CN106838821A - 一种匀化白光光源及其匀化方法 - Google Patents

Abstract

一种匀化白光光源，包括一光源、一匀化系统和一荧光转换器件，其中：光源为点光源，用于发射光束；匀化系统用于对光束进行匀化，以使光束形成匀化面光源；荧光转换器件，用于接收匀化面光源的光束，实现白光输出。上述匀化系统为扩散片、衍射光学元件或微透镜阵列；上述荧光转换器件为含荧光转换材料的晶体片、烧结陶瓷或有机薄膜。本发明通过将原始光源变为能量均匀分布的面光源，增加了与含荧光转换材料发光元件的作用面积，提高了原始光源的利用率；且匀化后的面光源能够大幅降低含荧光转换材料的荧光转换器件承受的功率密度，从而提高荧光转换器件的长期稳定性、可靠性和使用寿命，同时有助于输出色温及显色指数可控且稳定的白光。

Description

一种匀化白光光源及其匀化方法

技术领域

本发明属于半导体和白光固态照明应用技术领域，更具体地涉及一种匀化白光光源及其匀化方法。

背景技术

现在白光固态光源较为成熟的是基于发光二极管(Light Emitting Diode)的固态光源。发光二极管(Light Emitting Diode)白光固态照明通常采用两种方法形成，第一种是利用蓝色发光二极管(Light EmittingDiode)与黄色荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色发光二极管(Light Emitting Diode)混合后形成白光光谱。

近年来，蓝色激光二极管制备技术逐渐成熟，并成为发光二极管之后下一代白光固态照明市场的研究热点。基于蓝色激光二极管和近紫外激光二极管的白光固体照明的电光转换效率是发光二极管的上千倍，同时体积更小、结构更紧凑、散热机制更好设计和控制，除了照明领域之外，在投影机、数字院线、电视、舞台灯、大屏拼接、汽车等多个领域，都将有更为广阔的应用。目前，基于激光二极管实现白光固体照明的方式为点光源形式的蓝色激光照射黄光荧光转换材料，或者近紫外激光二极管照射红绿蓝荧光转换材料实现。但由于点光源光斑面积小、能量密度较高，且点光源的能量分布多为高斯分布，因此中心能量较高，易导致荧光转换材料的灼伤，严重影响了荧光转换材料的长期稳定性和可靠性；此外还易导致荧光材料的性质发生改变，所输出的白光在色温和显色指数等指标上难以控制及稳定。甚至由于热量在单点处的累积，使得荧光转换材料直接破碎损毁，影响了白光固态光源的使用寿命。

发明内容

基于以上问题，本发明的目的在于提出一种匀化白光光源及其匀化方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种匀化白光光源，包括一光源、一匀化系统和一荧光转换器件，其中：

光源为点光源，用于发射光束；

匀化系统用于对光束进行匀化，以使光束形成匀化面光源；

荧光转换器件，用于接收并转换匀化面光源的光束，形成匀化白光。

进一步地，上述匀化系统为扩散片、衍射光学元件或微透镜阵列。

进一步地，上述匀化系统为石英或玻璃，其结构与匀化要求相匹配。

进一步地，上述荧光转换器件为含荧光转换材料的晶体片、烧结陶瓷或有机薄膜。

进一步地，上述荧光转换器件接收匀化面光源的光束后，对匀化面光源的光束进行转换，转换后的光束与匀化面光源的光束结合形成白光。

进一步地，上述光源为发光二极管、激光二极管或激光二极管经光纤耦合后进行输出的光源；优选地，该光源的发射波长为260nm～700nm。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提出了一种匀化白光光源，包括多个光源和一匀化系统，其中：

多个光源为点光源，用于发射不同波长的光束；

匀化系统用于对不同波长的光束进行匀化，形成匀化白光。

进一步地，上述匀化系统为扩散片、衍射光学元件或微透镜阵列。

进一步地，上述匀化系统为石英或玻璃，其结构与匀化要求相匹配。

进一步地，通过调节多个光源输出光束的能量，并通过匀化系统形成匀化白光。

进一步地，上述光源为发光二极管、激光二极管或激光二极管经光纤耦合后进行输出的光源；优选地，该光源的发射波长为260nm～700nm。

为了实现上述目的，本发明还提出一种匀化白光光源的匀化方法，该方法通过控制上述的匀化白光光源实现。

本发明提出的匀化白光光源及其匀化方法具有以下有益效果：

1、本发明由于使用了光学匀化系统，将原始光源变为能量均匀分布的面光源，又面光源能够增加与含荧光转换材料发光元件的作用面积，因此可提高原始光源的利用率；

2、本发明使用了光学匀化系统，其相对于激光二极管以点光源形式的直接照射，匀化后的面光源能够大幅降低含荧光转换材料的荧光转换器件承受的功率密度，从而提高荧光转换器件的长期稳定性、可靠性和使用寿命，同时有助于输出色温及显色指数可控且稳定的白光；

3、本发明由于照射荧光转换器件的激光或直接输出的激光经过匀化，有助于提高产生白光的均匀性。

附图说明

图1是本发明一实施例提出的匀化白光光源的结构示意图；

图2(a)是本发明一实施例中扩散片大视场拍摄时的表面结构图；

图2(b)是本发明一实施例中扩散片局部拍摄的表面结构图；

图3(a)是本发明一实施例中光纤输出的蓝色激光在直接输出后的光斑效果图；

图3(b)是本发明一实施例中光纤输出的蓝色激光经过扩散片匀化后的光斑效果图；

图4是本发明另一实施例提出的匀化白光光源的结构示意图；

图5(a)是本发明另一实施例中衍射光学元件表面的相位信息图；

图5(b)是本发明另一实施例中相位信息图转换到石英表面后的示意图；

图6(a)是图5中衍射光学元件方形匀化的模拟效果图；

图6(b)是图5中衍射光学元件圆形匀化的模拟效果图；

图7(a)是图4中匀化白光光源在未经衍射光学元件匀化前的光斑效果图；

图7(b)是图4中匀化白光光源在经过衍射光学元件匀化后的光斑效果图。

图8是本发明中提出的微透镜阵列的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种匀化白光光源，包括一光源、一匀化系统和一荧光转换器件，其中：

光源为点光源，用于发射光束；

匀化系统用于对光束进行匀化，以使光束形成匀化面光源；

荧光转换器件，用于接收并转换匀化面光源的光束，形成匀化白光。

上述匀化系统为扩散片、衍射光学元件或微透镜阵列。

上述荧光转换器件为含荧光转换材料的晶体片、烧结陶瓷或有机薄膜。

优选地，上述荧光转换器件接收匀化面光源的光束后，对匀化面光源的光束进行转换，转换后的光束与匀化面光源的光束结合形成白光。

上述光源为发光二极管、激光二极管或激光二极管经光纤耦合后进行输出的光源；优选地，该光源的发射波长为260nm～700nm。

本发明还公开了一种匀化白光光源，包括多个光源和一匀化系统，其中：

多个光源为点光源，用于发射不同波长的光束；

匀化系统用于对不同波长的光束进行匀化，形成匀化白光。

上述匀化系统为扩散片、衍射光学元件或微透镜阵列。

优选地，通过调节多个光源输出光束的能量，并通过匀化系统形成匀化白光。

上述光源为发光二极管、激光二极管或激光二极管经光纤耦合后进行输出的光源；优选地，该光源的发射波长为260nm～700nm。

本发明还公开了一种匀化白光光源的匀化方法，该方法通过控制上述的匀化白光光源实现。

匀光系统中所述的扩散片采用的材质为石英或者玻璃，其设计及制备过程为：首先根据匀化要求计算模拟扩散匀化的随机微结构，然后在材料表面使用半导体微纳加工工艺做出具有散射机制的微结构，从而实现对于点光源的扩散匀化作用。经过匀化后的面光源的大小可以根据随机微结构的调整来调控，不同的匀化效果会使得扩散片的表面结构有所差别，但整体基本都类似。

匀光系统中所述的衍射光学元件的材质为石英或者玻璃，其设计及制备过程为：首先根据衍射光学理论计算对于激光匀化所需要的相位结构信息，通过台阶对此相位结构信息进行量化处理，然后在材料表面加工出多台阶的结构，从而能够将点光源转换为能量均匀的面光源。面光源的大小可以根据相位结构的特征尺寸来控制，不同的匀化效果会导致衍射光学元件的相位信息图有所区别，但是设计方法和制作方法都一致。

匀光系统中所述的微透镜阵列光学元件的材质为石英或者玻璃。其设计及制备过程为：首先根据匀化要求模拟计算出微透镜阵列单元的大小和高度，使用光刻版图软件设计出微透镜阵列的曝光结构，并导入到直写光刻机中，利用强度可变的激光束对涂在基片表面的光刻胶进行变剂量曝光，显影后在光刻胶表面形成排列整齐、结构均匀的微透镜阵列结构。然后通过干法刻蚀工艺将此结构转移到石英或者玻璃材质上。微透镜阵列的大小和失高由光束的波长和出光角度模拟计算得到，使用时一般需要两片微透镜阵列光学元件配合一起使用，单片制作后的结构示意图如图8所示。

以下通过具体实施例对本发明提出的匀化白光光源及其匀化方法进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种匀化白光光源，包括一光源1、一匀化系统2和一荧光转换器件3，其中：

光源1为点光源，用于发射光束；

匀化系统2用于对光束进行匀化，以使光束形成匀化面光源；

荧光转换器件3，用于接收并转换匀化面光源的光束，形成匀化白光。

上述光源1为蓝色激光二极管，中心波长为450nm，其为通过光纤耦合后输出的结构。

上述匀化系统2采用具有如图2所示的表面结构的扩散片，以使照射到扩散片上的蓝色激光二极管的点光源变为扩散匀化的面光源。其中图2(a)为大视场拍摄时扩散片表面结构的示意图，图2(b)为表面结构的局部放大图。

上述荧光转换器件3采用含Ce：YAG荧光转换物质的晶体，扩散均匀的面光源输出的蓝色激光光束照射到该荧光转换器件3上输出黄光，通过改变该荧光转换器件3的厚度，使得蓝光和黄光在一定比例下，形成白光的输出。

图3(a)为光纤输出的蓝色激光在直接输出后的光束，可以看出，由于光斑的亮度不均匀造成显示时具有明显且强烈的明暗颗粒感散斑。图3(b)为通过光纤耦合后输出的蓝色激光光源输出的光束，经过扩散片匀化后的效果图，可以看出光斑的能量得到了匀化处理，不再具有强烈的明暗颗粒感散斑了。

实施例2

如图4所示，本实施例提出了一种匀化白光光源，包括多个光源和一匀化系统，其中：

多个光源为点光源，用于发射不同波长的光束；

匀化系统用于对不同波长的光束进行匀化，形成匀化白光。

上述多个光源分别为：中心波长为650nm的红色激光器11、中心波长为532nm的绿色激光器12和中心波长为450nm的蓝色激光器13。

上述匀化系统采用具有如图5(a)所示表面相位信息的衍射光学元件14，其制备过程中将相位信息转换到石英表面后可得到如图5(b)所示的表面图，并采用MATLA软件对衍射光学元件14的方形匀化和圆形匀化效果进行模拟，得到如图6(a)和图6(b)所示的模拟效果图，从图6(a)和图6(b)可以看出，各波长的激光在衍射光学元件14的整形下，可以实现对原始激光的调制，该调制既可以对原始激光的形状进行调制，使得原始点光源的激光变换为所需要形状的面光源激光，该调制还可以使得调制后的光束在需要的形状内能量分布均匀一致。

图7是三基色光源在加入衍射光学元件14进行匀化前后的光斑对比图，如图7(a)所示为三基色光源在不加衍射光学元件14的混合光斑，可以看出中间的光斑虽然是白色，但是三种颜色混合成白色光斑具有明暗颗粒感散斑；如图7(b)所示为三基色光源在加入衍射光学元件14后的混合白色光斑，可以看出，采用本实施例提出的匀化白光光源，在普通白光光源中加入衍射光学元件14后，可以消除原始混合成白光时所具有的明暗颗粒感散斑，且合成的白光光束分布均匀一致。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种匀化白光光源，包括一光源、一匀化系统和一荧光转换器件，其中：

所述光源为一点光源，用于发射光束；

所述匀化系统用于对所述光束进行匀化，以使所述光束形成匀化面光源；

所述荧光转换器件，用于接收并转换所述匀化面光源的光束，形成所述匀化白光。

2.如权利要求1所述的匀化白光光源，其特征在于，所述匀化系统为扩散片、衍射光学元件或微透镜阵列。

3.如权利要求2所述的匀化白光光源，其特征在于，所述匀化系统为石英或玻璃，所述匀化系统的结构与所述匀化要求相匹配。

4.如权利要求1所述的匀化白光光源，其特征在于，所述荧光转换器件为含荧光转换材料的晶体片、烧结陶瓷或有机薄膜。

5.如权利要求1所述的匀化白光光源，其特征在于，所述荧光转换器件接收所述匀化面光源的光束后，对所述匀化面光源的光束进行转换，转换后的光束与所述匀化面光源的光束结合形成所述白光；所述光源为发光二极管、激光二极管或激光二极管经光纤耦合后进行输出的光源；所述光源的发射波长为260nm～700nm。

6.一种匀化白光光源，包括多个光源和一匀化系统，其中：

所述多个光源为点光源，用于发射不同波长的光束；

所述匀化系统用于对所述不同波长的光束进行匀化并合束，形成所述匀化白光。

7.如权利要求6所述的匀化白光光源，其特征在于，所述匀化系统为扩散片、衍射光学元件或微透镜阵列。

8.如权利要求7所述的匀化白光光源，其特征在于，所述匀化系统为石英或玻璃，所述匀化系统的结构与所述匀化要求相匹配。

9.如权利要求6所述的匀化白光光源，其特征在于，通过调节所述多个光源输出光束的能量，并通过所述匀化系统形成所述匀化白光；所述光源为发光二极管、激光二极管或激光二极管经光纤耦合后进行输出的光源；所述光源的发射波长为260nm～700nm。

10.一种匀化白光光源的匀化方法，其特征在于，是通过控制如权利要求1-9中任一项所述的匀化白光光源实现的。