本发明涉及一种LED光源，具体涉及一种应用于高品质照明的大功率LED点光源，高品质包括超高光效，白光颜色均匀分布。
背景技术：
如今市场上的大功率LED的种类按芯片排布形式有三种，最多的是单芯片封装，封装方式有陶瓷基板加模压硅胶半球方式和带金属冲压碗杯塑胶支架加模杯固化成型硅胶半球方式。单颗LED芯片面积从1mm2到4mm2，一般4000K和3000K色温的白光LED的光效只有150和140lm/W，而且是在功率为1W的情况下。第一种封装方式的白光LED光源的配光并不是平滑的朗伯型(Lambertian)，而是基于不同的芯片结构，如薄膜化芯片结构或倒装芯片结构，加上不同的荧光粉涂覆方式，其光源的光强空间分布非常特殊，使得不同厂家的LED光源在配置二次光学透镜时，都要有不同的设计。对于光学设计来说，光源的配光越是远离标准的朗伯型，越是难设计，而且光学损失很大。第二种封装方式因为将芯片至于碗杯中，所以光源的光强空间分布能实现平滑的朗伯型，但是这种封装方式体积大，功率反而不大，而且可靠性低，不是高品质照明应用的LED光源，所谓高品质照明应用的特征应该是超高光效，颜色均匀分布。
第二种大功率LED采用多芯片封装，封装方式采用金属基座塑胶框架结构，但是由于芯片排列非常紧密，近似单芯片。这种封装方式虽然能实现大功率，但是光效降低严重。另外，这种封装方式增大了发光面积，使得光源的色度空间分布不均匀，而且由于塑胶框架结构没有按理想的朗伯型反光碗腔的光学设计，光强空间分布也远离标准的朗伯型。
第三种大功率LED采用多芯片封装，封装方式采用COB结构。COB即ChipOnBoard，多颗LED芯片在板上的意思。为了实现硅胶固化工艺，COB结构有0.3-1.0mm高的围坝把流动的硅胶圈起来。由于COB的发光面积非常大，所以芯片在围坝里散开放置，间隙很大，所以能够实现高光效。但是COB光源因为面积太大，所以不适合配二次光学，即使能配，成本也很高。另外COB光源基本无法形成平滑朗伯型的光强空间分布，也无法保证光强空间分布的一致性。另外COB封装的可靠性比较低，因为硅胶体积太大，产生的应力也非常大。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述技术问题提出一种能够实现光滑朗伯型配光的高品质照明应用的大功率LED点光源。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：提供一种高品质照明应用的大功率LED点光源，包括基板和多颗LED芯片，所述基板上设有反光碗且所述反光碗的底部为反光平面；所述多颗LED芯片以全串联或串并联的方式布设在所述反光碗的底部，且该多颗LED芯片排列成至少两行，同一行的LED芯片间隙排列、相邻行的LED芯片间隙交错排列；所述基板上还设有封装层，所述封装层包括将所述LED芯片包覆于其中的封胶以及均匀分布在该封胶内的透明光散射微粒。
在本发明所述的高品质照明应用的大功率LED点光源中，所述LED芯片之间的排列间隙为所述LED芯片的厚度的2.5-5倍。
在本发明所述的高品质照明应用的大功率LED点光源中，所述LED芯片为长方形结构或正方形结构，同一行的相邻两颗所述LED芯片之间的排列间隙大于所述LED芯片的长度的40％，所述LED芯片的行与行之间的排列间隙大于所述LED芯片的宽度的20％。
在本发明所述的高品质照明应用的大功率LED点光源中，所述透明光散射微粒的粒径大小为1μm-5μm且所述透明光散射微粒的平均粒径为2μm-3μm。
在本发明所述的高品质照明应用的大功率LED点光源中，所述反光碗的碗杯为圆形、方形；所述碗边为曲面或倾斜角为45°-55°的倾斜直边。
在本发明所述的高品质照明应用的大功率LED点光源中，所述透明光散射微粒的折射率为1.30-1.45。
在本发明所述的高品质照明应用的大功率LED点光源中，所述透明光散射微粒的分散密度是5×107-3×108/cm3。
在本发明所述的高品质照明应用的大功率LED点光源中，所述透明光散射微粒和封胶的质量分配比例为1％-5％。
在本发明所述的高品质照明应用的大功率LED点光源中，所述封胶采用抗紫外硅树脂，所述透明光散射微粒采用透明硅树脂微粒，所述基板为金属基板，所述反光碗由设在该金属基板上的塑胶框架形成。
本发明将多颗LED芯片间隙交错排列在反光碗的反光平面上，通过控制相邻LED芯片之间的间隙大小防止相邻LED芯片相互阻挡吸收光线，使得每颗LED芯片的光强相互叠加，成倍地提高了点光源的光效，得到超高光效的点光源，在同等光效的前提下极大地减小了点光源的体积和功率。并且本发明依据朗伯型设计反光碗的结构，通过优化反光碗的深度、开口尺寸以及开口角度，使得光线的行进方向尽可能均匀化，形成平滑的朗伯型光强分布；同时在封胶内添加经过精确配比的透明光散射微粒，通过透明光散射微粒对光线的多次折射实现LED光源的点光源化，使得LED光源的光强分布从锯齿形变成平滑的朗伯型，同时保持光谱分布的均匀性以及光强空间分布的均匀性，使得点光源的光强和颜色分布均匀，从而获得一种超高光效和颜色分布均匀的高品质照明光源。
附图说明
图1为本发明一实施例中的LED芯片的结构示意图一；
图2为本发明一实施例中的LED芯片的结构示意图二；
图3为本发明一实施例中的LED芯片的发光强度分布示意图，其中，LED芯片侧面的两条曲线为光强分布曲线；
图4为本发明一实施例中的五颗正方形LED芯片的排布结构示意图；
图5为本发明一实施例中的八颗长方形LED芯片的排布结构示意图；
图6为图5中a平面的光强分布图反射光强；
图7为图5中b平面的光强分布图反射光强；
图8为加入光散射微粒后，图5中a平面的光强分布图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行进一步详细说明，显而易见地，下面描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施例。
理想的LED照明需要精准的配光，即把光强的分布能根据被照区域进行改变，这中光强空间分布的改变叫做配光，比如射灯需要把光给集中起来照射一个很小的范围，又如路灯需要把光均匀分布在长方形的行车道里。LED光源依照其芯片结构和封装结构，本身拥有固定的光强空间分布，但是这种光强空间分布并不能满足各式各样的照明设计需求。所以为了满足各式各样的照明需求，一般需要在LED光源(一次光学)加上各种各样的光学透镜或反光杯(二次光学)，才能实现精准的光强空间分布，满足各式各样的照明设计需求。由于LED光源和光学透镜或反光杯的距离非常近，一般在毫米级，所以需要LED光源能够近似一个光学点光源，即所有方向的光强都相等，但是在实际应用中，理想点光源的二次光学出光效率并不高，而是平滑朗伯型的光强分布是最佳的。平滑朗伯型在极坐标中也基本呈圆形，只是中心法线(0°)上的光强最强，往周边(→90°)的光强逐步减少。所以，真正满足各种照明要求的高品质LED光源应该具备下述三种特点：
1)颜色空间分布均匀性和平滑朗伯型的光强空间分布：在光学上来说，每个个体LED光源尽可能实现一致性很高的，保证经过二次光学放大后，依然保证光强分布的连续性和颜色分布的均匀性；
2)能实现整灯高光效：LED照明的第一要点就是节能，而节能来源于整灯高光效，整灯高光效既同LED光源光效有关，又同光利用率有关LED光源的光效要高，一般要保证在工作状态下达到180lm/W以上；同时又要保证光源的光强空间分布配上二次光学以后能有很高的出光效率，也可以说成二次光学的光利用率。
3)单颗光源能发出足够的光通量：比如用LED射灯替代50WMR16石英灯杯，需要有540lm以上的光通，如果LED光源的光效有180lm/W，那么LED光源的功率需要3W。所以本发明的大功率LED光源需要在5mm×5mm的面积中能实现1-4W的大功率，并能保证输出600lm以上的光通量。
为获得上述的高品质LED光源，参照图1至图8，本实施例中提供一种高品质照明应用的大功率LED点光源，包括基板1和LED芯片2，基板1上设有反光碗3且反光碗3的底部为高反射率的反光平面；多颗所述LED芯片颗LED芯片2间隙交错排列且以全串联或串并联的方式布设在反光碗3的底部；基板1上还设有封装层，封装层包括将LED芯片2包覆于其中的封胶4以及均匀分布在该封胶4内的透明光散射微粒5。LED芯片2的数量可以使五颗、七颗、八颗、十颗、十一颗、十三颗、十八颗或者十九颗，LED芯片2的形状可以使正方形或者长方形；LED芯片2的排布方式以占用最小平面面积为准，尽量缩小LED点光源的总体积。
同时，参照图3，我们研究发现，以长方体LED芯片为例，单个LED芯片的八个面都会发光，并且每个面的发光光强是从边缘到中间逐渐增强，光强分布是呈单个波峰分布的。由于LED芯片时呈平面排列的，若相邻LED芯片之间的间隙太小，则LED芯片的四个侧面的发光会部分或者全部被相邻的LED芯片吸收而无法提供有效光强，会大幅降低LED芯片的光效。为此，在由多个LED芯片组成的点光源中，LED芯片的排布方式以及间隙是提高点光源光效的关键，相邻LED芯片之间的间隙大小必须满足不会相互遮挡发光为准，即通过控制LED芯片的排列阵型以及排列间隙大小使得每颗LED芯片的发光都可以照射出去而不会被相邻的LED芯片吸收，从而得到超高光效的点光源。
反光碗3的制造材料可以是高反射率的铜镀银和塑胶的结合体，反光碗3的几何外形设计满足朗伯型光强分布需要。通过反光碗3的外形设计实现光线的朗伯型分布，并通过在封胶4内添加透明光散射微粒5并选择合适的粒径以及分布密度来配合反光碗3，实现光线光滑的朗伯型光强空间分布又减少了光效率的损失，获得高品质的照明光源。优选的，反光碗底部的反光平面不是单一平面，该反光平面由多个平面反光面或者曲面反光面组合形成，可以是由多个平面反光面组成，也可以是由多个曲面反光面组成，还可以是由平面反光面和曲面反光面共同构成。
在一具体实施例中，多颗所述LED芯片分成多排平行排列，每一所述LED芯片设在相邻排的每两颗所述LED芯片之间。若点光源设有五颗LED芯片，则五颗LED芯片以“二一二”的方式分三排平行排列；若点光源设有七颗LED芯片，则七颗LED芯片以“二三二”的方式分三排平行排列；若点光源设有八颗LED芯片，则八颗LED芯片以“二三二”的方式分三排平行排列；若点光源设有十颗LED芯片，则十颗LED芯片以“三四三”的方式分三排平行排列；若点光源设有十一颗LED芯片，则十一颗LED芯片以“四三四”的方式分三排平行排列。
在一具体实施例中，因为LED芯片的规格尺寸多样，若LED芯片以厚度为控制尺寸，则所述LED芯片之间的排列间隙为所述LED芯片的厚度的2.5-5倍，若LED芯片的厚度为0.08mm，则LED芯片排间隙的大小为0.2mm，同一排的相邻两个LED芯片的间隙为0.4mm。
在一具体实施例中，所述LED芯片为长方形结构，同一排的相邻两颗所述LED芯片之间的排列间隙大于所述LED芯片的长度的40％，一般不大于LED芯片的长度的90％。所述LED芯片排与排之间的排列间隙大于所述LED芯片的宽度的30％，一般不大于LED芯片的长度的90％。具体的，若LED芯片的规格为0.75mm×0.5mm，则同一排的相邻两颗所述LED芯片之间的排列间隙≥0.3mm，LED芯片排与排之间的排列间隙≥0.15mm。
在一具体实施例中，所述LED芯片为正方形结构，同一排的每两颗所述LED芯片之间的排列间隙为所述LED芯片的边长的40％以上，所述LED芯片排与排之间的排列间隙为所述LED芯片的边长的20％以上。具体的，若LED芯片的规格为0.5mm×0.5mm，则同一排的相邻两颗所述LED芯片之间的排列间隙≥0.2mm，LED芯片排与排之间的排列间隙≥0.1mm。
在一具体实施例中，反光碗3的碗杯为圆形、方形或近似方形；碗边为曲面或倾斜角为45°-55°的倾斜直边；反光碗3的碗杯的开口边长为2mm-10mm，反光碗3的碗杯的深度为反光碗3的碗杯的开口边长的20％-40％。优选的，若碗边为直边，则该倾斜角可以为50°；反光碗3的碗杯的开口边长可以为2mm-10mm。
具体的，反光碗3的碗杯底部是高反射率的反光平面，材料可以是铜镀银或高反射率的塑胶；碗杯可以是圆形，方形或近似方形，周边材料采用高反射率的塑胶。碗杯的碗边可以是直的也可以形成曲面，对于直的碗边，则倾斜角可以控制在45-55°；对于曲面型的碗边，则需要复杂的光学模拟。碗杯的开口边长尺寸可以从2mm-10mm，碗杯是深度是开口边长或直径的20-40％，优化过的深度可以保证光源的最高光效。
在一具体实施例中，透明光散射微粒5的分散密度是5×107-3×108/cm3，通过合理调整透明光散射微粒5的分散密度，使得LED芯片的发光尽可能地往设定的传播方向集中，提高LED点光源的光效。
在一具体实施例中，透明光散射微粒5的粒径大小为1μm-5μm且透明光散射微粒5的平均粒径为2μm-3μm。透明光散射微粒5的折射率为1.30-1.45。透明光散射微粒5和封胶4的质量分配比例为1％-5％。
具体的，按米氏散射的规律，透明光散射微粒5的粒径接近或大于入射光波长时，其散射的光强在各方向是不对称的，其中大部分入射光线沿着前进方向进行散射，而且透明光散射微粒5的粒径，沿着前进方向的光越多，不对称性越强，所以我们必须选择合适的粒径以及分布密度来配合反光碗3腔，既实现光滑的朗伯型光强空间分布又减少出光效率的损失。
米氏散射的要求是透明光散射微粒5的粒径必须是光波长的几倍到几十倍，这样才能保证散射同波长无关。可见光波长是0.4μm-0.8μm，透明光散射微粒5的粒径从1μm到10μm都可以实现米氏散射。由于透明光散射微粒5的粒径小一些，则散射效率高一些，而且散射程度大一些，即沿着光前进方向的少一些，更有利于减少光源的光效损失，所以我们选择粒径分布在1μm-5μm的透明光散射微粒5，平均粒径在2μm-3μm。为了增加散射性，采用低折射率(折射率为1.30-1.45)的透明光散射微粒5可以增加散射效率。另外，为了让透明光散射微粒5能够均匀分布在封胶4里，由于封胶4采用硅树脂，所以尽量采用接近比重的相似材料的透明光散射微粒5，比如透明光散射硅树脂微球。采用这种封胶4工艺制作的LED光源，光效保持一般工作条件下190lm/W以上不变；颜色空间各向分布非常均匀，各方向色容差小于7SDCM；光强空间分布也变成平滑的朗伯形。经过多次验证，透明光散射微粒5质量分布比例为2％-4％时，加了透明光散射微粒5的LED光源同没有加透明光散射微粒5的情况下相比，光效没有降低。但是，按这种配方加入透明光散射微粒5的白光LED光源实现了点光源化，其光强分布从锯齿形变成了平滑的朗伯型，另外还实现了光谱(颜色)分布的均匀性。
在一具体实施例中，封胶4采用硅树脂，透明光散射微粒5采用透明硅树脂微粒；并且透明硅树脂微粒与硅树脂与的质量配比为2.5％。
在一具体实施例中，基板1为金属基板，反光碗3由设在该金属基板上的塑胶框架形成。
在一具体实施例中，提供一种8芯的高品质照明应用的大功率LED点光源，本实施例采用了八颗长方形的LED芯片2，八颗LED芯片采用如图5所示的三二三的形式封装，LED芯片2尺寸是0.56mm×0.88mm，按323镜面对称排列，电路全串联。LED芯片2的高度不超过0.08mm，LED芯片2之间的间隙在0.20-0.25mm。碗杯的底部面积约3mm×3mm，开口面积约4.2mm×4.2mm，碗杯的深度在0.85mm，碗边的倾斜角为45°。在封装的硅胶里除了加入平均粒径15μm-20μm的荧光粉微粒以外，还加入平均粒径2μm(粒径分布1μm-4μm)的透明的硅树脂微粒，重量配比是2.5％，起米氏光扩散作用。光源光效的结果是加和不加光扩散微粒的6500K色温LED光源在80mA电流的测试条件下，光效都是190lm/W，功率约2W。另外从光强空间分布的测试结果来看，不加光扩散微粒的呈现锯齿形，而加入2.5％光扩散微粒的则呈现光滑的朗伯形。
具体的，如图5所示，在点光源上划定a、b两条测试平面，测试结果如图6至图8所示。其中，图6为a平面上的测试结果，从图5中可以看出，a平面上的两个LED芯片的发光没有被吸收遮挡，形成两个光强高峰值，另外两个LED芯片的射向底部的发光被基板反射后形成两个光强小峰值，即图6中的光强分布曲线的两个高峰为a平面上的两个LED芯片发出的光强，其余波峰为反射光强。从图7中可以看出，b平面的两组LED芯片的发光形成两个光强峰值，基板的反射形成了两侧的两个光强的小峰值，另外中间两个LED芯片的发光形成了中间的光强小峰值，即图7中的光强分布曲线的两个高峰为b平面上的两边两组LED芯片发出的光强，两个高峰之间的中间峰为a平面上的一组LED芯片发出的光强，其余波峰为反射光强。图8为在封装时加入了透明光散射微粒5后在a平面上获得的光强分布曲线，参照图2，由于透明光散射微粒5对光线的调光作用，使得大部分光线的传播方向趋同，在a平面上形成一个光滑的朗伯形光强分布。
本发明将多颗LED芯片间隙交错排列在反光碗的反光平面上，通过控制相邻LED芯片之间的间隙大小防止相邻LED芯片相互阻挡吸收光线，使得每颗LED芯片的光强相互叠加，成倍地提高了点光源的光效，得到超高光效的点光源，在同等光效的前提下极大地减小了点光源的体积和功率；由于小型LED芯片的生产成本低，在等光效的前提下，由多个小型LED芯片构成的点光源比大型LED芯片的生产成本以及功率都要低，可以节约大量能源，对于节能领域意义重大；并且依据朗伯型设计反光碗的结构，通过优化反光碗的深度、开口尺寸以及开口角度，使得光线的行进方向尽可能均匀化，形成平滑的朗伯型光强分布；同时在封胶内添加经过精确配比的透明光散射微粒，通过透明光散射微粒对光线的多次折射实现LED光源的点光源化，使得LED光源的光强分布从锯齿形变成平滑的朗伯型，同时保持光谱分布的均匀性以及光强空间分布的均匀性，使得点光源的光强和颜色分布均匀，从而获得一种超高光效和颜色分布均匀的高品质照明光源。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。