CN103308499A - 一种蓝光led激发荧光粉性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种蓝光LED激发荧光粉性能测试装置及测试方法，涉及荧光粉。提供基于积分球的一种蓝光LED激发荧光粉性能测试装置及测试方法。所述测试装置设有固定底座、积分球、出光筒、蓝光LED光源、TEC控温夹具、恒流源、余弦收集器、光谱仪、计算机、挡板和标准白板。利用LED光谱参数可调、发光稳定的优点作为激发光源，以及积分球装置封闭的特点完整收集荧光粉反射的光线，提出了一套适用性强的荧光粉性能测量系统，可以方便准确地测量分析荧光粉在实际工作条件下的发光效能、外量子效率、光转换效率等重要发光性能指标。同时，系统可以通过灵活更换LED激发光源，实现不同荧光粉对不同激发光源的要求，具有良好的扩展性能。

Description

一种蓝光LED激发荧光粉性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及荧光粉，尤其是涉及一种蓝光LED激发荧光粉性能测试装置及测试方法。

背景技术

随着世界各个领域都对环保和节能提出了更高的要求，在照明行业中，LED成为各界关注的焦点。基于LED灯的白光光源在液晶显示屏等背光行业广泛使用，近年来更是在手电筒、室内照明以及路灯照明等领域广泛应用。白光LED灯具有诸如尺寸小、光效高、寿命长以及节能环保等优点，有望取代传统白炽灯以及荧光灯成为新一代固态照明光源。目前主要有三种技术途径可以实现白光LED：一是通过红、绿、蓝（RGB）三基色LED芯片混光获得白光，二是通过紫外芯片激发三基色荧光粉实现白光，三是通过蓝光芯片激发黄光荧光粉实现白光。综合技术、工艺等因素，第三种技术不仅在白光LED封装技术上占据主导地位，并已实现产业化。

目前LED荧光粉性能的测量，从光源获取上来说，通常利用白光通过滤光片或者白光经过单色仪获取蓝光的方法获得激发光源，激发荧光粉发光，获得荧光粉的光谱特性。但这种测量方法与实际应用中的情况不符合。实际应用中采用蓝光LED激发荧光粉，用这种方法测出的光谱与实际使用中的蓝光LED芯片的发射光谱会有较大的差别。从测量方法上来说，利用蓝光直接激发荧光粉获得荧光粉光谱的测量方式虽然简单，但存在光能损失严重，窄带光谱与实际的LED激发光谱差别很大等问题。另一方面，大多数荧光粉测试方法没有考虑到LED光源的升温对荧光粉激发效率的影响。随着驱动电流的增大，LED光源的结温越来越高，很容易造成激发光源的波峰漂移，这会造成对荧光粉发光性能测试的偏差，从而导致测量结果的不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供基于积分球的一种蓝光LED激发荧光粉性能测试装置及测试方法。

所述蓝光LED激发荧光粉性能测试装置设有固定底座、积分球、出光筒、蓝光LED光源、TEC控温夹具、恒流源、余弦收集器、光谱仪、计算机、挡板和标准白板；

所述积分球固定于固定底座上，出光筒自上而下从积分球顶端放入积分球内部，作为激发光源的蓝光LED光源位于出光筒上部，光线自上而下垂直入射，蓝光LED光源分别连接TEC控温夹具和恒流源，TEC控温夹具对蓝光LED光源的热沉进行控温，恒流源为蓝光LED光源提供驱动电流；蓝光LED光源产生的蓝光激发置于积分球底部的待测荧光粉或标准白板上，待测荧光粉所发射的光以及标准白板反射的光经过挡板的遮挡，在积分球内均匀反射，由积分球内壁上的余弦收集器收集，并通过光纤导入到光谱仪内，光谱仪连接计算机，光谱仪的数据输出端接计算机，由计算机的分析与计算，最终测得荧光粉的各种光学性能。

所述蓝光LED激发荧光粉性能的测试方法，包括以下步骤：

1）将积分球固定在固定底座上，积分球内置出光筒，出光筒上放置蓝光LED光源，并将蓝光LED光源与TEC控温夹具和恒流源连接，TEC控温夹具对蓝光LED光源的热沉进行控温，而恒流源为蓝光LED光源提供驱动电流，标准白板放置在积分球底部的夹具上，积分球通过光纤连接光谱仪，光谱仪连接计算机；

2）开启光谱仪预热，点亮蓝光LED光源，用恒流源调节蓝光LED光源的驱动电流，并开启TEC控温夹具进行控温，光源产生的蓝光通过出光筒垂直照射到标准白板上，在积分球内均匀反射，经过挡板的遮挡，光线在积分球内均匀反射，进入余弦收集器中，调节恒流源，改变蓝光LED光源的输入电流大小，待温度稳定后用光谱仪测出蓝光LED光源在不同驱动电流下的相对光谱功率分布；

3）将标准白板替换成待测荧光粉，放置在积分球底部的夹具上，点亮蓝光LED光源，用恒流源调节蓝光LED光源的驱动电流，并开启TEC控温夹具进行控温，蓝光LED光源产生的蓝光经过出光筒垂直照射到待测荧光粉上，产生蓝光和黄光混合后得到白光，经过挡板的遮挡，光线在积分球内均匀反射，进入余弦收集器中，调节恒流源，改变蓝光LED光源的输入电流大小，待温度稳定后用光谱仪测出不同驱动电流下蓝光LED光源和待测荧光粉发射的混合后的相对光谱功率分布，即白光的相对光谱功率分布；

4）将步骤3)所得的混合后的白光的相对光谱功率分布与步骤1)所得的激发光源的相对光谱功率分布进行比较，扣除白光相对光谱功率分布中的蓝光光谱部分，即可得到待测荧光粉在不同驱动电流下的蓝光LED光源激发下所得的待测荧光粉的相对光谱功率分布，进而按照上述荧光粉测量原理计算荧光粉的发光效能、量子效率、光转换效率等参数；

5）绘出电流-光谱功率曲线即为待测荧光粉在不同电流驱动下蓝光LED光源激发下的波长-发光效能曲线、波长-量子效率曲线以及波长-光转换效率曲线。

本发明通过改进以往荧光粉测试方法中光能损失严重、激发方式与实际情况不符等弊端，利用LED光谱参数可调、发光稳定的优点作为激发光源，以及积分球装置封闭的特点完整收集荧光粉反射的光线，提出了一套适用性强的荧光粉性能测量系统，可以方便准确地测量分析荧光粉在实际工作条件下的发光效能、外量子效率、光转换效率等重要发光性能指标。同时，系统可以通过灵活更换LED激发光源，实现不同荧光粉对不同激发光源的要求，具有良好的扩展性能。

荧光粉一般可用相对亮度来评价其发光效率的高低，但这种方法需要标准荧光粉作参考，而标准荧光粉的制备、存储及稳定性都有很高的要求；而且相对亮度只是比较两种色温、光谱功率分布相近的荧光粉才有意义，当两种荧光粉的色温明显不同时，相对亮度还不能真正反应荧光粉的发光性能的优劣。因此在LED荧光粉的效率评价中，本发明引入发光效能、量子效率及光转换效率三个指标，其原理如下：

荧光粉的光转换效率η_E，指荧光粉在一定波长的入射光激发下，发射光的能量φ_e发射（或光功率）与激发光的能量φ_e激发（或光功率）之比，即：

荧光粉的发光效能η_L，描述的是光辐射通量经过“人眼”以后可以产生多少相应光通量的刺激。用发射光的光通量Φ_V（lm）与激发光功率Φ_E(W)之比来表示,其量纲单位为lm/W，记为η_L：

${\mathrm{\η}}_L=\frac{{\mathrm{\Φ}}_V}{{\mathrm{\Φ}}_E}=\frac{683\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{em}}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{em}}\right)\·V\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{em}}\right){\mathrm{d\λ}}_{\mathrm{em}}}{{\∫}_{{{\mathrm{\λ}}_1}^{\′}}^{{{\mathrm{\λ}}_2}^{\′}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ex}}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ex}}\right){\mathrm{d\λ}}_{\mathrm{ex}}}---\left(2\right)$

荧光粉的外量子效率η_Q，指荧光粉在入射光激发下，发射光的光子数N_发射与激发光的光子数N_激发之比，即：

式（1）～（3）中：λ_ex为激发光波长；λ_em为发射光波长；φ_em(λ_em)为荧光粉的发射光谱功率分布；φ_ex(λ_ex)为激发光谱功率分布；λ₁至λ₂是发射光谱范围，λ₁′至λ₂′是入射光谱范围。

目前，荧光粉测试装置、系统多种多样，但是测试方法都不尽完善。LED荧光粉的测量，通常利用白光通过滤光片或者白光经过单色仪获取蓝光的方法获得激发光源，激发荧光粉发光，获得荧光粉的光谱特性。但这种测量方法光能损失严重，且光谱为窄带光谱，与实际应用中的LED激发光谱差别较大。且大多数测试方法没有考虑到LED光源结温升高对荧光粉激发效率的影响。随着驱动电流的增大，LED光源的结温越来越高，很容易造成激发光源的波峰漂移，这会造成对荧光粉发光性能测试的偏差，从而导致测量结果的不准确。另外，收集光能时，若直接用余弦收集器于荧光粉一侧采集出射光线，并不能有效收集产生的光能，由于光源散射出来的光线向各个方向散射之后，实际到达探测器的光线反而很少，这样会损失大量光线，而且这种测量方法的弊端还在于，可能会有杂散的光线直接入射到探头中，不仅会影响测试结果，而且严重时甚至会损坏探头。

本发明相对于现有的荧光粉测量方法具有如下优点：

1、用积分球全封闭的特性可以避免不必要光能的浪费以及光不均匀性的影响，能够极大地提升光谱仪获取光的能力。

2、光筒可以很好地控制LED灯的照射方向，有效提高光能利用率，防止光线直接进入探头造成测量结果的不精确乃至仪器的损坏。

3、测量方法可靠，操作简单，误差较小。

4、用控温蓝光LED做光源，出光稳定，与实际工作条件一致。

5、可以得到不同电流驱动下蓝光LED激发下的荧光粉发光性能以及光谱功率分布。

附图说明

图1为本发明所述蓝光LED激发荧光粉性能测试装置实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例激发光源在不同驱动电流下的光谱分布。在图2中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为相对光谱功率Intensity（a.u.）；曲线1为白光LED在100mA工作电流下的光谱分布，曲线2为在200mA工作电流下的光谱分布，曲线3为在300mA工作电流下的光谱分布，曲线4为在400mA工作电流下的光谱分布，曲线5为在500mA工作电流下的光谱分布。

图3为本发明实施例荧光粉在不同强度蓝光照射下的光谱分布。在图3中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为相对光谱功率Intensity（a.u.）；曲线1为白光LED在100mA工作电流下的光谱分布，曲线2为在200mA工作电流下的光谱分布，曲线3为在300mA工作电流下的光谱分布，曲线4为在400mA工作电流下的光谱分布，曲线5为在500mA工作电流下的光谱分布。

图4为不同驱动电流下黄光部分的光谱分布。计算荧光粉光转化效率、发光效能和外量子效率时需要考虑和扣除激发蓝光部分的影响，图4为扣除蓝光部分的黄光光谱分布，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为相对光谱功率Intensity（a.u.）；曲线1为白光LED在100mA工作电流下的光谱分布，曲线2为在200mA工作电流下的光谱分布，曲线3为在300mA工作电流下的光谱分布，曲线4为在400mA工作电流下的光谱分布，曲线5为在500mA工作电流下的光谱分布。

图5为不同电流下发光效能变化曲线。在图5中，横坐标为驱动电流Drive current（mA），纵坐标为光视效能Luminous efficacy(lm/mw)。曲线1为光转换效率，曲线2为量子效率。

图6为不同电流下光转换效率和量子效率的变化曲线。在图6中，横坐标为驱动电流Drivecurrent（mA），纵坐标为效率Efficiency（%）；曲线1为光转换效率，曲线2为量子效率。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，所述蓝光LED激发荧光粉性能测试装置设有固定底座1、积分球2、出光筒3、蓝光LED光源4、TEC控温夹具5、恒流源6、余弦收集器7、光谱仪8、计算机9、挡板10和待测荧光粉或标准白板11。所述积分球2固定于固定底座1上，出光筒3自上而下从积分球2顶端放入积分球2内部，作为激发光源的蓝光LED光源4位于出光筒3上部，光线自上而下垂直入射，蓝光LED光源4分别连接TEC控温夹具5和恒流源6，TEC控温夹具5对蓝光LED光源4的热沉进行控温，恒流源6为蓝光LED光源4提供驱动电流；蓝光LED光源4产生的蓝光激发置于积分球2底部的待测荧光粉或标准白板11上，待测荧光粉所发射的光以及标准白板反射的光经过挡板10的遮挡，在积分球2内均匀反射，由积分球2内壁上的余弦收集器7收集，并通过光纤导入到光谱仪8内，光谱仪8连接计算机9，光谱仪8的数据输出端接计算机9，由计算机9的分析与计算，最终测得荧光粉的各种光学性能。

所述蓝光LED激发荧光粉性能的测试方法，包括以下步骤：

1）将积分球2固定在固定底座1上，积分球2内置出光筒3，出光筒3上放置蓝光LED光源4，并将蓝光LED光源4与TEC控温夹具5和恒流源6连接，TEC控温夹具5对蓝光LED光源4的热沉进行控温，而恒流源6为蓝光LED光源4提供驱动电流，标准白板放置在积分球底部的夹具上，积分球2通过光纤连接光谱仪8，光谱仪8连接计算机9；

2）开启光谱仪8预热，点亮蓝光LED光源4，用恒流源6调节蓝光LED光源4的驱动电流，并开启TEC控温夹具5进行控温，光源产生的蓝光通过出光筒3垂直照射到标准白板上，在积分球2内均匀反射，经过挡板10的遮挡，光线在积分球2内均匀反射，进入余弦收集器7中，调节恒流源6，改变蓝光LED光源4的输入电流大小，待温度稳定后用光谱仪8测出蓝光LED光源4在不同驱动电流下的相对光谱功率分布；

3）将标准白板替换成待测荧光粉，放置在积分球底部的夹具上，点亮蓝光LED光源4，用恒流源6调节蓝光LED光源4的驱动电流，并开启TEC控温夹具5进行控温，蓝光LED光源4产生的蓝光经过出光筒3垂直照射到待测荧光粉上，产生蓝光和黄光混合后得到白光，经过挡板10的遮挡，光线在积分球2内均匀反射，进入余弦收集器7中，调节恒流源6，改变蓝光LED光源4的输入电流大小，待温度稳定后用光谱仪8测出不同驱动电流下蓝光LED光源4和待测荧光粉发射的混合后的相对光谱功率分布，即白光的相对光谱功率分布；

4）将步骤3)所得的混合后的白光的相对光谱功率分布与步骤1)所得的激发光源的相对光谱功率分布进行比较，扣除白光相对光谱功率分布中的蓝光光谱部分，即可得到待测荧光粉在不同驱动电流下的蓝光LED光源4激发下所得的待测荧光粉的相对光谱功率分布，进而按照上述荧光粉测量原理计算荧光粉的发光效能、量子效率、光转换效率等参数；

5）绘出电流-光谱功率曲线即为待测荧光粉在不同电流驱动下蓝光LED光源4激发下的波长-发光效能曲线、波长-量子效率曲线以及波长-光转换效率曲线。

以下给出具体实施例：

（1）将标准白板固定在夹具上，开启蓝光LED光源4，分别设置其工作电流为100mA，200mA，300mA，400mA，500mA，光谱范围为380～780nm，将热沉温度设定为25℃，蓝光LED光源4发出的光线经过出光筒3垂直入射到标准白板位置经积分球2内均匀散射，光线由余弦收集器7吸收后，经过Spectro320光谱仪8分析与处理，得到激发光源光谱功率分布如图2和3所示。

（2）图1中标准白板用待测荧光粉代替，开启蓝光LED光源4，设置其工作电流为100mA，200mA和300mA，400mA，500mA，将热沉温度设定为25℃，光谱范围为380～780nm，蓝光LED光源4发出的光线经过出光筒3垂直入射到待测荧光粉所产生的蓝光与黄光混合的白光经积分球2内均匀散射，光线由余弦收集器7吸收后，经过Spectro320光谱仪8分析与处理得到蓝光LED激发光源光谱分布，如图4所示。

（3）实验所得的发射光谱与激发光源光谱进行比较，然后利用公式

分别计算荧光粉的光转换效率η_E、发光效能η_L、量子效率η_Q等参数，结果如图5和6所示。

Claims (2)

1.一种蓝光LED激发荧光粉性能测试装置，其特征在于设有固定底座、积分球、出光筒、蓝光LED光源、TEC控温夹具、恒流源、余弦收集器、光谱仪、计算机、挡板和标准白板；

所述积分球固定于固定底座上，出光筒自上而下从积分球顶端放入积分球内部，作为激发光源的蓝光LED光源位于出光筒上部，光线自上而下垂直入射，蓝光LED光源分别连接TEC控温夹具和恒流源，TEC控温夹具对蓝光LED光源的热沉进行控温，恒流源为蓝光LED光源提供驱动电流；蓝光LED光源产生的蓝光激发置于积分球底部的待测荧光粉或标准白板上，待测荧光粉所发射的光以及标准白板反射的光经过挡板的遮挡，在积分球内均匀反射，由积分球内壁上的余弦收集器收集，并通过光纤导入到光谱仪内，光谱仪连接计算机，光谱仪的数据输出端接计算机，由计算机的分析与计算，最终测得荧光粉的各种光学性能。

2.如权利要求1所述一种蓝光LED激发荧光粉性能的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将积分球固定在固定底座上，积分球内置出光筒，出光筒上放置蓝光LED光源，并将蓝光LED光源与TEC控温夹具和恒流源连接，TEC控温夹具对蓝光LED光源的热沉进行控温，而恒流源为蓝光LED光源提供驱动电流，标准白板放置在积分球底部的夹具上，积分球通过光纤连接光谱仪，光谱仪连接计算机；

2）开启光谱仪预热，点亮蓝光LED光源，用恒流源调节蓝光LED光源的驱动电流，并开启TEC控温夹具进行控温，光源产生的蓝光通过出光筒垂直照射到标准白板上，在积分球内均匀反射，经过挡板的遮挡，光线在积分球内均匀反射，进入余弦收集器中，调节恒流源，改变蓝光LED光源的输入电流大小，待温度稳定后用光谱仪测出蓝光LED光源在不同驱动电流下的相对光谱功率分布；

3）将标准白板替换成待测荧光粉，放置在积分球底部的夹具上，点亮蓝光LED光源，用恒流源调节蓝光LED光源的驱动电流，并开启TEC控温夹具进行控温，蓝光LED光源产生的蓝光经过出光筒垂直照射到待测荧光粉上，产生蓝光和黄光混合后得到白光，经过挡板的遮挡，光线在积分球内均匀反射，进入余弦收集器中，调节恒流源，改变蓝光LED光源的输入电流大小，待温度稳定后用光谱仪测出不同驱动电流下蓝光LED光源和待测荧光粉发射的混合后的相对光谱功率分布，即白光的相对光谱功率分布；

4）将步骤3)所得的混合后的白光的相对光谱功率分布与步骤1)所得的激发光源的相对光谱功率分布进行比较，扣除白光相对光谱功率分布中的蓝光光谱部分，即可得到待测荧光粉在不同驱动电流下的蓝光LED光源激发下所得的待测荧光粉的相对光谱功率分布，进而按照上述荧光粉测量原理计算荧光粉的发光效能、量子效率、光转换效率等参数；

5）绘出电流-光谱功率曲线即为待测荧光粉在不同电流驱动下蓝光LED光源激发下的波长-发光效能曲线、波长-量子效率曲线以及波长-光转换效率曲线。

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