基于分散熒光粉的平板LED光源

杭州市工人業余大學 雷滕楠

本文所探究的是利用一層黃色熒光粉膜設計出一款白光平板LED光源。其基本方法是利用平板LED光源以藍光LED芯片作為基本光源，并在實驗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，藍光通過膜后一部分被吸收從而激發出黃光，黃光與透過的藍光混合就形成了白光。最后利用光學軟件Tracepro模擬設計結果并對燈箱及熒光粉膜進行改善，最終達到最優結果。

本文從LED的發光原理及發光特性、YAG熒光粉的發光原理及特性、平板LED結構及照明要求、熒光粉膜的定義等幾個方面展開論述。運用Tracepro光學軟件進行模擬LED晶元芯片發光，通過自己定義的熒光粉膜，最終得到均勻的白光，均勻度達到50%以上，同時色溫在6000K左右。最終通過本文探究得出燈箱體內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，色溫達到預期。

當前，節能減排、綠色發展的理念深入人心。據統計，全世界照明所消耗的能源占到整個電力資源消耗的五分之一左右，所以，要實現節能減排、綠色發展，照明節能是不可忽略的一點。LED平板燈作為時下新興的室內照明燈具，其光源為LED，首先發光效率相較于傳統光源有了大幅提升，符合當下節能減排的要求。另外因其獨特設計，光線經過高透光率的導光板后，行程平面發光效果，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計的平板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

本文所設計的實驗模型主要有4個部分：實驗燈箱體、藍光LED光源、熒光粉膜和接收屏。如圖1所示。

圖1 實驗燈箱模型

圖2 在TracePro中檢視熒光粉數據

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查詢所用熒光粉的基本參數：吸收譜、激發譜、摩爾消光系數、量子效率。

本文所使用的熒光粉為宏大YAG00902，所用參數均來自宏大網站上的產品規格通過描點定義熒光粉的吸收譜與激發譜，通過TracePro軟件來定義熒光粉參數。如圖2所示。

1.3 實驗元件屬性介紹

實驗燈燈箱尺寸為：300mm×200mm×50mm，燈箱四面內壁及底面為漫反射材料，其中藍光LED表面光源屬性，藍光LED光源的尺寸為1mm×1mm×1mm其中向上的（X軸向）的SURFACE5為發光面。光源的光通量為5lm，發光波長為3個不連續的值，這3個值應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。

最開始不知道要設置激發光的波長，以至于模擬出來的效果圖里只有藍光。經過很長時間的摸索，問了很多專業人士，最后在網上的論壇中查到解決方法。其中需要確定熒光粉激發出來的光的波長，應該符合熒光粉的激發譜的主峰值。

最后接收屏需要注意距離，大約離試驗箱上表面大約100mm即可。

1.4 仿真結果及優化

設置完成后，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時模擬效果，可以看到總體偏藍色，偏藍部分色溫為10000K左右，應為透過的藍光太多且激發的黃光不夠引起。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。可以看到效果有所改善，但是偏黃，黃色部分色溫為4400K左右，且從兩次的結果看黃藍斑點太多，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，曲線波動過大，而且邊緣的照度分布過少。根據公式：均勻度=1-（最大照度-最小照度）/平均照度，通過計算，均勻度第一次為33.3%，第二次為31.7%。

為解決上述問題，本文從燈箱結構入手，將實驗燈箱的四面內表面和底面設為漫反射材料（前文已有提及），同時將熒光粉膜上下表面均設定為散射材料調整結構后，反復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，曲線的波動也減小了。經計算，均勻性達到了51%。

2 結論

這次設計基于分散熒光粉的平板LED光源，主要依靠光學模擬軟件tracepro以實現。為了做好這次設計，我做了如下工作：

閱讀文獻，總結實現白光LED的方法，平板LED的結構。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格，完成了對熒光粉的仿真，并且運用到模型之中。得到仿真模擬的結果之后，對所建模型，通過改變燈箱結構，熒光粉膜的厚度，熒光粉的濃度，進行了以得到白光色溫和均勻光照為目標的優化，最后發現了一個比較優秀的燈箱結構設計方案，以及熒光粉膜厚度和濃度的優化配比。

雖然設計得到了一定的效果，但是還是應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。這可能是因為光線散射做的還不夠。下一步研究何如在平板LED當中再加入一些凹透鏡，讓光線更加發散，可能會讓邊緣更加均勻，效果更好。