[发明专利]具有改善的颜色输出的白光照明系统

说明书

本发明涉及一种白光照明系统，尤其是用于将发光二极管(LED)发出的蓝光转换为白光的陶瓷YAG∶Ce∶Gd的磷光体。

发白光的LED用来作为液晶显示器中的背景光，是小型传统灯和荧光灯的替代品。如S.Nakamura等人在“蓝色激光二极管”(The BlueLaser Diode)10.4节216-221页(Springer 1997)中所述，白光LED是通过在发蓝光的半导体LED的输出表面上形成陶瓷磷光体层而制成的，该文献的内容在此引作参考。一般的，该蓝光LED是InGaN单量子阱LED，磷光体是铈掺杂的钇铝石榴石(“YAG”),Y₃Al₅O₁₂∶Ce³⁺。LED发出的蓝光激发磷光体，使其发出黄光。LED发出的蓝光透过磷光体，并与磷光体发出的黄光相混合。观看者将蓝光和黄光的混合视为白光。

蓝色LED、黄色YAG磷光体以及结合了LED和磷光体输出的白色的色度坐标可以在已知的CIE色度图上画图，如图1所示。色度坐标和CIE色度图在以下的几本课本中进行了详细解释，例如K.H.Butler的“荧光灯磷光体”的98-107页(宾夕法尼亚州立大学出版社1980)以及G.Blasse等人的“发光材料”的109-110页(Springer-Verlag1994)，这两篇文献的内容在此引作参考。如图1所示，先有技术的用于发白光的蓝LED的色度坐标在图1的CIE色度图的圈1内。换句话说，LED的色度坐标可以由圈1内的单个点来代表，该特定点的位置取决于该LED的最大发光波长。

YAG∶Ce³⁺磷光体的色度坐标根据Gd在Y点阵位置的掺杂量和/或Ga在Al点阵位置的掺杂量而由图1中沿着线3的点来表示。例如，含有高含量Gd和/或低含量Ga掺杂剂的YAG磷光体的色度坐标可能在点5，而含有低含量Gd和/或高含量Ga掺杂剂的YAG磷光体的色度坐标可能在点7。含有中等含量Gd和/或Ga掺杂剂的YAG磷光体的色度坐标可能在沿着线3的点5和7之间的任何点，例如点9,11,13或15。

结合了蓝LED和YAG磷光体输出的色度坐标可以在图1的CIE色度图中的以线17和19为边界的扇形区域内变化。换句话说，LED和YAG磷光体输出的结合的色度坐标可以是图1中的以圈1、线3、线17和线19为边界的区域内的任何点，如Nakamura等人的课本中220页所述。但是Nakamura等人所述的LED-磷光体系统也存在一些缺点。

如图1所示，CIE色度图包含已知的黑体轨迹(Black BodyLocus)(“BBL”)，由线21表示。位于沿着BBL的色度坐标(即颜色点)遵从Planck等式：E(λ)=Aλ^-5/(e^(B/T)-1)，其中E是发光强度，λ是发光波长，T是黑体的色温，A和B是常数。色温T的各种值，单位为K，如图1的BBL所示。另外，在BBL上或接近BBL的点或颜色坐标会产生使观察者感到愉快的白光。选择典型的白光照明光源，以具有在2500K-7000K色温范围内的BBL上的色度点。例如具有在BBL上的3900K色温的点的灯被设计为“自然白”，3000K的色温被设计成“标准暖白光”等。但是远离BBL的点或颜色坐标对于观察者来说不太被接受作为白光。因此图1所示的LED-磷光体系统含有的线17和19之间的许多点或色度坐标不能产生作为灯光应用的可接受的白光。

为了可以作为白光光源，色度坐标LED-磷光体系统必须在BBL上或接近BBL。LED-磷光体系统的颜色输出由于频率而变化很大，不可避免的，在磷光体制造过程中线路偏离理想的参数(即制造系统误差)。

例如，LED-磷光体系统的颜色输出对于磷光体的厚度非常敏感。如果磷光体过薄，从LED发出的多于所希望量的蓝光会穿透磷光体，结合的LED-磷光体系统的光输出会由于LED的输出占优势而呈现蓝色。在这种情况下，该系统输出波长的色度坐标会位于接近CIE色度图中LED色度坐标而远离BBL的位置。相反，如果磷光体过厚，那么低于所希望量的蓝LED光会穿透该厚磷光层。结合的LED-磷光体系统的光输出会由于LED的黄色输出占优势而呈现黄色。

因此，磷光体的厚度是影响该系统颜色输出的关键变量。遗憾的是，在LED-磷光体系统的大规模生产中很难控制磷光体的厚度，而且磷光体厚度的变化经常导致该系统输出对于灯先应用来讲不再适合或看起来不白(即微蓝或微黄)，这就带来不可接受的低LED-磷光体系统的生产率。