具有可调谐发射光谱的光源的制作方法

本发明涉及具有能够被调谐的发射光谱的光源。

背景技术：

半导体发光设备（包括发光二极管（led）、谐振腔发光二极管（rcled）、垂直腔激光二极管（vcsel）和边缘发射激光器）是当前可用的最高效的光源之一。当前在能够跨可见光谱操作的高亮度发光设备的制造中感兴趣的材料系统包括iii-v族半导体，特别是镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金，其也被称作iii族氮化物材料。典型地，iii族氮化物发光设备通过下述来制作：借由金属有机化学气相沉积（mocvd）、分子束外延（mbe）或其它外延技术，在蓝宝石、碳化硅、iii族氮化物或其它合适的衬底上外延生长不同组分和掺杂剂浓度的半导体层的叠层。叠层通常包括在衬底之上形成的掺杂有例如si的一个或多个n型层、在该一个或多个n型层之上形成的有源区中的一个或多个发光层、和在该有源区之上形成的掺杂有例如mg的一个或多个p型层。电气接触在n型和p型区上形成。

在发射蓝光的高效的iii族氮化物led的开发之后，开发基于led的白光源变得实际。白色led包括诸如磷光体之类的一种或多种光致发光材料，其吸收由led发射的辐射的部分并且重发射不同颜色（波长）的辐射。典型地，led芯片或管芯生成蓝光，并且（多个）磷光体吸收一百分比的蓝光并且重发射黄光，或者绿光与红光的组合、绿光与黄光的组合、或者绿光与橙光的组合、或者黄光与红光的组合。没有被磷光体吸收的由led生成的蓝光的部分与由磷光体发射的光组合，提供了人眼看起来为白色的光。

将由led直接发射的初级光与由磷光体发射的次级光组合起来的此过程也经常被应用于多个led共享同一磷光体元件的配置。这可以在多个蓝色led与磷光体直接接触的组件级上完成，或者在多个led光照单个远程的磷光体元件的模块级上完成。

为了保持高的显色性，各种磷光体材料被混合在led上或远程板（remoteplate）中，或者引入具有红色初级发射颜色的led，以形成所谓的“混合”系统。

图1图示在us2012/0155076中更详细地描述的混合照明系统的示例。图4的白光发射系统40包括发光设备20，该发光设备20包括蓝色发射led26和红色发射led28。发光系统40包括至少一个蓝光可激发磷光体材料42，其被配置成使得在操作中发光设备20以蓝光30辐照磷光体材料42。磷光体材料42吸收蓝光30的部分，并且作为响应发射不同颜色（典型为黄绿色）的光44。系统40的发射产物46包括经组合的由led26、28发射的蓝光30和红光32及由磷光体材料42生成的光44。

提供焊接垫34、36用于向蓝色和红色led芯片提供电力。可操作以控制蓝色和红色led的正向驱动电流ifb、ifr的驱动器48电气连接到焊接垫34、36。驱动器48允许独立地控制蓝色和红色led芯片。驱动器48可以响应于发射产物46中的蓝光和红光贡献的所测量的强度ib和ir而可操作。借助反馈装置，驱动器48使用所测量的强度ib、ir来调节蓝色和/或红色led的正向驱动电流ib、ir以补偿出现在led和/或磷光体材料的发射特性的颜色中的改变。替代地和/或另外地，驱动器可以可操作以响应于led的操作温度t而控制一个/或两个led驱动电流。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有多个led的照明系统，该照明系统可以具有改进的效率、改进的灵活性或改进的性能。

根据本发明实施例的照明系统包括第一和第二发光二极管。该第一和第二发光二极管具有不同的峰值波长并发射相同颜色的光。该系统还包括第三发光二极管，该第三发光二极管发射与该第一和第二发光二极管的颜色不同的光。波长转换元件设置在由该第一和第二发光二极管发射的光的路径中。

附图说明

图1图示了现有技术的混合照明系统。

图2是具有至少三个led和与该led间隔开的波长转换元件的照明系统的部分的截面视图。

图3是具有至少三个led和设置在该led之上的波长转换元件的照明系统的部分的截面视图。

图4图示了图2和3中图示的波长转换元件的吸收光谱和led中的两个的发射光谱的峰值。

图5是具有至少三个led和设置在该led之上的波长转换材料的混合物的照明系统的部分的截面视图。

图6是具有至少三个led和在分开的层中、在该led之上设置的多个波长转换材料的照明系统的部分的截面视图。

图7是具有至少三个led和设置在与该led间隔开的单个层中的波长转换材料的混合物的照明系统的部分的截面视图。

图8是具有至少三个led和在分开的层中、与led间隔开的多个波长转换材料的照明系统的部分的截面视图。

图9图示了yag:ce和eu²⁺红色氮化物磷光体的吸收光谱。

图10图示了照明系统中的多个led的布置。

图11图示了eu²⁺绿色氮化物磷光体和ksif:mn⁴⁺红色磷光体的吸收光谱，以及两个蓝色led的峰值发射光谱。

具体实施方式

本发明的实施例涉及照明系统，包括混合照明系统，其中可以改变色温。本发明的实施例在具有有着不同发射波长的led的系统中，使用作为波长的函数的磷光体材料的吸收强度的改变，来创建具有可调谐发射光谱的光源。

在下面描述的实施例中，为了语言的经济性，波长转换材料被称作磷光体。应理解，（多种）波长转换材料可以是任何合适的材料，包括例如常规磷光体、有机磷光体、量子点、有机半导体、ii-vi或iii-v族半导体、ii-vi族或iii-v半导体量子点或纳米晶体、染料、聚合物或者其它发光的材料。

图2、3、5、6、7和8是可以更改所发射的光的色温的照明系统的部分的截面视图。

在图2和3中，所图示的照明系统的部分包括两个蓝色led和红色led。

在图2和3中的每一个中，在衬底50上设置至少三个led52、54和56。led52和54两者都可以发射蓝光。led52和54具有不同的峰值波长。led52和54的峰值波长可以在一些实施例中相差至少5nm、在一些实施例中相差至少10nm、在一些实施例中相差至少15nm、在一些实施例中相差不超过40nm、以及在一些实施例中相差不超过30nm。led52和54可以直接发射期望波长的光，或者它们可以是磷光体转换的led。led56可以或者直接地，或者经由波长转换来发射红光。led52、54和56可以是任何合适的led。led52、54和56可以附接到任何合适的衬底50，诸如例如金属芯印刷电路板。系统可以包括控制电路51，其用于独立地寻址led52、54和56，并且使由led52、54和56中的每一个产生的光的量发生变化。

在图2和3中的每一个中，磷光体层位于由三个led52、54和56发射的光的路径中。磷光体层可以含有诸如tio2颗粒之类的光散射材料。

在图2中，磷光体层58是与led52、54和56间隔开的邻近磷光体。邻近磷光体层58可以是例如发光（luminescent）陶瓷，混合有透明粘合剂的磷光体（其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布（spin-cast）、层压、成型或以其它方式形成在透明支撑衬底上），或任何其它合适的结构。

在图3中，磷光体层60设置在led52、54和56之上。磷光体层60可以直接接触led52、54和56中的一个或多个，不过这不是必需的。磷光体层60可以是例如混合有透明粘合剂的磷光体，其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在led52、54和56之上。

由在图2和3中图示的照明系统发射的光是来自led52和/或54的蓝光、来自led56的红光与来自波长转换元件58、60的光的组合。

在本发明的实施例中，由于led52和54共享同一个波长转换元件58、60，经组合的光的颜色可以通过选择led52和54的峰值波长和通过选择具有适当吸收光谱的磷光体来调谐。在一些实施例中，磷光体层58和60中的磷光体是黄色/绿色磷光体，诸如掺杂有铈的钇铝石榴石，其通常缩写为yag:ce。

图4图示了作为波长的函数的yag:ce的吸收光谱的部分62。图4还图示了本发明的一个实施例中的led52和54的发射光谱。led52的发射比led54的发射更少地被波长转换器吸收（即吸收光谱上的点66的y轴值小于点64的y轴值）。因此，与激活led54和56且不激活led52之时相比，在激活led52和56且不激活led54之时，在组合光中存在更多的蓝光，并且在组合光中存在更少的绿光/黄光。因此，通过激活led52和54中的一个、led52和54中的另一个、或者led52和54两者，可以更改组合光的色温。

在图4中图示的实施例中，led52具有436nm的峰值波长，并且led54具有457nm的峰值波长。led52的峰值波长可以是在一些实施例中至少426nm、在一些实施例中不超过446nm、在一些实施例中至少431nm和在一些实施例中不超过441nm。led54的峰值波长可以是在一些实施例中至少447nm、在一些实施例中不超过467nm、在一些实施例中至少452nm和在一些实施例中不超过462nm。

如在图4中图示的，来自led52的初级光将不如来自led54的光那样多地被波长转换层吸收和转换成次级光。作为结果，来自led52的初级光和来自波长转换层的次级光的组合将具有与来自led54的初级光和来自相同波长转换层的次级光不同的色度。这两个不同的色度可与红光组合，以产生具有不同的相关色温和高显色性的光。改变来自led52和54以及红色led56的光输出的比例允许连续地改变（调谐）组合光的相关色温（cct）。

在图2和3中图示的结构中，波长转换元件58、60不吸收由led56发射的光。因此，虽然图2和3图示了设置在波长转换元件下方的led56，使得从led56发射的光入射在该波长转换元件上，但是在一些实施例中，led56可以位于波长转换元件外部，使得从led56发射的光不入射在该波长转换元件上。

在图5、6、7和8中，所图示的照明系统的部分包括两个蓝色led和一uvled。

在图5、6、7和8中的每一个中，至少三个led52、54和70设置在衬底50上。led52和54可以两者都发射蓝光。led52和54具有不同的峰值波长。led52和54的峰值波长可以在一些实施例中相差至少5nm、在一些实施例中相差至少10nm、在一些实施例中相差至少15nm、在一些实施例中相差不超过40nm、和在一些实施例中相差不超过30nm。led52和54可以直接发射期望波长的光，或者它们可以是经磷光体转换的led。led70可以发射uv光。

led52、54和70可以是任何合适的led。led52、54和70可以附接到任何合适的衬底50，诸如例如金属芯印刷电路板。系统可以包括控制电路（未示出），其用于独立地寻址led52、54和70，并且用于使led52、54和70中的每一个的光输出发生变化。

在图5、6、7和8中的每一个中，波长转换元件位于由三个led52、54和70发射的光的路径中。波长转换元件包括两种磷光体，一种磷光体由蓝色led52和54泵浦且发射黄光和/或绿光（诸如yag:ce），并且一种磷光体由uvled70泵浦且发射红光。任何一种磷光体或两种磷光体可以与诸如tio2颗粒之类的光散射材料混合。

在图5中，两种磷光体在单个层72中混合，该单个层72设置在led52、54和70之上。磷光体层72可以直接接触led52、54和70中的一个或多个，不过这不是必需的。磷光体层72可以是例如混合有透明粘合剂的磷光体，其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在led52、54和70之上。

在图6中，两种磷光体在两个分开的层中、在led52、54和70之上设置。在led之上设置第一磷光体层74，其可以是例如黄色/绿色发射磷光体。在该第一磷光体层74之上设置第二磷光体层76，其可以是例如红色发射磷光体。可以颠倒磷光体层的顺序，使得红色发射磷光体最接近于led。第一磷光体层74可以直接接触led52、54和70中的一个或多个，不过这不是必需的。第一和第二磷光体层74和76可以是例如混合有透明粘合剂的磷光体，其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在led52、54和70之上。

在图7中，两种磷光体在与led52、54和70间隔开的单个层78中混合。磷光体层78可以是例如发光陶瓷，混合有透明粘合剂的磷光体（其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在透明支撑衬底上），或任何其它合适的结构。

在图8中，两种磷光体在与led52、54和70间隔开的分开的层中形成。可以是例如黄色/绿色发射磷光体的第一磷光体层80最靠近于led地设置。可以是例如红色发射磷光体的第二磷光体层82设置在该第一磷光体层82之上。可以颠倒磷光体层的顺序，使得红色发射磷光体最接近于led。磷光体层80和82中的一个可以是例如发光陶瓷，混合有透明粘合剂的磷光体（其被分配、丝网印刷、模版印刷、旋转涂布、层压、成型或以其它方式形成在透明支撑衬底上），或任何其它合适的结构。另一个磷光体层可以附接到第一磷光体层，并且可以是通过本文描述的任何技术形成的任何类型的磷光体层。在一个示例中，红色粉末磷光体与透明粘合剂材料混合并且分配在黄色/绿色发射yag陶瓷板上。

由在图5、6、7和8中图示的照明系统发射的光是来自led52和/或54的蓝光、来自红色发射磷光体的红光和来自黄色/绿色发射磷光体的黄光/绿光的组合。滤光器（未示出）可以包括在该结构中。例如，反射或吸收uv和/或蓝光以防止uv和/或蓝光逸出该结构的滤光器可以形成在红色发射磷光体之上。将未经转换的uv或蓝光往回反射穿过红色发射磷光体使得该光可被红色发射磷光体转换的滤光器可以形成在红色发射磷光体之上。滤光器可以反射或吸收uv和/或蓝光的全部或仅一部分。在替代方案中，滤光器（其可以是uv或蓝色滤光器）可以覆盖组合的磷光体。

组合光的颜色可以通过选择led52和54的峰值波长和通过选择具有适当吸收光谱的绿色/黄色磷光体而调谐。在一些实施例中，绿色/黄色磷光体是yag:ce。虽然在下面讨论的示例中，绿色/黄色磷光体是yag，但是可以使用任何合适的绿色/黄色磷光体，包括其它的石榴石磷光体。可以选择uvled70的波长，使得绿色/黄色磷光体不吸收或吸收非常少的来自uvled70的光。

图9图示了作为波长的函数的yag:ce和红色磷光体的吸收光谱。yag:ce的吸收光谱包括两个峰值，在图4中图示的峰值62和处于uv范围中的峰值102。在图5、6、7和8中图示的设备中，如上文参考图4所描述的，led52和54的峰值波长可以在峰值62的波长范围中。如参考图4描述的，相比于激活led54和70且不激活led52之时，在激活led52和70且不激活led54之时，在组合光中存在更多的蓝光并且在组合光中存在更少的绿光/黄光。因此，通过激活led52和54中的一个、led52和54中的另一个或led52和54两者，可以更改组合光的色温。

在一些实施例中，将uvled70的峰值发射波长选择为在范围106中，范围106在yag:ce吸收光谱中的峰值102和62之间。波长范围106中的uv光将不被黄色/绿色yag:ce磷光体以任何显著的量来显著地吸收。波长范围106中的uv光被红色磷光体吸收，如由红色磷光体的吸收光谱104所图示的。可以使用任何合适的红色发射磷光体。合适材料的示例包括eu²⁺激活的氮化物红色发射材料，诸如mxsiynz:eu，其中m是从组ca、sr、ba、zn中选择的碱土金属中的至少一个，并且其中z=2/3x+4/3y；(ca1-z-y-zsrxbaymgz)1-n(al1-a+bba)si1-bn3-bob:ren，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1、0≤a≤1、0<b≤1以及0.002≤n≤0.2，并且re选自铕（ii）和铈（iii）；以及eu²⁺激活的硫化物红色发射材料，诸如cases:eu和(ca,sr)s:eu。

在图9中，led52具有436nm的峰值波长，并且led54具有457nm的峰值波长。led52的峰值波长可以是在一些实施例中至少426nm、在一些实施例中不超过446nm、在一些实施例中至少431nm、和在一些实施例中不超过441nm。led54的峰值波长可以是在一些实施例中至少447nm、在一些实施例中不超过467nm、在一些实施例中至少452nm、和在一些实施例中不超过462nm。led70的峰值波长可以是在一些实施例中至少355、在一些实施例中不超过410nm、在一些实施例中至少370、和在一些实施例中不超过400。如上文参考图4所描述的，来自蓝色led、黄色/绿色发射磷光体和红色发射磷光体的组合光的cct可以通过使来自led52、54和70中的每一个的输出发生变化来调谐。

在一些实施例中，省略了分开的红光源（诸如图2和3中的红色led56，以及图5、6、7和8中的uvled70），并且红光通过蓝色led52、54中的一个或两个的磷光体转换而生成。图11图示了可以在这样的实施例中使用的红色磷光体和绿色磷光体的吸收光谱。光谱112是绿色发射的eu²⁺激活的氮化物磷光体（诸如sson、β赛隆（sialon）、或正硅酸盐）的吸收光谱。光谱110是红色发射的mn⁴⁺激活的六氟硅酸盐磷光体（诸如ksif:mn⁴⁺）的吸收光谱。线52和54图示了蓝色led52和54的峰值发射波长。如图11中所图示的，绿色发射磷光体112从led52和54两者吸收光。红色发射磷光体110强烈地从led54吸收光，但是从led52吸收很少的光或不吸收光。例如，led54的峰值波长下的红色磷光体的吸收可以在一些实施例中是led52的峰值波长下的红色磷光体的吸收的至少两倍、在一些实施例中是led52的峰值波长下的红色磷光体的吸收的至少三倍、并且在一些实施例中是led52的峰值波长下的红色磷光体的吸收的至少四倍。led52的峰值波长可以是在一些实施例中至少370nm并且在一些实施例中不超过405。led54的峰值波长可以是在一些实施例中至少430nm并且在一些实施例中不超过450。通过使led52的输出发生变化，可以使组合光中的绿光和蓝光的量发生变化。如上文参考图4所描述的，通过使来自led52和54的输出发生变化，可以调谐来自蓝色led、黄色/绿色发射磷光体和红色发射磷光体的组合光的cct。

在一些实施例中，本文描述的照明系统的显色指数保持在80以上。显色指数可以通过适当地选择led和磷光体的发射光谱来调谐。

如本领域中已知的，yag:ce的吸收光谱可以通过将钆、镥、镓、碲中的一种或多种添加到磷光体的石榴石基质中来操纵。

图10图示了在并入图2、3、5、6、7和8中图示的一个或多个部分结构的设备的一个示例中的led的放置。波长转换元件的轮廓由圆92图示。多个led90设置在波长转换元件92的下方。可以使用比图10中图示的更多或更少的led90。led90可以附接到支撑体50，该支撑体50可以是例如布线基板（substrate）、电路板或任何其它合适的结构。未在图10中示出的控制电路可以经由支撑体50电气连接到led90。

led90包括蓝色led52和54以及红色led56和/或uvled70，以用于如上文描述的那样生成红光。在一些实施例中，led90可以在蓝色led52、蓝色led54和红色或uvled56、70之间均匀地划分。在一些实施例中，存在比红光源56、70更多的蓝色led52和54。例如，蓝色led52、54与红光源56、70的比例可以是在一些实施例中至少3:1、在一些实施例中至少4:1、和在一些实施例中不超过8:1。在一些实施例中，蓝色led可以在led52和led54之间均匀地划分。在一些实施例中，可以存在比led54更多的led52。在一些实施例中，可以存在比led52更多的led54。

虽然在下面的示例中，半导体发光设备是发射蓝光或uv光的iii族氮化物led，但是可以使用除了led之外的半导体发光设备（诸如激光二极管）和由其它材料系统（诸如其它的iii-v族材料、iii族磷化物、iii族砷化物、ii-vi族材料、zno或si基材料）制成的半导体发光设备。

在详细描述了本发明之后，本领域技术人员将领会到，在给出本公开内容的情况下，可以对本发明做出修改而不脱离本文所描述的发明构思的精神。因此，不意图将本发明的范围限于图示和描述的具体实施例。