知識(shí)大放送 細(xì)說LED光源投影機(jī)技術(shù)

2. LED的光譜流明效率

     LED作為照明光源應(yīng)用時(shí)，其流明效率總是被首要關(guān)注的參數(shù)，我們?cè)谘兄芁ED投影及其光源燈過程中，也經(jīng)常自問LED光源燈何時(shí)會(huì)有多大光輸出。[2]

    電光源由電源驅(qū)動(dòng)，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(duì)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(shí)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(jìn)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(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)入能量損耗對(duì)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(gè)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(dá)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(duì)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(shí)用，我們以此為例作簡(jiǎn)單的分析和評(píng)價(jià)。

    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(jìn)行近似計(jì)算，結(jié)果為ηLM = 320 lm/ W。

    當(dāng)蘭光和黃光的能量混合比例或峰值波長變化時(shí)，E（λ）、色溫和流明效率均隨之變化。又當(dāng)改變?yōu)槠渌�白光方式時(shí)，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(huì)帶來投影光學(xué)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(huì)限制實(shí)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(yuǎn)未成熟，尚需不斷探索改進(jìn)。另一方面，更加有利于改進(jìn)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。