CN101730819A - 使用衍射构件的led照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够代替荧光灯的、可以高效地得到均匀的光的LED照明装置(1)，其设置有LED(3)、衍射构件(4)和漫射构件(2)。所述LED(3)包括：使在PN结(34)产生的光沿厚度方向透光并使该光从其表面射出的薄板状的半导体元件主体(31)；设置为覆盖所述半导体元件主体(31)的表面的表面电极(32)；多个电介质天线(36)，呈柱状，在厚度方向上贯通所述表面电极(32)，将透过所述半导体元件主体(31)内的光聚光并将该光向外部射出。所述衍射构件(4)配设于所述LED(3)的发光面侧，使从LED(3)照射的光衍射、分散。所述漫射构件(2)配置于所述衍射构件(4)的外侧，使由所述衍射构件(4)分散的光漫射并向外部射出。
Description
技术领域
本发明涉及使用能够面发光的高效LED的LED照明装置。
背景技术
与荧光灯、白炽灯相比，LED寿命长并光量稳定，而且很少会出现启动花费时间、产生废弃上的问题这样的情况。而且近来，除了开发发出蓝光、紫外光的LED之外，还开发了高功率的LED，LED不像原来那样只应用于指示器，用途也正扩大到一般的照明器材中。
但是，如果在全光量、照度等方面进行比较的话，虽然单位发光面积的光量增大， 但LED并不如荧光灯等。如果要在总体上得到与荧光灯相同的光量，必须有多个LED，由此造成发热量变得非常大，如专利文献1、2所示还另外需要散热构件。
以往的LED发光效率低且发光面积小，这里有一个大的原因。众所周知，LED通过对具有PN结构造的半导体元件施加正向电压，使PN结层发光，在该PN结层产生的光沿厚度方向穿透半导体元件从元件表面发射出来。但是，由于在元件的表面粘贴有电极，该电极遮住光，因此妨碍了光向外部射出的射出效率的提高以及大面积化带来的大光量化。然而，为了减小遮光影响，相比于元件面积将电极的面积减小一定值以上时，就不能对元件整体赋予一样的电场，发光量本身也会降低。因此，即使为了得到大光量而增大元件面积，但要使其面发光时，结果也不得不增加电极的面积，由于电极的遮光作用因此不能向外部发出大光量。而且，鉴于这样的不良情况，考虑到使用ITO等的透明电极，但是与金属电极相比透明电极的电阻率较大，因此，结果在该部分产生损失使发光效率降低。
专利文献1：日本特开2005-166578号公报
专利文献2：日本特开2007-109504号公报
专利文献3：日本特开2003-078167号公报
发明内容
发明要解决的问题：
以往的LED无法将其相对于所赋予的电力的发光效率提高到一定值以上，而且很难实现单一元件的大面积发光即大光量发光。
相对于此，本发明的发明者，如专利文献3所示，着眼于光为电磁波的情况，开发了一种划时代的LED，其使得多个微小的电介质天线贯通电极而构成，所述电介质天线利用对光的天线作用使得所述光聚光并透过。采用该LED，可以进行理想的面发光，并高效地向外部发出大光量。
本发明旨在提供一种照明装置，其可以利用单一元件能够高效地大面积面发光这样的LED来代替荧光灯等，其具体的主要目的在于，可以得到均匀的光，可以更合适地适应于包括一般照明的多种照明目的。
解决问题的手段
为了达成该目的，本发明的LED照明装置，其特征在于包括以下(1)～(3)：(1)LED，包括：使在PN结区域产生的光沿厚度方向透过并从表面射出的薄板状的半导体元件主体；设置为覆盖所述半导体元件主体的表面的表面电极；多个电介质天线，呈柱状，在厚度方向上贯通所述表面电极，将透过所述半导体元件主体内的光聚光并将该光向外部射出，(2)衍射构件，配设于所述LED的发光面侧，使从LED照射的光衍射、分散，(3)漫射构件，配置于所述衍射构件的外侧，使由所述衍射构件分散的光漫射并向外部射出。
这样的话，从LED射出的光，通过衍射构件暂且分散为多个点或者线光源，该被分散的光通过漫射构件进一步地漫射并向外部射出，因此，与只通过光漫射构件使光漫射的情况相比，可以得到均匀的光。而且，欲得到同等的光的均匀度的情况下，与以往的仅有漫射构件的情况相比，因为可以减少光漫射构件的光漫射度，因此能够降低该部分的光量损失，使整体效率提高。
进一步地，通过面电极赋予元件主体一样的电场，因此可以容易地使LED理想地面发光从而得到大光量，另一方面，由于使多个电介质天线贯通在电极上，因此作为电磁波的光由该等电介质天线聚光并向外部射出，可以大大地降低电极的遮光影响。即，可以在进行理想的面发光的同时，高效地向外部发出所产生的大光量，能够将其效率提高到以往的二倍以上。
结果，根据本发明，可以在保持一般照明所需要的光量的同时，抑制了与高效率相对应程度的发热。而且，衍射构件、漫射构件可以使用耐热性低的树脂等，关于其素材、形状的设计自由度大大地增加，可以提供与各种目的相对应的最合适的照明装置。
作为具体实例，为了实现能够替换荧光灯的长条型的照明装置，较理想的是，所述漫射构件是在内部或者表面起到光漫射作用的、具有透光性的树脂制的长条状构件，所述半导体元件主体呈直线带状，其长度方向与所述漫射构件的长度方向一致，且与所述漫射构件相邻配置或者收容于所述漫射构件的内部。
为了不对制造造成负担地使衍射构件介于LED和漫射构件之间，较理想的是，所述衍射构件是使光透过并使该光衍射、分散的光透过型衍射片，所述光透过型衍射片粘贴在所述漫射构件的与LED发光面相对的表面。
要没有损失地将来自LED的光引导向衍射构件及漫射构件，较理想的是，在所述漫射构件上设置有在长度方向上延伸的沟槽或者贯通孔，在所述沟槽或者贯通孔的内部收容有LED，并在所述沟槽或者贯通孔的底面或者侧周面且与LED的发光面相对的部位上，粘贴有所述光透过型衍射片。
所述漫射构件的具体的形态，可以使光散射粒子在由透明树脂形成的主体的内部漫射，或者在由透明树脂形成的主体的表面设有微小凹凸。
要利用所述的漫射构件使发光颜色的变化合理的增加，优选在漫射构件的表面或者内部涂布或者混入有荧光物质。
发明的效果：
这样构成的本发明，因为使衍射构件介于其间，与只通过光漫射构件使光漫射的情况相比，可以得到均匀的光。而且，欲得到同等的光的均匀度的情况下，与以往只有光漫射构件的情况相比，可以使光漫射构件的光漫射度减小，因此，能够降低在此部分的光量损失，提高整体的效率。
进一步地，由于可以在进行理想的面发光的同时，利用电介质天线将在那产生的大光量高效地向外部发出，因此，可以保持一般照明所需要的光量，同时可以抑制与高效相对应程度的发热。因此其结果，在衍射构件、漫射构件上可以使用耐热性低的树脂等，关于其素材、形状的设计自由度大大地增加，可以提供与各种目的相对应的最合适的照明装置。
附图说明
图1是示出本发明的一实施形态的使用衍射构件的LED照明装置的内部构造的概略图。
图2是该实施形态的使用衍射构件的LED照明装置的示意性截面图。
图3是该实施形态的面发光LED的示意性截面图。
图4是该实施形态的面发光LED的示意性立体图。
图5是本发明的其它实施形态的面发光LED的示意性截面图。
图6是该实施形态的光透过型衍射片的示意性立体图。
图7是本发明的另一实施形态的使用衍射构件的LED照明装置的示意性立体图。
图8是本发明的另一实施形态的使用衍射构件的LED照明装置的示意性截面图。
具体实施方式
下面，参照图1～图8说明本发明的一个实施形态。
本实施形态的LED照明装置1例如代替荧光灯等使用于室内照明等的一般照明，如图1所示，包括：漫射构件2；安装于漫射构件2上的LED3；同样地安装于所述漫射构件2上的光衍射片4；保持该等漫射构件2、LED3及光衍射片4的保持体5。
漫射构件2是以树脂为素材的透明构件，其内部包括有使光漫射的光散射粒子21。漫射构件2的形状，例如如图1及图2所示，是剖面约为半圆形的柱状。该实施形态中，在漫射构件2的横截面视图中的大致半圆形的弦侧，设有在长度方向延伸的沟槽A。还设置有基板B以覆盖所述沟槽A。
LED3是面发光型LED，如图1所示为直线带状，将其一方的面板部的表面作为发光面，从其发光面射出白色光。如果详细描述，该LED3如图3及图4所示，包括：具有PN结构造的形成为薄板状的半导体元件主体31；设置为大致覆盖在该半导体元件主体31的表面的表面电极32；设置为大致覆盖在该半导体元件主体31的背面的背面电极兼反射板33，从其中间的PN边界区域34向厚度方向射出光。又，电力供给用的导线35与元件主体31的周边部连接。而且，在所述沟槽A的内部，LED3的长度方向与漫射构件2的长度方向一致，且LED3粘贴在基板B上，进一步地，所述发光面面向沟槽A的底面，向漫射构件2的内部照射光。
在所述表面电极32上，如图3及图4所示，以规定的间距沿厚度方向形成有多个贯通孔321，在该等贯通孔321上设置有电介质天线36，该电介质天线36的大小为能将从所述半导体元件主体31发射的光聚集并使其透过的大小。为了对于光有效地发挥作为电介质天线36的功能，该电介质天线36的具体大小，即高、宽(直径)都需要是光的波长的数分之一到十几倍的程度。优选是1/3到3倍的程度。而且，电介质天线36的形状在图3及图4中为圆柱状，但也可以是多边棱柱、椭圆柱等形状。进一步地，电介质天线36可以是与元件主体31连续一体的，也可以如图5所示是介电常数不同的其它构件。
进一步地，本实施形态中，如图3所示该在表面电极32的更外侧设置有YAG等荧光树脂层37，从半导体元件主体31发出的光与从所述荧光树脂层37发出的荧光混合，通过混合数种颜色如前所述那样使得白色光向外部射出。
光衍射片4，如图6所示，在可以透过并弯曲光的膜上有规则地设置有微小突起41。微小突起41之间的间隔较好在30nm到100μm之间。而且，也可以诸如某一列以30nm的间隔排列微小突起41，另一列以100nm的间隔排列微小突起41那样，各个组的微小突起41的间隔不同。向透明的光衍射片4入射的光，由于有规则排列的微小突起41而发生衍射，成为相互干涉的点或者线状的光源，光量几乎没有损失地被分散射出。而且，光漫射片4与LED3的发光面相对地粘贴于所述沟槽A的底面上。
保持体5，如图1所示，包括：例如呈长条状的中空的主体51；从该主体51的各端部直角地延伸的一对臂52，因此，设置于所述漫射构件2的端部的图中未示的连接器与设置于各臂52上的图中未示的连接器连接，该漫射构件2、LED3及光衍射片4能够安装拆卸地支承在保持体5上。保持体5侧的连接器与内置于主体51中的图中未示的整流电路等连接，同时漫射构件2侧的连接器与LED3连接，通过将漫射构件2及LED3及光衍射4安装于该保持体5，能够向LED3供给电力并使其发光。
下面，对这样的构成的LED照明装置1的动作进行简单地说明。
如果LED3被供给电力而发光，如图1所示，从LED3射出的光通过光衍射片4分散为多个点或者线状的光源，该被分散的光由漫射构件2的内部的漫射粒子21漫射。于是漫射构件2的外表面部均匀地发光。
根据这样构成的LED照明装置1，从LED3射出的光通过透明的光衍射片4，光量几乎没有损失地暂且分散为多个点或者线光源，该分散的光通过光漫射粒子21进一步地漫射并向外部射出，因此，与仅利用光漫射粒子21使光漫射的情况相比，可以得到均匀的光。而且，欲得到同等的光的均匀度时，与仅有光漫射粒子5的情况相比，可以减小光漫射粒子5的光漫射度，因此可以降低该部分的光量损失，提高整体的效率。
进一步地，通过表面电极32对LED3的元件主体31赋予同样的电场，因此，可以使其大面积地面发光，得到大光量。另一方面，由于使多个电介质天线36贯通表面电极32，因此，可以对作为电磁波的光聚光并使其向外部射出，可以大大地降低表面电极32带来的遮光影响。即，由于LED3上具有表面电极32和电介质天线36，因此，可以在产生大光量的同时，将其产生的光向外部高效率地射出。
因此，不仅可以确保一般照明所需要的光量，还可以抑制与高效率相对应程度的发热，因此不需要散热构件等。
进一步地，因为可以这样地抑制发热，因此漫射构件2、光衍射片4上可以使用耐热性低的树脂，由此，漫射构件2、光衍射片4的对于素材、形状的设计自由度大大地增加，可以进行与各种目的相对应的最合适的照明。
而且，为了起到光的分散作用，只要将光衍射片4粘贴在漫射构件2上即可，因此不会在制造上增加负担。
又，本发明并不限于所述的实施形态。下面所示的说明及图中，对与所述实施形态对应的构件均采用同一符号。例如，光衍射片4可以刻制或者印刷有多个裂纹或者格子等。也可以代替光衍射片4而在漫射构件2的表面刻上微小的格子以起到衍射构件的作用。
例如，在图7所示的LED照明装置1中，在漫射构件2上没有沟槽，其形状是剖面为大致半圆形的柱状体。进一步地，从横截面来观察，在半圆形状的弦侧的侧面上粘贴有光衍射片4。在光衍射片4上粘贴有透明的安装板C，安装板C上粘贴有直线带状的LED3，其发光面与光衍射片4相对，LED3的长度方向与漫射构件2的长度方向一致。进一步地，漫射构件2的没有粘贴光衍射片4的侧面，通过利用喷砂加工等设置微小凹凸7作成磨砂玻璃状。虽然本实施形态中在漫射构件2的内部不包括光散射粒子21，但细小凹凸7和光散射粒子21两个都使用也可以。
而且，如图8所示，可以在漫射构件2的中心形成贯通孔D，在其侧周面粘贴光衍射片4，在其中心配置LED3。漫射构件2的内部不只有光漫射粒子21也可以混入荧光物质6。
根据这样的构成，从LED3发出的紫外线或者蓝色光，通过光衍射片4分散成多个点或者线光源。被分散的光的一部分使荧光物质65发出荧光，其一边由光散射粒子216散射一边从漫射构件2向外部射出。其它的光没有使荧光物质65发出荧光就从漫射构件2向外部射出，与已荧光的光混色。这样，可以容易地增加发光色的变化。
又，可以在漫射构件的表面涂布荧光物质。而且，LED可以不是单一的，而是多个排列成一列，也可以是不使用电介质天线的LED。
另外，本发明不限于上述的图示例、实施形态，能够在不脱离其主题的范围内做出各种变化。
产业上的可利用性：
以上构成的本发明，由于衍射构件介于其间，因此与只利用光漫射构件使光漫射的情况相比，可以得到均匀的光。而且，欲得到同等的光的均匀度的情况下，与以往只有光漫射构件的情况相比，可以减小光漫射构件的光漫射度，因此，能够降低此部分的光量损失，提高整体的效率。
进一步地，可以在进行理想的面发光的同时，利用电介质天线将所产生的大光量向外部高效率地发出，因此，可以保持一般照明所需要的光量并可以抑制与高效率相对应程度的发热。而且，其结果，衍射构件、漫射构件可以使用耐热性低的树脂等，关于其素材、形状的设计自由度大大地增加，可以提供与各种目的对应的最合适的照明装置。
Claims (7)
1.一种LED照明装置(1)，其特征在于，包括：
LED(3)，其包括：使在PN结区域(34)产生的光沿厚度方向透过并从表面射出的薄板状的半导体元件主体(31)；设置为覆盖所述半导体元件主体(31)的表面的表面电极(32)；多个电介质天线(36)，呈柱状，在厚度方向上贯通所述表面电极(32)，将透过所述半导体元件主体(31)内的光聚光并将该光向外部射出，
衍射构件(4)，配设于所述LED(3)的发光面侧，使从LED(3)照射的光衍射、分散，
漫射构件(2)，配置于所述衍射构件(4)的外侧，使由所述衍射构件分散的光漫射并向外部射出。
2.如权利要求1所述的LED照明装置(1)，其特征在于，
所述漫射构件(2)是在内部或者表面起到光漫射作用的、具有透光性的树脂制的长条状构件，
所述LED(3)呈直线带状，其长度方向与所述漫射构件(2)的长度方向一致，且与所述漫射构件(2)相邻配置或者收容于所述漫射构件(2)的内部。
3.如权利要求1所述的LED照明装置(1)，其特征在于，
所述衍射构件(4)是使光透过并使该光衍射、分散的光透过型衍射片(4)，所述光透过型衍射片(4)粘贴在所述漫射构件的与LED(3)发光面相对的表面。
4.如权利要求3所述的LED照明装置(1)，其特征在于，
在所述漫射构件(2)上设置有在长度方向上延伸的沟槽(A)或者贯通孔(D)，在所述沟槽(A)或者贯通孔(D)的内部收容有LED(3)，并在所述沟槽(A)或者贯通孔(D)的底面或者侧周面且与LED(3)的发光面相对的部位上，粘贴有所述光透过型衍射片(4)。
5.如权利要求1所述的LED照明装置(1)，其特征在于，
所述漫射构件(2)是使光散射粒子在由透明树脂形成的主体的内部扩散的构件。
6.如权利要求1所述的LED照明装置(1)，其特征在于，
所述漫射构件(2)是在由透明树脂形成的主体的表面设有微小凹凸(7)的构件。
7.如权利要求1所述的LED照明装置(1)，其特征在于，
所述漫射构件(2)的表面或者内部涂布或者混入有荧光物质(6)。
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| C06 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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