CN101257014B - 改进了颜色表现性的led白光源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光源，其产生具有输出光谱的光。光源包括第一、第二LED和被来自第一LED的光所激发的磷光体层。磷光体层被定位成将来自第一LED的光的一部分转换成具有磷光体光谱的光。第二LED发射第二LED光谱的光。第一LED和第二LED被通电，使得输出光谱包括第一LED光谱、第二LED光谱和磷光体光谱，并且使得与第一LED光谱或第二LED光谱或磷光体光谱相比，输出光谱在450nm和650nm之间随波长变化的强度更加恒定。本发明可以提供改进了颜色表现性的白色LED光源。

Description

改进了颜色表现性的LED白光源
技术领域
本发明涉及一种改进了颜色表现性的LED白光源。
背景技术
在许多应用中，使用颜色传感器，以提供物体颜色的测量。例如，在室内展示应用中，这样的传感器用于提供关于画样或织物颜色的颜色数据，所述颜色与被观察人所察觉的一样。一种颜色传感器利用具有已知输出光谱的光源以照亮物体，并使用测量物体反射光强度的多个光电检测器。每个光电检测器测量相应波长带的光强度。控制器处理光电检测器的输出，以提供当观察人观察物体时能察觉的颜色判断。例如，作为输出，可以提供再现了物体颜色的、光谱中红、蓝和绿区域的光强度。便宜的颜色传感器中所用的光源通常是发射白光的白炽灯。
发光二极管(LED)是替代传统光源(诸如白炽灯和荧光灯光源)的有吸引力的候选者。LED比传统光源具有更高的光转换效率和更长的寿命。但是，LED产生相对窄光谱带的光。因此，为了产生具有任意颜色的光源，必须利用具有多个LED的复合光源或具有一层磷光体的单个LED，该磷光体将部分LED光转换成具有其他光谱的光。
为了替代传统的白炽灯或荧光灯系统，需要基于LED的光源产生对于观察人而言为“白色”的光。呈白色的光源可以由覆盖有一层磷光体的蓝色LED构成，磷光体将部分蓝光转换成黄光。如果正确选择蓝光与黄光的比，得到的光源在观察人观察时将呈白色。
但是，当使用这样的光源照亮随后由观察人观察的景物时，观察人观察到的景物与使用白炽光或太阳光作为光源时观察到的景物显著不同。具体而言，景物中物体的颜色看起来与在白炽光或太阳光下看到的不同。为了再现用光源以与当景物在白炽光或太阳光照时所察觉的颜色相符的方式照亮的景物中观察到的颜色，“白色”光源必须在约400nm到约600nm之间的可见波长上或多或少恒定的光谱。一般的磷光转换光源所产生的光谱缺少光谱的绿色和红色部分强度。因此，这样的白色光源在颜色传感器中工作较差。
原理上，可以利用不同的磷光体成份，以改进上述的磷光转换光源的颜色表现能力。但是，灯的设计者没有可以任意选择的磷光体组。具有足够光转换效率的传统磷光体数目有限。这些磷光体发射的光谱不容易改变。此外，光谱比理想情况下要少，因为随波长变化而发射的光不是恒定的。因此，即使组合几个磷光体，也不能获得理想的白色光源。
另外，光转换效率是光源设计的重要因素。为了便于讨论，光源的光转换效率被定义为光源消耗每瓦电能所产生的光的量。目前使用的磷光转换光源可获得的转换效率高于产生白色光的荧光灯的效率。光转换效率取决于具体的磷光体以及照亮磷光体的LED的转换效率。因此，设计者在选择不同磷光体成分时还面临进一步限制。
发明内容
本发明包括一种光源，其产生具有输出光谱的光，该光源包括第一、第二LED和磷光体层。第一LED发射处于对磷光体进行激发的波长的光，其发射具有第一LED光谱的光。磷光体层被定位成将第一LED发射的光的一部分转换成具有磷光体光谱的光。第二LED发射第二LED光谱的光。第一LED和第二LED被通电，使得输出光谱包括第一LED光谱、第二LED光谱和磷光体光谱，并且使得与第一LED光谱或第二LED光谱或磷光体光谱相比，输出光谱在450nm和650nm之间随着波长而变化的强度更加恒定。在本发明的一个方面中，第一LED发射400nm至500nm之间波长的光，磷光体将部分光转换成500nm至650nm之间波长的光。第二LED光谱包括580nm到680nm之间和/或480nm到500nm之间的波长带。
附图说明
图1图示由一般磷光转换白色光源产生的光谱。
图2图示当将中心波长约为500nm的蓝色-绿色LED添加到光谱如图1所示的白色光源时获得组合光谱。
图3图示通过将三个LED添加到如图1所示的白色光源而获得的光谱。
图4是现有技术磷光转换白色光源的剖视图。
图5是根据本发明一个实施例的光源的剖视图。
图6是根据本发明的光源另一实施例的剖视图。
图7图示根据本发明一个实施例的颜色传感器。
具体实施方式
现在参考图1，图1图示了由一般磷光转换白色光源产生的光谱。以标号21示出由白色光源产生的光谱。如可以从图中看出，在对应标号22和23所示的绿光和和红光的区域中的光谱不足。本发明基于这样的观察：在有关波长处需要增加的功率方面，光谱缺陷与装置的整个功率输出相比非常小。因此，通过将具有不足区域中的发射光谱的一个或多个LED与磷光体装置光源相结合，在基本没有改变最终光源的光转换效率的情况下，可以获得改进了颜色表现性的光源。此外，因为不改变白色磷光体转换光源，所以对于最终光源的部件而言可以获得磷光体装置光源生产设备的固有的规模经济性。
添加的LED优选地发射蓝色-绿色光谱区域(即，480nm-500nm)以及琥珀色-红色光谱区域(即，580nm-680nm)的光。现在参考图2，图2图示了当将中心波长约为500nm的蓝色-绿色LED添加到具有图1中所示光谱的白色光源中获得的组合光谱。蓝色-绿色LED的光谱以标号31表示。标号32所示组合光谱与单独的白色LED相比，在强度随波长的变化方面要恒定得多。添加的LED的功率是实现白色LED所用的蓝色LED的功率的一小部分。因此，使用与蓝色LED相比光转换效率较低的、所添加的LED，造成的影响很小。但是，组合LED与白色LED本身相比，颜色表现能力要好得多。
通过在光源中包括添加的LED可获得颜色表现方面的另外优点。现在参考图3，图3图示了通过将三个LED添加到如图1所示的白色光源而获得的光谱。标号31、35和36示出三个LED的光谱。标号33示出合成光谱。由图可见，与白色LED产生的光谱相比，作为从450nm-650nm区域上波长的函数，合成光谱的强度恒定得多。
在下面讨论中，用于改善复合光源的颜色表现性所添加的LED被称为颜色表现LED。颜色表现LED相对于白色光源中使用的蓝色LED的实体布置可以影响光源的可察觉颜色。现在参考图4，图4是现有技术的磷光转换白色光源的剖视图。光源50包括具有蓝色LED的管芯51。管芯连接到衬底54中的导体。用于连接管芯的具体连接配置对于本发明来说不重要。注意管芯具有连接到导体的两个触点以及衬底包括用于将导体连接到外部电路的电极即可。
在管芯51上放置包封层52，包封层52包括用于将部分蓝色光转换成黄色光的磷光体颗粒53。因为每个磷光体颗粒充当发射沿所有方向的光的分离光源，所以磷光体颗粒产生的黄色光好像是从具有包封层的尺寸的更大光源发出的。磷光体颗粒没有转换的蓝光被包括在包封层中的磷光体颗粒和/或散射颗粒所散射。因此，蓝色光源看起来也具有包封层的尺寸。
管芯经常放置在具有反射面56的杯状物55中。杯状物将沿侧面方向离开颗粒的光再导向到向前方向，以改善集光效率。在图5所示的实施例中，杯状物还充当包封层的模子。杯状物还限定光源的大小和形状。
在本发明的一个实施例中，颜色表现LED也包封在相同的包封层中。这确保了来自颜色表现LED的光好像与白色光源是从同一实体光源发出的。现在参考图5，图5是根据本发明一个实施例的光源的剖视图。光源60利用三个管芯。蓝光发射管芯51激发磷光体颗粒53，并且标号61和62示出两个颜色表现管芯。颜色表现管芯61包括发射光谱中580-680nm区域的光的LED，颜色表现管芯62发射光谱中480-550nm区域的光。各个管芯连接到衬底64中的导电迹线，并且由连接到这些迹线的外部电路供电。设定来自三个管芯的光的相对强度，以提供与蓝色LED单独提供的光强度相比，在从450nm到680nm光学波段中随着波长的变化更加恒定的光强度。
一般而言，用于改进光表现性的较长波长的LED不在对磷光体颗粒进行激发的波长处提供大量的光。但是。磷光体壳体散射光，并且由此，光源好像是具有由包封层确定的形状的单一白色光源。如果颜色表现LED将磷光体激发到某些程度，磷光体的量可以降低，以解决由颜色表现LED产生的另外黄光和/或来自蓝色LED的光的强度问题。
或者，颜色表现LED可以放置在包括磷光体颗粒的包封层的外部。现在参考图6，图6是根据本发明的光源另一实施例的剖视图。光源70利用管芯71上的磷光转换LED以及管芯61和62上的颜色表现LED。用于转换来自LED 71的光的磷光体层被限制到标号72示出的第一包封层。没有磷光体颗粒的第二包封层75覆盖磷光体层和包含颜色表现LED的管芯。包封层75还可以包括散射颗粒，使得离开光源70的光看起来好像从具有包封层75的实体尺寸的光源发出。
可以利用根据本发明的光源的实施例，以构成上述类型的颜色传感器。现在参考图7，图7图示根据本发明一个实施例的颜色传感器80。颜色传感器80包括根据本发明类似于上述方式操作的光源81。来自光源81的光被透镜82准直，使得光照射在具有待测量的颜色的物体85上。透镜83将来自物体85的光成像到产生多个信号的光电检测器84上，每个信号表示预定波长带的光的强度。控制器86处理来自光电检测器84的信号，以产生颜色测量值，所述颜色测量值输出到使用颜色测量值的使用者或其他装置。光电检测器84可以由光电二极管阵列构成，其中每个光电二极管被带通滤波器覆盖，该带通滤波器限制此光电二极管对要由此光电二极管测量的期望光谱带的响应。
根据上述说明书和附图，本发明的一般技术人员容易对本发明作出各种修改。因此，本发明仅由权利要求的范围限定。

Claims (8)

1.一种光源，其产生具有输出光谱的光，所述光源包括：
蓝色LED，其发射具有第一LED光谱的光，所述光以第一效率激发磷光体，所述磷光体发射磷光体光谱中的光；
磷光体层，其被定位成将所述蓝色LED发射的所述光的一部分转换成所述磷光体光谱的光；
第二LED，其发射具有第二LED光谱的光，所述第二LED以第二效率激发所述磷光体，所述第二效率小于所述第一效率；
所述蓝色LED和所述第二LED被通电，使得所述输出光谱包括所述第一LED光谱、所述第二LED光谱和所述磷光体光谱，并且使得与包括所述第一LED光谱和所述磷光体光谱但不包括所述第二LED光谱的光谱相比，所述输出光谱在450nm和650nm之间随着波长而变化的强度更加恒定，
其中，所述蓝色LED发射400nm至500nm之间波长的光，所述磷光体将所述光的一部分转换成500nm至650nm之间波长的光，所述第二LED光谱包括480nm至500nm之间的波长带。
2.根据权利要求1所述的光源，还包括第三LED，所述第三LED发射第三LED光谱的光，所述第三光谱以第三效率激发所述磷光体，所述第三效率小于所述第一效率，所述第三LED被通电，使得所述输出光谱包括所述第一LED光谱、所述第二LED光谱、所述第三LED光谱和所述磷光体光谱，并且使得与包括所述第一LED光谱、所述第二LED光谱和所述磷光体光谱但是不包括所述第三LED光谱的光谱相比，所述输出光谱在450nm和650nm之间随着波长而变化的强度更加恒定。
3.根据权利要求2所述的光源，其中，所述第三LED光谱包括580nm至680nm之间的波长带。
4.根据权利要求2所述的光源，其中，所述蓝色LED、所述第二LED和所述第三LED包封在包含所述磷光体的材料层中。
5.根据权利要求2所述的光源，其中，所述蓝色LED包封在包括所述磷光体的第一材料层中，所述第二LED和所述第三LED在所述包封层的外部，并且其中，所述蓝色LED、所述第二LED和所述第三LED由不包括所述磷光体的第二包封材料层所覆盖。
6.根据权利要求5所述的光源，其中，所述第二包封材料层包括扩散剂，所述扩散剂散射具有所述输出光谱中波长的光。
7.根据权利要求1所述的光源，还包括：
光学系统，其用来自所述蓝色LED和所述第二LED的光照亮所述光源外部的物体；以及
光电检测器，其被定位成接收从所述物体反射的所述光的一部分，所述光电检测器产生多个信号，每个信号表示被接收的光中对应波长带中的强度。
8.根据权利要求7所述的光源，还包括控制器，其处理所述多个信号以提供输出，所述输出表示观察人所察觉到的从所述物体发出的光的颜色。
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