專利名稱：用于產(chǎn)生顏色和/或亮度可改變的光的光源和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有發(fā)出初級輻射的至少一個發(fā)光二極管的光源，所說 光源包括與所說二極管相連的層，其中所說的層包括至少 一種發(fā)光材 料，用于轉(zhuǎn)換初級輻射為次級輻射。
背景技術(shù)：
眾所周知，諸如磷光體轉(zhuǎn)換型發(fā)光二極管之類的發(fā)光二極管(LED) 產(chǎn)生具有高彩色再現(xiàn)指數(shù)的光。但在寬色溫范圍內(nèi)，每個單個磷光體轉(zhuǎn) 換型發(fā)光二極管的光的色溫是固定的。 一個明顯的缺點是，通過增加對 磷光體的激發(fā)密度，由于發(fā)光的基態(tài)耗盡或熱摔滅，磷光體開始飽和。 在這個飽和過程中，具有發(fā)光材料的所述層發(fā)出越來越多的初級輻射。 于是離開光源的光的顏色發(fā)生變化，所述離開光源的光是初級輻射和次 級輻射的混合體。已知的光源的一個缺點是，離開光源的光的顏色在該 光的亮度變化時也在變化。另一個問題是每個二極管的溫度，功耗增加 時其隨之增加。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是消除上述的缺點。具體來說，本發(fā)明的目的就是 提供一種光源，它是簡單的，并且容易調(diào)整來產(chǎn)生光，由此容易改變光 的顏色和/或亮度，而基本上不會增加發(fā)光二極管的溫度。這個目的是通過本發(fā)明的權(quán)利要求1所教導(dǎo)的光源實現(xiàn)的。因此提 供一種光源，它包括一個切換裝置,該切換裝置用脈沖形狀的電流驅(qū)動 所說二極管以提供包括初級輻射和/或次級輻射的光，使光的亮度和顏 色中的每一個都可獨立變化。這就意味著，可以改變光的亮度而不改變 光的顏色，和/或可以改變光的顏色而不改變光的亮度。優(yōu)選地，脈沖形狀的電流是脈沖寬度調(diào)制的，由此，在一個可能的 實施例中，初級輻射可以是可見光或者是不可見光。按照本發(fā)明的一個 優(yōu)選實施例，初級輻射是近紫外光(笫一峰值波長在250- 380納米的范圍)或藍光(第一峰值波長在380-480納米的范圍)。本發(fā)明的基 本構(gòu)思之 一 基于如下的事實由于二極管是用脈沖形狀的電流驅(qū)動的， 所以總的光輸出可由脈沖數(shù)進行控制，而發(fā)光材料的飽和度可由每個脈 沖的能量密度(單位焦?fàn)?平方厘米/秒)進行調(diào)節(jié)。由于本發(fā)明的這 種安排，二極管發(fā)出初級輻射，該初級輻射向所說的層輻射。有益地， 發(fā)光材料包括磷光體，所說磷光體由來自初級輻射的光子激發(fā)。根據(jù)脈 沖形狀的電流的激發(fā)密度(具體來說即初級輻射的激發(fā)密度)，發(fā)光材 料由于基態(tài)耗盡而開始飽和。與沒有發(fā)生飽和的情況相比，在這個飽和 過程中，由磷光體轉(zhuǎn)換成次級輻射的初級輻射的份額減少了。取決于磷 光體的不同，可將次級輻射轉(zhuǎn)換成不同的顏色。當(dāng)然，本發(fā)明可以進行 這樣的驅(qū)動，以使顏色的變化伴隨亮度的變化，反之亦然。有益地，通過使用脈沖寬度調(diào)制(PWM),可以相互獨立地調(diào)節(jié)顏 色和亮度。飽和的程度由脈沖中的能量密度確定，亮度通過脈沖頻率進 行調(diào)節(jié)。以此方式，可以獲得顏色和亮度的可調(diào)性而不會不可接受地增 加發(fā)光二極管的功耗，發(fā)光二極管功耗的增加會導(dǎo)致磷光體發(fā)光的熱猝 滅，并且會導(dǎo)致發(fā)光二極管外包裝的熱退化。最后，如果結(jié)合傳感器使 用本發(fā)明，發(fā)光二極管的光的色點可長時間保持恒定不變。優(yōu)選地，所說的層是陶瓷磷光體層。根據(jù)飽和水平的不同，由二極 管發(fā)出的或多或少的初級輻射透過所說的層。離開光源的光包括初級輻 射和/或次級輻射。于是，光的顏色是由初級和/或次級輻射的顏色的 混合體產(chǎn)生。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，初級輻射是藍光。例如， 若使用CaS:Eu作為該層中的磷光體元素，則初級輻射由磷光體轉(zhuǎn)換成 具有紅色的次級輻射。根據(jù)所說的磷光體的飽和等級的不同，某些藍色 輻射透過所說的層，由此通過磷光體產(chǎn)生一定數(shù)量的紅色輻射。出射的 光是紅色輻射和藍色輻射的混合體。在飽和的情況下，所說的層對于藍 光的透明度增加了。按照本發(fā)明，對于離開光源的光，可以產(chǎn)生位于x、 y色圖中在由發(fā)光二極管產(chǎn)生的初級輻射(藍色)和由CaS:Ce產(chǎn)生的發(fā) 出紅色的顏色之間的線上的所有顏色。主要的優(yōu)點之一是，具有單一二 極管的 一個現(xiàn)成的光源就可以產(chǎn)生具有不同的可變顏色的出射光。此外，優(yōu)選的作法是，所說的層包括如下的磷光體中的一種或多種 (紅色光)CaS:Eu ，SrS:Eu ,(Ca,Sr)S:Eu ,(Y,Gd)202S:Eu , Y(V04):Eu ,(Sr,Ba,Ca)2Si5N8:Eu (綠色/黃色光)Y3Al5012:Ce, (Y, Gd)3Al5012:Ce， (Ba, Sr， Ca)2Si04:Eu, CaS:Ce， ZnS:Cu, La(P04):(Ce,Tb), (Ce,Tb)Al12019, (Ce,Gd，Tb)MgB5O10， BaMgAl10O17:Eu, Mn, ZnS:Au (藍色光)CaS:Cu， SrS:Ag, ZnS:Ag, BaMgAl10O17:Eu或(Ca,Sr,Ba)5(P04)3Cl:Sb, (Ca,Sr,Ba)5(P04)3Cl:Eu (白色光)(Ca,Sr,Ba)5(P04)3(F,Cl):Sb， Mn, (Ca,Sr,Ba)5(P04)3(F,Cl):Eu， Mn例如，通過混合初級和次級輻射還可以產(chǎn)生光的顏色。通過組合藍 黃色和藍色(the colours blue and yellow and blue)可以實現(xiàn)白色光。另一 種可能性是組合綠色和紅色。通過使用發(fā)出白光的磷光體，可將致敏(sensitizing)離子和激活劑離 子在飽和特性方面的差異用于調(diào)節(jié)顏色和亮度。優(yōu)選地，在磷光體混合物中，上述磷光體具有不同的飽和度特性。 這就是說，通過用具有某種密度的脈沖形狀的電流激發(fā)所說的層，某些 磷光體可以處在不飽和模式，另外一些嵌入的磷光體已經(jīng)處在飽和模 式。于是，通過用一定脈沖形狀的電流驅(qū)動二極管，光源就可以產(chǎn)生所 有可能的顏色，所說一定脈沖形狀的電流是通過與光源連接的切換裝置 產(chǎn)生的。按照本發(fā)明的另 一個優(yōu)選實施例，所說層的磷光體材料的密度d是 1.5g/cm3 < d《10g/cm3。按照本發(fā)明，所說的光源包括厚度n是l微米《n《1毫米的層，所 說的層與所說的二極管可以通過形狀配合和/或粘結(jié)劑和/或摩擦連 接相互連接。在一個更加優(yōu)選的實施例中，厚度n的范圍可以是IO微 米《n《500微米。在一個可替換實施例中，所說層的厚度n能大于l毫 米，如1厘米。在這種情況下，發(fā)光層可以包括陶瓷層形式?？商鎿Q地， 可將發(fā)光材料嵌入玻璃內(nèi)。優(yōu)選地還有，所說的層包括磷顆粒，其中所說的層包括至少一個顆 粒層。優(yōu)選地，所說的層包括多個(x個)顆粒層，l《x《10。在一個 更加優(yōu)選的實施例中，所說的層包括x個顆粒層，2<x<5。在用脈沖形狀的電流驅(qū)動二極管期間，顆粒層引起初級和/或次級輻射的某種散 射，這對于混合離開光源的光來說是重要的。必需考慮到，光的強烈散 射減小或者甚至于阻止發(fā)光二極管泵光通過磷光體層的透射。正因為如此，厚度為2-5個顆粒層的層是優(yōu)選的。至少一個發(fā)光二極管的光源，用于發(fā)出初級輻射，該光源包括與所說二 極管相連的層，其中所說的層包括至少一種發(fā)光材料，用于轉(zhuǎn)換初級輻 射為次級輻射，切換裝置用脈沖形狀的電流驅(qū)動二極管，脈沖形狀的電 流包括脈沖寬度(脈沖周期)和脈沖之間的距離(切換斷開周期)，其 中通過初級輻射激發(fā)具有衰變時間的發(fā)光材料，使光的亮度和顏色(包 括初級輻射和/或次級輻射)可以相互獨立地改變，由此使脈沖寬度基 本上等于衰變時間。使用脈沖寬度和脈沖高度來調(diào)節(jié)一種或多種發(fā)光材 料的飽和度。優(yōu)選地，切換斷開周期大于發(fā)光材料的衰變時間。在本發(fā) 明的一個優(yōu)選實施例中，切換斷開周期至少是衰變時間的兩倍，在一個 更加優(yōu)選的實施例中，切換斷開周期至少是衰變時間的3-5倍。本發(fā)明的優(yōu)點之一是，通過改變脈沖之間的距離可以改變離開光源 的光的亮度，借此使光的顏色基本上是不變的。在二極管的驅(qū)動期間， 有可能減小切換斷開周期，借此增加出射光的亮度，而它的顏色基本上 保持不變。有益的是，發(fā)光二極管是通過固定的脈沖寬度激發(fā)的，由此 使脈沖能量的改變產(chǎn)生飽和度的變化。通過增加脈沖的能量，可以實現(xiàn) 飽和特性。于是，光的顏色發(fā)生改變。用長斷開周期的脈沖驅(qū)動發(fā)光二 極管的結(jié)果是，磷光體的激活劑在加上下一個脈沖之前就達到基態(tài)。這 樣，斷開周期的進一步增加將減小亮度而不會改變顏色。通過適當(dāng)調(diào)節(jié) 脈沖高度和脈沖寬度調(diào)制，可以在不改變亮度的情況下實現(xiàn)顏色的變 化。此外，本發(fā)明用于產(chǎn)生光的方法減小了當(dāng)通過發(fā)光轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生不止 一種額外的顏色時在發(fā)光二極管發(fā)光當(dāng)中由于波長的稍許變化引發(fā)的 效應(yīng)。在這種情況下，可能需要一些傳感器。進而，本發(fā)明提供了校正 由于磷光體退化引起的效應(yīng)的機會。上述的光源和方法可用于各種不同的系統(tǒng)當(dāng)中，在這些系統(tǒng)當(dāng)中 有機動車系統(tǒng)、家庭照明系統(tǒng)、用于顯示器的背光照明系統(tǒng)、環(huán)境照 明系統(tǒng)、用于(顏色可調(diào)的)照相機的閃光或商店照明系統(tǒng)。上述的部件以及要求保護的部件和按照本發(fā)明在描迷的實施例中將要使用的部件，對于作為技術(shù)概念的大小、形狀和材料的選擇，沒有 附加任何特殊的例外，因此可以不加限制地應(yīng)用相關(guān)領(lǐng)域中已知的選擇 標(biāo)準。在從屬權(quán)利要求和對相應(yīng)附圖的隨后描述中公開了本發(fā)明目的的 附加細節(jié)、特征和優(yōu)點，本發(fā)明的附圖以舉例的方式表示出按照本發(fā)明 的光源的 一個優(yōu)選實施例。


圖l表示光源的一個示意圖，光源包括二極管和具有發(fā)光材料的層，發(fā)光材料處在不飽和模式;圖2表示按照圖1的光源，其中的發(fā)光材料處在飽和模式；以及 圖3表示脈沖形狀的電流的示意圖，所說電流驅(qū)動按照圖1的二極管具體實施方式
圖1表示光源1，光源1包括與切換裝置7連接的單個發(fā)光二極管 2。在二極管2的上部設(shè)置具有發(fā)光材料5的層4。如果用脈沖形狀的電 流驅(qū)動二極管2, 二極管2就發(fā)射可見光3，可見光沿指向?qū)?的方向 輻射。在這個實施例中，可見光3 (初級輻射)是藍色光，笫一峰值波 長在455納米。在二極管2發(fā)射初級藍色輻射3的同時，嵌入層4中的 發(fā)光材料5受到藍色輻射3的光子的激發(fā)，由此使藍色光轉(zhuǎn)換成次級輻 射6。在圖1和圖2所示的實施例中，發(fā)光材料5包括磷光體，磷光體 在轉(zhuǎn)換期間發(fā)射黃色光。在所描述的圖1和圖2中，使用CaS:Eu作為 磷光體材料。在增加脈沖寬度調(diào)制(PWM)的激發(fā)密度時，磷光體5由于基態(tài)耗 盡而開始飽和。其結(jié)果是，磷光體層4透過更多的藍色泵光。在如圖1 所示的不飽和模式中，光源1產(chǎn)生基本上具有琥珀色的光。在磷光體5 的飽和情況下，層4透過大量的藍色輻射3。這就意味著，在飽和情況 下，由于所說層4對于藍色光3的透明度的增加，有更多的藍色光3離 開了光源1。出射光包括初級輻射3和次級輻射6。通過改變對磷光體5的激發(fā) 密度，可以調(diào)節(jié)磷光體5的飽和等級。可以根據(jù)激發(fā)密度產(chǎn)生出射光的顏色，出射光的顏色是初級輻射3的顏色和次級輻射6的顏色的混合體。 按照圖1和圖2,光源1的出射光可以包括藍色和黃色之間的所有 顏色。將磷光體5嵌入一種有機材料中，有機材料例如可以是丙烯酸材料 或硅材料。所描述的磷光體5是單個顆粒5，磷光體材料5在層4中的 密度約為5g/cm3。層4的厚度約為10微米。如圖1和圖2所示，層4 由4個顆粒層8組成。層4包括的顆粒層8越多，由發(fā)光材料5分散的 出射光越多。這就意味著，在增加顆粒層8的數(shù)目時，光源l產(chǎn)生的出 射光減少。這種相干性對于產(chǎn)生其它的這里沒有描述的光源的光可能是 重要的。已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，如果用脈沖形狀的電流9驅(qū)動二極管2,其 中所說的電流9包括脈沖寬度10 (脈沖周期)和脈沖之間的距離11 (切 換斷開周期)，則包括初級輻射3和/或次級輻射6在內(nèi)的光的亮度和顏 色可以相互獨立地變化，脈沖寬度IO基本上等于衰變時間。圖3表示 驅(qū)動二極管2的脈沖形狀的電流9的兩個示意圖。有益的情況是，如果 將切換斷開周期11設(shè)定為至少是衰變時間的3倍，則可以改變光的亮 度而不改變出射光的顏色。在所示的實施例中，切換斷開周期11是衰 變時間的5倍。如圖3所示，通過減小切換斷開周期ll，，可使出射光 的亮度增加，而出射光的顏色基本上保持不變?？隙ǖ?，脈沖之間的距 離ll可以小于衰變時間，特別是等于衰變時間。在所描述的實施例中，當(dāng)激發(fā)的光子數(shù)I、在激發(fā)的體積內(nèi)發(fā)射的 離子數(shù)N和磷光體的衰變時間(具體來說即由磷光體5包括的激活劑發(fā)射的衰變時間)t表示出如下的關(guān)系時，<formula>formula see original document page 9</formula>可以預(yù)期由于基態(tài)耗盡引起了飽和。這個用于連續(xù)激發(fā)、半連續(xù)激發(fā)的表達式是在激發(fā)脈沖的時間寬度 明顯長于發(fā)射的衰變時間時獲得的。在激發(fā)脈沖的時間寬度短于發(fā)射的 衰變時間的情況下也可以觀察到飽和效應(yīng)。4艮定發(fā)射面積為lmm2、磷 光體層厚度為IO微米、包裝密度(packing density)為50%、磷光體材 料的密度為5g/cm3、摩爾質(zhì)量(mole mass)為100原子質(zhì)量單位 (a.m.u)、激活劑濃度為1%、衰變時間為l微秒，則對于大于約1021 /cm2的數(shù)值I，預(yù)期可發(fā)生飽和。這對應(yīng)于大約50W/mn^的激發(fā)能量。于是，快速衰變的磷光體(衰變時間< <1微秒)作為當(dāng)使用典型 的激活劑濃度時基態(tài)耗盡的結(jié)果并沒有表現(xiàn)出飽和。盡管如此，為了使 用這些磷光體，必須減小激活劑的濃度。這引發(fā)了一個較小的光學(xué)吸收， 這個吸收可通過使用較大的磷光體顆粒再一次得到加強。可替換地，可 以使用嵌入玻璃中的陶瓷磷光體層或發(fā)光材料。在另 一個未曾描述過的實施例中，還可以使用具有表示出禁止躍遷的激活劑的磷光體5，條件是所說的發(fā)射是可以致敏的。假定發(fā)射的衰 變時間例如是1毫秒，已經(jīng)預(yù)期在能量密度約為0.05W/mn^時出現(xiàn)致 敏的發(fā)射的飽和。為了防止能量效率的重大損失，還可以利用敏感劑發(fā) 射(由于到激活劑的能量傳遞受到許多激活劑離子已經(jīng)激發(fā)了的事實的 阻礙，因此敏感劑發(fā)射的強度增大)?？商鎿Q地，層4是磷光體陶瓷，層4可以包括不同的在轉(zhuǎn)換期間發(fā) 射次級輻射6的磷光體5。例如，這個輻射6可能包括綠色或藍色。優(yōu) 選地，如果使用具有不同飽和特性的磷光體5,則可以產(chǎn)生許多不同顏 色的出射光。在通過脈沖寬度調(diào)制增加激發(fā)密度時，出射光的顏色相應(yīng) 地隨之變化?？隙ǖ兀枋龅膶嵤├亩O管2可以發(fā)出紫外光，第一峰值波 長范圍是250- 380納米。優(yōu)選地，在層4中使用CaS:Cu, SrS:Ag, ZnS:Ag , BaMgAl10O17:Eu 或(Ca,Sr,Ba)5(P04)3Cl:Sb , (Ca,Sr, Ba)5(P04)3Cl:Eu作為磷光體5。這些磷光體5由二極管2發(fā)出的紫外光 激發(fā)，并且將紫外光轉(zhuǎn)換成藍色光。有益的作法是，層4包括附加的磷 光體5,附加的磷光體5將初級輻射3轉(zhuǎn)換成次級輻射6,其具有不同的顏色，如黃色或綠色或白色。本發(fā)明還涉及一種光源系統(tǒng)，它包括上述單個光源的陣列。標(biāo)號表1光源2發(fā)光二極管，LED3初級輻射4層5發(fā)光材料，顆粒 6次級輻射 7切換裝置8顆粒層9脈沖形狀的電流 IO脈沖寬度，脈沖周期 ll切換斷開周期，脈沖之間的距離
權(quán)利要求
1、一種光源(1)，所說光源產(chǎn)生離開光源(1)的具有可改變的顏色的光，具有至少一個發(fā)光二極管(2)用于發(fā)出初級輻射(3)，所說光源包括與所說二極管(2)相連的層(4)，其中所說的層(4)包括至少一種發(fā)光材料(5)，用于轉(zhuǎn)換初級輻射(3)為次級輻射(6)；切換裝置(7)，其用脈沖形狀的電流(9)驅(qū)動二極管(2)以提供包括初級輻射(3)和/或次級輻射(6)的光，使得光的亮度和顏色中的每一個都可以獨立變化。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光源(1)，其特征在于對于脈沖形狀 的電流(9 )進行脈沖寬度調(diào)制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光源(1),其特征在于初級輻射 (3)是可見光或不可見光。
4、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個所述的光源(1),其特征在于 發(fā)光材料(5)包括磷光體。
5、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個所述的光源(1),其特征在于 層(4)包括下述磷光體之一或它們的組合(紅色)CaS:Eu ，SrS:Eu ,(Ca,Sr)S:Eu ,(Y,Gd)202S:Eu ,Y(V04):Eu , (Sr,Ba,Ca)2Si5N8:Eu; (綠色/黃色)Y3Al5012:Ce， (Y,Gd)3Al5012:Ce， (Ba，Sr,Ca)2Si04:Eu, CaS:Ce, ZnS:Cu, La(P04):(Ce,Tb), (Ce,Tb)Al12019， (Ce,Gd，Tb)MgB5O10, BaMgAli0O17:Eu, Mn, ZnS:Au; (藍色)CaS:Cu, SrS:Ag， ZnS:Ag， BaMgAl10O17:Eu或(Ca，Sr,Ba)5(P04)3Cl:Sb, (Ca,Sr,Ba)5(P04)3Cl:Eu; (白色)(Ca,Sr,Ba)5(P04)3(F,Cl):Sb, Mn, (Ca,Sr,Ba)5(P04)3(F,Cl):Eu, Mn。
6、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個所述的光源(1),其特征在于 層(4)的磷光體材料(5)的密度是1.5g/cm3《cK10g/cm3。
7、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個所述的光源(1),其特征在于層(4)包括磷光體顆粒(5),其中層(4)包括至少一個顆粒層(8)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光源(1),其特征在于所說的層(4) 包括x個顆粒層(8) , l《x《10。
9、 一種用于產(chǎn)生光(6)的方法，包括具有至少一個發(fā)光二極管(2)的光源(1),用于發(fā)出初級輻射(3), 光源包括與所說二極管(2)相連的層(4),其中所說的層(4)包括 至少一種發(fā)光材料(5),用于轉(zhuǎn)換初級輻射(3)為次級輻射(6);切換裝置(7),其用脈沖形狀的電流(9)驅(qū)動二極管(2),脈 沖形狀的電流包括脈沖寬度(10)(脈沖周期)和脈沖之間的距離(11) (切換斷開周期)；其中.-通過初級輻射(3)激發(fā)具有衰變時間的發(fā)光材料(5),使得包括 初級輻射(3)和/或次級輻射(6)在內(nèi)的離開光源(1)的光的亮度 和顏色可以相互獨立地改變，由此使脈沖寬度(10)基本上等于衰變時 間。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于脈沖之間的距離(11) 大于發(fā)光材料(5)的衰變時間，具體來說，脈沖之間的距離(11)至 少是衰變時間的2倍。
11、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其特征在于通過 改變脈沖之間的距離(ll)可以改變離開光源(1)的光的亮度，由此 使光的顏色基本上不變。
12、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個所述的方法，其特征在于通過 改變脈沖形狀的電流(9)的強度可以改變光的顏色。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9-12所迷的方法，具有根據(jù)前述權(quán)利要求中任 何一個所述的光源(1 )。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光源，它產(chǎn)生具有可改變顏色和亮度的離開光源的光，并具有至少一個發(fā)光二極管用于發(fā)出初級輻射，并且包括與所說二極管相連的層，其中所說的層包括至少一種發(fā)光材料，用于轉(zhuǎn)換初級輻射為次級輻射。
文檔編號H05B33/00GK101243557SQ200680029863
公開日2008年8月13日 申請日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月15日
發(fā)明者C·R·朗達 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司