解析LED白光照明燈具中的色散問題

羅曉霞 榮浩磊 曹 鈞

(北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司光環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，北京 100085)

1 LED照明市場分析

根據(jù)照明燈具統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［1］，2008年LED照明僅占市場的7%，而2011年LED燈具在項(xiàng)目中的應(yīng)用就超過了65%，預(yù)計(jì)在2020年LED將占據(jù)市場的75%以上 (見圖1)。

圖1 LED照明市場應(yīng)用現(xiàn)狀Fig.1 Application of LED lighting market

在所有LED照明燈具中，白光LED燈具的市場份額幾乎占據(jù)50%［2］，而白光LED照明面臨著一系列問題，比如:單顆LED的光通量難以滿足普通照明的需求、色差大、穩(wěn)定性不足等。對(duì)不同應(yīng)用的要求，生產(chǎn)出真正符合設(shè)計(jì)水平的市場化產(chǎn)品仍然是一個(gè)需要關(guān)注的問題。本文主要針對(duì)白光LED的色差問題進(jìn)行分析論證，為燈具的生產(chǎn)研發(fā)給出建議方向。

2 LED白光色差問題

LED白光燈具的色差問題主要包括邊緣黃斑/藍(lán)斑、彩邊、混光不均等顏色不均勻現(xiàn)象［3，4］，如圖2所示。這種燈具光色的不均勻性，大幅減低了照明質(zhì)量，也給設(shè)計(jì)師帶來很大的煩惱與不便。目前，隨著業(yè)主對(duì)照明效果的要求越來越高，在燈具選擇中，光色均勻性，逐漸列入設(shè)計(jì)師選用燈具的重要指標(biāo)之中。

我們知道，一個(gè)好的LED燈具，必須具備四個(gè)基本條件，即好的LED光源、好的散熱設(shè)計(jì)、相匹配的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及合理的光學(xué)設(shè)計(jì)，任意一項(xiàng)的缺陷都會(huì)帶來燈具各種各樣的問題。

圖2 LED白光燈具色差現(xiàn)象Fig.2 Color difference of white LED lights

引起白光光色不均勻的原因有很多，上述提到的四個(gè)基本要素中，任何一項(xiàng)的不合理都會(huì)引起燈具的顏色漂移。其中散熱設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)是通過影響LED光源的特性，間接引起輻射波長的變化，從而引起光色質(zhì)量的下降。LED光源和光學(xué)設(shè)計(jì)則是引起光色變化的直接因素。本文針對(duì)這兩個(gè)直接因素，分析總結(jié)LED燈具顏色不均勻現(xiàn)象的癥結(jié)所在。

3 影響因素分析及其解決方案

3.1 LED光源本身的影響

實(shí)現(xiàn)白光LED的方法主要有兩種［5］:一種是熒光粉轉(zhuǎn)換白光，即利用LED芯片所發(fā)出的光激發(fā)熒光粉，芯片再與熒光粉發(fā)出的光混合形成白光;另一種方法是多芯片型白光，即利用RGB三基色混合制備白光LED。

3.1.1 熒光粉轉(zhuǎn)換法

在熒光粉轉(zhuǎn)換法中，目前市場上普遍采用的是藍(lán)光芯片與黃色熒光粉組合的方式，如圖3所示。熒光粉的分布結(jié)構(gòu)是影響色均勻的關(guān)鍵因素［6］，如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)顏色一致的光，要求各種結(jié)構(gòu)都要合理控制熒光粉的分布，保障各方向的濃度一致。在保型結(jié)構(gòu)中，則需要注意芯片四周的熒光粉涂覆，否則，藍(lán)色的光線從側(cè)邊的四周出來，會(huì)有藍(lán)光圈產(chǎn)生;在離散型結(jié)構(gòu)中，熒光粉被均勻的涂敷在反射杯中，由于傾斜方向相對(duì)熒光粉濃度比較高，過多的熒光粉剩余，容易產(chǎn)生邊緣黃斑現(xiàn)象;遠(yuǎn)程熒光粉結(jié)構(gòu)在一定程度上可以克服濃度的不均勻分布，但是增加了熒光粉的用量，增大了光源的體積。

圖3 熒光粉法產(chǎn)生白光的原理圖Fig.3 Principle producing white light using phosphor powder

圖4 白光LED制作中常用熒光粉結(jié)構(gòu)Fig.4 Phosphor powder structure in the making of white LED

所有這些因素的影響都對(duì)芯片的上游廠家提出更大的挑戰(zhàn)，一方面要求LED上游企業(yè)提高自身工藝［7］，通過合理調(diào)整熒光粉的分布密度，獲取品質(zhì)較好的光源。另一方面，廠家可購置專業(yè)的分光分色機(jī)，對(duì)每個(gè)LED光源進(jìn)行分光分色處理［8］，對(duì)LED光源本身光電性能不良的產(chǎn)品進(jìn)行篩選。燈具廠商在選擇光源時(shí)，盡可能選擇優(yōu)質(zhì)光源，也是保證燈具性能的基本前提。

3.1.2 多芯片組合法

另一種白光LED是選用RGB三基色LED芯片進(jìn)行混合獲得，利用RGB三基色芯片混色制作白光LED時(shí)，存在色差更為嚴(yán)重的現(xiàn)象［9］。因?yàn)槿N顏色的LED隨著溫度、驅(qū)動(dòng)電流變化各異，隨時(shí)間的衰減速度也不相同。為了保持顏色的一致性，必須增加動(dòng)態(tài)反饋電路，時(shí)時(shí)調(diào)整三基色的配比來獲得白光。在這種方法中對(duì)控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)變得尤其重要。但是由于目前控制技術(shù)不成熟，該種光源的成本較高，市場應(yīng)用的不多。由于該種方法的可控性較強(qiáng)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)度，這種產(chǎn)生白光的方法是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

圖5 多芯片組合法產(chǎn)生白光的原理圖Fig.5 Principle producing white light using combined chips

3.2 光學(xué)透鏡的影響

白光是一種復(fù)色光，當(dāng)復(fù)色光在介質(zhì)中發(fā)生折射時(shí)，介質(zhì)對(duì)不同波長的光有不同的折射率，各種色光將發(fā)生不同程度的偏折而分離，而產(chǎn)生色散現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 光的色散現(xiàn)象Fig.6 Color dispersion of light

這種由于光的色散產(chǎn)生的彩光現(xiàn)象，可以借助成像光學(xué)中的消色差思想對(duì)照明透鏡進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)成像光學(xué)中，光線的偏折與透鏡形狀有關(guān)，由于光學(xué)材料的阿貝數(shù)為正值，單片透鏡無法消色差，必須采用正負(fù)透鏡組合才能實(shí)現(xiàn)，雙膠合透鏡是最常用的解決方案，如圖7所示。而正負(fù)透鏡組合會(huì)使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，增大系統(tǒng)體積。

衍射結(jié)構(gòu)的色散特性與材料本身無關(guān)，只與入射波長相關(guān)。因此可以利用衍射面的負(fù)色散效應(yīng)補(bǔ)償透鏡產(chǎn)生的色差。衍射面的色散特性可以解決單片透鏡無法校正色差的問題，把衍射光學(xué)理論［10］應(yīng)用到LED非成像光學(xué)透鏡中，不失為一種優(yōu)秀的解決方案。

3.2.1 手電筒光學(xué)消色差設(shè)計(jì)

圖7 雙膠合透鏡消色差Fig.7 Double agglutination lens to eliminate the color difference

如圖所示為LED手電筒的透鏡結(jié)構(gòu)，λ1＞λ2，當(dāng)含有不同波長的白光經(jīng)過透鏡后，由于不同的折射率會(huì)產(chǎn)生分光現(xiàn)象。如果在LED的二次透鏡表面加工衍射面即可使長波與短波長光線沿相同方向出射，實(shí)現(xiàn)色差校正。

圖8 衍射原理消色差Fig.8 Diffraction principle to eliminate the color difference

可見光波段常使用F、d、C三個(gè)波長表達(dá)，如圖9所示。

圖9 可見光波段的光譜特性Fig.9 Spectral characteristics of visible light

若想實(shí)現(xiàn)消色差，則需滿足式 (1)、式(2)［11］:

式中φr、φd分別為折射元件及衍射元件的光焦度，φ為系統(tǒng)的總光焦度，Vr是折射元件的阿貝數(shù)，Vd為衍射元件的阿貝數(shù)，可以用下式計(jì)算:

其中，λF、λd、λC分別是系統(tǒng)接收譜段的長波長、中心波長和短波長;nF、nd、nC分別是光學(xué)元件的材料對(duì)應(yīng)上述波長的折射率。

對(duì)可見光而言，λF、λd、λC分別對(duì)應(yīng) 486.13nm，587.56nm，656.27nm三個(gè)波長。因此，Vd=

透鏡材料一般選用PMMA，此時(shí)，λF、λd、λC分別為1.4978，1.4918，1.4892，

3.2.2 洗墻類燈具色散現(xiàn)象模擬

在LED洗墻類燈具中，透鏡大多采用折射－全反射透鏡結(jié)構(gòu)，如圖10所示，光線行為更為復(fù)雜。本文試圖在Matlab中模擬光線的色散現(xiàn)象。選用的透鏡結(jié)構(gòu)，初始參數(shù)為A=35°，d=4，t=1，h=15，透鏡材料選為PMMA，設(shè)計(jì)透鏡滿足在500mm實(shí)現(xiàn)光斑半徑為150mm的均勻照明。

圖10 透鏡的折射－全反射結(jié)構(gòu)Fig.10 Refraction-diffraction structure of lens

以下為在Matlab中模擬PMMA的色散特性的部分代碼。

%PMMA的各項(xiàng)系數(shù)

a0=2.1864582;

a1=－2.4475348E－4;

a2=1.4155787E－2;

a3=－4.4329781E－4;

a4=7.7664259E－5;

a5=－2.9936382E－6;

%各色光的波長

b_f=0.48613;

b_d=0.58756;

b_c=0.65627;

%對(duì)應(yīng)波長的折射率

圖11 色散現(xiàn)象模擬Fig.11 Simulation of color dispersion

從圖11中可以看出，中間折射部分的色散表現(xiàn)效果類似單透鏡，邊緣全反射部分卻正好與之相反，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮兩部分光線是否完全獨(dú)立，光線重疊部分，自身會(huì)有一定程度的抵消。在完全獨(dú)立情況下可按照上述類似方法求解衍射參數(shù)。

4 結(jié)論

本文對(duì)LED白光燈具的色均勻現(xiàn)象進(jìn)行匯總，主要從兩方面分析了引起光色分布不均勻原因，并首次提出將衍射理論應(yīng)用到非成像光學(xué)，給出一種創(chuàng)新性的非成像光學(xué)設(shè)計(jì)思想，推導(dǎo)了手電筒中單透鏡消色差計(jì)算公式，并對(duì)透射－全反射結(jié)構(gòu)的透鏡進(jìn)行了色散的模擬，最后，提出對(duì)于復(fù)雜透鏡結(jié)構(gòu)，需要具體分析光線行為，分類分區(qū)域進(jìn)行衍射的處理。

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