专利名称：磷转换光源的制作方法
背景技术：
发光二极管(LED)是替代传统的光源例如白炽灯和荧光灯光源的有吸引力的候选。这种LED具有比白炽灯更高的电光转换效率和更长的寿命，而且不需要与荧光灯光源有关的高工作电压。此外，希望LED的光转换效率将持续增加到LED也能提供比荧光灯光源更高的转换效率的点。
遗憾的是，LED在相对窄的光谱带发光。因此，为了产生具有任意颜色的光源，典型地使用具有多个LED的复合光源。例如，通过组合发红、绿、蓝光LED可以构建匹配某一特定颜色发光的、基于LED的光源。各种颜色的强度比率设定了人类观察者所感知的光的颜色。
遗憾的是，单个LED的输出随温度、驱动电流和老化而变化。此外，LED的特性随制造过程中的生产批次而不同，并且对于不同颜色的LED也是不同的。因此，当条件改变或设备老化时，在一组条件下提供所需颜色的光源将出现颜色变化。为了避免这些变化，必须在光源中采用某种形式的反馈系统来改变单个LED的驱动条件，从而使得尽管在光源中使用的复合LED有可变性，而输出光谱仍然保持在设计值。在现有技术的一种反馈系统中，提供光电二极管来监测每个LED的输出和电流，通过这样来调节LED以维持光电二极管输出在预定值。
这种反馈系统增加了光源的成本。如果每种颜色仅有一个LED，那么可以使用每个LED的滤色器来限制进入每个光电二极管的光由特定的LED发光。遗憾的是，许多光源需要每种颜色的多个LED来提供充足亮度的光源。配置监测光电二极管使得每个光电二极管仅测量来自一个LED的光，这样使设计复杂化并进一步增加成本。
发明内容
本发明包括具有第一和第二构件光源的光源。第一构件光源包括以第一波长发光的第一LED和将第一波长光转换成第一输出波长光的第一发光转换层，以及第二构件光源包括以第二波长发光的第二LED和将第二波长光转换成第二输出波长光的第二发光转换层，第一输出波长不同于第二输出波长。第一和第二LED以相同的材料系构造。控制器产生通过第一和第二LED中每一个的电流，该电流导致产生预定颜色光的光源。在一实施例中，第一和第二发光转换层包括含有有机磷的可溶磷。在一实施例中，第一和第二LED在生产线上用同一批次的晶片(wafer)制造，并且最好以相同的晶片制造。在一实施例中，光源包括测量第一和第二LED产生的光强度的光电探测器。该控制器调节通过第一和第二LED的电流以将测得的强度维持在预定值。在一实施例中，该光源还包括第三和第四构件光源。第三构件光源包括以第三波长发光的第三LED和将第三波长光转换成第三输出波长光的第三发光转换层，以及第四构件光源包括以第四波长发光的第四LED和将第四波长光转换成第四输出波长光的第四发光转换层。第三输出波长不同于第四输出波长。第三和第四LED正如第一和第二LED以相同的材料系构造。
图1是使用反馈系统控制单个LED的占空系数而产生精确输出颜色的现有技术LED光源的框图。
图2示出根据本发明一实施例的光源50。
图3示出根据本发明一实施例的光源70。
具体实施例方式
参照图1可以更容易地理解本发明的优点。图1是使用反馈系统控制单个LED的占空系数而产生精确输出颜色的现有技术LED光源的框图。光源10使用红、绿和蓝色LED11来产生任意颜色的光。该LED由驱动器12驱动，当LED为“开”时，驱动器12设定通过每个LED的电流。在该“开”状态，每个LED由独立于光源10产生的颜色的预定电流驱动。LED在具有周期T的周期时间以脉冲的方式被驱动。在每个周期期间，每个LED打开一段时间t，该时间段t取决于光源10产生的光的颜色。
为了简化下列讨论，比率t/T将被称作占空系数。原则上，如果周期T充分小，那么被人类观察者从每个LED看到的光的强度与那个LED的t成正比。遗憾的是，LED不会瞬间打开和关闭，并且来自任何LED的光输出也可以是占空系数的函数，这是因为LED的工作温度将随占空系数的增大而升高。然而，在期望的输出颜色和施加于这三个LED的占空系数之间有固定联系。该联系持续由测量实际产生的光和使用伺服环路的占空系数调节而决定。
再次参照图1，光源10包括接收部分离开LED的光的三个光电探测器16-18。该光电探测器包括将每个过滤器的响应限制到由相应一个LED产生的波段的滤色器。每个光电探测器具有与从相应的光电探测器到低通滤波器的信号相匹配的相应的接口电路。对应于光电探测器16-18的接口电路分别用13-15示出。典型的低通滤波器以19示出。每个低通滤波器由电阻器20和电容器21组成。选择电阻器和电容器的值来平衡开关周期数，使得低通滤波器的输出是代表三个波段中每个的光强度的DC电平。低通滤波器的输出使用ADC22数字化，并与储存在减法电路23中的寄存器堆栈24中的目标值相比较，其产生与低通滤波器的输出和该目标值之差相关的信号。该目标值代表对应于期望输出颜色的三个强度。测量强度和目标强度之差提供了三个误差信号，反馈控制器25使用其来调节这三个相应的占空系数直到测量的输出与目标值相匹配。
在此提供在预定义波段发光的LED的两种方法。在第一种方法中，制造LED使得每个LED的天然发射光谱在期望的波长。为了提供期望的波长，常常需要不同的材料系。因此，用与红色LED不同的材料系来制造蓝色LED，等等。如上所述，不同的LED具有显著不同的老化特性。此外，每个LED发射的频谱以该LED特性的方式随温度而变化。因此，由多个不同的LED构建的合成光源随LED老化而显示出颜色和强度的变化。
提供LED的第二种方法使用磷转换而将天然LED发射光谱转换成期望的光谱。现在参照图2，其示出根据本发明一实施例的光源50。光源50使用四个安装在基底55上的4个相同的LED51-54。每个LED由相应的磷层覆盖。对应于LED51-54的磷层分别以61-64示出。每个磷层将相应的LED产生的天然光转换成不同颜色的光。正如下面将更详细解释的，使用4种不同的颜色来改进光源50所能够产生的色域。
在本发明的一实施例中，将可溶荧光染料用于颜色转换。可被470nm范围内的蓝光激发的荧光染料从佛罗里达州，劳德代尔堡的Lambda Physik有限公司可以得到。例如，香豆素6将蓝光转化为绿光；弗卢罗7GA将蓝光转化为黄绿光；若丹明110将蓝光转化为黄光，并且吡啶将蓝光转化为红光。其它的磷光剂从马萨诸塞州，丹弗斯的Osram Sylvania有限公司以及Molecular Probes有限公司，Eugene OR可以得到。可以在多层使用染料来提供比用单染料可得到的更大的色偏。在这种配置中，每层向上偏移少量颜色，因此，即使任一染料的颜色到颜色的偏移很小，全部的偏移也可能相当大。在美国共同未决专利申请11/025,450中详细讨论了基于这些染料的磷转换LED光源，在此引作参考。
如上所述，选择用于不同颜色的LED以具有基本相同的老化和温度特性。因此，用相同的材料系构建LED51-54，并且最好采用同一制造批次。LED的老化和温度特性取决于各层中的杂质含量。即使在控制良好的生产线中，这些杂质含量从一批到另一批也不同。然而，在给定晶片以及通常在给定批次中，杂质含量基本上是常量。然而，本发明使用最好在同一晶片上或至少在同一制造批次中构建的LED。
应该注意的是，某些从LED发出的光不能用发光转换材料来转换。这些非转换光在光源的输出光谱中具有不良影响，因此，在这些情况下，提供一种阻碍该非转换光离开光源的滤光器是有利的。用于阻碍该不必要光的一种方法是包括一个阻碍来自磷材料和观察者之间的LED的天然发射的滤光器。这些滤光器在图2中以65-68示出。然而，显然易见的是，单个滤光器可以置于整个光源上。由于LED在同一波长或其附近发光，因此可以将单频带阻碍滤光器用于所有的LED。
尽管图2中所示的实施例使用特定配置的光转换层，但应该注意本发明并不限于这种配置的层。相对现有技术已知的层的配置具有宽的范围。例如，已经使用围绕管芯的层。密封管芯和填充反射杯(reflector cup)的厚层也是已知的。
现参照图3，其示出根据本发明一实施例的光源70。光源70包括四个磷转换LED光源71-74。每个LED光源由恒定的电流源驱动，该恒流源提供由控制器86施加的控制信号决定的电流。相应于LED光源71-74的电流源分别以81-84示出。一旦产生的最终颜色输入到控制器86，控制器86就设定来自电流源的电流以提供该颜色。由于LED光源71-74中的LED是相同的，该光源将以相同的速度老化，因此，光源的强度至多将在一段时间后减小，同时颜色基本不变。由光电二极管88和运算放大器89构建的光电探测器87可被包括在光源中以监测LED光源71-74产生的光的强度。在这种系统中，控制器86成比例地增加通过每个LED的电流以将强度维持在期望级别。应该注意的是，该控制方案独立于每种颜色的LED的数目，这是因为即使包括该可选的光电探测器，控制器也仅需要监测光源集合的总光输出。
由于控制器86不需要补偿由老化引起的色偏，因此可以在工厂校准光源并且在控制器86中的非易失性存储器中储存校准曲线。一旦校准后，则控制器86可以产生在某预定标准颜色方案例如1931CIE颜色标准中的指定颜色规范的四个LED光源色移(gamut)内的任何颜色。
如上所述，根据本发明的光源最好使用四种不同颜色光源以提供颜色空间的更好覆盖。由于基于4种颜色的产生颜色的方案对现有技术是已知的，将4种组成色转变为期望颜色将不在此详细讨论。不脱离本发明的教导就可构建具有更少颜色或更多颜色的光源，而优选为至少4种颜色。例如，如果构建一种相对人类观察者显示出白光的光源，则可以使用由蓝和黄光源组成的两色光源。
本发明的上述实施例使用可溶磷的同时，使用其它形式的磷也不脱离本发明的教导。例如，将以第一波长发光的LED的光转换成第二波长的光的无机磷层在现有技术中是已知的。典型的是通过载体例如透明环氧树脂中磷材料的悬浮粒子来构建这些材料的磷层。接着使用环氧树脂来覆盖LED模具。在覆盖该模具后，通过使其暴露于热或光中而将未硬化的环氧树脂硬化。
本发明的上述一致性实施例使用磷将来自LED的光转换成最后的颜色的同时，可以使用任何发光转换材料。例如，量子点磷和纳米磷也可以用于光转换。对该讨论来说，发光转换材料是可将一种波长的光转换为另一种波长的任何材料。这些材料包括产生更短波长的光的非线性光学材料和从LED光源产生更长波长的光的传统磷。
如上所述，在本发明的优选实施例中，LED尽可能近似相同。即，LED是来自同一生产线的同一批次的晶片。然而，本发明即使在LED有轻微差异的情况下还提供了显著的优势。例如，LED可以在不同的生产线制造，但是来自同一材料系。在这种情况下，LED在它们的输出波长上具有小的差异。然而，这种LED将仍然具有比在不同材料系中构建的LED彼此更接近的老化特性。
从前述说明书和附图而对本发明的各种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明仅受下列权利要求范围的限制。
权利要求
1.一种光源，包括第一和第二构件光源，所述第一构件光源包括以第一波长发光的第一LED和将所述第一波长光转换成第一输出波长光的第一发光转换层，以及所述第二构件光源包括以第二波长发光的第二LED和将所述第二波长光转换成第二输出波长光的第二发光转换层，所述第一输出波长不同于所述第二输出波长，其中所述第一和第二LED以相同的材料系构造，以及使每个所述第一和第二LED产生大量光的控制器，该第一和第二LED导致所述光源产生预定颜色的光。
2.权利要求1的光源，其中所述第一和第二发光转换层包括可溶发光转换材料。
3.权利要求2的光源，其中所述发光转换材料包括有机磷。
4.权利要求1的光源，其中所述第一和第二发光转换层包括发光转换材料粒子。
5.权利要求4的光源，其中所述发光转换材料包括无机发光转换材料。
6.权利要求1的光源，还包括用于阻挡不被所述第一光转换层转换的所述第一波长光离开所述光源的滤光器。
7.权利要求1的光源，其中所述第一和第二LED用生产线上同一批次的晶片制造。
8.权利要求1的光源，其中所述第一和第二LED以相同的晶片制造。
9.权利要求1的光源，还包括测量由所述第一和第二LED产生的光的强度的光电探测器，且其中所述控制器调节通过所述第一和第二LED的所述电流以将所述测量强度维持在预定值。
10.权利要求1的光源，还包括第三构件光源，所述第三构件光源包括以第三波长发光的第三LED和将所述第三波长光转换成与不同于所述第一和第二输出波长的第三输出波长光的第三发光转换层，其中所述第三LED用和所述第一和第二LED相同的材料系构造。
11.权利要求10的光源，还包括第四构件光源，所述第四构件光源包括以第四波长发光的所述第四LED和将所述第四波长光转换成第四输出波长光的第四发光转换层，所述第四输出波长不同于所述第一、第二和第三输出波长，其中所述第四LED用和所述第一和第二LED相同的材料系构造。
全文摘要
本发明公开了一种具有第一和第二磷转换构件光源的光源。第一构件光源包括以第一波长发光的第一LED和将第一波长光转换成第一输出波长光的第一发光转换材料层，以及第二构件光源包括以第二波长发光的第二LED和将第二波长光转换成与第一输出波长不同的第二输出波长光的第二发光转换材料层。第一和第二LED以相同的材料系构造，最好用生产线上同一批次的晶片制造。控制器产生通过第一和第二LED中每一个的电流，该电流导致产生预定颜色光的光源。
文档编号H05B41/36GK1880835SQ20061008864
公开日2006年12月20日 申请日期2006年5月23日 优先权日2005年5月23日
发明者K·Y·吴, H·Y·程, J·B·Y·歘 申请人:阿瓦戈科技通用Ip(新加坡)股份有限公司