CN104633545B - 高显指led灯具及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高显指LED灯具及其设计方法，该设计方法能够在使用常规LED的前提下，通过不同颜色LED的光通量配比，大大提高LED灯具的显色指数。使用该方法制作的LED灯具显色指数高达95以上，结构简单、制作方便、成本低廉。该设计方法不需要提高单颗白光LED的显色指数，只需要市场上普通的LED就可制作高显指LED灯具，减少了制作高显指LED灯具芯片、封装工艺上的制约，在灯具应用端即可实现，使LED下游即LED灯具应用端开发高显指灯具有更多的自主性，不需依赖于上游芯片及封装，同时大大减少了高显指灯具开发成本。

Description

高显指LED灯具及其设计方法
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，具体是指一种高显指LED灯具及其设计方法。
背景技术
光源对物体颜色的还原能力称为显色性，显色性采用显色指数（CRI）来表征，是评价照明光源的一个重要指标。显色性指数的高低，表示物体在该光源下“变色”和“失真”的程度，显色指数（CRI）高的光源对物体颜色的还原能力更强，更接近物体在自然光下颜色表现。色度学中将黑体（日光）或标准照明体D作为参照光源，将其显色指数定义为100。这样的光源具有比较完整、均匀、连续光谱。当光源光谱中某段波长辐射功率很少或缺失，被照物体反射光颜色会产生明显的色移，色差会很大，光源的显色指数就会很低。
目前，市场上使用的白光LED大部分是使用蓝光芯片激发黄色荧光粉这一传统的方式获得的，得到的白光其实是蓝光与黄绿光混光的结果。然而，由蓝光激发黄绿光得到的光谱，光谱成分相对较少，混合光线的显色指数相对较低，一般不会超过80。同时由于光谱中红光成分缺失，显色指数评价体系中对于红色评价的R9会很低。所以要提升LED整体的显色指数，需在光谱中增加红光成分。
目前LED封装厂一般在LED中加入红色荧光粉以制作低色温高显指的LED产品。红色荧光粉一般为硫化物红粉或氮化物红粉。然而，硫化物红粉由于化学性质不稳定易与封装材料起化学反应；氮化物红粉的化学性质虽然稳定，但是由于其激发光谱覆盖了几乎整个黄绿波段，导致最终白光效率下降，难以有效满足实际应用。
发明内容
本发明为解决现有LED灯具显指不高的问题，提出一种新型高显指LED灯具及其设计方法。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种高显指LED灯具的设计方法，包括以下步骤：
（1）确定红光LED光通量随温度变化关系，确定红光LED色品落点随温度及电流变化关系，确定红光半波宽随温度及电流变化关系；
（2）确定绿光LED光通量随温度变化关系，确定绿光LED色品落点随温度及电流变化关系，确定绿光半波宽随温度及电流变化关系；
（3）确定白光LED和红光LED的光通量比值与显色指数的对应关系；
（4）推导计算白光LED和红光LED光通量比值与色品落点对应关系；
（5）根据白光LED和红光LED的光通量比值与显色指数的对应关系，确定达到最佳显色指数时，白光LED和红光LED的光通量比值；
（6）根据确定好的白光LED和红光LED的光通量比值，推导白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值与显色指数的对应关系；
（7）推导计算白光LED、红光LED、绿光LED光通量比值与色品落点对应关系；
（8）根据白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值与显色指数、色品落点的对应关系，确定白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，使出射光不仅显色指数高，而且色品落点均在3步麦克亚当椭圆以内；
（9）根据红光LED、绿光LED光通量随温度变化关系，色品落点随温度及电流变化关系，依据灯具的实际应用修正白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值；
（10）根据修正的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，确定灯具使用混光罩或透镜后，灯具出射光的显色指数及色品落点变化；
（11）根据显色指数及色品落点变化，调整确定最优的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值；
（12）根据调整的最优的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，以及所需的白光、红光和绿光灯珠数量、串并方式，确定灯板上白光LED、红光LED和绿光LED的排列方式；
（13）根据灯板上白光LED、红光LED和绿光LED的排列方式，选择灯具驱动源及灯具相关部件，制作高显指LED灯具。
优选地，所述红光LED可以为峰值波长在585nm~635nm波段中任意波长的LED，即采用白光LED、绿光LED、峰值波长在585~635nm波段中任意波长的LED，三种光源制作高显指LED灯具。
优选地，所述绿光LED为峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED，即采用白光LED、红光LED、峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED，三种光源制作高显指LED灯具。
优选地，采用白光LED、峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED、峰值波长在585~635nm波段中任意波长的LED，三种光源制作高显指LED灯具。
优选地，高显指LED灯具设计方法还包括蓝光LED，即采用白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED四种光源制作高显指LED灯具。
优选地，即采用白光LED、峰值波长在585~635nm波段中任意波长的LED、绿光LED和蓝光LED四种光源制作高显指LED灯具。
优选地，即采用白光LED、峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED、红光LED和蓝光LED四种光源制作高显指LED灯具。
优选地，即采用白光LED、峰值波长在585~635nm波段中任意波长的LED、峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED和蓝光LED四种光源制作高显指LED灯具。
优选地，所述蓝光LED的峰值波长为460nm~485nm，加入长波段蓝光可以补充LED灯具光谱中的长波段蓝光成分，极大提高灯具的显色指数。
优选地，高显指LED灯具包括散热片、灯板、弹簧支架、反光杯、装饰圈和LED光源；所述LED光源固定在灯板上，灯板贴装在散热片表面，所述反光杯固定在散热片上，弹簧支架对称安装在反光杯上；所述装饰圈与反光杯相连接；所述LED光源包括白光LED、红光LED和绿光LED。
优选地，所述白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值为（6~8）：1：（0.8~1.4）。
优选地，高显指LED灯具还包括蓝光LED。
优选地，蓝光LED的峰值波长为460nm~485nm，加入长波段蓝光可以补充LED灯具光谱中的缺失的长波段蓝光成分，极大提高灯具的显色指数。
优选地，加入蓝光LED的高显指LED灯具的显色指数高达95以上。
优选地，所述高显指LED灯具还包括混光罩，将不同颜色LED光源混合，使得灯具出光更为均匀。
本发明取得的有益效果是：本发明提供的高显指LED灯具的设计方法能够在使用常规LED的前提下，通过不同颜色LED的光通量配比，大大提高LED灯具的显色指数；使用该方法制作的LED灯具的显色指数高达95以上；该设计方法不需要提高单颗白光LED的显色指数，只需要市场上普通的LED就可制作高显指LED灯具，减少了制作高显指LED灯具芯片、封装工艺上的制约，在灯具应用端即可实现，使LED下游即LED灯具应用端开发高显指灯具有更多的自主性，不需依赖于上游芯片及封装，同时大大减少了高显指灯具开发成本。
本发明提供的高显指LED灯具，显色指数高、结构简单、制作方便、成本低廉。
附图说明
图1为高显指LED灯具立体图。
图2为高显指LED灯具分解结构图。
图3为高显指LED灯具灯板结构图。
图4为未加蓝光LED，灯具光谱分布图。
图5为加入蓝光LED，灯具光谱分布图。
附图标号： 1、散热片；2、灯板； 21、白光LED；22、红光LED；23、绿光LED1；3、弹簧支架；4、反光杯；5、装饰圈；6、混光罩。
具体实施方式
一种高显指LED灯具的设计方法，包括以下步骤：
（1）确定红光LED光通量随温度变化关系，确定红光LED色品落点随温度及电流变化关系，确定红光半波宽随温度及电流变化关系。
（2）确定绿光LED光通量随温度变化关系，确定绿光LED色品落点随温度及电流变化关系，确定绿光半波宽随温度及电流变化关系；
无论是蓝光LED芯片、红光LED芯片还是绿光LED芯片，随着温度及电流的变化，芯片的出光都会变化。随着温度的增加，电子与空穴的浓度增加，禁带宽度会减小，电子迁移率将减小，同时势阱中电子与空穴的辐射复合几率下降，造成非辐射复合，从而降低LED的内量子效率。随着电流的增加LED的出射波长会发生改变，以蓝光LED为例GaN基蓝光LED目前主要采用InGaN/GaN多量子阱结构，而这种结构由于InGaN和GaN晶格常数失配产生应力存在强烈的压电极化现象，随着注入电流的增加LED峰值波长向短波长移动出现LED蓝移，最终影响混合光色的光谱组成。所以制作开发高显指LED灯具必须确定好温度、电流与单颗LED光源光通量、色品、出射光半波宽的关系。
（3）确定白光LED和红光LED的光通量比值与显色指数的对应关系；
白光LED与红光LED光通量的比例决定出射光的光谱组成，出射光的光谱组成决定其显色指数。通过计算白光与红光的光通量比例来计算出射光的光谱组成、显色指数，确定白光LED和红光LED的光通量比值与显色指数的对应关系。
根据不同白光与红光LED的光通量比值可以计算得到出射光的辐射功率光谱分布。
光源对某一种标准样品的显色指数称为特殊显色指数Ri，
Ri=100-4.6ΔEi
式中，ΔEi为在参照光源下和待测光源下样品的色差。
光源对待定8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra，
把得到的出射光辐射功率分别乘以CIE1931标准色度观察者三刺激值、、、并求和；
、、
式中，，，是CIE1931标准色度学系统的三刺激值；，，是CIE1931标准色度观察者三刺激值。
通过以下公式计算待测光源的色度坐标（x,y）：
，，
利用公式
（2000K<Tc<10000K）
，x，y为待测光源色度坐标，
计算出待测光源的相关色温Tc，再利用公式
，
求出待测光源的CIE1960UCS坐标（u，v）。
根据计算得到的待测光源相关色温Tc选择参照光源，所选参照光源与待测光源的色度应相同或接近相同。
参照光源与待测光源的色度应相同或接近相同，两者色差按下式计算：
，这一色度差在普朗克轨迹上大约相当于15麦勒德，因而应小于，若待测光源和参照照明体之间的色度差大于，显色指数的计算准确性便降低。
实际计算中，用来计算参照照明体r的，，，，，参照照明体所用的系数通过查表给出。
由于待测光源和所选的参照照明体r的色度不完全相同，而使视觉在不同的照明下受到颜色适应的影响。为了处理两种照明下的色适应，必须将待测光源的色度坐标，调整为参照照明体的色度坐标，。这种色度坐标的调整叫做适应性色位移，用以下系数关系式进行转换：
，
上式中各c，d函数包括待测光源，的函数，，参照照明体，的函数，，及待测光源下各颜色样品，的函数，均由下式计算：
，
将值调整为100后，得调整因子：
，将乘以k后，用下式将数据转换为CIE1964颜色空间坐标：
，，，
式中，
用CIE1964色差公式计算在待测光源k和参照照明体r照明下同一颜色样品i的色差，
将以上色差公式代入一般显色指数和特殊显色指数计算公式即可。
（4）推导计算白光LED和红光LED光通量比值与色品落点对应关系；
由于需要考虑混合光色在色品坐标中的位置，所以需要通过单色光的色品坐标推算出混合光色品坐标，单色光的色品坐标由各光色的三刺激值决定。CIE色度系统三刺激值为：
，，
式中，积分范围在可见光波段范围内。实际计算用求和来近似积分，即：
，，
式中，为发光物体辐射的相对光谱功率分布。常数k为归一化系数，对自发光体是将光源的Y指调整到100，即
计算出物体的颜色的三刺激值后，可计算出单色光的色品坐标：
，，
当得到单色光的色品坐标和亮度值后，就可计算出混合色的色品坐标。
混合色与已知色的色品坐标之间没有线性叠加关系，但混合色与已知色的三刺激值之间存在着线性叠加关系。
混合色的三刺激值：
，，
式中，，，，，，为两种已知颜色的三刺激值。
上式可推广至更多种颜色相加混合，只要已知各个颜色的三刺激值，便可求得混合色的三刺激值。
计算出混合色的三刺激值，可推导出混合色的色品坐标。
（5）根据白光LED和红光LED的光通量比值与显色指数的对应关系，确定达到最佳显色指数时，白光LED和红光LED的光通量比值；
进一步地，白光LED和红光LED光通量比值为（6~8）：1时，显色指数较高。
（6）根据确定好的白光LED和红光LED的光通量比值，推导白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值与显色指数的对应关系；
固定白光LED和红光LED的光通量比值，使用不同光通量的绿光LED进行计算，推导白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值与显色指数的对应关系。
（7）推导白光LED、红光LED、绿光LED光通量比值与色品落点对应关系。
（8）根据白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值与显色指数、色品落点的对应关系，确定最优的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，不仅显色指数高，而且色品落点均在3步麦克亚当椭圆以内。
（9）根据确定的红光LED、绿光LED光通量随温度变化关系，色品落点随温度及电流变化关系，考虑灯具的实际应用，修正白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值。
（10）根据修正的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，确定灯具使用混光罩或透镜后，灯具出射光的显色指数及色品落点变化；
灯具使用二次光学设计的材质不同，对出射光线的影响也不同，例如PMMA材质的透镜会吸收光线中短波长上的光线，使出射光色温下降，色品坐标中x增大，需要根据出射光变化做相应修正。
（11）根据出射光的显色指数及色品落点变化，调整确定最优的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值；
进一步地，白光LED、红光LED和绿光LED光通量比值为（6~8）：1：（0.8~1.4）时，不仅显色指数高，而且光色品质好，色品落点均在3步麦克亚当椭圆以内。
（12）根据调整的最优的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，以及所需的白光、红光和绿光灯珠数量、串并方式，确定灯板上白光LED、红光LED和绿光LED的排列方式；
确定好最优的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，根据单颗LED的光通量和电流，以及灯具光通量、功率等要求，确定灯珠数量及串并方式，最后确定光源灯板上白光LED、红光LED和绿光LED的排列方式。
（13）根据灯板上白光LED、红光LED和绿光LED的排列方式，选择灯具驱动源及灯具相关部件，制作高显指LED灯具。
进一步地，所述红光LED可以为峰值波长在585nm~635nm波段中任意波长的LED，即采用白光LED、绿光LED、峰值波长在585~635nm波段中任意波长的LED，三种光源制作高显指LED灯具。
进一步地，所述绿光LED可以为峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED，即采用白光LED、红光LED、峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED，三种光源制作高显指LED灯具。
进一步地，采用白光LED、峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED、峰值波长在585~635nm波段中任意波长的LED，三种光源制作高显指LED灯具。
进一步地，高显指LED灯具设计方法还包括蓝光LED，即采用白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED四种光源制作高显指LED灯具。
进一步地，即采用白光LED、峰值波长在585~635nm波段中任意波长的LED、绿光LED和蓝光LED四种光源制作高显指LED灯具。
进一步地，即采用白光LED、峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED、红光LED和蓝光LED四种光源制作高显指LED灯具。
进一步地，即采用白光LED、峰值波长在585~635nm波段中任意波长的LED、峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED和蓝光LED四种光源制作高显指LED灯具。
进一步地，所述蓝光LED的峰值波长为460nm~485nm，加入长波段蓝光可以补充LED灯具光谱中的长波段蓝光成分，极大提高灯具的显色指数。
参见附图1和附图3一种高显指LED灯具，包括散热片、灯板、弹簧支架、反光杯、装饰圈和LED光源；所述LED光源固定在灯板上，灯板贴装在散热片表面，所述反光杯固定在散热片上，弹簧支架对称安装在反光杯上；所述装饰圈与反光杯相连接；所述LED光源包括白光LED、红光LED和绿光LED。
进一步地，所述白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值为（6~8）：1：（0.8~1.4）。
进一步地，高显指LED灯具还包括蓝光LED。
进一步地，蓝光LED的峰值波长为460nm~485nm，参见附图4和5，加入蓝光LED的高显指LED灯具的光谱分布，可以补充LED灯具光谱中的缺失的长波段蓝光成分，极大提高灯具的显色指数。
进一步地，加入蓝光LED的高显指LED灯具的显色指数高达95以上。
进一步地，所述高显指LED灯具还包括混光罩，将不同颜色LED光源混合，使得灯具出光更为均匀。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。

Claims (9)

1.高显指LED灯具的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）确定红光LED光通量随温度变化关系，确定红光LED色品落点随温度及电流变化关系，确定红光半波宽随温度及电流变化关系；
（2）确定绿光LED光通量随温度变化关系，确定绿光LED色品落点随温度及电流变化关系，确定绿光半波宽随温度及电流变化关系；
（3）确定白光LED和红光LED的光通量比值与显色指数的对应关系；
（4）推导计算白光LED和红光LED光通量比值与出射光色品落点对应关系；
（5）根据白光LED和红光LED的光通量比值与显色指数的对应关系，确定达到最佳显色指数时，白光LED和红光LED的光通量比值；
（6）根据确定好的白光LED和红光LED的光通量比值，推导白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值与显色指数的对应关系；
（7）推导计算白光LED、红光LED、绿光LED光通量比值与色品落点对应关系；
（8）根据白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值与显色指数、色品落点的对应关系，确定白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值；
（9）根据红光LED、绿光LED光通量随温度变化关系，色品落点随温度及电流变化关系，依据灯具的实际应用修正白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值；
（10）根据修正的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，确定灯具使用混光罩或透镜后，灯具显色指数及色品落点变化；
（11）根据显色指数及色品落点变化，调整确定最优的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值；
（12）根据调整的最优的白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值，以及所需的白光、红光和绿光灯珠数量、串并方式，确定灯板上白光LED、红光LED和绿光LED的排列方式；
（13）根据灯板上白光LED、红光LED和绿光LED的排列方式，制作高显指LED灯具。
2.根据权利要求1所述的高显指LED灯具的设计方法，其特征在于：所述红光LED可以为峰值波长在585nm-635nm波段中任意波长的LED。
3.根据权利要求1所述的高显指LED灯具的设计方法，其特征在于：所述绿光LED可以为峰值波长在490nm~580nm波段中任意波长的LED。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高显指LED灯具的设计方法，其特征在于：还包括蓝光LED。
5.根据权利要求4所述的高显指LED灯具的设计方法，其特征在于：所述蓝光LED的峰值波长为460nm~485nm。
6.根据权利要求1所述的高显指LED灯具的设计方法，LED灯具包括散热片、灯板、弹簧支架、反光杯、装饰圈和LED光源；所述LED光源固定在灯板上，灯板贴装在散热片表面，所述反光杯固定在散热片上，弹簧支架对称安装在反光杯上；所述装饰圈与反光杯相连接，其特征在于：所述LED光源包括白光LED、红光LED和绿光LED，所述白光LED、红光LED和绿光LED的光通量比值为（6~8）：1：（0.8~1.4）。
7.根据权利要求6所述的高显指LED灯具的设计方法，其特征在于：还包括蓝光LED。
8.根据权利要求7所述的高显指LED灯具的设计方法，其特征在于：蓝光LED的峰值波长为460nm~485nm。
9.根据权利要求6至8任一项权利要求所述的高显指LED灯具的设计方法，其特征在于：还包括混光罩。
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