本發(fā)明屬于半導(dǎo)體和白光固態(tài)照明應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種勻化白光光源及其勻化方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在白光固態(tài)光源較為成熟的是基于發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)的固態(tài)光源。發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)白光固態(tài)照明通常采用兩種方法形成，第一種是利用藍(lán)色發(fā)光二極管(Light EmittingDiode)與黃色熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)混合后形成白光光譜。

近年來(lái)，藍(lán)色激光二極管制備技術(shù)逐漸成熟，并成為發(fā)光二極管之后下一代白光固態(tài)照明市場(chǎng)的研究熱點(diǎn)?；谒{(lán)色激光二極管和近紫外激光二極管的白光固體照明的電光轉(zhuǎn)換效率是發(fā)光二極管的上千倍，同時(shí)體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊、散熱機(jī)制更好設(shè)計(jì)和控制，除了照明領(lǐng)域之外，在投影機(jī)、數(shù)字院線、電視、舞臺(tái)燈、大屏拼接、汽車等多個(gè)領(lǐng)域，都將有更為廣闊的應(yīng)用。目前，基于激光二極管實(shí)現(xiàn)白光固體照明的方式為點(diǎn)光源形式的藍(lán)色激光照射黃光熒光轉(zhuǎn)換材料，或者近紫外激光二極管照射紅綠藍(lán)熒光轉(zhuǎn)換材料實(shí)現(xiàn)。但由于點(diǎn)光源光斑面積小、能量密度較高，且點(diǎn)光源的能量分布多為高斯分布，因此中心能量較高，易導(dǎo)致熒光轉(zhuǎn)換材料的灼傷，嚴(yán)重影響了熒光轉(zhuǎn)換材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性；此外還易導(dǎo)致熒光材料的性質(zhì)發(fā)生改變，所輸出的白光在色溫和顯色指數(shù)等指標(biāo)上難以控制及穩(wěn)定。甚至由于熱量在單點(diǎn)處的累積，使得熒光轉(zhuǎn)換材料直接破碎損毀，影響了白光固態(tài)光源的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提出一種勻化白光光源及其勻化方法，用于解決以上技術(shù)問(wèn)題中的至少之一。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出一種勻化白光光源，包括一光源、一勻化系統(tǒng)和一熒光轉(zhuǎn)換器件，其中：

光源為點(diǎn)光源，用于發(fā)射光束；

勻化系統(tǒng)用于對(duì)光束進(jìn)行勻化，以使光束形成勻化面光源；

熒光轉(zhuǎn)換器件，用于接收并轉(zhuǎn)換勻化面光源的光束，形成勻化白光。

進(jìn)一步地，上述勻化系統(tǒng)為擴(kuò)散片、衍射光學(xué)元件或微透鏡陣列。

進(jìn)一步地，上述勻化系統(tǒng)為石英或玻璃，其結(jié)構(gòu)與勻化要求相匹配。

進(jìn)一步地，上述熒光轉(zhuǎn)換器件為含熒光轉(zhuǎn)換材料的晶體片、燒結(jié)陶瓷或有機(jī)薄膜。

進(jìn)一步地，上述熒光轉(zhuǎn)換器件接收勻化面光源的光束后，對(duì)勻化面光源的光束進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的光束與勻化面光源的光束結(jié)合形成白光。

進(jìn)一步地，上述光源為發(fā)光二極管、激光二極管或激光二極管經(jīng)光纖耦合后進(jìn)行輸出的光源；優(yōu)選地，該光源的發(fā)射波長(zhǎng)為260nm～700nm。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種勻化白光光源，包括多個(gè)光源和一勻化系統(tǒng)，其中：

多個(gè)光源為點(diǎn)光源，用于發(fā)射不同波長(zhǎng)的光束；

勻化系統(tǒng)用于對(duì)不同波長(zhǎng)的光束進(jìn)行勻化，形成勻化白光。

進(jìn)一步地，上述勻化系統(tǒng)為擴(kuò)散片、衍射光學(xué)元件或微透鏡陣列。

進(jìn)一步地，上述勻化系統(tǒng)為石英或玻璃，其結(jié)構(gòu)與勻化要求相匹配。

進(jìn)一步地，通過(guò)調(diào)節(jié)多個(gè)光源輸出光束的能量，并通過(guò)勻化系統(tǒng)形成勻化白光。

進(jìn)一步地，上述光源為發(fā)光二極管、激光二極管或激光二極管經(jīng)光纖耦合后進(jìn)行輸出的光源；優(yōu)選地，該光源的發(fā)射波長(zhǎng)為260nm～700nm。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提出一種勻化白光光源的勻化方法，該方法通過(guò)控制上述的勻化白光光源實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明提出的勻化白光光源及其勻化方法具有以下有益效果：

1、本發(fā)明由于使用了光學(xué)勻化系統(tǒng)，將原始光源變?yōu)槟芰烤鶆蚍植嫉拿婀庠?，又面光源能夠增加與含熒光轉(zhuǎn)換材料發(fā)光元件的作用面積，因此可提高原始光源的利用率；

2、本發(fā)明使用了光學(xué)勻化系統(tǒng)，其相對(duì)于激光二極管以點(diǎn)光源形式的直接照射，勻化后的面光源能夠大幅降低含熒光轉(zhuǎn)換材料的熒光轉(zhuǎn)換器件承受的功率密度，從而提高熒光轉(zhuǎn)換器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命，同時(shí)有助于輸出色溫及顯色指數(shù)可控且穩(wěn)定的白光；

3、本發(fā)明由于照射熒光轉(zhuǎn)換器件的激光或直接輸出的激光經(jīng)過(guò)勻化，有助于提高產(chǎn)生白光的均勻性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提出的勻化白光光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)是本發(fā)明一實(shí)施例中擴(kuò)散片大視場(chǎng)拍攝時(shí)的表面結(jié)構(gòu)圖；

圖2(b)是本發(fā)明一實(shí)施例中擴(kuò)散片局部拍攝的表面結(jié)構(gòu)圖；

圖3(a)是本發(fā)明一實(shí)施例中光纖輸出的藍(lán)色激光在直接輸出后的光斑效果圖；

圖3(b)是本發(fā)明一實(shí)施例中光纖輸出的藍(lán)色激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)散片勻化后的光斑效果圖；

圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例提出的勻化白光光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5(a)是本發(fā)明另一實(shí)施例中衍射光學(xué)元件表面的相位信息圖；

圖5(b)是本發(fā)明另一實(shí)施例中相位信息圖轉(zhuǎn)換到石英表面后的示意圖；

圖6(a)是圖5中衍射光學(xué)元件方形勻化的模擬效果圖；

圖6(b)是圖5中衍射光學(xué)元件圓形勻化的模擬效果圖；

圖7(a)是圖4中勻化白光光源在未經(jīng)衍射光學(xué)元件勻化前的光斑效果圖；

圖7(b)是圖4中勻化白光光源在經(jīng)過(guò)衍射光學(xué)元件勻化后的光斑效果圖。

圖8是本發(fā)明中提出的微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明公開(kāi)了一種勻化白光光源，包括一光源、一勻化系統(tǒng)和一熒光轉(zhuǎn)換器件，其中：

光源為點(diǎn)光源，用于發(fā)射光束；

勻化系統(tǒng)用于對(duì)光束進(jìn)行勻化，以使光束形成勻化面光源；

熒光轉(zhuǎn)換器件，用于接收并轉(zhuǎn)換勻化面光源的光束，形成勻化白光。

上述勻化系統(tǒng)為擴(kuò)散片、衍射光學(xué)元件或微透鏡陣列。

上述熒光轉(zhuǎn)換器件為含熒光轉(zhuǎn)換材料的晶體片、燒結(jié)陶瓷或有機(jī)薄膜。

優(yōu)選地，上述熒光轉(zhuǎn)換器件接收勻化面光源的光束后，對(duì)勻化面光源的光束進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的光束與勻化面光源的光束結(jié)合形成白光。

上述光源為發(fā)光二極管、激光二極管或激光二極管經(jīng)光纖耦合后進(jìn)行輸出的光源；優(yōu)選地，該光源的發(fā)射波長(zhǎng)為260nm～700nm。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種勻化白光光源，包括多個(gè)光源和一勻化系統(tǒng)，其中：

多個(gè)光源為點(diǎn)光源，用于發(fā)射不同波長(zhǎng)的光束；

勻化系統(tǒng)用于對(duì)不同波長(zhǎng)的光束進(jìn)行勻化，形成勻化白光。

上述勻化系統(tǒng)為擴(kuò)散片、衍射光學(xué)元件或微透鏡陣列。

優(yōu)選地，通過(guò)調(diào)節(jié)多個(gè)光源輸出光束的能量，并通過(guò)勻化系統(tǒng)形成勻化白光。

上述光源為發(fā)光二極管、激光二極管或激光二極管經(jīng)光纖耦合后進(jìn)行輸出的光源；優(yōu)選地，該光源的發(fā)射波長(zhǎng)為260nm～700nm。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種勻化白光光源的勻化方法，該方法通過(guò)控制上述的勻化白光光源實(shí)現(xiàn)。

勻光系統(tǒng)中所述的擴(kuò)散片采用的材質(zhì)為石英或者玻璃，其設(shè)計(jì)及制備過(guò)程為：首先根據(jù)勻化要求計(jì)算模擬擴(kuò)散勻化的隨機(jī)微結(jié)構(gòu)，然后在材料表面使用半導(dǎo)體微納加工工藝做出具有散射機(jī)制的微結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于點(diǎn)光源的擴(kuò)散勻化作用。經(jīng)過(guò)勻化后的面光源的大小可以根據(jù)隨機(jī)微結(jié)構(gòu)的調(diào)整來(lái)調(diào)控，不同的勻化效果會(huì)使得擴(kuò)散片的表面結(jié)構(gòu)有所差別，但整體基本都類似。

勻光系統(tǒng)中所述的衍射光學(xué)元件的材質(zhì)為石英或者玻璃，其設(shè)計(jì)及制備過(guò)程為：首先根據(jù)衍射光學(xué)理論計(jì)算對(duì)于激光勻化所需要的相位結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)臺(tái)階對(duì)此相位結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行量化處理，然后在材料表面加工出多臺(tái)階的結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)Ⅻc(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為能量均勻的面光源。面光源的大小可以根據(jù)相位結(jié)構(gòu)的特征尺寸來(lái)控制，不同的勻化效果會(huì)導(dǎo)致衍射光學(xué)元件的相位信息圖有所區(qū)別，但是設(shè)計(jì)方法和制作方法都一致。

勻光系統(tǒng)中所述的微透鏡陣列光學(xué)元件的材質(zhì)為石英或者玻璃。其設(shè)計(jì)及制備過(guò)程為：首先根據(jù)勻化要求模擬計(jì)算出微透鏡陣列單元的大小和高度，使用光刻版圖軟件設(shè)計(jì)出微透鏡陣列的曝光結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)入到直寫光刻機(jī)中，利用強(qiáng)度可變的激光束對(duì)涂在基片表面的光刻膠進(jìn)行變劑量曝光，顯影后在光刻膠表面形成排列整齊、結(jié)構(gòu)均勻的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)干法刻蝕工藝將此結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到石英或者玻璃材質(zhì)上。微透鏡陣列的大小和失高由光束的波長(zhǎng)和出光角度模擬計(jì)算得到，使用時(shí)一般需要兩片微透鏡陣列光學(xué)元件配合一起使用，單片制作后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的勻化白光光源及其勻化方法進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例提出一種勻化白光光源，包括一光源1、一勻化系統(tǒng)2和一熒光轉(zhuǎn)換器件3，其中：

光源1為點(diǎn)光源，用于發(fā)射光束；

勻化系統(tǒng)2用于對(duì)光束進(jìn)行勻化，以使光束形成勻化面光源；

熒光轉(zhuǎn)換器件3，用于接收并轉(zhuǎn)換勻化面光源的光束，形成勻化白光。

上述光源1為藍(lán)色激光二極管，中心波長(zhǎng)為450nm，其為通過(guò)光纖耦合后輸出的結(jié)構(gòu)。

上述勻化系統(tǒng)2采用具有如圖2所示的表面結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散片，以使照射到擴(kuò)散片上的藍(lán)色激光二極管的點(diǎn)光源變?yōu)閿U(kuò)散勻化的面光源。其中圖2(a)為大視場(chǎng)拍攝時(shí)擴(kuò)散片表面結(jié)構(gòu)的示意圖，圖2(b)為表面結(jié)構(gòu)的局部放大圖。

上述熒光轉(zhuǎn)換器件3采用含Ce：YAG熒光轉(zhuǎn)換物質(zhì)的晶體，擴(kuò)散均勻的面光源輸出的藍(lán)色激光光束照射到該熒光轉(zhuǎn)換器件3上輸出黃光，通過(guò)改變?cè)摕晒廪D(zhuǎn)換器件3的厚度，使得藍(lán)光和黃光在一定比例下，形成白光的輸出。

圖3(a)為光纖輸出的藍(lán)色激光在直接輸出后的光束，可以看出，由于光斑的亮度不均勻造成顯示時(shí)具有明顯且強(qiáng)烈的明暗顆粒感散斑。圖3(b)為通過(guò)光纖耦合后輸出的藍(lán)色激光光源輸出的光束，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散片勻化后的效果圖，可以看出光斑的能量得到了勻化處理，不再具有強(qiáng)烈的明暗顆粒感散斑了。

實(shí)施例2

如圖4所示，本實(shí)施例提出了一種勻化白光光源，包括多個(gè)光源和一勻化系統(tǒng)，其中：

多個(gè)光源為點(diǎn)光源，用于發(fā)射不同波長(zhǎng)的光束；

勻化系統(tǒng)用于對(duì)不同波長(zhǎng)的光束進(jìn)行勻化，形成勻化白光。

上述多個(gè)光源分別為：中心波長(zhǎng)為650nm的紅色激光器11、中心波長(zhǎng)為532nm的綠色激光器12和中心波長(zhǎng)為450nm的藍(lán)色激光器13。

上述勻化系統(tǒng)采用具有如圖5(a)所示表面相位信息的衍射光學(xué)元件14，其制備過(guò)程中將相位信息轉(zhuǎn)換到石英表面后可得到如圖5(b)所示的表面圖，并采用MATLA軟件對(duì)衍射光學(xué)元件14的方形勻化和圓形勻化效果進(jìn)行模擬，得到如圖6(a)和圖6(b)所示的模擬效果圖，從圖6(a)和圖6(b)可以看出，各波長(zhǎng)的激光在衍射光學(xué)元件14的整形下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原始激光的調(diào)制，該調(diào)制既可以對(duì)原始激光的形狀進(jìn)行調(diào)制，使得原始點(diǎn)光源的激光變換為所需要形狀的面光源激光，該調(diào)制還可以使得調(diào)制后的光束在需要的形狀內(nèi)能量分布均勻一致。

圖7是三基色光源在加入衍射光學(xué)元件14進(jìn)行勻化前后的光斑對(duì)比圖，如圖7(a)所示為三基色光源在不加衍射光學(xué)元件14的混合光斑，可以看出中間的光斑雖然是白色，但是三種顏色混合成白色光斑具有明暗顆粒感散斑；如圖7(b)所示為三基色光源在加入衍射光學(xué)元件14后的混合白色光斑，可以看出，采用本實(shí)施例提出的勻化白光光源，在普通白光光源中加入衍射光學(xué)元件14后，可以消除原始混合成白光時(shí)所具有的明暗顆粒感散斑，且合成的白光光束分布均勻一致。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。