發(fā)光設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包括諸如發(fā)光二極管(LED)之類的多個固態(tài)光源和透明基板的發(fā)光設(shè) 備。
【背景技術(shù)】
[0002] US 7,737,460 B2描述了包括形成在藍寶石基板的主表面上的LED芯片的白色LED 芯片。光提取膜被提供在藍寶石基板的另一主表面上。兩個主表面與彼此相反并且平行地 延伸。此外，用于生成白光的磷光體構(gòu)件可以被提供在基板的相對于光提取膜的相反側(cè)面 上。
[0003] 高亮度光源是包括聚光照明、舞臺照明、汽車照明、以及數(shù)字(前)投影在內(nèi)的各種 應(yīng)用所關(guān)注的。為了這一目的，可能利用所謂的光集中器，其中較短波長的光在高度透明的 發(fā)光材料中被轉(zhuǎn)換到較長波長。
[0004] 然而，在上述發(fā)光設(shè)備中，由對磷光體的過度加熱造成的諸如再吸收、散射、以及 熱淬滅之類的各種效應(yīng)可能嚴重降低系統(tǒng)效率。
[0005] EP2346101A1公開了發(fā)光模塊，其中光學波長轉(zhuǎn)換陶瓷轉(zhuǎn)換由被安裝在元件安裝 基板上的半導(dǎo)體發(fā)光元件發(fā)射的光的波長。光學波長轉(zhuǎn)換陶瓷被提供有至少40%透明度的 光學波長轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的全光譜透射。反射膜被提供在光學波長轉(zhuǎn)換陶瓷的表面上。穿過光 學波長轉(zhuǎn)換陶瓷的光的發(fā)射面積被減小到小于半導(dǎo)體發(fā)光元件的光發(fā)射面積。反射膜引導(dǎo) 光，使得光大致平行于半導(dǎo)體發(fā)光元件的發(fā)光表面發(fā)射。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服這一問題，并且提供如下發(fā)光設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備，減少或 者甚至消除了再吸收、散射、以及熱淬滅，并且使用該發(fā)光設(shè)備，因此改善了系統(tǒng)效率。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，這一目的和其它目的借助于如下發(fā)光設(shè)備來實現(xiàn)，該發(fā) 光設(shè)備包括多個固態(tài)光源和透明基板，透明基板包括以與彼此成不同于零的角度延伸的第 一光輸入表面和第一光出射表面，透明基板適于在第一光輸入表面處接收由多個固態(tài)光源 發(fā)射的光，將該光引導(dǎo)到第一光出射表面并且耦合出第一光出射表面，其中多個固態(tài)光源 的有源層被提供為與透明基板的第一光輸入表面直接物理接觸，并且其中第一光輸入表面 具有比第一光出射表面更大的表面區(qū)域。
[0008] 通過提供適于引導(dǎo)光的透明基板，提供了如下發(fā)光設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備，由多個 固態(tài)光源發(fā)射并且耦合到透明基板中的光的大部分被引導(dǎo)向第一光出射表面。此外，基板 內(nèi)的吸收/散射損失顯著減少。
[0009] 通過將透明基板的第一光輸入表面和第一光出射表面提供為使得它們以與彼此 成不同于零的角度延伸(并且特別地，垂直于彼此延伸），提供了如下發(fā)光設(shè)備，其中更多的 光被耦合到透明基板中，并且使用該發(fā)光設(shè)備，最佳地大量光借助于TIR(全內(nèi)反射)被引導(dǎo) 向第一光出射表面。這轉(zhuǎn)而進一步降低了由于通過除了光出射表面之外的其它表面離開透 明基板而損失的光的量，并且因此進一步增加了通過第一光出射表面發(fā)射的光的強度。 [0010]通過將多個固態(tài)光源的有源層提供為與透明基板直接物理接觸，提供了如下發(fā)光 設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備，從固態(tài)光源發(fā)射的特別大量的光耦合到透明基板中并且被限制在 透明基板內(nèi)。多個固態(tài)光源的有源層和透明基板之間的直接物理接觸可以導(dǎo)致在多個固態(tài) 光源的有源層和透明基板的第一光輸入表面處的匹配的晶格結(jié)構(gòu)。換句話說，在第一光輸 入表面處，多個固態(tài)光源的有源層的晶體結(jié)構(gòu)匹配(或者基本上相似于)透明基板的晶體結(jié) 構(gòu)，從而意味著從透明基板到多個固態(tài)光源的有源層有晶體結(jié)構(gòu)的平滑過渡，從而減少例 如第一光輸入表面處的散射損失。這可能是直接在透明基板的第一光輸入表面上生長(例 如使用外延生長）多個固態(tài)光源的有源層(從而導(dǎo)致匹配的晶格結(jié)構(gòu)）的結(jié)果。透明基板是 例如生長基板和/或單晶基板。因為多個光源的有源層和透明基板之間在第一光輸入表面 處的平滑過渡，這些基板提供了由多個固態(tài)光源發(fā)射的光到透明基板中的經(jīng)改善的耦合。 [0011]此外，通過向第一光輸入表面提供比第一光出射表面更大的表面區(qū)域，提供了如 下發(fā)光設(shè)備，其中基板具有光集中作用，使得耦合出基板的光的強度進一步增加。
[0012] 以上特征全部都有助于顯著減少發(fā)光設(shè)備中出現(xiàn)的再吸收、散射、以及熱淬滅，這 轉(zhuǎn)而導(dǎo)致高強度的光輸出并且因此顯著改善的系統(tǒng)效率。
[0013] 在實施例中，第一光輸入表面的區(qū)域是第一光出射表面的表面區(qū)域的四倍、十倍、 或者三十倍大。
[0014] 在實施例中，多個固態(tài)光源被設(shè)置在散熱器上，使得多個固態(tài)光源被設(shè)置在透明 基板和散熱器之間。通過提供散熱器，由光源產(chǎn)生的熱量可以以高效率的方式從作為光導(dǎo) 起作用的透明基板被消散走。
[0015] 在實施例中，透明基板包括光子晶體結(jié)構(gòu)和衍射結(jié)構(gòu)中的一個或者多個。通過向 基板提供光子晶體結(jié)構(gòu)和/或衍射結(jié)構(gòu)，獲得了耦合出透明基板的具有與基板的光輸入表 面(并且因此固態(tài)光源的表面）的法向不同的方向的光的峰值強度。在實施例中，光子晶體 結(jié)構(gòu)和/或衍射結(jié)構(gòu)為如下類型，其向耦合出透明基板的光提供非郎伯的輻射圖案，而是相 反地在側(cè)面方向上具有更多的發(fā)射，并且在實施例中集中在相對于基板的光輸入表面(并 且因此固態(tài)光源的表面）的法向的33度至47度的角范圍內(nèi)。具體而言，在基板中使用光子晶 體結(jié)構(gòu)提供了由固態(tài)光源發(fā)射的被限制在基板的與光出射表面不同的表面的逃逸圓錐角 之外的光。此外，光子晶體結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計為使得:發(fā)射的角分布使得落到由固態(tài)光源覆蓋 的區(qū)域上的光的量被最小化?？偠灾庾泳w結(jié)構(gòu)和/或衍射結(jié)構(gòu)的使用從而有助于進 一步增加耦合出基板的光的強度。
[0016] 在實施例中，透明基板包括耦合元件，耦合元件被設(shè)置在第一光出射表面處，用于 將光耦合出第一光出射表面。因此，提供了如下發(fā)光設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備，光到透明基板 外的耦合明顯更高效，這導(dǎo)致更少的光損失并且因此更高的強度增益。
[0017] 在實施例中，多個光源中的每個光源都發(fā)射第一光譜分布的光。在其它實施例中， 多個光源包括發(fā)射第一光譜分布的光的至少一個第一固態(tài)光源和發(fā)射不同于第一光譜分 布的第二光譜分布的光的至少一個第二固態(tài)光源。接著，不同的光譜分布由透明基板接收， 被引導(dǎo)到第一光出射表面并且從第一光出射表面發(fā)射。以這一方式，預(yù)定顏色的光在透明 基板的第一光出射表面處發(fā)射，這通過應(yīng)用發(fā)射不同的光譜分布的不同固態(tài)光源而獲得。
[0018] 在實施例中，透明基板由透明材料制成，該透明材料從包括以下項的組中選擇:藍 寶石、諸如YAG、LuAG之類的非摻雜透明石榴石、玻璃、石英、諸如多晶氧化鋁之類的陶瓷材 料、發(fā)光材料、磷光體、以及其組合。因此，提供了如下發(fā)光設(shè)備，該發(fā)光設(shè)備具有由具有高 熱導(dǎo)率的高度透明的材料制成的基板，因此允許來自多個固態(tài)光源的光以非常小的光損失 或者甚至無光損失地被引導(dǎo)通過透明基板，而同時保證優(yōu)秀的熱量消散。在實施例中，透明 材料示出了高透明度，換句話說，其應(yīng)該不散射光。
[0019] 在這一上下文中，高度透明的材料旨在是如下材料:該材料在激發(fā)和發(fā)射的光譜 范圍內(nèi)幾乎不示出吸收，并且進一步示出大于80%、大于90%、大于95%、或者甚至大于 98% (即平行光束的被散射到大于2度的角的分數(shù)小于20%、小于10%、小于5%、或者甚至 小于2 % )的直接光束透明度。
[0020] 在實施例中，透明基板包括被設(shè)置在第一光出射表面處的發(fā)光元件和光學元件中 的任何一個或者多個。通過在第一光出射表面處提供發(fā)光元件，提供了如下發(fā)光設(shè)備，該發(fā) 光設(shè)備保證具有一個光譜分布的光到具有另一光譜分布的光的轉(zhuǎn)換，其優(yōu)勢在下面進一步 描述。通過在第一光出射表面處提供光學元件，由發(fā)光設(shè)備發(fā)射的光束的圖案和形狀可以 針對特定應(yīng)用或者情況進行調(diào)整。例如，所獲得的圖像圖案可以被濾波(諸如依據(jù)顏色或者 偏振濾波）、聚焦、成形、或者投影到表面上。合適的光學元件包括但不限于例如透鏡的折射 或者衍射元件、顏色濾波器、反射元件、偏振器、和針孔、以及這些元件的組合。
[0021] 在實施例中，透明基板適于將由多個固態(tài)光源發(fā)射的光的至少一部分轉(zhuǎn)換為具有 不同光譜分布的光。
[0022] 因此，提供了如下發(fā)光設(shè)備，該發(fā)光設(shè)備保證了將光轉(zhuǎn)換到（否則該光不能保持在 光引導(dǎo)基板中）不同的（特別地更長的）波長。因此，這種光可以被再利用，以便以高效率和 高亮度獲得多個波長。此外，提供了如下發(fā)光設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備，由發(fā)光設(shè)備發(fā)射的光 的顏色圖案可以改變。此外，提供了如下發(fā)光設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備，特別大量的經(jīng)轉(zhuǎn)換的 光將留在透明基板中，該光隨后可以從表面之一被提取，這轉(zhuǎn)而導(dǎo)致特別高的強度增益。
[0023] 在實施例中，發(fā)光設(shè)備進一步包括光導(dǎo)，該光導(dǎo)包括第二光輸入表面和第二光出 射表面，該光導(dǎo)適于在第二光輸入表面處接收耦合出透明基板的第一光出射表面的光，將 接收的光引導(dǎo)到第二光出射表面，并且將接收的光耦合出第二光出射表面，光導(dǎo)被設(shè)置為 以便于至少部分地圍繞透明基板。
[0024] 在實施例中，透明基板至少部分地被嵌入在光導(dǎo)中。在這一實施例中，透明基板在 實施例中被提供有與光導(dǎo)的折射率接近的折射率。在其中提供了多于一個固態(tài)光源的實施 例中，提供這種光導(dǎo)是特別有利的。通過提供光導(dǎo)，獲得了如下發(fā)光設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備， 由多個固態(tài)光源發(fā)射的并且被引導(dǎo)通過透明基板的光可以被收集在光導(dǎo)中并且通常以特 別高效率的方式被引導(dǎo)到第二光出射表面。這轉(zhuǎn)而導(dǎo)致進一步的強度增益，并且還導(dǎo)致了 提供具有更大波長范圍的光輸出(諸如例如白光輸出）的可能性。通過提供光導(dǎo)以便于至少 部分地圍繞透明基板，光可以不僅從第一光出射表面而且還從透明基板的其它表面中的一 個或者多個表面被收集，但是除了固態(tài)光源所位于的第一光輸入表面之外，這轉(zhuǎn)而更進一 步地減少了光損失。因此，保證了特別高效率地從透明基板收集光并且將光耦合到光導(dǎo)中。
[0025] 在實施例中，光導(dǎo)進一步適于將從透明基板接收的光的至少一部分轉(zhuǎn)換為具有不 同光譜分布的光。因此，提供了如下發(fā)光設(shè)備，該發(fā)光設(shè)備保證了將光轉(zhuǎn)換到（否則該光不 能保持在光導(dǎo)中）不同的(特別地，更長的)波長。因此，這種光可以被再利用，以便以高效率 和高亮度獲得多個波長。此外，提供了如下發(fā)光設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備，由發(fā)光設(shè)備發(fā)射的 光的顏色圖案可以改變。此外，提供了如下發(fā)光設(shè)備，使用該發(fā)光設(shè)備，特別大量的經(jīng)轉(zhuǎn)換 的光將留在光導(dǎo)中，該光隨后可以從表面之一被提取，這轉(zhuǎn)而導(dǎo)致特別高的強度增益。
[0026] 在實施例中，光導(dǎo)包括透明材料、發(fā)光材料、石榴石、摻雜石榴石、以及其任何組合 中的任何一種。因此，提供了具有如下光導(dǎo)的發(fā)光設(shè)備，該光導(dǎo)具有特別好的波長轉(zhuǎn)換性 質(zhì)。
[0027] 本發(fā)明進一步涉及燈、燈具、或者照明系統(tǒng)，它們包括本發(fā)明的發(fā)光設(shè)備并且用于 以下應(yīng)用中的一個或者多個應(yīng)用:數(shù)字投影、汽車照明、舞臺照明、商店照明、家庭照明、重 點照明、聚光照明、劇場照明、光纖照明、顯示系統(tǒng)、警告照明系統(tǒng)、醫(yī)療照明應(yīng)用、裝飾照明 應(yīng)用。
[0028] 本發(fā)明進一步涉及用于制造發(fā)光設(shè)備的方法，該方法包括以下步驟：
[0029] 提供透明基板，透明基板包括以與彼此成不同于零的角度延伸的第一光輸入表面 和第一光出射表面，透明基板適于引導(dǎo)在第一光輸入表面處接收的光，將該光引導(dǎo)到第一 光出射表面，并且將該光親合出第一光出射表面，其中第一光輸入表面具有比第一光出射 表面更大的表面區(qū)域，并且
[0030] 在透明基板的第一光輸入表面上生長多個固態(tài)光源的有源層。
[0031] 注意，本發(fā)明涉及在權(quán)利要求中記載的特征的所有可能組合。
【附圖說明】
[0032] 現(xiàn)在將參照示出了本發(fā)明的（多個)實施例的附圖更詳細地描述本發(fā)明的這一方 面和其它方面。
[0033] 圖1示出了包括磷光體輪的發(fā)光設(shè)