CN1901186A - 结合光致发光材料使用多光源发射输出光的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于发射输出光的装置和方法，利用多个光源以产生具有不同峰值波长的原始光。该装置的第一光源配置成产生在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光，而该装置的第二光源配置成产生在红色波长范围内具有峰值波长范围的第二光。使用光致发光材料件将从至少第一光源发射的一些原始光转换成峰值波长大于原始光的峰值波长的光，以产生输出光。

Description

结合光致发光材料使用多光源 发射输出光的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于结合光致发光材料使用多光源来发射输出光的装置和方法。
背景技术
诸如白炽灯、卤素灯和荧光灯的传统发光装置在过去的二十年没有显著地改进。然而，发光二极管(“LED”)在工作效率方面已经改进到了在交通信号灯和汽车尾灯等传统单色发光应用场合中取代传统发光器件的程度。这是部分由于LED具有胜过发光器件的许多优点的事实。这些优点包括更长的工作寿命、更低的功耗和更小的尺寸。
LED使用半导体LED裸片作为光源，半导体LED裸片通常产生单色光。目前，可以获得从UV-蓝色到绿色、黄色和红色的各种色彩的LED。由于LED裸片的窄带发射特性，这些LED不能直接用于“白”光应用。相反，单色LED裸片的输出光必须与一个以上不同波长的其它光混合以产生白光。用于产生白光的两个一般方法包括：(1)将单个红色、绿色和蓝色LED裸片封装一起，使得从这些LED裸片发射的光结合起来以产生白光；(2)将光致发光材料引入UV、蓝色或绿色LED，使得半导体LED裸片发射的一些或所有原始光转换成更长波长的光并且与原始蓝色或绿色光结合以产生白光。
在使用单色LED裸片产生白光的两个方法之间，第二方法通常优于第一方法。相比于第二方法，由于红色、绿色和蓝色LED裸片具有不同的工作电压要求，第一方法需要更复杂的驱动电路。而且，不能正确混合从不同LED裸片发射的光会导致具有非均匀色彩的输出光。此外，由于使用不同类型的半导体LED裸片，所得到的混合光由于这些LED裸片在温度、随时间的变化和工作环境方面的不同工作特性而易发生变化。
第二方法的问题是所造成的白光不具有高的显色指数，高显色指数是对于某种逆光和照明应用所必需的。作为一个示例，使用带YAG:Ce荧光粉的蓝色LED裸片的白色LED将产生在红色波长区域内有缺陷的白光。
鉴于以上问题，需要一种发射具有高显色指数的白色输出光的装置和方法。
发明内容
用于发射输出光的装置和方法利用多个光源以产生具有不同峰值波长的原始光。该装置的第一光源配置成产生在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光，而该装置的第二光源配置成产生在红色波长范围内具有峰值波长的第二光。使用光致发光材料将从至少第一光源发射的一些原始光转换成峰值波长大于原始光的峰值波长的光，以产生输出光。该装置和方法可以用来产生具有高显色指数的白色输出光。
根据本发明实施例的用于发射输出光的装置包括安装结构、第一光源、第二光源和波长转换区域。第一光源和第二光源位于安装结构的上方。第一光源配置成产生在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光。第二光源配置成产生在红色波长范围内具有峰值波长的第二光。波长转换区域光耦合到至少第一光源。波长转换区域包括光致发光材料，该光致发光材料的特性是能够将至少一部分第一光转换成峰值波长大于第一光的峰值波长的第三光。第一光、第二光和第三光是输出光的分量。
该装置可以用作用于诸如LCD背后照明设备等照明设备的光源装置。根据本发明实施例的照明设备包括至少一个发光器件和透光面板。发光器件包括安装结构、第一光源、第二光源和波长转换区域。第一光源和第二光源位于安装结构的上方。第一光源配置成产生在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光。第二光源配置成在红色波长范围内具有峰值波长的第二光。波长转换区域包括光致发光材料，该光致发光材料的特性是能够将至少一部分第一光转换成峰值波长大于第一光的峰值波长的第三光。第一光、第二光和第三光是从发光器件发射的输出光的分量。透光面板光耦合到发光器件以接收输出光。透光面板配置成使用发光器件的输出光提供照明。
根据本发明一个实施例的发光器件发射输出光的方法包括从发光器件的第一光源产生在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光，从发光器件的第二光源产生在红色波长范围内具有峰值波长的第二光，在光耦合到至少第一光源的波长转换区域接收第一光，包括使用包含在波长转换区域内的光致发光材料将一些第一光转换成峰值波长大于第一光的峰值波长的第三光，发射作为输出光分量的第一光、第二光和第三光。
附图说明
从下面详细的描述中，结合附图，以示例的方法示出本发明的原理，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。
图1是根据本发明一个实施例的LED的图；
图2是根据本发明另一个实施例的图1所示LED的图；
图3是根据本发明一个实施例具有反射杯的LED图；
图4是根据本发明一个实施例具有堆叠的LED裸片的LED图；
图5是根据本发明一个实施例具有三个LED裸片的LED图；
图6是根据本发明一个实施例的LCD背后照明设备图；
图7是图6的LCD背后照明设备局部剖面图；
图8是根据本发明另一个实施例的LCD背后照明设备图；
图9示出根据本发明一个实施例从发射发光器件发射输出光的方法流程图。
具体实施方式
参照图1，描述根据本发明一个实施例的发光二极管(LED)100。LED100设计成产生具有高显色指数的“白”色输出光。在这个实施例中，LED 100是表面安装型LED。然而，在其它实施例中，LED 100可以是不同类型的LED，诸如引线框安装型LED。如图1所示，LED 100包括LED裸片102和104、光学子安装结构106、安装结构108和封装材料部110。
对于LED 100，LED裸片102和104是光源。LED裸片102和104是产生具有特定峰值波长的半导体芯片。LED裸片102配置成产生在可见光谱的蓝色波长范围中具有峰值波长的约420mm至490mm的光。这个蓝光在图1中以箭头112示出。LED裸片104配置成产生在可见光谱的红色波长范围中具有峰值波长的约620mm至800mm的光。这个红光在图1中以箭头114示出。
如图1所示，LED裸片102和104连于光学子安装结构106，光学子安装结构连于安装结构108。在其它实施例中，LED裸片102和104可以直接连于安装结构108。LED裸片102和104可以使用诸如焊料116的导电和粘性材料而附着于子安装结构106或安装结构108。子安装结构106提供从LED裸片102和104到安装结构108的导热路径以将热能从LED裸片散去。子安装结构106还提供LED裸片102和104和安装结构108之间的热膨胀缓冲。LED 100在图1中示出为具有上面装有LED裸片102和104的单个子安装结构106。然而，在另一个实施例中，LED 100可以包括用于每一个LED裸片102和104的子安装结构。安装结构108包括引线框架118，该引线框架118提供了驱动LED裸片102和104所需的电力。
LED裸片102和104密封在封装材料部110中，封装材料部110是用于传播来自LED裸片的光的介质。封装材料部110可以由任何透明物质制造。作为一个示例，封装材料部110可以由环氧树脂、硅树脂、环氧树脂和硅树脂的混合物、非晶态聚酰胺树脂或碳氟化合物、玻璃和/或塑料材料制造。封装材料部110还含有光致发光材料120，该发光材料120的特性是能够吸收至少一部分从LED裸片102发射的蓝光并且产生更长波长的光，诸如在可见光谱的绿色波长范围中具有峰值波长的约为520nm至565nm的光。因而，光致发光材料120将一些来自LED裸片102的蓝光转换成绿光。该绿光在图1中由箭头122示出。在一些传统LED中，通过将从蓝色发光LED发射的蓝光与荧光粉转换的绿光混合而产生白光。然而，这种白光通常缺少可见光谱的红色波长区域。在LED 100中，这种红色的缺少通过包含LED裸片104而得到解决，LED裸片104发射红光，该红光与来自LED裸片102的原始蓝光和所转换的绿光混合，以产生具有高显色指数的白光。
封装材料部110中的光致发光材料120可以包括荧光粉、量子点、纳米荧光粉、激光染料、无机染料或有机染料。纳米荧光粉具有与传统荧光粉类似的光学性能。然而，纳米荧光粉在尺寸上比传统荧光粉更小，但比量子点大。传统荧光粉的尺寸在1-50的微米范围(通常在1-20微米范围)。纳米荧光粉的尺寸比1微米要小，但是比量子点要大，量子点的尺寸可以是几纳米。作为一个示例，光致发光材料120可以包括YAG:Ce荧光粉。
在这个实施例中，光致发光材料120分布在整个封装材料部110中。因而，对于从LED裸片102发射的蓝光，整个封装材料部120起着波长转换区域的作用。然而，在其它实施例中，封装材料部110的仅仅一部分包括光致发光材料120。作为示例，在图2中，在LED裸片102上方的一部分封装材料部110包括光致发光材料120。因而，封装材料部110的仅仅这部分224是波长转换区域。封装材料部110的其余部分225不包括光致发光材料120。在其它的实施例中，波长转换区域224可以是覆盖LED裸片102的薄层或在封装材料部110的上表面的层或离LED裸片102某一距离的层。
LED 100在图1和2中示出为不带有反射杯的表面安装型LED。然而，LED 100可以配置成具有反射杯的表面安装型LED。作为一个示例，在图3示出根据本发明一个实施例的表面安装型LED 300。在图1和图2中使用的相同的标号用来标识图3中类似的元件。LED 300包括LED裸片102和104、可选的子安装结构106、安装结构108和封装材料部110。LED 300进一步包括在聚对亚苯基乙炔(PPA)壳体328或印刷电路板(未示出)上形成的反射杯326。如在图3中所示，整个封装材料部110是波长转换区域。然而，在其它实施例中，如图2所示出，封装材料部110的一部分可以是波长转换区域。
在另一个实施例中，图1、图2和图3的LED 100和LED 300的LED裸片102和104可以互相堆叠在各自的顶部，而不是并行定位。现在参考图4，示出根据本发明一个实施例的具有堆叠的LED裸片的LED400。在图1、图2和图3中相同的参考标号用来识别图4中类似的元件。在另一个实施例中，LED裸片102堆叠在LED裸片104的顶部，LED裸片104连于可选的子安装结构106或直接连于安装结构108。因而，LED裸片102和104以堆叠布置的方式定位。在所示出的实施例中，LED裸片102使用导电的粘性材料428附着于LED裸片104。LED裸片104使用也导电的粘性材料430电连接到支撑结构108的引线框架118。LED裸片104还经由键合线431电连接到支撑结构108的另一个引线框架118，这样，可以通过堆叠的LED裸片102和104传导驱动电流。在另一个构造中，LED裸片104可以堆叠在LED裸片102的顶部，LED裸片102可以连于可选的子安装结构106或直接连于安装结构108。如图4所示，整个封装材料部110含有光致发光材料120，因而，整个封装材料部是波长转换区域。然而，在其它实施例中，如在图2所示，封装材料部的一部分是波长转换区域。而且，在其它实施例中，如在图3中所示，LED 400可以进一步包括在PPA壳体或印刷电路板上形成的反射杯。
现在参考图5，示出根据本发明另一个实施例LED 500。在图1、图2、图3和图4中使用的相同的标号用来指示图5中类似的元件。类似于图1和图2的LED 100，LED 500包括LED裸片102和104、可选的子安装结构106和安装结构108。然而，在这个实施例中，LED 500包括附加的蓝色发光LED裸片532，该附加的LED裸片532可以与LED裸片102相同。如图5中所示出，在这个实施例中，附加的LED裸片532连于可选的子安装结构106。然而，在其它实施例中，LED裸片532可以连于单独的子安装结构(未示出)，或直接连于安装结构108。
LED 500还包括除了含有光致发光材料120以外还含有附加光致发光材料536的封装材料部534。于是，LED500的封装材料部534含有两种光致发光材料。光致发光材料536的特性是能够将至少一部分从LED裸片532发射的蓝光转换成在可见光谱的橙色波长范围中具有峰值波长的约为590nm至620nm的光。类似于光致发光材料120，光致发光材料536可以包括荧光粉、量子点、纳米荧光粉、激光染料、无机染料或有机染料。作为示例，光致发光材料536可以包括基于硅酸盐、石榴石、硫化物、硫代金属化物(thiometallate)、氮化物、正硅酸盐、次氮基硅酸盐(nitridosilicate)和硒化物的荧光粉。
在这个实施例中，封装材料部534包括第一波长转换区域538，该区域含有光致发光材料536。波长转换区域538位于LED裸片532的上方，使得至少一部分从LED裸片532发射的光能够被波长转换区域538中的光致发光材料536转换成更长波长的橙色光。封装材料部534进一步包括第二波长转换区域540，该区域含有另一种光致发光材料120。这个波长转换区域540位于LED裸片102的上方，使得从LED裸片102发射的至少一部分光能够被波长转换区域540中的光致发光材料120转换成更长波长的“绿”光。封装材料部534的其余区域541不含有任何光致发光材料，因而，不是波长转换区域。在另一个实施例中，该区域541可以包括光致发光材料，诸如光致发光材料120或536。然而，即使有光致发光材料，由LED裸片104发射的红光将透射通过区域541而没有被转换成更长波长的光。来自LED裸片104的原始红光、来自LED裸片102和532的原始蓝光、所转换的绿光和所转换的橙色光混合产生具有高显色指数的白色输出光。
根据本发明不同实施例的LED 100、LED 300、LED 400和LED 500可以用作各种发光器具的光源装置，例如，用于照明显示装置(诸如液晶显示器(LCD))的背后照明。作为一个示例，在图6中，示出根据本发明一个实施例的LCD背后照明设备。背后照明设备600包括许多LED 602、光面板604和反射器606。LED 602充当用于背后照明设备600的光源装置。LED 602可以是根据本发明实施例的任何类型的LED。尽管在图6中示出仅仅三个LED，但背后照明设备600可以包括任何数量的LED。如在图6中所示出，LED 602沿光面板604的侧面610定位。因而，来自LED
602的输出光通过光面板604的侧面610透射进入光面板604，光面板604的侧面610面朝LED。在其它实施例中，LED 602可以沿光面板604的多于一个的侧面定位。
光面板604用于向光面板的上表面612引导在光面板的侧面610处接收的LED光，使得以大致均匀的方式从光面板的上表面发射照明光。在示例性实施例中，光面板604是光导面板(也称为“光管面板”(light pipepanel))。因而，光面板604在此处还称为光导面板。然而，在其它实施例中，光面板604可以是任何透光面板，能够使用来自一个以上的LED的光从面板的宽表面发射照明光。
如在图7中所示出，光导面板604设计成使得如箭头702所示出的以相对于法线大角度地在内部照射在光导面板的光在内部反射，而如箭头704所示出的以较小的角度在内部照射在上表面的光透射通过光导面板的上表面。光导面板604可以包括光引出构造706，以漫射和散射光导面板内的光，使得光从光导面板的上表面612更均匀地发射。光引出构造706可以是在光导面板604的底部表面708上印制、化学蚀刻或激光蚀刻的点。或者，如在图7中所示出，光引出构造706可以是在光导面板604的底部表面708上形成的微结构透镜构造706。如在图7中所示出，微结构透镜构造706包括许多可具有V形剖面轮廓的凸起710，凸起710优化反射或折射光的角度，使得光可以更均匀地从光导面板604的上表面612引出。
如在图6和图7中示出，反射器606定位在光导面板604的下方。反射器606用来将从光导面板604的底部表面708射出来的光往回反射进入光导面板，使得光可以从光导面板的上表面612发射。
现在参考图8，示出根据本发明的另一个实施例的LCD背后照明设备800。类似于图6的背后照明设备600，背后照明设备800包括许多LED802和光面板804。然而，在这个实施例中，LED 802定位在光面板804的下表面806的下方，而不是沿光面板的侧面定位。因而，来自LED 802的光透射进入光面板804的下表面806，然后从光面板的上表面808的射出成照明光。背后照明设备800的LED 802可以是根据本发明实施例任何类型的LED。光面板804可以是光导面板或任何其它透光面板。
参照图9的方法流程图，描述根据本发明的一个实施例从发光器件产生输出光的方法。在方框902，在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光从诸如蓝色LED裸片的发光器件的第一光源产生。接着，在方框904，在红色波长范围内具有峰值波长的第二光从诸如红色LED裸片的发光器件的第二光源产生。接着，在方框906，第一光在波长转换区域接收，该区域含有光致发光材料。波长转换区域光耦合至至少第一光源。而且，在方框906，使用包含在波长转换区域中的光致发光材料将至少一部分第一光转换成峰值波长大于第一光的峰值波长的第三光。接着，在方框908，发射作为输出光分量的第一光、第二光和第三光，该输出光可以是白色输出光。
尽管已经描述和示出本发明的具体实施例，但是，本发明不限于所描述和示出部件的特定形式或布置。本发明的范围由权利要求和其等同物限定。

Claims (20)

1.一种用于发射输出光的装置，所述装置包括：
安装结构；
第一光源，位于所述安装结构上方，配置成发射在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光；
第二光源，位于所述安装结构上方，配置成发射在红色波长范围内具有峰值波长的第二光；
波长转换区域，光耦合到至少所述第一光源，包括光致发光材料，所述光致发光材料的特性是能够将至少一部分所述第一光转换成峰值波长大于所述第一光的所述峰值波长的第三光，所述第一光、所述第二光和所述第三光是所述输出光的分量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光源和第二光源是发光二极管裸片。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光致发光材料具有将至少一部分所述第一光转换成在绿色波长范围具有所述峰值波长的所述第三光的所述特性。
4.根据权利要求1所述的装置，所述第一光源和所述第二光源中至少一个连于所述安装结构。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括连于所述安装结构的子安装结构，其中，所述第一和第二光源中至少一个连于所述子安装结构。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一光源和所述第二光源以堆叠布置方式定位。
7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括位于所述第一光源和所述第二光源上方的封装材料部，其中，所述波长转换区域是所述封装材料部的一部分。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括反射杯，其中，所述第一光源和所述第二光源定位在所述反射杯内。
9.根据权利要求1所述的装置，进一步包括位于所述安装结构上方的第三光源和光耦合到所述第三光源的第二波长转换区域，所述第三光源配置成发射在所述蓝色波长范围具有峰值波长的第四光，所述第二波长转换区域包括第二光致发光材料，该第二光致发光材料的特性是能够将至少一部分所述第四光转换成峰值波长大于所述第四光的所述峰值波长的第五光。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第二光致发光材料具有将至少一部分所述第四光转换成在橙色波长范围内具有所述峰值波长的所述第五光的特性。
11.一种用于从发光器件发射输出光的方法，所述方法包括：
从所述发光器件的第一光源产生在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光；
从所述发光器件的第二光源产生在红色波长范围内具有峰值波长的第二光；
在光耦合到至少所述第一光源的波长转换区域接收所述第一光，包括使用包含在所述波长转换区域中的光致发光材料将至少一部分所述第一光转换成峰值波长大于所述第一光的所述峰值波长的第三光；
发射作为所述输出光分量的所述第一光、所述第二光和所述第三光。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述产生所述第一光的步骤包括从所述发光器件的第一发光二极管裸片产生在所述蓝色波长范围内具有所述峰值波长的所述第一光，所述产生所述第二光的步骤包括从所述发光器件的第二发光二极管裸片产生在所述绿色光波长范围内具有所述峰值波长的所述第二光。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述转换包括将至少一部分所述第一光转换成在绿色光波长范围内具有所述峰值波长的所述第三光。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在所述发光器件的第三光源产生在所述蓝色波长范围内具有峰值波长的第四光，在光耦合到至少所述第三光源的第二波长转换区域接收所述第四光，包括使用包含在所述第二波长转换区域中的光致发光材料将至少一部分所述第四光转换成峰值波长大于所述第四光的所述峰值波长的第五光。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述对至少一部分所述第四光进行转换的步骤包括将至少一部分所述第四光转换成在橙色波长范围内具有所述峰值波长的所述第五光。
16.一种提供照明的设备，所述设备包括：
至少一种发光器件，所述发光器件包括：
安装结构，
第一光源，位于所述安装结构上方，所述第一光源配置成发射在蓝色波长范围内具有峰值波长的第一光，
第二光源，位于所述安装结构上方，所述第二光源配置成发射在红色波长范围内具有峰值波长的第二光，
波长转换区域，光耦合到至少所述第一光源，所述波长转换区域包括光致发光材料，所述光致发光材料的特性是能够将至少一部分所述第一光转换成峰值波长大于所述第一光的所述峰值波长的第三光，所述第一光、所述第二光和所述第三光是所述输出光的分量；
透光面板，所述透光面板光耦合到所述发光器件以接收所述输出光，所述透光面板配置成使用所述发光器件的所述输出光提供照明。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述透光面板是光导面板。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述发光器件进一步包括连于所述安装结构的子安装结构，所述第一光源和所述第二光源中至少一个连于所述子安装结构。
19.根据权利要求16所述的设备，其中，所述第一光源和第二光源以堆叠布置的方式定位。
20.根据权利要求16所述的设备，其中，所述发光器件进一步包括位于所述安装结构上方的第三光源和光耦合到所述第三光源的第二波长转换区域，所述第三光源配置成发射在所述蓝色波长范围具有峰值波长的第四光，所述第二波长转换区域包括第二光致发光材料，该第二光致发光材料的特性是能够将至少一部分所述第四光转换成峰值波长大于所述第四光的所述峰值波长的第五光。
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