CN107112320A - 具有可调谐发射光谱的光源 - Google Patents

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Abstract

根据本发明实施例的照明系统包括第一和第二发光二极管。第一和第二发光二极管具有不同的峰值波长并且发射相同颜色的光。该系统还包括第三发光二极管，该第三发光二极管发射与该第一和第二发光二极管的颜色不同的光。波长转换元件设置在由第一和第二发光二极管发射的光的路径中。

Description

具有可调谐发射光谱的光源
技术领域
本发明涉及具有能够被调谐的发射光谱的光源。
背景技术
半导体发光设备（包括发光二极管（LED）、谐振腔发光二极管（RCLED）、垂直腔激光二极管（VCSEL）和边缘发射激光器）是当前可用的最高效的光源之一。当前在能够跨可见光谱操作的高亮度发光设备的制造中感兴趣的材料系统包括III-V族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，其也被称作III族氮化物材料。典型地，III族氮化物发光设备通过下述来制作：借由金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）或其它外延技术，在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或其它合适的衬底上外延生长不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层。叠层通常包括在衬底之上形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层、在该一个或多个n型层之上形成的有源区中的一个或多个发光层、和在该有源区之上形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。电气接触在n型和p型区上形成。
在发射蓝光的高效的III族氮化物LED的开发之后，开发基于LED的白光源变得实际。白色LED包括诸如磷光体之类的一种或多种光致发光材料，其吸收由LED发射的辐射的部分并且重发射不同颜色（波长）的辐射。典型地，LED芯片或管芯生成蓝光，并且（多个）磷光体吸收一百分比的蓝光并且重发射黄光，或者绿光与红光的组合、绿光与黄光的组合、或者绿光与橙光的组合、或者黄光与红光的组合。没有被磷光体吸收的由LED生成的蓝光的部分与由磷光体发射的光组合，提供了人眼看起来为白色的光。
将由LED直接发射的初级光与由磷光体发射的次级光组合起来的此过程也经常被应用于多个LED共享同一磷光体元件的配置。这可以在多个蓝色LED与磷光体直接接触的组件级上完成，或者在多个LED光照单个远程的磷光体元件的模块级上完成。
为了保持高的显色性，各种磷光体材料被混合在LED上或远程板（remote plate）中，或者引入具有红色初级发射颜色的LED，以形成所谓的“混合”系统。
图1图示在US 2012/0155076中更详细地描述的混合照明系统的示例。图4的白光发射系统40包括发光设备20，该发光设备20包括蓝色发射LED 26和红色发射LED 28。发光系统40包括至少一个蓝光可激发磷光体材料42，其被配置成使得在操作中发光设备20以蓝光30辐照磷光体材料42。磷光体材料42吸收蓝光30的部分，并且作为响应发射不同颜色（典型为黄绿色）的光44。系统40的发射产物46包括经组合的由LED 26、28发射的蓝光30和红光32及由磷光体材料42生成的光44。
提供焊接垫34、36用于向蓝色和红色LED芯片提供电力。可操作以控制蓝色和红色LED的正向驱动电流iFB、iFR的驱动器48电气连接到焊接垫34、36。驱动器48允许独立地控制蓝色和红色LED芯片。驱动器48可以响应于发射产物46中的蓝光和红光贡献的所测量的强度IB和IR而可操作。借助反馈装置，驱动器48使用所测量的强度IB、IR来调节蓝色和/或红色LED的正向驱动电流iB、iR以补偿出现在LED和/或磷光体材料的发射特性的颜色中的改变。替代地和/或另外地，驱动器可以可操作以响应于LED的操作温度T而控制一个/或两个LED驱动电流。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有多个LED的照明系统，该照明系统可以具有改进的效率、改进的灵活性或改进的性能。
根据本发明实施例的照明系统包括第一和第二发光二极管。该第一和第二发光二极管具有不同的峰值波长并发射相同颜色的光。该系统还包括第三发光二极管，该第三发光二极管发射与该第一和第二发光二极管的颜色不同的光。波长转换元件设置在由该第一和第二发光二极管发射的光的路径中。
附图说明
图1图示了现有技术的混合照明系统。
图2是具有至少三个LED和与该LED间隔开的波长转换元件的照明系统的部分的截面视图。
图3是具有至少三个LED和设置在该LED之上的波长转换元件的照明系统的部分的截面视图。
图4图示了图2和3中图示的波长转换元件的吸收光谱和LED中的两个的发射光谱的峰值。
图5是具有至少三个LED和设置在该LED之上的波长转换材料的混合物的照明系统的部分的截面视图。
图6是具有至少三个LED和在分开的层中、在该LED之上设置的多个波长转换材料的照明系统的部分的截面视图。
图7是具有至少三个LED和设置在与该LED间隔开的单个层中的波长转换材料的混合物的照明系统的部分的截面视图。
图8是具有至少三个LED和在分开的层中、与LED间隔开的多个波长转换材料的照明系统的部分的截面视图。
图9图示了YAG:Ce和Eu2+红色氮化物磷光体的吸收光谱。
图10图示了照明系统中的多个LED的布置。
图11图示了Eu2+绿色氮化物磷光体和KSiF:Mn4+红色磷光体的吸收光谱，以及两个蓝色LED的峰值发射光谱。
具体实施方式
本发明的实施例涉及照明系统，包括混合照明系统，其中可以改变色温。本发明的实施例在具有有着不同发射波长的LED的系统中，使用作为波长的函数的磷光体材料的吸收强度的改变，来创建具有可调谐发射光谱的光源。
在下面描述的实施例中，为了语言的经济性，波长转换材料被称作磷光体。应理解，（多种）波长转换材料可以是任何合适的材料，包括例如常规磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、II-VI或III-V族半导体、II-VI族或III-V半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或者其它发光的材料。
图2、3、5、6、7和8是可以更改所发射的光的色温的照明系统的部分的截面视图。
在图2和3中，所图示的照明系统的部分包括两个蓝色LED和红色LED。
在图2和3中的每一个中，在衬底50上设置至少三个LED 52、54和56。LED 52和54两者都可以发射蓝光。LED 52和54具有不同的峰值波长。LED 52和54的峰值波长可以在一些实施例中相差至少5nm、在一些实施例中相差至少10nm、在一些实施例中相差至少15nm、在一些实施例中相差不超过40nm、以及在一些实施例中相差不超过30nm。LED 52和54可以直接发射期望波长的光，或者它们可以是磷光体转换的LED。LED 56可以或者直接地，或者经由波长转换来发射红光。LED 52、54和56可以是任何合适的LED。LED 52、54和56可以附接到任何合适的衬底50，诸如例如金属芯印刷电路板。系统可以包括控制电路51，其用于独立地寻址LED 52、54和56，并且使由LED 52、54和56中的每一个产生的光的量发生变化。
在图2和3中的每一个中，磷光体层位于由三个LED 52、54和56发射的光的路径中。磷光体层可以含有诸如TiO2颗粒之类的光散射材料。
在图2中，磷光体层58是与LED 52、54和56间隔开的邻近磷光体。邻近磷光体层58可以是例如发光（luminescent）陶瓷，混合有透明粘合剂的磷光体（其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布（spin-cast）、层压、成型或以其它方式形成在透明支撑衬底上），或任何其它合适的结构。
在图3中，磷光体层60设置在LED 52、54和56之上。磷光体层60可以直接接触LED52、54和56中的一个或多个，不过这不是必需的。磷光体层60可以是例如混合有透明粘合剂的磷光体，其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在LED52、54和56之上。
由在图2和3中图示的照明系统发射的光是来自LED 52和/或54的蓝光、来自LED56的红光与来自波长转换元件58、60的光的组合。
在本发明的实施例中，由于LED 52和54共享同一个波长转换元件58、60，经组合的光的颜色可以通过选择LED 52和54的峰值波长和通过选择具有适当吸收光谱的磷光体来调谐。在一些实施例中，磷光体层58和60中的磷光体是黄色/绿色磷光体，诸如掺杂有铈的钇铝石榴石，其通常缩写为YAG:Ce。
图4图示了作为波长的函数的YAG:Ce的吸收光谱的部分62。图4还图示了本发明的一个实施例中的LED 52和54的发射光谱。LED 52的发射比LED 54的发射更少地被波长转换器吸收（即吸收光谱上的点66的y轴值小于点64的y轴值）。因此，与激活LED 54和56且不激活LED 52之时相比，在激活LED 52和56且不激活LED 54之时，在组合光中存在更多的蓝光，并且在组合光中存在更少的绿光/黄光。因此，通过激活LED 52和54中的一个、LED 52和54中的另一个、或者LED 52和54两者，可以更改组合光的色温。
在图4中图示的实施例中，LED 52具有436nm的峰值波长，并且LED 54具有457nm的峰值波长。LED 52的峰值波长可以是在一些实施例中至少426nm、在一些实施例中不超过446nm、在一些实施例中至少431nm和在一些实施例中不超过441nm。LED 54的峰值波长可以是在一些实施例中至少447nm、在一些实施例中不超过467nm、在一些实施例中至少452nm和在一些实施例中不超过462nm。
如在图4中图示的，来自LED 52的初级光将不如来自LED 54的光那样多地被波长转换层吸收和转换成次级光。作为结果，来自LED 52的初级光和来自波长转换层的次级光的组合将具有与来自LED 54的初级光和来自相同波长转换层的次级光不同的色度。这两个不同的色度可与红光组合，以产生具有不同的相关色温和高显色性的光。改变来自LED 52和54以及红色LED 56的光输出的比例允许连续地改变（调谐）组合光的相关色温（CCT）。
在图2和3中图示的结构中，波长转换元件58、60不吸收由LED 56发射的光。因此，虽然图2和3图示了设置在波长转换元件下方的LED 56，使得从LED 56发射的光入射在该波长转换元件上，但是在一些实施例中，LED 56可以位于波长转换元件外部，使得从LED 56发射的光不入射在该波长转换元件上。
在图5、6、7和8中，所图示的照明系统的部分包括两个蓝色LED和一UV LED。
在图5、6、7和8中的每一个中，至少三个LED 52、54和70设置在衬底50上。LED 52和54可以两者都发射蓝光。LED 52和54具有不同的峰值波长。LED 52和54的峰值波长可以在一些实施例中相差至少5nm、在一些实施例中相差至少10nm、在一些实施例中相差至少15nm、在一些实施例中相差不超过40nm、和在一些实施例中相差不超过30nm。LED 52和54可以直接发射期望波长的光，或者它们可以是经磷光体转换的LED。LED 70可以发射UV光。
LED 52、54和70可以是任何合适的LED。LED 52、54和70可以附接到任何合适的衬底50，诸如例如金属芯印刷电路板。系统可以包括控制电路（未示出），其用于独立地寻址LED 52、54和70，并且用于使LED 52、54和70中的每一个的光输出发生变化。
在图5、6、7和8中的每一个中，波长转换元件位于由三个LED 52、54和70发射的光的路径中。波长转换元件包括两种磷光体，一种磷光体由蓝色LED 52和54泵浦且发射黄光和/或绿光（诸如YAG:Ce），并且一种磷光体由UV LED 70泵浦且发射红光。任何一种磷光体或两种磷光体可以与诸如TiO2颗粒之类的光散射材料混合。
在图5中，两种磷光体在单个层72中混合，该单个层72设置在LED 52、54和70之上。磷光体层72可以直接接触LED 52、54和70中的一个或多个，不过这不是必需的。磷光体层72可以是例如混合有透明粘合剂的磷光体，其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在LED 52、54和70之上。
在图6中，两种磷光体在两个分开的层中、在LED 52、54和70之上设置。在LED之上设置第一磷光体层74，其可以是例如黄色/绿色发射磷光体。在该第一磷光体层74之上设置第二磷光体层76，其可以是例如红色发射磷光体。可以颠倒磷光体层的顺序，使得红色发射磷光体最接近于LED。第一磷光体层74可以直接接触LED 52、54和70中的一个或多个，不过这不是必需的。第一和第二磷光体层74和76可以是例如混合有透明粘合剂的磷光体，其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在LED 52、54和70之上。
在图7中，两种磷光体在与LED 52、54和70间隔开的单个层78中混合。磷光体层78可以是例如发光陶瓷，混合有透明粘合剂的磷光体（其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在透明支撑衬底上），或任何其它合适的结构。
在图8中，两种磷光体在与LED 52、54和70间隔开的分开的层中形成。可以是例如黄色/绿色发射磷光体的第一磷光体层80最靠近于LED地设置。可以是例如红色发射磷光体的第二磷光体层82设置在该第一磷光体层82之上。可以颠倒磷光体层的顺序，使得红色发射磷光体最接近于LED。磷光体层80和82中的一个可以是例如发光陶瓷，混合有透明粘合剂的磷光体（其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在透明支撑衬底上），或任何其它合适的结构。另一个磷光体层可以附接到第一磷光体层，并且可以是通过本文描述的任何技术形成的任何类型的磷光体层。在一个示例中，红色粉末磷光体与透明粘合剂材料混合并且分配在黄色/绿色发射YAG陶瓷板上。
由在图5、6、7和8中图示的照明系统发射的光是来自LED 52和/或54的蓝光、来自红色发射磷光体的红光和来自黄色/绿色发射磷光体的黄光/绿光的组合。滤光器（未示出）可以包括在该结构中。例如，反射或吸收UV和/或蓝光以防止UV和/或蓝光逸出该结构的滤光器可以形成在红色发射磷光体之上。将未经转换的UV或蓝光往回反射穿过红色发射磷光体使得该光可被红色发射磷光体转换的滤光器可以形成在红色发射磷光体之上。滤光器可以反射或吸收UV和/或蓝光的全部或仅一部分。在替代方案中，滤光器（其可以是UV或蓝色滤光器）可以覆盖组合的磷光体。
组合光的颜色可以通过选择LED 52和54的峰值波长和通过选择具有适当吸收光谱的绿色/黄色磷光体而调谐。在一些实施例中，绿色/黄色磷光体是YAG:Ce。虽然在下面讨论的示例中，绿色/黄色磷光体是YAG，但是可以使用任何合适的绿色/黄色磷光体，包括其它的石榴石磷光体。可以选择UV LED 70的波长，使得绿色/黄色磷光体不吸收或吸收非常少的来自UV LED 70的光。
图9图示了作为波长的函数的YAG:Ce和红色磷光体的吸收光谱。YAG:Ce的吸收光谱包括两个峰值，在图4中图示的峰值62和处于UV范围中的峰值102。在图5、6、7和8中图示的设备中，如上文参考图4所描述的，LED 52和54的峰值波长可以在峰值62的波长范围中。如参考图4描述的，相比于激活LED 54和70且不激活LED 52之时，在激活LED 52和70且不激活LED 54之时，在组合光中存在更多的蓝光并且在组合光中存在更少的绿光/黄光。因此，通过激活LED 52和54中的一个、LED 52和54中的另一个或LED 52和54两者，可以更改组合光的色温。
在一些实施例中，将UV LED 70的峰值发射波长选择为在范围106中，范围106在YAG:Ce吸收光谱中的峰值102和62之间。波长范围106中的UV光将不被黄色/绿色YAG:Ce磷光体以任何显著的量来显著地吸收。波长范围106中的UV光被红色磷光体吸收，如由红色磷光体的吸收光谱104所图示的。可以使用任何合适的红色发射磷光体。合适材料的示例包括Eu2+激活的氮化物红色发射材料，诸如MxSiyNz:Eu，其中M是从组Ca、Sr、Ba、Zn中选择的碱土金属中的至少一个，并且其中z=2/3x+4/3y；(Ca1-z-y-zSrxBayMgz)1-n(Al1-a+bBa)Si1-bN3-bOb:REn，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1、0≤a≤1、0<b≤1以及0.002≤n≤0.2，并且RE选自铕（II）和铈（III）；以及Eu2+激活的硫化物红色发射材料，诸如CaSeS:Eu和(Ca,Sr)S:Eu。
在图9中，LED 52具有436nm的峰值波长，并且LED 54具有457nm的峰值波长。LED52的峰值波长可以是在一些实施例中至少426nm、在一些实施例中不超过446nm、在一些实施例中至少431nm、和在一些实施例中不超过441nm。LED 54的峰值波长可以是在一些实施例中至少447nm、在一些实施例中不超过467nm、在一些实施例中至少452nm、和在一些实施例中不超过462nm。LED 70的峰值波长可以是在一些实施例中至少355、在一些实施例中不超过410nm、在一些实施例中至少370、和在一些实施例中不超过400。如上文参考图4所描述的，来自蓝色LED、黄色/绿色发射磷光体和红色发射磷光体的组合光的CCT可以通过使来自LED 52、54和70中的每一个的输出发生变化来调谐。
在一些实施例中，省略了分开的红光源（诸如图2和3中的红色LED 56，以及图5、6、7和8中的UV LED 70），并且红光通过蓝色LED 52、54中的一个或两个的磷光体转换而生成。图11图示了可以在这样的实施例中使用的红色磷光体和绿色磷光体的吸收光谱。光谱112是绿色发射的Eu2+激活的氮化物磷光体（诸如SSON、β赛隆（Sialon）、或正硅酸盐）的吸收光谱。光谱110是红色发射的Mn4+激活的六氟硅酸盐磷光体（诸如KSiF:Mn4+）的吸收光谱。线52和54图示了蓝色LED 52和54的峰值发射波长。如图11中所图示的，绿色发射磷光体112从LED 52和54两者吸收光。红色发射磷光体110强烈地从LED 54吸收光，但是从LED 52吸收很少的光或不吸收光。例如，LED 54的峰值波长下的红色磷光体的吸收可以在一些实施例中是LED 52的峰值波长下的红色磷光体的吸收的至少两倍、在一些实施例中是LED 52的峰值波长下的红色磷光体的吸收的至少三倍、并且在一些实施例中是LED 52的峰值波长下的红色磷光体的吸收的至少四倍。LED 52的峰值波长可以是在一些实施例中至少370nm并且在一些实施例中不超过405。LED 54的峰值波长可以是在一些实施例中至少430nm并且在一些实施例中不超过450。通过使LED 52的输出发生变化，可以使组合光中的绿光和蓝光的量发生变化。如上文参考图4所描述的，通过使来自LED 52和54的输出发生变化，可以调谐来自蓝色LED、黄色/绿色发射磷光体和红色发射磷光体的组合光的CCT。
在一些实施例中，本文描述的照明系统的显色指数保持在80以上。显色指数可以通过适当地选择LED和磷光体的发射光谱来调谐。
如本领域中已知的，YAG:Ce的吸收光谱可以通过将钆、镥、镓、碲中的一种或多种添加到磷光体的石榴石基质中来操纵。
图10图示了在并入图2、3、5、6、7和8中图示的一个或多个部分结构的设备的一个示例中的LED的放置。波长转换元件的轮廓由圆92图示。多个LED 90设置在波长转换元件92的下方。可以使用比图10中图示的更多或更少的LED 90。LED 90可以附接到支撑体50，该支撑体50可以是例如布线基板（substrate）、电路板或任何其它合适的结构。未在图10中示出的控制电路可以经由支撑体50电气连接到LED 90。
LED 90包括蓝色LED 52和54以及红色LED 56和/或UV LED 70，以用于如上文描述的那样生成红光。在一些实施例中，LED 90可以在蓝色LED 52、蓝色LED 54和红色或UV LED56、70之间均匀地划分。在一些实施例中，存在比红光源56、70更多的蓝色LED 52和54。例如，蓝色LED 52、54与红光源56、70的比例可以是在一些实施例中至少3:1、在一些实施例中至少4:1、和在一些实施例中不超过8:1。在一些实施例中，蓝色LED可以在LED 52和LED 54之间均匀地划分。在一些实施例中，可以存在比LED 54更多的LED 52。在一些实施例中，可以存在比LED 52更多的LED 54。
虽然在下面的示例中，半导体发光设备是发射蓝光或UV光的III族氮化物LED，但是可以使用除了LED之外的半导体发光设备（诸如激光二极管）和由其它材料系统（诸如其它的III-V族材料、III族磷化物、III族砷化物、II-VI族材料、ZnO或Si基材料）制成的半导体发光设备。
在详细描述了本发明之后，本领域技术人员将领会到，在给出本公开内容的情况下，可以对本发明做出修改而不脱离本文所描述的发明构思的精神。因此，不意图将本发明的范围限于图示和描述的具体实施例。

Claims (15)

1.一种照明系统，包括：
第一发光二极管和第二发光二极管，其中所述第一发光二极管和第二发光二极管具有不同的峰值波长并且发射相同颜色的光；
第三发光二极管，其发射与所述第一发光二极管和第二发光二极管不同的颜色的光；以及
波长转换元件，其设置在由所述第一发光二极管和第二发光二极管发射的光的路径中。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述第一发光二极管和第二发光二极管的峰值波长相差至少10nm。
3.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述波长转换元件包括磷光体，所述磷光体在所述第一发光二极管和第二发光二极管的峰值波长下具有不同的吸收。
4.根据权利要求1所述的照明系统，其中：
所述波长转换元件包括第一磷光体和第二磷光体；
所述第一磷光体和所述第二磷光体发射不同颜色的光；并且
所述波长转换元件设置在由所述第三发光二极管发射的光的路径中。
5.根据权利要求4所述的照明系统，其中：
所述第三发光二极管发射UV光；并且
所述第一磷光体吸收UV光并发射红光。
6.根据权利要求5所述的照明系统，其中所述第二磷光体不响应于由所述第三发光二极管发射的光而发射光。
7.根据权利要求4所述的照明系统，其中所述第一磷光体和第二磷光体混合在单个层中。
8.根据权利要求4所述的照明系统，其中所述第一磷光体和第二磷光体设置在分开的层中。
9.根据权利要求1所述的照明系统，其中：
所述第一发光二极管发射具有在431和441nm之间的峰值波长的光；
所述第二发光二极管发射具有在452nm和462nm之间的峰值波长的光；并且
所述波长转换元件包含YAG:Ce。
10.根据权利要求1所述的照明系统，还包括控制电路，所述控制电路用于同时激活所述第一发光二极管和第三发光二极管而不激活所述第二发光二极管，并且用于同时激活所述第二发光二极管和第三发光二极管而不激活所述第一发光二极管。
11.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述第一发光二极管和第二发光二极管发射蓝光，并且所述第三发光二极管发射红光。
12.根据权利要求1所述的照明系统，还包括滤光器，以反射或吸收由所述第三发光二极管发射的光的部分，其中所述波长转换元件设置在所述滤光器和所述第三发光二极管之间。
13.一种照明系统，包括：
第一发光二极管和第二发光二极管，其中所述第一发光二极管和第二发光二极管具有不同的峰值波长并发射相同颜色的光；以及
波长转换元件，其设置在由所述第一发光二极管和第二发光二极管发射的光的路径中。
14.根据权利要求13所述的照明系统，其中所述第一发光二极管和第二发光二极管的峰值波长相差至少10nm。
15.根据权利要求13所述的照明系统，其中：
所述波长转换元件包括第一磷光体和第二磷光体；
所述第一磷光体和所述第二磷光体发射不同颜色的光；并且
所述波长转换元件设置在由所述第三发光二极管发射的光的路径中。
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