CN101331800B - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明披露的一种发光装置(100)，包括第一发光二极管(101)，发出至少第一波长的第一发射光，和第二发光二极管(103)，发出至少第二波长的第二发射光。第二发光二极管(103)被放置靠近第一发光二极管(101)，使得在离第一和第二发光二极管一个混合长度之后，第一和第二发射光的混合在人类视觉里被感知为一种颜色。在实际使用时，第一和第二发光二极管在时域里由电源(111)交替驱动。

Description

发光装置
技术领域
本发明涉及发光装置，其使用发光二极管来产生期望颜色的光。
发明背景
随着蓝色或紫外(UV)光的高效LED器件的发展，使得制造白光LED器件成为可能，即通过荧光粉将LED器件发光结构发出的一部分原发射光转换成更长的波长。将原发射光转换成更长的波长通常被称为原发射光的下转换(down conversion)。原发射光未被转换的部分与更长波长的光结合在一起而产生白光。通过荧光粉转换而产生白光的LED器件可用于发信号和照明目的。
最近的发展已经专注于改善白光产生的荧光材料。例如，美国专利5,998,925，标题为“Light emitting device having a nitride compoundsemiconductor and a phosphor containing a garnet fluorescent material(具有氮化物复合半导体和包含石榴石荧光材料的荧光粉的发光装置)”，由Shimizu等于1997年7月29日申请；美国专利6,501,102，标题为“Lightemitting diode device that produces white light by performing phosphorconversion on all of the primary radiation emitted by the light emittingstructure of the LED device(通过在由LED装置的发光结构发出的所有原发射光上进行荧光粉转换以产生白光的发光二极管装置)”，由Mueller-Mach等于2001年8月28日申请；美国专利6,642,652，标题为“Phosphor-converted light emitting device(荧光粉转换的发光装置)”，由Collins，III等于2001年6月11日申请；美国专利6,686,691，标题为“Tricolor，white light LED lamps(三色、白光LED灯)”，由Mueller等于1999年9月27日申请；美国专利6,812,500，标题为“Light-radiating semiconductorcomponent with a luminescence conversion element(具有冷光转换元件的发光半导体组件)”，由Reeh等于2000年12月6日申请。
但是，如美国科学(SCIENTIFIC AMERICAN)文献(标题为“In Pursuitof the Ultimate Lamp  (追求终极灯)”，发表于2001年2月刊)所述，在产生白光时使用荧光材料“本质上是较少有效的，因为在将紫外光或蓝光转换成低能耗光(即朝向色谱红色端的光)时会损失能量。而且，由于在荧光材料封装上的散射和吸收也会损失光。”(第67页)
目前较少讨论有关在产生白光时降低能耗。在产生白光时使用传统荧光材料可能导致更高的能耗。
发明目的
因此，本发明的目的是提供一种具有改善能耗特征的发光装置，或至少提供一个有用方案给公众选择。
发明概述
依照本发明的一个方面，发光装置包括第一发光二极管(LED)，发出至少第一波长的第一发射光，以及第二发光二极管，发出至少第二波长的第二发射光。第二LED被放置靠近第一LED，使得在离第一和第二LEDs的一个混合长度之后，第一和第二种光的混合在人类视觉里被感知为一种颜色。在实际使用时，第一和第二LEDs在时域里被电源交替驱动，电源输出多个周期性不连续的脉冲，用来交替驱动第一LED和第二LED，脉冲包括第一组和第二组脉冲，每个脉冲组是在一个预定时间周期内有第一和第二数目的脉冲，其中在人类视觉里感觉到的颜色通过控制第一数目对第二数目的比率和/或第一组的脉冲宽度对第二组的脉冲宽度的比率进行确定和控制。
在一个实施例里，电源重复并顺序地驱动第一LED和第二LED。
在另一个实施例里，电源是一个交流电源。
在一个实施例里，在电源和第一LED和第二LED中的至少一个LED之间有一个整流电路。
在一个实施例里，第一LED和第二LED被并联电连接。
在另一个实施例里，电源输出在一个至少20Hz的频率上驱动第一LED和第二LED中的至少一个LED。
在另一个实施例里，有一种控制装置用来控制第一LED和第二LED中的一个LED的至少一种特性，以改变人类视觉感觉到的颜色。此控制装置可能包括一个可调电阻，用来控制施加到第一和第二LEDs中的至少一个LED的电压振幅，和/或用来控制施加到LEDs中至少一个LED的功率信号频率的装置。
在另一个实施例里，第一和第二波长是不同的。
在另一个实施例里，第一和第二波长是相同的，装置包括一种荧光材料涂敷在第一和第二LEDs中的至少一个LED上，以产生不同波长的光。
在另一个实施例里，有一个扩散片用来扩散第一和第二发射光中的至少一个发射光以减少混合长度。
在另一个实施例里，有一个时间延迟装置，其与电源电连接以便将功率信号延迟一个预定时间周期，从而至少可以驱动第三LED。此时间延迟装置可以包括一个移相器，以便将功率信号的相位变换一个预定数目。
在另一个实施例里，通过使用倒装(flip-chip)技术、线焊工艺(wirebonding process)或其它方法，第一和第二LEDs被堆叠来降低混合长度。
在另一个实施例里，第一和第二LEDs首先通过使用环氧材料(epoxymaterial)被粘合。
在另一个实施例里，第一和第二LEDs中的至少一个LED被涂敷一个不同颜色的荧光材料用来降低混合长度。
在一个实施例里，光发射器(light transmitter)以一种瞬时交错的方式产生各个光信号。
在另一个实施例里，发光装置包括发出蓝光的第一发光二极管(LED)和发出黄光的第二发光二极管以及一个用来在时域内改变驱动第一LED和第二LED的电源，第二发光二极管被放置靠近第一发光二极管，使得蓝光和黄光混合形成人类视觉感觉到的白光。
在另一个实施例里，人类视觉感觉到的颜色是色谱里任何期望的颜色。
在另一个实施例里，人类视觉感觉到的颜色是白色。
在另一个实施例里，发出第一波长的第一发射光的第一LED是发出第一波长的第一发射光的第一多个LEDs中的一个LED；发出第二波长的第二发射光的第二LED是发出第二波长的第二发射光的第二多个LEDs中的一个LED；除了第一和第二多个LEDs，没有任何其它的LED涉及产生人类视觉感觉到的颜色。
依照本发明的另一个方面，发光装置包括
第一发光二极管(LED)，发出蓝光；
第二发光二极管，发出黄光，第二发光二极管被放置靠近第一发光二极管，使得蓝光和黄光的混合形成白光；和
一个电源，用来在时域里轮流驱动第一LED和第二LED，电源输出多个周期性不连续的脉冲，用来交替驱动第一LED和第二LED，其中脉冲包括第一组和第二组脉冲，每个脉冲组是在一个预定时间周期内有第一和第二数目的脉冲，其中感觉到的颜色可以通过控制第一数目对第二数目的比率和/或第一组的脉冲宽度对第二组的脉冲宽度的比率进行确定和控制。
从以下的详细描述，并结合通过范例描述本发明原理的附图，本发明的其它方面和优点将越发明显。同样，被看作本发明特性的其它特征将在附加权利要求里阐述。
附图说明
图1a描述依照本发明实施例的一种典型发光装置的结构；
图1b是一个图1a发光装置实施的简化电子示意图；
图1c描述应用在图1a和图1b的发光装置里的电源输出；
图1d描述应用在图1a发光装置里的一种不同类型的电源输出；
图2a-d分别至少部分地描述依照本发明第二实施例的一个典型发光装置的结构；
图2e是一个适合用于执行图2a-d发光装置的简化电子示意图；
图3a描述依照本发明第三实施例的一个典型发光装置的结构；
图3b是图3a发光装置的一个简化电子示意图；
图4a-j分别描述依照本发明第四实施例的一个典型发光装置的结构；
图4k是图4a-j发光装置的简化电子示意图；
图5a是另一个典型发光装置实施例的简化电子示意图；
图5b-d描述施加到图5a发光装置的不同部分的电信号；
图5e描述图5a发光装置的LEDs驱动；和
图6描述应用在本发明里的CIE颜色表。
发明详述
图1a描述本发明的一个典型发光装置实施例100。发光装置100有一对分别发蓝光和黄光的发光二极管(LED)101、103。LEDs 101、103被靠近放置，使得蓝光和黄光在离LED一个混合长度后，混合在一起而产生一种不同颜色的光，最好但不限于是白光。可以在LEDs发出光的光路径上放置一个扩散片105，用来降低混合长度。
一个交流电源111，分别通过一对驱动电路107、109被连接到LEDs 101、103，交替驱动蓝光和黄光LEDs 101、103，从而在时域内每个LED 101、103交替发出光。由于视觉暂留，当AC(交流电)功率信号的频率足够高时，如高于25Hz，人类视觉察觉不到蓝光或黄光的不连续性。
图1b描述了图1a典型实施的一个简化电子电路。蓝光和黄光LEDs 101、103被并联连接到电源111，每个LED分别通过一个二极管113、115进行整流，以及分别通过一个可调电阻117、119用于控制和/或改变被施加到LEDs 101、103的电流大小。在整流二极管113、115和接地之间的电容器121、123可用于滤波。
一个典型交流电源111的输出如图1c所示。图1d描述一种用于图1a发光装置的不同类型的电源输出，有多个周期性不连续的脉冲125-129用于交替驱动蓝光和黄光LEDs 101、103。正如本领域技术人员所理解的那样，脉冲125-129可以被分割成第一组125、127...和第二组126、128...，每组是在一个预定时间周期内有第一和第二数目的脉冲，并且光输出混合的颜色可以通过控制第一数目对第二数目的比率进行控制。另外，人类视觉里显示的光输出混合的颜色可以通过控制第一组的脉冲宽度对第二组的脉冲宽度的比率进行控制。依照如图5所示的CIE颜色图，可以确定光的控制。
可以使用不止一个LED来形成一个发光装置，而产生各种颜色的混合光。如图2a-d所示，每一个都至少部分地描述了这种发光装置的典型结构，LEDs可以被并联和/或串联连接，然后由精减数目的驱动电路进行驱动。这样可以简化电子设计，如图2e所示，其使用一对驱动电路交替驱动被分成两对并联连接的四个LEDs。另外，应该理解LEDs可以有不同的波长。
图3a和图3b描述另一个典型实施例，其使用两个半波整流器(halfwave rectifier)分别驱动两个LED和使用一个全波桥式整流器(full wavebridge rectifier)驱动第三LED。这样，可以实现交替驱动LEDs。
图4a-4j描述本发明的另一个典型实施例。在这些实施例里，LEDs可以是相同的波长，但LEDs被涂敷不同颜色的荧光粉，由于荧光粉的下转换可以产生不同波长的光。类似于以上所述的实施例，LEDs被交替驱动，因此可以实现低能耗。另外，正如本领域技术人员所理解的那样，输出光的颜色控制可以通过使用不同类型的荧光粉或以上所述的不同调制方法得以实现。
在图5a中，交流电源501的输出，如图5b所述，首先被移相器503变换90°，如图5c所示。AC输出和变换的功率信号通过多个整流二极管513、515、517、519被施加到四个LEDs 505、507、509、511，使得LEDs505、507、509、511在时域内被交替驱动，如图5e所示。应该理解，AC功率信号的相位被变换一个预定角度可以容许单电源能够在时域内交替驱动更多的LEDs。也应该理解，以上所述的典型实施例的相位变换在时域内产生了一个延迟，使得变换信号的峰值不会与原始信号的峰值重叠。所以，原始功率信号和变换功率信号可以被用来交替驱动不同的LEDs。
本领域有经验的技术人员将理解，以上所述的实施例可以通过在时域内交替驱动至少一个LEDs来实现低能耗。而且，这些实施例可以被应用在封装级别上，其相对比较容易实施。另外，控制输出光的颜色将变得更加容易和稳定。
以上所述的实施例可以有各种替代方案。
例如，每个LED可以在其一侧或两侧涂敷不同颜色的荧光材料，用来减少混和长度。
而且，如本领域普通技术人员通常所理解的那样，至少一个LED可以发出不止一个波长的发射光。例如，一个LED可以发出红光和蓝光。
另外，通过诸如倒装(flip-chip)技术或线焊(wire bonding)工艺，LEDs可以被堆叠以降低混和长度。
在进行线焊时，合适的粘合剂如环氧材料，与导电和/或导热填充剂或热应力解除型填充剂混合，首先被用来粘接LEDs。然后，线焊可以被用来串联或并联电连接LEDs。此外，荧光粉可以被添加到粘合剂里，用来吸收第一和/或第二LED的原发射光或进行下变换(down conversion)。
在倒装工艺里，焊料如SnPb、SnAgCu、SnZn、SnCu或导电粘合剂(conductive adhesive)可以用来焊接LED芯片/模块的凸焊点(图中未显示)，用于物理连接和电连接。
在说明书里用来描述本发明及其各种实施例的单词不仅可以理解为其通常涵义，而且可以包括超出通常涵义范围之外的本说明书结构、材料或行为上的特别定义。因此，如果一个元素在说明书的上下文里可以被理解为包括多于一个涵义，那么其在权利要求里的使用必须被理解为由说明书及其单词本身支持的所有可能涵义。所以，以下权利要求的单词和元素的定义是在说明书里定义的，不仅包括字面上阐述的元素组合，而且包括所有等同的结构、材料或行为，以实质相同的方式来执行实质相同的功能以获得实质相同的结果。

Claims (25)

1.一种发光装置，包括：
第一发光二极管(LED)，发出至少第一波长的第一发射光，和
第二发光二极管，发出至少第二波长的第二发射光，第二LED被放置在靠近第一LED，使得在离第一和第二LEDs的一个混合长度之后，第一和第二发射光的混合光在人类视觉里被感知为一种颜色；
其中第一和第二LEDs在时域里由电源交替驱动，电源输出多个周期性不连续的脉冲，用来交替驱动第一LED和第二LED，脉冲包括第一组和第二组脉冲，每个脉冲组是在一个预定时间周期内有第一和第二数目的脉冲，其中在人类视觉里感觉到的颜色通过控制第一数目对第二数目的比率和/或第一组的脉冲宽度对第二组的脉冲宽度的比率进行确定和控制。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中电源重复并顺序地驱动第一LED和第二LED。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其中电源是交流电源。
4.根据权利要求3所述的发光装置，还包括一个整流电路，其被电连接在电源和第一LED和第二LED中的至少一个LED之间。
5.根据权利要求1所述的发光装置，其中第一LED和第二LED被并联电连接。
6.根据权利要求1所述的发光装置，其中电源输出在一个至少20Hz的频率上驱动第一LED和第二LED中的至少一个LED。
7.根据权利要求1所述的发光装置，还包括一种控制装置，用来控制第一LED和第二LED中的一个LED的至少一种特征，以改变人类视觉所感知到的颜色。
8.根据权利要求7所述的发光装置，其中控制装置包括一个可调电阻，用来控制应用到第一和第二LEDs中的至少一个LED的电压振幅。
9.根据权利要求7所述的发光装置，其中控制装置包括用来控制功率信号频率的装置，该功率信号被施加到第一和第二LEDs中的至少一个LED。
10.根据权利要求1所述的发光装置，其中第一和第二波长是不同的。
11.根据权利要求1所述的发光装置，其中第一和第二波长是相同的，装置还包括一种荧光材料，涂敷在第一和第二LEDs中的至少一个LED上以产生不同波长的光。
12.根据权利要求1所述的发光装置，还包括一个扩散片，用来扩散第一和第二发射光中的至少一种发射光，以降低混合长度。
13.根据权利要求1所述的发光装置，还包括一个时间延迟装置，其与电源电连接，将功率信号延迟一个预定时间周期，从而至少驱动第三LED。
14.根据权利要求13所述的发光装置，其中时间延迟装置包括一个移相器，用于将功率信号相位变换一预定数量。
15.根据权利要求1所述的发光装置，其中第一和第二LEDs被堆叠来降低混合长度。
16.根据权利要求15所述的发光装置，其中第一和第二LEDs是通过使用倒装(flip-chip)技术进行堆叠。
17.根据权利要求15所述的发光装置，其中第一和第二LEDs通过使用线焊工艺(wire bonding process)进行堆叠。
18.根据权利要求16所述的发光装置，其中第一和第二LEDs首先通过使用环氧材料(epoxy material)进行粘合。
19.根据权利要求1所述的发光装置，其中第一和第二LEDs中的至少一个LED被涂敷一种不同颜色的荧光材料，用来降低混合长度。
20.根据权利要求1所述的发光装置，其中在人类视觉里感觉到的颜色是色谱(color spectrum)里的任何期望颜色。
21.根据权利要求1所述的发光装置，其中在人类视觉里感觉到的颜色是白色。
22.根据权利要求1所述的发光装置，其中发出第一波长的第一发射光的第一LED是第一多个发出第一波长的第一发射光的LEDs中的一个LED；发出第二波长的第二发射光的第二LED是第二多个发出第二波长的第二发射光的LEDs中的一个LED；除了第一和第二多个LEDs，没有任何其它的LED涉及产生人类视觉里感觉到的颜色。
23.一种发光装置，包括：
第一发光二极管(LED)，发出蓝光：
第二发光二极管，发出黄光，第二发光二极管被放置靠近第一发光二极管，使得蓝光和黄光的混合形成白光；和
一个电源，用来在时域内交替驱动第一LED和第二LED，电源输出多个周期性不连续的脉冲，用来交替驱动第一LED和第二LED，其中脉冲包括第一组和第二组脉冲，每个脉冲组是在一个预定时间周期内有第一和第二数目的脉冲，其中感觉到的颜色可以通过控制第一数目对第二数目的比率和/或第一组的脉冲宽度对第二组的脉冲宽度的比率进行确定和控制。
24.根据权利要求23所述的发光装置，其中电源是一个交流电源，重复并顺序地驱动第一LED和第二LED。
25.根据权利要求23所述的发光装置，其中第一LED和第二LED中的至少一个LED涂敷有一种荧光材料，用来转换第一LED和第二LED中的至少一个LED的发射光。
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