遠程熒光粉型LED 燈具的色溫預測與驗證

鄭盛梅

（衢州職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院,浙江 衢州 324000）

1 概述

白光LED 發(fā)光器件具有高效、節(jié)能環(huán)保、安全可靠等優(yōu)點,被認為將取代傳統(tǒng)照明方式成為新一代節(jié)能照明光源[1-3]。但是隨著LED 功率的提高,其散發(fā)的熱量對熒光粉的影響越來越不可忽視,將導致熒光粉的效率降低,色溫漂移等問題[4-6]。針對熒光粉直接涂覆芯片表面易受熱衰減的影響,業(yè)界提出了遠程熒光粉方法- 將熒光粉與藍光芯片分離開來,有大量文獻研究表明此種技術(shù)在提高發(fā)光效率,改善色溫一致性等方面有優(yōu)勢[7-12]。對于遠程熒光粉型燈具,其光色特性的預測,即燈具的出光量,遠場光強分布曲線,光譜特性,色溫等各種指標的預測一直是研究的熱點。

目前,針對遠程熒光粉型LED 燈具的光色特性研究主要分為三大類。第一類是純理論推導與公式計算：Nguyen 等用Lighttools 模擬了多層熒光粉結(jié)構(gòu)的白光LED,并且用Mie氏散射理論和Lambert-Beer 定律驗證了模擬結(jié)果,證明多層結(jié)構(gòu)在提高LED 的顯色性方面具有優(yōu)勢[13]；Paula Acun～a 等人將BSDF 散射結(jié)果,藍光LED 的發(fā)射光譜,以及混光腔的效率導入自建的迭代模型,可以比較準確地預測遠程熒光粉器件的效率[14]；馮永安建立了LED 激發(fā)光源與熒光玻璃結(jié)合的模型,分析了光子在熒光玻璃中的傳輸過程,并且應(yīng)用Monte-Carlo 光線追跡方法進行了模擬,用Matlab 實現(xiàn)了編程[15]。此類基于公式推導與編程運算的方法會造成一定的誤差且計算的過程復雜,工作量較大。

第二類是純實驗研究：肖華等研究了不同形狀的遠程熒光粉（圓頂形、橢球形以及圓錐形）的發(fā)光性能,用實驗手段測量了燈具的光譜分布和光強分布,以及色溫在空間的分布均勻性[16]；馬建設(shè)等以石英玻璃為基片,將熒光粉與有機硅膠的混合物涂覆在基片上,利用主軸與插桿的相對運動改變遠程熒光粉片與藍光LED 芯片的距離,探究混光腔高度和電流對LED 遠程配光器件參數(shù)值的影響規(guī)律[17]；李博超等將熒光粉與硅膠攪拌均勻,利用熱壓法制成厚度為0.5mm 的遠程熒光片,制作了高顯指的白光LED 燈具[18]；Li 等利用自適應(yīng)涂覆技術(shù)制備了遠程熒光粉型LED 燈珠,實驗表明此種LED 在色溫的空間均勻度方面和LED 的光效方面都有所提升[7]。此類基于實驗手段的研究通過調(diào)整各相關(guān)參數(shù)可以得到較好的LED 燈具性能,但是對其內(nèi)在機理沒有深入研究,對今后的工作缺乏理論指導和依據(jù)。

第三類是先制作一系列的遠程熒光粉片,用實驗手段測得一些中間參數(shù),然后導入模擬軟件進行LED 相關(guān)光色特性的計算：Huiyin Wu 等人利用雙積分球系統(tǒng)測量不同濃度和不同厚度的遠程熒光粉片,并且將測量結(jié)果導入光學追跡軟件,通過不斷調(diào)整模擬參數(shù),使出光情況不斷逼近實測結(jié)果[19]；Chien-Hsian Hung 等人制作了一系列熒光涂層,并且測量其在藍光、黃光不同角度入射時前向透射光線的BSDF分布數(shù)據(jù),利用光學模擬軟件預測燈具的特性,實驗結(jié)果表明該方法能夠比較準確的預測燈具的光強度分布和色溫隨著角度的變化[20]；Kuo-Ju Chen 等研究了在不同的入射角下光線的散射強度,并且將遠程熒光粉片的前向透射和后向反射的BSDF 分布數(shù)據(jù)導入到光學模擬軟件中計算燈具的遠場光強度分布,實驗結(jié)果表明實測結(jié)果和模擬結(jié)果能很好地吻合[21]。此類利用雙積分球等設(shè)備實測遠程熒光粉片的前向散射/后向散射特性然后導入模型進行模擬的方法雖然能得到較準確的結(jié)果,但是熒光片的制備和測量是費時費力的工作,而且沒有通用性,任何一個參數(shù)（例如熒光粉的類型,熒光粉的濃度,熒光粉的厚度等）的改變都將導致之前測得的數(shù)據(jù)無效,熒光粉片的制備和測量等一系列工作都將重新來過。

本文提出了一種新的預測遠程熒光粉型LED 燈具的色溫的方法,將實驗測量與模擬仿真相結(jié)合,但是是直接測量熒光粉的粒徑分布,以及藍光LED 的發(fā)射光譜和熒光粉的激發(fā)/發(fā)射光譜,再利用Mie 氏散射理論計算得到遠程熒光粉片對不同波長及不同角度光線的前向散射/后向散射數(shù)據(jù),再把得到的前向散射/后向散射數(shù)據(jù)應(yīng)用到基于蒙特卡羅光線追跡的光學仿真軟件中,即可得到基于遠程熒光粉的LED 燈具的色溫。本項目組的方法與上述的第三類方法相類似,但是省略了各種不同參數(shù)的熒光粉片的制備和測量的大量的實驗工作,節(jié)省了時間和人力成本。

2 理論分析與光學模擬

遠程熒光粉型LED 燈具的一個重要元器件是遠程熒光粉片,通常由熒光粉與有機硅膠等載體均勻混合并制成,此時熒光粉可視為懸浮在均勻介質(zhì)中的粒子[22]。當藍光入射到遠程熒光粉片時,如果藍光沒有碰到熒光粉粒子,其波長就不會改變,其出射方向符合斯奈爾定律；如果藍光碰到熒光粉粒子,則出射的可能是藍光或者黃光,出射方向由散射理論決定。遠程熒光粉片可以視為多個粒子聚集形成的粒子云,當光線入射到粒子云時,根據(jù)Lambert-Beer 定律,透射光強度與入射光強度有如下關(guān)系:

其中,k=2 /λ,an與bn為與熒光粉粒徑分布函數(shù)q(D),以及熒光粉與膠體的相對折射率ρp/ρs有關(guān)的Riccati-Bessel 函數(shù)。

由上述等式(1)-(4)可知,熒光粉層對入射光的散射和吸收主要受到入射光的波長λ、熒光粉與膠體的相對折射率ρp/ρs、熒光粉粒徑分布函數(shù)q(D)、熒光粉在混合物中的粒子分布密度N(D)等因素影響。入射光波長在模擬時設(shè)定,熒光粉與膠體的折射率一般在參數(shù)說明書中給出,下面具體闡述熒光粉粒徑分布函數(shù)q(D)和熒光粉在混合物中的粒子分布密度N(D)如何得到。

本項目使用的熒光粉是歐司朗光電半導體公司生產(chǎn)的L175 型YAG 熒光粉,項目組已經(jīng)用實驗方法測得熒光粉的粒徑分布如圖1 所示,其粒徑分布函數(shù)為q(D),其中D 為熒光粉的直徑,q 為相對數(shù)量。由圖可知熒光粉的直徑在0.8-60μm范圍內(nèi),大部分的熒光粉直徑在10-30μm范圍內(nèi)。

圖1 熒光粉的粒徑分布

熒光粉在混合物中的粒子分布密度N(D)由式(5)計算得到：

其中,P 為熒光粉與膠體混合時的質(zhì)量比,ρs為膠體的密度,ρp為熒光粉的密度,D 為熒光粉的直徑。此公式可以計算對于每一種粒徑的熒光粉,其在膠體中的粒子分布密度,即單位體積的膠體中的熒光粉的數(shù)量。

在用光學軟件進行模擬時,還需要輸入熒光粉的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜。圖2 為項目組測得的L175 型YAG 熒光粉的激發(fā)與發(fā)射光譜,其中藍色線為發(fā)射光為555nm 時的激發(fā)光譜,紅色線為激發(fā)光為460nm 時的發(fā)射光譜。由圖可知此熒光粉的激發(fā)光譜峰值在460nm,與項目組采用的藍光LED的峰值波長相匹配,可以最大限度地激發(fā)熒光粉的效率；此熒光粉的發(fā)射光譜的峰值在555nm,與藍光LED 混合可以得到中性白光和冷白光。

圖2 熒光粉的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜

計算或測量得到相關(guān)的參數(shù)之后,導入光學模擬軟件TracePro,就可以得到基于遠程熒光粉的LED 燈具的色溫。下文主要研究當熒光粉的濃度改變時,LED 燈具色溫的準確預測與驗證。

圖3 是本文所研究的遠程熒光粉型LED 燈具的模型。該燈具的具體結(jié)構(gòu)包括散熱器、PCB 板、藍光LED 光源、混光腔、遠程熒光粉片等。其中藍光LED 光源安裝在PCB 板上,由18 顆EDISON3528 貼片封裝藍光LED 器件串聯(lián)集成在同一片鋁基板中組合而成,其工作電流為20mA；將黃色熒光粉和有機硅膠混合均勻,并將這兩者的混合物利用勻膠法均勻涂覆在玻璃片上,制成遠程熒光片,熒光粉片的直徑為50mm。

圖3 基于遠程熒光粉的LED 筒燈的主要組成部件

項目組一共模擬了4 種熒光粉濃度,分別為12%,15%,18%以及21%。模擬結(jié)果如圖4 所示。由圖可以看出,當熒光粉濃度分別為12%,15%,18%以及21%時,對應(yīng)的LED 燈具的色溫分別為5974K,4952K,4176K,以及4040K。由模擬結(jié)果可知,LED 燈具的色溫隨著熒光粉濃度的提高而降低,但是在濃度大于18%以后,色溫基本保持不變,這是由于在濃度高到一定程度之后,能與熒光粉發(fā)生作用的藍光已經(jīng)達到飽和,再提高熒光粉的濃度對色溫就基本沒有影響。

圖4 熒光粉濃度對LED 燈具色溫的影響（模擬結(jié)果）

3 實驗驗證

為了驗證模擬結(jié)果的正確性,項目組還制作了遠程熒光粉型筒燈的實物并且進行了測量。圖5 為本項目組設(shè)計并制作的遠程熒光粉型LED 筒燈模型,采用的是18 顆藍光LED芯片,額定電流為20mA,主波長為460nm。為了提高出光量,在PCB 的表面以及混光腔的內(nèi)表面,項目組還貼上了反射率高達98%的反射膜。

圖5 筒燈的實物照片

遠程熒光粉片的制作方法為：將熒光粉與透明有機硅膠相混合,利用真空脫泡攪拌機攪拌成為均勻的液體,然后利用旋轉(zhuǎn)涂覆法將將混合液涂覆在透明的玻璃蓋上。具體的步驟如下：將筒燈的玻璃基片真空吸附在勻膠臺上,用膠頭玻璃滴管取適量熒光粉與硅膠的混合液置于玻璃基片中心,調(diào)整勻膠臺的轉(zhuǎn)速使涂覆層的厚度達到設(shè)計的厚度要求,最后將涂覆好熒光粉層的玻璃片放入烤箱中烘烤一段時間使其固化。圖6 為本項目組制作的不同濃度的遠程熒光粉片,熒光粉的濃度為12%,15%,18%以及21%,熒光粉層的厚度固定在0.32mm。

圖6 遠程熒光粉片的實物照片

為了檢測遠程熒光粉型LED 筒燈的光色特性,項目組利用遠方公司的積分球測量了不同熒光粉濃度下LED 筒燈的色溫,結(jié)果如圖7 所示。由圖可以看出,LED 燈具的色溫隨著熒光粉濃度的提高而降低,但是在濃度大于18%以后,色溫基本保持不變,這與模擬結(jié)果是非常一致的。

圖7 熒光粉濃度對LED 燈具色溫的影響（實驗結(jié)果）

模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比如表1 所示,結(jié)果表明模擬與實驗的誤差在-130K 到72K 之間,在可接受的范圍內(nèi)。對比結(jié)果表明本項目組的建模與分析方法能比較準確地預測遠程熒光粉型LED 燈具的色溫,對今后LED 燈具的熒光粉的濃度和厚度的選擇具有指導性作用。

表1 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

4 結(jié)論

本文通過Mie 氏散射理論與光學模擬軟件相結(jié)合的方法,首先測量YAG 熒光粉的粒徑分布,藍光LED 的出射光譜,以及YAG 熒光粉的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜,再通過計算將相關(guān)參數(shù)導入光學模擬軟件,可以預測遠程熒光粉型LED燈具的色溫。實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的對比顯示,該方法可以準確預測在不同的熒光粉濃度時,LED 燈具的色溫。本文的研究成果對遠程熒光粉型LED 燈具的色溫預測與色溫可調(diào)具有指導性的意義。