当前位置:资料首页 > 论 文 > LED照明 > 正文

【特约】解析LED白光照明灯具中的色散问题[1]

2014-5-14  来源:(北京清华同衡规划设计研究院有限公司光环境规划设计研究所,北京100085)  作者:罗晓霞 荣浩磊 曹钧  有7754人阅读

首先从灯具市场的应用状况入手,对 LED 灯具的使用现状进行总结。分析 LED 灯具出现颜色不均匀现象的原因,尝试将衍射原理应用到非成像光学中,并以手电筒的透镜结构为例,讨论了折 - 衍混合透镜的具体设计过程,最后,利用 Matlab 对其透射—全反射透镜结构进行了色散的模拟。

  1 LED 照明市场分析

  根据照明灯具统计数据[1],2008 年 LED 照明仅占市场的 7%,而 2011 年 LED 灯具在项目中的应用就超过了 65%,预计在 2020 年 LED 将占据市场的 75%以上 (见图 1)。

  图1 LED 照明市场应用现状

  在所有 LED 照明灯具中,白光 LED 灯具的市场份额几乎占据50%[2],而白光 LED 照明面临着一系列问题,比如: 单颗 LED 的光通量难以满足普通照明的需求、色差大、稳定性不足等。对不同应用的要求,生产出真正符合设计水平的市场化产品仍然是一个需要关注的问题。本文主要针对白光 LED的色差问题进行分析论证,为灯具的生产研发给出建议方向。

  2 LED 白光色差问题

  LED 白光灯具的色差问题主要包括边缘黄斑/蓝斑、彩边、混光不均等颜色不均匀现象[3,4],如图 2 所示。这种灯具光色的不均匀性,大幅减低了照明质量,也给设计师带来很大的烦恼与不便。目前,随着业主对照明效果的要求越来越高,在灯具选择中,光色均匀性,逐渐列入设计师选用灯具的重要指标之中。

  我们知道,一个好的 LED 灯具,必须具备四个基本条件,即好的 LED 光源、好的散热设计、相匹配的驱动设计以及合理的光学设计,任意一项的缺陷都会带来灯具各种各样的问题。

  图2 LED 白光灯具色差现象

  引起白光光色不均匀的原因有很多,上述提到的四个基本要素中,任何一项的不合理都会引起灯具的颜色漂移。其中散热设计和驱动设计是通过影响 LED 光源的特性,间接引起辐射波长的变化,从而引起光色质量的下降。LED 光源和光学设计则是引起光色变化的直接因素。本文针对这两个直接因素,分析总结 LED 灯具颜色不均匀现象的症结所在。

  3 影响因素分析及其解决方案

  3. 1 LED 光源本身的影响

  实现白光 LED 的方法主要有两种[5]: 一种是荧光粉转换白光,即利用 LED 芯片所发出的光激发荧光粉,芯片再与荧光粉发出的光混合形成白光; 另一种方法是多芯片型白光,即利用 RGB 三基色混合制备白光 LED。

  3. 1. 1 荧光粉转换法

  在荧光粉转换法中,目前市场上普遍采用的是蓝光芯片与黄色荧光粉组合的方式,如图 3 所示。荧光粉的分布结构是影响色均匀的关键因素[6],如图 4 所示。

  图3 荧光粉法产生白光的原理图

  图4 白光 LED 制作中常用荧光粉结构

  为了实现颜色一致的光,要求各种结构都要合理控制荧光粉的分布,保障各方向的浓度一致。在保型结构中,则需要注意芯片四周的荧光粉涂覆,否则,蓝色的光线从侧边的四周出来,会有蓝光圈产生; 在离散型结构中,荧光粉被均匀的涂敷在反射杯中,由于倾斜方向相对荧光粉浓度比较高,过多的荧光粉剩余,容易产生边缘黄斑现象; 远程荧光粉结构在一定程度上可以克服浓度的不均匀分布,但是增加了荧光粉的用量,增大了光源的体积。

  所有这些因素的影响都对芯片的上游厂家提出更大的挑战,一方面要求 LED 上游企业提高自身工艺[7],通过合理调整荧光粉的分布密度,获取品质较好的光源。另一方面,厂家可购置专业的分光分色机,对每个 LED 光源进行分光分色处理[8],对LED 光源本身光电性能不良的产品进行筛选。灯具厂商在选择光源时,尽可能选择优质光源,也是保证灯具性能的基本前提。

  3. 1. 2 多芯片组合法

  另一种白光 LED 是选用 RGB 三基色 LED 芯片进行混合获得,利用 RGB 三基色芯片混色制作白光LED 时,存在色差更为严重的现象[9]。因为三种颜色的 LED 随着温度、驱动电流变化各异,随时间的衰减速度也不相同。为了保持颜色的一致性,必须增加动态反馈电路,时时调整三基色的配比来获得白光。在这种方法中对控制系统的合理设计变得尤其重要。但是由于目前控制技术不成熟,该种光源的成本较高,市场应用的不多。由于该种方法的可控性较强,随着技术的不断进度,这种产生白光的方法是未来的发展趋势。

  图5 多芯片组合法产生白光的原理图

 12
【有4人参与评论】

网友评论

标题:
网友评论仅供其表达个人看法,并不表明中国照明网同意其观点或证实其描述

中国照明网论文频道现向广大业内朋友征集稿件。稿件内容要求具有技术性、可读性。欢迎研究机构、院校、企业进行投稿。

投稿信箱:edit@lightingchina.com.cn
联系电话:0086-020-85530605-5029

(投稿时请注明作者姓名、单位、邮编和地址及电话、E-mail;以便通知审核结果,如发稿七日内无通知请来电查询。)

广东中照网传媒有限公司 版权所有 增值电信业务经营许可证:粤B2-20050039 粤ICP备06007496号
传真:020-85548112 E-mail:Service@lightingchina.com.cn 中国照明网