棱镜式多色光合成宽波段连续光谱合色模块及光耦合模组的制作方法

1.本实用新型涉及照明技术领域，尤其涉及一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱合色模块及光耦合模组。


背景技术：

2.在医疗照明、显像及分析领域，特别是分析领域中，300nm-900nm光谱波段内包含有很多局部窄带波段可供照明、显像、分析使用，在相关设备中，往往内部有一个光源模组来提供该连续光谱波段的能量，之后在光源模组后端根据具体应用场景的需求，利用窄带滤光片截取多个局部窄带波段来使用，例如在光源模组提供300nm-900nm波段范围中，可以截取395nm、415nm、455nm、540nm、785nm、808nm等多个窄带光来满足需求，现有技术的光源模组，其内部使用的光源为氙灯，虽然能满足光谱范围的要求，但氙灯本身的使用寿命比较有限，且响应速度较慢，相对的，使用led光源则能在使用寿命及响应速度上得到大幅度的提升，但led光源目前并不能实现跨度从300nm至900nm的连续光谱输出，仅在uva波段、近红外波段有窄带宽的led光源，以及400nm-780nm波段连续光谱的白光光源，不能满足实际需求。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本实用新型公开了一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱合色模块及光耦合模组，实现了连续光谱输出。
4.对此，本实用新型的技术方案为：
5.一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱的合色模块，其特征在于：其包括第一光源、第二光源、第三光源和合色棱镜，所述合色棱镜包括至少三个入射面和一个出射面，所述第一光源、第二光源、第三光源分别朝着三个入射面，所述合色棱镜内设有第一二向色膜、第二二向色膜，所述第一二向色膜、第二二向色膜交叉设置，所述第一二向色膜、第二二向色膜的延伸方向与与其相对的第一光源、第二光源或第三光源的准直光线方向呈夹角；
6.所述第一二向色膜、第二二向色膜具有同样的处理波段范围，所述第一二向色膜为相对长波通二向色膜，第二二向色膜为相对短波通二向色膜；
7.所述第一光源、第二光源、第三光源分别为相对短波段光源、相对中波段光源和相对长波段光源，所述第一光源、第二光源、第三光源发出的光分别通过第一二向色膜、第一二向色膜后合束后，通过出射面射出。
8.其中，这里采用的相对长波通和相对短波通均为同一个波段范围内相对而言的；同样，相对短波段、相对中波段以及相对长波段也是相对而言的，其针对是同一个波段范围。所述第一二向色膜、第二二向色膜具有同样的处理波段范围，所述第一二向色膜为相对长波通二向色膜，也就是在处理波段范围内，短波部分透过率极低，然后过渡到长波部分透过率高；第二二向色膜为相对短波通二向色膜，也就是在处理波段范围内，短波部分透过率高，然后过渡到长波部分透过率极低。二向色膜具有高透射一部分波段能量，同时高反射另
一部分波段能量的作用。
9.进一步的，所述第一二向色膜、第二二向色膜交叉设置。
10.采用此技术方案，通过合色棱镜，可以将相对短波段光源、相对中波段光源和相对长波段光源三款光源所发射的光进入合色棱镜，遇到第一二向色膜、第二二向色膜后，按照各自波段所对应的透过率进行透射或反射，三束光将在合色棱镜同一个出射口射出，当三个光源同时输出能量时，最终将以合成一束光的形式射出。
11.进一步的，所述第一光源为uva波段，第二光源为可见光波段，第三光源为近红外短波波段，采用上述合色模块，就可以将uva波段、近红外短波波段及可见光波段的多个led光源发射的多路光束进行合束，于同一个输出口输出，而且具有宽波段的连续光谱。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述入射面、出射面均设有增透膜。所述增透膜具有减少光线反射、增强透射的作用。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述第一光源、第二光源、第三光源的前方均设有准直透镜。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述第一二向色膜、第二二向色膜的延伸方向与与其相对的第一光源、第二光源或第三光源的准直光线方向呈夹角为45度。
15.作为本实用新型的进一步改进，所述合色棱镜包括第一三棱镜、第二三棱镜、第三三棱镜、第四三棱镜，所述第一三棱镜、第二三棱镜、第三三棱镜、第四三棱镜依次拼接，所述第一二向色膜位于所述第一三棱镜与第二三棱镜之间的相接面、第三三棱镜与第四三棱镜之间的相接面；所述第二二向色膜位于所述第一三棱镜与第四三棱镜之间的相接面、第二三棱镜与第三三棱镜之间的相接面。
16.作为本实用新型的进一步改进，所述第一二向色膜、第二二向色膜通过镀膜的方式成型在第一三棱镜、第二三棱镜、第三三棱镜、第四三棱镜的侧面。
17.本实用新型还公开了一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱光耦合模组，其包括至少两个合色模块，所述合色模块采用如上任意一项所述的棱镜式多色光合成宽波段连续光谱的合色模块；所述至少两个合色模块的光通过合色棱镜合束射出。
18.采用此技术方案，将多个合色模块进行组合，然后再通过合色棱镜输出，可以输出更宽波段的连续光谱。
19.作为本实用新型的进一步改进，所述的棱镜式多色光合成宽波段连续光谱光耦合模组包括相对短波段合色模块、相对中间波段合色模块和相对长波段合色模块，所述合色棱镜包括至少三个入射面和一个出射面，所述相对短波段合色模块、相对中间波段合色模块和相对长波段合色模块分别朝着三个入射面，所述合色棱镜内设有第一二向色膜、第二二向色膜，所述第一二向色膜、第二二向色膜交叉设置，所述第一二向色膜、第二二向色膜的延伸方向与与其相对的相对短波段合色模块、相对中间波段合色模块和相对长波段合色模块的准直光线方向呈夹角；
20.所述第一二向色膜、第二二向色膜具有同样的处理波段范围，所述第一二向色膜为相对长波通二向色膜，第二二向色膜为相对短波通二向色膜；
21.所述相对短波段合色模块、相对中间波段合色模块和相对长波段合色模块发出的光分别通过第一二向色膜、第一二向色膜后合束后，通过出射面射出。其中，这里的相对长波通和相对短波通为针对同样的处理波段范围内的长波段和短波段。同样，相对短波段合
色模块、相对中间波段合色模块和相对长波段合色模块也是针对同一个处理波段范围内的短波段、中间波段和长波段。
22.进一步的，所述第一二向色膜、第二二向色膜交叉设置。
23.作为本实用新型的进一步改进，所述相对短波段合色模块、相对中间波段合色模块和相对长波段合色模块分别朝着合色棱镜的三个入射面，发出的光通过合色棱镜合束后通过合色棱镜的出射面射出。
24.作为本实用新型的进一步改进，所述第一二向色膜、第二二向色膜的延伸方向与与其相对的相对短波段合色模块、相对中间波段合色模块和相对长波段合色模块的光线方向呈夹角为45度。
25.作为本实用新型的进一步改进，所述合色棱镜包括第一三棱镜、第二三棱镜、第三三棱镜、第四三棱镜，所述第一三棱镜、第二三棱镜、第三三棱镜、第四三棱镜依次拼接，所述第一二向色膜位于所述第一三棱镜与第二三棱镜之间的相接面、第三三棱镜与第四三棱镜之间的相接面；所述第二二向色膜位于所述第一三棱镜与第四三棱镜之间的相接面、第二三棱镜与第三三棱镜之间的相接面。
26.作为本实用新型的进一步改进，所述入射面、出射面均设有增透膜。
27.作为本实用新型的进一步改进，所述第一二向色膜、第二二向色膜通过镀膜的方式成型在第一三棱镜、第二三棱镜、第三三棱镜、第四三棱镜的侧面。
28.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
29.采用本实用新型的技术方案，通过合色棱镜，
30.采用此技术方案，通过合色棱镜，以将相对短波段光源、相对中波段光源和相对长波段光源所发射的光进入合色棱镜，然后经过第一二向色膜、第二二向色膜后，按照各自波段所对应的透过率进行透射或反射，三束光经过合色棱镜后合成一束光的形式射出，从而实现宽波段连续光谱的输出；这样就可以实现将uva波段、近红外短波波段及可见光波段的多个led光源发射的多路光束进行合束，最后在同一个光源模组输出口输出300nm至900nm波段连续光谱的能量。
附图说明
31.图1是本实用新型实施例1的一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱的合色模块的结构示意图。
32.图2是本实用新型实施例1的合色棱镜的结构示意图。
33.图3是本实用新型实施例1的合色棱镜的俯视图。
34.图4是本实用新型实施例1的三个光源的光路图，其中，（a）为第一光源的光路图，（b）为第二光源的光路图，（c）为第三光源的光路图。
35.图5是本实用新型实施例1的第一二向色膜、第二二向色膜的透过率曲线图。
36.图6是本实用新型实施例2的一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱光耦合模组的示意图。
37.图7是本实用新型实施例3的一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱光耦合模组的结构示意图。
38.图8是本实用新型实施例3的uva波段、近红外短波波段的光源通过合色棱镜前的
谱图，其中（a）是分别处理uva波段、近红外短波波段的合色棱镜a、b里二向色膜a、二向色膜b的透过率曲线，（b）是没有通过合色棱镜a、b的uva波段、近红外短波波段的各三个光源的能量曲线图。
39.图9是本实用新型实施例3的uva波段、近红外短波波段、白光的光源通过合色棱镜前的谱图，其中（a）是处理300-900波段的合色棱镜c里二向色膜a、二向色膜b的透过率曲线，（b）是没有通过合色棱镜c的uva波段、近红外短波波段、白光的能量曲线图。
40.图10是本实用新型实施例3的uva波段、近红外短波波段、白光的光源通过合色棱镜a、b、c后得到的300-900nm波段连续光谱能量曲线。
41.附图标记包括：
42.1-合色棱镜，2-第一光源，3-第二光源，4-第三光源，5-准直透镜，
43.11-第一三棱镜，12-第二三棱镜，13-第三三棱镜，14-第四三棱镜，15-二向色膜a，16-二向色膜b，17-入射面，18-出射面，19-增透膜；
44.21-相对短波段合色模块，22-相对中间波段合色模块，23-相对长波段合色模块，24-合色棱镜，25-二向色膜a，26-二向色膜b；
45.31-uva波段合色模块，32-近红外短波波段合色模块，33-白光光源，34-准直透镜，35-风扇，36-进风口，37-出风口，38-散热风道，39-合色棱镜c，40-模组外壳，41-出光口；
46.311-340nm光源，312-380nm光源，313-410nm光源，314-合色棱镜a；
47.321-770 nm光源，322-810nm光源，323-860nm光源，324-合色棱镜b。
具体实施方式
48.下面结合附图，对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。
49.实施例1
50.如图1~图5所示，一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱的合色模块，其包括第一光源2、第二光源3、第三光源4和合色棱镜1，所述第一光源2、第二光源3、第三光源4的前方均设有准直透镜5。所述合色棱镜1包括至少三个入射面17和一个出射面18，所述第一光源2、第二光源3、第三光源4分别朝着三个入射面17，所述合色棱镜1内设有二向色膜a15、二向色膜b16，所述二向色膜a15、二向色膜b16十字交叉设置，所述二向色膜a15、二向色膜b16的延伸方向与与其相对的第一光源2、第二光源3或第三光源4的准直光线方向呈45度夹角；所述入射面17、出射面18均设有增透膜19。所述二向色膜a15、二向色膜b16具有同样的处理波段范围，所述二向色膜a15为相对长波通二向色膜，二向色膜b16为相对短波通二向色膜；所述第一光源2、第二光源3、第三光源4分别为相对短波段光源、相对中波段光源和相对长波段光源，所述第一光源2、第二光源3、第三光源4发出的光分别通过二向色膜a15、二向色膜a15后合束后，通过出射面18射出。本实施例中，所述第一光源2为uva波段，第二光源3为可见光波段，第三光源4为近红外短波波段。所述二向色膜a15、二向色膜b16具有同样的处理波段范围，所述二向色膜a15为相对长波通二向色膜，也就是在处理波段范围内，短波部分透过率极低，然后过渡到长波部分透过率高；二向色膜b16为相对短波通二向色膜，也就是在处理波段范围内，短波部分透过率高，然后过渡到长波部分透过率极低。二向色膜具有高透射一部分波段能量，同时高反射另一部分波段能量的作用。
51.具体而言，所述合色棱镜1包括第一三棱镜11、第二三棱镜12、第三三棱镜13、第四
三棱镜14，所述第一三棱镜11、第二三棱镜12、第三三棱镜13、第四三棱镜14依次通过胶粘剂拼接，所述二向色膜a15位于所述第一三棱镜11与第二三棱镜12之间的胶合面、以及第三三棱镜13与第四三棱镜14之间的胶合面；所述二向色膜b16位于所述第一三棱镜11与第四三棱镜14之间的胶合面、以及第二三棱镜12与第三三棱镜13之间的胶合面。所述二向色膜a15、二向色膜b16通过镀膜的方式成型在第一三棱镜11、第二三棱镜12、第三三棱镜13、第四三棱镜14的侧面。
52.如图3所示，为二向色膜透过率曲线图，坐标系横轴代表波长，纵轴代表透过率，当某一束特定波长的光束照射到某二向色膜上时，如果该二向色膜透过率曲线在该波长位置对应的透过率高，则该光束绝大部分能量将透过，如果该二向色膜的透过率曲线在该波长位置对应的透过率极低，则该光束绝大部分能量将被反射；二向色膜a15和二向色膜b16具有同样的处理波段范围，区别在于二向色膜a15 在处理波段范围内，短波部分透过率极低，然后过渡到长波部分透过率高，而二向色膜b16 在处理波段范围内，短波部分透过率高，然后过渡到长波部分透过率极低，且两个二向色膜在中间波段透过率高的部分有一定宽度的重叠，如此，两款二向色膜的曲线，将处理波段范围分隔成三个区域，分别为区域a、b、c。
53.如图4所示，当我们有三个光源，各光源所发射的能量波长，依次刚好处于区域a、b、c时，我们称三款光源分别为相对短波段光源、相对中间波段光源、相对长波段光源，那么这三款光源所发射能量，在经过准直透镜5组准直为平行光以后，三束光进入合色棱镜1，遇到增透膜19则透过，遇到二向色膜a15、b则按照各自波段所对应的透过率进行透射或反射，三束光将在合色棱镜1同一个出射口射出，当三个光源同时输出能量时,最终将以合成一束光的形式射出，如图5所示。
54.采用上述合色模块，就可以将uva波段、近红外短波波段及可见光波段的多个led光源发射的多路光束进行合束，于同一个输出口输出，而且具有宽波段的连续光谱。
55.实施例2
56.如图6所示，在实施例1的基础上，一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱光耦合模组，其包括三个合色模块，所述合色模块为实施例1所述的棱镜式多色光合成宽波段连续光谱的合色模块；本实施例中三个合色模块分别为相对短波段合色模块21、相对中间波段合色模块22和相对长波段合色模块23。三个合色模块分别朝着合色棱镜24的三个入射面17，该合色棱镜24与实施例1中的合色棱镜1的结构相同，其中的二向色膜a25、二向色膜b26的通过波段根据三个合色模块的波段进行调整，使其为具有同样的处理波段范围，但是二向色膜a25为相对长波通二向色膜，二向色膜b26为相对短波通二向色膜。
57.由图5可知，每个合色模块，其合色棱镜24有三个侧面为能量输入面，分别为第一三棱镜、第二三棱镜、第三三棱镜的外向面，有一个侧面为能量输出面，为第四三棱镜的外向面，每一个输入面对应一个光源和准直透镜5组组成的能量输入单元，一个合色模块整体实现三个不同波段的能量束合成一束的功能；如果将一个合色模块里的三组能量输入单元都替换成另一合色模块，只要这三个合色模块所输入的能量束光谱分别在不同的光谱区域，有相对长波段、中间波段、短波段即可，例如相对短波段合色模块21里的三个光源都是紫外光，相对中间波段合色模块22里的三个光源都是可见光，相对长波段合色模块23里的三个光源都是红外光；其光路将如下图6所示，整体效果将实现9个不同波段的窄带光合成一束的效果。
58.由以上论述可知，本方法在理论上可以继续增加参加合束的光源数量，只要将光路中的某个能量输入单元替换成一个合色模块即可，而实际所能达到的数量上限，将受制于合色棱镜24里二向色膜的工程加工能力，因为光路后端的合色棱镜24必须能处理光路前端的光源所在的光谱波段，要么反射、要么透射，从而可知，随着光源数量的增加，光路最后端、即负责整体光路最后合束输出的合色棱镜24所要处理的光谱范围将逐渐扩大，总有扩大到某个范围是当下工程加工能力所实现不了的。
59.实施例3
60.在实施例1和2的基础上，如图7所示，本实施例中，一种棱镜式多色光合成宽波段连续光谱光耦合模组，其包括模组外壳40，所述模组外壳40设有进风口36、出风口37、风扇35和出光口41，所述模组外壳40的内侧设有散热风道38，进风口36、出风口37分别与散热风道38连通，所述出风口37位于模组外壳40的一侧，所述出风口37位于相对的另一侧。
61.所述模组外壳40内设有uva波段合色模块31、近红外短波波段合色模块32、白光光源33和合色棱镜c39，uva波段合色模块31、近红外短波波段合色模块32、白光光源33的前方均设有准直透镜34。所述uva波段合色模块31的出光面、近红外短波波段合色模块32的出光面、白光光源33分别朝着合色棱镜c39的三个入射面17，所述合色棱镜c39的出射面18对着出光口41。
62.所述uva波段合色模块31包括三个窄带光源，分别为340nm光源311、380nm光源312、410nm光源313，所述340nm光源311、380nm光源312、410nm光源313的前方均设有准直透镜34；所述340nm光源311、380nm光源312、410nm光源313分别朝着合色棱镜a314的三个入射面17，所述合色棱镜a314的出射面18朝着合色棱镜c39的一个入射面17。如图8所示，uva波段的三个窄带光源340nm光源311、380nm光源312、410nm光源313可分别对应到uva波段二向色膜a15、二向色膜b16透过率曲线交叉形成的三个区域，既该uva波段的三个窄带光源可由一个合色棱镜a314进行处理，最终三个光源所发射的能量将合成一束，从合色棱镜a314射出。
63.所述近红外短波波段合色模块32包括三个窄带光源，分别为770nm光源321、810nm光源322、860nm光源323，所述770nm光源321、810nm光源322、860nm光源323的前方均设有准直透镜34；所述770nm光源321、810nm光源322、860nm光源323分别朝着合色棱镜b324的三个入射面17，所述合色棱镜b324的出射面18朝着合色棱镜c39的第二个入射面17，本实施例中，该入射面17与合色棱镜a314的出射面18朝着的入射面17相对。如图8所示，近红外短波波段的这三个窄带光源770nm光源321、810nm光源322、860nm光源323分别对应到近红外短波波段二向色膜a15、二向色膜b16透过率曲线交叉形成的三个区域，该近红外短波波段的三个窄带光源也可由一个合色棱镜b 324进行处理，最终三个光源所发射的能量将合成一束，从合色棱镜b324射出。
64.以上是通过合色棱镜a314得到的uva波段三光合束能量作为一个整体，通过合色棱镜b324得到的近红外短波波段三光合束能量也作为一个整体，两者与白光能量一起，如图9所示，分别对应到300-900nm波段二向色膜a15、二向色膜b16透过率曲线交叉形成的三个区域，那么这三者也可由一个合色棱镜c39进行处理，最终三者能量合成一束，从合色棱镜c39射出，其合成的能量光谱如图10所示，实现在300-900nm波段内连续光谱能量输出，整体模组及光路如图7所示，模组主要组成包括三个合色棱镜1、七组准直透镜34、七个不同波
段光源、相应的支撑结构及模组外壳40、光源散热器形成的散热风道38、风扇35等。采用此技术方案，将多个合色模块进行组合，然后再通过合色棱镜1输出，可以输出更宽波段的连续光谱。
65.以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。