TW201235616A - Illumination system with light source, radiation converting element and filter - Google Patents

Description

201235616 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種照明系統，該照明系統包括：一光 源，其經配置以發射初級輻射；一輻射轉換元件，其經配 • 置以將該初級輻射之至少部分轉換為次級輻射；及一濾光 • 器’其經配置以阻斷該照明系統中產生之具有短於一特定 截止波長之一波長之輻射。 【先前技術】 匡而，已知開頭段落中描述之類型之一照明系統。更特 定言之，在授權專利案US 7·4〇2.84〇 B2中揭示此一系統。 此文件教示一種具有一半導體發光裝置（LED)、一波長轉 換材料及一濾光器材料之照明系統。該發光裝置能夠發射 具有-第-峰值波長之-第一光，該第一光係藉由該波長 轉換材料吸收。此材料（最常見為一發光材料，諸如無機 磷光體）能夠發射所吸收之第一光作為具有一第二峰值波 長之一第二光。已知照明系統進—步含有一濾光器，該濾 光器能夠使該第二光透射，但反射或吸收該第一光之一部 分。運用已知系統，可產生具有高色純度之光。使用該滤 • 光器尤其防止藉由㈣產生之第-(或初級)光自該系統逸 • 出。因此，僅藉由該系統發射之光係藉由該波長轉換材料 發射之高色純度第二（或次級）光。 所描述料之照明系統通常展示其等發射光譜之頻寬為 相對較大之缺點。通常需要包括發射一相對較小光譜頻帶 之輻射之-或多個基於4光體之LED之照明_。此尤其 I605il9.doc 201235616 適用於發射電磁光譜之紅色區域中（較佳在約6〇〇奈米至 63 0奈米之區域中）之光之系統。 ' 【發明内容】 本發明之一目的係減輕或至少減小已知照明系統之缺 陷。更特定言之，本發明旨在提供一種具有基於磷光體之 LED之照明系統，該照明系統展示在電磁光譜之一特定區 域中及尤其在光譜（約600奈米至630奈米）之紅色部分中之 一狹窄發射頻帶。 根據本發明使用包括以下各者之一照明系統達成此等及/ 其他目的：1)一光源，其經配置以發射初級輻射；2)一輻 射轉換元件，其經配置以將該初級輻射之至少部分轉換為 次級輻射；及3)—濾光器，其經配置以阻斷該照明系統; 產生之具有短於一特定截止波長之一波長之輻射，其中該 濾光器經設計以藉由將該濾光器之截止波長配置於該輻Z 轉換元件之發射光譜中而阻斷該次級輻射之一部分。 本發明尤其係基於發明者之認知：藉由使用濾光器之_ 精選截止波長，可同時達成兩種效果。如上文提及之專矛 文件US 7.402.B840-B2號中所描述，首先可防止初級光虐 系統茂漏。其次，藉由在㈣轉換^件之發射光譜波長車 圍内選擇濾光器之截止波長，可如所需般使其發射光譜璧 得更小或更狹窄。達成此組合效果無需任何額外零件。g 此，照明系統之成本基本上並未因根據本發明之措施而增 加。較佳照明系統係其中濾光器之載止波長大致上重合於 波長轉換兀件之發射光譜中之高能量部分之照明系統。 160589.doc 201235616 :將各種最先進技術麟光體系統用作為所發明之照明系 ^之波長轉換元件。諸如磷光體或磷光體之混合物之發 a材科之選擇將尤其取決於所要發射頻帶波長最大值。熟 習此項技術者可基於鱗光體系統之已知細節作出正確選 擇’而不考慮該等磷光體系統是否以粉末形式應用、混合 ;树月曰材料中或作為一燒結粉末而混合於一陶竞層中。 注意’減小波㈣換元件之發射光譜之㈣之其他方法 並不成功或僅部分成功。在一第一方法中使用之具有相對 狹窄發射頻帶之譜線發射磷光體通常具有太長衰減時間及 太弱吸收，此將其等排除在實際使用之外。此外，在一第 -才法中使用之許多含有Eu2+之鱗光體具有相當寬的發射 頻笮或在（潮濕）空氣中係不穩定的，此亦限制其等之實際 使用。 75 根據本發明之照明系統之一所關注的實施例具有之特徵 在於：遽A器係將所阻斷之輻射反射回至輻射轉換元件之 一干涉濾光器。此措施改良照明系統之效率。當使用一吸 收濾光器_，藉纟光源發射之經阻斷轄射（大致上整個發 射光譜之初級輻射）或藉由輻射轉換元件發射之經阻斷輻 射（具有短於截止波長之波長之次級輪射）歸因於遽光器中 之經阻斷輻射吸收而作為熱量喪失。使用一干涉濾光器具 有將經阻斷初級及次級輻射反射回至轄射轉換元件之優 點。此處，經反射之輻射可經（再）吸收、轉換為一較長波 長之輻射，且發送回至該干涉濾光器並通過該干涉濾光 器。具有長於干涉遽光器《截止波長之一波長之重新發送 160f89.doc 201235616 輻射之部分可通過此濾光器。因此，經反射之輻射之 吸收及重新發送導致照明系統之-較高輸出效率。 根據本發明之照明系統之另—所關注實施例具有之特徵 在於：干涉濾光器係一帶通反射渡光器。此據光器反射介 於兩個截止波長之間之韓照。低能量截止波長較佳應配置 在韓射轉換元件之發射光譜中。高能量截止波長較佳應配 置在輻射轉換元件之發射光譜與初級光源之發射光譜之 間。具有此渡光器之照明系統容許初級輕射之（部分）亦可 與次級輻射混合且自該照明系統發射混合輻射。 所發明之照明系統之一進一步所關注實施例之特徵在 於，輻射轉換元件之吸收光譜及發射光譜大致上重疊。注 意’-「大致上重疊」存在於以下情況中：重疊之面積係 由正規化發射光譜及正規化吸收光譜兩者所覆蓋之總面積 之至少5。/^此措施可進一步增強所發明之系統之效率。 此歸因於以下之事實：效率增加係起因於藉由相同磷光體 材料之由干涉濾光器反射之發射光之再吸收、接著此發光 材料之發射。此過程僅發生在光譜重疊之情況中。依此方 式，最小化光子損耗。 根據本發明之照明系統之另一有利實施例之特徵在於， 濾光器之截止波長大致上重合於輻射轉換元件之（正規化） 吸收光譜與（正規化）發射光譜交叉處之波長。實務上此 意謂截止波長與轉換元件之吸收光譜與發射光譜交叉處之 波長相差10奈米。藉由選擇根據此實施例之截止波長，可 獲得光輸出效率之一更進一步改良。此條件進一步最佳化 160589.doc • 6 201235616 具為-相對較短波長之光之再吸收並進一步減小所得發射 之頻寬。 所發明之照明系統之—進_步有利實施例具有之特徵在 於：：輻射轉換元件之斯托克位移（Stokes Shift)小於〇.20 心在此等軌下’獲得正規化發射光譜與正規化吸收光 譜之-顯著重疊。輻射㈣元件之斯托克位移較佳係小於 _〇丄> eV且更佳係介於〇.〇7 eV與〇12以之間。在一小斯托 克位移（尤其小於0.07 eV)之情況中，頻寬已相當小；此使 得本發明之作用不大。 亦關注根據本發明m统之其巾輻射轉換元件之發 射光譜具有在585奈米至625奈米範圍中之一峰值發射波長 之負施例。藉由適當選擇干涉攄光器之截止波長為約繼 奈米；可獲得具有-小的頻寬發射光譜之一有效照明系 統。此類型照明系統尤為有利，此係因為具有高演色性之 ㈣之效能係關鍵取決於紅色發射頻帶之寬度。眼敏感度 隨著波長增加至630奈米以上而迅速降低。另一方面，在 _奈米以下之電磁光譜區域中具有相當大的強度之紅色 泠剞對廣色)·生產生-負面影響。因此，所需照明系統具有 -小的發射頻寬及在介於585奈米至⑵奈米之間之範圍 中、較佳在595奈米至620奈米之範圍+、更佳在介於6〇5 奈米至615奈米之間之範圍中之一峰值波長。 丨【實施方式】 從下文描述之實施例將瞭解本發明 且參考下文描述之實施例闡明本發明 之此等及其他態樣 之此等及其他態樣 〇 160589.doc 201235616 應強調圖式係示意性的且並未按比例繪製。在不同的 圖中，相同參考數字表示相同元件。 圖1以橫截面圖解說明根據本發明之照明系統丨之一實施 例省系統1包括具體實施為發光二極體（LED)之若干光源 2。雖然可使用不同類型LED，但較佳係應用能夠發射具 有550奈米或更小之一波長之初級輻射之LED。在本裝置 中，使用能夠發射具有介於37〇奈米至47〇奈米之間之一波 長最大值之光之GalnN類型裝置LED。 LED 2係安裝在一外殼3之底面上。在該外殼3之内壁 上，已提供反射構件4，如一鋁鏡。在該照明系統之啟動 期間，經由該等LED之電連接部分上之電導線施加一電 壓。出於簡單之目的，未展示該等電導線或該等電連接部 分。由於啟動，LED 2發射輻射。此輻射係藉由遠離該外 殼之腔5中之LED 2而指向之小箭頭加以指示。 外殼3之頂部部分具備最先進技術發光材料之一層6。在 所描述之實施例中，該發光材料係形成為含有一磷光體材 料（發光陶瓷）之燒結晶粒之一板。應強調，亦可預期粉末 層。陶瓷層6充當經配置以將初級輻射之一部分或全部轉 換為次級輻射之一輻射轉換元件。在層6之背離該等光源2 之側上，配置能夠反射該照明系統中產生之具有短於一特 定截止波長之一波長之輻射之一輻射阻斷濾光器7 ^該濾 光器7較佳直接附接至層6。在本實施例中，該濾光器7係 包括一光學透明基板（其上提供具有一所需層厚度輪廓及 SiCVTiO2序列之（例如）Si〇2/Ti02之多層）之一反射滤光 160589.doc 201235616 器。 · 籍由LED 2發射之初級輻射被引導至此處具體實施為磷 光艘材料之陶瓷層6之波長轉換元件。吸收亦可發生在較 高激發狀態中。藉由層6(直接或間接）吸收之初級輻射被轉 ， 換為具有一較長波長之次級輻射。取決於反射濾光器7之 - 截止波長，此次級輻射之全部或部分可通過濾光器7， 即’具有長於該截止波長之一波長之輻射之部分。基本 上，取決於濾光器之陡度，具有短於濾光器7之截止波長 之一波長之大部分或所有初級輻射及次級輻射將被反射回 至輻射轉換元件6中，在該輻射轉換元件6中再吸收該等初 級輻射及次級輻射。該再吸收輻射在很大程度上係轉換為 ’丁通過/慮光器7到達外界之較長波長之輻射。反射構件4導 致所有輻射（初級及次級）最終被反射回至磷光體層6及濾光 器7，使得歸因於該外殼中之吸收之輻射損耗為最小。 已基於所發明之照明系統乏上述實施例執行若干量測及 汁算，其中已應用不同類型磷光體材料。此等類型磷光體 係基於磷光體類別MgS:Eu或CaSe:Eu。在圖2至圖4中展示 三項實施例之模擬光譜。更特定言之，圖2展示具有〇 i ev ' 之斯托克位移及28奈米之半高頻寬（FWHM)之一磷光體之 .吸收及發射光譜。圖3展示具有〇.15 eV之斯托克位移及41 奈米之FWHM之另-磷光體之吸收及發射光譜，而圖樣 幵具有0.2 eV之斯托克位移及53奈米之FWHM之一進一步 光體之吸收及發射光譜。在圖4中，藉由一虛線指示該 反射滤光器之光譜。該濾光器之戴止波長大致上重合於輕 1605i9.doc 201235616 射轉換元件之吸收光譜與發射光譜交叉處之波長（約570奈 米）。 在所謂之高溫及強耦合限制中判定此等光譜。在此限制 中，針對寬度獨立於聲子頻率之發射頻帶獲得高斯線形 狀。實務上’此與實驗發現相當一致。然而應強調，本發 月並不限於此等磷光體。所有經計算光譜皆具有000奈米 之其等發射最大值《在模擬中，已修改斯托克位移。在所 提及之限制中，斯托克位移判定發射頻帶之頻寬及吸收頻 帶之低能量側之光譜形狀，且為此該光譜重疊。 可自光譜重疊估計在輻射轉換元件中再吸收之光之最大 分率。對於所計算之三種情況，在表丨中給定此等估計 圖0 斯托克斯位移(eV) 分率(％) 〇.1(圖 2) 20 0.15(圖3) 12 0_2(圖 4) 7 一 表1 從表1中可推斷，一大的光譜重疊係針對小於約〇 2〇… 之斯托克位移而獲得（在光譜區域中約53奈米卜在斯托克 位移為較大之情況中應用—干涉濾光器以減小頻寬並未導 致一有利影響，此係因為在具有介於吸收頻帶與發射頻帶 之間之-太小光譜重疊之此等條件下難以發生再吸收。在 此情境中，所反射之光在很大程度上喪失。此等圖表之檢 查展示該等干Μ光器應經放置使得截止波長等於所計算 160589.doc -10- 201235616 之吸收光譜與發射光战Φ 步 祀交又處之波長。至更大或更小波長 之一位移極大地減小再吸收可能性。 雖然已在該等圖式及先前描述中圖解說明及描述本發 明，但是此圖解及描述係視為圖解閣釋性或例示性且非限 ·;本發明不限於所揭示之實施例。因此，可藉由其中 ㈣光體粉末之—有機樹脂材料而取代形成為一燒結 層6之波長轉換元件。在此情境中，使用該含麟光體之樹 脂材料來填充外殼之腔5。自對該等圖式、本揭示内容及 1遺附申請專利範圍之-研究，熟習此項技術者在實踐本發 明_可瞭解並貫現所揭示實施例之此及其他變動。 在申請專利範圍中，字詞「包括」並不排除其他元件或 步驟，且不定冠詞「一」或「一個」並不排除複數個。某 些措施敘述在相互不同的附屬請求項中之純粹事實並不表 不不可有利地使用此等措施之一組合。不應將申請專利範 圍中之任何參考符號解釋為限制本發明之範_。 【圖式簡單說明】 圖1以橫截面展示根據本發明之照明系統之一實施例； 圖2展示根據圖1之照明系統中所使用之磷光體之吸收光 譜及發射光譜（斯托克位移0.1 eV，FWHM 28奈米）之部 分； 圖3展示根據圖1之照明系統中所使用之另一磷卷體之吸 收光譜及發射光譜（斯托克位移0· 1 5 eV，FWHM 41奈來）之 部分；及 圖4展不根據圖1之照明系統中所使用之一更進—步碟光 160589.doc 201235616 體之吸收光譜及發射光譜（斯托克位移0.2 eV，FWHM 奈米）之部分。 【主要元件符號說明】 1 照明系統 2 光源/發光二極體（LED) 3 外殼 4 反射構件 5 腔 6 陶瓷層/輻射轉換元件/磷光體層/燒結層 7 輻射阻斷濾光器/反射濾光器 160589.doc •12·

Claims (1)

1. 201235616 七、申請專利範圍： 1. 一種照明系統，其包括： 一光源，其經配置以發射初級輻射， 一輻射轉換元件，其經配置以將該初級輻射之至少部 ， 分轉換為次級輻射， . 一濾光器，其經配置以阻斷該照明系統中產生之具有 矩於一特定截止波長之一波長之輻射，其中該濾光器經 設計以藉由將該濾光器之該截止波長配置於該輻射轉換 元件之發射光譜中而阻斷該次級輻射之一部分。 2_如請求項1之照明系統，其中該濾光器係一干涉濾光 器’其將所阻斷之輻射反射回至該輻射轉換元件。 3. 如請求項2之照明系統，其中該干涉濾光器係一帶通反 射濾光器。 4. 如請求項2或3之照明系統，其中該輻射轉換元件之吸收 光譜及該發射光譜大致上重疊。 5. 如請求項4之照明系統’其中該濾光器之該截止波長大 致上重合於該輻射轉換元件之該吸收光譜與該發射光譜 乂又處之波長。 6. 如前述請求項中任一項之照明系統，其中該輻射轉換元 • 件之斯托克位移小於0.20 eV。 7 .如前述請求項中任一項之照明系統，其中該輻射轉換元 件之該發射光譜具有在585奈米至625奈米之範圍中之一 峰值發射波長。 16〇测.dOC