知識大放送 細說LED光源投影機技術(shù)

2. LED的光譜流明效率

     LED作為照明光源應(yīng)用時，其流明效率總是被首要關(guān)注的參數(shù)，我們在研制LED投影及其光源燈過程中，也經(jīng)常自問LED光源燈何時會有多大光輸出。[2]

    電光源由電源驅(qū)動，輸出光通量與輸入電功率之比通常稱為電光源的電光轉(zhuǎn)換效率，也稱電光源的流明效率或發(fā)光效率，表示為ηL，單位也是lm/W。

    1瓦電功率和1瓦輻射功率在數(shù)值上等效，則單色可見光源燈的流明效率與光譜光視效率的表示相同，
                   ηL（λ）= K（λ）= C×V（λ）                           （1）
    設(shè)光通量呈現(xiàn)的相對能量光譜分布為E（λ），則流明效率可表示為
                   ηL（λ）= C×E（λ）×V（λ）                           （2）
    組合（1）式和（2）式可知，如果全部光通量都集中在單色波長555nm，E（555）=V（555）=1，則最大流明效率為683 lm/w。通常，實用電光源燈發(fā)出的光通量不僅呈現(xiàn)光譜分布，而且電光源所消耗的電能不可能完全轉(zhuǎn)換為輻射光能，進而形成有效的光通量輸出。電能量損失、光能量損失以及相當部分能量轉(zhuǎn)換成的熱能損失，都使得流明效率下降。因此，電光源的流明效率將遠遠小于683 lm/w。

    引入的光譜流明效率概念系指僅包含光通量光譜分布在內(nèi)的流明效率。顯然，光譜流明效率沒有計入能量損耗對流明效率的影響。假設(shè)LED的所有能量損耗均為0，或者說與LED發(fā)光相關(guān)的各個能量轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)的效率均為100%，則LED的流明效率即可達到其光譜流明效率數(shù)值。因此，光譜流明效率就是LED流明效率ηL的理論極限，記為ηLM。由于光源一般具有一定的頻譜寬度，因此ηLM應(yīng)采用積分形式

ηLM = C∫ab  E（λ）×V（λ）dλ/∫ab  E（λ）dλ                  （3）

    白光LED是色光的混合光源，不屬于單色光源，必須考慮E（λ）對ηLM的影響。白光的E（λ）分布特性與白光方式、峰值波長和色溫、顯色指數(shù)等因素有關(guān)。目前蘭光LED+黃光熒光粉方式已經(jīng)大量實用，我們以此為例作簡單的分析和評價。

    某廠家的功率冷白光LED的E（λ）~λ如圖1所示，蘭光LED+黃光熒光粉白光方式，峰值波長分別為440 nm和550 nm，色溫8000K左右。

    根據(jù)式（3）進行近似計算，結(jié)果為ηLM = 320 lm/ W。

    當蘭光和黃光的能量混合比例或峰值波長變化時，E（λ）、色溫和流明效率均隨之變化。又當改變?yōu)槠渌�白光方式時，E（λ）、色溫和流明效率也隨之改變。

    投影期待LED光源要解決兩方面問題。一方面，大幅提高光通量輸出，這不僅與LED的流明效率密切相關(guān)，還和單燈功率以及器件或芯片的集群組合方式有關(guān)。近幾年保持較高流明效率前提下的單燈功率大約只能停留在不超過5W。組合光源面積過大會帶來投影光學引擎成本的增加和某些性能的劣化；反過來，光源面積過小、器件或芯片排列密度過高將不利于光的收集利用、熱管理和可靠性，也會限制實際可用的光源系統(tǒng)輸入功率和流明效率。用于投影燈的器件或芯片集群組合方式遠未成熟，尚需不斷探索改進。另一方面，更加有利于改進投影引擎的相關(guān)性能，包括提高光效、亮度和色度均勻性，彩色重現(xiàn)方式和色溫調(diào)整的靈活性等。LED功率器件或芯片的光輸出呈朗伯型分布，視角一般不小于120°，輸出光束的幾何形狀不利于收集和傳輸，因此也不利于提高引擎的光效、亮度和色度均勻性。