高顯色高光效可調色溫白光LED

楊　武，　吳　綱，　林星星

(上海電機學院 數理教學部，上海 201306)

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高顯色高光效可調色溫白光LED

楊武，吳綱，林星星

(上海電機學院 數理教學部，上海 201306)

摘要:為實現高顯色高光效的白光發光二極管(LED)，采用新的LED和熒光粉光譜數學模型，研究不同的光譜組合。研究結果表明，新的LED能實現顯色指數CRI≥93和特殊顯色指數 R9≥90要求，同時實現輻射光效(LER)大于或等于378lm/W，最終實現白光LED優化光譜最優化組合。

關鍵詞:發光二級管; 熒光粉; 光譜功率分布; 顯色指數; 輻射光效

高亮度白光發光二極管(Light Emitting Diode, LED)在不久的將來將成為第4代照明光源，它與傳統的光源相比具有壽命長、節電、溫度穩定、光強穩定、耐振動、抵押驅動、無二次污染等優點[1]。當前國際上實現白光LED[2-4]的方法有很多，但是大多數產生的白光不具有現實的實用性。隨著科學技術不斷的發展，目前，可以通過藍光LED芯片激發熒光粉產生顯色指數(Color Rendering Index, CRI)和光效較高的白光LED，這使得白光LED更具備了現實的實用性。為了模擬更高的LED顯色性，應用較多的LED光譜模型有多種，如高斯模型[5]、雙高斯模型[6]、Ohno修正模型[7]以及國內學者修正的H-Z模型[8]等，國內外很多學者在可調色溫白光LED[9-14]取得了重大成果。本文應用最新擬合的光譜數學模型[15](N-model)模擬三色光LED(R/G/B)白光和四色光LED(R/G/B/Y)白光，藍光芯片激發綠色熒光粉產生白光和各色LED組合模塊產生高效高顯色的白光，即W/R/Y和W/R/G/Y組合模塊，并模擬仿真產生了高光效高顯色可調色溫(2700~6500K)白光LED。

14種不同模塊組合的相對光譜功率分布函數

1.1　三色模塊組合(R/G/B)

三色可調色溫白光LED組合模塊(R/G/B)相對光譜功率分布函數為

S(λ)=c1SR(λ,ΔλR,λR)+c2SG(λ,ΔλG,λG)+

c3SB(λ,ΔλB,λB)

(1)

式中，S(λ)為LED的相對光譜功率分布；c1、c2、c3分別為紅、綠、藍各色LED的相對光譜功率分布函數的比例系數；λi為各色LED的峰值波長，i指紅、綠、藍各種單色；Si為各單色LED的相對光譜功率分布；Δλi為左右兩側光譜半寬度。

1.2　四色模塊組合(R/G/B/Y)

四色可調色溫白光LED組合模塊相對光譜功率分布函數為

S(λ)=c1SR(λ,ΔλR,λR)+c2SG(λ,ΔλG,λG)+

c3[SB(λ,ΔλB,λB)+cSY(λ,ΔλY,λY)]

(2)

式中，輻射功率百分比c在不同可調色溫(Correlated Color Temperature, CCT)(2700～6500K)條件下不是同一個定值，可以調節。

1.3　藍光激發熒光粉組合各色LED模塊組合(W/R/Y)

藍光激發熒光粉組合各色LED模塊組合(W/R/Y)相對光譜功率分布函數為

S(λ)=c1SR(λ,ΔλR，λR)+c2SY(λ,ΔλY,λY)+

c3[SB(λ,ΔλB,λB)+cSG-phosphor(λ,ΔλY,λY)]

式中，SG-phosphor為綠色熒光粉的相對光譜功率分布；c在不同CCT(2700~6500K)條件下是同一個值，但可以調節。

1.4　藍光激發熒光粉組合各色LED模塊組合(W/R/G/Y)

藍光激發熒光粉組合各色LED模塊組合(W/R/G/Y)相對光譜功率分布函數為

S(λ)=c1SR(λ,ΔλR，λR)+c2[SY(λ,ΔλY,λY)+

c4SG(λ,ΔλG,λG)]+c3[SB(λ,ΔλB,λB)+

cSG-phosphor(λ,ΔλY,λY)]

其中，不同CCT條件下(2700~6500K)，c4不是同一定值且可以調節，c是同一個定值但可以調節。

24種不同模塊組合的模擬仿真

2.1　R/G/B模塊組合

采用New-model光譜模型模擬仿真紅、綠和藍光LED的光譜。其中,紅、綠和藍光LED的光譜半寬度Δλ分別為 20、35 和28nm，S(λ) 有6個特征參量。為了仿真到最優化的結果，本文擬定不同CCT條件下的目標函數，即

CRI≥86,R9≥87

式中，j=1,2,…，8分別對應不同的色溫；LER為輻射光效(Luminous Efficacy of Radiation, LER)。

因此，最優化光譜的問題就是在顯色指數CRI≥86和特殊顯色指數R9≥87的條件下求目標函數F的最大值問題。本文采用計算工具Excel尋找目標函數F的最大值，最終實現模塊最優化組合。

為了實現在同時滿足CRI≥85和R9≥85條件下R/G/B模塊組合(見圖1)的最優化光譜，實驗采用了高效循環仿真，最終得出最優化的實驗數據。模擬仿真實驗中選用的實驗參數如下：

(1) 紅、綠、藍光LED的實驗參數如表1所示。其中，λ為峰值波長;Δλ為半寬高度;Δλ1為左半寬高度;Δλ2為右半寬高度。

(2) 偏離黑體軌跡距離dc均小于45×10-4。

(3) 組合LED的一般顯色指數Ra>86，飽和紅色樣品的特殊顯色指數R9>87。

圖1　R/G/B模塊組合單色白光LED光譜Fig.1　Spectrum of monochromatic white LED　for R/G/B combination model

LEDλ/nmΔλ/nmΔλ1/nmΔλ2/nm紅光621.12022.517.5綠光546.83531.738.3藍光466.22824.731.3

表示白色人膚色；特殊顯色指數R15表示中國人女性膚色。最優相對功率光譜分布如圖2所示。

圖2　在CRI≥86和R9≥86條件下R/G/B模塊

Fig.2Optimization of spectral power distribution for R/G/B combination model with CRI≥86 andR9≥86

2.2　W/R/Y模塊組合

采用New-model光譜模型模擬仿真紅、黃、藍光LED和綠色熒光粉的光譜。其中，紅、黃、藍光LED和綠色熒光粉的光譜半寬度Δλ分別為20、20、28和69nm。模塊組合的S(λ)有8個特征參量。

表2　CRI≥86和R9≥86條件下R/G/B模塊組合最優化數據Tab.2　Optimization data of R/G/B combination model with CRI≥86 and R9≥86

為仿真到最優化的結果，擬定了不同CCT條件下的目標函數為

CRI≥90，R9≥90

其中,j=1,2,…，8分別對應不同的色溫。

因此，最優化光譜問題就是在CRI≥90和R9≥90條件下求目標函數F的最大值。

為了實現在同時滿足CRI≥90和R9≥90條件下W/R/Y模塊組合(見圖3)的最優化光譜，實驗采用高效循環仿真，最終得出最優化的實驗數據。模擬仿真實驗中選用的實驗參數如下：

由圖可見，水泥凈漿流動度隨VAc加入量增加先增大后減小；而混凝土的倒坍流空時間隨著VAc的量增加迅速減少，當VAc的加入量占單體總質量的10%，流空時間最少，混凝土的粘度較低，隨著疏水單體VAc的加入，表面活性效果有所增強，從而降低了混凝土的粘度。而之后繼續增加VAc用量粘度卻增大，這是由于在該反應體系中，VAc的反應活性明顯低于其他單體，當過量時，反應體系活性較低、轉化率降低，有大量的單體殘余在體系中，對水泥凈漿和混凝土粘度產生不利影響。

(1) 紅、黃、藍光LED和綠色熒光粉的參數如表3所示；

(2) dc均小于45×10-4；

(3) 組合LED的一般顯色指數Ra>90，飽和紅色樣品的特殊顯色指數R9>90，LER≥378lm/W。

圖3　W/R/Y模塊組合單色白光LED光譜Fig.3　Spectrum of monochromatic white LED　for W/R/Y combination model

表4給出了當CRI≥90，R9≥90時不同CCT(2700~6500K)條件下W/R/Y模塊組白光LED最優化實驗結果；最優相對功率光譜分布如圖4所示。

表3　CRI≥90和R9≥90條件下，紅光、黃光、藍光LED和綠色熒光粉的實驗參數Tab.3　Experimental parameters of red, yellow,blue LEDs and green phosphor with CRI≥90 and R9≥90

表4　CRI≥90和R9≥90條件下W/R/Y模塊組合的最優化數據Tab.4　Optimization data of W/R/Y combination model with CRI≥90 and R9≥90

圖4CRI≥90和R9≥90條件下W/R/Y模塊組合可調白光LED的最優化光譜功率分布

Fig.4Optimization of spectral power distribution for W/R/Y combination model with CRI≥90 andR9≥90

2.3　R/G/B/Y模塊組合

采用New-model光譜模型模擬仿真紅、綠、黃和藍光LED的光譜。其中，紅、綠、黃和藍光LED的光譜半寬度Δλ分別為20、35、28和20nm。模塊組合的相對光譜功率分布函數S(λ)有8個特征參量。為了仿真到最優化的結果，擬定了不同CCT條件下的目標函數為

CRI≥85，R9≥90

其中,j=1,2,…,8分別對應不同的色溫。

因此，最優化光譜的問題就是在CRI≥85和R9≥90條件下求目標函數F的最大值。

為了實現在同時滿足CRI≥85和R9≥90的條件下R/G/B/Y模塊組合(見圖5)的最優化光譜，實驗采用了高效循環仿真，最終得出最優化的實驗數據。模擬仿真實驗中選用的實驗參數如下：

圖5　R/G/B/Y模塊組合單色白光LED光譜Fig.5　Spectrum of monochromatic white LED　for R/G/B/Y combination model

(1) 紅、黃、藍、綠光LED的實驗參數如表5所示；

(2) dc均小于45×10-4；

(3) 組合LED的一般顯色指數Ra>85，飽和紅色樣品的特殊顯色指數R9>90，LER≥378lm/W。

表5　在CRI≥85，R9≥90條件下紅、黃、藍、綠光LED實驗參數Tab.5　Experimental parameters of red, yellow, blueand green LEDs with CRI≥85 and R9≥90

表6給出了當CRI≥85和R9≥90時不同CCT(2700~6500K)時R/G/B/Y模塊組白光LED最優化實驗結果，最優相對功率光譜分布如圖6所示。

表6　在CRI≥85，R9≥90條件下R/G/B/Y模塊組合可調白光LED的光譜最優化結果Tab.6　Optimization data of R/G/B/Y combination model with CRI≥85 and R9≥90

圖6　CRI≥85和R9≥90條件下R/G/B/Y模塊組合　可調白光LED的最優化光譜功率分布Fig.6　Optimization of spectral power distribution　for R/G/B/Y combination model with CRI　≥85 and R9≥90

2.4　W/R/G/Y模塊組合

采用New-model光譜模型模擬仿真紅、綠、黃、藍光LED和綠色熒光粉的光譜。其中，紅、綠、黃、藍光LED和綠色熒光粉的Δλ分別為20、35、28、20和71nm。模塊組合的S(λ)有10個特征參量。為仿真到最優化的結果，擬定了不同CCT條件下的目標函數為

CRI≥93,R9≥90

其中，j=1,2,…，8分別對應不同的色溫。

因此，光譜最優化光譜的問題就是在顯色指數CRI≥93和特殊顯色指數R9≥90條件下求目標函數F的最大值問題。

為了實現在同時滿足CRI≥93和R9≥90的條件下W/R/G/Y模塊組合(見圖7)的最優化光譜，實驗采用了高效循環仿真，最終得出最優化的實驗數據。模擬仿真實驗中選用的實驗參數如下：

圖7　W/R/G/B/Y模塊組合單色白光LED光譜Fig.7　Spectrum of monochromatic white LED　for W/R/G/B/Y combination model

(1) 紅、黃、藍、綠光LED和綠色熒光粉的實驗參數如表7所示;

表7　在CRI≥93，R9≥90條件下紅、黃、藍、綠光LED和綠色熒光粉的實驗參數Tab.7　Experimental parameters of red, yellow, blue, green LEDs and green phosphor with CRI≥93 and R9≥90

(2) dc均小于45×10-4；

(3) 組合LED的一般顯色指數Ra>90，飽和紅色樣品的特殊顯色指數R9>90，LER≥378lm/W。

表8給出了當CRI≥93和R9≥90時不同CCT(2700~6500K)條件下W/R/G/Y模塊組白光LED最優化實驗結果，最優相對功率光譜分布如圖8所示。

表8　在CRI≥93，R9≥90條件下W/R/G/Y LED模塊組合可調白光的光譜最優化結果Tab.8　Optimization data of W/R/G/Y combination model with CRI≥93 and R9≥90

圖8CRI≥93和R9≥90條件下W/R/G/B/Y模塊組合可調白光LED的最優化光譜功率分布

Fig.8Optimization of spectral power distribution for W/R/G/B/Y combination model with CRI≥93 andR9≥90

2.5　仿真模擬結果

上述4種不同模塊組合仿真結果表明： 在4種不同的組合模塊中，W/R/G/Y組合的可調白光LED所達到的效果最好，能實現CRI≥93和R9≥90，同時輻射光效也是最優化的結果。目前，這是保證顯色性的同時又使得光效高的一種最優化的可調色溫白光LED光譜的組合。

3結語

本文對R/G/B、R/G/B/Y、W/R/Y和W/R/G/Y高效高顯色可調色溫白光LED模塊組合進行了仿真模擬研究，仿真結果表明： 在4種不同的組合模塊中，W/R/G/Y組合的可調白光LED所達到的效果最好，能實現CRI≥93和R9≥90，同時輻射光效也是最優化的結果。該研究結果為實際獲得高效高顯色可調色溫白光LED模塊組合提供了重要依據和技術參數。然而，實際選用的藍光LED和熒光粉的峰值波長和光譜半寬度可能會有一定的偏差，這將是今后研究的工作。

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Color Temperature Tunable White Light LED withHigh CRI and High Luminous Efficacy

YANGWu，WUGang,LINXingxing

(Department of Mathematics and Physics, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Abstract:To achieve white light LED with high CRI and high luminous efficacy, this paper uses a new mathematical model for spectra of light-emitting diodes (LED) and phosphor. The research results show that we can achieve CRI≥93 and R9≥90. At the same time, some multiple LEDs can reach luminous efficacy of radiation (LER) greater than or equal to 378lm/W. The multiple LEDs can realize optimal combination of optimized white LED spectra.

Key words:light emitting diode (LED); phosphor; spectral power distribution; color rendering index(CRI); luminous efficacy of radiation(LER)

文獻標志碼:A

中圖分類號:O433.4

文章編號2095 - 0020(2015)01 -0046 - 07

作者簡介：楊武(1985-)，男，碩士，實驗師，主要研究方向為LED光譜和熒光粉光譜，E-mail： ncyw2010@126.com

基金項目：國家自然科學 資助(11104178)；上海市教育委員會科研創新項目資助(14YZ156)

收稿日期：2015 - 01 - 05