CN112135643B - 使微生物失活的发光装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使微生物失活的发光装置和方法。本文公开了使微生物失活的多光发射器装置。该装置包括至少两个光发射器和至少一种光转换材料，该至少一种光转换材料被设置成对来自光发射器的光的至少一部分进行转换。从光发射器发射的任何未转换光和从至少一种光转换材料发射的转换光混合，以形成组合光，该组合光是白色的。在一个方面，光发射器包括至少一个蓝光发射器和至少一个紫光发射器。在另一方面，光发射器包括一个蓝光发射器和一个在约黄光至红外光范围内的发射器。

Description

使微生物失活的发光装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年3月29日提交的题为“MULTIPLE LIGHT EMITTER FORINACTIVATING MICROORGANISMS”的美国专利申请No.15/940,127的权益和优先权。该美国专利申请的全部内容通过引用明确地并入本文。
技术领域
本公开涉及一种能够发射可以被认为是白色或白色调的光的多光发射器装置，并且更具体地，涉及一种能够发射可以被认为是白色或白色调的光同时导致微生物的失活的多光发射器装置。
背景技术
在大多数室内已占用环境中，发光装置是提供区域照明的、在区域中完成的任务的以及区域的占用者和对象的基本要求。广泛用于室内的照明技术从白炽灯和卤素灯泡变化至荧光和发光二极管(LED)灯泡和装置，还有许多其它技术。迄今为止的这些照明技术的主要目的是提供可以被人类观察为被认为是“白”光的光，所述光可以以使人类感到愉快的方式有效照亮对象的不同颜色、纹理以及特征。
虽然许多技术在商业上用于照明中，但LED照明正在不断发展为以有效成本点提供高效高质量白光照明的技术。用于一般照明的一些常见LED使用半导体结(semiconductor junction)，该半导体结被激励为发射蓝光并且与诸如铈掺杂的钇铝石榴石(YAG:Ce)的磷光体材料(phosphor material)组合，以将该蓝光的一部分转换成其它波长(诸如，黄光波长)的光。在被适当平衡时，从半导体结和磷光体材料发射的组合光被认为是白色或白色调的。由于许多原因(包括(与发射另一种颜色的光的发光半导体相比的)高效率、相对低成本以及对整个光谱的蓝光贡献所带来的相对理想的颜色优势)，当前使用的是发射蓝光的半导体。
一些另选LED技术使用发射UV、近UV或紫光而不是蓝光的半导体结。磷光体材料被组合，以将蓝光、紫光或UV光的一部分转换成其它波长的光，并且适当平衡两个分量，以提供白光或白色调的光。由于通常较低的效率和较低的性价比，因此不频繁使用紫光LED，但是根据一些标准(如显色指数(CRI))，商业上已证明紫光 LED能够提供足够视觉质量的光。
利用这两种LED技术，在实现所发射的辐射的期望的颜色特性(CRI、相关色温(CCT)、色域等)与实现所发射的辐射的相对高的发光效能之间取得了平衡。换句话说，与人眼的光谱敏感性相关地选择从照明装置发射的组合光的光谱，以实现高效率，同时使期望的颜色特性的牺牲最小化。
已经在考虑以不同方式利用所发射的光的附加性能因素的情况下创建了另选光源。已经展示了用于园艺、健康、保暖和消毒的照明器材和装置。除了针对辐射的发光效能来进行调节之外，还对这些照明器材和装置进行调节，以提供某些辐射区域的增大的输出，以实现附加性能因素。
这些照明器材和装置通过使用光的各种另选功能(诸如光化学、光生物学、辐射能量等)来提供双重或多重功能的照明。通常，针对与添加的功能的吸收或激活光谱匹配的特定区域，尝试优化辐射能量输出。例如，尝试优化用于园艺的照明器材和装置，以发射与叶绿素的吸收或激活光谱以及其它基于植物的光激活机制匹配的光。尝试优化用于辅助昼夜节律的照明器材和装置，以发射与褪黑素的吸收或激活光谱匹配的光。
在发射用于多个功能的光的这些照明器材和装置中，可以平衡光发射，以实现可接受水平的各功能。多个功能中的一个功能可以是一般照明(例如，在人类占用的空间中使用多功能照明器材和装置时)，在这种情况下，实现所发射的光的相对高的发光效能不仅要与实现所发射的光的期望颜色特性平衡，而且与将一个或更多个其它功能实现到可接受或期望的水平平衡。
发射用于多个功能的光的装置的另一功能可以是消毒(微生物的失活)，在这种情况下，期望使用紫色消毒光(例如，380nm至420nm)。如上所述，利用LED产生白光的当前方法经常频繁地使用发射蓝光(例如，440nm至495nm)的半导体管芯作为基础发射器，然后在至少一部分蓝光通过波长转换层之后，蓝光被转换成白光光谱。直接将紫光添加到该现有白光光谱不会产生用于室内照明的在视觉上吸引人或可接受的白光，而是会产生具有不期望的紫色调的光。需要恰当的颜色平衡来产生包括紫色消毒光的期望的白光。
发明内容
本文提供的本公开的实施方式可以包括一种使微生物失活的发光装置，该发光装置包括至少两个光发射器，其中，至少两个光发射器中的至少一个光发射器被构造成发射波长在380nm至420nm的范围内的光，至少两个光发射器中的至少一个光发射器被构造成发射波长在440nm至495nm的范围内的光，至少两个光发射器中的一个或更多个光发射器包括光转换材料，光转换材料被设置成位于从给定光发射器发射的光的直接路径中，期望被构造成发射波长在380nm至420nm的范围内的光的至少一个光发射器不包括光转换材料，各种光转换材料被设置成将从给定光发射器发射的光的波长转换成与该波长不同的波长，并且来自任何光发射器而不通过光转换材料的光与从各种光转换材料发射的光组合，以形成白光。
本文提供的本公开的实施方式可以包括一种使微生物失活的发光装置，该发光装置包括至少两个光发射器，其中，至少两个光发射器中的至少一个光发射器被构造成发射波长在380nm至420nm的范围内的光，至少两个光发射器中的至少一个光发射器被构造成发射波长在440nm至495nm的范围内的光，至少两个光发射器中的各个光发射器包括光转换材料，光转换材料被设置成位于从给定光发射器发射的光的直接路径中，各种光转换材料被设置成将从给定光发射器发射的光的波长转换成与该波长不同的波长，并且来自任何光发射器而不通过光转换材料的光与从各种光转换材料发射的光组合，以形成白光。
本文提供的本公开的实施方式可以包括一种使微生物失活的发光装置，该发光装置包括：至少两个光发射器，其中：至少一个第一光发射器被构造成发射波长在560 纳米(nm)至1400纳米(nm)的范围内的光，至少一个第一光发射器包括位于从该至少一个第一光发射器发射的光的直接路径中的上转换纳米颗粒层并且被设置成将所发射的光的波长转换成在380nm-420nm的范围内的波长，并且至少一个第二光发射器被构造成发射波长在440nm至495nm的范围内的光，至少一个第二光发射器包括被设置成位于从该至少一个第二光发射器发射的光的直接路径中的至少一种光转换材料，各种光转换材料被设置成将从至少一个第二光发射器发射的光的波长转换成与该波长不同的波长，其中，来自至少一个第一光发射器和至少一个第二光发射器的光被组合，以形成白光。
附图说明
根据结合描绘了本发明各方面的附图对本发明各方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些特征和其它特征。
图1例示了具有蓝光发射器和紫光发射器的组合的发光装置，其中，至少一个紫光发射器保持不被光转换材料覆盖。
图2例示了具有蓝光发射器和紫光发射器的组合的另一发光装置，其中，至少一个紫光发射器保持不被光转换材料覆盖，并且上面设置有光转换材料的所有发射器是蓝光发射器。
图3例示了具有蓝光发射器和紫光发射器的组合的另一发光装置，其中，至少一个紫光发射器保持不被光转换材料覆盖，并且上面设置有光转换材料的发射器是蓝光发射器和紫光发射器的组合。
图4例示了具有蓝光发射器和紫光发射器的组合的另一发光装置，其中，所有发射器上面设置有光转换材料。
图5例示了另一发光装置，该另一发光装置与图1的发光装置类似，但是具有包含发射器和光转换材料的透镜。
图6例示了另一发光装置，该另一发光装置与图5的发光装置类似，但是具有包含发射器和光转换材料的密封剂。
图7例示了美国国家标准协会(ANSI)C78.377-2017白光标准图，该ANSI C78.377-2017白光标准图使用了CIE 1931x,y坐标系，在所选择的CCT具有可接受的x-y坐标，其是本公开的一些实施方式中的发光装置的颜色坐标范围。
图8例示了明视光度函数图(眼睛颜色灵敏度图)，该明视光度函数图示出了本公开的一些实施方式中的发光装置的期望的相对效率与光的波长。
注意，附图可能不是按比例绘制的。附图仅旨在描绘本公开的典型方面，因此不应视为限制本公开的范围。在附图中，相似的附图标记表示附图间的相似要素。详细描述参照附图通过示例的方式来解释本公开的实施方式以及优点和特征。
具体实施方式
根据各种实施方式，公开了一种多光发射器装置，该多光发射器装置能够发射可以被认为是白色或白色调的光，并且同时能够发射具有与至少一些微生物的失活相关联的特定波长的特定集中程度(concentration)的光。本公开的各种实施方式提供了产生可以被ANSI标准限定为白光的消毒白光光谱的另选且更有效的方式。
在本公开的实施方式中，发光装置由至少两个光发射器(例如，LED、OLED、半导体管芯、激光器)和一种或更多种光转换材料(例如，磷光体、光学增白剂、量子点、磷光材料、荧光团、荧光染料、导电聚合物)组成，所述一种或更多种光转换材料以如下方式组装，该方式是使得从光发射器发射的光可以被引导到光转换材料中，并且被引导到光转换材料中的所述光的至少一部分可以被光转换材料转换成具有不同质量(例如，不同峰值波长)的光。光转换材料可以通过吸收光来转换光，所吸收的光激励或激活光转换材料，以发射不同质量(例如，不同峰值波长)的光。
光发射器和光转换材料可以以许多不同方式来组装，诸如但不限于图1至图3 中所描绘的本公开的第一方面的实施方式、图4中所描绘的本公开的第二方面的实施方式以及还是图4中所描绘的本发明的第三方面的实施方式。如图7至图8所描绘的，可以通过光学器件(例如，透镜)、反射器或其它组装部件或材料(例如，密封剂) 来修改本公开的发光装置，这可以促进由发光装置发射的组合光被认为是白色或白色调的。
在本公开的第一方面，发光装置包括至少两个光发射器(例如，至少两个半导体管芯)，其中，至少一个半导体管芯发射380纳米-420纳米的范围内的紫光并且不被光转换材料覆盖，从而允许该紫光波长被原样发射，而至少一个其它半导体管芯发射 440纳米-495纳米的范围内的蓝光并且被至少一种光转换材料覆盖。通过光转换材料的蓝光产生灰白色出射光，该出射光与从未被覆盖的半导体管芯发射的紫光组合，以产生高质量的消毒白光。灰白色出射光是使用选择的光转换材料组合精心设计的，以确保当与特定比例的紫光混合时，可以产生高质量的白光。在国际照明委员会(CIE) 1931色度图上，灰白色光的坐标应在黑体曲线之上(请参见下面讨论的图7)，以便与紫光组合，在CIE 1931色度图上，该紫光的坐标低于黑体曲线，以形成落在黑体曲线上或在(例如，由ANSI C78.377-2017限定的)ANSI四边形内的白光，该ANSI 四边形限定了白光在不同色温下的坐标范围。换句话说，在CIE1931色度图上，灰白色出射光的坐标应在如下限定的边界线之上：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201
另外，灰白色光与从不包括光转换材料的至少一个光发射器发射的并且在380nm至 420nm的范围内的光组合。在CIE 1931色度图上限定了在380nm-420nm的范围内发射的光，该光的坐标在如下限定的边界线之下：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
如上所述，在CIE 1931色度图上限定了白光，该白光的坐标在由ANSI C78.377-2017 限定的多个四边形中的一个四边形内，请参见图7。
在本公开的第一方面的实施方式中，图1例示了包括两个光发射器102a和102b、光转换材料104以及基板106的发光装置100。光发射器102中的一个光发射器(即，光发射器102a)发射波长在440nm至495nm的范围内的蓝光，并且光发射器102 中的一个光发射器(即，光发射器102b)发射波长在380nm至420nm的范围内的紫光。虽然图1中仅示出了两个光发射器102，但是发光装置100中可以存在三个、四个、五个等光发射器102，只要至少一个紫光发射器102b(发射波长在380nm至 420nm的范围内的光的光发射器)保持不被光转换材料104覆盖即可(例如，请参见图2三个光发射器的情况，以及图3四个光发射器的情况)。
如本文中所使用的，光发射器可以是任何已知的光发射器，包括但不限于发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、激光器和半导体管芯。单个LED可以包括一个或更多个半导体管芯，所述一个或更多个半导体管芯分别是LED封装内的发射器。蓝光发射器可以具有在440nm-495nm的光波长范围内的峰值波长/大部分光输出。紫光发射器可以具有在380nm-420nm波长的范围内的峰值波长/大部分光输出。
如本文中所使用的，光转换材料构成具有吸收特定波长的光并将所述光重新发射为另一波长的光的能力的广泛类别的材料、物质或结构。应注意，光转换材料与发光材料和光透射/过滤材料不同。发光材料可以被广泛地分类为将非紫外-可见-红外 (UV-VIS-IR)形式的能量转换成UV-VIS-IR光发射的材料、物质或结构/装置。非紫外-可见-红外(UV-VIS-IR)形式的能量可以是但不限于：电力、化学反应/电势、微波、电子束和放射性衰变。光转换材料可以被包含在介质中或淀积在介质上，从而制成光转换介质。应理解，光转换材料、光转换介质、光转换过滤器、磷光体以及与光转换有关的任何其它术语意在作为所公开的光转换材料的示例。
在一些实施方式中，光转换材料可以是磷光体、光学增白剂、磷光体的组合、光学增白剂的组合或磷光体与光学增白剂的组合。在一些实施方式中，光转换材料可以是量子点、磷光材料、荧光团、荧光染料、导电聚合物或任何一种或更多种类型的光转换材料的组合。
一些示例磷光体包括将光转换至红色(620nm-750nm)、绿色(495nm-570nm) 以及蓝色(440nm-495nm)波长中的一者的磷光体(诸如分别是氮化物、镥铝石榴石和Ca2PO4Cl:Eu2+)。其它可能的磷光体材料成分包括铝酸盐磷光体(例如，铝酸钙、铝酸锶、铝酸钇)、硅酸盐磷光体、石榴石磷光体、氮化物磷光体、氧氮化物磷光体、硫化钙、Ca2PO4Cl:Eu2+、LSN(La3Si6N11:Ce3+)、LYSN((La,Y)3Si6N11:Ce3+)、 CASN(CaAlSiN3:Eu2+)、SCASN((Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+)、KSF(K2SiF6:Mn4+)、 CSO(CaSc2O4:Ce3+)、β-SiAlON((Si,Al)3(O,N)4:Eu2+)、钇铝石榴石 (YAG:Y3(Al,Ga)5O12:Ce3+)、镥铝石榴石(LuAG:Lu3Al5O12:Ce3+)和 SBCA((Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu2+)。
光学增白剂是吸收电磁光谱的紫外和/或紫光区域中的光并重新发射蓝色区域中的光的光转换材料(例如，化学化合物)。一些光学增白剂是二苯乙烯、香豆素、1,3 二苯基吡唑啉、萘二甲酸、杂环二羧酸和肉桂酸的化学衍生物。
特别是与OLED一起使用的光转换材料例如包括磷光材料、荧光团、荧光染料、导电聚合物和有机金属磷光体。
量子点是纳米级大小的半导体颗粒，当向该半导体颗粒施加电或光时，该半导体颗粒可以发射一种或更多种特定波长的光。通过改变量子点的大小、形状和/或材料，可以精确地调节由量子点发射的光。将光转换成较短波长(即，较高能量)的量子点有时称为上转换纳米颗粒(UCNP)。量子点可以具有变化的成分和结构，所述变化的成分和结构允许将量子点分类为不同的类型(诸如核型量子点、核壳量子点和熔合量子点(alloyed quantumdot))。核型量子点是具有均匀内部成分的单成分材料(例如，如镉、铅或锌的金属的硫属化合物(硒化物、硫化物或碲化物)(例如，CdTe或 PbS))。通过改变微晶大小可以微调核型量子点的光性质以及电致发光性质。核壳量子点具有被第二材料包围的小区域的第一材料(核)，该第二材料具有比第一材料(壳) 宽的带隙，并且通常提供改进的量子产率；例如，被ZnS壳包围的CdSe核呈现大于 50％的量子产率。熔合量子点包括均匀内部结构和梯度内部结构两者，并且允许通过改变组分和内部结构而无需改变微晶大小来调节光学性质和电子性质两者；例如，通过调节成分，组分为CdSxSe1-x/ZnS的熔合量子点(直径为6nm)可以发射不同波长的光。光转换材料能够以按比例调节和不特别按比例调节这两种方式来吸收多种不同波长的光并发射多种不同波长的光。
磷光体或其它光转换材料可以直接淀积在光发射器上，如至少图1至图6所例示的，或者可以远离光发射器或进一步从光发射器移除。光转换材料可以淀积为例如保形涂层(conformal coating)、掺杂密封剂或粘合剂材料以及远程磷光体。至少一种光转换材料可以以不同或相同的比率被完全均化并用作散装混合物，或者至少一种光转换材料可以具有被单独设置或分层的一些或全部部分，从而影响在混合时可能不兼容或可能吸收太多基础光的不同材料的吸收和发射。
基板106可以包括但不限于：蓝宝石、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或硅(Si)。将位于基板106下面的LED封装基板(未示出)可以包括例如金属反射杯，然后是环氧模塑料(EMC)或聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯(PCT)封装。如本文所描述的，光发射器可以包括适合于所述波长的任何现在已知或以后开发的材料，诸如但不限于用于紫光的氮化铟镓(InGaN)或氮化镓(GaN)。
在本公开的第一方面的另一实施方式中，图2例示了包括三个光发射器202、光转换材料204a和204b以及基板106的发光装置200。图2的实施方式与图1的不同之处在于，多个蓝光发射器202a被光转换材料204覆盖，多个蓝光发射器202a中的各个蓝光发射器发射具有在440nm至495nm的范围内的相同波长的光，而保持不被光转换材料覆盖的紫光发射器202b发射具有不同波长(即，在380nm至420nm的范围内的波长)的紫光。虽然图2仅示出了三个光发射器202，但发光装置200中可以存在四个、五个、六个等光发射器202，只要(发射波长在380nm至420nm的范围内的光的)至少一个紫光发射器202b保持不被光转换材料204覆盖即可。还如图 2所例示的，虽然蓝光发射器202a相同，但是各个光发射器202a在其上具有独特的光转换材料204，例如，第一蓝光发射器202a上是光转换材料204a，并且第二蓝光发射器202a上是光转换材料204b等。
在本公开的第一方面的又一实施方式中，图3例示了包括四个光发射器302、光转换材料304a、304b和304c以及基板106的发光装置300。图3的实施方式与图2 的不同之处在于，被光转换材料304覆盖的多个光发射器302包括蓝光发射器302 和紫光发射器302的混合体，所述混合体包括发射波长在440nm至495nm的范围内的光的至少一个蓝光发射器302a以及发射波长在380nm至420nm的范围内的光的至少一个紫光发射器302b。与图2相似，图3的实施方式的至少一个紫光发射器302b 保持不被光转换材料覆盖并发射波长在380nm至420nm的范围内的紫光。虽然图3 示出了四个光发射器302，但发光装置300中可以存在三个、五个、六个、七个等光发射器302，只要(发射波长在380nm至420nm的范围内的光的)至少一个紫光发射器302b保持不被光转换材料304覆盖即可。
在本公开的第二方面，发光装置包括至少两个光发射器(例如，至少两个半导体管芯)，其中，至少一个半导体管芯发射在380纳米-420纳米的范围内的紫光，并且至少一个其它半导体管芯发射在440纳米-495纳米的范围内的蓝光，各个半导体管芯被至少一种光转换材料覆盖。使用选择的光转换材料组合精心设计从光转换材料出射的光，以确保混合时产生高质量的白光。
在本公开的第二方面的实施方式，图4例示了包括两个光发射器402、光转换材料404a和404b以及基板106的发光装置400。例如，图4的实施方式与图1的实施方式的不同之处在于，发光装置400中存在的所有光发射器402在其上包括光转换材料404。还如图4所例示的，各个光发射器402在其上具有独特的光转换材料404，例如在第一光发射器402a上是光转换材料404a，并且在第二光发射器402b上是光转换材料404b等。请注意，在图4的实施方式中，光发射器402中的至少一个光发射器(即，光发射器402a)发射波长在440nm至495nm的范围内的蓝光，并且光发射器402中的至少一个光发射器(即，光发射器402b)发射波长在380nm至420nm 的范围内的紫光。虽然图4仅示出了两个光发射器402，但发光装置400中可以存在三个、四个、五个等光发射器402，只要所有光发射器402在其上具有光转换材料404即可。
在本公开的第三方面，发光装置包括至少两个光发射器，其中：至少一个第一光发射器被构造成发射波长在560纳米(nm)至1400纳米(nm)的范围内的光，该至少一个第一光发射器在从其发射的光的直接路径中包括上转换纳米颗粒层(例如，量子点、上转换纳米颗粒(UCNP)，如果合适的话)并被设置成将所发射的光的波长转换成在380nm-420nm的范围内的波长；并且至少一个第二光发射器被构造成发射波长在440nm至495nm的范围内的光，该至少一个第二光发射器包括被设置成位于从该至少一个第二光发射器发射的光的直接路径中的至少一种光转换材料，各种光转换材料被设置成将从至少一个第二光发射器发射的光的波长转换成与该波长不同的波长，其中，来自至少一个第一光发射器和至少一个第二光发射器的光进行组合，以形成白光。
在本公开的第三方面的实施方式，图4例示了包括两个光发射器402a、402b的发光装置400。至少一个第一光发射器404a被构造成发射波长在560纳米(nm)至 1400纳米(nm)的范围内的光。第一光发射器404a在从其发射的光的直接路径中包括上转换纳米颗粒层404a(例如，量子点或其它类型的上转换纳米颗粒(UCNP)，如果合适的话)并被设置成将所发射的光的波长转换成在380nm-420nm的范围内的波长。至少一个第二光发射器402b被构造成发射波长在440nm至495nm的范围内的光。第二光发射器402b包括被设置成位于从该第二光发射器发射的光的直接路径中的至少一种光转换材料。各种光转换材料404b被设置成将从至少一个第二光发射器402b发射的光的波长转换成与该波长不同的波长。来自至少一个第一光发射器 402a和至少一个第二光发射器402b的光进行组合，以形成白光。虽然图4仅示出了两个光发射器402a、402b，但在发光装置400中可以存在各种类型的三个、四个、五个等光发射器。发光装置400中存在的任何数量的光发射器402a可以包括UCNP 层404a，并且发光装置400中存在的任何数量的第二光发射器402b可以在其上包括光转换材料404b。
如上所述，可以通过诸如透镜、密封剂等的部件来修改本公开的发光装置。图5(仅出于示例性目的)例示了类似于图4的发光装置700，其中添加了包含光转换材料704a和704b以及光发射器702a和702b的透镜706。图6(仅出于示例性目的) 例示了类似于图4的发光装置800，其中添加了包含光转换材料804a和804b以及光发射器802a和802b的密封剂806。
还如上所述，图7是在选定CCT具有可接受的x-y坐标的ANSI C78.377-2017 白光标准的图形描述。如以图形形式所描绘的，该标准包括7阶麦克亚当椭圆(7-step MacAdamellipse)并示出了针对本公开的一些实施方式的发光装置的在各种色温下的四边形。ANSIC78.377-2017标准指出：“该标准的目的是，首先指定针对利用固态照明产品的一般照明所建议的色度范围，以确保高质量的白光，其次，以给定公差对色度进行分类，使得可以将产品的白光色度传送给消费者。”因此，所提到的ANSI标准尝试针对不同CCT值下的高质量白光而限定色度范围(在CIE 1931x,y图或CIE 1976u’,v’图中限定为“4阶”或“7阶”四边形)。四边形设定颜色一致性边界，使得LED到LED甚至器材到器材，光看起来一致。4阶或7阶四边形还有助于建立光与特定CCT的距离但仍被认为是该特定标称CCT。如本公开的实施方式中所描述的，通过所选择的发射器和光转换材料的精确组合，所公开的装置实现了可以落入各种色温下的四边形的边界内的消毒白光。更具体地，可以使用落在CIE 1931色度图上的(x,y)坐标来量化从本公开的发光装置发射的组合白光。对于不同实施方式，组合白光的色温可以在1000K至8000K之间变化。(x,y)坐标可以根据所发射的白光光谱的测量的光谱功率分布(SPD)图来确定。在绘制图形时，这些确定的(x,y)坐标将落在针对各个实施方式的色温的四边形边界内，因此可以使用ANSI C78.377-2017 标准将所发射的组合光限定为白光。
图7用作在本公开的一些实施方式中实际上可以实现的颜色坐标和颜色坐标范围的示例。应当理解，这是可以实现的一些现有的颜色坐标标准的示例；可以使用针对白光的已经存在的或将来开发的其它标准。另外，所公开的装置可以在颜色坐标上与CIE标准发光体和/或标准发光体系列大致匹配；应当注意，所公开的装置可能不匹配标准发光体的所有限定的特性，但是在一些实施方式中将大致匹配xy颜色坐标。这些附加CIE标准发光体中的一些包括但不限于A、B、C、D50、D55、D65、D75、 E、F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11和F12。
在本公开的一些实施方式中，由光发射器和光转换材料发射的组合光是白色的，并且具有以下性质中的一项或更多项：(a)大于约10％的、在约380nm至约420nm 波长的范围内测量的光谱能量(有时也称为光谱含量)的比例；(b)小于约50％的、在约380nm至约420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例；(c)1000K至8000K 的相关色温(CCT)值；(d)55至100的显色指数(CRI)值；(e)60至100的色彩保真度(Rf)值；以及(f)60至140的色域(Rg)值。此外，在一些实施方式中，白光具有不小于6％的、在440nm至495nm波长的范围内测量的光谱能量的比例。
在本公开的实施方式中，发光装置可以具有至少10％的和/或小于约50％的、在380nm-420nm波长的范围内的光输出的光谱能量。在380nm-420nm波长的范围内的光输出的光谱能量被限定为波长在380nm-420nm的范围内的光的辐照度值 (irradiance value)相对于波长在380nm-720nm的范围内的光的辐照度值的比例。将前一值除以后一值产生在380nm-420nm波长范围的所发射的光的光谱能量百分比。光谱输出被限定为辐射能量。在一些实施方式中，辐照度值以毫瓦(mW/cm2) 辐射能量测量。可以通过任何现在已知或以后开发的手段来测量辐照度值。在一个示例中，辐照度值可以是目标表面(例如，地板、桌面、实验室工作台、门把手等)处的辐照度值，并且可以具有从380nm-420nm测量的、使微生物失活的任何必要水平 (例如，至少0.01mW/cm2)。另选地，各个LED封装可以具有从380nm-420nm测量的、某一最少量的辐射能量(可能是20mW)。在另一示例中，可以将目标设定成在白光的目标表面上具有最小强度(例如，500lux)。这里，只要紫光含量超过20％，就可以假定能够在该白光强度下进行消毒。换句话说，只要知道紫光含量，就可以计算出有效消毒的时间段。在一些实施方式中，发光装置可以具有至少约20％、25％、 30％、35％、40％、45％或50％的、在380nm-420nm波长的范围内的光输出的光谱能量。在一些实施方式中，发光装置可以具有小于约50％、45％、40％、35％或30％的、在380nm-420nm波长的范围内的光输出的光谱能量。此外，在一些实施方式中，白光具有不小于6％的、在440nm至495nm波长的范围内测量的光谱能量的比例(如上述关于380nm-420nm计算的)。
在380nm-420nm波长的范围内的光谱能量可以用于使细菌性病原体失活。已经证明405nm峰值波长和在405nm以上和以下(380nm-420nm)的波长范围对于细菌性病原体的失活是有效的。在380nm-420nm波长中的光能够杀死微生物(诸如但不限于革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、细菌内生孢子、霉菌以及酵母和丝状真菌) 或使其失活。可以被杀死或失活的一些革兰氏阳性细菌包括金黄色酿脓葡萄球菌(包括MRSA)、产气荚膜梭菌、艰难梭菌、粪肠球菌、表皮葡萄球菌、猪葡萄球菌、酿脓链球菌、单核细胞增多性李斯特氏菌、蜡样芽胞杆菌、地分枝杆菌、乳酸乳球菌、植物乳杆菌、环状芽孢杆菌和嗜热链球菌。一些革兰氏阴性细菌包括鲍氏不动杆菌、绿脓杆菌、肺炎克雷伯氏菌、普通变形杆菌、大肠杆菌、肠炎沙门氏菌、宋内志贺菌、沙雷氏菌和鼠伤寒沙门氏菌。一些细菌内生孢子包括蜡样芽胞杆菌和艰难梭菌。一些酵母和丝状真菌包括黑曲霉、白色念珠菌以及酿酒酵母。在380nm-420nm波长中的光针对所测试的每一种细菌有效，尽管根据物种而花费不同量的时间或剂量。基于已知结果，期望在一时间段内在一定程度上针对所有革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌有效。针对许多种类的真菌也可以是有效的，虽然这些将花费更长的时间能显现效果。
为了杀死或失活目标表面上的微生物，通常需要来自照明装置/器材的一定强度的光。在本公开的一些实施方式中，获得了在目标表面上发射辐照度至少为0.01mW cm2(在380nm-420nm的范围内)的光的发光装置。
在本公开的实施方式中，白光可以被限定为相关色温(CCT)值为约1000开尔文(K)至约8000K、在一些实施方式中为约2000K至约6000K、并且在一些实施方式中为约2500K至约5000K的光，其中“约”可以包括正负大约200K。
在一些实施方式中，来自发光装置的组合光输出或组合发射光(例如，从光发射器发射的光与从一种或多种光转换材料发射的光混合)的CRI值可以为至少55、60、 65、70或75。在另外的实施方式中，CRI值可以为至少80、85、90或95，正负约5 (允许CRI值为100)。
还可以根据各种其它行业标准来限定白光，各种其它行业标准诸如但不限于：以上关于图7所描述的ANSI C78.377-2017白光标准、提供颜色保真度值的保真度指数 (Rf)、以及提供颜色色域值的色域指数(Rg)。有时将Rf值和Rg值组合地报告，作为“TM-30-15”标准。Rf表示平均而言由测试光再现(渲染)的整个样品组的颜色外观与基准发光体下的颜色外观的接近程度。因此，Rf将所有测试颜色样本的计算出的颜色差组合成一个单个平均指数值，并且只是颜色质量的一个方面，而没有考虑感知/偏好效果。Rg提供与可以由白光源(经由反射)产生的颜色的相对范围有关的信息。接近100的分数表示，平均而言，光源以与白炽灯泡(2700K)或日光(5600K/6500 K)相似的饱和度再现颜色。
在一些实施方式中，发光装置可以是表面安装LED装置，其包括LED和至少一种光转换材料。表面安装LED装置可以被安装到印刷电路板(“PCB”)上，或者以其它方式被构造成能够将电力传送至发光装置和LED。LED可以通过接合导线或引线联接至PCB，该接合导线或引线可以实现从LED到装置外部的电连接。装置可以具有透镜、密封剂或其它保护罩(例如，请参见图5至图6)。通过利用连接至相应 LED的导线或引线进行设置，图1至图6中所示的实施方式可以实现为表面安装LED 装置并且被构造成连接至PCB。
在另外的实施方式中，发光装置可以是通孔LED装置，其类似于表面安装封装，但是旨在被安装至PCB板上，或者以其它方式被构造成能够经由与PCB或类似结构上的匹配的孔或过孔配接的导电引脚将电力传送至装置和光发射器。引脚通过焊料或另一传导介质联接至PCB或类似结构。
在一些实施方式中，发光装置可以是板上芯片的LED结构，其是具有多光发射器和光转换材料的封装。多光发射器可以被直接安装至基板，并且可以设置光转换材料，因此所发射的光的期望部分被光转换材料转换。
在另一实施方式中，发光装置可以是芯片级封装(CSP)或倒装芯片CSP，二者均在不使用传统的陶瓷/塑料封装和/或接合导线的情况下封装发射器，从而允许基板直接附接至印刷电路板。
与通常的多光发射器装置(该多光发射器装置要求所发射的光在光学室(通过例如光学器件或壳体结构的方式)中组合/混合，这进而需要增加的电子器件、控制、光学器件和壳体结构，并最终导致增加的成本)不同，本公开的实施方式不需要通过光学器件或壳体结构来组合多个光发射。本公开的多光发射器装置被构造成使得所发射的光在其从给定的LED封装出射之前被组合/混合，因此不需要在光学室中进行组合/混合。
像本公开在单个LED封装内使用多个管芯以产生消毒白光光谱相对于先前的器材级别、多LED颜色混合方法具有显著改进。通常的颜色混合方法要求在不同颜色的单独封装中使用多个LED，所述多个LED中的至少一个LED发射消毒紫光，这要求照明器材内的辅助光学器件来允许颜色混合在一起以形成白光。经常需要复杂的电气控制来恰当地平衡各个单独LED的输出，以形成白光。先前的器材设计也很复杂且昂贵，因为其要求集成辅助光学器件来混合颜色。这种复杂的控制和所需LED数量的增加限制了该颜色混合方法对主要是较大的头顶照明产品的应用可用性，而单个白色消毒LED可以很容易地集成到各种形状和大小的产品中。
此外，在本公开的实施方式中，使用蓝光发射器来产生白光光谱的主要部分也比使用紫光发射器来产生整个光谱的效率明显要高，因为不需要利用波长转换材料在可见光谱范围内(例如，380nm-750nm)内比较远地将蓝光波长转换成附加颜色，该附加颜色混合在一起以形成白光。因为蓝光的波长比紫光的波长长，因此，由于减少了斯托克损耗，所以转换成甚至更长的波长的效率较高。与使用蓝光相比，使用紫光存在较高的斯托克移位，这降低了转换效率。除了较高效的光转换外，相比于紫光管芯，蓝光半导体管芯在市场上更容易获得，以用于LED的批量生产。此外，已开发并在市场上出售的大多数磷光体均被优化用于与发射蓝光的半导体管芯一起使用，从而使磷光体的获取较容易。LED基于效率在市场上进行竞争，本公开的发光装置具有改善的效率。充足的蓝光还有助于白光光谱达到较高的CRI，这可以改善人类对白光的感知。由于一些人几乎看不到紫光，而另一些人能看到稍微明亮的紫光，因此在白光光谱中添加蓝光也有助于增加人与人之间的感知到的光的一致性。
人类在可见光谱内以不同亮度感知不同颜色的光。由人类感知到的亮度转换成以流明为单位的输出，这对流明/瓦特效率有贡献。高效率是理想的，这在给定功率下输出更多流明。人类看到绿色(例如，约555纳米)最亮，这由图8的眼睛颜色敏感度图证明。在光谱上波长越接近绿色，对流明输出的贡献就越大。还如图所示，紫光 (例如，380纳米-420纳米)对流明输出的贡献很小。蓝光(例如，440纳米-495纳米)比紫光接近绿色，并且对流明输出的贡献明显更大。为此，诸如在上述本公开的实施方式中，将蓝光磷光体转换的管芯和紫光管芯包括在一个LED封装中是更有效的。灰白色出射光本身具有高得多的流明输出，还具有包括来自紫光管芯的消毒能量的益处，这有助于使有害微生物失活。将紫光管芯添加到蓝光磷光体转换的管芯比仅使用紫光管芯有效得多。
出于例示和描述的目的，已经呈现了本公开的各方面的前述描述。并不旨在是详尽的或将本公开限制为所公开的精确形式，并且显然，许多修改和变型是可能的。对于本领域技术人员而言显而易见的是，这种变化和修改旨在被包括在本公开的如所附权利要求所限定的范围内。

Claims (49)

1.一种使微生物失活的发光装置，所述发光装置包括：
至少两个光发射器，其中：
所述至少两个光发射器中的第一光发射器被构造成发射用于使微生物失活的第一光，所述第一光的波长在380纳米(nm)至420nm的范围内，其中，所述第一光的直接路径中未设置光转换材料；
所述至少两个光发射器中的第二光发射器被构造成发射第二光，所述第二光的波长在440nm至495nm的范围内；并且
所述第二光的直接路径中设置有光转换材料，并且所述光转换材料被构造成将所述第二光的一部分转换成波长与所述第二光的波长不同的第三光，其中，所述第一光与所述第二光和所述第三光组合，以形成白色消毒光。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述光转换材料包括磷光体、光学增白剂、量子点、磷光材料、荧光团、荧光染料以及导电聚合物中的一种或更多种。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述白色消毒光的相关色温(CCT)值在1000开尔文(K)至8000K的范围内。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述白色消毒光的显色指数(CRI)值在55至100的范围内。
5.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述白色消毒光具有大于10％的、在380nm至420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例。
6.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述白色消毒光具有小于50％的、在380nm至420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例。
7.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述白色消毒光具有不小于6％的、在440nm至495nm波长的范围内测量的光谱能量的比例。
8.根据权利要求1所述的发光装置，其中，在由所述发光装置发射的所述白色消毒光照射时，微生物失活。
9.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述第一光发射器和所述第二光发射器中的一个或更多个包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、半导体管芯以及激光器。
10.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述第二光与所述第三光组合，以形成灰白色光，所述灰白色光在国际照明委员会(CIE)1931色度图上限定，所述灰白色光的坐标在如下限定的边界线之上：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
11.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述第一光是在国际照明委员会(CIE)1931色度图上限定的，所述第一光的坐标在如下限定的边界线之下：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
12.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述白色消毒光是在国际照明委员会(CIE)1931色度图上限定的，所述白色消毒光的坐标在由美国国家标准协会(ANSI)C78.377-2017限定的四边形内。
13.根据权利要求1所述的发光装置，其中，所述第一光包括至少20毫瓦(mW)的辐射能量。
14.一种使微生物失活的方法，所述方法包括以下步骤：
经由第一光发射器发射用于使微生物失活的第一光，所述第一光的第一波长在380纳米(nm)至420nm的范围内，其中，所述第一光的直接路径中未设置光转换材料；
经由第二光发射器发射第二光，所述第二光的第二波长在440nm至495nm的范围内；
经由被设置成位于所述第二光发射器的直接路径中的光转换材料，将所述第二光的第一部分转换成包括与所述第二波长不同的第三波长的第三光；以及
基于所述第一光、所述第二光和所述第三光，形成白色消毒光。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光转换材料包括磷光体、光学增白剂、量子点、磷光材料、荧光团、荧光染料以及导电聚合物中的一种或更多种。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成相关色温(CCT)值在1000开尔文(K)至8000K的范围内的白色消毒光。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成显色指数(CRI)值在55至100的范围内的白色消毒光。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成具有大于10％的、在380nm至420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例的白色消毒光。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成具有小于50％的、在380nm至420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例的白色消毒光。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成具有至少6％的、在440nm至495nm波长的范围内测量的光谱能量的比例的白色消毒光。
21.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
基于经由所述白色消毒光的照射来开始微生物的失活。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一光发射器和所述第二光发射器中的一个或更多个包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、半导体管芯或激光器。
23.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
基于所述第二光和所述第三光，形成根据国际照明委员会(CIE)1931色度图限定的灰白色光，所述灰白色光的坐标在如下限定的边界线之上：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
24.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一光是根据国际照明委员会(CIE)1931色度图限定的，所述第一光的坐标在如下限定的边界线之下：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
25.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成在国际照明委员会(CIE)1931色度图上限定的白色消毒光，所述白色消毒光的坐标在由美国国家标准协会(ANSI)C78.377-2017限定的四边形内。
26.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一光包括至少20毫瓦(mW)的辐射能量。
27.一种使微生物失活的发光装置，所述发光装置包括：
至少两个光发射器，其中：
所述至少两个光发射器中的至少一个第一光发射器被构造成发射第一光，所述第一光的第一波长在380纳米(nm)至420nm的范围内并且辐射能量为至少20毫瓦(mW)；
所述至少两个光发射器中的至少一个第二光发射器被构造成发射第二光，所述第二光的第二波长在440nm至495nm的范围内；
所述至少两个光发射器中的所述至少一个第一光发射器包括第一光转换材料，所述第一光转换材料被设置成位于所述第一光的直接路径中，并且被构造成：
使所述第一光的第一部分不经转换地通过所述第一光转换材料；并且
将具有所述第一波长的所述第一光的第二部分转换成具有与所述第一波长不同的第三波长的第三光；
所述至少两个光发射器中的所述至少一个第二光发射器包括与所述第一光转换材料不同的第二光转换材料，所述第二光转换材料被设置成位于所述第二光的直接路径中，并且被构造成：
使所述第二光的第一部分不经转换地通过所述第二光转换材料；并且
将具有所述第二波长的所述第二光的第二部分转换成具有与所述第二波长不同的第四波长的第四光；以及
将所述第一光、所述第二光、所述第三光和所述第四光组合，以形成白色消毒光。
28.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述第一光转换材料或所述第二光转换材料包括磷光体、光学增白剂、量子点、磷光材料、荧光团、荧光染料以及导电聚合物中的一种或更多种。
29.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述白色消毒光的相关色温(CCT)值在1000开尔文(K)至8000K的范围内。
30.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述白色消毒光的显色指数(CRI)值在55至100的范围内。
31.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述白色消毒光具有大于10％的、在380nm至420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例。
32.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述白色消毒光具有小于50％的、在380nm至420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例。
33.根据权利要求27所述的发光装置，其中，基于由所述发光装置发射的所述白色消毒光的照射，微生物开始失活。
34.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述至少两个光发射器中的一个或更多个包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、半导体管芯或激光器。
35.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述白色消毒光具有不小于6％的、在440nm至495nm波长的范围内测量的光谱能量的比例。
36.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述第二光和所述第四光组合，以形成根据国际照明委员会(CIE)1931色度图限定的灰白色光，所述灰白色光的坐标在如下限定的边界线之上：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
37.根据权利要求36所述的发光装置，其中，所述第一光是根据CIE 1931色度图限定的，所述第一光的坐标在如下限定的边界线之下：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
38.根据权利要求27所述的发光装置，其中，所述白色消毒光是在CIE 1931色度图上限定的，所述白色消毒光的坐标在由美国国家标准协会(ANSI)C78.377-2017限定的四边形内。
39.一种使微生物失活的方法，所述方法包括以下步骤：
由至少两个光发射器中的至少一个第一光发射器发射第一光，所述第一光的第一波长在380纳米(nm)至420nm的范围内并且辐射能量为至少20毫瓦(mW)；
由所述至少两个光发射器中的至少一个第二光发射器发射第二光，所述第二光的第二波长在440nm至495nm的范围内；
基于被设置成位于所述第一光的直接路径中的第一光转换材料，将具有所述第一波长的所述第一光的第一部分转换成具有与所述第一波长不同的第三波长的第三光，其中，所述第一光的第二部分不经转换地通过所述第一光转换材料；
基于与所述第一光转换材料不同的被设置成位于所述第二光的直接路径中的第二光转换材料，将具有所述第二波长的所述第二光的第一部分转换成具有与所述第二波长不同的第四波长的第四光，其中，所述第二光的第二部分不经转换地通过所述第二光转换材料；以及
基于所述第一光、所述第二光、所述第三光和所述第四光，形成白色消毒光。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成相关色温(CCT)值在1000开尔文(K)至8000K的范围内的白色消毒光。
41.根据权利要求39所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成显色指数(CRI)值在55至100的范围内的白色消毒光。
42.根据权利要求39所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成具有不小于6％的、在440nm至495nm波长的范围内测量的光谱能量的比例的白色消毒光。
43.根据权利要求39所述的方法，所述方法还包括以下步骤：基于所述第二光和所述第四光，形成根据国际照明委员会(CIE)1931色度图限定的灰白色光，所述灰白色光的坐标在如下限定的边界线之上：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
44.根据权利要求39所述的方法，其中，所述第一光是根据CIE 1931色度图限定的，所述第一光的坐标在如下限定的边界线之下：
y＝-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
45.根据权利要求39所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成在CIE1931色度图上限定的白色消毒光，所述白色消毒光的坐标在由美国国家标准协会(ANSI)C78.377-2017限定的四边形内。
46.根据权利要求39所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成具有大于10％的、在380nm至420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例的白色消毒光。
47.根据权利要求39所述的方法，其中，形成所述白色消毒光的步骤包括形成具有小于50％的、在380nm至420nm波长的范围内测量的光谱能量的比例的白色消毒光。
48.根据权利要求39所述的方法，所述方法还包括以下步骤：基于经由所述白色消毒光的照射来开始微生物的失活。
49.根据权利要求39所述的方法，其中，所述至少两个光发射器中的一个或更多个包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、半导体管芯或激光器。
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