远程荧光粉型LED 灯具的色温预测与验证

郑盛梅

（衢州职业技术学院信息工程学院,浙江 衢州 324000）

1 概述

白光LED 发光器件具有高效、节能环保、安全可靠等优点,被认为将取代传统照明方式成为新一代节能照明光源[1-3]。但是随着LED 功率的提高,其散发的热量对荧光粉的影响越来越不可忽视,将导致荧光粉的效率降低,色温漂移等问题[4-6]。针对荧光粉直接涂覆芯片表面易受热衰减的影响,业界提出了远程荧光粉方法- 将荧光粉与蓝光芯片分离开来,有大量文献研究表明此种技术在提高发光效率,改善色温一致性等方面有优势[7-12]。对于远程荧光粉型灯具,其光色特性的预测,即灯具的出光量,远场光强分布曲线,光谱特性,色温等各种指标的预测一直是研究的热点。

目前,针对远程荧光粉型LED 灯具的光色特性研究主要分为三大类。第一类是纯理论推导与公式计算：Nguyen 等用Lighttools 模拟了多层荧光粉结构的白光LED,并且用Mie氏散射理论和Lambert-Beer 定律验证了模拟结果,证明多层结构在提高LED 的显色性方面具有优势[13]；Paula Acun～a 等人将BSDF 散射结果,蓝光LED 的发射光谱,以及混光腔的效率导入自建的迭代模型,可以比较准确地预测远程荧光粉器件的效率[14]；冯永安建立了LED 激发光源与荧光玻璃结合的模型,分析了光子在荧光玻璃中的传输过程,并且应用Monte-Carlo 光线追迹方法进行了模拟,用Matlab 实现了编程[15]。此类基于公式推导与编程运算的方法会造成一定的误差且计算的过程复杂,工作量较大。

第二类是纯实验研究：肖华等研究了不同形状的远程荧光粉（圆顶形、椭球形以及圆锥形）的发光性能,用实验手段测量了灯具的光谱分布和光强分布,以及色温在空间的分布均匀性[16]；马建设等以石英玻璃为基片,将荧光粉与有机硅胶的混合物涂覆在基片上,利用主轴与插杆的相对运动改变远程荧光粉片与蓝光LED 芯片的距离,探究混光腔高度和电流对LED 远程配光器件参数值的影响规律[17]；李博超等将荧光粉与硅胶搅拌均匀,利用热压法制成厚度为0.5mm 的远程荧光片,制作了高显指的白光LED 灯具[18]；Li 等利用自适应涂覆技术制备了远程荧光粉型LED 灯珠,实验表明此种LED 在色温的空间均匀度方面和LED 的光效方面都有所提升[7]。此类基于实验手段的研究通过调整各相关参数可以得到较好的LED 灯具性能,但是对其内在机理没有深入研究,对今后的工作缺乏理论指导和依据。

第三类是先制作一系列的远程荧光粉片,用实验手段测得一些中间参数,然后导入模拟软件进行LED 相关光色特性的计算：Huiyin Wu 等人利用双积分球系统测量不同浓度和不同厚度的远程荧光粉片,并且将测量结果导入光学追迹软件,通过不断调整模拟参数,使出光情况不断逼近实测结果[19]；Chien-Hsian Hung 等人制作了一系列荧光涂层,并且测量其在蓝光、黄光不同角度入射时前向透射光线的BSDF分布数据,利用光学模拟软件预测灯具的特性,实验结果表明该方法能够比较准确的预测灯具的光强度分布和色温随着角度的变化[20]；Kuo-Ju Chen 等研究了在不同的入射角下光线的散射强度,并且将远程荧光粉片的前向透射和后向反射的BSDF 分布数据导入到光学模拟软件中计算灯具的远场光强度分布,实验结果表明实测结果和模拟结果能很好地吻合[21]。此类利用双积分球等设备实测远程荧光粉片的前向散射/后向散射特性然后导入模型进行模拟的方法虽然能得到较准确的结果,但是荧光片的制备和测量是费时费力的工作,而且没有通用性,任何一个参数（例如荧光粉的类型,荧光粉的浓度,荧光粉的厚度等）的改变都将导致之前测得的数据无效,荧光粉片的制备和测量等一系列工作都将重新来过。

本文提出了一种新的预测远程荧光粉型LED 灯具的色温的方法,将实验测量与模拟仿真相结合,但是是直接测量荧光粉的粒径分布,以及蓝光LED 的发射光谱和荧光粉的激发/发射光谱,再利用Mie 氏散射理论计算得到远程荧光粉片对不同波长及不同角度光线的前向散射/后向散射数据,再把得到的前向散射/后向散射数据应用到基于蒙特卡罗光线追迹的光学仿真软件中,即可得到基于远程荧光粉的LED 灯具的色温。本项目组的方法与上述的第三类方法相类似,但是省略了各种不同参数的荧光粉片的制备和测量的大量的实验工作,节省了时间和人力成本。

2 理论分析与光学模拟

远程荧光粉型LED 灯具的一个重要元器件是远程荧光粉片,通常由荧光粉与有机硅胶等载体均匀混合并制成,此时荧光粉可视为悬浮在均匀介质中的粒子[22]。当蓝光入射到远程荧光粉片时,如果蓝光没有碰到荧光粉粒子,其波长就不会改变,其出射方向符合斯奈尔定律；如果蓝光碰到荧光粉粒子,则出射的可能是蓝光或者黄光,出射方向由散射理论决定。远程荧光粉片可以视为多个粒子聚集形成的粒子云,当光线入射到粒子云时,根据Lambert-Beer 定律,透射光强度与入射光强度有如下关系:

其中,k=2 /λ,an与bn为与荧光粉粒径分布函数q(D),以及荧光粉与胶体的相对折射率ρp/ρs有关的Riccati-Bessel 函数。

由上述等式(1)-(4)可知,荧光粉层对入射光的散射和吸收主要受到入射光的波长λ、荧光粉与胶体的相对折射率ρp/ρs、荧光粉粒径分布函数q(D)、荧光粉在混合物中的粒子分布密度N(D)等因素影响。入射光波长在模拟时设定,荧光粉与胶体的折射率一般在参数说明书中给出,下面具体阐述荧光粉粒径分布函数q(D)和荧光粉在混合物中的粒子分布密度N(D)如何得到。

本项目使用的荧光粉是欧司朗光电半导体公司生产的L175 型YAG 荧光粉,项目组已经用实验方法测得荧光粉的粒径分布如图1 所示,其粒径分布函数为q(D),其中D 为荧光粉的直径,q 为相对数量。由图可知荧光粉的直径在0.8-60μm范围内,大部分的荧光粉直径在10-30μm范围内。

图1 荧光粉的粒径分布

荧光粉在混合物中的粒子分布密度N(D)由式(5)计算得到：

其中,P 为荧光粉与胶体混合时的质量比,ρs为胶体的密度,ρp为荧光粉的密度,D 为荧光粉的直径。此公式可以计算对于每一种粒径的荧光粉,其在胶体中的粒子分布密度,即单位体积的胶体中的荧光粉的数量。

在用光学软件进行模拟时,还需要输入荧光粉的激发光谱与发射光谱。图2 为项目组测得的L175 型YAG 荧光粉的激发与发射光谱,其中蓝色线为发射光为555nm 时的激发光谱,红色线为激发光为460nm 时的发射光谱。由图可知此荧光粉的激发光谱峰值在460nm,与项目组采用的蓝光LED的峰值波长相匹配,可以最大限度地激发荧光粉的效率；此荧光粉的发射光谱的峰值在555nm,与蓝光LED 混合可以得到中性白光和冷白光。

图2 荧光粉的激发光谱与发射光谱

计算或测量得到相关的参数之后,导入光学模拟软件TracePro,就可以得到基于远程荧光粉的LED 灯具的色温。下文主要研究当荧光粉的浓度改变时,LED 灯具色温的准确预测与验证。

图3 是本文所研究的远程荧光粉型LED 灯具的模型。该灯具的具体结构包括散热器、PCB 板、蓝光LED 光源、混光腔、远程荧光粉片等。其中蓝光LED 光源安装在PCB 板上,由18 颗EDISON3528 贴片封装蓝光LED 器件串联集成在同一片铝基板中组合而成,其工作电流为20mA；将黄色荧光粉和有机硅胶混合均匀,并将这两者的混合物利用匀胶法均匀涂覆在玻璃片上,制成远程荧光片,荧光粉片的直径为50mm。

图3 基于远程荧光粉的LED 筒灯的主要组成部件

项目组一共模拟了4 种荧光粉浓度,分别为12%,15%,18%以及21%。模拟结果如图4 所示。由图可以看出,当荧光粉浓度分别为12%,15%,18%以及21%时,对应的LED 灯具的色温分别为5974K,4952K,4176K,以及4040K。由模拟结果可知,LED 灯具的色温随着荧光粉浓度的提高而降低,但是在浓度大于18%以后,色温基本保持不变,这是由于在浓度高到一定程度之后,能与荧光粉发生作用的蓝光已经达到饱和,再提高荧光粉的浓度对色温就基本没有影响。

图4 荧光粉浓度对LED 灯具色温的影响（模拟结果）

3 实验验证

为了验证模拟结果的正确性,项目组还制作了远程荧光粉型筒灯的实物并且进行了测量。图5 为本项目组设计并制作的远程荧光粉型LED 筒灯模型,采用的是18 颗蓝光LED芯片,额定电流为20mA,主波长为460nm。为了提高出光量,在PCB 的表面以及混光腔的内表面,项目组还贴上了反射率高达98%的反射膜。

图5 筒灯的实物照片

远程荧光粉片的制作方法为：将荧光粉与透明有机硅胶相混合,利用真空脱泡搅拌机搅拌成为均匀的液体,然后利用旋转涂覆法将将混合液涂覆在透明的玻璃盖上。具体的步骤如下：将筒灯的玻璃基片真空吸附在匀胶台上,用胶头玻璃滴管取适量荧光粉与硅胶的混合液置于玻璃基片中心,调整匀胶台的转速使涂覆层的厚度达到设计的厚度要求,最后将涂覆好荧光粉层的玻璃片放入烤箱中烘烤一段时间使其固化。图6 为本项目组制作的不同浓度的远程荧光粉片,荧光粉的浓度为12%,15%,18%以及21%,荧光粉层的厚度固定在0.32mm。

图6 远程荧光粉片的实物照片

为了检测远程荧光粉型LED 筒灯的光色特性,项目组利用远方公司的积分球测量了不同荧光粉浓度下LED 筒灯的色温,结果如图7 所示。由图可以看出,LED 灯具的色温随着荧光粉浓度的提高而降低,但是在浓度大于18%以后,色温基本保持不变,这与模拟结果是非常一致的。

图7 荧光粉浓度对LED 灯具色温的影响（实验结果）

模拟结果与实验结果的对比如表1 所示,结果表明模拟与实验的误差在-130K 到72K 之间,在可接受的范围内。对比结果表明本项目组的建模与分析方法能比较准确地预测远程荧光粉型LED 灯具的色温,对今后LED 灯具的荧光粉的浓度和厚度的选择具有指导性作用。

表1 模拟结果与实验结果的对比

4 结论

本文通过Mie 氏散射理论与光学模拟软件相结合的方法,首先测量YAG 荧光粉的粒径分布,蓝光LED 的出射光谱,以及YAG 荧光粉的激发光谱与发射光谱,再通过计算将相关参数导入光学模拟软件,可以预测远程荧光粉型LED灯具的色温。实验结果与模拟结果的对比显示,该方法可以准确预测在不同的荧光粉浓度时,LED 灯具的色温。本文的研究成果对远程荧光粉型LED 灯具的色温预测与色温可调具有指导性的意义。