一种LED人工太阳光照明装置的制作方法

本实用新型涉及照明装置技术领域，具体是涉及一种LED人工太阳光照明装置。

背景技术：

半导体照明（LED照明）是继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命。由于具有高效、节能、环保、长寿命、近似点光源等显著特点，是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一，获得了世界主要国家和地区的大力支持，目前全球LED产业已经进入快速发展期，全球LED照明渗透率正在快速提升。

随着白光LED的发光效率不断提高，光效提升空间被进一步限制，以及人们对生活品质的不断追求,光品质开始受到重视，尤其室内照明，对于光品质的要求远远大于对光效的要求；此外，随着社会发展，人口增长，环境变化等因素，大部分人大部分时间的工作或生活活动空间都被压缩在狭窄的室内空间内，自然光慢慢开始变成了一种奢求。在此背景下，发展高品质人工太阳光照明装置成为人们迫切需求的可替代方案。其中，欧美日对照明的研究受传统日光的影响较大，已在此展开了较深入的研究，并形成了类似产品。美国DOE规划目标，明确到2025年实现仿全日光的照明。

人工太阳光照明装置，用于产生类似于来自太阳和天空照射的自然光，包括：直射光源和漫射背景光。为了实现这一功能，类似专利如申请号为CN201280078131.0的“用于产生自然光的人工照明装置”，以及申请号为CN201380070311.9的“包含光发射器/准直器对组阵列的人工照明装置”。该系列专利，虽然对人工太阳光照明装置进行了详细阐述，而且进行了比较详细的视觉设计。但仍然存在以下不足:1）使用的直射光无法进行光谱调控；2）漫反射光来源瑞利散射所形成的背景光，这对瑞利散射板中的微粒的调控技术要求较高；3）系统并未涉及出射光及背景光均匀性调控方法；4）总体制作方案复杂，成本高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构简单可靠、制造成本低，在使得漫反射背景光均匀的同时，大幅度改善了直射光的均匀性的LED人工太阳光照明装置。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型所述的LED人工太阳光照明装置，其特点是：包括依次设置的LED光源模组、一次混光装置、聚光透镜、二次混光装置、漫反射背景光产生系统和出光面，其中所述LED光源模组连接有PWM控制电路模块。

其中，所述LED光源模组由不同波长的LED芯片组成，或由表面添加了不同荧光粉的LED芯片组成，或由表面添加了荧光粉的不同LED芯片组成。

为了对LED光源模组进行有效匀光，而且可有效进行光强分布曲线调控，为二次光学设计提供更多的设计空间，所述一次混光装置为硅胶体或导光管或硅胶体与导光管的组合结构体，所述硅胶体为半球形硅胶体或具有表面微结构的圆柱形硅胶体，所述导光管为方形导光管或圆柱形导光管。

为了更好地实现光线方向及发散角的调控，所述聚光透镜为TIR透镜，或者由抛物面反射镜与菲涅耳透镜组成。

为了进一步地提高匀光效果，所述二次混光装置由设置有微结构图形的pmma或pc光学材料制成，所述微结构图形是直接在pmma或pc光学材料上设计而成，或者由贴合在pmma或pc光学材料表面上的微结构扩散膜形成；且所述微结构图形为均匀分布或随机分布，单个微结构图形的高为0.5～1.5um，直径为10～100um。

为了使漫反射光弥散在照明系统内部，呈现空间感，而不是简单的从表面发射的漫反射光，所述漫反射背景光产生系统由多层漫反射膜或体扩散材料组成，且其产生的漫反射背景光来源于LED光源模组或光学系统内部添加的LED芯片光源。

本实用新型与现有技术相比，具有以下显著优点：

1）本实用新型基于非成像光学理论，进行了光机电一体化光学系统设计，为光学系统设计提供了更多的设计空间及自由度。相比传统设计方法，从单一波长设计转变到多波长设计思路，使得光源经所设计的光学系统后，光品质将大幅度提高；

2）通过PWM实现光谱可调光源的设计，以及针对该光源进行的二次光学设计，获得两类出射光，一是类似太阳光谱的直射光，二是类似太空的漫反射背景光。并且，通过有效的一体化光学系统设计，巧妙的解决漫反射背景光均匀性的同时，大幅度改善了直射光的均匀性。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型LED光源模组中LED芯片的排布示意图。

图3为本实用新型的仿真结构示意图。

图4为反映本实用新型照明装置仿真结果的出射光照度图和光强随角度分布图。

图5为反映本实用新型照明装置仿真结果的背景光照度图和光强随角度分布图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述的LED人工太阳光照明装置，包括依次设置的LED光源模组1、一次混光装置2、聚光透镜3、二次混光装置4、漫反射背景光产生系统5和出光面6，其中所述LED光源模组1连接有PWM控制电路模块，根据设定色温下LED光源模组1中各LED单色光的比例，通过PWM调光方式控制驱动每一路LED单色光的输出，从而得到稳定可调的太阳光谱光源。而且，所述一次混光装置2、聚光透镜3、二次混光装置4和漫反射背景光产生系统5共同形成照明光学系统。其中，所述LED光源模组1由不同波长的LED芯片11组成，或由表面添加了不同荧光粉的LED芯片组成，或由表面添加了荧光粉的不同LED芯片组成。所述一次混光装置2为硅胶体或导光管或硅胶体与导光管的组合结构体，所述硅胶体为半球形硅胶体或具有表面微结构的圆柱形硅胶体，所述导光管为方形导光管或圆柱形导光管。设置一次混光装置2，其目的是除传统封装功能外，更在于对LED光源模组1的一次混光及一次光学设计，不仅能进行有效匀光，使得不同波长光经导光管内壁多次全反射后，各波长光强分布曲线趋于一致，而且导光管出光面照度分布均匀，同时可有效进行光强分布曲线调控，为二次光学设计提供更多的设计空间。所述聚光透镜3为TIR透镜，或者由抛物面反射镜与菲涅耳透镜组成。通过该聚光透镜3能更好地实现光线方向及发散角的调控。所述二次混光装置4由设置有微结构图形的pmma或pc光学材料制成，所述微结构图形是直接在pmma或pc光学材料上设计而成，或者由贴合在pmma或pc光学材料表面上的微结构扩散膜形成；且所述微结构图形为均匀分布或随机分布，单个微结构图形的高为0.5～1.5um ，通常设置为1um，而直径为10～100um。所述漫反射背景光产生系统5由多层漫反射膜或体扩散材料组成，且其产生的漫反射背景光来源于LED光源模组1，并通过滤光片进行光谱选择；或者，来源于光学系统内部添加的LED芯片光源。

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

根据太阳光谱曲线，选取不同波长的LED芯片11，进行LED光源模组1的设计，其具体设计方式如图2所示，包括二种蓝光LED芯片、一种绿光LED芯片、一种红光LED芯片和二种白光LED芯片，每种颜色的LED芯片都是具有窄谱的LED单色芯片，且不同芯片均匀排布；而且，通过方形导光管实现一次光学设计；并采用TIR透镜作为聚光透镜3，其外表面均为自由曲面；同时，采用在pmma光学板上贴微结构扩散膜来实现二次混光设计，且微结构面朝外设置；漫反射背景光来源于LED光源模组1，并通过滤光片进行光谱选择，而且通过多层漫反射膜或体扩散材料产生光的漫反射，使得漫反射光弥散在照明系统内部，呈现空间感，而不是简单的从表面发射的漫反射光。

为了验证上述实施例的可行性，本实用新型采用照明设计软件Tracepro对上述实施例照明装置进行结构建模，并进行光线仿真模拟。仿真过程如下：

1）结构建模，均按该实施例要求同比例建模，具体仿真结构示意图如图3所示；2）材质属性定义；3）按该实施例中光源排布进行光源定义；4）蒙特卡洛光线追迹；5）仿真结果分析。

为了验证出光面是否产生直射光，仿真模型中，在距离离照明系统的两米处放置一个方形检测屏，照度结果如图4所示，方型光斑，均匀度大于98%，发散角约5度。

为了验证出光面是否在产生直射光的同时，产生漫反射背景，选择出光面作为检测屏，照度结果如图5所示。方型光斑，均匀度大于90%，发散角约60度，近朗伯光型。

本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。