CN1741293A - 使用荧光材料产生可见和红外输出光的装置及方法 - Google Patents

使用荧光材料产生可见和红外输出光的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于产生波长谱在可见波长范围和红外线波长范围内的输出光的装置和方法，其使用一荧光材料将从所述装置的光源发射出的至少一部分所述原光转换成更长波长的光以产生所述输出光。所述光源可配置以产生峰值波长在紫外线和可见波长范围内的光。所述荧光材料可包括红磷、绿磷、蓝磷和黄磷的任意组合。

Description

使用荧光材料产生可见和红外输出光的装置及方法
技术领域
无
背景技术
现有发光二极管(“LED”)可发射出在紫外线(UV)、可见或红外线(“IR”)波长范围内的光。这些LED一般具有较窄的发射光谱(大约+/-10nm)。例如，蓝色InGaN LED可产生具有470nm+/-10nm波长的光。又例如，绿色InGaN LED可产生具有510nm+/-10nm波长的光。再例如，红色AlInGaPLED可产生具有630nm+/-10nm波长的光。
然而，在某些应用中，需要可产生较宽发射光谱(如在可见波长范围内的宽发射光谱)的LED来产生白色光。由于窄带发射特征，这些单色LED不能直接用于“白色”光应用。相反，单色LED的输出光必须与一个或一个以上不同波长的其它光相混合以产生白色光。使用单色LED产生白色光的两种一般方法包括(1)将单独的红、绿和蓝LED封装在一起，以可将从这些LED发射出的光相组合，以产生白色光，和(2)将荧光材料引入到UV、蓝或绿LED中，以可将由LED的半导体管芯发射出的一部分原光转换成较长波长的光，并且可与原UV、蓝或绿光组合以产生白色光。
在这两种使用单色LED产生白色光的方法之间，第二种方法通常优于第一种方法。与第二种方法相比，第一种方法需要更复杂的驱动电路，因为红、绿和蓝LED包括具有不同操作电压需要的半导体管芯。除了具有不同的操作电压需要之外，红、绿和蓝LED在其工作寿命内具有不同程度的降级，这使得用第一种方法难以在一延长的周期内进行颜色控制。此外，因为第二种方法仅需要单一类型的单色LED，所以使用第二种方法可以制造出更紧密、构造更简单且制造费用更低的装置。
在其它应用中，可能需要可产生宽发射光谱(包括可见和IR波长范围部分)的LED。例如，LED的可见光可用于视觉通信或视觉效应，而红外光可与IR探测器一起用于信号传输。因此，需要一种用于发射具有在可见和IR波长范围内的宽发射光谱的输出光的装置及方法。
发明内容
一种用于产生具有在可见波长范围和红外线波长范围内的波长谱的输出光的方法及装置，利用荧光材料将从该装置的光源发射出的至少一部分原光转换成较长波长的光，以产生输出光。该光源可配置成用以产生峰值波长在紫外线和可见波长范围内的光。视光源而定，所述荧光材料可包括红、绿、蓝和黄磷的任意组合。
根据本发明一实施例的装置包括产生原光的光源和光学耦合到该光源以接收该原光的波长变化区域。包括具有波长转换特性的荧光材料的波长变化区域可将至少一部分原光转换成转换光，以产生波长谱在可见波长范围和红外线波长范围内的输出光。
根据本发明另一实施例的装置包括发射峰值波长在紫外线和可见波长范围内的原光的半导体管芯，和光学耦合到该光源以接收该原光的波长变化区域。所述波长变化区域包括具有波长转换特性的荧光材料，以将至少一部分原光转换成转换光，以产生波长谱在可见波长范围和红外线波长范围内的输出光。
用于产生根据本发明的实施例的输出光的方法包括：产生原光；接收原光(包括通过荧光将至少一部分原光转换成转换光)；和发射出原光和转换光，作为波长谱在可见波长范围和红外线波长范围内的输出光的组份。
结合附图，本发明的其它方面和优点将通过以下以举例方式对本发明原理的进行说明的详细描述变得显而易见。
附图说明
图1为根据本发明的实施例，发射光谱在可见波长范围和红外线(IR)波长范围内的LED的图。
图2A、2B和2C为根据本发明的实施例，具有替代灯配置的LED的图。
图3A、3B、3C和3D为根据本发明替代实施例，具有反射杯的引线框的LED图。
图4为根据本发明的实施例，用于产生波长谱在可见波长范围和IR波长范围内的输出光的方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，显示根据本发明的实施例的发光二极管(LED)100。LED 100产生具有在可见波长范围和红外线(IR)波长范围内的宽波长谱的输出光。因而，LED 100的输出光包括可见光和红外光。所述输出光是使用荧光材料将由LED 100产生的一部分原光转换成不同波长的光而产生。所述转换光改变原光的波长谱，以产生输出光的所要的波长谱。因为输出光不仅包括可见光还包括红外光，所以LED 100可用于IR应用如IR信号传输、以及视觉光应用如视觉通信或视觉效应。
如图1所示，LED 100为安装有引线框的LED。LED 100包括LED管芯102、引线框104和106、导线108和灯110。LED管芯102为产生具有特定峰值波长的光的半导体芯片。因而，LED管芯102为LED 100的光源。尽管显示LED 100包括一单个LED管芯，但是LED可包括多个LED管芯，例如，一个紫外线(UV)LED管芯和一个可见LED管芯。来自LED管芯102的光通常具有较窄的波长谱(约+/-10nm)。可将LED管芯102设计成以产生峰值波长在紫外线和可见波长范围内的光(～100-700nm)。例如，LED管芯102可为基于GaN的LED，如InGaN或AlGaN LED，其产生峰值波长在UV、蓝或绿波长范围内的光。又例如，LED管芯102可为AlInGaP管芯，其产生峰值波长在红、橙或黄波长范围内的光。
LED管芯102位于引线框104上，并且经由导线108电连接到其它引线框106。引线框104和106提供驱动LED管芯102所需要的电能。将LED管芯102密封在灯110中，灯110为传播来自LED管芯102的光的媒介。灯110包括主区段112和输出区段114。在此实施例中，灯110的输出区段114为穹形的，用来充当透镜。因而，作为输出光的从LED 100发射的光通过灯110的穹形输出区段114聚焦。然而，在其它实施例中，灯100的输出区段114可为水平平坦的。
LED 100的灯110是由透明物质组成，所述透明物质可为任何透明材料，如透明环氧树脂、硅酮或玻璃，使得来自LED管芯102的光可行进经过灯，并且被发射出所述灯的输出区段114。在此实施例中，所述灯包括波长变化区域116，波长变化区域116也是传播光的媒介，其由透明物质和荧光材料118的混合物制成。在波长变化区域116中的荧光材料118是用于将由LED管芯102发射的至少一部分原光转换成较低能量(较长波长)光。视LED 100所要的输出光而定，可改变由荧光材料118所转换的原光的量。例如，如果LED管芯102为UV LED管芯，那么荧光材料118可转换几乎全部的原光，因为UV光对眼睛有害，因而，不希望在输出光中出现UV光。所述转换光和未被吸收的光(如果有的话)从灯110的光输出区段114发射出去，作为LED 100的输出光。
波长变化区域116中的荧光材料118可由一种或一种以上无机磷、一种或一种以上荧光有机染料、一种或一种以上混合磷、一种或一种以上纳米磷(Nano-phosphor)，或荧光有机染料、无机磷、混合磷和纳米磷的任意组合组成。本文将混合磷界定为由无机磷和有机磷或染料的任意组合制成的磷。与所述组合物无关，荧光材料118具有波长转换特性，以转换来自LED管芯112的一部分或几乎全部的原光，使得输出光的波长谱包括可见波长范围和IR范围。来自LED 100的输出光的波长谱取决于在波长变化区域116中的荧光材料118的波长转换特性、以及由LED管芯102产生的原光的峰值波长。因而，为了产生具有所要的波长谱的输出光，必须将荧光材料118和LED管芯102都纳入考虑之中。
下面是根据本发明的可一起使用以产生具有在可见波长范围和IR波长范围内的宽波长谱的输出光的LED管芯和荧光材料的一些实例。如本文所用的，可见波长范围为约400nm到700nm，且IR波长范围为约700nm到1,600nm。在下列实例中，与每个LED管芯有关的颜色为由所述LED管芯产生的光的峰值波长。类似地，与每种磷有关的颜色为由所述磷转换的光的峰值波长。第一实例为蓝LED管芯和由红磷与黄磷、红磷与绿磷、或红磷、黄磷和绿磷组成的荧光材料。此组合产生波长谱在400-950nm范围内的输出光。第二实例为红LED和红磷荧光材料。此组合产生波长谱在600-1500nm范围内的输出光。第三实例为深UV LED和由红磷、蓝磷与黄磷，红磷、蓝磷与绿磷，或红磷、蓝磷、绿磷与黄磷组成的荧光材料。此组合产生波长谱在400-800nm范围内的输出光。例如，所述黄磷可为YAG:Ce；TAG:Ce；或YAG:Ce、Pr；所述红磷可为：CaS:Eu2+、Mn2+；SrS:Eu2+；(Zn，Cd)S:Ag；Mg4GeO5.5F:MN4+；ZnSe:Cu；或ZnSeS:Cu、Cl；且所述绿磷可为ZnS:Cu+；SrGa2S4:Eu2+；YAG:Ce3+；或BaSrGa4S7:Eu；且所述蓝磷可为BaMg2Al16O27:Eu。然而，可使用具有所要波长转换特性的任何荧光物质代替上述实例。
尽管灯110的波长变化区域116在图1中显示为矩形形状，但是该波长变化区域可以配置成其它形状，如半球形。此外，在其它实施例中，波长变化区域116可能没有物理耦合到LED管芯102。因而，在这些实施例中，波长变化区域116可定位在灯110内的其它位置。
在图2A、2B和2C中，显示根据本发明实施例的具有替代灯配置的LED200A、200B和200C。图2A的LED 200A包括灯210A，其中整个灯为波长变化区域。因而，在此配置中，整个灯210A由透明物质和荧光材料118的混合物制成。图2B的LED 200B包括灯210B，其中波长变化区域216B位于所述灯的外部表面。因而，在此配置中，不含荧光材料118的灯210B的区域首先形成在LED管芯102上方，且接着透明物质和荧光材料118的混合物沉积在此区域上，以形成灯的波长变化区域216B。图2C的LED 200C包括灯210C，其中波长变化区域216C为一涂覆在LED管芯102上的透明物质和荧光材料118的混合物薄层。因而，在此配置中，LED管芯102首先经透明物质和荧光材料118的混合物涂覆或覆盖，以形成波长变化区域216C，且接着灯210C的剩余部分可通过将不含荧光材料118的透明物质沉积在波长变化区域上而形成。例如，LED 200C的波长变化区域216C的厚度可在十(10)与六十(60)微米之间。
在一替代实施例中，如图3A、3B、3C和3D中所示，上面安置LED管芯的LED引线框可包括一反射杯。图3A-3D显示具有不同灯配置的LED300A、300B、300C和300D，包括具有反射杯322的引线框320。反射杯322为待安置的LED管芯102提供一凹陷区域，使得由LED管芯产生的一部分光被反射远离引线框320，以从各个LED发射出去作为有用的输出光。
上述的不同灯配置可应用于其它类型的LED，如表面安装的LED，以制成根据本发明的其它类型的LED。另外，根据本发明，这些不同的灯配置可应用于其它类型的发光装置，如半导体发射激光装置。在这些发光装置中，所述光源可为除了LED管芯之外的任何光源，如激光二极管。
参考图4描述根据本发明实施例的一种用于产生波长谱在可见波长范围和IR波长范围内的输出光的方法。在方块402，产生原光。原光可从LED管芯产生，如UV LED管芯、蓝LED管芯或红LED管芯。接着，在方块404，接收原光，且通过荧光将至少一部分第一光转换成转换光。可使用一种或一种以上的磷来实现原光的转换，诸如红磷、蓝磷、黄磷和绿磷。接着，在方块406，发射出转换光作为波长谱在可见波长范围和IR波长范围内的输出光的组份。
尽管已描述并说明了本发明的特定实施例，但是本发明不限于如此描述和说明的部分的特定形式和排列。本发明的范围由上述权利要求书及其等同物所界定。

Claims (20)

1.一种用于发射输出光的装置，所述装置包含：
一产生原光的光源；和
一波长变化区域，其光学耦合到所述光源以接收所述原光，所述波长变化区域包括一具有波长转换特性的荧光材料以将至少一部分所述原光转换成转换光以产生所述输出光，所述输出光具有一在可见波长范围和红外线波长范围内的波长谱。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源包括一个或一个以上的发光二极管管芯，其可产生峰值波长在在紫外线和/或可见波长范围内的所述原光。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述荧光材料包括荧光有机染料、无机磷、混合磷和纳米磷之一。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源被配置以产生峰值波长在蓝波长范围内的所述原光，且其中所述荧光材料包括红磷、黄磷和绿磷的任意组合。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源被配置以产生峰值波长在紫外线波长范围内的所述原光，且其中所述荧光材料包括红磷、蓝磷、黄磷和绿磷的任意组合。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源被配置以产生峰值波长在可见光光谱的一特定颜色波长范围内的所述原光，且其中所述荧光材料包括一可产生峰值波长在所述特定颜色波长范围内的所述转换光的磷。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述光源被配置以产生具有峰值波长在红色波长范围内的所述原光，且其中所述荧光材料包括红磷。
8.一种用于发射输出光的装置，所述装置包含：
一半导体管芯，其发射峰值波长在紫外线和可见波长范围内的原光；和
一波长变化区域，其光学耦合到所述光源以接收所述原光，所述波长变化区域包括一具有波长转换特性的荧光材料以将至少一部分所述原光转换成转换光以产生所述输出光，所述输出光具有一在可见波长范围和红外线波长范围内的波长谱。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述半导体管芯为一发光二极管管芯。
10.根据权利要求8所述的装置，其中所述荧光材料包括荧光有机染料、无机磷、混合磷和纳米磷之一。
11.根据权利要求8所述的装置，其中所述半导体管芯被配置以产生峰值波长在蓝色波长范围内的所述原光，且其中所述荧光材料包括红磷、黄磷和绿磷的任意组合。
12.根据权利要求8所述的装置，其中所述半导体管芯被配置以产生峰值波长在紫外线波长范围内的所述原光，且其中所述荧光材料包括红磷、蓝磷、黄磷和绿磷的任意组合。
13.根据权利要求8所述的装置，其中所述半导体管芯被配置以产生峰值波长在可见光光谱的一特定颜色波长范围内的所述原光，且其中所述荧光材料包括一可产生峰值波长在所述特定颜色波长范围内的所述转换光的磷。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述半导体管芯被配置以产生峰值波长在可见光光谱的红色波长范围内的所述原光，且其中所述荧光材料包括红色波长磷。
15.一种用于产生输出光的方法，所述方法包含：
产生原光；
接收所述原光，包括通过荧光辐射将至少一部分所述原光转换成转换光；和
发射出所述转换光作为所述输出光的一组份，所述输出光具有一在可见波长范围和红外线波长范围内的波长谱。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述产生步骤包括产生峰值波长在紫外线和/或可见波长范围内的所述原光。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述转换步骤包括利用荧光有机染料、无机磷、混合磷和纳米磷之一将至少一部分所述原光转换成所述转换光。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述产生步骤包括产生峰值波长在蓝色波长范围内的所述原光，且其中所述转换步骤包括利用红磷、黄磷和绿磷的任意组合将至少一部分所述原光转换成所述转换光。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述产生步骤包括产生峰值波长在紫外线波长范围内的所述原光，且其中所述转换步骤包括利用红磷、蓝磷、黄磷和绿磷的任意组合将至少一部分所述原光转换成所述转换光。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述产生步骤包括产生峰值波长在一特定颜色波长范围内的所述原光，且其中所述转换步骤包括利用一可产生峰值波长在所述特定颜色波长范围内的所述转换光的磷来将至少一部分所述原光转换成所述转换光。
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