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基于激光远程激发荧光粉技术的辅助远光照明的研究

2018-09-06吴杰薛蔚平丰建芬沈倩

汽车零部件 2018年8期
关键词:反射镜照度白光

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)

0 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GB 4785-2007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Laser Activated Remote Phosphor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380~780 nm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700 nm、绿色546 nm、蓝色435 nm[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

其光型设计要求为:左右展宽±4°,上下展宽-3°~4°,单辅助远光1 lx线最大照距300 m,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1.4 A,工作电流典型值为1.1 A。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、1.3 A,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

可以看出:该LARP激光光源在标称电流,即1.1 A工作电流下的光通量为221.36 lm,色品坐标约为(0.323 5,0.350 9),色温为5 883 K左右,处于国标GB 4785-2007中白光特定坐标区域,显色指数约为68.9,主波长为517.5 nm,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29.047 mW/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25 m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

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200 lx45 mm×45 mm204 lx15 mm×15 mm199 lx9300 lx55 mm×55 mm302 lx21 mm×21 mm324 lx6.85400 lx65 mm×65 mm414 lx25 mm×25 mm421 lx6.76

表2中,LED的光学发散角为120°,光通量为200 lm,发光芯片的大小为1 mm2,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、400 lx,在模拟的最大照度值相近时,发现达到200 lx时,LED所需的反射镜大小是LARP激光的9倍;达到300 lx时,LED所需的反射镜大小是LARP激光的6.85倍;达到400 lx时,LED所需的反射镜大小是LARP激光6.76倍,表明使用LARP激光作为汽车照明光源可以大大减小光学面空间尺寸。

2.2 辅助远光设计

由于LARP激光的发散角较小,且现阶段光通量较小,比较适合用于设计辅助远光,配合LED或氙气的主远光,可以大大增加汽车的照明距离,且占用较小的空间。此处选用LARP激光设计反射式辅助远光,为了使得设计的尺寸最小,仅使用单片反射镜进行光学设计,其余杂光可通过饰圈或其他结构件进行消除。利用LucidShape软件可得图7中结果。

图7 LARP激光辅助远光光型

从图7可以看出:模拟光型的左右展宽为±4°,上下展宽为-3~4°,等照度线较光顺,最大照度值为280 lx左右,满足设计要求,且设计的反射镜尺寸为28 mm×19 mm,高度不到20 mm,可以留更多的空间给造型设计。为了更全面比较辅助远光的优势,选择一款设计好的LED远光最为主远光,其光型如图8所示,图9为主远光与辅助远光叠加后的光型,图10中为LED主远光和叠加光型的光型鸟瞰图。

图8 LED主远光光型

图9 主远光与辅助远光叠加后的光型

图10 LED主远光和叠加光型的光型鸟瞰图

由图8—图10可知:在叠加辅助远光之后,大大增加了光型的最大照度值,且1 lx线的最大照射距离由原来LED主远光的280 m提升至510 m,且在结构上还无需占用过多的空间。最后对图9中的叠加光型进行模拟,由于目前激光车灯方面的国标还很欠缺,目前只能参考国标GB 25991-2010的远光要求,结果如图11所示,可以看到,除Emax值和点(0,0)之外,其余点均满足国标GB 25991-2010要求。

图11 叠加光型的国标模拟

3 结论

着重介绍了LARP技术合成白光的原理,设计制作了一款激光驱动器,使得激光光源能够正常工作;通过积分球、光谱仪和示波器测量LARP激光光源的各光电参数,包括色坐标、色温、光通量和光学发散角等;然后比较了LED光源和激光光源在达到相同照度时的反射面尺寸,结果显示使用激光光源可以大大减小反射面尺寸;最后设计了一款反射式辅助远光,将其光型与LED主远光进行叠加和分析,表明激光光源的辅助远光可以大大增加照射距离,且只需占用较小的空间。

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