CN107667247B - 用于白色光照明的led照明单元、材料和光学部件 - Google Patents

用于白色光照明的led照明单元、材料和光学部件 Download PDF

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Abstract

适用于照明单元以获得或接近白色光照明的材料和由其形成的光学部件，包括利用一个或多个发光二极管(light‑emitting diodes，LEDs)作为光源的照明单元。

Description

用于白色光照明的LED照明单元、材料和光学部件
技术领域
本发明大体上涉及照明系统和相关技术。更具体地说，本发明涉及适用于照明单元以获得或接近白色光照明的材料和光学部件，所述材料和光学部件的具体实例包括将一个或多个发光二极管(light-emitting diodes，LEDs)用作光源的照明单元。
背景技术
LED灯(有时被称为“灯泡”)提供优于更传统的白炽灯和荧光灯的各种优势，包括但不限于更长的预期寿命、高能效以及不需要时间进行升温的全亮度。本领域中已知，LED(如本文所使用，其还可涵盖有机LED或OLED)是将电能转换成包括可见光的电磁辐射(波长为大约400到750nm)的固态半导体装置。LED通常包括用杂质掺杂以产生p-n结的半导电材料的芯片(裸片)。LED芯片电连接到阳极和阴极，所有这些通常全都安装在包装内。因为相比于例如白炽灯或荧光灯的其它灯，LED发射出光束更窄且方向性更佳的可见光，所以传统上将LED用于例如汽车、显示器、安全/紧急和定向区域照明的应用。然而，LED技术的进步已经使得基于高效LED的照明系统能够更广泛地用于传统上采用其它类型的照明光源的照明应用，包括先前通过白炽灯和荧光灯提供的全向照明应用。因此，LED越来越多地用于住宅、商业和城市背景下的区域照明应用。
图1表示适于区域照明应用的基于LED的照明单元的非限制性商业实例。照明单元(在下文中称为灯)10表示为通用电气的Energy SmartTM LED灯泡或灯(ANSI A19类型)，其被配置成提供几乎全向照明的能力。还已知具有各种其它配置的基于LED的照明单元。如在图1中表示，灯10包括透明或半透明盖或外罩12，爱迪生型螺纹底座连接器14，在外罩12和连接器14之间的壳体或底座16，以及散热翅片18，散热翅片18增强到周围环境的辐射和对流热传递。
基于LED的光源通常是包括多个LED装置的LED阵列，其通常位于外罩12中邻近底座16的下端处。因为LED装置发射呈窄波段波长的可见光，例如，绿色、蓝色、红色等，所以不同LED装置的组合通常组合在LED灯中(或更典型地，LED磷光体与磷光体组合)以产生各种光色彩，包括普通人眼感知为白色的照明。LED装置可安装在承载架上，承载架安装到底座16上或安装在底座16内，LED装置可在承载架上例如利用保护盖进行包封，保护盖通常由折射率匹配材料形成以增强从LED装置中提取可见光的效能。作为非限制性实例，图2表示一种包括拱顶22的LED装置20的一部分，拱顶充当围封安装在印刷电路板(printed circuitboard，PCB)26上的LED芯片24的光学透明或半透明的包封物。磷光体还可用于发射具有除了由LED产生的色彩以外的色彩的光。为此目的，拱顶22的内表面可具有包括磷光体组合物的涂层28，在此情况下，由LED芯片24发射的电磁辐射(例如，蓝色可见光、紫外(ultraviolet，UV)辐射或近可见紫外(near-visible ultraviolet，NUV)辐射)可被磷光体组合物吸收，从而激励磷光体组合物产生发射穿过拱顶22的可见光。作为替代方案，LED芯片24可在PCB 26上利用涂层进行包封，并且此类涂层可针对其中需要LED-磷光体与LED外延(epi)晶片或裸片制造集成的实施例而视需要包括磷光体组合物。
为了提升灯10以几乎全向的方式发射可见光的能力，在图1中将外罩12的形状表示为大体上球状或椭球形。为了进一步提升近全向照明能力，外罩12可由使得外罩12能够充当光学漫射器的材料形成。作为非限制性实例，外罩12可为或可包括总成，总成包括一对半球形漫射器，在一对半球形漫射器之间可安置内部反射器(未示出)，以使得由LED装置产生的可见光指向到外罩12的内部中，所产生的光的一部分通过反射器反射到更接近于底座16的半球形漫射器中，通过半球形漫射器将反射光分散到在灯10周围的环境。所产生的光的其余部分穿过反射器中的开口并进入第二半球形漫射器，通过第二半球形漫射器将所穿过的光分散到在灯10周围的环境。通常用于制造漫射器的材料可包括聚酰胺(尼龙)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)和/或聚丙烯(polypropylene，PP)，其通常可包括填充物，例如，二氧化钛(TiO2)以提高可见光的折射并由此实现反射成白色。外罩12的内表面可具有涂层(未示出)，例如，包括磷光体组合物的涂层。
如上文所提到，目前实现白色光照明的方法包括组合LED，LED产生具有不同色彩的光以产生普通人眼感知为白色的光谱功率分布。例如，通过将红色、绿色及蓝色LED定位成彼此邻近并且适当调整它们的输出，所得光呈现为白色。如上文还提到，另一方法涉及组合LED与某些磷光体。作为非限制性实例，某些黄色磷光体涂层(例如，掺杂铈(III)的钇铝石榴石(YAG；Y3Al5O12:Ce3+)或镥铝石榴石(LuAG；Lu3Al5O12:Ce3+)磷光体)能够转换由LED发射的短波长(例如，大约450到470纳米的蓝色光波长)以得到在绿色到红色光范围内的发射，其中磷光体涂层的许多输出呈现为黄色。通过与LED所产生的其余蓝色光组合，LED/涂层组合所产生的可见光的色彩呈现为白色。“蓝色LED”和“黄色磷光体”(以及在某些情况下“绿色磷光体”)的此类组合可进一步与“红色磷光体”组合，以产生普通人眼感知为白色的光，“红色磷光体”例如CaAlSiN3类(CASN)磷光体。
尽管不同LED装置和/或磷光体的组合可用于提升LED灯产生白色光效果的能力，但是当评定由灯产生的白色光的质量时通常还考虑另外的因素。作为实例，通常期望调整用于某些应用的灯的可见光输出以实现所需的显色指数，显色指数用作光源的保真度的量度，即在与参考(理想或自然)光源相比时光源的真实度。自然室外光被视为具有100的CRI，而通常考虑80或更好的CRI以充分最大化用于例如办公室的一般应用的色彩强度。针对基于LED的灯所考虑的另一指数是色彩饱和度指数(color saturation index，CSI)，其是指示光使色彩鲜明且易于辨别的能力的统计指数。尽管需要白色光照明的某些应用通常偏好低CSI水平，例如，低于零的CSI值以避免或最小化视觉上可察觉的色彩偏移(以统计方式由色彩保真度指数(color fidelity index，CFI)指示)，但是也存在某一水平的色彩饱和度可在白色光照明应用中产生期望效果的某些情形。
发明内容
本发明提供基于LED的照明单元以及光学部件与其对应的材料，光学部件与其对应的材料适用于照明单元以获得或接近白色光照明，同时还实现CSI值为零或更大。
根据本发明的一个方面，基于LED的照明单元包括产生蓝色光的基于LED的光源，以及光学部件和光学部件上的磷光体涂层，蓝色光穿过光学部件和磷光体涂层。磷光体涂层至少包括黄色磷光体和红色磷光体。由于磷光体涂层是通过蓝色光照明，所以黄色磷光体转换蓝色光的至少一部分以得到包括黄色光的发射，红色磷光体发射红色光，并且黄色光、红色光和蓝色光中未经转换的部分组合产生普通人眼感知为白色且特征在于CSI值为大约零或更大的可见光。
本发明的额外方面包括利用和产生Nd-O-F化合物或包括Nd3+离子的氟氧化钕化合物，其中Nd-O-F化合物或氟氧化钕化合物并入到形成蓝色光所穿过的光学部件的至少一部分的材料中。Nd-O-F化合物或氟氧化钕化合物能够分别提升与光学部件的材料的折射率匹配或错配以最小化或增强穿过光学部件的蓝色光的光学散射，以及对黄色光的一部分进行过滤，同时将CSI值维持为或赋值为大约零或更大。
优选的是，上文的照明单元、光学部件和材料的技术效果包括能够使用一个或多个基于LED的光源以产生可被普通人眼感知为白色的可见光，并且提升光的CSI以增强某些照明效果。
根据以下详细描述将更好地了解本发明的其它方面和优势。
附图说明
图1表示根据本发明的非限制性实施例的一种能够受益于包括光学部件的基于LED的照明单元，所述光学部件包括磷光体。
图2表示一种能够用于基于LED的照明单元的LED装置的局部截面视图，例如，在图1中表示的那种LED装置。
图3是表示利用蓝色LED和黄色与红色磷光体的组合以产生普通人眼感知为白色且特征在于CSI为小于零的光的基于LED的灯的光谱功率分布的曲线图。
图4是表示利用蓝色LED和黄色与红色磷光体的经修改组合以产生普通人眼感知为白色且特征在于CSI为大约零的光的基于LED的灯的光谱功率分布的曲线图。
图5包括两个表格，其表明在绿色到蓝色范围内的波长的较高CSI值，所述两个表格分别利用图4的基于LED的灯和图3的基于LED的灯得到。
图6是比较氧化钕、氟化钕和氟氧化钕化合物的吸收率的曲线图。
图7、8和9包括表示可经执行以产生氟氧化钕化合物的三个不同过程的步骤的流程图。
具体实施方式
以下论述将参考具有具体色彩的磷光体和LED，例如，蓝色LED、黄色磷光体、红色磷光体等。本文中指代磷光体和LED以及指代它们产生的光的此类术语的使用和定义应理解为参考普通人眼所感知的LED或磷光体的电磁发射的主要色彩，同时应理解LED或磷光体的输出可涵盖比可针对可见光光谱的具体色彩所理解的更宽或更窄的波长范围。此外，术语“白色光”和“白色光照明”应理解为指代普通人眼感知为白色的光，并且“基于LED的”灯和照明单元将用于指代包括LED作为光源的照明器具。以下论述还将特定地参考在图1中表示的基于LED的照明单元10和在图2中表示的LED装置20。然而，应了解，各种其它配置的照明单元和LED装置同样在本发明的范围内。
本发明提供基于LED的灯以及光学部件和其对应的材料，基于LED的灯，光学部件和其对应的材料适用于照明单元以获得或接近白色光照明，并实现一般为大约零或更大的相对高的CSI(色彩饱和度指数)值。如本文所使用，光学部件是具有可见光能够穿过以提供照明效果的至少一部分的制品。根据本发明的优选但非限制性方面，在图1中表示的基于LED的照明单元10意图实现白色光照明，并且为此目的，LED芯片24是短波长LED，其发射包括蓝色可见光(“蓝色光”)，并与包括吸收蓝色光的一部分的某些磷光体的磷光体组合物组合使用，从而激励所述磷光体中的至少一个产生发射穿过拱顶22的可见光。或者或另外，LED芯片24可在印刷电路板(PCB)26上利用涂层进行包封，并且此类涂层可针对其中需要LED-磷光体与LED外延(epi)晶片或裸片制造集成的实施例而视需要包括所述磷光体组合物全部或一部分。或者或另外，可预见磷光体组合物全部或一部分可并入到图1的照明单元10的外罩/漫射器12中。LED装置的拱顶和包封物、照明单元的外罩/漫射器以及光有意穿过以提供照明效果的其它光学部件将在以下论述中统称为光学部件。
可用作LED芯片24的短波长LED的非限制性实例包括产生包括大约450到470纳米的波长的波长范围的LED，所述LED的具体但非限制性实例包括InGaN LED。
可与本发明一起使用的磷光体组合物的非限制性实例包括至少一个黄色磷光体和至少一个红色磷光体，它们可共同存在于单个涂层中，或共同存在或分开存在于多个涂层中。黄色磷光体的非限制性实例包括掺杂铈(III)的钇铝石榴石(YAG；Y3Al5O12:Ce3+)、镥铝石榴石(LuAG；Lu3Al5O12:Ce3+)、Tb3Al5O12:Ce3+，以及CaGa2S4:Eu2+磷光体，它们能够转换LED装置24发射的蓝色光(例如，在大约400到大约470nm范围内的发射波长)以得到包括黄色光(例如，大约500到大约600nm的波长)的发射，但是它们可能在绿色到红色光(例如，大约510到大约650nm的波长)的范围内，其中黄色磷光体涂层的输出主要是黄色光。因而，LED装置24和磷光体组合物的黄色磷光体实现被称为蓝移黄色(blue-shifted yellow，BSY)的效果。
红色磷光体的非限制性实例包括红色氮化物磷光体，其非限制性实例是CaAlSiN3类(CASN)磷光体，所述CaAlSiN3类(CASN)磷光体发射红色光并且可包括大约570到大约700nm的波长。通过与由LED装置24产生的其余蓝色光组合，由LED装置20产生或至少由照明单元10产生的可见光的色彩被普通人眼感知为白色。根据本发明的一个优选方面，白色光的特征在于CSI值为大约零或更大，其以统计方式指示如果可辨别，那么组成白色光的个别波段波长(单色光)将较为鲜明且易于辨别。其中具有一定水平的色彩饱和度的白色光照明将具有期望效果的情形包括住宅、商业和城市背景下的产品显示和各种区域照明应用，例如，能够利用可商购自GE照明的revealTM系列的白炽灯泡的应用。
图3包括绘制利用蓝色LED装置和黄色与红色磷光体的组合以产生普通人眼感知为白色的光的“标准型”基于LED的灯的光谱功率分布(spectral power distribution，SPD)的曲线图。LED装置是包括“蓝泵”LED(例如，约450nm)的包装，黄色磷光体是YAG，并且红色磷光体是氮化物类CaAlSiN3:Eu。黄色磷光体用以转换由LED装置发射的蓝色光以得到包括黄色光的发射(即，BSY组合)。黄色和红色磷光体直接施加到LED包装或作为位于远离包装处的“远程”涂层。由灯发射的可见光(“组合”)是相关色温(correlated colortemperature，CCT)为2700K的白色暖光，其特征在于CSI小于零，确切地说，CSI为负16，其对应于指示视觉上不可察觉的色彩偏移的相对高的色彩保真度指数(CFI)。
图4是表示利用用于产生图3的数据的相同蓝色LED装置和相同黄色与红色磷光体的“修改型”基于LED的灯的SPD的类似曲线图。然而，黄色和红色磷光体的相对量相对于用于产生图3的SPD的那些进行修改。由灯发射的可见光(“组合”)是白色暖光(CCT为大约2900K)，但是其特征在于CSI值为大约零。结论是，相比于图3的“组合”可见光，较高的CSI值与白色光的较低峰值和高于大约530nm的波长的较低白色光水平相关联，尤其是在大约550到610nm的波长范围中。通过图形方式，在此范围中的白色光伴有“拐点”(或组合光谱中的回折点)，其识别在蓝色和黄色发射峰之间的针对白色光所绘制的曲线中，且具体地在包括大约460到580nm的波长范围中。在本实例中，组合光谱中的回折点出现在大约500nm和大约550nm之间。此外，在图4中绘制的数据指示黄色和红色光的峰值波长的偏移，其特征在于相比于图3中绘制的数据，每一个光的峰值处于较低波长。
较高的CSI值还被认为由图5中的数据指示，所述数据报告组成图3和4的白色光的个别波段波长(单色光)的CSI值。图5中的数据表明图4的“修改型”灯的对应于绿色、蓝绿色和蓝色光的波长显著地高于图3的“标准型”灯，从而表明如果人眼可察觉，那么这些波长将更加鲜明且易于辨别。
根据这些结果，为了得到零或更大的CSI值，认为必须分别通过有意地控制用于产生黄色和红色光的黄色和红色磷光体的比率来控制由BSY效果产生的黄色光与由红色磷光体产生的红色光的比率。基于图5中的数据，此比率(黄色磷光体:红色磷光体)的合适范围被认为是按光谱重量计约1:2到约2:1，这取决于在考虑之中的设计的目标色彩坐标。如果LED装置利用BSY-红色磷光体组合，那么此范围被认为是特别适当且有效，如本文所使用，所述BSY-红色磷光体组合是指与通过转换蓝色LED装置发射的蓝色光的一部分而产生黄色光的黄色磷光体组合使用的红色磷光体。
基于图5中的数据，进一步的结论是，用于得到较高CSI值的BSY-红色磷光体组合中的黄色和红色磷光体的相对量还可补偿加成化合物，该加成化合物可以其它方式用于提升包括绿色、蓝绿色和/或蓝色光的波长的发射。此类期望照明效果的著名实例是利用前述revealTM系列的白炽灯泡实现，其制造具有外护套，该外护套由掺杂有氧化钕(Nd2O3)的玻璃形成以对光的某些波长进行过滤，尤其能够对黄色光波长进行过滤。此类已知的白炽灯的外护套中的钕成分用以选择性地修改由白炽灯泡产生的白色光的视觉形态和光谱功率分布，并且通过如此操作来实现绿色、蓝绿色和/或蓝色光的可察觉的增加。由于在图5中指示的绿色、蓝绿色和蓝色光波长的增强的CSI，认为利用图4的“修改型”灯能够实现在某种程度上类似的效果。因此，在其中氧化钕或另一钕类化合物可用于利用基于LED的照明单元提升期望照明效果的应用中，例如通过在LED芯片24的拱顶22或在LED芯片24的包封物中或在照明单元10的外罩/漫射器12中并入氧化钕，有可能会减少或省略以其它方式通过适当调整黄色和红色磷光体的量以实现例如大约零或更高的相对高的CSI值从而实现此类效果所需的氧化钕的量。
除了调整BSY-红色磷光体组合中的黄色和红色磷光体的量之外，钕类化合物还被认定为较适用于并入到LED装置或照明单元中以产生特征在于CSI值大约为零或更高的白色光，如参考图4和5所描述。具体来说，可利用氟氧化钕，其中以一种使得氟氧化钕化合物能够补充BSY-红色磷光体组合的方式控制氧化钕(Nd2O3)和氟化钕(NdF3)的相对量以达到高CSI值，同时还有助于期望照明效果，例如，类似于利用revealTM系列的白炽灯泡所实现的照明效果。包括Nd3+离子源的Nd-F和Nd-X-F化合物已经确定为可有效提供色彩过滤效果，具体来说，对在黄色光波长范围中的可见光进行过滤，例如，大约560到大约600纳米的波长。如本文所使用，“Nd-F”化合物是由Nd和F组成的化合物。Nd-X-F化合物是包括Nd、F和X的化合物，其中X是形成具有钕的化合物的至少一个元素，举例来说，氧、氮、硫、氯等，或是形成具有氟的化合物的至少一个金属元素(除Nd以外)，举例来说，金属元素例如Na、K、Al、Mg、Ca、Sr、Ba和Y，或此类元素的组合。Nd-X-F化合物的一个实例是NdOxFy，其中x从0到小于1.5，y从大约0.1到3，并且x和y经选择以使得Nd为三价。在x是0的极端情况下，y＝3，并且所述化合物是NdF3。另一实施例是x为1，y为1，从而产生NdOF。可用于本发明的实施例的一些种类的钕化合物包括Nd-M-F、Nd-X-F和Nd-O-F化合物，其描述于2015年1月6日提交的共同拥有的国际申请PCT/CN2015/070191(GE案号274946)和2014年10月8日提交的共同拥有的国际申请PCT/CN2014/088116(GE案号275441)中，所述两个申请特此以引用的方式并入。
图6是表示针对氧化钕(Nd2O3)、氟化钕(NdF3)和氟氧化钕(NdOxFy)观察到的光学透射的曲线图。所述图形表明了它们的光学透射的类似性，特别是在它们能够对黄色光波长，例如在大约550到大约610nm的范围中，进行过滤的方面。图6表明了Nd2O3、NdF3和NdOF(NdF3和Nd2O3的摩尔比约为1:1)的吸收峰值相对于彼此略微偏移，并且NdF3和NdOF两者都在黄橙色区域(大致560到590nm的波长)中呈现出相比于Nd2O3更大的吸收率。此外，NdF3在蓝绿色区域(大致500到520nm的波长)和红色区域(大致720到750nm的波长)中呈现出大得多的吸收率。根据图6可得出结论：NdOF提供极佳的性能组合，包括吸收在黄橙色区域中的波长的能力，但是在蓝绿色和红色区域中不具有与NdF3相关联的吸收度。
为了在使用BSY-红色磷光体组合以产生白色光且进一步使用包括如上文所描述的NdOF(Nd--O--F化合物)的光学部件的LED装置或照明单元中得到为零或更大的CSI值，认为可控制Nd--O--F化合物中的NdF3和Nd2O3的浓度比率以确定在可见光区域中的Nd--O--F化合物的吸收区域，其对应于如上文所论述的较高的CSI值，以及CRI和R9得分(深红色显色指数)的潜在增加和CCT的潜在降低。因而，认为可利用经评估NdOF实现期望的色彩过滤效果，但是也认为可利用Nd-O化合物实现足够的效果，所述Nd-O化合物已经掺杂有Nd-F化合物以得到包括至少0.1％到至多约99％的NdF3的Nd--O--F化合物，其中余量基本上或完全是Nd2O3。可用于产生此类Nd--O--F(即，NdOxFy)化合物的过程包括在图7和8中示意性地描绘的两个“湿润”过程和在图9中示意性地描绘的“干燥”过程。在图7中，氧化钕可溶解在例如HCl的氢卤酸(HX)中。接着，可添加HF酸以形成沉淀物。沉淀物可用例如水的溶剂洗涤，并接着进行大体上干燥以形成Nd-O-F化合物，例如NdOxFy。在图8中，氧化钕可溶解在例如HCl的氢卤酸(HX)中。可添加例如碳酸氢铵(NH4HCO3)的碱性盐以便形成沉淀物。可视需要在存在大分子沉淀助剂的情况下，利用氢氟酸处理或转化沉淀物。在洗涤和干燥之后，可获得例如NdOxFy的Nd-O-F化合物。在图9中，在有效温度(T)下并在指定时段(t)内，氧化钕可受惰性气氛(例如Ar)保护，并且可利用氟气(或其它含氟氧化气体，例如OF2)进行处理，以提供Nd-O-F化合物，例如NdOxFy。
根据本发明的某些方面，在基质材料中包括Nd--O--F化合物且用于形成光学部件的复合材料可具有极少(如果存在)光学散射(漫射)效果或可产生自其穿过的光的大量光学散射，这取决于复合材料的组合物、基质材料的组合物和复合材料中的Nd--O--F化合物的组合物和量。举例来说，优选的复合材料包括聚合基质材料，其中散布有包括Nd--O--F化合物作为Nd3+离子源的无机颗粒材料。Nd--O--F化合物可作为颗粒材料中的掺杂物存在，或作为可视需要与其它材料的离散粒子组合以组成所述颗粒材料的离散粒子存在。包括Nd--O--F化合物的离散粒子(例如，部分或完全由Nd--O--F化合物形成)和/或掺杂有Nd--O--F化合物的离散粒子的颗粒材料可与聚合基质材料组合，以便使颗粒和聚合基质材料的折射率匹配提升(即，使它们的折射率的差异最小化)到足以向穿过复合材料的可见光施加低浊度(低漫射率，low-diffusivity)光学效果。或者，颗粒材料可仅由氟氧化钕化合物的离散粒子(例如，部分或完全由Nd--O--F化合物形成)组成和/或由Nd--O--F化合物的离散粒子(例如，部分或完全由Nd--O--F化合物形成)和由至少一个其它不同材料形成的离散粒子的混合物组成，以使得所述颗粒材料的折射率充分不同于聚合基质材料的折射率，从而实现颗粒和聚合基质材料之间的折射率错配(即，增加它们的折射率的差异)，以向穿过所述复合材料的可见光施加漫射光学效果。
鉴于调整复合材料的光学散射效果的此能力，由包括Nd--O--F化合物的复合材料形成的光学部件可提供色彩过滤效果，例如在使用时用于形成图2的LED装置20的拱顶22或包封物，或额外提供光学散射效果，例如在使用时用于形成图1的照明单元10的外罩/漫射器12。Nd--O--F化合物中的NdF3和Nd2O3的浓度比率确定Nd--O--F化合物的折射率，在大约589nm的波长处，所述折射率在NdF3的折射率(大约1.6)和Nd2O3的折射率(大约1.80)范围内，所述波长能够提供用于与某些聚合基质材料指数匹配以最小化散射损耗的适当低的折射率。由包括Nd--O--F化合物的复合材料形成的光学部件的光学散射效果可由于使用Nd--O--F化合物以及其它材料，例如通过用Nd--O--F化合物掺杂钙钛矿结构，而进一步进行调整。可掺杂有Nd--O--F化合物的钙钛矿结构材料的非限制性实例包括那些包括折射率低于Nd--O--F化合物的至少一个组分的材料，例如，Na、K、Al、Mg、Li、Ca、Sr、Ba和Y的金属氟化物。此类“主”化合物在可见光区域中的折射率低于Nd--O--F化合物，其非限制性实例包括在589nm的波长下的NaF(n＝1.32)、KF(n＝1.36)、AlF3(n＝1.36)、MgF2(n＝1.38)、LiF(n＝1.39)、CaF2(n＝1.44)、SrF2(n＝1.44)、BaF2(n＝1.48)和YF3(n＝1.50)。由于用高折射率Nd--O--F化合物掺杂，所以所得掺杂钙钛矿结构化合物具有在主化合物的折射率(例如，MgF2的1.38)和Nd--O--F化合物的折射率之间的折射率。
大体而言，如果基质和颗粒材料在可见光区域中的折射率与彼此相差在0.1内，那么在本文中可以说实现了由最小水平的光学散射导致的低浊度(低漫射率)光学效果。如果Nd--O--F化合物用作光学部件中的唯一无机颗粒材料，所述光学部件的聚合基质材料是聚碳酸酯(polycarbonate，PC)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)，那么Nd--O--F化合物的折射率(从大约1.60到大约1.80)和PC与PS的折射率(大约1.586)使得当光穿过所述部件时可发生最小水平的光学散射。折射率与Nd--O--F化合物的折射率相差在0.1内的聚合物的另一实例是氟掺杂聚酯(折射率为大约1.607)。在这点上，基于具有类似于Nd--O--F化合物的折射率选择聚合基质材料，以便实现低浊度(低漫射率)光学效果。
与在可见光区域中的折射率与Nd--O--F化合物的折射率相差超过0.1的其它聚合物的折射率匹配可通过对颗粒材料进行修改来实现。例如，Nd--O--F化合物可与一个或多种其它材料组合使用以得到有效折射率，从而实现光学部件中最小水平的光学散射，所述光学部件的聚合基质材料在可见光区域中的折射率与Nd--O--F化合物的折射率相差超过0.1，例如，丙烯酸聚合物(例如，聚甲基丙烯酸甲酯；PMMA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、硅酮等。作为非限制性实例，由金属氟化物和/或金属氧化物形成的粒子可用Nd--O--F化合物掺杂以具有在Nd--O--F化合物的折射率和金属氟化物和/或金属氧化物的折射率之间的折射率。合适的金属氟化物和金属氧化物的非限制性实例包括NaF(折射率为大约1.32)和MgF2(折射率为大约1.38)。通过选择Nd--O--F化合物和金属氟化物和/或金属氧化物的适当比率，颗粒材料的折射率可进行调整以实现与PMMA的折射率(大约1.49)、聚偏二氟乙烯的折射率(大约1.42)或甲基类硅酮的折射率(大约1.41)匹配或近匹配，所述PMMA、聚偏二氟乙烯和甲基类硅酮通常用于LED包装。
如果光学部件的基质材料和颗粒材料在可见光区域中的折射率的差超过0.1，那么在本文中可以说实现了由显著水平的光学散射导致的漫射光学效果。作为一个实例，Nd--O--F化合物可用作光学部件中的唯一无机颗粒材料，所述光学部件的聚合基质材料的折射率充分不同于例如PMMA、PVDF或硅酮的Nd--O--F化合物的折射率。作为另一实例，可使用由包括金属氧化物和Nd--O--F化合物的钙钛矿结构材料形成的颗粒材料。此类钙钛矿结构材料包括那些包括Ca、Ba、Al、Y、V、Gd和Sr中的至少两种的氧化物的材料，其可呈现大于1.7的折射率，以使得当与例如PC、PS、PMMA、PVDF或硅酮的聚合基质材料组合使用时，期望色彩过滤效果和光学散射可利用这些材料得以实现。
增加的折射率错配还可通过组合Nd--O--F化合物的粒子与其它材料的粒子来实现，所述其它材料的著名实例包括金属氧化物，例如金红石型二氧化钛(TiO2；折射率为大约2.74))和Nd-O化合物(例如Nd2O3)或其它含钕金属氧化物(例如含Nd钙钛矿结构材料)。通过此方法，Nd--O--F化合物的粒子可能在很大程度上或仅负责色彩过滤效果，并且第二粒子可能在很大程度上或仅负责实现显著水平的光学散射。
相对于在560到大约600纳米的范围内的黄色光波长，通过由Nd--O--F化合物在可见光光谱中提供的可见光吸收产生的色彩过滤效果被认为优于Nd-O化合物(例如Nd2O3)。Nd--O--F化合物因为具有更接近于例如PC、PS、PMMA、PVDF、硅酮和聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)的各种标准光学级透明塑料的折射率而具有优于Nd-O化合物的进一步优势，并且可更好地平衡可归因于折射率错配与Nd离子吸收的光学损耗与散射。通过过滤黄色光波长，由白色LED装置阵列发射的光可进行调整以通过过滤黄色光波长来分离绿色和红色光从而实现增强型色彩效果。除了增加CSI之外，此类效果还可通过增加利用LED装置产生的白色光的CRI(显色指数)和/或启用更接近于白色轨迹的色彩点来促进，例如，类似于利用白炽灯泡的revealTM线路(line)实现的期望照明效果。
用于形成光学部件的复合材料中的Nd--O--F化合物的体积量和粒子大小被认为会对所述复合材料的色彩过滤效果产生影响。此外，复合材料中的任何第二材料的相对量和粒子大小会对色彩过滤效果产生影响。大体而言，认为由标准光学级透明塑料(例如，PC、PS、PMMA、PVDF、硅酮或PET)形成的复合材料应该包括至少0.1的体积百分比的Nd--O--F化合物，并且更优选的是大约1到大约20的体积百分比的Nd--O--F化合物，以实现所要过滤效果。如果存在，那么任何第二材料(例如，TiO2、含Nd化合物、相对于NdF3具有高折射率的钙钛矿结构材料，等等)可以高达20的体积百分比的量存在，更优选的是大约0.01到大约2的体积百分比，这取决于光学漫射器所需的散射分布。复合材料中的优选总颗粒负载被认为是至少0.01到至多大约20的体积百分比，更优选的是大约0.01到大约2的体积百分比。进一步认为，颗粒材料的合适的粒子大小至多为大约50微米，并且优选的是大约0.5到大约5微米。在这些负载和粒子大小的情况下，其基质材料是前述标准光学级透明塑料中的一个的复合材料通常可易于模制成各种形状，但在粒子大小较小且负载较高的情况下可能会碰到困难。
尽管本发明已经根据某些实施例进行描述，但是应清楚，所属领域的技术人员还可采用其它形式。最后，尽管所附权利要求书列举了如由上文所论述的研究所指示的被认为与本发明相关联的某些方面，但是它们未必用作对本发明的范围的限制。

Claims (14)

1.一种基于LED的照明单元，包括：
产生蓝色光的基于LED的光源；
光学部件，所述蓝色光穿过所述光学部件，所述光学部件包括磷光体混合物；其中，所述光学部件的至少一部分还包括复合材料，所述复合材料包括聚合材料和无机颗粒材料，所述无机颗粒材料包括Nd--O--F化合物；
其中所述磷光体混合物至少包括黄色磷光体和红色磷光体，由于所述磷光体涂层由所述蓝色光激励，所以所述黄色磷光体转换所述蓝色光的至少一部分以得到包括黄色光的发射，所述红色磷光体发射红色光；
其中所述黄色光、所述红色光和所述蓝色光中未经转换的部分组合产生普通人眼感知为白色光且特征在于CSI值为零或更大的可见光。
2.根据权利要求1所述的基于LED的照明单元，其中，所述磷光体混合物作为所述光学部件上的涂层存在。
3.根据权利要求1所述的基于LED的照明单元，其中，所述可见光的特征在于光谱功率分布包括对应于所述蓝色光、所述黄色光、所述红色光和所述白色光中的每一个的曲线和峰值，
其中所述白色光的所述峰值的强度低于所述黄色光和红色光的所述峰值的强度。
4.根据权利要求3所述的基于LED的照明单元，其中，所述白色光的所述峰值处于大于530 nm的波长。
5.根据权利要求3所述的基于LED的照明单元，其中，所述白色光的所述峰值在从550nm到610 nm的波长范围内。
6.根据权利要求3所述的基于LED的照明单元，其中，所述白色光的所述光谱功率分布的所述曲线包括处于在所述蓝色光和所述黄色光的所述峰值之间的波长的回折点。
7.根据权利要求1所述的基于LED的照明单元，其中，所述Nd--O--F化合物形式上包括0.1到99摩尔百分比的NdF3，余量基本上是Nd2O3。
8.根据权利要求1所述的基于LED的照明单元，其中，所述Nd--O--F化合物是NdOF。
9.根据权利要求1所述的基于LED的照明单元，其中，所述Nd--O--F化合物和所述聚合材料在所述可见光区域中的折射率与彼此相差在0.1内。
10.根据权利要求1所述的基于LED的照明单元，其中，所述Nd--O--F化合物和所述聚合材料在所述可见光区域中的折射率与彼此相差超过0.1。
11.根据权利要求1所述的基于LED的照明单元，其中，所述光学部件是所述基于LED的光源的外罩或拱顶或包封物。
12.根据权利要求1所述的基于LED的照明单元，其中，所述光学部件是所述照明单元的漫射器。
13.一种基于LED的照明单元，包括：
产生蓝色光的基于LED的光源；
光学部件，所述蓝色光穿过所述光学部件，所述光学部件包括磷光体混合物，其中所述光学部件是所述基于LED的光源的外罩或拱顶或包封物；
其中所述磷光体混合物至少包括黄色磷光体和红色磷光体，由于所述磷光体涂层由所述蓝色光激励，所以所述黄色磷光体转换所述蓝色光的至少一部分以得到包括黄色光的发射，所述红色磷光体发射红色光；
其中所述光学部件的至少一部分包括无机颗粒材料，所述无机颗粒材料包括Nd--O--F化合物；
其中所述黄色光、所述红色光和所述蓝色光中未经转换的部分组合产生普通人眼感知为白色光且特征在于CSI值为零或更大的可见光。
14.一种基于LED的照明单元，包括：
产生蓝色光的基于LED的光源；
光学部件，所述蓝色光穿过所述光学部件，所述光学部件包括磷光体混合物，其中所述光学部件是所述照明单元的漫射器；
其中所述磷光体混合物至少包括黄色磷光体和红色磷光体，由于所述磷光体涂层由所述蓝色光激励，所以所述黄色磷光体转换所述蓝色光的至少一部分以得到包括黄色光的发射，所述红色磷光体发射红色光；
其中所述光学部件的至少一部分包括无机颗粒材料，所述无机颗粒材料包括Nd--O--F化合物；
其中所述黄色光、所述红色光和所述蓝色光中未经转换的部分组合产生普通人眼感知为白色光且特征在于CSI值为零或更大的可见光。
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