激光光源的藍(lán)光實時檢測方法研究

豐建芬，沈 倩，薛蔚平，梁新強，吳 杰

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇 常州 213000)

引言

目前應(yīng)用在汽車照明領(lǐng)域中的激光光源主要為白色激光光源，其工作原理主要為：激光二極管發(fā)出450 nm的高亮藍(lán)色激光波段，遠(yuǎn)程激發(fā)黃色熒光粉發(fā)出黃色波段光，然后與藍(lán)光波段光混合成白光，其具有發(fā)光面積小、中心亮度高等優(yōu)點，為配光器的小型化提供，在汽車遠(yuǎn)光或者輔助遠(yuǎn)光的應(yīng)用上具有很好的應(yīng)用前景[1-3]。

對于激光光源在車燈上的應(yīng)用，藍(lán)光安全一直是必須考量的問題，光源中心亮度高的同時也帶來的傷害人眼的隱患，尤其是在熒光粉破裂時，高能藍(lán)光直接泄露射出，經(jīng)過配光器件后投射至遠(yuǎn)方，形成一束能量很高的藍(lán)光光束，極易損傷視網(wǎng)膜，影響其他交通參與者的安全，因此對于激光車燈的藍(lán)光安全檢測是十分必要的[4，5]。

針對激光光源的藍(lán)光泄露引起的安全問題，目前主要有兩種解決方案：

1)被動檢測：主要利用光電傳感器或多個光電傳感器進(jìn)行主動檢測藍(lán)光的泄露情況，只有當(dāng)傳感器直接反饋值或經(jīng)處理的值處于正常范圍才開啟，否則控制光源關(guān)閉，并反饋故障。

2)主動防御：藍(lán)光泄露的高能波段很窄，典型的藍(lán)光峰值波長為450 nm，帶寬為±5 nm，可以利用濾光片將此波段附件的光濾除部分，在設(shè)計時就輸出藍(lán)光相對弱、色溫低的光線。

被動檢測需要考慮的汽車路況較多，實驗工作量大，但實時性較好，安全性高；而主動防御不需要實時檢測，可靠性高，但是極大地降低了亮度與色溫，而且無法反饋故障，存在一定的安全隱患。綜合以上考慮，本文在激光照明燈具的藍(lán)光檢測方案上選用了被動檢測法，以保證人眼安全。

1 藍(lán)光檢測原理及實現(xiàn)方式

根據(jù)藍(lán)光激發(fā)熒光的相對強度比公式[6]

(1)

其中Y為黃色波段光，B為藍(lán)色波段光。B0為不含有熒光粉層時激光能量，αB1和αY1分別為表面膠粉混合物對藍(lán)光與紅光的吸收系數(shù)，x為該膠粉混合物的厚度，ηY為黃色熒光粉的量子效率，SY為斯托克斯位移。

對于無藍(lán)光泄露的光源來說，當(dāng)選定熒光粉材料、激光二極管、熒光粉厚度、溫度時，其不同波段的照度值及相互比值處于一個相對恒定的范圍。而當(dāng)熒光粉失效或部分失效時，部分藍(lán)色波段未激發(fā)熒光粉，直接發(fā)射出，造成藍(lán)光增加，黃綠色光減少，各個波段的值及它們的比值會發(fā)生較大變化，當(dāng)變化值超過給定的范圍時，判定為存在問題。

一般來說，光電傳感器數(shù)量設(shè)有兩個，濾光片為透藍(lán)色波段或者透紅黃色波段的，其原因是激光泄露時，藍(lán)光增加，紅黃光減少，相對變化量較大，值的變化更明顯，有利于進(jìn)行藍(lán)光泄露的判定。

本文研究的激光照明燈具上的藍(lán)光安全檢測選用了被動檢測方法，利用光電傳感器配合濾光片，分別檢測激光光源部分出射光中不同波段的照度值。其具體實現(xiàn)方式為，在反射鏡的上方設(shè)有一個后蓋，后蓋上側(cè)為PCB板及光電傳感器，光電傳感器數(shù)量為兩個，分布在PCB的兩側(cè)，其上分別設(shè)有黃色濾光片和藍(lán)色濾光片，當(dāng)光源發(fā)出光線后，其小部分光透過反射鏡和濾光片，照射至兩個傳感器，可以讀取到兩個傳感器的測量值，用作藍(lán)光安全判斷，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，流程示意圖如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram

圖2 流程示意圖Fig.2 Process diagram

2 實驗及數(shù)據(jù)處理

設(shè)計中選用日亞的激光光源，設(shè)計實驗進(jìn)行驗證藍(lán)光安全檢測原理的可行性，研究各因素對光電傳感器值的影響，最終確定藍(lán)光安全閾值及控制策略。

首先通過實驗確定對傳感器的記錄值影響較大的因素，以及記錄各影響值大小，如下所示：

1)測試光電傳感器的測量重復(fù)誤差

測試條件為：激光模組1，反射鏡透射率0.4%，光源1號，黃色濾光片，光電傳感器1，處于室內(nèi)正常照明條件下。

利用驅(qū)動點亮激光，待其工作穩(wěn)定后，使用同一光電傳感器讀取照度值，間隔一段時間依次讀取三組數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 同一光電傳感器實測照度值Table 1 Measured illuminance value of the same photoelectric sensor

其中S1表示傳感器1得到的值，測量的是黃綠色波段的光照度大小，S2表示傳感器2得到的值，測量的是藍(lán)色波段的光照度大小(下文中不贅述)，由表1可知傳感器測量的重復(fù)誤差小于1%。

2)測試光電傳感器的一致性

測試條件為：激光模組1，反射鏡透射率0.4%，光源1號，黃色濾光片，處于室內(nèi)正常照明條件下。

利用驅(qū)動點亮激光，待其工作穩(wěn)定后，分別使用1～4號光電傳感器讀取照度值，依次讀取四組數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同光電傳感器實測照度值Table 2 Measured illuminance values of different photoelectric sensors

由表2可知傳感器的一致性較好，重復(fù)誤差最大約為3.1%。

3)測試不同環(huán)境溫度對光電傳感器值的影響

測試條件為：激光模組1，光源1號，光電傳感器PCB1，反射鏡透射率0.6%，黃色濾光片。

利用驅(qū)動點亮激光，置于烘箱內(nèi)，從-20 ℃開始依次設(shè)定不同的工作溫度，待其穩(wěn)定后，讀取照度值并記錄，如表3所示。

由表3可知環(huán)境溫度對S1與S2值的影響較大，以60 ℃與25 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行比較，S2值減小了約14.38%。

4)測試不同透射率的反射鏡對光電傳感器值的影響

測試條件為：激光模組1，光源1號，光電傳感器PCB1，黃色濾光片，藍(lán)色濾光片，處于室內(nèi)正常照明條件下。

表3 不同環(huán)境溫度下光電傳感器實測照度值Table 3 Measured illuminance value of photoelectric sensor under different ambient temperature

利用驅(qū)動點亮激光，待其工作穩(wěn)定后，分別更換0.1%、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%透射率的反射鏡，依次讀取照度值并記錄，如表4所示。

表4 不同反射鏡光電傳感器實測照度值Table 4 The measured illuminance values of photoelectric sensors with different mirrors

由表4可知不同的反射鏡對S1與S2值的影響較大，取表4中反射鏡0.7%和反射鏡0.1%中的S1測量值進(jìn)行計算，測量值增大了約234%。

5)測試損壞光源下的光電傳感器值

測試條件為：激光模組1，反射鏡編號0.6%，光電傳感器PCB1，黃色濾光片，藍(lán)色濾光片，損壞光源1～8號，室內(nèi)正常照明條件下(其中損壞光源1～8號表示8個熒光粉破裂的光源，采用人工隨機破壞，使熒光粉缺損面積及形狀均不相同)。

依次利用驅(qū)動點亮不同的激光光源，待其工作穩(wěn)定后，讀取照度值并記錄，如表5所示。

表5 損壞光源的光電傳感器實測照度值Table 5 Measured illuminance value of photoelectric sensor damaged light source

由表5可知，相比較未損壞光源測得的S1值，損壞光源1～8所測得的S1值相對較小; 相比較未損壞光源測得的S2值，損壞光源1～8所測得的S2值相對較小; 相比較未損壞光源測得的S1與S2的比值，損壞光源1～8所測得的比值相對較小。

3 控制策略及閾值確定

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)可知，反射鏡的透射率大小、環(huán)境溫度的變化對直接檢測值影響最大，分別達(dá)到了334%、14.38%，對于比值波動的影響相對較小。如果不對反射鏡透射率、光源工作環(huán)境進(jìn)行控制，就無法利用直接檢測值準(zhǔn)確判斷出藍(lán)光有無泄露。

針對以上問題，采用在線標(biāo)定的技術(shù)并增加溫度傳感器實時監(jiān)測激光光源的工作方式，具體實現(xiàn)方式為：使用全新的激光光源進(jìn)行模組組裝，完成后燒寫控制檢測程序，將初次點亮后傳感器測取的黃色波段數(shù)據(jù)存儲在EEROM中，作為藍(lán)光安全判斷的閾值,而比值的閾值取3直接寫入程序，具體如表6所示。

表6 藍(lán)光檢測判斷依據(jù)Table 6 The judgment basis of blue light detection

表6顯示出了藍(lán)光檢測判斷依據(jù)， 主要有兩個，第一為S2與S1的比值，根據(jù)之前實驗將閾值設(shè)為3，第二為S2的值，閾值設(shè)為[TV1/(-2×10-5×T2-5×10-4×T+1.0204))×0.7]，其中(-2×10-5×T2-5×10-4×T+1.0204)為修正擬合公式，為了補償溫度對傳感器測試值的影響，系數(shù)0.7是考慮光源本身的光衰。(其值的由來是參考LED的失效定義：一般定義LED在常溫下相比較初始使用光通量衰減大于30%時為失效，可以更換光源。)

其藍(lán)光安全判斷邏輯如圖3所示，激光光源工作后，利用兩個傳感器獲取分別獲取藍(lán)色波段的值S1和黃色波段的照度值S2，當(dāng)S2/S1<3或S2/(-2×10-5×T2-5×10-4×T+1.0204))>TV1/(-2×10-5×To2-5×10-4×To+1.0204))×0.7時,則認(rèn)為激光光源存在藍(lán)光泄露，從而關(guān)閉激光。

圖3 藍(lán)光安全判斷邏輯Fig.3 Blue light safety judgment logic

利用激光模組對藍(lán)光檢測判斷邏輯進(jìn)行實測，檢測結(jié)果如表7所示。在試驗中系統(tǒng)輸入電壓設(shè)置為13.5 V。

表7中共做了三項測試試驗，第一項為直接將藍(lán)光濾光片置于激光光源上方，結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)自動關(guān)閉激光光源，表明系統(tǒng)有效檢測出光源存在藍(lán)光泄露；第二項為將光源更換為損壞光源1～8號，結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)均自動關(guān)閉激光光源，表明系統(tǒng)有效檢測出光源存在藍(lán)光泄露；第三項為直接將激光模組置于70 ℃烘箱4 h，結(jié)果未出現(xiàn)激光光源關(guān)閉現(xiàn)象，表明高溫的影響不會影響藍(lán)光泄露檢測，導(dǎo)致產(chǎn)生誤判。

表7 藍(lán)光檢測判斷邏輯實測Table 7 The logic measurement of blue light detection judgment

4 結(jié)論

本文介紹并設(shè)計了一種針對激光光源的藍(lán)光安全檢測的方法，利用弱透反射鏡將光源發(fā)出光線分成兩束，其中一束透射光照射至兩個數(shù)字式光電傳感器上，通過藍(lán)色與黃色濾光片分別檢測到光源中藍(lán)色波段的光照度值和黃色波段的光照度值，實時監(jiān)測黃色波段的光照度值及其與藍(lán)色波段值的比值變化，當(dāng)變化大于設(shè)定閾值時，判斷藍(lán)光泄露，關(guān)閉光源，通過實測驗證了該方法的有效性和實用性，后續(xù)方向可以將濾光片減小至一個，來進(jìn)行藍(lán)光安全判斷，在保證其檢測準(zhǔn)確性的同時降低成本和簡化系統(tǒng)復(fù)雜度。