一种新型led光源及其照明装置的制作方法

专利名称：一种新型led光源及其照明装置的制作方法
技术领域：
本发明属于照明工程领域，具体涉及一种发光系统和装置，特别涉及一种新型LED 光源及其照明装置。
背景技术：
目前的照明光源主要有白炽灯、卤素灯、荧光灯以及LED灯等，它们虽然给人类带来了照明的便利，可是它们各有利弊。白炽灯是指通过加热某些金属物质利用热辐射使其产生可见光的光源，白炽灯光的光谱分布连续，在可见光的部分为连续光谱，但同时，作为一种通过加热产生热辐射而发光的光源，白炽灯光的能量分布主要集中于波长较长的区域，故其灯光成分中有较强的短波红外线。短波红外线穿透眼组织的能力较强，照射到眼组织后被晶状体吸收会引起晶状体蛋白变性。起初在晶状体蛋白后皮质层出现空泡和点状浑浊；有时在晶状体前囊表层可见表层剥离，一端附在囊膜上，一端卷曲游离在前房内。在其透过屈光间质后，可聚焦于视网膜黄斑处，造成视网膜部灼伤。可见，虽然在白炽灯灯光照射下人眼在可见区各波长处的响应能力能得到充分的使用，眼睛不易疲劳，但在使用过程中白炽灯灯光光谱红外部分对人体视力的危害也是不可避免的。另一方面，从能耗角度讲，白炽灯在使用过程中，仅30% 的电量用于发光，其他的能量都用于发热，发光效率与当前各种新式光源相比过低。高压汞灯，是电流通过高压汞蒸气，使之电离激发，形成放电管中电子、原子和离子间的碰撞而发光的光源。主要辐射的是404. 7nm、435. 8nm,546. Inm和577. 0 579. Onm 的可见谱线，此外还辐射较强的365. Onm的长波紫外线。长波紫外线对衣物和人体皮肤的穿透性远比中波紫外线要强，可达到真皮深处，并可对表皮部位的黑色素起作用，从而引起皮肤黑色素沉着，使皮肤变黑，起到了防御紫外线，保护皮肤的作用，虽不会引起皮肤急性炎症，但对皮肤的作用缓慢，可长期积累，是导致皮肤老化和严重损害的原因。此外，高压汞灯的灯光中不含红光，长期暴露在这种光下容易导致人眼感受红色的能力下降甚至形成色盲。荧光灯，又叫日光灯，是利用低压汞蒸气放电产生的紫外线激发涂在灯管内壁的荧光粉而发光的电光源。不同的荧光粉可发出不同颜色的光。约60%的电能可转换为紫外光，其余转换为热能。约40%的紫外光能转换为可见光。其可见光的主要波长为405nm(蓝紫光)，436nm (蓝光)，456nm (绿光)和577nm (黄光)，为非连续光谱。而且与普通白炽灯相比，发出的波长太短，易造成视觉疲劳，使人眼睛的视杆细胞受到损伤，也是造成年轻人近视眼的一个原因。另外，荧光灯能产生紫外线辐射，若灯管破碎还可能造成环境的汞污染。LED灯(Light Emitting Diode)又叫发光二极管，是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED发光是基于电流作用下半导体材料中电子与空穴复合，这时电子所携带的多余能量需要释放出来。如果该多余能量是以电子与晶格相关作用而释放即产生声子，就会产生热；如果该多余能量是以光子形式释放，就产生了光。光子能量即为两个位置间的能量差，决定了光波波长。
目前的白光LED主要是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光。实现方法有两种，第一种方法是在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光。而这种方案的一个原理性的缺点就是该荧光体中Ce3+ 离子的发射光谱不具连续光谱特性，显色性较差，难以满足低色照明的要求，同时发光效率还不高。这种LED的最高效率达到44. 31m/w，最高光通量为1871m，产业化产品可达 1201m, Ra为75-80 ；第二种方法是蓝色LED芯片上涂覆绿色和红色荧光粉，通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光，显色性较好，但是这种方法所用荧光粉有效转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率更低。这种LED色温可达到3000K-6000K的较好结果，Ra达到82-87，较前述产品有所提高。同时，这两种方法都存在一致性差、色温随角度变化的缺陷。荧光粉的激发峰宽和矮，而蓝光激发峰高和窄，波长短，能量高，能直接穿透晶体直达眼底视网膜上，激活细胞氧化反应，启动细胞凋亡，引起视网膜细胞损伤，导致视力下降甚至丧失。太阳光中紫外和红外波长的光也同样会对人造成伤害。红外线照射所产生的反应是由于分子振动和温度升高所引起的。红外线引起的热辐射对皮肤的穿透力强，能到达皮下组织。红外线通过其热辐射效应使皮肤温度升高，毛细血管扩张，充血，增加表皮水分蒸发等直接对皮肤造成的不良影响。其主要表现为红色丘疹、皮肤过早衰老和色素紊乱。紫外线主要引起光化学反应和光免疫学反应，能引起过敏性皮炎甚至皮肤癌。在自然阳光下。 皮肤则会受到紫外线和红外线的双重作用，红外线还能促进紫外线引起的皮肤癌的发展。中国专利申请CN101806430 A公开了一种高显色性白光LED，包含激发波长范围为445-465nm的蓝光LED芯片和涂覆于蓝光LED芯片上的荧光粉层，该技术方案中，所述的荧光粉包含在蓝光LED芯片激发下产生绿光的绿色荧光粉，其发射波长为495-535nm ；在蓝光LED芯片激发下产生黄光的黄色荧光粉，其发射波长为M0-570nm ；在蓝光LED芯片激发下产生红光的红色荧光粉，其发射波长为630-650nm。但是该文献中公开的高显色性白光 LED存在如下技术问题(1)高显色性白光LED的白光主要由蓝光LED激发荧光粉形成，因此它在435-480nm波段能量很高，这部分所代表的蓝光对人眼视网膜有较强的刺激作用， 容易损伤人眼视网膜。(2)太阳光光谱是最适合人体生理的光谱，它不仅是连续光谱，而且在可见光范围内的各个波段能量较为均勻。而高显色性白光LED的蓝光波段的能量远比其它波段的光能量高，并不符合人体的视觉生理规律。到目前为止，仍未有一种对人类无害的照明光源。虽然，这些光损害对人类的作用是缓慢的，但我们每天都生活在这些灯光中，它们所造成的损害就不容忽视了。因此，我们亟待研究出一种低耗能、高能效，而且对人类健康和环境更加有益的照明光源。

发明内容
鉴于普通白光LED光谱呈较窄的带状，色彩不全，色温偏高，显色性偏低，灯光对眼睛既不柔和也不协调；以及中国专利申请CN101806430 A公开的一种高显色性白光LED 蓝光成份过高，光谱各个波段能量不均勻，本发明通过降低白光LED光源中的蓝光峰值，补充白光LED光谱中绿光和红光成分，使光谱连续且宽长，从而达到了改良白光LED光源的目的。本发明第一个目的在于提供一种能在380-780nm的全光谱、相关色温从2700-13000K左右的范围内保持光谱的连续性的照明光源，并且其各波长的相对光谱高度又能与太阳光光谱尽可能的相近。作为本发明新型LED光源的一种形式，其为集成式LED光源。其将通过对普通白光LED进行如下的改进。首先，本发明将高反射膜贴在灯罩玻片的内侧面上，从而将白光LED光谱中的蓝光(435-480nm)成分削弱 40%_60%。本发明与高反射膜相贴的玻片材料为二氧化硅，所使用的高反射膜半径为 10-40mm，厚度为0. 5-1. 1mm，为氧化钛和氧化硅两种材料的混合物。高反射膜为高折射率的薄膜，贴于低折射率的玻片上，薄膜上下表面的两反射光使干涉加强，从而使反射光增强，透射光减弱。一般的单层高反射膜可使反射率提高到30% 以上，而多层高反射膜可以提高得更多。本发明即是将高反射膜贴于玻片上，降低蓝光的透射率，从而起到削弱蓝光(435-480nm)成分的目的。该高反射膜在波长为460nm处有最大反射率为40%-60%，反射率以波长为轴以460nm为中心向两边衰减，在420nm和520nm处分别衰减至20%，在380nm和560nm处衰减至5%。本发明使用的高反射膜的透过率与光线波长的关系曲线如图1所示。其次，针对白光LED蓝色波峰后的波谷(一般在480-520nm之间)，本发明通过在白光LED发光板上增加绿光LED单体，绿光LED单体发射480-520nm的绿光，补充波长为 480-520nm 的 LED 光谱。最后，针对白光LED光谱末段衰减的红光成分，本设计通过在白光LED发光板上增加红光LED单体，红光LED单体发射670-720nm的红光，补充波长为670_720nm的红色LED 成份。本发明通过测定本发明新型LED光谱与改进前的白光LED光谱曲线，给出了本发明新型白光LED与普通白光LED的光谱曲线对照图(如图5所示)，由此可见，改进后的新型白光LED补充了绿光和红光的成份后，光谱能量均勻，与太阳光光谱相似，符合人体的视觉生理规律。尤其是在435-480nm波段上，新型白光LED的能量比改进前的白光LED降低了 40-60%，大大削弱了容易对人体视网膜造成损伤的蓝光，增加了光源的安全性。另外，本发明在相同测定条件下还测定了本发明新型LED光、普通白光LED光谱曲线及其中国专利申请CN101806430 A公开的高显色性白光LED光谱对照图，如图6、图7所示。由此可见，(1)普通白光LED与高显色性白光LED的光谱图在435 480nm波段能量都较高，这部分所代表的蓝光易对视网膜造成伤害，而新型LED在这一波段的光能量适中，不会对人体造成损伤。(2)高显色性白光LED与普通白光LED的各波段的光能量不均勻，蓝光波段能量较高，而红光波段的能量较低，色调偏冷，与最优的太阳光光谱不相吻合；而本发明的白光LED各个波段的光能量较为均勻，而且红光波段能量较高，色调偏暖，符合人体的生理需求。针对LED发光芯片表面光密度过强，容易造成对人黄斑的灼伤，本发明选用低能量LED模组(LED模组就是把LED按一定规则排列在一起再封装起来，加上一些防水处理组成的产品。)作为照明光源，新型LED灯的总发光功率为6. 0w。其中红色LED单体占总光源的5%-15%，绿色LED单体占总光源的10%-20%。本光源色温为2700-13000K，优选为 2800-3500K,显色指数为85-97。本光源在室内照明的光强度优选在200-300Lux之间。
本发明通过测定不同比例的红光LED单体、绿色LED单体组合的本发明新型白光 LED光谱曲线图，在原有白光LED单体的基础上增加不同数量配比的红光LED单体和绿光 LED单体，取得更好的连续光谱的照明光源，并且其各波长的相对光谱高度又能与太阳光光谱尽可能的相近。本发明适合的不同比例的红光LED单体、绿色LED单体组合为(1) 15% 的红光LED单体、10%的绿光LED单体；或(2)增加5%的红光LED单体、10%的绿光LED单体；或(3)增加15%的红光LED单体、20%的绿光LED单体。本发明的第二个目的在于，提供一种实现本发明第一个目的的新型LED光源的照明装置。该装置形状为管型、面板形和梨形，并且本发明不局限于这些装置的形状。新型LED光源的照明装置形状为管型时，发光模块由白光、绿光与红光的LED芯片组成，芯片通过螺丝固定在长方形底板上。高反射膜胶接在玻璃(或塑料)灯罩上，灯罩与两侧的塑料底座相连。电源线通过底座连接变压器。新型LED光源的照明装置形状为面板形时，发光模块由白光、绿光与红光的LED芯片组成，芯片通过螺丝固定在正方形的底板上。高反射膜胶接在正方形的玻璃或塑料灯罩上，玻璃或塑料灯罩嵌于金属圆框的凹槽中，金属圆框通过内外螺纹旋合在灯具的铝制外壳上。电源线通过铝制外壳壁上的小孔与底板背侧面的变压器相连。新型LED光源的照明装置形状为梨形(如图2所示)时，发光模块由白光、绿光与红光的LED芯片组成，芯片通过螺丝固定在固定环上，芯片发出的光可通过金属聚光外壳得以集中。高反射膜胶接在玻璃或塑料灯罩上，玻璃或塑料灯罩嵌于金属环凹槽中，金属环通过内外螺纹旋合在金属聚光外壳上。散热模块由金属外壳以及散热鳍片组成，散热鳍片固定在金属外壳上。塑料外壳以内外螺纹形式旋合在散热鳍片上。电源线通过塑料外壳与金属外壳壁上的小孔与变压器相连。我们采用蓝光LED芯片和荧光粉有机结合并辅以绿色和红色LED单体的方法，用常规的封装工艺和环氧树脂封装成半径为3cm的半球形白光LED。蓝光LED芯片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，YAG的质量含量为30-50%。LED芯片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白光，另外以红色和绿色的LED单体补充光谱。发光部分封装在树脂中。本发明新型LED光源另外一种形式是单颗大功率LED。单颗大功率LED由灯罩套、 高反射膜、集成单颗大功率LED芯片、恒流驱动电源、散热板、大功率LED基板组成。集成单颗大功率LED芯片是由多颗红、绿、白三色的芯片集成的单个LED芯片。高反射膜贴于灯罩套内侧面，高反射膜能够将芯片的蓝光(435-480nm)成分削弱40%_60% ；灯罩套安装在大功率LED基板边缘上，大功率LED基板一面与集成单颗大功率LED芯片连接，另一面与散热板连接。集成单颗大功率LED芯片与恒流驱动电源位于灯罩内，集成单颗大功率LED芯片和恒流驱动电源连接。单颗大功率LED同样可以通过降低白光LED光源中的蓝光峰值，补充白光LED光谱中绿光和红光成分，使光谱连续且宽长，从而达到了改良原有的光源的目的。总之，本发明与现有技术相比，具有如下技术优势
第一，在普通白光LED中，高能蓝光对人眼的损害较大，另外人体的非视觉感光系统对蓝光最敏感，长期处于受高能蓝光照射的环境会扰乱人体的生理节律，这不利于LED照明的推广使用，而本发明通过采用反射膜对435-480nm光谱的定量衰减技术，新型白光LED的蓝光峰值为普通白光LED的50%-60%，大大降低了蓝光对人眼的损伤，而且本发明新型白光LED在降低蓝光峰值的同时，荧光粉的有效激发效率并没有降低，提高了显色性与光效。第二，太阳光光谱中的红外与紫外光谱均会对人类皮肤造成一定的伤害，在本发明的新型白光LED的光谱中并没有紫外和红外光谱，从而使人们在照明时免受这两种光谱的光伤害。第三，本发明新型白光LED既继承了普通白光LED光源能效高、寿命长、体积小、可靠性高，不会造成汞污染等优点，同时还改正了其部分缺点；本发明新型白光LED，在可见光的光谱范围内与最优的太阳光光谱接近，为连续光谱，显色指数高，色彩全面，可以很好地还原物体的色彩。


图1为本发明使用的高反射膜的透过率与光线波长的关系曲线图。图2为本发明一个实施例的一种新型白光LED照明装置结构示意。201为电源线；202为塑料外壳；203为散热鳍片；204为金属外壳；205为金属聚光外壳；206为金属环凹槽；207为金属环；208为金属环；209为金属聚光外壳；210为固定环；211为螺丝；212 为LED芯片。图3为本发明一个实施例的一种新型白光LED照明装置的LED芯片平面图。301 为绿光LED ；302为白光LED ；303为红光LED ；304为LED电路板。图4为本发明一个实施例的一种新型白光LED照明装置的剖视结构示意图。401 为电源线；402为塑料外壳；403为散热鳍片；404为变压器；405为LED芯片；406为金属聚光外壳；407为高反射膜；408为驱动电路；409为固定环；410为玻璃(或塑料)灯罩。图5为本发明新型白光LED与普通白光LED的光谱曲线对照图。图6为色温在3996K时的新型白光LED、高显色白光LED (CN101806430 A公开的高显色性白光LED )与普通白光LED的光谱曲线图。图7为色温在4986K时的新型白光LED、高显色白光LED (CN101806430 A公开的高显色性白光LED )与普通白光LED的光谱曲线图。图8为6450色温下，所含红、绿光LED比例不同的新型白光LED的光谱曲线图。
具体实施例方式以下通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明不仅仅限于以下实施例。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进或调整本发明的步骤方法即可实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动，对于本领域技术人员来说，是显而易见的，它们都被视为包括在本发明范围内。实施例1
图2为本发明一个实施例的一种新型白光LED照明装置结构示意。图3为本发明一个实施例的一种新型白光LED照明装置的LED芯片平面图。图4为本发明一个实施例的一种新型白光LED照明装置的剖视结构示意图。本实施例的一种新型白光LED照明装置形状为梨形(如图2所示)。发光模块由白光、绿光与红光的LED芯片212组成(如图3所示)，芯片212通过螺丝211固定在固定环 210上，芯片212发出的光可通过金属聚光外壳205得以集中。高反射膜胶接在玻璃(或塑料)灯罩上，玻璃灯罩嵌于金属环凹槽206中，金属环208通过内外螺纹旋合在金属聚光外壳209上。散热模块由金属外壳204以及散热鳍片203组成，散热鳍片203固定在金属外壳204上。塑料外壳202以内外螺纹形式旋合在散热鳍片203上。电源线201通过塑料外壳与金属外壳204壁上的小孔与变压器相连。 图3给出了本发明的一个实施例的一种新型白光LED照明装置的LED芯片平面图。白色的矩形小方块代表白光LED单体，共观个；黑色的矩形小方块代表绿光LED单体， 共4个；中心有交叉的矩形小方块代表红光LED单体，共5个。每个LED单体的电压为3V， 电流为20毫安，发光功率为0. 06w。单体的排布呈现放射状，有利于发光强度的平衡，改善了光扩散性，发光均勻无眩光。同时，由于新型LED灯采用红色和绿色的LED单体补充光谱， 并且用高反膜吸收40%-60%左右的蓝光，使得新型LED光源的光谱接近太阳光的可见光波段，有望成为最利于人体健康的新型光源。
权利要求
1.一种新型LED光源，其特征在于，它是按照包括如下步骤的方法产生的(1)在白光LED中，将高反射膜贴在灯罩玻片的内侧面上，将白光LED光谱中的蓝光 435-480nm 成分削弱 40%_60% ；(2)针对白光LED蓝色波峰后的波谷，通过在白光LED发光板上增加绿光LED单体，绿光LED单体发射480-520nm的绿光，补充波长为480_520nm的LED光谱；(3)针对白光LED光谱末段衰减的红光成分，通过在白光LED发光板上增加红光LED单体，红光LED单体发射670-720nm的红光，补充波长为670_720nm的LED光谱。
2.如权利要求1所述的一种新型LED光源，其特征在于，红色LED单体占总光源的 5%-15%，绿色LED单体占总光源的10%-20%。
3.—种产生如权利要求1所述的新型LED光源的装置，包括灯罩玻片，其特征在于，发光模块由白光、绿光与红光的LED芯片组成，芯片通过螺丝固定在固定环上，芯片发出的光可通过金属聚光外壳得以集中；高反射膜胶接在玻璃或塑料灯罩上，玻璃灯罩嵌于金属环凹槽中，金属环通过内外螺纹旋合在金属聚光外壳上；散热模块由金属外壳以及散热鳍片组成，散热鳍片固定在金属外壳上；塑料外壳以内外螺纹形式旋合在散热鳍片上；电源线通过塑料外壳与金属外壳壁上的小孔与变压器相连。
4.一种产生如权利要求1所述的新型LED光源的装置，其特征在于，它包括灯罩套、高反射膜、集成单颗大功率LED芯片、恒流驱动电源、散热板和大功率LED基板；集成单颗大功率LED芯片是由多颗红、绿、白三色的芯片集成的单个LED芯片；高反射膜贴于灯罩套内侧面，高反射膜能够将芯片的蓝光435-480nm成分削弱40%_60% ；灯罩套安装在大功率LED基板边缘上，大功率LED基板一面与集成单颗大功率LED芯片连接，另一面与散热板连接；集成单颗大功率LED芯片与恒流驱动电源位于灯罩内，集成单颗大功率LED芯片和恒流驱动电源连接。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的装置形状为梨形、面板形或管形。
6.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述的灯罩玻片的内侧面上有高反射膜，所述的高反射膜半径为10-40mm，厚度为0. 5-1. 3mm，材质为氧化硅和氧化钛的混合物， 所述的高反射膜的玻片材料为二氧化硅。
全文摘要
本发明公开了一种新型LED光源及其照明装置，属于一种发光系统和装置。鉴于目前的白光LED光谱呈较窄的带状，色彩不全，色温偏高，显色性偏低，灯光对眼睛既不柔和也不协调，本发明通过降低白光LED光源中的蓝光峰值，补充白光LED光谱中绿光和红光成分，使光谱连续且宽长，从而达到了改良原有的光源的目的。
文档编号F21V17/12GK102352970SQ20111022672
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者林立, 顾怀宇 申请人:中山大学