具有宽颜色范围的高效照明系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明整体涉及光源，就具体应用而言涉及结合发光二极管(LED)和荧光粉的固态光源。本发明还涉及相关的制品、系统、和方法。
【背景技术】
[0002]发射宽带光的固态光源是已知的。在一些情况下，此类光源通过将发射黄光的荧光粉层施加到蓝光LED上来制备。当来自蓝光LED的光穿过荧光粉层时，蓝光中的一些被吸收，并且所吸收能量中的相当大一部分被荧光粉再发射为可见光谱中的较长波长的斯托克斯频移光，通常为黄光。荧光粉厚度为足够薄的，以使得蓝色LED光中的一些一直穿过荧光粉层，并且与来自荧光粉的黄光组合，从而得到具有白色外观的宽带输出光。
[0003]另外已提出了其它的LED抽吸型荧光源。在美国专利7，091，653 (Ouderkirk等人)中讨论了光源，其中通过长通反射器将来自LED的紫外(UV)光反射到荧光粉层上。荧光粉层发射被长通反射器实质上透射的可见光(优选为白光)。LED、荧光粉层、和长通滤波器以这样的方式布置，即紫外光在从LED传播到长通反射器时不穿过荧光粉层。
【发明内容】
[0004]我们已研制出新系列的宽带固态光源。可例如制备来在一般照明应用中用作灯泡的这些光源在单个“混合”单元中组合一个或多个远程荧光粉LED、一个或多个直接发射短波长LED、和一个或多个直接发射长波长LED。所有此类LED均被可为光漫射的球状物或其它合适覆盖构件覆盖。每个远程荧光粉LED包括LED、荧光粉层和二向色反射器。来自LED的激发光是由二向色反射器反射到荧光粉层上以生成荧光，荧光实质上被二向色反射器透射。来自直接发射短波长LED和直接发射长波长LED的至少一些光在实质上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情况下而传播到覆盖构件。这些光源可提供在宽颜色范围内的宽带输出光，并且不像先前系统，这些光源可高效地提供这种光，同时使系统中的LED的总数的高百分比或比例的LED通电。例如，宽带输出可表现出以CIE色度单位计至少0.2的色差、和/或至少4000或5000开尔文的相关色温差值，同时使LED的总数的多于一半或至少60%或至少70%通电。
[0005]本文尤其描述发射宽带光的混合照明系统。该照明系统可包括总数为N的LED、以及覆盖N个LED并透射的宽带光的透光性覆盖构件。透光性覆盖件可为光漫射的，或实质上透明且非光漫射的。N个LED包括数目为NI的泵LED、数目为N2的直接发射短波长LED、和数目为N3的直接发射长波长LED。数目N1、N2、和N3各自大于零，并且N1+N2+N3可等于或小于N。NI个泵LED中的每一个被构造为远程荧光粉LED，其中泵LED与二向色反射器和荧光粉层组合，使得来自泵LED的至少一些光被二向色反射器反射到荧光粉层上以使得荧光粉层发射荧光。二向色反射器还构造成实质上透射的荧光。直接发射短波长LED具有在400至500nm、或420至480nm、或445至400nm范围内的峰值输出波长，并且被设置成发射在实质上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情况下从短波长LED传播到覆盖构件的至少一些光。直接发射长波长LED具有在600至700nm、或600至650nm范围内的峰值输出波长，并且被设置成发射在实质上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情况下从长波长LED传播到覆盖构件的至少一些光。
[0006]泵LED、直接发射短波长LED、和直接发射长波长LED优选被接线以用于独立的电控制，使得不同组的LED可被通电。覆盖构件所透射的宽带光具有取决于N个LED中的哪些LED被通电的颜色。N个LED优选被构造成使得透射的宽带光可具有与N个LED中的正通电的第一组相关联的第一颜色、和与N个LED中的正通电的第二组相关联的第二颜色。此夕卜，第一颜色和第二颜色优选具有以CIE色度单位计至少0.2的色差、和/或至少4000或5000开尔文的相关色温差值，并且N个LED中的第一组和第二组优选使N个LED中的多于一半或至少60%或至少70%通电。
[0007]N个LED中的第一组和第二组可各自使所有NI个泵LED通电。第一颜色和第二颜色可充分接近普朗克轨迹，使得它们具有相应的第一相关色温和第二相关色温。
[0008]数目NI可为至少2以使得存在多个远程荧光粉LED。多个远程荧光粉LED可以利用具有相同的荧光粉成分的荧光粉层。多个远程荧光粉LED还可或另选地利用具有不同的荧光粉成分的荧光粉层。数目N1、N2、和N3可通过不等式NDN2+N3相关。
[0009]对于照明系统中的远程荧光粉LED中的至少一个、一些、或全部而言，泵LED、荧光粉层和二向色反射器优选被布置成使得至少一些激发光在不穿过荧光粉层的情况下从泵LED传播到二向色反射器。泵LED中的一个、一些、或全部可具有小于420nm的峰值波长。
[0010]系统还可包括控制系统，控制系统被构造成独立地驱动NI个泵LED、N2个直接发射短波长LED、和N3个直接发射长波长LED。控制系统可被构造成提供第一控制输出和第二控制输出，第一控制输出有效地使N个LED中的第一组通电以为透射的宽带光提供第一颜色，并且第二控制输出有效地使N个LED中的第二组通电以为透射的宽带光提供第二颜色。控制系统还可被构造成使得NI个泵LED、N2个直接发射短波长LED、和N3个直接发射长波长LED提供具有在第一颜色和第二颜色之间的颜色范围的透射的宽带光，例如，通过使得NI个LED、N2个LED和N3个LED中的一些或全部以变化的量变暗而来提供。
[0011]如果这些LED中的一个或多个具有与一个或多个其它LED大为不同的尺寸(例如，发射面积)，那么在上述描述、比较和关系中的LED的数目(N、N1、N2、N3)可用更为一般化的“有效数目”(NE、NE1、NE2、NE3)替代，其中有效数目是LED的数目乘以它们相应尺寸(例如，乘以它们发射面积)、或乘以与它们相应尺寸成比例的因子。
[0012]本发明还讨论了相关方法、系统和制品。
[0013]从下面的【具体实施方式】中，本专利申请的这些方面以及其他方面将显而易见。然而，在任何情况下都不应当将上述
【发明内容】
理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。
【附图说明】
[0014]图1为组合远程荧光粉LED和两个直接发射LED的宽带光源的示意性侧视图或剖视图；
[0015]图2a至图2d为展示可被用于给定远程荧光粉LED的一些不同颜色或波长组合的功能图；
[0016]图3为远程荧光粉LED的示意性透视图；
[0017]图4为组合若干远程荧光粉LED和若干直接发射LED的宽带光源的示意性透视图；
[0018]图5为组合若干远程荧光粉LED和若干直接发射LED的另一个宽带光源的示意性侧视图或剖视图；
[0019]图5a为用于图5的光源的远程荧光粉LED的示意性侧视图或剖视图；
[0020]图6为用于二向色反射器的光谱反射率的图；
[0021]图7为用于远程荧光粉LED的两种荧光粉材料的光谱特性的图；
[0022]图8、图9和图10为用于模拟宽带光源的光谱功率输出在根据与不同LED中的三组相关联的三个不同控制输出而受控时的图；以及
[0023]图9a和图1Oa分别为用于图9和图10的模拟宽带光源的在输出平面处观察到的颜色的CIE色度图。
[0024]在这些图中，类似的附图标号标明类似的元件。
【具体实施方式】
[0025]已经发现，具有特别有益的设计特征的宽带固态光源可通过将一个或多个远程荧光粉LED的光输出、一个或多个直接发射短波长(例如，蓝色)LED的光输出、和一个或多个直接发射长波长(例如，红色)LED的光输出组合来构造成。所得混合光源可具有稳健的固态设计，并且可有效地利用LED和荧光粉材料。具体地讲，这些光源被设计来提供在宽颜色范围内的宽带输出光，并且可高效地提供这种光，同时使系统中的LED的总数的高百分比或比例的LED通电。这些光源还可提供充分接近普朗克轨迹的输出颜色，使得这些输出颜色具有相应相关色温。光源可在一般照明应用中被用作灯泡，例如以提供具有不同色温或相关色温的白光，或可用于其它更多专门应用中。
[0026]在本申请中，“发光二极管”或“LED”是指发射光的二极管，不管发射的是可见光、紫外光、还是红外光，但在许多实际实施例中，发射光将具有在约340至650nm、或约400至650nm范围内的峰值波长。术语LED包括作为“LED”(不论是常规型还是超辐射型)销售的非相干的封闭或封装的半导体器件、以及相干半导体器件(例如激光二极管，包括但不限于垂直空腔表面发射激光器(VCSEL))。“LED晶粒”为LED最基本的形态，即经半导体加工方法制成的单个元件或芯片。例如，LED晶粒可由一种或多种III族元素的组合和一种或多种V族元素的组合形成(II1-V半导体)。合适的II1-V半导体材料的实例包括氮化物(如氮化镓)和磷化物(如磷化铟镓)。还可使用其它类型的II1-V族材料以及元素周期表中其它族的无机材料。部件或芯片可以包括适合施加能量以向装置提供能量的电触点。该电触点的实例包括引线结合、卷带式自动接合(TAB)或倒装焊接。该元件或芯片的各个层和其它功能元件通常以晶片级形成，并且随后可将加工好的晶片切成单个元件，以生产多个LED晶粒。LED晶粒可被构造成用于表面安装、芯片直接贴装或其他已知的安装构型。一些封装的LED通过在LED晶粒和相关反射杯上方形成聚合物封壳而制成。LED可在若干基板之一上生长。例如，可在兰宝石、硅、和氮化镓上通过外延来生长GaN LED?就本专利申请的目的而言，“LED”还应视为包括通常称为OLED的有机发光二极管。
[0027]用于激发或“抽吸”单独的荧光粉材料的LED在本文中可被称为“泵LED”。荧光粉吸收由泵LED发射的光中的一些或全部，并将所吸收的能量中的一些再发射为斯托克斯频移(较长波长)荧光。就本申请的目的而言，荧光通常实质上是在可见波长范围内，并且来自泵LED的激发光通常是在可见光光谱的短波长端处或其附近(例如，蓝绿色、蓝色、或紫色)、或在近紫外区中。未被用于激发或抽吸单独的荧光粉材料的LED在本文中可被称为“非泵LED”或“直接发射” LED。如本文所用，术语“远程荧光粉LED”可指包括以下各项的子系统:至少一个泵LED ;在结构上有效地与泵LED分开、但在光学上与其耦合的至少一个荧光粉层或荧光粉主体；和实质上将来自泵LED的光反射到荧光粉并实质上透射斯托克频移荧光的二向色反射器。优选地，这些部件被布置成使得激发光在不穿过荧光粉层的情况下从泵LED传播到二向色反射器。
[0028]图1以粗略的示意图形式示出示例性宽带固态光源110。源110包括远程荧光粉LED 111、直接发射短波长LED 130a、直接发射长波长LED 130b、和透光性覆盖构件140。安装结构和其它部件(未示出)用于使标记部件相对于彼此保持在固定空间位置中，以便产生所需宽带输出光101。
[0029]覆盖构件140可由玻璃、塑料、或其它合适的透光性材料制成。覆盖构件140可呈球状物的形式，诸如在用于一般照明的常规灯泡中使用的已知球状物中的任何者。就这一点而言，覆盖构件140与远程荧光粉LED 111和直接发射LED 130a、130b之间的空间中的一些或实质上所有可为空气、或惰性气体、或真空。另选地，这种空间可部分或完全地用固体、液体、或其它有形的透光性材料填充。覆盖构件可由仅一层或仅一个光学元件来制成，或其可包括多个层或多个光学元件，例如封闭较小内部球状物的外部球状物。覆盖构件140可为“磨砂的”、即适于散射光，或其可为透明的、具有极少或没有光散射。该球状物还可附接到与常规照明固定装置相容的基座构件，例如，基座构件可为带螺纹的、或以其它方式适于与现有照明插座配合，并可具有电触点(按需)和合适电路以将住宅或商业性供电电压电平转化为与LED相容的电压和电流。源110还可耦合到使源110中的各种LED通电的控制系统(参见图1)，或