用于产生颜色和/或亮度可改变的光的光源和方法

摘要

本发明涉及一种光源，它产生具有可改变颜色和亮度的离开光源的光，并具有至少一个发光二极管用于发出初级辐射，并且包括与所说二极管相连的层，其中所说的层包括至少一种发光材料，用于转换初级辐射为次级辐射。

说明书

技术领域

本发明涉及具有发出初级辐射的至少一个发光二极管的光源，所说光源包括与所说二极管相连的层，其中所说的层包括至少一种发光材料，用于转换初级辐射为次级辐射。

背景技术

众所周知，诸如磷光体转换型发光二极管之类的发光二极管(LED)产生具有高彩色再现指数的光。但在宽色温范围内，每个单个磷光体转换型发光二极管的光的色温是固定的。一个明显的缺点是，通过增加对磷光体的激发密度，由于发光的基态耗尽或热猝灭，磷光体开始饱和。在这个饱和过程中，具有发光材料的所述层发出越来越多的初级辐射。于是离开光源的光的颜色发生变化，所述离开光源的光是初级辐射和次级辐射的混合体。已知的光源的一个缺点是，离开光源的光的颜色在该光的亮度变化时也在变化。另一个问题是每个二极管的温度，功耗增加时其随之增加。

发明内容

本发明的目的就是消除上述的缺点。具体来说，本发明的目的就是提供一种光源，它是简单的，并且容易调整来产生光，由此容易改变光的颜色和/或亮度，而基本上不会增加发光二极管的温度。

这个目的是通过本发明的权利要求1所教导的光源实现的。因此提供一种光源，它包括一个切换装置，该切换装置用脉冲形状的电流驱动所说二极管以提供包括初级辐射和/或次级辐射的光，使光的亮度和颜色中的每一个都可独立变化。这就意味着，可以改变光的亮度而不改变光的颜色，和/或可以改变光的颜色而不改变光的亮度。

优选地，脉冲形状的电流是脉冲宽度调制的，由此，在一个可能的实施例中，初级辐射可以是可见光或者是不可见光。按照本发明的一个优选实施例，初级辐射是近紫外光(第一峰值波长在250-380纳米的范围)或蓝光(第一峰值波长在380-480纳米的范围)。本发明的基本构思之一基于如下的事实：由于二极管是用脉冲形状的电流驱动的，所以总的光输出可由脉冲数进行控制，而发光材料的饱和度可由每个脉冲的能量密度(单位：焦尔/平方厘米/秒)进行调节。由于本发明的这种安排，二极管发出初级辐射，该初级辐射向所说的层辐射。有益地，发光材料包括磷光体，所说磷光体由来自初级辐射的光子激发。根据脉冲形状的电流的激发密度(具体来说即初级辐射的激发密度)，发光材料由于基态耗尽而开始饱和。与没有发生饱和的情况相比，在这个饱和过程中，由磷光体转换成次级辐射的初级辐射的份额减少了。取决于磷光体的不同，可将次级辐射转换成不同的颜色。当然，本发明可以进行这样的驱动，以使颜色的变化伴随亮度的变化，反之亦然。

有益地，通过使用脉冲宽度调制(PWM)，可以相互独立地调节颜色和亮度。饱和的程度由脉冲中的能量密度确定，亮度通过脉冲频率进行调节。以此方式，可以获得颜色和亮度的可调性而不会不可接受地增加发光二极管的功耗，发光二极管功耗的增加会导致磷光体发光的热猝灭，并且会导致发光二极管外包装的热退化。最后，如果结合传感器使用本发明，发光二极管的光的色点可长时间保持恒定不变。

优选地，所说的层是陶瓷磷光体层。根据饱和水平的不同，由二极管发出的或多或少的初级辐射透过所说的层。离开光源的光包括初级辐射和/或次级辐射。于是，光的颜色是由初级和/或次级辐射的颜色的混合体产生。在本发明的一个优选实施例中，初级辐射是蓝光。例如，若使用CaS:Eu作为该层中的磷光体元素，则初级辐射由磷光体转换成具有红色的次级辐射。根据所说的磷光体的饱和等级的不同，某些蓝色辐射透过所说的层，由此通过磷光体产生一定数量的红色辐射。出射的光是红色辐射和蓝色辐射的混合体。在饱和的情况下，所说的层对于蓝光的透明度增加了。按照本发明，对于离开光源的光，可以产生位于x、y色图中在由发光二极管产生的初级辐射(蓝色)和由CaS:Ce产生的发出红色的颜色之间的线上的所有颜色。主要的优点之一是，具有单一二极管的一个现成的光源就可以产生具有不同的可变颜色的出射光。

此外，优选的作法是，所说的层包括如下的磷光体中的一种或多种：

(红色光)

CaS:Eu，SrS:Eu，(Ca，Sr)S:Eu，(Y，Gd)₂O₂S:Eu，Y(VO₄):Eu，(Sr，Ba，Ca)₂Si₅N₈:Eu

(绿色/黄色光)

Y₃Al₅O₁₂:Ce，(Y，Gd)₃Al₅O₁₂:Ce，(Ba，Sr，Ca)₂SiO₄:Eu，CaS:Ce，ZnS:Cu，La(PO₄):(Ce，Tb)，(Ce，Tb)Al₁₂O₁₉，(Ce，Gd，Tb)MgB₅O₁₀，BaMgAl₁₀O₁₇:Eu，Mn，ZnS:Au

(蓝色光)

CaS:Cu，SrS:Ag，ZnS:Ag，BaMgAl₁₀O₁₇:Eu或(Ca，Sr，Ba)₅(PO₄)₃Cl:Sb，(Ca，Sr，Ba)₅(PO₄)₃Cl:Eu

(白色光)

(Ca，Sr，Ba)₅(PO₄)₃(F，Cl):Sb，Mn，(Ca，Sr，Ba)₅(PO₄)₃(F，Cl):Eu，Mn

例如，通过混合初级和次级辐射还可以产生光的颜色。通过组合蓝黄色和蓝色(the colours blue and yellow and blue)可以实现白色光。另一种可能性是组合绿色和红色。

通过使用发出白光的磷光体，可将致敏(sensitizing)离子和激活剂离子在饱和特性方面的差异用于调节颜色和亮度。

优选地，在磷光体混合物中，上述磷光体具有不同的饱和度特性。这就是说，通过用具有某种密度的脉冲形状的电流激发所说的层，某些磷光体可以处在不饱和模式，另外一些嵌入的磷光体已经处在饱和模式。于是，通过用一定脉冲形状的电流驱动二极管，光源就可以产生所有可能的颜色，所说一定脉冲形状的电流是通过与光源连接的切换装置产生的。

按照本发明的另一个优选实施例，所说层的磷光体材料的密度d是1.5g/cm³≤d≤10g/cm³。

按照本发明，所说的光源包括厚度n是1微米≤n≤1毫米的层，所说的层与所说的二极管可以通过形状配合和/或粘结剂和/或摩擦连接相互连接。在一个更加优选的实施例中，厚度n的范围可以是10微米≤n≤500微米。在一个可替换实施例中，所说层的厚度n能大于1毫米，如1厘米。在这种情况下，发光层可以包括陶瓷层形式。可替换地，可将发光材料嵌入玻璃内。

优选地还有，所说的层包括磷颗粒，其中所说的层包括至少一个颗粒层。优选地，所说的层包括多个(x个)颗粒层，1≤x≤10。在一个更加优选的实施例中，所说的层包括x个颗粒层，2≤x≤5。在用脉冲形状的电流驱动二极管期间，颗粒层引起初级和/或次级辐射的某种散射，这对于混合离开光源的光来说是重要的。必需考虑到，光的强烈散射减小或者甚至于阻止发光二极管泵光通过磷光体层的透射。正因为如此，厚度为2-5个颗粒层的层是优选的。

优选的发明涉及用于产生具有不同颜色的光的方法，其中包括具有至少一个发光二极管的光源，用于发出初级辐射，该光源包括与所说二极管相连的层，其中所说的层包括至少一种发光材料，用于转换初级辐射为次级辐射，切换装置用脉冲形状的电流驱动二极管，脉冲形状的电流包括脉冲宽度(脉冲周期)和脉冲之间的距离(切换断开周期)，其中通过初级辐射激发具有衰变时间的发光材料，使光的亮度和颜色(包括初级辐射和/或次级辐射)可以相互独立地改变，由此使脉冲宽度基本上等于衰变时间。使用脉冲宽度和脉冲高度来调节一种或多种发光材料的饱和度。优选地，切换断开周期大于发光材料的衰变时间。在本发明的一个优选实施例中，切换断开周期至少是衰变时间的两倍，在一个更加优选的实施例中，切换断开周期至少是衰变时间的3-5倍。

本发明的优点之一是，通过改变脉冲之间的距离可以改变离开光源的光的亮度，借此使光的颜色基本上是不变的。在二极管的驱动期间，有可能减小切换断开周期，借此增加出射光的亮度，而它的颜色基本上保持不变。有益的是，发光二极管是通过固定的脉冲宽度激发的，由此使脉冲能量的改变产生饱和度的变化。通过增加脉冲的能量，可以实现饱和特性。于是，光的颜色发生改变。用长断开周期的脉冲驱动发光二极管的结果是，磷光体的激活剂在加上下一个脉冲之前就达到基态。这样，断开周期的进一步增加将减小亮度而不会改变颜色。通过适当调节脉冲高度和脉冲宽度调制，可以在不改变亮度的情况下实现颜色的变化。此外，本发明用于产生光的方法减小了当通过发光转换层产生不止一种额外的颜色时在发光二极管发光当中由于波长的稍许变化引发的效应。在这种情况下，可能需要一些传感器。进而，本发明提供了校正由于磷光体退化引起的效应的机会。

上述的光源和方法可用于各种不同的系统当中，在这些系统当中有：机动车系统、家庭照明系统、用于显示器的背光照明系统、环境照明系统、用于(颜色可调的)照相机的闪光或商店照明系统。

上述的部件以及要求保护的部件和按照本发明在描述的实施例中将要使用的部件，对于作为技术概念的大小、形状和材料的选择，没有附加任何特殊的例外，因此可以不加限制地应用相关领域中已知的选择标准。

在从属权利要求和对相应附图的随后描述中公开了本发明目的的附加细节、特征和优点，本发明的附图以举例的方式表示出按照本发明的光源的一个优选实施例。

附图说明

图1表示光源的一个示意图，光源包括二极管和具有发光材料的层，发光材料处在不饱和模式；

图2表示按照图1的光源，其中的发光材料处在饱和模式；以及

图3表示脉冲形状的电流的示意图，所说电流驱动按照图1的二极管

具体实施方式

图1表示光源1，光源1包括与切换装置7连接的单个发光二极管2。在二极管2的上部设置具有发光材料5的层4。如果用脉冲形状的电流驱动二极管2，二极管2就发射可见光3，可见光沿指向层4的方向辐射。在这个实施例中，可见光3(初级辐射)是蓝色光，第一峰值波长在455纳米。在二极管2发射初级蓝色辐射3的同时，嵌入层4中的发光材料5受到蓝色辐射3的光子的激发，由此使蓝色光转换成次级辐射6。在图1和图2所示的实施例中，发光材料5包括磷光体，磷光体在转换期间发射黄色光。在所描述的图1和图2中，使用CaS:Eu作为磷光体材料。

在增加脉冲宽度调制(PWM)的激发密度时，磷光体5由于基态耗尽而开始饱和。其结果是，磷光体层4透过更多的蓝色泵光。在如图1所示的不饱和模式中，光源1产生基本上具有琥珀色的光。在磷光体5的饱和情况下，层4透过大量的蓝色辐射3。这就意味着，在饱和情况下，由于所说层4对于蓝色光3的透明度的增加，有更多的蓝色光3离开了光源1。

出射光包括初级辐射3和次级辐射6。通过改变对磷光体5的激发密度，可以调节磷光体5的饱和等级。可以根据激发密度产生出射光的颜色，出射光的颜色是初级辐射3的颜色和次级辐射6的颜色的混合体。

按照图1和图2，光源1的出射光可以包括蓝色和黄色之间的所有颜色。

将磷光体5嵌入一种有机材料中，有机材料例如可以是丙烯酸材料或硅材料。所描述的磷光体5是单个颗粒5，磷光体材料5在层4中的密度约为5g/cm³。层4的厚度约为10微米。如图1和图2所示，层4由4个颗粒层8组成。层4包括的颗粒层8越多，由发光材料5分散的出射光越多。这就意味着，在增加颗粒层8的数目时，光源1产生的出射光减少。这种相干性对于产生其它的这里没有描述的光源的光可能是重要的。

已经令人惊奇地发现，如果用脉冲形状的电流9驱动二极管2，其中所说的电流9包括脉冲宽度10(脉冲周期)和脉冲之间的距离11(切换断开周期)，则包括初级辐射3和/或次级辐射6在内的光的亮度和颜色可以相互独立地变化，脉冲宽度10基本上等于衰变时间。图3表示驱动二极管2的脉冲形状的电流9的两个示意图。有益的情况是，如果将切换断开周期11设定为至少是衰变时间的3倍，则可以改变光的亮度而不改变出射光的颜色。在所示的实施例中，切换断开周期11是衰变时间的5倍。如图3所示，通过减小切换断开周期11’，可使出射光的亮度增加，而出射光的颜色基本上保持不变。肯定地，脉冲之间的距离11可以小于衰变时间，特别是等于衰变时间。

在所描述的实施例中，当激发的光子数I、在激发的体积内发射的离子数N和磷光体的衰变时间(具体来说即由磷光体5包括的激活剂发射的衰变时间)τ表示出如下的关系时，

I≥N/τ

可以预期由于基态耗尽引起了饱和。

这个用于连续激发、半连续激发的表达式是在激发脉冲的时间宽度明显长于发射的衰变时间时获得的。在激发脉冲的时间宽度短于发射的衰变时间的情况下也可以观察到饱和效应。假定发射面积为1mm²、磷光体层厚度为10微米、包装密度(packing density)为50％、磷光体材料的密度为5g/cm³、摩尔质量(mole mass)为100原子质量单位(a.m.u)、激活剂浓度为1％、衰变时间为1微秒，则对于大于约10²¹/cm²的数值I，预期可发生饱和。这对应于大约50W/mm²的激发能量。于是，快速衰变的磷光体(衰变时间＜＜1微秒)作为当使用典型的激活剂浓度时基态耗尽的结果并没有表现出饱和。尽管如此，为了使用这些磷光体，必须减小激活剂的浓度。这引发了一个较小的光学吸收，这个吸收可通过使用较大的磷光体颗粒再一次得到加强。可替换地，可以使用嵌入玻璃中的陶瓷磷光体层或发光材料。

在另一个未曾描述过的实施例中，还可以使用具有表示出禁止跃迁的激活剂的磷光体5，条件是所说的发射是可以致敏的。假定发射的衰变时间例如是1毫秒，已经预期在能量密度约为0.05W/mm²时出现致敏的发射的饱和。为了防止能量效率的重大损失，还可以利用敏感剂发射(由于到激活剂的能量传递受到许多激活剂离子已经激发了的事实的阻碍，因此敏感剂发射的强度增大)。

可替换地，层4是磷光体陶瓷，层4可以包括不同的在转换期间发射次级辐射6的磷光体5。例如，这个辐射6可能包括绿色或蓝色。优选地，如果使用具有不同饱和特性的磷光体5，则可以产生许多不同颜色的出射光。在通过脉冲宽度调制增加激发密度时，出射光的颜色相应地随之变化。

肯定地，所描述的实施例的二极管2可以发出紫外光，第一峰值波长范围是250-380纳米。优选地，在层4中使用CaS:Cu，SrS:Ag，ZnS:Ag，BaMgAl₁₀O₁₇:Eu或(Ca，Sr，Ba)₅(PO₄)₃Cl:Sb，(Ca，Sr，Ba)₅(PO₄)₃Cl:Eu作为磷光体5。这些磷光体5由二极管2发出的紫外光激发，并且将紫外光转换成蓝色光。有益的作法是，层4包括附加的磷光体5，附加的磷光体5将初级辐射3转换成次级辐射6，其具有不同的颜色，如黄色或绿色或白色。

本发明还涉及一种光源系统，它包括上述单个光源的阵列。

标号表

1光源

2发光二极管，LED

3初级辐射

4层

5发光材料，颗粒

6次级辐射

7切换装置

8颗粒层

9脉冲形状的电流

10脉冲宽度，脉冲周期

11切换断开周期，脉冲之间的距离