ИСТОЧНИК СВЕТА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ТОЧКОЙ БЕЛОГО, В КОТОРОМ ПРИМЕНЯЕТСЯ ЭЛЕМЕНТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ
TUNABLE WHITE POINT LIGHT SOURCE USING WAVELENGTH CONVERTING ELEMENT

Настоящее изобретение относится к источнику света, который производит белый свет, и, в частности, к источнику света, в котором применяется множество светоизлучающих диодов и который производит свет с требуемой коррелированной цветовой температурой.
В последнее время наблюдается тенденция замены обычных ламп накаливания на светоизлучающие диоды (СИДы). Например, светофоры и тормозные фонари изготовляются с применением СИДов. Замена обычных ламп накаливания на СИДы целесообразна, поскольку лампы накаливания неэффективны по сравнению с СИДами, например, в части энергопотребления и долговечности.
Тем не менее, в некоторых приложениях освещения существуют проблемы для замены ламп накаливания на СИДы. Например, в некоторых достойных внимания приложениях освещения, таких как направленные или точечные лампы, требуется белый свет с конкретной коррелированной цветовой температурой (КЦТ). Замена ламп накаливания на СИДы в подобных приложениях проблематична из-за сложности управления спектральным распределением, то есть КЦТ или точкой белого СИДов. Более того, при замене ламп накаливания важно, чтобы источник света СИД имел компактный форм-фактор, то есть, чтобы он был не длиннее ламп накаливания. Это создает сложности. Сверх того, существует необходимость в лампах с регулируемым цветом, который можно менять, например, исходя из настроения, сцены и личных предпочтений. Соответственно, желательны усовершенствования в источниках света СИД, которые могут производить белый свет.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предоставлен источник белого света с регулируемой КЦТ, в котором применяется множество микросхем СИД с немного отличными длинами волны накачки и элемент преобразования длины волны, который включает в себя, по меньшей мере, два разных материала преобразования длины волны, которые преобразуют свет в разные цвета. Элемент преобразования длины волны принимает свет из множества микросхем СИД и преобразует, по меньшей мере, часть света в разные цвета. Элемент преобразования длины волны может представлять собой, например, пакет или смесь из люминофора или люминесцентной керамики. Интенсивность света, производимого микросхемами СИД, может меняться, чтобы варьировать интенсивность, по меньшей мере, света одного цвета, преобразованного элементом преобразования длины волны, чтобы управлять точкой белого получающегося в результате света. Более того, путем использования микросхем СИД одного типа множество микросхем СИД могут быть установлены ближе друг к другу на одной или более основах, в результате чего обеспечивается компактный дизайн, обеспечивающий высокую яркость.
Фиг.1 - вид сбоку источника света согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 - перспектива матрицы из СИДов, которая может быть использована с источником света;
Фиг.3 - вид сбоку направленной лампы, в которой используются СИДы разных цветов;
Фиг.4 - вид сверху СИДов, использованных в направленной лампе с Фиг.3;
Фиг.5-8 - схематические виды сбоку различных вариантов осуществления элемента преобразования длины волны;
Фиг.9 - график, иллюстрирующий спектр поглощения и излучения для зеленой, красной и алюминиево-иттриевой гранатовой пластин люминофора, которые могут быть скомпонованы или смешаны для формирования элемента преобразования длины волны;
Фиг.10 - еще один вариант осуществления источника света.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения источник света однородной высокой яркости с регулируемой КЦТ точки белого формируется, используя элемент преобразования длины волны вместе с множеством микросхем СИД с немного отличающимися длинами волны накачки. Элемент преобразования длины волны включает в себя, по меньшей мере, два разных материала преобразования длины волны, которые преобразуют свет в разные цвета и могут представлять собой, например, пакет или смесь люминофора или люминесцентной керамики. Поскольку КЦТ получающегося устройства может регулироваться для генерации удовлетворительного белого света, данный источник света может быть применен для, например, приложений точечной или направленной лампы или для других приложений, где требуются компактные размеры источника белого света.
Фиг.1 представляет собой вид сбоку источника 100 света согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Источник 100 света может генерировать свет с регулируемой КЦТ, и данный источник 100 света может быть использован, например, в качестве приложения направленного света. Источник 100 света включает в себя матрицу из СИДов 102, которые могут быть установлены на радиаторе 104. Элемент 110 преобразования длины волны установлен поверх матрицы из СИДов 102 и удерживается, например, посредством опор 105, которые установлены на радиаторе 104 или интегрированы с ним. Отражательная оптика 106 установлена так, чтобы фокусировать свет от элемента 110 преобразования длины волны и чтобы формировать требуемый шаблон распределения света. Отражающая оптика 106 может быть установлена на радиаторе 104, например, посредством опор 105, чтобы принимать свет от элемента 110 преобразования длины волны. В одном варианте осуществления на отражающей оптике 106 может быть установлен детектор 120 интенсивности, который может быть соединен со схемой 122 возбуждения. Детектор 120 интенсивности может представлять собой, например, спектрометр, причем в других вариантах осуществления может использоваться множество детекторов, имеющих спектральные фильтры с разными диапазонами длин волн, как проиллюстрировано с помощью детектора 121. Детектор 120 интенсивности измеряет интенсивность света, генерируемого элементом 110 преобразования длины волны, и в ответ схема 122 возбуждения управляет интенсивностью отдельных СИДов 102 в матрице. Например, схема 122 возбуждения может использовать импульсную модуляцию или управление током, чтобы менять интенсивность определенного кристалла. Альтернативно, схема 122 возбуждения может просто выключать или увеличивать мощность, подаваемую на определенный кристалл.
СИДы 102 в матрице генерируют свет одного общего цвета, например синего, но цвет специально отличается по длине волны на заметную величину, например, примерно на 5 нм, 10 нм, 20 нм или более, но меньше, чем примерно 50 нм. Применение СИДов одного цвета полезно, поскольку все СИДы изготовляются с использованием одной и той же технологии формирования кристалла. Соответственно, общий процесс изготовления упрощается, поскольку нет необходимости в изготовлении СИДов разных типов. Более того, установка СИДов 102 упрощается, поскольку требования в части установки одинаковы для всех СИДов 102. Соответственно, СИДы 102 могут быть установлены близко друг к другу на одной и той же основе. При желании может использоваться более одной основы, как проиллюстрировано посредством пунктирной линии 103. Следует понимать, что СИДы могут быть электрически сгруппированы, причем в заданной группе СИДы отличаются друг от друга на менее чем 5 нм, но другие СИДы или группы СИДов в матрице отличаются на более чем 5 нм.
Фиг.2 представляет собой перспективу матрицы из микросхем СИД 102, которая может быть использована с источником 100 света. Как описано выше, СИДы 102 изготовляются по одной и той же технологии формирования кристаллов, что позволяет устанавливать кристаллы ближе друг к другу на, по меньшей мере, одной основе 130, тем самым повышая яркость. На основе 130 также установлены схемы 131 электростатического разряда. Основа 130, которая может быть сформирована из керамического или другого подходящего материала, прикреплена к подложке 132 с множеством электрических контактов 134, изготовленной по технологии Напрямую Связанной Меди (Direct Bond Copper, DBC). DBC-подложка 132 соединена с радиатором 104, показанным на Фиг.1, посредством механической закрепки или другого подходящего механизма, такого как эпоксидная смола. Как описано выше, два или более СИДов 102 излучают свет одного и того же общего цвета, например, синего, но с немного разными длинами волн. Например, СИДы 102a, 102b и 102c генерируют свет с длинами волн примерно 430 нм, 450 нм и 470 нм соответственно.
Для сравнения на Фиг.3 показан вид сбоку направленной лампы 10, в которой используются СИДы 12 разных цветов, а на Фиг.4 показан вид сверху этих СИДов 12. В лампе 10 используются различные типы СИДов 12, например, синие СИДы 12b, зеленые СИДы 12g и красные СИДы 12r, чтобы генерировать разные цвета. СИДы 12 установлены на радиаторе 14. Поскольку СИДы 12 производят свет разного цвета, для смешивания света используется интегрирующий стержень 16. Контур интегрирующего стержня 16 проиллюстрирован на Фиг.4 посредством пунктирной окружности, однако интегрирующий стержень 16 может иметь другую геометрическую форму, такую как шестиугольная. Как показано на Фиг.3, на конце интегрирующего стержня 16 установлена линза 18, которая используется для генерации требуемого распределения света.
По сравнению с описанным выше источником 100 света применение разных типов СИДов 12 может привести к уменьшению яркости, а также к сложностям при изготовлении. Например, разные типы СИДов 12 должны быть изготовлены по отдельности. Более того, разные типы СИДов 12 должны соответствовать разным требованиям в части монтажа. Соответственно, как проиллюстрировано на Фиг.4, разные СИДы 12 установлены на разных основах 13, что увеличивает площадь источника света из-за относительно больших зазоров между СИДами 12. Соответственно, у лампы 10 есть недостатки в виде потери яркости, а также увеличении размеров. Сверх того, поскольку СИДы 12 производят свет разного цвета, свет должен быть смешан посредством, например, длинного интегрирующего стержня 16, в результате чего у направленной лампы 10 получаются большие размеры.
Ссылаясь на Фиг.1, элемент 110 преобразования длины волны включает в себя два или более материалов преобразования длины волны. Например, элемент 110 преобразования длины волны может представлять собой пакет из разных материалов преобразования длины волны, например, пакет из множества слоев люминофора. Альтернативно, элемент 110 преобразования длины волны может представлять собой единый слой, который содержит смесь множества люминофоров. В одном варианте осуществления элемент 110 преобразования длины волны может представлять собой пакет разной люминесцентной керамики, или он может представлять собой единую люминесцентную керамику, которая содержит смесь разных типов люминесцентных материалов. Например, могут быть использованы такие люминесцентные керамики, как YAG, SSON, BSSN и/или eCAS. Таким образом, элемент 110 преобразования длины волны производит свет, который хорошо смешан и не требует интегрирующей оптики. Соответственно, источник 100 света может иметь компактный дизайн и производить однородный свет.
На Фиг.5-8 схематически показаны виды сбоку разных вариантов осуществления элемента 110 преобразования длины волны, который удерживается опорами 5 над матрицей из СИДов 102. Например, на Фиг.5 проиллюстрирован элемент 110 преобразования длины волны, который включает в себя разные слои 111, 112 и 113 преобразования длины волны, которые содержат разные материалы преобразования длины волны. Слои 111, 112, 113 могут представлять собой, например, пластины люминофора и/или люминесцентную керамику. Слои 111, 112 и 113 преобразования длины волны содержат материалы, которые излучают Зеленый, Красный и Желтый свет соответственно. Фиг.6 иллюстрирует многоцветный элемент 110 преобразования длины волны в виде единого слоя 114, который содержит, например, смесь материалов, излучающих Зеленый, Красный и Желтый свет. Как показано на Фиг.7, возможны другие варианты осуществления элемента 110 преобразования длины волны. В данном варианте осуществления разные материалы 115, 116 и 117 преобразования длины волны, расположены друг за другом в горизонтальном направлении, а не в вертикальном. На Фиг.8 проиллюстрирован еще один вариант осуществления, в котором элемент 110 преобразования длины волны включает в себя горизонтально расположенные материалы 118 и 119 преобразования длины волны и отверстие 110a, через которое излучается непреобразованный свет накачки.
Следует понимать, что Фиг.5-8 представляют собой примеры элемента 110 преобразования длины волны, который включает в себя два или более материалов преобразования длины волны. При желании можно использовать разные варианты осуществления или комбинации разных вариантов осуществления, показанных на Фиг.5-8. Например, Фиг.5 и 6 могут быть комбинированы, чтобы получить пакет из слоев преобразования длины волны, в которых один слой содержит смесь из двух или более материалов, преобразующих длину волны. Альтернативно, горизонтально расположенные материалы, преобразующие длину волны, и/или отверстие (например, Фиг.7 и 8) могут быть включены в пакет или смесь материалов, преобразующих длину волны (например, Фиг.5 и 6). Материалы, преобразующие длину волны, могут быть сформированы путем напыления покрытия или трафаретной печати на отдельной несущей пластине. Например, в случае трафаретной печати разные материалы, преобразующие длину волны, могут быть напечатаны как разные точки, расположенные рядом друг с другом. С точки зрения смешения цвета может быть полезным обеспечить некоторое расстояние между материалами преобразования длины волны и СИДами.
Два или более материала преобразования длины волны в элементе 110 преобразования длины волны имеют разные характеристики поглощения и возбуждения. Путем изменения интенсивности света от двух или более СИДов 102, которые отличаются по длине волны на существенную величину, спектральное распределение результирующего света, то есть совокупности света, исходящего вперед из элемента 110 преобразования длины волны, и света накачки из СИДов 102, передаваемый сквозь элемент 110 преобразования длины волны, может регулироваться таким образом, чтобы производить желаемую КЦТ точки белого при номинальном значении.
Фиг.9 представляет собой график, иллюстрирующий спектр поглощения и излучения для пластин зеленого, красного и алюминиево-иттриевого гранатового люминофора, которые могут быть скомпонованы или смешаны для формирования элемента 110 преобразования длины волны. Как можно заметить, алюминиево-иттриевый гранат имеет узкий спектр поглощения, тогда как красный и зеленый люминофоры имеют гораздо более широкие спектры поглощения.
На Фиг.9 с помощью пунктирных линий также проиллюстрированы длины волн 430 нм, 450 нм и 470 нм, которые могут быть произведены посредством СИДов 102a, 102b и 102c, как описано выше. Путем управления интенсивностью разных длин волн, производимых СИДами 102, точка белого может изменяться. Например, путем варьирования интенсивности синего света на длине 450 нм можно изменять отношение преобразованного в YAG (желтый) света относительно света, преобразованного в Красный (и Зеленый). Если СИДы 102 производят синий свет с большей интенсивностью на длинах волн, поглощаемых посредством YAG, то есть на длине 450 нм, то излучение YAG увеличится, тем самым производя более теплый белый свет. Путем уменьшения интенсивности синего света на длине 450 нм посредством YAG поглощается меньше света, что приводит к уменьшению излучения YAG и более холодному белому свету. Аналогично, вариация интенсивности других длин волн, то есть 430 нм и 470 нм, также может использоваться для варьирования точки белого результирующего света.
Регулирование интенсивности света, производимого СИДами 102, может быть выполнено в течение изготовления источника 100 света, то есть путем тестирования света, производимого собранной лампой 100, и регулирования и настройки интенсивности разных СИДов 102a, 102b и 102c, чтобы произвести желаемую точку белого. Альтернативно, может использоваться детектор 120 интенсивности, как проиллюстрировано на Фиг.1. В еще одном варианте осуществления элемент 110 преобразования длины волны может регулироваться, например, путем изменения толщины одного из слоев преобразования длины волны в пачке, чтобы произвести желаемую КЦТ результирующего света. В еще одном приложении конечному пользователю предоставляется возможность регулировать цвет лампы в соответствии с требованиями или пожеланиями конечного пользователя путем изменения отношения токов, подаваемых на разные СИДы (или на разные группы СИДов).
На Фиг.10 проиллюстрирован еще один вариант осуществления источника 200 света, который включает в себя матрицу из СИДов 202, которая включает в себя, по меньшей мере, два СИДа, которые излучают свет с одинаковым общим цветом, но с существенно разными длинами волн, а также элемент 210 преобразования длины волны, который включает в себя, по меньшей мере, два разных материала преобразования длины волны. Матрица из СИДов 202 установлена на радиаторе 204. Коллиматорный элемент 206 приблизительно коллимирует свет, излучаемый СИДами 202, который проходит сквозь элемент 208 выбора длины волны, такой как дихроичный фильтр, который, например, пропускает синий свет и отражает свет с большей длиной волны. Концентрирующий элемент 209 концентрирует свет на элементе 210 преобразования длины волны. Часть света, излучаемая обратно от элемента 210 преобразования длины волны, повторно используется элементом 208 выбора длины волны, который отражает свет обратно на элемент 210 преобразования длины волны. Отражающий элемент 212 установлен так, чтобы фокусировать свет от элемента 210 преобразования длины волны и чтобы формировать требуемый шаблон распределения света. Как показано на Фиг.10, источник 200 света может включать в себя детектор 220 интенсивности и, при желании, схему 222 возбуждения, которая может быть схожа со схемой, описанной со ссылкой на источник 100 света.
Несмотря на то что для целей разъяснения настоящее изобретение проиллюстрировано в привязке к конкретным вариантам осуществления, оно не ограничивается этими вариантами осуществления. В рамках объема настоящего изобретения могут быть выполнены различные адаптации и модификации. Следовательно, сущность и объем прилагаемой формулы изобретения не следует ограничивать вышеизложенным описанием.