CN100476288C - 发光二极管照明模块及照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以抑制色差的产生来提高照明质量的发光二极管照明模块及使用其的照明装置。发光二极管照明模块LM包括发光二极管(1)与透镜体(20)，其中：发光二极管(1)包括荧光体层(12)，以对从配设在基板(2)上的发光二极管芯片(6)放射的光的一部分进行波长转换的方式而配设着；透镜体(20)以对向于发光二极管(1)的方式配设着，且具备主要是出射角较小的光所入射的凸透镜部(21)，以及主要是出射角较大的光所入射的位于凸透镜部周边的反射部(23)，且第1配光特性(A)与第2配光特性(B)大致相同，其中第1配光特性(A)是从发光二极管芯片(6)放射并直接从凸透镜部(21)以及反射部(23)出射的光所形成；第2配光特性(B)是从荧光体层(12)放射并从凸透镜部(21)以及反射部(23)出射的光所形成。

Description

发光二极管照明模块及照明装置

技术领域

本发明涉及发光二极管(diode)照明模块(module)及具备其的照明装置的改良。

背景技术

已知有如下照明装置，设置有：使从发光二极管放射的光聚焦的第1透镜(lens)；使第1透镜的出射光聚焦为大致平行光的第2透镜(例如，参照专利文献1)。

此外，已知有将发光二极管照明模块以矩阵状排列而成的对点投影器(spotting projector)，该发光二极管照明模块是将凸透镜部、凹部、反射器主体与LED灯组合在一起，其中凸透镜部，修正自LED(light-emitting diode，发光二极管)灯射向前方的光的行进方向；凹部，收容LED灯；以及反射器主体，作为使LED灯的侧面光向前方反射的透镜，反射面为抛物面(paraboloid)或者近似于抛物面曲面(参照专利文献2)。

进而，已知有如下发光二极管，其通过在蓝色发光的发光二极管中，组合黄色发光的荧光体(Phosphor)层以产生由补色而产生的白色光。再者，通常此种发光二极管，发光二极管芯片埋设在荧光体层中，或者发光二极管芯片埋设在配设于荧光体层后背部上的漫射层等层中。

因此，本领域技术人员考虑用上述白色发光的发光二极管来代替专利文献2中记载的先前技术中所使用的发光二极管。此情形时，如果按照已知的设计方法，则通常的处理方式是设发光二极管的发光位置为单一部分。因此，在专利文献2的情形时，为了避免因从凸透镜部出射的光与从全反射部出射的光的配光特性不同而导致照明度不均，以从凸透镜部出射的光的配光特性与从全反射部出射的光的配光特性相一致的方式来进行设计。

此外，本领域技术人员亦考虑用上述白色发光的发光二极管代替专利文献1中记载的先前技术中所使用的发光二极管。该情形也和上述相同，通常的处理方式是设发光二极管的发光位置为单一部分。

[专利文献1]日本专利特开2003-281908号公报

[专利文献2]日本专利特开2003-281909号公报

然而，可了解到，在专利文献1以及专利文献2中所记载的照明装置中，使用以组合荧光体层来获得白色发光的方式而构成的发光二极管的情形时，存在有产生色差的问题。

本发明者对产生上述色差的原因进行调查的结果，了解到由发光二极管的构造引起。

即，在以通过上述补色关系而放射白色光的方式所构成的发光二极管中，从发光二极管芯片无须进行波长转换而直接向外部出射的直接光，与在荧光体层进行波长转换后从荧光体层出射的波长转换光的出射位置不同。

可认为，上述直接光的光源位置为发光二极管芯片的表面。

相对于此，可认为，上述波长转换光的光源位置为荧光体层的表面。如此，荧光体层的表面位于与发光二极管芯片相比之下更靠近光轴方向的前方，因此，直接光与波长转换光的各个光源位置在光轴方向的位置前后错开。

此外，如果使用如先前所述以设光源位置为单一部分的方式进行设计的全反射透镜，则直接光的配光特性与波长转换光的配光特性将有较大差异。即，直接光的配光特性为，在出射角较小的范围内光度以极大的值进行分布，但是如果出射角变大，则光度将变得极小。相对于此，波长转换光的配光特性为，在出射角的广阔范围内，光度呈以光轴方向为顶点的平缓山状而变化。

其结果，判明产生色差的情形。在通过补色产生白色光的情形时，如果产生色差，则将导致在照明装置的光轴方向上的出射角较小的范围内，直接光的光度变大，而且直接光成为带蓝色的光，而在离开光轴的照射角较大的方向上，相对而言直接光的光度变小，而且直接光成为带黄色的光。其结果，存在有因色差而导致照明装置的照明质量明显下降的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以抑制色差的产生来提高照明质量的发光二极管照明模块，以及使用其的照明装置。

本发明的第1实施方式中的发光二极管照明模块的特征在于包括发光二极管与透镜体，其中发光二极管包含：基板；配设在基板上的发光二极管芯片；以及以将从发光二极管芯片放射的光的一部分进行波长转换的方式而配设的荧光体层；以及透镜体，以对向于发光二极管的方式配设着，此透镜体具备：在从发光二极管放射的光中，主要是出射角较小的光所入射的凸透镜部；以及主要是与入射到凸透镜部的光相比之下出射角较大的光所入射的位于凸透镜部周边的反射部，此透镜体且以使第1配光特性与第2配光特性大致相同的方式构成，其中第1配光特性，是从发光二极管的发光二极管芯片放射并直接入射到凸透镜部以及反射部之后出射的光形成的；第2配光特性，是从发光二极管的荧光体层出射的光入射到凸透镜部以及反射部并出射的光形成的。

本发明以及以下各发明中，只要不特别指定，用语的定义以及技术性意思如下所述。

[发光二极管]发光二极管包含基板、发光二极管芯片以及荧光体层。

基板支撑着发光二极管芯片，并且具备针对发光二极管芯片的配线。再者，上述配线与所需要的电源连接。此外，允许基板以可将多个发光二极管芯片以矩阵状排列的方式而构成。

通常，发光二极管芯片使用呈裸芯片状的发光二极管芯片，而且为了避免大型化，优选该种发光二极管芯片，但是亦可根据需要，使用例如专利文献2中所记载的埋设在呈炮弹形状的透光性树脂中的发光二极管芯片。

此外，发光二极管芯片由基板支撑，并且与基板的配线连接。

进而，发光二极管芯片可以使用具有所期望的发光色的发光二极管芯片。例如，可以使用蓝色发光型或紫外光发光型等发光二极管芯片。

荧光体层是用以将从发光二极管芯片出射的光的至少一部分进行波长转换，来产生不同光色的光的单元。因此，将荧光体层配设在从发光二极管芯片放射的光通过的位置以及状态下。例如，可配设为将发光二极管芯片埋设在荧光体层中。此外，也可使发光二极管芯片埋设在于透明性树脂中分散有金属氧化物微粒子的漫射层中，且位于漫射层的前面侧的方式以重层地形成荧光体层。

而且，荧光体层，其荧光体的发光色并无特别限定。例如，可在发光二极管芯片的发光色为蓝色光时，使用与蓝色光处于补色关系的黄色发光的荧光体来形成荧光体层。该情形时，由于从发光二极管芯片放射的直接光，与通过荧光体层进行波长转换而发光的黄色光处于补色关系中，所以可通过将直接光与黄色光进行加法混色，来获得白色光。该混色方式的发光二极管，光的利用率较高，而且可使构成较简单，因此在本发明中非常合适。而且，也可根据需要，使用一种产生不处于补色关系的可见光的荧光体层。

此外，也容许根据需要来使用发光二极管芯片的发光色为紫外光(ultraviolet light)的发光二极管。该情形时，可使用分别进行红色发光、绿色发光以及蓝色发光的3波长发光型荧光体，以形成荧光体层。如此，通过荧光体层使从发光二极管芯片放射的紫外光进行波长转换为可见光从而获得白色光。但是，一部分紫外光不进行波长转换而是作为直接光出射。

可容许发光二极管芯片除以上构成要素以外，根据需要适当附加其他构成。例如，可以具备反射部，用以使从发光二极管芯片以及荧光体层产生的光向前方反射。

[透镜体]透镜体由透明树脂，例如透明丙稀酸树脂等或玻璃等透明物质形成，且具备凸透镜部以及反射部。而且，透镜体，优选的是使凸透镜部以及反射部一体成形。

凸透镜部配设在光轴方向的中心部，且有从发光二极管放射且光轴方向上的出射角较小的范围内的光入射进来，换言之，主要是有从发光二极管向前方出射的光入射进来。再者，在入射到透镜部的光中包含如下两者：从发光二极管芯片不进行波长转换而直接出射的光(以下，方便起见称作“直接光”)；从发光二极管芯片放射并入射到荧光体层，且进行波长转换并出射的光(以下，方便起见称作“波长转换光”)中出射角较小范围内的光。

反射部配设在凸透镜部的周围，入射有一种与入射到凸透镜部的光相比之下出射角较大的光，且反射此入射光使之向光轴方向出射。再者，在入射到反射部的光中，包含来自发光二极管芯片的直接光与来自荧光体层的波长转换之光。此外，反射部，可优选的是以通过内面全反射而进行反射的方式构成。

此外，反射部，其反射面较佳的是主要由回转抛物面或者回转椭圆面来形成。再者，也可以针对各个面而连接不同种类的曲面的一部分。此时，回转抛物面的焦点，沿光轴而位于与荧光体层相比之下更靠近光照射方向的前方。

而且，透镜体以如下方式构成：使上述直接光入射到凸透镜部以及反射部后出射的光所形成的配光特性，与上述波长转换光入射到凸透镜部以及反射部并出射的光所形成的配光特性成为大致相同。再者，所谓配光特性大致相同，如果全部相同则较为理想，但是在实用时，如果各个配光特性大致类似，且实质上色差得到减轻，则容许各配光特性被认定为类似。

优选的是，从发光二极管的发光二极管芯片放射并直接入射到凸透镜部以及反射部后出射的光所形成的第1配光特性，其配光峰值为7～13°范围内。而且，优选的是上述转换光的第2配光特性，其1/2光束角为13～35°范围内，且上述配光峰值的范围与1/2光束角的范围相关联。即，例如，如果上述直接光的配光峰值为下限值，则上述转换光的配光特性为包含该配光峰值下限值的该下限值附近的值，同样，如果上述直接光的配光峰值为上限值，则上述转换光的配光特性为包含该配光峰值上限值的该上限值附近的值，且在上述各范围的中间部也具有与以上相同的关系。再者，如果上述配光峰值以及1/2光束角偏离上述范围，则较难获得本发明的作用、效果。

本发明中，如果在发光二极管照明模块的出射角度20°以内的相关色温度的分布为±10％以内，则可以认为色差受到较少抑制。

进而，容许透镜体除配设凸透镜部以及反射部之外也配设凹部。此情形时的凹部，可有效地增加向反射部入射的光。即，从发光二极管出射的光中，出射角相对较大的光最初从凹部侧面入射到透镜体内，经折射后入射到反射部。经折射后入射到反射部的光的出射角，与直接入射的情形相比之下出射角较大。

本发明的照明装置的特征在于具有：照明装置主体；以及配设在照明装置主体上的如权利要求1或2中所记载的发光二极管照明模块。

本发明中，所谓照明装置，适应于将本发明的发光二极管照明模块用于某些照明目的所有装置。例如，可用于一般照明用各种照明器具，例如下射式灯具、吸顶灯具、道路用照明器具、隧道用照明器具以及投光灯等，进而可用在显示装置等。

发光二极管照明模块，可包含单个发光二极管以及透镜体，也可为以矩阵状等排列有多个发光二极管以及透镜体。

根据本发明，可提供一种发光二极管照明模块以及使用其的照明装置，通过以入射到具备凸透镜部以及反射部的透镜体或者第1透镜体以及第2透镜体，并出射而形成的直接光与波长转换光的各自的配光特性大致相同的方式，来抑制色差的产生从而提高照明质量。

附图说明

图1是用以实施本发明的发光二极管照明模块的第1形态中的光线跟踪图。

图2是相同形态中的发光二极管的平面图。

图3是沿图2的III-III′线的放大剖面图。

图4是沿图3中的IV-IV′线的放大剖面图。

图5表示相同形态中的透镜体，(a)是正面图、(b)是平面图、(c)是仰视图、(d)是正面剖面图、(e)是(d)中的B部的放大剖面图。

图6是相同形态中的发光二极管的分光分布曲线图。

图7是表示从发光二极管的发光二极管芯片的表面放射并直接入射到凸透镜部以及反射部后出射的光的配光特性的图表。

图8是表示从上述发光二极管的荧光体层的表面出射的光入射到凸透镜部以及反射部后出射的光的配光特性的图表。

图9是表示相同形态中的实施例以及比较例中的透镜效率、30°以内的光利用率、相关色温度Max以及相关色温度Min的图表。

图10是同时表示相同形态中的实施例与比较例的相关色温度特性的图表。

图11是表示用以实施本发明的照明装置的一形态的下射式灯具的剖面图。

1：发光二极管    2：基板

3：LED装置       4：电气绝缘层

5：导线架        5a：电路图案

5b：电路图案     6：发光二极管芯片

7：接合线        8：凹部

8a：开口                  9：透镜支架

10：密封树脂              11：漫射层

12：黄色发光型荧光体层    20：透镜体

21：凸透镜部              22：凹部

23：反射部                41：照明装置主体

41a：周段部

A：直接光的配光特性

a1：从凸透镜部出射的直接光

a2：从反射部出射的直接光

B：波长转换光的配光特性

b1：从凸透镜部出射的波长转换光

b2：从反射部出射的波长转换光

LM：发光二极管照明模块

LX：光轴

具体实施方式

以下，参照图式对用以实施本发明的形态进行说明。

图1至图10表示用以实施本发明的发光二极管照明模块的第1形态，图1是光线跟踪图，图2是发光二极管的平面图，图3是沿图2的III-III′线的放大剖面图，图4是沿图3的IV-IV′线的放大剖面图，图5表示透镜体，(a)是正面图、(b)是平面图、(c)是仰视图、(d)是正面剖面图、(e)是(d)的B部的放大剖面图，图6是发光二极管的分光分布曲线图，图7是表示从发光二极管的发光二极管芯片的表面放射并直接入射到凸透镜部以及反射部后出射的光的配光特性的图表，图8是表示从上述发光二极管的荧光体层的表面出射的光入射到凸透镜部以及反射部后出射的光的配光特性的图表，图9是表示实施例以及比较例中的透镜效率、30°以内的光利用率、相关色温度Max以及相关色温度Min的表，图10是表示实施例和比较例的相关色温度特性的图表。

第1形态中，发光二极管照明模块LM的构成具备发光二极管1以及透镜体20。

首先，对发光二极管芯片的构成进行说明。

发光二极管1将多个LED(发光二极管)装置3、3，...例如以3列×3行的矩阵状配设在基板2上，且形成为一体。

基板2由具有散热性与刚性的铝(Al)或镍(Ni)、玻璃环氧树脂等平板所构成。而且，基板2为使多个LED装置3、3，...的各基板一体化而形成的一体基板。在基板2上介隔着电气绝缘层4而配设导线架5。

如图4所示，导线架5，在每个各LED装置3上用铜(Cu)与镍(Ni)的合金或金(Au)等，形成阴极(cathode)侧与阳极(anode)侧的电路图案(配线图案)5a、5b。在该导线架5上，针对每个各LED装置3分别安装蓝色发光型发光二极管芯片6。

各蓝色发光型发光二极管芯片6，由产生蓝色光的例如氮化镓(GAN)系半导体等所构成。此外，各蓝色发光型发光二极管芯片6，将其底面电极载置于并电性连接于电路图案5a、5b的其中一个的上面，并且通过接合线(bonding wire)7将上面电极连接于另一个电路图案。

在上述基板2上，将各LED装置3形成在透镜支架(lens holder)9上，其中该各LED装置3将向基板2相反侧(图3以及图4中的上方)依次扩开的倒截头圆锥形凹部8分别形成为同心状，该凹部8以确保所需间隔的方式来包围各蓝色发光型发光二极管芯片6的周围。再者，各透镜支架9形成一体化。透镜支架9由例如PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯，polybutyleneterephthalate)或PPA(聚邻苯二甲酰胺，polyphthalamide)、PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)等树脂所构成。再者，各凹部8分别具有向外部开口的开口8a。

各凹部8a中，分别将具有透光性的硅树脂或环氧树脂等热硬化性树脂作为密封树脂10填充在各凹部8a的内部。上述密封树脂10形成为如下2层：蓝色发光型发光二极管芯片6侧的漫射层11，与凹部8的开口8a侧的黄色发光型荧光体层12。

漫射层11可用于欲使入射到后述的黄色发光型荧光体层12中的光漫射的情形，漫射层11的形成方式是，在凹部8内，以发光二极管芯片6埋设在内部的方式，填充氧化铝(Al₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)、氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO₂)、氧化钇(Y₂O₃)等金属氧化物或上述多个金属单体的微粒子所构成的漫射剂，例如添加了3～5质量％的密封树脂，并使之热硬化而形成。再者，漫射层11的表面可以中央凹陷例如1～5μm左右的方式形成。但是，在利用透镜体控制来自黄色发光型荧光体层12的转换光的情形时，为了易于且可靠地进行光学控制，优选的是尽可能减少漫射程度，进而，本发明的一实施方式，可采用一种不具备漫射层11的构成。

黄色发光型荧光体层12，是在热硬化并形成漫射层11之后，将添加了所需量的黄色发光荧光体的密封树脂填充到凹部8内，并使之热硬化后而形成的。再者，黄色发光型荧光体层12，由从蓝色发光型发光二极管芯片6放射的蓝色光激发而产生黄色光。

其次，对透镜体20的构成进行说明。

如图5所示，透镜体20为例如透明丙稀酸树脂制，包含凸透镜部21、凹部22以及反射部23，且与发光二极管芯片1接近并正对。在本形态中，将多个透镜体20(9个)排列成3行×3列的矩阵状并使之一体化而构成透镜模块RM。

凸透镜部21如图5(e)放大后所示，位于透镜体20的中心部，且入射有由发光二极管1而来的光轴方向上的较狭小出射角的光。

凹部22，其内面形成近似回转抛物面状的圆柱状，上端与凸透镜部21的周缘部连接，入射有与入射到凸透镜部21的光相比之下出射角较大的光。

反射部23以反射从凹部22进入到透镜体20内部的光的方式而形成，且配置在凸透镜部21的周边。此外，反射部23为全反射型，且反射光从透镜体20向前方出射。

此外，透镜体20，其平面部如图5(b)所示平坦地形成。

其次，对本形态的发光二极管照明模块LM的作用进行说明。

首先，如果在发光二极管1的阴极侧与阳极侧的电路图案5a、5b间流通着规定的直流电流，则发光二极管芯片6将发出蓝色光。上述蓝色光，在漫射层11中进行适度地漫射，进而其一部分入射到荧光体层12中并激发黄色发光型荧光体。黄色发光型荧光体受到激发后放射黄色光。因此，上述黄色光为波长转换光。另一方面，蓝色光的残留部分成为直接光。继而，直接光以及波长转换光，一起从发光二极管1向外部放射。

因此，发光二极管1的分光分布，成为如图6所示。图中，分别为：横轴表示波长(nm)，纵轴表示相对强度。而且，以图中实线所示的曲线部分为来自发光二极管芯片的蓝色光(“来自芯片的光”)，以微细虚线所示的曲线部分为来自荧光体层的黄色光(“来自荧光体的光”)。

如图1的光线跟踪图所示，可认为从发光二极管1向外部放射的光，即直接光从发光二极管芯片6的表面放射。此外，可认为波长转换光从荧光体层12的表面放射。发光二极管芯片6的表面相对位于光轴LX的后方，荧光体层12的表面相对位于光轴LX的前方。因此，从发光二极管1向外部放射的光，即直接光与波长转换光的发光点在光轴方向上前后错开。

如图1所示，第1形态中，透镜体以使配光特性A与配光特性B大致相同的方式设计，且相对于发光二极管1而设定，其中配光特性A是直接光入射到凸透镜部21后从该凸透镜部21出射的光a1，与直接光入射到反射部23后从该反射部23出射的光a2所形成的；配光特性B是波长转换光入射到凸透镜部21后从该凸透镜部21出射的光b1，与波长转换光入射到反射部23后从反射部23出射的光b2所形成的。

[实施例]

图7是表示出射角与光度的关系的图表，其中该出射角与光度的关系是用以说明当本形态的实施例中的直接光中，入射到反射部后出射的出射光所形成的配光峰值约为10°时，由直接光所形成的配光特性A。图中，横轴表示出射角度(°)，纵轴表示光度(cd)。此外，分别显示：以图中的长虚线所示的图表是表示光a1的光度分布即配光特性，以短虚线所示的图表是表示光a2的光度分布即配光特性；以实线所示的图表是表示光a1+a2的光度分布即配光特性A。再者，配光特性A的半宽约为24°。

图8是表示出射角与光度的关系的图表，其中该出射角与光度的关系是用以说明由本形态的实施例中的波长转换光所形成的配光特性B。图中，横轴表示出射角度(°)，纵轴表示光度(cd)。此外，分别显示：以图中的长虚线所示的图表是表示光b1的光度分布即配光特性，以短虚线所示的图表是表示光b2的光度分布即配光特性；以实线所示的图表是表示光b1+b2的光度分布即配光特性B。再者，配光特性B的半宽约为27°。

如果将以上的图7与图8加以对比，则可以了解到，配光特性A与B大致类似，因此如果为上述程度，则可以认为配光特性A与B大致相同。

图9是将上述实施例以及比较例中的透镜效率、30°以内的光利用率、相关色温度Max以及相关色温度Min进行对比后所示的图表。

以上说明的本形态的实施例中，透镜效率、30°以内的光利用率、相关色温度Max以及相关色温度Min与图9所示的图表一致。可从上述表了解到，根据本发明，透镜效率、30°以内的光利用率以及相关色温度明显优于先前技术。再者，比较例，除将直接光以及波长转换光的发光点看作是同一个发光点以外，都是根据与实施例相同的设计而进行制作。

图10是同时表示实施例与比较例的相关色温度特性的图表。图中，分别为：横轴表示出射角度(°)，纵轴表示相关色温度(K)。此外，分别为：图中的实线表示本发明的实施例，长虚线表示比较例。

可从图中了解到，通过本发明，色差受到明显抑制。相对于此，在比较例中所示的先前技术的情形下，色差明显。

图11是表示用以实施本发明照明装置的一形态的下射式灯具的剖面图。本形态是使用本发明的发光二极管照明模块的第1形态而构成。

图中，41为照明装置主体，在其内部收容有发光二极管照明模块LM。照明装置主体41形成额缘状，在背面的周肩部41a处载置着发光二极管照明模块LM。再者，点划线为光轴LX。

如此，本形态中，光束角约为30°。

Claims (4)

1、一种发光二极管照明模块，其特征在于包括：

发光二极管，包括基板、配设在上述基板上的发光二极管芯片、以及以对从上述发光二极管芯片放射的光的一部分进行波长转换的方式而配设的荧光体层；发光二极管芯片的表面相对位于光轴的后方，荧光体层的表面相对位于光轴的前方，发光二极管芯片的发光点与波长转换光的发光点在光轴方向上前后错开；以及

透镜体，以对向于上述发光二极管的方式配设着，包括：主要是从发光二极管放射的光中，出射角较小的光所入射的凸透镜部，以及主要是与入射到凸透镜部的光相比，出射角较大的光所入射的位于凸透镜部周边的反射部，且第1配光特性与第2配光特性大致相同，其中第1配光特性，是从上述发光二极管的上述发光二极管芯片的表面放射并直接入射到上述凸透镜部以及上述反射部后出射的光所形成，第2配光特性，是从上述发光二极管的荧光体层的表面出射的光入射到上述凸透镜部以及上述反射部后出射的光所形成。

2、如权利要求1所述的发光二极管照明模块，其特征在于：上述透镜体的反射部主要是由回转抛物面或回转椭圆面形成，且回转抛物面的焦点沿着光轴并与上述荧光体层相比，更位于照射方向的前方。

3、如权利要求1或2所述的发光二极管照明模块，其特征在于：第1配光特性的配光峰值处于7～13°范围内，第2配光特性的1/2光束角处于13～35°范围内，且上述配光峰值的范围与1/2光束角的范围相关联。

4、一种照明装置，其特征在于包括：

照明装置主体；以及

配设在上述照明装置主体中的如权利要求1或2所述的发光二极管照明模块。

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