應(yīng)用衍射元件的雙藍(lán)光芯片激發(fā)色溫可調(diào)led照明燈具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于照明領(lǐng)域，具體是一種色溫、亮度等參數(shù)可以手動(dòng)調(diào)節(jié)或設(shè)置，并且通 過(guò)衍射光學(xué)元件消除照明色差、實(shí)現(xiàn)配光的LED燈具。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，固態(tài)照明領(lǐng)域發(fā)展迅速，LED燈具以其高效、節(jié)能、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是 具有廣泛前景，能取代白熾燈、熒光燈等燈具成為新型的照明燈具。目前普通LED燈具色溫 偏高，且不可調(diào)，照明光斑有色差、不均勻，會(huì)損害使用人視力、增加照明不適反應(yīng)，所以要 設(shè)計(jì)光斑色差可校正、照度分布均勻的照明燈具，以提高照明的舒適性和安全性。而且夜間 使用高色溫、光斑色差不均勻的燈具影響使用人的工作效率、生物鐘效應(yīng)、妨礙睡眠的缺點(diǎn) 已開(kāi)始被一些人所重視，并著手開(kāi)發(fā)合適的LED燈具。然而，高色溫和低色溫均有它們的 優(yōu)缺點(diǎn)。低色溫、溫暖柔和的光照能促進(jìn)褪黑激素的分泌，促進(jìn)使用人后續(xù)進(jìn)入睡眠，適合 夜間照明或休息時(shí)的照明；而高色溫的光照則正好相反，抑制褪黑激素的分泌，讓使用人警 覺(jué)、振奮，且不易犯困，適合工作時(shí)的照明。如果設(shè)計(jì)色溫可調(diào)的LED照明燈具，則可以用一 個(gè)燈具同時(shí)滿(mǎn)足這兩種需求，結(jié)合兩種不同色溫照明的優(yōu)點(diǎn)，供用戶(hù)在不同的時(shí)段或狀態(tài) 下使用。而且兼有光斑色差可校正、照度分布均勻的照明燈具，更將提高照明的舒適性和安 全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)可調(diào)LED燈具的需求，提供了一種燈具中每個(gè)LED發(fā)光 燈體帶有兩種LED芯片，通過(guò)手機(jī)APP調(diào)節(jié)它們的驅(qū)動(dòng)電流可以進(jìn)而調(diào)節(jié)它們的色溫、照度 的LED燈具。其具體技術(shù)方案如下： 一種應(yīng)用衍射元件實(shí)現(xiàn)光斑色差校正和配光的雙藍(lán)光芯片激發(fā)的色溫可調(diào)LED照明 燈具，包括燈體、燈體驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)、透鏡系統(tǒng)和燈具透明罩，：所述透鏡系統(tǒng)由多 臺(tái)階衍射光學(xué)元件和折射透鏡組成，所述燈體內(nèi)的LED燈含有兩種不同發(fā)光波長(zhǎng)的藍(lán)光 LED芯片，芯片上涂有黃色YAG熒光粉或黃色YAG熒光粉加紅色熒光粉。
[0004] 進(jìn)一步的，所述燈體驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，調(diào)節(jié)兩種LED芯片的驅(qū)動(dòng)電流 控制發(fā)光功率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)色溫和照度的目的。
[0005] 進(jìn)一步的，所述多臺(tái)階衍射光學(xué)元件的衍射臺(tái)階為2-8個(gè)。
[0006] 進(jìn)一步的，所述透鏡系統(tǒng)包括第一衍射光學(xué)面，將該衍射光學(xué)元件前的存在色差 的光斑轉(zhuǎn)換成該衍射光學(xué)元件后沒(méi)有色差的光斑，實(shí)現(xiàn)光斑顏色均勻照明，所述的衍射光 學(xué)元件的透過(guò)函數(shù)對(duì)可見(jiàn)區(qū)內(nèi)各波長(zhǎng)λ的光通過(guò)該元件的變化符合如下設(shè)計(jì) 公式：
其中，X(i、yci代表 通過(guò)透鏡之后的位置坐標(biāo)，E(X(I，y(l)即透鏡后的照度分布表達(dá)式；Xi、 yi為透鏡前的位置坐 標(biāo)，E1 (Xi, yi)代表透鏡前的照度分布表達(dá)式，f是透鏡焦距，Σ是透鏡有效透光區(qū)域。
[0007] 進(jìn)一步的，所述透鏡系統(tǒng)包括改變光斑形狀和光照度分布的光學(xué)元件，使得光斑 呈光照度均勻分布。
[0008] 進(jìn)一步的，所述改變光斑形狀和光照度分布的光學(xué)元件是第二衍射光學(xué)面，將該 衍射光學(xué)元件前的照度不均勻光斑轉(zhuǎn)換成待照明位置處照度均勻的光斑，實(shí)現(xiàn)照度均勻照 明，對(duì)可見(jiàn)區(qū)內(nèi)各波長(zhǎng)λ，所述的第二衍射光學(xué)面的照度透過(guò)函數(shù)Φ2 (xi，yi)按照下式 來(lái)設(shè)計(jì)
其中，X^yi 代表第二衍射光學(xué)面前的位置坐標(biāo)，E2(Xi，yi)代表第二衍射光學(xué)面前的照度分布； X(l、y(l為 待照明位置的坐標(biāo)，E(X(I，ytl)則為待照明位置處各點(diǎn)的照度分布。D是照明距離。
[0009] 進(jìn)一步的，所述改變光斑形狀和光照度分布的光學(xué)元件是自由曲面透鏡；該自由 曲面透鏡采用如下涉及：首先建立自由曲面透鏡前入射光斑的模型，將自由曲面分割成許 多子曲面，使用光線追蹤的方法，對(duì)射入曲面上各個(gè)子曲面上的光線進(jìn)行收集和統(tǒng)計(jì)分析， 按照聚光的要求，通過(guò)控制子曲面法線方向，將光線進(jìn)行最大程度的準(zhǔn)直，從而通過(guò)該自由 曲面實(shí)現(xiàn)透鏡前的不均勻光斑到透鏡后的均勻光斑的映射。
[0010] 進(jìn)一步的，所述燈體內(nèi)的每個(gè)LED燈含有兩種不同的藍(lán)光LED芯片，它們的峰值 波長(zhǎng)分別是415~465nm和445~495nm，兩種藍(lán)光LED芯片的峰值波長(zhǎng)相差30~50nm，帶寬為 18~30nm ;從而實(shí)現(xiàn)色溫2500-6500K可調(diào)；當(dāng)兩種藍(lán)光LED芯片上涂有黃色YAG熒光粉時(shí)， 顯色指數(shù)達(dá)到86以上，涂有黃色YAG熒光粉加紅色熒光粉時(shí)，顯色指數(shù)達(dá)到93以上。
[0011] 進(jìn)一步的，通過(guò)手機(jī)APP控制，信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)和燈體驅(qū)動(dòng)器聯(lián)動(dòng)，從APP上調(diào) 節(jié)或設(shè)置LED照明光源的色溫、照度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工作時(shí)色溫較高的光源照明（色溫 4000~6500K);休息時(shí)使用色溫較低的光源（色溫2500~4000K)。
[0012] 進(jìn)一步的，所述燈體可實(shí)現(xiàn)低色溫照明，低色溫照明時(shí)最大峰值波長(zhǎng)為 560~600nm，適合中老年人晶狀體黃化所引起的透過(guò)率向長(zhǎng)波偏移的視覺(jué)特性，提高中老年 人在夜間工作時(shí)的視力。
[0013] 本發(fā)明根據(jù)人類(lèi)在工作時(shí)和休息時(shí)對(duì)照明色溫、光斑均勻度的不同需求，設(shè)計(jì)了 一種應(yīng)用衍射元件實(shí)現(xiàn)光斑色差校正和配光的、兼具雙藍(lán)光芯片激發(fā)的色溫可調(diào)的LED照 明燈具。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的雙藍(lán)光芯片激發(fā)的色溫可調(diào)、光斑色差校正的LED照明燈具結(jié)構(gòu) 圖； 圖2是去色差衍射透鏡結(jié)構(gòu)圖； 圖3是衍射透鏡系統(tǒng)光路轉(zhuǎn)換示意圖； 圖4 (a)是低色溫LED的發(fā)光光譜； 圖4 (b)是低色溫LED的發(fā)光光譜。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016] 本發(fā)明包括燈體1、燈體驅(qū)動(dòng)器2、信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)3、透鏡系統(tǒng)4和燈具透明罩組成， 如圖1所示。本發(fā)明使用了衍射光學(xué)元件作為光線變換透鏡系統(tǒng)。傳統(tǒng)白光LED照明中，因 為照明中心和照明邊緣由于透過(guò)透鏡光程和通過(guò)熒光粉厚度的不同、色散不同，照明邊緣 通過(guò)的熒光粉厚度更大，且光程更長(zhǎng)，色散更大，因此在照明邊緣的光色偏黃，中心偏白。這 意味著光斑的中心和邊緣存在較大的色差，這種現(xiàn)象在傳統(tǒng)照明燈具，如熒光燈、白熾燈等 中鮮有存在，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)難以適應(yīng)，增加照明不舒服。因此，本發(fā)明在LED燈體外增加了衍 射光學(xué)元件組成的透鏡系統(tǒng)4,該衍射透鏡系統(tǒng)由多階衍射光學(xué)元件組成，衍射階數(shù)為2-8 階，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該衍射透鏡系統(tǒng)能夠?qū)⒀苌涔鈱W(xué)元件前的存在色差的光斑轉(zhuǎn)換成 衍射光學(xué)元件后沒(méi)有色差的光斑，實(shí)現(xiàn)光斑的顏色均勻照明。所述衍射光學(xué)元件的透過(guò)函 數(shù)，所述衍射光學(xué)元件的透過(guò)函數(shù)Φ: (Xi，yi)，對(duì)可見(jiàn)區(qū)內(nèi)各波長(zhǎng)λ的光通過(guò)該元件的變 化符合如下設(shè)計(jì)公式：
其中，x〇、y〇代表通過(guò)透鏡之后的位置坐標(biāo)，Ε(χ〇，y〇)即透鏡后的照度分布表達(dá)式；Xi、 Yi為透鏡前的位置坐標(biāo)，E i (Xi, yi)代表透鏡前的照度分布表達(dá)式，f是透鏡焦距，Σ是透鏡 有效透光區(qū)域。并且，常規(guī)單個(gè)LED燈的照明光斑中心亮度大，邊緣亮度低，不均勻。實(shí)際 上，人類(lèi)工作的很多情況需要的光斑形狀并非圓形。如對(duì)道路和桌子的照明，方形的光斑能 更加有利地利用能量。并且，常規(guī)LED燈具中心亮度過(guò)高，不僅僅引起了能量的浪費(fèi)，不均 勻亮度過(guò)高的光也會(huì)因存在眩光而引起用戶(hù)的不適。本發(fā)明在衍射透鏡系統(tǒng)中，還包含了 能改變光斑形狀和光強(qiáng)分布的透鏡系統(tǒng)，使光均勻分布在方形，或用戶(hù)需要的形狀下，合理 利用能量，進(jìn)一步滿(mǎn)足LED照明節(jié)能的目標(biāo)。
[0017] 該改變光斑形狀和光強(qiáng)分布的透鏡系統(tǒng)可以是兩種，一種是自由曲面透鏡系統(tǒng)， 該自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)是：首先建立自由曲面透鏡前入射光斑的模型，使用光線追蹤的方 法，對(duì)射入曲面上各個(gè)子曲面上的光線進(jìn)行收集和統(tǒng)計(jì)分析，按照聚光器的要求，通過(guò)控制 子曲面法線方向，將光線進(jìn)行最大程度的準(zhǔn)直，從而通過(guò)該自由曲面實(shí)現(xiàn)透鏡前的不均勻 光斑到透鏡后的均勻光斑的映射。舉例，若用戶(hù)需要長(zhǎng)方形的均勻光斑，本發(fā)明將使用花生 米狀自由曲面，產(chǎn)生蝙蝠翼形配光曲線的均勻光斑，發(fā)光示意圖如圖3所示； 另外一種可以是實(shí)現(xiàn)亮度均勻照明的衍射透鏡。該衍射透鏡能夠?qū)⒃撗苌涔鈱W(xué)元件前 的照度不均勻光斑轉(zhuǎn)換成該衍射光學(xué)元件后照度均勻的光斑，實(shí)現(xiàn)照度均勻照明。所述的 衍射光學(xué)元件的照度透過(guò)函數(shù)Φ2 (xi，yi)按照下式來(lái)設(shè)計(jì)：
其中，Xpyi代表第二衍射光學(xué)面前的位置坐標(biāo)，E2(Xi，yi)代表第二衍射光學(xué)面前的 照度分布；χ〇、y。為待照明位置的坐標(biāo)，E(X(1，則為待照明位置處各點(diǎn)的照度分布，D是 照明距離。兩種光學(xué)元件均能達(dá)到使光強(qiáng)均勻分布在用戶(hù)指定的照明形狀下的目的。
[0018] 圖1中，燈體1的每個(gè)LED包含有兩種藍(lán)光LED芯片，其中第一個(gè)藍(lán)光LED芯片發(fā) 光的峰值波長(zhǎng)范圍在415~465nm之間，第二個(gè)藍(lán)光LED芯片發(fā)光的峰值波長(zhǎng)在445~495nm 之間。藍(lán)光LED芯片發(fā)光的帶寬為18~30nm。在藍(lán)光LED芯片上