具有寬顏色范圍的高效照明系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明整體涉及光源，就具體應用而言涉及結合發(fā)光二極管(LED)和熒光粉的固態(tài)光源。本發(fā)明還涉及相關的制品、系統(tǒng)、和方法。
【背景技術】
[0002]發(fā)射寬帶光的固態(tài)光源是已知的。在一些情況下，此類光源通過將發(fā)射黃光的熒光粉層施加到藍光LED上來制備。當來自藍光LED的光穿過熒光粉層時，藍光中的一些被吸收，并且所吸收能量中的相當大一部分被熒光粉再發(fā)射為可見光譜中的較長波長的斯托克斯頻移光，通常為黃光。熒光粉厚度為足夠薄的，以使得藍色LED光中的一些一直穿過熒光粉層，并且與來自熒光粉的黃光組合，從而得到具有白色外觀的寬帶輸出光。
[0003]另外已提出了其它的LED抽吸型熒光源。在美國專利7，091，653 (Ouderkirk等人)中討論了光源，其中通過長通反射器將來自LED的紫外(UV)光反射到熒光粉層上。熒光粉層發(fā)射被長通反射器實質上透射的可見光(優(yōu)選為白光)。LED、熒光粉層、和長通濾波器以這樣的方式布置，即紫外光在從LED傳播到長通反射器時不穿過熒光粉層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]我們已研制出新系列的寬帶固態(tài)光源?？衫缰苽鋪碓谝话阏彰鲬弥杏米鳠襞莸倪@些光源在單個“混合”單元中組合一個或多個遠程熒光粉LED、一個或多個直接發(fā)射短波長LED、和一個或多個直接發(fā)射長波長LED。所有此類LED均被可為光漫射的球狀物或其它合適覆蓋構件覆蓋。每個遠程熒光粉LED包括LED、熒光粉層和二向色反射器。來自LED的激發(fā)光是由二向色反射器反射到熒光粉層上以生成熒光，熒光實質上被二向色反射器透射。來自直接發(fā)射短波長LED和直接發(fā)射長波長LED的至少一些光在實質上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情況下而傳播到覆蓋構件。這些光源可提供在寬顏色范圍內(nèi)的寬帶輸出光，并且不像先前系統(tǒng)，這些光源可高效地提供這種光，同時使系統(tǒng)中的LED的總數(shù)的高百分比或比例的LED通電。例如，寬帶輸出可表現(xiàn)出以CIE色度單位計至少0.2的色差、和/或至少4000或5000開爾文的相關色溫差值，同時使LED的總數(shù)的多于一半或至少60%或至少70%通電。
[0005]本文尤其描述發(fā)射寬帶光的混合照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)可包括總數(shù)為N的LED、以及覆蓋N個LED并透射的寬帶光的透光性覆蓋構件。透光性覆蓋件可為光漫射的，或實質上透明且非光漫射的。N個LED包括數(shù)目為NI的泵LED、數(shù)目為N2的直接發(fā)射短波長LED、和數(shù)目為N3的直接發(fā)射長波長LED。數(shù)目N1、N2、和N3各自大于零，并且N1+N2+N3可等于或小于N。NI個泵LED中的每一個被構造為遠程熒光粉LED，其中泵LED與二向色反射器和熒光粉層組合，使得來自泵LED的至少一些光被二向色反射器反射到熒光粉層上以使得熒光粉層發(fā)射熒光。二向色反射器還構造成實質上透射的熒光。直接發(fā)射短波長LED具有在400至500nm、或420至480nm、或445至400nm范圍內(nèi)的峰值輸出波長，并且被設置成發(fā)射在實質上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情況下從短波長LED傳播到覆蓋構件的至少一些光。直接發(fā)射長波長LED具有在600至700nm、或600至650nm范圍內(nèi)的峰值輸出波長，并且被設置成發(fā)射在實質上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情況下從長波長LED傳播到覆蓋構件的至少一些光。
[0006]泵LED、直接發(fā)射短波長LED、和直接發(fā)射長波長LED優(yōu)選被接線以用于獨立的電控制，使得不同組的LED可被通電。覆蓋構件所透射的寬帶光具有取決于N個LED中的哪些LED被通電的顏色。N個LED優(yōu)選被構造成使得透射的寬帶光可具有與N個LED中的正通電的第一組相關聯(lián)的第一顏色、和與N個LED中的正通電的第二組相關聯(lián)的第二顏色。此夕卜，第一顏色和第二顏色優(yōu)選具有以CIE色度單位計至少0.2的色差、和/或至少4000或5000開爾文的相關色溫差值，并且N個LED中的第一組和第二組優(yōu)選使N個LED中的多于一半或至少60%或至少70%通電。
[0007]N個LED中的第一組和第二組可各自使所有NI個泵LED通電。第一顏色和第二顏色可充分接近普朗克軌跡，使得它們具有相應的第一相關色溫和第二相關色溫。
[0008]數(shù)目NI可為至少2以使得存在多個遠程熒光粉LED。多個遠程熒光粉LED可以利用具有相同的熒光粉成分的熒光粉層。多個遠程熒光粉LED還可或另選地利用具有不同的熒光粉成分的熒光粉層。數(shù)目N1、N2、和N3可通過不等式NDN2+N3相關。
[0009]對于照明系統(tǒng)中的遠程熒光粉LED中的至少一個、一些、或全部而言，泵LED、熒光粉層和二向色反射器優(yōu)選被布置成使得至少一些激發(fā)光在不穿過熒光粉層的情況下從泵LED傳播到二向色反射器。泵LED中的一個、一些、或全部可具有小于420nm的峰值波長。
[0010]系統(tǒng)還可包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)被構造成獨立地驅動NI個泵LED、N2個直接發(fā)射短波長LED、和N3個直接發(fā)射長波長LED?？刂葡到y(tǒng)可被構造成提供第一控制輸出和第二控制輸出，第一控制輸出有效地使N個LED中的第一組通電以為透射的寬帶光提供第一顏色，并且第二控制輸出有效地使N個LED中的第二組通電以為透射的寬帶光提供第二顏色?？刂葡到y(tǒng)還可被構造成使得NI個泵LED、N2個直接發(fā)射短波長LED、和N3個直接發(fā)射長波長LED提供具有在第一顏色和第二顏色之間的顏色范圍的透射的寬帶光，例如，通過使得NI個LED、N2個LED和N3個LED中的一些或全部以變化的量變暗而來提供。
[0011]如果這些LED中的一個或多個具有與一個或多個其它LED大為不同的尺寸(例如，發(fā)射面積)，那么在上述描述、比較和關系中的LED的數(shù)目(N、N1、N2、N3)可用更為一般化的“有效數(shù)目”(NE、NE1、NE2、NE3)替代，其中有效數(shù)目是LED的數(shù)目乘以它們相應尺寸(例如，乘以它們發(fā)射面積)、或乘以與它們相應尺寸成比例的因子。
[0012]本發(fā)明還討論了相關方法、系統(tǒng)和制品。
[0013]從下面的【具體實施方式】中，本專利申請的這些方面以及其他方面將顯而易見。然而，在任何情況下都不應當將上述
【發(fā)明內(nèi)容】
理解為是對要求保護的主題的限制，該主題僅受所附權利要求書的限定，并且在審查期間可以進行修改。
【附圖說明】
[0014]圖1為組合遠程熒光粉LED和兩個直接發(fā)射LED的寬帶光源的示意性側視圖或剖視圖；
[0015]圖2a至圖2d為展示可被用于給定遠程熒光粉LED的一些不同顏色或波長組合的功能圖；
[0016]圖3為遠程熒光粉LED的示意性透視圖；
[0017]圖4為組合若干遠程熒光粉LED和若干直接發(fā)射LED的寬帶光源的示意性透視圖；
[0018]圖5為組合若干遠程熒光粉LED和若干直接發(fā)射LED的另一個寬帶光源的示意性側視圖或剖視圖；
[0019]圖5a為用于圖5的光源的遠程熒光粉LED的示意性側視圖或剖視圖；
[0020]圖6為用于二向色反射器的光譜反射率的圖；
[0021]圖7為用于遠程熒光粉LED的兩種熒光粉材料的光譜特性的圖；
[0022]圖8、圖9和圖10為用于模擬寬帶光源的光譜功率輸出在根據(jù)與不同LED中的三組相關聯(lián)的三個不同控制輸出而受控時的圖；以及
[0023]圖9a和圖1Oa分別為用于圖9和圖10的模擬寬帶光源的在輸出平面處觀察到的顏色的CIE色度圖。
[0024]在這些圖中，類似的附圖標號標明類似的元件。
【具體實施方式】
[0025]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有特別有益的設計特征的寬帶固態(tài)光源可通過將一個或多個遠程熒光粉LED的光輸出、一個或多個直接發(fā)射短波長(例如，藍色)LED的光輸出、和一個或多個直接發(fā)射長波長(例如，紅色)LED的光輸出組合來構造成。所得混合光源可具有穩(wěn)健的固態(tài)設計，并且可有效地利用LED和熒光粉材料。具體地講，這些光源被設計來提供在寬顏色范圍內(nèi)的寬帶輸出光，并且可高效地提供這種光，同時使系統(tǒng)中的LED的總數(shù)的高百分比或比例的LED通電。這些光源還可提供充分接近普朗克軌跡的輸出顏色，使得這些輸出顏色具有相應相關色溫。光源可在一般照明應用中被用作燈泡，例如以提供具有不同色溫或相關色溫的白光，或可用于其它更多專門應用中。
[0026]在本申請中，“發(fā)光二極管”或“LED”是指發(fā)射光的二極管，不管發(fā)射的是可見光、紫外光、還是紅外光，但在許多實際實施例中，發(fā)射光將具有在約340至650nm、或約400至650nm范圍內(nèi)的峰值波長。術語LED包括作為“LED”(不論是常規(guī)型還是超輻射型)銷售的非相干的封閉或封裝的半導體器件、以及相干半導體器件(例如激光二極管，包括但不限于垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL))?！癓ED晶粒”為LED最基本的形態(tài)，即經(jīng)半導體加工方法制成的單個元件或芯片。例如，LED晶?？捎梢环N或多種III族元素的組合和一種或多種V族元素的組合形成(II1-V半導體)。合適的II1-V半導體材料的實例包括氮化物(如氮化鎵)和磷化物(如磷化銦鎵)。還可使用其它類型的II1-V族材料以及元素周期表中其它族的無機材料。部件或芯片可以包括適合施加能量以向裝置提供能量的電觸點。該電觸點的實例包括引線結合、卷帶式自動接合(TAB)或倒裝焊接。該元件或芯片的各個層和其它功能元件通常以晶片級形成，并且隨后可將加工好的晶片切成單個元件，以生產(chǎn)多個LED晶粒。LED晶?？杀粯嬙斐捎糜诒砻姘惭b、芯片直接貼裝或其他已知的安裝構型。一些封裝的LED通過在LED晶粒和相關反射杯上方形成聚合物封殼而制成。LED可在若干基板之一上生長。例如，可在蘭寶石、硅、和氮化鎵上通過外延來生長GaN LED?就本專利申請的目的而言，“LED”還應視為包括通常稱為OLED的有機發(fā)光二極管。
[0027]用于激發(fā)或“抽吸”單獨的熒光粉材料的LED在本文中可被稱為“泵LED”。熒光粉吸收由泵LED發(fā)射的光中的一些或全部，并將所吸收的能量中的一些再發(fā)射為斯托克斯頻移(較長波長)熒光。就本申請的目的而言，熒光通常實質上是在可見波長范圍內(nèi)，并且來自泵LED的激發(fā)光通常是在可見光光譜的短波長端處或其附近(例如，藍綠色、藍色、或紫色)、或在近紫外區(qū)中。未被用于激發(fā)或抽吸單獨的熒光粉材料的LED在本文中可被稱為“非泵LED”或“直接發(fā)射” LED。如本文所用，術語“遠程熒光粉LED”可指包括以下各項的子系統(tǒng):至少一個泵LED ;在結構上有效地與泵LED分開、但在光學上與其耦合的至少一個熒光粉層或熒光粉主體；和實質上將來自泵LED的光反射到熒光粉并實質上透射斯托克頻移熒光的二向色反射器。優(yōu)選地，這些部件被布置成使得激發(fā)光在不穿過熒光粉層的情況下從泵LED傳播到二向色反射器。
[0028]圖1以粗略的示意圖形式示出示例性寬帶固態(tài)光源110。源110包括遠程熒光粉LED 111、直接發(fā)射短波長LED 130a、直接發(fā)射長波長LED 130b、和透光性覆蓋構件140。安裝結構和其它部件(未示出)用于使標記部件相對于彼此保持在固定空間位置中，以便產(chǎn)生所需寬帶輸出光101。
[0029]覆蓋構件140可由玻璃、塑料、或其它合適的透光性材料制成。覆蓋構件140可呈球狀物的形式，諸如在用于一般照明的常規(guī)燈泡中使用的已知球狀物中的任何者。就這一點而言，覆蓋構件140與遠程熒光粉LED 111和直接發(fā)射LED 130a、130b之間的空間中的一些或實質上所有可為空氣、或惰性氣體、或真空。另選地，這種空間可部分或完全地用固體、液體、或其它有形的透光性材料填充。覆蓋構件可由僅一層或僅一個光學元件來制成，或其可包括多個層或多個光學元件，例如封閉較小內(nèi)部球狀物的外部球狀物。覆蓋構件140可為“磨砂的”、即適于散射光，或其可為透明的、具有極少或沒有光散射。該球狀物還可附接到與常規(guī)照明固定裝置相容的基座構件，例如，基座構件可為帶螺紋的、或以其它方式適于與現(xiàn)有照明插座配合，并可具有電觸點(按需)和合適電路以將住宅或商業(yè)性供電電壓電平轉化為與LED相容的電壓和電流。源110還可耦合到使源110中的各種LED通電的控制系統(tǒng)(參見圖1)，或