CN101983302B - 改进的白色发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件包括：光源，适合于发射第一波长范围的光；反射体，包括反射层；波长转换层，包括适合于吸收所述第一波长范围的光并且发射第二波长范围的光的波长转换材料，所述波长转换层和所述光源相互间隔开布置；以及光散射元件，适合于散射至少所述第一波长范围的光；其中所述光散射元件的至少一部分布置于从所述光源到所述波长转换层的光路中。根据本发明的发光器件提供提高的颜色均匀性以及提高的亮度均匀性。

Description

改进的白色发光器件
技术领域
本发明涉及发光器件领域，这些发光器件包括与光源相距一段距离布置的波长转换材料以及散射元件。 
背景技术
基于发光二极管(LED)的发光器件如今越来越多地用于广泛的各种照明应用(例如包括办公室照明灯、聚光灯和式样翻新灯)。可以通过使用蓝色LED和有时称为磷光体的波长转换材料从LED获得白光，该波长转换材料吸收LED发射的部分蓝光并且重新发射更长波长的光。出于功效考虑，可优选让波长转换材料与LED相距一段距离布置。通常，波长转换材料施加在例如布置在器件的光射出窗口处的衬底上。然而，波长转换材料与衬底的粘合经常需要使用可能降低照明器件光学效率的透明涂层膜。 
由于波长转换材料发射的光在所有方向上发射，所以回向反射体一般用于使光反射回向反射到光学室中，使得光朝着射出窗口重定向。然而为了提供均匀白光输出，还必须有效地散射非转换光、即蓝光。通常通过在射出窗口放置漫射体和/或使用回向漫反射体来实现非转换光的散射。然而使用在所有表面上反射的附加光学元件(如漫射体)将导致照明器件的较低的光输出。 
WO 2007/130536公开了一种包括固态发光器如LED、热传导元件和反射元件的照明器件。该照明器件可以可选地包括荧光体，比如磷光体。然而WO 2007/130536未提供对磷光体的上述粘合问题的解决方案。 
因此在本领域中需要改进的基于LED的照明器件。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的高功效的基于LED的发光器件，该发光器件提供均匀的白光输出。 
在一个方面中，本发明涉及一种发光器件，该发光器件包括： 
-发光二极管，适合于发射第一波长范围的光； 
-反射体，包括反射层，所述反射体被布置成接收所述发光二极管发射的光并且将所述光朝着发光器件的光退出窗口射出窗口反射； 
-波长转换层，包括适合于吸收所述第一波长范围的光并且发射第二波长范围的光的波长转换材料，所述波长转换层和所述发光二极管相互间隔开布置；以及 
-光散射元件，适合于散射至少所述第一波长范围的光； 
其中所述光散射元件的至少一部分布置于从所述光源到所述波长转换层的光路中； 
-其中所述反射体还包括所述波长转换层，所述波长转换层布置于从所述光源到所述反射层的光路中；并且 
-其中所述反射体还包括布置于从所述光源到所述波长转换层的光路中的漫射层，所述漫射层包括所述光散射元件的至少一部分；并且 
-其中所述反射层、所述波长转换层和所述漫射层形成多层膜。 
已经发现，与在散射非转换光之前进行转换波长的情况相比，通过布置光散射元件和波长转换层使得来自光源的光在部分光由被波长转换材料转换之前散射，与在散射非转换光之前转换波长的情况相比实现了提高的颜色均匀性以及提高的亮度均匀性。优选地，发光器件包括布置于从所述光源到所述波长转换层的光路中的扩散漫射层，所述扩散漫射层包括所述光散射元件的至少一部分。 
为了进一步改进发光器件的光混合性质，波长转换层可以包括所述光散射元件的至少一部分。通过在波长转换层中集成光散射元件，实现了对非转换光的散射的进一步改进，的散射从而获得更高的 均匀白光的更高输出。另外，通过在波长转换层中包括散射元件，增加将在波长转换中由被波长转换材料转换的光的光路长度被增加从而使转换更高效。结果是可以使用更较少的波长转换材料以实现某一水平的波长转换。 
另外，反射层可以包括所述光散射元件的至少一部分。以这一方式提供对非转换光的进一步散射，以及并且可选地也提供对转换光的进一步散射。 
例如，波长转换层可以位于所述光射出窗口中。 
另外，反射体可以包括波长转换层，所述波长转换层布置于从所述光源到所述反射层的光路中。反射体还可以可选地包括所述漫射层。因此与波长转换层和/或漫射层位于射出窗口的情形相比，通过在布置于发光器件内部中的反射体中集成波长转换层以及可选地集成漫射层，更少需要保护这些层免受机械损坏。该集成式布置因此可以是有利的，因为在波长转换层和漫射层本体中的机械损坏(如刮擦)以不同颜色出现，这将被感知为扰动。 
优选地，所述反射层、所述波长转换层和可能存在的所述漫射层形成多层膜。 
已经发现，通过比如在多层膜中在漫射层与反射层之间接近地形成波长转换层，获得了很高效的漫反射。由于光源发射的光在进入波长转换层之前并且也在由波长转换层反射之后在漫射层中被散射，所以对反射(转换和非转换)光的散射很高效。具体而言，与具有在射出窗口布置的单独的漫射体的常规发光器件相比，改进了对非转换光的散射。 
另外，通过在漫射层与反射层之间布置波长转换层，波长转换层由漫射层保护，从而波长转换层在发光器件关断时不可见。这是一个主要优点，因为有色磷光体的可见性一般被感知为施加了波长转换层的弊端。在波长转换层顶上施加漫射层提供了白光在漫射层中的散射并且弱化了形成阻碍的(hindering)颜色对比度。 
另外，在两个其它层之间布置波长转换层也允许改进波长转换材料的粘合性。例如，漫射层和/或反射层可以具有开放结构，该结构提供将波长转换材料的粒子纳入漫射层和反射层中，因此避免在组合各层之后出现分层。 
应该注意本发明涉及所附权利要求的所有可能组合。 
现在将参照附图详细地描述本发明的实施例。 
附图说明
图1是根据本发明实施例的发光器件的示意横截面图。 
图2是根据本发明一个实施例的反射体的示意横截面图。 
图3是根据本发明另一实施例的反射体的示意横截面图。 
具体实施方式
图1示出了包括光源2的发光器件1，该光源2适合于发射第一波长范围的光。光源优选地适合于发射蓝光(约400nm-500nm的波长范围)；然而，光源也可以发射其它波长的光，例如UV辐射和/或其它颜色如绿色、黄色或者红色的可见光。优选地，光源2包括至少一个发光二极管(LED)。可以使用任一类型的常规LED或者常规LED的组合。可选地，发光器件可以包括多个光源。 
另外，反射体3被布置成接收光源2发射的光并且将此光朝着发光器件的光射出窗口4反射。反射体3可以具有任何希望的形状。例如，反射体3可以具有平坦形状。反射体3也可以具有弯曲或者凹面形状。可选地，反射体3可以部分地透射光。 
光可以通过光射出窗口4射出发光器件1。光射出窗口4可以敞开，或者如图1中那样，它可以至少部分地由半透明板13覆盖。半透明板13可以至少部分地透明。半透明板13也可以具有漫射功能和/或光束成形功能(例如包括具有透镜和/或棱镜的光学结构)。 
可选地，当反射体3是部分地透光时，光也可以通过位于光射出窗口4对面的背部区域12射出发光器件1。背部区域12然后可以称为第二光射出窗口。第二光射出窗口可以敞开，或者它可以如上文针对光射出窗口4所述的那样至少部分地由半透明板覆盖。当反射体3为不透光的时，背部区域12可以是不透明的背部壁。 
如图1中所示，反射体3位于由侧壁11、光射出窗口4和背部区域12限定的空间中。反射体以及可选地和侧壁11可以限定光混合室。光可以如上所述通过光射出窗口4射出光混合室。当发光器件包括多个光源时，光源可以布置于由侧壁11、光射出窗口4和反射体3限定的空间中的不同位置。通常，光源接近侧壁11放置， 两个相对的光源至少隔开有光射出窗口的宽度所代表的距离。因此，反射体3可以接收来自不同方向的光。 
发光器件1还包括波长转换层，该波长转换层包括适合于吸收第一波长范围的光并且发射第二波长范围的光的波长转换材料。波长转换层和光源2相互间隔开布置。 
另外，适合于散射至少所述第一波长的光的光散射元件布置于从所述光源2到波长转换层的光路中。光散射元件因此适合于在从光源2发射和/或由反射体3反射的光进入波长转换层之前散射所述光。 
在本发明的第一实施例中，波长转换层布置于光射出窗口4中。波长转换层包括适合于吸收第一波长范围的光并且发射第二波长范围的光的波长转换材料。波长转换层例如可以被包括在半透明板13中。可选地，波长转换层可以涂覆于半透明板上。 
在第二实施例中，发光器件1包括漫射层，该漫射层包括所述光散射元件。因此，当这样的漫射层存在时，其布置于从光源2到波长转换层的光路中。例如当波长转换层布置于光射出窗口4中时，漫射层可以被包括在反射体3中，以便在光被反射之前和/或之后散射它。可选地，漫射层可以布置于与波长转换层相邻的光射出窗口4处，并且在从光源2到波长转换层的光路中。 
在第三实施例中，波长转换层可以包括所述散射元件的至少一部分。例如可以制备波长转换层为包括波长转换材料和散射粒子的挤压聚合物膜。可选地，包括散射元件的波长转换层可以与如上所述布置于从光源到波长转换层的光路中的包括散射元件的单独漫射层组合。 
在第四实施例中，反射体3包括如这里所述的波长转换层。通常，反射体3也包括布置于从光源2到波长转换层的光路中的至少一个漫射层。 
在图4中所示第五实施例中，反射体3包括限定域14，这些域包括布置于反射层5上的波长转换材料9。反射层5可以是漫射型 的。 
当反射体3是部分透光的时，它可以可选地包括附加波长转换层和/或附加漫射层。所述附加波长转换层和/或所述附加漫射层优选地布置于反射体3的与光源2相背离的一侧上。优选地，当所述附加漫射层存在时，其布置于从光源2到所述附加波长转换层的光路中。 
图2和图3图示了根据本发明实施例的反射体。 
在图2中，反射体3包括布置于反射层5上的漫射层7和波长转换层6。反射层5、波长转换层6和漫射层7形成多层反射膜。波长转换层6布置在从光源到反射层5的光路中的漫射层7与反射层5之间。因而，漫射层7布置于从光源到波长转换层6的光路中。 
漫射层7适合于接收和散射由光源发射的光。漫射层7可以包括光散射元件，例如形成于载体材料中的散射粒子或者孔。载体材料可以是聚合物，比如PET、PMMA或者PC。散射粒子的例子包括二氧化钛、二氧化锆和氧化铝粒子。例如，漫射层7可以包括以范围从1％w/w至75％w/w、优选地从2％w/w至20％w/w的浓度分散于载体材料中的光散射粒子。 
可选地，散射元件的至少一部分可以适合于不同地散射不同波长的光。例如，散射元件可以适合于仅散射非转换光(即所述第一波长范围的光)。 
漫射层7是至少部分透光的以便允许来自光源的大部分光达到波长转换层6。优选地，漫射层7很薄，比如具有范围从0.5μm至100μm、优选地从2μm至25μm的厚度。 
漫射层7可以用于机械地保护波长转换层6并且隐藏它，而又改进转换光和非转换光的混合。 
波长转换层6包括波长转换材料9，比如公知为磷光体的材料。波长转换材料9适合于吸收第一波长范围的光并且发射第二波长范围的光。例如，波长转换材料可以吸收蓝光(约400nm-500nm的波长范围)并且发射更长波长(例如黄光波长范围)的光。适当的波 长转换材料的例子包括Y3Al5O12:Ce、CaAlSiN3:Eu和CaS:Eu。另外的适当的波长转换材料是本领域技术人员已知的。 
通常，光源2发射的所述第一波长范围的一部分光透射过波长转换层6而不为波长转换材料9所吸收。 
波长转换层6可以具有范围从5μm至2000μm、优选地从10μm至50μm的厚度。波长转换层6可以包括每单位面积的数量范围从5g/m2至200g/m2、优选地从10g/m2至100g/m2的波长转换材料。 
在本发明的实施例中，波长转换层6未形成多层膜的部分，但是可以是例如通过挤压或者注模形成的衬底。在这样的实施例中，漫射层7和反射层5可以涂覆于波长转换衬底6的相对侧上。 
反射层5适合于接收透射过波长转换层6的光并且将它反射回到波长转换层6，其中光可能在如上所述转换之后进一步透射到漫射层7中。优选地，反射层5为漫反射体；然而在本发明的实施例中，反射层5可以是镜反射体。反射层5优选为基于聚合物的白色反射膜，例如基于PET的白色反射膜。在本领域中已知若干这样的反射材料。反射膜5可以具有范围从5μm至2000μm、优选地从20μm至800μm的厚度。 
在本发明的实施例中，反射层5未形成多层膜的部分，但是可以是例如通过挤压或者注模形成的反射衬底。在这样的实施例中，漫射层7和波长转换层6可以涂覆于反射衬底上。可选地，漫射层7可以形成波长转换层6和反射层5如上所述涂覆于其上的衬底。在本发明的实施例(比如适合于通过背部区域(第二光射出窗口)发射部分光的发光器件)中，可以在反射层5上的与光源相背离的一侧上布置附加波长转换层以及可选地布置附加漫射层。 
如上所述反射层5可以包含散射元件。当希望实现光的完全反射时，反射层5优选地包括浓度比漫射层7的浓度更高的散射粒子。然而如果反射体接收的部分光将被透射，则反射层5可以具有与漫射层7的散射粒子浓度近似相同或者至少在相同范围中的散射粒子浓度。 
另外，漫射层7、波长转换层6和反射层5的总厚度可以在从0.01mm至4mm、优选地从0.1mm至1mm的范围内。 
反射体3还可以包括用于提高反射体3的反射率的衬底8。衬底8可以是反射型的。反射体3的反射因子受反射体的厚度影响并且具体地受反射层5的厚度影响。例如，如果漫反射层5很薄，则由反射层5接收的来自波长转换层6光的一部分被漫透射而不是漫反射。在本发明的实施例中实现至少为0.85、优选地至少为0.95的反射因子是理想的。因此通过在衬底8上布置反射层5可以提高相对薄的膜的反射率。 
在一些应用中，例如在具有向上和向下照明部件的发光体中，反射体3具有一定程度的透光率是优选的。因此在本发明的一些实施例中，衬底8因此优选地被省略或者由半透明材料制成。 
图2的反射体提供改进的不同波长的光的混合；具体而言，这一实施例提供改进的非转换光(也就是第一波长范围的光)的散射。波长转换的光和良好散射的非转换的光的混合可以在光射出窗口的方向上通过散射层7射出反射体3。然而，其中如上所述光透射过反射层5的本发明实施例也提供光在这一方向上的良好混合，从而在两个方向上获得均匀的白光输出。 
可以通过分别制备各个层并且随后通过层压将这些层组合成膜来生产图2中所示的多层反射膜。例如，波长转换层和漫射层7可以涂覆于载体膜上以便随后层压到反射层5上。可选地，波长转换层和漫射层7可以借助诸如喷涂、滑涂、移涂、印刷等任何适当的常规涂覆技术来直接涂覆于反射层5上。也可以例如通过挤压、真空/热形成、注模从而获得板来制备波长转换层，在该情况下可以通过层压到板上或者直接涂覆于板上来施加其它层。漫射层7和/或反射层5可以具有开放结构，该结构提供将波长转换层6中的波长转换材料9的粒子纳入层7和5中，因此提高各层到波长转换层6的粘合性。 
在图3中所示实施例中，反射体3为包括波长转换层6和反射 层5的多层膜。波长转换层6适合于接收光源发射的光。如上所述，波长转换层6适合于吸收光和重新发射光。另外，如上所述，波长转换层6一般透射光源发射的部分光。 
除了波长转换材料9之外，波长转换层6还包括光散射元件10。因此，波长转换层6也用为漫射层。光散射元件10可以如上所述。在本发明的实施例中，波长转换层因此包括波长转换材料和分散于载体材料中的散射粒子的混合。例如，波长转换层6可以包括浓度为1％w/w至50％w/w、优选地从2％w/w至20％w/w的光散射粒子。波长转换层可以包括每单位面积的数量范围从5g/m2至200g/m2、优选地从10g/m2至100g/m2的波长转换材料。 
图3的实施例的波长转换层可以具有范围例如从5μm至2000μm并且优选地从10μm至50μm的厚度。 
反射层5可以如上所述。具体而言，它可以是镜反射体。当反射层5为漫反射层时，它可以包括如上所述的光散射元件。 
图3的多层膜(即波长转换层6和反射层5)的总厚度可以是从0.01mm至4mm、优选地从0.1mm至1mm。 
应该注意上述本发明的实施例是举例说明而不限制本发明的范围。 

Claims (3)

1.一种发光器件(1)，包括：
-发光二极管(2)，适合于发射第一波长范围的光；
-反射体(3)，包括反射层(5)，所述反射体(3)被布置成接收所述发光二极管(2)发射的光并且将所述光朝着所述发光器件(1)的光射出窗口(4)反射；
-波长转换层(6)，包括适合于吸收所述第一波长范围的光并且发射所述第二波长范围的光的波长转换材料(9)，所述波长转换层(6)和所述发光二极管(2)相互间隔开布置；以及
-光散射元件(10)，适合于散射至少所述第一波长范围的光；
其中所述光散射元件(10)的至少一部分布置于从所述发光二极管(2)到所述波长转换层(6)的光路中；并且
-其中所述反射体(3)还包括所述波长转换层(6)，所述波长转换层(6)布置于从所述发光二极管(2)到所述反射层(5)的光路中；并且
-其中所述反射体(3)还包括布置于从所述发光二极管(2)到所述波长转换层(6)的光路中的漫射层(7)，所述漫射层(7)包括所述光散射元件(10)的至少一部分；并且
-其中所述反射层(5)、所述波长转换层(6)和所述漫射层(7)形成多层膜。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其中所述波长转换层(6)还包括所述光散射元件(10)的至少一部分。
3.根据任一前述权利要求所述的发光器件，其中所述反射层(5)包括所述光散射元件(10)的至少一部分。
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