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CN104662680B - 具有宽颜色范围的高效照明系统 - Google Patents

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CN104662680B CN201380046578.4A CN201380046578A CN104662680B CN 104662680 B CN104662680 B CN 104662680B CN 201380046578 A CN201380046578 A CN 201380046578A CN 104662680 B CN104662680 B CN 104662680B
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Abstract

本发明公开了宽带固态光源，所述宽带固态光源包括远程荧光粉LED、短波长直接发射LED和长波长直接发射LED。漫射或透明的覆盖构件覆盖这些LED。每个远程荧光粉LED包括LED、荧光粉层和二向色反射器。所述光源可提供在宽颜色范围内的宽带输出光，并且可高效地提供这种光，同时使所述系统中的LED的总数的高百分比或比例的LED通电。所述宽带输出可例如表现出以CIE色度单位计至少0.2的色差、和/或至少4000或5000开尔文的相关色温差值，同时使LED的总数的多于一半或至少60％或至少70％通电。如果所述光源中包括了具有显著不同尺寸的LED，那么LED数目可用LED有效数目替代。

Description

具有宽颜色范围的高效照明系统
技术领域
本发明整体涉及光源，就具体应用而言涉及结合发光二极管(LED)和荧光粉的固态光源。本发明还涉及相关的制品、系统、和方法。
背景技术
发射宽带光的固态光源是已知的。在一些情况下，此类光源通过将发射黄光的荧光粉层施加到蓝光LED上来制备。当来自蓝光LED的光穿过荧光粉层时，蓝光中的一些被吸收，并且所吸收能量中的相当大一部分被荧光粉再发射为可见光谱中的较长波长的斯托克斯频移光，通常为黄光。荧光粉厚度为足够薄的，以使得蓝色LED光中的一些一直穿过荧光粉层，并且与来自荧光粉的黄光组合，从而得到具有白色外观的宽带输出光。
另外已提出了其它的LED抽吸型荧光源。在美国专利7,091,653(Ouderkirk等人)中讨论了光源，其中通过长通反射器将来自LED的紫外(UV)光反射到荧光粉层上。荧光粉层发射被长通反射器实质上透射的可见光(优选为白光)。LED、荧光粉层、和长通滤波器以这样的方式布置，即紫外光在从LED传播到长通反射器时不穿过荧光粉层。
发明内容
我们已研制出新系列的宽带固态光源。可例如制备来在一般照明应用中用作灯泡的这些光源在单个“混合”单元中组合一个或多个远程荧光粉LED、一个或多个直接发射短波长LED、和一个或多个直接发射长波长LED。所有此类LED均被可为光漫射的球状物或其它合适覆盖构件覆盖。每个远程荧光粉LED包括LED、荧光粉层和二向色反射器。来自LED的激发光是由二向色反射器反射到荧光粉层上以生成荧光，荧光实质上被二向色反射器透射。来自直接发射短波长LED和直接发射长波长LED的至少一些光在实质上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情况下而传播到覆盖构件。这些光源可提供在宽颜色范围内的宽带输出光，并且不像先前系统，这些光源可高效地提供这种光，同时使系统中的LED的总数的高百分比或比例的LED通电。例如，宽带输出可表现出以CIE色度单位计至少0.2的色差、和/或至少4000或5000开尔文的相关色温差值，同时使LED的总数的多于一半或至少60％或至少70％通电。
本文尤其描述发射宽带光的混合照明系统。该照明系统可包括总数为N的LED、以及覆盖N个LED并透射的宽带光的透光性覆盖构件。透光性覆盖件可为光漫射的，或实质上透明且非光漫射的。N个LED包括数目为N1的泵LED、数目为N2的直接发射短波长LED、和数目为N3的直接发射长波长LED。数目N1、N2、和N3各自大于零，并且N1+N2+N3可等于或小于N。N1个泵LED中的每一个被构造为远程荧光粉LED，其中泵LED与二向色反射器和荧光粉层组合，使得来自泵LED的至少一些光被二向色反射器反射到荧光粉层上以使得荧光粉层发射荧光。二向色反射器还构造成实质上透射的荧光。直接发射短波长LED具有在400至500nm、或420至480nm、或445至400nm范围内的峰值输出波长，并且被设置成发射在实质上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情况下从短波长LED传播到覆盖构件的至少一些光。直接发射长波长LED具有在600至700nm、或600至650nm范围内的峰值输出波长，并且被设置成发射在实质上不被任何二向色反射器反射(例如，不入射在任何二向色反射器上)的情况下从长波长LED传播到覆盖构件的至少一些光。
泵LED、直接发射短波长LED、和直接发射长波长LED优选被接线以用于独立的电控制，使得不同组的LED可被通电。覆盖构件所透射的宽带光具有取决于N个LED中的哪些LED被通电的颜色。N个LED优选被构造成使得透射的宽带光可具有与N个LED中的正通电的第一组相关联的第一颜色、和与N个LED中的正通电的第二组相关联的第二颜色。此外，第一颜色和第二颜色优选具有以CIE色度单位计至少0.2的色差、和/或至少4000或5000开尔文的相关色温差值，并且N个LED中的第一组和第二组优选使N个LED中的多于一半或至少60％或至少70％通电。
N个LED中的第一组和第二组可各自使所有N1个泵LED通电。第一颜色和第二颜色可充分接近普朗克轨迹，使得它们具有相应的第一相关色温和第二相关色温。
数目N1可为至少2以使得存在多个远程荧光粉LED。多个远程荧光粉LED可以利用具有相同的荧光粉成分的荧光粉层。多个远程荧光粉LED还可或另选地利用具有不同的荧光粉成分的荧光粉层。数目N1、N2、和N3可通过不等式N1>N2+N3相关。
对于照明系统中的远程荧光粉LED中的至少一个、一些、或全部而言，泵LED、荧光粉层和二向色反射器优选被布置成使得至少一些激发光在不穿过荧光粉层的情况下从泵LED传播到二向色反射器。泵LED中的一个、一些、或全部可具有小于420nm的峰值波长。
系统还可包括控制系统，控制系统被构造成独立地驱动N1个泵LED、N2个直接发射短波长LED、和N3个直接发射长波长LED。控制系统可被构造成提供第一控制输出和第二控制输出，第一控制输出有效地使N个LED中的第一组通电以为透射的宽带光提供第一颜色，并且第二控制输出有效地使N个LED中的第二组通电以为透射的宽带光提供第二颜色。控制系统还可被构造成使得N1个泵LED、N2个直接发射短波长LED、和N3个直接发射长波长LED提供具有在第一颜色和第二颜色之间的颜色范围的透射的宽带光，例如，通过使得N1个LED、N2个LED和N3个LED中的一些或全部以变化的量变暗而来提供。
如果这些LED中的一个或多个具有与一个或多个其它LED大为不同的尺寸(例如，发射面积)，那么在上述描述、比较和关系中的LED的数目(N、N1、N2、N3)可用更为一般化的“有效数目”(NE、NE1、NE2、NE3)替代，其中有效数目是LED的数目乘以它们相应尺寸(例如，乘以它们发射面积)、或乘以与它们相应尺寸成比例的因子。
本发明还讨论了相关方法、系统和制品。
从下面的具体实施方式中，本专利申请的这些方面以及其他方面将显而易见。然而，在任何情况下都不应当将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。
附图说明
图1为组合远程荧光粉LED和两个直接发射LED的宽带光源的示意性侧视图或剖视图；
图2a至图2d为展示可被用于给定远程荧光粉LED的一些不同颜色或波长组合的功能图；
图3为远程荧光粉LED的示意性透视图；
图4为组合若干远程荧光粉LED和若干直接发射LED的宽带光源的示意性透视图；
图5为组合若干远程荧光粉LED和若干直接发射LED的另一个宽带光源的示意性侧视图或剖视图；
图5a为用于图5的光源的远程荧光粉LED的示意性侧视图或剖视图；
图6为用于二向色反射器的光谱反射率的图；
图7为用于远程荧光粉LED的两种荧光粉材料的光谱特性的图；
图8、图9和图10为用于模拟宽带光源的光谱功率输出在根据与不同LED中的三组相关联的三个不同控制输出而受控时的图；以及
图9a和图10a分别为用于图9和图10的模拟宽带光源的在输出平面处观察到的颜色的CIE色度图。
在这些图中，类似的附图标号标明类似的元件。
具体实施方式
已经发现，具有特别有益的设计特征的宽带固态光源可通过将一个或多个远程荧光粉LED的光输出、一个或多个直接发射短波长(例如，蓝色)LED的光输出、和一个或多个直接发射长波长(例如，红色)LED的光输出组合来构造成。所得混合光源可具有稳健的固态设计，并且可有效地利用LED和荧光粉材料。具体地讲，这些光源被设计来提供在宽颜色范围内的宽带输出光，并且可高效地提供这种光，同时使系统中的LED的总数的高百分比或比例的LED通电。这些光源还可提供充分接近普朗克轨迹的输出颜色，使得这些输出颜色具有相应相关色温。光源可在一般照明应用中被用作灯泡，例如以提供具有不同色温或相关色温的白光，或可用于其它更多专门应用中。
在本申请中，“发光二极管”或“LED”是指发射光的二极管，不管发射的是可见光、紫外光、还是红外光，但在许多实际实施例中，发射光将具有在约340至650nm、或约400至650nm范围内的峰值波长。术语LED包括作为“LED”(不论是常规型还是超辐射型)销售的非相干的封闭或封装的半导体器件、以及相干半导体器件(例如激光二极管，包括但不限于垂直空腔表面发射激光器(VCSEL))。“LED晶粒”为LED最基本的形态，即经半导体加工方法制成的单个元件或芯片。例如，LED晶粒可由一种或多种III族元素的组合和一种或多种V族元素的组合形成(III-V半导体)。合适的III-V半导体材料的实例包括氮化物(如氮化镓)和磷化物(如磷化铟镓)。还可使用其它类型的III-V族材料以及元素周期表中其它族的无机材料。部件或芯片可以包括适合施加能量以向装置提供能量的电触点。该电触点的实例包括引线结合、卷带式自动接合(TAB)或倒装焊接。该元件或芯片的各个层和其它功能元件通常以晶片级形成，并且随后可将加工好的晶片切成单个元件，以生产多个LED晶粒。LED晶粒可被构造成用于表面安装、芯片直接贴装或其他已知的安装构型。一些封装的LED通过在LED晶粒和相关反射杯上方形成聚合物封壳而制成。LED可在若干基板之一上生长。例如，可在兰宝石、硅、和氮化镓上通过外延来生长GaN LED。就本专利申请的目的而言，“LED”还应视为包括通常称为OLED的有机发光二极管。
用于激发或“抽吸”单独的荧光粉材料的LED在本文中可被称为“泵LED”。荧光粉吸收由泵LED发射的光中的一些或全部，并将所吸收的能量中的一些再发射为斯托克斯频移(较长波长)荧光。就本申请的目的而言，荧光通常实质上是在可见波长范围内，并且来自泵LED的激发光通常是在可见光光谱的短波长端处或其附近(例如，蓝绿色、蓝色、或紫色)、或在近紫外区中。未被用于激发或抽吸单独的荧光粉材料的LED在本文中可被称为“非泵LED”或“直接发射”LED。如本文所用，术语“远程荧光粉LED”可指包括以下各项的子系统：至少一个泵LED；在结构上有效地与泵LED分开、但在光学上与其耦合的至少一个荧光粉层或荧光粉主体；和实质上将来自泵LED的光反射到荧光粉并实质上透射斯托克频移荧光的二向色反射器。优选地，这些部件被布置成使得激发光在不穿过荧光粉层的情况下从泵LED传播到二向色反射器。
图1以粗略的示意图形式示出示例性宽带固态光源110。源110包括远程荧光粉LED111、直接发射短波长LED 130a、直接发射长波长LED 130b、和透光性覆盖构件140。安装结构和其它部件(未示出)用于使标记部件相对于彼此保持在固定空间位置中，以便产生所需宽带输出光101。
覆盖构件140可由玻璃、塑料、或其它合适的透光性材料制成。覆盖构件140可呈球状物的形式，诸如在用于一般照明的常规灯泡中使用的已知球状物中的任何者。就这一点而言，覆盖构件140与远程荧光粉LED 111和直接发射LED 130a、130b之间的空间中的一些或实质上所有可为空气、或惰性气体、或真空。另选地，这种空间可部分或完全地用固体、液体、或其它有形的透光性材料填充。覆盖构件可由仅一层或仅一个光学元件来制成，或其可包括多个层或多个光学元件，例如封闭较小内部球状物的外部球状物。覆盖构件140可为“磨砂的”、即适于散射光，或其可为透明的、具有极少或没有光散射。该球状物还可附接到与常规照明固定装置相容的基座构件，例如，基座构件可为带螺纹的、或以其它方式适于与现有照明插座配合，并可具有电触点(按需)和合适电路以将住宅或商业性供电电压电平转化为与LED相容的电压和电流。源110还可耦合到使源110中的各种LED通电的控制系统(参见图1)，或这样的控制系统可被包括作为源110内的部件。
远程荧光粉LED 111为包括至少一个泵LED 112、至少一个荧光粉层114、和二向色反射器116的照明子系统。泵LED 112发射能够激发荧光粉的光113a。图中仅仅示出激发光113a的两条光线，但读者应理解，LED通常发射在宽广方向范围内(例如，以朗伯曲线分布)并且在一定波段范围内的激发光。激发光113a通常是在可见光光谱的短波长端处或其附近，或在近紫外区中。例如，激发光可具有在340至480nm或400至470nm的范围内、或在420nm或更小的波长处的峰值波长。虽然图中仅仅示出一个泵LED 112，但不止一个的泵LED 112可包括在给定远程荧光粉LED子系统中。激发光113a实质上由二向色反射器116反射为反射的激发光113b，但激发光中的一些可被二向色反射器透射。
远程荧光粉LED 111还包括荧光粉层114，荧光粉层114在结构上有效地与泵LED112分开、但在光学上与其耦合。荧光粉层114吸收入射的(反射的)激发光113b中的一些或全部，并将所吸收的能量中的一些再发射为较长波长的荧光115a。荧光115a通常由荧光粉材料在所有方向上发射，并且此光本身通常为宽带的，如下文进一步讨论。荧光115a中的一些朝向二向色反射器116传播。此类光实质上被反射器116透射以产生透射的荧光115b。在一些情况下，反射器116还可透射激发光113a中的一些(通常为较少的部分)。透射的荧光115b、以及来自泵LED 112的通过二向色反射器116而透射的任何光随后向前传播到覆盖构件140，在覆盖构件140处被透射为荧光115c，这种透射任选地以所需程度的雾度或散射进行(如图所示)。
在一些情况下，二向色反射器116可与透镜构件的外表面相符，透镜构件出于一般性而未在图1中示出，但在本文的其它附图中示出。二向色反射器116和透镜外表面(如果存在)可以具有凹形和/或弯曲形状，使得泵LED 112所发射的并由反射器116反射的光主要被导向到荧光粉层114上。二向色反射器可成形为在荧光粉层114处或在邻近它的位置处至少形成泵LED 112的近似图像，例如，以通过使照射在荧光粉层114上、和/或实际上由荧光粉层114吸收的反射的激发光的量最大化来使效率最大化。
二向色反射器有时也称为二向色镜或二向色滤波器。它们被设计成对于一些光波长具有高反射率和低透射率，并且对于其它光波长具有低反射率和高透射率。此类反射器通常至少对于可见波长、近红外波长和近紫外波长而言具有可忽略不计的吸收，使得未被反射的任何光实质上被透射，反之亦然。此类反射器包括光学薄微层的叠堆(通常为具有大折射率失配的材料的交替排列，诸如二氧化硅和二氧化钛的交替层)，但也可使用其它合适的无机材料或有机材料。此类反射器可通过如下方式来制备：将交替的层真空沉积在玻璃或其它合适的基板上，例如直接沉积在透镜构件的外表面上或沉积在可随后施加到这种表面的膜或基板上。另选地，可以通过连续工序制造合适的反射膜，该工序可以涉及共挤出交替的聚合物材料并拉伸所得的多层聚合物幅材，例如，如美国专利5,882,774(Jonza等人)和6,783,349(Neavin等人)中所述的。无论用于二向色反射器中的材料以及所用制造方法如何，该反射器均提供有用于微层叠堆的层厚度分布，该厚度分布受到调控以提供随波长而变化的所需反射特性。该厚度分布可受到调控，以提供如下的二向色反射器：这个二向色反射器可被用作例如长通滤波器或陷波滤波器，由此使得相对长波长的荧光在一定的入射角范围内实质上被透射，并且相对短波长的LED激发光主要被反射。二向色反射器可例如对荧光具有至少50％、或至少60％、或至少70％的透射率。在一些情况下，二向色反射器可实质上反射蓝色的可见光并且实质上透射黄色的可见光。在一些情况下，二向色反射器可为或可包括多层反射镜膜、反射型偏振器、和/或部分偏振型反射器(诸如，在给定波长下，不同地反射正交偏振态的反射镜)。
二向色反射器的反射和透射特性通常随照射在反射器上的光的入射角的改变而改变。例如，相比于垂直入射在反射器上的LED光线而言，二向色反射器116可对于斜射在反射器上的LED光线具有更大的透射率。这个特性可被用来产生远程荧光粉固态光源，该固态光源的输出颜色可通过控制布置在透镜组件下方的多个LED的相对驱动强度来调节，如共同转让的PCT公开No.WO 2012/091973中更全面地讨论。
荧光粉层114包含一种或多种合适的荧光粉材料，该荧光粉材料发荧光或换句话讲发射相对于所吸收的LED光进行斯托克斯频移的光。荧光粉材料优选地吸收波长范围与LED的发射光谱重叠的光，使得LED可激发荧光粉并导致其发荧光或换句话讲发射荧光。在许多情况下，给定的荧光粉材料可吸收电磁波谱的紫外光、蓝光、和/或蓝绿光部分中的光，并且可发射可见光区域或近可见光区域中的光。所发射的荧光通常为宽带的，例如其可具有至少100纳米的光谱宽度。宽带荧光可分布在连续的宽带中，或者其可具有尖峰分布(如就一组间隔开的狭窄发射线而言)，或者其可为狭窄发射线和连续宽带的组合。示例性荧光粉材料包括已知的荧光染料和荧光粉。铈掺杂钇铝石榴石(Ce:YAG)为可使用的荧光粉的一个实例。其它稀土掺杂石榴石或其它稀土掺杂材料(例如，铕和/或锶掺杂硅酸盐、氮化物、和铝酸盐)也可为合适的，这取决于光源的设计细节和约束。合适的荧光粉材料可包括有机和无机荧光或磷光材料，诸如掺杂的无机氧化物或氮化物、量子点、和半导体(包括II-VI和III-V材料)。
本文所公开的荧光粉层可为或可包括透光性粘结剂或基质材料层，在该层中，以所需浓度分散有一种或多种类型的荧光颗粒，例如，稀土掺杂石榴石或本文所提及的其它荧光材料。粘结剂或基质材料可为有机或无机的。硅氧烷是合适的粘结剂材料的一个实例。另选地，陶瓷可用作粘结剂材料。使用陶瓷的优点是比诸如硅氧烷的材料实质上更大的导热率。更大的导热率提供了整体具有更大的导热率的荧光粉层，其可与散热器结合使用，以将荧光粉层维持在较低操作温度下，从而提高效率。
在一些情况下，荧光粉层114可为或可包括图案化荧光粉。图案化荧光粉可以包括不同发射带的两种或更多种荧光粉。荧光粉层114还可为或还可包括在空间上彼此分开的多种图案化荧光粉。这些图案可包括各自具有形成为条纹、光栅图案、或任何其它对准图案的一种颜色的奇异区域。在一个实例中，荧光粉层114可以包括第一绿色荧光粉部分/图案、和第二红色荧光粉部分/图案。由于这些荧光粉部分是分开的，因此可减少再吸收或斯托克频移相关的效率损失。这些部分/图案可由设置在不同的荧光粉图案之间的空间或结构诸如壁而分开。图案化可通过常规程序诸如喷墨印刷完成。另选地，不同的荧光粉层部分/图案在某些区域中可接触或重叠。
远程荧光粉LED 111还可包括在荧光粉层114下方或后方的宽带反射器(图1中未示出)。在到达宽带反射器之前，至少一些激发光可穿过荧光粉层114。宽带反射器优选对LED激发光和较长波长荧光两者具有高反射率。荧光粉层对LED光的透明或透射程度可受到调控以增加照明系统的宽带光输出。实际上能够通过减少用于荧光粉层中的荧光粉量来实现这种增加。荧光粉层对LED光的单程透射率可为30％至65％，并且宽带反射器的反射率可为至少90％、94％、或98％。另外细节在共同转让的PCT专利公开No.WO 2012/091975中提供。
除了远程荧光粉LED 111之外，源110还包括直接发射短波长LED 130a和直接发射长波长LED 130b。我们将LEDs 130a、130b称为是直接发射的，因为这些LED发射的光133a、135a主要并不用于抽吸荧光粉层。相反，这种LED光133a、135a在实质上不被任何二向色反射器(包括二向色反射器116)反射的情况下从相应的LED 130a、130b传播到覆盖构件140。在图1中，这是因为如下事实而发生的：LED 130a、130b被定位成使得它们显著量的发射光133a、135a照射在二向色反射器116、或任何其它二向色反射器上。需注意，LED通常发射在宽广的角范围内的光，并且因此，根据二向色反射器116和荧光粉层114的设计细节以及它们相对于LED 130a、130b的取向，少量LED光133a、135b可照射在二向色反射器116和荧光粉层114上并且产生非常少量的荧光。然而，LED 130a、130b可被称为非泵LED或直接发射LED，因为它们相应发射LED光的实质上大部分在实质上不被任何二向色反射器反射并且在任何单独的荧光粉材料中不产生显著荧光的情况下从LED(130a或130b)传播到覆盖构件140。
只要二向色反射器实质上透射、而非反射这种LED光，即使LED发射的光中的大部分或全部照射在二向色反射器上，LED也可称为非泵或直接发射LED。例如，图1的光源110可修改成使得直接发射长波长LED 130b被定位成靠近泵LED 112和荧光粉层114、位于二向色反射器116下方或后方，使得其发射的长波长光135a中的大部分或全部被该二向色反射器116拦截。在这种改进的光源中，只要二向色反射器116实质上透射、而非反射那个长波长光，LED 130b仍将被认为是直接发射LED。优选地，二向色反射器反射直接发射LED发射的光的总量的小于20％、或小于10％、或小于5％、或小于1％。因为二向色反射器中的吸收通常忽略不计，所以这些值分别对应于多于80％、或多于90％、或多于95％、或多于99％的穿过二向色反射器的透射。
类似于透射的荧光115b，LED光133a、135b向前传播到覆盖构件140，在覆盖构件140处，该光被透射为透射的LED光133b、135b，这种透射任选地以所需程度的雾度或散射进行(如图所示)。透射的LED光133b、135b、透射的荧光115c、以及透射穿过二向色反射器116和覆盖构件140的任何激发光组合以产生源110的宽带输出光101。输出光101在图中被示意性地示出为单箭头，但读者应理解，输出光101可被分布在宽广方向范围内，例如，以郎伯曲线或近郎伯曲线分布。输出光101可或可不围绕源110的光轴例如平行于笛卡尔x-y-z坐标系的z轴对称。透射的荧光115c的光谱分布不同于透射的LED光133b的光谱分布，透射的LED光133b的光谱分布继而又不同于透射的LED光135b的光谱分布，并且因为这些光组分组合在输出光101中，所以输出光101通常具有大于这些光组分中的任一个的各自光谱分布的光谱分布。
因此，输出光101是宽带的，例如其可具有至少100、或150、或200、或250纳米的光谱宽度。输出光101在光谱上可分布在连续的宽带中，或者其可具有尖峰分布(如就一组间隔开的狭窄发射线而言)，或者其可为狭窄发射线和连续宽带的组合。由CIE x颜色坐标和CIE y颜色坐标构成的CIE色度坐标表征数学上定义的色带间隔，该色带间隔由Commissioninternational de l’eclairage)(“CIE”，或International Commission onIllumination(国际照明委员会))在1931年研发。x颜色坐标和y颜色坐标不应与关联物理位置或位移的x坐标和y坐标混淆。不同于物理坐标，(x,y)色度坐标为无量纲的。色度坐标可便利地用于定量地描述或定义颜色和色差。例如，就本申请的目的而言，可将白光定义为CIE颜色坐标(x,y)满足0.25≤x≤0.45和0.25≤y≤0.45的光，其中在该定义区域内的不同点对应于白光的不同色泽或色调，例如暖(带红色的)白色对冷(带蓝色的)白色。通过适当选择光源110中的各种LED的光谱含量(颜色)(包括选择远程荧光粉LED中的荧光粉)和适当选择使得LED中的哪个“接通”或通电，可使输出光101对于普通的观察者而言具有实质上白色的颜色。优选地，还可选择提供这样的输出光101，该输出光具有位于公知的普朗克轨迹上或其附近的白色以及非白色颜色，或甚至具有不位于普朗克轨迹附近的非白色颜色。普朗克轨迹是表示理想黑体发射器的颜色的CIE色度图上的曲线，这种发射器的颜色仅取决于该黑体的温度。充分接近普朗克轨迹的颜色(包括位于普朗克轨迹上的颜色)可由相关色温表征。如果颜色精确位于普朗克轨迹上，那么它的相关色温可以说是等于色温，即，具有相同颜色的黑体的温度(以开尔文的绝对温度单位来表达)。
为了提供宽带输出光101的宽广可用颜色范围，直接发射LED 130a、130b优选被选择以发射在可见光谱的相对两端处的光。因此，LED 130a优选发射相对较短波长的可见光，例如在光谱的蓝色区域中或其附近的光，并且LED 130b优选发射相对较长波长的可见光，例如在光谱的红色区域中或其附近的光。LED 130a可例如具有在400至500nm、或420至480nm、或445至500nm范围内的峰值输出波长，并且LED 130b可具有在600至700nm、或600至650nm范围内的峰值输出波长。远程荧光粉LED 111的设计还可通过使远程荧光粉LED 111的照明子系统发射的蓝光的量最小化而有助于加宽输出光的可用颜色范围。就这一点而言，LED 112和二向色反射器116的设计细节可易于选择以使得远程荧光粉LED 111发射比从另选的子系统发射的蓝光实质上少的蓝光，在另选的子系统中，荧光粉层被涂覆到蓝光发射泵LED晶粒上、或覆盖蓝光发射泵LED晶粒。这是因为在后者情况下，荧光粉层无法被制造得如此厚或光学致密以致来自泵LED的蓝光极少透射或不透射，而且还实质上不降解或减少荧光粉层所发射的荧光的量。然而，尽管涂覆有荧光粉的LED子系统具有这种缺陷，但如果需要的话，也可将此类子系统结合到光源110中。远程荧光粉LED 111的照明子系统发射的蓝光还可通过选择主要以短于约420nm的波长发射的泵LED例如峰值波长小于约420nm的泵LED来减少。
图1将光源110示出为具有仅一个远程荧光粉LED 111和仅一个直接发射短波长LED 130a、以及仅一个直接发射长波长LED 130b，总计3个LED。然而，在许多情况下，希望提供具有多于3个LED的光源110。例如，可包括更多的远程荧光粉LED、和/或更多的直接发射短波长LED、和/或更多的直接发射长波长LED。一般来讲，光源110可具有总数为N的LED，其中数目N可包括N1个泵LED(每个这种泵LED被构造为远程荧光粉LED)、和N2个直接发射短波长LED、以及N3个直接发射长波长LED，并且其中N1、N2、和N3全部大于零。在示例性实施例中，N1可为至少2，并可存在多个远程荧光粉LED，并且N1可大于N2和N3的总和。在光源中除了N1个泵LED(被构造为远程荧光粉LED)、N2个直接发射短波长LED、和N3个直接发射长波长LED之外而不包括其它LED的实施例中，N为等于N1+N2+N3。然而，在一些实施例中，诸如在还包括未构造为远程荧光粉LED的一个或多个另外泵LED的实施例中，N为大于N1+N2+N3。
与全被硬接线在一起相反，N个LED优选被接线以用于独立的电控制。以此方式，控制系统(参见图1)可单独地或以子组形式来连接至LED，使得N个LED的不同所选择组可在不同时间通电，并且通电LED的组可选择为使得输出光101的颜色通过控制系统的操作而随时间的改变而改变。已经发现，可实现实质上的色移或色差，例如以CIE色度单位计至少0.2的色差、和/或至少4000或5000开尔文的相关色温的差值，同时还以高效率来操作光源110，如按系统中的总数为N的LED中由控制系统通电的百分比或比例所测量的。具体地讲，所提及的色差可在使总数为N的LED的多于一半、或至少60％、或至少70％通电时实现。此外，在至少一些情况下，所提及的色差可在使所有N1个泵LED通电时实现。
此外，通过将直接发射LED和远程荧光粉LED组合到一个光源中，光源可比仅使用远程荧光粉LED、或仅使用直接发射LED的情况更有效地提供其宽带输出光(例如，白光)。LED技术和荧光粉技术已一直在发展并将继续发展。对于现有或稍后发展的技术，可最有效的是：利用直接发射LED而非远程荧光粉LED来产生具有特定波长带或颜色的光(例如，红光和蓝光)；以及利用远程荧光粉LED(例如与发绿光的荧光粉组合来使用高效率的蓝色或UV泵LED)而非直接发射LED来产生具有不同特定波长带或颜色的光(例如，绿光)。通过将宽带(例如，白色)输出光的构成组分(颜色)的最有效产生器组合在单个光源中，该源的总效率可被最大化或最优化。
现在转向图2a-2d和图3，与这些图结合提供与合适的远程荧光粉LED相关的另外信息。还参考了以下共同转让的PCT申请：PCT公开WO 2012/091971(Ouderkirk等人)；WO2012/091973；WO 2013/055412；和WO 2012/091975，这些申请描述了可用于或易于适用于本发明所公开的光源的各种类型的远程荧光粉LED。
在图2a至图2d中示意性地示出可被用于给定远程荧光粉LED的若干不同的颜色或波长组合。这些图和对它们的描述应视为是示例性的而非限制性的。在图2a中，远程荧光粉LED 211a包括发射可见蓝色激发光的泵LED 212a，大部分的蓝色激发光由二向色反射器216a反射并且优选成像到荧光粉层214a上。荧光粉层发射具有特定颜色(例如，黄色)的荧光。黄色仅为示例性的，并且也可使用具有各颜色的其它荧光。黄色荧光实质上被二向色反射器216a透射。在该实施例中，假设二向色反射器对来自泵LED 212a的激发光具有显著的透射率。虽然透射率可为显著的，但其通常为小于50％，例如，小于40％、30％、20％、或10％，并且对激发光的反射率通常为大于50％，例如，至少60％、70％、80％、或90％。在任何情况下，蓝色激发光中的一些透射穿过二向色反射器216a，并与黄色荧光组合以为远程荧光粉LED 211a提供白色光输出。如果黄色荧光由不同颜色的荧光替代，那么远程荧光粉LED211a的输出将具有非白色的颜色。
在图2b中，远程荧光粉LED 211b包括发射可见蓝色激发光的泵LED 212b，蓝色激发光中的大部分或全部由二向色反射器216b反射并且优选成像到荧光粉层214b上。荧光粉层发射具有特定颜色(例如，黄色)的荧光。黄色仅为示例性的，并且也可使用具有各颜色的其它荧光。黄色荧光实质上被二向色反射器216b透射。在该实施例中，假设二向色反射器对来自泵LED 212b的激发光具有极少透射或无透射。因此，极少或无蓝色激发光透射穿过二向色反射器216b。黄色荧光单独提供远程荧光粉LED 211b的光输出。如果黄色荧光由具有不同颜色的荧光替代，那么远程荧光粉LED 211b的输出将具有这种不同颜色的输出。
在图2c中，远程荧光粉LED 211c包括发射紫外(UV)激发光的泵LED 212c，UV激发光中的大部分或全部由二向色反射器216c反射并且优选成像到荧光粉层214c上。荧光粉层发射白色荧光。白色荧光实质上被二向色反射器216c透射。在该实施例中，假设二向色反射器对来自泵LED 212c的激发光具有极少透射或无透射。因此，极少或无UV激发光透射穿过二向色反射器216c。白色荧光单独提供远程荧光粉LED 211c的光输出。
图2d示出类似于图2c的远程荧光粉LED的远程荧光粉LED 211d，不同的是，荧光粉层发射具有特定非白色颜色(例如，黄色)的光。因此，远程荧光粉LED 211d包括发射UV激发光的泵LED 212d，UV激发光中的大部分或全部由二向色反射器216d反射并且优选成像到荧光粉层214d上。荧光粉层发射具有特定非白色颜色(例如，黄色)的荧光。黄色仅为示例性的，并且也可使用具有各颜色的其它荧光。黄色荧光实质上被二向色反射器216d透射。在该实施例中，假设二向色反射器对来自泵LED 212d的激发光具有极少透射或无透射。因此，极少或无UV激发光透射穿过二向色反射器216d。黄色荧光单独提供远程荧光粉LED 211d的光输出。如果黄色荧光由具有不同颜色的荧光替代，那么远程荧光粉LED 211d的输出将具有这种不同颜色的输出。
可适用于本发明所公开的实施例的一些远程荧光粉可见于上文引用的PCT公开No.WO 2012/091973。在‘973公开中，远程荧光粉LED是宽带光源，其中荧光粉层由来自多个LED的光激发。二向色反射器将来自LED的光反射到荧光粉层上。第一LED和第二LED分别产生源的宽带输出光的第一宽带部分和第二宽带部分，每个这种宽带部分为宽带白色和标称白色。该装置的部件被构造并布置成使得第一宽带光部分和第二宽带光部分具有不同的CIE颜色坐标。这些部分相组合而产生源的总宽带光输出的所得颜色，这种所得颜色随第一宽带光部分和第二宽带光部分的相对量而变化。开环或闭环控制器能够独立地驱动LED以提供宽带光部分的所需混合，使得总宽带光输出具有位于所需设计空间中的颜色。
图3中示意性地示出可适用于本发明所公开的实施例中的另一个远程荧光粉LED，该远程荧光粉LED的另外细节可见于上文引用的PCT公开No.WO 2012/091971。在图3中，远程荧光粉LED 311、在本文中也被称为子系统311，在笛卡尔x-y-z坐标系的上下文中示出。子系统311包括设置在基板318上的蓝光发射LED 312，该基板还具有在其上的荧光粉层314，荧光粉层314在暴露于来自LED的蓝光时发射较长波长的可见光。LED 312可由引线键合320而连接到导电迹线。
子系统311还包括二向色反射器316，该二向色反射器316具有开口朝向并且包绕LED和荧光粉层314的凸面形状。反射器316的曲率的中心被标记为点319。LED 312被定位成相对靠近点319，荧光粉层314也同样地定位。荧光粉层314可大于LED 312，例如，荧光粉层可具有比泵LED的表面积更大的表面积，如图所示。
LED 312发射的蓝光313a被二向色反射器316部分反射以产生反射的LED光313b，并且被部分透射以产生透射的LED光313c。反射的LED光313b被导向到荧光粉层314上以激发荧光粉并使得荧光粉层发射较长波长的光315a。此较长波长的光被二向色反射器316高度地透射以产生荧光315b。透射的光313c和透射的光315b在空间上组合，从而提供用于子系统源311的宽带输出光，诸如白光。内部空间317可包括包封LED和荧光粉的合适透光性玻璃或聚合物材料，并且可将二向色反射器施加到这种包封物的外表面。另选地，内部空间317可为未填充的。
在子系统311中，基板318优选为薄的，以便提供柔性、相对下面散热器(未示出)的较高导热性(和较低热阻)、和空间节省。尽管基板318大体上为薄的，但有利的是将其模制、蚀刻、或换句话讲成形为腔体区域321a比邻近或相邻区域321b甚至更薄，这些区域被示出为由斜面过渡区域隔开。在腔体区域中比在相邻区域中提供甚至更大的导热性的减缩厚度有利地与形成基板的一部分的介质层318a的减缩厚度相关联。在该图中，介质层318a被示出为在相邻区域321b中具有厚度T1，并且在腔体区域321a中具有较小的厚度T2。导电层318b设置在介质层318a的顶部，该导电层318b可根据需要进行图案化，以向LED提供电力。与层318b相比，导热层318c设置在介质层的相对主表面上。在一些情况下，层318b、318c可由相同材料(例如，铜)构成，而在其它情况下可使用不同材料。因此，导电层318b也可为导热的，并且导热层318c也可为导电的。优选地，例如使用合适的热界面材料将导热层318c粘合到合适的散热器。
基板318的减薄区域优选与介质层318a的对应减薄区域相关联，介质层318a在许多情况下为基板的关键结构部件。合适的介质层包括聚酯、聚碳酸酯、液晶聚合物、和聚酰亚胺。合适的聚酰亚胺包括可以商品名KAPTON购自杜邦公司(DuPont)、以APICAL购自钟渊德克萨斯公司(Kaneka Texas corporation)、以SKC Kolon PI购自韩国可隆塑胶股份有限公司(SKC Kolon PI Inc.)、以及以UPILEX和UPISEL购自宇部兴产株式会社(UbeIndustries)的那些。以商品名UPILEX S、UPILEX SN、和UPISEL VT购自日本的宇部兴产株式会社(Ube Industries)的聚酰亚胺在许多应用中为尤其有利的。这些聚酰亚胺由诸如联苯四羧酸二酐(BPDA)和苯二胺(PDA)的单体制成。
可在腔体区域中使用任何合适的方法(诸如化学蚀刻、等离子体蚀刻、聚焦离子束蚀刻、激光烧蚀、和冲孔)来减薄介质层318a。就蚀刻而言，可使用任何合适的蚀刻剂，并且优选的蚀刻剂可取决于用于介质层中的材料。合适的刻蚀剂可包括：碱金属盐，例如氢氧化钾；具有增溶剂(例如，胺)和醇类(诸如乙二醇)中的一者或二者的碱金属盐。合适的化学蚀刻剂可包括KOH/乙醇胺/乙二醇蚀刻剂，诸如美国专利公开US 2007/0120089(Mao等人)中更详细地描述的那些，该专利以引用方式并入本文。其它合适的化学蚀刻剂可包括KOH/甘氨酸蚀刻剂，诸如共同转让的PCT公开No.WO 2012/061010中更详细地描述的那些，该专利以引用方式并入本文。在蚀刻之后，可利用碱性KOH/高锰酸钾(PPM)溶液(例如，约0.7重量％至约1.0重量％的KOH和约3重量的％的KMnO4溶液)来处理介质层。介质层可在一侧或两侧覆盖有传导层，例如，图3的层318b和318c。传导层可由任何合适的导电和/或导热材料构成，但通常包含铜。如果传导层要形成电路，那么它们可根据需要进行预图案化。在一些情况下，柔性基板可具有多层构造，其包括呈堆叠排列的介电材料和传导材料的多个层。
所用减薄工序的类型可影响在腔体区域和相邻区域之间的过渡、以及过渡区域中的介质层和其它层的侧壁的特性。化学蚀刻可用于制备相对较浅的侧壁，例如从柔性基板的平面测量具有约5至60度范围内、或者约25至28度范围内的典型侧壁角度。诸如冲孔、等离子体蚀刻、聚焦离子束蚀刻、和激光烧蚀之类的其它技术可制备陡得多的侧壁，例如壁角至多达约90度。在一些情况下，诸如在利用冲孔时，可形成完全穿过介质层的孔。在此类情况下，柔性基板的其它层诸如传导层318b和/或318c可用于为腔体区域中的LED和/或荧光粉层提供物理载体。
在示例性实施例中，腔体区域321a中的介质层比相邻区域321b中的介质层显著更薄，以增加远离LED和/或荧光粉层的热传导并且将这些部件保持在较低工作温度下。例如，厚度T2可为T1的约5％至25％。此外，T2可为大于零但不超过10微米，而T1可为至少20微米。在示例性实施例中，T1可为不超过200微米。除了增加热传导之外，腔体区域的减薄特性还可提供其它优点，诸如形成可利用反射性材料涂布以提供增强效率的倾斜侧壁。另外，通过将LED和/或荧光粉层附接到减薄腔体区域中的基板，这些部件不延伸到柔性基板的平面上方那么高，从而产生较好地适用于小形状因数应用的薄型装置。
提醒读者，上述远程荧光粉LED以及本文其它地方所描述的那些均为示例性的，并且具有其它设计和特性的远程荧光粉LED也可用于本发明所公开的宽带光源。
在图4中示意性地示出一个此类宽带光源410。此光源410组合若干远程荧光粉LED411a、411b、411c、411d、以及若干直接发射LED 430a、430b、430c，这些直接发射LED中的至少一个是直接发射短波长LED并且至少一个是直接发射长波长LED。这些部件中的一些或全部可穿过一个或多个中间层或中间元件直接或间接地附接到支承基部402。透光性球状物或其它覆盖构件440可直接或间接地附接到基部402，以密封或换句话讲包封远程荧光粉LED和直接发射LED。
远程荧光粉LED 411a、411b、411c、411d中的每一个可与图1的远程荧光粉LED 111相同或类似，或与本文公开的其它远程荧光粉LED类似。为了简单起见，图4的每个远程荧光粉LED被示出为具有恰好一个泵LED(参见元件412a、412b、412c、412d)、和恰好一个荧光粉层(参见元件414a、414b、414c、414d)、以及凹面二向色反射器(参见元件416a、416b、416c、416d)。然而，图4所示远程荧光粉LED中的一个、一些、或所有也可使用更多泵LED、和/或更多和/或不同构造的荧光粉层。该图示出四个远程荧光粉LED，但也可使用其它数目的远程荧光粉LED，包括仅1个、或2个、或3个、或不止4个。当使用不止一个远程荧光粉LED时，它们可设计成彼此相同或类似的，或它们可具有不同设计，例如，具有不同数目的泵LED、和/或不同LED类型(例如，颜色或波长)、和/或不同数目的荧光粉层、和/或不同的荧光粉层厚度、和/或不同的荧光粉类型、和/或不同二向色反射器，使得它们单独地提供不同的输出光。远程荧光粉LED可相对于光源410的中心点或光轴对称布置，或它们可不对称地和/或不规则地布置。
直接发射LED 430a、430b、430c中的至少一个、和任选两个可与图1的直接发射短波长LED 130a相同或类似，并且直接发射LED 430a、430b、430c中的至少一个、和任选两个可与图1的直接发射长波长LED 130b相同或类似。该图示出三个直接发射LED，但可使用其它数目的直接发射LED，包括仅2个、或4个、或不止4个。当使用不止两个直接发射LED时，它们中的任何两个可设计成彼此相同或类似，或所有的直接发射LED可具有不同的设计，例如不同光谱分布(包括不同光谱宽度，例如，如由半极大处全宽度(FWHM)所测量)、和/或不同的峰值波长或颜色、和/或不同输出功率，使得它们单独地提供不同的输出光。直接发射LED可相对于光源410的中心点或光轴对称布置，或它们可不对称地和/或不规则地布置。
覆盖构件440可与图1的覆盖构件140相同或类似，或与本文公开的其它覆盖构件类似。
基部402可与本文所公开的其它基部相同或类似。例如，基部402可与常规照明固定装置相容，并可具有电触点(按需)和合适电路以将输入电力转化为与LED相容的电压和电流。优选地，基部402包括反射表面402a，直接发射LED和远程荧光粉LED安装在反射表面402a上。合适的反射器包括：铝、银或其它合适金属的层或涂层；和/或用于增强反射率的介电材料，诸如多层有机或无机的薄膜叠堆；和/或着色层，诸如二氧化钛填充的树脂层。基部402还优选地具有良好导热率和散热特性，使得各种LED和荧光粉层在光源410操作期间不变得过热。过量热量可能减少此类部件的效率和寿命。源410还可包括或耦合到控制系统(参见图1)，该控制系统适于选择性地使得源410中的各种LED通电。
在源410中，来自远程荧光粉LED的光、和来自各种直接发射LED的光被覆盖构件440透射，并组合以为源提供宽带输出光，如例如结合图1所讨论。在一个示例性实施例中，LED 430c可发射例如具有在600至700nm、或600至650nm范围内的峰值波长的红光，并且LED430a、430b可发射例如具有在400至500nm、或420至480nm、或445至500nm范围内的峰值波长的蓝光，并且四个远程荧光粉LED中的每一个可使用蓝色或UV泵LED并可发射黄色荧光。如果所有7个LED完全通电(四个泵LED 412a、412b、412c、412d和三个直接发射LED 430a、430b、430c)，那么光源410的宽带输出光可为实质上白色的。然而，如果直接发射红光的LED430c被“关闭”以使得仅这些LED中的6个是完全通电的，那么该宽带输出光可为带有蓝色色调的冷白色颜色。另选地，如果直接发射蓝光的LED 430a、430b被“关闭”以使得仅该LED中的5个是完全通电的，那么宽带输出光可为带有红色色调的暖白色颜色。
在其它实施例中，可使用具有标称地相同的颜色(例如，蓝色或红色)、但具有不同峰值波长的多个直接发射LED来增加源的宽带光输出的显色指数(CRI)和/或色品质度(CQS)、以及发光功效。例如，可以使用各自发射蓝光、但具有不同峰值波长的两个直接发射LED、和/或各自发射红光、但具有不同峰值波长的两个直接发射LED。峰值波长的差值可为例如至少5或10nm，但小于50或40nm。例如，一个直接发射蓝光的LED可具有445nm的峰值波长，并且另一个直接发射蓝光的LED可具有480nm的峰值波长。
在图5中以侧视图或剖视图形式示意性地示出另一个宽带光源510。此光源510组合若干远程荧光粉LED 511a、511b和若干直接发射LED 530a、530b。这些部件中的一些或全部可穿过一个或多个中间层或中间元件直接或间接地附接到支承基部502。透光性球状物或其它覆盖构件540可直接或间接地附接到基部502，以密封或换句话讲包封远程荧光粉LED和直接发射LED。源510被示出为具有对称轴或光轴504。
远程荧光粉LED 511a、511b可类似于图4的远程荧光粉LED，不同的是荧光粉层布置，这在图5a中更详细地示出。图5的每个远程荧光粉LED被示出为具有恰好一个泵LED(参见元件512a、512b)、和特定荧光粉层布置(参见元件514a、514b)、以及凹面二向色反射器(参见元件516a、516b)。然而，图5所示远程荧光粉LED中的一个或两个也可使用更多泵LED、和/或更多和/或不同构造的荧光粉层。图5的侧视图中示出了两个远程荧光粉LED，但源510可具有如例如图4中布置的总计4个远程荧光粉LED，或可将源510修改成具有其它数目的远程荧光粉LED，诸如仅1个、或3个或5个、或更多个。在图5的侧视图中，远程荧光粉LED 511a、511b被示出为相对于源510的对称轴或光轴541对称定位。在其它实施例中，远程荧光粉LED不必对称定位。当使用不止一个远程荧光粉LED时，它们可为彼此相同或不同的，如上文所讨论。
在直接发射LED 530a、630b中，一个是短波长(例如，蓝光)发射LED，另一个是长波长(例如，红光)发射LED，如结合图4的直接发射LED 430a、430b、430c所述。该图示出两个直接发射LED，但可使用其它数目的直接发射LED，包括3个、或4个、或不止4个。当使用不止两个直接发射LED时，它们中的任何两个可以是相同的，或它们可全都彼此不同，如上文所讨论。在图5的侧视图中，LED 530a、530b被示出为相对于光轴541对称定位。在其它实施例中，直接发射LED不必对称定位。
覆盖构件540可与图4的覆盖构件440相同或类似，并且基部502可与图4的基部402相同或类似。
在源510中，来自远程荧光粉LED 511a、511b的光、和来自直接发射LED 530a、530b的光(在所有LED均由控制系统通电的情况下)被覆盖构件540透射，并组合以为源提供宽带输出光，如例如结合图4所讨论。在一个示例性实施例中，LED 530a发射例如具有在600至700nm或600至650nm范围内的峰值波长的红光，并且LED530b发射例如具有在400至500nm、或420至480nm、或445至500nm范围内的峰值波长的蓝光，并且两个远程荧光粉LED中的每一个可使用蓝色或UV泵LED并可发射黄色荧光。在所有LED通电时，光源510的宽带输出光在这种情况下可为实质上白色的。
图5a是远程荧光粉LED 511的示意性侧视图或剖视图，远程荧光粉LED 511可与图5所示远程荧光粉LED 511a、511b中的一个或两个相同。在图5a中，远程荧光粉LED 511具有泵LED 512、荧光粉层514、和二向色反射器516。二向色反射器516覆盖平凸透镜或主体519的整个外曲面，但在其它实施例中，可使二向色反射器仅仅覆盖该外曲面的一部分。反射器516相对于LED 512和荧光粉层514是凹面的。二向色反射器516还覆盖了LED 512和荧光粉层514两者。主体519具有限定远程荧光粉LED 511的光轴521的对称轴。主体519的外曲面是曲率中心设置在点520处的球体的一部分。泵LED 512被定位在点520附近，但沿y方向与点520间隔开。以此方式定位，并且由于反射器516的凹面形状，该反射器516将来自LED 512的激发光近似地成像到荧光粉层514在点520的背对侧上的一部分上，即从图5a的视角来看，成像到点520的左侧。
荧光粉层514分成两个较薄荧光粉层517、518，两个荧光粉层可由不同的荧光粉材料构成。一般来讲，荧光粉层可具有各种各样的构造，并且可在不同的层、区、或图案化区域中包含相同或不同的荧光粉材料。在一个示例性实施例中，上部荧光粉层518发射红色荧光，并且下部荧光粉层517发射绿色荧光。可例如为光学粘合剂层的透明的透光性层515将荧光粉层514(更具体地讲，上部荧光粉层518)与主体519的平坦表面分开。泵LED 512的上部发射主表面513可设置在层515内，如图所示。
基部503可与图5中的基部502相同，或基部503可为用于远程荧光粉LED 511的制造的不同支承基板，该基部503随后被粘附、粘合、或以其它方式附接到图5的基部502。基部503优选具有良好的导热率，以从LED 512并从荧光粉层514提取热量。基部503可包括连接至泵LED以允许对其进行电控制的电触点或迹线(未示出)。基部503还优选地具有面向荧光粉层514和泵LED 512的反射表面501，使得到达远程荧光粉LED的背部并且将被吸收或以其它方式损失的激发光和荧光可朝远程荧光粉LED的前部重新导向，以提高远程荧光粉LED511的效率和光输出。
本发明公开的宽带光源中的任一个可包括合适的控制系统，或它们可适于使得它们可附接或者说耦合到合适的控制系统。在各种功能中，控制系统可具有的一个功能是通过选择性地驱动包括在光源中的各种LED或使这些LED通电来控制光源的宽带输出光的颜色。另一个功能是控制光源的亮度。控制系统优选能够提供至少第一控制输出和第二控制输出，这两个控制输出分别对应于使第一组LED通电以提供第一输出颜色和使第二组LED通电以提供第二输出颜色，第一输出颜色和第二输出颜色以CIE色度单位计相差至少0.2、和/或在相关色温上相差至少4000或5000开尔文。优选地，LED中的第一组和第二组各自包括LED的总数的超过一半、或至少60％或至少70％。当然，控制系统也可根据其它控制输出驱动光源，并可通过一个或多个中间控制输出(包括例如经由逐渐且连续地从第一控制输出变化到第二控制输出的输出)从第一控制输出过渡到第二控制输出、或反之亦然，或控制系统可在具有或不具有中间控制输出的情况下数字地或不连续地从第一控制输出过渡到第二控制输出。在任何给定时间上，控制系统可以连续方式或以调制方式例如使用具有可变振幅、持续时间(时间宽度)、重复率和占空比的电流或电压脉冲来驱动通电的LED中的任何一个或所有。优选地，任何调制LED的重复率高至足以使得调制不能被人眼察觉，使得来自光源的照明被使用者察觉为随时间而实质上稳定或连续的。不同控制输出(包括与第一输出颜色和第二输出颜色相关联的两个控制输出)之间的过渡可为逐渐且连续的，其方式为逐渐改变包括在LED中的第一组和/或第二组中的各个LED的占空比或其它工作条件。
控制系统可根据任何所需定时方案来改变光源颜色。例如，控制系统可被编程为根据一天中的时间和/或一年中的时间并且基于光源安装的地点或位置(如例如通过经度和纬度或其它全球坐标所限定，该坐标值还可被存储和/或编程到控制系统中)来改变光源的颜色，例如以模仿在该地点处的太阳或天空的颜色特性，或以提供在颜色和一天中的时间之间的另一种所需功能关系。控制系统可被编程为以这样的方式来改变输出光的颜色：该方式对人体(针对光源的使用者而言)的生理节奏具有有益影响。对于人类而言，日间过少蓝光可对季节性的情感失调有影响，并且夜间过多蓝光可对例如睡眠的持续时间和质量有影响。因此，可对控制系统进行编程以控制光源，使得第一输出颜色具有比第二输出颜色更大的蓝色含量(例如，它可具有更小CIE x坐标值)，并且第二输出颜色具有比第一输出颜色更大的红色含量(例如，它可具有更大的CIE x坐标值)，并且第一输出颜色是在(当地时间)日间提供，并且第二输出颜色是在夜间(当地时间)提供。控制系统可基于该控制系统从一个或多个装置或元件接收到的信息来控制光源，这些装置或元件包括：物理模拟输入；触摸屏，包括数字触摸屏，并且包括触摸屏上的移动；智能电话；计算机；平板电脑；电视；通过人机交互(例如，通过相机、红外相机、或其它基于透镜的输入)的基于手势的识别；联网的或无线的源；语音或听觉指令；以及上下文环境条件，诸如温度、湿度、大气压、热辐射、噪声、芳香、环境光线(包括UV)等，并且包括此类条件的改变。
控制系统可直接或通过一个或多个中间装置或元件连接或耦合到光源，这些中间装置或元件包括：所选择的电源；网络，包括例如封闭的网状建筑网络；互联网协议装置；内联网协议装置；光源的菊花链网络；无线的、联网的、光纤的、和/或传统或现有的基础结构。
控制系统还可被构造成向光源的使用者提供反馈。反馈可提供例如在作为控制系统的一部分被包括的、或控制系统可与之进行通信的图形用户界面诸如视觉显示装置(例如，智能电话或自持遥控器)上，并且反馈还可为或还可包括可听声、和/或振动。反馈可为或可包括例如光源的光强、和/或光源的光谱的表示。
控制系统还可被构造成使得其对光源的控制不仅基于预先选择的设置，而且基于可由光源的使用者来选择的属性，其中该使用者还可基于所需最终结果选择给定属性可对光源的操作的影响程度。
在一些情况下，控制器可被构造为直接基于来自使用者的反应修改光源的光谱或颜色。在一些情况下，控制器可被构造为允许使用者选择多种输入来利用光源开发自然环境，从而实现有机型的生活氛围。
实例
对如本文所公开的混合宽带光源进行建模或模拟，并且对其输出特性进行评估。模拟使用LightToolsTM光学设计软件。实例使用总计7个(N＝7)LED，这7个LED是由4个(N1＝4)泵LED、2个(N2＝2)直接发射短波长LED、和1个(N3＝1)直接发射长波长LED构成。泵LED被构造为四个单独远程荧光粉LED。(在另选的实施例中，泵LED中的两个或更多个可组合成一个远程荧光粉LED，在这种情况下，远程荧光粉LED的数目可小于泵LED的数目)。远程荧光粉LED和直接发射LED被布置在基部上，并且带有球状物或覆盖构件，如图4和图5中大体所示，但其中远程荧光粉LED具有图5和图5a所示构造。
感兴趣的输出参数是由光源发射的宽带输出光的颜色，该颜色以CIE x和y颜色坐标来测量。宽带输出的光谱分布(和颜色)被建模并根据在正方形检测平面中的位置而计算，该正方形检测平面的尺寸为20mm×20mm并切向于凹面覆盖构件(图4中的覆盖构件440，图5中的覆盖构件540)的顶点且以该顶点为中心。还计算了检测平面上的光谱分布的空间平均值。
模拟实施例的另外设计特征包括以下各项：
·三个直接发射LED(参见图4中的430a、430b、430c、和图5中的530a、530b)各自具有1×1mm正方形发射面积，并且被定位成与光源的中心(图5中的轴线541)等距，如图4中大体所描绘，每个LED的中心距光源的中心为0.75mm。这些LED具有10微米的厚度，并且在它们背部表面上具有反射涂层，该反射涂层具有50％反射率和50％吸收率。直接发射LED中的两个发射短波长(实质上蓝色的)光，并且具有相同单独输出特性：460nm的峰值波长、18.8nm的光谱带宽(FWHM)、1.0瓦特的辐射输出功率。剩余直接发射LED发射长波长(实质上红色的)光，并且具有以下输出特性：620nm的峰值波长、18.8nm的光谱带宽(FWHM)、1.0瓦特的辐射输出功率。
·覆盖构件被建模为以郎伯曲线分布在向前方向上散射光的漫射球状物。覆盖构件的形状为半球状的，具有约10mm的曲率半径和0.1mm的厚度。假设覆盖构件内的、即在覆盖构件和远程荧光粉LED之间的空间是空气。
·假设每个模拟实施例中的四个远程荧光粉LED在构造上是相同的，并且它们对称定位在距源的中心(图5中的轴线541)3.5mm处。每个远程荧光粉LED实质上如图5a所示，其中：
o平凸主体519具有2mm的曲率半径和1.8mm的厚度，并且被假设为由BK7玻璃制成；
o二向色反射器516覆盖主体519的整个外曲面，并是具有交替的SiO2/TiO2微层的13层叠堆，该叠堆提供对如图6所示垂直入射光的光谱反射率；
o层515为0.1mm厚并且具有1.41的折射率；泵LED512的发射表面513在该层中心(参照z轴而言)；
o泵LED512具有1×1mm正方形发射面积的发射表面513、和10微米的厚度、以及像其它LED的背部反射器。LED512被定位成使得在曲率中心点520和LED512的边缘之间形成(沿图5a中的y轴)0.05的间隙。LED512具有1瓦特的辐射输出功率。LED512具有415nm的峰值波长和19nm的光谱宽度(FWHM)。
o荧光粉层517、518各自为0.1mm厚。假设上层518发射红色荧光，并且具有由图7中的曲线710限定的归一化吸收光谱和由图7中的曲线712限定的归一化发射光谱。假设下层517发射绿色荧光，并且具有由图7中的曲线714限定的归一化吸收光谱和由图7中的曲线716限定的归一化发射光谱。假设层517、518中的每一个是由浸入在折射率1.41的硅氧烷粘结剂中的折射率1.8的荧光粉颗粒构成；发射绿光的荧光粉层的量子效率为91％，并且发射红光的荧光粉层的量子效率为59％；以及
o假设下部荧光粉层517的背部表面是具有98％反射率的朗伯曲线散射器。
除了具有这些模拟特性之外，假设光源还被构造成使得LED被接线以用于独立的电控制，使得LED中的不同组可根据需要来通电。随后，根据对应于三个不同控制输出的三种不同模式“操作”光源(即，模拟其输出)。
在第一操作模式下，四个泵LED(以及因此四个远程荧光粉LED)是完全通电的，但三个直接发射LED全被“关闭”。因此，七分之四(4/7≈57％)的LED是通电的。在此模式下，正方形检测平面处的宽带输出光具有黄色外观。计算整个检测平面上的光谱分布的空间平均值，并且该空间平均值在图8中示出。
在第二操作模式下，四个泵LED(以及因此四个远程荧光粉LED)同样是完全通电的，并且直接发射长波长LED也是完全通电的，但两个直接发射短波长LED保持“关闭”状态。因此，七分之五(5/7≈71％)的LED是通电的。在此模式下，正方形检测平面处的宽带输出光具有暖白色外观。计算整个检测平面上的光谱分布的空间平均值，并且该空间平均值在图9中示出。还计算了在横跨检测平面的位置阵列或网格处的宽带输出光的空间分布，并且基于该空间分布来计算在每个这种位置处的CIE颜色坐标。所得计算的颜色被绘制在图9a的CIE色度图上，其中在检测平面上的每个栅格位置处计算的颜色被绘制为“+”符号。平均颜色充分接近普朗克轨迹以具有相关色温，计算得出该相关色温为2,439开尔文。
在第三操作模式下，四个泵LED(以及因此四个远程荧光粉LED)同样是完全通电的，并且两个直接发射短波长LED是完全通电的，但直接发射长波长LED处于“关闭”状态。因此，七分之六(6/7≈86％)的LED是通电的。在此模式下，正方形检测平面处的宽带输出光具有冷白色外观。计算整个检测平面上的光谱分布的空间平均值，并且该空间平均值在图10中示出。还计算了在横跨检测平面的位置阵列或网格处的宽带输出光的空间分布，并且基于该空间分布来计算在每个这种位置处的CIE颜色坐标。所得计算的颜色绘制在图10a中的CIE色度图上，其中在检测平面上的每个栅格位置处计算的颜色被绘制为“+”符号。平均颜色充分接近普朗克轨迹以具有相关色温，计算得出该相关色温为7,563开尔文。
基于针对第二操作模式(具有71％的LED利用率)和第三操作模式(具有86％的LED利用率)的宽带输出光的空间平均颜色，这些模式之间的颜色差值以CIE色度单位计为约0.27，并且在相关色温上为约5,124开尔文。
对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是，可对上述实施例和教导内容进行许多改变、修改、和改编。例如，在整个本文档中，LED利用率以LED的一个或多个“数目”来讨论的，例如总数为N的LED、数目为N1的泵LED、数目为N2的直接发射短波长LED、和数目为N3的直接发射长波长LED。此类数目N、N1、N2、和N3可理解为通过对讨论的LED进行简单计数而获得的正整数。当正讨论的各种LED具有相同或类似的尺寸(这些尺寸可例如以LED的发射面积来表达)时，基于此类数目的描述、比较和关系是最相关的。因此，例如，如果正讨论的各种LED全部具有彼此相同或类似的发射面积(目前商业LED晶粒的标准尺寸为标称1×1mm)，那么本文基于这些数目所讨论的描述、比较、和关系具有最大的相关性。然而，如果正讨论的LED中的一个或多个具有大大不同于正讨论的一个或多个其它LED的尺寸(例如，发射面积)的尺寸，那么可以采取更一般化方法。在更一般化方法中，LED数目可由“有效数目”替代，其中有效数目是LED的数目乘以它们相应尺寸(例如，乘以它们的发射面积)，或乘以与它们相应尺寸成比例的因子。
例如，作为上述实例的替代形式，四个泵LED(其中每个具有1×1mm发射面积)可由具有相同的总发射面积(1mm2乘以4，即4mm2)的单个更大泵LED替代，同时使得直接发射LED留有与之前相同的尺寸。新的较大泵LED可具有2×2mm发射面积，并可替代四个原始远程荧光粉LED来组合到单个大的远程荧光粉LED中。在改进的光源中，泵LED的数目N1为1，直接发射短波长LED的数目N2为2，直接发射长波长LED的数目N3为1，并且LED的数目N为4，但泵LED的尺寸大大不同于直接发射LED的尺寸。在使用这些数目时，LED利用率将表达为对于第二操作模式(其中除了两个直接发射短波长LED之外的所有LED通电)为50％(2/4)，并且对于第三操作模式(其中除了一个直接发射长波长LED之外的所有LED通电)为75％(3/4)。然而，如果选择与光源中的LED的最小发射面积成比例的乘法因子，那么可就有效数目而言来将LED利用率描述为：泵LED的有效数目(“NE1”)为4，直接发射短波长LED的有效数目(“NE2”)为2，直接发射长波长LED的有效数目(“NE3”)为1，并且LED的有效数目(“NE”)为7。在使用这些有效数目时，LED利用率将表达为对于第二操作模式(其中除了两个直接发射短波长LED之外的所有LED通电)为71％(5/7)，并且对于第三操作模式(其中除了一个直接发射长波长LED之外的所有LED通电)为86％(6/7)。根据这个简单另选实例，就可易于了解，本文中相对于一个或多个“数目”的LED而讨论的描述、比较以及关系可通过不断用LED有效数目替代LED数目来一般化，如本文所述。
本申请的教导内容可与2012年6月1日提交的“Hybrid Light Bulbs UsingCombinations of Remote Phosphor LEDs and Direct Emitting LEDs(使用远程荧光粉LED和直接发射LED的组合的混合灯泡)”的共同转让的美国专利申请序列号61/654,278(代理人案卷号69757US002)组合使用。
除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中用来表示数目、特性量度等的所有数值都应当理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则本说明书和权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域内的技术人员利用本申请的教导内容想要获得的所需特性而改变。并不旨在将等同原则的应用限制在权利要求书范围内，至少应该根据所记录的有效数位的数目并通过应用惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。虽然给出本发明宽范围的数值范围和参数是近似值，但就本文所述具体例子中列出的任何数值来说，其记录尽可能合理地精确。然而，任何数值可适当地含有与测试或测量限制相关的误差。
在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对本发明的各种修改和更改对于本领域内的技术人员将显而易见，而且应当理解，本发明不限于本文所列出的示例性实施例。除非另外指明，否则读者应该假设一个所公开的实施例的特征也可以应用于所有其它所公开的实施例。还应当理解，本文引用的所有美国专利、专利申请公开案和其他专利和非专利文献均在不与上述公开内容相抵触的情况下以引用方式并入。

Claims (10)

1.一种用于发射宽带光的照明系统，包括：
总数为N的LED；和
透光性覆盖构件，所述透光性覆盖构件覆盖N个LED并且透射所述宽带光；
其中所述N个LED包括：
数目为N1的泵LED，每个泵LED被构造为远程荧光粉LED，所述远程荧光粉LED包括在结构上分开的荧光粉层与泵LED，其中所述泵LED与二向色反射器和荧光粉层组合，使得来自所述泵LED的至少一些光被所述二向色反射器反射到所述荧光粉层上以使得所述荧光粉层发射荧光，所述二向色反射器还被构造成实质上透射所述荧光；
数目为N2的直接发射短波长LED，所述直接发射短波长LED具有在400至500nm范围内的峰值输出波长，每个短波长LED被设置成在实质上不被任何二向色反射器反射的情况下发射从所述短波长LED传播到所述覆盖构件的至少一些光；和
数目为N3的直接发射长波长LED，所述直接发射长波长LED具有在600至700nm范围内的峰值输出波长，每个长波长LED被设置成在实质上不被任何二向色反射器反射的情况下发射从所述长波长LED传播到所述覆盖构件的至少一些光；
其中所述泵LED、所述直接发射短波长LED、和所述直接发射长波长LED被分别连线，以用于独立的电控制；
其中由所述覆盖构件透射的所述宽带光具有取决于所述N个LED中的哪些LED被通电的颜色；
其中所述N个LED被构造成使得透射的所述宽带光能够具有与所述N个LED中的正通电的第一组相关联的第一颜色、和与所述N个LED中的正通电的第二组相关联的第二颜色；并且
其中所述第一颜色和所述第二颜色具有以CIE色度单位计至少0.2的色差，并且其中所述N个LED中的第一组和第二组各自使所述N个LED中的多于一半通电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述N个LED中的第一组和第二组各自使所述N个LED中的至少60％通电。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一颜色和所述第二颜色充分接近普朗克轨迹，使得它们具有相应的第一相关色温和第二相关色温。
4.根据权利要求3所述的系统，使得所述第一相关色温和所述第二相关色温相差至少4000开尔文。
5.根据权利要求1所述的系统，其中N1>N2+N3。
6.根据权利要求1所述的系统，其中对于所述远程荧光粉LED中的至少一个而言，所述泵LED、所述荧光粉层、和所述二向色反射器被布置成使得至少一些激发光在不穿过所述荧光粉层的情况下从所述泵LED传播到所述二向色反射器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述泵LED中的至少一些具有小于420nm的峰值波长。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述直接发射短波长LED中的至少一些具有在420至480nm范围内的峰值输出波长。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括：
控制系统，所述控制系统被构造成独立地驱动所述N1个泵LED、所述N2个直接发射短波长LED、和所述N3个直接发射长波长LED，其中所述控制系统被构造成提供第一控制输出和第二控制输出，所述第一控制输出有效地使所述N个LED的第一组通电以为透射的所述宽带光提供所述第一颜色，并且所述第二控制输出有效地使所述N个LED的第二组通电以为透射的所述宽带光提供所述第二颜色。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述透光性覆盖构件是光漫射的。
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