应用衍射元件的双蓝光芯片激发色温可调led照明灯具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于照明领域，具体是一种色温、亮度等参数可以手动调节或设置，并且通 过衍射光学元件消除照明色差、实现配光的LED灯具。
【背景技术】
[0002] 目前，固态照明领域发展迅速，LED灯具以其高效、节能、长寿命的优点，被认为是 具有广泛前景，能取代白炽灯、荧光灯等灯具成为新型的照明灯具。目前普通LED灯具色温 偏高，且不可调，照明光斑有色差、不均匀，会损害使用人视力、增加照明不适反应，所以要 设计光斑色差可校正、照度分布均匀的照明灯具，以提高照明的舒适性和安全性。而且夜间 使用高色温、光斑色差不均匀的灯具影响使用人的工作效率、生物钟效应、妨碍睡眠的缺点 已开始被一些人所重视，并着手开发合适的LED灯具。然而，高色温和低色温均有它们的 优缺点。低色温、温暖柔和的光照能促进褪黑激素的分泌，促进使用人后续进入睡眠，适合 夜间照明或休息时的照明；而高色温的光照则正好相反，抑制褪黑激素的分泌，让使用人警 觉、振奋，且不易犯困，适合工作时的照明。如果设计色温可调的LED照明灯具，则可以用一 个灯具同时满足这两种需求，结合两种不同色温照明的优点，供用户在不同的时段或状态 下使用。而且兼有光斑色差可校正、照度分布均匀的照明灯具，更将提高照明的舒适性和安 全性。
【发明内容】
[0003] 本发明针对现有技术中对可调LED灯具的需求，提供了一种灯具中每个LED发光 灯体带有两种LED芯片，通过手机APP调节它们的驱动电流可以进而调节它们的色温、照度 的LED灯具。其具体技术方案如下： 一种应用衍射元件实现光斑色差校正和配光的双蓝光芯片激发的色温可调LED照明 灯具，包括灯体、灯体驱动器、信号收发系统、透镜系统和灯具透明罩，：所述透镜系统由多 台阶衍射光学元件和折射透镜组成，所述灯体内的LED灯含有两种不同发光波长的蓝光 LED芯片，芯片上涂有黄色YAG荧光粉或黄色YAG荧光粉加红色荧光粉。
[0004] 进一步的，所述灯体驱动器和信号收发系统联动，调节两种LED芯片的驱动电流 控制发光功率，从而实现调节色温和照度的目的。
[0005] 进一步的，所述多台阶衍射光学元件的衍射台阶为2-8个。
[0006] 进一步的，所述透镜系统包括第一衍射光学面，将该衍射光学元件前的存在色差 的光斑转换成该衍射光学元件后没有色差的光斑，实现光斑颜色均匀照明，所述的衍射光 学元件的透过函数对可见区内各波长λ的光通过该元件的变化符合如下设计 公式：
其中，X(i、yci代表 通过透镜之后的位置坐标，E(X(I，y(l)即透镜后的照度分布表达式；Xi、 yi为透镜前的位置坐 标，E1 (Xi, yi)代表透镜前的照度分布表达式，f是透镜焦距，Σ是透镜有效透光区域。
[0007] 进一步的，所述透镜系统包括改变光斑形状和光照度分布的光学元件，使得光斑 呈光照度均匀分布。
[0008] 进一步的，所述改变光斑形状和光照度分布的光学元件是第二衍射光学面，将该 衍射光学元件前的照度不均匀光斑转换成待照明位置处照度均匀的光斑，实现照度均匀照 明，对可见区内各波长λ，所述的第二衍射光学面的照度透过函数Φ2 (xi，yi)按照下式 来设计
其中，X^yi 代表第二衍射光学面前的位置坐标，E2(Xi，yi)代表第二衍射光学面前的照度分布； X(l、y(l为 待照明位置的坐标，E(X(I，ytl)则为待照明位置处各点的照度分布。D是照明距离。
[0009] 进一步的，所述改变光斑形状和光照度分布的光学元件是自由曲面透镜；该自由 曲面透镜采用如下涉及：首先建立自由曲面透镜前入射光斑的模型，将自由曲面分割成许 多子曲面，使用光线追踪的方法，对射入曲面上各个子曲面上的光线进行收集和统计分析， 按照聚光的要求，通过控制子曲面法线方向，将光线进行最大程度的准直，从而通过该自由 曲面实现透镜前的不均匀光斑到透镜后的均匀光斑的映射。
[0010] 进一步的，所述灯体内的每个LED灯含有两种不同的蓝光LED芯片，它们的峰值 波长分别是415~465nm和445~495nm，两种蓝光LED芯片的峰值波长相差30~50nm，带宽为 18~30nm ;从而实现色温2500-6500K可调；当两种蓝光LED芯片上涂有黄色YAG荧光粉时， 显色指数达到86以上，涂有黄色YAG荧光粉加红色荧光粉时，显色指数达到93以上。
[0011] 进一步的，通过手机APP控制，信号收发系统和灯体驱动器联动，从APP上调 节或设置LED照明光源的色温、照度等参数，实现工作时色温较高的光源照明（色温 4000~6500K);休息时使用色温较低的光源（色温2500~4000K)。
[0012] 进一步的，所述灯体可实现低色温照明，低色温照明时最大峰值波长为 560~600nm，适合中老年人晶状体黄化所引起的透过率向长波偏移的视觉特性，提高中老年 人在夜间工作时的视力。
[0013] 本发明根据人类在工作时和休息时对照明色温、光斑均匀度的不同需求，设计了 一种应用衍射元件实现光斑色差校正和配光的、兼具双蓝光芯片激发的色温可调的LED照 明灯具。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的双蓝光芯片激发的色温可调、光斑色差校正的LED照明灯具结构 图； 图2是去色差衍射透镜结构图； 图3是衍射透镜系统光路转换示意图； 图4 (a)是低色温LED的发光光谱； 图4 (b)是低色温LED的发光光谱。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0016] 本发明包括灯体1、灯体驱动器2、信号收发系统3、透镜系统4和灯具透明罩组成， 如图1所示。本发明使用了衍射光学元件作为光线变换透镜系统。传统白光LED照明中，因 为照明中心和照明边缘由于透过透镜光程和通过荧光粉厚度的不同、色散不同，照明边缘 通过的荧光粉厚度更大，且光程更长，色散更大，因此在照明边缘的光色偏黄，中心偏白。这 意味着光斑的中心和边缘存在较大的色差，这种现象在传统照明灯具，如荧光灯、白炽灯等 中鲜有存在，对用户来说难以适应，增加照明不舒服。因此，本发明在LED灯体外增加了衍 射光学元件组成的透镜系统4,该衍射透镜系统由多阶衍射光学元件组成，衍射阶数为2-8 阶，结构图如图2所示。该衍射透镜系统能够将衍射光学元件前的存在色差的光斑转换成 衍射光学元件后没有色差的光斑，实现光斑的颜色均匀照明。所述衍射光学元件的透过函 数，所述衍射光学元件的透过函数Φ: (Xi，yi)，对可见区内各波长λ的光通过该元件的变 化符合如下设计公式：
其中，x〇、y〇代表通过透镜之后的位置坐标，Ε(χ〇，y〇)即透镜后的照度分布表达式；Xi、 Yi为透镜前的位置坐标，E i (Xi, yi)代表透镜前的照度分布表达式，f是透镜焦距，Σ是透镜 有效透光区域。并且，常规单个LED灯的照明光斑中心亮度大，边缘亮度低，不均匀。实际 上，人类工作的很多情况需要的光斑形状并非圆形。如对道路和桌子的照明，方形的光斑能 更加有利地利用能量。并且，常规LED灯具中心亮度过高，不仅仅引起了能量的浪费，不均 匀亮度过高的光也会因存在眩光而引起用户的不适。本发明在衍射透镜系统中，还包含了 能改变光斑形状和光强分布的透镜系统，使光均匀分布在方形，或用户需要的形状下，合理 利用能量，进一步满足LED照明节能的目标。
[0017] 该改变光斑形状和光强分布的透镜系统可以是两种，一种是自由曲面透镜系统， 该自由曲面透镜的设计是：首先建立自由曲面透镜前入射光斑的模型，使用光线追踪的方 法，对射入曲面上各个子曲面上的光线进行收集和统计分析，按照聚光器的要求，通过控制 子曲面法线方向，将光线进行最大程度的准直，从而通过该自由曲面实现透镜前的不均匀 光斑到透镜后的均匀光斑的映射。举例，若用户需要长方形的均匀光斑，本发明将使用花生 米状自由曲面，产生蝙蝠翼形配光曲线的均匀光斑，发光示意图如图3所示； 另外一种可以是实现亮度均匀照明的衍射透镜。该衍射透镜能够将该衍射光学元件前 的照度不均匀光斑转换成该衍射光学元件后照度均匀的光斑，实现照度均匀照明。所述的 衍射光学元件的照度透过函数Φ2 (xi，yi)按照下式来设计：
其中，Xpyi代表第二衍射光学面前的位置坐标，E2(Xi，yi)代表第二衍射光学面前的 照度分布；χ〇、y。为待照明位置的坐标，E(X(1，则为待照明位置处各点的照度分布，D是 照明距离。两种光学元件均能达到使光强均匀分布在用户指定的照明形状下的目的。
[0018] 图1中，灯体1的每个LED包含有两种蓝光LED芯片，其中第一个蓝光LED芯片发 光的峰值波长范围在415~465nm之间，第二个蓝光LED芯片发光的峰值波长在445~495nm 之间。蓝光LED芯片发光的带宽为18~30nm。在蓝光LED芯片上