高亮度白色激光光源提升远光性能的研究

杨 志，庞宏力，靳冠洋，陈思远

(曼德电子电器有限公司光电分公司，河北 保定 071000)

引言

随着汽车工业的快速发展以及逐年增长的交通事故率，人们对汽车的安全性提出了越来越高的要求。汽车灯具作为汽车的主动安全部件，近十年来随着固态照明技术的发展和车灯新技术的应用，使得夜间行车的安全性得到很大的提升。远光作为前照灯一个重要的基础照明功能，能在夜间提供较远距离的照明范围，使驾驶员能够提前发现障碍物。而影响远光灯照明距离的核心因素是光源，具体是指光源的亮度特性。而激光具有的高亮度特性正是获得高亮度白光的理想光源。激光照明的核心技术是LARP (Laser Activated Remote Phosphor)激光远程激发荧光技术,具体是将高功率的激光束泵浦激发含Ce:YAG荧光粉的光色转换材料，透射的蓝色激光和激发产生的黄光黄色荧光通过混色原理，产生人眼感知的高亮度白光光源[1]。从2014年开始，宝马、奥迪以及路虎等已陆续在其高端车型上配置了激光大灯，将远光的照明距离在LED的基础上提升了1倍，达到600 m，极大的提升了驾驶员在夜间高速行驶时的驾驶视野[2]。但是，在2017年之前，高亮度白色激光光源只掌握在少数几家国外知名汽车光源厂商中，并且对中国进行技术封锁。另一方面，基于DMD器件的新一代数字化汽车照明技术也急需高亮度和高流明输出的白色光源[3]。因此，本文基于LARP技术，重点研究了高性能的荧光陶瓷涂层技术及其光色转换器结构，并研制了高亮度的白色激光光源器件；最后开发了激光辅助远光功能模块的激光大灯，并集成在整车上进行了验证；系统性地研究了高亮度白色激光光源对远光的远距可视性的研究。

1 高亮度的白色激光光源

高亮度白色激光光源原理上采用的是LARP激光远程激发荧光技术，具有反射式和透射式两种形式，核心部件都是高功率的蓝色激光二极管、光学聚焦透镜、含Ce:YAG荧光陶瓷的光色转换器。其中透射式形式如图1所示，从蓝光激光二极管发射出来的中心波长450 nm的激光被聚焦透镜聚焦在含Ce:YAG荧光陶瓷的光色转换器表面，透射的蓝色激光和黄色荧光通过混色原理形成白光。

图1 透射式LARP形式示意图Fig.1 Schematic of the transmission LARP scheme

由于透射式的光学结构简单且白色激光光源器件的封装工艺更加成熟，本文选择透射式的LARP形式进行研究。

1.1 含荧光陶瓷涂层的光色转换器

一般来说，光色转换器的性能表现主要由Ce:YAG荧光粉和其封装形式决定。由于聚焦后激光具有高能量密度特性，使用普通的树脂或环氧胶封装荧光粉之后容易被烧蚀或发生热淬灭效应，使得光色转换器的性能在高温下表现得很差。本文采用了耐高温的SiO2陶瓷材料对Ce:YAG荧光粉进行封装，同时为了提高白色光源的显色性添加了少量氮化物红色荧光粉，具体规格如表1所示。为了提高出光均匀性，这里选择了粒径D50在10 μm的小粒径Ce:YAG荧光粉，提高受激辐射光在涂层内部的多次散射几率以及激光在涂层内的激发荧光的概率。图2的光色转换器断面SEM扫描可以清晰的看到小粒径球状的Ce:YAG粒子、柱状的含Eu氮化物红粉粒子以及无规则形状的SiO2颗粒，三种颗粒粘接在一起，彼此交联，相邻颗粒之间可以看到粘接界面，其中很多细小Ce:YAG粒子团聚在一起。通过XRD也可以看到YAG:Ce、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu、SiO2等颗粒的衍射峰，说明高温烧结过程并没有影响荧光粉的发光物性。光色转换器的制作过程如下：将YAG:Ce、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu、SiO2等颗粒混合研磨并添加助溶剂制成荧光粉浆料，采用丝网印刷工艺将荧光粉浆料印在作为承印物的蓝宝石表面，并在氮气氛围下350 ℃左右的高温烧结制得。荧光陶瓷涂层的形状、厚度等参数是可以需要可以变化的。本文研究中采用的都是直径为1.5 mm的圆形的荧光陶瓷涂层，厚度为50 μm。

表1 荧光陶瓷涂层的荧光粉规格

光色转换器的具体构成如图3所示，由含光学功能膜系的蓝宝石基底和在蓝宝石表面的上述荧光陶瓷涂层两部分组成。蓝宝石的激光入射面镀的是AR抗反射膜，用于提高激光透过率。蓝宝石的激光出射面镀的是蓝光透射黄光反向截止膜，圆形的荧光陶瓷涂层是印刷在截止膜上面的，蓝色激光通过截止膜并激发荧光陶瓷涂层中的Ce:YAG黄色荧光粉和氮化物红色荧光粉，产生中心波长在560 nm的黄光，由于产生黄光发射方向是360°，截止膜可将射向截止膜方向的黄光反射至激光入射方向，重新进入荧光陶瓷涂层，进一步提高激发产生的黄色和蓝光激光在荧光涂层内散射混合，激光入射方向，重新进入荧光陶瓷涂层，进一步提高激发产生的黄色和蓝光激光在荧光涂层内散射混合，提高产生光的色度均匀性。由于整个蓝宝石基片是光学透光的，最后镀上黑色的可见光截止膜，防止内部杂散光出射对产生白光的影响。

图2 含荧光陶瓷的光色转换器断面的扫描电镜图和X射线衍射图Fig.2 SEM image and XRD of cross section of the Phosphor Ceramic Convertor

图3 光色转换器的结构示意图和实物图Fig.3 Architecture of YAG Phosphor Convertor and developed prototype

1.2 白色激光光源器件

基于投射式LARP原理，我们将蓝光激光二极管和光色转换器进行了器件级封装，以验证白色激光光源的光度学特性，封装后的器件样件及结构爆炸图如图4所示，通过激光二极管安装座、透镜压圈以及光色转换器安装座等机械结构和PCB电路板实现白色激光光源的小型化封装。

利用上海开玄光电代理Radiant Vision Systems的SIG设备对此白色激光光源器件进行了近场光学测试，图5(a) 给出了该器件荧光陶瓷涂层发光表面的亮度分布，可以看到中心最大亮度高达429 cd/mm2，是目前车规级大功率LED亮度的5倍左右。另外，可以看到发光表面的亮度呈现出一个椭圆形分布，这是因为该器件设计时是直接用聚焦透镜将激光二极管出射的发散光聚焦到光色转换器表面，并没有将激光光束进行整形如圆形光斑。实际可通过光学透镜或锥型几何空间结构来实现到光色转换器表面激光光斑形状的调整。

图5(b)是白色激光光源的光谱分布，和蓝光LED芯片加黄色荧光粉架构的白光LED类似[4]。其中细窄的尖峰代表450 nm的蓝光激光，这是由于激光的单色性决定的。表2给出了详细的光度学特征参数，在环温25 ℃，电流1.05 A的情况下，激光的光功率1.1 W，得到的白光光通量是156 lm，色温5 640 K，显色指数71，比通常前大灯用的高功率白光LED显色指数都要高。为了表明白光的光色均匀性，图6给出了发光表面两个轴向在不同角度空间的色度坐标(Cx,Cy)曲线，可以看到Cx和Cy的曲线类似，且ΔCx和ΔCy变化量均在0.02以内，表明该白色激光光源具有较好的光色均匀性。在±90°边界附近的色坐标突变是由于光色转换器和其安装结构并没有完全贴合，导致边界间隙出射的杂散光所致，可以通过调整光色转换器安装结构和光色转换器的结构优化去掉。

图4 白色激光光源样件及其结构爆炸图Fig.4 White laser source and its explosion of the prototype

图5 激光白色光源的光度特性Fig.5 Luminous properties of the White Laser Source prototype

图6 激光白色光源的色坐标特性Fig.6 Chromaticity coordinate property of White Laser Source prototype

2 激光辅助远光应用

汽车前照灯远光照明性能由远光光束中心的最大光强Imax决定：Imax=η×Aoptic×Ls。而最大光强Imax跟光学系统尺寸Aoptic和光源亮度Ls有关。在不增大光学系统尺寸的前提下，只能提高光源亮度Ls才能实现远光照得更远、更亮。本文基于1中的高亮度白色激光光源，开发出了激光辅助远光功能模块。图7中(a)图是采用2颗白色激光光源开发的激光辅助远光模块实物图，基于反射镜形式开发，另外从(b)图的配光光型图可以看到，主要集中在中心±1°范围内，且最大光强Imax=195 000 cd (约等于312 lx)。图8是将图7中的激光辅助远光模块在配光实验室利用德国optronik配光曲线测试系统进行扫场之后得到的路照图，可以看到，1 lx路面照度对应的最远照射距可达600 m，是当前LED远光照射距离的2倍。

图7 激光辅助远应用Fig.7 Laser High beam boost application

图8 激光辅助远光模块光度学测试报告Fig.8 High beam boost Photometry test report

3 激光大灯

实际应用中，汽车前照灯法规对远光照射角度和照度是有要求的，很明显本文的激光辅助远光模块的照射角度是小于法规要求的。现在量产的激光大灯都是在LED远近光的基础上，增加一个辅助远光的激光辅助远光模块，有条件的提高远光的远距照明性能。为了验证其实际路照表现，我们将图9(b)激光辅助远光模块进行了整灯集成，并与LED远近光模组进行了对准，使其出射光学中心和LED模组远光中心重合，如图9所示，激光辅助远光模块也做了简单的造型设计和整灯风格匹配。另外，为了匹配两个模块的色度特征，LED双光的色温是5 500 K，和白色激光光源的5 640 K相当接近，肉眼是不可区分的。

激光辅助远光模块与LED远近光模块集成后，从图10(a)图中可以看到，远光性能得到了显著的提升，25 m屏的最大照度达到了370 lx，接近ECE R112 Class B远光法规规定的上限。而在路照性能方面，其最远照射距离甚至已经超过600 m，达到了1 lx路面照度最远650 m。

最后，将此激光大灯安装在整车上，做了简单的路照测试，发现前照灯的远光在夜间的光束感很强，如图11(a)所示，另外图11(c)激光大灯远光比图11(b)中的LED远光照得更远更亮。

图9 激光大灯Fig.9 Laser headlamp

图10 激光大灯的远光光度学测试报告Fig.10 High beam Photometry test report of laser headlamp

图11 激光大灯远光路照测试Fig.11 Laser high beam road illumination test

4 结语

本文基于LARP激光远程激发荧光粉技术，通过对高性能的荧光陶瓷涂层及光色转换器的研究，研制了高达429 cd/mm2的高亮度白色激光光源器件，并成功应用在了激光大灯中，使得远光的最远照明距离达到了600 m以上，试验结果表明高亮度的白色激光光源是能显著提高远光的远距可视性能。另外，随着数字化智能照明技术的发展，远光灯除了要照得远，还要安全，即对道路其它参与者不产生眩目危害，更有甚者，能够实现投影交通标识/文字和其它车辆、行人进行交互[5]。这些新的需求对光源同样提出的新的挑战，如高亮度和高流明输出等。而激光恰好具备这种优势，同时激光光源的可扩展性[6]也能实现更高的流明输出。综上，随着激光技术的发展，激光照明必然在未来汽车照明中占有重要的位置。