Светодиодный источник белого света с комбинированным удаленным фотолюминесцентным конвертером

Светодиодный источник белого света с комбинированным удаленным фотолюминесцентным конвертером

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к электротехнике и электронной технике, более конкретно к источникам света на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), еще более конкретно к источникам белого света на основе СИД с конверсионными фотолюминофорами.

Технология твердотельного освещения начинает завоевывать рынок белого освещения, благодаря последним достижениям в разработке эффективных СИД, особенно, нитридных (InGaN), и наиболее высокой достижимой эффективности освещения среди всех известных источников белого света. Светодиодные решения находят широкое применение в тех осветительных устройствах, типа линейных и уличных светильников, в которых осветитель относительно велик и сильно нагревающиеся СИД могут быть распределены так, чтобы облегчить эффективный отвод тепла от них. Разработка светодиодных заменителей традиционных ламп накаливания и галогенных ламп с малым форм-фактором, обладающих высоким световым потоком, ввиду значительных перспектив в решении проблемы энергосбережения является одной из наиболее актуальных современных научно-технических задач, но ее решение сильно затруднено ограничениями объема для размещения управляющей электроники (драйверов) и относительно малой поверхностью для отвода тепла, выделяемого СИД, в таких лампах. Белые СИД часто включают синий СИД, покрытый YAG:Ce фосфором. Высокомощные (один ватт или больше) синие СИД имеют эффективность приблизительно 30-45%, при приблизительно 550-700 мВт, выделяемых на нагревание прибора из каждого приложенного ватта. Кроме того, считается, что при преобразовании фосфором синего света в желтый свет в белых СИД приблизительно 20% падающей световой энергии уходит на нагревание фосфора. Технические спецификации указывают, что падение мощности излучения синих СИД составляет приблизительно 7% при температуре 25-125°С, в то время как падение мощности белых СИД составляет приблизительно 20% при той же самой температуре. Таким образом, в высокомощных белых СИД имеются существенные ограничения на тепловые и световые потоки.

Целью настоящего изобретения является создание СИД лампы, с малым форм-фактором для замены стандартных ламп, в которой преодолены проблемы известных технических решений.

Основу любой СИД лампы, предназначенной для замены стандартных ламп белого свечения, составляют чипы СИД. Белый свет зачастую получается в результате смешения излучения комбинации чипов СИД с различными цветами излучения, например, синего, зеленого и красного, или синего и оранжевого и др.

Однако в последние годы на первый план по масштабам использования выходят источники белого света на основе СИД с фотолюминофорами-конвертерами, которые излучают желтое или оранжевое (красное) излучение при поглощении синего или УФ излучения чипа СИД. На Фиг.1 показана схема, поясняющая принцип действия источника белого света такого типа.

Устройство содержит чип СИД, излучающий первичное относительно коротковолновое излучение, и конверсионную фотолюминофорную среду, облучаемую указанным относительно коротковолновым излучением, которая при облучении указанным относительно коротковолновым излучением, возбуждается, излучая в ответ второе, относительно более длинноволновое излучение. В конкретном исполнении, монохромное синее или УФ излучение, выходящее из чипа, конвертируется в белый свет упаковкой чипа в органические и/или неорганические фосфоры (фотолюминофоры) в полимерной матрице.

На Фиг.2 показано устройство известного источника белого света на основе СИД с фотолюминофором-конвертером, описанного в патенте US 6351069.

Источник белого света 110 включает нитридный чип СИД 112, который при возбуждении испускает первичное синее излучение. Чип 112 размещен на проводящей рамке чаши отражателя 114, и электрически соединен с проводниками 116 и 118. Проводники 116 и 118 подводят электрическую мощность к чипу 112. Чип 112 покрыт слоем 120 прозрачной смолы, которая включает конверсионный материал для преобразования длины волны излучения 122. Тип конверсионного материала, используемого для формирования слоя 120, может выбираться, в зависимости от желательного спектрального распределения вторичного излучения, которое продуцируется материалом 122. Чип 112 и флуоресцентный слой 120 накрыты линзой 124. Линза 124 обычно изготавливается из прозрачной эпоксидной смолы или силикона. При работе источника белого света электрическое напряжение прикладывается к чипу 112, при этом из верхней поверхности чипа испускается первичное излучение. Часть испускаемого первичного излучения поглощается конверсионным материалом 122 в слое 120. Затем конверсионный материал 122 в ответ на поглощение первичного света испускает вторичное излучение, то есть преобразованный свет, имеющий более длинноволновый пик. Остающаяся непоглощенной часть испускаемого первичного излучения передается через конверсионный слой вместе с вторичным излучением. Линза 124 направляет непоглощенное первичное излучение и вторичное излучение в общем направлении, обозначенном стрелкой 126 как выходящий свет. Таким образом, выходящий свет - сложный свет, который составлен из первичного излучения, испускаемого чипом 112 и вторичного излучения, испускаемого конверсионным слоем 120. Конверсионный материал может также быть сконфигурирован таким образом, чтобы лишь малая часть или вообще весь первичный свет не покидал устройства, как в случае чипа, который испускает УФ первичный свет, объединенный с одним или более конверсионных материалов, которые испускают видимый вторичный свет.

Вышеупомянутые известные устройства, в которых слой фотолюминофора сформирован на поверхности СИД, имеют несколько недостатков. Трудно достигнуть цветовой однородности, когда фотолюминофор находится в прямом механическом, оптическом и тепловом контакте с поверхностью СИД, из-за значительных изменений в длине пути света в зависимости от угла распространения излучения через толщу слоя фотолюминофора. К тому же высокая температура от нагретого СИД может нежелательным образом изменять цветовые координаты фотолюминофора или приводить к его деградации.

Для устранения указанных недостатков предложены источники белого света с удаленным от СИД конвертером длины волны, принцип действия которых поясняется на Фиг.3.

Устройство осветителя, построенного на данном принципе, описанного, например, в патенте US 6600175 (В1), поясняется Фиг.4.

Такой источник белого света включает оболочку 207, формируемую прозрачной средой 211, с внутренним объемом. Среда 211 может быть сформирована из любого подходящего материала, пропускающего свет, типа прозрачного полимера или стекла. Среда 211 содержит во внутреннем объеме чип светодиода (СИД) 213, размещенный на основании 214. Первый и второй электрические контакты 216 и 217 соединены с излучающей и тыльной сторонами 218 и 219 чипа СИД 213, соответственно, и с излучающей стороной 218 чипа СИД, присоединенной к первому электрическому контакту 216 проводником 212. Со светопропускающей средой 211 связаны флуоресцентные и/или фосфоресцентные компоненты, или их смеси, иначе говоря, фотолюмипофорная среда, которая конвертирует излучение, испускаемое стороной 218 СИД 213, в белый свет. Фотолюминофор рассеян в оболочке 207 среды 211, и/или размещен в виде пленочного покрытия 209 на внутренней стенке поверхности оболочки 207. Альтернативно, фотолюминофор может быть покрытием на внешней стенке оболочки сборки (не показано), если оболочка используется исключительно в условиях окружающей среде, в которых такое внешнее покрытие может удовлетворительно поддерживаться в рабочем состоянии (например, там, где оно не подвержено истиранию, или деградации). Фотолюминофор может, например, быть распределен в полимере, или расплаве стекла, из которого затем сформирована оболочка, чтобы обеспечить гомогенный состав оболочки и обеспечить выход света со всей ее поверхности.

Известен светодиодный белый протяженный светильник с удаленным конвертером цилиндрической формы, описанный в патенте US 7618157 B1. Его устройство схематически показано на Фиг.5. Светильник 310 включает линейный теплоотвод 312, множество СИД 314, установленных на теплоотводе 312 вдоль длинной стороны теплоотвода, и светоиспускающий плафон 316, установленный на теплоотводе 312 в линию с СИД 314, где полукруглая в сечении часть 318 плафона 316, расположенная напротив СИД 314, включает фотолюминофор 320, который возбуждается светом от СИД. Теплоотвод 312 изготовлен из теплопроводящего материала, например, алюминия. Плафон 316 изготовлен из прозрачного материала типа стекла или пластмассы. Фотолюминофор 320 может быть нанесен как покрытие на внутреннюю сторону плафона или, введен в материал покрытия. Не содержащие фотолюминофора плоские части 326, которые прикреплены к теплоотводу по обе стороны от СИД, имеют внутренние отражательные поверхности 328, например, алюминиевые покрытия, отражающие свет, попадающий на них от СИД 314, к части 318 плафона.

Конверсионный слой может включать фотолюминофор, материал квантовых точек или совокупность таких материалов, а также может включать прозрачный материал-хозяин, в котором диспергированы материал фотолюминофора и/или материал квантовых точек.

Известно, что слои, которые содержат порошковые фотолюминофорные материалы, могут пропускать, поглощать, отражать и рассеивать падающий на них свет. Когда такой слой рассеивает свет, он может также пропускать, поглощать и отражать часть рассеянного света.

В связи с этим обстоятельством общим недостатком упомянутых известных изобретений является то, что излучение, возбуждаемое в зернах фотолюминофора при воздействии излучения СИД, равно как и отраженное излучение СИД, неизбежно частично поглощаются в слое фотолюминофора и на внутренних элементах устройства, что приводит к уменьшению эффективности источника белого света.

Yamada [1] и Narendran [2] определили соотношение долей излучения, распространяющегося вперед и назад от конверсионного слоя фотолюминофора YAG:Ce, возбуждаемого синим излучением с длиной волны около 470 нм, которое конвертируется в излучение желтого диапазона длин волн. Narendran показал, что при этом более 60% света, испускаемого и отражаемого конверсионным слоем, распространяется назад к источнику возбуждения и большая часть этого света теряется в пределах СИД сборки [2]. В работе [3] показано, что даже в случае фотолюминофора YAG:Ce с коэффициентом оптического преломления 1,8, замешенного в эпоксидной смоле с коэффициентом оптического преломления 1,6 при плотности фотолюминофора 8 мг/см², позволяющей создавать сбалансированный белый свет, доли направленного обратно и прошедшего вперед излучения, включая синее и желтое излучение, составляют 53% и 47%, соответственно, а для только желтого излучения 55% и 45%, соответственно.

По этой причине значительного выигрыша в световом потоке и максимально возможной эффективности светодиодно-конверсионных источников белого света можно достичь при прочих равных условиях, направляя в выходную апертуру светодиодного источника с удаленным конвертером излучение, исходящее от поверхности фотолюминофора, непосредственно облучаемой излучением СИД.

Подобное техническое решение предложено в патенте US7293908 В2, в котором один из заявленных вариантов системы освещения с боковым выводом излучения, выполненной согласно этому патенту, включает удаленный от СИД конверсионный слой, расположенный на отражателе света.

Принцип действия источника белого света с боковым выводом излучения, выполненной согласно этому патенту, поясняется Фиг.6, на которой показан в разрезе один из заявленных вариантов системы освещения с боковым выводом излучения.

Система освещения с боковым выводом излучения включает СИД 402, первый отражатель 404, второй отражатель 406, выводную апертуру 412, конверсионный слой 602, дополнительный прозрачный покровный слой 408 и поддерживающие средства, которые поддерживают и отделяют второй отражатель 406 от первого отражателя 404. Поддерживающие средства включают плоский прозрачный элемент 502, боковые опоры 504 и основание 506. Боковые опоры 504 предпочтительно прозрачные или отражающие. Первый отражатель 404 прикреплен к основанию 506. Второй отражатель 406 прикреплен к плоскому прозрачному элементу 502. Конверсионный слой 602 расположен на поверхности второго отражателя 406, и преобразует, по крайней мере, часть первичного излучения, испускаемого активной областью СИД 402, в излучение с длиной волны, отличной от длины волны первичного излучения.

Взятые для примера, лучи света 414, 415 и 416 иллюстрируют действие системы освещения с боковым выводом излучения. Луч света 414 первичного цвета испускается активной областью СИД 402 и направляется к выходной поверхности СИД 402. Луч света 414 первичного цвета проходит через выходную поверхность СИД 402 и направляется к прозрачному покровному слою 408. Луч света 414 первого цвета проходит через прозрачный покровный слой 408 и направляется в конверсионный слой 602, который конвертирует луч света 414 первого цвета в луч света 415 второго цвета, отличающегося от первого цвета. Свет второго цвета может испускаться в любом направлении от точки преобразования длины волны. Луч 415 второго цвета направляется через прозрачный покровный слой 408 и направляется через выходную апертуру 412 к первому отражателю 404. Луч света 416 второго цвета отражается первым отражателем 404 и направляется к плоскому прозрачному элементу 502. Луч света 416 второго цвета проходит через плоский прозрачный элемент 502 и выходит из системы освещения с боковым выводом излучения.

Недостатком такой системы являются большие апертурные потери и потери света на границах поддерживающих средств и на отражателях.

Попытка устранить эти недостатки предпринята в другом известном источнике белого света прожекторного типа, описанном в патенте US 7810956 В2.

На Фиг.7, поясняющей конструкцию и принцип действия такого устройства, показан вид в разрезе прожекторной лампы согласно одному из вариантов исполнения изобретения по патенту US 7810956 В2. Источник света 730 размещен на креплении 734, и дополнительном тепловом радиаторе 736. Тепловой радиатор 736 может быть оребрен, как показано на Фиг.7. Свет, испускаемый от источника 730 и отраженный от зеркала 732, окружающего источник света 730, излучается в оптическую пластину 738. Слой преобразования длины волны 742 отделен от источника света 730 и расположен так, чтобы воспринимать свет от источника 730. Дополнительный тепловой радиатор 744 может охлаждать конверсионный слой 742. Собирающая оптика 740 коллимирует свет. Источником света 730, может быть СИД, который производит коротковолновый свет, например синий или ультрафиолетовый. Источник света 730 может быть установлен на дополнительном креплении 734 и присоединен к дополнительному тепловому радиатору 736. Оптическая пластина 738 может быть сформирована так, чтобы направлять свет к собирающей оптике 740. Например, стороны 748 могут быть наклонены или изогнуты так, что полное внутреннее отражение направляет свет в собирающую оптику 740.

Недостатком такой системы также являются относительно большие апертурные потери, потери света на границах оптической пластины с источником света, зеркалами и конверсионным слоем, снижающие ее эффективность. Кроме того, световой пучок, выходящий из коллимирующей оптической системы достаточно узок, что неприемлемо при использовании подобного осветителя для замены традиционных ламп с малым форм-фактором, обладающих достаточно широким угловым раствором испускаемого светового потока, даже в случае галогенных ламп.

На фиг.8 показан еще один известный источник белого света с излучением, исходящим от поверхности удаленного фотолюминесцентного конвертера, непосредственно облучаемой излучением СИД, описанный в патенте US 7972030 В2. Этот прибор наиболее близок к предлагаемому в настоящем изобретении и поэтому выбран в качестве прототипа. Принцип действия источника белого света, выполненной согласно этому патенту, поясняется Фиг.8, на которой показан в разрезе один из заявленных вариантов светильника. Светильник (818) имеет абажур (804), изготовленный из прозрачного материала, и, по крайней мере, один СИД (805), установленный внутри абажура (804). Слой люминофора (816) размещен на внутренней поверхности абажура (804). Электрическое питание к СИД (805) подается кабелем 819 через проходное крепление 820. В светильнике может использоваться параболический рефлектор, отражающий испускаемое СИД (805) излучение λ₁ к абажуру (804), в одном из двух вариантов расположения рефлектора (821 а, 82 lb). В первом варианте рефлектор 821а установлен ниже СИД 805 и отражает излучение, испускаемое СИД 805, к плафону 804, предотвращая прямую эмиссию излучения СИД 805 в глаз пользователя. Такая конфигурация имеет преимуществом гарантированный однородный цвет испускаемого света 822 от светильника 818. Во втором варианте 821b отражатель, обозначенный штриховой линией, установлен выше СИД 805 и отражает излучение, попадающее на него со стороны открытого конца светильника 818. Синее излучение λ₁, испускаемое СИД (805), в комбинации с желтым излучением, испускаемым люминофором (816), формирует испускаемое светильником излучение (822), которое кажется глазу белым.

Недостатком такого светильника являются относительно большие потери света на рефлекторе (апертурные потери за счет перехвата излучения телом рефлектора и поглощение излучения в материале отражательной поверхности рефлектора), а также плохой отвод тепла от СИД, снижающие эффективность светильника.

Общим серьезным недостатком всех существующих светодиодных источников белого света является вредное воздействие на человеческий организм интенсивного синего излучения с длиной волны 450-470 нм, непосредственно попадающего в глаз человека от светодиодных светильников в силу принципа их работы, при котором синее излучение СИД с относительно высокой интенсивностью именно в диапазоне длин волн 450-470 нм непосредственно формирует спектр белого излучения светодиодного светильника, смешиваясь, например, с желтым излучением фотолюминофора, возбуждаемого СИД, как это наглядно показано на Фигуре 9, на которой показан спектр излучения типичного «синего» нитридного СИД, покрытого наиболее часто употребляемым фотолюминофором YAG:Ce, в сравнении со спектром лампы накаливания, который де факто принят за эталон в отношении безвредности для человека.

В связи с быстрым распространением светодиодных источников света обострился интерес к медико-биологическим аспектам их применения, в первую очередь, влиянию «нового» света на психофизиологическое состояние человека, а также возможным отдаленным последствия светодиодного освещения на здоровье. Актуальность проблемы сопряжена с тем, что спектр излучения наиболее массовых белых СИД с люминофорным покрытием заметно отличается от такового ламп других типов, наличием сильной полосы именно в синей области спектра 450-470 нм.

Последние зарубежные исследования по светодиодному освещению показали влияние спектра прямого светодиодного освещения на биологические часы человека и его гормональную систему. Это влияние обусловлено значительным содержанием синей составляющей в спектре светодиода. При нагреве светодиода и старении его люминофора процент синего в спектре белого светодиода растет. Влияние синей составляющей спектра на циркадный ритм осуществляется через пигменты глаз (меланопсин) и гормональную систем у человека.

По современным представлениям человеческий глаз имеет два канала восприятия излучения:

- зрительный, сенсорами для которого являются известные 3 типа колбочек (цветное дневное зрение) и палочки («серое» сумеречное зрение);

- открытый сравнительно недавно [4] незрительный или биологический канал на основе меланопсинсодержащих ганглиозных клеток, который определяет секрецию гормона мелатонина в кровь и, тем самым, регулирует состояния активности и расслабления. Неправильное освещение и, как следствие, нарушение биохимического состава крови, может вызывать не только растройство сна и психики, но, при длительной экспозиции, способствовать развитию рака груди.

По этой причине при длительном нахождении человека при искусственном освещении особенно важен спектр света и соотношения его составляющих. Это говорит о том, что культивируемая концепция построения световых приборов для освещения на основе непосредственного использования излучения светодиодов не гарантирует безопасности для глаз человека и его здоровья в целом. Так, например, международная группа исследователей из Университета Хайфы (Израиль), Национального центра геофизических данных (США) и научно-технологического института светового загрязнения (Италия) выяснила [5], что светодиодные лампы наиболее опасны для здоровья, так как снижают выработку гормона мелатонина, регулирующего биологические часы и имеющего противоопухолевое и иммуностимулирующее действие. Желтые натриевые лампы, например, также обладают этим воздействием, однако в пять раз меньшим и не оказывают столь сильного влияния на здоровье человека.

Мелатонин регулирует работу биологических часов в организме человека, положительно влияет на иммунитет и как следствие частично препятствует развитию опухолей. О том, что синий свет подавляет выработку этого гормона, известно достаточно давно (например, на фигуре 10 показана установленная еще в 2004 году зависимость степени подавления выработки мелатонина от спектрального состава света [6]), однако впервые удалось выяснить количественные показатели того, как на человека воздействуют различные типы электрических ламп. Исследователи взяли за единицу уровень подавления выработки мелатонина, который вызывают дающие желтый свет натриевые лампы высокого давления. По сравнению с ними светодиодные лампы подавляют выработку мелатонина в пять с лишним раз (на единицу мощности).

В связи с тем, что светодиодные лампы все более широко применяются для наружного городского освещения, в офисах и жилых помещениях, где люди находятся длительное время в среде искусственного освещения, утверждены изменения и дополнения к «Гигиеническим требованиям к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03). Из новых правил (СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10) исчезла формулировка, ограничивающая допустимые к применению источники света двумя типам: лампы накаливания и разрядные лампы. Вместо этого в правилах ограничивается допустимый диапазон цветовых температур: от 2400 до 6800 К. Введено требование к наличию защитного угла у светодиодных светильников (конкретные значения не приводятся). Применение светодиодов в учреждениях дошкольного, школьного и профессионально-технического образования, а также во многих помещениях медицинских учреждений запрещено. Снижение нормы освещенности на одну ступень в новой версии допустимо при применении источников света с коэффициентом цветопередачи выше 90.

Поэтому задача снижения вредного воздействия светодиодного освещения на людей становится все более актуальной.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача исключения или значительного уменьшения вредного воздействия светодиодного источника белого света с удаленным конвертером, обеспечения максимальной эффективности и обеспечения высоких цветовой однородности и коэффициента цветопередачи при малом форм-факторе осветителя.

Предлагается осветитель, включающий источник ближнего ультрафиолетового или фиолетового первичного излучения, состоящий из одного или нескольких СИД, теплоотводящее основание, на котором закреплены указанные СИД, отражатель с обращенной к СИД светоотражающей поверхностью, первый конверсионный слой для преобразования первичного излучения во вторичное сине-голубое или сине-зеленое излучение, расположенный между СИД и отражателем, и второй конверсионный слой для преобразования вторичного излучения в третичное желтое, желто-оранжевое или красное излучение, расположенный на отдалении от первого конверсионного слоя и отражателя со стороны первого конверсионного слоя. Поставленная задача решается тем, что в теплоотводящем основании для вывода излучения выполнено апертурное отверстие, вблизи от периметра которого на теплоотводящем основании с одной стороны отверстия размещены СИД и первый конверсионный слой со светоотражателем, причем указанная поверхность первого конверсионного слоя, облучаемая СИД, и поверхность светоотражателя имеют вогнутые формы и обращены вогнутостью к источнику первичного излучения и апертурному отверстию, а второй конверсионный слой имеет плоскую или выпуклую форму и размещен в указанном апертурном отверстии или с другой стороны апертурного отверстия, причем спектр излучения СИД находится в спектральной области возбуждения фотолюминесцентного материала первого конверсионного слоя, предпочтительно в пределах спектрального диапазона с границами, расположенными на расстоянии равном полуширине спектра возбуждения материала первого конверсионного слоя по обе стороны от положения максимума спектра возбуждения материала первого конверсионного слоя, а максимум спектра излучения фотолюминесцентного материала первого конверсионного слоя находится в спектральной области возбуждения фотолюминесцентного материала второго конверсионного слоя, предпочтительно в пределах спектрального диапазона с границами, расположенными на расстоянии равном полуширине спектра возбуждения материала второго конверсионного слоя по обе стороны от положения максимума спектра возбуждения материала второго конверсионного слоя. Такое взаимное расположение спектров возбуждения и излучения элементов осветителя, участвующих в создании белого света, обеспечивает высокую эффективность осветителя. При этом расположение максимума спектра излучения первого конверсионного слоя в диапазоне 450-470 нм обеспечивает подавление вредной синей составляющей в диапазоне 450-470 нм в излучении материала второго конверсионного слоя и, соответственно, в белом свете осветителя, не ухудшая при этом коэффициента цветовоспроизведения белого света, благодаря наличию сине-голубой составляющей в диапазоне длин волн выше 470 им в излучении материала второго конверсионного слоя, слабо выраженной, например, в излучении наиболее широко применяемых «белых» СИД, в которых чипы СИД с длинами волн излучения из диапазона 450-470 нм покрыты желтым фотолюминофором YAG:Ce (Фиг.9).

Сущность изобретения поясняется фиг.11, на которой схематически показан в разрезе предлагаемый осветитель.

Осветитель, включает источник первичного излучения, состоящий из одного или нескольких СИД 1, излучающих в ультрафиолетовой или фиолетовой области спектра, теплоотводящее основание 2 с апертурным отверстием 3 и поверхностью 4, на которой закреплены указанные СИД 1, отражатель 5 с обращенной к СИД вогнутой светоотражающей поверхностью 6, первый конверсионный слой 7 для преобразования первичного излучения 8 во вторичное сине-голубое или сине-зеленое излучение 9, с вогнутой поверхностью 10, обращенной к СИД 1, и второй выпуклой поверхностью 11, обращенной к светоотражающей поверхности 6, причем первый конверсионный слой 7 расположен между СИД 2 и поверхностью отражателя 6, второй конверсионный слой 12, размещенный в апертурном отверстии 3 для преобразования вторичного излучения 9 в третичное желтое, желто-оранжевое или желто-красное излучение 13.

Осветитель работает следующим образом. Первичное излучение 8 СИД 1 попадает на поверхность 10 первого конверсионного слоя 7, частично отражается от поверхности 10, выходя в апертурное отверстие 3 теплоотводящего основания 2, частично отражается от поверхностей зерен фотолюминофора, рассеиваясь в первом конверсионном слое 7, частично поглощается материалом первого конверсионного слоя 7 с преобразованием во вторичное излучение 9, при этом часть первичного излучения 8, прошедшая к светоотражающей поверхности 6, отражается обратно в первый конверсионный слой 7 и снова частично или полностью поглощается материалом первого конверсионного слоя 7 с преобразованием во вторичное излучение 9 фотолюминофором первого конверсионного слоя 7. Вторичное излучение 9 при этом выходит из конверсионного слоя в апертурное отверстие 3 светильника и частично поглощается материалом второго конверсионного слоя 12 с преобразованием в третичное излучение 13, которое, смешиваясь со вторичным излучением 9, образует излучение белого цвета со спектральным распределением, определяемым свойствами материалов конверсионных слоев, в первую очередь составом, дисперсностью фотолюминофоров и толщинами конверсионных слоев. Часть первичного излучения 8 СИД 1, попадающая в апертурное отверстие 3, поглощается во втором конверсионном слое 12.

В связи с использованием в предлагаемом приборе каскадного преобразования излучений СИД и, по крайней мере, двух фотолюминофоров выбор фотолюминофоров имеет большое значение.

Фотолюминофорами для конверсионных слоев обычно являются оптические неорганические материалы, допированные ионами редкоземельных элементов (лантанидов), или альтернативно, ионами типа хрома, титана, ванадия, кобальта или неодима. Лантанидные элементы - лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Оптические неорганические материалы включают (но не ограничиваются): сапфир (Al₂O₃), арсенид галлия (GaAs), алюмоокись бериллия (BeAl₂O₄), фторид магния (MgF₂), фосфид индия (InP), фосфид галлия (GaP), алюмоиттриевый гранат (YAG или Y₃A₁₅O₁₂), тербий-содержащий гранат, иттрий-алюминий-лантанид окисные составы, компаунды окисей иттрий-алюминий-лантанид-галлий, окись иттрия (Y₂O₃), галофосфаты кальция или стронция или бария (Са,Sr,Ва)₅(PO₄)₃(Cl,F), состав CeMgAl₁₁O₁₉, фосфат лантана (LaPO₄), лантанид-пентаборатные материалы (Lanthanide)(Mr,Zn)B₅O₁₀), состав BaMgAl₁₀O₁₇, состав SrGa₂S₄, соединения (Sr,Mg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)₂S₄, состав SrS, состав ZnS и нитридосиликаты.

Есть несколько типичных фотолюминофоров, которые могут быть возбуждены УФ излучением. Типичный фотолюминофор красного свечения - Y₂O₃:Eu³⁺. Типичный фотолюминофор желтого свечения - YAG:Ce³⁺. Типичные фотолюминофоры зеленого свечения включают: CeMgAl₁₁O₁₉:Tb³⁺, (Lanthanide)PO4:Ce³⁺, Tb³⁺ и GdMgB₅O₁₀:Се³⁺, Tb³⁺. Типичные фотолюминофоры синего свечения - BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺, MgSrSiO₄:Eu²⁺, и (Sr,Ba,Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu²⁺.

Кроме того, излучающие синий свет фотолюминофоры могут выбираться из группы, включающей (Sr_1-x-a Ba)J₃MgSi₂O₈:Eu_a (a=0,002-0,2, x-0,0-1,0); (Sr_1-x-aSr)₂P₂O₇:Eu_a (a=0,002-0,2, х=0,0-1,0); (S_1-x-aBa_x)Al₁₄O₂₅:Eu_a (a=0,002-0,2, x-0,0-1,0); La_1-aSi₃N₅:Ce_a (а=0,002-0,5); (Y_1-a)₂SiO₅:Ce_a (a=0,002-0,5); и (Ba_1-x-aSr_x)MgAl₁₀O₁₇:Eu_a (a=0,01-0,5, х-0,0-0,5).

В настоящем изобретении использован новый фотолюминофор синего цвета свечения с общей формулой (Mg,Ca,Sr)₂(PO₄)Cl:Eu⁺², при концентрации Eu⁺² от 0,5% до 10% и следующем соотношении составляющих (Mg:0,05-0,2; Са:0,6-0,8; Sr:0,01-0,2), изменяя соотношение которых можно в достаточно широких пределах менять положение максимума и полуширину спектра излучения. Кроме того в настоящем изобретении могут быть использованы следующие специально синтезированные новые эффективные фотолюминофоры с синим свечением:

- LiCaPO₄:Eu с максимумом 450 нм с полушириной 72 нм спектра излучения,

- NaCaPO₄:Eu с максимумом 460 нм и полушириной 75 нм спектра излучения:

- KCaPO₄:Еи с максимумом 468 нм и полушириной 80 нм спектра излучения.

Для более длинноволнового СИД возбуждения в диапазоне длин волн 400-470 нм или вблизи него, типичные оптические неорганические материалы включают алюмоиттриевый гранат (YAG или Y₃Al₅O₁₂), тербий содержащий гранат, окись иттрия (Y₂O₃), YVO₄, SrGa₂S₄, (Sr,Mg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)₂S₄, SrS, и нитридосиликаты. Типичные фотолюминофоры для СИД возбуждения в диапазоне длин волн 400-450 нм включают YAG:Ce³⁺, YAG:Ho³⁺, YAG:Pr³⁺, SrGa₂S4:Eu²⁺, SrGa₂S₄:Ce³⁺, SrS:Eu²⁺ и нитридосиликаты, допированные Eu²⁺; (Lu_1-x-y-aY_xGd_y)₃ (Al_1-zGa_z)₅O_l2:Ce_a ³⁺Prb³⁺, где 0<х<1, 0<y<1, 0<z<=0,1, 0<а<=0,2 и 0<b<=0,1 включая, например, Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ and Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺; (Sr_1-a-bCa_bBa_c)Si_xN_yO_z:Eu_a ²⁺ (a-0,002-0,2, b=0,0-0,25, с=0,0-0,25, х=1,5-2,5, y=1,5-2,5, z=1,5-2,5), включая, например, SrSi₂N₂O₂:Eu²⁺; (Sr_1-u-v-xMg_uCa_vBa_x)(Ga_2-y-zAl_yIn_zS₄):Eu²⁺, включая, например, SrGa₂S₄:Eu²⁺ и Sr_1-xBa_xSiO₄:Eu²⁺.

Излучающий красный свет люминофор может выбираться из известной группы, включающей (Sr_1-a-b-cBa_bCa_c)₂Si₅N₈:Eu_a (a=0,002-0,2, b=0,0-1,0, c=0,0-1,0); (Ca_1-x-aSr_x)S:Eu_a, (а=0,0005-0,01, х-0,0-1,0); Ca_1-a SiN₂:Eu_a (a=0,002-0,2); и (Ba_1-x-aCa_x) Si₇N₁₀:Eu_a (a=0,002-0,2, х=0,0-0,25); (Ca_1-xSr_x)S:Eu²⁺, где 0<x<=1, включая, например, CaS:Eu²⁺ и SrS:Eu²⁺ (Sr_1-x-yBa_xCa_y)_2-zSi_5-aAl_aN_8-aO_a:Eu_z ²⁺ где 0<=а<5, 0<х<=1, 0<=y<=1 и 0<z<=1, включая, например, Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺..

В настоящем изобретении использован специально синтезированный новый фотолюминофор красного цвета свечения с общей формулой (Ba,Ca,Zn,Eu)₂S₄ при следующем соотношении составляющих (Ва:0,9-1,4; Са:0,9-0,4; Zn:0,05-0,15; Eu 0,02-0,05), изменяя соотношение которых можно в достаточно широких пределах менять положение максимума и полуширину спектра излучения.

В качестве фотолюминофоров могут также использоваться квантово-точечные материалы - мелкие частицы неорганических полупроводников, имеющие размеры менее, чем приблизительно 30 нм. Типичные квантово-точечные материалы включают (но не ограничиваются ими) частицы CdS, CdSe, ZnSe, InAs, GaAs и GaN. Квантово-точечные материалы могут поглощать свет одной длины волны и затем переизлучать свет с различными длинами волн, которые зависят от размера частицы, свойств поверхности частицы, и неорганического материала полупроводника.

Конверсионный слой может включать как единственный тип материала фотолюминофора или квантово-точечного материала, так и смесь материалов фотолюминофора и квантово-точечных материалов. Использование смеси более чем одного такого материала, целесообразно, если желателен широкий спектральный диапазон эмитируемого белого излучения (высокий коэффициент цветовоспроизведения). Один из типовых подходов к получению теплого белого света с высоким коэффициентом цветовоспроизведения состоит в том, чтобы использовать излучение смеси желтого и красного конверсионных фотолюминофоров. Конверсионный слой может включать несколько фотолюминофоров, поглощающих свет, испускаемый СИД, и испускающих свет с большей длиной волны. Например, конверсионный слой может включать единственный фотолюминофор, испускающий желтый свет, или несколько фотолюминофоров, которые испускают желтый и красный свет. Для ультрафиолетовых СИД, конверсионные слои могут включать фотолюминофоры, которые испускают синий и желтый свет, или фотолюминофоры, которые испускают синий, желтый и красный свет. Могут быть добавлены фотолюминофоры, испускающие дополнительные цвета, для того, чтобы управлять цветовыми координатами и коэффициентом цветовоспроизведения смешанного белого света, выходящего из осветителя.

Считается, что каскадное взаимодействие люминофоров, определяющееся перекрытием между спектром возбуждения фотолюминофора с длинноволновым излучением, например красным, и спектром излучения фотолюминофора с коротковолновым излучением, например, зелено/желтым, приводящее результате к перепоглощению энергии коротковолновых (зеленых/желтых) фотонов с излучением длинноволновых (красных) фотонов, влияет на эффективность светодиода и снижает коэффициент цветопередачи белого излучения (смотри, например, [7]). Фигура 12 поясняет влияние перепоглощения фотонов на эффективность и коэффициент цветовоспроизведения (цветопередачи) белого излучения. В конкретном примере э