CN105428344A - 使用波长转换元件的可调白点光源 - Google Patents

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Abstract

为使用多个具有轻微不同泵浦波长的发光二极管LED芯片（102）的均匀高亮度光源（100）提供波长转换元件（110），该波长转换元件包括至少两种将光转换为不同颜色的光的不同波长转换材料。可以改变由LED芯片（102）产生的光的强度以提供一种可调的CCT白点。波长转换元件（110）可以是，例如磷光体或发光陶瓷的堆叠（111，112，113）或混合物（114）。另外，由于LED芯片全都使用相同的技术制造，消除了制造不同类型芯片的需求，从而简化了光源（100）的制造过程。

Description

使用波长转换元件的可调白点光源
本案为分案申请，母案是申请号为200780045969.9的进入国家阶段的PCT申请，其发明名称为“使用波长转换元件的可调白点光源”，申请日为2007年12月12日。
技术领域
本发明涉及一种产生白光的光源，特别地涉及一种使用多个发光二极管的光源，所述多个发光二极管产生的光具有期望的相关色温（CCT）。
背景技术
最近有这样一种趋势，用发光二极管（LED）代替传统的白炽灯泡。例如，现在使用LED制造交通控制信号和汽车刹车灯。以一个或多个LED替代传统的白炽灯泡是期望的，因为，例如，在能源使用和寿命的方面，白炽灯泡相对于LED效率很低。
然而某些照明应用引出了用LED代替白炽灯泡的特殊问题。例如，一些高度引人注意的照明应用，诸如重点照明灯（accentlamp）或聚光灯，需要具有特殊相关色温（CCT）的白光。在这样的照明应用中，由于在控制LED的光谱分布即CCT或白点（whitepoint）方面中的困难，使用LED代替白炽灯泡是有问题的。然而，当替代白炽灯泡时，LED光源具有紧凑的形状因子（formfactor）是重要的，例如不大于白炽灯泡，这增加了复杂性。此外，期望颜色可调的灯，可以例如针对情绪、场景和个人喜好来调节所述颜色可调的灯。从而，期望能够产生白光的LED光源中的改进。
根据本发明的一个实施例，产生了一种可调CCT白点光源，使用多个具有轻微不同的泵浦波长的LED芯片，光源被提供波长转换元件，该转换元件包括至少两种不同的波长转换材料，这些材料将光转换为不同颜色的光。所述波长转换元件接收来自多个LED芯片的光并将该光的至少一部分转换成不同的颜色。该波长转换元件可以例如是磷光体或发光陶瓷的堆叠或混合物。可以改变由LED芯片产生的光的强度来改变由波长转换元件转换的光的至少一种颜色的强度以控制所得光的白点。另外，由于使用了相同类型的LED芯片，可以将这些多个LED芯片紧密地一起安装在一个或多个基底（submount）上，从而形成紧凑的、高亮度（brightness）的设计。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的光源的侧视图。
图2示出了可以与光源一起使用的LED阵列的透视图。
图3示出了使用不同颜色的LED的重点照明灯的侧视图，以及图4示出了图3的重点照明灯中使用的LED的俯视图。
图5-8示意性地示出了波长转换元件的不同实施例的侧视图。
图9是示出了绿色、红色和钇铝石榴石（YAG）磷光体板（plate）的吸收和发射光谱，所述的板可以被堆叠或混合以形成波长转换元件。
图10为光源的另一个实施例。
具体实施方式
根据本发明的一个实施例，连同多个具有轻微不同泵浦波长的发光二极管芯片一起使用波长转换元件来产生具有可调CCT白点的均匀高亮度光源。该波长转换元件包括至少两种不同波长转换材料，这些材料将光转换为不同颜色的光并可以例如是磷光体或发光陶瓷的堆叠或混合物。由于所得设备的CCT能够被控制以产生令人满意的白光，所述光源可以适合用于例如聚光灯或重点照明灯类型的应用或其中期望紧凑的白光源的其他应用。
图1为根据本发明实施例的光源100的侧视图。光源100可以产生具有可调CCT白点的光，该光可以用作例如重点照明应用。光源100包括可以安装到散热器104的LED102的阵列。波长转换元件110安装在LED102的阵列上并且例如通过安装到散热器104或由散热器104整体形成的支撑体105得以保持。定位反射器光学器件106来聚焦来自波长转换元件110的光并形成所期望的光分配图案。可以例如通过支撑体105将该反射器光学器件106安装到散热器104，或者另外地将之光学耦合以接收来自波长转换元件110的光。在一个实施例中，可以将强度检测器120安装到反射器光学器件106并且耦合到驱动电路122。强度检测器120可以是例如分光计或者在另一个实施例中，如通过检测器121可见，可以与具有不同范围波长的光谱滤光器一起使用不止一个检测器。强度检测器120检测由波长转换元件110产生的光的强度并且驱动电路122做出响应控制阵列中的单个LED102的强度。作为例子，驱动电路122可以使用脉冲调制或者电流控制来改变某个管芯的强度。或者，驱动电路122可以简单地关闭某个管芯或向其增加功率。
阵列中的LED102产生具有相同的一般颜色（例如蓝色）的光，但波长有意地相差可感知到的量，例如相差（differ）大约5nm、10nm、20nm或更大但低于大约50nm。使用具有相同颜色的LED是有利的，因为所有这些LED都可以使用相同的管芯技术来制造。因此，因为无需制造不同类型的LED，简化了一般的制造过程。而且，由于对所有的LED102而言，安装要求是相同的，因此简化了LED102的安装。从而，LED102可以彼此互相接近地安装在相同的基底上。如虚线103所示，如果需要，可以使用不止一个基底。应当理解，可以对LED进行电气上的分组，其中在一个组里，LED相差没那么大，小于大约5nm，即它们来自相同的料箱（bin），但是阵列里其他LED或LED组相差大约5nm或更大。
图2示出可以与光源100一起使用的LED芯片102的阵列的透视图。如上文讨论的那样，LED102由相同的管芯技术制造，这允许管芯被紧密地一起放置在至少一个基底130上，由此提高了发光度（luminance）。静电放电（ESD）电路131也被在装载在基底130上。基底130利用多个电引线（electricallead）134附接到直接敷铜（DBC）基板132，基底可以是陶瓷或其他合适的材料。如图1所示，通过机械紧固件或其他合适的机构（例如环氧树脂）将该DBC基板132连接到散热器104。如上面讨论的那样，两个或者更多个LED102发射具有相同的一般颜色（例如蓝色）的光，但是它们具有轻微不同的波长。举个例子，LED102a，102b和102c分别产生具有大约430nm,450nm和470nm波长的光。
通过比较的方式，图3示出了使用不同颜色LED12的重点照明灯10的侧视图以及图4示出了这些LED12的俯视图。灯10使用不同类型的LED12，例如蓝色LED12b,绿色LED12g和红色LED12r来产生期望的不同颜色。安装LED12到散热器14上。因为LED12产生不同颜色的光，使用集成杆（integratingrod）16来混合所产生的光。集成杆16的轮廓在图4中以圆虚线示出，但是集成杆可以具有另外的几何形状，例如六边形。如图3所示，将透镜18耦合到集成杆16的末端并用于产生期望的光的分布。
与光源100相比，不同类型的LED12的使用可以导致发光度的减少，并且增大了制造的难度。例如，不同类型的LED12必须单独地制造。另外，不同类型的LED12必须对付不同的安装要求。因此，如图4所示，不同的LED12安装在单独的基底13上，由于LED12之间的相对较大的间隙，这增大了光源的区域。由此，灯10既损失了亮度又损失了紧凑度。另外，由于LED12产生不同颜色的光，必须使用例如长的集成杆16来混合该光，导致大的重点照明灯10。
回过来参考图1，波长转换元件110包括两种或者三种波长转换材料。举个例子，波长转换元件110可以是不同波长转换材料的堆叠，例如多个磷光层的堆叠，或可替代地，可以是包含多个磷光体混合物的单个层。在一个实施例中，波长转换元件110可以是不同发光陶瓷的堆叠或可以是包含不同类型发光材料的混合物的单个发光陶瓷。举个例子，可以使用包括YAG，SSON，BSSN和/或eCAS的发光陶瓷。因此，波长转换元件110产生组合良好的光并且不需要使用集成光学器件。由此，光源100可以具有紧凑的设计并且产生均匀的光。
图5-8示意性地示出由支撑体5保持在LED102的阵列上的波长转换元件110的不同实施例的侧视图。图5例如示出了波长转换元件110包括不同波长转换层111，112和113的堆叠，它们包括不同的波长转换材料。层111，112，113可以是例如磷光体板和/或发光陶瓷。波长转换层111，112和113分别包含发射绿光，红光和黄光的材料。图6示出作为单个层114的多色波长转换元件110，单个层114包含例如绿、红和黄发射材料的混合物。如图7所示，波长转换元件110的其他实施例也是可能的，例如将所述不同的波长转换材料115，116和117水平地而非垂直地定位成相互紧接。图8说明了另外的实施例，其中波长转换元件110包括水平定位的波长转换材料118和119，以及孔110a，穿过该孔发射未转换的泵浦光。
应当理解图5-8是包括两种或更多种波长转换材料的波长转换元件110的实例。如果需要，可以使用如图5-8中所示的不同实施例或不同实施例的组合。例如，图5和6可以组合成产生波长转换层的堆叠。其中一个层包含两种或更多种波长转换材料的混合物。可替代地，水平定位的波长转换材料和/或孔（例如，图7和8）可以与波长转换材料的混合物或堆叠（例如，图5和6）包括在一起。可以在单独的承载板上喷涂或丝网印制波长转换材料。举个例子，在丝网印制的情况下，不同波长转换材料可以被印制作为彼此紧接的不同的点。为了颜色混合的目的，在波长转换材料和LED之间有一定的距离可以是有益的。
波长转换元件110中的两种或多种波长转换材料具有不同的吸收和激发特性。通过改变来自在波长上具有可感知量的不同的两个或多个LED102的光的强度，所得光的光谱分布，例如从波长转换元件110向前发射的光和来自LED102透过波长元件110的泵浦光，可以受到控制以产生标称值附近的期望的白点CCT。
图9为说明了绿色、红色和YAG磷光体板的吸收和发射光谱的曲线图，它们可以被堆叠或混合来形成波长转换元件110。如可见的那样，当红色和绿色磷光体具有宽得多的吸收光谱时，YAG具有相对狭窄的吸收光谱。
图9还用虚线说明了由如上所述的LED102a,102b和102c产生的430nm,450nm和470nm波长。通过控制由LED102产生的不同波长的强度，可以改变光源100产生的光的色点。例如，通过改变450nm的蓝光的强度，可以改变YAG（黄色）经转换光相对于红色（和绿色）经转换光的比率。如果LED102产生由YAG吸收的波长（即450nm）处具有更大强度的蓝光，那么YAG发射将增加，由此产生更暖的白色点。通过减少450nm蓝光的强度，更少的光被YAG吸收，导致YAG的发射的减少和更冷（cooler）的白色点。类似地，其他波长（即430nm和470nm）的强度变化也可以被用于改变所得光的色点。
由LED102产生的光的强度的调节可以在光源100的制造过程中即通过测试由组装的灯100产生的光、调节并设置不同LED102a,102b,102c的强度来完成以产生期望的白点。可替代地，可以如图1所示使用强度检测器120。在另一个实施例中，可以例如通过改变堆叠中波长转换层之一使之具有期望的厚度来调节波长转换元件110，以便产生所得光的期望的CCT。在另一个应用中，允许终端用户根据其需要或期望通过改变到不同LED（或LED组）的电流的比率来调节灯的颜色。
图10是另一个实施例光源200，其包括LED202的阵列，该阵列包括至少两个发射具有相同一般颜色但是具有可感知的不同波长的光的LED以及包括至少两种不同波长转换材料的波长转换元件210。在散热器204上安装LED202的阵列。准直器元件206大致地准直由LED202发射的光，该光透过例如透射蓝光并反射更长波长的波长选择元件208（例如二色性滤光器）。集中器元件209集中入射到波长转换元件210上的光。任何从波长转换元件210向后发射的光由波长选择元件208再利用（recycled），波长选择元件208将所述光向后反射至波长转换元件210。定位反射器元件212以聚焦来自波长转换元件210的光并且形成期望的光分布图案。如图10所示，光源200可以包括强度检测器220和驱动电路222，如果需要，其可以与参考光源100所描述的类似。
虽然出于说明的目的，结合特定实施例说明了本发明，但是本发明并不局限于此。在不背离本发明范围下可以做出各种各样的改变和修改。因此，所附权利要求的精神和范围不局限于前面的描述。

Claims (30)

1.光源（100），包括：
具有唯一的相同类型的至少两个发光二极管芯片（102），所述至少两个发光二极管芯片（102）产生具有相差5nm至50nm的波长的同样的一般颜色；
波长转换元件（110），其被安装以接收由所述至少两个发光二极管芯片（102）发射的光，所述波长转换元件（110）包括至少两种不同的波长转换材料，这些材料将来自所述至少两个发光二极管芯片（102）的光转换为不同颜色的光；以及
至少一个光检测器（120），其被定位成接收由波长转换元件（110）产生的光并响应于所述经检测光的强度产生信号；和驱动电路（122），其耦合到至少两个发光二极管芯片（102）和至少一个光检测器（120），所述驱动电路（122）响应于由所述至少一个光检测器（120）产生的信号控制由发光二极管芯片（102）中单个发光二极管发射的光的强度。
2.如权利要求1所述的光源，其中所述波长转换元件（110）包括波长转换薄膜（111，112，113）的堆叠。
3.如权利要求1所述的光源，其中所述波长转换元件（110）包括不同波长转换材料的混合物（114），这些材料将来自所述至少两个发光二极管芯片（102）的光转换为不同颜色的光。
4.如权利要求3所述的光源，其中所述不同波长转换材料的混合物（114）是均质的。
5.如权利要求1所述的光源，其中所述波长转换元件（110）包括一种或多种发光陶瓷。
6.如权利要求1所述的光源，其中所述波长转换元件（110）包括一个或多个磷光体层（111，112，113）。
7.如权利要求1所述的光源，还包括至少一个基底（130），所述至少两个发光二极管芯片（102）安装至所述至少一个基底（130）。
8.如权利要求7所述的光源，还包括，散热器（104），所述至少一个基底（130）被安装在所述散热器（104）上；以及支撑体（105），其耦合到所述散热器（104），该支撑体（105）保持所述波长转换元件（110）。
9.如权利要求7所述的光源，其中所述至少一个基底（130）是一个基底（130）并且所述至少两个发光二极管芯片（102）安装在所述一个基底（130）上。
10.如权利要求1所述的光源，还包括定位在所述至少两个发光二极管芯片（102）和波长转换元件（110）之间的波长选择元件（208）。
11.如权利要求10所述的光源，还包括：定位在所述至少两个发光二极管芯片（102）和波长选择元件（208）之间的准直器元件（206）；和定位在所述波长选择元件（208）和所述波长转换元件（110）之间的集中器元件（209）。
12.一种发光方法，包括：
从多个相同类型的发光二极管芯片（102）产生光，每个芯片（102）产生具有不同范围的波长的光，这些波长相差5nm至50nm；
使用波长转换元件（110）将来自所述多个发光二极管芯片（102）的部分光转换为至少两种不同颜色的光并且使来自所述多个发光二极管芯片（102）的其他部分光透过所述波长转换元件（110）以产生组合的经转换和透射的光；以及
通过改变来自至少一个发光二极管芯片的光的强度以改变由所述波长转换元件（110）转换的光的至少一种颜色的强度来控制所述组合的经转换和透射的光的白点。
13.如权利要求12所述的方法，还包括在至少一个基底（130）上安装所述多个发光二极管芯片（102）。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：安装所述至少一个基底（130）到散热器（104）；并将波长转换元件（110）安装在支撑体（105）上的所述多个发光二极管芯片（102）之上，所述支撑体（105）耦合到所述散热器（104）。
15.如权利要求12所述的方法，其中在形成所述波长转换元件（110）的波长转换薄膜（111，112，113）的堆叠中执行对来自所述多个发光二极管芯片（102）的部分光的转换。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述波长转换薄膜（111，112，113）的堆叠包括一个或多个发光陶瓷。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述波长转换薄膜（111，112，113）的堆叠包括一个或多个磷光体层（111，112，113）。
18.如权利要求12所述的方法，其中通过所述波长转换元件（110）中的不同波长转换材料的混合物（114）执行对来自所述多个发光二极管芯片（102）的部分光的转换。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述不同波长转换材料的混合物（114）是均质的。
20.如权利要求12所述的方法，还包括：检测所述组合的经转换和透射的光并且响应地产生信号；以及响应于由光检测器（120）产生的信号改变来自至少一个发光二极管芯片的所述光的强度。
21.如权利要求20所述的方法，其中连续地或周期性地执行检测和改变。
22.如权利要求20所述的方法，其中只执行一次检测和改变。
23.如权利要求12所述的方法，还包括将来自多个发光二极管芯片（102）的光透过波长选择元件（208），以及通过所述波长选择元件（208）将来自所述波长转换元件（110）的经转换的光反射回去。
24.如权利要求23所述的方法，还包括在来自多个发光二极管芯片（102）的所述光被透过所述波长选择元件（208）之前大致地准直该光；以及在来自多个发光二极管芯片（102）的所述光被透过所述波长选择元件（208）之后并在其入射在所述波长转换元件（110）上之前集中该光。
25.光源（100），包括：
基底（130）；
安装在所述基底（104；204）上的第一发光二极管、第二发光二极管和第三发光二极管（102a，102b，102c；202），其中：
　所述第一发光二极管、第二发光二极管和第三发光二极管（102a，102b，102c；202）具有产生第一颜色的光的唯一的相同类型；
　所述第一发光二极管和第二发光二极管（102a，102b）具有相差5nm至50nm的波长；
　所述第二发光二极管和第三发光二极管（102b，102c）具有相差5nm至50nm的波长；以及
　所述第一发光二极管和第三发光二极管（102a，102c）具有相差30nm至50nm的波长；
安装在所述基底（104）上的静电放电电路（131），用于防止所述第一发光二极管、第二发光二极管和第三发光二极管（102a，102b，102c）遭受静电放电；
用于将来自所述第一发光二极管、第二发光二极管和第三发光二极管（102a，102b，102c）的一部分光转换成第二颜色、第三颜色和第四颜色的光的波长转换元件（110；210）；
光学器件（106；212），用于接收来自所述波长转换元件（110）的光并形成期望的光分布图案；以及
驱动电路（122；222），其耦合到所述第一发光二极管、第二发光二极管和第三发光二极管（102a，102b，102c；202），其中所述驱动电路（122；222）独立地控制所述第一发光二极管、第二发光二极管和第三发光二极管（102a，102b，102c；202）的光强，使得所述第一颜色、第二颜色、第三颜色和第四颜色的光组合以产生期望的白色点的光。
26.如权利要求25所述的光源，其中所述波长转换元件（110；210）包括：
包含多个磷光体混合物的单个层（114）；或者
包含多个磷光体板或发光陶瓷（111，112，113）的堆叠。
27.如权利要求25所述的光源，其中所述波长转换元件（110；210）包括相互紧接的水平地定位的不同的波长转换材料（115，116，117）。
28.如权利要求27所述的光源，其中所述波长转换元件（110；210）定义孔（110a）。
29.如权利要求26或27所述的光源，进一步包括光检测器（120；220），用于响应于所述经检测光的强度产生信号，其中所述驱动电路（122；222）响应于所述信号独立地控制由所述第一发光二极管、第二发光二极管和第三发光二极管（102a，102b，102c；202）的光强。
30.如权利要求29所述的光源，进一步包括：
定位在所述第一发光二极管、第二发光二极管、第三发光二极管（202）和所述波长转换元件（210）之间的波长选择元件（208）；
定位在所述第一发光二极管、第二发光二极管、第三发光二极管（202）和所述波长选择元件（208）之间的准直器元件；以及
定位在所述波长选择元件（208）和所述波长转换元件（210）之间的集中器元件（209）。
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