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方案解讀:如何提高LED照明的顯色指數(shù)?

發(fā)布時間:2015-04-15 責任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】LED技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對LED光源的需求也也逐漸增多。光源在照明燈具中對顯色指數(shù)有著嚴格的要求,由于白光技術(shù)在顯色方面的不成熟制約了LED光源的發(fā)展。如何提高LED照明的顯色指數(shù)成為新一代照明方案研究的熱點,本文就這一課題提出了解決方案并加以解析。

白光為復(fù)合光,通過三棱鏡就很容易的分解出白光中所包含的各種顏色的光。而LED是一種色譜較為全面的光源,這種廣色域的特點為LED照明產(chǎn)品的高顯色性奠定了理論基礎(chǔ)。

光是一種具有波粒二相性的物質(zhì),這種物質(zhì)包含了波的特性有包含了粒子的特性,使之具有較強的復(fù)合特點,所以從光的本質(zhì)上和LED的特性上來講,使LED成為高品質(zhì)照明光源成為可能。

當前白光LED技術(shù),主要采用藍光芯片覆涂熒光粉的制作工藝,這種技術(shù)由日亞公司開發(fā),從一定意義上沿襲了熒光燈管的發(fā)光原理,這種技術(shù)由于紅光和綠光成分的缺少,使之先天性上就存在著對顯色指數(shù)不足的缺陷,目前為彌補這種缺陷,熒光粉技術(shù)成為產(chǎn)業(yè)內(nèi)主攻方向。

藍色芯片涂覆熒光粉制造白光技術(shù),這種技術(shù)在原理上是可以產(chǎn)生效果較好的白光,但是在使用過程中由于對環(huán)境的適應(yīng)能力較弱,造成理論與實際產(chǎn)品的差異,這種差異的產(chǎn)生很大程度上是因為LED熱積溫對熒光粉的影響而產(chǎn)生的。

我們都有這樣的經(jīng)驗,大功率白光LED隨著工作時間的推移,熱的產(chǎn)生和熱的散失逐步達到平衡狀態(tài),這個平衡狀態(tài)的溫度越高,對于使用同一種類型熒光粉的白光LED影響越大,下圖為溫度對熒光粉發(fā)光性能的影響;

如何提高LED照明的顯色指數(shù)?
圖1
 
由上圖可以看出,隨著LED溫度的不斷上升,熒光粉活性將大幅降低(華氏度/攝氏度轉(zhuǎn)換公式為:攝氏度=5/9*(華氏度-32),在100華氏度時熒光粉的活性較佳,但是在250華氏度(即120攝氏度)左右熒光粉的活性基本喪失已盡。

溫度在影響熒光粉的活性的同時,也對熒光粉所激發(fā)的光波波長產(chǎn)生一定的影響,下圖是溫度對熒光粉的發(fā)光波長的影響。

如何提高LED照明的顯色指數(shù)?
圖2
 
由上圖可以看出隨著LED溫度的上升,熒光粉活性在逐漸失活的同時,熒光粉所發(fā)出光的波長也隨著發(fā)生偏移,這個偏移是紅偏移,即熒光粉發(fā)光波長朝著紅色波長偏移;這個現(xiàn)象好像說明隨著溫度的上升,白色LED的顯色性應(yīng)該好一些,而實際上是降低,貌似是矛盾的問題?這種現(xiàn)象的本質(zhì)是熒光粉向紅色波長的偏移量,小于熒光粉的失活量,即熒光粉在高溫狀態(tài)下所激發(fā)出來的紅色光不足以彌補混成所損失的紅光,所以表現(xiàn)為溫度的升高LED的顯色指數(shù)還是下降的,與白光LED隨著溫度升高而顯色指數(shù)下降是相符的。

由以上分析可以得出,提升熒光粉白光LED的顯色指數(shù),首要的手段是降低LED的節(jié)溫,其次是提高熒光粉對高溫的適應(yīng)能力。第三即采用色彩補償技術(shù),采用紅光或者琥珀色LED對顯色指數(shù)進行補償。

在降低LED節(jié)溫方面,最有效的手段是設(shè)計散熱性能較高的LED封裝方式,這是我國LED產(chǎn)業(yè)近期內(nèi)能夠在LED知識產(chǎn)權(quán)上取得重大進展的方向之一,由于LED是一種低電壓的電子產(chǎn)品,在電性安全上要求較為寬松,所以可以采用的導(dǎo)熱基板材料較多,而我們產(chǎn)業(yè)目前對此研究較少,造成屢屢觸犯國外知識產(chǎn)權(quán)糾紛。

提高熒光粉穩(wěn)定性,是白光LED技術(shù)的主流,在這個方面我國目前技術(shù)力量較為薄弱,短期內(nèi)不能獲得突破進展,對于我國大多數(shù)企業(yè)來講尋求這方面的突破是困難的。

色彩補償技術(shù)是一種彌補因色彩缺失造成LED顯色指數(shù)降低的一種技術(shù)手段,這種技術(shù)手段從原理上來講是可行的,但是在實際應(yīng)用中,面臨著混光條件技術(shù)手段的嚴格制約,所以實際應(yīng)用價值不高。

白光符合依據(jù)紅綠藍3:6:1的混光理論,這種理論是建立在我們看發(fā)光物體的基礎(chǔ)上的,這種混光技術(shù)可以成功的應(yīng)用在LED顯示屏白平衡技術(shù)上,但是應(yīng)用在照明方案上這種混光方案就沒有多大的借鑒性,這是由于人眼對可見光具有一種平均的特點和一種習慣的特點,而這兩種特點,也是我們在不知不覺中損傷視力的重要原因。

照明的本質(zhì)是因為照而明,光照在物體上,物體經(jīng)過反射進入人眼,這樣才形成了照明的過程,由于物體對各種波長的光吸收是不同,因而純色紅綠藍三基色LED通過3:6:1混光技術(shù)而出來的白光,本身就存在著一定的顯色缺陷,照射到物體表面,因為紅綠藍等被物體表面吸收的不同,反射效果不同,而造成CRI的減低。所以采用三基色混光技術(shù)而生產(chǎn)的白光產(chǎn)品,應(yīng)先在元器件表面或者產(chǎn)品內(nèi)部采用技術(shù)手段混光,使之發(fā)出白光,而不是發(fā)出三種不同的光在被照物體表面發(fā)生混光,由此引起CRI降低。

紅綠藍三基色LED混色技術(shù)是一種較為成熟的白色照明技術(shù),這種技術(shù)由于不同LED間距離較大而引起的混光距離較遠,在LED前加混光罩,雖然解決了混光的問題,但是光損又是一個障礙,對于照明燈具朝輕薄方面發(fā)展形成障礙。再之人直接觀看照明燈具時不是均勻的白光;這兩方面因素直接制約著這種技術(shù)的發(fā)展。

對三基色LED混光技術(shù)的研究即基于解決這兩方面的問題而展開的。研究發(fā)現(xiàn),隨著LED芯片間距離的減小混光距離成倍的減小,隨著三基色表面涂覆散色劑濃度的增加混光效果也是成倍的提升,在研究的深入的展開,三基色LED芯片間距減少和三色劑濃度的提高之間尋找一個最佳的平衡點,是一種解決三基色混光的最佳方案,這種方案使三基色白光LED作為照明光源成為可能。

目前我國在LED封裝產(chǎn)業(yè)雖然是一個大國,但是在創(chuàng)新技術(shù)方面遠遠落后,紅綠藍三基色混光技術(shù),借用熒光粉涂覆白光LED技術(shù),完全可以達到完美的白光效果。下圖是是紅綠藍三色LED在透過混光層光損曲線(三散色劑對光的影響曲線)。

如何提高LED照明的顯色指數(shù)?
圖3
 
可以看出隨著散色劑濃度的提高,光損逐步增加,但是我們在試驗研究過程中發(fā)現(xiàn),目前封裝技術(shù)所采用的膠體光損量在5%左右,而在摻雜散色劑的膠體所封裝的LED的光損量在12%左右,但是達到了較好的混光效果,比原有透明膠體光損量增加7%的光損量,而達到了較為完美的混光效果,從產(chǎn)品的實際應(yīng)用價值上來講,這是值得的。

我們研究的對象是緊湊型SMD三合一封裝形式,平面無透鏡型,這種封裝形式要求內(nèi)部紅綠藍三顆LED芯片間的距離小于1mm范圍內(nèi),為小功率芯片。

在大功率方面,熒光粉涂覆技術(shù)生產(chǎn)的白光LED和三色芯片散色劑混光技術(shù)生產(chǎn)的LED,對于光的損失量是大體的相同,而三色芯片散色劑混光技術(shù)更為簡單而有效,我們應(yīng)該在這一技術(shù)上走的更遠。

從LED實用技術(shù)上解決LED顯色性方面的手段是多種多樣的,本文著重研究具有實際意義的CRI,目前雖然藍光芯片涂覆技術(shù)生產(chǎn)的白光LED占有市場產(chǎn)品主流,但是隨著研究的深入發(fā)展,隨著技術(shù)的不斷進步,隨著封裝工藝的不斷改進,三基色白光LED技術(shù)將取得長足的進步,為我國在白光LED產(chǎn)業(yè),在LED照明領(lǐng)域取得重要的一席之地。

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