CN102934242B - 用以控制白色发光二极管(led)的光通量的色度的方法及用以执行该方法的装置 - Google Patents

用以控制白色发光二极管(led)的光通量的色度的方法及用以执行该方法的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及照明工程领域，本发明的技术效果是能够控制来自白色LED的光流的色度以及发光表面的炫目指数，其能够通过利用设置在基底的表面上和/或基底的材料中的发光体转换来自白色LED的光流、以及接下来利用空间结构部件进行光散射而实现。发光体的单位负载以及发光表面和基底之间的距离的量化特征在说明书中说明。本发明还涉及用于制造照明装置的变型。

Description

用以控制白色发光二极管(LED)的光通量的色度的方法及用以执行该方法的装置
技术领域
本发明涉及照明设备，即，涉及装备有白色LED且用于内部照明和外部照明的发光二极管装置。
背景技术
用于总体照明和局部照明的最先进的技术包括使用产生白光通量的LED。存在两种主要方法用于获得此种光通量。第一方法包括混合通过布置成在板上彼此接近的半导体芯片产生的红色辐射、绿色辐射和蓝色辐射。用于获得白光辐射的第二方法包括借助于发光体将芯片的UV辐射或蓝色辐射的一部分转换成波长转移至黄色光谱区的光通量。在此情况下，主芯片辐射和副荧光发光体辐射的混合物形成带有对应于白光的色度坐标的光通量。
虽然有主辐射的转换期间的损失和与发光体的使用相关的某些技术困难，但获得白光的第二方法是照明工程的领域中最广泛使用的方法。
在白色LED的制造中，主要使用蓝色(InGaN)芯片和黄色发光体。按照光谱参数，由大多数LED制造商使用的黄色发光体包括掺杂有三价铈的改进版本的钇铝石榴石。此种发光体的荧光光谱的特征在于最大波长在530nm至570nm的范围内。结合黄色发光体使用蓝色LED允许获得大约5000°K至8000°K的色温下的最大发光效率。借助于嵌入透明化合物中和/或布置在邻近芯片的表面上的发光体颗粒来转换通过半导体芯片产生的初始辐射的光通量。主辐射和荧光辐射的混合物的色度取决于很多物理因素、化学因素和过程相关的因素，如发光体粒度尺寸成分和化学成分、发光体颗粒的浓度、化合物的光学性质和几何性质、以及其它影响。考虑这些影响是复杂的技术任务。取决于被照亮的表面上的光的入射角和参与转换的发光体颗粒的浓度的非均匀性的产生的光通量的色度非均匀性可借助于无光泽反射表面和光扩散光学透明构件平滑。
用以产生白光通量的方法是公知的，该方法用以控制光通量的色度，其使用产生的紫-蓝光谱区中的辐射，借助于用稀土元素活化的基于AlInGaN的发光体进一步转换此种辐射。此种发光体吸收芯片的主辐射，且发出黄色光谱区中的光；此种光与主辐射的混合构成带有对应于所选的白色色调的坐标的光通量(2003年12月20日公布的专利RU2219622，国际专利分类号H01L33/00)。
控制光通量的色度的一种已知的解决方案使用产生的蓝色光谱区中的主辐射，借助于碱土金属原硅酸盐组合的复杂发光体来将此种主辐射的一部分进一步转换成黄色光谱区的辐射(2005年5月10日公布的专利RU2251761，国际专利分类号H01L33/00)。
还已知一种控制光通量的色度的解决方案，其使用由两个源产生的主辐射，两个源中的一个在蓝色光谱区中辐射，而另一个在UV光谱区中辐射，这些主芯片辐射中的各个辐射通过其自身专用发光体来进一步转换成荧光通量；然后这些通量与主辐射的一部分相混合来形成白光通量(2006年7月13日公布的专利US2006152140，国际专利分类号H01j1/62)。
2007年12月20日公布的专利RU3213157(国际专利分类号H01L33/00)描述了基于此种方法获得可见光和荧光源的另一已知方法。该方法包括使反斯托克斯发光体暴露于IR辐射，其进一步转换成黄色-绿色-橙色光谱区的辐射。
决定产生的白色的色调的转换的主辐射的量最终取决于体积内或单位面积内的发光体颗粒的浓度。
很明显，参与主光通量的转换的发光体的量越少，产生的辐射的色温就越高。
在所有上述相似的解决方案中，结合各种主光辐射源来操作的目的在于获得具有对应于白色的某一色调的色温的光通量。值得注意的一个方面在于试图找出在不妨碍产生白光通量的源的设计和结构的情况下控制白光通量的色度的方式。为了控制已经产生白光通量的色温，将需要额外量的发光体；然而，此种辐射的转换的技术，且如果需要进一步平滑光通量区段上的色度，将要求仅略微与过程相关的以及工程变化。
应当注意的是，在没有防眩保护的情况下，LED的低角尺寸和高亮度将导致对视力的较大负担；这引起不舒适的感觉，且唤起了离开装备有此种照明装置的房间的本能愿望。为了减小照明器具的炫目效果，通过将其光通量分配在较大面积上来减小LED的亮度将是有效的，这可在控制LED光的色度的同时完成。
发明内容
所提出的解决方案的技术效果为：控制白色LED的光通量的色度的可能性；扩展用于设计基于白色LED的照明装置的技术能力；通过减小发光表面的亮度来减轻视觉不适。
用以控制通过白色LED产生的光通量的色度的方法的特征在于以下基本特征：
用于控制白色发光二极管(LED)的光通量的色度的方法包括：产生具有超过6000°K的色温且包含波长λ<490nm的光谱分量的光通量；将λ辐射的一部分转换成具有波长L>490nm的辐射(例如，在黄绿色、黄色或橙色光谱区中)；将获得的L-波长辐射与包含未转换的λ分量的主光通量相混合。
用以执行用于控制白色LED的光通量的色度的所述方法的装置的特征在于以下实质特征：
用以执行以上方法的照明装置，该照明装置包括：至少一个白色LED，其产生具有超过6000°K的色温的白光通量；光学透明的基底，其布置成使得其暴露于所述光通量；转换所述光通量的器件，该器件基本上为布置在所述基底的表面上和/或所述基底的材料中的发光体颗粒；光扩撒器，其装备有空间结构元件，空间结构元件布置在该光扩散器的体积内或布置在该光扩散器的表面上。
称为"转换光通量的器件"的实质特征将理解为发光体颗粒的组合，放光体颗粒的空间布置由该部分的构造确定，这些颗粒容纳在该部分的体积内或该部分的表面上。
在用语"基底"下，申请人理解为由光学透明材料制成的结构构件适合于可包围辐射源的平坦结构或三维结构。基底壁的厚度取决于材料的光学性质，且考虑光通量的最低可能损失和基底在成形方面的技术能力来选择。
应当注意作为附加特征和扩展特征的以下内容：
基底的表面上和/或基底的材料中的发光体的单位负载由以下公式选择：
1<ρ<100，其中：
ρ=连结材料中的发光体的浓度，单位为mg/cm2。用语"发光体的单位负载"应理解为作用于单位表面面积上的发光体的重量。ρ的选择取决于初始LED光通量的色度和产生的光通量的所期望的色度；
转换白色LED光通量的器件可包括可变发光光谱的发光体颗粒；
基底是平坦的或由一些部分组成，这些部分的表面基本上为一阶表面和二阶表面的组合，尤其是平面或圆柱面形式；
光扩散器由适合产生可包围基底的平坦结构和3D结构两者的光学透明材料制成；
基底与光扩散器的发光表面之间的距离h(mm)由以下数学公式选择：
h<50，其中：
h=基底与光扩散器的发光表面之间的距离，单位为mm；
光扩散器由适合产生平坦结构和3D结构两者的光学透明材料制成，其可包含涂层，包括转换光通量的器件；
光扩散器的空间结构元件以规则图案布置而没有尖锐边缘，如规则的半球图案；
LED装备有反射体，反射体具有光扩散表面；
反射体具有圆锥形表面，圆锥形表面的引导件具有等边四边形或六边形或圆形的形式；
光扩散器用作装置的保护构件。
附图说明
通过以下图示材料支持本发明，这些图示材料示出用以控制白色LED的光通量的色度的方法和该方法在特定照明装置中的实施：
图1示出了白色LED光通量控制图；
图2示出了包含二阶表面基底和平坦的光扩散器的照明装置的示图；
图3示出了包含平坦表面基底和平坦的光扩散器的照明装置的示图；
图4示出了照明装置的示图，该照明装置的光扩散器配备有包含转换光通量的器件的涂层。
具体实施方式
照明装置(图1)包括：产生具有超过6000oK的色温的光通量的LED1，LED1照亮光学透明的基底2；嵌入基底2的材料中的发光体颗粒3的形式的转换光通量的器件；光扩散器4，其具有装备有空间结构元件6的发光表面5，空间结构元件6布置在光扩散器4的表面5上。通过LED1产生的具有λ光谱分量的一部分光波与发光体颗粒3进行量子化相互作用；λ辐射的未转换的部分穿过基底2的透明底部且在光扩散器4中与由发光体颗粒3辐射的转换的荧光光通量相混合。在发光表面5上，通过空间结构元件6另外混合该混合的光通量。
图2中所示的照明装置包括反射体7、具有二阶表面的基底2和平坦的光扩散器4。基底2与光扩散器4的发光表面之间的距离h选择成使得其不会超过50mm。较小的h导致发光表面5上的颜色不均匀，而较高的h较大地减小辐射的光通量的亮度。
图3示出了装置的一个版本，其包含反射体7、具有发光体颗粒3的平基底2，以及具有在发光表面5上的空间结构元件6的平坦的光扩散器4。根据装置的特定构造来选择基底与光扩散器的发光表面5之间的距离h。
图4示出了装置的一个版本，其包含反射体7、具有发光体颗粒3的平坦基底2，以及具有在发光表面5上的空间结构元件6的平坦的光扩散器4。根据装置的特定构造来选择基底2与光扩散器的发光表面5之间的距离h。在此情况下，h实际上对应于光扩散器5的板的厚度。该版本需要更大量的材料用于制造光扩散器；然而，这通过用于实施该方法的照明装置的简单得多的设计来弥补。
"冷光"LED可高效地用作主辐射源，如具有6500°K至8000°K的色温的CreeXLampMX-6LED，或其它制造商的等同产品。
工业实用性
可使用公知的方法来制造照明装置的部件和组件。说明书中的信息足够由专业人员理解用于执行改变白色LED的光通量的色度参数的方法的操作原理和装置设计。

Claims (11)

1.一种用以控制白色发光二极管(LED)的光通量的色度的方法，包括：产生具有超过6000K的色温且包含波长λ<490nm的光谱分量的光通量(S)；经由光学透明的空气介质来将转换辐射的器件暴露于光通量(S)；将一部分所述光谱分量λ转换成具有波长L>490nm的辐射；将所述L波长辐射与包含未转换的λ分量的所述光通量(S)相混合。
2.一种用以执行根据权利要求1所述的方法的照明装置，其包括：至少一个白色LED，其产生具有超过6000K的色温且包含波长λ<490nm的光谱分量的白光通量；光学透明的基底，其布置成使得其暴露于所述光通量；光学透明的空气介质，其布置在所述白色LED与所述光学透明的基底之间，所述基底装备有转换波长λ<490nm的光谱分量的器件，所述器件基本上为布置在所述基底的表面和/或所述基底的材料中的发光体颗粒；光扩散器，其装备有空间结构元件，所述空间结构元件布置在该光扩散器的体积内或该光扩散器的表面上，所述基底与所述光扩散器的发光表面之间的距离h由以下数学公式选择：
h<50，其中，
h=所述基底与所述光扩散器的发光表面之间的距离，单位为mm。
3.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，所述基底的表面上和/或所述基底的材料中的所述发光体的单位负载由以下公式选择：
1<ρ<100，其中，
ρ=连结材料中的发光体的浓度，单位为mg/cm2。
4.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，转换所述白色LED光通量的所述器件包括可变发光光谱的发光体颗粒。
5.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，所述基底为平坦的或由一些部分组成，这些部分的表面基本上为一阶表面和二阶表面的组合。
6.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，所述光扩散器的空间结构元件以规则图案布置而没有尖锐边缘。
7.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，所述LED装备有反射体，所述反射体的表面为光扩散的。
8.根据权利要求7所述的照明装置，其特征在于，所述反射体具有圆锥形表面，所述圆锥形表面的引导件具有等边四边形或六边形或圆形的形式。
9.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，所述光扩散器用作所述装置的保护屏。
10.根据权利要求5所述的照明装置，其特征在于，所述一阶表面和二阶表面分别是平面和圆柱面的形式。
11.根据权利要求6所述的照明装置，其特征在于，所述规则图案是规则的半球图案。
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