激光白光照明及車用照明使用優(yōu)點(diǎn)與缺陷分析
文章來(lái)源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2017-09-15
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美國(guó)俄亥俄大學(xué)的FAIZ RAHMAN認(rèn)為,，家用照明，對(duì)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(zhǎng)使用壽命并產(chǎn)生高度準(zhǔn)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(jìn)的熒光粉技術(shù)。由于激光集中于熒光粉上某個(gè)微小點(diǎn)發(fā)射光線并轉(zhuǎn)換成白光,，光源能夠輸出安全且高度準(zhǔn)直的白光,。基于激光的方法,，其屬性包括溫度的升高遠(yuǎn)低于LED,。激光泵浦也是實(shí)用的，行業(yè)資訊,，因?yàn)樵诮贤獍l(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(guò)程不會(huì)一夜之間發(fā)生,。相反,，在可預(yù)見的未來(lái)，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(dòng)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(zhǎng)。因此,，當(dāng)采用這些峰值波長(zhǎng)為450-460nm的廉價(jià)LED用于磷光體泵浦時(shí),，得到的光源在光譜的紫色部分會(huì)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(chǎng)上也有,。使用短波長(zhǎng)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(lái)自激光二極管泵浦白光燈的光的色度點(diǎn)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(qiáng),，因此它們是建筑照明,、探照燈和汽車前燈理想的高強(qiáng)度光源。激光源的另一個(gè)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(diǎn)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(dú)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(dāng)使用激光二極管來(lái)泵浦熒光體時(shí),，需要不同的安排,。由于激光輻射的定向特性及其高強(qiáng)度，不可能簡(jiǎn)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(duì)于這兩種方法,，只要使用合適的技術(shù)來(lái)組合多個(gè)激光束,，就可以使用一個(gè)或兩個(gè)以上的二極管進(jìn)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(yuǎn)程泵浦結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)其使用壽命,。
激光泵浦的一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法是將激光器引導(dǎo)到熒光體板并且用反射器準(zhǔn)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(kuò)張透鏡來(lái)泵浦整個(gè)熒光體板。這種方法如圖4所示,，描繪了單個(gè)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(jìn)入,，通過(guò)凹光束擴(kuò)張透鏡，擴(kuò)展到右側(cè)的熒光體涂層玻璃板面上,，并入射到有機(jī)硅結(jié)合的熒光體層上,。下轉(zhuǎn)換光顯示為藍(lán)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(shí)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(diǎn)，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(gè)不同的組成部分：來(lái)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(huì)導(dǎo)致斑點(diǎn) - 即出現(xiàn)在亮面上的可見光及暗點(diǎn),。
不能忽視斑點(diǎn)的缺點(diǎn),，除了讓人分心之外，口碑,，CCC認(rèn)證,，它對(duì)視覺感知有負(fù)面影響，照明方案,，妨礙了檢測(cè)照明物體的空間細(xì)節(jié),。測(cè)試表明，斑點(diǎn)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(qǐng)注意，使用激光投影機(jī)時(shí),，通過(guò)一些手段來(lái)減少激光的相干性,，可以將斑點(diǎn)轉(zhuǎn)化為可接受的水平。但是使用激光照射熒光體,，斑點(diǎn)甚至可以降到更低的水平,。在這種情況下，斑點(diǎn)太小,，可以完全忽略,。這主要是因?yàn)楹玫臒粼O(shè)計(jì)確保了大多數(shù)激光被轉(zhuǎn)換成不發(fā)出斑點(diǎn)的較長(zhǎng)波長(zhǎng)。另外的一個(gè)好處就是剩余的激光表現(xiàn)出非常小的斑點(diǎn),，這是由于當(dāng)它通過(guò)熒光體層時(shí)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(qiáng),、色彩豐富,、無(wú)斑點(diǎn)，優(yōu)于LED燈具產(chǎn)生的光,。
贊成者和反對(duì)者
激光泵浦白光源的最大缺點(diǎn)與二極管相關(guān),。首先，這款芯片的價(jià)格比LED要高很多,。盡管在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中廣泛應(yīng)用,，建筑照明，但對(duì)于等效的發(fā)光水平,，CCC認(rèn)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(jià)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(guò)組合幾個(gè)激光器的輸出可以形成更強(qiáng)大的源,。但是,，這不利于系統(tǒng)的壽命。這是因?yàn)槎䴓O管壽命低于LED的壽命,，特別是當(dāng)它們?cè)诟唑?qū)動(dòng)電流下工作時(shí),。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(cuò),。當(dāng)器件以高功率電平驅(qū)動(dòng)時(shí),，這些缺陷會(huì)大大增加。以這種方式運(yùn)行會(huì)逐漸形成廣泛的位錯(cuò)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(diǎn),，減少了設(shè)備的光輸出,。二極管的亮度隨著時(shí)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,。