應用衍射元件的雙藍光芯片激發(fā)色溫可調led照明燈具的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于照明領域，具體是一種色溫、亮度等參數可以手動調節(jié)或設置，并且通 過衍射光學元件消除照明色差、實現配光的LED燈具。
【背景技術】
[0002] 目前，固態(tài)照明領域發(fā)展迅速，LED燈具以其高效、節(jié)能、長壽命的優(yōu)點，被認為是 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，照明光斑有色差、不均勻，會損害使用人視力、增加照明不適反應，所以要 設計光斑色差可校正、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、妨礙睡眠的缺點 已開始被一些人所重視，并著手開發(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。低色溫、溫暖柔和的光照能促進褪黑激素的分泌，促進使用人后續(xù)進入睡眠，適合 夜間照明或休息時的照明；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、振奮，且不易犯困，適合工作時的照明。如果設計色溫可調的LED照明燈具，則可以用一 個燈具同時滿足這兩種需求，結合兩種不同色溫照明的優(yōu)點，供用戶在不同的時段或狀態(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)明內容】

[0003] 本發(fā)明針對現有技術中對可調LED燈具的需求，提供了一種燈具中每個LED發(fā)光 燈體帶有兩種LED芯片，通過手機APP調節(jié)它們的驅動電流可以進而調節(jié)它們的色溫、照度 的LED燈具。其具體技術方案如下： 一種應用衍射元件實現光斑色差校正和配光的雙藍光芯片激發(fā)的色溫可調LED照明 燈具，包括燈體、燈體驅動器、信號收發(fā)系統(tǒng)、透鏡系統(tǒng)和燈具透明罩，：所述透鏡系統(tǒng)由多 臺階衍射光學元件和折射透鏡組成，所述燈體內的LED燈含有兩種不同發(fā)光波長的藍光 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] 進一步的，所述燈體驅動器和信號收發(fā)系統(tǒng)聯(lián)動，調節(jié)兩種LED芯片的驅動電流 控制發(fā)光功率，從而實現調節(jié)色溫和照度的目的。
[0005] 進一步的，所述多臺階衍射光學元件的衍射臺階為2-8個。
[0006] 進一步的，所述透鏡系統(tǒng)包括第一衍射光學面，將該衍射光學元件前的存在色差 的光斑轉換成該衍射光學元件后沒有色差的光斑，實現光斑顏色均勻照明，所述的衍射光 學元件的透過函數對可見區(qū)內各波長λ的光通過該元件的變化符合如下設計 公式：
其中，X(i、yci代表 通過透鏡之后的位置坐標，E(X(I，y(l)即透鏡后的照度分布表達式；Xi、 yi為透鏡前的位置坐 標，E1 (Xi, yi)代表透鏡前的照度分布表達式，f是透鏡焦距，Σ是透鏡有效透光區(qū)域。
[0007] 進一步的，所述透鏡系統(tǒng)包括改變光斑形狀和光照度分布的光學元件，使得光斑 呈光照度均勻分布。
[0008] 進一步的，所述改變光斑形狀和光照度分布的光學元件是第二衍射光學面，將該 衍射光學元件前的照度不均勻光斑轉換成待照明位置處照度均勻的光斑，實現照度均勻照 明，對可見區(qū)內各波長λ，所述的第二衍射光學面的照度透過函數Φ2 (xi，yi)按照下式 來設計
其中，X^yi 代表第二衍射光學面前的位置坐標，E2(Xi，yi)代表第二衍射光學面前的照度分布； X(l、y(l為 待照明位置的坐標，E(X(I，ytl)則為待照明位置處各點的照度分布。D是照明距離。
[0009] 進一步的，所述改變光斑形狀和光照度分布的光學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，對射入曲面上各個子曲面上的光線進行收集和統(tǒng)計分析， 按照聚光的要求，通過控制子曲面法線方向，將光線進行最大程度的準直，從而通過該自由 曲面實現透鏡前的不均勻光斑到透鏡后的均勻光斑的映射。
[0010] 進一步的，所述燈體內的每個LED燈含有兩種不同的藍光LED芯片，它們的峰值 波長分別是415~465nm和445~495nm，兩種藍光LED芯片的峰值波長相差30~50nm，帶寬為 18~30nm ;從而實現色溫2500-6500K可調；當兩種藍光LED芯片上涂有黃色YAG熒光粉時， 顯色指數達到86以上，涂有黃色YAG熒光粉加紅色熒光粉時，顯色指數達到93以上。
[0011] 進一步的，通過手機APP控制，信號收發(fā)系統(tǒng)和燈體驅動器聯(lián)動，從APP上調 節(jié)或設置LED照明光源的色溫、照度等參數，實現工作時色溫較高的光源照明（色溫 4000~6500K);休息時使用色溫較低的光源（色溫2500~4000K)。
[0012] 進一步的，所述燈體可實現低色溫照明，低色溫照明時最大峰值波長為 560~600nm，適合中老年人晶狀體黃化所引起的透過率向長波偏移的視覺特性，提高中老年 人在夜間工作時的視力。
[0013] 本發(fā)明根據人類在工作時和休息時對照明色溫、光斑均勻度的不同需求，設計了 一種應用衍射元件實現光斑色差校正和配光的、兼具雙藍光芯片激發(fā)的色溫可調的LED照 明燈具。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的雙藍光芯片激發(fā)的色溫可調、光斑色差校正的LED照明燈具結構 圖； 圖2是去色差衍射透鏡結構圖； 圖3是衍射透鏡系統(tǒng)光路轉換示意圖； 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。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0016] 本發(fā)明包括燈體1、燈體驅動器2、信號收發(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透鏡光程和通過熒光粉厚度的不同、色散不同，照明邊緣 通過的熒光粉厚度更大，且光程更長，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，這種現象在傳統(tǒng)照明燈具，如熒光燈、白熾燈等 中鮮有存在，對用戶來說難以適應，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)由多階衍射光學元件組成，衍射階數為2-8 階，結構圖如圖2所示。該衍射透鏡系統(tǒng)能夠將衍射光學元件前的存在色差的光斑轉換成 衍射光學元件后沒有色差的光斑，實現光斑的顏色均勻照明。所述衍射光學元件的透過函 數，所述衍射光學元件的透過函數Φ: (Xi，yi)，對可見區(qū)內各波長λ的光通過該元件的變 化符合如下設計公式：
其中，x〇、y〇代表通過透鏡之后的位置坐標，Ε(χ〇，y〇)即透鏡后的照度分布表達式；Xi、 Yi為透鏡前的位置坐標，E i (Xi, yi)代表透鏡前的照度分布表達式，f是透鏡焦距，Σ是透鏡 有效透光區(qū)域。并且，常規(guī)單個LED燈的照明光斑中心亮度大，邊緣亮度低，不均勻。實際 上，人類工作的很多情況需要的光斑形狀并非圓形。如對道路和桌子的照明，方形的光斑能 更加有利地利用能量。并且，常規(guī)LED燈具中心亮度過高，不僅僅引起了能量的浪費，不均 勻亮度過高的光也會因存在眩光而引起用戶的不適。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分布的透鏡系統(tǒng)，使光均勻分布在方形，或用戶需要的形狀下，合理 利用能量，進一步滿足LED照明節(jié)能的目標。
[0017] 該改變光斑形狀和光強分布的透鏡系統(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計是：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，對射入曲面上各個子曲面上的光線進行收集和統(tǒng)計分析，按照聚光器的要求，通過控制 子曲面法線方向，將光線進行最大程度的準直，從而通過該自由曲面實現透鏡前的不均勻 光斑到透鏡后的均勻光斑的映射。舉例，若用戶需要長方形的均勻光斑，本發(fā)明將使用花生 米狀自由曲面，產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； 另外一種可以是實現亮度均勻照明的衍射透鏡。該衍射透鏡能夠將該衍射光學元件前 的照度不均勻光斑轉換成該衍射光學元件后照度均勻的光斑，實現照度均勻照明。所述的 衍射光學元件的照度透過函數Φ2 (xi，yi)按照下式來設計：
其中，Xpyi代表第二衍射光學面前的位置坐標，E2(Xi，yi)代表第二衍射光學面前的 照度分布；χ〇、y。為待照明位置的坐標，E(X(1，則為待照明位置處各點的照度分布，D是 照明距離。兩種光學元件均能達到使光強均勻分布在用戶指定的照明形狀下的目的。
[0018] 圖1中，燈體1的每個LED包含有兩種藍光LED芯片，其中第一個藍光LED芯片發(fā) 光的峰值波長范圍在415~465nm之間，第二個藍光LED芯片發(fā)光的峰值波長在445~495nm 之間。藍光LED芯片發(fā)光的帶寬為18~30nm。在藍光LED芯片上