评价白光L E D空间分布均匀性的指标研究

集美工业学校智能控制产业系 郑玉琼

评价白光L E D空间分布均匀性的指标研究

集美工业学校智能控制产业系 郑玉琼

白光LED的空间分布均匀性不仅对人们的视觉生理重要，而且对人们的心理状况产生一定的影响。当前业界已经有许多与空间分布均匀性的改善相关的研究，但对空间分布均匀性的评价上仍然存在评价指标单一的问题，比如要么只考虑光空间分布均匀性，要么只考虑色空间分布均匀性，而且，评价指标的角度范围也比较单一和固定，导致最终的评价结果不够准确。针对上述这些不足，本文提出了一种综合评价白光LED光和色空间分布的评价指标。利用该指标对两种不同封装（分别为仿流明封装形式和花生壳透镜封装形式）的白光LED样品进行评价。利用本文所提出的指标，评价结果表明仿流明封装形式的样品的光和色空间分布均匀性不如花生壳透镜封装的样品。我们认为改善光和色的空间分布均匀性的白光LED的设计优化可以参考该指标进行。将指标用于评估现存的一些商业的照明和显示产品的性能具有一定的参考和应用价值。

白光LED；空间分布

一、引言

白光发光二极管（Light-emitting diode, LED）是一种新型绿色节能照明光源，具有体积小、寿命长、光效高、抗震防水等诸多优点，被广泛应用于室内照明和室外照明，如智能家居、夜景工程、交通信号灯、隧道灯、汽车车灯、户外大型显示等多个应用场合[1]。与传统照明光源如白炽灯、荧光灯等相比LED还具有色彩灵活可调的优点，使得智能光色可调的多基色白光LED在智能家居中扮演重要角色[2]。自蓝光LED的发明者赤崎勇、天野浩、中村修二等人获得2014年诺贝尔奖以来，LED为人们更广泛地熟知。在“互联网+”的信息化和网络化新时代下，LED为代表的固态照明光源正在引领着一股节能、环保、智能的新热潮。

当前，白光LED主要由以下三种不同的构成方式[3]。第一种为RGB三基色LED，即将三种不同颜色的LED芯片封装在一起。第二种为近紫外LED芯片激发红、绿、蓝三种颜色的荧光粉。第三种为蓝光LED芯片激发黄绿色钇铝石榴石荧光粉(简称YAG荧光粉)。第一种白光LED采用三种不同颜色的芯片，每种芯片在不同的电流驱动下、不同环境温度下呈现出不同的光和色的变化规律，特别是在随着时间持续点亮的过程中，也即老化过程中更是呈现出不同的变化趋势。因此，这种类型的白光LED极其容易发生色漂移的现象。而且这种白光LED所含芯片较多，成本通常较高。此外，在三基色芯片中，绿光的效率相对比较低，而蓝光和红光的效率比较高[4]。因此，为了使得三基色光源有比较高的效率，绿光芯片的相关技术有待于进一步的得到研究，以提升效率。第二种白光LED的技术目前相对来说比较不成熟。首先，能够同时匹配同一种近紫外／紫光芯片且转换效率均高的三种荧光粉较少[5]。其次，现存的近紫外／紫光的芯片效率仍然不够高，价格也不菲。另外，近紫外／紫光泄露问题也是不容忽视的问题之一。特别是老化后的白光LED，随着灯壳的老化，近紫外／紫光泄露容易对人们的健康产生不良的影响。在上述三种白光LED中，最广泛被应用的为第三种，因为YAG荧光粉具有成本低、光效高、显色指数也高、荧光粉热稳定性高等多个优点[6]。但是，这种类型白光LED的空间分布均匀性仍然是一个比较显著的问题，特别是对于传统的荧光粉涂敷技术的白光LED。由于蓝光LED芯片的发光具有朗伯型发光形式，即发光呈现中间强两边弱的特点。当芯片上覆盖荧光粉后，中间的蓝光比较多，两侧的蓝光比较少，中间和两侧的荧光粉发光的差异性较大，因此容易出现“光圈”、“光晕”现象，即均匀性不佳的问题。均匀性不好的光源对人的生理和心理都会有一定的影响，因此需要开展相关研究来改善均匀性。白光LED的空间分布均匀性主要包括光空间分布均匀性和色空间分布均匀性。白光LED的空间分布均匀性不仅对减少光损耗、节省光量具有一定意义，而且对人的视觉质量和生理健康至关重要。相关研究中，宋国华等提出了一种提高白光LED相关色温（Correlated color temperature, CCT, Tc）分布均匀性的方法[7]。采用新型荧光粉涂敷技术，白光LED样品的相关色温均匀性和稳定性得到了一定的提升。肖华等对远程荧光粉型白光LED的空间分布均匀性也进行了相应研究[8]。在该研究中，他们对三种不同形状的远程荧光灯罩进行空间分布均匀性的对比研究，并分别分析和解释造成空间分布均匀性不同的原因。研究还认为通过改变光源的封装形式能够实现对荧光粉发光性能的改善。当前，对空间分布均匀性的指标评价单一，要么只考虑光空间分布均匀性，要么只考虑相关色温空间分布均匀性。因此，研究一个综合评价空间分布均匀性的指标为相关改善空间分布均匀性的工作基础，具有一定现实意义。

二、模型和实验

白光LED的主要光学参数为光功率(P)、光通量(Φ)、光强（I），主要色参数为相关色温(Tc)、CIE色坐标(CIE x, CIE y)等。其中，光功率也称为辐射通量，是单位时间内的辐射能量，单位是瓦特（W）。光通量为人眼所能感受的辐射功率，是单位时间内某个波段的辐射能量与该波段人眼视见函数相应值的乘积。人眼视见函数代表人眼对不同单色光的敏感程度，通常在555 nm波长处（绿光区域）响应最大。所以相同光功率的蓝光LED和绿光LED对比，绿光LED在人眼看来更亮。光通量的单位是流明（lm）。光强也叫做发光强度，为一定方向上单位立体角的光通量，单位为坎德拉（cd）。这三个参数都是密切相关的，在空间分布上，光功率、光通量和光强空间分布形状差异较小。

在色度学参数上，色温是一个重要的颜色指标。色温是指当光源的光色与标准黑体的光色相同，标准黑体的温度即为光源的色温。但是，往往光源的光色不可能与标准黑体完全一致，因此相关色温的概念由此而来，即用来描述与标准黑体光色最相近的光源颜色。色温有暖色温（一般来说，色温小于4000 K）、中间色温（4000-5000 K）和冷色温（色温大于5000 K）的区别[9]。暖色温的光源看起来比较柔和、产生温暖的感觉、使人心情愉悦，比较适合于应用在家居领域；冷色温的光源看起来比较阴冷不舒服，使人兴奋，有助于提高警觉性，适合应用于工作场合。所以色温对人的生理和心理影响较大，其空间分布均匀性也显得尤其重要。色坐标也叫作颜色坐标，通常用色坐标来表示一种颜色，目前主要是国际照明委员会（CIE）推荐的1931的XYZ色度系统的色坐标(CIE x, CIE y)。

一般地，评价光空间分布和色空间分布均匀性（Angular Uniformity, AU）的参数通常参考亮度均匀性的相关指标，即为，其中为最小值，为最大值。该值越大表明均匀性越好。

本文分析了两种类型的白光LED样品的光空间和色空间分布数据（测试角度为-90°-90°）。其中，样品#1为仿流明封装；样品#2为花生壳封装（因其外观类似花生）。样品额定功率均为1瓦，额定电流350 mA，所有数据均在环境温度30℃下测得，测试的角度范围为-90°-90°。

三、讨论与分析

在接下来的讨论和分析中，我们将从光空间分布均匀性和色空间分布均匀性来对样品#1和样品#2进行讨论和对比，并提出一个综合评价空间分布均匀性的指标对其进行性能表征。考虑到光强、光通量、光功率的空间分布曲线相类似，我们只分析了光功率的空间分布。图1（A）为两种样品的光功率空间分布。可以看出，这两种白光LED的光空间分布明显不同，样品#1为朗伯型发光；样品#2为蝙蝠翼发光。从样品#1的光空间分布上可以看出白光LED的发光中间比较强，两边比较弱，因此被称为朗伯型发光。而从样品#2的光空间分布上可以看出白光LED在70度和-70度左右发光最强，几乎为0度角光功率的两倍，形状比较像蝙蝠翼。为了方便描述光空间分布均匀性，我们采用上述AU模型计算均匀性，因此，光空间分布均匀性在-90°-90°为0.127(#1)和0.112（#2），说明了样品#1的光空间分布均匀性比样品#2好。但是当我们选取-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°分别计算其均匀性，却发现样品#1的光空间分布均匀性比样品#2差，如表1所示。因此，我们认为在分析空间分布均匀性时候，不能简单地只分析某一个角度范围内的空间分布均匀性，而应该对几个范围的空间分布均匀性同时考虑，取平均值。两种样品在-90°和90°位置光比较弱，测试系统的内在系统误差和测试过程的人为引入的误差，可能导致在该角度的测试数据有一定的误差。如果只考虑-90°-90°内计算空间分布均匀性，会使得评价结果不够准确，且造成说服力欠缺。因此，对所分析的四个范围（-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°）内取平均后，样品#1和#2的空间分布均匀性指标为0.292，0.409。因此，得出结论，样品#1的光空间分布均匀性不如样品#2。以下计算色空间分布均匀性（相关色温、色坐标）时也是对所分析的四个范围（-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°）内取平均值。图1（B）为相关色温空间分布。经过同样计算后，样品#1和#2的相关色温空间分布均匀性指标为0.705，0.831。因此，得出结论，样品#1的相关色温空间分布均匀性不如样品#2。图2为色坐标空间分布均匀性。经过计算，样品#1和样品#2的色坐标CIE x的空间分布均匀性指标为0.896，0.921；CIE y的空间分布均匀性指标分别为0.814，0.871。对比分析结果得出结论，样品#1的色坐标空间分布均匀性不如样品#2。表2列出四个参数（光功率、相关色温、色坐标CIE x和色坐标CIE y）分别在对四个范围内的空间分布均匀性指标平均值。因此，本文中针对光度学的一个参数和色度学的三个参数，我们提出了一个综合评价白光LED空间分布均匀性的指标为业界作为参考，如下：

在实际应用中，当我们对白光LED的样品进行封装设计和荧光粉工艺设计时候，我们可以参考这个指标对设计的产品进行空间分布均匀性方面的性能评价。封装形状和荧光粉的涂敷工艺对空间分布均匀性影响很大。利用该指标，可以随时反馈封装形状和荧光粉的涂敷工艺是否达到设定的要求。如果没有达到设定要求，我们再利用光学设计和荧光粉设计手段来进一步地改良设计。在本文的样品#2中，空间分布均匀性指标为0.758，但根据公式，理论最大值为1。因此，虽然样品#2采用了花生壳透镜的封装形式，一定程度上改善了空间分布的均匀性，但是距离最佳值仍有一定的提升空间。将来的工作可以针对花生壳透镜和荧光粉涂敷工艺联合改善和优化，并利用本文提出的综合评价指标进行评价，使得设计的样品空间分布均匀性尽可能达到最佳，产品更具有实际应用价值。

图1 两个样品的光空间分布（A）；相关色温空间分布（B）

图2 两个样品的色坐标空间分布：图（A）色坐标CIE x；图（B）色坐标CIE y。

表1 不同角度范围内的光空间分布均匀性指标

表2 针对不同参数的空间分布均匀性指标

四、结论

本文提出了一种综合评价白光LED的空间分布均匀性的指标。

该指标不仅考虑了四个不同光参数、色参数，而且考虑不同角度范围。其中，光参数主要考虑了光功率；色参数主要考虑了相关色温、色坐标CIE x和CIE y。在角度上，有别于以往其它工作中只考虑固定的角度范围，比如-90°-90°。在我们的工作中，我们对四个不同角度的-90°-90°、-80°-80°、-70°-70°、-60°-60°内指标进行计算并取得平均值，使得光色空间分布的指标分析更具有说服力。实验上我们利用该指标评价了两种不同封装形式的样品。最终根据指标评估结果认为仿流明封装样品#1的空间分布均匀性不如花生壳封装的样品#2的空间分布均匀性。

因此，根据本文所提出的空间分布均匀性指标，在相关光学和荧光粉的设计和优化中，我们可以参考该指标对不同的设计结果进行综合评价，来判断所设计的产品的空间分布均匀性是否得到提升。此外，除了照明产品，还可以利用该指标对当前电子显示屏产品也进行空间分布均匀性评价，不仅从光度的角度而且从色度的角度，能更加全面、客观地评估产品的性能优劣，因而具有一定的参考价值。

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郑玉琼（1982－），福建永春人，硕士，集美工业学校讲师，主要从事电子电工方面的教学和研究。