白光LED 光谱特性及司辰节律因子

第４０卷㊀第１２期２０１９年１２月
发㊀光㊀学㊀报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ
Ｖｏｌ ４０
Ｎｏ １２
Ｄｅｃ.ꎬ２０１９
㊀㊀收稿日期:２０１９￣０７￣１０ꎻ修订日期:２０１９￣０８￣０４
㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(６１９７５０７２)ꎻ福建省自然科学基金(２０１８Ｊ０５１１０ꎬ２０１８Ｊ０１５５１ꎬ２０１７Ｊ０１７７２)ꎻ福建省高校创新团队培育
计划(光电材料与器件应用)ꎻ福建省教育厅科技项目(ＪＺ１６０４５２ꎬＪＡＴ１６０２９３ꎬＪＴ１８０２９６ꎬＪＡＴ１６０４５７/Ｂ２０１６０６ꎬＪＡ１４２０７)ꎻ福建省重大教学改革项目(ＦＢＪＧ２０１８００１５)ꎻ漳州市自然科学基金(ＺＺ２０１９Ｊ０１ꎬＺＺ２０１６Ｊ４０)资助项目
ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ(６１９７５０７２)ꎻＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ(２０１８Ｊ０５１１０ꎬ２０１８Ｊ０１５５１ꎬ２０１７Ｊ０１７７２)ꎻＰｒｏｇｒａｍｆｏｒＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＲｅｓｅａｒｃｈＴｅａｍｉｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｖｉｃｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ)ꎻＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＦｕｊｉａｎＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ(ＪＺ１６０４５２ꎬＪＡＴ１６０２９３ꎬＪＴ１８０２９６ꎬＪＡＴ１６０４５７/Ｂ２０１６０６ꎬＪＡ１４２０７)ꎻＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅＧｒｅａｔＴｅａｃｈｉｎｇＲｅｆｏｒｍ(ＦＢＪＧ２０１８００１５)ꎻＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＺｈａｎｇｚｈｏｕ(ＺＺ２０１９Ｊ０１ꎬＺＺ２０１６Ｊ４０)
文章编号:１０００￣７０３２(２０１９)１２￣１５１４￣０９
白光ＬＥＤ光谱特性及司辰节律因子
沈雪华１ꎬ２ꎬ陈焕庭１ꎬ２∗ꎬ陈赐海１ꎬ２ꎬ林惠川１ꎬ２ꎬ李㊀燕１ꎬ２ꎬ陈福昌１ꎬ２
(１.闽南师范大学物理与信息工程学院ꎬ福建漳州㊀３６３０００ꎻ
２.福建省光电材料与器件应用行业技术开发基地ꎬ福建漳州㊀３６３０００)
摘要:为分析白光ＬＥＤ的光￣电￣热特性及其变化ꎬ在热沉温度和驱动电流可控的条件下ꎬ测试了温度㊁电流
对白光ＬＥＤ光谱分布的影响ꎬ建立了白光ＬＥＤ光功率和光谱蓝白比(蓝光光谱光功率与白光光谱光功率的比值)预测模型ꎮ相关性分析显示光谱蓝白比㊁色温及司辰节律因子之间高度相关ꎬ光谱蓝白比与色温㊁光谱蓝白比与司辰节律因子均存在线性关系ꎬ表明由光谱分布变化预测光谱色温漂移及其非视觉生物效应的可能性ꎮ实验结果表明ꎬ白光ＬＥＤ光功率㊁蓝白比㊁色温及司辰节律因子的预测值与实测值吻合较好ꎬ最大预测误差分别不超过４.２２％㊁１.５４％㊁１.３１％和２.１５％ꎻ同时ꎬ白光ＬＥＤ光谱蓝白比可作为一种有效手段ꎬ用于预测光谱色温及司辰节律因子ꎬ进而评估其光学特性和非视觉生物效应ꎮ
关㊀键㊀词:白光ＬＥＤꎻ功率预测ꎻ色温漂移ꎻ司辰节律因子ꎻ非视觉生物效应中图分类号:ＴＮ３１２.８㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３７８８/ｆｇｘｂ２０１９４０１２.１５１４
ＳｐｅｃｔｒａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄＣｉｒｃａｄｉａｎＡｃｔｉｏｎＦａｃｔｏｒｏｆＷｈｉｔｅＬＥＤｓ
ＳＨＥＮＸｕｅ￣ｈｕａ１ꎬ２
ꎬＣＨＥＮＨｕａｎ￣ｔｉｎｇ１ꎬ２∗
ꎬＣＨＥＮＣｉ￣ｈａｉ１ꎬ２ꎬＬＩＮＨｕｉ￣ｃｈｕａｎｇ１ꎬ２ꎬＬＩＹａｎ１ꎬ２ꎬＣＨＥＮＦｕ￣ｃｈａｎｇ１ꎬ２
(１.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＭｉｎｎａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＺｈａｎｇｚｈｏｕ３６３０００ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｖｉｃｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＢａｓｅｏｆＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＺｈａｎｇｚｈｏｕ３６３０００ꎬＣｈｉｎａ)
∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｈｔｃｈｅｎ２３＠ｑｑ.ｃｏｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｏｐｔｉｃａｌ￣ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ￣ｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｈｉｔｅＬＥＤｓꎬｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｅｍｐｅｒａ￣ｔｕｒｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｏｎｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｉｔｅＬＥＤｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌａ￣ｂｌｅｈｅａｔｓｉｎｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔ.Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓꎬｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｆｏｒｓｐｅｃｔｒａｌｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒａｎｄｂｌｕｅ￣ｗｈｉｔｅｒａｔｉｏ(ｔｈｅｒａｔｉｏｂｅｔｗｅｅｎｂｌｕｅｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒａｎｄｗｈｉｔｅｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒ)ｏｆｔｈｅｗｈｉｔｅＬＥＤｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｂｌｕｅ￣ｗｈｉｔｅｒａｔｉｏｗａｓｈｉｇｈｌｙｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｃｏｌｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ(ＣＣＴ)ａｓｗｅｌｌａｓｃｉｒｃａｄｉａｎａｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ(ＣＡＦ).Ｍｏｒｅｏｖｅｒꎬｌｉｎｅａｒｒｅ￣ｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｏｔｈｅｘｉｓｔｂｅｔｗｅｅｎｂｌｕｅ￣ｗｈｉｔｅｒａｔｉｏａｎｄＣＣＴꎬａｎｄｂｅｔｗｅｅｎｂｌｕｅ￣ｗｈｉｔｅｒａｔｉｏａｎｄＣＡＦ.Ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｗｈｉｃｈｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｙｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｃｏｌｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔａｎｄｎｏｎ￣ｖｉｓｕａｌｂｉｏｌｏｇｉ￣
ｃａｌｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｗｈｉｔｅｓｐｅｃｔｒｕｍｆｒｏｍｃｈａｎｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒａｌｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔꎬｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｅｒｒｏｒｓｏｆｓｐｅｃｔｒａｌｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒꎬｂｌｕｅ￣ｗｈｉｔｅｒａｔｉｏꎬＣＣＴａｎｄＣＡＦｏｆｔｈｅｗｈｉｔｅＬＥＤｗｅｒｅｗｉｔｈｉｎ４.２２％ꎬ１.５４％ꎬ１.３１％ａｎｄ２.１５％ꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｂｌｕｅ￣ｗｈｉｔｅｒａｔｉｏｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｔｏｐｒｅｄｉｃｔＣＣＴａｎｄＣＡＦｏｆｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍꎬ
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㊀第１２期沈雪华ꎬ等:白光ＬＥＤ光谱特性及司辰节律因子１５１５㊀ａｎｄｔｈｕｓｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｎｏｎ￣ｖｉｓｕａｌｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗｈｉｔｅＬＥＤｓꎻｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎꎻｃｏｌｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔꎻｃｉｒｃａｄｉａｎａｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒꎻｎｏｎ￣ｖｉｓｕａｌｂｉｏ￣ｌｏｇｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓ
１㊀引㊀㊀言
发光二极管(Ｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅꎬＬＥＤ)因具有低功耗㊁长寿命和环境友好等优点ꎬ近年逐渐向通用照明领域普及[１￣３]ꎮ在白光ＬＥＤ制造中ꎬ以蓝光ＧａＮ基ＬＥＤ芯片与ＹＡＧʒＣｅ荧光粉结合的方式最为普遍ꎮ通用照明中ꎬＬＥＤ器件通常集成了多个ＬＥＤ芯片ꎬ且输入功率随着应用需求的提高不断增大ꎬ导致器件内部热量聚集[４]ꎮ而蓝光ＬＥＤ芯片和荧光粉均具有温度敏感特性ꎬ高温环境下蓝光ＧａＮ基ＬＥＤ芯片和荧光粉的光学特性会有不同程度的下降ꎬ引起光谱功率㊁光通量㊁色温等光学参数的变化ꎬ最终影响照明质量[５￣６]ꎮ因此ꎬ大功率白光ＬＥＤ器件的热效应和热管理成为当前ＬＥＤ研究和制造领域备受关注的问题[７]ꎮ光照除了提供视觉信息ꎬ还参与生物节律㊁大脑认知等生理功能的调节ꎬ即所谓 非视觉生物效应 ꎮ作为新一代照明光源ꎬＬＥＤ的非视觉生物效应更为明显ꎬ相关研究不断深入ꎮ司辰节律因子(ＣｉｒｃａｄｉａｎａｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒꎬＣＡＦ)是由Ｂｅｒｍａｎ提出的用以表征光的非视觉生物效应强度的因子ꎬ在多数研究中被采用[８]ꎮ郑莉莉等[９]通过计算三基色白光ＬＥＤ光源在不同电流下的司辰节律因子ꎬ对可调色温的三基色白光ＬＥＤ光源进行非视觉效应研究ꎮ宋丽妍等着重探讨了以ＬＥＤ为背光源的平板显示屏对人体非视觉生物效应的影响[１０]ꎮ鲁玉红等针对人体在不同波长蓝光ＬＥＤ照射下的反应进行了研究[１１]ꎮ陈仲林等将光的非视觉生物效应用于指导住宅㊁隧道和教室等场所的照明工程建设[１２￣１３]ꎮ
本文通过测试研究了白光ＬＥＤ的光￣电￣热特性及其变化ꎬ建立了白光ＬＥＤ光功率及光谱蓝白比预测模型ꎬ分析了光谱蓝白比与色温㊁司辰节律因子的相关性ꎮ研究发现驱动电流和温度改变时ꎬ白光ＬＥＤ辐射光谱中的蓝光发射光谱和荧光粉发射光谱会有不同程度的变化ꎬ进而引起光功率改变㊁色温漂移和司辰节律因子变化ꎮ实验结果验证了本文提出的白光ＬＥＤ光功率和光谱蓝白比预测模型及其建立过程的正确性ꎬ表明了根据光谱蓝白比预测其色温漂移和非视觉生物效应强弱的合理性ꎬ可用于对特定白光ＬＥＤ光学性能的预测㊁分析和改进ꎮ
２㊀白光ＬＥＤ光谱的光￣电￣热特性２.１㊀白光ＬＥＤ光谱的光￣热特性分析
白光ＬＥＤ器件中ꎬ蓝光ＬＥＤ芯片发出的初始蓝光一部分被荧光粉吸收并转化为黄光ꎬ透射的蓝光和转换的黄光混合形成白光ꎮ蓝光ＬＥＤ芯片辐射蓝光以及荧光粉层辐射黄光的过程都伴随着热量的产生ꎮ因实际散热条件有限ꎬ白光ＬＥＤ器件内部热量无法及时传导ꎬ芯片结温和荧光粉层温度随着热量积累逐渐升高ꎬ导致芯片和荧光粉层光学性能下降ꎮ为探讨温度对ＬＥＤ芯片及荧光粉层的作用ꎬ本文在一定电流驱动下ꎬ通过改变热沉温度测试了白光ＬＥＤ的光谱分布变化ꎬ如图１ꎮ其中ꎬ驱动电流为３５０ｍＡꎬ温度范围为２５~８５ħꎬ测试间隔为１５ħꎮ
3
450750
姿/nm
I
n
t
e
n
s
i
t
y
/
(
m
W
·
n
m
-
1
)
4
2
1
500
400
85℃
25℃
25℃
40℃
55℃
70℃
85℃
700
650
600
550
图１㊀３５０ｍＡ电流驱动下白光ＬＥＤ的光谱功率分布Ｆｉｇ.１㊀ＳｐｅｃｔｒａｌｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗｈｉｔｅＬＥＤｗｉｔｈｉｎｊｅｃ￣ｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔｏｆ３５０ｍＡ
图１中ꎬ以虚线为界ꎬ左边为蓝光光谱分布ꎬ右边为荧光光谱分布ꎮ由图１可见ꎬ蓝光ＬＥＤ芯片发射峰强度明显随温度升高而降低ꎬ并且由于能带随着温度升高而收缩ꎬ其光谱整体红移ꎮ对于荧光光谱而言ꎬ因蓝光ＬＥＤ芯片激发波长受温度影响发生偏移ꎬ与荧光粉发射光谱匹配度降低ꎬ转换的黄光减少ꎬ导致荧光光谱强度整体呈下降
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１５１６㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷
趋势ꎮ蓝光光谱光功率和荧光光谱光功率随温度的变化趋势如图２所示ꎮ
３００30
80
T /℃
O p t i c a l p o w e r /m W
４００200150５040
20
70
60502５0３５０10090
P opt,b(w)P opt,b(w)
图２㊀３５０ｍＡ电流驱动下蓝光光谱光功率和荧光光谱光
功率
Ｆｉｇ.２㊀Ｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒｏｆｂｌｕｅｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｓｐｅｃ￣
ｔｒｕｍｗｉｔｈｉｎｊｅｃｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔｏｆ３５０ｍＡ
图２中ꎬＰｏｐｔꎬｂ(ｗ)表示蓝光光谱光功率ꎬＰｏｐｔꎬｐ(ｗ)
表示荧光光谱光功率ꎮ保持驱动电流为３５０ｍＡꎬ当热沉温度控制为２５ħ时ꎬ蓝光光谱光功率为
１１４.０９ｍＷꎬ荧光光谱光功率为２８９.０４ｍＷꎻ当热沉温度升高到８５ħ时ꎬ蓝光光谱光功率降至１１０.５７ｍＷꎬ荧光光谱光功率降至２５８.６５ｍＷꎬ二
者下降幅度分别为３.０９％和１０.５１％ꎮ
观察图２可见ꎬ蓝光光谱光功率和荧光光谱光功率均与热沉温度近似呈线性关系ꎬ则可设
Ｐｏｐｔꎬｂ(ｗ)(ＩＦꎬ０ꎬＴ)＝ａ１Ｔ＋ａ２ꎬ(１)Ｐｏｐｔꎬｐ(ｗ)(ＩＦꎬ０ꎬＴ)＝ｂ１Ｔ＋ｂ２ꎬ
(２)
其中ꎬａ１㊁ａ２㊁ｂ１㊁ｂ２均为常数ꎬ可通过对测量数据进行曲线拟合而获得ꎮａ１㊁ｂ１分别表示蓝光光谱光功率㊁荧光光谱光功率随热沉温度的变化系数ꎬ
由两曲线倾斜程度可知ａ１<ｂ１<０ꎮ
从图２及二者功率下降幅度可见ꎬ荧光粉层
受温度的影响较大ꎬ原因主要体现在３个方面:(１)温度升高ꎬＧａＮ基蓝光芯片晶格振动加强ꎬ缺陷周围的载流子非辐射复合加剧ꎬ内量子效率下降ꎬ产生的初始蓝光能量减少[２]ꎻ(２)蓝光峰值波长因热效应发生红移ꎬ使得与荧光粉的匹配度下降[１４]ꎻ(３)温度升高ꎬＹＡＧ荧光粉Ｃｅ３＋４ｆ基态与
５ｄ激发态之间的能量差减小ꎬ光转换效率下降[１５]ꎮ蓝光光谱功率在温度升高时变化不大ꎬ原因在于:虽然蓝光芯片辐射的初始蓝光随温度升高而减少ꎬ但荧光粉层因热效应致使吸收的蓝光能量也减少ꎬ因而透射的蓝光辐射通量减少不明显ꎮ
２.２㊀白光ＬＥＤ光谱的光￣电特性分析
白光ＬＥＤ器件中ꎬＧａＮ基蓝光ＬＥＤ芯片会将注入电能转化为初始蓝光并射入荧光粉层ꎬ驱动电流的大小决定了初始蓝光光谱的光功率ꎮ此外ꎬ驱动电流不同意味着加载功率不同ꎬ则其他条件相同的情况下封装器件内部聚集热量亦不同ꎬ引起ＧａＮ基芯片和荧光粉的热猝灭效应也存在差异ꎮ
载流子密度在量子阱区域的速率方程[１６]
如下:
ｄｎｄｔ＝Ｊ
ｑｄ－Ａｎ－Ｂｎ２－Ｃｎ３－ＪＬｑｄ１
ꎬ(３)
在稳态条件下ꎬ
ｄｎ
ｄｔ
＝０ꎬ则Ｊ
ｑｄ＝Ａｎ＋Ｂｎ２＋Ｃｎ３＋ＪＬｑｄ１
ꎬ(４)
其中ꎬＪ为电流密度ꎬｑ为单位电荷量ꎬｄ为有源区厚度ꎬＡｎ为非辐射复合率ꎬＢｎ２为辐射复合率ꎬＣｎ３为俄歇复合率ꎬＪＬ为漏电流密度ꎬｄ１为在Ｐ型束缚层少数载流子扩散长度ꎮ俄歇复合率Ｃｎ３取决于材料能带结构ꎬ且Ｃｎ３ʈｅｘｐ－３Ｅｇ２ｋＴæèç
öø
÷ꎮ对于窄能带结构ＬＥＤ(如ＩｎＧａＡｓＰ￣ＬＥＤ)ꎬ其ｎ３较大ꎬ俄歇复合率较强ꎮ对于宽禁带结构ＬＥＤ(如ＡｌＧａＩｎＰ￣ＬＥＤꎬＧａＮ￣ＬＥＤ)ꎬ因其ｎ３较小ꎬ俄歇复合率很低ꎬ在老化过程中ꎬ认为基本不变ꎬ故可不予考虑ꎮ一般在双异质结和多量子阱结构中ＪＬ≪Ｊꎬｄ１ʈｄꎮ
非辐射复合速率Ａｎ取决于缺陷密度ＮＴ:
Ａｎʈ
ｎ
(τｐ＋τｎ)ʈｎσυＮＴ２
ꎬ
(５)
其中ꎬτｎ＝
１σｎυｎＮＴꎬτｐ＝１
σｐυｐＮＴꎬτｐ
和τｎ分别为电
子和空穴寿命ꎬσ为俘获截面ꎬυ为热速率ꎮ在低电流密度范围ꎬｎ很小ꎬＡｎ>Ｂｎ２ꎬ该范围
内光功率与电流密度关系如下式所示:
ＬʈＢｎ２
ʈＢＡ
２
Ｊｑｄ
()
２ꎬ(６)
在大电流密度范围ꎬＢｎ２>Ａｎꎬ则光功率与电流密度的关系为:
Ｌ＝Ｂｎ２ʈ
Ｊ
ｅｄ
ꎬ(７)
在大电流区域ꎬ理想情况下ＬＥＤ光功率将与输入电流近似成线性比例ꎮ但在实际情况下ꎬ随着电
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㊀第１２期沈雪华ꎬ等:白光ＬＥＤ光谱特性及司辰节律因子
１５１７
㊀流增大ꎬＬＥＤ有源区产生的热量将在器件内部急剧累积ꎬ造成内量子以及外量子效率下降[１７]ꎬ因此光功率与输入电流不能成理想线性比例ꎮ
从以上讨论可知ꎬＬＥＤ光功率￣电流特性曲线可分为非线性和线性两个区域ꎮ非线性区域内ꎬ有源区缺陷密度将直接影响光功率大小ꎬ导致光功率非线性变化ꎮ而线性区域由于非辐射复合通道趋于饱和状态ꎬ非辐射复合变化对光功率影响不明显[１８]ꎮ
由于本文研究采用控温热沉控制ＬＥＤ芯片
温度ꎬＬＥＤ芯片有源区的热量可及时传导至外界ꎬ即ＬＥＤ输出光功率和负载电流为线性关系:
Ｐｏｐｔꎬｂ(ｗ)(ＩＦꎬＴ０)＝ｃ１ＩＦ＋ｃ２ꎬ
(８)Ｐｏｐｔꎬｐ(ｗ)(ＩＦꎬＴ０)＝ｄ１ＩＦ＋ｄ２ꎬ(９)
其中ꎬｃ１㊁ｃ２㊁ｄ１㊁ｄ２均为常数ꎬ可利用曲线拟合由测量数据获得ꎮｃ１㊁ｄ１分别表示蓝光光谱光功率㊁
荧光光谱光功率随驱动电流的变化系数ꎮ
通过改变驱动电流测试白光ＬＥＤ的光谱分布变化ꎬ如图３所示ꎬ其中ꎬ热沉温度控制为
５５ħꎬ电流范围为２００~４５０ｍＡꎬ测试间隔为５０ｍＡꎮ
3450750
姿/nm
I n t e n s i t y /(m W ·n m -1)
4210
500400450mA
200mA 250mA 300mA 350mA 400mA 450
mA
700650600550200mA
图３㊀恒温５５ħ下白光ＬＥＤ的光谱功率分布Ｆｉｇ.３㊀ＳｐｅｃｔｒａｌｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗｈｉｔｅＬＥＤｗｉｔｈｈｅａｔ
ｓｉｎｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ５５ħ
图３表明ꎬ当热沉温度一定时ꎬ白光ＬＥＤ发出的蓝光光谱和荧光光谱均随驱动电流发生较大变化ꎬ电流对二者影响作用明显ꎮ蓝光光谱光功率与荧光光谱光功率随电流的变化趋势如图４ꎮ
图４中ꎬ保持热沉温度为５５ħꎬ当驱动电流为２００ｍＡ时ꎬ蓝光光谱光功率为６６.１４ｍＷꎬ荧光光谱光功率为１６６.９７ｍＷꎻ当驱动电流增加到
４５０ｍＡ时ꎬ蓝光光谱光功率为１４２.７８ｍＷꎬ荧光光谱光功率为３４２.５６ｍＷꎬ二者增加幅度分别为１１５.８８％和１０５.１６％ꎮ
３００200
450
Input current /mA
O p t i c a l p o w e r /m W
４００200150５0250
150
400
350
300
2５0３５０100500
P opt,b(w)P opt,p(w)
图４㊀恒温５５ħ下的蓝光光谱光功率和荧光光谱光功率Ｆｉｇ.４㊀Ｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒｏｆｂｌｕｅｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｓｐｅｃ￣
ｔｒｕｍｗｉｔｈｈｅａｔｓｉｎｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆ５５ħ
２.３㊀白光ＬＥＤ光谱功率预测
白光ＬＥＤ输出的白光由蓝光光谱和荧光光谱构成ꎬ假设Ｐｏｐｔꎬｗ为白光ＬＥＤ输出光功率ꎬ则有
Ｐｏｐｔꎬｗ＝Ｐｏｐｔꎬｂ(ｗ)＋Ｐｏｐｔꎬｐ(ｗ)ꎬ
(１０)
同时考虑驱动电流和热沉温度对光谱的影响[１９]ꎬ当热沉温度为恒定值时ꎬＬＥＤ输出光功率与负载电流呈线性函数ꎻ当负载电流为恒定值时ꎬＬＥＤ输出光功率与热沉温度呈线性函数ꎻ进而可构建蓝光光谱光功率值和荧光光谱光功率值分别与负载电流和热沉温度之间的二维函数:
Ｐｏｐｔꎬｂ(ｗ)(ＩＦꎬＴ)＝(ａ１Ｔ＋ａ２)(ｃ１ＩＦ＋ｃ２)
ｅ
ꎬ
(１１)Ｐｏｐｔꎬｐ(ｗ)(ＩＦꎬＴ)＝
(ｂ１Ｔ＋ｂ２)(ｄ１ＩＦ＋ｄ２)
ｆ
ꎬ
(１２)
其中ｅ㊁ｆ分别为白光ＬＥＤ在工作点(ＩＦꎬ０㊁Ｔ０)的蓝光光谱光功率值和荧光光谱光功率值ꎮ
因此ꎬ白光ＬＥＤ总输出光功率为:Ｐｏｐｔꎬｗ(ＩＦꎬＴ)＝
(ａ１Ｔ＋ａ２)(ｃ１ＩＦ＋ｃ２)
ｅ
＋
(ｂ１Ｔ＋ｂ２)(ｄ１ＩＦ＋ｄ２)
ｆ
ꎬ
(１３)
由于ａ１㊁ａ２㊁ｂ１㊁ｂ２㊁ｃ１㊁ｃ２㊁ｄ１㊁ｄ２㊁ｅ㊁ｆ均为常数ꎬ公式(１３)表明ꎬ白光ＬＥＤ光功率是关于驱动电流和热沉温度的函数ꎮ若已知驱动电流和热沉温度ꎬ可根据公式(１３)预测白光ＬＥＤ的光功率ꎮ
３㊀色温漂移及非视觉生物效应分析
３.１㊀光谱色温漂移分析
相对色温(ＣｏｒｒｅｌａｔｅｄｃｏｌｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬＣＣＴ)
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１５１８㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷
是评价白光品质的一个重要光学指标ꎬ其值主要取决于白光光谱中蓝光成分的比例(本文简称蓝白比)ꎮ当光谱蓝白比增大时ꎬ色温值将增大ꎬ白光向冷白方向漂移ꎻ反之色温减小ꎬ白光向暖白方向漂移[６ꎬ２０￣２１]ꎮ从前文分析可知ꎬ热沉温度和驱动电流会影响白光光谱中蓝光光谱和荧光光谱ꎬ因而可能改变光谱中的蓝光比例ꎬ引起色温漂移ꎮ设光谱蓝白比为ｋꎬ则有
ｋ(ＩＦꎬＴ)＝
Ｐｏｐｔꎬｂ(ｗ)
Ｐｏｐｔꎬｗ
＝
ｆ(ａ１Ｔ＋ａ２)(ｃ１ＩＦ＋ｃ２)
ｆ(ａ１Ｔ＋ａ２)(ｃ１ＩＦ＋ｃ２)＋ｅ(ｂ１Ｔ＋ｂ２)(ｄ１ＩＦ＋ｄ２)
ꎬ
(１４)
可见ꎬ光谱蓝白比ｋ亦是关于驱动电流和热沉温度的函数ꎮ驱动电流或热沉温度的改变ꎬ不仅会引起白光ＬＥＤ光功率的变化ꎬ也会导致色温漂移ꎮ若已知白光ＬＥＤ的驱动电流和热沉温度变化情况ꎬ则可由公式(１４)评价光谱色温漂移趋势ꎮ
将热沉温度５５ħ㊁电流２００~４５０ｍＡ及驱动电流３５０ｍＡ㊁热沉温度２５~８５ħ对应各工作点的光谱蓝白比ｋ与色温ＣＣＴ作相关性分析ꎬ如图
５所示
ꎮ
k
C C T /K
58500.285
０．２８０
0.2950.290575057005600
0.300
565058005900
图５㊀测试白光ＬＥＤ光谱蓝白比ｋ与色温ＣＣＴ之间的
关系
Ｆｉｇ.５㊀ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｋａｎｄＣＣＴ
ｆｏｒｗｈｉｔｅＬＥＤ
可见ꎬ光谱蓝白比ｋ与光谱色温ＫＣＣＴ之间存
在较高的线性相关度ꎬ设二者关系如下:
ＫＣＣＴ＝ｇ１ｋ＋ｇ２ꎬ
(１５)
其中ｇ１㊁ｇ２均为常数ꎮ显然ꎬ光谱蓝白比ｋ的变化可以反映其色温漂移情况ꎮ３.２㊀光谱司辰节律因子变化分析
光的非视觉生物效应主要通过本征感光视网膜神经节细胞(Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｅｔｉｎａｌ
ｇａｎｇｌｉｏｎｃｅｌｌꎬｉｐＲＧＣ)控制人体褪黑激素的分泌ꎬ进而参与人体生理节律的调节[２２]ꎮ司辰节律因子能反映光源对人体非视觉生物效应的影响ꎬ数值越大影响越大ꎬ其定义如下[２３￣２４]:
ａｃｖ
＝ʏ７８０
３８０Ｐ(λ)Ｃ(λ)ｄλʏ
７８０３８０
Ｐ(λ)Ｖ(λ)ｄλ
ꎬ(１６)
其中ꎬａｃｖ为司辰节律因子(ＣＡＦ)ꎻＰ(λ)为光源的光谱功率分布ꎻＣ(λ)是由Ｇａｌｌ等提出的光谱生理响应曲线[２５]ꎬ峰值波长在４５０ｎｍ附近ꎻＶ(λ)为明视觉下的光谱光视效率函数ꎬ峰值波长为５５５ｎｍꎮＣ(λ)及Ｖ(λ)曲线如图６所示ꎬＣ(λ)主
要覆盖蓝光波段ꎬ说明人体在该波段的生物敏感度较高ꎬ而Ｖ(λ)主要覆盖黄光波段ꎬ说明人体在该波段的视觉敏感度较高ꎮ
白光光谱中的蓝光成分增加时ꎬ意味着白光光谱与生理响应曲线的重叠部分增加ꎬ光谱的司辰节律因子必然增大ꎬ此时光谱对人体的非视觉生物效应作用增强ꎮ很显然ꎬ光谱的蓝白比ｋ变化将导致司辰节律因子(ＣＡＦ)的变化ꎬｋ增大时ꎬＣＡＦ增大ꎬｋ减小时ꎬＣＡＦ也减小ꎮ
姿/nm
R e l a t i v e i n t e n s i t y
0.8500
700
6000.60.40
0.2400
1.0C (姿)V (姿)
图６㊀光谱生理响应曲线Ｃ(λ)和明视觉光视效率曲
线Ｖ(λ)
Ｆｉｇ.６㊀Ｓｐｅｃｔｒａｌｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｃｕｒｖｅａｎｄｓｐｅｃｔｒａｌｌｕ￣
ｍｉｎｏｕｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｕｒｖｅ
对热沉温度５５ħ㊁电流２００~４５０ｍＡ及驱动电流３５０ｍＡ㊁热沉温度２５~８５ħ各工作点的光谱蓝白比ｋ与司辰节律因子(ＣＡＦ)进行相关性分析ꎬ如图７所示ꎮ
显然ꎬ光谱蓝白比ｋ与司辰节律因子(ＣＡＦ)之间同样存在较高的线性相关度ꎬ设二者关系如下:
ａｃｖ＝ｈ１ｋ＋ｈ２ꎬ
(１７)
其中ｈ１㊁ｈ２均为常数ꎮ光谱蓝白比ｋ的变化反映
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㊀第１２期
沈雪华ꎬ等:白光ＬＥＤ光谱特性及司辰节律因子１５１９
㊀k
ＣＡＦ
0.570.285
０．２８０
0.2950.2900.580.560.550.540.5３0.300
图７㊀测试白光ＬＥＤ光谱蓝白比ｋ与司辰节律因子ＣＡＦ
之间的关系
Ｆｉｇ.７㊀ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｋａｎｄＣＡＦ
ｆｏｒｗｈｉｔｅＬＥＤ
了司辰节律因子的变化ꎬ因而可用于评价光谱产生的非视觉生物效应ꎮ
由图５㊁图７及其分析表明ꎬ光谱蓝白比ｋ与色温ＣＣＴ及司辰节律因子(ＣＡＦ)均高度线性相关ꎮ因此ꎬ光谱色温ＣＣＴ和ＣＡＦ跟随温度及驱动电流的变化规律应与蓝白比ｋ的变化趋于一致ꎮ当驱动电流不变㊁温度升高时ꎬ色温值和司辰节律因子应增大ꎬ白光向冷白方向漂移ꎬ光谱的非视觉生物效应影响增强ꎮ当温度恒定㊁驱动电流增加时ꎬ色
温值和司辰节律因子也应增大ꎬ白光向冷白方向漂移ꎬ光谱的非视觉生物效应影响亦增强ꎮ
４㊀实验结果与分析
本文通过ＨＡＡＳ￣２０００高精度快速光谱仪及
专用积分球对ＹＡＧʒＣｅ荧光材料封装的白光ＬＥＤ进行光学测量ꎬ完成实验验证ꎮ其中恒流驱动由上位机控制软件控制ꎬ而ＬＥＤ恒温设置和调整则由ＣＬ￣２００温控装置实现ꎮ
图８㊁９分别为白光ＬＥＤ在不同温度及不同电流驱动下对应光功率㊁蓝白比ｋ预测值和实测值对比情况ꎮ温度测试范围为２５~８５ħꎬ测试间隔为５ħꎻ电流测试范围为１５０~５００ｍＡꎬ测试间隔为５０ｍＡꎮ
在图８(ａ)光功率预测数据中ꎬ１５０ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ光功率为１９０.９１ｍＷꎬ若热沉温度升高到８５ħꎬ光功率降至１７４.３６ｍＷꎬ降低８.６７％ꎬ下降速率为０.２７５８ｍＷ/ħꎮ在５００ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ光功率为５５８.５６ｍＷꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ光功率降至５１０.８３ｍＷꎬ降低８.５５％ꎬ下降速率为
０.７９５５ｍＷ/ħꎮ
在图８(ｂ)光功率实测数据中ꎬ１５０ｍＡ恒流
驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ光功率为１８３.１９
ｍＷꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ光功率降至１６９.３０ｍＷꎬ降低７.５８％ꎬ下降速率为０.２３１５ｍＷ/ħꎮ在
５００ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ光功率为５５３.６９ｍＷꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ光功率
600500400300200100030253540455055
606570
758085150
250350450T /℃O p t i c l p o w e r /m W
（a ）
600
500400300200100030253540455055
606570
758085150
250350450I /m
A
T /℃
O p t i c l p o w e r /m W
（b ）
I /m
A
图８㊀白光ＬＥＤ光功率输出ꎮ(ａ)预测值ꎻ(ｂ)实测值ꎮＦｉｇ.８㊀ＯｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒｏｆｗｈｉｔｅＬＥＤ.(ａ)Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ.(ｂ)
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ.
0.320.290.280.270.2630253540455055
606570758085150250350
450I /m
A
T /℃k
（a ）
0.300.290.280.270.2630253540455055
60657570
8085150
250350
450I /m
A
T /℃
k （b ）
0.250.300.310.250.310.32图９㊀白光光谱蓝白比ｋꎮ(ａ)预测值ꎻ(ｂ)实测值ꎮＦｉｇ.９㊀Ｂｌｕｅ￣ｗｈｉｔｅｒａｔｉｏｋ.(ａ)Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ.(ｂ)Ｍｅａｓｕｒｅ￣
ｍｅｎｔｓ.
. All Rights Reserved.
１５２０㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷降至５０２.９１ｍＷꎬ降低９.１７％ꎬ下降速率为０.８４６３
ｍＷ/ħꎮ㊀
经计算ꎬ光功率预测值与实测值之间最大相对误差为４.２２％ꎬ平均相对误差为１.０５％ꎬ误差值较小ꎮ白光ＬＥＤ光功率对比图和数据分析均表明ꎬ白光功率预测值与实测值之间吻合度较高ꎬ由此验证了光功率预测模型的正确性ꎮ
在图９(ａ)光谱蓝白比ｋ预测数据中ꎬ１５０ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ蓝白比ｋ为０.２７０７ꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则增大至０.２８７２ꎬ增幅为６.１０％ꎮ在５００ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ蓝白比ｋ为０.２８７０ꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则增大至０.３０４１ꎬ增幅为５.９６％ꎮ
在图９(ｂ)光谱蓝白比ｋ实测数据中ꎬ１５０ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ蓝白比ｋ为０.２７２３ꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则增大至０.２９１６ꎬ增幅为７.０８％ꎮ在５００ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ蓝白比ｋ为０.２８９１ꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则增大至０.３０４０ꎬ增幅为５.１５％ꎮ
经计算ꎬ蓝白比ｋ预测值与实测值之间最大绝对误差为０.００３８ꎬ平均绝对误差为０.００１１ꎬ最大相对误差为１.５４％ꎬ平均相对误差为０.３９％ꎮ图９和分析数据显示ꎬ光谱蓝白比预测值与实测值之间吻合度较高ꎬ验证了光谱蓝白比预测模型的正确性ꎮ根据光谱蓝白比ｋ的预测值及公式(１５)㊁(１７)ꎬ可进一步预测光谱色温ＣＣＴ和司辰节律因子的变化情况ꎬ分别如图１０㊁１１所示ꎮ
在图１０(ａ)的光谱色温ＣＣＴ预测数据中ꎬ１５０ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ色温为５４９２Ｋꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则色温升高至５７１１Ｋꎬ光谱向冷白方向漂移ꎮ在５００ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ色温为５７１０Ｋꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ色温升高至５９３６Ｋꎬ光谱亦向冷白方向漂移ꎮ
在图１０(ｂ)的光谱色温ＣＣＴ实测数据中ꎬ１５０ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ色温为５５３８Ｋꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则色温升高至５７８７Ｋꎬ光谱向冷白方向漂移ꎮ在５００ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬ色温为５７３０Ｋꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ色温升高至５９４４Ｋꎬ光谱亦向冷白方向漂移ꎮ
在图１１(ａ)司辰节律因子(ＣＡＦ)预测数据中ꎬ
6000
5900
5800
5700
5600
5400
30
253540
455055
606570
758085150
250
350
450
I
/
m
A
T/℃
C
C
T
/
K
（a）
5500
6000
5900
5800
5700
5600
5400
30
253540
455055
606570
758085150
250
350
450
I
/
m
A
T/℃
C
C
T
/
K
（b）
5500
图１０㊀白光光谱色温ＣＣＴꎮ(ａ)预测值ꎻ(ｂ)实测值ꎮＦｉｇ.１０㊀ＣＣＴｏｆｗｈｉｔｅｓｐｅｃｔｒｕｍ.(ａ)Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ.(ｂ)Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ.
0.58
0.56
0.54
0.50
30
253540
455055
606570
758085150
250
350
450
I
/
m
A
T/℃
C
A
F
（a）
0.52
0.60
0.58
0.56
0.54
0.50
30
253540
455055
606570
758085150
250
350
450
I
/
m
A
T/℃
C
A
F
（b）
0.52
0.60
图１１㊀白光光谱司辰节律因子(ＣＡＦ).(ａ)预测值ꎻ(ｂ)实测值ꎮ
Ｆｉｇ.１１㊀ＣＡＦｏｆｗｈｉｔｅｓｐｅｃｔｒｕｍ.(ａ)Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ.(ｂ)Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ.
１５０ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬＣＡＦ为０.５０７８ꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则ＣＡＦ增大为０.５４６３ꎬ光谱对人体的非视觉生物效应的影响增强ꎮ在５００ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬＣＡＦ为０.５４６１ꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则ＣＡＦ增大为０.５８６０ꎬ光谱对人体的非视觉生物效
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㊀第１２期沈雪华ꎬ等:白光ＬＥＤ光谱特性及司辰节律因子１５２１㊀
应的影响亦增强ꎮ
在图１１(ｂ)司辰节律因子(ＣＡＦ)实测数据中ꎬ１５０ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬＣＡＦ为０.５１３１ꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则ＣＡＦ增大为０.５５８４ꎬ光谱对人体的非视觉生物效应的影响增强ꎮ在５００ｍＡ恒流驱动下ꎬ热沉温度为２５ħ时ꎬＣＡＦ为０.５４８６ꎻ若热沉温度升高到８５ħꎬ则ＣＡＦ增大为０.５８５３ꎬ光谱对人体的非视觉生物效应的影响亦增强ꎮ
经计算ꎬ色温ＣＣＴ预测值与实测值之间最大绝对误差为７５.６４Ｋꎬ平均绝对误差为１５.１０Ｋꎬ最大相对误差为１.３１％ꎬ平均相对误差为０.２６％ꎻ司辰节律因子预测值与实测值之间最大绝对误差为０.０１２０ꎬ平均绝对误差为０.００２７ꎬ最大相对误差为２.１５％ꎬ平均相对误差为０.４９％ꎮ图１０㊁１１及数据分析证明了光谱蓝白比ｋ㊁色温ＣＣＴ和司辰节律因子(ＣＡＦ)三者之间的高度相关性ꎬ同时验证了公式(１５)和(１７)的正确性ꎮ５㊀结㊀㊀论
本文结合理论分析和实验测试ꎬ研究了白光ＬＥＤ的光￣电￣热特性ꎮ通过控制热沉温度和驱动电流ꎬ讨论了温度和电流对白光中的蓝光光谱和荧光光谱的影响ꎬ建立了白光ＬＥＤ光功率预测模型ꎮ通过白光光谱成分变化ꎬ讨论了光谱蓝白比(蓝光光谱光功率与白光光谱光功率的比值)与温度㊁电流的关系ꎬ并建立光谱蓝白比ｋ预测模型ꎮ相关性分析显示了光谱蓝白比ｋ与色温ＣＣＴ及司辰节律因子(ＣＡＦ)高度相关ꎬ光谱色温漂移及非视觉生物效应与蓝白比ｋ的变化趋于一致ꎮ实验结果显示ꎬ白光ＬＥＤ光功率预测值的最大相对误差为４.２２％ꎬ平均相对误差为１.０５％ꎻ蓝白比ｋ预测值的最大相对误差为１.５４％ꎬ平均相对误差为０.３９％ꎻ色温
ＣＣＴ预测值的最大相对误差为１.３１％ꎬ平均相对误差为０.２６％ꎻ司辰节律因子ＣＡＦ预测值的最大相对误差为２.１５％ꎬ平均相对误差为０.４９％ꎮ验证了所提出的预测模型及其建立过程的正确性ꎮ同时ꎬ实际光谱中蓝白比ｋ㊁色温ＣＣＴ和司辰节律因子(ＣＡＦ)分布及变化规律一致ꎬ表明了由光谱蓝白比评价光谱色温漂移和非视觉生物效应的合理性ꎮ
参㊀考㊀文㊀献:
[１]ＮＩＡＮＬＸꎬＰＥＩＸＭꎬＺＨＡＯＺＬꎬｅｔａｌ..Ｒｅｖｉｅｗｏｆｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｓｆｏｒｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｐａｃｋａｇｉｎｇ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.
Ｃｏｍｐｏｎ.Ｐａｃｋａｇ.Ｍａｎｕｆ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.ꎬ２０１９ꎬ９(４):６４２￣６４８.
[２]ＬＵＯＸＢꎬＨＵＲꎬＬＩＵＳꎬｅｔａｌ..Ｈｅａｔａｎｄｆｌｕｉｄｆｌｏｗｉｎｈｉｇｈ￣ｐｏｗｅｒＬＥＤｐａｃｋａｇｉｎｇａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｊ].Ｐｒｏｇ.ＥｎｅｒｇｙＣｏｍｂｕｓｔ.Ｓｃｉ.ꎬ２０１６ꎬ５６:１￣３２.
[３]ＭＡＹＰꎬＳＵＮＪꎬＬＵＯＸＢ.Ｍｕｌｔｉ￣ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｐｈｏｓｐｈｏｒｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎflｕｏｒｅｓｃｅｎｔｒａｄｉａｔｉｖｅｔｒａｎｓｆｅｒｅｑｕａｔｉｏｎｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｒｅ￣ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ[Ｊ].Ｊ.Ｌｕｍｉｎ.ꎬ２０１９ꎬ２０９:１０９￣１１５.
[４]ＫＷＯＮＳＢꎬＪＥＯＮＧＳＧꎬＣＨＯＩＳＨꎬｅｔａｌ..Ｄｅｓｉｇｎｏｆｂｉｎｄｅｒ￣ｆｒｅｅｐｈｏｓｐｈｏｒｐａｓｔｅｆｏｒｗａｒｍｗｈｉｔｅＬＥＤｓ[Ｊ].Ｏｐｔ.Ｍａｔｅｒ.ꎬ２０１８ꎬ８４:１８４￣１８８.
[５]钟文姣ꎬ魏爱香ꎬ招瑜.结温对ＧａＮ基白光ＬＥＤ光学特性的影响[Ｊ].发光学报ꎬ２０１３ꎬ３４(９):１２０３￣１２０７.
ＺＨＯＮＧＷＪꎬＷＥＩＡＸꎬＺＨＡＯＹ.ＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＧａＮ￣ｂａｓｅｄｗｈｉｔｅＬＥＤｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
[Ｊ].Ｃｈｉｎ.Ｊ.Ｌｕｍｉｎ.ꎬ２０１３ꎬ３４(９):１２０３￣１２０７.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[６]ＣＨＥＮＨＴꎬＨＵＩＳＹ.Ｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｃｏｌｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｃｏｌｏｒｒｅｎｄｅｒｉｎｇｉｎｄｅｘｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒ￣ｃｏａｔｅｄｗｈｉｔｅｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.Ｉｎｄ.Ｅｌｅｃｔｒｏｎ.ꎬ２０１４ꎬ６１(２):７８４￣７９７.
[７]ＷＡＮＧＸＸꎬＪＩＮＧＬꎬＷＡＮＧＹꎬｅｔａｌ..ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｊｕｎｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆＬＥＤｏｎｔｈｅｌｉｆｅｔｉｍｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄａｇｉｎｇｔｅｓｔ[Ｊ].ＩＥＥＥＡｃｃｅｓｓꎬ２０１９ꎬ７:４７７３￣４７８１.
[８]ＢＥＲＭＡＮＳＭ.Ａｎｅｗｒｅｔｉｎａｌｐｈｏｔｏｒｅｃｅｐｔｏｒｓｈｏｕｌｄａｆｆｅｃｔｌｉｇｈｔｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅ[Ｊ].Ｌｉｇｈｔ.Ｒｅｓ.Ｔｅｃｈｎｏｌ.ꎬ２００８ꎬ４０(４):３７３￣３７６.
[９]郑莉莉ꎬ郭自泉ꎬ严威ꎬ等.三基色白光ＬＥＤ的司辰节律因子研究[Ｊ].发光学报ꎬ２０１６ꎬ３７(１１):１３８４￣１３８９.
ＺＨＥＮＧＬＬꎬＧＵＯＺＱꎬＹＡＮＷꎬｅｔａｌ..ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｃｉｒｃａｄｉａｎａｃｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｏｆＲＧＢｗｈｉｔｅＬＥＤｓ[Ｊ].Ｃｈｉｎ.Ｊ.Ｌｕ￣
ｍｉｎ.ꎬ２０１６ꎬ３７(１１):１３８４￣１３８９.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[１０]宋丽妍ꎬ李俊凯ꎬ牟同升.以发光二极管为背光源的平板显示对人体非视觉的影响[Ｊ].光子学报ꎬ２０１３ꎬ４２(７): . All Rights Reserved.
１５２２㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４０卷７６８￣７７１.
ＳＯＮＧＬＹꎬＬＩＪＫꎬＭＯＵＴＳ.Ｎｏｎ￣ｖｉｓｕａｌｅｆｆｅｃｔｓｏｆｆｌａｔｐａｎｅｌｄｉｓｐｌａｙｗｉｔｈｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｂａｃｋｌｉｇｈｔｏｎｈｕｍａｎ[Ｊ].
ＡｃｔａＰｈｏｔｏｎ.Ｓｉｎｉｃａꎬ２０１３ꎬ４２(７):７６８￣７７１.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[１１]鲁玉红ꎬ王毓蓉ꎬ金尚忠ꎬ等.不同波长蓝光ＬＥＤ对人体光生物节律效应的影响[Ｊ].发光学报ꎬ２０１３ꎬ３４(８):１０６１￣１０６５.
ＬＵＹＨꎬＷＡＮＧＹＲꎬＪＩＮＳＺꎬｅｔａｌ..ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｂｌｕｅＬＥＤｏｎｈｕｍａｎｏｐｔｉｃａｌｂｉｏｒｈｙｔｈｍｅｆｆｅｃｔ[Ｊ].
Ｃｈｉｎ.Ｊ.Ｌｕｍｉｎ.ꎬ２０１３ꎬ３４(８):１０６１￣１０６５.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[１２]陈仲林ꎬ李毅ꎬ杨春宇ꎬ等.道路照明中的光生物效应研究[Ｊ].照明工程学报ꎬ２００７ꎬ１８(３):１￣５.
ＣＨＥＮＺＬꎬＬＩＹꎬＹＡＮＧＣＹꎬｅｔａｌ..Ｓｔｕｄｙｏｎｐｈｏｔｏｂｉｏｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｏａｄｌｉｇｈｔｉｎｇ[Ｊ].Ｃｈｉｎ.Ｉｌｌｕｍｉｎ.Ｅｎｇ.Ｊ.ꎬ２００７ꎬ１８(３):１￣５.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[１３]陈仲林ꎬ胡英奎ꎬ翁季.用司辰视觉研究道路照明安全[Ｊ].照明工程学报ꎬ２００７ꎬ１８(１):３１￣３４.
ＣＨＥＮＺＬꎬＨＵＹＫꎬＷＥＮＧＪ.Ｓｔｕｄｙｏｎｒｏａｄｌｉｇｈｔｉｎｇｓａｆｅｔｙｗｉｔｈｃｉｔｏｐｉｃ[Ｊ].Ｃｈｉｎ.Ｉｌｌｕｍｉｎ.Ｅｎｇ.Ｊ.ꎬ２００７ꎬ１８(１):３１￣３４.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[１４]肖华ꎬ吕毅军ꎬ徐云鑫ꎬ等.传统白光ＬＥＤ与远程荧光粉白光ＬＥＤ的发光性能比较[Ｊ].发光学报ꎬ２０１４ꎬ３５(１):６６￣７２.
ＸＩＡＯＨꎬＬＹＵＹＪꎬＸＵＹＸꎬｅｔａｌ..ＴｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｌｕｍｉｎｏｕｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｐａｃｋａｇｉｎｇＬＥＤａｎｄｒｅｍｏｔｅｐｈｏｓｐｈｏｒＬＥＤ[Ｊ].Ｃｈｉｎ.Ｊ.Ｌｕｍｉｎ.ꎬ２０１４ꎬ３５(１):６６￣７２.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)
[１５]ＬＩＮＣＣꎬＺＨＥＮＧＹＳꎬＣＨＥＮＣＨꎬｅｔａｌ..ＩｍｐｒｏｖｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｗｈｉｔｅＬＥＤｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙａｂｌｕｅＬＥＤｃｈｉｐｗｉｔｈｙｅｌｌｏｗ/ｒｅｄｐｈｏｓｐｈｏｒｓ[Ｊ].Ｊ.Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ.Ｓｏｃ.ꎬ２０１０ꎬ１５７(９):Ｈ９００￣Ｈ９０３.
[１６]ＧＲＩＬＬＯＴＰＮꎬＫＲＡＭＥＳＭＲꎬＺＨＡＯＨＭꎬｅｔａｌ..ＳｉｘｔｙｔｈｏｕｓａｎｄｈｏｕｒｌｉｇｈｔｏｕｔｐｕｔｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＡｌＧａＩｎＰｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉ￣ｏｄｅｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.ＤｅｖｉｃｅＭａｔｅｒ.Ｒｅｌｉａｂ.ꎬ２００６ꎬ６(４):５６４￣５７４.
[１７]ＬＩＪＳꎬＴＡＮＧＹꎬＬＩＺＴꎬｅｔａｌ..Ｅｆｆｅｃｔｏｆｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｎｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｗｈｉｔｅｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ.ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖ.ꎬ２０１８ꎬ６５(７):２８７７￣２８８４.
[１８]ＰＵＲＳＩＡＩＮＥＮＯꎬＬＩＮＤＥＲＮꎬＪＡＥＧＥＲＡꎬｅｔａｌ..Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆａｇｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｉｎｔｈｅｏｐｔｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒ￣ｉｓｔｉｃｓｏｆｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｓ[Ｊ].Ａｐｐｌ.Ｐｈｙｓ.Ｌｅｔｔ.ꎬ２００１ꎬ７９(１８):２８９５￣２８９７.
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２００４.
沈雪华(１９８９－)ꎬ女ꎬ福建漳州人ꎬ博士ꎬ讲师ꎬ２０１６年于重庆大学获得博士学位ꎬ主要从事智能检测与控制㊁半导体照明技术等方面的研究ꎮ
Ｅ￣ｍａｉｌ:ｆｊ＿ｓｘｈ３９＠１６３.
ｃｏｍ陈焕庭(１９８２－)ꎬ男ꎬ福建漳州人ꎬ博士ꎬ教授ꎬ２０１０年于厦门大学获得博士学位ꎬ主要从事半导体照明技术等方面的研究ꎮ
Ｅ￣ｍａｉｌ:ｈｔｃｈｅｎ２３＠ｑｑ.ｃｏｍ
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