白光LED的光度与色度调节20100520.ppt.ppt

白光led的光度与色度调节 庄卫东稀土材料国家工程研究中心有研稀土新材料股份有限公司 主要内容 1 光度学与色度学基本知识2 led荧光粉基本知识3 白光led的光度与色度3 1黄粉 蓝光芯片的光度与色度3 2黄粉 红粉 蓝光芯片的光度与色度3 3黄粉 红粉 绿粉 蓝光芯片的光度与色度3 4红粉 绿粉 蓝光芯片的光度与色度4 结论 1 光度学与色度学基本知识1 1光度学 对可见光 波长380 780nm 能量的计量研究 1 辐射通量p光源向周围空间辐射能量的总辐射功率 2 发光强度i描述光源在某一指定方向上的光通量单位 cd发光具有方向性表征光通量空间分布的物理量 各向同性的点光源 3 光通量f光源表面的客观辐射通量对人眼引起的视觉强度 单位 lm 总光通量为 4 发光效率 每瓦消耗功率所发出的光通量数 单位 lm w 5 光量q光通量与照射时间的乘积 q f t 单位 lm s光量q对描述发光时间很短的闪光特别有用 一般相机机的快门在20ms左右 而闪光灯脉冲持续时间为1ms左右 底片上的感光程度主要处决于闪光灯的光量大小 闪光灯至景物的距离及景物本身的平均反射率等 1 1光度学 5 亮度l表征发光体在视线方向单位投影面上的发光强度 沿观察方向单位投影面积上的发光强度 l di da 单位 cd m2 发射体元表面d 在与其法线成 角的方向上的亮度l 为 1 1光度学 6 照度e 表征受照面被照明程度的物理量 可用落在受照物体单位面积上的光通量数值来量度 可表达为 单位 lx 照度定律 1 1光度学 视见函数眼睛的灵敏度与波长的依赖关系 光谱光效能 k 用来表示人眼对不同波长的光的响应度在波长 下 辐射1w的功率 辐射通量 被标准观察者全部接收后所承认的光功率 光通量 的大小 即某一波长上每一瓦光功率可产生多少流明的光通量 单位 lm w 光谱光效率 v 归一化的光谱光效能 亦称视见函数各个波长下的光谱光效能是不一样的 波长为555nm左右时达到最大 用km表示 为计算方便 采用归一化 即用km来除其他各处的k 得到相对视见函数v k km 7 视见函数v 1 1光度学 光谱光效率曲线 视见函数 眼睛对强光和弱光的视觉过程是由两种不同的视细胞来完成的 将亮适应的视觉称为明视觉 暗适应的视觉为暗视觉 2 视角 明视觉 在相当强的照度下 1毫朗伯 可以辨别颜色和详细情节 视场小10 视角 暗视觉 视觉灵敏度高 但不能分辨颜色和细节 视场较大 1 1光度学 发光过程是一个量子过程 产生的光子 或光量子 的能量是影响光效 的因素 量子转换效率 内量子效率 量子提取率 产生的光子中成为发射光子的百分数 总 量子效率 量子转换效率 量子提取率 发射光的能谱分布 人眼视觉函数 1 1光度学 荧光粉与芯片匹配时考虑的首要因素 不同波长光的视觉效果不同 光效不同对于 555nm明视觉视见函数 1 1w能量转化为683lm 510nm 明视觉视见函数 0 5 1w 342lm 610nm 明视觉视见函数 0 5 1w 342lm若1w功率转化为450nm的蓝光 蓝光led的中心发射波长 对于明视觉仅得26lm 可见发射蓝光的led的光效很低 视觉函数 1 1光度学 光效与视觉函数的关系 1 1光度学 三种假设光谱的光效计算 光谱能量分布与明视见函数曲线一致 光谱能量在可见光谱区域均匀分布 光谱能量自555处向紫端 红端直线递减 在380和780nm处降到0 杨正明 电光源光效的分析 第五届全国电光源科技研讨会论文集 p11 22 结论 高光效要求光谱能量集中在555nm的高光效区 低光效区不出现任何能谱峰 紫外 红外谱区能谱为0 而实际的白光光源 在低光效区必有若干谱峰出现 或光谱延伸到紫外 红外区段这必然使光效降低 1 1光度学 计算结果 1 2 1色度即为饱和度 色调 色度既说明彩色的类别 又说明彩色的深浅程度 彩色光的三要素 1 亮度 光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉 取决于人眼感觉的光功率的大小 同一物体因受光不同会产生明度变化 强度相同的不同色光 亮度感不同 2 饱和度 表示颜色的深浅程度 取决于纯色光中混入白光的程度 彩色比例越大 该色彩的饱和度越高 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色 当光谱色 即单色光 掺入白光成份时 其彩色变浅 饱和度下降 3 色调 表示颜色的种类 取决于进入人眼的光的波长 1 2色度学 减色系统 色调 三原色 红 绿 蓝 它们相互独立 其中任一色均不能由其它二色混合产生 它们又是完备的 即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到 色调的两种基色系统 加色系统原色是红 绿 蓝 不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色 其规律为 红 绿 黄 红 蓝 紫 蓝 绿 青 红 蓝 绿 白减色系统基色是黄 青 紫 或品红 1 2色度学 加色系统 格拉斯曼颜色混合定律 补色律 如果两种彩色以适当的比率混合后可以产生白色或灰色 称该两种彩色互为补色 如果两者按其它比例混合 则产生近似于比重较大的彩色成份的非饱和色 每一种彩色都有一种相应的补色 中间色律 任何两种非补色相混和 便产生中间色 其色调决定于两彩色在色调顺序上的远近 颜色代替律 如果颜色a 颜色b 颜色c 颜色d 式中的 表示视觉上的相同 那么就有颜色a 颜色c 颜色b 颜色d 式中的 表示相加混合 例如 如果c a b且b x y那么就有c a x y 亮度相加律 混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色的亮度的总和 1 2色度学 两种原色混合 次色 两种原色的补色 次色 补色 白色 1 2色度学 颜色混合定律的延伸 两种原色混合的次色与原色的补色可混合出白色 如何表示丰富多彩的颜色 1 2 2颜色的表示方法 国际照明委员会 cie 规定了两种表色系统 cie rgb和cie xyz系统两种系统的主要区别在于前者采用客观的光谱色作为三原色 后者是采用假想的三原色 1 2色度学 cie rgb表色系统 三原色确定 原则上它们的组合能匹配出尽量多的颜色红色 波长为700 0nm 用 r 表示 绿色 波长为546 1nm 用 g 表示 蓝色 波长为435 8nm 用 b 表示 如果将r g b看成三个变量 就形成一个三维彩色空间 可以用一个三维的立方体来表示它们能组成的所有颜色 可由三原色匹配出各个光谱色 单一波长的光 将匹配等能光谱色的全部结果用色品坐标 r g表示即如上图所示 1 2色度学 cie rgb表色系统 r g b 可表示一个颜色若令则r g b 1r和g即可确定一个颜色可用平面直角坐标系中的一个点来表示 麦克斯韦色三角图三原色单位 适量的r g b混合后得到一个白色 即为单位量的r g b选定的三原色混合的白光色品坐标为r g 1 3 cie rgb表色系统存在的问题 rgb系统在某些场合下 例如被匹配颜色的饱和度很高时 三色系数就不能同时为正 也就是说大部分光谱色的色坐标都出现负值 限制了其应用 解决途径 希望有一种系统能满足以下的要求 1 三刺激值均为正 2 某一种原色的刺激值 正好代表混合色的亮度 而另外两种原色对混合色的亮度没有贡献 3 当三刺激值相等时 混合光仍代表标准 等能 白光 这样的系统在以实际的光谱色为三原色时是找不到的 于是就出现了以假想色为三原色的xyz表色系统 1 2色度学 1 2色度学 cie xyz表色系统 设计一个适当的三角形把rgb表色系统中的光谱轨迹包围起来 如右图所示 三角形的顶点为x y z 使用x y z所对应的三原色匹配光谱色将不会出现负值 三角形的几点规定 1 等能白光应该由等量的 x y z 组成 2 xy连线应仅可能与光谱曲线的红端相切 yz连线在蓝绿侧和光谱曲线相切 3 xz连线区在亮度为零的线上 rgb原色r 700nmg 546 1nmb 435 8nm参照点 等能白exyz原色 x 1 2750 0 2778 y 1 7392 2 7671 z 0 7431 0 1409 1 2色度学 cie xyz表色系统 表色系统间的转化公式 转化后 rgb xyz 三刺激值x y z与色品坐标x y z的关系 1 2色度学 在xyz色坐标体系内 等能白色的色坐标 x y 0 3333 cie xyz表色系统 x y z 1 同样在xyz表色系统中 彩色光的色品可以用二维空间表示 xyz色度系统是目前常用的色度系统 xyz基色的选择只是计算中应用的 假想的 并不是自然界中实际存在的 所以又叫计算三基色 1 2色度学 cie xyz表色系统 为便计算亮度 要求彩色光的亮度仅由刺激值y决定 令刺激值y与改色的视亮度v相等 而v可由光谱功率分布函数和视觉函数v 计算得到 等能光谱在xyz系统中每个波长上的三刺激值便可求得 如右图所示 被称为标准色觉函数或色匹配函数 2o视角的色匹配函数 光源颜色的确定 确定了光源的相对光谱功率分布p 后光源的三刺激值可由下列公式求出 1 2色度学 公式中的色匹配函数如右图所示 光源的色坐标可由如下公式求得 2o视角的色匹配函数 补色 非光谱色 从光谱轨迹的任一点通过c画一直线交对侧光谱轨迹上一点 该直线两端的颜色互为补色 虚线 从紫红色段的任一点通过c点画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点 这个非光谱色就用该光谱颜色的补色来表示 表示方法是在非光谱色的补色的波长下附以脚注c 如536c 为536nm绿色的补色 1 2 3xyz表色系统中常用名词解释 色纯度 主波长 色度图上有颜色s 由白光c通过s画一直线至光谱轨迹o点 590nm s颜色的主波长即为590nm 此处光谱的颜色即s的色调 橙色 某一颜色离开c点至光谱轨迹的距离表明它的色纯度 即饱和度 色纯度 cs co 100 45 1 2色度学 等色调波长线如wg g点的波长f 就是wg线上彩色的色调波长 等饱和度线在等色调波长线上 越靠近w点 饱和度越低 越靠近谱色轨迹 饱和度越高 饱和度相同的各点连成的曲线称为等饱和度线 等色差域在色度图的不同位置 沿不同方向 人眼可识别颜色变更的最小距离称为刚辨差 相同刚辨差的点所围成的区域是等色差域 1 2色度学 1 2 3xyz表色系统中常用名词解释 物理学家们定义了一种理想物体 黑体 指入射的电磁波全部被吸收 既没有反射 也没有透射 以此作为热辐射研究的标准物体 它的辐射程度只与它的温度有关 色温 光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时 黑体的温度称为该光源的色温 一般是蓝色成份高时色温较高 红色成份高时色温较低 相关色温 当光源的光谱只能与黑体某一温度下的光谱相近似 而不能精确等效时 则称这一温度为光源的相关色温 1 2 4相关色温 1 2色度学 色温可由由色坐标 x y 初略计算得出 t 669n4 779n3 3660n2 7047n 5652 其中n x 0 329 y 0 187 t 437n3 3601n2 6861n 5514 31 其中n x 0 3320 y 0 1858 1 2色度学 需要色彩精确对比和判断的场所如 博物馆 贵重产品展示照明 摄影灯 外科手术灯等 ra 90 1 2 5显色性 ra colorrenderingindex 光源在照射物体时 能否充分显示被照物颜色的能力在特定条件下 物体由光源照明和由参比施照体 即标准光源d65 照明时 知觉色符合程度的度量就称作该光源的显色指数 ra 75 ra 85 1 2色度学 标准光源d65 典型日光或叫重组日光 显色指数ra 平均显色指数 是通过测量和计算出1 8号试验色的色差值而得出的 在高显色中还经常试用r9 r15等7个特殊显色指数 r1 浅灰红色 r2 暗灰黄色 r3 饱和黄绿色 r4 中等黄绿色r5 浅蓝绿色 r6 浅蓝色 r7 浅紫色 r8 浅红紫色 r9 饱和红色 r10 饱和黄色 r11 饱和绿色 r12 饱和蓝色r13 白人妇女肤色 浅黄粉色 r14 中等程度的橄榄绿色 r15 中国妇女肤色 1 2色度学 色样的显色指数ri由下式确定 ei为照明光源由标准光源换成待测光源时 试验色i在1960 ucs色品图上引起的色差值 uki vki uoi voi 分别为待测光源 k 与标准光源d65 o 照射试验色i时的1960 ucs色坐标值 uk vk uo vo 分别为待测光源与标准光源d65的1960 ucs色坐标值 1 2色度学 1 2色度学 1960cie ucs x y与u v坐标的转换 1 8号色样的光谱亮度系数 1 2色度学 在待测光源下 确定色样的色坐标 关键之一是色样的光谱亮度系数 若待测光源中缺少某一色样的所对应的光谱 会造成该色样在标准光源和待测光源照射下的比对结果 ei 变大 导致色样的显色指数变小 甚至出现负值 可根据1 15色样的光谱亮度系数对光源的显色指数做出调整 r1 浅灰红色 r2 暗灰黄色 r3 饱和黄绿色 r4 中等黄绿色 r5 浅蓝绿色 r6 浅蓝色 r7 浅紫色 r8 浅红紫色 9 15号色样的光谱亮度系数 1 2色度学 r9 饱和红色r10 饱和黄色r11 饱和绿色r12 饱和蓝色r13 白人妇女肤色 浅黄粉色 r14 中等程度的橄榄绿色r15 中国妇女肤色 结论 高显色指数要求光谱在可见光范围内有尽量宽的分布 主要内容 1 光度学与色度学基本知识2 led荧光粉基本知识3 白光led的光度与色度3 1黄粉 蓝光芯片的光度与色度3 2黄粉 红粉 蓝光芯片的光度与色度3 3黄粉 红粉 绿粉 蓝光芯片的光度与色度3 4红粉 绿粉 蓝光芯片的光度与色度4 结论 2 1白光led的作用机理 多芯片型 单芯片型 色要求包含尽可能多的颜色 色域 显色性 宽带发射或多种荧光粉组合 效率要求有效激发范围覆盖芯片发射波长高的量子效率小的散射及荧光粉层间再吸收 其他要求形貌规则颗粒度小 分布均匀比表面积大 稳定性要求物化稳定性高 抗辐射能力强低的热猝灭特性寿命长 光衰小 2 2led荧光粉概述 选择标准 2 2 1石榴石型铝酸盐荧光粉 发展历史 yag荧光粉开发于1960s 牌号p46 主要用于飞点扫描1997 7 29 日亚专利us5998925采用蓝光ingan搭配yag实现白光发射2000 7 8 欧司朗通过tb掺杂得到tag 并申请白光专利us6669866自上世纪末以来 有研稀土就在70年代开发的飞点扫描yag荧光粉的基础上 针对led的应用特点 通过基于能量传递的多稀土掺杂技术 晶体场理论的基质调节技术以及不等价取代 电荷补偿等多种途径开发出了led用新型石榴石型荧光粉 专利zl200610114519 8 us2009 0218585a1 de112007002622t5 并提升了其性能 2 2 1石榴石型铝酸盐荧光粉 yag tag及有研产品 b led tag b led yag b led 有研 nichiayag re1 r smr 3 al1 s gas 5o12 ce osramtag tb1 x y rex cey 3 al ga 5o12 有研griremlnamb o f 12 r3 m 2 x us5998925 us6669866 zl200610114519 8us2009 0218585a1de112007002622t5 2 2 1石榴石型铝酸盐荧光粉 发光特性 ga gd y3al5o12 ce 2 2 1石榴石型铝酸盐荧光粉 基质调整为适应不同产品需要 白光led 60 120lm w 色温4000 8000k 黄色荧光粉 530 560nm 蓝光led芯片 430 480nm gd ga 2 2 2正硅酸盐荧光粉 发展历史 thomasl barry etal j electrochem soc 1968 115 11 75 81 通用电气 us6429583 1998 12 30丰田合成 us6809347 2001 11 19philip wo03 080763 2003 3 25intematix us2006 0027781 2004 8 4有研稀土 200610088926 6 pct cn2007 003205 2006 7 26 蓝光led 正硅酸盐 石榴石型铝酸盐 半峰宽 60 80nm发射可调范围 500 580适合激发范围 380 470颗粒度 相对较大温度猝灭特性 较大 半峰宽 100nm发射可调范围 515 565适合激发范围 430 470颗粒度 较为适中温度猝灭特性 一般 2 2 2正硅酸盐荧光粉 各个专利涉及的化学式及应用 通用电气 us6429583 1998 12 30ba2sio4 eu2 发射在505nm的绿色荧光粉 与蓝光led组合制灯 丰田合成 us6809347 2001 12 19 2 x y sro x bau cav o 1 a b c d sio2 ap2o5 bal2o3 cb2o3 dgeo2 yeu2 发射黄绿 黄色甚至橙色光 可以匹配紫外或蓝光led philip wo03 080763 2003 3 25 ba1 x y zsrxcay 2sio4 euz 绿粉 和另一种红粉匹配蓝光led形成led灯 intematix us2006 0027781 2004 8 4a2sio4 eu d 其中a为ca sr ba mg zn cd d为卤素元素 p s n 有研稀土 zl200610088926 6 us2009 0128006a1 2006 7 26ao asio2 bax2 meu2 nr3 其中x为卤素元素 r为三价的敏化剂离子 2 2 2有研含硅荧光粉的发光特性 敏化剂r的引入显著提高了发光强度 达到160 2 2 2有研含硅荧光粉的发光特性 a2sio4x eu2 r3 sr ba ca eu 2 2 3氮化物 氮氧化物荧光粉 特点与优势 1 高共价性 有效激发范围宽 可被紫外到蓝光有效激发2 结构多样性 发光颜色多 覆盖全可见光区域3 化学性质稳定 耐湿 发光性能优良 热猝灭性能好然而 该类荧光粉制备条件苛刻 通常需要高温 高压等条件 技术主要被三菱等跨国大公司掌握 我国处于开发初期 主要有有研和中村宇极等公司有小批量产品供应 目前应用的氮化物荧光粉主要是氮化物红粉 2 2 3有研开发的常压高温固相合成技术 低温焙烧 高温焙烧 后处理 sr1 xcax 2si5n8 eu 1atm 1500 6h 手套箱 管式炉 庄卫东 等 中国发明专利 申请号200910076364 7 wdzhuang etal j rareearths 2008 26 5 652 655wdzhuang etal j rareearths 2009 27 1 58 61 富sr的正交晶系 富ca的单斜晶系 两相区 sr减少ca增加 2 2 3sr ca调节对结构与发光性能的影响 2 2 3氮化物红粉产品形貌比较 有研氮化物红粉 商用氮化物红粉 2 2 3caalsin3 eu荧光粉的合成与发光性质 手套箱 管式炉 常压高温氮化还原法1atm 1500 6h eu 2 2 3其他氮 氧 化物荧光粉 2 2 4其他类型荧光粉 sr3sio5 eu 1960s被g blasse报道 2 2 4其他类型荧光粉 css ce casc2o4 ce ca3sc2si3o12 ce 2 2 4其他类型荧光粉 mega2s4 eu 2 2 4其他类型荧光粉 ca8mg sio4 4cl2 eu r稳定性好 有效激发范围较宽 但效率偏低 ref yfang etal j rareearth 2004 22 1 庄卫东 等 中国发明专利 zl03137335 6 ca 505nmsr 464nmba 450nm 主要内容 1 光度学与色度学基本知识2 led荧光粉基本知识3 白光led的光度与色度3 1黄粉 蓝光芯片的光度与色度3 2黄粉 红粉 蓝光芯片的光度与色度3 3黄粉 红粉 绿粉 蓝光芯片的光度与色度3 4红粉 绿粉 蓝光芯片的光度与色度4 结论 3 1黄粉 蓝光芯片的光度与色度 仅使用黄色荧光粉 白光的发射光谱与视觉函数可以较好的吻合 故可得到较高光效的led产品仅使用黄色荧光粉 白光的发射光谱可见光区域分布较窄 故白光的显色指数一般比较低 3 1黄粉 蓝光芯片的光度与色度 1 一般情况下 黄色荧光粉与蓝光芯片的最佳匹配关系如下 黄色荧光粉的发射峰值 nm蓝光峰值波长 nm530 5450 455540 5455 460550 5460 465555 5465 470然而 由于各家黄色荧光粉发射光谱的不同 上述匹配关系并不是一成不变的 具体情况需试验确定 2 该组合方式中封装胶与荧光粉的比例关系也没有一个定论 其影响因素有很多 如需求的白光的色温及荧光粉的发光效率等 目前黄粉与封装胶的重量比例大概为 5 20 100 3 目标白光的色温可以通过调整芯片和与芯片所匹配的黄色荧光粉的波长与比例来实现 在种类确定的情况下 荧光粉涂覆量越多 目标白光的色温越低 然而 由于黄色荧光粉的红色比很低 因此这种方式做出的白光色温不会太低 而且显色指数不会很高 解决途径 添加红色荧光粉 色点将位于添加红粉以前的色点和添加的红粉的色点两者的连线上 由于红粉的色点位于cie色度图的右下方 因而红粉的加入将降低色温 并由于红色成分的增加 显色指数也将得到提升 3 1黄粉 蓝光芯片的光度与色度 gp 0754粉胶比例 3 2黄粉 gp 0754 红粉 gp 0765 蓝光芯片的光度与色度 r区放大 红粉在黄粉中的含量 3 2黄粉 gp 0754 红粉 蓝光芯片的光度与色度 两款红粉 gp 0763和gp 0765 的对比 2 gp 0754 gp 0765y r 91 9 1 gp 0754 gp 0763y r 91 9 3 3黄粉 红粉 绿粉 蓝光芯片的光度与色度 gp 0754粉胶浓度为5 2 gp 0754 gp 0765y r 95 5 3 gp 0754 gp 0765 gp 2751y r g 85 5 10 3 4红粉 绿粉 蓝光芯片的光度与色度 有研gp 0763氮化物红粉 有研css ce绿粉 蓝光芯片 右图 在蓝光led 假设其色点稳定于b 0 138 0 055 激发下led荧光粉黄色 y 红色 r 在cie图中的色点 其中黄粉坐标y 0 45 0 53 红粉坐标r 0 61 0 38 当蓝光led 黄粉得到的白光的色坐标只能在y b两点的连线上 尽管其具体的位置可随着芯片的效率和荧光粉的亮度及用量而变化 但却不会偏离线段yb 现假定其位于yb上的w1 0 323 0 337 在此基础上再加入一定量的红粉以后 目标色点会随着红粉用量的增加而沿着w1r向色点r移动 如w2 0 375 0 345 从而达到降低色温 提高显色指数等目的 此外 由色坐标可初略估算出w1点的色温为6000k w2点的色温为3900k 右图 蓝光ledb 0 138 0 055 激发下黄粉 y 红粉 r 绿粉 g 在cie图中的色点 其中黄粉坐标y 0 45 0 53 红粉坐标r 0 61 0 38 从前面知道采用蓝光led 黄粉 红粉 假定在目标色点