CN102374412A

CN102374412A - 发光装置及照明装置

Info

Publication number: CN102374412A
Application number: CN2010102636456A
Authority: CN
Inventors: 邱行中; 尹绍刚; 黎涤萍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-03-14

Abstract

发光装置及照明装置。通过将光源发出的光之中的紫光和紫外光有效地转换为可见光，从而获得一种发光效率高、显色性好和具有蓄光性的发光装置。发光装置包括光源、光学薄膜元件和波长变换元件，通过光学薄膜元件将光源发出的光被分成三部分：(1)波长大于紫光的可见光，(2)紫光与长波紫外光，(3)短波紫外光。第一部分的光直接向外发射，第二部分的光、第三部分的光分别照射在各自对应的波长变换元件上，转换为可见光后，向外发射。

Description

发光装置及照明装置

技术领域

本发明涉及一种发光装置，具体地说，涉及一种以HID灯作为光源的发光效率高、显色性好和具有蓄光性的发光装置及照明装置。

背景技术

高强度气体放电(High-intensity discharge，简称HID)灯包括高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化物灯和氙灯等。HID灯的最大特点是发光效率高，显色性好，寿命长，节能效果显著，因而被广泛用于工业和人们的日常生活中，例如道路、铁路、港口、车站、码头、机场、停车场、体育场馆、工厂、矿山、仓库、影院、商店、园林、建筑物等室内外照明领域，还可用于汽车照明、投影机等。除了用作照明外，紫外线高压汞灯、紫外线金属卤化物灯也广泛用于印刷、晒图、医疗、保健、灭菌、光化学、油漆固化、紫外线探伤、荧光分析等领域。

但HID灯存在以下问题：

(1)紫外辐射能量未合理利用

从图11～图16中可知：高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化物灯和氙灯辐射的光谱能量中包含大量紫外辐射能量。根据文献1(徐叙瑢，苏勉曾.发光学与发光材料.北京：化学工业出版社，2004，P268～269)，对于输入功率为400W的高压汞灯，在能量转换中，有192W的功率转换为辐射能量，其中59W转换为可见辐射，73W转换为紫外辐射，60W转换为红外辐射，即在高压汞灯的内管中，输入能量的18.3％转换为紫外辐射，14.8％转换为可见辐射，15％转换为红外辐射。在输入功率为400W的Sc-Na系金属卤化物灯的辐射能量中，380nm以下的紫外辐射占20.9％，380～760nm的可见辐射占61.8％，而760～2600nm的红外辐射占17.3％。

除了高压汞荧光灯是通过荧光粉，将高压汞灯辐射的紫外能量部分地转换为可见光之外，其余HID灯的紫外辐射能量绝大部分都由外管的玻璃或滤光膜所吸收而被白白地浪费。高压汞荧光灯的紫外能量转换效率也不高，发光效率仅提高了20％。总之，对于HID灯，紫外辐射能量未充分地合理利用。

(2)发光效率和显色指数还需提高

对于高压汞荧光灯和超高压汞灯，发光效率和显色指数偏低，有必要进一步提高。对于金属卤化物灯和氙灯，也需要再提高发光效率。

(3)不具有长余辉特性

对于所有的HID灯而言，都不具有长余辉特性。从安全角度考虑，在许多场合，都要求发光装置具有长余辉特性。

(4)存在紫外辐射公害

HID灯向外发射的400nm以下的少量紫外辐射不仅对人体会造成伤害，而且会污染环境。

如果能够充分利用HID灯发出的紫外辐射，将紫外辐射全部转换为可见辐射，则可以显著提高发光效率和显色指数，并可使HID灯具有长余辉特性，同时可以使向外发射的400nm以下的紫外辐射减低到最小程度。

发光材料的发光强度(发光效率)与激发光的波长密切相关。一些发光材料在短波紫外光激发下，具有更高的发光强度，而另一些发光材料在紫光与长波紫外光激发下，具有更高的发光强度。图15～23是具有代表性的一些发光材料的激发光谱和发射光谱。从图15～23可看出：在激发波长小于320nm的范围，红色发光材料3.5MgO·0.5MgF₂·GeO₂:Mn和Y₂O₂S:Eu，Mg，Ti具有更高的亮度，而在320～420nm的范围，蓝色发光材料Sr₂MgSi₂O₇:Eu，Dy和Sr₃MgSi₂O₈:Eu，Dy、蓝绿色发光材料Ca₃MgSi₂O₈:Eu，Dy、绿色发光材料Sr₃Si₁₂Al₄O₃N₂0:Eu和Ca₁₀(Si₂O₇)₃Cl₂:Eu、红色发光材料CaSiAlN₃:Eu以及黄色发光材Ca₁₀(Si₂O₇)₃Cl₂:Eu，Mn具有更高的亮度。与它们相对应的非蓄光性发光材料，Y₂O₂S:Eu、Sr₂MgSi₂O₇:Eu、Sr₃MgSi₂O₈:Eu和Ca₃MgSi₂O₈:Eu，情况相同。

另外，与紫光与长波紫外光激发相比，在短波紫外光激发下，绿色发光材料CeMgAl₁₁O₁₉:Tb、LaPO₄:Ce，Tb和Y₂SiO₅:Ce，Tb以及红色发光材料(Sr，Mg)₃(PO₄)₂:Sn等具有更高的发光强度。与短波紫外光激发相比，在紫光与长波紫外光激发下，蓝绿色发光材料(SrCa)MgSi₂O₇:Eu，Dy、绿色发光材料(Sr_0.5Ca_1.5)MgSi₂O₇:Eu，Dy、黄色发光材料Ca₂MgSi₂O₇:Eu，Dy等具有更高的发光强度；蓝绿色发光材料2SrO·0.84P₂O₅·0.16B₂O₃:Eu、(Ba，Ca，Mg)(PO₄)₆Cl₂:Eu和Sr₂Si₃O₈·2SrCl₂:Eu以及蓝色发光材料(Sr，Ca)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu和BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu也具有更高的发光强度。

因此，在本发明中，为了进一步提高发光效率，将光源发出的紫外光与紫光通过光学薄膜元件分成两部分，一部分为短波紫外光，另一部分为紫光与长波紫外光。前者的波长大约在230nm～320nm的范围，大致相当于UV-B和UV-C的紫外光，后者的波长大约在320～420nm的范围，大致相当于UV-A的紫外光。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的HID灯中存在的问题，通过光学薄膜元件将HID灯发射的光至少分成三部分，(1)波长大于紫光的可见光，(2)紫光与长波紫外光，(3)短波紫外光，再通过波长变换元件将紫光与长波紫外光、短波紫外光分别转换为可见光，从而能够提供一种以HID灯作为光源的发光效率高、显色性好和具有蓄光性的发光装置以及照明装置。

本发明的目的通过以下措施达到，即：本发明的发光装置包括光源、光学薄膜元件和波长变换元件，光源发出包括紫外光、可见光和红外光的光通过光学薄膜元件被分成四部分，第一部分为红外光，第二部分为波长大于紫光的可见光，第三部分为紫光与长波紫外光，第四部分为短波紫外光，第一部分的光、第二部分的光分别直接向外发射，第三部分的光、第四部分的光分别照射在各自对应的波长变换元件上，转换为可见光后，向外发射。

另外，本发明的发光装置包括光源、光学薄膜元件和波长变换元件，光源发出包括紫外光、可见光和红外光的光通过光学薄膜元件被分成三部分，第一部分为波长大于紫光的可见光与红外光，第二部分为紫光与长波紫外光，第三部分为短波紫外光，第一部分的光直接向外发射，第二部分的光、第三部分的光分别照射在各自对应的波长变换元件上，转换为可见光后，向外发射。

另外，本发明的发光装置包括光源、光学薄膜元件和波长变换元件，光源发出至少包括紫外光和可见光的光通过光学薄膜元件被分成三部分，第一部分为波长大于紫光的可见光，第二部分为紫光与长波紫外光，第三部分为短波紫外光，第一部分的光直接向外发射，第二部分的光、第三部分的光分别照射在各自对应的波长变换元件上，转换为可见光后，向外发射。

另外，上述光源是高压汞灯或超高压汞灯或金属卤化物灯或氙灯。

另外，上述光学薄膜元件是由覆盖上述光源的曲面基板和在该基板的光源侧的表面上形成的光学薄膜构成的滤光镜。

另外，上述光学薄膜元件是由平面基板和在该基板的表面上形成的光学薄膜构成的滤光镜。

另外，上述光学薄膜是短波紫外截止滤光膜或短波紫光截止滤光膜或短波可见光截止滤光膜或紫外红外截止滤光膜。

另外，上述波长变换元件由基板和基板上形成的波长变换层构成。

另外，上述波长变换层中包含的发光材料既可以是在紫光与长波紫外光激发下或短波紫外光激发下发光的非蓄光性发光材料，也可以是在紫光与长波紫外光激发下或短波紫外光激发下发光的蓄光性发光材料。

另外，本发明的照明装置包括本发明的发光装置和使该发光装置出射的光均匀扩散的光扩散板。

发明效果

根据本发明的发光装置，通过将光源发射的紫光和紫外光分为紫光与长波紫外光和短波紫外光两部分，使它们高效地转换为可见光，能够显著提高光源的光利用效率，从而获得一种以HID灯作为光源的发光效率高、显色性好和具有蓄光性的发光装置及照明装置。

附图说明

图1是本发明的实施例1的发光装置7的结构图。

图2是表示本发明的实施例1中短波可见光截止滤光镜2的透射率特性的图。

图3是表示本发明的实施例1中短波紫光截止滤光镜4的透射率特性的图。

图4是表示本发明的实施例1中短波紫外截止滤光镜5的透射率特性的图。

图5是本发明的实施例2的发光装置7的结构图。

图6是表示本发明的实施例2中短波紫光截止滤光镜22的透射率特性的图。

图7是本发明的实施例3的发光装置7的结构图。

图8是表示本发明的实施例3中紫外红外截止滤光镜23的透射率特性的图。

图9是本发明的实施例4的照明装置的结构图。

图10是表示本发明的实施例1中超高压汞灯1的光谱能量分布的图。

图11是表示本发明的实施例中高压汞灯的光谱能量分布的图。

图12是表示本发明的实施例中氙灯的光谱能量分布的图。

图13是表示本发明的实施例中碘镓灯的光谱能量分布的图。

图14是表示本发明的实施例3中金属卤化物灯1A的光谱能量分布的图。

图15是红色发光材料3.5MgO·0.5MgF₂·GeO₂:Mn的激发光谱和发射光谱。

图16是红色发光材料Y₂O₂S:Eu，Mg，Ti的激发光谱和发射光谱。

图17是蓝色发光材料Sr₂MgSi₂O₇:Eu的激发光谱和发射光谱。

图18是绿色发光材料Sr₃Si₁₂Al₄O₃N₂₀:Eu的激发光谱和发射光谱。

图19是蓝色发光材料Sr₃MgSi₂O₈:Eu，Dy的激发光谱和发射光谱。

图20是蓝绿色发光材料Ca₃MgSi₂O₈:Eu，Dy的激发光谱和发射光谱。

图21是红色发光材料CaSiAlN₃:Eu的激发光谱和发射光谱。

图22是绿色发光材Ca₁₀(Si₂O₇)₃Cl₂:Eu的激发光谱和发射光谱。

图23是黄色发光材Ca₁₀(Si₂O₇)₃Cl₂:Eu，Mn的激发光谱和发射光谱。

符号说明

1超高压汞灯 1A金属卤化物灯 2、22、23、4、5滤光镜 20、202、203基板 21、212、213滤光膜 3凹透镜 4滤光镜 40基板 41滤光膜 5滤光镜 50基板 51滤光膜 52波长变换层 6波长变换元件 60基板 61波长变换层 7发光装置 8箱体 9光扩散板 IR红外光 R红光 VI*波长大于紫光的可见光 P紫光 UV1长波紫外光 UV2短波紫外光 UV紫外光

最佳实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。

实施例1

图1是本发明实施例1的发光装置7的结构图。在图1中，发光装置7包括作为光源的超高压汞灯1、使超高压汞灯1发出的紫外光至红光的光反射、且使红外光通过的短波可见光截止滤光镜2、使入射的紫外光至红光的光变为平行光的凹透镜3、使波长大于紫光的可见光通过、且使紫光与紫外光反射的短波紫光截止滤光镜4、使紫光与长波紫外光通过、且使短波紫外光反射的短波紫外截止滤光镜5、波长变换层52和波长变换元件6。在图1中IR、R、VI*、P分别表示红外光、红光、波长大于紫光的可见光、紫光，UV、UV1、UV2分别表示紫外光、长波紫外光、短波紫外光。紫外光包括长波紫外光和短波紫外光。

超高压汞灯1的典型结构是在高熔点的透明石英玻璃管中封入2个钨电极，在管内充入一定量的氩气和汞。钨电极和石英玻璃管用钼箔实现非匹配气密封接。一旦在电极之间施加高电压，则氩气开始放电，汞因热气化，最终产生汞蒸气的放电光谱。球形超高压汞灯中汞的工作气压一般在10～50atm，毛细管超高压汞灯中汞的工作气压一般在50～200atm。图10是表示本实施例中超高压汞灯1的光谱能量分布的图。可以看出：光谱能量不仅处于可见光的波长范围，而且处于紫外光和红外光的波长范围。为了使超高压汞灯1发出的光以约45度的入射角和近似平行地入射在短波紫光截止滤光镜4上，要求超高压汞灯1的弧长尽量短，例如小于3mm，接近点光源。

短波可见光截止滤光镜2由覆盖超高压汞灯1的椭圆面基板20和在基板20的光源侧的表面上形成的短波可见光截止滤光膜21构成。超高压汞灯1处于短波可见光截止滤光镜2的一个焦点上。基板20可采用氧化铝硅酸盐玻璃等耐热性玻璃基板，在玻璃基板的表面上通过交替地叠层高折射率的材料例如氧化铌膜和低折射率的材料例如氧化硅膜，形成短波可见光截止滤光膜21，叠层数为20～60层，一般可取24～40层。短波可见光截止滤光镜2的透射率特性如图2所示，由图2可知：它可使紫外光至红光的光很好地反射，使红外光通过。

短波紫光截止滤光镜4由平面基板40和在基板40的表面上形成的短波紫光截止滤光膜41构成。短波紫光截止滤光镜4的透射率特性如图3所示，由图3可知：它可使紫光与紫外光很好地反射，使波长大于紫光的可见光通过。

短波紫外截止滤光镜5由平面基板50和在基板50的表面上形成的短波紫外截止滤光膜51构成。波长变换层52在平面基板50的另一表面上形成。短波紫外截止滤光镜5的透射率特性如图4所示，由图4可知：它可使短波紫外光很好地反射，使紫光与长波紫外光通过。短波紫光截止滤光膜41和短波紫外截止滤光膜51的制作与短波可见光截止滤光膜21的制作类似，区别在于膜厚、叠层数或用于叠层的材料不同。在这里，短波可见光截止滤光膜是指半穿透位置(T50％)约为700～780nm的短波截止滤光膜，短波紫光截止滤光膜是指半穿透位置(T50％)约为415～435nm的短波截止滤光膜，短波紫外截止滤光膜是指半穿透位置(T50％)约为315～345nm的短波截止滤光膜。

波长变换元件6由平面基板60和基板60上形成的波长变换层61构成。通过印刷法、旋涂法或喷涂法等，将发光材料印刷或涂敷在基板50、60上，形成波长变换层52、61。发光材料没有特别限定，只要能将超高压汞灯1发射的紫光与紫外光有效地转换成可见光都可采用，发光材料既可以是在紫光、紫外光激发下发光的非蓄光性发光材料，也可以是在紫光、紫外光激发下发光的蓄光性发光材料。如果采用蓄光性发光材料，则发光装置可具有蓄光性。平面基板40、50、60可采用氧化铝硅酸盐玻璃等耐热性玻璃基板或其它玻璃基板。另外，在基板60与波长变换层6之间也可形成全反射膜，全反射膜可采用真空蒸镀方法蒸镀铝等金属而形成。

发光装置7的工作过程如下：超高压汞灯1发出的光照射在短波可见光截止滤光膜21上，短波可见光截止滤光膜21使红外光通过，使紫外光和可见光反射。通过短波可见光截止滤光膜21的红外光再通过基板20，直接向外发射；而被短波可见光截止滤光膜21反射的紫外光和可见光经凹透镜3，变为近似平行光，以约45度的入射角照射在短波紫光截止滤光膜41上。短波紫光截止滤光膜41使波长大于紫光的可见光通过，使紫光与紫外光反射。通过短波紫光截止滤光膜41的波长大于紫光的可见光再通过基板40，直接向外发射：而被短波紫光截止滤光膜41反射的紫光与紫外光照射在短波紫外截止滤光膜51上，短波紫外截止滤光膜51使紫光与长波紫外光通过，使短波紫外光反射。通过短波紫外截止滤光膜51的紫光与长波紫外光再通过基板50，照射在波长变换层52上，激发发光材料，转换为可见光，向外发射；而被短波紫外截止滤光膜51反射的短波紫外光，照射在波长变换层61上，也激发发光材料，转换为可见光，向外发射。

实施例2

图5是本发明实施例2的发光装置7的结构图。在图5中，与实施例1的结构不同点是：用短波紫光截止滤光膜212取代短波可见光截止滤光膜21，同时省去短波紫光截止滤光镜4。短波紫光截止滤光镜22的透射率特性如图6所示，由图6可知；它可使紫光与紫外光很好地反射，使波长大于紫光的可见光和红外光通过。

发光装置7的工作过程如下：超高压汞灯1发出的光照射在短波紫光截止滤光膜212上，短波紫光截止滤光膜212使波长大于紫光的可见光和红外光通过，使紫光和紫外光反射，通过短波紫光截止滤光膜212的波长大于紫光的可见光和红外光再通过基板202，直接向外发射，而被短波紫光截止滤光膜212反射的紫光和紫外光经凹透镜3，变为近似平行光，以约45度的入射角照射在短波紫外截止滤光膜51上，短波紫外截止滤光膜51使紫光与长波紫外光通过，使短波紫外光反射。通过短波紫外截止滤光膜51的紫光与长波紫外光再通过基板50，照射在波长变换层52上，激发发光材料，转换为可见光，向外发射；而被短波紫外截止滤光膜51反射的短波紫外光，照射在波长变换层61上，也激发发光材料，转换为可见光，向外发射。

实施例3

图7是本发明实施例3的发光装置7的结构图。在图7中，与实施例2的结构不同点是：用金属卤化物灯1A取代超高压汞灯1，同时用紫外红外截止滤光膜213取代短波紫光截止滤光膜212。图14是表示本实施例中金属卤化物灯1A的光谱能量分布的图。紫外红外截止滤光镜23的透射率特性如图8所示，由图8可知：它可使紫光与紫外光以及红外光很好地反射，使波长大于紫光的可见光通过。

发光装置7的工作过程如下：金属卤化物灯1A发出的光照射在紫外红外截止滤光膜213上，紫外红外截止滤光膜213使波长大于紫光的可见光通过，使紫光与紫外光以及红外光反射，通过紫外红外截止滤光膜213的波长大于紫光的可见光再通过基板203，直接向外发射，而被紫外红外截止滤光膜213反射的紫光与紫外光以及红外光经凹透镜3，变为近似平行光，以约45度的入射角照射在短波紫外截止滤光膜51上。短波紫外截止滤光膜51使紫光与长波紫外光通过，使短波紫外光反射。通过短波紫外截止滤光膜51的紫光与长波紫外光再通过基板50，照射在波长变换层52上，激发发光材料，转换为可见光，向外发射；而被短波紫外截止滤光膜51反射的短波紫外光，照射在波长变换层61上，也激发发光材料，转换为可见光，向外发射。

实施例4

图9是本发明实施例4的照明装置的结构图。照明装置包括本发明实施例3的发光装置7、内表面具有全反射膜的箱体8和使发光装置7出射的光均匀扩散的光扩散板9。发光装置7向外出射的可见光照射在箱体8的内表面上，经全反射后，再经光扩散板9扩散，更加均匀地向外发射。

Claims

1.一种发光装置，其特征在于：

包括光源、光学薄膜元件和波长变换元件，光源发出包括紫外光、可见光和红外光的光通过光学薄膜元件被分成四部分，第一部分为红外光，第二部分为波长大于紫光的可见光，第三部分为紫光与长波紫外光，第四部分为短波紫外光，第一部分的光、第二部分的光分别直接向外发射，第三部分的光、第四部分的光分别照射在各自对应的波长变换元件上，转换为可见光后，向外发射。

2.一种发光装置，其特征在于：

包括光源、光学薄膜元件和波长变换元件，光源发出包括紫外光、可见光和红外光的光通过光学薄膜元件被分成三部分，第一部分为波长大于紫光的可见光与红外光，第二部分为紫光与长波紫外光，第三部分为短波紫外光，第一部分的光直接向外发射，第二部分的光、第三部分的光分别照射在各自对应的波长变换元件上，转换为可见光后，向外发射。

3.一种发光装置，其特征在于：

包括光源、光学薄膜元件和波长变换元件，光源发出至少包括紫外光和可见光的光通过光学薄膜元件被分成三部分，第一部分为波长大于紫光的可见光，第二部分为紫光与长波紫外光，第三部分为短波紫外光，第一部分的光直接向外发射，第二部分的光、第三部分的光分别照射在各自对应的波长变换元件上，转换为可见光后，向外发射。

4.如权利要求1至3任何一项记载的发光装置，其特征在于：

上述光源是高压汞灯或超高压汞灯或金属卤化物灯或氙灯。

5.如权利要求1至3任何一项记载的发光装置，其特征在于：

上述光学薄膜元件是由覆盖上述光源的曲面基板和在该基板的光源侧的表面上形成的光学薄膜构成的滤光镜。

6.如权利要求1至3任何一项记载的发光装置，其特征在于：

上述光学薄膜元件是由平面基板和在该基板的表面上形成的光学薄膜构成的滤光镜。

7.如权利要求5或6任何一项记载的发光装置，其特征在于：

上述光学薄膜是短波紫外截止滤光膜或短波紫光截止滤光膜或短波可见光截止滤光膜或紫外红外截止滤光膜。

8.如权利要求1至3任何一项记载的发光装置，其特征在于：

上述波长变换元件由基板和基板上形成的波长变换层构成。

9.如权利要求8记载的发光装置，其特征在于：

上述波长变换层中包含的发光材料既可以是在紫光与长波紫外光激发下或短波紫外光激发下发光的非蓄光性发光材料，也可以是在紫光与长波紫外光激发下或短波紫外光激发下发光的蓄光性发光材料。

10.一种照明装置，其特征在于：

包括权利要求1至9任何一项记载的发光装置和使该发光装置出射的光均匀扩散的光扩散板。