CN112863317A - 一种led光源可调的光学实验箱 - Google Patents

一种led光源可调的光学实验箱 Download PDF

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方芳
刘庭
郭醒
付江
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Abstract

本发明公开了一种LED光源可调的光学实验箱，包括箱体、LED光源和控制装置，所述LED光源包含若干颗LED灯珠、第二热界面层、第二基板和二次光学透镜，LED灯珠包含若干颗不同颜色的LED芯片、第一基板、第一热界面层和一次光学透镜；通过若干颗LED芯片直接合成所需光配方，通过二次光学透镜，实现目标平面光分布均匀性的调控，通过控制装置能够对用户输入指令进行处理并输出不同LED芯片所需的驱动电流，实现LED光源的光谱和光能量密度的调控，实现多种光环境，便于进行各类光生物实验中最优光源的筛选。

Description

一种LED光源可调的光学实验箱
技术领域
本发明涉及光照实验箱领域，尤其是涉及一种LED光源可调的光学实验箱。
背景技术
LED因其高效、节能、寿命长和容易控制等优点，取代了白炽灯、高压钠灯和荧光灯成为新一代光源。目前，传统的LED光源主要采用蓝光LED加荧光粉的方式。这种方式发光存在能量转换损耗、光源的光谱固定不可调、使用时间长后荧光粉容易失效等问题，从而影响LED光源的光品质。另外荧光粉涂覆还存在分布不均匀的现象，实现保形涂覆需要依赖于高精密设备，从而导致工艺成本高。另一种获得LED光源的方式是由多基色LED芯片直接合成，由于不使用荧光粉，光源的光品质和可靠性高。多基色LED光源还具有光谱可调、色温可变等优势，能应用于各种光照场所。
光作为一个复杂的生态因子，其光谱、光密度、光周期、光照强度等因素对各种微生物、动物和植物等的生活和行为都有着直接或间接的影响。因此，研究光与生物之间相互作用的关系具有非常重要的意义。
在自然环境中，光生物实验往往会受到地域、季节等诸多外界因素的影响，从而增加实验难度，降低实验数据的准确性，导致实验结果不可靠。光照箱由于具有为实验提供理想的实验环境、稳定的光源、不受外界环境干扰等优点，成为了光生物研究中理想的实验设备之一。
现有技术中，大部分光照箱的使用都是针对同一种类的生物，光源单一且光谱不可调，不能同时进行多组不同光条件的实验；若要实现多种光照条件，则需要额外安装多种灯管来实现，但是使用的灯管种类有限，光谱选择少，因此，较难实现光生物实验中最优化光谱的筛选。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED光源可调的光学实验箱，它由若干颗LED芯片直接合成所需光配方，能够调控多种光谱，具有光谱丰富，光强、光密度、光谱等光学参数可调，同时能够保证目标平面光均匀分布的优点。
本发明的目的是这样实现的：
一种LED光源可调的光学实验箱，包括箱体和控制装置，在箱体内设置有控制装置，特征是：还包括LED光源，LED光源固定在箱体内部上方，控制装置的输出端与LED光源实现电路连接，所述的LED光源包括若干颗LED灯珠、第二热界面层、第二基板和二次光学透镜，每颗LED灯珠包含有LED芯片、第一热界面层、第一基板和一次光学透镜，LED芯片通过第一热界面层固定在第一基板上并与第一基板实现电连接，一次光学透镜盖住LED芯片并固定在第一基板上，实现LED芯片的密封保护，若干颗LED灯珠通过第二热界面层固定在第二基板上，二次光学透镜固定在第二基板上。
进一步地，所述每颗LED灯珠内包含有若干颗不同颜色的LED芯片，若干颗LED芯片之间连接为串联，并联或者串并混连连接，多路电流驱动。
进一步地，所述每颗LED灯珠内包含有1~99颗高光效LED芯片，LED芯片为垂直结构芯片、同侧结构芯片或者倒装结构芯片。
进一步地，所述若干颗LED芯片包括红光LED芯片、橙光LED芯片、黄光LED芯片、绿光LED芯片、青光LED芯片、蓝光LED芯片和紫光LED芯片中的一种或一种以上的不同颜色的LED芯片，其中，红光LED芯片峰值波长范围为620nm~780nm，橙光LED芯片峰值波长范围为590nm~619nm，黄光LED芯片峰值波长范围为550nm~589nm，绿光LED芯片峰值波长范围为515nm~550nm，青光LED芯片峰值波长范围为480nm~514nm，蓝光LED芯片峰值波长范围为440nm~479nm，紫光LED芯片峰值波长范围为380nm~439nm。
进一步地，所述第一基板为陶瓷基板、铝基板、铜基板或硅基板中的一种。
进一步地，所述第二基板为铝基板、铜基板、柔性基板或玻璃纤维基板中的一种。
进一步地，所述LED芯片在第一基板层上以多边形或圆形方式排列，LED灯珠在第二基板层上以等间距或非等间距方式排列。
进一步地，所述一次光学透镜材料为硅胶、环氧树脂、聚氨酯、或内部掺杂二氧化硅、二氧化钛、有机硅树脂微纳米散射颗粒的硅胶、环氧树脂或聚氨酯中的一种，一次光学透镜形貌为球帽、自由曲面或表面微结构阵列中的一种；所述二次光学透镜形貌为反光杯、球帽透镜或自由曲面透镜中的一种。
进一步地，所述控制装置包含有用参数设置面板和微型控制器，其中：微型控制器能通过参数设置面板输入用户指令，输出不同LED所需的驱动电流。
进一步地，所述控制装置还包含定时控制装置、温度控制装置和湿度控制装置；所述控制装置能设置在箱体上或通过导线连接在箱体外。
本发明的优点在于：
1、该光学实验箱的光源由若干颗高光效的LED芯片直接合成，即由若干颗LED芯片直接合成所需光配方，多路电流驱动，能够实现单色光、全光谱或者任意光配比光谱，调控多种光谱，波长可精确到间隔10nm；
2、该光学实验箱的光谱丰富，光强、光密度、光谱等光学参数可调，便于研究光对生物机理的影响，以及各类光生物实验中最优光谱的筛选；
3、通过一次光学透镜和二次光学透镜对LED芯片混光及出光的调控，能够实现目标平面光照度和光能量密度等均匀分布，减少由于光分布不均而引起的实验结果不准确；
4、根据不同生物特性，通过控制装置能够对用户输入指令进行处理并输出不同LED芯片所需的驱动电流，实现LED光源的光谱和光能量密度的调控，实现不同的光密度、辐射强度和照度等光照条件的转换，实现多种光环境，便于进行各类光生物实验中最优光源的筛选。
本发明解决了现有光照实验箱光源单一、光谱不可调和光分布不均匀的问题，可用于动物、植物、微生物等的光生物实验。
附图说明
图1为本发明实施例1光照实验箱的结构示意图；
图2为本发明实施例1的控制装置示意图；
图3为本发明实施例1 LED光源的剖视示意图；
图4为本发明实施例1 LED光源的剖视局部放大示意图；
图5为本发明实施例1 LED光源的俯视示意图；
图6为本发明实施例1 LED灯珠的俯视示意图；
图7为本发明实施例1 LED灯珠的电路示意图；
图8为本发明实施例1的单色光光谱图；其中，图a为峰值波长410nm的光谱图，图b为峰值波长为450nm的光谱图，图c为峰值波长为490nm的光谱图，图d为峰值波长为520nm的光谱图，图e为峰值波长为565nm的光谱图，图f为峰值波长为590nm的光谱图，图g为峰值波长为630nm的光谱图；
图9为本发明实施例1的红蓝配比光谱图；
图10为本发明实施例1的金黄光光谱图；
图11为本发明实施例1的2700K光谱图；
图12为本发明实施例1的5000K光谱图；
图13为本发明实施例2 LED光源的剖视示意图；
图14为本发明实施例2 LED光源的剖视局部放大示意图；
图15为本发明实施例3 LED灯珠的剖视示意图；
图16为本发明实施例3 LED灯珠的俯视示意图；
图17为本发明实施例4 LED灯珠的剖视示意图；
图18为本发明实施例4 LED光源的俯视示意图。
具体实施方式
下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
实施例1：
如图1所示，一种LED光源可调的光学实验箱，包括箱体100、LED光源101、控制装置102、温湿度传感器103和流道104，LED光源101固定在箱体100的内部上方，在箱体100的内部侧壁安装有温湿度传感器103，在箱体100的内部上方安装有流道104，流道104能往箱体100的内部通热风，同时热风湿度也能够控制，从而实现箱体100内的温度和湿度的控制；在箱体100内设置有控制装置102，箱体100的外部为不透光材料，以隔绝外界光的干扰。
如图2所示，控制装置102包括参数设置面板105、微型控制器106、定时装置107、温度控制装置108、湿度控制装置109和多路驱动单元110，参数设置面板105的输出端与微型控制器106连接，微型控制器106作为总控单元与定时装置107、温度控制装置108、湿度控制装置109分别进行信息交换，多路驱动单元110的输入端与微型控制器106连接，温湿度传感器103的输出端与温度控制装置108和湿度控制装置109分别连接，温度控制装置108的输出端和湿度控制装置109的输出端分别与流道104连接。工作原理：1、参数设置面板105把用户输入的光照信号输出到微型控制器106，多路驱动单元110接收微型控制器106处理的信号后控制输入LED光源101的每一路所需驱动电流，实现目标光照条件。2、参数设置面板105把用户输入的温度和湿度信号输出到微型控制器106，温度控制装置108和湿度控制装置109接收微型控制器106处理的信号后控制流道104，温湿度传感器103将箱体100内部的温度和湿度信号分别反馈到温度控制装置108和湿度控制装置109，微型控制器106接收温度控制装置108和湿度控制装置109反馈的信号进行处理并输出新的信号，温度控制装置108和湿度控制装置109根据新的信号分别调整流道104，从而实现箱体100内温度和湿度的恒定。
如图4所示，LED光源101包括若干颗LED灯珠1011、第二热界面层1012、第二基板1013、散热器1014和自由曲面透镜1015，每颗LED灯珠1011包括7颗LED芯片10111、金线10112、第一基板10113、第一热界面层10114和硅胶球帽透镜10115，7颗LED芯片10111通过第一热界面层10114固定在第一基板10113上，LED芯片10111和第一基板10113用金线10112实现电连接，硅胶球帽透镜10115固定在第一基板10113上并罩住7颗LED芯片10111，实现LED芯片10111的密封保护，第一基板10113为铜基板；LED灯珠1011通过第二热界面层1012固定在第二基板1013上，自由曲面透镜1015盖住每颗LED灯珠1011并固定在第二基板1013上，实现目标平面光照度和辐射强度均匀分布，第二基板1013通过机械连接固定在散热器1014上，第二基板1013为铝基板，如图3所示，自由曲面透镜1015之间相互独立。
如图5所示，整个LED光源101包含40颗LED灯珠1011，LED灯珠1011在第二基板1013上以等间距排列，横纵间距都为d。
如图6所示，7颗LED芯片10111包括1颗峰值波长为630nm的红光LED芯片101111、1颗峰值波长为590nm的橙光LED芯片101112、1颗峰值波长为565nm的黄光LED芯片101113、1颗峰值波长为520nm的绿光LED芯片101114、1颗峰值波长为490nm的青光LED芯片101115、1颗峰值波长为450的蓝光LED芯片101116和1颗峰值波长为410m的紫光LED芯片101117，LED芯片10111都为高光效的垂直结构芯片，LED芯片10111在第一基板10113上以圆形排列。
如图7所示，7路电流驱动，各颜色的LED芯片10111分别对应一路电流驱动，分别为红光LED芯片的驱动1011111、橙光LED芯片的驱动1011121、黄光LED芯片的驱动1011131、绿光LED芯片的驱动1011141、青光LED芯片的驱动1011151、蓝光LED芯片的驱动1011161和紫光LED芯片的驱动1011171；同颜色的LED芯片10111之间连接为串并混连连接。根据输入的指令，控制装置105中的微型控制器106能够调节输入不同LED芯片10111的电流，从而实现不同单色波长、不同强度、不同光谱、不同光密度和不同色温的光源。
如图8所示为单路电流驱动时获得的单色光光谱，图a峰值波长为410nm，图b峰值波长为450nm，图c峰值波长为490nm，图d峰值波长为520nm，图e峰值波长为565nm，图f峰值波长为590nm，图g峰值波长为630nm。
如图9所示为红光LED芯片101111与蓝光LED芯片101116光功率配比为2:1的光谱。
如图10所示为红光LED芯片101111与黄光LED芯片101113光功率配比为3:2的光谱。
如图11所示为按照红光LED芯片101111、橙光LED芯片101112、黄光LED芯片101113、绿光LED芯片101114、青光LED芯片101115、蓝光LED芯片101116和紫光LED芯片101117光功率配比为12:2:8:4:3:3:4合成的光谱，其色温为2700K。
如图12所示为按照红光LED芯片101111、橙光LED芯片101112、黄光LED芯片101113、绿光LED芯片101114、青光LED芯片101115、蓝光LED芯片101116和紫光LED芯片101117光功率配比为5:1:6:4:3:3:10合成的光谱，其色温为5000K。
实施例2：
如图13所示，实施例2与实施例1结构基本相同，与实施例1不同之处在于：
实施例2的二次光学透镜2015为反光杯。如图14所示，LED灯珠2011、第二热界面层2012、第二基板2013、散热器2014和二次光学透镜2015，LED灯珠2011包括7颗LED芯片20111、金线20112、第一基板20113、第一热界面层20114和硅胶球帽透镜20115，7颗LED芯片20111通过第一热界面层20114固定在第一基板20113上，LED芯片20111和第一基板20113用金线20112实现电连接，硅胶球帽透镜20115固定在第一基板20113上并罩住7颗LED芯片20111，实现LED芯片20111的密封保护，第一基板20113为铜基板；LED灯珠2011通过第二热界面层2012固定在第二基板2013上，二次光学透镜2015呈环形固定在第二基板2013上的四周边缘，实现目标平面光照度和辐射强度均匀分布，第二基板2013通过机械连接固定在散热器2014上，第二基板2013为铝基板。
实施例3：
实施例3与实施例1结构基本相同，与实施例1不同之处在于：
实施例3的第一基板30113为陶瓷基板，LED芯片30111以类似正六边形排列。
如图15所示，7颗LED芯片30111、金线30112、第一基板30113、第一热界面层30114和硅胶球帽透镜30115，7颗LED芯片30111通过第一热界面层30114固定在第一基板30113上，LED芯片30111和第一基板30113用金线30112实现电连接，硅胶球帽透镜30115固定在第一基板30113上并罩住7颗LED芯片30111，实现LED芯片30111的密封保护。
如图16所示，7颗LED芯片30111包括1颗峰值波长为630nm的红光LED芯片301111、1颗峰值波长为590nm的橙光LED芯片301112、1颗峰值波长为565nm的黄光LED芯片301113、1颗峰值波长为520nm的绿光LED芯片301114、1颗峰值波长为490nm的青光LED芯片301115、1颗峰值波长为450的蓝光LED芯片301116和1颗峰值波长为410m的紫光LED芯片301117，LED芯片30111都为高光效的垂直结构芯片，LED芯片30111在第一基板30113上以类似正六边形排列。
实施例4：
实施例4与实施例3结构基本相同，与实施例3不同之处在于：
实施例4的一次光学透镜40115为表面包含微结构阵列的硅胶透镜，LED灯珠4011的排列为等间距横向分布与等间距纵向分布，但横向分布间距与纵向分布间距不等。
如图17所示，7颗LED芯片40111、金线40112、第一基板40113、第一热界面层40114和一次光学透镜40115，7颗LED芯片40111通过第一热界面层40114固定在第一基板40113上，LED芯片40111和第一基板40113用金线40112实现电连接，硅胶透镜40115固定在第一基板40113上并罩住7颗LED芯片40111，实现LED芯片40111的密封保护，第一基板40113为陶瓷基板。
如图18所示，第二基板4013上包含9颗LED灯珠4011，LED灯珠4011在第二基板4013上以等间距横向分布与等间距纵向分布排列，横向分布间距小于纵向分布间距（d1<d2），第二基板4013为铝基板。
以上仅是本发明的四个具体实施例，而不是全部的实施例，显然，本发明还可以有许多类似的改形，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，包括采用补色原理形成的其他混光结构，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED光源可调的光学实验箱，包括箱体和控制装置，在箱体内设置有控制装置，其特征在于：还包括LED光源，LED光源固定在箱体内部上方，控制装置的输出端与LED光源实现电路连接，所述的LED光源包括若干颗LED灯珠、第二热界面层、第二基板和二次光学透镜，每颗LED灯珠包含有LED芯片、第一热界面层、第一基板和一次光学透镜，LED芯片通过第一热界面层固定在第一基板上并与第一基板实现电连接，一次光学透镜盖住LED芯片并固定在第一基板上，实现LED芯片的密封保护，若干颗LED灯珠通过第二热界面层固定在第二基板上，二次光学透镜固定在第二基板上。
2.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述每颗LED灯珠内包含有若干颗不同颜色的LED芯片，若干颗LED芯片之间连接为串联，并联或者串并混连连接，多路电流驱动。
3.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述每颗LED灯珠内包含1~99颗高光效LED芯片，LED芯片为垂直结构芯片、同侧结构芯片或者倒装结构芯片。
4.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述若干颗LED芯片包括红光LED芯片、橙光LED芯片、黄光LED芯片、绿光LED芯片、青光LED芯片、蓝光LED芯片和紫光LED芯片中的一种或一种以上的不同颜色的LED芯片，其中，红光LED芯片峰值波长范围为620nm~780nm，橙光LED芯片峰值波长范围为590nm~619nm，黄光LED芯片峰值波长范围为550nm~589nm，绿光LED芯片峰值波长范围为515nm~550nm，青光LED芯片峰值波长范围为480nm~514nm，蓝光LED芯片峰值波长范围为440nm~479nm，紫光LED芯片峰值波长范围为380nm~439nm。
5.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述第一基板为陶瓷基板、铝基板、铜基板或硅基板中的一种。
6.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述第二基板为铝基板、铜基板、柔性基板或玻璃纤维基板中的一种。
7.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述LED芯片在第一基板层上以多边形或圆形方式排列，LED灯珠在第二基板层上以等间距或非等间距方式排列。
8.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述一次光学透镜材料为硅胶、环氧树脂、聚氨酯、或内部掺杂二氧化硅、二氧化钛、有机硅树脂微纳米散射颗粒的硅胶、环氧树脂或聚氨酯中的一种，一次光学透镜形貌为球帽、自由曲面或表面微结构阵列中的一种；所述二次光学透镜形貌为反光杯、球帽透镜或自由曲面透镜中的一种。
9.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述控制装置包含参数设置面板和微型控制器，其中，微型控制器可以通过参数设置面板输入用户指令，输出不同LED所需的驱动电流。
10.根据权利要求1所述的LED光源可调的光学实验箱，其特征在于：所述控制装置还包含定时控制装置、温度控制装置和湿度控制装置；所述控制装置能设置在箱体上或通过导线连接在箱体外。
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