CN101185171A - 带有发光二极管的照明系统 - Google Patents

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Abstract

照明系统含有多个发光二极管芯片(R，G，B)。每个发光二极管芯片包含一个带有用来发光的发光层(1)的LED衬底(2)，LED芯片排列在具有预定光学属性的光学衬底(10)上。LED的发光层面对光学衬底。所述至少一个发光二极管芯片发出的光经由出光窗口(11)发出，出光窗口(11)背向发光层。光学衬底包含一个散热装置。光学衬底最好包含一个半透明多晶陶瓷材料作为散热装置。散热装置最好包含施加于光学衬底背向出光窗口一侧的金属化层(16)和/或散热器(17)。LED优选嵌入在光学衬底中。

Description

带有发光二极管的照明系统
技术领域
本发明涉及一种照明系统，该系统包含至少一个发光二极管(LED)芯片，每个发光二极管芯片包含一个带有用来发光的发光层的LED衬底，所述至少一个发光二极管芯片排列在光学衬底上。
背景技术
当前发光二极管广泛应用于照明系统。它们尤其是在(不发光的)(图像)显示设备的背后照明中用作光源，比如用于电视接收器和监视器。这种照明系统特别适合作为背后照明，用于不发光的显示器中，比如液晶显示设备，也涉及到用于(手提)电脑或(无绳)电话的液晶显示面板。另外，这种照明系统也用于一般照明用途，例如，聚光灯，泛光灯和用于在比如用在标示牌，轮廓照明和广告牌中的大面积直视发光面板。另外的应用还包括汽车前灯，信号照明和使环境光线条件适合家庭荧幕上显示的电视节目或电影节目风格的所谓环境光应用。其它出现的应用是把LED用作为高亮光源，用于优选高亮度、高光通量源的场合的个人图像投影仪。
通常，这些照明系统包含多种光源，比如发光二极管(LED)。发光二极管可以是不同基色的光源，例如众所周知的红色(R)，绿色(G)或蓝色(B)光发射器。另外，光发射器可以将例如琥珀色或青色作为基色。这些基色可以由发光二极管芯片直接产生，或者可以基于来自发光二极管芯片的波长较短的光的辐射由磷光体产生。在后一种情况里，把混合颜色或白光作为一种基色来使用也是可能的。通常，由多个个体光源发出的光在光学系统的透明元件(一个或多个)中被混合以实现光的均匀分布，同时，消除了对一个特殊光源的照明系统所发射的光的相关性。为了在寿命期内获得稳定的光学性能，必须采取措施来补偿照明系统中每一个个体光源的不同的老化行为。为了这个目的，提供了一个带有一个传感器和一些反馈算法的控制器，以稳定在光源寿命期内的色彩精度和光输出水平。
日本专利申请JP-A2004-158557的英文摘要公开了一种倒装片型的发光二极管(LED)封装，它包含一个透明衬底和一个LED，该透明衬底具有一个第一表面，该第一表面具有一个凹进部分，LED置于该凹进部分中。LED就像在一个倒装芯片(flip-chip die)中向着透明衬底发光，这样，发射不会被LED上部的粘结衬垫所遮挡，从而增大了发射范围和发射强度。
已知的照明系统的一个缺点是发光效能相对较低。
发明内容
本发明的目的是完全地或部分地消除上述不足。根据本发明，由一个照明系统实现该目标，该照明系统包括：
至少一个发光二极管芯片；
每个发光二极管芯片包含一个具有用来发光的发光层的LED衬底；
所述至少一个发光二极管芯片排列在具有预定的光学属性的光学衬底上；
所述至少一个发光二极管芯片的发光层面对光学衬底；
所述至少一个发光二极管芯片发出的光通过光学衬底的出光窗口发出，该出光窗口背向发光层；
光学衬底包含一个散热装置。
在含有发光二极管(LED)的照明系统中具有增大LED芯片的(功率)输出电平是一个趋势。这些LED芯片在标称功率的驱动下具有范围在100mW至5W的辐射功率输出。这会导致LED的温度上升到完全高于100℃，或甚至高于200℃。已知的是，某些LED芯片的效能在其温度变得太高时会降低，在甚至更高的温度时，LED的功能减少。根据本发明的这个方案，通过提供带有散热装置的光学衬底，LED能工作在大功率下，而通过散热装置将引导LED产生的热量离开LED。
在本技术领域中已知的照明系统中现有的单LED和多LED光源的一个问题是输入电功率到发出的光功率的转换效率相对较低。对于效率较高的光源，转换效率最多也就达到10-15％。低效率一方面是由于LED有源层的固有转换效率，另一方面是由于在同一有源层中或在包围该层的高指数(high-index)层堆栈中的光陷阱和光的再吸收造成的。这占到了转化为热量的输入功率的90-85％。因为这个原因，热管理和来自LED的光提取的优化均是照明应用中优化LED的重要问题。
已知照明系统的另一个缺点是，照明系统不是为不具有将热量从芯片有效转移走的装置的功率芯片设计的照明系统，因此，系统的流明通量和光亮度保持低水平。此外，由于衬底和LED的结合没有对来自LED的光提取进行优化，所以光的发射效能相对较低。
优选地，根据本发明的LED在标称功率下驱动时，辐射功率输出至少为100mW。
在根据本发明的照明系统中，发光二极管以一种称作面朝下的方式安装在光学衬底上。LED发出的光被耦合进光学衬底。
有一些实现散热装置的方法。根据本发明的照明系统的一个优选实施例的特征在于，其光学衬底包含一个半透明或透明的(多)晶体陶瓷材料，它既作为光学元件又作为散热装置。由一种(多)晶体陶瓷材料做成的光学衬底本身就如同热传导元件一样有效。使用由多晶陶瓷材料做成的光学衬底的另一优势是这些材料能容易地承受高于200℃的温度，能够采用大功率LED芯片，并且温度已不再是照明系统的限制。(多)晶体陶瓷材料应该是透明的或半透明的以便成为光学系统的一个完整部分。由于实际原因，最好使用烧结的多晶光学衬底。大家都知道，对于陶瓷元件或装置的制备工艺的技术人员来说，这些元件的制备是可能的。合适的陶瓷材料有钇铝石榴石(YAG)，PCA(多晶氧化铝)，AIN(氮化铝)等等。以1000℃以上的温度烧结这些材料，这些材料能容易地承受LED的工作温度。这些材料的元件可以通过挤压法、压注模塑法或比如为陶瓷成型技术的技术人员所知的铸造工艺来制成各种形状，这是已知的。玻璃是作为光学衬底的另一种适合的材料。
使用上述提到的材料，对光学衬底可以增添额外的功能。为了达到该目的，根据本发明的照明系统的一个优选实施例的特征在于，光学衬底的预定光学属性包括影响光的提取，光的转换和/或光的定向性。
在第一个实施例中，一个蓝色的或发紫外光的LED安装在一个局部施加有一定量发光物质的凹进部分。这可以在陶瓷材料中烧结或其后通过内扩散施加或通过其它任何为该技术领域的技术人员所知的方案。这种发光材料至少部分地将原色光转变为混合色(secondarycolor)，通过对单个LED在光学衬底上将多种发光物质组合起来，可以得到非常稳定的恒色光源。
在另一个实施例中，多个LED安装在具有同种或不同发光材料的各种出口孔中，以便从光源获得更高的光通量。通过有意地选择发光物质在陶瓷衬底上的分布，也有可能导致从光学衬底中发出的光的颜色或色温作为位置或发光角度的函数发生期望的变化。
在另一个优选实施例中，陶瓷衬底由和LED衬底具有相同或大致相同的折射率的材料组成。通过在出口孔的内部和LED衬底之间施加具有相同折射率的透明粘合剂，该装置能将由LED衬底内部反射导致的光的损失减到最少。
在另一个实施例中，光学衬底的前表面提供有象微透镜或衍射图案之类的光学结构，目的是便于光的提取或者也为了增强光在预定方向上的提取。可以通过在烧结之前构造陶瓷或之后在光学衬底的顶部上施加具有适当折射率的一个涂层，这些图案能施加在光学衬底的表面上，光通过该光学衬底发出。在所有情况下，这涉及的都是适合承受300℃或更高工作温度的无机层。
根据本发明的照明系统的另一个优点是，除了改进陶瓷层的热传导性外，还有其它装置来激励照明系统的散热。为此，根据本发明的照明系统的一个优选实施例的特征在于，散热装置包括施加在光学衬底背向出光窗口的一侧上的金属化层。金属化层进一步促进引导热量离开LED。LED发出的光被导入光学衬底，施加在面对发光层的光学衬底的一侧上的金属化层不会减少LED的发光效能。金属化层可以用作为一个反射器将发射的光导入出光窗口的那一侧。
根据本发明的照明系统的一个优选实施例的特征在于，散热装置包括在光学衬底背向出光窗口的一侧设置一个散热器。散热器极大地激励了耗散的能量向周围环境的转移。提供散热器有效地实现了对于功率应用的冷却。
根据本发明的照明系统的一个优选实施例的特征在于，至少有一个发光二极管芯片被嵌入在光学衬底中。LED的嵌入式环境和散热装置的提供促成了对LED工作中产生的热量的更为有效的冷却。
优选地，在光学衬底背向出光窗口的一侧提供有金属连接，该金属连接为所述至少一个发光二极管芯片供电。
根据本发明的照明系统的一个优选实施例的特征在于，提供了一种在所述至少一个发光二极管芯片和光学衬底之间的光键合装置(optical-bonding means)。
附图说明
从下面描述的实施例，本发明的这些和其它方面是显而易见的，下面参照这些实施例对这些方面进行描述。
在附图中：
图1A是根据本发明的照明系统的一个实施例的横截面视图，在图中LED安装在光学衬底上。
图1B是图1A所示实施例的一个元件的横截面视图。
图2A是根据本发明的照明系统的一个实施例的横截面视图，在图中LED被嵌入在光学衬底中。
图2B是图2A所示的第一个实施例的一个元件的横截面视图。
图2C是图2A所示的第二个实施例的一个元件的横截面视图。
这些图完全是概略性的，不是按比例绘制的。值得注意地，为了清楚，有些尺寸用了非常夸大的形式表示。图中相似的元件尽可能地用相同的参考数字表示。
图1A非常示意性地表示出了根据本发明的照明系统的一个实施例的横截面视图。图1B非常示意性地表示出了图1A所示实施例的一个元件的横截面视图。图1A和图1B中的照明系统包含多个发光二极管(LED)芯片R，G，B。图1A和图1B所示的本发明的实施例中，LED芯片R，G，B安装在光学衬底10上。LED可以是不同基色的光源，例如在图1A的例子中，众所周知的红R，绿G或蓝B LED芯片。作为代替，LED也可以采用比如琥珀色或青色作为基色。这些基色可以由发光二极管芯片直接产生，或者可以基于来自发光二极管芯片的光的辐射由磷光体(层)产生。在后一种情况里，混合颜色或白光也可能作为一种基色。通常，这些LED具有相对高的源亮度。
优选地，每个LED在标称功率下驱动时，具有至少100mW的辐射功率输出。具有如此高的输出的LED也经常被称作LED电源组。使用这些高效率、高输出的LED的特有的优势是，达到期望的相对较高的光输出，可以使用个数相对较少的LED。这对于待制作的照明系统的紧凑性和效率有着积极的效果。
每个LED芯片R，G，B包含一个带有用于发光的发光层1的LED衬底2(见图1B)。多个LED R，G，B排列在一个具有预定光学属性的光学衬底10上。光学衬底的预定光学属性包括影响光的提取，光的转换和/或光的定向性。
在根据本发明的照明系统中，LED R，G，B以一种称作面朝下方式安装在光学衬底10上。每个LED R，G，B发出的光被耦合进光学衬底10。多个LED R，G，B发出的光通过光学衬底10的出光窗口11发出(如图1A和图1B的箭头所示)。根据本发明，光学衬底10包含散热装置。在图1A和图1B的例子中，光学衬底10本身就作为一种散热装置。提供一种由半透明多晶陶瓷材料制成的光学衬底10，这种陶瓷材料作为该散热装置。由多晶陶瓷材料制成的光学衬底10能有效地促进热的传导。使用由多晶陶瓷材料做成的光学衬底10的另一优势是：这些材料能容易地承受高于200℃的温度，能使用大功率LED芯片R，G，B，并且温度已不再是照明系统的限制。优选择，多晶陶瓷材料是透明的。合适的材料有钇铝石榴石(Yttrium Aluminium Granate)(YAG)，PCA(多晶氧化铝)，AIN(氮化铝)等等。以高于1000℃的温度烧结这些材料，这些材料能容易地承受LED的工作温度。这些材料的元件可以通过挤压法，压注模塑法或比如为陶瓷成型技术的技术人员已知的铸造工艺来制成各种形状，这是已知的。陶瓷材料的热力机械属性与LED芯片匹配，这使稳固的装置设计能够得以实现。做为光学衬底的另一种适合的材料是玻璃。
在图1A和图1B的例子中，在光学衬底10背向出光窗口11的一侧上提供有金属连接23。该金属连接23给多个LED芯片R，G，B供电。电线接头24在LED芯片R，G，B和金属连接23之间提供电气连接。
图2A非常示意性地表示出了根据本发明的照明系统的一个实施例的横截面视图，图中，LED R，G，B被嵌入光学衬底10中。图2B和2C非常示意性地表示出了图2A所示的照明系统的两个不同实施例的元件的横截面视图。
LED R，G，B以一种称作面朝下的方式安装在光学衬底10中。每个LED R，G，B发出的光被耦合进光学衬底10。多个LED R，G，B发出的光通过光学衬底10的出光窗口11发出(如图2A、图2B和图2C的箭头所示)。在LED芯片R，G，B和光学衬底10之间提供了光键合装置12。光键合装置12在LED和光学衬底之间提供了良好的光学连接。优选地，该光键合装置具有折射率匹配性质，用来减少或避免LED芯片R，G，B和光学衬底10之间折射率的变化。优选地，光键合装置12含有透明胶。
在图2B所示的照明系统的例子中，散热装置包含施加于光学衬底10背向出光窗口11的一侧的金属化层16。金属化层16在LED芯片R，G，B和金属连接23之间提供电气连接。在图2B的例子中，金属连接23被嵌入到光学衬底10中。金属化层16引导LED产生的热量散开。
在图2C所示的照明系统的一个例子中，散热装置附加地包括施加在光学衬底10的背向出光窗口11的一侧设置的一个散热器17。金属化层16通过相对较厚的金属化板19连接到散热器17。LED R，G，B产生的热量通过经由金属化板19的热传导被有效地散开到散热器17上，散热器17将热量辐射到周围环境中。在照明系统的优选实施例中，散热器17通过热传导连接与照明系统的外壳接触。
应该注意，上述实施例是用于描述本发明而非对其进行限制，而且，在不背离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计出很多可选择的实施例。在权利要求中，括号中的任何参考标记并不构成为限制权利要求。动词“包含”及其动词变化的使用并不排除在权利要求中所述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词一个(“a”或“an”)并不排除有多个这样的元件存在。本发明可通过包括几个不同元件的硬件，并通过适当编程的计算机来实施。在列举了几个装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可通过一个相同的硬件项来实现。某些方案陈述于互不相同的从属权利要求中这一事实并不意味着不能将这些方案组合起来使用以产生良好的效果。

Claims (9)

1.一种照明系统包括：
至少一个发光二极管芯片(R，G，B)；
每个发光二极管芯片(R，G，B)包含一个具有用来发光的发光层(1)的LED衬底(2)；
所述至少一个发光二极管芯片(R，G，B)排列在具有预定光学属性的光学衬底(10)上；
所述至少一个发光二极管芯片(R，G，B)的发光层(1)面对光学衬底(10)；
所述至少一个发光二极管芯片(R，G，B)发出的光经由光学衬底(10)的出光窗口(11)发出，该出光窗口(11)背向发光层(1)；
光学衬底(10)包含一个散热装置。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中光学衬底(10)包含一种半透明多晶陶瓷材料，该半透明多晶陶瓷材料作为散热装置。
3.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中的散热装置包含一层施加于光学衬底(10)背向出光窗口(11)的一侧上的金属化层(16)。
4.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中的散热装置包含一个置于光学衬底(10)背向出光窗口(11)的一侧的散热器(17)。
5.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中所述至少一个发光二极管芯片(R，G，B)被嵌入进光学衬底(10)中。
6.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中光学衬底(10)的预定光学属性包括影响光的提取、光的转换和/或光的定向性。
7.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中金属连接(23)设置在光学衬底(10)背向出光窗口(11)的一侧，该金属连接(23)给所述至少一个发光二极管芯片(R，G，B)供电。
8.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中光键合装置(12)设置在所述至少一个发光二极管芯片(R，G，B)和光学衬底(10)之间。
9.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中至少一个发光二极管芯片(R，G，B)在标称功率下驱动时，辐射功率输出至少为100mW。
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