基于LD 激發(fā)熒光粉白光光源的窄光束照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭金濤，熊德平，溫坤華，何 苗，張志清，夏智鋒，許毅欽

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510651）

引言

LED 具有體積小、抗震動、亮度高、可調(diào)光、維修和更換簡便，以及壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，能滿足人類對人造光源的絕大部分期望和要求[1]，因此，LED 已成為目前主流的照明方式。由于大功率GaN基藍(lán)光LED 的發(fā)展，藍(lán)光LED 激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的白光光源作為照明光源得以迅速發(fā)展[2]。但商用白光LED 存在“效率驟降”現(xiàn)象[3]，即隨著電流密度的增加，出光效率會快速衰減。激光二極管(LD )具有亮度高，光電效率轉(zhuǎn)換高且無“效率驟降”現(xiàn)象，照射距離遠(yuǎn)，散熱系統(tǒng)更簡單，尺寸更小等特點(diǎn)，尤其在高亮度、高光效、遠(yuǎn)程照明領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢。LD 結(jié)合熒光粉轉(zhuǎn)換器作為一種新興技術(shù)在汽車大燈[4]、路燈，室內(nèi)外一般照明，數(shù)據(jù)投影機(jī)，以及無線光通信上顯示出巨大的應(yīng)用潛力。2014 年12 月8 日，在瑞典舉行的諾貝爾頒獎演講臺上“藍(lán)光之父”——日本科學(xué)家中村修二就公開表示“未來10 年，激光照明將取代LED 照明”[5-7]。

目前基于激光白光照明的相關(guān)研究在材料方面研究的較多，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面研究較少。趙爽[8]等設(shè)計(jì)了一款汽車照明光學(xué)系統(tǒng)，得到了滿足法規(guī)的激光白光光源。由于單個(gè)激光二極管的功率較低，要想獲得大功率的激光白光光源，需要多個(gè)激光二極管進(jìn)行組合，目前主流的組合方式是光纖耦合技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多單管激光器合束[9-11]。為了達(dá)到高效率，低成本地實(shí)現(xiàn)多激光二極管組合，并能夠有效實(shí)現(xiàn)激光白光照明，設(shè)計(jì)了一款新型的激光照明光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)光激光有效地激發(fā)熒光片。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)激光光源光收集率98.3%，激光光斑不均勻度1.7%；白光光斑均勻度98%，出射準(zhǔn)直角為1.6°。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可應(yīng)用于探照燈、掃海燈、戰(zhàn)術(shù)手電、車燈、投影顯示等領(lǐng)域。

1 激光照明系統(tǒng)的組成及工作原理

激光照明光學(xué)系統(tǒng)采用的是陣列多激光二極管反射式同軸系統(tǒng)[12]，在光學(xué)軟件Tracepro 中建立如圖1 所示的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由專門設(shè)計(jì)的基板，激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、聚光鏡、混光腔、混光棒、熒光體，光闌等組成。采用4 顆波長為450 nm，光功率3.5 W 的歐司朗激光二極管為光源。通過準(zhǔn)直透鏡將激光打到反光杯上，反光杯反射將激光束匯聚到焦點(diǎn)，在焦點(diǎn)位置光束通過勻光系統(tǒng)進(jìn)行激光二次光學(xué)整形，出射的激光光斑均勻度更高。設(shè)定與光斑面積大小等同的熒光體，調(diào)節(jié)熒光體中摻雜熒光粉的濃度及其厚度，得到輻照度均勻的方形白光。

圖 1 LD 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of LD optical system

2 激光照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 半導(dǎo)體激光光源簡化模型建立

在歐司朗官網(wǎng)下載所選型號的激光二極管的光源文件及CAD 模型，在光學(xué)仿真軟件Tracepro中建立激光光束模型。簡單描述激光光束的模型為橢圓高斯光束，表達(dá)式如下：

式中： wx0和 wy0分別為垂直截面和平行截面上的束腰半徑[13]。將該檔案光源導(dǎo)入Tracepro 光學(xué)分析軟件，仿真結(jié)果如圖2 和圖3 所示。由圖2 和圖3可知，激光二極管射出的光束一般為橢圓高斯光束，其發(fā)光強(qiáng)度呈高斯分布，中心發(fā)光強(qiáng)度極強(qiáng)，周邊發(fā)光強(qiáng)度較弱，即能量分布不均勻，這一缺陷導(dǎo)致激光不能直接使用。所以需要進(jìn)一步對其光束做整形處理。

2.2 準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)

圖 2 激光二極管光束模型Fig. 2 Laser diode beam model

如圖4 所示，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)是采用雙自由曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成的[14]。設(shè)計(jì)過程如下：首先，基于非成像光學(xué)中的邊緣光線理論對初始曲線的離散點(diǎn)進(jìn)行迭代求解，然后通過曲線法矢修正反饋算法，對離散點(diǎn)進(jìn)行反饋優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了一款雙自由曲面的準(zhǔn)直透鏡設(shè)計(jì)。

圖 3 激光二極管輻照度分布圖Fig. 3 Distribution diagram of laser diode irradiance

圖 4 準(zhǔn)直透鏡形成示意圖Fig. 4 Schematic diagram of collimating lens formation

2.2.1 準(zhǔn)直透鏡算法設(shè)計(jì)

圖 5 光束示意圖Fig. 5 Schematic diagram of light beam

帶入初始值， A1、 B1、 B2坐標(biāo)， A1、 B1、 B2單位法矢量，通過偏微分的數(shù)值迭代求解可獲得曲線離散點(diǎn)鏈，然后將離散點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件形成3D 結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。

圖 6 3D 結(jié)構(gòu)形成示意圖Fig. 6 Schematic diagram of 3D structure formation

2.2.2 結(jié)果分析

在光學(xué)分析軟件Tracepro 中建立模型，如圖7所示。準(zhǔn)直透鏡的材料設(shè)置為折射率1.493 86 的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），透射率為1（不考慮透鏡光損失）。由圖7 可知，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡的激光光束得到了很好的準(zhǔn)直。圖8 與圖3 對比，可知激光光束的輻照度分布得到了有效壓縮，由圖3 的大橢圓形變?yōu)閳D8 的小橢圓形的激光光束。由圖8 得到收集到的光通量是3.443 0 W，系統(tǒng)中使用的激光二極管發(fā)射光通量為3.5 W，由公式：帶入數(shù)據(jù)得到激光光束的收集率達(dá)到98.3%，可見準(zhǔn)直透鏡的準(zhǔn)直聚光效果很好。

圖 7 激光二極管光束準(zhǔn)直模型Fig. 7 Laser diode beam collimation model

圖 8 接收面輻照度分布圖Fig. 8 Distribution diagram of receiving surface irradiance

2.3 勻光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 反光杯設(shè)計(jì)

反光杯采用拋物面鏡，由拋物線繞對稱軸旋轉(zhuǎn)而成，利用反光杯將準(zhǔn)直光匯聚到混光棒的端口內(nèi)，平行于對稱軸的任何一條光線經(jīng)拋物面鏡反射后都會匯聚于焦點(diǎn)處。結(jié)合設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直透鏡及在3D 建模軟件中建立的基板尺寸，在Tracepro 中建立一個(gè)拋物面反光杯，實(shí)現(xiàn)激光光束的匯聚。本文設(shè)計(jì)的拋物面反光杯的參數(shù)為：焦距31 mm，直徑5 mm，厚度0.5 mm，如圖9 所示，實(shí)現(xiàn)了激光光束匯聚于焦點(diǎn)處。

2.3.2 混光棒設(shè)計(jì)

圖 9 拋物面反光鏡模型設(shè)計(jì)Fig. 9 Paraboloid reflector model design

圖 10 混光棒混光示意圖Fig. 10 Schematic diagram of light mixing in light mixing rod

混光棒能將光線均勻化，其成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單[15-16]。因?yàn)榻?jīng)反光杯匯聚的激光光束功率密度過高且不均勻，為了得到擴(kuò)束并分布均勻的激光光斑，設(shè)計(jì)了一款材質(zhì)為石英玻璃的長方體混光棒，如圖10 所示。光線在混光棒內(nèi)發(fā)生數(shù)次反射，打亂了原有激光光束的傳播路徑，實(shí)現(xiàn)光線的進(jìn)一步均勻分布?；旃獍羧牍舛嗣娴闹行奈恢眯璺胖迷诩す夤馐鴧R聚的焦點(diǎn)處。仿真優(yōu)化得到的最優(yōu)尺寸為截面邊長為1 mm 的方形，長度為16.5 mm。1 05條光線進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)單純的使用混光棒還不能較好地生成均勻光斑，故而對混光棒的入光面加以優(yōu)化，設(shè)置為磨砂面之后，均勻度得到明顯提升。當(dāng)截面形狀一定時(shí)，混光棒的長度也不是越長越好，需取一個(gè)恰當(dāng)?shù)拈L度值，混光棒的出光面輻照圖分布曲線如圖11和圖12 所示。

不均勻度公式為

圖 11 混光棒出光面輻照度分布圖Fig. 11 Irradiance distribution diagram of light-emitting surface of light mixing rod

式中：Imax、Imin分別為被照射面的最大照度和最小照度值[17]。上式帶入數(shù)據(jù)可得不均勻度為1.7%。

圖 12 混光棒出光面輻照度分布曲線Fig. 12 Irradiance distribution curve of light-emitting surface of light mixing rod

2.4 熒光片的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出白光，對熒光片的特性加以探討。利用藍(lán)光激光激發(fā)熒光片產(chǎn)生白光的原理[18]，并且經(jīng)熒光片的吸收、散射、折射，產(chǎn)生的白光對人眼無傷害。上述得到激光光束均勻光斑為正方形，需實(shí)現(xiàn)光斑面積與熒光片的匹配。首先在Tracepro 中建立了規(guī)格為1 mm×1 mm×0.8 mm的熒光片模型，使用商用熒光粉 YAG:Ce+3的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜建立熒光粉特性，通過屬性編輯器改變熒光片的厚度、熒光粉濃度等特性，實(shí)現(xiàn)激光激發(fā)熒光產(chǎn)生均勻的白光光斑的熒光片。通過固定熒光片的厚度為0.8 mm，調(diào)整熒光片YAG:Ce+3摩爾濃度分別為15 mol/liter、13 mol/liter、12 mol/liter、10.96 mol/liter，熒光片被激發(fā)產(chǎn)生的光斑效果圖如圖13（a）～13（d）所示。對比光斑效果得出摩爾濃度為10.96 mol/liter 的熒光片較佳。同理，固定熒光片的 YAG:Ce+3濃度為10.96 mol/liter，改變熒光片的厚度分別為0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm，熒光片被激發(fā)產(chǎn)生的光斑效果圖如圖14（a）～14（d）所示。對比光斑效果得出厚度為0.8 mm 的熒光片較佳。

圖 13 不同摩爾濃度熒光粉片的發(fā)光效果Fig. 13 Luminous effect of phosphor sheets with different molar concentration

圖 14 不同厚度熒光片的發(fā)光效果Fig. 14 Luminous effect of fluorescent sheets with different thicknesses

3 激光照明光學(xué)系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

根據(jù)前面的參數(shù)設(shè)計(jì)，在光學(xué)仿真軟件Tracepro 中用 5×105條光線激 發(fā)熒光體，如圖15 所示。分析發(fā)現(xiàn)只是單純的利用表面光滑的熒光片無法實(shí)現(xiàn)高均勻度、窄光束的白光。為了解決這一問題，考慮可以改變光線的傳播路徑，故而對熒光片的表面結(jié)構(gòu)做出變化，這里在熒光片的入光面和出光面變成磨砂面，并且在出光面加上光闌，如圖16（a）和16（b）所示。通過不斷調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)位置，在邊長為200 mm 的方形接收面上得到的均勻度達(dá)98%，角度為1.6°的方形光斑，如圖16（c）所示。

圖 15 激光照明光學(xué)系統(tǒng)模型Fig. 15 Laser illumination optical system model

圖 16 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)效果圖Fig. 16 Effect diagram of system simulation experiment

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于LD 陣列白光光源，采用多個(gè)激光二極管反射式實(shí)現(xiàn)同軸準(zhǔn)直系統(tǒng)的激光白光照明模塊，利用光學(xué)仿真軟件Tracepro對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行蒙特卡羅光線仿真追跡，實(shí)現(xiàn)激光二極管光收集率98.3%，激光光斑的不均勻度為1.7%，在方形接收面上得到白光的均勻度達(dá)到98%，準(zhǔn)直角為1.6°。本設(shè)計(jì)采用混光棒能夠充分將激光光束打亂，從而獲得很好的勻光效果。反光杯的聚光能力不受激光二極管數(shù)量的限制，增加激光二極管的數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)大功率的激光照明模塊，為激光照明的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。