高亮度白色激光光源提升遠(yuǎn)光性能的研究

楊 志，龐宏力，靳冠洋，陳思遠(yuǎn)

(曼德電子電器有限公司光電分公司，河北 保定 071000)

引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及逐年增長的交通事故率，人們對汽車的安全性提出了越來越高的要求。汽車燈具作為汽車的主動安全部件，近十年來隨著固態(tài)照明技術(shù)的發(fā)展和車燈新技術(shù)的應(yīng)用，使得夜間行車的安全性得到很大的提升。遠(yuǎn)光作為前照燈一個(gè)重要的基礎(chǔ)照明功能，能在夜間提供較遠(yuǎn)距離的照明范圍，使駕駛員能夠提前發(fā)現(xiàn)障礙物。而影響遠(yuǎn)光燈照明距離的核心因素是光源，具體是指光源的亮度特性。而激光具有的高亮度特性正是獲得高亮度白光的理想光源。激光照明的核心技術(shù)是LARP (Laser Activated Remote Phosphor)激光遠(yuǎn)程激發(fā)熒光技術(shù),具體是將高功率的激光束泵浦激發(fā)含Ce:YAG熒光粉的光色轉(zhuǎn)換材料，透射的藍(lán)色激光和激發(fā)產(chǎn)生的黃光黃色熒光通過混色原理，產(chǎn)生人眼感知的高亮度白光光源[1]。從2014年開始，寶馬、奧迪以及路虎等已陸續(xù)在其高端車型上配置了激光大燈，將遠(yuǎn)光的照明距離在LED的基礎(chǔ)上提升了1倍，達(dá)到600 m，極大的提升了駕駛員在夜間高速行駛時(shí)的駕駛視野[2]。但是，在2017年之前，高亮度白色激光光源只掌握在少數(shù)幾家國外知名汽車光源廠商中，并且對中國進(jìn)行技術(shù)封鎖。另一方面，基于DMD器件的新一代數(shù)字化汽車照明技術(shù)也急需高亮度和高流明輸出的白色光源[3]。因此，本文基于LARP技術(shù)，重點(diǎn)研究了高性能的熒光陶瓷涂層技術(shù)及其光色轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，并研制了高亮度的白色激光光源器件；最后開發(fā)了激光輔助遠(yuǎn)光功能模塊的激光大燈，并集成在整車上進(jìn)行了驗(yàn)證；系統(tǒng)性地研究了高亮度白色激光光源對遠(yuǎn)光的遠(yuǎn)距可視性的研究。

1 高亮度的白色激光光源

高亮度白色激光光源原理上采用的是LARP激光遠(yuǎn)程激發(fā)熒光技術(shù)，具有反射式和透射式兩種形式，核心部件都是高功率的藍(lán)色激光二極管、光學(xué)聚焦透鏡、含Ce:YAG熒光陶瓷的光色轉(zhuǎn)換器。其中透射式形式如圖1所示，從藍(lán)光激光二極管發(fā)射出來的中心波長450 nm的激光被聚焦透鏡聚焦在含Ce:YAG熒光陶瓷的光色轉(zhuǎn)換器表面，透射的藍(lán)色激光和黃色熒光通過混色原理形成白光。

圖1 透射式LARP形式示意圖Fig.1 Schematic of the transmission LARP scheme

由于透射式的光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單且白色激光光源器件的封裝工藝更加成熟，本文選擇透射式的LARP形式進(jìn)行研究。

1.1 含熒光陶瓷涂層的光色轉(zhuǎn)換器

一般來說，光色轉(zhuǎn)換器的性能表現(xiàn)主要由Ce:YAG熒光粉和其封裝形式?jīng)Q定。由于聚焦后激光具有高能量密度特性，使用普通的樹脂或環(huán)氧膠封裝熒光粉之后容易被燒蝕或發(fā)生熱淬滅效應(yīng)，使得光色轉(zhuǎn)換器的性能在高溫下表現(xiàn)得很差。本文采用了耐高溫的SiO2陶瓷材料對Ce:YAG熒光粉進(jìn)行封裝，同時(shí)為了提高白色光源的顯色性添加了少量氮化物紅色熒光粉，具體規(guī)格如表1所示。為了提高出光均勻性，這里選擇了粒徑D50在10 μm的小粒徑Ce:YAG熒光粉，提高受激輻射光在涂層內(nèi)部的多次散射幾率以及激光在涂層內(nèi)的激發(fā)熒光的概率。圖2的光色轉(zhuǎn)換器斷面SEM掃描可以清晰的看到小粒徑球狀的Ce:YAG粒子、柱狀的含Eu氮化物紅粉粒子以及無規(guī)則形狀的SiO2顆粒，三種顆粒粘接在一起，彼此交聯(lián)，相鄰顆粒之間可以看到粘接界面，其中很多細(xì)小Ce:YAG粒子團(tuán)聚在一起。通過XRD也可以看到Y(jié)AG:Ce、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu、SiO2等顆粒的衍射峰，說明高溫?zé)Y(jié)過程并沒有影響熒光粉的發(fā)光物性。光色轉(zhuǎn)換器的制作過程如下：將YAG:Ce、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu、SiO2等顆?；旌涎心ゲ⑻砑又軇┲瞥蔁晒夥蹪{料，采用絲網(wǎng)印刷工藝將熒光粉漿料印在作為承印物的藍(lán)寶石表面，并在氮?dú)夥諊?50 ℃左右的高溫?zé)Y(jié)制得。熒光陶瓷涂層的形狀、厚度等參數(shù)是可以需要可以變化的。本文研究中采用的都是直徑為1.5 mm的圓形的熒光陶瓷涂層，厚度為50 μm。

表1 熒光陶瓷涂層的熒光粉規(guī)格

光色轉(zhuǎn)換器的具體構(gòu)成如圖3所示，由含光學(xué)功能膜系的藍(lán)寶石基底和在藍(lán)寶石表面的上述熒光陶瓷涂層兩部分組成。藍(lán)寶石的激光入射面鍍的是AR抗反射膜，用于提高激光透過率。藍(lán)寶石的激光出射面鍍的是藍(lán)光透射黃光反向截止膜，圓形的熒光陶瓷涂層是印刷在截止膜上面的，藍(lán)色激光通過截止膜并激發(fā)熒光陶瓷涂層中的Ce:YAG黃色熒光粉和氮化物紅色熒光粉，產(chǎn)生中心波長在560 nm的黃光，由于產(chǎn)生黃光發(fā)射方向是360°，截止膜可將射向截止膜方向的黃光反射至激光入射方向，重新進(jìn)入熒光陶瓷涂層，進(jìn)一步提高激發(fā)產(chǎn)生的黃色和藍(lán)光激光在熒光涂層內(nèi)散射混合，激光入射方向，重新進(jìn)入熒光陶瓷涂層，進(jìn)一步提高激發(fā)產(chǎn)生的黃色和藍(lán)光激光在熒光涂層內(nèi)散射混合，提高產(chǎn)生光的色度均勻性。由于整個(gè)藍(lán)寶石基片是光學(xué)透光的，最后鍍上黑色的可見光截止膜，防止內(nèi)部雜散光出射對產(chǎn)生白光的影響。

圖2 含熒光陶瓷的光色轉(zhuǎn)換器斷面的掃描電鏡圖和X射線衍射圖Fig.2 SEM image and XRD of cross section of the Phosphor Ceramic Convertor

圖3 光色轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖Fig.3 Architecture of YAG Phosphor Convertor and developed prototype

1.2 白色激光光源器件

基于投射式LARP原理，我們將藍(lán)光激光二極管和光色轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了器件級封裝，以驗(yàn)證白色激光光源的光度學(xué)特性，封裝后的器件樣件及結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖4所示，通過激光二極管安裝座、透鏡壓圈以及光色轉(zhuǎn)換器安裝座等機(jī)械結(jié)構(gòu)和PCB電路板實(shí)現(xiàn)白色激光光源的小型化封裝。

利用上海開玄光電代理Radiant Vision Systems的SIG設(shè)備對此白色激光光源器件進(jìn)行了近場光學(xué)測試，圖5(a) 給出了該器件熒光陶瓷涂層發(fā)光表面的亮度分布，可以看到中心最大亮度高達(dá)429 cd/mm2，是目前車規(guī)級大功率LED亮度的5倍左右。另外，可以看到發(fā)光表面的亮度呈現(xiàn)出一個(gè)橢圓形分布，這是因?yàn)樵撈骷O(shè)計(jì)時(shí)是直接用聚焦透鏡將激光二極管出射的發(fā)散光聚焦到光色轉(zhuǎn)換器表面，并沒有將激光光束進(jìn)行整形如圓形光斑。實(shí)際可通過光學(xué)透鏡或錐型幾何空間結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)到光色轉(zhuǎn)換器表面激光光斑形狀的調(diào)整。

圖5(b)是白色激光光源的光譜分布，和藍(lán)光LED芯片加黃色熒光粉架構(gòu)的白光LED類似[4]。其中細(xì)窄的尖峰代表450 nm的藍(lán)光激光，這是由于激光的單色性決定的。表2給出了詳細(xì)的光度學(xué)特征參數(shù)，在環(huán)溫25 ℃，電流1.05 A的情況下，激光的光功率1.1 W，得到的白光光通量是156 lm，色溫5 640 K，顯色指數(shù)71，比通常前大燈用的高功率白光LED顯色指數(shù)都要高。為了表明白光的光色均勻性，圖6給出了發(fā)光表面兩個(gè)軸向在不同角度空間的色度坐標(biāo)(Cx,Cy)曲線，可以看到Cx和Cy的曲線類似，且ΔCx和ΔCy變化量均在0.02以內(nèi)，表明該白色激光光源具有較好的光色均勻性。在±90°邊界附近的色坐標(biāo)突變是由于光色轉(zhuǎn)換器和其安裝結(jié)構(gòu)并沒有完全貼合，導(dǎo)致邊界間隙出射的雜散光所致，可以通過調(diào)整光色轉(zhuǎn)換器安裝結(jié)構(gòu)和光色轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化去掉。

圖4 白色激光光源樣件及其結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.4 White laser source and its explosion of the prototype

圖5 激光白色光源的光度特性Fig.5 Luminous properties of the White Laser Source prototype

圖6 激光白色光源的色坐標(biāo)特性Fig.6 Chromaticity coordinate property of White Laser Source prototype

2 激光輔助遠(yuǎn)光應(yīng)用

汽車前照燈遠(yuǎn)光照明性能由遠(yuǎn)光光束中心的最大光強(qiáng)Imax決定：Imax=η×Aoptic×Ls。而最大光強(qiáng)Imax跟光學(xué)系統(tǒng)尺寸Aoptic和光源亮度Ls有關(guān)。在不增大光學(xué)系統(tǒng)尺寸的前提下，只能提高光源亮度Ls才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光照得更遠(yuǎn)、更亮。本文基于1中的高亮度白色激光光源，開發(fā)出了激光輔助遠(yuǎn)光功能模塊。圖7中(a)圖是采用2顆白色激光光源開發(fā)的激光輔助遠(yuǎn)光模塊實(shí)物圖，基于反射鏡形式開發(fā)，另外從(b)圖的配光光型圖可以看到，主要集中在中心±1°范圍內(nèi)，且最大光強(qiáng)Imax=195 000 cd (約等于312 lx)。圖8是將圖7中的激光輔助遠(yuǎn)光模塊在配光實(shí)驗(yàn)室利用德國optronik配光曲線測試系統(tǒng)進(jìn)行掃場之后得到的路照圖，可以看到，1 lx路面照度對應(yīng)的最遠(yuǎn)照射距可達(dá)600 m，是當(dāng)前LED遠(yuǎn)光照射距離的2倍。

圖7 激光輔助遠(yuǎn)應(yīng)用Fig.7 Laser High beam boost application

圖8 激光輔助遠(yuǎn)光模塊光度學(xué)測試報(bào)告Fig.8 High beam boost Photometry test report

3 激光大燈

實(shí)際應(yīng)用中，汽車前照燈法規(guī)對遠(yuǎn)光照射角度和照度是有要求的，很明顯本文的激光輔助遠(yuǎn)光模塊的照射角度是小于法規(guī)要求的?，F(xiàn)在量產(chǎn)的激光大燈都是在LED遠(yuǎn)近光的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輔助遠(yuǎn)光的激光輔助遠(yuǎn)光模塊，有條件的提高遠(yuǎn)光的遠(yuǎn)距照明性能。為了驗(yàn)證其實(shí)際路照表現(xiàn)，我們將圖9(b)激光輔助遠(yuǎn)光模塊進(jìn)行了整燈集成，并與LED遠(yuǎn)近光模組進(jìn)行了對準(zhǔn)，使其出射光學(xué)中心和LED模組遠(yuǎn)光中心重合，如圖9所示，激光輔助遠(yuǎn)光模塊也做了簡單的造型設(shè)計(jì)和整燈風(fēng)格匹配。另外，為了匹配兩個(gè)模塊的色度特征，LED雙光的色溫是5 500 K，和白色激光光源的5 640 K相當(dāng)接近，肉眼是不可區(qū)分的。

激光輔助遠(yuǎn)光模塊與LED遠(yuǎn)近光模塊集成后，從圖10(a)圖中可以看到，遠(yuǎn)光性能得到了顯著的提升，25 m屏的最大照度達(dá)到了370 lx，接近ECE R112 Class B遠(yuǎn)光法規(guī)規(guī)定的上限。而在路照性能方面，其最遠(yuǎn)照射距離甚至已經(jīng)超過600 m，達(dá)到了1 lx路面照度最遠(yuǎn)650 m。

最后，將此激光大燈安裝在整車上，做了簡單的路照測試，發(fā)現(xiàn)前照燈的遠(yuǎn)光在夜間的光束感很強(qiáng)，如圖11(a)所示，另外圖11(c)激光大燈遠(yuǎn)光比圖11(b)中的LED遠(yuǎn)光照得更遠(yuǎn)更亮。

圖9 激光大燈Fig.9 Laser headlamp

圖10 激光大燈的遠(yuǎn)光光度學(xué)測試報(bào)告Fig.10 High beam Photometry test report of laser headlamp

圖11 激光大燈遠(yuǎn)光路照測試Fig.11 Laser high beam road illumination test

4 結(jié)語

本文基于LARP激光遠(yuǎn)程激發(fā)熒光粉技術(shù)，通過對高性能的熒光陶瓷涂層及光色轉(zhuǎn)換器的研究，研制了高達(dá)429 cd/mm2的高亮度白色激光光源器件，并成功應(yīng)用在了激光大燈中，使得遠(yuǎn)光的最遠(yuǎn)照明距離達(dá)到了600 m以上，試驗(yàn)結(jié)果表明高亮度的白色激光光源是能顯著提高遠(yuǎn)光的遠(yuǎn)距可視性能。另外，隨著數(shù)字化智能照明技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)光燈除了要照得遠(yuǎn)，還要安全，即對道路其它參與者不產(chǎn)生眩目危害，更有甚者，能夠?qū)崿F(xiàn)投影交通標(biāo)識/文字和其它車輛、行人進(jìn)行交互[5]。這些新的需求對光源同樣提出的新的挑戰(zhàn)，如高亮度和高流明輸出等。而激光恰好具備這種優(yōu)勢，同時(shí)激光光源的可擴(kuò)展性[6]也能實(shí)現(xiàn)更高的流明輸出。綜上，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光照明必然在未來汽車照明中占有重要的位置。