УПРАВЛЕНИЕ ЦВЕТОМ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО СВЕТОВОДА
COLOUR CONTROL OF A LUMINESCENT LIGHT GUIDE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к осветительному устройству для управления спектральным распределением света такого осветительного устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области техники известны устройства, способные обеспечивать различные цвета. US2014140090, например, описывает осветительное отображающее цвет устройство, имеющее по меньшей мере одну осветительную поверхность, содержащую множество различных источников света, испускающих свет разных длин волн, и структурированную так, чтобы обеспечить изменения интенсивности испускаемого света, по меньшей мере один светорассеивающий волновод со стеклянной сердцевиной, причем упомянутый светорассеивающий волновод со стеклянной сердцевиной соединен с упомянутым множеством различных источников света, испускающих свет различных длин волн, причем светорассеивающий волновод содержит область с множеством наноразмерных структур, предназначенную для рассеивания направленного света через упомянутые наноразмерные структуры к осветительной поверхности и, вместе с упомянутой осветительной поверхностью, приводит к испусканию цветного света с осветительной поверхности.
CN203348949 описывает светодиодную флуоресцентную лампу, цветовую температуру которой можно регулировать и которая основана на структуре флуоресцентной лампы.
US2009/196046 описывает флуоресцентный объемный источник света с активным хромофором (слоем). Активный слой хромофора помещен между первым и вторым слоями, являющимися прозрачными.
Nazrov описывает синтез и люминесцентные свойства мультифазного зеленого люминофора на основе тиогаллата стронция.
WO2011/050441 описывает испускающее свет устройство на основе флуоресценции. В документе описывается, среди прочего, реабсорбция и упоминается длина пути.
EP2447746 описывает световод с множеством источников света.
US2009/268461 описывает структуру с преобразованием энергии фотонов. Используемый люминесцентный материал содержит два люминесцентных иона, обычно тулий (Tm) и диспрозий (Dy).
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Источники света высокой яркости используются в различных приложениях, включая споты и цифровые проекции изображений. Среди прочих для этой цели можно использовать так называемые концентраторы света, где свет более коротких длин волн преобразуется в большие длины волн в сильно прозрачном люминесцентном материале. Стержень из такого прозрачного люминесцентного материала освещается светодиодами для получения больших длин волн внутри стержня (преобразование длин волн). Преобразованный свет в люминесцентном материале, таком как активированный гранат, в режиме световода может затем выводиться с одной из граней, приводя к увеличению интенсивности.
Для различных приложений, таких как источники света, лампы, осветительные приборы и проекторы, желательно управлять цветом (температурой) источника света, например, для диммирования черного тела (для имитации работы источника света, такого как лампа накаливания) или для адаптации цветовой гаммы системы освещения (для регулирования качества цветопередачи). Этого можно добиться, комбинируя свет, испущенный из нескольких источников. Тем не менее, использование нескольких светодиодов может привести к увеличению площади излучающей поверхности.
Следовательно, задачей изобретения является создание альтернативного осветительного устройства, которое, предпочтительно, также по меньшей мере частично снимет одно или более из описанных выше ограничений и которое особенно может быть способно управлять цветом (температурой) света осветительного устройства.
Для этой цели предлагается использование источника света на основе люминесцентного концентратора, который накачивается по меньшей мере двумя источниками света. Концентратор света выбирается так, чтобы существовало (предпочтительно) (большое) спектральное перекрытие спектров испускания и возбуждения (люминесцентного материала, составленного концентратором). Большое перекрытие приводит к сильной реабсорбции света, испущенного люминесцентным концентратором и, следовательно, к сильной зависимости конечного спектра от длины люминесцентного стержня. Когда такой стержень накачивается сбоку несколькими источниками света, такими как светодиоды по всей длине стержня, то спектр света, испущенного выходной поверхностью, будет зависеть от положения светодиода относительно выходной поверхности. Таким образом, выбирая, какой светодиод или светодиоды следует включить, и регулируя их относительную интенсивность в зависимости от расстояния от светодиода до выходной поверхности, можно регулировать цвет (температуру) света, выходящего из выходной поверхности. Например, интенсивность первого светодиода, расположенного на большем расстоянии от выходной поверхности, чем второй светодиод, будет отрегулирована и установлена более высокой, чем интенсивность второго светодиода, причем большая интенсивность соответствует, или связана с большим расстоянием, или относительным расстоянием первого и второго светодиодов до выходной поверхности. Таким образом, то, как будет управляться или регулироваться каждый светодиод, зависит от расстояния светодиода до выходной поверхности.
В более общем смысле, в первом аспекте изобретение обеспечивает осветительное устройство, способное создавать свет осветительного устройства, причем осветительное устройство содержит (i) множество (m) источников света, способных создавать свет источника света, то есть, в частности при m ≥ 2, например ≥ 4, например ≥ 8, причем множество (m) источников света содержит по меньшей мере первый источник света, способный создавать первый свет источника света, и второй источник света, способный создавать второй свет источника света; (ii) световод (здесь также называемый «световод» или «волновод»), содержащий (i) люминесцентный материал, возбуждаемый светом источника света (источников света) и способный создавать свет люминесцентного материала, причем люминесцентный материал в световом волноводе способен реабсорбировать по меньшей мере часть света своего люминесцентного материала, (ii) световое выходное окно («выходное окно») для выхода света люминесцентного материала из световода, (iii) множество областей ввода света (или зон), содержащих по меньшей мере первую область ввода света для приема света первого источника света, расположенную на первом расстоянии (d1) от светового выходного окна, и вторую область ввода света (на той же или другой стороне световода) для приема света второго источника света, расположенную на втором расстоянии (d2) от светового выходного окна; причем первый источник света способен обеспечивать упомянутый первый свет источника света первой области ввода света, причем второй источник света способен обеспечивать упомянутый второй свет источника света второй области ввода света, причем первое расстояние (d1) не равно второму расстоянию (d2); и (iii) управляющий модуль, способный управлять цветовой температурой света осветительного устройства посредством независимого управления множеством (m) источников света в зависимости от расстояния каждого источника света от светового выходного окна, причем в качестве расстояния выбирается кратчайшее расстояние от области ввода света через материал световода до светового выходного окна, поэтому особенно подходящий для управления спектральным распределением света люминесцентного материала (и, следовательно, света осветительного устройства, поскольку он может содержать по меньшей мере часть света люминесцентного материала). Другими словами, управляющий модуль учитывает расстояние между выходным окном и источником света при выборе настроек источника света, чтобы обеспечить заранее заданную цветовую температуру света, исходящего из светового выходного окна.
Следовательно, в частности разница положений областей ввода света при освещении световода, содержащего люминесцентный материал, множеством (m) источников света, способных создавать свет источника света, причем свет источника света множества (m) источников света имеет перекрытие спектров, используется для управления спектральным распределением света люминесцентного материала упомянутого люминесцентного материала при испускании из светового выходного окна из упомянутого световода. Следовательно, изобретение также обеспечивает способ освещения, имеющего разницу положений областей ввода света при освещении световода, содержащего люминесцентный материал, множеством (m) источников света, способных обеспечивать (по существу идентичный) свет источника света, причем (поэтому) свет источника света множества (m) источников света имеет перекрытие спектров, для управления спектральным распределением света люминесцентного материала упомянутого люминесцентный материал при излучении из светового выходного окна из упомянутого световода.
Имея такое осветительное устройство и используя указанный выше принцип, с помощью настройки интенсивности света источника света множества источников света создается свет осветительного устройства, в котором спектральное распределение (и, опционально, интенсивность) зависит от интенсивности света источника света соответствующих источников света. Источники света, расположенные еще дальше от светового выходного окна, будут возбуждать люминесцентный материал, и создавать таким образом свет люминесцентного материала, еще дальше от светового выходного окна. Это приведет к большей длине пути (эмиссии люминесцентного материала) через преобразователь длин волн, что приведет к реабсорбции и, следовательно, к изменению спектра испускания. В общем, чем дальше от светового выходного окна установлен источник света, то есть, чем дальше от светового выходного окна расположена область ввода света световода, тем больше будет смещен в красную область спектра свет люминесцентного материала при выходе из светового выходного окна. Здесь фраза «источники света, расположенные еще дальше от светового выходного окна» и похожие фразы означают, что область ввода света такого источника света находится еще дальше от светового выходного окна. В качестве расстояния выбирается кратчайшее расстояние от области ввода света через материал световода к световому выходному окну. Чем больше это расстояние, тем сравнительно большая реабсорбция может произойти. Следовательно, выбирая источники света одного типа, можно создать цветовой сдвиг света осветительного устройства благодаря разности (разностям) длин пути испускаемого света (света люминесцентного материала), созданной в световом волноводе, до светового выходного окна.
Более конкретно, источники света являются источниками света, которые во время работы испускают (свет источника света) по меньшей мере свет с длиной волны, выбранной в диапазоне 200-490 нм, более конкретно источники света которые во время работы испускают по меньшей мере свет с длиной волны, выбранной в диапазоне 400-490 нм, и еще более конкретно в диапазоне 440-490 нм. Этот свет может частично использоваться люминесцентным материалом. Следовательно, в конкретном варианте осуществления источник света способен создавать голубой свет. В конкретном варианте осуществления источник света содержит твердотельный светодиодный источник света (такой как светодиод или лазерный диод). Термин «источник света» может также относиться к множеству источников света, такому как, например, 2-20 (твердотельных) светодиодных источников света, хотя может использоваться и намного больше источников света. Следовательно, термин «светодиод» может также относиться к множеству светодиодов. Следовательно, как указано здесь, термин «твердотельный источник света» может также относиться к множеству твердотельных источников света. В варианте осуществления (также смотри ниже) имеются по существу идентичные твердотельные источники света, то есть, обеспечивающие по существу идентичные спектральные распределения излучения твердотельных источников света. В вариантах осуществления твердотельные источники света могут быть способны облучать разные поверхности световода. Множество источников света содержит по меньшей мере первый источник света, и второй источник света, и, опционально, дополнительные источники света. Источники света создают свет источника света, который может, в частности, иметь по существу идентичные спектральные распределения. Чтобы отличить вклады разных источников света, свет источника света первого источника света обозначен как первый свет источника света, и свет источника света второго источника света обозначен как второй свет источника света и т.д., даже если эти светы источника света могут быть по существу идентичными. Следовательно, люминесцентный материал может возбуждаться (первым, вторым и т.д.) светом источника света (первого источника света, второго источника света и т.д.)
Далее, изобретение в частности описывается относительно по меньшей мере первого источника света и второго источника света. Тем не менее, осветительное устройство может включать в себя множество источников света (особенно твердотельных источников света), в общем, гораздо больше, чем эти (по меньшей мере) два источника света. Следовательно, в варианте осуществления осветительное устройство, содержащее упомянутое множество (m) источников света, причем m равно по меньшей мере 3, способно позволять источникам света облучать (освещать) области ввода света световода, причем области ввода света расположены на расстояниях от светового выходного окна, причем все расстояния (то есть первое расстояние, второе расстояние и т.д.) различны. Как указано выше, m может составлять 2 и более, вплоть до десятков и даже сотен источников света, таких как светодиоды. Когда используется существенное количество источников света, нет необходимости располагать все источники света на неодинаковых расстояниях от светового выходного окна. В частности когда источники света способны освещать разные поверхности световода, множество источников света, или, более точно, множество областей ввода света (опционально на разных поверхностях) могут быть расположены на одинаковых расстояниях от светового выходного окна. В таком варианте осуществления могут существовать поднаборы источников света, расположенные на одинаковом расстоянии.
Следовательно, в дополнительном варианте осуществления множество (m) источников света может содержать два или более поднаборов, каждый из которых содержит один или более источников света, причем каждый поднабор источников света способен выдавать свет источника света на другую поверхность световода. Управляющий модуль может быть способен управлять каждым отдельным источником света, но также может быть способен управлять каждым отдельным поднабором источников света. Следовательно, управляющий модуль может управлять интенсивностью света источника света первого источника света и управлять интенсивностью света источника света второго источника света (и управлять интенсивностью света источника света дополнительных источников света), и взаимно менять эти интенсивности. В общем, поднабор может включать в себя источники света, каждый из которых обеспечивает область ввода света на одинаковом расстоянии от светового выходного окна. Следовательно, первый поднабор может включать в себя первые источники света, второй поднабор может включать в себя вторые источники света и т.д. Тем не менее, также может существовать множество первых поднаборов, причем каждый первый поднабор включает в себя множество первых источников света и т.д. Опционально, множество первых источников света может освещать одну и ту же первую область ввода света. Дополнительно или альтернативно, это может относиться к множеству вторых источников света и т.д. Тем не менее, первые области ввода света и вторые области ввода света расположены на разных расстояниях от светового выходного окна.
Существуют по меньшей мере две области ввода света. Такая область ввода света является частью поверхности, освещенной соответствующим источником света. Два или более источника света могут облучать одну и ту же поверхность; следовательно, поверхность может включать в себя две или более области ввода света. Тем не менее, два или более источника света могут облучать разные поверхности; следовательно, две или более поверхности могут каждая включать в себя одну или более области ввода света.
Осветительное устройство содержит множество источников света. В частности свет источника света множества (m) источников света имеет спектральное перекрытие, и, более конкретно, все они одного типа и создают по существу идентичный свет (имеющий поэтому по существу одинаковое спектральное распределение). Следовательно, источники света могут по существу иметь одинаковый максимум излучения, например, в полосе шириной 10 нм. Тем не менее, это не исключает использования источников света различных типов. Такие источники света обозначены здесь как дополнительные источники света (и не обозначены как первый источник света, второй источник света, третий источник света и т.д.) Следовательно, в варианте осуществления осветительное устройство также содержит дополнительный источник света, способный давать дополнительный свет источника света, причем свет осветительного устройства содержит упомянутый свет люминесцентного материала, и, опционально, упомянутый свет дополнительного источника света, и, опционально, свет источника света. Свет дополнительного источника света может использоваться для возбуждения люминесцентного материала, а также в световоде, или он может использоваться для возбуждения другого люминесцентного материала в световоде, или он может по существу не поглощаться люминесцентным материалом в световоде, или он может быть (по существу) независимым от световода и т.д. Следовательно, свет осветительного устройства может, опционально, включать в себя свет дополнительного источника света от дополнительного источника света.
Световод может иметь любую форму, например, форму пучка или стержня. Тем не менее, световод может также иметь форму диска и т.д. Изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления форм, а также изобретение не ограничивается вариантами осуществления с единственным выходным окном. Ниже некоторые конкретные варианты осуществления будут описаны более подробно.
2
В конкретном варианте осуществления световод может в частности иметь аспектовое соотношение больше 1, то есть, его длина больше ширины. В общем световод представляет собой стержень или брусок (пучок), хотя световод не обязательно имеет квадратное, прямоугольное или круглое сечение. В общем источник света способен облучать одну из больших граней (боковую грань), обозначенную здесь как входная грань облучения, и излучение выходит с грани впереди (передняя грань), обозначенной здесь как выходная грань излучения. В частности, в вариантах осуществления твердотельный источник света или другой источник света не находится в физическом контакте со световодом. Физический контакт может привести к нежелательному выводу излучения и поэтому к снижению эффективности концентратора. Далее, в общем световод содержит две по существу параллельные грани, входную грань излучения и противоположную ей противоположную грань. Эти две грани определяют здесь ширину световода. В общем длина этих граней определяет длину световода. Тем не менее, как показано выше и также ниже, световод может иметь любую форму и может также включать в себя комбинацию форм. В частности, входная грань излучения имеет область грани для ввода излучения (А), тогда как выходная грань излучения имеет область грани для вывода излучения (Е), и причем область грани для ввода излучения (A) по меньшей мере в два раза больше области грани для вывода излучения (E), в частности по меньшей мере в 5 раз больше, например, в диапазоне 2-50000, в частности в 5-5000 раз больше. Это позволяет, например, использовать множество твердотельных источников света (смотри также ниже). Для типичных приложений, таких как самодвижущийся или цифровой проекторы, необходима небольшая, но высокоинтенсивная излучательная поверхность. Ее нельзя получить, используя единственный светодиод, но можно получить, используя настоящее осветительное устройство. В частности, выходная грань излучения имеет область грани для выхода излучения (E), выбираемую в диапазоне 1-100 мм. При таких размерах излучательная поверхность может быть маленькой, а интенсивность может получаться высокой. Как показано выше, световод в общем имеет аспектовое отношение (длины к ширине). Это позволяет сделать маленькую выходную поверхность излучения, но большую входную поверхность излучения, например, облучаемую множеством твердотельных источников света. В конкретном варианте осуществления световод имеет ширину, выбираемую в диапазоне 0,5-100 мм. Световод поэтому, в частности, является цельным устройством, имеющим обозначенные здесь грани.
Имеющий в общем форму стержня или бруска световод может иметь сечение любой формы, но в вариантах осуществления имеет сечение в форме квадрата, прямоугольника, круга, овала, треугольника, пятиугольника или шестиугольника. В общем световоды являются кубовидными, но могут иметь другую, отличную от кубовидной, форму, при этом входная поверхность света имеет в какой-то мере трапециевидную форму. Посредством этого можно даже улучшить световой поток, что может иметь преимущество в некоторых приложениях. Следовательно, в некоторых случаях термин «ширина» может также относиться к диаметру, как в случае световода, имеющего круглое сечение.
Световоды могут также являться стержнями цилиндрической формы. В вариантах осуществления стержни цилиндрической формы имеют одну уплощенную поверхность в продольном направлении стержня, на которой могут быть расположены источники света для эффективного ввода света, испущенного источниками света, в световод. Уплощенная поверхность может использоваться для размещения теплоотводов. Цилиндрический световод может также иметь две уплощенные поверхности, например, расположенные напротив друг друга или расположенные перпендикулярно друг другу. В вариантах осуществления уплощенная поверхность продолжается вдоль части продольного направления цилиндрического стержня.
Световоды, описанные выше в вариантах осуществления согласно изобретению, могут также быть сложенными, согнутыми и/или сформированными в продольном направлении так, что световод не является прямым, линейным бруском или стержнем, но может содержать, например, скругленный угол в форме изгиба под 90 или 180 градусов, иметь U-образную форму, круглую или эллиптическую форму, форму петли или трехмерной спирали с множеством петель. Это позволяет получить компактный световод, причем его полная длина, вдоль которой обычно направляется свет, является сравнительно большой, приводя к сравнительно большой светосиле, но в то же время его можно разместить в сравнительно небольшом пространстве. Например, люминесцентные части световода могут быть жесткими, тогда как пропускающие части световода являются гибкими, позволяя изменять форму световода в продольном направлении. Источники света могут быть расположены в любом месте по длине сложенного, согнутого и/или сформированного световода.
Следовательно, в варианте осуществления световод содержит множество (n) граней, причем n ≥ 2, причем по меньшей мере часть первой грани выполнена в виде первой зоны ввода света и второй зоны ввода света, и причем по меньшей мере часть второй грани выполнена в виде светового выходного окна. Однако альтернативно могут использоваться больше граней для ввода света в световод и/или больше граней могут использоваться для вывода света из световода. Следовательно, осветительное устройство, особенно световод, может содержать множество выходных окон света. Также в таком варианте осуществления источники света способны обеспечить по меньшей мере две, и, особенно, более зон ввода света на разных расстояниях от одного или более таких выходных окон света. Следовательно, спектральным распределением света, который выводится через каждое световое выходное окно, можно управлять с помощью управляющего модуля.
Части световода, которые не используются в качестве областей ввода света или выходных окон света, могут быть снабжены рефлектором. Следовательно, в варианте осуществления осветительное устройство дополнительно содержит рефлектор, способный отражать свет люминесцентного материала обратно в световод. Таким образом, осветительное устройство может дополнительно включать в себя один или более рефлекторов, в частности способных отражать обратно в световод излучение, которое выходит из одной или более других граней, а не из выходной грани излучения. В частности, грань, противоположная выходной грани излучения, может включать в себя такой рефлектор, хотя в варианте осуществления они не находятся в физическом контакте. Следовательно, рефлекторы могут, в частности, не находиться в физическом контакте со световодом.
Источники света способны освещать соответствующие области ввода света. Опционально, множество источников света облучают одну и ту же область ввода света. Так как световод может иметь множество граней, некоторые области ввода света могут быть расположены на разных гранях, но, тем не менее, на одинаковом расстоянии от светового выходного окна.
Световое выходное окно является частью световода, способной позволить свету выходить из световода. Такому выходу из этой части световода может способствовать форма световода и наличие одного или более рефлекторов в тех частях световода, откуда свет может выходить, но не должен выходить, и поэтому должен отражаться обратно в световод. Следовательно, световое выходное окно предназначено для вывода света люминесцентного материала (также смотри ниже). Тем не менее, источники света и люминесцентный материал (и его концентрация в световоде) могут быть выбраны так, что существенная часть света источника света может также выходить из светового выходного окна. Следовательно, опционально световое выходное окно предназначено для выхода как света люминесцентного материала, так и света источника света (и, опционально, света дополнительного источника света). Следовательно, фраза «для выхода света люминесцентного материала» не исключает выхода другого света из этого окна. Световое выходное окно может быть гранью или частью грани световода. Из светового выходного окна свет люминесцентного материала, и, опционально, (часть) света источника света может выводиться из световода. Термины «ввод» и похожие термины и «вывод» и похожие термины показывают, что свет меняет среду (извне световода в световод и наоборот, соответственно). В общем, световое выходное окно будет являться гранью (или частью грани), расположенной (по существу) перпендикулярно одной или более другим граням волновода. В общем, световод будет включать в себя одну или более связанные оси координат (такие как ось длины, ось ширины и ось высоты), причем выходное окно расположено (по существу) перпендикулярно такой оси. Следовательно, в общем, области ввода света будут расположены (по существу) перпендикулярно световому выходному окну. Таким образом, в частности грань, содержащая световое выходное окно, не содержит область ввода света.
Фраза «рефлектор, способный отражать свет люминесцентного материала обратно в световод» и похожие фразы могут, в частности, включать в себя такой рефлектор, способный отражать свет люминесцентного материала и свет источника света обратно в световод. Термин «рефлектор» может также относиться к множеству рефлекторов.
Далее, осветительное устройство может включать в себя теплоотвод, который может способствовать охлаждению твердотельного источника света и/или люминесцентного концентратора. Теплоотвод может содержать или состоять из меди, алюминия, серебра, золота, карбида кремния, нитрида алюминия, нитрида бора, алюминий-карбида кремния, оксида бериллия, кремний-карбида кремения, алюминий-карбида кремния, медно-вольфрамовых сплавов, медно-молибденовых карбидов, угля, алмаза, графита и комбинации двух или более из них.
Осветительное устройство может дополнительно включать в себя один или более охлаждающих элементов, способных охлаждать световод.
Световод содержит люминесцентный материал. Термин «люминесцентный материал» может опционально относиться к множеству люминесцентных материалов. Световод, в частности, содержит прозрачный материал световода, то есть является прозрачным телом. Это способствует распространению света люминесцентного материала и света источника света через световод. Световод может являться люминесцентным материалом, таким как, например, люминесцентная керамика на основе, например, граната, содержащего церий. Тем не менее, световод может также содержать другой проводящий материал, причем люминесцентный материал может быть веден в него, например, молекулярной дисперсией. Следовательно, в варианте осуществления световод содержит материал световода, причем в него введен люминесцентный материал.
Как указано выше, световод может включать в себя, например, люминесцентную керамику. Световод может также включать в себя керамику, причем с введенным в нее люминесцентным материалом. Следовательно, в варианте осуществления материал световода содержит керамический материал. Тем не менее, световод может также содержать другой материал, в котором содержится люминесцентный материал. Например, в варианте осуществления материал световода содержит полимерный материал. В полимерный материал может быть введен люминесцентный материал в виде частиц (например, когда люминесцентный материал содержит неорганический люминесцентный материал, состоящий из частиц), и/или люминесцентный материал может быть молекулярно-дисперсным, как в случае органического красителя. Следовательно, в варианте осуществления материал световода содержит материал, выбранный из группы, состоящей из неорганического материала и гибридного материала, имеющего как неорганические, так и органические свойства.
В варианте осуществления световод может, в частности, содержать единственный кристалл или керамику. Благодаря таким системам, можно достичь желаемой прозрачности и снизить отражение от границ кристаллов или несовершенств конструкции. В еще одном другом варианте осуществления световод содержит стекло или полимер. Особенно в случае органических люминесцентных материалов и/или люминесцентных материалов на основе квантовых точек может быть желательным использовать стекло, такое как легкоплавкое стекло, или полимер. Люминесцентный материал распределяется по световоду. Следовательно, люминесцентный материал внедрен в световод, или введен в световод, или растворен в световоде, или рассеян в световоде. Люминесцентный материал может также быть частью большей структуры, такой как кристаллическая основа. Эта кристаллическая основа может быть рассеяна в световоде (или может использоваться в качестве такового, также смотри ниже).
3
5
12
Дополнительные конкретные люминесцентные материалы описаны ниже, но, в частности, световод может содержать гранат с примесью церия типа ABO. Этот гранат может использоваться в качестве световода, или может быть введен в световод, например, из такого же материала. Эти типы гранатов могут быть выполнены в виде единственного кристалла и могут также быть выполнены в виде керамического материала высокого качества. Церий, люминесцентный материал, обеспечивает возбуждение синим и/или ультрафиолетовым излучением в этих материалах зелено-оранжевого свечения, в зависимости от типа граната и от концентрации церия. Следовательно, в частности в этих вариантах осуществления с гранатом с примесью церия, твердотельный источник света способен облучать входную грань излучения световода одним или более УФ и синим излучением твердотельного источника света.
В частности, люминесцентный материал содержит один или более органический краситель, квантовые точки и люминесцентный материал на основе люминесцентных ионов. Люминесцентный материал может в частности содержать люминесцентный ионный элемент (такой как церий из приведенного выше примера), люминесцентную молекулу (краситель) или люминесцентную квантовую точку и т.д. Примеры дополнительно описаны ниже. Люминесцентный материал поглощает по меньшей мере часть излучения источника света и преобразует это излучение в излучение люминесцентного материала (то есть, происходит преобразование длины волны). Это излучение люминесцентного материала может выходить из световода (особенно из выходной грани излучения). Тем не менее, опционально это излучение люминесцентного материала преобразуется другим элементом, распределенным в световоде, который преобразует излучение люминесцентного материала в другое свечение (вторичное излучение люминесцентного материала). В таком варианте осуществления излучение люминесцентного материала может использоваться в качестве сенсибилизатора. Здесь изобретение в частности описывается в отношении люминесцентного материала, обеспечивающего излучение, которое должно выйти из световода. Конечно, излучение, выходящее из световода, также может быть снова преобразовано, когда это желательно (например, добавлением фосфорного колеса).
Как известно из области техники, нормированное спектральное перекрытие (spectral overlap, SO) определяется формулой:
max
x
y
x
y
x
y
где I(λ) представляет собой интенсивность спектра испускания люминесцентного материала (в частности измеренная при низкой абсорбции, также смотри ниже) как функцию длины волны, и ε(λ) представляет собой коэффициент экстинкции люминесцентного материала как функцию длины волны на основе спектра возбуждения, причем ε представляет собой максимальный коэффициент экстинкции в диапазоне длин волн 350-900 нм (то есть λ- λ) на основе спектра возбуждения, и где λ и λ задают диапазон длин волн 350-900 нм. Например, нормированное спектральное перекрытие может быть 0,35 или менее, например, лежать в диапазоне 0,1-0,3. В частности приведенное выше уравнение применимо для диапазона (диапазонов) длин волн 400-900 нм (то есть λ=400 и λ=900 нм). В частности, спектр испускания и спектр возбуждения являются нормированными.
В конкретном варианте осуществления спектральное распределение света источника света и спектр возбуждения люминесцентного материала имеют (нормированное) спектральное перекрытие SO в диапазоне 0<SO≤0,5, например, 0,01≤SO≤0,5. Для реабсорбции желательно, чтобы существовало некоторое спектральное перекрытие между возбуждением и испусканием, хотя, конечно, не будет перекрытия 100%, так как это может привести к более низкой интенсивности, чем это желательно. Следовательно, в конкретном варианте осуществления люминесцентный материал имеет спектр испускания и спектр возбуждения со спектральным перекрытием, причем в диапазоне SO 0,02<SO≤0,5, например, в диапазоне SO 0,05<SO≤0,5, спектр испускания перекрывается со спектром возбуждения, так как лучшие результаты получаются при частичном перекрытии спектра возбуждения и спектра испускания. Излучение твердотельного источника света возбуждает люминесцентный материал, что обеспечивает, в свою очередь, излучение или испускание элемента преобразователя. Следовательно, в варианте осуществления люминесцентный материал содержит радиационный спектр возбуждения и радиационный спектр испускания, которые спектрально частично перекрываются. В частности, не происходит полного перекрытия (как в случае нулевого Стоксова сдвига), так как желательно, чтобы процесс реабсорбции не был «бесконечным». Следовательно, более конкретно, спектральное перекрытие SO находится в диапазоне 0,02<SO≤0,5, более конкретно 0,1<SO≤0,25. И даже более конкретно, спектральное перекрытие SO находится в диапазоне 0,1<SO≤0,5 (в диапазоне видимых длин волн), 0,1<SO≤0,25.
Некоторые примеры подходящих люминесцентных материалов, которые могут использоваться (опционально, в комбинации из двух или более) дополнительно описаны ниже.
Световоды, как указано ниже согласно вариантам осуществления изобретения могут содержать подходящий люминесцентный материал для преобразования света в другое спектральное распределение. Подходящие люминесцентные материалы включают в себя неорганические люминофоры, такие как легированный иттрий-алюминиевый гранат, лютеций-алюминиевый гранат, органические люминофоры, органические флуоресцентные красители и квантовые точки и т.д., которые хорошо подходят для целей вариантов осуществления настоящего изобретения, как указано ниже.
Подходящими материалами для световодов, как показано ниже согласно вариантам осуществления изобретения, являются сапфир, поликристаллический оксид алюминия и/или нелегированные прозрачные гранаты, такие как иттрий-алюминиевый гранат, лютеций-алюминиевый гранат, имеющие показатель преломления в диапазоне n=1,7-1,8. Дополнительным преимуществом этого материала (перед, например, стеклом) является то, что он имеет хорошую теплопроводность, что уменьшает локальное нагревание. Другие подходящие материалы включают в себя, но не ограничиваются, стеклом, кварцем и прозрачными полимерами. В других вариантах осуществления материал световода является свинцовым стеклом. Свинцовое стекло представляет собой различные стекла, в которых свинец замещает содержание кальция в обычном калиевом стекле, и таким способом может быть увеличен показатель преломления. Обычное стекло имеет показатель преломления n=1,5, тогда как добавление свинца приводит к увеличению показателя преломления вплоть до 1,7.
3
5
12
Примером подходящего люминесцентного материала, который может использоваться в световоде для обеспечения люминесцентного материала, является LuAlO:Ce. Здесь самая низкая полоса возбуждения и полоса испускания частично перекрываются. Следовательно, в частности выбирается люминесцентный материал, который показывает в световоде (материале) перекрытие спектра испускания со спектром возбуждения. И, более конкретно, люминесцентный материал имеет спектр испускания (вызванный возбуждением излучением твердотельного источника света) и спектр возбуждения (упомянутого испускания или излучения люминесцентного материала), причем 5-25% спектра испускания перекрывается со спектром возбуждения (то есть SO составляет 0,05-0,25). Спектральное перекрытие можно определить нормированием спектра возбуждения и спектра испускания, в частности в видимом диапазоне, и определением области под кривой испускания, перекрывающейся с областью под кривой возбуждения. Спектр возбуждения является, в частности, спектром возбуждения при длине волны максимального испускания (то есть спектр возбуждения записывается детектором, измеряющим испускание при фиксированной длине волны, в частности при длине волны, когда испускание максимально, как известно специалистам в данной области техники). Далее, так как спектр возбуждения и, особенно, спектр испускания могут (незначительно) зависеть от концентрации, релевантными спектрами возбуждения и испускания являются таковые для люминесцентного материала, введенного в световод в указанной здесь концентрации (при отдельном отслеживании и измерении испускания, выходящего из первой грани ввода излучения, так как некоторое испускание может также выходить из этой грани).
2
2
Квантовые точки представляют собой маленькие кристаллы полупроводникового материала, в общем имеющие ширину или диаметр только несколько нанометров. При возбуждении падающим светом квантовая точка испускает свет, цвет которого определяется размером и материалом кристалла. Свет конкретного цвета можно, таким образом, получить, адаптируя размер точек. Большинство известных квантовых точек с испусканием в видимом диапазоне основаны на селениде кадмия (CdSe) с оболочкой, такой как сульфид кадмия (CdS) и сульфид цинка (ZnS). Квантовыми точками без кадмия являются, например, фосфид индия (InP), и смешанный сульфид меди и индия (CuInS), и/или смешанный сульфид серебра и индия (AgInS) могут также использоваться. Квантовые точки показывают очень узкую полосу испускания, и поэтому они дают насыщенные цвета. Более того, цвет испускания легко регулировать, адаптируя размер квантовых точек. Любой тип квантовой точки, известный из области техники, может использоваться в вариантах осуществления настоящего изобретения, как показано ниже. Тем не менее, может быть предпочтительно по причине и в целях безопасности окружающей среды использовать квантовые точки без кадмия или, по меньшей мере, квантовые точки с очень низким содержанием кадмия.
Термин «квантовые точки» или «люминесцентные квантовые точки» может также относиться к комбинации различных типов квантовых точек, то есть квантовых точек, имеющих другие спектральные свойства. Квантовые точки здесь также называются «наночастицы, преобразующие длину волны». Термин «квантовые точки» особенно относится к квантовым точкам, которые светят в одном или более из УФ, видимого и ИК диапазонов (до возбуждения подходящим излучением, таким как УФ излучение).
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Квантовые точки или люминесцентные наночастицы, которые здесь названы наночастицами, преобразующими длину волны, могут, например, содержать квантовые точки полупроводникового соединения групп II-VI, выбранные из группы, состоящей из (квантовые точки структуры ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из) CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe и HgZnSTe. В другом варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут, например, быть квантовыми точками полупроводникового соединения групп III-V, выбранными из группы, состоящей из (квантовые точки структуры ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из) GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs, InN, InP, InGaP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlNAs, GaAlPAs, GaInNP, GaInNAs, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs и InAlPAs. В еще одном дополнительном варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут, например, быть полупроводниковыми квантовыми точками типа халькопиритов групп I-III-VI2, выбранными из группы, состоящей из (квантовые точки структуры ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из) CuInS, CuInSe, CuGaS, CuGaSe, AgInS, AgInSe, AgGaS и AgGaSe. В еще одном дополнительном варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут, например, быть (квантовые точки структуры ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из) полупроводниковыми квантовыми точками групп I-V-VI2, такими как выбранные из группы, состоящей из (квантовые точки структуры ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из) LiAsSe, NaAsSe и KAsSe. В еще одном дополнительном варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут, например, быть квантовыми точками типа ядро/оболочка (причем ядро выбрано из группы, состоящей из) IV-VI соединений полупроводниковых нанокристаллов групп IV-VI, таких как SbTe. В конкретном варианте осуществления люминесцентные наночастицы выбирают из группы, состоящей из (квантовые точки структуры ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из) InP, CuInS, CuInSe, CdTe, CdSe, CdSeTe, AgInS и AgInSe. В еще одном дополнительном варианте осуществления люминесцентные наночастицы могут, например, быть одним из группы (квантовых точек структуры ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из) полупроводниковых нанокристаллов соединений групп II-VI, III-V, I-III-V и IV-VI, выбранных из материалов, описанных выше в качестве внутренних примесей, таких как ZnSe:Mn, ZnS:Mn. Элементы примеси могут быть выбраны из Mn, Ag, Zn, Eu, S, P, Cu, Ce, Tb, Au, Pb, Tb, Sb, Sn и Tl. Здесь люминесцентный материал на основе люминесцентных наночастиц может также содержать различные типы квантовых точек, таких как CdSe и ZnSe:Mn.
Представляется особенно выгодным использовать квантовые точки групп II-VI. Следовательно, в варианте осуществления люминесцентные квантовые точки на основе полупроводника содержат квантовые точки групп II-VI, особенно выбранные из группы, состоящей из (квантовые точки структуры ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из) CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe и HgZnSTe, и более конкретно, выбранные из группы, состоящей из CdS, CdSe, CdSe/CdS и CdSe/CdS/ZnS.
В варианте осуществления наночастицы могут содержать полупроводниковые нанокристаллы, включающие ядро, содержащее первый полупроводниковый материал, и оболочку, включающую второй полупроводниковый материал, причем оболочка расположена над по меньшей мере участком поверхности ядра. Полупроводниковый нанокристалл, включающий в себя ядро и оболочку, также называется полупроводниковым нанокристалом типа «ядро/оболочка». Любые материалы, указанные выше, могут особенно использоваться в качестве ядра. Таким образом, фраза «квантовые точки типа ядро/оболочка, причем ядро выбрано из группы, состоящей из» применима к некоторым приведенным выше спискам материалов квантовых точек. Термин «ядро/оболочка» может также относиться к «ядро/оболочка/оболочка» и т.д., включая оболочку градиентного сплава или точки в стержнях и т.д. Примеры полупроводниковых нанокристаллических материалов типа ядро/оболочка включают в себя, без ограничений: красный (например, (CdSe)ZnS типа ядро/оболочка, зеленый (например, (CdZnSe)CdZnS типа ядро/оболочка и т.д.) и синий (например, (CdS)CdZnS типа ядро/оболочка; смотри также приведенные выше примеры конкретных наночастиц, преобразующих длины волн, на основе полупроводников).
В варианте осуществления полупроводниковые нанокристаллы предпочтительно имеют прикрепленные к ним лиганды, такие как, например, описанные в WO 2011/031871. В варианте осуществления лиганды могут быть получены из координирующего растворителя, используемого во время процесса роста. В варианте осуществления поверхность может быть модифицирована повторяющимся воздействием избытка конкурирующей координационной группы для формирования верхнего слоя.
Также могут использоваться органические флуоресцентные красители. Молекулярная структура может быть сделана такой, чтобы положение спектрального пика можно было регулировать. Примерами подходящих органических флуоресцентных красителей являются органические люминесцентные материалы на основе производных перилена, например, вещества, продающиеся BASF под названием Lumogen. Примеры подходящих соединений включают в себя, но не ограничиваются, Lumogen Красный F305, Lumogen Оранжевый F240, Lumogen Желтый F083 и Lumogen F170.
Подходящими примерами органических люминесцентных материалов являются, например, перилены (такие как люминесцентные материалы, известные под торговым названием Lumogen от компании BASF, Ludwigshafen, Германия: Lumogen F240 Оранжевый, Lumogen F300 Красный, Lumogen F305 Красный, Lumogen F083 Желтый, Lumogen F170 Желтый, Lumogen F850 Зеленый), Желтый 172 от компании Neelikon Food Dyes & Chemical Ltd., Mumbai, Индия, и люминесцентные материалы, такие как кумарины (например, Кумарин 6, Кумарин 7, Кумарин 30, Кумарин 153, Основной Желтый 51), нафталимиды (например, Анилиновый Желтый 11, Анилиновый Желтый 116), Флуорол 7GA, пиридины (например, пиридин 1), пиррометены (такие как Пиррометен 546, Пиррометен 567), уранин, родамины (например, Родамин 110, Родамин B, Родамин 6G, Родамин 3B, Родамин 101, Сульфородамин 101, Сульфородамин 640, Основной Фиолетовый 11, Основной Красный 2), цианины (например, фталоцианин DCM), стильбены (например, Bis-MSB, DPS), доступные у многих производителей. Некоторые другие люминесцентные материалы, такие как кислотные красители, основные красители, прямые красители и дисперсионные красители могут использоваться до тех пор, пока они показывают достаточно высокий количественный выход флуоресценции для предполагаемого использования. Органические материалы особого интереса, которые могут применяться, содержат, например, BASF Lumogen 850 для зеленой люминесценции, BASF Lumogen F083 или F170 для желтой люминесценции, BASF Lumogen F240 для оранжевой люминесценции и BASF Lumogen F 300 или F305 для красной люминесценции.
Такой органический люминесцентный материал, в частности, растворен в матриксе, таким образом формируя световод. Матрикс может, в частности, содержать ароматический полиэфир или его сополимер, такой как, например, поликарбонат (PC), поли(метил)метакрилат (P(M)MA), полигликолид или полигликолиевую кислоту (PGA), полилактидную кислоту (PLA), поликапролактон (PCL), полиэтиленадипинат (PEA), полигидроксиалканоат (PHA), полигидроксибутират (PHB), поли(3-гидроксибутират-сo-3-гидрокисвалерат) (PHBV), полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT), политриметилентерефталат (PTT), полиэтиленнафталат (PEN); в частности, матрикс может содержать полиэтилентерефталат (PET). Далее, как будет также объяснено ниже, матрикс может содержать дополнительный люминесцентный материал, введенный в матрикс. Тем не менее, (PETG) (гликоль-модифицированный полиэтилентерефталат), PDMS (полидиметилсилоксан), COC (циклоолефиновый сополимер) PE (полиэтилена) или PP (полипропилена) могут также применяться в качестве матрикса. Следовательно, матрикс является, в частности, полимерным матриксом.
3
5
12
3
l5
12
1-x
3
x
2-x-z
x
5-y
8-y
y
z,
Люминесцентный материал может также являться неорганическим фосфором. Примеры неорганических кристаллофосфоров включают в себя, но не ограничиваются, легированный церием (Ce) YAG (YAlO) или LuAG (LuAO). Легированный Ce YAG испускает желтоватый свет, тогда как легированный Ce LuAG испускает желто-зеленоватый свет. Примеры других неорганических кристаллофосфоров, испускающих красный свет, могут включать в себя, но не ограничиваются, ECAS и BSSN; ECAS представляет собой CaAlSiN:Eu, где 0<x≤1, в других вариантах осуществления 0<x≤0,2; и BSSN представляет собой BaMSiAlyNO:Eu где M обозначает Sr или Ca, 0≤x≤1, 0<y≤4, и 0,0005≤z≤0,05, и в вариантах осуществления 0≤x≤0,2.
(1-x-y)
x
y
3
(1-z)
z
5
12,
3
5
12
(1-x-y)
x
y
2
3
(1-x-y)
x
y
(1-z)
(1-x-y)
x
y
(2-x)
x
2
7
(1-x)
x
(1-y)
y
3
В вариантах осуществления изобретения, как показано ниже, люминесцентный материал выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей (M<I>M<II>M<III>)(M<IV>M<V>)O где M<I> выбирают из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Gd, Tb, La, Yb или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей Tb (когда M<II> не является Tb), Pr, Ce, Er, Nd, Eu или их смеси, M<IV> is Al, M<V> выбирают из группы, содержащей Ga, Sc или их смеси, такие как легированный Ce иттрий-алюминиевый гранат (Yttrium aluminum garnet, YAG, YAlO) и легированный Ce лютеций-алюминиевый гранат (Lutetium-Aluminum-Garnet, LuAG); и 0≤x≤1, 0<y≤0,1, 0<z<1, (M<I>M<II>M<III>)O,где M<I> выбирают из группы, содержащей Y, Lu или их смеси, M<II > выбирают из группы, содержащей Gd, La, Yb или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей Tb, Pr, Ce, Er, Nd, Eu, Bi, Sb или их смеси; и 0<x≤1, 0<y≤0,1, (M<I>M<II>M<III>) SSe, где M<I> выбирают из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr, Sb, Sn или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0<x≤0,01, 0<y≤0,05, 0≤z<1; (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбирают из группы, содержащей Ca, Sr, Mg, Ba или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Ce, Eu, Mn, Tb, Sm, Pr или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей K, Na, Li, Rb, Zn или их смеси, и 0<x≤0,1, 0<y≤0,1; (M<I>M<II>M<III>)O, где M<I> выбирают из группы, содержащей La, Y, Gd, Lu, Ba, Sr или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей Hf, Zr, Ti, Ta, Nb или их смеси, и 0<x≤1; (M<I>M<II>M<III>M<IV>)O, где M<I> выбирают из группы, содержащей Ba, Sr, Ca, La, Y, Gd, Lu или их смеси, M<II> выбирают из группы, содержащей Eu, Tb, Pr, Ce, Nd, Sm, Tm или их смеси, M<III> выбирают из группы, содержащей Hf; Zr, Ti, Ta, Nb или их смеси, и M<IV> выбирают из группы, содержащей Al, Ga, Sc, Si или их смеси, и 0<x≤0,1, 0<y≤0,1.
2
4
2
4
3
5
12
3
5
12
1-x
x
3
5
12
3
2
5
8
3
0,98
0,02
3
2
5
8
2
5
8
1,5
0,5
5
8
3
3
,
3
3
2
5
8
2
5
8
2+
2+
3+
3+
2+
2+
Некоторые конкретные неорганические люминесцентные материалы обсуждаются далее. Для излучателей зеленого света возможны несколько вариантов, включая один или более из (Ca,Sr,Ba)(Al,Ga,In)(O,S,Se):Eu, тиогаллата, в частности, такой люминесцентный материал по меньшей мере содержит Sr, Ga и S, такой как SrGaS:Eu. Эти типы люминесцентных материалов могут, в частности, быть излучателями зеленого света в узкой полосе. Опционально или альтернативно, неорганический люминесцентный материал может содержать MAO:Ce (материал граната), где M выбирают из группы, состоящей из Sc, Y, Tb, Gd и Lu, где A выбирают из группы, состоящей из Al и Ga. Предпочтительно, M по меньшей мере содержит один или более из Y и Lu, и причем A по меньшей мере содержит Al. Эти типы материалов могут дать самые высокие эффективности. Варианты осуществления гранатов в частности включают в себя MAO гранаты, где M содержит по меньшей мере иттрий или лютеций, и где A содержит по меньшей мере алюминий. Такой гранат может быть легирован церием (Ce), празеодимом (Pr) или комбинацией церия и празеодима; в частности, однако, по меньшей мере Ce. В частности, A содержит алюминий (Al), однако A может также частично содержать галлий (Ga), и/или скандий (Sc), и/или индий (In), конкретно до примерно 20% Al, и более конкретно до примерно 10% Al (то есть ионы A по существу состоят из 90 или более мольных % Al и 10 или менее мольных % одного или более из Ga, Sc и In); A может, в частности, содержать до 10% галлия. В другом варианте A и O могут по меньшей мере частично быть замещены Si и N. Элемент M может, в частности, быть выбран из группы, состоящей из иттрия (Y), гадолиния (Gd), тербия (Tb) и лютеция (Lu). Далее, Gd и/или Tb в частности присутствуют в количестве около 20% M. В конкретном варианте осуществления гранатный люминесцентный материал содержит (YLu)AlO:Ce, где x больше или равно 0 и меньше или равно 1. Термин «:Ce» или «:Ce» показывает, что часть ионов металла (то есть в гранатах: часть «M» ионов) в люминесцентном материале замещены Ce. Особенно гранат, содержащий лютеций, может обеспечить желаемую люминесценцию, особенно когда лютеций составляет по меньшей мере 50% M. Дополнительно или альтернативно, неорганический люминесцентный материал может также содержать люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из люминесцентного материала из содержащего дивалентный европий нитрида или люминесцентного материала из содержащего дивалентный европий оксонитрида, такого как один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из (Ba,Sr,Ca)S:Eu, (Mg,Sr,Ca)AlSiN:Eu и (Ba,Sr,Ca)SiN:Eu. В этих соединениях европий (Eu) является по существу или только дивалентным и замещает один или более указанных дивалентных катионов. В общем, Eu не будет присутствовать в количествах, больших 10% катионов, конкретно в диапазоне около 0,5-10%, более конкретно в диапазоне около 0,5-5% относительно катиона (катионов), которые он замещает. Термин «:Eu» или «:Eu» показывает, что часть ионов металла замещаются Eu (в этих примерах Eu). Например, предполагая, что в CaAlSiN:Eu содержится 2% Eu, правильной формулой может быть (CaEu)AlSiN. Дивалентный европий будет, в общем, замещать дивалентные катионы, такие как упомянутые выше щелочноземельные катионы, в частности Ca, Sr или Ba. Материал (Ba,Sr,Ca)S:Eu может также быть обозначен как MS:Eu, где M представляет собой один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из бария (Ba), стронция (Sr) и кальция (Ca); в частности, M содержит в этом соединении кальций или стронций, или кальций и стронций, более конкретно, кальций. Здесь Eu вводится и замещает по меньшей мере часть М (то есть один или более из Ba, Sr и Ca). Далее, материал (Ba,Sr,Ca)SiN:Eu может также быть обозначен как MSiN:Eu, где M представляет собой один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из бария (Ba), стронция (Sr) и кальция (Ca); в частности, M содержит в этом соединении Sr и/или Ba. В дополнительном конкретном варианте осуществления M состоит из Sr и/или Ba (без учета наличия Eu), в частности 50-100%, в частности 50-90% Ba и 50-0%, в частности 50-10% Sr, таком как BaSrSiN:Eu, (то есть 75% Ba; 25%Sr). Здесь Eu вводится и замещает по меньшей мере часть M, то есть один или более из Ba, Sr и Ca). Аналогично, материал (Ba,Sr,Ca)AlSiN:Eu может также быть обозначен как MAlSiN:Eu, где M является одним или более элементом, выбираемым из группы, состоящей из бария (Ba) стронция (Sr) и кальция (Ca); в частности, M содержит в этом соединении кальций или стронций, или кальций и стронций, более конкретно кальций. Здесь Eu вводится и замещает по меньшей мере часть M (то есть один или более из Ba, Sr и Ca). Предпочтительно, в варианте осуществления неорганический люминесцентный материал содержит (Ca,Sr,Mg)AlSiN:Eu, предпочтительно CaAlSiN:Eu. Далее, в другом варианте осуществления, который может быть объединен с предыдущим, неорганический люминесцентный материал содержит (Ca,Sr,Ba)SiN:Eu, предпочтительно (Sr,Ba)SiN:Eu. Термины «(Ca,Sr,Ba)» показывают, что соответствующий катион может быть занят кальцием, стронцием или барием. Они также показывают, что в таком материале места соответствующих катионов могут быть заняты катионами, выбранными из группы, состоящей из кальция, стронция и бария. Таким образом, материал может, например, содержать кальций и стронций, или только стронций, и т.д.
Неорганический люминесцентный материал может также содержать один или более люминесцентных материалов, выбранных из группы, состоящей из граната, содержащего тривалентный церий (смотри выше) и оксонитрид, содержащий тривалентный церий. Оксонитридные материалы на уровне техники также часто называются оксинитридными материалами.
Термин «неорганический люминесцентный материал» может поэтому также относиться к множеству различных неорганических люминесцентных материалов. Неорганический люминесцентный материал может состоять из преобразователя света, такого как введенный в матрикс, как, в частности, органический люминесцентный материал.
Комбинации двух или более таких конфигураций также возможны (смотри также выше). Следовательно, в варианте осуществления (не)органический люминесцентный материал, такой как люминесцентный материал на основе квантовых точек, вводится (то есть распределяется) в матрикс. В других вариантах осуществления, особенно в случае неорганических люминесцентных материалов, и даже более конкретно в случае люминесцентных материалов на основе граната, такие материалы могут быть отформованы в (керамический) световод и могут поэтому использоваться в качестве такового.
Многие из упомянутых выше материалов, в частности гранатов, могут быть выполнены в виде керамики (керамический корпус или керамическая плита). Термин «керамический» в частности относится к неорганическому материалу, который можно получить нагреванием (поликристаллического) порошка при по меньшей мере 500°C, в частности при по меньшей мере 800°C, например, при по меньшей мере 1000°C, под высоким давлением, таким как по меньшей мере 0,5 МПа, более конкретно по меньшей мере 1 МПа, например, от 1 до примерно 500 МПа, таком как по меньшей мере 5 МПа, или по меньшей мере 10 МПа, в частности под одноосным или изостатическим давлением, в частности под изостатическим давлением. Конкретным методом получения керамики является горячее изостатическое прессование (hot isostatic pressing, HIP), тогда как процесс HIP может осуществляться после спекания, в капсуле или быть комбинированным процессом спекания-HIP, как при указанных выше условиях температуры и давления. Керамика, получаемая таким способом, может использоваться сразу, или может далее обрабатываться (например, полироваться, или даже вновь быть превращена в частицы). Керамика, в частности, имеет плотность, составляющую по меньшей мере 90%, например, по меньшей мере 95%, например, в диапазоне 97-100%, теоретической плотности (то есть плотности единственного кристалла). Керамика также может быть поликристаллической, но с уменьшенным или сильно уменьшенным объемом между зернами (прессованные частицы или скопление прессованных частиц).
Световод без люминесцентного материала будет в общем сильно пропускающим (а именно, прозрачным), таким как единственный кристалл, полимерный материал или керамический материал. Пропускание может быть близко к 100%. С люминесцентным материалом, однако, по меньшей мере часть излучения сильно поглощается. Для этого излучения, поглощенного люминесцентным материалом, световод, включающий люминесцентный материал, является сильно пропускающим. Термин «пропускающий» здесь может в частности относиться к преобразователю, имеющему пропускание света в диапазоне 90-100%, например, 95-100%, для света, имеющего длину волны в видимом диапазоне длин волн. Здесь термин «видимый свет» в частности относится к свету, имеющему длину волны, выбираемую в диапазоне 380-780 нм. Пропускание можно определить, передавая свет конкретной длины волны с первой интенсивностью световоду при перпендикулярном излучении и вычисляя отношение интенсивности света при этой длине волны, измеренной после пропускания через материал, к первой интенсивности света, переданного при этой конкретной длине волны, материалу (смотри также E-208 и E-406 в CRC Handbook of Chemistry и Physics, 69th edition, 1088-1989). Световоды могут содержать, или по существу состоять из, одного или более материалов, являющихся сильно прозрачными, и должны иметь пропускание (через ширину W световода) излучения твердотельного источника света, равное 90%, или, более конкретно 95%, или даже более конкретно 98% или более, даже более конкретно 99% или более, в отсутствие люминесцентного материала.
Световоды, как указано ниже согласно вариантам осуществления изобретения, могут содержать области различной плотности подходящего люминесцентного материала для преобразования света в другое спектральное распределение. В варианте осуществления прозрачный световод содержит две соседние части, из которых только одна содержит люминесцентный материал, и другая часть прозрачна или имеет сравнительно низкую концентрацию люминесцентного материала. В другом варианте осуществления световод содержит еще одну, третью, часть, соседнюю с второй частью, которая содержит другой люминесцентный материал или другую концентрацию того же люминесцентного материала. Различные части могут быть интегрированы друг с другом, таким образом формируя единое целое, или один световод. При использовании таких вариантов осуществления будет применяться средняя концентрация по ширине. Например, предполагая, что световод имеет два слоя, причем первая концентрация в первом слое равна 2, и во втором слое равна 0, тогда средняя концентрация равна 1.
В общем, однако, концентрация люминесцентного материала в единственном световоде гомогенна (гомогенно распределена), например, с опционально локальными отклонениями в пределах около 10% или менее от средней концентрации. Следовательно, в частности концентрация люминесцентного материала (или видов) в пределах единственного световода является по существу гомогенно распределенной в пределах световода.
В еще одном дополнительном аспекте изобретение обеспечивает осветительный модуль, способный давать видимый свет, причем осветительный модуль содержит по меньшей мере одно осветительное устройство как описано здесь. Например, такой осветительный модуль может также содержать один или более (дополнительных) оптических элементов, например, один или более оптических фильтров, коллиматоров, рефлекторов, преобразователей длины волны и т.д. Осветительный модуль может быть, например, осветительным модулем для использования в автомобильном приложении, таком как фара. Следовательно, изобретение также обеспечивает автомобильный осветительный модуль, способный давать видимый свет, причем автомобильный осветительный модуль содержит по меньшей мере одно осветительное устройство, как описано здесь, и/или модуль цифрового проектора, содержащий по меньшей мере одно осветительное устройство как описано здесь. В частности осветительное устройство может быть предназначено (в таких приложениях) для получения зеленого света или красного света. В конкретном варианте осуществления такой осветительный модуль содержит по меньшей мере первое осветительное устройство, способное давать зеленый свет, и по меньшей мере второе осветительное устройство, способное давать красный свет. Синий свет может, например, быть обеспечен теми же твердотельными источниками света, но без использования люминесцентного концентратора. В этом случае можно, например, получить белый свет. Альтернативно или дополнительно, синее излучение может быть создано концентратором. В таком случае твердотельный источник света в частности способен создавать излучение с длиной волны 420 нм или ниже, например 410 нм или ниже, например 400 нм или ниже, например 390 нм или ниже, в частности в (ближнем) УФ диапазоне, и люминесцентный материал способен поглощать по меньшей мере часть этого излучения и преобразовывать его в синее излучение люминесцентного материала.
В еще одном дополнительном аспекте изобретение относится к использованию разности положений областей ввода света при освещении световода, содержащего люминесцентный материал, множеством источников света, способных обеспечить свет источника света, причем свет источника света множества источников света имеет спектральное перекрытие для управления спектральным распределением света люминесцентного материала упомянутого люминесцентного материала при испускании из светового выходного окна из упомянутого световода.
Термины «верхний» и «нижний» относятся к расположению элементов или устройств относительно распространения света от средства генерации света (здесь особенно от первого источника света), причем, относительно первого положения внутри пучка света от средства генерации света, второе положения в пучке света ближе к средству генерации света называется «верхним», и третье положение внутри пучка света еще дальше от средства генерации света называется «нижним».
Осветительное устройство может быть частью или может применяться, например, в офисных осветительных системах, бытовых прикладных системах, торговых осветительных системах, домашних осветительных системах, акцентных осветительных системах, точечных осветительных системах, театральных осветительных системах, волоконно-оптических прикладных системах, проекционных системах, самосветящихся дисплейных системах, пиксельных дисплейных системах, сегментированных дисплейных системах, системах предупреждающих знаков, прикладных осветительных системах в здравоохранении/медицине, системах устройств индикации, декоративных осветительных системах, портативных системах, автомобильных приложениях, осветительных системах теплиц, садовом освещении или подсветке ЖК дисплеев.
Употребляемый здесь термин «белый свет» известен специалистам в области техники. Он, в частности, относится к свету, имеющему коррелированную цветовую температуру между примерно 2000 и 20000 K, в частности 2700-20000 K, для общего освещения в диапазоне примерно от 2700 K до 6500 K, и для целей подсветки особенно в диапазоне от примерно 7000 K до 20000 K, и в частности в пределах 15 стандартных отклонений выравнивания цвета (standard deviation of color matching, SDCM) от локуса черного тела (black body locus, BBL), особенно в пределах примерно 10 SDCM от BBL, и более конкретно в пределах примерно 5 SDCM от BBL.
В варианте осуществления источник света может также давать свет источника света, имеющий коррелированную цветовую температуру (CCT) между примерно 5000 и 20000 K, например, направленные светодиоды с люминофором (испускающий синий свет диод с тонким слоем фосфора для получения, например, 10000 K). Следовательно, в конкретном варианте осуществления источник света способен давать свет источника света с коррелированной цветовой температурой в диапазоне 5000-20000 K, и более конкретно в диапазоне 6000-20000 K, например, 8000-20000 K. Преимуществом относительно высокой цветовой температуры может быть наличие относительно большого количества синего компонента в свете источника света.
Термины «фиолетовый свет» или «фиолетовое испускание» в частности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 380-440 нм. Термины «синий свет» или «синее испускание» в частности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 440-490 нм (включая некоторые оттенки фиолетового и сине-зеленого). Термины «зеленый свет» или «зеленое испускание» в частности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 490-560 нм. Термины «желтый свет» или «желтое испускание» в частности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 540-570 нм. Термины «оранжевый свет» или «оранжевое испускание» в частности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 570-600. Термины «красный свет» или «красное испускание» в частности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 600-750 нм. Термины «розовый свет» или «розовое испускание» относятся к свету, имеющему синий и красный компонент. Термины «видимый», «видимый свет» или «видимое испускание» относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 380-750 нм.
Здесь термины «по существу», как и «по существу весь свет» или «по существу состоит», будут понятны специалистам в данной области техники. Термин «по существу» может также включать в себя варианты осуществления с «целиком», «полностью», «весь» и т.д. Следовательно, в вариантах осуществления прилагательное по существу может быть также опущено. Где применимо, термин «по существу» может также относиться к 90% или выше, например, 95% или выше, в частности 99% или выше, и даже более конкретно 99,5% или выше, включая 100%. Термин «содержит» включает в себя также варианты осуществления, в которых термин «содержит» обозначает «состоит из». Термин «и/или» в частности относится к одному или более из элементов, упомянутых до и после «и/или». Например, фраза «элемент 1 и/или элемент 2» и подобные фразы могут относиться к одному или более из элемента 1 и элемента 2. Термин «содержащий» может в варианте осуществления относиться к «состоящий из», но может в другом варианте осуществления также относиться к «содержащий по меньшей мере заданные компоненты и опционально один или более других компонентов».
Далее, термины первый, второй, третий и подобные в описании и в формуле используются для различения похожих элементов и не обязательно для описания в последовательном или хронологическом порядке. Следует понимать, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми при подходящих обстоятельствах и что варианты осуществления изобретения, описанные здесь, способны работать в других последовательностях, чем описанные или проиллюстрированные здесь.
В настоящем документе устройства, среди прочего, описаны во время работы. Как будет понятно специалистам в данной области техники, изобретение не ограничивается способами работы или работающими устройствами.
Следует отметить, что упомянутые здесь варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники смогут разработать много альтернативных вариантов осуществления без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле любые ссылочные позиции, расположенные в скобках, не должны считаться ограничивающими формулу. Использование глагола «содержать» и его производных не исключает наличия элементов или этапов, не перечисленных в формуле. Единственное число элементов не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть осуществлено посредством аппаратуры, содержащей несколько отдельных элементов, и посредством должным образом запрограммированного компьютера. В пунктах типа «устройство» перечисляются несколько средств, некоторые из этих средств могут быть осуществлены одним и тем же элементом аппаратуры. Только тот факт, что некоторые характеристики перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы, не означает, что комбинация этих характеристик не может использоваться с выгодой.
Изобретение также применимо к устройству, содержащему один или более отличительных признаков, раскрытых в описании и/или показанных на прилагаемых чертежах. Изобретение также относится к способу или процессу, содержащему один или более отличительных признаков, раскрытых в описании и/или показанных на прилагаемых чертежах.
Различные аспекты, обсуждаемые в настоящем патенте, могут комбинироваться для получения дополнительных преимуществ. Более того, некоторые признаки могут формировать базу для одной или более выделенных заявок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления изобретения будут теперь описаны, только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых соответствующие ссылочные позиции обозначают соответствующие части, и на которых:
Фиг. 1a-1d схематически показывают некоторые аспекты изобретения; и
Фиг. 2a-2h схематически показывают некоторые аспекты изобретения.
Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1a схематически показывает вариант осуществления осветительного устройства 100, способного давать свет 101 осветительного устройства. Осветительное устройство 100 содержит множество m (здесь в качестве примера m=4) источников 200 света, способных давать свет 201 источника света. Множество m источников 200 света содержит по меньшей мере первый источник 210 света, способный генерировать первый свет 211 источника света, и второй источник 220 света, способный генерировать второй свет 221 источника света (и в этом примере также третий источник 230 света способен генерировать третий свет 231 источника света, и четвертый источник 240 света 240 способен генерировать четвертый свет 241 источника света).
Фразы типа свет «источника 210, 220, … света» и похожие фразы, такие как «свет 211, 221, … источника света» или «расстояние d1, d2, …» используются, чтобы показать множество элементов или ссылочных позиций. Например, пять источников света дадут источники 210, 220, 230, 240 и 250 света, и в этих случаях также свет 211, 221, 321, 421, 521 источника света, и, в зависимости от расположения источников света также пять расстояний d1, d2, d3, d4 и d5. Следует отметить, что термин «множество» всегда обозначает по меньшей мере два. Следовательно, здесь базовые определения множеств ссылок в общем указывают на по меньшей мере два числа (например, «множество источников 210, 220, … света» и т.д.)
Источник света может в принципе быть точечным источником света любого типа, но в варианте осуществления является твердотельным источником света, таким как светодиод, лазерный диод или органический светодиод, множество светодиодов, или лазерных диодов, или органических светодиодов, или набор светодиодов, или лазерных диодов, или органических светодиодов, или комбинация любых из них. Светодиод может в принципе быть светодиодом любого цвета или их комбинацией, но в варианте осуществления источник синего света дает свет источника света в синем цветовом диапазоне, который определяется длиной волны в диапазоне от 380 нм до 495 нм. В другом варианте осуществления источник света является ультрафиолетовым или фиолетовым источником света, то есть испускающим в волновом диапазоне ниже 420 нм.
Далее, осветительное устройство 100 содержит световод 300, содержащий люминесцентный материал 310, возбуждаемый светом 201 источника света и способный обеспечить свет 311 люминесцентного материала. Как указано выше, люминесцентный материал 310 в световоде 300 способен реабсорбировать по меньшей мере часть света 311 своего люминесцентного материала. Величина реабсорбции может зависеть от типа люминесцентного материала (Стоксов сдвиг) и также от концентрации люминесцентного материала или люминесцентных частиц в световоде (материале). Материал световода обозначен ссылочной позицией 301.
Световод 300 содержит световое выходное окно 330 (здесь вторая грань 342, смотри также ниже) для выхода (или выпуска) света 311 люминесцентного материала из световода 300, и множество областей 320 ввода света, содержащих по меньшей мере первую область 321 ввода света для приема первого света 211 источника света, расположенную на первом расстоянии d1 от светового выходного окна 330, и вторую область 322 ввода света для приема второго света 221 источника света, расположенную на втором расстоянии d2 от светового выходного окна 330. Следует отметить, что первое расстояние d1 не равно второму расстоянию d2. Здесь все четыре расстояния d1, d2, d3 и d4 различны. Источники света, таким образом, расположены выше световода 300, и световое выходное окно 330 расположено ниже областей 320 ввода света. Дополнительная оптика может быть доступна ниже светового выходного окна 330, но это дополнительно подробно не обсуждается. Например, в варианте осуществления могут применяться коллиматор или рефлектор полного внутреннего отражения. Световое выходное окно (здесь вторая грань 342) расположено (по существу) перпендикулярно первой грани 341, которая содержит в этом примере множество из четырех областей 320 ввода света (то есть с первой по четвертую области 321, 322, 323, 324 ввода света).
Первый источник 210 света способен обеспечивать упомянутый первый свет 211 источника света первой области 321 ввода света, и второй источник 220 света способен обеспечивать упомянутый второй свет 221 источника света второй области 322 ввода света. Аналогично, так же будет и в случае любых дополнительных источников света (например, 230, 240).
Далее, осветительное устройство может включать в себя управляющий модуль 500 для независимого управления каждым из множества источников 200 света. Посредством такого управления можно управлять цветовой точкой? и/или цветовой температурой света 101 осветительного устройства (также смотри ниже). Свет 101 осветительного устройства по меньшей мере содержит свет 311 люминесцентного материала, но может опционально также содержать свет 201 источника света (от одного или более источников 200 света), например синий свет 201 источника света и желтый свет 311 люминесцентного материала (образуя, например, белый свет).
Следовательно, с помощью настоящего изобретения, например, может быть возможно переключаться между холодным белым и теплым белым.
Световод 300 в этом варианте осуществления содержит множество граней (или поверхностей) 340, таких как первая грань 341, которая включает в себя в данном варианте осуществления множество областей 320 ввода света, вторая грань 342, которая содержит световое выходное окно 311, и дополнительные грани 343 (третья грань) и 344 (четвертая грань) и т.д. Опционально, эти грани могут использоваться для ввода света источника света других источников света в световод 300. Далее, части, которые не используются для ввода или вывода света источника света, могут быть снабжены рефлектором (смотри ниже). Следовательно, световод 300 содержит одну или более граней 340, в общем по меньшей мере две грани 340 (например, конус (не показан) может считаться имеющим две грани, и стержень (смотри фиг. 2g) может считаться имеющим три грани).
Позиция A показывает ось, связанную с телом, в данном случае ось длины. В общем, световод 300 будет включать в себя одну или более осей, связанных с телом (такую как ось длины, ось ширины или ось высоты), причем выходное окно 330 расположено (по существу) перпендикулярно такой оси. Следовательно, в общем, области 340 ввода света будут расположены (по существу) перпендикулярно световому выходному окну 330.
На схематических чертежах источник питания или другие элементы не показаны.
XM
RM
RM
XM
XM
RM
MM
XM
MM
Фиг. 1b схематически показывает кривую испускания и связанную кривую возбуждения, по оси Х отложена длина волны (λ) в нанометрах (нм), и по оси Y отложена нормированная интенсивность (N.I.) (в относительных единицах). Теоретически кривая поглощения считается идентичной кривой возбуждения, в частности в пределах релевантного диапазона длин волн 400-600, в частности даже 300-600 нм. Кривая возбуждения или поглощения обозначена позицией EX. Кривая испускания обозначена позицией EM, то есть, это излучение 311 элемента преобразователя излучения. Далее, (диагонально) заштрихованная кривая представляет собой излучение 21 твердотельного источника света. Кривые нормированы. Ясно, что элемент преобразователя излучения может возбуждаться выше почти всего диапазона длин волн 300-500 в этом примере. Однако наиболее эффективное возбуждение будет в диапазоне вокруг максимума λ, то есть максимума возбуждения. Излучение твердотельного источника света имеет максимум в максимуме излучения λ. В частности, твердотельный источник света выбирают так, чтобы его максимум излучения λ лежал в диапазоне 70-100% λ. На чертеже показан диапазон 80-100%. Здесь, в данном варианте осуществления, излучение твердотельного источника света перекрывается по существу полностью с полосой возбуждения, и максимумы λ и λ находятся по существу друг на друге. Далее, полоса испускания и полоса возбуждения перекрываются. Здесь, на этом схематическом чертеже около 10-15% полосы испускания EM (излучение 311 элемента преобразователя излучения) перекрывается с полосой возбуждения. Спектральное перекрытие определяется нормированием спектра возбуждения и спектра испускания в видимом диапазоне до 100 (или 1 и т.д.) и определением области под кривой испускания, перекрывающейся с областью под кривой возбуждения. Для хорошей реабсорбции такое перекрытие является преимущественным. Перекрывающаяся область (горизонтально) заштрихована и обозначена ссылочной позицией SO (spectral overlap, спектральное перекрытие). Длина волны в максимуме испускания обозначена ссылочной позицией λ. Разность длин волн между λ и λ представляет собой Стоксов сдвиг. Следует отметить, что в общем каждый источник 200 света (то есть, первый источник 210 света, второй источник 220 света и т.д.) будет создавать свет 201 источника света (то есть, первый свет 211 источника света, второй свет 221 источника света и т.д.), являющийся по существу идентичным, то есть все они имеют по существу одинаковое спектральное распределение. Следовательно, обращаясь к фиг. 1a, все четыре источника 200 света могут создавать то же испускание 201 источника света.
Для измерения спектра испускания и спектра возбуждения для оценки спектрального перекрытия может, в частности, использоваться очень тонкое изделие, например, менее 1 мм толщиной, например, менее 0,5 мм толщиной. Это тонкое изделие облучают возбуждающим светом и измеряют испускание, выходящее из области ввода света. Также могут использоваться более толстые изделия. В таком случае, в частности, возбуждение осуществляют под углом падения и измеряют свет, исходящий из области ввода света. В этих случаях по существу может быть измерено только испускание, на которое сильно (или нет) повлияла реабсорбция. Опционально, можно измерить идентичный световод, только с концентрацией люминесцентного материала в 100 раз меньше (то есть, с гораздо более низкой поглощающей способностью). Это также снижает самопоглощение и может обеспечить спектры возбуждения и испускания для определения спектрального перекрытия. Еще одной возможностью является преобразование (части) световода в материал в виде частиц. Это по существу снизит самопоглощение и приведет к спектру испускания, на который (по существу) не повлияло самопоглощение. Альтернативно спектр испускания можно измерять при различных толщинах (в частности в случае плоского световода). В этом случае спектр испускания без по существу самопоглощения может быть экстраполирован из этих испусканий при различных толщинах. Также может использоваться комбинация этих методов.
Источники света высокой яркости представляют интерес для различных приложений, включая точечные источники и цифровую проекцию света. Для этой цели, но также и для других, возможно использование так называемых концентраторов света, где более короткая длина волны преобразуется в более длинные длины волн в сильно прозрачном люминесцентном материале. Стержень из такого прозрачного люминесцентного материала может освещаться светодиодами для получения более длинных длин волн внутри стержня. В различных приложениях, таких как световые двигатели, лампы, осветительные приборы и проекторы, желательно управлять цветом (температурой) источника света, например, для диммирования черного тела (для имитации работы источника света, такого как источник света с лампой накаливания) или для адаптации цветовой гаммы осветительной системы (для регулирования качества цвета). Это можно сделать, комбинируя свет, испущенный множеством источников. Однако использование множества светодиодов приводит к увеличению площади испускающей поверхности. Поэтому желательно управлять цветом (температурой) испускающей свет поверхности без увеличения ее площади, чтобы интенсивность оставалось высокой.
Как указано выше, предлагается использование люминесцентного источника света на основе концентратора, который накачивается по меньшей мере двумя источниками света. Концентратор света выбирают так, чтобы существовало (предпочтительно) большое спектральное перекрытие между спектрами испускания и поглощения. Большое спектральное перекрытие ведет к сильной реабсорбции света, испущенного люминесцентным концентратором, и, следовательно к сильной зависимости конечного спектра от длины люминесцентного стержня. Когда такой стержень накачивают с боковых сторон множеством светодиодов вдоль всей длины, то спектр света, испущенного из выходной поверхности, будет зависеть от положения светодиода относительно выходной поверхности. Таким образом, выбирая, какой светодиод или светодиоды включить, и регулируя их относительную интенсивность, можно регулировать цвет (температуру) света, выходящего из выходной поверхности (фиг. 1c-1d). Таким образом, каждый светодиод будет регулироваться по-разному в зависимости от расстояния от, или положения светодиода относительно выходной поверхности, и в зависимости от требуемой цветовой температуры света, выходящего из стержня. Управляющий модуль учитывает расстояние от каждого светодиода до выходной поверхности стержня и управляет каждым светодиодом соответственно для обеспечения требуемой цветовой температуры света, выходящего из стержня. Таким же образом, управляя количеством светодиодов, можно регулировать ширину и/или форму пика (фиг. 1d). Верхние кривые на фиг. 1c и 1d схематически показывают испускание без существенной реабсорбции. Вторые кривые на фиг. 1c и 1d, соответственно, относятся к облучению только третьим источником 230 света. В качестве примера эта кривая уже немного смещена в красную область, что указывает на некоторую реабсорбцию. Третья кривая на фиг. 1c соответствует облучению световода 300 вторым источником 220 света; кривая испускания сильнее смещена в красную область, чем предыдущая, поскольку испускаемый свет 311 должен пройти более длинный путь через световод 300. Самая нижняя кривая на фиг. 1c соответствует испусканию, созданному осветительным устройством 100, когда первый источник 210 света облучает световод 200. Кривая испускания наиболее сильно смещена в красную область. Фиг. 1d показывает, что, выбирая источники света, можно регулировать не только положение пика, но и форму кривой испускания. Когда используются источники света на разных расстояниях (смотри третью и четвертую кривые, где соответственно третий источник 230 света и второй источник 220 света, или все три источника 230, 220, 210 света облучают световод 200), можно получить суперпозицию соответствующих кривых испускания. Следует отметить, что графики схематичны.
При желании выход источников света можно адаптировать таким образом, чтобы полная интенсивность света, выходящего из выходной поверхности света, оставалась неизменной.
Само собой разумеется, можно использовать множество светодиодов, например, 40 светодиодов, или 2 стержня по 20 светодиодов, или 20 светодиодов, освещающих стержень сверху и 20 светодиодов, освещающих стержень снизу.
Следовательно, в варианте осуществления дается испускающее свет устройство, причем испускающее свет устройство содержит по меньшей мере два источника света, способные во время работы испускать свет с первым спектральным распределением, причем первый световод содержит первую входную поверхность света и первую выходную поверхность света, причем световод способен принимать свет с первым спектральным распределением на первую входную поверхность света, преобразуя по меньшей мере часть света с первым спектральным распределением в свет с вторым спектральным распределением, направляя свет с вторым спектральным распределением на первую выходную поверхность света, и выводя свет с вторым спектральным распределением из первой выходной поверхности света, причем по меньшей мере два источника света расположены на взаимно различных расстояниях от первой выходной поверхности света первого световода, и управляющее устройство способно изменять спектральные характеристики второго спектрального распределения посредством индивидуального управления источниками света, причем источник света из по меньшей мере двух источников света, расположенный на большем расстоянии от первой выходной поверхности света первого световода, производит второе спектральное распределение, смещенное в красную область относительно света, созданного источником света из по меньшей мере двух источников света, расположенным на наименьшем расстоянии от первой выходной поверхности света первого световода.
Как указано выше, предлагается использование люминесцентного материала, выбранного так, чтобы имелось большое спектральное перекрытие спектров испускания и поглощения (фиг. 1b). (Большое) перекрытие приводит к сильной реабсорбции света, испущенного люминесцентным концентратором, и, следовательно, к сильной зависимости конечного спектра от длины люминесцентного стержня.
Осветительное устройство может содержать в варианте осуществления единственную выходную поверхность света (фиг. 2a). В качестве примера разница в цвете света осветительного устройства как функция включенного источника света показана разницей штриховки света 101 осветительного устройства. Эта разница в частности происходит из-за разницы в свете 311 люминесцентного материала.
Световод 300, такой как люминесцентный концентратор, может также содержать рефлектор обратного отражения (фиг. 2b). Однако в этой конфигурации свет может отражаться обратно рефлектором обратного отражения, и поэтому спектральные распределения могут немного измениться. Из-за потерь света в стержне (например, из-за небольшого поверхностного рассеяния, небольшого рассеяния в стержне, потерь на отражение) вклад обратно отраженного света сравнительно мал. (Обратный) рефлектор может не находиться в оптическом контакте со световодом 300, таким как люминесцентный стержень. Рефлекторы здесь обозначены ссылочной позицией 400.
Световод 300, такой как люминесцентный концентратор, может также содержать дополнительные рефлекторы 400, расположенные предпочтительно без оптического контакта с люминесцентным концентратором. Далее, осветительное устройство может включать в себя теплоотвод 117. На фиг. 2c схематически показан вариант осуществления, в котором дополнительные рефлекторы 400 содержат теплоотводящий элемент 117.
В еще одном варианте осуществления осветительное устройство содержит более чем одну выходную поверхность 330 света, например, две выходные поверхности света. Само собой разумеется, характеристики света, выходящего из второй выходной поверхности света, также зависят от положения светодиода относительно выходной поверхности света. Испускающее свет устройство может также содержать матрицу светодиодов (фиг. 2d). В этом случае также может быть получено более сложное спектральное распределение света (фиг. 2e и 2f). На последней фигуре испускающее свет устройство может также содержать три выходные поверхности света (фиг. 2f). Конечно, испускающее свет устройство может также содержать четыре выходные поверхности света. На фиг. 2f в качестве примера показаны множество связанных с телом осей A. Области ввода света, освещенные источниками 200 света, по существу перпендикулярны световым выходным окнам 330.
Фиг. 2g схематически показывает некоторые дополнительные варианты осуществления световода 300 с полым световодом, с клиновидным световодом и с плоским (в виде стержня или пучка) световодом 300. Другие формы также возможны. В качестве примера показаны множество источников света, чтобы продемонстрировать, что разные поднаборы 2000 источников света могут использоваться для облучения световода.
Фиг. 2h схематически показывает вариант осуществления осветительного устройства 100, содержащего дополнительный источник 1200 света. Этот источник света может, например, не взаимодействовать со световодом 300. Дополнительный свет 1201 источника света, и свет 311 люминесцентного материала, и, опционально, свет источника света, могут состоять из света 101 осветительного устройства. Диффузор 118 может использоваться для смешивания разных типов света.
Испускающее свет устройство должно также содержать датчик/детектор для регистрации конкретного сигнала (например, температуры, влажности, положения, расположения, времени, интенсивности, цвета и т.д.), и источники света могут управляться согласно сигналу, считанному контроллером.
В другом варианте осуществления осветительное устройство может содержать датчик, интегрированный в систему так, что он измеряет генерацию света источников света или осветительного устройства.