问答 高亮度白色激光光源如何提升汽车远光灯的性能？

原文作者：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，河北省保定市 071000）

随着汽车工业的快速发展以及逐年增长的交通事故率，人们对汽车安全性的要求越来越高。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。其中远光灯的照明距离是一个重要的安全因素，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。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。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。系统性的研究了高亮度白色激光光源对远光的远距可视性。

高亮度的白光激光光源

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

| 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。为了提高出光均匀性，这里选择了较小粒径的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 含荧光陶瓷的光色转换器断面的扫描电镜图

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。蓝色激光透过蓝宝石基底，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。

图3 光色转换器的结构示意图

| 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。

图4 白色激光光源样件及其结构爆炸图

利用上海开玄光电代理的RadiantVision Systems的SIG设备对此白色激光光源器件进行了近场光学测试。该器件荧光陶瓷涂层发光表面的亮度分布如图5所示，可以看到中心最大亮度高达429cd/mm²，是目前车规级大功率LED亮度的5倍左右。实际应用过程中，激光光斑形状可通过光学透镜或锥型几何空间结构进行调整。

图5 白色激光光源发光表面的亮度分布

白色激光光源的光谱分布如图6所示，和蓝光LED芯片加黄色荧光粉架构的白光LED类似。其中细窄的尖峰代表450纳米的蓝光激光，这是由于激光的单色性决定的。

图6 白色激光光源光谱分布

如图7所示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△Cx和△Cy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，可通过调整光色转换器安装结构和光色转换器的结构进行优化。

图7 激光白色光源的色坐标特性

激光辅助远光应用

本文基于上述高亮度白色激光光源，开发出了激光辅助远光功能模块。采用2颗白色激光光源开发的激光辅助远光模块如图8所示，该模块基于反射镜形式开发。

图8 基于2颗白色激光光源开发的激光辅助远光模块

该模块配光光型如图9（左）所示，根据测试结果，10%光强角小于2°,光束角度小，且最大中心光强Imax = 195000cd。该模块利用德国optronik配光曲线测试系统进行扫场后得到的路照图如图9（右）所示，根据测试结果，1Lux路面照度对应的最远照射距可达600m，是当前LED远光照射距离的2倍。

图 9 激光辅助远光功能模块配光光型图（左）与路照图（右）

激光大灯

目前，量产的激光大灯，均是在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，有条件的提高远光灯的远距照明性能。为了验证上述模块的实际路照表现，我们将其集成到整灯中，并进行了测试。

图10 带激光辅助远光模块的激光大灯

根据图11（左）测试结果， 25m屏的最大照度达到了370Lux，接近ECE R112 Class B远光法规规定的上限，远光性能得到了显著的提升。而在路照性能方面如图11（右），1Lux路面照度对应的最远照射距可达650m。

图11 激光大灯的远光光度学测试报告

最后，将此激光大灯安装在整车上，进行了简单的路照测试。根据测试结果，远光灯在夜间的光束角很小。另外，在LED远光灯开启情况下，激光辅助远光灯开启后比开启前亮度更高，照射距离更远，如图12所示。

图12 配备了激光大灯的试验车（左），在LED远光开启，激光辅助远光关闭状态（中）和LED远光和激光辅助远光同时开启状态（右）下进行路照测试

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429cd/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600m以上，试验结果表明高亮度的白色激光光源可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，远光灯不仅需要更远的照射距，还需要更高的安全性，即对道路其它参与者不产生眩目危害，甚至能够实现投影交通标识/文字与其它车辆、行人进行交互。这些新的需求对光源同样提出了新的挑战，如高亮度等。而激光恰好具备这种优势，同时激光光源的可扩展性也能实现更高的亮度。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。

文章来自2018年第六届中国国际汽车照明论坛论文集