紫外光LED论文

紫外光LED论文（通用6篇）

紫外光LED论文 篇1

紫外光通信是一种基于大气吸收和散射的新型保密通信模式, 具有良好的抗干扰能力和保密性能, 能完成复杂环境下的非视距通信[1]。美国在该领域的研究处于世界领先水平, 完成了从基本原理到实用技术的多方面研究, 并且已经应用到了国防领域。与之相比, 我国对紫外光通信的研究起步较晚, 目前仍处于理论研究阶段, 亟需开展更为广泛的研究。

光源是紫外光通信系统的关键部分, 传统光源如紫外气体灯和紫外激光器, 由于其本身缺陷[2], 制约了通信速率, 不利于应用。而紫外LED响应速度快、稳定性好, 并且易于驱动, 能克服传统光源的不足, 为便携化、高速率的实用型紫外光通信提供了必要条件[3]。目前单个紫外LED的输出功率偏小, 设计高效的紫外LED阵列, 对紫外光通信的发展具有重要意义。

1 系统总体结构

紫外光LED阵列光源的设计包括驱动模块的设计、LED阵列的设计、光学系统的设计以及调光、散热和外部结构等其他设计。系统结构如图1所示, 经过调制的信号通过驱动模块, 控制LED阵列亮灭, LED阵列发出的紫外光信号经过光学系统发射到大气信道中, 就完成了从电信号到光信号的转换和发送。

2 紫外LED阵列光源的设计

2.1 驱动模块设计

2.1.1 驱动方式的选择

无论哪种形式的原始电源, 一般都不能直接给LED供电, 所以在设计中, 应选择或设计合适的驱动电路, 来满足LED对电压和电流的要求。驱动电路对LED的工作性能、稳定性和寿命都有较大的影响, 应当具有高效率、直流可控、简便易用等特性。

LED的驱动方式分为恒流式和稳压式。恒流式是理想的驱动方式, 输出恒定电流, 输出电压随负载在一定范围内变化, 由于有最大承受电流和电压值, 在使用中要限制LED的数量;稳压式输出恒定电压, 输出电流随负载变化, 需设置合适的限流电阻才能保证LED均匀发光, 电路较复杂[4]。对于紫外LED, 恒流驱动不会因为电流跳变, 而对LED造成很大的冲击, 能有效提高LED的工作稳定性和寿命, 驱动效果也更好, 所以紫外LED一般都采用恒流式的驱动方式。

2.1.2 驱动电路

为简化驱动电路, 本设计选用台湾点晶科技公司生产的恒流驱动芯片DD311。该芯片内建电流镜和电流开关组件, 是一款大功率LED专用的单通道输出芯片。可通过调节外接电阻REXT或偏置电压Vbias来控制LED的电流ILED, 最大可输出1 A电流, 关系式如下[5]:

同时输出端可承受高达36 V的电压, 使能频率可达1 MHz, 支持多颗大功率LED的串接、并接和串并混接使用, 应用灵活方便, 符合本设计的需要。图2为DD311一种典型的应用电路, 图中VSS和GND为接地端, OUT为恒流输出端, REXT为参考电流输入端, EN为输出电流使能端, 当EN电压为0时, 输出电流关闭, 当EN电压大于3.3 V, 输出电流导通。

2.2 光源模块的设计

2.2.1 紫外LED

紫外LED是一种电致发光的固体光源, 以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质。日盲波段的紫外LED价格昂贵, 且发光功率低。所以本设计选用波长365 nm型号为TY-UV3B-P的紫外LED, 该光源输出光功率为50~60 m W, 驱动电压为3.4~4.0 V, 工作电流600~700 m A, 电功率能够达到3 W, 采用球面输出窗口, 光线的汇聚性更好, 能进一步提高光源的功率利用率, 实物和光谱曲线如图3所示。

2.2.2 连接方式

连接方式的选择关系到LED阵列的工作性能、可靠性和驱动电路的设计, 常见的连接方式包括串联、并联、混连以及交叉连接等, 表1中对这几种连接方式进行了对比。

串联和并联需要驱动器输出较大的电压或电流, 限制了LED的使用量, 可靠性也不高, 适合小规模的LED阵列;混联兼具串联和并联的优点, 并补偿了各自的缺点, 可靠性较高, 在LED数量较多时普遍使用;交叉连接的可靠性最高, 但电路也最复杂。每种连接方式都有各自的优缺点和适用场合, 实际应用中, 应综合考虑LED的数量、系统性能要求以及驱动电路复杂程度等因素, 选取合适的连接方式。

根据本设计的要求, 并联连接光强不均匀, 并且不适于恒流驱动[6], 混联和交叉连接无法发挥其高效率、高可靠性的优势, 同时复杂的电路连接给设计带来了不便。而串联连接电路简单, 发光效果好, 是本设计的最佳连接方式, 其结构如图4所示。当某只LED短路, 输出电流保持不变, 其余LED将正常工作;当某只LED断路, 与之并联的稳压二极管 (导通电压大于LED的导通电压) 将导通, 电路正常工作, 这样的设计提高了系统可靠性。

2.2.3 阵列形式

紫外LED的阵列形式会影响光源的辐射功率, 也是影响紫外光通信的因素。

1) LED间距的确定。阵列光源中LED的间距太小, 会影响阵列的布局, 造成辐照面积小;间距太大, 相邻LED中间位置的辐照度会下降, 造成辐照度均匀性不好。所以在LED阵列中, 必须根据LED的特性, 确定LED之间的最佳间距, 才能得到各方面性能的均衡[7]。在实际应用中, 往往先根据光源特性, 通过仿真得到LED的最大间距[8], 再结合实际的阵列形式和误差, 经过微调得到最佳间距。

2) 分布平面的选择。LED阵列分为平面分布和曲面分布。平面分布光输出集中、发光均匀、辐照度高;曲面分布光输出发散、光照面积大、辐照度低。对于要求更高输出功率的紫外LED, 平面排列更为合适。

3) 排列方式的选择。LED阵列的排列方式有多种, 包括线性、矩形、圆形等。圆形排列是一颗LED位于圆心处, 其余LED均匀分布在以d为半径的圆上, 呈中心对称状。这样的排列方式占用面积小, 辐照度分布均匀, 发光效果更好, 被广泛采用, 是本设计理想的排列方式。

2.3 其他设计

2.3.1 调光设计

紫外光通信的一个显著特点是具有很强的保密性能, 这是因为携带信号的紫外光在大气中传播时, 信号强度呈指数规律衰减, 这种指数规律的衰减是传播距离的函数。所以, 可根据通信距离的要求调整光源辐射功率, 使其在通信范围外的辐射功率降至最小, 因此通信范围外很难截获紫外光信号。

调光设计能有效控制光源的辐射功率。相比于传统光源, 容易调光是LED光源的一大优势, LED的调光是通过改变其电流来实现的, 包括PWM调光、模拟调光和数字调光等方式[9]。

1) PWM调光。PWM (脉宽调制) 就是采用外部电子线路提供任意占空比的数字脉冲, 在一个周期内反复开、关LED驱动器, 改变输出电流, 达到调节LED亮度的目的, 一般LED输出电流与PWM占空比成正比关系。这种方式调光精度高、容易控制, 但是实现比较复杂。

2) 模拟调光。通过改变限流电阻的阻值, 来改变流过LED的电流, 控制LED的发光强弱, 就是模拟调光。模拟调光容易实现, 但会增大整个系统的损耗, 降低驱动器的电能转换效率。

3) 数字调光。支持数字调光的驱动电路, 必须具备相应的数字接口, 按照相应的协议, 通过数字接口发送控制信号给驱动器, 来控制LED的亮度, 主要用于长时间工作的大规模LED电路系统。

在紫外光通信中, PWM很容易实现万分之一的精度, 并且调光简单、效率高, 是最理想的调光方式。但当前紫外LED辐射功率较小, 对调光的要求较低, 多采用更容易实现的模拟调光。

2.3.2 发射光学天线

为了提高紫外光通信系统性能, 必须在发射和接收端附加一些特殊的光学设计或器件来增强紫外光信号的强度, 其中就包括发射端的光学天线。从当前国内外的应用来看, 光学发射天线主要有反射式、透射式和透反组合式[10]。

1) 反射式。反射式光学天线主要依靠对光波产生反射作用的旋转抛物面, 具有重量轻、成本低、光能损失小等优点, 广泛应用于大气光通信系统[11]。常用的反射式光学系统有牛顿式、卡赛格林式和格里高利式, 结构如图5所示。

2) 透射式。透射式光学系统由一组透镜构成, 可分为开普勒型和伽利略型, 结构如图6所示。这种光学系统光能损耗较大, 且装配调整比较困难, 常用于特定条件下的光通信系统, 鉴于当前紫外LED光源的功率较低, 因此不适用于紫外光通信系统中[12]。

3) 透反组合式。透反组合式由反射式和透射式组合而成, 如图6所示。这种结构兼具反射和透射式的优点, 但由于其体积较大、成本高、加工困难, 目前在大气光通信中还没有得到应用。

结合紫外光波的特点, 格里高利式的反射式光学天线结构紧凑, 光学性能优异, 并且光能损耗小, 适合于紫外光通信系统应用。

2.3.3 散热

LED工作期间会产生热量, 产生的热量越多, 发光效率越低。发热会影响LED的正常工作和使用寿命, 若无法解决散热问题, LED的发光就会衰减, 辐射功率会快速下降, 甚至烧坏器件。为了保证LED长时间高效地工作, 设计中往往需要专门的散射设计。本设计利用导热硅脂将LED固定在铝基散热器上, 来满足光源对散热的要求。

3 实验与结果

3.1 实验设计

选用七颗TY-UV3B-P型号的紫外LED串联组成光源阵列, 以圆形排列的方式分布在平面基板上。根据紫外LED的特性, 并结合实际阵列形式和误差, 最终确定LED间距d=0.016 2 m。通过恒流芯片DD311驱动发光, 外接电阻REXT=3 900Ω, 可调限流电阻0~5Ω, 光源电压和接地端之间连接一个大电容来保持LED工作的稳定性。此外, 还包括由格里高利式反射镜和会聚透镜组成的光学天线以及散热器等设计, 实物如图7所示。

3.2 实验结果

为测试光源性能, 采用三块9 V干电池为系统提供电压, 限流电阻置为零, 采用UV-A型紫外辐照计, 测量不同位置的紫外光辐射功率密度, 测试位置是LED阵列垂直正上方不同高度的位置。同时, 为检测光学天线和散热设计的效果, 分别在没有光学天线和发光3 min后进行测量, 测得的数据如表2所示。

在测量高度50 mm时, 调节限流电阻的阻值, 得到表3中数据。

可以看出, 该紫外LED阵列光源能得到均匀稳定的紫外光, 实现了紫外光空间能量的累加, 有效提高了光辐射功率;取掉光学天线后, 辐射功率大幅度降低, 说明光学天线能较好地汇聚光线, 增强紫外光信号的强度;发光3 min后衰减较小, 说明散热设计效果较好;调节限流电阻的阻值能控制光输出功率的大小。

4 结论

光源作为紫外光通信中的关键器件, 其光谱特性、响应时间和功率等参数直接影响系统的传输性能。以上分析了紫外LED阵列光源设计中的若干问题, 结合紫外LED的特点, 设计了一种紫外LED阵列式的光源系统。为测试光源性能, 进行了实验验证, 实验结果表明该光源性能良好, 各模块设计符合要求, 有效提高了光辐射功率。此外, 本系统选用的LED光功率较低, 若采用更大功率的LED, 能获得更高的光功率输出。

参考文献

[1] 邹宇, 肖沙里, 李冠华.紫外无线光通信系统研究.重庆工商大学学报, 2012;29 (7) :73—77Zou Y, Xiao SH L, Li G H.Research on ultraviolet wireless optical communication system.Journal of Chongqing Technology and Business University, 2012;29 (7) :73—77

[2] 陶立强, 梁菁, 任杰.紫外光通信系统光源技术发展研究.电子科技, 2011;24 (8) :124—127Tao L Q, Liang J, Ren J.Recent progress of light source on UV communication system.Electronic Sci&Tech, 2011;24 (8) :124—127

[3] Chen Gang, Xu Zhengyuan, Brian M Sadler.Experimental demonstration of ultraviolet pulse broadening in short-range non-line-of-sight communication channels.Optics Express, 2010;18 (10) :10500—10509

[4] 刘彬.恒流驱动电源的研究与设计.北京:北京交通大学, 2009Liu B.Research and design of constant current driving power supply.Beijing:Beijing Jiaotong University, 2009

[5] 何攀.紫外光通信PPM调制解调技术研究.重庆:重庆通信学院, 2010He P.Study of PPM modulation and demodulation technology of ultraviolet communication.Chongqing:Chongqing Communication Institute, 2010

[6] 王雅芳.LED驱动电路设计与应用.北京:机械工业出版社, 2011:85—89Wang Y F.The Design and Application of LED Drive Circuit.Beijing:Machinery Industry Press, 2011:85—89

[7] 王猛, 贺建芸, 张向慧.紫外光辐照系统光强分布计算机模拟.北京化工大学学报 (自然科学版) , 2008;15 (3) :62—66Wang M, He J Y, Zhang X H.Computer simulation of the intensity distribution of UV radiation system.Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science Edition) , 2008;15 (3) :62 —66

[8] 秦玉玺.线光源辐照度的计算.红外技术, 1990;12 (6) :43—44Qin Y X.Calculation of line source irradiance.Infrared Technology, 1990;12 (6) :43—44

[9] Jang Sunho, Moo Whan Shin.Thermal analysis of LED arrays for automotive headlamp with a novel cooling system.IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2008:561—564

[10] 冯平兴.紫外光通信信道散射模型研究及试验系统设计.成都:电子科技大学, 2009Feng X P.The design of ultraviolet communication channel scattering model and experimental system.Chengdu:University of Electronic Science and Technology, 2009

[11] He Q, Sadler B M, Xu Z.Modulation and coding tradeoffs for nonline-of-sight ultraviolet communication.Proceedings of the International Society for Optical Engineering, 2009;7464 (7464H) :H2

[12] 韦资华, 沈卫星.一种新的光学非球面度计算方法.光子学报, 2007;36 (4) :730—732Wei Z H, Shen W X.A new calculation method of optical asphericity.Acta Photonica Sinica, 2007;36 (4) :730—732

紫外光LED论文 篇2

与传统照明光源相比,被誉为第4代照明光源的白光LED有许多优点,如体积小、能耗少、响应快、寿命长、无污染等,因此有着显著的节能前景和庞大的未来照明市场[1,2]。就目前的技术而言,使用荧光粉与LED组合实现白光的工艺相对简单,可以通过改变荧光粉的发射波长和荧光粉厚度来调节白光LED的色度、色温等,因此被广泛采用,发展迅速,成为当今新型固态照明的主流方案[3]。

由于目前白光主要是由荧光粉的黄色荧光与LED的蓝光混合而成,器件的发光颜色随驱动电压和荧光粉涂层厚度的变化而变化,色彩还原性差,显色指数低,并且基于蓝光LED的光转换材料的吸收峰要求在420～470nm,能满足这一要求的荧光材料非常少。为解决上述问题,采用近紫外光(380～410nm)InGaN管芯激发三基色荧光粉实现白光LED已成为目前国际上该领域研发的热点之一。由于视觉对近紫外光的不敏感性,这类白光LED的颜色只由荧光粉决定,因此颜色稳定、色彩还原性和显色指数高被认为是新一代白光LED照明的主导。

然而,目前与近紫外光管芯相匹配的白光荧光粉缺乏,且发光性能不理想,这种白光荧光粉普遍采用混合红、绿、蓝3种基色荧光粉的方法制得[4,5]。由于混合物之间存在颜色再吸收和配比调控等问题[6],流明效率和色彩还原性能受到较大影响,因此研制全色单一白光荧光粉具有十分重要的意义[7]。另一方面,以硅酸盐为基质的发光材料由于阴阳离子大部分以强共价性离子键结合,具有良好的化学稳定性和热稳定性,结晶性能及透光性能优异[8],合成工艺简单,而且高纯二氧化硅原料价廉、易得,所以长期以来都是作为发光基质研究的重点。人们对不同离子掺杂的硅酸盐荧光粉进行了大量的研究和开发[9,10,11,12]。

因此,研究出适于高效近紫外光激发的单基质白光LED用硅酸盐荧光粉显得非常有意义。本文分别就近年来国内外适于近紫外光激发的白光LED用单基质硅酸盐荧光粉的研究进展、当前存在的问题以及未来的发展趋势作一简单的介绍。

1 国内外单一相全色硅酸盐荧光粉研究现状

地壳中含有丰富的硅酸盐矿物质,构成发光材料基质的硅酸盐的种类也很多。事实上,硅酸盐发光材料有着悠久的研究历史,硅酸盐发光材料的发现不仅很早,也是最早获得应用的一类荧光体,如Mn2+激活的硅酸锌和硅酸锌铍是最早用作荧光灯和CRT显示器的绿色荧光体。直到今天,Zn2SiO4∶Mn2+依然应用在这些领域,并向PDP、FED等新领域拓展。如今,固态照明的兴起和LED技术的蓬勃发展给荧光体提供了新的更大的发展空间,从而使硅酸盐荧光体焕发出崭新的活力。而单一相全色硅酸盐荧光粉无疑成为近年来全色荧光粉研究的新亮点。就基质而言,目前单一基质全色的硅酸盐荧光粉大致可分为下面几类。

1.1 正硅酸盐(ASiO4)基质

这类荧光粉特别是Zn2SiO4∶Mn2+是最早的高效发光材料之一,具有类似六方晶系的硅锌矿结构。基质中有SiO4四面体结构,A可占据2个不同的格位,是较为常见的一类荧光粉[13]。

磷光体技术公司(Phosphortech corperation)在2003年向美国专利局申请并于2006年获得授权的美国专利US6982045[14]披露了一种荧光粉,其化学式为:SrxBayCazSiO4∶Eu2+。该荧光粉由固相反应制得,其激发光峰值在360～480nm 之间,并能发射出较宽波长的黄光,同时也有绿光和红光发出,因此稍加改进也可以作为单相的白光荧光粉。

南京大学的Xueliang Zhang 等[15]报道了一种通过高温固相反应法制得的白色荧光粉——Li2SrSiO4∶Eu2+,Ce3+,其在近紫外也有较强的吸收,发射谱主要由2个较宽的Ce3+的413nm蓝色发射带和Eu2+的575nm黄色发射带组成(见图1)。随着Eu2+和Ce3+掺量的不同,色坐标在(0.38,0.35)到(0.21,0.25)之间变化,因此他们认为这是一种很有前途的单一基质白光LED荧光粉。

1.2 碱土焦硅酸盐型(A2DSi2O7)基质

这类碱土焦硅酸盐是一大类类质同晶型化合物,它们与黄长石的类质同晶型矿密切相关。Sr2MgSi2O7和Ca2MgSi2O7属同构型的四方晶系结构,可以形成连续的固溶体。在这种结构中,2个SiO4四面体通过共用1个氧离子连在一起形成孤立的Si2O7基团,这些孤立的基团通过四配位中的Mg、八配位的Ca或Sr连在一起[13]。

通用公司申请并于2001年获得授权的美国专利US6255670[16]披露了一种荧光粉,其化学式为 A2DSi2O7∶Eu2+(A是Sr,Ca,Ba的1种或几种,D是Mg和Zn)。这种荧光粉在还原气氛中经2次煅烧制得,它能在320～420nm强烈吸收,发射高强度的绿光,并附带发出蓝、红光,常被用作三基色荧光粉中的绿粉。但其发光覆盖了可见光的大部分,因此也可以作为单相基质经紫外激发后发出白光。

1.3 镁硅钙石型(A3MgSi2O8,A为Ca,Ba,Sr等)基质

Ca3MgSi2O8为菱形斜方晶系镁硅钙石结构,在镁硅钙石结构中有3个不同的Ca格位,配位数分别为8、9、8,此外,还有1个八面体的Mg格位[13]。Sr3MgSi2O8和Ba3MgSi2O8属正交晶系,应与镁硅钙石有相类似的阳离子格位。

2004年底, 韩国J.S.Kim等[17]报道用固相反应法制备出了适于近紫外光激发的Ba3MgSi2O8∶Eu2+,Mn2+单一相白光荧光粉,从而使这类荧光粉的研发获得较大突破,其激发谱和发射谱见图2。

由图2可知在375nm激发时有3个发射峰,分别为442nm、505nm、620nm,其中442nm和505nm归因于Eu2+占据Ba2+(Ⅰ)格位和Ba2+(Ⅱ)、(Ⅲ)格位的4f→5d跃迁,而620nm的红发射带归因于Mn2 + 3d5电子态的4T→6A跃迁。这3个发射带混合后可得白光,相对于商业用的YAG∶Ce3+基白光发光二极管,其白光发光二极管在正向偏压电流作用下显示出较高的色彩再现性和色彩稳定性以及更优良的显色指数[6],用这种单一相荧光粉制备的白光LED显色指数高达85,高于当前商业用的YAG∶Ce3+基白光LED(显色指数为82),其原因是这种荧光粉中有大量YAG∶Ce3+中所没有的绿光(505nm)和红光(620nm)(见图3)。因此应用这种荧光粉可望克服混合荧光粉的不足,提高流明效率和色彩还原性能。

2006年6月王继磊等[18]报道了用喷雾热解溶胶-凝胶法制备平均粒径为4.45μm的同一基质Ba3MgSi2O8∶Eu2+,Mn2+三色发射合成白光的LED荧光体。实验发现,在375 nm激发下,红绿蓝(RGB)3种颜色峰的位置分别是607nm、500nm、437nm(见图4)。而后王达健等[19]也报道了用喷雾热解法可得到一种可被近紫外激发的单一基质白光荧光粉Ba3MgSi2-xAlxO8∶0.02Eu2+, 0.1Mn2+。该种荧光粉被375nm近紫外光激发后,也可发射出437nm、500nm和608nm 3个发射峰。另外他们还发现微量的Al离子掺入会使荧光粉蓝光和绿光的相对强度发生明显变化,而红光的强度基本不变。因此,荧光体的色坐标位置可以通过掺入不同数量的铝离子来调控。该稀土硅酸盐基质表现出的RGB三色发射特征可成为重要的新型白光荧光体材料。

1.4 辉石型(CaMgSi2O6)基质

CaMgSi2O6属C2/c晶系的辉石结构。在这种结构中Eu2+优先占据Ca格位,而Mn2+可以占据Ca2+和Mg2+ 2种格位[20]。

韩国的Sung Hun Lee等[20]在2006年10月报道了另一种全色的硅酸盐荧光粉——CaMgSi2O6∶Eu2+, Mn2+。该粉由固相反应法制得,经365nm的近紫外激发后3个发射带峰位分别在450nm(蓝)、580nm(黄)和680nm(红)处。图5是其激发光谱和发射光谱,其显色指数可高达88,也是一种很优秀的近紫外激发的全色硅酸盐荧光粉。

1.5 Sr2MgSiO5基质

在Sr2MgSiO5中Sr2+有2个格位,即八配位的Sr2+(Ⅰ)和四配位的Sr2+(Ⅱ)[21,22],并且Sr2+(Ⅰ)格位的数量多于Sr2+(Ⅱ)格位。

2005年6月孙晓园等[7]报道了这种体系的单一基质Sr2MgSiO5∶Eu2+材料的白光发射性质(见图6)。利用该荧光粉和具有400nm近紫外光发射的InGaN管芯制成了白光LED,正向驱动电流为20mA时,色温为5664K;色坐标为x = 0.33,y= 0.34;显色指数为85;光强达8100cd/m2。因此他们认为这种白光荧光粉在新一代白色LED照明领域具有广阔的应用前景。

2006年10月,杨志平等[23]研究了Eu2+,Mn2+ 共激活的单一基质Sr2MgSiO5白光发光材料的发光性质,发现Eu2+中心形成了峰值分别为459nm和555nm的特征宽带(见图7),而Eu2+中心向Mn2+中心的能量传递导致了峰值为678nm 的发射,3个谱带叠加从而在单一基质中得到了白光。其激发光谱波长分布在250～450nm范围,峰值位于390nm,可以被InGaN管芯产生的380～410nm辐射有效激发。从而认为Sr2MgSiO5∶(Eu2+,Mn2+)是一种性能良好的单一基质白光发光二极管用荧光粉。

1.6 碱土卤硅酸盐基质

由碱土卤化物和碱土硅酸盐复合而成的碱土卤硅酸盐具有合成温度低、发光亮度高和化学性能稳定的优点,并且容易获得紫外-近紫外波段的高效激发,从而引起了人们的高度关注。

2007年1月杨志平等[24]又合成了不同Eu2+含量x和不同Mn2+含量y的Ca2SiO3Cl2∶xEu2+,yMn2 +系列氯硅酸盐样品。图8为Ca2SiO3Cl2∶0.03Eu2+,0.10Mn2+样品的激发光谱和发射光谱。实验中发现Eu2 +在Ca2SiO3Cl2晶体中占据不同的Ca2+(Ⅰ)和Ca2+(Ⅱ)格位,形成2类中心的5d→4f 跃迁发光。单独掺杂Mn2+的Ca2SiO3Cl2样品不发光,当用Eu2 +和Mn2+共激活时,Mn2+在Ca2SiO3Cl2晶体中占据Ca2+ 格位,Eu2 + (Ⅰ)中心向Mn2 +中心的能量传递十分明显,敏化Mn2 +离子4T1(4G) →6A1k(6S) 跃迁而产生578nm的红光发射。425nm、498nm和578nm处3个谱带叠加从而在单一基质中实现了白光发射。Ca2SiO3Cl2 ∶xEu2 +,yMn2 +在紫外-近紫外波段(350～410 nm) 范围内有很强的激发,是一种很适合InGaN管芯激发的单一基质白光LED荧光粉。

2007年11月吉林大学的Changyu Shen等[25]报道了另一种氯硅酸盐单一基质白光荧光粉——Ba2SiO3Cl2∶Eu2+,Mn2+。这种荧光粉也采用高温固相反应制备。按化学计量法配好原料,磨匀后在弱还原气氛下900～1200℃、2～4h制得。发射谱也由3个发射峰组成,分别位于425nm,492nm和608nm;激发谱为300～460nm,非常适合InGaN芯片的激发。因此他们认为这也是一种低成本高亮度的单一基质白光荧光粉。

1.7 其他基质

2006年葡萄牙的D.Ananias等[26]报道了另一种新型的白光硅酸盐荧光粉——Na3LnSi3O9,Ln为Eu、Tb、Tm、Y等的1种或几种。图9是他们发现的一种白光性能较好的荧光粉Na3(Y0.915Tm0.02Tb0.04Eu0.025)Si3O9的发射谱。Na3-(Y1-aLna)Si3O9 (Ln=Eu、Tb、Tm)体系的荧光粉分别由基于Eu3+、Tb3+、Tm3+发射出红、绿、蓝3种颜色的光,其色坐标为(0.324, 0.364)。

可见,国内外对单一相全色硅酸盐荧光粉的研究已经如火如荼,并且也取得了相当大的进展。

2 存在的问题及发展展望

2.1 存在的问题

当前对紫外或近紫外激发的全色单一基质荧光粉的报道虽已很多,但也存在如下一些问题:

(1)近紫外LED用荧光粉的激发光谱不能与LED的发射光谱很好地匹配,光转换效率低。如图6所示,有2个明显的特点:(a)荧光粉的激发峰位与InGaN LED的发射峰有较大偏移;(b)存在来自管芯很强的透射光。实际上,荧光粉的激发光谱与LED芯片的发射谱不能很好匹配是出现很强管芯透射光的主要原因。很显然,这种荧光粉只能吸收少部分来自管芯的激发能,严重影响其光转换效率,造成很大的能量损失,直接影响白光LED的光强。

当然,造成这种不匹配问题也有部分客观原因:目前UV芯片光功率不是很高,稳定性差,且国内外最新研制的近紫外InGaN LED管芯发光波长多集中在400nm左右。因此条件相对比较苛刻,给研制合适的新型高效荧光粉带来一定的困难。

(2)单一基质白光荧光粉的发射普遍缺乏红色成分或红色成分明显不足,从而必然造成显色指数不高,达不到民用要求。如文献[17]所报道荧光粉的发射光谱(375nm激发)中,442nm的蓝光较强,505nm的绿光次之,但620nm的红光太弱,其他报道的荧光粉[7,14,15,16,17,18,19,20]也普遍存在这个问题。

实际上,能符合近紫外激发及在硅酸盐中发射红光的稀土离子并不多,从目前报道的来看,多为Eu3+ [26,27,28,29]、Mn2+ [17,18,19,20,23,24,25,30]或Sm3+ [31,32],这就使得在制备过程中进行稀土掺杂的选择并不是很多;而且,一些稀土离子在特定的基质中本身发射较弱,甚至没有发射,需要通过其他稀土离子的能量传递,吸收能量后才能发光[17,18,19,20,23,24,25],这也是造成红光成分相对较弱的另一个重要的原因。

(3)制备方法也比较单一,多为高温固相反应法[7,14,15,16,17,20,21,22,23,24,25]。高温固相反应法是发光材料的一种传统的合成方法,利用固相反应法合成发光材料的主要优点是:微晶的晶体质量优良,表面缺陷少,发光亮度大,利于工业化生产。但是高温固相反应法也有它自身的弱点,即它是单纯将原料的固体颗粒放在一起研磨, 混合效果不太好;灼烧温度高,不易反应,且保温时间长(2h以上),对设备要求较高;粒径分布不均匀,难以获得球形颗粒,粒子易团聚,需粉碎减小粒径,从而使发光体的晶形遭到破坏,导致发光性能下降[33]。

因此,对近紫外激发的荧光粉,特别是对单一相近紫外激发的硅酸盐荧光的研究还有很长的一段路要走。

2.2 发展展望

为了解决以上提到的在研制紫外或近紫外激发的全色单一基质荧光粉中出现的问题,目前可尝试着重从以下几个方面改进现有白光LED用荧光粉。

(1)对荧光粉的晶体结构、掺杂、能量传递机制等进行更深入的理论研究,从理论上指导荧光粉的研制。在原有灯用荧光粉基础上,通过稀土、碱土金属掺杂改变荧光粉的晶体结构,从而改变或移动荧光粉的激发光谱[34],使之尽可能与LED管芯的发射相匹配,提高光转换效率。

(2)针对目前单一基质白光荧光粉的发射普遍缺乏红色成分或红色成分明显不足、显色指数不高等问题,寻找合适的基质,通过适当的稀土、碱土金属掺杂,特别是通过能量传递即敏化作用,增强荧光粉中的红色成分,从而提高显色指数。

(3)优化固相反应法,改善反应条件,加入适量助熔剂以降低反应温度和周期,尽量提高荧光粉的二次特性。

(4)研究用软化学方法和微波法合成荧光粉。使用软化学方法和微波法制备荧光粉能得到二次特性好的荧光粉,从而提高荧光粉的光效[35]。

(5)通过粉体的后续处理如物理法(研磨、超声分散)[36,37]、包膜[38,39]等提高荧光粉的发光性能及稳定性。

紫外光LED论文 篇3

目前,人们掌握的通信手段主要有无线电通信、微波通信、有线通信和光纤通信等方式。由于紫外光在近地面存在“日盲区”光谱,在大气中具有强烈散射作用,具有抗干扰能力强、保密性高、全方位全天候工作和非视距通信等特点。在复杂环境下,当无线通信、有线通信和光纤通信都不能用的时候,紫外光通信作为一种备用通信手段必将发挥重要作用。因此,对于紫外光通信的研究势在必行[1]。

由于自由空间紫外光通信系统独特的技术特点,其发展非常依赖于相应的系统元器件。美国军方、欧美以及日本等国在紫外系统项目的研究和开发上投入了大量的资金、人力和物力。早在2002年,美国国防部高级研究计划局就开始资助一项采用发光二极管为光源的第二代紫外光通信系统的研究,并且已经研制出了275 nm的紫外LED,并于2007年启动了研制可变波长(包括日盲光谱)的晶体管紫外光发射器的项目[2,3]。

本文采用紫外LED作为系统光源,对信号采用脉冲位置调制,结合帧同步技术和循环冗余校验码进行信道编码,FPGA对调制解调和数据处理部分进行设计与仿真,设计并搭建了一套紫外光通信系统,在实验室内对其测试,成功实现了115.2 kbps的数据传输。

1 系统总体结构

1.1 工作原理

基于LED的紫外无线光通信主要由信号调制编码模块、紫外光源及其恒流驱动电路、光电倍增管、预处理单元和信号解调解码单元组成[4],其工作原理如图1所示。基带信号经过FPGA完成信号的调制与信道编码,加载到紫外LED光源上,以自由空间和大气作为信道传输信息。接收端采用光电倍增管对微弱信号进行探测放大,经过预处理电路对其滤波、二次放大和脉冲成形,再由FPGA完成信号的解调和信道解码功能,对传输数据进行检错和纠错。

1.2 紫外光源

传统的紫外光通信系统光源为气体放电灯,采用频移键控(Frequency-shift keying,FSK)调制方式[2,5]。需要高压驱动,电光转化效率不高,体积大,同时由于“余辉效应”的影响,两个频率之间的交替变化不能高速进行,严重制约了通信速率。LED光源则具有功耗小,稳定性高,其响应时间为纳米级,为高速通信提供了必要条件。

本系统LED光源光波长范围380～385 nm,驱动电流为0.7 A,光功率150 mW。驱动电路采用LED专用驱动芯片DD311,通过偏置电压和外接电阻的设置,调节输出恒定的LED驱动电流,最大输出电流为1 A。

1.3 光电探测器

对于紫外光通信系统,比较理想的光电探测器应该对紫外波段具有良好的频谱特性和大面积的探测区域。本文选用的光源发光功率小,在一定距离内信号微弱,一般采用光电倍增管进行探测。

光电倍增管是一种具有极高灵敏度和超快响应时间的真空器件,由光阴极、聚焦电极、电子倍增极和电子收集极等组成。由于采用了二次发射倍增系统,具有很高的电流增益。窗材料和光阴极材料决定了光电倍增管响应波长。同时可以在光电倍增管的前端加紫外滤光片来消除可见光和红外光的影响,降低系统噪声。

2 脉冲位置调制技术及循环冗余编码

2.1 PPM调制技术

在一个通信系统中,信息的调制方式对通信系统的性能具有决定性作用。在保持可靠性的条件下,选择的调制方式应具有高的传输速率和高的传输效率。脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)是一种具有信道抗干扰能力的正交调制方式,调制信号控制载波,脉冲时隙的位置表示不同的信息。与通常的光强度开关键控调制(On-off keying,OOK)相比,PPM可降低光辐射平均功率的要求,小辐射功率可以延长紫外LED光源的工作寿命,具有较高的功率利用率和抗干扰能力,特别适合于紫外光通信系统、对潜通信和室内计算机红外无线通信等要求低平均功率传输信息的场合,在无线局域网标准IEEE802.11中,已规定IR物理层采用PPM[6,7]。

本文采用单脉冲位置调制(L-PPM),如图2所示,在每24=16个时隙组成的时间段上,将一个4位的数据映射为对应时隙处的单个脉冲信号,并且是一一映射,满足调制唯一性的要求。

2.2 循环冗余校验码

循环冗余校验(CRC:Cyclic redundancy check)码是一种重要的线性分组码,不但具有检测能力,而且编解码器采用硬件实现比较简单,特别适合于检测错误,同时还能纠正单比特错误[8]。本文采用CCITT定义的CRC16生成多项式G(x):x16+x12+x5+1。利用CRC进行检错的过程可描述为:在发送端根据要传送的k位二进制码序列,以一定的规则根据生成多项式产生一个校验用的r位校验码,附在原始信息块后,构成一个 共k+r位的新的二进制码序列数发送出去;在接收端,根据信息码和校验码之间所遵循的规则进行检验,以确定传送中是否出错[9]。因此无论该单比特错误是出现在数据域,还是作为冗余信息的CRC16校验码中,接收端都可以实现无误接收。仅当单比特误码出现在信息域时,接收端必须要将其校正过来,而如果该单比特误码出现在CRC16校验码中,则没有必要对其校正。

2.3 FPGA实现及其系统仿真

2.3.1 发射端模块

发射端FPGA仿真实现如图3所示。data-in表示串口信号,当空闲状态时其保持高电平。在串行异步通信方式中,任何一个字符的传送均以一个起始位(逻辑0电平)开始。begin信号表示数据起始判断标志,over信号表示数据结束标志,由起始标志共同决定enable信号。在enable信号有效期间对数据进行串并转换,每4 bit数据进行一次PPM调制和CRC校验,并拼接8位帧头“11011101”,得到调制后的data-chuli信号,最后并串转换,移位输出PPM-out控制信号,送入紫外LED光源控制端,控制光源的亮和灭,传递不同的信息。

2.3.2 接收端模块

发射端的调制编码信号在大气信道中受到衰减作用,光子变得十分微弱,采用光电倍增管对其探测并放大。经过预处理电路滤波、整形和二次放大后送入FPGA。FPGA对其进行PPM解调和CRC校验,进行检错和单比特的数据位纠错。确认接受到的信息正确无误后发至串口,当检查到多比特数据位出错时,对该组数据丢弃,或者进行其它的数据复原纠错处理,也可以反馈至发射端,请求发射端重新发送数据,直到接受正确数据为止。整个流程如图4所示。图5为采用quartus软件仿真的CRC数据检错和纠错功能。data-receive表示接受到的信息和冗余校验位,用16进制表示,buf-receive表示经过校验计算后的数据。在第一个时钟clk上升沿到来时读取data-receive信号,并计算buf-receive值,为“0”表示信息无误,输出前16位信息data-out-buffer,并将right信号置为高电平;在第二个时钟内,校验码最后一位有误,计算得到的buf-receive不为零,但是其不影响数据位正确信息,无需纠错;在第三个时钟内,信息位出现错误,计算得到的buf-receive不为零,需要将其校正,根据buf-receive的值判断其出错位置为信息第二位,对相应位置数据位取反后得到正确数据;在第四个时钟内,数据和校验位都出现错误,对该组数据丢弃,并将right信号置为低电平。

3 实验结果分析

本系统采用滨松公司的光电倍增管作为光电探测器,以DE2开发板作为FPGA平台,阵列的紫外LED作为光源,搭建了一套基于紫外LED的无线通信系统,如图6所示,系统发射机部分主要由PC机、FPGA调制编码单元、紫外LED光源及其驱动电路和调节支架组成,系统接收机主要由PC机、光电倍增管、滤光片、调节支架、预处理电路和FPGA解调解码单元组成。

3.1 误码率

接收信号可以用模型y=x+n(其中x表示信号,n表示噪声)来描述,通过发射角(Tx angle)的调整来改变接收信号的信噪比。本实验中,固定接受角为0°,通信距离为1 m,采用PPM调制方式,改变发射角大小,得到的实验结果如图7所示:在直视通信情况下误码率最低,随着发射角度的增加,误码率会呈指数增加,当增加到25°时,误码率增长缓慢。采用CRC校验编码时,由于CRC校验编码增加了近一倍的冗余校验信息,增加了数据传输量,传输速率降低。在传输角较小时,误码率比未编码时误码低,当传输角增大时,校验信息反而增加了误码率,这是因为传输角增大时,探测到的光信号变弱,冗余的校验信息增加了信号比特出错的概率。实验结果表明了在准直视通信情况下,结合CRC校验编码的PPM调制方式传输性能更好。

3.2 传输距离

由于大气的气体分子和气溶胶粒子的吸收和散射作用,紫外光信号在大气传播过程中轻度衰减较快,光电倍增管暗电流也会对接收信号有一定的影响,当传输距离增大时,光电倍增管接收端信号将会变得十分微弱,实验采用室内视距通信,未编码的PPM调制方式,发送波特率为115.2 kbps,结果如图8所示:传输距离低于1 m时,信噪比高,误码率较低;当传输距离继续增大时,信噪比降低很快,影响数据通信质量,数据误码率增加很快。显然,LED功率限制了通信传输距离,大气分子的吸收作用造成光子急剧衰减,通信范围有限,紫外LED无线光通信适合于短距离的数据通信。

4 结 论

本文设计并实现了基于LED的新型紫外无线光通信系统,此系统功耗低,体积小。调制方式为脉冲位置调制,功率利用率较高,对人体辐射伤害性小。另外,本系统由于采用了帧同步技术和CRC校验编码,能够实现单比特纠错和多比特检错,有效地降低数据传输误码率。由于LED功率比较低,通信距离收到限制,该系统只适合于近距离的准直视数据通信。随着大功率LED技术的发展,一旦研制出大功率的深紫外LED,将其做成阵列光源,则可以将紫外无线通信应用于实际工程中。

摘要：为了提高紫外无线通信中数据传输速率并降低数据误码率,用紫外LED代替传统的气体放电灯光源,采用FPGA设计实现了脉冲位置调制技术,帧同步技术和循环冗余校验信道编码。实验采用波长范围为380～385nm的紫外LED作为光源,以光电倍增管作为光电探测器件,完成了室内准视距通信。实验结果表明:采用LED作为光源,能够实现通信距离为5m以内的115.2kbps的数据传输;与未编码情况相比,采用信道编码的系统能够实现检错功能和单比特的数据位纠错,降低数据误码率。

关键词：紫外无线通信,脉冲位置调制,循环冗余校验码,数据检错,单比特纠错

参考文献

[1]David M R,Daniel T M,John A M.Unique properties ofsolar blind ultraviolet communication systems for unattendedground sensor networks[J].Proceedings of SPIE,2004,5611:244-254.

[2]Xu Z Y,Brian M S.Ultraviolet communications:potentialand state-of-the-art[J].IEEE Communication Magazine,2008,46(5):67-73.

[3]Gary A S,Andrew M S,Joshua M,et al.Recent progress inshort-range ultraviolet communication[J].Proceedings ofSPIE,2005,5796:214-225.

[4]赵明,肖沙里,王玺,等.基于LED的紫外光通信系统研究[J].激光与光电子学进展,2010,47(4):1-6.

[5]汪科,肖沙里,罗辑,等.紫外通信研究的现状分析和改进[J].光通信技术,2008,03:56-58.

[6]胡宗敏,汤俊雄.大气无线光通信系统中数字脉冲间隔调制研究[J].通信学报,2005,26(3):75-79.

[7]柯熙政,殷致云.无线激光通信系统中的编码理论[M].北京:科学出版社,2009:14-15.

[8]杨杰,朱建锋,安建平.无线传输中的循环冗余校验码纠错应用扩展[J].北京理工大学学报,2005,25(8):726-729.

紫外光LED论文 篇4

紫外线灭菌是当前医院系统常用的日常灭菌手段之一,尤其是传染病房等高病菌地带,紫外线灭菌须强制执行。在地震、洪水等灾难现场的野外医院或治疗所,紫外线灭菌更是方便快捷的灭菌方式。另外一些注重卫生的机构,如饭店后厨、学校、幼儿园等,也常常采用紫外线这种灭菌方式。通常医院的紫外线灭菌设备为安装于房间内的紫外线灭菌灯以及可移动的紫外线灭菌灯车。但是传统的紫外线灭菌设备[1,2,3]由于采用的光源多为紫外线灯管,存在着诸多弊端和缺陷:

(1)功耗大,易损坏,使用成本高。紫外线灭菌灯的光源为荧光紫外线灯管,功率多为20~40 W,相对于目前民用节能灯具,显然功耗较大。另外,这种荧光灯管寿命相对较短,易损坏,使用成本高。以解放军总医院为例,全院约有紫外线灭菌灯车830多台,每年用于紫外线灭菌灯及相关配件费用高达20万元。

(2)对操作人员易产生伤害。传统紫外线灭菌灯具为荧光灯管形制,照射存在死角,其操作类似普通灯具,操作人员必须在灯具点亮后才能离开紫外线照射环境,要想关闭它也须再次进入该环境,在此期间,C波段紫外线可使人体皮肤受到伤害[4],即使短时间照射也可灼伤人体皮肤,人体皮肤遭受长期或高强度照射还可能导致患上皮肤癌。因此,传统灭菌灯对操作人员存在着安全隐患。

(3)无定时功能,难以保证每次灭菌的时间。由于临床科室的工作繁忙,对于紫外线灭菌标准[5]的贯彻往往不够重视,尤其是某些传染病科室,传统灭菌灯缺乏定时功能,仅靠科室相关人员的主动操作有时难以达到灭菌的效果,从而引起不必要的交叉感染和医疗事故。

近年来,随着LED技术的飞速发展,以发光二极管作为光源以成为节约能源、提高灯具亮度、延长灯具使用寿命的一种有力手段,无论是电子设备、汽车工业、市政照明乃至医疗领域,LED都发挥着极其重要的作用。

紫外线LED,尤其是用于灭菌的245 nm(C波段)的紫外线LED的研制相对滞后于其他波长的LED,但是现在市场上也出现了越来越多的成熟产品,并且1~3 W的高亮度LED价格也越来越低,用LED光源来取代传统荧光光源制作紫外线灭菌设备将是大势所趋。

尽管现在LED光源已经有了很广泛的应用,但用于医院紫外线灭菌领域的LED光源尚不多见,因此,着手研究LED光源的紫外线灭菌灯具将会降低医院的灭菌成本,增大经济效益。

2 LED紫外线灯车的设计

2.1 移动式灯车外形设计

针对不同科室的灭菌要求和范围不同,提出了紫外线灯车的设计。使用灯车灭菌,应用灵活机动,较之每间病房安装紫外线灯大大降低了成本。灯车可任意摆放在室内,进行定时灭菌[6],平时可折叠存放。由于LED采用低压供电,使用电池亦可工作,因此灯车也适用于野外医疗灭菌要求。

图1所示为紫外线灭菌灯车外观示意图。项目拟采用球形灯头作为发光载体,由于采用LED作为光源,摆脱了紫外线荧光灯管过长以及对灯座依赖等局限性。LED阵列按理想形状随意布局,考虑到常规灯管存在照射死角,所以采用球形灯头和LED布局方法可以不用旋转灯管或灯座[7]即可最大限度地消除照射死角。

便携式紫外线灭菌设备是未来的一个发展方向[8]。考虑到紫外线灯车的便携性,灯车由便携式手提箱打开而成,球形灯头由四根支架固定,支架为三折式设计,可自由将灯头收回箱体。手提箱外壁可安装小型车轮,便于灯车打开后任意推动。灭菌灯车的控制系统安装在灯头的底座内。

2.2 供电系统

电源模块如图2所示,采用交流和直流双路供电。LED光源的优点之一就是其采用低压直流供电,功耗低,电路设计简单。交流供电时,将220 V交流电源通过变压器变压和整流电路将其降为低压直流,再通过DC-DC模块将电压调整到LED驱动电路和控制模块所需要的稳定电压,如图3所示,用于后续电路工作。在采用电池供电时,只需将电池电压调整到后续电路需要的电压即可。电池供电部分也可考虑改进为充电式电池设计,即增加充电电路,通过220 V交流电源为低压供电部分的电池充电。尽管引入这种设计提高了产品的成本,但为野外应急灭菌带来了方便。

2.3 控制系统设计

控制系统流程图如图4所示。系统由单片机作为主控芯片(如图5所示),当程序开始,执行5 s延迟,然后将LED驱动芯片使能管脚置高,开启LED驱动电路,使紫外线灯开始工作,同时开启定时器。当达到设定定时时间,单片机关闭LED驱动电路,紫外线灯关闭。如需调整定时时间,可启动定时设定开关,进行时间设定。相对于继电器设计的定时系统[9],通过单片机控制LED的驱动电路的使能信号的设计方案响应快,功耗低。

单片机选择TI公司的MSP430F2001[10],这款单片机具备如下特点:

(1)体积小,外形尺寸5 mm×6 mm,最小的PQFP封装尺寸为4.15 mm×4.15 mm,大大节约了控制电路板的尺寸;

(2)低功耗,工作模式电流仅为220μA,而休眠模式仅为0.5μA,完全能满足于便携需要;

(3)内部集成256 B Flash存储,可用于用户自行设定开关机时间等参数的存储;

(4)16位定时器可精确控制灭菌时间;

(5)1.8~3.6 V直流供电;

(6)成本低。

LED驱动芯片选择SW6100(如图6所示)。这是一款高亮度功率LED驱动器,可驱动1~8个大功率LED,内建脉宽调制(PWM)及双极型功率晶体管,外围电路简单,输出电流高达1.2 A。此外,SW6100内部集成调光功能,可通过一个0%~100%低频脉冲信号来控制LED的亮度,大大增强了紫外线灭菌灯的可操作性和将来的可扩展性。

3 结论

基于LED的紫外线灭菌灯车具备了功耗低、寿命长、体积小、便携性强等优点,配置变压电路和可充电电池,既延续了医院科室接插电源的使用习惯,又可灵活地适应移动和便携需求。另外,可折叠收纳为手提箱的设计也为携带和存放提供了方便。下一阶段的研究工作重点是将该设计逐步付诸临床应用,并积累临床应用效果数据,为进一步改进做准备。

参考文献

[1]林晓潮.智能紫外线杀菌灯:中国,200320117070.2[P].2004-11-10.

[2]苏广宁.家用便携式紫外线杀菌消毒灯:中国,01252142.6[P].2003-01-01.

[3]杨俊全.方位旋转移动式高效紫外线杀菌灯:中国,03278494.5[P].2005-02-16.

[4]刘建孟.监测紫外线灯引起皮肤损伤报道[J].中华医院感染学杂志,1996,6(2):113.

[5]中华人民共和国卫生部.消毒技术规范(2002年版)[S].

[6]龚瑞章.紫外线灯照射强度与杀菌作用时间测定[J].现代预防医学,2000,27(2):265.

[7]魏宏波.旋转式紫外线消毒器的设计[J].医疗卫生装备,2002,23(6):58-59.

[8]徐巧玲,刘冬焕,化前珍.便携式紫外线程控消毒灯的研制[J].医疗卫生装备,2003,24(10):246.

[9]张传富.用数字时间继电器制作紫外线照射时间控制器[J].医疗卫生装备,2004,25(3):58.

紫外光LED论文 篇5

角膜胶原交联术(corneal collagen cross-linking,CCL)是最近几年用来治疗圆锥角膜和角膜溃疡的新技术,它通过增加角膜基质胶原纤维间的连接强度来延缓甚至阻止角膜扩张,提高对酶消化的抵抗力,其安全性已在国外获得验证。控制好实验参数对角膜之后的前房、晶状体及其他组织不会造成损伤[1,2]。

CCL运用了光氧化反应,反应原料为紫外线A(UVA)和核黄素滴眼液(riboflavin)[3]。核黄素在角膜基质达到饱和状态后,在370 nm波长的紫外光照射下,产生一些活性氧自由基(ROS),活性氧自由基处于非稳定状态,直到诱导角膜基质胶原纤维间形成新的共价键后才变为稳定的形式,这个过程就称为cross-linking。CCL的效果主要有:增加角膜的硬度[4]和增加角膜的耐酶性[5]。紫外光核黄素角膜胶原交联疗法的出现,为圆锥角膜、医源性角膜扩张、角膜溃疡等疾病的治疗带来了新的希望[6]。

本文所述的紫外LED照射仪可产生(370±5)nm波长的紫外光,且为基于点光源的紫外LED照射仪,具有体积小、易于携带、操作便捷、功率控制精度高等优点[7]。该照射仪使用单片机控制,高精度电阻采样,可实时监控照射仪的工作状态,并采用了非球面镜构成的匀光系统。实践表明,本照射仪的性能满足角膜胶原交联术的需求,为角膜胶原交联术提供了有效可靠的光源。

1 总体设计

紫外LED照射仪由光源系统和控制系统2部分组成,总体构架如图1所示。

光源系统是由非球面镜、光阑和紫外LED组成的匀光系统;控制系统以C8051F410单片机为核心,通过高精度的电阻采样实现对光功率实时控制,由LED驱动电源、系统控制单元和界面操作单元构成。

紫外LED照射仪的界面操作单元实现了人机交流的功能,主要由触摸屏及其控制单元组成,通过触摸屏可调节光功率以及照射时间等参数。调节好照射参数后点击触摸屏上的启动按钮,系统控制单元随即收到启动信号并控制LED驱动电源工作,紫外LED发出对应功率的紫外光,紫外光通过非球面镜匀光系统均匀地照射在目标物体表面。

2 光源系统

紫外光照射人眼时,对照射深度是有一定要求的,若局部紫外光过强,照射深度超过了安全区域(如图2所示)则会对人眼造成不可修复的伤害[8]。因此,需要对紫外LED的出射光进行光束整形,使其成为空间光强均匀分布的光束。

该紫外LED照射仪采用1片非球面镜对光源进行二次配光,从而达到均匀照射的目的,基本结构示意如图3所示。非球面镜的设计由传统光学设计软件ZEMAX进行设计和优化完成。首先,由点光源出发在序列设计模式中得到基本镜面设计,再将其转化为非序列设计;然后,将紫外LED的光源配光曲线输入软件得到简化的近似光源,通过编写非序列探测器评价函数(NSDD)对镜面参数进行优化;最后,设计得到的光学系统可将光源出射光在一定工作距离内整形成为空间光强均匀分布的光束。

在ZEMAX软件的序列设计模式中将镜面后表面类型选为Even Asphere面型,将曲率半径、conic及r2、r4、r6、r8、r10 的系数设为变量[9],偶次非球面公式如下:

式中:c为基准球面曲率(c=1/R,R为基准球面曲率半径);k为二次曲面参数conic;a1,a2,…,a8为高次项系数。

通过默认评价函数Angular Radius对镜面进行优化,使得点光源出射光准直得到镜面初步设计,然后将优化好的设计转换为非序列模式。

该紫外LED照射仪选用ENGIN公司生产的LZ1-00U600紫外LED作为照射光源,典型出射光功率为410 m W,通过ZEMAX中的光源模型SourceRadial ,将LED制造商提供的光源配光曲线输入ZEMAX中得到光源基本模型[10]。原厂提供的光源配光曲线和输入后软件生成的配光曲线如图4所示,可以看出,输入的配光曲线与厂家提供的配光曲线相匹配。

选用石英玻璃JGS1为透镜材料,365 nm波长紫外光透过率超过90%,透镜厚度为7 mm,直径为12 mm,光源与透镜前表面距离为d=5 mm。通过编写软件评价函数NSDD改变优化参数所占权重值(weight),对透镜后表面参数进行反复优化,NSDD优化操作数见表1。

首先使用NSDD操作数将ZEMAX中所有探测器清零,然后通过NSTR操作数使得ZEMAX进行光线的追迹。第2个NSDD操作数可读出像素数据的半径值的均方根值(root mean square,RMS值),用于约束光斑直径。第3个NSDD操作数用于读出探测器总的光通量,并用于保持光通量最大,使得光源能量利用率得以提高。最后一个NSDD操作数返回值为所有非0像素数据的标准差(RMS值),将目标值(Target) 设为0可使得目标照射面上辐照度分布均匀。在开始优化时使用正交下降优化法(orthogonaldescent optimizer)得到初步解,然后用阻尼最小二乘法(damped least squares)提炼结果。

经过反复调整优化参数权重得到非球面镜参数为:c = 9.301 69,k = -0.560 34,a1= -0.054 31,a2=-5.463 66×10-4,a3= -5.107 80×10-6,a4= -2.016 49×10-8,a5= -5.177 86×10-9。为了限制光斑大小,在透镜前表面和透镜后25 mm处分别加入一个光阑,使得整个系统入射孔径为Φ1= 10 mm,出射孔径为Φ2=12 mm。系统的3D模型和光强分布如图5所示。

从图5(b)和图5(c)中可以很直观地看出,在距离透镜45 mm、直径约为12 mm的范围内实现了均匀光强分布。最大辐照度为90.223 5 m W/cm2,探测器光通量为247.3 m W,光源能量利用率为60%。

3 控制系统

控制系统单元以C8051F410单片机为核心,内部资源丰富,外围电路简洁,采用C语言编程,方便功能扩展,并具有多个数字/模拟接口,可以用于采集LED和环境的不同参数,做到实时监控。操作界面单元采用5.7 in(1 in=25.4 mm)液晶触摸屏,通过单片机的串口通信接口,可以方便地实现实时控制,且界面简洁易于操作。紫外LED照射仪驱动电源采用PTH12040W电源模块对LED工作电压进行控制,并通过高精度采样电阻对LED工作状态进行实时检测。操作流程如图6所示。

3.1 界面操作单元

使用触摸屏作为界面操作单元的核心不仅让操作界面简洁易于操作,而且使得单片机编程的复杂性降低,可扩展性得到增强。触摸屏通过串口通信(RS232标准)与单片机进行数据交换,但由于单片机供电电压为5 V,必须使用电压转换芯片将输出电压转换为RS232电压才能正常进行数据通信。本系统选用MAX232作为电压转换芯片,通信电路如图7所示。图中IC02为MAX232芯片,T1IN和R1OUT引脚分别接到单片机串口通信引脚P0.4/TX和P0.5/RX,引脚T1OUT和R1IN分别接到排针CN05的5号和6号引脚,而5号、6号引脚分别接到触摸屏的TX和RX引脚,从而通过MAX232芯片使得低电平信号转换成高电平,实现了单片机和触摸屏之间的通信。

3.2 紫外 LED 驱动电源

向触摸屏控制系统中导入图形文件和配置文件后,点击屏幕上相应功能的按钮,触摸屏通过串行通信接口向单片机发送相应的指令。单片机接收指令后对指令进行识别和处理,一方面通过通信接口将控制指令反馈给触摸屏改变触摸屏的显示状态,另一方面生成具体的控制信号发送给紫外LED驱动电源,电源根据控制信号驱动紫外LED。紫外LED驱动电源通过电压源驱动方式对LED进行驱动,使用德州仪器生产的PTH12040W电源模块对紫外LED驱动电压的大小进行调节,将单片机具有DAC功能的引脚接到电源模块的Track引脚,通过单片机改变Track引脚的电压值调节LED两端驱动电压。

阻值为1 mΩ的高精度检流电阻PBV-R001F1-1.0将紫外LED的工作电流值反馈给单片机,电流采样电路如图8所示。图中J01和J02分别接LED的正负极,检流电阻与紫外LED串联,由于R22电阻很大,产生的电流可忽略不计,故检流电阻通过的电流值与紫外LED的工作电流值相等,并通过U+和U-引脚将电流信息以电压的形式反馈到单片机的具有ADC功能的引脚,由单片机计算得到LED的工作电流,通过单片机与触摸屏的数据交换对紫外LED工作状态进行实时监控与调节。

4 结论

本文从紫外LED照射仪的总体构架出发,讨论了非球面镜匀光系统的设计方法,并通过ZEMAX光学软件的设计,在距离透镜45 mm、直径约为12 mm的范围内实现了均匀照明,最大辐照度为90.223 5 m W/cm2,光源能量利用率为60%,满足了角膜胶原交联术的需求。该照射仪通过单片机控制,高精度电阻采样反馈,并采用触摸屏作为人机界面,不仅实现了对系统工作状态的实时监控,还由于触摸屏显示图形直观清晰使得照射仪操作简单易懂。该照射仪已在广州军区武汉总医院眼科中心对小白兔眼睛的照射实验中得以应用。角膜胶原交联术7 d后,通过电镜观察实验组较对照组角膜胶原纤维排列更密集,细胞轻度肿胀(如图9所示),说明该照射仪可以满足现阶段角膜胶原交联术实验的基本要求。

摘要：目的:设计一种应用于角膜胶原交联术的紫外LED照射仪,可进行光强均匀的照射,以满足角膜胶原术的需求。方法:以资源丰富的C8051F410单片机作为控制系统核心,采用触摸屏作为人机交互界面,并通过精密电阻对工作电流进行采样,以实时监控紫外LED的工作状态;通过使用光学设计软件ZEMAX设计和优化的非球面镜匀光系统,实现紫外LED均匀照明。结果:在距离透镜45 mm、直径约为12 mm的范围内实现了均匀光强分布。最大辐照度为90.223 5 m W/cm2,探测器光通量为247.3 m W,光源能量利用率为60%。结论:该紫外LED照射仪在均匀度和辐照度方面均达到了角膜胶原交联术的需求,并在医院眼科中心通过对小白兔眼睛的照射实验已经验证了照射仪的性能,可以满足角膜胶原交联术的需求。

紫外光LED论文 篇6

传统的p-型使用Mg掺杂的Al GaN，但器件均表现出较差的光学和电学特性[2]，如光输出功率较低，工作电压较高。因Al GaN三元合金掺杂受主有极大的激活能，使得p型层空穴浓度比n型层至少一个数量级，电阻较大，结晶质量差产生大量的螺位错和线位错，位错会形成非辐射复合中心和漏电通道，恶化器件性能[3]。针对p型掺杂的问题，本文提出了使用短周期超晶格(Short Period Super lattices,SPSLs)替换传统的P-Al GaN层。并采用p-Al GaN/p-GaN SPSLs作为LED的p型层，获得的LED器件性能良好，且已被用于商业化的批量生产。

1 实验原理

p型超晶格提高空穴浓度的机理是价带顶周期性的振荡，如图1所示。由于所受应力的Al GaN层的自发和压电极化引起的高电场导致了超晶格能带的弯曲[4]。受主杂质在远离费米能级的价带边发生电离，产生的空穴聚集到距离费米能级较近的价带边，形成被束缚的薄空穴气。位于费米能级下的受主杂质能级离费米能级越远时，受主杂质的激活能越低，越容易电离出空穴。被电离出的空穴被移动到费米能级之上，远离了受主离子，打破了电离平衡，进一步促进了受主杂质的电离[5]。Kumakura K等人对文献[6]Mg掺杂的p-Al GaN/p-GaN超晶格的受主杂质激活能进行了测试，发现其激活能为20.5 me V，远低于Mg掺杂的p-GaN体材料的激活能，180 meV。

尽管超晶格中的自由空穴被分立成平行的空穴气，但是它们空间上的平均空穴密度远比单纯的体材料的空穴密度大很多。由于聚集空穴气的沟道中电离杂质较少，因此空穴气沿沟道方向具有较高的迁移率。较高的空穴气浓度和迁移率使得超晶格获得了较大的横向电导。但纵向上由于存在多个势垒，超晶格的纵向电导将比p-GaN体材料的电导要小。

当器件加正向偏压时，p-GaN/Al GaN SLs中GaN层可被看做是有很多平行电阻并联的低电阻导电层，电流在GaN阱层可较好的扩展开，宽禁带的Al GaN层可被当做一系列串联电阻，在高电流注入下会阻挡载流子的垂直注入[7]。

LED p层的主要作用是为MQWs注入空穴。内量子效率η=单位时间内产生的光子数/单位时间内注入的电子-空穴对数。理想的直接带隙的GaN族的η趋于100%，则其单位时间内产生的光子数约等于单位时间内注入MQWs的空穴电子对。由于目前n层电子注入能力远好过p层的空穴注入能力，所以单位时间内注入MQWs的电子远比空穴多，使得单位时间内注入的空穴电子对数约等于单位时间内由p层注入的空穴量。将LED的MQWs等效为二极管，而其他部分等效为电导网络，如图2所示，则单位时间内注入MQWs的空穴量在该模型中变为流入二极管的电流密度J。即电导网模型中，电流密度J约等于单位时间内产生的光子数。电流密度J越大，单位时间内产生的光子数越多，LED的光输出功率(Light Out Power,LOP)也越大。当外加恒定电流时，二极管的串联电导越大，需要的外加电场越小。半导体材料的电导满足公式:电导σ=载流子浓度p×载流子迁移率μ×电荷量q，其中电荷量q是常量。这意味着，提高载流子浓度或者载流子迁移率便能提高电导值，进而降低外加电场，即降低额定工作电流下LED的工作电压，并提高发光效率。

2 实验参数

本文LED芯片采用金属有机化学气相沉积法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)在c面蓝宝石衬底上生长，图3是LED芯片结构，结构包括u-GaN缓冲层，2μm厚Si掺杂n-Ga N层，Al0.05Ga0.95N/Al0.12Ga0.88N多量子阱层，10 nm厚的p-Al0.20Ga0.80N电子阻挡层，Mg掺杂p-GaN/Al0.20Ga0.80N层，p+GaN接触层。p-SPSLs周期数为20个，每个周期Ga N和Al0.20Ga0.80N厚度分别为2 nm和3 nm。P-Al GaN/Ga N SPSLs的生长温度为960℃。外延生长结束后，通过标准化的芯片制程将3个外延片制作成LED芯片样品，芯片面积为45 mil×45 mil(1 mil=0.025 4 mm)，阳极为In SnO(ITO)电流扩展层加上CrNiAu电极，阴极仅为CrNiAu电极。

在维明LED-617上，对每种实验样品抽取了200颗芯片进行了光电性能的测试，设备使用UV-100测试探头。本文测试了从每种LED样品中抽取出的200颗芯片的电致发光(EL)功率。

3 实验结果

图4为动态电阻随外加电压的曲线图，当电压<1.0 V时，电阻为109～1 010Ω，这是因在Ga N/Al Ga N SLs中，载流子沿着异质结面扩散，出现电流扩展，此时载流子几乎都限制在阱层中，所以电阻非常大。当电压为1.0～3 V时，动态电阻值急剧下降，此时具有较大能量的载流子数增多，随着外加电压的增大，均匀的分布在整个超晶格中。短周期超晶格的阱层的载流子密度很高，会从势阱中隧穿到势垒层中，所以载流子不仅会水平迁移，还会发生垂直迁移，使电流得到更好的扩展。

从图5的I-V曲线中可看到，在20 m A下LED的开启电压为3.41 V，在350 m A电流注入下，工作电压为3.75 V。p-SLs的作为p型层，使器件的工作电压非常理想，因为短周期超晶格横向电阻和纵向电阻的不同，横向电阻小，电流更容易向整个LED界面扩展开来，使电流分布更均匀。同时，因超晶格中的空穴密度高，在加正向偏压时，空穴容易穿过势垒，发生垂直迁移，减小LED器件的寄生电阻和工作电压。LED样品在350 m A电流下的正向电压和光输出功率的测试结果如图6所示。样品的峰值波长约为350 nm。由图可知，发光功率LOP随着注入电流的增大线性增大，在工作电流为350 m A时，发光亮度LOP为22.66m A，此时的EQE为1.73%。使用p-Ga N/Al GaN超晶格作为LED的p层，器件的发光功率有了大幅提高，这是因超晶格的使用降低了Mg的电离能，p层不仅空穴浓度提高，相对于体材料高一个数量级而且未电离的Mg受主减少，空穴受到杂质的散射作用减小，使得更多空穴注入到有源区，在多量子阱中与电子发生辐射复合，从而使器件具有较好的发光效率。

4 结束语

本文研究了在蓝宝石衬底上生长Al GaN基LED的发光特性和电学特性，研究发现，用Al GaN/GaN做Al GaN基紫外LED的p型层，器件具有较低的工作电压和良好的发光效率，可以满足应用中对光功率的要求。这是因超晶格的极化效应降低了Mg受主的电离能，提高了空穴浓度，并且因为横向电阻和纵向电阻的不同，大幅提高了电流扩展能力，从而增加了空穴的注入到多量子阱的效率，增加了器件的发光功率，并降低了LED工作电压。实验表明，使用p-Al GaN/Ga N超晶格做为LED的p型层，是获取低电压、高效率紫外LED的有效方法。

摘要：使用p-Al Ga N/p-Ga N SPSLs作为LED的p型层,在蓝宝石衬底上生长出发光波长为350 nm的Al Ga N基紫外LED。由于Al Ga N/Ga N超晶格的极化效应,使得Mg受主的电离能降低,大幅提高了器件的光学和电学性能。在工作电流为350 m A下发光亮度达到了22.66 m W,相应的工作电压为3.75 V,LEDs的光功率满足了实际应用需求。

关键词：AlGaN基紫外LED,AlGaN/GaN超晶格,I-V特性

参考文献

[1]Khan A,Balakrishnan K,Katona T.Ultraviolet light-emitting diodes based on group three nitrides[J].Nat Photonics,2008,2(2):77-84.

[2]Li J,Oder T N,Nakami M L,et al.Optical and electrical properties of Mg-doped p-type Al_xGa₁-_xN[J].Appl.Phys.Lett.,2002,80(6):1210-1219.

[3]Hino T,Tomiya S,Miyajima T,et al.Characterization of threading dislocations in Ga N epitaxial layers[J].Appl.Phys.Lett.,2000,76(3):3421-3431.

[4]Kozodoy P,Hansen M,Denbaars S P,et al.Enhanced Mg doping efficiency in Al Ga N/Ga N superlattices[J].Appl.Phys.Lett.,1999,74(7):3681-3688.

[5]Schubert E F,Grieshaber W,Goepfert I D.Enhancement of deep acceptor activation in semiconductors by superlattice doping[J].Appl.Phys.Let.,1996,69(24):3737-3739.

[6]Kumakura K,Makimoto T,Kobayashi N.Enhanced hole generation in Mg-doped Al Ga N/Ga N superlattices due to piezoelectric field[J].Japanese Journal of Appl.Phys.Lett.,2000,39(9):2428-2433.