一种使用具有透明基材的光学器件的led光源的制作方法

专利名称：一种使用具有透明基材的光学器件的led光源的制作方法
技术领域：
本发明属于LED照明技术领域，尤其是光过滤技术和LED荧光粉的涂敷方法。具 体涉及溅射镀膜技术。
背景技术：
随着超高亮LED的出现，其效率越来越高，且价格逐渐下降。同时LED具有寿命长、 耐震动、发光效率高、无干扰、不怕低温、无汞污染问题和性价比高等特点，是被半导体行业 看好的替代传统照明器具的一大潜力商品。超高亮度LED大大扩展了 LED在各种信号显示 和照明光源领域中的应用，如汽车内外灯、各种交通信号灯，室内外信息显示屏和背光源。 将LED产品用于照明，将为LED提供更广阔的应用空间。形成白光LED的一种传统方式是蓝光或紫外芯片激发覆盖在芯片上面的荧光粉， 芯片在电驱动下发出的光激发荧光粉产生其它波段的可见光，各部分混色形成白光。靠荧光粉激发形成白光的LED芯片由III-V族化合物半导体GaN材料制作合成。 其中用于GaN芯片的衬底材料有Al2O3和SiC，芯片可发出蓝光、紫外光或其它短波段的光。用于形成白光LED的荧光粉一般有YAG荧光粉(用于蓝光芯片激发YAG荧光粉) 和RGB荧光粉(用于紫外芯片激发RGB荧光粉)。其中采用YAG荧光粉激发形成白光的方 式最为普遍。典型的白光LED封装结构对于小功率白光LED，LED芯片被放置在支架中的反光 碗内，支架既作为反光碗的载体又作为电极和电极引脚使用，同时还提供了芯片热量扩散 的通道。芯片放置于反光碗的中央，根据芯片电极的设置不同，而在碗杯底部涂上银胶或绝 缘胶(对于顶部单电极的芯片，底部涂导电的银胶，而对于顶部双电极的芯片，底部涂绝缘 胶)，它们既可以黏附并固定芯片又可实现芯片和电极间良好的欧姆接触；芯片的电极通 过金属线焊接与支架的另一电极相连，在GaN蓝色发光芯片上涂敷约IOOum厚的钇铝石榴 石(YAG)黄色荧光粉层，最后整个支架和芯片用环氧树脂密封封接，中间不留空气。芯片发 出的蓝光与荧光粉充分的作用而激发荧光粉发出黄光，使黄光再与从荧光粉层透出的黄色 光相混合形成白光。而在荧光粉涂敷工艺方面，靠直接填充杯碗覆盖芯片的传统荧光粉涂 敷方式由于工艺不可控而造成光色不均，并且直接填充杯碗的荧光粉涂敷方式由于激发时 局域热量的产生而使得荧光粉转化效率降低。在US5962971A、US5959316A、US6294800(B1) 等一系列专利及文献中用到了荧光粉远域激发，LED生产厂商Lumileds、Osram, HP等公司 均提出了各自的荧光粉远域激发方案。荧光粉远域激发即荧光粉与芯片之间有一段距离， 荧光粉与芯片不直接接触，这种远场荧光粉涂敷方式有利于提高出光效率和提高白光LED 器件的性能。但是，采用树脂或硅胶的调荧光粉的传统涂敷方式在用量上精确控制较难，使 得成批做出的LED光色差别较大，颜色可控性较差。随着LED光源的应用范围越来越广泛，LED光源的光辐射危害问题必须加以重视。光辐射危害主要是指不同波段的光对人体的过度照射导致的危害，主要是对人眼 和皮肤，如皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等，而两者之中更容易受到伤害的是眼 睛。近年来，随着大功率LED的日益增加，LED的亮度越来越高，辐射危害性也越来越强。在光辐射的波段范围中，紫色、近紫外、紫外的短波长和近红外、红外的长波长波 段更易引起生物危害。光辐射对眼睛的危害如下1)当人体受到一定时间的紫外辐射照射，会引起光致 角膜炎和光致结膜炎；2)长期的紫外光照射会引发白内障；3)强烈的光辐射照射能导致视 网膜灼伤，造成这种危害的效果最明显的波段是435 440nm;4)伴随着视网膜热危害，光 辐射能对视网膜造成光化学危害，甚至能够引发视网膜炎，波长440nm的光危害最大；5)长 期受到红外辐射影响会引发白内障，危害最大的波段是780 1400nm。而对于皮肤，光辐射所造成的伤害有1)耐久晒黑，导致皮肤发红和发痛的最显 著的波段是320nm以下的紫外辐射；2)皮肤老化，长期的光辐射能加速皮肤老化，呈现干 燥、粗糙、皮革状和皱纹累累的外观；3)皮肤癌，长期接受紫外辐射导致的最严重结果是引 发皮肤癌。目前国际国内在光辐射安全的测试评价方面已经制定了多个相应的标准。但是 LED是区别与传统非相干光源和激光等相干光源的新型光源，对于LED的光辐射危害的测 试与评价方法的研究目前还处于起步阶段。由于LED在照明领域的不断发展，CIE (国际照明委员会)在最新版的CIE S 009/ E 2002标准中对LED的安全性做出了规定。对LED造成皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的 近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热 危害等危害的曝辐限值做出了规定。CIE S 009/E :2002标准出台之后，IEC于2002年全部 引用，并与2006年据此出版新标准IEC-62471，于2007年发布IEC 60825-2007,其重要性 可见一斑。国内，针对于普通非相干、宽波段的灯与灯系统的国家标准“灯与灯系统的光生物 安全性”已于2006年正式实施(GB/T 20145-2006)，该标准对各种灯具的光生物安全性给
予指导。由此，LED照明技术领域中的光过滤技术工艺和材料成为一项重要的的学科。有关LED光源的专利文献很多，但是未有对紫色、近紫外、紫外和近红外、红外波 段过滤的专利。

发明内容
本发明提供一种使用具有透明基材的光学器件的LED光源。如图1所示，本发明使用具有透明基材的光学器件的LED光源，包括具有至少一个 LED芯片11的LED器件1，以及安装在LED器件上的具有透明基材的光学器件2，其中LED 芯片发出的光经光学器件射到外部；光学器件可以在封装LED器件时就加入，也可以在对 LED器件进行二次封装时安装，又或者多个LED器件共同使用一个光学器件。LED器件可以为单色或多色，单色是在LED器件中封装某一种发射波长的LED芯 片，使其发出一种颜色的光，一个LED器件内至少有一个LED芯片；多色则是将多种不同发 射波长的LED芯片共同封装在一个LED器件中，如红、蓝、绿三色芯片共同封装或其它颜色 芯片组合的共同封装。
具有透明基材的光学器件是由成型的透明基材进行镀膜形成，膜层包括了荧光粉 膜层和截止紫外线和红外线的膜层。LED光源工作时，由蓝光或紫外芯片激发光学器件上面 的荧光粉膜层，芯片在电驱动下发出的光激发荧光粉产生其它波段的可见光，各部分混色 形成白光；截止紫外线和红外线的膜层能够吸收波长小于445nm的短波长范围和波长大于 700nm的长波长范围内的光。本发明还提供一种具有透明基材的光学器件及其制备方法。具有透明基材的光学器件由成型的透明基材进行镀膜，包括成型的任意曲面的透 镜，或者任意薄膜片，或者任意立体几何形状作为透明基材；其特征是由成型的透明基材 表面镀荧光粉膜层和截止紫外线和红外线的膜层。所述的荧光粉膜层为荧光粉镀膜形成。荧光粉包括以下任何一种或以下任意几种
组合1)铝酸盐系列荧光材料，包括但不限于YAG荧光粉、含掺杂物的YAG荧光粉，可用于白光LED，波长可调，激发光为绿色、黄 绿色、黄色或橙黄色荧光粉。2)硅酸盐系列荧光材料，包括但不限于含有稀土、硅、碱土金属、卤素、氧，以及铝或镓的硅酸盐荧光粉，在蓝光、紫光或紫 外光激发下发出峰值在500 600nm的宽带可见光，半峰宽大于30nm ；由碱土金属、稀土、过渡金属、卤族元素等多种元素组合而成的荧光粉，可以被作 为激发光源的发射光谱在240 510nm的紫外-绿光区域的发光元件激发，发出峰值在 430 630范围内的发射光谱，可呈现蓝、蓝绿、绿、黄绿、黄、黄红、红、白颜色的光；铕激活的碱土金属磷硅酸盐荧光粉，发射波长范围在蓝绿到黄橙光；适合于220 530nm激发的黄色荧光粉；和波长大于565nm的桔黄色硅酸盐荧光 粉。3)氮化物/氮氧化物系列荧光材料，包括但不限于适于被420 470nm的LED芯片激发的荧光粉，产生黄光-红光的发射；可被500nm以下的光有效激发的荧光粉，得到520 780nm的宽谱发射；在紫外和蓝光激发下可产生黄红色或红光发射的荧光粉；主要以发射绿光为主的荧光粉，通过调整碱土金属的比例可适当调节发射主峰的 位置；可被蓝光和/或紫外线(380 480nm)激发产生黄绿光的荧光粉；发射波长为550 6IOnm的荧光粉；多项发黄绿光、黄光或红光的α -赛隆型荧光粉；在250 500nm波长的紫外、可见光或电子射线激发后会发出在500 600nm的
绿光的荧光粉。4)其它荧光材料，包括但不限于一种可被紫外光和近紫外光激发的荧光粉，有较宽的激发光谱，可被在300-420nm 的光线有效激发；通过改变组分和掺杂浓度，可以改变色坐标；一种红色荧光粉，其激发带与蓝光氮化镓LED的发射峰重叠，能够有效被激发，主 发射波长位于612nm附近；
一种可被紫外、紫光或蓝光LED有效激发而发红光，且在紫外激发时另一发射峰 从红光到绿光可调的荧光粉；一种荧光粉，通过波长为220至550nm的可见光或UV辐射被有效地激发以获得希 望的光发射，尤其是高效地发红光；一种被LED激发时发出主峰位置612nm红光的荧光粉；一种在300 500nm紫外或蓝光LED激发下发黄光的荧光粉。所述的荧光粉膜层厚度为10 500微米。所述的荧光粉膜层可以不止一层，可根据需要依一定次序镀若干层相同或不同的 荧光粉膜层。如上所述的具有透明基材的光学器件的制备方法，其特征是镀荧光粉膜层包括如 下步骤1)首先对待镀膜透明基材进行清洗、干燥后，进行预真空过渡；最后在真空设备 中进行离子反溅射清洗，让加速离子轰击基片表面，去除杂质，得到清洁的透明基材；2)然后采用磁控溅射镀制方法镀制膜层(1).配制靶材配制好相应的荧光粉材料，混合均勻并烧结成靶材。(2).磁控溅射镀膜在纯氩气或在氧氩混合气体氛围中对透明基材进行磁控溅 射镀膜，溅射气压范围为0. IOPa 3. OPa，溅射时氩氧混合气体中氧气所占质量百分比为0 至90% ；用准备好的荧光粉靶材对透明基材进行磁控溅射镀膜。所述的步骤2)中的透明基材镀膜时采用在线加热，热处理温度为20 160°C。所述的步骤2)中得到的光学器件采用离线热处理，热处理温度为20 160°C，热 处理时间为10 240分钟。所述的截止紫外线和红外线的膜层包括紫外线截止膜层和红外线截止膜层。所述的紫外线截止膜层为氧化钛-氧化铈膜层，氧化钛和氧化铈的质量比例为 10 90% 10 90%。所述的紫外线截止膜层厚度为10 500纳米；其滤波波长范围 设定为445nm以下。所述的红外线截止膜层由两种高、低折射率材料薄膜相互间隔堆叠而成；该高折 射率材料薄膜由五氧化二钽形成；该低折射率材料薄膜由二氧化硅形成。所述的红外线截 止膜层厚度为10 500纳米；其滤波波长范围设定为大于700nm。其中紫外线截止膜层和红外线截止膜层均可以不止一层，可根据需要依一定次序 镀若干层紫外线截止膜层和红外线截止膜层。如上所述的具有透明基材的光学器件的制备方法，其特征是镀截止紫外线和红外 线的膜层包括如下步骤1)首先对待镀膜透明基材进行清洗、干燥后，进行预真空过渡；最后在真空设备 中进行离子反溅射清洗，让加速离子轰击基片表面，去除杂质，得到清洁的透明基材；2)然后采用磁控溅射镀制方法镀制膜层(1).配制截止紫外线和截止红外线的靶材截止紫外线靶材由氧化钛(TiO2)和氧化铈(CeO2)组成，氧化钛和氧化铈各组份 所占质量百分比为氧化钛10 90%，氧化铈10 90% ；混合均勻并烧结成靶材。
截止红外线靶材低折射率薄膜靶材为高纯度的硅；高折射率薄膜由五氧化二钽 组成；靶材为高纯度的Ta205。(2).磁控溅射镀膜在纯氩气或在氧氩混合气体氛围中对透明基材进行磁控溅 射镀膜，溅射气压范围为0. IOPa 3. OPa，溅射时氩氧混合气体中氧气所占质量百分比为O 至90% ；采用下述三种方式之一进行镀膜(a)先由氧化钛_氧化铈靶材对透明基材进行磁控溅射镀内层膜，在此基础上，再 由硅靶材和五氧化二钽靶材进行磁控溅射镀外层膜；(b)先由硅靶材和五氧化二钽靶材对透明基材进行磁控溅射镀内层膜，在此基础 上，再由氧化钛_氧化铈靶材进行磁控溅射镀外层膜；(c)依一定次序在透明基材上镀若干层紫外线截止膜层和红外线截止膜层。所述的步骤2)中的透明基材镀膜时采用在线加热，热处理温度为20 160°C。所述的步骤2)中得到的光学器件采用离线热处理，热处理温度为20 160°C，热 处理时间为10 240分钟。所述透明基材包括ARTON、COC、COP、PMMA和光学玻璃其中任一种材料。其中ARTON是具有良好的光学特性、尺寸稳定性及很高的耐热性的透明树脂(环 状烯烃类树脂)，在透明树脂当中，具有很高的耐热性，吸水率低，折射率稳定，透明性高 (在可见光领域具有约93%以上的透过率)，比重低的特点，比较适合用于LED光源的光学 器件。COC(Cyclic Olefin Copolymer，环烯烃共聚物)具极优异的光学性，高透明度与 耐热性(高玻璃转移温度)，质轻，低吸湿，耐热及优异的加工流动性、高耐热高光学特性、 绝佳阻水、阻气性及耐酸碱溶剂等特性，比较适合用于LED光源的光学器件。C0P(Cyclo-olefin polymer，环烯烃聚合物)成型的透明基材具有光学透过率高 (92% )、饱和吸水率低(< 0. 01% )、玻璃转化温度和荷重弯曲温度较高(分别为140°C和 123°C )的特点，比较适合用于LED光源的光学器件。PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，亚克力)成型的透明基材具有光学透过率高(92%)、 吸水率低、抗冲击、耐磨、密度小，是应用广泛的光学塑料，比较适合用于LED光源的光学器 件。光学玻璃是制造光学镜头、光学仪器的主要材料。光学玻璃必须有高度精确的折 射率、阿贝数和高透明度、高均勻度。比较适合用于LED光源的光学器件。本发明使用具有透明基材的光学器件的LED光源，可以制造任何形状的照明 灯具，并且符合IEC 60825-2007和IEC 62471-2006，以及光辐射安全国家标准GB/T 20145-2006 “灯与灯系统的光生物安全性”。本发明用磁控溅射法在透明基材上镀有荧光 粉膜层，制备方法简单，可控性强。本发明的LED光源可提高出光效率和提高白光LED器件 的性能，避免荧光粉受热老化，并且提高批量产品在光色上的一致性。本发明用磁控溅射法在透明基材上镀有紫外线截止膜层和红外线截止膜层，紫外 线截止膜层除铈离子吸收紫外线外，Ti离子在波长为380nm左右也有强烈吸收，Ti和Ce离 子复合，能完全截止紫外线，紫外线截止率高，不影响可见光透过率；其制备方法简单。由于 本发明的LED光源已经过滤了生物危害性较高的波段内的光辐射，因此，当该LED光源使用 时，就不需要另外附加过滤装置来降低光辐射危害。


图1是本发明使用具有透明基材的光学器件的LED光源的结构剖面示意图；图2是本发明LED光源的一实施例的光谱成分示意图；图3是透过本发明具有ARTON透明基材的光学器件的入射光波长-入射光透射 百分比的曲线图；图4是本发明另一实施例的LED光源的剖面示意图；图5、图6是本发明LED光源的三种实施例的光谱成分示意图。
具体实施例方式实施例一请参阅图1，一个LED器件1，其中封装了一个LED芯片11，一个光学器件2位于 LED芯片11上方，并固定。工作时，LED芯片11发出的光必须通过光学器件2后才能发射到外部，由蓝光激 发光学器件上面的荧光粉膜层，芯片在电驱动下发出的光激发荧光粉产生其它波段的可见 光，各部分混色形成白光；并由光学器件对LED芯片发出的波长小于445nm和大于700nm范 围内的光过滤。LED芯片11发射主波长范围一般是420nm 480nm，光学器件上的荧光粉膜层的 成分为可激发黄光的铝酸盐YAG荧光粉。LED芯片发出的蓝光通过光学器件并激发光学 器件上的荧光粉膜层，一部分蓝光转变为黄光；蓝光和黄光混和就产生了白光，色坐标、色 温取决于蓝光和黄光的比例。LED光源的光谱成分如图2所示，透过光学器件的入射光波 长_入射光透射百分比的曲线如图3所示。具有透明基材的光学器件的制备，作为例子，本实施例选用ARTON透明基材，但也 可选用C0C、C0P、PMMA或光学玻璃成型的透明基材，其它实施例与此相同，包括如下步骤1、镀制荧光粉膜层1)首先对待镀膜ARTON透明基材进行清洗、干燥后，进行预真空过渡；最后在真空 设备中进行离子反溅射清洗，让加速离子轰击基片表面，去除杂质，得到清洁的ARTON透明 基材；2)然后采用磁控溅射镀制方法镀制膜层(1).配制荧光粉的靶材(a)将YAG荧光粉体混合物放入行星式球磨机中，以乙醇为介质，210r/min湿磨 24h混合均勻；(b)研磨并过筛；(c)称取70g粉体放入自制的石墨模具(Φ60πιπι)中，利用 多功能真空热压烧结炉，以5°C /min自动升温，当温度达200°C时通入保护气体高纯N2(纯 度99. 995% )，温度为1050°C时，加压，热压压力为15Mpa，并保温2h，之后随炉冷却至室温， 即可得到Φ 60mm X 6mm的高致密度靶材。(2).磁控溅射镀膜采用超高真空型立式三靶磁控溅射镀膜系统，配备有转动系统，可以使沉积的 薄膜厚度均勻，可靠性较高。工艺参数为溅射气体95%氩和5%氧混合气体(纯度^ 99.9% )；溅射气体流量:60cm3/s ；溅射气压1. OPa ；背底真空度6. OX IO^5Pa ；溅射功 率60W，90W，120W和150W ；溅射时间3h ；靶材与ARTON透明基材的间距为65mm。荧光粉膜 层厚度为210微米。溅射结束后进行热处理，采用普通箱式电阻炉，以5 8°C /min升温至160°C ；保 温4h后随炉冷却至室温。2、镀制截止紫外线和红外线的膜层1)首先对待镀膜ARTON透明基材进行清洗、干燥后，进行预真空过渡；最后在真空 设备中进行离子反溅射清洗，让加速离子轰击基片表面，去除杂质，得到清洁的ARTON透明 基材；2)然后采用磁控溅射镀制方法镀制膜层(1).配制截止紫外线和截止红外线的靶材截止紫外线的靶材(a)按质量比为9 1的比例称取化学纯的Ti02(纯度为 99.9%)和分析纯的CeO2 (纯度为99. 9% )粉末共IOOg ；然后将粉体混合物放入行星式球 磨机中，以乙醇为介质，210r/min湿磨24h混合均勻；(b)研磨并过筛；(c)称取70g粉体放 入自制的石墨模具(Φ60πιπι)中，利用多功能真空热压烧结炉，以5°C/min自动升温，当温 度达200°C时通入保护气体高纯N2 (纯度99. 995% ),温度为1050°C时，加压，热压压力为 15Mpa,并保温2h，之后随炉冷却至室温，即可得到Φ60πιπιΧ6πιπι的高致密度Ce02/Ti02复合 靶材。截止红外线的靶材低折射率薄膜的靶材为纯度99. 99%的直径4英寸的硅靶；高 折射率薄膜靶材为纯度99. 99%的直径4英寸Ta2O5靶。(2).磁控溅射镀膜采用超高真空型立式三靶磁控溅射镀膜系统，配备有转动系统，可以使沉积的薄 膜厚度均勻，可靠性较高。磁控溅射仪溅射沉积&02/1102复合薄膜，工艺参数为溅射气 体95%氩和5%氧混合气体(纯度> 99. 9% )；溅射气体流量60cm7s ；溅射气压1. OPa ； 背底真空度:6· OX ICT5Pa ；溅射功率:60ff,90ff, 120W和150W ；溅射时间:3h ；靶材与ARTON 透明基材的间距为65mm。紫外线截止膜层厚度为210纳米。采用立式三靶磁控溅射镀膜系统，采用Ta2O5靶，室温条件下通入氩气为溅射气 体，氧气为反应气体，氩气与氧气的气体流量比例为16 4，功率100W，溅射气压为0.2 1. OPa0采用反应射频溅射法制备SiO2膜，靶材为纯度99. 99%的硅靶，衬底为ARTON透明 基材。样品架与溅射靶面成45°角，间距连续可调；为了保证膜层的均勻性，样品架无级 变速旋转；工作气体为纯度为99. 99%的氩气和氧气。溅射气压为0. 7Pa，溅射温度不高于 250°C，溅射功率为IlOw左右。红外线截止膜层厚度为180纳米。溅射结束后对涂层进行热处理，采用普通箱式电阻炉，以5 8°C /min升温至 1600C ；保温4h后随炉冷却至室温。本实施例中，ARTON透明基材为圆形平板状薄片。实施例二与实施例一基本相同，不同的是光学器件的透明基材成型为圆形透镜曲面，如图4 所示；又或是成型为方形透镜曲面，再进行清洗和镀膜。实施例三
与实施例一基本相同，不同的是一个LED器件中，封装了多个同波长的LED芯片， 如两个蓝光芯片共同封装，发射主波长范围一般是420nm 480nm。LED芯片发出的蓝光通过光学器件并激发光学器件上的荧光粉膜层，一部分蓝光 转变为黄光；蓝光和黄光混和就产生了白光，色坐标、色温取决于蓝光和黄光的比例。并由 光学器件对LED芯片发出的波长小于445nm和大于700nm范围内的光过滤。LED光源的光 谱成分如图2所示。实施例四与实施例一基本相同，不同的是一个LED器件中，封装了多个不同波长的LED芯 片。使用红光LED芯片和蓝光LED芯片共同封装在同一个器件中。光学器件上镀的荧光粉 膜层成分为能由蓝光激发出绿光的硅酸盐或氮化物荧光粉。将硅酸盐或氮化物荧光粉材料 烧结制作成靶材，对透明基材进行磁控溅射镀膜。所述的蓝光LED芯片的发射主波长范围一般是380nm 480nm ；红光LED芯片的 发射主波长范围一般是580nm 700nm ；由蓝光激发荧光粉所发射的绿色光的峰值波长范 围一般是490nm 570nm。LED光源中，两种LED芯片发出的蓝色、红色光以及荧光粉激发的绿色光混合后， 形成白光。这三种光成分理想地在光谱中形成互补，可在高光效下实现高的显色性能。LED 光源的光谱成分如图5所示。LED光源的色坐标、色温取决于光源中的几种颜色光的比例。在LED光源的光成分 中，各种颜色的光所占的比例根据需要而定。可通过配置两种芯片的数量和光学器件上荧 光粉膜层的浓度、厚度，或者通过分别调节LED芯片的工作电流来改变两种芯片的发光亮 度，以改变整个光源的光谱成分。在这个LED光源中，红光一般在总光强或总光通量中占有 大于百分之一比例，具体根据使用需要而定，如红光占5 % 20 %，或30 % 40 %，或其他 任意比例。实施例五与实施例一基本相同，不同的是一个LED器件中，封装了多个不同波长的LED芯 片。使用绿光LED芯片和蓝光LED芯片共同封装在同一个器件中。光学器件上镀的荧光粉 膜层成分为能由蓝光激发出红光的氮化物荧光粉。将氮化物荧光粉材料烧结制作成靶材， 对ARTON透明基材进行磁控溅射镀膜。所述的蓝光LED芯片的发射主波长范围一般是380nm 480nm ；绿光LED芯片的 发射主波长范围一般是490nm 540nm ；由蓝光激发荧光粉所发射的红色光的峰值波长范 围一般是580nm 655nm。LED光源中，两种LED芯片发出的蓝色、绿色光以及荧光粉激发的红色光混合后， 形成白光。这三种光成分理想地在光谱中形成互补，可在高光效下实现高的显色性能。LED 光源的光谱成分如图6所示。LED光源的色坐标、色温取决于光源中的几种颜色光的比例。在LED光源的光成分 中，各种颜色的光所占的比例根据需要而定。可通过配置两种芯片的数量和光学器件上荧 光粉膜层的浓度、厚度，或者通过分别调节LED芯片的工作电流来改变两种芯片的发光亮 度，以改变整个光源的光谱成分。在这个LED光源中，绿光一般在总光强或总光通量中占有 大于百分之一比例，具体根据使用需要而定，如绿光占5 % 20 %，或30 % 40 %，或其他任意比例。实施例六与实施例一基本相同，不同的是光学器件的制备，荧光粉膜层中包括可由蓝光激 发出红光的氮化物荧光粉和可由蓝光激发出绿光的硅酸盐或氮化物荧光粉。将上述两种荧 光粉材料按比例混合均勻，并烧结制作成靶材，对透明基材进行磁控溅射镀膜。工作时，LED芯片发出的光必须通过光学器件后才能发射到外部，由蓝光激发光学 器件上面的荧光粉膜层，芯片在电驱动下发出的光激发两种荧光粉材料，分别产生红光和 绿光，各部分混色形成白光。这三种光成分理想地在光谱中形成互补，可在高光效下实现高 的显色性能。实施例七实施例七与实施例六基本相同，不同的是光学器件的制备，两种荧光粉材料分别烧结制作 成靶材，先由硅酸盐或氮化物荧光粉靶材对透明基材进行磁控溅射镀膜，在此基础上，再由 氮化物荧光粉靶材进行磁控溅射镀膜；或先由氮化物荧光粉靶材对透明基材进行磁控溅射 镀膜，再由硅酸盐或氮化物荧光粉靶材进行磁控溅射镀膜；或根据需要，依一定次序镀若干 层荧光粉膜层和截止紫外线和红外线的膜层。实施例八与实施例六基本相同，不同的是光学器件的制备，荧光粉膜层中含有三种荧光粉 材料，包括可由蓝光激发出红光的氮化物荧光粉、可由蓝光激发出绿光的硅酸盐或氮化物 荧光粉、可由蓝光激发出黄光的YAG荧光粉。将上述三种荧光粉材料按比例混合均勻，并烧 结制作成靶材，对透明基材进行磁控溅射镀膜。工作时，LED芯片发出的光必须通过光学器件后才能发射到外部，由蓝光激发光学 器件上面的荧光粉膜层，芯片在电驱动下发出的光激发两种荧光粉材料，分别产生红光、绿 光和黄光，各部分混色形成白光。这三种光成分理想地在光谱中形成互补，可在高光效下实 现高的显色性能。并由光学器件对LED芯片发出的波长小于445nm和大于700nm范围内的 光过滤。同样，与实施例七类似，光学器件的制备还有以下方案三种荧光粉材料分别烧结 制作成靶材，依次对透明基材进行磁控溅射镀膜；或根据需要，依一定次序镀若干层荧光粉 膜层和截止紫外线和红外线的膜层，得到产品。实施例九多个LED器件1组合在一起，安装在PCB 3上。在所有LED器件的出光方向，安装 了 一个光学器件2。由多个LED器件共同使用一个光学器件，还包括其他必须元件如PCB、外壳、电子 元件等，构成一个LED光源；整个LED光源的结构根据需要而定。此LED光源工作时，所有 LED器件中的LED芯片发出的光必须通过光学器件后才能发射到外部，由蓝光或紫外芯片 激发光学器件上面的荧光粉膜层，芯片在电驱动下发出的光激发荧光粉产生其它波段的可 见光，各部分混色形成白光。并由光学器件对LED芯片发出的波长小于445nm和大于700nm 范围内的光过滤。其中LED器件1可以为单色或多色，为单色时，在LED器件中封装至少一个某一种 发射波长的LED芯片，举例如主波长为460nm的蓝光。为多色时，将多种不同发射波长的LED芯片共同封装在一个LED器件中，举例如红、蓝两色芯片共同封装或其它颜色芯片组合 的共同封装。实施例十是一种灯具的例子，同样是由多个LED器件共同使用一个光学器件的LED光源。多 个LED器件1按照一定规律组合在一起，外部安装了一个立体球形罩子2，这个罩子是光学 器件。此LED光源工作时，所有LED器件中的LED芯片发出的光经光学器件混合成白光发 射到外部，并由光学器件对LED芯片发出的波长小于445nm和大于700nm范围内的光过滤。实施例i^一适用了本发明的实施例一 实施例八的LED光源作为液晶电视背光源系统的示 意图。多个使用具有透明基材的光学器件的LED光源4安装在PCB5上，LED光源均勻排 列。LED光源采用贴片安装(SMT)的形式，PCB上已制作好相应的电路，使LED光源可 以正常工作。在LED光源的出光方向，依次排列着扩散板6和一系列光学膜7。工作时，LED光源所发出的光都进入扩散板，经过充分反射混合，再通过光学膜，其 作用是对光线的方向进行整理。最后光线照射到液晶面板的后表面，形成背光照明。作为背光源，本实施例可以用于各种液晶显示设备，例如液晶电视、监控器、显示 器，适用于工业、民用、军用等领域。以上只是本发明的优选实施方式进行了描述，本领域的技术人员在本发明技术的 方案范围内，进行的通常变化和替换，都应包含在本发明的保护范围内。
权利要求
一种使用具有透明基材的光学器件的LED光源，包括具有至少一个LED芯片的LED器件，以及安装在LED器件上的具有透明基材的光学器件，其中LED芯片发出的光经光学器件发射到外部，其特征在于，所述LED器件为单色或多色，单色是在LED器件中封装某一种发射波长的LED芯片，一个LED器件内至少有一个LED芯片；多色是将多种不同发射波长的LED芯片共同封装在一个LED器件中，所述具有透明基材的光学器件是由ARTON、COC、COP、PMMA和光学玻璃其中任一种材料成型的透明基材进行荧光粉镀膜形成，膜层包括荧光粉膜层和截止紫外线和红外线的膜层；其中由LED芯片激发光学器件上面的荧光粉膜层，产生其它波段的可见光，各部分混色形成白光；截止紫外线和红外线的膜层能够吸收波长小于445nm的短波长范围和波长大于700nm的长波长范围内的光。
2.根据权利要求1所述的LED光源，其特征在于所述光学器件在封装LED器件时就加 入，或者在对LED器件进行二次封装时安装，又或者多个LED器件共同使用一个光学器件。
3.根据权利要求1所述的LED光源，其特征在于由蓝光或紫外芯片激发光学器件上的 荧光粉膜层产生其它波段的可见光，各部分混色形成白光。
4.根据权利要求1所述的LED光源，透明基材包括成型的任意曲面的透镜，或者任意薄 膜片，或者任意立体几何形状作为透明基材；其特征是在成型的透明基材表面镀荧光粉 膜层和截止紫外线和红外线的膜层。
5.根据权利要求1所述的LED光源，其特征是荧光粉包括以下任何一种或以下任意几 种组合1)铝酸盐系列荧光材料，包括但不限于YAG荧光粉、含掺杂物的YAG荧光粉，可用于白光LED，波长可调，激发光为绿色、黄绿 色、黄色或橙黄色荧光粉；2)硅酸盐系列荧光材料，包括但不限于含有稀土、硅、碱土金属、商素、氧，以及铝或镓的硅酸盐荧光粉，在蓝光、紫光或紫外光 激发下发出峰值在500 600nm的宽带可见光，半峰宽大于30nm ；由碱土金属、稀土、过渡金属、卤族元素等多种元素组合而成的荧光粉，可以被作为激 发光源的发射光谱在240 510nm的紫外-绿光区域的发光元件激发，发出峰值在430 630范围内的发射光谱，可呈现蓝、蓝绿、绿、黄绿、黄、黄红、红、白颜色的光；铕激活的碱土金属磷硅酸盐荧光粉，发射波长范围在蓝绿到黄橙光；适合于220 530nm激发的黄色荧光粉；和波长大于565nm的桔黄色硅酸盐荧光粉；3)氮化物/氮氧化物系列荧光材料，包括但不限于适于被420 470nm的LED芯片激发的荧光粉，产生黄光-红光的发射；可被500nm以下的光有效激发的荧光粉，得到520 780nm的宽谱发射；在紫外和蓝光激发下可产生黄红色或红光发射的荧光粉；主要以发射绿光为主的荧光粉，通过调整碱土金属的比例可适当调节发射主峰的位置；可被蓝光和/或紫外线(380 480nm)激发产生黄绿光的荧光粉；发射波长为550 eiOnm的荧光粉；多项发黄绿光、黄光或红光的α -赛隆型荧光粉；在250 500nm波长的紫外、可见光或电子射线激发后会发出在500 600nm的绿光 的荧光粉；4)其它荧光材料，包括但不限于一种可被紫外光和近紫外光激发的荧光粉，有较宽的激发光谱，可被在300-420nm的 光线有效激发；通过改变组分和掺杂浓度，可以改变色坐标；一种红色荧光粉，其激发带与蓝光氮化镓LED的发射峰重叠，能够有效被激发，主发射 波长位于612nm附近；一种可被紫外、紫光或蓝光LED有效激发而发红光，且在紫外激发时另一发射峰从红 光到绿光可调的荧光粉；一种荧光粉，通过波长为220至550nm的可见光或UV辐射被有效地激发以获得希望的 光发射，尤其是高效地发红光；一种被LED激发时发出主峰位置612nm红光的荧光粉； 一种在300 500nm紫外或蓝光LED激发下发黄光的荧光粉。
6.根据权利要求1所述的LED光源，其特征是所述的荧光粉膜层厚度为10 500微 米，其中荧光粉膜层可以不止一层，根据需要依一定次序镀若干层相同或不同的荧光粉膜 层。
7.一种具有透明基材的光学器件的制备方法，其特征是包括如下步骤1)首先对待镀膜透明基材进行清洗、干燥后，进行预真空过渡；最后在真空设备中进 行离子反溅射清洗，让加速离子轰击基片表面，去除杂质，得到清洁的透明基材；2)然后采用磁控溅射镀制方法镀制膜层(1).配制靶材配制好相应的荧光粉材料，混合均勻并烧结成靶材；(2).磁控溅射镀膜在纯氩气或在氧氩混合气体氛围中对透明基材进行磁控溅射镀 膜，溅射气压范围为0. IOPa 3. OPa，溅射时氩氧混合气体中氧气所占质量百分比为0至 90% ；用准备好的荧光粉靶材对透明基材进行磁控溅射镀膜；3)然后镀制截止紫外线和红外线的膜层(1).配制截止紫外线和截止红外线的靶材截止紫外线靶材由氧化钛(TiO2)和氧化铈(CeO2)组成，氧化钛和氧化铈各组份所占 质量百分比为氧化钛10 90%，氧化铈10 90% ；混合均勻并烧结成靶材；截止红外线靶材低折射率薄膜靶材为高纯度的硅；高折射率薄膜靶材为高纯度的五 氧化二钽；(2).磁控溅射镀膜在纯氩气或在氧氩混合气体氛围中对透明基材进行磁控溅射镀膜，溅射气压范围为 0. IOPa 3. OPa，溅射时氩氧混合气体中氧气所占质量百分比为0至90% ；采用下述三种 方式之一进行镀膜(a)先由氧化钛_氧化铈靶材对透明基材进行磁控溅射镀内层膜，在此基础上，再由硅 靶材和五氧化二钽靶材进行磁控溅射镀外层膜；(b)先由硅靶材和五氧化二钽靶材对透明基材进行磁控溅射镀内层膜，在此基础上，再由氧化钛-氧化铈靶材进行磁控溅射镀外层膜；(C)依一定次序在透明基材上镀若干层紫外线截止膜层和红外线截止膜层。
8.根据权利要求7所述的光学器件的制备方法，其特征在于，所述透明基材为ARTON、 COC、COP、PMMA和光学玻璃其中任一种。
9.根据权利要求7所述的光学器件的制备方法，其特征是所述的步骤2)中的透明基材 镀膜时采用在线加热，热处理温度为20 160°C。
10.根据权利要求7所述的光学器件，其特征是所述的截止紫外线和红外线的膜层包 括紫外线截止膜层和红外线截止膜层。
11.根据权利要求10所述的光学器件，其特征是所述的紫外线截止膜层为氧化钛-氧 化铈膜层，氧化钛和氧化铈的质量比例为10 90% 10 90%。
12.根据权利要求10所述的光学器件，其特征是所述的紫外线截止膜层厚度为10 500纳米；其滤波波长范围设定为445nm以下。
13.根据权利要求10所述的光学器件，其特征是所述的红外线截止膜层由两种高、低 折射率材料薄膜相互间隔堆叠而成；该高折射率材料薄膜由五氧化二钽形成；该低折射率 材料薄膜由二氧化硅形成。
14.根据权利要求10所述的光学器件，其特征是所述的红外线截止膜层厚度为10 500纳米；其滤波波长范围设定为大于700nm。
全文摘要
本发明提供一种使用具有透明基材的光学器件的LED光源，包括具有至少一个LED芯片的LED器件，以及安装在LED器件上的具有透明基材的光学器件。具有透明基材的光学器件是由ARTON、COC、COP、PMMA和光学玻璃其中任一种材料成型的透明基材进行镀膜形成，膜层包括了荧光粉膜层和截止紫外线和红外线的膜层。LED光源工作时，由蓝光或紫外芯片激发光学器件上面的荧光粉膜层，产生其它波段的可见光，各部分混色形成白光；截止紫外线和红外线的膜层能够吸收波长小于445nm的短波长范围和波长大于700nm的长波长范围内的光。本发明还提供一种具有透明基材的光学器件及其制备方法。
文档编号F21Y101/02GK101881419SQ20091026530
公开日2010年11月10日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年6月25日
发明者李欣洋 申请人:李欣洋