CN101460778A - 彩色光和白光发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于生成彩色光和白光的发光器件。根据本发明，该发光器件包括发射蓝色光或者紫外光的至少一个光源(1、4)，以及用于将所述蓝色光或者紫外光转变为可见光的颜色转变单元(2、5)，其包括至少两个部分(2a、2b、2c、6a、6b、6c、6d)，其中至少一个部分(2c、6d)为透明的或者半透明的颜色转变部分，所述颜色转变单元(2、5)设置为利用所述蓝色光或者紫外光交替地照射所述至少两个部分(2a、2b、2c、6a、6b、6c、6d)，所述至少一个颜色转变部分包含发光材料，其中所述发光材料为聚合物基体中的发光有机染料或者晶态无机发光材料。

Description

彩色光和白光发光器件
技术领域
本专利申请涉及一种用于生成彩色光和白光的发光器件，并涉及一种用于生成彩色光和白光的方法以及发光器件的用途。
背景技术
本领域已知的颜色可调光源主要基于LED模块。这些LED模块一般依赖于通过不同LED发射红、蓝、绿基色，以及在某些情况下发射琥珀色或者更多基色来发射每种颜色。这意味着，LED芯片的数量至少与所使用的基色数量一样多。通常，发射不同颜色的LED芯片对于驱动电流、温度和其它工作参数表现出不同的属性。这个缺点可以利用颜色转变的蓝色或者紫外LED芯片(所谓的磷转变LED(pc LED))来克服。磷转变LED包括蓝色或者紫外LED光源，其照射发光材料，该发光材料则将LED的蓝色或者紫外光转变为具有较长波长的可见光，例如绿色、黄色或者红色光。该pc LED设置仍然具有以下缺点，即需要发射不同颜色的几个pc LED通过颜色混和来获得希望的颜色印象。此外，空间上分开的光源需要精确对准的相当复杂的光学器件。pc LED的另一个限制是发光材料可能饱和，这导致了LED发射的高光通量的情况下的照明限制。
利用根据JP 2004341105A获知的发光和显示设备部分解决了这些问题。该显示设备包括紫外发光LED，其照射色轮。在被照射侧上，该色轮涂敷了可见光反射膜，该膜对于紫外光是透射的。该色轮还包括三个颜色转变的扇形部分，它们将LED发射的紫外光转变并散射为红色、绿色和蓝色光。穿过该色轮朝光源反向散射的转变后的光被可见光反射膜反射，使得大部分转变后的光能够用于显示应用。
使用色轮的优点在于，通过将色轮的不同颜色转变扇形部分循环移动到光源的光束中，使得一个光源就足以在很短的接续时间间隙内生成基色。由于人视觉的惯性，不同基色的快速序列就会被视作颜色混和。与色轮一起使用单独的LED具有以下优点，即颜色印象与不同LED对于驱动电流、温度和其它参数的不同属性无关。
然而，根据JP 2004341105A获知的显示设备具有以下缺点，即色轮一方面在颜色转变部分、另一方面在可见光反射膜上具有复杂的设计。而且，不是全部的由LED发射的光通量均能够用于显示用途，这是因为来自LED的紫外光在颜色转变部分中被散射，并且部分被可见光反射膜反射。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于生成具有高光谱纯度和稳定性的任何希望颜色的彩色光或者具有高亮度的白光的发光器件。该发光器件还应当包括颜色转变单元，其具有简单的并且因此节约成本的设计。本专利申请的另一个目的是提供一种发光器件，其表现出高发光效率。
利用一种生成彩色光和白光的发光器件实现这些及其他目的，其包括至少一个发射蓝色或者紫外光的光源，用于将所述蓝色或者紫外光转变为可见光的包括至少两个部分的颜色转变单元，其中至少一个部分为透明的或者半透明的部分，所述颜色转变单元设置为利用所述蓝色或者紫外光交替地照射所述至少两个部分，所述至少一个部分包含发光材料，其中所述发光材料为聚合物基体中的发光有机染料或者晶态无机发光材料。
根据本发明的发光器件的颜色转变单元包括透明的发光材料，其可以使光源发出的紫外或蓝色光获得高效颜色转变并且可靠地避免了降低该发光器件发光效率的光束偏转或散射。使用透明发光材料还确保了最小的集光率，这对于聚光灯和投影用途而言是十分重要的。包含发光材料的颜色转变部分能够为半透明的(部分透射光源发出的光，所谓的主光)或者将该主光完全转变为具有不同波长的可见光。
与常规的发光材料相比，聚合物基体中的有机染料以及晶态无机发光材料具有高量子效率的特点。由于受照射染料分子或者无机晶体中受激态的无辐射松弛是十分不可能的，因此光源发出的照射光几乎全部转变为可见光。而且，该颜色转变单元的特征在于由于无需特殊涂敷其表面，因而是一种简单而节约成本的设计。
根据本发明的第一实施例，该光源为发光二极管(LED)。LED的主要优点在于其具有长工作寿命，以及高能效。发射蓝色或紫外光的LED在市场上是容易买到的。由于仅使用单独的LED，所以该发光器件生成的光的颜色印象与温度和驱动电流无关。
根据本发明的另一个实施例，该发光有机染料是包含苝四羧酸(Perylene tetracarbonic acid)的染料。能够制造出这种具有多种颜色转变特性的创新有机染料。相应地，能够将该光源发出的蓝色或紫外光转变为具有高光谱纯度和亮度的相当多的颜色。
例如，该颜色转变单元的至少一个颜色转变部分能够设置为将所述蓝色或紫外光转变为绿光。在这种情况下，该无机发光材料包含SrSi2O2N2:Eu和/或LuAG:Ce(掺有铈的镥-铝-石榴石)。该颜色转变单元的颜色转变部分还可以设置为将光源发出的蓝色或紫外光转变为红光。在这种情况下，该无机发光材料包含CaS:Eu和/或CaAlSiN3:Eu。
在另一实施例中，该无机发光材料显示出大于其作为单晶材料的理论密度的97％的密度，以便通过减少发光材料中的散射效应进一步减少受照射无机发光材料中受激态的无辐射松弛量，从而使得转变光在离开发光材料之前在发光材料内的光路更短。在按压这个材料时，例如通过大的压力形成大的厚度。
根据本发明的另一个实施例，该光源发射蓝色光并且该颜色转变单元包括至少一个透明部分。如果是发射蓝色光的光源，例如蓝色LED，则光能够直接用于颜色混和，使得整个颜色转变可能不是必须的。该透明部分能够由玻璃或者透明聚合物制成，例如聚碳酸酯。
根据本发明的另一个优选实施例，该颜色转变单元包括设置为周期性地将所述蓝色或紫外光转变为红色、绿色和蓝色光的三个部分。通过生成红色、绿色和蓝色的基色，根据本发明的发光器件可以用于生成宽色谱，其特别用于照明或者显示应用。如果是UV光源，则该颜色转变单元可以包括透明部分和两个颜色转变部分，这两个颜色转变部分设置为将UV光分别转变为黄色和蓝色光。如果是蓝色光源，则该颜色转变单元可以包括透明部分和两个颜色转变部分，这两个颜色转变部分设置为将蓝色光分别转变为红色和绿色光。如果是蓝色光光源，则该颜色转变单元还可以仅包括两个部分，其中一个为透明的或者半透明的部分，另一个为用于将蓝色光转变为黄色光的颜色转变部分。
根据本发明的另一个实施例，将该颜色转变单元设计为以旋转频率旋转的旋转振荡器，特别是包括至少两个扇形部分的色轮，其中至少一个为颜色转变部分。旋转振荡器，特别是色轮的优点是由于其表面上的空气边界层，其还可以用作发光器件的冷却风扇。其它冷却风扇元件能够安装到旋转振荡器的轴上。
优选的是，该色轮包括每次旋转完成不只一个颜色周期的至少四个部分。此处，颜色周期表示发射包含色轮提供的所有不同颜色的光所需的一次旋转的小部分。例如，如果存在两个发射蓝色光的部分以及两个发射黄色光的部分，并且这些部分按照蓝色/黄色/蓝色/黄色的顺序设置，则与仅存在两个部分(一个蓝色、一个黄色)的色轮不同，该色轮每次旋转完成两个颜色周期。在后一种情况下，该色轮每次旋转仅完成一个颜色周期。通过实现每次旋转不止一个颜色周期，可以减少颜色中断效应，或者作为替代，可以减少所需的色轮旋转频率。
根据本发明的另一个优选实施例，色轮的扇形部分之间的接触表面设有反射涂层。这将避免可能由于光导现象而造成的光从一个部分到另一个部分的泄漏。
根据本发明的另一个实施例，光源的数量对应于色轮扇形部分的数量，其中该光源设置为同时照射该色轮的所有扇形部分。这样可以提高总光通量，并且可以通过降低所生成光束的颜色变化幅度来降低颜色中断效应。
可以以不同方式制造该色轮。例如，可以通过胶结连接色轮的扇形部分。如果使用聚合物基体中的发光有机染料，则还可以通过将包含各种染料的聚合物模制成单一的紧凑形状来制造该色轮。
根据本发明的另一个实施例，将颜色转变单元设计成以振荡频率振荡的线性振荡器。该线性振荡器可以包括压电致动器或者螺线管。
该发光器件的光源可以是连续发光光源。其还可以是脉冲光源。在后一种情况下，该发光器件优选包括电子控制单元，其设置为使光源的脉冲图案与颜色转变单元(例如色轮)的交替频率同步，从而生成希望的颜色深浅程度。
本专利申请的另一个方面是一种用于生成彩色光的方法，其包括发射蓝色或紫外光的至少一个光源，用于将所述蓝色或紫外光转变为可见光的颜色转变单元，所述颜色转变单元包括至少两个部分，其中至少一个部分为颜色转变部分，所述至少一个颜色转变部分包含发光材料，所述发光材料为聚合物基体中的发光有机染料或者晶态无机发光材料，其中利用所述蓝色或紫外光交替照射所述至少两个部分。
根据依照本发明的方法的实施例，该光源是脉冲光源，并且使所述脉冲光源的脉冲图案与所述颜色转变单元的交替频率同步，从而生成希望的颜色深浅程度，其中使所述颜色转变单元的交替频率适于所述脉冲光源的脉冲图案，或者使所述脉冲光源的脉冲图案适于所述颜色转变单元的交替频率。
本申请的另一个方面是将权利要求1的发光器件用作一般照明或者医疗、艺术和摄影用途的颜色可调光源。提供包括UV光的光的发光器件能够用于希望荧光效果的照明目的。本专利申请的另一个方面是将权利要求1的发光器件用于投影设备中。
而且，本专利申请的另一个方面是将权利要求1的具有UV光源的发光器件用作医治皮肤缺陷和皮肤疾病、特别是牛皮癣的装置。
参照以下附图阐明并理解本专利申请的这些及其他方面。
附图说明
图1a、b表示了根据本发明的包括光源和具有旋转振荡器的颜色转变单元的发光器件的侧视图和顶视图。
图2表示了图1的旋转振荡器的另一个实施例的顶视图。
图3a、b表示了特征为三个光源的图1的发光器件的另一个实施例的顶视图和透视图。
图4表示了根据本发明的包括光源和具有线性振荡器的颜色转变单元的发光器件的侧视图。
图5表示了表征线性振荡器的另一个实施例的图4的发光器件的侧视图。
具体实施方式
图1a表示了根据本发明的发光器件的侧视图，其包括光源和颜色转变单元。目前，该光源设计为蓝色LED1。然而，本发明不限于LED。该光源能够设计为蓝色发光激光器，例如蓝色半导体激光器或者ArF*激光器，或者气体放电灯。目前，该颜色转变单元设计为由电机(未示出)驱动的色轮2，从而使色轮以旋转频率旋转。在另一个实施例中，在使用该发光器件过程中，该旋转频率可以变化。然而，其也可以设计为其它适当的旋转。
目前，该色轮2包括两个颜色转变扇形部分2a、2b和透明部分2c。该颜色转变扇形部分2a、2b中每一个都包括包含发光有机染料的聚合物基体。优选的是，该发光有机染料是基于苝四羧酸的染料。扇形部分2a的有机染料将LED1发射的蓝色光转变为红色光，而扇形部分2b的有机染料将蓝色光转变为绿色光。作为替代，颜色转变部分2a、2b中的每一个都包括晶态无机发光材料，其烧结成透明或者半透明陶瓷体。如果是将蓝色光转变为绿色光的扇形部分2a，则该无机发光材料可以是SrSi2O2N2:Eu和/或LuAG:Ce。将蓝色光转变为红色光的扇形部分2b可以包含CaS:Eu和/或CaAlSiN3:Eu作为晶态无机发光材料。扇形部分2c是由透明材料制成的，例如玻璃或者透明聚合物，例如聚碳酸酯。优选的是，色轮2的扇形部分2a、2b、2c之间的接触表面设有反射涂层。利用各个扇形部分之间的反射涂层，可靠地避免了互扰(crossover)效应。
因为具有将LED的蓝色光分别转变为红色或绿色光的两个颜色转变扇形部分2a、2b并且透明部分2c对于蓝色光是完全透明的，所以色轮2覆盖了全部颜色周期，并且因此能够用于多种显示或照明用途。
图1a的发光器件还包括电子控制单元(未示出)，其控制LED1的驱动电流和色轮2的旋转频率。例如，利用脉冲驱动电流驱动LED1，使其发射脉冲光束。考虑到人视觉的惯性和波长相关敏感度，可以使脉冲长度和脉冲频率按照某种方式适于该旋转频率，使得在色轮后面生成的光束产生白光。通过提高例如穿过色轮2的透明扇形部分2c的脉冲的脉冲长度，可以容易地使颜色印象向蓝色偏移。应当理解，通过改变单个扇形部分的角度范围，也能够控制该颜色印象。
在根据本发明的发光器件的另一个实施例(未示出)中，该光源可以设计为紫外发光LED或者UV激光器，例如KrF*激光器。应当理解，在这种情况下，色轮2的透明部分2c必须被颜色转变部分取代，其例如将激光器的脉冲UV光转变为蓝色光。
图2表示了图1b的色轮的另一个实施例的顶视图。
与图1b的色轮2相比，色轮3包括将蓝色光转变为红色光的两个颜色转变部分3a、3d，将蓝色光转变为绿色光的两个颜色转变部分3b、3e，以及两个透明部分3c、3f。因此，色轮3每次旋转覆盖两个颜色周期。其优点在于，显著减小了中断效应，或者作为替代，可以减少所需的色轮旋转频率。如图1b的色轮2的情况一样，优选地使用反射涂层覆盖色轮3的扇形部分3a-3f之间的接触表面。
图3a表示了根据本发明的发光器件的另一个实施例的顶视图。
图3a的发光器件包括三个不同LED 1a、1b、1c，其中每一个都发射蓝色光。图3a的发光器件还包括色轮2，其包括三个扇形部分2a、2b、2c。扇形部分2a、2b设计为将蓝色光分别转变为红色或绿色光，而扇形部分2c对于蓝色光是完全透明的。蓝色LED 1a、1b、1c分别以120度的角度距离相互间隔开，从而同时照射色轮2的三个扇形部分2a、2b、2c。这可以提高总的光通量，同时通过降低所生成的光束中的颜色变化幅度来降低颜色中断效应。
图4表示了根据本发明的发光器件的侧视图，其特征在于由线性振荡器驱动颜色转变单元。
详细地讲，图4的发光器件包括作为光源的蓝色LED 4和颜色转变单元5，颜色转变单元5则包括三个颜色转变部分6a、6b、6c和透明部分6d。与图1到3的色轮相比，颜色转变单元5的部分6a-6d以线性排列彼此相邻设置。而且，该颜色转变单元5与机械谐振器6耦合，以便以振荡频率驱动颜色转变单元5。通过实现每次振荡不止一个颜色周期，将获得从该转变单元的不同部分发出的光的更均匀的颜色印象。可选的是，通过增大数量的颜色转变部分6a-6d能够降低振荡频率，以获得与较高频率下利用较少数量的颜色转变部分获得的相同的颜色印象。目前，利用与交流电流源相连的电磁致动器(螺线管)7激励机械谐振器6。
当受到螺线管7激励时，该机械谐振器以及与该谐振器6耦合的颜色转变单元5进行线性振荡运动，使得LED 4发射的蓝色光连续照射颜色转变单元6a、6b、6c和透明部分6d。与色轮类似，该颜色转变单元5生成快速的不同颜色序列，由于人的视觉惯性，其被视为颜色混和。
图5表示了另一发光器件的侧视图，其特征在于由线性振荡器驱动不同的颜色转变单元。
与图4的发光器件相比，由与交流电压源相连的压电致动器8激励机械共振器6’，以便以振荡频率驱动颜色转变单元5。
尽管已经表示并描述和指出了应用于本发明优选实施例的本发明的基本新颖特征，但是应当理解，本领域技术人员可以在不背离本发明精神的情况下对设备和方法的形式和细节进行各种省略和取代以及变化。例如，明显希望的是，按照基本相同的方式实施基本相同功能以实现相同结果的元件和/或方法步骤的所有组合均落在本发明范围内。此外，应当认识到，可以将结合本发明任何所公开的形式和实施例表示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤包含在任何其它所公开或描述或建议的形式或实施例中，作为一般的设计选择内容。因此，目的是仅由如所附权利要求的范围所示进行限定。还应当认识到，任何附图标记不应构成对权利要求的限制。

Claims (14)

1.用于生成彩色光和白光的发光器件，其包括：
至少一个发射蓝色或者紫外光的光源(1、4)，
用于将所述蓝色或者紫外光转变为可见光的包括至少两个部分(2a、2b、2c、6a、6b、6c、6d)的颜色转变单元(2、5)，其中至少一个部分(2c、6d)为透明的或者半透明的颜色转变部分，所述颜色转变单元(2、5)设置为利用所述蓝色或者紫外光交替地照射所述至少两个部分(2a、2b、2c、6a、6b、6c、6d)，所述至少一个颜色转变部分包含发光材料，其中所述发光材料为聚合物基体中的发光有机染料或者晶态无机发光材料。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述光源(1、4)是发光二极管。
3.根据权利要求1或2所述的发光器件，其中所述发光有机染料是包括苝四羧酸的染料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的发光器件，其中所述无机发光材料显示出大于其作为单晶材料的理论密度的97％的密度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的发光器件，其中所述颜色转变部分(2b、3、3e)设置为将所述蓝色或紫外光转变为绿色光，并且包含SrSi2O2N2:Eu和/或LuAG:Ce作为晶态无机发光材料，或者其中所述颜色转变部分(2a、3a、3d)设置为将所述蓝色光或紫外光转变为红色光，并且包含CaS:Eu和/或CaAlSiN3:Eu作为晶态无机发光材料。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的发光器件，其中所述颜色转变单元设计成以旋转频率旋转的旋转振荡器(2)或者以振荡频率振荡的线性振荡器(5、6、6’)。
7.根据权利要求6所述的发光器件，其中所述旋转振荡器是以旋转频率旋转的色轮(2、3)，其包括至少两个扇形部分，其中至少一个为透明或者半透明的颜色转变部分。
8.根据权利要求7所述的发光器件，其中所述色轮(2、3)包括至少四个部分以在每次旋转完成多于一个颜色周期。
9.根据权利要求7所述的发光器件，其中所述扇形部分之间的接触表面设有反射涂层。
10.根据权利要求6所述的发光器件，其中所述线性振荡器(5、6’)包括压电致动器(8)或者螺线管(7)。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的发光器件，其中所述光源(1、4)是脉冲光源，并且该发光器件还包括电子控制单元，该电子控制单元设置为使所述脉冲光源的脉冲图案与所述颜色转变单元的交替频率同步，从而生成希望的颜色深浅程度。
12.一种用于生成彩色光和白光的方法，其包括发射蓝色或紫外光的至少一个光源(1、4)，用于将所述蓝色或紫外光转变为可见光的颜色转变单元(2、5)，所述颜色转变单元(2、5)包括至少两个部分(2a、2b、2c、6a、6b、6c、6d)，其中至少一个部分(2c、6d)为透明或者半透明的颜色转变部分，所述至少一个颜色转变部分包含发光材料，所述发光材料为聚合物基体中的发光有机染料或者晶态无机发光材料，其中利用所述蓝色或紫外光交替照射所述至少两个部分。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该光源(1、4)是脉冲光源，并且使所述脉冲光源的脉冲图案与所述颜色转变单元的交替频率同步，从而生成希望的颜色深浅程度。
14.如权利要求1所述的具有UV光源(1、4)的发光器件作为医治皮肤缺陷和皮肤脱落、特别是牛皮癣的装置的用途。
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