激光光源的藍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

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

對于激光光源在車燈上的應用，藍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，高能藍光直接泄露射出，經過配光器件后投射至遠方，形成一束能量很高的藍光光束，極易損傷視網膜，影響其他交通參與者的安全，因此對于激光車燈的藍光安全檢測是十分必要的[4，5]。

針對激光光源的藍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行主動檢測藍光的泄露情況，只有當傳感器直接反饋值或經處理的值處于正常范圍才開啟，否則控制光源關閉，并反饋故障。

2)主動防御：藍光泄露的高能波段很窄，典型的藍光峰值波長為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，在設計時就輸出藍光相對弱、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光檢測方案上選用了被動檢測法，以保證人眼安全。

1 藍光檢測原理及實現方式

根據藍光激發熒光的相對強度比公式[6]

(1)

其中Y為黃色波段光，B為藍色波段光。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光與紅光的吸收系數，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。

對于無藍光泄露的光源來說，當選定熒光粉材料、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。而當熒光粉失效或部分失效時，部分藍色波段未激發熒光粉，直接發射出，造成藍光增加，黃綠色光減少，各個波段的值及它們的比值會發生較大變化，當變化值超過給定的范圍時，判定為存在問題。

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

本文研究的激光照明燈具上的藍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。其具體實現方式為，在反射鏡的上方設有一個后蓋，后蓋上側為PCB板及光電傳感器，光電傳感器數量為兩個，分布在PCB的兩側，其上分別設有黃色濾光片和藍色濾光片，當光源發出光線后，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，用作藍光安全判斷，其結構示意圖如圖1所示，流程示意圖如圖2所示。

圖1 結構示意圖Fig.1 Structure diagram

圖2 流程示意圖Fig.2 Process diagram

2 實驗及數據處理

設計中選用日亞的激光光源，設計實驗進行驗證藍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，處于室內正常照明條件下。

利用驅動點亮激光，待其工作穩定后，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據，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，處于室內正常照明條件下。

利用驅動點亮激光，待其工作穩定后，分別使用1～4號光電傳感器讀取照度值，依次讀取四組數據，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，重復誤差最大約為3.1%。

3)測試不同環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。

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

由表3可知環境溫度對S1與S2值的影響較大，以60 ℃與25 ℃環境溫度下進行比較，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，藍色濾光片，處于室內正常照明條件下。

表3 不同環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

利用驅動點亮激光，待其工作穩定后，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，藍色濾光片，損壞光源1～8號，室內正常照明條件下(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)。

依次利用驅動點亮不同的激光光源，待其工作穩定后，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

根據實驗所得數據可知，反射鏡的透射率大小、環境溫度的變化對直接檢測值影響最大，分別達到了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、光源工作環境進行控制，就無法利用直接檢測值準確判斷出藍光有無泄露。

針對以上問題，采用在線標定的技術并增加溫度傳感器實時監測激光光源的工作方式，具體實現方式為：使用全新的激光光源進行模組組裝，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據存儲在EEROM中，作為藍光安全判斷的閾值,而比值的閾值取3直接寫入程序，具體如表6所示。

表6 藍光檢測判斷依據Table 6 The judgment basis of blue light detection

表6顯示出了藍光檢測判斷依據， 主要有兩個，第一為S2與S1的比值，根據之前實驗將閾值設為3，第二為S2的值，閾值設為[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色波段的值S1和黃色波段的照度值S2，當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,則認為激光光源存在藍光泄露，從而關閉激光。

圖3 藍光安全判斷邏輯Fig.3 Blue light safety judgment logic

利用激光模組對藍光檢測判斷邏輯進行實測，檢測結果如表7所示。在試驗中系統輸入電壓設置為13.5 V。

表7中共做了三項測試試驗，第一項為直接將藍光濾光片置于激光光源上方，結果發現系統自動關閉激光光源，表明系統有效檢測出光源存在藍光泄露；第二項為將光源更換為損壞光源1～8號，結果發現系統均自動關閉激光光源，表明系統有效檢測出光源存在藍光泄露；第三項為直接將激光模組置于70 ℃烘箱4 h，結果未出現激光光源關閉現象，表明高溫的影響不會影響藍光泄露檢測，導致產生誤判。

表7 藍光檢測判斷邏輯實測Table 7 The logic measurement of blue light detection judgment

4 結論

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