CN102244154B - 一种白光led的光谱优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种白光LED的光谱优化控制方法，其特征在于：通过基于分区辐射能判决，确定绿红波长区间有相对更大的辐射能量出射，并保持可与兰绿波长区间大致相等的平均辐射能量为使发光效率与显色指数综合最佳的判断准则，来指导加红操作的配方与工艺，使得显色指数Ra和发光效率综合最佳。本发明方法，给白光LED制作中的加红操作的配方与工艺提供了指导方法和实现技术。

Description

一种白光LED的光谱优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种白光LED的光谱优化控制方法，主要涉及通过蓝光发光二极管（LED）激发各种荧光粉混合体制作白光LED的光谱优化控制方法，也可应用于通过UV、紫色及其他发光二极管（LED）激发荧光粉混合体制作白光LED的光谱优化控制方法。

背景技术

1993年GaN蓝光发光二极管(LED)技术上的突破为白光LED的出现奠定了基础。白光LED最早是由日本日亚公司研发，该技术的核心是由GaN蓝光LED芯片涂覆Ce3+激活的稀土石榴石(YGd)3Al5O12∶Ce(简称YAG∶Ce)黄色荧光体组成。这种白光LED是一种新型固态照明(Solid State Lighting,简称SSL)电光源，其原理和结构不同于以往的白炽灯、荧光灯等真空电光源。

与本发明最接近的国内外背景技术为美国吉尔科有限公司埃米尔·拉德科夫等申报的发明专利“用于LED芯片的白光生成的全光谱荧光体混合物”，该专利核心点为包括在特定光谱范围内发射的四种或多于四种荧光体的混合物，以最优化给定的颜色坐标温度(CCT)的显色指数(CRI)。混合物将包括选自以下荧光体中的至少四种荧光体：发射峰值在400-500nm的蓝色荧光体；发射峰值在500-575nm的绿色荧光体；发射峰值在575-615nm的橙色荧光体；以及发射峰值在615-680nm的深红色荧光体。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所刘行仁于2007年6月发表在《发光学报》上的“白光LED固态照明光转换荧光体”论文，从发光学和近场理论出发，提出研发白光LED用荧光体的几种方案和原则。

福州大学吴海彬等于2008年9月发表在《光学学报》上的“涂敷红、绿荧光粉的白光LED显色性研究”论文，通过蓝光LED激发红、绿两种荧光粉制作白光LED。

通过蓝光、UV、紫色及其他发光二极管（LED）激发各种荧光粉混合体制作白光LED的方案多种多样，多数方案仅仅使侧重于针对某种特定的LED以及某种或某些特定的荧光粉混合体，各种方案的优劣总是自说自道，莫衷一是。而基于不同的发光二极管（LED）以及不同的荧光粉混合体的白光LED方案千差万别，这对白光LED的制作中的荧光粉混合体配制往往造成无据可依的局面。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种白光LED的光谱优化控制方法。

技术方案：判断白光LED发光性能优劣的指标不外乎显色指数Ra和发光效率                                               

，而这些指标的根据无非是白光LED的光谱特性曲线。本发明基于白光LED的光谱特性曲线提出了一种基于分区辐射能判决的白光LED的光谱优化控制方法，通过基于分区辐射能判决，确定绿红波长区间有相对更大的辐射能量出射，并保持可与兰绿波长区间大致相等的平均辐射能量为使发光效率与显色指数综合最佳的判断准则，来指导加红操作的配方与工艺，使得显色指数Ra和发光效率

综合最佳。

白光LED(蓝光芯片+YAG:Ce)，因YAG:Ce缺少橙红色光导致显色指数Ra不高。已有的研究表明，这可以通过将

或

与

共掺杂在YAG中的方法以及另外添加第二种发红色光的荧光粉予以弥补。关键是这种优化光谱的措施应如何加以控制，使得显色指数Ra和发光效率

综合最佳。

为此，我们在光谱图上选择三个特别的波长

、

与

，并且着重考察兰绿[

，]和绿红[，]两个光谱区间。考虑到蓝光芯片发射光谱，YAG：Ce发射光谱、视觉函数以及补红的目的要求，取

=450nm，

=550nm，=650nm，从而构成[

,

]与[

,

]两个同为100nm宽度的光谱区间。

假定以

表示蓝光LED+YAG:Ce的出光光谱，以

表示采取强化红光发射措后的出光光谱，我们确定绿红[

，

]波长区间有相对更大的辐射能量出射，并保持可与兰绿[

,]波长区间大致相等的平均辐射能量为使发光效率与显色指数综合最佳的判断准则，来指导加红操作的配方与工艺。亦即，最佳的

应满足：

其中，

>0为一选全的小数。

本发明可应用于通过蓝光发光二极管（LED）激发各种荧光粉混合体制作白光LED的光谱优化控制方法，也可以用于通过UV、紫色及其他发光二极管（LED）激发荧光粉混合体制作白光LED的光谱优化控制技术。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明基于白光LED的光谱特性曲线提出了一种基于分区辐射能判决的白光LED光谱优化控制方法，通过基于分区辐射能判决，确定绿红波长区间有相对更大的辐射能量出射，并保持可与兰绿波长区间大致相等的平均辐射能量为使发光效率与显色指数综合最佳的判断准则，使得显色指数Ra和发光效率

综合最佳，给白光LED制作中的加红操作的配方与工艺提供了指导方法和实现技术。

附图说明

图1为蓝光发光二极管LED的辐射光谱。

图2某种主体荧光粉的发射和吸收光谱。

图3蓝光发光二极管＋主体荧光粉的白光LED辐射光谱。

图4某种加红荧光粉的发射和吸收光谱。

图5蓝光发光二极管＋主体荧光粉＋红后的白光LED辐射光谱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：蓝光LED的发射波长越来越向短波方向偏移，目前蓝光LED的主波长多集中在455～465 nm之间。发黄光荧光粉的发射波长多集中在540～570 nm之间。通过合理选择和匹配蓝光芯片和黄荧光粉，可以在一定程度上提高白光LED的显色指数。大量试验表明，基于蓝光LED芯片激发发黄光的荧光粉实现白光的技术方案，通常显色指数最高可达85左右。

用蓝光LED芯片（光谱特性如图1）激发黄荧光粉（光谱特性如图2），生产色温为10000K的白光LED（光谱特性如图3），其显色指数达到85；色坐标x=0.2781，y=0.2798；驱动电流I_F=350 mA，光通量为61lm。这里，蓝光LED芯片主波长λD=460～462.5nm，辐射功率150～165mW；荧光粉发射波长λem=(538±4) nm、激发波长λex=(464±6) nm。

在图3所示的白光LED光谱图中，有两个明显的峰值，分别为蓝峰和黄峰。若制作更低色温的白光LED，需要降低蓝光而提升黄光的比例，但由于缺少红光成份，试验表明，当色温低到4000K左右时，其显色指数明显变差，只有55左右，甚至更低。因此，基于蓝光LED+黄色荧光粉制作白光LED，其显色指数达到80以上的色温区很窄，显色指数更无法达到90及以上，限制了白光LED的应用。这主要是由于在低色温段，白光LED的光谱中缺少红光成分，而在高色温区又缺少绿光成分所致。

按照本发明基于分区辐射能判决的白光LED的光谱优化控制方法，通过基于分区辐射能判决，确定绿红波长区间有相对更大的辐射能量出射，并保持可与兰绿波长区间大致相等的平均辐射能量为使发光效率与显色指数综合最佳的判断准则，来指导加红操作的配方与工艺，使得显色指数Ra和发光效率

综合最佳。

我们在光谱图上选择三个特别的波长

、

与

，并且着重考察兰绿[

，

]和绿红[，

]两个光谱区间。考虑到蓝光芯片发射光谱，YAG：Ce发射光谱、视觉函数以及补红的目的要求，取

=450nm，

=550nm，=650nm，从而构成[

,

]与[

,

]两个同为100nm宽度的光谱区间。

假定以

表示蓝光LED+YAG:Ce的出光光谱，以表示采取强化红光发射措后的出光光谱，我们确定绿红[，

]波长区间有相对更大的辐射能量出射，并保持可与兰绿[

,

]波长区间大致相等的平均辐射能量为使发光效率与显色指数综合最佳的判断准则，来指导加红操作的配方与工艺。亦即，最佳的

应满足：

其中，

>0为一选全的小数。

具体地，为了在2700～13000K色温范围内实现显色指数大于90，我们试验采用蓝光LED芯片+绿荧光粉+红荧光粉的技术方案，用同样的蓝光LED芯片（光谱特性如图1）激发黄荧光粉（光谱特性如图2）加红荧光粉（光谱特性如图4），生产色温为3000K的白光LED（光谱特性如图5），其显色指数达到91。

值得注意的是，在实际制作白光LED样品时，实现不同色温可以有两种方法，一是通过改变荧光粉与硅胶的配比、保持涂敷在蓝光LED芯片周围的粉胶量不变实现不同色温(如始终保持粉胶量把反射杯填平)，硅胶的比例越高，色温越高；二是保持荧光粉与硅胶的比例不变,而改变涂敷在蓝光LED芯片周围的粉胶量实现不同色温(实际也相当于改变荧光粉与硅胶的比例，因为涂敷荧光粉后的剩余空间也要用硅胶填充，只是操作方法不同而已)，粉胶量越少，色温越高。实际操作中，通常两者结合使用，当色温变化很大时，通常要调节荧光粉与硅胶的比例，当色温变化不大时，可以适当调节涂敷荧光粉粉胶的量达到预期目标。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (1)

1.一种白光LED的光谱优化控制方法，其特征在于：通过基于分区辐射能判决，确定绿红波长区间有相对更大的辐射能量出射，并保持可与兰绿波长区间大致相等的平均辐射能量为使发光效率与显色指数综合最佳的判断准则，来指导加红操作的配方与工艺，使得显色指数Ra和发光效率η综合最佳；

所述绿红波长区间为[λ_G，λ_R]，所述兰绿波长区间为[λ_B,λ_G]，f(λ)表示蓝光LED+YAG:Ce的出光光谱，以f_+R(λ)表示采取强化红光发射措后的出光光谱，f_+R(λ)应满足：

${\∫}_{{\mathrm{\λ}}_g}^{{\mathrm{\λ}}_r}[f_{+R}\left(\mathrm{\λ}\right)-f\left(\mathrm{\λ}\right)]d_{\mathrm{\λ}}\→\mathrm{MAX}$

$|{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_g}^{{\mathrm{\λ}}_r}{f}_{+R}\left(\mathrm{\λ}\right)d_{\mathrm{\λ}}-{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_B}^{{\mathrm{\λ}}_G}{f}_{+R}\left(\mathrm{\λ}\right)d_{\mathrm{\λ}}|\≤\mathrm{\ϵ}$

其中，ε为一个大于零的极小值。

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