激光光源的蓝光实时检测方法研究

丰建芬，沈 倩，薛蔚平，梁新强，吴 杰

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏 常州 213000)

引言

目前应用在汽车照明领域中的激光光源主要为白色激光光源，其工作原理主要为：激光二极管发出450 nm的高亮蓝色激光波段，远程激发黄色荧光粉发出黄色波段光，然后与蓝光波段光混合成白光，其具有发光面积小、中心亮度高等优点，为配光器的小型化提供，在汽车远光或者辅助远光的应用上具有很好的应用前景[1-3]。

对于激光光源在车灯上的应用，蓝光安全一直是必须考量的问题，光源中心亮度高的同时也带来的伤害人眼的隐患，尤其是在荧光粉破裂时，高能蓝光直接泄露射出，经过配光器件后投射至远方，形成一束能量很高的蓝光光束，极易损伤视网膜，影响其他交通参与者的安全，因此对于激光车灯的蓝光安全检测是十分必要的[4，5]。

针对激光光源的蓝光泄露引起的安全问题，目前主要有两种解决方案：

1)被动检测：主要利用光电传感器或多个光电传感器进行主动检测蓝光的泄露情况，只有当传感器直接反馈值或经处理的值处于正常范围才开启，否则控制光源关闭，并反馈故障。

2)主动防御：蓝光泄露的高能波段很窄，典型的蓝光峰值波长为450 nm，带宽为±5 nm，可以利用滤光片将此波段附件的光滤除部分，在设计时就输出蓝光相对弱、色温低的光线。

被动检测需要考虑的汽车路况较多，实验工作量大，但实时性较好，安全性高；而主动防御不需要实时检测，可靠性高，但是极大地降低了亮度与色温，而且无法反馈故障，存在一定的安全隐患。综合以上考虑，本文在激光照明灯具的蓝光检测方案上选用了被动检测法，以保证人眼安全。

1 蓝光检测原理及实现方式

根据蓝光激发荧光的相对强度比公式[6]

(1)

其中Y为黄色波段光，B为蓝色波段光。B0为不含有荧光粉层时激光能量，αB1和αY1分别为表面胶粉混合物对蓝光与红光的吸收系数，x为该胶粉混合物的厚度，ηY为黄色荧光粉的量子效率，SY为斯托克斯位移。

对于无蓝光泄露的光源来说，当选定荧光粉材料、激光二极管、荧光粉厚度、温度时，其不同波段的照度值及相互比值处于一个相对恒定的范围。而当荧光粉失效或部分失效时，部分蓝色波段未激发荧光粉，直接发射出，造成蓝光增加，黄绿色光减少，各个波段的值及它们的比值会发生较大变化，当变化值超过给定的范围时，判定为存在问题。

一般来说，光电传感器数量设有两个，滤光片为透蓝色波段或者透红黄色波段的，其原因是激光泄露时，蓝光增加，红黄光减少，相对变化量较大，值的变化更明显，有利于进行蓝光泄露的判定。

本文研究的激光照明灯具上的蓝光安全检测选用了被动检测方法，利用光电传感器配合滤光片，分别检测激光光源部分出射光中不同波段的照度值。其具体实现方式为，在反射镜的上方设有一个后盖，后盖上侧为PCB板及光电传感器，光电传感器数量为两个，分布在PCB的两侧，其上分别设有黄色滤光片和蓝色滤光片，当光源发出光线后，其小部分光透过反射镜和滤光片，照射至两个传感器，可以读取到两个传感器的测量值，用作蓝光安全判断，其结构示意图如图1所示，流程示意图如图2所示。

图1 结构示意图Fig.1 Structure diagram

图2 流程示意图Fig.2 Process diagram

2 实验及数据处理

设计中选用日亚的激光光源，设计实验进行验证蓝光安全检测原理的可行性，研究各因素对光电传感器值的影响，最终确定蓝光安全阈值及控制策略。

首先通过实验确定对传感器的记录值影响较大的因素，以及记录各影响值大小，如下所示：

1)测试光电传感器的测量重复误差

测试条件为：激光模组1，反射镜透射率0.4%，光源1号，黄色滤光片，光电传感器1，处于室内正常照明条件下。

利用驱动点亮激光，待其工作稳定后，使用同一光电传感器读取照度值，间隔一段时间依次读取三组数据，如表1所示。

表1 同一光电传感器实测照度值Table 1 Measured illuminance value of the same photoelectric sensor

其中S1表示传感器1得到的值，测量的是黄绿色波段的光照度大小，S2表示传感器2得到的值，测量的是蓝色波段的光照度大小(下文中不赘述)，由表1可知传感器测量的重复误差小于1%。

2)测试光电传感器的一致性

测试条件为：激光模组1，反射镜透射率0.4%，光源1号，黄色滤光片，处于室内正常照明条件下。

利用驱动点亮激光，待其工作稳定后，分别使用1～4号光电传感器读取照度值，依次读取四组数据，如表2所示。

表2 不同光电传感器实测照度值Table 2 Measured illuminance values of different photoelectric sensors

由表2可知传感器的一致性较好，重复误差最大约为3.1%。

3)测试不同环境温度对光电传感器值的影响

测试条件为：激光模组1，光源1号，光电传感器PCB1，反射镜透射率0.6%，黄色滤光片。

利用驱动点亮激光，置于烘箱内，从-20 ℃开始依次设定不同的工作温度，待其稳定后，读取照度值并记录，如表3所示。

由表3可知环境温度对S1与S2值的影响较大，以60 ℃与25 ℃环境温度下进行比较，S2值减小了约14.38%。

4)测试不同透射率的反射镜对光电传感器值的影响

测试条件为：激光模组1，光源1号，光电传感器PCB1，黄色滤光片，蓝色滤光片，处于室内正常照明条件下。

表3 不同环境温度下光电传感器实测照度值Table 3 Measured illuminance value of photoelectric sensor under different ambient temperature

利用驱动点亮激光，待其工作稳定后，分别更换0.1%、0.4%、0.5%、0.6%和0.7%透射率的反射镜，依次读取照度值并记录，如表4所示。

表4 不同反射镜光电传感器实测照度值Table 4 The measured illuminance values of photoelectric sensors with different mirrors

由表4可知不同的反射镜对S1与S2值的影响较大，取表4中反射镜0.7%和反射镜0.1%中的S1测量值进行计算，测量值增大了约234%。

5)测试损坏光源下的光电传感器值

测试条件为：激光模组1，反射镜编号0.6%，光电传感器PCB1，黄色滤光片，蓝色滤光片，损坏光源1～8号，室内正常照明条件下(其中损坏光源1～8号表示8个荧光粉破裂的光源，采用人工随机破坏，使荧光粉缺损面积及形状均不相同)。

依次利用驱动点亮不同的激光光源，待其工作稳定后，读取照度值并记录，如表5所示。

表5 损坏光源的光电传感器实测照度值Table 5 Measured illuminance value of photoelectric sensor damaged light source

由表5可知，相比较未损坏光源测得的S1值，损坏光源1～8所测得的S1值相对较小; 相比较未损坏光源测得的S2值，损坏光源1～8所测得的S2值相对较小; 相比较未损坏光源测得的S1与S2的比值，损坏光源1～8所测得的比值相对较小。

3 控制策略及阈值确定

根据实验所得数据可知，反射镜的透射率大小、环境温度的变化对直接检测值影响最大，分别达到了334%、14.38%，对于比值波动的影响相对较小。如果不对反射镜透射率、光源工作环境进行控制，就无法利用直接检测值准确判断出蓝光有无泄露。

针对以上问题，采用在线标定的技术并增加温度传感器实时监测激光光源的工作方式，具体实现方式为：使用全新的激光光源进行模组组装，完成后烧写控制检测程序，将初次点亮后传感器测取的黄色波段数据存储在EEROM中，作为蓝光安全判断的阈值,而比值的阈值取3直接写入程序，具体如表6所示。

表6 蓝光检测判断依据Table 6 The judgment basis of blue light detection

表6显示出了蓝光检测判断依据， 主要有两个，第一为S2与S1的比值，根据之前实验将阈值设为3，第二为S2的值，阈值设为[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)为修正拟合公式，为了补偿温度对传感器测试值的影响，系数0.7是考虑光源本身的光衰。(其值的由来是参考LED的失效定义：一般定义LED在常温下相比较初始使用光通量衰减大于30%时为失效，可以更换光源。)

其蓝光安全判断逻辑如图3所示，激光光源工作后，利用两个传感器获取分别获取蓝色波段的值S1和黄色波段的照度值S2，当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时,则认为激光光源存在蓝光泄露，从而关闭激光。

图3 蓝光安全判断逻辑Fig.3 Blue light safety judgment logic

利用激光模组对蓝光检测判断逻辑进行实测，检测结果如表7所示。在试验中系统输入电压设置为13.5 V。

表7中共做了三项测试试验，第一项为直接将蓝光滤光片置于激光光源上方，结果发现系统自动关闭激光光源，表明系统有效检测出光源存在蓝光泄露；第二项为将光源更换为损坏光源1～8号，结果发现系统均自动关闭激光光源，表明系统有效检测出光源存在蓝光泄露；第三项为直接将激光模组置于70 ℃烘箱4 h，结果未出现激光光源关闭现象，表明高温的影响不会影响蓝光泄露检测，导致产生误判。

表7 蓝光检测判断逻辑实测Table 7 The logic measurement of blue light detection judgment

4 结论

本文介绍并设计了一种针对激光光源的蓝光安全检测的方法，利用弱透反射镜将光源发出光线分成两束，其中一束透射光照射至两个数字式光电传感器上，通过蓝色与黄色滤光片分别检测到光源中蓝色波段的光照度值和黄色波段的光照度值，实时监测黄色波段的光照度值及其与蓝色波段值的比值变化，当变化大于设定阈值时，判断蓝光泄露，关闭光源，通过实测验证了该方法的有效性和实用性，后续方向可以将滤光片减小至一个，来进行蓝光安全判断，在保证其检测准确性的同时降低成本和简化系统复杂度。