CN101793355B - 远程荧光体发光二极管照明系统 - Google Patents

远程荧光体发光二极管照明系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种远程荧光体发光二极管照明系统，其中LED模块朝向荧光体模块发射短波长光，该荧光体模块吸收该短波长光并且发射经过波长调节的光。发射大体上是纵向的，具有关于纵向的大体上朗伯特分布。荧光体模块包括最接近LED模块的透明层和直接与该透明层相邻的荧光体层。这两个层都大体上与纵向垂直地定向。照明系统包括反射器，该反射器环绕地包围LED模块中的发射平面并且在发射平面与透明层之间纵向地延伸。实际上，所有由LED模块发射的光或者直接进入荧光体模块，或者在被反射器反射之后进入。透明层的横向侧面支持全内反射，因此，实际上所有来自LED模块并进入透明层的光都透射到荧光体层。

Description

远程荧光体发光二极管照明系统
技术领域
本发明涉及一种基于LED的荧光体(phos phor)照明器。
背景技术
发光二极管(LED)在许多照明应用中都迅速获得公认。与白炽灯泡相比，LED更加有效，具有更长的使用寿命，并且可被封装为具有各种适当形状和大小的包装。
特别是，对于照明应用来说，所谓的白光LED变得更受欢迎。在这些白光LED中，发光元件典型地是以相对短的波长-诸如蓝光、紫光或者紫外光-来发射光的LED。从所谓的蓝光LED中所发射的光照射荧光体。该荧光体吸收蓝光并且以一个或者多个更长的波长发射光，所述波长除了光谱的连续部分以外还可以包括离散的波长。从荧光体所发射的光可以被用于照亮目标，或者可以被用于一般的照明目的。
与人类视觉有关的许多特征-诸如CIE色卡图(或者其它适当的图)上的(x，y)坐标和所谓的色温(该色温将荧光体的发射光谱与具有特定温度的黑体的发射光谱相关联)-典型地由荧光体自身的化学特性、荧光体与照明蓝光的相互作用以及照明蓝光的波长来确定。
存在其它因素来影响基于LED的照明器的性能，这些因素一般与荧光体的性能无关。例如，主要影响因素典型地是使荧光体发射/散射的光从装置中输出的效率。其次的影响因素典型地是蓝光LED与帮助确定照明器亮度的荧光体之间的光程(optical path)的效率。换句话说，离开蓝光LED并照射荧光体的光子的百分比越高，由荧光体所发射的输出光越多。另外，许多荧光体以朗伯特(Lambertian)方式来发射光，该光具有类似的或者一致的角特性。对于一些应用，朗伯特分布可能太宽，并且可能需要较窄的光锥。
一般来说，公知的光学系统不能提供既具有高的灯具效率(fixtureefficiency)(即离开蓝光LED并照射荧光体的光具有高的百分比)又具有比较窄的光束角(即与朗伯特分布相比具有比较小的射出光的角分布)的基于LED的照明器。
作为特定示例，考虑三种公知的参考，并且在下面注明它们的缺陷。
作为第一示例，考虑由Chris topher L.Bohler等人发明的并于2007年11月22日公开的题为“LED-based light bulb”的美国专利申请公开No.US2007/0267976A1。Bohler公开文献中的图5在此被复制为本申请的图1。
Bohler的照明系统510包括诸如有机或者无机荧光体的波长转换材料。荧光体可以被置于任何适当的位置，诸如集成在LED512中、光制导(light guide)536处、涂覆在灯罩522的内侧或者外侧、包含在光罩522中、或者这些方式的组合。有机透明荧光体的示例是BASFLumogen F染料，诸如Lumogen F黄色083、Lumogen F橙色240、LumogenF红色300以及Lumogen F紫色570。当然，还可以考虑使用其它荧光体，诸如具有美国专利No.6,366,033中所说明的有机成分的稀土络合物；美国专利No.6,207,229中所说明的量子点荧光体；美国专利No.6,048,616中所说明的纳米荧光体，或者其它合适的荧光体。
UV光线540由LED512发射，并且被荧光体544转换成白光或者可见光542。荧光体544优选地包括两个或者更多个荧光体以将发射的光540转换成可见光542，尽管也包含单种成分荧光体以用于生成饱和色光。可见光542穿过外壳而射出。在该实施例中，荧光体混合物544被布置在光制导536周围或者光制导536中，该光制导536是布置在LED512上方的平板，以致于光线540的大部分照射在该平板上。
对于Bohler的装置510需要注意两个问题。
首先，从LED512发射的光的较小部分到达荧光体544。该荧光体自身具有特定大小并且与LED512相距特定距离。从LED512发射的光具有特定的角分布，典型地是朗伯特分布，使得一定百分比的LED光照射在荧光体544上，而剩余的光未到达该荧光体并且未能生成任何白光。这导致LED发射被传送给荧光体的部分被降低了效率，其中该部分可能显著小于100％。
其次，从荧光体544射出的光离开荧光体平板并且直接传播出去到达观察者。一般来说，从平面荧光体发射的光具有比较宽的角分布，这可能对于一些应用来说过宽。在下面的段落中提供对来自平板的发射的更详细解释。
一般来说，从荧光体发射的光被发现在单位角度功率方面具有一般的朗伯特分布。朗伯特分布具有朝向发射表面的法线的峰值(通常表示为0度)，其具有cosθ的角度降落，其中θ是关于表面法线的角度。该朗伯特分布可在数值上用在角度方面被给定为2cos-1(0.5)或者120度的半最大值全宽(FWHM)来表示。对于许多应用来说，该120度的FWHM被认为是比较宽的。在许多情况下期望更窄或者更加可控的光束。
作为第二示例，考虑由Nadarajah Narendran等人所发明的并于2008年2月7日公开的题为“High efficiency light source usingsolid-state emitter and down-conversion material”的美国专利申请公开No.US2008/0030993A1。‘993公开于2005年11月17日作为具有非正式图的PCT申请公开No.WO2005/107420被原始公开。Narendran中的图4在此被复制为本申请的图2。
图2中的实施例可以被用于要求一般环境照明的室内空间中。如图所示，该装置包括荧光体板650(例如YAG：Ce或者其它荧光体)。该装置还包括多个形成阵列的半导体发光二极管656，诸如LED/RCLED阵列652。阵列652被安装在衬底654上，该衬底654可以由铝材料制成。在示例性实施例中，衬底654可以是环形的。在图2所示的示例性配置中，LED/RCLED阵列被以相互间隔的关系布置并且围绕环形衬底安置。
在Narendran中，发光二极管的阵列被安置在衬底上，使得二极管的发光表面朝向荧光体层板650。以这种方式，二极管656朝向荧光体层板650来发射短波长的光。当短波长的光照射在该荧光体层板上时，光的四种成分是：被反射的短波长的光和降频转换的光660以及被透射的短波长的光和被透镜的降频转换的光664。如图所示，短波长的光和降频转换的光660在装置中被反射以产生白光662。被透射的短波长的光和降频转换的光664被透射到装置外部以产生白光666。
Narendran的装置具有与Bohler相同的两个问题。首先，LED发射被传送给荧光体的部分可能显著小于100％。其次，白光的角分布可能尤其宽，并且与Bohler的装置相比甚至更是这样，因为被透射和被发射的光都从荧光体朝向观察者传播。
作为第三示例，考虑于2007年11月13日颁布给Karl W.Beeson等人的题为“Side emitting illumination systems incorporatinglight emitting diodes”的美国专利No.US7,293,908B2。Beeson中的图12在此被复制为本申请的图3。
来自LED702的光在不被任何其它光学元件反射的情况下传播到波长转换层(荧光体)902。反射器706与波长转换层902相邻，位于与LED702相对的一侧。经过波长转换的光朝向LED702往回传播，其中横向分量由荧光体902的发射角分布来确定。然后，光被反射器704反射，通过平面的透明元件802透射并且从该装置射出。反射器704和706是平面的并且平行，并且在纵向上间隔有距离718。
Beeson的装置面对与上面针对前两个参考所讨论的问题相同的两个问题。首先，由于LED702与荧光体902之间的自由空间传播的性质(即光线可能从传播区域中“漏出”并且不能照射到荧光体)，离开LED702并到达荧光体902的光的部分显著小于100％。其次，离开装置的经过波长转换的光与从荧光体902发射的光基本上具有相同的角分布；被平面镜704反射并不改变光的角分布。对于一些应用来说，该角分布可能过宽。
由于这些和其它原因，需要一种如下的基于LED的照明装置：该基于LED的照明装置对于从LED传播到荧光体的光具有比较高的效率，并且具有可控制的和/或比来自荧光体自身的更窄的光输出角分布。
发明内容
一个实施例是一种照明器，包括：发光二极管模块，具有用于发射短波长光的LED发射平面；荧光体模块，在纵向上与发光二极管模块相间隔并且包括用于吸收短波长光并发射经过波长转换的光的荧光体层；内层反射器，环绕地包围LED发射平面并且从LED发射平面延伸到荧光体模块，其中从发光二极管模块发射的所有短波长光或者直接进入荧光体模块或者在被内层反射器反射之后进入荧光体模块；以及凹形的外层反射器，其环绕地包围荧光体层。从荧光体模块发射的所有经过波长转换的光或者直接从照明器射出或者在被外层反射器反射之后从照明器射出。
另一实施例是一种照明器，包括：发光二极管模块，用于产生短波长光并且将所述短波长光发射到短波长光传播角的范围内，每个短波长光传播角关于发光二极管模块上的平面法线而形成；荧光体模块，用于吸收短波长光并且发射荧光体光，所述荧光体光具有部分地由荧光体所确定的波长谱；其中荧光体模块从发光二极管模块接收短波长光的内部部分，所述内部部分具有小于截断值的短波长光传播角；第一反射器，用于接收短波长光的外部部分，所述外部部分具有大于截断值的短波长光传播角，并且用于将短波长光的外部部分反射给荧光体模块；凹形的第二反射器，用于接收荧光体光并反射射出光，所述射出光具有比荧光体光窄的角分布。
进一步的实施例是一种用于产生窄的、经过波长转换的光束的方法，包括：从至少一个发光二极管将短波长光发射到短波长角谱中，所述短波长角谱由直接进入荧光体模块的短波长内部角部分和先被第一反射器反射然后才进入荧光体模块的短波长外部角部分构成；在荧光体模块中的荧光体层处吸收短波长光；从荧光体层发射经过波长转换的光；从荧光体模块将经过波长转换的光射出到经过波长转换的角谱中，所述经过波长转换的角谱由经过波长转换的内部角部分和经过波长转换的外部角部分构成，其中所述经过波长转换的内部角部分直接加入经过波长转换的光束，而经过波长转换的外部角部分被凹形的第二反射器反射，然后再加入经过波长转换的光束。
附图说明
图1是公知照明系统的平面图。
图2是另一公知照明系统的平面图。
图3是又一公知照明系统的剖面示意图。
图4是示例性照明器的剖面示意图。
图5是图4的照明器的剖面示意图，其中示出从LED模块到荧光体模块的附加光线。
图6是入射在荧光体层上的单位面积功率的曲线图。
图7是荧光体层的一部分的剖面示意图，其中透明层位于荧光体层的下方而透明圆顶位于荧光体层的上方。
图8是所发射的单位角度功率的朗伯特分布的曲线图。
图9是图4和图5的照明器的剖面示意图，其中示出从荧光体模块射出的附加光线。
图10是从照明器射出的功率的角分布的示意图。
图11是从照明器射出的单位角度功率的曲线图。
图12是具有在荧光体上安装的热沉的示例性照明器的剖面示意图。
图13是示例性照明器的剖面示意图，其中省略了荧光体模块中的透明圆顶。
具体实施方式
在许多照明器中，来自短波长的发光二极管(LED)的光被透射给荧光体。荧光体吸收该短波长的光并且发射经过波长转换的光，其中该经过波长转换的光具有期望的波长谱，而波长谱主要取决于荧光体的化学性质。对于一些应用，可能需要增加LED与荧光体之间的效率，从而尽可能多的LED光被荧光体吸收。还可能需要将由荧光体发射的光的角分布变窄，使得光比典型的具有120度半最大值全宽(FWHM)的朗伯特分布要窄。注意在一些实施例中，一些照明用的短波长光与荧光体所发射的光一起从装置射出；在这些情况下，该装置的总发射谱可包括来自照明LED的蓝光成分和来自荧光体的黄光/红光成分。
公开了一种照明器，在该照明器中LED模块朝向荧光体模块发射短波长的光，该荧光体模块吸收该短波长的光并且发射经过波长调节的光。该发射大体上是纵向的，具有围绕纵向的一般的朗伯特分布。荧光体模块包括最接近LED模块的透明层和直接与透明层相邻的荧光体层。这两个层大体上被垂直于纵向定向。照明器包括反射器，该反射器环绕地包围LED模块中的发射平面并且在发射平面与透明层之间纵向延伸。事实上，所有由LED模块发射的光或者直接进入荧光体模块，或者在被反射器反射之后进入。透明层的横向侧面支持全内反射，从而事实上所有来自LED模块并进入透明层的光都被透射给荧光体层。在一些应用中，荧光体层位于凹面镜的焦点处，这可以使由荧光体所发射的光变窄和/或准直。与荧光体层相邻并且与透明层相对地，荧光体模块可以包括透明圆顶、热沉，或者什么都不包括。
以上段落仅仅是概括性的，并且不应被理解为以任何方式进行限制。在下面的图和文字中提供更多细节。
图4是示例性照明器10A的剖面示意图。照明器10A包括发射短波长的光的发光二极管模块20、吸收该短波长的光并且发射经过波长调节或者波长转换的光的荧光体模块30A、环绕地包围LED模块20并且将任何横向传播的短波长的光反射到荧光体模块30A中的第一镜面或者反射器41、以及将经过波长转换的光引导成具有期望的准直度(degree ofcollimation)的光束的第二镜面或者反射器42。下面以进一步的细节来说明这些元件中的每一个。
LED模块20包括印刷电路板21、支撑平台22、发射表面23和透镜24。
印刷电路板21机械地支撑LED并且将电能供应给LED。印刷电路板21可包括其自身的电源，诸如电池，或者可以与外部电源电连接。印刷电路板21可包括一个或者多个螺纹孔、通孔和/或定位构件。印刷电路板21可具有任何适当的形状，诸如圆形、方形、矩形、六边形等等。
支撑平台22是可选的，并且可包括将LED从实际的印刷电路板上抬高适当距离所需要的机械和电连接。
发射表面23是发光二极管平面的物理位置。假设LED模块20中的所有LED都具有各自的从相同的发射平面23发射的输出，尽管不必如此。在该应用中，发射平面23被作为三个水平定位的矩形的最高表面绘出，该三个水平定位的矩形表示三个相邻的LED刻面(facet)、芯片或者模具(die)。可以将LED布置为阵列，诸如1×2、1×3、2×2、2×3、3×3、单个LED或者任何其它合适数量的LED刻面。LED阵列可以矩形模式或者任何其它合适的模式来布置。
透镜24将LED阵列封装起来。该透镜可如图4所示那样将全部LED封装在发射平面中，或者可将少于全部的LED封装在发射平面中。可替换地，透镜24可以是一系列透镜，每个透镜将其自身的LED封装在发射平面中。
在一些应用中，透镜24是半球状的，其中LED发射平面位于该透镜24的中心。对于半球状的透镜，从发射平面23的中心射出的光以大致法向的入射照射该半球的整个表面。对于发射平面23上除中心以外的位置，光可能在从透镜24射出时受到折射。一般来说，透镜自身可能未涂有防反射层，因此在光离开透镜24时，可能有大约4％的反射损失。可选的防反射涂层可减少该反射损失，但是还可能增加该装置的成本。注意，对于足够大的发射平面来说，发射平面边缘处的光可能在透镜24的曲面处受到全内反射，并且有效地留在该透镜内部；这种情况通常可以通过将LED阵列保持得距离透镜24的中心足够近来避免。
还要注意，透镜24可具有不同于半球状的形状。例如，透镜24可具有子弹的形状，其中对该透镜表面轮廓可以选择锥形和/或非球面元素。
一般来说，意图将许多类型的商业上可获得的封装好的LED用作LED模块20。例如，LED模块20的一种可能备选方案在商业上可从OsramOpto Semiconductors获得，并且其以OSTAR的名称销售。也可以获得来自Osram Opto Semiconductors和来自其它制造商的其它商品，并且这些其它商品也可以被同样好地用作LED模块20。
LED模块20向外辐射短波长的光，其中大多数功率被纵向地引导离开该LED模块，而较少的功率被横向引导到旁边。
在许多情况下，该分布是朗伯特分布，其中取决于关于表面法线的角的余弦。例如，如果LED完全缺少透镜24，则LED的裸发射大体上是朗伯特。朗伯特分布具有特征性的宽度，通常给定为120度的半最大值全宽(FWHM)。如果透镜24是半球状的并且发射平面23位于该半球的中心，则保持朗伯特分布。
在其它情况下，该分布可以与朗伯特分布不同。例如，如果发射平面23在纵向上远离透镜24的中心，则离开透镜的短波长光的分布可能比朗伯特分布更窄或更宽。
短波长光的光谱由发射平面23处的LED的输出确定。典型的LED的输出通常在诸如455nm的中心波长的附近，其在该中心波长附近具有多达几个nm或者更多的比较窄的分布或宽度。LED发射典型地具有比荧光体发射窄得多的光谱。
一般来说，基于荧光体的照明系统的物理特性要求：荧光体吸收特定波长或波长带的光并且发射具有更长波长的光；较长波长的能量比较短波长的能量少。因此，对于基于荧光体的照明器来说，LED可发射位于或接近可见光谱的短波端的光，在该基于荧光体的照明器中所述荧光体可以发射可大致覆盖整个可见光谱的光谱区域中的光或者荧光体可以发射波长大约为400nm到700nm的光。例如，LED可在该光谱的蓝光部分(即450nm附近)进行发射、在该光谱的紫光部分(即400nm附近)进行发射或者在该光谱的紫外(UV)光部分以小于400nm的波长进行发射。
对于基于荧光体的照明器来说，期望的是该照明器具有在LED模块与荧光体模块之间的高效率。更具体地，期望的是：被荧光体所吸收的光的数量除以离开LED的光的数量应该尽可能地接近100％。
对于图1至3所示的三种公知的系统，荧光体在纵向上与LED分离，并且没有任何东西可以捕捉到具有大的横向分量并且从LED传播出去的光。从LED横向发射到旁边的光可能在这些系统中完全地错过荧光体，并且可能在未被荧光体吸收的情况下逃逸出该光学系统。因此，应该注意，这三个公知系统中的每一个都具有LED发射与荧光体吸收之间的固有的低效率。
为了在本系统中增加LED到荧光体的效率，反射器41聚集具有大的横向传播分量的光，并且将所述光朝向荧光体模块反射。以这种方式，具有小的横向分量的光可直接进入荧光体模块30A(如利用图1-3的三种公知系统所完成的那样)，而具有大的横向分量的光可从反射器或者镜面41反射出去并然后进入荧光体模块30A。
荧光体模块30A包括透明平板或层31、荧光体或荧光体层32以及可选的透明圆顶。在下面对这些元件中的每一个进行说明，然后对反射器41的几何结构进行讨论。
透明层31可由任何合适的材料制成，该合适的材料诸如是玻璃、塑料、丙烯酸、聚碳酸酯、硅或者任何其它合适的光学材料。一般来说，期望该透明层31材料具有低的吸收率，并且具有介于大约1.4与1.9之间的折射率，虽然也可以使用该范围以外的值。透明层31可以比较厚，具有多达几个mm或者更多的厚度。
在一些情况下，透明层31具有可以支持全内反射的横向边缘或多个横向边缘。一般来说，期望来自LED的短波长光在横向边缘处受到全内反射，因为这样的反射对于光滑的横向表面来说大体上是没有损失的。如果使横向平面变得粗糙而引起散射，则可能由于散射而损失一些反射的LED光。
与透明层31相比，荧光体层32可以比较薄，具有0.5mm或者更少的典型厚度。如上所述，荧光体吸收由LED模块20以比较短的波长所发射的光并且发射比较长波长的光。荧光体发射的特定光谱特性主要取决于荧光体32的化学特性。虽然这样的光谱特性对于荧光体的可感觉的颜色(perceived color)来说可能非常重要，但是这些特性在这里比较不重要。一般来说，足以说荧光体层32吸收典型地位于蓝光、紫光和/或UV光谱区域中的比较短波长的光，并且发射典型地跨越可见光谱的全部或者部分的比较长波长的光，其中该可见光谱包括紫色或者红色光谱区域。公知许多种荧光体，并且随着荧光体领域中的研究的继续，任何或者所有现存的以及未来的荧光体都可与本文的装置一起使用。
在一些情况下，可如下制作荧光体层32。荧光体自身可以是陶瓷粉，其被混合到液态硅中、被涂覆在透明层31的表面并且被固化。荧光体层32与比较粗糙的透明层31以这种方式形成整体，这可以简化对荧光体的处理并且可以改善荧光体在使用期间的耐久性。
示例性的荧光体模块30A包括可选的透明圆顶33，该透明圆顶33与荧光体层32相邻地位于与透明层31相对的一侧。透明圆顶33可以与LED模块20的透镜24在功能、构造以及材料方面类似；在下面结合图9来讨论该透明圆顶33对于从荧光体发射的光的作用。
现在讨论照明器元件的几何结构。
图5是图4的照明器10A的剖面示意图，其中示出从LED模块20到荧光体模块30A的附加光线。具有比较小的横向传播分量的光线51直接进入荧光体模块30A，而具有较大横向传播分量的光线52在进入荧光体模块30A之前首先被反射器41反射。注意，与图1-3的三种公知系统不同，没有短波长的光线横向地通过LED与荧光体之间的空间而从照明器射出。
在一些情况下，反射器41可以环绕地包围LED发射平面23，以减少反射器41侧面周围的“泄漏”或者使该“泄漏”最小化。在一些情况下，反射器41可以从LED发射平面23一直延伸到荧光体模块30A，并且可以接触荧光体模块30A的表面。这也可以减少LED光的不期望的“泄漏”或者使该“泄漏”最小化。对于具有这种几何结构的反射器，可以定义关于表面法线55的特定阈值角50。传播角(关于表面法线55)小于阈值角50的光线51直接进入荧光体模块30A，而传播角大于阈值角50的光线52被反射器41反射并且变为重新定向的光线53，然后才进入荧光体模块30A。
反射器41本身的形状造成两个显著效应。首先，被反射器41反射的光线改变方向。在到达荧光体时，这些光线被假设为全部被吸收，并且该吸收被假设为与传播角无关。假设，纵向传播的光线与具有大横向传播分量的光线被同样吸收。结果是，光线方向的改变并不极其重要。
比传播角改变更为重要的第二效应是，反射器41可以改变特定光线到达荧光体的实际位置。例如，注意图5的示例性照明器10A，被反射器41反射的光线53并不被导向荧光体的中心，而是导向荧光体中心与荧光体边缘之间的中间区域。这样，反射器41可以通过对入射在荧光体层32上的光重新分布而帮助避免荧光体层32中的所谓“热点”。
在一些情况下，反射器41可以如图4和5所示具有凹形的剖面。在一些这样的情况下，反射器41可以具有抛物线形的剖面。在其它情况下，反射器41可以具有线状的剖面，并且可以在三维中呈现为一段椎体。在另一些情况下，反射器41可以具有凸形的剖面。在另一些情况下，反射器41可以包括凹形和平面部分、凸形和平面部分、和/或凹形和凸形部分。
图6是入射到荧光体层32上的单位面积功率(在本领域中被公知为“辐照度”)的示例性曲线图，其被截取为通过荧光体层32的中心的剖面切面(slice)。可以看到，单位面积功率没有在中心处达到峰值，而是在中心的任一侧具有比较小的峰值。在该示例中，峰值可以与被反射器41反射的光相对应；注意图5中光线53在荧光体层32处的到达位置。
在许多情况下，期望在荧光体层处避免使单位面积功率(辐照度)具有尖峰峰值分布；这样的峰值分布可能导致热问题，其中峰值位置处的热不能充分地消散。在一些情况下，期望使荧光体层32处的单位面积功率(辐照度)尽可能均匀。
注意，从光学的角度来看，期望使所有的光都照射在荧光体层的中心。从照明器10射出的光束的角伸展取决于吸收并发射光的荧光体的大小。在比较大的面积上吸收并发射光的比较大的荧光体32可在从其射出的光线方面比比较小的荧光体32或者只在比较小的面积上吸收并发射光的荧光体具有更大的角发散(divergence)。实际上，在力图具有图6中的尖峰峰值分布的光学性能与力图具有图6中的均匀分布的热性能之间存在折衷方案。
前面对图4至6的讨论说明了从LED到荧光体的光程，在该光程上荧光体最终吸收短波长的LED光。现在转向图7至9所示的从荧光体发射光并在下面的文字中对其进行说明。
图7是荧光体层32的一部分的剖面示意图，其中透明层31被示出位于荧光体层32的下方而透明圆顶33被示出位于荧光体层32的上方。箭头的大小表明在相应方向上的发射的相对强度。
可以看到，荧光体层32从其两侧发射光，即使利用短波长光的照明可能只来自一侧。还可以看到，荧光体层32的发射模式可以与短波长光照射在荧光体层32上的角度无关。一般来说，这两个申明对于大多数或者所有荧光体都是适用的，而不论该荧光体发射的光谱特性如何。
荧光体层32在两个方向上发射具有朗伯特分布的经过波长转换的光。朗伯特分布随角度地在表面法线处(在0度绘出)达到峰值，并且取决于角度余弦(关于表面法线)地下降。在90度，该分布为零。如图8所示，该朗伯特分布的特征宽度由120度的半最大值全宽(FWHM)给出。
注意，120度的FWHM说明了图3的公知照明器，其中平面镜704将“向下”发射的光反射到“向上”侧。“向上”峰值增长2倍，但是半峰值也是如此，因此图3中的光束输出的FWHM是120度。
在图1和2中，经过波长转换的光既在“上行”方向上发射也在“下行”方向上发射，因此发射模式是双形式(bi-modal)的，其在“上行”和“下行”上都具有120度宽的峰值。这基本上是图7所示的发射模式，其输出光束既向“上”也向“下”。这种发射模式可能适合于白炽灯泡替换，但是对于在此所述的窄光束应用来说，这种发射模式太宽了。
已经说明了在“上行”和“下行”方向上作为朗伯特分布的由荧光体层32所发射的光的发射模式，并且陈述了这种朗伯特分布对于窄光束照明器10A的使用来说可能过宽，现在继续说明使得由荧光体层32所发射的光变窄的效应。转向图9，图9是图4和5的照明器10A的剖面示意图，其中示出从荧光体模块30A射出的附加光线。
来自荧光体30A的光或者直接从照明器10A射出(到图9的顶部)，或者首先照射到第二反射器42然后才从照明器10A射出(也到图9的顶部)。与也被称为“内层”反射器的第一反射器41一样，第二或者“外层，，反射器42也可以是剖面为凹形、凸形或者平面的任何组合。
在一些情况下，外层反射器42可以具有抛物线形的剖面，其中荧光体层32位于该抛物线的焦点。于是，外层反射器42是将离开荧光体层32的光准直的抛物面镜。
通过检查图9中的各种发射光线来处理对于荧光体发射的各种情况。
光线61从荧光体层32发射到透明层31，并且从透明层31的底面射出。然后，光线61被第二反射器42反射，该第二反射器42将经过反射的光线62引导出照明器10A。这些光线61和62被镜面42很好地控制，因为光线62的射出方向可以通过镜面42的形状被控制在特定范围内。对于抛物面镜42，射出方向可以均位于特定的角范围内，大体上以纵轴为中心。还要注意，如果辐射状地超出内层镜面41的透明层31的突出部分太大，则可能有更多这些光线61和62。所期望的是，透明层31和荧光体层32在内层反射器41的整个圆周上都辐射状地延伸超出内层反射器41。
光线61在透明层31的底面上可经受大约4％的小量反射。该小量反射可通过为透明层31涂覆防反射涂层来减小，只是该装置的这种折衷方案成本更多。
光线63也从荧光体层32发射到透明层31中，但是从透明层31的底面射出到由内层反射器41所环绕的区域中。如果仔细地选择内层反射器41的形状，则这些光线63的大部分被内层反射器41反射并且产生重新进入透明层31和荧光体层32的反射光线64，并且这些光线63在具有低功率损失的情况下被“循环”。
光线65从荧光体层32的横向侧面发射，并且被外层镜面42反射而变为从照明器10A射出的反射光线66。如光线61和62那样，光线66传播的角范围可通过镜面42的形状来控制。
光线67从荧光体层向上发射到透明圆顶33中。光线67在圆顶33的曲面处经受折射，并且作为光线68从照明器射出。如果镜面42在纵向上延伸得足够远，则该镜面42可以接收到光线68并且在光线68离开照明器10A之前对其进行反射。如透明平板那样，圆顶33可以可选地具有防反射涂层，该防反射涂层以增加装置成本为代价减少反射。
光线69在与圆顶33的横向边缘相当近的位置从荧光体层射出，并且在圆顶内经受多次内反射。光线69最终重新进入荧光体层32并且以低功率损失被“循环”。注意，该全内反射针对圆顶33发生，因为荧光体层32一直横向地伸展在整个圆顶上。这样的全内反射不针对LED模块中的透镜24发生，因为LED芯片距离透镜24的中心比较近并且没有一直横向地伸展在整个透镜24上。
对发射的各种光线61-69给定各种射出条件及其与外层反射器42的关系，则照明器10A的发射模式可能相当复杂也就不足为怪了。可以通过将发射模式分解成以下两个主要部分模式来对发射模式进行简化：来自照明器10A的总发射模式＝直接离开的发射模式+被反射器42反射的发射模式。
直接离开照明器10A的发射模式在轮廓上可能接近朗伯特。如果所有离开荧光体层的光都源于圆顶的中心，则将会是朗伯特。然而，光实际上在延伸的横向区域上离开荧光体，这使该发射模式稍微变得复杂。因此，这被称为“粗略”朗伯特，并且告诫实际的模式由于延伸的荧光体区域而变得复杂。
被镜面42反射的发射模式可显著窄于朗伯特分布。如果镜面42是具有抛物线形剖面的抛物面，则该镜面42可将从荧光体发射的光准直。这样的准直光束可显著窄于“粗略”朗伯特光的近似120度的FWHM。
实际的发射模式是上述具有“粗略”朗伯特光束的窄光束的总和平均。这样的发射模式可具有如下FWHM：该FWHM介于准直光束的“几度”与“粗略”准直光束的大约120度之间。这在图10和11中被示意性示出，图10和11示出照明器10A的角输出和关于射出角的单位角度功率(被称为“辐射强度”)分布。
对于荧光体模块30A存在其它选择，这些其它选择在图12和13中示出并在下面说明。
可能存在如下情况：荧光体层32生成大量热量并且可能需要外部元件来散热。图12示出照明器10B，其中荧光体模块30B包括用于使来自荧光体层32的热消散的热沉(heat sink)38。因为热沉38阻挡了“向上，，的光程，所以荧光体模块30B还包括反射层37，该反射层37向下“循环”任何从荧光体层32向上发射的光。在一些情况下，当与在其中光被允许既“向上”射出又“向下”射出的荧光体模块相比时，这种荧光体模块30B的效率有所降低。
图13是示例性照明器10C的剖面示意图，其中省略了荧光体模块30C中的透明圆顶。离开荧光体模块30C的光可包括直接从照明器10C射出的光线以及在离开照明器10C之前首先被外层反射器42反射的光线72。该照明器10C的输出角分布与照明器10A类似。
至此，讨论已经涉及了照明器10A、10B和10C的结构。下面的段落针对照明器10A的各种仿真结果。该仿真是使用LightTools来执行的，该LightToo1s是商业上可从加利福利亚州的帕萨迪纳市的OpticalResearch Associates获得的光线跟踪计算机程序。可替换地，可以使用其它的光线跟踪程序，诸如TracePro、Zemax、Os1o、Code V，以及Matlab、Excel或者任何其它合适的计算工具中的自制的光线跟踪例程。
针对示意性地在图4中所示的系统来运行光线跟踪仿真，其目的在于计算在荧光体的整个切面上的辐照度(单位面积功率)。
如下设置尺寸和系统参数。光源是3mm×3mm的LED芯片阵列，该LED芯片阵列具有波长450nm、总输出功率1瓦特、正方形的芯片区域和朗伯特角分布(即关于表面法线在单位角度功率方面成余弦下降)。芯片区域被封装在由硅制成的半球中，在450nm时折射率是1.5。该半球的直径为6.4mm，正方形芯片区域的中心位于该半球的中心。芯片阵列在纵向上与透明平板距离3.2mm。功率反射率为90％的反射器从芯片阵列-此处反射器的直径为6.4mm-延伸到透明平板-此处反射器的直径为11.1mm。反射器的形状是抛物线形的，其焦点位于芯片阵列处。矩形的透明平板由BK7玻璃制成，在450nm时折射率为1.5。透明平板在纵向上的厚度为10mm并且顶面尺寸为20mm×20mm。该平板的横向边缘经过抛光并支持全内反射。该平板面对LED阵列的表面具有在450nm时四分之一波长的MgF2的防反射涂层，该涂层在450nm时的折射率为1.39并且实际的纵向厚度为112nm。
光线跟踪仿真的结果显示，96.7％的LED光线到达荧光体，而3.3％丢失主要是由于镜面的反射(R＝90％)。峰值强度是5.4瓦特/cm2，其中峰值远离荧光体的中心。在荧光体的整个径向切面上的强度近似于图6所示的曲线。
如果令人满意地执行了LED到荧光体的光程，则执行第二光线跟踪仿真以便对荧光体发射建模。
对于该仿真，假设来自荧光体的发射是朗伯特的，在整个荧光体表面上都具有恒定发射的单位面积功率、顶部方向和底部方向都具有相等的发射并且没有散射。对于该特定仿真来说，忽略荧光体的光谱特性，并且假设光学元件的折射率不随波长而改变。“底部”方向使用来自之前仿真的元件，其中荧光体基本上是零厚度并且位于透明平板的顶面上。“顶部”方向包括从荧光体向上延伸的透明的部分球体，荧光体接近该部分球体的中心但是不必要在该中心处。该部分球体由玻璃制成，对于所有波长来说折射率都是1.5。该计算的有用输出量是从该系统射出的光线的分数。更准确地说，该分数被定义为从该光学系统射出的光线数量除以来源于荧光体的光线数量。假设，如果光线从该系统射出，则该光线或者直接穿出照明器，或者首先被外层反射器反射(未仿真)并然后穿出照明器。
为该荧光体发射建模执行三个连续的仿真。第一，省略该部分球体，使荧光体的顶侧暴露于照明器的射出方向。对于该“无光学镜片”的情况，发现有80.5％的光线逃逸出该系统。第二，部分球体的直径是28.3mm，该球体的顶部与LED阵列之间的同轴(on-axis)距离是29mm。对于该光学镜片的直径为28.3mm的情况，发现有91.9％的光线逃选出该系统。第三，部分球体的直径是42.5mm，该球体的顶部与LED阵列之间的同轴距离是36mm。对于该光学镜片的直径为42.5mm的情况，发现有93.2％的光线逃逸出该系统。该大约为93％的值被认为是足够的。
没有从系统中射出的损失光线或者百分比光线是由于全内反射损失(类似于图9中的光线69)和抛物线形(内层)反射器处的损失而造成。实际上，该损失对于具有真正荧光体的装置来说可以更小。
包装效率被给出为在不包括外层反射器的情况下为96.7％乘以93％的值，或者大约90％。如果在仿真中包括外层反射器，则效率降低到大约84％。另外，具有反射器的仿真光束角大约为30度FWHM，这比朗伯特的120度FWHM窄得多。
上面的仿真是针对示例性配置和尺寸集合来执行的，并且不应在任何方面被理解为限制性的。
在此陈述的本发明的说明及其应用是说明性的并且不是要对本发明的范围进行限制。在此公开的实施例的变型方案和修改是可能的，并且本领域技术人员在研究该专利文献的基础上可以理解这些实施例的实际替换方案以及这些实施例的各种元件的等同体。可以对在此公开的实施例做出这些和其它变型方案和修改而不脱离本发明的范围和精神。

Claims (16)

1.一种照明器(10A、10B、10C)，包括：
发光二极管模块(20)，具有用于发射短波长光的LED发射平面(23)；
荧光体模块(30A、30B、30C)，在纵向上与发光二极管模块(20)相间隔并且包括用于吸收短波长光并发射经过波长转换的光的荧光体层(32)，其中荧光体模块(30A、30B、30C)进一步包括大体上是平面的透明层(31)，该透明层(31)与荧光体层(32)平行并且在纵向上与该荧光体层(32)直接相邻，并且面向发光二极管模块(20)，以及其中所述透明层(31)包括支持全内反射的横向边缘(34)；
内层反射器(41)，环绕地包围LED发射平面(23)并且从LED发射平面(23)延伸到荧光体模块(30A、30B、30C)，其中从发光二极管模块(20)发射的所有短波长光或者直接进入荧光体模块(30A、30B、30C)或者在被内层反射器(41)反射之后进入荧光体模块(30A、30B、30C)，并且其中所述内层反射器(41)接触连续地围绕内层反射器(41)的圆周的透明层(31)；以及
凹形的外层反射器(42)，环绕地包围荧光体层(32)，其中从荧光体模块(30A、30B、30C)发射的所有经过波长转换的光或者直接从照明器(10A、10B、10C)射出(71)或者在被外层反射器(42)反射之后从照明器(10A、10B、10C)射出(72)，
其中所述透明层(31)仅接触单个内层反射器(41)，并且其中所述荧光体层(32)和透明层(31)二者在内层反射器(41)的整个圆周上向外延伸地超出内层反射器(41)，使得所有从发光二极管模块(20)发射的进入透明层(31)的短波长光由于透明层(31)内的全内反射而被透射到荧光体层(32)。
2.根据权利要求1所述的照明器(10A、10C)，其中所述内层反射器(41)和所述外层反射器(42)是圆柱形的并且共轴。
3.根据权利要求1所述的照明器(10A、10C)，其中所述荧光体模块(30A，10C)是矩形的并且与内层反射器(41)和外层反射器(42)都共轴。
4.根据权利要求1所述的照明器(10A、10B、10C)，其中所述荧光体模块(30A)进一步包括透明圆顶(33)，所述透明圆顶(33)在纵向上与荧光体层(32)直接相邻并且背对发光二极管模块(20)。
5.根据权利要求4所述的照明器(10A、10B、10C)，其中所述透明圆顶(33)由折射率在1.4与1.9之间的透明材料制成。
6.根据权利要求4所述的照明器(10A)，其中所述透明圆顶(33)包括曲面部分，所述曲面部分包括半球。
7.根据权利要求1所述的照明器(10B)，其中所述荧光体模块(30B)进一步包括：
反射层(37)，与所述荧光体层(32)直接相邻并且背对所述发光二极管模块(20)；和
热沉(38)，与所述反射层(37)直接相邻并且背对所述发光二极管模块(20)。
8.根据权利要求1所述的照明器(10C)，其中所述荧光体层(32)形成所述荧光体模块(30C)的纵向边缘。
9.根据权利要求1所述的照明器(10A、10B、10C)，其中所述内层反射器(41)是凹形的。
10.根据权利要求1所述的照明器(10A、10B、10C)，其中进入所述荧光体模块(30A、30B、30C)的所有短波长光在所述荧光体层(32)处形成峰值远离该荧光体层(32)中心的单位面积功率分布。
11.根据权利要求1所述的照明器(10A、10B、10C)，
其中所述外层反射器(42)具有包括其纵轴(55)的抛物线形的剖面；并且
其中所述外层反射器(42)具有与荧光体层(32)一致的焦点。
12.根据权利要求1所述的照明器(10A、10B、10C)，其中从所述荧光体层(32)所发射的经过波长转换的光具有朗伯特分布，所述朗伯特分布具有120度的半最大值全宽值。
13.根据权利要求1所述的照明器(10A、10B、10C)，其中从所述照明器(10A、10B、10C)射出的经过波长转换的光具有小于120度的半最大值全宽值。
14.根据权利要求1所述的照明器(10A、10B、10C)，其中平面的透明层(31)由折射率在1.4与1.9之间的材料制成。
15.根据权利要求1所述的照明器(10A、10B、10C)，其中所述荧光体层(32)由陶瓷粉形成，混合在液态硅中、被涂覆到平面的透明层(31)上并且被固化。
16.一种照明器(10A、10B、10C)，包括：
发光二极管模块(20)，用于产生短波长光并且将所述短波长光发射到短波长光传播角的范围内，每个短波长光传播角在发光二极管(20)处关于表面法线(55)形成；
荧光体模块(30A、30B、30C)，用于吸收短波长光(51，53)并且发射荧光体光(61，65)，所述荧光体光(61，65)具有部分地由荧光体(32)所确定的波长谱，其中荧光体模块(30A、30B、30C)进一步包括大体上是平面的透明层(31)，该透明层(31)与荧光体层(32)平行并且在纵向上与该荧光体层(32)直接相邻，并且面向发光二极管模块(20)，以及其中所述透明层(31)包括支持全内反射的横向边缘(34)；
其中荧光体模块(30A、30B、30C)从发光二极管模块(20)接收所述短波长光的内部部分(51)，所述内部部分(51)具有小于阈值角(50)的短波长光传播角；
第一反射器(41)，用于接收所述短波长光的外部部分(52)，所述外部部分(52)具有大于所述阈值角(50)的短波长光传播角，并且用于将短波长光的所述外部部分(53)反射给荧光体模块(30A、30B、30C)，并且其中所述第一反射器(41)接触连续地围绕第一反射器(41)的圆周的透明层(31)；
凹形的第二反射器(42)，用于接收所述荧光体光(61，65)并反射射出光(62，66)，所述射出光(62，66)具有比所述荧光体光(61，65)窄的角分布；
其中所述荧光体模块(30A)进一步包括透明圆顶(33)，所述透明圆顶(33)在纵向上与荧光体层(32)直接相邻并且背对发光二极管模块(20)；
其中所述透明圆顶(33)由折射率在1.4与1.9之间的透明材料制成；
其中所述透明层(31)仅接触单个第一反射器(41)，并且其中所述荧光体层(32)和透明层(31)二者在第一反射器(41)的整个圆周上向外延伸地超出第一反射器(41)，使得所有从发光二极管模块(20)发射的进入透明层(31)的短波长光由于透明层(31)内的全内反射而被透射到荧光体层(32)。
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