УСТРОЙСТВО ОСВЕЩЕНИЯ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СМЕСИ СВЕТА ЭТИМ УСТРОЙСТВОМ
LIGHTING DEVICE AND METHOD TO GENERATE LIGHT MIXTURE WITH THIS DEVICE

Настоящее изобретение относится к электротехнике и касается конструкции устройства освещения, в частности устройства, которое включает в себя один или более твердотельных источников света (далее - ТИС) типа, например, одного или более светодиодов (далее - СД) и одного или нескольких люминесцентных материалов (например, один или более люминофоров). Настоящее изобретение также рассматривает способ освещения с применением светодиодных компонентов и люминесцентных материалов.
Диаграмма цветности CIE (Commission International d'Eclairage - Международная Комиссия по Освещению) - диаграмма, показывающая воспринимаемый человеческим глазом цвет в зависимости от двух параметров х и y (для диаграммы 1931) (фиг.1) или u' и v' (для диаграммы 1976) (фиг.2). Техническое описание диаграмм цветности CIE (см., например, «Энциклопедию физической науки и технологии», том 7, стр.230-231 (Роберт А.Мейерс, издание 1987 г.)), также диаграмма подробно описана в патенте США US 7,213,940, F21V 9/00, опубл. 08.05.2007. Цвета спектра распределены вблизи края обведенного пространства, которое включает все оттенки, воспринимаемые человеческим глазом. Граничная линия представляет максимальную насыщенность цветов спектра. Как указывалось выше, диаграмма цветности 1976 CIE подобна диаграмме 1931 CIE за исключением того, что диаграмма 1976 CIE была изменена так, что одинаковые расстояния на диаграмме 1976 CIE соответствуют одинаковой разнице в восприятии цвета. В целом, диаграммы цветности 1931 CIE (международный стандарт для основных цветов, создан в 1931) и 1976 CIE (аналогична диаграмме 1931, но изменена так, что одинаковым расстояниям на диаграмме соответствуют аналогичные воспринимаемые различия в цвете) дают полезную основу для определения какого-либо цвета как взвешенной суммы других цветов.
На диаграмме 1931 CIE отклонение от точки на диаграмме может быть выражено либо в виде координат или, по-другому, чтобы дать пространственное представление о воспринимаемой разнице цветов, в виде т.н. эллипсов МакАдама. Например, область точек, определенная как расположенная на 10 эллипсов МакАдама от заданного тона на диаграмме 1931 CIE, состоит из тонов, каждый из которых воспринимается как имеющий разницу с заданным тоном в одной и той же степени (то же самое можно сказать о наборе точек, которые расположены от заданного тона на другое количество эллипсов МакАдама).
2
2
1/2
Поскольку одинаковые расстояния на диаграмме 1976 CIE представляют одинаковые различия в воспринимаемом цвете, отклонение от точки на диаграмме 1976 CIE может быть выражено координатами Δu' и Δv'; например, расстояние от точки Δ(u';v')=(Δu'+Δv'), а оттенки, составляющие множество точек, расположенных на одном расстоянии от заданного оттенка, воспринимаются как отличающиеся от заданного оттенка в одной и той же степени. Говоря другими словами, эллипсы МакАдама на диаграмме 1976 CIE становятся кругами.
Цветовые координаты и диаграммы цветности CIE детально рассматриваются во множестве книг и других публикаций, таких как стр.98-107 книги Н.К.Батлера «Люминофоры флуоресцентных ламп» (издательство Государственного университета штата Пенсильвания, 1980), «Люминесцентные материалы» (Шпрингер-Ферлаг, 1994), приведенные в списке источников.
Цветовые координаты (т.е. цветовые точки), которые лежат вдоль линии черного тела (фиг.1), описываются уравнением Планка: Е(λ)=Аλ-5/(е(В/Т)-1), где Е - интенсивность излучения, λ - излучаемая длина волны, Т - цветовая температура черного тела, А и В - константы. Цветовые координаты, лежащие на или вблизи линии черного тела, представляют приятный для человека-наблюдателя белый свет. Диаграмма 1976 CIE включает перечни температур вдоль области черного тела. Эти перечни температур показывают цветовой путь излучения черного тела, которое нагрели до этих температур. По мере нагревания объект начинает раскаляться, сначала он светится красноватым, затем желтоватым, затем белым и, наконец, голубоватым светом. Это происходит из-за того, что длина волны, связанная с пиковым излучением излучателя черного тела постепенно становится короче с возрастанием температуры в соответствии с законом смещения Вина. Источники, излучающие свет, расположенные на или близко к линии абсолютно черного тела, таким образом могут быть описаны при помощи их цветовой температуры.
CRI - это относительный показатель того, насколько цветовоспроизведение осветительной системы сравнимо с излучением черного тела. CRI равно 100, если цветовые координаты набора тестовых цветов, освещенных осветительной системой, полностью совпадают с цветовыми координатами того же набора цветов, освещенных излучателем в виде абсолютно черного тела.
Выражение «Насыщенный ТИС» - общепринятое понятие, понятное специалистам в данной области. Означает источник света с чистотой не меньше 85%. Понятие чистоты света, а также способы вычисления этой величины также хорошо известны специалистам в данной области.
Выражение «ТИС диапазона 430-480 нм» означает любой ТИС, который при включении будет излучать свет, имеющий доминантную длину волны в диапазоне от примерно 430 до примерно 480 нм.
Выражение «ТИС диапазона 480-520 нм» означает любой ТИС, который при включении будет излучать свет, имеющий доминантную длину волны в диапазоне от примерно 480 до примерно 520 нм.
Выражение «ТИС диапазона 600-650 нм» означает любой ТИС, который при включении будет излучать свет, имеющий доминантную длину волны в диапазоне от примерно 600 до примерно 650 нм.
Выражение «люминофор диапазона 530-585 нм» означает любой люминофор, который при возбуждении будет излучать свет, имеющий доминантную длину волны в диапазоне от примерно 530 до примерно 585 нм.
Термин «ток», как он используется в выражении «если запитать током первую линию питания», «подать питание на первую линию» и т.п., означает электрический ток, достаточный для того, чтобы обеспечить излучение ТИС'ом (-ами) диапазона 430-480 нм света, имеющего доминантную длину волны в диапазоне от примерно 430 до примерно 480 нм, излучение ТИС'ом (-ами) диапазона 480-520 нм света, имеющего доминантную длину волны в диапазоне от примерно 480 до примерно 520 нм, и/или излучение ТИС'ом (-ами) диапазона 600-650 нм света, имеющего доминантную длину волны в диапазоне от примерно 600 до примерно 650 нм.
Выражение «непосредственно или с возможностью отключения электрически подсоединен» означает «непосредственно электрически подсоединен» или «электрически подсоединен с возможностью отключения».
Приведенное в данном документе выражение, что один или более ТИС «электрически присоединены» к линии питания означает, что ток может поступать на ТИС (ы) при подаче его на линию питания.
Приведенное в данном документе выражение, что один (или более) переключатель электрически присоединен к линии питания, означает, что ток может поступать через линию питания, если переключатель (переключатели) замкнут(ы), и что поступление тока через линию питания предотвращено, если переключатель (переключатели) разомкнут(ы).
Приведенное в данном документе выражение, что один компонент устройства «может выборочно включать и выключать ток», означает, что между двумя компонентами имеется переключатель, способный размыкаться и замыкаться, причем, если переключатель замкнут, то эти два компонента электрически соединены, а если переключатель разомкнут (т.е. в течение любого периода времени, в котором переключатель разомкнут), эти два компонента электрически не соединены.
Выражение «включен», как оно используется в настоящем документе применительно к ТИС, означает, что как минимум некоторый ток поступает на ТИС, приводя к излучению им как минимум некоторого света.
Выражение «возбужден», как оно используется в настоящем документе применительно к люминофорам, означает, что как минимум некоторое электромагнитное излучение (например, видимый свет, ультрафиолетовое или инфракрасное излучение), контактируя с люминофором, приводит к излучению им как минимум некоторого света. ТИС, используемые в устройствах, описанных в настоящем изобретении, и люминофор (или люминофоры), используемые в устройствах, описанных в настоящем изобретении, могут иметь любую из известных структур.
Широкий спектр таких ТИС и люминофоров легко доступен и хорошо известен, и все они могут быть применены. Примеры конструкции и использования ТИС (светодиодов) и люминофоров, пригодных для практической реализации данного изобретения, описаны в патенте США №7,213,940 и сопровождающих его материалах.
По сравнению с обычными сроками жизни ТИС лампы накаливания имеют сравнительно короткий срок жизни, как правило, около 750-1000 часов. Для сравнения, время жизни светодиодов, например, в целом может измеряться десятилетиями. Люминесцентные лампы имеют больший срок жизни (например, 10000-20000 часов), чем лампы накаливания, но дают менее благоприятное цветовоспроизведение.
Цветовоспроизведение, как правило, измеряется с помощью Индекса цветовоспроизведения (CRI). CRI является относительной оценкой того, насколько цветовоспроизведение системы освещения сравнимо с цветовоспроизведением абсолютно черного тела, т.е. он является мерой относительного сдвига цвета поверхности объекта, освещенного измеряемой лампой. CRI равен 100, если цветовые координаты набора тестовых цветов при освещении системой освещения (лампой) такие же, как и координаты тех же цветов при освещении излучением абсолютно черного тела. Дневной свет (солнца) имеет самый высокий CRI (100), лампы накаливания (обычные) тоже достаточно близки (около 95), а люминесцентное освещение является менее точным (70-85). Некоторые виды специализированного освещения имеют относительно низкие показатели CRI (например, лампы на парах ртути, натрия - такой низкий показатель CRI, как 40 или даже меньше). Натриевые фонари используются, например, для освещения автомобильных дорог. Время реакции водителя, однако, существенно снижает при меньших значениях CRI (для любой заданной освещенности распознавание объектов ухудшается с уменьшением CRI).
По этим и другим причинам продолжаются усилия по разработки путей, посредством которых ТИС могут быть использованы вместо ламп накаливания, ламп дневного света и других светоизлучающих устройств в широком спектре приложений. Кроме того, там где ТИС уже используются, предпринимаются шаги по совершенствованию параметров ТИС, например, в отношении энергоэффективности, коэффициента цветовоспроизведения (CRI), контрастности, эффективности (люмен/ватт) и/или продолжительности службы.
Светодиоды (далее - СД) - это полупроводниковые устройства, которые испускают свет (ультрафиолетовый, видимый и ИК), когда приложена разность потенциалов к р-n-структуре. Есть несколько известных способов изготовления светодиодов и связанных с ними структур, для настоящего изобретения могут использовать любые такие устройства. Для примера, главы 12-14 учебника по Физике полупроводниковых приборов С.М.Зе [Physics of semiconductor devices by S.M.Sze, 2-nd edition, 1981] и глава 7 Учебника современной физики полупроводниковых устройств (1998) [Modem Semiconductor Device Physics by S.M.Sze, 1998] описывают различные типы светоизлучающих устройств, в том числе светодиодов. Общепризнанные и коммерчески доступные СД, которые продаются в магазинах электроники, как правило, представляют собой "упакованное" устройство, состоящее из нескольких частей. Эти устройства в корпусе обычно включают полупроводниковый светоизлучающий диод, такой (но и не только), как описан в US №№04918487, 5631190 и 5912477, а также различные соединители, провода и корпус, в который упаковывается светодиод.
Светодиод излучает свет в результате возбуждения электронов, проходящих через запрещенную зону между проводником и валентной зоной полупроводника активного (светоизлучающие) слоя. Переход электрона формирует свет на длине волны, зависящей от ширины запрещенной зоны. Таким образом, цвет света (длина волны), излучаемого светодиодом, зависит от полупроводниковых материалов активных слоев светодиода. Но кое-какие характеристик ТИС представляют проблемы, некоторые из которых еще не полностью устранены. Например, спектр излучения того или иного светодиода, как правило, концентрируется вокруг одной длины волны (что продиктовано конструкцией светодиода и его структурой), что является желательным для некоторых приложений и нежелательным для других (например, при использовании в качестве источников освещения такой спектр излучения дает очень низкий CRI).
Все из-за того, что свет, который воспринимается как белый, есть не что иное, как обязательное сочетание излучения двух или более цветов (или длин волн), поэтому ни один светодиод сам по себе не может давать белый свет. Были изготовлены "белые" светодиоды, в которых светодиодный пиксель формируется из соответствующих красного, зеленого и синего светодиодов. Существуют и другие "белые" светодиоды, которые включают в себя светодиод, который излучает синий свет, и люминесцентный материал (например, фосфор), который испускает желтый свет в ответ на возбуждение светом, излучаемым светодиодом. Когда синий свет и желтый свет смешиваются, получается свет, который воспринимается как белый.
Широкий спектр люминесцентных материалов (и структуры, которые содержат люминесцентные материалы, известные как люминофоры или люминофорные носители, например, как указано в патенте US №6600175) хорошо известен и доступен профессионалам в этой области. Например, фосфор - это люминесцентный материал, который испускает вторичные лучи (например, видимый свет) при освещении источником возбуждающего излучения. Во многих случаях вторичное излучение по длине волны отличается от длины волны возбуждающего излучения. Другие примеры включают люминесцентные материалы светоотражателей, светоотражающие ленты и чернила, которые светятся в видимой области спектра при освещении ультрафиолетовым светом.
Люминесцентные материалы можно классифицировать как понижающие, то есть материалы, которые преобразовывают «падающие» фотоны в фотоны с меньшей энергией уровня (длинноволновые) или повышающие, т.е. материалы, которые преобразовывают фотоны в фотоны более высокого энергетического уровня (коротковолновые).
Включения люминесцентных материалов в светодиодные устройства удалось добиться путем добавления люминесцентных материалов в прозрачный пластик материала-заполнителя (например, на основе эпоксидной смолы или материала на силиконовой основе), как указывалось выше, например, путем смешивания с наполнителем и путем нанесения покрытий.
Например, патент US №6963166 говорит, что обычная светодиодная лампа включает светодиодный кристалл, подложку, куполообразный прозрачный корпус для защиты светодиода, проводник для подачи питания на светодиод и чашку отражателя для отражения излучения светодиода в нужном направлении, в которой светодиодный кристалл покрыт первым слоем смолы, который сверху дополнительно покрыт второй частью смолы. В соответствии с этим патентом первая часть покрытия смолой получается путем заполнения чаши отражателя и ее отверждения, после того как светодиодный кристалл был установлен на дне чашки отражателя, а его катод и анод были проводками электрически соединены с ножками светодиода. По патенту US №6963166 фосфор добавляется в первую часть смолы, с тем чтобы будучи возбужденным светом А, который излучает светодиодный кристалл, он сам начал излучать свет ("свет В"), который имеет большую длину волны, чем свет А; часть света А проникает через первую часть смеси смолы и фосфора, и, как следствие, свет С, как смесь света А и света В, может быть использован для освещения.
Как уже отмечалось выше, "белые светодиоды" (т.е. такого цвета, что воспринимаются как белые или почти белые) были исследованы в качестве потенциальных заменителей белых ламп накаливания. Показательный образец белого светодиода состоит из синего светодиода, кристалл которого изготовлен из нитрида галлия (GaN), покрытого люминофором, таким как YAG. В таком светодиоде голубой светодиодный чип дает синее излучение, а желтый фосфор производит флуоресценцию от облучения этим излучением. Далее, в некоторых конструкциях белые светодиоды изготавливаются путем формирования керамического слоя люминофора на выходной поверхности синего светоизлучающего полупроводникового светодиода. Часть синего света, исходящего из светодиодного кристалла, проходит через люминофор, а часть голубого света, исходящего из светодиодного кристалла, поглощается люминофором, который при этом возбуждается и излучает желтый свет. Часть синего света, излучаемого светодиодом, который проходит через люминофор, смешивается с желтым светом, излучаемым люминофором. Наблюдатель воспринимает смесь синего и желтого света как белый свет.
Как уже отмечалось выше, в другом типе осветительных светодиодов светодиодный кристалл, который испускает ультрафиолетовый свет, сочетается с фосфорными материалами, которые дают красный (R), зеленый (G) и синий (В) лучи света. В таких "RGB-светодиодах" ультрафиолетовыми лучами, которые излучил кристалл, возбуждает люминофор, и люминофор начинает излучать красный, зеленый и синий свет, которые при смешивании воспринимаются человеческим глазом как белый свет. Следовательно, белый свет также может быть получен как смесь этих цветов.
Сегодня существует необходимость в высокоэффективном источнике белого света, который сочетает в себе эффективность и длительный срок службы белых светодиодов (что позволяет избежать использования относительно неэффективных источников света) с приемлемой цветовой температурой, хорошим цветовоспроизведением и широким спектром.
В решении по US №7213940, F21V 9/00, опубл. 2007-05-08 (это решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов), описано устройство освещения, характеризующееся тем, что содержит один или более ТИС, излучающих свет с доминантной длиной волны в диапазоне от 430 нм до 480 нм, возбуждающий один или более люминофоров, которые испускают свет с доминантной длиной волны в диапазоне от 555 до 585 нм, и один или более ТИС, излучающих свет с доминантной длиной волны в диапазоне от 600 нм до 630 нм таким образом, что сочетание света, который излучила первая группа ТИС, первая группа люминофоров и вторая группа ТИС, производит смесь света с (х; y) координатой на диаграмме цветности 1931 CIE, которая определяет точку, которая находится в пределах 10-ти эллипсов МакАдама от, по крайней мере, одной точки на линии излучения абсолютно черного тела на диаграмме цветности 1931 CIE, и сочетания света, который излучила первая группа ТИС и первая группа люминофоров при отсутствии какого-либо дополнительного света, производят под-смесь света с (х; y) координатами цвета, которые попадают в первую область на диаграмме цветности CIE, охваченную первым, вторым, третьим, четвертым и пятым отрезками линии, первый отрезок линии, соединяющий первую и вторую точку, второй отрезок линии, соединяющий вторую и третью точку, третий отрезок, соединяющий третью и четвертую точку, четвертый отрезок, соединяющий четвертую и пятую точку, и пятый отрезок линии, соединяющий пятую и первую точку, первая точка с (х; y) координатами 0,32; 0,40, вторая точка с (х; y) координатами 0,36; 0,48, третья точка с (х; y) координатами 0,43; 0,45, четвертая точка с (х; y) координатами 0,42; 0,42 и пятая точка с (х; y) координатами 0,36, 0,38.
Выражение "доминантная длина волны" используется здесь в соответствии с его хорошо известным и признанным смыслом, обозначающим воспринимаемый цвет спектра, т.е. света одной длины волны, который дает ощущение цвета, наиболее похожего на цвет, воспринимаемый от просмотра в свете, который излучает данный источник света (т.е. примерно похожий на "цвет"), в противоположность к просто "длине волны", которая, как хорошо известно, относится в спектральной линии к наибольшей мощности источника света. Поскольку человеческий глаз не видит во всех длинах волн в равной степени (он воспринимает желтый и зеленый свет лучше, чем красный и синий) и потому что свет от многих ТИС (например, светодиодов) на самом деле есть набор излучений разных длин волн, то воспринимаемый цвет (т.е. цвет доминантной длины волны) не обязательно равен (и часто отличается) от точки с наибольшей мощностью (т.е. просто длины волны или пиковой длины волны). А вот действительно монохроматические источники света, такие как лазер, имеют одну и ту же доминантную и пиковую длины волн.
Таким образом, в патенте США №7213940 предполагается использование «белых» ТИС (светодиодов), в которых уменьшено количество люминофора, дающего свет в красной части спектра, который (взамен) излучается отдельно добавленными светодиодами с доминантной длиной волны 600…630 нм. При этом «белые» светодиоды перестают быть даже условно «белыми», а становятся зелено-желтыми (см. координаты пятиугольника из описания этого патента) и, как следствие, нестандартными.
Обычно перед разработчиком ламп стоит задача сделать лампу с высоким коэффициентом CRI (другое название - индекс цветовоспроизведения Ra) и положением точки цвета лампы строго на линии абсолютно черного тела.
Индекс цветовоспроизведения (коэффициент цветовоспроизведения) - параметр, характеризующий уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационных качеств устройства освещения, построенного на базе светодиодов и люминофорного материала, путем увеличения индекса цветовоспроизведения (CRI).
Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что устройство освещения, характеризующееся тем, что содержит первый твердотельный источник света, второй твердотельный источник света, третий твердотельный источник света, люминофор или группу люминофоров, по крайней мере, одну линию питания, к которой электрически присоединены первый, второй и третий твердотельные источники света, первый упомянутый твердотельный источник света выполнен с возможностью излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 430 нм до 480 нм, второй упомянутый твердотельный источник света выполнен с возможностью излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 600 нм до 650 нм, третий упомянутый твердотельный источник света выполнен с возможностью излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 480 нм до 520 нм, а упомянутый люминофор или упомянутая группа люминофоров, будучи возбужденными, выполнены с возможностью испускания света с доминантной длиной волны в диапазоне от 530 до 585 нм, причем при подаче питания по указанной линии питания сочетание света, который излучили, в отсутствие других источников света первый, второй и третий упомянутые твердотельные источники света и упомянутый люминофор или группа люминофоров образуют смесь света с координатой (х; y) точки на диаграмме цветности 1931 CIE, расположенной в пределах 10-ти эллипсов МакАдама от, по крайней мере, одной точки на линии излучения абсолютно черного тела на диаграмме цветности 1931 CIE, при этом сочетание света, который излучили первый упомянутый твердотельный источник света и упомянутый люминофор или группа люминофоров при отсутствии других источников света, производит под-смесь света с координатами на диаграмме цветности 1931 CIE, которые попадают в первую область на этой диаграмме, охваченную первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым отрезками линии, первый из которых соединяет первую точку с координатами (0,32; 0,30) и вторую точку с координатами (0,315; 0,35), второй - вторую и третью точку с координатами (0,367; 0,4), третий - третью и четвертую точку с координатами (0,44; 0,43), четвертый - четвертую и пятую точку с координатами (0,41; 0,367), пятый - пятую и шестую точку с координатами (0,357; 0,33) и шестой - шестую и первую точку.
При этом упомянутый первый твердотельный источник света выполнен в виде одного светодиода или более чем одного светодиода, упомянутый второй твердотельный источник света выполнен в виде одного светодиода или более чем одного светодиода, упомянутый третий твердотельный источник света выполнен в виде одного светодиода или более чем одного светодиода, а упомянутый первый люминофор или вся упомянутая первая группа люминофоров выполнены с возможностью излучения света под воздействием света от упомянутого первого твердотельного источника света при его включении.
Указанный технический результат в части способа достигается тем, что способ формирования смеси света, характеризующейся координатой точки на диаграмме цветности 1931 CIE, находящейся в пределах 10-ти эллипсов МакАдама от, по крайней мере, одной точки на линии излучения абсолютно черного тела на этой диаграмме, заключается в подаче питания одновременно первому твердотельному источнику света в виде, по крайней мере, одного светодиода для излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 430 нм до 480 нм, второму твердотельному источнику света в виде, по крайней мере, одного светодиода для излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 600 нм до 650 нм, третьему твердотельному источнику света в виде, по крайней мере, одного светодиода для излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 480 нм до 520 нм, и возбуждении светом, излучаемым первым твердотельным источником света, по крайней мере, одного люминофора, с испусканием света с доминантной длиной волны в диапазоне от 530 до 585 нм для формирования вместе со светом излучения первого твердотельного источника света под-смеси света с координатами на диаграмме цветности 1931 CIE, которые попадают в первую область на этой диаграмме, охваченную первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым отрезками линии, первый из которых соединяет первую точку с координатами (0,32; 0,30) и вторую точку с координатами (0,315; 0,35), второй - вторую и третью точку с координатами (0,367; 0,4), третий - третью и четвертую точку с координатами (0,44; 0,43), четвертый - четвертую и пятую точку с координатами (0,41; 0,367), пятый - пятую и шестую точку с координатами (0,357; 0,33) и шестой - шестую и первую точку.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - диаграмма цветности 1931 CIE;
фиг.2 - диаграмма цветности 1976 CIE;
фиг.3 - спектр излучения типового «белого» светодиода типа ELSH фирмы EVERLIGHT, Тайвань;
фиг.4 - таблица частичных индексов цветовоспроизведения для светодиода по фиг.3, ССТ=5600 К по паспорту, ССТ=5000 К по результатам измерений;
фиг.5 - таблица частичных индексов цветовоспроизведения для светодиода по фиг.3, ССТ=3300 К по паспорту, ССТ=3000 К по результатам измерений;
фиг.6 - график распределения цветовых согласующих функций CMF;
фиг.7 - спектр излучения образца TCS01;
фиг.8 - спектр излучения образца TCS02;
фиг.9 - спектр излучения образца TCS03;
фиг.10 - спектр излучения образца TCS04;
фиг.11 - спектр излучения образца TCS05;
фиг.12 - спектр излучения образца TCS06;
фиг.13 - спектр излучения образца TCS07;
фиг.14 - спектр излучения образца TCS08;
фиг.15 - спектр красного тестового цвета образца TCS08;
фиг.16 - спектр группы красных монохромных светодиодов со сдвинутыми (по спектру) длинами волн (с доминантами 615 нм и 635 нм);
фиг.17 - спектральные данные красного светодиода по фиг.16 с доминантной длиной волны приблизительно 615 нм;
фиг.18 - спектральные данные красного светодиода по фиг.16 с доминантной длиной волны приблизительно 635 нм;
фиг.19 - спектр группы бирюзовых монохромных светодиодов со сдвинутыми (по спектру) длинами волн (с доминантами 480 нм и 512 нм);
фиг.20 - спектральные данные бирюзового светодиода по фиг.19 с доминантной длиной волны приблизительно 480 нм;
фиг.21 - спектральные данные бирюзового светодиода по фиг.19 с доминантной длиной волны приблизительно 512 нм;
фиг.22 - итоговый спектр в результате улучшения CRI «белого» светодиода;
фиг.23 - таблица частичных индексов CRI для светильника по фиг.22;
фиг.24 - положение точки, обозначающей цвет светильника на диаграмме цветности, при добавлении красных светодиодов;
фиг.25 - пример применения сине-зеленого (бирюзового) светодиода с доминантной длиной волны 510 нм для компенсации введения красных светодиодов;
фиг.26 - пример структуры лампы с повышенным значением Ra(CRI);
фиг.27 - показана необходимая область излучения на диаграмме цветности 1931 CIE «белых» светодиодов по структуре на фиг.26;
фиг.28 - спектр излучения лампы, полученный из условия выполнения всех требований, предъявляемых к светодиодам, при структуре лампы по фиг.26;
фиг.29 - показан спектр «холодного» белого светодиода фирмы Everlight (5000 К);
фиг.30 - показан спектр «теплого» белого светодиода фирмы Everlight (3000 К);
фиг.31 - показан спектр красного светодиода с доминантной длиной волны 619 нм (требуемый спектр);
фиг.32 - показан спектр бирюзового светодиода с доминантной длиной волны 497 нм (требуемый спектр);
фиг.33 - суммарный спектр белого «теплого» и белого «холодного» СД;
фиг.34 - спектр комбинации «белый «теплый» + белый «холодный» + много красного;
фиг.35 - спектр комбинации «белый «теплый» + белый «холодный» + нормальный красный;
фиг.36 - положение на диаграмме цветности результирующей точки лампы без бирюзового СД;
фиг.37 - таблица частичных индексов CRI, все цвета вместе, включая бирюзовый;
фиг.38 - положение на диаграмме цветности результирующей точки лампы, все цвета вместе, включая бирюзовый;
фиг.39 - показан спектр и параметры реального красного светодиода, примененного в экспериментальной лампе;
фиг.40 - показан спектр и параметры реального бирюзового светодиода фирмы Everlight, примененного в экспериментальной лампе;
фиг.41 - график спектра излучения и таблица с характеристиками спектра полноцветной лампы с попаданием на локус абсолютно черного тела (ССТ=3800 К);
фиг.42 - показан продольный разрез возможной лампы;
фиг.43 - показан поперечный разрез устройства по линии А-А на фиг.42 и расположение светодиодов.
Согласно настоящему изобретению рассматривается устройство освещения, которое содержит первый твердотельный источник света, второй твердотельный источник света, третий твердотельный источник света, люминофор или группу люминофоров, по крайней мере, одну линию питания, к которой электрически присоединены первый, второй и третий твердотельные источники света, первый упомянутый твердотельный источник света выполнен с возможностью излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 430 нм до 480 нм, второй упомянутый твердотельный источник света выполнен с возможностью излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 600 нм до 650 нм, третий упомянутый твердотельный источник света выполнен с возможностью излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 480 нм до 520 нм, а упомянутый люминофор или упомянутая группа люминофоров будучи возбужденными выполнены с возможностью испускания света с доминантной длиной волны в диапазоне от 530 до 585 нм, причем при подаче питания по указанной линии питания сочетание света, который излучили, в отсутствие других источников света, первый, второй и третий упомянутые твердотельные источники света и упомянутый люминофор или группа люминофоров, образует смесь света с координатой (х; y) точки на диаграмме цветности 1931 CIE, расположенной в пределах 10-ти эллипсов МакАдама от, по крайней мере, одной точки на линии излучения абсолютно черного тела на диаграмме цветности 1931 CIE, при этом сочетание света, который излучили первый упомянутый твердотельный источник света и упомянутый люминофор или группа люминофоров, при отсутствии других источников света производит под-смесь света с координатами на диаграмме цветности 1931 CIE, которые попадают в первую область на этой диаграмме, охваченную первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым отрезками линии, первый из которых соединяет первую точку с координатами (0,32; 0,30) и вторую точку с координатами (0,315; 0,35), второй - вторую и третью точку с координатами (0,367; 0,4), третий - третью и четвертую точку с координатами (0,44; 0,43), четвертый - четвертую и пятую точку с координатами (0,41; 0,367), пятый - пятую и шестую точку с координатами (0,357; 0,33) и шестой - шестую и первую точку.
Данное изобретение в части конструкции устройства освещения - лампы основывается на анализе расчета коэффициентов Ri (отдельных коэффициентов для каждого цвета, входящих в подсчет общего коэффициента CRI) для источников света.
Формулы для расчета индекса цветовоспроизведения взяты из CIE 13.3 - 1995 [CIE 13.3 - 1995. Рекомендации комиссии CIE от 1995 года]
Так, цветовой сдвиг для каждого образца в свете тестируемого источника света вычисляется по формуле [1]:
*
2
*
2
*
2
1/2
*
*
*
i
i
i
ΔEi=((ΔU )+(ΔV )+(ΔW )), где U, V, W - это 1964 CIE универсальные цветовые координаты вычисляются по формулам:
,
а знак Δ указывает на разницу цветовых координат образца i при освещении светом тестируемого k и образцового r источника из CIE 13.3 - 1995.
Далее мы можем вычислить (для каждого образца) индекс сдвига Ri:
Ri=100-4.6ΔEi
И подсчитать суммарный индекс CRI:
Где Ri - индексы передачи отдельных образцов цвета, выбранных из Манселловских образцов [Munsell color system.pdf, http://en.wikipedia.org/wiki/Munsell].
Необходимо, чтобы точка, отображающая цвет лампы, находилась на линии абсолютно черного тела (Локусе Планка) (фиг.1). Обычно отклонение от линии абсолютно черного тела не должно превышать 0,01 по модулю.
Лампы, цвет которых находится вблизи линии абсолютно черного тела, можно классифицировать по так называемой коррелированной цветовой температуре (Correlated Color Temperature, CCT):
Теплые лампы - CCT ниже 3300 К
Нейтральные лампы - CCT в диапазоне 3300-5300 К
Холодные лампы - CCT выше 5300 К
Рассмотрим спектр излучения типового «белого» светодиода ELSH фирмы EVERLIGHT, Тайвань (фиг.3). Как видно из графика на фиг.3, обычно у так называемых «белых» светодиодов спектр состоит из достаточно значительного пика в части 450-470 нм (в этом - особенность конструкции белых СД, в которых люминофоры возбуждаются мощным монохромным светодиодом, как правило, - синим) и холмообразной части спектра, которую формируют собственно люминофоры. Для примера, рассмотрим таблицы частичных индексов цветовоспроизведения для двух светодиодов «белого» цвета типа ELSH фирмы EVERLIGHT, Тайвань (5600 К по паспорту и 5000 К по результатам измерений (фиг.4), ССТ=3300 К по паспорту и ССТ=3000 К по результатам измерений (фиг.5).
1
8
a
Нас интересуют первые 8 индексов (R…R), остальные даны для справки и в расчете R не участвуют.
i
a
8
8
a
Из изучения составляющих R интегрального коэффициента CRI(R) для «белого» светодиода становится очевидно, что наименьшее значение из всех обычно имеет коэффициент R (в том числе из-за особенностей распределения цветовых согласующих функций CMF [CIE_XYZ.pdf, http://en.wikipedia.org/wiki/CIE_XYZ]) (фиг.6). R - это индекс цветовоспроизведения сиреневого цвета. Такая ситуация возникает вследствие особенностей конструкции белых светодиодов. Обычно люминофоры, возбуждаемые синим светодиодом, имеют максимум в области 530-585 нм, и для правильной передачи красной части спектра не хватает мощности синего светодиода (или наличия дополнительного люминофора для «красной» области спектра). Также можно заметить, что невысокие значения имеют коэффициенты R4, R5. Это тоже является следствием особенностей конструкции «белых» светодиодов, а именно провалом в диаграмме спектральной плотности излучения между синим светом возбуждения и зелено-желтым «горбом реакции» люминофоров. Таким образом, для улучшения индекса цветовоспроизведения R необходимо сосредоточить внимание на коррекции именно этих трех коэффициентов.
a
Для получения высокого интегрального R (CRI) необходимо правильное воспроизведение цветов тестовых образцов «№4», «№5» и «№8». Спектры излучения для восьми образцов приведены на фиг.7-14. На фиг.15 показан отдельно спектр красного тестового цвета TCS08.
8
8
Внимательное изучение формул расчета коэффициентов CRI и цветовых согласующих функций (CMF) показывает, что для значительного повышения коэффициента R необходимо добавить в спектр «белого» светодиода существенный пик в районе 615-650 нм (в то время, как синий пик возбуждения люминофора «белого» СД хорошо попадает в «синий» пик спектра TCS08). Это можно сделать с помощью монохромного красного светодиода или группы красных светодиодов со сдвинутыми (по спектру) доминантными длинами волн, например стандартными 615 нм, 624 нм, 635 нм (фиг.16, 17, 18). Таким образом удастся существенно повысить значение коэффициента R, как это показано на фиг.22 и 23. На фиг.18-20 показаны спектры и графики монохромных бирюзовых светодиодов со сдвинутыми распределенными (по спектру) доминантными длинами волн, например 480 нм и 512 нм. На фиг.22 и 23 показаны спектр и таблица частичных индексов, а также собственно индекс CRI полученного в результате улучшения «белого» светодиода.
Однако добавление красных светодиодов в лампу приводит к тому, что цвет лампы меняется в сторону красного, и точка, обозначающая цвет лампы на диаграмме цветности, «съезжает» с линии абсолютно черного тела (фиг.24).
Некоторые производители светодиодных ламп для компенсации этого эффекта применяют светодиоды с особенным типом люминофоров, которые имеют спектр вторичного излучения, сдвинутый в зелено-желтую часть цветовой диаграммы (например, фирма CREE, патент US №7213940). Однако такая компенсация неоптимальна, поскольку происходит увеличение неравномерности спектра в основной (для человеческого глаза) зоне излучения и, как результат, невозможность получения высокого коэффициента CRI. Также такие «скорректированные белые» ТИС (светодиоды) имеют применение только в лампах данной конструкции, тогда как было бы крайне желательно использовать стандартные «белые» ТИС (светодиоды), которые находятся в массовом производстве и, соответственно, имеют невысокую и к тому же постоянно уменьшающуюся стоимость. К тому же такая компенсация позволяет корректировать спектр только светодиодных ламп с достаточно низкой цветовой температурой (ССТ<=3700 К), в то время как, например, Европейский стандарт EN 12464-1 устанавливает [EN_12464-1_engl.pdf]: для медицинских учреждений использовать лампы с CRI>90 и ССТ>4000 К, для точных трудоемких работ использовать лампы с CRI>90 и ССТ>4000 К, для освещения художественных работ использовать лампы с CRI>90 и ССТ>4000 К.
В данном изобретении для компенсации эффекта «сползания» точки с линии абсолютно черного тела (фиг.24) предлагается применение противоположного (относительно "горба" люминофора) цвета, которым в данном случае является свет ТИС (светодиода) с доминантной длиной волны 480-520 нм.
4
5
Поскольку спектр излучения такого ТИС (светодиода) попадает в «провал» излучения обычного «белого» ТИС (светодиода), то происходит дополнительное выравнивание спектра излучения лампы, повышение значения индексов R, R и, как результат, повышение интегрального коэффициента Ra (CRI).
4
5
К этому решению можно подойти и с другой стороны. Из рассмотрения формы спектра образцов TCS04, TCS05 (фиг.10 и 11) также очевидно, что добавление света с доминантной длиной волны 480-520 нм положительно влияет на значение коэффициентов R, R, значение которых обычно остается невысоким при использовании иных методов компенсации спектра светодиодной лампы.
a
На фиг.25 приведен пример применения сине-зеленого (бирюзового) светодиода с доминантной длиной волны 510 нм для компенсации введения красных светодиодов (см. также фиг.19-21 для возможных вариантов спектра излучения бирюзовых СД). Как видно из фиг.25, R (CRI) такой лампы достигает значения 96.
Дальнейшим развитием этого направления может стать применение нескольких видов ТИС (светодиодов) синего и сине-зеленого (бирюзового) цвета со сдвинутыми длинами волн излучения с целью заполнения провала спектральной характеристики «белого» ТИС (светодиода) в диапазоне длин волн 450-480 нм.
a
Применение такого рода компенсации спектра белых светодиодов открывает возможность создавать несложные, недорогие, высокоэффективные светодиодные лампы (лампы на ТИС) с высоким значением R (CRI) и с нужной цветовой температурой (3000-5000 К). Для этого при производстве ламп достаточно менять соотношение количества «теплых» и «холодных» белых светодиодов в группе белых светодиодов.
Выбор ССТ-температуры лампы зависит от психологии человека и эстетики освещаемых предметов. Такой выбор будет зависеть от уровня освещенности, наличия и вида цветов в комнате, цвета мебели и окружающих предметов, а также климата места и области применения лампы. В теплом климате обычно предпочтительнее лампы с нейтральным или «холодным» свечением, в то время как в холодном климате - «теплые» лампы.
На фиг.26 представлена возможная структура лампы с повышенным значением Ra(CRI). В структуру входят источник питания переменного тока 1, через блок корректора мощности 2 связанный с (квази)резонансным конвертором 3, подающим питание на линию (шину) питания 4, к которой подключены четыре стабилизатора тока 5, один из которых подает питание на группу «холодных» белых ТИС 6, второй - на группу «теплых» белых ТИС 7, третий - на группу ТИС (светодиодов) 8 с доминантой излучения света в диапазоне 600-650 нм, а четвертый - на группу ТИС (светодиодов) 9 с доминантой излучения света в диапазоне 480-520 нм. Регулируя ток через группы ТИС (светодиодов), можно корректировать положения точки излучения светодиодной лампы на цветовой диаграмме.
В собранной автором для подтверждения этого решения СД-лампе были применены следующие СД:
Группа «холодных» белых ТИС - 6 штук EVERLIGHT EHP-AX08EL/GT01H-P01/5063/Y/K42;
Группа «теплых» белых ТИС - 6 штук EVERLIGHT EHP-AX08EL-LM01H-P01-3238-Y-K31.
Меняя токи в цепях соответствующих СД, можно эффективно «перемещаться» по диаграмме цветности 1931 CIE, компенсируя разброс параметров разных экземпляров светодиодов, а также эффект их старения и эффект неравномерного снижения яркости различных светодиодов при нагреве. Так, известно, что красные СД теряют яркость при увеличении температуры. Значит, применив в схеме лампы датчик температуры, можно устранить этот эффект. Также можно оснастить лампу датчиком или датчиками светового потока разных групп светодиодов. Это позволит управлять положением точки на диаграмме 1931 CIE напрямую и позволит сохранить правильное положение этой точки в течение всего срока службы лампы.
Были проведены исследования, в рамках которых установлены требования к комплектующим элементам ламы. Требования к группам белых ТИС (светодиодов): их излучение должно лежать в зоне, очерченной черным многоугольником, как это показано на фиг.27. Данная зона представляет собой область белых «холодных» светодиодов, очерченную границей точек 1-2-3-6, и область белых «теплых» светодиодов, очерченную границей 3-4-5-6, при следующих координатах этих точек (3250 К - 6300 К):
1) (0,32 0,30);
2) (0,315 0,35);
3) (0,367 0,4);
4) (0,44 0,43);
5) (0,41 0,367);
6) (0,357 0,33).
На основании этих требований были теоретически определены графики спектров и параметры СД, при которых станет возможным получение сочетания света с точкой на локусе абсолютно черного тела (3800 К). Эти условия представлены на фиг.28-38.
На фиг.28 показан спектр излучения лампы, полученный из условия выполнения всех требований, предъявляемых к светодиодам согласно настоящему изобретению, и результаты CRI для нее. На фиг.29 показан спектр «холодного» белого светодиода фирмы Everlight (5000 K), на фиг.30 показан спектр «теплого» белого светодиода фирмы Everlight (3000 К), на фиг.31 показан спектр красного светодиода с доминантной длиной волны 619 нм (требуемый спектр), на фиг.32 показан спектр бирюзового светодиода с доминантной длиной волны 497 нм (требуемый спектр), на фиг.33 - суммарный спектр белого «теплого» и белого «холодного» СД, на фиг.34 - спектр комбинации «белый «теплый» + белый «холодный» + много красного (как результат видим высокий CRI), на фиг.35 - спектр комбинации «белый «теплый» + белый «холодный» + нормальный красный (CRI - ниже, чем в предыдущем случае по фиг.34), на фиг.36 - положение на диаграмме цветности результирующей точки лампы без бирюзового СД, на фиг.37 - таблица частичных индексов CRI, все цвета вместе, включая бирюзовый, на фиг.38 - положение на диаграмме цветности результирующей точки лампы, цвета вместе, включая бирюзовый СД (цвет лампы отображен точкой на локусе абсолютно черного тела (ССТ=3800 К).
Результаты применения реально существующих СД показаны на фиг.39-41, где на фиг.39 показан спектр и параметры реального красного светодиода, примененного в экспериментальной лампе, на фиг.40 показан спектр и параметры реального бирюзового светодиода фирмы Everlight, примененного в экспериментальной лампе, а на фиг.41 - график спектра излучения и таблица с характеристиками спектра полноцветной лампы с попаданием на локус абсолютно черного тела (3800 К).
На фиг.42 показан продольный разрез лампы возможной лампы, а на фиг.43 показан поперечный разрез устройства по линии А-А и расположение светодиодов. Светодиоды 6, 7, 8, 9 (в их число входят белые светодиоды, красные светодиоды, бирюзовые светодиоды) расположены на плате 10, имеющей токопроводящие дорожки 11, изолированные от основания платы. Выделяемое светодиодами тепло передается металлическим основанием платы на корпус 12 устройства, имеющий теплоотводящие ребра 13. Свет, излучаемый светодиодами, отражается отражателями 14 и 15 и проходит через рассеиватель 16.
ТИС с доминантной длиной волны в диапазоне от 430 нм до 480 нм света может быть выполнен в виде одного светодиода или более одного светодиода (группа светодиодов), ТИС с доминантной длиной волны в диапазоне от 600 нм до 650 нм может быть выполнен в виде одного светодиода или более одного светодиода (группа светодиодов), ТИС с доминантной длиной волны в диапазоне 480 нм до 520 нм может быть выполнен в виде одного светодиода или более одного светодиода (группа светодиодов). Люминофор или группа люминофоров выполняется с возможностью излучения света под воздействием света от упомянутого первого твердотельного источника света при включении последнего. ТИС с доминантной длиной волны в диапазоне от 430 нм до 480 нм света в виде светодиода размещается в корпусе, в котором также размещается люминофор, или каждый светодиод упомянутой первой группы ТИС размещается в отдельном корпусе, в каждом из которых также размещено по одному люминофору из группы люминофоров. Смесь цветов, сформированная ТИС с доминантной длиной волны в диапазоне от 430 нм до 480 нм и люминофором или группой люминофоров, дает свет с коэффициентом CRI более 80 при эффективности, по крайней мере, 50 люмен на ватт.
Устройство освещения снабжается, по крайней мере, одним электронным ключом, электрически присоединенным к упомянутой первой линии питания для выборочного включения и выключения тока в первой линии питания. По крайней мере, один ТИС может быть выполнен в виде, по крайней мере, двух параллельных цепочек светодиодов, включенных последовательно с первой линией питания. При этом устройство освещения будет содержать, по крайней мере, один регулятор тока, напрямую или через ключ электрически соединенный с первой или второй из указанных параллельных цепочек светодиодов для регулирования тока через указанную первую или вторую цепочку светодиодов. Этот регулятор тока выполняется с функцией автоматического управления для получения указанной смеси света разных цветов внутри 10-ти эллипсов МакАдама от, по крайней мере, одной точки на линии излучения абсолютно черного тела на диаграмме цветности 1931 CIE.
Формирование смеси света в этом устройстве освещения - лампе, характеризующейся координатой точки на диаграмме цветности 1931 CIE, находящейся в пределах 10-ти эллипсов МакАдама от, по крайней мере, одной точки на линии излучения абсолютно черного тела на этой диаграмме, осуществляется за счет:
- подачи питания одновременно первому твердотельному источнику света в виде, по крайней мере, одного светодиода для излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 430 нм до 480 нм, второму твердотельному источнику света в виде, по крайней мере, одного светодиода для излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 600 нм до 650 нм, третьему твердотельному источнику света в виде, по крайней мере, одного светодиода для излучения света с доминантной длиной волны в диапазоне от 480 нм до 520 нм и возбуждения по крайней мере одного люминофора с испусканием света с доминантной длиной волны в диапазоне от 530 до 585 нм от света, излучаемого первым твердотельным источником света;
- формирования светом, излучаемым, по крайней мере, одним люминофором, вместе со светом излучения первого твердотельного источника света под-смеси света с координатами на диаграмме цветности 1931 CIE, которые попадают в первую область на этой диаграмме, охваченную первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым отрезками линии, первый из которых соединяет первую точку с координатами (0,32; 0,30) и вторую точку с координатами (0,315; 0,35), второй - вторую и третью точку с координатами (0,367; 0,4), третий - третью и четвертую точку с координатами (0,44; 0,43), четвертый - четвертую и пятую точку с координатами (0,41; 0,367), пятый - пятую и шестую точку с координатами (0,357; 0,33) и шестой - шестую и первую точку;
- регулирования положения точки на линии абсолютно черного тела на этой диаграмме: увеличиваем количество «холодных» и уменьшаем количество «теплых» светодиодов или увеличиваем количество «теплых» и уменьшаем количество «холодных» светодиодов с последующим добавлением красного света и бирюзового света для вывода цвета на локус абсолютно черного тела.
Для навигации в сторону увеличения цветовой температуры (в сторону холодного цвета) увеличиваем количество «холодных» и уменьшаем количество «теплых» светодиодов (1,35 Р «холодных» и 0,65 Р «теплых»). Затем добавляем красный свет для увеличения CRI и бирюзовый для вывода цвета на локус. В результате точка цвета лампы сдвигается на 400 К (10%) в «холодную» сторону по линии абсолютно черного тела. Т=4400 К.
Для навигации в сторону уменьшения цветовой температуры (в сторону теплого цвета) увеличиваем количество теплых и уменьшаем количество «холодных» светодиодов (1,5 Р «теплых» и 0,7 Р «холодных»). Затем добавляем красный свет для увеличения CRI и бирюзовый для вывода цвета на локус. В результате точка цвета лампы сдвигается на 400 К (10%) в «теплую» сторону Т=3600 К.