CN104198453B - 一种远程荧光粉性能测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种远程荧光粉性能测试装置及测试方法，涉及荧光粉。远程荧光粉性能测试装置设有积分球、余弦收集器、蓝光LED光源、反光杯、荧光粉片/硅胶片、TEC控温夹具、恒流源、光谱仪、计算机和底座；所述积分球固定于底座上，积分球上设有入光口和出光口，余弦收集器在出光口处通过光纤连接光谱仪用于采集入射光，光谱仪的输出端接计算机，用于光谱采集及数据分析；所述蓝光LED光源与恒流源连接，作为激发光源固定在TEC控温夹具上，通过控温保证光源稳定性；反光杯固定在蓝光LED光源上，起聚集光作用；荧光粉片/硅胶片贴在反光杯上，蓝光LED光源激发荧光粉产生黄光，与透过的蓝光混合成白光。
Description
技术领域
本发明涉及荧光粉，尤其是涉及一种远程荧光粉性能测试装置及测试方法。
背景技术
节能环保是新时代发展的主题之一。在照明行业中，LED作为未来照明的最重要、最具有潜力的光源，正得到大力推广和发展。LED以节能、环保、色彩多样性以及寿命长等诸多优点，已经应用在背光显示屏、路灯照明、城市夜景等许多行业中[S.Pimputkar,J.S.Speck,S.P.DenBaars,and S.Nakamura,Prospects for LED lighting,Nat.Photon.,vol.3,no.4,pp.179–181,2009.]。基于LED灯的白光光源更是有望在不久的将来取代传统白炽灯以及荧光灯，成为未来的主要通用照明光源[M.R.Krames,O.B.Shchekin,R.Mueller-Mach,G.O.Mueller,L.Zhou,G.Harbers,and M.G.Craford,“Status andfuture of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting,”J.Display Technol.3,160–175(2007).]。目前，主要存在四种工艺来制备白光LED[尹长安,赵成久,刘学彦,等.白光LED的最新进展[J]发光学报，2000，,21(4)：380.]。第一种是利用红、绿、蓝三基色LED混合后得到白光；第二种方法是通过紫外芯片激发三基色荧光粉或者通过紫外-近紫外芯片激发单基质白色荧光粉获得白光；第三种方法是通过蓝光芯片激发黄光荧光粉得到蓝黄光混合的白光；第四种方法是利用多个有源层，使LED直接发白光，即多量子阱法。目前，第三种方法效率高，成本低，是LED工业制备白光LED的主要方法，已实现大规模产业化。
通过蓝光芯片激发黄光荧光粉得到蓝黄光混合的白光LED，荧光粉的性能对整个白光质量有深远影响。这种方法制备的白光LED其传统的封装方式是，将荧光粉直接涂抹在芯片表面，再用点胶机将透明环氧树脂点胶固化。此封装方法简单，成本低，是目前主流的封装方法。不过，由于荧光粉靠近芯片，LED正常发光时候，产生的热会使荧光粉温度上升，从而使荧光粉量子效率降低，乃至影响整个白光的发光效率。因此，目前业界又提出了一种荧光粉远离芯片的一种封装方式，即远程荧光粉LED。其基本结构是蓝光芯片套着一个反光杯，反光杯中加上荧光粉材料层。通过该封装方式，很好消除了芯片发光时引起荧光粉表面温度上升的问题，从而提高了白光LED的性能。荧光粉性能测试是白光LED工业的一个重要环节。针对远程荧光粉性能测试，基本采用将荧光粉固定放在平台上，或者是结合透明塑料或玻璃板将荧光粉制备成荧光粉片或薄膜，再用一个固定的蓝光光源激发荧光粉发光，获得荧光粉的光谱特性。上述方法存在一些不足，主要表现在：
1、该方法采用的激发光源通常不是封装的白光LED所用的蓝光LED。
2、由于荧光粉本身的透光性十分差，将荧光粉直接固定在平台上时，测量到的荧光粉光谱是蓝光光源照射在荧光粉表面反射回来的蓝光与蓝光所激发的黄光的混合光。而白光LED真正有意义的应是穿过荧光粉层，透射出来的发光光谱。该测量方法不能真实反映封装的远程荧光粉的特性。
3、结合透明塑料或者玻璃片将荧光粉制备成荧光粉薄膜时，测量的时候往往没有考虑到荧光粉薄膜除了荧光粉外的其他部分对透光的影响，从而影响荧光粉性能测试准确性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种远程荧光粉性能测试装置及测试方法。
远程荧光粉性能测试装置设有积分球、余弦收集器、蓝光LED光源、反光杯、荧光粉片/硅胶片、TEC控温夹具、恒流源、光谱仪、计算机和底座；所述积分球固定于底座上，积分球上设有入光口和出光口，余弦收集器在出光口处通过光纤连接光谱仪用于采集入射光，光谱仪的输出端接计算机，用于光谱采集及数据分析；所述蓝光LED光源与恒流源连接，作为激发光源固定在TEC控温夹具上，通过控温保证光源稳定性；反光杯固定在蓝光LED光源上，起聚集光作用；荧光粉片/硅胶片贴在反光杯上，蓝光LED光源激发荧光粉产生黄光，与透过的蓝光混合成白光。
远程荧光粉性能测试方法，包括以下步骤：
1)将待测荧光粉与透明硅胶混合后，涂抹在透明圆形亚克力有机玻璃上，再将亚克力有机玻璃放到转速可调的离心机上进行甩胶,得到厚度均匀分布的荧光粉片，经过烤箱烘烤固化后，形成固态的待测荧光粉片,为了消除亚克力有机玻璃与硅胶对光的影响，用相同的方法，制备不含荧光粉的硅胶片；
在步骤1)中，所述烘烤固化的温度可为90～110℃，烘烤固化的时间可为10～20min。
2)将贴着荧光粉片的反光杯连着蓝光LED光源固定在积分球的入光口，保证蓝光进入积分球并穿过荧光粉片，将蓝光LED光源固定于TEC控温夹具上并通过恒流源点亮，蓝光打在荧光粉片上，部分透过荧光粉片入射到积分球，部分激发荧光粉，使其发射黄光并部分透射到积分球内，混合光通过余弦收集器，经光谱仪采集，并由计算机处理得到光谱数据，测量完成后，将荧光粉片换成硅胶片，并在相同条件下测试，最后取下硅胶片完成测试；
3)通过对比硅胶片和不含硅胶片条件下的测试结果，计算出硅胶片的透光率θAbs；通过测量荧光粉片所得光谱，并考虑硅胶片吸收光影响，可以得到色坐标、显色指数以及光视效能等光电参数；再对比硅胶片和荧光粉片的光谱，可以消除亚克力玻璃板以及硅胶对出光的影响，用硅胶片蓝光光谱扣去荧光粉片光谱中的蓝光部分就是对应激发荧光粉的激发光，荧光粉片光谱扣除蓝光部分的剩余光为荧光粉片的发射光谱；最后，通过计算得到荧光粉的光转换效率以及外量子效率。
本发明具有以下优点：
1、本发明的光源采用蓝光LED，更加符合真实白光LED制备条件。
2、将荧光粉混合透明硅胶制备成荧光粉片，通过离心机甩胶，在保证了荧光粉分布均匀性又降低了荧光粉浓度，从而使蓝光可以部分透射出来，所收集和测量的白光更加符合工业生产的白光LED所对应的发射光。
3、通过硅胶片和荧光粉片测量的对比，既很好消除了有机玻璃以及硅胶本身对光源发出光的影响，又可以分离开激发光和发射光，进一步得到荧光粉的光转换效率以及外量子效率值。
4、本发明可以选择不同光源，不同电流，可以控制荧光粉与硅胶的混合比例，可以改变荧光粉片的直径与厚度。通过这些变量，可以更好分析荧光粉性能，为白光LED的封装提供建设性意见。
附图说明
图1为本发明的远程荧光粉性能测试装置实施例的结构组成示意图；
图2为激发荧光粉所用蓝光LED在350mA电流下以及蓝光激发荧光粉得到混合白光对应的光谱图；
图3为激发光光谱图,其中a1,b1,c1,d1,e1,f1,g1对应电流分别为150mA，250mA，350mA，450mA，550mA，650mA，750mA；
图4为发射光光谱图，其中a2,b2,c2,d4,e2,f2,g2对应电流分别为150mA，250mA，350mA，450mA，550mA，650mA，750mA；
图5为荧光粉光转换效率与电流关系图；
图6为荧光粉外量子效率与电流关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明做详细说明。
参见图1，远程荧光粉性能测试装置实施例设有积分球1、余弦收集器2、蓝光LED光源3、反光杯4、荧光粉片/硅胶片5、TEC控温夹具6、恒流源7、光谱仪8、计算机9和底座10；所述积分球1固定于底座10上，积分球1上设有入光口和出光口，余弦收集器2在出光口处通过光纤连接光谱仪8用于采集入射光，光谱仪8的输出端接计算机9，用于光谱采集及数据分析；所述蓝光LED光源3与恒流源7连接，作为激发光源固定在TEC控温夹具6上，通过控温保证光源稳定性；反光杯4固定在蓝光LED光源3上，起聚集光作用；荧光粉片/硅胶片5贴在反光杯4上，蓝光LED光源3激发荧光粉产生黄光，与透过的蓝光混合成白光。
以下给出远程荧光粉性能测试方法：
1)将待测荧光粉与透明硅胶混合后，涂抹在透明圆形亚克力有机玻璃上，再将亚克力有机玻璃放到转速可调的离心机上进行甩胶,得到厚度均匀分布的荧光粉片，经过烤箱烘烤固化后，形成固态的待测荧光粉片,为了消除亚克力有机玻璃与硅胶对光的影响，用相同的方法，制备不含荧光粉的硅胶片；所述烘烤固化的温度可为90～110℃，烘烤固化的时间可为10～20min；
2)将贴着荧光粉片的反光杯4连着蓝光LED光源3固定在积分球1的入光口，保证蓝光进入积分球1并穿过荧光粉片，将蓝光LED光源3固定于TEC控温夹具6上并通过恒流源7点亮，蓝光打在荧光粉片上，部分透过荧光粉片入射到积分球1，部分激发荧光粉，使其发射黄光并部分透射到积分球内，混合光通过余弦收集器2，经光谱仪8采集，并由计算机9处理得到光谱数据，测量完成后，将荧光粉片换成硅胶片，并在相同条件下测试，最后取下硅胶片完成测试；
3)通过对比硅胶片和不含硅胶片条件下的测试结果，计算出硅胶片的透光率θAbs；通过测量荧光粉片所得光谱，并考虑硅胶片吸收光影响，可以得到色坐标、显色指数以及光视效能等光电参数；再对比硅胶片和荧光粉片的光谱，可以消除亚克力玻璃板以及硅胶对出光的影响，用硅胶片蓝光光谱扣去荧光粉片光谱中的蓝光部分就是对应激发荧光粉的激发光，荧光粉片光谱扣除蓝光部分的剩余光为荧光粉片的发射光谱；最后，通过计算得到荧光粉的光转换效率以及外量子效率。
本发明引入光电转换效率以及外量子效率两个参数反映荧光粉性能。荧光粉的光电转换效率ηE是指荧光粉在一定波长的入射光激发下，发射光的能量φe发射(或光功率)与其所激发的激发光的能量φe激发(或光功率)之比，即：
其中，λem和λex分别表示发射光波长和激发光波长，φem(λem)和φex(λex)分别表示发射光和激发光的光谱功率分布函数，(λ1，λ2)和(λ′1，λ′2)分别为发射光和激发光光谱波长分布范围。注意到公式中θAbs考虑了远程荧光粉中硅胶和有机玻璃吸光影响，但由于θAbs在整个可见光谱中响应较为平坦，上式可简化为：
荧光粉的外量子效率ηQ是指荧光粉在一定波长的入射光激发下，发射光的光子数N发射与激发光子数N激发之比，即：
其中，h和c分别代表普拉克常数和光速值。
在具体的实施例中：
(1)所选透明亚克力有机玻璃片直径分别为25mm,30mm,35mm；荧光粉与硅胶的质量比分别为1∶1,1∶2；
(2)蓝光LED通过TEC控温夹具控温在25℃下，恒流源电流值分别为150mA,250mA,350mA,450mA,550mA,650mA,750mA。
激发荧光粉所用蓝光LED在350mA电流下以及蓝光激发荧光粉得到混合白光对应的光谱图参见图2，激发光光谱图参见图3，发射光光谱图参见图4。图5和图6所示的是基于透明亚克力玻璃直径为30mm，荧光粉与硅胶质量比为1∶1，荧光粉的光转换效率和外量子效率与电流的关系图。由图5和6可知，光转换效率基本保持在52％～54％之间，外量子效率基本保持在67％～69％之间。此外，通过实验比较不同直径以及荧光粉和硅胶的质量比下，荧光粉的光转换效率值和外量子效率在不同电流下的平均值分别如表1和2所示。
表1
表2
分析表1和表2以及结合图5和图6数据可知，不同电流，直径，荧光粉与硅胶配比下的荧光粉光转换效率值偏差5％以内，荧光粉外量子效率值偏差也是在5％以内，误差属于实验可接受范围内，证明了本测量方法的可行性以及稳定性。
Claims (2)
1.一种远程荧光粉性能测试方法，其特征在于采用远程荧光粉性能测试装置，所述远程荧光粉性能测试装置设有积分球、余弦收集器、蓝光LED光源、反光杯、荧光粉片/硅胶片、TEC控温夹具、恒流源、光谱仪、计算机和底座；所述积分球固定于底座上，积分球上设有入光口和出光口，余弦收集器在出光口处通过光纤连接光谱仪用于采集入射光，光谱仪的输出端接计算机，用于光谱采集及数据分析；所述蓝光LED光源与恒流源连接，作为激发光源固定在TEC控温夹具上，通过控温保证光源稳定性；反光杯固定在蓝光LED光源上，起聚集光作用；荧光粉片/硅胶片贴在反光杯上，蓝光LED光源激发荧光粉产生黄光，与透过的蓝光混合成白光；
所述方法包括以下步骤：
1)将待测荧光粉与透明硅胶混合后，涂抹在透明圆形亚克力有机玻璃上，再将亚克力有机玻璃放到转速可调的离心机上进行甩胶,得到厚度均匀分布的荧光粉片，经过烤箱烘烤固化后，形成固态的待测荧光粉片,为了消除亚克力有机玻璃与硅胶对光的影响，用相同的方法，制备不含荧光粉的硅胶片；
2)将贴着荧光粉片的反光杯连着蓝光LED光源固定在积分球的入光口，保证蓝光进入积分球并穿过荧光粉片，将蓝光LED光源固定于TEC控温夹具上并通过恒流源点亮，蓝光打在荧光粉片上，部分透过荧光粉片入射到积分球，部分激发荧光粉，使其发射黄光并部分透射到积分球内，混合光通过余弦收集器，经光谱仪采集，并由计算机处理得到光谱数据，测量完成后，将荧光粉片换成硅胶片，并在相同条件下测试，最后取下硅胶片完成测试；
3)通过对比硅胶片和不含硅胶片条件下的测试结果，计算出硅胶片的透光率θAbs；通过测量荧光粉片所得光谱，并考虑硅胶片吸收光影响，得到光电参数；再对比硅胶片和荧光粉片的光谱，消除亚克力玻璃板以及硅胶对出光的影响，用硅胶片蓝光光谱扣去荧光粉片光谱中的蓝光部分就是对应激发荧光粉的激发光，荧光粉片光谱扣除蓝光部分的剩余光为荧光粉片的发射光谱；最后，通过计算得到荧光粉的光转换效率以及外量子效率，所述光电参数包括色坐标、显色指数以及光视效能。
2.如权利要求1所述一种远程荧光粉性能测试方法，其特征在于在步骤1)中，所述烘烤固化的温度为90～110℃，烘烤固化的时间为10～20min。
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