評(píng)價(jià)白光L E D空間分布均勻性的指標(biāo)研究

集美工業(yè)學(xué)校智能控制產(chǎn)業(yè)系 鄭玉瓊

評(píng)價(jià)白光L E D空間分布均勻性的指標(biāo)研究

集美工業(yè)學(xué)校智能控制產(chǎn)業(yè)系 鄭玉瓊

白光LED的空間分布均勻性不僅對(duì)人們的視覺(jué)生理重要，而且對(duì)人們的心理狀況產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)前業(yè)界已經(jīng)有許多與空間分布均勻性的改善相關(guān)的研究，但對(duì)空間分布均勻性的評(píng)價(jià)上仍然存在評(píng)價(jià)指標(biāo)單一的問(wèn)題，比如要么只考慮光空間分布均勻性，要么只考慮色空間分布均勻性，而且，評(píng)價(jià)指標(biāo)的角度范圍也比較單一和固定，導(dǎo)致最終的評(píng)價(jià)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。針對(duì)上述這些不足，本文提出了一種綜合評(píng)價(jià)白光LED光和色空間分布的評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用該指標(biāo)對(duì)兩種不同封裝（分別為仿流明封裝形式和花生殼透鏡封裝形式）的白光LED樣品進(jìn)行評(píng)價(jià)。利用本文所提出的指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明仿流明封裝形式的樣品的光和色空間分布均勻性不如花生殼透鏡封裝的樣品。我們認(rèn)為改善光和色的空間分布均勻性的白光LED的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以參考該指標(biāo)進(jìn)行。將指標(biāo)用于評(píng)估現(xiàn)存的一些商業(yè)的照明和顯示產(chǎn)品的性能具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。

白光LED；空間分布

一、引言

白光發(fā)光二極管（Light-emitting diode, LED）是一種新型綠色節(jié)能照明光源，具有體積小、壽命長(zhǎng)、光效高、抗震防水等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明和室外照明，如智能家居、夜景工程、交通信號(hào)燈、隧道燈、汽車車燈、戶外大型顯示等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合[1]。與傳統(tǒng)照明光源如白熾燈、熒光燈等相比LED還具有色彩靈活可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，使得智能光色可調(diào)的多基色白光LED在智能家居中扮演重要角色[2]。自藍(lán)光LED的發(fā)明者赤崎勇、天野浩、中村修二等人獲得2014年諾貝爾獎(jiǎng)以來(lái)，LED為人們更廣泛地熟知。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的信息化和網(wǎng)絡(luò)化新時(shí)代下，LED為代表的固態(tài)照明光源正在引領(lǐng)著一股節(jié)能、環(huán)保、智能的新熱潮。

當(dāng)前，白光LED主要由以下三種不同的構(gòu)成方式[3]。第一種為RGB三基色LED，即將三種不同顏色的LED芯片封裝在一起。第二種為近紫外LED芯片激發(fā)紅、綠、藍(lán)三種顏色的熒光粉。第三種為藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃綠色釔鋁石榴石熒光粉(簡(jiǎn)稱YAG熒光粉)。第一種白光LED采用三種不同顏色的芯片，每種芯片在不同的電流驅(qū)動(dòng)下、不同環(huán)境溫度下呈現(xiàn)出不同的光和色的變化規(guī)律，特別是在隨著時(shí)間持續(xù)點(diǎn)亮的過(guò)程中，也即老化過(guò)程中更是呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。因此，這種類型的白光LED極其容易發(fā)生色漂移的現(xiàn)象。而且這種白光LED所含芯片較多，成本通常較高。此外，在三基色芯片中，綠光的效率相對(duì)比較低，而藍(lán)光和紅光的效率比較高[4]。因此，為了使得三基色光源有比較高的效率，綠光芯片的相關(guān)技術(shù)有待于進(jìn)一步的得到研究，以提升效率。第二種白光LED的技術(shù)目前相對(duì)來(lái)說(shuō)比較不成熟。首先，能夠同時(shí)匹配同一種近紫外／紫光芯片且轉(zhuǎn)換效率均高的三種熒光粉較少[5]。其次，現(xiàn)存的近紫外／紫光的芯片效率仍然不夠高，價(jià)格也不菲。另外，近紫外／紫光泄露問(wèn)題也是不容忽視的問(wèn)題之一。特別是老化后的白光LED，隨著燈殼的老化，近紫外／紫光泄露容易對(duì)人們的健康產(chǎn)生不良的影響。在上述三種白光LED中，最廣泛被應(yīng)用的為第三種，因?yàn)閅AG熒光粉具有成本低、光效高、顯色指數(shù)也高、熒光粉熱穩(wěn)定性高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)[6]。但是，這種類型白光LED的空間分布均勻性仍然是一個(gè)比較顯著的問(wèn)題，特別是對(duì)于傳統(tǒng)的熒光粉涂敷技術(shù)的白光LED。由于藍(lán)光LED芯片的發(fā)光具有朗伯型發(fā)光形式，即發(fā)光呈現(xiàn)中間強(qiáng)兩邊弱的特點(diǎn)。當(dāng)芯片上覆蓋熒光粉后，中間的藍(lán)光比較多，兩側(cè)的藍(lán)光比較少，中間和兩側(cè)的熒光粉發(fā)光的差異性較大，因此容易出現(xiàn)“光圈”、“光暈”現(xiàn)象，即均勻性不佳的問(wèn)題。均勻性不好的光源對(duì)人的生理和心理都會(huì)有一定的影響，因此需要開(kāi)展相關(guān)研究來(lái)改善均勻性。白光LED的空間分布均勻性主要包括光空間分布均勻性和色空間分布均勻性。白光LED的空間分布均勻性不僅對(duì)減少光損耗、節(jié)省光量具有一定意義，而且對(duì)人的視覺(jué)質(zhì)量和生理健康至關(guān)重要。相關(guān)研究中，宋國(guó)華等提出了一種提高白光LED相關(guān)色溫（Correlated color temperature, CCT, Tc）分布均勻性的方法[7]。采用新型熒光粉涂敷技術(shù)，白光LED樣品的相關(guān)色溫均勻性和穩(wěn)定性得到了一定的提升。肖華等對(duì)遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED的空間分布均勻性也進(jìn)行了相應(yīng)研究[8]。在該研究中，他們對(duì)三種不同形狀的遠(yuǎn)程熒光燈罩進(jìn)行空間分布均勻性的對(duì)比研究，并分別分析和解釋造成空間分布均勻性不同的原因。研究還認(rèn)為通過(guò)改變光源的封裝形式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熒光粉發(fā)光性能的改善。當(dāng)前，對(duì)空間分布均勻性的指標(biāo)評(píng)價(jià)單一，要么只考慮光空間分布均勻性，要么只考慮相關(guān)色溫空間分布均勻性。因此，研究一個(gè)綜合評(píng)價(jià)空間分布均勻性的指標(biāo)為相關(guān)改善空間分布均勻性的工作基礎(chǔ)，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

二、模型和實(shí)驗(yàn)

白光LED的主要光學(xué)參數(shù)為光功率(P)、光通量(Φ)、光強(qiáng)（I），主要色參數(shù)為相關(guān)色溫(Tc)、CIE色坐標(biāo)(CIE x, CIE y)等。其中，光功率也稱為輻射通量，是單位時(shí)間內(nèi)的輻射能量，單位是瓦特（W）。光通量為人眼所能感受的輻射功率，是單位時(shí)間內(nèi)某個(gè)波段的輻射能量與該波段人眼視見(jiàn)函數(shù)相應(yīng)值的乘積。人眼視見(jiàn)函數(shù)代表人眼對(duì)不同單色光的敏感程度，通常在555 nm波長(zhǎng)處（綠光區(qū)域）響應(yīng)最大。所以相同光功率的藍(lán)光LED和綠光LED對(duì)比，綠光LED在人眼看來(lái)更亮。光通量的單位是流明（lm）。光強(qiáng)也叫做發(fā)光強(qiáng)度，為一定方向上單位立體角的光通量，單位為坎德拉（cd）。這三個(gè)參數(shù)都是密切相關(guān)的，在空間分布上，光功率、光通量和光強(qiáng)空間分布形狀差異較小。

在色度學(xué)參數(shù)上，色溫是一個(gè)重要的顏色指標(biāo)。色溫是指當(dāng)光源的光色與標(biāo)準(zhǔn)黑體的光色相同，標(biāo)準(zhǔn)黑體的溫度即為光源的色溫。但是，往往光源的光色不可能與標(biāo)準(zhǔn)黑體完全一致，因此相關(guān)色溫的概念由此而來(lái)，即用來(lái)描述與標(biāo)準(zhǔn)黑體光色最相近的光源顏色。色溫有暖色溫（一般來(lái)說(shuō)，色溫小于4000 K）、中間色溫（4000-5000 K）和冷色溫（色溫大于5000 K）的區(qū)別[9]。暖色溫的光源看起來(lái)比較柔和、產(chǎn)生溫暖的感覺(jué)、使人心情愉悅，比較適合于應(yīng)用在家居領(lǐng)域；冷色溫的光源看起來(lái)比較陰冷不舒服，使人興奮，有助于提高警覺(jué)性，適合應(yīng)用于工作場(chǎng)合。所以色溫對(duì)人的生理和心理影響較大，其空間分布均勻性也顯得尤其重要。色坐標(biāo)也叫作顏色坐標(biāo)，通常用色坐標(biāo)來(lái)表示一種顏色，目前主要是國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）推薦的1931的XYZ色度系統(tǒng)的色坐標(biāo)(CIE x, CIE y)。

一般地，評(píng)價(jià)光空間分布和色空間分布均勻性（Angular Uniformity, AU）的參數(shù)通常參考亮度均勻性的相關(guān)指標(biāo)，即為，其中為最小值，為最大值。該值越大表明均勻性越好。

本文分析了兩種類型的白光LED樣品的光空間和色空間分布數(shù)據(jù)（測(cè)試角度為-90°-90°）。其中，樣品#1為仿流明封裝；樣品#2為花生殼封裝（因其外觀類似花生）。樣品額定功率均為1瓦，額定電流350 mA，所有數(shù)據(jù)均在環(huán)境溫度30℃下測(cè)得，測(cè)試的角度范圍為-90°-90°。

三、討論與分析

在接下來(lái)的討論和分析中，我們將從光空間分布均勻性和色空間分布均勻性來(lái)對(duì)樣品#1和樣品#2進(jìn)行討論和對(duì)比，并提出一個(gè)綜合評(píng)價(jià)空間分布均勻性的指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行性能表征?？紤]到光強(qiáng)、光通量、光功率的空間分布曲線相類似，我們只分析了光功率的空間分布。圖1（A）為兩種樣品的光功率空間分布?？梢钥闯?，這兩種白光LED的光空間分布明顯不同，樣品#1為朗伯型發(fā)光；樣品#2為蝙蝠翼發(fā)光。從樣品#1的光空間分布上可以看出白光LED的發(fā)光中間比較強(qiáng)，兩邊比較弱，因此被稱為朗伯型發(fā)光。而從樣品#2的光空間分布上可以看出白光LED在70度和-70度左右發(fā)光最強(qiáng)，幾乎為0度角光功率的兩倍，形狀比較像蝙蝠翼。為了方便描述光空間分布均勻性，我們采用上述AU模型計(jì)算均勻性，因此，光空間分布均勻性在-90°-90°為0.127(#1)和0.112（#2），說(shuō)明了樣品#1的光空間分布均勻性比樣品#2好。但是當(dāng)我們選取-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°分別計(jì)算其均勻性，卻發(fā)現(xiàn)樣品#1的光空間分布均勻性比樣品#2差，如表1所示。因此，我們認(rèn)為在分析空間分布均勻性時(shí)候，不能簡(jiǎn)單地只分析某一個(gè)角度范圍內(nèi)的空間分布均勻性，而應(yīng)該對(duì)幾個(gè)范圍的空間分布均勻性同時(shí)考慮，取平均值。兩種樣品在-90°和90°位置光比較弱，測(cè)試系統(tǒng)的內(nèi)在系統(tǒng)誤差和測(cè)試過(guò)程的人為引入的誤差，可能導(dǎo)致在該角度的測(cè)試數(shù)據(jù)有一定的誤差。如果只考慮-90°-90°內(nèi)計(jì)算空間分布均勻性，會(huì)使得評(píng)價(jià)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，且造成說(shuō)服力欠缺。因此，對(duì)所分析的四個(gè)范圍（-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°）內(nèi)取平均后，樣品#1和#2的空間分布均勻性指標(biāo)為0.292，0.409。因此，得出結(jié)論，樣品#1的光空間分布均勻性不如樣品#2。以下計(jì)算色空間分布均勻性（相關(guān)色溫、色坐標(biāo)）時(shí)也是對(duì)所分析的四個(gè)范圍（-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°）內(nèi)取平均值。圖1（B）為相關(guān)色溫空間分布。經(jīng)過(guò)同樣計(jì)算后，樣品#1和#2的相關(guān)色溫空間分布均勻性指標(biāo)為0.705，0.831。因此，得出結(jié)論，樣品#1的相關(guān)色溫空間分布均勻性不如樣品#2。圖2為色坐標(biāo)空間分布均勻性。經(jīng)過(guò)計(jì)算，樣品#1和樣品#2的色坐標(biāo)CIE x的空間分布均勻性指標(biāo)為0.896，0.921；CIE y的空間分布均勻性指標(biāo)分別為0.814，0.871。對(duì)比分析結(jié)果得出結(jié)論，樣品#1的色坐標(biāo)空間分布均勻性不如樣品#2。表2列出四個(gè)參數(shù)（光功率、相關(guān)色溫、色坐標(biāo)CIE x和色坐標(biāo)CIE y）分別在對(duì)四個(gè)范圍內(nèi)的空間分布均勻性指標(biāo)平均值。因此，本文中針對(duì)光度學(xué)的一個(gè)參數(shù)和色度學(xué)的三個(gè)參數(shù)，我們提出了一個(gè)綜合評(píng)價(jià)白光LED空間分布均勻性的指標(biāo)為業(yè)界作為參考，如下：

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)我們對(duì)白光LED的樣品進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)和熒光粉工藝設(shè)計(jì)時(shí)候，我們可以參考這個(gè)指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行空間分布均勻性方面的性能評(píng)價(jià)。封裝形狀和熒光粉的涂敷工藝對(duì)空間分布均勻性影響很大。利用該指標(biāo)，可以隨時(shí)反饋封裝形狀和熒光粉的涂敷工藝是否達(dá)到設(shè)定的要求。如果沒(méi)有達(dá)到設(shè)定要求，我們?cè)倮霉鈱W(xué)設(shè)計(jì)和熒光粉設(shè)計(jì)手段來(lái)進(jìn)一步地改良設(shè)計(jì)。在本文的樣品#2中，空間分布均勻性指標(biāo)為0.758，但根據(jù)公式，理論最大值為1。因此，雖然樣品#2采用了花生殼透鏡的封裝形式，一定程度上改善了空間分布的均勻性，但是距離最佳值仍有一定的提升空間。將來(lái)的工作可以針對(duì)花生殼透鏡和熒光粉涂敷工藝聯(lián)合改善和優(yōu)化，并利用本文提出的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，使得設(shè)計(jì)的樣品空間分布均勻性盡可能達(dá)到最佳，產(chǎn)品更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1 兩個(gè)樣品的光空間分布（A）；相關(guān)色溫空間分布（B）

圖2 兩個(gè)樣品的色坐標(biāo)空間分布：圖（A）色坐標(biāo)CIE x；圖（B）色坐標(biāo)CIE y。

表1 不同角度范圍內(nèi)的光空間分布均勻性指標(biāo)

表2 針對(duì)不同參數(shù)的空間分布均勻性指標(biāo)

四、結(jié)論

本文提出了一種綜合評(píng)價(jià)白光LED的空間分布均勻性的指標(biāo)。

該指標(biāo)不僅考慮了四個(gè)不同光參數(shù)、色參數(shù)，而且考慮不同角度范圍。其中，光參數(shù)主要考慮了光功率；色參數(shù)主要考慮了相關(guān)色溫、色坐標(biāo)CIE x和CIE y。在角度上，有別于以往其它工作中只考慮固定的角度范圍，比如-90°-90°。在我們的工作中，我們對(duì)四個(gè)不同角度的-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°內(nèi)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算并取得平均值，使得光色空間分布的指標(biāo)分析更具有說(shuō)服力。實(shí)驗(yàn)上我們利用該指標(biāo)評(píng)價(jià)了兩種不同封裝形式的樣品。最終根據(jù)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果認(rèn)為仿流明封裝樣品#1的空間分布均勻性不如花生殼封裝的樣品#2的空間分布均勻性。

因此，根據(jù)本文所提出的空間分布均勻性指標(biāo)，在相關(guān)光學(xué)和熒光粉的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中，我們可以參考該指標(biāo)對(duì)不同的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，來(lái)判斷所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的空間分布均勻性是否得到提升。此外，除了照明產(chǎn)品，還可以利用該指標(biāo)對(duì)當(dāng)前電子顯示屏產(chǎn)品也進(jìn)行空間分布均勻性評(píng)價(jià)，不僅從光度的角度而且從色度的角度，能更加全面、客觀地評(píng)估產(chǎn)品的性能優(yōu)劣，因而具有一定的參考價(jià)值。

[1]E．F．Schubert and K．J．Kyu．Solid-state light sources getting smart[J]． Science, 2005,308(5726):1274-1278．

[2]胡奕彬,莊其仁,劉士偉,等．高顯色指數(shù)LED合成白光光源的研究[J]．光學(xué)學(xué)報(bào),2016(3):208-217．

[3]張錦華,朱大慶,王加賢．三芯片集成高顯色指數(shù)白光LED的研究[J]．半導(dǎo)體光電,2012,33(5):667-671．

[4]古志良,許毅欽,陳志濤．三基色白光LED光譜優(yōu)化及顏色評(píng)價(jià)體系分析[J]．照明工程學(xué)報(bào),2016,27(1):18-22．

[5]宋國(guó)華,繆建文,姜斌,等．近紫外芯片激發(fā)三基色熒光粉制作的白光LED[J]．半導(dǎo)體技術(shù),2011(8):1779-1783．

[6]陳鋒,張梅,何鑫,等．基于熒光膜的大功率白光LED的發(fā)光性能[J]．材料研究學(xué)報(bào),2016,30(5):388-392．

[7]肖華,郭自泉,黨思佳,等．遠(yuǎn)程熒光粉形狀對(duì)LED發(fā)光性能的影響[J]．光電技術(shù)應(yīng)用,2017, 32(1):10-14．

[8]宋國(guó)華,繆建文,施建珍,等．一種提高白光LED相關(guān)色溫分布均勻性的方法[J]．光電子·激光,2010(7):983-987．

[9]劉行仁,郭光華,林振宇,等．相關(guān)色溫8000～4000K的白光LED的發(fā)射光譜和色品質(zhì)特性[J]．中國(guó)照明電器,2004(7):2-5．

鄭玉瓊（1982－），福建永春人，碩士，集美工業(yè)學(xué)校講師，主要從事電子電工方面的教學(xué)和研究。