TWI601267B - 具有寬廣色彩範圍之高效率發光系統 - Google Patents

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TWI601267B
TWI601267B TW102117447A TW102117447A TWI601267B TW I601267 B TWI601267 B TW I601267B TW 102117447 A TW102117447 A TW 102117447A TW 102117447 A TW102117447 A TW 102117447A TW I601267 B TWI601267 B TW I601267B
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Description

具有寬廣色彩範圍之高效率發光系統
本發明大體上係關於光源，特別的應用係關於併入發光二極體(LED)及磷光體之固態光源。本發明亦關於相關物品、系統及方法。
發射寬頻帶光之固態光源為已知的。在一些情況下，該等光源係藉由將一層發黃光磷光體施用於藍色LED上來製造。當藍色LED之光通過磷光層時，一些藍光被吸收且實質部分之吸收能由磷光體再發射為可見光譜中較長波長之斯托克位移光(Stokes-shifted light)，通常為黃光。磷光體厚度小到足以使一些藍色LED光完全通過磷光層且與磷光體之黃光結合以提供具有白色外觀之寬頻帶輸出光。
亦已提出其他LED泵浦磷光源。在美國專利7,091,653(Ouderkirk等人)中，論述LED之紫外(UV)光藉由長通反射器反射於磷光層上之光源。磷光層發射可見(較佳白色)光，此光實質上藉由長通反射器透射。LED、磷光層及長通濾光器以一定方式配置，使得當UV光自LED行進至長通反射器時，UV光不通過磷光層。
吾等已開發出寬頻帶固態光源之一個新家族。此等光源可例如經製造以用作一般照明應用中之燈泡，將一或多個遠端磷光LED、一或多個直接發射短波長LED及一或多個直接發射長波長LED組合在單個「混合」單元中。全部數目的該等LED由燈泡或其他合適之覆蓋元 件覆蓋，該等覆蓋元件可為光漫射型。各遠端磷光LED包括LED、磷光層及分色反射器。LED之激發光由分色反射器反射於磷光層上以產生磷光，磷光實質上由分色反射器透射。來自直接發射短波長LED及直接發射長波長LED之至少一些光在實質上未由任何分色反射器反射(例如未入射於任何分色反射器上)的情況下傳播至覆蓋元件。該光源可提供寬廣色彩範圍內之寬頻帶輸出光，且與先前系統不同，可高效率地進行，同時給系統中高百分比或比例之全部數目的LED供能。舉例而言，寬頻帶輸出可顯示出以CIE色度單位計至少0.2的色差，及/或至少4000或5000克耳文(Kelvin)之相關色溫差，同時給一半以上或至少60%或至少70%之全部數目的LED供能。
吾等在本文中尤其描述發射寬頻帶光之混合照明系統。照明系統可包括總數N個LED，及覆蓋該N個LED且透射寬頻帶光之光透射覆蓋元件。光透射覆蓋可為光漫射型或實質上透明而非光漫射型。N個LED包括數目N1個泵浦LED、數目N2個直接發射短波長LED及數目N3個直接發射長波長LED。數目N1、N2及N3各大於零，且N1+N2+N3可等於或小於N。N1個泵浦LED之每一者經組態為遠端磷光LED，其中該泵浦LED與分色反射器及磷光層組合，使得來自該泵浦LED之至少一些光由該分色反射器反射於該磷光層上以使該磷光層發射磷光。分色反射器亦經組態以實質上透射磷光。直接發射短波長LED具有範圍介於400至500nm、或420至480nm、或445至400nm之峰值輸出波長，且經安置以發射至少一些光在實質上未由任何分色反射器反射(例如未入射於任何分色反射器上)的情況下自短波長LED傳播至覆蓋元件。直接發射長波長LED具有範圍介於600至700nm、或600至650nm之峰值輸出波長，且經安置以發射至少一些光在實質上未由任何分色反射器反射(例如未入射於任何分色反射器上)的情況下自長波長LED傳播至覆蓋元件。
泵浦LED、直接發射短波長LED及直接發射長波長LED較佳經佈線以便獨立電控制，從而可給不同組之LED供能。由覆蓋元件透射之寬頻帶光的色彩隨N個LED中經供能之LED而變。N個LED較佳經組態以使得寬頻帶透射光可具有與N個LED中經供能之第一組相關的第一色彩，及與N個LED中經供能之第二組相關的第二色彩。另外，該第一及第二色彩較佳具有以CIE色度單元計至少0.2之色差及/或至少4000或5000克耳文之相關色溫差，且該N個LED之第一及第二組較佳涉及給一半以上、或至少60%、或至少70%之該N個LED供能。
該N個LED之第一及第二組可各涉及給全部N1個泵浦LED供能。該第一及第二色彩可足夠接近於普朗克軌跡(Planckian locus)以使其具有相應的第一及第二相關色溫。
數目N1可為至少2，以便存在複數個遠端磷光LED。該複數個遠端磷光LED可利用具有相同磷光體組成之磷光層。該複數個遠端磷光LED亦可或替代性地利用具有不同磷光體組成之磷光層。數目N1、N2及N3可藉由不等式N1>N2+N3而聯繫起來。
對於照明系統中之至少一個、一些或全部遠端磷光LED而言，泵浦LED、磷光層及分色反射器較佳經配置以使得至少一些激發光在不通過該磷光層的情況下自該泵浦LED傳播至該分色反射器。一個、一些或全部泵浦LED可具有小於420nm之峰值波長。
該系統亦可包括經組態以獨立地驅動N1個泵浦LED、N2個直接發射短波長LED及N3個直接發射長波長LED之控制系統。該控制系統可經組態以提供第一及第二控制輸出，該第一控制輸出有效給N個LED之第一組供能以提供透射寬頻帶光之第一色彩，且該第二控制輸出有效給N個LED之第二組供能以提供透射寬頻帶光之第二色彩。該控制系統亦可經組態以使得N1個泵浦LED、N2個直接發射短波長LED及N3個直接發射長波長LED例如藉由以變化量對一些或全部 N1、N2及N3個LED調光來提供色彩範圍介於第一色彩與第二色彩之間的透射寬頻帶光。
若一或多個LED之尺寸(例如發射面積)與一或多個其他LED極大地不同，則以上描述、比較及關係中LED之數目(N、N1、N2、N3)可經更普遍的「有效數目」(NE、NE1、NE2、NE3)置換，其中該有效數目為LED的數目乘以其相應尺寸(例如其發射面積)或與其相應尺寸成比例的因子。
亦論述相關方法、系統及物品。
本申請案之此等及其他態樣將由以下實施方式顯而易見。然而，以上概述不應視為對所主張之主題的限制，該主題僅由隨附申請專利範圍定義，因而可在審批期間修正。
101‧‧‧寬頻帶輸出光
110‧‧‧寬頻帶固態光源
111‧‧‧遠端磷光LED
112‧‧‧泵浦LED
113a‧‧‧激發光
113b‧‧‧反射激發光
114‧‧‧磷光層
115a‧‧‧磷光
115b‧‧‧透射磷光
115c‧‧‧磷光
116‧‧‧分色反射器
130a‧‧‧直接發射短波長LED
130b‧‧‧直接發射長波長LED
133a‧‧‧LED光
133b‧‧‧透射LED光
135a‧‧‧LED光
135b‧‧‧透射LED光
140‧‧‧光透射覆蓋元件
211a‧‧‧遠端磷光LED
211b‧‧‧遠端磷光LED
211c‧‧‧遠端磷光LED
211d‧‧‧遠端磷光LED
212a‧‧‧泵浦LED
212b‧‧‧泵浦LED
212c‧‧‧泵浦LED
212d‧‧‧泵浦LED
214a‧‧‧磷光層
214b‧‧‧磷光層
214c‧‧‧磷光層
214d‧‧‧磷光層
216a‧‧‧分色反射器
216b‧‧‧分色反射器
216c‧‧‧分色反射器
216d‧‧‧分色反射器
311‧‧‧遠端磷光LED/子系統
312‧‧‧藍光發射LED
313a‧‧‧藍光
313b‧‧‧反射LED光
313c‧‧‧透射LED光
314‧‧‧磷光層
315a‧‧‧長波長光
315b‧‧‧透射磷光
316‧‧‧分色反射器
317‧‧‧內部空間
318‧‧‧基板
318a‧‧‧介電層
318b‧‧‧導電層
318c‧‧‧導熱層
319‧‧‧點
320‧‧‧線接合
321a‧‧‧凹槽區域
321b‧‧‧鄰近區域
402‧‧‧支撐基座
402a‧‧‧反射面
410‧‧‧寬頻帶光源
411a‧‧‧遠端磷光LED
411b‧‧‧遠端磷光LED
411c‧‧‧遠端磷光LED
411d‧‧‧遠端磷光LED
412a‧‧‧泵浦LED
412b‧‧‧泵浦LED
412c‧‧‧泵浦LED
412d‧‧‧泵浦LED
414a‧‧‧磷光層
414b‧‧‧磷光層
414c‧‧‧磷光層
414d‧‧‧磷光層
416a‧‧‧凹面分色反射器
416b‧‧‧凹面分色反射器
416c‧‧‧凹面分色反射器
416d‧‧‧凹面分色反射器
430a‧‧‧直接發光之LED
430b‧‧‧直接發光之LED
430c‧‧‧直接發光之LED
440‧‧‧覆蓋元件
501‧‧‧反射面
502‧‧‧支撐基座
503‧‧‧基座
510‧‧‧寬頻帶光源
511‧‧‧遠端磷光LED
511a‧‧‧遠端磷光LED
511b‧‧‧遠端磷光LED
512‧‧‧泵浦LED
512a‧‧‧泵浦LED
512b‧‧‧泵浦LED
513‧‧‧發射表面
514‧‧‧磷光層
514a‧‧‧磷光層
514b‧‧‧磷光層
515‧‧‧光透射層
516‧‧‧凹面分色反射器
516a‧‧‧凹面分色反射器
516b‧‧‧凹面分色反射器
517‧‧‧下部磷光層
518‧‧‧上部磷光層
519‧‧‧平凸透鏡或平凸體
520‧‧‧曲率中心點
521‧‧‧光軸
530a‧‧‧直接發光之LED
530b‧‧‧直接發光之LED
540‧‧‧覆蓋元件
541‧‧‧對稱軸或光軸
710‧‧‧曲線
712‧‧‧曲線
714‧‧‧曲線
716‧‧‧曲線
圖1為組合遠端磷光LED及兩個直接發光之LED之寬頻帶光源的示意性側視圖或截面視圖；圖2a至2d為說明可用於給定遠端磷光LED之一些不同色彩或波長組合的功能圖；圖3為遠端磷光LED之示意性透視圖；圖4為組合若干遠端磷光LED及若干直接發光之LED之寬頻帶光源的示意性透視圖；圖5為組合若干遠端磷光LED及若干直接發光之LED之另一寬頻帶光源的示意性側視圖或截面視圖；圖5a為圖5之光源中所用之遠端磷光LED的示意性側視圖或截面視圖；圖6為分色反射器之光譜反射率的圖；圖7為用於遠端磷光LED之兩種磷光體材料之光譜性質的圖；圖8、9及10為當根據與三組不同LED相關的三種不同控制輸出控 制時，模擬寬頻帶光源之光譜功率輸出的圖；及圖9a及10a分別為圖9及10之模擬寬頻帶光源在輸出平面所觀察到之色彩的CIE色度圖。
在圖式中，類似參考數字表示類似元件。
吾等已發現具有尤其有利的設計特徵的寬頻帶固態光源可藉由組合一或多個遠端磷光LED之光輸出、一或多個直接發射短波長(例如藍色)LED之光輸出及一或多個直接發射長波長(例如紅色)LED之光輸出來構建。所得混合光源可具有穩固的固態設計，且可高效率利用LED及磷光體材料。詳言之，該等光源經設計以提供寬廣色彩範圍內之寬頻帶輸出光，且可高效率地進行，同時給系統中高百分比或比例之全部數目的LED供能。該等光源亦可提供足夠接近於普朗克軌跡以使其具有相應相關色溫之輸出色彩。該等光源可用作一般照明應用中之燈泡，例如提供不同色溫或相關色溫之白光，或可用於其他更專用的應用中。
在本申請案中，「發光二極體」或「LED」係指發射可見光、紫外光或紅外光之二極體，但在許多實際實施例中，發射光將具有範圍介於約340至650nm或約400至650nm之峰值波長。術語LED包括作為習知或超輻射種類之「LED」銷售的非相干裝箱或封裝半導體裝置，以及諸如雷射二極體之相干半導體裝置，包括(但不限於)垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)。「LED晶粒」為最基本形式之LED，亦即呈藉由半導體加工程序製得之單個組分或晶片形式。舉例而言，LED晶粒可由一或多個第III族元素及一或多個第V族元素之組合形成(III-V半導體)。合適之III-V半導體材料的實例包括氮化物，諸如氮化鎵；及磷化物，諸如磷化鎵銦。亦可使用其他類型之III-V材料，以及元素週期表其他族之無機材料。組分或晶 片可包括適於施加功率以給裝置供能之電接點。實例包括線接合、捲帶式自動接合(TAB)或覆晶接合(flip-chip bonding)。組件或晶片之單層及其他功能元件通常形成於晶圓級上，且最終晶圓可隨後切成個別部件以產生許多LED晶粒。LED晶粒可經組態以用於表面黏著、板面晶片或其他已知黏著組態。一些封裝LED係藉由在LED晶粒及相關反射杯上形成聚合物封閉物來製得。LED可在若干基板中之一者上形成。舉例而言，GaN LED可藉由在藍寶石、矽及氮化鎵上磊晶而形成。出於本申請案之目的，「LED」亦應視為包括有機發光二極體，一般稱為OLED。
用以激發或「泵浦」獨立磷光體材料之LED可在本文中稱為「泵浦LED」。磷光體吸收一些或全部由泵浦LED發射之光，且一些吸收能再發射為斯托克位移(較長波長)磷光。出於本申請案之目的，磷光通常實質上在可見光波長範圍內，且來自泵浦LED之激發光通常處於或接近可見光譜之短波長端(例如藍綠色、藍色或紫色)或在近紫外區。未用於激發或泵浦獨立磷光體材料之LED可在本文中稱為「非泵浦LED」或「直接發射」LED。如本文中所用，術語「遠端磷光LED」可指代包括以下之子系統：至少一個泵浦LED；實際上在結構上與泵浦LED分離但與其光學耦合之至少一個磷光層或磷光體；及實質上反射來自泵浦LED之光至磷光體且實質上透射斯托克位移磷光之分色反射器。此等組件較佳經配置以使得激發光自泵浦LED傳播至分色反射器而不通過磷光層。
圖1以粗略示意的形式展示例示性寬頻帶固態光源110。光源110包括遠端磷光LED 111、直接發射短波長LED 130a、直接發射長波長LED 130b及光透射覆蓋元件140。支架結構及其他組件(未圖示)用以使經標記之組件相對於彼此保持在固定空間位置，從而產生所需寬頻帶輸出光101。
覆蓋元件140可由玻璃、塑膠或其他合適之光透射材料製成。覆蓋元件140可呈球狀物形式，諸如一般照明用習知燈泡中所用的任何已知球狀物。在此方面，覆蓋元件140與遠端磷光LED 111及直接發光之LED 130a、130b之間的一些或實質上所有空間可為空氣、或惰性氣體、或真空。或者，該空間可部分或完全填充以固體、液體或其他有形光透射材料。覆蓋元件可由僅一層或一個光學元件製成，或其可包含複數個層或光學元件，例如包圍較小內部球狀物之外部球狀物。覆蓋元件140可經「磨砂」，亦即適合於散射光，或其可為透明的，幾乎無光散射。球狀物亦可連接於與習知照明燈具相容的基礎元件，例如基礎元件可帶螺紋或以其他方式適合於與現有照明插座搭配，且可視需要具有電接點及適於將住宅或商用供電電壓位準轉換成與LED相容的電壓及電流之電路。源110亦可耦接至給源110中之各種LED供能的控制系統(參見圖1)，或該控制系統可作為組件包括在源110內。
遠端磷光LED 111為照明子系統，包括至少一個泵浦LED 112、至少一個磷光層114及分色反射器116。泵浦LED 112發射能夠激發磷光體之光113a。圖中僅展示激發光113a之兩種射線，但讀者應瞭解LED一般發射寬廣方向範圍(例如呈朗伯分佈(Lambertian distribution))內且在某一波長帶內之激發光。激發光113a通常處於或接近可見光譜之短波長端或在近紫外區。舉例而言，激發光可具有範圍介於340至480nm、或400至470nm之峰值波長，或處於420nm或420nm以下之波長。雖然圖中僅展示一個泵浦LED 112，但給定遠端磷光LED子系統中可包括一個以上。激發光113a實質上由分色反射器116反射成為反射激發光113b，但一些激發光可由分色反射器透射。
遠端磷光LED 111亦包括實際上在結構上與泵浦LED 112分離但與泵浦LED 112光學耦合之磷光層114。磷光層114吸收一些或所有入射(反射)激發光113b，且一些吸收能再發射為較長波長磷光115a。磷 光115a通常由磷光體材料沿各個方向發射，且該光本身通常如以下進一步所論述呈寬頻帶。一些磷光115a朝著分色反射器116的方向傳播。該光實質上由反射器116透射產生透射磷光115b。在一些情況下，反射器116亦可透射一些(通常微小部分)激發光113a。透射磷光115b以及來自泵浦LED 112且透射穿過分色反射器116之任何光接著向前傳播至覆蓋元件140，在其中透射並視情況伴以如圖所說明之所需程度之混濁度或散射，成為磷光115c。
分色反射器116可在一些情況下與透鏡元件之外表面一致，其出於一般性而未展示於圖1中但在本文其他圖式中有展示。分色反射器116及外部透鏡表面(若存在)可具有凹面及/或彎曲形狀，使得由泵浦LED 112發射且由反射器116反射之光主要指向於磷光層114上。分色反射器可經成形以在磷光層114處或附近形成泵浦LED 112之至少近似影像，例如藉由使照射於磷光層114上及/或實際上由磷光層114所吸收之反射激發光之量達到最大而使效率達到最大。
分色反射器有時亦稱為分色鏡或分色濾光片。其經設計以對一些光學波長具有高反射率及低透射率，及對其他光學波長具有低反射率及高透射率。該等反射器通常至少在可見、近紅外及近紫外波長上具有可忽略的吸收，使得任何未反射的光實質上透射，及任何未透射的光實質上反射。該等反射器包含光學薄微層之堆疊，通常交替排列具有較大折射率失配之材料，諸如二氧化矽及二氧化鈦之交替層，但亦可使用其他合適無機或有機材料。該等反射器可藉由真空沈積交替層於玻璃或其他合適基板上，例如直接於透鏡元件之外表面上或於可隨後施用於該表面上之膜或基板上來製得。或者，合適反射膜可藉由可涉及共擠壓交替聚合物材料及拉伸所得多層聚合物網之連續方法製得，例如，如美國專利5,882,774(Jonza等人)及6,783,349(Neavin等人)中所述。不考慮分色反射器所用材料及所用製造方法，反射器具有適 於提供與波長相關之所需反射特性之微層堆疊的層厚度分佈。厚度分佈可適於提供充當長通濾光器或陷波濾光器(notch filter)之分色反射器，例如藉以在入射角範圍內實質上透射相對較長波長磷光且主要反射相對較短波長LED激發光。分色反射器可例如具有至少50%、或至少60%、或至少70%之磷光透射率。分色反射器可在一些情況下實質上反射可見藍光且實質上透射可見黃光。在一些情況下，分色反射器可為或包含多層鏡膜、反射性偏光器及/或部分偏光反射器，諸如在給定波長下差異反射正交偏光狀態之鏡面。
分色反射器之反射性及透射性通常隨著光照射於反射器上之入射角變化而變化。舉例而言，分色反射器116對於傾斜入射於反射器上之LED光線可具有與垂直入射於反射器上之LED光線相比較大的透射率。此特徵可用於生產遠端磷光固態光源，該遠端磷光固態光源之輸出色彩可藉由控制配置在透鏡組下方的多個LED的相對驅動強度來調節，如共同讓渡之PCT公開案第WO 2012/091973號中更充分地所論述。
磷光層114含有一或多種發螢光或以其他方式發射較之所吸收之LED光斯托克位移之光的合適磷光體材料。磷光體材料較佳吸收波長範圍與LED發射光譜重疊之光，使得LED可激發磷光體且使其發螢光或以其他方式發射磷光。在多數情況下，給定磷光體材料可吸收電磁波譜紫外、藍色及/或藍綠色部分之光，且可發射可見光區或近可見光區之光。所發射之磷光通常為寬頻帶，例如其可具有至少100奈米之頻譜寬度。寬頻帶磷光可分佈於連續寬頻帶中，或如在間隔窄發射線集合之情況下，其可具有尖峰分佈，或其可為窄發射線及連續寬頻帶之組合。例示性磷光體材料包括已知螢光染料及磷光體。摻雜鈰之釔鋁石榴石(Ce：YAG)為可使用之磷光體的一個實例。其他摻雜稀土之石榴石或其他摻雜稀土之材料亦可為合適的，例如摻雜銪及/或鍶之 矽酸鹽、氮化物及鋁酸鹽，視設計細節及光源限制而定。合適磷光體材料可包括有機及無機螢光或磷光物質，諸如包括II-VI及III-V物質之經摻雜之無機氧化物或氮化物、量子點及半導體。
本文中所揭示之磷光層可為或包含一層光透射黏合劑或基質材料，一或多種類型之螢光粒子(例如本文中所提及之摻雜稀土之石榴石或其他螢光物質)以所需濃度分散於其中。黏合劑或基質材料可為有機或無機的。聚矽氧為合適黏合劑材料之一個實例。或者，可使用陶瓷作為黏合劑材料。使用陶瓷之優勢為熱導率實質上比諸如聚矽氧之材料大。該較大熱導率使整個磷光層具有較大熱導率，可與散熱片結合使用以使磷光層維持在較低操作溫度下以便提高效率。
在一些情況下，磷光層114可為或包括圖案化磷光體。圖案化磷光體可包括兩種或兩種以上具有不同發射帶之磷光體。磷光層114可進一步為或包括多個彼此空間分開的圖案化磷光體。圖案可包含以條紋、光柵圖案或任何其他對齊圖案形式形成的各具有一種色彩的奇異區。在一個實例中，磷光層114可包括綠色磷光體第一部分/圖案及紅色磷光體第二部分/圖案。由於此等磷光體部分為分開的，故可減少再吸收或斯托克位移相關效率損失。部分/圖案可經由安置於不同磷光體圖案之間的間隔或結構(諸如壁)分開。圖案化可經由諸如噴墨印刷之習知程序實現。或者，不同磷光層部分/圖案可在某些區域接觸或重疊。
遠端磷光LED 111亦可在磷光層114下面或後面包括寬頻帶反射器(未展示於圖1中)。至少一些激發光可通過磷光層114，隨後到達寬頻帶反射器。寬頻帶反射器較佳為LED激發光及較長波長磷光兩者提供高反射率。磷光層對LED光之透明度或透射度可適於增加照明系統之寬頻帶光輸出。該增加可實際上藉由減少磷光層中所用之磷光體之量來達成。磷光層對LED光之單程透射率可為30%至65%，且寬頻帶 反射器之反射率可為至少90%、94%或98%。更多細節提供於共同讓渡的PCT專利公開案第WO 2012/091975號中。
除遠端磷光LED 111之外，源110亦包括直接發射短波長LED 130a及直接發射長波長LED 130b。吾等將LED 130a、130b稱為直接發射，因為由此等LED發射之光133a、135a基本上不用於泵浦磷光層。實際上，該LED光133a、135a自相應LED 130a、130b傳播至覆蓋元件140而實質上未由任何分色反射器(包括分色反射器116)反射。在圖1中，此種情況發生是由於LED 130a、130b經安置使得無大量其發射光133a、135a照射在分色反射器116或任何其他分色反射器上之故。注意LED通常在寬廣角度範圍發射光，且因此視分色反射器116及磷光層114之設計細節及其相對於LED 130a、130b之定向而定，少量LED光133a、135b可照射於分色反射器116及磷光層114上且產生極少量螢光。儘管如此，LED 130a、130b仍可稱為非泵浦LED或直接發光之LED，因為其相應發射之LED光相當大部分自LED(130a或130b)傳播至覆蓋元件140，而實質上未由任何分色反射器反射且未在任何獨立磷光體材料中產生顯著螢光。
即使大部分或所有由LED發射之光照射於分色反射器上，只要分色反射器實質上透射而非反射該LED燈，則LED亦可稱為非泵浦或直接發光之LED。舉例而言，圖1之光源110可經修改使得直接發射長波長LED 130b位於泵浦LED 112及磷光層114附近、分色反射器116後面或下面，使得大部分或所有其發射的長波長光135a由分色反射器116攔截。在該經修改之光源中，只要分色反射器116實質上透射而非反射長波長光，則LED 130b仍將視為直接發光之LED。分色反射器較佳反射小於20%、或小於10%、或小於5%、或小於1%的由直接發光之LED發射之光的總量。由於分色反射器中之吸收通常可忽略，故此等值分別對應於穿過分色反射器之透射率大於80%、或大於90%、或大 於95%、或大於99%。
與透射磷光115b類似，LED光133a、135b向前傳播至覆蓋元件140，在其中透射並視情況伴以此如圖所說明之所需程度之混濁度或散射，成為透射LED光133b、135b。透射之LED光133b、135b、透射之磷光115c及透射穿過分色反射器116及覆蓋元件140之任何激發光組合產生光源110之寬頻帶輸出光101。輸出光101在圖中以單個箭頭形式示意性展示，但讀者應瞭解輸出光101可分佈在寬廣範圍之方向上，例如呈朗伯分佈或近朗伯分佈。輸出光101可能或可能關於光源110之光軸不對稱，該光軸例如為平行於笛卡爾x-y-z座標系統z軸之軸。透射磷光115c之光譜分佈不同於透射LED光133b之光譜分佈，而透射LED光133b之光譜分佈又不同於透射LED光135b之光譜分佈，且由於此等光組分組合於輸出光101中，故輸出光101通常具有比任何個別光組分大的光譜分佈。
輸出光101因此為寬頻帶，例如其可具有至少100、或150、或200、或250奈米之頻譜寬度。輸出光101可在光譜上分佈於連續寬頻帶中，或如在間隔窄發射線集合之情況下，其可具有尖峰分佈，或其可為窄發射線及連續寬頻帶之組合。由CIE x色彩座標及CIE y色彩座標組成之CIE色度座標表徵由Commission international de l'eclairage(「CIE」或國際照明委員會)在1931年開發之數學定義之色空間。x及y色彩座標不應與同物理位置或位移相關的x及y座標混淆。與物理座標不同，(x,y)色度座標無單位。色度座標可方便地用於定量描述或定義色彩及色差。舉例而言，出於本申請案之目的，吾人可將白光定義為CIE色彩座標(x,y)滿足0.25x0.45且0.25y0.45之光，其中所定義區域內之不同點對應於白光之不同色調或色相，例如暖(帶紅色)白色對冷(帶藍色)白色。藉由適當選擇光源110中各種LED之光譜含量(色彩)(包括選擇遠端磷光LED中之磷光體)及適當選擇「打 開」或供能之LED，可產生對於普通觀察者具有實質上白色色彩之輸出光101。較佳亦可進行選擇以使輸出光101具有白色以及落在熟知普朗克軌跡上或靠近熟知普朗克軌跡之非白色色彩，或甚至不位於普朗克軌跡附近之非白色色彩。普朗克軌跡為CIE色度圖上表示理想黑體發射體之色彩的曲線，該發射體之色彩僅視黑體溫度而定。足夠接近於普朗克軌跡之色彩(包括落在普朗克軌跡上之色彩)可藉由相關色溫表徵。若色彩精確位於普朗克軌跡上，則其相關色溫可被認為等於色溫，亦即具有相同色彩之黑體的溫度(以絕對溫度單位克耳文(Kelvin)表示)。
為提供寬頻帶輸出光101寬廣範圍之可獲得色彩，直接發光之LED 130a、130b較佳經選擇以發射位於可見光譜兩端之光。因此，LED 130a較佳發射相對較短波長可見光，例如處於或靠近光譜藍色區之光，且LED 130b較佳發射相對較長波長可見光，例如處於或靠近光譜紅色區之光。LED 130a可例如具有範圍介於400至500nm、或420至480nm、或445至500nm之峰值輸出波長，且LED 130b可具有範圍介於600至700nm或600至650nm之峰值輸出波長。遠端磷光LED 111之設計可藉由使由遠端磷光LED 111之照明子系統發射之藍光之量減至最少而進一步幫助拓寬輸出光可獲得色彩之範圍。在此方面，可容易地選擇LED 112及分色反射器116之設計細節，使得由遠端磷光LED 111發射之藍光實質上比由磷光層塗佈於藍色發射泵浦LED晶粒上或覆蓋藍色發射泵浦LED晶粒之替代子系統所發射之藍光更少。此種情況是因為在後者之情況下，不能產生如此厚或光密的磷光層，使得幾乎不透射來自泵浦LED之藍光，亦實質上未降低或減少由磷光層發射之磷光之量。然而，儘管磷光體塗佈之泵浦LED子系統具有此侷限性，但若需要，該等子系統亦可併入光源110中。由遠端磷光LED 111之照明子系統發射之藍光亦可藉由選擇主要在約420nm以下之波 長發射之泵浦LED，例如峰值波長小於約420nm之泵浦LED來減少。
圖1展示具有僅一個遠端磷光LED 111、及僅一個直接發射短波長LED 130a及僅一個直接發射長波長LED 130b(總共3個LED)之光源110。然而，在多數情況下，需要提供具有3個以上LED之光源110。舉例而言，可包括更多遠端磷光LED、及/或更多直接發射短波長LED、及/或更多直接發射長波長LED。一般，光源110可具有總數N個LED，其中該數目N可包括N1個泵浦LED(每一該泵浦LED經組態為遠端磷光LED)及N2個直接發射短波長LED及N3個直接發射長波長LED，且其中N1、N2及N3全部大於零。在例示性實施例中，N1可為至少2，且可能存在複數個遠端磷光LED，且N1可大於N2及N3之總和。在光源除N1個泵浦LED(組態為遠端磷光LED)、N2個直接發射短波長LED及N3個直接發射長波長LED以外不包括其他LED的實施例中，N等於N1+N2+N3。然而，在一些實施例中，諸如亦包括一或多個未組態為遠端磷光LED之額外泵浦LED的光源，N大於N1+N2+N3。
與其全部硬佈線在一起，N個LED較佳經佈線以便獨立電控制。以此方式，控制系統(參見圖1)可連接至個別LED或LED子組，以便可在不同時間給N個LED之不同選擇組供能，且可選擇經供能之LED組，使得輸出光101之色彩隨由控制系統操作之時間變化而變化。吾等已發現可獲得相當大的色移或色差，例如以CIE色度單位計至少0.2之色差及/或至少4000或5000克耳文之相關色溫差，同時亦如系統中由控制系統供能之總數N個LED的百分比或比例所量測在高效率下操作光源110。詳言之，所提及之色差可在給一半以上、或至少60%、或至少70%之總數N個LED供能時實現。此外，在至少一些情況下，所提及之色差可在給全部N1個泵浦LED供能時實現。
此外，藉由將直接發光之LED及遠端磷光LED組合成一個光源， 該光源可比若僅使用遠端磷光LED或若僅使用直接發光之LED更高效率地提供其寬頻帶輸出光(例如白光)。已引伸出且將繼續引伸出LED技術及磷光體技術。在現有或新近開發的技術下，以下可具有最高效率：使用直接發光之LED而非遠端磷光LED產生特定波長帶或色彩之光(例如紅光及藍光)；及使用遠端磷光LED(使用例如高效率藍色或UV泵浦LED與綠色發射磷光體組合)而非直接發光之LED產生不同特定波長帶或色彩之光(例如綠光)。藉由將寬頻帶(例如白色)輸出光之構成組分(色彩)之最高效率產生器組合於單個光源中，可使該光源之總效率最大化或最佳化。
現轉向圖2a-2d及3，吾等結合此等圖式提供與合適遠端磷光LED有關的其他資訊。亦參考以下共同讓渡之PCT申請案，其描述可用於或容易地經調適以用於目前所揭示之光源的各種類型遠端磷光LED：PCT公開案WO 2012/091971(Ouderkirk等人)；WO 2012/091973；WO 2013/055412；及WO 2012/091975。
可用於給定遠端磷光LED之若干不同色彩或波長組合示意性展示於圖2a至2d中。此等圖式及其描述應視為例示性而非限制性。在圖2a中，遠端磷光LED 211a包括發射可見藍色激發光之泵浦LED 212a，該可見藍色激發光大部分經反射且較佳藉由分色反射器216a成像於磷光層214a上。磷光層發射特定色彩(例如黃色)之磷光。色彩黃色僅為例示性，且亦可使用其他色彩之磷光。黃色磷光實質上由分色反射器216a透射。在此實施例中，認為分色反射器對來自泵浦LED 212a之激發光具有顯著透射率。雖然透射率可為顯著的，但其通常小於50%，例如小於40%、30%、20%或10%，且對激發光之反射率通常大於50%，例如至少60%、70%、80%或90%。在任何情況下，一些藍色激發光透射穿過分色反射器216a且與黃色磷光組合以提供遠端磷光LED 211a輸出之白光。若黃色磷光經不同色彩之磷光置換，則遠端 磷光LED 211a之輸出將具有非白色色彩。
在圖2b中，遠端磷光LED 211b包括發射可見藍色激發光之泵浦LED 212b，該可見藍色激發光大部分或全部經反射且較佳藉由分色反射器216b成像於磷光層214b上。磷光層發射特定色彩(例如黃色)之磷光。色彩黃色僅為例示性，且亦可使用其他色彩之磷光。黃色磷光實質上由分色反射器216b透射。在此實施例中，認為分色反射器對來自泵浦LED 212b之激發光幾乎不透射。因此，幾乎無藍色激發光透射穿過分色反射器216b。黃色磷光單獨為遠端磷光LED 211b提供光輸出。若黃色磷光經不同色彩之磷光置換，則遠端磷光LED 211b之輸出將具有該不同色彩之輸出。
在圖2c中，遠端磷光LED 211c包括發射紫外(UV)激發光之泵浦LED 212c，該紫外激發光大部分或全部經反射且較佳藉由分色反射器216c成像於磷光層214c上。磷光層發射白色磷光。白色磷光實質上由分色反射器216c透射。在此實施例中，認為分色反射器對來自泵浦LED 212c之激發光幾乎不透射。因此，幾乎無UV激發光透射穿過分色反射器216c。白色磷光單獨為遠端磷光LED 211c提供光輸出。
圖2d展示除磷光層發射特定非白色色彩(例如黃色)光以外，與圖2c之遠端磷光LED類似的遠端磷光LED 211d。因此，遠端磷光LED 211d包括發射UV激發光之泵浦LED 212d，該UV激發光大部分或全部經反射且較佳藉由分色反射器216d成像於磷光層214d上。磷光層發射特定非白色色彩(例如黃色)之磷光。色彩黃色僅為例示性，且亦可使用其他色彩之磷光。黃色磷光實質上由分色反射器216d透射。在此實施例中，認為分色反射器對來自泵浦LED 212d之激發光幾乎不透射。因此，幾乎無UV激發光透射穿過分色反射器216d。黃色磷光單獨為遠端磷光LED 211d提供光輸出。若黃色磷光經不同色彩之磷光置換，則遠端磷光LED 211d之輸出將具有該不同色彩之輸出。
可適用於所揭示之實施例的一些遠端磷光LED可見於以上所引用之PCT公開案第WO 2012/091973號中。在'973公開案中，遠端磷光LED為磷光層由來自多個LED之光激發的寬頻帶光源。分色反射器將來自LED之光反射於磷光層上。第一及第二LED分別負責光源寬頻帶輸出光之第一及第二寬頻帶部分，每一該寬頻帶部分為寬頻帶且標稱白色。裝置組件經組態及配置以使得第一及第二寬頻帶光部分具有不同CIE色彩座標。此等部分組合產生光源總寬頻帶光輸出之所得色彩，該所得色彩隨第一及第二寬頻帶光部分之相對量而變。開放迴路或封閉迴路控制器可獨立地驅動LED以提供寬頻帶光部分之所需混頻，使得總寬頻帶光輸出在所需設計空間中具有某一色彩。
可適用於所揭示之實施例中的另一遠端磷光LED示意性展示於圖3中，其更多細節可見於以上引用之PCT公開案第WO 2012/091971號中。在圖3中，遠端磷光LED 311，在本文中亦稱為子系統311，展示於笛卡爾x-y-z座標系統之情形中。子系統311包括置於基板318上之藍光發射LED 312，該基板上亦具有當暴露於來自LED之藍光時發射較長波長可見光之磷光層314。LED 312可藉由線接合320連接至導電跡線。
子系統311亦包括具有朝向LED及磷光層314開放且涵蓋LED及層314之凸形的分色反射器316。反射器316之曲率中心以點319標記。LED 312相對接近於點319置放，且磷光層314亦是如此。如圖所示，磷光層314可比LED 312大，例如磷光層可具有比泵浦LED之表面積大的表面積。
由LED 312發射之藍光313a由分色反射器316部分反射產生反射之LED光313b，且部分透射產生透射之LED光313c。反射之LED光313b指向於磷光層314上，激發磷光體且致使磷光層發射較長波長光315a。此較長波長光由分色反射器316高度透射產生磷光315b。透射 光313c及透射光315b在空間上組合以提供子系統光源311之寬頻帶輸出光，諸如白光。內部空間317可包含封裝LED及磷光體之合適光透射玻璃或聚合物材料，且分色反射器可施用於該封裝物外表面。或者，內部空間317可為未填充的。
在子系統311中，基板318較佳較薄以便可撓性、較大熱傳導(及較低熱阻)至下層散熱片(未展示)及節省空間。雖然一般較薄，但基板318按期望模製、蝕刻或以其他方式成形以使凹槽區域321a與相鄰或鄰近區域321b相比甚至更薄，此等區域顯示為由傾斜過渡區域分開。厚度減小在凹槽區域提供較之鄰近區域甚至更大的熱傳導，合意地與形成基板之一部分的介電層318a之厚度減小相關。在圖中，介電層318a經展示具有在鄰近區域321b中之厚度T1及在凹槽區域321a中之較小厚度T2。安置在介電層318a頂部的為導電層318b，導電層318b可按需要經圖案化以向LED提供功率。導熱層318c安置於與層318b相對的介電層主表面上。在一些情況下，層318b、318c可由相同材料(例如銅)組成，而在其他情況下，可使用不同材料。因此，導電層318b亦可導熱，且導熱層318c亦可導電。導熱層318c較佳黏合於合適散熱片，例如使用合適熱界面材料。
基板318之變薄區域較佳與介電層318a之相應變薄區域相關，其在多數情況下為基板之關鍵結構組件。合適介電層包括聚酯、聚碳酸酯、液晶聚合物及聚醯亞胺。合適聚醯亞胺包括可以如下商標名購得之聚醯亞胺：可購自DuPont之KAPTON；可購自Kaneka Texas corporation之APICAL；可購自SKC Kolon PI Inc.之SKC Kolon PI；及可購自Ube Industries之UPILEX及UPISEL。以商標UPILEX S、UPILEX SN及UPISEL VT可購得之聚醯亞胺(均可購自Ube Industries,Japan)在許多應用中尤其有利。此等聚醯亞胺由諸如聯苯二酐(BPDA)及苯二胺(PDA)之單體製成。
可使用任何合適方法，諸如化學蝕刻、電漿蝕刻、聚焦離子束蝕刻、雷射切除及衝壓，使凹槽區域之介電層318a變薄。關於蝕刻，可使用任何合適蝕刻劑，且較佳蝕刻劑可視介電層所用之材料而定。合適蝕刻劑可包括鹼金屬鹽，例如氫氧化鉀；鹼金屬鹽及一種或兩種增溶劑，例如胺及醇，諸如乙二醇。合適化學蝕刻劑可包括KOH/乙醇胺/乙二醇蝕刻劑，諸如更詳細地描述於美國專利公開案US 2007/0120089(Mao等人)中之蝕刻劑，該公開案以引用的方式併入本文中。其他合適化學蝕刻劑可包括KOH/甘胺酸蝕刻劑，諸如更詳細地描述於共同讓渡的PCT公開案第WO 2012/061010號中之蝕刻劑，該公開案以引用的方式併入本文中。在蝕刻後，介電層可用鹼性KOH/高錳酸鉀(PPM)溶液，例如約0.7wt%至約1.0wt% KOH及約3wt% KMnO4之溶液處理。介電層可覆蓋於導電層一側或兩側上，例如圖3之層318b及318c。導電層可由任何合適導電及/或導熱材料組成，但通常包含銅。若欲使導電層形成電路，則其必要時可經預圖案化。在一些情況下，可撓性基板可具有多層構造，包括堆疊排列中之多層介電材料及導電材料。
所用變薄程序之類型可影響凹槽區域與鄰近區域之間的過渡，以及過渡區域中介電層及其他層之側壁的特徵。化學蝕刻可用於產生相對較淺的側壁，例如自可撓性基板平面所量測之範圍介於約5至60度、或約25至28度之典型側壁角度。諸如衝壓、電漿蝕刻、聚焦離子束蝕刻及雷射切除之其他技術可產生更陡的側壁，例如壁角達到約90度。在一些情況下，諸如在衝壓下，可形成完全貫穿介電層之孔洞。在該等情況下，可利用可撓性基板之其他層(諸如導電層318b及/或318c)為凹槽區域中之LED及/或磷光層提供實體支持。
在例示性實施例中，與鄰近區域321b相比，凹槽區域321a之介電層明顯更薄，增加傳導遠離LED及/或磷光層之熱量及使此等組件 保持在冷卻操作溫度下。舉例而言，厚度T2可為T1之約5%至25%。此外，T2可大於零，但不超過10微米，而T1可為至少20微米。在例示性實施例中，T1可不超過200微米。除增加熱傳導之外，凹槽區域之變薄性質可提供其他優勢，諸如形成傾斜側壁，該等傾斜側壁可塗有反射材料以增強效率。同樣，藉由使LED及/或磷光層附接於變薄凹槽區域之基板，此等組件並未在高度上延伸超出可撓性基板之平面，產生較佳適於低外觀尺寸應用之較低輪廓裝置。
提醒讀者上述遠端磷光LED及在本文中別處所述之遠端磷光LED為例示性的，且具有其他設計及特徵之遠端磷光LED亦可用於所揭示之寬頻帶光源。
一種該寬頻帶光源410示意性展示於圖4中。此光源410組合若干遠端磷光LED 411a、411b、411c、411d及若干直接發光之LED 430a、430b、430c，其中至少一者為直接發射短波長LED且至少一者為直接發射長波長LED。一些或所有此等組件可穿過一或多個中間層或元件直接或間接附接至支撐基座402。光透射球狀物或其他覆蓋元件440可直接或間接附接至基座402，以密封或以其他方式封閉遠端磷光LED及直接發光之LED。
遠端磷光LED 411a、411b、411c、411d之每一者可與圖1之遠端磷光LED 111或本文中所揭示之其他遠端磷光LED相同或類似。為簡單起見，圖4之每一遠端磷光LED展示為具有正好一個泵浦LED(參見元件412a、412b、412c、412d)及正好一個磷光層(參見元件414a、414b、414c、414d)以及凹面分色反射器(參見元件416a、416b、416c、416d)。然而，更多泵浦LED，及/或更多及/或經不同組態之磷光層亦可用於圖4中所示之一個、一些或所有遠端磷光LED中。圖中展示四個遠端磷光LED，但可使用其他數目之遠端磷光LED，包括僅1個、或2個、或3個、或4個以上。當使用一個以上遠端磷光LED時， 其可經設計以彼此相同或類似，或其可具有不同設計，例如不同數目之泵浦LED、及/或不同LED類型(例如色彩或波長)、及/或不同數目之磷光層、及/或不同磷光層厚度、及/或不同磷光體類型、及/或不同分色反射器，使其個別提供不同輸出光。遠端磷光LED可相對於光源410之中心點或光軸對稱排列，或其可不對稱及/或不規則地排列。
直接發光之LED 430a、430b、430c之至少一者及視情況兩者可與圖1之直接發射短波長LED 130a相同或類似，且直接發光之LED 430a、430b、430c之至少一者及視情況兩者可與圖1之直接發射長波長LED 130b相同或類似。圖中展示三個直接發光之LED，但可使用其他數目之直接發光之LED，包括僅2個、或4個、或4個以上。當使用兩個以上直接發光之LED時，其任意兩者可經設計以彼此相同或類似，或所有直接發光之LED可具有不同設計，例如不同頻譜分佈(包括不同頻譜寬度，例如，如由半峰全寬(FWHM)所量測)、及/或不同峰值波長或色彩、及/或不同輸出功率，使其個別提供不同輸出光。直接發光之LED可相對於光源410之中心點或光軸對稱排列，或其可不對稱及/或不規則地排列。
覆蓋元件440可與圖1之覆蓋元件140或本文中所揭示之其他覆蓋元件相同或類似。
基座402可與本文中所揭示之其他基座相同或類似。舉例而言，基座402可與習知照明燈具相容，且視需要可具有電接點及適於將輸入電功率轉換成與LED相容之電壓及電流的電路。基座402較佳包括上面安裝直接發光之LED及遠端磷光LED之反射面402a。合適反射器包括鋁、銀或其他合適金屬之層或塗層，及/或增強反射率之介電材料，諸如多層有機或無機薄膜堆疊，及/或色素層，諸如二氧化鈦填充之樹脂層。基座402亦較佳具有良好熱導率及散熱片性質，使得各種LED及磷光層並未在光源410操作期間變得過熱。過熱可降低該等 組件之效率及使用壽命。光源410亦可包括或耦接至控制系統(參見圖1)，該控制系統經調適以選擇性給光源410中之各種LED供能。
如例如結合圖1所論述，在光源410中，來自各種遠端磷光LED之光及來自各種直接發光之LED之光由覆蓋元件440透射且組合提供該光源之寬頻帶輸出光。在一個例示性實施例中，LED 430c可發射例如具有範圍介於600至700nm、或600至650nm之峰值波長的紅光，且LED 430a、430b可發射例如具有範圍介於400至500nm、或420至480nm、或445至500nm之峰值波長的藍光，且四個遠端磷光LED之每一者可使用藍色或UV泵浦LED且發射黃色磷光。若給全部7個LED充分供能(四個泵浦LED 412a、412b、412c、412d及三個直接發光之LED 430a、430b、430c)，則光源410之寬頻帶輸出光可實質上為白色。然而，若「關閉」直接發射紅色LED 430c，使得僅給6個LED充分供能，則寬頻帶輸出光可為具有帶藍色色澤之冷白色色彩。或者，若「關閉」直接發射藍色LED 430a、430b，使得僅給5個LED充分供能，則寬頻帶輸出光可為具有帶紅色色澤之暖白色色彩。
在其他實施例中，可使用多個標稱具有相同色彩(例如藍色或紅色)但具有不同峰值波長之直接發光之LED來增加光源之寬頻帶光輸出的演色指數(CRI)及/或色彩品質標度(CQS)以及發光效率。舉例而言，可使用各發射藍光但具有不同峰值波長之兩個直接發光之LED及/或各發射紅光但具有不同峰值波長之兩個直接發光之LED。峰值波長差可為例如至少5或10nm，但小於50或40nm。例如，一個直接發射藍色LED可具有445nm之峰值波長，且另一直接發射藍色LED可具有480nm之峰值波長。
另一寬頻帶光源510以側視圖或截面視圖形式示意性展示於圖5中。此光源510組合若干遠端磷光LED 511a、511b及若干直接發光之LED 530a、530b。一些或所有此等組件可穿過一或多個中間層或元 件直接或間接附接至支撐基座502。光透射球狀物或其他覆蓋元件540可直接或間接附接至基座502，以密封或以其他方式封閉遠端磷光LED及直接發光之LED。光源510經展示為具有對稱軸或光軸541。
除磷光層排列之外，遠端磷光LED 511a、511b可與圖4之遠端磷光LED類似，磷光層排列較詳細地展示於圖5a中。圖5之每一遠端磷光LED經展示為具有正好一個泵浦LED(參見元件512a、512b)、及特定磷光層排列(參見元件514a、514b)以及凹面分色反射器(參見元件516a、516b)。然而，於圖5中所示之一個或兩個遠端磷光LED中亦可使用更多泵浦LED、及/或更多及/或經不同組態之磷光層。兩個遠端磷光LED展示於圖5之側視圖中，但光源510可具有如例如圖4中所排列之總共4個遠端磷光LED，或光源510可經修改以具有其他數目之遠端磷光LED，諸如僅1個、或3個、或5個或5個以上。遠端磷光LED 511a、511b於圖5之側視圖中經展示為相對於光源510之對稱軸或光軸541對稱置放。在其他實施例中，遠端磷光LED不需要對稱置放。如以上所討論，當使用一個以上的遠端磷光LED時，其可彼此相同或不同。
如結合圖4之直接發光之LED 430a、430b、430c所述，在直接發光之LED 530a、530b中，一者為短波長(例如藍色)發射LED，且另一者為長波長(例如紅色)發射LED。圖中展示兩個直接發光之LED，但可使用其他數目之直接發光之LED，包括3個、或4個、或4個以上。如以上所討論，當使用兩個以上的直接發光之LED時，其任意兩者可相同，或其可均彼此不同。在圖5之側視圖中，LED 530a、530b經展示為相對於光軸541對稱置放。在其他實施例中，直接發光之LED不需要對稱置放。
覆蓋元件540可與圖4之覆蓋元件440相同或類似，且基座502可與圖4之基座402相同或類似。
如例如結合圖4所論述，在光源510中，來自遠端磷光LED 511a、511b之光及來自直接發光之LED 530a、530b之光(在一定程度上所有LED均由控制系統供能)由覆蓋元件540透射且組合提供該光源之寬頻帶輸出光。在一個例示性實施例中，LED 530a發射例如具有範圍介於600至700nm或600至650nm之峰值波長的紅光，且LED 530b發射例如具有範圍介於400至500nm、或420至480nm、或445至500nm之峰值波長的藍光，且兩個遠端磷光LED之每一種可使用藍色或UV泵浦LED且發射黃色磷光。當給所有LED供能時，光源510之寬頻帶輸出光可在該種情況下實質上為白色。
圖5a為遠端磷光LED 511之示意性側視圖或截面視圖，遠端磷光LED 511可與圖5中所示之一個或兩個遠端磷光LED 511a、511b相同。在圖5a中，遠端磷光LED 511具有泵浦LED 512、磷光層514及分色反射器516。分色反射器516覆蓋平凸透鏡或平凸體519之整個外曲面，但在其他實施例中，可製造僅覆蓋外曲面之一部分的分色反射器。反射器516相對於LED 512及磷光層514為凹面。分色反射器516亦覆蓋LED 512及磷光層514兩者。平凸體519具有定義遠端磷光LED 511之光軸521的對稱軸。平凸體519之外曲面為曲率中心安置在點520處之球形的區段。泵浦LED 512位於靠近點520但沿著y軸方向與點520隔開。以此方式定位且由於反射器516呈凹形，反射器516大致使來自LED 512之激發光成像於點520相對側(亦即根據圖5a之透視圖在點520左側)之一部分磷光層514上。
磷光層514分成兩個可由不同磷光體材料組成的較薄磷光層517、518。一般，磷光層可具有多種組態，且可在不同層、區帶或圖案化區域中包含相同或不同磷光體材料。在一個例示性實施例中，上部磷光層518發射紅色磷光，且下部磷光層517發射綠色磷光。透明光透射層515可例如為一層光學黏著劑，使磷光層514(更特定言之上部 磷光層518)與平凸體519之平面表面分隔開。泵浦LED 512之上部發射主表面513可如所示安置在層515內。
基座503可與圖5中之基座502相同，或基座503可為用於製造遠端磷光LED 511之不同支撐基板，基座503隨後黏著、黏合或以其他方式附接至圖5之基座502。基座503較佳具有良好熱導率以自LED 512及磷光層514提取熱量。基座503可包括連接至泵浦LED之電接點或跡線(未展示)以允許電控制泵浦LED。基座503亦較佳具有面向磷光層514及泵浦LED 512之反射面501，使得到達遠端磷光LED背面及將被吸收或以其他方式損失之激發光及磷光可改變方向朝著遠端磷光LED前端，從而提高遠端磷光LED 511之效率及光輸出。
任何所揭示之寬頻帶光源可包括合適控制系統，或該等寬頻帶光源可經調適以使其可附接或以其他方式耦接至合適控制系統。在控制系統可具有的各種功能中，一者為藉由選擇性驅動光源中所包括之各種LED或給其供能來控制光源寬頻帶輸出光之色彩。另一功能為控制光源亮度。控制系統較佳能夠提供至少第一及第二控制輸出，該第一及第二控制輸出分別對應於給第一組LED供能以提供第一輸出色彩，及給第二組LED供能以提供第二輸出色彩，該第一及第二輸出色彩以CIE色度單位計相差至少0.2，及/或相差至少4000或5000克耳文相關色溫。第一及第二組LED較佳各包括一半以上、或至少60%或至少70%之全部數目的LED。控制系統當然亦可根據其他控制輸出驅動光源，且可經由一或多個中間控制輸出(例如，包括經由逐漸且連續自第一控制輸出變化至第二控制輸出之輸出)，自第一控制輸出過渡至第二控制輸出或自第二控制輸出過渡至第一控制輸出，或其可在存在或不存在中間控制輸出的情況下，以數位方式或不連續地自第一控制輸出過渡至第二控制輸出。在任意給定時間下，控制系統可例如使用振幅、持續時間(時間寬度)、重複率及工作週期可變的電流或電壓 脈衝以連續方式或以調變方式驅動任一或所有經供能之LED。任何經調變之LED的重現率較佳足夠高，使得調變不可由人眼察覺，從而使得隨時間而變的光源照明由使用者察覺為實質上穩定或連續。不同控制輸出(包括與第一及第二輸出色彩相關的兩個控制輸出)之間的過渡可藉由逐漸改變第一及/或第二組LED中所包括之個別LED的工作週期或其他操作條件而為逐漸及連續的。
控制系統可根據任何所需定時流程改變光源色彩。舉例而言，控制系統可經程式化以根據一天的時間及/或一年的時間，且基於光源所安裝之地點或場所(如例如由經度及緯度或其他大域座標所定義，其值亦可儲存及/或程式化至控制系統中)來改變光源色彩，例如模擬該地點陽光或天空之色彩特徵，或提供色彩與一天的時間之間的另一所需函數關係。對於光源使用者而言，控制系統可經程式化以對人體晝夜節律具有有利影響的方式改變輸出光之色彩。舉例而言，在人類中，在白晝時間期間藍光太少可對季節性情緒失調有影響，且在夜間時間藍光太多可對睡眠持續時間及品質有影響。因此，控制系統可經程式化以控制光源，使得第一輸出色彩相比第二輸出色彩具有較大藍色含量(例如其可具有較小CIE x座標)且第二輸出色彩相比第一輸出色彩具有較大紅色含量(例如其可具有較大CIE x座標)，且在(本地)白晝時間期間提供第一輸出色彩及在(本地)夜間時間期間提供第二輸出色彩。控制系統可基於自一或多個裝置或元件接收之控制系統資訊控制光源，包括：物理模擬輸入；觸控螢幕，包括數位觸控螢幕且包括在觸控螢幕上移動；智慧型手機；電腦；輸入板；電視；來自人類互動之基於姿態的識別，例如經由攝影機、紅外攝影機、或其他基於透鏡之輸入；網路或無線光源；語音或聽覺指令；及情境環境條件，諸如溫度、濕度、大氣壓、輻射熱、噪聲、香味、環境光(包括UV)及其類似物，且包括該等條件之變化。
控制系統可直接或經由一或多個中間裝置或元件連接或耦接至光源，包括：所選電源；網路，包括例如閉網格構建網路；網際網路協定裝置；內部網路協定裝置；光源之菊鏈網路；無線、網路、光纖及/或傳統或現有基礎結構。
控制系統亦可經組態以向光源使用者提供反饋。反饋可例如提供於諸如視覺顯示裝置之圖形使用者介面上，該圖形用戶界面可作為控制系統之一部分而包括或控制系統可與例如智慧型手機或自持遙控器通訊，且反饋亦可為或包括可聽聲音及/或震動。反饋可為或包括以下表示，例如光源之光強度及/或光源之光譜。
控制系統亦可經組態以使其光源控制不僅基於預選設置，且亦基於可由光源使用者所選之屬性，其中該使用者亦可基於所需最終結果選擇給定屬性多大可影響光源操作。
在一些情況下，控制器可經組態以直接基於使用者反應修改光源之光譜或色彩。在一些情況下，控制器可經組態以允許使用者選擇各種輸入以使用光源顯現天然環境，從而獲得有機型活動氛圍。
實例
模型化或模擬如本文中所揭示之混合寬頻帶光源，且評估其輸出特性。模擬使用LightToolsTM光學設計軟體。實例使用總共7個(N=7)LED，其由4個(N1=4)泵浦LED、2個(N2=2)直接發射短波長LED及1個(N3=1)直接發射長波長LED組成。泵浦LED經組態為四個獨立遠端磷光LED。(在替代性實施例中，兩個或兩個以上泵浦LED可組合成一個遠端磷光LED，在此情況下，遠端磷光LED的數目可小於泵浦LED的數目。)遠端磷光LED及直接發光之LED排列於基座上且具有球狀物或覆蓋元件，一般如圖4及5所示，但其中遠端磷光LED具有圖5及5a中所示之構造。
所關注之輸出參數為依據CIE x及y色彩座標量測之由光源發射的 寬頻帶輸出光之色彩。模型化且計算與尺寸為20mm×20mm且與凹面覆蓋元件(圖4之覆蓋元件440、圖5之覆蓋元件540)之頂端相切及中心處於該頂端之正方偵測平面中之位置相關的寬頻帶輸出之光譜分佈(及色彩)。亦計算遍及偵測平面之光譜分佈的空間平均值。
模擬實施例之額外設計特徵包括以下：
．三個直接發光之LED(參見圖4之430a、430b、430c及圖5之530a、530b)各具有正方形1×1mm發射面積，且一般如圖4所述位於離光源中心(圖5之軸541)等距離處，各LED之中心距離光源中心0.75mm。此等LED為10微米厚且在其背面具有反射塗層，反射塗層具有50%反射率及50%吸收率。兩個直接發光之LED發射短波長(實質上藍色)光且具有相同個別輸出特性：峰值波長為460nm、光譜頻寬為18.8nm(FWHM)、輻射輸出功率為1.0瓦。剩餘直接發光之LED發射長波長(實質上紅色)光且具有以下輸出特性：峰值波長為620nm、光譜頻寬為18.8nm(FWHM)、輻射輸出功率為1.0瓦。
．將覆蓋元件模製為以朗伯分佈散射前向光之漫射球狀物。覆蓋元件之形狀為半球形，曲率半徑為約10mm且厚度為0.1mm。假定覆蓋元件內(亦即覆蓋元件與遠端磷光LED之間)的空間為空氣。
．假定各模擬實施例中之四個遠端磷光LED構造相同，且其距離光源中心(圖5之軸541)3.5mm對稱置放。各遠端磷光LED實質上如圖5a中所示，其中：o平凸體519具有2mm曲率半徑及1.8mm厚度，且假定由BK7玻璃製成；o分色反射器516覆蓋體519之整個外曲面，且為13層交替SiO2/TiO2微層堆疊，該堆疊提供如圖6中所示之普通入射光的光譜反射率；o層515為0.1mm厚且具有1.41之折射率；泵浦LED 512之發射表 面513處於此層中心(關於z軸)；o泵浦LED 512如其他LED一般具有正方形1×1mm發射面積的發射表面513，及10微米厚度及背部反射器。LED 512經置放以使得曲率點中心520與LED 512邊緣之間形成0.05之間隙(沿著圖5a之y軸)。LED 512之輻射輸出功率為1瓦。LED 512具有415nm之峰值波長及19nm之頻譜寬度(FWHM)。
o磷光層517、518各為0.1mm厚。假定上層518發射紅色磷光，且具有由圖7之曲線710定義的正規化吸收光譜及由圖7之曲線712定義的正規化發射光譜。假定下層517發射綠色磷光，且具有由圖7之曲線714定義的正規化吸收光譜及由圖7之曲線716定義的正規化發射光譜。假定層517、518各由浸於折射率為1.41之聚矽氧黏合劑中之折射率為1.8的磷光體粒子組成；綠色發射磷光層之量子效率為91%，且紅色發射磷光層之量子效率為59%；且o假定下部磷光層517之背面為具有98%反射率之朗伯散射體。
除具有此等模擬特性之外，假定光源經組態以使得LED經佈線以便獨立電控制，從而可按需要給不同組之LED供能。隨後，根據對應於三種不同控制輸出之三種不同模式「操作」光源(亦即模擬其輸出)。
在第一操作模式中，給全部四個泵浦LED(且因此四個遠端磷光LED)充分供能，但三個直接發光之LED全部「關閉」。因此，給七分之四(4/757%)之LED供能。在此模式中，正方形偵測平面處之寬頻帶輸出光具有黃色外觀。計算遍及整個偵測平面之光譜分佈的空間平均值且展示於圖8中。
在第二操作模式中，再給四個泵浦LED(且因此四個遠端磷光LED)充分供能，且亦給直接發射長波長LED充分供能，但兩個直接發射短波長LED保持在「關閉」狀態。因此，給七分之五(5/771%) 之LED供能。在此模式中，正方形偵測平面處之寬頻帶輸出光具有暖白色外觀。計算遍及整個偵測平面之光譜分佈的空間平均值且展示於圖9中。亦計算跨越偵測平面之位置的陣列或柵格處的寬頻帶輸出光之光譜分佈，且基於光譜分佈計算每一該位置處之CIE色彩座標。所得計算色彩標繪於圖9a之CIE色度圖上，其中偵測平面上每一柵格位置處之計算色彩以「+」符號標繪。平均色彩足夠接近於普朗克軌跡，從而具有經計算為2,439克耳文之相關色溫。
在第三操作模式中，再給四個泵浦LED(且因此四個遠端磷光LED)充分供能，且亦給兩個直接發射短波長LED充分供能，但直接發射長波長LED處於「關閉」狀態。因此，給七分之六(6/786%)之LED供能。在此模式中，正方形偵測平面處之寬頻帶輸出光具有冷白色外觀。計算遍及整個偵測平面之光譜分佈的空間平均值且展示於圖10中。亦計算跨越偵測平面之位置的陣列或柵格處的寬頻帶輸出光之光譜分佈，且基於光譜分佈計算每一該位置處之CIE色彩座標。所得計算色彩標繪於圖10a之CIE色度圖上，其中偵測平面上每一柵格位置處之計算色彩以「+」符號標繪。平均色彩足夠接近於普朗克軌跡，從而具有經計算為7,563克耳文之相關色溫。
基於第二操作模式(具有71% LED利用率)及第三操作模式(具有86% LED利用率)之寬頻帶輸出光的空間平均色彩，彼等模式之間的色差以CIE色度單位計為約0.27及以相關色溫計約5,124克耳文。
以上實施例及教示可進行許多改變、改進及修改將對一般熟習此項技術者顯而易見。舉例而言，此文件通篇以LED的「數目」表示來論述LED利用率，例如總數N個LED，數目N1個泵浦LED，數目N2個直接發射短波長LED及數目N3個直接發射長波長LED。應瞭解，該等數目N、N1、N2及N3為正整數，藉由簡單計數所討論之LED獲得。基於該等數目之描述、比較及關係在所論述之各種LED具有相同 或類似尺寸時最相關，該等尺寸可例如以LED之發射面積來表示。因此，舉例而言，若所論述之各種LED均具有彼此相同或類似之發射面積(目前市售LED晶粒之標準尺寸標稱1×1mm)，則本文中基於彼等數目論述之描述、比較及關係具有最大相關性。然而，若所論述之一或多個LED具有與所論述之一或多個其他LED相差極大的尺寸(例如發射面積)，則可採用更一般的方法。在更一般的方法中，LED數目可經「有效數目」置換，其中該有效數目為LED的數目乘以其相應尺寸(例如其發射面積)或與其相應尺寸成比例的因子。
舉例而言，作為上述實例之替代物，四個泵浦LED(其各自具有1×1mm發射面積)可經具有相同總發射面積(1mm2乘以4，亦即4mm2)之單個較大泵浦LED置換，而直接發光之LED保持如前所述之相同尺寸。新的較大泵浦LED可具有2×2mm發射面積，且可併入置換四個原始遠端磷光LED之單個大型遠端磷光LED中。在經修改之光源中，泵浦LED之數目N1為1，直接發射短波長LED之數目N2為2，直接發射長波長LED之數目N3為1，且LED之數目N為4，但泵浦LED之尺寸與直接發光之LED之尺寸相差極大。使用此等數目，LED利用率將表示為第二操作模式(其中給除兩個直接發射短波長LED以外的所有LED供能)50%(2/4)，及第三操作模式(其中給除一個直接發射長波長LED以外的所有LED供能)75%(3/4)。然而，若吾等選擇與光源中LED之最小發射面積成比例的乘積因子，則吾等可依據有效數目描述LED利用率：泵浦LED之有效數目(「NE1」)為4，直接發射短波長LED之有效數目(「NE2」)為2，直接發射長波長LED之有效數目(「NE3」)為1，且LED之有效數目(「NE」)為7。使用此等有效數目，LED利用率將表示為第二操作模式(其中給除兩個直接發射短波長LED以外的所有LED供能)71%(5/7)，及第三操作模式(其中給除一個直接發射長波長LED以外的所有LED供能)86%(6/7)。根據此簡單替代性實例，吾 人可容易地瞭解，本文中關於LED之「數目」所論述的描述、比較及關係可如本文所述藉由始終用LED有效數目置換LED數目來一般化。
本申請案之教示可與2012年6月1日申請之共同讓渡的美國專利申請案第61/654,278號(代理人案號69757US002)「Hybrid Light Bulbs Using Combinations of Remote Phosphor LEDs and Direct Emitting LEDs」之教示組合使用。
除非另外指明，否則本說明書及申請專利範圍中所用之表示數量、性質量測值等之所有數目應理解為由術語「約」修飾。因此，除非作相反說明，否則本說明書及申請專利範圍中所闡述的數值參數為可視熟習此項技術者利用本申請案之教示設法獲得的所需性質而變化之近似值。並非試圖限制等效物原則應用於申請專利範圍之範疇，每一數值參數至少應根據所報導之有效數位的數目且藉由應用普通捨入技術來解釋。儘管闡述本發明之廣泛範疇的數值範圍及參數為近似值，但在一定程度上本文所述之特定實例中闡述任何數值，該等數值已儘可能適度精確地報導。然而，任何數值完全可能含有與測試或量測侷限性相關的誤差。
在不悖離本發明之精神及範疇的情況下，本發明之各種改進及變化將對熟習此項技術者顯而易見，且應瞭解，本發明不限於本文中所闡述之說明性實施例。除非另外指明，否則讀者應假定一個所揭示實施例的特徵亦可應用於所有其他所揭示實施例。亦應瞭解，本文中提及之所有美國專利、專利申請公開案、及其他專利及非專利文件以引用的方式併入，併入程度使得其並不與以上揭示內容矛盾。
402‧‧‧支撐基座
402a‧‧‧反射面
410‧‧‧寬頻帶光源
411a‧‧‧遠端磷光LED
411b‧‧‧遠端磷光LED
411c‧‧‧遠端磷光LED
411d‧‧‧遠端磷光LED
412a‧‧‧泵浦LED
412b‧‧‧泵浦LED
412c‧‧‧泵浦LED
412d‧‧‧泵浦LED
414a‧‧‧磷光層
414b‧‧‧磷光層
414c‧‧‧磷光層
414d‧‧‧磷光層
416a‧‧‧凹面分色反射器
416b‧‧‧凹面分色反射器
416c‧‧‧凹面分色反射器
416d‧‧‧凹面分色反射器
430a‧‧‧直接發光之LED
430b‧‧‧直接發光之LED
430c‧‧‧直接發光之LED
440‧‧‧覆蓋元件

Claims (23)

  1. 一種用於發射寬頻帶光之照明系統，其包含：總數N個LED；及覆蓋該N個LED且透射該寬頻帶光之光透射覆蓋元件；其中該N個LED包括：數目N1個泵浦LED，每一泵浦LED經組態為遠端磷光LED，其中該泵浦LED與分色反射器及磷光層組合，使得來自該泵浦LED之至少一些光由該分色反射器反射於該磷光層上以引起該磷光層發射磷光，該分色反射器亦經組態以實質上透射該磷光；數目N2個直接發射短波長LED，其具有範圍介於400至500nm間之峰值輸出波長，各短波長LED經安置以發射至少一些自該短波長LED傳播至該覆蓋元件而未由任何分色反射器實質上反射的光；及數目N3個直接發射長波長LED，其具有範圍介於600至700nm間之峰值輸出波長，各長波長LED經安置以發射至少一些自該長波長LED傳播至該覆蓋元件而未由任何分色反射器實質上反射的光；其中該等泵浦LED、該等直接發射短波長LED及該等直接發射長波長LED分別經佈線以便獨立電控制；其中由該覆蓋元件透射之寬頻帶光的色彩隨該N個LED中經供能之LED而變；其中該N個LED經組態以使得該寬頻帶透射光可具有與該N個LED中經供能之第一組相關的第一色彩，及與該N個LED中經供能之第二組相關的第二色彩；及 其中該第一及第二色彩具有以CIE色度單位計至少0.2之色差，且其中該N個LED之第一及第二組各涉及給該N個LED之一半以上供能。
  2. 如請求項1之系統，其中該N個LED之第一及第二組各涉及給該N個LED之至少60%供能。
  3. 如請求項2之系統，其中該N個LED之第一及第二組各涉及給該N個LED之至少70%供能。
  4. 如請求項1之系統，其中該N個LED之第一及第二組各涉及給所有該N1個泵浦LED供能。
  5. 如請求項1之系統，其中該第一及第二色彩足夠接近於普朗克(Planckian)軌跡，以使其具有相應的第一及第二相關色溫。
  6. 如請求項5之系統，其使得該第一及第二相關色溫相差至少4000克耳文(Kelvin)。
  7. 如請求項6之系統，其使得該第一及第二相關色溫相差至少5000克耳文。
  8. 如請求項1之系統，其中N1為至少2，且其中存在複數個遠端磷光LED。
  9. 如請求項8之系統，其中該複數個遠端磷光LED利用具有相同磷光體組成之磷光層。
  10. 如請求項8之系統，其中該複數個遠端磷光LED利用具有不同磷光體組成之磷光層。
  11. 如請求項1之系統，其中N1>N2+N3。
  12. 如請求項1之系統，其中對於該(等)遠端磷光LED中之至少一者，該泵浦LED、該磷光層及該分色反射器經排列以使得至少一些激發光自該泵浦LED傳播至該分色反射器而不通過該磷光層。
  13. 如請求項1之系統，其中至少一些該(等)泵浦LED具有小於420 nm之峰值波長。
  14. 如請求項1之系統，其中至少一些該(等)直接發射短波長LED具有範圍介於420至480nm間之峰值輸出波長。
  15. 如請求項1之系統，其進一步包含：控制系統，其經組態以獨立地驅動該N1個泵浦LED、該N2個直接發射短波長LED及該N3個直接發射長波長LED。
  16. 如請求項15之系統，其中該控制系統經組態以提供第一及第二控制輸出，該第一控制輸出有效地給該N個LED之第一組供能以提供該透射寬頻帶光之第一色彩，且該第二控制輸出有效地給該N個LED之第二組供能以提供該透射寬頻帶光之第二色彩。
  17. 如請求項1之系統，其中該光透射覆蓋元件為光漫射型。
  18. 一種用於發射寬頻帶光之照明系統，其包含：總有效數目NE個LED；及覆蓋該NE個LED且透射該寬頻帶光之光透射覆蓋元件；其中該NE個LED包括：有效數目NE1個泵浦LED，每一泵浦LED經組態為遠端磷光LED，其中該泵浦LED與分色反射器及磷光層組合，使得來自該泵浦LED之至少一些光由該分色反射器反射於該磷光層上以引起該磷光層發射磷光，該分色反射器亦經組態以實質上透射該磷光；有效數目NE2個直接發射短波長LED，其具有範圍介於400至500nm間之峰值輸出波長，各短波長LED經安置以發射至少一些自該短波長LED傳播至該覆蓋元件而未由任何分色反射器實質上反射的光；及有效數目NE3個直接發射長波長LED，其具有範圍介於600至700nm間之峰值輸出波長，各長波長LED經安置以發射至少 一些自該長波長LED傳播至該覆蓋元件而未由任何分色反射器實質上反射的光；其中該等泵浦LED、該等直接發射短波長LED及該等直接發射長波長LED分別經佈線以便獨立電控制；其中由該覆蓋元件透射之寬頻帶光的色彩隨該NE個LED中經供能之LED而變；其中該NE個LED經組態以使得該寬頻帶透射光可具有與該NE個LED中經供能之第一組相關的第一色彩，及與該NE個LED中經供能之第二組相關的第二色彩；及其中該第一及第二色彩具有以CIE色度單位計至少0.2之色差，且其中該NE個LED之第一及第二組各涉及給該NE個LED之一半以上供能。
  19. 如請求項18之系統，其中該NE個LED之第一及第二組各涉及給該NE個LED之至少60%供能。
  20. 如請求項18之系統，其中該NE個LED之第一及第二組各涉及給該NE個LED之至少70%供能。
  21. 如請求項18之系統，其中該NE個LED之第一及第二組各涉及給所有該NE1個泵浦LED供能。
  22. 如請求項18之系統，其中NE1為至少2。
  23. 如請求項18之系統，其中NE1>NE2+NE3。
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