一种结合半导体发光晶元与气体放电灯的混光光源的制作方法

一种结合半导体发光晶元与气体放电灯的混光光源的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光光源，包括气体放电灯，其泡壳内表面涂覆第一荧光粉，该气体放电灯通过第一荧光粉的激发转换，发出第一可见光线；半导体发光晶元，其发射出第二可见光线。该气体放电灯泡壳具有部分未涂覆第一荧光粉的透明表面，所述半导体发光晶元发出第二可见光线通过所述透明表面投射入气体放电灯泡壳腔体内，通过所述第一荧光粉的漫透射和多次反射过程，均匀地从所述气体放电灯的泡壳腔体射出，并与气体放电灯发出的第一可见光线混合，该第一和第二可见光线均选择由各自高量子效率发光光源，从而达到互补或增强光谱，形成单个独立紧凑型大功率照明、高光效高光通输出以及可直接替换HID光源。
【专利说明】
一种结合半导体发光晶元与气体放电灯的混光光源
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体发光晶元与气体放电灯，特别是一种结合上述两者发光光源在 所述气体放电灯泡壳腔体内的均匀高透射率高光效混光光源。
【背景技术】
[0002] 气体放电灯自20世纪发展开始，历经百年有余。目前已发展成为以低气压汞激发 为主的荧光灯产品、以各类金属及汞形成的高强度气体高压金卤灯、高压钠灯或高压汞灯 等两大类照明产品。
[0003] 而目前市场上，公认为节能性的产品包括LED与无极灯，它们都属于第四代光源， 被公认为是目前替换HID灯最好的选择。LED的光源光效高，但目前尚存在需替换灯具，成 本较高及眩光过强等缺陷，近期还不具备完全替代HID灯的条件。无极灯发光均匀、寿命 长，但体积较大，光效存在提高较难等问题。
[0004] 而本发明专利结合各类节能性气体放电灯与LED的优点，形成大功率紧凑型光 源，并在无需更换灯具的前提下完全替代HID光源，从而实现安装方便，替换容易的市场经 济目的。
[0005] 其中发光二极管LED，以GaN衬底及蓝宝石衬底为基础的氮化铟镓蓝光发光二极 管（蓝光LED)、磷化铝镓铟为代表的红光发光二极管（红光LED)等等的关键性技术领域的 突破，白光LED已经成为照明市场的主流和焦点。目前，获得白光LED的技术方案主要分为 LED芯片组合和荧光转换，前者包括如红绿蓝三色LED组合在一起而成灯的设计。而后者则 是目前白光LED领域的主流技术。其中，已产业化的白光LED主要由蓝光LED芯片和YAG荧 光粉组成，即"蓝光+黄光"的白光方案，其主要制备技术是将荧光粉与胶体以一定的比例 混合配成浆液，然后通过涂覆或点胶方式，直接或间接地将浆液涂在蓝光LED晶粒表面，最 后在一定温度下固化成型。目前已产业化的白光LED照明方案，已可达到白光1501m/W的 高光效和高光通量输出。
[0006] 但发光二极管由于自身仍属于半导体结构，其自身发热仍需要依靠外部散热器件 以对流或传导散热为主的形式散发降温，因而大于100W以上的LED照明光源需配套极大的 散热设备，造成了极高的成本和材料浪费。
[0007] 同时，由于发光二极管本身属于单颗小功率器件发光并形成阵列组合形成大功率 的特性，其本质与高强度气体放电灯（HID)有极大区别，因而难以形成现有灯具的直接光 源替换来实现LED的产品替换，而是必须LED整灯灯具替换原有整灯灯具的工程改造，这也 极大的造成了固有成本的增加。
[0008] 而无极感应放电灯是一种已开发多年的气体放电灯产品，在70年代，美国专利US 3500118就已公开过无极感应放电灯的基本构型。在90年代，美国专利US 5834905在上述 专利的基础上又对放电灯的基本参数做了一些选择。无极感应放电灯是通过电磁感应耦合 的原理，借助磁环或磁棒等能产生高频高磁场强度的电磁能量，使得灯管内汞激发放电，使 产生的以253. 7nm紫外线为主的光辐射射出，通过激发传统荧光灯荧光粉发出可见光。
[0009] 目前的低气压汞激发荧光灯（包括无极感应放电灯），已达到理论计算中低气压 汞蒸汽激发253. 7nm紫外线的极限一一接近65%的紫外辐射电光转换效率。其主要损失的 效率在于电极或耦合器的自身耦合损耗及发热、等离子体中电子碰撞汞激发态产生可见光 辐射以及等离子体体积和管壁复合及发热损耗等。同时，与汞激发的紫外线相配套的三基 色荧光粉，其红绿蓝三种荧光粉，均达到并超过了 90%的量子转换效率，也已达到工业界普 遍认可的极限水平。正因上述原因，导致低气压汞激发荧光灯的理论和实际的寿命很长，但 其整灯系统光效仅达到85-951m/W，进一步提升其光效极其困难，需要从气体放电机理上加 以改变。
[0010] 因而，如何借助各类气体放电灯可实现大功率照明和可直接替换HID照明的特 点，并结合LED单颗小功率高光效高光通输出的优点，形成单个独立紧凑型大功率照明、高 光效高光通输出以及可直接替换HID光源，是亟待解决的一个技术问题。

【发明内容】

[0011] 为了实现上述目的和解决现有市场上的上述问题，本发明提供一种结合半导体发 光晶元与气体放电灯的高光效混光光源。借助LED单颗小功率高光效高光通输出的第二可 见光线，以及气体放电灯特定高光效光谱第一可见光线形成单个独立紧凑型大功率照明、 高光效高光通输出以及可直接替换HID的光源，达到互补或增强光谱，形成安装简便、替换 方便的高光效灯泡。
[0012] 其中，涂覆荧光粉的气体放电灯中，低气压汞激发的紫外线253. 7nm辐射效率在 60%左右，而由其激发的红绿蓝三基色荧光粉的量子效率基本在90% -100%范围，因而 传统的低气压汞激发荧光灯的红绿蓝三色光谱的激发效率均在50% -60%之间，进而使得 253. 7nm紫外线转换红光61 Inm的电光转换效率为22 % -24%之间，转换绿光543nm的电光 转换效率为25% -28%，转换蓝光450nm的电光转换效率为24% -25 %之间。如考虑到灯管 自身紫外溢出及玻璃管壁的吸收透射问题，实际红绿蓝三色光谱的激发效率仍会更低。而 本发明所采用的发光二极管，其各色LED电光转换效率均大于上述汞激发三基色光谱的电 光转换效率，其中红光LED和蓝光LED的转换效率分别在38%和35%以上。因而选择高转 换效率的各彩色LED，它们发出各光谱的颜色，为发光二极管替换或增强低气压汞激发荧光 灯的各光谱发光效率提供空间和可实施性，从而可实现更高效率的补光和混光辐射。
[0013] 另外，传统的汞激发的三基色荧光粉，其对于可见光将形成非吸收式的均匀散射 透射和反射，由于低气压汞激发荧光灯内等离子体放电不会大比例的吸收发光二极管发射 出的第二可见光线，因而可形成高效的可见光透射效果，不会造成高的可见光透射阻挡和 损耗。
[0014] 根据上述内容，本发明提供了一种结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混 光光源，包括：
[0015] 气体放电灯，其泡壳内表面涂覆第一荧光粉，该气体放电灯通过第一荧光粉的激 发转换，发出第一可见光线；
[0016] 半导体发光晶元，其发射出第二可见光线；
[0017] 其中，
[0018] 所述气体放电灯的泡壳具有部分未涂覆所述第一荧光粉的透明表面，该第二可见 光线通过所述透明表面以特定配光角度投射入所述气体放电灯的泡壳腔体内，通过所述第 一荧光粉的漫透射和多次反射过程，均匀地从所述气体放电灯的泡壳腔体射出，并与所述 气体放电灯发出的第一可见光线混合，该第一可见光线和第二可见光线形成互补或增强光 谱，从而形成单一独立的紧凑型光源。
[0019] 根据本发明的一个实施例，所述半导体发光晶元与所述气体放电灯分别在独立工 作区间发出可见光。
[0020] 根据本发明的一个实施例，所述气体放电灯未涂覆第一荧光粉的透明表面为所述 气体放电灯的泡壳封接喇叭或独立的未涂覆所述第一荧光粉的表面。
[0021 ] 根据本发明的一个实施例，所述气体放电灯包括感应耦合无极灯、电极荧光灯、荧 光高压汞灯。
[0022] 根据本发明的一个实施例，所述半导体发光晶元为发光二极管光源，包括一种或 多种颜色的半导体发光晶元，以形成单色或多色发光，所述半导体发光晶元表面涂覆由所 述半导体发光晶元激发的第二荧光粉，或者并不涂覆由所述半导体发光晶元激发的第二荧 光粉。根据本发明的一个实施例，所述气体放电灯未涂覆所述第一荧光粉的透明表面为所 述半导体发光晶元嵌套的配光透镜，所述透明表面的纵向截面为平面形、圆弧形、翘边形或 内置凸台形。根据本发明的一个实施例，所述第一荧光粉仅包括汞253. 7nm激发的绿色铝 酸盐荧光粉，所述第一可见光线包括535nm-550nm绿光；所述半导体发光晶元包括氮化铟 镓450nm-460nm蓝光LED和磷化铝铟镓610nm-625nm红光LED，所述第二可见光线包括蓝光 和红光。
[0023] 根据本发明的一个实施例，所述第一荧光粉仅包括汞253. 7nm激发的铝酸盐荧光 粉和铕激发的氧化钇荧光粉，所述第一可见光线包括535nm-550nm绿光和605nm-620nm红 光；所述半导体发光晶元包括氮化铟镓450nm-460nm蓝光LED，所述第二可见光线包括蓝 光。
[0024] 下面对本发明的各个方面做简单说明。
[0025] I. LED高电光转换效率替代低气压汞激发荧光灯的荧光粉辐射效率
[0026] 发光二极管作为半导体注入式发光装置，通过单颗小功率小颗粒形式批量贴装在 基板上的分布，组成一定功率的发光二极管平面光源。而目前技术已达到例如红光620nm 左右LED，其光电转换效率38 %以上；而蓝光460nm左右LED，其光电转换效率35%以上。 借助这一类高电光转化效率的LED发光光源，可有效替换或增强低气压汞激发荧光灯的荧 光粉发出的可见光光谱。例如，一种优化的设计方案中，红光LED可直接替换低气压汞激发 荧光灯的红色荧光粉激发光谱，将以氧化钇为材质的昂贵的红色荧光粉（汞紫外激发）直 接替换取消；在另一种优化的设计方案中，将高效蓝光LED直接替换低气压汞激发荧光灯 的蓝光荧光粉光谱，从而直接提高了该光谱段的电光转换效率。
[0027] 2. LED第二可见光线通过未涂覆第一荧光粉的气体放电灯透明玻璃表面形成通过 第一荧光粉的均匀高透射率
[0028] 首先发光二极管平面光源的第二光线透射未涂覆第一荧光粉的透光表面（例如 玻璃材质的透光表面）并进入气体放电灯，以可见光为主的第二发光光线，基本不会被汞 放电等离子体吸收，因而第二发光光线会直接射至气体放电灯内表面第一荧光粉层上，根 据库贝尔卡-芒克的理论，当光入射到一粉层时，一部分光被粉层漫反射，一部分被粉层吸 收，余下的则以漫射方式透过粉层。库贝尔卡-芒克理论认为，对于可见光透射，其粉层对 光的一次透过率T、一次反射率R和空间单次光线吸收率a有：
[0029] a+T+R = 1 ；
[0030] 而对于多次粉层内壁反射和吸收后，实际可见光总透射率τ为：
[0032] 由于气体放电等离子体及其第一荧光粉对可见光的空间光线吸收率很低，经验公 式a = 0. 05,故上式计算为：
[0033] τ ^ 87. 3%
[0034] (其中一次透过率T取50 % )。
[0035] 因而可以解释，发光二极管平面光源的第二发光光线，经过气体放电灯第一荧光 粉体后的透射率不会有明显降低。同时，根据实际测试，第二发光光线经过第一荧光粉层 后，会有明显的光线漫透射作用，进而使得发光二极管第二光线发光更加均匀的透射出气 体放电灯荧光粉体。
[0036] 3.气体放电灯未涂覆第一荧光粉透明玻璃表面的透镜结构设计
[0037] 为保证整个气体放电灯管壁内表面能够均匀接收并透射发光二极管平面光源的 第二发光光线，即不会随着气体放电灯体形状的变化而导致该光线出射不均匀的情况，将 气体放电灯的透明玻璃材料，通过以配光结构独特设计，可直接替换原有LED本身的PMMA 或PC材质透镜，形成可均匀透射入气体放电灯管内的配光光束效果，达到形成LED发光第 二光线射入气体放电灯管内的各类分布，如朗伯型分布、蝙蝠翼型分布、宽光束角分布或窄 光束角分布等等。
[0038] 在这其中，气体放电灯的未涂覆第一荧光粉透明玻璃表面，一种优化的制作方案 是选择激光蚀刻的方式刻出透镜结构。其中一种优化的带有凸透镜设计结构的封接喇叭造 型，将会有效的缩小LED本身的发光光束角，使其集中于80°左右的下射角度之中；而另外 一种优化的带有锥形凸台式的透镜结构喇叭造型，将会进一步缩小LED的光束角度，使之 集中于下射空间中50°左右的角度之中。
[0039] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0040] 本发明的一种结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光光源，气体放电灯 泡壳具有部分未涂覆第一荧光粉透明玻璃表面，所述半导体发光晶元发出第二可见光线通 过所述透明玻璃表面投射入气体放电灯泡壳腔体内，通过所述第一荧光粉的漫透射和多次 反射过程，形成气体放电灯泡壳腔体均匀高透射率发射出第二可见光线，并与气体放电灯 发出的第一可见光线混合，达到互补或者增强光谱，从而形成高效混合一体化发光。形成单 个独立紧凑型大功率照明、高光效高光通输出以及可直接替换HID光源。
【附图说明】
[0041] 图1是根据本发明第一实施例的混光光源的剖面结构示意图；
[0042] 图2是根据本发明第一实施例的混光光源的光线传播路径示意图；
[0043] 图3是根据本发明第一实施例的混光光源中的发光二极管光源的结构示意图；
[0044] 图4是根据本发明第一实施例的混光光源中一种封接喇叭的结构示意图；
[0045] 图5是根据本发明第一实施例的混光光源中另一种封接喇叭的结构示意图；
[0046] 图6是根据本发明第一实施例的混光光源配备灯头后的剖面结构示意图；
[0047] 图7是根据本发明第一实施例的混光光源中的发光二极管光源的驱动电源的结 构框图；
[0048] 图8是根据本发明第二实施例的混光光源的剖面结构示意图；
[0049] 图9是根据本发明第二实施例的混光光源配备灯头后的剖面结构示意图；
[0050] 图10是根据本发明第三实施例的混光光源的剖面结构示意图；
[0051] 图11是根据本发明第三实施例的混光光源配备灯头后的剖面结构示意图；
[0052] 图12根据本发明第三实施例的混光光源中的散热器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保 护范围。
[0054] 本发明的混光光源中，无电极感应放电灯管内充有激发材料（例如汞），无电极感 应放电灯管的内壁涂覆有第一荧光粉，第一荧光粉受激发发出第一发光光线。另外，本发明 的混光光源中，将无电极感应放电灯管的封接喇叭作为发光二极管光源的配光透镜，使得 发光二极管光源发出的第二发光光线透射入无电极感应放电灯管内，第一发光光线与第二 发光光线形成互补或增强光谱。
[0055] 其中，互补光谱指的是：第一发光光线包含红、绿、蓝三基色中的一种或两种，第二 发光光线包含红、绿、蓝三基色中另外的两种或一种，从而形成互补作用；增强光谱指的是： 第一发光光线包含的光线颜色与第二发光光线包含的光线颜色至少部分相同，从而形成增 强作用。
[0056] 通常，感应耦合汞激发的253. 7nm紫外线辐射效率在60%左右，而由其激发的红 绿蓝三基色荧光粉的量子效率基本在90% -100%范围，因而传统的无极感应放电灯的红 绿蓝三色光谱的激发效率均在50% -60%之间，进而使得253. 7nm紫外线转换红光611nm 的电光转换效率为22% -24%之间，转换绿光543nm的电光转换效率为25% -28%，转换蓝 光450nm的电光转换效率为24% -25%之间。如考虑到感应耦合放电灯管自身紫外溢出及 玻璃管壁的吸收透射问题，实际红绿蓝三色光谱的激发效率仍会更低。
[0057] 而本发明所采用的发光二极管光源，其各色LED电光转换效率均大于上述汞激发 三基色光谱的电光转换效率，其中红光LED和蓝光LED的转换效率分别在38%和35%以 上。因此，选择高转换效率的各彩色LED，它们发出各光谱的颜色，为发光二极管替换或增强 无极感应放电灯的各光谱发光效率提供空间和可实施性，从而可实现更高效率的补光和混 光福射。
[0058] 另外，目前常规的无电极感应放电灯管的封接喇叭通常采用高硼硅玻璃材质，可 以直接将该封接喇叭作为发光二极管光源的配光透镜，或者，也可以借助类同于PMM或PC 材料设计配光结构，将其与封接喇叭一起作为发光二极管光源的各类配光透镜。使得发光 二极管光源发出的第二发光光线射入无电极感应放电灯管内，并形成各类分布，如朗伯型 分布、蝙蝠翼型分布、宽光束角分布或窄光束角分布等等。另外，传统的无极灯采用汞激发 的三基色荧光粉，其对于可见光将形成非吸收式的均匀散射透射和反射，由于无电极感应 放电灯管内等离子体放电不会大比例地吸收发光二极管光源发射出的处于可见光波段的 第二发光光线，因而可形成高效的可见光透射效果，不会造成高的可见光透射阻挡和损耗。
[0059] 本发明中的发光二极管光源例如可以采用蓝光450nm-470nm LED、紫光 360nm_420nm LED、红光 600nm-680nm、黄光 570nm_590nm、绿光 520nm_560nm 中的一种或多 种。发光二极管光源的总功率可以在1W-120W之间。
[0060] 本发明的发光二极管光源可以将单颗小功率、小颗粒形式的LED批量贴装在基板 上，形成一定功率的发光二极管平面光源。目前，现有技术已可以实现例如620nm左右红光 LED，其光电转换效率38 %以上；而460nm左右蓝光LED，其光电转换效率35 %以上。借助这 一类高电光转化效率的LED发光光源，可有效替换或增强感应放电灯的可见光光谱。例如， 在一种优化的设计方案中，可以采用红光LED直接替换传统感应放电灯中的红色荧光粉激 发光谱，将通常以氧化钇为材质的昂贵的红色荧光粉（汞紫外激发）直接替换取消；在另 一种优化的设计方案中，可以采用高效蓝光LED直接替换传统感应放电灯的蓝光荧光粉光 谱，从而直接提高了该光谱段的电光转换效率。
[0061 ] 下面结合不同的具体实施例进行说明。
[0062] 第一实施例
[0063] 图1至图7,第一实施例的混光光源为可配螺旋灯头式的、结合LED的、单磁环外耦 合式双喇叭结构混光感应放电灯。该混光光源包括：无电极感应放电灯管10、外耦合式环 形磁环及其绕线11、封接喇叭12、发光二极管基板131、发光二极管132以及汞齐铟网组件 14。其中，无电极感应放电灯管10的内壁涂覆有第一荧光粉，例如仅激发绿光的铝酸盐荧 光粉。无电极感应放电灯管10的内部充有激发材料（例如汞），另外还可以填充有惰性气 体（例如氪气）。无电极感应放电灯管10、耦合式环形磁环及其绕线11、封接喇叭12以及 汞齐铟网组件14共同形成了感应耦合放电灯；发光二极管基板131、发光二极管132共同 形成了发光二极管光源，其以封接喇叭12为配光透镜。
[0064] 在一个非限制性的实例中，该混光光源的总功率可以为100W。其中，感应耦合放 电灯的功率为64W，其由耦合式环形磁环及其绕线11感应无电极感应放电灯低管10内的 汞激发放电，其中汞蒸汽的气压可以为〇. 8Pa左右，惰性气体可以为氪气，充气压力可以为 IOPa左右。萊放电等离子体释放以253. 7nm紫外线为主的福射，并仅激发无电极感应放电 灯管10内壁涂覆的543nm铝酸盐荧光粉单独发出绿光线光谱，也即第一发光光线。其中， 无电极感应放电灯管10的总轴路长度可以为430mm，平均横截面积可以为4200mm 2。耦合 式环形磁环可以采用铁氧体PC95材质，电感量在1.0 mH以上。
[0065] 同时，发光二极管平面光源发出第二发光光线。作为一个非限制性的例子，发光二 极管平面光源的数量为2片，每片的功率可以为18W。其中，单红光610nm-620nm磷化铝铟 镓材质的LED功率为10W，单蓝光460nm-465nm氮化铟镓材质的LED功率8W。
[0066] 其中，感应耦合汞激发的253. 7nm紫外线的辐射效率在60%左右，其单纯地激发 543nm绿光。由于绿色荧光粉的量子转换效率接近100%，因而由253. 7nm紫外线转换为 543nm绿光的转换效率，考虑玻璃透射率后为24%左右，其单纯测量得到的光效为1151m/ I
[0067] 而对于单红光610腹-62〇11111磷化铝铟镓材质的1^0，其电光转换效率在38%左右； 单蓝光460nm-465nm氮化铟镓材质的LED，其电光转换效率在35 %左右。这两类LED电光 转换效率均较感应放电汞激发的红光荧光粉和蓝光荧光粉效率高出50%以上。
[0068] 本实施例采用以上三种发光方式的结合，而不使用绿光LED替代感应放电汞激发 的绿光，主要由于目前以氮化铟镓激发的绿光led，其电光转换效率仍较低，不足以超过感 应放电汞激发的绿光效率。
[0069] 结合图1和图2,发光二极管光源发出的第二发光光线透射封接喇叭12,并进入无 电极感应放电灯管10。以可见光为主的第二发光光线基本不会被汞放电等离子体吸收，因 而第二发光光线会直接射至无电极感应放电灯管10内表面的第一荧光粉上。根据库贝尔 卡-芒克的理论，当光入射到一粉层时，一部分光被粉层漫反射，一部分被粉层吸收，余下 的则以漫射方式透过粉层。库贝尔卡-芒克理论认为，对于可见光透射，粉层对光的一次透 过率T、一次反射率R和空间单次光线吸收率a有如下关系：
[0070] a+T+R = 1 ；
[0071] 而对于多次粉层内壁反射和吸收后，实际可见光总透射率τ为：
[0073] 由于感应汞放电等离子体及其第一荧光粉对可见光的空间光线吸收率很低，按照 经验公式a = 0. 05,故上式计算为：
[0074] τ~87. 3% (其中一次透过率T取50% )。
[0075] 因而可以解释，发光二极管光源发出的第二发光光线经过无电极感应放电灯管 后，透射率不会有明显降低。同时，根据实际测试和如图2的示意，第二发光光线经过第一 荧光粉后，会有明显的光线漫透射作用，进而使得发光二极管光源发出的第二发光光线更 加均匀地透射出无电极感应放电灯管10。
[0076] 参考图3,图3示出了本实施例中的发光二极管光源的一种结构，其中，多个发光 二极管132设置在发光二极管基板131上，形成平面结构。该发光二极管光源可以采用COB 集成封装方式，以蓝光LED与红光LED间隔布置的方式固晶，再以优选的如金线等加以电气 连接。
[0077] 仍然参考图1，发光二极管光源激发的红、蓝可见光，以封接喇叭12为配光透镜， 光线以适当的角度进入无电极感应放电灯管10。为保证整个无电极感应放电灯管10内表 面能够均匀接收并透射发光二极管光源的第二发光光线，即不会随着无电极感应放电灯管 10的形状变化而导致该光线出射不均匀的情况。可以将无电极感应放电灯管10的高硼硅 类高透光封接喇叭直接替换传统LED器件本身的PMMA或PC材质透镜，形成可均匀透射入 无电极感应放电灯管10内的配光光束效果。以使得发光二极管光源发出的第二发光光线 射入无电极感应放电灯管10内，并形成各种适当的分布，如朗伯型分布、蝙蝠翼型分布、宽 光束角分布或窄光束角分布等等。
[0078] 进一步而言，对于传统的高硼硅材质封接喇叭12, 一种优选的方案是采用激光蚀 刻的方式形成适当的透镜结构，例如图4或图5所示的结构。
[0079] 参考图4,图4所示的封接喇叭12的截面形状为圆弧形，形成凸透镜结构，将会有 效地缩小发光二极管132本身的发光光束角，使其集中于80°左右的下射角度范围之内。
[0080] 参考图5,图5所示的封接喇叭12的截面形状为圆弧结合内置凸台形，一个或多个 锥形凸台设置在圆弧内。这样的结构可以进一步缩小LED的光束角度，使之集中于下射空 间中50°左右的角度范围之内。图5所示的结构为优选的结构，由于光束角度较窄，使得第 二发光光线均勾地分布在无电极感应放电灯管的内表面。
[0081] 当然，封接喇叭的界面形状并不局限于图4和图5所示的形状，此外还可以是平面 形、翘边形或其他异形形状。
[0082] 另外，根据可见光透射理论，发光二极管光源激发的红、蓝可见光透射经过封接 喇叭，同时再透出无电极感应放电灯管内表面的第一荧光粉层及玻璃管壁，其透射率接近 85%左右。
[0083] 参考图6,发光二极管基板131的外侧可以设置有安装上盖15,安装上盖15上可 以设置有一个或多个散热器18,散热器18例如可以为散热齿片。散热器18的一端与发光 二极管基板131热耦合，另一端伸出安装上盖15,将LED基板131产生的热量散发灯泡的周 围空间。散热齿片18可以为型材铝件或压铸铝件。
[0084] 仍然参考图6,还可以结合灯头16形成一体化产品，将发光二极管光源的驱动电 源17集成在灯头16内。该灯头16例如可以是E40螺旋灯头。其中，驱动电源17以感应 放电灯电子镇流器的输出信号为输入信号，经过转化后为发光二极管光源供电。而感应放 电灯电子镇流器则向电磁激发部件供电，例如，灯头16可以另焊接线以连接外耦合式环形 磁环。
[0085] 更进一步而言，发光二极管光源的驱动电源17的外表面可以采用热塑套管塑封， 或采用绝缘散热胶胶封，使其塞入E40螺旋灯头16内。当然，驱动电源17也可以置于安装 上盖15限定的空间内。
[0086] 通过以上设计，此优选实施例中的混光光源可形成光效1051m/W，功率100W，显色 性80,色温5600K左右的一体化照明产品。
[0087] 参考图7,作为一个非限制性的例子，发光二极管光源的驱动电源17可以包括：高 压隔离充电电路171、高频整流电路172、整流降压电路173、恒流输出电路174、芯片供电电 路 175。
[0088] 其中，由于感应放电灯电子镇流器在输出初期具有IOms~50ms的高压点火步骤， 即初期瞬时需要2000V-3000V高频交流高压，因而这一时间，采用高压隔离充电电路171进 行隔离，高压隔离充电电路171可借助此高压部分为直流电解电容的充电，用于为后续芯 片及开关管的供电；在瞬时点火信号结束后，感应放电灯电子镇流器会输出高频电信号，例 如100V-300V/100KHZ-500KHZ之间的高频电信号，这一电信号用于为感应放电灯磁环或磁 棒耦合等离子体放电提供能量，同时这一高频电信号通过高频整流电路172、整流降压电路 173、恒流输出电路174提供恒流电流，以向LED光源供电。
[0089] 由上，可以将感应放电灯电子镇流器独立外置，其输出电信号通过如优选的螺旋 形灯头传输至一体化灯内，并给与此一体化灯的感应耦合激发放电，又可向发光二极管的 驱动电源提供能量，向LED光源供电。
[0090] 第二实施例
[0091] 结合图8和图9,第二实施例的混光光源为可配螺旋灯头式的结合发光二极管的 双磁环外耦合式四喇叭结构混光感应放电灯，包括：无电极感应放电灯管20、电磁激发部 件21、封接喇叭22、发光二极管基板231、发光二极管232、汞齐铟网组件24、安装上盖25、 灯头26、驱动电源27以及散热器28。
[0092] 第二实施例采用与图6接近的结构，主要区别在于：其中汞蒸汽压在0. 8Pa左右， 惰性气体选择氪-氩混合气（气体压力3:1)，充气压力为15Pa。无电极感应放电灯管20的 放电闭合轴路制作成矩形，在矩形的无电极感应放电灯管20四边各封接一个封接喇叭22， 并配以发光二极管光源。
[0093] 其中，无电极感应放电灯管20的轴路长度可以为720mm，无电极感应放电灯管20 的横截面积为2290mm 2。电磁激发部件21为感应耦合磁环及其绕线，本实施例采用双磁环， 每个磁环采用铁氧体PC95磁芯材质，电感量在1.0 mH以上。
[0094] 与第一实施例类似，无电极感应放电灯管20内壁的第一荧光粉为单绿色铝酸盐 543nm荧光粉，放电灯管等功率可以为150W。
[0095] 四片发光二极管发出第二发光光线，每片LED的功率为20W，其中，可以采用15W的 单红光610nm-620nm磷化铝铟镓材质的LED以及5W的单蓝光460nm-465nm氮化铟镓材质 的LED。LED光源采用COB集成封装方式，以蓝光LED与红光LED间隔布置的方式固晶，再 以优选的如金线等加以电气连接。
[0096] 同时，LED激发的红、蓝可见光以封接喇叭22为配光透镜。在本实施例中，优选采 用如图5所示的封接喇叭的结构，使得LED发出的光线整形为窄光束，使第二发光光线均匀 分布于感应放电灯的内表面。
[0097] 参考图9,感应放电灯磁环的一侧的安装上盖25上可以加装E40螺旋灯头26。感 应放电灯电子镇流器的输出信号经过E40螺旋灯头26后作为发光二极管光源的驱动电源 的输入。E40螺旋灯头26可以另焊接线以连接感应放电灯的耦合磁环。另外，对于E40螺 旋灯头26对应磁环的另外一侧的耦合磁环和发光二极管光源的电线，可沿感应放电灯管 表面固定其电气电线，并与灯头26侧磁环和发光二极管光源的电线并联连接。
[0098] 通过上述设计，可形成光效1101m/W，功率230W，显色性82,色温4600K左右的一体 化照明产品。
[0099] 第三实施例
[0100] 参考图10和图11，第三实施例的混光光源为可配螺旋灯头结合发光二极管平面 光源的混光内置式无极感应放电灯，包括：无电极感应放电灯管30、电磁激发部件31、封接 喇叭32、发光二极管基板331、发光二极管332、汞齐铟网组件34、安装上盖35、灯头36、驱 动电源37以及散热器38。
[0101] 该混光光源的总功率可以为150W，其中，感应耦合放电灯的功率为100W，其完全 由内置式耦合磁棒31感应灯管30内的汞激发放电。其中汞蒸汽压在0. SPa左右，惰性气 体选择氪气，充气压力为25Pa。汞放电等离子体释放以253. 7nm紫外线为主的辐射，并仅激 发灯管内壁涂覆的543nm铝酸盐绿光荧光粉，发出此单绿光线光谱。
[0102] 其中，无电极感应放电灯管30的总体积可以为1000cm3,横截圆面直径可以为 110mm，纵切圆面直径可以为170mm。親合磁棒31可以采用铁氧体PC95材质，长度可以为 16Ctam左右，电感量在1.0 mH以上。
[0103] 另外，发光二极管基板331可以为中心带通孔的环状，发光二极管332设置在发光 二极管基板331上，从而共同形成LED光源。LED光源发出第二发光光线，LED光源的功率 可以50W，其中采用30W的单红光610nm-620nm磷化铝铟镓材质的LED以及20W的单蓝光 460nm-465nm氮化铟镓材质的LED。LED光源可以采用COB集成封装方式，以蓝光LED与红 光LED间隔布置的方式固晶，再以优选的如金线等加以电气连接。
[0104] 进一步而言，感应耦合汞激发的253. 7nm紫外线的辐射效率在55 %左右，其单纯 地激发543nm绿光，由于绿色荧光粉的量子转换效率接近100%，因而，对于由253. 7nm紫外 线转换为543nm绿光的转换效率，在考虑玻璃透射率后为22%左右，其单纯测量得到的光 效为 1021m/W。
[0105] 而单红光610nm-620nm磷化铝铟镓材质的LED，其电光转换效率在38%左右；单蓝 光460nm-465nm氮化铟镓材质的LED，其电光转换效率在35 %左右。这两类LED电光转换 效率均较感应放电汞激发的红蓝荧光粉效率高出50%以上。
[0106] 以上三种发光方式的结合，而不使用绿光LED替代感应放电汞激发的绿光，主要 是由于目前以氮化铟镓激发的绿光LED，其电光转换效率仍较低，不足以超过感应放电汞激 发的绿光效率。
[0107] 同时，以LED激发的红、蓝可见光以封接喇叭32为配光透镜组件。封接喇叭32可 以带有凸透镜结构，将会有效的缩小LED本身的发光光束角，使其集中于80°左右的下射 角度之中。
[0108] 同时，根据可见光透射理论，LED激发的红、蓝可见光透射经过封接喇叭形成的透 镜，同时再透出感应放电灯内表面荧光粉层及玻璃管壁，其透射率接近89 %左右。
[0109] 另外，通过设计内置式磁棒及发光二极管光源统一应用的集成散热器38,将内置 式磁棒31以及LED基板331产生的热量散发至一体化灯的周围空间之中。散热器38可选 择型材铝件或压铸铝件。散热器38的结构可以参考图12。
[0110] 仍然参考图10和图11，采用套接E40灯头36的方式，可以形成一体化产品。在这 其中，感应放电灯电子镇流器的输出信号通过E40灯头后，作为发光二极管光源的驱动电 源37的输入。E40螺旋灯头36可以另焊接线以连接感应放电灯的耦合磁环31。
[0111] 发光二极管光源的驱动电源37的外表可以采用热塑套管塑封，或采用绝缘散热 胶胶封，使其塞入E40螺旋灯头36内。
[0112] 通过上述设计，此优选实施例中的一体化混光感应放电灯，可形成光效981m/W，功 率150W，显色性84,色温4200K左右的一体化照明产品。
[0113] 虽然上述多个实施例中都是以无电极感应放电灯和半导体发光晶元的结合为例 进行说明，半导体发光晶元通过无电极感应放电灯管的封接喇叭将光线透射至无电极感应 放电灯管内。但需要说明的是，本申请并不限于此。本申请的方案还可以采用其他任意适当 的气体放电灯（例如电极荧光灯、荧光高压汞灯等等）与半导体发光晶元结合，半导体发光 晶元可以通过气体放电灯泡壳上未涂覆第一荧光粉的透明区域透射至气体放电灯泡壳内， 并非必然要经过封接喇叭，封接喇叭仅仅是一个优选的例子。
[0114] 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保 护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光光源，包括： 气体放电灯，其泡壳内表面涂覆第一荧光粉，该气体放电灯通过第一荧光粉的激发转 换，发出第一可见光线； 半导体发光晶元，其发射出第二可见光线； 其特征在于， 所述气体放电灯的泡壳具有部分未涂覆所述第一荧光粉的透明表面，该第二可见光线 通过所述透明表面以特定配光角度投射入所述气体放电灯的泡壳腔体内，通过所述第一荧 光粉的漫透射和多次反射过程，均匀地从所述气体放电灯的泡壳腔体射出，并与所述气体 放电灯发出的第一可见光线混合，该第一可见光线和第二可见光线形成互补或增强光谱， 从而形成单一独立的紧凑型光源。2. 如权利要求1所述的结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光光源，其特征 在于，所述半导体发光晶元与所述气体放电灯分别在独立工作区间发出可见光。3. 如权利要求1所述的结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光光源，其特征 在于，所述气体放电灯未涂覆第一荧光粉的透明表面为所述气体放电灯的泡壳封接喇叭或 独立的未涂覆所述第一荧光粉的表面。4. 如权利要求1所述的结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光光源，其特征 在于，所述气体放电灯包括感应耦合无极灯、电极荧光灯、荧光高压汞灯。5. 如权利要求1所述的结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光光源，其特征 在于，所述半导体发光晶元为发光二极管光源，包括一种或多种颜色的半导体发光晶元，以 形成单色或多色发光，所述半导体发光晶元表面涂覆由所述半导体发光晶元激发的第二荧 光粉，或者并不涂覆由所述半导体发光晶元激发的第二荧光粉。6. 如权利要求3所述的结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光光源，其特征 在于，所述气体放电灯未涂覆所述第一荧光粉的透明表面为所述半导体发光晶元嵌套的配 光透镜，所述透明表面的纵向截面为平面形、圆弧形、翘边形或内置凸台形。7. 如权利要求1至6中任一项所述的结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混 光光源，其特征在于，所述第一荧光粉仅包括汞253. 7nm激发的绿色铝酸盐荧光粉，所述第 一可见光线包括535nm-550nm绿光；所述半导体发光晶元包括氮化铟镓450nm-460nm蓝光 LED和磷化铝铟镓610nm-625nm红光LED，所述第二可见光线包括蓝光和红光。8. 如权利要求1至6中任一项所述的结合半导体发光晶元与气体放电灯的高光效混光 光源，其特征在于，所述第一荧光粉仅包括汞253. 7nm激发的铝酸盐荧光粉和铕激发的氧 化?乙焚光粉，所述第一可见光线包括535nm-550nm绿光和605nm-620nm红光；所述半导体发 光晶元包括氮化铟镓450nm-460nm蓝光LED，所述第二可见光线包括蓝光。
【文档编号】H05B35/00GK105987306SQ201510086358
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月16日
【发明人】李文鹏, 沈振华, 徐珺, 贝永康, 李维德
【申请人】上海宏源照明电器有限公司