專利名稱：用于發(fā)射混合光的裝置的制作方法
用于發(fā)射混合光的裝置本發(fā)明涉及包括至少兩個電致發(fā)光光源以及光轉換元件的裝置，其 用于有效地發(fā)射具有不依賴于視角的色點的光。電致發(fā)光光源(LED)發(fā)射光譜的窄區(qū)域中的光。所稱的磷光體轉 換LED (pcLED)將LED發(fā)射的初級輻射的至少一部分轉換成次級輻射。 這個過程稱為光轉換并且用于該目的的材料稱為光轉換材料。因此， pcLED能夠發(fā)射作為初級和次級輻射混合的結果而覆蓋光譜的更寬區(qū)域 的混合光(寬帶發(fā)射)。為了進行光轉換，LED涂敷有例如嵌入到有機 基質(matrix)中的粉末狀光轉換磷光體材料的光轉換層。這種裝置構 成用于發(fā)射寬帶光(由初級和次級輻射的混合產(chǎn)生的混合光)以及特別 是白色光的簡單光源。由于LED的工作溫度的原因，光轉換層的光學性 質隨著工作時間變得更長而改變，特別是作為有機基質變成有色的結果 而改變，其意味著強度隨著時間而不穩(wěn)定并且在混合光的色點中存在平 移。文獻WO2006/072918Al描述了 一種具有多個相同顏色的藍色LED 的磷光體轉換裝置，其用于發(fā)射通過混合藍色初級輻射和磷光體轉換的 次級輻射而產(chǎn)生的白色光。為了產(chǎn)生次級輻射，利用了陶瓷光轉換材料， 該陶瓷光轉換材料的光學性質以及尤其是它的透射和它的轉換能力對 于LED工作期間的溫度效應不敏感。假定每個LED具有相同的光產(chǎn)額 (yield),那么該裝置的亮度通過使用兩個LED而增大。除了產(chǎn)生黃色 次級輻射的第一光轉換材料之外，在這種情況下陶瓷光轉換層也包括用 于產(chǎn)生紅色次級輻射的另外的材料，由此發(fā)射具有高的顏色再現(xiàn)指數(shù)的 寬帶白色光。然而，這種類型的裝置的缺點在于，混合光的色點隨著視 角而變化，在藍色初級輻射轉換成紅色次級輻射的過程中出現(xiàn)能量損失 以及這種pcLED裝置得到的效率低。因此，本發(fā)明的目的是提供用于有效地發(fā)射混合光的裝置，所述混 合光具有穩(wěn)定且不依賴于視角的色點。這個目的是通過用于在平均發(fā)射方向上發(fā)射包括初級和次級輻射的混合光的裝置來實現(xiàn)的，該裝置包括至少一個第一電致發(fā)光光源， 用于發(fā)射在第一波長處具有最大強度的第一初級輻射；至少一個第二電 致發(fā)光光源，用于發(fā)射在比第一波長更大的第二波長處具有最大強度的 第二初級輻射；以及光轉換元件，用于吸收所述初級輻射中的至少一個 并且重新發(fā)射次級輻射，所述光轉換元件;故如此設置，使得混合光中所 有的初級輻射都經(jīng)過該光轉換元件，并且該光轉換元件包括陶瓷光轉換 材料，其微觀結構被選擇成使得包括初級和次級輻射的混合光的色點基 本上與視角無關。術語初級輻射和次級輻射在這種情況下指的是在給定 波長處具有最大強度的給定波長范圍的發(fā)射光，其位置決定了所發(fā)射的 初級輻射和次級輻射的顏色。在下面提及例如藍色初級輻射的地方，該 初級輻射的最大強度處于光譜的藍色區(qū)域中，對于次級輻射，情況也是 如此。
基本上與視角無關的依照本發(fā)明的裝置的色點借助于用于所述光 轉換材料的適當?shù)奈⒂^結構來實現(xiàn)，例如借助于適當?shù)念w粒尺寸和/或孔 隙(pore)尺寸來實現(xiàn)，其使得穿過所述光轉換材料的光被散射并且所 述初級和次級輻射因而被混合，從而混合光的色點不再依賴于視角。如 果光轉換元件的散射效應足夠大，那么對于混合光的所有成分獲得相同 的朗伯(Lambert)發(fā)射特性。利用具有產(chǎn)生太小的散射效應的不適當微 觀結構的光轉換元件，初級輻射的角分布將由于漸變(shading-off)和/ 或光學效應的原因而明顯不同于次級輻射的角分布，后者將由于其在光 轉換材料中的各向同性發(fā)射而具有寬的朗伯發(fā)射特性。由這些成分組成 的混合光將表現(xiàn)出作為視角的函數(shù)的顯著的色點變化。如果所述陶瓷材 料含有對光轉換元件中的初級和次級輻射具有太嚴重的散射效應的不 適當微觀結構，那么混合光的色點將仍然與視角無關，但是由過于嚴重
損失并且將因而極大地降低所述裝置的效率。另一方面，依照本發(fā)明的 裝置的光轉換材料具有適用于維持高的效率同時避免色點依賴于視角 的微觀結構。散射的嚴重性被設置成使得以所述裝置的效率的任意可察 覺的降低獲得初級和次級輻射的有效混合物。為了允許待評定的色點表 現(xiàn)出與視角無關，在與平均發(fā)射方向的不同角度確定整個裝置的光譜發(fā) 射。措辭"基本上與視角無關"表示色點隨視角的變化AuV小于0.02，優(yōu) 選地小于0.01。在這種情況下，AuV為1976 CIE顏色坐標系統(tǒng)中不同發(fā)射角下的兩個色點之間的矢量距離。
使用第二LED以便發(fā)射更長波長的第二初級輻射防止了在通過光轉 換將相同的輻射產(chǎn)生為來自第 一初級輻射的次級輻射的情況下將出現(xiàn)的 那種能量損失。在一個實施例中，第一波長因此處于光譜的藍色或紫外區(qū) 域，并且第二波長處于光譜的紅色區(qū)域。特別是紅色第二初級輻射的使用 防止了在藍色或紫外初級輻射被轉換成紅色次級輻射的情況下將出現(xiàn)的 那種光轉換中的大的能量損失。如果例如第一初級輻射的一部分被轉換成 綠色次級輻射，那么通過將在這種情況下未#_光轉換元件轉換的紅色第二 初級輻射與藍色第一初級輻射和綠色次級輻射混合可以產(chǎn)生白色光。通過 這種方式，可以如現(xiàn)有技術中所述產(chǎn)生具有任何希望的相關色溫(CCT) 并且具有用于照明目的所需的那種類型的良好顏色再現(xiàn)性質的白色光。通 過這種方式，因而可以設計對于其有6000 〉 CCT 〉 2000 K并且其顏色再現(xiàn) 指數(shù)Ra大于80的光源。在這種情況下，有必要使用具有600nm與640nm之 間的平均發(fā)射波長的紅色第二初級輻射。術語"CCT"在這種情況下表示相 關色溫，它是其顏色盡可能匹配的黑體輻射體的溫度。
在一個實施例中，所述陶瓷光轉換材料包括多個氧化(oxidic)粒 子，其平均直徑D在50nm與5000nm之間，優(yōu)選地在100nm與3000nm之間， 特別優(yōu)選地在200nm與1000nm之間。在一個優(yōu)選的實施例中，該陶瓷光 轉換材料的折射率與所述氧化粒子的折射率之間的差值大于0.2。在另一 個實施例中，該陶瓷光轉換材料除了氧化粒子之外還包括多個孔隙，其 平均直徑在250nm與2000nm之間，優(yōu)選地在500nm與1500nm之間，特別 優(yōu)選地在700nm與1200nm之間。
在分別對應所述粒子和孔隙的這些尺寸下，獲得了多晶材料的有利 的散射性態(tài)，其同時具有良好的機械強度和光學穩(wěn)定性。散射粒子或孔 隙的濃度在這種情況下小于多晶材料的5vol.。/c (體積百分比)。光產(chǎn)額
尺寸的孔隙的多晶陶瓷材料而言例如優(yōu)于80%。在這里，術語孔隙尺寸 和粒子尺寸是分別與相應的孔隙和粒子具有相同體積的球體的直徑。多 晶材料中的粒子和孔隙不一定是球體狀形狀。在這兩種情況下，散射效 應由折射率的突變實現(xiàn)。在填充空氣的孔隙的情況下，這是多晶材料與 空氣之間的折射率之差。在氧化粒子的情況下，例如八1203的粒子具有折 射率1.76,其小于典型地可能為1.8-2.5的周圍材料的折射率。折射率之差越大，則孔隙或粒子的散射效應越大。
在另一個實施例中，光轉換材料中存在的是光學各向異性，即晶體 結構的折射率沿著晶體的不同軸而不同。在這種情況下，折射率之差通
常小于0.2并且大于0.01,并且有利的光散射僅作為多晶材料的顆粒邊界 處的散射的結果而獲得。微晶的尺寸，即等體積的球體的直徑，在lpm 和30^im之間。在另 一個實施例中，多晶材料的結晶區(qū)域由非結晶區(qū)域(所 謂的玻璃相)連接。同樣在這種情況下，結晶區(qū)域與非結晶區(qū)域之間的 折射率之差可以用來設定希望的散射性質。
在一個優(yōu)選的實施例中，陶瓷光轉換材料的密度大于相應晶體材料 的理論最大密度的97%。由于這種高的密度，當所述散射性態(tài)合乎期望 時獲得的是良好的機械強度和光學穩(wěn)定性以及關于光產(chǎn)額的更大的效 率。
在另 一個實施例中，所述光轉換元件優(yōu)選地通過該光轉換元件與所 述第 一和第二電致發(fā)光光源之間的硅樹脂層光學耦合到這些光源。這保 證了光到光轉換元件中的良好的耦合，其對于所述裝置的效率具有有利 的影響。
在另 一個實施例中，所述光轉換元件在表面法線基本上垂直于混合 光的平均發(fā)射方向的側面上包括反射層。由于光轉換元件的光散射效應 的原因，混合光中的一些撞擊這些側面，并且如果其從光轉換元件橫向 出射，則將不能用于在發(fā)射方向上的發(fā)射，或者可能地在許多實施例中 將導致色點變成依賴于角度。如果情況如此，則使得這些側面能夠反射 保證了色點是高度穩(wěn)定的。
在另 一個實施例中，可以借助于操作單元以可變的方式彼此獨立地 設置所述第 一和第二初級輻射的強度?？梢栽谝勒毡景l(fā)明的裝置的操作 期間以這種方式改變混合光的色點。能夠彼此獨立地設置的強度借助于 能夠彼此獨立地驅動的第一和第二LED來獲得。這可以例如通過使用包 括兩個電子驅動器的操作單元來完成，所述兩個電子驅動器用于向第一 和第二LED施加兩個獨立的工作電壓，后者彼此在電氣上隔離。通過全 部或部分第一初級輻射到一個或多個不同的次級輻射的轉換以及能夠 打開的可變強度的第二初級輻射的轉換，色點的設置可以凈支設置成作為 獨立地驅動第一電致發(fā)光光源(一個或多個)(獨立地選擇用于笫二電 致發(fā)光光源的工作電壓)的結果而在相當程度上是可變的。色點的可能變化在這種情況下取決于來自所述LED的初級輻射以 及所述光轉換元件的組成和定徑(sizing),即吸收能力。通過選擇所 述初級和次級輻射處于其最大強度所在的波長，本領域技術人員能夠決 定由依照本發(fā)明的裝置發(fā)射的混合光的色點以及所述CIE色度圖內(nèi)的顏 色空間，其中當可以獨立地設置所述第一和第二初級輻射的強度時，可
以根據(jù)要利用的依照本發(fā)明的裝置的性質調(diào)節(jié)所述色點。
在依照本發(fā)明的裝置的其他實施例中，除了所述第 一和第二電致發(fā) 光光源之外，還可以使用另外的電致發(fā)光光源，例如第三和第四或者甚 至更多的電致發(fā)光光源。上面描述的優(yōu)點和性質同樣適用于這種情況。 如果要彼此獨立地操作所述另外的電致發(fā)光光源以便允許獨立地設置 它們發(fā)射的光強度，那么所述操作單元將包括第三或更多驅動器以便允 許施加適當?shù)墓ぷ麟妷骸?br> 產(chǎn)生的混合光以及用于吸收所述初級輻射中的至少一個并且重新發(fā)射 所述次級輻射的光轉換元件，所述光轉換元件包括陶瓷材料，其微觀結 構被選擇成使得從初級和次級輻射產(chǎn)生的混合光的色點基本上與視角 無關。
本發(fā)明的這些和其他方面根據(jù)以下描述的實施例是清楚明白的，并 且將參照這些實施例進行闡述。
在附圖中


圖1為依照本發(fā)明的磷光體轉換裝置的一個實施例的側視圖。 圖2為依照本發(fā)明的磷光體轉換裝置的另一個實施例的側視圖。 圖3為依照本發(fā)明的磷光體轉換裝置的另一個實施例的平面視圖。 圖4示出了用于驅動依照本發(fā)明的磷光體轉換裝置的構件(means )。 圖5示出了與為了確定轉換層的多晶材料的孔隙直徑通過計算而得
到的光分布相比，針對垂直入射到該轉換層上的660nm波長的光的透射
T與透射角 的函數(shù)關系。
圖6示出了當存在光轉換元件時(實線)以及當不存在光轉換元件
時(虛線)紅色和藍色LED的發(fā)射光譜(強度I)與波長X的函數(shù)關系。 圖7示出了針對依照本發(fā)明的裝置(■)以及現(xiàn)有技術裝置(o)的
色點變化AuV與視角B的函數(shù)關系。圖8示出了 LED和轉:換元件的顏色坐標的實例。
圖1為依照本發(fā)明的裝置的一個實施例的示意性側視圖，其用于發(fā) 射混合光5，具有基底1;施加到基底1的兩個電致發(fā)光光源21和22， 用于發(fā)射第一初級輻射51 (第一電致發(fā)光光源21)和第二初級輻射52 (第二電致發(fā)光光源22);以及光轉換元件3，其被設置在第一和第二 電致發(fā)光光源21和22上，用于吸收至少第一初級輻射51的至少一部 分以及用于發(fā)射次級輻射53并且用于通過光的分布(在當前情況下為 光的散射)混合初級和次級輻射。在這種情況下，電致發(fā)光光源可以例 如包括無機LED、有機LED (OLED)或者激光二極管。為了執(zhí)行轉換 光以及分布光的功能，必須將光轉換元件設置在第一和第二電致發(fā)光光 源21和22的光束路徑上。在可替換的實施例中，不一定要將光轉換元 件3固定到電致發(fā)光光源21和22上。在可替換的實施例中，取決于為 第一和第二初級輻射51和52所選擇的所述第一和第二波長以及取決于 所選擇的光轉換材料，第二初級輻射52的至少一部分同樣可以由光轉 換元件3吸收并且轉換成第二次級輻射。在一個優(yōu)選的實施例中，為了 產(chǎn)生白色光，與紅色LED —起操作藍色LED，借助于所述光轉換材料 將藍色初級輻射51的一部分轉換成綠色和/或黃色次級輻射，從而在與 紅色第二初級輻射52的混合處于正確的比例的情況下給出具有高的顏 色再現(xiàn)指數(shù)的白色光5。在當前情況下，紅色光不是借助于適當?shù)墓廪D 換材料通過光轉換而產(chǎn)生，而是直接由紅色LED提供，這防止了轉換損 失(例如藍色—紅色)并且從而提高了所述裝置的效率。
在圖l所示的實施例中，光轉換元件3例如光學耦合到第一和第二 電致發(fā)光光源21和22。 8處的光學耦合可以例如由具有折射率1.5的硅 樹脂層實現(xiàn)。在其他的實施例中，也可以用于所述光學耦合的是光導元 件，例如玻璃纖維。
沿著由來自電致發(fā)光光源21和22的光所遵循的路徑到其中初級輻 射51和52進入光轉換元件3的點，8處的光學耦合防止光跨入具有低 的折射率的介質中。作為初級輻射51和52離開電致發(fā)光光源21和22 時全反射效應的結果，這種跨越將導致初級輻射51和52的較高比例^L 反射回來，這將導致額外的光損失。除此之外，如果使得光轉換元件3 與電致發(fā)光光源21和22緊密接觸以便給出緊湊的裝置，則這也是有利的。
在圖l所示的實施例中，光轉換單元3包括例如由多晶陶瓷材料制 成的光轉換材料。該光轉換材料的光散射效應由位于該光轉換材料中 的、尺寸在50nm與5000nm之間的氧化粒子產(chǎn)生。例如具有折射率1.76 的Al203粒子可以充當摻雜的YAG陶瓷中的散射中心。這種材料典型地 具有大約1.8 - 2.5的折射率。在這些材料中存在于單獨的微晶 (crystallite)之間的孔隙通常填充有空氣并且因而具有折射率1。這些 孔隙與所述光轉換材料之間的折射率之差產(chǎn)生顆粒邊界處的光的進一 步的散射，其在附加的程度上將光分布在光轉換元件3上。如果所述孔 隙具有適當?shù)某叽?，例如?50nm與2900nm之間，并且如果孔隙濃度 為1.5vol.%，那么如果該光轉換元件的厚度為100nm，則光被散射，使 得關于光轉換元件3獲得最佳的光分布性質?？梢允沟脙煞N規(guī)定(孔隙 和氧化粒子) 一起在一種材料中實現(xiàn)。從依賴于散射本領(scattering power)的厚度開始，將由不同的電致發(fā)光光源21和22發(fā)射的初級輻 射51和52均勻地混合在一起，其與光轉換元件3發(fā)射的次級輻射53 一起給出均勻的感知顏色。次級輻射53的發(fā)射在光轉換元件3中各向 同性地發(fā)生，這有助于與初級輻射51和52的良好的混合。
在初級和次級輻射從光轉換元件3出射時，所述磷光體轉換裝置在 平均發(fā)射方向5上發(fā)射混合光。該混合光5由第二初級輻射52、次級輻 射53以及在由于其吸收性質的原因光轉換元件3對于第一初級輻射51 至少部分地透明的情況下的可能的第一初級輻射51組成。如果光轉換 元件3的散射效應足夠大，那么對于混合光5的所有成分都獲得相同的 朗伯發(fā)射特性，這意味著混合光5的色點不再依賴于視角B。利用具有 產(chǎn)生太小的散射效應的不適當微觀結構的光轉換元件3，由初級輻射源 的光學器件以及所述裝置中的任何可能的漸變決定的初級輻射51、 52 的角分布將基本上平行于平均發(fā)射方向5,而次級輻射53由于其在所述 光轉換材料中的各向同性發(fā)射的原因將反而具有寬的朗伯發(fā)射特性。由 這些成分組成的混合光將表現(xiàn)出作為視角的函數(shù)的寬的色點變化。如果 所述陶瓷材料含有對光轉換元件3中的初級和次級輻射51、 52和53產(chǎn) 生太大的散射效應的不適當微觀結構，那么盡管混合光的色點將仍然與 視角無關，但是由該過度的散射造成的光轉換元件3中的初級和次級輻 射51、 52和53的反射將意味著會存在太高的吸收率，涉及高比例的損失的非輻射光并且將因而極大地降低所述裝置的效率。形成對照的是， 依照本發(fā)明的裝置的光轉換材料具有適用于維持高的效率同時避免色 點依賴于視角的微觀結構。
在可替換的實施例中，為了允許以可變的方式設置混合光5的色點，
通過例如不同的電子驅動器彼此獨立地驅動第一和第二電致發(fā)光光源
21和22。如果例如以固定的工作電壓操作第一電致發(fā)光光源21，那么 如果第二電致發(fā)光光源22的工作電壓增大，則可以將混合光5的色點 移向第二初級輻射52的顏色。如果它被降低，那么色點移向由第一初 級輻射51以及由通過第一初級輻射51的至少一部分的轉換而產(chǎn)生的次 級輻射53給出的色點。取決于在光轉換元件3中選擇的光轉換材料， 次級輻射53也可以通過使用混合物中的不同光轉換材料由光譜的多個 不同區(qū)域(多個次級子輻射)組成。在其他的實施例中，可以將全部的 第一初級輻射51轉換成次級輻射53,并且可以由適當?shù)霓D換材料將例 如紫外第一初級輻射51轉換成不同的次級輻射53，例如藍色、黃色或 綠色次級輻射，以便產(chǎn)生白色或者某種其他的顏色的混合光5。然而， 也可能將所有或部分的藍色第一初級輻射51或者某種其他顏色的第一 初級輻射51轉換成甚至更長波長的輻射。通過添加例如第二紅色初級 輻射52，獲得了白色光，其具有可變的色點并且此外以其具有高的顏色 再現(xiàn)指數(shù)的寬帶發(fā)射為特征。
在一個優(yōu)選的實施例中，第一初級輻射51的最大強度位于200nm 與490nm之間的第一波長處，并且第二初級輻射52的最大強度位于 500nm與800nm之間的第二波長處。所述光轉換材并+在這種情況下以以 下事實為特征它不吸收或者轉換第二初級輻射52。這保證了在混合光 5中具有高比例的紅色，其利用適當?shù)牧坠怏w轉換材料給出具有的色溫 小于4000K并且具有關于依照本發(fā)明的裝置的高效率的白色光。
在另 一個實施例中，借助于反射層7使得光轉換元件3的基本上垂 直于混合光5的平均發(fā)射方向的那些側面是反射性的。該反射層7可以 例如包括厚度大于30nm的鋁。這意味著由于光轉換元件3的依照本發(fā) 明的光分布效應的原因而在光轉換元件3中以相對于平均發(fā)射方向5的 大的角度傳播的光51、 52、 53不能橫向離開光轉換元件3并且從而使 得依照本發(fā)明的裝置在平均發(fā)射方向5的方向上具有更大的亮度。
在圖1中，依照本發(fā)明的裝置的實施例也包括包圍電致發(fā)光光源21和22以及光轉換單元3的透鏡6。依照本發(fā)明的裝置的發(fā)射性質可以由 透鏡6作用以便例如使混合光5聚焦、離焦或轉向。圖1中通過實例所 示的是具有球面透鏡6的實施例，該球面透鏡具有光轉換元件3與電致 發(fā)光光源21和22之間的未;^皮透鏡6填充的空間體積4。然而，空間體 積4也可以填充例如硅樹脂橡膠。在其他的實施例中，該透鏡可以是這 樣的形式，使得透鏡6直接包圍轉換元件3和電致發(fā)光光源2，而不形 成空間體積4。在其他的實施例中，也可以不帶透鏡6 (并且因而沒有 空間體積4 )地操作依照本發(fā)明的裝置。
圖2示出了依照本發(fā)明的裝置的另一個實施例，其中與圖1所示實 施例形成對照的是，第二電致發(fā)光光源22相對于平均發(fā)射方向5橫向 耦合到光轉換元件3。在該裝置中，第二初級輻射52以相對于第一初級 輻射51的直角耦合到光轉換元件3中，這甚至在磷光體轉換材料的光 散射效應不是很大時也產(chǎn)生所述兩個初級輻射的良好的混合。在其他的 實施例中，也可以不帶透鏡6 (并且因而沒有空間體積4)地操作依照 本發(fā)明的裝置。
圖3為依照本發(fā)明的裝置的另一個實施例的平面視圖。在這種情況 下，8個第一電致發(fā)光光源21置于邊長為A的3x3布置的區(qū)域中，第 二電致發(fā)光光源22處于該布置的中心。陰影區(qū)代表光轉換元件3，其從 發(fā)射方向看設置在光源之上，并且其側面借助于反射層7而成為反射性 的。為了保證兩個初級輻射51和52完全混合，光轉換元件3可以例如 具有厚度D,其在光的平均發(fā)射方向上等于或大于邊長A。中心放置第 二電致發(fā)光光源22的事實對于兩個初級輻射51和52的混合提供了額 外的幫助。同樣可能的是，如果所述光轉換元件的光分布性質更大或者 其厚度D更大，則將第二電致發(fā)光光源22設置在這種布置的邊緣處。
在另一個實施例中，依照本發(fā)明的裝置可以包括光轉換元件3,該 光轉換元件在沒有初級輻射51或52通過其耦合到該光轉換元件3中的 那些區(qū)域中在與電致發(fā)光光源21和22相鄰的側面上成為反射性的。因 此，沒有回射或后向散射的初級和/或次級輻射51、 52或53能夠在與平 均發(fā)射方向5相反的方向離開依照本發(fā)明的裝置，這增大了平均發(fā)射方 向5的方向上的所述裝置的亮度。
為了允許以可變的方式設置由依照本發(fā)明的裝置發(fā)射的混合光5的 色點，必須與笫一電致發(fā)光光源21獨立地操作第二電致發(fā)光光源22。圖4示出了用于該目的的實施例，其中操作單元9借助于電連接構件91 向第一光源21施加第一工作電壓并且借助于能夠獨立于第一構件地操 作的連接構件92向第二光源22施加第二工作電壓?？梢越柚谶m當?shù)?驅動器以可變的方式通過操作單元9將第一和第二工作電壓設置成是不 同的。這種驅動器在現(xiàn)有技術中是已知的。由于所發(fā)射的初級輻射51 和52的亮度與工作電壓成比例，因而可以在第一和笫二初級輻射之間 設置任何希望的亮度比值，并且因而可以相應地移動由初級和次級輻射 組成的混合光的色點。在另一個實施例中，操作單元9包括具有存儲區(qū) 域的控制單元10，在該存儲區(qū)域中存儲了能夠利用依照本發(fā)明的裝置設 置的、作為單獨的工作電壓的函數(shù)的色點。于是，控制單元10能夠通 過采用希望的存儲的值像希望的那樣設置混合光5的色點。控制單元10 還可以包括用于補償老化效應(通過例如調(diào)節(jié)作為時間函數(shù)的相對于初 始操作時的原始電流水平的電流)的算法，所述算法將導致色點的平移 并且因而將借助于定時器在整個工作壽命期間進行校正以便允許穩(wěn)定 給定的色點。
為了光轉換元件3給出依照本發(fā)明的光分布效應，所述轉換層的磷 光體轉換材料必須具有適當?shù)墓馍⑸湫?。這種適當?shù)墓馍⑸湫峭?過使得該材料為具有多個平均直徑在250nm與2900nm之間的孔隙或多 個直徑在50nm與5000nm之間的氧化粒子的多晶陶瓷材料，或者使得 它為相應的孔隙和氧化粒子的組合來實現(xiàn)的。在這種情況下，這些孔隙 和氧化粒子的折射率必須與所述磷光體轉換材料的折射率截然不同。光 散射效應變得越大，則折射率之差越大和/或這種類型的散射中心的數(shù)量 越大。盡管所述孔隙典型地為填充11=1的空氣的孔隙，這些孔隙的折射 率與任何磷光體轉換材料的折射率截然不同，但是所述氧化粒子應當具 有比光轉換材料的折射率更低的折射率，其例如具有折射率1.76的 八1203粒子。
依照本發(fā)明的光轉換材料的 一個實例為如下產(chǎn)生的摻雜鈰的YAG 陶瓷
該陶瓷材料由100g A1203 (平均顆粒尺寸為0.35pm,純度為 99.99%) 、 120.984gY2O3 (平均顆粒尺寸為0.70|tim,純度>99.99% )、 21.835gGd203 (平均顆粒尺寸為0.40pm)以及1.0197gCeO2 (平均顆粒 尺寸為0.40pm,純度〉99.0%)的混合物產(chǎn)生，其在輥磨機中與850ml異丙醇和5.0kg氧化鋁磨球(直徑為2mm)碾磨(mill)達一個小時。這些給定的定量數(shù)量考慮了從熾熱粉末中損失的水和C02,并且因而大于隨后將在陶瓷材料中存在的數(shù)量。熾熱引起的損失通過在空氣中加熱到1200°C的熾熱直到重量恒定來確定。接著，利用乙烯聚合物粘合劑將該干燥的粉末形式的混合物加工成顆粒材料并且在110°C下干燥。然后，將該顆粒材料單軸緊壓成壓坯(green compact)并且在3.2kbar的壓力下在冷等靜壓(cold isostatic press)中重新壓縮。在包括在空氣中在600°C下燒盡粘合劑的步驟之后，在CO的氛圍中在1750。C下燒結壓坯達2小時。燒結之后獲得的是密度為4.66g/cn^的陶瓷材料31,其相應于98.73%的相對密度。在通過研磨(grind)、拋光和鋸切(sawing)的陶瓷后處理之后，在空氣中在1350°C下再次對單獨的轉換器晶片進行后退火達4小時。在其他實施例中，作為陶瓷Gd-YAG:Ce材料的可替換物，也可以通過用于將波長從420nm到480nm的初級輻射的至少一部分轉換成更長波長的次級輻射的適當方法產(chǎn)生的是以下材料
Lu3-x-yYxAl5012:Cey,其中0^x^1, 0,001 S y S 0.1并且次級輻射處于515 - 540nm, Y3.x.yTbxAl5012:Cey,其中0^x^1, 0.001^y^0.1并且次級輻射處于550 - 590nm或者Lu3_x，YxAl5-aSia012_aNa:CeyPrz,其中0^x￡l, O.OOl^y^O.l, 0.0005 0.01 ^ a S 0.8并JD欠級輻
射處于540 -630nm。
可以通過以下方法產(chǎn)生其他的氧化材沖+ , 例如(SrLx國yCaxBay)2-zSi04:Euz，其中0^x^0.4, 0^y<0,8, 0.001并且次級輻射處于520 - 600nm:
國在還原氛圍中在1100。C下將SrC03、 CaCo3以及可選的BaC03與Eu203和Si02混合并且進行煅燒
-碾磨原始磷光體粉末
-在真空下或者在惰性或還原氛圍中在20 - lOOMpa的壓力下在1300。C - 1400°C下熱壓原始;癢光體粉末。
可以用作陶資材料的是立方(cubic)材料，例如YAG,或者非立方材料，例如正硅酸鹽，如(Sr^yCaxBay)2^Si04:Euz。非立方材料在空間中的不同方向上具有不同的折射率，因為晶體結構在不同的取向下不同。據(jù)說存在不同的結晶軸。因此，由于多晶陶瓷材料中的不同區(qū)域(微晶或顆粒)的空間取向的原因，即使組成保持相同，折射率仍然可能沿著光所遵循的路徑而變化。作為在非立方材料中沿著不同結晶軸的折射率之差的函數(shù)，這種材料中所需的散射本領通過附加的散射中心(粒子或孔隙)來設定。
多晶陶瓷材料中的氧化粒子的尺寸也可以通過制造條件來設定。以
具有A1203氧化粒子(次級相)的YAG:Ce (初級相)為例，可以通過使用的八1203起始粉末的濃度和顆粒尺寸與孔隙無關地設定散射。包含過量的Al的YAG陶瓷形成A1203次級相，其顆粒尺寸大約2-10倍于使用的Al203粉末的顆粒尺寸。通過這種方式，在針對其使用了具有400nm平均顆粒尺寸的八1203粉末的、包含5°/。的過量Al的YAG:Ce陶瓷中，獲得了大約相當于4%的重量比例的具有1 - 4pm顆粒尺寸的A1203次級相(在YAG晶格中由于反位置(antisite)缺陷的原因可以容忍稍微過量的Al)。如果例如使用了具有l(wèi)pm平均顆粒尺寸的八1203粉末，那么同樣在這種情況下，次級相的顆粒尺寸將至少與所使用的粉末的顆粒尺寸一樣大，但是也可以大得多。對于同樣濃度的次級相而言，其顆粒的平均直徑越小(更多散射)，則被使用并且形成次級相的氧化前驅(precursor)成分(起始材料)的平均直徑越小。以適當?shù)姆绞嚼貌煌奶沾刹牧希部梢源鍭1203將其他適當產(chǎn)生的次級相粒子用于光的散射。
包含在多晶陶瓷材料中的孔隙的尺寸可以通過光的散射的測量來確定，如圖5中通過實例所示。在這種情況下，厚度為15(Him的陶瓷光轉換材料的晶片由垂直于切口平面的波長為660nm的激光照射，并且針對從-80°到80。的相對于晶片法線的角度@范圍確定穿過多晶陶瓷材料之后的光分布(透射T)。測量的結果示為圖6中的點線，連同針對米氏散射(Mie scattering)而計算的光分布，所述米氏散射在使用的多晶陶瓷材料中出現(xiàn)在具有折射率11=1的粒子(填充了空氣的孔隙)(實線A*、 B、 C)處，如針對三種不同的孔隙直徑所計算的。米氏散射指的是在球形物體處的電磁波散射。在該圖中，曲線A為針對700nm孔隙直徑的光分布，曲線B為針對卯0nm孔隙直徑的光分布，并且曲線31為針對800nm孔隙直徑的光分布。曲線C與測量的光分布匹配良好，這給出了用于多晶陶瓷材料的平均孔隙直徑800nm。
實施例圖6示出了用于發(fā)射混合光的依照本發(fā)明的裝置的發(fā)射光譜。在該圖中，發(fā)射的初級和次級輻射的強度(任意單位)繪制為以納米為單位的波長X的函數(shù)。實線代表在由第一和第二電致發(fā)光光源21和22發(fā)射的初級輻射穿過光轉換元件3之前該初級輻射的發(fā)射光譜。虛線代表在該初級輻射穿過光轉換元件之后得到的混合光的發(fā)射光譜，所述光轉換元件在當前實例中包括光轉換材料，其組成為Y2.64Gd0.3Ce0.06Al5O12,其密度為相應晶體材料的理論最大密度的99%，并且其在平均發(fā)射方向的方向上的厚度為150prn。在這個實例中，來自依照本發(fā)明的裝置的混合光5對于3671m/W的流明當量具有3622K的相關色溫、顏色再現(xiàn)指數(shù)Ra=84、顏色坐標x=0.4074和y=0.4124以及隨^L角的最大色點變化<△uV=0.008。這種微小的顏色變化不能為觀察者所察覺，并且色點因而對于觀察者而言不再依賴于視角。
圖7示出了針對依照本發(fā)明的裝置的色點變化AuV與視角B的函數(shù)關系，圖6涉及所述裝置，該裝置(■)與現(xiàn)有技術磷光體轉換裝置相比，具有藍色第一和紅色第二電致發(fā)光光源，(o)只有藍色電致發(fā)光光源。具有相應多晶材料的理論最大密度的99%的密度以及平均輻射方向的方向上的150pm厚度的相同光轉換材料Y2.64Gdo.3Ceo.o6Al50u用于這兩種裝置。藍色電致發(fā)光光源具有CIE 1931色度圖中的乂=0.1495和y=0.0309處的色點，并且紅色電致發(fā)光光源具有CIE 1931色度圖中的x=0.6760和y=0.3238處的色點。盡管現(xiàn)有技術裝置示出隨^L角的直到0.055的色點變化AuV,但是這個變化在依照本發(fā)明的裝置的情況下降低了不止6倍。AuV-0.055的變化能夠容易地為觀察者所察覺。因此，與依照本發(fā)明的裝置形成對照的是，在現(xiàn)有技術裝置中，色點在很大程度上依賴于視角。
圖8示意性地示出了 CIE1931色度圖中的色點，當可以彼此獨立地設置由第一和第二光源發(fā)射的光的強度時，這些色點能夠利用圖6和圖7涉及的依照本發(fā)明的裝置來設置。在這種情況下，(a)為藍色第一電致發(fā)光光源的色點，(c)為紅色第二電致發(fā)光光源的色點，以及(b)為由所選擇的光轉換材料決定的光轉換元件的色點。色點(d)通過針對具有色點(a)的第一初級輻射選擇所述光轉換元件的厚度和吸收能力來設定。通過借助于操作單元并且借助于得到的第一和第二初級輻射的強度變化來改變第一和第二電致發(fā)光光源的工作條件，可以像希望的那樣沿著(d)與(c)之間的直線設置混合光5的色點。標記為W的區(qū)域為SAE顏色白色區(qū)，并且標記為WK的曲線為用于白色光的CIE定
義曲線。
參照附圖和描述闡述的實施例僅僅是用于發(fā)射混合光的依照本發(fā)明的裝置以及光轉換元件的實例，并且不應當被視為將權利要求限于這些實例。本領域技術人員也可以想到可替換的實施例，并且這些同樣3皮權利要求書的范圍所覆蓋。從屬權利要求的編號并不預期暗示這些權利要求的組合不同樣構成本發(fā)明的有利實施例。
權利要求
1.一種用于在平均發(fā)射方向(5)上發(fā)射包括初級和次級輻射(51，52，53)的混合光(5)的裝置，包括-至少一個第一電致發(fā)光光源(21)，用于發(fā)射在第一波長處具有最大強度的第一初級輻射(51)，-至少一個第二電致發(fā)光光源(22)，用于發(fā)射在比第一波長更大的第二波長處具有最大強度的第二初級輻射(52)，以及-光轉換元件(3)，用于吸收所述初級輻射(52，52)中的至少一個并且重新發(fā)射次級輻射(53)，所述光轉換元件(3)被如此設置，使得所述混合光中所有的初級輻射(51，52)都經(jīng)過該光轉換元件(3)，并且該光轉換元件(3)包括陶瓷光轉換材料，其微觀結構被選擇成使得包括初級和次級輻射的混合光(5)的色點基本上與視角(B)無關。
2. 如權利要求1所述的用于發(fā)射混合光(5)的裝置，其特征在于，所 述第一波長處于光譜的藍色或紫外區(qū)域，并且所述第二波長處于光譜的紅 色區(qū)域。
3. 如權利要求1或2所述的用于發(fā)射混合光(5)的裝置，其特征在 于，所述陶瓷光轉換材料包括多個氧化粒子，其平均直徑在50nm與 5000nm之間。
4. 如權利要求3所述的用于發(fā)射混合光(5)的裝置，其特征在于， 所述陶瓷光轉換材料的折射率與所述氧化粒子的折射率之間的差值大 于0.2。
5. 如權利要求3或4所述的用于發(fā)射混合光(5)的裝置，其特征在 于，所述陶資光轉換材料包括多個孔隙，其平均直徑在250nm與2900nm之間。
6. 如前面的權利要求中任何一項所述的用于發(fā)射混合光(5)的裝 置，其特征在于，所述陶瓷光轉換材料的密度大于相應晶體材料的理論 最大密度的97%。
7. 如前面的權利要求中任何一項所述的用于發(fā)射混合光(5)的裝 置，其特征在于，所述光轉換元件(3)優(yōu)選地通過該光轉換元件(3) 與所述笫一 (21)和第二 (22)電致發(fā)光光源之間的硅樹脂層(8)光 學耦合到這些光源(21, 22)。
8. 如前面的權利要求中任何一項所述的用于發(fā)射混合光(5)的裝置，其特征在于，所述光轉換元件(3)在表面法線基本上垂直于混合 光(5)的平均發(fā)射方向的側面上包括反射層(7)。
9. 如前面的權利要求中任何一項所述的用于發(fā)射混合光(5)的裝 置，其特征在于，可以借助于操作單元(9)以可變的方式彼此獨立地 設置所述第一和第二初級輻射(51, 52)的強度。
10. —種預期用于在平均發(fā)射方向(5)上發(fā)射從初級和次級輻射 (51, 52, 53 )產(chǎn)生的混合光(5)以及用于吸收所述初級輻射(51，52 )中的至少一個并且重新發(fā)射所述次級輻射(53 )的光轉換元件(3 )， 所述光轉換元件(3)包括陶瓷材料，其微觀結構被選擇成使得從初級 和次級輻射(51, 52, 53 )產(chǎn)生的混合光(5)的色點基本上與視角(B) 無關。
全文摘要
一種用于在平均發(fā)射方向(5)上發(fā)射包括初級和次級輻射(51，52，53)的混合光(5)的裝置，包括至少一個第一電致發(fā)光光源(21)，用于發(fā)射在第一波長處具有最大強度的第一初級輻射(51)；至少一個第二電致發(fā)光光源(22)，用于發(fā)射在比第一波長更大的第二波長處具有最大強度的第二初級輻射(52)；以及光轉換元件(3)，用于吸收所述初級輻射(52，53)中的至少一個并且重新發(fā)射次級輻射(53)，所述光轉換元件(3)被如此設置，使得所述混合光中所有的初級輻射(51，52)都經(jīng)過該光轉換元件(3)，并且該光轉換元件(3)包括陶瓷光轉換材料，其微觀結構被選擇成使得包括初級和次級輻射的混合光(5)的色點基本上與視角(B)無關。
文檔編號H01L33/50GK101542754SQ200780041424
公開日2009年9月23日 申請日期2007年10月29日 優(yōu)先權日2006年11月7日
發(fā)明者H·-H·貝克特爾, M·溫特, P·J·施米特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司