二次配光透鏡鍍膜改變LED燈具色溫的方法研究

朱少鋒，張 宇，張英英

（陜西烽火集團烽火佰鴻公司，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。

即

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。