白光led的光谱优化研究

白光led的光谱优化研究

1荧光光视效能近年来，以大白色为代表的固体照明技术发展迅速。目前,功率型白光LED的光效水平已达150lm/W以上,而日亚化学报道的小功率白光LED的光效甚至高达249lm/W,商用白光LED的光效也超过了部分荧光灯水平。商用的两基色白光LED一般采用InGaN/GaN基蓝光LED芯片激发荧光粉制作而成,而荧光粉材料通常为铝酸盐,即掺铈的钇铝石榴石(YAG∶Ce3+)荧光粉。虽然目前LED可采用的荧光粉还有其他种类,如氮氧化物、硼酸盐等,但YAG以其转换效率高、热稳定性好、成本低等诸多优点成为两基色白光LED的主要荧光粉。这类白光LED的光效普遍很高,但显色性较差,不适合应用于暖色温照明领域。其显色性差的原因被认为是红光成分的缺乏造成的。光视效能与显色指数是白光LED的两个重要参量,且它们是一对矛盾,光视效能的提高是以显色指数的降低为代价的。因此,改善商用两基色白光LED的显色性主要是通过优化LED的光谱形状来实现,如改变黄色荧光粉中稀土离子的掺杂使其荧光粉发射谱的波长向长波方向移动、直接加入红色荧光粉或红光LED芯片等,以弥补红光成分的不足。目前,理论上两基色组合的光视效能高于440lm/W。优化三基色光谱,光视效能可达到300lm/W且显色指数大于85。目前关于光视效能与显色指数的优化报道大多仅考虑固定半高宽,且不涉及荧光粉型LED固有的斯托克斯效率的计算。本文通过调节光谱的峰值波长、半高宽、相对光功率比,先在中性相关色温4870K附近讨论两基色、三基色LED光源的光谱优化,进而在优化的三基色LED光源基础上分析可调色温白光特性。2实验2.1荧光光催化染料s发光效能(ηL)简称光效,是LED的一个重要参量,为光通量和电输入功率的比值,可用公式(1)表示:ηL=ηe×K‚(1)ηL=ηe×Κ‚(1)式中,ηe为光电转换效率,由内量子效率、光引出效率、注入效率、荧光粉转换效率等决定;K为光视效能(Luminousefficacyofradiation,LER),定义为光通量和辐射通量的比值,用公式(2)表示:K=638∫780380S(λ)V(λ)dλ∫780380S(λ)dλ‚(2)Κ=638∫380780S(λ)V(λ)dλ∫380780S(λ)dλ‚(2)其中,S(λ)为光源的光谱功率分布,V(λ)为明视觉下的人眼视见函数。荧光粉斯托克斯效率ηS(Stokesefficiency,SE)定义为:当波长为λ1的光子转化为波长为λ2(λ1<λ2)的光子时,ηS=λ1λ2‚(3)ηS=λ1λ2‚(3)本文指定λ1和λ2分别为蓝光和黄光的中心波长,其能量对应中心能量。显色指数(Colorrenderingindex,CRI)用于表征物体在照明光源下颜色的还原能力,最大值为100。通过计算14种样品色在参考光源和待测光源下的色差,利用公式(4)得到14个特殊显色指数,继而对前8种样色的特殊显色指数求平均值,得到一般显色指数,即Ra,如公式(5)所示:Ri=100−4.6ΔEi‚(4)Ra=18∑i=18Ri.(5)Ri=100-4.6ΔEi‚(4)Ra=18∑i=18Ri.(5)相关色温Tc(Correlatedcolortemperature,CCT)也是白光LED光源的一个重要参数。当光源光色与某一温度下黑体辐射光源光色相近时,后者温度即为相关色温。本文的优化分析将只涉及由光谱决定的光视效能、显色指数、荧光粉斯托克斯效率,而不考虑内量子效率、光引出效率、注入效率及荧光粉量子效率等的研究。2.2多基色仿真实验目前商用白光LED的荧光粉为YAG∶Ce3+,这种荧光粉在成本、发光特性、稳定性方面都有独特的优势。通常InGaN/GaN蓝光芯片的激发峰值波长约为460nm,而YAG的发射波长在550nm左右。本文的优化扩大讨论范围,将二者的峰值波长分别定为440～470nm和530～600nm。同时,蓝光半高宽(Fullwidthathalfmaximum,FWHM)设为10～30nm,YAG荧光粉半高宽为50～150nm。对于三基色,补充的红光峰值波长选为600～700nm,半高宽为10～30nm。相关参数的选取均较好地符合了当前芯片和荧光粉发射谱的实测值。下面以两基色优化为例介绍优化过程。初步设定蓝光和黄绿光的峰值波长分别为440nm及530nm,半高宽分别为30nm和120nm,蓝光和黄绿光的相对功率值均从1连续调变至5,间隔为0.1。此时可在指定色温范围内得到一组光视效能和显色指数的数据,并从中选取最优值。然后改变蓝光和黄绿光的峰值波长和半高宽,重复上述步骤,直到在指定色温范围内同时得到较好的光视效能和显色指数。三基色优化同样采用上述过程进行。因此,通过改变LED的各个基色的峰值波长、半高宽及相对光功率(Relativeopticalpower,ROP),可在固定中性色温4870K下优化得到较好的光视效能和显色指数。吴海彬等在相关色温5000K附近优化绿粉和红粉的组分,获得了92.5的高显色指数。3结果与讨论3.1半高宽和led-2-b两基色优化结果如图1所示。图1(a)中,蓝光峰值波长在440～470nm范围变化对于光视效能的影响不大;而黄光峰值波长改变时光视效能变化显著,黄光峰值波长红移引起光视效能明显下降。这可解释为:白光光谱的中心能量所对应的波长越靠近555nm,光视效能越高;而远离该值,则光视效能降低。进一步分析发现,当蓝光峰值波长为460～470nm和黄光峰值波长为555～560nm时,光视效能可达410lm/W以上,但显色指数只有55～60。当InGaN/GaN激发波长为470nm、YAG荧光粉发射波长为560nm时,改变二者半高宽,发现YAG的半高宽越小,光视效能越高,如图1(b)所示。当蓝光和黄光峰的半高宽分别为15nm和80nm时光视效能高达483.5lm/W,但Ra仅有38.6(表1中的LED-2-A)。由以上分析可知,该两基色(蓝光+YAG黄粉)LED在4870K可取得高光视效能,但却是以显色指数的明显牺牲为代价。当波长为450nm的InGaN/GaN蓝光芯片激发波长为600nm的红色荧光粉(表1中的LED-2-B)时,Ra和K分别为85和247.1lm/W,此时的显色指数较高,但光视效能较低。LED-2-A和LED-2-B的显色指数、光视效能、斯托克斯效率以及相对光功率配比均列于表1中。对比二者的斯托克斯效率可知,LED-2-A比LED-2-B具有较少的斯托克斯损失。这说明对于两基色的LED,显色指数高的LED可能比显色指数低的LED具有较多的斯托克斯能量损失。图2给出了蓝光峰值波长为440～470nm、黄光峰值波长为540～570nm时,斯托克斯效率同二者的关系。在该讨论范围内,当蓝光峰值波长为470nm、黄光峰值波长为540nm时,斯托克斯效率最高(87%)。3.2荧光led芯片的运行本文在470nm+560nm峰值波长和15nm+80nm半高宽的两基色组合下,分析掺入窄带红色荧光粉或红光LED的白光光谱。从图3(a)可以看出,红光峰值波长对光视效能的影响较大,且在600～610nm时光视效能较高;但红光FWHM对光视效能的影响较小。对比图3(a)和图3(b)下的相应区域,峰值波长为600～610nm时,显色指数明显低于70。图3(b)中,随着红光峰值波长的增加,显色性变得更好;而随着红光FWHM的变化,显色指数变化并不明显。综合以上分析得出结论:显色指数和光视效能随红光峰值波长的变化较大,且变化趋势相反;二者随FWHM的变化较小。此时,若红光峰值波长和FWHM分别在620～630nm和20～30nm区域内,则显色指数和光视效能同时较高。如红光峰值波长和FWHM分别为630nm和20nm时,Ra=84.7且K=324.4lm/W。与两基色相比,虽然光视效能下降160lm/W左右,但显色指数却得到了明显改善,升高了40点以上。然而,此时的显色指数和光视效能并非最佳值,这是因为以上讨论限制了蓝光和黄光的峰值波长和半高宽。同样取蓝、黄光峰值波长分别为440～470nm和530～590nm,FWHM为10～30nm和50～150nm,进一步在4870K下优化光谱。在(460+545+620)nm和(30+85+20)nm的组合(表1中的LED-3-A)下,显色指数可高达94.7,同时光视效能为343lm/W。该峰值波长和FWHM组合接近于之前报道的三基色低色温3000K优化的相应值。对比Ra=84.7且K=324.4lm/W的结果,显色指数和光视效能各提高了11.8%和5.7%。虽然AlGaInP基红光LED芯片的EL谱会随结温发生变化且芯片成本较高,但是考虑红色荧光粉会引入更多的斯托克斯效应,故本文计算LED-3-A的斯托克斯效率仅为加入红光LED芯片的情况,计算后的斯托克斯效率为84.4%,如表1所示。此时的斯托克斯损失与两基色的LED-2-A相比更小,这是因为该LED-3-A转换后的黄绿光中心能量更加接近蓝光中心能量。可见,要取得较少的斯托克斯损失,黄绿光波长应尽可能与蓝光波长接近。该三色组合同时在显色指数和斯托克斯效率方面得到了提高。3.3相对光功率比对显色指数的影响理论上,通过调节各个基色的相对光功率值便可实现不同色温白光LED。本文针对优化的LED光源,即LED-3-A,探讨色温可调白光LED的特性。表2列出了对应2700,3000,4000,4870,5500,6500K的相关色温,固定峰值波长为(460+545+620)nm和半高宽为(30+85+20)nm的组合,优化相对光功率比而得到的最佳显色指数。从表2可知,当相对光功率比值改变时,色温升高将导致最优显色指数先升高后降低;同样,色温升高也将使光视效能先增加后减小。在该组合下,较高色温(>4000K)对应的最优显色指数普遍比低色温(<4000K)的最优显色指数好。尤其当色温为4000K时,显色指数和光视效能相比4870K更佳,其中光视效能高达363.5lm/W。可见,对于同一个LED,当改变驱动电流或荧光粉颗粒的数量即改变其相对光功率比以取得不同色温时,显色指数与光视效能均会发生不同程度的改变;其他色温下的显色指数和光视效能反而可能比目标色温4870K下更佳。由于固定该峰值波长组合,可调色温LED的斯托克斯效率并未发生改变。4显色指数及光视效能在中性色温4870K下优化了两、三基色的荧光粉型白光LED的光谱。首先优化蓝光激发YAG荧光粉的白光光谱,发现在470nm+560nm峰值波长和15nm+80nm的半高宽下,光视效能高达483.5lm/W,然而显色指数却不到40,满足不了一般照明对高显色性的要求。计算两基色的斯托克斯效率发现,显色指数高的LED可能比显色指数低的LED具有较多的斯托克斯能量损失。加入窄红色荧光粉或红光LED芯片进一步优化后,光视效能提高为343lm/W,同时显色指数升至94.7。计算优化的三基色白光LED的斯托克斯效率后发现,其斯托克斯损失仅为15.6%,说明与两色组合相比,三色组合不仅改善了显