專利名稱：照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生白光的照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)至少包括三個(gè)發(fā)光二極管，每個(gè)發(fā)光二極管工作時(shí)發(fā)射預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的可見(jiàn)光。
基于發(fā)光二極管(LEDs)的照明系統(tǒng)用作普通照明應(yīng)用的白光源。
從EP-A0838866可以得知開(kāi)頭段落提到的照明系統(tǒng)。所說(shuō)已知照明系統(tǒng)使用三個(gè)LEDs作產(chǎn)生白光的光源，在所說(shuō)照明系統(tǒng)中，據(jù)計(jì)算較好在455-490nm、530-570nm和605-630nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇LEDs發(fā)射譜的最大值。關(guān)于這種照明系統(tǒng)，還計(jì)算得到可以得到超過(guò)80的色效應(yīng)指數(shù)。
這種照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，無(wú)法得到具有所說(shuō)光譜范圍內(nèi)光譜最大值、同時(shí)具有足夠大的能量效率的LEDs。在使用這些LEDs的這種照明系統(tǒng)中，特別是對(duì)發(fā)光效率有不良影響。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種開(kāi)頭段落提到可實(shí)用的照明系統(tǒng)。本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供具有較高發(fā)光效率的照明系統(tǒng)。
為達(dá)到這些目的，根據(jù)本發(fā)明，在開(kāi)頭段落提到的照明系統(tǒng)的特征在于，該照明系統(tǒng)至少包括一個(gè)第四發(fā)光二極管，工作時(shí)，它發(fā)射另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的可見(jiàn)光，該第四發(fā)光二極管的最大光譜發(fā)射在從575到605nm的另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)。
通過(guò)使用具有不同光譜范圍的四種LEDs，可以增大組合LEDs的可能性。為了得到基于三原色藍(lán)、綠和紅具有良好色效應(yīng)產(chǎn)生白光的照明系統(tǒng)，希望這些LEDs的最大發(fā)射光譜范圍在430-490nm(藍(lán))、530-565nm(綠)、和590-630nm(紅)。在所說(shuō)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，具有合理發(fā)光效率的藍(lán)和紅光LEDs可以從市場(chǎng)上購(gòu)得，然而，具有希望光譜范圍和可比發(fā)光效率的綠光LED無(wú)法或很難得到。可以得到的效率約為它們的藍(lán)光等同物的一半的“綠光”LEDs，在不包括希望的光譜范圍的500-525間的藍(lán)綠光譜范圍內(nèi)發(fā)光。此外，隨著LEDs輸入處負(fù)載的增大，觀察到向藍(lán)光的(進(jìn)一步、不希望的)偏移。由于可以得到具有黃光區(qū)(最大光譜發(fā)射在565-605nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi))的光譜范圍和高發(fā)光效率的LEDs，所以通過(guò)組合(市場(chǎng)上可購(gòu)得的)藍(lán)光、“綠光”(在藍(lán)-綠范圍發(fā)光)、黃和紅光LEDs，可以得到具有希望色效應(yīng)產(chǎn)生白光的實(shí)際可用照明系統(tǒng)。通過(guò)使用市場(chǎng)上可購(gòu)得的LEDs，可以得到一種還具有較高發(fā)光效率的照明系統(tǒng)。
能買到以GaAs為基礎(chǔ)的高效黃光LEDs已有數(shù)年了，并且這種LEDs越來(lái)越多地應(yīng)用于例如背光(汽車)、交通燈和交通信號(hào)系統(tǒng)等信號(hào)設(shè)備應(yīng)用。
在EP-A0838866所公開(kāi)的照明系統(tǒng)中，使用了四種不同LEDs作為產(chǎn)生白光的光源，據(jù)計(jì)算應(yīng)在440-450nm、455-505nm、555-565nm和610-620nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇各LEDs的最大發(fā)射譜。所說(shuō)波長(zhǎng)范圍可以根據(jù)具有希望發(fā)射光譜的LEDs計(jì)算的希望的光量為基礎(chǔ)。已知照明系統(tǒng)顯然不以市場(chǎng)可購(gòu)得的LEDs為基礎(chǔ)。根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)包括(光譜特性)已知市場(chǎng)上可購(gòu)得的LEDs的實(shí)際可用組合，用于制造具有較高發(fā)光效率的產(chǎn)生白光的光源。
希望確定四種發(fā)光二極管的最大光譜發(fā)射所在的較有限波長(zhǎng)范圍。四種發(fā)光二極管的最大光譜發(fā)射位于585-600nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。使用這種黃光LEDs可以使與其它三種LEDs的協(xié)調(diào)性提高。由于人眼在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)敏感性最大在555nm，所以在黃光LED的該光譜范圍內(nèi)的較小偏差，也會(huì)對(duì)照明系統(tǒng)的色效應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。最大光譜發(fā)射在595nm(20nm FWHM，能量效率20％)的(市場(chǎng)可購(gòu)得的)黃光LED非常合適。
這種照明系統(tǒng)的色效應(yīng)指數(shù)(Ra)至少等于或大于60(Ra≥60)。通過(guò)適當(dāng)?shù)亟M合四種光源的光譜發(fā)射，可以得到較高發(fā)光效率和良好色效應(yīng)指數(shù)的照明系統(tǒng)。
該照明系統(tǒng)的發(fā)光效率較好是至少等于或大于30lm/W?；诰哂羞@種效率的LEDs的照明系統(tǒng)具有市場(chǎng)前景。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，該照明系統(tǒng)的發(fā)光效率大于40lm/W。作為比較，典型100W白熾燈具有14lm/W的發(fā)光效率(色溫為2800K，色彩再現(xiàn)指數(shù)100),500W的鹵素白熾燈具有約19lm/W的發(fā)光效率(色溫為3000K，色彩再現(xiàn)指數(shù)100)，而36瓦的熒光燈具有約89lm/W的發(fā)光效率(色溫為4000K，色彩再現(xiàn)指數(shù)85)。根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的色效應(yīng)指數(shù)低于已知照明系統(tǒng)的計(jì)算值，然而，本發(fā)明照明系統(tǒng)的發(fā)光效率較大，并且根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)以市場(chǎng)可購(gòu)得發(fā)光二極管的組合為基礎(chǔ)。
本發(fā)明照明系統(tǒng)的特別有吸引力的實(shí)施例的特征在于，三種發(fā)光二極管包括藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)-綠發(fā)光二極管和紅光發(fā)光二極管，第四種發(fā)光二極管包括黃光發(fā)光二極管。以此方式，可以得到以四基色(藍(lán)、藍(lán)-綠、紅和黃)為基礎(chǔ)能發(fā)射具有良好色效應(yīng)的白光的照明系統(tǒng)。藍(lán)光發(fā)光二極管的最大光譜發(fā)射較好在460-490nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，藍(lán)-綠光發(fā)光二極管的最大光譜發(fā)射較好在510-530nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，紅光發(fā)光二極管的最大光譜發(fā)射較好在610-630nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。具有這些光譜范圍且具有較高能量效率的LEDs可以從市場(chǎng)上購(gòu)得。通過(guò)使用黃光型LEDs，可以補(bǔ)償發(fā)射藍(lán)綠光的綠光LED的色“失配”。
根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的特別引人注意的一點(diǎn)在于，一般LEDs發(fā)射高方向性的光，同時(shí)希望這些LEDs根據(jù)朗伯輻射器發(fā)射(漫射)。
本發(fā)明還一目的在于提高該照明系統(tǒng)的光混合性。為達(dá)到該目的，根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的特征在于，該照明系統(tǒng)還具有反射裝置。該照明系統(tǒng)中的這些LEDs設(shè)置成使發(fā)自LEDs的光的主要部分不能直接離開(kāi)該照明系統(tǒng)，而是入射到反射裝置上。使用反射裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，可以混合發(fā)自(藍(lán)和紅光)LEDs的光和發(fā)自變換裝置的(綠光)光。該反射裝置較好是漫反射反射裝置。通過(guò)使發(fā)自LEDs的光指向漫反射反射裝置，反射的光也可以具有朗伯輻射器特征。結(jié)果，進(jìn)一步提高了各色成分混合性和該照明系統(tǒng)的色效應(yīng)。另外，該反射裝置較好在不引起色效應(yīng)變化的條件下反射光(白光-反射的反射裝置)。結(jié)果，可以避免該照明系統(tǒng)所發(fā)光的不希望的色偏差。
所說(shuō)反射裝置較好包括選自BaSO4,ZnS,ZnO和TiO2中的一種材料。由于這些材料在400-800nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射系數(shù)在98％以上，所以是非常合適的材料，并且它們能夠以漫射方式和與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的方式進(jìn)行反射。
還希望該照明系統(tǒng)的色溫是可變的。根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的替代實(shí)施例的特征在于，通過(guò)分開(kāi)驅(qū)動(dòng)各發(fā)光二極管，可以調(diào)節(jié)該照明系統(tǒng)的色溫。色溫通過(guò)分開(kāi)驅(qū)動(dòng)各色得以(電)調(diào)節(jié)。通過(guò)適當(dāng)?shù)亻_(kāi)和關(guān)(二極管鏈)LEDs，可以得到2000-6300K的可調(diào)色溫范圍。
從以后介紹的實(shí)施例中可以清楚本發(fā)明的這些和其它方面，結(jié)合這些實(shí)施例可以簡(jiǎn)明本發(fā)明的這些和其它方面。
各附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的局部剖面?zhèn)纫晥D2示出了根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射光譜；圖3是根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的替代實(shí)施例的剖面圖。
這些圖是純粹的示意圖，并未按比例畫(huà)。為清楚起見(jiàn)，某些尺寸放大了許多。在這些圖中，只要可能，類似的參考數(shù)字都表示類似的部件。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的局部剖面?zhèn)纫晥D。照明系統(tǒng)1包括容納用于各發(fā)光二極管(LEDs)的驅(qū)動(dòng)電子裝置(圖1中未示出)的外殼2和屏3。該例中，外殼具有所謂的E27燈帽4，燈帽4具有本身已知的機(jī)械和電接觸裝置。在照明系統(tǒng)的面對(duì)且遠(yuǎn)離燈帽4一側(cè)上，有支架5，其上裝有數(shù)個(gè)LEDs6,7,8,9。LEDs6,7,8包括藍(lán)光LEDs6(最大光譜發(fā)射在460-490nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi))、所謂的藍(lán)-綠光LEDs7(最大光譜發(fā)射在510-530nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi))、和紅光LEDs8(最大光譜發(fā)射在590-630nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi))的集合。根據(jù)本發(fā)明，LEDs9包括發(fā)射黃光(最大光譜發(fā)射在575-605nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi))的發(fā)光二極管。LEDs6,7,8,9設(shè)置成使它們發(fā)射的光指向屏3。所說(shuō)屏3設(shè)置在面對(duì)LEDs6,7,8,9的一側(cè)上，具有漫反射白光的反射裝置10。該例中，該漫反射反射裝置10包括一層BaSO4，該材料具有約100％的可見(jiàn)光(散射)反射系數(shù)。反射裝置10可有效地混合LEDs6,7,8,9的光，各所說(shuō)LEDs相對(duì)屏3定位成使各所說(shuō)LEDs在照明系統(tǒng)1所發(fā)光的方向11上不直接發(fā)射它們的光，而是它們的光輸出指屏3的內(nèi)部，從而在方向11只發(fā)射反射光。
為了改變照明系統(tǒng)1的色溫，并能根據(jù)需要調(diào)節(jié)色溫，可以分開(kāi)驅(qū)動(dòng)各LEDs，于是造成了發(fā)自各LEDs的不同色光比例的改變。
借助于例子，表Ⅰ示出了一種照明系統(tǒng)，包括·藍(lán)光LEDs(由Nichia制造)最大發(fā)射470nm，半寬值(FWHM)=20nm，流明當(dāng)量68lm/W；·藍(lán)-綠光LEDs(由Nichia制造)最大發(fā)射520nm,FWHM=40nm；·黃光LEDs(由Hewlett Packard制造)最大發(fā)射590nm,FWHM=20nm，流明當(dāng)量(藍(lán)-綠+黃)483lm/W；·紅光LEDs(由Hewlett Packard制造)，最大發(fā)射620nm,FWHM=20nm，流明當(dāng)量263lm/W。
表1的第1列列出了各個(gè)希望的色溫(Tc)值。第2、3和4列列出了三種光成分(三種光譜成分的量X的總和為1)的光譜成分(X)。表Ⅰ的第3列中藍(lán)-綠和黃光的光譜貢獻(xiàn)加在一起。表Ⅰ的第5列列出了色效應(yīng)指數(shù)(Ra)。第6列列出了照明系統(tǒng)的發(fā)光效率(lum.eff.)。表Ⅰ示出了通過(guò)只改變光源的成分(特別是藍(lán)和紅光LEDs)，容易在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的色溫。
表Ⅰ根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中的藍(lán)和綠/黃和紅LEDs的組合
根據(jù)本發(fā)明的方法，以此方式可以得到基于四種LEDs的照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)具有較高發(fā)光效率(35≤lum.eff.≤50lm/W)和較好色效應(yīng)指數(shù)(60≤Ra.≤70)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的發(fā)射光譜。發(fā)射T(任意單位)作為色溫Tc=4000K時(shí)，藍(lán)、藍(lán)-綠、黃和紅光LEDs的可見(jiàn)光波長(zhǎng)λ(nm)的函數(shù)繪制(圖2中的光譜對(duì)應(yīng)于表Ⅰ第4行的數(shù)據(jù))。圖2中，藍(lán)光LEDs6的光譜最大值由(a)表示，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)470nm，藍(lán)-綠光LEDs7的光譜最大值由(b)表示，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)520nm，紅光LEDs8的光譜最大值由(c)表示，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)620nm。根據(jù)本發(fā)明，該照明系統(tǒng)包括工作時(shí)發(fā)射另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)可見(jiàn)光的第四種LEDs9。圖2中，黃光LEDs9的光譜最大值由(d)表示，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)590nm。這意味著，第四種LED9的發(fā)射光譜位于另一波長(zhǎng)范圍575-605nm。
通過(guò)使用發(fā)射光譜在620-670波長(zhǎng)范圍內(nèi)的深紅光LEDs，可以提高該照明系統(tǒng)的色效應(yīng)。
圖3非常示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的替代實(shí)施例。照明系統(tǒng)101包括外殼102和屏103。在照明系統(tǒng)101中，設(shè)有數(shù)個(gè)LEDs106,107,108,109。為清楚起見(jiàn)，圖3示只出了四個(gè)LEDs。LEDs106,107,108包括藍(lán)光LEDs 106(光譜發(fā)射430≤λ≤490nm)、藍(lán)-綠光LEDs(光譜發(fā)射510≤λ≤530nm)、紅光LEDs107(光譜發(fā)射590≤λ≤630nm)的集合。根據(jù)本發(fā)明，LEDs109包括發(fā)射黃光(光譜發(fā)射575≤λ≤605nm)的發(fā)光二極管。LEDs106,107,108,109設(shè)置成使它們發(fā)射的光指向屏3(光的方向由圖3中的表示光線的連續(xù)線示意性表示)。外殼102和面對(duì)LEDs的屏103的側(cè)面具有反射裝置110(漫反射白光)。通過(guò)使發(fā)自各LEDs的光指向漫反射反射裝置110，可有效地混合各色光，此外，反射光具有朗伯輻射器的特征。LEDs106,107,108,109所發(fā)光線和反射光線的路徑由圖3中的連續(xù)線示意性地表示。由于外殼也裝有反射裝置110，所以，可以反射LEDs反向發(fā)射的光，于是也對(duì)照明系統(tǒng)的發(fā)光效率有貢獻(xiàn)。這種發(fā)光系統(tǒng)例如具有40-100個(gè)二極管，藍(lán)光LEDs∶藍(lán)-綠光LEDS∶黃光LEDs∶紅光LEDs=2∶4∶2∶1，根據(jù)表Ⅰ所列各值，各LEDs的相對(duì)貢獻(xiàn)設(shè)定為用以得到希望的色溫。這些二極管較好按兩行設(shè)置，包括與外殼102成小于90度的角(圖3中示意性示出)。LEDs106,107,108,109正向發(fā)射的光(由圖3中的箭頭116,117,118,119表示)可以通過(guò)至少一個(gè)靠住具有例如BaSO4等白色顏料的反射裝置110的屏103的反射裝置離開(kāi)照明系統(tǒng)。借助于傾斜地設(shè)置LEDs,LEDs106,107,108,109反向發(fā)射的光也可以通過(guò)多個(gè)反射器離開(kāi)照明系統(tǒng)101(由圖3中的箭頭116’,117’,118’,119’表示)，從而對(duì)照明系統(tǒng)101作出有效的貢獻(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)，可以獲得較高的發(fā)光效率(≥30lm/W)、良好的色效應(yīng)指數(shù)(60≤Ra≤75)及長(zhǎng)使用壽命(≥75000小時(shí))。
顯然，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出許多改變。
可以按每個(gè)新穎特征和這些特征的組合實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1．一種產(chǎn)生白光的照明系統(tǒng)(1；101)，該照明系統(tǒng)至少包括三個(gè)發(fā)光二極管(6,7,8,106,107,108)，工作時(shí)，每個(gè)發(fā)光二極管發(fā)射預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的可見(jiàn)光，其特征在于，該照明系統(tǒng)(1；110)至少包括第四發(fā)光二極管(9；109)，工作時(shí)，該第四二極管發(fā)射另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的可見(jiàn)光，第四個(gè)發(fā)光二極管的最大發(fā)射光譜位于575-605nm的所述另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的照明系統(tǒng)，其中第四個(gè)發(fā)光二極管(9；109)的最大發(fā)射光譜位于585-600nm的另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的照明系統(tǒng)，其中照明系統(tǒng)(1；101)的色效應(yīng)指數(shù)至少等于或大于60。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或2的照明系統(tǒng)，其中照明系統(tǒng)(1；101)的發(fā)光效率至少等于或大于30lm/W。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的照明系統(tǒng)，其中照明系統(tǒng)(1；101)的發(fā)光效率大于40lm/W。
6．根據(jù)權(quán)利要求1或2的照明系統(tǒng)，其中三個(gè)發(fā)光二極管(6,7,8；106,107,108)包括藍(lán)光發(fā)光二極管(6；106)、藍(lán)-綠發(fā)光二極管(7；107)和紅光發(fā)光二極管(8；108)，第四種發(fā)光二極管(9；109)包括黃光發(fā)光二極管。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的照明系統(tǒng)，其中藍(lán)光發(fā)光二極管(6；106)的最大光譜發(fā)射在460-490nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，藍(lán)-綠光發(fā)光二極管(7；107)的最大光譜發(fā)射在510-530nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，紅光發(fā)光二極管(8；108)的最大光譜發(fā)射在610-630nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。
8．根據(jù)權(quán)利要求1或2的照明系統(tǒng)，其中照明系統(tǒng)(1；101)具有反射裝置(3；103)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的照明系統(tǒng)，其中反射裝置(3；103)包括選自BaSO4,ZnS,ZnO和TiO2中的一種材料。
10．根據(jù)權(quán)利要求1或2的照明系統(tǒng)，其中通過(guò)分開(kāi)驅(qū)動(dòng)各發(fā)光二極管(6,7,8,9；106,107,108,109)，可以調(diào)節(jié)該照明系統(tǒng)(1；101)的色溫。
全文摘要
作為一種白光源,照明系統(tǒng)(1)至少具有三個(gè)發(fā)光二極管(6,7,8)以提供預(yù)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的可見(jiàn)光。本發(fā)明的特征在于,該照明系統(tǒng)(1)具有至少一個(gè)第四發(fā)光二極管(9),工作時(shí),該二極管發(fā)射另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的可見(jiàn)光,第四發(fā)光二極管(9)的最大發(fā)射光譜位于575—605nm的另一波長(zhǎng)范圍內(nèi)。另一波長(zhǎng)范圍較好是585—600nm。該照明系統(tǒng)(1)的色效應(yīng)指數(shù)較好大于60。該照明系統(tǒng)(1)的發(fā)光效率較好大于30lm/W,更好是大于40lm/W。在另一優(yōu)選實(shí)施例中,通過(guò)分開(kāi)開(kāi)關(guān)各發(fā)光二極管(6,7,8,9),可以調(diào)節(jié)該照明系統(tǒng)(1)的色溫。
文檔編號(hào)F21W121/00GK1289397SQ99802434
公開(kāi)日2001年3月28日 申請(qǐng)日期1999年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月28日
發(fā)明者H·F·貝爾納, W·布塞爾特, T·于斯特爾, H·尼科爾, C·R·隆達(dá) 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司