TWI542827B - 具有光源、輻射轉換元件及濾光器之照明系統 - Google Patents
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Description
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。
因而，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 7.402.840 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一第一峰值波長之一第一光，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。已知照明系統進一步含有一濾光器，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。使用該濾光器尤其防止藉由LED產生之第一(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。
所描述設計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一或多個基於磷光體之LED之照明系統。此尤其適用於發射電磁光譜之紅色區域中(較佳在約600奈米至630奈米之區域中)之光之系統。
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)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，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射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：藉由使用濾光器之一精選截止波長，可同時達成兩種效果。如上文提及之專利文件US 7.402.B840-B2號中所描述，首先可防止初級光自系統洩漏。其次，藉由在輻射轉換元件之發射光譜波長範圍內選擇濾光器之截止波長，可如所需般使其發射光譜變得更小或更狹窄。達成此組合效果無需任何額外零件。因此，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截止波長大致上重合於波長轉換元件之發射光譜中之高能量部分之照明系統。
可將各種最先進技術磷光體系統用作為所發明之照明系統中之波長轉換元件。諸如磷光體或磷光體之混合物之發光材料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磷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、混合於一樹脂材料中或作為一燒結粉末而混合於一陶瓷層中。
注意，減小波長轉換元件之發射光譜之頻寬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，在一第二方法中使用之許多含有Eu2+之磷光體具有相當寬的發射頻帶或在(潮濕)空氣中係不穩定的，此亦限制其等之實際使用。
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：濾光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時，藉由光源發射之經阻斷輻射(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輻射)歸因於濾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輻射轉換元件之優點。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。具有長於干涉濾光器之截止波長之一波長之重新發送輻射之部分可通過此濾光器。因此，經反射之輻射之(再)吸收及重新發送導致照明系統之一較高輸出效率。
根據本發明之照明系統之另一所關注實施例具有之特徵在於：干涉濾光器係一帶通反射濾光器。此濾光器反射介於兩個截止波長之間之輻照。低能量截止波長較佳應配置在輻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。具有此濾光器之照明系統容許初級輻射之(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，一「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具有一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一進一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0.20 eV。在此等境況下，獲得正規化發射光譜與正規化吸收光譜之一顯著重疊。輻射轉換元件之斯托克位移較佳係小於0.15 eV且更佳係介於0.07 eV與0.12 eV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。
亦關注根據本發明之照明系統之其中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實施例。藉由適當選擇干涉濾光器之截止波長為約600奈米；可獲得具有一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LED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600奈米以下之電磁光譜區域中具有相當大的強度之紅色發射對演色性產生一負面影響。因此，所需照明系統具有一小的發射頻寬及在介於585奈米至625奈米之間之範圍中、較佳在595奈米至620奈米之範圍中、更佳在介於605奈米至615奈米之間之範圍中之一峰值波長。
從下文描述之實施例將瞭解本發明之此等及其他態樣，且參考下文描述之實施例闡明本發明之此等及其他態樣。
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1之一實施例。該系統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370奈米至470奈米之間之一波長最大值之光之GaInN類型裝置LED。
LED 2係安裝在一外殼3之底面上。在該外殼3之內壁上，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SiO2/TiO2序列之(例如)SiO2/TiO2之多層)之一反射濾光器。
藉由LED 2發射之初級輻射被引導至此處具體實施為磷光體材料之陶瓷層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可通過濾光器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之上述實施例執行若干量測及計算，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0.1 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0.15 eV之斯托克位移及41奈米之FWHM之另一磷光體之吸收及發射光譜，而圖4展示具有0.2 eV之斯托克位移及53奈米之FWHM之一進一步磷光體之吸收及發射光譜。在圖4中，藉由一虛線指示該反射濾光器之光譜。該濾光器之截止波長大致上重合於輻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，本發明並不限於此等磷光體。所有經計算光譜皆具有600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1中給定此等估計圖。
從表1中可推斷，一大的光譜重疊係針對小於約0.20 eV之斯托克位移而獲得(在光譜區域中約53奈米)。在斯托克位移為較大之情況中應用一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一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涉濾光器應經放置使得截止波長等於所計算之吸收光譜與發射光譜交叉處之波長。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闡釋性或例示性且非限制性；本發明不限於所揭示之實施例。因此，可藉由其中已混合磷光體粉末之一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，使用該含磷光體之樹脂材料來填充外殼之腔5。自對該等圖式、本揭示內容及隨附申請專利範圍之一研究，熟習此項技術者在實踐本發明中可瞭解並實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示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疇。
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
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光體之吸收光譜及發射光譜(斯托克位移0.15 eV，FWHM 41奈米)之部分；及
圖4展示根據圖1之照明系統中所使用之一更進一步磷光體之吸收光譜及發射光譜(斯托克位移0.2 eV，FWHM 53奈米)之部分。
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
Claims (5)
- 一種照明系統，其經配置以在電磁光譜之一特定區域中具有一狹窄發射(narrow emission)頻帶，其包括：一LED光源，其經配置以發射初級(primary)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(secondary)輻射，其中該輻射轉換元件之吸收光譜及發射光譜重疊由正規化(normalized)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%，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(cut-off)波長之一波長之輻射，其中該濾光器係一干涉(interference)濾光器，其將所阻斷之輻射反射回至該輻射轉換元件且經設計以將該濾光器之該截止波長配置成比該輻射轉換元件之該吸收光譜與該發射光譜交叉處(cross)之波長小10奈米。
- 如請求項1之照明系統，其中該照明系統之該電磁光譜之該特定區域中之該狹窄發射頻帶係在光譜之紅色部分中。
- 如請求項2之照明系統，其中該照明系統之該發射光譜之該紅色部分係在585奈米至625奈米之範圍中、或在595奈米至620奈米之範圍中或在605奈米至615奈米之範圍中。
- 如請求項1至3中任一項之照明系統，其中該輻射轉換元件之斯托克位移(Stoke shift)小於0.20eV。
- 如請求項1至3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。
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