CN104654052A - 照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种照明设备，属于光学领域。所述设备包括：第一光源，用于发出红光和蓝光；第二光源，包括第一发光二极管芯片和设置在所述第一发光二极管芯片上的荧光物质，所述第一发光二极管芯片所发出的光线能够激发所述荧光物质，从而使得所述第二光源发出绿光或黄光；合光装置，其用于将来自所述第一光源的红光和蓝光以及来自所述第二光源的绿光或黄光合并在一起并输出。根据本发明的设备加强了绿光的亮度。

Description

照明设备
技术领域
本发明涉及一种照明设备，特别涉及一种舞台用照明设备。
背景技术
随着近年来半导体固体光源技术的发展以及困扰全球的能源紧张、全球气候变暖等问题日益突出，半导体发光二极管(LED)光源以其节能、环保、光亮度及色温可控等优点，在各行各业上被广泛应用，大有取代传统光源的趋势。有理由相信，在不久的将来，随着发光二极管(LED)成本的降低及光效率的提高，半导体发光二极管(LED)光源有可能全面取代传统光源。
针对舞台灯光电脑摇头图案灯，曾提出了大功率三基色（红(R)、绿(G)和蓝(B)）LED光源（如图1所示）。在此光源装置中，所有的合成颜色都是通过分别控制红(R)、绿(G)和蓝(B)三基色发光二极管(LED)的驱动电流来实现颜色的配比。这种方案采用三基色LED直接发光，因为LED的发光光谱为窄谱，即其光谱的宽度较小（例如绿光LED的发光光谱的半高全宽为50nm左右），所以三基色发光的单色光的颜色饱和度较高，能够满足舞台演出对颜色鲜艳度的要求。
参照图1，在现有技术的照明设备中，具有分别发出红光、蓝光和绿光的发光二级管(LED)阵列1、2、3，所述阵列包括发光二级管6。其所发光线经合光装置5、匀光装置7、透镜8等汇聚到图案片9上。
上述光源中三基色LED发出的单色光的颜色饱和度非常高，因此能够满足舞台演出对于颜色鲜艳度的要求。但采用红(R)、绿(G)和蓝(B)三基色LED光源的一个缺点是光源整体亮度输出不高，尤其是白光的亮度输出不高。
发明内容
针对上述现有技术中的缺陷，申请人研究发现，其主要原因是目前为止，绿光芯片的发光效率远低于蓝光芯片，也低于红光芯片，同时，在合成白光时，绿光的亮度成分也不足，因而造成光源整体亮度输出不高，尤其是白光的亮度输出不高。
针对以上问题，本发明要解决的问题主要是提高光源绿光的亮度，从而提高整个光源的效率。
本发明提出了一种照明设备，包括：第一光源，用于发出红光和蓝光；第二光源，包括第一发光二极管芯片和设置在所述第一发光二极管芯片上的荧光物质，所述第一发光二极管芯片所发出的光线能够激发所述荧光物质，从而使得所述第二光源发出绿光或黄光；合光装置，其用于将来自所述第一光源的红光和蓝光以及来自所述第二光源的绿光或黄光合并在一起并输出。
在一个实施例中，还包括第二发光二极管芯片，所述第二发光二极管芯片所发出的光被引导到所述第二光源的荧光物质上并激发所述荧光物质发光。通过第二发光二级管芯片的设置，以及光学器件和光路的设置，实现了荧光物质的二次激发，大大提高了第二光源（即绿光光源）的发光效率，弥补了现有技术中的不足。
在一个实施例中，所述第一发光二级管芯片和所述第二发光二极管芯片所发的光线为蓝光，所述荧光物质为黄光和/或绿光荧光物质。
在一个实施例中，所述第一发光二极管芯片的朝向所述合光装置的顶面上布置有所述荧光物质，所述第一发光二极管芯片的远离所述合光装置的底面能够反射光线，由来自所述第二发光二极管芯片的光线所激发的所述荧光物质所发出的光经所述第一发光二级管芯片的底面反射到所述合光装置上。如此设置，巧妙地将荧光物质所发的光线引导至合光装置。
在一个实施例中，多个所述第一发光二极管芯片封装到第二基板上，多个所述第二发光二极管芯片封装到第一基板上，所述第一光源包括封装到第三基板上的多个红光发光二极管芯片和多个蓝光发光二极管芯片。
在一个实施例中，所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板构成矩形的三条边，而所述第一基板和所述第三基板平行布置，所述合光装置呈板状且构成所述第二基板和所述第三基板的角平分线。
在一个实施例中，所述合光装置包括滤光片，所述滤光片的至少一面上镀有透射绿光并反射红光和蓝光的滤光膜。
在一个实施例中，所述合光装置包括滤光片，所述滤光片在面向所述第二光源的第一表面上镀有反射蓝光并透射红光和绿光的第一滤光膜，所述滤光片在面向所述第一光源的第二表面上镀有反射红光并透射蓝光和绿光的第二滤光膜。
在一个实施例中，所述第一滤光膜的截止波长处于470nm-510nm的范围内，所述第二滤光膜的截止波长处于550nm-620nm的范围内。
在一个实施例中，所述合光装置包括至少两个滤光片，最靠近所述第二光源的滤光片的朝向所述第二光源的表面上镀有反射蓝光并透射红光和绿光的第三滤光膜，最远离所述第二光源的滤光片的背离所述第二光源的表面上镀有反射红光并透射蓝光和绿光的第四滤光膜。
在一个实施例中，所述合光装置包括滤光片，所述滤光片的至少一个表面上镀有增透膜。增透膜能够有效增大合光装置的透光度。
在一个实施例中，在所述第三基板上，所述红光发光二极管芯片和所述蓝光发光二极管芯片的数量比处于1/4到3/4的范围内。当然，这可以根据所需要的光色来调节。
在一个实施例中，所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板构成矩形的三条边，而所述第一基板和所述第二基板平行，所述合光装置呈板状且构成所述第二基板和所述第三基板的角平分线，所述合光装置能够反射绿光并透射红光和蓝光。此构造的光学效果与上面所述的实施方案相同，说明本设备构造灵活。
在一个实施例中，在所述第二发光二极管芯片上布置有收光装置，用于将所述第二发光二极管芯片的光线准直到所设定的发散角度内。如此可提高光能的利用率，降低耗散。
在一个实施例中，还包括用于将来自所述合光装置的光线均匀化的匀光装置、将均匀化后的光线聚焦的透镜以及图案片，所述透镜将所述光线聚焦到所述图案片上。
在一个实施例中，还包括按照光路方向设置在所述图案片光路前方的透射绿光并反射红光和蓝光的下游滤光片，用于保证绿光的饱和度。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
根据本发明的设备及其改进的实施方案，通过第二发光二级管芯片的设置，以及光学器件和光路的设置，实现了荧光物质的二次激发，大大提高了第二光源（即绿光光源）的发光效率，弥补了现有技术中的不足。
另外，根据本发明的照明设备具有如下优势：第一，由于绿光亮度的提高，可以显著提高***的整体亮度；第二，由于绿光为宽光谱，在由三基色合成白光时，可以提高光谱的连输性，提高光源的显色性；第三，虽然光源的显色性提高，仍然可以通过滤光片来获得高饱和度的绿光，而且不会影响RGB***的混色；第四，根据实际需要，可以获得宽色域高饱和的绿光和高亮度白光的高显指色域***。
附图说明
在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了现有技术中的照明设备；
图2显示了根据本发明的照明设备；
图3显示了根据本发明的照明设备的第二光源；
图4显示了第一实施例中的根据本发明的照明设备的合光装置的透光度曲线图，其中横轴为光线波长，纵轴为透光度；
图5显示了第二实施例中的根据本发明的照明设备的合光装置的结构示意图；
图6显示了第二实施例中的根据本发明的照明设备的合光装置的第一滤光膜的透光度曲线图，其中横轴为光线波长，纵轴为透光度；
图7显示了第二实施例中的根据本发明的照明设备的合光装置的第二滤光膜的透光度曲线图，其中横轴为光线波长，纵轴为透光度；
图8显示了第三实施例中的根据本发明的照明设备的合光装置的结构示意图；
图9显示了根据本发明的照明设备的色域；
图10显示了根据本发明的照明设备的光谱对比图；
图11显示了根据本发明的照明设备的白光光谱对比图。
在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将参照附图来详细地介绍本发明。
图2显示了根据本发明的照明设备50。照明设备50包括第一光源100，用于发出红光和蓝光。
照明设备50还包括第二光源200。图3详细显示了第二光源200的结构。参照图3，第二光源200包括第一发光二极管芯片12和设置在第一发光二极管芯片上12的荧光物质13，第一发光二极管芯片12所发出的光线14能够激发荧光物质13，从而使得第二光源200能够发出绿光。此次激发可以称作第一次激发。第一发光二极管芯片12的发光可以通过电流来驱动。
在一个实施例中，第一发光二级管芯片12具有相应的收光装置30，用来收集第一发光二级管芯片12激发荧光物质13后所发出的光线，并将其准直成有一定发散角的光线。
再次参照图2，照明设备50还包括合光装置11，其用于将来自所述第一光源100的红光和蓝光以及来自所述第二光源200的绿光合并在一起并输出。
在一个优选的实施例中，照明设备50还包括第二发光二极管芯片20。图3显示了第二发光二级管芯片20如何与第二光源200相互协作。参照图3，第二发光二极管芯片20所发出的光15通过光学***（例如合光装置11）被引导到第二光源200的荧光物质13上并激发荧光物质13。此次激发可以称作第二次激发。
优选地，在第二发光二极管芯片20上布置有收光装置，用于将第二发光二极管芯片20的光线准直到所设定的发散角度内。如此可以提高能量利用率，减少光的耗散。准直后的光线经过合光装置11的反射，再经过与第一发光二极管芯片12所相应的收光装置而聚焦到相应的第一发光二极管芯片12上的荧光物质13上。
图3中的箭头显示了光的传播路线。参照图3，第一发光二极管芯片12的朝向合光装置11的顶面上布置有荧光物质13，第一发光二极管芯片12的远离合光装置11的底面能够反射光线（例如通过涂布反射膜来实现）。由来自第二发光二极管芯片20的光线15激发荧光物质13（即第二次激发）所发出的光到达第一发光二级管芯片12的底面后被反射到合光装置11（图3中未示出）上。
由第二发光二级管芯片20所造成的荧光物质13的第二次激发提高了荧光物质13的发光效率，从而提升了第二光源200的发光效率和绿光的强度。
为了使第二光源200发出适合的绿光，在一个实施例中，第一发光二级管芯片12和第二发光二极管芯片20所发的光线为蓝光，所述第二光源200的荧光物质13为受激发产生黄光或绿光的荧光物质，例如黄色荧光粉、绿色荧光粉，而第二发光二极管芯片20表面没有设置荧光物质。
图2也示意性显示了照明装置50的几何构型。参照图2，第一发光二极管芯片12封装到第二基板22上，第二发光二极管芯片20封装到第一基板上23，而第一光源100包括封装到第三基板24上的红光发光二极管芯片和蓝光发光二极管芯片。
封装LED芯片的基板可以为陶瓷基板，或将LED芯片直接封装在金属基印刷电路板(MCPCB)上。
在一个实施例中，在第三基板24上，红光发光二极管芯片和蓝光发光二极管芯片的数量比处于1/4到3/4的范围内。具体数量比可根据白平衡需求来调节。第一光源100的红光发光二级管芯片和蓝光发光二极管芯片的排列可以为交叉排列，也可以根据具体设计需求以所设定的图案来排列。
在一个实施例中，第一基板23、第二基板22和第三基板24构成矩形的三条边，而第一基板23和第三基板24平行布置，合光装置11呈板状且构成所述第二基板22和所述第三基板24的角平分线。
在合光装置11的第一实施例中，合光装置11包括滤光片，所述滤光片的朝向所述第二光源的表面上镀有透射绿光并反射红光和蓝光的滤光膜，另一面上镀有增透膜。其透光度曲线如图4所示，其中横轴为波长，纵轴为透光度。
在第一实施例中，来自第一光源100的红光和蓝光被合光装置11的滤光片反射朝向匀光装置7，第二光源200中的第一发光二极管芯片12发出蓝光，荧光物质13为绿色荧光粉，则该蓝光激发绿色荧光粉发出绿光，而来自第二发光二极管芯片20的蓝光被合光装置11的滤光片反射到第二光源200，并对第二光源200中的荧光物质13造成第二次激发，使得第二光源200整体再次发出绿光，该两次绿光透过合光装置11的滤光片，与来自第一光源100的红光和蓝光一齐投射向匀光装置7。该荧光物质13也可以是黄色荧光粉，从而受激发产生黄光。黄光达到合光装置11的滤光片，分出的绿光透射，而分出的红光被反射。
图5显示了第二实施例中的根据本发明的照明设备50的合光装置11的结构示意图。在第二实施例中，合光装置11包括滤光片，所述滤光片在第一表面上镀有反射蓝光并透射红光和绿光的第一滤光膜25，所述滤光片在第二表面上镀有反射红光并透射蓝光和绿光的第二滤光膜26。如图所示，第一表面可以为朝向第二光源200的表面，而第二表面可以为朝向第一光源100的表面。
图6显示了第二实施例中的根据本发明的照明设备50的合光装置11的第一滤光膜25的透光度曲线16。其中横轴为波长，纵轴为透光度。优选地，第一滤光膜25的截止波长处于470nm-510nm的范围内；图7显示了第二实施例中的根据本发明的照明设备50的合光装置11的第二滤光膜26的透光度曲线17。其中横轴为波长，纵轴为透光度。优选地，第二滤光膜的截止波长处于550nm-620nm的范围内。
在第二实施例中，来自第一光源100的蓝光被合光装置11的滤光片的第一滤光膜25反射朝向匀光装置7，来自第一光源100的红光被合光装置11的滤光片的第二滤光膜26反射朝向匀光装置7，荧光物质13为绿色荧光粉，第二光源200中的第一发光二极管芯片12发出的蓝光激发荧光物质13以发出绿色的光线，而来自第二发光二极管芯片20的蓝光被合光装置11的滤光片的第一滤光膜25反射到第二光源200，并对第二光源200中的荧光物质13造成第二次激发，使得第二光源200整体发出两次绿光，该两次绿光透过合光装置11的滤光片的第一滤光膜25和第二滤光膜26，与来自第一光源100的红光和蓝光一齐投射向匀光装置7。同样，荧光物质13也可为黄色荧光粉，受蓝光激发产生黄光，其穿过第一滤光膜25，并在第二滤光膜26上分出绿光透过第二滤光膜26，而分出的红光被反射并透过第一滤光膜25出射。
图8显示了第三实施例中的根据本发明的照明设备50的合光装置11的结构示意图。参照图8，在第三实施例中，合光装置11包括两个滤光片111、112，最靠近第二光源200的滤光片111的朝向第二光源200的表面上镀有反射蓝光并透射红光和绿光的第三滤光膜27，最远离第二光源200的滤光片112的背向第二光源200的表面上镀有反射红光并透射蓝光和绿光的第四滤光膜28。优选地，可以在其余的滤光片表面上镀增透膜29，以增大透光度。
在第三实施例中，来自第一光源100的蓝光被合光装置11的滤光片111的第三滤光膜27反射朝向匀光装置7，来自第一光源100的红光被合光装置11的滤光片112的第四滤光膜28反射朝向匀光装置7，第二光源200中的第一发光二极管芯片12发出的蓝光激发荧光物质13以发出黄色或绿色的光线，而来自第二发光二极管芯片20的蓝光被合光装置11的滤光片111的第三滤光膜27反射到第二光源200，并对第二光源200中的荧光物质13造成第二次激发，使得第二光源200整体发出绿色光，该绿色光透过合光装置11的滤光片111和滤光片112，与来自第一光源100的红光和蓝光一齐投射向匀光装置7。
在上述实施例中，两个滤光片之间具有宽度位于0.1mm-5mm的范围之内的气隙。当然，这两个滤光片也可以通过光学胶粘贴到一起而不具有气隙，其胶合面不镀膜。
在另一个附图未示出的实施例中，照明设备50也可以具有不同的光学几何构造。其中，上述第一基板、第二基板和第三基板构成矩形的三条边，而第一基板和所述第二基板平行，同时合光装置11呈板状且构成第二基板和第三基板的角平分线，同时合光装置11能够反射绿光并透射红光和蓝光。即将图2中的第一光源100和第二光源200交换位置，同时相应改变合光装置11的光学性质。如此布置，照明设备50的光学效果不变，同样可以提升第二光源的发光效率和绿光的饱和度。
再次参照图2，根据本发明的照明设备50还包括用于将来自合光装置11的光线均匀化的匀光装置7、将均匀化后的光线聚焦的透镜8以及图案片9，透镜8将光线聚焦到图案片9上。
参照图9，当合光装置11的带宽比较宽时，绿光的颜色饱和度不高，颜色不鲜艳，另外，其色域也比较小，特别是蓝绿光的表现。因此，在一个优选的实施例中，当要表现饱和的绿光或蓝绿光时，照明设备50还包括按照光路方向设置在图案片9下游的透射绿光并反射红光和蓝光的下游滤光片10，用于保证绿光的饱和度。优选地，下游滤光片10的短波段截止波长可以为500nm附近，长波段截止波长可以为550nm附近。
下游滤光片10的光谱透过率也可如图4所示。参照图4，其带宽较窄，以保证透过绿光的饱和度，其短波段部分截止波长位于500nm左右，长光波段的截止波长位于550nm左右。当需要高亮度的白光时，可以将下游滤光片10旋转到光路外，这样可以获得高亮度的白光。
根据本发明的照明设备50具有如下优势：第一，由于绿光亮度的提高，可以显著提高***的整体亮度；第二，由于绿光为宽光谱，在由三基色合成白光时，可以提高光谱的连输性，提高光源的显色性；第三，虽然光源的显色性提高，仍然可以通过滤光片来获得高饱和度的绿光，而且不会影响RGB***的混色；第四，根据实际需要，可以获得宽色域高饱和的绿光和高亮度白光的高显指色域***。
图10显示了根据本发明的照明设备50的光谱对比图。其中横轴为波长，纵轴为功率。可以从中看出本发明的增设下游滤光片10的优选实施方案所带来的有益效果。
图11显示了根据本发明的照明设备50的白光光谱对比图。其中横轴为波长，纵轴为功率。可以看到根据本发明的增设第二发光二极管芯片和进行荧光物质的二次激发的优选实施方案所带来的有益效果。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (16)

1.一种照明设备(50)，包括：
第一光源(100)，用于发出红光和蓝光；
第二光源(200)，包括第一发光二极管芯片(12)和设置在所述第一发光二极管芯片上(12)的荧光物质(13)，所述第一发光二极管芯片(12)所发出的光线能够激发所述荧光物质(13)，从而使得所述第二光源(200)发出绿光或黄光；
合光装置(11)，其用于将来自所述第一光源(100)的红光和蓝光以及来自所述第二光源(200)的绿光或黄光合并在一起并输出。
2.根据权利要求1所述的照明设备(50)，其特征在于，还包括第二发光二极管芯片(20)，所述第二发光二极管芯片(20)所发出的光(15)被引导到所述第二光源(200)的荧光物质(13)上并激发所述荧光物质(13)发光。
3.根据权利要求2所述的照明设备(50)，其特征在于，所述第一发光二级管芯片(12)和所述第二发光二极管芯片(20)所发的光线为蓝光，所述荧光物质(13)为黄光和/或绿光荧光物质。
4.根据权利要求2所述的照明设备(50)，其特征在于，所述第一发光二极管芯片(12)的朝向所述合光装置(11)的顶面上布置有所述荧光物质(13)，所述第一发光二极管芯片(12)的远离所述合光装置(11)的底面能够反射光线，由来自所述第二发光二极管芯片(20)的光线(15)所激发的所述荧光物质(13)所发出的光经所述第一发光二级管芯片(12)的底面反射到所述合光装置(11)上。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的照明设备(50)，其特征在于，多个所述第一发光二极管芯片(12)封装到第二基板(22)上，多个所述第二发光二极管芯片(20)封装到第一基板上(23)，所述第一光源(100)包括封装到第三基板(24)上的多个红光发光二极管芯片和多个蓝光发光二极管芯片。
6.根据权利要求5所述的照明设备(50)，其特征在于，所述第一基板(23)、所述第二基板(22)和所述第三基板(24)构成矩形的三条边，而所述第一基板(23)和所述第三基板(24)平行布置，所述合光装置(11)呈板状且构成所述第二基板(22)和所述第三基板(24)的角平分线。
7.根据权利要求6所述的照明设备(50)，其特征在于，所述合光装置包括滤光片，所述滤光片的至少一面上镀有透射绿光并反射红光和蓝光的滤光膜。
8.根据权利要求6所述的照明设备(50)，其特征在于，所述合光装置(11)包括滤光片，所述滤光片在面向所述第二光源(200)的第一表面上镀有反射蓝光并透射红光和绿光的第一滤光膜(25)，所述滤光片在面向所述第一光源(100)的第二表面上镀有反射红光并透射蓝光和绿光的第二滤光膜(26)。
9.根据权利要求8所述的照明设备(50)，其特征在于，所述第一滤光膜(25)的截止波长处于470nm-510nm的范围内，所述第二滤光膜(26)的截止波长处于550nm-620nm的范围内。
10.根据权利要求6所述的照明设备，其特征在于，所述合光装置(11)包括至少两个滤光片，最靠近所述第二光源(200)的滤光片(111)的朝向所述第二光源(200)的表面上镀有反射蓝光并透射红光和绿光的第三滤光膜(27)，最远离所述第二光源(200)的滤光片(112)的背离所述第二光源(200)的表面上镀有反射红光并透射蓝光和绿光的第四滤光膜(28)。
11.根据权利要求5所述的照明设备，其特征在于，所述合光装置(11)包括滤光片，所述滤光片的至少一个表面上镀有增透膜。
12.根据权利要求5所述的照明设备，其特征在于，在所述第三基板(24)上，所述红光发光二极管芯片和所述蓝光发光二极管芯片的数量比处于1/4到3/4的范围内。
13.根据权利要求5所述的照明设备，其特征在于，所述第一基板(23)、所述第二基板和所述第三基板构成矩形的三条边，而所述第一基板(23)和所述第二基板平行，所述合光装置(11)呈板状且构成所述第二基板和所述第三基板的角平分线，所述合光装置(11)能够反射绿光并透射红光和蓝光。
14.根据权利要求5所述的照明设备，其特征在于，在所述第二发光二极管芯片(20)上布置有收光装置，用于将所述第二发光二极管芯片(20)的光线准直到所设定的发散角度内。
15.根据权利要求1到4中任一项所述的照明设备，其特征在于，还包括用于将来自所述合光装置(11)的光线均匀化的匀光装置(7)、将均匀化后的光线聚焦的透镜(8)以及图案片(9)，所述透镜(8)将所述光线聚焦到所述图案片(9)上。
16.根据权利要求15所述的照明设备，其特征在于，还包括按照光路方向设置在所述图案片(9)光路前方的透射绿光并反射红光和蓝光的下游滤光片(10)，用于保证绿光的饱和度。
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