采用蓝光激发黄色荧光粉生成白光技术的LED光效和显色指数研究

江 磊，倪凯凯，刘木清

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)

引言

作为新一代光源，LED得到了人们越来越多的关注。从照明工程的角度而言，光效(luminous efficacy of a source, LES)、色温(correlative color temperature, CCT)和显色指数(color-rendering index, CRI)是评价LED的三个重要指标。

近年来，随着LED技术的发展，LED光效得到长足的提升，并一再突破人们的期待。另外，随着人们对生活质量要求的提高，光源的显色指数显得越发重要，室内照明的显色指数普遍要求80以上。由此引申出三方面的问题：(1)白光LED的光效和显色指数之间究竟存在怎样相互制约的关系。(2)当光效或显色指数中的一个参量确定时，另一个参量的理论最高值是多少。(3)在不同CCT下，LES、CRI的关系有何变化。本文将通过计算机仿真，从理论角度对此进行相关计算和讨论。

考虑到目前市场上的白光LED器件以蓝光LED芯片加黄色荧光粉的形式为主流，本文仅讨论这种形式下白光LED光效、显色指数和色温之间的关系。

1 实验概述及假设

为进行理论分析，本文假设蓝光LED芯片的外量子效率为1。

目前已有很多相关文献对单色LED光谱分布进行了建模[1-4]。但考虑到对结果的影响不大，本文将蓝光LED光谱和经过黄色荧光粉后产生的黄光光谱均简化为高斯分布。

蓝光LED光谱高斯分布函数为：

(1)

式(1)中，λb，σb分别为蓝光LED的主波长和分布的标准差。

假设蓝光LED获得的总能量为1，则蓝光LED的光谱能量分布为：

(2)

式(2)中，K为用以与黄色荧光粉转换的比例。

假设黄色荧光粉的转换效率为100%，即蓝光光子可以转化为同等数目的黄光光子，并且荧光粉层对光线没有额外的吸收，则黄光光谱能量分布为：

(3)

式(3)中，λy，σy分别为生成黄光的主波长和分布的标准差。

LED器件整体光谱能量分布为：

E(λ) =Eb(λ)+Ey(λ)

(4)

对于式(4)中的5个变量λb，σb，λy，σy和K，本文将其分别限制在一定范围内，用计算机以特定步长遍历所有组合，计算出每个组合下的光谱能量分布，并求出LED相应的CRI、LES和CCT。

2 实验过程

考虑蓝光LED和黄色荧光粉的波长范围，实验取λb范围为440～490nm，计算步长为5nm；取λy范围为550～600nm，计算步长为5nm。

对于高斯分布，半高全宽(FWHM)约为：Δλ=2.355×σ。蓝光LED光谱半高全宽范围取20～40nm，黄光光谱半高全宽范围取100～160nm[5,6]。由此可知，σb范围为8～17nm，计算步长为1nm；σy范围为40～70nm，计算步长为5nm。

考虑K的取值范围，当K过小时，蓝光比例过高，系统光效低；当K过大时，意味着黄色荧光粉厚度较厚，荧光粉对光的吸收已不能忽视[7]，上节中的假设不再成立。故取K范围为20%～80%，计算步长为5%。

计算过程中，取CCT的范围为2000～8000K。由于本文研究对象是白光LED，因此在计算中，对于某一组计算出的光谱能量分布，仅当其色坐标u，v满足如式(5)所示的判据，才认为当前色温有效，否则丢弃此结果。

(5)

式(5)中ub，vb分别为CCT对应黑体的色坐标。

3 实验结果

经过程序遍历，共计算组数110110组，其中有效组数为26499组。

数据中最高光效为376lm/W，对应的显色指数为51，具体参数取值如表1所示。

表1 数据中最高光效对应的参数组合Table 1 Parameters to generate LED of maximum LES

对应最高光效的光谱能量分布图如图1所示。

图1 数据中最高光效对应的光谱能量分布Fig.1 Spectral energy distribution for LED of maximum LES data

数据中最高CRI为91，对应光效为214lm/W，具体参数取值如表2所示。

表2 数据中最高显色指数对应的参数组合Table 2 Parameters to generate LED of maximum CRI

对应最高显色指数的光谱能量分布图如图2所示。

图2 数据中最高显色指数对应的光谱能量分布Fig.2 Spectral energy distribution for LED of maximam CRI data

根据ANSI C78.377标准将计算所得数据划分入2700K，3000K，3500K，4000K，4500K，5000K，5700K和6500K 8个标准色温档中，可得出各色温档中最高显色指数或最高光效下的相应参数设置，如表3和表4所示。

表3 各标准色温档显色指数的极大值及对应参数组合Table 3 Maximum CRI and corresponding parameersfor each CCT range

表4 各标准色温档光效的极大值及对应参数组合Table 4 Maximum LES and corresponding parametersfor each CCT range

光效、显色指数极大值随色温变化的趋势如图3所示。

图3 光效、显色指数极值随色温变化趋势Fig.3 Peak value of LES and CRI vs.CCT

根据实验数据，可以进一步整理出各色温档下最高光效随显色指数变化趋势，如图4所示。

图4 各色温档下光效随显色指数值变化趋势Fig.4 Maximum LES vs.CRI for each CCT range

通过分析蓝光转化为黄光的比例K，可得最高光效和最高显色指数随K变化的趋势图，如图5和图6所示。

图5 各色温档下光效随K值变化趋势Fig.5 Maximum LES vs.K for each CCT range

图6 各色温档下显色指数随K值变化趋势Fig.6 Maximum CRI vs.K for each CCT range

4 实验结论和讨论

分析实验数据，可得出如下3点结论：

(1)对于采用蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光的应用而言，在特定色温下，光效和显色指数都存在一个特定的极值。

数据显示，4500K色温左右可以取到光效极值的最大值，色温过高或过低都会影响此极值。因为色温降低需要黄光的主波长右移，一方面偏离V(λ)曲线，造成光效下降，另一方面使蓝光光子转换为黄光光子的损耗增加。当色温升高时，蓝光主波长左移，可能造成光效的下降。

研究显色指数随色温变化的趋势，可以发现其并不满足目前市场大多数LED“色温越低，可获得显色指数越高”的一般规律。相反，当色温降低时，相应的显色指数极值大幅降低。究其原因，主要在于黄光主波长的限制。

本文计算所采用的黄光中心波长的上限为600nm，而事实上，为获得高显色指数，目前市场上的低色温LED都会添加红色荧光粉，使经过荧光粉转化后的光谱主波长大于600nm，从而获得较高的显色指数。

(2)对于采用蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光的应用而言，在特定色温下，可实现的光效极值随显色指数要求的升高而降低。从本文的数据来看，要达到80的显色指数，其理论光效不会高于270lm/W。

目前，针对室内照明，Energy Star等标准不仅提出了显色指数大于80的要求，还要求R9大于0。因此，要达到相应要求，就必须采用添加红粉等措施。与黄色荧光粉相比，红粉造成的量子损失更高，因此能够获得的理论光效极值也更低。

另一方面，要获得特定的光效，必定需要牺牲显色指数作为代价。如要获得光效300lm/W以上的LED，假设其外量子效率和荧光粉转化效率均接近100%，则从本文的结果可以推算其显色指数将低于70。

(3)通过数据分析可以发现，对于不同色温的LED，随着蓝光LED发出的蓝光转化为黄光的比例K的提高，系统的光效和显色指数都有所提高。

但如前文所述，高的转化比例意味着较厚的荧光粉层厚度，会造成光被荧光粉层吸收，降低转换效率，从而偏离假设条件。

从另一方面来看，如果可以通过技术手段降低荧光粉层对出射光的吸收，则LED光效还有进一步提升的可能性。

本文所做的实验和分析都基于理想条件，事实上，实际可获得的蓝光的光谱分布模型、蓝光与黄色荧光粉的匹配性及加入红粉后对系统的影响等都会带来与理想值的一些偏差[8-10]。下一步可以通过增加相应的参数进一步细化研究。

本文通过计算机辅助分析的方法，对于采用蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光的应用，计算出各色温档下光效及显色指数的理论极值和相关性，并分析了相关的结果，具有一定的指导意义。

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