CN107110478B - 具有3d散射元件和带有凸形输出表面的光学提取器的照明装置 - Google Patents

具有3d散射元件和带有凸形输出表面的光学提取器的照明装置 Download PDF

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Abstract

一种照明装置，包括：(1)一个或多个固态照明(SSL)装置；(2)厚的例如棱镜或圆柱形或球形或穹顶形散射元件；以及(3)具有凸形输出表面的光学提取器。

Description

具有3D散射元件和带有凸形输出表面的光学提取器的照明 装置
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2014年11月25日提交的美国临时申请No.62/084,358根据35U.S.C.§119(e)(1)的受益权，该美国临时申请通过引用并入本文。
技术领域
本技术大体涉及包括固态照明(SSL)装置的照明装置，特别涉及包括厚的例如棱镜形或圆柱形或球形或穹顶形散射元件的照明装置，以及具有凸形输出表面的光学提取器。
背景技术
照明装置的发展在许多方面已经将重点放在如何将尽可能多的光提取到环境中，同时这样做提供至少一些对光的传播方向性，使其有助于应用在空间照明、指示、显示/或其它照明应用中。这些方面适用于所有类型的SSL和非SSL照明装置，并且通常在光学子系统的设计中证明了这些方面自身。当在光密材料内产生光时，这些要求尤为重要。有效利用源于准点源的高亮度光源并控制相应的眩光对光学子系统设计提出了许多挑战。这些和其它方面在发光二极管(LED)、基于LED的照明装置和其它SSL装置的构造中已经变得越来越重要。
与白炽光源和荧光光源相比，尤其发现SSL装置由于其低功耗、高发光效率长使用寿命而在大部分照明应用中得到快速应用。已经开发了能够经由适当的发光材料(也称为磷光体)通过对短波长泵浦光的下转换来生成高质量白光的SSL装置，短波长泵浦光包括由相应的LED提供的紫外光、蓝光或其它光。这种装置可以被称为基于磷光体的LED(PLED)。虽然由于光转换而导致功率损失，但是与从直接产生红色、绿色、蓝色、琥珀色和/或其它颜色的光的LED的各种组合发射的光而产生白光的灯具相比，PLED的各个方面都能够实现对基于PLED的灯具而言的降低复杂性、更好的成本效率和耐用性。
虽然正积极地研究和开发新类型的磷光体，然而，基于PLED的照明装置和/或灯具的构造由于可用的发光材料的性质而提出进一步挑战。例如，这些挑战包括来自光子转换的光能量损耗——一般而言被称为斯托克斯(Stokes)损耗或斯托克斯位移、来自斯托克斯损耗的自加热、光子转换性质对工作温度的依赖性、由于在过热或其它损害的作用下磷光体的化学和物理组成的永久改变而导致的退化、转换性质对光强度的依赖性、在发自磷光体的转换光的随机发射的作用下光沿非期望方向的传播、磷光体的非期望的化学性质和照明装置中磷光体的受控沉积。
因此，需要一种克服现有技术中的至少一个缺陷的照明装置。
发明内容
通常，本文描述的技术的创新方面可以在包括以下一个或多个方面的照明装置中实现：
在第一方面中，照明装置包括：一个或多个发光元件(LEE)，其被构造为提供泵浦光；以及散射元件，其包括嵌入介电材料中的磷光体基质。磷光体被构造为吸收泵浦光的至少一部分，并且发射转换光，该转换光具有比泵浦光波长更长的转换光波长。介电材料对于泵浦光和转换光是透明的。散射元件形成与LEE的输入界面，使得由LEE发射的泵浦光通过输入界面被输入到散射元件中。输入界面具有第一维度。散射元件具有与第一维度正交且比第一维度大1-10度的第二维度。此外，照明装置包括：光学提取器，其形成与散射元件的提取界面，使得来自散射元件的混合光通过提取界面被输入到光学提取器中。光学提取器的输出表面相对于提取界面被布置和成形，使得由光学提取器通过提取界面接收的混合光以小于或等于临界角θC＝arcsin(nE/nO)的入射角照射在输出表面上，其中nE是光学提取器的折射率，以及nO是光学提取器周围环境的折射率。
前述和其它实施例各自视情况可单独地或以组合的形式包括下列特征中的一个或多个。在一些实施方案中，提取界面具有沿着第一维度并且是第一维度的3-30倍大的第三维度。在一些实施方案中，提取界面被成形为球的一部分，并且散射元件的第二维度对应于球的半径。
在一些实施方案中，磷光体可以均匀分布在介电材料内。在一些实施方案中，基质的介电材料可以是塑料或玻璃。在一些实施方案中，一个或多个LEE可包括一个或多个LED管芯(LED die)。在一些实施方案中，一个或多个LEE可包括一个或多个LED封装。在一些实施方案中，混合光可包括转换的光的一部分和泵浦光的未被磷光体转换的一部分。在任何上述实施方案中，照明装置还可包括从输入界面延伸到提取界面的边界的反射器。
在一些实施方案中，光学提取器可以相对于提取界面被布置和成形，使得混合光照射在提取界面上的入射角大于或等于布鲁斯特(Brewster)角θB＝arctan(nE/nO)。在一些实施方案中，光学提取器可以相对于提取界面被布置和成形，使得混合光照射在提取界面上的入射角小于布鲁斯特角θB＝arctan(nE/nO)。
在第二方面中，照明装置包括：一个或多个发光二极管(LED)，其被构造为提供泵浦光；以及散射元件，其包括嵌入介电材料中的磷光体基质。磷光体被构造为吸收泵浦光的至少一部分，并且发射转换光，该转换光具有比泵浦光波长更长的转换光波长。介电材料对于泵浦光和转换光是透明的。散射元件形成与LED的输入界面，使得由LED发射的泵浦光通过输入界面被输入到散射元件中。输入界面具有第一维度。散射元件具有与第一维度正交且比第一维度大1-10度的第二维度。此外，照明装置包括：光学提取器，其形成与散射元件的提取界面，使得来自散射元件的混合光通过提取界面被输入到光学提取器中。光学提取器的输出表面具有满足条件RO≥RE(nE/nO)的半径RO，其中RE是内接提取界面的名义球的半径，并且其中nE是光学提取器的折射率，以及nO是光学提取器周围环境的折射率。
前述和其它实施例各自视情况可单独地或以组合的形式包括下列特征中的一个或多个。在一些实施方案中，散射元件可以被成形为具有半径RE的名义球的球形穹顶，使得散射元件的第二维度对应于半径RE；并且光学提取器可以被成形为具有对应于半径RE的内半径的球形壳体。在一些实施方案中，散射元件能够被成形为圆柱，所述圆柱具有等于第二维度的高度，以及具有沿着第一维度且是第一维度的3-30倍大的基圆直径2RE，并且光学提取器可以被成形为具有半径RO的球形穹顶。
在一些实施方案中，半径RO可满足条件RO＝RE(nE/nO)。
在一些实施方案中，半径RO可满足条件RE(nE/nO)<RO≤RE√[1+(nE/nO)2]。
在后一种实施方案的一些情况下，半径RO可以满足条件RO＝RE√[1+(nE/nO)2]。
在后一种实施方案的其它情况下，半径RO可满足条件RO>RE√[1+(nE/nO)2]。
在任何上述实施方案中，照明装置还可包括从输入界面延伸到提取界面的边界的反射器。
在一些实施方案中，磷光体可以均匀分布在介电材料内。在一些实施方案中，基质的介电材料可以是塑料或玻璃。在一些实施方案中，一个或多个LED包括一个或多个LED管芯。在一些实施方案中，一个或多个LED可包括一个或多个LED封装。在一些实施方案中，混合光可包括转换光的一部分和泵浦光的未被磷光体转换的一部分。
在下面的附图和说明中阐明了本文所描述的技术的一个或多个实施方案的细节。所公开的技术的其它特征、方面和优势将根据说明书、附图和权利要求变得清楚。
附图说明
图1A示出了具有层形或3D散射元件以及带有凸出输出表面的光学提取器的照明装置的示意图。
图1B示出了由与如图1A所示的照明装置类似的照明装置输出的混合光的频谱的示例。
图2A示出具有球壳形散射元件以及带有公共提取界面的球壳形光学提取器的照明装置的示例的示意性横截面图。
图2B示出具有板形散射元件以及带有公共提取界面的球形穹顶形光学提取器的照明装置的示例的示意性横截面。
图3示出具有圆柱形散射元件以及带有公共提取界面的球形穹顶形光学提取器的照明装置的示例的示意性横截面。
图4示出具有球形穹顶形散射元件以及带有公共提取界面的球壳形光学提取器的照明装置的示例的示意性横截面图。
各个附图中的附图标记和标号表示本公开的特定特征的示例性方面、实施方案。
具体实施方式
本技术涉及包括SSL装置、层形或三维(3D)散射元件和具有凸形输出表面的光学提取器的照明装置。所公开的照明装置可用于诸如一般照明和/或显示照明的应用中，显示照明例如为投影显示器、背光LCD、标牌等。
图1A示出了具有层形或3D散射元件120以及带有凸出输出表面135的光学提取器130的照明装置100的示意图。照明装置100还包括一个或多个发光元件(LEE)110和转换/回收封壳140。照明装置100遍及宽范围的角度有效地向周围环境提供宽带均质光。
LEE被构造为在操作期间产生光和发出光。例如，由LEE 110发射的光(也称为泵浦光)的光谱功率分布可以集中在蓝色波长范围内。根据上下文，光的颜色可以指其色度。通常，LEE 110是例如当通过在其上施加电位差或使电流经过其而被触发时，在电磁光谱的区域或区域的组合中发射辐射的装置，电磁光谱的区域例如为可见光区域、红外区域和/或紫外区域。LEE 110可具有单色、准单色、多色或宽带光谱发射特性。单色或准单色的LEE的示例包括半导体发光二极管、有机发光二极管、聚合物/聚合体发光二极管(LED)。在一些实施方案中，一个或多个LEE 110可以是发射辐射的单个特定装置，例如LED管芯，或者可以是一起发射辐射的特定装置的多个实例的组合。这样的LEE 110可包括其中放置一个或多个特定装置的壳体或封装。作为另一示例，一个或多个LEE 110可以是包括一个或多个激光器并且更具体地包括半导体激光器的单个装置，所述半导体激光器例如为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和边缘发射激光器。在利用半导体激光器的实施例中，层形或3D散射元件120用于减少(例如，消除)激光的空间和时间相干性，这在照明装置100可以被人直接观看的情况下可能是有利的。LEE 110的其它示例包括超发光二极管和其它超发光装置。
层形或3D散射元件120具有定位成接收来自LEE 110的光的输入表面115。在一些情况下，输入表面115与一个或多个LEE 110间隔开。在其它情况下，输入表面115是3D散射元件120与一个或多个LEE 110的光学界面。在后一种情况下，输入表面115将被称为输入界面115。层形或3D散射元件120包括布置成使来自LEE 110的光散射并提供混合光的散射中心。这种散射可以被构造为大致是各向同性的。混合光可包括弹性散射的泵浦光(表示为虚线)和非弹性散射的泵浦光(表示为短划线)。根据其性质，散射可以是与散射中心进行组合吸收/发射和/或折射交互的结果。弹性散射的泵浦光，如果有的话，包括在散射中心已经经历了弹性散射的光子。非弹性散射的泵浦光包括在散射中心处已经经历了非弹性散射的光子。例如，光子的光谱分布由于弹性散射而保持大致不变，或者另一方面在非弹性散射作用下改变。典型的弹性散射例如在散射中心处需要光折射。典型的非弹性散射需要在先前被散射中心吸收的光的作用下从散射中心发射光。
关于在该说明书中描述的技术，非弹性散射通常与一个可见或紫外(UV)入射光子和一个可见射出光子相关联。由散射中心产生的光的散射能够起因于诸如光转换作用、折射作用、和/或其它作用和/或其组合。在一个散射中心处起因于非弹性散射的多个射出光子的分布可以是各向异性的，例如在光转换的作用下通常是这种情况。在多个散射中心处起因于弹性散射的多个射出光子的分布可以取决于例如散射中心的形状、布置和/或组成而是各向异性的。散射中心可包括一个或多个部分，每个部分使光例如通过光转换、折射或其它作用沿一条或多条路径散射。示例性散射中心包括物质的组成或结构的不连续性。为了在光传播中实现预定程度的随机性，光不得不经历多个弹性散射事件。如此，要求这样的多次散射事件超过预定的随机性，例如，当光通过与仅通过折射而散射光的散射中心的相互作用而被散射时。例如，散射中心可包括光转换材料(LCM)和/或非光转换材料。经LCM的光转换是非弹性散射的形式。
LCM是根据第一光谱分布吸收光子并且根据第二光谱分布发射光子的材料，如下面结合图1B所述。术语光转换、波长转换和/或颜色转换可交换地使用。例如，LCM也被称为光致发光或颜色转换材料。LCM可包括光致发光物质、荧光物质、磷光体、量子点、基于半导体的光转换器等。LCM还可包括稀土元素。
图1B示出了由照明装置100输出的混合光的光谱115的示例。在照明装置100中用作LEE 110的蓝色LED可具有发射光谱111。另外，图1B示出了散射中心的吸收光谱112和发射光谱113以及混合光115的光谱(后者用虚线表示)。弹性散射光的光谱功率分布与泵浦光(对应于光谱111)的光谱功率分布相同。而且，散射中心112的吸收光谱与由发光元件111发射的光的光谱重叠。非弹性散射光的光谱功率分布不同于泵浦光。举例来说，非弹性散射光将具有被移位(例如，斯托克斯(Stokes)移位)到比泵浦光光谱111更长波长的光谱113。例如，当蓝色泵浦光被非弹性散射时，可产生具有整体黄色/琥珀色的光，例如对应于光谱113。而且，混合光115的光谱是弹性散射光的光谱111和非弹性散射光的光谱113的组合。
再次参考图1A，层形或3D散射元件120可以被构造为通过使进入层形或3D散射元件的所有光大致散射同时允许大部分光通过层形或3D散射元件，来大致随机化从LEE 110接收的光的传播方向。
由诸如为透明玻璃或透明有机聚合物的透明材料形成光学提取器130，并且光学提取器130具有凸形输出表面135。输出表面135通常是透明表面。换句话说，经过输出表面135的混合光的变化通常可以通过斯内尔(Snell)折射定律来描述，这与例如发生透射光的进一步散射的不透明或漫射表面截然相反。光学提取器130与层形或3D散射元件120接触，使得在接触位置处、在层形或3D散射元件与光学提取器之间存在光学界面125，并且光学界面与层形或3D散射元件的输入表面/界面115相对。光学界面125被称为提取界面125。层形或3D提取元件130被布置成使得透过提取界面125的混合光进入光学提取器130。来自层形或3D散射元件120的直接到达光学提取器130的输出表面135的光被称为前向光。
在一些实施方案中，照明装置100在LEE 110和具有折射率n0的层形或3D散射元件120的输入表面115之间包括诸如气体(例如空气)的介质，并且该层形状或3D散射元件包括具有第一折射率nS(其中n0<nS)的材料。来自层形或3D散射元件120的、到达输入表面115的光被称为后向光。因为n0<nS，所以输入表面115只允许一小部分的后向光逃逸到低折射率介质中。这里，光学提取器130的透明材料具有折射率nE，其中n0≤nE，并且该透明材料与提取界面125浸入耦合。因此，照明装置100不均匀地传播混合光，因为透射的前向光的量大于透射到低折射率介质中的后向光的量。在这种情况下，取决于n0和nE之间的不对称程度，层形或3D散射元件120与光学提取器130之间的提取界面125允许变化的前向光透射与后向光透射的比率。如果nE和nS大致相等，则达到该比率的高度不对称性。在层形或3D散射元件120的相对侧上具有不对称光学界面(即，不同的折射率失配)的发光装置被称为不对称散射光阀(ASLV)或ASLV照明装置。
光学提取器130的输出表面135是透明表面，其被成形为使得直接照射在输出表面上的混合光满足指定的反射条件，以确保直接照射在输出表面上的混合光经历很少的全内反射或不经历全内反射(TIR)。以这种方式，输出表面135透射照射在其上的大部分光，所述光从层形或3D散射元件120直接传播到输出表面135并且在至少某些平面中传播，并且在光第一次经过时将光输出到光学提取器130的环境中。经输出表面135输出的混合光可以用于由照明装置100提供的照明或指示功能，或用于与照明装置结合工作的另一光学系统的进一步操纵。
下面描述由光学提取器130的输出表面135的形状满足的一些指定的反射条件。在一些实施例中，光学提取器130的输出表面135被成形为具有半径RO的球形或圆柱形穹顶或壳体，使得提取界面125设置在由相应的名义球或圆柱(notional sphere or cylinder)限定的光学提取器的区域内，所述相应的名义球或圆柱与输出表面同心并且具有半径RW＝RO/nE，其中nE是光学提取器的折射率。这样的构造被称为维尔斯特拉斯(Weierstrass)几何结构或维尔斯特拉斯构造。应注意的是，球形维尔斯特拉斯几何结构能够避免经过由对应的名义RO/nE球限制的区域的光线的TIR，而不论传播平面如何。对于在以浅角度与相应的圆柱轴线相交的平面内传播的光，即使光穿过由相应的名义RW＝RO/nE圆柱限制的区域时，圆柱形的维尔斯特拉斯几何结构也可以显示TIR。
应当注意，其它照明装置可具有带有非球形或非圆柱形输出表面135的提取器元件130，非球形或非圆柱形输出表面135可以用于折射光并且有助于以与由球形或圆柱形出射表面(exit surface)提供的方式不同的方式使输出强度分布成形。维尔斯特拉斯几何结构的定义可以通过要求提取界面125落入从输出表面的点P对向的锥体内而扩展到包括具有非圆形截面的输出表面135，所述锥体也被称为接受锥体，所述的锥体的轴线对应于在点P处的相应的表面法线并且具有2*Arcsin(k*nO/nE)的顶点，其中nO是在输出表面外部上介质的折射率，并且k是小于nE的正数。注意，输出表面135需要被构造成使得多个所有提出的锥体限制具有非零体积的空间。还要注意的是，假设k是指确定在未涂覆的输出表面135处的TIR的量的参数，该未涂覆的输出表面135将在构成光学提取器130的输出表面的一侧上具有nE>1的光密度介质与在输出表面的外部上的诸如为在标准温度和压力条件下具有nO至1.00的空气的典型气体分离。取决于该实施例，k能够略大于1但是优选小于1。如果k>1，则可以在光学提取器130内部的输出表面135处发生一些TIR。在一些实施例中，这导致提取界面125在输出表面的点P处在垂直于输出表面的方向上离输出表面135至少R(P)*(1-k/nE)。这里，R(P)是在点P处的输出表面135的局部曲率半径，并且nE是光学提取器130的折射率。对于具有k＝1的球形或圆柱形输出表面135，由所提出的锥体限制的边界分别对应于球形或圆柱形维尔斯特拉斯几何结构。在这种情况下，由光学提取器130通过提取界面125接收的混合光以小于临界角θC＝arcsin(nE)的入射角照射在输出表面135上。一些实施例被构造成通过挑选k>1而允许一些TIR。在这些情况下，k/n被限制为例如k/n<0.8。总之，如果具有折射率nE的光学提取器130的输出表面135的半径RO等于或大于RO≥RW＝nERE，则认为照明装置100满足维尔斯特拉斯构造，其中RE为照明装置的提取界面125的半径。
在一些实施例中，参数k不仅小于1，以避免对在至少一个平面中传播的光在光学提取器130的输出表面135处产生TIR，但是令K如此小以至于额外避免某些菲涅耳(Fresnel)反射。在这些情况下，由光学提取器130通过提取界面125接收的混合光相对于空气界面以等于或小于布鲁斯特角θB＝arctan(nE)的入射角照射在输出表面135上。更一般地，从由具有顶点2*Arctan(1/nE)的点p对向的锥体约束的方向内照在输出表面的点p处的p偏振光在输出表面135处将不被反射，所述锥体的轴线对应于在点P处的表面法线。这样的构造被称为布鲁斯特几何结构(或布鲁斯特构造)，并且输出表面135形成布鲁斯特球或布鲁斯特圆柱。总之，如果光学提取器130的输出表面135的半径RO等于或大于
Figure BDA0001341952560000111
其中RE是照明装置的提取界面125的半径，则照明装置100被认为满足布鲁斯特构造。注意，对于照明装置100的提取界面125的给定半径RE，满足布鲁斯特条件的光学提取器130具有最小半径RO(布鲁斯特；最小)＝RB的输出表面135，RB大于满足维尔斯特拉斯条件的光学提取器的输出表面的最小半径RO(维尔斯特拉斯；最小)＝RW。
在光学提取器130的第一实施方案中，对于提取界面125的给定半径RE，光学提取器130的输出表面135的半径RO大于或等于布鲁斯特半径：
Figure BDA0001341952560000112
在第一实施方案中，光学提取器130的体积VE可以从等于布鲁斯特体积的最小体积——对于RO＝RB，VE＝VB，变化到无限大，对于RO→∞，VE→∞。当光学提取器130的体积VE从∞减小至布鲁斯特体积时，由于在(具有折射率nE＝1.5的光学提取器130的)输出表面135处的菲涅耳反射引起的混合光所遭受的损失仅增加约20％。
在光学提取器130的一些其它实施方案中，对于提取界面125的给定半径RE，光学提取器130的输出表面135的半径RO在维尔斯特拉斯半径RW＝nERE与布鲁斯特半径之间：RW≤RO≤RB。第二实施方案中的光学提取器130的体积VE可以从等于维尔斯特拉斯体积的最小体积——对于RO＝RW，VE＝VW，变化到等于布鲁斯特体积的最大体积——对于RO＝RB，VE＝VB。由于在(具有折射率nE＝1.5的光学提取器130的)输出表面135处的菲涅耳反射引起的混合光遭受的损失增加了50％，而光学提取器130的体积从布鲁斯特体积VB仅下降了20％到维尔斯特拉斯体积VW。鉴于上述体积对于第一和第二实施方案的损失惩罚考虑，例如，光学提取器130的一些实施例将具有满足条件RO≈1.5RB，1.2RB，1.1RB，RB，0.9RB，0.8RB或0.5RB的输出表面135的半径。结合图2B，在临时申请62/084,358(其通过引用并入本文)的附件中详细描述了作为其体积的函数的光学提取器130的损失惩罚的上述估计。
此外，在图1A所示的示例中，转换/回收封壳140被定义为包围层形或3D散射元件120。转换/回收封壳140被布置并且构造为通过使混合光中的至少一些通过提取界面125从层形或3D散射元件120出射进入光学提取器130中并且减少返回到LEE 110(在LEE 110处，混合光可以被吸收)混合光的量，而回收向后方向传播的该混合光的一部分。如图3和图4所示，如果3D散射元件120完全填充转换/回收封壳140，则转换/回收封壳仅仅表示由输入界面115、3D散射元件的提取界面125、以及将背向散射光重定向远离输入界面的一个或多个附加的光学部件“约束”的转换封壳。如图2A和图2B所示，如果层形散射元件120没有完全填充转换/回收封壳140，则转换/回收封壳也包围邻近层形散射元件的输入表面115的介质。在图2A中所示的一个这样的示例中，转换/回收封壳240a由提取界面225a和反射器245a约束。在图2B中所示的另一个这样的示例中，转换/回收封壳240b由提取界面225b和光学耦合器245b的侧表面245b约束。再次参考图1A，请注意，从转换/回收封壳140回收的背向散射光进一步增加了通过照明装置100的光的传播的不对称性。
此外，可以使用常规的挤出和模制技术以及常规或其它组装技术来制造照明装置100，本文描述了一些示例。照明装置100的成分能够包括一种或多种有机或无机材料，例如丙烯酸、硅树脂、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯、诸如KynarTM的聚偏二氟乙烯、清漆、丙烯酸、橡胶、诸如RytonTM的聚苯硫醚(PPS)、聚砜、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、诸如NorylTM的聚氧化亚苯(PPO)、玻璃、石英、硅酸盐、粘合剂、其它聚合物有机或无机玻璃和/或其它材料。
在一些实施例中，光学提取器130和层形或3D散射元件120是一体地形成的。在这种一体化形式的示例中，提取界面125是在对应的一体化形成的物体的区域之间绘制的名义界面，使得提取界面大致包括由散射中心形成的界面。例如，当层形或3D散射元件120在与用来形成光学提取器130的材料相同的材料内部包括散射中心时，情况可能是这样。以这种方式，层形或3D散射元件120可以被成形为提供转换属性的预定空间分布的瓦片、圆盘、球形或非球面壳或穹顶、管状、棱柱形或其它细长壳或其它结构，以实现来自层形或3D散射元件的包括颜色和/或亮度均匀性的预定光输出分布。
层形或3D散射元件120可以与光学提取器130相邻或部分地或完全被光学提取器130包围。下面结合图2A、图2B、图3和图4详细发描述层形或3D散射元件120的以及光学提取器130的各种形状及其组合。
图2A示出了在具有球壳形散射元件220a和球壳形光学提取器230a的照明装置200a的x-z平面中的示意性横截面，所述球壳形散射元件220a和球壳形光学提取器230a具有公共提取界面225a。在一些实施方案中，照明装置200a围绕z轴具有旋转对称性。在其它实施方案中，照明装置200a沿着y轴(即，沿垂直于页面的方向)是延长的。照明装置200a还包括一个或多个LEE 210(例如，蓝色泵)和平面反射体245a(例如，由双线表示的镜子)。散射元件220a具有输入表面215a，该输入表面215a与LEE 210间隔开并且定位成接收来自LEE的光。在该示例中，将LEE 210插入到平面反射体245a的开口(例如，具有半宽度Rd)中。例如，LEE 210的x-y平面中的维度2Rd可以为大约1mm。在一些实施方案中，反射器245a至少延伸到散射元件220a的输入表面215a。在其它实施方案中，反射器245a至少延伸到光学提取器230a的输出表面235。在该示例中，球壳形散射元件220a位于光学提取器230a的内侧上，并且具有大致均匀的厚度，使得散射元件的提取界面225a与输入表面215a之间的距离对于光学提取的任意点是恒定的。球壳形散射元件220a的厚度小于1mm，例如0.5mm、0.2mm、0.1mm或其它厚度。注意，在该示例中，球壳形散射元件220a的厚度是LEE 210的维度2Rd的大约1/10至1/3倍。因此，球壳形散射元件220a是结合图1A描述的层形散射元件120的第一实施例。
此外，球壳形散射元件220a的输入表面215a与光学提取器230a的空气填充的半球形封壳240a相邻。封壳240包含LEE 210及其周围的反射器245a。这里，提取界面225a的半径RE可为3mm至5mm。在一些实施方式中，提取器元件230a的输出表面235与提取界面225a同心，并且具有满足以下反射条件之一的半径RO。反射条件1：RO>RB，其中布鲁斯特半径RB通过
Figure BDA0001341952560000141
与提取界面225a的半径RE相关；反射条件2：RO＝RB；反射条件3：RW<RO<RB，其中维尔斯特拉斯半径RW通过RW＝nERE与提取界面的半径RE相关；反射条件4：RO＝RW。以这种方式，直接照射在输出表面235上的混合光在其上经历很少的全内反射或不经历全内反射。
此外，在该实例中，光传播不对称性大部分起因于球壳形散射元件220a(具有指数nS)的内部(指数n0)和外部(指数nE)上的材料的折射率不相等。例如，如果1.3<nS<1.6并且n0＝1.0(即，n0<nS)，输入表面215a上的各向同性分布的混合光的大部分(约75％)将通过TIR被反射回到球壳形散射元件220a中，并且只有较小的部分(约25％)将向后被透射到回收封壳240a的空气介质中，有些可能从回收封壳240a的空气介质到达LEE 210。在一些实施方案中，在提取界面225a处，条件nS≤nE将保证到达提取界面的大致所有的混合光将迁移到提取元件230a中，并且上述反射条件1、2、3或4将进一步保证几乎所有的混合光将通过输出表面235透射到空气中而没有TIR。仅小部分(取决于入射角，少至约4％)在输出表面235处将通过菲涅耳反射返回。
图2B示出了具有板形散射元件220b和球形穹顶形光学提取器230b的照明装置200b的示例的示意性横截面，该球形穹顶形光学提取器230b具有公共提取界面225b。在一些实施方案中，照明装置200b围绕z轴具有旋转对称性。在其它实施方案中，照明装置200b沿着y轴(即，沿垂直于页面的方向)是延长的。照明装置200b还包括一个或多个LEE 210(例如，蓝色泵)和光学耦合器245b(例如，被构造为复合抛物面聚光器(CPC)、锥形或具有由双重线表示的反射侧表面的其它中空光学耦合器)。注意，光学耦合器245b的填充空气的封壳240b包围LEE 210和板形散射元件220b。这里，LEE 210位于光学耦合器245b的输入孔隙处。例如，LEE 210的x-y平面中的维度2Rd可以为1mm。板形散射元件220b位于光学耦合器245b的输出孔隙处，并且具有输入表面215b，板形散射元件220b通过输入表面215b接收来自LEE210的泵浦光。在该示例中，板形散射元件220b具有大致均匀的厚度，使得板形散射元件的提取界面225b与输入表面215b之间的距离对于光学提取的任何点是恒定的。板形散射元件220b的厚度小于1mm，例如0.5mm、0.2mm、0.1mm或其它厚度。注意，在该示例中，板形散射元件220b的厚度是LEE 210的维度2Rd的约1/10至1/3倍。另外，散射元件220b的x-y平面中的维度2RE可以是约3mm至5mm。这样，板形散射元件220b是上面结合图1A描述的层形散射元件120的第二实施例。
注意，提取界面225b内接(inscribe)在与光学提取器230b的输出表面235同心的名义球(以虚线表示)中(即，形成该名义球的弦)。最大的这种名义球的直径等于在提取界面225b的平面x-y中的维度2RE。在本公开中，输出表面235的半径RO满足以下反射条件之一。反射条件1：RO>RB，其中布鲁斯特半径RB通过
Figure BDA0001341952560000161
与提取界面225b的维度2RE相关；反射条件2：RO＝RB；反射条件3：RW<RO<RB，其中维尔斯特拉斯半径RW通过RW＝nERE与提取界面的维度2RE相关；反射条件4：RO＝RW。以这种方式，直接照射在输出表面235上的混合光在输出表面235上经历很少的全内反射或不经历全内反射。
而且，在该示例中，光传播不对称性主要由于在板形散射元件220b(具有折射率ns)内部(折射率n0)和外部(折射率nE)上的村料的折射率不相等而引起。例如，如果1.3<nS<1.6且n0＝1.0，即n0<nS，则照射在输入表面215b上的各向同性分布的混合光的大部分(约75％)将通过TIR被反射回到板形散射元件220b中，并且只有很小一部分(约25％)将向后透射到回收封壳240b的空气介质中，有些可能从回收封壳240b的空气介质到达LEE 210。在一些实施方案中，在提取界面225b处，条件nS≤nE将保证到达提取界面的大致所有混合光将迁移到光学提取器230b中，并且上述反射条件1、2、3或4中的任一个条件将进一步保证几乎所有的混合光将通过输出表面235透射到空气中而没有TIR。仅小部分(取决于入射角，少至约4％)在输出表面235处将通过菲涅耳反射返回。
如上所述，照明装置200a具有球壳形散射元件220a，并且照明装置200b具有板形散射元件220b，这些层形散射元件中的每一个可以具有与LEE 210的特征维度相当的厚度。下面描述的照明装置具有其厚度可以是LEE的特征维度的几倍到多倍的3D散射元件。
例如，图3示出了照明装置300的示意性横截面，照明装置300具有厚的例如圆柱形的散射元件320和球形穹顶形光学提取器230b，散射元件320和光学提取器230b具有公共提取界面225b。圆柱形散射元件320是上面结合图1A描述的3D散射元件120的示例性实施例。作为另一示例，图4示出了具有球形穹顶形散射元件420和球壳形光学提取器230a的照明装置400的示例的示意性横截面，散射元件420和光学提取器230a具有公共提取界面225a。球形穹顶形散射元件420是上面结合图1A描述的3D散射元件120的另一个实施例。在一些实施方案中，照明装置300/400围绕z轴具有旋转对称性。在其它实施方案中，照明装置300/400沿着y轴(即，沿着垂直于页面的方向)是延长的。
照明装置300/400还包括一个或多个LEE 210。如上面结合图1A所描述的，LEE(210)可包括发光二极管(LED)。例如，如上面结合图1B所描述的，LED可以发射泵浦光。在某些情况下，LED可以是裸露的LED管芯。在其它一些情况下，LED可以是封装的LED管芯。在后一种情况下，封装的LED管芯可包括透镜或其它光整形光学元件。
3D散射元件320/420可包括嵌入介电材料中的磷光体颗粒的基质。例如，如图1B所示，磷光体可以吸收泵浦光的一部分并且发射具有比泵浦光波长更长的转换光波长的转换光。这里，介电材料对于泵浦光和转换光是透明的。以这种方式，3D散射元件320/420提供混合光，该混合光包括转换光的一部分和泵浦光的未被磷光体吸收的一部分，例如如图1B所示。在一些实施方案中，基质的介电材料是塑料。在其它实施方案中，基质的介电材料是玻璃。此外，磷光体颗粒可以均匀分布在介电材料中。以这种方式，3D散射元件320/420的有效折射率为nS>1，例如1.3<nS<1.6。
光学提取器230b/230a可包括如下材料：该材料对混合光透明，并且其折射率nE大于光学提取器周围环境的折射率nO。光学提取器230b/230a的材料可以是塑料或玻璃。光学提取器材料的折射率nE的值例如在1.3<nE<1.9的范围内。在一些实施方案中，nE可以小于nS。在其它实施方案中，nE可以等于或大于nS。
此外，3D散射元件320/420可以与LEE 210形成浸没耦合输入界面315，使得由LEE发射的泵浦光通过输入界面被输入到3D散射元件中。此外，光学提取器230b/230a与3D散射元件320/420形成浸没耦合提取界面225b/225a，使得混合光通过提取界面从3D散射元件被输入到光学提取器中。此外，光学提取器230b/230a的输出表面235相对于提取界面225b/225a被布置和成形，使得由光学提取器通过提取界面接收的混合光以小于预定角度的入射角照射在输出表面上。下面在本说明书中提供与特定反射条件对应的预定角度的示例。
照明装置300/400还包括从输入界面315延伸到提取界面225b/225a的边界的反射器345/245a(在图3和图4中由双线表示)。以这种方式，图3所示的照明装置300的圆柱形转换室(对应于图1A所示的照明装置100的转换封壳140)以反射器345和提取界面225b为边界，并且包围圆柱形散射元件320。此外，图4所示的照明装置400的球形穹顶形转换室(取代图1A所示的照明装置100的转换封壳140的位置)以反射器245a和提取界面225为边界并且包围球形穹顶形散射元件420。在一些实施方案中，反射器245a可以沿x轴延伸超过提取界面225a的边界，至少延伸到输出表面235的边界。反射器345/245a可被构造为经由镜面反射或漫反射反射混合光。反射器345/245a的反射率大于90％，例如95％、99％等。在一些实施方案中，反射器345/245a提供白光漫反射表面，当与散射元件320/420浸没耦合时，该白光漫反射表面可以提供非常高的反射率。
此外，输入界面315具有第一维度2Rd。在图3和图4所示的示例中，第一维度2Rd在x-y平面中，并且可以表示形成LEE 210的LED管芯或LED封装的长度。例如，第一维度2Rd为大约1mm。
现在参考图3，圆柱形散射元件320具有第二维度T，该第二维度正交于输入界面315的第一维度2Rd并且是第一维度2Rd的1-10倍大。这里，第二维度T表示沿着圆柱形散射元件320的z轴的厚度。另外，圆柱形散射元件320具有第三维度，2RE，该第三维度2RE沿着输入界面315的第一维度2Rd并且是输入界面315的第一维度2Rd的3-30倍大。这里，第三维度2RE表示在圆柱形散射元件320的x-y平面中的长度。在该示例中，提取界面225b还具有在x-y平面中的第三维度2RE。
在该示例中，提取界面225b内接在与球形穹顶形光学提取器230b的输出表面235同心的名义球(即，用虚线表示)中(即，形成名义球的弦)。最大的这种名义球的直径等于提取界面225b的平面x-y中的第三维度2RE。在本公开中，输出表面235的半径RO满足以下反射条件之一。反射条件1：RO>RB，其中布鲁斯特半径RB通过
Figure BDA0001341952560000191
Figure BDA0001341952560000192
与提取界面225b的第三维度2RE相关；反射条件2：RO＝RB；反射条件3：RW<RO<RB，其中维尔斯特拉斯半径RW通过RW＝nERE与提取界面的第三维度2RE相关；反射条件4：RO＝RW。以这种方式，由于以下原因，直接照射在球形穹顶形光学提取器230b的输出表面235上的混合光在输出表面235上经历很少的全内反射或不经历全内反射。对于所有反射条件1-4，混合光以小于或等于临界角θC＝arcsin(nE/nO)的入射角直接照射在输出表面235上。而且，对于条件1-2，混合光以小于或等于布鲁斯特角θB＝arctan(nE/nO)的入射角直接照射在输出表面235上。
现在参照图4，散射元件420可为穹顶形半球。这里，穹顶形散射体420具有第二维度RE，该第二维度RE相对于输入界面315是径向的并且是输入界面的第一维度2Rd的1-10倍大。这里，第二维度RE表示提取界面225a的半径。此外，球形穹顶形散射元件420具有与提取界面225a的长度一致的第三维度。这里，提取界面225a的长度为约πRE，例如是输入界面315的第一维度2Rd的3-30倍大。
在一些实施方案中，球壳形光学提取器230a的输出表面235与提取界面225a同心并且具有满足以下反射条件之一的半径RO。反射条件1：RO>RB，其中布鲁斯特半径RB通过
Figure BDA0001341952560000201
与提取界面225a的半径RE相关；反射条件2：RO＝RB；反射条件3：RW<RO<RB，其中Weierstrass半径RW通过RW＝nERE与提取界面的半径RE相关；反射条件4：RO＝RW。以这种方式，由于以下原因，直接照射在球壳形光学提取器230a的输出表面235上的混合光在输出表面235上经历很少的全内反射或不经历全内反射。对于所有反射条件1-4，混合光以小于或等于临界角θC＝arcsin(nE/nO)的入射角直接照射在输出表面235上。而且，对于条件1-2，混合光以小于或等于布鲁斯特角θb＝arctan(nE/nO)的入射角直接照射在输出表面235上。
注意，与具有大于其LEE 210的维度2Rd的厚度T(与输入界面315正交)的圆柱形散射元件320的照明装置300相反，例如，T＝1-10x2Rd，对应的照明装置200b具有板形散射元件220b，该板形散射元件220b的厚度表示其LEE 210的维度Rd的一部分，例如约0.5-0.1×2Rd。类似地，与具有大于其LEE 210的维度2Rd的半径RE的球形穹顶形散射元件420的照明装置400相反，例如，RE＝1-10x2Rd，对应的照明装置200a具有球壳形散射元件220a，该球壳形散射元件220a的厚度表示其LEE 210的维度Rd的一部分，例如约0.5-0.1×2Rd。虽然照明装置300/400的3D散射元件320/420和对应的照明装置200b/200a的层形散射元件220b/220a可包含相似量的磷光体，但是前者的体积可远大于后者的体积。因此，照明装置300/400的3D散射元件320/420中的磷光体可以比相应的照明装置200b/200a的层形散射元件220b/220a中的磷光体更稀。同样地，平均自由路径长度可以更长。以这种方式，转换光朝照明装置300/400的输入界面315背向散射的可能性有利地小于转换光朝对应的照明装置200b/200a的输入界面215b/215a背向散射的可能性。如此，在照明装置300/400的情况下，背向散射光的剩余部分被反射离开反射器345/245a(其具有比LEE 210的表面更高的反射率，LEE210的表面即如从3D散射元件320/420观察到的输入界面315。)另外，相对于向前方向(例如，沿着z轴)在输入界面315与提取界面225b/225a之间横向地(例如，在x-y平面中)散射的转换光将被照明装置300/400吸收的可能性有利地小于相对于向前方向(例如，沿着径向方向/z轴)在输入界面215b/215a与提取界面225b/225a之间横向地(例如，在切向方向上/x-y平面中)散射的转换光将被对应的照明装置200b/200a吸收的可能性。以这种方式，在照明装置300/400的情况下，横向散射的转换光的剩余部分被反射离开反射器345/245a。此外，相比于在相应的层形散射元件220b/220a中在3D散射元件320/420中更大的平均自由路径长度允许光穿过提取界面225b/225a的更佳散布。例如，这可以提供在亮度和/或颜色上更大的均匀性。
因此，在相应的照明装置200b/200a上增加照明装置300/400的效率的贡献来自包围3D散射元件320/420的有效转换腔体。取决于实施例，散射元件的厚度可以是平均自由路径长度的一半到两倍并且为输入界面的第一维度的大约一倍到十倍。该技术的前述实施例可以以许多方式变化。这种现在或将来的变化不被认为是偏离技术的精神和范围，并且对于本领域技术人员来说显而易见的所有这样的修改旨在被包括在所附权利要求的范围内。
前述附图和补充描述示出了用于照明的示例性方法、系统和装置。应当理解，这些方法、系统和装置仅用于说明的目的，并且所描述的或类似的技术可以在任何适当的时间被执行，包括同时、单独或以组合方式被执行。此外，这些过程中的许多步骤可以同步、同时和/或以与所示的顺序不同的顺序进行。此外，只要方法/装置保持适当，所描述的方法/装置可以使用附加的步骤/部分，更少的步骤/部分和/或不同的步骤/部分。
换句话说，虽然已经根据某些方面或实施方式描述了本公开，但是这些方面的通常相关联的方法、变更和交换对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，对示例性实施方案的上述描述不限定或限制本公开。所附权利要求中描述了另外的实施方案。

Claims (24)

1.一种照明装置，包括：
一个或多个发光元件LEE，所述一个或多个发光元件被构造成提供泵浦光；
散射元件，所述散射元件包括嵌入在介电材料中的磷光体基质，其中所述磷光体被构造为吸收所述泵浦光的至少一部分并且发射转换光，所述转换光具有比泵浦光波长更长的转换光波长，并且所述介电材料对于所述泵浦光和所述转换光是透明的，所述散射元件形成与所述一个或多个LEE相接触的输入界面，使得由所述一个或多个LEE发射的泵浦光通过所述输入界面被输入到所述散射元件中，其中所述输入界面具有第一维度，并且其中所述散射元件具有正交于所述第一维度且是所述第一维度的1-10倍大的第二维度；以及
光学提取器，所述光学提取器形成与所述散射元件相接触的提取界面，使得来自所述散射元件的混合光通过所述提取界面被输入到所述光学提取器中，其中所述光学提取器的输出表面相对于所述提取界面被布置和成形，使得由所述光学提取器通过所述提取界面接收的混合光以小于或等于临界角θC＝arcsin(nE/nO)的入射角照射在所述输出表面上，其中nE是所述光学提取器的折射率，以及nO是所述光学提取器周围环境的折射率。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述提取界面具有沿着所述第一维度且是所述第一维度的3-30倍大的第三维度。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述提取界面被成形为球的一部分，并且所述散射元件的第二维度对应于所述球的半径。
4.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述磷光体均匀分布在所述介电材料内。
5.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述基质的所述介电材料是塑料或玻璃。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述一个或多个LEE包括一个或多个LED管芯。
7.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述一个或多个LEE包括一个或多个LED封装。
8.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述混合光包括所述转换光的一部分和所述泵浦光的未被所述磷光体转换的一部分。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的照明装置，还包括从所述输入界面延伸到所述提取界面的边界的反射器。
10.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光学提取器相对于所述提取界面被布置和成形，使得所述混合光照射在所述提取界面上的入射角大于或等于布鲁斯特角θB＝arctan(nE/nO)。
11.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述光学提取器相对于所述提取界面被布置和成形，使得所述混合光照射在所述提取界面上的入射角小于布鲁斯特角θB＝arctan(nE/nO)。
12.一种照明装置，包括：
一个或多个发光二极管LED，所述一个或多个发光二极管被构造成提供泵浦光；
散射元件，所述散射元件包括嵌入在介电材料中的磷光体基质，其中所述磷光体被构造为吸收所述泵浦光的至少一部分并且发射转换光，所述转换光具有比泵浦光波长更长的转换光波长，并且所述介电材料对于所述泵浦光和所述转换光是透明的，所述散射元件形成与所述一个或多个LED相接触的输入界面，使得由所述一个或多个LED发射的泵浦光通过所述输入界面被输入到所述散射元件中，其中所述输入界面具有第一维度，并且其中所述散射元件具有正交于所述第一维度且是所述第一维度的1-10倍大的第二维度；以及
光学提取器，所述光学提取器形成与所述散射元件相接触的提取界面，使得来自所述散射元件的混合光通过所述提取界面被输入到所述光学提取器中，其中所述光学提取器的输出表面具有满足条件RO≥RE(nE/nO)的半径RO，其中RE是内接所述提取界面的名义球的半径，并且其中nE是所述光学提取器的折射率，以及nO是所述光学提取器周围环境的折射率。
13.根据权利要求12所述的照明装置，其中，
所述散射元件被成形为具有半径RE的名义球的球形穹顶，使得所述散射元件的第二维度对应于所述半径RE，并且
所述光学提取器被成形为具有对应于半径RE的内半径的球形壳体。
14.根据权利要求12所述的照明装置，其中，
所述散射元件被成形为圆柱，所述圆柱具有等于所述第二维度的高度，以及具有沿着所述第一维度且是所述第一维度的3-30倍大的基圆直径2RE，以及
所述光学提取器被成形为具有半径RO的球形穹顶。
15.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述半径RO满足条件RO＝RE(nE/nO)。
16.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述半径RO满足条件RE(nE/nO)<RO≤RE√[1+(nE/nO)2]。
17.根据权利要求16所述的照明装置，其中，所述半径RO满足条件RO＝RE√[1+(nE/nO)2]。
18.根据权利要求16所述的照明装置，其中，所述半径RO满足条件RO>RE√[1+(nE/nO)2]。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的照明装置，还包括从所述输入界面延伸到所述提取界面的边界的反射器。
20.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述磷光体均匀分布在所述介电材料内。
21.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述基质的所述介电材料是塑料或玻璃。
22.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述一个或多个LED包括一个或多个LED管芯。
23.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述一个或多个LED包括一个或多个LED封装。
24.根据权利要求12所述的照明装置，其中，所述混合光包括所述转换光的一部分和所述泵浦光的未被所述磷光体转换的一部分。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017213070A1 (de) * 2017-07-28 2019-01-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Herstellung einer MEMS Spiegelanordnung und MEMS Spiegelanordnung
US11614206B2 (en) * 2018-12-17 2023-03-28 Lutron Technology Company Llc Light source having multiple differently-colored emitters
US20220221129A1 (en) * 2019-05-09 2022-07-14 Signify Holding B.V. Improved thermal management in laser-based lighting using a truncated ball lens

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007158009A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Nichia Chem Ind Ltd 発光装置
CN101142857A (zh) * 2005-03-14 2008-03-12 皇家飞利浦电子股份有限公司 多晶陶瓷结构中的磷光体和包括该磷光体的发光元件
EP2293354A1 (en) * 2008-05-30 2011-03-09 Sharp Kabushiki Kaisha Light emitting device, planar light source, liquid crystal display device and method for manufacturing light emitting device
CN102901046A (zh) * 2011-07-27 2013-01-30 欧司朗股份有限公司 用于泵浦光转换的发光器件
CN104115290A (zh) * 2011-11-23 2014-10-22 夸克星有限责任公司 提供光的不对称传播的发光装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004063978B4 (de) 2003-07-17 2019-01-24 Toyoda Gosei Co., Ltd. Lichtemittierende Vorrichtung
EP1862035B1 (en) 2005-03-14 2013-05-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Phosphor in polycrystalline ceramic structure and a light-emitting element comprising same
US8791631B2 (en) * 2007-07-19 2014-07-29 Quarkstar Llc Light emitting device
DE102007049799A1 (de) * 2007-09-28 2009-04-02 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches Bauelement
US20100123386A1 (en) * 2008-11-13 2010-05-20 Maven Optronics Corp. Phosphor-Coated Light Extraction Structures for Phosphor-Converted Light Emitting Devices

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101142857A (zh) * 2005-03-14 2008-03-12 皇家飞利浦电子股份有限公司 多晶陶瓷结构中的磷光体和包括该磷光体的发光元件
JP2007158009A (ja) * 2005-12-05 2007-06-21 Nichia Chem Ind Ltd 発光装置
EP2293354A1 (en) * 2008-05-30 2011-03-09 Sharp Kabushiki Kaisha Light emitting device, planar light source, liquid crystal display device and method for manufacturing light emitting device
CN102901046A (zh) * 2011-07-27 2013-01-30 欧司朗股份有限公司 用于泵浦光转换的发光器件
CN104115290A (zh) * 2011-11-23 2014-10-22 夸克星有限责任公司 提供光的不对称传播的发光装置

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