CN107623064B - 模拟黑体辐射光谱的led光源及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
模拟黑体辐射光谱的LED光源及其制备与应用，属于LED技术领域。解决了现有LED光源蓝光过多，光谱中存在颜色缺失，伤害人类视觉系统的问题。本发明的LED光源，包括蓝光LED芯片，该蓝光LED芯片上涂覆含有荧光粉的胶水，或该蓝光LED芯片置于已涂覆含有荧光粉的胶水的外壳内；其中，荧光粉含有485‑500nm的青色荧光粉、520‑540nm的黄绿色荧光粉和645‑660nm的红色荧光粉。该LED光源在可见光范围内为连续光谱，无任何颜色缺失，光谱的最高强度不为蓝光，光谱与目标黑体辐射光谱的相似度和角度匹配度在可见光范围内均接近1，光谱的色温范围为1500‑6000K，可作为健康光源使用。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体涉及一种模拟黑体辐射光谱的LED光源及其制备与应用。
背景技术
LED作为一种新型的照明光源，具有节能环保、高亮度、长寿命等优点。近几年随着LED照明技术的成熟，人们将越来越多的目光放到健康照明领域。传统的LED光源由于采用蓝光芯片结合黄色荧光粉的方案，存在显色指数低，色温高，蓝光多等问题，对人们的视觉系统产生一定的损伤。因此如何提供健康、舒适的照明光源成为人们关心的问题。而众所周知，最好的光源应该是自然光和黑体辐射光谱。我们常见的自然光谱，包括太阳光、蜡烛光、白炽灯光、卤钨灯光等都接近相应色温的黑体辐射光谱。这些光谱都是连续光谱，包含了所有可见光的颜色。
现有技术中，在设计健康照明光源时，人们往往只关注光源的个别技术指标，比如色温、显色指数、照度、色域等，例如专利CN105870303A公开了一种全光谱的LED光源，该LED光源使用蓝光芯片激发多种不同颜色的荧光粉，实现全光谱LED光源，显色指数可以达到97。但是该光源依然存在一些问题，比如蓝光组分异常高，依然存在蓝光对人眼损害的问题。
最理想的健康光源不应该只考虑个别技术指标，而应该考虑所有方面的问题。比如，如果光源能够从光谱上与自然光一致，则是最理想的情况。但是，现有技术中并没有基于该构思的LED光源。
发明内容
本发明的目的是解决现有LED光源中蓝光过多，以及光谱中存在颜色缺失，伤害人类视觉系统的问题，提供一种能够模拟不同色温的黑体辐射光谱的LED光源及其制备方法与应用。
本发明的模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括蓝光LED芯片，所述蓝光LED芯片的波长范围为450nm-465nm，所述蓝光LED芯片上涂覆含有荧光粉的胶水，或所述蓝光LED芯片置于已涂覆含有荧光粉的胶水的外壳内；
所述荧光粉含有485nm-500nm的青色荧光粉、520nm-540nm的黄绿色荧光粉和645nm-665nm的红色荧光粉；
所述LED光源具备以下特征：
(1)LED光源在460nm-650nm可见光范围内为连续光谱，无任何颜色缺失，光谱的最高强度不为450nm-470nm的蓝光；
(2)LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的相似度SCF在460nm-650nm可见光范围内为：0.9<SCF<1；
所述的光谱相似度SCF计算公式为：
(3)LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的角度匹配度SAM在460nm-650nm可见光范围内为：0.99<SAM<1；
所述光谱角度匹配度SAM计算公式为：
SCF计算公式和SAM计算公式中，xi,yi分别为两个光谱在i个波段的光谱强度；
(4)LED光源的光谱的色温范围为1500K-6000K。
进一步的，所述荧光粉中还含有500nm-520nm的绿色荧光粉、540nm-560nm的黄色荧光粉、560nm-620nm的橙色荧光粉、620nm-645nm的红色荧光粉中的一种或多种。
进一步的，所述胶水为环氧树脂或者硅胶。
进一步的，所述含有荧光粉的胶水中，荧光粉的质量分数为10-40％。
进一步的，所述含有荧光粉的胶水中，485nm-500nm的青色荧光粉、520nm-540nm的黄绿色荧光粉和645nm-665nm的红色荧光粉的质量比为(0.1-1.5):18:(0.8-1.5)。
进一步的，所述的蓝光LED芯片为正装芯片或者倒装芯片。
进一步的，所述LED光源还包括LED支架，蓝光LED芯片粘接固定在LED支架上，并通过金属线或导电胶与LED支架的正负极连接。
更进一步的，所述LED支架为SMD支架或者COB支架。
上述模拟黑体辐射光谱的LED光源的制备方法，步骤如下：
步骤一、先将荧光粉与胶水混合均匀，得到含有荧光粉的胶水，然后将荧光粉胶水涂在蓝光LED芯片上或涂在置于蓝光LED芯片外的外壳上，待涂层固化，得到待测LED光源；
步骤二、对步骤一得到的待测LED光源进行检测，获得待测LED光源的光谱，判断其是否满足以下条件(1)-(4)；
若任意一条不满足，返回步骤一，并以目标黑体辐射曲线的光谱为指导，调整荧光粉的种类、各种类荧光粉之间的配比、荧光粉与胶水的配比中的一种或多种；
若全部满足，则待测LED光源即为模拟黑体辐射光谱的LED光源；
(1)LED光源在460nm-650nm可见光范围内为连续光谱，无任何颜色缺失，光谱的最高强度不能为450nm-470nm的蓝光；
(2)LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的相似度SCF在460nm-650nm可见光范围内为：0.9<SCF<1，越接近1；
其中，的光谱相似度SCF计算公式为：
(3)LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的角度匹配度SAM在460nm-650nm可见光范围内为：0.99<SAM<1；
其中，光谱角度匹配度SAM计算公式为：
SCF计算公式和SAM计算公式中，xi,yi分别为两个光谱在i个波段的光谱强度；
(4)LED光源的光谱的色温范围为1500K-6000K
上述模拟黑体辐射光谱的LED光源作为健康光源的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的模拟黑体辐射光谱的LED光源选用多种颜色的荧光粉和单一蓝光芯片，在可见光区模拟黑体辐射光谱，光谱具有460nm-650nm可见光范围内为连续光谱，无任何颜色缺失的优势；
2、本发明的模拟黑体辐射光谱的LED光源严格控制蓝光在光谱中的含量，避免蓝光对人眼的伤害，解决了目前LED光源中蓝光过多，伤害人类视觉系统的问题；
3、本发明的模拟黑体辐射光谱的LED光源严格定义了LED光谱同目标黑体辐射曲线的匹配度，对模拟的逼真度采用了光谱相似度SCF和光谱角度匹配度SAM来衡量，更加的严谨和科学，实现对黑体辐射光谱在可见光区的高度还原；
4、本发明的模拟黑体辐射光谱的LED光源黑体辐射光谱的色温范围为1500K-6000K；
5、本发明的模拟黑体辐射光谱的LED结构简单、成本可控；
6、本发明的模拟黑体辐射光谱的LED更加有利于人眼的健康，可作为健康光源使用，尤其可应用于学校、家庭、图书馆、博物馆等高端应用需求；
7、本发明的模拟黑体辐射光谱的LED的制备方法操作简单，制备的产品性能灵活可调，适用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1模拟2000K黑体辐射光谱图；
图2为本发明实施例2模拟3200K黑体辐射光谱图；
图3为本发明实施例3模拟4400K黑体辐射光谱图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明的模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括蓝光LED芯片，蓝光LED芯片表面上涂覆含有荧光粉的胶水，或蓝光LED芯片置于已涂覆含有荧光粉的胶水的外壳内。
其中，蓝光LED芯片可以为正装芯片和倒装芯片，但不限于此。蓝光LED芯片的波长范围为450nm-465nm。可采用本领域技术人员熟知方式获得。
荧光粉含有485nm-500nm的青色荧光粉、520nm-540nm的黄绿色荧光粉和645nm-665nm的红色荧光粉；为进一步改善LED光源的性能，使之与目标黑体辐射光谱更加接近，荧光粉中还可以进一步添加500nm-520nm的绿色荧光粉、540nm-560nm的黄色荧光粉、560nm-620nm的橙色荧光粉及620nm-645nm的红色荧光粉中的一种或多种。
胶水为LED领域常用胶水，通常使用的为封装胶水，如环氧树脂或者硅胶，这类胶水为便于操作，通常由A胶和B胶组成。
外壳没有限制，可以为任意形状任意结构，只要能够保证蓝色LED芯片发出的光经外壳后射出即可实现本发明的效果。
含有荧光粉的胶水中荧光粉的质量分数为10-40％。含有荧光粉的胶水中荧光粉的配比可以为：490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的质量比为(0.1-1.5):18:(0.8-1.5)。以下，本发明提供几种模拟黑体辐射光谱的LED光源的含有荧光粉的胶水的组成和配比，但不限于此，如：环氧树脂与质量比为0.1:18:1.5的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物；硅胶与质量比为0.2:18:1的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm的混合物；环氧树脂与质量比为1:18:0.9的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物；硅胶与质量比为1.5:18:0.8的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物；硅胶与质量比为0.1:18:1.5的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。作为LED光源的改进，荧光可以进一步增加500-520nm的绿色荧光粉、540-560nm的黄色荧光粉、560-620nm的橙色荧光粉及620-645nm的红色荧光粉中的一种或多种，可以使LED光源与黑体辐射光谱更加接近，具体用量根据实际需要确定。
通常，LED光源还包括支架，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线或导电胶与支架的正负极连接。支架可以为SMD支架、COB支架或者LED支架。
本发明的模拟黑体辐射光谱的LED光源的制备方法，步骤如下：
步骤一、先将荧光粉与胶水混合均匀，得到含有荧光粉的胶水，然后将荧光粉胶水涂在蓝光LED芯片上或涂在置于蓝光LED芯片外的外壳上，待涂层固化，得到待测LED光源；
步骤二、对步骤一得到的待测LED光源进行检测，获得待测LED光源的光谱，判断其是否满足以下条件(1)-(4)；若任意一条不满足，返回步骤一，并以目标黑体辐射曲线的光谱为指导，通过与待测LED光源的光谱比较，调整荧光粉的种类、各种类荧光粉之间的配比、荧光粉与胶水的配比中的一种或多种；若全部满足，则待测LED光源即为模拟黑体辐射光谱的LED光源；
条件为：
(1)LED光源在460nm-650nm可见光范围内为连续光谱，无任何颜色缺失，光谱的最高强度不能为450nm-470nm的蓝光；
(2)LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的相似度SCF在460nm-650nm可见光范围内为：0.9<SCF<1，越接近1；
其中，的光谱相似度SCF计算公式为：
(3)LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的角度匹配度SAM在460nm-650nm可见光范围内为：0.99<SAM<1；
其中，光谱角度匹配度SAM计算公式为：
SCF计算公式和SAM计算公式中，xi,yi分别为两个光谱在i个波段的光谱强度；
(4)LED光源的光谱的色温范围为1500K-6000K。
本发明的模拟黑体辐射光谱的LED光源能够作为健康光源应用，有利于人眼的健康，尤其可应用于学校、家庭、图书馆、博物馆等高端应用需求。
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括450nm正装蓝光LED芯片和5730SMD LED支架，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线与支架的正负极连接。蓝光LED芯片表面上涂覆含有10wt％荧光粉的环氧树脂胶，荧光粉为质量比为0.1:18:1.5的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。
经检测，如图1所示，实施例1的LED光源的光谱色温与2000K黑体辐射曲线光谱相似度达到0.986，光谱角度匹配度0.995。
实施例2
模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括460nm倒装蓝光LED芯片和COB支架，COB支架采用19×19mm的镜面铝基板，经过围坝后获得，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线与支架的正负极连接。蓝光LED芯片表面上涂覆含有25wt％荧光粉的硅胶，荧光粉为质量比为0.2:18:1的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。
经检测，如图2所示，实施例2的LED光源的光谱色温与3200K黑体辐射曲线光谱相似度达到0.99，光谱角度匹配度0.998。
实施例3
模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括460nm正装蓝光LED芯片和5730SMD LED支架，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线与支架的正负极连接。蓝光LED芯片表面上涂覆含有28wt％荧光粉的环氧树脂胶，荧光粉为质量比为1:18:0.9的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。
经检测，如图3所示，实施例3的LED光源的光谱色温与4400K黑体辐射曲线光谱相似度达到0.946，光谱角度匹配度0.998。
实施例4
模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括460nm倒装蓝光LED芯片和COB支架，COB支架采用19×19mm的镜面铝基板，经过围坝后获得，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线与支架的正负极连接。蓝光LED芯片表面上涂覆含有30wt％荧光粉的硅胶，荧光粉为质量比为1.5:18:0.8的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。
经检测，实施例4的LED光源的光谱色温与6000K黑体辐射曲线光谱相似度达到0.918，光谱角度匹配度0.994。
实施例5
模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括460nm倒装蓝光LED芯片和COB支架，COB支架采用19×19mm的镜面铝基板，经过围坝后获得，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线与支架的正负极连接。蓝光LED芯片表面上涂覆含有40wt％荧光粉的硅胶，荧光粉为质量比为0.1:18:1.5的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。
经检测，实施例5的LED光源的光谱色温与1500K黑体辐射曲线光谱相似度达到0.976，光谱角度匹配度0.998。
实施例6
模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括450nm正装蓝光LED芯片和5730SMD LED支架，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线与支架的正负极连接。蓝光LED芯片表面上涂覆含有10wt％荧光粉的环氧树脂胶，荧光粉为质量比为0.1:18:0.01:1.5的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、540nm-560nm黄色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。
经检测，实施例6的LED光源的光谱色温与2000K黑体辐射曲线光谱相似度达到0.989，光谱角度匹配度0.997。
实施例7
模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括460nm倒装蓝光LED芯片和COB支架，COB支架采用19×19mm的镜面铝基板，经过围坝后获得，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线与支架的正负极连接。蓝光LED芯片表面上涂覆含有25wt％荧光粉的硅胶，荧光粉为质量比为0.2:18:0.01:1的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、620nm-645nm红色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。
经检测，实施例7的LED光源的光谱色温与3200K黑体辐射曲线光谱相似度达到0.992，光谱角度匹配度0.999。
实施例8
模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括460nm正装蓝光LED芯片和5730SMD LED支架，蓝光LED芯片粘接固定在支架上，并通过金属线与支架的正负极连接。蓝光LED芯片表面上涂覆含有28wt％荧光粉的环氧树脂胶，荧光粉为质量比为1:18:0.02:0.9的490-500nm青色荧光粉、525-535nm黄绿色荧光粉、560nm-620nm橙色荧光粉、645-665nm红色荧光粉的混合物。
经检测，实施例8的LED光源的光谱色温与4400K黑体辐射曲线光谱相似度达到0.948，光谱角度匹配度0.998。
以上所述仅为本发明的有限实施方式，在上述实施例的荧光粉比例的基础上，可以做适当的比例调整，也可以进一步增加500-520nm的绿色荧光粉、540-560nm的黄色荧光粉、560-620nm的橙色荧光粉及620-645nm的红色荧光粉中的一种或多种，可以进一步改善LED光谱中的各种颜色比例，使之与目标黑体辐射光谱更加接近。
应当指出，上述实施例仅仅是为了清楚的说明所作的举例，在上述说明的基础上还可以做出其他形式的变动或变化。因此，由此所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.模拟黑体辐射光谱的LED光源，包括蓝光LED芯片，所述蓝光LED芯片的波长范围为450 nm-465 nm，其特征在于，所述蓝光LED芯片上涂覆含有荧光粉的胶水，或所述蓝光LED芯片置于已涂覆含有荧光粉的胶水的外壳内；
所述含有荧光粉的胶水中荧光粉的质量分数为10-40%；荧光粉为质量比为(0.1-1.5):18:(0.8-1.5)的490-500 nm青色荧光粉、525-535 nm黄绿色荧光粉、645-665 nm红色荧光粉的混合物；
所述LED光源具备以下特征：
（1）LED光源在460 nm-650 nm可见光范围内为连续光谱，无任何颜色缺失，光谱的最高强度不为450 nm-470 nm的蓝光；
（2）LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的相似度SCF在460 nm-650 nm可见光范围内为：0.9<SCF<1；
所述的光谱相似度SCF计算公式为：
；
（3）LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的角度匹配度SAM在460 nm-650 nm可见光范围内为：0.99<SAM<1；
所述光谱角度匹配度SAM计算公式为：
SCF计算公式和SAM计算公式中， xi, yi分别为两个光谱在i个波段的光谱强度；
（4）LED光源的光谱的色温范围为1500 K-6000 K；
该模拟黑体辐射光谱的LED光源的制备方法为：
步骤一、先将荧光粉与胶水混合均匀，得到含有荧光粉的胶水，然后将荧光粉胶水涂在蓝光LED芯片上或涂在置于蓝光LED芯片外的外壳上，待涂层固化，得到待测LED光源；
步骤二、对步骤一得到的待测LED光源进行检测，获得待测LED光源的光谱，判断其是否满足以下条件（1）-（4）；
若任意一条不满足，返回步骤一，并以目标黑体辐射曲线的光谱为指导，调整荧光粉的种类、各种类荧光粉之间的配比、荧光粉与胶水的配比中的一种或多种；
若全部满足，则待测LED光源即为模拟黑体辐射光谱的LED光源；
（1）LED光源在460 nm-650 nm可见光范围内为连续光谱，无任何颜色缺失，光谱的最高强度不能为450 nm-470 nm的蓝光；
（2）LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的相似度SCF在460 nm-650 nm可见光范围内为：0.9<SCF<1；
其中，光谱相似度SCF计算公式为：
（3）LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的角度匹配度SAM在460 nm-650 nm可见光范围内为：0.99<SAM<1；
其中，光谱角度匹配度SAM计算公式为：
SCF计算公式和SAM计算公式中，xi, yi分别为两个光谱在i个波段的光谱强度；
（4）LED光源的光谱的色温范围为1500K-6000K。
2.根据权利要求1所述的模拟黑体辐射光谱的LED光源，其特征在于，所述胶水为环氧树脂或者硅胶。
3.根据权利要求1所述的模拟黑体辐射光谱的LED光源，其特征在于，所述的蓝光LED芯片为正装芯片或者倒装芯片。
4.根据权利要求1所述的模拟黑体辐射光谱的LED光源，其特征在于，所述LED光源还包括LED支架，蓝光LED芯片粘接固定在LED支架上，并通过金属线或导电胶与LED支架的正负极连接。
5.根据权利要求4所述的模拟黑体辐射光谱的LED光源，其特征在于，所述LED支架为SMD支架或者COB支架。
6.权利要求1-5任何一项所述的模拟黑体辐射光谱的LED光源的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、先将荧光粉与胶水混合均匀，得到含有荧光粉的胶水，然后将荧光粉胶水涂在蓝光LED芯片上或涂在置于蓝光LED芯片外的外壳上，待涂层固化，得到待测LED光源；
步骤二、对步骤一得到的待测LED光源进行检测，获得待测LED光源的光谱，判断其是否满足以下条件（1）-（4）；
若任意一条不满足，返回步骤一，并以目标黑体辐射曲线的光谱为指导，调整荧光粉的种类、各种类荧光粉之间的配比、荧光粉与胶水的配比中的一种或多种；
若全部满足，则待测LED光源即为模拟黑体辐射光谱的LED光源；
（1）LED光源在460 nm-650 nm可见光范围内为连续光谱，无任何颜色缺失，光谱的最高强度不能为450 nm-470 nm的蓝光；
（2）LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的相似度SCF在460 nm-650 nm可见光范围内为：0.9<SCF<1；
其中，光谱相似度SCF计算公式为：
（3）LED光源的光谱与目标黑体辐射光谱的角度匹配度SAM在460 nm-650 nm可见光范围内为：0.99<SAM<1；
其中，光谱角度匹配度SAM计算公式为：
SCF计算公式和SAM计算公式中，xi, yi分别为两个光谱在i个波段的光谱强度；
（4）LED光源的光谱的色温范围为1500 K-6000 K。
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