基于蓝光LD的白光光源制作及测试

陶东刘明夏龙四维

（深圳市计量质量检测研究院广东深圳518055）

摘要：为了得到基于蓝光LD的白光光源，同时选取了YAG-0与HGN-21进行配比，制作出了YAG-0：HGN-21为9：1、8：2、7：3、6：4、5：5、4：6、3：7的荧光板。选取每种比例的荧光板2个，用激光电源分别对样机加电流为400mA、500mA、600mA、700mA，测试各光源的光通量、显色指数、色坐标、光效等参数。针对不同的用途，可以选取不同的光源。

关键词：蓝光LD；白光光源；光学参数；测试

1.引言

基于蓝激光的白光光源是用蓝激光激发荧光粉产生的，因此，荧光粉是该光源的重要组成部分。但是目前市场上没有专门针对激光用的荧光粉，所以，我们应根据需要，利用LED所用的荧光粉来进行配比，得到一款适合激光用的。生产LED荧光粉厂家众多，如英特美、宏大等。我们应挑选出一些在参数上与蓝激光相对应的，再筛选确定。鉴于白光LED所用荧光粉主要是黄色。我们选取了4种最适波长在440nm—460nm之间的荧光粉进行测试比较，分别为英特美公司的YAG-0、YAG-1，以及深圳高和机电公司的Y-959、Y-996。经过实验测试比较，我们选出了适合蓝激光的荧光粉YAG-0。为了得到不同色温或不同需求的白光，需要在黄色荧光粉中加入一些红粉和绿粉。红粉和绿粉在白光LED中用的不多。经过了解比较，我们购买了苏州瀚群电子材料有限公司的HGN-21（绿粉）和HRD-21（红粉）。本文将介绍利用选出的荧光粉所制作的测试荧光板。

得到了测试用荧光板后，利用solidworks依据Tracepro的模拟结果对光机进行设计，并加工出样机。本文将介绍所制作的样机。

利用已经制作好的样机以及荧光板，我们在不同电流下测试各样品光源的光通量、显色指数、色坐标、光效等各项光学参数。文中将对测试结果进行分析。通过提高蓝光LD的光效、改变荧光粉的配比及驱动电流大小，可以得到不同光源，满足不同的需要。

2.测试荧光板的制作

通过对英特美公司的YAG-0、YAG-1，以及深圳高和机电公司的Y-959、Y-996四种黄色荧光粉进行照度、光谱测试，选定用YAG-0来进行配比。绿光荧光粉选用苏州瀚群电子材料有限公司的HGN-21。

鉴于白光LED是蓝光+黄色荧光粉，在配比中，绿粉不宜过多。因此，我们设置了以下7种配比。YAG-0：HGN-21分别为9：1、8：2、7：3、6：4、5：5、4：6、3：7。荧光粉与AB胶的比例仍选用1：6，则种荧光板所用材料比例如下：

按照设定的配置进行称量及混合，搅拌均匀后涂敷于光学玻璃片上，并置于烘箱中烘烤，即可制得实验用荧光板。

3.光源样机的制作

基于Tracepro的模拟结果，我们利用solidworks设计并加工出了光源样机。具体如下所示：

图3.1光源样机实物图

4.样机中各样品光源的测试

为了减小误差，各配比荧光板选择两个样品进行测试，标示为1#和2#。每次测量电流分别为400mA、500mA、600mA、700mA。

在实验中，改变荧光板YAG-0与HGN-21的比例以及光源的驱动电流分别对样品进行测量。对测量数据进行统计、分类，每个配比选出一组相对偏移量不大或质量较好的光源进行分析。我们可以从以下三个方面进行分析：1.整体分析；2.同一驱动电流下荧光粉不同配比各参数分析；3.同一荧光粉配比下不同驱动电流各参数分析。

（一）整体分析：

1.色坐标变化不大，X坐标在0.35-0.39之间，Y坐标在0.45-0.56之间。

2.色温在4400K-5100K之间逐渐上升，因为随着荧光粉中绿粉的比例增加，生成的白光中绿光所占比例增加，因此色温上升。因此，可通过调节YAG-0与HGN-21的比例来调节色温。

3.色纯度变化不规则，对于制作白光光源而言，色纯度越低越好。本次测量样品，色纯度均偏高，这除了与荧光粉的激发效率有关，主要原因在于蓝光的散射。应对透镜进行调整，减少蓝光的散射，提高光束的质量。

4.主波长展示了光波的分布情况，在559nm-567nm之间变化。

5.峰值波长是生成白光光谱中能量最大的波长。若蓝光转换效率不高，则峰值波长为透过的蓝光波长445nm，若蓝光转换效率高，则峰值波长为530nm、535nm、540nm、560nm等值。

6.平均波长在551nm-563nm之间变化。

7.显色指数较低，在44.1-61.1之间变化。有两种情况可以得到高显指的光源：1.波长分布广泛且均匀的白光光源。2.高能量的几个窄光谱特定波长合成白光光源。本白光光源是窄光谱特定波长的蓝光（445nm）与宽光谱的黄绿光（500nm-580）的合成。因此，要得到高显指白光源比较困难。

8.光通量较小，几乎都在20lm以下。这与蓝光LD的整形和转化有关，对LD的整形及测试用的玻胶板都减弱了蓝光的功率。

9.光效的电功率是驱动电源的，应换算为LD的电功率。

10.光辐射在15mw-45mw之间变化。

（二）在同一驱动电流下荧光粉不同配比各参数分析：

随着荧光板配比的改变（YAG-0比例逐渐减少，HGN-21比例逐渐增加），光源各项参数均有改变。以500mA驱动电流为例，色坐标改变，色温变化比较明显，呈逐渐上升趋势。主波长在559nm-567nm之间变化，平均波长集中在555nm左右。显色指数整体呈降低趋势，光效与光辐射先减小再增大。在同一电流下，可根据需要调节荧光粉配比来改变各项参数。

（三）同一荧光粉配比下不同驱动电流各参数分析表

随着驱动电流的逐渐增加，光源各项参数均有改变。以YAG-0：HGN-21为5：5为例，光源色温、色坐标、色纯度、主波长、峰值波长、平均波长、显色指数均变化不大，在某一值附近波动。而光通量、光效、光辐射度呈整体上升趋势。这是由光源性质决定的，激发光源及荧光板性质固定，决定了光源的特征参数稳定。功率会随着驱动电流的增加而增加。

小结

本文利用光源样机测试了YAG-0、HGN-21的配比效果。在不同配比下，光源各光学参数均有改变，随着绿粉比例增加，色温在4400K-5100K之间逐渐上升，主波长在559nm-567nm之间变化，显色指数在44.1-61.1之间变化本白光光源是窄光谱特定波长的蓝光（445nm）与宽光谱的黄绿光（500nm-580）的合成。因此，要得到高显指白光源比较困难。光通量较小，几乎都在20lm以下，这与蓝光LD的整形和转化有关，对LD的整形及测试用的玻胶板都减弱了蓝光的功率。此次测试中，显色指数较好的是8：2的配比，而光通量较高的是3：7的配比，色温根据用途不同可以调节。

参考文献：

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[4]孙宇，投影显示中的激光照明系统研究和设计，厦门大学硕士学位论文，2008；

[5]赵剑，照明灯具的设计要领，百家丽（中国）照明电器有限公司，2012