CN109027720A - 一种led光源的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于照明技术领域，提供了一种LED光源的优化方法，包括：选取第一发光体，用于发出白光；优化白光为第一近自然光；根据第一近自然光的光谱及自然光光谱确定待优化波段；根据待优化波段选择第二发光体；按照预设光通量比点亮第一发光体和第二发光体；通过调节第一发光体和/或第二发光体的光谱分布优化组合光谱，获得准自然光。该方法获得的准自然光各波段的相对光谱功率接近自然光，有利于保护视力，减少长期处于高蓝光照明环境下人群的视觉健康问题；在实现低蓝光的同时能够保持较高色温，在提升健康水平的同时能够保持高清晰、高辨识度的视觉效果以及良好的精神状态，并能够提升红光的相对光谱功率，进而提升准自然光照明的健康等级。

Description

一种LED光源的优化方法
技术领域
本发明涉及LED技术领域，特别涉及一种LED光源的优化方法。
背景技术
光乃万物之源，是人类生存的必要条件之一，光的作用影响着生物的生长和物种的进化，人类进化的过程中首先学会了利用自然光，大自然的光已经在人类进化历程中留下了深深烙印，例如：日出日落形成光学生物钟；朝夕昼夜的光色变化以及光照对人类造成的心理和生理效应等等。
人造光的出现，解决了夜晚或黑暗环境的照明问题，但是也大幅度地改变了人们长期以来对自然光形成的昼夜节律，普通人造光的照明给人们带来的危害是不容忽视的。这种危害主要来源于人造光相对于自然光而言的光谱不完整性以及较高的蓝光成分和波长更短的紫光和紫外光成分,另外，人造光源的光学产量(例如色温、色坐标等)与自然光的差别较大，也影响人们的感官体验，使人产生不自然不舒适之感。
人类肉眼所看到的可见光是整个电磁波谱的一部分，可见光谱的范围大概是390-760nm。在该波段的光线中，紫外线、紫光和蓝光对人眼的伤害最为严重。紫光对眼睛的伤害在眼球的前半部(如眼睑癌，白内障，睑裂斑，异状贅片等)。蓝光对眼睛的伤害是在眼球的后半部，会导致黄斑区病变。因为蓝光会加速视网膜里的黃斑区的感光细胞和视网膜色素上皮细胞的氧化压力而导致损伤，而这两种细胞都是不可再生的，一但损伤后就会影响视力且不可逆，严重的甚至导致失明。人类视网膜的细胞中，感知蓝色的细胞占比较小，蓝光超过某极限就会被散射进入眼睛，当散射现象发生时，光会扩散，物体的质地和颜色会被扭曲。蓝光对眼睛的伤害，尤其是对未成年学生和儿童的视力损害比较明显，会导致儿童色弱，降低儿童的辨色能力，并且导致未成年人近视率的攀升。
我们在关注光的客观视觉效应的同时，还应考虑人对光的感受，如光对人的健康、情绪、舒适性以及对生理变化的影响。例如，办公场所的灯具通常为高色温光源，以提升可视度和工作人员的工作情绪。其中含有较高的蓝光成分，工作上班族长期处于人造光源的照明环境中，或者长时间注视电脑、手机，会出现眼晕、眼痛、头痛、精神不佳等现象，严重影响人们的健康，还有部分人的皮肤对紫光和紫外线较敏感，长期注视电脑会导致各种皮肤问题。而处于自然光环境下，则会感觉到舒适和轻松。
随着照明技术的发展，人们对光的品质、舒适度等总体性能要求不断提升，各种新型的光源和技术不断涌现，如模拟自然光光谱的LED光源，动态智能照明技术等。毋庸置疑的是，最理想的照明光是自然光，自然光照明一直是照明行业的愿景。
现有LED技术中的白光照明产品，其光谱和自然光相差依然较大，而且蓝光比例较高。如图10，其示意了一种采用蓝光芯片结合荧光粉的白光源的光谱，由于芯片的波长范围和发光强度以及荧光粉的波长范围有一定限制，使得这种组合结构与自然光的光谱差别仍然较大，尤其是蓝光比例过高。
如图11，其示意了一种采用多种波长的芯片(或子光源)组合的白光源的光谱，例如红光芯片、绿光芯片和蓝光芯片的三原色组合结构，通过波长互补尽可能的覆盖可见光的波段，但是这种白光存在红、绿、蓝三个中心波长的明显尖峰，而其他波长又比较低，与自然光谱相差甚远；而且结构难以做到均匀混光，且尺寸较大；而且多个芯片(或子光源)的驱动方式复杂，需要一个控制芯片，电路复杂，应用不便，适用性差。
可见，现有技术中的光源均存在和自然光相差较大的缺陷。而在科技快速发展的今天，存在视力缺陷的儿童和亚健康人群的比例却越来越大，提供健康的准自然光照明、改善儿童视力、保障人们健康已经成为迫切的社会需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED光源的优化方法，旨在通过该方法获得准自然光的光源，解决传统LED光源与自然光相差较大的技术问题，提升国民健康水平。
本发明是这样实现的，一种LED光源的优化方法，包括下述步骤：
选取第一发光体，所述第一发光体用于发出白光；
优化所述第一发光体的光谱分布，将所述白光优化为第一近自然光；
根据所述第一近自然光的光谱分布以及自然光的光谱分布，确定所述第一近自然光的待优化波段；
根据所述待优化波段选择第二发光体；
按照预设的第一发光体和第二发光体的光通量比点亮第一发光体和第二发光体；
通过调节所述第一发光体和/或第二发光体的光谱分布，优化所述第一发光体和第二发光体的组合光谱，获得准自然光。
该LED光源优化方法通过第一发光体发出第一近自然光，再通过增加第二发光体补偿第一近自然光中光谱缺失的部分，通过设定光谱各波段的相对光谱功率和光学参数的合理范围，在优化过程中通过调节第一发光体和第二发光体的光谱分布，使组合光谱的形状和相应的光参数符合预定要求，获得准自然光。通过该方法获得的准自然光能够更加接近自然光的特征，解决了传统光源光谱不完整以及部分波段缺失以及光参数不达标的问题，有利于保护视力，保护身体健康，是LED照明技术领域具有重要意义的技术突破。
在一种实施例中，所述第一发光体包括蓝光芯片和覆盖所述蓝光芯片的光学转换膜，所述光学转换膜包括胶体和均匀混合于所述胶体中的光学转换材料；
所述优化所述第一发光体的光谱分布，将所述白光优化为第一近自然光的步骤包括：
调整所述光学转换膜的配方和/或浓度和/或厚度，使第一发光体发出的白光中480-500nm波段的相对光谱功率大于0.30，500-640nm波段的相对光谱功率大于0.60。
在一种实施例中，在所述优化所述第一发光体的光谱分布，将所述白光优化为第一近自然光的步骤中，所述第一近自然光的色温为2700K-3000K时， 480-500nm波段的相对光谱功率大于0.30；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.70；
所述第一近自然光的色温为4000K-4200K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.45；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.65；
所述第一近自然光的色温为5500K-6000K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.4；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.60。
在一种实施例中，所述光学转换膜为荧光膜或磷光膜，所述光学转换材料为荧光粉或磷光粉；用于发射所述第一近自然光的所述荧光粉包括：红粉、绿粉和黄绿粉；
所述红粉的色坐标为X：0.660～0.716，Y：0.340～0.286；
所述绿粉的色坐标为X：0.064～0.081，Y：0.488～0.507；
所述黄绿粉的色坐标为X：0.367～0.424，Y：0.571～0.545；
所述红粉、绿粉和黄绿粉的重量比为：
红粉：绿粉：黄绿粉＝(0.010～0.035):(0.018～0.068):(0.071～0.253)；
所述荧光膜的浓度为17％～43％。
在一种实施例中，所述荧光膜的厚度为0.2-0.4mm；所述红粉、绿粉和黄绿粉的粒径小于15μm。
在一种实施例中，所述待优化波段为640-700nm；所述第二发光体用于发出640-700nm的红光。
在一种实施例中，所述的通过调节所述第一发光体和第二发光体的光谱分布，优化所述第一发光体和第二发光体的组合光谱，获得准自然光的步骤包括：
S1：调节所述第一发光体和第二发光体的驱动电流，并实时监控所述组合光谱，当所述组合光谱的各波段相对光谱功率均达到预定范围时，进行步骤S2，否则重复进行步骤S1；
S2：检测所述组合光谱的光学参数，当所述光学参数达到预定范围时，进行步骤S3，否则返回进行步骤S1；
S3：记录所述第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量的实际比例、所述第一发光体和第二发光体的实际驱动电流以及对应的光学参数。
在一种实施例中，当所述步骤S1重复次数达到预定次数时，进行步骤S4：调整所述光学转换膜的配方和/或浓度和/或厚度，然后返回进行步骤S1；
或者，进行步骤S5：调整所述第二发光体的中心波长或者增加中心波长不同于第二发光体的第三发光体，然后返回进行步骤S1。
在一种实施例中，所述步骤S4中，通过调整所述光学转换膜的配方调整各波段的相对光谱功率和/或显色指数；
通过调整所述光学转换膜的浓度调整显色指数和/或色温；
通过调整所述光学转换膜的厚度调整色温。
在一种实施例中，所述光学参数至少包括色温、色坐标、色容差、显色指数Ra、显色指数R9、显色指数R12以及蓝光色比；所述色容差的预定范围为小于5，所述显色指数Ra的预定范围为大于90，所述显色指数R9的预定范围为大于90，显色指数R12的预定范围为大于80，所述蓝光色比的预定范围为小于5.7％。
附图说明
图1是本发明实施例提供的LED光源的优化方法流程图；
图2是本发明实施例提供的第一发光体的光谱示意图；
图3是自然光光谱示意图；
图4是本发明实施例提供的LED光源的优化方法的步骤S106的流程图；
图5是本发明实施例提供的准自然光的一种光谱示意图；
图6是本发明实施例提供的准自然光和自然光的光谱对比图；
图7是图5所示准自然光的光谱测试报告图；
图8是本发明实施例提供的采用452.5-455nm蓝光芯片时的白光光谱示意图；
图9是本发明实施例提供的准自然光LED光源的结构示意图；
图10是现有技术中白光光源的第一种光谱图；
图11是现有技术中白光光源的第二种光谱图；
图12是现有技术中近自然光光源的一种光谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
技术术语的解释说明：
1.相对光谱功率：
一种光源所发射的光谱往往不是单一的波长，而是由许多不同波长的混合辐射所组成。光源的光谱辐射按波长顺序和各波长强度分布称为光源的光谱功率分布。
用于表征光谱功率大小的参数分为绝对光谱功率和相对光谱功率。进而绝对光谱功率分布曲线：指以光谱辐射的各种波长光能量绝对值所作的曲线；
相对光谱功率分布曲线：指将光源辐射光谱的各种波长的能量进行相互比较，作归一化处理后使辐射功率仅在规定的范围内变化的光谱功率分布曲线。辐射功率最大的相对光谱功率为1，其他波长的相对光谱功率均小于1。
2.色比：
任何白光均可由红、绿、蓝三原色以相应比例混合得到，为了表示R、G、 B三原色各自在白光总量中的相对比例，引入色度坐标r、g、b，其中，r＝R/ (R+G+B),g＝G/(R+G+B),b＝B/(R+G+B),r+g+b＝1，r、g、b分别为红光色比、绿光色比、蓝光色比。
为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。
请参阅图1，本发明实施例提供一种LED光源的优化方法，包括下述步骤：
步骤S101，选取第一发光体，所述第一发光体用于发出白光；
步骤S102，优化所述第一发光体的光谱分布，将所述白光优化为第一近自然光；
步骤S103，根据所述第一近自然光的光谱分布以及自然光的光谱分布，确定所述第一近自然光的待优化波段；
步骤S104，根据所述待优化波段选择第二发光体；
步骤S105，按照预设的第一发光体和第二发光体的光通量比点亮第一发光体和第二发光体；
步骤S106，通过调节所述第一发光体和第二发光体的光谱分布，优化所述第一发光体和第二发光体的组合光谱，获得准自然光。
该LED光源优化方法通过第一发光体发出第一近自然光，再通过增加第二发光体补偿第一近自然光中光谱缺失的部分，通过设定光谱各波段的相对光谱功率和光学参数的合理范围，在优化过程中通过调节第一发光体和第二发光体的光谱分布，使组合光谱的形状和相应的光参数符合预定要求，获得准自然光。通过该方法获得的准自然光能够更加接近自然光的特征，解决了传统光源光谱不完整以及部分波段缺失以及光参数不达标的问题，有利于保护视力，保护身体健康，是LED照明技术领域具有重要意义的技术突破。
以下对该优化方法进行详细解释。
在步骤S101和S102中，首先选取白光发光体作为第一发光体，以该白光发光体作为主发光体，主发光体所包含的波长范围较大，至少包括400-640nm 波段。
本实施例中的白色发光体采用蓝光芯片配合光学转换膜的结构，当然，本发明不限于此，也可以通过其他结构获得满足相应要求的白光。
在本发明中，光学转换膜可以是荧光膜或者磷光膜。本实施例优选为荧光膜，以下内容均以荧光膜为例进行描述。
经过步骤S102后，将白光优化为第一近自然光，使得该白光尽可能的接近自然光，在优化过程中，使白光的相对光谱功率尽可能的提高，这样，使后续第二发光体的类型选择更为简单，并且有利于对两发光体组合光谱的优化。
具体地，结合图2，该图示意了第一近自然光的光谱曲线，优化后的第一近自然光的色温范围至少包括2700-6000K，且在不同的色温范围内，各波段的相对光谱功率能够达到预定的范围。具体包括：当该第一近自然光的色温为 2700K-3000K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.30；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.70；当第一近自然光的色温为4000K-4200K时， 480-500nm波段的相对光谱功率大于0.45；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.65；当第一近自然光的色温为5500K-6000K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.4；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.60。
可见光中，波长和颜色对应关系如下：红色光(622～700nm)，橙色光 (597～622nm)，黄色光(577～597nm)，绿色光(492～577nm)，青色光 (475～492nm)，蓝色光(435～475nm)，紫色光(380～435nm)。上述480-500nm 波段主要包含青光、少部分蓝光和少部分绿光，500-640nm波段主要包含绿光、黄光和红光。
同时参考图3所示的自然光光谱和图2所示的第一近自然光光谱，可见在 400-640nm之间的波段，二者较为接近，但是在大于640nm的红光部分，第一近自然光存在明显的缺失，表现为相对光谱功率急剧下降。因此，可以确定需要补充红光。进而，涉及选择发红光的第二发光体，其一方面用于和第一发光体组合，获得更加接近自然光的照明光线；另一方面，通过补充红光，可以减低蓝光，该结论可以通过前期基础研究确认，关于基础研究的内容会在后文详细说明。
因此，在步骤S103中，确定第一近自然光的待优化波段为640-700nm；根据该要求选择第二发光体，该第二发光体至少能够发出640-700nm的红光。具体可以是在该范围内的某个更小区间，例如波长范围为680-700nm，对应中心波长为690±5nm。中心波长通常为波长范围的中心值，且允许有±2nm左右可调区间。针对不同区间的情况，中心波长还可以是660nm、670nm、680nm等等，本实施例不局限于某一种。进一步地，根据第一近自然光的光谱曲线，并通过大量组合光谱调试实验，确定该第二发光体的中心波长选择为690±5nm (优选)，目的在于和第一近自然光光谱结合后能够尽可能的使640-700nm红光的相对光谱功率接近自然光的光谱。
在步骤S104和S105中，在确定第一发光体和第二发光体后，可以根据两发光体的光谱，选择合理的光通量比，即第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量之比，此处称之为“初始光通量比”，根据上述第一近自然光和红光的波长范围以及光谱特征，可以初步确定该初始光通量比在2-10:1的范围内是可行的。进一步地，通过实验可以进一步确定该初始光通量比在2-5:1的范围内，然后按照预设的初始光通量比点亮相应数量的第一发光体和相应数量的第二发光体，进行优化组合光谱的过程。
步骤S106的优化过程是至关重要的，主要通过同时调整第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量，即同时调整二者的光谱进行优化；或者单独调整第一发光体的光通量或第二发光体的光辐射量，即调整某一个发光体的光谱进行优化；当组合光谱的相对光谱功率(形状)和光参数均满足要求时，确认获得准自然光。可以理解，该“要求”为预先确定的参数范围，可以参考本技术领域内大部分公众所认同的参数范围合理的设定。
作为步骤S106的一种实施例，主要通过调整第一发光体和第二发光体的驱动电流调整第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量，在改变电流的过程中，光通量或者光辐射量随之改变，该步骤即是通过调整电流来调试出满足要求的准自然光。
进一步地，在优化调试过程中，第一发光体和第二发光体可以连接不同的驱动电路，通过不同的电流分别独立驱动。当然，若能够通过相同驱动电流调整达到预设的目的则更为优选。然而，经过大量的实验证明，通过对第一发光体和第二发光体施加相同驱动电流实现准自然光是非常不容易实现的。
具体参考图4，该步骤S106包括下述子步骤：
S1：调节第一发光体和第二发光体的驱动电流，并实时监控组合光谱，当组合光谱的各波段相对光谱功率均达到预定范围时，进行步骤S2，否则重复进行步骤S1；
S2：检测组合光谱的光学参数，当光学参数达到预定范围时，进行步骤S3，否则返回进行步骤S1；
S3：记录第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量的实际比例、第一发光体和第二发光体的实际驱动电流以及对应的光学参数。
以上步骤揭示了步骤S106的具体实现过程，首先，通过调节驱动电流分别调节第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量，此时组合光谱会发生变化，经过若干次调试之后，组合光谱的形状(即各波段的相对光谱功率)与自然光接近到允许范围内，此时确认光谱满足要求。在此基础上，查看光学参数，如果光学参数满足预设的范围，则确定准自然光的调试结束。此时，至少要记录相应的第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量的实际比例，以精确的确定该比值。还需记录驱动电流，以及上述的光学参数。该数据用于为光源的生产制造提供必要的信息。
优选的，进一步保存相应的准自然光的光谱图，色品图，其他电参数，光效参数，红、绿、蓝色比参数等等信息。当然，第一发光体和第二发光体的各种光学参数，在其被选定时即会保存，例如波长范围，中心波长，型号，规格，额定电流，光效等等。
在一种实施例中，上述步骤S2提及的光学参数至少包括色温、色坐标、色容差、显色指数Ra、显色指数R9、显色指数R12以及蓝光色比。
在本实施例中，色容差的预定范围为小于5，显色指数RA的预定范围为大于90，显色指数R9和显色指数R12的预定范围为大于80，蓝光色比的预定范围为小于5.7％，现有的近自然光光源的蓝光色比仍然较高。根据国际顶级的《自然》等学术期刊发表的研究结果，人类视网膜的细胞中，感知蓝色的细胞只有5.7％，因此本实施例将蓝光色比降低至5.7％以下。其中，显色指数R9的预定范围可以提高到90以上，显色指数R12的预定范围为大于80。
进一步参考图5和图7，通过对第一发光体的优化和组合光谱的优化，在光谱形状满足要求的情况下，显色指数Ra提高到97以上，显色指数R9达到 95以上，显色指数R12达到80以上，蓝光色比可以降低到5.5％以下。
作为进一步的优化方案，蓝光中440nm的蓝光对视力的伤害最大，本实施例还将440nm蓝光的相对光谱功率作为待检测的光学参数。在蓝光色比低于 5.7％的情况下，还进一步确定440nm蓝光的相对光谱功率需低于0.65。这是现有的护眼电子设备难以实现的。现有的“护眼”电子产品，其蓝光色比虽然较低，但是其中对人眼伤害最大的440nm蓝光的抑制并不明显，护眼功能微乎其微。而蓝光中的其他波段成分对视力发育是必要的，大幅度抑制蓝光不仅护眼效果不明显，还会对儿童、幼儿等人群的视力发育造成不良影响，例如由于蓝光成分的过分缺失，导致色弱等问题。本实施例在将蓝光色比降低至5.7％以下的基础上，重点抑制440nm蓝光的强度，能够真正的起到保护视力的作用，而且保留部分蓝光，使得白光更加接近自然光。
进一步地，经过上述步骤S1-S3，确定上述第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量的实际比例为2-3:1。在准自然光的色温不同的情况下，该实际比例略有不同，驱动电流也略有不同。针对每种色温，记录相应的数据，以用于为光源的制造提供必要的数据。具体在制造时，可以根据实际的应用需求，选择几种色温产品。例如，用于办公场所的灯具，通常选择色温较高的产品，用于家居的灯具，通常选择色温较低的产品。
在本发明中，步骤S1记载了：当组合光谱的各波段相对光谱功率均达到预定范围时，进行步骤S2，否则重复进行步骤S1；步骤S2中记载了：当光学参数达到预定范围时，进行步骤S3，否则返回进行步骤S1。即，步骤S1存在组合光谱的相对光谱功率不能达到预定范围的可能性，步骤S2也存在光学参数不能达到预定范围的可能性。此时，需要反复进行步骤S1，调整驱动电流。然而，当调整驱动电流的次数达到一定程度时，需要考虑其他因素以解决上述问题。
进而，在这种情况下，可以有两种选择，其一，进行步骤S4：调整光学转换膜的配方和/或浓度和/或厚度，然后返回进行步骤S1；其二，进行步骤S5：调整第二发光体的中心波长或者增加中心波长不同于第二发光体的第三发光体，然后返回进行步骤S1。根据前期的基础研究，可以得到荧光膜与光谱优化的关系，和红光与光谱优化的关系，在对应的理论指导下，可以选择合适的方式调整优化方案。
具体地，在第一种实施例中，进行步骤S4。第一发光体的荧光膜对第一发光体的光谱分布和光参数具有重要的影响，具体包括：第一，荧光膜的配方主要影响各波段的相对光谱功率，以及显色指数；该配方指荧光膜中荧光粉材料的组分和配比。第二，荧光膜的浓度主要影响显色指数和色温；该浓度指在配方确定的情况下，荧光粉在荧光膜中的含量大小；第三，荧光膜的厚度主要影响色温。
在第二种实施例中，进行步骤S5：调整第二发光体的中心波长或者增加中心波长不同于第二发光体的第三发光体，使之与第一发光体组合后进行优化。通过进行大量的基础研究，可以确定第二发光体对组合光谱分布和光参数也具有重要的影响。
具体地，基础研究一：准自然光光谱的研究。
自然界中的自然光来源于太阳发光，自然光在一年四季乃至一天中的不同时段均有差别，主要表现为光谱和色温的差别。春季清晨的阳光最使人感觉舒适，本发明实施例中，可选择春季清晨的阳光光谱作为参考，对准自然光的相对光谱功率和光参数进行设定。当然，这是一种优选的实施例，而其他时间的自然光同样可以用于作为衡量标准来设定准自然光的相应参数要求。本发明实施例提供的优化方法适用于各种时间的自然光，只需将某些参数做略微调整即可。
基础研究二：光谱形状与荧光膜配方的关系。研究表明，荧光膜配方与其相应的光谱形状关系很大；改变配方中某一种粉的比例，将直接改变其相应波长段的相对光谱功率，其比例越大，对应波长的相对光谱功率越大，同时也会改变显色指数。基于此，当光谱形状和显指不符合要求时，可以根据具体波段选择提高或降低某种粉的比例，或者改变某种粉的色坐标参数。
基础研究三：光谱形状与荧光膜浓度的关系。研究表明，在配方不变的情况下，荧光粉浓度越高，490-700nm的相对光谱功率也会越来越高，直至超过蓝光光谱功率，随着蓝光的相对光谱功率降低，色温会随之下降，光色也在改变，显指也随之改变。基于此，可以通过改变浓度来改变显指和色温。但是，浓度调整到了一定的状态，色温仍不符合要求时，还需改变荧光膜中各种粉的配方比例，才能确保不同色温的光色符合国际标准(即标准色温的色坐标)。
基础研究四：光谱形状和色温与荧光膜厚度的关系。研究表明，在配方和浓度不变的情况下，荧光膜厚度越大，色温越低。基于此，当色温不满足要求时，可以通过改变厚度调整色温，且对其他参数影响较小。
基础研究五：驱动电流与光谱形状变化关系。研究表明，驱动电流与光谱形状变化关系是：(1)增大任何一种芯片(蓝光芯片或红光芯片)的驱动电流，将会改变其相应光谱功率；(2)通过调整两种芯片的驱动电流，可以得到最佳的光谱优化结果；(3)增大其中一种芯片的驱动电流以增大其光通量，会抑制另一种芯片的相对光谱。基于此，可以通过调整驱动电流的方式调整组合光谱，并且抑制蓝光，即可以通过增加红光芯片的方式抑制蓝光。
基础研究六：红光芯片规格与光辐射量的关系。研究表明，红光芯片规格与光辐射量的关系是：在恒定的驱动电流条件下，一般情况下，随着芯片规格的增加，其光辐射量会增大。基于此，可以根据最终实际的光通量比，确定选择性价比最佳的红光芯片的规格。该性价比最佳是指规格尽量小，但能够满足焊接要求，光效尽量高，可靠性好，同时兼顾价格。
本发明还进行了基础研究七：白光发光体的光通量与准自然光光谱优化的关系，基础研究八：红光芯片的光辐射量与准自然光光谱优化的关系。进行基础研究七旨在寻找(性价比)最佳的蓝光芯片的规格和荧光膜配方及浓度和厚度；尽可能寻找使得第一发光体发出的光接近自然光谱的蓝光芯片和荧光膜；基础研究八旨在寻找(性价比)最佳的红光芯片的规格，寻找抑制蓝光相对光谱的红光芯片的光辐射量(规格)的最佳值，并且尽可能寻找使得组合光谱接近自然光谱的红光芯片。
经过上述理论指导和大量的实验调试，确定了第一发光体和第二发光体的规格和参数。具体如下：
采用一种波段和中心波长的第二发光体结合第一发光体组成LED光源，第二发光体包括红光芯片，其波长范围是640-700nm，中心波长优选是690±5nm，第一发光体包括波长为450-480nm的蓝光芯片和光学转换膜，进一步优选地，光学转换膜是荧光膜。第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量之比为 2-3:1，在调试过程中，可以确定不同色温对应的具体光通量比值。在制造端，按照该光通量比，选择相应数量的红光芯片和蓝光芯片。
进一步地，该荧光膜包括硅胶和荧光粉，荧光粉是影响第一发光体发光特性的主要因素，荧光粉包括：红粉、绿粉和黄绿粉；
红粉的色坐标为X：0.660～0.716，Y：0.340～0.286；
绿粉的色坐标为X：0.064～0.081，Y：0.488～0.507；
黄绿粉的色坐标为X：0.367～0.424，Y：0.571～0.545；
红粉、绿粉和黄绿粉的重量比为：
红粉：绿粉：黄绿粉＝(0.010～0.035):(0.018～0.068):(0.071～0.253)；
荧光膜的浓度为17％～43％。
荧光膜的厚度优选为0.2-0.4mm。红粉、绿粉和黄绿粉的粒径小于15μm，优选为13±2μm。
进一步地，红粉优选为氮化物红色荧光粉，更优选地，所述氮化物红色荧光粉包括CaSrAlSiN3(1113结构)。而绿粉优选为氮氧化物绿色荧光粉，更优选地，所述氮氧化物绿色荧光粉包括BaSi2O2N2(1222结构)。而所述黄绿粉优选包括Y3Al5Ga5O12(即镓掺杂钇铝石榴石)。CaSrAlSiN3类氮化物红色荧光粉、BaSi2O2N2类氮氧化物绿色荧光粉和Y3Al5Ga5O12黄绿荧光粉，均可达到各自荧光粉需要的色坐标，而且具有更好的发光强度和稳定性，非常适合用于本发明实施例的荧光粉中。上述荧光粉的种类均可在市场上购得。
作为荧光膜的实施例1：
一种荧光膜，含有AB硅胶、CaSrAlSiN3红色荧光粉(色坐标，X： 0.660-0.716，Y：0.286-0.340)、BaSi2O2N2绿色荧光粉(色坐标，X：0.064-0.081， Y：0.488-0.507)和Y3Al5Ga5O12黄绿荧光粉(色坐标，X：0.367-0.424，Y： 0.545-0.571)；其中，CaSrAlSiN3红色荧光粉、BaSi2O2N2绿色荧光粉和 Y3Al5Ga5O12黄绿荧光粉的重量比为(0.020-0.035)：(0.018-0.030)： (0.140-0.253)，该三种荧光粉在荧光膜中的质量百分含量为33-43％。
该荧光膜通过蓝光激发，可获得色温为2700K-3000K的近自然光的白光：光谱中，480-500nm波段的相对光谱大于0.30，500-640nm波段的相对光谱大于0.70。
作为荧光膜的实施例2
一种荧光膜，含有AB硅胶、CaSrAlSiN3红色荧光粉(色坐标，X： 0.660-0.716，Y：0.286-0.340)、BaSi2O2N2绿色荧光粉(色坐标，X：0.064-0.081， Y：0.488-0.507)和Y3Al5Ga5O12黄绿荧光粉(色坐标，X：0.367-0.424，Y： 0.545-0.571)；其中，CaSrAlSiN3红色荧光粉、BaSi2O2N2绿色荧光粉和 Y3Al5Ga5O12黄绿荧光粉的重量比为(0.010-0.022)：(0.020-0.040)： (0.080-0.140)，该三种荧光粉在荧光膜中的质量百分含量为25-35％。
该荧光膜通过蓝光激发，可获得色温为4000K-4200K的近自然光的白光：光谱中，480-500nm波段的相对光谱大于0.45，500-640nm波段的相对光谱大于0.65。
作为荧光膜的实施例3
一种荧光膜，含有AB硅胶、CaSrAlSiN3红色荧光粉(色坐标，X： 0.660-0.716，Y：0.286-0.340)、BaSi2O2N2绿色荧光粉(色坐标，X：0.064-0.081， Y：0.488-0.507)和Y3Al5Ga5O12黄绿荧光粉(色坐标，X：0.367-0.424，Y： 0.545-0.571)；其中，CaSrAlSiN3红色荧光粉、BaSi2O2N2绿色荧光粉和 Y3Al5Ga5O12黄绿荧光粉的重量比为(0.010-0.020)：(0.030-0.068)： (0.071-0.130)，该三种荧光粉在荧光膜中的质量百分含量为17-27％。
该荧光膜通过蓝光激发，可获得色温为5500K-6000K的近自然光的白光：光谱中，480-500nm波段的相对光谱大于0.40，500-640nm波段的相对光谱大于0.60。
作为本实施例的进一步改进，本实施例采用457.5-480nm(至少为 457.5-460nm)的蓝光芯片，配合上述荧光膜，除了获得第一近自然光之外，还在于提升青光比例。在众多的近自然光LED技术的研究中，青光比例是难于提升的。本发明实施例突破传统技术一惯采用450-455nm蓝光芯片制作白光源的传统，选择457.5nm-480nm或者457.5-460nm的蓝光芯片，同时结合上述荧光膜，获得第一近自然光中，青光的相对光谱功率得到明显提升。
参考图2和图8，图2所示为本实施例中的白光光谱，采用457.5nm-460nm 的蓝光芯片时，青光相对光谱功率已经达到0.5以上，图8中采用452.5-455nm 蓝光芯片时，青光相对光谱仅为0.35-0.38之间。
进一步地，采用上述的荧光膜和蓝光芯片，可以获得第一近自然光，结合图2，其具有如下参数：
当第一近自然光的色温为2700K-3000K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.30；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.70；当第一近自然光的色温为4000K-4200K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.45；500-640nm 波段的相对光谱功率大于0.65；当第一近自然光的色温为5500K-6000K时， 480-500nm波段的相对光谱功率大于0.4；500-640nm波段的相对光谱功率大于 0.60。
该第一近自然光和红光芯片组合后，获得的准自然光色温为2500-6500K，结合图5至图7，在任意色温时，红色光的相对光谱功率大于0.60；橙色光的相对光谱功率大于0.55；黄色光的相对光谱功率大于0.50；绿色光的相对光谱功率大于0.35；青色光的相对光谱功率大于0.30；所述准自然光中蓝色光的相对光谱功率小于0.75；紫色光的相对光谱功率小于0.10，440nm蓝光的相对光谱功率小于0.65。上述参数已经和自然光十分接近。在此基础上，该准自然光还至少能够满足如下光学参数要求：色容差小于5，显色指数Ra大于90，可以大于97，显色指数R9大于90，显色指数R12大于80，蓝光色比小于5.7％，色温在2700-6000K。
针对该准自然光，需提及的是，根据大量的传统白光照明的规律，白光色温越高，其短波长成分的比例越高，蓝光越高，而高蓝光危害健康是毫无疑义的事实，同时高色温有利于提升辨识度，提升环境的明亮感，提升人的精神状态也是公认的常识，因此，常规高色温高蓝光的白光必然有利有弊，难以兼顾各方面的需求。而在本发明实施例的优化方法中，对于色温较高的产品，由于其蓝光色比得到抑制，而且440nm的蓝光也能够得到抑制，能够躲避蓝光危害，有利于保护视力和身体健康；同时还可以获得较高色温，又能够满足高效工作和视觉效果的需求，实用性较佳。这种高色温低蓝光照明光源在现有技术中是难于实现的。
还需提及的是，如图5和图12，该准自然光中，在光谱和光参数均满足要求的情况下，640-700nm红光的相对光谱功率得到明显提升，这在现有的近自然光光源中也是难于实现的，主要表现为红光的提升和整个光谱形状及其他光参数难以兼顾。本实施例正是通过上述大量的基础研究和不断的优化过程才得以获得该准自然光。640-700nm红光具有优异的保健、理疗、美容作用。传统近自然光光源都会在640nm之后的波段出现明显下降的趋势。如图12，传统白光或近自然光光源的640-700nm红光相对光谱功率明显下降，如图5和图7，本实施例中该波段红光的相对光谱功率达到0.6以上。其中，波长为680～690nm 的红光相对光谱功率大于0.80；波长为622～680nm的红光相对光谱功率大于 0.60。
并且，经过不同色温光源的测试，准自然光的色温为2700K-3000K时， 640-700nm红光的相对光谱功率大于0.70；准自然光的色温为4000K-4200K时， 640-700nm红光的相对光谱功率大于0.60；准自然光的色温为5500K-6000K时， 640-700nm红光的相对光谱功率大于0.50。
还需提及的是，在众多的近自然光LED技术中，青光比例是难于提升的，在拉低蓝光的情况下更加难以提升青光，同时与青光对应的显指R12也是难以提升的。本发明实施例一方面通过突破传统惯例(采用455-480nm蓝光芯片)，选择了457.5nm-480nm的蓝光芯片，另一方面致力于荧光膜的开发，双管齐下使得青光的相对光谱功率得到明显提升。同时由于青光的提升，同时提升显指 R12，也在一定程度上有助于在抑制蓝光的同时能够保持较高色温。如图12，传统近自然光中的青光相对光谱功率低于0.3，如图5和图7，本实施例中的青光相对光谱功率达到0.4以上，显色指数R12达到80以上。
并且，经过不同色温光源的测试，准自然光的色温为2700K-3000K时，475-492nm波段的青光相对光谱功率大于0.30；准自然光的色温为4000K-4200K 时，475-492nm波段的青光相对光谱功率大于0.40；准自然光的色温为 5500K-6000K时，475-492nm波段的青光相对光谱功率大于0.50。
进一步地，在制造产品时，优选将蓝光芯片和红光芯片倒装于基材上，荧光膜厚度一致，覆盖在蓝光芯片上，通过设备在芯片上成膜，可以保证不同产品的荧光膜一致性好，进而可以避免点胶造成的一致性差的问题，同时，使得不同产品的色温处于同一BIN位，色温一致性好。
可以理解，本发明不限制于采用倒装芯片，也可以采用正装芯片结构配合荧光胶体组成第一发光体。
综上所述，本发明实施例提供的LED光源的优化方法具有如下技术效果：
第一，基于该优化方法能够获得光谱更加接近自然光光谱的准自然光，即各波段的相对光谱功率接近自然光，相比于传统白光照明，视觉感受更加舒适，有利于保护人类和动植物的健康。
第二，该优化方法预先确定一种白光发光体，使其产生近自然光，在此基础上，选取一种红光发光体进行补光，最终获得光谱和光参数均符合要求的准自然光，解决了传统方法光谱不完整以及难以兼顾光参数的问题。
第三，对人体有害的蓝光得到抑制，有利于保护视力，特别是儿童、幼儿的视力保护和改善具有重要的意义；并且，有利于降低长期处于高蓝光照明环境下人群的发病率，保障身体健康。
第四，在实现低蓝光的同时，能够保持较高色温，进而在提升健康等级的同时能够保持高清晰、高辨识度的视觉效果，且保持积极高效工作的状态，适用于健康公共照明。
第五，在降低蓝光的同时能够提升青光相对光谱功率，解决了近自然光研究中长期存在的问题，使得准自然光更加接近真实自然光，显色指数进一步提升。
第六，能够提升红光的相对光谱功率，使得光谱更加接近自然光，且640-700nm红光具有保健功能，提升了准自然光照明的健康等级。
第七，基于上述优化方法，按照最终确定的光通量比选择合适的第一发光体和第二发光体，配合基材和电路即可制作准自然光LED光源，优化的结果可直接用于制造端的参考数据，便于芯片的选择采购。
第八，该准自然光LED光源可以按照最终确定的光通量比选择微型的白光发光体和红光发光体，且选择尽量少的红光发光体和白光发光体，制作成微型单颗光源，用于各种灯具中，任意组合，均可保证其较佳的发光效果，不会出现暗斑、亮斑或混光不均匀的问题，适应性强。
以下进一步简要说明该准自然光LED光源的结构。
参考图9，该准自然光LED光源包括基底层91、设置于基底层91上的至少一组发光组件92，以及与发光组件92电连接的电路93；每组发光组件92 包括白光发光体921(上述第一发光体)和红光发光体922(上述第二发光体)，白光发光体921包括蓝光芯片和光学转换膜(荧光膜或磷光膜)，红光发光体 922包括红光芯片；白光发光体921发射的白光与红光发光体发射的红光混合，该红光用于补偿白光相对于自然光谱缺失的红光部分，形成准自然光；该准自然光具有本发明优化方法中涉及的光谱和光学参数。其中，至少满足红、绿、蓝波段相对光谱功率的要求，和色温、显指、色容差的要求。
进一步地，基底层91上设有反光杯94，基底层91、发光组件92设置于反光杯94中，电路93形成于基底层91的表面，并且在反光杯94的底部外露，和白光发光体921和红光发光体922连接。
进一步地，荧光膜可于制造工艺中通过设备统一成膜，产品一致性好，可靠性高，并且光源体积小。
该准自然光LED光源选择微型的白光发光体和红光发光体，红光发光体的光辐射量小于白光发光体的光通量，可以选择尽量少的红光发光体和白光发光体，制作成单颗光源，即一颗光源设置一组发光组件。由于该光源可以直接发出准自然光，进而可以用于各种灯具中，任意组合，均可保证其较佳的发光效果，适应性强。当然，也可以将多组发光组件集成于一颗光源内，此时仍可保证较佳的出光效果，仅尺寸增大。本发明实施例不局限于一颗光源所包含的发光组件的数量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED光源的优化方法，其特征在于，包括下述步骤：
选取第一发光体，所述第一发光体用于发出白光；
优化所述第一发光体的光谱分布，将所述白光优化为第一近自然光；
根据所述第一近自然光的光谱分布以及自然光的光谱分布，确定所述第一近自然光的待优化波段；
根据所述待优化波段选择第二发光体；
按照预设的第一发光体和第二发光体的光通量比点亮第一发光体和第二发光体；
通过调节所述第一发光体和/或第二发光体的光谱分布，优化所述第一发光体和第二发光体的组合光谱，获得准自然光。
2.如权利要求1所述的LED光源的优化方法，其特征在于，所述第一发光体包括蓝光芯片和覆盖所述蓝光芯片的光学转换膜，所述光学转换膜包括胶体和均匀混合于所述胶体中的光学转换材料；
所述优化所述第一发光体的光谱分布，将所述白光优化为第一近自然光的步骤包括：
调整所述光学转换膜的配方和/或浓度和/或厚度，使第一发光体发出的白光中480-500nm波段的相对光谱功率大于0.30，500-640nm波段的相对光谱功率大于0.60。
3.如权利要求2所述的LED光源的优化方法，其特征在于，在所述优化所述第一发光体的光谱分布，将所述白光优化为第一近自然光的步骤中，所述第一近自然光的色温为2700K-3000K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.30；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.70；
所述第一近自然光的色温为4000K-4200K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.45；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.65；
所述第一近自然光的色温为5500K-6000K时，480-500nm波段的相对光谱功率大于0.4；500-640nm波段的相对光谱功率大于0.60。
4.如权利要求3所述的LED光源的优化方法，其特征在于，所述光学转换膜为荧光膜或磷光膜，所述光学转换材料为荧光粉或磷光粉；用于发射所述第一近自然光的所述荧光粉包括：红粉、绿粉和黄绿粉；
所述红粉的色坐标为X：0.660～0.716，Y：0.340～0.286；
所述绿粉的色坐标为X：0.064～0.081，Y：0.488～0.507；
所述黄绿粉的色坐标为X：0.367～0.424，Y：0.571～0.545；
所述红粉、绿粉和黄绿粉的重量比为：
红粉：绿粉：黄绿粉＝(0.010～0.035):(0.018～0.068):(0.071～0.253)；
所述荧光膜的浓度为17％～43％。
5.如权利要求4所述的LED光源的优化方法，其特征在于，所述荧光膜的厚度为0.2-0.4mm；所述红粉、绿粉和黄绿粉的粒径小于15μm。
6.如权利要求3所述的LED光源的优化方法，其特征在于，所述待优化波段为640-700nm；所述第二发光体用于发出640-700nm的红光。
7.如权利要求6所述的LED光源的优化方法，其特征在于，所述的通过调节所述第一发光体和第二发光体的光谱分布，优化所述第一发光体和第二发光体的组合光谱，获得准自然光的步骤包括：
S1：调节所述第一发光体和第二发光体的驱动电流，并实时监控所述组合光谱，当所述组合光谱的各波段相对光谱功率均达到预定范围时，进行步骤S2，否则重复进行步骤S1；
S2：检测所述组合光谱的光学参数，当所述光学参数达到预定范围时，进行步骤S3，否则返回进行步骤S1；
S3：记录所述第一发光体的光通量和第二发光体的光辐射量的实际比例、所述第一发光体和第二发光体的实际驱动电流以及对应的光学参数。
8.如权利要求7所述的LED光源的优化方法，其特征在于，当所述步骤S1重复次数达到预定次数时，进行步骤S4：调整所述光学转换膜的配方和/或浓度和/或厚度，然后返回进行步骤S1；
或者，进行步骤S5：调整所述第二发光体的中心波长或者增加中心波长不同于第二发光体的第三发光体，然后返回进行步骤S1。
9.如权利要求8所述的LED光源的优化方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过调整所述光学转换膜的配方调整各波段的相对光谱功率和/或显色指数；
通过调整所述光学转换膜的浓度调整显色指数和/或色温；
通过调整所述光学转换膜的厚度调整色温。
10.如权利要求7所述的LED光源的优化方法，其特征在于，所述光学参数至少包括色温、色坐标、色容差、显色指数Ra、显色指数R9、显色指数R12以及蓝光色比；所述色容差的预定范围为小于5，所述显色指数Ra的预定范围为大于90，所述显色指数R9的预定范围为大于90，显色指数R12的预定范围为大于80，所述蓝光色比的预定范围为小于5.7％。
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