CN111795307A - 一种实现低蓝光危害、高显色的led装置 - Google Patents

一种实现低蓝光危害、高显色的led装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现低蓝光危害、高显色的LED装置，包括：蓝光芯片、复合膜层与荧光粉层；所述蓝光芯片产生的蓝光经所述复合膜层后，透射波长≥460nm的长波长蓝光到出光口，反射波长≤450nm的短波长蓝光到所述荧光粉层，发出的激发光再经所述复合膜层过滤掉波长≤450nm的短波长蓝光后到达出光口，与所述长波长蓝光混合后形成白光。本发明公开的LED装置，在大大减少短波长蓝光对人眼危害的同时拥有高显色指数与适合人眼舒适度的色温，最终获得的白光光谱分布均匀，接近于自然光。

Description

一种实现低蓝光危害、高显色的LED装置
技术领域
本发明涉及光学照明的技术领域，尤其涉及一种实现低蓝光危害、高显色的LED装置。
背景技术
目前，LED光源及LED灯具以其节能、环保、耐用、成本低等特点，成为世界照明的主流光源之一。常规的LED光源多数采用的是单蓝光芯片激发黄色荧光粉形成白光，但这种方法与自然光相差甚远，且蓝光部分的能量过于集中，会对人体产生负面的影响，蓝光危害就是一种负面的影响。
蓝光危害是指波长介于400nm～480nm(短波长光)的辐照射后引起人体内的光化学作用，使得的眼睛内的黄斑区毒素量增高，严重威胁我们的眼睛健康。蓝光危害最严重的波段在435nm～440nm之间，而LED蓝光部分主要集中在400nm～470nm，一般在440nm～460nm之间会有相当大的功率强度，这样的机制会使LED光源对人体造成很大的伤害。
在当前LED技术领域，主要采用的防止蓝光危害方案是用滤波片滤去蓝光危害较为严重的波段，减少蓝光成分，其护眼效果确实显著，但是偏色厉害，显色指数很低。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明公开了一种实现低蓝光危害、高显色的LED装置，在大大减少短波长蓝光对人眼危害的同时拥有高显色指数，最终获得的白光光谱分布均匀，接近于自然光。
具体技术方案如下：
一种实现低蓝光危害、高显色的LED装置，包括：蓝光芯片、复合膜层与荧光粉层。
本发明公开的LED装置，蓝光芯片产生的蓝光经复合膜层后，透射波长≥460nm的长波长蓝光到出光口，反射波长≤450nm的短波长蓝光到荧光粉层，发出的激发光再经复合膜层过滤掉波长≤450nm的短波长蓝光后到达出光口，与长波长蓝光混合后形成白光。
所述的LED装置中还包含若干准直透镜。
所述复合膜层包括基底和沉积在所述基底表面的复合膜；所述基底选自硅酸盐玻璃、有机玻璃等等。
优选的，所述复合膜由折射率为2.55～2.76的高折射率材料与折射率为1.11～1.27的低折射率材料交替沉积得到；进一步优选，由TiO2与SiO2交替沉积得到；再优选，所述复合膜的厚度为30～60μm。经试验发现，将复合膜的组成及厚度优选在上述范围内，可以将波长≤450nm的短波长蓝光全部反射，同时，波长≥460nm的长波长蓝光的透射率不低于90％。
优选的，所述蓝光芯片的主波长范围为445～455nm，光谱半高宽度为20～25nm。经试验发现，将蓝光芯片的主波长范围与光谱半高宽度限定在上述范围，可以使蓝光在经过复合膜层后最大程度上激发荧光粉发光。若蓝光芯片的主波长范围过低或过高，均无法最大限度地激发复合荧光粉发光。进一步优选，所述蓝光芯片的主波长为450nm，光谱半高宽度为25nm。
所述荧光粉层包括基板和涂覆于所述基板上的复合荧光粉；所述基板材料选自可反射激发光的材质，优选自反射性能好、导热性能优异的金属铝。
优选的，所述复合荧光粉包括黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉。本发明中，所述复合荧光粉的组成至关重要，经试验，优选的复合荧光粉可被波段在450nm以下的短波长蓝光激发，且在经过特定的复合膜之后具有高的显色指数和适宜于人眼的色温范围。
优选的：
所述黄绿色荧光粉的发射光谱波长为460～700nm，光谱半高宽度为500～600nm，激发光谱为250～520nm；
所述蓝绿色荧光粉的发射光谱波长为460～560nm，光谱半高宽度为480～520nm，激发光谱为220～490nm；
所述橙色荧光粉的发射光谱波长为520～750nm，光谱半高宽度为600～700nm，激发光谱为200～550nm；
所述红色荧光粉的发射光谱波长为550～800nm，光谱半高宽度为620～700nm，激发光谱为280～620nm。
进一步优选：
所述黄绿色荧光粉选自Gd3Al5O12:Re3+和/或Y3(Al,Ga)5O12:Ce3+；
所述蓝绿色荧光粉选自BaSi2O2N2:Eu2+；
所述橙色荧光粉选自Sr0.9Al1.225Si3.775N6.775O0.225:Eu2+ 0.1、
Li2CaSi2N4:Eu2+、Ba3Sc1.9Al0.1B4O12:Eu2+中至少一种；
所述红色荧光粉选自CaAlSiN3:Eu2+和/或SrAlSiN3:Eu2+。
再优选：
所述黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的体积比为4.2～8.2：2.6～6.2：1.6～3.2：1。
经试验发现，当采用上述特定组成、特定含量的复合荧光粉，再搭配特定主波长范围与光谱半高宽度的蓝色芯片，以及特定组成与厚度的复合膜层，在大幅降低蓝光危害的同时获得了≥90的高显色指数以及较适合人眼舒适度的色温(3000～4000K)。
进一步优选：
所述蓝光芯片的主波长为450nm，光谱半高宽度为25nm；
所述黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的体积比为6.4：4.2：1.6～3.2：1。
经试验发现，当采用上述进一步优选的参数制备得到的LED装置，在大幅降低蓝光危害的同时获得了≥93的高显色指数，更为重要的是，此时获得的白光在450～700nm的波长范围内光谱较为均匀且强度均较高，更接近于自然光。
最优选：
所述黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的体积比为6.4：4.2：2.6：1。
经试验发现，采用上述最优选的参数制备的LED装置，获得了≥97的高显色指数，更为重要的是，此时获得的白光在450～700nm的波长范围内光谱分布很均匀且强度均较高，最接近于自然光。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明公开了一种实现低蓝光危害、高显色的LED装置，将蓝光芯片产生的蓝光经复合膜层后，透射波长≥460nm的长波长蓝光到出光口，反射波长≤450nm的短波长蓝光到荧光粉层，发出的激发光再经复合膜层过滤掉波长≤450nm的短波长蓝光后到达出光口，与长波长蓝光混合后形成白光。该装置在大大减少短波长蓝光对人眼危害的同时保留了长波长蓝光，避免了偏色严重。
本装置中还采用了由黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉组成的复合荧光粉，通过优化复合荧光粉的组成再搭配特定主波长范围与光谱半高宽度的蓝色芯片，以及特定组成与厚度的复合膜层，在大幅降低蓝光危害的同时获得了≥97的高显色指数以及适合人眼舒适度的色温(3000～4000K)，更为重要的是，此时获得的白光在450～700nm的波长范围内光谱分布均匀、强度较高，更接近于自然光。
附图说明
图1为本发明实现低蓝光危害、高显色的LED装置的结构示意图；
图2为实施例1制备的复合膜层的结构示意图；
图3为实施例1制备的复合膜层的透过率曲线；
图4为经实施例1的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图5为经对比例1的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图6为经对比例2的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图7为经实施例2的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图8为经实施例3的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图9为经实施例4的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图10为经实施例5的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图11为经实施例6的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图12为经实施例7的LED装置后获得的白光的光谱分布图；
图中，1-蓝光芯片，2-荧光粉层，3-准直透镜，4-复合膜层；
41-低折射率材料层，42-高折射率材料层，43-基底。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明公开的一种实现低蓝光危害、高显色的LED装置，包括蓝光芯片1，荧光粉层2、若干个准直透镜3和复合膜层4，如图1所示。
该蓝光芯片1的主波长为450nm，光谱半高宽度为25nm。
该荧光粉层2由基板和涂覆于基板上的复合荧光粉组成，该基板的材质选自金属铝，厚度为2mm；复合荧光粉由蓝绿色荧光粉、黄绿色荧光粉、橙色荧光粉、红色荧光粉混合而成，将该复合荧光粉均匀烧结后涂覆于铝基板上从而制备得到荧光粉层2，复合荧光粉的涂覆厚度为55μm。
本实施例中，黄绿色荧光粉为Gd3Al5O12:Re3+，蓝绿色荧光粉为BaSi2O2N2:Eu2+，橙色荧光粉为Sr0.9Al1.225Si3.775N6.775O0.225:Eu2+ 0.1，红色荧光粉为CaAlSiN3:Eu2+，四者的最优混合体积比例为6.4：4.2：2.6：1。
复合膜层4由基底41和高、低折射率的材料交替沉积形成的复合膜组成，本实施中，低折射率材料层41为二氧化硅层，高折射率材料层42为二氧化钛层，复合膜的总厚度为43μm；基底41的材质为硅酸盐玻璃，基底的厚度为2mm，如图2所示。
蓝光芯片1产生的蓝光经复合膜层4后，能够透射90％以上波长≥460nm的长波长蓝光到出光口，并将波长≤450nm的蓝光危害严重的短波长蓝光全部反射到荧光粉层2，该反射的短波长蓝光激发荧光粉层2中的复合荧光粉发光，该激发光再经复合膜层4过滤掉波长≤450nm的短波长蓝光与长波长蓝光混合后形成白光。
图3为本实施例中制备的复合膜层4的透过率曲线，根据该曲线可知，在波长低于455nm时，该复合膜的透射率小于1％，在波长大于460nm时，该复合膜的透射率大于92％。
图4为经本实施例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，观察该图可以发现在450～700nm的波长范围内光谱分布均匀且强度较高，更接近于自然光。
经测试，本实施例的LED装置最终的显色指数为97，色温为3614K。
可知，该装置不仅大幅减少了短波长蓝光的比例，降低了蓝光危害，又通过筛选特殊的复合荧光粉与该装置相配合，在降低蓝光危害的同时获得高达97的显色指数，色温也较适合人眼舒适度。
对比例1
本对比例采用与实施例1中相同的LED装置，区别仅在于采用的复合荧光粉的组成为黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉和红色荧光粉，黄绿色荧光粉为Gd3Al5O12:Re3+，蓝绿色荧光粉为BaSi2O2N2:Eu2+，红色荧光粉为CaAlSiN3:Eu2+。复合荧光粉层的总体积与实施例1中相同，但未加入橙色荧光粉，三者最优混合体积比例为3.57：1.36：1。
图5为经本对比例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，由于红色荧光粉的激发光和发射光波长较大，在缺少了橙色荧光粉的情况下，光谱在500～550nm处缺失较严重，在560～620nm处强度较大，分布不大均匀。
经测试，本对比例的LED装置最终的显色指数为86，色温为3722K。
对比例2
本对比例采用与实施例1中相同的LED装置，区别仅在于采用的复合荧光粉的组成为黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉和橙色荧光粉，黄绿色荧光粉为Gd3Al5O12:Re3+，蓝绿色荧光粉为BaSi2O2N2:Eu2+，橙色荧光粉为Sr0.9Al1.225Si3.775N6.775O0.225:Eu2+ 0.1。复合荧光粉层的总体积与实施例1中相同，但未加入红色荧光粉，三者最优混合体积比例为1.6：1：1.7。
图6为经本对比例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，观察该图可以发现，在500～550nm处的强度得到了提升，但在620～700nm波段的缺失较为严重。
经测试，该对比例的LED装置最终的显色指数为79，色温为3512K。
实施例2
本实施例中采用与实施例1中相同的LED装置，区别仅在于黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的混合体积比例为6.4：4.2：1.6：1.0。
图7为经本实施例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，观察该图可以发现在450～700nm的波长范围内光谱强度均较高，但蓝光部分强度过大，使得光谱强度分布稍有不均。
经测试，本实施例的LED装置最终的显色指数为94，色温为3984K。
实施例3
本实施例中采用与实施例1中相同的LED装置，区别仅在于黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的混合体积比例为6.4：4.2：3.2：1.0。
图8为经本实施例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，观察该图可以发现，在500～570nm波段光谱强度过低，使光谱分布不太均匀。
经测试，本实施例的LED装置最终的显色指数为93.1，色温为3094K。
实施例4
本实施例中采用与实施例1中相同的LED装置，区别仅在于黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的混合体积比例为6.4：2.6：2.6：1.0。
图9为经本实施例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，观察该图可以发现，蓝光部分强度过大，使得光谱强度分布稍有不均。
经测试，本实施例的LED装置最终的显色指数为92.3，色温为3356K。
实施例5
本实施例中采用与实施例1中相同的LED装置，区别仅在于黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的混合体积比例为6.4：6.2：2.6：1.0。
图10为经本实施例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，观察该图可以发现，在500～570nm波段光谱缺失，使光谱分布不太均匀。
经测试，本实施例的LED装置最终的显色指数为91.3，色温为3333K。
实施例6
本实施例中采用与实施例1中相同的LED装置，区别仅在于黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的混合体积比例为4.2：4.2：2.6：1.0。
图11为经本实施例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，观察该图可以发现，在520～550nm波段光谱缺失，使光谱分布不太均匀。
经测试，本实施例的LED装置最终的显色指数为90.1，色温为3476K。
实施例7
本实施例中采用与实施例1中相同的LED装置，区别仅在于黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的混合体积比例为8.2：4.2：2.6：1.0。
图12为经本实施例的LED装置后获得的白光的光谱分布图，观察该图可以发现，该光谱分布较均匀。
经测试，本实施例的LED装置最终的显色指数为90，色温为3263K。

Claims (10)

1.一种实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于，包括：蓝光芯片、复合膜层与荧光粉层；
所述蓝光芯片产生的蓝光经所述复合膜层后，透射波长≥460nm的长波长蓝光到出光口，反射波长≤450nm的短波长蓝光到所述荧光粉层，发出的激发光再经所述复合膜层过滤掉波长≤450nm的短波长蓝光后到达出光口，与所述长波长蓝光混合后形成白光。
2.根据权利要求1所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于，所述荧光粉层包括基板和涂覆于所述基板上的复合荧光粉；
所述复合荧光粉包括黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉。
3.根据权利要求2所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于：
所述黄绿色荧光粉的发射光谱波长为460～700nm，光谱半高宽度为500～600nm，激发光谱为250～520nm；
所述蓝绿色荧光粉的发射光谱波长为460～560nm，光谱半高宽度为480～520nm，激发光谱为220～490nm；
所述橙色荧光粉的发射光谱波长为520～750nm，光谱半高宽度为600～700nm，激发光谱为200～550nm；
所述红色荧光粉的发射光谱波长为550～800nm，光谱半高宽度为620～700nm，激发光谱为280～620nm。
4.根据权利要求2所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于：
所述黄绿色荧光粉选自Gd3Al5O12:Re3+和/或Y3(Al,Ga)5O12:Ce3+；
所述蓝绿色荧光粉选自BaSi2O2N2:Eu2+；
所述橙色荧光粉选自Sr0.9Al1.225Si3.775N6.775O0.225:Eu2+ 0.1、Li2CaSi2N4:Eu2+、Ba3Sc1.9Al0.1B4O12:Eu2+中至少一种；
所述红色荧光粉选自CaAlSiN3:Eu2+和/或SrAlSiN3:Eu2+。
5.根据权利要求2所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于，所述黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的体积比为4.2～8.2：2.6～6.2：1.6～3.2：1。
6.根据权利要求1所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于，所述复合膜层包括基底和沉积在所述基底表面的复合膜；
所述复合膜由折射率为2.55～2.76的高折射率材料与折射率为1.11～1.27的低折射率材料交替沉积得到；
所述复合膜的厚度为30～60μm。
7.根据权利要求6所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于，所述复合膜由TiO2与SiO2交替沉积得到。
8.根据权利要求1所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于，所述蓝光芯片的主波长范围为445～455nm，光谱半高宽度为20～25nm。
9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于：
所述蓝光芯片的主波长为450nm，光谱半高宽度为25nm；
所述黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的体积比为6.4：4.2：1.6～3.2：1。
10.根据权利要求9所述的实现低蓝光危害、高显色的LED装置，其特征在于：
所述黄绿色荧光粉、蓝绿色荧光粉、橙色荧光粉和红色荧光粉的体积比为6.4：4.2：2.6：1。
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