TWI429852B - 具有高現色性指數之高效率以發光二極體為基的照明模組 - Google Patents

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Description

具有高現色性指數之高效率以發光二極體為基的照明模組
所闡述之實施例係關於包含發光二極體(LED)之照明模組。
現色性指數(CRI)係與一理想或自然光源相比較對一光源忠實地複製各種物件之色彩之能力之一量性量測。該CRI系統係由國際照明委員會(CIE)管理。CIE選擇十五種測試色彩樣本來將一白色光源之色彩性質分級。前八種測試色彩樣本係相對低飽和色彩且均勻地分佈於整個色調範圍內。採用此等八種樣本來計算一般現色性指數Ra 。一般現色性指數Ra 係簡單地按照前八個現色性指數值(R1 至R8 )之平均值來進行計算。額外七種樣本提供關於該光源之現色性性質之補充資訊；前四種著重於高飽和度，且後三種代表眾所周知之物件。
對於一特定相關色溫(CCT)，可藉由將一光源之光譜回應分別與每一測試色彩樣本之光譜回應進行比較來計算一組現色性指數值(R1至R15)。該計算由如下來組成：獲得接受測試之波長範圍上之任意數目個等間隔之波長下之一測試色彩樣本之光譜功率分佈與該接受測試之光源之光譜功率分佈之間的差ΔEj。基於此等差，如下計算每一具體現色性指數值：
與各CRI指數相關聯之測試色彩樣本經設計以使得某些理想或自然光源應針對每一指數達成100之一CRI值。舉例而言，低於5,000凱氏溫度，黑體輻射物被視為理想光源。因此，低於5,000凱氏溫度之一黑體輻射物針對每一具體CRI值具有100之一CRI。白熾燈具有接近100之一CRI級別，此乃因其等可建構為非常接近地近似一黑體輻射物。有限光譜功率分佈之光源(諸如，弧光燈或發光二極體(LED))通常展現非常低之CRI值。一般而言，期望達成高CRI值之照明源，此乃因該等照明源提供跨越可見光譜有色之物件之鮮明的現色性。期望併入有LED且具有高CRI值之一光源。
一照明模組包含一光混合腔，該光混合腔具有與至少一個發光二極體(LED)實體分離且經組態以將自該LED發射之光引導至一輸出窗之一內部表面區域，該輸出窗亦與該LED實體分離且安置於該LED上方。該窗之一部分塗佈有一第一波長轉換材料，且該內部表面區域之一部分塗佈有一第二波長轉換材料。該輸出窗上之該波長轉換材料可包含摻雜有鈰之鎦鋁石榴石(LuAG：Ce)。該輸出窗上之該波長轉換材料亦可包含在615奈米與655奈米之間具有一峰值發射波長之一波長轉換材料，其中針對λ=500nm至λ=650nm根據max((測試(λ)-黑體(λ))/黑體(λ))所量測，自該輸出窗發射之光之光譜回應係在相同CCT下之一黑體輻射物之20%，且更具體而言，15%之內。該LED可發射由該光混 合腔以大於130lm/W之一色彩轉換效率比轉換成一第二色彩光之一第一有色光，該色彩轉換效率比係根據該模組之輸出光通量除以該等LED之輻射量測輸出功率來量測，其中該光混合腔包含在508奈米與528奈米之間具有一峰值發射波長之一第一光致發光材料及在615奈米與655奈米之間具有一峰值發射波長之一第二光致發光材料。
在下文之具體實施方式中闡述進一步之細節及實施例及技術。本發明內容不試圖界定本發明。本發明係由申請專利範圍界定。
現將詳細參考先前技術實例及本發明之某些實施例，本發明之實例圖解說明於隨附圖式中。
圖1圖解說明在3,000凱氏溫度之一相關色溫(CCT)下之一黑體輻射物之光譜回應。如上文所論述，低於5,000凱氏溫度，將一黑體輻射物之各CRI指數值設計為100。因此，設計在低於5,000凱氏溫度之一CCT下展現高CRI值之一照明模組之一種方法係設計用以發射具有緊密匹配所關注波長範圍內之一黑體輻射物之一光譜功率分佈之光之模組。圖1亦圖解說明在450奈米附近具有一峰值發射之一實例性LED之光譜回應。在380奈米與490奈米之間具有一峰值發射之LED因此峰值波長狀態中之LED之輻射量測效率而可被選擇作為一以LED為基之照明模組中之光源。然而，如圖1中所圖解說明，該LED之光譜回應係非常窄，極其不同於一黑體輻射物之光譜回應，且遭受一非常低之CRI。
為達成來自一以LED為基之照明模組之具有高CRI值之光輸出，將該LED之窄帶發射之一部分轉換成各種更高波長以更接近地仿真一黑體輻射物之光譜回應。圖2圖解說明一LED及數個光致發光材料之發射光譜，當其等如本專利文件中所述進行組合時緊密地匹配在3,000凱氏溫度下之一黑體輻射物之光譜回應。實例性光致發光材料中之每一者具有一唯一化學組合物，諸如一特定磷光體。雖然可對不同磷光體進行摻合，但出於本專利文件之目的，一光致發光材料僅係一種確切之化學組合物，而非一摻合物。可用於針對CRI指數(R1至R15)中之每一者獲得具有高CRI值之高效率照明模組之實例性磷光體包含諸如以下磷光體：CaAlSiN3 :Eu、SrAlSiN3 :Eu、CaAlSiN3 :Eu、Ba3 Si6 O12 N2 :Eu、Ba2 SiO4 :Eu、Sr2 SiO4 :Eu、Ca2 SiO4 :Eu、Ca3 Sc2 Si3 O12 :Ce、Ca3 Mg2 Si3 O12 :Ce、CaSc2 O4 :Ce、CaSi2 O2 N2 :Eu、SrSi2 O2 N2 :Eu、BaSi2 O2 N2 :Eu、Ca5 (PO4 )3 Cl:Eu、Ba5 (PO4 )3 Cl:Eu、Cs2 CaP2 O7 、Cs2 SrP2 O7 、SrGa2 S4 :Eu、Lu3 Al5 O12 :Ce、Ca8 Mg(SiO4 )4 Cl2 :Eu、Sr8 Mg(SiO4 )4 Cl2 :Eu、La3 Si6 N11 :Ce、Y3 Al5 O12 :Ce、Y3 Ga5 O12 :Ce、Gd3 Al5 O12 :Ce、Gd3 Ga5 O12 :Ce、Tb3 Al5 O12 :Ce、Tb3 Ga5 O12 :Ce及Lu3 Ga5 O12 :Ce。
圖2圖解說明由Mitsubishi Chemical Corporation(日本)製造之一發射紅色之CaAlSiN3 :Eu磷光體之光譜回應，該發射紅色之CaAlSiN3 :Eu磷光體經設計在大約650奈米處展現一峰值發射。圖2亦圖解說明由Merck(德國)製造之一LuAG:Ce磷光體之發射光譜，該LuAG:Ce磷光體經設計在大約518奈米處展現一峰值發射。圖2亦圖解說明由Phosphor Technology Ltd.(英國)製造之Y3 Al5 O12 :Ce(YAG)磷光體之發射光譜，該Y3 Al5 O12 :Ce(YAG)磷光體經設計在大約555奈米處展現一峰值發射。此等具體磷光體係實例性且亦可或替代性採用諸多其他磷光體組合物。在本實例中，針對面臨存在於各種照明環境中之環境條件之溫度穩定性、長期可靠性及耐用性來選擇此等磷光體。為獲得針對CRI指數(R1至R15)中之每一者具有高CRI值之高效率照明模組，可採用在618奈米與655奈米之間具有一峰值發射波長之一發射紅色之磷光體。為補償因使用該發射紅色之磷光體所形成之在介於460奈米與525奈米之間的波長範圍內之光譜回應之一不足，可採用在508奈米與528奈米之間具有一峰值發射波長之一發射綠色之磷光體。以此方式，可獲得在介於500奈米與650奈米之間的波長範圍內具有在一黑體輻射物之一發射光譜之20%內之一光譜回應之一照明模組。在其他實例中，可獲得在介於500奈米與650奈米之間的波長範圍內具有在一黑體輻射物之一發射光譜之15%內之一光譜回應之一照明模組。在其他實例中，可獲得在介於500奈米與650奈米之間的波長範圍內具有在一黑體輻射物之一發射光譜之10%內之一光譜回應之一照明模組。此外，以此方式建構之照明模組可展現大於130 lm/W之色彩轉換效率比，如下文所論述。另外，可採用在介於545奈米與565奈米之間的波長範圍內具有一峰值發射之一發射黃色之磷光體。在某些實例中，將發射綠色之磷光體、發射紅色之磷光體與發射黃色之磷光體以如下重量比例混合以獲得高效率、高CRI之照明模組：介於55份與90份之間的綠色磷光體、介於5份與25份之間的紅色磷光體及介於5份與35份之間的黃色磷光體。一般而言，選擇至少三種光致發光材料以使得其等峰值發射波長之每一者彼此相隔至少三十五奈米且彼此不超過一百五十奈米。舉例而言，採用具有在505奈米與655奈米之間相隔之峰值發射波長之至少三種磷光體來轉換自一LED所發射之光之部分以產生具有高CRI值之經色彩轉換之光。藉由選擇具有以此方式相隔之峰值發射波長之三種磷光體，該經色彩轉換之光更接近地近似一黑體輻射物之光譜回應。
除達成具有高CRI值之色彩轉換以外，亦期望如此做具有高效率。選擇具有緊密地匹配該LED之發射光譜之激發光譜之磷光體來改良色彩轉換效率。圖3圖解說明關於圖2所論述之三種磷光體之激發光譜。實例性寶藍色LED之發射光譜歸屬於LuAG磷光體與YAG磷光體之激發光譜內。換言之，此等磷光體高效率地轉換寶藍色光。若激發源係一紅色光，則此等磷光體中之每一者將展現非常少之回應，因此色彩轉換效率將非常低。在一項實例中，選擇至少兩個磷光體，其中其等激發光譜之峰值在自該以LED為基之照明模組之該等LED所發射之光之發射光譜之峰值之一百奈米內。在另一實例中，選擇至少兩個磷光體，其中其等激發光譜之峰值在自該以LED為基之照明模組之該等LED所發射之光之發射光譜之峰值之五十奈米內。
圖4圖解說明一發光二極體(LED)照明裝置100之一實施例之一透視圖。照明模組100可(例如)用作一貨架照明模組、一街道照明模組、一洗牆照明模組、一重點照明模組、一定向照明模組或任一其他所期望之照明模組。圖5展示圖解說明LED照明裝置100之組件之一分解圖。應理解，如本文中所界定，一LED照明裝置並非係一LED，而係一LED光源或燈具或一LED光源或燈具之組件部件。LED照明裝置100包含一個或多個LED晶粒或經封裝LED及LED晶粒或經封裝LED附接至其之一安裝板。圖6圖解說明LED照明裝置100之一實施例之一透視剖視圖。
參考圖5，LED照明裝置100包含一個或多個固態發光元件，諸如安裝於安裝板104上之發光二極體(LED)102。將安裝板104附接至安裝基座101且藉由安裝板定位環103(例如，使用適當緊固件、緊固特徵或緊固黏著劑)固定於適當位置。同時，填充有LED 102之安裝板104及安裝板扣環103構成光源子總成115。光源子總成115係可操作以使用LED 102將電能轉換成光。
LED照明裝置100亦可包含一光轉換子總成116，其可包含一腔體105及輸出窗108，且視情況包含可放置於安裝板104上方之底部反射器嵌件106及可放置於腔體105內部之側壁嵌件107。輸出窗108可係由丙烯酸材料(其包含(例如)由TiO2、ZnO、或BaSO4製成或由以結晶形式(藍寶石)或以陶瓷形式(氧化鋁)之AlO2製成之散射粒子)，或在整個可見光譜上具有低吸收之其他材料製造。輸出窗108固定至腔體105之頂部。腔體105或側壁嵌件107(若使用)包含內部側壁110(在圖6中圖解說明)。內部側壁110應係高度反射，其可(例如)藉由拋光腔體105之內部(其可能係鋁)，或使用含有二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)及硫酸鋇(BaSO4)粒子或此等材料之一組合之一反射塗層來達成。在使用側壁嵌件107之情況下，可藉助由一反射材料(諸如由德國公司Alanod所生產之Miro)製造該側壁嵌件來達成內部側壁110之高反射性。底部反射器嵌件106(若使用)可類似地由Alanod所生產之Miro製造。
當將腔體105安裝於光源子總成115上方時，腔體105(或側壁嵌件107(若使用))之內部側壁110、安裝板104(或底部反射器嵌件106(若使用))之頂部與輸出窗108圍起一體積，該體積界定了LED照明裝置100中之一主要光混合腔109，在圖6中圖解說明。在光混合腔109內，來自LED 102之光之一部分受到反射直至其透過輸出窗108離開。可視情況安置於安裝板104上方之底部反射器嵌件106包含孔以使得每一LED 102之發光部分不被底部反射器嵌件106遮擋。
出於執行色彩轉換之目的，將自光源子總成115所發射之光引導至光混合腔109以進行色彩轉換及色彩混合。在一項實施例中，光轉換子總成116包含塗佈內部側壁110、輸出窗108及安裝板104之頂部(或底部反射器嵌件106(若使用))中之一者或多者之至少一部分之多種波長轉換材料。出於本專利文件之目的，一波長轉換材料係執行一色彩轉換功能(例如，吸收一個峰值波長之光且發射達另一峰值波長之光)之任一單個化學化合物或不同化學化合物之混合物。舉例而言，側壁嵌件107之內部側壁110之若干部分可塗佈有一種或多種波長轉換材料110A，而輸出窗108之若干部分可塗佈有一種或多種不同波長轉換材料108B，如圖6中所圖解說明。若期望，波長轉換材料110A及108B可包含多於一種類型之波長轉換材料，其等可摻合在一起、在彼此上方鋪設或施加於不同區域中，或前述之任一組合。若期望，可將散射粒子(諸如TiO2、ZnO及/或BaSO4粒子)混合至波長轉換材料層中。
在離開輸出窗108之前在腔109內反射該光具有混合該光且提供自LED照明裝置100所發射之該光之一更均勻分佈之效應。因此，該等波長轉換材料之光致轉換性質與在腔109內之光之混合組合而生成藉由輸出窗108輸出之一均勻分佈之經色彩轉換之光。藉由調整該等波長轉換材料之化學性質及腔109之內部表面上塗層之幾何性質，可指定藉由輸出窗108輸出之光之具體色彩性質，例如，色點、色溫及現色性指數(CRI)。
在此實施例中，LED 102皆可發射在UV至藍色範圍內之不同峰值發射波長之光。當與可(例如)位於輸出窗108中或上、經施加至腔109之側壁、經施加至安裝板104之頂部(或底部反射器嵌件106(若使用))或經施加至放置於該腔內部之其他組件(未展示)之磷光體(或其他波長轉換構件)組合使用時，照明裝置100之輸出光具有所期望之具有高CRI值之色彩。該照明裝置之色點之調節可藉由替換可類似地塗佈或浸漬有一種或多種波長轉換材料之側壁嵌件107及/或輸出窗108來實現。色點之調節可藉由如下來達成：選擇界定該腔之該等側壁之形狀及高度，選擇該腔之該等部分中之哪一者將覆蓋有磷光體或者不覆蓋磷光體，及優化該等磷光體之厚度或密度。
在一第一實例中，在2700凱氏溫度之一目標CCT下比較兩個照明模組100之效能。一參考照明模組包含9個經選擇以在介於440奈米與460奈米之間的寶藍色範圍內發射之LED及一個經選擇以在介於460奈米與490奈米之間的藍色範圍內發射之LED。在大約630奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體覆蓋側壁嵌件107之一部分。將該磷光體以按體積計在2%至6%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在60微米至120微米範圍內之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約4%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約90微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。另外，然後將一發射黃色之Y3 Al5 O12 :Ce磷光體以按體積計在50%至80%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在90微米至130微米範圍內之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約70%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約110微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。視情況，亦可將一定量之發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體與該發射黃色之Y3 Al5 O12 :Ce磷光體混合。
一高CRI照明模組包含7個經選擇以在介於440奈米與460奈米之間的寶藍色範圍內發射之LED及三個經選擇以在介於460奈米與490奈米之間的藍色範圍內發射之LED。在大約650奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體覆蓋側壁嵌件107之一部分。將該磷光體以按體積計在2%至6%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在60微米至120微米範圍內之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約4%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約90微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。另外，組合按重量計在大約10份至25份YAG、5份至15份(SrCa)AlSiN3 :Eu及60份至80份LuAG:Ce之範圍內之一磷光體混合物。環境條件及每一磷光體之條件影響針對任一特定磷光體組合所獲得之結果。在一項實例中，組合包含按重量計大約17份YAG、大約11份(SrCa)AlSiN3 :Eu及大約72份LuAG:Ce之一磷光體混合物。然後以按聚矽氧之體積計在50%至80%範圍內之一比例將此混合物混合入一聚矽氧黏結劑中，以在90微米至130微米範圍內之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。在一項實例中，將該混合物以按體積計大約75%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約110微米之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。
圖7A圖解說明在2,700凱氏溫度下之一黑體輻射物之模擬發射光譜以及此實例之該參考照明模組與該高CRI照明模組兩者之所量測之發射光譜。在此圖中，該黑體輻射物之發射光譜已在640奈米處歸一化。比較所得光譜，在500奈米至650奈米之範圍內，該高CRI照明模組之光譜回應比該參考照明模組更接近地近似該黑體輻射物。更具體而言，使用以下公式
該參考照明模組在介於500奈米與650奈米之間的波長範圍內具有在一黑體輻射物之發射光譜之48%內之一光譜回應，該高CRI照明模組在該同一波長範圍內係在一黑體輻射物之發射光譜之14%內。
圖7B比較兩個模組之每一具體CRI值且每一CRI值均得以改良。特定而言，在此實例中，將與深紅色之現色性相關之R9 之自一分數27改良至97。概言之，以如上文所論述之一方式建構之一高CRI照明模組發射具有Ra >95、R9 >95之光，對於具有2,700凱氏溫度之一目標CCT之模組，平均值為CRI值R10 至R14 >95且R15 >95。
在一第二實例中，比較在3,000凱氏溫度之一目標CCT下兩個照明模組100之效能。一參考照明模組包含9個經選擇以在寶藍色範圍內發射之LED及一個經選擇以在藍色範圍內發射之LED。在大約630奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體覆蓋側壁嵌件107之一部分。將該磷光體以按體積計在2%至6%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在60微米至120微米範圍內之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約4%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約90微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。另外，然後將一發射黃色之Y3 Al5 O12 :Ce磷光體以按聚矽氧之體積計在50%至80%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在90微米至130微米範圍內之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約70%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約110微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。視情況，亦可將一定量之發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體與該發射黃色之Y3 Al5 O12 :Ce磷光體混合。
一高CRI照明模組包含7個經選擇以在介於440奈米與460奈米之間的寶藍色範圍內發射之LED及三個經選擇以在介於460奈米與490奈米之間的藍色範圍內發射之LED。在大約650奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體覆蓋側壁嵌件107之一部分。將該磷光體以按體積計在2%至6%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在60微米至120微米範圍內之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約4%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約90微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。另外，組合按重量計在大約10份至25份YAG、5份至15份(SrCa)AlSiN3 :Eu及60份至80份LuAG:Ce之範圍內之一磷光體混合物。環境條件及每一磷光體之條件影響針對任一特定磷光體組合所獲得之結果。在一項實例中，組合包含按重量計大約17份YAG、大約11份(SrCa)AlSiN3 ：Eu及大約72份LuAG:Ce之一磷光體混合物。然後以按體積計在50%至80%範圍內之一比例將此混合物混合入一聚矽氧黏結劑中，以在90微米至130微米範圍內之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。在一項實例中，將該混合物以按體積計大約70%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約110微米之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。
圖8A圖解說明在3,000凱氏溫度下之一黑體輻射物之模擬發射光譜以及此實例之該參考照明模組與該高CRI照明模組兩者之所量測之發射光譜。在此圖中，該黑體輻射物之發射光譜已在640奈米處歸一化。在500奈米至650奈米之範圍內，該高CRI照明模組之光譜回應比該參考照明模組更接近地近似該黑體輻射物。更具體而言，使用方程式(2)之公式，該參考照明模組在介於500奈米與650奈米之間的波長範圍內具有在一黑體輻射物之發射光譜之49%內一光譜回應，該高CRI照明模組在該同一波長範圍內係在一黑體輻射物之發射光譜之12%內。
圖8B比較兩個模組之每一具體CRI值且每一CRI值均得以改良。特定而言，在此實例中，將R9 之自一分數16改良至98。概言之，以如上文所論述之一方式建構之一高CRI照明模組發射具有Ra >95、R9 >90之光，對於具有3,000凱氏溫度之一目標CCT之模組，平均值為CRI值R10 至R14 >95且R15 >95。
在一第三實例中，比較在4,000凱氏溫度之一目標CCT下之兩個照明模組100之效能。該參考照明模組包含7個經選擇以在寶藍色範圍內發射之LED及三個經選擇以在藍色範圍內發射之LED。在大約630奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體覆蓋側壁嵌件107之一部分。將該磷光體以按體積計在2%至6%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在60微米至120微米範圍內之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約4%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約90微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。另外，然後將一發射黃色之Y3 Al5 O12 :Ce磷光體以按聚矽氧之體積計在50%至80%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在90微米至130微米範圍內之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約65%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約110微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。視情況，亦可將一定量之發射紅色之(SrCa)AlSiN3 ：Eu磷光體與該發射黃色之Y3 Al5 O12 ：Ce磷光體混合。
該高CRI照明模組亦包含7個經選擇以在寶藍色範圍內發射之LED及三個經選擇以在藍色範圍內發射之LED。在大約650奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 ：Eu磷光體覆蓋側壁嵌件107之一部分。將該磷光體以按體積計在2%至6%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在60微米至120微米範圍內之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約4%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約90微米之一厚度均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。另外，組合按重量計在大約10份至25份YAG、5份至15份(SrCa)AlSiN3 ：Eu及60份至80份LuAG：Ce之範圍內之一磷光體混合物。環境條件及每一磷光體之條件影響針對任一特定磷光體組合所獲得之結果。在一項實例中，組合包含按重量計大約17份YAG、大約11份(SrCa)AlSiN3 ：Eu及大約72份LuAG：Ce之一磷光體混合物。然後將此混合物以按體積計在50%至80%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在90微米至130微米範圍內之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。在一項實例中，將該混合物以按體積計大約70%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約110微米之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。
圖9A圖解說明在4,000凱氏溫度條件下之一黑體輻射物 之模擬發射光譜以及此實例之該參考照明模組及該高CRI照明模組兩者之所量測之發射光譜。在此圖中，該黑體輻射物之發射光譜已在635奈米處歸一化。在500奈米至650奈米之範圍內，該高CRI照明模組之光譜回應比該參考照明模組更接近地近似該黑體輻射物。更具體而言，使用方程式(2)之公式，該參考照明模組在介於500奈米與650奈米之間的波長範圍內具有在一黑體輻射物之發射光譜之57%內之一光譜回應，該高CRI照明模組在該同一波長範圍內係在一黑體輻射物之發射光譜之19%內。
圖9B比較兩個模組之每一具體CRI值且每一CRI值均得以改良。特定而言，在此實例中，將R9 之自一分數22改良至90。概言之，以如上文所論述之一方式建構之一高CRI照明模組發射具有Ra >95、R9 >85之光，對於具有4,000凱氏溫度之一目標CCT之模組，平均值為CRI值R10 至R14 ≧94且R15 >95。
圖10概括在一組自450奈米至750奈米之波長範圍上之圖7至圖9中所量測之光譜偏離於每一各別黑體曲線之百分標準偏差。每一百分標準偏差值係基於在該組波長範圍之對應波長範圍內所評估之方程式(2)之公式而計算。舉例而言，在500奈米至525奈米之波長範圍內，在3,000凱氏溫度之一目標CCT下(見圖8)之一高CRI照明模組之所量測光譜展現偏離於3,000凱氏溫度之一黑體曲線之9%之一最大百分標準偏差。此外，在500至650奈米之波長範圍內，該最大百分標準偏差係12%，且如所圖解說明，此發生於625奈米至650奈米之波長範圍內。
在另一實施例中，瞭解到一照明模組100達成一大於80之一般CRI值Ra 同時維持大於130 lm/W之一色彩轉換效率比。出於本專利文件之目的，將一色彩轉換效率比定義為以流明為單位所量測之一照明模組之光度輸出除以以瓦特為單位所量測之LED之光輸出之輻射量測功率之比。色彩轉換效率之此定義著重於該照明模組之色彩轉換過程之效率。
在一第一實例中，在3,000凱氏溫度之一目標CCT下比較兩個照明模組100之效能以闡明一般CRI效能及經改良之色彩轉換效率。該參考照明模組與該高效率、高CRI照明模組兩者皆包含10個經選擇以全部在寶藍色範圍內發射之LED。選擇寶藍色LED乃因其等展現比發射較長波長之LED高之輻射效率。此外，LED製造之當前趨勢係進一步改良較短波長之LED(諸如在介於440奈米與460奈米之間的波長範圍中之彼等LED)之輻射效率。
採用三種磷光體之該高效率、高CRI照明模組包含覆蓋側壁嵌件107之一部分在大約618奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體。將該磷光體以按體積計在2%至6%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約4%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。組合按重量計在5份至15份YAG、5份至15份(SrCa)AlSiN3 :Eu及70份至95份LuAG之範圍內之一磷光體混合物。環境條件及每一磷光體之條件影響針對任一特定磷光體組合所獲得之結果。在一項實例中，組合包含按重量計大約8份YAG、大約8份(SrCa)AlSiN3 :Eu及大約84份LuAG之一磷光體混合物。然後將此混合物以按聚矽氧之體積計在50%至80%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以在90微米至130微米範圍內之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。在一項實例中，將此混合物以按體積計大約70%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，以大約110微米之一厚度均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。由於具有大約618奈米之一峰值發射之(SrCa)AlSiN3 :Eu與具有較高峰值發射波長之紅色磷光體相比之相對高之色彩轉換效率，因此採用該(SrCa)AlSiN3 :Eu。另一方面，採用兩種磷光體之該參考照明模組包含覆蓋側壁嵌件107之一部分且在大約630奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體。將該磷光體以按體積計在2%至6%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按體積計大約4%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，均勻地施加至側壁嵌件107，且加以固化。另外，然後將在大約555奈米處具有一峰值發射之YAG磷光體以按體積計在50%至80%範圍內之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。在一項實例中，將該磷光體以按聚矽氧之體積計大約70%之一比例混合入一聚矽氧黏結劑中，均勻地施加至輸出窗108，且加以固化。
圖11圖解說明在色彩轉換效率及CRI方面之改良。兩種磷光體之參考照明模組發射具有78之一一般CRI及136之一色彩轉換效率比之光。三種磷光體之高效率、高CRI照明模組達成81之一CRI及141之一色彩轉換效率比。僅在4,000凱氏溫度之一目標CCT下在如上文所論述建構之一參考模組與高效率、高CRI模組之比較中圖解說明類似改良。在此情形中，該參考模組發射具有74之一一般CRI及146之一色彩轉換效率比之光。該高效率、高CRI照明模組達成81之一CRI及158之一色彩轉換效率比。獲得了CRI與色彩轉換效率兩者之意料之外的改良。此等改良係意料之外的，此乃因通常在一光混合腔中使用較大數目之磷光體引起再吸收之增加及減少色彩轉換效率之相關聯損失。然而，藉由如本專利文件中所闡述地仔細選擇磷光體、其等比例及其等在該光混合腔中之佈置，可有效減輕此等損失。
圖12A圖解說明以上文所論述之方式建構之三個群組之兩個高效率、高CRI模組之色彩轉換效率。每一模組群組係按發射光至光混合腔109中之LED之數目來區分。一第一群組包含四個LED，一第二群組包含七個LED且一第三群組包含十個LED。在每一群組內，一個模組展現3,000凱氏溫度之一目標CRI及4,000凱氏溫度之另一目標CRI。每一群組內之兩個模組皆展現至少80之一一般CRI。圖12A圖解說明每一模組能夠達成大於140之一色彩轉換效率比。因此，針對發射光至光混合腔109中之LED之一範圍，獲得類似色彩轉換效率。
圖12B圖解說明另外三個群組之兩個高效率、高CRI模組之色彩轉換效率。此等模組係以關於圖12A所論述之方式建構，然而，此等三個模組之側壁嵌件之一部分塗佈有在大約630奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體(紅色630)而非在大約618奈米處具有一峰值發射之一發射紅色之(SrCa)AlSiN3 :Eu磷光體(紅色618)。圖12B圖解說明每一模組能夠達成大於130之一色彩轉換效率比。雖然在該等側壁上使用紅色630而非紅色618導致一較低紅色轉換效率比，但一般而言，亦存在CRI之一增加。以此方式，高效率模組可經設計而具有較高CRI值。
雖然在上文出於指導目的闡述了某些具體實施例，但本專利文件之教示內容具有一般適用性且並不限於上文所闡述之具體實施例。舉例而言，雖然將LED 102闡述為在UV至藍色範圍中具有一峰值發射之LED，但LED 102可藉由直接發射或藉由磷光體轉換(例如，其中將磷光體層施加至該等LED作為該LED封裝之一部分)而發射不同或相同色彩。因此，照明裝置100可使用有色LED 102(諸如，紅色、綠色、藍色、琥珀色或青綠色)之任一組合，或LED 102可全部產生相同色彩之光或可全部產生白色光。在所闡述之實施例中，出於實例性之目的而闡述具體磷光體，但可採用各自在上文所論述之範圍內具有峰值發射之任一數目之磷光體。舉例而言，該等磷光體可選自由以下化學式所標示之組：Y3 Al5 O12 ：Ce(亦稱為YAG：Ce，或簡稱YAG)、(Y,Gd)3 Al5 O12 ：Ce、CaS：Eu、SrS：Eu、SrGa2 S4：Eu、Ca3 (Sc,Mg)2 Si3 O12 ：Ce、Ca3 Sc2 Si3 O12 ：Ce、Ca3 Sc2 O4 ：Ce、Ba3 Si6 O12 N2 ：Eu、(Sr,Ca)AlSiN3 ：Eu、CaAlSiN3 ：Eu。此外，在所闡述之實施例中，出於實例性之目的闡述磷光體之具體比例，但可使此等比例變化以產生類似結果。舉例而言，可將此等比例調整20%且仍達成本專利文件中所闡述之現色性及效率效能。在所闡述之實施例中，出於實例性之目的闡述與聚矽氧黏結劑組合之磷光體之具體百分比及薄膜厚度。可使此等百分比及厚度變化以產生類似結果。因此，可實踐對所闡述之實施例之各種特徵的各種修改、改動及組合而不背離如申請專利範圍中所陳述之本發明之範疇。
100．．．發光二極體(LED)照明裝置
101．．．安裝基座
102．．．發光二極體(LED)
103．．．安裝板定位環
104．．．安裝板
105．．．腔體
106．．．底部反射器嵌件
107．．．側壁嵌件
108．．．輸出窗
108B．．．波長轉換材料
109．．．光混合腔
110．．．內部側壁
110A．．．波長轉換材料
115．．．光源子總成
116．．．光轉換子總成
隨附圖式圖解說明本發明之實施例，其中相同編號指示相同組件。
圖1圖解說明在3,000凱氏溫度之一相關色溫(CCT)下之一黑體輻射物之光譜回應及在450奈米附近具有一峰值發射之一實例性LED之光譜回應。
圖2圖解說明一LED及數個光致發光材料之發射光譜。
圖3圖解說明一LED之發射光譜及關於圖2所論述之三種磷光體之激發光譜。
圖4圖解說明一發光二極體(LED)照明裝置之一實施例之一透視圖。
圖5展示圖解說明LED照明裝置之組件之一分解圖。
圖6圖解說明該LED照明裝置之一實施例之一透視剖視圖。
圖7A圖解說明在2,700凱氏溫度下之一黑體輻射物之模擬發射光譜以及一參考照明模組及一高CRI照明模組之所量測之發射光譜。
圖7B比較圖7A之該參考照明模組及該高CRI照明模組之每一具體CRI值。
圖8A圖解說明在3,000凱氏溫度下之一黑體輻射物之模擬發射光譜以及一參考照明模組及一高CRI照明模組之所量測之發射光譜。
圖8B比較圖8A之該參考照明模組及該高CRI照明模組之每一具體CRI值。
圖9A圖解說明在4,000凱氏溫度下之一黑體輻射物之模擬發射光譜以及一參考照明模組及一高CRI照明模組之所量測之發射光譜。
圖9B比較圖9A之該參考照明模組及該高CRI照明模組之每一具體CRI值。
圖10圖解說明在一組波長範圍上數個照明模組之所量測之光譜偏離於黑體曲線之最大百分標準偏差。
圖11圖解說明使用三種磷光體之一高效率、高CRI照明模組及使用兩種磷光體之一參考照明模組在色彩轉換效率及CRI方面之改良。
圖12A圖解說明在兩種不同目標CCT下三個群組之高效率、高CRI模組之色彩轉換效率。
圖12B圖解說明在兩種不同目標CCT下另外三個群組之高效率、高CRI模組之色彩轉換效率。
108．．．輸出窗
108B．．．波長轉換材料
109．．．光混合腔
110．．．內部側壁
110A．．．波長轉換材料

Claims (27)

  1. 一種照明設備，其包括：至少一個發光二極體(LED)，其可操作以發射由在380奈米與490奈米之間具有一峰值波長之一發射光譜作為表徵之一第一有色光；及一主要光混合腔，其可操作以用大於130lm/W之一色彩轉換效率比將該第一有色光轉換成一第二有色光，該色彩轉換效率比係根據輸出光通量(luminous flux)除以該至少一個LED之輻射量測輸出功率來量測，其中與該至少一個LED實體分離之該主要光混合腔之一部分包含在508奈米與528奈米之間具有一峰值發射波長之一第一光致發光材料及在615奈米與655奈米之間具有一峰值發射波長之一第二光致發光材料。
  2. 如請求項1之照明設備，其中該主要光混合腔包含在545奈米與565奈米之間具有一峰值發射波長之一第三光致發光材料。
  3. 如請求項2之照明設備，其中該第一、第二及第三光致發光材料係以一重量比例混合在一起，其中該比例係介於55份與90份之間的該第一材料、介於5份與25份之間的該第二材料，及介於5份與35份之間的該第三材料。
  4. 如請求項2之照明設備，其中該第一材料係摻雜有鈰之鎦鋁石榴石(LuAG：Ce)，該第二材料係(SrCa)AlSiN3 ：Eu，且該第三材料係摻雜有鈰之釔鋁氧化物(Y3 Al5 O12 ：Ce)。
  5. 如請求項2之照明設備，其中將該第一材料、該第二材料及該第三材料係施加至該主要光混合腔之一輸出窗。
  6. 如請求項5之照明設備，其中該主要光混合腔進一步包括：一側壁嵌件，其中該側壁嵌件包含該第一、第二及第三光致發光材料中之至少一者。
  7. 如請求項2之照明設備，其中該第一光致發光材料及該第二光致發光材料之該激發光譜之該等峰值在該光源子總成(subassembly)之該峰值發射波長之五十奈米內。
  8. 如請求項2之照明設備，其中該第二有色光具有大於80之一一般現色性指數(CRI)值。
  9. 如請求項2之照明設備，其中該第二有色光具有大於85之一現色性指數(CRI)值R9 。
  10. 一種照明設備，其包括：一第一發光二極體(LED)，其係安裝至一安裝板之一頂表面；及一主要光混合腔，其具有與該第一LED實體分離且經組態以將自該第一LED發射之光引導至一輸出窗之一內部表面區域，其中該輸出窗與該第一LED實體分離且安置於該第一LED上方，其中該輸出窗之一第一部分塗佈有包含摻雜有鈰之鎦鋁石榴石(LuAG：Ce)之一第一波長轉換材料，且其中該主要光混合腔之該內部表面區域之一第一部分塗佈有一第二波長轉換材料，其中自該輸出窗發射之一光具有80或更高之一現色性指數值Ra。
  11. 如請求項10之照明設備，其中該第一波長轉換材料包含在615奈米與655奈米之間具有一峰值發射波長之一第一光致發光材料及在545與565奈米之間具有一峰值發射波長之一第二光致發光材料，且其中該LuAG：Ce在508奈米與528奈米之間具有一峰值發射波長。
  12. 如請求項11之照明設備，其中該LuAG：Ce、該第一光致發光材料及該第二光致發光材料係以一重量比例混合在一起，且其中該比例係介於55份與90份之間的LuAG：Ce，介於5份與25份之間的該第一光致發光材料及介於5份與35份之間的該第二光致發光材料。
  13. 如請求項12之照明設備，其中該第一光致發光材料係(SrCa)AlSiN3 ：Eu，且其中該第二光致發光材料係摻雜有鈰之釔鋁氧化物(Y3 Al5 O12 ：Ce)。
  14. 如請求項10之照明設備，其中該第一LED係可操作以發射由在440奈米與460奈米之間具有一峰值波長之一發射光譜作為表徵之光。
  15. 如請求項10之照明設備，其中該第二波長轉換材料包含在615奈米與655奈米之間具有一峰值發射波長之(SrCa)AlSiN3 ：Eu。
  16. 如請求項10之照明設備，該照明設備包括至少一個LED，其中該主要混合腔之該色彩轉換效率比大於130lm/W，該色彩轉換效率比係根據該主要混合腔之輸出光通量除以該至少一個LED之輻射量測輸出功率來量測。
  17. 如請求項10之照明設備，其中自該輸出窗發射之一光係 在一目標相關色溫(CCT)之70凱氏度內，其中該目標CCT係自由以下凱氏溫度組成之群組取得：2,700凱氏溫度、3,000凱氏溫度及4,000凱氏溫度。
  18. 如請求項10之照明設備，其中該照明設備係一照明模組且其中該照明模組係自由以下模組組成之群組取得：一貨架照明模組、一街道照明模組、一洗牆照明模組、一重點照明模組及一定向照明模組。
  19. 如請求項10之照明設備，其中光散射粒子混合有該第一波長轉換材料。
  20. 如請求項10之照明設備，其中該第一LED係可操作以發射由在460奈米與490奈米之間具有一峰值波長之一發射光譜作為表徵之光。
  21. 如請求項20之設備，其中該第二波長轉換材料包含在615奈米與655奈米之間具有一峰值發射波長之(SrCa)AlSiN3 ：Eu。
  22. 如請求項21之照明設備，其中自該輸出窗發射之一光具有95或更大之一現色性指數值Ra、85或更大之一現色性指數值R9、94或更大之一平均現色性指數值R10至R14及95或更大之一現色性指數值R15。
  23. 一種照明設備，其包括：一主要光混合腔，其具有與一第一發光二極體(LED)實體分離且經組態以將自該第一LED發射之光引導至一輸出窗之一內部表面區域，其中該輸出窗係與該第一LED實體分離且安置於該第一LED上方，其中該輸出窗 之一第一部分塗佈有包含在615奈米與655奈米之間具有一峰值發射波長之一第一光致發光材料及摻雜有鈰之鎦鋁石榴石(LuAG：Ce)之一第一波長轉換材料以使得針對λ=500nm至λ=650nm根據max((照明設備(λ)-黑體(λ))/黑體(λ))所量測之自該輸出窗發射之一光之一光譜回應在該相同色溫之一黑體輻射物之20%內。
  24. 如請求項23之照明設備，其中該第一波長轉換材料包含在545奈米與565奈米之間具有一峰值發射波長之一第二光致發光材料。
  25. 如請求項24之照明設備，其中該LuAG：Ce、該第一光致發光材料及該第二光致發光材料係以一重量比例混合在一起，且其中該比例係介於55份與90份之間的LuAG：Ce、介於5份與25份之間的該第一光致發光材料及介於5份與35份之間的該第二光致發光材料。
  26. 如請求項24之照明設備，其中該第一光致發光材料係(SrCa)AlSiN3 ：Eu，且其中該第二光致發光材料係摻雜有鈰之釔鋁氧化物(Y3 Al5 O12 ：Ce)。
  27. 如請求項23之照明設備，其中自該輸出窗發射之一光具有80或更大之一現色性指數值Ra。
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