2 白光LED的合成及特性参数 IiYuUN1D
2.1 白光LED合成方式 |% la
根据黑体辐射原理制成的白炽灯，由于色温不能太高，大部分能量变成了红外辐射，这部分对照明没有贡献，使发光效率降低。不同色光合成白光有不同的合成，可以是两种，三种或者更多种色光合成白光，颜色种类用的多的话，它的像素就高，但是流明效率降低，这与对合成白光的质量要求有关。白光LED的合成途径大体上有2条路可以走，第一条是RGB，也就是红光LED+绿光LED+蓝光LED，LED走RGB合成白光的这种办法主要的问题是绿光的转换效率底，现在红绿蓝LED转换效率分别达到30%，10%和25%，白光流明效率可以达到60lm/w。通过进一步提高蓝绿光LED的流明效率，则白光流明效率可达到200lm/w。由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对合成白光的各色LED流明效率有不同的。第二条路是LED+不同色光荧光粉：第一个方法是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED，这种工作原理和日光灯是类似的，但是比日光灯的性能要优越，其中紫光LED的转换系数可达80%，各色荧光粉的量子转换效率可以达到90%，还有一个办法是用蓝光LED+红绿荧光粉，蓝光LED效率60%，荧光粉效率70%；还有是蓝光LED+黄色荧光粉来构成白光。 uKaf{=*
两种途径相比较之下，RGB三色LED合成白光综合性能好，在高显色指数下，流明效率有可能高到200lm/w，要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率，目前只有13%左右，同时成本高。 1e+h9|hGYw
为了适应工厂化的生产，本文所采取的白光LED合成方式是蓝色LED+黄色荧光粉，因为它是一条综合性能适中，成本低，容易实现的途径。这种合成方式的工艺是将蓝光LED芯片安装在碗形反射腔中，上面覆盖约500-600nm 厚度的YAG的树脂薄层[23]；合成原理是GaN芯片发蓝光（λp=465nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出峰值波长是550nm的黄色光。剩下的那部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白光LED，通过改变 YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K 的各色白光。 S" I#>^
2.2 白光LED的特性参数 (UbR%A|v;
从目前的LED产品的机理和结构来看，以下几个方面是用来衡量LED优劣的特性参数[24-26]。 'Y,+D`&i)
(1)电流/电压参数（正、反向） tr#)iZ\
LED的电性能具有典型的PN结伏安特性，不同的电流直接影响LED的发光亮度和PN结的结温。在照明应用中,为了获得大功率的LED灯，往往将许多个发光二极管通过一定的串并联方式组合在一起，相关的各个LED的特性必须匹配，在交流工作状态还必须考虑其反向电特性，因此必须测试它们在工作点上的正向电流和正向压降，以及反向漏电流和反向击穿电压等参数。 9`h pa-m@
(2)光通量和辐射通量 0e[ tKn(
发光二极管单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量，也就是光功率(W)。对于照明用LED光源，我们更关心的是照明的视觉效果，即光源发射的辐射通量中能引起人眼感知的那部分当量，称作为光通量ΦV(1m)。 D>!v_v6
辐射通量与器件的电功率之比表示LED的辐射效率；光通量与器件的电功率之比表示LED的发光效率，单位lm/W。由于LED是定向出射光，如果从照明效果来评价，其照明性能更明显。LED的出射光到达工作面的有效光通量与总光通量之比表示为LED的光利用系数。显然照明用LED的光利用系数比普通各向发光的照明光源要高一些。 =[v2
(3)光强和发光角 s\F EA"w/
无论是应用于显示或照明工程的LED，其光强及其空间分布都是十分重要的参数。LED灯的定向发光特性，对于某些局部或定向照明往往会达到非常好的照明效果。LED的发光强度指在给定方向上单位立体角内所发射的光通量： vr8J*36{
I= dΦ/dΩ（cd） （2-1） (2hk <
光强分布曲线如图1所示，是表示LED发光在空间各方向的分布状态。在照明应用中计算工作面的照度均匀性和LED灯的空间布置，光强分布是最基本的数据。对于空间光束为旋转对称型分布的LED，用一个过光束轴平面上的曲线表示即可。对光束为椭圆形分布的LED，则用过光束轴及椭圆形长短轴的两个垂直平面上的曲线来表示。对于非对称的复杂图形，一般用过光束轴的六个以上截面的平面曲线来表示。 vV\/pu8
发光角（或光束角）通常用半强度角θ1/2表示，即在光强分布图中光强大于等于峰值光强1/2时所包含的光束角度。 Q{(,/}kA-
(4)光谱功率分布 $j$ \ccG
LED的光谱功率分布表示辐射功率随波长的变化函数，它既确定了发光的颜色，也确定了它的光通量以及它的显色指数。通常用相对光谱功率分布S(λ)表示，光谱功率沿峰值两边下降到其值的50％时，所对应的两个波长之差Δλ＝λ2-λ1，即为光谱带。 m
bB\~n
(5)色品坐标 +dPE!:
选三原色红(R)、绿(G)、蓝(B)。 b[QCM/
X=R/(R+G+B)，Y=G/(R+G+B)，Z=B/(R+G+B) （2-2） ^ mQ;CMV
由于X+Y+Z=1，所以只用给出X和Y的值，就能唯一地确定一种颜色。这就是通常所说的色度图，为了使坐标值能直接表示亮度大小，国际照明协会规定采用另一种色度坐标X、Y、Z，与R、G、B间存在线性换算关系。若以x、y作为平面坐标系，将自然界中的各种彩色按比色实验法测出其x、y数值，并绘在该坐标平面内，便可得到图2-1所示的色度图。该色度图边沿舌形曲线上的任一点都代表某一波长光的色调，而曲 RBHqLg(
)dzjz%B)
图2-1 CIE1931色度图 ^5^
zo~^o
线内的任一点均表示人眼能看到的某一种混合光的颜色。其中白光区域的特征点A、B、C、D65、E的坐标值和色温见表2-1。 [hvig$L
表2-1 特征点对应的色坐标值和色温 ~CjmY P'o
光源点 X坐标 Y坐标 色温(K) FW6E)df
A 0.4476 0.4074 2854 O23]!S<;
B 0.3484 0.3516 4800 @et3}-c
C 0.3101 0.3162 6800 @$N*lrM2
D65 0.313 0.329 6500 */fs.G:P
E 0.3333 0.3333 5500 T`(;;%
[|P]S t-
(6)色温和显色指数 CC]@`R5
对于白光LED等发光颜色基本为“白光”的光源用色品坐标可以准确地表达该光源的表观颜色。但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起。人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”，比较炽白或稍偏兰的称为“冷色”，因此用色温来表示光源的光色会更加直观。 {H"=PY R
光源的发光颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，则称黑体的温度为该光源的色温(color temperature) T，单位为开(K)。对于白光LED，其发光颜色往往与各种温度下的黑体（完全辐射体）的色品坐标都不可能完全相同，这时就不能用色温表示。为了便于比较，而采用相关色温(CCT)的概念。也就是当光源的色品与完全辐射体在某一温度下的色品最接近，即在1960CIE-UCS色品图上的色品差最小时，则该完全辐射体的温度称为该光源的相关色温R1。 iNa C ZC
用于照明工程的LED，尤其是白光LED，除表现颜色外，更重要的特性往往是周围的物体在LED光照明下所呈现出来的颜色与该物件在完全辐射（如日光）下的颜色是否一致，即所谓的显色特性。 b(.o|d /P
1974年CIE推荐了用“试验色”法来定量评价光源显色性的方法，它是测量参照光源照明下和待测光源照明下标准样品的总色位移量为基础来规定待测光源的显色性，用一个显色指数值来表示。CIE规定用完全辐射体或标准照明体D作为参照光源，并将其显色指数定为100，还规定了若干测试用的标准色样。 l[!C-Tq
根据在参照光源下和待测光源下，上述标准色样形成的色差来评定待测光源显色性的好坏。光源对某一种标准色样品的显色指数称为特殊显色指数R1。 !W 6
R1=100-4.6△Ei (2-3) f;qKrw
式中△Ei为第i号标准色样在参照光源下和待测光源下的色差。 = *U%j
CIE推荐的标准色样共有14种。其1-8号为中等饱和度、中等明度的常用代表性色调样品，第9至14号样品包括红、黄、绿、蓝等几种饱和色、欧美的皮肤色和树叶绿色。在一些特殊场合使用的LED光源，必须考核其特殊的显色指数。1985年国家制定了“光源显色性评价方法”标准，并增加了中国人女性肤色的色样，作为第十五种标准色样。这对于评价在电视演播室、商场、美容场所等照明用LED光源的显色性尤为重要。 oM?
C62g\
光源对前8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra. O!@KM;
(7)热性能。照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一，与此同时，LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。 rE'
%MiIK
(8)辐射安全。目前，国际电工委员会IEC将LED产品等同于半导体激光器的要求进行辐射的安全测试和论证。因LED是窄光束、高亮度的发光器件，考虑到其辐射可能对人眼视网膜的危害，因此，对于不同场合应用的LED，国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法。目前在欧盟和美国，照明LED产品的辐射安全作为一项强制性的安全要求执行。 1)c=15^
(9)可靠性和寿命。可靠性指标是衡量LED在各种环境中正常工作的能力。在液晶背光源和大屏幕显示中特别重要。寿命是评价LED产品可用周期的质量指标，通常用有效寿命或终了寿命表示。在照明应用中，有效寿命是指LED在额定功率条件下，光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间。 y:(C=*^<t
1)平均寿命 1v8:,!C
一批LED同时点亮，当经过一段时间后，LED不亮达到50%时所用的时间。 c] :J/'vc
2)经济寿命 !x!L&p
在同时考虑LED损坏以及光输出衰减的状况下，其综合输出减至一特定比例时的小时数。此比例用于室外光源为70%，用于室内光源为80%。 SgQmYaa&
2.3 支架式白光LED和大功率白光LED的结构 -`ys pE0?
2.3.1 支架式白光LED的结构 F KvO7? K
这种LED属于普通的小功率LED，在封装的时候将蓝色LED芯片固定在一反射杯上，以金线连接LED芯片的正负极，将荧光粉覆盖到芯片上，之后以环氧树脂封装，这种LED芯片的尺寸是0.25mm×0.25mm，5mm是指封装后元件的半径。结构图如图2-2。 #,|_d>p:
XxrO:$
图2-2 支架式白光LED的结构 3M>FU4Ug2
2.3.2 大功率白光LED E6KBpQcd[
将蓝色芯片固定在一反射杯上，以金线连接LED热沉和支架的正负极[27]，将荧光粉均匀涂抹在芯片上，之后用树脂或者光学透镜封装。这种芯片的尺寸是1.0mm×1.0mm。结构如图2-3。 ?X5glDZ $
c# 4ZDjvm6
图2-3 大功率LED的结构
