基于激光远程激发荧光粉技术的辅助远光照明的研究

收稿日期：２０１８－０４－１８作者简介：吴杰（１９９１—），男，硕士，工程师，主要从事汽车照明方面研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗｕｊｉｅ＠ｘｙｌ􀆰ｃｎ。ＤＯＩ：１０􀆰１９４６６／ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰１６７４－１９８６􀆰２０１８􀆰０８􀆰００２基于激光远程激发荧光粉技术的辅助远光照明的研究吴杰，薛蔚平，丰建芬，沈倩（常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州２１３０００）摘要：近年来，各大汽车制造企业和车灯照明企业都在致力将激光这种新型光源应用在汽车照明领域，其中基于ＬＡＲＰ技术的激光更是研究的热门。主要介绍了ＬＡＲＰ技术实现白光原理，然后利用积分球、光谱仪和示波器测量ＬＡＲＰ激光光源的各光电参数，再比较它与ＬＥＤ光源在达到相同照度时的反射镜尺寸，最后将ＬＡＲＰ激光设计为辅助远光，并与ＬＥＤ主远光进行光型叠加，对叠加光型进行分析。结果表明：使用ＬＡＲＰ型激光可以大大减小反射面的尺寸，且照明距离可以由２８０ｍ延伸至５１０ｍ，且除Ｅｍａｘ值和点（０，０）之外，其余点均满足国标ＧＢ２５９９１－２０１０要求。关键词：激光；汽车照明；ＬＡＲＰ；辅助远光中图分类号：Ｕ４６３􀆰６５＋１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４－１９８６（２０１８）０８－００７－０５ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＬａｓｅｒＡｕｘｉｌｉａｒｙＨｉｇｈ⁃ｂｅａｍＢａｓｅｄｏｎＬＡＲＰＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＷＵＪｉｅ，ＸＵＥＷｅｉｐｉｎｇ，ＦＥＮＧＪｉａｎｆｅｎ，ＳＨＥＮＱｉａｎ（ＣｈａｎｇｚｈｏｕＸｉｎｇｙｕＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＬｉｇｈｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＣｈａｎｇｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ２１３０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｍａｊｏｒａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓａｎｄａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｌｉｇｈｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓａｒｅｗｏｒｋｉｎｇｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｔｏａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｌｉｇｈｔｉｎｇ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎＬＡＲＰｉｓｔｈｅｈｏｔｓｐｏｔ．ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅＬＡＲＰｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏａｃｈｉｅｖｅｗｈｉｔｅｌｉｇｈｔｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｌａｓｅｒｄｒｉｖｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｎｉｎｔｅｇｒａｌｓｐｈｅｒｅ，ｔｈｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒａｎｄｔｈｅｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｌａｓｅｒ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｍｉｒｒｏｒｓｉｚｅｓｏｆｉｔａｎｄｏｆｔｈｅＬＥＤｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓｏｆｓａｍｅｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｌａｓｅｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎａｋｉｎｄｏｆａｕｘｉｌｉａｒｙｈｉｇｈｂｅａｍ，ｔｈｅｎｉｔｗａｓｓｔａｃｋｅｄｗｉｔｈＬＥＤｍａｉｎｂｅａｍａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｓｉｎｇｌａｓｅｒ，ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｕｒｆａｃｅｃａｎｂｅｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｌｉｇｈｔｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｃａｎｂｅｅｘｔｅｎｄｅｄｆｒｏｍ２８０ｍｔｏ５１０ｍ；ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏＥｍａｘｖａｌｕｅａｎｄｔｈｅｐｏｉｎｔ（０，０），ｔｈｅｒｅｓｔｍｅｅｔｔｈｅＧＢ２５９９１－２０１０ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ；Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｌｉｇｈｔｉｎｇ；Ｌａｓｅｒａｃｔｉｖａｔｅｄｒｅｍｏｔｅｐｈｏｓｐｈｏｒ（ＬＡＲＰ）；Ａｕｘｉｌｉａｒｙｈｉｇｈｂｅａｍ０　引言汽车自１９世纪末诞生以来，从三轮蒸汽式汽车到现代的智能电动汽车，不仅仅是动力能源发生了改变，其他各个模块也都不断地发展变化，尤其是前照灯，其照明方式不断地更新，照明光源从开始的煤油灯，历经后来的乙炔灯、白炽灯、卤素灯、钨丝灯、氙气灯，发展到现在的ＬＥＤ灯。而激光光源作为ＬＥＤ光源之后又一类新型发光光源，相较ＬＥＤ光源，具有亮度更高、光学发散角更小、体积更小、光学衰减更小等优势。近年来，宝马、奥迪等汽车企业和车灯企业纷纷投入激光大灯的研发之中，且已有部分商业量产车型装载了激光大灯［１－６］。由于激光只能激发出红绿蓝等几种窄波段的光，而作为汽车照明光需要显色指数高的接近自然光的白光，在国标ＧＢ４７８５－２００７中对其颜色和色坐标有着严格的要求，这就需要将激光的光转化成满足要求的白光。目前，主要有两种实现方式：一种为将红绿蓝三色激光通过光学耦合成白光光束，虽然这种方式可以实时调节光束的色温，但是存在着显色指数低、激光散斑等问题，难以解决；另一种为蓝色或其他颜色芯片通过远程激发相应颜色的荧光粉层［７］（即ＬａｓｅｒＡｃｔｉｖａｔｅｄＲｅｍｏｔｅＰｈｏｓｐｈｏｒ技术，以下均用ＬＡＲＰ表示），得到白色光束，这种方式的显色指数会高，基本解决了散斑问题，且结构体积更小。作者选择一种基于ＬＡＲＰ技术合成白光的激光光源作为实验对象（为了方便描述，以下均称为ＬＡＲＰ激光），通过积分球、光谱仪和示波器等仪器分析其光电性能参数，并利用ＬｕｃｉｄＳｈａｐｅ软件比较达到相同照度值时ＬＥＤ与ＬＡＲＰ激光（设置光通量、发光面尺寸相同）所需反射面的尺寸，最后将其作为光源设计成反射式辅助远光，并与ＬＥＤ主远光进行叠加。１　原理介绍１􀆰１　基于ＬＡＲＰ技术实现白光的原理人眼能够看见的可见光通常被认为波长在３８０～７８０ｎｍ之间的连续光波段，而半导体激光产生的光在整个可见光波段内都是不连续的，为了得到接近自然光的照明效果，就需要将两ＣＭＹＫ种或更多不同波段的光进行混色来实现。最常见的混色是红绿蓝三原色进行混合，所对应的波长分别为红色７００ｎｍ、绿色５４６ｎｍ、蓝色４３５ｎｍ［８－９］。适当调节３种颜色光亮度的比例，就可合成白光，如图１所示。图１　红绿蓝三原色混光示意图改变红绿蓝亮度混合比例会引起混合光的色温值与色坐标ｘ、ｙ的变化，为了更精确了解混合白光的色温和色坐标值，需要借助ＣＩＥ１９３１色品坐标图进行计算，如图２所示。图２　ＣＩＥ１９３１色品坐标图图２中点Ｒ、Ｇ、Ｂ分别表示选取的红绿蓝色光，Ａ为红绿蓝三色所需混合成的目标色的光色，Ｃ为绿光和红光混合成的色光。其中，存在关系：Ｃ＝Ｍ·Ｇ＋（１－Ｍ）·Ｒ（１）其中：Ｍ为绿光的比例，满足：Ｍ≤０。通过上式可以看出，将绿色光与红色光按照适当的比例混合，可以得到色品图中点Ｇ与点Ｒ连线上的任一色光。同样的原理可知光色Ａ为：Ａ＝Ｍ１·Ｂ＋（１－Ｍ１）·Ｃ（２）式中：Ｍ１为蓝光所占的比例，满足Ｍ１≤０。结合式（１）和式（２）可知，适当调节红绿蓝三者的比例可以得到色品坐标图中Ｒ、Ｇ、Ｂ三点围成的三角形中的任一色光，因此选择的三色光的点离色品图边缘越近，光的色纯度越高，所能合成的色光区域就越大，这也正是选择红绿蓝作为混光三原色的原因。１􀆰２　激光驱动器及辅助远光设计为了尽可能发挥激光光学发散角小、亮度高的优势，将半导体激光用于辅助远光功能，可以大大增加远光的照明距离，保障夜间高速驾驶的安全性。远光主光源可以为ＬＥＤ或者氙气光源，使得辅助远光与主远光的组合光型满足法规要求。文中设计的辅助远光为反射式，主要零部件包括激光光源、激光驱动器、反射镜等。由于半导体激光器是一种高功率密度并且具有极高量子效率的器件，瞬态的电流或电压尖峰等都很容易损坏激光器，电流微小的变化将导致光功率输出的极大变化，因此要求半导体激光器的驱动器具有较高的电流稳定度和较小的纹波系数。为了避免上电时瞬态的冲击电流损坏激光器，驱动电流不能直接加在激光器两端，采用慢启动电路对激光器进行防护。且设计保护电路时，采用功率器件（ＭＯＳ管）开通或关断来强制吸收浪涌，防止浪涌损坏半导体激光器。如图３所示，为利用电子负载和普通驱动器模拟的电流尖峰浪涌的示意图，会对激光器造成损坏。图４为电流平滑启动示意图，采用此方法也可以有效避免瞬间上电时产生的电流尖峰。图３　电流尖峰浪涌示意图图４　电流平滑启动示意图ＣＭＹＫ　　其光型设计要求为：左右展宽±４°，上下展宽－３°～４°，单辅助远光１ｌｘ线最大照距３００ｍ，且等照度曲线分布较均匀，光型分布较光顺。２　实验２􀆰１　光电参数测量及性能比较选择一种基于ＬＡＲＰ技术合成白光的激光光源作为实验对象，其最大承受电流为１􀆰４Ａ，工作电流典型值为１􀆰１Ａ。为了更全面地了解其光电参数，首先采用积分球和光谱仪进行测量，分别设置其输入电流为０􀆰８、０􀆰９、１􀆰０、１􀆰１、１􀆰２、１􀆰３Ａ，测量在各电流下的光通量，同时可以得到其色坐标、色温、显色指数等参数值，结果如表１所示。表１　各输入电流下ＬＡＲＰ激光光电参数值设定电流值／Ａ光通量／ｌｍ色坐标ｘ色坐标ｙ色温／Ｋ显色指数主波长／ｎｍ色纯度／％０．８１５１．３８０．３２４５０．３５２６５８３２６８．４５２４．３３．９０．９１７３．６５０．３２４３０．３５２５５８４３６８．６５２３．２３．８１．０１９５．１５０．３２４１０．３５２１５８５３６８．７５２１．５３．７１．１２２１．３６０．３２３５０．３５０９５８８３６８．９５１７．５３．５１．２２３７．１００．３２２９０．３５０２５９０７６９．１５１５．０３．５１．３２５４．７７０．３２２２０．３４９１５９４２６９．３５１１．８３．６　　可以看出：该ＬＡＲＰ激光光源在标称电流，即１􀆰１Ａ工作电流下的光通量为２２１􀆰３６ｌｍ，色品坐标约为（０􀆰３２３５，０􀆰３５０９），色温为５８８３Ｋ左右，处于国标ＧＢ４７８５－２００７中白光特定坐标区域，显色指数约为６８􀆰９，主波长为５１７􀆰５ｎｍ，色纯度为３􀆰５％。图５为ＬＡＲＰ激光光源相对光谱分布图，横轴表示光谱中包含不同的波长，纵轴表示相对光谱强度，其归一化因子为２９􀆰０４７ｍＷ／ｎｍ，可以看出其光谱已基本覆盖整个可见光区域，但光谱中激光激发荧光粉产生的红光分量较少，在一定程度上影响了其显色指数的大小。为了进一步研究激光的发光特性，需要了解其光线的发散角。图６（ａ）为ＬＡＲＰ激光光源的光强度分布图，可知其发散角为８０°左右，分别测量了４个平面或方向光强度分布图，其中Ｐ０、Ｐ４５、Ｐ９０、Ｐ１３５表示空间内的某一平面，如图６（ｂ）所示。由上面的实验数据可知ＬＡＲＰ激光光源的发散角较ＬＥＤ的要小（一般为１２０°），可以理解为ＬＡＲＰ激光发出的光束更集中，亮度更高，由此使用ＬＡＲＰ激光作为汽车照明灯具可以拥有更小的结构体积，而达到相同的照明效果。此处借助ＬｕｃｉｄＳｈａｐｅ软件，设计ＬＡＲＰ激光光源和ＬＥＤ光源的抛物面反射镜，将两种光源均置于光焦点附近，设置反射率为０􀆰８５，使得２５ｍ处达到相同的最大照度，且只计算由反射镜反射后的光束，即不考虑光源直射至屏幕的光线，此时比较其反射面尺寸的大小，结果示于表２。图５　ＬＡＲＰ激光光源相对光谱强度分布图图６　ＬＡＲＰ激光光源光强度分布图表２　ＬＥＤ与ＬＡＲＰ激光抛物面反射镜尺寸的比较目标照度值　　　　　　　ＬＥＤ　　　　　　　　　　　　　ＬＡＲＰ激光　　　　　　反射镜尺寸模拟照度值反射镜尺寸模拟照度值比率２００ｌｘ４５ｍｍ×４５ｍｍ２０４ｌｘ１５ｍｍ×１５ｍｍ１９９ｌｘ９３００ｌｘ５５ｍｍ×５５ｍｍ３０２ｌｘ２１ｍｍ×２１ｍｍ３２４ｌｘ６．８５４００ｌｘ６５ｍｍ×６５ｍｍ４１４ｌｘ２５ｍｍ×２５ｍｍ４２１ｌｘ６．７６ＣＭＹＫ　　表２中，ＬＥＤ的光学发散角为１２０°，光通量为２００ｌｍ，发光芯片的大小为１ｍｍ２，使得ＬＥＤ与ＬＡＲＰ激光的光通量相同，发光面积大小相同。此处最大照度值设定了２００、３００、４００ｌｘ，在模拟的最大照度值相近时，发现达到２００ｌｘ时，ＬＥＤ所需的反射镜大小是ＬＡＲＰ激光的９倍；达到３００ｌｘ时，ＬＥＤ所需的反射镜大小是ＬＡＲＰ激光的６􀆰８５倍；达到４００ｌｘ时，ＬＥＤ所需的反射镜大小是ＬＡＲＰ激光６􀆰７６倍，表明使用ＬＡＲＰ