CN103403887A - 具有光源、辐射转换元件和滤波器的照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种照明系统，该照明系统包括1）光源，其被设置成发射初级辐射，2）辐射转换元件，其被设置成将初级辐射的至少一部分转换成次级辐射，以及3）滤波器，其被设置成阻挡照明系统中生成的具有比特定截止波长更短的波长的辐射。依照本发明，滤波器被设计成通过将滤波器的截止波长设置在辐射转换元件的发射频谱中而阻挡次级辐射的部分。依照该设计的照明器件表现出具有小带宽的发射频谱。
Description
技术领域
本发明涉及一种照明系统，该照明系统包括被设置成发射初级辐射的光源、被设置成将初级辐射的至少一部分转换成次级辐射的辐射转换元件以及被设置成阻挡照明系统中生成的具有比特定截止波长更短的波长的辐射的滤波器。
背景技术
开篇段落中所描述类型的照明系统本身是已知的。更具体而言，授权的专利US 7.402.840 B2中公开了这样的系统。该文件教导了一种照明系统，该照明系统具有半导体发光器件（LED）、波长转换材料和滤波材料。发光器件能够发射具有第一峰值波长的第一光，该第一光被波长转换材料吸收。该材料（最经常为发光材料，例如无机磷光体）能够将吸收的第一光作为具有第二峰值波长的第二光发射。该已知的照明系统进一步包含滤波器，该滤波器能够透射第二光，但是反射或者吸收第一光的部分。利用该已知的系统，有可能产生具有高色纯度的光。滤波器的使用特别地防止了由LED生成的第一（或初级）光从系统逸出。因此，系统发射的唯一的光是由波长转换材料发射的高色纯度第二（或次级）光。
所描述设计的照明系统经常表现出其发射频谱的带宽相对较大的缺点。存在对于包括一个或多个发射相对较小的频谱带的辐射的基于磷光体的LED的照明系统的一般需要。这尤其对于发射电磁频谱的红色区域中，优选地600-630nm附近的区域中的光的系统成立。
发明内容
本发明的目的是减轻或者至少减少已知照明系统的缺陷。更具体而言，本发明目的在于提供一种具有基于磷光体的LED的照明系统，该照明系统表现出在电磁频谱的特定区域中，尤其在频谱的红色部分（近似600-630nm）中的窄发射带。
依照本发明，这些和/或其他目的利用一种照明系统来实现，该照明系统包括1）光源，其被设置成发射初级辐射，2）辐射转换元件，其被设置成将初级辐射的至少一部分转换成次级辐射，以及3）滤波器，其被设置成阻挡照明系统中生成的具有比特定截止波长更短的波长的辐射，其中滤波器被设计成通过将滤波器的截止波长设置在辐射转换元件的发射频谱中而阻挡次级辐射的部分。
本发明尤其基于本发明人的以下认识：通过使用滤波器的良好选择的截止波长，可以同时实现两个效果。首先，如上面提到的专利文件US 7.402.840-B2中所描述的，可以防止初级光从系统泄漏。其次，通过在辐射转换元件的发射频谱波长范围内选择滤波器的截止波长，可以如所希望的那样使得其发射频谱更小或更窄。无需附加的部分以达到这种组合效果。因此，照明系统的成本基本上没有因为依照本发明的措施而增加。优选的照明系统是这样的照明系统，其中滤波器的截止波长基本上与波长转换元件的发射频谱中的高能部分重合。
各种不同的最新技术的磷光体系统可以用作发明的照明系统中的波长转换元件。除别的以外，诸如磷光体或者磷光体混合物之类的发光材料的选择将取决于所希望的发射带波长最大值。本领域技术人员可以基于磷光体系统的已知细节做出正确的选择，而不管它们以粉末形式应用、混合在树脂材料中还是作为陶瓷层中的烧结粉末。
应当指出的是，降低波长转换元件的发射频谱的带宽的其他方法没有成功或者仅仅部分地成功。第一种方法中使用的具有相对较窄的发射带的线发射磷光体通常具有太长的衰减时间和太弱的吸收，这将它们从实际使用中排除。而且，第二种方法中使用的许多包含Eu2+的磷光体具有相当宽的发射带或者在（潮湿）空气中是不稳定的，这也限制了它们的实际使用。
依照本发明的照明系统的一个有趣的实施例具有这样的特征：滤波器为将阻挡的辐射反射回辐射转换元件的干涉滤波器。该措施提高了照明系统的效率。当使用吸收滤波器时，阻挡的由光源（基本上整个发射频谱的初级辐射）或者由辐射转换元件（具有比截止波长更短的波长的次级辐射）发射的辐射由于其在滤波器中被吸收的原因而作为热量损耗掉。使用干涉滤波器具有这样的优点：阻挡的初级和次级辐射被反射回辐射转换元件。在这里，反射的辐射可以被（再）吸收、转换成更长波长的辐射，以及发送回到和通过干涉滤波器。再发送的辐射的具有比干涉滤波器的截止波长更长的波长的部分可以通过该滤波器。反射的辐射的（再）吸收和再发送因此导致照明系统的输出效率更高。
依照本发明的照明系统的另一个有趣的实施例具有这样的特征：干涉滤波器为带通反射滤波器。这样的滤波器反射两个截止波长之间的辐照。低能量截止波长优选地应当被设置在辐射转换元件的发射频谱中。高能量截止波长应当优选地被设置在辐射转换元件的发射频谱与初级光源的发射频谱之间。具有这样的滤波器的照明系统允许初级辐射（的部分）也可以与次级辐射混合，并且混合的辐射可以从照明系统发射。
发明的照明系统的另一有趣的实施例的特征在于，辐射转换元件的吸收频谱和发射频谱基本上重叠。应当指出的是，在重叠的区域为由归一化发射频谱和归一化吸收频谱二者覆盖的总区域的至少5%的情况下，存在“基本上重叠”。该措施可以进一步增强发明的系统的效率。这归因于以下事实：效率增加起因于相同磷光体材料再吸收干涉滤波器反射的发射光，其后是该发光材料的发射。这个过程仅仅出现在频谱重叠的情况下。通过这种方式，光子损耗被最小化。
依照本发明的照明系统的另一个有利的实施例的特征在于，滤波器的截止波长与这样的波长基本上重合，在该波长处，辐射转换元件的（归一化）吸收频谱与（归一化）发射频谱交叉。在实践中，这意味着截止波长与转换元件的吸收频谱和发射频谱交叉处的波长的差别小于10nm。通过选择依照该实施例的截止波长，可以获得光输出效率的甚至进一步的提高。这个条件进一步优化了具有相对较短的波长的光的再吸收，并且进一步降低了得到的发射的带宽。
发明的照明系统的另一有利的实施例具有以下特征：辐射转换元件的斯托克斯（Stokes）频移小于0.20eV。在这些情况下，获得归一化的发射和吸收频谱的显著的重叠。辐射转换元件的斯托克斯频移优选地小于0.15并且更优选地介于0.07与0.12eV之间。在小的斯托克斯频移（尤其是小于0.07eV）的情况下，带宽已经相当小；这使得本发明不那么有用。
同样有趣的是依照本发明的照明系统的这样的实施例，其中辐射转换元件的发射频谱具有585-625nm范围内的峰值发射波长。通过在600nm附近正确地选择干涉滤波器的截止波长，可以获得具有小带宽发射频谱的高效照明系统。这种类型的照明系统是尤其有利的，因为具有高显色性的LED的效能严格取决于红色发射带的宽度。眼睛灵敏度随着增大的波长高于630nm而快速地降低。另一方面，在低于600nm的电磁频谱区域中具有相当强度的红色发射对于显色性具有负面影响。因此，所需要的照明系统具有小的发射带宽以及585-625nm之间的范围内、优选地595-620nm的范围内并且更优选地605-615nm之间的范围内的峰值波长。
附图说明
本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。
在附图中：
图1在截面中示出了依照本发明的照明系统的一个实施例，
图2示出了依照图1的照明系统中使用的磷光体（斯托克斯频移0.1eV，FWHM 28nm）的吸收频谱和发射频谱的部分，
图3示出了依照图1的照明系统中使用的另一种磷光体（斯托克斯频移0.15eV，FWHM 41nm）的吸收频谱和发射频谱的部分，以及
图4示出了依照图1的照明系统中使用的又一磷光体（斯托克斯频移0.2eV，FWHM 53nm）的吸收频谱和发射频谱的部分。
应当强调的是，附图是示意性的并且不符合比例。在不同的图中，相同的元件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1在截面中图示出了依照本发明的照明系统1的一个实施例。所述系统1包括一定数量的光源2，这些光源被实施为发光二极管（LED）。尽管可以使用不同类型的LED，但是优选的是应用能够发射具有550nm或更小的波长的初级辐射的LED。在当前器件中，使用GaInN类型的LED，其能够发射具有370-470nm之间的波长最大值的光。
LED 2安装在外壳3的底面上。在所述外壳3的内侧壁上，提供了反射装置4，比如铝反射镜。在照明系统的激活期间，经由电引线将电压施加到LED的电连接部分上。为了简单起见，既未示出电引线，也未示出电连接部分。作为激活的结果，LED 2发射辐射。该辐射由外壳的腔体5中远离LED 2指向的小箭头指示。
外壳3的顶部设有最新技术的发光材料层6。在所描述的实施例中，所述发光材料形成为包含磷光体材料的烧结颗粒板（Lumiramic）。应当强调的是，也可以设想粉末层。陶瓷层6充当辐射转换元件，其被设置成将初级辐射的部分或全部转换成次级辐射。在层6的背离光源2的一侧，设置了辐射阻挡滤波器7，其能够反射照明系统中生成的具有比特定截止波长更短的波长的辐射。优选地，所述滤波器7直接附接到层6。在当前实施例中，所述滤波器7为包括光学透明衬底的反射滤波器，在所述衬底上提供了具有所需的层厚度分布和SiO2/TiO2序列的多层例如SiO2/TiO2。
LED 2发射的初级辐射指向在这里实施为磷光体材料的陶瓷层6的波长转换元件。吸收也可以发生在更高的激发态。由层6（直接或间接）吸收的初级辐射被转换成具有更长波长的次级辐射。取决于反射滤波器7的截止波长，该次级辐射的全部或者部分可以通过滤波器7，即该辐射的具有比所述截止波长更长的波长的部分可以通过滤波器。基本上，取决于滤波器的陡度，具有比滤波器7的截止波长更短的波长的大多数或者全部初级辐射和次级辐射都将被反射回辐射转换元件6，在那里它被再吸收。所述再吸收的辐射在大的程度上被转换成更长波长的辐射，该辐射可以通过滤波器7到达外部世界。反射装置4使得所有辐射（初级和次级）最终都被反射回磷光体层6和滤波器7，从而由于外壳内的吸收而引起的辐射损失是最小的。
基于上面描述的发明的照明系统的实施例执行了若干测量和计算，其中应用了不同类型的磷光体材料。这些类型的磷光体基于磷光体类别MgS:Eu或者CaSe:Eu。图2-4中示出了三个实施例的仿真的频谱。更具体而言，图2示出了具有斯托克斯频移0.1eV和28nm的半高带宽（FWHM）的磷光体的吸收和发射频谱。图3示出了具有斯托克斯频移0.15eV和41nm的FWHM的另一种磷光体的吸收和发射频谱，而图4示出了具有斯托克斯频移0.2eV和53nm的FWHM的另一磷光体的吸收和发射频谱。在图4中，反射滤波器的频谱由点线指示。滤波器的截止波长与辐射转换元件的吸收和发射频谱交叉处的波长（近似570nm）基本上重合。
这些频谱在所谓的高温和强耦合极限下确定。在该极限下，对于针对其的宽度与光子频率无关的发射带，获得高斯线形状。在实践中，这与实验发现相当一致。然而，应当强调的是，本发明并不限于这样的磷光体。所有计算的频谱在600nm处具有其发射最大值。在仿真中，修改了斯托克斯频移。在所提到的极限下，斯托克斯频移决定发射带的带宽以及吸收带的低能量侧的频谱形状，并且出于这个原因频谱重叠。
辐射转换元件中再吸收的光的最大份额可以根据频谱重叠进行估计。对于计算的三种情况而言，这些估计的数字在表1中给出。
| 斯托克斯频移(eV) | 份额 (%) |
| 0.1 (图2) | 20 |
| 0.15 (图3) | 12 |
| 0.2 (图4) | 7 |
表1。
根据表1，可以推断对于小于近似0.2eV的斯托克斯频移（频谱区域中近似53nm）获得大的频谱重叠。在其中斯托克斯频移更大的情况下应用干涉滤波器以降低带宽并不导致有益的效果，因为在这些条件下再吸收几乎不发生，在吸收和发射带之间具有太小的频谱重叠。在此情形下，反射的光大部分损失掉。考查这些曲线图表明，干涉滤波器应当被放置成使得截止波长等于计算的吸收和发射频谱交叉处的波长。到更大或更小波长的移动相当程度地降低再吸收的概率。
尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。因此，形成为烧结层6的波长转换元件可以由其中磷光体粉末被复合的有机树脂材料代替。在此情形下，外壳的腔体5填充有所述包含磷光体的树脂材料。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，应当能够理解并实现对于所公开实施例的这种和其他变型。
在权利要求中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中列出特定措施这一事实并不意味着这些措施的组合不可以加以利用。权利要求中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。
Claims (7)
1.一种照明系统，包括：
- 光源，其被设置成发射初级辐射，
- 辐射转换元件，其被设置成将初级辐射的至少一部分转换成次级辐射，
- 滤波器，其被设置成阻挡照明系统中生成的具有比特定截止波长更短的波长的辐射，其中该滤波器被设计成通过将滤波器的截止波长设置在辐射转换元件的发射频谱中而阻挡次级辐射的部分。
2.依照权利要求1的照明系统，其中滤波器为将阻挡的辐射反射回辐射转换元件的干涉滤波器。
3.依照权利要求2的照明系统，其中干涉滤波器为带通反射滤波器。
4.依照权利要求2或3的照明系统，其中辐射转换元件的吸收频谱和发射频谱基本上重叠。
5.依照权利要求4的照明系统，其中滤波器的截止波长与这样的波长基本上重合，在该波长处，辐射转换元件的吸收频谱与发射频谱交叉。
6.依照前面的权利要求中任何一项的照明系统，其中辐射转换元件的斯托克斯频移小于0.20eV。
7.依照前面的权利要求中任何一项的照明系统，其中辐射转换元件的发射频谱具有585-625nm范围内的峰值发射波长。
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