CN103323438B - 一种荧光粉实用发光性能测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光粉实用发光性能测量方法，利用激发光源发出的激发光激发待测荧光粉，发出受激发射光；采集未被吸收的剩余激发光与荧光粉发射光的混合光，得到混合光的光谱曲线并进行平滑处理；将混合光的光谱曲线从荧光粉发光波谱范围中的波峰位置分解为前半部分和后半部分；后半部分光谱曲线作为荧光粉发射光的后半部分光谱曲线；对混合光的前半部分光谱曲线采用高斯函数和费米函数的叠加进行拟合；采用模拟退火算法求解拟合函数中的各常数，并分解出荧光粉发射光的前半部分光谱曲线；将得到的荧光粉发射光前半部分光谱曲线及荧光粉发射光的后半部分光谱曲线结合在一起，得到荧光粉在激发光下的发射光谱，据此，计算其光度和色度量。

Description

一种荧光粉实用发光性能测量方法

技术领域

本发明涉及一种荧光粉实用发光性能测量方法，特别是指一种实用条件下LED白光用黄色荧光粉发射光谱的测量方法和技术，属于LED光源技术领域。

背景技术

发光二极管LED（light-emitting diode）作为新型照明光源正逐步取代传统光源。目前主要有两种技术途径来实现白光LED：一是通过红、绿、蓝（RGB）三基色LED芯片混光获得白光；另一是通过紫外或蓝光芯片激发荧光粉实现白光。目前，利用蓝光LED芯片配合黄色荧光粉产生白光的技术最为可靠，为主导技术。

LED芯片发出的蓝光激发荧光粉发射黄光，黄光与剩余的蓝光即混合为白色。常用的黄光荧光粉为钇铝石榴石Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺,Gd³⁺(简称YAG)稀土荧光粉，其发光性能对最终LED混合白光的光度和色度特性具有重要影响，成为白光LED制备的关键所在。

因YAG所发的黄光与激发蓝光的光谱在480nm附近存在有交叠区域，所以不能从混合光中直接测得YAG的准确发射光谱。目前，在YAG荧光粉发光性能研究中，要么使用荧光光谱仪或双分光式测试系统，要么以混合白光的性能来反映荧光粉的性能。

荧光光谱仪可测量等能量单色波长光激发下荧光粉的发射光谱，但不同波长激发光所激发的荧光光谱强度和分布是不同的，因此，并不能反映实际激发光谱条件下荧光粉的总体发光性能。双分光式测试系统测量的是不同波长激发光下荧光的发光积分，但需要结合实际激发光的光谱能量分布，才能获得实际的荧光粉发射光谱。

在材料开发实践中，若能直接针对荧光粉在实用条件下的发光特性进行快捷的测量，无疑会对研究过程带来极大的便捷。杭州远方光电科技有限责任公司的仪器专利技术中，即实现了这一设计理念，基于实用蓝光激发下的混合光谱，采用光谱分解的方法，将黄色荧光粉的发射光谱分解出来。但在该技术中，使用了窄带滤光片对激发蓝光进行了滤波，相当于缩小了激发蓝光的波谱范围，从而也减少了与被激发射黄光的光谱交叠，与实用中的激发蓝光条件存在差异。另外，其后的发射光谱分解中采用了简单的比例系数处理，相当于认定荧光粉对不同波长激发光具有相同的响应灵敏度，而这与荧光粉的实际情况也是不相符的。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提出一种YAG荧光粉发光特性的测量方法，该方法能够贴合实际，真正反映实用条件下荧光粉的发光特性。

本发明提供的一种荧光粉实用发光性能测量方法，包括如下步骤：

（1）利用激发光源发出的激发光激发待测荧光粉，使其发射出受激发射光；

（2）采集未被吸收的剩余激发光与荧光粉发射光的混合光，得到混合光的光谱能量曲线；

（3）对所述混合光的光谱能量曲线进行适当的平滑处理；

（4）将混合光的光谱能量曲线从荧光粉发光波谱范围中的波峰位置分解为前半部分和后半部分；后半部分光谱曲线直接作为荧光粉发射光的后半部分光谱曲线；

（5）对混合光的前半部分光谱曲线采用高斯函数和费米函数的叠加进行拟合；得到激发光光谱的拟合函数，及荧光粉发射光前半部分光谱曲线的拟合函数；

（6）采用模拟退火算法求解荧光粉发射光前半部分光谱曲线的拟合函数中的各常数；

（7）将步骤（5）中得到的荧光粉发射光前半部分光谱曲线的拟合函数y_{2_fit}及步骤（4）中的荧光粉发射光的后半部分光谱曲线，结合在一起得到荧光粉在激发光下的发射光谱，据此，计算其光度和色度量。

步骤（1）中，所述的激发光源为环形激发光源，所述的环形激发光源发出的激发光沿约45°方向照射到待测荧光粉上。所述环形激发光源可为蓝光LED，制作材料为氮化铟镓（InGaN）；所述待测荧光粉为YAG:Ce黄色荧光粉。

步骤（2）中，采用光谱仪探头采集未被吸收的剩余激发光与荧光粉发射光的混合光，光谱仪探头位于待测荧光粉放置平面的法线方向上。所述光谱仪探头的光谱接收端为一个半径约为2mm的圆面探头，该光谱仪测量精度为1.2nm。

步骤（2）中，所述的平滑处理可为中值滤波、高斯滤波、小波函数滤波等方法。

步骤（5）中，所述混合光的前半部分光谱曲线的拟合函数为3个高斯函数和3个费米函数的叠加，具体表达式为：

$y_{\mathrm{fit}}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{[-{(x-b_i)}^2/c_i^2]}+\underset{i=4}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i/\{e^{[-(x-b_i)/c_i]}+1\}=y_{1\_\mathrm{fit}}+y_{2\_\mathrm{fit}}---\left(1\right)$

其中，y_{1_fit}为激发光光谱的拟合函数，即y_{2_fit}为荧光粉发射光前半部分光谱曲线的拟合函数，即a_i、b_i和c_i为拟合系数。

步骤（7）中，计算的光度量包括量子效率η_N、发光效率η_L和能量效率η_E，定义如下：

${\mathrm{\η}}_N=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_y\left(\mathrm{\λ}\right)\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}}{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\η}}_L=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_y\left(\mathrm{\λ}\right)V\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\η}}_E=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_y\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

式中φ_s(λ)和φ_y(λ)分别为激发光和荧光粉发射光的光谱辐射能量，V(λ)为人眼的明视觉光谱光视效率函数。

计算的色度量有色品坐标、相关色温、主波长和色纯度，用分离出的φ_y(λ)由色度学理论进行计算；还包括荧光粉发射光谱的特征参量峰值波长和半峰值带宽。

从上面所述可以看出，本发明提供的荧光粉发光特性测量方法，针对实际需求，建立了在实际激发光条件下，由测量的混合光谱，通过采用高斯函数和费米函数拟合及模拟退火优化技术等数学处理方法，得到了混合发光光谱的数学拟合函数，从而分离出荧光粉的发射光谱，并进一步表征其发光特性。

实验样品的测量结果表明，与简单的截切分离方法比较，会有不可忽略的光度量和色度量差异。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程示意图。

图2为本发明荧光粉实用发光性能测量方法测量装置的结构示意图。

图3a为氮化铟镓（InGaN）LED芯片的辐射光谱分布图。

图3b为激发蓝光激发荧光粉后的发射光和剩余蓝光的混合光光谱分布图。

图4a为混合光的拟合曲线及测得的混合光光谱曲线的示意图。

图4b为混合光光谱曲线，以及通过拟合分开的激发光光谱和荧光粉发射光谱的拟合曲线示意图。

图4c为图4b中激发和发射光谱交叠处拟合分开效果的放大示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

如图1所示，为本发明的测量方法流程示意图，包括（1）激发光激发荧光粉发光，（2）采集荧光粉发射光与剩余激发光的混合光谱，（3）对混合光谱进行平滑预处理及高斯和费米函数拟合，（4）分解拟合函数，得到荧光粉发射光谱，（5）由荧光粉发射光谱计算其光度和色度量。

如图2所示，为本发明荧光粉实用发光性能测量方法测量装置的结构示意图。测量装置包括荧光粉样品放置台1、环形激发光源2、光谱仪探头3、传导光纤4和计算机5。环形激发光源2的激发光沿约45°方向照射到待测荧光粉上，荧光粉受激发后发光，光谱仪探头3位于荧光粉放置台表面法线方向上，由此方向采集荧光粉受激发光及与剩余激发光的混合光；光谱仪探头3采集的混合光经传导光纤4传输到计算机5中进行处理，得到混合光的光谱曲线。整个装置位于吸光的黑色箱体内。

光谱仪探头3的光谱接收端为一个半径约为2mm的圆面探头。该光谱仪测量精度为1.2nm，测量结果可根据用户选定的平均次数进行多次测量求取平均值。本发明实施例中，采样点为在380nm～780nm间2nm间隔的光谱测量数据，采样点数N=201，测量结果选择为20次测量的平均值，整个光谱曲线较平滑。

下面是利用本发明方法进行荧光粉实用发光性能测量的具体操作步骤，包括：

（1）利用激发光源发出的激发光激发待测荧光粉，使其发射出受激发射光。激光光源为环形激发光源2，即蓝光LED，制作材料为氮化铟镓（InGaN）；待测荧光粉为YAG:Ce黄色荧光粉。环形激发光源2发出的激发光沿约45°方向照射到待测荧光粉上，荧光粉受激发后发出发射光。

附图3a为氮化铟镓（InGaN）LED芯片的辐射光谱分布图。从图3a中看到，激发蓝光的峰值波长在450nm附近，波长范围近100nm，长波端消失于近550nm处。

（2）使用光谱仪采集未被吸收的剩余激发光与荧光粉发射光的混合光，并得到混合光的光谱曲线。光谱仪探头3位于荧光粉放置台表面法线方向上，由此方向采集荧光粉受激发射光与剩余激发光的混合光；光谱仪探头3采集的混合光经传导光纤4传输到计算机5中进行处理。本实施例中测量结果选择为20次测量的平均值，获得的光谱曲线已较平滑。整个装置位于吸光的黑色箱体内。

附图3b为本发明实施例中激发蓝光激发荧光粉后的发射光和剩余蓝光的混合光光谱分布图。从图3b中看到，黄色荧光粉被激发射的受激发光光谱峰位在550nm-560nm间，波长范围较宽。

通过比较可以看到，激发光与荧光粉受激发光的光谱在480nm附近区域存在交叠。

（3）在长于500nm的混合光谱中求取峰位波长，本实施例中为550nm。

对长于该波长的波长范围，由于不存在激发光谱，所以保留作为荧光粉发射光的后半部分。

（4）对小于步骤（3）中峰位波长范围的混合光采用高斯和费米函数的叠加进行拟合。拟合函数为3个高斯函数和3个费米函数，具体表达为：

$y_{\mathrm{fit}}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{[-{(x-b_i)}^2/c_i^2]}+\underset{i=4}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i/\{e^{[-(x-b_i)/c_i]}+1\}=y_{1\_\mathrm{fit}}+y_{2\_\mathrm{fit}}---\left(1\right)$

式中，y_{1_fit}为式中前一部分激发光光谱的拟合函数，即高斯拟合y_{2_fit}为荧光粉发射光光谱前半部分光谱曲线的拟合函数，即费米拟合a_i、b_i和c_i为拟合系数，分别为高斯和费米函数的特征参量。

附图4a，为本发明实施例提供的荧光粉发光特性测量方法中，混合光的拟合曲线及测得的混合光光谱曲线的示意图。该图即显示出拟合结果。可以看到，拟合曲线与测量曲线几乎是完全重合的。

（5）采用模拟退火算法求解受激发射光前半部分光谱曲线的拟合函数中的各常数，从而得到y_{1_fit}和y_{2_fit}的具体表达式。

参照附图4b和4c。图4b为拟合的混合光光谱曲线，以及拟合中高斯拟合部分的激发光光谱和费米拟合部分的荧光粉发射光谱前半部分示意图。

图4c为图4b中激发和发射光谱交叠处拟合分开效果的放大示意图。从图4c可以看到，在激发光和荧光粉受激发光的交叠部分，y_{1_fit}和y_{2_fit}函数将两个不同来源的光谱区分开来，从而将荧光粉在实用激发光下的发射光谱分离了出来。同时看到，在约450nm-480nm的区域内，有可观的荧光粉发射光谱能量存在，而在长于480nm的邻近区域，也有些剩余的激发光存在。

（6）利用步骤（4）中得到的荧光粉发射光谱前半部分光谱曲线的拟合函数y_{2_fit}及步骤（3）中得到的混合光的后半部分光谱曲线，将两者结合在一起为荧光粉在激发蓝光下的发射光谱（荧光粉发射光的完整光谱曲线），据此，计算其光度和色度量。

计算的光度量包括量子效率η_N、发光效率η_L和能量效率η_E，定义如下：

${\mathrm{\η}}_N=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_y\left(\mathrm{\λ}\right)\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}}{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\frac{\mathrm{hc}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\η}}_L=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_y\left(\mathrm{\λ}\right)V\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\η}}_E=\frac{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_y\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{380}{\overset{780}{\∫}}{\mathrm{\φ}}_s\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

式中φ_s(λ)和φ_y(λ)分别为激发光和荧光粉的光谱辐射能量，V(λ)为人眼的明视觉光谱光视效率函数。

计算的色度量有色品坐标、相关色温、主波长和色纯度，可由分离出的φ_y(λ)由色度学理论进行计算。也给出荧光粉发射光谱的特征参量峰值波长和半峰值带宽。

下面将该实施例的测试结果与一种常用方法结果进行比较。

有采用将混合光谱中长于480nm的光谱部分认为是荧光粉的受激发射光谱而直接将之截切出来的测试方法，这里称为M1方法。本发明所提供的测试方法称为M2方法。

参照附图4c，采用M1方法会将激发光的光谱曲线的长波段计算到受激发光的光谱曲线中，同时忽视了480nm以下荧光粉受激发光的发射能量，因而会产生与M2方法在光度量和色度量值的计算误差。

两种方法的光度、色度量计算结果如表1所示。

表1实验的YAG荧光粉之光度值和色度值

与M2方法相比，M1方法计量的发光效率η_L的相对偏差为1.11%，量子效率η_N和能量效率η_E的相对偏差都是1.27%。此外，从表1中数据看出，主要影响的色度量是色品指标，包括色品坐标、相关色温、主波长和色纯度，其中相关色温差异约达70K；半峰带宽影响不大，峰值波长则不受影响。

可以想象，若荧光粉发射光谱在480nm附近与激发蓝光的交叠程度更大，则两种方法的差异也会更大，方法M1会对原料选择和工艺过程的分析造成更大偏差。

从上述实施例中可以看出，本发明采用的荧光粉发光特性测量方法，利用荧光粉在激发光下的发光混合光谱，采用数学上的优化技术，建立了由高斯和费米函数拟合并分离出荧光粉发射光谱的方法。该方法能够有效地分解混合光中交叠区域的激发光谱和受激发射光谱，从而更合理地表征荧光粉的实用发光特性，为YAG黄色荧光粉研制中的性能检测提供了一种新方法。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种荧光粉实用发光性能测量方法，包括如下步骤：

(1)利用激发光源发出的激发光激发待测荧光粉，使其发射出受激发射光；

(2)采集未被吸收的剩余激发光与荧光粉发射光的混合光，得到混合光的光谱曲线；

(3)对所述混合光的光谱曲线进行平滑处理；

(4)将混合光的光谱曲线从荧光粉发光光谱范围中的波峰位置分解为前半部分和后半部分；后半部分光谱曲线作为荧光粉发射光的后半部分光谱曲线；

(5)对混合光的前半部分光谱曲线采用高斯函数和费米函数的叠加进行拟合；得到激发光光谱的拟合函数，及荧光粉发射光前半部分光谱曲线的拟合函数；所述混合光的前半部分光谱曲线的拟合函数为3个高斯函数和3个费米函数的叠加，具体表达式为：

$y_{\mathrm{fit}}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{e}^{[-{(x-b_i)}^2/c_i^2]}+\underset{i=4}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i/\{e^{[-(x-b_i)/c_i]}+1\}=y_{1\_\mathrm{fit}}+y_2\_\mathrm{fit}---\left(1\right)$

其中，y_{1_fit}为激发光光谱的拟合函数，y_{2_fit}为荧光粉发射光前半部分光谱曲线的拟合函数；a_i、b_i和c_i为拟合系数；

(6)采用模拟退火算法求解荧光粉发射光前半部分光谱曲线的拟合函数中的各常数；

(7)将得到的荧光粉发射光前半部分光谱曲线的拟合函数及荧光粉发射光的后半部分光谱曲线结合在一起得到荧光粉在激发光下的发射光谱，据此，计算其光度和色度量。

2.如权利要求1所述的荧光粉实用发光性能测量方法，其特征在于：所述的激发光源为环形激发光源，所述的环形激发光源发出的激发光沿45°方向照射到待测荧光粉上。

3.如权利要求2所述的荧光粉实用发光性能测量方法，其特征在于：所述环形激发光源为蓝光LED，所述的待测荧光粉为YAG:Ce黄色荧光粉。

4.如权利要求1所述的荧光粉实用发光性能测量方法，其特征在于：采用光谱仪探头采集未被吸收的剩余激发光与荧光粉发射光的混合光，光谱仪探头位于待测荧光粉放置平面的法线方向上。

5.如权利要求4所述的荧光粉实用发光性能测量方法，其特征在于：所述光谱仪探头的光谱接收端为一个半径为2mm的圆面探头，该光谱仪测量精度为1.2nm。

6.如权利要求1所述的荧光粉实用发光性能测量方法，其特征在于：所述的平滑处理为中值滤波、高斯滤波、小波函数滤波。