使用多色发光源和漫射器元件的照明系统的制作方法

专利名称：使用多色发光源和漫射器元件的照明系统的制作方法
他頃々在*^业鹏:1*1坦64"股-//1*1^1啦口口玄祐
'UC7tJ夕d汰7Gi/尔4w汉:3'J "fifr夕ii'i丁口y;w"yj尔玩
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年12月20日提交的美国专利申请11/642089号的优 先权益。于此通过引用将该申请的内容全部并入。
背景技术：
包括具有发光二极管(LED)和共振腔LED(RCLED)的固态灯的固态 发光装置非常有用，因为潜在地，它们能够比传统的白炽灯和荧光灯提供 更低的制造成本和较长使用寿命。由于固态发光装置的工作(点亮)时间 长且功耗低，因此即使在它们的初始成本比传统灯的初始成本高的情况下， 这种固态发光装置往往也能提供实用的成本效益。因为可以使用大规模半 导体制造技术，所以能够以极低的成本来生产大量的固态灯。
除了在诸如家用和消费电器、视听装备、电信装置及汽车仪表标记上 的指示灯的应用外，LED已经在室内和室外信息显示中得到广泛的应用。
随着发射短波长(例如，蓝色或紫外(UV))辐射的高效LED的发展， 通过将LED原始发射的一部分下变频(即，荧光体变频)至更长波长从而 产生白光的LED的生产已经变得可行。将LED的原始发射变频至更长波长 通常被称为对原始发射的下变频。原始发射的未变频部分与更长波长的光 相合并以产生白光。
通过将荧光体层放置在用来填充反射器杯的环氧树脂中来获得LED芯 片原始发射的一部分的荧光体变频，所述反射器杯将所述LED芯片容纳在 LED灯中。荧光体以粉末的形式存在，在对环氧树脂进行固化之前将荧光 体与环氧树脂混合。然后将含有荧光体粉末的未固化环氧树脂浆液沉积到 LED芯片上并随后进行固化。
固化的环氧树脂中的荧光体颗粒通常随机地取向且散布在整个环氧树 脂中。由LED芯片发射的原始辐射的一部分穿过环氧树脂而没有撞击到荧 光体颗粒上，而由LED芯片发射的原始辐射的另一部分撞击到荧光体颗粒上，使得荧光体颗粒发射更长波长的辐射。原始短波长辐射和荧光体发射 的辐射合并产生白光。
荧光体变频白LED (pc-LED)技术领域的现状是在可见光谱区效率低。 单个pc-白LED的光输出比典型的家用白炽灯的光输出要低，典型的家用 白炽灯在可见光谱区的效率大约为10%。具有与典型白炽灯的功率密度相 当的光输出的LED装置需要更大的LED芯片或具有多个LED芯片的设计。 另外，必须弓I入直接能量吸收冷却以便处理LED装置自身中的温度升高。 更具体而言，在LED装置被加热至超过IO(TC时其效率变低，导致在可见 光谱区的下降折回。对于一些荧光体来说，在温度升高至大约90'C的阈值 以上时，其固有的荧光体变频效率急剧地降低。
公布的Wojnarowski等的美国专利6452217号涉及用于照明产品中的高 功率LED灯或多LED灯设计和从其去除热的源。其具有布置在多维阵列中 的LED裸片。每个LED裸片具有半导体层和用于产生白光的荧光体材料。 反射器收集和聚焦来自每个裸片的光以接近高功率LED灯。该专利的图12 示例了以成角度的光线路径发射光的多边阵列。该专利的图19示例了成角 度的LED灯头。
公布的Baretz等的美国专利6600175号和Baretz等提交的美国专利申 请公开2004/0016938号涉及产生白光的固态发光设备。该》38专利申请公 开是"75专利的继续。固态发光装置生成较短波长的辐射，其透射至用于 下变频的发光介质(luminophoric medium)以产生白光。在该专利的图2 和6中，LED和发光介质之间是隔离的关系。在图6中，例如，光从较短 波长辐射的固态装置82发射，较短波长辐射优选地在蓝色或紫外的波长范 围中。当以较短波长的辐射撞击发光介质卯时，该介质受到激发，并作为 响应发射具有在可见光谱的波长范围中的波长的辐射，产生感知为白色的 光。
公布的Mueller-Mach等的美国专利6630691涉及LED装置，该LED 装置包括荧光体变频衬底，该荧光体变频衬底将LED的发光结构发射的原 始光的部分变频为一个或多个波长的光，这些光与未变频的原始光合并产 生白光。如该专利的图1中所示，LED2设置于为荧光体的衬底10上。如 该专利的图2中所示，反射电极21设置于LED的表面上。LED发射的一些原始光撞击到反射电极21上，其将原始光反射回，穿过LED并穿过衬 底。传播至衬底中的一些原始光被变频为黄光，而一些没有被变频。当衬 底发射两种类型的光时，它们合并产生白光。反射电极的使用通过确保进 入衬底的原始光的量最大化而提高了 LED装置的效率。
Muller-Mach等提交的美国专利申请公开2002/0030444号，其也作为 Mueller-Mach等的美国专利6696703号公布，涉及薄膜荧光体变频LED结 构。该申请的图2示出了 LED结构2和LED 2的表面上的荧光体薄膜21。 LED生成撞击到荧光体膜21上的蓝光。 一些光通过荧光体21，而一些被 吸收并被变频为从荧光体21发射的黄光。蓝光和黄光合并形成白光。在该 申请的图3中，反射垫25在LED 2的表面上。来自LED2的光由反射垫 25反射回，穿过LED2并进入荧光体21。然后将光合并，如该专利的图2 中所示。该专利的图4使用两个荧光体膜31、 33，它们由衬底13与LED2 隔离。膜31发射红光。膜33发射绿光。LED2发射的蓝光通过膜31、 33， 它们与红光和绿光合并产生白光。在该申请的图5的实施例中，LED装置 50包括多个荧光体薄膜37和38。电介质反射镜36设置于薄膜37和衬底 13之间。电介质反射镜36对发光结构2的原始发射是完全透明的，但是在 荧光体薄膜37和38发射的波长处是高度反射的。
Okazaki提交的美国专利申请公开2002/0030060号涉及设置有紫外发 光元件和荧光体的白半导体发光装置。荧光体层具有蓝光发射荧光体和黄 光发射荧光体，相混地扩散。发光装置3在反射箱5内侧。在该申请的图2、 4和8中，荧光体层6形成为远离发光元件3。在该申请的图2中示出了形 成在密封部件7内侧的荧光体层6，密封部件7由半透明树脂形成。在该申 请的图4和8中，荧光体层形成在密封部件7的表面上。
Brukilacchio提交的美国专利申请公开2002/0218880号涉及LED白光 光学系统。如该申请的图1所示，光学系统100包括LED光源110、滤光 器120、反射器130、荧光体层135、集中器140、第一照明区150、第二照 明区170、以及散热器l卯。滤光器120包括反射的CCT范围和透射的CCT 范围。反射的CCT范围内的光能被禁止通过滤光器120(例如，经由反射)。 从荧光体层背面137进入滤光器正面121的在滤光器120的反射范围中的 光能被反射回荧光体层135中。滤光器120的透射的CCT范围中的光能透射穿过滤光器120并与反射器130相互作用。
反射器130是反射光学元件，其安置用于将从LED光源背面112发射 的光能反射回LED光源110中。光能与光学材料相互作用，并且光能的部 分离开LED正面111并与滤光器120相互作用。光能然后持续进入荧光体 层，由此对从荧光体层背面137发射的光能提供重复的叠縮圆形处理。此 重复处理捕获否则会损耗的光能。集中器140捕获荧光体层正面136发射 出的光能。
Mueller-Mach等提交的美国专利申请公开2002/0003233号，其也作为 Mueller-Mach等的美国专利6501102号公布，涉及LED装置，该LED装置 基本上对LED装置的发光结构发射的所有原始辐射执行荧光体变频，以产 生白光。LED装置包括至少一个荧光体变频元件，该元件设置用于接收和 吸收发光结构发射的基本所有原始光。荧光体变频元件发射第二和第三波 长的次级光，这些光合并产生白光。 一些实施例使用发光结构的表面上的 反射电极，而一些则不使用。在使用反射电极21的实施例中(该申请的图 2、 3、 6、 7)，衬底将发光结构与荧光体层隔开。即，发光结构在衬底的一 侧上，而荧光体层在衬底的另一侧上。在不使用反射电极的实施例中(该 申请的图4、 5)，荧光体层设置于发光结构的表面上。
公布的Mueller等的美国专利6686691号涉及用于产生白光的三色灯。 该灯采用蓝LED以及红色和绿色荧光体的混合物来产生白光。如图3中所 示，灯20包括LED22，其安置于反射器杯28中。LED22以由线26表示 的图案发射光，且荧光体混合物24安置于图案中。可以看到，LED 22发 射的一些未吸收的光从反射器杯28的壁反射回到荧光体混合物24中。如 果光被反射到先前未由初始光图案覆盖的空间中，则反射器杯28可以更改 光图案26。反射器杯的壁可以是抛物面形状的。
公布的Soules等的美国专利6252254号和6580097号涉及涂有荧光体 的LED或激光二极管。、097专利是、254专利的分案。更具体地，该专利公 开了覆盖有含有荧光体的涂层的蓝色发射LED。含有荧光体的涂层含有绿 色发射荧光体和红色发射荧光体。绿色和红色荧光体可由蓝色发射LED激 发。
公布的Marshall等的美国专利6513949号、公布的Marshall等的美国专利6692136号、以及Marshall等提交的美国专利申请公开2002/0067773 号涉及LED/荧光体/LED混合照明系统。'136专利是'949专利的继续。'773 专利申请作为、136专利公布。如图1A中所示，LED10包括LED芯片，该 LED芯片安装于填充有透明环氧树脂13的反射器12或反射金属盘中。图 IB示意性地描绘典型的荧光体LED 14,除了填充反射器16的环氧树脂18 含有均匀混合于其中的一或多种类型的发光荧光体材料的粒子19外，其基 本与图1A的LED的构造相同。荧光体粒子19将LED芯片15发射的光的 部分变频为不同光谱波长的光。通过改变荧光体-LED的LED和/或荧光体 的颜色和数量，该系统容许处理和优化不同的照明系统性能参数，这些参 数被认为是重要的。
公布的Mudler-Mach等的美国专利6603258涉及发光二极管设备，该 设备通过合并原始蓝绿光和荧光体变频的微红光来产生白光。LED安装于 反射器杯内，反射器杯填充有荧光体变频树脂。LED发射的原始辐射撞击 到荧光休变频树脂上。撞击到树脂上的原始辐射的部分变频为微红光。原 始辐射的未变频的部分通过树脂并与微红光合并而产生白光。
公布的Srivastava等的美国专利6616862号涉及与铕和锰离子共激活的 卤磷酸盐(halophosphate)发光材料。该专利的图3公开了安装于杯120 中的LED,杯120具有邻近于LED的反射表面140。该实施例包括透明箱 160，其中散布有荧光体颗粒200。替代地，可以作为LED表面的涂层施加 与粘合物混合的荧光体。合并LED发射的蓝光的未由荧光体吸收的部分和 荧光体发射的宽光谱光以提供白光源。
公布的Shimazu等的美国专利6069440号、6614179号、以及6608332 号涉及包括荧光体的发光装置，该荧光体将发光元件发射的光的波长变频 并发射光。这些专利还公开了显示装置，该显示装置使用以矩阵布置的多 个发光设备。这些专利是相关的，因为它们源于相同的原申请。
公布的Ishii等的美国专利6580224号涉及彩色液晶显示装置的背光、 彩色液晶显示装置、以及用于彩色液晶显示装置的背光的电致发光元件。
Schlereth等提交的美国专利申请公开2002/0167014号，其也作为 Schlereth等的美国专利6734467号公开，涉及具有基于GaN或InGaN的半 导体LED的LED白光源，半导体LED至少部分由透明材料制成的封装围绕。透明材料含有变频器物质，用于LED发射的光的至少部分波长的变频。 LED具有多个发光区，通过这些发光区，生成了能量在变频器物质的发射 光谱之上的相对宽带的光发射光谱。
Yamada K.、 YJmai、以及K Ishii的题目为"Optical simulation of light source devices composed of blue LEDs and YAG phosphor "的发表在Journal of Light and Visual Environment 27(2): 70-74(2003)上的公开公开了使用从荧光 体反射的光作为从由LED和荧光体构成的光源获得高输出的有效方法。

发明内容
一种发光设备包括用于发射多色辐射的辐射源。漫射器材料接收辐射 源发射的多色辐射的至少部分并将该多色辐射变频为前向传输辐射和后向 传输辐射。光学装置耦合至漫射器材料，并适于接收后向传输辐射以及从 光学装置提取后向传输辐射的至少一部分。


当结合附图阅读时，可以从以下详细描述对本发明得到最好的理解。 应当强调，根据通常的实践，附图的各个特征不是按比例的。相反，为了 清楚，任意放大或减小了各个特征的尺寸。附图中包括以下图
图1是相对输出与波长关系的曲线图，其示出一种类型的荧光体 (YAG:Ce)的光的反射和透射光谱分布；
图2是根据本发明的范例实施例的使用固态发射器和下变频材料的高 效光源；
图2A是使用多色发光源和下变频材料的高效光源的替代实施例；
图2B是图2A中所示的高效光源的底部的横截面视图3是图2中所示的高效光源的底部的横截面视图;
图4示例根据本发明的另一范例实施例的使用多个固态发射器和下变 频材料的另一高效光源；
图5A是根据本发明的另一范例实施例的使用固态发射器和下变频材 料的高效光源的另一实施例；
图5B是图5A中所示的高效光源的横截面视图；图6是根据本发明的范例实施例的使用固态发射器和下变频材料的另 一高效光源的示例；
图7描绘围绕图6中所示的高效光源的反射器，该反射器用于重引导 从光源发射的光线；
图7A示例使用多色发光源的本发明的另一范例实施例；
图7B示例根据本发明的范例实施例的散布于下变频材料层中的下变 频材料；
图7C示例根据本发明的替代实施例的散布于下变频材料层中的下变 频材料；
图7D示例根据本发明的另一替代实施例的散布于下变频材料层中的 下变频材料；
图8A至8E示例根据本发明的不同范例实施例的紧邻范例发光源之上 设置的光学元件或光学透镜的各种几何形状；
图8F和8G示例反射器和光学装置的其它实施例；
图9A示例根据本发明的范例实施例的具有使用固态发射器和放置在 用于重引导来自光源的光线的光导管上的下变频材料的多个高效光源的装 置；
图9B是图9A中所示的装置的横截面视图9C示例图9A中所示的可以包括多色发光源的装置的另一替代实施 例的横截面视图10A是根据本发明的范例实施例的具有使用固态发射器和围绕用于 重引导来自光源的光线的光导管的边缘设置的下变频材料的多个高效光源 的另一装置的示例；
图10B是图10A中所示的装置的横截面视图ll是根据本发明的范例实施例的另一高效光源的示例，该光源布置 成由反射器和高效微透镜漫射器围绕；
图IIA是可以包括多色发光源的图11中示例的实施例的替代实施例的 示例；
图12是根据本发明的范例实施例的将辐射引导朝向下变频材料和反射 器的另一高效光源的示例，其中下变频材料设置于高效光源和反射器之间；图12A是可以包括多色发光源的图12中示例的实施例的替代实施例的 示例；
图13是描绘根据本发明的范例实施例的通过光学元件辐射朝向下变频 材料的光的高功率光发射器的示意图14是是示例在来自短波长LED芯片的范例辐射光线撞击到下变频 材料层上时可以得到的范例辐射光线的图示。
具体实施例方式
虽然于此参照具体实施例示例和描述了本发明，但是不意味着本发明 限于所示的细节。相反，可以在权利要求的等同物的范围内且不脱离本发 明在细节中作出各种更改。
图14是示例在来自短波长LED芯片2002的范例辐射光线2000撞击 到下变频材料层2004上时可以得到的范例辐射光线的图示，所述下变频材 料层可以是荧光体层。来自诸如LED芯片2002的短波长源的范例短波长 辐射2000撞击到下变频材料层2004上可以产生具有四个分量的辐射由 下变频材料层2004反射的后向传输短波长辐射2006;透射穿过下变频材料 层2004的前向传输短波长辐射2008;透射穿过下变频材料2004的前向传 输下变频辐射2010;以及从下变频材料2004反射的后向传输下变频辐射 2012。可以将这四个分量合并以产生白光。
所述四个分量中的两个2010和2012可以各由两个子分量构成。前向 传输下变频辐射的一个子分量可以是发射的辐射2014;即波长比撞击到 下变频材料层2004上的短波长辐射的波长更长的下变频辐射。前向传输下 变频辐射的发射的辐射子分量2014可以由撞击到下变频材料2004的颗粒 上的短波长辐射2000透射穿过下变频材料2004时来产生。前向传输下变 频辐射的第二子分量可以是前向散射皿的辐射2016;即波长比撞击到 下变频材料层2004上的短波长辐射2000的波长更长的其它下变频辐射。 前向传输下变频辐射2010的前向散射发射的辐射子分量2016可以通过撞 击到下变频材料2004的颗粒上且还在透射穿过下变频材料2004之前在下 变频材料2004的颗粒上来回弹射的短波长辐射2000来产生。
后向传输下变频辐射2012的一个子分量可以是发射的辐射2020;艮卩波长比撞击到下变频材料层2004上的短波长辐射2000的波长更长的下变 频辐射。后向传输下变频辐射2012的发射的辐射子分量2018可以由撞击 到下变频材料2004的颗粒上的短波长辐射2000从下变频材料2004反射时 产生。后向传输下变频辐射2012的第二子分量可以是后向散射发射的辐射 2020;艮P:波长比撞击到下变频材料层2004上的短波长辐射2000的波长 更长的其它下变频辐射。后向传输下变频辐射2012的后向散射发射的辐射 子分量2020可以通过撞击到下变频材料2004的颗粒上且还在从下变频材 料2004反射之前在下变频材料2004的颗粒上来回弹射的短波长辐射2000 来产生。
可以通过将如上所讨论的各个分量合并来产生白光。在前向传输方向 上(即针对透射穿过下变频材料层的辐射2008、 2014、 2016、 2010的辐 射)，可以通过将前向传输短波长辐射2008与前向传输下变频辐射2010的 子分量2014、 2016中的一个或者两个合并来产生白光。也就是说，可以通 过将前向传输短波长光2008与透射发射的辐射2014和/或与透射前向散射 发射的辐射2016合并来在前向传输的方向上产生白光。
在后向传输方向上(即针对从下变频材料层反射的辐射2006、 2018、 2020、 2012)，可以通过将后向传输短波长辐射2006与后向传输下变频辐 射2012的子分量2018、 2020中的一个或者两个合并来产生白光。也就是 说，可以通过将后向传输短波长光2006与反射发射的辐射2018和/或与反 射后向散射发射的辐射2020合并来在后向传输的方向上产生白光。
前向传输短波长辐射2008的波长可以与由诸如LED芯片2002的辐射 源发射的辐射2000的波长大致相同。后向传输短波长辐射2006的波长可 以与辐射源2002发射的辐射2000的波长大致相同。前向传输短波长辐射 2008的波长可以与后向传输短波长辐射2006的波长大致相同。在示范性实 施例中，辐射源2002可以发射波长小于550nm的辐射，更具体地波长在大 约200nm至小于550nm的范围以内。因此，前向传输短波长辐射2008的 波长和后向传输短波长辐射2006的波长可以小于550nm，更具体地波长在 大约200nm至小于550nm的范围中。
前向传输下变频辐射2010 (包括其子分量2014、 2016)的波长和后向 传输下变频辐射2012 (包括其子分量2018、 2020)的波长可以是波长比下变频材料2004的激发光谱更长的任意波长。在示范性实施例中，下变频材 料2004的激发光谱可以在大约300nrn至大约550nm的范围中。在替代实 施例中，可以使用具有除大约300nm至大约550nm的范围之外的激发光谱 的其它下变频材料。所述下变频材料2004的激发光谱产生的辐射的波长比 由短波长辐射源2002产生的辐射的波长更长。在范例实施例中，下变频材 料2004可以产生从大约490nm至大约750nm的范围中的辐射。
然而，如果LED芯片2002不发射短波长辐射，或者如果LED芯片发 射的辐射的波长大于下变频材料的激发光谱，则下变频材料层2004如漫射 器元件那样起作用。因此，下变频材料2004仅可以产生两个分量透射穿 过下变频材料2004的前向传输辐射2008，以及从下变频材料2004反射的 后向传输辐射2006。
发明人已经发现在将下变频荧光体靠近LED裸片放置时将对荧光体变 频LED的性能产生负面影响。性能差主要是由下列事实引起包围裸片的 荧光体介质表现得像是各向同性发射器，且朝向裸片的后向传输辐射的一 些部分在荧光体层、裸片以及反射器杯之间传播。结果，后向传输辐射使 得结温升高，因此，降低了系统的效率且增加了密封物的发黄。所有这些 因素将引起光输出随着时间降低。
文献表明撞击到荧光体层上的光的60%将后向传输，这将对所描述的 影响起作用(Yamada,等2003)。八个YAG: Ce荧光体盘的实验室测量证 明在蓝LED源的方向上接近60。/。的辐射能量后向传输。在其它因素中，反 射的辐射能量的绝对大小取决于荧光体涂层的密度。图1示出具有YAG:Ce 荧光体盘的蓝LED的测得的反射光谱功率分布2。图1还示出相同布置的 测得的透射光谱功率分布4。如所示，大部分光反射回而没有向前透射。
预计在RCLED中该影响的幅度更大，这是因为其光输出更加准直。因 此，封装尝试捕获透射的、发射的以及反射的分量以便提高系统效率。另 外，发明人已经创建了容许将荧光体层从裸片移开的封装，防止辐射反馈 至LED和RCLED中。结果，通过容许更多反射的和由荧光体层发射的辐 射从装置出射，所述封装增加了装置的效率。同时，来自RCLED的辐射均 匀地撞击到荧光体层上，以便获得均匀的白光源。另外，提高了 LED和 RCLED的寿命。在将荧光体放置成邻近裸片的常规荧光体变频白LED中，超过65%的 由荧光体产生的光后向散射且损耗在LED封装中。基于这些发现，已经发 展了一种称为光子散射萃取TM (SPETM)的技术。在2005年5月5日提交 且在2005年11月17日以WO 2005/107420 A2公开的待审国际申请 PCT/US2005/015736号中公开了该技术的方面。
为了增加荧光体变频白LED (pc-LED)的光输出且实现更高的发光功 效，将下变频材料(例如，荧光体或者量子点)移动至远处位置且将适当 剪裁的光学装置放置在LED芯片和下变频材料层之间。接着，能够提取后 向传输的光以提高总的光输出和功效。通过提取荧光体发射的和后向散射 的反射的辐射，该技术显著地提高了 pc白LED的总的光输出和发光功效， 其中反射的短波长辐射否则将损耗掉。
图2和3示例使用SPEW概念的本发明的第一范例实施例。图2示例 根据本发明的范例实施例的使用固态发射器和下变频材料的高效光源。
此实施例具有分布光学器件，光透射的、外壳光学器件10，其具有圆 柱几何形状。如所示，外壳光学器件10包括嵌入分布光学器件的中部中的 荧光体层12。此配置有效地将分布光学器件分开成两个基本相等的块，或 部分。即，荧光体层可以是基本平行于圆柱光学器件10的纵轴的条。
在一个范例实施例中，荧光体层12可以是YAG:Ce荧光体层。在替代 范例实施例中，荧光体层可以包括其它荧光体、量子点、量子点晶体、量 子点纳米晶体或其它下变频材料。应当理解，本发明的其它实施例可以包 括类似于荧光体层12的荧光体层。然而，与图2中所示的嵌入的荧光体层 不同，其它实施例可以具有非嵌入的荧光体层。^k外，荧光体不必具有均 匀的厚度，相反，其可以具有不同的厚度，或这由不同的荧光体混合物构 成以产生更均匀的颜色输出。
一或多个LED或RCLED可以放置在圆柱光学器件内侧标记为14的底 部处。在替代实施例中， 一或多个LED/RCLED放置在圆柱光学器件的底 部处以外的位置。
短波长辐射16是从LED/RCLED发射的。短波长辐射在250nm至 500nm的范围中。因为荧光体层12基本在圆柱光学器件的中间，所以来自 LED/RCLED的短波长辐射使得短波长辐射从圆柱光学器件的任一侧撞击到荧光体层12上。短波长辐射撞击到荧光体层12上可以产生四个分量的 辐射短波长辐射18，从荧光体层12后向传输；短波长福射20，前向传 输穿过荧光体层12;下变频辐射22，从荧光体层12后向传输；以及下变 频辐射24，前向传输穿过荧光体层12。此四个分量在荧光体层12两侧产 生，它们合并并产生白光26。通过使用圆柱光学器件10的光透射性质，可 以提取从荧光体层12后向传输的短波长辐射和从荧光体层12后向传输的 下变频辐射。因此，显著提高了荧光体变频白LED装置的整个光输出和功 效。
作为范例，可以使用Opto Technology生产的高通量蓝(470nm)发光 体LED (Shark系列)发射器。荧光体层12的密度可以在4-8mg/cm2的范 围中(也可以设想其它密度)，圆柱光学器件10的长度可以在2至4英寸 的范围中，且圆柱光学器件的直径可以为约0.5英寸。作为另一范例，通过 改变荧光体层的密度、圆柱光学器件的长度和直径，可以获得不同的封装 效率和均匀性。当圆柱光学器件为2.25英寸长时，可以获得沿圆柱光学器 件的圆周的光的更好的效率和均匀性。
图2中所示的实施例可以由从满圆丙烯酸杆切割并被抛光的半圆丙烯 酸杆段形成。荧光体可以与光学透明的环氧树脂混合，并然后在每个杆段 平的表面上均匀展开。然后可以将杆段粘合到一起并放入烤箱以固化环氧 树脂。
发现2.25英寸的光学元件(圆柱光学器件)的总的发射损耗约为16%。 所述损耗包括反射回LED的6。/。的光、7%的菲涅耳损耗、以及归因于安 装硬件的3%的不可挽回的损耗。
所述损耗的约一半归因于菲涅耳损耗，菲涅耳损耗发生在具有不同折 射率的介质之间的边界处。通过在LED/RCLED和圆柱光学器件之间使用 耦合机构可以减小菲涅耳损耗。另外，通过在LED/RCLED上使用抗反射 涂层以防止光反射回LED/RCLED，可以挽回损耗。
图3是圆柱光学器件的标记为14的底部处的横截面视图。如所示，圆 柱光学器件10包括两个半圆丙烯酸杆段14a和14b。荧光体层12夹置于丙 烯酸杆段14a和丙烯酸杆段14b之间。每个丙烯酸杆段包括短波长辐射发 射源17和19。短波长辐射发射源17和19各可以是半导体短波长辐射发射二极管，诸如发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、或共振腔LED (RCLED)。应当理解， 一个或两个以上发光源可以包括在底面部分14中。 同样，可以存在设置于丙烯酸杆段14a内的多个光发射器的阵列和设置于 丙烯酸杆段14b内的多个光发射器的另一阵列。这些阵列可以以类似于光 源17和19的方式相对于彼此对称地排列，光源17和19示为在图3的荧 光体层12附近对称地设置。
图2A和2B示例本发明的另一实施例，其具有分布光学器件，光透射 外壳10。图2A是使用多色发光源和下变频材料的高效光源的替代实施例。 图2B是图2A中所示的高效光源的底部的横截面视图。
在一范例实施例中，下变频材料12可以夹置于两个漫射器层20和22 之间。这些图中示例的实施例也使用SPETM技术。在此实施例中，并且在 于此公开的所有实施例中，下变频材料12可以包括一或多个荧光体，诸如 是YAG:Ce; YAG:Ce荧光体加Eu荧光体；YAG:Ce荧光体加硒化镉(CdSe); 或由包括铅(Pb)和硅(Si)的其它材料产生的其它类型的量子点；以及在 2006年6月20日提交的共同待决的PCT申请(代理人备案RPI-143WO) 中标识的其它荧光体。在其它替代实施例中，荧光体层可以包括其它荧光 体、量子点、量子点晶体、量子点纳米晶体、或其它下变频材料。在任何 实施例或替代实施例中，下变频区可以是下变频晶体，而不是混合到粘结 介质中的粉末材料。
漫射器层20、 22的其中之一或二者可以是微透镜层或扩散在聚合物或 其它材料中的微米或纳米散射颗粒，所述颗粒具有针对前向传输和后向传 输辐射的束控制的特性。荧光体层12和漫射器层20和22可以嵌入于分布 光学器件10的中部，好像将分布光学器件IO分成基本相等的两块或部分。 即，荧光体层12和漫射器层20、 22可以基本平行于分布光学器件10的纵 轴。在替代实施例中，荧光体层12或漫射器层20、 22都不必是嵌入的。 在范例实施例中，荧光体层12可以粘结至漫射器层20、 22。在替代实施例 中，荧光体层12不必粘结至漫射器层20、 22。
荧光体层12和漫射器层20、 22不必具有图2A和2B中所示例的矩形 形状。在替代实施例中，漫射器层20、 22可以是曲线的、圆的、方形的、 三角形的、或其它形状。另外，它们的形状可以沿分布光学器件10的纵轴发生改变。此外，荧光体层12和漫射器层20、 22的相应大小(相应的长 度或宽度)不必相同。例如，荧光体层12的长度或宽度可以与漫射器层20、 22的其中之一或二者不同。
在另一替代实施例中，单个漫射器层可以设置于两个荧光体层之间。 在另一替代实施例中，漫射器层可以设置于分布光学器件中，而无任何荧 光体层。
辐射源24可以包括多个可以发射多色辐射的发光源。即，多个发光源
中的每一个可以呈现与其它发光源中的至少之一的光谱不同的光谱。发光 源24中的每一个可以是一个或多个LED、或一个或多个LD(激光二极管)、
或一个或多个RCLED。任何于此描述的实施例可以是这些类型的二极管中 的一个或多个。所述多个多色发光源24可以安装于板或衬底14上，使得 当分布光学器件10安装于板14上时，LED 24设置于分布光学器件10的 边界之内。即，多色LED24可以放置在板14上，使得当分布光学器件IO 的底安装于板14上时，所述多色LED 24在分布光学器件10内侧。
在此范例实施例中，并且在此申请公开的所有实施例中，LED24中的 单个LED可以呈现红色、绿色以及蓝色中的一个或多个颜色。例如，如果 此实施例中使用三个LED， 一个LED可以发射红光，第二LED可以发射 绿光，而第三LED可以发射蓝光。即，每个LED (有时称作芯片)可以产 生其自己相应的窄的辐射带，或可以产生窄的輻射带和宽的辐射带。在替 代实施例中， 一个或多个LED可以显示除红绿色、绿色、或蓝色以外的颜 色。虽然图2A和2B示例三个LED，但是替代实施例可以使用更少或更多 的LED。另外，放置在荧光体层12的每个侧面上的LED的数量可以相同 或不同。装置的所有实施例可以混合多个光谱以产生白光或可以产生具有 均匀照明和颜色的各种颜色深浅而不会减小总的发光效率。
任何实施例中的LED可以显示的颜色可以取决于装置的使用。在一些 实施例中，可以使用多个颜色。在其它实施例中，可以仅使用两个颜色。 在一些实施例中， 一个以上的LED可以发射特定的颜色。即使多色发光源 24能够发射多个颜色，在每个实施例中也不必发射所有的颜色。相反，在 特定实施例中可以仅发射一些颜色或可以以本领域技术人员所知的方式更 改特定颜色的色彩。发射不同颜色的LED的使用和可以更改一个或多个颜色的色彩的技术的使用可以使得人们基于用户的需要动态地改变发射的颜 色。
如图2B中所示例，多色发光源24中的一些可以邻近荧光体层12的第 一侧面12A放置，而其它多色LED 24可以邻近荧光体层12的第二侧面12B 放置。多色发光源24中的每一个可以放置在一个或多个距荧光体层12预 定的距离处。
在图2A和2B的替代实施例中，多色辐射发射源24可以放置在板14 上以外的位置，或可以放置在分布光学器件10的底部处以外的位置。在另 一替代实施例中，多色LED可以邻近分布光学器件10的两端15、 16放置。 在另一替代实施例中，可以使用荧光体层12，而没有一个或多个漫射器层 20、 22，或可以使用一个或多个漫射器层20、 22，而没有荧光体层12。
图4示例使用SPETM技术的本发明的另一范例实施例。其示例可以使 用多个固态发射器和下变频材料的另一高效光源。此实施例可以用于需要 普通环境照明的内部空间中。如所示，所述装置包括荧光体盘50 (例如 YAG:Ce或其它荧光体，如先前所列举的)。所述装置还包括形成阵列的多 个半导体短波长辐射发射二极管56，阵列诸如是LED/RCLED阵列52。阵 列52安装于可以是铝材料的衬底54上。在范例实施例中，衬底54可以是 圆形的。在图4中所示例的范例配置中，LED/RCLED以彼此隔离的关系排 列并且围绕圆形衬底放置。
短波长辐射发射二极管的阵列放置在衬底上，使得二极管的辐射发射 表面面向荧光体层的盘50。以此方式，二极管56朝向荧光体层的盘50发 射短波长辐射。随着短波长辐射撞击到荧光体层的盘上，可以产生以上讨 论的四个分量短波长后向传输辐射和后向传输下变频辐射60;以及短波 长前向传输辐射和前向传输下变频辐射64。短波长后向传输辐射和后向传 输下变频辐射60产生白光62。前向传输短波长辐射和前向传输下变频辐射 64产生白光66。
图5A和5B示例使用SPEW技术的本发明的另一范例实施例。其是使 用固态发射器和下变频材料的高效光源的另一实施例。图5B是图5A中所 示的高效光源的横截面视图。如所示，装置500包括杯502，并且一个或多 个光发射器501设置于杯502内在杯502的基底处。还包括荧光体层503和504。荧光体层504设置于光发射器501的基底的相对端，且在杯502的 壁的基本中心处。荧光体层503沉积于杯502的壁的内侧上。图5A和5B 所示的实施例可以用于需要普通环境照明的内部空间中。
装置500包括杯502,杯500可以是透明杯，其具有发射短波长辐射、 以阵列排列的一个LED/RCLED或多个LED/RCLED。杯包括粘结至杯502 的内侧透明壁的一个荧光体层503。另一荧光体层504可以仅粘结在杯的中 心区域处。因此，大多数后向传输短波长辐射和后向传输下变频辐射可以 从前表面的透明部分直接离开。在此实施例中，来自LED/RCLED的发射 光的窄束是优选的，以最小化来自LED/RCLED的直接离开前表面的透明 部分而没有撞击到荧光体层上的短波长辐射。杯可以由玻璃或丙烯酸制成。
杯502的内侧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内的内侧部分之间夹置荧光体层503。荧光体层504也可以茅占结 至玻璃或丙烯酸材料的外部表面上。在替代实施例中，荧光体材料504可 以放置在玻璃或丙烯酸材料内，其方式类似于如图2和3所示的对夹置于 两个半圆丙烯酸杆之间的荧光体层描述的方式。
图6示例使用SPETM技术的本发明的另一范例实施例。其示例使用固 态发射器和下变频材料的另一高效光源。其示例利用与短波长辐射发射器 相隔较远的下变频材料的光学装置。下变频材料可以是荧光体。如所示， 装置600包括通过光学装置606与荧光体层604隔离的短波长辐射发射器 602，光学装置可以由基本光透射的基本透明的介质制成。在范例实施例中， 基本透明的介质可以是空气。在替代实施例中，基本透明的介质可以是玻 璃或丙烯酸。荧光体(或量子点)层604可以安装或沉积于具有基本透明 和基本光透射的壁610和612的光学装置606的部分上。荧光体(或量子 点)层604可以包括附加的散射颗粒(诸如微球)以改善不同波长的混光。 还有，荧光体(或量子点)层604可以是单个荧光体(或量子点)或多个 荧光体(或量子点)，以产生可以在数个不同光谱区中的不同的有色下变频 辐射。替代地，可以在下变频材料层之上、或之下、或之上和之下仅放置 具有散射颗粒的层，以改善颜色混合。
在范例实施例中，上面沉积有荧光体层604的光学装置606的部分可 以是光学装置606的端部618。辐射发射器602可以位于光学装置606的另一部分处。在范例实施例中，辐射发射器602可以位于光学装置606的另 一端部620处。如果光学装置606具有圆形横截面，则光学装置606的每 个壁610和612可以是连续壁。
短波长辐射发射器602可以位于壁610和612之间。短波长辐射发射 器602和光学装置606都可以安置于基底603上。辐射光线614可以包括 透射穿过荧光体层604的辐射，所述辐射包括透射穿过荧光体层604的前 向传输短波长附设和透射穿过荧光体层604的前向下变频辐射。
范例辐射光线615可以包括后向传输短波长辐射和可以由荧光体层604 发射和/或散射回的后向传输下变频反射辐射。辐射光线616可以包括荧光 体层604散射回的辐射。辐射光线616可以包括辐射光线615，辐射光线 615可以透射穿过基本透明、基本光透射的壁610和612。虽然范例箭头615 示出了后向传输辐射在侧壁610和612的中间附近传输，但是应当理解， 后向传输辐射可以在沿侧壁610和612的多个位置处传输穿过侧壁610和 612。光学装置606夕刚的辐射的传输可以称作光的提取。因此，辐射光线 615和辐射光线616均可以包括从荧光体层604反射的短波长辐射和可以从 荧光体层604发射和/或散射的下变频反射辐射。辐射光线616也可以包括 来自辐射发射器602的辐射。在范例实施例中，辐射光线615和/或616中 的一些或所有辐射光线可以视为可见光。
因为光学装置606可以配置和设计成具有基本透明、基本光透射的壁 610和612，以提取从光学装置606的内侧至光学器件606的外侧的辐射， 所以可以发生穿过侧壁610和612至光学装置外部的辐射的传输(提取)。 另外，光学装置606的各个宽度可以改变，以从光学装置606提取出期望 量的辐射。可以改变的宽度是端部618处的宽度和端部620处的宽度。类 似地，可以改变光学装置的端部618和端部620之间的宽度。光学装置606 的端部618和620之间的各个宽度可以受到壁610和612的影响，所述壁 是基本直的、弯曲的、或既有直的部分又有弯曲的部分。
可以依赖于使用光学装置606的应用来改变以上讨论的光学装置606 的特征的尺寸。可以通过使用光线追迹原理和全内反射(TIR)原理来改变 和设定光学装置606的特征的尺寸。当应用TIR原理时，离开壁610和612 的其中之一或二者的辐射的反射率可以超过99.9% 。TIR原理可以应用于此申请中公开的所有实施例。
在光学装置606的一个实施例中，例如，可以设定光学装置606的尺 寸，以最大化来自辐射源602的进入光学装置606的辐射的量。在另一实 施例中，可以设定光学装置606的尺寸，以最大化来自辐射源602的撞击 到下变频材料604上的辐射的量。在另一实施例中，可以设定光学装置606 的尺寸，以最大化从下变频材料604后向传输的辐射的量。在另一实施例 中，可以设定光学装置606的尺寸，以最大化穿过壁610和612提取的辐 射的量。在另一实施例中，可以设定光学装置606的尺寸，以提供一装置， 所述装置在可能的程度上同时最大化以上讨论的每个辐射特征进入光学 装置606的辐射的量；撞击到下变频材料604上的辐射的量；从下变频材 料604后向传输的辐射的量；以及穿过壁610和612提取的辐射的量。在 另一实施例中，可以设定光学装置606的尺寸，使得不最大化以上讨论的 任何特征或不是所有特征都被最大化。可以使用光线追迹原理和TIR原理 以实施这些实施例中的任何实施例。
针对图6中示例的实施例讨论的原理也适用于于此示例和讨论的所有 实施例。
如以上指出的，辐射源602可以是LED、 RCLED、或激光二极管(LD)。 如果使用LD作为辐射源602,则来自LD的所有辐射可以指向并撞击到下 变频层604上。因此，当使用LD时，光学装置606的形状可以是圆柱形状， 因为基本没有后向传输辐射可以弹射回朝向LD，并且可以穿过圆柱的侧面 提取基本所有的后向传输辐射。
图7示例使用SPEW技术的本发明的另一范例实施例。图7描绘至少 部分围绕图6中所示的高效光源的反射器，所述反射器用于重引导从光源 发射的光线。如所示，装置700包括设置于反射器702内的装置600。为示 例目的，反射器702具有抛物面几何形状。本发明不限于此，因为反射器 702可以具有其它几何形状，诸如锥面、球面、双曲线、椭圆、角锥，或例 如可以是盒形的。装置700的优点可以包括对束输出分布的更好的控制和 颜色的更均匀的输出。无论何时在于此公开的任何实施例中示例反射器， 所述反射器的形状可以是这些形状中的任何形状。
衬底603可以用于安装短波长辐射发射源(602)、光学器件606的一个端部、以及反射器702的一个端部，如图6和7中所示。
光线616可以撞击到反射器702上，反射器702可以将光线616作为 光线714向前重引导。有利地，通常期望光线714的方向与可以透射穿过 荧光体层的辐射光线的方向相同。因此，装置700的总的光输出可以是透 射穿过荧光体层的辐射和光线714的组合。如在图6中示例的实施例的讨 论中所指出的，TIR原理也可以应用于图7中示例的实施例。从光学装置 606离开的光可以由反射器702捕获。由反射器702捕获的一些光可以由反 射器702在总体由箭头714表示的方向上重引导，并且一些光线可以被重 引导回到光学装置606中。于此描述的TIR原理与反射器的使用组合的效 果可以适用于此申请中示例的使用反射器的所有实施例。
类似于本发明的其它实施例，短波长辐射发射源602可以是一个或多 个半导体短波长辐射发射二极管，诸如LED、 LD或RCLED。短波长辐射 发射二极管可以安装于二极管阵列中，类似于图4中作为阵列52描绘的光 源阵列。另外，荧光体层604可以类似于图4中描绘的荧光体层50。
图7A示例使用SPEW技术的本发明的另一范例实施例。图7A中示例 的范例实施例使用多色辐射发射源。如所示，装置710包括设置于反射器 702内的光学装置704。光学装置704可以具有基本透明的壁707和708。 下变频材料层706和漫射器层705可以安装或沉积于光学装置704的部分 上，所述部分可以是光学装置704的端部714。反射器702可以用于控制装 置701的输出束分布以及用于从装置710获得均匀的颜色输出。光学装置 704和反射器702均可以安装于衬底703上。衬底703可以提供用于光源的 电连接和/或热耗散。在替代实施例中，可以使用光学装置704而没有反射 器702。
图7A中示例的实施例可以具有多色辐射发射源701。多色辐射发射源 701的性质可以与此申请中其它地方针对此发明的其它实施例描述的相同。 多色辐射发射源701可以位于光学装置704的部分上，所述部分可以是光 学装置704的端部712。如所述，下变频材料层706和漫射器层705可以位 于光学装置704的另一端部714处。下变频材料层706的特性、漫射器层 705的特性、以及包括下变频材料层706和漫射器层705的层的数量可以与 此申请中其它地方针对此发明的其它实施例描述的相同。如此申请中其它地方描述的，例如，下变频材料层706可以是荧光体层。光学装置704可 以是基本透明的介质或此申请中其它地方针对此发明的其它实施例描述的 其它介质。例如，光学装置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。
本领域技术人员应当理解，荧光体层706也可以以与漫射器层通过给 光提供均匀性来影响光相同的方式影响光。即，荧光体层706也可以用作 漫射器。附加的漫射器层705因此可以使得光比仅使用荧光体层706时的 光更均匀。在其它实施例中，能够转换荧光体层706和漫射器层705的位 置。即，荧光体层706可以位于光学装置704的顶部上，而漫射器层705 可以位于荧光体层706的顶部上。在另一实施例中，可以使用荧光体层706 而没有漫射器层705。在另一实施例中，可以使用漫射器层705而没有荧光 体层706。不管是否单独使用荧光体、单独使用漫射器、或同时一起使用荧 光体和漫射器，使用它们的其中之一或二者目的可以是给可以由辐射发射 源701发射的光和任何颜色提供均匀性。
图7B-7D示例图7A中示例的实施例中使用的和与于此示例的所有其 它实施例一起使用的散布下变频材料706的不同方式。如图7B中示例的， 诸如荧光体的下变频材料可以均匀散布于下变频材料层706内。
如图7C中示例的，下变频材料层706可以包括多个下变频材料。取决 于距下变频材料层的中心的距离，多个下变频材料中的每一个可以具有不 同的下变频材料密度。例如，下变频材料层706可以具有四段，每个段具 有不同的密度。具有第一下变频材料密度的第一下变频材料段706A可以在 下变频材料层706的中心处。具有第二下变频材料密度的第二下变频材料 段706B可以围绕第一下变频材料段706A。具有第三下变频材料密度的第 三下变频材料段706C可以围绕第二下变频材料段706B。具有第四下变频 材料密度的第四下变频材料段706D可以围绕第三下变频材料段706C。虽 然每个前述下变频材料段示为具有圆形形状，但是每个段可以各具有不同 形状。例如，它们能够是方形形状、三角形形状、或其它多边形形状、或 多边形以外的任何形状。另外，可以使用更多或更少的下变频材料段。
图7D中示例了散布下变频材料的不同方式。如图7D中所示，下变频 材料的眼镜(specs)或"芝麻点"(即小块)可以散布于次级光学装置附近。例如，下变频材料的眼镜可以沉积于次级光学装置708的顶上或嵌入次级 光学装置704的端部714处的顶面内。下变频材料的眼镜可以随机散布或 以预定图案散布。
图7B至7D中公开的荧光体的实施例连同此申请中其它地方讨论的荧 光体的其它实施例一起可以用于调整荧光体密度，以获得期望的颜色和色 彩。可以对此申请中公开的任何实施例进行该调整，无论该实施例是意在 产生白光还是产生特定颜色的光。例如，实施例可以使用蓝色和黄色荧光 体的混合物。替代实施例可以使用诸如量子点、量子点晶体、以及量子点 纳米晶体的多种荧光体的混合物。另一实施例可以使用具有单个荧光体的 蓝LED，或使用具有多个荧光体的蓝LED以获得白光的不同色调。另一实 施例可以使用具有漫射器的多色LED。另外的实施例可以使用这些特征的 任何组合。
如此申请中其它地方指出的，辐射发射源701中的相应的辐射发射源 可以以任何组合发射蓝光、绿光、或红光。也可以使用每种颜色的不同色 彩。如果一个或多个辐射发射源701发射蓝光，并且如果层706是荧光体， 则可以如此申请中其它地方所描述的对蓝光进行下变频，得到此申请中其 它地方描述的辐射的四个分量。如果一个或多个辐射发射源701发射蓝光， 并且如果层706不是荧光体，而是不同种类的漫射器材料，则可以不对撞 击到层706上的蓝光进行下变频。如果一个或多个辐射发射源701发射红 光或发射绿光，或发射蓝色以外的任何颜色的光，则无论层706是荧光体 材料还是其它漫射器材料，可以不对该光进行下变频。如果在使用荧光体 时蓝光、绿光、以及红光都撞击到层706上，则取决于荧光体的密度，可 以得到白光。
不管辐射发射源701分别发射什么颜色，并且不管是使用荧光体还是 另一漫射器材料，当来自辐射发射源701的光撞击到荧光体或其它漫射器 材料上时，得到前向传输辐射和后向传输辐射。在蓝光撞击到荧光体层上 的情况下，得到的辐射分量可以如针对图14所描述的那样。在其它颜色撞 击到荧光体层上的情况下，前向传输光和后向传输光可以与所述撞击光有 相同的颜色。例如，如果红光撞击到荧光体层706上，则前向传输光和后 向传输光可以也是红光。对绿光或除蓝光以外的任何其它颜色可以得到相同结果。如果使用荧光体以外的漫射器材料，则可以获得相同的结果。
图8A至8E描绘可以与于此描述的SPETM技术的实施例一起使用的光 学元件的不同横截面形状。图8A中示例的光学元件801是具有顶面8012 的锥形几何结构。图8B中示例的替代光学元件802是具有顶面8022的球 形几何结构。图8C中示例的替代光学元件803是具有顶面8023的双曲线 几何结构。图8D中示例的替代光学元件804可以具有锥形壁和凹面顶面 8042。图8E中示例的替代光学元件805可以具有锥形壁和凸面顶面8052。 其它几何形状可以包括抛物线或椭圆形状。另外，每个光学元件的较宽表 面的顶部可以是平的，或可以具有别的几何形状。
类似于其它实施例，光学元件801至805可以由基本透明的材料制成， 由此如光学透镜那样起作用(类似于图6的光学装置606)。
虽然图8A至8E中未示出，但是反射器(类似于图7中所示的反射器 702)可以安置为围绕每个光学元件801至805。此外，每个光学元件801 至805可以包括下变频材料层和漫射器层(类似于图7A中所示的荧光体层 706和漫射器层705)。此荧光体层和漫射器层(图8A至8E中未示出)可 以沉积在每个光学元件的相应的顶面8012、 8022、 8032、 8042、 8052的其 中之一的顶上，与其相应的发光源相对。替代地，此荧光体层和漫射器层 (图8A至8E中未示出)可以夹置于每个光学元件内，靠近相应的光学元 件的相应的顶面8012、 8022、 8032、 8042、 8052的其中之一并与其相应的 发光源相对。在其它实施例中，如针对图7A所讨论的，荧光体层706和漫 射器层(图8A至8E中未示出)的位置是夹置的。即，荧光体层706可以 位于光学装置801、 802、 803、 804、 805的相应的其中之一的顶上，且漫 射器层(图8A至8E中未示出)可以位于荧光体层706顶上。在另一实施 例中，可以使用荧光体层706而没有漫射器层。在另一实施例中，可以使 用漫射器层(图8A至8E中未示出)而没有荧光体层706。
图8F和8G示例使用SPEm技术的本发明的实施例，其包括相应的辐 射源、相应的反射器、以及光学装置，所述光学装置可以呈现图8A至8E 中所示例的横截面形状801至805的其中之一的横截面形状。在图8F中， 反射器806和次级光学装置810均是具有公共中心轴(未示出)的旋转物 体。在图8G中，反射器812和光学装置814均沿它们相应的长轴突出。反射器806和812的截面视图可以具有抛物线横截面形状，或其它几何形状， 诸如锥形、球形、双曲线形、椭圆形、角锥形、或可以是例如盒形。
接下来参照图9A和9B，其示出了总体标记为900的透镜的二维线性 阵列。如图9A中所示，NXM的高效光源装置的阵列布置在光导管912顶 上。虽然图9A中将光导管912示例为具有矩形形状，但是应当理解，其可 以具有矩形以外的形状。范例光源装置中的三个标记为910、 920、以及930。 NXM阵列中的其余光源装置可以与光源装置910、 920、或930中的任何 一个相同。在替代实施例中，光导管912可以具有圆形形状或其它形状。 还有，在替代实施例中，透镜的阵列可以具有径向布置或可以以其它图案 放置。
如图9B中最佳地所示的，每个光源装置910、 920、 930可以包括辐射 发射器902、诸如光学装置606的透镜904以及荧光体层(未示出)，荧光 体层可以类似于图6的荧光体层604。还可以包括反射器906,其可以将来 自辐射发射器902的透射并被反射的光重引导朝向光导管912。
如所示，光导管912可以包括邻接光源装置910、 920、以及930的侧 面914，而另一相对侧面916较远离光源装置。在相对侧面916顶上，可以 存在微透镜层918。微透镜层可以粘结至沉积的荧光体层上。
如图9C中最佳地所示的， 一个或多个范例光源装置910、 920、以及 930可以类似于图7A的装置710，包括多色发光源、诸如光学装置704的 透镜、诸如层706的下变频材料层、以及诸如层705的漫射器层。例如， 在此替代实施例中，光源装置910可以包括多色发光源卯2、诸如光学装置 704的透镜卯4、可以类似于图7A的下变频材料层706的下变频材料层(未 示出)、以及可以类似于图7A的漫射器层705的漫射器层(未示出)。还可 以包括反射器卯6,其可以类似于图7A的反射器702。每个其它光源装置 也可以具有多色发光源、诸如针对图7A所公开的光学装置的透镜、类似于 包含在光源装置910中的元件的漫射器层和下变频材料层。在另一实施例 中，光学装置卯4可以不具有沉积于其上的下变频材料层。
如图9C中所示，光导管912包括邻接范例光源装置910、 920以及930 的侧面914，而另一相对侧面916较远离范例光源装置。在相对侧面916顶 上，可以沉积微透镜层940。图10A和10B示例总体标记为1040的高效光源的另一范例实施例，其 中，单个光源装置可以围绕光导管1042的边缘隔离开。如图10A中所示， 数个光装置可以围绕光导管1042的边缘放置，光装置诸如是范例光源装置 1046、 1048、 1050、以及1052等。
图10B中示出了范例高效光源1040的横截面。如图10B中所示，范例 光源装置1046可以配置成将光引导至光导管1042中。光导管1042可以包 括光导管1042的第一侧面1062以及第二侧面1064。可以邻近光导管1042 的第一侧面1062放置微透镜层1066，且可以邻近光导管1042的第二侧面 1064放置另一微透镜层1068。虽然将光导管1042示例为具有多边形形状， 但是其也可以具有圆形形状或其它形状。
在图IOA和10B中示例的实施例中的一个实施例中，每个范例光源装 置1046、 1048、 1050以及1052可以类似于图7的装置700，包括短波长辐 射发射器、诸如于此描述的光学装置的透镜、以及下变频材料层。例如， 范例光源装置1046可以安装于光导管1042的边缘1060上。范例光源装置 1046可以包括短波长辐射发射器1054、诸如光学装置606的透镜1056、以 及下变频材料层(未示出)，所述下变频材料层可以类似于图6的下变频材 料层604或类似于图7A的下变频材料层706。还可以包括反射器1058，其 可以将来自透镜1056的后向传输辐射和前向传输辐射重引导朝向光导管 1042的边缘1060，并进入光导管1042。反射器1058可以类似于图7的反 射器702。另外的光源装置可以沿边缘1060和沿边缘1070放置。甚至可以 沿图IOA和10B中未示出的光导管1042的其它两个边缘放置更多的光源装 置。光源装置1046外的所有光源装置也可以具有类似的短波长辐射发射器、 透镜、以及类似于光源装置1046中包含的元件的下变频材料层。应当理解， 即使图10A沿每个边缘1060和1070示出了五个光源装置，也可以沿每个 边缘1060和1070以及沿图10A中未示出的边缘使用更少或更多的光源装 置。
在另一替代实施例中， 一个或多个范例光源装置1046、 1048、 1050以 及1052可以类似于图7A的装置710，包括多色发光源、诸如光学装置的 透镜、下变频材料层、以及漫射器层。在此替代实施例中，范例光源装置 1046可以包括多色发光源1054、诸如光学装置704的透镜1056、可以类似于图7A的下变频材料层706的下变频材料层(未示出)、以及可以类似于 图7A的漫射器层705的漫射器层(未示出)。图10A中所示的每个范例光 源装置也可以具有诸如范例反射器1058的反射器，其可以类似于图7A的 反射器702。反射器可以将来自多色发光源的光和来自相应的下变频材料或 漫射器层的后向传输光重引导为朝向光导管1042的边缘1060，并进入光导 管1042。每个其它光源装置也可以具有多色发光源、透镜、类似于光源装 置1046中包含的元件的漫射器层以及下变频材料层，光源装置1046中包 含的所述元件可以将光源装置1046的相应的光穿过光导管1042的相应的 边缘传输至光导管1042中。在另一实施例中，光学装置1056可以不具有 漫射器层。在另一范例实施例中，光学装置1056可以不具有沉积于其上的 下变频材料层。
如图10B中所示，在光导管1042的侧面1062和1064顶上，可以沉积 微透镜层1066和1068。
图11示例本发明的另一范例实施例。如所示，装置1110包括短波长 辐射源1100;透镜1102，其可以是于此描述的任何光学装置；以及荧光体 层1104。荧光体层可以沉积于透镜1102顶上，使得荧光体层远离短波长辐 射源IIOO,其方式类似于例如图6、 7、 7A中所示的方式。光源/透镜/荧光 体配置可以至少部分由具有高反射比的反射器1106围绕。在范例实施例中， 测得的反射器1106的反射比可以在卯％至97%的范围中。另外，可以在 反射器1106顶上放置高效微透镜漫射器1108。在范例实施例中，微透镜漫 射器可以呈现大于95%的效率。此申请中描述的其它反射器的反射比可以 与反射器1106的反射比相同。此申请中描述的其它漫射器的效率可以与漫 射器1108的效率相同。
图IIA示例本发明的另一实施例。图11A示出了装置1120，其可以包 括多色发光源1122、光学装置1124、以及下变频材料层1126。可以邻近多 色辐射发射源1122安装光学装置1124。下变频材料层1126可以安装或沉 积于光学装置1124的一部分上或一个端部1129上，使得下变频材料层1126 远离多色辐射发射源1122。虽然图IIA示例了三个多色辐射发射源1122， 但是应当理解，由于针对此申请中示例的其它实施例所解释的原因，可以 使用更多或更少的多色辐射发射源1122。包括多色辐射发射源1122的阵列、光学装置1124、以及下变频材料层1126的封装可以至少部分由具有高反射 比的反射器1128围绕。在此替代实施例的范例实施例中，测得的反射器1128 的反射比可以在90%至97%的范围中。可以横过反射器1128的端部1132 放置高效微透镜漫射器1130。如果没有横过端部1132放置漫射器，则端部 1132可以是打开的。在范例实施例中，微透镜漫射器1130可以呈现大于 95%的效率。在图11A中示例的实施例的替代实施例中，可以使用漫射器 来代替下变频材料层1126，且可以消除漫射器层1130。在另一实施例中， 光学装置1124的侧壁可以被涂白以改善颜色混合。
图12示例本发明的另一范例实施例。如所示，装置1210包括面向荧 光体层1202和反射器1206的短波长辐射源1200。基本透明的介质1204可 以填充短波长辐射源1200和荧光体层1202之间的空间。在范例实施例中， 荧光体层1202可以是抛物面形状，或其它弯曲形状，类似于先前列举的几 何形状之一。可以将反射器1206与荧光体层1202和辐射源1200隔离开。 基本透明的介质1208可以用于填充荧光体层1202和反射器1206之间的空 间。如所示，荧光体层1202设置于光源1200和反射器1206之间。
图12A示例本发明的另一范例实施例。如所示，图12A中的装置1220 具有辐射源，辐射源包括面向诸如荧光体层1202的下变频材料层和反射器 1206的多色发光源1222。荧光体层1202远离发光源1222设置。基本透明 的介质1204可以安置于多色发光源1222和下变频材料层1202之间。在范 例实施例中，下变频材料层1202可以是抛物面形状，或其它弯曲形状。可 以将反射器1206与下变频材料层1202和多色LED阵列1222隔离开。基 本透明的介质1208可以存在于下变频材料层1202和反射器1206之间。在 此实施例中，下变频材料层1202设置于发光源1222和反射器1206之间。 在替代实施例中，可以横过反射器1206的端部1224放置漫射器层。如果 没有横过端部1224放置漫射器层，则端部1224可以是打开的。在另一替 代实施例中，可以使用漫射器层来代替下变频材料层1202。如果使用漫射 器层来代替下变频材料层，则可以不横过端部1224放置漫射器层。
虽然用于白色发光二极管(LED)中的荧光体背散射超过一半发射的 光，但是迄今为止，没有人表明此光可以作为光子挽回，以提高白光源的 总的功效。发明人实验上验证了本发明的各个实施例提供的散射光子提取(SPETM)方法，其显著提高了白光源的总的功效。在低的电流时，SPE 封装显示了色度值非常靠近黑体轨迹的超过801m/W的白光。
在可用于产生白光的不同方法中，荧光体变频发射方法是最常见的。 第一荧光体变频白LED使用掺铈的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光体与镓氮
(GaN)基蓝LED组合。在典型白LED封装中，荧光体嵌入围绕LED裸 片的环氧树脂里面。GaN LED发射的短波长辐射的一些部分由荧光体下变 频，并且合并的光由人眼感知为白色。虽然这些产品证实了白LED概念并 且已应用于某些壁龛照明应用中，但是由于它们低的总光输出和低功效， 它们不适合于通常的照明应用。
为了以白LED实现更高的发光功效，需要数个阶段的改善内量子效 率、提取效率、以及荧光体变频效率。 一些研究人员已经承担了研究半导 体的材料和生长方面以改善内量子效率的挑战。其它一些研究人员正在开 发整形的芯片、光子晶体、微米级LED、以及其它新颖的方法来改善光提 取效率。而另一些人在研究具有更高的下变频效率和更好的光学性能的新 的荧光体。
虽然过去的文献认为光的很大部分由荧光体背散射且由于吸收而损耗 在LED内，但是根据发明人的知识，迄今为止，没有人尝试过通过借助于 本发明的实施例提供的SPE^方法提取这些背散射光子来改善性能，本发 明的方法通过挽回散射的光子而显著提高了荧光体变频白LED的总的光输 出和发光功效。
为了更好理解原始短波长光和荧光体之间的相互作用以及为了量化前 向和后向散射光的量，发明人将直径5cm的数个圆形玻璃盘涂覆了具有在 从2mg/cm2至8mg/cm2的范围中的不同密度的YAG:Ce。这些荧光体盘放 置在两个并排的积分球之间，荧光体涂层面向右边的球。荧光体材料由来 自放置在离玻璃盘2.5cm远的右边的球里面的5mm的蓝LED激发。分光 计通过测量端口测量来自每个球的光输出。从左边和右边的球测得的光输 出分别指示透射穿过和反射离开荧光体层的光的量。分析分光计数据，以 确定蓝色和黄色区域中的通量的量，对应于LED发射的辐射能量和来自 YAG:Ce荧光体的变频能量。实验结果显示透射和反射辐射的光谱功率分布 不同，特别是蓝色与黄色的量的比率。透射和反射辐射的量取决于荧光体密度，密度越低导致越高的透射辐射百分比。典型地，荧光体密度可以控 制成使得透射的蓝光和黄光成正确的比例，以产生合适色度的白光，这典 型地将其放置在黑体轨迹上或黑体轨迹附近。根据采集的数据，估计在产
生平衡的白光时，透射了约40%的光，并且反射了其余的60%。 Yamada 等发现了类似的结果，如K.Yamada、 Y.Imai、 K.Ishii在J. Light & Vis. Env. 27(2), 70(2003)中所报道。在传统白LED中，此反射光的相当大的部分被围 绕裸片的部件吸收，这是其发光功效低的一个原因。
图13中示例了可以挽回大多数反射光的一个方法，其示意性地示出了 以SPETM实施的LED封装。与荧光体围绕裸片展开的典型的传统白LED 封装不同，在本发明的SPETM封装中，将荧光体层从裸片移除，留下裸片 和荧光体之间的透明介质。用于封装的有效的几何形状可以经由光线追迹 分析确定。封装的几何结构起重要作用，并且图13中所示的几何结构有效 地将离开GaN裸片的光传输至荧光体层并容许大部分从荧^l体层背散射的 光离开光学器件。与典型的传统封装相比，利用SPEm封装挽回了更多的 光子。又是荧光体密度确定最终白光的色度。
SPE 封装需要不同的荧光体密度来产生色度坐标类似于传统白LED 封装的白光是不值得的。此差异是SPE 封装混合具有不相似的光谱的透 射和后向反射光的结果，而传统封装主要使用透射光。
为了证实图13中所示的SPE^封装提供更高的光输出和发光功效，利 用从相同的制造商获得的十二个传统的高通量LED,六个3W的蓝LED和 六个3W的白LED，进行了实验。发现了符合SPE^封装的轮廓需求的商 用光学器件，并且利用LED实验上获得了数个该光学器件。虽然此光学元 件不具有图13中所示的期望的几何结构以提取大多数背散射的光，但是其 足够验证该假设。实验的次级光学器件的顶部平的部分涂有预定量的 YAG:Ce荧光体。通过系统地改变荧光体密度的量、分析得到的色度、以及 选择产生靠近实验中使用的商用白LED的色度的密度，在分别的实验中确 定所需的荧光体密度。为了比较两个封装概念的性能，白LED配备有未涂 覆的次级光学器件。在积分球中测量商用白LED的光输出和光谱，并且还 测量给LED供电所需的电流和电压。对SPE^封装重复相同的测量，其包 括配备有涂覆有荧光体的次级光学器件的蓝LED,如图13中所示。发现SPETMLED封装的平均发光通量和对应的平均功效分别为90.71m 和36.31m/W。典型的白LED封装的平均发光通量和对应的平均功效分别为 56.51m和22.61m/W。因此SPE LED封装平均具有多61%的光输出和高 61%的发光功效。类似的LED之间的发光通量和对应的功效的改变小，其 标准偏差小于4%。与典型的传统白LED封装相比，SPEm封装一致地具有 更高的流明输出和更高的功效。
还测量了电流对两种LED封装的光输出和功效的影响，所述两种LED 封装中的一种使典型的白LED封装，且一种是SPETM封装。此两种LED 经历了相同的光输出测量程序，但是它们的输入电流在数步中从700mA降 低至50mA，并且采集对应的光度和电数据。在非常低的电流，与传统封装 的541m/W相对照，SPE 封装超过801m/W。
利用SPETM封装，在LED内的部件吸收背散射光子之前提取它们。将 荧光体层远离裸片放置并且在背散射光子在封装中经历多重反射之前提取 它们是有必要的。将荧光体从裸片移开具有另外的好处也提高了白LED 的寿命，如更早的文章所证明的(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)。
本发明的挽回后向传输辐射的一部分的替代方法是利用反射材料涂覆 次级光学器件的侧面，如图5A和5B中所示。虽然与传统白LED封装相比， 可以提高功效，但是增益不是同样多，因为后向传输辐射在荧光体层和反 射器之间来回弹射，并且此辐射的相当部分被吸收并作为热损耗掉了。此 方法的缺点是增加了短波长辐射传播通过周围环氧树脂材料的路径长度， 环氧树脂退化较快并从而縮短了白LED的使用寿命。
应当理解，图13中所示的SPEm封装的几何结构不限于此特定形状。 可以使用替代的形状来更有效地挽回后向传输辐射，同时处理其它设计考 虑，诸如颜色和寿命。作为一个范例，在图13的配置中，发明人发现顶面 直径的优选大小约为20mm，且高度的优选大小约为llmm。
总之，本发明挽回了来自下变频材料层或漫射器层的后向传输辐射。 另外，与LED系统的传统封装相比，可以显著提高LED系统的总的光输出 和对应的发光功效。同时，光学器件可以混合多重光谱以产生白光和其它颜色深浅，并具有均匀的照明和颜色。本发明的实施例的应用包括通常的 照明和背光照明。
虽然参照范例实施例描述了本发明，但是其不限于此。相反，所附的 权利要求应当视为包括本领域技术人员不脱离本发明的真实精神和范围所 作出的本发明的其它变形和实施例。
权利要求
1、一种发光设备包括辐射源，用于发射多色辐射；漫射器材料，用于接收所述辐射源发射的所述多色辐射的至少一部分并将所述多色辐射变频为前向传输辐射和后向传输辐射；以及光学装置，耦合至所述漫射器材料，适于接收所述后向传输辐射并从所述光学装置提取所述后向传输辐射的至少一部分。
2、 如权利要求1所述的发光设备，其中，所述辐射源包括多个发光源， 每个所述发光源呈现出与其它发光源的至少其中之一的光谱不同的光谱。
3、 如权利要求2所述的发光设备，其中，所述多个光源包括发光二极 管(LED)、激光二极管(LD)、以及共振腔发光二极管(RCLED)中的一 个的至少其中之一。
4、 如权利要求2所述的发光设备，其中，第一多个发光源邻近所述漫 射器材料的第一侧面设置，而第二多个发光源邻近所述漫射器材料的第二 侧面设置。
5、 如权利要求2所述的发光设备，其中，所述多个发光源设置于距所 述漫射器材料预定的距离处。
6、 如权利要求2所述的发光装置，其中，所述多个发光源邻近所述光 学装置的第一部分设置。
7、 如权利要求6所述的发光装置，其中，所述漫射器材料邻近所述光 学装置的第二部分设置。
8、 如权利要求7所述的发光装置，其中，所述漫射器材料设置于所述光学装置的第二端部的部分之一之上或设置于所述光学装置的基本整个所 述第二端部之上。
9、 如权利要求2所述的发光设备，还包括光导管，其中，所述多个发 光源在所述光导管的圆周的至少一部分附近设置，以将所述光引导至所述 光导管中。
10、 如权利要求9所述的发光设备，还包括设置于所述光导管的侧面 上的微透镜层。
11、 如权利要求1所述的发光设备，其中，用于接收所述多色辐射的 所述漫射器材料是漫射器、下变频材料、以及微透镜的其中至少之一。
12、 如权利要求ll所述的发光设备，其中，所述下变频材料包括至少 一种用于吸收光谱区中的第一波长的辐射并发射比所述光谱区中的所述第 一波长更长的第二波长的辐射的材料。
13、 如权利要求11所述的发光设备，其中，所述下变频材料包括下述 层之一或散布于所述光学装置内的材料具有基本均匀散布的材料的层； 具有多个材料的层，所述多个材料中的每一种呈现相应的密度。
14、 如权利要求ll所述的发光设备，其中，所述漫射器材料包括邻近 所述漫射器的至少一个下变频材料层。
15、 如权利要求ll所述的发光设备，其中，所述漫射器材料包括远离 所述漫射器安置的至少一个下变频材料层。
16、 如权利要求1所述的发光设备，其中，用于接收所述多色辐射的 所述漫射器材料包括多个下变频材料，所述下变频材料用于吸收光谱区中 的第一波长的辐射并发射所述光谱区中的比所述第一波长更长的至少第二波长的辐射。
17、 如权利要求1所述的发光设备，其中，用于接收所述多色辐射的 所述漫射器材料包括以下至少之一i)多个漫射器层以及ii)多个下变频材料 层。
18、 如权利要求1所述的发光设备，还包括收集装置，用于收集离开 所述光学装置的所述后向传输辐射的至少一部分。
19、 如权利要求18所述的发光设备，其中，所述收集装置包括在所述 光学装置的至少一部分周围设置的反射器。
20、 如权利要求19所述的发光设备，其中，所述反射器的形状是锥形、 球形、双曲线、抛物线、椭圆、角锥、以及盒子的其中之一。
21、 如权利要求18所述的发光设备，其中，所述光学装置设置于一个 所述收集装置上或设置于距所述收集装置某一距离处。
22、 如权利要求21所述的发光设备，其中，所述收集装置邻近所述光 学装置的至少两个侧面设置。
23、 如权利要求18所述的发光设备，其中，所述光源设置于所述收集 装置和所述漫射器材料之间。
24、 如权利要求1所述的发光设备，其中，所述漫射器材料散布于所 述光学装置内。
25、 如权利要求1所述的发光设备，还包括耦合至所述辐射源的热耗 散装置。
26、 一种发光设备，包括 辐射源，用于发射多色辐射；光学装置，配置为接收从所述辐射源发射的辐射；漫射器材料，设置于所述光学装置的部分上，接收由所述光学装置接 收的所述多色辐射的至少一部分并将所述多色辐射的所述部分变频为前向 传输光和后向传输光，其中，所述光学装置配置成提取一部分所述后向传输光。
27、 如权利要求26所述的发光设备，其中，所述辐射源包括多个发光 源，每个所述发光源呈现与其它发光源中的至少一个其它发光源的光谱不 同的光谱。
全文摘要
一种发光设备，具有用于发射多色光的光源。漫射器材料接收所述光源发射的所述多色光的至少一部分并将所述多色光变频为前向传输光和后向传输光。光学装置耦合至所述漫射器材料，并适于接收所述后向传输光和从所述光学装置提取所述后向传输光的至少一部分。
文档编号H01L33/50GK101563793SQ200780046853
公开日2009年10月21日 申请日期2007年5月29日 优先权日2006年12月20日
发明者N·纳伦德兰, 顾益敏 申请人:伦斯勒工业学院