解析白光LED光斑均匀性的改进方法
为了考察单个白光LED出射光斑的光学一致性,在A1～A5样品中,随机抽取一个样品,通过9点法测得每个LED的色坐标空间分布值, 并根据公式计算出其色坐标的标准差σ及主波长分布,结果如表1所示。将表1中每种样品的单个白光LED的空间9点色度坐标值,即( x, y)值分别绘于折线图3, 以考察其分散性, 图中所示x= 0.33, y = 0.33 点为理想白光点。并将A1 ～A5样品的9点色度坐标位置绘于C IE1931色度图4,以便更直观的反应色度的空间分布性,并标注其主波长分布区域,并将其中A1～A4样品的色度分布嵌入小图中。
图4 A1～A5样品空间9点的CIE1931色度坐标图及其主波长范围分布
表1 A1～A5样品9点色坐标标准差及主波长分布
为了分析的简单和对问题主要矛盾的把握,我们在分析过程中忽略芯片本身发光不均匀的影响,和人工操作的误差。只考虑工艺对发光均匀性的影响。由以上表和图可见,A3工艺色坐标标准差相对较小,从折线图、色度图上体现出9点色坐标分布更集中,主波长范围分布也更小,该工艺能更好的控制荧光粉的厚度均匀性,使出射光斑更均匀,同时发出的光也很接近标准白光。A4略次于A3。A1、A2 的均匀性不好, 离散性更大。A5能改善均匀性,但偏离理想白光太远,对厚度的掌控性太差。
由于A3采用的工艺是在沿衬底边缘在金属基座上涂敷硅胶层,使其与陶瓷衬底填平,这会使荧光粉层在芯片发光层上分布更均匀。因为硅胶填平陶瓷衬底,使旁边厚的荧光粉层变薄,同时使底面积增大,使荧光粉层分布的平面增大,这样荧光粉层在芯片上形成的弧型更平一点,也使荧光粉层均匀些。A4的结构是沿芯片发光层边缘,使硅胶层填平芯片表面的发光层,这能使芯片上平的面积增大,提高均匀性。但由于发光面在芯片表面的旁边也要发光,在旁边先涂硅胶,这样会造成旁边露出蓝色光线,且工艺操作性更差。A5结构在芯片上先涂硅胶,这就先形成一个弧形,原理上能减小荧光粉层的弧形差异,使荧光粉层在芯片上厚度更一致,但是正是由于下面的硅胶层使荧光粉的量减少,造成A5的发光偏向蓝光,同时由于芯片较小,操作更加困难,可控性也更差。样品A1、A2的结构基本类似,在LED 芯片发光层上先涂敷硅胶层,这基本不会改变荧光粉层在芯片上的形状,当然也不能改善荧光粉层的均匀性。
4. 2 器件之间的一致性
为考察各种工艺制作时的可控性与一致性,考察器件之间的色度、色温一致性,我们采用积分球法测量了样品A1～A5的每批白光LED 的色坐标值(x,y)和色温(Tc) ,计算出其色度标准差σ和色温标准差σTc ,结果列于表2中。将表2中样品A3一批器件的色度坐标值绘于CIE1931色度图5上,以便更直观的反应器件之间色度的差异性。
表2 A1～A5样品一批之间的色坐标及色温标准差
图5 A3样品批内的色度坐标图及其主波长分布
由表和图中可见,一批器件的一致性很不好。色度上0.01的差异就能很容易的被人眼感觉到并分辨出来.而以上A1～A5样品的色度差异远大于人眼所能感觉的限度,即一批产品的色度有的偏蓝、有的偏黄,差异性很大。从另一个角度上,人眼能分辨的色温差异为50～100 K,以上A1～A5样品的色温差异远大于这一范畴,即采用这种工艺生产的产品色温一致性不好。这种器件之间的色度不均匀性是由于封装工艺中,荧光粉层涂敷环节可控性差造成的,且采用人工操作,其一致性和可控性不好。在同一批产品的制作中,颜色的分布都是很大的。
人眼对于白光区域是非常敏感的, 色度上0. 01的差异就能很容易的被人眼感觉到并分辨出来,所以,要求色坐标的分布差异应尽可能小。由上可见,虽然采用不同的粉层结构,单个LED的出射白光光斑的色度分布的差异有所不同,但总体上的色坐标差异还是很大的, 9点之间的色坐标差异基本都大于人眼能分辨的颜色差异值(0.01)。当器件点亮时,其投射的白光光斑色度不均匀,有的地方偏黄,有的地方偏蓝,器件的光学性能不是很理想。光斑的不均匀性是由荧光粉层的涂敷形状造成的。说明采用目前的点胶工艺制作荧光粉层时对于器件内的荧光粉层形状和厚度均匀性的控制较差,很难得到出射光斑光色的均匀性和一致性。
5 结论
由以上的测试分析我们得到,虽然采用不同的粉层结构,能够一定程度上改善白光光斑的色度均匀性。但总体上,采用这种传统的点胶工艺制作的器件的白光光斑性能不好,其出射光斑的空间色坐标差异基本都大于人眼能分辨的颜色差异值(0.01)。这种光斑的不均匀性是由荧光粉层的涂敷形状造成的。由于是手工操作,所形成的荧光粉层形状是凹凸不平的,且这种工艺形成的荧光粉层是拱形的,厚度是不均匀的,最后出射的白光光斑会有蓝圈黄圈现象,极大地影响产品性能,即产生单个器件的出射白光不均匀性。
同时,采用目前的点胶工艺制作荧光粉层,一批器件的一致性也不好,色度、色温分散性大。这种器件之间的色度不均匀性是由于荧光粉层涂敷环节可控性差造成的。
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