郭金濤，熊德平，溫坤華，何 苗，張志清，夏智鋒，許毅欽

（1. 廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006；2. 廣東省半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510651）

引言

LED 具有體積小、抗震動、亮度高、可調(diào)光、維修和更換簡便，以及壽命長等諸多優(yōu)點，能滿足人類對人造光源的絕大部分期望和要求[1]，因此，LED 已成為目前主流的照明方式。由于大功率GaN基藍光LED 的發(fā)展，藍光LED 激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的白光光源作為照明光源得以迅速發(fā)展[2]。但商用白光LED 存在“效率驟降”現(xiàn)象[3]，即隨著電流密度的增加，出光效率會快速衰減。激光二極管(LD )具有亮度高，光電效率轉(zhuǎn)換高且無“效率驟降”現(xiàn)象，照射距離遠，散熱系統(tǒng)更簡單，尺寸更小等特點，尤其在高亮度、高光效、遠程照明領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢。LD 結(jié)合熒光粉轉(zhuǎn)換器作為一種新興技術(shù)在汽車大燈[4]、路燈，室內(nèi)外一般照明，數(shù)據(jù)投影機，以及無線光通信上顯示出巨大的應(yīng)用潛力。2014 年12 月8 日，在瑞典舉行的諾貝爾頒獎演講臺上“藍光之父”——日本科學家中村修二就公開表示“未來10 年，激光照明將取代LED 照明”[5-7]。

目前基于激光白光照明的相關(guān)研究在材料方面研究的較多，在光學系統(tǒng)設(shè)計方面研究較少。趙爽[8]等設(shè)計了一款汽車照明光學系統(tǒng)，得到了滿足法規(guī)的激光白光光源。由于單個激光二極管的功率較低，要想獲得大功率的激光白光光源，需要多個激光二極管進行組合，目前主流的組合方式是光纖耦合技術(shù)，可實現(xiàn)多單管激光器合束[9-11]。為了達到高效率，低成本地實現(xiàn)多激光二極管組合，并能夠有效實現(xiàn)激光白光照明，設(shè)計了一款新型的激光照明光學系統(tǒng)，實現(xiàn)藍光激光有效地激發(fā)熒光片。仿真實驗結(jié)果表明，設(shè)計的系統(tǒng)激光光源光收集率98.3%，激光光斑不均勻度1.7%；白光光斑均勻度98%，出射準直角為1.6°。設(shè)計的系統(tǒng)可應(yīng)用于探照燈、掃海燈、戰(zhàn)術(shù)手電、車燈、投影顯示等領(lǐng)域。

1 激光照明系統(tǒng)的組成及工作原理

激光照明光學系統(tǒng)采用的是陣列多激光二極管反射式同軸系統(tǒng)[12]，在光學軟件Tracepro 中建立如圖1 所示的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由專門設(shè)計的基板，激光二極管、準直透鏡、聚光鏡、混光腔、混光棒、熒光體，光闌等組成。采用4 顆波長為450 nm，光功率3.5 W 的歐司朗激光二極管為光源。通過準直透鏡將激光打到反光杯上，反光杯反射將激光束匯聚到焦點，在焦點位置光束通過勻光系統(tǒng)進行激光二次光學整形，出射的激光光斑均勻度更高。設(shè)定與光斑面積大小等同的熒光體，調(diào)節(jié)熒光體中摻雜熒光粉的濃度及其厚度，得到輻照度均勻的方形白光。

圖 1 LD 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of LD optical system

2 激光照明光學系統(tǒng)設(shè)計

2.1 半導體激光光源簡化模型建立

在歐司朗官網(wǎng)下載所選型號的激光二極管的光源文件及CAD 模型，在光學仿真軟件Tracepro中建立激光光束模型。簡單描述激光光束的模型為橢圓高斯光束，表達式如下：

式中： wx0和 wy0分別為垂直截面和平行截面上的束腰半徑[13]。將該檔案光源導入Tracepro 光學分析軟件，仿真結(jié)果如圖2 和圖3 所示。由圖2 和圖3可知，激光二極管射出的光束一般為橢圓高斯光束，其發(fā)光強度呈高斯分布，中心發(fā)光強度極強，周邊發(fā)光強度較弱，即能量分布不均勻，這一缺陷導致激光不能直接使用。所以需要進一步對其光束做整形處理。

2.2 準直透鏡設(shè)計

圖 2 激光二極管光束模型Fig. 2 Laser diode beam model

如圖4 所示，設(shè)計的準直透鏡結(jié)構(gòu)是采用雙自由曲線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成的[14]。設(shè)計過程如下：首先，基于非成像光學中的邊緣光線理論對初始曲線的離散點進行迭代求解，然后通過曲線法矢修正反饋算法，對離散點進行反饋優(yōu)化，從而實現(xiàn)了一款雙自由曲面的準直透鏡設(shè)計。

圖 3 激光二極管輻照度分布圖Fig. 3 Distribution diagram of laser diode irradiance

圖 4 準直透鏡形成示意圖Fig. 4 Schematic diagram of collimating lens formation

2.2.1 準直透鏡算法設(shè)計

圖 5 光束示意圖Fig. 5 Schematic diagram of light beam

帶入初始值， A1、 B1、 B2坐標， A1、 B1、 B2單位法矢量，通過偏微分的數(shù)值迭代求解可獲得曲線離散點鏈，然后將離散點數(shù)據(jù)導入建模軟件形成3D 結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。

圖 6 3D 結(jié)構(gòu)形成示意圖Fig. 6 Schematic diagram of 3D structure formation

2.2.2 結(jié)果分析

在光學分析軟件Tracepro 中建立模型，如圖7所示。準直透鏡的材料設(shè)置為折射率1.493 86 的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），透射率為1（不考慮透鏡光損失）。由圖7 可知，經(jīng)準直透鏡的激光光束得到了很好的準直。圖8 與圖3 對比，可知激光光束的輻照度分布得到了有效壓縮，由圖3 的大橢圓形變?yōu)閳D8 的小橢圓形的激光光束。由圖8 得到收集到的光通量是3.443 0 W，系統(tǒng)中使用的激光二極管發(fā)射光通量為3.5 W，由公式：帶入數(shù)據(jù)得到激光光束的收集率達到98.3%，可見準直透鏡的準直聚光效果很好。

圖 7 激光二極管光束準直模型Fig. 7 Laser diode beam collimation model

圖 8 接收面輻照度分布圖Fig. 8 Distribution diagram of receiving surface irradiance

2.3 勻光系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 反光杯設(shè)計

反光杯采用拋物面鏡，由拋物線繞對稱軸旋轉(zhuǎn)而成，利用反光杯將準直光匯聚到混光棒的端口內(nèi)，平行于對稱軸的任何一條光線經(jīng)拋物面鏡反射后都會匯聚于焦點處。結(jié)合設(shè)計的準直透鏡及在3D 建模軟件中建立的基板尺寸，在Tracepro 中建立一個拋物面反光杯，實現(xiàn)激光光束的匯聚。本文設(shè)計的拋物面反光杯的參數(shù)為：焦距31 mm，直徑5 mm，厚度0.5 mm，如圖9 所示，實現(xiàn)了激光光束匯聚于焦點處。

2.3.2 混光棒設(shè)計

圖 9 拋物面反光鏡模型設(shè)計Fig. 9 Paraboloid reflector model design

圖 10 混光棒混光示意圖Fig. 10 Schematic diagram of light mixing in light mixing rod

混光棒能將光線均勻化，其成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單[15-16]。因為經(jīng)反光杯匯聚的激光光束功率密度過高且不均勻，為了得到擴束并分布均勻的激光光斑，設(shè)計了一款材質(zhì)為石英玻璃的長方體混光棒，如圖10 所示。光線在混光棒內(nèi)發(fā)生數(shù)次反射，打亂了原有激光光束的傳播路徑，實現(xiàn)光線的進一步均勻分布?；旃獍羧牍舛嗣娴闹行奈恢眯璺胖迷诩す夤馐鴧R聚的焦點處。仿真優(yōu)化得到的最優(yōu)尺寸為截面邊長為1 mm 的方形，長度為16.5 mm。1 05條光線進入光學系統(tǒng)進行仿真，發(fā)現(xiàn)單純的使用混光棒還不能較好地生成均勻光斑，故而對混光棒的入光面加以優(yōu)化，設(shè)置為磨砂面之后，均勻度得到明顯提升。當截面形狀一定時，混光棒的長度也不是越長越好，需取一個恰當?shù)拈L度值，混光棒的出光面輻照圖分布曲線如圖11和圖12 所示。

不均勻度公式為

圖 11 混光棒出光面輻照度分布圖Fig. 11 Irradiance distribution diagram of light-emitting surface of light mixing rod

式中：Imax、Imin分別為被照射面的最大照度和最小照度值[17]。上式帶入數(shù)據(jù)可得不均勻度為1.7%。

圖 12 混光棒出光面輻照度分布曲線Fig. 12 Irradiance distribution curve of light-emitting surface of light mixing rod

2.4 熒光片的設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)輸出白光，對熒光片的特性加以探討。利用藍光激光激發(fā)熒光片產(chǎn)生白光的原理[18]，并且經(jīng)熒光片的吸收、散射、折射，產(chǎn)生的白光對人眼無傷害。上述得到激光光束均勻光斑為正方形，需實現(xiàn)光斑面積與熒光片的匹配。首先在Tracepro 中建立了規(guī)格為1 mm×1 mm×0.8 mm的熒光片模型，使用商用熒光粉 YAG:Ce+3的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜建立熒光粉特性，通過屬性編輯器改變熒光片的厚度、熒光粉濃度等特性，實現(xiàn)激光激發(fā)熒光產(chǎn)生均勻的白光光斑的熒光片。通過固定熒光片的厚度為0.8 mm，調(diào)整熒光片YAG:Ce+3摩爾濃度分別為15 mol/liter、13 mol/liter、12 mol/liter、10.96 mol/liter，熒光片被激發(fā)產(chǎn)生的光斑效果圖如圖13（a）～13（d）所示。對比光斑效果得出摩爾濃度為10.96 mol/liter 的熒光片較佳。同理，固定熒光片的 YAG:Ce+3濃度為10.96 mol/liter，改變熒光片的厚度分別為0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm，熒光片被激發(fā)產(chǎn)生的光斑效果圖如圖14（a）～14（d）所示。對比光斑效果得出厚度為0.8 mm 的熒光片較佳。

圖 13 不同摩爾濃度熒光粉片的發(fā)光效果Fig. 13 Luminous effect of phosphor sheets with different molar concentration

圖 14 不同厚度熒光片的發(fā)光效果Fig. 14 Luminous effect of fluorescent sheets with different thicknesses

3 激光照明光學系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

根據(jù)前面的參數(shù)設(shè)計，在光學仿真軟件Tracepro 中用 5×105條光線激 發(fā)熒光體，如圖15 所示。分析發(fā)現(xiàn)只是單純的利用表面光滑的熒光片無法實現(xiàn)高均勻度、窄光束的白光。為了解決這一問題，考慮可以改變光線的傳播路徑，故而對熒光片的表面結(jié)構(gòu)做出變化，這里在熒光片的入光面和出光面變成磨砂面，并且在出光面加上光闌，如圖16（a）和16（b）所示。通過不斷調(diào)節(jié)準直透鏡的焦點位置，在邊長為200 mm 的方形接收面上得到的均勻度達98%，角度為1.6°的方形光斑，如圖16（c）所示。

圖 15 激光照明光學系統(tǒng)模型Fig. 15 Laser illumination optical system model

圖 16 系統(tǒng)仿真實驗效果圖Fig. 16 Effect diagram of system simulation experiment

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款基于LD 陣列白光光源，采用多個激光二極管反射式實現(xiàn)同軸準直系統(tǒng)的激光白光照明模塊，利用光學仿真軟件Tracepro對光學系統(tǒng)進行蒙特卡羅光線仿真追跡，實現(xiàn)激光二極管光收集率98.3%，激光光斑的不均勻度為1.7%，在方形接收面上得到白光的均勻度達到98%，準直角為1.6°。本設(shè)計采用混光棒能夠充分將激光光束打亂，從而獲得很好的勻光效果。反光杯的聚光能力不受激光二極管數(shù)量的限制，增加激光二極管的數(shù)量可以實現(xiàn)大功率的激光照明模塊，為激光照明的進一步研究奠定了基礎(chǔ)。