TWI398606B - 照明裝置 - Google Patents

Description

照明裝置

本發明涉及一種照明裝置，其特別適用於一般照明中。本專利申請案主張德國專利申請案DE 10 2007 057 671.6之優先權，其已揭示的整個內容在此一併作為參考。

在一般照明中，通常期望在照明裝置之一輻射發射側上具有一種橫向均勻分佈之輻射強度。特別是輻射發射側上每個發射面的輻射強度都應儘可能均勻地分佈著。

輻射源可由一個或多個發出輻射的半導體晶片所組成，由於輻射源之通常有限的空間範圍，則在大面積的輻射發射面上由於輻射發射面之面積大於橫向中由輻射源所覆蓋的面積，因此通常不易達成均勻的輻射強度分佈。特別是在輻射發射側可形成一些區域，其具有一種較相鄰的區域還高的輻射強度(所謂熱點(Hot Spots))，輻射發射側之這些區域是由直接以輻射源來照射的區域所形成，這在輻射發射側需要一種均勻的輻射強度時的各種應用中通常是不期望的。

此外，一般照明中期望一種有限的發射角度，以便對一些面來進行強度可受限制的照明。目前為止，為了使輻射成束而優先使用一些光學元件(例如，透鏡)，其必須準確地針對輻射源來調整且使照明裝置的構造高度不會明顯受到影響。

本發明的目的是提供一種具有緊密構造的照明裝置，其在橫向中可容易地在照明裝置之輻射發射側上形成一種均勻的輻射強度分佈。

上述目的藉由申請專利範圍第1項之照明裝置來達成。該照明裝置之有利的其它形式描述在申請專利範圍各附屬項中。

依據本發明之一有利的實施形式，該照明裝置包括晶片外殼，其具有至少一凹口，此凹口以具有反射性的內面為邊界；至少一發出輻射之半導體晶片，其具有一配置在該凹口中的晶片面；以及一遠離晶片之角度濾波元件，其整合在該晶片外殼中且在一優先方向中配置在該半導體晶片之後，其中該具有反射性的內面至少是該晶片面的十倍大。

晶片面由半導體晶片之多個部份面所組成，輻射可入射至這些部份面上。這些部份面特別是半導體晶片之側面以及半導體晶片之面向該角度濾波元件之表面。若半導體晶片具有一種平坦的造型，即，當半導體晶片之長度和寬度較高度大很多時，則該晶片面可設定成等於半導體晶片之表面。在多個半導體晶片之情況下，整個晶片面是個別的半導體晶片之晶片表面之和(sum)。

依據本發明之另一有利的實施形式，該具有反射性的內面大於該晶片面之100倍。

在該具有反射性的內面和該晶片面之間的面積比值大於10：1，特別是大於100：1時，一種藉由該角度濾波元件而反射回到晶片外殼中的光束被半導體晶片所吸收的機率可有利地下降。這特別是在該半導體晶片之反射率只介於20%和80%之間且藉由該具有反射性的內面而可達成較高的反射率時是有利的。該具有反射性的內面之反射率較佳是90%或更大，更佳是95%或更大，特別佳時是98%或更大。藉由此種反射率，則該照明裝置之效率可有利地提高，此乃因在該晶片外殼中只有較少的輻射成份會由於吸收而消失。

如上所述，可在輻射發射側上設置多個區域，其具有一種較相鄰區域還高的輻射強度；或亦可在多彩色的輻射中形成多個區域，其在與相鄰區域比較時具有一種明顯不同的光譜成份。

為了達成相反的作用且在輻射發射側上達成均勻的輻射強度分佈及/或彩色分佈，本發明中將使用該角度濾波元件。

依據一有利的實施形式，由半導體晶片所發出的入射至該角度濾波元件上的輻射在第一入射角度範圍中入射時所反射的量大於在第二入射角度範圍中入射時所反射的量，其中第一入射角度範圍所包括的入射角度小於第二入射角度範圍所包括的入射角度。此實施形式特別適用於間接的平面照明的情況中。

依據另一實施形式，由半導體晶片所發出的入射至該角度濾波元件上之輻射在第二角度範圍內所反射的量大於第一角度範圍內所反射的量。此一實施形式特別適用於點-照明的情況中。

此外，角度濾波元件依據輻射源的特性和所期望的發射特性可使第一角度範圍內所反射的量大於第二角度範圍內所反射的量或反之亦可。

在該角度濾波元件上所反射的光束反射回到晶片外殼中，光束在該處運行一段時間，直至此光束以一種非臨界的入射角入射至該角度濾波元件上且由該照明裝置中發出時為止。

此外，藉由該角度濾波元件可使該照明裝置所發出的總輻射之發射角度變小。就此而言，該角度濾波元件承接了一光束成形用的光學元件之功能。然而，該角度濾波元件特別是具有一種較傳統的光學元件還小的深度，使該照明裝置之構造深度可有利地下降。

在該照明裝置之一較佳的變形例中，該角度濾波元件具有多個結構元件。各結構元件可以錐體形式，稜錐體形式，稜柱體形式或相同的反轉式CPCs來形成。各結構元件可同樣大、同樣的形式且規則地配置著。然而，各結構元件的大小、形式亦可不同且亦能以不規則的距離而配置著。各結構元件可具有數微米至數厘米之大小。在極端情況下，該角度濾波元件只具有一結構元件，其經由該照明裝置之整個輻射發射面而延伸。

依據另一貫施形式，該角度濾波元件是一種介電質濾波器，其具有至少二個折射率不同的介電質層。

含有矽的材料適用於介電質濾波器中。例如，第一層可含有氧化矽且第二層可含有氟化矽。此外，亦可使用含鈦之材料於介電質濾波器中。例如，第一層可含有氧化矽且第二層可含有氧化鈦。各層特別是可含有一種λ₀ /4n之層厚度，其中λ₀ 是待反射的輻射之真空-波長且n是個別的介電質層之折射率。

然後，將詳述該具有反射性的內面。具有反射性的內面例如可藉由施加一反射層於該晶片外殼之內面上而形成，例如，可藉由金屬層(例如，鋁層)之蒸鍍或施加金屬箔於晶片外殼上而形成。在此種情況下，該晶片外殼不是由反射用的材料製成，其例如可含有一種塑料及/或陶瓷材料。

然而，該晶片外殼亦可由一種反射用的材料來形成。例如，該晶片外殼可由唯一的金屬零件來構成，其例如由深沖的鋁零件來形成。在此種情況下，在晶片外殼的內面上未設置反射層，此乃因該晶片外殼的反射率已足夠大。

在另一較佳的形式中，內面是平滑的，即，該內面只具有多個較波長λ還小的粗糙結構。於是，可進行鏡面反射，即，入射的光束之入射角和反射角相對於入射位置而言同樣大。

然而，內面亦可具有不平坦區，其較波長λ還大。內面特別是藉由不平坦區而被粗糙化，以形成互相傾斜而延伸的平滑的部份面，其作用就像鏡面一樣。特別是在混合彩色的輻射的情況下，上述的佈置方式是有利的，此乃因在該內面上反射時可使不同的彩色成份達成一種較佳的混合。

該具有反射性的內面可包括至少一側面。此側面傾斜於一主面而配置著，該角度濾波元件在該主面中延伸。該側面較佳是直接與該角度濾波元件相鄰。

依據該照明裝置之一有利的變形例，至少一側面彎曲成凹形。藉由該側面之曲率，則可使晶片外殼中的反射有利地受到影響。

此外，該內面具有一底面，其平行於該角度濾波元件之主面而配置著且因此傾斜於該側面而延伸。該照明裝置特別是具有一平坦的底面和多個平坦的側面，其與該底面相鄰。

當該側面和底面所具有的反射率是90%或更大，較佳是95%或更大，特別佳是98%或更大時是有利的。

依據一較佳的佈置方式，該角度濾波元件形成該晶片外殼用的一覆蓋件。該角度濾波元件可直立在晶片外殼上或準確地配置在凹口中。於此，該角度濾波元件可保護該半導體晶片使不受外界的影響。藉由該角度濾波元件配置在該晶片外殼上或配置在凹口中，則該角度濾波元件可整合在晶片外殼中。

使該角度濾波元件整合在晶片外殼中的另一種方式在於，由與該角度濾波元件相同的材料來製成該晶片外殼的側壁。在此種情況下，此側壁和該角度濾波元件可被製成一種單件式的自我承載配件，其蓋在該半導體晶片上。此配件較佳是配置在一底板上，該底板上亦安裝著半導體晶片。例如，該配件可含有一種塑料且藉由濺鍍澆注來製成。

在一有利的變形例中，該照明裝置可具有多個半導體晶片，其相鄰地配置在晶片外殼中且發出相同波長的輻射。為了產生混合彩色的輻射，一轉換元件在一優先方向中可配置在半導體晶片之後。此轉換元件使半導體晶片所產生的輻射之第一輻射成份未改變地通過，以便使該未改變的輻射成份具有較短的波長，且此轉換元件將第二輻射成份進行轉換，使已轉換的輻射成份具有長的波長。此轉換元件能靠近晶片而配置著，使此轉換元件直接與半導體晶片相鄰。另一方式是，此轉換元件可遠離晶片而配置著，使此轉換元件不直接與半導體晶片相鄰。

在另一有利的變形例中，該照明裝置具有多個半導體晶片，其相鄰地配置在晶片外殼中且發出不同波長的輻射。該照明裝置特別是以規則的順序而具有一發出紅光的半導體晶片，一發出綠光的半導體晶片和一發出藍光的半導體晶片。

本發明之其它特徵、優點和形式以下將依據第1至7圖之實施例來詳述。

第1圖中所示的照明裝置1具有一晶片外殼2，其中配置著一發出輻射的半導體晶片3。此一晶片外殼2中整合著一遠離晶片之角度濾波元件6，其在一優先方向V中配置在該發出輻射的半導體晶片3之後。

上述的優先方向V指出一種方向，由該照明裝置1所發出的輻射之大部份都由此一方向中發出。

發出輻射的半導體晶片3配置在該晶片外殼2之凹口5中。此凹口5以一內面4為邊界，該內面4包括一底面7和多個側面8。側面8和底面7是平坦的，其中各側面8垂直於底面7而延伸。由於晶片外殼2之長度較高度大很多，則此晶片外殼2具有一種平面的造型。

晶片外殼2包括一具有底面7之底板2b和一具有側面8之側壁2a。底板2b例如可包括一種陶瓷材料，特別是可包括一種具有高的導熱性的材料，以便在操作時使發出輻射的半導體晶片3充份地被冷卻。此外，該側壁2a適合使用一種塑料。

例如，晶片外殼2之內側可具有反射性，使內面4具有反射性。該具有反射性的內面4之反射率是90%或更大，較佳是95%或更大，特別佳時是98%或更大。藉由此種反射率，則該照明裝置1之效率可有利地提高，此乃因晶片外殼2中只有較少的輻射成份會由於吸收而消失。

半導體晶片3之內面4和晶片面9之尺寸應互相調整，使晶片外殼2中的反射主要是在內面4上進行，其中該晶片面9在此種情況下是該半導體晶片3之與角度濾波元件6相面對的表面。該內面4較佳是該晶片面9之至少十倍大，該內面4特別佳時是較該晶片面9之100倍還大。例如，該內面4可以是1cm² ，該晶片面9是1 mm² 。

該角度濾波元件6具有多個稜錐體形式的結構元件6a，其具有傾斜的側面。此一實施例中，全部的結構元件6a中傾斜的各側面之間的角度是相等的。本發明中各角度較佳是在70度和110度之間。傾斜的各側面之間亦可具有不同的角度。於此，在一受照明的面上可使各結構元件6a之外形(contour)受到抑制。此外，可藉由以下的方式來防止一種圖樣的形成，即，使非旋轉對稱的各結構元件6a互相反向地旋轉及/或以不同的方式來形成及/或不規則地配置著。

在第1圖之實施例中，各結構元件6a配置在該角度濾波元件6之遠離該半導體晶片3之一表面上，其中各結構元件6a在該優先方向V中逐漸變細。

該角度濾波元件6之面向該半導體晶片3之一表面6b以平面方式來形成。此表面6b位於該角度濾波元件6之一主面中。該主面平行於該照明裝置1之一輻射發射面且垂直於該優先方向V而配置著。

該角度濾波元件6例如可以是一種濺鍍澆注件或由一種載體小板製成，其上施加一種光阻層，由此光阻層而形成各結構元件6a。

由半導體晶片3所發出的輻射之一部份首先入射至該角度濾波元件6。第一輻射成份透過該角度濾波元件6，但第二輻射成份反射回到該晶片外殼2中。

本實施例中，藉由該角度濾波元件6，則以一種位於第二入射角度範圍內的入射角(即，較大的入射角)而入射的光束將透過該角度濾波元件6。此光束在第1圖中以光束A來表示。

光束A入射至該角度濾波元件6之表面6b上且向鉛垂線”折射”，此時該入射角大於出射角。光束A通過此角度濾波元件6且以一種非臨界的角度入射至該結構元件6a之傾斜的側面上，使該光束A由該角度濾波元件6發出。在由該角度濾波元件6發出時，光束A折射至”離開”該鉛垂線的方向且因此轉向至該優先方向V中。

本實施例中，以一種位於第一入射角度範圍內的入射角(即，較小的入射角)而入射的光束被該角度濾波元件6所反射，此光束在第1圖中以光束B來表示。

光束B以與該優先方向V平行的方式而入射至該角度濾波元件6之表面6b上且因此幾乎不轉向。在該結構元件6a之一傾斜的側面上該光束B發生全反射且入射至該結構元件6a之相面對的側面上。此處，該光束B重新發生全反射。在反射之後，該光束B又到達該晶片外殼2中且在該處(特別是在內面4上)發生反射直至光束B以一種非臨界的角度入射至該角度濾波元件6上且發出時為止。光束B然後位於一種稍微偏離該優先方向V的方向中。

由照明裝置1所發出的輻射可有利地藉由該角度濾波元件6而被混合，即，在該照明裝置1之輻射發射面之一任意的區域中第一和第二角度範圍之光束可同樣地存在著。於此，該輻射發射面可垂直於該優先方向V而延伸。

此外，藉由目前的角度濾波元件6，則可使照明裝置1所發出的輻射成形。特別是藉由該角度濾波元件6可使發射角度受到限制。

第1圖的實施例中，發出輻射的半導體晶片3較佳是包括一種氮化物化合物半導體且是一種薄膜-半導體晶片。在製造薄膜-半導體晶片3時，首先以磊晶方式在一種生長基板上生長一種半導體層序列，其包括一發出輻射的活性層。然後，一種載體施加在該半導體層序列之一與該生長基板相面對的表面上且隨後將該生長基板分離。由於氮化物化合物半導體用的生長基板(例如，SiC，藍寶石或GaN)較昂貴，則本方法特別是提供了”該生長基板可再使用”的優點。

薄膜-發光二極體晶片之基本原理例如已描述在文件I. Schnitzer et al.,Appl. Phys. Lett. 63(16),18. October 1993,page 2174-2176中，其已揭示的內容藉由參考而併入此處。

薄膜-半導體晶片很類似於一種朗伯(Lambertian)表面輻射器，其具有較佳的發射效率。

角度濾波元件6準確地施加在晶片外殼2中且覆蓋該晶片外殼2之凹口5。因此，發出輻射的半導體晶片3可受到保護使不受外界(例如，濕氣，灰塵或其它的外來物體)所影響。

一種形成在該發出輻射的半導體晶片3和該角度濾波元件6之間的中空區是以空氣來填入。於此，可在該中空區和該角度濾波元件6之間的接面上達成一有利的較大的折射率跳躍值。

第2圖所示的照明裝置1所具有的構造類似於第1圖之照明裝置。當然，第2圖之實施例中該側壁2a和角度濾波元件6以單件方式而形成。這樣所形成的自我承載式配件10特別是一種濺鍍澆注件。此配件10蓋在半導體晶片3上且配置在底板2b上。

在該配件10配置在底板2b上之前，側壁2a可設有一種反射層，以便由於側面8而具有反射性。

為了產生混合彩色的輻射，則一轉換元件可配置在第1圖之半導體晶片3之後或第2圖之半導體晶片3之後。此轉換元件可直接與半導體晶片3相鄰或相隔開。此外，第1圖和第2圖中所示的照明裝置亦可具有多個半導體晶片，其產生相同波長的輻射且情況需要時一轉換元件亦可配置在半導體晶片之後。

第3圖顯示一種照明裝置1，其具有多個發出輻射的半導體晶片3。發出輻射的多個半導體晶片3相鄰地配置在底板2b上。

本實施例中，總晶片面積由個別的晶片面9a和9b之和所形成。下述方式的面積比是適當的：具有反射性的內面4是個別的晶片面9a和9b之和的至少10倍大，較佳是大於100倍。

發出輻射的多個半導體晶片3產生不同波長的輻射。該照明裝置1較佳是具有至少一個產生紅光的半導體晶片，一個產生藍光的半導體晶片和一個產生綠光的半導體晶片，以便整體上可由照明裝置1發出一種白光。

藉由該角度濾波元件6，則可在輻射發射面中有利地將不同彩色的輻射予以混合，使不會發生不同彩色的光斑。

凹口5之一部份以一種填料11來填入。於是，可較佳地由半導體晶片3中發出輻射。此外，藉由該填料11和該角度濾波元件6之間的空氣間隙，則可在至該角度濾波元件之接面上達成一種有利的較大的折射率跳躍值。

第4A和4B圖所示的照明裝置1具有晶片外殼2，該晶片外殼2包括一圓形的輪廓和多個發出輻射的半導體晶片3，其配置在晶片外殼2之位於內部的側面8上。

晶片外殼2具有多個凹口5，其沿著照明裝置1之外壁12而配置著。由此種照明裝置1所照明的面是一種發光環。

如第4B圖之橫切面所示，與該半導體晶片3相面對的側面8彎曲成凹形。這樣可有利地將該半導體晶片3所產生的輻射轉向至該優先方向V中。

雖然各凹口5藉由晶片外殼2而互相隔開，但在輻射發射面中可藉由該角度濾波元件6而使個別的半導體晶片3所產生的輻射互相混合。

第5圖中顯示本發明之照明裝置之抽取效率E相對於該具有反射性的內面之反射率R之關係。

由圖式可知，藉由反射率R之提高，則該照明裝置之抽取效率E亦可提高。例如，在反射率R是95%時，85%之由半導體晶片所產生的輻射由該照明裝置中發出。

第6圖顯示朗伯(Lambertian)輻射器之輻射發射面中的輻射強度分佈。黑色的圓線表示38度之發射角。由圖式可知，在黑色的圓線內的圓面積幾乎可完全由該朗伯輻射器來照射。

反之，藉由本發明之照明裝置，可對發射角度進行限制，使如第7圖所示只有該黑色的圓線所限定的圓面積之內部受到照明。在此內部中該輻射強度可達成一種均勻的分佈。

本發明當然不限於依據各實施例中所作的描述。反之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各申請專利範圍或不同實施例之個別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各申請專利範圍中或各實施例中時亦屬本發明。

1．．．照明裝置

2．．．晶片外殼

2a．．．側壁

2b．．．底板

3．．．發出輻射的半導體晶片

4．．．具有反射性的內面

5．．．凹口

6．．．角度濾波元件

6a．．．結構元件

6b．．．角度濾波元件之表面

7．．．底面

8．．．側面

9．．．晶片面

10．．．配件

11．．．填料

第1圖　本發明之照明裝置之第一實施例之橫切面圖。

第2圖　本發明之照明裝置之第二實施例之橫切面圖。

第3圖　本發明之照明裝置之第三實施例之橫切面圖。

第4A圖　本發明之照明裝置之第四實施例之俯視圖。

第4B圖　本發明之照明裝置之第四實施例之橫切面圖。

第5圖　本發明之照明裝置之與反射率有關的抽取係數之圖解。

第6圖　朗伯(Lambertian)輻射器之輻射強度分佈的圖解。

第7圖　本發明之照明裝置之輻射強度分佈的圖解。

1．．．照明裝置

2．．．晶片外殼

2a．．．側壁

2b．．．底板

3．．．發出輻射的半導體晶片

4．．．具有反射性的內面

5．．．凹口

6．．．角度濾波元件

6a．．．結構元件

6b．．．角度濾波元件之表面

7．．．底面

8．．．側面

9．．．晶片面

Claims (13)

1. 一種照明裝置(1)，包括：- 一晶片外殼(2)，其具有至少一凹口(5)，凹口(5)以具有反射性的內面(4)為邊界，- 至少一發出輻射的半導體晶片(3)，其具有一配置在凹口(5)中的晶片面(9)，- 一遠離晶片之角度濾波元件(6)，其整合在晶片外殼(2)中且在一優先方向(V)中配置在半導體晶片(3)之後，其中該具有反射性的內面(4)是該晶片面(9)之至少10倍大；及該半導體晶片(3)所發出的輻射入射至該角度濾波元件(6)上，且在第一入射角度範圍內所反射的量大於第二入射角度範圍內所反射的量，第一入射角度範圍所包括的入射角度小於第二入射角度範圍所包括的入射角度。
2. 如申請專利範圍第1項之照明裝置(1)，其中該具有反射性的內面(4)大於該晶片面(9)之100倍。
3. 如申請專利範圍第1項之照明裝置(1)，其中該具有反射性的內面(4)具有90%或更大的反射率，較佳是95%或更大，特別佳時是98%或更大。
4. 如申請專利範圍第1項之照明裝置(1)，其中藉由該角度濾波元件(6)使該照明裝置(1)所發出的輻射之發射角度 變小。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之照明裝置(1)，其中該具有反射性的內面(4)包括至少一側面(8)。
6. 如申請專利範圍第5項之照明裝置(1)，其中該側面(8)彎曲成凹形。
7. 如申請專利範圍第5項之照明裝置(1)，其中該內面(4)具有一底面(7)和多個平坦的側面(8)，其傾斜於該底面(7)而延伸。
8. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之照明裝置(1)，其中該角度濾波元件(6)形成該晶片外殼(2)用之覆蓋件。
9. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之照明裝置(1)，其中該角度濾波元件(6)具有多個結構元件(6a)，其形成錐體形，稜錐體形，稜柱形或相同的反轉式CPCs。
10. 如申請專利範圍第9項之照明裝置(1)，其中各結構元件(6a)在優先方向(V)中逐漸變細。
11. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之照明裝置(1)，其中該角度濾波元件(6)是一種介電質濾波器。
12. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之照明裝置(1)，其中該凹口(5)之一部份以一種填料(11)來填入。
13. 如申請專利範圍第12項之照明裝置(1)，其中在該填料(11)和角度濾波元件(6)之間存在一種空氣間隙。