DE102008015712B4

DE102008015712B4 - Lichtquelle mit mehreren weißen LEDs mit verschiedenen Ausgabespektren

Info

Publication number: DE102008015712B4
Application number: DE102008015712.0A
Authority: DE
Inventors: Joon Chok Lee; Kee Yean Ng; Chee Wai Chia; David C. Feldmeier
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: KR20080087706A; DE102008015712A1; TW200902914A; TWI339718B; US20080238335A1; KR100965993B1; JP4975671B2; JP2009004738A; US7568815B2

Abstract

Festkörperlichtquelle, die aufweist: eine erste Komponent-Lichtquelle, die Licht mit einem ersten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf einer Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve abstrahlt, wobei diese erste Komponent-Lichtquellen eine LED aufweist, die Licht einer ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine erste Schicht eines ersten lichtumwandelnden Materials aufweist, das einen Teil dieses Lichts in Licht einer zweiten Wellenlänge umwandelt; eine zweite Komponent-Lichtquelle, die Licht mit einem zweiten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf der anderen Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve abstrahlt, wobei die zweite Komponent-Lichtquelle eine LED aufweist, die Licht der ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine zweite Schicht aus dem ersten lichtumwandelnden Material aufweist, das einen Teil dieses Lichts in Licht der zweiten Wellenlänge umwandelt; und einen Schnittstellenschaltkreis, welcher die erste und die zweite Komponent-Lichtquelle so betreibt, dass die Festkörperlichtquelle einen Farbpunkt hat, der näher an der Schwarzkörperstrahlungskurve liegt als entweder der erste oder der zweite Farbpunkt, wobei die Schnittstellenschaltung einen ersten durchschnittlichen Strom durch die erste Komponent-Lichtquelle hindurch und einen zweiten durchschnittlichen Strom durch die zweite Komponent-Lichtquelle hindurch einstellt, wobei sich der erste durchschnittliche Strom von dem zweiten durchschnittlichen Strom unterscheidet wobei die Komponent-Lichtquellen weiße LEDs mit verschiedenen Ausgabespektren sind.

Description

Leuchtdioden (LEDs) sind vielversprechende Kandidaten zum Ersetzen herkömmlicher Lichtquellen wie zum Beispiel Glühlampen und Leuchtstofflichtquellen. LEDs haben einen höheren Wirkungsgrad bei der Lichtumwandlung als Glühlampen und eine längere Lebensdauer als beide Typen der herkömmlichen Quellen. Außerdem gibt es heute einige LED-Typen mit einem höheren Umwandlungswirkungsgrad als Leuchtstofflichtquellen, und unter Laborbedingungen sind sogar noch höhere Umwandlungswirkungsgrade erreicht worden.
Leider erzeugen LEDs Licht in einem relativ schmalen Spektralband. Darum wird, um eine Lichtquelle mit einer beliebigen Farbe herzustellen, oft eine Verbundlichtquelle mit mehreren LEDs verwendet. Zum Beispiel kann eine LED-basierte Lichtquelle mit einer Abstrahlung, die als mit einer bestimmten Farbe übereinstimmend wahrgenommen wird, durch Kombinieren von Licht von rot, grün und blau abstrahlenden LEDs konstruiert werden. Das Verhältnis der Intensitäten der verschiedenen Farben stellt die Lichtfarbe ein, wie sie vom menschlichen Beobachter wahrgenommen wird.
Um herkömmliche Beleuchtungssysteme ersetzen zu können, werden LED-basierte Quellen benötigt, die Licht erzeugen, das dem menschlichen Auge als ”weiß” erscheint. Eine Lichtquelle, die als weiß erscheint und deren Umwandlungswirkungsgrad mit dem von Leuchtstofflichtquellen vergleichbar ist, kann aus einer blauen LED hergestellt werden, die mit einer Leuchtstoffschicht überzogen ist, die einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umwandelt. Solche Lichtquellen werden in der folgenden Besprechung als ”Leuchtstoffumgewandelte” Lichtquellen bezeichnet. Wenn das Verhältnis von blauem zu gelbem Licht richtig gewählt wird, so erscheint die resultierende Lichtquelle dem menschlichen Beobachter als weiß.
Leider stellt die Gleichförmigkeit solcher Leuchtstoff-umgewandelten Lichtquellen ein Problem dar, besonders wenn zwei weiße LEDs verwendet werden, um Displays zu beleuchten, die gleichzeitig durch einen Betrachter betrachtet werden. Nicht alle weißen Lichtquellen erscheinen gleich. Zum Beispiel strahlen Glühlampen ein Spektrum ab, das durch einen schwarzen Körper genähert wird, der auf eine ”Farbtemperatur” erhitzt wird. Wenn die Lampen so betrieben werden, dass die Farbtemperatur hoch ist, so erscheint das weiße Licht bläulicher. Wenn die Farbtemperatur niedrig ist, so erscheint das Licht rötlicher und wird ”wärmer” empfunden als das Licht mit höherer Farbtemperatur.
Weiße LEDs variieren auch in ihrer effektiven Farbtemperatur je nach dem konkreten Leuchstoff, der verwendet wird, um das blaue Licht umzuwandeln, und der Menge an Leuchtstoff, mit der die LED überzogen ist. Wenn zu wenig Leuchtstoff die LED bedeckt, so erscheint die Lichtquelle bläulich, da eine größere Menge an blauem Licht die LED ohne Umwandlung verlässt. Gleichermaßen erscheint, wenn die Leuchstoffschicht zu dick ist, die Lichtquelle gelblich, da zu viel von dem blauen Licht umgewandelt wurde.
Die Menge an Leuchtstoff, mit der der LED-Chip überzogen ist, und die Art und Weise, in der dieser Leuchtstoff beleuchtet wird, können erheblich während des Herstellungsprozesses zwischen den Partien sowie zwischen Lichtquellen, die innerhalb derselben Partie hergestellt werden, schwanken. Infolge dessen können einzelne LEDs erheblich in ihrer effektiven ”Farbtemperatur” schwanken. Wenn zwei LEDs, die sich erheblich voneinander unterscheiden, zum Beleuchten von Displays verwendet werden, die gleichzeitig durch einen Betrachter betrachtet werden, so empfindet der Betrachter die Unterschiede in den abgestrahlten Spektren oft als störend.
Es sind eine Reihe von Lösungen vorgeschlagen worden, um die Größenordnung dieses Problems zu verringern. Die einfachste Lösung ist die Sortierung der LEDs in Gruppen, die ähnliche Farbtemperaturen haben. Jedoch sind für ein solches Sortieren zusätzliche Tests notwendig, und es werden die Bestandsführungsprobleme im Zusammenhang mit der Herstellung von Lichtquellen vergrößert.
Eine andere Lösung beinhaltet das Kombinieren einer weißen LED mit zwei oder mehr nicht-Leuchtstoff-umgewandelten LEDs, um eine Lichtquelle herzustellen, in der die zusätzlichen LEDs verwendet werden, um die effektive Farbtemperatur der Quelle abzustimmen. Zum Beispiel lehrt die US-Patentanmeldung US 7 220 017 B2 ein Schema, wobei zwei rote LEDs mit einer weißen Lichtquelle kombiniert werden, um eine Lichtquelle mit einer steuerbaren Farbtemperatur herzustellen. Gleichermaßen lehrt die gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung US 2008/0 068 859 A1 eine Weißlichtquelle mit steuerbarer Farbtemperatur, die eine weiße LED zusammen mit raten, blauen und grünen LEDs verwendet, wobei die roten, blauen und grünen LEDs verwendet werden, um die Farbtemperatur abzustimmen.
Diese Lösungen führen jedoch zu einer Lichtquelle mit einem niedrigeren Wirkungsgrad der Lichtumwandlung als dem der Leuchtstoff-umgewandelten weißen LEDs. Der Wirkungsgrad der Lichtumwandlung ist ein wichtiger Faktor bei der Gestaltung von Lichtquellen. Für die Zwecke dieser Besprechung ist der Wirkungsgrad der Lichtumwandlung einer Lichtquelle als die Lichtmenge definiert, die je Watt Elektrizität erzeugt wird, das durch die Lichtquelle verbraucht wird. Die derzeit verfügbaren Leuchtstoff-umgewandelten Weißlichtquellen haben einen Wirkungsgrad der Lichtumwandlung erreicht, der besser ist als der von Leuchtstofflampen, die weißes Licht erzeugen. Dieser hohe Wirkungsgrad der Lichtumwandlung ist das Ergebnis von Verbesserungen an den blauen LEDs. Der Wirkungsgrad der Lichtumwandlung von anderen LED-Typen ist niedriger, weshalb das Verwenden einer Kombination aus Leuchtstoff-umgewandelten weißen LEDs und nicht-blauen LEDs zu einer Lichtquelle mit einem niedrigeren Gesamtwirkungsgrad der Lichtumwandlung führt.
Eine weitere Lösung wird im US-Patent US 7 066 623 B2 gelehrt. Diese Lösung verwendet eine Anordnung, bei der die verschiedenen weißen LEDs mit etwas anderen blauen LEDs erzeugt werden, um LEDs herzustellen, die in der Farbe um die Schwarzkörperkurve herum variieren. Dann wird eine Verbundlichtquelle mit mehreren dieser von Weiß abweichenden Lichtquellen hergestellt, indem jede LED getestet wird und die LEDs so gruppiert werden, dass die von Weiß abweichenden Eigenschaften der LEDs effektiv ausgelöscht werden, wenn die LEDs auf einem gleichen Strompegel betrieben werden. Zumindest eine LED aus jeder Farbgruppierung wird in die Lichtquelle integriert, um zu gewährleisten, dass die verschiedenen LEDs auf beiden Seiten der Schwarzkörperstrahlungskurve liegen. Deshalb erscheint die resultierende LED als reines Weiß mit einer Intensität gleich der von mehreren weißen LEDs. Diese Lösung erfordert, dass die LEDs sowohl getestet als auch sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Der Abstimmungsprozess ist ineffizient und zeitaufwändig. Außerdem lässt sich die Farbtemperatur der fertigen Weißlichtquelle nicht ohne weiteres Sortieren und Gruppieren exakt steuern.
Die DE 10 2005 045 076 A1 offenbart ein Licht-Emittierende-Diode-Blitzmodul mit verbesserter Spektralemission. Eine Licht-Emittierende-Diode-Vorrichtung (”LED”-Vorrichtung) umfasst eine Mehrzahl von LEDs. Jede LED in der Mehrzahl von LEDs ist benachbart zu zumindest einer anderen der Mehrzahl von LEDs. Zumindest eine der Mehrzahl von LEDs weist eine Strahlung mit einer Halbwertsbreite größer 50 nm auf.
Die DE 10 2005 001 685 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zum Erzeugen weißen Lichts, umfassend ein Verwenden einer Kombination von weißen, roten, grünen und blauen LEDs, um weißes Licht zu erzeugen, und ein Einstellen des emittierten Lichts, ansprechend auf Rückkopplungssignale. Ein Lichtsystem weist eine Lichtquelle auf, die zumindest eine weiße LED und mehrere Farb-LEDs und ein Spektralrückkopplungssteuersystem aufweist, das konfiguriert ist, um Licht zu erfassen, das von der Lichtquelle ausgegeben wird, und um das Licht, das von der Lichtquelle ausgegeben wird, ansprechend auf die Lichterfassung einzustellen. Das Spektralrückkopplungssteuersystem kann einen Farbsensor, der konfiguriert ist, um farbspezifische Rückkopplungssignale zu liefern, eine Steuerung, die konfiguriert ist, um farbspezifische Steuersignale ansprechend auf die farbspezifischen Rückkopplungssignale zu erzeugen, und einen Treiber umfassen, der konfiguriert ist, um farbspezifische Treibersignale ansprechend auf die farbspezifischen Steuersignale zu erzeugen.
Die DE 10 2004 057 499 A1 offenbart eine Weißlicht-emittierende Vorrichtung unter Verwendung von Dioden, die gebrochen weißes Licht emittieren (LEDs). Anstatt nur rein weiße LEDs zu verwenden, ordnet die Weißlicht-emittierende Vorrichtung diese LEDs an, die gebrochen weiße Farbe aufweisen, auf eine Weise, derart, dass die Kombination aus Licht, das aus diesen gebrochen weißen LEDs austritt, eine Strahlung erzeugt, die im Wesentlichen rein weiß für das menschliche Auge erscheint.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung enthält eine Festkörperlichtquelle mit einer ersten und einer zweiten Komponent-Lichtquelle und einem Schnittstellenschaltkreis und ein Verfahren für derer Herstellung. Die erste Komponent-Lichtquelle strahlt Licht mit einem ersten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf einer Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve ab. Die erste Komponent-Lichtquelle enthält eine LED, die Licht einer ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine erste Schicht eines ersten lichtumwandelnden Materials, die einen Teil dieses Lichts in Licht einer zweiten Wellenlänge umwandelt. Die zweite Komponent-Lichtquelle strahlt Licht mit einem zweiten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf der anderen Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve ab. Die zweite Komponent-Lichtquelle enthält eine LED, die Licht der ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine zweite Schicht des ersten lichtumwandelnden Materials, die einen Teil dieses Lichts in Licht der zweiten Wellenlänge umwandelt. Der Schnittstellenschaltkreis betreibt die erste und die zweite Komponent-Lichtquelle so, dass die Festkörperlichtquelle einen Farbpunkt hat, der näher an der Schwarzkörperstrahlungskurve liegt als der erste und/oder der zweite Farbpunkt. Beispielsweise, kann der Schnittstellenschaltkreis die erste und die zweite Komponent-Lichtquelle auch so betreiben, dass die Festkörperlichtquelle einen Farbpunkt hat, der näher an der Schwarzkörperstrahlungskurve liegt als sowohl der erste als auch der zweite Farbpunkt. In einem Aspekt der Erfindung enthält die Festkörperlichtquelle auch eine dritte Komponent-Lichtquelle, die Licht mit einem dritten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm abstrahlt, der nicht auf einer Linie liegt, die den ersten und den zweiten Farbpunkt verbindet, und der Schnittstellenschaltkreis betreibt die dritte Komponent-Lichtquelle des Weiteren so, dass der erste, der zweite und der dritte Farbpunkt ein Dreieck im CIE 1931-Farbraumdiagramm definieren, das einen Teil der Schwarzkörperstrahlungskurve enthält.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer Weißlicht-LED des Standes der Technik.
2 ist eine Darstellung des CIE 1932-Farbraumdiagramms, die einige spezifische Farbtemperaturpunkte zeigt.
3 ist eine Darstellung des CIE 1932-Farbraumdiagramms, das Punkte zeigt, die einem Paar weißer LEDs entsprechen.
4 ist ein Schaubild einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Darstellung des CIE 1932-Farbraumdiagramms, das Punkte zeigt, die einem Satz aus drei weißen LEDs entsprechen.
6 ist ein Schaubild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung verwendet zwei der Merkmale von LEDs, die normalerweise als Nachteile angesehen werden, und wendet sie zum Erzeugen einer gleichmäßigeren weißen Farbe an. Ein Merkmal ist die Variabilität zwischen Leuchtstoff-umgewandelten weißen LEDs, wie oben angesprochen und weiter unten ausführlicher besprochen. Das zweite Merkmal ist die relativ geringe Lichtleistung einzelner LEDs, bestenfalls weniger als ein paar Watt, was bedeutet, dass die meisten interessierenden Lichtquellen mehrere LEDs benötigen, um Lichtintensitätswerte zu erreichen, die denen von Glüh- oder Leuchtstofflichtquellen vergleichbar sind. Die Verwendung mehrerer LEDs, wie die vorliegende Erfindung es verlangt, würde darum keine erheblich höheren Kosten im Vergleich zu Systemen bedeuten, die derzeit in Gebrauch sind.
1 zeigt eine typische Anordnung des Standes der Technik für eine Leuchtstoff-umgewandelte LED-Quelle eines Typs, der derzeit allgemein in Gebrauch ist. Ein Licht abstrahlender Halbleiterchip 12 ist in einem Hohlraum auf einem Substrat 14 montiert. Teilchen eines Leuchtstoffmaterials sind in einen transparenten Träger, in der Regel einer Epoxidharz, eingemischt, und das resultierende Material 16 wird über dem Chip in dem Hohlraum angeordnet, um den Hohlraum ganz oder teilweise auszufüllen. Unter Einwirkung von Wärme und/oder UV-Licht lässt man das Epoxidharz aushärten. Während des Betriebes strahlt blaues Licht, das von dem Chip abgegeben wurde, in das Leuchtstoffgemisch hinein, wobei ein Teil des Lichts von Blau zu Gelb umgewandelt wird, und die resultierende Mischung aus Wellenlängen verlässt die Vorrichtung. Das Licht strahlt entweder direkt ab, wie zum Beispiel der Strahl 17, oder nach einer Reflexion von den Seitenwänden des Hohlraums, wie zum Beispiel Strahl 18. Die Mischung aus blauen und gelben Wellenlängen wird vom menschlichen Beobachter als eine weiße Farbe wahrgenommen. Der Grad an Bläulichkeit oder Gelblichkeit richtet sich nach der Verteilung der Leuchtstoffkonzentration, die das Licht antrifft, das von verschiedenen Punkten über die Fläche der Quelle hinweg abstrahlt.
Die Leuchtstoffkonzentration variiert aus einer Reihe von Gründen von Bauelement zu Bauelement. Als erstes neigen die Leuchtstoffteilchen bis zur vollständigen Aushärtung des Epoxidharzes dazu, sich unter dem Einfluss der Schwerkraft abzusetzen, wodurch ein vertikaler Konzentrationsgradient entsteht. Unterschiede beim Konzentrationsgradienten führen zu Unterschieden beim Anteil des blauen Lichts, der zu Gelb umgewandelt wird, sowie zu sichtwinkelabhängigen Schwankungen bei der wahrgenommenen Farbe. Zweitens schwankt auch die Menge des Leuchtstoffs, die in jede Mulde abgegeben wird, infolge von Fehlern in der Abgabevorrichtung und/oder infolge des Absetzens der Leuchtstoffteilchen in dem Vorratsbehälter, aus dem das Epoxidharz-Leuchtstoffgemisch ausgegeben wird.
Drittens schwankt auch die Verteilung der Teilchengrößen in der Leuchtstoffzubereitung von einer Herstellungscharge zur anderen für die Leuchtstoffe, die derzeit in weißen LEDs verwendet werden. Die Leuchtstoffzubereitung enthält eine Reihe von Leuchtstoffteilchen in Größen, die aus einem mechanischen Schleifen der Leuchtstoffzubereitung resultieren, nachdem die Prekursore auf sehr hohe Temperaturen erwärmt wurden. Die erhaltenen Größenverteilungen variieren von einer Herstellungscharge des Leuchtstoffs zur anderen. Der Grad, in dem die Leuchtstoffteilchen das Licht zerstreuen, anstatt das Licht von Blau zu Gelb umzuwandeln, richtet sich nach der Verteilung der Teilchengröße. Außerdem richtet sich der Grad des Absetzens sowohl in dem Vorratsbehälter der Abgabevorrichtung als auch in den einzelnen LEDs vor dem Aushärten nach der Teilchengröße. Infolge dessen gibt es eine beträchtliche Schwankungsbreite von Vorrichtung zu Vorrichtung in einer einzelnen Produktionspartie sowie von einer Produktionspartie zur anderen. Darüber hinaus schwanken die blauen LEDs auch bei der Wellenlänge des erzeugten Lichts. Das führt zu weiterer Variabilität bei der Endfarbe der fertigen ”weißen” LED.
2 veranschaulicht die Schwarzkörperkurve im herkömmlichen CIE 1931-Farbraumdiagramm. Es ist oft wünschenswert, eine Lichtquelle herzustellen, deren Lichtabgabe durch einen Farbpunkt charakterisiert werden kann, der auf die – oder nahe an die – bei 21 gezeigte Schwarzkörperkurve fällt. Die Kurve 21 ist der Ort von Farbpunkten, die durch einen schwarzen Körper erzeugt werden, der auf die Temperaturen erwärmt wurde, die entlang der Kurve 21 liegen. Für eine Nicht-Schwarzkörperquelle werden die Orte entlang der Kurve 21 üblicherweise als die korrelierte Farbtemperatur (correlated color temperature CCT) der Lichtquelle bezeichnet, da die Abgabefarbe als die gleiche wie die von einem schwarzen Körper wahrgenommen wird, der auf die betreffende Temperatur erwärmt wurde.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass weiße LEDs, die aus einer bestimmten blauen Lichtquelle und Leuchtstoff aufgebaut sind, eine Variabilität aufweisen, die entlang einer Linie im Farbraum liegt. Die verschiedenen Faktoren, die dazu führen, dass die CCT der LEDs schwankt, sind überwiegend das Ergebnis von Veränderungen im Verhältnis von blauem zu gelbem Licht von LED zu LED und liegen deshalb auf der Linie, welche die blaue Lichtquelle mit der Lichtquelle verbindet, die erhalten werden würde, wenn das gesamte blaue Licht zu Gelb umgewandelt werden würde. Wenden wir uns nun 3 zu, in der die Punkte entlang dieser Linie veranschaulicht sind. Eine Lichtquelle, in der kein Anteil des blauen Lichts zu Gelb umgewandelt wird, ist durch den Punkt 34 dargestellt. Gleichermaßen ist eine Lichtquelle, in der das gesamte blaue Licht durch den Leuchtstoff zu gelbem Licht umgewandelt wird, durch den Punkt 33 dargestellt. In der Praxis haben die einzelnen LEDs wahrgenommene Farben, die entlang der Linie 37 liegen. Zwei LEDs, die zu wenig gelbes Licht haben, sind bei 31A–B gezeigt, und zwei LEDs, die zu viel gelbes Licht haben, sind bei 32A–B gezeigt Die LEDs wurden wahrscheinlich konzipiert Farbpunkte zu haben, die in der bei 39 gezeigten Region liegen.
Stellen wir uns eine Lichtquelle vor, die aus zwei LEDs aufgebaut ist, die Farbpunkte entlang der Linie 37 haben. Wenn eine dieser LEDs einen Farbpunkt oberhalb der Kurve 21 hat und die andere einen Farbpunkt hat, der unterhalb der Kurve 21 liegt, so kann eine Lichtquelle mit einem Farbpunkt in der Region 39 erhalten werden, indem man die relativen Intensitäten der zwei LEDs justiert. Deshalb arbeitet diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Paaren von LEDs, die oberhalb der Kurve 21 liegen, mit LEDs, die unterhalb der Kurve 21 liegen, und Variieren der relativen Intensitäten der LEDs in jedem Paar in einer solchen Weise, dass die resultierende Verbundlichtquelle einen Farbpunkt in der Region 39 hat. Infolge dessen werden Verbundlichtquellen mit sehr gleichmäßigen CCTs erhalten, selbst wenn der CCT der einzelnen LEDs stark schwankt.
Da das Verhältnis der Ansteuerströme zu den zwei LEDs durch eine Steuereinheit gesteuert wird, die ein Teil der Lichtquelle ist, ist ein sorgfältiger Abgleich der LEDs zum Erhalten einer Verbundlichtquelle, die auf der Kurve 21 liegt, nicht erforderlich. Solange eine LED oberhalb der Kurve liegt und die andere LED unterhalb der Kurve liegt, können die relativen Ströme durch die zwei LEDs hindurch so justiert werden, dass ein Farbpunkt auf, oder sehr nahe an der, Kurve 21 erhalten wird. Dementsprechend erfordert die vorliegende Erfindung nur ein grobes Screening der LEDs, um die LEDs in zwei Gruppen zu trennen. Die Lichtquelle wird dann aus mindestens einer LED aus jeder Gruppe aufgebaut.
Wie oben angesprochen, muss fast jede brauchbare Lichtquelle, die dafür gedacht ist, herkömmliche Lichtquellen zu ersetzen, mehrere LEDs verwenden, da die Lichtintensität von einer einzelnen LED zu niedrig ist, um den äquivalenten Beleuchtungspegel zu erreichen. Darüber hinaus erfordern die derzeitigen Fertigungsverfahren, dass die LEDs nach der Produktion sortiert werden, um LEDs mit ähnlichen CCTs zu erhalten. Deshalb erfordert eine Ausführungsform, in der die LEDs wie oben beschrieben gepaart werden, keine erheblichen zusätzlichen Kosten für einen höheren Herstellungsaufwand oder mehr LEDs, die verwendet werden müssen, um eine Lichtquelle nach derzeitigen Verfahren zu erhalten.
Wenden wir uns nun 4 zu, die eine Ausführungsform einer Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Lichtquelle 40 enthält zwei Gruppen von weißen LEDs 41 und 42, die aus Produktionspartien ausgewählt sind, die deutlich verschiedene Blau-Gelb-Verhältnisse haben. Jede Gruppe wird durch einen separaten Treiber angesteuert, der in der Steuereinheit 45 enthalten ist.
Alle LEDs in einer Gruppe werden unter Bedingungen angesteuert, welche die Verhältnisse der Lichtabgaben der verschiedenen LEDs relativ zueinander innerhalb der Gruppe konstant halten. Zum Beispiel sind in einer Ausführungsform die LEDs in jeder Gruppe so in Reihe geschaltet, dass jede LED in einer Gruppe mit dem gleichen Strom angesteuert wird. Die Steuereinheit 45 hält das Verhältnis der Ansteuerströme auf vorgegebenen Werten, um eine Lichtquelle mit der gewünschten CCT bereitzustellen.
Die LEDs in einer Gruppe haben Blau-Gelb-Verhältnisse, die diese LEDs an einen Punkt unterhalb der Kurve 21 setzen, und die LEDs in der anderen Gruppe haben Blau-Gelb-Verhältnisse, die diese LEDs an einen Punkt oberhalb der Kurve 21 auf der Linie 37 setzen. Die LEDs in jeder Gruppe können als eine Verbundlichtquelle mit einem Farbpunkt angesehen werden, der auf der Linie 37 liegt, wobei ein solcher Punkt oberhalb der Kurve 21 liegt und ein solcher Punkt unterhalb der Kurve 21 liegt. Die Steuereinheit 45 hält das Verhältnis der Lichtabgabe von diesen zwei Verbundlichtquellen auf einem solchen Wert, dass die gewünschten CCT erhalten wird.
Es ist anzumerken, dass die verschiedenen Blau-Gelb-Verhältnisse der einzelnen LEDs das Ergebnis von Schwankungen im Fertigungsprozess sein können, oder die Verhältnisse können absichtlich verschieden gestaltet werden, indem man verschiedene Mengen an Leuchtstoffen in jeder Gruppe verwendet oder indem man leicht unterschiedliche Leuchtstoffe verwendet.
In der einfachsten Ausführungsform speichert die Steuereinheit 45 das gewünschte Verhältnis von Ansteuerströmen für die Verbundlichtquellen bzw. Komponent-Lichtquellen (component light sources) 41 und 42. Sobald das gewünschte Verhältnis eingestellt wurde, hält die Steuereinheit 45 lediglich die Ansteuerströme auf dem gewünschten Verhältnis. Wenn wir annehmen, dass das Ansteuerverhätnis zu der Zeit eingestellt wird, wo die Lichtquelle 40 hergestellt wird, so erscheint die Lichtquelle dem Endverbraucher als eine einfache Lichtquelle, die an Strom angeschlossen wird und Licht mit einer festen CCT und Intensität abgibt, wenn sie eingeschaltet wird.
Wenn die LEDs mit der gleichen Rate altern, so gibt die einfache Ausführungsform Licht mit der gewünschten CCT über die Lebensdauer der Lichtquelle 40 hinweg ab. Jedoch verringert sich die Gesamtintensität des Lichts von der Lichtquelle 40 im Lauf der Zeit mit zunehmender Alterung der LEDs. In einer anderen Ausführungsform enthält die Lichtquelle noch einen Fotodetektor 44, der das Licht misst, das durch die Komponent-Lichtquelle 41 und 42 erzeugt wird, und den durchschnittlichen Strom, der jeder Lichtquellenkomponente zugeführt wird, so justiert, dass das Verhältnis der Intensitäten des Lichts von den zwei Komponent-Lichtquellen konstant bleibt, weshalb die CCT konstant bleibt. Darüber hinaus bleibt die Gesamtlichtabgabe der Lichtquelle 40 über die Lebensdauer der Lichtquelle hinweg konstant, sofern die anfängliche Intensität genügend unterhalb der Spitzenausgabeleistung der LEDs liegt. Im Lauf der Zeit nimmt die Lichtabgabe der LEDs ab, weshalb der Ansteuerstrom erhöht werden muss. Um den zusätzlichen Ansteuerstrom bereitzustellen, muss der anfängliche Ansteuerstrom unterhalb des maximalen Ansteuerstroms für die LEDs liegen.
Der Fotodetektor 44 misst das Licht, das durch jede der Komponent-Lichtquellen erzeugt wird. Der Fachmann kennt eine Reihe von Schemen zum Messen der Abgabe von LEDs, weshalb diese Schemen hier nicht im einzelnen besprochen werden. Schemen auf der Basis des Modulierens der Komponent-Lichtquellen bei verschiedenen Frequenzen oder Schemen auf der Basis der Verwendung von Fotodioden, welche die Intensität von Licht in verschiedenen Wellenlängenbändern messen, könnten verwendet werden. Für den Zweck der vorliegenden Besprechung genügt es festzustellen, dass der Fotodetektor 44 ein Signal erzeugt, das die Intensität von Licht anzeigt, das durch jede der Komponent-Lichtquellen erzeugt wird. Die Steuereinheit 45 verwendet dann diese gemessenen Intensitätswerte in einer Servoschleife, welche die Abgabe von jeder der Komponent-Lichtquellen auf dem richtigen Pegel hält, indem der durchschnittliche Strom zu jeder Komponent-Lichtquelle justiert wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen basieren darauf, dass die Steuereinheit 45 Werte speichert, die das Verhältnis der Ansteuerströme oder die Lichtpegel von den Komponent-Lichtquellen, die aufrecht erhalten werden sollen, spezifizieren. Für jeweils zwei gegebene Komponent-Lichtquellen muss dieses Verhältnis bestimmt werden. Das Verhältnis kann bestimmt werden, indem man die CCT der Lichtquelle 40 mittels einer Kalibrierungssteuereinheit 48 misst, die einen kalibrierten Fotodetektor enthält, dessen Ausgabe durch die Kalibrierungssteuereinheit 48 zum Bestimmen der momentanen CCT für die Lichtquelle 40 verwendet werden kann. In diesem System veranlasst die Kalibrierungssteuereinheit 48 die Steuereinheit 45, verschiedene Ansteuerstromverhältnisse zu verwenden, indem Signale über den Bus 46 gesendet werden. Die Kalibrierungssteuereinheit 48 misst die Abgabe der Lichtquelle 40 für jedes dieser Ansteuerstromverhältnisse. Die Kalibrierungssteuereinheit 48 bestimmt dann das richtige Verhältnis anhand des Ausgangssignals des Fotodetektors 47 und übermittelt dieses Verhältnis an die Steuereinheit 45 mit Anweisungen, das Verhältnis zu speichern.
In Ausführungsformen, in denen die Lichtquelle 40 den Fotodetektor 44 enthält, könnte der Fotodetektor 47 durch eine Lichtquelle mit der gewünschten CCT ersetzt werden. In diesem Fall verwendet die Steuereinheit 45 die Signale W1 und W2, die mittels des Fotodetektors 44 erzeugt werden, wenn er mit der Ziellichtquelle beleuchtet wird, als die Zielwerte für die Servoschleife. Das heißt, die Kalibrierungssteuereinheit 48 signalisiert der Steuereinheit 45, die Stromwerte der Fotodetektor-Ausgange oder Fotodetektor-Ausgangssignale zu speichern und diese während des anschließenden Betriebes beizubehalten.
Wenden wir uns wieder 3 zu. Für Weißlichtquellen, die auf dem Mischen von blauem und gelbem Licht basieren, gibt es im Allgemeinen nur einen einzigen Schnittpunkt zwischen der Linie, welche die Farbpunkte von zwei LEDs verbindet, und der Schwarzkörperkurve. Deshalb gibt es nur eine einzige CCT, die durch eine solche Lichtquelle erreicht werden kann. Jedoch kann es für eine bestimmte blaue Quelle möglich sein, zwei CCTs zu haben, die durch einen deutlichen Temperaturunterschied voneinander getrennt sind, wenn eine Linie, die sich noch stärker in Richtung der Horizontalen bewegt, mit einer anderen blauen oder gelben Quelle erreicht werden könnte. Es mag daher möglich sein, die Ansteuerung zu den zwei Komponent-Lichtquellen so zu justieren, dass ihre kombinierte Abgabe mit einer der beiden Farbtemperaturen übereinstimmt. Der Eingang 46 in die Steuereinheit 45 könnte dann dafür verwendet werden, eine von zwei ”weißen” Farbtemperaturen auszuwählen, unter der Annahme, dass der oben beschriebene Kalibrierungsprozess für jede von zwei verschiedenen Referenzlichtquellen, die an den zwei entsprechenden Farbtemperaturpunkten liegen, ausgeführt wird. Jedoch lassen sich Ausführungsformen, die eine beträchtliche Anzahl deutlich voneinander getrennter CCTs erreichen können, nicht mit nur zwei Lichtquellenkomponenten herstellen.
Eine Lichtquelle, die eine beträchtliche Anzahl deutlich voneinander getrennter CCTs erreichen kann, lässt sich herstellen, wenn eine dritte Komponent-Lichtquelle zu den oben besprochenen Lichtquellen hinzugefügt wird. Wenden wir uns nun 5 zu, welche die Region des Farbraums veranschaulicht, die unter Verwendung von 3 Leuchtstoff-umgewandelten Komponent-Lichtquellen erreicht werden kann. Die ersten zwei Komponent-Lichtquellen liegen auf der Linie zwischen den oben besprochenen Farbpunkten 33 und 34. Diese zwei Komponent-Lichtquellen sind bei 54 und 56 gezeigt und sind in einer Weise aufgebaut, die der oben besprochenen Weise analog ist. Das heißt, die Lichtquellen 54 und 56 sind aus Leuchtstoff-umgewandelten Quellen aufgebaut, welche die gleiche LED und den gleichen Leuchtstoff verwenden, um Licht zu erzeugen, das als weiß oder fast weiß wahrgenommen wird.
Eine dritte Komponent-Lichtquelle mit einem Farbpunkt, der bei 52 gezeigt ist, wird verwendet, um den Bereich der CCTs zu erweitern, die erreicht werden können, indem man die relativen Intensitäten der Komponent-Lichtquellen auf die bei 55 gezeigte Region justiert. Die Region 55 enthält einen beträchtlichen Teil der Schwarzkörperkurve, weshalb eine solche Lichtquelle eine Weißlichtquelle mit einer Auswahl von CCTs bilden kann, während die Vorteile des Umwandlungswirkungsgrades der Leuchtstoff-umgewandelten Lichtquellen beibehalten werden.
Die dritte Komponent-Lichtquelle muss einen Farbpunkt haben, der nicht auf derselben Linie wie die übrigen zwei Komponent-Lichtquellen liegt, und muss deshalb eine andere Leuchtstoffzusammensetzung oder LED enthalten. Zum Beispiel kann der gelbe Leuchtstoff, der in den anderen zwei weißen LEDs verwendet wird, mit einem Leuchtstoff angereichert werden, der einen Teil des blauen Licht zu Grün umwandelt. Auch hier könnten die Komponent-Lichtquellen mehrere solcher LEDs enthalten, solange der Durchschnitt der LEDs einen Farbpunkt ergibt, der ausreichend versetzt ist, um die gewünschte Region der Schwarzlichtkurze bereitzustellen. Alternativ könnte die dritte Komponent-Lichtquelle eine Kombination der LEDs sein, die in den anderen zwei Komponent-Lichtquellen verwendet werden, zuzüglich einer weiteren LED, die Licht im grünen Bereich des Spektrums erzeugt. Andere Ausführungsformen, in denen der gleiche gelbe Leuchtstoff mit einer LED mit anderer Erregung verwendet wird, können ebenfalls verwendet werden.
Wenden wir uns nun 6 zu, die eine Lichtquelle aus drei Komponenten gemäß einer Ausführungsform der vorlegenden Erfindung veranschaulicht. Die Lichtquelle 60 ist aus drei Komponent-Lichtquellen 61, 62 und 63 aufgebaut. Die Komponent-Lichtquellen 61 und 62 ähneln den oben besprochenen Komponent-Lichtquellen 41 und 42 insofern, als diese Komponent-Lichtquellen aus LEDs bestehen, die erheblich unterschiedliche Blau-Gelb-Verhältnisse haben. Die Unterschiede können das Ergebnis von Produktionsschwankungen oder von bewusst veränderten Leuchtstoffkonzentrationen sein.
Die Komponent-Lichtquelle 63 ist aus mehreren LEDs aufgebaut, die einen durchschnittlichen Farbpunkt haben, der nicht auf der Linie liegt, welche die Farbpunkte verbindet, die den Lichtquellen 61 und 62 entsprechen. Der Farbpunkt für die Lichtquelle 63 ist so gewählt, dass er genügend von der Linie versetzt ist, welche die Farbpunkte verbindet, die den Lichtquellen 61 und 62 entsprechen, um zu gewährleisten, dass mindestens ein Teil der Schwarzkörperstrahlungskurve innerhalb des Dreiecks enthalten ist, das durch die drei Lichtquellenkomponenten definiert wird.
Eine Steuereinheit 65 steuert die Quellen so an, dass die Verhältnisse der Intensitäten der Komponent-Lichtquellen zueinander konstant gehalten werden, und vorzugsweise an einem Punkt auf der Schwarzkörperstrahlungskurve, welcher der gewünschten CCT entspricht. Da die Lichtquelle 60 LEDs mit einem unterschiedlichen Leuchtstoffsystem oder von unterschiedlichem LED-Typ enthält, kann die Komponent-Lichtquelle 63 mit einer Rate altern, die sich von der Alterungsrate der Komponent-Lichtquellen 61 und 62 unterscheidet. Deshalb können Ausführungsformen, in denen die Steuereinheit 65 einen Fotodetektor 64 verwendet, um die tatsächliche Lichtabgabe von jeder Komponent-Lichtquelle zu überwachen und die Lichtquellen so zu verstärken, dass der Farbpunkt auf der gewünschten CCT gehalten wird, hergestellt werden, um Farbverschiebungen über die Lebensdauer der Lichtquelle 60 hinweg zu verhindern.
Die Lichtquelle 60 kann in einer Weise kalibriert werden, die der oben besprochenen Weise analog ist. Es ist anzumerken, dass, da die Lichtquelle 60 einen Bereich von CCTs erreichen kann, auch Ausführungsformen möglich sind, in denen die CCT während des Betriebes der Lichtquelle verändert werden kann. In diesem Fall würde die Steuereinheit 65 eine Kalibrierungskurve enthalten, welche die Zielwerte bereitstellt, die in der Servoschleife für die verschiedenen CCTs zu verwenden sind. Signale, welche die gewünschte CCT spezifizieren, könnten dann über den Bus 66 gesendet werden.
Dem Fachmann fallen anhand der obigen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung ein. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung ausschließlich durch den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche zu beschränken.

Claims

Festkörperlichtquelle, die aufweist: eine erste Komponent-Lichtquelle, die Licht mit einem ersten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf einer Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve abstrahlt, wobei diese erste Komponent-Lichtquellen eine LED aufweist, die Licht einer ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine erste Schicht eines ersten lichtumwandelnden Materials aufweist, das einen Teil dieses Lichts in Licht einer zweiten Wellenlänge umwandelt; eine zweite Komponent-Lichtquelle, die Licht mit einem zweiten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf der anderen Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve abstrahlt, wobei die zweite Komponent-Lichtquelle eine LED aufweist, die Licht der ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine zweite Schicht aus dem ersten lichtumwandelnden Material aufweist, das einen Teil dieses Lichts in Licht der zweiten Wellenlänge umwandelt; und einen Schnittstellenschaltkreis, welcher die erste und die zweite Komponent-Lichtquelle so betreibt, dass die Festkörperlichtquelle einen Farbpunkt hat, der näher an der Schwarzkörperstrahlungskurve liegt als entweder der erste oder der zweite Farbpunkt, wobei die Schnittstellenschaltung einen ersten durchschnittlichen Strom durch die erste Komponent-Lichtquelle hindurch und einen zweiten durchschnittlichen Strom durch die zweite Komponent-Lichtquelle hindurch einstellt, wobei sich der erste durchschnittliche Strom von dem zweiten durchschnittlichen Strom unterscheidet wobei die Komponent-Lichtquellen weiße LEDs mit verschiedenen Ausgabespektren sind.
Festkörperlichtquelle nach Anspruch 1, wobei der Schnittstellenschaltkreis einen Fotodetektor, der ein erstes Signal, das indikativ für eine erste Intensität von Licht ist, das durch die erste Komponent-Lichtquelle erzeugt wird, und ein zweites Signal erzeugt, das indikativ für eine zweite Intensität von Licht ist, das durch die zweite Komponent-Lichtquelle erzeugt wird, und eine Steuereinheit aufweist, um den ersten und den zweiten durchschnittlichen Strom so zu verändern, dass das erste und das zweite Signal auf ersten und zweiten Zielwerten gehalten werden.
Festkörperlichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, die des Weiteren eine dritte Komponent-Lichtquelle aufweist, die Licht mit einem dritten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm abstrahlt, der nicht auf einer Linie liegt, die den ersten und den zweiten Farbpunkt verbindet, und wobei der Schnittstellenschaltkreis auch die dritte Komponent-Lichtquelle betreibt.
Festkörperlichtquelle nach Anspruch 3, wobei der erste, der zweite und der dritte Farbpunkt ein Dreieck in dem CIE 1931-Farbraumdiagramm definieren, das einen Teil der Schwarzkörperstrahlungskurve enthält.
Festkörperlichtquelle nach Anspruch 3 oder 4, wobei die dritte Komponent-Lichtquelle eine LED aufweist, die Licht mit der ersten Wellenlänge abstrahlt, und ein zweites lichtumwandelndes Material aufweist, das sich von dem ersten lichtumwandelnden Material unterscheidet.
Festkörperlichtquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die dritte Komponent-Lichtquelle eine LED aufweist, die Licht mit einer anderen Wellenlänge als der ersten Wellenlänge abstrahlt.
Festkörperlichtquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Schnittstellenschaltkreis einen Fotodetektor, der ein erstes, ein zweites und ein drittes Signal erzeugt, das indikativ für eine erste, eine zweite bzw. eine dritte Intensität von Licht ist, die durch die erste, die zweite bzw. die dritte Komponent-Lichtquelle erzeugt wird, und eine Steuereinheit aufweist, um den ersten, den zweiten und den dritten durchschnittlichen Strom so zu verändern, dass das erste, das zweite und das dritte Signal auf dem ersten, dem zweiten bzw. dem dritten Zielwert gehalten wird.
Verfahren zum Herstellen einer Festkörperlichtquelle, das aufweist: Bereitstellen einer ersten Komponent-Lichtquelle, die Licht mit einem ersten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf einer Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve abstrahlt, wobei diese erste Komponent-Lichtquelle eine LED aufweist, die Licht einer ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine erste Schicht eines ersten lichtumwandelnden Materials aufweist, das einen Teil dieses Lichts in Licht einer zweiten Wellenlänge umwandelt; Bereitstellen einer zweiten Komponent-Lichtquelle, die Licht mit einem zweiten Farbpunkt im CIE 1931-Farbraumdiagramm auf der anderen Seite der Schwarzkörperstrahlungskurve abstrahlt, wobei die zweite Komponent-Lichtquelle eine LED aufweist, die Licht der ersten Wellenlänge abstrahlt, und eine zweite Schicht aus dem ersten lichtumwandelnden Material aufweist, das einen Teil dieses Lichts in Licht der zweiten Wellenlänge umwandelt; Bestimmen eines ersten und eines zweiten Leistungspegels für die erste bzw. die zweite Komponent-Lichtquelle, dergestalt, dass die Festkörperlichtquelle einen Farbpunkt hat, der näher an der Schwarzkörperstrahlungskurve liegt als entweder der erste oder der zweite Farbpunkt, wenn die erste und die zweite Komponent-Lichtquelle mit diesen Leistungspegeln betrieben werden; und Bereitstellen eines Schnittstellenschaltkreises, welcher die erste und die zweite Komponent-Lichtquelle auf diesen Leistungspegeln betreibt wobei die Komponent-Lichtquellen weiße LEDs mit verschiedenen Ausgabespektren sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schnittstellenschaltkreis einen Fotodetektor aufweist, der Signale erzeugt, die indikativ für Lichtintensitäten in einem ersten und einem zweiten Wellenlängenband ist, und wobei die Leistungspegel durch Speichern von Werten der Signale bestimmt werden, wenn der Fotodetektor mit Licht eines vorgegebenen Farbpunkts beleuchtet wird.