白光led的光譜優(yōu)化研究

白光led的光譜優(yōu)化研究

1熒光光視效能近年來(lái)，以大白色為代表的固體照明技術(shù)發(fā)展迅速。目前,功率型白光LED的光效水平已達(dá)150lm/W以上,而日亞化學(xué)報(bào)道的小功率白光LED的光效甚至高達(dá)249lm/W,商用白光LED的光效也超過(guò)了部分熒光燈水平。商用的兩基色白光LED一般采用InGaN/GaN基藍(lán)光LED芯片激發(fā)熒光粉制作而成,而熒光粉材料通常為鋁酸鹽,即摻鈰的釔鋁石榴石(YAG∶Ce3+)熒光粉。雖然目前LED可采用的熒光粉還有其他種類(lèi),如氮氧化物、硼酸鹽等,但YAG以其轉(zhuǎn)換效率高、熱穩(wěn)定性好、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)成為兩基色白光LED的主要熒光粉。這類(lèi)白光LED的光效普遍很高,但顯色性較差,不適合應(yīng)用于暖色溫照明領(lǐng)域。其顯色性差的原因被認(rèn)為是紅光成分的缺乏造成的。光視效能與顯色指數(shù)是白光LED的兩個(gè)重要參量,且它們是一對(duì)矛盾,光視效能的提高是以顯色指數(shù)的降低為代價(jià)的。因此,改善商用兩基色白光LED的顯色性主要是通過(guò)優(yōu)化LED的光譜形狀來(lái)實(shí)現(xiàn),如改變黃色熒光粉中稀土離子的摻雜使其熒光粉發(fā)射譜的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)、直接加入紅色熒光粉或紅光LED芯片等,以彌補(bǔ)紅光成分的不足。目前,理論上兩基色組合的光視效能高于440lm/W。優(yōu)化三基色光譜,光視效能可達(dá)到300lm/W且顯色指數(shù)大于85。目前關(guān)于光視效能與顯色指數(shù)的優(yōu)化報(bào)道大多僅考慮固定半高寬,且不涉及熒光粉型LED固有的斯托克斯效率的計(jì)算。本文通過(guò)調(diào)節(jié)光譜的峰值波長(zhǎng)、半高寬、相對(duì)光功率比,先在中性相關(guān)色溫4870K附近討論兩基色、三基色LED光源的光譜優(yōu)化,進(jìn)而在優(yōu)化的三基色LED光源基礎(chǔ)上分析可調(diào)色溫白光特性。2實(shí)驗(yàn)2.1熒光光催化染料s發(fā)光效能(ηL)簡(jiǎn)稱(chēng)光效,是LED的一個(gè)重要參量,為光通量和電輸入功率的比值,可用公式(1)表示:ηL=ηe×K?(1)ηL=ηe×Κ?(1)式中,ηe為光電轉(zhuǎn)換效率,由內(nèi)量子效率、光引出效率、注入效率、熒光粉轉(zhuǎn)換效率等決定;K為光視效能(Luminousefficacyofradiation,LER),定義為光通量和輻射通量的比值,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)為光源的光譜功率分布,V(λ)為明視覺(jué)下的人眼視見(jiàn)函數(shù)。熒光粉斯托克斯效率ηS(Stokesefficiency,SE)定義為:當(dāng)波長(zhǎng)為λ1的光子轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)為λ2(λ1<λ2)的光子時(shí),ηS=λ1λ2?(3)ηS=λ1λ2?(3)本文指定λ1和λ2分別為藍(lán)光和黃光的中心波長(zhǎng),其能量對(duì)應(yīng)中心能量。顯色指數(shù)(Colorrenderingindex,CRI)用于表征物體在照明光源下顏色的還原能力,最大值為100。通過(guò)計(jì)算14種樣品色在參考光源和待測(cè)光源下的色差,利用公式(4)得到14個(gè)特殊顯色指數(shù),繼而對(duì)前8種樣色的特殊顯色指數(shù)求平均值,得到一般顯色指數(shù),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)相關(guān)色溫Tc(Correlatedcolortemperature,CCT)也是白光LED光源的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)光源光色與某一溫度下黑體輻射光源光色相近時(shí),后者溫度即為相關(guān)色溫。本文的優(yōu)化分析將只涉及由光譜決定的光視效能、顯色指數(shù)、熒光粉斯托克斯效率,而不考慮內(nèi)量子效率、光引出效率、注入效率及熒光粉量子效率等的研究。2.2多基色仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)壳吧逃冒坠釲ED的熒光粉為YAG∶Ce3+,這種熒光粉在成本、發(fā)光特性、穩(wěn)定性方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通常InGaN/GaN藍(lán)光芯片的激發(fā)峰值波長(zhǎng)約為460nm,而YAG的發(fā)射波長(zhǎng)在550nm左右。本文的優(yōu)化擴(kuò)大討論范圍,將二者的峰值波長(zhǎng)分別定為440～470nm和530～600nm。同時(shí),藍(lán)光半高寬(Fullwidthathalfmaximum,FWHM)設(shè)為10～30nm,YAG熒光粉半高寬為50～150nm。對(duì)于三基色,補(bǔ)充的紅光峰值波長(zhǎng)選為600～700nm,半高寬為10～30nm。相關(guān)參數(shù)的選取均較好地符合了當(dāng)前芯片和熒光粉發(fā)射譜的實(shí)測(cè)值。下面以?xún)苫珒?yōu)化為例介紹優(yōu)化過(guò)程。初步設(shè)定藍(lán)光和黃綠光的峰值波長(zhǎng)分別為440nm及530nm,半高寬分別為30nm和120nm,藍(lán)光和黃綠光的相對(duì)功率值均從1連續(xù)調(diào)變至5,間隔為0.1。此時(shí)可在指定色溫范圍內(nèi)得到一組光視效能和顯色指數(shù)的數(shù)據(jù),并從中選取最優(yōu)值。然后改變藍(lán)光和黃綠光的峰值波長(zhǎng)和半高寬,重復(fù)上述步驟,直到在指定色溫范圍內(nèi)同時(shí)得到較好的光視效能和顯色指數(shù)。三基色優(yōu)化同樣采用上述過(guò)程進(jìn)行。因此,通過(guò)改變LED的各個(gè)基色的峰值波長(zhǎng)、半高寬及相對(duì)光功率(Relativeopticalpower,ROP),可在固定中性色溫4870K下優(yōu)化得到較好的光視效能和顯色指數(shù)。吳海彬等在相關(guān)色溫5000K附近優(yōu)化綠粉和紅粉的組分,獲得了92.5的高顯色指數(shù)。3結(jié)果與討論3.1半高寬和led-2-b兩基色優(yōu)化結(jié)果如圖1所示。圖1(a)中,藍(lán)光峰值波長(zhǎng)在440～470nm范圍變化對(duì)于光視效能的影響不大;而黃光峰值波長(zhǎng)改變時(shí)光視效能變化顯著,黃光峰值波長(zhǎng)紅移引起光視效能明顯下降。這可解釋為:白光光譜的中心能量所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越靠近555nm,光視效能越高;而遠(yuǎn)離該值,則光視效能降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)藍(lán)光峰值波長(zhǎng)為460～470nm和黃光峰值波長(zhǎng)為555～560nm時(shí),光視效能可達(dá)410lm/W以上,但顯色指數(shù)只有55～60。當(dāng)InGaN/GaN激發(fā)波長(zhǎng)為470nm、YAG熒光粉發(fā)射波長(zhǎng)為560nm時(shí),改變二者半高寬,發(fā)現(xiàn)YAG的半高寬越小,光視效能越高,如圖1(b)所示。當(dāng)藍(lán)光和黃光峰的半高寬分別為15nm和80nm時(shí)光視效能高達(dá)483.5lm/W,但Ra僅有38.6(表1中的LED-2-A)。由以上分析可知,該兩基色(藍(lán)光+YAG黃粉)LED在4870K可取得高光視效能,但卻是以顯色指數(shù)的明顯犧牲為代價(jià)。當(dāng)波長(zhǎng)為450nm的InGaN/GaN藍(lán)光芯片激發(fā)波長(zhǎng)為600nm的紅色熒光粉(表1中的LED-2-B)時(shí),Ra和K分別為85和247.1lm/W,此時(shí)的顯色指數(shù)較高,但光視效能較低。LED-2-A和LED-2-B的顯色指數(shù)、光視效能、斯托克斯效率以及相對(duì)光功率配比均列于表1中。對(duì)比二者的斯托克斯效率可知,LED-2-A比LED-2-B具有較少的斯托克斯損失。這說(shuō)明對(duì)于兩基色的LED,顯色指數(shù)高的LED可能比顯色指數(shù)低的LED具有較多的斯托克斯能量損失。圖2給出了藍(lán)光峰值波長(zhǎng)為440～470nm、黃光峰值波長(zhǎng)為540～570nm時(shí),斯托克斯效率同二者的關(guān)系。在該討論范圍內(nèi),當(dāng)藍(lán)光峰值波長(zhǎng)為470nm、黃光峰值波長(zhǎng)為540nm時(shí),斯托克斯效率最高(87%)。3.2熒光led芯片的運(yùn)行本文在470nm+560nm峰值波長(zhǎng)和15nm+80nm半高寬的兩基色組合下,分析摻入窄帶紅色熒光粉或紅光LED的白光光譜。從圖3(a)可以看出,紅光峰值波長(zhǎng)對(duì)光視效能的影響較大,且在600～610nm時(shí)光視效能較高;但紅光FWHM對(duì)光視效能的影響較小。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)下的相應(yīng)區(qū)域,峰值波長(zhǎng)為600～610nm時(shí),顯色指數(shù)明顯低于70。圖3(b)中,隨著紅光峰值波長(zhǎng)的增加,顯色性變得更好;而隨著紅光FWHM的變化,顯色指數(shù)變化并不明顯。綜合以上分析得出結(jié)論:顯色指數(shù)和光視效能隨紅光峰值波長(zhǎng)的變化較大,且變化趨勢(shì)相反;二者隨FWHM的變化較小。此時(shí),若紅光峰值波長(zhǎng)和FWHM分別在620～630nm和20～30nm區(qū)域內(nèi),則顯色指數(shù)和光視效能同時(shí)較高。如紅光峰值波長(zhǎng)和FWHM分別為630nm和20nm時(shí),Ra=84.7且K=324.4lm/W。與兩基色相比,雖然光視效能下降160lm/W左右,但顯色指數(shù)卻得到了明顯改善,升高了40點(diǎn)以上。然而,此時(shí)的顯色指數(shù)和光視效能并非最佳值,這是因?yàn)橐陨嫌懻撓拗屏怂{(lán)光和黃光的峰值波長(zhǎng)和半高寬。同樣取藍(lán)、黃光峰值波長(zhǎng)分別為440～470nm和530～590nm,FWHM為10～30nm和50～150nm,進(jìn)一步在4870K下優(yōu)化光譜。在(460+545+620)nm和(30+85+20)nm的組合(表1中的LED-3-A)下,顯色指數(shù)可高達(dá)94.7,同時(shí)光視效能為343lm/W。該峰值波長(zhǎng)和FWHM組合接近于之前報(bào)道的三基色低色溫3000K優(yōu)化的相應(yīng)值。對(duì)比Ra=84.7且K=324.4lm/W的結(jié)果,顯色指數(shù)和光視效能各提高了11.8%和5.7%。雖然AlGaInP基紅光LED芯片的EL譜會(huì)隨結(jié)溫發(fā)生變化且芯片成本較高,但是考慮紅色熒光粉會(huì)引入更多的斯托克斯效應(yīng),故本文計(jì)算LED-3-A的斯托克斯效率僅為加入紅光LED芯片的情況,計(jì)算后的斯托克斯效率為84.4%,如表1所示。此時(shí)的斯托克斯損失與兩基色的LED-2-A相比更小,這是因?yàn)樵揕ED-3-A轉(zhuǎn)換后的黃綠光中心能量更加接近藍(lán)光中心能量?？梢?jiàn),要取得較少的斯托克斯損失,黃綠光波長(zhǎng)應(yīng)盡可能與藍(lán)光波長(zhǎng)接近。該三色組合同時(shí)在顯色指數(shù)和斯托克斯效率方面得到了提高。3.3相對(duì)光功率比對(duì)顯色指數(shù)的影響理論上,通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)基色的相對(duì)光功率值便可實(shí)現(xiàn)不同色溫白光LED。本文針對(duì)優(yōu)化的LED光源,即LED-3-A,探討色溫可調(diào)白光LED的特性。表2列出了對(duì)應(yīng)2700,3000,4000,4870,5500,6500K的相關(guān)色溫,固定峰值波長(zhǎng)為(460+545+620)nm和半高寬為(30+85+20)nm的組合,優(yōu)化相對(duì)光功率比而得到的最佳顯色指數(shù)。從表2可知,當(dāng)相對(duì)光功率比值改變時(shí),色溫升高將導(dǎo)致最優(yōu)顯色指數(shù)先升高后降低;同樣,色溫升高也將使光視效能先增加后減小。在該組合下,較高色溫(>4000K)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)顯色指數(shù)普遍比低色溫(<4000K)的最優(yōu)顯色指數(shù)好。尤其當(dāng)色溫為4000K時(shí),顯色指數(shù)和光視效能相比4870K更佳,其中光視效能高達(dá)363.5lm/W?？梢?jiàn),對(duì)于同一個(gè)LED,當(dāng)改變驅(qū)動(dòng)電流或熒光粉顆粒的數(shù)量即改變其相對(duì)光功率比以取得不同色溫時(shí),顯色指數(shù)與光視效能均會(huì)發(fā)生不同程度的改變;其他色溫下的顯色指數(shù)和光視效能反而可能比目標(biāo)色溫4870K下更佳。由于固定該峰值波長(zhǎng)組合,可調(diào)色溫LED的斯托克斯效率并未發(fā)生改變。4顯色指數(shù)及光視效能在中性色溫4870K下優(yōu)化了兩、三基色的熒光粉型白光LED的光譜。首先優(yōu)化藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉的白光光譜,發(fā)現(xiàn)在470nm+560nm峰值波長(zhǎng)和15nm+80nm的半高寬下,光視效能高達(dá)483.5lm/W,然而顯色指數(shù)卻不到40,滿(mǎn)足不了一般照明對(duì)高顯色性的要求。計(jì)算兩基色的斯托克斯效率發(fā)現(xiàn),顯色指數(shù)高的LED可能比顯色指數(shù)低的LED具有較多的斯托克斯能量損失。加入窄紅色熒光粉或紅光LED芯片進(jìn)一步優(yōu)化后,光視效能提高為343lm/W,同時(shí)顯色指數(shù)升至94.7。計(jì)算優(yōu)化的三基色白光LED的斯托克斯效率后發(fā)現(xiàn),其斯托克斯損失僅為15.6%,說(shuō)明與兩色組合相比,三色組合不僅改善了顯