專利名稱：Led燈系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種LED燈系統(tǒng)，其包括至少一個用于發(fā)射光的LED，并且涉及一種LED燈陣列，其具有多個該LED燈系統(tǒng)。
近年來，關于設計和制造無機固體LED的技術被迅速地改進，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(161m/Watt)，并且超過大部分鹵素燈的效率(30～351m/Watt)。同時，單個LED元件的效率增長到大大高于1001m/Watt的水平。
現(xiàn)在和將來將影響LED用于照明目的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)，僅當能夠組合多個LED元件的光量時，才可實現(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所以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，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。磷光體不應被專門理解為化學元素，而是應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材料。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，通過將黃色磷光體層施加到輻射藍光的LED，獲得了白光。所述磷光體層的尺寸被確定為，來自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用戶感覺為白光?？商鎿Q地，存在輻射UV光并且涂覆有白色磷光體層的LED元件。通過適當?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。
由US 6 547 400 B1了解了一種光源設備，其包括中空體塊形式的光導塊，其具有反射內(nèi)壁和點光源(諸如LED元件)的矩陣狀配置。點光源輻射的光束的主要部分被引入到光導塊中并且在其中準直。然而，點光源輻射的光束的相當大的部分未由光導塊收集。這相當大地減少了設備的光輸出。
US 6,402,347描述了一種設備，其中獨立的LED元件配置在公共板上，并且每個元件配備有準直附件。連接到各個LED元件的菲涅耳透鏡允許將來自每個LED的輻射光束引入到公共次級光學系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的缺點是在不同的光學界面處的反射引起的高的損耗，約等于60％。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種設備，借助于該設備可以提高每個LED的光輸出。
該目的是通過一種所提出的LED燈系統(tǒng)實現(xiàn)的，其具有至少一個用于發(fā)射光的LED元件、腔室和準直器。在下文中假設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。當然，它們也可以是其他的電致發(fā)光元件，例如激光二極管，或者其他的光發(fā)射半導體元件或有機LED，只要它們具有足夠高的性能值。因此，在本文中術語“LED”或“LED元件”應被理解為各種相應的電致發(fā)光元件的同義詞。除了可見光以外，該光還可以是IR或UV光。
根據(jù)本發(fā)明的LED燈系統(tǒng)的腔室包括內(nèi)部側(cè)壁面，其被設計為至少部分地是高度反射的；光入射面，用于LED元件發(fā)射的光進入到腔室中；和用于輻射到腔室中并且可能由內(nèi)部側(cè)壁面反射的光的出射開口。準直器被配置在腔室的出射開口處，并且具有面對所述出射開口的外耦合(outcoupling)開口。LED元件輻射的光以漫射的形式在入射開口處輻射到腔室中。因此本發(fā)明遵循這樣的原理，即盡可能完全地捕獲LED元件輻射的光，并且以準直的形式將其引入到準直器中，以便于通過使用準直器將輻射以正確定向的方式耦合到次級光學系統(tǒng)中。因此腔室用于捕獲漫射輻射的光，并且基本上無損耗地在出射開口處將其發(fā)射。因此腔室的出射開口通常將被安置為面對光入射面，由此大部分發(fā)射光可以無反射地直接輻射出腔室。
腔室的光入射面可由光發(fā)射表面形成，其可以是LED元件的出射面或者是由來自LED的光發(fā)射激勵的熒光材料層。根據(jù)本發(fā)明的有利的實施例，腔室的光入射面由LED元件的輻射表面形成。因此LED元件發(fā)射的光無損耗地直接耦合到腔室中。顯然，腔室的光入射面還可以由并排放置的多個LED元件的輻射表面形成。
然而，可替換地，同樣有利的是，腔室的光入射面與LED輻射表面空間分隔開。這在必須提供熒光材料用于生成某一光顏色時是特別有利的。這樣，熒光材料可以形成光入射面，其由至少一個LED元件自背離腔室的其后側(cè)照射。
LED元件的光感依賴于施加的熒光材料的層厚度和均勻性。熒光材料的所需的層厚度越均勻，LED元件發(fā)射的光的效果就越均勻。本發(fā)明的另一有利的實施例提出了，在腔室的光入射面和LED輻射表面之間的空間中安置載體，該載體包括在其上和/或其中提供的熒光材料，和/或波長濾光器，特別是二色性濾光器。在載體上提供熒光材料使得LED的制造獨立于熒光材料的施加，或者使LED元件的制造工藝與熒光材料的涂覆沒有關聯(lián)。在分立的載體上可以更加均勻地施加熒光材料并且層厚度更加準確。這對于LED元件的光感是有利的。此外，具有熒光材料的載體可以設置在腔室中任何所需的位置。這可以是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，進入熒光材料層，并且在該處轉(zhuǎn)換為黃光，則其還象Lambert輻射一樣以無方向性散射的方式從所述層輻射。不可能避免黃光也逆著LED燈系統(tǒng)的所需輻射方向向后輻射到LED元件的方向中，隨后在LED元件中被吸收。這引起了光輸出損耗。因此，有利的是，將波長濾光器，優(yōu)選地是二色性濾光器，配置在LED輻射表面和熒光材料之間。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，如果從LED元件發(fā)射藍光并且其進入磷光體層并且遇到熒光材料體(其將該藍光轉(zhuǎn)換為黃光并且在LED元件的方向上將其反射)，則在LED元件處被吸收之前，其再一次由波長濾光器反射并且在穿透熒光材料層之后通過腔室的輻射開口出射。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。有利地，波長濾光器可以同時用作載體，在其上面提供熒光材料。這使得可以實現(xiàn)腔室的非常緊湊的設計。
準直器和腔室原則上可以具有任何形狀和尺寸，只要它們有助于實現(xiàn)LED發(fā)射的輻射的高的光輸出。所述高的光輸出是通過在入射開口處直接使進入腔室的輻射準直實現(xiàn)的，隨后其作為高亮度的輻射在出射開口處發(fā)射。因此，在本發(fā)明的有利的實施例中，腔室的光入射面被設計為大于出射開口。腔室的光入射面和出射開口之間的該尺寸比有助于實現(xiàn)高的亮度，這是因為，入射開口的幾乎全部發(fā)光功率以集中的形式在出射開口的較小區(qū)域重新發(fā)射。
腔室用于在其出射開口處產(chǎn)生盡可能高的亮度。為此，一方面，不應例如由于吸收而損耗從光入射面輻射的光，另一方面，也不應過于頻繁地反射光，這是因為每次反射同樣帶來光輸出的損耗。因此，根據(jù)本發(fā)明的有利的實施例，內(nèi)部側(cè)壁面被設置為朝向光入射面傾斜。實驗表明，在內(nèi)部側(cè)壁面傾斜約30°時獲得了最大的光輸出。該傾斜允許將輻射光反射回光入射面，并且通過至少部分進一步的反射，自該處通過出射開口發(fā)射。因此，腔室中的光在離開腔室之前經(jīng)歷多次反射。因此該概念需要腔室的所有部件具有高反射率。
如果生成的光不能首先離開LED塊體，則在LED元件自身中可能引起LED元件的光輸出損耗，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，有利的是，在輻射表面和熒光材料之間安置主要透明的材料，該透明材料減少或者調(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。這種所謂的光學膠可由硅樹脂形成，并且可以使得可能完全將LED元件中生成的光耦合出來?？梢允乖撏该鞑牧系倪吘壥欠瓷涞模栽黾有?。
此外，熒光材料可包含于或者散布在該透明材料中，這將允許更加緊湊的腔室結(jié)構(gòu)。而且，有利的是，透明材料至少部分地填充腔室或者準直器。因此該透明材料向腔室提供更高的穩(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具有所需的顏色的光的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，使自LED輻射的光散射。因此，有利地使用高度透明的不發(fā)光粉末，而非使用熒光材料，來使LED輻射的光分散。在不需要熒光材料也可工作的LED元件的情況中，例如用于紅色或者棕黃色光的AlInGaP元件，或者在裸露的InGaN-LED元件的情況中，高度透明的不發(fā)光粉末，諸如TiO2，提供了(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)明的另一有利的實施例，多個LED燈系統(tǒng)被并排排列為LED燈陣列。它們可以排列成行，即一維排列，或者可以二維排列，由此它們的排列形成了矩陣或者蜂巢圖樣。這可以通過實現(xiàn)特定的發(fā)光圖案的方式完成?？舍槍θ缦履康倪x擇一排列，其中準直器的所有的外耦合開口聚焦在公共點上，例如透鏡的耦合開口。為此，準直器的長軸可被設置為相對于相關聯(lián)腔室的光入射面的法線傾斜，或者可以通過這樣的方式并排設置多個LED燈系統(tǒng)，即它們的光入射面，或者至少它們的外耦合開口，形成曲面。
由并排的多個燈系統(tǒng)的矩陣或者蜂巢圖案的排列還得到了機械優(yōu)點。例如，有利的是，數(shù)個LED燈系統(tǒng)具有公共的連續(xù)的熒光材料載體和/或波長濾光器。這不僅簡化了LED燈陣列的設計和制造，而且提供了更高的穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明的另一有利的實施例，數(shù)個燈系統(tǒng)的LED元件在該公共基板上排成陣列。例如，這實現(xiàn)了用于對LED元件供電的電連接的更加合理的使用，須確保LED工作過程中生成的熱被散發(fā)掉的冷卻元件的更加經(jīng)濟的配置，并且還增加了LED燈陣列的穩(wěn)定性。
本發(fā)明的另一有利的實施例涉及外耦合開口和光入射面的尺寸比。因此，有利的是，將外耦合開口的表面設置為比光入射面大或小特定的因子。如果外耦合開口大于光入射面，則可以補償LED元件之間的較大的距離，如果在并列的LED元件的周期性排列中，公共基板上單位面積的熱負載變得過高，則需要該補償。對于顯示應用，小于光入射面的外耦合開口可以是有利的。外耦合開口之間的距離未被照亮，并且對于觀察者呈現(xiàn)為外耦合開口周圍的黑色框架。通過每個LED燈系統(tǒng)的出射開口的這種分段，可以產(chǎn)生顯示的可見光柵化。
根據(jù)本發(fā)明的另一有利的實施例，在不同的LED燈系統(tǒng)中使用了具有不同的波長特性的LED元件。這允許在燈陣列中產(chǎn)生特定顏色的感覺，例如，通過紅色、藍色和綠色LED元件組合的白光。可替換地，如果各個LED燈系統(tǒng)中的每一個具有獨立的顏色，則可以在燈陣列中產(chǎn)生不同顏色的感覺。在顯示應用中可能需要這樣。另一方面，還可以在燈陣列中產(chǎn)生兩個或更多個顏色之間的平緩過渡，例如從藍色過渡到黃色。
根據(jù)本發(fā)明的燈陣列還可以有利地用于汽車應用中。例如在頭燈的領域中，至少LED燈陣列的獨立LED燈系統(tǒng)可以具有發(fā)射IR輻射的LED元件，例如，用于支持夜視設備。
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，并且將得到說明。在附圖中，

圖1是根據(jù)本發(fā)明的燈系統(tǒng)的透視圖，圖2是圖1所示的燈系統(tǒng)的截面視圖，圖3是一組燈系統(tǒng)的截面視圖，圖4是如圖3所示的組的透視圖。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的燈系統(tǒng)，其由例如，腔室-準直器的組合形成，該組合包括具有四個高度反射的側(cè)壁2的腔室1，所述側(cè)壁2相對基底表面成一定的角度?；妆砻嬗膳渲迷诨?上的LED元件4的輻射表面3形成。輻射表面3代表腔室1的光入射面。腔室1的上邊界表面形成了面對輻射表面3的輻射開口6。因此，腔室1具有截頂棱錐的形狀。輻射開口6又是準直器7的基底表面，準直器7也具有截頂棱錐的形狀，但是倒置的其四個高度反射的側(cè)壁8向上張開到外耦合開口9，該外耦合開口9具有對應于輻射表面3的尺寸。因此腔室-準直器的組合由一個設置在另一個頂上的兩個不同截頂棱錐形成，并且可內(nèi)切長方體(以虛線示出)。其矩形側(cè)面的較大長度對應于腔室1和準直器7的總高度，并且其正方形端面的尺寸是輻射表面3的或者外耦合開口9的尺寸。
將熒光層10施加到LED元件4的輻射表面3。由于輻射表面形成了腔室1的基底區(qū)域3，因此熒光層10也位于腔室1中。
圖2示出了腔室1和準直器7的相互作用。LED元件4發(fā)射的輻射穿透熒光層10，并且由所述熒光層10無方向性地輻射到腔室1中。由于來自LED元件4的光的所述無方向性輻射，來自LED元件4的輻射不僅可以輻射到分配給其的腔室1中，而且非?？赡茌椛涞较噜彽那皇?中。在腔室1中，其直接通過輻射開口6輻射到準直器7中，或者由反射側(cè)壁2和熒光層10反射，直至其通過輻射開口6離開腔室1。由于輻射開口6小于LED元件4的輻射表面3，然而該輻射開口必須使在輻射表面3處發(fā)射的全部發(fā)光功率通過，因此在輻射開口6處，比在LED元件4的輻射表面3處，存在更高的亮度。同時，自輻射開口6發(fā)出的光，相比于自輻射表面3發(fā)射的光，更加定向。因此該腔室-準直器組合的散射損耗是非常低的。
本發(fā)明的腔室-準直器的組合本質(zhì)上不限于圖1和2中示出的形狀和尺寸。特別有利的是，將許多個腔室-準直器組合一起形成組。形成這種組的腔室-準直器組合可以如圖3和4中示出的以矩陣方式排列，不存在死區(qū)，并且在接觸線11上具有高效的空間利用。其先決條件是，輻射表面3和外耦合開口9的尺寸相互對應。
多個LED元件4在基板5上排列，該基板5除了容納LED元件4之外，還負責將LED元件工作過程中產(chǎn)生的熱散發(fā)掉。出于對基板5上的單位面積建立的熱性能的考慮，可取的是，將LED元件4排列成，使得存在中間距離12。在所有LED元件上延伸的載體13，配置在背離基板5的LED元件4的輻射表面3上。為了使其更加清晰，圖3和4中示出了主要的厚度，其不必反映載體13的必要尺寸。熒光層10施加在所述載體上，并且因此不再需要施加在各個LED元件4上。其可被設置為連續(xù)的層，或者如所示出的，可被設置為分配給LED元件4的獨立的片段。此外，波長濾光器(未示出)可以配置在載體13中或者載體13上。圖3和4中的載體13的尺寸被確定為使得其還可以支撐腔室-準直器組合。此外，LED元件4可以設置在面對腔室-準直器組合的載體13的那側(cè)上。
另一方面，如果外耦合開口9具有更大的尺寸，同時輻射開口6和輻射表面3的尺寸保持不變，則LED元件4之間存在更大的相互距離。
這兩個部件的基底表面的不同的形狀，例如六邊形形狀，允許產(chǎn)生蜂巢形狀的排列，而非矩陣排列。
總而言之，應當再一次指出，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域的技術人員修改。
而且，應當指出，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項的存在。
權利要求
1.一種LED燈系統(tǒng)，包括至少一個用于發(fā)射光的LED元件(4)，腔室(1)，其具有內(nèi)部側(cè)壁面(2)，所述內(nèi)部側(cè)壁面被設計為至少部分地是高度反射的；用于所發(fā)射光的光入射面(3)；和用于輻射到腔室(1)中并且從內(nèi)部側(cè)壁面(2)反射的光的出射開口(6)，和準直器(7)，其設置在腔室(1)的出射開口(6)處，并且其具有面對所述出射開口的外耦合開口(9)。
2.權利要求1的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，腔室(1)的光入射面由LED輻射表面(3)形成。
3.權利要求1的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，腔室(1)的光入射面離開LED輻射表面一距離。
4.權利要求3的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，在離開輻射表面(3)一距離處設置載體(13)和/或波長濾光器，該載體具有在其上和/或其中提供的熒光物質(zhì)(10)。
5.前面任何一個權利要求的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，光入射面(3)大于腔室的出射開口(6)。
6.前面任何一個權利要求的LED燈系統(tǒng)，其特征在于，腔室(1)的內(nèi)部側(cè)壁面(2)朝向光入射面(3)傾斜。
7.一種LED燈陣列，其具有多個如前面任何一個權利要求所述的LED燈系統(tǒng)。
8.權利要求7的LED燈陣列，其特征在于，多個LED燈系統(tǒng)具有公共的連續(xù)載體(13)。
9.權利要求7或8的LED燈陣列，其特征在于，用于多個LED燈系統(tǒng)的LED元件(4)設置在公共基板(5)上。
10.權利要求7～9中的任何一個的LED燈陣列，其特征在于，外耦合開口(9)的面積大于或者小于光入射面(3)。
11.權利要求7～10中的任何一個的LED燈陣列，其特征在于，在LED燈陣列的不同LED燈系統(tǒng)中使用具有不同波長特性的LED元件(4)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種LED燈系統(tǒng)，其包括至少一個用于發(fā)射光的LED元件(4)；腔室(1)，其具有內(nèi)部側(cè)壁面(2)，所述內(nèi)部側(cè)壁面被設計為至少部分地是高度反射的；用于所發(fā)射光的光入射面(3)；和用于輻射到腔室(1)中并且由內(nèi)部側(cè)壁面(2)反射的光的出射開口(6)；和準直器(7)，其配置在腔室(1)的出射開口(6)處，并且其具有面對所述出射開口的外耦合開口(9)。
文檔編號H01L25/075GK1993839SQ200580026657
公開日2007年7月4日 申請日期2005年8月2日 優(yōu)先權日2004年8月6日
發(fā)明者J·A·舒格, J·L·A·M·索馬尼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司