荧光粉转换白光发光二极管最佳基色组合的研究

荧光粉转换白光发光二极管最佳基色组合的研究

1基于紫外光led随着半主导技术的快速发展和新材料的开发和应用，gan基发光器技术逐渐发展并成熟。以其为基础的光照明设备已经进入了实际应用阶段。光照明设备及其组合光具有固体化、体积小、使用寿命长、抗疲劳防滑、不易损坏、启动响应时间快、噪声等优点。与此同时，他们也受到了各国政府和公司的高度重视。它拥有广阔的市场和广阔的发展前景。在爱迪生发明泡沫后，它被称为世界上最伟大的发明之一。根据人们对可见光的研究,人眼睛所能见到的白光,至少需要两种光的混合,目前已经可通过人工匹配实现,如利用蓝光LED和可以被蓝光激发的黄色荧光粉结合组成白光LED;利用蓝、黄两色LED组合成白光的两基色模式和利用红、绿、蓝三色LED组合形成白光的三基色模式。但从光谱设计角度出发,白光LED有无数个同色异谱色,不同的光谱成分具有不同的光视效能、显色性等参数,这些参数是影响白光LED光源能否被广泛应用的重要因素。本文从白光LED的配色出发,根据色度学原理,采用计算机编程模拟,计算并分析了荧光粉转换白光LED和两基色、三基色白光LED的显色指数和光视效能等光谱参数,得到了作为优良照明用光源的基色组合和功率配比。2光栅显色性ra评价照明用光源有两个主要参数,一是光源的显色指数Ra,另一是光源的光效η。光源的显色性即光源对物体真实颜色的呈现程度,国际照明委员会(CIE)规定以标准光源和待测光源照明下14种标准样品的总的色位移量为基础来描述待测光源的显色性,用显色指数Ri表示,标准光源的显色指数为100,每种标准样品在待测光源下的显色指数为Ri=100−4.6ΔEi(i=1,⋯,14)(1)Ri=100-4.6ΔEi(i=1,⋯,14)(1)其中ΔEi为参照光源下和待测光源下物体的色差。光源对前8种测试样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra,通常情况下可作为评价光源显色性优劣的标准Ra=18∑i=18Ri(2)Ra=18∑i=18Ri(2)光源的光效是指光电转换效率,即输出的光通量与输入的电功率之比,它可由下式计算得出:η=ηC⋅κ(3)η=ηC⋅κ(3)式中η为光源的光效;ηC为光源的辐射效率,即电功率到光功率的转换效率;κ为光视效能,是指光源单位辐通量所得到的光通量,它可通过光谱分布计算得出:κ=κm∫800380v(λ)p(λ)dλ∫800380p(λ)dλ(4)κ=κm∫380800v(λ)p(λ)dλ∫380800p(λ)dλ(4)其中,v(λ)为光谱光视效率,其值为CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值y¯(λ)y¯(λ)函数曲线,p(λ)为光谱分布函数,κm=683lm/W为最大光视效能(在555nm处的取值)。光源的显色指数Ra描述了光源对物体真实颜色的呈现程度,光效η则是描述光源将电能转换为光能的能力高低,对于辐射效率一定的LED,光视效能κ直接反映了η的变化情况。因此Ra和κ是评价白光LED性能的两个重要参数。如何选取基色使白光LED具有较高的光视效能和显色指数则是白光LED配色要解决的主要问题之一。3光谱比较情况在模拟计算中,基色光谱p(λ)选取如下:p(λ)={exp[−{(λ−λ0)/Δλ0.5}2]+2×exp[−{(λ−λ0)/Δλ0.5}2]5}/3(5)p(λ)={exp[-{(λ-λ0)/Δλ0.5}2]+2×exp[-{(λ-λ0)/Δλ0.5}2]5}/3(5)其中λ0为峰值波长,Δλ0.5为半宽。图1为峰值波长460nm,半宽为25nm的实际测量光谱和模型光谱比较图,从图中可见模型光谱与实际测量光谱基本一致,在误差允许范围内可作为数学模拟所用光谱。在国际照明委员会(CIE)色品图上,两种颜色相加产生的第三种颜色总是位于连接这两种颜色的直线上,位置由两种颜色三刺激值的比值决定,图2为两基色匹配白光的CIE色品图,图中E点为等能白点,色品坐标为(1/3,1/3),A、D为光谱轨迹的两个端点,连接AE并延长交光谱轨迹于C点,连接DE并延长交光谱轨迹于B点,由色度学可知,在区域ABE(蓝、绿光范围)内,对于给定的光谱色S1(三刺激值为X1,Y1,Z1),必定在区域CDE(红、黄光范围)内存在给定半宽的光谱色S2(三刺激值为X2,Y2,Z2)与之相匹配构成白光,且两基色满足重力中心定律:S1ES2E=X2+Y2+Z2X1+Y1+Z1(6)S1ES2E=X2+Y2+Ζ2X1+Y1+Ζ1(6)依据匹配白光W=S1+nS2,确定好基色光S1的峰值波长、半宽和基色光S2的半宽,并以单位功率S1光为基准,根据公式(6)求基色光S2的波长和功率n,并计算相应白光LED的光视效能和显色指数。同理,三基色白光LED匹配白光W=S1+S2+nS3,配色计算时先确定好基色光S1和S2的峰值波长、功率和半宽,根据公式(6)求匹配色S3的波长和功率n,并计算相应白光LED的光视效能和显色指数。4荧光功率配比和光视效能根据以上的理论分析和程序模拟,分别计算了荧光粉转换白光LED和两基色、三基色白光LED的配色组合,由于数据繁多,三基色白光LED的配色组合只给出了显色指数大于50,光视效能大于280lm/W的30组基色组合。图3为荧光粉转换白光LED的光视效能κ和显色指数Ra随基色波长的变化曲线,横坐标两排数据分别为紫/蓝光LED和被激发荧光峰的峰值波长。从图中可见,随基色波长的增加,光视效能和显色指数都呈抛物线型趋势,但两参数的变化不同步,当基色组合为450nm+573nm时,光视效能达到最大值303lm/W,随后迅速减小,而显色指数此时仍不断增大,在465nm+577nm时达到最大值80.5。光视效能和显色指数最大值不能在同一组合上实现,这是因为在色度学中,要得到高的显色指数,要求光谱在可见光范围内有尽量宽的分布,而要得到高的光视效能,则要求光谱集中在555nm黄绿光的周围,从图中可见,当激发光为460～465nm时,匹配出的白光LED光视效能为300lm/W左右,显色指数接近80,是荧光粉转换白光LED较好的激发光选择范围。图4为荧光粉转换白光LED的荧光功率配比和光光转换效率随基色波长的变化曲线,其中荧光功率以单位功率的激发光为标准。众所周知,光子波长越短,能量越高,当荧光粉吸收短波长的激发光光子后,能量一部分被发射光光子释放,另一部分转换为热或荧光材料的分子震动,因此要减小荧光粉转换型白光LED的激发光功率损耗,必须有高的光光转换效率和低的荧光功率配比。从图4中可见,对不同的基色组合,光光转换效率相差不大,都在80%左右,而荧光功率配比有较大的差异。图5为两基色白光LED的光视效能κ和显色指数Ra随基色波长的变化曲线,横坐标同荧光粉转化型白光LED横坐标意义相同。从图中可见,随基色波长的增加,光视效能和显色指数的变化同图3有相同的趋势,两线都呈抛物线型趋势,当基色组合为450nm+573nm时,光视效能达到最大值411.84lm/W;而显色指数在480nm+581nm时达到最大值12。由于RGB型的白光LED基色光半宽较窄,从而可以获得接近理论最大值的光视效能。图6为两基色白光LED的功率配比,以短波长基色光S1功率为标准进行归一化处理,从图中可见,光视效能取最大值时,功率配比为1.6,显色指数取最大值是功率配比为0.9。图7为三基色白光LED30组配色组合的光视效能κ和显色指数Ra值随基色波长的变化曲线,确定好基色光S1后,随着基色光S2峰值波长的增加,Ra表现出抛物线型趋势,先增加后减小,最大值81在460nm+535nm+601nm处取得。但光视效能κ没有统一的规律,当S1为430nm和470nm时,κ随S2增大而减小,最大值为312lm/W,当S1为其他波长时,κ随S2增大而增大,最大值达373lm/W。同样κ和Ra的极值不能在同一点上取得。匹配白光的三基色功率配比可以从图8中得到,图中两短波基色光的功率分别取为1,长波基色光功率进行归一化处理。由于三基色光的光谱光视效率相差很大,因此匹配白光的最高光视效能将随三基色的比例有较大变化。由图7和图8可见,在光视效能的每一个上升区间内,当光视效能达到最大值时,红光比例取最低值,这是因为,绿光的光谱光视效率高,要使匹配白光获得高的光视效能,必须加重其中高光谱光视效率的绿光组分,而低光谱光视效率的红光组分要尽量少。根据以上理论分析和计算,进行了配色实验,图9为根据计算结果,蓝光LED和荧光激发峰峰值波长分别为463nm和575nm、功率按照1∶3.07配比得到的荧光转换型白光LED的相对光谱图。器件尺寸为1mm×1mm,测得光效13.57lm/W,显色指数为84。图9右上角是测得的色度坐标,与理论计算值(0.3234,0.3233)误差小于0.5%。5基色紫外光led光视效能从白光LED配色的两个关键性指标光视效能和显色指数出发,根据色度学原理,采用计算机编程模拟,对荧光转换白光LED和两基色、三基色白光LED进行了配色分析。得到了两基色白光LED光视效能最大值为411.84lm/W的450nm+1.6436×57