專(zhuān)利名稱(chēng)：高效發(fā)光器件和用于制造這種器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光器件和用于制造這種器件的方法的領(lǐng)域。這種器件可以例如用于照明應(yīng)用。更具體地，本發(fā)明涉及改進(jìn)發(fā)光器件的效能，其中通過(guò)使用光轉(zhuǎn)換介質(zhì)將初級(jí)光源的光轉(zhuǎn)換為次級(jí)光。
背景技術(shù)：
針對(duì)照明和其他應(yīng)用而對(duì)固態(tài)光源(包括例如發(fā)光二極管(LED))的使用迅速增多。固態(tài)光照保持著提供非常高效的照明器件的希望，并且技術(shù)進(jìn)步的目標(biāo)是進(jìn)一步改進(jìn)這種照明器件中使用的發(fā)光器件的效能。通常，需要用于這種應(yīng)用的照明器件以提供白光。一種獲得這種照明器件的方案是使用磷光體物種(phosphor species)將固態(tài)光源的初級(jí)光的至少一部分轉(zhuǎn)換為次級(jí)光?？梢酝ㄟ^(guò)利用包括這種磷光體的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料對(duì)藍(lán)光進(jìn)行部分轉(zhuǎn)換來(lái)獲得白光。磷光體部分地吸收例如由發(fā)光二極管(LED)發(fā)射的藍(lán)光，使得磷光體發(fā)射不同顏色的光，如黃光。將由LED發(fā)射的藍(lán)光與由磷光體發(fā)射的黃光進(jìn)行混合，觀看者感知到所得的藍(lán)光和黃光的混合物為白光。然而，磷光體物種發(fā)射具有各向同性光分布模式的次級(jí)光(例如黃光)(S卩，以4pi 的立體角發(fā)射次級(jí)光)。因此，次級(jí)光的至少一部分沿初級(jí)光源的方向發(fā)射回來(lái)并可能被吸收，從而降低發(fā)光器件的效能。對(duì)次級(jí)光的吸收可能高達(dá)50%。US 2009/0001399公開(kāi)了一種用于提高使用LED管芯和磷光體的發(fā)射白光的二極管的發(fā)光效能的方法。LED管芯發(fā)射初級(jí)光，并且通過(guò)磷光體將該初級(jí)光轉(zhuǎn)換為次級(jí)光。在LED管芯與磷光體之間提供了至少一個(gè)附加層或材料，其對(duì)來(lái)自LED管芯的初級(jí)光透明并反射磷光體的次級(jí)光。該附加層或材料可以減少對(duì)次級(jí)光的吸收。該附加層或材料分別針對(duì)初級(jí)光和次級(jí)光的透明度和反射率不是最優(yōu)的。因此， 仍可以進(jìn)一步改進(jìn)發(fā)光器件的效能。

發(fā)明內(nèi)容
公開(kāi)了一種發(fā)光器件，其包括初級(jí)光源、光轉(zhuǎn)換介質(zhì)和光學(xué)結(jié)構(gòu)。被布置為發(fā)射初級(jí)光的初級(jí)光源是在第一面(由例如用于初級(jí)光源的載體限定)中設(shè)置的。所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)被布置為將初級(jí)光的至少一部分轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)與初級(jí)光的波長(zhǎng)不同的次級(jí)光。所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)是在與初級(jí)光源相距一定距離的第二面中設(shè)置的。所述光學(xué)結(jié)構(gòu)被布置為接收來(lái)自所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)的次級(jí)光的一部分，并被配置為將次級(jí)光的所述部分重定向到向著所述第一面且遠(yuǎn)離所述初級(jí)光源的方向上，以允許次級(jí)光的透射。還公開(kāi)了一種用于對(duì)區(qū)域或空間進(jìn)行照明的照明器件，其包括這種發(fā)光器件。還公開(kāi)了一種用于制造發(fā)光器件的方法。制造步驟包括在載體上提供用于提供初級(jí)光的初級(jí)光源；以及將光轉(zhuǎn)換介質(zhì)設(shè)置在與所述初級(jí)光源相距一定距離處。所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)能夠?qū)⑺龀跫?jí)光的至少一部分轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)與所述初級(jí)光的波長(zhǎng)不同的次級(jí)光。提
4供了面向所述初級(jí)光源的光學(xué)結(jié)構(gòu)。所述光學(xué)結(jié)構(gòu)被布置為接收來(lái)自所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)的所述次級(jí)光的一部分；以及將所述次級(jí)光的所述部分重定向到向著所述載體且遠(yuǎn)離所述初級(jí)光源的方向上。通過(guò)提供被配置為將次級(jí)光重定向?yàn)檫h(yuǎn)離初級(jí)光源的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以顯著地減少或消除初級(jí)光源對(duì)次級(jí)光的吸收，而無(wú)需中間層或材料。發(fā)光器件的一部分的結(jié)構(gòu)變化提供了將次級(jí)光重定向?yàn)檫h(yuǎn)離初級(jí)光源。可以通過(guò)以下操作來(lái)改進(jìn)發(fā)光效能將該次級(jí)光重定向到使得該次級(jí)光直接或間接(即，經(jīng)由另一重定向結(jié)構(gòu))從發(fā)光器件透射的方向上。光學(xué)結(jié)構(gòu)的示例可以是菲涅耳透鏡型結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，第一面和第二面中的至少一個(gè)可以包括例如曲面。第二非平坦面的示例由以下將進(jìn)一步描述的圓頂形光轉(zhuǎn)換材料提供。權(quán)利要求2、3和14的實(shí)施例提供了一種有效的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其允許對(duì)次級(jí)光的所述部分重定向，而基本上與該結(jié)構(gòu)關(guān)于初級(jí)光的透明度和次級(jí)光的所述部分的反射率的考慮無(wú)關(guān)。權(quán)利要求4的實(shí)施例從制造這點(diǎn)來(lái)說(shuō)是有益的。此外，光學(xué)結(jié)構(gòu)可以在光轉(zhuǎn)換介質(zhì)中形成。權(quán)利要求5的實(shí)施例的有利之處在于包括光轉(zhuǎn)換介質(zhì)的部件有效地?cái)r截了初級(jí)光。權(quán)利要求6的實(shí)施例的有益之處在于初級(jí)光在光轉(zhuǎn)換介質(zhì)中的光路對(duì)于所有發(fā)射角度來(lái)說(shuō)基本上相同，從而允許在該部件上同等地產(chǎn)生次級(jí)光。權(quán)利要求7的實(shí)施例提供了可相對(duì)容易且經(jīng)濟(jì)高效地成形以提供所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的部件的材料。權(quán)利要求8的實(shí)施例提供了以下優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步減小向著初級(jí)光源的光量，從而降低吸收損耗。權(quán)利要求9和10的實(shí)施例提供了用于進(jìn)一步重定向次級(jí)光的重定向部分以提高發(fā)光器件的效能的裝置。反射部分的反射率為至少95%。WO 2008/060586公開(kāi)了遠(yuǎn)程磷光體發(fā)光器件的實(shí)施例，其中在向著初級(jí)光源的界面上已經(jīng)使磷光體層粗糙化。粗糙化的磷光體層意在通過(guò)減少對(duì)初級(jí)光的反射(即，不(重) 定向次級(jí)光)來(lái)改進(jìn)磷光體層的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于次級(jí)光，粗糙化的磷光體層將再次提供次級(jí)光的朗伯光分布，使得大量這種次級(jí)光仍將撞擊初級(jí)光源。


圖1提供了包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光器件的照明器件的示意圖； 圖2提供了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)光器件的俯視圖的示意圖3A和圖;3B提供了圖2的發(fā)光器件沿III-III的截面的示意圖；以及圖4A和圖4B提供了發(fā)光器件的備選實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖1是針對(duì)照明應(yīng)用而配置(例如被配置為對(duì)區(qū)域或空間進(jìn)行照明)的照明器件1 的示意圖。照明器件1包括發(fā)光器件2和反射表面3 (如二向色鏡或反射器)。為了最優(yōu)地利用反射表面3，優(yōu)選地，發(fā)光器件2的直徑D較小，近似于點(diǎn)光源。圖2提供了照明器件1的發(fā)光器件2的俯視圖。圖3A和圖;3B是沿圖2中的線III-III的截面。發(fā)光器件2包括在襯底11上提供的初級(jí)光源10。初級(jí)光源10可以包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管，被布置為允許通過(guò)這些二極管傳送電流。由此，這些二極管發(fā)射第一波長(zhǎng)的初級(jí)光I (例如處于360 nm至480 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(如460 nm)的藍(lán)光)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到， 這些二極管不必都發(fā)射單一波長(zhǎng)的初級(jí)光?？梢韵氲交旌系慕鉀Q方案，其中一些二極管發(fā)射第一波長(zhǎng)的光(如藍(lán)光)，而其他二極管發(fā)射不同波長(zhǎng)的光(如紅光)?？梢栽谝粋€(gè)或多個(gè)二極管上提供封裝材料(未示出)(如硅)，以增強(qiáng)初級(jí)光從一個(gè)或多個(gè)二極管的外耦合。發(fā)光器件2具有所謂的遠(yuǎn)程磷光體配置，其中包含磷光體物質(zhì)14的部件13被布置在與初級(jí)光源10相距一定距離處。換言之，初級(jí)光源10位于第一面中，而磷光體物質(zhì)是在遠(yuǎn)離第一面的第二(曲)面中限定的。初級(jí)光源10與部件13之間的典型距離在1 mm與 10 mm之間。已知磷光體14作為光轉(zhuǎn)換介質(zhì)(S卩，將發(fā)光二極管的第一波長(zhǎng)的初級(jí)光I的至少一部分轉(zhuǎn)換為與第一波長(zhǎng)不同的第二波長(zhǎng)的次級(jí)光II)的能力。作為示例，可以將藍(lán)色初級(jí)光部分地轉(zhuǎn)換為黃光。藍(lán)光和黃光的組合為觀察者提供了白色亮度W。根據(jù)例如所選的磷光體的一種或多種類(lèi)型，不同的轉(zhuǎn)換(即，第二波長(zhǎng))是可能的。作為示例，可以選擇多個(gè)不同磷光體，這些磷光體將初級(jí)光I轉(zhuǎn)換為不同波長(zhǎng)的次級(jí)光II，初級(jí)光I和次級(jí)光II 混合以提供白色亮度W。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)磷光體類(lèi)型和初級(jí)光，還可以獲得乳白色亮度。部件13具有圓頂形配置，其中初級(jí)光源10被布置在圓頂?shù)闹行奶?。圓頂形部件 13與徑向無(wú)關(guān)地提供了初級(jí)光I在部件13中的相等光路。圓頂13可以限定氣腔15，例如以便獲得氣腔15和圓頂13的折射率之間的相當(dāng)大的差值。然而，腔15還可以填充與圓頂 13相比在折射率上具有適當(dāng)差值的物質(zhì)。磷光體14沿所有方向均勻地發(fā)射次級(jí)光II。因此，所發(fā)射的次級(jí)光II的一部分將不可避免地被導(dǎo)向回到初級(jí)光源10的方向而不是到外部。在不采取任何措施的情況下， 該次級(jí)光II的相當(dāng)大的部分將被初級(jí)光源10吸收，由此降低發(fā)光器件2的效能。作為初級(jí)光源10的較大相對(duì)面積的結(jié)果，對(duì)于越小的發(fā)光源，對(duì)次級(jí)光II的該部分的吸收將越大。圖3A和圖;3B的實(shí)施例的目的在于基本上防止次級(jí)光中發(fā)射回到發(fā)光器件2中的部分被初級(jí)光源10吸收。為此，光學(xué)結(jié)構(gòu)16整體地形成在部件13中。光學(xué)結(jié)構(gòu)16被布置為用于從磷光體 14接收次級(jí)光II的一部分(如圖3B所示)，并被成形以將次級(jí)光的該部分重定向到向著襯底11但遠(yuǎn)離初級(jí)光源10的方向上。因此，可以基本上防止初級(jí)光源10對(duì)次級(jí)光II的該部分的吸收。更詳細(xì)地，光學(xué)結(jié)構(gòu)16包括多個(gè)特定設(shè)計(jì)的表面17，這些表面17被定向?yàn)槭沟醚叵蛑r底11但遠(yuǎn)離初級(jí)光源10的方向折射由磷光體14產(chǎn)生的次級(jí)光II。次級(jí)光II的另一部分將在表面17處經(jīng)歷全內(nèi)反射并可以離開(kāi)部件13而不穿透氣腔15。如圖3A和圖;3B所示，這些表面17的取向根據(jù)相對(duì)于初級(jí)光源10的角位置沿著部件13而變化。特別是，相鄰的表面17在襯底11附近彼此垂直地定向，而表面17在初級(jí)光源10上方(即在圓頂頂點(diǎn)附近)限定了更小的角度。發(fā)光器件2包括在襯底11上或上方提供的反射器18。反射器18可以基本上圍繞初級(jí)光源10，如可從圖2觀察到的那樣。優(yōu)選地，將次級(jí)光II中被光學(xué)結(jié)構(gòu)16重定向的部分導(dǎo)向至反射器18，以提高次級(jí)光II最終從發(fā)光器件2輸出的概率，從而提高發(fā)光器件2的發(fā)光效能。優(yōu)選地，部件13由塑料(例如PC或PMMI)或硅制成。這些材料相對(duì)便宜并可以被相對(duì)容易地模制以提供光學(xué)結(jié)構(gòu)16。備選地，部件13由陶瓷材料制成。可以在對(duì)部件13進(jìn)行模制之前或者在稍后的階段添加一個(gè)或多個(gè)磷光體14。還可以將磷光體涂覆在部件13的外側(cè)(即背向初級(jí)光源10的一側(cè))，從而在其上形成層或殼。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以想到圖2、圖3A和圖;3B的實(shí)施例的各種修改。一個(gè)示例涉及應(yīng)用附接到部件13的分離層20，如圖4A示意性地示出。分離層20 包括光學(xué)結(jié)構(gòu)16，以將次級(jí)光II的部分重定向到向著襯底11但遠(yuǎn)離初級(jí)光源10的方向 (例如通過(guò)折射次級(jí)光的該部分)。另一示例涉及部件13的不同配置，即與圓頂形部件不同的配置。圖4B提供了設(shè)置有光學(xué)結(jié)構(gòu)36的反截棱錐部件33的示意圖，光學(xué)結(jié)構(gòu)36包括表面37，表面37被定向?yàn)槭沟脤⒋渭?jí)光導(dǎo)向襯底31但遠(yuǎn)離初級(jí)光源30，如上所述。表面37被定向?yàn)槭沟孟噜彵砻?37相交于點(diǎn)A并且初級(jí)光源30的中心與點(diǎn)A之間畫(huà)出的線將這些表面37之間的銳角分為基本上相等的部分。存在填充有折射率低于反截棱錐部件33的折射率的物質(zhì)(如空氣)的腔35。本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)施要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)可以通過(guò)對(duì)附圖、公開(kāi)內(nèi)容和所附權(quán)利要求的研究來(lái)理解并實(shí)現(xiàn)對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的其他變型。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”并不排除其他元件或步驟，不定冠詞“一”或“一個(gè)”并不排除多個(gè)。在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了某些技術(shù)措施的起碼事實(shí)并不表示這些技術(shù)措施的組合不能用來(lái)獲得有益效果。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件(2)，包括-初級(jí)光源(10)，用于發(fā)射初級(jí)光，所述初級(jí)光源設(shè)置在第一面中；-光轉(zhuǎn)換介質(zhì)(14)，布置為將初級(jí)光的至少一部分轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)與所述初級(jí)光的波長(zhǎng)不同的次級(jí)光，其中所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)設(shè)置在與所述第一面相距一定距離的第二面中；-光學(xué)結(jié)構(gòu)(16)，設(shè)置在所述第一面與所述第二面之間，其中所述光學(xué)結(jié)構(gòu)布置為接收來(lái)自所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)的所述次級(jí)光的一部分，并將所述次級(jí)光的所述部分重定向到向著所述第一面且遠(yuǎn)離所述初級(jí)光源的方向上，以允許所述次級(jí)光的透射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件(2)，其中所述光學(xué)結(jié)構(gòu)(16)包括折射結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件(2)，其中所述光學(xué)結(jié)構(gòu)(16)包括多個(gè)表面(17)， 所述表面定向?yàn)槭沟脤⑺龃渭?jí)光的所述部分重定向到向著限定至少部分地圍繞所述初級(jí)光源的區(qū)域的第一面的方向上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件(2)，其中所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)(14)和所述光學(xué)結(jié)構(gòu) (16)形成整體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件(2)，其中所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)(14)被包括在至少部分地圍繞所述初級(jí)光源(10)的部件(13)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光器件(2)，其中所述部件(13)是圓頂形部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的發(fā)光器件(2)，其中所述部件(13)包括塑料、陶瓷材料或硅材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件(2)，還包括限定所述初級(jí)光源(10)與所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)(14)之間的氣隙的空間(15)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件(2)，還包括布置為接收所述次級(jí)光中由所述光學(xué)結(jié)構(gòu)(16)重定向的部分的反射器(18)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)光器件(2)，其中所述反射器(18)基本上布置在至少部分地圍繞所述初級(jí)光源(10)的第一面中或者與該第一面平行布置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光器件(2)，其中所述初級(jí)光源(10)包括用于產(chǎn)生所述初級(jí)光的一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管，并且其中所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)(14)包括用于產(chǎn)生所述次級(jí)光的至少一個(gè)磷光體部件。
12.一種照明器件(1)，配置為對(duì)區(qū)域或空間進(jìn)行照明，所述照明器件包括根據(jù)權(quán)利要求1至11中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的發(fā)光器件(2)和至少部分地封裝所述發(fā)光器件的構(gòu)件(3)， 其中所述構(gòu)件包括布置為反射由所述發(fā)光器件發(fā)射的光的至少一個(gè)反射表面。
13.一種用于制造發(fā)光器件(2)的方法，包括以下步驟-在載體(11)上提供用于提供初級(jí)光的初級(jí)光源(10)；-將光轉(zhuǎn)換介質(zhì)(14)設(shè)置在與所述載體相距一定距離處，所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)能夠?qū)⑺龀跫?jí)光的至少一部分轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)與所述初級(jí)光的波長(zhǎng)不同的次級(jí)光；-提供面向所述初級(jí)光源的光學(xué)結(jié)構(gòu)(16)，其中所述光學(xué)結(jié)構(gòu)布置為接收來(lái)自所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)的所述次級(jí)光的一部分；以及將所述次級(jí)光的所述部分重定向到向著所述載體且遠(yuǎn)離所述初級(jí)光源的方向上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括在部件(13)中提供所述光學(xué)結(jié)構(gòu)(16)的步驟，其中所述光學(xué)結(jié)構(gòu)是通過(guò)將所述部件成形以提供多個(gè)表面(17)來(lái)獲得的，所述表面定向?yàn)槭沟脤⑺龃渭?jí)光的所述部分重定向到向著限定至少部分地圍繞所述初級(jí)光源的區(qū)域的第一面的方向上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光器件(2)，其包括初級(jí)光源(10)、光轉(zhuǎn)換介質(zhì)(14)和光學(xué)結(jié)構(gòu)(16)。所述初級(jí)光源被設(shè)置在襯底(11)上。包括磷光體(14)的光轉(zhuǎn)換介質(zhì)被布置為將初級(jí)光的至少一部分轉(zhuǎn)換為不同波長(zhǎng)的次級(jí)光(II)。所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)呈遠(yuǎn)程磷光體配置。所述光學(xué)結(jié)構(gòu)被布置為接收來(lái)自所述光轉(zhuǎn)換介質(zhì)的次級(jí)光(II)的一部分，并被配置為將次級(jí)光的所述部分重定向到向著第一面但遠(yuǎn)離所述初級(jí)光源(10)的方向上。通過(guò)提供將次級(jí)光重定向?yàn)檫h(yuǎn)離所述初級(jí)光源的光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以顯著地減少或消除所述初級(jí)光源對(duì)所述次級(jí)光的吸收。通過(guò)將該次級(jí)光重定向?yàn)槭沟闷鋸陌l(fā)光器件透射的方向，改進(jìn)了發(fā)光效能。
文檔編號(hào)F21Y101/02GK102460747SQ201080024763
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者范克薩利 E., J. H. 布勒門(mén) P., H. 史密茨 W. 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦發(fā)光二極管照明設(shè)備(控股)有限公司