CN103124875B - 具有提高的效率的照明系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以间隔开的转换层（6）为基础的具有提高的效率的照明系统，所述照明系统具有至少两种不同类型的芯片（2，3），其中转换层将第一类型的芯片（2）的辐射至少部分地进行转换。第二类型的芯片（3）的辐射与第一芯片的辐射相比波长更长，其中第二芯片设置成，使得其辐射基本上不被发光材料吸收。

Description

具有提高的效率的照明系统
技术领域
本发明基于一种基于至少两种芯片的照明系统，尤其为基于包含芯片的LED的照明系统，其中存在用于至少部分地对第一芯片的辐射进行转换的机构，其中在确定用于转换的第一芯片的前面安置作为转换机构的包含发光材料的层，所述层将所述第一芯片的初级辐射的至少一部分转换成次级辐射，其中第二芯片与所述第一芯片相比发射更大波长的辐射，所述层安装在沿辐射方向在所述第一芯片前方的透明的圆盘上。所述照明系统尤其适合于普通照明。
背景技术
从US6234648中已知一种照明系统，在所述照明系统中，将蓝色LED和红色LED连同将蓝色LED的辐射转换成绿色的辐射的发光材料一起使用，其中发光材料远离蓝色LED安装(所谓的远程磷光设计)。所述远程磷光设计的缺点为，红色LED的光同样必须穿过用作转换器的发光材料。在此，通过绿色发光材料中的散射和剩余吸收，丧失红色光谱范围中的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有远程磷光设计的照明系统，所述照明系统克服上述缺点并且实现在红色光谱范围中没有效率损耗。尤其地，红光的放射能够由转换器脱耦，而没有对光混合造成负面影响。
所述目的通过本申请的技术方案来实现。
在本文中得出尤其有利的设计方案。
根据本发明，现在提供一种以转换型LED和纯色LED为基础的照明系统，其中所述纯色LED尤其为红色LED。
在此，实现放射的高效率和均匀性。
在借助于转换型LED和通过各个红色LED的红色混合的透射式的远程磷光方式中出现下述问题，红光必须穿过载体上的发光材料层透射。尽管实际上发光材料自身在红色光谱范围中是无吸收的，但由于红光的较大的光程长度，更确切地说由于发光材料层的反射度，在构件中得出在效率方面的缺点。在此提出的发明提高了效率。
借助远程磷光的迄今的方式通过载体上的发光材料的散射使通过发射红色的LED所混合的红光均匀化。将全部的发射光的构件安装在壳体中、即具有不同可能结构的“照明盒”中。通过初级光(在此尤其为蓝色和红色)的多重反射和散射来进行均匀化。在照明系统之外得到均匀的光输出。由于在“照明盒”中进行多重反射而引起的红光的效率损耗可被接受。
根据本发明进行对蓝色和红色光源的空间分隔，所述蓝色的和红色的光源通过芯片或芯片的阵列来实现。将红光耦合输入到发光材料层的载体板或基底中。在此，发光材料层优选地“在底部”安装在基底上，也就是朝向蓝色的光源。红光在发光材料层之上或在整个基底之上被耦合输入。
尤其优选地，基底厚到使得能够将红色芯片安装在侧边缘上并且射入到基底中。因此，载体层充当光导体，并且基底的下侧上的散射用于红光在向前的方向上的漫射的耦合输出。在此，一方面基底的在底部边界层并且另一方面安装在其上的发光材料自身充当反射/散射层。
替选地，红色LED的阵列也能够沿辐射方向倾斜地指向上并且在管状的光导体等中在基底之上进行混合。
所述布置的优点为，红光不再必须穿过发光材料。在层中不发生多重反射或该过程作为耦合输出途径被强烈地抑制。红色光子的单次散射过程对耦合输出是足够的。相应地，较小程度地发生损耗过程，效率提高。
以编号形式列举的本发明的主要特征为：
方面1.基于至少两种芯片的照明系统，尤其为基于包含芯片的LED的照明系统，其中存在用于至少部分地对第一芯片的辐射进行转换的机构，其中在确定用于转换的第一芯片的前面安置作为转换机构的包含发光材料的层，所述层将所述第一芯片的初级辐射的至少一部分转换成次级辐射，其中第二芯片与所述第一芯片相比发射更大波长的辐射，其特征在于，所述层设置成与所述第一芯片隔开，其中所述第二芯片设置成，使得所述第二芯片的辐射基本上没有被所述发光材料吸收。
方面2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一芯片发射UV至蓝色并且所述第二芯片发射黄色至红色。在第一UV芯片中，发光材料是发射蓝色的并且第二LED是发射黄色的。在发射蓝色的第一芯片中，发光材料是发射黄色至绿色的，这涉及发射峰值，并且第二芯片是发射橙色、洋红色或红色的。
方面3.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述发光材料吸收蓝色的辐射并且发射绿色至黄色的辐射。
方面4.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，至少一种发光材料选自氧氮硅酸盐、正硅酸盐、赛隆陶瓷、由YAG:Ce衍生的石榴石。
方面5.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述第一芯片作为在基底上的阵列实现。
方面6.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述层安装在沿辐射方向在所述第一芯片前方的透明的圆盘上。
方面7.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述第二芯片作为阵列实现，所述阵列在外部围绕圆盘的边缘分组，并且所述阵列沿辐射方向观察尤其设置在所述层之上。
方面8.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述发光材料具有石榴石，所述石榴石尤其同时包含镓和铝。
方面9.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统具有盆形的壳体，其中将所述第一芯片安装在盆板上，并且其中所述层用作盆盖。
方面10.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述第二芯片沿辐射方向向上倾斜地装入。
方面11.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，光学元件，尤其是光导体，安装在圆盘之上，所述光学元件尤其基于RGB混合原理将两个芯片的辐射混合成白色。
方面12.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述基底的厚度是足够的，以便能够将所述第二芯片设置在所述基底的侧向边缘上，使得将所述第二芯片的辐射耦合输入到所述基底中。
方面13.根据方面1所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统是LED灯，其中所述发光材料被施加在第一圆顶上，所述第一圆顶在所述第一芯片上方拱盖，并且其中所述第二芯片位于第二圆顶之内、但是同时位于所述第一圆顶之外，其中所述第二圆顶具有散射剂以用于混合两个芯片的辐射。
方面14.根据方面13所述的照明系统，其特征在于，所述LED灯具有基本部件，两个所述圆顶尤其从所述基本部件起拱盖，其中所述基本部件具有环绕的圆环，在所述圆环上安装有所述第二芯片。
方面15.根据方面13所述的照明系统，其特征在于，所述第二芯片在外部安装在所述第一圆顶上、尤其安装在条带状的带上。
附图说明
在下文中能够根据多个实施例详细地阐明本发明。附图示出：
图1示出根据现有技术的照明系统；
图2示出新型的照明系统的第一实施例；
图3示出新型的照明系统的第二实施例；
图4示出作为照明系统的实现方案的LED灯；
图5和6各示出LED灯的另一实施例。
具体实施方式
图1示出本身已知的基于RGB的白光的照明系统1的结构，为此例如参见US-B7213940。光源是具有例如450nm峰值发射波长的InGaN类型的蓝色(b)的芯片2的半导体器件。阵列也还包含发射红色(r)的LED3。
壳体4是盆形的照明盒。所述盒向上通过载体或基底5上的发光材料层6封闭。发光材料尤其为从YAG:Ce(钇铝石榴石：铈)衍生出的石榴石。发光材料层6位于“底部”，即基底的朝向照明盒的内部的一侧上。蓝光的固定的一部分被发光材料吸收或转换并且蓝光的剩余部分被散射。反向散射通过白色加衬的照明盒4收集并且重新反射到发光材料层6上。由于盒内的漫反射实现光输出的均匀化。
图2示出了照明系统1的新型的布置。在“照明盒”4内存在仅发射蓝色的LED2。红色LED3位于盆4的盖板侧的边缘上并且侧向地耦合输入到载体或基底5中，所述基底是透明的并且优选地由玻璃或塑料制成。载体的在红色LED3旁边和之间的侧面7优选地用漫反射材料覆层，合适的材料例如为TiO2。通过发光材料层6“在底部”对载体的光导特性造成干扰。光耦合输出在向前的方向上进行。因此，借助于单次散射从灯中提取红光。红光的多次散射与在已知的解决方案中相比明显是更不可能的。原理上，速度计指针背后照明或侧向照明的LCD显示器背后照明的光耦合输出以相似的方式工作。在此新颖的是，在层6中使用尽可能不吸收红色的发光材料用作耦合输出的构件。在此，适合的是尤其为石榴石A3B5O12:Ce类型的发射绿色的发光材料，尤其为同时包含铝和镓的YAGaG:Ce。适合作为组分A的主要是Y和/或Lu。对于在430nm至450nm、尤其至445nm的范围中的初级辐射的峰值波长而言，有利地适合作为发光材料的是带有阳离子A＝Lu的石榴石，并且其中B同时具有Al和Ga的份额，尤其地，在组分B中包含摩尔百分比为10％至40％、尤其为20％至30％的Ga，剩余的为Al。
载体元件5能够并且应当被结构化成，使得将红色的光耦合输出调节成，使得实现尽可能均匀的放射和将红光尽可能在到达圆盘的与各个的红色LED3相对置的侧壁8之前被耦合输出。因此在理想情况下，红光的波长小于载体元件或基底5的直径。
所述布置提供极其紧凑的、良好均匀化的白色光源。
图3示出另一实施例，其中基底5是相对薄的，并且其中红色LED3安装在基底5之上。所述红色LED设置成在发射方向上是向上倾斜的。在所述红色LED之上安装有作为光学元件的管状的光导体9，所述光导体的内壁10通过全反射或通过反射覆层起反射的作用。在此，光首先在光导体中混合。
根据期望的冲击方向，例如根据尽可能高的显色指数(CRI)、尽可能高的效率、特定的色域或始终期望的这些变量的折中方案，也必须与期望的光色相关地对转换型LED/发光材料/红色LED的系统进行不同的调节。
主波长在430nm至470nm的蓝色LED必须匹配于所选择的发光材料，优选为从YAG:Ce中衍生的石榴石、也就是A3B5O12:Ce，A＝Y和/或Lu是优选的，B＝Al和/或Ga是优选的。作为示例，列出冷白色的LED(4500K至5500K)，在此，优选应使用具有10％的Ga的简单的YaGaG:Ce，在此最优的LED波长为大约460nm(455nm至465nm)。对于冷白色的中性白的光色(尤其大约为3800K至4000K)而言，优选应使用具有15％至35％的镓份额的YAGaG，剩余部分使用铝。在此，最优的LED波长为大约450nm(445nm至455nm)。在暖白色的光色(2700K至3000K)的情况下，优选应使用具有15％至35％的镓份额的LuAGaG，剩余部分使用铝。在此，最优的LED波长为大约438nm(433nm至443nm)。
相应地，也必须匹配于红色LED的波长。光谱的红色部分应尽可能主要地位于600nm至630nm之间(主波长)。窄带的短波发射(优选为小于25nm的FWHM)在高效率方面是优选的，然而，宽带的红色发射(优选为30nm至50nm的FWHM)提供在良好的显色指数方面的优点。在620nm至650nm范围(主波长)中的相对长波的红色发射增大了可达到的色域。在主波长处于600nm至610nm的范围中的情况下，红色LED的波长偏移的影响是最小的，因为人眼的红色敏感性的最大值位于所述范围中。
图4示出作为照明系统的发射白色的LED灯20，所述LED灯具有包含电子装置的基本部件21、在下方安装在所述基本部件上的灯头22、内部圆顶23和外部圆顶24。与在图2a中相似地，在中央将发射蓝色的LED引入在基本部件上(不可见，见图2a)。内部圆顶23借助于发光材料均匀地覆层，所述发光材料将蓝色LED的初级辐射的一部分转换成黄色至绿色的辐射。为此，尤其适合的是例如为YaGaG:Ce或LuAGAG:Ce的石榴石，或化学式为A3B5O12:Ce的另一种石榴石。发射更长波长的、尤其发射红色或洋红色或橙色的多个LED28置于基本部件的邻近于基本部件边缘26的卡圈件25上。所述LED优选地均匀隔开。尤其优选地，卡圈件25作为圆环实现并且如所示，略微倾斜地向外倾斜。
通过外部圆顶24上的扩散层或散射层来进行混合成白色，所述外部圆顶围住内部圆顶23和带有红色LED28的圆环25。总体上，由此得出紧凑的发射白色的LED灯20。
图5尤其优选地示出LED灯20的一个优选的实施例，所述实施例与在图4中所描述地相似地构造。但是，与此不同的是，红色LED28没有安装在圆环25上。替代于此，所述红色LED安装在条带状部段30上，所述条带状部段安装在内部圆顶23上并且能够不含发光材料。所述条带状部段30能够以极化的方式定向，也就是说几乎沿着圆顶23的纬线。尤其地，能够使用二个至四个这种极化的条带30，所述极化的条带均匀地相互间隔。优选地，在此，一个红色LED28位于一条条带30上，也能够将二至四个红色LED安装在一条这样的条带30上。
图6示出LED灯20的另一个实施例，其中使用赤道条带31，所述赤道条带在内部圆顶23上环绕，并且在所述赤道条带上安装有红色LED28。通常，也能够使用沿着经线定向的多个平行的条带。在此，通常能够将二至五个LED安置在一个条带上。
条带也能够倾斜于内部圆顶23的经线或纬线定向。

Claims (19)

1.基于至少两种芯片的照明系统，其中存在用于至少部分地对第一芯片的辐射进行转换的机构，其中在确定用于转换的第一芯片的前面安置作为转换机构的包含发光材料的层，所述层将所述第一芯片的初级辐射的至少一部分转换成次级辐射，其中第二芯片与所述第一芯片相比发射更大波长的辐射，所述层安装在沿辐射方向在所述第一芯片前方的透明的圆盘上，其特征在于，所述层设置成与所述第一芯片隔开，其中所述第二芯片设置成，使得所述第二芯片的辐射没有被所述发光材料吸收，所述第二芯片作为阵列实现，所述阵列在外部围绕圆盘的边缘分组，并且所述阵列沿辐射方向观察设置在所述层之上。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统基于包含芯片的LED。
3.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一芯片发射蓝色并且所述第二芯片发射橙色至红色。
4.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述发光材料吸收蓝色的辐射并且发射绿色至黄色的辐射。
5.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，至少一种发光材料选自氧氮硅酸盐、正硅酸盐、赛隆陶瓷、由YAG:Ce衍生的石榴石。
6.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第一芯片作为在基底上的阵列实现。
7.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述发光材料具有石榴石。
8.根据权利要求7所述的照明系统，其特征在于，所述石榴石同时包含镓和铝。
9.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统具有盆形的壳体，其中所述第一芯片安装在盆底上，并且其中所述层用作盆盖。
10.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述第二芯片沿辐射方向向上倾斜地装入。
11.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，光学元件，安装在圆盘之上，所述光学元件将两个芯片的辐射混合成白色。
12.根据权利要求10所述的照明系统，其特征在于，所述光学元件是光导体。
13.根据权利要求10所述的照明系统，其特征在于，所述光学元件基于RGB混合原理将两个芯片的辐射混合成白色。
14.根据权利要求6所述的照明系统，其特征在于，所述基底的厚度是足够的，以便能够将所述第二芯片设置在所述基底的侧向边缘上，使得将所述第二芯片的辐射耦合输入到所述基底中。
15.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统是LED灯，其中所述发光材料被施加在第一圆顶上，所述第一圆顶在所述第一芯片上方拱盖，并且其中所述第二芯片位于第二圆顶之内、但是同时位于所述第一圆顶之外，其中所述第二圆顶具有散射剂以用于混合两个芯片的辐射。
16.根据权利要求15所述的照明系统，其特征在于，所述LED灯具有基本部件，其中所述基本部件具有环绕的圆环，在所述圆环上安装有所述第二芯片。
17.根据权利要求16所述的照明系统，其特征在于，所述第一圆顶和所述第二圆顶从所述基本部件起拱盖。
18.根据权利要求15所述的照明系统，其特征在于，所述第二芯片在外部安装在所述第一圆顶上。
19.根据权利要求15所述的照明系统，其特征在于，所述第二芯片在外部安装在条带状的带上。
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