專利名稱：：白光源的發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及發(fā)光二極管，特別涉及將發(fā)光二極管用作一般照明目的的白光源。從六十年代發(fā)明發(fā)光二極管起，發(fā)光二極管(LED)技術(shù)已取得了顯著的進(jìn)步。在八十年代，就研制出大于10％外部量子效率的發(fā)紅光的AlGaAsLED，這種器件的能量效率更高，是比濾除紅光的白熾燈更持久的紅光發(fā)生器。由于這個(gè)原因，目前它們被正在比如自動(dòng)制動(dòng)光等各種應(yīng)用中以更好的性能價(jià)格比代替標(biāo)準(zhǔn)白熾光源。近來(lái)，已研制出高效率的發(fā)光二極管，并在基于InGaN和AlGaN材料系的藍(lán)色和藍(lán)-綠色波長(zhǎng)范圍內(nèi)有效地商業(yè)應(yīng)用。已用這些材料證實(shí)外部量子效率在藍(lán)色中為5.4％和在藍(lán)-綠色中為2.1％。近來(lái)，已把同樣的材料系延伸至大于外部量子效率1％的綠色和黃色范圍。已證實(shí)基于ZnSe或II-VI化合物的可代替的材料系在綠色到藍(lán)色波長(zhǎng)范圍的可比效率。白光LED系統(tǒng)可用于商業(yè)上，但無(wú)論在性能還是成本上，它們不具備與標(biāo)準(zhǔn)白熾光源的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，期望提供能與一般照明目的的常規(guī)光源競(jìng)爭(zhēng)的LED系統(tǒng)。適當(dāng)選擇各LED的波長(zhǎng)，可使至少三個(gè)多顏色LED的系統(tǒng)有最佳顏色再現(xiàn)指數(shù)(Ra)。在至少三個(gè)LED的系統(tǒng)中，可使Ra＞80；在至少四個(gè)LED的系統(tǒng)中，可使Ra＞85。這種系統(tǒng)可用于一般照明目的。下面，通過參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，將明了本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是表示與在表11中提出的三個(gè)LED系統(tǒng)的各模式系統(tǒng)的波長(zhǎng)有關(guān)的相應(yīng)光譜的功率分布曲線圖；圖2是表示使顏色再現(xiàn)指數(shù)(Ra)最大的波長(zhǎng)是如何作為黑體溫度的函數(shù)變化的曲線圖；圖3是表示三個(gè)LED系統(tǒng)作為L(zhǎng)ED量子效率函數(shù)的曲線圖；和圖4是表示在6000K時(shí)四個(gè)LED系統(tǒng)的光譜功率的分布曲線圖。對(duì)于一般的照明目的而言，光源的臨界特性參數(shù)是其顏色、通過肉眼可察覺的所提供的光的效率和由肉眼所視的由光源發(fā)射出的顏色的方式。這三個(gè)參數(shù)可用色度、光效(efficacy)和顏色再現(xiàn)指數(shù)(Ra)分別定量地描述。根據(jù)本發(fā)明，提出了兩個(gè)或更多個(gè)LED組合的顏色模式并用于確定色度、光效和顏色再現(xiàn)指數(shù)(Ra)的值。確定LED系統(tǒng)的第1步驟是規(guī)定系統(tǒng)的期望的色度。通過對(duì)加權(quán)了光譜三色函數(shù)的光源光譜進(jìn)行積分，來(lái)確定光源色度，其公式為X=∫S(λ)x-(λ)dλ,Y=∫S(λ)y-dλ,Z=∫S(λ)z-dλ,---(1)]]>其中，X，Y和Z是三色值(也就是說，在1931年CIE(CommissionIntemationaledel′Eclairage)系統(tǒng)中的三種圖象基本顏色的數(shù)值)，S(λ)是光源光譜的功率分布(每單位波長(zhǎng)功率)x，y和z是光譜的三色函數(shù)。在從380至770nm的波長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行積分。色度坐標(biāo)由下式確定x=XX+Y+Z,y=YX+Y+Z---(2)]]>一般期望照明光源有靠近在相應(yīng)于黑體光源的色度空間中的點(diǎn)軌跡的色度。在此模式中，考慮了三個(gè)系統(tǒng)，有兩個(gè)對(duì)應(yīng)于2800K和3500K時(shí)的黑體光源，一個(gè)對(duì)應(yīng)于6000K時(shí)的日光光源(日光的色度與黑體的色度稍有不同)。表I表示出對(duì)應(yīng)其色度坐標(biāo)的三個(gè)系統(tǒng)。顏色混合是附加過程，以便由下列公式確定n個(gè)LED中的每一個(gè)的Si(λ)、系統(tǒng)的三色值X由下式給出XT=Σi=1nXi,]]>YT和ZT的值可用同樣的方法確定。假設(shè)Si(λ)＝Aifi(λ)，其中Ai是各LED的幅度，f(λ)是LED的線性函數(shù)。利用該表達(dá)式和公式(1)，(2)和(3)，能夠推導(dǎo)出系統(tǒng)的色度坐標(biāo)，可由下面的公式得到xT=Σi=1nxiAiFi/yiΣi=1n(Xi+Yi+Zi),yTΣi=1nAiFiΣi=1n(Xi+Yi+Zi)---(4)]]>其中，F(xiàn)i是對(duì)加權(quán)有y的fi(λ)的積分。通過求解公式(4)中的Ai，能夠確定各LED的幅度。如果對(duì)于給定的LED能夠獲得期望的色度坐標(biāo)，那么至少能夠容易求出公式(4)的一個(gè)解。對(duì)于n≤3，該解提供單獨(dú)的LED所需要的唯一確定的相對(duì)幅度。可是，對(duì)于n＞3，就不能解出公式(4)，以致一般來(lái)說，對(duì)相對(duì)幅度來(lái)說，存在一個(gè)以上的解。在此模式中，fi(λ)對(duì)各LED來(lái)說是高斯函數(shù)。實(shí)際LED的光譜分布雖顯示出其線性的核心十分趨近高斯分布，但其“側(cè)邊”更強(qiáng)烈地趨近高斯分布；此外，在實(shí)際光譜分布中對(duì)峰值的較長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)存在某些更大強(qiáng)度的不對(duì)稱的趨勢(shì)。由于每單位波長(zhǎng)的最大功率處于線形的核心，所以采用高斯分布對(duì)實(shí)際LED系統(tǒng)將提供較好的近似。LED的光譜線寬不是獨(dú)立參數(shù)。在能量空間中，光譜寬度僅取決于器件溫度，以便在波長(zhǎng)空間中，光譜寬度與峰值波長(zhǎng)的平方成正比。在這些計(jì)算中所用的線寬根據(jù)商用LED光譜確定，在25℃時(shí)約為0.06eV。對(duì)于LED白光系統(tǒng)，特征的兩個(gè)臨界形態(tài)是光效和顏色再現(xiàn)指數(shù)。光效是輻射效率的光學(xué)模擬；也就是說，效率是由產(chǎn)生的可視功率與輸入的電功率的比率，而光效是通過亮視覺響應(yīng)加權(quán)的每單位波長(zhǎng)的可視功率的積分對(duì)輸入的電功率的比率。對(duì)于LED系統(tǒng)來(lái)說，光效可用下式表示如下ϵ=K∫y-(λ)(Σi=1nSi(λ)ηi∫Si(λ)dλ)dλ---(5)]]>其中，K＝683流明/可視瓦，ηi是第i個(gè)LED的外部量子效率，y是標(biāo)準(zhǔn)化的亮視覺響應(yīng)函數(shù)。典型的100瓦白熾燈有18流明/瓦的光效，而典型的40瓦“冷白光”熒光燈有72流明/瓦的光效。顏色再現(xiàn)指數(shù)是在將特定光源的照明與標(biāo)準(zhǔn)光源比較時(shí)，表示物體將如何不同地顯示的定量測(cè)量。CIE指定了十四種用于計(jì)算顏色再現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)物體。每種實(shí)驗(yàn)物體的特性由反射函數(shù)確定，也就是每單位波長(zhǎng)各部分的反射功率的函數(shù)確定。簡(jiǎn)單地說，當(dāng)用感興趣的光源和用標(biāo)準(zhǔn)光源照明時(shí)，該計(jì)算包括確定實(shí)驗(yàn)物體的三色值。用三色函數(shù)和反射函數(shù)加權(quán)的光源光譜功率分布的積分，來(lái)確定各三色值。色度空間中兩點(diǎn)之間的色差是規(guī)定的，并用來(lái)計(jì)算由感興趣的光源和用標(biāo)準(zhǔn)光源照射時(shí)給定實(shí)驗(yàn)物體之間的色差。這樣提供了十四種顏色再現(xiàn)指數(shù)。一般的顏色再現(xiàn)指數(shù)Ra是這些指數(shù)最初八個(gè)的算數(shù)平均值。該比例是這樣設(shè)定的，即黑體光源的Ra為100，3000K“暖白色”熒光燈的Ra為50。由于黑體用于顏色溫度低于5000K的標(biāo)準(zhǔn)光源，所以對(duì)白熾燈來(lái)說，Ra≌100。按照本發(fā)明，已把至少三個(gè)LED系統(tǒng)按至今不清楚的原理使其最佳化為具有高顏色再現(xiàn)能力，使這樣的三個(gè)LED系統(tǒng)適合一般的照明目的。在優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于三個(gè)發(fā)光二極管中的第1個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約530至約570nm的范圍內(nèi)，對(duì)于三個(gè)發(fā)光二極管中的第2個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約455至約490nm的范圍內(nèi)，對(duì)于三個(gè)發(fā)光二極管中的第3個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約605至約630nm的范圍內(nèi)。表II列出了在三個(gè)預(yù)定色度點(diǎn)上對(duì)于三個(gè)顏色系統(tǒng)使Ra最大的波長(zhǎng)。對(duì)這些系統(tǒng)來(lái)說，最好使Ra＞80，這樣就與有良好顏色再現(xiàn)的熒光燈差不多。表II</tables>當(dāng)假設(shè)各LED的ηi＝0.1時(shí)，光效是ηi的函數(shù)，獲得表II所列的使Ra最大的波長(zhǎng)的光效。對(duì)于要實(shí)現(xiàn)在表I中的色度的各LED的幅度如圖1所示，它表示與各模式系統(tǒng)波長(zhǎng)有關(guān)的相對(duì)光譜功率分布曲線。圖2表示使三個(gè)LED系統(tǒng)的Ra最大化的波長(zhǎng)如何作為黑體溫度函數(shù)變化的曲線圖。從各陰影區(qū)域選出的LED均有Ra＞80的結(jié)果。一般來(lái)說，特殊的應(yīng)用需要特殊的色度。根據(jù)本發(fā)明，圖2是用于選擇對(duì)于該溫度提供可獲得的最大顏色再現(xiàn)的LED波長(zhǎng)。能夠產(chǎn)生對(duì)于脫離黑體位置的色度的同樣曲線，但對(duì)于一般的照明應(yīng)用來(lái)說，很少需要這樣的光源。圖3是表示表II中3500K的三個(gè)LED的光效隨LED的外部量子效率增加(假設(shè)ηi對(duì)所有三個(gè)LED是相同的)如何推斷變化的點(diǎn)的曲線圖。為比較示出了可與白光LED系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的某些現(xiàn)有技術(shù)光源的發(fā)光效率?？捎盟膫€(gè)LED實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的顏色再現(xiàn)系統(tǒng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于四個(gè)發(fā)光二極管中的第1個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約440至約450nm的范圍內(nèi)，對(duì)于四個(gè)發(fā)光二極管中的第2個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約455至約505nm的范圍內(nèi)，對(duì)于四個(gè)發(fā)光二極管中的第3個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約555至約565nm的范圍內(nèi)，對(duì)于四個(gè)發(fā)光二極管中的第4個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約610至約620nm的范圍內(nèi)。表III列出了實(shí)現(xiàn)像白熾光那樣的光的Ra值所確定的四個(gè)波長(zhǎng)。表III</tables>圖4表示在表III中規(guī)定的四個(gè)LED系統(tǒng)的相對(duì)強(qiáng)度。不僅Ra相當(dāng)高，而且除一個(gè)光譜顏色再現(xiàn)指數(shù)外，所有顏色指數(shù)都超過90。在與表III中的三個(gè)LED系統(tǒng)的結(jié)果比較時(shí)，Ra增加了16％，光效下降了13％(由于光譜功率分布在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，所以當(dāng)Ra增加時(shí)，光效一般要下降)。由于在5維空間(四個(gè)波長(zhǎng)和一個(gè)附加幅度)中要達(dá)到最大的Ra會(huì)明顯地增加與檢測(cè)有關(guān)的計(jì)算時(shí)間，所以僅考慮參數(shù)空間的百分率。因此，表III的結(jié)果不需要表示所有最大的Ra?？墒?，這些結(jié)果顯然清楚地證明利用LED系統(tǒng)能夠獲得優(yōu)良的顏色再現(xiàn)。盡管說明和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但顯然這些實(shí)施例僅當(dāng)作例子。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，能夠進(jìn)行各種改進(jìn)、變化和替換。因此，應(yīng)指出，本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍限定。權(quán)利要求1.一般的照明系統(tǒng)，包括至少三個(gè)發(fā)光二極管，每個(gè)發(fā)光二極管提供在預(yù)定的使系統(tǒng)顏色再現(xiàn)指數(shù)最佳的波長(zhǎng)的可見光。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，利用與顏色溫度數(shù)據(jù)有關(guān)的波長(zhǎng)，使顏色再現(xiàn)指數(shù)最大化，來(lái)預(yù)定各發(fā)光二極管的波長(zhǎng)。3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，包括三個(gè)發(fā)光二極管，選擇各發(fā)光二極管的波長(zhǎng)，使系統(tǒng)的顏色再現(xiàn)指數(shù)至少約為80。4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)于三個(gè)發(fā)光二極管中的第1個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約530至約570nm的范圍內(nèi)，對(duì)于三個(gè)發(fā)光二極管中的第2個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約455至約490nm的范圍內(nèi)，對(duì)于三個(gè)發(fā)光二極管中的第3個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約605至約630nm的范圍內(nèi)。5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，至少包括四個(gè)發(fā)光二極管，選擇各發(fā)光二極管的波長(zhǎng)，使系統(tǒng)的顏色再現(xiàn)指數(shù)至少約為85。6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，對(duì)于四個(gè)發(fā)光二極管中的第1個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約440至約450nm的范圍內(nèi)，對(duì)于四個(gè)發(fā)光二極管中的第2個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約455至約505nm的范圍內(nèi)，對(duì)于四個(gè)發(fā)光二極管中的第3個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約555至約565nm的范圍內(nèi)，對(duì)于四個(gè)發(fā)光二極管中的第4個(gè)選擇的波長(zhǎng)是在約610至約620nm的范圍內(nèi)。全文摘要通過適當(dāng)選擇各LED的波長(zhǎng),使至少三個(gè)多顏色的LED的系統(tǒng)有最佳的顏色再現(xiàn)指數(shù),這種系統(tǒng)可用于一般的照明目的。文檔編號(hào)F21S2/00GK1185042SQ9712601公開日1998年6月17日申請(qǐng)日期1997年10月28日優(yōu)先權(quán)日1996年10月28日發(fā)明者D·A·道蒂,A·R·達(dá)格阿爾,Y·S·劉申請(qǐng)人:通用電氣公司