CN102356480A - 颜色调节装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种颜色调节装置，该装置包括：i）第一波长转换材料，其被设置成接收外界光，并且能够将第一波长范围的外界光转换成第二波长范围的光和/或反射所述第二波长范围的外界光，所述第二波长范围为可见光谱的一部分；以及ii）互补波长转换材料，其被设置成接收外界光并且能够将所述外界光的部分转换成与所述第二波长范围互补的互补波长范围的光，并且被设置成允许所述第二波长范围和所述互补波长范围的光混合；从而由所述第一波长转换材料反射和/或发射的所述第二波长范围的光与所述互补波长范围的光在朝着观看位置离开颜色调节装置时混合，离开颜色调节装置的光从而看起来彩色较少，即具有基本上在黑体线附近的色点。本发明因此允许至少部分地消除或中和基于半导体磷光体的光源的不希望的彩色外观。

Description

颜色调节装置
技术领域
本发明涉及一种包括第一波长转换材料和互补波长转换材料的颜色调节装置。
背景技术
基于发光二极管（LED）的照明设备日益用于各种各样的光照和信令应用。LED相对于诸如白炽灯和荧光灯之类的传统光源提供了优势，包括长寿命、高流明效能、低工作电压和流明输出的快速调制。
高效的高功率LED经常基于蓝光发射InGaN材料。为了产生基于LED的具有希望的颜色（例如白色）输出的照明设备，可以提供通常称为磷光体的适当波长转换材料，该材料将LED发射的光的部分转换成较长波长的光以便产生具有希望的光谱特性的光的组合。用于基于蓝色LED的设备中以便发射白色光的适当波长转换材料的一个实例是掺铈钇铝石榴石（YAG:Ce）。
基于LED磷光体的照明设备的一个缺点在于，在设备的功能断开状态下，磷光体的颜色可以清晰可见。例如，YAG:Ce具有明显的淡黄色外观。由于在许多应用中，断开状态下光源的彩色外观是不希望的，因而开发了若干技术以产生在断开状态下具有中性的（例如白色或者稍带白色的）外观的基于LED的照明设备。WO2008/044171中公开了一种这样的技术，该文献描述了一种包括LED和磷光体层的光照设备。该光照设备进一步包括用于在功能断开状态下向LED提供残余电流的构件。作为在光照设备的功能断开状态下流经LED的残余电流的结果，LED产生的微量光比反射的外界光更亮，并且因而LED将对于人眼看起来具有中性色。
然而，在本领域中存在对于改进的发光设备的需要，所述改进的发光设备在功能断开状态下具有白色或中性外观。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术问题中的至少一些，并且提供一种可以在断开状态下降低发光设备的波长转换材料的彩色外观的颜色调节装置。
在一个方面中，本发明涉及一种颜色调节装置，该装置包括：
第一波长转换材料，其被设置成接收从颜色调节装置外部的观看位置入射的外界光，并且能够将第一波长范围的外界光转换成第二波长范围的光和/或反射所述第二波长范围的外界光，所述第二波长范围为可见光谱的一部分；以及
互补波长转换材料，其被设置成接收外界光并且能够将所述外界光的部分转换成与所述第二波长范围互补的互补波长范围的光，并且被设置成允许所述第二波长范围和所述互补波长范围的光混合，
从而由所述第一波长转换材料反射和/或发射的所述第二波长范围的光在朝着所述观看位置离开颜色调节装置时与所述互补波长范围的光混合，离开颜色调节装置的光具有基本上在黑体线附近的色点，因此，从而看起来彩色较少，即优选地为中性，例如稍带白色的或者白色的。因此，当暴露于外界光时，用于通过转换LED发射的蓝色光而获得白色光的磷光体的颜色从外部不可见，或者至少不那么可见。颜色调节装置可应用于基于不同磷光体的LED，这些LED包含蓝色磷光体、橙色/琥珀色磷光体、红色磷光体或者绿色磷光体，这通过在每种情况下添加适当的互补色（波长范围）而实现。
利用依照本发明的颜色调节装置，无需附加的散射材料用于给出较少彩色的断开状态外观的目的，这可以导致效率提高，因为可以降低由于接通状态下的散射而损失的光量。
例如，互补波长转换材料可能能够将高达420nm的，例如从250nm至420nm，比如从350nm至420nm的波长范围内的外界光转换成所述互补波长范围的光。有利的是，可以使用适当的波长转换材料将UV或深蓝色光转换成任何可见光波长。使用UV吸收互补波长转换材料的另一个优点在于，它可以向颜色调节装置的第一波长转换材料和任何其他结构或者包括颜色调节装置的照明设备的任何结构提供保护以免受UV光。典型地，互补波长范围可以为从400nm至500nm。
第一波长范围可以为从300nm至520nm，例如为从420nm至480nm。此外，第二波长范围可以为从490nm至780nm。
颜色调节装置可以包括包含所述第一波长转换材料的第一域（例如层）以及包含所述互补波长转换材料的互补域（例如层）。因此，第一波长转换材料和互补波长转换材料可以在空间上分开，这可以降低第一波长转换材料重新吸收由互补波长转换材料发射的互补波长范围的光的风险。这样的重新吸收可能降低互补波长转换材料的颜色调节效果。因此，通过将第一波长转换材料和互补波长转换材料设置在分开的域中，较少量的互补波长转换材料可以用来实现颜色调节效果。
上面描述的互补域可以进一步包括散射元件，这可以提高颜色调节装置的颜色调节效果。例如，例如散射层形式的散射域可以设置在经由互补域延伸到第一域的入射外界光的路径上，使得入射外界光首先到达互补域，随后到达散射域，并且最后到达第一域。由于某些散射材料（例如TiO2）可能与互补波长转换材料竞争光吸收，因而可能优选的是将互补波长转换域设置成使得外界光在进入散射材料之前进入该域。通过这种方式，可以更有效地利用互补波长转换材料。
在本发明的实施例中，颜色调节装置可以包括多个具有不同散射性质的散射域。因此，可以调整对于颜色调节效果的散射贡献，并且可以有效地循环利用波长转换材料发射的光。
颜色调节装置可以进一步包括二向色反射器，该反射器可以设置在经由所述互补域延伸到所述第一域的入射外界光的路径上，使得入射外界光首先到达所述互补域，随后到达所述二向色反射器，并且最后到达所述第一域。二向色反射器的存在可以增大由互补波长转换材料转换的光量。此外，通过保护第一波长转换材料以及散射层（当存在时）免受外界UV光，二向色反射器可以避免或降低UV引起的损害和/或提高第一波长转换材料和/或散射层的性能。
互补波长转换材料可以包括无机磷光体材料，优选地包括BAM磷光体。互补波长转换材料可以是微粒（particulate）材料。通过适当地选择颗粒尺寸，可以适应性调节互补波长转换材料在散布于粘合剂（binder）或载体材料中时对光散射的贡献。
可替换地，互补波长转换材料可以包括有机材料。商业荧光材料可容易获得。有机分子可以溶解到载体材料中并且因而不对光散射产生贡献，这可以改进光提取。
在另一个方面中，本发明涉及一种照明设备，该照明设备包括诸如LED或固态激光二极管之类的半导体发光元件以及如这里所描述的颜色调节装置，所述半导体发光元件用于发射所述第一波长范围的光。
典型地，第一波长转换材料可以设置在从所述半导体发光元件到所述互补波长转换材料的光路上，使得在照明设备的接通状态下，半导体发光元件发射的光在到达互补波长转换材料之前到达第一波长转换材料。通过这样将互补波长转换材料设置在第一波长转换材料“之上”或“之外”，互补波长转换材料不阻挡从LED发射且预期由第一波长转换材料接收的光的通过。因此，实现了接通状态下第一波长转换层的有效使用。此外，如果互补波长转换材料是吸收UV的，那么它可以向半导体发光元件以及第一波长转换材料提供保护以免受UV辐射。此外，当第一和互补波长转换材料的各自吸收波长范围至少部分地重叠（即互补波长转换材料吸收范围至少部分地覆盖所述第一波长范围）时，将互补波长转换材料设置在第一波长转换材料之外可以进一步降低第一波长转换材料的不希望的断开状态颜色发射和/或颜色反射。例如，各种不同的磷光体材料可能在光谱的蓝色部分而且也在光谱的UV部分具有吸收带。吸收外界UV的互补波长转换材料将防止第一波长转换材料的UV激发以及不希望的颜色的随后的重新发射。
在本发明的实施例中，所述半导体发光元件以及所述第一波长转换材料和所述互补波长转换材料中的至少一个相互隔开地设置。例如，第一波长转换材料和互补波长转换材料可以与半导体发光元件隔开，或者只有互补波长转换材料和半导体发光元件相互隔开。这种远程配置有利于通过使用邻近发光元件的高反射表面循环利用由磷光体向后朝半导体发光元件发射的光。
典型地，所述照明设备可以是在其接通状态下发射白色光的照明设备，所述白色光即具有基本上在黑体线附近的色点的光。
在本发明的实施例中，所述照明设备可以进一步包括附加的光源，优选地包括附加的诸如LED之类的半导体发光元件，所述附加的光源在用于发射第一波长范围的光的所述半导体发光元件的断开状态下向互补波长转换材料提供从250nm至420nm的波长范围的光以便转换成互补波长范围的光。因此，即使外界光在互补波长转换材料的吸收波长范围内而不是在所述第一波长范围内缺乏，也仍然可以获得可接受的颜色调节效果。
应当指出的是，本发明涉及权利要求书中记载的特征的所有可能的组合。
附图说明
现在，将参照示出本发明的当前优选的实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面。
图1示出了包括依照本发明实施例的颜色调节装置的照明设备；
图2示出了CIE 1931 x, y色度空间，其中标记了分别代表依照本发明实施例的所述第一波长范围的光和所述互补波长范围的光的位置；以及
图3示出了包括依照本发明实施例的颜色调节装置的照明设备；
图4示出了包括依照本发明实施例的颜色调节装置的照明设备。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的有利实施例。如图所示，各层和区域的尺寸出于图示的目的而被夸大，并且因而被提供来说明本发明实施例的一般结构。
图1中示出了包括依照本发明实施例的颜色调节装置的照明设备。照明设备1包括LED 2形式的半导体光源，该光源设置在衬底3上并且通过常规方式（未示出）连接到电源。第一波长转换材料4被设置成接收由LED 2发射的所述第一波长范围的光的至少一部分并且发射第二（不同）波长范围的波长转换的光。此外，互补波长转换材料6设置在入射外界光到第一波长转换材料4的路径上。最后，散射域7在第一波长转换材料与互补波长转换材料之间且围绕LED 2而提供。
LED 2可以是任何类型的常规LED，例如包括用于产生光的p-n结的无机LED。然而，在本发明的实施例中，半导体光源可以是任何其他固态源，例如固态激光器。LED 2在操作中适于发射至少第一波长范围的光。典型地，半导体发光元件可以适于发射300-520nm，例如350-500nm，比如400-500nm以及特别地420-480nm的范围内的波长的光。这样的半导体发光元件的实例包括基于InGaN、GaN和AlInGaN或ZnSe的LED。
LED 2可以是倒装芯片薄膜LED封装。可替换地，它也可以是生长衬底（典型地为蓝宝石）仍然存在于LED之上（在n侧）的倒装芯片设备，在这种情况下，可以将波长转换材料沉积在所述生长衬底上。此外，可以使用将丝焊（wire-bond）连接用于顶部电极的LED，在这种情况下，施加到LED 2上的任何波长转换材料都可以适当地适于允许焊线（bond wire）的通过。
为了发射希望的颜色的光，例如白色光，图1的照明设备包括第一波长转换材料4，该第一波长转换材料被设置成接收由LED 2发射的所述第一波长范围的光的至少一部分，并且在照明设备的光出射方向上发射波长转换的光。波长转换材料4吸收接收的光中的至少一些并且随后重新发射第二（不同）波长范围的光。LED 2和波长转换材料4典型地被选择成使得得到的离开照明设备1的所述第一和第二波长范围的光的混合物被感知为具有希望的颜色，例如白色。典型地，为了实现白色光，当LED发射的所述第一波长范围为420-480nm时，第二波长范围可以为470-800nm，例如490-780nm（YAG:Ce的发射范围）或者470-710nm（LuAG:Ce的发射范围）。
适当的波长转换材料的实例包括也称为磷光体的无机波长转换材料。可以在本发明实施例中典型地与蓝色LED组合使用的第一波长转换材料的实例是掺杂铈的钇铝石榴石（Y3Al5O-12:Ce3+，也称为YAG:Ce）。作为铈的替换物，诸如铽（Tb）或铕（Eu）之类的另一种适当的元素可以用作掺杂剂。此外，例如在Y3(Al,Gd)5O-12:Ce3+中，部分铝可以用钆（Gd）或镓（Ga）代替，其中更多的Gd导致黄色发射的红移。通过入射光（典型地为蓝色光）的不完全转换，混合的光可以是白色的，并且因而用Gd代替可以提供更暖的白色发射。依照本发明实施例的可以用于第一波长转换材料的磷光体材料的其他实例包括具有淡绿色的发射的镥铝石榴石LuAG:Ce，公式为Lu3Al5O12:Ce3+，其中可以实现类似的掺杂剂或Al替换物。可以通过部分转换将淡绿色的发射与蓝色混合成带绿色的白色。
通常，适当的发光材料可以包括具有通用公式(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb的铝石榴石磷光体，其中0<x<1，0<y<1，0<z≤0.1，0<a≤0.2并且0<b≤0.1。
此外，可以使用由光源激发的其他磷光体材料，例如氧氮化物磷光体，比如掺杂铕（Eu）的SrSi2O2N2或BaSi2O2N2或CaSi2O2N2，或者氮化物磷光体，比如掺杂铕的钡锶硅氮化物(Ba,Sr)2Si5N8或者掺杂铕的钙铝硅氮化物。
通常，适当的发光材料可以包括(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+，其中0≤a<5，0<x≤1，0≤y≤1并且0<z≤1，例如发射红色范围内的光的Sr2Si5N8:Eu2+。
其他适当的发光材料可以包括通用公式为(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua 2+（a=0.002-0.2，b=0.0-0.25，c=0.0-0.25，x=1.5-2.5，y=1.5-2.5，z=1.5-2.5）的材料。
在一个可替换的实施例中，代替发射所述第一波长的光的半导体发光元件的是，照明设备可以包括发射比所述第一波长范围更短的波长范围的光的半导体发光元件以及被设置成接收该半导体发光元件发射的光且适于将该光转换成所述第一波长范围的光的附加波长转换材料。因此，上面描述的第一波长转换材料接收的第一波长范围的光可能来源于所述附加波长转换材料。例如，代替蓝光发射LED的是，可以使用UV发射LED与UV吸收和蓝光发射波长转换材料的组合。
波长转换材料4被设置成接收LED 2发射的光的至少一部分。在图1所示的实施例中，波长转换材料4施加到LED 2之上。例如，波长转换材料4可以烧结成陶瓷部件并且形成适当的形状，例如具有与LED 2近似相同的表面面积，且借助于结合层（bonding layer）（未示出）附接到LED。可替换地，波长转换材料可以散布于粘合剂材料（例如环氧树脂或硅树脂）中，并且使用例如电泳沉积而沉积在LED之上。
可替换地，第一波长转换材料可以设置在相距LED的一定距离处，从而形成所谓的远程磷光体布置，这将在下面参照图3详细地描述。在这样的布置中，第一波长转换材料可以接收多个LED源发射的所述第一波长范围的光。
适合用于施加到LED之上的波长转换材料的粘合剂材料的实例包括硅树脂、聚酰亚胺、倍半硅氧烷或溶胶-凝胶型材料，其形成硅酸盐、硅酸甲酯或者苯基硅酸盐网络。适合供远程磷光体使用的粘合剂材料的实例包括聚丙烯酸酯/丙烯酸树脂（例如PMMA）、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酯、聚烯烃（例如聚乙烯、聚丙烯）和硅树脂。
波长转换材料4的色貌可能由以下所述产生：i）将从照明设备1外部的观看位置入射到波长转换材料4上的外界光的部分（例如外界光的蓝色成分的部分和/或UV成分的部分）转换成该波长转换材料的发射波长范围的光，ii）由波长转换材料选择性地反射和/或后向散射发射波长范围的外界光，和/或iii）波长转换材料的转换/反射和半导体光源或基座设备的反射的组合（尤其是在波长转换材料处于透明或半透明陶瓷形式的情况下）。例如，YAG:Ce可以将400-520nm的波长范围的外界光转换成490-780nm的光，并且也部分地反射整个范围400-800nm内的波长的光。结果，YAG:Ce材料具有黄色外观。
本发明人发现，可以使用能够将外界光转换成与第一波长转换材料发射和/或反射的光互补的光的附加波长转换材料以便在照明设备的断开状态下避免或者中和或者至少减少第一波长转换材料的不希望的可见颜色。因此，图1中所示的本发明的实施例包括这样的颜色调节装置，该颜色调节装置包括被设置成将外界光转换成与第一波长转换材料4发射的第二波长范围互补的互补波长范围的光的互补波长转换材料6。因此，在照明设备1的断开状态下，如上所述由第一波长转换材料4发射和/或反射第二波长范围的光，并且由互补波长转换材料6发射互补互波长范围的光，使得得到的总的发射的和/或反射的光的组合因而降低波长转换材料的彩色外观。结果因而可以是白色或者稍带白色的外观，即具有基本上在黑体线10（参见图2）附近的色点。然而，在一些情况下，可能不必实现完全白色的外观，并且因而彩色外观的降低可能就足够了。此外，出于效率的原因，可能希望的是保持稍带彩色的外观。
“光”表示UV和可见电磁辐射。
“外界光”表示来源于依照本发明的照明设备的周围环境的UV和可见辐射。因此，外界光可以来源于自然的和人造的光源。
“互补光”或“互补波长（范围）”通常表示一定颜色的光，该光在以适当的比例与所述第二波长范围的光混合时，产生具有基本上在黑体线10附近的色点的中性色（白色或者稍带白色的）。
为了说明互补光的概念，图2示出了CIE 1931 x, y色度空间，其中标记了分别代表由YAG:Ce材料（第一波长转换材料的实例）（P1）发射的和由互补波长转换材料（P2）发射的光的位置P1和P2。取决于互补波长范围的光（这里为蓝色光）的量与第二波长范围的光（这里为淡黄色光）的量之比，获得由沿着所述位置之间的直线的位置代表的光混合。
应当指出的是，通过适当地选择能够在断开状态下将外界光转换成在与第一波长转换材料的发射/反射的颜色混合时提供希望的颜色的波长范围的光的附加波长转换材料，颜色调节装置的原理也可以用于在包含磷光体的照明设备的断开状态下实现任何希望的颜色，该照明设备在其接通状态下发射白色光或者任何特定颜色的光。在这样的情况下，这种附加波长转换材料的特征可以与这里针对互补波长转换材料描述的特征相同或相应。
优选地，互补波长转换材料6能够将UV或近UV光转换成较长波长的光。例如，互补波长转换材料可能能够吸收300nm至420nm的，例如大约350nm至380nm的波长范围的光，并且重新发射400-750nm的，典型地400-500nm的波长范围内的光。
此外，利用颜色调节装置观察的颜色减少效果将取决于入射光分布。例如，如果互补波长转换材料适于仅仅将UV光转换成互补波长范围的光并且外界入射光中存在很少的或者不存在UV光，那么如果互补层也是透明的，则不会实现令人满意的颜色调节效果。然而，如果互补波长转换材料是散射的，那么仍然可以实现令人满意的颜色调节效果。
此外，互补波长转换材料可能能够透射具有比所述互补波长范围更长的波长的光，例如由第一波长转换材料4发射的转换光。
互补波长转换材料可以以这样的量存在，该量适于使得离开设备的所述互补波长范围的光的强度与离开设备的所述第二波长范围的光的强度匹配，从而得到的离开颜色调节装置的所述第二和互补波长范围的光的组合具有希望的降低的彩色外观，例如基本上为白色或者稍带白色的，即具有黑体线10上或附近的色点。离开设备的互补波长范围的光的强度可以与离开设备的第二波长范围的光的强度近似相同。通过这样使互补波长转换材料的量适应第一波长转换材料的将外界光转换成所述第二波长范围和/或将第二波长范围的外界光反射到光出射方向上的能力，获得得到的光组合，其中既不是第二波长范围的光的强度，也不是离开照明设备的互补波长范围的强度占主导，从而既不是第一波长转换材料的颜色，也不是互补波长转换材料的颜色可以明显地辨别。波长转换材料的量可以通过调节层厚度、微粒浓度或分子溶解转换材料浓度或者掺杂剂浓度而适应性地调节。
互补波长转换材料6被设置成接收外界光以便在光出射方向上发射波长转换的光，使得在断开状态下离开照明设备1的光为所述第二波长范围和所述互补波长范围的光的混合物。因此，互补波长转换材料的功能可以依赖于外界光照条件。
在本发明的实施例中，照明设备可以包括包含所述第一波长转换材料的第一域（例如层）以及包含所述互补波长转换材料的互补域（例如层）。第一波长转换材料和互补波长转换材料因而可以包含在分开的域中。在其中第一波长范围和互补波长范围重叠的实施例中，互补波长转换材料与第一波长转换材料的空间分离可以降低第一波长转换材料重新吸收和转换互补波长转换材料发射的光的风险。因此，有利的是，将第一波长转换材料和互补波长转换材料设置在分开的域中可以避免或者至少降低互补光的任何不希望的重新吸收，并且因而可以提高互补波长转换材料的效果。
在本发明的实施例中，第一波长转换材料4可以设置在从LED 2到互补波长转换材料的光路中。因此，在可以为白色照明设备的照明设备1的接通状态下，由LED 2产生的所述第一波长范围的光典型地到达第一波长转换材料4，其中所述光的部分被吸收且随后作为所述第二波长范围的（即转换的）光而重新发射，并且所述光的部分被透射。然而，在本发明的实施例中，第一波长范围的基本上所有所述光都可以由波长转换材料4转换。因此，离开第一波长转换材料4的光是所述第一波长范围的光和所述第二波长范围的光的混合物。离开第一波长转换材料4的光的混合物随后到达互补波长转换材料6，光透射通过该互补波长转换材料并且可选地被散射。所述第一和第二波长范围的光的混合物然后可以离开照明设备1。
例如，互补波长转换材料6可以设置在照明设备1的光出射窗口中。
本发明的互补波长转换材料可以是无机波长转换材料，例如磷光体，或者是有机荧光材料，例如基于有机物的光学光亮剂（也称为荧光增白剂，FWA）。
适当的无机互补波长转换材料的一个实例是掺铕BAM型磷光体，例如BaMgAl10O17:Eu。这样的BAM磷光体对于与作为第一波长转换材料的YAG:Ce材料组合使用是特别有利的，因为它可以将UV或近UV光转换成400-520nm的波长范围内的光，该光典型地在大约450nm处具有峰值发射。
适当的有机荧光材料的实例包括4,4’-双(苯并恶唑-2-基)二苯乙烯(4,4’-bis(benzoxazol-2-yl)stilbene) (商业名称UVITEX OB-ONE)；2-二苯基硫代双(5-叔丁基-1,3-苯并恶唑) (2-thiophenediylbis(5-tert-butyl-1,3-benzoxazole)) (商业名称UVITEX OB)和六钠-2,2’-[次亚乙烯基双[3-磺酸-4,1-(亚苯基)亚氨基[6-(二乙氨基)-1,3,5-三嗪-4,2-二基]亚氨基]]双(苯-1,4-二磺酸盐) (hexasodium-2,2’-[vinylenebis[3-sulfonato-4,1-phenylene)imino[6-(dietylamino)-1,3,5-triazine-4,2-diyl]imino]]bis(benzene-1,4-disulphonate))及其混合物，其特别地用于与作为第一波长转换材料的YAG:Ce材料组合使用。此外，也可以使用有机染料材料，例如咕吨染料、恶嗪染料、花青染料、若丹明、香豆素、聚对乙烯撑、三(8-羟基喹啉)铝(Alq3)或者4-(二氰基亚甲基)-2-甲基-6-(p-二甲基氨基苯乙烯)-4H-吡喃(4-dicyanomethylene-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyrene)-4H-pyran) (DCM)。
在本发明的实施例中，互补波长转换材料可以对发射和/或透射的光提供光散射效果。典型地，当波长转换材料为具有100nm-15μm的范围内的平均颗粒尺寸的微粒时，互补波长转换材料可以对光的散射产生贡献。光的散射可以提高接通状态下离开照明设备1的光的均匀性，并且可以对降低断开状态下照明设备的第一波长转换材料的彩色外观产生贡献。通常，具有小于100nm的平均颗粒尺寸的微粒互补波长转换材料不会显著地对光的散射产生贡献。微粒也可以散布在其中微粒基本上不散射的相似折射率的粘合剂中。
可替换地，互补波长转换材料可以是宏观固体，例如烧结的陶瓷部件。在这样的部件中，可以包含若干孔隙以便提供散射功能，和/或可以包含附加的散射颗粒。
互补波长转换材料6可以是可选地散布在载体或粘合剂材料中的微粒材料。互补波长转换材料的平均颗粒尺寸（直径）于是可以在从10nm至大约15μm的范围内。在本发明的实施例中，1-15μm的范围内的平均颗粒尺寸可能是优选的。然而，在本发明的其他实施例中，具有小于100nm的直径的通常不对光的散射产生贡献的颗粒可能是优选的。通过适当地选择颗粒尺寸，可以适应性调节互补波长转换材料在散布于粘合剂或载体材料中时对光散射的贡献。
可替换地，互补波长转换材料可以可溶解于载体或粘合剂材料中，所述粘合剂材料例如上面参照第一波长转换材料描述的那些粘合剂材料。当互补波长转换材料溶解于粘合剂材料中时，它通常不对光的散射产生贡献。
在照明设备1的断开状态下，LED 2不产生光。入射到照明设备1上的外界光可以到达互补波长转换材料6，并且入射外界光的部分（例如近UV光）可以被吸收并且随后作为所述互补波长范围的光而重新发射，而外界光的部分可以被互补波长转换材料6透射并且可选地散射。互补波长转换材料6发射的光的至少一部分可以离开照明设备1。此外，互补波长转换材料6透射的外界光的部分可以到达第一波长转换材料4，其中该光的一部分（典型地为所述第一波长范围的光）被吸收并且作为所述第二波长范围的光而重新发射，而第二波长范围内的入射光至少部分地被反射。由第一波长转换材料4发射的光的至少一部分可以离开照明设备1。因此，在断开状态下离开照明设备1的光可以是所述第一和互补波长范围的光的混合物。
如上所述可选地散布于粘合剂材料中的互补波长转换材料6可以设置为层，该层可以与包括第一波长转换材料4的层分开。当第一波长转换材料4和互补波长转换材料6包含在分开的层中时，可能优选的是包括第一波长转换材料的层设置在从LED到包括互补波长转换材料的层的光路上。所述分开的层可以彼此邻近地提供，或者它们可以由诸如透明层（例如透明胶粘剂）、散射层或空气间隙之类的隔离层分开。
可替换地或者此外，在其中诸如硅树脂之类的包括散布于其中的第一波长转换材料的粘合剂材料施加到LED 2之上的本发明实施例中，粘合剂材料可以进一步包括互补波长转换材料的至少一部分。
在本发明的实施例中，所述颜色调节装置可以除了波长转换材料之外还包括散射域。如图1中所示，散射域7可以在LED 2和第一波长转换材料4之上且至少部分地围绕它们而提供。在从观察者到第一波长转换材料的视线上提供的散射域可以降低第一波长转换材料的颜色的可见性。散射域也可以改进光的分布。例如，可以在第一波长转换材料4与互补波长转换材料6之间提供散射材料。适当的散射材料的实例是颗粒分散物，其包括二氧化钛（TiO2，包括锐钛矿和金红石及其混合物）、氧化铝（Al2O3）、硅石（SiO2）、氧化锆（ZrO2）、氧化钇（Y2O3）和硫化锌（ZnS）以及其中两个或更多的混合物。这样的散射颗粒的尺寸可以为100nm-15μm，典型地为200nm-1μm。这些颗粒可以散布于适当的粘合剂中，所述粘合剂可以类似于可以用于互补波长转换材料的粘合剂。可替换地或者此外，散射域也可以包括散射孔隙，例如通常存在于烧结的散射陶瓷层（例如散射氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化钇或氧化锆）中的那些散射孔隙，或者它可以包括在晶界处散射的多晶材料，例如致密烧结的氧化铝。
散射域可以高度散射，以便基本上是反射的。在这样的配置中，散射层的高反射率部分可以仅仅覆盖第一波长转换材料的部分，典型地仅仅覆盖侧面。此外，所述颜色调节装置可以包括具有不同散射程度的散射域；例如第一波长转换材料的横向侧面处的高度散射（反射）的域以及第一波长转换材料的顶部表面处的稍微散射（漫射）的域。高度散射的侧面也将高程度地反射入射外界光并且因而可以在断开状态下增大照明设备的中性颜色反射比，而接通状态下产生的光未被严重阻挡并且因而仍然可以实现显著的光提取，当侧面面积与顶面面积相比相对较小时，尤其如此。侧面反射器可以帮助消除未被第一波长转换材料转换的第一波长范围的光到侧面的光泄漏，或者通过半导体发光元件与第一波长转换材料之间存在的结合层泄漏的光或来自发光元件侧面的光到所述侧面的光泄漏。因此，反射侧面发射可以帮助提高颜色-角度均匀性。下面参照图4更详细地描述了包括多个散射域的本发明的一个实施例。
应当指出的是，波长转换材料本身可以具有散射性质。在本发明的实施例中，尤其是互补波长转换材料也可以提供如上所述的散射功能。
图3中示出了基于远程磷光体布置的本发明的一个实施例。在该实施例中，照明设备1包括如上面参照图1所描述的设置在衬底3上的LED 2，并且进一步包括包含设置在相距LED 2的一定距离处的第一波长转换材料的第一域4。波长转换材料4可以例如通过空气间隙与LED 2分开。因此，该实施例代表一种远程磷光体布置。典型地，LED与第一波长转换材料之间的距离可以为0.5mm-200mm。第一波长转换材料4可以散布于诸如丙烯酸脂粘合剂之类的粘合剂材料中并且涂敷到箔上或者喷涂到衬底上，所述衬底例如弯曲衬底，比如玻璃外壳。然后，可以将包括所述第一波长转换材料的层的箔或衬底设置在相距LED的一定距离处。远程磷光体配置允许通过使用照明设备的内壁（未示出）和/或具有高反射率的反射表面的衬底3而高效地循环利用光。
此外，在图3所示的实施例中，互补波长转换材料包含在分开的域6中，该分开的域位于第一域4的背离LED的侧面。
在另一个实施例中，第一波长转换材料可以定位成靠近LED，例如沉积到LED上，并且互补波长转换材料可以位于相距LED的一定距离处。
在其中散射层7对于互补波长转换材料适于吸收的波长的光可透射的本发明的又一个实施例中，散射层可以设置在互补域6之上，即设置在朝着互补波长转换材料的入射外界光的路径上。例如，氧化铝散射颗粒不吸收近UV光，从而允许部分的近UV光透射。
在本发明的另外的实施例中，所述颜色调节装置可以包括多个散射域（例如层），这些散射域具有不同的散射性质。图4中示出了这样的实施例的一个实例，其中如上面参照图3所描述的在包括第一波长转换材料的第一域与包括互补波长转换材料的互补域之间提供散射层71。散射层71可以是漫射的。此外，在LED 2的每侧提供至少一个散射域72。散射域72可以是至少部分地包围LED 2的一个域。散射域可以比散射层72更加反射，例如高度反射的。此外，如上所述，散射层71可以设置在互补域6之上，即设置在朝着互补波长转换材料的入射外界光的路径上。
可替换地，互补域6可以是散射的。例如，互补域6可以除了互补波长转换材料之外还包括如上所述的散射颗粒，和/或它可以包括散射结构，例如孔隙。因此，互补域6可以执行漫射散射功能，并且因而可以省略单独的层71。
可选地，互补域6可以被设置成覆盖散射域72。
由于一些散射材料（例如二氧化钛）可以吸收UV和/或近UV光，因而散射材料（当存在时）可能与互补波长转换材料竞争外界光的UV和/或近UV成分，从而导致互补波长范围的光的减少的发射。为了避免在使用UV/近UV吸收散射材料时竞争UV和/或近UV光，可以将互补波长转换材料设置在入射外界光的朝散射材料延伸的路径上。因此，外界光将在到达散射材料之前到达互补波长转换材料。因此，如图3中所示，可以在包括第一波长转换材料4的层与包括互补波长转换材料6的层之间提供散射层7。可选地，这些层中的任何两个可以由基本上透明的层（例如衬底或结合层）分开或者由这些层之间存在的空气间隙分开。
不吸收近UV光的散射材料的一个实例是氧化铝。
在本发明的实施例中，照明设备可以被设计用于代替常规的灯泡并且可以具有灯泡形外壳。典型地，在这样的实施例中，第一波长转换材料可以设置在相距LED的一定距离处，例如施加到外壳内侧（即外壳面向LED的侧面）的至少一部分上。然后，可以在外壳的相反侧面或外侧施加互补波长转换材料。第一波长转换材料和互补波长转换材料因此可以由外壳分开，该外壳典型地为玻璃衬底。
在还有其他的实施例中，照明设备可以是聚光灯类型。因此，准直器可以存在于半导体发光元件上，其将光定向到出射窗口并且准直该光通量。典型地，在这样的实施例中，第一波长转换材料可以设置在相距LED的一定距离处，例如设置在照明设备的光出射窗口中。第一波长转换材料可以例如施加到透射板或外壳的内侧。互补波长转换材料也可以在与第一波长转换材料相同的侧面、优选地在第一波长转换材料与透射板或外壳之间或者在透射板或外壳的相对侧施加到透射板或外壳上。
在本发明的实施例中，照明设备可以包括二向色反射器，该二向色反射器能够反射UV光和/或近UV和/或紫外/深蓝色，例如波长短于430nm的光，并且能够透射更长波长的光。因此，二向色反射器为充当长通滤光器的干涉滤光器。可以调整且优化二向色滤光器从透射切换到反射的波长以便匹配互补波长转换材料的吸收特性和第一波长转换材料/LED组合的发射特性。
当存在二向色反射器时，互补波长转换材料优选地设置在二向色反射器的外侧，即二向色反射器背离LED 2的一侧。互补波长转换材料可以直接设置在二向色反射器上。因此，第一次通过互补波长转换材料期间未被转换的入射外界UV光将被反射回来并且因而具有另一次被转换的机会。因此，二向色反射器的使用可以增加由互补波长转换材料转换的光量。此外，通过保护第一波长转换材料和散射层（当存在时）以免受外界UV光，二向色反射器可以避免或降低UV引起的损害和/或提高第一波长转换材料和/或散射层的性能。
在本发明的实施例中，特别是在第一波长转换材料为完全转换磷光体，即转换第一波长范围的基本上所有的入射光的磷光体时，二向色层也可以反射互补波长范围的至少一部分的光。这种磷光体的一个实例是红色发射磷光体。通过反射具有互补波长范围内的波长的外界光成分，二向色反射可以对依照本发明实施例的颜色调节装置的颜色调节效果产生贡献。然而，在包括蓝色LED和黄色发射波长转换材料的白色发射照明设备中，优选地二向色反射器可以反射高达大约430nm的波长的光，但是基本上透射更长波长的光，以便不降低设备的接通状态发射效率以及接通状态颜色调节效果。二向色滤光器功能取决于光的入射角，并且滤光器从反射切换到透射的波长因而将随着与法线的角度偏差增大而移向更低的波长。归因于更大的角度下路径长度/吸收长度更长，这与在更大的角度下透射的蓝色光相比，可以在更大的程度上帮助部分地抑制在接通状态下可以被第一波长转换材料透射的法线附近的过量蓝色光。因此，二向色反射器也可以增强接通状态的颜色-角度关系。
在本发明的实施例中，有源照明可以用于提供由互补波长转换材料转换成互补波长范围的光。例如，如果要转换成互补波长范围的外界光成分（例如UV光）稀少，那么附加的光源可以用于发射该特定波长范围的光，例如UV光。因此，例如具有UV光的互补波长转换材料的有源照明导致互补波长范围的光量增加。所述附加的光源可以是附加的LED。典型地，该附加的光源在LED 2断开时接通。
在本发明的其他实施例中，照明设备可以包括置于照明设备的光出射窗口处的透镜。该透镜可以是平面透镜，例如菲涅尔透镜类型。该透镜可以收集设备发射的相当部分的角度光分布，并且将该光聚焦到预定义的更窄的角度范围，以便对光进一步准直。这种配置在薄的闪光LED模块中可能是所希望的，以便对于诸如用于移动电话或摄影机的照相机闪光灯之类的应用或者对于这样的应用中的视频闪光目的实现小的闪光灯。
通常，使用标准YAG:Ce材料的白色LED设备发射可以被感知为“冷”的白色光，即其具有相对较高的相关色温Tc。在本发明的实施例中，为了实现更暖的白色外观（相对较低的Tc），可以使用双磷光体系统，该系统包括至少两种不同的波长转换材料而不是单一的第一波长转换材料。例如，可以使用例如陶瓷层形式的YAG:Ce材料与施加于其上的例如作为涂层的附加红色发射磷光体的组合，作为上面描述的第一波长转换材料。在该实例中，LED发射的蓝色光的部分于是透射通过磷光体叠层，其中光的部分由原始YAG:Ce磷光体转换成黄色，并且光的部分由所述附加磷光体转换成红色。于是，总体的发射光可以具有更暖的黄色外观，例如橙色状。因此，第一波长转换材料可以包括至少两种不同的波长转换材料，其可以堆叠成不同的域或层，或者在单个域或层中混合。
本领域技术人员应当认识到，本发明绝不限于上面描述的优选实施例。相反地，许多修改和变化都可能处于所附权利要求书的范围内。例如，在照明设备中，可以包括多个半导体发光元件，例如LED阵列。在这样的实施例中，颜色调节装置或者其部分可以覆盖多个半导体发光元件。

Claims (15)

1.一种颜色调节装置，包括：
第一波长转换材料（4），其被设置成接收从颜色调节装置外部的观看位置入射的外界光，并且能够将第一波长范围的外界光转换成第二波长范围的光和/或反射所述第二波长范围的外界光，所述第二波长范围为可见光谱的一部分；以及
互补波长转换材料（6），其被设置成接收外界光并且能够将所述外界光的部分转换成与所述第二波长范围互补的互补波长范围的光，并且被设置成允许所述第二波长范围和所述互补波长范围的光混合，
从而由所述第一波长转换材料（4）反射和/或发射的所述第二波长范围的光在朝着所述观看位置离开颜色调节装置时与所述互补波长范围的光混合，离开颜色调节装置的光具有基本上在黑体线（10）附近的色点。
2.依照权利要求1的颜色调节装置，其中所述互补波长转换材料（6）能够将高达420nm的，例如从250nm至420nm以及特别地从350nm至420nm的波长范围内的外界光转换成所述互补波长范围的光，和/或所述互补波长范围为从400nm至500nm。
3.依照权利要求1或2的颜色调节装置，包括包含所述第一波长转换材料（4）的第一域，例如层，以及包含所述互补波长转换材料（6）的互补域，例如层。
4.依照权利要求3的颜色调节装置，其中所述互补域附加地包括散射元件。
5.依照权利要求3的颜色调节装置，其中诸如散射层之类的散射域（7，71）设置在经由所述互补域延伸到所述第一域的入射外界光的路径上，使得入射外界光首先到达所述互补域，随后到达所述散射域（7，71），并且最后到达所述第一域。
6.依照权利要求3-5中任何一项的颜色调节装置，包括多个具有不同散射性质的散射域（71，72）。
7.依照权利要求3-6中任何一项的颜色调节装置，包括二向色反射器，所述二向色反射器优选地设置在经由所述互补域延伸到所述第一域的入射外界光的路径上，使得入射外界光首先到达所述互补域，随后到达所述二向色反射器，并且最后到达所述第一域。
8.依照前面的权利要求中任何一项的颜色调节装置，其中所述互补波长转换材料（6）包括无机磷光体材料，优选地包括BAM磷光体。
9.依照权利要求1-7中任何一项的颜色调节装置，其中所述互补波长转换材料（6）包括有机材料。
10.依照前面的权利要求中任何一项的颜色调节装置，其中所述第一波长范围为从300nm至520nm，例如为从420nm至480nm，和/或所述第二波长范围为从490nm至780nm。
11.一种照明设备，包括至少一个用于发射所述第一波长范围的光的半导体发光元件（2）以及依照权利要求1-10中任何一项的颜色调节装置。
12.依照权利要求11的照明设备，其中所述第一波长转换材料（4）设置在从所述半导体发光元件（2）到所述互补波长转换材料（6）的光路上，使得在照明设备（1）的接通状态下，半导体发光元件（2）发射的光在到达互补波长转换材料（6）之前到达第一波长转换材料（4）。
13.依照权利要求11或12的照明设备，其中所述半导体发光元件（2）以及所述第一波长转换材料（4）和所述互补波长转换材料（6）中的至少一个相互隔开地设置。
14.依照权利要求11-13中任何一项的照明设备，其中所述照明设备（1）在其接通状态下发射具有基本上在黑体线（10）附近的色点的光。
15.依照权利要求11-14中任何一项的照明设备，进一步包括附加的光源，优选地包括附加的半导体发光元件，所述附加的光源在用于发射第一波长范围的光的所述半导体发光元件（2）的断开状态下向所述互补波长转换材料（6）提供从250nm至420nm的波长范围的光以便转换成所述互补波长范围的光。
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