CN101375420A - 发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件包括固态光源(3)、至少一个转换元件(4)、和光散射元件(6)，其中，提供固态光源(3)以发射进入光散射元件(6)的初级辐射的第一部分(511)和进入转换元件(4)的初级辐射的第二部分(512)用于至少部分地转换为至少一个次级辐射(521、522)，提供光散射元件(6)以从初级辐射的第一部分(511)、次级辐射(521、522)和没有在转换元件(4)中被转换的初级辐射的第二部分(512)的部分生成具有朗伯光分布图案的混合的辐射(5)，并且初级辐射的第一部分(511)不经过转换元件(4)而离开发光器件。

Description

发光器件
技术领域
本发明涉及具有高效率和余弦光分布、包括固体光源和用于光转换的元件的发光器件。
背景技术
包括电致发光光源(LED)和光转换磷光体层(phosphor layer)(通常磷光粉(phosphor powder)层或者多晶磷光体层)的磷光体转换电致发光器件(pcLED)是已知。在这样的pcLED中，LED发射初级辐射，初级辐射的至少一部分被安排在LED上的磷光体层(转换元件)所吸收，并且被重新发射为更长波长的次级辐射。这种方法也被称为颜色或者光转换。根据应用，初级辐射被完全转换为次级辐射，或者在部分转换中，被转换为不同颜色的光，例如，可以通过混合初级和次级辐射来产生白光。尽管次级辐射在活性材料中被无方向性地辐射并且因此在粉层(powder layer)的情况下从转换元件基本上具有余弦角分布，但是未被转换的初级辐射具有辐射的平均方向，该辐射的平均方向由固态光源的层结构所定义并且，通常显著地偏离发光层的方向。因此通过重叠初级和次级辐射而产生的混合光不具有余弦地依赖于观察角度的光强分布(朗伯(Lambertian)光分布)，并且产生的混合颜色作为辐射角度的函数显著地变化。用户期望的光分布为朗伯分布图案(pattern)，其以在正向方向上强度最大为特征。
US6652765公开了一种光源，该光源具有在蓝色或者紫外光谱范围内发光(初级辐射)的部件(例如，LED)，以及用于至少部分地将初级辐射转换为次级辐射的磷光体材料层，和用于产生光源的朗伯光分布图案的光散射材料的层。光散射颗粒用作光散射材料，该颗粒优选地布置在发光部件和磷光体材料之间，因为最佳散射粒度然后必须只适于初级辐射的波长。光散射颗粒的粒度应该在波长的1/10和波长的10倍之间。最佳散射行为用等于波长的粒度获得，例如，对于紫外初级辐射用0.3μm的粒度。
在US 6653765中公开的光源中以这样的方式布置磷光体材料：使得用于产生相同色点(color point)的全部初级辐射(100％)都打到磷光体层上。在一个实施例中，LED由磷光体层完全遮蔽住，在另外的实施例中，反射器被用于将初级辐射完全偏转到磷光体材料上。由悬浮液(suspension)通过通常的湿化学(wet-chemical)方法制造磷光体层、或者作为具有支撑的基质材料的粉末层。这些层具有高的内在散射能力。所公开的光源的效率(发光效率)受在磷光体材料中的后向散射效应和无辐射(再)吸收过程消极地影响。
发明内容
因此本发明的目的是提供具有朗伯光分布的发光器件，其特征在于改善的发光效率。
本发明的目的通过发光器件实现，该发光器件包括固态光源、至少一个转换元件、和光散射元件，其中该固态光源被提供来发射进入该光散射元件的初级辐射的第一部分和进入该转换元件以至少部分地转换为至少一个次级辐射的初级辐射的第二部分；该光散射元件被提供来根据初级辐射的第一部分、次级辐射和在该转换元件中尚未被转换的初级辐射的第二部分的部分来生成具有朗伯光分布的混合辐射；并且初级辐射的第一部分不经过该转换元件而离开该发光器件。因此，至少对于初级辐射的第一部分避免了由于在转换元件中的无辐射吸收而导致的光损耗，因为它不经过转换元件，在进入该光散射元件之前和从该光散射元件出射之后都不经过转换元件。根据本发明，发光器件因此和最新技术进展(the state of the art)相比在相同的色点具有增加的效率。一个或者几个非有机的和/或有机的LED或者激光二极管可以被用作固态光源。独立权利要求明显地也包括完全将初级辐射的第二部分转换为次级辐射的发光器件的实施例。
在一个实施例中，转换元件包括具有大于晶体连接(crystallineconnection)的理论固态密度的97％的密度的陶瓷材料。由于小的内在散射效应，这样的转换元件垂直于初级辐射的第二部分的传播的平均方向发射次级辐射的更高部分。这导致了初级辐射的第一部分和次级辐射更好的可混合性。此外，小的散射效应减小了初级和次级辐射进入转换元件中光路的平均长度。因此，又减小了在转换元件中的无辐射的再吸收的部分，并且因此，进一步增加了发光器件的效率。
在另一个实施例中，转换元件在初级辐射的第二部分的辐射的平均方向上具有至少30μm的厚度。用这样厚的转换元件，可以获得吸收强度的足够大的改变，用于调整混合光的期望的色点。
在又一个实施例中，固态光源从混合光的辐射方向观察具有大于或者等于转换元件的表面的发光表面，该转换元件的表面面对固态光源。这样，对于总初级辐射可以增加初级辐射的第一部分的部分。在这个实施例中，至少从固态光源侧面出射的总初级辐射不经过转换元件。在这里，被称为“侧面出射“的光经过该表面离开固态光源，该表面基本被安排为垂直于初级辐射的传播的平均方向。总初级辐射中的初级辐射的第一部分的部分越大，通过无辐射再吸收损耗的初级辐射越少，并且因此发光装置更有效。
在另一个实施例中，转换元件具有至少一个开口，初级辐射可以通过该开口而不经过转换元件。要求增加总初级辐射中初级辐射的第一部分的部分进一步增加了发光器件的效力。经过开口的初级辐射的部分的传播的平均方向至少非常相似于次级辐射的传播的平均方向，并且使得较不昂贵的光散射元件可能用于产生朗伯光分布图案。在这里，该开口不应当被理解为转换元件的部分。
在另一个实施例中，转换元件光学地耦合到固态光源用于减小在边界表面的背反射。
在另一个实施例中，光散射元件围住(enclose)该固态光源和转换元件。从而有利于产生朗伯光分布图案。
在另一个实施例中，发光器件还包括透镜，该透镜围住固态光源、转换元件和光散射元件。该透镜实现期望的偏转或者混合光的聚焦。
在另一个实施例中，经由未被转换的初级辐射的部分调整混合光的色点，该未被转换的初级辐射的部分是通过光散射元件的散射特性可调整的，所述初级辐射被散射回转换元件以转换为次级辐射。由于适当适配的散射特性，例如，作为对产品相关的反应、轻微改变转换元件的吸收特性或者轻微改变初级辐射的波长，可以细微地调整色点。替代地，因此在使用相同的固态光源和转换元件的同时也可以制造具有适配于不同要求的色点的发光器件。
在一个实施例中，可以获得光散射元件的适配，因为光散射元件包括相同或不同的大小、材料和浓度的反射和/或折射颗粒以产生具有朗伯光分布的混合辐射。
在另一个实施例中，颗粒包括来自颜料组的材料用于吸收初级和/或次级辐射。所述颜料可以专门地吸收初级和次级辐射，或者，在另一个实施例中，在吸收之后随后以不同的波长再发射它们。用这些颜料，还可以更有目的地适配发光器件的相关色温。
本发明的这些和其他的方面参考在下文中描述的实施例是明白的并且其将被阐明。
附图说明
在图中：
图1以侧视图(side elevation)示出了根据本发明的发光器件的实施例；
图2示出了根据图1具有通常尺寸的、在A-B断面上的、没有光散射元件的发光器件；
图3为图2的、在A-B断面上的、没有光散射元件的发光器件的俯视图；
图4示出作为对于不同观察方向的观察角度的函数的图3的发光器件的白色混合光的相关色温；
图5示出在图1中示出的、根据本发明的发光器件的实施例的光分布图案；
图6示出具有透镜的根据本发明的发光器件的另一个实施例；和
图7示出根据本发明的发光器件的另一个实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明的发光器件的实施例，该发光器件具有载体1、衬底2、和在衬底2上提供的用于辐射初级辐射511和512的固态光源3、以及在初级辐射光线路径上布置的转换元件4，该转换元件4用于至少部分地吸收初级辐射的第二部分512和次级辐射521和522的辐射。固态光源3和转换元件4被光散射元件6所围住，用于产生具有朗伯分布图案的混合光5。混合光5具有依赖于初级辐射和次级辐射的相关色温。术语“色温”严格地可只应用于黑体辐射体。相关色温指示黑体发射体的温度，它感觉的温度最象混合光5的光谱。
典型的固态光源3包括施加在衬底2上的电致发光层结构，该结构具有至少一个有机的或者非有机的电致发光层，布置在两个电极之间。这里，初级辐射(顶部发射器)通过透明电极发射到远离衬底的侧上，而面对衬底2的电极和/或衬底2是反射的。发光器件也可以包括几个电致发光光源(例如LED的两维排列)用于发射相同的和/或不同的初级辐射。在另一个实施例中，也可以使用一个或者几个可能耦合到光导元件和/或光分布元件的激光二极管作为固态光源。
由固态光源3发射的初级辐射主要垂直于在固态光源3中的发光层传播，在这里标示为初级辐射的第二部分512(见图1)。由于在固态光源内的层的不同折射率和在边界面的全反射的伴随效应，初级辐射的第一部分511，除了初级辐射的第二部分512，相对于辐射5的平均方向以大的角度从固态光源3侧面地出射，而没有打到(impinge upon)转换元件4上。由于光散射元件6和结果产生的混合光的朗伯分布，以大的观察角度(在观察方向和传播的平均方向5之间的角度)侧面出射的初级辐射并不导致在混合光中初级辐射的增加的部分。用围住固态光源的转换元件也可以获得可比拟的效果。然而，在这里，全部的初级辐射(同样没有转换的辐射)必须经过该转换元件。在转换元件中初级辐射的部分的无辐射吸收损耗导致这样的光源的效力的减小。根据本发明的发光器件和这样的pcLED相比具有更高的效力，因为调整期望的色温所需要的部分的至少一部分(第一部分511)不存在吸收损耗。对于混合光的初级辐射的特定要求的部分，发光器件的效力随着初级辐射的第一部分511对于总的没有转换的初级辐射的部分(依赖于转换元件的结构，转换元件对于初级辐射的第二部分512的吸收强度可以小于100％，所以没有转换的初级辐射也经过转换元件)而增加。
转换元件4被布置用于在初级辐射的第二部分512的光线路径上至少部分地吸收初级辐射的第二部分512，用于将所吸收的初级辐射转换为次级辐射521和522。转换元件中活性材料的选择决定次级辐射的光谱。当使用合适的初级辐射和次级辐射时，可以产生不同颜色的光，例如，由蓝色初级辐射和黄色次级辐射可以产生白光。在其他的实施例中，通过合适的转换材料和不同颜色的次级辐射(例如蓝色、黄色、绿色和/或红色次级辐射)也可以转换紫外初级辐射。对于其他的应用，也可以获得初级辐射和次级辐射的不同组合。
在实施例中，转换元件4可以包括基本上光转换磷光体材料的压制(pressed)的陶瓷材料、或者维数稳定的基质材料(例如，PMMA)、或者可以掺杂颗粒并且具有嵌入的光转换颗粒的其他材料。在另一个实施例中，转换元件4包括具有理论的固态密度的97％以上的密度的陶瓷材料。由于小的内在散射效果，这样的转换元件4垂直于初级辐射的第二部分512的传播的平均方向发射次级辐射的更大部分521。这导致初级辐射的第一部分511与侧面出射的次级辐射521的更好的可混合性。此外，小的散射效果减小了初级辐射的第二部分521在转换元件4中直到从转换元件出射的光程的平均长度。因此，减少了初级辐射的第二部分512在转换元件中的无辐射再吸收的部分，并且因此进一步增加了发光器件的效率。通过特定的烧结方法获得散射效果，例如，通过在还原条件(reducing condition)下在1700至1750℃烧结陶瓷材料2到8个小时获得散射效果，这导致产生没有孔隙的、具有大于理论密度的96％的密度的材料，并且通过随后在氩气压(0.500kbar到2kbar)下在1750℃烧结该材料持续10小时以便去除残留的孔隙。和压制的磷光体粉的陶瓷相比，在用于光转换的这种陶瓷中，次级辐射包括明显更高部分的次级辐射521，所述次级辐射521从转换元件(由此从转换元件的表面，其层法线和初级辐射的第二部分512的传播方向基本上成直角)侧面出射。
在图1示出的实施例中，光散射元件6围住固态光源3和转换元件4。在其他的实施例中，从混合光5的传播方向观察，光散射元件6也可以以平面的形式设置在转换元件4的上方，假如发光器件的合适的反射器布置导致该事实：总的初级辐射511和512和次级辐射521和522经过光散射元件用于产生混合光5的朗伯光分布图案。
图2和图3示出图1的发光器件在A-B横断面的、在侧视图(图2)和俯视图(图3)中的尺寸，这里为了更清楚起见没有示出光散射元件6。固态光源3具有1mm×1mm的表面，并且为了更好的表现而被画上阴影线，尽管在俯视图(plan view)中它被布置在转换元件4下方并且因此在俯视图中不能直接看得见。转换元件4在固态光源3上方垂直于光5的平均传播方向投影，在X1和X3方向上分别超过0.08mm，在X2和X4方向上分别超过0.15mm。
尽管这种投影，可是如在图4中所示，在相关色温的随观察角度变化的测量中，在不使用光散射元件的情况下通过在小观察角度和大观察角度之间移动相关色温，固态光源3发射初级辐射的显著的第一部分511，其以几千开尔文可察觉。在图4中的曲线表现在图3中表示为X1到X4的四个方向中的随角度变化的测量。其中，0°观察角度对应于发光器件的垂直俯视图。在蓝色或黄色光谱范围内的辐射被用作初级和次级辐射。在俯视图中，结果产生具有在4700开尔文范围内的色温的白色混合光，而在大的观察角度白光的色温达到8000开尔文并且因此包括蓝色初级辐射的高部分。
在给定的材料组分下，转换元件4的厚度应当适于在初级辐射和次级辐射之间的期望比率。这里，如果沿着辐射5的方向观察转换元件4具有至少30μm的厚度是有利的。
在这种情况中，转换元件4可以直接应用到固态光源3上，或者通过透明材料光耦合到固态光源3。对于光耦合转换元件4到固态光源3，例如，具有对于初级辐射在1.4和3.0之间的折射率的柔性或者硬性材料的粘合层可以被用在转换元件4和固态光源3之间，例如，铂交联的可交联的双组分、或者在高温时与固态光源3和转换元件4连接的玻璃材料。此外，如果转换元件4和固态光源3紧密接触是特别有利的。
在图5中，示出了根据本发明的、如在图1中示出的、具有在图2和图3中指示的尺寸的发光器件在470nm波长处的作为初级辐射的发射角度的函数的光分布图案。这里，光散射元件6以600μm的平均厚度遮蔽住固态光源3和转换元件4。厚度细节在这里应当理解为沿着初级辐射和次级辐射的光路的厚度。在图5中由“L”标记的实线曲线表示理想的朗伯光分布。光散射元件包括硅基质材料(折射率n＝1.45)，其中嵌入有具有0.2μm平均直径和0.05％的体积密度的散射颗粒。测量曲线是对对应的颗粒而测量的，所述对应的颗粒区别只在n＝1.6到2.6的折射率。在图5中测量到的光分布图案几乎与折射率无关；因此，所有的测量点都由相同的符号来表示。如果考虑到光散射元件6对初级辐射经过光散射元件4之后的光分布的影响，则发现在不同的颗粒大小方面大的差异。而在大约500nm直径以下的颗粒经由和朗伯分布相似的所有角度散布被透射的光，基本只有当使用光学上非常厚的层(小的透射功率)时更大的颗粒才改变被透射的光的角度分布。例如，如果嵌入的颗粒在和图4中相同的浓度具有1.0μm的平均直径，那么在具有470nm波长的初级辐射处光分布明显不同于朗伯分布。这个结果基本上与颗粒的折射率无关。对于在0.2μm和0.5μm之间的平均颗粒直径，获得非常接近于理想的朗伯分布的光分布图案。在0.2μm的平均颗粒直径处，对于从1.8到2.0的颗粒的折射率获得最好的结果。在0.3μm和0.4μm的平均颗粒直径处，对于大于或者等于2.1的颗粒的折射率，获得最好的结果。在0.5μm的平均颗粒直径处，对于从1.9到2.3的颗粒的折射率，获得最好的结果。在0.05μm和更小的平均颗粒直径处光分布图案明显偏离朗伯分布。对于折射率的数字应当在根据基质材料的折射率差异的上下文中理解，在指示的例子中，硅具有n＝1.45。对于其他的基质材料，颗粒的有利的折射率应当相应地被适配。此外，如果考虑到以百分比的颗粒浓度VT和以微米为单位的光散射元件6的厚度D，光散射元件6的颗粒浓度和厚度的有利的乘积VT×D在0.1和3之间，还更有利地在0.2和1之间。例如，可以使用ZrO2或者TiO2作为光散射颗粒。然而，对于本领域技术人员来说其他材料的光散射颗粒也是已知的。在平均颗粒直径相同时，可以通过改变颗粒直径影响光散射元件6的作为波长函数的光散射特性。该分布通常对应于具有分布宽度σ的对数正态分布。例如，对于在硅中具有0.05％的体积浓度的、具有在0.06和0.3之间的颗粒直径的分布宽度σ的ZrO2颗粒(n＝2.2)，获得只是轻微依赖于波长的颗粒的反射行为(散射行为)，然而，该反射行为另外仍然受颗粒大小所影响。
实施例：
在根据图1选择的发光器件的几何结构中，使用在450nm处具有最大发射的发射蓝光的LED和应用在固态光源上的YAG:Ce陶瓷材料作为固态光源，用于从具有理论固态密度的98％的密度的陶瓷材料产生黄色次级辐射。陶瓷盘具有250μm的厚度。利用1.5kg的Al2O3磨球(grinding ba11)通过在异丙醇中研磨40gY2O3、32gAl2O3和3.44gCeO212小时、并且随后在CO气氛中在1300℃燃烧干粉来制造陶瓷盘的原料。利用具有玛瑙研磨杯(agate-grinding cup)的行星式球磨机在乙醇中解聚集(deagglomerate)所获得的YAG:Ce粉，并且随后利用在石膏铸模(plaster mold)中粉浆浇铸(slip casting)制造陶瓷绿色本体(直径100nm，高2mm)。在干燥后，将绿色本体在石墨盘上在CO气氛中在1700℃下烧制两个小时。随后，将YAG陶瓷材料锯成290μm、进行表面研磨并抛光。陶瓷材料的密度为理论密度的98％。然后用激光切割必需的陶瓷盘并清洗。在600nm的波长处陶瓷材料的透射(transmission)为80％。在陶瓷盘和LED之间有薄的、具有厚度小于10μm的Gelest Inc公司的PP2-D200 Gelest gel D200的硅凝胶层，用于光学地耦合陶瓷盘到固态光源。随后，装配球面透镜，其间隙6用包括嵌入的光散射颗粒的硅凝胶填充。在这个实施例中，该填充的间隙6代表光散射元件6。在硅凝胶中嵌入的颗粒包括具有0.25μm的平均颗粒直径的ZrO2。光分布显示了和理想的朗伯分布图案的92％的一致性，并因此很好地符合了朗伯分布。
在另一个实施例中，也可以使用有色颜料作为散射颗粒，用于进一步改变相关色温。无机材料作为材料特别适合，其折射率处于这里期望的范围内。这样的材料例如对于蓝色发光颜料是CoO-Al2O3和深蓝青，对于绿色发光颜料是TiO2-CoO-NiO-ZrO2、CeO-Cr2O3-TiO2-Al2O3、TiO2-ZnO-CoO-NiO，对于红色发光颜料是Fe2O3、CdS-CdSe、TaON。
在光散射元件6中的散射过程中在转换元件上被反射回的目前为止没有被转换的初级辐射的部分可以用于其他的实施例中，以便进一步适应混合光5的相关色温。
在另一个实施例中，如图6中所示，固态光源3，从混合光5的辐射的方向观察，具有大于或者等于转换元件4的表面41的发光表面31，转换元件4的表面41面对固态光源3。这样，可以增加用于总的初级辐射的初级辐射511的第一部分的部分。在这个实施例中，至少从固态光源3侧面出射的总初级辐射不经过转换元件4。如果转换元件4的表面41小于发光表面31，如在图6中示出的，那么，除了侧面出射的初级辐射511，还有与辐射5的平均方向平行出射的初级辐射的一部分也不经过转换元件4。因此，进一步增加了不经过转换元件的初级辐射的部分。
在另一个实施例中，如图7中所示，转换元件4具有至少一个开口8，经过开口8初级辐射可以不经过转换元件4而通过。对于总初级辐射的初级辐射的第一部分511要求增加的部分进一步增加了发光器件的效力。经过开口8的初级辐射511的部分的平均传播方向至少非常相似于次级辐射的平均传播方向，并且使得比较不昂贵并且精心制作的光散射元件6成为可能，用于产生朗伯分布。在这里开口8不应该被理解为转换元件的一部分。可以用气体(例如空气)或者用另外的透明且不散射的材料(例如硅)填充该开口。
参考图和描述解释说明的实施例只代表根据本发明的用于具有朗伯分布的混合光的有效发射的发光器件的例子，而不应该解释为将专利权利要求限定为这些例子。本领域的技术人员也可以想到在所附的权利要求的保护范围之内的替代的实施例。从属权利要求的编号不应该暗示权利要求的其他组合不表示本发明的优选实施例。此外，在说明书和权利要求中使用不定冠词“一”或者“一个”不排除多个装置、单元或者元件。

Claims (12)

1.一种发光器件，包括固态光源(3)、至少一个转换元件(4)、和光散射元件(6)，其中
所述固态光源(3)被提供来发射进入所述光散射元件(6)的初级辐射的第一部分(511)和进入所述转换元件(4)以至少部分地转换为至少一个次级辐射(521、522)的初级辐射的第二部分(512)；
所述光散射元件(6)被提供来从初级辐射的第一部分(511)、次级辐射(521、522)和在所述转换元件(4)中尚未被转换的初级辐射的第二部分(512)的部分生成具有朗伯光分布的混合辐射(5)；和
初级辐射的第一部分(511)不经过所述转换元件(4)离开所述发光器件。
2.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述转换元件(4)包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有大于晶体连接的理论固态密度的97％的密度。
3.如权利要求1或2所述的发光器件，其特征在于，所述转换元件(4)在初级辐射的第二部分(512)的辐射的平均方向上具有至少30μm的厚度。
4.如前述权利要求中的任意一项所述的发光器件，其特征在于，从混合光(5)的辐射方向观察，所述固态光源(3)具有大于或者等于所述转换元件(4)的表面的发光表面(31)，所述转换元件(4)的表面面对所述固态光源(3)。
5.如前述权利要求中的任意一项所述的发光器件，其特征在于，所述转换元件(4)具有至少一个开口(8)，初级辐射能够通过所述开口而不经过所述转换元件(4)。
6.如前述权利要求中的任意一项所述的发光器件，其特征在于，所述转换元件(4)光学地耦合到所述固态光源(3)。
7.如前述权利要求中的任意一项所述的发光器件，其特征在于，所述光散射元件(6)围住所述固态光源(3)和所述转换元件(4)。
8.如前述权利要求中的任意一项所述的发光器件，还包括透镜(7)，所述透镜(7)围住所述固态光源(3)、所述转换元件(4)和所述光散射元件(6)。
9.如前述权利要求中的任意一项所述的发光器件，其特征在于，经由未被转换的初级辐射(511)的部分调整所述混合光(5)的色点，未被转换的初级辐射(511)的部分通过所述光散射元件(6)的散射特性可调整，所述初级辐射被散射回所述转换元件(4)以转换为次级辐射(521、522)。
10.如前述权利要求中的任意一项所述的发光器件，其特征在于，所述光散射元件(6)包括相同或不同的大小、材料和浓度的反射和/或折射颗粒用于产生具有朗伯光分布的混合辐射(5)。
11.如权利要求10所述的发光器件，其特征在于，所述颗粒包括来自颜料组的材料用于吸收初级和或次级辐射。
12.如权利要求10所述的发光器件，其特征在于，所述颗粒包括来自颜料组的材料用于吸收初级和或次级辐射并且随后以不同的波长再发射。
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