熒光粉濃度和溫度對激光混合熒光投影光源發光特性的影響

張馳良，張大偉,2,3，韓朝霞,2,3

（1．上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2．上海理工大學 光學儀器與系統工程研究中心，上海 200093；3．上海理工大學 上海市現代光學系統重點實驗室，上海 200093）

引 言

光源是投影顯示系統的核心組成部件，光源技術的發展直接決定了投影機的發展和更新[1]。評價投影光源主要分析幾個方面：光亮度、發光光譜曲線、照明均勻性、發光效率、發光色度、顏色均勻性、快速點亮特性、發光點大小和光源壽命等[2-3]。傳統的鹵素燈發光效率低且壽命短[4]，超高壓汞燈的色域不如激光光源廣[5]，LED燈雖然體積小壽命長但目前發光效率還是不夠高[6]，相比之下，激光光源亮度高、壽命長，同時受益于其單色性好的特點，通過紅、綠、藍三色激光的配比可以獲得最真實、最豐富、最鮮艷的色彩[7]。然而激光光源也有自身的不足：首先，由于激光的高相干性，使得顯示圖像中會出現較為嚴重的散斑現象[8-9]；其次，激光能量較高導致安全性存在隱患；最后，紅、綠激光器價格高昂尚不能被市場接受，并不適合產業化。因此，在投影顯示領域中激光光源的優越性還沒有得到最大化的體現[10-11]。

實際上，各種光源技術都存在其各自的發展瓶頸和適用領域，因此結合不同技術的混合光源逐漸成為未來光源的一大發展方向[12-17]。1996年采用熒光粉的白光LED誕生。2005年日本日亞化學工業株式會社公布了世界上第一款基于激光轟擊熒光粉的激光光源。2013年德國寶馬公司在上海車展上推出一款激光車燈也使用到了用于轉換激光的熒光粉。將激光結合激發熒光作為投影機光源，既可以大大降低成本，又解決了因激光干涉引起的散斑問題。考慮到實際投產和應用的可行性，紅、綠激光器的成本和安全性問題仍然不適合產業化，本文選用黃色熒光粉和藍色激光單元結合制成混合光源，研究了熒光粉不同質量分數對混合光源發光特性的影響，分析不同質量分數和質量下光源亮度和色度坐標值的變化，并研究了工作溫度對混合光源特性的影響。研究結果驗證了激光-熒光混合作為投影機用光源的可行性，有望促進激光投影技術的進一步發展和產業化。

1 混合光源的設計

本文設計了用于投影顯示的激發熒光結合激光混合光源，其結構和原理示意圖如圖1所示。激光模組發出的藍色激光經過兩次凹面鏡反射后匯聚在藍寶石基片上，通過在藍寶石基片上鍍制分光膜，藍色激光對藍色光譜直接透射，對黃色光譜反射，再在上面印刷一層釔鋁石榴石（YAG）黃色熒光粉，使得藍色激光穿過熒光色輪時激發YAG熒光粉產生黃色的熒光。黃色熒光被分光膜反射向后續照明系統方向傳輸，與直接透過熒光色輪的藍色激光混合配比得到白光。獲得的白光經兩塊凸透鏡匯聚成平行光投射。

混合光源的設計選用的熒光發光材料為YAG黃色熒光粉（日亞化學工業株式會社），如圖2(a)所示，其激發波長為450 nm，發光色度坐標y值為0.551±0.002，熒光粉的平均顆粒大小為（22±3） μm。

為印刷熒光涂層，首先將熒光粉和配套的粘合劑（日亞化學工業株式會社）混合并攪拌均勻。在實際印刷過程中，若熒光粉濃度過高，會導致膠體溶液過于粘稠，絲網印刷機難以印刷；若熒光粉濃度過低，導致膠體溶液過于稀薄，絲網印刷機需要更大的印刷壓力來壓制成型，影響印刷網板的使用壽命。綜合考慮實際生產的可行性，通過控制添加熒光粉的質量，制備了質量分數分別為71%、72%、73%、75%和78%的熒光粉膠體。不同質量分數的熒光粉膠體，通過絲網印刷機分別印制在藍寶石基片上，然后烘烤固化制成熒光色輪，如圖2(b)所示。測定藍寶石基片印制熒光粉膠體前后的質量差異，從而得到熒光粉膠層成型后的質量。

圖1 混合光源結構和原理示意圖Fig.1 Structure and principle of hybrid light source

將制備好的熒光色輪安置在投射臺上，點亮激光單元進行投射。激光單元為藍色激光模組（日亞化學工業株式會社），輸出的標準功率為31.5 W，峰值波長為455 nm。熒光色輪和激光單元共同工作，激發熒光結合激光構成混合光源。

對于投影機用的光源，光源的亮度和色度坐標是最為關鍵的技術指標。在投影機行業內，通常使用輸出光通量來表征投影機的亮度，以便于客戶理解。將照度計所讀取到的照度值乘以標準60 inch（1 inch=2.54 cm）的投影面積尺寸，即可得到投影機的輸出光通量，單位是lm。當光源的實際生產過程較為穩定時，光源的色度坐標y值和色度坐標x值具有良好的線性相關性，而色度坐標y值的變化較x值更為明顯，因此光源色度坐標的變化通過監控色度坐標y值來評價。光源測試系統示意圖及搭建的實物圖如圖3所示，點亮激光模組，并在激光模組散熱片兩側附加風扇進行冷卻，使用照度計（柯尼卡美能達，CL-200A）測定混合光源的輸出光通量和色度坐標值，待激光單元出射功率穩定后記錄數據。

圖2 樣品制備Fig.2 Sample preparation

圖3 光源測試系統Fig.3 The test system of light source performance

2 熒光粉質量分數對光源特性的影響

考慮到絲網印刷機的壓力配置情況，選取質量分數分別為71%、72%和75%的混合光源樣品進行測試，測得光源的亮度和色度坐標y值隨質量分數變化的曲線如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出，光源亮度隨熒光粉膠層質量的增加而提高，且質量分數越高，光源亮度的整體實力越高，這是由于色輪上熒光粉膠層所含的熒光粉粉末越多，藍色激光激發產生的黃色熒光越強，從而提高光源的整體亮度。由圖4(b)可以看出，光源的色度坐標y值和熒光粉膠層的質量也成正比關系[18]，而且熒光粉的質量分數越高，光源的色度坐標y值也越大。這是由于黃光的色度值本身高于藍光，隨著熒光粉膠層含有的熒光粉末的總量的增加，更多的藍光被熒光粉吸收激發產生黃光，使得最終得到的白色光源中黃光所占的比例相應增加。

根據以上實驗結果，進一步測定了以相同膠層質量160 mg印刷的質量分數分別為71%、72%、73%、75%和78%的5種樣品，得到了混合光源的亮度和色度坐標y值與熒光粉質量分數間的關系曲線，如圖5所示。

圖4 不同質量分數樣品亮度和色度與熒光粉膠層質量的關系Fig.4 Relationship between the luminous flux, chrominance and phosphor layer mass

從圖5中可以看出，激光-熒光混合光源的亮度和色度坐標y值都隨著熒光粉質量分數的增大而提高。熒光粉的質量分數每提高1%，光源的整體亮度會增加0.5%。熒光粉質量分數對色度坐標y值的影響更大，質量分數每提高1%，光源的色度坐標y值會增加1.1%。這是因為隨著質量分數增大，有更多的藍色激光參與激發被轉化為黃色的熒光參與合成，由于黃色的熒光相對于激光單元本身的藍色激光有更高的光視效能，使得光源的整體亮度得到了增加。并且黃光本身就比藍光的色度值高，使得光源的色度坐標y值向上偏移。從圖5中還可以看出，當熒光粉的質量分數達到75%后，隨著質量分數的繼續提升，熒光粉的轉化效率有所下降，亮度和色度坐標y值的增高逐漸開始趨于平緩。從以上分析結果可知，通過調整熒光粉的質量配比，可以得到不同亮度和色度坐標的混合光源，以適配不同結構的光學照明系統，光源亮度和色度的可調空間增大同樣降低了對光學照明系統的精度要求，提高了產線實際生產的制成能力指數（Cpk）。

圖5 亮度和色度與熒光粉質量分數的關系Fig.5 Relationship between the light source characteristics and phosphor concentration

圖6 亮度和色度與熒光粉工作溫度的關系Fig.6 Relationship between the light source characteristics and phosphor operating temperature

3 熒光體工作溫度對光源特性的影響

選取熒光粉膠層質量160 mg、質量分數為75%的樣品進行測試。調節激光單元兩側附加風扇的功率以改變光源的冷卻環境，使用紅外測溫儀測定此時的熒光粉膠層的溫度，如表1所示。測得混合光源的亮度和色度坐標y值與熒光粉工作溫度間的關系曲線如圖6所示。

表1 風扇功率與熒光粉膠層溫度變化關系Tab.1 The relationship between the fan power and the temperature change of the phosphor layer

從圖6可以看到，光源的亮度隨著熒光粉膠層的工作溫度的升高而降低，工作溫度每升高10 ℃，輸出亮度降低0.1%。色度坐標y值也隨著工作溫度的升高而減小，工作溫度每升高10 ℃，色度坐標y值減小0.22%。輸出的圖像畫面往藍色方向偏移，表明熒光粉的轉換效率與工作溫度成反比，工作溫度越高，藍色激光轉化成黃色熒光的轉換效率越低，黃光的強度越弱。更多的藍色激光直接參與到混合光源中去，光源中黃光的占比成分相應減少，相對亮度降低，色度坐標y值相應減小。為了使傳輸到后續光學照明系統的光能足夠強，期望投影機用光源的亮度盡可能高，然而由于冷卻風扇的功率限制和工作時產生的噪音問題，投影機光源實際工作時熒光粉膠層的溫度控制在（100±10） ℃較為合適，所需的風扇功率為8～12W，對冷卻系統的壓力較小，熒光粉膠層也不會有燒穿的危險，此時光源的色度坐標y值為0.345 5，對后續光學照明系統的搭建和調制有較大的自由度。

4 結 論

本文設計制備了用于投影顯示的激光-熒光混合光源，研究了熒光粉濃度及工作溫度對混合光源發光特性的影響。結果表明激光-熒光混合光源的亮度和色度坐標y值都隨著熒光粉的濃度增加而提高，當質量分數達到75%，增速開始減緩，此時熒光粉的轉化效率接近飽和。72%～75%的濃度配比最適合實際印刷量產，此時的光能利用率足夠高，且色度坐標y值有較大的調整空間便于后續投影機光學照明系統進一步的調制。亮度和色度可調降低了對光學元件加工的精度要求，提升了量產的制成能力。工作溫度對混合光源的發光特性同樣具有影響，結果表明工作溫度越高，激發轉換效率越低，導致光源色度坐標y值減小。熒光體的工作溫度控制在（100±10） ℃最為理想，此時光源色度接近理想的白色度，同時規避了冷卻系統的功率限制和噪音問題。實驗結果驗證了將激光-熒光混合光源作為投影機光源的可行性，不僅大大降低了整機的制造成本，解決了激光光源存在的散斑問題，而且為后續雙激光光源或多激光光源導入投影領域的產業化積累了一定的實例數據。