聶叢偉 閆永生 張青

摘 要：我國LED照明經(jīng)過近20多年的高速發(fā)展已經(jīng)由單獨追求光效轉(zhuǎn)向全面追求光品質(zhì)。本文論述了全光譜可調(diào)色溫高品質(zhì)LED光源技術(shù)研究，該研究成果不僅能滿足常規(guī)的照明需求，還能通過調(diào)節(jié)不同顏色LED發(fā)光的配比獲得不同色溫、不同顯色指數(shù)、不同光譜的照明光源。利用多基色進行光譜合成，得到連續(xù)光譜及可調(diào)色溫的高品質(zhì)LED光源。利用多通道驅(qū)動裝置，通過智能系統(tǒng)，通過環(huán)境參數(shù)反饋，實現(xiàn)多光譜合成高品質(zhì)連續(xù)可調(diào)的LED照明系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：全光譜；可調(diào)色溫；高品質(zhì)；LED技術(shù)

1 概述

人類漫長的經(jīng)濟社會的發(fā)展史是以人們活動時間的延長為標志。從原始社會的天氣狀況良好下的捕獵、采集活動到封建農(nóng)耕社會的日出而作，日落而息，再到工業(yè)社會的兩班三運轉(zhuǎn)的倒班工作，再發(fā)展到信息社會的“夜經(jīng)濟”“夜生活”，這些都充分體現(xiàn)了這一社會發(fā)展規(guī)律。隨著平均活動時間的延長，人類對照明提出了更高的要求。廣義上講，照明分三類，一是最基本的功能照明，二是滿足人心理的舒適照明，三是治療某些人生理疾病的醫(yī)療照明。[1]同時，對照明的需求也進一步增加，人類活動從平面空間光照轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向立體空間光照，平面空間光照指的是白天不需要人工光源，自然光即可滿足人們的日常需求，夜晚的需求也是短時間的、局部的，對光源品質(zhì)的要求也不高，而立體空間則要滿足人們更長時間的照明需要，對光源品質(zhì)也就有了更高的要求。另外，從光健康的角度的研究表明，人類的情緒走向、思維速度、內(nèi)分泌系統(tǒng)甚至生命節(jié)律，不但與環(huán)境的光強狀態(tài)有關(guān)，也與環(huán)境的光譜結(jié)構(gòu)有關(guān)，社會發(fā)展需要使得人們更長時間地活動在人工光源環(huán)境下，這就促使照明行業(yè)運用更多的技術(shù)手段，使人工光照環(huán)境更加符合人類生存發(fā)展的規(guī)律，從而將人們的生理狀態(tài)、心理狀態(tài)更加健康，更加具有身心健康和工作效率。因此，高品質(zhì)照明是LED照明發(fā)展的主要方向之一，更強的還原能力，更舒適的光譜結(jié)構(gòu)適應多種需要的光譜可變性等是LED整個行業(yè)均面臨的課題。

2 理論分析

從理論技術(shù)上講，實現(xiàn)高品質(zhì)LED照明主要有兩種途徑，途徑一是采用多色窄光譜高效率LED（如紅、黃、綠、青、藍光）合成全光譜白光，主要目標是為了獲得大的色域空間，目前的應用領(lǐng)域多為顯色和電視播放等方面。該路線沒有LED激發(fā)熒光粉帶來的能量損失，通過多色LED的單獨控制可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光譜，但面臨的主要問題是青光的缺失和黃光LED效率明顯偏低，目前國家重點專項正布置青光技術(shù)研發(fā)，而黃光國際最高水平是南昌大學研發(fā)的功率型黃光LED電光轉(zhuǎn)換效率為14%（20 A/cm2）。途徑二是采用藍光LED激發(fā)多色熒光粉（如紅粉、黃粉、綠粉、青粉等）獲得白光。主要應用領(lǐng)域是照明，面臨的主要問題仍是LED激發(fā)熒光粉帶來的能量損失，同時光源在使用過程中缺乏光譜可變的靈活性，兩途徑的結(jié)合運用即采用多基色芯片與多成分熒光粉綜合運用以獲得高品質(zhì)的光照產(chǎn)品有著廣闊的研究空間。

3 技術(shù)路徑

現(xiàn)有LED白光是通過藍光LED激發(fā)黃色熒光粉獲得的，光電轉(zhuǎn)換效率已遠超白熾燈和日光燈，但光品質(zhì)不夠高，主要表現(xiàn)在顯色指數(shù)、色溫和光效之間難以協(xié)調(diào)發(fā)展，雖然也有可調(diào)色溫的LED產(chǎn)品出現(xiàn)，但都是僅僅實現(xiàn)了色溫的變化，不能保證連續(xù)可調(diào)的區(qū)間的保證高品質(zhì)照明的需求。因此選擇的技術(shù)路徑為：面向led行業(yè)發(fā)展的主要方向，從器件設(shè)計和封裝工藝入手，研究相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)從而初步實現(xiàn)全光譜覆蓋并根據(jù)需要進行調(diào)整的LED器件，為高品質(zhì)照明系統(tǒng)的實現(xiàn)提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。采用多基色芯片和YAG、氮化物、量子點熒光粉，利用藍、青、綠、黃、橙、紅六基色合成連續(xù)光譜白光產(chǎn)生技術(shù)，采用小間距多基色合成連續(xù)光譜的LED光源封裝技術(shù)，制備全光譜、可調(diào)色溫、高品質(zhì)LED光源。高品質(zhì)LED照明應具備聯(lián)系色溫在可調(diào)的區(qū)間內(nèi)具有高顯色指數(shù)、高光效、對人眼安全與舒適等特點。

4 研制過程

在全色溫范圍內(nèi)，確定目標色溫的光譜形態(tài)和成分分量，通過計算機模擬和理論計算，分析現(xiàn)有白光LED的光譜，找出現(xiàn)行光譜缺陷。分析光源的特征參數(shù)確定基色的光譜形態(tài)和分量成分。設(shè)計各基色的光譜的實現(xiàn)方案，并實驗各基色的光通量控制特性和光譜變化特性。開展高品質(zhì)封裝光源的光譜的選擇與設(shè)計，通過計算機模擬技術(shù)，設(shè)計多芯片互聯(lián)鏈路。研究芯片與熒光粉，熒光粉之間的相互激發(fā)與吸收的匹配性，在多種規(guī)格的熒光粉及量子點混合狀態(tài)下熒光粉及量子點空間分布狀態(tài)控制技術(shù)，熒光粉的空間分布狀態(tài)與LED的發(fā)光效率、可靠性以及生產(chǎn)成本有十分密切的關(guān)系。包括粉體物理參數(shù)（形狀、粒徑、密度等）的確定、混合方式、多頭在同一個封裝腔體內(nèi)的點膠方式、膠體固化程序等，實現(xiàn)光譜連續(xù)和高品質(zhì)所需要的熒光粉空間形態(tài)，從而實現(xiàn)LED光參數(shù)和色參數(shù)的目標。設(shè)計各基色的分布狀態(tài)，實現(xiàn)光源空間分布的均勻性，研究設(shè)計各基色的電學特性，設(shè)計光源的電拓撲，以實現(xiàn)驅(qū)動電壓的一致性。研究基于低電流密度應用的LED驅(qū)動技術(shù)，設(shè)計多芯片LED的電應力匹配，設(shè)計滿足多種芯片混合封裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計；引線端獨立設(shè)計，可在外接的引線端任意并聯(lián)或串聯(lián)，方便驅(qū)動電源的設(shè)計；設(shè)計多通道驅(qū)動裝置，通過智能系統(tǒng)，通過環(huán)境參數(shù)反饋，實現(xiàn)多光譜合成高品質(zhì)連續(xù)可調(diào)系統(tǒng)。

通過研究，獲得LED典型參數(shù)：在發(fā)光面直徑小于15mm的高導熱率、高反射腔體內(nèi)，可實現(xiàn)在顯色指數(shù)大于80的情況下，相關(guān)色溫在22006600K的連續(xù)可調(diào)，而且保證，在色容差均可以做小小于5SDCM的全色域照明，光效大于90lm/W。

5 結(jié)語

人類生理和心理健康是照明行業(yè)面臨的重要課題，還原世界本來的狀態(tài)和強化某種特征影響人們的認知結(jié)果，這就需要照明系統(tǒng)能夠完成這樣三個目標，在不同的場合，不同的時段給人們展現(xiàn)不同的狀態(tài)。這就需要光源和照明裝置要具有全光譜覆蓋和光譜調(diào)整能力。我國在十三五開局之年以重點研發(fā)計劃的形式布局了下一代LED照明光源即高品質(zhì)LED照明的研發(fā)。這必將推動我國LED照明技術(shù)引領(lǐng)世界，并滿足消費市場不斷提升的需求，這將帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻：

[1]聶叢偉.第四范式對照明舒適度的推進分析[D].石家莊：河北師范大學，2018.06.

項目：本文章的研究工作受助于石家莊市科學研究與發(fā)展計劃，項目編號：181130471A

作者簡介：聶叢偉，男，趙縣人，研究方向：LED封裝技術(shù)與應用。