mm
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20mm，并且直径为大致相同的尺寸，这取决于激光器的具体尺寸和构造以及提供适当聚焦所需的到透镜的距离。在一些实施方案中，壳体2长12mm并且具有11.95mm的直径。通过使用衍射光栅，激光的输出强度可减小到1mw以下，从而使其成为当前美国安全标准下的ii类激光器。
30.壳体2是金属的，以将热量从激光器4传导出去。然而，与现有技术设计不同，不存在具有用于散热的多个凸缘的专用散热器。如下图4所示，壳体2和容器20可以直接附接到照明装置的板或其他结构元件，并且热量通过其而不是单独的散热器元件耗散。
31.图2和图3的激光单元可直接连接到电功率源，诸如ac或dc电线、电池、usb电缆或其他供电元件。可以在没有任何附加壳体的情况下使用激光单元，使得用户可简单地自己显示激光装置。激光单元可连接到汲取电力的另一个装置，并且其可从该另一个装置接收其电功率。
32.图4以分解图示出照明设备的实施方案。该设备具有呈标准照明器材(例如，par 30、par 40等)的形状的灯泡外部壳体24。在灯泡的一端26处的是底座28，用于将灯泡连接到电功率源。该源可以是任何标准的电连接，例如电插头、爱迪生灯插座、美国电力电缆或一些其他源。源可以是ac或dc电源。如果是ac电源，则在向激光器4提供电力之前，需要开关模式电源(smps)来将其转换为dc电源。smps 32可经由导线或电引线或本领域普通技术人员已知的任何其他装置与激光器4电连通。smps是电子电源单元，其结合了开关稳压器以提供所需的输出电压。在一个实施方案中，smps 32可被附连到印刷电路板18或结合在其内。然而，用于smps 32的其他合适位置也在本发明的范围内。在替代实施方案中，可以使用线性电源来代替smps 32以提供必要的驱动电压和电流。
33.smps是结合了开关稳压器的电子电源单元。smps以可变占空比在饱和(全接通)和截止(完全断开)之间快速切换功率晶体管，该可变占空比的平均值是期望的输出电压。所产生的矩形波形用电感器和电容器进行低通滤波。这种方法的主要优点是效率更高，因为与半导体状态(有源区)相比，开关晶体管在饱和状态和断开状态下耗散的功率很小。其他优点包括较小的尺寸和较轻的重量(由于消除了具有较高重量的低频变压器)，以及由于较高的效率而导致的较少热量生成。
34.通过底座28提供的电力连接到保持印刷电路板18和smps 32的母板30。电源线34连接到印刷电路板18和/或开关模式电源32以连接激光器4以供电。激光器容纳在图4所示的壳体2内。壳体2本身被封闭在锥形板36内，该锥形板将激光器壳体2封闭并定位在照明器材内。锥形板36通过螺钉38附接到主板40，该主板附接到灯泡外部壳体24。马达42与锥形板36相邻并固定到主板40。导线44从马达42延伸到印刷电路板18以用于供电。
35.固定一个或多个led 48的led环46在与底座28相对的一侧附接到主板40。导线50将led 48连接到印刷电路板18以用于供电。led环46围绕旋转全息光学元件52，例如全息衍射光栅。全息光学元件52通过与全息光学元件的底表面相邻定位的卡环54以及支撑全息光学元件52和卡环54的杆56连接到马达42。因此，全息光学元件52被马达42旋转。该特征允许
从激光器4发出的光穿过全息光学元件52而不受支撑卡环54和杆56的干扰。然后，灯泡的整个内部组件由盖玻璃58或其他透明板和壳体顶部60保护。
36.所描绘的实施方案允许来自激光器和led两者的热量通过照明器材的主体耗散，而不是使用专用散热器。然而，如果激光强度比此处设置的激光强度的强得多，则可以提供散热器。在此类情况下，激光器可位于散热器内。散热器吸收并耗散激光器在激活时发出的热量。散热器通常具有由具有高热导率的材料(例如，金属)形成的圆柱形或矩形主体，其带有一个或多个翅片以增加表面积并快速散热。散热器可以是任何合适的配置。
37.可以通过底座28来提供电力。底座可以是诸如用于旋入常规灯泡插座的爱迪生底座之类的设计。可以提供其他电功率装置，诸如电池、usb端口或用于连接到插座的标准电插头。当向装置供应电力时，激光通过旋转和静止的光学元件投射，以产生静态或可移动(即，动画)星空背景(即，针点光)。星星可以是任何颜色；在一个实施方案中，星空背景的星星是绿色的。另外，云可以是任何颜色，诸如但不限于红色、橙色、绿色、青色、天蓝色、品蓝色和/或白色。该装置还可以具有调光能力。此外，led灯可同时接通以提供附加照明。如果关断激光器，则led可以用作led白光灯泡以用于照明。
38.图5描绘了根据设备的一个实施方案的灯泡外部壳体24。所示的特定灯泡是par 30壳体。其他灯泡尺寸和形状也是可能的，这取决于设计者或消费者对于特定照明器材所期望的特定特性。照明装置可适于适配几乎任何可商购获得的灯具，包括但不限于轨道灯、白炽灯具、嵌入式罐灯、上行灯或聚光灯。
39.图6描绘了用于图4和图5的照明装置的可能的电气布线配置。ac电源被提供给开关模式电源(smps)62。smps继而向led驱动器64、激光驱动器66、马达控件68和控制板电子器件70供应电力。控制板70还接线到led驱动器64、激光驱动器66和马达控件68中的每一者以传送控制指令。led驱动器64向led 48提供电力。激光驱动器66向激光器4提供电力。马达控件向马达42提供电力。这是一种可能的电气配置，而其他配置也是可能的，这取决于期望的特定效果或位于装置内的被供电元件。
40.如前所述的部件可包括适于改装到预先存在的灯具中的照明装置。照明装置可适于适配几乎任何可商购获得的灯具，包括但不限于轨道灯、白炽灯具、嵌入式罐灯、上行灯或聚光灯。根据本发明的实施方案的照明装置提供令人愉悦的、通用的和独特的照明体验。另外，此类照明装置提供了用以向特定场所(诸如家庭或聚会场所)提供重点照明的节能方式。此外，根据本发明的实施方案的照明装置可被改装成可用的灯具，诸如先前描述的那些灯具。
41.虽然已经描述并在附图中示出了某些示例性实施方案，但是应当理解，此类实施方案仅仅说明而不是限制广泛的发明，并且本发明不限于所示出和所描述的具体构造和布置，因为本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改。