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        二次配光透鏡鍍膜改變LED燈具色溫的方法研究

        2013-09-21 08:01:12朱少鋒張英英
        時代農(nóng)機 2013年9期

        朱少鋒,張 宇,張英英

        (陜西烽火集團(tuán)烽火佰鴻公司,陜西 西安 710075)

        LED燈具主要是以發(fā)光二級管(簡稱LED)為光源,再加以特制的配光系統(tǒng)來滿足不燈光使用環(huán)境的要求;在燈光環(huán)境設(shè)計中,不僅對燈具的光通量、光型、強度、亮度有要求,根據(jù)不同的使用環(huán)境,對燈光顏色(即燈具色溫)也有需求,本文即討論在LED燈具色溫一定的情況下,通過在LED燈具出光路徑上,在二次配光透鏡上鍍一層膜來改變燈具的色溫。

        1 原有LED燈具色溫

        LED發(fā)光芯片的核心部分就是一個P-N結(jié),即在一塊半導(dǎo)體的兩邊摻以不同的雜質(zhì),使一邊形成P型半導(dǎo)體,簡稱P區(qū),另一邊形成N型半導(dǎo)體,簡稱N區(qū),在兩種不同類型半導(dǎo)體的交界面處就會形成一個具有單向?qū)щ娞匦缘腜-N結(jié)"使用時,P-N結(jié)正向偏置,即P區(qū)一邊的電極接電源正極,N區(qū)一邊的電極接電源負(fù)極,在電源作用下,N區(qū)中的多數(shù)載流子)電子就會被推向P區(qū),在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合,即電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶,釋放的能量以光子的形式發(fā)出,這就是LED發(fā)光的原理"而光的波長也就是光的顏色,是由形成P一結(jié)的基底材料決定的;

        在LED燈珠選定的情況下,LED燈具出光途徑一般為:LED燈芯發(fā)光——二次透鏡透光——玻璃出光,燈具的色溫由燈芯決定。

        2 通過透鏡鍍膜改變LED色溫的原理

        本方法是在LED燈具出光路徑途是:LED燈芯發(fā)光——二次透鏡濾光膜——二次透鏡透光——玻璃出光,通過在二次配光透鏡的內(nèi)穴鍍制一層濾光膜;在出光時,通過濾光膜濾除一定波長的光線,來改變燈具的發(fā)光光譜,已達(dá)到改LED燈具色溫的目的。

        濾光原理:通過二次配光透鏡的內(nèi)曲面鍍膜,利用法布里——珀羅干涉儀的多光束干涉原理可以制作窄帶干涉濾光膜的方法,其作用是讓LED光源中某一窄帶光譜范圍的光波以盡可能高的透過率通過,而使其它光譜范圍的光波衰減,以得到需要的光譜特性,來改變燈具的色溫。也即通過改變透鏡的鍍膜材料與相關(guān)工藝過程,就可以得到不同的色溫效果。

        干涉濾光膜原理可以用多光束干涉強度極大值條件來解釋:

        當(dāng)相干光束數(shù)目很大時,對于確定的n.d.i值,光源中只有嚴(yán)格滿足上述條件的波長成分才能基本無衰減地透過,微小偏離上述條件的波長成分將由于近似相消干涉而衰減,于是實現(xiàn)了窄帶濾波。當(dāng)入射角i=0時,投射波長可表示為:

        本方法主要鍍制全介質(zhì)干涉濾光膜,它是在二次配光透鏡上鍍上一組高反射多層介質(zhì)膜H和H’,組合在一起,并讓兩組膜系之間形成厚度為d的間隔層L。

        3 二次配光透鏡全介質(zhì)干涉濾光膜鍍制

        (1)膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計。窄帶全介質(zhì)干涉濾光片的典型膜系為G(HL)j(2H)(LH)j,其中(HL)j是多層高反射率膜堆,j為HL的重復(fù)周期,中間的2H為間隔層。這種膜系對控制波長λ0形同虛設(shè),并且2H層兩側(cè)一一對應(yīng)的2L層和2H層也可逐級看做虛設(shè),所以,它們對控制波長有極大的透射率,而對其他波長則均低于此值。甚至透過率0。

        3 實施例

        LED燈芯色溫3100-3200K;

        透鏡材料:PMMA;

        鍍膜材料:ZnS和Na3AlF6;

        在真空鍍膜機中采用高真空鍍膜技術(shù)、光學(xué)極值法檢測膜厚技術(shù)以二次配光透鏡為基片,硫化鋅(ZnS)為高折射率材料,冰晶石(Na3AlF6)為低折射率材料,鍍制膜系結(jié)構(gòu)為HLH2LHLHL HLH2LHLH的全介質(zhì)干涉濾光膜,已達(dá)到濾除450nm波長左右光線的目的;其中:H為高折射率材料ZnS,L為低折射率材料Na3AlF6。

        鍍制過程:

        (1)分別將硫化鋅(ZnS),冰晶石(Na3AlF6)放入膜料載體內(nèi);將清理干凈的二次配光透鏡固定到鍍膜機頂部鍍膜盤上,注意內(nèi)曲面朝下。

        (2)關(guān)閉真空室門,對鍍膜機內(nèi)部進(jìn)行抽真空。

        (3)預(yù)熔膜料。

        (4)鍍制,通過觀察準(zhǔn)確地控制每一層介質(zhì)膜的厚度是制備多層介質(zhì)膜的關(guān)鍵。

        一般膜層厚度的允許誤差的最好小于2%,本鍍膜機采用極值法進(jìn)行膜厚度監(jiān)控。

        當(dāng)膜厚的光學(xué)厚度為λ/4的整數(shù)倍時,薄膜的透射率或反射率出現(xiàn)極值,即薄膜的透射率與反射率隨膜厚呈周期性的變化。

        如以下公式所示。

        由式可知

        因為:R=f(cos2δ1,sin2δ2)

        cos2δ1=cos2(δ1±m(xù)π)

        sin2δ1=sin2(δ1±m(xù)π)

        所以:R(δ1)=R(δ1±m(xù)π),m為整數(shù)

        位相厚度相差為π的整數(shù)倍的同一材料的單層介質(zhì)膜,對同一波長的反射率是相同的,換言之,光學(xué)厚度差為λ/2的整數(shù)倍的同一材料的單層介質(zhì)膜,對同一波長有相同的反射率。

        R是反射率,r為振幅反射系數(shù),*號表示共軛復(fù)數(shù),η0是入射介質(zhì)的導(dǎo)納,η1是出射介質(zhì)的導(dǎo)納,δ1為位相厚度,N1d1表示光學(xué)厚度。

        (5)鍍膜完畢,待鍍膜機冷卻后,方可將鍍膜片取出。

        (6)試驗結(jié)果。

        如下圖所示為燈具積分球光譜測試結(jié)果,圖1為未鍍膜之前的測試結(jié)果,圖2為鍍膜之后的測試結(jié)果。

        圖1 未鍍膜之前的測試結(jié)果

        圖2 鍍膜之后的測試結(jié)果

        經(jīng)測試:鍍膜之前的數(shù)據(jù)LED燈具色溫3169K,平均波長590nm,峰值波長600nm;二次配光透鏡透鏡內(nèi)腔鍍膜之后LED燈具色溫2634K,平均波長602nm,峰值波長605nm;燈具色溫參數(shù)得到明顯改善。

        4 結(jié)語

        通過以上實驗表明,通過在二次配光透鏡內(nèi)腔表面鍍制全介質(zhì)干涉濾光膜可有效改變燈具色溫。

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