CN110057551B - 一种led多芯片模组的光、色性能预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半导体照明技术领域的一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法，旨在解决现有技术中预测LED多芯片模组的光、色性能模型复杂，公式繁琐的技术问题。采集LED多芯片模组中某一颗LED的结温以及光谱；使用光谱模型对采集到的单颗LED光谱进行拆解，得到对应的光谱特征参数，对各个光谱特征参数进行拟合，得出各特征参数关于电流、LED的结温的表达式，建立单颗LED的电‑热‑光‑色耦合模型；使用温度仿真软件求出每颗LED的结温；求出每颗LED对应的光谱；使用光学仿真软件求得LED多芯片模组的光、色参数。本发明所述预测方法流程简单，操作简便，减少了测量时间以及计算时间，提高了LED多芯片模组的输出光质量，节约了LED多芯片模组的生产成本。

Description

一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法

技术领域

本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法。

背景技术

在LED中同时存在电-光耦合、热-光耦合与电-热耦合。电流升高，更多的能量转化为热能，也会造成结温的上升。电流和LED结温的升高会使得LED的光性能下降，颜色漂移等。LED的光性能下降又会使更多的能量转化为热。LED的光度学、电学和热学特性彼此高度依赖，对LED系统进行优化设计就需要综合考虑这些因素。

LED的电-光转换效率较高，但是单颗LED的光功率较小，很多时候单颗LED无法满足实际光通量的需求。LED多芯片模组不仅可以打破单颗LED的功率限制以提供足够的光输出，而且还可以实现对LED工作状态进行精准的控制。但是，在实际应用中，通常会对模组中不同LED施加不同的电流，以获得合适的出光效果。不同的电流以及由不同电流导致的不同的LED结温会使得模组中每颗LED的光、色性能也会有所不同，因此难以评判LED多芯片模组输出光的特性。

目前对于LED的光、色特性的预测，多集中于对单颗LED的性能预测，且预测模型复杂，计算公式繁琐。为了解决上述问题，本发明基于光谱功率分布，提出一种可以预测LED多芯片模组光、色性能的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法，以解决现有技术中预测LED多芯片模组的光、色性能的方法模型复杂，计算公式繁琐的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法，包括如下步骤：采用变温变电流实验采集LED多芯片模组中某一颗LED的结温以及光谱；使用光谱模型对采集到的单颗LED光谱进行拆解，得到对应的光谱特征参数，对各个光谱特征参数进行拟合，得出各特征参数关于电流、LED的结温的表达式，建立单颗LED的电-热-光-色耦合模型；根据LED多芯片模组中每颗LED的输入功率以及环境温度，使用温度仿真软件可求出每颗LED的结温；根据每颗LED的电流、结温，结合单颗LED的电-热-光-色耦合模型，求出每颗LED对应的光谱；使用光学仿真软件求得LED多芯片模组的光、色参数。

所述变温变电流实验包括变温变电流LED结温测量实验和变温变电流LED光谱测量实验。

所述变温变电流LED结温测量实验采用结温测试仪或者红外照相机测量LED结温。

所述变温变电流LED光谱测量实验采用积分球测量LED光谱。

所述变温变电流实验设置多种不同的电流和多种不同的LED壳温，相邻电流之间的差值相同，相邻两壳温之间的差值相同。

所述光谱模型是高斯模型、洛仑兹模型、不对称双S模型中的任一种。

所述光学仿真软件为LightTools。

所述LED多芯片模组采用同一型号的LED芯片。

设定LED的光谱为一组具有不同峰值波长的单峰光谱曲线的叠加，采用公式(1)对LED产品的初始光谱进行光谱拟合：

其中SPD_LED表示LED的光谱，SPD_i表示第i个单峰光谱，λ表示波长，n表示单峰光谱的数量。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明所述LED多芯片模组的光、色性能预测方法流程简单，操作简便，极大地减少了测量时间以及计算时间。提高了LED多芯片模组的输出光质量，节约了LED多芯片模组的生产成本；

(2)本发明所述LED多芯片模组的光、色性能预测方法能够全面预测LED多芯片模组包括光通量、辐射通量、显色指数、色温、色坐标等在内的光、色性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法的变温变电流实验流程图；

图3是本发明实施例提供的一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法的4颗LED多芯片模组实物图；

图4是本发明实施例提供的一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法的多个拟合参数值以及拟合度；

图5是本发明实施例提供的一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法的仿真结果与实验结果对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在LED多芯片模组的光、色性能预测时，LED多芯片模组中应当包含N个相同的LED芯片，图3所示为本发明实施例提供的一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法的包含4颗LED芯片的LED多芯片模组实物图。如图1所示，一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法，包括采用变温变电流实验采集LED多芯片模组中某一颗LED的结温以及光谱；变温变电流实验包括变温变电流LED结温测量实验和变温变电流LED光谱测量实验，变温变电流实验，即设置J种不同的电流，相邻两电流之间的差值相同，设置K种不同的LED壳温，相邻两壳温之间的差值相同，总共有J×K种不同电流与LED结温的组合方案。变温变电流LED结温测量实验使用结温测试仪、或者红外照相机开展，得到不同LED壳温、电流对应的LED结温。变温变电流LED光谱测量实验使用积分球开展，得到不同LED壳温、电流对应的LED光谱。如图2所示，综合变温变电流LED结温测量实验以及变温变电流LED光谱测量实验即可得到不同LED结温、电流对应的LED光谱。

使用光谱模型对采集到的单颗LED光谱进行拆解，得到对应的光谱特征参数，并对任一光谱特征参数进行拟合，求出其关于电流、LED结温的表达式，建立单颗LED的电-热-光-色耦合模型。

设定LED的光谱为一组具有不同峰值波长的单峰光谱曲线的叠加，采用公式(1)对LED产品的初始光谱进行光谱拟合：

其中SPD_LED表示LED的光谱，SPD_i表示第i个单峰光谱，λ表示波长，n表示单峰光谱的数量。

常用的光谱分布模型有高斯模型、洛仑兹模型以及不对称双S模型，分别如公式(2)-公式(4)所示：

高斯模型：

其中SPD_LED表示LED的光谱，λ表示波长，a表示光谱的面积；x_c表示光谱的峰值波长；w表示光谱的半波宽；

洛仑兹模型:

其中SPD_LED表示LED的光谱，λ表示波长，a表示光谱的面积；x_c表示光谱的峰值波长；w表示光谱的半波宽；

不对称双S模型：

其中SPD_LED表示LED的光谱，λ表示波长，b表示光谱的幅值；x_c表示光谱的峰值波长；u表示光谱低能侧的方差；v表示光谱高能侧的方差。

公式(2)、公式(3)有3个光谱特征参数，使用公式(2)、公式(3)拆解光谱，为获得单颗LED的则电-热-光-色耦合模型则需要拟合3n个光谱特征参数；公式(4)有4个光谱特征参数，使用公式(4)拆解光谱，为获得单颗LED的则电-热-光-色耦合模型则需要拟合4n个光谱特征参数。

二次多项式公式可以精确的描述光谱特征参数随LED结温、电流的变化趋势，拆解完所有情况下的LED光谱，使用二次多项式公式拟合LED各特征参数，二次多项式公式如公式(5)所示：

z(I,T)＝p₁+p₂I+p₃T+p₄I²+p₅IT+P₆T² (5)

式中，z(I,T)表示相应电流及结温下LED光谱的某一个特征参数；I为LED的电流；T为LED结温；p₁，p₂，p₃，p₄，p₅，p₆为针对于该特征参数随LED结温、电流变化趋势的拟合参数。当确定LED光谱的所有参数的p₁，p₂，p₃，p₄，p₅，p₆值后，即可得到单颗LED对应的电-热-光-色耦合模型。

根据LED多芯片模组中每颗LED的电流以及环境温度，使用温度仿真软件AutodeskCFD可求出每颗LED的结温。

已知每颗LED的电流及结温，根据建立的单颗LED的电-热-光-色耦合模型，即可预测每颗LED的光谱特征参数，进而预测出每颗LED在该电流、温度下对应的光谱。

在光学软件LightTools中建立LED多芯片模组的模型，分别将光谱导入对应的LED，模拟仿真后即可得到LED多芯片模组对应的光色参数。

本实施例中确定4颗LED多芯片模组，如图3所示。LED包含两个单峰光谱，n＝2，测试得到单颗LED在不同LED结温、电流情况下对应的光谱，使用公式(4)对光谱进行拆解。使用公式(5)拟合不同的光谱特征参数，公式(5)中p₁，p₂，p₃，p₄，p₅，p₆各拟合参数以及拟合度R²，如图4所示。4颗LED的电流均为120mA，环境温度为23℃，此时LED结温别为：65.1℃、65.1℃、65.3℃、64.9℃，已知LED结温、电流，由公式(5)求得各LED对应的光谱。在光学软件中建立LED多芯片模组的模型，分别将光谱导入对应的LED，模拟仿真后即可得到LED多芯片模组对应的光色参数。将仿真结果与测量结果比较，如图5所示，可知：仿真与测试得来的光、色参数之间差别较小，仿真得来的光通量，色坐标x，色坐标y，色温与测量结果之间的偏差率分别为2.3％，1.3％，2.4％，4.1％。

本发明基于LED的光谱功率分布，通过科学合理的方法，全面的预测了LED多芯片模组包括光通量、辐射通量、显色指数、色温、色坐标等在内的光、色性能，本方法流程简单，操作简便，极大地减少了现有技术中的测量时间以及计算时间，提高了LED多芯片模组的输出光质量，节约了LED多芯片模组的生产成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种LED多芯片模组的光、色性能预测方法，其特征是，包括如下步骤：

采用变温变电流实验采集LED多芯片模组中某一颗LED的结温以及光谱；

使用高斯模型、洛仑兹模型、不对称双S模型中的任一种光谱模型对采集到的单颗LED光谱进行拆解，得到对应的光谱特征参数，使用二次多项式对各个光谱特征参数进行拟合，得出各特征参数关于电流、LED的结温的表达式，建立单颗LED的电-热-光-色耦合模型；

根据LED多芯片模组中每颗LED的输入功率以及环境温度，使用温度仿真软件可求出每颗LED的结温；

根据每颗LED的电流、结温，结合单颗LED的电-热-光-色耦合模型，求出每颗LED对应的光谱；

使用光学仿真软件求得LED多芯片模组的光、色参数；

所述高斯模型为：

其中，SPD_LED表示LED的光谱，λ表示波长，a表示光谱的面积；x_c表示光谱的峰值波长；w表示光谱的半波宽；

所述洛仑兹模型为:

其中，SPD_LED表示LED的光谱，λ表示波长，a表示光谱的面积；x_c表示光谱的峰值波长；w表示光谱的半波宽；

所述不对称双S模型为：

其中，SPD_LED表示LED的光谱，λ表示波长，b表示光谱的幅值；x_c表示光谱的峰值波长；u表示光谱低能侧的方差；v表示光谱高能侧的方差。

2.根据权利要求1所述的LED多芯片模组的光、色性能预测方法，其特征是，所述变温变电流实验包括变温变电流LED结温测量实验和变温变电流LED光谱测量实验。

3.根据权利要求2所述的LED多芯片模组的光、色性能预测方法，其特征是，所述变温变电流LED结温测量实验采用结温测试仪或者红外照相机测量LED结温。

4.根据权利要求2所述的LED多芯片模组的光、色性能预测方法，其特征是，所述变温变电流LED光谱测量实验采用积分球测量LED光谱。

5.根据权利要求1所述的LED多芯片模组的光、色性能预测方法，其特征是，所述变温变电流实验设置多种不同的电流和多种不同的LED壳温，相邻电流之间的差值相同，相邻两壳温之间的差值相同。

6.根据权利要求1所述的LED多芯片模组的光、色性能预测方法，其特征是，所述光学仿真软件为LightTools。

7.根据权利要求1所述的LED多芯片模组的光、色性能预测方法，其特征是，所述LED多芯片模组采用同一型号的LED芯片。

8.根据权利要求1所述的LED多芯片模组的光、色性能预测方法，其特征是，设定LED的光谱为一组具有不同峰值波长的单峰光谱曲线的叠加，采用公式(1)对LED产品的初始光谱进行光谱拟合：

其中SPD_LED表示LED的光谱，SPD_i表示第i个单峰光谱，λ表示波长，n表示单峰光谱的数量。

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