LED流明效率的探讨 - 图文

LED流明效率的探讨

LED作为光源灯应用时，其流明效率总是首要关注的参数。流明效率与那些因素有关，流明效率是否存在极限，流明效率及其相关因素现在和未来的水平如何，投影显示应用对LED光源灯的期待，这些是本文探讨的主要内容。

1. 光谱光视效率

从辐射度学角度，光源的辐射通量表示单位时间内光源发出的全部能量，辐射通量也就是辐射功率。而在光度学研究中，先引入了光谱光视效率函数V（λ）来表示视觉灵敏度的光谱特性，其后再研究包括光通量在内的几种光度量。规定人眼最灵敏的波长λ=555nm所对应的V（555）=1，其它波长对应的V（λ）均小于或远小于1。

设光源的辐射通量为Φe，人眼感觉到的光通量Φ与Φe、V（λ）成正比， Φ = C×V（λ）×Φe （1） 式中，常数C将Φe的单位瓦换算成Φ的单位流明，C = 683 lm/w。

将 K（λ）= C×V（λ） （2） 称为光谱光视效率，它是发光波长的函数，单位也为lm/w，其最大值Km = C = 683 lm/w。 将（2）式代入（1）式，则

Φ = K（λ）×Φe （3） 组合（2）式和（3）式可知，如果1w的光辐射功率全部集中在单色波长555nm，则人眼对此感知的光通量最大值为683 lm。由于V（λ）的分布特性，光源灯的光谱光视效率将小于甚至远小于683 lm/w。

2. 流明效率

电光源由电源驱动，输出光通量与输入电功率之比通常称为电光源的电光转换效率，也称电光源的流明效率或发光效率，表示为ηL，单位也是lm/W。

1瓦电功率和1瓦辐射功率在数值上等效，则单色可见光源灯的流明效率与光谱光视效率的表示相同，

ηL （λ）= K（λ）= C×V（λ） （4） 设光通量呈现的相对能量光谱分布为E（λ），则流明效率可表示为

ηL （λ）= C×E（λ）×V（λ） （5） 组合（4）式和（5）式可知，如果全部光通量都集中在单色波长555nm，E（555）=V（555）=1，则最大流明效率为683 lm/w。通常，实用电光源灯发出的光通量不仅呈现光谱分布，而且电光源所消耗的电能不可能完全转换为辐射光能，进而形成有效的光通量输出。电能量损失、光能量损失以及相当部分能量转换成的热能损失，都使得流明效率下降。因此，电光源的流明效率将远远小于683 lm/w。

3. LED光谱流明效率

引入的光谱流明效率概念系指仅包含光通量光谱分布在内的流明效率。显然，光谱流明效率没有计入能量损耗对流明效率的影响。假设LED的所有能量损耗均为0，或者说与LED发光相关的各个能量转换和传输环节的效率均为100%，则LED的流明效率即可达到其光谱流明效率数值。因此，光谱流明效率就是LED流明效率ηL的理论极限，记为ηLM

ηLM = C×E（λ）×V（λ） （6）

3.1 色光LED光谱流明效率

首先假设下列几种色光LED都是单色光源，其辐射波长就是其主波长。用（2）式计算的光谱光视效率K（λ）分别为

Y-LED（555nm）， KM（555）= 683 lm/ W； R-LED（627nm）， KM（627）= 204 lm/ W；

G-LED（530nm）， KM（530）= 589 lm/ W； B-LED（470nm）， KM（470）= 62 lm/ W；

实际的色光LED器件并不具有严格的单色性，辐射能量在主波长两侧基本呈现对称分布，某厂家R、G、B-LED的主波长λ0和光谱半（能量）宽度△λ分别为627 nm，20 nm；530 nm，35 nm；470 nm，25 nm。光谱流明效率ηLM如下式

η

LM = C

b∫ E（λa

）×V（λ）dλ/∫ E（λ）dλ （7） a

b

选择适当步长，对式（7）定积分作近似计算，计算结果十分接近于假设为单色光源的结果。

由此可见，对于色光LED，光谱流明效率十分接近于光谱光视效率，E（λ）对ηLM的影响可以忽略。色光LED因色纯度高，其主波长不仅可用来描述颜色特性，也可用来计算光谱流明效率。采用单辐射波长方法估算色光LED的光谱流明效率，方法简单易行，精度也足够高。

3.2 白光LED光谱流明效率

白光LED是色光的混合光源，不属于单色光源，必须考虑E（λ）对ηLM的影响。白光的E（λ）分布特性与白光方式、峰值波长和色温、显色指数等因素有关。报道的白光方式较多，目前看好的是三种，即兰光LED+黄光荧光粉，红+绿+兰光LED，UV光LED+红绿兰荧光粉。上述第一种已经大量实用，且仍有较大成长空间。本节就计算和评价这种白光LED的光谱流明效率。

某厂家的功率冷白光LED的E（λ）~λ如图1所示，兰光LED+黄光荧光粉白光方式，峰

值波长分别为440 nm和550 nm，色温8000K左右。

根据式（7）进行近似计算，结果为ηLM = 320 lm/ W。

当兰光和黄光的能量混合比例或峰值波长变化时，E（λ）、色温和流明效率均随之变化。又当改变为其它白光方式时，E（λ）、色温和流明效率也随之改变。因此，不能认为320 lm/ W的ηLM可用于目前已经出现或将出现的所有白光LED。

根据文献⑶，因不同的白光方式、峰值波长和色温、显色指数等因素的影响，LED白光源光谱流明效率范围达300~400 lm/ W。选择最佳的可用峰

图1 白光LED E（λ）~λ（nm）曲线 值波长，形成有利的相对光谱能量分布 E（λ），即可有效利用光谱光视效率，光谱流明效率将趋近于上述范围的高端。

4. LED器件流明效率

4.1 影响LED光源系统流明效率的因素

依次从三个阶段考虑影响光源系统流明效率的因素。 1.LED器件的电驱动效率 2.LED器件的电光转换效率

3.LED光源附件和光学元件的光利用效率

三个因素共同决定着LED光源系统的实际光效。因素1与器件的驱动损耗相关，它全部是电能量损耗；因素3则主要是光能量损耗，不过要注意有时光学元件的光谱特性也可能会改变E（λ），从而改变光效。因素1和3存在于LED器件之外，如果电功率和光通量的计量点不在LED器件本身，则实际应用要求计入因素1和3的影响。因素1和3实质上是能量的利用效率，均用百分比表示，因此光源系统的流明效率必然低于器件的流明效率。

因素2与LED器件本身存在的电能量和光能量损耗相关，目前的器件效率尚有较大提升空间，对光源系统光效起到决定性作用，下面将进行重点讨论。

4.2 LED器件的电光转换效率

LED器件的电光转换效率，或称发光效率、流明效率，可表示为 流明效率ηL = 器件输出光通量 / 输入器件电功率，

与器件能量损耗相关的如下几个效率可统称为能量利用效率，均以百分比表示。 内量子效率：IQE = 芯片有源区发出光子数 / 注入芯片电子数； 提取效率：χ= 芯片输出光子数 / 芯片有源区发出光子数； 外量子效率：EQE = 芯片输出光子数 / 注入芯片电子数；

EQE = IQE ×χ （8）

电功效率：ηWP = 器件输出光功率 / 输入器件电功率；

散射效率：ηP = 器件输出光子数 / 芯片输出光子数，它也称为封装效率，下标记为p。

因此，只与半导体发光相关的LED器件的流明效率

ηL = C×E（λ）×V（λ）× EQE ×ηWP ×ηP （9） 对于色光LED器件，可用（9）式估算流明效率。而对于目前LED+荧光粉的两种白光方式，LED器件发出的光不仅与半导体发光有关，也取决于荧光粉的光致发光效率ηC。此效率又称荧光效率，与荧光粉的变换效率、量子缺陷和Stocks频移能量损耗有关。LED+荧光粉的白光LED器件的电光转换效率 ηL = C×E（λ）×V（λ）× EQE ×ηWP ×ηP ×ηC （10）

式（9）和式（10）还可表示为

ηL = 光谱流明效率ηLM×能量利用效率 （11）

假设LED器件的发展使EQE 、ηWP、ηP、ηC这些能量利用效率都达到100%，则（9）、（10）、（11）式都简化为（6）式，器件流明效率仅由其光谱流明效率决定，并达到极限值。

因此，LED器件流明效率的水平高低，取决于光谱流明效率和能量损耗相关的几个效率的大小；随着相关效率的逐步提升，LED器件流明效率也朝着其极限值--光谱流明效率逐步提高。

4.3目前和未来LED器件的流明效率

有可能不断提高器件能量相关效率的趋势确定无疑，但需要长时间的发展进程，而且实际上它们最终也不可能达到100%。下面将引述固体发光研究发展计划（2007~2012年）的相关数据来说明目前水平和未来目标，它新近发布于2006年3月，受美国能源部资助。

图2和图3清楚显示出效率关系和数据，分别适用于RGB混色白光LED和荧光变换白光LED器件的光源系统。

图2 混色白光LED产品，目前和目标系统效率

图2中有两点需稍加解释。其一，按原文所译的混色效率理应与前述散射效率，或封装效率含义相同，只不过此名称强调了白光器件输出的光子数，乃是RGB三个芯片输出的光子数经封装损耗后所得。其二，RGB三芯片的外量子效率平均值参与了器件效率的计算。

借助图2说明色光LED商品的流明效率发展趋势。目前G-LED的内量子效率仅20%，远低于R-LED和B-LED，导致其外量子效率低达10%，进而器件效率仅6.4%。目前R-LED和B-LED的器件效率分别达到25.6%和19.2%，3种色光LED的未来目标（注：SSL计划原确定为2020年，所引用的最近计划确调整为2025年）则都是66%。据此，具有3节所指主波长的R-LED、G-LED和B-LED的流明效率，将逐步提高到目标的135、389和41 lm/ W，前景令人振奋。