二次配光透镜镀膜改变LED灯具色温的方法研究

2013-09-21朱少锋张英英

时代农机 2013年9期

朱少锋，张宇，张英英

（陕西烽火集团烽火佰鸿公司，陕西西安 710075）

LED灯具主要是以发光二级管（简称LED）为光源，再加以特制的配光系统来满足不灯光使用环境的要求；在灯光环境设计中，不仅对灯具的光通量、光型、强度、亮度有要求，根据不同的使用环境，对灯光颜色（即灯具色温）也有需求，本文即讨论在LED灯具色温一定的情况下，通过在LED灯具出光路径上，在二次配光透镜上镀一层膜来改变灯具的色温。

1 原有LED灯具色温

LED发光芯片的核心部分就是一个P-N结,即在一块半导体的两边掺以不同的杂质,使一边形成P型半导体,简称P区,另一边形成N型半导体,简称N区,在两种不同类型半导体的交界面处就会形成一个具有单向导电特性的P-N结"使用时,P-N结正向偏置,即P区一边的电极接电源正极,N区一边的电极接电源负极,在电源作用下,N区中的多数载流子)电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,即电子从导带跃迁到价带,释放的能量以光子的形式发出,这就是LED发光的原理"而光的波长也就是光的颜色,是由形成P一结的基底材料决定的；

在LED灯珠选定的情况下，LED灯具出光途径一般为：LED灯芯发光——二次透镜透光——玻璃出光，灯具的色温由灯芯决定。

2 通过透镜镀膜改变LED色温的原理

本方法是在LED灯具出光路径途是：LED灯芯发光——二次透镜滤光膜——二次透镜透光——玻璃出光，通过在二次配光透镜的内穴镀制一层滤光膜；在出光时，通过滤光膜滤除一定波长的光线，来改变灯具的发光光谱，已达到改LED灯具色温的目的。

滤光原理：通过二次配光透镜的内曲面镀膜，利用法布里——珀罗干涉仪的多光束干涉原理可以制作窄带干涉滤光膜的方法，其作用是让LED光源中某一窄带光谱范围的光波以尽可能高的透过率通过，而使其它光谱范围的光波衰减，以得到需要的光谱特性,来改变灯具的色温。也即通过改变透镜的镀膜材料与相关工艺过程，就可以得到不同的色温效果。

干涉滤光膜原理可以用多光束干涉强度极大值条件来解释：

当相干光束数目很大时，对于确定的n.d.i值，光源中只有严格满足上述条件的波长成分才能基本无衰减地透过，微小偏离上述条件的波长成分将由于近似相消干涉而衰减，于是实现了窄带滤波。当入射角i=0时，投射波长可表示为：

本方法主要镀制全介质干涉滤光膜，它是在二次配光透镜上镀上一组高反射多层介质膜H和H’，组合在一起，并让两组膜系之间形成厚度为d的间隔层L。

3 二次配光透镜全介质干涉滤光膜镀制

（1）膜系结构设计。窄带全介质干涉滤光片的典型膜系为G（HL）j（2H）（LH）j，其中（HL）j是多层高反射率膜堆，j为HL的重复周期，中间的2H为间隔层。这种膜系对控制波长λ0形同虚设，并且2H层两侧一一对应的2L层和2H层也可逐级看做虚设，所以，它们对控制波长有极大的透射率，而对其他波长则均低于此值。甚至透过率0。

3 实施例

LED灯芯色温3100-3200K；

透镜材料：PMMA；

镀膜材料：ZnS和Na3AlF6；

在真空镀膜机中采用高真空镀膜技术、光学极值法检测膜厚技术以二次配光透镜为基片，硫化锌（ZnS）为高折射率材料，冰晶石（Na3AlF6）为低折射率材料，镀制膜系结构为HLH2LHLHL HLH2LHLH的全介质干涉滤光膜，已达到滤除450nm波长左右光线的目的；其中:H为高折射率材料ZnS，L为低折射率材料Na3AlF6。

镀制过程：

（1）分别将硫化锌（ZnS），冰晶石（Na3AlF6）放入膜料载体内；将清理干净的二次配光透镜固定到镀膜机顶部镀膜盘上，注意内曲面朝下。

（2）关闭真空室门，对镀膜机内部进行抽真空。

（3）预熔膜料。

（4）镀制，通过观察准确地控制每一层介质膜的厚度是制备多层介质膜的关键。

一般膜层厚度的允许误差的最好小于2%，本镀膜机采用极值法进行膜厚度监控。

当膜厚的光学厚度为λ/4的整数倍时，薄膜的透射率或反射率出现极值，即薄膜的透射率与反射率随膜厚呈周期性的变化。

如以下公式所示。