白光led混色及調(diào)光效果研究

白光led混色及調(diào)光效果研究

1紫外光采集技術(shù)光刻光刻具有降壓、功耗、低可靠性、環(huán)境保護(hù)、長度等優(yōu)點(diǎn)。逐漸取代傳統(tǒng)的光源，如含鉛的光束，并進(jìn)入戶外和室內(nèi)照明市場，尤其是在智能照明領(lǐng)域。目前,LED照明燈具大部分只能實(shí)現(xiàn)單一的色溫模式。隨著生活水平的提高以及對照明光源認(rèn)識的進(jìn)步,人們希望在同一空間內(nèi)擁有不同的光環(huán)境,使得制造可實(shí)現(xiàn)多種色溫模式的LED照明燈具成為LED產(chǎn)業(yè)重要的議題。據(jù)報(bào)道,實(shí)現(xiàn)白光色溫可調(diào)的方法有:(1)采用紅、綠、藍(lán)單色LED,通過混合來生成白光,也稱作RGB技術(shù)[3~5]。RGB技術(shù)能支持豐富的色彩和可調(diào)的白光。其技術(shù)的缺點(diǎn)是顯色指數(shù)低,不適合于室內(nèi)照明的可調(diào)光源[6~7]。(2)采用多芯片集成白光LED[8~9]。通過芯片組合和電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)。該方案的缺點(diǎn)是大多數(shù)多芯片封裝由于低驅(qū)動電流的限制,光通量密度較低。(3)通過調(diào)節(jié)白光LED、藍(lán)光LED和紅光LED三個(gè)支路的亮度來實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)色溫的變化。該方法的缺點(diǎn)是紅光LED芯片和藍(lán)光LED芯片(白光LED采用藍(lán)光LED芯片激發(fā))的材料不同,兩者的衰減特性不一致,且白、藍(lán)、紅的空間顏色分布不均勻。(4)采用白光LED和黃光LED組合實(shí)現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)。該技術(shù)的缺點(diǎn)是黃光LED的發(fā)光光譜較窄,破壞白光LED光譜的均衡性,導(dǎo)致照明燈具顯色性的降低。為了解決上述問題,本文研制了不同色溫的白光LED,提出采用不同色溫白光進(jìn)行混光,通過光譜和色溫的研究驗(yàn)證了白光LED的混色原理。實(shí)驗(yàn)采用低色溫(2700~2900K)和高色溫(7000~8000K)兩種白光LED樣品進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)混色,研究混色后白光LED的光譜、光色電參數(shù)及其隨正向電流變化的調(diào)光效果。2相對光譜功率分布函數(shù)沈海平等人研究了一種改進(jìn)的高斯模型來表示LED光譜,如下式:其中:S(λ)表示LED的相對光譜功率分布;λ0———峰值波長;Δλ———光譜半高;利用上式公式,本文采用以下函數(shù)來表示白光LED的相對光譜功率分布:計(jì)算出白光的色坐標(biāo)值x,y。由色坐標(biāo)(x,y)便可得到混色后白光的色溫Tc。3白色和綠色混合實(shí)驗(yàn)3.1光色電參數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)采用相同支架、InGaN基藍(lán)光LED芯片、膠水和不同YAG熒光粉配比制備兩種高亮度低衰減白光LED樣品,其色溫分別為:2700~2900K和7000~8000K,從中隨機(jī)抽取樣品分別記為:S1、S2,將其串聯(lián)后記為S串,S1、S2、S串的光色電參數(shù)采用杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司的PMS-80紫外—可見光—近紅外光譜分析系統(tǒng)和LED620光強(qiáng)分布測試儀測試與記錄。在室溫下,調(diào)節(jié)正向電流IF,記錄IF為10mA、20mA、30mA情況下S1、S2、S串的光譜、色溫Tc、色坐標(biāo)(x,y)及顯色指數(shù)Ra等參數(shù)及其變化規(guī)律。3.1.1s1實(shí)驗(yàn)測量如圖1(a)、(b)、(c)所示為S1、S2、S串分別在10mA、20mA、30mA情況下的絕對光譜圖,圖2為S1、S2在10mA電流下實(shí)驗(yàn)測量S串白光絕對光譜與理論計(jì)算S串白光絕對光譜的比較。研究表明:(1)S串的絕對光譜圖是S1、S2絕對光譜圖的疊加,即串聯(lián)后每個(gè)波長上光源輻射的功率等于S1各波長輻射功率與S2各波長輻射功率相加;(2)S1、S2在10mA電流下,實(shí)驗(yàn)測量S串白光絕對光譜的均方差為0.0481,理論計(jì)算S串白光絕對光譜的均方差為0.0491,兩者基本吻合。3.1.2熒光體與led的混色分析如圖3(a)所示,隨著正向串聯(lián)電流IF增大(10~30mA),S1色溫變化范圍為68K,S2色溫變化范圍為367K,S串白光色溫變化范圍為113K,偏向于色溫低的S1。而且,低色溫白光LED色溫比高色溫白光LED色溫變化小,色溫越低的白光LED的色溫變化越小,否則反之。這是因?yàn)?(1)白光光譜是由InGaN芯片發(fā)射的藍(lán)光和被激發(fā)的熒光譜組成,InGaN芯片發(fā)射的藍(lán)光的性質(zhì)與正向電流的大小有密切關(guān)系,而熒光體的發(fā)光譜與正向電流無直接關(guān)系。隨著白光LED的色溫降低,光譜中InGaN芯片發(fā)射的藍(lán)光成份逐漸減少,而熒光體的發(fā)光卻占主導(dǎo)地位。在低色溫中,由于光譜中藍(lán)成份所占比例很小,所以正向電流增加所帶來的色溫變化幅度小,而高色溫LED則反之[15~16]。(2)串聯(lián)混色后熒光粉的發(fā)光譜接近于低色溫樣品S1,如圖1(a)、(b)、(c)所示。如圖3(b)所示,串聯(lián)后的色坐標(biāo)在S1、S2連接的直線上,從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)測得的混色的色坐標(biāo)與理論計(jì)算的串聯(lián)后的色坐標(biāo)基本重合,其誤差小于0.9%。隨著正向串聯(lián)電流IF的增大,色坐標(biāo)x,y均隨之減小,且x-y關(guān)系曲線的斜率減小,高色溫LED樣品S2的色坐標(biāo)減小量大于低色溫LED樣品S1的色坐標(biāo)減小量。3.1.3正常工作電流ra樣品S1在正常工作電流下顯色指數(shù)Ra為67,樣品S2在正常工作電流下顯色指數(shù)Ra為88,S串顯色指數(shù)如圖4所示,串聯(lián)電流從5~30mA變化,從圖中看出串聯(lián)混色后的顯色指數(shù)Ra保持在80以上,顯色指數(shù)較高,適應(yīng)于照明市場。3.2顯色電譜法測量將上述選取的樣品S1、S2白光LED進(jìn)行并聯(lián)混色,并記為S并,在室溫下,給定其中一樣品某一電流(10~30mA),將另一樣品電流從5~30mA變化,記錄S并白光光譜、色溫、色坐標(biāo)、顯色指數(shù)等參數(shù)及其變化規(guī)律。3.2.1s1和s13絕對光譜圖如圖5(a)、(b)、(c)所示為IS1=10mA和IS2=20mA并聯(lián),IS1=20mA和IS2=10mA并聯(lián),IS1=30mA和IS2=10mA并聯(lián)絕對光譜圖,圖6為S1、S2分別在30mA和10mA電流下實(shí)驗(yàn)測量S并白光絕對光譜與理論計(jì)算S并白光絕對光譜的比較。研究表明:(1)S并的絕對光譜圖是S1、S2絕對光譜圖的疊加,與串聯(lián)情況相同;(2)S1、S2分別在30mA和10mA電流下,實(shí)驗(yàn)測量S并白光絕對光譜的均方差為0.0714,理論計(jì)算S并白光絕對光譜的均方差為0.0711,兩者基本吻合。3.2.2不同電流和不同if2的混色變色測量如圖7(a)、(b)所示,分別給定S2恒定電流10mA、20mA、30mA,將S1電流IF1從5~30mA變化,在S2電流IF2不變的情況下,S并白光色溫隨著IF1增大而減小,色坐標(biāo)x,y則均隨著IF1的增大而增大。當(dāng)IF1從5mA并以5mA的增長量增加到30mA,S并白光色溫的減小速率(K/mA)下降。如IF2=10mA時(shí),IF1從5mA增加到10mA,S并白光色溫減小速率為104.4K/mA,當(dāng)IF1從25增加到30,S并白光色溫減小速率為11.6K/mA。當(dāng)S2的恒定電流IF2增加時(shí),S并白光色溫與IF1的關(guān)系曲線上移,色溫值均上升。當(dāng)IF2電流從10mA增加到20mA,S并白光色溫上移量比IF2電流從20mA增加到30mA要大。由于高色溫樣品S2的電流IF2恒定而增加低色溫樣品S1的電流IF1,則并聯(lián)后的混色白光中低色溫樣品S1的比重加大,其重心更加接近低色溫樣品S1。所以,S并白光色溫隨IF1增大而減小,色坐標(biāo)則反之。當(dāng)提高給定的樣品S2恒定電流IF2的同時(shí),高色溫比重加大,S并白光色溫亦提高。如圖8(a)、(b)所示,分別給定S1恒定電流10mA、20mA、30mA,將S2電流從5~30mA變化,在S1電流不變的情況下,S并白光色溫隨著S2的電流IF2增大呈亞線性增大趨勢,色坐標(biāo)x,y均隨著S2的電流IF2增大而減小。當(dāng)IF2從5mA并以5mA的增長量增加到30mA,S并白光色溫的增加速率(K/mA)下降。如IF1=10mA時(shí),IF2從5mA增加到10mA,S并白光色溫增加速率為92.6K/mA,當(dāng)IF2從25mA增加到30mA,S并白光色溫增加速率為40.8K/mA。當(dāng)S1的恒定電流IF1增加時(shí),并聯(lián)后的混色白光色溫與IF2的關(guān)系曲線下移,色溫值均降低。當(dāng)IF1電流從10m增加到20mA,S并白光色溫下移量比IF1電流從20mA增加到30mA要大。由于低色溫樣品S1的電流IF1恒定而增加高色溫樣品S2的電流IF2,則并聯(lián)后的混色白光中高色溫樣品S2的比重加大,其重心更加接近高色溫樣品S2。所以,S并白光色溫隨IF2增大而增大,色坐標(biāo)則反之。當(dāng)提高給定的樣品S1恒定電流IF1的同時(shí),低色溫比重加大,S并白光色溫亦減小。正好與圖7(a)、(b)相反。由圖7(a)、圖8(a)與圖3(a)比較表明:S1、S2并聯(lián)時(shí)比兩者串聯(lián)時(shí)可調(diào)色溫的范圍更大一些,并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)范圍在2700~6000K以上。并聯(lián)方式可單獨(dú)控制各自白光的變化,可調(diào)性更大,更適合應(yīng)用于智能照明市場,通過對不同環(huán)境的需求,調(diào)節(jié)電流變化,獲得不同的色調(diào)。3.2.3串聯(lián)混色顯色指數(shù)如圖9(a)所示,IS2=10mA恒定電流下,S1電流從5~30mA變化,并聯(lián)混色后白光顯色指數(shù)保持在75以上,圖9(b)所示,IS1=10mA恒定電流下,S2電流從5~30mA變化,并聯(lián)混色后白光顯色指數(shù)保持在79以上,可以看出并聯(lián)混色顯色指數(shù)仍保持較好的值。4光led色坐標(biāo)連接線基于色度學(xué)和混色原理,采用相同InGaN藍(lán)光LED芯片,制備低色溫(2700~2900K)和高色溫(7000~8000K)草帽白光LED并通過串聯(lián)和并聯(lián)方式測試混色的光譜、色溫和色坐標(biāo),通過光譜函數(shù)擬合計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究表明:串并聯(lián)混色的絕對光譜符合各高低色溫白光LED樣品絕對光譜的疊加,混色后的色坐標(biāo)符合各高低色溫白光LED色坐標(biāo)連接的直接線,符合色度學(xué)色光混合的基本規(guī)律。高低色溫白光LED串聯(lián)時(shí),串聯(lián)后的色溫接近于低色溫白光,色溫隨電流的增大而增大,色坐標(biāo)隨之減小。高低色溫白光LED并聯(lián)時(shí),當(dāng)給定高色溫白光LED一恒定電流,混色后的色溫隨著低色溫白光LED的電流增大而減小,當(dāng)高色溫白光LED恒定電流增大時(shí),混色后整體色溫也相應(yīng)提高;當(dāng)給定低色溫白光LED一恒定電流時(shí),混色后的色溫則隨著高色溫白光LED的電流增大呈亞線性增大,當(dāng)?shù)蜕珳匕坠釲ED恒定電流增大時(shí),混色后整體色溫均降低。通過串并聯(lián)方式對比發(fā)現(xiàn)并聯(lián)混色比串聯(lián)混色可調(diào)色溫范