基于分散熒光粉的平板LED光源

杭州市工人業(yè)余大學(xué) 雷滕楠

本文所探究的是利用一層黃色熒光粉膜設(shè)計(jì)出一款白光平板LED光源。其基本方法是利用平板LED光源以藍(lán)光LED芯片作為基本光源，并在實(shí)驗(yàn)燈箱底部等距離均勻排列，從而形成LED陣列，然后在燈箱表面添加熒光粉膜，藍(lán)光通過膜后一部分被吸收從而激發(fā)出黃光，黃光與透過的藍(lán)光混合就形成了白光。最后利用光學(xué)軟件Tracepro模擬設(shè)計(jì)結(jié)果并對燈箱及熒光粉膜進(jìn)行改善，最終達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。

本文從LED的發(fā)光原理及發(fā)光特性、YAG熒光粉的發(fā)光原理及特性、平板LED結(jié)構(gòu)及照明要求、熒光粉膜的定義等幾個(gè)方面展開論述。運(yùn)用Tracepro光學(xué)軟件進(jìn)行模擬LED晶元芯片發(fā)光，通過自己定義的熒光粉膜，最終得到均勻的白光，均勻度達(dá)到50%以上，同時(shí)色溫在6000K左右。最終通過本文探究得出燈箱體內(nèi)壁材料對光線均勻度有較大影響，且熒光粉膜的濃度在0.00565mol/L時(shí)，色溫達(dá)到預(yù)期。

當(dāng)前，節(jié)能減排、綠色發(fā)展的理念深入人心。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界照明所消耗的能源占到整個(gè)電力資源消耗的五分之一左右，所以，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色發(fā)展，照明節(jié)能是不可忽略的一點(diǎn)。LED平板燈作為時(shí)下新興的室內(nèi)照明燈具，其光源為LED，首先發(fā)光效率相較于傳統(tǒng)光源有了大幅提升，符合當(dāng)下節(jié)能減排的要求。另外因其獨(dú)特設(shè)計(jì)，光線經(jīng)過高透光率的導(dǎo)光板后，行程平面發(fā)光效果，照度均勻、光線柔和、令人感覺舒適而又明亮，還能緩解眼疲勞。下面就具體介紹本文所研究設(shè)計(jì)的平板LED光源。

1 基于分散熒光粉的平板LED光源的仿真

1.1 平板LED模型介紹

本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕?個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)燈箱體、藍(lán)光LED光源、熒光粉膜和接收屏。如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)燈箱模型

圖2 在TracePro中檢視熒光粉數(shù)據(jù)

1.2 定義與模擬熒光粉

定義熒光粉主要用到Fluorescence Property Utility這款TP自帶的插件先通過上網(wǎng)查詢所用熒光粉的基本參數(shù)：吸收譜、激發(fā)譜、摩爾消光系數(shù)、量子效率。

本文所使用的熒光粉為宏大YAG00902，所用參數(shù)均來自宏大網(wǎng)站上的產(chǎn)品規(guī)格通過描點(diǎn)定義熒光粉的吸收譜與激發(fā)譜，通過TracePro軟件來定義熒光粉參數(shù)。如圖2所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)元件屬性介紹

實(shí)驗(yàn)燈燈箱尺寸為：300mm×200mm×50mm，燈箱四面內(nèi)壁及底面為漫反射材料，其中藍(lán)光LED表面光源屬性，藍(lán)光LED光源的尺寸為1mm×1mm×1mm其中向上的（X軸向）的SURFACE5為發(fā)光面。光源的光通量為5lm，發(fā)光波長為3個(gè)不連續(xù)的值，這3個(gè)值應(yīng)符合先前定義的熒光粉吸收譜主要吸收峰，本文仿真的熒光粉膜厚度為250um，長寬為300mm×200mm。

最開始不知道要設(shè)置激發(fā)光的波長，以至于模擬出來的效果圖里只有藍(lán)光。經(jīng)過很長時(shí)間的摸索，問了很多專業(yè)人士，最后在網(wǎng)上的論壇中查到解決方法。其中需要確定熒光粉激發(fā)出來的光的波長，應(yīng)該符合熒光粉的激發(fā)譜的主峰值。

最后接收屏需要注意距離，大約離試驗(yàn)箱上表面大約100mm即可。

1.4 仿真結(jié)果及優(yōu)化

設(shè)置完成后，開始模擬。

在摩爾濃度為0.005mol/L和0.006mol/L的條件下的模擬效果圖。

圖3所示左邊為0.0050mol/L時(shí)模擬效果，可以看到總體偏藍(lán)色，偏藍(lán)部分色溫為10000K左右，應(yīng)為透過的藍(lán)光太多且激發(fā)的黃光不夠引起。故嘗試提高熒光粉濃度。將摩爾濃度提高到0.006mol/L得到右邊的模擬效果?？梢钥吹叫Ч兴纳?，但是偏黃，黃色部分色溫為4400K左右，且從兩次的結(jié)果看黃藍(lán)斑點(diǎn)太多，不夠均勻。

圖3 在摩爾濃度為0.005mol/L和0.006mol/L的條件下的色溫圖

圖4 在摩爾濃度為0.005mol/L的條件下的照度分布圖

圖5 在摩爾濃度為0.006mol/L的條件下的照度分布圖

圖6 濃度為0.00565mol/L條件下的色溫圖

在摩爾濃度為0.005mol/L的條件下的照度分布圖如圖4所示。

在摩爾濃度為0.006mol/L的條件下的照度分布圖如圖5所示。

從兩次的照度分布也可以看到，均勻性不太理想，曲線波動(dòng)過大，而且邊緣的照度分布過少。根據(jù)公式：均勻度=1-（最大照度-最小照度）/平均照度，通過計(jì)算，均勻度第一次為33.3%，第二次為31.7%。

為解決上述問題，本文從燈箱結(jié)構(gòu)入手，將實(shí)驗(yàn)燈箱的四面內(nèi)表面和底面設(shè)為漫反射材料（前文已有提及），同時(shí)將熒光粉膜上下表面均設(shè)定為散射材料調(diào)整結(jié)構(gòu)后，反復(fù)測試不同摩爾濃度下的效果，最終得到的效果圖如圖6所示。

圖7 濃度為0.00565mol/L條件下的照度分布圖

此時(shí)的濃度為0.00565mol/L，效果比前幾次明顯有很大改善，以白色為主，色溫在6000K左右。

最終得到的照度分布圖如圖7所示。

從照度分布圖來看，均勻性也大有改善，曲線邊緣比之前更豐滿，收到的照度更多，曲線的波動(dòng)也減小了。經(jīng)計(jì)算，均勻性達(dá)到了51%。

2 結(jié)論

這次設(shè)計(jì)基于分散熒光粉的平板LED光源，主要依靠光學(xué)模擬軟件tracepro以實(shí)現(xiàn)。為了做好這次設(shè)計(jì)，我做了如下工作：

閱讀文獻(xiàn)，總結(jié)實(shí)現(xiàn)白光LED的方法，平板LED的結(jié)構(gòu)。最終確定方案。并且通過Tracepro軟件，完成了對平板LED的建模。參考市場上熒光粉的規(guī)格，完成了對熒光粉的仿真，并且運(yùn)用到模型之中。得到仿真模擬的結(jié)果之后，對所建模型，通過改變燈箱結(jié)構(gòu)，熒光粉膜的厚度，熒光粉的濃度，進(jìn)行了以得到白光色溫和均勻光照為目標(biāo)的優(yōu)化，最后發(fā)現(xiàn)了一個(gè)比較優(yōu)秀的燈箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以及熒光粉膜厚度和濃度的優(yōu)化配比。

雖然設(shè)計(jì)得到了一定的效果，但是還是應(yīng)該清楚的看到一些存在的問題。接受板的邊緣均勻性還是不太理想。這可能是因?yàn)楣饩€散射做的還不夠。下一步研究何如在平板LED當(dāng)中再加入一些凹透鏡，讓光線更加發(fā)散，可能會(huì)讓邊緣更加均勻，效果更好。