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年實現(xiàn)照明光源市場以來，光光燈一直致力于1998年的照明光源市場。此外，由于進一步的半材料和制造技術(shù)的改進，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)出的較短波長的光(如藍光、紫外光),激發(fā)出較長波長的光(紅、藍、綠、黃光),吸收光譜與激發(fā)光譜有重疊部分,通過多色光的混合得到白光。這種技術(shù)具有成本低、制作簡單、易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點。多芯片混合技術(shù)是利用三基色原理,將發(fā)射紅、綠、藍光的LED芯片集成按比例混合得到白光。這種技術(shù)通過控制施加在各個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)光時的溫度特性、電流特性皆不一致,隨時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),進一步增加了成本,系統(tǒng)的可維護性也下降。量子阱技術(shù)是在外延生長芯片發(fā)光層時,摻雜不同的(非)金屬元素形成不同的電子或空穴的勢阱(量子阱),通過不同的量子阱發(fā)出的不同波長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),模擬分析并從實驗上得到不同色溫區(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自于熒光粉的受激發(fā)射光,而非全部來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、電流特性對白光色質(zhì)的影響。1理論基礎(chǔ)1.1考慮隨機分布特性的數(shù)值模擬采用基于蒙特卡羅的光線追跡方法對LED器件性能進行仿真分析,此方法實質(zhì)是一種以概率論為基礎(chǔ)來對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算和分析的方法。若有一隨機變量ξ,所要求的目標值k是這組隨機變量的數(shù)學(xué)期望E(ξ)。可對變量ξ重復(fù)抽樣N次得到相互獨立的ξ序列:ξ1,ξ2,ξ3,…,ξN,為得到所求量k的近似值,對這組相互獨立序列取算術(shù)平均值,有ξˉN=1N∑n=1Nξn(1)ξˉΝ=1Ν∑n=1Νξn(1)由柯爾莫哥洛夫強大數(shù)定律,概率為P(limN→∞ξˉN=k)=1(2)Ρ(limΝ→∞ξˉΝ=k)=1(2)上式表明,當N大至一定程度時,ξˉN=kξˉΝ=k成立的概率為1,即可用一組抽樣得到的相互獨立序列的算術(shù)平均值作為目標值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,進行多次的隨機抽樣,經(jīng)過大量的數(shù)值統(tǒng)計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,只需對該表面上光線所發(fā)生的反射和折射情況進行重復(fù)的、大量的光線追跡,就可得到與實際相吻合的仿真結(jié)果。采用蒙特卡羅方法的關(guān)鍵在于如何抽樣得到隨機數(shù),隨機數(shù)序列的分布特性會直接影響計算效率和仿真結(jié)果,所以生成隨機數(shù)序列的算法必須基于一定的物理規(guī)律。本文采用“低差異隨機數(shù)系列(sobol)”算法,它其實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替代蒙特卡羅方法中簡單的隨機數(shù)序列。這種方法能保證計算精度,而且在某些問題上的計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單定義為ηp=PmPc(3)ηp=ΡmΡc(3)式中,Pm為整個器件的輻射功率,Pc為芯片輻射功率,Pm、Pc皆為客觀量,與人的主觀感受無關(guān)。由于不同波長的光在人眼中產(chǎn)生的光譜光視效率不同,因此分析時除了考慮LED器件的光輻射功率外,還應(yīng)著重于與人的視覺有關(guān)的光通量輸出,即能夠被人眼視覺系統(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,對應(yīng)不同的顏色。當某光源發(fā)光顏色與黑體在一定溫度下輻射的光顏色相同時,此時黑體的溫度就是這種光源的色溫。現(xiàn)實中,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并不一定準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,這種方式得到的色溫稱之為相關(guān)色溫,實際應(yīng)用中描述光源的顏色特性通常采用相關(guān)色溫。因此,討論色坐標偏離普朗克軌跡太遠的光源的色溫并無意義。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)境下的人對色溫的偏好不一樣,這就使得對光源的色溫調(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,可以通過調(diào)節(jié)熒光粉的密度來調(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圖1所示白光LED模型的光通量和光輻射功率進行仿真分析。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應(yīng)的三個芯片發(fā)射功率之比不同,此處根據(jù)實際芯片確定一組發(fā)射功率值,而后通過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。計算時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杯。根據(jù)實際應(yīng)用的場合,選取色溫范圍2000~8000K內(nèi)最高顯色指數(shù)。R、G、B芯片中,藍光芯片波長最短,一般熒光粉的激發(fā)波長都在短波段,所以通過激發(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藍光LED,除了一部分藍光激發(fā)熒光粉外,還剩余較多藍光。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)盡可能地包含可見光光譜,對于BBB藍光芯片,最為缺乏的便是紅光和黃綠光光譜成分。對不同熒光粉進行仿真計算,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)。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個藍光LED和1個紅光LED。激發(fā)熒光粉的藍光減少,意味著對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,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,密度過高阻礙光的出射,相應(yīng)的光通量和光輻射功率都會有所降低;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)藍光進一步減少,使得總的粒子密度進一步增加,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,相對于紅綠粉價格較便宜,所以應(yīng)選RBB+黃粉組合來得到高顯色指數(shù)的暖白光。3led芯片性能測試實驗中,采用橙色、綠色和黃色熒光粉,型號分別為O5742、G2762及YAG04,支架來自博羅沖壓精密工業(yè)有限公司,采用新世紀LED芯片,其規(guī)格如表4所示,Iv、Vf和WLD分別表示發(fā)光強度、正向電壓和波長域。經(jīng)過固晶焊線后的LED芯片形態(tài)如圖2所示,經(jīng)點膠烘烤后的LED形態(tài)如圖3所示。采用光電測試儀器進行測試,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見表5。可以看出,實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得較好。實驗時,稍微調(diào)整了熒光粉配比使得白光色坐標位于普朗克黑體軌跡上,因此顯色指數(shù)比計算值略有下降。4芯片/藍色芯片顯色指數(shù)是光源對被照射物體還原真實的能力。本文利用芯片