清华大学研制成功新型LED光源道路照明系统

公共城市照明在照明市场上占有庞大的份额，根据统计。城市公共照明在我国照明耗电中占30％的比例。约439亿kwh，以平均电价0．65元／kwh计算，一年开支285亿元。随着20世纪90年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现，近10年来LED技术取得了突飞猛进的发展。白光LED的出现，以其特有的低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长（达2万小时以上）、耐振动、不易损坏、符合环保要求等优势，使半导体光源将成为城市道路照明理想的节能光源。

热阻网络法在半导体照明光源热分析中的应用

热阻网络法在传统热阻定义的基础上,简化了系统的计算模型。文章在分析半导体照明系统内部各器件热阻的基础上,提出了一种计算各点温度的热阻网络模型。利用一维热阻网络拓朴关系进行了热场的计算和分析,并与有限元仿真结果进行了对比。通过验证表明,采用该方法得到的结点温度与有限元仿真的结果相差不超过5%,模拟结果与热阻网络模型预测的结果吻合得很好,显示该模型具有较高的精确度。这种热阻网络拓朴分析技术可在某种程度上应用于发光二极管(LED)组件甚至复杂的照明系统的热学分析。

半导体照明关键技术研究

以GaN基功率型发光二极管为核心的半导体照明光源,已经展示了广阔的应用前景,但其流明效率和公认的200lm/W的路线图目标相比还有较大的发展空间。从材料外延、管芯制作、器件封装和系统应用等方面介绍了半导体照明关键技术的最新进展,其中包括清华大学集成光电子学国家重点实验室的研究成果,并展望了未来的研究方向。

LED城市道路照明灯具二次光学系统的光效分析

由于白光LED具有很多显著的优点,将其用作城市公共照明设施的替代光源有着许多的优点。然而要真正充分发挥半导体光源的长处,二次光学系统的设计至关重要。本文从系统光效和光场照度分布的角度出发,对各种光学系统的性能特点进行了分析,指出了二次配光设计时应考虑的问题和设计原则。介绍了一种独特的适用于城市道路照明二次光学系统,他能较好的满足城市道路照明的相关标准,并可以灵活地适用于不同的道路情况。

LED道路照明中实现任意照度分布的自由曲面光学设计

提出了一种新型的LED道路照明中实现任意照度分布的自由光学曲面设计方法。旨在实现单盏路灯在路面长度和宽度方向上的照度分布均呈特定分布,以满足道路照明对路面照度、亮度均匀性以及环境比的要求。采用分离变量与最小能量块迭代结合的方法对光源以及接收面进行网格划分,保证光源和接收面的对应单元内具有相同的能量大小。最后根据边缘光线理论、斯涅耳定律以及误差控制方法构建透镜表面。同时考虑路灯安放位置以及倾斜角的问题,透镜对应路面宽度方向上非对称。以给定路面长度方向照度呈余弦分布、宽度方向照度呈梯形分布为例,采用此种方法设计出聚碳酸酯非连续自由曲面路灯透镜。结果表明,路面长度方向上照度接近余弦分布,误差小于6%,路面总照度均匀度达到0.93,道路环境比达0.55。

新型LED城市道路照明光源及光学系统

由于白光LED具有很多显著的优点，将其应用于公共城市照明设施的替代光源有着许多的优点，然而要真正充分发挥半导体光源的长处，二次光学系统的设计至关重要。本文介绍了一种独特的适用于城市道路照明二次光学系统，他能较好的满足城市道路照明的相关标准，并可以灵活地适用于不同的道路情况。

面向投影仪的LED阵列单位Etendue光通量的研究

基于各种结构LED芯片的出光特性,计算了得到的芯片及集成阵列实际的光学扩展量(Etendue),以此分析了面向投影仪光源的LED集成阵列在不同芯片间距和芯片厚度条件下的单位光学扩展量的光通量。结果表明,在面向LED投影仪的多芯片集成阵列光源中,使用剥离衬底的垂直结构芯片容易获得更高的单位Etendue光通量,从而有利于提高投影仪亮度。同时,对一种表面球形凹坑周期性微结构的倒装垂直结构LED芯片的集成阵列单位Etendue光通量进行了分析。在无封装的情况下,该结构芯片集成阵列的单位Etendue光通量较普通蓝宝石正装芯片和SiC倒装芯片的集成阵列分别高出164%和150%。

半导体照明中的非成像光学及其应用

以GaN基功率型发光二极管(LED)为代表的半导体照明光源,具有其他传统光源无法比拟的诸多优点,被公认为21世纪最有价值的新型光源。充分发挥功率型LED的优势,利用非成像光学进行面向实际应用的功率型LED封装光学系统设计,以高端半导体照明光源的制造为突破点,带动整个半导体照明产业的快速进步,已成为半导体照明技术发展的战略选择。回顾了非成像光学的历史、研究进展以及在半导体照明中的应用,并通过设计实例,介绍了面向功率型LED光线耦合、二维给定光分布以及三维给定光分布问题的非成像光学系统设计原理与解决方案。

面向半导体照明的光学

以发光二极管(LED)为核心的半导体照明光源成为世界公认的第三代照明光源。通常基于蓝光LED抽运黄色荧光粉产生白光的方案,因荧光粉的斯托克斯位移和宽光谱,其具有产业化价值的发光效率上升范围受到极大限制。另外,传统封装LED因其朗伯型发光分布和超高亮度会造成严重的眩光以及光分布难以满足照明应用要求从而导致光污染、光浪费,导致传统封装LED不能直接应用于通用照明领域。基于色度学原理,研究了半导体照明的极限流明效率,结果表明,基于红、绿、蓝三基色合成白光的方案,优化后在整个半导体照明白光区域显色指数Ra大于80,其极限流明效率可达430 lm/W,远远大于通常的蓝光LED与黄色荧光粉合成白光的方案。总结了在光学系统设计方面的系列成果:为使LED的配光满足应用要求,提出了基于分离变量的非成像光学系统设计理论以及为消除因光源的扩展性和法向矢量误差带来的照度分布偏移理想情况而引入的多种反馈迭代策略;面向道路照明,提出了按亮度设计自由曲面配光系统的方法,在保证照明参数满足标准的前提下,获得可实现最大的亮度/照度比的自由曲面光学系统;面向室内照明,利用非成像光学设计具有一体化微透镜结构的散光板,将类似于点光源的LED阵列转化为均匀柔和发光的面光源,大大降低了眩光,并引入模块化方案降低维修成本;面向特种照明,提出了由多个光学曲面构成的照度均匀的准直光学系统结构以及航标灯光源。

大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析

以GaN基蓝光LED芯片为基础光源制备了大功率蓝光LED,并通过荧光粉转换的方法制备了白光LED。对大功率蓝光和白光LED进行了寿命试验,并对其失效机理进行了分析。结果表明,大功率LED的光输出随时间的衰减呈指数规律,缺陷的生长和无辐射复合中心的形成,荧光粉量子效率的降低,静电的冲击,电极性能不稳定,以及封装体中各成分之间热膨胀系数失配引起的机械应力都可能导致大功率LED的失效。

GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析

与正装LED相比,倒装焊芯片技术在功率型LED的散热方面具有潜在的优势。对各种正装和倒装焊功率型LED芯片的表面温度分布进行了直接测试,对其散热性能进行了分析。研究表明,焊接层的材料、焊接接触面的面积和焊接层的质量是制约倒装焊LED芯片散热能力的主要因素;而对于正装LED芯片,由于工艺简单,减少了中间热沉,通过结构的优化,工艺的改进,完全可以达到与倒装焊LED芯片相同的散热能力。

新型LED航标灯光学系统

基于侧准直原理和LED的光强分布特性,结合现有的二维准直表面和非成像光学二维形成给定光强分布表面的设计方法,设计了具有扩展功能的垂向准直、侧向120°内角向均匀分布的适用于航标灯的LED单元模块。利用该模块,可以很容易地拼装出全角360°的LED航标灯系统。在现有LED的光效水平下,整个系统的峰值光亮度可以达到83cd/W,具有很高的能量利用效率。

大功率氮化镓基白光LED模组的散热设计

散热设计是大功率发光二极管(LED)模组结构设计的重要环节。首先利用计算流体力学方法对自然对流条件下大功率LED模组的温度场进行了模拟,提出并优化了模组可采用的散热片结构,进而对影响模组散热的其他关键因素进行了分析,结果表明,提高关键封装材料如银胶的热导率能够有效地降低芯片温度,提高芯片温度均匀性;多芯片封装时芯片的整体温度及均匀性相对于单芯片封装皆有改善。优化后的封装结构在5 W电功率注入条件下,芯片结温约60℃。

白光LED荧光粉荧光外量子效率的准确测量

利用光学软件仿真的方法分析了积分球涂层特性、不同测量方法对荧光粉荧光外量子效率测量准确性的影响。为提高传统方法的测量精度,提出了基于内置标准散射片于积分球中的准确测定LED荧光粉荧光外量子效率的新方法,制作了专用实验系统,测试结果显示商用的不同LED荧光粉荧光外量子效率存在差距较大,数值在0.744到0.92之间,且实验测试结果和理论仿真规律一致。当积分球吸收系数在1%～5%间变化时,测试系统误差可控制在2%的范围之内。

荧光粉层形状对白光LED空间色温均匀性的影响

荧光粉的吸收散射特性、粒径分布及荧光粉涂层的形状对白光LED色温角空间分布具有直接影响。通过Mie散射理论对不同形状的荧光粉涂层进行了光学计算仿真,研究了荧光粉涂层形状对白光LED空间色温分布的影响规律,以及不同形状的荧光粉涂层效率,并从中找出色温均匀性最佳的荧光粉涂层形状。根据仿真结果,采用具有精确控制喷胶量和喷涂位置功能的高速喷胶技术对1mm2大功率芯片的荧光粉涂层的涂敷工艺进行实验制作,控制器件的平均色温在5 000K,获得荧光粉涂层形状对白光LED色温角空间分布影响的测量结果与计算仿真结果相吻合。通过该方法制作的荧光粉涂层使白光LED的最小色温差异达到537K,远优于目前一般采用的荧光粉涂敷技术。

功率型LED封装中的热阻分析

芯片固晶过程是影响功率型LED封装热阻的重要方面。分析了银胶、共晶合金等不同导热率的固晶材料产生的固晶热阻的大小,并基于正向电压测结温法首次提出了一种测量LED固晶热阻的方法,得到了很好的测量结果,能有效分析封装结构中各部分引入的热阻的大小。

基于由照射目标向光源映射和微带表面构型的分离变量三维自由曲面非成像光学系统设计

为了使以发光二极管为代表的光源在照射目标平面上获得高分辨率的并具有复杂预定形状的远场照度分布,提出了从照射目标平面向光源映射、基于微带表面构型的分离变量三维自由曲面非成像光学系统设计方法。首先,计算依赖于映射关系的表面法向矢量;其次,逐步计算网格格点和表面微带的边缘曲线形状;最后,将所有表面微带联结在一起构成光学系统的表面。该设计方法具有无需误差校正过程,可以高效设计具有复杂照度分布形状的光学系统等独特优势。高分辨率光线追踪模拟结果表明,对于照射目标平面上的棋盘状和条状等多种预定照度分布形状,应用该方法均可高效地获得精准的非成像光学系统。

功率型发光二极管的寿命与失效分析

可靠性是影响发光二极管应用的一个重要因素。对1 W大功率发光二极管分批在不同电流及不同结温下进行试验,分析了电流和结温对功率型发光二极管寿命的影响,应用应力加速模型推测在不同电流或结温条件下发光二极管的寿命,同时研究了试验过程中发光二极管的光电性能的变化,探索其失效机理,为功率型发光二极管的应用提供参考。

CdSe纳米材料对大功率白光LED显色性能的影响

利用CdSe纳米材料可以通过改变其大小和形状得到不同波段发射光谱的特点,在常规荧光粉中加入发射波长为630nm的红色CdSe纳米材料,补充大功率白光LED光谱在深红波段的缺失。结果表明:引入红色CdSe纳米材料后,大功率白光LED的显色指数最高可到90左右,色温降低,但光效有所下降。这种方法为提高大功率白光LED显色指数提供了一种新的解决方案。

LED路灯特性长程测试中的误差分析

作为户外照明产品的LED路灯,其可靠性必须进行现场的长程测试,而长程测试过程和方法对测量可信度会带来很大影响。本文针对LED的特性,讨论了LED路灯长程测试方法和测试过程中可能引入的误差以及改进的方法,包括被测光源特性、测试设备、测试环境等。