本發(fā)明涉及具有能夠被調(diào)諧的發(fā)射光譜的光源。

背景技術(shù)：

半導體發(fā)光設(shè)備（包括發(fā)光二極管（led）、諧振腔發(fā)光二極管（rcled）、垂直腔激光二極管（vcsel）和邊緣發(fā)射激光器）是當前可用的最高效的光源之一。當前在能夠跨可見光譜操作的高亮度發(fā)光設(shè)備的制造中感興趣的材料系統(tǒng)包括iii-v族半導體，特別是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，其也被稱作iii族氮化物材料。典型地，iii族氮化物發(fā)光設(shè)備通過下述來制作：借由金屬有機化學氣相沉積（mocvd）、分子束外延（mbe）或其它外延技術(shù)，在藍寶石、碳化硅、iii族氮化物或其它合適的襯底上外延生長不同組分和摻雜劑濃度的半導體層的疊層。疊層通常包括在襯底之上形成的摻雜有例如si的一個或多個n型層、在該一個或多個n型層之上形成的有源區(qū)中的一個或多個發(fā)光層、和在該有源區(qū)之上形成的摻雜有例如mg的一個或多個p型層。電氣接觸在n型和p型區(qū)上形成。

在發(fā)射藍光的高效的iii族氮化物led的開發(fā)之后，開發(fā)基于led的白光源變得實際。白色led包括諸如磷光體之類的一種或多種光致發(fā)光材料，其吸收由led發(fā)射的輻射的部分并且重發(fā)射不同顏色（波長）的輻射。典型地，led芯片或管芯生成藍光，并且（多個）磷光體吸收一百分比的藍光并且重發(fā)射黃光，或者綠光與紅光的組合、綠光與黃光的組合、或者綠光與橙光的組合、或者黃光與紅光的組合。沒有被磷光體吸收的由led生成的藍光的部分與由磷光體發(fā)射的光組合，提供了人眼看起來為白色的光。

將由led直接發(fā)射的初級光與由磷光體發(fā)射的次級光組合起來的此過程也經(jīng)常被應(yīng)用于多個led共享同一磷光體元件的配置。這可以在多個藍色led與磷光體直接接觸的組件級上完成，或者在多個led光照單個遠程的磷光體元件的模塊級上完成。

為了保持高的顯色性，各種磷光體材料被混合在led上或遠程板（remoteplate）中，或者引入具有紅色初級發(fā)射顏色的led，以形成所謂的“混合”系統(tǒng)。

圖1圖示在us2012/0155076中更詳細地描述的混合照明系統(tǒng)的示例。圖4的白光發(fā)射系統(tǒng)40包括發(fā)光設(shè)備20，該發(fā)光設(shè)備20包括藍色發(fā)射led26和紅色發(fā)射led28。發(fā)光系統(tǒng)40包括至少一個藍光可激發(fā)磷光體材料42，其被配置成使得在操作中發(fā)光設(shè)備20以藍光30輻照磷光體材料42。磷光體材料42吸收藍光30的部分，并且作為響應(yīng)發(fā)射不同顏色（典型為黃綠色）的光44。系統(tǒng)40的發(fā)射產(chǎn)物46包括經(jīng)組合的由led26、28發(fā)射的藍光30和紅光32及由磷光體材料42生成的光44。

提供焊接墊34、36用于向藍色和紅色led芯片提供電力?？刹僮饕钥刂扑{色和紅色led的正向驅(qū)動電流ifb、ifr的驅(qū)動器48電氣連接到焊接墊34、36。驅(qū)動器48允許獨立地控制藍色和紅色led芯片。驅(qū)動器48可以響應(yīng)于發(fā)射產(chǎn)物46中的藍光和紅光貢獻的所測量的強度ib和ir而可操作。借助反饋裝置，驅(qū)動器48使用所測量的強度ib、ir來調(diào)節(jié)藍色和/或紅色led的正向驅(qū)動電流ib、ir以補償出現(xiàn)在led和/或磷光體材料的發(fā)射特性的顏色中的改變。替代地和/或另外地，驅(qū)動器可以可操作以響應(yīng)于led的操作溫度t而控制一個/或兩個led驅(qū)動電流。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有多個led的照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)可以具有改進的效率、改進的靈活性或改進的性能。

根據(jù)本發(fā)明實施例的照明系統(tǒng)包括第一和第二發(fā)光二極管。該第一和第二發(fā)光二極管具有不同的峰值波長并發(fā)射相同顏色的光。該系統(tǒng)還包括第三發(fā)光二極管，該第三發(fā)光二極管發(fā)射與該第一和第二發(fā)光二極管的顏色不同的光。波長轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在由該第一和第二發(fā)光二極管發(fā)射的光的路徑中。

附圖說明

圖1圖示了現(xiàn)有技術(shù)的混合照明系統(tǒng)。

圖2是具有至少三個led和與該led間隔開的波長轉(zhuǎn)換元件的照明系統(tǒng)的部分的截面視圖。

圖3是具有至少三個led和設(shè)置在該led之上的波長轉(zhuǎn)換元件的照明系統(tǒng)的部分的截面視圖。

圖4圖示了圖2和3中圖示的波長轉(zhuǎn)換元件的吸收光譜和led中的兩個的發(fā)射光譜的峰值。

圖5是具有至少三個led和設(shè)置在該led之上的波長轉(zhuǎn)換材料的混合物的照明系統(tǒng)的部分的截面視圖。

圖6是具有至少三個led和在分開的層中、在該led之上設(shè)置的多個波長轉(zhuǎn)換材料的照明系統(tǒng)的部分的截面視圖。

圖7是具有至少三個led和設(shè)置在與該led間隔開的單個層中的波長轉(zhuǎn)換材料的混合物的照明系統(tǒng)的部分的截面視圖。

圖8是具有至少三個led和在分開的層中、與led間隔開的多個波長轉(zhuǎn)換材料的照明系統(tǒng)的部分的截面視圖。

圖9圖示了yag:ce和eu²⁺紅色氮化物磷光體的吸收光譜。

圖10圖示了照明系統(tǒng)中的多個led的布置。

圖11圖示了eu²⁺綠色氮化物磷光體和ksif:mn⁴⁺紅色磷光體的吸收光譜，以及兩個藍色led的峰值發(fā)射光譜。

具體實施方式

本發(fā)明的實施例涉及照明系統(tǒng)，包括混合照明系統(tǒng)，其中可以改變色溫。本發(fā)明的實施例在具有有著不同發(fā)射波長的led的系統(tǒng)中，使用作為波長的函數(shù)的磷光體材料的吸收強度的改變，來創(chuàng)建具有可調(diào)諧發(fā)射光譜的光源。

在下面描述的實施例中，為了語言的經(jīng)濟性，波長轉(zhuǎn)換材料被稱作磷光體。應(yīng)理解，（多種）波長轉(zhuǎn)換材料可以是任何合適的材料，包括例如常規(guī)磷光體、有機磷光體、量子點、有機半導體、ii-vi或iii-v族半導體、ii-vi族或iii-v半導體量子點或納米晶體、染料、聚合物或者其它發(fā)光的材料。

圖2、3、5、6、7和8是可以更改所發(fā)射的光的色溫的照明系統(tǒng)的部分的截面視圖。

在圖2和3中，所圖示的照明系統(tǒng)的部分包括兩個藍色led和紅色led。

在圖2和3中的每一個中，在襯底50上設(shè)置至少三個led52、54和56。led52和54兩者都可以發(fā)射藍光。led52和54具有不同的峰值波長。led52和54的峰值波長可以在一些實施例中相差至少5nm、在一些實施例中相差至少10nm、在一些實施例中相差至少15nm、在一些實施例中相差不超過40nm、以及在一些實施例中相差不超過30nm。led52和54可以直接發(fā)射期望波長的光，或者它們可以是磷光體轉(zhuǎn)換的led。led56可以或者直接地，或者經(jīng)由波長轉(zhuǎn)換來發(fā)射紅光。led52、54和56可以是任何合適的led。led52、54和56可以附接到任何合適的襯底50，諸如例如金屬芯印刷電路板。系統(tǒng)可以包括控制電路51，其用于獨立地尋址led52、54和56，并且使由led52、54和56中的每一個產(chǎn)生的光的量發(fā)生變化。

在圖2和3中的每一個中，磷光體層位于由三個led52、54和56發(fā)射的光的路徑中。磷光體層可以含有諸如tio2顆粒之類的光散射材料。

在圖2中，磷光體層58是與led52、54和56間隔開的鄰近磷光體。鄰近磷光體層58可以是例如發(fā)光（luminescent）陶瓷，混合有透明粘合劑的磷光體（其被分配、絲網(wǎng)印刷、模版印刷、旋轉(zhuǎn)涂布（spin-cast）、層壓、成型或以其它方式形成在透明支撐襯底上），或任何其它合適的結(jié)構(gòu)。

在圖3中，磷光體層60設(shè)置在led52、54和56之上。磷光體層60可以直接接觸led52、54和56中的一個或多個，不過這不是必需的。磷光體層60可以是例如混合有透明粘合劑的磷光體，其被分配、絲網(wǎng)印刷、模版印刷、旋轉(zhuǎn)涂布、層壓、成型或以其它方式形成在led52、54和56之上。

由在圖2和3中圖示的照明系統(tǒng)發(fā)射的光是來自led52和/或54的藍光、來自led56的紅光與來自波長轉(zhuǎn)換元件58、60的光的組合。

在本發(fā)明的實施例中，由于led52和54共享同一個波長轉(zhuǎn)換元件58、60，經(jīng)組合的光的顏色可以通過選擇led52和54的峰值波長和通過選擇具有適當吸收光譜的磷光體來調(diào)諧。在一些實施例中，磷光體層58和60中的磷光體是黃色/綠色磷光體，諸如摻雜有鈰的釔鋁石榴石，其通常縮寫為yag:ce。

圖4圖示了作為波長的函數(shù)的yag:ce的吸收光譜的部分62。圖4還圖示了本發(fā)明的一個實施例中的led52和54的發(fā)射光譜。led52的發(fā)射比led54的發(fā)射更少地被波長轉(zhuǎn)換器吸收（即吸收光譜上的點66的y軸值小于點64的y軸值）。因此，與激活led54和56且不激活led52之時相比，在激活led52和56且不激活led54之時，在組合光中存在更多的藍光，并且在組合光中存在更少的綠光/黃光。因此，通過激活led52和54中的一個、led52和54中的另一個、或者led52和54兩者，可以更改組合光的色溫。

在圖4中圖示的實施例中，led52具有436nm的峰值波長，并且led54具有457nm的峰值波長。led52的峰值波長可以是在一些實施例中至少426nm、在一些實施例中不超過446nm、在一些實施例中至少431nm和在一些實施例中不超過441nm。led54的峰值波長可以是在一些實施例中至少447nm、在一些實施例中不超過467nm、在一些實施例中至少452nm和在一些實施例中不超過462nm。

如在圖4中圖示的，來自led52的初級光將不如來自led54的光那樣多地被波長轉(zhuǎn)換層吸收和轉(zhuǎn)換成次級光。作為結(jié)果，來自led52的初級光和來自波長轉(zhuǎn)換層的次級光的組合將具有與來自led54的初級光和來自相同波長轉(zhuǎn)換層的次級光不同的色度。這兩個不同的色度可與紅光組合，以產(chǎn)生具有不同的相關(guān)色溫和高顯色性的光。改變來自led52和54以及紅色led56的光輸出的比例允許連續(xù)地改變（調(diào)諧）組合光的相關(guān)色溫（cct）。

在圖2和3中圖示的結(jié)構(gòu)中，波長轉(zhuǎn)換元件58、60不吸收由led56發(fā)射的光。因此，雖然圖2和3圖示了設(shè)置在波長轉(zhuǎn)換元件下方的led56，使得從led56發(fā)射的光入射在該波長轉(zhuǎn)換元件上，但是在一些實施例中，led56可以位于波長轉(zhuǎn)換元件外部，使得從led56發(fā)射的光不入射在該波長轉(zhuǎn)換元件上。

在圖5、6、7和8中，所圖示的照明系統(tǒng)的部分包括兩個藍色led和一uvled。

在圖5、6、7和8中的每一個中，至少三個led52、54和70設(shè)置在襯底50上。led52和54可以兩者都發(fā)射藍光。led52和54具有不同的峰值波長。led52和54的峰值波長可以在一些實施例中相差至少5nm、在一些實施例中相差至少10nm、在一些實施例中相差至少15nm、在一些實施例中相差不超過40nm、和在一些實施例中相差不超過30nm。led52和54可以直接發(fā)射期望波長的光，或者它們可以是經(jīng)磷光體轉(zhuǎn)換的led。led70可以發(fā)射uv光。

led52、54和70可以是任何合適的led。led52、54和70可以附接到任何合適的襯底50，諸如例如金屬芯印刷電路板。系統(tǒng)可以包括控制電路（未示出），其用于獨立地尋址led52、54和70，并且用于使led52、54和70中的每一個的光輸出發(fā)生變化。

在圖5、6、7和8中的每一個中，波長轉(zhuǎn)換元件位于由三個led52、54和70發(fā)射的光的路徑中。波長轉(zhuǎn)換元件包括兩種磷光體，一種磷光體由藍色led52和54泵浦且發(fā)射黃光和/或綠光（諸如yag:ce），并且一種磷光體由uvled70泵浦且發(fā)射紅光。任何一種磷光體或兩種磷光體可以與諸如tio2顆粒之類的光散射材料混合。

在圖5中，兩種磷光體在單個層72中混合，該單個層72設(shè)置在led52、54和70之上。磷光體層72可以直接接觸led52、54和70中的一個或多個，不過這不是必需的。磷光體層72可以是例如混合有透明粘合劑的磷光體，其被分配、絲網(wǎng)印刷、模版印刷、旋轉(zhuǎn)涂布、層壓、成型或以其它方式形成在led52、54和70之上。

在圖6中，兩種磷光體在兩個分開的層中、在led52、54和70之上設(shè)置。在led之上設(shè)置第一磷光體層74，其可以是例如黃色/綠色發(fā)射磷光體。在該第一磷光體層74之上設(shè)置第二磷光體層76，其可以是例如紅色發(fā)射磷光體?？梢灶嵉沽坠怏w層的順序，使得紅色發(fā)射磷光體最接近于led。第一磷光體層74可以直接接觸led52、54和70中的一個或多個，不過這不是必需的。第一和第二磷光體層74和76可以是例如混合有透明粘合劑的磷光體，其被分配、絲網(wǎng)印刷、模版印刷、旋轉(zhuǎn)涂布、層壓、成型或以其它方式形成在led52、54和70之上。

在圖7中，兩種磷光體在與led52、54和70間隔開的單個層78中混合。磷光體層78可以是例如發(fā)光陶瓷，混合有透明粘合劑的磷光體（其被分配、絲網(wǎng)印刷、模版印刷、旋轉(zhuǎn)涂布、層壓、成型或以其它方式形成在透明支撐襯底上），或任何其它合適的結(jié)構(gòu)。

在圖8中，兩種磷光體在與led52、54和70間隔開的分開的層中形成?？梢允抢琰S色/綠色發(fā)射磷光體的第一磷光體層80最靠近于led地設(shè)置?？梢允抢缂t色發(fā)射磷光體的第二磷光體層82設(shè)置在該第一磷光體層82之上?？梢灶嵉沽坠怏w層的順序，使得紅色發(fā)射磷光體最接近于led。磷光體層80和82中的一個可以是例如發(fā)光陶瓷，混合有透明粘合劑的磷光體（其被分配、絲網(wǎng)印刷、模版印刷、旋轉(zhuǎn)涂布、層壓、成型或以其它方式形成在透明支撐襯底上），或任何其它合適的結(jié)構(gòu)。另一個磷光體層可以附接到第一磷光體層，并且可以是通過本文描述的任何技術(shù)形成的任何類型的磷光體層。在一個示例中，紅色粉末磷光體與透明粘合劑材料混合并且分配在黃色/綠色發(fā)射yag陶瓷板上。

由在圖5、6、7和8中圖示的照明系統(tǒng)發(fā)射的光是來自led52和/或54的藍光、來自紅色發(fā)射磷光體的紅光和來自黃色/綠色發(fā)射磷光體的黃光/綠光的組合。濾光器（未示出）可以包括在該結(jié)構(gòu)中。例如，反射或吸收uv和/或藍光以防止uv和/或藍光逸出該結(jié)構(gòu)的濾光器可以形成在紅色發(fā)射磷光體之上。將未經(jīng)轉(zhuǎn)換的uv或藍光往回反射穿過紅色發(fā)射磷光體使得該光可被紅色發(fā)射磷光體轉(zhuǎn)換的濾光器可以形成在紅色發(fā)射磷光體之上。濾光器可以反射或吸收uv和/或藍光的全部或僅一部分。在替代方案中，濾光器（其可以是uv或藍色濾光器）可以覆蓋組合的磷光體。

組合光的顏色可以通過選擇led52和54的峰值波長和通過選擇具有適當吸收光譜的綠色/黃色磷光體而調(diào)諧。在一些實施例中，綠色/黃色磷光體是yag:ce。雖然在下面討論的示例中，綠色/黃色磷光體是yag，但是可以使用任何合適的綠色/黃色磷光體，包括其它的石榴石磷光體?？梢赃x擇uvled70的波長，使得綠色/黃色磷光體不吸收或吸收非常少的來自uvled70的光。

圖9圖示了作為波長的函數(shù)的yag:ce和紅色磷光體的吸收光譜。yag:ce的吸收光譜包括兩個峰值，在圖4中圖示的峰值62和處于uv范圍中的峰值102。在圖5、6、7和8中圖示的設(shè)備中，如上文參考圖4所描述的，led52和54的峰值波長可以在峰值62的波長范圍中。如參考圖4描述的，相比于激活led54和70且不激活led52之時，在激活led52和70且不激活led54之時，在組合光中存在更多的藍光并且在組合光中存在更少的綠光/黃光。因此，通過激活led52和54中的一個、led52和54中的另一個或led52和54兩者，可以更改組合光的色溫。

在一些實施例中，將uvled70的峰值發(fā)射波長選擇為在范圍106中，范圍106在yag:ce吸收光譜中的峰值102和62之間。波長范圍106中的uv光將不被黃色/綠色yag:ce磷光體以任何顯著的量來顯著地吸收。波長范圍106中的uv光被紅色磷光體吸收，如由紅色磷光體的吸收光譜104所圖示的?？梢允褂萌魏魏线m的紅色發(fā)射磷光體。合適材料的示例包括eu²⁺激活的氮化物紅色發(fā)射材料，諸如mxsiynz:eu，其中m是從組ca、sr、ba、zn中選擇的堿土金屬中的至少一個，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選自銪（ii）和鈰（iii）；以及eu²⁺激活的硫化物紅色發(fā)射材料，諸如cases:eu和(ca,sr)s:eu。

在圖9中，led52具有436nm的峰值波長，并且led54具有457nm的峰值波長。led52的峰值波長可以是在一些實施例中至少426nm、在一些實施例中不超過446nm、在一些實施例中至少431nm、和在一些實施例中不超過441nm。led54的峰值波長可以是在一些實施例中至少447nm、在一些實施例中不超過467nm、在一些實施例中至少452nm、和在一些實施例中不超過462nm。led70的峰值波長可以是在一些實施例中至少355、在一些實施例中不超過410nm、在一些實施例中至少370、和在一些實施例中不超過400。如上文參考圖4所描述的，來自藍色led、黃色/綠色發(fā)射磷光體和紅色發(fā)射磷光體的組合光的cct可以通過使來自led52、54和70中的每一個的輸出發(fā)生變化來調(diào)諧。

在一些實施例中，省略了分開的紅光源（諸如圖2和3中的紅色led56，以及圖5、6、7和8中的uvled70），并且紅光通過藍色led52、54中的一個或兩個的磷光體轉(zhuǎn)換而生成。圖11圖示了可以在這樣的實施例中使用的紅色磷光體和綠色磷光體的吸收光譜。光譜112是綠色發(fā)射的eu²⁺激活的氮化物磷光體（諸如sson、β賽?。╯ialon）、或正硅酸鹽）的吸收光譜。光譜110是紅色發(fā)射的mn⁴⁺激活的六氟硅酸鹽磷光體（諸如ksif:mn⁴⁺）的吸收光譜。線52和54圖示了藍色led52和54的峰值發(fā)射波長。如圖11中所圖示的，綠色發(fā)射磷光體112從led52和54兩者吸收光。紅色發(fā)射磷光體110強烈地從led54吸收光，但是從led52吸收很少的光或不吸收光。例如，led54的峰值波長下的紅色磷光體的吸收可以在一些實施例中是led52的峰值波長下的紅色磷光體的吸收的至少兩倍、在一些實施例中是led52的峰值波長下的紅色磷光體的吸收的至少三倍、并且在一些實施例中是led52的峰值波長下的紅色磷光體的吸收的至少四倍。led52的峰值波長可以是在一些實施例中至少370nm并且在一些實施例中不超過405。led54的峰值波長可以是在一些實施例中至少430nm并且在一些實施例中不超過450。通過使led52的輸出發(fā)生變化，可以使組合光中的綠光和藍光的量發(fā)生變化。如上文參考圖4所描述的，通過使來自led52和54的輸出發(fā)生變化，可以調(diào)諧來自藍色led、黃色/綠色發(fā)射磷光體和紅色發(fā)射磷光體的組合光的cct。

在一些實施例中，本文描述的照明系統(tǒng)的顯色指數(shù)保持在80以上。顯色指數(shù)可以通過適當?shù)剡x擇led和磷光體的發(fā)射光譜來調(diào)諧。

如本領(lǐng)域中已知的，yag:ce的吸收光譜可以通過將釓、镥、鎵、碲中的一種或多種添加到磷光體的石榴石基質(zhì)中來操縱。

圖10圖示了在并入圖2、3、5、6、7和8中圖示的一個或多個部分結(jié)構(gòu)的設(shè)備的一個示例中的led的放置。波長轉(zhuǎn)換元件的輪廓由圓92圖示。多個led90設(shè)置在波長轉(zhuǎn)換元件92的下方?？梢允褂帽葓D10中圖示的更多或更少的led90。led90可以附接到支撐體50，該支撐體50可以是例如布線基板（substrate）、電路板或任何其它合適的結(jié)構(gòu)。未在圖10中示出的控制電路可以經(jīng)由支撐體50電氣連接到led90。

led90包括藍色led52和54以及紅色led56和/或uvled70，以用于如上文描述的那樣生成紅光。在一些實施例中，led90可以在藍色led52、藍色led54和紅色或uvled56、70之間均勻地劃分。在一些實施例中，存在比紅光源56、70更多的藍色led52和54。例如，藍色led52、54與紅光源56、70的比例可以是在一些實施例中至少3:1、在一些實施例中至少4:1、和在一些實施例中不超過8:1。在一些實施例中，藍色led可以在led52和led54之間均勻地劃分。在一些實施例中，可以存在比led54更多的led52。在一些實施例中，可以存在比led52更多的led54。

雖然在下面的示例中，半導體發(fā)光設(shè)備是發(fā)射藍光或uv光的iii族氮化物led，但是可以使用除了led之外的半導體發(fā)光設(shè)備（諸如激光二極管）和由其它材料系統(tǒng)（諸如其它的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）制成的半導體發(fā)光設(shè)備。

在詳細描述了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會到，在給出本公開內(nèi)容的情況下，可以對本發(fā)明做出修改而不脫離本文所描述的發(fā)明構(gòu)思的精神。因此，不意圖將本發(fā)明的范圍限于圖示和描述的具體實施例。