一种新型白光LED荧光粉层结构的设计和优化研究

摘要

近年来，白光LED发展迅猛。但是由于白光LED不像其他光源是均匀发光，所以白光LED在空间色温分布上还是存在着不均匀的情况。为了减少人们对于色温分布不均匀造成的不舒适感，提高白光LED的品质，改善白光LED的色温分布均匀性非常必要。本文将通过建立白光LED的光传输模型，深入的了解影响色温分布均匀性的物理机制，对白光LED封装结构进行系统的研究，提出一种改善白光LED色温分布均匀性的封装结构，在模拟的基础上，进行实验验证，证明了这种新型的封装结构能够有效地改善白光LED的空间色温分布均匀性。
　　本文首先建立白光LED的物理模型。物理模型包括蓝光LED的MQWs(Multiple Quantum wells)模型、Mie散射模型、荧光粉粉层的结构模型、边界模型、相关色温计算模型、白光LED传输模型。使用Monte Carlo方法模拟白光LED的光学特性。在光强自适应封装结构的基础上，提出了一种基于光强自适应的新型曲面封装优化结构。优化结构由光强自适应层和传统点胶层两层构成，第一层是光强自适应层，第二层是传统点胶层。模拟结果显示，在色温均匀性上，优化结构优于光强自适应结构。通过仿真和实验发现，优化结构色温均匀性优于光强自适应结构。平均色温5200K左右时，优化结构较光强自适应结构的ACU提高了7.85％，发光效率提高了33.3%。并将优化结构与在光强自适应层上涂覆硅胶层的封装结构进行对比，优化结构的空间色温均匀性更好，平均色温4900K时，发光效率提高12.2%。接着，研究不同工艺和结构参数对优化结构性能的影响。将自适应层厚度变化和传统点胶的浓度变化进行实验对比，研究它们对新结构的光学性能的影响。得到改进工艺和结构参数之后的优化结构，使用1A的曝光电流曝光，传统点胶层的浓度为1:9。平均色温为5500K时，优化结构的空间色温标准差为75K，发光效率达到92.1 lm/W；自适应结构的空间色温标准差为195K，发光效率为68.5 lm/W；在自适应层上涂覆硅胶层结构的空间色温标准差为135K，发光效率为83.9 lm/W。空间色温标准差分别减少61.5%和44.4%，发光效率分别提高34.4%和9.7%。优化结构在色温均匀性上提高，而且效率与自适应结构相比得到提升。最后利用边缘光线理论和能量守恒定理，设计基于自由曲面透镜的封装结构。使用Monte Carlo方法模拟后发现，其空间色温分布均匀性好。在色温为5200K时，ACU（Angular Color Uniformity）大于0.98，最大色温差为107K。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 LED发展历程

1.2 国内外LED发展状况

1.3 LED的主要应用和发展趋势

1.4 本文的主要工作与创新

第二章 白光LED的基本原理

2.1 LED芯片的发光机制

2.2 白光LED实现方法

2.3 白光LED用荧光粉

2.4 pc-WLED的涂覆工艺

2.5 白光LED的光、色度学原理

2.6 本章小结

第三章 白光LED仿真模型的研究

3.1 蓝光LED的发光模型

3.2 荧光粉层的散射模型

3.3荧光粉层的结构模型

3.4 白光LED色温的计算

3.5白光LED的光传输模型

3.6 本章小结

第四章 白光LED封装结构的研究

4.1 优化结构的仿真与实验研究

4.2 优化结构的优化研究

4.3 本章小结

第五章 基于自由曲面透镜的白光LED封装的研究

5.1 自由曲面简介

5.2 自由曲面透镜的设计

5.3 基于反馈优化算法自由曲面透镜的设计及其封装仿真

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 本文存在的不足以及对未来的展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间研究成果