白光led顯色指數(shù)的優(yōu)化選擇

0多芯片混合技術(shù)自1996年實(shí)現(xiàn)照明光源市場(chǎng)以來(lái)，光光燈一直致力于1998年的照明光源市場(chǎng)。此外，由于進(jìn)一步的半材料和制造技術(shù)的改進(jìn)，以及光效率的不斷提高，光光燈被廣泛應(yīng)用。它被稱為第四代照明光源，是21世紀(jì)的主要綠色光源。連續(xù)光譜的白光不可能從單一的LED芯片獲得,白光LED的實(shí)現(xiàn)途徑大致分為三種:光轉(zhuǎn)換技術(shù)、多芯片混合技術(shù)和量子阱技術(shù)。光轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用熒光粉吸收LED芯片發(fā)出的較短波長(zhǎng)的光(如藍(lán)光、紫外光),激發(fā)出較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光(紅、藍(lán)、綠、黃光),吸收光譜與激發(fā)光譜有重疊部分,通過(guò)多色光的混合得到白光。這種技術(shù)具有成本低、制作簡(jiǎn)單、易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)。多芯片混合技術(shù)是利用三基色原理,將發(fā)射紅、綠、藍(lán)光的LED芯片集成按比例混合得到白光。這種技術(shù)通過(guò)控制施加在各個(gè)LED芯片上的電流,能夠隨意調(diào)出所需要的顏色,且色調(diào)、色溫調(diào)整靈活,色域較寬,但不同LED芯片發(fā)光時(shí)的溫度特性、電流特性皆不一致,隨時(shí)間的衰減速度也不一致,易造成白光顏色的漂移,需增加光色反饋、熱老化等控制系統(tǒng),進(jìn)一步增加了成本,系統(tǒng)的可維護(hù)性也下降。量子阱技術(shù)是在外延生長(zhǎng)芯片發(fā)光層時(shí),摻雜不同的(非)金屬元素形成不同的電子或空穴的勢(shì)阱(量子阱),通過(guò)不同的量子阱發(fā)出的不同波長(zhǎng)的光子直接混合得到白光。這種技術(shù)不穩(wěn)定,難度較大。本文結(jié)合光轉(zhuǎn)換技術(shù)和多芯片混合技術(shù),模擬分析并從實(shí)驗(yàn)上得到不同色溫區(qū)的高顯色指數(shù)的白光LED。這兩種技術(shù)的結(jié)合使得芯片發(fā)射光中有一部分作為熒光粉激發(fā)光的形式被吸收而不直接參與混光,因此混合而成的白光光譜成分中有一部分來(lái)自于熒光粉的受激發(fā)射光,而非全部來(lái)自于單純的多芯片混合光,這種方法緩解了不同LED芯片之間溫度特性、電流特性對(duì)白光色質(zhì)的影響。1理論基礎(chǔ)1.1考慮隨機(jī)分布特性的數(shù)值模擬采用基于蒙特卡羅的光線追跡方法對(duì)LED器件性能進(jìn)行仿真分析,此方法實(shí)質(zhì)是一種以概率論為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析的方法。若有一隨機(jī)變量ξ,所要求的目標(biāo)值k是這組隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望E(ξ)?？蓪?duì)變量ξ重復(fù)抽樣N次得到相互獨(dú)立的ξ序列:ξ1,ξ2,ξ3,…,ξN,為得到所求量k的近似值,對(duì)這組相互獨(dú)立序列取算術(shù)平均值,有ξˉN=1N∑n=1Nξn(1)ξˉΝ=1Ν∑n=1Νξn(1)由柯?tīng)柲缏宸驈?qiáng)大數(shù)定律,概率為P(limN→∞ξˉN=k)=1(2)Ρ(limΝ→∞ξˉΝ=k)=1(2)上式表明,當(dāng)N大至一定程度時(shí),ξˉN=kξˉΝ=k成立的概率為1,即可用一組抽樣得到的相互獨(dú)立序列的算術(shù)平均值作為目標(biāo)值k的近似值。因此,若要模擬某一物理現(xiàn)象,我們只需根據(jù)蒙特卡羅的思想,進(jìn)行多次的隨機(jī)抽樣,經(jīng)過(guò)大量的數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析步步逼近所期望的結(jié)果。例如器件表面光線發(fā)生的反射和折射現(xiàn)象,只需對(duì)該表面上光線所發(fā)生的反射和折射情況進(jìn)行重復(fù)的、大量的光線追跡,就可得到與實(shí)際相吻合的仿真結(jié)果。采用蒙特卡羅方法的關(guān)鍵在于如何抽樣得到隨機(jī)數(shù),隨機(jī)數(shù)序列的分布特性會(huì)直接影響計(jì)算效率和仿真結(jié)果,所以生成隨機(jī)數(shù)序列的算法必須基于一定的物理規(guī)律。本文采用“低差異隨機(jī)數(shù)系列(sobol)”算法,它其實(shí)是一種擬蒙特卡羅方法,與蒙特卡羅方法類似,只是采用了確定性的超均勻分布序列來(lái)替代蒙特卡羅方法中簡(jiǎn)單的隨機(jī)數(shù)序列。這種方法能保證計(jì)算精度,而且在某些問(wèn)題上的計(jì)算速度要比蒙特卡羅方法快得多。1.2pc與芯片輻射功率LED器件的封裝效率可以簡(jiǎn)單定義為ηp=PmPc(3)ηp=ΡmΡc(3)式中,Pm為整個(gè)器件的輻射功率,Pc為芯片輻射功率,Pm、Pc皆為客觀量,與人的主觀感受無(wú)關(guān)。由于不同波長(zhǎng)的光在人眼中產(chǎn)生的光譜光視效率不同,因此分析時(shí)除了考慮LED器件的光輻射功率外,還應(yīng)著重于與人的視覺(jué)有關(guān)的光通量輸出,即能夠被人眼視覺(jué)系統(tǒng)感受到的那部分輻射功率。1.3其他光柵的染色普朗克公式指出,不同溫度下黑體輻射不同的光譜功率分布,對(duì)應(yīng)不同的顏色。當(dāng)某光源發(fā)光顏色與黑體在一定溫度下輻射的光顏色相同時(shí),此時(shí)黑體的溫度就是這種光源的色溫?，F(xiàn)實(shí)中,絕大多數(shù)光源的輻射特性不同于黑體輻射,在色度圖中其光色坐標(biāo)并不一定準(zhǔn)確落在普朗克軌跡上,只能尋找與它最接近的普朗克軌跡上的點(diǎn),這種方式得到的色溫稱之為相關(guān)色溫,實(shí)際應(yīng)用中描述光源的顏色特性通常采用相關(guān)色溫。因此,討論色坐標(biāo)偏離普朗克軌跡太遠(yuǎn)的光源的色溫并無(wú)意義。不同色溫的光源表現(xiàn)出的照明效果不同。不同地區(qū)、環(huán)境下的人對(duì)色溫的偏好不一樣,這就使得對(duì)光源的色溫調(diào)制尤為重要。改變熒光粉顆粒密度,可以改變熒光粉激發(fā)光和發(fā)射光的比例,從而改變色溫。所以仿真分析時(shí),可以通過(guò)調(diào)節(jié)熒光粉的密度來(lái)調(diào)節(jié)色溫。2熒光光粉層參數(shù)采用基于蒙特卡羅的光線追跡方法對(duì)圖1所示白光LED模型的光通量和光輻射功率進(jìn)行仿真分析。圖中反光杯壁傾角為22.5°,杯的高度為0.8mm,底面直徑3.4mm,頂部開(kāi)口直徑為3.8mm。反光杯表面反射率為90%,吸收率為10%。小功率LED芯片幾何尺寸為:R(紅光):9mil×9mil;G(綠光):10mil×12mil;B(藍(lán)光):8mil×10mil。厚度:R為200μm,G、B為90μm。R、G、B芯片發(fā)射功率分別為4.4、5.3和14.4mW(不同的熒光粉組合及排布方式所對(duì)應(yīng)的三個(gè)芯片發(fā)射功率之比不同,此處根據(jù)實(shí)際芯片確定一組發(fā)射功率值,而后通過(guò)改變熒光粉組合方式、熒光粉顆粒密度等參數(shù)得到高顯色指數(shù)白光),且光強(qiáng)分布均為朗伯光源,芯片上表面設(shè)為發(fā)光面,光輻射空間角度限定為140°,芯片表面吸收率為50%。熒光粉有紅綠黃三種可選,圖中的熒光粉層為熒光粉和膠體(硅膠或環(huán)氧樹(shù)脂)的混合物,膠體折射率取1.5。熒光粉層中未被吸收的光線分布基于米氏散射理論,熒光粉顆粒皆設(shè)為球狀,其平均粒徑取15μm,密度可變以調(diào)節(jié)色溫。計(jì)算時(shí)輸入熒光粉的吸收光譜、激發(fā)光譜和發(fā)射光譜以及芯片發(fā)射光譜。光線追跡中,光線數(shù)目足夠多,誤差估計(jì)峰值控制在5%以內(nèi)。從小功率器件的工藝成本等方面考慮,仿真模型均采用熒光粉傳統(tǒng)涂覆方式,即將熒光粉填滿整個(gè)杯。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合,選取色溫范圍2000~8000K內(nèi)最高顯色指數(shù)。R、G、B芯片中,藍(lán)光芯片波長(zhǎng)最短,一般熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng)都在短波段,所以通過(guò)激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的光與原芯片發(fā)射光混合得到白光的方法需要藍(lán)光芯片的參與,因此主要考慮以下三種組合方式并得到其仿真結(jié)果。(1)熒光光譜分析采用三個(gè)藍(lán)光LED,除了一部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉外,還剩余較多藍(lán)光。高顯色指數(shù)發(fā)生在高色溫即冷色溫區(qū)(冷白),從顯色指數(shù)角度看,應(yīng)盡可能地包含可見(jiàn)光光譜,對(duì)于BBB藍(lán)光芯片,最為缺乏的便是紅光和黃綠光光譜成分。對(duì)不同熒光粉進(jìn)行仿真計(jì)算,得到表1所示結(jié)果(表中CRI、CCT、F、Φ、ρ和CIE分別表示顯色指數(shù)、相關(guān)色溫、光通量、光輻射功率、熒光粉顆粒密度和色坐標(biāo))。從表1可知,最高顯色指數(shù)發(fā)生在BBB+紅綠熒光粉組合,其色溫CCT大于6000K。(2)粒子密度的影響此組合為2個(gè)藍(lán)光LED和1個(gè)紅光LED。激發(fā)熒光粉的藍(lán)光減少,意味著對(duì)于相同密度的熒光粉,碰撞幾率減小,導(dǎo)致激發(fā)效率降低。所以,為達(dá)到同樣或更高的顯色效果,需增加熒光粉的密度(激發(fā)單一的綠色熒光粉時(shí),由于此組合有紅光LED,所以綠粉密度不需要第一種組合那么高)。仿真結(jié)果如表2所示,除了單一的綠粉外,其他種類的熒光粉的粒子密度均較表1中有所提高。值得注意的是,密度過(guò)高阻礙光的出射,相應(yīng)的光通量和光輻射功率都會(huì)有所降低;而且由于紅光成分增多,綠光減少,使得色溫處于低色溫區(qū)(暖白)。(3)芯片/晶圓粉配比此組合中,激發(fā)藍(lán)光進(jìn)一步減少,使得總的粒子密度進(jìn)一步增加,導(dǎo)致光通量和光輻射功率再次降低,如表3所示。(若不加熒光粉,要獲得白光,R、G、B芯片的亮度要符合一定比例,即約為3∶6∶1,不屬于本文研究范圍)。綜上所述,若需要冷色溫的高顯色指數(shù)白光(冷白光),可以選擇BBB三芯片和綠+紅色熒光粉,其光通量和光輻射功率相對(duì)于其他組合也較大;若要正白光,可選BBB+黃紅熒光粉組合;若需色溫為3000~3500K范圍的暖白光,可選RBB+黃/黃綠/綠紅/黃綠紅粉,但從成本方面考慮,黃粉應(yīng)用較廣泛,相對(duì)于紅綠粉價(jià)格較便宜,所以應(yīng)選RBB+黃粉組合來(lái)得到高顯色指數(shù)的暖白光。3led芯片性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,采用橙色、綠色和黃色熒光粉,型號(hào)分別為O5742、G2762及YAG04,支架來(lái)自博羅沖壓精密工業(yè)有限公司,采用新世紀(jì)LED芯片,其規(guī)格如表4所示,Iv、Vf和WLD分別表示發(fā)光強(qiáng)度、正向電壓和波長(zhǎng)域。經(jīng)過(guò)固晶焊線后的LED芯片形態(tài)如圖2所示,經(jīng)點(diǎn)膠烘烤后的LED形態(tài)如圖3所示。采用光電測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試,色溫分別在冷白、正白和暖白附近的光譜如圖4所示,顯色指數(shù)、相關(guān)色溫、光通量、光輻射功率及色坐標(biāo)見(jiàn)表5?？梢钥闯?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得較好。實(shí)驗(yàn)時(shí),稍微調(diào)整了熒光粉配比使得白光色坐標(biāo)位于普朗克黑體軌跡上,因此顯色指數(shù)比計(jì)算值略有下降。4芯片/藍(lán)色芯片顯色指數(shù)是光源對(duì)被照射物體還原真實(shí)的能力。本文利用芯片