高显色高光效可调色温白光LED

杨　武，　吴　纲，　林星星

(上海电机学院 数理教学部，上海 201306)



高显色高光效可调色温白光LED

杨武，吴纲，林星星

(上海电机学院 数理教学部，上海 201306)

摘要:为实现高显色高光效的白光发光二极管(LED)，采用新的LED和荧光粉光谱数学模型，研究不同的光谱组合。研究结果表明，新的LED能实现显色指数CRI≥93和特殊显色指数 R9≥90要求，同时实现辐射光效(LER)大于或等于378lm/W，最终实现白光LED优化光谱最优化组合。

关键词:发光二级管; 荧光粉; 光谱功率分布; 显色指数; 辐射光效

高亮度白光发光二极管(Light Emitting Diode, LED)在不久的将来将成为第4代照明光源，它与传统的光源相比具有寿命长、节电、温度稳定、光强稳定、耐振动、抵押驱动、无二次污染等优点[1]。当前国际上实现白光LED[2-4]的方法有很多，但是大多数产生的白光不具有现实的实用性。随着科学技术不断的发展，目前，可以通过蓝光LED芯片激发荧光粉产生显色指数(Color Rendering Index, CRI)和光效较高的白光LED，这使得白光LED更具备了现实的实用性。为了模拟更高的LED显色性，应用较多的LED光谱模型有多种，如高斯模型[5]、双高斯模型[6]、Ohno修正模型[7]以及国内学者修正的H-Z模型[8]等，国内外很多学者在可调色温白光LED[9-14]取得了重大成果。本文应用最新拟合的光谱数学模型[15](N-model)模拟三色光LED(R/G/B)白光和四色光LED(R/G/B/Y)白光，蓝光芯片激发绿色荧光粉产生白光和各色LED组合模块产生高效高显色的白光，即W/R/Y和W/R/G/Y组合模块，并模拟仿真产生了高光效高显色可调色温(2700~6500K)白光LED。

14种不同模块组合的相对光谱功率分布函数

1.1　三色模块组合(R/G/B)

三色可调色温白光LED组合模块(R/G/B)相对光谱功率分布函数为

S(λ)=c1SR(λ,ΔλR,λR)+c2SG(λ,ΔλG,λG)+

c3SB(λ,ΔλB,λB)

(1)

式中，S(λ)为LED的相对光谱功率分布；c1、c2、c3分别为红、绿、蓝各色LED的相对光谱功率分布函数的比例系数；λi为各色LED的峰值波长，i指红、绿、蓝各种单色；Si为各单色LED的相对光谱功率分布；Δλi为左右两侧光谱半宽度。

1.2　四色模块组合(R/G/B/Y)

四色可调色温白光LED组合模块相对光谱功率分布函数为

S(λ)=c1SR(λ,ΔλR,λR)+c2SG(λ,ΔλG,λG)+

c3[SB(λ,ΔλB,λB)+cSY(λ,ΔλY,λY)]

(2)

式中，辐射功率百分比c在不同可调色温(Correlated Color Temperature, CCT)(2700～6500K)条件下不是同一个定值，可以调节。

1.3　蓝光激发荧光粉组合各色LED模块组合(W/R/Y)

蓝光激发荧光粉组合各色LED模块组合(W/R/Y)相对光谱功率分布函数为

S(λ)=c1SR(λ,ΔλR，λR)+c2SY(λ,ΔλY,λY)+

c3[SB(λ,ΔλB,λB)+cSG-phosphor(λ,ΔλY,λY)]

式中，SG-phosphor为绿色荧光粉的相对光谱功率分布；c在不同CCT(2700~6500K)条件下是同一个值，但可以调节。

1.4　蓝光激发荧光粉组合各色LED模块组合(W/R/G/Y)

蓝光激发荧光粉组合各色LED模块组合(W/R/G/Y)相对光谱功率分布函数为

S(λ)=c1SR(λ,ΔλR，λR)+c2[SY(λ,ΔλY,λY)+

c4SG(λ,ΔλG,λG)]+c3[SB(λ,ΔλB,λB)+

cSG-phosphor(λ,ΔλY,λY)]

其中，不同CCT条件下(2700~6500K)，c4不是同一定值且可以调节，c是同一个定值但可以调节。

24种不同模块组合的模拟仿真

2.1　R/G/B模块组合

采用New-model光谱模型模拟仿真红、绿和蓝光LED的光谱。其中,红、绿和蓝光LED的光谱半宽度Δλ分别为 20、35 和28nm，S(λ) 有6个特征参量。为了仿真到最优化的结果，本文拟定不同CCT条件下的目标函数，即

CRI≥86,R9≥87

式中，j=1,2,…，8分别对应不同的色温；LER为辐射光效(Luminous Efficacy of Radiation, LER)。

因此，最优化光谱的问题就是在显色指数CRI≥86和特殊显色指数R9≥87的条件下求目标函数F的最大值问题。本文采用计算工具Excel寻找目标函数F的最大值，最终实现模块最优化组合。

为了实现在同时满足CRI≥85和R9≥85条件下R/G/B模块组合(见图1)的最优化光谱，实验采用了高效循环仿真，最终得出最优化的实验数据。模拟仿真实验中选用的实验参数如下：

(1) 红、绿、蓝光LED的实验参数如表1所示。其中，λ为峰值波长;Δλ为半宽高度;Δλ1为左半宽高度;Δλ2为右半宽高度。

(2) 偏离黑体轨迹距离dc均小于45×10-4。

(3) 组合LED的一般显色指数Ra>86，饱和红色样品的特殊显色指数R9>87。

图1　R/G/B模块组合单色白光LED光谱Fig.1　Spectrum of monochromatic white LED　for R/G/B combination model

LEDλ/nmΔλ/nmΔλ1/nmΔλ2/nm红光621.12022.517.5绿光546.83531.738.3蓝光466.22824.731.3

表示白色人肤色；特殊显色指数R15表示中国人女性肤色。最优相对功率光谱分布如图2所示。

图2　在CRI≥86和R9≥86条件下R/G/B模块

Fig.2Optimization of spectral power distribution for R/G/B combination model with CRI≥86 andR9≥86

2.2　W/R/Y模块组合

采用New-model光谱模型模拟仿真红、黄、蓝光LED和绿色荧光粉的光谱。其中，红、黄、蓝光LED和绿色荧光粉的光谱半宽度Δλ分别为20、20、28和69nm。模块组合的S(λ)有8个特征参量。

表2　CRI≥86和R9≥86条件下R/G/B模块组合最优化数据Tab.2　Optimization data of R/G/B combination model with CRI≥86 and R9≥86

为仿真到最优化的结果，拟定了不同CCT条件下的目标函数为

CRI≥90，R9≥90

其中,j=1,2,…，8分别对应不同的色温。

因此，最优化光谱问题就是在CRI≥90和R9≥90条件下求目标函数F的最大值。

为了实现在同时满足CRI≥90和R9≥90条件下W/R/Y模块组合(见图3)的最优化光谱，实验采用高效循环仿真，最终得出最优化的实验数据。模拟仿真实验中选用的实验参数如下：

由图可见，水泥净浆流动度随VAc加入量增加先增大后减小；而混凝土的倒坍流空时间随着VAc的量增加迅速减少，当VAc的加入量占单体总质量的10%，流空时间最少，混凝土的粘度较低，随着疏水单体VAc的加入，表面活性效果有所增强，从而降低了混凝土的粘度。而之后继续增加VAc用量粘度却增大，这是由于在该反应体系中，VAc的反应活性明显低于其他单体，当过量时，反应体系活性较低、转化率降低，有大量的单体残余在体系中，对水泥净浆和混凝土粘度产生不利影响。

(1) 红、黄、蓝光LED和绿色荧光粉的参数如表3所示；

(2) dc均小于45×10-4；

(3) 组合LED的一般显色指数Ra>90，饱和红色样品的特殊显色指数R9>90，LER≥378lm/W。

图3　W/R/Y模块组合单色白光LED光谱Fig.3　Spectrum of monochromatic white LED　for W/R/Y combination model

表4给出了当CRI≥90，R9≥90时不同CCT(2700~6500K)条件下W/R/Y模块组白光LED最优化实验结果；最优相对功率光谱分布如图4所示。

表3　CRI≥90和R9≥90条件下，红光、黄光、蓝光LED和绿色荧光粉的实验参数Tab.3　Experimental parameters of red, yellow,blue LEDs and green phosphor with CRI≥90 and R9≥90

表4　CRI≥90和R9≥90条件下W/R/Y模块组合的最优化数据Tab.4　Optimization data of W/R/Y combination model with CRI≥90 and R9≥90

图4CRI≥90和R9≥90条件下W/R/Y模块组合可调白光LED的最优化光谱功率分布

Fig.4Optimization of spectral power distribution for W/R/Y combination model with CRI≥90 andR9≥90

2.3　R/G/B/Y模块组合

采用New-model光谱模型模拟仿真红、绿、黄和蓝光LED的光谱。其中，红、绿、黄和蓝光LED的光谱半宽度Δλ分别为20、35、28和20nm。模块组合的相对光谱功率分布函数S(λ)有8个特征参量。为了仿真到最优化的结果，拟定了不同CCT条件下的目标函数为

CRI≥85，R9≥90

其中,j=1,2,…,8分别对应不同的色温。

因此，最优化光谱的问题就是在CRI≥85和R9≥90条件下求目标函数F的最大值。

为了实现在同时满足CRI≥85和R9≥90的条件下R/G/B/Y模块组合(见图5)的最优化光谱，实验采用了高效循环仿真，最终得出最优化的实验数据。模拟仿真实验中选用的实验参数如下：

图5　R/G/B/Y模块组合单色白光LED光谱Fig.5　Spectrum of monochromatic white LED　for R/G/B/Y combination model

(1) 红、黄、蓝、绿光LED的实验参数如表5所示；

(2) dc均小于45×10-4；

(3) 组合LED的一般显色指数Ra>85，饱和红色样品的特殊显色指数R9>90，LER≥378lm/W。

表5　在CRI≥85，R9≥90条件下红、黄、蓝、绿光LED实验参数Tab.5　Experimental parameters of red, yellow, blueand green LEDs with CRI≥85 and R9≥90

表6给出了当CRI≥85和R9≥90时不同CCT(2700~6500K)时R/G/B/Y模块组白光LED最优化实验结果，最优相对功率光谱分布如图6所示。

表6　在CRI≥85，R9≥90条件下R/G/B/Y模块组合可调白光LED的光谱最优化结果Tab.6　Optimization data of R/G/B/Y combination model with CRI≥85 and R9≥90

图6　CRI≥85和R9≥90条件下R/G/B/Y模块组合　可调白光LED的最优化光谱功率分布Fig.6　Optimization of spectral power distribution　for R/G/B/Y combination model with CRI　≥85 and R9≥90

2.4　W/R/G/Y模块组合

采用New-model光谱模型模拟仿真红、绿、黄、蓝光LED和绿色荧光粉的光谱。其中，红、绿、黄、蓝光LED和绿色荧光粉的Δλ分别为20、35、28、20和71nm。模块组合的S(λ)有10个特征参量。为仿真到最优化的结果，拟定了不同CCT条件下的目标函数为

CRI≥93,R9≥90

其中，j=1,2,…，8分别对应不同的色温。

因此，光谱最优化光谱的问题就是在显色指数CRI≥93和特殊显色指数R9≥90条件下求目标函数F的最大值问题。

为了实现在同时满足CRI≥93和R9≥90的条件下W/R/G/Y模块组合(见图7)的最优化光谱，实验采用了高效循环仿真，最终得出最优化的实验数据。模拟仿真实验中选用的实验参数如下：

图7　W/R/G/B/Y模块组合单色白光LED光谱Fig.7　Spectrum of monochromatic white LED　for W/R/G/B/Y combination model

(1) 红、黄、蓝、绿光LED和绿色荧光粉的实验参数如表7所示;

表7　在CRI≥93，R9≥90条件下红、黄、蓝、绿光LED和绿色荧光粉的实验参数Tab.7　Experimental parameters of red, yellow, blue, green LEDs and green phosphor with CRI≥93 and R9≥90

(2) dc均小于45×10-4；

(3) 组合LED的一般显色指数Ra>90，饱和红色样品的特殊显色指数R9>90，LER≥378lm/W。

表8给出了当CRI≥93和R9≥90时不同CCT(2700~6500K)条件下W/R/G/Y模块组白光LED最优化实验结果，最优相对功率光谱分布如图8所示。

表8　在CRI≥93，R9≥90条件下W/R/G/Y LED模块组合可调白光的光谱最优化结果Tab.8　Optimization data of W/R/G/Y combination model with CRI≥93 and R9≥90

图8CRI≥93和R9≥90条件下W/R/G/B/Y模块组合可调白光LED的最优化光谱功率分布

Fig.8Optimization of spectral power distribution for W/R/G/B/Y combination model with CRI≥93 andR9≥90

2.5　仿真模拟结果

上述4种不同模块组合仿真结果表明： 在4种不同的组合模块中，W/R/G/Y组合的可调白光LED所达到的效果最好，能实现CRI≥93和R9≥90，同时辐射光效也是最优化的结果。目前，这是保证显色性的同时又使得光效高的一种最优化的可调色温白光LED光谱的组合。

3结语

本文对R/G/B、R/G/B/Y、W/R/Y和W/R/G/Y高效高显色可调色温白光LED模块组合进行了仿真模拟研究，仿真结果表明： 在4种不同的组合模块中，W/R/G/Y组合的可调白光LED所达到的效果最好，能实现CRI≥93和R9≥90，同时辐射光效也是最优化的结果。该研究结果为实际获得高效高显色可调色温白光LED模块组合提供了重要依据和技术参数。然而，实际选用的蓝光LED和荧光粉的峰值波长和光谱半宽度可能会有一定的偏差，这将是今后研究的工作。

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Color Temperature Tunable White Light LED withHigh CRI and High Luminous Efficacy

YANGWu，WUGang,LINXingxing

(Department of Mathematics and Physics, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Abstract:To achieve white light LED with high CRI and high luminous efficacy, this paper uses a new mathematical model for spectra of light-emitting diodes (LED) and phosphor. The research results show that we can achieve CRI≥93 and R9≥90. At the same time, some multiple LEDs can reach luminous efficacy of radiation (LER) greater than or equal to 378lm/W. The multiple LEDs can realize optimal combination of optimized white LED spectra.

Key words:light emitting diode (LED); phosphor; spectral power distribution; color rendering index(CRI); luminous efficacy of radiation(LER)

文献标志码:A

中图分类号:O433.4

文章编号2095 - 0020(2015)01 -0046 - 07

作者简介：杨武(1985-)，男，硕士，实验师，主要研究方向为LED光谱和荧光粉光谱，E-mail： ncyw2010@126.com

基金项目：国家自然科学 资助(11104178)；上海市教育委员会科研创新项目资助(14YZ156)

收稿日期：2015 - 01 - 05