遠(yuǎn)程熒光粉型LED 燈具的色溫預(yù)測與驗(yàn)證

鄭盛梅

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)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(diǎn),被認(rèn)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(dǎo)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(yuǎn)程熒光粉方法- 將熒光粉與藍(lán)光芯片分離開來,有大量文獻(xiàn)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(yuǎn)程熒光粉型燈具,其光色特性的預(yù)測,即燈具的出光量,遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布曲線,光譜特性,色溫等各種指標(biāo)的預(yù)測一直是研究的熱點(diǎn)。

目前,針對遠(yuǎn)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(dǎo)與公式計(jì)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(yàn)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(lán)光LED 的發(fā)射光譜,以及混光腔的效率導(dǎo)入自建的迭代模型,可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測遠(yuǎn)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(jìn)行了模擬,用Matlab 實(shí)現(xiàn)了編程[15]。此類基于公式推導(dǎo)與編程運(yùn)算的方法會造成一定的誤差且計(jì)算的過程復(fù)雜,工作量較大。

第二類是純實(shí)驗(yàn)研究：肖華等研究了不同形狀的遠(yuǎn)程熒光粉（圓頂形、橢球形以及圓錐形）的發(fā)光性能,用實(shí)驗(yàn)手段測量了燈具的光譜分布和光強(qiáng)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(jī)硅膠的混合物涂覆在基片上,利用主軸與插桿的相對運(yùn)動改變遠(yuǎn)程熒光粉片與藍(lán)光LED 芯片的距離,探究混光腔高度和電流對LED 遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程熒光粉型LED 燈珠,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)理沒有深入研究,對今后的工作缺乏理論指導(dǎo)和依據(jù)。

第三類是先制作一系列的遠(yuǎn)程熒光粉片,用實(shí)驗(yàn)手段測得一些中間參數(shù),然后導(dǎo)入模擬軟件進(jìn)行LED 相關(guān)光色特性的計(jì)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(yuǎn)程熒光粉片,并且將測量結(jié)果導(dǎo)入光學(xué)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(shí)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(lán)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(xué)模擬軟件預(yù)測燈具的特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測燈具的光強(qiáng)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(qiáng)度,并且將遠(yuǎn)程熒光粉片的前向透射和后向反射的BSDF 分布數(shù)據(jù)導(dǎo)入到光學(xué)模擬軟件中計(jì)算燈具的遠(yuǎn)場光強(qiáng)度分布,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)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(shí)測遠(yuǎn)程熒光粉片的前向散射/后向散射特性然后導(dǎo)入模型進(jìn)行模擬的方法雖然能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果,但是熒光片的制備和測量是費(fèi)時費(fèi)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(dǎo)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(yù)測遠(yuǎn)程熒光粉型LED 燈具的色溫的方法,將實(shí)驗(yàn)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(lán)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(jì)算得到遠(yuǎn)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(xué)仿真軟件中,即可得到基于遠(yuǎn)程熒光粉的LED 燈具的色溫。本項(xiàng)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(shí)驗(yàn)工作,節(jié)省了時間和人力成本。

2 理論分析與光學(xué)模擬

遠(yuǎn)程熒光粉型LED 燈具的一個重要元器件是遠(yuǎn)程熒光粉片,通常由熒光粉與有機(jī)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(dāng)藍(lán)光入射到遠(yuǎn)程熒光粉片時,如果藍(lán)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(lán)光碰到熒光粉粒子,則出射的可能是藍(lán)光或者黃光,出射方向由散射理論決定。遠(yuǎn)程熒光粉片可以視為多個粒子聚集形成的粒子云,當(dāng)光線入射到粒子云時,根據(jù)Lambert-Beer 定律,透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)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(xiàng)目使用的熒光粉是歐司朗光電半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的L175 型YAG 熒光粉,項(xiàng)目組已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(xué)軟件進(jìn)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(xiàng)目組測得的L175 型YAG 熒光粉的激發(fā)與發(fā)射光譜,其中藍(lán)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(xiàng)目組采用的藍(lán)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(lán)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(jì)算或測量得到相關(guān)的參數(shù)之后,導(dǎo)入光學(xué)模擬軟件TracePro,就可以得到基于遠(yuǎn)程熒光粉的LED 燈具的色溫。下文主要研究當(dāng)熒光粉的濃度改變時,LED 燈具色溫的準(zhǔn)確預(yù)測與驗(yàn)證。

圖3 是本文所研究的遠(yuǎn)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(lán)光LED 光源、混光腔、遠(yuǎn)程熒光粉片等。其中藍(lán)光LED 光源安裝在PCB 板上,由18 顆EDISON3528 貼片封裝藍(lán)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(jī)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(yuǎn)程熒光片,熒光粉片的直徑為50mm。

圖3 基于遠(yuǎn)程熒光粉的LED 筒燈的主要組成部件

項(xiàng)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(dāng)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(lán)光已經(jīng)達(dá)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性,項(xiàng)目組還制作了遠(yuǎn)程熒光粉型筒燈的實(shí)物并且進(jìn)行了測量。圖5 為本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)并制作的遠(yuǎn)程熒光粉型LED 筒燈模型,采用的是18 顆藍(lán)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(xiàng)目組還貼上了反射率高達(dá)98%的反射膜。

圖5 筒燈的實(shí)物照片

遠(yuǎn)程熒光粉片的制作方法為：將熒光粉與透明有機(jī)硅膠相混合,利用真空脫泡攪拌機(jī)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(dá)到設(shè)計(jì)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(xiàng)目組制作的不同濃度的遠(yuǎn)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(yuǎn)程熒光粉片的實(shí)物照片

為了檢測遠(yuǎn)程熒光粉型LED 筒燈的光色特性,項(xiàng)目組利用遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果）

模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比如表1 所示,結(jié)果表明模擬與實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目組的建模與分析方法能比較準(zhǔn)確地預(yù)測遠(yuǎn)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(dǎo)性作用。

表1 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比

4 結(jié)論

本文通過Mie 氏散射理論與光學(xué)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(lán)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(jì)算將相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入光學(xué)模擬軟件,可以預(yù)測遠(yuǎn)程熒光粉型LED燈具的色溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比顯示,該方法可以準(zhǔn)確預(yù)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(yuǎn)程熒光粉型LED 燈具的色溫預(yù)測與色溫可調(diào)具有指導(dǎo)性的意義。