CN101813296B

CN101813296B - 一种使用具有截止紫外线和红外线双功能滤光片的led光源

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Publication number: CN101813296B
Application number: CN2009102653073A
Authority: CN
Inventors: 李欣洋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2029-12-29
Also published as: CN101813296A

Abstract

本发明提供一种使用具有截止紫外线和红外线双功能滤光片的LED光源，包括具有至少一个LED芯片的LED器件，以及安装在LED器件上用于过滤LED芯片发出的光线的滤光片，其中LED芯片发出的光经滤光片发射到外部；滤光片可以在封装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器件共同使用一个滤光片。滤光片是具有截止紫外线和红外线双功能的由ARTON、COC、COP、PMMA和光学玻璃其中任一种材料成型的透明基材，表面镀有紫外线截止膜层和红外线截止膜层；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截止紫外线和红外线双功能的滤光片及其制备方法。

Description

一种使用具有截止紫外线和红外线双功能滤光片的LED光源

技术领域

本发明属于LED照明技术领域。具体涉及光过滤技术。

技术背景

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。

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，也未有关于截止紫外线/红外线双重功能的由ARTON(环状烯烃类树脂)、COC(Cyclic Olefin Copolymer，环烯烃共聚物)、环烯烃聚合物(Cyclo-olefin polymer简称COP)非晶型聚烯烃材料、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，亚克力)和光学玻璃成型的透明基材镀膜工艺的专利。

发明内容

本发明提供一种使用具有截止紫外线和红外线双功能滤光片的LED光源。

如图1所示，本发明使用具有截止紫外线和红外线双功能滤光片的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器件上用于过滤LED芯片发出的光线的滤光片2，其中LED芯片发出的光经滤光片发射到外部；滤光片可以在封装LED器件1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器件共同使用一个滤光片。

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。

所述滤光片是具有截止紫外线和红外线双功能的由成型的透明基材镀膜形成，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截止紫外线和红外线双功能的滤光片及其制备方法。

具有截止紫外线和红外线双功能的滤光片由成型的透明基材镀膜，包括透明基材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；其特征是：由成型的透明基材表面镀有紫外线截止膜层和红外线截止膜层，紫外线截止膜层位于透明基材表面最外层或者红外线截止膜层位于透明基材的最外层。

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。

所述透明基材为ARTON、COC、COP、PMMA和光学玻璃其中任一种。

其中ARTON透明基材由注塑成型。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光源的滤光片。

COC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。COC成型的透明基材比较适合用于LED光源的滤光片。

其中环烯烃聚合物(COP)透明基材由注塑成型。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℃和123℃)的特点，比较适合用于LED光源的滤光片。其折射率为1.525。

其中PMMA透明基材由注塑成型。PMMA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光源的滤光片。

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、高均匀度。比较适合用于LED光源的滤光片。

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。

如上所述的具有截止紫外线和红外线双功能的滤光片的制备方法，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)然后采用电子束蒸发方法镀制膜层：

(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％；混合均匀并烧结成靶材。

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Ta₂O₅。

(2).电子束蒸发镀膜：

采用电子束蒸发并用离子源进行辅助沉积。本底真空为(2～3)×10^-3Pa，工作真空为(1～4)×10^-2Pa。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电子束蒸发镀内层膜，在此基础上，再由硅靶材和五氧化二钽靶材进行电子束蒸发镀外层膜得到滤光片；

(b)先由硅靶材和五氧化二钽靶材对透明基材进行电子束蒸发镀内层膜，在此基础上，再由氧化钛-氧化铈靶材进行电子束蒸发镀外层膜得到滤光片；

(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，得到滤光片。

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℃。

所述的步骤2)中得到的具有截止紫外线和红外线双功能的由成型的透明基材镀膜滤光片采用离线热处理，热处理温度为20～160℃，热处理时间为10～240分钟。

所述透明基材为ARTON、COC、COP、PMMA和光学玻璃其中任一种。

所述的步骤2)中在透明基材上先镀紫外线截止膜，再镀红外线截止膜，然后再镀紫外线截止膜，形成三层镀膜的滤光片。

本发明使用具有截止紫外线和红外线双功能滤光片的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”。本发明用电子束蒸发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。所形成的滤光片适用于LED光源或其他光源上，使光源产品符合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”。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。

附图说明

图1是本发明使用具有截止紫外线和红外线双功能滤光片的LED光源的结构剖面示意图；

图2是本发明另一实施例的LED光源的剖面示意图；

图3是本发明又一实施例：多个LED器件共同使用一个滤光片形成的LED光源的示意图；

图4是本发明又一实施例：一种灯具的示意图；

图5是透过本发明：具有截止紫外线和红外线双功能的滤光片的入射光波长-入射光透射百分比的曲线图；

图6是适用了本发明LED光源作为液晶电视背光源的示意图。

具体实施方式

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11，一个滤光片2位于LED芯片11上方，并固定。

工作时，LED芯片11发出的光必须通过滤光片2后才能发射到外部，由滤光片2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可以选择任何所需要的发射波长，举例如主波长为530nm的绿光，或主波长为620nm的红光；再如主波长为460nm的蓝光，并在灌封的胶内混合一定比例的YAG粉，通过LED芯片发出的蓝光激发YAG粉，最后获得色温为8000K或其他所需色温的白光。

具有截止紫外线和红外线双功能的滤光片的制备，包括如下步骤：

1)首先对待镀膜透明基材，作为例子，本实施例选用ARTON透明基材，但也可选用COC、COP、PMMA或光学玻璃成型的透明基材，其它实施例与此相同，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)然后采用电子束蒸发方法镀制膜层：

(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TiO₂(纯度为99.9％)和分析纯的CeO₂(纯度为99.9％)粉末共100g；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混合均匀；(b)研磨并过筛；(c)称取70g粉体放入自制的石墨模具(Φ60mm)中，利用多功能真空热压烧结炉，以5℃/min自动升温，当温度达200℃时通入保护气体高纯N2(纯度99.995％)，温度为1050℃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Φ60mm×6mm的高致密度CeO₂/TiO₂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).电子束蒸发镀膜：

在型箱式光学镀膜机上采用电子束蒸发并用离子源进行辅助沉积。系统真空由机械泵和分子泵抽取获得，本底真空控制在(2～3)×10^-3Pa，工作真空在(1～4)×10^-2Pa范围内变化；薄膜的沉积的几何厚度和沉积速率由晶振仪监控；薄膜的光学厚度用极值法监控，监控波长为550nm；氧离子束由离子源产生并加速(充入氧气浓度为99.9999％)。薄膜的制备工艺为：基片温度20-80℃；沉积速率；氧气流量18cm³/s。

电子束蒸发沉积CeO₂/TiO₂复合膜，紫外线截止膜层厚度为210纳米。

电子束蒸发沉积SiO₂和Ta₂O₅膜，红外线截止膜层厚度为180纳米。

本实施例中，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，不同的是滤光片的制备，先由硅靶材和五氧化二钽靶材对透明基材进行电子束蒸发镀内层膜，在此基础上，再由氧化钛-氧化铈靶材进行电子束蒸发镀外层膜得到产品。

实施例三

与实施例一基本相同，不同的是滤光片由透明基材成型为圆形透镜曲面，如图2所示；又或是成型为方形透镜曲面，再进行清洗和镀膜。

实施例四

与实施例一基本相同，不同的是在透明基材上先镀紫外线截止膜层，再镀红外线截止膜层，然后再镀紫外线截止膜层，这样形成三层镀膜的滤光片；或根据需要，依一定次序镀若干层紫外线截止膜层和红外线截止膜层，形成滤光片。

实施例五

与实施例一基本相同，不同的是一个LED器件中，封装了多个同波长或不同波长的LED芯片，举例如两个蓝色芯片共同封装，又如红、蓝、绿三色LED芯片共同封装。工作时，同波长或不同波长的LED芯片发出的光必须通过滤光片后才能发射到外部，由滤光片对LED芯片发出的波长小于445nm和大于700nm范围内的光过滤。

实施例六

如图3所示，多个LED器件1组合在一起，安装在PCB3上。在所有LED器件的出光方向，安装了一个具有截止紫外线和红外线双功能的滤光片2。

由多个LED器件共同使用一个滤光片，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滤光片后才能发射到外部，由滤光片对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530nm的绿光，或主波长为620nm的红光；再如主波长为460nm的蓝光，并在灌封的胶内混合一定比例的YAG粉，通过LED芯片发出的蓝光激发YAG粉，最后获得色温为8000K或其他所需色温的白光。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、绿三色芯片共同封装或其它颜色芯片组合的共同封装。

实施例七

如图4所示，是一种灯具的例子，同样是由多个LED器件共同使用一个滤光片的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，这个罩子是具有截止紫外线和红外线双功能的滤光片。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滤光片后才能发射到外部，由滤光片对LED芯片发出的波长小于445nm和大于700nm范围内的光过滤。

实施例八

图6是适用了本发明的实施例一～实施例五的LED光源作为液晶电视背光源系统的示意图。

多个使用滤光片的LED光源4安装在PCB5上，LED光源均匀排列。

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，尤其是有辐射安全性或夜视兼容性要求的显示设备。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。

Claims

1.一种使用具有截止紫外线和红外线双功能滤光片的LED光源，包括具有至少一个LED芯片的LED器件，以及安装在LED器件上用于过滤LED芯片发出的光线的滤光片，其中LED芯片发出的光经滤光片发射到外部，其特征在于，

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；

所述滤光片是具有截止紫外线和红外线双功能的由环状烯烃类树脂、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯和光学玻璃其中任一种材料成型的透明基材镀膜形成，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，其特征在于所述滤光片在封装LED器件时就加入，或者在对LED器件进行二次封装时安装。

3.根据权利要求1所述的LED光源，其特征在于多个LED器件共同使用一个滤光片。

4.根据权利要求1所述的LED光源，其中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；其特征是：所述成型的透明基材表面镀有紫外线截止膜层和红外线截止膜层，紫外线截止膜层或者红外线截止膜层位于滤光片的最外层。

5.根据权利要求4所述的LED光源，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％。

6.根据权利要求4所述的LED光源，其特征是所述的紫外线截止膜层厚度为10～500纳米。

7.根据权利要求4所述的LED光源，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。

8.根据权利要求4所述的LED光源，其特征是所述的红外线截止膜层厚度为10～500纳米。

9.根据权利要求4所述的LED光源，其特征是：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。

10.根据权利要求4所述的LED光源，其特征是其中所述透镜为圆形或方形曲面。

11.一种具有截止紫外线和红外线双功能的滤光片的制备方法，其特征是包括如下步骤：

2)然后采用电子束蒸发方法镀制膜层：

(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％；混合均匀并烧结成靶材；

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Ta₂O₅；

(2).电子束蒸发镀膜：

采用电子束蒸发并用离子源进行辅助沉积。本底真空为(2～3)×10^-3Pa，工作真空为(1～4)×10^-2Pa，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电子束蒸发镀紫外线截止膜层作为内层膜，在此基础上，再由硅靶材和五氧化二钽靶材进行电子束蒸发镀红外线截止膜层作为外层膜得到滤光片；

(b)先由硅靶材和五氧化二钽靶材对透明基材进行电子束蒸发镀红外线截止膜层作为内层膜，在此基础上，再由氧化钛-氧化铈靶材进行电子束蒸发镀紫外线截止膜层作为外层膜得到滤光片；

12.根据权利要求11所述的滤光片的制备方法，其特征在于，所述透明基材为环状烯烃类树脂、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯和光学玻璃其中任一种。

13.根据权利要求11所述的滤光片的制备方法，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℃。

14.根据权利要求11所述的滤光片的制备方法，其特征是所述的步骤2)中的透明基材镀膜时采用离线加热，热处理温度为10～240℃。

15.根据权利要求11所述的滤光片的制备方法，其特征是所述的步骤2)中在透明基材上先镀紫外线截止膜，再镀红外线截止膜，然后再镀紫外线截止膜，形成三层镀膜的滤光片。