半導(dǎo)體激光激發(fā)熒光粉轉(zhuǎn)換白光照明系統(tǒng)設(shè)計

半導(dǎo)體激光激發(fā)熒光的轉(zhuǎn)換白光照明系統(tǒng)設(shè)計趙爽;吳肖杰;鄒永剛;徐英添;金亮;張賀【摘要】Thepowerofsingle-tubebluesemiconductorlaserisrelativelylow.Inordertoobtainhighpowerlaseroutput,themulti-tubefibercouplingtechnologywasusedtoachieve10Wbluelaseroutput,andthewhitelightsourceoutputsynthetizedbylaserexcitationphosphorsheetwastakenasthecarhighbeamlightsource.Accordingtotherequirementsofautomotivelight-ingregulations,anautomobilehighbeamlightingsystemwasdesigned,theopticalstructuresofparabolicreflectingshade,biconcavelensandphosphorsheetaswellastheinfluenceofreflec-tingshadecurveparameters,thepositionsofbiconcavelensandphosphorsheetonthecolortemperatureuniformityandilluminanceoflightsourceweredescribedindetail.Aellipticalpara-bolicreflectingshadewithanellipticalopeningof19mmx31.6mmatthetop,acircularopen-ingof5mmdiameteratthebottomandwiththeheightof60mmwasdesigned.Whenthephos-phorsheetwasplacedatadistanceof15mmfromthereflectorbottom,anellipticalspotof5mx12mwasobtainedonthereceivingsurface25mfromthelightsource,thewhitelightsourcehadaluminousfluxof1025lmandacentercolortemperatureof5880K,thecentralcolorcoor-dinateswere(x=0.3226,y=0.3692).Resultsshowthatthehighbeamlightingsystemmeetstherequirementsofautomobilelightingregulations.%單管藍(lán)光半導(dǎo)體激光器功率相對較低，為了獲得高功率激光，利用多單管光纖耦合技術(shù)實現(xiàn)10W藍(lán)光激光輸出，輸出的激光激發(fā)熒光粉片合成的白光光源作為汽車遠(yuǎn)光燈光源.根據(jù)汽車照明法規(guī)要求設(shè)計了汽車遠(yuǎn)光燈照明系統(tǒng)并詳述了拋物面反光罩、雙凹透鏡和熒光粉片的光學(xué)結(jié)構(gòu)及對反光罩曲線參數(shù)、雙凹透鏡和熒光粉片的放置位置對光源色溫均勻性及照度的影響.模擬設(shè)計了頂端19mmx31.6mm橢圓形開孔、底部直徑5mm圓形開孔、高60mm的橢圓拋物面反光罩，熒光粉片置于距反光罩底部15mm處時在距光源25m處的接收面上得到了5mx12m的橢圓光斑,白光光源的光通量為1025肝,中心色溫為5880^中心色坐標(biāo)為(x=0.3226,y=0.3692),該汽車遠(yuǎn)光燈照明系統(tǒng)滿足汽車照明法規(guī)要求.【期刊名稱】《應(yīng)用光學(xué)》【年(卷)，期】2018(039)001【總頁數(shù)】6頁(P140-145)【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體激光;白光照明;反光罩;熒光粉【作者】趙爽;吳肖杰;鄒永剛;徐英添;金亮;張賀【作者單位】長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，吉林長春130022;長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，吉林長春130022;長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，吉林長春130022;長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，吉林長春130022;長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，吉林長春130022;長春理工大學(xué)高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室,吉林長春130022【正文語種】中文【中圖分類】TN209;TH132.3引言發(fā)光二極管(LED)白光光源作為固態(tài)照明光源對照明行業(yè)產(chǎn)生了重大影響［1］。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LED存在“效率驟降”現(xiàn)象，即隨著驅(qū)動功率密度增加，出光效率會快速衰減［3］，這導(dǎo)致單個藍(lán)光LED只能產(chǎn)生少量的光通量。由于半導(dǎo)體激光器(LD)的發(fā)光原理是受激輻射，無〃效率驟降”現(xiàn)象，近年來采用藍(lán)光LD激發(fā)熒光粉合成白光光源逐漸成為研究熱點［4-7］。2005年，日本日亞公司首次提出了以LD作為激勵源激發(fā)熒光粉實現(xiàn)白光輸出，將GaN基藍(lán)光LD經(jīng)光纖耦合輸出后激發(fā)熒光粉合成白光［8］。隨著研究人員對激光白光光源的不斷研究，它作為汽車照明光源已實現(xiàn)在全新第六代BMW7系上應(yīng)用，使汽車大燈的照明距離可提升至600m。激光模塊產(chǎn)生的白光光源強度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)光源，能夠在夜間各種道路獲得更好的能見度。LD白光照明關(guān)鍵技術(shù)在寶馬車燈上的應(yīng)用使半導(dǎo)體激光器直接應(yīng)用在白光照明領(lǐng)域成為可能。由于目前單管藍(lán)光LD功率較低，需要多個激光器同時激發(fā)熒光粉才能滿足汽車照明需求，這使系統(tǒng)變得復(fù)雜，半導(dǎo)體激光器體積優(yōu)勢無法體現(xiàn)。光纖耦合技術(shù)可實現(xiàn)多單管激光器合束，獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出，滿足照明需求。目前在白光照明方面，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計主要針對LED光源［9］，對于基于LD的白光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及光學(xué)設(shè)計研究較少。本文在半導(dǎo)體激光光纖耦合模式出光基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種應(yīng)用于汽車照明的光學(xué)系統(tǒng)。首先光纖耦合輸出的10W藍(lán)色激光經(jīng)雙凹透鏡散射擴束，擴束后的激光散射在熒光粉片上，再利用拋物面反光罩對光源進行反射配光，得到了應(yīng)用于汽車遠(yuǎn)光燈照明系統(tǒng)中的光源。本文研究了反光罩曲線參數(shù)、半導(dǎo)體激光光斑尺寸、熒光粉片位置等因素對光源品質(zhì)的影響，最后得到滿足照明法規(guī)的LD白光光源。1照明系統(tǒng)設(shè)計照明系統(tǒng)反光罩的作用是將光通量反映成有限的立體角，以達(dá)到改善前方道路照明的目的。根據(jù)拋物面的性質(zhì)，當(dāng)光源置于拋物面的焦點上時，經(jīng)過拋物面的反射，光線與拋物面的主軸呈平行的方向射出，理論上無論離燈具的距離多遠(yuǎn)，其光強不變，所以在燈具設(shè)計中，常把它作為燈具的反光罩的設(shè)計模型，以改善道路的照明。對于汽車遠(yuǎn)光燈，由于其僅起到照明功能而沒有防眩光功能，因此法規(guī)的要求相對寬松。表1給出了汽車遠(yuǎn)光燈的光型照度要求。從表1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)要求遠(yuǎn)光燈能提供較大的光強以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離照明，并在橫向范圍內(nèi)有足夠的照明強度。表1激光汽車遠(yuǎn)光燈標(biāo)準(zhǔn)照度要求Table1Lasercarhighbeamstandardilluminationrequirements測試點或區(qū)域照度范圍/lxEmax>48&<240HV>0.8EmaxHV點至1125L及R224HV點至2250L及R>6法規(guī)規(guī)定汽車遠(yuǎn)光燈光源的光通量必須大于1000lm小于1300lm。除了對光源光型的要求以外，標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了遠(yuǎn)光燈的光色為白色并定義白色色坐標(biāo)范圍由(1)式定義：(1)圖1是本文設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。通過SolidWorks軟件對拋物面反光罩建模后，導(dǎo)入到TracePro光學(xué)軟件，模擬反光罩曲線參數(shù)、半導(dǎo)體激光光斑尺寸、熒光粉片位置等因素對光源品質(zhì)的影響。圖1反光罩的設(shè)計示意圖Fig.1Schematicdiagramofdesignofreflectingshade2模擬分析將厚1mm、直徑10mm的熒光粉片置于距反光罩底部15mm處。經(jīng)光纖耦合輸出的激光為10W，采用焦距f=-12mm、直徑6mm的雙凹透鏡對激光擴束散射，再直射在熒光粉片上，混色合成的白光經(jīng)拋物面反光罩反射照射在足巨光源前方25m處的目標(biāo)接收面上。2.1反光罩曲線參數(shù)對光源光斑的影響solidworks設(shè)計拋物面反光罩的過程如下：光源光斑的直徑和目標(biāo)接收面與光源之間的距離決定反光罩的出光角度，根據(jù)公式(2),可計算出光源經(jīng)反光罩反射后的出光角度0,其中L為接收面的光斑半徑、Dr為接收面距光源的距離；根據(jù)公式(3)可計算出反光罩頂部開口直徑Dup,其中h為熒光粉片足距反光罩頂部的距離、Dp為熒光粉片的直徑。(2)(3)拋物面反光罩的焦距公式為⑷p=2f(5)式中：Dbtm為反光罩底部開口直徑；H為反光罩的高度；f為拋物面的焦距。拋物面反光罩的生成曲線方程設(shè)置為(6)本文在25m處目標(biāo)接收面得到光斑半徑6m的圓光斑，根據(jù)公式(2)可計算出旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩的出光角度為27°，根據(jù)公式(2)、(3)可計算出旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩的尺寸。設(shè)計一個頂部開口直徑為31.6mm，底部開口直徑為5mm，高度為60mm的旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩。根據(jù)公式(4)、(5)、(6)可計算出旋轉(zhuǎn)拋物面生成曲線方程y2-25=3.744z。圖2(a)所示為SolidWorks軟件生成的旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩3D結(jié)構(gòu)圖，圖2(b)所示為距光源25m處的接收面上直徑為12m的圓形光斑，圓形光斑面積為113.1m2,光源光通量為1143lm。旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩形成的圓形光斑將造成光能量浪費，將反光罩設(shè)計成橢圓型拋物面反光罩，在同等的照明條件下可以提高目標(biāo)接受面的光照度。圖2旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩和接收面光斑Fig.2Rotatingparaboloidreflectorandlightspotonreceivingsurface為了提高目標(biāo)接受面上光斑的光照度，將目標(biāo)接受面垂直方向上光斑由半徑為6m的圓形光斑壓縮成長半軸6m、短半軸2.5m的橢圓型光斑。根據(jù)公式(2)可計算出橢圓拋物面反光罩在XOZ面上的發(fā)光半角為13.5°，在YOZ面上的發(fā)光半角為5.7°。根據(jù)公式(2)、(3)可計算出橢圓拋物面反光罩的尺寸。本文設(shè)計了一個頂部為19mmx31.6mm的橢圓形開孔，底部為直徑5mm圓形開孔，高度為60mm的橢圓形拋物面反光罩。橢圓拋物面反光罩是由2種不同焦距的拋物線放樣生成的。根據(jù)公式(4)、(5)、(6)可計算出橢圓拋物面生成曲線方程分別為y2-25=3.744z和x2-25=1.0875z。圖3(a)所示為橢圓拋物面反光罩3D結(jié)構(gòu)圖，圖3(b)為距光源25m接收面上的光源光斑圖。照明光學(xué)系統(tǒng)的總光通量為1079lm，采用橢圓拋物面反光罩封裝后光通量減少64lm。由于反光罩的抱角越大，反光罩的燈具效率會下降，橢圓反光罩在YOZ面上的發(fā)光半角為5.7°，相對的在YOZ面的抱角為174.3°,大于旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩的抱角，由此可知經(jīng)橢圓拋物面反光罩反射后的光源光通量會減小。在目標(biāo)接收面上得到了5mx12m的橢圓形光斑，光斑面積為47.1m2。與對稱拋物面反射器相比，橢圓拋物面反射器可以產(chǎn)生近似橢圓光斑，橢圓光斑設(shè)計相比于圓形光斑設(shè)計，光斑面積更小，從而可以提高汽車照明光學(xué)系統(tǒng)的光照度，目標(biāo)接受面平均照度提高了13%。圖3橢圓拋物面反光罩和接受面光斑圖Fig.3Ellipticalparaboloidreflectorandlightspotonreceivingsurface2.2半導(dǎo)體激光光束整形為了更好地利用熒光粉片的熒光物質(zhì)，要盡可能將藍(lán)光照射到整個熒光粉片上。由于光纖耦合輸出激光光束質(zhì)量好，熒光粉片與光纖距離短，所以需要通過光束整形技術(shù)對藍(lán)光激光進行擴束，增大激光光斑面積。本文設(shè)計了一種雙凹透鏡對藍(lán)光激光進行擴束處理。2.2.1對光照度均勻性的影響圖4(a)為光纖耦合輸出的激光直接照射在熒光粉片上的光斑，光斑形狀近似為矩形，面積為0.74mm2。圖4(b)為光纖耦合輸出的激光經(jīng)雙凹透鏡散射后照射在熒光粉片上的光斑，該光斑接收面置于15mm處，面積為26.7mm2。激光光斑面積越小，激光功率密度越大，靠近激發(fā)光中心點白光光源光通量越大，則中心點光源的照度越大，但光源總光量基本相同。不含雙凹透鏡照明光學(xué)系統(tǒng)光源總光通量為1079lm，光源中心點照度為179.8lx，由于雙凹透鏡對入射光的吸收作用使得含雙凹透鏡照明光學(xué)系統(tǒng)的光源光通量減少，光源總光通量為1025lm，中心點的光照度128.2lx。圖5所示為照明光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)接收面上白光光源的照度分布曲線，不含雙凹透鏡照明光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)接收面上白光光源的照度分布中心點光照度較強，邊緣較弱，整體光照度不均勻。當(dāng)激光束被雙凹透鏡散射照射在熒光粉片上，光源的照度分布更均勻。文中激光白光光源是由藍(lán)色激光與黃色熒光粉發(fā)射出的黃光混色而成的，當(dāng)藍(lán)色激光經(jīng)雙凹透鏡散射后，照射在熒光粉片上的光斑面積增大，導(dǎo)致與藍(lán)色激光相互作用的熒光粉顆粒相對增多，光譜的光視效能會增加，目標(biāo)接收面相應(yīng)點的照度也會增大。含雙凹透鏡的照明光學(xué)系統(tǒng)光源的照度分布均勻性優(yōu)于不含雙凹透鏡的白光源的照度分布。圖5目標(biāo)接收面光源照度分布Fig.5Illuminationdistributionoflightsourceontargetreceivingsurface2.2.2對色溫均勻性的影響熒光粉片發(fā)射出的黃光沒有方向性，是隨機發(fā)射的。激光激發(fā)熒光粉片后有部分激光被熒光粉顆粒吸收轉(zhuǎn)化為黃光，還有被熒光粉顆粒吸收轉(zhuǎn)化為熱量及被熒光粉顆粒反射、散射，或直接透過熒光粉片射向目標(biāo)接收面，未能被熒光粉片吸收的部分激光依然保持了準(zhǔn)直特性。由于激光的單色性，直接透過熒光粉片的藍(lán)光在小范圍內(nèi)將影響光源色溫的均勻性，且在目標(biāo)接收面中心點光源的色溫最高，色溫為7266K，光源中心點偏藍(lán)色。激光經(jīng)雙凹透鏡散射后，光斑形狀近似呈矩形，光斑面積增大。采用雙凹透鏡散射后的激光發(fā)散角更大，更大的發(fā)散角激發(fā)熒光粉片時光源色溫分布相對更均勻。由于目標(biāo)接收面上的光斑色溫分布呈對稱分布，本文只考慮目標(biāo)面左半側(cè)光斑的色溫分布情況。圖6所示為雙凹透鏡對光源色溫分布的影響，根據(jù)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光直接照射在熒光片上時，光源的中心色溫值大于激光擴束散射所得光源的中心色溫值。取目標(biāo)接收面的中心點、距中心1.5m、3m、4.5m、6m等5個點，這5個點在接收面上的色溫值分別為7266K，6097K，5138K，4489K和3991K。色溫值遵循中心到邊緣逐漸減小的規(guī)律，中心和邊緣的色溫值差為3275K。當(dāng)激光經(jīng)雙凹透鏡擴束散射后再照射熒光片上時，目標(biāo)面上5個點的色溫值分別為5880K，5376K，4492K，4563K，4331K。接收面上的色溫值遵循中心到邊緣減小的規(guī)律，中心和邊緣的色溫值差為1549火，含雙凹透鏡的照明光學(xué)系統(tǒng)光源的色溫梯度比不含雙凹透鏡的光源的色溫梯度小1726K。圖6雙凹透鏡對光源色溫分布的影響Fig.6Influenceofbiconcavelensoncolortemperaturedistributionoflightsource2.3熒光粉片的位置對光源的影響根據(jù)所需的橢圓型光斑，將反光罩設(shè)計成橢圓拋物面反光罩。依據(jù)橢圓拋物面開口直徑及拋物面焦距公式(2)、(3)可計算出橢圓拋物面在XOZ面及YOZ面的焦距fx和fy。經(jīng)計算XOZ平面及YOZ平面的焦距分別為fx=0.544mm及fy=1.872mm。由于拋物面的雙焦距太小，所以將熒光片放置在足巨反射器底部10mm，15mm，20mm的位置，研究熒光粉片位置對于白光光源的影響。隨著熒光粉片距反光罩底部距離的增大，激光經(jīng)雙凹透鏡散射打在熒光粉片上的光斑面積增大，激光的功率密度會減小，這導(dǎo)致藍(lán)色激光與熒光粉顆粒相互作用的幾率相對增大，被熒光粉顆粒吸收轉(zhuǎn)化為黃光也相對增多，黃光比藍(lán)光光譜光視效能更高，所以混色而成的白光光源光譜的光視效能會增加，目標(biāo)接收面相應(yīng)點的照度也會相對增大，但光源總光通量基本保持不變。圖7是光源在水平方向上的照度分布曲線。當(dāng)熒光粉片放置在足巨反光罩底部10mm處時，目標(biāo)接收面上的光斑尺寸減小到4.6mx10.8m。接收面上的照度分布不均勻，照度均勻性差。當(dāng)熒光片放置在距反光罩底部20mm處時，接收面上的光斑增加到5.6mx13.4m,光源的照度分布相對均勻。與放置在反光罩底部15mm處的熒光片相比，中心光源的照度減小。熒光粉片放置在足巨反光罩底部15mm處，目標(biāo)接收面上的光斑滿足法規(guī)對汽車遠(yuǎn)光燈光斑尺寸及照度的要求，橢圓形光斑尺寸為5mx12m。圖7熒光粉片放置在足距反光罩底部不同位置處光源在水平方向的照明分布Fig.7Illuminationdistributionoflightsourceinhorizontaldirectionwithphosphorsheetplacedatdifferentpositionsfromreflectorbottom本文采用頂部為19mmx31.6mm的橢圓開口，底部開孔為5mm,高為60mm的橢圓拋物面反光罩對合成的白光光源進行配光以實現(xiàn)汽車遠(yuǎn)光燈照明，該汽車遠(yuǎn)光燈照明光學(xué)系統(tǒng)光通量為1025lm，中心點CIE色度坐標(biāo)為(x=0.3008,y=0.3225)，滿足法規(guī)對汽車遠(yuǎn)光燈照明要求。表2是激光汽車遠(yuǎn)光燈照明系統(tǒng)模擬照度值與標(biāo)準(zhǔn)照度值對比。3結(jié)論本文描述了用于汽車照明的激光激發(fā)熒光粉片合成的白光光源，并設(shè)計了高為60mm的旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩和橢圓拋物面反光罩。與對稱的旋轉(zhuǎn)拋物面反光罩相比，橢圓拋物面反光罩可以產(chǎn)生近似橢圓型的光斑，壓縮目標(biāo)接受面垂直方向上的光斑尺寸以提高接收面光照度，目標(biāo)接受面平均照度提高了13%。將熒光粉片置于距反光罩底部15mm處，目標(biāo)接收面上的光斑光通量為1025lm，中心點CIE色度坐標(biāo)為(x=0.3008,y=0.3225)，光斑為5mx12m的橢圓形光斑，滿足法規(guī)對汽車遠(yuǎn)光燈光斑尺寸及照度的要求。采用焦距f=-12mm、直徑6mm的雙凹透鏡的照明光學(xué)系統(tǒng)，白光光源的色溫均勻性得到了提高，中心和邊緣的色溫值差為1549K。表2激光汽車遠(yuǎn)光燈模擬照度值與標(biāo)準(zhǔn)照度值的對比Table2Contrastofsimulatedandstandardilluminationvalueoflasercarhighbeamlight測試點或區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)要求照度/lx模擬照度/lxEmax>48&<240128.2HV>0.8Emax128.2HV至1125L及R22442.71125L至2250L及1125R至2250R>612.3【相關(guān)文獻】SCHUBERTEF,KIMJK,LUOH,etal.Solid-statelighting-abenevolenttechnology[J].ReportsonProgressinPhysics,2006,69(12):3069-3099.KIMAY,GOTZW,STEIGERWALDDA,etal.Performanceofhigh-powerAllnGaNlightemittingdiodes[J].PhysicaStatusSolidi,2015,188(1):15-21.KIMMH,SCHUBERTMF,DAIQ,etal.OriginofefficiencydroopinGaN-basedlightemittingdiodes[J].AppliedPhysicsLetters,2007,91(18):183507-1-3.BERGHAA.Bluelaserdiode(LD)andlightemittin