DE112010005456T5 - Method for luminous flux color control of a white light-emitting diode and device for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung ist in der Leuchttechnik einsetzbar. Das technische Ergebnis der Erfindung ist die Möglichkeit, eine Lichtstromfarbregelung einer Weißleuchtdiode und der Blendungsregelung der lichtemittierenden Oberfläche zu schaffen. Das wird dadurch erreicht, dass der Lichtstrom einer Weißleuchtdiode mit Hilfe von Luminophor umgesetzt wird, der auf der Oberfläche und/oder im Material eines Trägers angeordnet wird, und dass das Licht nachher mit Hilfe von räumlich strukturierten Elementen zerstreut wird. Die quantitativen Merkmale der spezifischen Luminophorbelastung und des Abstands zwischen der lichtemittierenden Oberfläche und dem Träger sind der Beschreibung zu entnehmen. Einzelne Ausgestaltungen für die Durchführung des Verfahrens in einer Beleuchtungseinrichtung sind angegeben.The invention can be used in lighting technology. The technical result of the invention is the possibility to provide a luminous flux color control of a white light emitting diode and the glare control of the light emitting surface. This is achieved by converting the luminous flux of a white-light diode by means of luminophore, which is arranged on the surface and / or in the material of a carrier, and that the light is subsequently dissipated with the aid of spatially structured elements. The quantitative characteristics of the specific luminophore load and the distance between the light-emitting surface and the carrier can be found in the description. Individual embodiments for carrying out the method in a lighting device are specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lichtstromfarbregelung einer Weißleuchtdiode und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for luminous flux color control of a white light-emitting diode and to a device for carrying out the method.
Die Erfindung ist in der Leuchttechnik und zwar bei LED-Beleuchtungseinrichtungen einsetzbar, die mit weißen LEDs ausgerüstet und zur Gestaltung einer Außen- und Innenbeleuchtung bestimmt sind.The invention can be used in lighting technology and indeed in LED lighting devices that are equipped with white LEDs and intended for the design of exterior and interior lighting.
Bei der Allgemein- und Lokalbeleuchtung ist die Verwendung von Leuchtdioden mit weißem Licht am aussichtsreichsten. Aus dem Stand der Technik sind zwei grundsätzliche Verfahren zur Erzeugung eines solchen Lichtstroms bekannt. Das erste Verfahren umfasst eine Farbmischung von roter, grüner und blauer Strahlung, welche durch Halbleiterkristalle erzeugt werden. Die zweite Möglichkeit zur Erzeugung einer Weißstrahlung besteht darin, dass ein Luminophor einen Teil der UV- oder Blaustrahlung des Kristalls in den Lichtstrom umsetzt. Seine Wellenlänge ist dabei in den gelben Spektralteil verschoben. Die Mischung der primären Kristallstrahlung und der sekundären Lumineszenzstrahlung des Luminophors erzeugt einen Lichtstrom, dessen Farbwertanteile der weißen Farbe entsprechen.In general and local lighting, the use of light emitting diodes with white light is the most promising. Two basic methods for producing such a luminous flux are known from the prior art. The first method involves color mixing of red, green and blue radiation generated by semiconductor crystals. The second way to produce a white radiation is that a luminophore converts a part of the UV or blue radiation of the crystal into the luminous flux. Its wavelength is shifted into the yellow spectral part. The mixture of the primary crystal radiation and the secondary luminescent radiation of the luminophore produces a luminous flux whose color value proportions correspond to the white color.
Trotz mancher Verluste bei der Umsetzung der Primärstrahlung und verfahrenstechnischer Schwierigkeiten beim Einsatz eines Luminophors ist das zweite Verfahren der Weißfarberzeugung in der Leuchttechnik sehr verbreitet.Despite some losses in the implementation of the primary radiation and procedural difficulties in the use of a luminophore, the second method of white color production in lighting technology is very common.
Die weißen LEDs sind meistens auf der Basis eines blauen Kristalls (InGaN) und eines gelben Luminophors gefertigt. Den Spektralangaben nach sind die von den meisten LED-Produzenten verwendeten Luminophore modifizierte Abwandlungen von Yttrium-Aluminium-Granat, die mit dreiwertigem Zerium dotiert sind. Das Lumineszenzspektrum dieses Luminophors hat eine Spitzenwellenlänge im Bereich von 530 bis 570 nm. Die Nutzung der Kombination von blauen LEDs und gelben Luminophoren ermöglicht es, eine max. Lichtausbeute bei einer Farbtemperatur im Bereich von 5000 bis 8000°K zu erreichen. Der Lichtstrom der durch das Einkristallplättchen erzeugten Primärstrahlung wird durch die Luminophorteilchen umgesetzt. Die Luminophorteilchen sind in einem transparenten Kompound eingebettet und/oder an den mit den Kristallen angrenzenden Oberflächen angeordnet. Dabei hängt die Farbe der gemischten sekundären und Lumineszenzstrahlung von vielen physikalischen, chemischen und verfahrenstechnischen Faktoren ab und zwar: von der Korngrößenverteilung und der chemischen Zusammensetzung des Luminophors, von der Luminophorteilchenkonzentration, von den optischen und geometrischen Kompoundeigenschaften und von anderen Gründen. Die Berücksichtigung dieser Gründe und ihrer Auswirkungen ist für einen Produktionsbetrieb eine komplizierte fertigungstechnische Aufgabe. Die entstehende Farbenungleichmäßigkeit des resultierenden Lichtstroms hängt vom Lichteinfallswinkel auf die beleuchtete Oberfläche und von der ungleichmäßigen Konzentration der Luminophorteilchen ab, die an der Umsetzung beteiligt sind. Diese Farbenungleichmäßigkeit kann mit Hilfe von mattierten Reflexionsflächen und lichtstreuenden optisch durchsichtigen Elementen ausgeglichen werden.The white LEDs are mostly made on the basis of a blue crystal (InGaN) and a yellow luminophore. According to spectral data, the luminophors used by most LED producers are modified versions of yttrium-aluminum garnet doped with trivalent cerium. The luminescence spectrum of this luminophore has a peak wavelength in the range of 530 to 570 nm. The use of the combination of blue LEDs and yellow luminophores makes it possible to achieve a max. Luminous efficacy at a color temperature in the range of 5000 to 8000 ° K reach. The luminous flux of the primary radiation generated by the single crystal plate is converted by the luminophore particles. The luminophore particles are embedded in a transparent compound and / or disposed on the surfaces adjacent to the crystals. The color of the mixed secondary and luminescent radiation depends on many physical, chemical and process factors, namely the particle size distribution and the chemical composition of the luminophore, the luminophore particle concentration, the optical and geometric compound properties and other reasons. The consideration of these reasons and their effects is a complicated manufacturing task for a production company. The resulting color unevenness of the resulting luminous flux depends on the angle of incidence of light on the illuminated surface and on the uneven concentration of the luminophore particles involved in the reaction. This color unevenness can be compensated for by means of matt reflection surfaces and light-scattering optically transparent elements.
Durch das Patent
Nach der aus
Durch die
Das Patent
Die Konzentration der Luminophorteilchen, die innerhalb einer Umfangs- oder einer Flächeneinheit enthalten sind, bestimmt im Endeffekt das Ausmaß der umzusetzenden Primärstrahlung, welche den Farbton der resultierenden weißen Farbe festlegt.The concentration of luminophore particles contained within a perimeter or area unit ultimately determines the extent of the primary radiation to be converted, which determines the hue of the resulting white color.
Es ist offensichtlich: Je weniger Luminophor an der Umsetzung des primären Lichtstroms mitwirkt, desto höhere Farbtemperatur ist für die resultierende Strahlung kennzeichnend.It is obvious that the less luminophore is involved in the conversion of the primary luminous flux, the higher the color temperature is characteristic of the resulting radiation.
Bei allen bekannten Druckschriften ist das Ziel der Vorgänge mit verschiedenen Primärquellen zur Lichtemission die Erzeugung eines Lichtstroms, dessen Lichttemperatur einem Weißfarbton oder einem anderen Weißfarbton entspricht. Beachtung verdient die Suche nach einer Möglichkeit, die Farbe des weißen Lichtstroms zu regeln, ohne dass in die Bauweise der den weißen Lichtstrom erzeugenden Lichtstromquelle eingegriffen wird. Die Steuerung der Farbtemperatur des bereits gebildeten Weißlichtstroms setzt eine zusätzliche Luminophormenge voraus. Jedoch bedarf das technische Verfahren zur Umsetzung einer solchen Strahlung und ggf. die nachfolgende Farbausgleichung nach dem Lichtstromquerschnitt geringe verfahrenstechnische und baumäßige Neuerungen.In all known references, the objective of the processes with different primary sources for light emission is the generation of a luminous flux whose light temperature corresponds to a white hue or other white hue. Attention deserves the search for a way to regulate the color of the white luminous flux, without interfering with the construction of the light source generating the white luminous flux. The control of the color temperature of the white light stream already formed requires an additional amount of luminophore. However, the technical process for the implementation of such radiation and possibly the subsequent color balance after Lichtstromquerschnitt low procedural and Baumäßige innovations needed.
Es sei betont, dass kleine Winkelgrößen und eine hohe LED-Helligkeit ohne jegliche Sondermaßnahmen zum Schutz gegen Spitzlichter beachtliche Sehbelastungen verursachen. Sie bedingen ein Diskomfort-Gefühl und den instinktiven Wunsch, den Raum mit einer solchen Beleuchtung zu verlassen. Um die Blendwirkung der Beleuchtungsanlage zu vermindern, sollte als eine effektive Lösung die Strahlungshelligkeit vermindert werden, indem der Lichtstrom über eine umfangreiche Oberfläche verteilt wird. Dies kann gleichzeitig mit der LED-Strahlungsfarbregelung erfolgen.It should be emphasized that small angle sizes and high LED brightness without any special measures to protect against highlights cause considerable visual strain. They cause a discomfort feeling and the instinctive desire to leave the room with such lighting. In order to reduce the dazzling effect of the lighting system, as an effective solution, the radiation brightness should be reduced by distributing the luminous flux over a large area. This can be done simultaneously with the LED radiation color control.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Möglichkeit einer Lichtstromfarbregelung einer Weißleuchtdiode, eine Erweiterung der verfahrenstechnischen Möglichkeiten zur Projektierung der Beleuchtungsgeräte auf der Basis einer Weißleuchtdiode und die Verminderung des Diskomfort-Gefühls wegen der Beleuchtung zu schaffen, indem die Helligkeit der lichtemittierenden Oberfläche verringert wird.It is an object of the invention to provide the possibility of luminous flux color control of a white light emitting diode, an extension of the procedural possibilities for designing the lighting devices based on a white light diode and the reduction of the discomfort feeling due to the lighting by the brightness of the light-emitting surface is reduced.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2 gelöst.The stated object is solved by the features of
Das Verfahren zur Lichtstromfarbregelung einer Weißleuchtdiode, bei dem ein Lichtstrom mit einer Farbtemperatur von über 6000°K und mit einem Spektralanteil mit einer Wellenlänge λ < 490 nm erzeugt wird, dass ein Teil der λ-Strahlung in eine Strahlung mit einer Wellenlänge L > 490 nm, z. B. im gelb-grünen, gelben oder orangefarbigen Spektralbereich, umgesetzt wird und dass die erzeugte Lichtstrahlung mit der Wellenlänge L und der Lichtstrom, der einen nicht umgesetzten Teil der λ-Komponente einschließt, gemischt werden.The method for luminous flux color control of a white light emitting diode, in which a luminous flux with a color temperature of over 6000 ° K and with a spectral component having a wavelength λ <490 nm is generated, that part of the λ radiation into a radiation with a wavelength L> 490 nm , z. In the yellow-green, yellow or orange spectral range, and that the generated light radiation having the wavelength L and the luminous flux including an unreacted part of the λ component are mixed.
Die Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens zur Farbregelung einer Weißleuchtdiode ist durch die Gesamtheit folgender wesentlicher Merkmale gekennzeichnet:
Beleuchtungseinrichtung für die Durchführung des Verfahrens mit
- – wenigstens einer Leuchtdiode, die einen Lichtstrom mit einer Farbtemperatur von über 6000°K erzeugt,
- – einem optisch durchsichtigen Träger, der so eingebaut ist, dass er durch den genannten Lichtstrom bestrahlt ist,
- – Mitteln, die zur Umsetzung des genannten Lichtstroms vorgesehen sind, die in Form von Luminophorteilchen ausgebildet sind, die an der Oberfläche und/oder im Material des Trägers angeordnet sind und
- – einem Lichtdiffusor, der mit räumlich strukturierten Elementen versehen ist, die im Umfang oder auf der Oberfläche des genannten Lichtdiffusors ausgebildet sind.
Lighting device for carrying out the method with
- At least one light-emitting diode which generates a luminous flux with a color temperature of more than 6000 ° K,
- An optically transparent support which is installed in such a way that it is irradiated by said luminous flux,
- - Means, which are provided for the implementation of said luminous flux, which are formed in the form of Luminophorteilchen, which are arranged on the surface and / or in the material of the carrier and
- A light diffuser provided with spatially structured elements formed in the periphery or on the surface of said light diffuser.
Unter dem kennzeichnenden Merkmal ”Mittel zur Umsetzung des genannten Lichtstroms” ist in dieser Erfindung eine Gesamtheit von Luminophorteilchen verstanden, deren räumliche Lage durch die Konfiguration des Bauteils festgelegt ist, worin oder auf dessen Oberfläche die genannten Teilchen enthalten sind.By the characterizing feature "means for the conversion of said luminous flux" is meant in this invention a total of Luminophorteilchen whose spatial position is determined by the configuration of the component, wherein or on whose surface said particles are included.
Unter dem Begriff ”Träger” ist ein Bauelement verstanden, welches aus einem optisch durchsichtigen Material ausgebildet ist. Dieses Material ist dazu fähig, sowohl flache als auch räumliche Konstruktionen zu bilden, die eine Strahlungsquelle abdecken können. Die Wandstärke des Trägers hängt von den optischen Materialeigenschaften ab und ist unter Berücksichtigung von mindestmöglichen Lichtstromverlusten und verfahrenstechnischen Möglichkeiten seiner Formbildung festgelegt.The term "carrier" is understood to mean a component which is formed from an optically transparent material. This material is capable of forming both flat and spatial constructions that can cover a radiation source. The wall thickness of the carrier depends on the optical material properties and is determined taking into account at least possible luminous flux losses and procedural possibilities of its formation.
Als Ergänzungs- und Weiterentwicklungsmerkmale der Einrichtung sind folgende genannt:
Die spezifische Belastung von Luminophor auf der Oberfläche und/oder im Material des Trägers ist aus folgender Ungleichung gewählt:
- ρ
- die Luminophorkonzentration im Bindemittel in mg/cm2 ist.
The specific loading of luminophore on the surface and / or in the material of the support is chosen from the following inequality:
- ρ
- the luminophore concentration in the binder is in mg / cm 2 .
Unter dem Begriff «spezifische Belastung des Luminophors» ist das Luminophorgewicht verstanden, welches auf eine Oberflächeneinheit entfällt. Die Auswahl eines konkreten ρ-Werts ist von der Lichtstromfarbe der Leuchtdiode und von der gewünschten Farbe des resultierenden Lichtstroms abhängig.The term "specific loading of the luminophore" is understood to mean the luminophore weight which is attributable to a surface unit. The selection of a specific ρ value is from the Luminous flux of the LED and the desired color of the resulting luminous flux dependent.
Das Mittel zur Umsetzung des genannten Lichtstroms, welcher durch die Weiß-LED erzeugt wird, kann Luminophorteilchen aus unterschiedlichen Leuchtspektren einschließen.The means for converting said luminous flux, which is generated by the white LED, may include luminophore particles from different luminous spectra.
Der Träger ist flach oder in Form von Bauteilen ausgebildet, deren Oberfläche eine Kombination der Oberflächen einer ersten und einer zweiten Ordnung (Quadratfläche) und insbesondere in der Form einer Fläche oder einem Pseudozylinder darstellt.The carrier is formed flat or in the form of components whose surface represents a combination of the surfaces of a first and a second order (square area) and in particular in the form of a surface or a dummy cylinder.
Der Lichtdiffusor ist aus einem optisch durchsichtigen Material ausgebildet, welches sowohl eine flache als auch eine räumliche Konstruktion bilden kann, die den Träger abdeckt.The light diffuser is formed of an optically transparent material which can form both a flat and a spatial construction covering the support.
Der Abstand h in mm zwischen dem Träger und der lichtemittierenden Oberfläche des Lichtdiffusors ist aus der mathematischen Ungleichung gewählt:
- h
- der Abstand zwischen dem Träger und der lichtemittierenden Oberfläche des Lichtdiffusors in mm ist.
- H
- the distance between the support and the light emitting surface of the light diffuser is in mm.
Der Lichtdiffusor ist aus einem optisch durchsichtigen Material ausgebildet, welches sowohl eine flache als auch eine räumliche Konstruktion bilden kann. Diese Konstruktionen können eine Beschichtung enthalten, welche ein Mittel zur Umsetzung des genannten Lichtstroms einschließt.The light diffuser is formed of an optically transparent material which can form both a flat and a spatial construction. These constructions may include a coating which includes a means for converting said luminous flux.
Die räumlich strukturierten Elemente des Lichtdiffusors sind in Form eines regelmäßig wiederkehrenden Reliefs ohne scharfe Kanten, z. B. in Form von Halbkugeln, ausgebildet.The spatially structured elements of the light diffuser are in the form of a regularly recurring relief without sharp edges, z. B. in the form of hemispheres formed.
Die Leuchtdiode ist mit einem Reflektor versehen, welcher eine lichtstreuende Oberfläche aufweist.The light-emitting diode is provided with a reflector which has a light-scattering surface.
Der Reflektor hat eine kegelförmige Oberfläche, deren Leitbahn in Form eines gleichseitigen Vierecks oder Sechsecks oder eines Kreises ausgebildet ist.The reflector has a conical surface whose track is in the form of an equilateral quadrangle or hexagon or a circle.
Der Lichtdiffusor ist ein Schutzelement der Einrichtung.The light diffuser is a protective element of the device.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen erklärt, welche das Verfahren zur Farbregelung des Lichtstroms einer Weißleuchtdiode und die Durchführung des Verfahrens in bestimmten Beleuchtungseinrichtungen veranschaulichen. Es zeigen:The invention will be elucidated with reference to the drawings, which illustrate the method of color control of the luminous flux of a white-light diode and the implementation of the method in certain lighting devices. Show it:
Die Beleuchtungseinrichtung (
Ein Teil der durch die LED
Die in
Der Abstand zwischen dem Träger
In
Diese Ausgestaltung der Erfindung setzt einen erhöhten Materialaufwand für die Herstellung des Lichtdiffusors voraus. Das wird allerdings durch eine beachtliche Vereinfachung der Bauweise der Beleuchtungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ausgeglichen.This embodiment of the invention requires an increased cost of materials for the production of the light diffuser. However, this is offset by a considerable simplification of the design of the lighting device for performing the method.
Einen ausreichenden Effekt kann auch die Anwendung von einer LED mit „kaltem” Weißleuchten als primäre Strahlungsquelle ergeben. Dafür können z. B. die Leuchtdiode XLamp MX-6 der Fa. Cree mit einer Farbtemperatur 6500...8000°K oder ähnliche LEDs anderer Fabrikate eingesetzt werden.A sufficient effect may also result from the use of a "cold" white LED as the primary source of radiation. For z. B. the light bulb XLamp MX-6 from the company. Cree be used with a color temperature 6500 ... 8000 ° K or similar LEDs of other makes.
Alle Bauteile und Baugruppen für die Beleuchtungseinrichtung können anhand der bekannten Verfahren hergestellt werden. Die in der Beschreibung dargelegten Informationen sind für einen Fachmann ausreichend, um die Funktionsweise und die Bauweise der Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zur Änderung der Farbkenndaten des Lichtstroms einer Weißleuchtdiode zu verstehen.All components and assemblies for the lighting device can be produced by the known methods. The information set forth in the description will be sufficient for a person skilled in the art to understand the operation and the construction of the devices for carrying out the method for changing the color characteristics of the luminous flux of a white light-emitting diode.
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