白光led的光色指标研究

白光led的光色指标研究

蓝色蓝色蓝色蓝色蓝色蓝色蓝色蓝色蓝色蓝色粉光灯作为一种新型的照明光源，在照明、路灯、灯、汽车前照灯等领域得到了广泛应用。基于荧光粉转换产生白光的方法有以下三种:(1)蓝光LED激发黄色荧光粉;(2)蓝光LED激发红、绿荧光粉;(3)紫外LED激发红、绿、蓝荧光粉。考虑到成本及制作方法的简便,目前市场上制作白光LED的主流方法是蓝光LED激发黄色荧光粉,而荧光粉的涂覆形式及工艺对白光LED光学性能的影响成为新的研究热点。刘宗源采用仿真的方法研究了荧光粉厚度及浓度对光学一致性的影响。Yuan-ChangLin、JiunPyngYou、NguyenT.Tran等人研究了荧光粉浓度及封装形式对白光LED的光功率、显色指数及色温的影响。Christian研究了光散射对大功率白光LED辐照度的影响。Christian分析了荧光粉不均匀性对白光LED光源器件性能的影响。RunHu采用基于蒙特卡洛的仿真方法研究了保形涂覆LED的光学性能。本文在前人研究的基础上,采用MonteCarlo光线追迹方法,在TRACEPRO软件中建立三种不同荧光粉涂覆方式下的白光LED模型,分析比较荧光粉浓度或硅胶厚度对整体光色性能指标如光通量、色温及显色指数的影响及变化规律。1白色矩阵模型1.1led模型封装光学仿真采用光学软件TRACEPRO对白光LED进行光学仿真,TRACEPRO模拟过程如图1所示。白光LED的模拟过程:首先建立白光LED的几何模型,接着设置LED模型的光学属性,然后设置光线追迹选项,最后对结果进行分析输出报表和模型。封装光学仿真采用MonteCarlo光线追迹的方法进行计算。在白光LED仿真过程中追迹两类光线,分步进行:首先追迹芯片发出的蓝光,然后追迹由荧光粉吸收蓝光转换成的黄光,最后得到由蓝光和黄光合成的白光。1.2光粉/硅胶三种白光LED模型结构如图2所示,由支架、蓝光LED芯片、黄色荧光粉/硅胶组成,结构尺寸如表1所示。图2(a)所示为芯片直接涂覆荧光粉,图2(b)所示为芯片涂覆硅胶后涂覆荧光粉层,图2(c)所示为芯片涂覆荧光粉后涂覆硅胶层。三种封装形式硅胶均不充满反光杯。1.3荧光光极的合成反光杯底面和侧面的面属性设置为mirror,反射率为95%,吸收率为5%。蓝光LED芯片的模型分为四部分,结构如图3所示,由衬底、n极、有源层和p极组成。假设衬底为透明,p极和n极的折射率均设为2.43,吸收系数为2mm-1。n极和p极之间是有源层,假设上表面为表面光源,其发光光谱如图4所示,波长范围为450~500nm,峰值波长为475nm。功率设置为1W,遵循朗伯分布。硅胶的折射率为1.53,吸收系数为0。荧光粉的折射率为1.63,吸收系数由内部公式uab(λ)决定。蓝光波长的各向异性系数为0.92,散射系数为40mm-1,黄光波长的各向异性系数为0.85,散射系数为35mm-1。荧光粉的量子反应效率为0.92,摩尔最高消光系数为39,000liter/(mole*cm),黄光波长范围为480~750nm,波段数为55。光通量门槛数设置为0.05。2分析与讨论的结果2.1蓝色荧光的光通量与变色的关系方式一:芯片直接涂覆荧光粉方式对于荧光粉直接涂覆在LED芯片上的封装形式,通过设置不同的荧光粉摩尔浓度来考察白光LED光通量、色温及显色指数的变化。荧光粉的摩尔浓度(单位:moles/liter)分别设置为0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06。从图5可以看出,光通量先是随着荧光粉摩尔浓度的增加而增大,当荧光粉摩尔浓度增加到0.02moles/liter时,光通量达到最大值64.2lm,之后光通量会随着荧光粉摩尔浓度增加而略有下降。荧光粉浓度由较低值增加到较高值时,荧光粉产生的黄光不断增多,光通量随之增大。当荧光粉的摩尔浓度增加到特定较高值时,由于荧光粉吸收过多的蓝光,而且荧光粉在转换中有能量损失,导致光通量下降。图6反映色温与荧光粉摩尔浓度之间的关系,色温会随着荧光粉摩尔浓度的增加而下降,这是由于荧光粉摩尔浓度的增加使得黄光成分不断增多引起的。由图7可知显色指数随着荧光粉摩尔浓度的增加而上升,当达到最大值70时,又随着荧光粉摩尔浓度的下降而下降。这是因为当荧光粉摩尔浓度不断增加时,蓝光激发荧光粉产生更多的黄光,由于黄光成分的增多,显色指数不断提高。当荧光粉增加到一定值后,由于荧光粉对蓝光的吸收导致了蓝光成分不断减少,从而造成显色指数随着荧光粉浓度的增加而降低。从图7可以看出,不同荧光粉摩尔浓度对应的显色指数均低于80。2.2基层光粉涂覆方式对led光通量的影响方式二:芯片涂覆硅胶后涂覆荧光粉层方式芯片涂覆硅胶后涂覆荧光粉层方式的模型中,荧光粉厚度均为10μm,摩尔浓度为0.015moles/liter,硅胶厚度分别设置为10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm,旨在探讨硅胶厚度对白光LED光通量、色温及显色指数的影响。从图8可以看出,光通量随着硅胶厚度的增加而增大,这是由硅胶的折射作用使得从芯片取出的蓝光增多引起的。硅胶厚度大于60μm后,光通量趋于稳定。在荧光粉厚度及浓度相同的情况下,与荧光粉直接涂覆在芯片上(方式一)相比较,芯片涂覆硅胶后涂覆荧光粉层方式的光通量增加19%。当硅胶厚度为100μm时光通量高达75.6lm,由此可知这种涂覆方式可以提高白光LED的光通量。由图9可知色温会随着硅胶厚度的增加而呈上升趋势,这主要是由于硅胶的折射作用使蓝光成分增多而引起的。从图10可以看出,显色指数先是随着硅胶厚度的增加而基本不变,当硅胶厚度为50μm时,显色指数达到最小值50.7,但当硅胶厚度再继续增加时,显色指数又会不断上升。由此可知,若需获得较高的显色指数,则需要选择适当的硅胶厚度。此外从图10还可以看出显色指数在70左右。方式三:芯片涂覆荧光粉后涂覆硅胶层方式芯片涂覆荧光粉后涂覆硅胶层方式的模型中,荧光粉厚度均为10μm,摩尔浓度为0.01moles/liter,硅胶厚度分别设置为10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm,旨在通过改变硅胶厚度来考察对白光LED光通量、色温及显色指数的影响。如图11所示,光通量随着硅胶厚度的增加而上升,当硅胶厚度为100μm时,光通量达到87.3lm,相比于前面两种涂覆方式(方式一和方式二),光通量有了较为明显的提高,由此可知,方式三可以提高白光LED的光通量。从图12可以看出,随着硅胶厚度的增加,色温先是呈下降趋势,达到一个最小值后,继而呈波浪式上升。色温先是随着硅胶的厚度不断增加而下降,主要是由于黄光成分增加造成的,随后色温会随着硅胶厚度呈波浪式上升趋势,这是由硅胶提取的黄光和蓝光比例不均匀造成的。如图13所示,显色指数随着硅胶厚度的不断增加呈线性上升趋势,然后又随着硅胶厚度的增加呈波浪式变化,趋势不明确。与前面两种涂覆方式相似,图13所示的显色指数在70左右。3涂覆蓝色荧光光粉的方式本文建立了三种白光LED的模型结构:第一种是芯片上直接涂覆荧光粉;第二种是芯片上涂覆硅胶后涂覆荧光粉层;第三种是芯片涂覆荧光粉后涂覆硅胶层。分析了不同的荧光粉涂覆方式下,荧光粉摩尔浓度及硅胶厚度对白光LED光通量、色温及显色指数的影响。对于芯片上直接涂覆荧光粉的方式,随着荧光粉浓度增加,光通量先增大然后再下降,最大值为62.4lm;色温随着荧光粉浓度的增加而下降;显色指数随着荧光粉浓度的增加而上升,随后会随着浓度的增加而下降,最大值为70。对于芯片上涂覆硅胶后涂覆荧光粉层的形式,随着硅胶厚度的增加,光通量及色温不断上升,当硅胶厚度为100μm时光通量高达75.6lm,与第一种形式相比,这种形式可以提高白光LED的光通量;显色指