CN101730821A - 用于通用照明应用的薄照明器 - Google Patents

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Abstract

一种用于照亮远距离物体的照明器包括：腔体(36)，其具有反射性基底表面(38)和反射性侧壁(40)；多个发光二极管(10)，其固结于腔体中；且该腔体(36)具有与反射性基底表面(38)相对的平坦反射性光输出表面(42)，平坦反射性光输出表面(42)包含多个发光孔(44)，存在比LED(10)更多的孔(44)，其中孔(44)至少占腔体(36)的顶表面总表面积的10％，其中在基本上每个孔(44)附近由照明器发出的光具有大约45度至90度之间的受控制的扩散角，所述受控的扩散角由该角度内光亮度为峰值亮度一半的角度所测量，腔体具有小于5cm的深度，其中由照明器所发出的光在距照明器的平坦的反射性光输出表面特定距离处提供平坦物体的基本上均匀的照明。

Description

用于通用照明应用的薄照明器
技术领域
本发明涉及使用高功率发光二极管(LED)的通用光照，且特别地，本发明涉及一种用于通用光照的使用LED的很薄的照明器(即，带光源的灯具)。
背景技术
荧光灯具是办公室和商店光照最常用的灯具类型。荧光灯具也用在搁板下，橱柜中或橱柜下方使用，或者用于其中需要相对较浅、细长的光的其它情形中。荧光灯泡通常容纳于带开口顶部的漫反射矩形腔体中。带有模制棱镜图案的透明塑料板被固结到开口上方。塑料板略微漫射光且将光发射向下导向至待照亮的表面上。由于荧光灯泡具有大体上大于二分之一英寸的直径，这种灯具通常具有超过1英寸的深度。对于待照亮的小区域，荧光灯具的深度变得不好看。
将需要基本上减小白光源的厚度来替换这种荧光灯具。
发明内容
高功率白光LED的阵列定位于薄反射性腔体的基底表面上，薄反射性腔体具有略大于LED阵列的长度和宽度的尺寸。LED阵列可为线性阵列，二维阵列或任何其它图案。LED可安装于一或多个薄电路板条上，薄电路板条将LED电耦接到电源端子。每个LED通常具有2至7mm的高度。使腔体深度为LED厚度的大约2至5倍，诸如大约0.5至3cm。
腔体的光输出表面为反射器，其具有比LED的数目多出许多的开口(例如，为LED数目的4至25倍)。开口可为一维阵列、二维阵列或者分布成最佳地形成均匀光发射图案。在每个开口上方有小塑料透镜，用于使所发射的光通过开口形成在大约50至75度且优选地为60度的光锥。该角度由该角度内光亮度为峰值亮度一半的角度确定。
在腔体内由每个LED发出的光通常为朗伯(Lambertian)图案。通过腔体的所有六个反射性壁的反射来在腔体中混合这些发出的光。光将最终通过许多孔出来，在待由照明器照亮的表面上形成光相对均匀的图案。
为了在腔体中进行额外光混合或者如果腔体被制成超薄，可使用侧部发光的LED。可通过使用侧部发光透镜或者通过将小反射器定位于LED模片的顶表面上获得侧部发射。
作为在每个开口上的透镜的替代，每个开口可形成为截头圆锥，朝向光出口扩展。与锥体输入相比的锥体输出面积被设置成通过大约60度角来输出光。取决于应用，在45度至90度之间的任何角度可以是满意的。
白光LED可为带有黄磷光体涂层的蓝光LED，由此通过磷光体泄露的黄光与蓝光的组合形成白光。也可使用周围有红和绿磷光体的蓝LED形成白光。存在许多方式在LED上施加磷光体。
在另一实施例中，在开口之间，LED安装于腔体的反射性光输出表面上。以此方式，来自LED的光不能直接进入任何开口而是在通过开口出射之前必须首先在腔体内表面进行反射。这改进了光输出的混合和均匀性。反射性光输出表面可由反射性铝形成以便也充当LED的散热件。在一实施例中，LED使用在LED上的磷光体来输出白光。在另一实施例中，LED输出蓝光且至少腔体的基底表面被涂布磷光体使得磷光体的发射结合蓝光组分通过开口产生白光。这是可能的，因为蓝LED光并不直接通过开口出射。
附图说明
图1是发出白光的常规高功率LED的截面图。
图2是根据本发明的一实施例的安装于反射性腔体中的LED的截面图，在该腔体表面中有光出射孔。
图3A和图3B示出可安装于本文所述的反射性腔体中的两种侧部发光LED。
图4是根据本发明的另一实施例的安装于腔体的反射性光输出表面上的LED的截面图。
图5是具有截头圆锥形状的孔的截面图。
图6是具有LED线性阵列的照明器的一个实施例的俯视图。
图7是具有LED的二维阵列的照明器的一个实施例的俯视图。
具体实施方式
图1是常规LED 10的截面，其通过组合由LED模片所生成的蓝光与由诸如YAG磷光体这样的磷光体所生成的黄光而生成白光。这种大约10至100流明光输出的用于照明的LED可以在市场上购买到。
在所用实例中，LED模片是GaN基LED，诸如AlInGaN LED，其用于产生蓝光。产生紫外光的LED也可与合适的磷光体一起使用。LED模片具有n型包覆层12和活性层14，p型包覆层16和p型接触层18，在p型接触层18上形成金属电极20。n型层12由金属电极22接触，金属电极22延伸穿过p层中的开口和活性层14。LED模片安装于陶瓷底座24上，陶瓷底座24具有顶部电极，顶部电极以热超声方式焊接到LED模片电极上。底座24具有底部电极，底部电极由导电通孔(未图示)穿过底座24连接到顶部电极。
YAG磷光体层26通过任何合适过程形成于LED模片上，诸如通过电泳(一种使用电介质溶液的电镀过程)或者任何其它类型的过程。可替代地使用定位于LED模片的顶表面上的预成形磷光体板。
硅酮或塑料透镜28封装LED模片。LED模片、底座和透镜被认为是用于本公开内容目的的LED 10。
包括透镜28和底座24的LED 10的总高度通常在2mm至7mm的范围。如果LED 10容纳于带塑料体和引线框的表面安装包装中，该高度可超过7mm。对于超薄LED，在移除其生长衬底(通常为蓝宝石)且无透镜的情况下，包括底座的厚度可小于1mm。这种超薄LED也可用于本发明中。包装的LED的宽度为大约5mm。
多个LED的底座钎焊到电路板30上，电路板30具有金属迹线32，用于使多个LED互连并用于耦接到电源。电路板30优选地形成为窄条。LED可以串联和并联组合的方式连接。电路板30主体可为绝缘铝条，用于远离LED传导热。电路板30通常具有小于2mm的厚度。
形成LED的实例描述于美国专利第6,649,440号和第6,274,399号中，美国专利第6,649,440号和第6,274,399号被转让于Philips LumiledsLighting Company且以引用的方式结合到本文中。
对于理解本发明的目的而言，所形成的特定LED以及它们是否安装于底座上并不重要。
图2是在薄反射性腔体36内安装于电路板30条上的三个LED 10的截面图。取决于照明器的所希望的尺寸和光输出，可使用任意多个LED 10。利用高亮度LED，间距可为大约1英寸或更大以复制荧光灯泡的光功率。腔体长度将通常在4英寸至数英尺的范围。多个电路板条可连接在一起以实现所希望的长度和宽度。电流源(未图示)耦接到电路板条的电源引线。
腔体36的基底表面38和侧壁40是反射性的。反射可为镜面反射(类似于镜子)或漫反射。举例而言，壁材料可为抛光的铝或者具有反射性薄膜涂层或者被涂布漫反射白漆。电路板30也可具有相当反射性的顶表面，且电路板30可构成腔体36的底表面的相对较小的部分。如果电路板包括相对较大面积，那么电路板可被认为形成腔体36的底表面。
腔体36的与LED安装表面相对的光输出表面由反射性板42形成，反射性薄板42具有比LED数目多出许多的孔44。对于每个LED可存在4至25个间隔开用于均匀照明的孔。反射性板42可为带反射性薄膜的硬质塑料或者可为薄金属。孔的面积优选地占板42总面积的10％至50％。每个孔优选地为大约1至2mm，其为平均LED透镜直径的大约1/5至1/3之间。每个孔的直径将取决于孔的数目以在反射性板42中提供足够的总开口，以用于供应照明器所希望的总亮度。每个孔的直径可在0.5mm至3mm的范围。
塑料、玻璃或硅酮透镜46覆盖每个孔44。透镜46的形状使得每个孔44的光输出具有60度展宽(由峰值亮度一半的角决定)。对于大多数应用，在45至90度之间的总扩散角将是良好的。
可通过简单的模制步骤形成透镜46，其中使反射性板42的顶表面与具有凹陷的模具接触，限定填充有液体透镜材料的每个透镜。透镜材料可完全或部分地填充每个孔44并粘附到反射性板42上。透镜材料由于热、紫外线或其它手段(取决于材料)而固化，且从模具上移除反射性板42，且透镜46固结到板42上。
在另一实施例中，透镜46可为预成形的且使用任何手段粘附到反射性板42上。
反射性板42距LED 10越远，在腔体36中进行光混合就越多且所得到的光发射就更均匀。在一实施例中，腔体36的厚度为个别LED高度的2至10倍或者无论何处为0.5至7cm。孔44的排列可等距隔开或者隔开使得基本上在LED上的孔44的密度小于距LED更远的孔44的密度。这使得来自反射性板42的不同区域的光输出相等。孔44的大小也可改变以调整来自每个孔的光输出量以获得更佳的均匀性。
此外，安装于本文所述腔体中任一个中的每个LED上的透镜28可成形为使得光图案并非朗伯图案，而是更多的侧部发光以减小来自直接在LED上的孔44(由于直接照明)的光输出强度并增加腔体中的光混合以改进来自腔体的光输出的均匀性。
图3A示出在白光LED 50上的一种侧部发光透镜48。图3B示出生成白光的超薄侧部发光LED 52，其中反射性薄膜54沉积于LED模片上的磷光体层上。这种侧部发光LED可被移除其生长衬底并且可使其在高度上小于1mm。任一实施例可安装于反射性腔体中。
图4是反射性腔体55的另一实施例的截面图，其中白光LED 56安装于开口44之间腔体的反射性板42上。以此方式，来自LED 56的光保证在穿过孔44发射之前至少在腔体的基底表面38处反射。这改进了穿过开口的光的均匀性，其允许更薄的腔体，诸如LED 56的厚度的2至4倍。反射性板42优选地由诸如Alanod有限公司所制造的高反射性增强铝制成，以便充当LED 56的散热件。然后，由周围空气来冷却反射性板42。孔可通过钻孔、冲孔或激光形成。
在另一实施例中，LED 56可输出蓝光(即，在LED模片上无磷光体)，且至少腔体的基底表面38被涂布有磷光体，当与蓝LED光组合时磷光体生成白光。磷光体涂层可用不同磷光体喷绘或丝网印刷。磷光体可(例如)为YAG(黄-绿)或者YAG与红磷光体(诸如CaS或ECAS)的组合，以用于更温暖的光。腔体的侧内表面也可被涂布磷光体。
图5是形成于反射性板42中具有截头圆锥形状的孔60的截面图。与锥体输入相比的锥体输出的面积与所需发光图案成比例。与输入面积相比的输出面积由以下关系式近似给出：
A输出＝A输入Sin2θ(方程式1)
其中θ是所需输出锥体的半角。
在图5中，与锥体输入相比的锥体输出的面积被设置成通过大约60度的角输出光。在45至90度之间的任何角度可为满意的。在此情况下，在每个孔上无需透镜。无透镜的孔增加了腔体36中的空气流动以帮助冷却LED。但形成成形的孔比圆柱形孔更难。可通过钻孔，冲制、蚀刻、激光加工或者利用掩膜喷砂而做出这些孔。
在所有实施例中，孔44/60大体上是圆形的用于使光发射均匀，但也可具有其它形状，诸如椭圆形，以进一步使光发射成形使得光发射角在一个方向为60度且在另一方向中仅为30度。孔也可包括狭缝以形成长薄光图案。
随着待照亮的物体进一步远离照明器移动，从每个孔44散发出的光将日益混合。
图6和图7是示出LED 10的不同排列的照明器的俯视图。LED 10可在基底表面上或者在反射性板上，且LED可侧部发光或者可不侧部发光。为了简单起见，对于每个LED 10，仅示出四个等距隔开的孔44。在图6和图7的实施例中，无孔44直接在LED上以便确保对于每个孔44，由腔体36/55提供某种程度的光平滑(light smoothing)。照明器可具有任意多行LED，且LED无需均匀地隔开，因为目的为灯具在(例如)一英尺的距离处生成均匀光输出。照明器形状可为任何形状，诸如正方形、矩形、圆形等。
在一实施例中，由照明器提供的光的优选均匀性在照明器下方1英尺处的照明器大小的平坦区域内为峰值亮度的50％以内。这个品质被认为基本上是均匀的照明，因为在被照亮的物体范围上无不可取的亮度的尖锐过渡，且观察者可能会注意不到沿着物体边缘的亮度减弱。在另一实施例中，在使用更多孔的情况下，在该物体范围上的均匀度为75％。在另一实施例中，均匀度为90％。
虽然已示出和描述了本发明的特定实施例，但本领域技术人员应了解在不偏离本发明的情况下在其更广泛的方面可对本发明做出变化和修改，且因此所附权利要求书在其范畴内涵盖属于本发明精神和范畴内的所有这些变化和修改。

Claims (24)

1.一种用于照亮远距离物体的照明器，其包括：腔体，其具有反射性基底表面和反射性侧壁；多个发光二极管(LED)，其固结于所述腔体内；所述腔体具有与所述反射性基底表面相对的平坦反射性光输出表面，平坦反射性光输出表面包含多个发光孔，存在比LED更多的孔，其中所述孔至少占所述腔体的所述顶表面的总表面积的10％，其中在基本上每个孔附近由照明器所发出的光具有在大约45度至90度之间的受控的扩散角，所述受控的扩散角由该角度内光亮度为峰值亮度一半的角度所测量，所述腔体具有小于5cm的深度，其中由所述照明器所发出的光在距所述照明器的平坦反射性光输出表面特定距离处提供平坦物体的基本上均匀的照明。
2.根据权利要求1所述的照明器，其中在距所述照明器的所述平坦的反射性光输出表面特定距离处的平坦物体的基本上均匀的照明包括：所述照明器照亮物体的平坦表面，所述物体的平坦表面的尺寸等于所述照明器的所述光输出表面的尺寸，所述物体的所述平坦表面距所述照明器的光输出表面1英尺，所述物体的所述平坦表面的每个区域的照明在所述物体的所述平坦表面的照明的峰值亮度的75％以内。
3.根据权利要求1所述的照明器，其中基本上每个孔具有小于大约60度的受控的扩散角，所述受控的扩散角由所述角度内光亮度为峰值亮度的一半的角度所测量。
4.根据权利要求1所述的照明器，其还包括支承多个LED的电路板。
5.根据权利要求1所述的照明器，其中所述LED安装于所述腔体的基底表面上。
6.根据权利要求1所述的照明器，其中所述LED安装于所述腔体的所述平坦的反射性光输出表面上。
7.根据权利要求1所述的照明器，其中所述LED的间距为至少大约2.5cm。
8.根据权利要求1所述的照明器，其中所述LED在所述腔体内排列成单个直线。
9.根据权利要求1所述的照明器，其中所述LED在所述腔体内排列成二维阵列。
10.根据权利要求1所述的照明器，其还包括在每个孔上的透镜以提供所述受控的扩散角。
11.根据权利要求1所述的照明器，其中基本上每个孔被成形为非圆柱形以提供所述受控的扩散角。
12.根据权利要求1所述的照明器，其中基本上每个孔被成形为非圆柱形。
13.根据权利要求1所述的照明器，其中所述腔体具有小于所述腔体中单个LED的高度十倍的深度。
14.根据权利要求1所述的照明器，其中所述腔体具有小于所述腔体中单个LED的高度五倍的深度。
15.根据权利要求1所述的照明器，其中所述腔体具有小于大约三厘米的深度。
16.根据权利要求1所述的照明器，其中所述腔体具有小于大约一厘米的深度。
17.根据权利要求1所述的照明器，其中所述孔排列成有序图案。
18.根据权利要求1所述的照明器，其中基本上在每个LED上的孔密度小于远离每个LED上的孔的密度。
19.根据权利要求1所述的照明器，其中所述腔体的内壁基本上是镜面。
20.根据权利要求1所述的照明器，其中所述腔体的内壁是漫射的。
21.根据权利要求1所述的照明器，其中所述腔体是矩形的且细长的。
22.根据权利要求1所述的照明器，其中所述LED包括：发出蓝光的LED模片；以及在每个LED模片的至少一部分上的磷光体，该LED模片发出当与蓝光混合时产生白光的光。
23.根据权利要求1所述的照明器，其中所述LED包括：发出蓝光的LED模片；以及在所述腔体的至少一个内表面上的磷光体涂层，该磷光体涂层发出当与蓝光混合时产生白光的光。
24.根据权利要求1所述的照明器，其中所述LED是侧部发光LED。
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