CN110658169B - 基于高光谱的荧光粉发光特性透射式测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
基于高光谱的荧光粉发光特性透射式测试装置和方法，涉及发光器件领域，包括LED激发光源、荧光粉片、三维控制台、恒流源、控温模块、显微镜、高光谱仪和计算机；LED激发光源设于三维控制台上；恒流源连接LED激发光源；控温模块设于三维控制台上；荧光粉片置于LED激发光源的正上方；显微镜设于荧光粉片的上方；高光谱仪设于显微镜的上方，高光谱仪用于收集和处理显微镜透过的光并得到高光谱数据；计算机连接高光谱仪，计算机用于将接收的高光谱数据进行计算得到二维几何空间的荧光粉光学参数。可精确得到荧光粉像素级别的发光图像以及获得相应像素点上的光谱数据，从而精确地得到荧光粉微米尺度空间上发光特性。
Description
技术领域
本发明涉及发光器件领域，尤其涉及基于高光谱的荧光粉发光特性透射式测试装置和方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种将电能转化为光能的半导体发光器件。近年来，由于它具有节能、环保、体积小、寿命长、响应速度快等诸多优点，已被广泛地应用于手机背光源、显示屏、植物照明、交通信号、汽车照明、智能照明等照明与显示的应用领域。
当前的白光LED通常是采用三种主流方法来实现。第一种是多个单色LED发光混合生成白光。第二种是利用430～470nm蓝光LED激发黄色荧光粉形成白光，也是目前商业LED最普遍的方法，其具有成本低、光效高、工艺简单等特点。第三种是用350～400nm的近紫外光激发多种荧光粉(比如红、绿和蓝三基色荧光粉)形成白光。
在第二种白光LED中，通常将荧光粉和透明有机硅胶的混合物直接涂覆到LED芯片表面，然后再加热固化。但是，这种封装结构易造成超过60％的光被用于激发荧光粉的LED芯片重新吸收，造成LED器件温度升高，从而影响LED器件的光效和可靠性。为有效解决该问题，LED远程激发荧光粉片(remote phosphor)的封装结构被行业内科研人员提出。对荧光粉片发光特性检测对指导提高这种封装结构的白光LED发光具有显著重要意义。
目前对荧光粉、荧光粉胶混合物或荧光粉片(本发明中统一简称荧光粉)的发光特性检测大多数停留在对荧光粉的整体检测上。具体做法是通过积分球和光谱仪检测荧光粉受蓝光LED芯片激发后的发光性能。比如中国实用新型专利(CN 203259477U)公开一种荧光粉光学测量装置，通过设置多个激发光源，并灵活切换激发光源和荧光粉实现对多种荧光粉进行激发测量。比如中国实用新型专利(CN 201043952Y)公开一种荧光粉激发光谱测量装置，通过激发光源发出的单色光垂直入射到装填荧光粉的托盘上，实现对荧光粉发射光的测量。比如中国发明专利(CN 107228849B)公开一种白光LED荧光粉变温光谱特性的透射式测试装置，采用透射式的测量方法，利用积分球来测量白光LED用的荧光粉在变温条件下的光谱特性。
然而，上述测量装置和方法仅能对荧光粉整体发光特性进行测量，缺乏对荧光粉微米尺度(荧光粉颗粒是微米级别)空间上发光特性进行评估。荧光粉微米空间发光特性对于评估并指导改善荧光粉性能来说相当重要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中荧光粉缺乏微米尺度空间上发光特性的测量问题，提供基于高光谱的荧光粉发光特性透射式测试装置和方法，可精确得到荧光粉像素级别的发光图像以及获得相应像素点上的光谱数据，从而精确地得到荧光粉微米尺度空间上发光特性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于高光谱的荧光粉发光特性透射式测试装置，包括LED激发光源、荧光粉片、三维控制台、恒流源、控温模块、显微镜、高光谱仪和计算机；
所述LED激发光源设于三维控制台上，三维控制台用于对LED激发光源的位置进行调节；
所述恒流源连接LED激发光源，恒流源用于提供恒定电流驱动LED激发光源；
所述控温模块设于三维控制台上，且位于LED激发光源的底部，控温模块用于对LED激发光源进行控温；
所述荧光粉片置于LED激发光源的正上方；
所述显微镜设于荧光粉片的上方，显微镜用于透过荧光粉片的发射光和LED激发光源的激发光；
所述高光谱仪设于显微镜的上方，高光谱仪用于收集和处理显微镜透过的光并得到高光谱数据；
所述计算机连接高光谱仪，计算机用于将接收的高光谱数据进行计算得到二维几何空间的荧光粉转换效率和荧光粉量子效率等参数。
本发明还包括反光杯，所述LED激发光源置于反光杯的底部，所述荧光粉片置于反光杯的顶部。
本发明中的荧光粉片为荧光粉和硅胶混合物通过旋涂仪均匀旋涂在透明基板上，在高温下(一般大于100℃)进行固化。所述透明基板采用亚克力板(PMMA)、透明石英玻璃、透明PC板等材料。荧光粉片也可以是荧光玻璃(phosphor-in-glass)或荧光陶瓷等。
本发明中的荧光粉包括铝酸盐、硼酸盐、氮化物、氧化物、氮氧化物、硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐或钨酸盐等，也可以是其它荧光转换材料，比如量子点材料，包括钙钛矿、锡化镉或铜铟硫等。
所述LED激发光源包括蓝色或近紫外的LED激发光源，LED材料主要是GaN为代表的III-V族氮化物体系。
本发明，基于高光谱的荧光粉发光特性透射式测试方法，包括以下步骤：
1)将LED激发光源放置在控温模块上，设置控温模块的温度为T，并将透明基板放置在LED激发光源的正上方，将LED激发光源连接上恒流源，设置驱动电流为I；
2)移动三维控制台，调整透明基板在显微镜的正下方，LED激发光源发出的光透过透明基板，经过显微镜进入高光谱仪，高光谱仪连计算机采集并处理得到相应的高光谱数据，测量得到LED激发光二维光子数分布Bm×n；
3)将透明基板替换成荧光粉片，设置与步骤1)相同的电流和温度条件；
4)移动三维控制台使得荧光粉片的位置与步骤2)相同，重复步骤2)的过程，测量得到LED激发光二维光子数分布BBm×n和荧光粉发射光光子数分布Ym×n；
5)计算出荧光粉片的二维几何空间的荧光粉转换效率和荧光粉量子效率分布。
步骤2)中，通过积分计算得到每个像素不同波长的LED激发光光子数总和B，相应的二维矩阵记为Bm×n(其中，m,n代表像素的二维空间位置坐标)：
步骤4)中，通过积分计算得到每个像素不同波长的LED激发光光子数总和BB和荧光粉发射光光子数总和Y，对应二维矩阵分别为BBm×n和Ym×n：
步骤5)中，计算的荧光粉转换效率
和荧光粉量子效率
定义为：
其中，(λ1,λ2)为LED激发光的波段，(λ3,λ4)为荧光粉发射光的波段。
相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：
1、本发明不再局限于测量荧光粉片的整体上的发光特性，还可得到像素级别荧光粉转换效率(Phosphor Conversion Efficiency，PCE)和荧光粉量子效率(PhosphorQuantum Efficiency，PQE)等光学参数以及它们的二维几何空间分布，荧光粉转换效率和荧光粉量子效率是评估荧光粉性能的两个重要参数。二维几何空间上的荧光粉转换效率和量子效率数据可以反映荧光粉颗粒分布的均匀性，也可以从侧面反映激发光的光学空间分布情况，可以用于辅助指导光源的最优光学设计。
2、本发明既可进行微观形貌表征，也可同时对发光特性进行测试，从而判断出所制备的荧光粉片中荧光粉在胶体中分布是否均匀，也可用于研究不同颗粒尺寸的荧光粉对发光性能的影响，比如荧光粉颗粒对光的散射吸收等情况。
3、本发明设有控温模块，将控温模块集成于测试系统中，可以研究温度对荧光粉片像素级发光特性的影响。
4、本发明采用透射式方式，与反射式模式相比更符合LED激发荧光粉的发光过程。
5、本发明通过控温模块控温和恒流源提供恒定电流驱动LED激发光源，可以使LED激发光源获得相对稳定的光输出。
6、本发明利用三维控制台用于控制控温模块、LED、荧光粉片、反光杯组合在显微镜下方的位置，通过调整三维控制台可以方便地拍摄荧光粉片不同位置的高光谱图像，以获得荧光粉片不同空间位置上微米尺度的发光情况。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为实施例中三种不同的荧光粉片的荧光粉量子效率二维分布。
附图标记：高光谱仪1，显微镜2，荧光粉片3，反光杯4，恒流源5，三维控制台6，控温模块7，LED激发光源8，透明基板9，计算机10。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例包括LED激发光源8、荧光粉片3、反光杯4、三维控制台6、恒流源5、控温模块7、显微镜2、高光谱仪1和计算机10；
所述LED激发光源8置于反光杯4的底部，反光杯4设于三维控制台6上，三维控制台6用于对LED激发光源8的位置进行调节；
所述恒流源5连接LED激发光源8，恒流源5用于提供恒定电流驱动LED激发光源8；
所述控温模块7设于三维控制台6上，且位于LED激发光源8的底部，控温模块7用于对LED激发光源8进行控温；
所述荧光粉片3置于反光杯4的顶部，即LED激发光源8的正上方，；
所述显微镜2设于荧光粉片3的上方，显微镜2用于透过荧光粉片3的发射光和LED激发光源8的激发光；
所述高光谱仪1设于显微镜2的上方，高光谱仪1用于收集和处理显微镜2透过的光并得到高光谱数据；
所述计算机10连接高光谱仪1，计算机10用于将接收的高光谱数据进行计算得到二维几何空间的荧光粉转换效率和荧光粉量子效率等参数。
本实施例中，LED激发光源8采用蓝色LED激发光源，透明基板9采用透明的PMMA基板，荧光粉片3采用的黄色YAG荧光粉片。
采用上述装置，基于高光谱的荧光粉发光特性透射式测试方法，包括以下步骤：
1)将LED激发光源8放置在控温模块7上，设置控温模块7的温度为T，并将未涂覆荧光粉的透明基板9放置在LED激发光源8的正上方，将LED激发光源8连接上恒流源5，设置驱动电流为I；
2)移动三维控制台6，调整透明基板9在显微镜2的正下方，LED激发光源8发出的光透过透明基板9，经过显微镜2进入高光谱仪1，高光谱仪1连计算机10采集并处理得到相应的高光谱数据，测量得到LED激发光二维光子数分布Bm×n；
3)将透明基板9替换成荧光粉片3，设置与步骤1)相同的电流和温度条件；
4)移动三维控制台6使得荧光粉片3的位置与步骤2)相同(通过选取一些特征点进行精确对准)，重复步骤2)的过程，采集高光谱图像和光谱数据，通过积分计算得到此时每个像素的LED激发光的光子数总和(BB)和荧光粉发射光光子数总和(Y)，对应二维矩阵分别记录为二维光子数分布BBm×n和荧光粉发射光光子数分布Ym×n；
5)因为高光谱采集到的数据是光子数，荧光粉量子效率定义为荧光粉发射光光子数与用于转换的那部分LED激发光光子数的比值，因此可通过公式(1)和(2)计算出荧光粉片3的二维几何空间的荧光粉转换效率和荧光粉量子效率分布，如图2所示。
本发明实施例中，荧光粉片的制备方法如下：
首先，将荧光粉和硅胶混合物按照一定的质量配比混合均匀，真空条件下排除气泡，然后通过旋涂仪将一定量的荧光粉和硅胶混合物按照设定的转速均匀旋涂在透明基板(PMMA)上，最后在高温条件下(一般大于100℃，比如150℃)进行固化。
通过上述方法制备三种不同的荧光粉片，条件分别是(a)旋涂仪的转速700r/min，荧光粉和硅胶质量比1:1；(b)旋涂仪的转速700r/min，荧光粉和硅胶质量比2:3；(c)旋涂仪的转速900r/min，荧光粉和硅胶质量比2:3。
参见图2，通过对不同的荧光粉片的二维荧光粉量子效率进行对比发现，荧光粉和硅胶的比例对荧光粉量子效率的影响明显大于转速。而且通过本发明装置和方法，结合计算可以清晰地获得荧光粉发光均匀性分布的情况。
Claims (1)
1.基于高光谱的荧光粉发光特性透射式测试方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将LED激发光源放置在控温模块上，设置控温模块的温度为T，并将透明基板放置在LED激发光源的正上方，将LED激发光源连接上恒流源，设置驱动电流为I；
2)移动三维控制台，调整透明基板在显微镜的正下方，LED激发光源发出的光透过透明基板，经过显微镜进入高光谱仪，高光谱仪连计算机采集并处理得到相应的高光谱数据，测量得到LED激发光二维光子数分布Bm×n；
3)将透明基板替换成荧光粉片，设置与步骤1)相同的电流和温度条件；
4)移动三维控制台使得荧光粉片的位置与步骤2)相同，重复步骤2)的过程，测量得到LED激发光二维光子数分布BBm×n和荧光粉发射光光子数分布Ym×n；
5)计算出荧光粉片的二维几何空间的荧光粉转换效率和荧光粉量子效率分布；
在步骤2)中，通过积分计算得到每个像素不同波长的LED激发光光子数总和B，相应的二维矩阵记为Bm×n：
步骤4)中，通过积分计算得到每个像素不同波长的LED激发光光子数总和BB和荧光粉发射光光子数总和Y，对应二维矩阵分别为BBm×n和Ym×n：
其中，m,n代表像素的二维空间位置坐标；
在步骤5)中，计算的荧光粉转换效率
和荧光粉量子效率
定义为：
其中，(λ1,λ2)为LED激发光的波段，(λ3,λ4)为荧光粉发射光的波段。
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