СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ С ИСТОЧНИКОМ СВЕТА, ЭЛЕМЕНТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ И ФИЛЬТР
LIGHTING SYSTEM WITH LIGHT SOURCE, EMISSION-CONVERTING ELEMENT AND FILTER

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к системе освещения, включающей в себя источник света, приспособленный для испускания первичного излучения, элемент преобразования излучения, приспособленный для преобразования, по меньшей мере, части первичного излучения во вторичное излучение, и фильтр, приспособленный для блокирования излучения, сгенерированного в системе освещения, которое обладает длиной волны короче, чем определенная длина волны отсечки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Система освещения, относящаяся к типу, описанному во вступительном абзаце, известна как таковая. Более конкретно, такая система раскрыта в патенте US 7402840 B2. Данный документ сообщает, что система освещения имеет в своем составе полупроводниковое светоизлучающее устройство (СИД), материал, преобразующий длину волны, и фильтрующий материал. Светоизлучающее устройство способно излучать первичный свет с первым пиковым значением длины волны, который поглощается материалом, преобразующим длину волны. Данный материал (наиболее часто это люминесцентный материал, такой как неорганический люминофор) способен излучать поглощенный первичный свет в виде вторичного света со вторым пиковым значением длины волны. Известная из уровня техники система освещения дополнительно содержит фильтр, который способен пропускать вторичный свет, но который при этом отражает или поглощает часть первичного света. С помощью известной системы можно формировать свет, обладающий высокой чистотой цвета. Именно применение фильтра препятствует выходу из системы первичного (или базового) света, генерируемого светодиодом. Таким образом, единственный свет, излучаемый системой, представляет собой вторичный (или производный) свет высокой чистоты цвета, излучаемый преобразующим длину волны материалом.
Системы освещения описанной конструкции часто демонстрируют тот недостаток, что полоса пропускания их спектра излучения относительно велика. Существует общая потребность в системах освещения, включающих в себя один или несколько светодиодов на основе люминофора, которые испускают излучение относительно небольшой полосы спектра. Это справедливо главным образом для систем, которые излучают свет в красной области электромагнитного спектра, предпочтительно в области около 600-630 нм.
Авторы изобретения ссылаются на патентную заявку США US 2004119086 A1, "светодиодная лампа", в которой раскрыта описанная светодиодная лампы, включающая в себя, по меньшей мере, светодиодную микросхему и элемент преобразования длины волны, в котором светодиодная лампа дополнительно включает в себя фильтрующий компонент. Международная публикация WO 2007039849 A1 раскрывает "Люминофор-преобразующее электролюминесцентное устройство с поглощающим фильтром" раскрывает суть люминофор-преобразующего электролюминесцентного устройства, содержащего электролюминесцентный источник света, который испускает первичное излучение, элемент преобразования света, который обладает кристаллическим люминофором для, по меньшей мере, частичного преобразования первичного излучения во вторичное излучение, и фильтрующий слой для поглощения того вторичного излучения, которое попадает на фильтрующий слой, который расположен за пределами, по меньшей мере, одной граничной длины волны в спектре испускаемого вторичного излучения. Авторы дополнительно ссылаются на патентную заявку США US 20040124430 A1, "светодиодная лампа", которая относится к светодиодной лампе, включающей в себя, по меньшей мере, светодиодную микросхему, которая обладает длиной волны пикового излучения от 400 нм до 490 нм, элементом преобразования длины волны, в котором светодиодная лампа дополнительно включает в себя фильтрующий компонент. Патентная заявка GB 2406900A относится к "Автомобильной индикаторной лампе со светодиодом и фильтром", которая излучает желтый свет и содержит светодиод, длинноволновый люминофор и оптический фильтр. Авторы также ссылаются на патентную заявку США US 20080170397, "Сигнальный свет с использованием светодиодов с люминесцентным покрытием", которая раскрывает суть улучшенного светового сигнала и способ получения улучшенного светового сигнала, и на патентную заявку США US 20070241657, "Устройство белого света с повышенной контрастностью цвета", которая раскрывает суть светового устройства для излучения белого света, включающего в себя полупроводниковый источник света, испускающий излучение с пиковым излучением от 250 нм до примерно 500 нм, и в первую очередь люминофор, который обладает пиковым излучением примерно от 550 до 615 нм.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить или, по меньшей мере, ослабить данный недостаток известной из уровня техники системы освещения. Более конкретно, изобретение направлено на создание системы освещения со светодиодами на основе люминофора, которая охватывает узкий диапазон излучения в некоторой области электромагнитного спектра, и особенно в красной части спектра (приблизительно 600-630 нм).
Эти и/или другие цели достигаются в соответствии с настоящим изобретением с системой освещения, которая содержит: 1) источник света, приспособленный для испускания первичного излучения, 2) элемент преобразования излучения, приспособленный для преобразования, по меньшей мере, части первичного излучения во вторичное излучение, и 3) фильтр, приспособленный для блокирования излучения, генерируемого в системе освещения, которое обладает длиной волны короче, чем длина волны отсечки, причем фильтр предназначен для блокирования части вторичного излучения за счет расположения длины волны отсечки фильтра в эмиссионном спектре элемента преобразования излучения.
Изобретение, помимо прочего, основано на утверждении авторов изобретения о том, что посредством использования хорошо подобранной длины волны отсечки фильтра могут быть достигнуты одновременно два результата. Во-первых, может быть предотвращена утечка первичного освещения из системы, как описано в вышеупомянутом патентном документе US 7402840 B2. Во-вторых, посредством выбора длины волны отсечки фильтра в эмиссионном спектре диапазона длин волн элемента преобразования излучения его эмиссионный спектр может быть обеспечен меньше или уже, по потребности. Никаких дополнительных деталей не требуется для достижения данного комбинированного результата. Таким образом, затраты на систему освещения существенно не возрастут под влиянием мер, предпринимаемых в соответствии с настоящим изобретением. Предпочтительные системы освещения представляют собой те, в которых длины волны отсечки фильтра по существу соответствуют обладающему наибольшей энергией участку в эмиссионном спектре элемента преобразования длины волны.
Различные современные люминесцентные составы могут быть использованы в качестве элемента преобразования длины волны в системе освещения согласно изобретению. Выбор люминесцентных материалов, таких как люминофоры или смеси люминофоров, будет помимо прочего зависеть от желаемого максимума длины волны полосы излучения. Специалист в данной области может сделать верный выбор на основании известных характеристик люминесцентных составов, независимо от того, применяются они в форме порошка, смешанного со смолистым веществом, или как спекаемый порошок в керамическом слое.
2+
Следует отметить, что другие подходы к уменьшению полосы пропускания спектра испускания элементов преобразования длины волны были совсем не успешны, либо лишь частично успешны. Узкополосные люминофоры с относительно узкими полосами излучения, использованные в первом подходе, как правило, обладают слишком длительными временами затухания и слишком слабыми поглощениями, которые исключают их практическое применение. Более того, многие Eu-содержащие люминофоры, использованные во втором подходе, обладают достаточно широкими полосами излучения или нестабильны во (влажном) воздухе, что также ограничивает их практическое применение.
Интересный вариант осуществления системы освещения согласно изобретению обладает тем признаком, что фильтр представляет собой интерференционный фильтр, который отражает заблокированное излучение обратно в элемент преобразования излучения. Эта мера повышает эффективность системы освещения. При использовании поглощающего фильтра заблокированное излучение, испускаемое или источником света (первичное излучение по существу полного эмиссионного спектра) или элементом преобразования излучения (вторичное излучение с длиной волны короче, чем длины волны отсечки), теряется в виде тепла в результате его поглощения в фильтре. Использование интерференционного фильтра имеет то преимущество, что заблокированные первичное и вторичное излучения отражаются обратно в элемент преобразования излучения. Здесь отраженное излучение может быть (пере)поглощено, преобразовано в излучение с большей длиной волны и отправлено обратно в направлении интерференционного фильтра и через него. Часть перенаправленного излучения, обладающая длиной волны большей, чем длина волны отсечки интерференционного фильтра, может пройти сквозь этот фильтр. (Пере)поглощение и перенаправление отраженного излучения таким образом приводит к более высокой эффективности на выходе системы освещения.
Другой интересный вариант осуществления системы освещения согласно изобретению обладает тем признаком, что интерференционный фильтр представляет собой полосно-пропускающий отражающий фильтр. Такой фильтр отражает световое излучение между двумя значениями длины волны отсечки. Низкоэнергетическое значение длины волны отсечки предпочтительно должно быть расположено в эмиссионном спектре элемента преобразования излучения. Высокоэнергетическое значение длины волны отсечки предпочтительно должно быть расположено между спектром испускания элемента преобразования излучения и эмиссионным спектром первичного источника света. Системы освещения, обладающие таким фильтром, допускают, что при этом часть первичного излучения может быть смешана с вторичным излучением, и смешанное излучение испускается из системы освещения.
Дополнительный интересный вариант осуществления системы освещения согласно изобретению характеризуется тем, что спектр поглощения и эмиссионный спектр элемента преобразования излучения существенно перекрывают друг друга. Следует отметить, что существенное перекрытие имеет место в случае, если область перекрытия составляет, по меньшей мере, 5% от всей области, покрытой и нормализованным эмиссионным спектром и нормализованным спектром поглощения. Данная мера может дополнительно повысить эффективность системы согласно изобретению. Это связано с тем фактом, что повышение эффективности является результатом повторного поглощения излучаемого света, отраженного интерференционным фильтром с помощью того же самого кристаллического люминофора, за которым следует эмиссия данного люминесцентного материала. Данный процесс происходит только в случае спектрального перекрытия. Таким образом, потери фотонов сведены к минимуму.
Другой предпочтительный вариант осуществления системы освещения в соответствии с изобретением характеризуется тем, что длина волны отсечки фильтра по существу совпадает с длинной волны, на которой пересекаются (нормализованный) спектр поглощения и (нормализованный) эмиссионный спектр элемента преобразования излучения. На практике это означает, что длина волны отсечки менее чем на 10 нм отличается от длины волны, на которой пересекаются спектр поглощения и эмиссионный спектр элемента преобразования. С помощью выбора длины волны отсечки в соответствии с данным вариантом осуществления даже может быть получено дополнительное улучшение эффективности светоотдачи. Это условие способствует оптимизации повторного поглощения света с относительно короткой длиной волны и дополнительно уменьшает полосу пропускания, полученного в результате излучения.
Дополнительный предпочтительный вариант осуществления системы освещения согласно изобретению обладает тем признаком, что стоксов сдвиг элемента преобразования излучения составляет менее чем 0,20 эВ. При таких обстоятельствах достигается значительное перекрытие нормализованного излучения и спектра поглощения. Стоксов сдвиг элемента преобразования излучения составляет предпочтительно менее чем 0,15 и более предпочтительно от 0,07 до 0,12 эВ. В случае небольшого стоксова сдвига (особенно менее чем 0,07 эВ) полоса пропускания уже достаточно мала; это делает изобретение менее полезным.
Интересен также вариант осуществления системы освещения в соответствии с настоящим изобретением, в котором эмиссионный спектр элемента преобразования излучения обладает пиковой длиной волны эмиссии в пределах 585-625 нм. При правильном выборе длины волны отсечки интерференционного фильтра около 600 нм может быть получена эффективная система освещения, обладающая малой шириной полосы эмиссионного спектра. Системы освещения такого типа особенно предпочтительны, так как эффективность светодиодов с высококачественной цветопередачей критически зависит от ширины красной полосы излучения. Чувствительность глаз быстро уменьшается с увеличением длины волны свыше 630 нм. С другой стороны, красное излучение с большой интенсивностью электромагнитного спектра в области ниже 600 нм имеет отрицательное воздействие на цветопередачу. Таким образом, требуемые системы освещения обладают малой шириной полосы испускания и пиковой длиной волны в диапазоне 585-625 нм, предпочтительно в диапазоне 595-620 нм и более предпочтительно в диапазоне 605-615 нм.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидны из и объяснены, ссылаясь на варианты осуществления, описанные в дальнейшем в данном документе.
На чертежах:
На фиг.1 показан в поперечном сечении вариант осуществления системы освещения в соответствии с изобретением;
На фиг.2 показана часть спектра поглощения и эмиссионного спектра люминофора (стоксов сдвиг 0,1 эВ, полная ширина на половине максимума 28 нм), использованная в системах освещения в соответствии с фиг.1;
На фиг.3 показана часть спектра поглощения и эмиссионного спектра другого люминофора (стоксов сдвиг 0,15 эВ, полная ширина на половине максимума 41 нм), использованная в системах освещения в соответствии с фиг.1, и
На фиг.4 показана часть спектра поглощения и эмиссионного спектра еще одного люминофора (стоксов сдвиг 0,2 эВ, полная ширина на половине максимума 53 нм), использованная в системах освещения в соответствии с фиг.1.
Следует подчеркнуть, что чертеж схематичен и выполнен не в масштабе. На различных чертежах одинаковые элементы обозначены теми же самыми номерами ссылочных позиций.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг.1 проиллюстрирован в поперечном сечении вариант осуществления системы 1 освещения в соответствии с настоящим изобретением. Упомянутая система 1 включает в себя несколько источников 2 света, которые реализованы в виде светоизлучающих диодов (СИД). Несмотря на то, что могут быть использованы различные типы СИД, предпочтительно применять светодиоды, которые способны испускать первичное излучение, обладающее длиной волны 550 нм или менее. В данном устройстве использованы светодиоды типа GaInN, которые способны испускать свет, обладающий длиной волны как максимум в диапазоне 370-470 нм.
Светодиоды 2 закреплены на нижней поверхности корпуса 3. На внутренних стенках упомянутого корпуса 3 обеспечены светоотражающие средства 4, такие как зеркальная поверхность из алюминия. Во время активации системы освещения электрическое напряжение подается через электрические провода на электрические контакты светодиодов. В целях упрощения ни электрические провода, ни электрические контакты не показаны. В результате активации светодиоды 2 испускают излучение. Это излучение показано с помощью небольших стрелок, которые направлены от светодиодов 2 в полость 5 корпуса.
2
2
2
2
Верхняя часть корпуса 3 снабжена слоем 6 из известного из уровня техники люминесцентного материала. В описанном варианте осуществления упомянутый люминесцентный материал сформирован в виде пластины, полученной спеканием порошка, содержащего кристаллический люминофор (Lumiramic). Следует подчеркнуть, что также могут быть рассмотрены порошковые слои. Керамический слой 6 действует как элемент преобразования излучения, который приспособлен преобразовывать часть или все первичное излучение во вторичное излучение. На той стороне слоя 6, которая обращена в сторону от источников 2 света, фильтр 7 блокировки излучения расположен так, что способен отражать сгенерированное в системе освещения излучение, обладающее длиной волны короче, чем заданная длина волны отсечки. Предпочтительно упомянутый фильтр 7 непосредственно присоединен к слою 6. В настоящем варианте осуществления упомянутый фильтр 7 представляет собой отражающий фильтр, включающий в себя оптически прозрачную основу, на которой предусмотрено множество слоев, например, SiO/TiO с требуемым профилем толщины слоев и последовательности SiO/TiO.
Первичное излучение, испускаемое светодиодами 2, направляется к элементу преобразования длины волны, реализованному здесь в виде керамического слоя 6 из кристаллического люминофора. Поглощение может также иметь место в состояниях повышенного излучения. Первичное излучение, поглощенное (прямо или опосредованно) слоем 6, преобразуется во вторичное излучение, обладающее большей длиной волны. В зависимости от длины волны отсечки отражающего фильтра 7 это вторичное излучение может полностью или частично проходить сквозь фильтр 7, а именно та часть излучения, которая обладает более длинной длиной волны, чем у указанной длины волны отсечки. В сущности, в зависимости от крутизны фильтра большая часть или все первичное излучение и вторичное излучение, обладающее длиной волны короче, чем у длины волны отсечки фильтра 7, будет отражаться обратно в элемент 6 преобразования излучения, где он повторно поглощается. Упомянутое повторно поглощенное излучение представляет собой в большей степени преобразованное в излучение с большей длиной волны, которое может пройти сквозь фильтр 7 во внешний мир. Светоотражающие средства 4 обуславливают то, что все излучение (первичное и вторичное) в конечном счете отражается обратно в слой 6 люминофора и фильтр 7, так что потери излучения из-за поглощения в корпусе минимальны.
Количество измерений и расчеты проводились на основе описанного выше варианта осуществления системы освещения согласно изобретению, в котором были применены различные типы кристаллических люминофоров. Эти типы люминофоров основаны на классах люминофоров MgS:Eu или CaSe:Eu. Смоделированные спектральные характеристики трех вариантов осуществления показаны на фиг.2-4. Более конкретно, на фиг.2 показаны спектр поглощения и эмиссионный спектр люминофоров со стоксовым сдвигом 0,1 эВ и полосой пропускания на половине максимума (FWHM) в 28 нм.
На фиг.3 показаны спектр поглощения и эмиссионный спектр другого люминофора со стоксовым сдвигом 0,15 эВ и полной шириной на половине максимума (FWHM) в 41 нм, а на фиг.4 показаны спектр поглощения и эмиссионный спектр еще одного люминофора со стоксовым сдвигом 0,2 эВ и полной шириной на половине максимума (FWHM) в 53 нм. На фиг.4 спектр отражающего фильтра показан пунктирной линией. Длина волны отсечки фильтра по существу совпадает с длиной волны, на которой пересекаются спектр поглощения и эмиссионный спектр элемента преобразования излучения (примерно 570 нм).
Такие спектры находятся в так называемой высокой температуре и пределах сильного взаимодействия. В этих пределах достигаются формы гауссовых линий для полос излучения, для которых ширина не зависит от фононных частот. На практике, это довольно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Однако следует подчеркнуть, что настоящее изобретение не ограничивается такими люминофорами. Все расчетные спектры имеют свой максимум излучения при 600 нм. При моделировании стоксовы сдвиги были изменены. В указанном пределе стоксов сдвиг определяет ширину полосы излучения и форму спектра с низкоэнергетической стороны полосы поглощения и, по этой причине, спектрального перекрытия.
Максимальная доля света, повторно поглощенного в элементе преобразования излучения, может быть рассчитана по спектральному перекрытию. Для трех подсчитанных случаев их предполагаемые показатели приведены в таблице 1.
Таблица 1
Стоксов сдвиг (эВ)
Доля (%)
0,1 (Фиг.2)
20
0,15 (Фиг.3)
12
0,2 (Фиг.4)
7
Из таблицы 1 можно сделать вывод, что большое спектральное перекрытие получается для стоксовых сдвигов меньше, чем приблизительно 0,20 эВ (примерно 53 нм в спектральном диапазоне). Применение интерференционного фильтра для уменьшения полосы пропускания в случаях, когда стоксов сдвиг больше, не приводит к благоприятному эффекту, так как повторное поглощение навряд ли имеет место при таких условиях со слишком малым спектральным перекрытием между полосами поглощения и излучения. В этой ситуации отраженный свет в значительной степени теряется. Исследование этих графиков показывает, что интерференционные фильтры должны быть размещены таким образом, чтобы длина волны отсечки равнялась длине волны, где пересекаются рассчитанные спектры поглощения и излучения. Смещение к большей или меньшей длине волны значительно снижает вероятность повторного поглощения.
Несмотря на то что данное изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в вышеприведенном описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться иллюстративно или как пример, а не как ограничивающие; при этом данное изобретение не ограничивается описанными возможными вариантами осуществления. Таким образом, элемент преобразования длины волны, выполненный в виде спеченного слоя 6, может быть заменен органическим полимерным материалом, в который подмешан люминесцентный порошок. В этой ситуации полость 5 корпуса заполняется упомянутым полимерным материалом, содержащим люминофор. Эти и другие модификации в раскрытых вариантах осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения, при изучении чертежей, описания изобретения и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения фраза "содержащий" не исключает других элементов или этапов, и употребление формы единственного числа не исключает формы множественного числа. Тот факт, что некоторые меры изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с выгодой. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.