CN114270547A - 全光谱白色发光装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种全光谱白色发光装置，其包括：光致发光材料，其用于产生具有从490nm到680nm的峰发射波长的光；及宽带固态激发源，其用于产生具有从420nm到480nm的主波长的宽带激发光。所述装置产生具有光谱的白光，所述光谱的强度在从645nm到695nm的波长下从其在所述光谱的橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％，且在从约430nm到约520nm的波长范围内，所述白光与黑体曲线或CIE标准发光体D的光的强度的最大百分比强度偏差小于60％。

Description

全光谱白色发光装置
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2019年7月9日申请的第62/872,277号美国临时专利申请案及2019年7月19日申请的第16/517,524号美国实用专利申请案的优先权，所述申请案的全文由此以引用的方式并入。
技术领域
本发明的实施例涉及包括光致发光波长转换材料的全固态光谱白色发光装置。更特定来说，但非排他地，实施例涉及用于产生接近类似于自然日光、具有从蓝光到红光的光谱的全光谱白光的全光谱白色发光装置。
背景技术
白色发光LED(“白光LED”)包含一或多种光致发光材料(通常是无机磷光体材料)，所述光致发光材料吸收由所述LED(固态激发源)发射的蓝光的一部分且重新发射不同颜色(波长)的可见光。由所述LED产生、未被所述磷光体材料吸收的蓝光的所述部分与由所述磷光体发射的光的组合提供在眼睛看来颜色是白色的光。由于它们的长操作寿命预期(>50,000小时)及高效能(每瓦100流明及更高)，白光LED已迅速取代常规荧光灯、紧凑型荧光灯及白炽灯。
存在用于量化由白色照明源产生的光的特性及质量的各种指标。固态照明行业内的两个最常用指标是相关色温(CCT)及国际照明委员会(CIE)一般显色指数(CRI)Ra。
照明源的CCT是以开尔文(K)为单位进行测量且是辐射对应于由照明源产生的光的颜色的颜色的光的普朗克(黑体)辐射器的色温。
一般CRI Ra特性化照明源呈现物体的真实颜色的忠实程度且基于对八个颜色测试样本(R1到R8)的光源照明与由参考源提供的照明的比较的适当程度的量度。一般来说，所述值越高，那么指示其与黑色辐射器及自然日光的接近度。一般CRI Ra可取负值且具有100的最大值。由于颜色样本R1到R8全部是柔和的颜色(低饱和度颜色“浅灰红色”到“红紫色”)，一般CRI Ra给出产生接近类似于日光的全光谱的白炽光源的光输出的细微差异的有用量度。然而，针对光谱由峰组成的白光LED，一般CRI Ra证明是不足的，因为其是在有限颜色范围内的颜色呈现的平均量度且未给出有关特定颜色或高度饱和色的照明源性能的信息。因此，当特性化全光谱固态白色发光装置时，CRI颜色样本R9到R12(饱和色“饱和红色”、“饱和黄色”、“饱和绿色”、“饱和蓝色”)及R13到R15(“浅肤色”、“叶绿色”、“中等肤色”)应被认为给出全光谱光的有意义特性化。
良好的照明设计是固有地以人类为中心的，因为照明可能影响人类睡眠周期、昼夜节律、警觉性及其它非视觉反应。LED(固态)照明对人类健康的安全性一直是最近审查的主题。人们越来越担心人造光破坏人类生理及心理的正常调节，例如激素合成、睡眠-觉醒周期及警觉性水平。特定来说，最近的证据指示，高色温(5000K)及高照度光(例如举例来说由LED产生的光)抑制睡前褪黑激素分泌并且降低主观警觉性。也已报道，蓝光比其它颜色更倾向于通过破坏生物体的生物过程来影响所述生物体，所述生物过程依赖于白天及黑夜的自然周期(昼夜节律)。据信，在深夜及夜间暴露于蓝光可能对健康有害。
已提出用于预测褪黑激素抑制效果的各种指标。用于测量昼夜节律刺激的两个更常见指标是(i)昼夜节律作用因子(CAF)及(ii)黑视素反应(MR)。CAF及MR是辐射昼夜节律光视效能(CER)与辐射光视效能(LER)的比且各自提供大脑对光的灵敏度的量度；即，人类对光的非视觉灵敏度的量度。CAF基于测量在暴露于特定波长的光之前及之后的人类褪黑激素水平以建立昼夜节律作用光谱(CAS)或昼夜节律灵敏度光谱c(λ)的研究。CAF(表示为acv)是辐射昼夜节律效能与光视效能的比。MR基于哺乳动物ipRGC(固有光敏性视网膜神经节细胞)中发现的黑视素光色素的吸收光谱以建立黑视素反应(灵敏度)光谱m(λ)。MR是辐射昼夜节律效能与光视效能的比。最近，已提出加权到ipRGC的光谱响应的新指标等效黑视素勒克斯(EML)。
LED照明的进一步潜在问题是光照性视网膜炎，即对视网膜的光化学损伤的可能性，其可能由过度暴露于紫到蓝光造成。这被称为蓝光危害(BLH)且与CAF及MR类似之处在于其具有对应蓝色灵敏度光谱b(λ)。BLH的风险有时与LED相关联，即使发射白光的LED不含有比在相同色温下的其它类型的源明显更多的蓝光。即，针对高CCT(≥5000K)白光LED，BLH是潜在的眼睛健康问题，因为由所述LED产生的蓝色峰在光谱的CAF及MR波长区内是极高的。根据目前的国际标准，发射白光且用于一般照明应用中的光源不被认为对健康的成人的视网膜有害。即，必须视情况考虑特种灯或有色光源的光学安全性，且在易感人群(例如患有某些类型的眼病的婴儿或成人)周围使用的光源需要额外评估。
目前，在LED照明行业中，全光谱LED装置寻求产生，例如由白炽灯及黑体辐射展现的具有等于100的一般CRI Ra的白光。然而，发现与产生具有约80的CRI Ra(CRI80)的光的白光LED相比，此类LED牺牲效能达15％到30％。
本发明致力于至少部分地克服已知固态白色发光装置的缺点且提供具有至少接近或超过目前CRI80装置的效能的效能的以人类为中心的全光谱白色发光装置。
发明内容
本发明涉及用于产生尽可能接近类似于自然日光、具有从蓝色波长到红色波长的光谱含量的全光谱白光的全光谱白色发光装置。
特定来说，尽管非排他地，但本发明的至少一些实施例涉及用于产生接近类似于光谱的蓝色到青色波长区中的自然光的白光的白色发光装置。根据本发明的实施例，此类白色发光装置产生接近类似于蓝色到青色波长区(430nm到520nm)中的自然光的全光谱白光，其中通过昼夜节律作用因子(CAF)及黑视素反应(MR)测量的人类非视觉感知受到最大影响。据信，具有此光谱特性的白光有益于人类福祉，因为波长光谱的这个部分影响褪黑激素分泌，其可能影响昼夜节律周期。根据本发明的全光谱白色发光装置利用宽带固态激发源，例如蓝光LED，所述宽带固态激发源产生具有从约420nm到约480nm的主波长(即，在可见光谱的蓝色波长区中)的宽带激发光。在本专利说明书中，“宽带”用以表示具有至少25nm的FWHM(半高全宽)的光。例如，FWHM可为至少30nm或至少50nm且可具有从约25nm到约70nm的FWHM；任选地可具有在从约30nm到约70nm的范围内的FWHM。宽带还可用以表示由在从约420nm到约480nm的波长范围内的至少两个不同波长蓝光发射的组合组成的蓝光。宽带蓝色激发光的使用使发光装置能够产生接近类似于光谱的蓝色到青色波长区(430nm到520nm)中的自然光的全光谱光。
本发明的实施例进一步涉及产生具有在对应于光谱的红色波长区的波长下、已经优化(降低)以提高效能的光强度的白光的全光谱白色发光装置。在实施例中，所述装置包括橙色到红色光致发光材料，所述橙色到红色光致发光材料的峰发射波长/FWHM经选择以降低在对应于光谱的红色波长区(范围)的波长下的光强度(光子计数)，特定来说降低可能影响CRI R9(“饱和红色”)及CRI R8(“红紫色”)的值的长于约650nm的波长的光强度，在所述波长下眼睛的明视反应(即，明视光度函数)通常为低(约0.1)。
根据本发明的一个方面，设想一种全光谱白色发光装置，其包括：光致发光材料，其用于产生具有从约490nm到约680nm的峰发射波长的光；及宽带固态激发源，其用于产生具有从约420nm到约480nm的主波长的宽带激发光，其中所述装置产生具有一定光谱的白光，所述光谱的强度在从约645nm到约695nm的波长下从其在所述光谱的橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％，且其中在从约430nm到约520nm的波长范围内，所述白光与相同相关色温的黑体曲线或CIE标准发光体D的光的强度的最大百分比强度偏差小于60％。更特定来说，所述光谱的所述橙色到红色区中的所述最大强度对应于光致发光转换(产生)光且所述最大强度出现在长于约570nm的波长下。例如，所述最大强度可出现在从约590nm到约620nm范围内的波长下。
情况可为由所述装置发射的光的所述最大百分比强度偏差小于50％、40％、30％、20％及10％中的至少一者。
所述白光可具有在所述黑体曲线或CIE标准发光体D的昼夜节律作用因子(CAF)的5％以内的CAF。
在实施例中，由所述装置产生的白光具有小于90的CRI R9及/或CRI R8。
情况可为所述白光具有一定光谱，且具有至少80的CRI Ra，所述光谱的强度在从约645nm到约665nm的波长下从其在所述橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％。
所述白光可具有一定光谱，且具有至少90的CRI Ra及大于50的CRI R9，所述光谱的强度在从约665nm到约690nm的波长下从由所述装置发射的光的最大值减小到所述最大值的约50％。
在实施例中，所述白光可具有一定光谱，且具有至少95的CRI Ra及大于60的CRIR9，所述光谱的强度在从约680nm到约695nm的波长下从由所述装置发射的光的最大值减小到所述最大值的约50％。
情况可为所述光致发光材料包括产生具有从约620nm到约655nm的峰发射波长的光的光致发光材料中的至少一者或组合。
所述白光可具有从约2700K到约3000K的相关色温且所述装置可具有至少102lm/W的效能。
在实施例中，所述白光可具有从约4000K到约6800K的相关色温且所述装置可具有至少110lm/W的效能。
情况可为所述宽带固态激发源产生具有至少25nm的FWHM的宽带激发光。
所述宽带激发光可包括两个或更多个不同波长的蓝光发射的组合。不同波长的蓝光发射可以两种方式产生：(i)使用不同主波长的多个个别蓝光LED(窄带LED)或(ii)使用例如有源区中的专门设计的多个不同量子阱来产生多个蓝色波长发射的个别LED(宽带LED)。因此，宽带固态激发源可由一或多个窄带固态光源构成；例如举例来说，LED或激光二极管，其中的每一者“直接”产生从420nm到480nm的不同主波长的窄带蓝光。在一些实施例中，至少两个蓝光发射之间存在至少5nm的波长差，或至少两个蓝光发射之间存在至少10nm的波长差。
在实施例中，所述宽带固态激发源可包括：第一固态光源，其用于产生具有从420nm到480nm的第一主波长的蓝光发射；及第二固态光源，其用于产生具有从420nm到480nm的第二主波长的不同蓝光发射。所述第一主波长可从420nm到450nm；且所述第二主波长可从450nm到480nm。所述宽带蓝色激发源可进一步包括第三固态光源，所述第三固态光源用于产生具有从420nm到480nm的第三主波长的蓝光发射，所述第三主波长与所述第一及第二主波长不同。
替代地，宽带固态激发源还涵盖宽带固态光源；例如，宽带蓝光LED，例如具有使用多量子阱(MQW)结构中的不同量子阱来直接产生多个不同波长的蓝光发射的有源区的InGaN/GaN蓝光LED。在一些实施例中，所述宽带固态激发源包括具有至少两个不同量子阱的LED，所述量子阱每一者产生具有相应不同主波长的蓝光发射。
本发明的宽带固态激发源将要与已知白光LED形成对比，所述已知白光LED利用产生具有在范围15nm到20nm内的FWHM的单个窄带波长的蓝光的窄带蓝光LED。本发明的宽带蓝色固态激发源将要与已知白光LED进一步形成对比，所述已知白光LED利用UV固态光源(UV LED)，其中蓝色激发光是使用蓝色发光(420nm到480nm)光致发光材料(磷光体)，通过UV光的光致发光转换过程间接产生。换句话说，根据本发明的宽带固态激发源/白色发光装置不利用/包含光致发光材料以产生在范围420nm到480nm内的激发光。
在实施例中，所述光致发光材料可包括：第一光致发光材料，其具有从490nm到550nm的峰发射波长；及第二光致发光材料，其具有从600nm到680nm的峰发射波长。
根据一个方面，本发明涵盖一种全光谱白色发光装置，其包括：光致发光材料，其用于产生具有从约490nm到约680nm的峰发射波长的光；及宽带固态激发源，其用于产生具有从约420nm到约480nm的主波长的宽带激发光，其中所述装置产生具有从约1800K到约6800K的相关色温的白光且其中所述白光具有一定光谱，所述光谱具有在相同相关色温的黑体曲线或CIE标准发光体D的CAF的5％以内的CAF。
在实施例中，在从约430nm到约520nm的波长范围内，可存在所述白光与相同相关色温的所述黑体曲线或CIE标准发光体D的光的强度的最大百分比强度偏差。
情况可为所述光的所述最大百分比强度偏差小于50％、40％、30％、20％及10％中的至少一者。
所述白光可具有一定光谱，所述光谱的强度在从约645nm到约695nm的波长下下降到其最大强度的一半。
在实施例中，所述白光可具有小于90的CRI R9。
情况可为所述白光具有从约2700K到约3000K的相关色温且所述装置具有至少102lm/W的效能，或所述白光具有从约4000K到约6800K的相关色温且所述装置具有至少110lm/W的效能。
本发明的实施例在封装式白色发光装置中发现实用性，其中光致发光材料(例如黄色到绿色及橙色到红色光致发光材料)与例如表面可安装装置、板载芯片及灯丝的宽带固态激发源封装在一起。在其它实施例中，光致发光材料可远离宽带固态激发源定位。
附图说明
在结合附图阅读对本发明的特定实施例的以下描述后，本发明的这些及其它方面及特征对于所属领域的一般技术人员来说将变得显而易见，其中：
图1a及1b展示根据一些实施例的远程磷光体全光谱白色发光装置；
图2a是根据本发明的实施例的用于图1a及1b的全光谱白色发光装置中的宽带蓝色固态激发源的示意图；
图2b是根据本发明的另一实施例的用于图1a及1b的全光谱白色发光装置中的宽带蓝色固态激发源的示意图；
图3a是根据一些实施例的全光谱白色发光装置的示意性横截面视图；
图3b是根据一些实施例的全光谱白色发光装置的示意性横截面视图；
图4a及4b是根据一些实施例的全光谱白色发光装置的示意图；
图5展示：(A)以下三项的强度光谱、归一化强度I对波长(nm)：(i)利用窄带激发源的已知全光谱发光装置-光谱表示为A(点线)，(ii)根据本发明的利用宽带激发源的全光谱发光装置-光谱表示为B(细实线)，(iii)针对标称上与光谱A及B的CCT相同的CCT的黑体曲线(bbc)(虚线)；及(B)昼夜节律作用光谱(CAS)-粗实线，相对量子灵敏度对波长(nm)；
图6展示以下四项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.1(实线)，(ii)Dev.2(粗虚线)，(iii)Com.l(点线)，及(iv)针对标称上与Dev.l、Dev.2及Com.l相同的2700K的CCT的普朗克光谱(细虚线)；
图7a展示以下五项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.3(实线)，(ii)Dev.4(粗虚线)，(iii)Dev.5(点划线)，(iv)Com.2(点线)，及(v)针对标称上与Dev.3、Dev.4、Dev.5及Com.2相同的3000K的CCT的普朗克光谱(细虚线)；
图7b展示以下三项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.4(实线)、(ii)Com.2(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.4及Com.2相同的3000K的CCT的普朗克光谱(虚线)；
图7c展示以下三项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.5(实线)、(ii)Com.3(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.5及Com.3相同的3000K的CCT的普朗克光谱(虚线)；
图8展示以下三项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.6(实线)、(ii)Com.4(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.6及Com.4相同的4000K的CCT的普朗克光谱(虚线)；
图9a展示以下三项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.7(实线)、(ii)Com.5(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.7及Com.5相同的5000K的CCT的普朗克光谱(虚线)；
图9b展示以下三项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.8(实线)、(ii)Com.6(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.8及Com.6相同的5000K的CCT的普朗克光谱(虚线)；
图10是根据一些实施例的LED灯丝灯的侧视图；及
图11a及11b是根据一些实施例的用于图10的灯中的LED灯丝白色发光装置的示意性横截面B-B侧及部分剖切平面视图。
具体实施方式
现在将参考附图详细地描述本发明的实施例，所述实施例作为本发明的说明性实例提供以便使所属领域的技术人员能够实践本发明。明显地，以下图及实例并不意指将本发明的范围限于单个实施例，而是凭借一些或所有所描述或说明元件的交换，其它实施例也是可能的。此外，在本发明的某些元件可部分或全部使用已知组件来实施的情况下，将仅描述理解本发明所必需的此类已知组件的那些部分，且将省略对此类已知组件的其它部分的详细描述以免混淆本发明。在本说明书中，展示单一组件的实施例不应被认为是限制性的；相反，本发明意在涵盖包含多个相同组件的其它实施例，且反之亦然，除非本文中另有明确地陈述。此外，申请人并不意图赋予说明书或权利要求书中的任何术语不常见或特殊的含义，除非如此明确地阐述。此外，本发明涵盖本文中以说明方式提及的已知组件的当前及未来已知等效物。
贯穿本说明书，图号之后的类似参考数字用以表示类似特征。
本发明的实施例涉及白色发光装置，其包括宽带固态激发源，例如一或多个LED，所述宽带固态激发源可操作以产生具有从420nm到480nm的主波长的宽带蓝色激发光。在本专利说明书中，“宽带”用以表示具有至少25nm的FWHM(半高全宽)的光。例如，FWHM可为至少30nm或至少50nm且可具有在从25nm到70nm的范围内的FWHM；任选地可具有在从30nm到70nm范围内的FWHM。宽带也可用以表示由在从420nm到480nm的波长范围内的至少两个不同波长蓝光发射的组合组成的蓝光。更特定来说，但非排他地，本发明的实施例涉及用于产生接近类似于可见光谱的蓝色到青色波长区(约430nm到约520nm)中的自然光的全光谱白光的白色发光装置。
远程磷光体全光谱白色发光装置
图1a及1b说明根据本发明的实施例的远程磷光体固态全光谱白色发光装置，其中图1a是部分横截面平面视图且图1b是穿透A-A的截面视图。装置110经配置以产生具有从1800K及6800K的CCT(相关色温)的全光谱白光。所述装置可单独使用或包括筒灯或其它照明布置的一部分。装置110包括由圆盘形基底114、中空圆柱壁部分116及可拆卸环状顶部118组成的中空圆柱体112。为了辅助散热，基底114优选地由铝、铝合金或具有高导热性的任何材料制成。基底114可通过螺钉或螺栓或通过其它紧固件或凭借粘合剂而附接到壁部分116。
装置110进一步包括安装成与圆形MCPCB(金属芯印刷电路板)122热连通的多个(在图1a及1b的实例中是五个)宽带蓝色固态激发源120。宽带蓝色固态激发源120的各个实施例在图2a到4b中进行说明。为了最大化光的发射，装置10可进一步包括分别覆盖MCPCB122的面及圆柱壁116的内弯曲表面的光反射表面124及126。
装置110进一步包括光致发光波长转换组件128，所述光致发光波长转换组件远离激发源120定位且可操作以吸收由激发源120产生的激发光的一部分并通过光致发光过程而将所述部分转换成不同波长的光。装置110的发射产物包括由宽带蓝色激发源120产生的组合光及由光致发光波长转换组件128产生的光致发光光。所述光致发光波长转换组件可由并入黄色、红色及/或绿色磷光体的混合物的透光材料(例如，聚碳酸酯、丙烯酸材料、硅酮材料等)形成。此外，在实施例中，所述光致发光波长转换组件可由涂覆有(若干)磷光体材料的透光衬底形成。波长转换组件128远离激发源120定位且在空间上与所述激发源分开。在本专利说明书中，“远程地”及“远程”表示呈隔开或分开关系。通常，波长转换组件及激发源通过空气而分开，而在其它实施例中，它们可通过合适透光介质，例如举例来说透光硅酮或环氧树脂材料而分开。波长转换组件128经配置以完全覆盖外壳开口，使得由灯发射的所有光穿过波长组件128。如所展示，波长转换组件128可使用顶部118可拆卸地安装到壁部分116的顶部，从而使得灯的组件及发射颜色能够容易地改变。
图2a是根据本发明的实施例的宽带蓝色固态激发源220的示意图。宽带蓝色固态激发源220经配置以产生具有从420nm到470nm，即，在可见光谱的蓝色波长区中的主波长的宽带蓝色激发光。在这个实施例中，其还具有从25nm到50nm的FWHM。根据本发明的实施例，宽带蓝色固态激发源220可包括第一固态光源230及第二固态光源232，所述固态光源在这个实例中是窄带蓝光LED芯片(例如发蓝光GaN基LED芯片)。第一固态光源230产生具有从420nm到470nm的第一主波长λd1的蓝光发射且第二固态光源232产生具有从420nm到470nm的第二主波长λd2的蓝光发射。选择第一及第二固态光源，使得由所述源产生的光的主波长不同(即，λd1与λd2不同)。来自第一及第二固态光源230/232的光的组合构成宽带蓝色固态激发源220的宽带蓝色激发光输出242并具有从420nm到470nm的主波长且具有从25nm到50nm的FWHM。将理解，在其它实施例中，所述固态激发源可包括单个固态光源。在本说明书中，单个固态光源被定义为一或多个固态光源，所述固态光源中的每一者产生具有相同(即，单个/单独)主波长且具有至少25nm的FWHM的光。
如图2a中所指示，宽带蓝色固态激发源220可包括表面可安装装置(SMD)，例如举例来说SMD 2835LED封装，其中第一及第二固态光源倒装芯片接合在衬底234的顶面上。电触点236、238可经设置在衬底234的底面上以用于操作所述激发源。第一及第二固态光源230、232可用透光光学囊封剂240(例如举例来说硅酮或环氧树脂材料)囊封。
图2b是根据本发明的实施例的宽带蓝色固态激发源220的示意图。固态激发源220经配置以产生具有从420nm到470nm，即，在可见光谱的蓝色波长区中的主波长的激发光。在这个实施例中，其还具有从25nm到50nm的FWHM。根据本发明的实施例，固态激发源220包括宽带固态光源241，所述宽带固态光源在这个实例中是单个宽带LED，例如举例来说具有带有多个量子阱(MQW)的有源区的InGaN/GaN蓝光LED，如应用物理快报75，1494(1999年)中Tran C A等人的标题为“通过金属有机气相外延来在硅酮上生长InGaN多量子阱蓝色发光二极管(Growth of InGaN multiple-quantum-well blue light-emitting diodes onsilicone by metal organic vapor phase epitaxy)”所公开。宽带固态光源241产生包括从420nm到470nm的峰波长的多个重叠蓝光发射的宽带蓝光。因此，单个固态光源241产生具有单个/单独主波长且具有至少25nm的FWHM的光。
如图2b中所指示，固态激发源220可包括表面可安装装置(SMD)，例如举例来说SMD2835LED封装，其中所述固态光源倒装芯片接合在衬底234的顶面上。电触点236、238可经设置在衬底234的底面上以用于操作所述激发源。固态光源241可用透光光学囊封剂240(例如举例来说硅酮或环氧树脂材料)囊封。
封装式全光谱白色发光装置
图3a是根据本发明的实施例的封装式全光谱白色发光装置310a的示意性横截面表示。装置310a经配置以产生具有从1800K到6800K的CCT(相关色温)的全光谱白光。
根据本发明的实施例，装置310a包括由容置在封装344内的第一及第二固态光源330、332(例如发蓝光GaN(氮化镓)基LED芯片)构成的宽带蓝色固态激发源。以与上文所描述类似/相同的方式，第一固态光源330可产生具有从420nm到470nm的第一主波长λd1的蓝光发射且第二固态光源332可产生具有从420nm到470nm的第二主波长λd2的蓝光发射。第一固态光源的主波长λd1与第二固态光源的主波长λd2不同。所述封装(其可例如包括表面可安装装置(SMD))，例如SMD 2835LED封装包括上部分346及基底部分348。上主体部分346界定经配置以接纳固态光源330、332的凹口350。封装344可进一步包括封装344的基底的外面上的电连接器352及354。电连接器352、354可电连接到凹口350的底面上的电极接触垫356、358及360。使用粘合剂或焊料，固态光源(LED芯片)330、332可经安装到定位在凹口350的底面上的导热垫362。LED芯片的电极垫可使用接合线362电连接到封装344的底面上的对应电极接触垫356、358及360。替代地，LED芯片可倒装芯片安装在所述封装中且电连接到所述封装。凹口350填充有透光光学囊封剂364，通常是光学透明硅酮，所述透光光学囊封剂装载有光致发光材料的混合物，使得LED芯片330、332的经暴露表面被光致发光/硅酮材料混合物覆盖。为了增强所述装置的发射亮度，凹口350的壁可倾斜且具有光反射表面。当然，将理解，在其它实施例中，一或多个固态光源(LED芯片330、332)各自产生具有相同(即，单个/单独)主波长且具有至少25nm的FWHM的光。
图3b是本发明的另一实施例。其与图3a类似，不同之处在于第一及第二窄带固态光源由具有带有多量子阱的有源区的两个宽带蓝光LED 341a/341b取代。通常，第一及第二宽带蓝色固态光源341a/341b各自产生具有相同的主波长λd的宽带蓝色激发光。
图4a及4b说明根据本发明的实施例的板载芯片(COB)封装式全光谱白色发光装置410，其中图4a是平面视图且图4b是穿透B-B的截面视图。装置410可经配置以产生具有从2500K到5000K的CCT(相关色温)及大于95的CRI(显色指数)的暖白光。
装置410包括安装成与方形MCPCB 468热连通的多个(在图4a的实例中是十二个)宽带蓝色固态激发源420，例如宽带发蓝光GaN(氮化镓)基LED倒装芯片裸片。
如图4a中所指示，激发源420可经配置为大体上圆形阵列。固态激发源(宽带LED裸片)420可各自产生具有从440nm到455nm的主波长λd的激发光。在这个实施例中，它们具有从25nm到50nm的FWHM(半高全宽)。电触点472、474可经设置在MCPCB468的顶面上以用于操作白色发光装置410。如所展示，宽带LED倒装芯片裸片420用透光光学囊封剂466(例如举例来说硅酮或环氧树脂材料)囊封，所述透光光学囊封剂装载有光致发光材料的混合物，使得LED裸片420的经暴露表面被光致发光/硅酮材料混合物覆盖。如所展示，透光囊封剂/光致发光材料混合物466可经容纳在环形壁470内。当然，将理解，在其它实施例中，图4a及4b中所描绘的布置可包括由两个或更多个LED，而非具有带有多个量子阱的有源区的单个宽带InGaN/GaN蓝光LED构成的固态激发源420。
绿色到黄色光致发光材料
在本专利说明书中，绿色到黄色光致发光材料是指产生具有从～490nm到～570nm，即，在可见光谱的绿色到黄色波长区中的峰发射波长(λpe)的光的材料。优选地，绿色到黄色光致发光材料具有宽发射特性且优选地具有～100nm或更宽的FWHM(半高全宽)。绿色到黄色光致发光材料可包括任何光致发光材料，例如举例来说石榴石基无机磷光体材料、硅酸盐磷光体材料及氮氧化物磷光体材料。表1中给出合适绿色到黄色磷光体的实例。
在一些实施例中，绿色到黄色光致发光材料包括一般成分Y3(Al,Ga)5O12:Ce(YAG)的铈活化钇铝石榴石磷光体，例如举例来说来自美国加利福尼亚州弗里蒙特的英特美公司的YAG系列磷光体，其具有从527nm到543nm的峰发射波长及～120nm的FWHM。在本专利说明书中，符号YAG#表示磷光体类型，即YAG基磷光体，紧接其后是以纳米为单位的峰发射波长(#)。例如，YAG535表示具有535nm的峰发射波长的YAG磷光体。绿色到黄色光致发光材料可包括一般成分(Y,Ba)3(Al,Ga)5O12:Ce(YAG)的铈活化钇铝石榴石磷光体，例如举例来说来自美国加利福尼亚州弗里蒙特的英特美公司的GNYAG系列磷光体。在一些实施例中，绿色光致发光材料可包括一般成分Lu3Al5O12:Ce(GAL)的铝酸盐(LuAG)磷光体。此类磷光体的实例包含例如来自美国加利福尼亚州弗里蒙特的英特美公司的GAL系列磷光体，其具有从516nm到560nm的峰发射波长及～120nm的FWHM。在本专利说明书中，符号GAL#表示磷光体类型(GAL)，即LuAG基磷光体，紧接其后是以纳米(#)为单位的峰发射波长。例如，GAL520表示具有520nm的峰发射波长的GAL磷光体。
绿色到黄色硅酸盐磷光体的实例包含一般成分(Ba,Sr)2SiO4:Eu的铕活化原硅酸盐磷光体，例如举例来说来自美国加利福尼亚州弗里蒙特的英特美公司的G、EG、Y及EY系列磷光体，其具有从507nm到570nm的峰发射波长及从～70nm到～80nm的FWHM。
在一些实施例中，绿色到黄色磷光体可包括发绿光氮氧化物磷光体，如其全文由此并入的标题为“发绿光(Oxy)氮化物基磷光体及使用其的发光装置(Green-Emitting(Oxy)Nitride-Based Phosphors and Light Emitting Devices Using the Same)”的美国专利US8,679,367中所教示。此发绿光氮氧化物(ON)磷光体可具有一般成分Eu2+:M2+Si4AlOxN(7-2x/3)，其中0.1≤x≤1.0且M2+是选自由Mg、Ca、Sr、Ba及Zn组成的群组的一或多种二价金属。在本专利说明书中，符号ON#表示磷光体类型(氮氧化物)，紧接其后是以纳米为单位的峰发射波长(λpe)(#)。例如，ON495表示具有495nm的峰发射波长的绿色氮氧化物磷光体。
Figure BDA0003509699940000121
橙色到红色光致发光材料
橙色到红色光致发光材料可包括任何橙色到红色光致发光材料，通常是磷光体，所述任何橙色到红色光致发光材料可被蓝光激发并可操作以发射具有从约600nm到约670nm的峰发射波长λpe的光且可包含例如铕活化氮化硅基磷光体、a-SiAlON、IIA/IIB族硫化硒基磷光体或硅酸盐基磷光体。表2中给出橙色到红色磷光体的实例。
在一些实施例中，铕活化氮化硅基磷光体包括通式CaAlSiN3:Eu2+的钙铝硅氮化物磷光体(CASN)。CASN磷光体可掺杂有通式(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+的其它元素，例如锶(Sr)。在本专利说明书中，符号CASN#表示磷光体类型(CASN)紧接其后是以纳米为单位的峰发射波长(λpe)(#)。例如，CASN615表示具有615nm的峰发射波长的橙色到红色CASN磷光体。
在一个实施例中，橙色到红色磷光体可包括发橙光到红光磷光体，如其全文由此并入的标题为“发红光氮化物基钙稳定磷光体(Red-Emitting Nitride-Based Calcium-Stabilized Phosphors)”的美国专利US 8,597,545中所教示。此发红光磷光体包括由化学式MaSrbSicAldNeEuf表示的氮化物基成分，其中：M是Ca，且0.1≤a≤0.4；1.5<b<2.5；4.0≤c≤5.0；0.1≤d≤0.15；7.5<e<8.5；且0<f<0.1；其中a+b+f>2+d/v且v是M的价。
替代地，橙色到红色磷光体可包括发橙光到红光氮化物基磷光体，如其全文由此并入的标题为“发红光氮化物基磷光体(Red-Emitting Nitride-Based Phosphors)”的美国专利US 8,663,502中所教示。此发红光磷光体包括由化学式M(x/v)M'2Si5-xAlxN8:RE表示的氮化物基成分，其中：M是具有价v的至少一种一价、二价或三价金属；M'为Mg、Ca、Sr、Ba、Zn中的至少一者；且RE是Eu、Ce、Tb、Pr及Mn中的至少一者；其中x满足0.1≤x<0.4，且其中所述发红光磷光体具有M'2Si5-xAlxN8:RE的一般晶体结构，Al替换所述一般晶体结构内的Si，且M在所述一般晶体结构内基本上定位在间隙位点处。一种此磷光体的实例是来自美国加利福尼亚州弗里蒙特的英特美公司的XR610红色氮化物磷光体，其具有610nm的峰发射波长。
橙色到红色磷光体还可包含IIA/IIB族硫化硒基磷光体。IIA/IIB族硫化硒基磷光体材料的第一实例具有成分MSe1-xSx:Eu，其中M是Mg、Ca、Sr、Ba及Zn中的至少一者且0＜x＜1.0。这种磷光体材料的特定实例是CSS磷光体(CaSe1-xSx:Eu)。CSS磷光体的细节在2016年9月30日申请的第US2017/0145309号共同未决美国专利申请公开案中提供，所述公开案的全文由此以引用的方式并入。美国专利公开案US2017/0145309中所描述的CSS橙色到红色磷光体可用于本发明中。CSS磷光体的发射峰波长可通过改变成分中的S/Se比而从600nm调谐到650nm且展现具有从～48nm到～60nm的FWHM的窄带红光发射光谱(较长峰发射波长通常具有较大FWHM值)。在本专利说明书中，符号CSS#表示磷光体类型(CSS)紧接其后是以纳米为单位的峰发射波长(#)。例如，CSS615表示具有615nm的峰发射波长的CSS磷光体。为了提高可靠性，CSS磷光体颗粒可涂敷有一或多种氧化物，例如：氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、氧化锆(ZrO2)、氧化硼(B2O3)或氧化铬(CrO)。替代地及/或另外，窄带红色磷光体颗粒可涂覆有一或多种氟化物，例如：氟化钙(CaF2)、氟化镁(MgF2)、氟化锌(ZnF2)、氟化铝(AIF3)或氟化钛(TiF4)。涂层可为单个层或具有前述涂层的组合的多个层。组合涂层可为在第一与第二材料之间具有突然转变的涂层，或可为其中存在从第一材料到第二材料的逐渐/平滑转变因此形成具有遍及涂层厚度变动的混合成分的区带的涂层。
在一些实施例中，橙色到红色磷光体可包括发橙光硅酸盐基磷光体，如其全文由此并入的标题为“硅酸盐基橙色磷光体(Silicate-Based Orange Phosphors)”的美国专利US7,655,156中所教示。此发橙光硅酸盐基磷光体可具有一般成分(Sr1-xMx)yEuzSiO5，其中0<x≤0.5、2.6≤y≤3.3、0.001≤z≤0.5且M是选自由Ba、Mg、Ca及Zn组成的群组的一或多种二价金属。在本专利说明书中，符号O#表示磷光体类型(橙色硅酸盐)紧接其后是以纳米为单位的峰发射波长(λpe)(#)。例如，O600表示具有600nm的峰发射波长的橙色硅酸盐磷光体。
Figure BDA0003509699940000141
1800K到6800K全光谱白色发光装置
如上文所描述，本发明的实施例涉及产生接近类似于自然光，特定来说但非排他地在可见光谱的蓝色到青色波长区(430nm到520nm)中的全光谱光的全光谱白色发光装置，其中如例如通过CAF(昼夜节律作用因子)测量的人类非视觉感知受到最大影响。根据其它方面，本发明涉及在维持接近于在从约430nm到约520nm的范围内的波长中的自然光的光谱的同时提高全光谱白色发光装置的效能。发明人已发现，可通过优化(降低)对应于在对应于光谱的红色区的波长下的光的强度(光子计数)，特定来说降低在影响CRI R9，即“饱和红色”及CRI R8，即“红紫色”的值的波长下的光强度来提高全光谱白色发光装置的效能。可通过包含橙色到红色光致发光材料来实现此效能提高，所述橙色到红色光致发光材料的峰发射波长/FWHM经选择使得所述装置产生具有在可见光谱的橙色到红色波长区中的强度滚降(尾部)的光谱的全光谱白光，所述强度滚降在从约645nm到约695nm的波长中减小(下降)到其最大强度的一半。
图5展示：(A)以下三项的强度光谱、归一化强度I对波长(nm)：(i)利用窄带激发源的已知全光谱发光装置-光谱表示为A(点线)，(ii)根据本发明的利用宽带激发源的全光谱发光装置-光谱表示为B(细实线)，(iii)针对标称上与光谱A及B的CCT相同的CCT的黑体曲线(bbc)(虚线)；及(B)昼夜节律作用光谱(CAS)-粗实线，相对量子灵敏度对波长(nm)。所述图定义用于专利说明书中的各种参数且说明本发明的原理。
参考图5，昼夜节律作用光谱(CAS)(也被称为光谱昼夜节律效能函数c(λ))表示人类对光的非视觉相对灵敏度。c(λ)的最大灵敏度出现在460nm的波长下。CAS表明，光谱的430nm到520nm部分作为提供昼夜节律输入以调节褪黑激素分泌的最高有效波长。
将光谱A与背体曲线(bbc)进行视觉比较，将注意到光谱A展现峰580，对应于由窄带激发源产生的激发光，所述光谱A的强度显著偏离bbc的强度(即，峰强度远高于在相同波长下的bbc的强度)。相比之下，光谱B展现两个峰582、584，对应于由宽带激发源产生的激发光，与光谱A相比，所述光谱B的强度仅略偏离bbc的强度(即，峰强度略高于在相同波长下的bbc)。进一步应注意，峰580出现在455nm的波长下，即，接近于在460nm的波长下的CAS的最大灵敏度。此外，应注意，光谱A展现谷(低谷)586，所述光谱A的最小强度显著偏离bbc的最小强度(即，谷强度远低于bbc)。相比之下，光谱B展现谷(低谷)588，与光谱A相比，所述光谱B的最小强度仅略偏离bbc的最小强度(即，谷强度略低于bbc)。如从所述图可看出，光谱B的发射峰582及584(与光谱A的峰584相比)以及光谱B的谷588(与光谱A的谷586相比)与bbc的较小偏差指示光谱B更接近类似于在从430nm到520nm(蓝色到青色)的波长范围内的bbc(普朗克光谱)。将进一步明白，光谱B更接近类似于在这个波长区内的自然光，其中通过CAF(昼夜节律作用因子)测量的人类非视觉感知受到最大影响且这可有益于人类福祉。
用于量化光谱接近类似于bbc的程度的指标是与相同相关色温的bbc的光的强度的最大(maximum/largest)百分比强度偏差(Imaxdev)。即，在从约430nm到520nm的波长范围内，Imaxdev是光谱的强度与bbc的强度之间的最大(maximum/largest)百分比强度差。最大偏差可为正(例如其中光谱强度大于bbc的峰)或负(例如其中光谱强度小于bbc的谷)。为了对光谱进行有意义的比较，将每一光谱归一化为具有相同的CIE 1931 XYZ相对亮度Y。使用标准观察者的明视光度函数y(λ)(有时被称为明视或视觉光视效率函数v(λ))对光谱进行归一化，所述函数考虑观察者的明视(视觉)反应且针对相同相关色温。因此，Imaxdev是在从约430nm到520nm的波长范围内光谱的归一化强度与bbc的归一化强度之间的最大(maximum/greatest)百分比强度差。Imaxdev被定义为：
Figure BDA0003509699940000161
例如，参考图5，针对光谱A，光谱与bbc的最大偏差对应于在波长λmaxdev＝455nm下的峰580。光谱在λmaxdev下的强度被表示为590且bbc在λmaxdev下的强度被表示为592。因此，使用以上计算，在从约430nm到约520nm的波长范围内，光谱A具有95％的最大百分比强度偏差Imaxdev，即，在最大百分比强度偏差下，光谱A在波长λmaxdev下的归一化强度是bbc在同一波长下的归一化强度的195％。相比之下，光谱B具有仅30％的最大百分比强度偏差Imaxdev(对应于峰582)，即，光谱A在波长λmaxdev下的归一化强度是bbc在这个波长下的归一化强度的130％。
滚降波长λRO被定义为归一化强度(I)从其在光谱的橙色到区中的最大强度(表示为Imax)减小到其最大强度的一半(表示为1/2Imax)所依的波长。如上文所描述，光谱在这个波长区内的最大强度Imax对应于光致发光转换光且最大强度出现在长于约570nm的波长下。例如，最大强度可出现在从约590nm到约620nm的范围内的波长下。
封装式白色发光装置测试方法
封装式测试方法涉及测量封装式白色发光装置(图3a)在积分球中的总光发射。
根据本发明的封装式全光谱白色发光装置(Dev.#)各自包括含有主波长λd1＝443nm、λd2＝451nm及λd3＝457nm的三个1133(11mil×33mil)LED芯片的2835(2.8mm×3.5mm)SMD封装。
在本说明书中，以下命名法用以表示白色发光装置：Com.#表示比较性发光装置，其中每一激发源包括单个主波长的一或多个固态光源且Dev.#表示根据本发明的实施例的白色发光装置，其中每一激发源包括两个不同主波长的固态光源。
2700K全光谱白色发光装置测试数据
表3、4及5将2700K白色发光装置Dev.1、Dev.2以及已知CRI90比较性装置Com.1的经测量光学测试数据列成表格且说明对在维持蓝色及青色光谱含量的同时减少红色光谱含量的效能的影响。
发光装置Dev.1及Dev.2各自包括含有主波长λd1＝443nm、λd2＝451nm及λd3＝457nm的三个LED芯片的2835封装。Dev.1包括GAL520及CASN650磷光体的组合且Dev.2包括GAL520、GAL530、CASN625及CASN650磷光体的组合。CASN625及CASN650的组合产生约628nm的峰发射，其中所述波长取决于CASN625与CASN650的相对比例。比较性装置Com.l包括利用窄带激发源且具有90的标称CRI Ra的已知2835封装式白色发光装置。
图6展示以下四项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.1(实线)，(ii)Dev.2(粗虚线)，(iii)Com.l(点线)，及(iv)针对标称上与Dev.l、Dev.2及Com.l相同的2700K的CCT的普朗克光谱(细虚线)。为了对光谱进行有意义的比较，已对每一光谱进行归一化，使得每一光谱具有CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100。使用标准观察者的CIE 1931光度函数y(λ)对数据进行归一化，所述光度函数考虑观察者的明视反应。图6中的普朗克光谱(曲线)或黑体曲线表示针对给定色温(CCT)的等于100的一般CRI Ra的光谱。因此，为使给定色温的白色发光装置具有尽可能高的显色性，其发射光谱应尽可能接近匹配相同色温的黑体光谱。
参考图6，将注意到与比较性装置Com.1(包括窄带激发源)相比，对根据本发明的装置Dev.1及Dev.2(包括宽带激发源)的发射光谱能量含量的影响是蓝光发射峰682分别在约430nm及440nm下的强度的显著降低。如从所述图可看出，装置Dev.1及Dev.2的蓝光发射峰682的降低(与Com.1的峰680相比)导致更接近类似于在波长范围430nm到520nm(蓝色到青色)内的普朗克光谱(即，更接近类似于自然日光)的发射光谱。更特定来说，光谱分析指示，在波长范围430nm到520nm(蓝色到青色)内，在由装置Dev.1及Dev.2发射的光的归一化强度与相同相关色温(2700K)的黑体曲线(bbc)的光的归一化强度之间存在约60％的最大百分比归一化强度偏差Imaxdev。即，Dev.1及Dev.2各自产生具有bbc在同一波长下的光的强度的160％的强度的光。归一化强度的最大偏差分别出现在约430nm及约440nm的波长λmaxdev下。这将要与已知比较性装置Com.1形成对比，所述已知比较性装置Com.1利用产生展现出现在约450nm的波长λmaxdev下的约80％的归一化强度的最大百分比偏差Imaxdev的白光的窄带激发光源。
将明白，装置Dev.1及Dev.2因此产生更接近类似于在这个波长区内的自然光的白光，其中通过CAF(昼夜节律作用因子)测量的人类非视觉感知受到最大影响且这可能有益于人类福祉。据信，由使用至少部分地填充光谱的青色区中的谷且减少蓝色区中的峰过冲的宽带蓝色激发源造成的光谱能量含量的这种变化解释本发明的装置的优异显色性质。如从表3可看出，装置Dev.1及Dev.2产生具有分别在自然光的CAF的1.9％及0.8％以内的CAF的白光(针对CCT 2700K的bbc)。相比之下，比较性装置Com.1具有在自然光的CAF的3.8％以内的CAF。
转向光谱的橙色到红色波长区(即，针对长于约570nm的波长)中的光谱的强度滚降(尾部)。针对Dev.l，最大峰强度(Imax Dev.l)是约8.2且这发生在约640nm的波长下。强度(I)在约690nm的波长(λRO Dev.1)下下降到这个值的一半(1/2Imax Dev.l)。
针对Dev.2，最大峰强度(Imax Dev.2)是约7.6且这发生在约620nm的波长下。强度(I)在约675nm的波长(λRO Dev.2)下下降到这个值的一半(1/2Imax Dev.2)。
Figure BDA0003509699940000181
Figure BDA0003509699940000182
Figure BDA0003509699940000183
Figure BDA0003509699940000191
参考表3、4及5，应注意，装置Dev.1具有104lm/W的效能且产生具有大于或等于95(96.9)的CRI Ra的白光，其中CRI R1到CRI R15中的每一者是90或更高(91.2到99.0)。相比之下，装置Dev.2具有119lm/W的效能且产生具有大于或等于95(95.8)的CRI Ra的白光，其中CRI R1到CRI R7及CRI R10到CRI R15是约90或更高(89.5到99.3)，而CRI R8(对应于“红紫色”)大于72且小于90(86.6)，而CRI R9(对应于“饱和红色”)大于50且小于90(69.6)。此外，应注意，虽然由Dev.2产生的光的质量与Dev.1的光的质量基本上相同，但效能增加基本上达约15％(从104lm/W到119lm/W)。
从图6及表3将明白，与Dev.l相比，Dev.2的效能增加是Dev.2的发生在比Dev.l的波长(690nm)更短的波长(675nm)下的光谱滚降的直接结果，其降低光谱的红色波长区中的光强度。
3000K全光谱白色发光装置测试数据
表6、7及8分别将3000K白色发光装置Dev.3到Dev.5以及已知3000K CRI90及CRI80比较性装置Com.2及Com.3的经测量光学测试数据列成表格且说明对在维持蓝色及青色光谱含量的同时减少红色光谱含量的效能的影响。
发光装置Dev.3到Dev.5各自包括含有主波长λd1＝443nm、λd2＝451nm及λd1＝457nm的三个LED芯片的2835封装。Dev.3包括GAL520及CASN650磷光体的组合，而装置Dev.4及Dev.5包括GAL520、GAL530、CASN625及CASN650磷光体的组合，其中Dev.5包括比Dev.4更大的CASN625到CASN650的相对部分(Dev.4中的CASN625及CASN650的组合产生约625nm的峰发射且Dev.5中的组合产生约628nm的峰发射)。比较性装置Com.2包括利用窄带激发源且具有90的标称CRI Ra的已知2835封装式白色发光装置。Com.3包括利用窄带激发源且具有80的标称CRI Ra的已知2835封装式白色发光装置。
图7a展示以下五项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.3(实线)，(ii)Dev.4(粗虚线)，(iii)Dev.5(点划线)，(iv)Com.2(点线)，及(v)针对标称上与Dev.3、Dev.4、Dev.5及Com.2相同的3000K的CCT的普朗克光谱或黑体曲线(细虚线)。图7b是以下三项的发射光谱、归一化强度(归一化为CIE1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.4(实线)、(ii)Com.2(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.4及Com.2相同的3000K的CCT的普朗克光谱(虚线)。图7c是以下三项的发射光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.5(实线)、(ii)Com.3(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.5及Com.3相同的3000K的CCT的普朗克光谱(虚线)。光谱分析指示，在波长范围430nm到520nm(蓝色到青色)内，在由装置Dev.3、Dev.4及Dev.5发射的光的归一化强度与相同相关色温(3000K)的黑体曲线的光的归一化强度之间约40％、约50％及约60％的最大百分比归一化强度偏差Imaxdev。这将要与已知比较性装置Com.2及Com.3形成对比，所述已知比较性装置Com.2及Com.3利用产生分别展现约70％及100％的归一化强度的最大百分比偏差Imaxdev(在约450nm波长下)的白光的窄带激发光源。此外，如从表6可看出，装置Dev.3、Dev.4及Dev.5产生具有在自然光的CAF的3.4％、4.1％及3.4％以内的CAF的白光(针对CCT3000K的bbc)。相比之下，比较性装置Com.2及Com.3具有分别仅在自然光的CAF的11.5％及9.5％以内的CAF。
将明白，装置Dev.3、Dev.4及Dev.5中的每一者因此产生更接近类似于在这个波长区内的自然光的白光，其中通过CAF(昼夜节律作用因子)或黑视素比(MR)测量的人类非视觉感知受到最大影响且这可能有益于人类福祉。
转向光谱的橙色到红色波长区(即，针对长于约570nm的波长)中的光谱的强度滚降(尾部)。针对Dev.3，最大峰强度(Imax Dev.3)是约7.3且这发生在约630nm的波长下。强度(I)在约690nm的波长(λRO Dev.3)下下降到这个值的一半(1/2Imax Dev.3)。
针对Dev.4，最大峰强度(Imax Dev.4)是约6.8且这发生在约625nm的波长下。强度(I)在约680nm的波长(λRO Dev.4)下下降到这个值的一半(1/2Imax Dev.4)。
针对Dev.5，最大峰强度(Imax Dev.5)是约7.0且这发生在约605nm的波长下。强度(I)在约650nm的波长(λRO Dev.5)下下降到这个值的一半(1/2Imax Dev.5)。
Figure BDA0003509699940000201
Figure BDA0003509699940000211
Figure BDA0003509699940000212
Figure BDA0003509699940000213
参考表6、7及8，应注意，装置Dev.3具有109lm/W的效能且产生具有大于95(95.9)的CRI Ra的白光，其中CRI R1到CRI R15中的每一者是90或更高(91.8到99.3)。相比之下，装置Dev.4具有149lm/W的效能且产生具有大于95(95.6)的CRI Ra的白光，其中CRI R1到CRI R8及CRI R10到CRI R15中的每一者是90或更高，而CRI R9(对应于“饱和红色”)大于50且小于90(77.8)。相比之下，装置Dev.5具有120lm/W的效能且产生具有大于或等于85(85.0)的CRI Ra的白光，其中CRI R1到CRI R7及CRI R10到CRI R15中的每一者是90或更高，而CRI R8(对应于“红紫色”)小于72(60.0)，而CRI R9(对应于“饱和红色”)大于10且小于90(11.9)。此外，应注意，虽然由Dev.4及Dev.5产生的光的质量与Dev.3的光的质量基本上相同，但效能分别增加基本上达约20％及50％。
4000K全光谱白色发光装置测试数据
表9、10及11将4000K白色发光装置Dev.6及已知4000K CRI90比较性装置Com.4的经测量光学测试数据列成表格。发光装置Dev.6包括含有主波长λd1＝443nm、λd2＝451nm及λd1＝457nm的三个LED芯片的2835封装且包括GAL520及CASN650磷光体的组合。比较性装置Com.4包括利用窄带激发源且具有90的标称CRI Ra的已知2835封装式白色发光装置。
图8展示以下三项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.6(实线)、(ii)Com.4(点线)，及(v)针对标称上与Dev.6及Com.3相同的4000K的CCT的普朗克光谱(虚线)。光谱分析指示，在波长范围430nm到520nm(蓝色到青色)内，约30％的最大百分比归一化强度偏差Imaxdev，即，由装置Dev.6发射的光的归一化强度与相同相关色温(4000K)的黑体曲线(bbc)的光的归一化强度之间的最大差。这将要与已知比较性装置Com.2形成对比，所述已知比较性装置Com.2利用产生展现约90％的归一化强度的最大百分比偏差Imaxdev(在约450nm的波长下)的白光的窄带激发光源。此外，如从表6可看出，Dev.6装置产生具有等于自然光的CAF的0.4％的CAF的白光(针对CCT 4000K的bbc)。相比之下，比较性装置Com.3具有仅在自然光的CAF的7.0％以内的CAF。
将明白，装置Dev.6产生更接近类似于在这个波长区内的自然光的白光，其中通过CAF(昼夜节律作用因子)或黑视素比(MR)测量的人类非视觉感知受到最大影响且这可能有益于人类福祉。
转向光谱的橙色到红色波长区(即，针对长于约570nm的波长)中的光谱的强度滚降(尾部)。针对Dev.6，最大峰强度(Imax Dev.6)是约5.9且这发生在约630nm的波长下。强度(I)在约685nm的波长(λRO Dev.6)下下降到这个值的一半(1/2Imax Dev.6)。
Figure BDA0003509699940000221
Figure BDA0003509699940000231
Figure BDA0003509699940000232
参考表9、10及11，应注意，装置Dev.6具有117lm/W的效能且产生具有大于95(95.9)的CRI Ra的白光，其中CRI R1到CRI R15中的每一者是90或更高(91.8到99.3)。
5000K全光谱白色发光装置测试数据
表12、13及14分别将5000K白色发光装置Dev.7及Dev.8以及已知5000K CRI90及CRI80比较性装置Com.5及Com.6的经测量光学测试数据列成表格且说明对在维持蓝色及青色光谱含量的同时减少红色光谱含量的效能的影响。
发光装置Dev.7及Dev.8各自包括含有主波长λd1＝443nm、λd2＝451nm及λd1＝457nm的三个LED芯片的2835封装。Dev.7包括GAL520及CASN650磷光体的组合，而装置Dev.8包括GAL520、GAL530、CASN625及CASN650磷光体的组合。比较性装置Com.5包括利用窄带激发源且具有90的标称CRI Ra的已知2835封装式白色发光装置。Com.6包括利用窄带激发源且具有80的标称CRI Ra的已知2835封装式白色发光装置。
图9a展示以下三项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.7(实线)、(ii)Com.5(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.7及Com.5相同的5000K的CCT的普朗克光谱(虚线)。光谱分析指示，在波长范围430nm到520nm(蓝色到青色)内，由装置Dev.7发射的光的归一化强度与相同相关色温(5000K)的CIE标准发光体D的光的归一化强度之间约50％的最大百分比归一化强度偏差Imaxdev。这将要与已知比较性装置Com.5形成对比，所述已知比较性装置Com.5利用产生展现约115％的归一化强度的最大百分比偏差Imaxdev(在约450nm的波长λmaxdev下)的白光的窄带激发光源。此外，如从表12可看出，装置Dev.7产生具有在自然光的CAF的2.1％以内的CAF的白光(针对CCT 5000K的CIED)。相比之下，比较性装置Com.5具有仅在自然光的CAF的12.6％以内的CAF。
图9b展示以下三项的强度光谱、归一化强度(归一化为CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长(nm)：(i)Dev.8(实线)、(ii)Com.6(点线)，及(iii)针对标称上与Dev.8及Com.6相同的5000K的CCT的普朗克光谱(虚线)。光谱分析指示，在波长范围430nm到520nm(蓝色到青色)内，由装置Dev.8发射的光的归一化强度与相同相关色温(5000K)的CIE标准发光体D的光的归一化强度之间约20％的最大百分比归一化强度偏差Imaxdev。这将要与已知比较性装置Com.6形成对比，所述已知比较性装置Com.6利用产生展现约140％的最大百分比归一化强度偏差(在约450nm的波长λmaxdev下)的白光的窄带激发光源。此外，如从表12可看出，装置Dev.8产生具有在自然光的CAF的2.0％以内的CAF的白光(针对CCT 5000K的CIE D)。相比之下，比较性装置Com.6具有仅在自然光的CAF的13.1％以内的CAF。
将明白，装置Dev.7及Dev.8中的每一者产生更接近类似于在这个波长区内的自然光的白光，其中通过CAF(昼夜节律作用因子)或黑视素比(MR)测量的人类非视觉感知受到最大影响且这可能有益于人类福祉。
转向光谱的橙色到红色波长区(即，针对长于约570nm的波长)中的光谱的强度滚降(尾部)。针对Dev.7，最大峰强度(Imax Dev.7)是约4.9且这发生在约625nm的波长下。强度(I)在约685nm的波长(λRO Dev.7)下下降到这个值的一半(1/2Imax Dev.7)。
针对Dev.8，最大峰强度(Imax Dev.8)是约5.6且这发生在约590nm的波长下。强度(I)在约650nm的波长(λRO Dev.8)下下降到这个值的一半(1/2Imax Dev.8)。
Figure BDA0003509699940000241
Figure BDA0003509699940000251
Figure BDA0003509699940000252
参考表12、13及14，应注意，装置Dev.7具有117lm/W的效能且产生具有大于95(98.5)的CRI Ra的白光，其中CRI R1到CRI R15中的每一者是90或更高(93.5到99.0)。相比之下，装置Dev.8具有152lm/W的效能且产生具有大于80(83.9)的CRI Ra的白光，而CRI R8(对应于“红紫色”)小于72(62.6)，而CRI R9(对应于“饱和红色”)大于零且小于90(1.3)。此外，应注意，虽然由Dev.8产生的光的质量与Dev.7的光的质量基本上相同，但效能增加基本上达约30％且与Com.6相当。
LED灯丝白色发光装置
尽管已参考远程磷光体及封装式白色发光装置描述根据本发明的实施例的白色发光装置，但将明白，白色发光装置的类别涵盖LED灯丝白色发光装置。测试已证实，根据本发明的实施例的呈LED灯丝形式的白色发光装置具有类似光谱特性且提供与上文所描述的白色发光装置相同的益处及优点。
图10说明用于产生具有在范围1800K到6800K内的CCT(相关色温)的全光谱白光的LED灯丝A系列灯(灯泡)10100的侧视图。根据本发明，LED灯丝灯10100包括连接器基底10102、透光玻璃管10104；玻璃LED灯丝支架(杆)10106及四个LED灯丝(白色发光装置)1010。
现在参考图11a及11b描述根据本发明的实施例的LED灯丝1110，图11a及11b展示穿透C-C的横截面侧视图及LED灯丝的部分剖切平面视图。LED灯丝1110可包括具有安装在正面11110上的固态宽带激发源1120的阵列的透光电路板(衬底)11108。所述宽带激发源经配置以产生具有从420nm到470nm的主波长λd，即，在具有从25nm到50nm的FWHM的可见光谱的蓝色波长区中的宽带蓝色激发光。在所说明实施例中，宽带激发源1120由直接安装到衬底的非封装式宽带蓝光LED裸片(例如本文中所描述的MQW InGaN/GaN LED裸片)构成。在其它实施例中，宽带激发源1120中的每一者可由直接安装到衬底的具有不同相应主波长λd1、λd2的至少两个窄带蓝光LED裸片的组合构成。
在所说明实施例中，衬底11108是平面的且具有细长形式(条)，其中宽带激发源1120经配置为沿着衬底的正面11110的长度的线性阵列。
通常，每一LED灯丝可包括具有约2W的总标称功率的25个激发源(LED裸片)。
优选地至少半透明的衬底11108可包括对可见光的透射率为10％或更大的任何透光材料，例如举例来说玻璃或塑料材料，例如聚丙烯、硅酮或丙烯酸树脂。衬底11108可在正面11110上进一步包括经配置成用于电连接激发源1120的期望电路配置的导电轨11112。如所说明，激发源1120可串联电连接为串。如所展示，激发源1120可使用接合线11114电连接到导电轨11112。在其它实施例中，激发源1120可凭借接合线直接彼此连接，由此免除对导电轨的需要。在又其它实施例中，激发源1120可包括安装到导电轨的表面可安装或倒装芯片LED。衬底11108可在相应端处包括用于将电力施加到LED灯丝1110的电极11116。
根据本发明的实施例，LED灯丝1110进一步包括至少覆盖衬底的正面11110及激发源1120的光致发光波长转换材料1166。根据本发明的实施例，光致发光波长转换材料1166包括绿色到黄色光致发光材料及可选地橙色到红色光致发光材料的组合。为了确保从LED灯丝的正及后面发射的光基本上是相同颜色，LED灯丝1110可如所展示进一步包括覆盖衬底的背面11120的光致发光波长转换材料11118。光致发光波长转换材料11118可包括与光致发光波长转换材料1166相同的光致发光材料。
如上文所描述，本发明的特定优点是根据本发明的实施例的全光谱白色发光装置可产生接近类似于光谱的蓝色到青色波长区(430nm到520nm)中的自然光的全光谱光，其中通过CAF(昼夜节律作用因子)或黑视素比(MR)测量的人类非视觉感知受到最大影响。照明行业已对蓝光刺激及其对昼夜节律的影响进行很多讨论。光源中的蓝到青光的量影响褪黑激素分泌，其可能影响昼夜节律周期。高水平的蓝到青光抑制褪黑激素分泌，从而使人体充满活力。低水平的蓝光不抑制褪黑激素分泌，从而使人体放松。用以估计这种非视觉效果的一个指标是CAF昼夜节律作用因子，其通常由一天内的蓝光含量调制。正午时分，太阳具有高CCT及较高蓝到青光含量。日出及日落具有较低CCT及较低蓝到青光含量。自然光在不同CCT下的CAF值是与其中人类情绪、健康或幸福生活受影响的蓝色到青色区中的自然光的照明偏差的良好量度。
此外，本发明的全光谱白色发光装置的进一步优点是，通过橙色到红色光致发光材料的峰发射波长/FWHM的适当选择，所述装置产生带有在橙色到红色波长区中具有滚降(尾部)的光谱的白光，其中强度在从约645nm到约695nm的波长下从其在光谱的橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％。此光谱特性(尾部)降低光谱的红色波长区中的光强度(光子计数)，在所述波长下眼睛的明视反应为低且由此增加装置效能。测试数据已证实，根据本发明的全光谱白色发光装置可产生具有至少90的CRI Ra及等于或超过已知CRI80装置的效能的白光，同时仅具有CRI R9及CRI R8的降低。尽管有CRI R9及CRI R8的值的这种降低，但由于眼睛在光谱的红色波长区中的灵敏度，由所述装置产生的光的感知质量不受到不利影响。
总之，将明白，根据本发明的包括宽带固态激发源的发光装置实现通过在以下条件中的一或多者下产生具有在范围1800K到6800K内的色温的白光特性化的全光谱白色发光装置的实施方案：(i)在从约430nm到约520nm的波长范围内，所述白光与相同相关色温的黑体曲线或CIE标准发光体D的光的强度的最大百分比强度偏差小于60％、50％、40％、30％、20％及10％中的至少一者；(ii)光谱具有在黑体曲线/CIE标准发光体D的5％、4％、2％或1％以内的CAF；(iii)CRI R9及/或CRI R8小于90，(iv)光谱的强度在从约645nm到约695nm的波长下从其在光谱的橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％，(v)光谱的强度在从约645nm到约695nm的波长下从其在光谱的橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％且具有大于或等于85的CRI Ra、大于或等于的90的CRI R1到CRI R7及CRI R10到CRI R15、小于72的CRI R8以及大于10且小于90的CRI R9，(vi)光谱的强度在从约645nm到约695nm的波长下从其在光谱的橙色到红色区中的最大值减小到所述最大值的约50％且具有大于或等于95的CRI Ra、大于或等于90的CRI R1到CRI R8及CRIR10到CRI R15以及大于50且小于90的CRI R9，及(vii)光谱的强度在从约645nm到约695nm的范围内的波长下从其在光谱的橙色到红色区中的最大值减小到所述最大值的约50％且具有大于或等于95的CRI Ra及大于或等于90的CRI R1到CRI R15。
虽然已详细地描述本发明，但对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，在不背离本发明的情况下，可进行各种改变及修改且采用等效物。应理解，本发明不限于以上描述中所阐述或附图中所说明的构造细节、组件布置及/或方法。此外，所述图仅仅是实例性的且非限制性的。主题标题及副标题仅是为了方便读者。它们不应也无法被解读为具有任何实质性意义、含义或解释，且不应也无法被视为指示与任何特定主题相关的所有信息将要在任何特定标题或副标题下找到或限于任何特定标题或副标题。因此，本发明除非根据下文权利要求书及它们的合法等效物之外不应受到约束或限制。虽然本发明已参考其某些实施例进行特定描述，但对于所属领域的一般技术人员来说应容易显而易见的是，在不脱离本发明的精神及范围的情况下可对形式及细节进行改变及修改。
虽然本发明已参照其某些实施例进行特定描述，但对于所属领域的一般技术人员来说应容易显而易见的是，在不脱离本发明的精神及范围的情况下可对形式及细节进行改变及修改。

Claims (18)

1.一种全光谱白色发光装置，其包括：
光致发光材料，其用于产生具有从约490nm到约680nm的峰发射波长的光；及
宽带固态激发源，其用于产生具有从约420nm到约480nm的主波长的宽带激发光，
其中所述装置产生具有光谱的白光，所述光谱的强度在从约645nm到约695nm的波长下从其在所述光谱的橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％，
且其中在从约430nm到约520nm的波长范围内，所述白光与黑体曲线或CIE标准发光体D的光的强度的最大百分比强度偏差小于60％。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述最大百分比强度偏差小于50％、40％、30％、20％及10％中的至少一者。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的发光装置，其中所述宽带固态激发源产生具有至少25nm的FWHM的宽带激发光。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的发光装置，其中所述白光具有在所述黑体曲线或CIE标准发光体D的昼夜节律作用因子的5％以内的所述昼夜节律作用因子。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的发光装置，其中所述白光具有一定光谱，且具有至少80的CRIRa，所述光谱的强度在从约645nm到约665nm的波长下从其在所述光谱的所述橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％。
6.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的发光装置，其中所述白光具有一定光谱，且具有至少90的CRIRa，所述光谱的强度在从约665nm到约690nm的波长下从其在所述光谱的所述橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％。
7.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的发光装置，其中所述白光具有一定光谱，且具有至少95的CRIRa，所述光谱的强度在从约680nm到约695nm的波长下从其在所述光谱的所述橙色到红色波长区中的最大值减小到所述最大值的约50％。
8.根据任一前述权利要求所述的发光装置，其中所述光致发光材料包括产生具有从约620nm到约655nm的峰发射波长的光的光致发光材料中的至少一者或组合。
9.根据任一前述权利要求所述的发光装置，其中所述白光具有从约2700K到约3000K的相关色温且所述装置具有至少102lm/W的效能。
10.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的发光装置，其中所述白光具有从约4000K到约6800K的相关色温且所述装置具有至少110lm/W的效能。
11.根据任一前述权利要求所述的发光装置，其中所述宽带固态激发源包括：
第一固态光源，其可操作以产生具有从420nm到480nm的第一主波长的蓝光发射；及
第二固态光源，其可操作以产生具有从420nm到480nm的第二主的不同蓝光发射。
12.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的发光装置，其中所述宽带固态激发源包括具有至少两个不同量子阱的LED，所述量子阱每一者产生具有不同相应主波长的蓝光发射。
13.根据任一前述权利要求所述的发光装置，其中所述装置是表面可安装装置、板载芯片及灯丝中的一者。
14.一种全光谱白色发光装置，其包括：
光致发光材料，其用于产生具有从约490nm到约680nm的峰发射波长的光；及
宽带固态激发源，其用于产生具有从约420nm到约480nm的主波长的宽带激发光，
其中所述装置产生具有在黑体曲线或CIE标准发光体D的昼夜节律作用因子的5％以内的所述昼夜节律作用因子的光谱的白光。
15.根据权利要求14所述的发光装置，其中在从约430nm到约520nm的波长范围内，所述白光与所述黑体曲线或CIE标准发光体D的光的强度的最大百分比强度偏差小于60％。
16.根据权利要求15所述的发光装置，其中所述最大百分比强度偏差小于50％、40％、30％、20％及10％中的至少一者。
17.根据权利要求14到16中任一权利要求所述的发光装置，其中所述白光具有一定光谱，所述光谱的强度在从约645nm到约695nm的波长下下降到其最大强度的一半。
18.根据权利要求14到17中任一权利要求所述的发光装置，其中所述白光具有从约2700K到约3000K的相关色温且所述装置具有至少102lm/W的效能，或所述白光具有从约4000K到约6800K的相关色温且所述装置具有至少110lm/W的效能。
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