CN1755958A - 具有波长转化材料的光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光设备，其中例如是发光二极管(LED)或激光二极管的初级光产生器可操作来发出由波长转化材料主体接收的初级光。初级光的一部分被波长转化材料主体吸收，并被作为次级光发出。波长转化材料包括磷光体纳米颗粒和更大的磷光体颗粒。磷光体纳米颗粒防止初级光的传输，而更大的磷光体颗粒提供了有效的光转化。

Description

具有波长转化材料的光源
技术领域
本发明一般地涉及光源领域。更具体地，本发明涉及采用光转化材料的LED或激光二极管光源。
背景技术
LED(发光二极管)光源有时采用磷光体材料来改变由LED发出的光的波长。例如，蓝色LED可以与黄色磷光体一起使用。黄色磷光体吸收一些来自LED的初级蓝光并将其作为次级黄光再次发出。黄光与未吸收的蓝光组合形成白光。在此示例中有意留下一些蓝光不转化。因为磷光体颗粒较大且一些光穿过颗粒之间的间隙，所以这是可行的。
在另一示例中，紫外(UV)LED产生UV射线，其由红色、绿色及蓝色磷光体转化形成白光。在此示例中，不希望任何初级UV射线在没有进行波长转化的情况下穿过磷光体，因为UV射线对人体是有害的。由此，使UV射线的泄漏最小化是很重要的。
减少UV射线泄漏的一种方法是增加波长转化材料的厚度。但是，因为一些次级(红色、绿色及蓝色)射线被磷光体吸收，所以这样的光源效率低。
减少UV射线泄漏的另一种方法是使用较小的磷光体颗粒，使得其可以紧密堆挤到一起以减小颗粒之间的缝隙。同样，因为较小的磷光体颗粒固有地具有较差的光转化效率，所以转化效率被降低了。
发明内容
本发明的目的是提供一种发光设备，其包括：初级光产生器，其可操作来发出初级光；和波长转化材料主体，其被布置以接收所述初级光的至少一部分并作为响应而发出次级光；其中所述波长转化材料主体包括磷光体纳米颗粒和更大的磷光体颗粒。磷光体纳米颗粒防止初级光的传输，而更大的磷光体颗粒提供了有效的光转化。
附图说明
被认为是本发明特性的新特征在所附权利要求中描述。但是，本发明自身，以及优选的使用模式和其他的目的及优点，将通过结合(多个)附图参考下述的对说明性实施例的详细描述而得到最好的理解，附图中：
图1示出了现有技术的光源。
图2示出了根据本发明第一实施例的光源。
图3示出了根据本发明第二实施例的光源。
图4示出了根据本发明第三实施例的光源。
具体实施方式
虽然本发明可以有许多不同形式的实施例，但是在图中示出并将在此详细描述一个或多个具体实施例，应理解到当前公开的被认为是本发明原理的示例，而不应该将本发明限制在示出并描述的具体实施例中。在下面的说明中，使用相同的标号来描述附图的若干视图中相同、相似或相应的部分。
本发明涉及采用了初级光产生器和波长转化材料的光源，所述光产生器例如LED(发光二极管)或激光二极管。光源可以用来产生具有混合波长的光，具体而言可以用来产生白光。波长转化材料使用磷光体颗粒及磷光体纳米颗粒两者。这使得来自初级光产生器的初级射线通过波长转化材料的泄漏大大减少。此外，因为纳米颗粒的光转化能力是其尺寸的函数，所以次级射线具有扩展的光谱带宽。纳米颗粒被认为是尺寸小于1μm的颗粒。本发明可应用于初级射线是紫外(UV)射线的光源。UV射线对人体有害，所以使UV射线的泄漏最小化是重要的。因为基本上全部的UV射线都由波长转化材料吸收，所以本发明的光源不允许任何有效的UV射线逸出。在本发明的一个实施例中，超过80％的UV射线在波长转化材料的主体中被吸收。在本发明的另一个实施例中，超过90％的UV射线在波长转化材料的主体中被吸收。UV射线的吸收量由波长转化材料的厚度以及磷光体颗粒和磷光体纳米颗粒的尺寸所确定。
图1示出了现有技术的光源。参考图1，光源100具有LED半导体管芯102和大颗粒磷光体层104。来自LED半导体管芯的初级光的一部分106由大颗粒磷光体层104吸收，并作为具有改变的波长的次级光108而再次发出。初级光的另一部分110在不进行波长转化的情况下传输通过该层。
图2示出了本发明的光源的一个实施例。参考图2，光源200具有位于衬底204上的初级光产生器202，例如LED半导体管芯或激光二极管。第一层的波长转化材料206及第二层的波长转化材料208包围初级光产生器202。各层的波长转化材料具有不同的波长转化特性。不同的波长转化特性通过使用不同尺寸的磷光体颗粒来实现。具体来讲，磷光体的纳米颗粒可以与更大的磷光体颗粒一同使用。纳米颗粒防止了来自初级光产生器202的初级射线的泄漏，而更大的磷光体颗粒提供了有效的波长转化。
在此实施例中，各层波长转化材料作为涂层涂覆在初级光产生器202上。
在另一实施例中，使用了一层或更多附加层的波长转化材料。
在另一实施例中，磷光体纳米颗粒及更大的磷光体颗粒混合在一起并作为单一涂层被涂覆。
图3示出了本发明的光源的另一实施例。参考图3，光源200具有发出初级光302的初级光产生器202。初级光302由第一层的波长转化材料206吸收。次级光304从第一层的波长转化材料206发出并由第二层的波长转化材料208接收。三次光306由第二层的波长转化材料208发出。三次光与传输通过第二层的波长转化材料的任何次级光结合以形成从光源辐射出的光。在本实施例的一个示例中，第一层的波长转化材料206包含磷光体颗粒，而第二层包含磷光体纳米颗粒。在此示例中，初级光的一部分308穿过第一层的波长转化材料206，但由第二层的波长转化材料208吸收。此布置也防止了磷光体颗粒吸收由磷光体纳米颗粒发出的光。
第一层的波长转化材料206及第二层的波长转化材料208可以分别被支撑在反射器杯(reflector cup)310中的凸出部或凹槽上。或者，这些层可以相互接触并由单个凸出部支撑。
图4示出了本发明的光源的另一实施例。参考图4，光源200具有发出初级光302的初级光产生器202。初级光302由包含磷光体颗粒和磷光体纳米颗粒的混合物的一层波长转化材料206吸收。因为磷光体纳米颗粒填充了更大的磷光体颗粒之间的间隙并阻挡了传输，所以来自初级光产生器202的所有初级光302都被该层波长转化材料206吸收。初级射线对该层波长转化材料206的激发使得从该层发出次级射线。磷光体纳米颗粒堆挤在更大的磷光体颗粒之间的空隙中。由此，所有初级射线都被吸收而不必增加波长转化材料的层厚。
在图4中，该层波长转化材料206被示为非常接近初级光产生器202。在本发明的另一实施例中，该层波长转化材料206作为涂层涂覆到初级光产生器202上。波长转化材料可以不同的形状包围初级光产生器202。其可以例如是半球形、立方体形或金字塔形，也可以为优化光源的光学特性而成形。
该层波长转化材料206可以被支撑在反射器杯310中的凸出部或凹槽上。
在本发明的一个实施例中，磷光体颗粒具有大于2μm的平均尺寸，且磷光体纳米颗粒具有小于1μm的平均尺寸。
在本发明的另一实施例中，磷光体颗粒具有大于5μm的平均尺寸，且磷光体纳米颗粒具有小于0.1μm的平均尺寸。
通过磷光体纳米颗粒的波长转化由与通过更大磷光体颗粒的波长转化不同的机理来实现。尽管磷光体纳米颗粒的尺寸是纳米级的，但不同的颗粒尺寸会将光转化为不同的波长。由此，通过使用不同尺寸的纳米颗粒，可以实现一定范围波长的次级射线。具体的，可以控制颗粒的尺寸及混合以提供特定的波长转化特性。
磷光体颗粒和磷光体纳米颗粒可以悬浮在光学透明的介质中，例如环氧树脂、硅树脂或玻璃中。光学透明的介质可以是有机或无机的。
纳米颗粒可以是纳米晶体或量子点(quantum dot)。
虽然结合特定实施例对本发明做了描述，但显然基于上述描述很多替代、修改、置换及改变对本领域普通技术人员将很清楚。由此，本发明意在包括所有这些落入所附权利要求范围之中的替代、修改及改变。

Claims (23)

1.一种发光设备，包括：
初级光产生器，其可操作来发出初级光；和
波长转化材料主体，其被布置以接收所述初级光的至少一部分并作为响应而发出次级光；
其中所述波长转化材料主体包括磷光体纳米颗粒和更大的磷光体颗粒。
2.如权利要求1所述的发光设备，其中所述更大的磷光体颗粒具有大于2μm的平均尺寸，且所述磷光体纳米颗粒具有小于1μm的平均尺寸。
3.如权利要求1所述的发光设备，其中所述更大的磷光体颗粒具有大于5μm的平均尺寸，且所述磷光体纳米颗粒具有小于0.1μm的平均尺寸。
4.如权利要求1所述的发光设备，其中所述波长转化材料主体还包括光学透明介质，所述光学透明介质中悬浮有所述磷光体纳米颗粒和更大的磷光体颗粒。
5.如权利要求4所述的发光设备，其中所述光学透明介质是从包括环氧树脂、硅树脂和玻璃的组中选择出的一种或多种材料。
6.如权利要求1所述的发光设备，其中所述波长转化材料主体还包括：
a)第一光学透明介质，其中悬浮有所述更大的磷光体颗粒；和
b)第二光学透明介质，其中悬浮有所述磷光体纳米颗粒。
7.如权利要求6所述的发光设备，其中所述第一光学透明介质和第二光学透明介质是从包括环氧树脂、硅树脂和玻璃的组中选择的。
8.如权利要求6所述的发光设备，其中所述第一光学透明介质位于所述第二光学透明介质与发光二极管之间。
9.如权利要求1所述的发光设备，其中所述波长转化材料主体涂在所述初级光产生器的发光表面上。
10.如权利要求1所述的发光设备，其中所述波长转化材料主体接近于所述初级光产生器的发光表面。
11.如权利要求1所述的发光设备，其中所述波长转化材料主体预成形为具有预定的形状。
12.如权利要求1所述的发光设备，其中所述磷光体纳米颗粒是量子点。
13.如权利要求1所述的发光设备，其中所述初级光是紫外光，并且其中选择所述波长转化材料主体的厚度以使得基本上所有的初级光都在所述波长转化材料主体中被吸收。
14.如权利要求1所述的发光设备，其中所述初级光是紫外光，并且其中选择所述磷光体纳米颗粒的尺寸和所述更大的磷光体颗粒的尺寸以使得基本上所有的初级光都在所述波长转化材料主体中被吸收。
15.一种用于产生可见光的方法，包括：
a)使用初级光产生器产生初级光；
b)使用波长转化材料主体接收所述初级光；
c)由所述波长转化材料主体中的多个磷光体颗粒来吸收所述初级光的第一部分，并发出第一波长的次级光；以及
d)由所述波长转化材料主体中的多个磷光体纳米颗粒来吸收所述初级光的第二部分，并发出第二波长的次级光，
其中所述第一波长的次级光和所述第二波长的次级光组合形成所述可见光。
16.如权利要求15所述的产生可见光的方法，其中所述磷光体颗粒具有大于2μm的平均尺寸，且所述磷光体纳米颗粒具有小于1μm的平均尺寸。
17.如权利要求15所述的产生可见光的方法，其中所述磷光体颗粒具有大于5μm的平均尺寸，且所述磷光体纳米颗粒具有小于0.1μm的平均尺寸。
18.一种用于产生可见光的方法，包括：
a)使用初级光产生器产生初级光；
b)使用第一波长转化材料主体接收所述初级光；
c)由所述第一波长转化材料主体中的多个磷光体颗粒来吸收所述初级光的第一部分，并在传输所述初级光的第二部分时发出次级光；
d)使用第二波长转化材料主体来接收所述次级光和所述初级光的所述第二部分；
e)由所述第二波长转化材料主体中的多个磷光体纳米颗粒来吸收所述初级光的所述第二部分，并发出三次光；以及
f)通过所述第二波长转化材料主体传输所述次级光；
其中所述次级光与所述三次光组合形成所述可见光。
19.如权利要求18所述的产生可见光的方法，其中所述磷光体颗粒具有大于2μm的平均尺寸，且所述磷光体纳米颗粒具有小于1μm的平均尺寸。
20.如权利要求18所述的产生可见光的方法，其中所述磷光体颗粒具有大于5μm的平均尺寸，且所述磷光体纳米颗粒具有小于0.1μm的平均尺寸。
21.如权利要求18所述的产生可见光的方法，其中所述次级光与所述三次光组合形成白光。
22.如权利要求18所述的产生可见光的方法，其中所述初级光是紫外光。
23.一种用于产生可见光的方法，包括：
a)使用初级光产生器产生初级光；
b)使用第一波长转化材料主体接收所述初级光；
c)由所述第一波长转化材料主体中的多个磷光体颗粒来吸收所述初级光的第一部分，并在传输所述初级光的第二部分时发出次级光；
d)使用第二波长转化材料主体来接收所述次级光和所述初级光的所述第二部分；以及
e)由所述第二波长转化材料主体中的多个磷光体纳米颗粒来吸收所述初级光的所述第二部分，并发出所述可见光。
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