激光白光照明及車用照明使用優(yōu)點與缺陷分析

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2017-09-15

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美國俄亥俄大學(xué)的FAIZ RAHMAN認為，家用照明，對于熒光粉泵浦的白光源，從LED轉(zhuǎn)換到激光可提高效率、延長使用壽命并產(chǎn)生高度準直的光束。

目前，激光光源基于半極性GaN激光二極管，并結(jié)合先進的熒光粉技術(shù)。由于激光集中于熒光粉上某個微小點發(fā)射光線并轉(zhuǎn)換成白光，光源能夠輸出安全且高度準直的白光。基于激光的方法，其屬性包括溫度的升高遠低于LED。激光泵浦也是實用的，行業(yè)資訊，因為在近紫外發(fā)射的裝置很容易獲得，并且可以有效地起到這種作用。

從LED轉(zhuǎn)到激光的過程不會一夜之間發(fā)生。相反，在可預(yù)見的未來，基于LED的燈具將仍然是生成白光的主要手段。但是，基于激光二極管的固態(tài)照明系統(tǒng)已經(jīng)在高亮度照明應(yīng)用中獲得了應(yīng)用，并且現(xiàn)在有幾家制造商已經(jīng)生產(chǎn)了。

激光二極管泵浦燈具發(fā)展的動力是避免LED效率下降。但是，這不是唯一的好處。除了Soraa和其他幾家外，其他LED源的制造商使用的芯片不包含短于約450nm的波長。因此，當采用這些峰值波長為450-460nm的廉價LED用于磷光體泵浦時，得到的光源在光譜的紫色部分會不足。

使用405nm紫外發(fā)光激光二極管的白光燈可以避免這種情況。這些設(shè)備很便宜、高效，行業(yè)資訊，而且在市場上也有。使用短波長磷光體泵浦，光譜輸出更豐富，光譜覆蓋率更大，而且顯色指數(shù)高于典型的LED泵浦白光源（參見圖1）。

圖1.來自激光二極管泵浦白光燈的光的色度點幾乎是中性的（x=0.3305，y=0.3309），證明了光源的光譜豐富度。圖中的黑線是普朗克軌跡。

在許多情況下，比白光質(zhì)量更重要的是數(shù)量。以這種方式判斷，激光二極管泵浦發(fā)出的光線很強，因此它們是建筑照明、探照燈和汽車前燈理想的高強度光源。激光源的另一個屬性是發(fā)出的光光束發(fā)散性極小，幾乎接近平行。

激光泵浦光源的優(yōu)點引起了汽車制造商的注意，照明產(chǎn)品，它們正在積極為高端車型安裝上激光頭燈。就像LED照明在汽車行業(yè)的滲透一樣，高端車型引領(lǐng)潮流，其中就包括寶馬的一些車型（見圖2）。

圖2.寶馬的激光前照燈具有單獨的激光二極管、光束組合器、熒光體靶和反射器組件。

激光泵浦結(jié)構(gòu)

與LED不同，當使用激光二極管來泵浦熒光體時，需要不同的安排。由于激光輻射的定向特性及其高強度，不可能簡單地就把磷光體沉積在泵裝置的頂部。相反，LED燈管，需要更多的光學(xué)布置，例如磷光體板和反射器的組合，或者使用磷光體涂覆的積分球（參見圖3）。

對于這兩種方法，只要使用合適的技術(shù)來組合多個激光束，就可以使用一個或兩個以上的二極管進行泵浦。這意味著激光泵浦光模塊的光功率沒有上限。使用遠程泵浦結(jié)構(gòu)的另外一個優(yōu)點是磷光體不在熱部件上，這可以防止熒光體在操作期間加熱，店鋪照明，大大延長其使用壽命。

激光泵浦的一個相對簡單的方法是將激光器引導(dǎo)到熒光體板并且用反射器準直所得到的輻射（參見圖3（a））。 然而，在光功率轉(zhuǎn)換方面，使用熒光體涂覆的積分球更有效（參見圖3（b））。

圖3. 激光二極管泵浦的典型光學(xué)設(shè)置

根據(jù)是否需要低功率或高功率光源，可以采用其他方案。例如，小燈具可以使用光束擴張透鏡來泵浦整個熒光體板。這種方法如圖4所示，描繪了單個直通燈的光線跟蹤仿真。

圖4.用于小型激光泵浦燈的一種高效泵浦裝置。泵浦光（紅色光束）從左側(cè)進入，通過凹光束擴張透鏡，擴展到右側(cè)的熒光體涂層玻璃板面上，并入射到有機硅結(jié)合的熒光體層上。下轉(zhuǎn)換光顯示為藍光。在圖中，熒光板顯示為不透明，與綠色反射鏡分離， led室內(nèi)照明，目的是可以看到反射器外殼內(nèi)的光線的軌跡。在實際的燈中，熒光板（允許光線向外逸出的透明玻璃片）被密封到反射器邊上。只有很少的光線反向反射回左側(cè)的激光模塊（未示出）。

雖然激光泵浦產(chǎn)生的白光源有很多的優(yōu)點，但是也必須要考慮其局限性。就像基于LED的燈一樣，發(fā)射的光線包含兩個不同的組成部分：來自磷光體的下轉(zhuǎn)換光，家用照明，以及剩余的未轉(zhuǎn)換的激光。但是，使用激光，恒光，最大的區(qū)別就是內(nèi)在的一致性，這會導(dǎo)致斑點 - 即出現(xiàn)在亮面上的可見光及暗點。

不能忽視斑點的缺點，除了讓人分心之外，口碑，CCC認證，它對視覺感知有負面影響，照明方案，妨礙了檢測照明物體的空間細節(jié)。測試表明，斑點將視力敏度降低了40％，降低了感知高低空間頻率的能力。這些問題是直接激光照明未能流行的一部分原因。

請注意，使用激光投影機時，通過一些手段來減少激光的相干性，可以將斑點轉(zhuǎn)化為可接受的水平。但是使用激光照射熒光體，斑點甚至可以降到更低的水平。在這種情況下，斑點太小，可以完全忽略。這主要是因為好的燈設(shè)計確保了大多數(shù)激光被轉(zhuǎn)換成不發(fā)出斑點的較長波長。另外的一個好處就是剩余的激光表現(xiàn)出非常小的斑點，這是由于當它通過熒光體層時經(jīng)歷多次散射，其相干性降低。磷光泵浦激光系統(tǒng)產(chǎn)生的光線強、色彩豐富、無斑點，優(yōu)于LED燈具產(chǎn)生的光。

贊成者和反對者

激光泵浦白光源的最大缺點與二極管相關(guān)。首先，這款芯片的價格比LED要高很多。盡管在數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用中廣泛應(yīng)用，建筑照明，但對于等效的發(fā)光水平，CCC認證，激光二極管比LED要貴得多。由于成本高，激光泵浦磷光體系統(tǒng)價格昂貴，目前只能部署在專門的、不那么在乎成本的照明應(yīng)用中。

激光泵浦照明系統(tǒng)的一個優(yōu)點是可以覆蓋廣泛的輸出功率。商用激光二極管的功率額定值從幾毫瓦到幾瓦，通過組合幾個激光器的輸出可以形成更強大的源。但是，這不利于系統(tǒng)的壽命。這是因為二極管壽命低于LED的壽命，特別是當它們在高驅(qū)動電流下工作時。為何二極管壽命低？這可以追溯到激光結(jié)構(gòu)中微小的、預(yù)先存在的晶體位錯。當器件以高功率電平驅(qū)動時，這些缺陷會大大增加。以這種方式運行會逐漸形成廣泛的位錯網(wǎng)絡(luò)，LED照明工程，稱為暗線缺陷。它們作為非輻射復(fù)合的位點，減少了設(shè)備的光輸出。二極管的亮度隨著時間的推移而減少，并且由于泵浦的光源輸出下降，亮度太低直到燈滅。