荧光粉层厚度对激光照明的影响

王志平， 曹银花， 刘友强， 邱运涛， 王智勇

(北京工业大学 激光工程研究院， 北京 100124)



荧光粉层厚度对激光照明的影响

王志平， 曹银花*， 刘友强*， 邱运涛， 王智勇

(北京工业大学 激光工程研究院， 北京 100124)

针对荧光粉层厚度对激光照明的影响展开研究，采用自行设计的反射式照明模块进行测试，利用独创的荧光粉层厚度确定方案精确地确定厚度。通过实验分析得出：随着荧光粉层厚度的增加，光通量逐渐增大，在荧光粉层厚度达到600 μm之后呈现下降趋势；在荧光粉层厚度达到600 μm之前，蓝光含量呈下降趋势，600 μm后略有上升，但整体趋于稳定；色温与蓝光含量变化趋势相同，存在正比关系。同时，本文还验证了光分布密度对激光照明有很大影响。

激光照明； 层厚度； 光通量； 蓝光含量； 色温

1 引 言

1999年，中村修二等成功研制出了蓝光半导体激光器(LD)[1]。随着蓝光LD技术的成熟，蓝光LD现已具备了用于照明领域的条件。2014年12月8日，在瑞典斯德哥尔摩大学举行的诺贝尔奖纪念演讲上，中村修二表示：LED存在“光效下降”问题，其发光效率会随着亮度的增加而下降。与LED照明相比，LD不存在这一问题，激光照明可实现非常高的效率。他预计激光照明将来会取代LED照明[2]。至此，有许多人开始着手激光照明的研究，涉及面较广，主要包括液晶显示的背光照明、轿车的激光大灯、室内室外照明、投影显示等。

2011年9月，德国宝马公司宣称将致力于高亮度的激光车灯的研发，并有望将激光车灯应用于其 I8 概念车上。宝马公司认为：激光车灯技术必将是 LED 车灯技术未来的接班者，激光光源比 LED 光源亮 1 000 倍[3]，并且体积更小，在使用率及可靠性能方面大大优于 LED 光源。2011年11月，深圳光峰光电有限公司在第十三届高交会现场展示了其公司研发的“远程高频振动(旋转)荧光粉”技术[4]，该技术突破了当前激光投影显示技术的瓶颈，大大降低了使用纯激光光源的生产成本。2013 年 6 月，日本大板的松下公司采用近紫外半导体激光和新型荧光粉技术开发出10 000 lm 的白光光源[5]。2014年5月，奥迪公司率先发布了配备激光大灯的 R8 LMX车型[6]。

激光照明的种种优势在研究和发展中逐渐体现出来，并将逐渐被人们认可。从激光照明光源的现阶段情况来看，激光照明具有亮度大、光效高、显色指数高、蓝光含量低等优点，但是这些优点的体现都是受一种或几种因素所制约，那么就很有必要对影响激光照明的因素进行研究。本文将就荧光粉层厚度对激光照明的影响展开研究，分析光通量、蓝光含量、色温随荧光粉层厚度的变化情况，为以后的激光照明研究打下基础。

2 实 验

蓝光LD照明采用的方式与LED照明基本相同，都是通过激发荧光粉产生白光。文献表明，荧光粉层的厚度对LED发光的光通量、色温以及显色指数有很大影响：当荧光粉浓度固定时，随着粉层厚度的增加，样品的色温和显色指数都变小，而光效率和光通量都变大[7]。因此，本实验将从荧光粉层厚度对激光照明的蓝光含量、色温以及光通量的影响着手研究。

2.1 实验理论

目前，利用 LED 技术实现白光的方法主要有3种：三基色LED 直接混色法、紫外转换法和蓝光芯片加黄色荧光粉法[8-9]。其中三基色LED直接混色法是通过红绿蓝三色LED芯片组合封装，按适当比例匹配，使得3种颜色的光混合成白光。但是这种方法安装结构比较复杂而且各色 LED的光衰有差异，会造成使用过程中变色, 使混合的白光稳定性较差。紫外转换法是通过紫外光LED芯片激发红绿蓝荧光粉，并通过调控荧光粉的比例进而产生白光，但是这种方法存在紫外辐射的缺陷。蓝光芯片加黄色荧光粉法是通过蓝光激发黄光荧光粉，激发产生的黄光与未被吸收的蓝光混合产生白光[10]。这种方法采用单一荧光粉，不存在光衰差异的问题，而且转换效率高，操作较易实现,是目前制作白光 LED 的主要方向。因此本实验同样采用这种蓝光芯片加黄色荧光粉实现白光的方案。

现阶段传统的LED封装方式是将荧光粉与配粉胶混合均匀，直接涂在焊好线的芯片上[11-12]。这种工艺会导致LED 器件存在一定缺陷[13-16]: 芯片直接接触荧光粉，影响散热使芯片工作温度升高，导致荧光粉产生光衰和色坐标偏移。因此，为了减弱这个问题，不少科研机构开始采用远程荧光粉的方法，将荧光粉层与发光芯片远离便于荧光粉层散热，以提高光源流明数[7,17-18]。本次实验同样采取远程荧光粉的方法。

根据以上思路，我们设计了一款反射式蓝光LD照明模块，制作了不同厚度的荧光粉层结合模块出光进行光通量及光谱测量，并处理数据绘制曲线，分析曲线变化。蓝光含量按公式(1)计算，其中可见光部分的辐射光谱按380～780 nm进行积分，蓝光波段按380～450 nm进行积分[19]。

(1)

其中α为蓝光含量，λ为波长，φe为仪器测得的光辐射曲线拟合出的函数。

2.2 实验设定

我们采用的激光光源为欧司朗公司的型号为PL TB450B的蓝光激光管，功率为1.6 W，封装形式为TO-56。采用的荧光粉为英美特公司的YAG-04，其D50为(13±2) μm，发射峰为(558±2) nm。光通量及光谱测量采用的是台湾尚泽光电的SRI-2000LM LED照度流明光谱色彩计。

2.2.1 反射式蓝光LD照明模块

通过实验原理部分的相关分析，我们在Zemax软件中构建出大体的激光照明模块，通过优化透镜组合对TO管发出的光进行整形，以便于光更好地照在荧光粉上减少光线损失(图1)，并对优化后的模块进行光线追迹逐步优化改进，模拟的最终结构如图2和图3所示。构建激光照明模块时，充分做到荧光粉层远离蓝光LD，有利于散热并可以进一步提高出光流明。

按照理论模拟，我们制作出了激光照明模块，如图4所示。

2.2.2 定厚度荧光粉层的制作

我们利用塞尺定厚度以及聚四氟乙烯不粘胶的性质组合起来确定荧光粉层厚度。将荧光粉层涂覆在荧光粉承载台上，并通过计算涂覆前与涂覆后的高度差值进行验证，以保证做出的层厚为要求值，如图5所示。

采用上述方案，按照胶粉比7∶3混合出荧光粉胶体并制作出厚度从100～800 nm变化的荧光粉层，荧光粉层面积为10 mm×10 mm。

2.2.3 设置LD照明实验

对于LD实验，我们采用自行设计的LD反射式照明模块，将涂覆有不同厚度荧光粉层的荧光粉承载台固定在毛玻璃内侧中心处，具体位置见图2，点亮LD激发荧光粉，其发光过程如图2所示。实验过程中，我们采用台湾固维的GPS-3303C直流输出电源提供6 W的功率输入，并采用SRI-2000LM LED照度流明光谱色彩计进行测量。

3 结果与讨论

实验过程中，分别将带有不同厚度荧光粉层的荧光粉承载台固定于毛玻璃内侧中心处，并如图2所示置于反光杯出光口处。直流电源为TO管供电出光，通过SRI-2000LM测量光通量及光谱。为了减少误差，对每个厚度的荧光粉层激发出光测量2次，并记录实验数据且测量结果分别标记为“未带柱透镜1”和“未带柱透镜2”。测量结束后，对LD照射在荧光粉层处的光斑大小进行测量。测量结果表明，光斑面积为4 mm×6 mm，远小于荧光粉层面积，那么将光斑面积变大会对光通量以及蓝光含量有什么影响呢？我们在照明模块的透镜组前添加一个柱透镜，使照射在荧光粉上的光斑进一步扩大，经测量为6 mm×8 mm。重新测量不同荧光粉层下的出光光谱以及光通量，同样对每个厚度的荧光粉层激发出光测量2次，测量结果分别标记为“带柱透镜1”和“带柱透镜2”。在有无柱透镜两种情况下，荧光粉层厚度为600 μm时的SRI-2000LM的测量结果如图6所示。

图6 荧光粉层厚度为600 μm时，SRI-2000LM的测量数据。(a)未带柱面镜；(b)带柱面镜。

Fig.6 SRI-2000LM measurement data for 600 μm phosphor layer without (a) and with (b) the cylindrical lens

对以上两种情况的测量结果进行处理，并取每种情况下各自两次测量值的平均值，分别记为“不带柱透镜”和“带柱透镜”，利用Origin软件进行绘图，结果见图7。

从图7中可以看出，随着荧光粉层厚度的不断增加，光通量值也同样逐渐增加，但并不是简单的线性增加。从两种情况下的两次测量可以看出走势基本一样，通过平均值的计算可以排除因测量误差带来的影响。在荧光粉层厚度达到600 μm之前，无论变化幅度大还是小，光通量基本都是增长趋势；但当荧光粉层厚度超过600 μm后，光通量却呈现下降趋势。此时荧光粉的转化已饱和，激发产生的黄光会被其余未被激发的荧光粉吸收，使得流明数下降。从图上可以看出，600 μm时光通量值为最大。

图7 有无柱透镜两种情况下的光通量与荧光粉厚度的关系

Fig.7 Relationship between the luminous flux and phosphor thickness with/without cylinder lens

利用公式(1)对测量得到的光谱数据进行计算，得到有无柱透镜两种情况下的蓝光含量，并取每种情况下各自两次计算值的平均值，分别记为“不带柱透镜”、“带柱透镜”，利用Origin软件进行绘图，结果如图8所示。

图8 有无柱透镜两种情况下的蓝光含量与荧光粉厚度的关系

Fig.8 Relationship between the blue light content and phosphor thickness with/without cylinder lens

从图8中可以看出，蓝光含量随着荧光粉层厚度的增加而不断减小，同样不是简单的线性关系。从两种情况下的两次测量可以看出走势基本一样，通过平均值的计算可以排除因测量误差带来的影响。从蓝光含量与厚度关系曲线可以看出，在荧光粉层厚度达到600 μm前，蓝光含量均呈下降趋势；在荧光粉层厚度超过600 μm后，蓝光含量呈现上升趋势，但逐渐趋于平稳状态。此时荧光粉逐渐达到转化饱和状态，其转换作用弱于散射作用，未被转化的蓝光由于散射作用的增强而被散射出去，使曲线出现波动，并逐渐趋于平衡状态。

对有无柱透镜两种情况下测得的色温值进行处理，并取每种情况下各自两次测量值的平均值，分别记为“不带柱透镜”、“带柱透镜”，利用Origin软件进行绘图，结果如图9所示。

Fig.9 Relationship between CRT and phosphor layer thickness

从图9中可以看出，色温随厚度的变化与蓝光含量的变化相似。在荧光粉层厚度达到600 μm之前，色温随着荧光粉层厚度的增加而减小；在荧光粉层厚度超过600 μm以后，色温的变化减缓，趋势略有上升且呈现平稳状态。可见蓝光含量与色温存在正比关系，即随着蓝光含量的减少，色温也会不断减小。

通过实验可以验证对以上曲线变化的分析。我们利用OPHIR公司的 NOVAⅡ型功率计，选择450 nm的测量档，分别测量不同荧光粉层厚度下的发光面中心处的功率值，结果如图10所示。

从图10可知，随着荧光粉层厚度的增加，发光面中心功率值逐渐减小，600 μm以后略有上升。但从两次测量的平均值来看，600 μm以后的发光面中心功率趋于平稳。此时荧光粉趋于转化饱和状态，剩余未被激发的荧光粉会吸收激发产生的光，这就解释了光通量随荧光粉层厚度变化的现象；对于蓝光含量以及色温的变化情况，荧光粉转化饱和后，对蓝光几乎不再吸收转化，即此时的蓝光剩余量几乎是恒定的。

图10 发光面中心处的功率随荧光粉层厚度的变化

Fig.10 Power of the luminous surface centervs. phosphor layer thickness

4 结 论

研究了荧光粉层厚度对激光照明的影响，采用自行设计的反射式照明模块进行测试，利用独创的荧光粉层厚度确定方案精确地确定厚度。光通量值随着荧光粉层厚度的增加而逐渐增加，但当厚度大于600 μm时呈现下降趋势。此时荧光粉转化已趋向饱和，激发产生的黄光会被其余未被激发的荧光粉吸收，使得流明数下降。可见荧光粉层厚度为600 μm时光通量达到最大值。蓝光含量随着荧光粉层厚度的增加而逐渐减少，当厚度大于600 μm时略有上升，但总体呈平稳趋势。此时荧光粉逐渐趋于转化饱和状态，其转换作用弱于散射作用，未被转化的蓝光由于散射作用的增强而被散射出去，蓝光含量出现略微提升现象。可见蓝光含量在600 μm时为最小值。色温与蓝光含量的变化趋势几乎相同，两者成正比例关系，即随着蓝光含量的减少，色温也会不断减小。通过对带柱透镜与不带柱透镜两种情况下的测量，可以得出，光斑扩大后光通量、色温以及蓝光含量相对都有一定的提高，可见光分布密度对激光照明有很大影响，具体光斑大小(光分布密度)与光通量、色温及蓝光含量的关系还有待继续实验。

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王志平(1989-)，男，吉林柳河人，2010年于长春理工大学获得学士学位，主要从事大功率半导体激光器光纤耦合的研究。E-mail: wangzhiping@emails.bjut.edu.cn

曹银花(1964-)，女，吉林长春人，博士，副研究员，2005年于北京理工大学获得博士学位，主要从事光学系统光学设计和机械结构设计、复杂光学系统计算机辅助装调技术等方面的研究。E-mail: caoyh@bjut.edu.cn

刘友强(1982-)，男，山东潍坊人，博士，2014年于北京工业大学获得博士学位，主要从事大功率半导体激光器设计及光纤耦合的研究。E-mail: lyq7806022@163.com

Effect of Phosphor Layer Thickness on Laser Illumination

WANG Zhi-ping, CAO Yin-hua*, LIU You-qiang*, QIU Yun-tao, WANG Zhi-yong

(College of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)*CorrespondingAuthors,E-mail:caoyh@bjut.edu.cn;lyq7806022@163.com

This paper launched research on the influence of the phosphor layer thickness of laser lighting, and adopted the self-designed reflex lighting module to test. The original scheme of making fixed thickness phosphor layer was used to determine the thickness accurately. With the increasing of the phosphor layer thickness, the flux increases gradually, and presents downtrend after the phosphor layer thickness is over 600 μm. The blue light content shows downtrend before the phosphor layer thickness is 600 μm, and rises slightly after 600 μm, but the overall is stability. The color temperature and blue light content have the same change trend with a proportional relationship. At the same time, this article also verifies the light distribution density has a great influence on the laser illumination.

laser illumination; phosphor layer thickness; luminous flux; blue light content; color temperature

1000-7032(2016)12-1484-07

2016-06-17；

2016-08-23

O482.31

A

10.3788/fgxb20163712.1484