使用多色發(fā)光源和漫射器元件的照明系統(tǒng)的制作方法

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>電氣元件制品的制造及其應(yīng)用技術(shù)

專利名稱：使用多色發(fā)光源和漫射器元件的照明系統(tǒng)的制作方法
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相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2006年12月20日提交的美國專利申請(qǐng)11/642089號(hào)的優(yōu) 先權(quán)益。于此通過引用將該申請(qǐng)的內(nèi)容全部并入。
背景技術(shù)：
包括具有發(fā)光二極管(LED)和共振腔LED(RCLED)的固態(tài)燈的固態(tài) 發(fā)光裝置非常有用，因?yàn)闈撛诘?，它們能夠比傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈提供更低的制造成本和較長使用壽命。由于固態(tài)發(fā)光裝置的工作(點(diǎn)亮)時(shí)間長且功耗低，因此即使在它們的初始成本比傳統(tǒng)燈的初始成本高的情況下，這種固態(tài)發(fā)光裝置往往也能提供實(shí)用的成本效益。因?yàn)榭梢允褂么笠?guī)模半導(dǎo)體制造技術(shù)，所以能夠以極低的成本來生產(chǎn)大量的固態(tài)燈。
除了在諸如家用和消費(fèi)電器、視聽裝備、電信裝置及汽車儀表標(biāo)記上的指示燈的應(yīng)用外，LED已經(jīng)在室內(nèi)和室外信息顯示中得到廣泛的應(yīng)用。
隨著發(fā)射短波長(例如，藍(lán)色或紫外(UV))輻射的高效LED的發(fā)展，通過將LED原始發(fā)射的一部分下變頻(即，熒光體變頻)至更長波長從而產(chǎn)生白光的LED的生產(chǎn)已經(jīng)變得可行。將LED的原始發(fā)射變頻至更長波長通常被稱為對(duì)原始發(fā)射的下變頻。原始發(fā)射的未變頻部分與更長波長的光相合并以產(chǎn)生白光。
通過將熒光體層放置在用來填充反射器杯的環(huán)氧樹脂中來獲得LED芯片原始發(fā)射的一部分的熒光體變頻，所述反射器杯將所述LED芯片容納在 LED燈中。熒光體以粉末的形式存在，在對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化之前將熒光體與環(huán)氧樹脂混合。然后將含有熒光體粉末的未固化環(huán)氧樹脂漿液沉積到 LED芯片上并隨后進(jìn)行固化。
固化的環(huán)氧樹脂中的熒光體顆粒通常隨機(jī)地取向且散布在整個(gè)環(huán)氧樹脂中。由LED芯片發(fā)射的原始輻射的一部分穿過環(huán)氧樹脂而沒有撞擊到熒光體顆粒上，而由LED芯片發(fā)射的原始輻射的另一部分撞擊到熒光體顆粒上，使得熒光體顆粒發(fā)射更長波長的輻射。原始短波長輻射和熒光體發(fā)射的輻射合并產(chǎn)生白光。
熒光體變頻白LED (pc-LED)技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀是在可見光譜區(qū)效率低。單個(gè)pc-白LED的光輸出比典型的家用白熾燈的光輸出要低，典型的家用白熾燈在可見光譜區(qū)的效率大約為10%。具有與典型白熾燈的功率密度相當(dāng)?shù)墓廨敵龅腖ED裝置需要更大的LED芯片或具有多個(gè)LED芯片的設(shè)計(jì)。另外，必須弓I入直接能量吸收冷卻以便處理LED裝置自身中的溫度升高。更具體而言，在LED裝置被加熱至超過IO(TC時(shí)其效率變低，導(dǎo)致在可見光譜區(qū)的下降折回。對(duì)于一些熒光體來說，在溫度升高至大約90'C的閾值以上時(shí)，其固有的熒光體變頻效率急劇地降低。
公布的Wojnarowski等的美國專利6452217號(hào)涉及用于照明產(chǎn)品中的高功率LED燈或多LED燈設(shè)計(jì)和從其去除熱的源。其具有布置在多維陣列中的LED裸片。每個(gè)LED裸片具有半導(dǎo)體層和用于產(chǎn)生白光的熒光體材料。反射器收集和聚焦來自每個(gè)裸片的光以接近高功率LED燈。該專利的圖12 示例了以成角度的光線路徑發(fā)射光的多邊陣列。該專利的圖19示例了成角度的LED燈頭。
公布的Baretz等的美國專利6600175號(hào)和Baretz等提交的美國專利申請(qǐng)公開2004/0016938號(hào)涉及產(chǎn)生白光的固態(tài)發(fā)光設(shè)備。該》38專利申請(qǐng)公開是"75專利的繼續(xù)。固態(tài)發(fā)光裝置生成較短波長的輻射，其透射至用于下變頻的發(fā)光介質(zhì)(luminophoric medium)以產(chǎn)生白光。在該專利的圖2 和6中，LED和發(fā)光介質(zhì)之間是隔離的關(guān)系。在圖6中，例如，光從較短波長輻射的固態(tài)裝置82發(fā)射，較短波長輻射優(yōu)選地在藍(lán)色或紫外的波長范圍中。當(dāng)以較短波長的輻射撞擊發(fā)光介質(zhì)卯時(shí)，該介質(zhì)受到激發(fā)，并作為響應(yīng)發(fā)射具有在可見光譜的波長范圍中的波長的輻射，產(chǎn)生感知為白色的光。
公布的Mueller-Mach等的美國專利6630691涉及LED裝置，該LED 裝置包括熒光體變頻襯底，該熒光體變頻襯底將LED的發(fā)光結(jié)構(gòu)發(fā)射的原始光的部分變頻為一個(gè)或多個(gè)波長的光，這些光與未變頻的原始光合并產(chǎn) 生白光。如該專利的圖1中所示，LED2設(shè)置于為熒光體的襯底10上。如該專利的圖2中所示，反射電極21設(shè)置于LED的表面上。LED發(fā)射的一些原始光撞擊到反射電極21上，其將原始光反射回，穿過LED并穿過襯底。傳播至襯底中的一些原始光被變頻為黃光，而一些沒有被變頻。當(dāng)襯底發(fā)射兩種類型的光時(shí)，它們合并產(chǎn)生白光。反射電極的使用通過確保進(jìn) 入襯底的原始光的量最大化而提高了 LED裝置的效率。
Muller-Mach等提交的美國專利申請(qǐng)公開2002/0030444號(hào)，其也作為 Mueller-Mach等的美國專利6696703號(hào)公布，涉及薄膜熒光體變頻LED結(jié) 構(gòu)。該申請(qǐng)的圖2示出了 LED結(jié)構(gòu)2和LED 2的表面上的熒光體薄膜21。 LED生成撞擊到熒光體膜21上的藍(lán)光。一些光通過熒光體21，而一些被吸收并被變頻為從熒光體21發(fā)射的黃光。藍(lán)光和黃光合并形成白光。在該申請(qǐng)的圖3中，反射墊25在LED 2的表面上。來自LED2的光由反射墊 25反射回，穿過LED2并進(jìn)入熒光體21。然后將光合并，如該專利的圖2 中所示。該專利的圖4使用兩個(gè)熒光體膜31、 33，它們由襯底13與LED2 隔離。膜31發(fā)射紅光。膜33發(fā)射綠光。LED2發(fā)射的藍(lán)光通過膜31、 33，它們與紅光和綠光合并產(chǎn)生白光。在該申請(qǐng)的圖5的實(shí)施例中，LED裝置 50包括多個(gè)熒光體薄膜37和38。電介質(zhì)反射鏡36設(shè)置于薄膜37和襯底 13之間。電介質(zhì)反射鏡36對(duì)發(fā)光結(jié)構(gòu)2的原始發(fā)射是完全透明的，但是在熒光體薄膜37和38發(fā)射的波長處是高度反射的。
Okazaki提交的美國專利申請(qǐng)公開2002/0030060號(hào)涉及設(shè)置有紫外發(fā) 光元件和熒光體的白半導(dǎo)體發(fā)光裝置。熒光體層具有藍(lán)光發(fā)射熒光體和黃光發(fā)射熒光體，相混地?cái)U(kuò)散。發(fā)光裝置3在反射箱5內(nèi)側(cè)。在該申請(qǐng)的圖2、 4和8中，熒光體層6形成為遠(yuǎn)離發(fā)光元件3。在該申請(qǐng)的圖2中示出了形成在密封部件7內(nèi)側(cè)的熒光體層6，密封部件7由半透明樹脂形成。在該申請(qǐng)的圖4和8中，熒光體層形成在密封部件7的表面上。
Brukilacchio提交的美國專利申請(qǐng)公開2002/0218880號(hào)涉及LED白光光學(xué)系統(tǒng)。如該申請(qǐng)的圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)100包括LED光源110、濾光器120、反射器130、熒光體層135、集中器140、第一照明區(qū)150、第二照明區(qū)170、以及散熱器l卯。濾光器120包括反射的CCT范圍和透射的CCT 范圍。反射的CCT范圍內(nèi)的光能被禁止通過濾光器120(例如，經(jīng)由反射)。從熒光體層背面137進(jìn)入濾光器正面121的在濾光器120的反射范圍中的光能被反射回?zé)晒怏w層135中。濾光器120的透射的CCT范圍中的光能透射穿過濾光器120并與反射器130相互作用。
反射器130是反射光學(xué)元件，其安置用于將從LED光源背面112發(fā)射的光能反射回LED光源110中。光能與光學(xué)材料相互作用，并且光能的部分離開LED正面111并與濾光器120相互作用。光能然后持續(xù)進(jìn)入熒光體層，由此對(duì)從熒光體層背面137發(fā)射的光能提供重復(fù)的疊縮圓形處理。此重復(fù)處理捕獲否則會(huì)損耗的光能。集中器140捕獲熒光體層正面136發(fā)射出的光能。
Mueller-Mach等提交的美國專利申請(qǐng)公開2002/0003233號(hào)，其也作為 Mueller-Mach等的美國專利6501102號(hào)公布，涉及LED裝置，該LED裝置基本上對(duì)LED裝置的發(fā)光結(jié)構(gòu)發(fā)射的所有原始輻射執(zhí)行熒光體變頻，以產(chǎn) 生白光。LED裝置包括至少一個(gè)熒光體變頻元件，該元件設(shè)置用于接收和吸收發(fā)光結(jié)構(gòu)發(fā)射的基本所有原始光。熒光體變頻元件發(fā)射第二和第三波長的次級(jí)光，這些光合并產(chǎn)生白光。一些實(shí)施例使用發(fā)光結(jié)構(gòu)的表面上的反射電極，而一些則不使用。在使用反射電極21的實(shí)施例中(該申請(qǐng)的圖 2、 3、 6、 7)，襯底將發(fā)光結(jié)構(gòu)與熒光體層隔開。即，發(fā)光結(jié)構(gòu)在襯底的一側(cè)上，而熒光體層在襯底的另一側(cè)上。在不使用反射電極的實(shí)施例中(該申請(qǐng)的圖4、 5)，熒光體層設(shè)置于發(fā)光結(jié)構(gòu)的表面上。
公布的Mueller等的美國專利6686691號(hào)涉及用于產(chǎn)生白光的三色燈。該燈采用藍(lán)LED以及紅色和綠色熒光體的混合物來產(chǎn)生白光。如圖3中所示，燈20包括LED22，其安置于反射器杯28中。LED22以由線26表示的圖案發(fā)射光，且熒光體混合物24安置于圖案中。可以看到，LED 22發(fā) 射的一些未吸收的光從反射器杯28的壁反射回到熒光體混合物24中。如果光被反射到先前未由初始光圖案覆蓋的空間中，則反射器杯28可以更改光圖案26。反射器杯的壁可以是拋物面形狀的。
公布的Soules等的美國專利6252254號(hào)和6580097號(hào)涉及涂有熒光體的LED或激光二極管。、097專利是、254專利的分案。更具體地，該專利公開了覆蓋有含有熒光體的涂層的藍(lán)色發(fā)射LED。含有熒光體的涂層含有綠色發(fā)射熒光體和紅色發(fā)射熒光體。綠色和紅色熒光體可由藍(lán)色發(fā)射LED激發(fā)。
公布的Marshall等的美國專利6513949號(hào)、公布的Marshall等的美國專利6692136號(hào)、以及Marshall等提交的美國專利申請(qǐng)公開2002/0067773 號(hào)涉及LED/熒光體/LED混合照明系統(tǒng)。'136專利是'949專利的繼續(xù)。'773 專利申請(qǐng)作為、136專利公布。如圖1A中所示，LED10包括LED芯片，該 LED芯片安裝于填充有透明環(huán)氧樹脂13的反射器12或反射金屬盤中。圖 IB示意性地描繪典型的熒光體LED 14,除了填充反射器16的環(huán)氧樹脂18 含有均勻混合于其中的一或多種類型的發(fā)光熒光體材料的粒子19外，其基本與圖1A的LED的構(gòu)造相同。熒光體粒子19將LED芯片15發(fā)射的光的部分變頻為不同光譜波長的光。通過改變熒光體-LED的LED和/或熒光體的顏色和數(shù)量，該系統(tǒng)容許處理和優(yōu)化不同的照明系統(tǒng)性能參數(shù)，這些參數(shù)被認(rèn)為是重要的。
公布的Mudler-Mach等的美國專利6603258涉及發(fā)光二極管設(shè)備，該設(shè)備通過合并原始藍(lán)綠光和熒光體變頻的微紅光來產(chǎn)生白光。LED安裝于反射器杯內(nèi)，反射器杯填充有熒光體變頻樹脂。LED發(fā)射的原始輻射撞擊到熒光休變頻樹脂上。撞擊到樹脂上的原始輻射的部分變頻為微紅光。原始輻射的未變頻的部分通過樹脂并與微紅光合并而產(chǎn)生白光。
公布的Srivastava等的美國專利6616862號(hào)涉及與銪和錳離子共激活的鹵磷酸鹽(halophosphate)發(fā)光材料。該專利的圖3公開了安裝于杯120 中的LED,杯120具有鄰近于LED的反射表面140。該實(shí)施例包括透明箱 160，其中散布有熒光體顆粒200。替代地，可以作為LED表面的涂層施加與粘合物混合的熒光體。合并LED發(fā)射的藍(lán)光的未由熒光體吸收的部分和熒光體發(fā)射的寬光譜光以提供白光源。
公布的Shimazu等的美國專利6069440號(hào)、6614179號(hào)、以及6608332 號(hào)涉及包括熒光體的發(fā)光裝置，該熒光體將發(fā)光元件發(fā)射的光的波長變頻并發(fā)射光。這些專利還公開了顯示裝置，該顯示裝置使用以矩陣布置的多個(gè)發(fā)光設(shè)備。這些專利是相關(guān)的，因?yàn)樗鼈冊(cè)从谙嗤脑暾?qǐng)。
公布的Ishii等的美國專利6580224號(hào)涉及彩色液晶顯示裝置的背光、彩色液晶顯示裝置、以及用于彩色液晶顯示裝置的背光的電致發(fā)光元件。
Schlereth等提交的美國專利申請(qǐng)公開2002/0167014號(hào)，其也作為 Schlereth等的美國專利6734467號(hào)公開，涉及具有基于GaN或InGaN的半導(dǎo)體LED的LED白光源，半導(dǎo)體LED至少部分由透明材料制成的封裝圍繞。透明材料含有變頻器物質(zhì)，用于LED發(fā)射的光的至少部分波長的變頻。 LED具有多個(gè)發(fā)光區(qū)，通過這些發(fā)光區(qū)，生成了能量在變頻器物質(zhì)的發(fā)射光譜之上的相對(duì)寬帶的光發(fā)射光譜。
Yamada K.、 YJmai、以及K Ishii的題目為"Optical simulation of light source devices composed of blue LEDs and YAG phosphor "的發(fā)表在Journal of Light and Visual Environment 27(2): 70-74(2003)上的公開公開了使用從熒光體反射的光作為從由LED和熒光體構(gòu)成的光源獲得高輸出的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
一種發(fā)光設(shè)備包括用于發(fā)射多色輻射的輻射源。漫射器材料接收輻射源發(fā)射的多色輻射的至少部分并將該多色輻射變頻為前向傳輸輻射和后向傳輸輻射。光學(xué)裝置耦合至漫射器材料，并適于接收后向傳輸輻射以及從光學(xué)裝置提取后向傳輸輻射的至少一部分。

當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，可以從以下詳細(xì)描述對(duì)本發(fā)明得到最好的理解。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，根據(jù)通常的實(shí)踐，附圖的各個(gè)特征不是按比例的。相反，為了清楚，任意放大或減小了各個(gè)特征的尺寸。附圖中包括以下圖
圖1是相對(duì)輸出與波長關(guān)系的曲線圖，其示出一種類型的熒光體 (YAG:Ce)的光的反射和透射光譜分布；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的使用固態(tài)發(fā)射器和下變頻材料的高效光源；
圖2A是使用多色發(fā)光源和下變頻材料的高效光源的替代實(shí)施例；
圖2B是圖2A中所示的高效光源的底部的橫截面視圖3是圖2中所示的高效光源的底部的橫截面視圖;
圖4示例根據(jù)本發(fā)明的另一范例實(shí)施例的使用多個(gè)固態(tài)發(fā)射器和下變頻材料的另一高效光源；
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的另一范例實(shí)施例的使用固態(tài)發(fā)射器和下變頻材料的高效光源的另一實(shí)施例；
圖5B是圖5A中所示的高效光源的橫截面視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的使用固態(tài)發(fā)射器和下變頻材料的另一高效光源的示例；
圖7描繪圍繞圖6中所示的高效光源的反射器，該反射器用于重引導(dǎo) 從光源發(fā)射的光線；
圖7A示例使用多色發(fā)光源的本發(fā)明的另一范例實(shí)施例；
圖7B示例根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的散布于下變頻材料層中的下變頻材料；
圖7C示例根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的散布于下變頻材料層中的下變頻材料；
圖7D示例根據(jù)本發(fā)明的另一替代實(shí)施例的散布于下變頻材料層中的下變頻材料；
圖8A至8E示例根據(jù)本發(fā)明的不同范例實(shí)施例的緊鄰范例發(fā)光源之上設(shè)置的光學(xué)元件或光學(xué)透鏡的各種幾何形狀；
圖8F和8G示例反射器和光學(xué)裝置的其它實(shí)施例；
圖9A示例根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的具有使用固態(tài)發(fā)射器和放置在用于重引導(dǎo)來自光源的光線的光導(dǎo)管上的下變頻材料的多個(gè)高效光源的裝置；
圖9B是圖9A中所示的裝置的橫截面視圖9C示例圖9A中所示的可以包括多色發(fā)光源的裝置的另一替代實(shí)施例的橫截面視圖10A是根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的具有使用固態(tài)發(fā)射器和圍繞用于重引導(dǎo)來自光源的光線的光導(dǎo)管的邊緣設(shè)置的下變頻材料的多個(gè)高效光源的另一裝置的示例；
圖10B是圖10A中所示的裝置的橫截面視圖ll是根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的另一高效光源的示例，該光源布置成由反射器和高效微透鏡漫射器圍繞；
圖IIA是可以包括多色發(fā)光源的圖11中示例的實(shí)施例的替代實(shí)施例的示例；
圖12是根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的將輻射引導(dǎo)朝向下變頻材料和反射器的另一高效光源的示例，其中下變頻材料設(shè)置于高效光源和反射器之間；圖12A是可以包括多色發(fā)光源的圖12中示例的實(shí)施例的替代實(shí)施例的示例；
圖13是描繪根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的通過光學(xué)元件輻射朝向下變頻材料的光的高功率光發(fā)射器的示意圖14是是示例在來自短波長LED芯片的范例輻射光線撞擊到下變頻材料層上時(shí)可以得到的范例輻射光線的圖示。
具體實(shí)施例方式
雖然于此參照具體實(shí)施例示例和描述了本發(fā)明，但是不意味著本發(fā)明限于所示的細(xì)節(jié)。相反，可以在權(quán)利要求的等同物的范圍內(nèi)且不脫離本發(fā) 明在細(xì)節(jié)中作出各種更改。
圖14是示例在來自短波長LED芯片2002的范例輻射光線2000撞擊到下變頻材料層2004上時(shí)可以得到的范例輻射光線的圖示，所述下變頻材料層可以是熒光體層。來自諸如LED芯片2002的短波長源的范例短波長輻射2000撞擊到下變頻材料層2004上可以產(chǎn)生具有四個(gè)分量的輻射由下變頻材料層2004反射的后向傳輸短波長輻射2006;透射穿過下變頻材料層2004的前向傳輸短波長輻射2008;透射穿過下變頻材料2004的前向傳輸下變頻輻射2010;以及從下變頻材料2004反射的后向傳輸下變頻輻射 2012?？梢詫⑦@四個(gè)分量合并以產(chǎn)生白光。
所述四個(gè)分量中的兩個(gè)2010和2012可以各由兩個(gè)子分量構(gòu)成。前向傳輸下變頻輻射的一個(gè)子分量可以是發(fā)射的輻射2014;即波長比撞擊到下變頻材料層2004上的短波長輻射的波長更長的下變頻輻射。前向傳輸下變頻輻射的發(fā)射的輻射子分量2014可以由撞擊到下變頻材料2004的顆粒上的短波長輻射2000透射穿過下變頻材料2004時(shí)來產(chǎn)生。前向傳輸下變頻輻射的第二子分量可以是前向散射皿的輻射2016;即波長比撞擊到下變頻材料層2004上的短波長輻射2000的波長更長的其它下變頻輻射。前向傳輸下變頻輻射2010的前向散射發(fā)射的輻射子分量2016可以通過撞擊到下變頻材料2004的顆粒上且還在透射穿過下變頻材料2004之前在下變頻材料2004的顆粒上來回彈射的短波長輻射2000來產(chǎn)生。
后向傳輸下變頻輻射2012的一個(gè)子分量可以是發(fā)射的輻射2020;艮卩波長比撞擊到下變頻材料層2004上的短波長輻射2000的波長更長的下變頻輻射。后向傳輸下變頻輻射2012的發(fā)射的輻射子分量2018可以由撞擊到下變頻材料2004的顆粒上的短波長輻射2000從下變頻材料2004反射時(shí) 產(chǎn)生。后向傳輸下變頻輻射2012的第二子分量可以是后向散射發(fā)射的輻射 2020;艮P:波長比撞擊到下變頻材料層2004上的短波長輻射2000的波長更長的其它下變頻輻射。后向傳輸下變頻輻射2012的后向散射發(fā)射的輻射子分量2020可以通過撞擊到下變頻材料2004的顆粒上且還在從下變頻材料2004反射之前在下變頻材料2004的顆粒上來回彈射的短波長輻射2000 來產(chǎn)生。
可以通過將如上所討論的各個(gè)分量合并來產(chǎn)生白光。在前向傳輸方向上(即針對(duì)透射穿過下變頻材料層的輻射2008、 2014、 2016、 2010的輻射)，可以通過將前向傳輸短波長輻射2008與前向傳輸下變頻輻射2010的子分量2014、 2016中的一個(gè)或者兩個(gè)合并來產(chǎn)生白光。也就是說，可以通過將前向傳輸短波長光2008與透射發(fā)射的輻射2014和/或與透射前向散射發(fā)射的輻射2016合并來在前向傳輸?shù)姆较蛏袭a(chǎn)生白光。
在后向傳輸方向上(即針對(duì)從下變頻材料層反射的輻射2006、 2018、 2020、 2012)，可以通過將后向傳輸短波長輻射2006與后向傳輸下變頻輻射2012的子分量2018、 2020中的一個(gè)或者兩個(gè)合并來產(chǎn)生白光。也就是說，可以通過將后向傳輸短波長光2006與反射發(fā)射的輻射2018和/或與反射后向散射發(fā)射的輻射2020合并來在后向傳輸?shù)姆较蛏袭a(chǎn)生白光。
前向傳輸短波長輻射2008的波長可以與由諸如LED芯片2002的輻射源發(fā)射的輻射2000的波長大致相同。后向傳輸短波長輻射2006的波長可以與輻射源2002發(fā)射的輻射2000的波長大致相同。前向傳輸短波長輻射 2008的波長可以與后向傳輸短波長輻射2006的波長大致相同。在示范性實(shí) 施例中，輻射源2002可以發(fā)射波長小于550nm的輻射，更具體地波長在大約200nm至小于550nm的范圍以內(nèi)。因此，前向傳輸短波長輻射2008的波長和后向傳輸短波長輻射2006的波長可以小于550nm，更具體地波長在大約200nm至小于550nm的范圍中。
前向傳輸下變頻輻射2010 (包括其子分量2014、 2016)的波長和后向傳輸下變頻輻射2012 (包括其子分量2018、 2020)的波長可以是波長比下變頻材料2004的激發(fā)光譜更長的任意波長。在示范性實(shí)施例中，下變頻材料2004的激發(fā)光譜可以在大約300nrn至大約550nm的范圍中。在替代實(shí) 施例中，可以使用具有除大約300nm至大約550nm的范圍之外的激發(fā)光譜的其它下變頻材料。所述下變頻材料2004的激發(fā)光譜產(chǎn)生的輻射的波長比由短波長輻射源2002產(chǎn)生的輻射的波長更長。在范例實(shí)施例中，下變頻材料2004可以產(chǎn)生從大約490nm至大約750nm的范圍中的輻射。
然而，如果LED芯片2002不發(fā)射短波長輻射，或者如果LED芯片發(fā) 射的輻射的波長大于下變頻材料的激發(fā)光譜，則下變頻材料層2004如漫射器元件那樣起作用。因此，下變頻材料2004僅可以產(chǎn)生兩個(gè)分量透射穿過下變頻材料2004的前向傳輸輻射2008，以及從下變頻材料2004反射的后向傳輸輻射2006。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在將下變頻熒光體靠近LED裸片放置時(shí)將對(duì)熒光體變頻LED的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。性能差主要是由下列事實(shí)引起包圍裸片的熒光體介質(zhì)表現(xiàn)得像是各向同性發(fā)射器，且朝向裸片的后向傳輸輻射的一些部分在熒光體層、裸片以及反射器杯之間傳播。結(jié)果，后向傳輸輻射使得結(jié)溫升高，因此，降低了系統(tǒng)的效率且增加了密封物的發(fā)黃。所有這些因素將引起光輸出隨著時(shí)間降低。
文獻(xiàn)表明撞擊到熒光體層上的光的60%將后向傳輸，這將對(duì)所描述的影響起作用(Yamada,等2003)。八個(gè)YAG: Ce熒光體盤的實(shí)驗(yàn)室測量證明在藍(lán)LED源的方向上接近60。/。的輻射能量后向傳輸。在其它因素中，反射的輻射能量的絕對(duì)大小取決于熒光體涂層的密度。圖1示出具有YAG:Ce 熒光體盤的藍(lán)LED的測得的反射光譜功率分布2。圖1還示出相同布置的測得的透射光譜功率分布4。如所示，大部分光反射回而沒有向前透射。
預(yù)計(jì)在RCLED中該影響的幅度更大，這是因?yàn)槠涔廨敵龈訙?zhǔn)直。因此，封裝嘗試捕獲透射的、發(fā)射的以及反射的分量以便提高系統(tǒng)效率。另外，發(fā)明人已經(jīng)創(chuàng)建了容許將熒光體層從裸片移開的封裝，防止輻射反饋至LED和RCLED中。結(jié)果，通過容許更多反射的和由熒光體層發(fā)射的輻射從裝置出射，所述封裝增加了裝置的效率。同時(shí)，來自RCLED的輻射均勻地撞擊到熒光體層上，以便獲得均勻的白光源。另外，提高了 LED和 RCLED的壽命。在將熒光體放置成鄰近裸片的常規(guī)熒光體變頻白LED中，超過65%的由熒光體產(chǎn)生的光后向散射且損耗在LED封裝中。基于這些發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)發(fā) 展了一種稱為光子散射萃取TM (SPETM)的技術(shù)。在2005年5月5日提交且在2005年11月17日以WO 2005/107420 A2公開的待審國際申請(qǐng) PCT/US2005/015736號(hào)中公開了該技術(shù)的方面。
為了增加熒光體變頻白LED (pc-LED)的光輸出且實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)光功效，將下變頻材料(例如，熒光體或者量子點(diǎn))移動(dòng)至遠(yuǎn)處位置且將適當(dāng) 剪裁的光學(xué)裝置放置在LED芯片和下變頻材料層之間。接著，能夠提取后向傳輸?shù)墓庖蕴岣呖偟墓廨敵龊凸πАＭㄟ^提取熒光體發(fā)射的和后向散射的反射的輻射，該技術(shù)顯著地提高了 pc白LED的總的光輸出和發(fā)光功效，其中反射的短波長輻射否則將損耗掉。
圖2和3示例使用SPEW概念的本發(fā)明的第一范例實(shí)施例。圖2示例根據(jù)本發(fā)明的范例實(shí)施例的使用固態(tài)發(fā)射器和下變頻材料的高效光源。
此實(shí)施例具有分布光學(xué)器件，光透射的、外殼光學(xué)器件10，其具有圓柱幾何形狀。如所示，外殼光學(xué)器件10包括嵌入分布光學(xué)器件的中部中的熒光體層12。此配置有效地將分布光學(xué)器件分開成兩個(gè)基本相等的塊，或部分。即，熒光體層可以是基本平行于圓柱光學(xué)器件10的縱軸的條。
在一個(gè)范例實(shí)施例中，熒光體層12可以是YAG:Ce熒光體層。在替代范例實(shí)施例中，熒光體層可以包括其它熒光體、量子點(diǎn)、量子點(diǎn)晶體、量子點(diǎn)納米晶體或其它下變頻材料。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的其它實(shí)施例可以包括類似于熒光體層12的熒光體層。然而，與圖2中所示的嵌入的熒光體層不同，其它實(shí)施例可以具有非嵌入的熒光體層。^k外，熒光體不必具有均勻的厚度，相反，其可以具有不同的厚度，或這由不同的熒光體混合物構(gòu) 成以產(chǎn)生更均勻的顏色輸出。
一或多個(gè)LED或RCLED可以放置在圓柱光學(xué)器件內(nèi)側(cè)標(biāo)記為14的底部處。在替代實(shí)施例中，一或多個(gè)LED/RCLED放置在圓柱光學(xué)器件的底部處以外的位置。
短波長輻射16是從LED/RCLED發(fā)射的。短波長輻射在250nm至 500nm的范圍中。因?yàn)闊晒怏w層12基本在圓柱光學(xué)器件的中間，所以來自 LED/RCLED的短波長輻射使得短波長輻射從圓柱光學(xué)器件的任一側(cè)撞擊到熒光體層12上。短波長輻射撞擊到熒光體層12上可以產(chǎn)生四個(gè)分量的輻射短波長輻射18，從熒光體層12后向傳輸；短波長福射20，前向傳輸穿過熒光體層12;下變頻輻射22，從熒光體層12后向傳輸；以及下變頻輻射24，前向傳輸穿過熒光體層12。此四個(gè)分量在熒光體層12兩側(cè)產(chǎn) 生，它們合并并產(chǎn)生白光26。通過使用圓柱光學(xué)器件10的光透射性質(zhì)，可以提取從熒光體層12后向傳輸?shù)亩滩ㄩL輻射和從熒光體層12后向傳輸?shù)?下變頻輻射。因此，顯著提高了熒光體變頻白LED裝置的整個(gè)光輸出和功效。
作為范例，可以使用Opto Technology生產(chǎn)的高通量藍(lán)(470nm)發(fā)光體LED (Shark系列)發(fā)射器。熒光體層12的密度可以在4-8mg/cm2的范圍中(也可以設(shè)想其它密度)，圓柱光學(xué)器件10的長度可以在2至4英寸的范圍中，且圓柱光學(xué)器件的直徑可以為約0.5英寸。作為另一范例，通過改變熒光體層的密度、圓柱光學(xué)器件的長度和直徑，可以獲得不同的封裝效率和均勻性。當(dāng)圓柱光學(xué)器件為2.25英寸長時(shí)，可以獲得沿圓柱光學(xué)器件的圓周的光的更好的效率和均勻性。
圖2中所示的實(shí)施例可以由從滿圓丙烯酸桿切割并被拋光的半圓丙烯酸桿段形成。熒光體可以與光學(xué)透明的環(huán)氧樹脂混合，并然后在每個(gè)桿段平的表面上均勻展開。然后可以將桿段粘合到一起并放入烤箱以固化環(huán)氧樹脂。
發(fā)現(xiàn)2.25英寸的光學(xué)元件(圓柱光學(xué)器件)的總的發(fā)射損耗約為16%。所述損耗包括反射回LED的6。/。的光、7%的菲涅耳損耗、以及歸因于安裝硬件的3%的不可挽回的損耗。
所述損耗的約一半歸因于菲涅耳損耗，菲涅耳損耗發(fā)生在具有不同折射率的介質(zhì)之間的邊界處。通過在LED/RCLED和圓柱光學(xué)器件之間使用耦合機(jī)構(gòu)可以減小菲涅耳損耗。另外，通過在LED/RCLED上使用抗反射涂層以防止光反射回LED/RCLED，可以挽回?fù)p耗。
圖3是圓柱光學(xué)器件的標(biāo)記為14的底部處的橫截面視圖。如所示，圓柱光學(xué)器件10包括兩個(gè)半圓丙烯酸桿段14a和14b。熒光體層12夾置于丙烯酸桿段14a和丙烯酸桿段14b之間。每個(gè)丙烯酸桿段包括短波長輻射發(fā) 射源17和19。短波長輻射發(fā)射源17和19各可以是半導(dǎo)體短波長輻射發(fā)射二極管，諸如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、或共振腔LED (RCLED)。應(yīng)當(dāng)理解，一個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)光源可以包括在底面部分14中。同樣，可以存在設(shè)置于丙烯酸桿段14a內(nèi)的多個(gè)光發(fā)射器的陣列和設(shè)置于丙烯酸桿段14b內(nèi)的多個(gè)光發(fā)射器的另一陣列。這些陣列可以以類似于光源17和19的方式相對(duì)于彼此對(duì)稱地排列，光源17和19示為在圖3的熒光體層12附近對(duì)稱地設(shè)置。
圖2A和2B示例本發(fā)明的另一實(shí)施例，其具有分布光學(xué)器件，光透射外殼10。圖2A是使用多色發(fā)光源和下變頻材料的高效光源的替代實(shí)施例。圖2B是圖2A中所示的高效光源的底部的橫截面視圖。
在一范例實(shí)施例中，下變頻材料12可以夾置于兩個(gè)漫射器層20和22 之間。這些圖中示例的實(shí)施例也使用SPETM技術(shù)。在此實(shí)施例中，并且在于此公開的所有實(shí)施例中，下變頻材料12可以包括一或多個(gè)熒光體，諸如是YAG:Ce; YAG:Ce熒光體加Eu熒光體；YAG:Ce熒光體加硒化鎘(CdSe); 或由包括鉛(Pb)和硅(Si)的其它材料產(chǎn)生的其它類型的量子點(diǎn)；以及在 2006年6月20日提交的共同待決的PCT申請(qǐng)(代理人備案RPI-143WO) 中標(biāo)識(shí)的其它熒光體。在其它替代實(shí)施例中，熒光體層可以包括其它熒光體、量子點(diǎn)、量子點(diǎn)晶體、量子點(diǎn)納米晶體、或其它下變頻材料。在任何實(shí)施例或替代實(shí)施例中，下變頻區(qū)可以是下變頻晶體，而不是混合到粘結(jié) 介質(zhì)中的粉末材料。
漫射器層20、 22的其中之一或二者可以是微透鏡層或擴(kuò)散在聚合物或其它材料中的微米或納米散射顆粒，所述顆粒具有針對(duì)前向傳輸和后向傳輸輻射的束控制的特性。熒光體層12和漫射器層20和22可以嵌入于分布光學(xué)器件10的中部，好像將分布光學(xué)器件IO分成基本相等的兩塊或部分。即，熒光體層12和漫射器層20、 22可以基本平行于分布光學(xué)器件10的縱軸。在替代實(shí)施例中，熒光體層12或漫射器層20、 22都不必是嵌入的。在范例實(shí)施例中，熒光體層12可以粘結(jié)至漫射器層20、 22。在替代實(shí)施例中，熒光體層12不必粘結(jié)至漫射器層20、 22。
熒光體層12和漫射器層20、 22不必具有圖2A和2B中所示例的矩形形狀。在替代實(shí)施例中，漫射器層20、 22可以是曲線的、圓的、方形的、三角形的、或其它形狀。另外，它們的形狀可以沿分布光學(xué)器件10的縱軸發(fā)生改變。此外，熒光體層12和漫射器層20、 22的相應(yīng)大小(相應(yīng)的長度或?qū)挾?不必相同。例如，熒光體層12的長度或?qū)挾瓤梢耘c漫射器層20、 22的其中之一或二者不同。
在另一替代實(shí)施例中，單個(gè)漫射器層可以設(shè)置于兩個(gè)熒光體層之間。在另一替代實(shí)施例中，漫射器層可以設(shè)置于分布光學(xué)器件中，而無任何熒光體層。
輻射源24可以包括多個(gè)可以發(fā)射多色輻射的發(fā)光源。即，多個(gè)發(fā)光源
中的每一個(gè)可以呈現(xiàn)與其它發(fā)光源中的至少之一的光譜不同的光譜。發(fā)光源24中的每一個(gè)可以是一個(gè)或多個(gè)LED、或一個(gè)或多個(gè)LD(激光二極管)、
或一個(gè)或多個(gè)RCLED。任何于此描述的實(shí)施例可以是這些類型的二極管中的一個(gè)或多個(gè)。所述多個(gè)多色發(fā)光源24可以安裝于板或襯底14上，使得當(dāng)分布光學(xué)器件10安裝于板14上時(shí)，LED 24設(shè)置于分布光學(xué)器件10的邊界之內(nèi)。即，多色LED24可以放置在板14上，使得當(dāng)分布光學(xué)器件IO 的底安裝于板14上時(shí)，所述多色LED 24在分布光學(xué)器件10內(nèi)側(cè)。
在此范例實(shí)施例中，并且在此申請(qǐng)公開的所有實(shí)施例中，LED24中的單個(gè)LED可以呈現(xiàn)紅色、綠色以及藍(lán)色中的一個(gè)或多個(gè)顏色。例如，如果此實(shí)施例中使用三個(gè)LED，一個(gè)LED可以發(fā)射紅光，第二LED可以發(fā)射綠光，而第三LED可以發(fā)射藍(lán)光。即，每個(gè)LED (有時(shí)稱作芯片)可以產(chǎn) 生其自己相應(yīng)的窄的輻射帶，或可以產(chǎn)生窄的輻射帶和寬的輻射帶。在替代實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)LED可以顯示除紅綠色、綠色、或藍(lán)色以外的顏色。雖然圖2A和2B示例三個(gè)LED，但是替代實(shí)施例可以使用更少或更多的LED。另外，放置在熒光體層12的每個(gè)側(cè)面上的LED的數(shù)量可以相同或不同。裝置的所有實(shí)施例可以混合多個(gè)光譜以產(chǎn)生白光或可以產(chǎn)生具有均勻照明和顏色的各種顏色深淺而不會(huì)減小總的發(fā)光效率。
任何實(shí)施例中的LED可以顯示的顏色可以取決于裝置的使用。在一些實(shí)施例中，可以使用多個(gè)顏色。在其它實(shí)施例中，可以僅使用兩個(gè)顏色。在一些實(shí)施例中，一個(gè)以上的LED可以發(fā)射特定的顏色。即使多色發(fā)光源 24能夠發(fā)射多個(gè)顏色，在每個(gè)實(shí)施例中也不必發(fā)射所有的顏色。相反，在特定實(shí)施例中可以僅發(fā)射一些顏色或可以以本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的方式更改特定顏色的色彩。發(fā)射不同顏色的LED的使用和可以更改一個(gè)或多個(gè)顏色的色彩的技術(shù)的使用可以使得人們基于用戶的需要?jiǎng)討B(tài)地改變發(fā)射的顏色。
如圖2B中所示例，多色發(fā)光源24中的一些可以鄰近熒光體層12的第一側(cè)面12A放置，而其它多色LED 24可以鄰近熒光體層12的第二側(cè)面12B 放置。多色發(fā)光源24中的每一個(gè)可以放置在一個(gè)或多個(gè)距熒光體層12預(yù) 定的距離處。
在圖2A和2B的替代實(shí)施例中，多色輻射發(fā)射源24可以放置在板14 上以外的位置，或可以放置在分布光學(xué)器件10的底部處以外的位置。在另一替代實(shí)施例中，多色LED可以鄰近分布光學(xué)器件10的兩端15、 16放置。在另一替代實(shí)施例中，可以使用熒光體層12，而沒有一個(gè)或多個(gè)漫射器層 20、 22，或可以使用一個(gè)或多個(gè)漫射器層20、 22，而沒有熒光體層12。
圖4示例使用SPETM技術(shù)的本發(fā)明的另一范例實(shí)施例。其示例可以使用多個(gè)固態(tài)發(fā)射器和下變頻材料的另一高效光源。此實(shí)施例可以用于需要普通環(huán)境照明的內(nèi)部空間中。如所示，所述裝置包括熒光體盤50 (例如 YAG:Ce或其它熒光體，如先前所列舉的)。所述裝置還包括形成陣列的多個(gè)半導(dǎo)體短波長輻射發(fā)射二極管56，陣列諸如是LED/RCLED陣列52。陣列52安裝于可以是鋁材料的襯底54上。在范例實(shí)施例中，襯底54可以是圓形的。在圖4中所示例的范例配置中，LED/RCLED以彼此隔離的關(guān)系排列并且圍繞圓形襯底放置。
短波長輻射發(fā)射二極管的陣列放置在襯底上，使得二極管的輻射發(fā)射表面面向熒光體層的盤50。以此方式，二極管56朝向熒光體層的盤50發(fā) 射短波長輻射。隨著短波長輻射撞擊到熒光體層的盤上，可以產(chǎn)生以上討論的四個(gè)分量短波長后向傳輸輻射和后向傳輸下變頻輻射60;以及短波長前向傳輸輻射和前向傳輸下變頻輻射64。短波長后向傳輸輻射和后向傳輸下變頻輻射60產(chǎn)生白光62。前向傳輸短波長輻射和前向傳輸下變頻輻射 64產(chǎn)生白光66。
圖5A和5B示例使用SPEW技術(shù)的本發(fā)明的另一范例實(shí)施例。其是使用固態(tài)發(fā)射器和下變頻材料的高效光源的另一實(shí)施例。圖5B是圖5A中所示的高效光源的橫截面視圖。如所示，裝置500包括杯502，并且一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射器501設(shè)置于杯502內(nèi)在杯502的基底處。還包括熒光體層503和504。熒光體層504設(shè)置于光發(fā)射器501的基底的相對(duì)端，且在杯502的壁的基本中心處。熒光體層503沉積于杯502的壁的內(nèi)側(cè)上。圖5A和5B 所示的實(shí)施例可以用于需要普通環(huán)境照明的內(nèi)部空間中。
裝置500包括杯502,杯500可以是透明杯，其具有發(fā)射短波長輻射、以陣列排列的一個(gè)LED/RCLED或多個(gè)LED/RCLED。杯包括粘結(jié)至杯502 的內(nèi)側(cè)透明壁的一個(gè)熒光體層503。另一熒光體層504可以僅粘結(jié)在杯的中心區(qū)域處。因此，大多數(shù)后向傳輸短波長輻射和后向傳輸下變頻輻射可以從前表面的透明部分直接離開。在此實(shí)施例中，來自LED/RCLED的發(fā)射光的窄束是優(yōu)選的，以最小化來自LED/RCLED的直接離開前表面的透明部分而沒有撞擊到熒光體層上的短波長輻射。杯可以由玻璃或丙烯酸制成。
杯502的內(nèi)側(cè)部分可以填充有玻璃或丙烯酸材料，由此在杯502和包含在杯502內(nèi)的內(nèi)側(cè)部分之間夾置熒光體層503。熒光體層504也可以茅占結(jié) 至玻璃或丙烯酸材料的外部表面上。在替代實(shí)施例中，熒光體材料504可以放置在玻璃或丙烯酸材料內(nèi)，其方式類似于如圖2和3所示的對(duì)夾置于兩個(gè)半圓丙烯酸桿之間的熒光體層描述的方式。
圖6示例使用SPETM技術(shù)的本發(fā)明的另一范例實(shí)施例。其示例使用固態(tài)發(fā)射器和下變頻材料的另一高效光源。其示例利用與短波長輻射發(fā)射器相隔較遠(yuǎn)的下變頻材料的光學(xué)裝置。下變頻材料可以是熒光體。如所示，裝置600包括通過光學(xué)裝置606與熒光體層604隔離的短波長輻射發(fā)射器 602，光學(xué)裝置可以由基本光透射的基本透明的介質(zhì)制成。在范例實(shí)施例中，基本透明的介質(zhì)可以是空氣。在替代實(shí)施例中，基本透明的介質(zhì)可以是玻璃或丙烯酸。熒光體(或量子點(diǎn))層604可以安裝或沉積于具有基本透明和基本光透射的壁610和612的光學(xué)裝置606的部分上。熒光體(或量子點(diǎn))層604可以包括附加的散射顆粒(諸如微球)以改善不同波長的混光。還有，熒光體(或量子點(diǎn))層604可以是單個(gè)熒光體(或量子點(diǎn))或多個(gè) 熒光體(或量子點(diǎn))，以產(chǎn)生可以在數(shù)個(gè)不同光譜區(qū)中的不同的有色下變頻輻射。替代地，可以在下變頻材料層之上、或之下、或之上和之下僅放置具有散射顆粒的層，以改善顏色混合。
在范例實(shí)施例中，上面沉積有熒光體層604的光學(xué)裝置606的部分可以是光學(xué)裝置606的端部618。輻射發(fā)射器602可以位于光學(xué)裝置606的另一部分處。在范例實(shí)施例中，輻射發(fā)射器602可以位于光學(xué)裝置606的另一端部620處。如果光學(xué)裝置606具有圓形橫截面，則光學(xué)裝置606的每個(gè)壁610和612可以是連續(xù)壁。
短波長輻射發(fā)射器602可以位于壁610和612之間。短波長輻射發(fā)射器602和光學(xué)裝置606都可以安置于基底603上。輻射光線614可以包括透射穿過熒光體層604的輻射，所述輻射包括透射穿過熒光體層604的前向傳輸短波長附設(shè)和透射穿過熒光體層604的前向下變頻輻射。
范例輻射光線615可以包括后向傳輸短波長輻射和可以由熒光體層604 發(fā)射和/或散射回的后向傳輸下變頻反射輻射。輻射光線616可以包括熒光體層604散射回的輻射。輻射光線616可以包括輻射光線615，輻射光線 615可以透射穿過基本透明、基本光透射的壁610和612。雖然范例箭頭615 示出了后向傳輸輻射在側(cè)壁610和612的中間附近傳輸，但是應(yīng)當(dāng)理解，后向傳輸輻射可以在沿側(cè)壁610和612的多個(gè)位置處傳輸穿過側(cè)壁610和 612。光學(xué)裝置606夕剛的輻射的傳輸可以稱作光的提取。因此，輻射光線 615和輻射光線616均可以包括從熒光體層604反射的短波長輻射和可以從熒光體層604發(fā)射和/或散射的下變頻反射輻射。輻射光線616也可以包括來自輻射發(fā)射器602的輻射。在范例實(shí)施例中，輻射光線615和/或616中的一些或所有輻射光線可以視為可見光。
因?yàn)楣鈱W(xué)裝置606可以配置和設(shè)計(jì)成具有基本透明、基本光透射的壁 610和612，以提取從光學(xué)裝置606的內(nèi)側(cè)至光學(xué)器件606的外側(cè)的輻射，所以可以發(fā)生穿過側(cè)壁610和612至光學(xué)裝置外部的輻射的傳輸(提取)。另外，光學(xué)裝置606的各個(gè)寬度可以改變，以從光學(xué)裝置606提取出期望量的輻射。可以改變的寬度是端部618處的寬度和端部620處的寬度。類似地，可以改變光學(xué)裝置的端部618和端部620之間的寬度。光學(xué)裝置606 的端部618和620之間的各個(gè)寬度可以受到壁610和612的影響，所述壁是基本直的、彎曲的、或既有直的部分又有彎曲的部分。
可以依賴于使用光學(xué)裝置606的應(yīng)用來改變以上討論的光學(xué)裝置606 的特征的尺寸?？梢酝ㄟ^使用光線追跡原理和全內(nèi)反射(TIR)原理來改變和設(shè)定光學(xué)裝置606的特征的尺寸。當(dāng)應(yīng)用TIR原理時(shí)，離開壁610和612 的其中之一或二者的輻射的反射率可以超過99.9% 。TIR原理可以應(yīng)用于此申請(qǐng)中公開的所有實(shí)施例。
在光學(xué)裝置606的一個(gè)實(shí)施例中，例如，可以設(shè)定光學(xué)裝置606的尺寸，以最大化來自輻射源602的進(jìn)入光學(xué)裝置606的輻射的量。在另一實(shí) 施例中，可以設(shè)定光學(xué)裝置606的尺寸，以最大化來自輻射源602的撞擊到下變頻材料604上的輻射的量。在另一實(shí)施例中，可以設(shè)定光學(xué)裝置606 的尺寸，以最大化從下變頻材料604后向傳輸?shù)妮椛涞牧俊Ｔ诹硪粚?shí)施例中，可以設(shè)定光學(xué)裝置606的尺寸，以最大化穿過壁610和612提取的輻射的量。在另一實(shí)施例中，可以設(shè)定光學(xué)裝置606的尺寸，以提供一裝置，所述裝置在可能的程度上同時(shí)最大化以上討論的每個(gè)輻射特征進(jìn)入光學(xué) 裝置606的輻射的量；撞擊到下變頻材料604上的輻射的量；從下變頻材料604后向傳輸?shù)妮椛涞牧?；以及穿過壁610和612提取的輻射的量。在另一實(shí)施例中，可以設(shè)定光學(xué)裝置606的尺寸，使得不最大化以上討論的任何特征或不是所有特征都被最大化?？梢允褂霉饩€追跡原理和TIR原理以實(shí)施這些實(shí)施例中的任何實(shí)施例。
針對(duì)圖6中示例的實(shí)施例討論的原理也適用于于此示例和討論的所有實(shí)施例。
如以上指出的，輻射源602可以是LED、 RCLED、或激光二極管(LD)。如果使用LD作為輻射源602,則來自LD的所有輻射可以指向并撞擊到下變頻層604上。因此，當(dāng)使用LD時(shí)，光學(xué)裝置606的形狀可以是圓柱形狀，因?yàn)榛緵]有后向傳輸輻射可以彈射回朝向LD，并且可以穿過圓柱的側(cè)面提取基本所有的后向傳輸輻射。
圖7示例使用SPEW技術(shù)的本發(fā)明的另一范例實(shí)施例。圖7描繪至少部分圍繞圖6中所示的高效光源的反射器，所述反射器用于重引導(dǎo)從光源發(fā)射的光線。如所示，裝置700包括設(shè)置于反射器702內(nèi)的裝置600。為示例目的，反射器702具有拋物面幾何形狀。本發(fā)明不限于此，因?yàn)榉瓷淦?702可以具有其它幾何形狀，諸如錐面、球面、雙曲線、橢圓、角錐，或例如可以是盒形的。裝置700的優(yōu)點(diǎn)可以包括對(duì)束輸出分布的更好的控制和顏色的更均勻的輸出。無論何時(shí)在于此公開的任何實(shí)施例中示例反射器，所述反射器的形狀可以是這些形狀中的任何形狀。
襯底603可以用于安裝短波長輻射發(fā)射源(602)、光學(xué)器件606的一個(gè)端部、以及反射器702的一個(gè)端部，如圖6和7中所示。
光線616可以撞擊到反射器702上，反射器702可以將光線616作為光線714向前重引導(dǎo)。有利地，通常期望光線714的方向與可以透射穿過熒光體層的輻射光線的方向相同。因此，裝置700的總的光輸出可以是透射穿過熒光體層的輻射和光線714的組合。如在圖6中示例的實(shí)施例的討論中所指出的，TIR原理也可以應(yīng)用于圖7中示例的實(shí)施例。從光學(xué)裝置 606離開的光可以由反射器702捕獲。由反射器702捕獲的一些光可以由反射器702在總體由箭頭714表示的方向上重引導(dǎo)，并且一些光線可以被重引導(dǎo)回到光學(xué)裝置606中。于此描述的TIR原理與反射器的使用組合的效果可以適用于此申請(qǐng)中示例的使用反射器的所有實(shí)施例。
類似于本發(fā)明的其它實(shí)施例，短波長輻射發(fā)射源602可以是一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體短波長輻射發(fā)射二極管，諸如LED、 LD或RCLED。短波長輻射發(fā)射二極管可以安裝于二極管陣列中，類似于圖4中作為陣列52描繪的光源陣列。另外，熒光體層604可以類似于圖4中描繪的熒光體層50。
圖7A示例使用SPEW技術(shù)的本發(fā)明的另一范例實(shí)施例。圖7A中示例的范例實(shí)施例使用多色輻射發(fā)射源。如所示，裝置710包括設(shè)置于反射器 702內(nèi)的光學(xué)裝置704。光學(xué)裝置704可以具有基本透明的壁707和708。下變頻材料層706和漫射器層705可以安裝或沉積于光學(xué)裝置704的部分上，所述部分可以是光學(xué)裝置704的端部714。反射器702可以用于控制裝置701的輸出束分布以及用于從裝置710獲得均勻的顏色輸出。光學(xué)裝置 704和反射器702均可以安裝于襯底703上。襯底703可以提供用于光源的電連接和/或熱耗散。在替代實(shí)施例中，可以使用光學(xué)裝置704而沒有反射器702。
圖7A中示例的實(shí)施例可以具有多色輻射發(fā)射源701。多色輻射發(fā)射源 701的性質(zhì)可以與此申請(qǐng)中其它地方針對(duì)此發(fā)明的其它實(shí)施例描述的相同。多色輻射發(fā)射源701可以位于光學(xué)裝置704的部分上，所述部分可以是光學(xué)裝置704的端部712。如所述，下變頻材料層706和漫射器層705可以位于光學(xué)裝置704的另一端部714處。下變頻材料層706的特性、漫射器層 705的特性、以及包括下變頻材料層706和漫射器層705的層的數(shù)量可以與此申請(qǐng)中其它地方針對(duì)此發(fā)明的其它實(shí)施例描述的相同。如此申請(qǐng)中其它地方描述的，例如，下變頻材料層706可以是熒光體層。光學(xué)裝置704可以是基本透明的介質(zhì)或此申請(qǐng)中其它地方針對(duì)此發(fā)明的其它實(shí)施例描述的其它介質(zhì)。例如，光學(xué)裝置704可以由玻璃、或丙烯酸、或聚合物、或硅、或基本光透射的任何其它材料制成。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，熒光體層706也可以以與漫射器層通過給光提供均勻性來影響光相同的方式影響光。即，熒光體層706也可以用作漫射器。附加的漫射器層705因此可以使得光比僅使用熒光體層706時(shí)的光更均勻。在其它實(shí)施例中，能夠轉(zhuǎn)換熒光體層706和漫射器層705的位置。即，熒光體層706可以位于光學(xué)裝置704的頂部上，而漫射器層705 可以位于熒光體層706的頂部上。在另一實(shí)施例中，可以使用熒光體層706 而沒有漫射器層705。在另一實(shí)施例中，可以使用漫射器層705而沒有熒光體層706。不管是否單獨(dú)使用熒光體、單獨(dú)使用漫射器、或同時(shí)一起使用熒光體和漫射器，使用它們的其中之一或二者目的可以是給可以由輻射發(fā)射源701發(fā)射的光和任何顏色提供均勻性。
圖7B-7D示例圖7A中示例的實(shí)施例中使用的和與于此示例的所有其它實(shí)施例一起使用的散布下變頻材料706的不同方式。如圖7B中示例的，諸如熒光體的下變頻材料可以均勻散布于下變頻材料層706內(nèi)。
如圖7C中示例的，下變頻材料層706可以包括多個(gè)下變頻材料。取決于距下變頻材料層的中心的距離，多個(gè)下變頻材料中的每一個(gè)可以具有不同的下變頻材料密度。例如，下變頻材料層706可以具有四段，每個(gè)段具有不同的密度。具有第一下變頻材料密度的第一下變頻材料段706A可以在下變頻材料層706的中心處。具有第二下變頻材料密度的第二下變頻材料段706B可以圍繞第一下變頻材料段706A。具有第三下變頻材料密度的第三下變頻材料段706C可以圍繞第二下變頻材料段706B。具有第四下變頻材料密度的第四下變頻材料段706D可以圍繞第三下變頻材料段706C。雖然每個(gè)前述下變頻材料段示為具有圓形形狀，但是每個(gè)段可以各具有不同形狀。例如，它們能夠是方形形狀、三角形形狀、或其它多邊形形狀、或多邊形以外的任何形狀。另外，可以使用更多或更少的下變頻材料段。
圖7D中示例了散布下變頻材料的不同方式。如圖7D中所示，下變頻材料的眼鏡(specs)或"芝麻點(diǎn)"(即小塊)可以散布于次級(jí)光學(xué)裝置附近。例如，下變頻材料的眼鏡可以沉積于次級(jí)光學(xué)裝置708的頂上或嵌入次級(jí) 光學(xué)裝置704的端部714處的頂面內(nèi)。下變頻材料的眼鏡可以隨機(jī)散布或以預(yù)定圖案散布。
圖7B至7D中公開的熒光體的實(shí)施例連同此申請(qǐng)中其它地方討論的熒光體的其它實(shí)施例一起可以用于調(diào)整熒光體密度，以獲得期望的顏色和色彩。可以對(duì)此申請(qǐng)中公開的任何實(shí)施例進(jìn)行該調(diào)整，無論該實(shí)施例是意在產(chǎn)生白光還是產(chǎn)生特定顏色的光。例如，實(shí)施例可以使用藍(lán)色和黃色熒光體的混合物。替代實(shí)施例可以使用諸如量子點(diǎn)、量子點(diǎn)晶體、以及量子點(diǎn) 納米晶體的多種熒光體的混合物。另一實(shí)施例可以使用具有單個(gè)熒光體的藍(lán)LED，或使用具有多個(gè)熒光體的藍(lán)LED以獲得白光的不同色調(diào)。另一實(shí) 施例可以使用具有漫射器的多色LED。另外的實(shí)施例可以使用這些特征的任何組合。
如此申請(qǐng)中其它地方指出的，輻射發(fā)射源701中的相應(yīng)的輻射發(fā)射源可以以任何組合發(fā)射藍(lán)光、綠光、或紅光。也可以使用每種顏色的不同色彩。如果一個(gè)或多個(gè)輻射發(fā)射源701發(fā)射藍(lán)光，并且如果層706是熒光體，則可以如此申請(qǐng)中其它地方所描述的對(duì)藍(lán)光進(jìn)行下變頻，得到此申請(qǐng)中其它地方描述的輻射的四個(gè)分量。如果一個(gè)或多個(gè)輻射發(fā)射源701發(fā)射藍(lán)光，并且如果層706不是熒光體，而是不同種類的漫射器材料，則可以不對(duì)撞擊到層706上的藍(lán)光進(jìn)行下變頻。如果一個(gè)或多個(gè)輻射發(fā)射源701發(fā)射紅光或發(fā)射綠光，或發(fā)射藍(lán)色以外的任何顏色的光，則無論層706是熒光體材料還是其它漫射器材料，可以不對(duì)該光進(jìn)行下變頻。如果在使用熒光體時(shí)藍(lán)光、綠光、以及紅光都撞擊到層706上，則取決于熒光體的密度，可以得到白光。
不管輻射發(fā)射源701分別發(fā)射什么顏色，并且不管是使用熒光體還是另一漫射器材料，當(dāng)來自輻射發(fā)射源701的光撞擊到熒光體或其它漫射器材料上時(shí)，得到前向傳輸輻射和后向傳輸輻射。在藍(lán)光撞擊到熒光體層上的情況下，得到的輻射分量可以如針對(duì)圖14所描述的那樣。在其它顏色撞擊到熒光體層上的情況下，前向傳輸光和后向傳輸光可以與所述撞擊光有相同的顏色。例如，如果紅光撞擊到熒光體層706上，則前向傳輸光和后向傳輸光可以也是紅光。對(duì)綠光或除藍(lán)光以外的任何其它顏色可以得到相同結(jié)果。如果使用熒光體以外的漫射器材料，則可以獲得相同的結(jié)果。
圖8A至8E描繪可以與于此描述的SPETM技術(shù)的實(shí)施例一起使用的光學(xué)元件的不同橫截面形狀。圖8A中示例的光學(xué)元件801是具有頂面8012 的錐形幾何結(jié)構(gòu)。圖8B中示例的替代光學(xué)元件802是具有頂面8022的球形幾何結(jié)構(gòu)。圖8C中示例的替代光學(xué)元件803是具有頂面8023的雙曲線幾何結(jié)構(gòu)。圖8D中示例的替代光學(xué)元件804可以具有錐形壁和凹面頂面 8042。圖8E中示例的替代光學(xué)元件805可以具有錐形壁和凸面頂面8052。其它幾何形狀可以包括拋物線或橢圓形狀。另外，每個(gè)光學(xué)元件的較寬表面的頂部可以是平的，或可以具有別的幾何形狀。
類似于其它實(shí)施例，光學(xué)元件801至805可以由基本透明的材料制成，由此如光學(xué)透鏡那樣起作用(類似于圖6的光學(xué)裝置606)。
雖然圖8A至8E中未示出，但是反射器(類似于圖7中所示的反射器 702)可以安置為圍繞每個(gè)光學(xué)元件801至805。此外，每個(gè)光學(xué)元件801 至805可以包括下變頻材料層和漫射器層(類似于圖7A中所示的熒光體層 706和漫射器層705)。此熒光體層和漫射器層(圖8A至8E中未示出)可以沉積在每個(gè)光學(xué)元件的相應(yīng)的頂面8012、 8022、 8032、 8042、 8052的其中之一的頂上，與其相應(yīng)的發(fā)光源相對(duì)。替代地，此熒光體層和漫射器層 (圖8A至8E中未示出)可以夾置于每個(gè)光學(xué)元件內(nèi)，靠近相應(yīng)的光學(xué)元件的相應(yīng)的頂面8012、 8022、 8032、 8042、 8052的其中之一并與其相應(yīng)的發(fā)光源相對(duì)。在其它實(shí)施例中，如針對(duì)圖7A所討論的，熒光體層706和漫射器層(圖8A至8E中未示出)的位置是夾置的。即，熒光體層706可以位于光學(xué)裝置801、 802、 803、 804、 805的相應(yīng)的其中之一的頂上，且漫射器層(圖8A至8E中未示出)可以位于熒光體層706頂上。在另一實(shí)施例中，可以使用熒光體層706而沒有漫射器層。在另一實(shí)施例中，可以使用漫射器層(圖8A至8E中未示出)而沒有熒光體層706。
圖8F和8G示例使用SPEm技術(shù)的本發(fā)明的實(shí)施例，其包括相應(yīng)的輻射源、相應(yīng)的反射器、以及光學(xué)裝置，所述光學(xué)裝置可以呈現(xiàn)圖8A至8E 中所示例的橫截面形狀801至805的其中之一的橫截面形狀。在圖8F中，反射器806和次級(jí)光學(xué)裝置810均是具有公共中心軸(未示出)的旋轉(zhuǎn)物體。在圖8G中，反射器812和光學(xué)裝置814均沿它們相應(yīng)的長軸突出。反射器806和812的截面視圖可以具有拋物線橫截面形狀，或其它幾何形狀，諸如錐形、球形、雙曲線形、橢圓形、角錐形、或可以是例如盒形。
接下來參照?qǐng)D9A和9B，其示出了總體標(biāo)記為900的透鏡的二維線性陣列。如圖9A中所示，NXM的高效光源裝置的陣列布置在光導(dǎo)管912頂上。雖然圖9A中將光導(dǎo)管912示例為具有矩形形狀，但是應(yīng)當(dāng)理解，其可以具有矩形以外的形狀。范例光源裝置中的三個(gè)標(biāo)記為910、 920、以及930。 NXM陣列中的其余光源裝置可以與光源裝置910、 920、或930中的任何一個(gè)相同。在替代實(shí)施例中，光導(dǎo)管912可以具有圓形形狀或其它形狀。還有，在替代實(shí)施例中，透鏡的陣列可以具有徑向布置或可以以其它圖案放置。
如圖9B中最佳地所示的，每個(gè)光源裝置910、 920、 930可以包括輻射發(fā)射器902、諸如光學(xué)裝置606的透鏡904以及熒光體層(未示出)，熒光體層可以類似于圖6的熒光體層604。還可以包括反射器906,其可以將來自輻射發(fā)射器902的透射并被反射的光重引導(dǎo)朝向光導(dǎo)管912。
如所示，光導(dǎo)管912可以包括鄰接光源裝置910、 920、以及930的側(cè) 面914，而另一相對(duì)側(cè)面916較遠(yuǎn)離光源裝置。在相對(duì)側(cè)面916頂上，可以存在微透鏡層918。微透鏡層可以粘結(jié)至沉積的熒光體層上。
如圖9C中最佳地所示的，一個(gè)或多個(gè)范例光源裝置910、 920、以及 930可以類似于圖7A的裝置710，包括多色發(fā)光源、諸如光學(xué)裝置704的透鏡、諸如層706的下變頻材料層、以及諸如層705的漫射器層。例如，在此替代實(shí)施例中，光源裝置910可以包括多色發(fā)光源卯2、諸如光學(xué)裝置 704的透鏡卯4、可以類似于圖7A的下變頻材料層706的下變頻材料層(未示出)、以及可以類似于圖7A的漫射器層705的漫射器層(未示出)。還可以包括反射器卯6,其可以類似于圖7A的反射器702。每個(gè)其它光源裝置也可以具有多色發(fā)光源、諸如針對(duì)圖7A所公開的光學(xué)裝置的透鏡、類似于包含在光源裝置910中的元件的漫射器層和下變頻材料層。在另一實(shí)施例中，光學(xué)裝置卯4可以不具有沉積于其上的下變頻材料層。
如圖9C中所示，光導(dǎo)管912包括鄰接范例光源裝置910、 920以及930 的側(cè)面914，而另一相對(duì)側(cè)面916較遠(yuǎn)離范例光源裝置。在相對(duì)側(cè)面916頂上，可以沉積微透鏡層940。圖10A和10B示例總體標(biāo)記為1040的高效光源的另一范例實(shí)施例，其中，單個(gè)光源裝置可以圍繞光導(dǎo)管1042的邊緣隔離開。如圖10A中所示，數(shù)個(gè)光裝置可以圍繞光導(dǎo)管1042的邊緣放置，光裝置諸如是范例光源裝置 1046、 1048、 1050、以及1052等。
圖10B中示出了范例高效光源1040的橫截面。如圖10B中所示，范例光源裝置1046可以配置成將光引導(dǎo)至光導(dǎo)管1042中。光導(dǎo)管1042可以包括光導(dǎo)管1042的第一側(cè)面1062以及第二側(cè)面1064?？梢脏徑鈱?dǎo)管1042 的第一側(cè)面1062放置微透鏡層1066，且可以鄰近光導(dǎo)管1042的第二側(cè)面 1064放置另一微透鏡層1068。雖然將光導(dǎo)管1042示例為具有多邊形形狀，但是其也可以具有圓形形狀或其它形狀。
在圖IOA和10B中示例的實(shí)施例中的一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)范例光源裝置1046、 1048、 1050以及1052可以類似于圖7的裝置700，包括短波長輻射發(fā)射器、諸如于此描述的光學(xué)裝置的透鏡、以及下變頻材料層。例如，范例光源裝置1046可以安裝于光導(dǎo)管1042的邊緣1060上。范例光源裝置 1046可以包括短波長輻射發(fā)射器1054、諸如光學(xué)裝置606的透鏡1056、以及下變頻材料層(未示出)，所述下變頻材料層可以類似于圖6的下變頻材料層604或類似于圖7A的下變頻材料層706。還可以包括反射器1058，其可以將來自透鏡1056的后向傳輸輻射和前向傳輸輻射重引導(dǎo)朝向光導(dǎo)管 1042的邊緣1060，并進(jìn)入光導(dǎo)管1042。反射器1058可以類似于圖7的反射器702。另外的光源裝置可以沿邊緣1060和沿邊緣1070放置。甚至可以沿圖IOA和10B中未示出的光導(dǎo)管1042的其它兩個(gè)邊緣放置更多的光源裝置。光源裝置1046外的所有光源裝置也可以具有類似的短波長輻射發(fā)射器、透鏡、以及類似于光源裝置1046中包含的元件的下變頻材料層。應(yīng)當(dāng)理解，即使圖10A沿每個(gè)邊緣1060和1070示出了五個(gè)光源裝置，也可以沿每個(gè) 邊緣1060和1070以及沿圖10A中未示出的邊緣使用更少或更多的光源裝置。
在另一替代實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)范例光源裝置1046、 1048、 1050以及1052可以類似于圖7A的裝置710，包括多色發(fā)光源、諸如光學(xué)裝置的透鏡、下變頻材料層、以及漫射器層。在此替代實(shí)施例中，范例光源裝置 1046可以包括多色發(fā)光源1054、諸如光學(xué)裝置704的透鏡1056、可以類似于圖7A的下變頻材料層706的下變頻材料層(未示出)、以及可以類似于圖7A的漫射器層705的漫射器層(未示出)。圖10A中所示的每個(gè)范例光源裝置也可以具有諸如范例反射器1058的反射器，其可以類似于圖7A的反射器702。反射器可以將來自多色發(fā)光源的光和來自相應(yīng)的下變頻材料或漫射器層的后向傳輸光重引導(dǎo)為朝向光導(dǎo)管1042的邊緣1060，并進(jìn)入光導(dǎo) 管1042。每個(gè)其它光源裝置也可以具有多色發(fā)光源、透鏡、類似于光源裝置1046中包含的元件的漫射器層以及下變頻材料層，光源裝置1046中包含的所述元件可以將光源裝置1046的相應(yīng)的光穿過光導(dǎo)管1042的相應(yīng)的邊緣傳輸至光導(dǎo)管1042中。在另一實(shí)施例中，光學(xué)裝置1056可以不具有漫射器層。在另一范例實(shí)施例中，光學(xué)裝置1056可以不具有沉積于其上的下變頻材料層。
如圖10B中所示，在光導(dǎo)管1042的側(cè)面1062和1064頂上，可以沉積微透鏡層1066和1068。
圖11示例本發(fā)明的另一范例實(shí)施例。如所示，裝置1110包括短波長輻射源1100;透鏡1102，其可以是于此描述的任何光學(xué)裝置；以及熒光體層1104。熒光體層可以沉積于透鏡1102頂上，使得熒光體層遠(yuǎn)離短波長輻射源IIOO,其方式類似于例如圖6、 7、 7A中所示的方式。光源/透鏡/熒光體配置可以至少部分由具有高反射比的反射器1106圍繞。在范例實(shí)施例中，測得的反射器1106的反射比可以在卯％至97%的范圍中。另外，可以在反射器1106頂上放置高效微透鏡漫射器1108。在范例實(shí)施例中，微透鏡漫射器可以呈現(xiàn)大于95%的效率。此申請(qǐng)中描述的其它反射器的反射比可以與反射器1106的反射比相同。此申請(qǐng)中描述的其它漫射器的效率可以與漫射器1108的效率相同。
圖IIA示例本發(fā)明的另一實(shí)施例。圖11A示出了裝置1120，其可以包括多色發(fā)光源1122、光學(xué)裝置1124、以及下變頻材料層1126?？梢脏徑?色輻射發(fā)射源1122安裝光學(xué)裝置1124。下變頻材料層1126可以安裝或沉積于光學(xué)裝置1124的一部分上或一個(gè)端部1129上，使得下變頻材料層1126 遠(yuǎn)離多色輻射發(fā)射源1122。雖然圖IIA示例了三個(gè)多色輻射發(fā)射源1122，但是應(yīng)當(dāng)理解，由于針對(duì)此申請(qǐng)中示例的其它實(shí)施例所解釋的原因，可以使用更多或更少的多色輻射發(fā)射源1122。包括多色輻射發(fā)射源1122的陣列、光學(xué)裝置1124、以及下變頻材料層1126的封裝可以至少部分由具有高反射比的反射器1128圍繞。在此替代實(shí)施例的范例實(shí)施例中，測得的反射器1128 的反射比可以在90%至97%的范圍中。可以橫過反射器1128的端部1132 放置高效微透鏡漫射器1130。如果沒有橫過端部1132放置漫射器，則端部 1132可以是打開的。在范例實(shí)施例中，微透鏡漫射器1130可以呈現(xiàn)大于 95%的效率。在圖11A中示例的實(shí)施例的替代實(shí)施例中，可以使用漫射器來代替下變頻材料層1126，且可以消除漫射器層1130。在另一實(shí)施例中，光學(xué)裝置1124的側(cè)壁可以被涂白以改善顏色混合。
圖12示例本發(fā)明的另一范例實(shí)施例。如所示，裝置1210包括面向熒光體層1202和反射器1206的短波長輻射源1200?；就该鞯慕橘|(zhì)1204可以填充短波長輻射源1200和熒光體層1202之間的空間。在范例實(shí)施例中，熒光體層1202可以是拋物面形狀，或其它彎曲形狀，類似于先前列舉的幾何形狀之一?？梢詫⒎瓷淦?206與熒光體層1202和輻射源1200隔離開。基本透明的介質(zhì)1208可以用于填充熒光體層1202和反射器1206之間的空間。如所示，熒光體層1202設(shè)置于光源1200和反射器1206之間。
圖12A示例本發(fā)明的另一范例實(shí)施例。如所示，圖12A中的裝置1220 具有輻射源，輻射源包括面向諸如熒光體層1202的下變頻材料層和反射器 1206的多色發(fā)光源1222。熒光體層1202遠(yuǎn)離發(fā)光源1222設(shè)置?；就该?的介質(zhì)1204可以安置于多色發(fā)光源1222和下變頻材料層1202之間。在范例實(shí)施例中，下變頻材料層1202可以是拋物面形狀，或其它彎曲形狀?？?以將反射器1206與下變頻材料層1202和多色LED陣列1222隔離開。基本透明的介質(zhì)1208可以存在于下變頻材料層1202和反射器1206之間。在此實(shí)施例中，下變頻材料層1202設(shè)置于發(fā)光源1222和反射器1206之間。在替代實(shí)施例中，可以橫過反射器1206的端部1224放置漫射器層。如果沒有橫過端部1224放置漫射器層，則端部1224可以是打開的。在另一替代實(shí)施例中，可以使用漫射器層來代替下變頻材料層1202。如果使用漫射器層來代替下變頻材料層，則可以不橫過端部1224放置漫射器層。
雖然用于白色發(fā)光二極管(LED)中的熒光體背散射超過一半發(fā)射的光，但是迄今為止，沒有人表明此光可以作為光子挽回，以提高白光源的總的功效。發(fā)明人實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例提供的散射光子提取(SPETM)方法，其顯著提高了白光源的總的功效。在低的電流時(shí)，SPE 封裝顯示了色度值非?？拷隗w軌跡的超過801m/W的白光。
在可用于產(chǎn)生白光的不同方法中，熒光體變頻發(fā)射方法是最常見的。第一熒光體變頻白LED使用摻鈰的釔鋁石榴石(YAG:Ce)熒光體與鎵氮
(GaN)基藍(lán)LED組合。在典型白LED封裝中，熒光體嵌入圍繞LED裸片的環(huán)氧樹脂里面。GaN LED發(fā)射的短波長輻射的一些部分由熒光體下變頻，并且合并的光由人眼感知為白色。雖然這些產(chǎn)品證實(shí)了白LED概念并且已應(yīng)用于某些壁龕照明應(yīng)用中，但是由于它們低的總光輸出和低功效，它們不適合于通常的照明應(yīng)用。
為了以白LED實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)光功效，需要數(shù)個(gè)階段的改善內(nèi)量子效率、提取效率、以及熒光體變頻效率。一些研究人員已經(jīng)承擔(dān)了研究半導(dǎo) 體的材料和生長方面以改善內(nèi)量子效率的挑戰(zhàn)。其它一些研究人員正在開發(fā)整形的芯片、光子晶體、微米級(jí)LED、以及其它新穎的方法來改善光提取效率。而另一些人在研究具有更高的下變頻效率和更好的光學(xué)性能的新的熒光體。
雖然過去的文獻(xiàn)認(rèn)為光的很大部分由熒光體背散射且由于吸收而損耗在LED內(nèi)，但是根據(jù)發(fā)明人的知識(shí)，迄今為止，沒有人嘗試過通過借助于本發(fā)明的實(shí)施例提供的SPE^方法提取這些背散射光子來改善性能，本發(fā) 明的方法通過挽回散射的光子而顯著提高了熒光體變頻白LED的總的光輸出和發(fā)光功效。
為了更好理解原始短波長光和熒光體之間的相互作用以及為了量化前向和后向散射光的量，發(fā)明人將直徑5cm的數(shù)個(gè)圓形玻璃盤涂覆了具有在從2mg/cm2至8mg/cm2的范圍中的不同密度的YAG:Ce。這些熒光體盤放置在兩個(gè)并排的積分球之間，熒光體涂層面向右邊的球。熒光體材料由來自放置在離玻璃盤2.5cm遠(yuǎn)的右邊的球里面的5mm的藍(lán)LED激發(fā)。分光計(jì)通過測量端口測量來自每個(gè)球的光輸出。從左邊和右邊的球測得的光輸出分別指示透射穿過和反射離開熒光體層的光的量。分析分光計(jì)數(shù)據(jù)，以確定藍(lán)色和黃色區(qū)域中的通量的量，對(duì)應(yīng)于LED發(fā)射的輻射能量和來自 YAG:Ce熒光體的變頻能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示透射和反射輻射的光譜功率分布不同，特別是藍(lán)色與黃色的量的比率。透射和反射輻射的量取決于熒光體密度，密度越低導(dǎo)致越高的透射輻射百分比。典型地，熒光體密度可以控制成使得透射的藍(lán)光和黃光成正確的比例，以產(chǎn)生合適色度的白光，這典型地將其放置在黑體軌跡上或黑體軌跡附近。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，估計(jì)在產(chǎn)
生平衡的白光時(shí)，透射了約40%的光，并且反射了其余的60%。 Yamada 等發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，如K.Yamada、 Y.Imai、 K.Ishii在J. Light & Vis. Env. 27(2), 70(2003)中所報(bào)道。在傳統(tǒng)白LED中，此反射光的相當(dāng)大的部分被圍繞裸片的部件吸收，這是其發(fā)光功效低的一個(gè)原因。
圖13中示例了可以挽回大多數(shù)反射光的一個(gè)方法，其示意性地示出了以SPETM實(shí)施的LED封裝。與熒光體圍繞裸片展開的典型的傳統(tǒng)白LED 封裝不同，在本發(fā)明的SPETM封裝中，將熒光體層從裸片移除，留下裸片和熒光體之間的透明介質(zhì)。用于封裝的有效的幾何形狀可以經(jīng)由光線追跡分析確定。封裝的幾何結(jié)構(gòu)起重要作用，并且圖13中所示的幾何結(jié)構(gòu)有效地將離開GaN裸片的光傳輸至熒光體層并容許大部分從熒^l體層背散射的光離開光學(xué)器件。與典型的傳統(tǒng)封裝相比，利用SPEm封裝挽回了更多的光子。又是熒光體密度確定最終白光的色度。
SPE 封裝需要不同的熒光體密度來產(chǎn)生色度坐標(biāo)類似于傳統(tǒng)白LED 封裝的白光是不值得的。此差異是SPE 封裝混合具有不相似的光譜的透射和后向反射光的結(jié)果，而傳統(tǒng)封裝主要使用透射光。
為了證實(shí)圖13中所示的SPE^封裝提供更高的光輸出和發(fā)光功效，利用從相同的制造商獲得的十二個(gè)傳統(tǒng)的高通量LED,六個(gè)3W的藍(lán)LED和六個(gè)3W的白LED，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)了符合SPE^封裝的輪廓需求的商用光學(xué)器件，并且利用LED實(shí)驗(yàn)上獲得了數(shù)個(gè)該光學(xué)器件。雖然此光學(xué)元件不具有圖13中所示的期望的幾何結(jié)構(gòu)以提取大多數(shù)背散射的光，但是其足夠驗(yàn)證該假設(shè)。實(shí)驗(yàn)的次級(jí)光學(xué)器件的頂部平的部分涂有預(yù)定量的 YAG:Ce熒光體。通過系統(tǒng)地改變熒光體密度的量、分析得到的色度、以及選擇產(chǎn)生靠近實(shí)驗(yàn)中使用的商用白LED的色度的密度，在分別的實(shí)驗(yàn)中確定所需的熒光體密度。為了比較兩個(gè)封裝概念的性能，白LED配備有未涂覆的次級(jí)光學(xué)器件。在積分球中測量商用白LED的光輸出和光譜，并且還測量給LED供電所需的電流和電壓。對(duì)SPE^封裝重復(fù)相同的測量，其包括配備有涂覆有熒光體的次級(jí)光學(xué)器件的藍(lán)LED,如圖13中所示。發(fā)現(xiàn)SPETMLED封裝的平均發(fā)光通量和對(duì)應(yīng)的平均功效分別為90.71m 和36.31m/W。典型的白LED封裝的平均發(fā)光通量和對(duì)應(yīng)的平均功效分別為 56.51m和22.61m/W。因此SPE LED封裝平均具有多61%的光輸出和高 61%的發(fā)光功效。類似的LED之間的發(fā)光通量和對(duì)應(yīng)的功效的改變小，其標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4%。與典型的傳統(tǒng)白LED封裝相比，SPEm封裝一致地具有更高的流明輸出和更高的功效。
還測量了電流對(duì)兩種LED封裝的光輸出和功效的影響，所述兩種LED 封裝中的一種使典型的白LED封裝，且一種是SPETM封裝。此兩種LED 經(jīng)歷了相同的光輸出測量程序，但是它們的輸入電流在數(shù)步中從700mA降低至50mA，并且采集對(duì)應(yīng)的光度和電數(shù)據(jù)。在非常低的電流，與傳統(tǒng)封裝的541m/W相對(duì)照，SPE 封裝超過801m/W。
利用SPETM封裝，在LED內(nèi)的部件吸收背散射光子之前提取它們。將熒光體層遠(yuǎn)離裸片放置并且在背散射光子在封裝中經(jīng)歷多重反射之前提取它們是有必要的。將熒光體從裸片移開具有另外的好處也提高了白LED 的壽命，如更早的文章所證明的(Narendran，N.，Y.Gu,J.RFreyssinier,H.Yu, and L.Deng. 2004， Solid-state lighting: Failure analysis of White LEDs. Journal of Crystal Growth 268 (3-4):449-456)。
本發(fā)明的挽回后向傳輸輻射的一部分的替代方法是利用反射材料涂覆次級(jí)光學(xué)器件的側(cè)面，如圖5A和5B中所示。雖然與傳統(tǒng)白LED封裝相比，可以提高功效，但是增益不是同樣多，因?yàn)楹笙騻鬏斴椛湓跓晒怏w層和反射器之間來回彈射，并且此輻射的相當(dāng)部分被吸收并作為熱損耗掉了。此方法的缺點(diǎn)是增加了短波長輻射傳播通過周圍環(huán)氧樹脂材料的路徑長度，環(huán)氧樹脂退化較快并從而縮短了白LED的使用壽命。
應(yīng)當(dāng)理解，圖13中所示的SPEm封裝的幾何結(jié)構(gòu)不限于此特定形狀。可以使用替代的形狀來更有效地挽回后向傳輸輻射，同時(shí)處理其它設(shè)計(jì)考慮，諸如顏色和壽命。作為一個(gè)范例，在圖13的配置中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)頂面直徑的優(yōu)選大小約為20mm，且高度的優(yōu)選大小約為llmm。
總之，本發(fā)明挽回了來自下變頻材料層或漫射器層的后向傳輸輻射。另外，與LED系統(tǒng)的傳統(tǒng)封裝相比，可以顯著提高LED系統(tǒng)的總的光輸出和對(duì)應(yīng)的發(fā)光功效。同時(shí)，光學(xué)器件可以混合多重光譜以產(chǎn)生白光和其它顏色深淺，并具有均勻的照明和顏色。本發(fā)明的實(shí)施例的應(yīng)用包括通常的照明和背光照明。
雖然參照范例實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是其不限于此。相反，所附的權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)視為包括本領(lǐng)域技術(shù)人員不脫離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍所作出的本發(fā)明的其它變形和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1、一種發(fā)光設(shè)備包括輻射源，用于發(fā)射多色輻射；漫射器材料，用于接收所述輻射源發(fā)射的所述多色輻射的至少一部分并將所述多色輻射變頻為前向傳輸輻射和后向傳輸輻射；以及光學(xué)裝置，耦合至所述漫射器材料，適于接收所述后向傳輸輻射并從所述光學(xué)裝置提取所述后向傳輸輻射的至少一部分。
2、如權(quán)利要求1所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述輻射源包括多個(gè)發(fā)光源，每個(gè)所述發(fā)光源呈現(xiàn)出與其它發(fā)光源的至少其中之一的光譜不同的光譜。
3、如權(quán)利要求2所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述多個(gè)光源包括發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、以及共振腔發(fā)光二極管(RCLED)中的一個(gè)的至少其中之一。
4、如權(quán)利要求2所述的發(fā)光設(shè)備，其中，第一多個(gè)發(fā)光源鄰近所述漫射器材料的第一側(cè)面設(shè)置，而第二多個(gè)發(fā)光源鄰近所述漫射器材料的第二側(cè)面設(shè)置。
5、如權(quán)利要求2所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述多個(gè)發(fā)光源設(shè)置于距所述漫射器材料預(yù)定的距離處。
6、如權(quán)利要求2所述的發(fā)光裝置，其中，所述多個(gè)發(fā)光源鄰近所述光學(xué)裝置的第一部分設(shè)置。
7、如權(quán)利要求6所述的發(fā)光裝置，其中，所述漫射器材料鄰近所述光學(xué)裝置的第二部分設(shè)置。
8、如權(quán)利要求7所述的發(fā)光裝置，其中，所述漫射器材料設(shè)置于所述光學(xué)裝置的第二端部的部分之一之上或設(shè)置于所述光學(xué)裝置的基本整個(gè)所述第二端部之上。
9、如權(quán)利要求2所述的發(fā)光設(shè)備，還包括光導(dǎo)管，其中，所述多個(gè)發(fā) 光源在所述光導(dǎo)管的圓周的至少一部分附近設(shè)置，以將所述光引導(dǎo)至所述光導(dǎo)管中。
10、如權(quán)利要求9所述的發(fā)光設(shè)備，還包括設(shè)置于所述光導(dǎo)管的側(cè)面上的微透鏡層。
11、如權(quán)利要求1所述的發(fā)光設(shè)備，其中，用于接收所述多色輻射的所述漫射器材料是漫射器、下變頻材料、以及微透鏡的其中至少之一。
12、如權(quán)利要求ll所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述下變頻材料包括至少一種用于吸收光譜區(qū)中的第一波長的輻射并發(fā)射比所述光譜區(qū)中的所述第一波長更長的第二波長的輻射的材料。
13、如權(quán)利要求11所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述下變頻材料包括下述層之一或散布于所述光學(xué)裝置內(nèi)的材料具有基本均勻散布的材料的層；具有多個(gè)材料的層，所述多個(gè)材料中的每一種呈現(xiàn)相應(yīng)的密度。
14、如權(quán)利要求ll所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述漫射器材料包括鄰近所述漫射器的至少一個(gè)下變頻材料層。
15、如權(quán)利要求ll所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述漫射器材料包括遠(yuǎn)離所述漫射器安置的至少一個(gè)下變頻材料層。
16、如權(quán)利要求1所述的發(fā)光設(shè)備，其中，用于接收所述多色輻射的所述漫射器材料包括多個(gè)下變頻材料，所述下變頻材料用于吸收光譜區(qū)中的第一波長的輻射并發(fā)射所述光譜區(qū)中的比所述第一波長更長的至少第二波長的輻射。
17、如權(quán)利要求1所述的發(fā)光設(shè)備，其中，用于接收所述多色輻射的所述漫射器材料包括以下至少之一i)多個(gè)漫射器層以及ii)多個(gè)下變頻材料層。
18、如權(quán)利要求1所述的發(fā)光設(shè)備，還包括收集裝置，用于收集離開所述光學(xué)裝置的所述后向傳輸輻射的至少一部分。
19、如權(quán)利要求18所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述收集裝置包括在所述光學(xué)裝置的至少一部分周圍設(shè)置的反射器。
20、如權(quán)利要求19所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述反射器的形狀是錐形、球形、雙曲線、拋物線、橢圓、角錐、以及盒子的其中之一。
21、如權(quán)利要求18所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述光學(xué)裝置設(shè)置于一個(gè) 所述收集裝置上或設(shè)置于距所述收集裝置某一距離處。
22、如權(quán)利要求21所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述收集裝置鄰近所述光學(xué)裝置的至少兩個(gè)側(cè)面設(shè)置。
23、如權(quán)利要求18所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述光源設(shè)置于所述收集裝置和所述漫射器材料之間。
24、如權(quán)利要求1所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述漫射器材料散布于所述光學(xué)裝置內(nèi)。
25、如權(quán)利要求1所述的發(fā)光設(shè)備，還包括耦合至所述輻射源的熱耗散裝置。
26、一種發(fā)光設(shè)備，包括輻射源，用于發(fā)射多色輻射；光學(xué)裝置，配置為接收從所述輻射源發(fā)射的輻射；漫射器材料，設(shè)置于所述光學(xué)裝置的部分上，接收由所述光學(xué)裝置接收的所述多色輻射的至少一部分并將所述多色輻射的所述部分變頻為前向傳輸光和后向傳輸光，其中，所述光學(xué)裝置配置成提取一部分所述后向傳輸光。
27、如權(quán)利要求26所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述輻射源包括多個(gè)發(fā)光源，每個(gè)所述發(fā)光源呈現(xiàn)與其它發(fā)光源中的至少一個(gè)其它發(fā)光源的光譜不同的光譜。
全文摘要
一種發(fā)光設(shè)備，具有用于發(fā)射多色光的光源。漫射器材料接收所述光源發(fā)射的所述多色光的至少一部分并將所述多色光變頻為前向傳輸光和后向傳輸光。光學(xué)裝置耦合至所述漫射器材料，并適于接收所述后向傳輸光和從所述光學(xué)裝置提取所述后向傳輸光的至少一部分。
文檔編號(hào)H01L33/50GK101563793SQ200780046853
公開日2009年10月21日申請(qǐng)日期2007年5月29日優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者N·納倫德蘭, 顧益敏申請(qǐng)人:倫斯勒工業(yè)學(xué)院

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