传统白光LED与远程荧光粉白光LED的发光性能比较

研究了传统白光LED与蓝光激发的球冠形远程荧光粉白光LED在不同电流、不同热沉温度下的发光性能,并对其机理差异展开了探讨。实验结果表明:随热沉温度和驱动电流的上升,传统白光LED的量子效率和电光转换效率急剧下降,并导致其Y/B比(Yellow/Blue Ratio)下降,相关色温上升。而在远程荧光粉白光LED中,其量子效率、光转换效率和相关色温在相同实验条件下变化幅度都较小。由光强空间分布和Y/B比空间分布可知,远程荧光粉白光LED的光强分布呈类似蝠翼分布,且Y/B比空间均匀性远大于传统白光LED。     

传统白光LED与远程荧光粉白光LED的发光性能比较

研究了传统白光LED与蓝光激发的球冠形远程荧光粉白光LED在不同电流、不同热沉温度下的发光性能,并对其机理差异展开了探讨。实验结果表明：随热沉温度和驱动电流的上升,传统白光LED的量子效率和电光转换效率急剧下降,并导致其Y/B比（Yellow/Blue Ratio）下降,相关色温上升。而在远程荧光粉白光LED中,其量子效率、光转换效率和相关色温在相同实验条件下变化幅度都较小。由光强空间分布和Y/B比空间分布可知,远程荧光粉白光LED的光强分布呈类似蝠翼分布,且Y/B比空间均匀性远大于传统白光LED。     

白光LED极限流明效率的计算

对蓝光芯片加黄色荧光粉制备白光LED方法的流明效率进行了理论计算。根据光度学原理,我们考虑到视觉函数V(λ)的修正,以色坐标为x=0.325,y=0.332,显色指数为81.5,色温为5 914 K的白光LED发光光谱为依据,计算了白光LED流明效率的理论极限:得出每瓦白光LED辐射光功率产生的光通量为298.7 lm,白光LED发射的总光子数为2.7×10¹⁸。在理想情况下,注入一个电子-孔穴对产生一个蓝光光子,设荧光粉的量子效率为1,因此,注入的电子-孔穴对数亦等于白光光子数,进而计算出白光LED每辐射1 W的光功率所需的电功率为1.51 W,上述白光LED发光光谱对应的白光LED的电-光转换的理论极限流明效率为197.8 lm/W。     

叠层远程荧光薄膜光谱重吸收效应及封装应用

以无机绿色和红色荧光粉及有机硅胶为原料,采用高温模压法制备单层和叠层远程荧光薄膜,并结合蓝光板上多芯片光源封装出三种结构的白光LED发光器件(单层型,绿-红叠层型,红-绿叠层型).通过荧光分光光度系统、双积分球系统、可见光光谱系统和光谱照度仪等仪器测试了远程荧光薄膜中荧光粉的光谱重吸收特性和所封装白光LED器件的光色性能,并对机理进行了相应的分析.研究结果表明:远程荧光薄膜中红色荧光粉对绿光光谱产生明显重吸收效应,且透射红光光谱色度坐标移动满足线性关系y=-0.881 6x+0.922 5,R~2=0.998 6;叠层远程荧光薄膜可以明显提高所封装白光LED器件的空间色温均匀性,其中绿-红叠层型、红-绿叠层型和单层型白光LED器件空间色温差值分别为485K、487K和799K,空间各处色温的标准偏差和相对标准偏差分别为173.1、172.3、284.6和0.0373、0.052、0.066,同时绿-红叠层型白光LED器件的辐射发光效率达到三种结构中最高的301.1lm·W~(-1)(@350mA,9.2V).     

中性色温下两基色、三基色荧光粉转换白光LED的光谱优化

针对中性色温4 870 K,考虑斯托克斯损失,研究了两基色、三基色的白光LED的光谱优化。结果表明:InGaN/GaN基蓝光LED激发YAG荧光粉合成的白光光视效能可高达483.5 lm/W,但显色性较差,计算的斯托克斯效率为83.9%。加入窄带红色荧光粉或红光LED,优化后的光视效能降低为343 lm/W,但显色指数升至94.7,同时计算得到该LED的斯托克斯效率为84.4%。对该优化的三基色LED光谱进行可调色温白光的特性分析,发现较高色温 (＞4 000 K)对应的显色指数普遍高于低色温(＜4 000 K)的显色指数。     

远程荧光体白光发光二极管的发光性能

研究了高色温和低色温两种球冠状远程荧光粉白光LED在不同电流、不同热沉温度下的发光性能差异.结果表明:在大电流下,LED有源层内由于量子限制斯塔克效应使其峰值波长向短波方向移动,偏离了高色温荧光粉的最佳激发波长,更加接近低色温荧光粉的最佳激发波长.高色温LED的相关色温随电流增加呈上升趋势,低色温LED的相关色温随电流增加呈下降趋势,与它们的量子效率变化引起的色坐标漂移有很大关系.两种LED量子效率和发光效能随热沉温度的升高均呈略微增大的趋势;其中,高色温LED的量子效率和发光效能随电流的增大而减小,而低色温LED的量子效率和发光效能则随电流的增大而升高;高色温LED发光性质较低色温LED好,但色特性的稳定程度不如低色温LED.     

基于分层远程荧光膜白光LED的制备及光谱性能研究

基于荧光粉分层和远程荧光封装技术,采用热压法制备出双层远程荧光膜,并封装出白光LED。通过荧光分光光度计和可见光光谱分析系统研究了绿色和红色远程荧光膜不同分层顺序及不同发射波长对于白光LED光谱性能的影响。研究发现：蓝-绿-红(B-G-R)膜层封装形式相较于蓝-红-绿(B-R-G)辐射发光效率提高了31.69%,色保真度和色域指数均随着红色远程荧光膜波长的增加而升高,发射波长为660 nm时制备的白光LED色保真度最高值达到91,色域指数最高值达到104,辐射发光效率值则与波长成反比关系;色保真度随着绿色远程荧光膜波长的增加逐渐降低,色域指数则先降低后升高,发射波长为530 nm制备的白光LED具有最高的辐射发光效率,达到300.7 lm·W-1。研究所得出的相关结论对于实际的应用具有一定的参考意义。     

一体化的白光数码管封装技术

针对低色温白光数码管发光效率低的情况,提出了一体化的封装工艺。主体结构包括一体化技术的发光室和斜腔结构的反射盖。为验证用新工艺制备的白光数码管的光电性能,利用实验设备测试和分析了自制的两种不同工艺封装的白光数码管显色指数、发光效率以及色坐标等性能指标。实验结果表明,新工艺制备的白光数码管平均显色指数比传统点胶工艺高1.53%、平均发光效率高191%,从色坐标集中度看,新工艺制备的白光数码管出光均匀性比点胶工艺好。     

Ce∶YAG荧光陶瓷封装白光LED的出光特性分析

利用ASAP光学分析软件,对Ce3+∶YAG荧光陶瓷封装白光LED的出光特性进行了模拟分析。结果表明,当Ce3+∶YAG荧光陶瓷掺杂浓度一定时,随着荧光陶瓷厚度的增加,LED的光效呈现出先增大后减小的趋势,其相关色温值则一直减小直至稳定在低色温,色坐标值将持续增大,在CIE图中移向黄色区域;荧光陶瓷的厚度存在最佳值,使得LED光效达到最大值,且随着荧光陶瓷掺杂浓度的增加,最佳封装厚度减小。随着陶瓷基片封装距离的增加,合成白光的光通量、光效和色坐标均逐渐增加,而色温值则逐渐减小,致使LED发光相对偏暖。     

利用相关色温和光通量优化白光LED光谱（英文）

在单颗LED中,以1℃/W~30.5℃/W范围的散热器热阻值和0.5W~6.5W范围的负载电功率作为优化变量,40lm~460lm范围的光通量和7 100K~8 600K范围的色温作为目标变量,通过光-电-热理论和多重光谱模型优化白光LED的光谱功率分布.计算获得白光LED的光通量和相关色温在系统中变化时所对应的光谱功率分布,目标值与理论值的误差在5%以内.该理论模型可为LED照明系统的设计提供参考.     

Effect of phosphor settling on the optical performance of phosphor-converted white light-emitting diode

Phosphor settling phenomena exists during the phosphor coating process in the light emitting diode (LED) packaging industry. It is perceived that phosphor settling will affect the concentration of the phosphor, and consequently the concentration will influence the optical performance of phosphor-converted white LED light source. In this paper, an experiment based on the real packaging process was conducted to investigate the phosphor settling phenomena. It was found that the concentration variation of the phosphor embedded in the silicone matrix was very small (less than 1%). Based on the observation of the experiments, the effect of the phosphor settling in the silicone matrix on light extraction efficiency (LEE), correlated color temperature (CCT), angular color uniformity (ACU) and light intensity distribution curve (LIDC) was investigated and discussed by the three dimensional Monte Carlo ray-tracing simulations. It was discovered that the effect of the phosphor settling on the optical performance could be neglected when using the present packaging process.     

彩色变焦照明系统设计

针对基于RGB混色技术在小角度、近距离空间内较难实现彩色LED,且有关彩色变焦照明相关文献也较少的问题,设计了一款彩色变焦照明系统。系统主要由LED光源、TIR透镜、微结构透镜组成,可在650mm处实现良好混色照明,变焦范围为4.2°~9.1°(半光强角),且变焦照明过程中,在光强下降为20%的角度内能量利用率达85%以上,半光强角内的能量利用率始终在75%以上,满足设计要求。     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47％,与仿真结果45％非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20％,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

Ca_xSi合金前驱物常压氮化制备Ca_(1-x)AlSiN_3∶xEu~(2+)红色荧光粉及发光性能研究

采用CaxSi合金前驱物和Eu B6常压氮化制备了Ca Al Si N3∶Eu2+氮化物红色荧光粉。研究了不同烧结温度、添加助熔剂及二次烧结对发光性能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、荧光分光光度计对发光材料的形貌、晶体结构、发光性能与热稳定性进行了研究。分析结果表明:通过合金前驱物常压氮化法得到的氮化物荧光粉具有Ca Al Si N3结构,空间群为Cmc21。Ca Al Si N3∶Eu2+红色荧光粉的最佳烧结温度为1 550℃。添加质量分数为6%的Sr F2助熔剂后,荧光粉发光强度的提升效果最好。添加6%Sr F2助熔剂及二次烧结后得到的荧光粉的晶粒生长更加完整,颗粒度明显改善,发射光谱的相对强度也明显提高,比未加助熔剂单次烧结的荧光粉相对强度提高了近一倍。将发射峰位在640 nm的Ca0.98Al Si N3∶0.02Eu2+红色荧光粉应用在白光LED的封装中,获得了色温为3 109 K、显色指数为92.5以及色温为4 989K、显色指数为95.8的高显色白光LED,说明本文合成的氮化物红色荧光粉可以实现暖白光和正白光高显色的白LED发光器件。     

基于单透镜的空间光-单模光纤耦合方法

将自由空间光耦合进单模光纤产生超连续谱的实验中,空间光与单模光纤的耦合效率是其中的一个关键问题。常采用的单透镜或显微物镜进行耦合存在耦合效率低、调整难度大、端面易损伤等问题。提出了先将自由空间的光耦合进纤芯尺寸较大的单模光纤,然后将纤芯较大的单模光纤和纤芯较小的单模光纤进行熔接。实验结果表明,改进的耦合系统耦合效率大大提高,达到60%以上,且调整难度降低,光纤端面的损伤概率降低,大大提高了超连续谱产生的效率。     

弹载脉冲光源有效光强空间分布测量装置研究

研究了脉冲光源有效光强空间分布的Blondel-Rey法，采用复合梯形数值积分实现了瞬时光强的测量，并对高色温光源测量时的光谱失配校正进行了分析。构建了基于双反射镜同步测量原理的脉冲光源有效光强空间分布测量装置，详细分析了全空间分布式旋转平台、脉冲光强探测系统、光谱失配校正用高分辨率光谱仪等重点组成部件。采用高色温调制光源对测量装置进行了校准。最后，对该装置的测量不确定度进行了分析，其扩展不确定度可以达到3.0%。     

封装热应力致半导体激光器“Smile”效应的抑制方法

封装热应力所致smile效应是阵列封装大功率半导体激光器中普遍存在的问题。为解决这一问题,本文在研究smile效应产生机理的基础上,提出采用错温封装技术和热沉预应力封装技术降低smile效应的措施。以某808nm水平阵列封装半导体激光器为例,采用仿真分析的办法研究了上述技术的可行性和有效性。仿真分析表明,采用传统封装技术,在恢复至室温22℃后,芯片smile值约为39.36μm,采用封装前升高芯片温度至429℃的错温封装技术,可以将smile值降至1.9μm;若采用热沉预应力技术,对热沉的两个端面沿长边方向分别施加190 N的拉力,可以将smile值降至0.35μm。结果表明,这两种封装措施是有效的。错温封装技术和热沉预应力封装技术具有易于实现的优点,其中热沉预应力技术对于各种smile效应类型和不同的smile值都可以调整和修正。     

基于RGBW光源的舞台灯变焦透镜设计

针对目前舞台灯的光束角可变范围小、照度均匀性差等缺点,在全反射式透镜结构的基础上,基于变焦透镜组原理,设计出一种采用单颗透镜的变焦透镜系统。该系统包括准直透镜和可移动的调焦片,并且使用SolidWorks软件,依次在准直透镜的镜面上进行不规则六边形复眼圆周填充阵列和调焦片的两侧进行六边形复眼圆周阵列设计。经过光学软件LightTools仿真以及实际光照效果检测,此款透镜在匹配S2WP的全彩LED光源后,上述结构能够有效解决RGBW全彩LED光源在舞台灯照明上均匀性和混光差的难题。此外,设计出的舞台灯变焦透镜的光学效率高达87%,可在0 mm~15 mm的调焦范围内,光束角(1/2光强角)的可变范围为4°~53°。     

高功率叠阵二极管激光器光束整形

采用光线追迹法详细分析线阵二极管激光器经微球面柱透镜快轴准直后的光强变化情况,利用快轴准直微球面柱透镜的球差可调整输出激光光强分布的特性,得出了快轴准直输出发散角约5°时光强分布具有较好的平顶形式。根据叠阵二极管激光器输出光的特点,设计了由25个二极管激光器组成的叠阵二极管激光器的光束整形输出系统,该系统由快轴准直微透镜、快轴耦合透镜和慢轴耦合透镜组成,把需要泵浦的激光介质薄片设计在快轴耦合透镜的焦点上,并且在慢轴耦合透镜的成像面附近,得到了7mm×8mm的泵浦光斑,光强不均匀性约10%,输出效率达到85%。