知识大放送 细说LED光源投影机技术

2. LED的光谱流明效率

     LED作为照明光源应用时，其流明效率总是被首要关注的参数，我们在研制LED投影及其光源灯过程中，也经常自问LED光源灯何时会有多大光输出。[2]

    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）                           （1）
    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）                           （2）
    组合（1）式和（2）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。

    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。由于光源一般具有一定的频谱宽度，因此ηLM应采用积分形式

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。目前兰光LED+黄光荧光粉方式已经大量实用，我们以此为例作简单的分析和评价。

    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（3）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。

    投影期待LED光源要解决两方面问题。一方面，大幅提高光通量输出，这不仅与LED的流明效率密切相关，还和单灯功率以及器件或芯片的集群组合方式有关。近几年保持较高流明效率前提下的单灯功率大约只能停留在不超过5W。组合光源面积过大会带来投影光学引擎成本的增加和某些性能的劣化；反过来，光源面积过小、器件或芯片排列密度过高将不利于光的收集利用、热管理和可靠性，也会限制实际可用的光源系统输入功率和流明效率。用于投影灯的器件或芯片集群组合方式远未成熟，尚需不断探索改进。另一方面，更加有利于改进投影引擎的相关性能，包括提高光效、亮度和色度均匀性，彩色重现方式和色温调整的灵活性等。LED功率器件或芯片的光输出呈朗伯型分布，视角一般不小于120°，输出光束的几何形状不利于收集和传输，因此也不利于提高引擎的光效、亮度和色度均匀性。