劉 康 郭震寧 林介本 曾 海 曾茂進(jìn)

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門 361021)

1 引言

白光LED具有低壓、低功耗、高可靠性、環(huán)保、長壽命等一系列優(yōu)點(diǎn)［1］，正在逐步取代含汞成份的熒光燈等傳統(tǒng)光源，進(jìn)入戶外和室內(nèi)照明市場，尤其是在智能照明領(lǐng)域。目前，LED照明燈具大部分只能實(shí)現(xiàn)單一的色溫模式。隨著生活水平的提高以及對(duì)照明光源認(rèn)識(shí)的進(jìn)步，人們希望在同一空間內(nèi)擁有不同的光環(huán)境，使得制造可實(shí)現(xiàn)多種色溫模式的LED照明燈具成為LED產(chǎn)業(yè)重要的議題［2］。

據(jù)報(bào)道，實(shí)現(xiàn)白光色溫可調(diào)的方法有:(1)采用紅、綠、藍(lán)單色LED，通過混合來生成白光，也稱作RGB技術(shù)［3～5］。RGB技術(shù)能支持豐富的色彩和可調(diào)的白光。其技術(shù)的缺點(diǎn)是顯色指數(shù)低，不適合于室內(nèi)照明的可調(diào)光源［6～7］。(2)采用多芯片集成白光LED［8～9］。通過芯片組合和電流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)。該方案的缺點(diǎn)是大多數(shù)多芯片封裝由于低驅(qū)動(dòng)電流的限制，光通量密度較低［6］。(3)通過調(diào)節(jié)白光LED、藍(lán)光LED和紅光LED三個(gè)支路的亮度來實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)色溫的變化［10］。該方法的缺點(diǎn)是紅光LED芯片和藍(lán)光LED芯片 (白光LED采用藍(lán)光LED芯片激發(fā))的材料不同，兩者的衰減特性不一致，且白、藍(lán)、紅的空間顏色分布不均勻。(4)采用白光LED和黃光LED組合實(shí)現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)［11］。該技術(shù)的缺點(diǎn)是黃光LED的發(fā)光光譜較窄，破壞白光LED光譜的均衡性，導(dǎo)致照明燈具顯色性的降低。

為了解決上述問題，本文研制了不同色溫的白光LED，提出采用不同色溫白光進(jìn)行混光，通過光譜和色溫的研究驗(yàn)證了白光LED的混色原理。實(shí)驗(yàn)采用低色溫 (2700～2900K)和高色溫 (7000～8000K)兩種白光LED樣品進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)混色，研究混色后白光LED的光譜、光色電參數(shù)及其隨正向電流變化的調(diào)光效果。

2 白光LED混色理論

沈海平［12］等人研究了一種改進(jìn)的高斯模型來表示LED光譜，如下式:

其中:S(λ)表示LED的相對(duì)光譜功率分布;

λ0——峰值波長;

Δλ——光譜半高;

波長的單位為nm。

利用上式公式，本文采用以下函數(shù)來表示白光LED的相對(duì)光譜功率分布:

已知兩種不同色溫 (Tc1和Tc2)的白光LED進(jìn)行混色，將分別擬合出的兩種光源的相對(duì)光譜功率分布轉(zhuǎn)換成絕對(duì)光譜功率分布后進(jìn)行疊加，然后將疊加后的數(shù)值歸一化后得出混色光源的相對(duì)光譜功率分布P(λ)，再根據(jù)

計(jì)算出白光的色坐標(biāo)值x，y。由色坐標(biāo) (x，y)便可得到混色后白光的色溫Tc。

3 白光LED混色實(shí)驗(yàn)

3.1 串聯(lián)可調(diào)

實(shí)驗(yàn)采用相同支架、InGaN基藍(lán)光LED芯片、膠水和不同YAG熒光粉配比制備兩種高亮度低衰減白光LED樣品，其色溫分別為:2700～2900K和7000～8000K，從中隨機(jī)抽取樣品分別記為:S1、S2，將其串聯(lián)后記為 S串，S1、S2、S串的光色電參數(shù)采用杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司的PMS-80紫外—可見光—近紅外光譜分析系統(tǒng)和LED620光強(qiáng)分布測試儀測試與記錄。在室溫下，調(diào)節(jié)正向電流IF，記錄IF為10mA、20mA、30mA情況下S1、S2、S串的光譜、色溫Tc、色坐標(biāo) (x，y)及顯色指數(shù)Ra等參數(shù)及其變化規(guī)律。

3.1.1 串聯(lián)光譜特性和光通量變化

如圖1(a)、(b)、(c) 所示為S1、S2、S串分別在10mA、20mA、30mA情況下的絕對(duì)光譜圖，圖2為S1、S2在10mA電流下實(shí)驗(yàn)測量S串白光絕對(duì)光譜與理論計(jì)算S串白光絕對(duì)光譜的比較。研究表明:(1)S串的絕對(duì)光譜圖是S1、S2絕對(duì)光譜圖的疊加，即串聯(lián)后每個(gè)波長上光源輻射的功率等于S1各波長輻射功率與S2各波長輻射功率相加;(2)S1、S2在10mA電流下，實(shí)驗(yàn)測量S串白光絕對(duì)光譜的均方差為0.0481，理論計(jì)算S串白光絕對(duì)光譜的均方差為0.0491，兩者基本吻合。

圖1

圖2 IF=10mA混色白光絕對(duì)光譜圖

3.1.2 色溫、色坐標(biāo)與正向電流的關(guān)系

如圖3(a)所示，隨著正向串聯(lián)電流IF增大(10～30mA)，S1色溫變化范圍為68K，S2色溫變化范圍為367K，S串白光色溫變化范圍為113K，偏向于色溫低的S1。而且，低色溫白光LED色溫比高色溫白光LED色溫變化小，色溫越低的白光LED的色溫變化越小，否則反之。

這是因?yàn)?(1)白光光譜是由InGaN芯片發(fā)射的藍(lán)光和被激發(fā)的熒光譜組成，InGaN芯片發(fā)射的藍(lán)光的性質(zhì)與正向電流的大小有密切關(guān)系［13］，而熒光體的發(fā)光譜與正向電流無直接關(guān)系［14］。隨著白光LED的色溫降低，光譜中InGaN芯片發(fā)射的藍(lán)光成份逐漸減少，而熒光體的發(fā)光卻占主導(dǎo)地位。在低色溫中，由于光譜中藍(lán)成份所占比例很小，所以正向電流增加所帶來的色溫變化幅度小，而高色溫LED則反之［15～16］。 (2)串聯(lián)混色后熒光粉的發(fā)光譜接近于低色溫樣品S1，如圖1(a)、(b)、(c)所示。

如圖3(b)所示，串聯(lián)后的色坐標(biāo)在S1、S2連接的直線上，從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)測得的混色的色坐標(biāo)與理論計(jì)算的串聯(lián)后的色坐標(biāo)基本重合，其誤差小于0.9%。隨著正向串聯(lián)電流IF的增大，色坐標(biāo)x，y均隨之減小［16］，且x－y關(guān)系曲線的斜率減小，高色溫LED樣品S2的色坐標(biāo)減小量大于低色溫LED樣品S1的色坐標(biāo)減小量。

3.1.3 串聯(lián)混色顯色指數(shù)變化

樣品S1在正常工作電流下顯色指數(shù)Ra為67，樣品S2在正常工作電流下顯色指數(shù)Ra為88，S串顯色指數(shù)如圖4所示，串聯(lián)電流從5～30mA變化，從圖中看出串聯(lián)混色后的顯色指數(shù)Ra保持在80以上，顯色指數(shù)較高，適應(yīng)于照明市場。

圖3 串聯(lián)混色

圖4 串聯(lián)混色顯色指數(shù)變化曲線

3.2 并聯(lián)可調(diào)

將上述選取的樣品S1、S2白光LED進(jìn)行并聯(lián)混色，并記為S并，在室溫下，給定其中一樣品某一電流 (10～30mA)，將另一樣品電流從5～30mA變化，記錄S并白光光譜、色溫、色坐標(biāo)、顯色指數(shù)等參數(shù)及其變化規(guī)律。

3.2.1 串聯(lián)光譜特性和光通量變化

如圖5(a)、(b)、(c)所示為IS1=10mA和IS2=20mA并聯(lián)，IS1=20mA和IS2=10mA并聯(lián)，IS1=30mA和IS2=10mA并聯(lián)絕對(duì)光譜圖，圖6為S1、S2分別在30mA和10mA電流下實(shí)驗(yàn)測量S并白光絕對(duì)光譜與理論計(jì)算S并白光絕對(duì)光譜的比較。研究表明:(1)S并的絕對(duì)光譜圖是S1、S2絕對(duì)光譜圖的疊加，與串聯(lián)情況相同;(2)S1、S2分別在30mA和10mA電流下，實(shí)驗(yàn)測量S并白光絕對(duì)光譜的均方差為0.0714，理論計(jì)算S并白光絕對(duì)光譜的均方差為0.0711，兩者基本吻合。

圖5

圖6 IS1=30mA和IS2=10mA并聯(lián)混色白光絕對(duì)光譜圖

3.2.2 色溫、色坐標(biāo)與正向電流的關(guān)系

如圖7(a)、(b)所示，分別給定S2恒定電流10mA、20mA、30mA，將S1電流IF1從5～30mA變化，在S2電流IF2不變的情況下，S并白光色溫隨著IF1增大而減小，色坐標(biāo)x，y則均隨著IF1的增大而增大。當(dāng) IF1從 5mA并以5mA的增長量增加到30mA，S并白光色溫的減小速率 (K/mA)下降。如IF2=10mA時(shí)，IF1從5mA增加到10mA，S并白光色溫減小速率為104.4K/mA，當(dāng)IF1從25增加到30，S并白光色溫減小速率為11.6K/mA。當(dāng)S2的恒定電流IF2增加時(shí)，S并白光色溫與IF1的關(guān)系曲線上移，色溫值均上升。當(dāng) IF2電流從 10mA增加到20mA，S并白光色溫上移量比IF2電流從20mA增加到30mA要大。由于高色溫樣品S2的電流IF2恒定而增加低色溫樣品S1的電流IF1，則并聯(lián)后的混色白光中低色溫樣品S1的比重加大，其重心更加接近低色溫樣品S1。所以，S并白光色溫隨IF1增大而減小，色坐標(biāo)則反之。當(dāng)提高給定的樣品S2恒定電流IF2的同時(shí)，高色溫比重加大，S并白光色溫亦提高。

如圖8(a)、(b)所示，分別給定S1恒定電流10mA、20mA、30mA，將S2電流從5～30mA變化，在S1電流不變的情況下，S并白光色溫隨著S2的電流IF2增大呈亞線性增大趨勢，色坐標(biāo)x，y均隨著S2的電流IF2增大而減小。當(dāng)IF2從5mA并以5mA的增長量增加到30mA，S并白光色溫的增加速率 (K/mA)下降。如IF1=10mA時(shí)，IF2從5mA增加到10mA，S并白光色溫增加速率為92.6K/mA，當(dāng)IF2從25mA增加到30mA，S并白光色溫增加速率為40.8K/mA。當(dāng)S1的恒定電流IF1增加時(shí)，并聯(lián)后的混色白光色溫與IF2的關(guān)系曲線下移，色溫值均降低。當(dāng)IF1電流從10mA增加到20mA，S并白光色溫下移量比IF1電流從20mA增加到30mA要大。由于低色溫樣品S1的電流IF1恒定而增加高色溫樣品S2的電流IF2，則并聯(lián)后的混色白光中高色溫樣品S2的比重加大，其重心更加接近高色溫樣品S2。所以，S并白光色溫隨IF2增大而增大，色坐標(biāo)則反之。當(dāng)提高給定的樣品S1恒定電流IF1的同時(shí)，低色溫比重加大，S并白光色溫亦減小。正好與圖7(a)、(b)相反。

由圖7(a)、圖8(a)與圖3(a)比較表明:S1、S2并聯(lián)時(shí)比兩者串聯(lián)時(shí)可調(diào)色溫的范圍更大一些，并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)范圍在2700～6000K以上。并聯(lián)方式可單獨(dú)控制各自白光的變化，可調(diào)性更大，更適合應(yīng)用于智能照明市場，通過對(duì)不同環(huán)境的需求，調(diào)節(jié)電流變化，獲得不同的色調(diào)。

圖7 并聯(lián)混色且S2電流恒定

3.2.3 并聯(lián)顯色指數(shù)變化

如圖9(a)所示，IS2=10mA恒定電流下，S1電流從5～30mA變化，并聯(lián)混色后白光顯色指數(shù)保持在75以上，圖9(b)所示，IS1=10mA恒定電流下，S2電流從5～30mA變化，并聯(lián)混色后白光顯色指數(shù)保持在79以上，可以看出并聯(lián)混色顯色指數(shù)仍保持較好的值。

圖8 并聯(lián)混色且S1電流恒定

圖9 并聯(lián)混色

4 結(jié)論

基于色度學(xué)和混色原理，采用相同InGaN藍(lán)光LED芯片，制備低色溫 (2700～2900K)和高色溫(7000～8000K)草帽白光LED并通過串聯(lián)和并聯(lián)方式測試混色的光譜、色溫和色坐標(biāo)，通過光譜函數(shù)擬合計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究表明:串并聯(lián)混色的絕對(duì)光譜符合各高低色溫白光LED樣品絕對(duì)光譜的疊加，混色后的色坐標(biāo)符合各高低色溫白光LED色坐標(biāo)連接的直接線，符合色度學(xué)色光混合的基本規(guī)律。高低色溫白光LED串聯(lián)時(shí)，串聯(lián)后的色溫接近于低色溫白光，色溫隨電流的增大而增大，色坐標(biāo)隨之減小。高低色溫白光LED并聯(lián)時(shí)，當(dāng)給定高色溫白光LED一恒定電流，混色后的色溫隨著低色溫白光LED的電流增大而減小，當(dāng)高色溫白光LED恒定電流增大時(shí)，混色后整體色溫也相應(yīng)提高;當(dāng)給定低色溫白光LED一恒定電流時(shí)，混色后的色溫則隨著高色溫白光LED的電流增大呈亞線性增大，當(dāng)?shù)蜕珳匕坠釲ED恒定電流增大時(shí)，混色后整體色溫均降低。通過串并聯(lián)方式對(duì)比發(fā)現(xiàn)并聯(lián)混色比串聯(lián)混色可調(diào)色溫范圍要大，更適合應(yīng)用于LED智能照明市場。目前高低色溫白光LED都能做到較好的顯色指數(shù)，混色后的白光顯色性也較好，串聯(lián)混色顯色指數(shù)均保持在80以上，并聯(lián)混色顯色指數(shù)保持在75以上。較好的顯色指數(shù)對(duì)照明市場提供了更大的優(yōu)勢。

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