Белый свет на базе узкополосных источников
В обстоятельной статье [1], опубликованной в журнале "Nature communications" в 2022 году, рассматривается возможность построения источника белого света на базе квантовых точек (КТ). Создание источника белого света на базе таких узкополосных источников света, как КТ, представляется весьма перспективным по сравнению с источниками на базе светодиодов и композиции люминофоров, рассматриваемых в [2].
В обычных светодиодах в качестве активного светоизлучающего слоя используется несколько слоев полупроводников P- и N-типа, которые состоят из таких элементов как In, Ga и Al. В источнике белого света на базе QD-LED в качестве активного слоя применяется композиция коллоидных квантовых точек. Базовыми характеристиками таких точек является широкий диапазон спектров (от ультрафиолета до инфракрасного цвета). Причем длина волны излучения зависит только от размера КТ и легко настраивается на нужное значение. Ширина спектра КТ соизмерима с шириной спектра обычного светодиода и составляет от 20 до 30 нм. Подробнее о КТ можно почитать здесь [3].
Упрощенная структура такого светодиода — QD-LED показана на рисунке.
Слои квантовых точек, упорядоченные (как на рисунке) или неупорядоченные (смесь), располагаются между электронным N- и дырочным P-слоями. Именно наличие этих двух слоев характерно для всех типов светодиодов. Слои необходимы для транспорта электронов в активную зону светоизлучения, в качестве которой в данном случае выступает слой квантовых точек, работающих как электролюминофор.
В [1], с помощью метода Нелдера-Мида (метод безусловной оптимизации функции от нескольких переменных), произведен подбор длин волн для 3-х, 4-х и 6 компонентных QD-LED. На следующих рисунках показаны спектры таких светодиодов. В левой части рисунка — спектры из статьи [1], а в правой -суммарный спектр, рассчитанный с помощью калькулятора светодиодов [4]. Те и другие спектры отнормированы относительно белого света D65.
Еще раз о качестве белого света
Международная комиссия по освещению (CIE) в последнее время обсуждает замену устаревшего индекса цветопередачи CRI, разработанный в 60-е годы для источников света с непрерывным спектром. CRI базируется на сравнении тестируемых цветов при освещении данным источником света и эталонным источником.
В последнее время CIE рассматривает методику Color Quality Scale (CQS), но она пока не принята. В 2015 году был разработан стандарт ТМ-30-15, который оценивает качество цвета не только по тестируемым цветам, но и по встречающимся в повседневности предметам. Подробнее об этих методиках и стандартах можно почитать в [5].
Вместе с тем, есть простой и наглядный расчет качества белого света - QWL (quality of white light) или просто Q, описанный в [6]. Этот расчет основан на сравнении спектра тестируемого источника со спектром эталонного. Расчет пригоден как для источников с непрерывным спектром, так и для синтезированных узкополосными источниками.
Сравним CRI для 3-, 4- и 6-компонентных источников света, рассчитанных в [1], с рассчитанными QWL [6].
CRI 3=84%, QWL 3=29%,
CRI 4=97%, QWL 4= 38%,
CRI 6=97%, QWL 6=55%.
А теперь еще раз взглянем на вышеприведенные спектры и на их близость к белому свету D65... И сделаем выводы.
Перспективный источник белого света
Развивая тезисы [1], можно предложить источник белого света на базе узкополосных источников света - квантовых точек. Единственное, можно отказаться от Нелдера и Мида и поступить проще.
Производители коллоидных квантовых точек утверждают, что доступен синтез КТ с любыми пиковыми длинами волн. Тогда можно взять, например 15 КТ с пиковыми длинами волн от 410 до 690 нм, с шагом 20 нм. Подобрав количество КТ каждого цвета, можно создать смесь КТ, которая будет иметь суммарный спектр, близкий к D65 (примерный спектр такого источника света показан на рисунке: красная линия - D65, синяя - суммарный спектр разрабатываемого источника), или любому другому белому свету (A, B, C, D50, D75, F2, F7 и т.д.). Привет светотехникам Бхарата.
В развитие этой идеи можно создать смесь из 20, 30 и более КТ. В этом случае можно достичь практически идеального совпадения с любым заданным непрерывным спектром. Любопытно, что такие источники белого света где-то созвучны всюду проникающей цифровизации. (Это шутка, недалекая от истины).
3. Удивительные квантовые точки
4. Новый калькулятор светодиодов
5. Системы оценки качества искусственного освещения: CRI, CQS, TLCI
6. Упрощенный расчет качества белого света
