Полноспектровое светоизлучающее устройство
Светоизлучающее устройство содержит твердотельный источник (101) света, выполненный с возможностью излучения первичного света (L1); преобразующий длину волны элемент (102), включающий множество преобразующих длину волны областей (102a, 102b, 102c и т.д.) для преобразования первичного света во вторичный свет (L2), при этом каждая преобразующая длину волны область посредством этого обеспечивает поддиапазон полного спектра светового выхода, причем по меньшей мере некоторые из упомянутых преобразующих длину волны областей расположены в виде массива и содержат квантовые точки, при этом разные преобразующие длину волны области содержат квантовые точки, имеющие разные диапазоны излучения вторичного света, обеспечивающие разные поддиапазоны полного спектра светового выхода, и при этом поддиапазон, обеспечиваемый каждой преобразующей длину волны областью перекрывается или является смежным с по меньшей мере одним другим поддиапазоном, обеспечиваемым другой преобразующей длину волны областью, при этом упомянутые преобразующие длину волны области вместе обеспечивают вторичный свет, включающий в себя все длины волн диапазона от 400 нм до 800 нм. Изобретение дает возможность обеспечить светоизлучающее устройство, которое дает световой выход непрерывного спектра. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 табл., 13 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к твердотельным светоизлучающим устройствам, содержащим использование квантовых точек в качестве преобразующих длину волны материалов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
При разработке новых продуктов в области освещения большое внимание уделяется проектированию источников света, производящих полный спектр, т.е. выход света, включающий в себя все длины волн видимого света. Также существует потребность в источниках света с непрерывным спектром, демонстрирующих излучение абсолютно черного тела при различных коррелированных цветовых температурах (КЦТ). Такое полноспектровое освещение является белым светом, имеющим ровный спектр интенсивности без резких пиков или провалов. Эта потребность основывается на понимании того, что хотя дневной свет является лучшим светом, искусственный свет непрерывного полного спектра является вторым среди лучших. Существует много заявленных преимуществ непрерывного полного спектра, например, то, что полноспектровое освещение улучшает цветовосприятие, улучшает четкость изображения, улучшает настроение, повышает производительность, улучшает умственные способности, увеличивает розничные продажи, улучшает рост растений, улучшает результаты светотерапии при лечении сезонного аффективного расстройства (САР) и нарушений сна, улучшает успеваемость студентов, улучшает синтез витамина D в организме и снижает заболеваемость зубным кариесом.
В продаже имеются различные лампы накаливания, заявленные как полноспектровые, такие как флуоресцентная лампа T12. Однако спектры этих ламп накаливания все еще показывают пики и/или провалы. В дополнение, лампы накаливания, заявленные как полноспектровые, являются также довольно энергопотребляющими.
СИДы, излучающие разные цвета (без люминофоров), могут быть использованы для получения желаемой КЦТ и ИЦ (индекс цветопередачи). Однако спектр, полученный такими излучателями непосредственного свечения, очень островерхий с большими провалами, см. фиг. 13. При использовании СИДов непосредственного свечения не может быть создано полноспектровое освещение. Другим недостатком использования разных СИДов непосредственного свечения является то, что каждый СИД требует разного тока возбуждения. Более того, из-за разных температурных зависимостей разных СИДов потребовалось бы регулировать ток для по меньшей мере некоторых СИДов в зависимости от температуры.
При использовании светоизлучающих диодов (СИДов) с преобразованием света люминофором также трудно получить полноспектровое освещение без пиков и/или провалов в спектре. В СИДах с преобразованием света люминофором синий свет частично преобразуется в желтый/оранжевый/красный свет для того, чтобы получить белый свет. Однако спектр в таких СИДах с преобразованием света люминофором всегда является островерхим спектром с провалами. Фиг. 12 показывает спектр СИДа, излучающего синий свет, который частично преобразуется в желтый и красный свет посредством желтого и красного люминофора соответственно для того, чтобы получить белый свет, имеющий КЦТ 3000 K и индекс цветопередачи (ИЦ) 90. Трудно заполнить зазоры этого спектра, используя традиционные органические и неорганические люминофоры, которые представляют собой широкозонные излучатели, чтобы получить непрерывное полное излучение абсолютно черного тела.
US 2005/0135079 предлагает светодиодный прибор для модуля вспышки, который производит белый свет с более высоким ИЦ, чем предшествующие модули вспышки. Этот прибор содержит источник света, производящий первичный свет, и преобразующее длину волны покрытие, включающее в себя множество квантовых точек, диспергированных в материале матрицы. Квантовые точки могут быть выбраны имеющими разные длины волн вторичного излучения для получения широкого излучения от светоизлучающего прибора. В некоторых вариантах реализации квантовые точки сочетают с традиционными кристаллическими люминофорами. Однако недостатком прибора, описанного в этом документе, является то, что повторное поглощение вторичного света может приводить к уменьшению эффективности, и становится трудно сделать тонкую настройку желаемого спектра.
Следовательно, в данной области техники остается потребность в улучшенных источниках света полного спектра.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения - преодолеть эту проблему и обеспечить светоизлучающее устройство, которое дает световой выход непрерывного спектра.
В соответствии с первым аспектом изобретения эта и другие задачи решаются светоизлучающим устройством, приспособленным обеспечивать полный спектр светового выхода, содержащим:
- твердотельный источник света, выполненный с возможностью излучения первичного света; и
- преобразующий длину волны элемент, выполненный с возможностью принимать упомянутый первичный свет и содержащий множество преобразующих длину волны областей, содержащих преобразующий длину волны материал для преобразования первичного света во вторичный свет, причем каждая преобразующая длину волны область посредством этого обеспечивает поддиапазон полного спектра светового выхода,
причем по меньшей мере некоторые из упомянутых преобразующих длину волны областей расположены в виде массива, как правило, массива пикселей, и содержат квантовые точки, при этом разные преобразующие длину волны области содержат квантовые точки, имеющие разные диапазоны излучения вторичного света, обеспечивающие разные поддиапазоны полного спектра светового выхода, и при этом поддиапазон, обеспечиваемый каждой преобразующей длину волны областью, перекрывается с или является по меньшей мере смежным с по меньшей мере одним другим поддиапазоном, обеспечиваемым другой преобразующей длину волны областью.
Светоизлучающее устройство дает более непрерывный спектр с меньшими провалами или фактически без них. Посредством расположения материалов с разными свойствами преобразования длины волны в разных областях, предпочтительно в плоскости, можно избежать повторного поглощения вторичного излучения.
Как правило, интенсивность полного спектра светового выхода отклоняется при любой длине волны не больше чем на 20% от соответствующего спектра излучения абсолютно черного тела, при этом упомянутый спектр излучения абсолютно черного тела соответствует температуре абсолютно черного тела в диапазоне от 500 K до 10000 K. Под "соответствующим спектром излучения абсолютно черного тела" подразумевается наилучшее согласование спектра абсолютно черного тела со спектром светового выхода светоизлучающего устройства в диапазоне 450-610 нм. Спектр абсолютно черного тела должен соответствовать температуре абсолютно черного тела где-нибудь в диапазоне от 500 до 10000 К.
В соответствии с изобретением преобразующие длину волны области вместе обеспечивают вторичный свет, включающий в себя все длины волн диапазона от 400 нм до 800 нм. Такой полный спектр является полезным для многих применений и назначений, как указано выше.
В вариантах реализации изобретения каждая преобразующая длину волны область содержит один тип квантовых точек.
Кроме того, в некоторых вариантах реализации по меньшей мере одна область содержит преобразующий длину волны материал с широкой полосой излучения, обеспечивающий широкий поддиапазон спектра светового выхода и выбранный из неорганических кристаллических люминофоров или органических кристаллических люминофоров. Преобразующий длину волны материал с широкой полосой излучения может быть неорганическим кристаллическим люминофором, выбранным из группы, состоящей из иттрий-алюминиевого граната (ИАГ), лютеций-алюминиевого граната (ЛАГ), BSSN и ECAS. Кроме того, преобразующий длину волны материал с широкой полосой излучения может быть органическим люминофором, таким как производное перилена. В вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна область, содержащая квантовые точки, обеспечивает поддиапазон, который частично или полностью перекрывается с поддиапазоном, обеспечиваемым преобразующим длину волны материалом с широкой полосой излучения, и упомянутая область, содержащая квантовые точки, обеспечивает вторичный свет более высокой интенсивности, чем преобразующий длину волны материал с широкой полосой излучения, по меньшей мере на этом участке перекрытия.
В вариантах реализации изобретения область, содержащая преобразующий длину волны материал с широкой полосой излучения, представляет собой слой люминофора, а упомянутый массив областей, содержащих квантовые точки, предусматривается в качестве другого слоя, как правило, расположенного на пути света от твердотельного источника света до слоя люминофора.
В вариантах реализации изобретения преобразующий длину волны элемент содержит по меньшей мере 8 разных типов квантовых точек, обеспечивающих по меньшей мере 8 разных поддиапазонов. Каждый тип квантовой точки предпочтительно содержится в отдельной области.
Квантовая точка, используемая в светоизлучающем устройстве, может в соответствии с вариантами реализации изобретения иметь спектр излучения с полной шириной на половине максимума (ПШПМ) 50 нм или менее, предпочтительно 40 нм или менее. Предпочтительно, чтобы все используемые квантовые точки имели такой узкий спектр излучения.
В вариантах реализации изобретения первичный свет, излучаемый источником света, полностью преобразуется преобразующим длину волны элементом. Таким образом, никакой первичный свет не выходит из светоизлучающего устройства. Кроме того, в других вариантах реализации первичный свет, излученный источником света, может быть только частично преобразован преобразующей длину волны областью, а непреобразованная часть упомянутого первичного света обеспечивает поддиапазон упомянутого спектра светового выхода, то есть он может выходить из светоизлучающего устройства.
Светоизлучающее устройство может дополнительно содержать экранирующий элемент, расположенный на пути света от твердотельного источника света до преобразующего длину волны элемента. Экранирующий элемент способен предотвращать попадание света, излучаемого источником света, в по меньшей мере одну преобразующую длину волны область. Следовательно, посредством предотвращения излучения по меньшей мере одного поддиапазона, спектр излучения может быть настроен путем исключения определенных длин волн.
Как правило, твердотельный источник света светоизлучающего устройства представляет собой светоизлучающий диод (СИД) или лазерный диод. Первичный свет может быть в диапазоне длин волн от 200 нм до 460 нм.
В другом аспекте изобретение относится к светильнику, содержащему светоизлучающее устройство, как описано здесь. Такой светильник может быть приспособлен для любого желаемого применения, например, общего освещения для дома или профессиональной среды в помещениях, декоративного освещения или применений для светотерапии.
В другом аспекте изобретение относится к использованию множества квантовых точек с разными диапазонами излучения вторичного света для обеспечения непрерывного полного спектра светового выхода.
Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, указанным в пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Этот и другой аспекты настоящего изобретения теперь будут описаны более подробно, со ссылкой на прилагаемые чертежи, показывающие вариант(ы) реализации данного изобретения.
Фиг. 1a является графиком, иллюстрирующим типичный спектр излучения светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения и спектр излучения абсолютно черного тела (обозначен B).
Фиг. 1b является графиком, иллюстрирующим общий выходной спектр (S) светоизлучающего устройства в соответствии с изобретением и спектр излучения абсолютно черного тела (B).
Фиг. 2 является графиком, показывающим спектры поглощения квантовых точек светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения.
Фиг. 3 является схематичным видом сбоку светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения, содержащего пикселированный преобразующий длину волны элемент.
Фиг. 4 является видом сверху пикселированного преобразующего длину волны элемента.
Фиг. 5 является схематичным видом сбоку светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения, содержащего пикселированный преобразующий длину волны элемент и средства разделения.
Фиг. 6a-b являются графиками, показывающими общие спектры излучения квантовых точек самих по себе (фиг. 6a) или в сочетании (фиг. 6b) с традиционным широкополосным люминофором в соответствии с вариантами реализации светоизлучающего устройства.
Фиг. 7 является схематичным видом сбоку светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения.
Фиг. 8 является графиком, показывающим спектр излучения светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения.
Фиг. 9a является схематичным видом сбоку светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения, содержащего пикселированный преобразующий длину волны элемент и экранирующий элемент.
Фиг. 9b показывает спектр излучения прибора, представленного на фиг. 9a.
Фиг. 10a-b являются схематичными видами сбоку светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения, содержащего пикселированный преобразующий длину волны элемент и электрически управляемый экранирующий элемент.
Фиг. 11 является видом сбоку в разрезе светоизлучающего устройства, содержащего камеру смешения света.
Фиг. 12 является графиком, показывающим типичный выходной спектр традиционного СИДа с преобразованием света люминофором.
Фиг. 13 является графиком, показывающим типичный выходной спектр традиционного светоизлучающего устройства, содержащего множество СИДов, излучающих разные цвета.
Как представлено на фигурах, размеры слоев и участков преувеличены для пояснительных целей и, таким образом, приводятся для иллюстрации общих структур вариантов реализации настоящего изобретения. Аналогичные ссылочные позиции относятся к аналогичным элементам.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно здесь далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные в настоящее время варианты реализации изобретения. Это изобретение может, однако, быть воплощено во многих разных формах и не должно быть истолковано как ограниченное изложенными здесь вариантами реализации; скорее, эти варианты реализации приводятся для тщательности и полноты и полностью передают объем изобретения специалистам.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что посредством светоизлучающего устройства, использующего твердотельный источник света, например СИД, излучающий УФ, фиолетовый или синий свет, и множество квантовых точек, может быть получен непрерывный, полный спектр излучения абсолютно черного тела.
Фиг. 1a схематично иллюстрирует тот спектр, который может быть получен посредством светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами реализации изобретения. График показывает интенсивность в зависимости от длины волны (λ). Первый пик (слева) представляет самую короткую видимую длину волны, фиолетовый свет, который может происходить от источника света (первичный свет) или от квантовых точек. Дальнейшие пики являются результатом излучения квантовых точек (вторичный свет). Ширина полосы излучения каждой квантовой точки является узкой, отображаясь как четко выраженные пики на фиг. 1. Для достижения непрерывного полного излучения абсолютно черного тела при использовании только квантовых точек используют множественные типы квантовых точек, имеющих частично перекрывающиеся полосы излучения.
Фиг. 1b представляет пример полного спектра S светового выхода светоизлучающего устройства в соответствии с изобретением. Спектр также показывает спектр B излучения абсолютно черного тела. Как можно увидеть, общий выходной спектр светоизлучающего устройства очень похож на излучение абсолютно черного тела в широком диапазоне длин волн, как правило, от 400 до 800 нм. При данной длине волны λa излучение абсолютно черного тела имеет интенсивность I1, а излучение от светоизлучающего устройства имеет интенсивность I2. Как правило, I2 не отклоняется (вверх или вниз) от I1 больше чем на 20%, то есть 0,8*I1≥I2≥1,2*I1. Следовательно, исключены провалы большой интенсивности в спектре излучения светоизлучающего устройства и излучение, таким образом, очень похоже на полное излучение абсолютно черного тела.
Употребляемое в этом документе выражение "непрерывный спектр" относится к спектру излучения, который похож на спектр излучения (интенсивность в зависимости от длины волны) "идеального излучателя". Спектр абсолютно черного тела для данной температуры абсолютно черного тела представляет собой гладкую линию. "Похож" здесь значит, что для спектра, налагаемого на линию спектра абсолютно черного тела, интенсивность не должна отклоняться при любой длине волны больше чем на 20%, и, предпочтительно, не больше чем на 10%. Поэтому такой спектр называют "непрерывным спектром", и он не имеет никаких сильных провалов или пиков.
Хотя фиг. 1 показывает только восемь пиков излучения, возникших из квантовых точек (или семь пиков, в случае, если первый пик возникает от источника света), предусматривается, что в вариантах реализации изобретения спектр светового выхода может содержать меньшее или большее число пиков излучения квантовых точек. Квантовые точки любого конкретного размера, как правило, имеют распределение света с полной шириной на половине максимума (ПШПМ) в диапазоне 30-60 нм. Положение каждого максимума излучения может быть где угодно в электромагнитном спектре, но предпочтительно где-нибудь между 400 нм и 800 нм. Для того, чтобы обеспечить непрерывный спектр излучения, как правило, используют по меньшей мере 8 пиков излучения, но в вариантах реализации изобретения, например, может быть 10 пиков излучения или более, как то 12 пиков излучения или более. Большее число пиков излучения дает более непрерывный спектр, то есть спектр, который еще ближе к линии спектра абсолютно черного тела.
В вариантах реализации изобретения менее чем 8 пиков излучения все еще могут обеспечивать непрерывный спектр, например, когда не требуется, чтобы желаемый спектр охватывал весь диапазон от 400 до 800 нм, но должен охватывать только его часть, одним из примеров является вариант реализации, в котором квантовые точки сочетаются с широкополосным люминофором.
"Полная ширина на половине максимума" или "ПШПМ" относится к ширине диапазона длин волн на половине интенсивности пика графика интенсивности в зависимости от длины волны.
Как используется в этом документе, под "преобразующим длину волны материалом с широкой полосой излучения" или "широкополосным кристаллическим люминофором" подразумевается преобразующий длину волны материал, который имеет спектр излучения, имеющий ПШПМ больше чем 100 нм.
В отличие от широкополосных излучающих материалов, квантовые точки любого конкретного размера, как правило, имеют распределение света с полной шириной на половине максимума (ПШПМ) в диапазоне 30-60 нм, например, 30-50 нм. В качестве примера, квантово-точечный источник, излучающий зеленый свет, может излучать свет с ПШПВ ≤50 нм, более предпочтительно ≤40 нм, а наиболее предпочтительно ≤30 нм (ПШПМ).
В вариантах реализации изобретения, впрочем, возможно использовать по меньшей мере несколько квантовых точек, которые не имеют перекрывающихся пиков излучения.
Квантовые точки и квантовые стержни представляют собой небольшие кристаллы полупроводникового материала, как правило, имеющие ширину или диаметр лишь несколько нанометров. При возбуждении падающим светом квантовая точка излучает свет с цветом, определяемым размером и материалом кристалла. Следовательно, свет определенного цвета может быть получен посредством подбора размера этих точек. В вариантах реализации настоящего изобретения квантовые точки могут, например, иметь размер в диапазоне от 1 до 10 нм в по меньшей мере одном направлении. В качестве альтернативы квантовым точкам, могут использоваться квантовые стержни, которые могут иметь ширину в диапазоне от 1 до 10 нм и длину до 1 мм или более.
Фиг. 2 является графиком, показывающим спектры поглощения различных квантовых точек. Как можно увидеть, диапазоны поглощения, как правило, перекрываются. Квантовые точки, излучающие красный свет, обычно имеют самый широкий диапазон поглощения. Наиболее известные квантовые точки с излучением в видимом диапазоне основаны на селениде кадмия (CdSe) с оболочкой, такой как сульфид кадмия (CdS) и сульфид цинка (ZnS). Также могут быть использованы квантовые точки без кадмия, такие как фосфид индия (InP) и сульфид меди-индия (CuInS2), и/или сульфид серебра-индия (AgInS2). Из-за узких полос излучения квантовые точки демонстрируют насыщенные цвета. Более того, цвет излучения может быть настроен посредством подбора размера квантовых точек. Любой тип квантовой точки, известный в данной области техники, может быть использован в настоящем изобретении при условии, что он имеет соответствующие характеристики преобразования длины волны. Например, в вариантах реализации изобретения могут быть использованы квантовые точки, содержащие CdSe, InP, CuInS2 или AgInS2. Однако, по причинам защиты окружающей среды и заботы об экологии, может быть предпочтительным использовать квантовые точки без кадмия или по меньшей мере квантовые точки, имеющие очень низкое содержание кадмия.
Светоизлучающее устройство в соответствии с изобретением схематично представлено на фиг. 3. Светоизлучающее устройство 100 содержит твердотельный источник 101 света для излучения первичного света L1 и преобразующий длину волны элемент 102, расположенный в направлении светового выхода из источника света таким образом, чтобы принимать первичный свет L1 и преобразовывать по меньшей мере часть его во вторичный свет L2. Преобразующий длину волны элемент 102 содержит множество областей 102a, 102b, 102c и т.д. По меньшей мере некоторые из этих областей содержат квантовые точки и образуют четко выраженные, плоские участки, расположенные в виде массива (решетки). Массив может быть двумерным, образуя матрицу. Расположение в виде массива областей может в контексте настоящего изобретения называться "пиксельным расположением" или "пикселированным расположением". Соответственно, индивидуальные области такого устройства могут называться "пикселями с квантовыми точками". Как правило, один пиксель содержит единственный тип квантовой точки, имеющей конкретную длину волны вторичного излучения. Например, источник света может быть СИДом УФ свечения, а область 102a может содержать квантовые точки, преобразующие первичный УФ-свет, излучаемый источником света, во вторичный свет 400-440 нм (фиолетовый), область 102b преобразует первичный свет в 440-460 нм (фиолетово-синий), область 102c преобразует первичный свет в 460-480 нм (синий), область 102d преобразует первичный свет в 490-530 нм (сине-зеленый), область 102e преобразует первичный свет в 530-560 нм (желто-зеленый), область 102f преобразует первичный свет в 570-620 нм (желтый/оранжевый), область 102g преобразует первичный свет в 620-700 нм (оранжевый), и область 102h преобразует первичный свет в 700-750 нм (красный). Области 102a-h могут быть расположены в любом порядке или по любому рисунку.
Каждый поддиапазон (обеспечиваемый преобразующей длину волны областью) является по меньшей мере смежным, если не перекрывающимся, с по меньшей мере одним другим поддиапазоном, обеспечиваемым другой преобразующей длину волны областью. В примерном варианте реализации, при использовании до 16 преобразующих длину волны областей, содержащих квантовые точки, имеющие разные свойства излучения, разные области могут излучать свет разных поддиапазонов, как указано в таблице 1.
| Таблица 1 | |
| ПОДДИАПАЗОНЫ ПРИМЕРНОГО ВАРИАНТА РЕАЛИЗАЦИИ | |
| Область | Длины волн излучения (преобразованного) |
| Область 1 | 400-440 нм - сине-фиолетовый (СФ) свет |
| Область 2 | 440-460 нм - фиолетово-синий (ФС) свет |
| Область 3 | 460-480 нм - синий (С) свет |
| Область 4 | 480-490 нм - зелено-синий (ЗС) свет |
| Область 5 | 490-500 нм - сине-зеленый (СЗ) свет |
| Область 6 | 500-530 нм - зеленый (З) свет |
| Область 7 | 530-560 нм - желто-зеленый (ЖЗ) свет |
| Область 8 | 560-570 нм - зелено-желтый (ЗЖ) свет |
| Область 9 | 570-580 нм - желтый (Ж) свет |
| Область 10 | 580-590 нм - оранжево-желтый (ОЖ) свет |
| Область 11 | 590-600 нм - желто-оранжевый (ЖО) свет |
| Область 12 | 600-620 нм - оранжевый (О) свет |
| Область 13 | 620-640 нм - красно-оранжевый (КО) свет |
| Область 14 | 640-700 нм - оранжево-красный (ОК) свет |
| Область 15 | 700-750 нм - красный (К) свет |
| Область 16 | 750-800 нм - ближний инфракрасный (БИК) свет |
Поскольку квантовые точки обычно имеют пик поглощения относительно недалеко от пика излучения, использование множественных квантовых точек, представляющих непрерывный диапазон длин волн излучения, может привести к повторному поглощению вторичного излучения, что приводит к провалам в общем спектре излучения. Настоящее изобретение избегает такого вторичного поглощения посредством расположения разных типов квантовых точек, имеющих перекрывающиеся длины волн излучения и поглощения, в разных пикселях. Следовательно, можно получить непрерывный спектр, и эффективность улучшается.
Количество преобразующего длину волны материала может быть приспособлено для получения света такой интенсивности, что сумма пиков излучения имитирует излучение абсолютно черного тела желаемой температуры абсолютно черного тела.
Описанные выше пиксели с квантовыми точками могут быть расположены по любому подходящему рисунку, например, по треугольному, гексагональному рисунку или в виде шахматной доски. Рисунок может быть повторяющимся или периодическим. Фиг. 4, представляющая вид сверху преобразующего длину волны элемента, показывает примерное расположение пикселей 102a, 102b, 102c и т.д. с квантовыми точками. Большинство преобразующих длину волны пикселей окружены со всех сторон (в одной плоскости) другими пикселями. Один или более из смежных окружающих пикселей могут содержать иной тип квантовой точки, обеспечивая иной диапазон излучения вторичного света.
В вариантах реализации изобретения смежные преобразующие длину волны области, в частности смежные области пикселированного расположения, могут быть разделены разделительным элементом 103, как показано на фиг. 5. Разделительный элемент служит для физического разделения индивидуальных пикселей, дополнительно уменьшая риск утечки и повторного поглощения вторичного света окружающими пикселями с квантовыми точками. Разделительные элементы 103 могут выступать из поверхности преобразующего длину волны элемента. Разделительные элементы могут быть непрозрачными или отражающими. Например, барьеры могут быть изготовлены из отражающего материала, такого как алюминий, или могут быть изготовлены из неотражающего материала, покрытого отражающим материалом, таким как Al2O3 или TiO2. В некоторых вариантах реализации разделительные элементы могут быть по меньшей мере частично пропускающими первичный свет, излучаемый источником света.
В вариантах реализации изобретения весь свет, излучаемый твердотельным источником 101 света, может быть преобразован преобразующим длину волны элементом 102. В альтернативном варианте реализации преобразуется только часть первичного света, излучаемого источником света. Например, в некоторых вариантах реализации преобразуется только часть первичного света, принятого конкретной преобразующей длину волны областью 102a, 102b и т.д. В других вариантах реализации несколько преобразующих длину волны областей выполняют полное преобразование принятого света, в то время как другие преобразующие длину волны области выполняют преобразование только части принятого света. В других вариантах реализации, которые будут описаны более подробно ниже со ссылкой на фиг. 9a-b и 10a-b, может быть предусмотрен экранирующий элемент, который блокирует свет, излучаемый источником света, от приема конкретной преобразующей длину волны областью.
В вариантах реализации изобретения по меньшей мере одна преобразующая длину волны область может содержать по меньшей мере один традиционный кристаллический люминофор, обеспечивающий вторичное излучение широкого диапазона длин волн. Такой кристаллический люминофор может обозначаться как широкополосный люминофор в контексте настоящего изобретения. Преобразующие длину волны области, содержащие традиционный люминофор, как правило, не являются частью пикселированного расположения, но могут быть предусмотрены в качестве отдельного слоя или даже отдельного тела, необязательно образуя отдельный, второй преобразующий длину волны элемент.
Пример светоизлучающего устройства, имеющего преобразующий длину волны элемент, содержащий квантовые точки, а также традиционный кристаллический люминофор, схематически представлен на фиг. 7. Преобразующий длину волны элемент 102 содержит слой 102ʹ, содержащий пиксели с квантовыми точками, как описано выше, и слой 102ʺ, содержащий традиционный органический или неорганический кристаллический люминофор. Предпочтительно, этот слой, содержащий квантовые точки, располагают на пути света между твердотельным источником 101 света и слоем 102ʺ люминофора для того, чтобы избежать повторного поглощения излучения квантовых точек кристаллическим люминофором.
В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения нет необходимости, чтобы разные пики излучения квантовых точек перекрывались, как представлено на фиг. 1 выше. Например, в вариантах реализации, содержащих также по меньшей мере один широкополосный люминофор, может быть достаточно, чтобы относительно узкие диапазоны излучения квантовых точек перекрывали по меньшей мере часть диапазона излучения широкополосного люминофора, как представлено на фиг. 6a-b. Фиг. 6a показывает пики излучения используемых квантовых точек, а фиг. 6b показывает общий выходной спектр, объединяющий первичный свет от источника света (пик 1 на фиг. 6b) и вторичный свет, обеспеченный широкополосным люминофором (обозначен L2ʹ) и квантовыми точками (пики 2-7) соответственно. Как можно видеть, пики излучения квантовых точек не перекрывают друг друга, но перекрывают диапазон излучения широкополосного люминофора. Интенсивность излучения широкополосного люминофора, как правило, ниже, чем интенсивность излучения квантовых точек. Можно отметить, что спектр излучения широкополосного люминофора может иметь другие формы, чем показанные на фиг. 6b; например, несколько широкополосных люминофоров могут вместе обеспечить спектр излучения, имеющий несколько пиков, см. фиг. 8, а также фиг. 12.
В другом варианте реализации, выходной спектр которого проиллюстрирован на фиг. 8, преобразующий длину волны элемент 102 содержит первый широкополосный люминофор, обеспечивающий вторичное излучение L2ʹ, имеющее, как правило, ПШПМ 150 нм, например, 510-660 нм, и второй широкополосный люминофор L2ʺ, обеспечивающий вторичное излучение, как правило имеющее ПШПМ 120 нм, например, 590-710 нм. Пик излучения, происходящий от первичного света из источника света, обозначается L1 (как правило, с ПШПМ 50 нм, например, 380-430 нм). Для того, чтобы заполнить зазоры объединенного спектра первого и второго люминофоров и источника света, преобразующий длину волны элемент дополнительно содержит квантовые точки, расположенные в разных пикселях, обеспечивая пики излучения P1, P2, P3 и P4, например, на 430-470 нм, 470-510 нм, 590-630 нм и 630-660 нм соответственно.
Преобразующий длину волны элемент может быть расположен в удаленном положении относительно источника света, т.е. преобразующий длину волны элемент и источник света могут быть взаимно разнесены, как схематично показано, например, на фиг. 3. Кроме того, преобразующий длину волны элемент может быть расположен в окрестности источника света, на небольшом расстоянии от него. В других вариантах реализации преобразующий длину волны элемент может быть расположен непосредственно на источнике света (см. фиг. 7).
В вариантах реализации изобретения светоизлучающее устройство содержит камеру смешения света, в которой расположен источник света. Как правило, камера смешения света ограничивается по меньшей мере одной боковой стенкой, которая может быть отражающей, и окном выхода света. В некоторых вариантах реализации преобразующий длину волны элемент может быть расположен в окне выхода света. Фиг. 11 иллюстрирует светоизлучающее устройство 100, содержащее камеру 105 смешения света, ограниченную основанием 106 и по меньшей мере одной боковой стенкой 107. Твердотельный источник 101 света может быть предусмотрен на основании. В случае единственного источника света, источник света, как правило, располагают на основании по центру. В случае двух или более источников света, источники света могут быть расположены симметрично вокруг центра основания. Однако предполагается, что источники света могут быть предусмотрены на боковой стенке или в любом другом подходящем месте в камере смешения света. По меньшей мере одна боковая стенка 107 ограничивает окно 108 выхода света, в котором располагается преобразующий длину волны элемент 102, в месте, удаленном от источника света. В других вариантах реализации преобразующий длину волны элемент вместо этого может быть предусмотрен внутри камеры 105 смешения света.
Поверхность 107a по меньшей мере одной боковой стенки 107, обращенная внутрь камеры, может быть отражающей, например снабженной слоем отражающего материала, для того, чтобы обеспечить равномерное распределение света, принимаемого преобразующим длину волны элементом, и/или обеспечить более равномерное распределение вторичного света от преобразующего длину волны элемента и хорошее смешение с первичным светом. Коэффициент отражения отражающей боковой стенки предпочтительно составляет по меньшей мере 80%, более предпочтительно по меньшей мере 90%, а еще более предпочтительно по меньшей мере 95%. Как правило, отражающий слой может быть диффузионно-отражающим.
Необязательно, светоизлучающее устройство может дополнительно содержать рассеиватель 109, расположенный на стороне преобразующего длину волны элемента, обращенной в направлении выхода света (т.е. обращенной не к источнику света). Такой рассеиватель может быть предусмотрен в окне 108 выхода света или вне камеры 105 смешения света.
В вариантах реализации изобретения твердотельный источник света излучает первичный свет от 200 до 460 нм, соответствующий УФ, фиолетовому свету и синему свету. Как правило, первичный свет может быть в диапазоне 440-460 нм. Таким образом, в вариантах реализации, где твердотельный источник света является СИДом, это может быть СИД, излучающий УФ, фиолетовый и синий свет, такой как СИД на основе GaN или InGaN. Также могут быть использованы органические светоизлучающие диоды (OLED) или лазерные диоды, излучающие первичный свет подходящего диапазона длин волн.
Широкополосным кристаллическим люминофором может быть неорганический материал или органический материал. Примеры неорганических преобразующих длину волны материалов могут включать в себя, но не ограничиваются этим, легированные церием (Ce) ИАГ (Y3Al5O12) или ЛАГ (Lu3Al5O12). ИАГ, легированный Ce, излучает желтоватый свет, в то время как ЛАГ, легированный Ce, излучает желто-зеленоватый свет. Примеры других неорганических кристаллических люминофоров, которые излучают красный свет, могут включать в себя, но не ограничиваются этим, ECAS (ECAS, а именно Ca1-xAlSiN3:Eux, в котором 0<x≤1; предпочтительно 0<x≤0,2) и BSSN (BSSNE, а именно Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz, в котором M представляет Sr или Ca, 0≤x≤1 и предпочтительно 0≤x≤0,2, 0≤y≤4, и 0,0005≤z≤0,05).
Примерами подходящих органических кристаллических люминофоров являются органические люминесцентные материалы на основе производных перилена, например, соединения, продаваемые под названием Lumogen® от BASF. Примеры подходящих соединений включают в себя, но не ограничиваются этим, Lumogen® Красный F305, Lumogen® Оранжевый F240, Lumogen® Желтый F083 и Lumogen® F170. Преимущественно, слой, содержащий органический люминесцентный материал, может быть прозрачным и нерассеивающим.
Необязательно, преобразующий длину волны элемент, например, область или слой, содержащий широкополосный кристаллический люминофор, может содержать рассеивающие элементы. Примеры рассеивающих элементов включают в себя поры и рассеивающие частицы, такие как частицы TiO2 или Al2O3.
Для некоторых применений может быть желательным усилить один или более конкретных цветов освещенного объекта. Это может быть достигнуто посредством освещения светоизлучающим устройством, производящим прерывистый спектр излучения, в котором отсутствуют определенные длины волн. Настоящее изобретение также предлагает решение этой проблемы с помощью преобразующего длину волны элемента, содержащего пикселированное расположение квантовых точек, имеющих разные, необязательно перекрывающиеся, длины волн излучения, и экранирующий элемент, расположенный на пути света между твердотельным источником света и по меньшей мере одним пикселем преобразующего длину волны элемента. Диапазоны излучения квантовых точек разных пикселей могут перекрываться, так что за исключением длин волн, не излучаемых из-за экранирования экранирующим элементом, спектр будет непрерывным.
Использование экранирующего элемента может, однако, также быть очень полезным в сочетании с пикселированным расположением квантовых точек, когда диапазоны излучения разных квантовых точек не перекрываются, так что преобразующий длину волны элемент производит прерывистый спектр также в отсутствие экранирующего элемента.
Общий конструктивный пример варианта реализации такого светоизлучающего устройства представлен на фиг. 9a. Как показано на фиг. 9a, экранирующий элемент 104 может иметь размеры, примерно соответствующие отдельной преобразующей длину волны области (пикселю) или немного меньшие. Таким образом, при расположении на пути света от источника 101 света до преобразующего длину волны элемента 102, экранирующий элемент блокирует прием света конкретным пикселем (здесь - пикселем 5), в результате чего в спектре, как показано, например, на фиг. 9b, отсутствует конкретный диапазон длин волн, соответствующий излучению экранированного преобразующего длину волны пикселя.
Экранирующий элемент 104 может блокировать весь преобразующий длину волны пиксель или его часть. Также возможно, что экранирующий элемент по меньшей мере частично блокирует два или более пикселей одновременно. Размеры (в частности, ширина) экранирующего элемента могут быть выбраны таким образом, чтобы закрывать более чем один пиксель.
В некоторых вариантах реализации светоизлучающее устройство содержит множество экранирующих элементов. Например, два или более экранирующих элемента могут быть расположены в одной плоскости. В других вариантах реализации каждый экранирующий элемент может быть расположен в отдельной плоскости, например в отдельных слоях.
Экранирующий элемент может быть полностью непрозрачным, таким образом блокируя весь падающий свет. Однако в некоторых вариантах реализации он может также быть частично пропускающим. Альтернативно, в экранирующем элементе может быть сформирован рисунок.
В некоторых вариантах реализации экранирующий элемент может быть управляемым пользователем светоизлучающего устройства. Например, положение экранирующего элемента может быть обратимо регулируемым. В одном варианте реализации экранирующий элемент механически перемещается между разными положениями, соответствующими экранированию разных пикселей.
В других вариантах реализации контроль эффекта экранирования может быть достигнут с помощью электрических средств. Например, экранирующий элемент может содержать электрически управляемый слой, содержащий множество независимо управляемых экранирующих областей, причем каждая область выполнена с возможностью потенциально экранировать преобразующий длину волны пиксель. Электрически управляемый слой может, например, содержать электрооптический прибор, оптические свойства которого (в особенности, светопропускание) могут управляться путем приложения электрического потенциала. Фиг. 10a-b иллюстрируют пример такого светоизлучающего устройства. Каждая экранирующая область 104a, 104b может быть обратимо переключаемой между пропускающим состоянием (например, область 104b на фиг. 10a и область 104a на фиг. 10b), когда свет может быть принят соответствующим преобразующим длину волны пикселем, расположенным за упомянутой экранирующей областью, если смотреть от источника света, и блокирующим свет или экранирующим состоянием (область 104a на фиг. 10a и область 104b на фиг. 10b), в котором экранирующая область является непропускающей и, таким образом, блокирует свет от попадания в соответствующий преобразующий длину волны пиксель. Примеры подходящих электрически управляемых приборов включают в себя жидкокристаллические приборы, такие как приборы на основе полимер-диспергированного жидкого кристалла (ПДЖК) или приборы на основе жидкокристаллического геля, электрофоретические приборы с изменением ориентации доменов в одной плоскости, электрохромные приборы и приборы на основе электросмачивания.
Специалист в данной области техники понимает, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается предпочтительными вариантами реализации, описанными выше. Напротив, в пределах объема прилагаемой формулы изобретения возможны многие модификации и вариации.
Кроме того, вариации раскрытых вариантов реализации могут быть поняты и осуществлены специалистом в данной области при практической реализации заявленного изобретения исходя из изучения чертежей, данного раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множества. Тот лишь факт, что некоторые признаки изложены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что не может быть с выгодой использовано сочетание этих признаков.
1. Светоизлучающее устройство (100), выполненное с возможностью обеспечения полного спектра светового выхода, содержащее:
- твердотельный источник (101) света, выполненный с возможностью излучения первичного света (L1); и
- преобразующий длину волны элемент (102), выполненный с возможностью принимать упомянутый первичный свет и содержащий множество преобразующих длину волны областей (102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102f, 102g, 102h), содержащих преобразующий длину волны материал для преобразования первичного света во вторичный свет (L2), причем каждая преобразующая длину волны область посредством этого обеспечивает поддиапазон полного спектра светового выхода,
при этом по меньшей мере некоторые из упомянутых преобразующих длину волны областей расположены в виде массива и содержат квантовые точки, при этом разные преобразующие длину волны области содержат квантовые точки, имеющие разные диапазоны излучения вторичного света, обеспечивающие разные поддиапазоны полного спектра светового выхода, при этом поддиапазон, обеспечиваемый каждой преобразующей длину волны областью, перекрывается или является смежным с по меньшей мере одним другим поддиапазоном, обеспечиваемым другой преобразующей длину волны областью, и при этом упомянутые преобразующие длину волны области вместе обеспечивают вторичный свет, включающий в себя все длины волн диапазона от 400 нм до 800 нм.
2. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором интенсивность полного спектра светового выхода не отклоняется на любой длине волны более чем на 20% от соответствующего спектра излучения абсолютно черного тела, при этом упомянутый спектр излучения абсолютно черного тела соответствует температуре абсолютно черного тела в диапазоне от 500 K до 10000 K.
3. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором каждая преобразующая длину волны область содержит один тип квантовых точек.
4. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором по меньшей мере одна область содержит преобразующий длину волны материал с широкой полосой излучения, который обеспечивает широкий поддиапазон спектра светового выхода и который выбран из неорганических кристаллических люминофоров или органических кристаллических люминофоров.
5. Светоизлучающее устройство по п. 4, в котором по меньшей мере одна область, содержащая квантовые точки, обеспечивает поддиапазон, который частично или полностью перекрывается поддиапазоном, обеспечиваемым преобразующим длину волны материалом с широкой полосой излучения, и упомянутая область, содержащая квантовые точки, обеспечивает вторичный свет более высокой интенсивности, чем у преобразующего длину волны материала с широкой полосой излучения.
6. Светоизлучающее устройство по п. 5, содержащее по меньшей мере 8 разных типов квантовых точек.
7. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором преобразующий длину волны материал содержит квантовые точки, имеющие излучение с полной шириной на половине максимума (ПШПМ) 50 нм или менее, предпочтительно 40 нм или менее.
8. Светоизлучающее устройство по п. 4, в котором область, содержащая преобразующий длину волны материал с широкой полосой излучения, представляет собой слой люминофора, а упомянутый массив областей, содержащий квантовые точки, предусмотрен в качестве другого слоя.
9. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором первичный свет, излучаемый источником света, полностью преобразуется преобразующей длину волны областью.
10. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором первичный свет, излучаемый источником света, только частично преобразуется преобразующей длину волны областью, а непреобразованная часть упомянутого первичного света обеспечивает поддиапазон упомянутого спектра светового выхода.
11. Светоизлучающее устройство по п. 1, дополнительно содержащее экранирующий элемент (104), расположенный на пути света от твердотельного источника света до преобразующего длину волны элемента и способный предотвращать попадание света, излучаемого источником света, в по меньшей мере одну преобразующую длину волны область.
12. Светоизлучающее устройство по п. 1, в котором твердотельный источник света представляет собой светоизлучающий диод (СИД) или лазерный диод, а упомянутый первичный свет находится в диапазоне длин волн от 200 нм до 460 нм.
13. Светильник, содержащий светоизлучающее устройство по п. 1.
14. Применение множества квантовых точек, имеющих разные диапазоны излучения вторичного света, для обеспечения непрерывного полного спектра светового выхода, включающего в себя все длины волн диапазона от 400 нм до 800 нм.
