評價白光L E D空間分布均勻性的指標研究

集美工業(yè)學校智能控制產業(yè)系 鄭玉瓊

評價白光L E D空間分布均勻性的指標研究

集美工業(yè)學校智能控制產業(yè)系 鄭玉瓊

白光LED的空間分布均勻性不僅對人們的視覺生理重要，而且對人們的心理狀況產生一定的影響。當前業(yè)界已經有許多與空間分布均勻性的改善相關的研究，但對空間分布均勻性的評價上仍然存在評價指標單一的問題，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，評價指標的角度范圍也比較單一和固定，導致最終的評價結果不夠準確。針對上述這些不足，本文提出了一種綜合評價白光LED光和色空間分布的評價指標。利用該指標對兩種不同封裝（分別為仿流明封裝形式和花生殼透鏡封裝形式）的白光LED樣品進行評價。利用本文所提出的指標，評價結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。我們認為改善光和色的空間分布均勻性的白光LED的設計優(yōu)化可以參考該指標進行。將指標用于評估現存的一些商業(yè)的照明和顯示產品的性能具有一定的參考和應用價值。

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、光效高、抗震防水等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于室內照明和室外照明，如智能家居、夜景工程、交通信號燈、隧道燈、汽車車燈、戶外大型顯示等多個應用場合[1]。與傳統照明光源如白熾燈、熒光燈等相比LED還具有色彩靈活可調的優(yōu)點，使得智能光色可調的多基色白光LED在智能家居中扮演重要角色[2]。自藍光LED的發(fā)明者赤崎勇、天野浩、中村修二等人獲得2014年諾貝爾獎以來，LED為人們更廣泛地熟知。在“互聯網+”的信息化和網絡化新時代下，LED為代表的固態(tài)照明光源正在引領著一股節(jié)能、環(huán)保、智能的新熱潮。

當前，白光LED主要由以下三種不同的構成方式[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、藍三種顏色的熒光粉。第三種為藍光LED芯片激發(fā)黃綠色釔鋁石榴石熒光粉(簡稱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動下、不同環(huán)境溫度下呈現出不同的光和色的變化規(guī)律，特別是在隨著時間持續(xù)點亮的過程中，也即老化過程中更是呈現出不同的變化趨勢。因此，這種類型的白光LED極其容易發(fā)生色漂移的現象。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，綠光的效率相對比較低，而藍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，綠光芯片的相關技術有待于進一步的得到研究，以提升效率。第二種白光LED的技術目前相對來說比較不成熟。首先，能夠同時匹配同一種近紫外／紫光芯片且轉換效率均高的三種熒光粉較少[5]。其次，現存的近紫外／紫光的芯片效率仍然不夠高，價格也不菲。另外，近紫外／紫光泄露問題也是不容忽視的問題之一。特別是老化后的白光LED，隨著燈殼的老化，近紫外／紫光泄露容易對人們的健康產生不良的影響。在上述三種白光LED中，最廣泛被應用的為第三種，因為YAG熒光粉具有成本低、光效高、顯色指數也高、熒光粉熱穩(wěn)定性高等多個優(yōu)點[6]。但是，這種類型白光LED的空間分布均勻性仍然是一個比較顯著的問題，特別是對于傳統的熒光粉涂敷技術的白光LED。由于藍光LED芯片的發(fā)光具有朗伯型發(fā)光形式，即發(fā)光呈現中間強兩邊弱的特點。當芯片上覆蓋熒光粉后，中間的藍光比較多，兩側的藍光比較少，中間和兩側的熒光粉發(fā)光的差異性較大，因此容易出現“光圈”、“光暈”現象，即均勻性不佳的問題。均勻性不好的光源對人的生理和心理都會有一定的影響，因此需要開展相關研究來改善均勻性。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減少光損耗、節(jié)省光量具有一定意義，而且對人的視覺質量和生理健康至關重要。相關研究中，宋國華等提出了一種提高白光LED相關色溫（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，白光LED樣品的相關色溫均勻性和穩(wěn)定性得到了一定的提升。肖華等對遠程熒光粉型白光LED的空間分布均勻性也進行了相應研究[8]。在該研究中，他們對三種不同形狀的遠程熒光燈罩進行空間分布均勻性的對比研究，并分別分析和解釋造成空間分布均勻性不同的原因。研究還認為通過改變光源的封裝形式能夠實現對熒光粉發(fā)光性能的改善。當前，對空間分布均勻性的指標評價單一，要么只考慮光空間分布均勻性，要么只考慮相關色溫空間分布均勻性。因此，研究一個綜合評價空間分布均勻性的指標為相關改善空間分布均勻性的工作基礎，具有一定現實意義。

二、模型和實驗

白光LED的主要光學參數為光功率(P)、光通量(Φ)、光強（I），主要色參數為相關色溫(Tc)、CIE色坐標(CIE x, CIE y)等。其中，光功率也稱為輻射通量，是單位時間內的輻射能量，單位是瓦特（W）。光通量為人眼所能感受的輻射功率，是單位時間內某個波段的輻射能量與該波段人眼視見函數相應值的乘積。人眼視見函數代表人眼對不同單色光的敏感程度，通常在555 nm波長處（綠光區(qū)域）響應最大。所以相同光功率的藍光LED和綠光LED對比，綠光LED在人眼看來更亮。光通量的單位是流明（lm）。光強也叫做發(fā)光強度，為一定方向上單位立體角的光通量，單位為坎德拉（cd）。這三個參數都是密切相關的，在空間分布上，光功率、光通量和光強空間分布形狀差異較小。

在色度學參數上，色溫是一個重要的顏色指標。色溫是指當光源的光色與標準黑體的光色相同，標準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準黑體完全一致，因此相關色溫的概念由此而來，即用來描述與標準黑體光色最相近的光源顏色。色溫有暖色溫（一般來說，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比較柔和、產生溫暖的感覺、使人心情愉悅，比較適合于應用在家居領域；冷色溫的光源看起來比較陰冷不舒服，使人興奮，有助于提高警覺性，適合應用于工作場合。所以色溫對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。色坐標也叫作顏色坐標，通常用色坐標來表示一種顏色，目前主要是國際照明委員會（CIE）推薦的1931的XYZ色度系統的色坐標(CIE x, CIE y)。

一般地，評價光空間分布和色空間分布均勻性（Angular Uniformity, AU）的參數通常參考亮度均勻性的相關指標，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據（測試角度為-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，所有數據均在環(huán)境溫度30℃下測得，測試的角度范圍為-90°-90°。

三、討論與分析

在接下來的討論和分析中，我們將從光空間分布均勻性和色空間分布均勻性來對樣品#1和樣品#2進行討論和對比，并提出一個綜合評價空間分布均勻性的指標對其進行性能表征。考慮到光強、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。可以看出，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，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，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），說明了樣品#1的光空間分布均勻性比樣品#2好。但是當我們選取-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°分別計算其均勻性，卻發(fā)現樣品#1的光空間分布均勻性比樣品#2差，如表1所示。因此，我們認為在分析空間分布均勻性時候，不能簡單地只分析某一個角度范圍內的空間分布均勻性，而應該對幾個范圍的空間分布均勻性同時考慮，取平均值。兩種樣品在-90°和90°位置光比較弱，測試系統的內在系統誤差和測試過程的人為引入的誤差，可能導致在該角度的測試數據有一定的誤差。如果只考慮-90°-90°內計算空間分布均勻性，會使得評價結果不夠準確，且造成說服力欠缺。因此，對所分析的四個范圍（-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°）內取平均后，樣品#1和#2的空間分布均勻性指標為0.292，0.409。因此，得出結論，樣品#1的光空間分布均勻性不如樣品#2。以下計算色空間分布均勻性（相關色溫、色坐標）時也是對所分析的四個范圍（-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°）內取平均值。圖1（B）為相關色溫空間分布。經過同樣計算后，樣品#1和#2的相關色溫空間分布均勻性指標為0.705，0.831。因此，得出結論，樣品#1的相關色溫空間分布均勻性不如樣品#2。圖2為色坐標空間分布均勻性。經過計算，樣品#1和樣品#2的色坐標CIE x的空間分布均勻性指標為0.896，0.921；CIE y的空間分布均勻性指標分別為0.814，0.871。對比分析結果得出結論，樣品#1的色坐標空間分布均勻性不如樣品#2。表2列出四個參數（光功率、相關色溫、色坐標CIE x和色坐標CIE y）分別在對四個范圍內的空間分布均勻性指標平均值。因此，本文中針對光度學的一個參數和色度學的三個參數，我們提出了一個綜合評價白光LED空間分布均勻性的指標為業(yè)界作為參考，如下：

在實際應用中，當我們對白光LED的樣品進行封裝設計和熒光粉工藝設計時候，我們可以參考這個指標對設計的產品進行空間分布均勻性方面的性能評價。封裝形狀和熒光粉的涂敷工藝對空間分布均勻性影響很大。利用該指標，可以隨時反饋封裝形狀和熒光粉的涂敷工藝是否達到設定的要求。如果沒有達到設定要求，我們再利用光學設計和熒光粉設計手段來進一步地改良設計。在本文的樣品#2中，空間分布均勻性指標為0.758，但根據公式，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。將來的工作可以針對花生殼透鏡和熒光粉涂敷工藝聯合改善和優(yōu)化，并利用本文提出的綜合評價指標進行評價，使得設計的樣品空間分布均勻性盡可能達到最佳，產品更具有實際應用價值。

圖1 兩個樣品的光空間分布（A）；相關色溫空間分布（B）

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

表1 不同角度范圍內的光空間分布均勻性指標

表2 針對不同參數的空間分布均勻性指標

四、結論

本文提出了一種綜合評價白光LED的空間分布均勻性的指標。

該指標不僅考慮了四個不同光參數、色參數，而且考慮不同角度范圍。其中，光參數主要考慮了光功率；色參數主要考慮了相關色溫、色坐標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，我們對四個不同角度的-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°內指標進行計算并取得平均值，使得光色空間分布的指標分析更具有說服力。實驗上我們利用該指標評價了兩種不同封裝形式的樣品。最終根據指標評估結果認為仿流明封裝樣品#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，根據本文所提出的空間分布均勻性指標，在相關光學和熒光粉的設計和優(yōu)化中，我們可以參考該指標對不同的設計結果進行綜合評價，來判斷所設計的產品的空間分布均勻性是否得到提升。此外，除了照明產品，還可以利用該指標對當前電子顯示屏產品也進行空間分布均勻性評價，不僅從光度的角度而且從色度的角度，能更加全面、客觀地評估產品的性能優(yōu)劣，因而具有一定的參考價值。

[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LED合成白光光源的研究[J]．光學學報,2016(3):208-217．

[3]張錦華,朱大慶,王加賢．三芯片集成高顯色指數白光LED的研究[J]．半導體光電,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)化及顏色評價體系分析[J]．照明工程學報,2016,27(1):18-22．

[5]宋國華,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]．半導體技術,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]．材料研究學報,2016,30(5):388-392．

[7]肖華,郭自泉,黨思佳,等．遠程熒光粉形狀對LED發(fā)光性能的影響[J]．光電技術應用,2017, 32(1):10-14．

[8]宋國華,繆建文,施建珍,等．一種提高白光LED相關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．相關色溫8000～4000K的白光LED的發(fā)射光譜和色品質特性[J]．中國照明電器,2004(7):2-5．

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