色坐标对白光LED光通量的影响.pdf

第卷第期年月发光学报文章绷号 一切刁吴张立功,色坐标对白光光通量的影响庆,黄先,刘丽,王健,褚明辉,侯凤勤,刘学彦,赵成久,范栩,罗劲松,蒋大鹏中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态物理重点实验室,吉林长春中国科学院 研究生院,北京侧妈摘要研究了在蓝光芯片加黄色荧光粉制备白光方法中,色坐标位置对光通量的影响。在同样蓝光功率条件下,我们对标准白光点 色坐标二二土,二土附近不同色坐标位的光通量进行了计算。假设,位置流明效率为“,计算得出,最大光通童对应的色坐标位为,光通量为最小光通量对应的色坐标位为,光通量为。相对于的变化幅度达到。通过与实验数据的对比和分析,进一步验证了白光比光通量随色坐标增大而增加的这一趋势。关镇词白光光通量色坐标中圈分类号印文献标识码之令,在照明领域里,半导体光源被认为是继白炽灯、荧光灯之后 的又一次飞跃。由于半导体照明具有高效、节能、环保、使用寿命长、响应速度快、耐振动、易维护等显著优点,在国际上,半导体灯取代传统的白炽灯和荧光灯被公认为如同晶体管取代电子管一样是大势所趋。目前报道的实现白光比的方法较多,主要的方法有三种,即蓝光比黄光荧光粉,粉蓝光红光荧光粉绿光荧光粉,光比红绿蓝荧光粉【,。其中最为成熟的是第一种方法,已经得到广泛的商业应用。因此,本文也主要针对第一种方法进行了计算和讨论。白光作为照明光源,其流明效率“总是被首要关注的参数,许多文章和文献均有涉及,人们获得最大流明效率的方法主要是通过提高蓝光芯片的功率效率和相应的荧光粉的光转换效率。而我们发现,利用同种芯片和荧 光 粉 制备的白光比,由于光色的色坐标不同其光通量有很大差别,本文以色度学原理为基础,提出了一种新的理论计算方法,并具体求得了白光范围内此光通量差距的大小以及获得最大及最小光通量时对应的色坐标位置。理论计算根据色度学原理,光源的光通量可以由视觉效率函数和光源 的光谱能量分布求得,公式如下。,火,巾,为光通量,巩,为光源的光谱能量分布,为明视觉光谱光效率函数,戈为明视觉的最大光谱光效率函数。按国际实用温标路石的理论计算值,二讨。本文所用参考 白光比由蓝光芯片黄色荧光粉的方法制得,并对其光谱分布进行了归一化,如图所示。其色坐标为,显色指数为,色温为,各种指标接近标准白光光谱。由于白光的光通量受色坐标位置的影响,以图所示光谱作为基础,在保持总光子数不变的情况下,改变图中两个发射峰的相对 发 光强度,在土,土收稿日期伪一修订日期二,切作者简介吴庆一,男,山东泰安人,硕士研究生,主要从事白光比相关的研究。一川】初通讯联系人画冈,以第期吴庆,等色坐标对白光光通量的影响范围内,计算出获得最大及最小光通量的色坐标位置。具体计算内容如下假设荧光粉的量子效率为,图所示的光谱对应的光通量为,我们可以得到光通量为玩时对应的实际光谱价,同时由公式也可以得到光通量为时对应的总光子数,爪二鑫 鱼区立立一、一,通过高斯拟合将图所示光谱的蓝光芯片发光和荧光粉发光分开,用必人表示剩余蓝光的光谱见图,用价表示荧光粉的光谱见图,则价功功。在同样蓝光芯片和荧光粉情况下,保持调整后白光光谱的总光子数与价的总光子数相等,通过。,的比值大小调整两部分的相对强度,可得调整后 的白光光谱为价,沙,功。由人必 人,、价,人、从竺,竺立二兰“乙,二工 二止二止匕人一一 一功,、功,、,二兰二止二止二二竺二 巴一立二卫 生人一 一”一,一、介,得到一个关系式巾,二卫卫旦旦月图人创洲归一化的白光发射光谱图由关系式,可知,是音的单调减函数,若想使得,值变大,母的比值越刁、越好。母的 比值范围可由我们所限定的白光色坐标范围,力,土决定。色坐标的计算公式如下乡层艺咬封一勺 巨。之心面衅刀,介二。,介,一一仁仁。介 人丫介,一介,介,入“,二介,。,介,考吕崔顶备一勺 目。之、,、口了、刁佣峨洲】日口。介,无奋千千玄丫一 其中无,袱人,武人为已知标准观察者的光谱三刺激值。由式一方程式组以及所限定的白光色坐标范围,了,土,可求得会的比值范围以及不同的比值所对应的色坐标位置,将母的比值代人关系式,可求得不同色乡德。甘浪器勺 已。之 幻人匆创刃图的剩余蓝光光谱荧光粉光谱仆,廿”佣址仆第卷坐标位置所对应的光通量中,的大小。结果与讨论通过式一可计算得丘的比值范围为勺一。因此,将丘的比值代人式可知,当丘取时光通量的值最大,此时对应的色坐标为,二,而当丘取时光通量的值最小,此时对应的色坐标为二,二,。当丘分别为和时,求得对应的光通量分别为应该控制荧光粉的涂覆量,尽量使得白光的色坐标向,力二,靠近。值得注意的是,此处有关光通量最大值的计算,是以图的参考白光为基础的,而此参考白光由实验测得。因此,如果所用参考白光 由不同于图的蓝光芯片和荧光粉制得,计算所得光通量的最大值也将发生变化。由于对于其他不同的蓝光芯片和荧光粉,光通量的最大值均可用我们所提出的计算方法得到,因此本文未对其进行详细的计算和讨论。为进一步验证以上理论计算方法,我们采用蓝光黄光荧光粉的方法,制备了一系列 白光。样品采用公司的蓝光芯片结合我们自制的荧光粉制得。并对不同样品的色坐标及其光通量进行了测量,实验结果如表所示。衰不同白光样品的光通,和色坐标州月,肠迁二色坐标样品号叫户叫,月户叫,劣光通童田巾一,绷二,巾,一二光通量最大值与最小值的差为,相对于时的光通量变化达。光通量为最大值、最小值以及时的归一化光谱图如图所示。由图中归一化的光谱可看出,随着蓝光芯片和荧光粉相对发光强度的变化,光通量也随之变化。由于此处假设 荧光粉 的量子效率为,则蓝光芯片和荧光粉相对发光强度的变化决定于荧光粉的涂覆量。随着荧光粉涂覆量的增加即荧光粉相对发光强度的增强,光通量 由增大到,对应的色坐标则由,力二,趋向于汀二,。由以上的计算可知,在白光的实际生产 中,如果我们想要得到更高的光通量或者流明效率,而对于白光的其他参数可不做重点考虑时,我们乙再朔人口图白光光通最大、最小以及为时的归一化光谱图仆丽双月而伴枯比伪”日,山面址卫,阳玩由表可知,随着色坐标由,趋向于,光通量的值逐渐增加,此趋势与计算结果基本一致。样品与样品的光通量差为,此差距相对于样品的光通量变化达,由此可见,在实际的 白光比制作 中,白光 范围土,士内,光通量的变化更为 明显。所以要获得更高光通量的白光,对色坐标位置的控制就显得更为重要。影响光通量变化大小的主要因素可归纳为以下几点在理论计算中假设荧姗赫赫七目月家月省已。之礴加加倪犯第期吴庆,等色坐标对白光光通量的影响光粉量子转换效率为,而实际实验中量子效率不可能达到所用蓝光芯片种类不同以及同批次蓝光芯片也存在固有差别实验误差所带来的影响。结论以色度学原理为基础,提出了一种色坐标与光通量关系的计算方法,并对不 同色坐标的白光进行了理论上的计算。假设荧光粉的量子转化效率为,给定光谱分布的白光的光通为玩,其光通量的最大值和最小值对应的色坐标位置分别为,力,。和,刃,对应的光通量分别为玩和,光通量的差距达。这一结果与实验结果趋势基本一致,随着荧光粉涂层厚度的增加,色坐标值增大,光通量增加。参考文献,叹脚昭而一而叱记伽交以肠倾配八叮,粼刃一力耗幻【朋唱,压一门石叨一而【人 认决川交配”半导体学报,肠【,比讯肠姗沉发光学报,一名【肠,曰,砂一俪,曲【乃民尸绍,列娜,叼,明,以叻而山认白切“发光学很,众】,解一【,吃阂,比司山面“一如一明记 乃况,申一毗,兀飞,咖,以日帅伴一知一一几,户户训一】沉叙硅政盆学报,拓,石晰肠四砚卯过廿日乃侧二只您,今讨一,飞而比山厄帅甸现代显示,以巧,一一,以以记幻脚此叨。【以认乙洲众发光学报,一环山因,兀,七,拟,一,一,雌一,趾,一,一孟砂乙创沁喃尽了忍枕认冠勿“乃优,几叫犷人朋公目阳你如碗彻洲油口记外”如,通怂面呵了及滋陇,协口昭认助,轰翻四奋司匕海阅止血侧众衅反必肥,刀己访咭侧峙,以蕊朋加二,毗一而而鱿记,如公均发光学报第卷比诫仆记”,比伴”山心碘,户街耐,酗比而以玩朋回比,犯”拟罗,了二,土,而价浦耐。以,朋而,而以,而而件。扣比比的日均日,比,罗比,亦闹卿灿卯,伴记,流而袱飞而,刀吧拍加阳那叨如,跳,加名,记,石伴,八如比面司侧巧乃