專利名稱:高性能led燈系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明涉及一種LED燈系統(tǒng)，其具有多個LED元件。
近年來，關(guān)于設(shè)計和制造無機固體LED的技術(shù)被迅速地改進，達到可以制造效率高于40lm/Watt的無機白光發(fā)射LED的發(fā)展階段。該效率明顯超過傳統(tǒng)的白熾燈的效率(16lm/Watt)，并且超過大部分鹵素?zé)舻男?30～35lm/Watt)。同時，單個LED元件的效率增長到顯著高于100lm/Watt的水平。
現(xiàn)在和將來將影響LED在照明方面的廣泛可用性的問題是，每個LED元件的仍然相對有限的光量。對于該LED燈系統(tǒng)，僅當(dāng)能夠組合多個LED元件的光量時，才可以實現(xiàn)性能的增加。盡管這在原理上是可行的，但是例如，在由于發(fā)射光須聚焦在小尺寸的反射器中而需要具有特別高的亮度的光源的情況下，仍存在問題。
為了使用LED生成白光，尤其利用所謂的磷光體涂覆LED(PC-LED)。該磷光體涂覆LED是在其輻射表面上具有所謂的磷光體涂層的LED。磷光體不應(yīng)被專門理解為化學(xué)元素磷，而是應(yīng)更一般地理解為熒光材料，其在特定波長的輻射的作用下，發(fā)射具有另一波長的光。存在在受到藍光的照射時輻射黃光的熒光物質(zhì)。與發(fā)射光的顏色一致，它們被稱為黃色磷光體。通過使用該LED，通過在輻射藍光的LED上面施加黃色磷光體層，獲得了白光。所述磷光體層的尺寸被確定為使得，LED的一部分藍光不受阻礙地通過該磷光體層，而另一部分磷光體層被轉(zhuǎn)換為黃光。藍光和黃光的同時輻射被觀察者感知為白光?？商鎿Q地，存在輻射UV光并且涂覆有白磷光體層的LED元件。通過適當(dāng)?shù)剡x擇磷光體層的類型和厚度，可以制造輻射其他顏色光的PC LED。
使用上文描述的配置，可以從LED元件的給定的輻射表面生成一定量的光。然而，LED元件中的電流密度限制，限制了單個PC-LED的最大亮度。
因此，現(xiàn)有技術(shù)中提出了數(shù)種可行方案，用于增加LED元件的亮度。它們的主要目的在于，將LED元件發(fā)射的不定向(Lambert)輻射聚焦到一個輻射方向中。例如，在US 5,813,753中提到了用于照明和/或顯示應(yīng)用中的包括UV或藍色LED的光發(fā)射設(shè)備，該設(shè)備被置于具有反射側(cè)壁的凹槽中。該凹槽完全填充了透明材料，并且其圍繞LED。該LED元件的磷光體可以散布在透明材料中，或者作為層施加在LED的表面上。然而，目前，該LED仍未達到光投影應(yīng)用或者車頭燈所需的亮度。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種LED燈系統(tǒng)，其具有高于已知系統(tǒng)的亮度。
為了實現(xiàn)該目的，提出了一種LED燈系統(tǒng)，其使用LED元件，并且具有腔室，該腔室具有數(shù)個內(nèi)部側(cè)壁表面和至少一個用于發(fā)射光的輻射開口，其中內(nèi)部側(cè)壁表面均由基本上延伸遍及(即最大可能程度地)側(cè)壁表面區(qū)域的多個LED輻射表面形成。在下文中假設(shè)LED是無機固體塊體，這是因為目前能夠獲得具有足夠的強度的這種LED。當(dāng)然，它們也可以是其他的電致發(fā)光元件，例如激光二極管，其他的光發(fā)射半導(dǎo)體或有機LED，只要它們具有足夠高的性能值。因此，在本文中術(shù)語“LED”應(yīng)被理解為各種相應(yīng)的電致發(fā)光元件的同義詞。
所提出的配置方案實現(xiàn)了其高亮度，這是因為其不僅自其基底輻射光，而且還自腔室的側(cè)壁輻射光。因此本發(fā)明遵循這樣的原理，即增加每個光發(fā)射單元的基底的光輻射表面，以便于在輻射開口處實現(xiàn)更高的亮度。光直接在輻射開口處輻射，或者在面對的LED輻射表面處或面對的LED元件中反射，直至被發(fā)射通過輻射開口。面對輻射表面的LED元件的后側(cè)的反射系數(shù)(reflective finish)，使得它們至少部分地是反射的。結(jié)果，輻射開口處的亮度高于普通的LED元件。
腔室可以具有使用目前的制造技術(shù)可獲得的任何形狀。然而，出于制造的原因，以及為了易于組裝，有利的是，該腔室形成幾何體，優(yōu)選地是簡單的幾何體，其側(cè)面形成輻射開口。通常，該幾何體可以有利地組合，以便于形成包括多個腔室的一致的配置。
從制造和組裝的觀點出發(fā)，平坦表面形狀是適當(dāng)?shù)摹Ｒ虼耍瑑?yōu)選的是，腔室具有四面體、五面體或者六面體的形狀，更優(yōu)選地，具有平行六面體的形狀，特別是立方體的形狀，同樣，側(cè)面形成輻射開口。該規(guī)則的平坦表面體可以容易地組合，以形成多個腔室的陣列。
根據(jù)本發(fā)明的有利的實施例，該腔室具有立方體設(shè)計，并且每個內(nèi)部側(cè)壁面正好分配給一個LED元件。該立方體形狀的腔室可被設(shè)計為具有1mm×1mm的側(cè)面尺寸，并且靈活地用作多種應(yīng)用的基本元件，并且可以以多種組合使用。下文將該基本元件稱為“微腔”。
根據(jù)本發(fā)明的可替換的實施例，腔室具有長方體形狀，并且該長方體包括縱向側(cè)面，其中一個用作輻射開口，并且其他的縱向側(cè)面均由多個長的伸長的LED元件形成。LED燈系統(tǒng)的該長方體形狀設(shè)計主要用于汽車應(yīng)用。這是因為，由于基底表面的尺寸為1×4mm，該LED燈系統(tǒng)大致對應(yīng)于傳統(tǒng)的車輛頭燈的螺旋燈絲的尺寸，由此可以在幾乎不改變傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)的情況下使用根據(jù)本發(fā)明的LED燈系統(tǒng)。
再一次地，作為到此為止描述的實施例的替換方案，可以以這樣的方式選擇另一實施例，即腔室具有兩個相互面對從而形成V的側(cè)壁。其中面對的V形側(cè)壁也由多個LED元件形成的這種設(shè)備，使得可以獲得不同于上文提及的實施例的配置。
明智的工藝步驟是，將PC-LED元件所需的熒光物質(zhì)層對其無損壞地施加到LED的輻射表面上。此外，應(yīng)使通常對溫度敏感的熒光物質(zhì)同LED的輻射表面熱去耦，由此其將不會受到LED操作過程中產(chǎn)生的熱的不利影響。因此，有利的是，熒光物質(zhì)被直接置于LED的輻射表面上或者與其離開一定距離。該距離可以有利地設(shè)定為實現(xiàn)磷光體和LED的輻射表面之間的熱去耦。
LED元件的光感依賴于施加的熒光物質(zhì)的層厚度和均勻性。熒光物質(zhì)的必要的層厚度越均勻，LED元件發(fā)射的光就越均勻。因此，有利的是，在載體上提供熒光物質(zhì)。這使得LED的制造不依賴于熒光物質(zhì)的施加，或者LED元件的制造工藝與熒光物質(zhì)的涂覆工藝沒有關(guān)聯(lián)。在分立的載體上，可以更加準(zhǔn)確地且更加均勻地以所需的層厚度施加熒光物質(zhì)。這對于LED元件的光感是有利的。此外，具有熒光物質(zhì)的載體可以放置在腔室中任何所需的位置。其可以位于LED輻射表面和腔室的輻射開口之間的某個位置。
如果LED元件輻射的光，例如藍光，照射到磷光體層上，并且在該處轉(zhuǎn)換為黃光，則其還根據(jù)Lambert輻射圖樣以無方向性散射的方式輻射。不可能避免黃光也逆著LED燈系統(tǒng)的所需輻射方向向后朝向LED元件輻射，在LED元件處將該黃光吸收。這引起了光效率損失。因此，本發(fā)明的另一有利的實施例具有波長濾光器，其優(yōu)選地是二色性濾光器，其配置在LED輻射表面和熒光物質(zhì)之間。例如，該濾光器對于自LED元件輻射的藍光是可穿透的，但是對于黃光則不行?，F(xiàn)在，如果藍光從LED元件射出并且進入磷光體層，此處其入射在熒光體上，該熒光體將該藍光轉(zhuǎn)換為黃光并且在LED元件的方向上將其反射，則在該處將其吸收之前，其再一次由波長濾光器反射并且在穿透熒光層之后通過腔室的輻射開口離開。這防止了在腔室中吸收已被轉(zhuǎn)換為黃光的藍光輻射，并因此防止了光損耗。波長濾光器可以有利地用作載體，在其上面施加熒光物質(zhì)，如上文所述。這可以實現(xiàn)特別緊湊的設(shè)計。
而且，根據(jù)Lambert輻射圖樣，每個LED元件以無方向性的方式輻射光。為了使LED元件中由此引起的光效率損耗最小，可以將LED元件的背部設(shè)計為反射的。因此，幾乎所有由LED元件發(fā)射的光將被導(dǎo)向LED輻射表面。
上文提及的示例性實施例專門涉及藍光LED元件。顯然，根據(jù)本發(fā)明的LED燈系統(tǒng)還可進一步開發(fā)以達到使用具有不同波長特性的LED元件的程度。例如，在本發(fā)明的燈系統(tǒng)的腔室中，可以使用所謂的RGB LED，用于生成白光，或者可以使用單色LED元件，用于生成任何所需的單色光。而且，利用不同的熒光層，可以考慮LED發(fā)射光譜的不同的組合，例如，藍光或UV。可以使用寬帶黃色熒光材料(YAG)與藍光LED元件的組合，用于生成白光，或者UV-LED元件可以同紅色、綠色和藍色熒光材料組合，用于生成白色、黃褐色或者棕黃色的光，或者與由藍光LED元件激勵的紅色熒光材料組合。
如上文已經(jīng)解釋的，LED元件是Lambert輻射體，其發(fā)射無方向性的散射光。結(jié)果，并非所有來自LED元件的輻射光到達輻射表面。未在輻射表面的方向上發(fā)射的輻射主要被吸收掉，并且因此損耗掉。如果使用波長濾光器則可能出現(xiàn)更大的損耗。如果發(fā)射的輻射以不利的角度照射到濾光器上，即明顯大于或小于90°的角度，則其不能穿透該濾光器，并且因此損耗掉。由于LED元件發(fā)射的輻射并非僅僅通過最短垂直的路徑傳播到濾光器，而是散射并且以不同的角度照射在濾光器上，因此損耗是不可避免的。因此，可能有利的是，將準(zhǔn)直器置于LED元件和熒光物質(zhì)或上游波長濾光器之間。該措施考慮到了LED元件的Lambert輻射特性準(zhǔn)直器聚焦LED元件發(fā)射的漫射輻射，因此幾乎不會損耗輻射。因此，入射在熒光物質(zhì)上，并且特別地，入射在濾光器上的輻射是定向輻射。準(zhǔn)直器捕獲所述的散射輻射，并且將其引導(dǎo)至熒光物質(zhì)和濾光器，其結(jié)果是，提高了各個LED元件的光效率。準(zhǔn)直器自身可以直接連接到LED元件或者上文提及的載體。
將LED元件輻射的光引入到熒光物質(zhì)中再一次地在熒光物質(zhì)中產(chǎn)生了無方向性Lambert輻射，盡管事先對該引入的光執(zhí)行了準(zhǔn)直。該輻射特性還出現(xiàn)在腔室的輻射開口處。根據(jù)本發(fā)明的另一有利的實施例，在輻射開口處提供了準(zhǔn)直元件。準(zhǔn)直元件可以包括另一準(zhǔn)直器和/或透鏡，其允許有方向性地將輻射引入到次級光學(xué)系統(tǒng)中。
如果生成的光不能首先離開LED塊體，則在LED自身中可能引起LED元件的光效率損耗，這是因為，由于從厚的材料到薄的材料的不利的折射率，所生成的光在LED元件的塊體邊緣處全反射。因此，本發(fā)明的另一有利的發(fā)展方案提出，在輻射表面和熒光物質(zhì)之間使用基本透明的材料，其減少或者調(diào)節(jié)LED元件的折射率和熒光材料層的折射率之間的差異。該光學(xué)膠合劑可由硅樹脂形成，并且使得可以將LED元件中生成的光完全耦合出來。而且，可以使該透明材料的邊緣是反射的，以增加效率。
在本發(fā)明的另一有利的實施例中，熒光材料包含于或者散布在透明材料中，這允許腔室的緊湊設(shè)計。而且，有利的是，透明材料至少部分地填充腔室或者準(zhǔn)直器。因此該透明材料為腔室提供更高的穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明的LED燈系統(tǒng)不僅適用于其中通過來自LED元件的輻射激勵熒光材料的配置。而且，在所描述的LED燈系統(tǒng)中還可以使用已輻射所需顏色的光的LED元件。然而，為了產(chǎn)生對于觀察者更加舒適的光感，理想的是，使從LED輻射的光散射。因此，本發(fā)明的另一有利的實施例提出了，使用高度透明的不發(fā)光粉末，用于使LED輻射的光分散，而非使用前面描述的熒光材料。在不需要熒光材料也可工作的LED元件，例如在用于紅色或者棕黃色光的AlInGaP元件的情況下，或者在InGaN-LED元件的情況下，高度透明的不發(fā)光粉末，諸如TiO2，提供了(在該情況中)過多的熒光物質(zhì)的散射效果，并且因此提供了更加均勻的光感。
根據(jù)本發(fā)明的LED燈系統(tǒng)有利地應(yīng)用于各種類型的方向性照明中。這包括車輛頭燈、投影TV、大圖像屏幕或者斑點照明。
借助于非限制性的示例，通過參考下面描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他的方面是顯而易見的，并且將得到更加詳細的說明。
圖1是微腔的截面視圖，圖2是如圖1所示的微腔的透視圖，圖3是具有準(zhǔn)直器的可替換的微腔的截面視圖，圖4是具有矩形布局的腔的透視圖。
借助于立方體腔室1的示例，在特別簡單的實施例中，在圖1a說明了微腔所基于的原理。如本發(fā)明的腔室1的截面視圖由三個LED元件形成，2a、2b。它們的輻射表面3a、3b形成了腔室1的內(nèi)部側(cè)壁表面。熒光層6施加在輻射表面3a、3b上。腔室1的一個側(cè)面用作輻射開口4。
由LED元件2a、2b之一輻射的光直接進入熒光層6。該光可能在一次或多次反射之后自該處通過輻射開口4離開腔室1。
在腔室1中，不僅僅由一個LED元件輻射光，如同以前的設(shè)計，在相同的表面積上，從LED元件2a和與其成直角的LED元件2b輻射光。其主要結(jié)果在于，來自LED元件2a的無方向性發(fā)射的輻射，即其未直接穿過輻射開口4的部分，至少部分地由側(cè)面安置的LED元件2b或者在其上提供的熒光物質(zhì)6反射，并且最終通過輻射開口4出射。側(cè)面的LED元件2b和分配給它們的熒光物質(zhì)6實際上用作輻射開口4的方向上的輻射光的準(zhǔn)直器。
而且，LED元件2b自身也輻射光。該光也是無方向性輻射的，并且因此某一部分直接到達腔室1的輻射開口4。剩余的部分在相對的熒光層6處，或者在LED元件2b處，或者在LED元件2a的對應(yīng)的部分處反射。因此，除了對LED元件2a輻射的光有準(zhǔn)直效果之外，側(cè)面安置的LED元件2b生成的光通過輻射開口4。這導(dǎo)致了在腔室1的輻射開口4處的亮度數(shù)倍于具有相同的表面積的傳統(tǒng)LED的亮度。
圖1b示出了圖1a所示的立方體腔室1的另一發(fā)展方案。二色性濾光器5被配置在每個LED元件2a、2b和熒光層6之間。其被直接配置在輻射表面3a、3b上。濾光器5被設(shè)計為半反射的，并且僅反射黃光，而對于藍光是可穿透的。因此黃光被直接反射，以便于盡可能快地輻射離開腔室1。這防止黃光在腔室1中被吸收，并且因此防止腔室1的光輸出的損耗?？商鎿Q地，并且出于相同的目的，可以使用這樣的濾光器，其僅通過從LED元件2a、2b傳播到熒光層6中的光，而在寬的頻率范圍(包括藍光和綠光)中的在相反的方向上傳播的光，則不能通過，而是被反射。
圖2在透視圖中示出了如圖1所示的腔室1。作為對圖1中的截面視圖的補充，這里可以看到基板7，在其上面配置了LED元件2a(在該視圖中不可見)，并且其用作載體以及LED元件2a的散熱器。對于其他的LED元件2b也提供了相應(yīng)的基板，但是出于使說明清晰的目的，這里將其略去。
圖2中的視圖是近似從輻射開口4的方向截取的腔室1的透視圖。其清晰地示出了現(xiàn)在有五個輻射表面3a、3b在例如1mm×1mm的傳統(tǒng)LED的表面區(qū)域上會合，而非該尺寸的一個輻射表面。盡管它們不一定在輻射開口4處生成五倍的光量，但是它們確實生成了數(shù)倍于現(xiàn)有技術(shù)的光量。
LED元件中的光效率損耗的一個原因是它們的Lambert輻射特性。通常，僅利用大致垂直于LED元件的平面發(fā)射的光輻射。作為吸收的結(jié)果，在其他的方向上無方向性地輻射的剩余的輻射大部分損耗掉。如果LED元件2a、2b發(fā)射的輻射以不利的角度入射在濾光器5上，則在濾光器5處出現(xiàn)其他的損耗。圖3示出了一實施例，其中出于該原因，將一個準(zhǔn)直器8直接放置在每個LED元件2a、2b處，該準(zhǔn)直器在輻射表面3a、3b的方向上聚焦LED元件2a、2b發(fā)射的輻射。準(zhǔn)直器8不僅將生成光的幾乎全部的量導(dǎo)向輻射表面，而且以使其幾乎完全通過濾光器5的方式引導(dǎo)輻射。
用作微腔的腔室1的原理可以按照需要變化。圖4中示出了該變化方案的一個示例。相比于腔室1，該圖的腔室10在橫向方向中延伸約四倍。結(jié)果，輻射開口4具有1mm×4mm的表面積。為了說明該長度比，將熒光層細分為四個間隔的部分12，然而其還可被設(shè)置為連續(xù)的層。相反地，LED元件13，其形成了腔室10的長的側(cè)面并且被示為單片，也可以由四個獨立的LED元件組成。類似于圖2，作為示例示出了的基板14，在其上面配置了一個LED元件(在該視圖中不可見)，并且原則上為所有其他的LED元件配置基板。
具有尺寸為1mm×4mm的輻射開口4的腔室10，大致對應(yīng)于車輛頭燈的傳統(tǒng)燈設(shè)備的螺旋燈絲的尺寸。因此，腔室10可以有利地用于傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)中，同時至少在尺寸方面不需要調(diào)節(jié)后者。
總而言之，應(yīng)當(dāng)再一次指出，附圖和描述中說明的這些系統(tǒng)和方法僅是實施例的示例，在不偏離本發(fā)明的構(gòu)架的前提下，其在很大程度上可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員修改。而且，應(yīng)當(dāng)指出，出于完整性的目的，不定冠詞“一個”的使用并未排除多個相關(guān)項的存在。
權(quán)利要求
1.一種具有多個LED元件的LED燈系統(tǒng)，包括腔室(1)，該腔室(1)具有多個內(nèi)側(cè)壁面和用于從該腔室(1)發(fā)射光的輻射開口(4)，其中所述內(nèi)側(cè)壁面均主要由多個LED輻射表面(3a、3b)形成。
2.權(quán)利要求
1的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，腔室(1)是幾何體，其側(cè)面形成了輻射開口(4)。
3.權(quán)利要求
2的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，腔室(1)是四面體、五面體或者六面體形狀，腔室(1)的側(cè)面形成了輻射開口(4)。
4.權(quán)利要求
3的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，腔室具有立方體設(shè)計，并且每個內(nèi)側(cè)壁面恰好被分配給一個LED元件(2a、2b)。
5.權(quán)利要求
3的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，腔室(1)具有長方體形狀，并且所述長方體包括縱向側(cè)面，所述縱向側(cè)面之一用作輻射開口(4)，并且其它縱向側(cè)面均由長的伸長的LED元件(13)或者由多個LED元件形成。
6.權(quán)利要求
3的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，該腔室具有兩個相互面對的側(cè)壁，它們相對于彼此布置為V形圖案。
7.前面任何一個權(quán)利要求
所述的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，在LED輻射表面(3a、3b)之一上直接提供熒光物質(zhì)(6)，或者在LED輻射表面(3a、3b)之一前面的一定距離處提供熒光物質(zhì)(6)。
8.如上面的權(quán)利要求
所述的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，在載體上提供熒光物質(zhì)(6)。
9.權(quán)利要求
8的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，在輻射表面(3a、3b)和熒光物質(zhì)(6)之間配置波長濾光器(5)，其優(yōu)選是二色性濾光器。
10.前面任何一個權(quán)利要求
所述的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，使用具有不同波長特性的LED元件。
11.權(quán)利要求
7～9中任何一個的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，視情況將準(zhǔn)直器(8)配置在LED元件(2a、2b)和熒光物質(zhì)(6)或波長濾光器(5)之間。
12.前面任何一個權(quán)利要求
所述的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，配置高度透明的不發(fā)光粉末，用于使至少一個LED元件輻射的光分散。
13.使用前面任何一個權(quán)利要求
所述的LED燈系統(tǒng)，用于生成定向照明。
專利摘要
描述了一種具有多個LED元件的LED燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括腔室(1)，其具有多個內(nèi)部側(cè)壁面和用于發(fā)射光的輻射開口(4)。內(nèi)部側(cè)壁面均主要由多個LED輻射表面(3a、3b)形成。
文檔編號H01L33/00GK1993840SQ200580026660
公開日2007年7月4日 申請日期2005年8月2日
發(fā)明者J·A·舒格, J·L·A·M·索馬尼, G·魯特根斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan