熒光粉濃度和溫度對(duì)激光混合熒光投影光源發(fā)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(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2．上海理工大學(xué) 光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海 200093；3．上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

引 言

光源是投影顯示系統(tǒng)的核心組成部件，光源技術(shù)的發(fā)展直接決定了投影機(jī)的發(fā)展和更新[1]。評(píng)價(jià)投影光源主要分析幾個(gè)方面：光亮度、發(fā)光光譜曲線、照明均勻性、發(fā)光效率、發(fā)光色度、顏色均勻性、快速點(diǎn)亮特性、發(fā)光點(diǎn)大小和光源壽命等[2-3]。傳統(tǒng)的鹵素?zé)舭l(fā)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(zhǎng)但目前發(fā)光效率還是不夠高[6]，相比之下，激光光源亮度高、壽命長(zhǎng)，同時(shí)受益于其單色性好的特點(diǎn)，通過(guò)紅、綠、藍(lán)三色激光的配比可以獲得最真實(shí)、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(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的散斑現(xiàn)象[8-9]；其次，激光能量較高導(dǎo)致安全性存在隱患；最后，紅、綠激光器價(jià)格高昂尚不能被市場(chǎng)接受，并不適合產(chǎn)業(yè)化。因此，在投影顯示領(lǐng)域中激光光源的優(yōu)越性還沒(méi)有得到最大化的體現(xiàn)[10-11]。

實(shí)際上，各種光源技術(shù)都存在其各自的發(fā)展瓶頸和適用領(lǐng)域，因此結(jié)合不同技術(shù)的混合光源逐漸成為未來(lái)光源的一大發(fā)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(xué)工業(yè)株式會(huì)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(guó)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(zhuǎn)換激光的熒光粉。將激光結(jié)合激發(fā)熒光作為投影機(jī)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(wèn)題?？紤]到實(shí)際投產(chǎn)和應(yīng)用的可行性，紅、綠激光器的成本和安全性問(wèn)題仍然不適合產(chǎn)業(yè)化，本文選用黃色熒光粉和藍(lán)色激光單元結(jié)合制成混合光源，研究了熒光粉不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混合光源發(fā)光特性的影響，分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量下光源亮度和色度坐標(biāo)值的變化，并研究了工作溫度對(duì)混合光源特性的影響。研究結(jié)果驗(yàn)證了激光-熒光混合作為投影機(jī)用光源的可行性，有望促進(jìn)激光投影技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。

1 混合光源的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了用于投影顯示的激發(fā)熒光結(jié)合激光混合光源，其結(jié)構(gòu)和原理示意圖如圖1所示。激光模組發(fā)出的藍(lán)色激光經(jīng)過(guò)兩次凹面鏡反射后匯聚在藍(lán)寶石基片上，通過(guò)在藍(lán)寶石基片上鍍制分光膜，藍(lán)色激光對(duì)藍(lán)色光譜直接透射，對(duì)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(lán)色激光穿過(guò)熒光色輪時(shí)激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生黃色的熒光。黃色熒光被分光膜反射向后續(xù)照明系統(tǒng)方向傳輸，與直接透過(guò)熒光色輪的藍(lán)色激光混合配比得到白光。獲得的白光經(jīng)兩塊凸透鏡匯聚成平行光投射。

混合光源的設(shè)計(jì)選用的熒光發(fā)光材料為YAG黃色熒光粉（日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社），如圖2(a)所示，其激發(fā)波長(zhǎng)為450 nm，發(fā)光色度坐標(biāo)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(xué)工業(yè)株式會(huì)社）混合并攪拌均勻。在實(shí)際印刷過(guò)程中，若熒光粉濃度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致膠體溶液過(guò)于粘稠，絲網(wǎng)印刷機(jī)難以印刷；若熒光粉濃度過(guò)低，導(dǎo)致膠體溶液過(guò)于稀薄，絲網(wǎng)印刷機(jī)需要更大的印刷壓力來(lái)壓制成型，影響印刷網(wǎng)板的使用壽命。綜合考慮實(shí)際生產(chǎn)的可行性，通過(guò)控制添加熒光粉的質(zhì)量，制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71%、72%、73%、75%和78%的熒光粉膠體。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熒光粉膠體，通過(guò)絲網(wǎng)印刷機(jī)分別印制在藍(lán)寶石基片上，然后烘烤固化制成熒光色輪，如圖2(b)所示。測(cè)定藍(lán)寶石基片印制熒光粉膠體前后的質(zhì)量差異，從而得到熒光粉膠層成型后的質(zhì)量。

圖1 混合光源結(jié)構(gòu)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(tái)上，點(diǎn)亮激光單元進(jìn)行投射。激光單元為藍(lán)色激光模組（日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社），輸出的標(biāo)準(zhǔn)功率為31.5 W，峰值波長(zhǎng)為455 nm。熒光色輪和激光單元共同工作，激發(fā)熒光結(jié)合激光構(gòu)成混合光源。

對(duì)于投影機(jī)用的光源，光源的亮度和色度坐標(biāo)是最為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。在投影機(jī)行業(yè)內(nèi)，通常使用輸出光通量來(lái)表征投影機(jī)的亮度，以便于客戶理解。將照度計(jì)所讀取到的照度值乘以標(biāo)準(zhǔn)60 inch（1 inch=2.54 cm）的投影面積尺寸，即可得到投影機(jī)的輸出光通量，單位是lm。當(dāng)光源的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程較為穩(wěn)定時(shí)，光源的色度坐標(biāo)y值和色度坐標(biāo)x值具有良好的線性相關(guān)性，而色度坐標(biāo)y值的變化較x值更為明顯，因此光源色度坐標(biāo)的變化通過(guò)監(jiān)控色度坐標(biāo)y值來(lái)評(píng)價(jià)。光源測(cè)試系統(tǒng)示意圖及搭建的實(shí)物圖如圖3所示，點(diǎn)亮激光模組，并在激光模組散熱片兩側(cè)附加風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，使用照度計(jì)（柯尼卡美能達(dá)，CL-200A）測(cè)定混合光源的輸出光通量和色度坐標(biāo)值，待激光單元出射功率穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。

圖2 樣品制備Fig.2 Sample preparation

圖3 光源測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 The test system of light source performance

2 熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)光源特性的影響

考慮到絲網(wǎng)印刷機(jī)的壓力配置情況，選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71%、72%和75%的混合光源樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得光源的亮度和色度坐標(biāo)y值隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量的增加而提高，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，光源亮度的整體實(shí)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(lán)色激光激發(fā)產(chǎn)生的黃色熒光越強(qiáng)，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(biāo)y值和熒光粉膠層的質(zhì)量也成正比關(guān)系[18]，而且熒光粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，光源的色度坐標(biāo)y值也越大。這是由于黃光的色度值本身高于藍(lán)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(lán)光被熒光粉吸收激發(fā)產(chǎn)生黃光，使得最終得到的白色光源中黃光所占的比例相應(yīng)增加。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步測(cè)定了以相同膠層質(zhì)量160 mg印刷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(biāo)y值與熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣品亮度和色度與熒光粉膠層質(zhì)量的關(guān)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(biāo)y值都隨著熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而提高。熒光粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每提高1%，光源的整體亮度會(huì)增加0.5%。熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)色度坐標(biāo)y值的影響更大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)每提高1%，光源的色度坐標(biāo)y值會(huì)增加1.1%。這是因?yàn)殡S著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，有更多的藍(lán)色激光參與激發(fā)被轉(zhuǎn)化為黃色的熒光參與合成，由于黃色的熒光相對(duì)于激光單元本身的藍(lán)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(lán)光的色度值高，使得光源的色度坐標(biāo)y值向上偏移。從圖5中還可以看出，當(dāng)熒光粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到75%后，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)提升，熒光粉的轉(zhuǎn)化效率有所下降，亮度和色度坐標(biāo)y值的增高逐漸開始趨于平緩。從以上分析結(jié)果可知，通過(guò)調(diào)整熒光粉的質(zhì)量配比，可以得到不同亮度和色度坐標(biāo)的混合光源，以適配不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)照明系統(tǒng)，光源亮度和色度的可調(diào)空間增大同樣降低了對(duì)光學(xué)照明系統(tǒng)的精度要求，提高了產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)的制成能力指數(shù)（Cpk）。

圖5 亮度和色度與熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)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(guān)系Fig.6 Relationship between the light source characteristics and phosphor operating temperature

3 熒光體工作溫度對(duì)光源特性的影響

選取熒光粉膠層質(zhì)量160 mg、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的樣品進(jìn)行測(cè)試。調(diào)節(jié)激光單元兩側(cè)附加風(fēng)扇的功率以改變光源的冷卻環(huán)境，使用紅外測(cè)溫儀測(cè)定此時(shí)的熒光粉膠層的溫度，如表1所示。測(cè)得混合光源的亮度和色度坐標(biāo)y值與熒光粉工作溫度間的關(guān)系曲線如圖6所示。

表1 風(fēng)扇功率與熒光粉膠層溫度變化關(guān)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(biāo)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(biāo)y值減小0.22%。輸出的圖像畫面往藍(lán)色方向偏移，表明熒光粉的轉(zhuǎn)換效率與工作溫度成反比，工作溫度越高，藍(lán)色激光轉(zhuǎn)化成黃色熒光的轉(zhuǎn)換效率越低，黃光的強(qiáng)度越弱。更多的藍(lán)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(yīng)減少，相對(duì)亮度降低，色度坐標(biāo)y值相應(yīng)減小。為了使傳輸?shù)胶罄m(xù)光學(xué)照明系統(tǒng)的光能足夠強(qiáng)，期望投影機(jī)用光源的亮度盡可能高，然而由于冷卻風(fēng)扇的功率限制和工作時(shí)產(chǎn)生的噪音問(wèn)題，投影機(jī)光源實(shí)際工作時(shí)熒光粉膠層的溫度控制在（100±10） ℃較為合適，所需的風(fēng)扇功率為8～12W，對(duì)冷卻系統(tǒng)的壓力較小，熒光粉膠層也不會(huì)有燒穿的危險(xiǎn)，此時(shí)光源的色度坐標(biāo)y值為0.345 5，對(duì)后續(xù)光學(xué)照明系統(tǒng)的搭建和調(diào)制有較大的自由度。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)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(duì)混合光源發(fā)光特性的影響。結(jié)果表明激光-熒光混合光源的亮度和色度坐標(biāo)y值都隨著熒光粉的濃度增加而提高，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到75%，增速開始減緩，此時(shí)熒光粉的轉(zhuǎn)化效率接近飽和。72%～75%的濃度配比最適合實(shí)際印刷量產(chǎn)，此時(shí)的光能利用率足夠高，且色度坐標(biāo)y值有較大的調(diào)整空間便于后續(xù)投影機(jī)光學(xué)照明系統(tǒng)進(jìn)一步的調(diào)制。亮度和色度可調(diào)降低了對(duì)光學(xué)元件加工的精度要求，提升了量產(chǎn)的制成能力。工作溫度對(duì)混合光源的發(fā)光特性同樣具有影響，結(jié)果表明工作溫度越高，激發(fā)轉(zhuǎn)換效率越低，導(dǎo)致光源色度坐標(biāo)y值減小。熒光體的工作溫度控制在（100±10） ℃最為理想，此時(shí)光源色度接近理想的白色度，同時(shí)規(guī)避了冷卻系統(tǒng)的功率限制和噪音問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了將激光-熒光混合光源作為投影機(jī)光源的可行性，不僅大大降低了整機(jī)的制造成本，解決了激光光源存在的散斑問(wèn)題，而且為后續(xù)雙激光光源或多激光光源導(dǎo)入投影領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化積累了一定的實(shí)例數(shù)據(jù)。