白光led显色指数的优化选择

白光led显色指数的优化选择

0多芯片混合技术自1996年实现照明光源市场以来，光光灯一直致力于1998年的照明光源市场。此外，由于进一步的半材料和制造技术的改进，以及光效率的不断提高，光光灯被广泛应用。它被称为第四代照明光源，是21世纪的主要绿色光源。连续光谱的白光不可能从单一的LED芯片获得,白光LED的实现途径大致分为三种:光转换技术、多芯片混合技术和量子阱技术。光转换技术是利用荧光粉吸收LED芯片发出的较短波长的光(如蓝光、紫外光),激发出较长波长的光(红、蓝、绿、黄光),吸收光谱与激发光谱有重叠部分,通过多色光的混合得到白光。这种技术具有成本低、制作简单、易产业化等优点。多芯片混合技术是利用三基色原理,将发射红、绿、蓝光的LED芯片集成按比例混合得到白光。这种技术通过控制施加在各个LED芯片上的电流,能够随意调出所需要的颜色,且色调、色温调整灵活,色域较宽,但不同LED芯片发光时的温度特性、电流特性皆不一致,随时间的衰减速度也不一致,易造成白光颜色的漂移,需增加光色反馈、热老化等控制系统,进一步增加了成本,系统的可维护性也下降。量子阱技术是在外延生长芯片发光层时,掺杂不同的(非)金属元素形成不同的电子或空穴的势阱(量子阱),通过不同的量子阱发出的不同波长的光子直接混合得到白光。这种技术不稳定,难度较大。本文结合光转换技术和多芯片混合技术,模拟分析并从实验上得到不同色温区的高显色指数的白光LED。这两种技术的结合使得芯片发射光中有一部分作为荧光粉激发光的形式被吸收而不直接参与混光,因此混合而成的白光光谱成分中有一部分来自于荧光粉的受激发射光,而非全部来自于单纯的多芯片混合光,这种方法缓解了不同LED芯片之间温度特性、电流特性对白光色质的影响。1理论基础1.1考虑随机分布特性的数值模拟采用基于蒙特卡罗的光线追迹方法对LED器件性能进行仿真分析,此方法实质是一种以概率论为基础来对数据进行统计计算和分析的方法。若有一随机变量ξ,所要求的目标值k是这组随机变量的数学期望E(ξ)。可对变量ξ重复抽样N次得到相互独立的ξ序列:ξ1,ξ2,ξ3,…,ξN,为得到所求量k的近似值,对这组相互独立序列取算术平均值,有ξ¯N=1N∑n=1Nξn(1)ξ¯Ν=1Ν∑n=1Νξn(1)由柯尔莫哥洛夫强大数定律,概率为P(limN→∞ξ¯N=k)=1(2)Ρ(limΝ→∞ξ¯Ν=k)=1(2)上式表明,当N大至一定程度时,ξ¯N=kξ¯Ν=k成立的概率为1,即可用一组抽样得到的相互独立序列的算术平均值作为目标值k的近似值。因此,若要模拟某一物理现象,我们只需根据蒙特卡罗的思想,进行多次的随机抽样,经过大量的数值统计分析步步逼近所期望的结果。例如器件表面光线发生的反射和折射现象,只需对该表面上光线所发生的反射和折射情况进行重复的、大量的光线追迹,就可得到与实际相吻合的仿真结果。采用蒙特卡罗方法的关键在于如何抽样得到随机数,随机数序列的分布特性会直接影响计算效率和仿真结果,所以生成随机数序列的算法必须基于一定的物理规律。本文采用“低差异随机数系列(sobol)”算法,它其实是一种拟蒙特卡罗方法,与蒙特卡罗方法类似,只是采用了确定性的超均匀分布序列来替代蒙特卡罗方法中简单的随机数序列。这种方法能保证计算精度,而且在某些问题上的计算速度要比蒙特卡罗方法快得多。1.2pc与芯片辐射功率LED器件的封装效率可以简单定义为ηp=PmPc(3)ηp=ΡmΡc(3)式中,Pm为整个器件的辐射功率,Pc为芯片辐射功率,Pm、Pc皆为客观量,与人的主观感受无关。由于不同波长的光在人眼中产生的光谱光视效率不同,因此分析时除了考虑LED器件的光辐射功率外,还应着重于与人的视觉有关的光通量输出,即能够被人眼视觉系统感受到的那部分辐射功率。1.3其他光栅的染色普朗克公式指出,不同温度下黑体辐射不同的光谱功率分布,对应不同的颜色。当某光源发光颜色与黑体在一定温度下辐射的光颜色相同时,此时黑体的温度就是这种光源的色温。现实中,绝大多数光源的辐射特性不同于黑体辐射,在色度图中其光色坐标并不一定准确落在普朗克轨迹上,只能寻找与它最接近的普朗克轨迹上的点,这种方式得到的色温称之为相关色温,实际应用中描述光源的颜色特性通常采用相关色温。因此,讨论色坐标偏离普朗克轨迹太远的光源的色温并无意义。不同色温的光源表现出的照明效果不同。不同地区、环境下的人对色温的偏好不一样,这就使得对光源的色温调制尤为重要。改变荧光粉颗粒密度,可以改变荧光粉激发光和发射光的比例,从而改变色温。所以仿真分析时,可以通过调节荧光粉的密度来调节色温。2荧光光粉层参数采用基于蒙特卡罗的光线追迹方法对图1所示白光LED模型的光通量和光辐射功率进行仿真分析。图中反光杯壁倾角为22.5°,杯的高度为0.8mm,底面直径3.4mm,顶部开口直径为3.8mm。反光杯表面反射率为90%,吸收率为10%。小功率LED芯片几何尺寸为:R(红光):9mil×9mil;G(绿光):10mil×12mil;B(蓝光):8mil×10mil。厚度:R为200μm,G、B为90μm。R、G、B芯片发射功率分别为4.4、5.3和14.4mW(不同的荧光粉组合及排布方式所对应的三个芯片发射功率之比不同,此处根据实际芯片确定一组发射功率值,而后通过改变荧光粉组合方式、荧光粉颗粒密度等参数得到高显色指数白光),且光强分布均为朗伯光源,芯片上表面设为发光面,光辐射空间角度限定为140°,芯片表面吸收率为50%。荧光粉有红绿黄三种可选,图中的荧光粉层为荧光粉和胶体(硅胶或环氧树脂)的混合物,胶体折射率取1.5。荧光粉层中未被吸收的光线分布基于米氏散射理论,荧光粉颗粒皆设为球状,其平均粒径取15μm,密度可变以调节色温。计算时输入荧光粉的吸收光谱、激发光谱和发射光谱以及芯片发射光谱。光线追迹中,光线数目足够多,误差估计峰值控制在5%以内。从小功率器件的工艺成本等方面考虑,仿真模型均采用荧光粉传统涂覆方式,即将荧光粉填满整个杯。根据实际应用的场合,选取色温范围2000~8000K内最高显色指数。R、G、B芯片中,蓝光芯片波长最短,一般荧光粉的激发波长都在短波段,所以通过激发荧光粉产生的光与原芯片发射光混合得到白光的方法需要蓝光芯片的参与,因此主要考虑以下三种组合方式并得到其仿真结果。(1)荧光光谱分析采用三个蓝光LED,除了一部分蓝光激发荧光粉外,还剩余较多蓝光。高显色指数发生在高色温即冷色温区(冷白),从显色指数角度看,应尽可能地包含可见光光谱,对于BBB蓝光芯片,最为缺乏的便是红光和黄绿光光谱成分。对不同荧光粉进行仿真计算,得到表1所示结果(表中CRI、CCT、F、Φ、ρ和CIE分别表示显色指数、相关色温、光通量、光辐射功率、荧光粉颗粒密度和色坐标)。从表1可知,最高显色指数发生在BBB+红绿荧光粉组合,其色温CCT大于6000K。(2)粒子密度的影响此组合为2个蓝光LED和1个红光LED。激发荧光粉的蓝光减少,意味着对于相同密度的荧光粉,碰撞几率减小,导致激发效率降低。所以,为达到同样或更高的显色效果,需增加荧光粉的密度(激发单一的绿色荧光粉时,由于此组合有红光LED,所以绿粉密度不需要第一种组合那么高)。仿真结果如表2所示,除了单一的绿粉外,其他种类的荧光粉的粒子密度均较表1中有所提高。值得注意的是,密度过高阻碍光的出射,相应的光通量和光辐射功率都会有所降低;而且由于红光成分增多,绿光减少,使得色温处于低色温区(暖白)。(3)芯片/晶圆粉配比此组合中,激发蓝光进一步减少,使得总的粒子密度进一步增加,导致光通量和光辐射功率再次降低,如表3所示。(若不加荧光粉,要获得白光,R、G、B芯片的亮度要符合一定比例,即约为3∶6∶1,不属于本文研究范围)。综上所述,若需要冷色温的高显色指数白光(冷白光),可以选择BBB三芯片和绿+红色荧光粉,其光通量和光辐射功率相对于其他组合也较大;若要正白光,可选BBB+黄红荧光粉组合;若需色温为3000~3500K范围的暖白光,可选RBB+黄/黄绿/绿红/黄绿红粉,但从成本方面考虑,黄粉应用较广泛,相对于红绿粉价格较便宜,所以应选RBB+黄粉组合来得到高显色指数的暖白光。3led芯片性能测试实验中,采用橙色、绿色和黄色荧光粉,型号分别为O5742、G2762及YAG04,支架来自博罗冲压精密工业有限公司,采用新世纪LED芯片,其规格如表4所示,Iv、Vf和WLD分别表示发光强度、正向电压和波长域。经过固晶焊线后的LED芯片形态如图2所示,经点胶烘烤后的LED形态如图3所示。采用光电测试仪器进行测试,色温分别在冷白、正白和暖白附近的光谱如图4所示,显色指数、相关色温、光通量、光辐射功率及色坐标见表5。可以看出,实验结果与仿真结果吻合得较好。实验时,稍微调整了荧光粉配比使得白光色坐标位于普朗克黑体轨迹上,因此显色指数比计算值略有下降。4芯片/蓝色芯片显色指数是光源对被照射物体还原真实的能力。本文利用芯片