基于分散荧光粉的平板LED光源

杭州市工人业余大学 雷滕楠

本文所探究的是利用一层黄色荧光粉膜设计出一款白光平板LED光源。其基本方法是利用平板LED光源以蓝光LED芯片作为基本光源，并在实验灯箱底部等距离均匀排列，从而形成LED阵列，然后在灯箱表面添加荧光粉膜，蓝光通过膜后一部分被吸收从而激发出黄光，黄光与透过的蓝光混合就形成了白光。最后利用光学软件Tracepro模拟设计结果并对灯箱及荧光粉膜进行改善，最终达到最优结果。

本文从LED的发光原理及发光特性、YAG荧光粉的发光原理及特性、平板LED结构及照明要求、荧光粉膜的定义等几个方面展开论述。运用Tracepro光学软件进行模拟LED晶元芯片发光，通过自己定义的荧光粉膜，最终得到均匀的白光，均匀度达到50%以上，同时色温在6000K左右。最终通过本文探究得出灯箱体内壁材料对光线均匀度有较大影响，且荧光粉膜的浓度在0.00565mol/L时，色温达到预期。

当前，节能减排、绿色发展的理念深入人心。据统计，全世界照明所消耗的能源占到整个电力资源消耗的五分之一左右，所以，要实现节能减排、绿色发展，照明节能是不可忽略的一点。LED平板灯作为时下新兴的室内照明灯具，其光源为LED，首先发光效率相较于传统光源有了大幅提升，符合当下节能减排的要求。另外因其独特设计，光线经过高透光率的导光板后，行程平面发光效果，照度均匀、光线柔和、令人感觉舒适而又明亮，还能缓解眼疲劳。下面就具体介绍本文所研究设计的平板LED光源。

1 基于分散荧光粉的平板LED光源的仿真

1.1 平板LED模型介绍

本文所设计的实验模型主要有4个部分：实验灯箱体、蓝光LED光源、荧光粉膜和接收屏。如图1所示。

图1 实验灯箱模型

图2 在TracePro中检视荧光粉数据

1.2 定义与模拟荧光粉

定义荧光粉主要用到Fluorescence Property Utility这款TP自带的插件先通过上网查询所用荧光粉的基本参数：吸收谱、激发谱、摩尔消光系数、量子效率。

本文所使用的荧光粉为宏大YAG00902，所用参数均来自宏大网站上的产品规格通过描点定义荧光粉的吸收谱与激发谱，通过TracePro软件来定义荧光粉参数。如图2所示。

1.3 实验元件属性介绍

实验灯灯箱尺寸为：300mm×200mm×50mm，灯箱四面内壁及底面为漫反射材料，其中蓝光LED表面光源属性，蓝光LED光源的尺寸为1mm×1mm×1mm其中向上的（X轴向）的SURFACE5为发光面。光源的光通量为5lm，发光波长为3个不连续的值，这3个值应符合先前定义的荧光粉吸收谱主要吸收峰，本文仿真的荧光粉膜厚度为250um，长宽为300mm×200mm。

最开始不知道要设置激发光的波长，以至于模拟出来的效果图里只有蓝光。经过很长时间的摸索，问了很多专业人士，最后在网上的论坛中查到解决方法。其中需要确定荧光粉激发出来的光的波长，应该符合荧光粉的激发谱的主峰值。

最后接收屏需要注意距离，大约离试验箱上表面大约100mm即可。

1.4 仿真结果及优化

设置完成后，开始模拟。

在摩尔浓度为0.005mol/L和0.006mol/L的条件下的模拟效果图。

图3所示左边为0.0050mol/L时模拟效果，可以看到总体偏蓝色，偏蓝部分色温为10000K左右，应为透过的蓝光太多且激发的黄光不够引起。故尝试提高荧光粉浓度。将摩尔浓度提高到0.006mol/L得到右边的模拟效果。可以看到效果有所改善，但是偏黄，黄色部分色温为4400K左右，且从两次的结果看黄蓝斑点太多，不够均匀。

图3 在摩尔浓度为0.005mol/L和0.006mol/L的条件下的色温图

图4 在摩尔浓度为0.005mol/L的条件下的照度分布图

图5 在摩尔浓度为0.006mol/L的条件下的照度分布图

图6 浓度为0.00565mol/L条件下的色温图

在摩尔浓度为0.005mol/L的条件下的照度分布图如图4所示。

在摩尔浓度为0.006mol/L的条件下的照度分布图如图5所示。

从两次的照度分布也可以看到，均匀性不太理想，曲线波动过大，而且边缘的照度分布过少。根据公式：均匀度=1-（最大照度-最小照度）/平均照度，通过计算，均匀度第一次为33.3%，第二次为31.7%。

为解决上述问题，本文从灯箱结构入手，将实验灯箱的四面内表面和底面设为漫反射材料（前文已有提及），同时将荧光粉膜上下表面均设定为散射材料调整结构后，反复测试不同摩尔浓度下的效果，最终得到的效果图如图6所示。

图7 浓度为0.00565mol/L条件下的照度分布图

此时的浓度为0.00565mol/L，效果比前几次明显有很大改善，以白色为主，色温在6000K左右。

最终得到的照度分布图如图7所示。

从照度分布图来看，均匀性也大有改善，曲线边缘比之前更丰满，收到的照度更多，曲线的波动也减小了。经计算，均匀性达到了51%。

2 结论

这次设计基于分散荧光粉的平板LED光源，主要依靠光学模拟软件tracepro以实现。为了做好这次设计，我做了如下工作：

阅读文献，总结实现白光LED的方法，平板LED的结构。最终确定方案。并且通过Tracepro软件，完成了对平板LED的建模。参考市场上荧光粉的规格，完成了对荧光粉的仿真，并且运用到模型之中。得到仿真模拟的结果之后，对所建模型，通过改变灯箱结构，荧光粉膜的厚度，荧光粉的浓度，进行了以得到白光色温和均匀光照为目标的优化，最后发现了一个比较优秀的灯箱结构设计方案，以及荧光粉膜厚度和浓度的优化配比。

虽然设计得到了一定的效果，但是还是应该清楚的看到一些存在的问题。接受板的边缘均匀性还是不太理想。这可能是因为光线散射做的还不够。下一步研究何如在平板LED当中再加入一些凹透镜，让光线更加发散，可能会让边缘更加均匀，效果更好。