專利名稱：磷轉換光源的制作方法
背景技術：
發(fā)光二極管(LED)是替代傳統(tǒng)的光源例如白熾燈和熒光燈光源的有吸引力的候選。這種LED具有比白熾燈更高的電光轉換效率和更長的壽命，而且不需要與熒光燈光源有關的高工作電壓。此外，希望LED的光轉換效率將持續(xù)增加到LED也能提供比熒光燈光源更高的轉換效率的點。
遺憾的是，LED在相對窄的光譜帶發(fā)光。因此，為了產(chǎn)生具有任意顏色的光源，典型地使用具有多個LED的復合光源。例如，通過組合發(fā)紅、綠、藍光LED可以構建匹配某一特定顏色發(fā)光的、基于LED的光源。各種顏色的強度比率設定了人類觀察者所感知的光的顏色。
遺憾的是，單個LED的輸出隨溫度、驅動電流和老化而變化。此外，LED的特性隨制造過程中的生產(chǎn)批次而不同，并且對于不同顏色的LED也是不同的。因此，當條件改變或設備老化時，在一組條件下提供所需顏色的光源將出現(xiàn)顏色變化。為了避免這些變化，必須在光源中采用某種形式的反饋系統(tǒng)來改變單個LED的驅動條件，從而使得盡管在光源中使用的復合LED有可變性，而輸出光譜仍然保持在設計值。在現(xiàn)有技術的一種反饋系統(tǒng)中，提供光電二極管來監(jiān)測每個LED的輸出和電流，通過這樣來調(diào)節(jié)LED以維持光電二極管輸出在預定值。
這種反饋系統(tǒng)增加了光源的成本。如果每種顏色僅有一個LED，那么可以使用每個LED的濾色器來限制進入每個光電二極管的光由特定的LED發(fā)光。遺憾的是，許多光源需要每種顏色的多個LED來提供充足亮度的光源。配置監(jiān)測光電二極管使得每個光電二極管僅測量來自一個LED的光，這樣使設計復雜化并進一步增加成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括具有第一和第二構件光源的光源。第一構件光源包括以第一波長發(fā)光的第一LED和將第一波長光轉換成第一輸出波長光的第一發(fā)光轉換層，以及第二構件光源包括以第二波長發(fā)光的第二LED和將第二波長光轉換成第二輸出波長光的第二發(fā)光轉換層，第一輸出波長不同于第二輸出波長。第一和第二LED以相同的材料系構造。控制器產(chǎn)生通過第一和第二LED中每一個的電流，該電流導致產(chǎn)生預定顏色光的光源。在一實施例中，第一和第二發(fā)光轉換層包括含有有機磷的可溶磷。在一實施例中，第一和第二LED在生產(chǎn)線上用同一批次的晶片(wafer)制造，并且最好以相同的晶片制造。在一實施例中，光源包括測量第一和第二LED產(chǎn)生的光強度的光電探測器。該控制器調(diào)節(jié)通過第一和第二LED的電流以將測得的強度維持在預定值。在一實施例中，該光源還包括第三和第四構件光源。第三構件光源包括以第三波長發(fā)光的第三LED和將第三波長光轉換成第三輸出波長光的第三發(fā)光轉換層，以及第四構件光源包括以第四波長發(fā)光的第四LED和將第四波長光轉換成第四輸出波長光的第四發(fā)光轉換層。第三輸出波長不同于第四輸出波長。第三和第四LED正如第一和第二LED以相同的材料系構造。


圖1是使用反饋系統(tǒng)控制單個LED的占空系數(shù)而產(chǎn)生精確輸出顏色的現(xiàn)有技術LED光源的框圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的光源50。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的光源70。
具體實施例方式
參照圖1可以更容易地理解本發(fā)明的優(yōu)點。圖1是使用反饋系統(tǒng)控制單個LED的占空系數(shù)而產(chǎn)生精確輸出顏色的現(xiàn)有技術LED光源的框圖。光源10使用紅、綠和藍色LED11來產(chǎn)生任意顏色的光。該LED由驅動器12驅動，當LED為“開”時，驅動器12設定通過每個LED的電流。在該“開”狀態(tài)，每個LED由獨立于光源10產(chǎn)生的顏色的預定電流驅動。LED在具有周期T的周期時間以脈沖的方式被驅動。在每個周期期間，每個LED打開一段時間t，該時間段t取決于光源10產(chǎn)生的光的顏色。
為了簡化下列討論，比率t/T將被稱作占空系數(shù)。原則上，如果周期T充分小，那么被人類觀察者從每個LED看到的光的強度與那個LED的t成正比。遺憾的是，LED不會瞬間打開和關閉，并且來自任何LED的光輸出也可以是占空系數(shù)的函數(shù)，這是因為LED的工作溫度將隨占空系數(shù)的增大而升高。然而，在期望的輸出顏色和施加于這三個LED的占空系數(shù)之間有固定聯(lián)系。該聯(lián)系持續(xù)由測量實際產(chǎn)生的光和使用伺服環(huán)路的占空系數(shù)調(diào)節(jié)而決定。
再次參照圖1，光源10包括接收部分離開LED的光的三個光電探測器16-18。該光電探測器包括將每個過濾器的響應限制到由相應一個LED產(chǎn)生的波段的濾色器。每個光電探測器具有與從相應的光電探測器到低通濾波器的信號相匹配的相應的接口電路。對應于光電探測器16-18的接口電路分別用13-15示出。典型的低通濾波器以19示出。每個低通濾波器由電阻器20和電容器21組成。選擇電阻器和電容器的值來平衡開關周期數(shù)，使得低通濾波器的輸出是代表三個波段中每個的光強度的DC電平。低通濾波器的輸出使用ADC22數(shù)字化，并與儲存在減法電路23中的寄存器堆棧24中的目標值相比較，其產(chǎn)生與低通濾波器的輸出和該目標值之差相關的信號。該目標值代表對應于期望輸出顏色的三個強度。測量強度和目標強度之差提供了三個誤差信號，反饋控制器25使用其來調(diào)節(jié)這三個相應的占空系數(shù)直到測量的輸出與目標值相匹配。
在此提供在預定義波段發(fā)光的LED的兩種方法。在第一種方法中，制造LED使得每個LED的天然發(fā)射光譜在期望的波長。為了提供期望的波長，常常需要不同的材料系。因此，用與紅色LED不同的材料系來制造藍色LED，等等。如上所述，不同的LED具有顯著不同的老化特性。此外，每個LED發(fā)射的頻譜以該LED特性的方式隨溫度而變化。因此，由多個不同的LED構建的合成光源隨LED老化而顯示出顏色和強度的變化。
提供LED的第二種方法使用磷轉換而將天然LED發(fā)射光譜轉換成期望的光譜。現(xiàn)在參照圖2，其示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的光源50。光源50使用四個安裝在基底55上的4個相同的LED51-54。每個LED由相應的磷層覆蓋。對應于LED51-54的磷層分別以61-64示出。每個磷層將相應的LED產(chǎn)生的天然光轉換成不同顏色的光。正如下面將更詳細解釋的，使用4種不同的顏色來改進光源50所能夠產(chǎn)生的色域。
在本發(fā)明的一實施例中，將可溶熒光染料用于顏色轉換?？杀?70nm范圍內(nèi)的藍光激發(fā)的熒光染料從佛羅里達州，勞德代爾堡的Lambda Physik有限公司可以得到。例如，香豆素6將藍光轉化為綠光；弗盧羅7GA將藍光轉化為黃綠光；若丹明110將藍光轉化為黃光，并且吡啶將藍光轉化為紅光。其它的磷光劑從馬薩諸塞州，丹弗斯的Osram Sylvania有限公司以及Molecular Probes有限公司，Eugene OR可以得到。可以在多層使用染料來提供比用單染料可得到的更大的色偏。在這種配置中，每層向上偏移少量顏色，因此，即使任一染料的顏色到顏色的偏移很小，全部的偏移也可能相當大。在美國共同未決專利申請11/025,450中詳細討論了基于這些染料的磷轉換LED光源，在此引作參考。
如上所述，選擇用于不同顏色的LED以具有基本相同的老化和溫度特性。因此，用相同的材料系構建LED51-54，并且最好采用同一制造批次。LED的老化和溫度特性取決于各層中的雜質含量。即使在控制良好的生產(chǎn)線中，這些雜質含量從一批到另一批也不同。然而，在給定晶片以及通常在給定批次中，雜質含量基本上是常量。然而，本發(fā)明使用最好在同一晶片上或至少在同一制造批次中構建的LED。
應該注意的是，某些從LED發(fā)出的光不能用發(fā)光轉換材料來轉換。這些非轉換光在光源的輸出光譜中具有不良影響，因此，在這些情況下，提供一種阻礙該非轉換光離開光源的濾光器是有利的。用于阻礙該不必要光的一種方法是包括一個阻礙來自磷材料和觀察者之間的LED的天然發(fā)射的濾光器。這些濾光器在圖2中以65-68示出。然而，顯然易見的是，單個濾光器可以置于整個光源上。由于LED在同一波長或其附近發(fā)光，因此可以將單頻帶阻礙濾光器用于所有的LED。
盡管圖2中所示的實施例使用特定配置的光轉換層，但應該注意本發(fā)明并不限于這種配置的層。相對現(xiàn)有技術已知的層的配置具有寬的范圍。例如，已經(jīng)使用圍繞管芯的層。密封管芯和填充反射杯(reflector cup)的厚層也是已知的。
現(xiàn)參照圖3，其示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的光源70。光源70包括四個磷轉換LED光源71-74。每個LED光源由恒定的電流源驅動，該恒流源提供由控制器86施加的控制信號決定的電流。相應于LED光源71-74的電流源分別以81-84示出。一旦產(chǎn)生的最終顏色輸入到控制器86，控制器86就設定來自電流源的電流以提供該顏色。由于LED光源71-74中的LED是相同的，該光源將以相同的速度老化，因此，光源的強度至多將在一段時間后減小，同時顏色基本不變。由光電二極管88和運算放大器89構建的光電探測器87可被包括在光源中以監(jiān)測LED光源71-74產(chǎn)生的光的強度。在這種系統(tǒng)中，控制器86成比例地增加通過每個LED的電流以將強度維持在期望級別。應該注意的是，該控制方案獨立于每種顏色的LED的數(shù)目，這是因為即使包括該可選的光電探測器，控制器也僅需要監(jiān)測光源集合的總光輸出。
由于控制器86不需要補償由老化引起的色偏，因此可以在工廠校準光源并且在控制器86中的非易失性存儲器中儲存校準曲線。一旦校準后，則控制器86可以產(chǎn)生在某預定標準顏色方案例如1931CIE顏色標準中的指定顏色規(guī)范的四個LED光源色移(gamut)內(nèi)的任何顏色。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光源最好使用四種不同顏色光源以提供顏色空間的更好覆蓋。由于基于4種顏色的產(chǎn)生顏色的方案對現(xiàn)有技術是已知的，將4種組成色轉變?yōu)槠谕伾珜⒉辉诖嗽敿氂懻?。不脫離本發(fā)明的教導就可構建具有更少顏色或更多顏色的光源，而優(yōu)選為至少4種顏色。例如，如果構建一種相對人類觀察者顯示出白光的光源，則可以使用由藍和黃光源組成的兩色光源。
本發(fā)明的上述實施例使用可溶磷的同時，使用其它形式的磷也不脫離本發(fā)明的教導。例如，將以第一波長發(fā)光的LED的光轉換成第二波長的光的無機磷層在現(xiàn)有技術中是已知的。典型的是通過載體例如透明環(huán)氧樹脂中磷材料的懸浮粒子來構建這些材料的磷層。接著使用環(huán)氧樹脂來覆蓋LED模具。在覆蓋該模具后，通過使其暴露于熱或光中而將未硬化的環(huán)氧樹脂硬化。
本發(fā)明的上述一致性實施例使用磷將來自LED的光轉換成最后的顏色的同時，可以使用任何發(fā)光轉換材料。例如，量子點磷和納米磷也可以用于光轉換。對該討論來說，發(fā)光轉換材料是可將一種波長的光轉換為另一種波長的任何材料。這些材料包括產(chǎn)生更短波長的光的非線性光學材料和從LED光源產(chǎn)生更長波長的光的傳統(tǒng)磷。
如上所述，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，LED盡可能近似相同。即，LED是來自同一生產(chǎn)線的同一批次的晶片。然而，本發(fā)明即使在LED有輕微差異的情況下還提供了顯著的優(yōu)勢。例如，LED可以在不同的生產(chǎn)線制造，但是來自同一材料系。在這種情況下，LED在它們的輸出波長上具有小的差異。然而，這種LED將仍然具有比在不同材料系中構建的LED彼此更接近的老化特性。
從前述說明書和附圖而對本發(fā)明的各種修改對本領域技術人員來說將是顯而易見的。因此，本發(fā)明僅受下列權利要求范圍的限制。
權利要求
1.一種光源，包括第一和第二構件光源，所述第一構件光源包括以第一波長發(fā)光的第一LED和將所述第一波長光轉換成第一輸出波長光的第一發(fā)光轉換層，以及所述第二構件光源包括以第二波長發(fā)光的第二LED和將所述第二波長光轉換成第二輸出波長光的第二發(fā)光轉換層，所述第一輸出波長不同于所述第二輸出波長，其中所述第一和第二LED以相同的材料系構造，以及使每個所述第一和第二LED產(chǎn)生大量光的控制器，該第一和第二LED導致所述光源產(chǎn)生預定顏色的光。
2.權利要求1的光源，其中所述第一和第二發(fā)光轉換層包括可溶發(fā)光轉換材料。
3.權利要求2的光源，其中所述發(fā)光轉換材料包括有機磷。
4.權利要求1的光源，其中所述第一和第二發(fā)光轉換層包括發(fā)光轉換材料粒子。
5.權利要求4的光源，其中所述發(fā)光轉換材料包括無機發(fā)光轉換材料。
6.權利要求1的光源，還包括用于阻擋不被所述第一光轉換層轉換的所述第一波長光離開所述光源的濾光器。
7.權利要求1的光源，其中所述第一和第二LED用生產(chǎn)線上同一批次的晶片制造。
8.權利要求1的光源，其中所述第一和第二LED以相同的晶片制造。
9.權利要求1的光源，還包括測量由所述第一和第二LED產(chǎn)生的光的強度的光電探測器，且其中所述控制器調(diào)節(jié)通過所述第一和第二LED的所述電流以將所述測量強度維持在預定值。
10.權利要求1的光源，還包括第三構件光源，所述第三構件光源包括以第三波長發(fā)光的第三LED和將所述第三波長光轉換成與不同于所述第一和第二輸出波長的第三輸出波長光的第三發(fā)光轉換層，其中所述第三LED用和所述第一和第二LED相同的材料系構造。
11.權利要求10的光源，還包括第四構件光源，所述第四構件光源包括以第四波長發(fā)光的所述第四LED和將所述第四波長光轉換成第四輸出波長光的第四發(fā)光轉換層，所述第四輸出波長不同于所述第一、第二和第三輸出波長，其中所述第四LED用和所述第一和第二LED相同的材料系構造。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有第一和第二磷轉換構件光源的光源。第一構件光源包括以第一波長發(fā)光的第一LED和將第一波長光轉換成第一輸出波長光的第一發(fā)光轉換材料層，以及第二構件光源包括以第二波長發(fā)光的第二LED和將第二波長光轉換成與第一輸出波長不同的第二輸出波長光的第二發(fā)光轉換材料層。第一和第二LED以相同的材料系構造，最好用生產(chǎn)線上同一批次的晶片制造?？刂破鳟a(chǎn)生通過第一和第二LED中每一個的電流，該電流導致產(chǎn)生預定顏色光的光源。
文檔編號H05B41/36GK1880835SQ20061008864
公開日2006年12月20日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權日2005年5月23日
發(fā)明者K·Y·吳, H·Y·程, J·B·Y·歘 申請人:阿瓦戈科技通用Ip(新加坡)股份有限公司