CN103703311B - 在维持色点和cri的同时提供增加的光通量的照明装置 - Google Patents

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Abstract

照明模块包括多个固态发光部件，被配置为共同发射具有期望白点和大于大约90的显色指数（CRI）的光。模块进一步包括至少一个附加固态发光部件，被配置为单独发射具有基本上类似于期望白点的白点的光。至少一个附加发光部件可以增加照明模块的流明输出而基本上不改变由多个发光部件共同发射的光的期望白点。

Description

在维持色点和CRI的同时提供增加的光通量的照明装置
优先权要求
本申请要求2011年2月3日提交的美国临时专利申请61/439,224的优先权，该申请公开的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及半导体发光器件，并且更具体地涉及包括半导体发光器件的照明装置。
背景技术
发光二极管和激光二极管是众所周知的固态照明元件，当施加足够的电流时能够产生光。发光二极管和激光二极管通常可以称为发光器件（“LED”）。发光器件通常包括在生长在衬底（例如蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓等）上的外延层中形成的p-n结。由LED产生的光的波长分布通常取决于制造p-n结的材料和构成器件有源区的薄外延层的结构。
典型地，LED芯片包括衬底、在衬底上形成的n型外延区和在n型外延区上形成的p型外延区（或者反之亦然）。在一些实例中，可以移除衬底和/或由另一个衬底替换。为了便于对器件施加电流，可以在器件的p型区（典型地，暴露的p型外延层）上形成阳极接触并且可以在器件的n型区（例如衬底或者暴露的n型外延层）上形成阴极接触。当对欧姆接触施加电势时，电子可以从n型层注入到有源区中并且空穴可以从p型层注入到有源区中。有源区内的电子和空穴的辐射复合产生光。一些LED芯片包括具有多个发光区的有源区或者在n型层与p型层的结之间或接近n型层与p型层的结的有源层（也称为多量子阱结构）。
LED可以用于照明/普通照明应用中，例如，作为传统白炽灯和/或荧光灯照明的替代物。因而，通常希望提供产生具有较高显色指数（CRI）的白光的照明源，以使得由光照明的物体可以显得更自然。光源的显色指数是对由光源产生的光精确照明大量颜色的能力的客观度量。特别地，CRI是照明系统的显色特性如何与黑体辐射体的那些显色特性相比较的相对度量。CRI为100表明由照明系统照明的一组测试颜色的色坐标与由黑体辐射体照射的相同测试颜色的坐标相同。显色指数的范围从单色源的基本为零到白炽光源的接近100。例如，日光具有最高的CRI（100），白炽灯泡相对接近（约95），以及荧光灯照明精度较低（70～85）。
另外，特定光源的色度可以被称为源的“色点”。可以参考色度图上的一组三色激励值（X，Y，Z）和/或色坐标（CCx，CCy）来限定色点。对于白色光源，色度可以被称为源的“白点”。白色光源的白点可以沿着色度点的轨迹，所述色度点对应于由加热至给定温度的黑体辐射体（在此也称为“黑体轨迹”）发射的光的颜色。由于沿着黑体轨迹的色坐标（即色点）遵循普朗克方程：E(λ)＝Aλ-5/(eB/T-1)，因此黑体轨迹也被称为“普朗克”轨迹，其中，E是发射强度，λ是发射波长，T是黑体的色温以及A和B是常数。相应地，白点可以通过光源的相关色温（CCT）来识别，该相关色温是加热的黑体辐射体与白色光源的颜色或者色调相匹配的温度。白光通常具有在大约4000开氏度（K）至8000K之间的CCT。CCT为4000的白光具有淡黄色。CCT为8000K的白光更带蓝色，并且可以被称为“冷白色”。“暖白色”可以用于描述CCT在2600K至3700K之间的白光，该“暖白色”更带红色。“中性白”可以指代CCT在3700k至5000k之间的白光。
可以通过用波长转换材料（例如磷光体）包围LED将来自单色LED的光转换为白光。不管吸收与再发射之间的延迟以及所涉及的波长如何，术语“磷光体”可以在此处用来指代在一个波长范围内吸收光并且在不同波长范围内再发射光的任何材料。光的一小部分还可以穿过磷光体和/或以与入射光基本上相同的波长从磷光体再发射，经历很小的下转换或者不经历下转换。通常，磷光体吸收具有较短波长的光并且再发射具有较长波长的光。因而，由LED以第一波长发射的光的一些或者全部可以由磷光体颗粒吸收，所述磷光体颗粒可以响应地以第二波长发射光。例如，可以用发射黄光的磷光体（例如掺铈钇铝石榴石（YAG））包围单个发射蓝光的LED，这里称为蓝移黄（BSY）LED。产生的光（其是蓝光和黄光的组合）可以向观察者呈现白色。
然而，由基于磷光体的固态照明部件（包括发射蓝光的LED和发射黄光的磷光体）产生的光可能具有相对较低的CRI。因而，由于光的有限的光谱，由来自这种部件的光照明的物体可能不会呈现出具有自然色。尽管可以通过包括发射红光的元件（例如发射红光的LED和/或发射红光的磷光体）提高CRI，但是可能会出现平衡色点、CRI和包括这种照明部件的照明模块或者装置的流明输出的困难。
发明内容
应当注意，提供本概述以便用简化形式介绍下面在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识本公开的关键特征或者必要特征，亦不旨在限定本公开的范围。
根据一些实施例，照明模块包括：多个固态发光部件，被配置为提供具有第一和第二特征的共同光发射；以及至少一个附加固态发光部件，被配置为在不同于所述多个固态发光部件中相应的各个的波长范围的波长范围内提供单独光发射。与共同光发射结合的单独光发射限定了改变第二特征同时基本上维持第一特征的模块的总体光发射。
在一些实施例中，第一特征可以是期望色点，以及第二特征可以是流明输出或者显色指数（CRI）。
在一些实施例中，单独光发射可以具有基本上类似于期望色点的色点。例如，定义单独发射的白点的各自色坐标可以等于将期望色点一直限制到至少第三小数位的那些色坐标。
在一些实施例中，期望色点可以是普朗克轨迹上的白点，其具有在大约2600K与大约6500K之间的相关色温。
在一些实施例中，限定总体光发射的白点的各自色坐标可以落在以期望白点为中心的4步MacAdam椭圆内。
在一些实施例中，共同光发射的显色指数（CRI）可以大于大约90。同样，总体光发射的CRI可以小于共同光发射的CRI，但是可以大于大约90。
在一些实施例中，多个固态发光部件可以包括第一和第二发光器件，被配置为分别在不同的第一和第二波长范围内提供光发射。附加固态发光部件可以是第三发光器件，被配置为在不同于第一和第二波长范围的第三波长范围内提供单独光发射。
在一些实施例中，第一发光器件可以是蓝移黄发光器件，第二发光器件可以是红色发光器件，以及第三发光器件可以是暖白色或者中性白发光器件。例如，第三发光器件可以包括发射蓝光的LED和至少一个波长转换材料，该波长转换材料发射具有在可见光谱的黄色至红色部分内的波长的光。
在一些实施例中，第三发光器件可以是中性白发光器件。中性白发光器件的单独光发射可以限定具有在大约440纳米（nm）与460nm之间的第一峰值波长以及在大约560nm与大约599nm之间的第二峰值波长的光谱分布。例如，针对中性白发光器件的光谱分布可以具有在大约445nm处的第一峰值波长，并且可以具有在大约580nm处的第二峰值波长。
在一些实施例中，第三发光器件可以是暖白色发光器件。暖白色发光器件的单独光发射可以限定具有在大约455纳米（nm）与大约465nm之间的第一峰值波长以及在大约580nm与大约620nm之间的第二峰值波长的光谱分布。例如，针对暖白色发光器件的光谱分布可以具有在大约455nm处的第一峰值波长，并且可以具有在大约605nm处的第二峰值波长。
在一些实施例中，在平面视图中，第三发光器件可以在模块中与第二发光器件基本上对角放置。
在一些实施例中，包括在模块中的第一发光器件与第二发光器件的比例是大约5:2或者大约5:3。包括在模块中的第三发光器件的数量可以独立于第一发射器件与第二发光器件的比例。
在一些实施例中，多个固态发光部件和至少一个附加固态发光部件可以串联连接。
在一些实施例中，模块可以进一步包括控制电路。控制电路可以包括可操作用于驱动多个固态发光部件和至少一个附加固态发光部件的恒定电流源。
根据其它实施例，照明模块包括多个固态发光部件，被配置为共同发射具有期望白点和大于大约90的显色指数（CRI）的光。模块进一步包括至少一个附加固态发光部件，被配置为单独发射具有基本上类似于期望白点的白点的光。至少一个附加发光部件被配置为增加照明模块的流明输出而基本上不改变由多个发光部件共同发射的光的期望白点。
在一些实施例中，至少一个附加发光部件可以包括一个或多个暖白色发光二极管（LED），被配置为发射具有大约2700K至大约4000K的相关色温（CCT）的光。多个发光部件可以包括用黄色磷光体包围的一个或多个发射蓝光的LED，以及一个或多个发射红光或者橙色光的LED。
根据更进一步的实施例，照明装置包括多个固态发光部件，被配置为提供具有期望白点的共同光发射。多个固态发光部件包括第一和第二固态发光部件，被配置为在不同波长范围内提供各自的光发射。照明装置进一步包括至少一个第三固态发光部件，被配置为在不同于第一和第二发光部件的波长范围内提供单独光发射。与共同光发射结合的单独光发射增加了照明装置的总体流明输出而基本上不改变期望白点。
根据再进一步的实施例，照明模块包括多个蓝移黄发光器件和红色发光器件，被配置为共同发射具有期望白点的光。照明模块进一步包括至少一个暖白色或者中性白发光器件，被配置为单独发射具有基本上类似于期望白点的白点的光以增加照明模块的总体光输出的光通量而基本上不改变期望白点。
尽管以上主要针对装置方面进行描述，但是应当理解，本发明可以实施为其它方法、电路和/或电子器件，并且在阅读了附图和详细说明书后这种实施例对本领域的技术人员是或者变得显而易见。旨在将所有这些附加的方法、电路和/或电子器件，以及上述实施例的任意组合，都包括在本描述内并且由所附权利要求保护。
附图简述
图1是示出了根据本发明的一些实施例的照明装置的剖视图。
图2是示出了根据本发明的一些实施例供照明装置使用的照明模块的顶视图。
图3A至3C是示出了根据本发明的一些实施例供照明模块使用的包裹的发光器件的示例的截面侧视图。
图4A和4B是示出了根据本发明的一些实施例的照明模块的照片。
图5A至5E是示出了根据本发明的一些实施例的发光器件和包括这种发光器件的照明模块的光谱功率分布的曲线图。
图6是示出了根据本发明的一些实施例的颜色合并结构的色度图。
具体实施方式
下面将参考显示具体实施例的附图更加全面地说明本发明的具体实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，不应该理解为这里所述的实施例。提供这些实施例以使得本公开将变得更加彻底和全面，并向本领域的技术人员更全面的传达本发明的范围。附图描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
应当理解，尽管这里使用术语第一、第二等来描述各种元件，但这些元件不应该由这些术语限定。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以表述为第二元件，并且类似地，第二元件可以表述为第一元件。如这里所用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意和所有组合。
在此所用的术语仅是为了描述特定的实施例，而并非意在限制本发明。如在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该/所述”也旨在包括复数形式，除非上下文中明确指出另外情况。还将理解，本文中所使用的术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或附加。
可以理解，当元件被称为与另一个元件相“连接”或“耦合”时，其可以与另一个元件直接连接或耦合，或者也可以存在插入其间的元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，则不存在插入其间的元件。
除非另外进行了限定，否则这里所使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）都具有与本发明所属领域中的普通技术人员所通常理解的相同的意义。还应理解的是，在此所使用的术语应当被解释为具有与其在本说明书上下文以及相关领域中的意义一致的意义，而不应当以理想化的或者过分形式化的意义来解释，除非在本文中明确地进行了限定。
如在这里使用的，“固态发光部件”或者“半导体发光器件”可以包括发光二极管（LED）和/或包括一个或多个半导体层（例如硅、碳化硅、氮化镓和/或其它半导体材料）的其它发光器件。发光器件可以或者可以不包括衬底，例如蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和/或其它微电子衬底。发光器件可以包括一个或多个接触层（其可以包括金属和/或其它导电层）。半导体发光器件的设计和制造对本领域技术人员来说是众所周知的并且不需要在此详细地描述。例如，半导体发光器件可以是在碳化硅衬底上制造基于氮化镓的LED，例如由NorthCarolina的Durham的Cree Inc.制造并且销售的那些器件。
此外，涂有磷光体的发光二极管，例如名称为“Phosphor-Coated Light EmittingDiodes Including Tapered Sidewalls and Fabrication Methods Therefor”的美国专利6,853,010中描述的那些，也可以适用于本发明的实施例。可以在此使用术语“磷光体”指代在一个波长处吸收光并且以不同的波长再发射光的任何材料，而不管吸收与再发射之间的延迟和涉及的波长如何。相应地，术语“磷光体”可以指代有时被称为荧光和/或磷光的波长转换材料。通常，磷光体吸收较短波长的光并且再发射较长波长的光。因而，由LED芯片以第一波长发射的激发光中的一些或全部可以由磷光体颗粒吸收，所述磷光体颗粒可响应地以第二波长发射光。光的一小部分也可以以与入射光基本上相同的波长从磷光体再发射，经历很小的下转换或者不经历下转换。
同样，在一些实施例中，半导体纳米颗粒或者“量子点”（例如ZnS、ZnSe、CdS和CdSe）可以用作波长转换材料。量子点可以提供与作为发光波长转换材料的传统磷光体相比的潜在优点。例如，与发射光谱本质上可能固定的磷光体相比，量子点的发射光谱可以通过改变颗粒大小分布和/或表面化学来“调谐”。因此，通常可以在此处使用术语“波长转换材料”指代包含磷光体、量子点和/或接收一个波长处的光并且响应地以不同的波长再发射光的任何其它材料的任何材料或者层。
同样，如在此使用的，波长转换材料的“效率”可以指代材料的光子输出（以任何波长）相对于材料的光子输入（例如，如从LED芯片提供的）的比例。相反，封装的LED（在此也称为“照明部件”或“部件”）的“效能”可以指代LED的总体光输出与LED的电功率输入的比例（例如，单位为流明/瓦），该比例可以被可以包括在封装的LED中的任何波长转换材料的效率影响。此外，当发光部件（例如LED、LED芯片或者波长转换材料）在此描述为参照特定颜色发射光时，可以理解，发光部件发射具有落在与所述颜色相关联的波长范围内的波长的光。
根据本发明一些实施例的照明装置可以包括与其它颜色发射器结合使用以产生期望色度、相关色温（CCT）、显色指数（CRI）、光通量（在此也称为流明输出，以流明表示）和/或其它特征的光的发光器件。例如，在2007年5月8日公布的名称为“LIGHTING DEVICE ANDLIGHTING METHOD”的美国专利7,213,940中描述了包括蓝色激发二极管和磷光体的组合的LED器件，其公开的内容通过引用的方式合并于此。如在其中描述的，照明器件可以包括发射具有在从大约430纳米（nm）至大约480nm的范围中（例如，在可见光谱的蓝色部分中）的主波长的光的固态光发射器（即，LED芯片），以及发射具有在从555nm至585nm的范围中（例如，在可见光谱的黄色部分中）的主波长的光的磷光体。由于可以从许多不同波长的光的混合中感知白光，因此由蓝色发射器发射的光和由黄色磷光体响应地发射的光的组合可以产生向观察者呈现几乎白色的光的亚混合。这种LED在此被称为“蓝移黄（blue shiftedyellow）”或者“BSY”LED。当与具有从600nm至630nm（例如，在可见光谱的红色部分中）的主波长的红光结合时，该近白光可以产生“暖白色”光的外观，如例如在2010年10月26日公布的名称为“SOLID STATE LIGHTING DEVICES INCLUDING LIGHT MIXTURES”的美国专利7,821,194中所讨论的，其公开的内容通过引用的方式合并于此。
本发明的一些实施例可能源自如下认识：在包括蓝移黄（BSY）LED和红色或者红橙色（RDO）LED的照明模块中，可以限制BSY光通量与RDO光通量的比例以获得某些相关色温（CCT），尤其是在包含更少数目LED的模块中。例如，尽管对于某些CCT可以获得期望色点和CRI，但是还可以期望增加照明模块的总体光通量或者流明输出。然而，由于改变BSY与RDO的比例以增加流明输出可能在期望色格（color bin）外部产生色点，所以当在期望色格内时达到期望流明输出可能不容易实现。
考虑到这些困难，本发明的一些实施例进一步包括发射暖白色（WW）光或者中性白光的LED，其提供具有基本上类似于照明模块的期望最终白点或总体白点的白点的光输出。如在此使用的，“白点（white point）”指的是白色光源的色点，其可以参照颜色坐标（CCx，CCy）和/或相关色温（CCT）进行表示。加入暖白色LED（其发射具有大约2600K至大约3700K的CCT的光）或者中性白LED（其发射具有大约3700K至大约5000K的CCT的光）可以提高照明模块的总体光通量以获得期望通量水平，同时基本上维持现有白点。在一些实施例中，加入暖白色或者中性白LED可以增加总体光通量而不会显著地降低CRI和/或同时将CRI维持在期望水平以上。
本发明的特定实施例提供了包括多个蓝移黄（BSY）LED和红橙色（RDO）LED（按照特定BSY:RDO比例以获得期望色点）和至少一个暖白色或者中性白LED的照明模块或者装置。可以通过添加磷光体实现暖白色或者中性白LED，该磷光体发射在黄色与红色波长范围之间和/或包括黄色和红色波长范围的光至BSY LED。在一些实施例中，所有LED可以串联连接成单个串，并且可以由控制电路提供的恒定电流来控制。可以根据期望流明输出选择包括在模块中的暖白色或者中性白LED的数目/数量。同样，（一个或多个）暖白色或者中性白LED的白点可以对应于照明模块的期望白点。例如，在一些实施例中，暖白色照明模块可以包括一个或多个暖白色LED，被配置为单独发射具有大约2700K至大约3700K的CCT的光。同样地，中性白照明模块可以包括一个或多个中性白LED，被配置为单独发射具有大约3700K至大约5000K的CCT的光。
通过进一步包括与不饱和BSY LED和饱和RDO LED结合的至少一个暖白色LED，本发明的实施例可以不同于真实白色技术（其包括具有BSY和RDO LED的照明模块）。在已经获得期望色点，但光通量低于期望规格的情况下，加入暖白色LED可以增加模块的总体输出通量，而基本上不改变现有色点。
图1图示了根据本发明一些实施例的照明装置100。现在参照图1，装置100包括限定灯泡形状外壳101的中空漫射器透镜或者灯罩105、鳍状散热器110和基座115。照明模块200和控制电路220安装在外壳101内。照明模块200包括固态发光部件的阵列，该固态发光部件的阵列图示为附接至安装板205的LED210。尽管图示为具有圆形形状，但是也可以提供其它形状的安装板205。光由LED210产生，LED210被布置为朝向安装在外壳101末端处的漫射器透镜共同发射光。LED210可以被配置为在不同波长范围内发射光，并且可以被选择以使得LED210的组合光输出为装置100限定总体光发射，其具有期望白点、相关色温（CCT）、显色指数（CRI）和/或流明输出。
仍然参照图1，照明模块200被配置为从控制电路220（例如电耦合至LED210的LED驱动电路）接收作为一个或多个驱动信号的电流。控制电路220被配置为通过将驱动电流施加至每个LED210中的各个LED芯片来运行LED210。在一些实施例中，控制电路220可以被配置为单独寻址LED210中的每一个。例如，控制电路220可以包括：供电电路，其被配置为响应于控制信号而独立地将通态驱动电流施加至各个LED210中的每一个；以及控制系统，其被配置为选择性地向供电电路提供控制信号。在其它实施例中，LED210可以串联连接，并且控制单路220可以被配置为施加通态驱动电流至LED210串。
照明灯具100在图1中图示为“灯泡”，该“灯泡”可以适合用于普通照明应用。然而，应当理解，本发明的实施例可以包括具有不同形式因素的其它照明装置。例如，根据一些实施例的照明装置可以具有“罐”光、盘或者托盘光、汽车前灯的形状或者任何其它合适的形式，其中LED210可以以一维、二维或者三维阵列布置。同样地，尽管以鳍状的形式图示，但是可以以被配置为散播、提取和/或以其它方式除去由照明模块200发射的热量的任何形式实现散热片110。同样，尽管图示为安装在外壳101内，但是在一些实施例中控制电路220可以或者可以不包括在照明装置100中，例如，在向器件和/或系统制造商提供照明装置100的情况下，该器件和/或系统制造商供应其自身的驱动电路以用于特定应用和/或环境中。
图2是更详细地图示图1的照明模块200的顶视图或者平面视图。如在图2中示出的，照明模块200包括附接至安装板205的固态发光器件210的二维阵列。特别地，照明模块200包括多个发光器件（LED），所述发光器件包括第一LED210A和第二LED210B，它们被配置为提供不同的发射特征。可以选择第一和第二LED210A、210B的数量和色度以使得由来自第一和第二LED210A、210B的光的混合产生的组合光提供目标色度（可以是例如白色）。
例如，第一LED210A可以是蓝移黄（BSY）LED，所述蓝移黄LED包括在可见光谱的蓝色部分中发射光的LED芯片和在可见光谱的黄色部分响应地发射光的磷光体，而第二LED210B可以是红色或者红橙色（RDO）LED，所述红色或者红橙色（RDO）LED包括在可见光谱的红色或者红橙色部分中发射光的LED芯片（或者LED芯片和磷光体的组合）。同样，如在图2中示出的，以大约5:2的比例提供第一和第二LED210A、210B。因而，第一和第二LED210A和210B的共同发射可以提供具有期望色点的白光的外观。
另外，照明模块200进一步包括至少一个第三LED210C，所述第三LED210C发射具有基本上类似于由第一和第二LED210A和210B发射的组合光的色点的色点的光。例如，第三LED210C可以是暖白色（WW）或者中性白（NW）LED，分别具有基本上类似于由第一和第二LED210A和210B的组合输出提供的期望白点的白点。特别地，在第一和第二LED210A、210B的共同光发射提供具有大约4000K的CCT和大约（0.38,0.37）的色坐标的白光的情况下，第三LED210C可以被配置为同样发射具有大约4000K的CCT和相应的色坐标（CCx，CCy）的光，所述色坐标与共同光发射的那些色坐标一直到至少第一小数位都相同和/或落在以黑体轨迹上具有大约4000K的CCT的白点为中心的4步MacAdam椭圆内。加入第三LED210C可以从而增加模块200的总体流明输出，而基本上不改变由第一和第二LED210A和210B发射的组合光的色点，即，从而使得模块200的总体色点保持一直到至少第一小数位都相同和/或落在以期望白点为中心的4步MacAdam椭圆内。尽管图示为包括图2中的模块200中的第三LED210C中的四（4）个，但是在一些实施例中可以仅包括一个LED210C。更具体地说，包括在模块200中的第三LED210C的数目或者数量可以被选择以获得期望的流明输出，并且可以独立于第一LED210A与第二LED210B的比例。
在一些实施例中，可以通过在可见光谱的蓝色部分中发射光的LED芯片以及响应地发射从大约570nm至大约750nm的光以提供暖白色光的至少一个磷光体来实现第三LED210C。例如，第三LED210C可以包括与第一磷光体和第二磷光体结合的发射蓝光的LED芯片，该第一磷光体在可见光谱的黄色部分中响应地发射光，而该第二磷光体在可见光谱的红色部分中响应地发射光。
因而，模块200包括第一LED210A、第二LED210B和第三LED210C，它们中的每一个被配置为提供不同的发射特征以使得由第一、第二和第三LED210A、210B、210C发射的光的组合提供用于普通照明目的的暖白色光。由模块200提供的暖白色光还可以具有大于大约90的CRI以近似白炽灯的表现，从而由模块200照明的物体可以更自然地呈现。在一些实施例中，虽然第三LED210C的单独发射可能降低第一和第二LED210A、210B的共同发射的CRI，但是模块200的总体CRI可以保持大于大约90。
控制电路220被配置为提供恒定电流源以驱动LED210A、210B和210C。在一些实施例中，第一、第二和第三LED210A、210B、210C可以串联连接成单个串。同样，在一些实施例中，LED210A、210B和210C中的两个或更多个可以分别包括具有相似正向电压但与不同磷光体结合的发射蓝光的LED芯片。由于在不同材料系统中形成的LED芯片可以在各种环境参数下不同地反应和/或可以随时间以不同速率退化，在LED210A、210B和210C中的两个或更多个中使用相似的LED芯片可以简化控制电路220的设计。例如，在一些实施例中，第一LED210A可以是发射近白光的蓝移黄（BSY）LED，第二LED210B可以是发射红色和/或橙色光的红橙色（RDO）LED，而第三LED210C可以是发射暖白色光的蓝移黄红（BSYR）LED。在一些实施例中，可以使用与红色磷光体和滤色器结合的蓝色LED实现第二LED210B以提供红色光，如在LeToquin等人的名称为“SINGLE-COLOR WAVELENGTH-CONVERTED LIGHT EMITTINGDEVICES”、序列号为12/503,695的共同受让的美国专利申请中描述的，其公开的全部内容通过引用的方式合并于此。
尽管没有图示，但是支撑构件可以用于提供机械保持和/或热转移至可以在其上安装模块200的表面。其它无源或者有源电子部件可以附加地安装在PCB上并且连接以起到特定作用。这种部件可以包括例如电阻、二极管、电容器、晶体管、热传感器、光学传感器、放大器、微处理器、驱动器、数字通信器件、RF或IR接收器或发射器和/或其它部件。模块可以包括可以由一个或多个光学元件和/或结构覆盖的开口。例如，尽管没有图示，但是这种光学元件可以包括简单的透射漫射器、表面压花的全息漫射器、增亮膜（BEF）、菲涅尔透镜、TIR或者其它开槽的片材、双重BEF（DBEF）或者其它偏振膜、微透镜阵列片材或者其它光学片材。还可以在一些实施例中提供反射片材、膜、涂层和/或表面。
因此，如上所述，第一LED210A可以是BSY LED，被配置为发射近白光，以及第二LED210B可以是红色LED，被配置为发射红色光，从而第一和第二LED210、210B提供共同光发射，该共同光发射产生具有期望色点的暖白色光的外观。第三LED210C可以是暖白色或者中性白LED，被配置为单独发射具有基本上类似于第一和第二LED210A、210B的共同发射的色点的白光以增加模块200的总体流明输出而基本上不改变由来自第一和第二LED210A、210B的光的混合提供的期望色点。
图2中图示的照明模块200的LED210A、210B和210C可以各自包括封闭在封装中的LED芯片以提供环境和/或机械保护、颜色选择、聚焦等。LED封装还可以包括用于将LED封装电连接至外部电路的电引线、接触和/或迹线。如此处描述的照明模块200可以包括布置在安装板205上的阵列中的多个表面安装技术（SMT）封装的LED，其可以是印刷电路板（PCB），例如金属芯PCB（MCPCB）、标准FR-4PCB或者挠性PCB。LED210A、210B和210C可以包括例如可从North Carolina的Durham的Cree Inc.购买的牌封装LED。
图3A至3C图示了根据本发明的一些实施例可以用于提供图1和2的LED210的LED封装的示例。特别地，图3A图示了LED封装10，其中LED芯片12通过焊料键合或者导电环氧树脂安装在反射杯13上。一个或多个引线键合11将LED芯片12的欧姆接触连接至引线15A和/或15B，引线15A和/或15B可以附接至反射杯13或者与之成为一体。可以用包含波长转换材料（例如磷光体）的密封剂材料16填充反射杯。可以将整个组件密封在透明的保护树脂14中，该树脂14可以铸模成透镜的形状以校准从LED芯片12和/或密封剂材料16中的磷光体颗粒发射的光。
仍然参照图3A，在第一波长范围内由LED芯片12发射的光的至少一些（此处还称为“初级光”）可以由磷光体接收，该磷光体可以在第二波长范围内响应地发射光（此处还称为“次级光”）。由LED芯片12发射的初级光可以由波长转换材料部分地或者完全地吸收，从而LED封装10的总体光输出包括由LED芯片12发射的初级光和由波长转换材料发射的次级光。最终包括在LED封装10的总体光输出中的初级光和次级光的相对量可以根据由选定的波长转换材料吸收的初级光的量而变化。
例如，由LED芯片12发射的初级光可以在可见光谱的蓝色部分（例如，大约440nm至大约470nm）内，并且可以选择磷光体以部分地吸收初级光并且响应于初级光的刺激而在可见光谱的黄色部分（例如，大约570nm至大约590nm）中生成次级光以提供图2的BSYLED210A。作为另一个示例，由LED芯片12发射的初级光可以在可见光谱的蓝色部分（例如，大约440nm至大约470nm）内，并且密封剂16可以包括第一磷光体和第二磷光体以提供图2的BSYR LED210C，该第一磷光体被选定用以在可见光谱的黄色部分中响应地生成次级光，该第二磷光体被选定用以在可见光谱的红色和/或橙色部分（例如，大约585nm至大约750nm）中响应地生成光。
在图3B中图示了根据本发明一些实施例的另一个LED封装20。图3B的封装更适用于可以产生更多热量的高功率操作。在LED封装20中，将LED芯片22安装至载体上，例如印刷电路板（PCB）载体23上。安装在载体23上的金属反射器24包围LED芯片22并且将由LED芯片22发射的光反射为远离封装20。通常通过焊料键合或者环氧树脂键合将金属反射器24附接至载体23。反射器24还向LED芯片22提供机械保护。在LED芯片22上的欧姆接触与载体23上的电迹线25A、25B之间形成一个或多个引线键合连接11。安装的LED芯片22用密封剂26覆盖，该密封剂26可以向芯片提供环境和/或机械保护，同时也充当透镜。密封剂26包括吸收由LED芯片22发射的光中的至少一些并且响应地发射不同波长的光的至少一个磷光体或者其它波长转换材料。
在图3C中图示了根据本发明一些实施例的另一个LED封装30。如在图3C中示出的，LED封装30包括安装在载体衬底33的基台34上的LED芯片32。载体衬底33可以包括氧化铝衬底和/或金属芯PCB载体衬底。附接至载体衬底33的反射器44包围LED芯片32并且在（一个或多个）LED芯片32上限定了光学腔35。密封剂材料36（例如硅树脂）填充光学腔35。密封剂材料36进一步包括至少一个磷光体（或者其它波长转换材料），该磷光体吸收由LED芯片32发射的光中的至少一些，并且响应地发射不同波长的光。反射器44将由LED芯片32发射的光反射为远离封装30。反射器44还包括向上延伸的圆筒形侧壁45，该圆筒形侧壁45限定了可以插入透镜38的通道。透镜38可以通过密封剂材料36固定就位，并且当密封剂材料36由于热循环而膨胀和收缩时可以上下移动。透镜38可以包括光散射透镜，该光散射透镜被配置为折射由LED和波长转换材料发射的光。在一些实施例中，光散射透镜被配置为随机散射发射的光。光散射可以包括透明透镜体（其包括光散射颗粒，例如透镜体中的TiO2、Al2O3、SiO2等）和/或该透镜可以包括可以随机散射离开透镜38的光的粗糙外表面。
尽管上面参照图3A至3C讨论了示例LED封装，但是应当理解本发明的实施例不限于这种封装。
图4A和4B是以平面视图图示根据本发明一些实施例的4000K照明模块的照片。特别地，模块A（在左边）包括BSY LED410A和RDO LED410B，其共同发射具有大约4000K的CCT和期望色点的白光。模块B（在右边）也包括BSY LED410A和RDO LED410B，并且进一步包括NWLED410C，与模块A的光通量相比，该NW LED410C增加了模块B的光通量，同时维持具有基本上类似的色点的总体光发射。包括NW LED410C还改变了模块B相对于模块A的CRI。例如，由于包括了NW LED410C，可以相对于模块A的CRI降低模块B的CRI。然而，模块B的CRI可以仍然大于大约85，并且在一些实施例中甚至可以大于90。在其它实施例中，由于包括了NWLED410C，可以相对于模块A的CRI增加了模块B的CRI。
如同样在图4B中示出的，在模块B中NW LED410C可以与至少一个RDO LED410B对角放置，以改进光混合。尽管图4A和4B图示了在模块A、B中的BSY LED210A与RDO LED210B的比例为大约5:2，但是应当理解，可以调节该比例以获得期望色点和/或CRI。例如，在一些实施例中，可以使用大约5:3的BSY LED210A与RDO LED210B的比例。同样，尽管图示为在模块B中仅包括单个NW LED410C，但是在一些实施例中可以包括额外的NW LED410。包括在模块B中的NW LED410C的数目或者数量可以独立于BSY LED410A与RDO LED410B的比例，但是，可以进行选择以获得期望的流明输出，同时将模块B的CRI维持在期望值处或者在期望值以上。
在一些实施例中，BSY、RDO和NW LED410A、410B、410C可以串联连接。还可以提供控制电路（例如图1和2的控制电路220）以驱动LED410A、410B、410C。将BSY、RDO和NW LED410A、410B、410C全部提供在单个的串联连接串上可以简化控制电路。然而，在其它实施例中，LED410A、410B、410C中的一些可以串联连接（例如，相似颜色的LED）和/或LED410A、410B、410C中的一些可以并联连接。
应当理解，尽管图4A-4B的示例采用中性白LED410C增加4000K照明模块中的流明输出，但是本发明的实施例可以涉及在其它色温下输出白光的模块，并且因此可以采用具有不同特征的LED410C。例如，在2700K照明模块中，LED410C可以是暖白色LED，被配置为增加模块的流明输出而基本上不改变色点。更一般地，可以根据总体照明模块的期望光输出选择LED410C的白点和/或色温以便增加模块的流明输出而基本上不改变由来自LED410A和410B的光的混合提供的色点。
图5A是图示与进一步包括至少一个NW LED410C的照明模块B（由分布520示出）相比的包括BSY和RDO LED410A和410B的照明模块A（由分布510示出）的光谱功率分布中的差异的图。使用用于图4中示出的BSY+RDO+NW照明模块B和BSY+RDO照明模块A的相同电源和光学装配获取在图5A中示出的数据。在模块A和B中，LED串联连接成单个串。由于大于大约450毫安（mA）的驱动电流可能产生BSY和/或RDO LED的色移参数，因此大约440mA的恒定电流用于驱动LED串中的每一个。如在图5中示出的，BSY+RDO+NW照明模块B的光输出的波长基本上类似于BSY+RDO照明模块A的光输出的波长。然而，与BSY+RDO照明模块A相比，在BSY+RDO+NW照明模块B的整个波长范围内提高了通量（以瓦每纳米为单位）。
特别地，由BSY+RDO照明模块A提供的分布510中的波长峰值510b和510g可以归因于BSY LED410A的光输出，同时峰值510r可以归因于RDO LED410B的光输出。如由BSY+RDO+NW照明模块B提供的分布520中示出的，基本上维持这些波长峰值510b、510g和510r（如由峰值520b、520g和520r示出的），而在整个可见光谱内具有增加的通量。相应地，在图5A中示出的数据图示了加入NW LED410C增加了由模块B提供的总体光发射的通量，而基本上不改变由来自BSY LED410A和RDO LED410B的光输出的混合提供的色点。
图5B是图示根据一些实施例的BSY LED410A的光谱功率分布的图。如在图5B中示出的，BSY LED410A各自在可见光谱的相对较宽的部分（包括蓝色波长范围中的第一峰值530b和黄色波长范围中的第二峰值530y）内提供光谱分布530。更具体地说，在大约430纳米（nm）与大约455nm之间提供第一峰值530b，以及在大约530nm与大约565nm之间提供第二峰值530y，从而BSY LED410A的发射提供近白光的外观。
图5C是图示根据一些实施例的RDO LED410B的光谱功率分布的图。如在图5C中示出的，RDO LED410B各自在可见光谱的相对较窄的部分（包括红色波长范围中的峰值540r）内提供光谱分布540。更具体地说，在大约610纳米（nm）与大约630nm之间提供峰值540r，从而RDO LED410B的发射提供红色或者红橙色光的外观。
图5D是图示根据一些实施例的NW LED410C的光谱功率分布的图。如在图5D中示出的，NW LED410C各自在可见光谱的相对较宽的部分（包括在蓝色波长范围中的第一峰值550b和在黄色至红色波长范围中的第二峰值550y）内提供光谱分布550。更具体地说，在大约440纳米（nm）与大约460nm之间提供第一峰值550b，以及在大约560nm与大约599nm之间提供第二峰值550yr，从而NWLED410C的发射提供中性白光的外观。在图5E中，示例BSY、RDO和NW LED的光谱功率分布530、540和550被图示为覆盖在相同轴线上。
图6是图示在颜色合并结构中的照明模块A和B的色点的色度图。固态照明模块（包括多个固态器件）的一个困难是LED的制造过程通常导致各个LED之间的变化。典型地，在基于亮度和/或色点对LED进行被称为“合并（binning）”或者分组的过程中，基于由LED发射的光的色度，出于制造的目的将LED分类到定义的格（bin）中。如这里使用的，“格”指的是色度空间的定义区域。以这种方式，每个发光器件可以由x、y坐标来表征。具有相似x、y值的发射器可以分组或合并以一起使用，即，在单个LED封装中安装在一起。格可以被定义为包围MacAdam椭圆的四边形，该MacAdam椭圆是包围与椭圆区域中心的坐标不可区分（对于普通人眼）的色度坐标的椭圆区域。因此，LED照明模块可以利用LED的一个格，或者结合来自不同格的LED的匹配组，以获得用于LED的组合输出的可重复色点。
如在图6示出的，由四边形600定义了针对照明模块的示例性目标色度区域。四边形600由包围区域5A3、5B4、5C1和5D2的色度坐标(0.372,0.366)、(0.375,0.380)、(0.388,0.390)和(0.384,0.372)定义。来自BSY+RDO照明模块A（由点610示出）的总体光发射落在目标色度区域600内，并且具有(0.3826,0.3776)的色度坐标。来自BSY+RDO+NW照明模块（由点620示出）的总体光发射同样落在目标色度区域600内，并且具有(0.3817,0.3764)的色度坐标。因此，图6图示了对模块B加入NW LED410C基本上维持了由模块A的BSY LED410A和RDOLED410B的共同光发射提供的色度坐标，这是因为它们各自的色度坐标仅在第二小数位之后不同（例如，各自的x色坐标一直到至少第二小数位都相同，并且各自的y色坐标一直到第二小数位都相同）。然而，应当理解，在此描述为“基本上类似”或者“基本上维持”的色坐标可以直到小于第二位小数都是相等的，并且更具体地说，可以落在以期望色点为中心的4步MacAdam椭圆内。
仍然参照图6，根据一些实施例由BSY LED发射的光的色坐标可以落在格XA至XH内，其边界在图6中表示为“X”。特别地，下面列出的色坐标可以在图6的色度图上限定四边形（未示出），其中可以提供示例BSY LED的色坐标。
BSY LED的色坐标（在格XA至XH中）：
同样，可以在由下面列出的色坐标限定的四边形（在图6中未示出）内提供由根据一些实施例的示例暖白色和中性白LED单独发射的光的色坐标。
暖白色LED的色坐标：
中性白LED的色坐标：
表1图示了在类似条件下图4A-4B的BSY+RDO+NW照明模块B和BSY+RDO照明模块A的光学结果，其中两者都具有大约10分钟的预热时间。
表1
如在表1中示出的，加入NW LED 410C提供了光通量（Lf）的明显提高以及提高的发光效能，同时基本上维持了色点（CCx，CCy）和相关色温（CCT），并且同时仅略微降低了显色指数（CRI）。特别地，如在表1中示出的，限定BSY+RDO+NW模块B的总体发射的相应色坐标与BSY+RDO模块A的色坐标一直到至少第二小数位都相同。应当注意，将驱动电流增加至大于大约450mA可能产生BSY LED 410A和/或RDO LED 410B的色移参数。由于该约束，简单地增加BSY和/或RDO LED的驱动电流可能不足以获得多于大约700流明（lm）的期望流明输出。然而，NWLED 410C的单独发射获得超过700lm的流明输出，而基本上不改变由BSY LED 410A和RDO LED 410B的共同发射提供的色点CCx、CCy。
相应地，根据本发明一些实施例的照明模块可以包括与具有落在非白色色度区域内的色度的一个或多个光发射器（例如，RDOLED）以及具有在中性白或暖白色色度区域内的色度的至少一个光发射器（例如，NW或WW LED）结合的多个近白色光发射器（例如，BSYLED）。来自近白光发射器的光可以与来自非白色光发射器的光和来自中性白或暖白色光发射器的光结合以产生组合的光输出，该组合的光输出基本上维持近白色和非白色光发射器的组合发射的色度，同时增加了流明输出。例如，在一些实施例中，中性白或暖白色光发射器可以具有基本上类似于近白色和非白色光发射器的组合发射的色度。
本发明的实施例可以用于在宽范围的相关色温（CCT）内创建具有高CRI的高效能LED解决方案。特别地，本发明的实施例可以用于扩展照明模块产品以提供更大范围的色温和/或更高的光通量值，同时在产品规格中将CRI维持为大于大约90。本发明的实施例还可以用于扩展和增加可以由固态照明模块提供的可能的光通量值和色点，其之前被需要用于获得期望色点的特定BSY与RDO的比例所限制。同样，在期望较高的光通量规格时，可以使用多个暖白色和/或中性白LED。
在此已经结合上述描述和附图公开了许多不同的实施例。可以理解，字面地描述和说明这些实施例的每个组合和子组合是不必要的重复和混淆。因此，本说明书（包括附图）应被解释为构成在此描述的实施例以及制备和使用它们的方法和过程的所有组合和子组合的完整书面描述，并且应当支持这种任何组合或者子组合的权利要求。因此，可以理解，上文是对本发明的说明而不应解释为限定于所公开的具体实施例，并且对所公开的实施例的修改以及其它实施例都旨在包括于所附的权利要求的范围之内。本发明由下述权利要求以及包括在其中的权利要求的等价物来限定。

Claims (28)

1.一种照明模块，包括：
多个固态发光部件，被配置为提供具有期望色点和显色指数CRI的共同光发射，所述多个固态发光部件包括被配置为在不同波长范围内提供光发射的至少两个固态发光部件；以及
至少一个附加固态发光部件，被配置为在不同于所述至少两个固态发光部件的波长范围的波长范围内提供单独光发射，
其中与所述共同光发射结合的所述单独光发射限定了所述模块的总体光发射，其中所述CRI被降低同时所述期望色点基本上被维持。
2.根据权利要求1所述的模块，其中所述单独光发射具有基本上类似于所述期望色点的色点。
3.根据权利要求2所述的模块，其中所述期望色点包括普朗克轨迹上的白点，其具有在2600K与6500K之间的相关色温。
4.根据权利要求3所述的模块，其中限定所述总体光发射的白点的相应色坐标落在以所述期望白点为中心的4步MacAdam椭圆内。
5.根据权利要求2所述的模块，其中所述共同光发射的显色指数CRI大于90，并且其中所述总体光发射的CRI小于所述共同光发射的CRI。
6.根据权利要求5所述的模块，其中：
所述多个固态发光部件包括第一和第二发光器件，被配置为分别在不同的第一和第二波长范围内提供光发射；以及
所述附加固态发光部件包括第三发光器件，被配置为在不同于所述第一和第二波长范围的第三波长范围内提供所述单独光发射。
7.根据权利要求6所述的模块，其中所述第一发光器件是蓝移黄发光器件，其中所述第二发光器件是红色发光器件，并且其中所述第三发光器件是暖白色或者中性白发光器件。
8.根据权利要求7所述的模块，其中所述第三发光器件包括发射蓝光的LED和发射具有在可见光谱的黄色至红色部分内的波长的光的至少一个波长转换材料。
9.根据权利要求7所述的模块，其中所述第三发光器件是中性白发光器件，并且其中所述单独光发射限定了具有在440nm与460nm之间的第一峰值波长和在560nm与599nm之间的第二峰值波长的光谱分布。
10.根据权利要求7所述的模块，其中所述第三发光器件是暖白色发光器件，并且其中所述单独光发射限定了具有在445nm与460nm之间的第一峰值波长和在580nm与620nm之间的第二峰值波长的光谱分布。
11.根据权利要求7所述的模块，其中在平面视图中，所述第三发光器件在所述模块中与所述第二发光器件基本上对角放置。
12.根据权利要求7所述的模块，其中包括在所述模块中的所述第一发光器件与所述第二发光器件的数量的比例是大约5∶2或者大约5∶3。
13.根据权利要求12所述的模块，其中包括在所述模块中的所述第三发光器件的数量独立于所述第一发光器件与所述第二发光器件的数量的比例。
14.根据权利要求1所述的模块，其中所述多个固态发光部件和所述至少一个附加固态发光部件串联连接成串，并且由控制电路提供的恒定电流来控制。
15.一种照明装置，包括：
多个固态发光部件，被配置为共同发射具有期望白点和大于90的显色指数CRI的光，所述多个固态发光部件包括被配置为在不同波长范围内提供光发射的至少两个固态发光部件；以及
至少一个附加固态发光部件，被配置为单独发射在不同于所述至少两个固态发光部件的波长范围的波长范围内并且具有基本上类似于所述期望白点的白点的光，使得在所述装置的总体光发射中所述期望白点基本不改变，
其中，所述装置的总体光发射的CRI小于由所述多个固态发光部件共同发射的光的CRI。
16.根据权利要求15所述的装置，其中与由所述多个固态发光部件共同发射的光结合的由所述附加固态发光部件单独发射的光限定了与由所述多个固态发光部件共同发射的光相比具有增加的流明输出而基本上不改变所述期望白点的所述装置的总体光发射。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述装置的所述总体光发射限定了具有各自的色坐标的白点，所述色坐标落在以所述期望白点为中心的4步MacAdam椭圆内。
18.根据权利要求15所述的装置，其中所述附加固态发光部件的所述白点具有在2600K与6500K之间的相关色温。
19.根据权利要求15所述的装置，其中所述装置的总体光发射的CRI大于90。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述多个固态发光部件包括至少一个蓝移黄发光器件和至少一个红橙色发光器件，并且其中所述附加固态发光部件包括暖白色或者中性白发光器件。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述蓝移黄发光器件与红橙色发光器件的数量的比例是大约5∶2或者大约5∶3。
22.一种照明装置，包括：
多个固态发光部件，被配置为提供具有期望白点的共同光发射，并且包括被配置为在不同波长范围内提供各自的光发射的第一和第二固态发光部件；以及
至少一个第三固态发光部件，被配置为在不同于所述第一和第二发光部件的那些波长范围的波长范围内提供单独光发射，与所述共同光发射结合以增加所述照明装置的总体流明输出并相对于所述共同光发射降低所述照明装置的显色指数CRI而基本上不改变所述期望白点。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述单独光发射具有基本上类似于所述期望白点的白点。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述期望白点具有在2600K与6500K之间的相关色温。
25.根据权利要求22所述的装置，其中所述共同光发射具有大于90的CRI。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述照明装置的CRI大于90。
27.一种照明模块，包括：
多个发光器件，包括蓝移黄发光器件和红色发光器件，被配置为共同发射具有期望白点的光；以及
至少一个暖白色或者中性白发光器件，被配置为单独发射具有基本上类似于所述期望白点的白点的光，以增加所述照明模块的总体光输出的光通量而基本上不改变所述期望白点，
其中所述模块的所述总体光输出的显色指数CRI小于由包括所述蓝移黄发光器件和红色发光器件的所述多个发光器件共同发射的光的CRI。
28.根据权利要求27所述的模块，其中所述蓝移黄发光器件与所述红色发光器件的数量的比例是大约5∶2或者大约5∶3，并且其中所述模块的所述总体光输出的CRI大于90。
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