TWI428543B - 以發光二極體為基礎之矩形照明裝置 - Google Patents

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Description

以發光二極體為基礎之矩形照明裝置
本發明之實施例係關於包含發光二極體(LED)的照明裝置。
本申請案主張2010年2月4日申請之臨時申請案第61/301,546號之權利，其全文以引用之方式併入本文中。
由於光輸出位準中或由於LED晶片限制之最大溫度而由照明裝置產生之通量的限制及壽命需求(與該LED晶片之溫度非常相關)，在一般照明中使用發光二極體仍然具有限制。該LED晶片之溫度由系統中之冷卻能力及裝置之功率效率(由LED系統產生之光學功率，相對於進去的電功率)而決定。使用LED的照明裝置亦通常遭受較差色彩品質，特徵為色彩點不穩定性。該色彩點不穩定性隨時間變化，以及從部分至部分變化。較差色彩品質之特徵亦為較差演色性，其係由於由LED光源產生之光譜具有沒有功率或較小功率之頻帶。此外，使用LED之照明裝置通常具有色彩上的空間及/或角度變動。再者，由於除其他外，為維持該光源之色彩點或滿足該應用之色彩及/或通量需求而僅使用LED所產生之一選擇，對色彩控制電子裝置及/或感測器之需要存在必要性，故使用LED之照明裝置較昂貴。
因此，期望對使用發光二極體作為光源的照明裝置之改良。
一照明裝置包含發光二極體(LED)。在一實施例中，該照明裝置包含一光源子組件，其具有在一第一方向上延伸之一長度尺寸，以垂直於該第一方向之一第二方向延伸之一寬度尺寸，及安裝於一第一平面內的複數個發光二極體(LED)，其中該寬度尺寸小於該長度尺寸。一光轉換子組件安裝於該第一平面上方，且與該複數個LED實體分離，且經組態以將從該光源子組件發射之光混合及色彩轉換。該光轉換子組件之一第一內部表面之一第一部分與該第一方向對準，且用一第一類型之波長轉換材料塗覆，且與該第二方向對準之一第二內部表面之一第一部分在沒有色彩轉換之情況下將入射光反射。該光轉換子組件之一輸出窗之一部分用一第二類型之波長轉換材料塗覆。該第二內部表面之該第一部分與該第二方向對準及/或一底部反射鏡插入物可在沒有色彩轉換之情況下反射380奈米與780奈米之間之至少95%的入射光。
在另一實施例中，該照明裝置包含一安裝板，其具有在一第一方向上延伸之一長度尺寸，在垂直於該第一方向之一第二方向上延伸之一寬度尺寸，其中該長度尺寸大於該寬度尺寸。複數個LED安裝至該安裝板。一光混合腔經組態以反射從該複數個LED發射之光，直到光經一輸出窗出去，該輸出窗安置於該複數個LED上方，且與該複數個LED實體分離。該腔之一第一部分(與該第一方向對準)用一第一類型之波長轉換材料塗覆，且該腔之一第二部分(與該第二方向對準)在沒有色彩轉換的情況下反射入射光。該輸出窗之一部分用一第二類型之波長轉換材料塗覆。該第二內部表面之第二部分與該第二方向對準及/或一底部反射鏡插入物可在沒有色彩轉換之情況下反射380奈米與780奈米之間之至少95%之入射光。
在另一實施例中，該照明裝置包含複數個LED及安裝於其上的一光混合腔，且其與該複數個LED實體分離，且經組態以將從該等LED發射之光混合及色彩轉換。該光混合腔之一第一內部表面包含一可替換、反射性插入物，其具有由一第二反射層支持的一非金屬、擴散反射層。該第二反射層可為鏡面反射的。該可替換、反射性插入物可為一底部反射鏡插入物，其形成該光混合腔之一底部表面及/或一側壁插入物形成該光混合腔之側壁表面。
然而在另一實施例中，該照明裝置包含一安裝板，其具有複數個凸起墊片及安裝於該安裝板之該等凸起墊片上的複數個LED。一光混合腔經組態以反射從該複數個LED發射之光，直到該光經一輸出窗而出去。該光混合腔包含一底部反射鏡，其具有複數個孔，其中該等凸起墊片經過該等孔而將該等LED墊高至高於該底部反射鏡之一頂表面。該腔之一第一部分用一第一類型之波長轉換材料塗覆，且該輸出窗之一部分用一第二類型之波長轉換材料塗覆。
進一步的細節及實施例及技術在下文詳細之描述中描述。此發明內容並不定義本發明。本發明由技術方案定義。
附加圖式繪示本發明之實施例，其中相同數字指示相同組件。
將對本發明之背景實例及一些實施例作出詳細參考，該等實例繪示於附圖中。
圖1繪示一發光二極體(LED)照明裝置100之一實施例之一透視圖。圖2展示繪示LED照明裝置100之組件之一分解圖。應理解，如在此所定義，一LED照明裝置不是一LED，但是一LED光源或器具或一LED光源或器具之組件部分。LED照明裝置100包含一個或多個LED晶粒或封裝之LED及一安裝板，LED晶粒或封裝之LED附接至該安裝板。圖3A及圖3B繪示該LED照明裝置100之一實施例之透視圖、橫截面視圖。
參考圖2，LED照明裝置100包含一個或多個固態發光元件，諸如發光二極體(LED)102，安裝於安裝板104上。安裝板104附接至安裝基部101，且由安裝板固持環103固定到位。同時，光源子組件115包含填入LED 102之安裝板104及安裝板固持環103。光源子組件115經操作以使用LED 102而將電能轉換至光。從光源子組件115發射之光引導至光轉換子組件116，用於色彩混合及色彩轉換。光轉換子組件116包含腔本體105及輸出窗108，且視需要包含底部反射鏡插入物106及側壁插入物107之任一者或兩者。輸出窗108固定至腔本體105之頂部。腔本體105包含內部側壁，當子組件116安裝於光源子組件115上時，其等可用於反射來自該等LED 102的光，直到該光經輸出窗108出去。 底部反射鏡插入物106可視需要置於安裝板104上。底部反射鏡插入物106包含孔，使得每一LED 102之發光部分並不會被底部反射鏡插入物106所阻擋。側壁插入物107可視需要置於腔本體105內，使得當子組件116安裝於光源子組件115上時，側壁插入物107之內部表面反射來自該等LED 102之光，直到該光經輸出窗108出去。
在此實施例中，安置於安裝板104上之該側壁插入物107、輸出窗108及底部反射鏡插入物106定義該LED照明裝置100中的一光混合腔109，其中來自該等LED 102的一部分光被反射，直到其經輸出窗108出去。在從該輸出窗108出去之前在該腔109內反射光具有將該光混合的效應，且提供從該LED照明裝置100發射之光的一更均一分佈。
圖3A及圖3B繪示光混合腔109之剖視透視圖。側壁插入物107之部分可包含一塗層111之波長轉換材料，諸如磷光體，如圖3A及圖3B中所繪示。此外，輸出窗108之部分可用一不同波長轉換材料(展示於圖7B中)塗覆。此等材料之光子轉換屬性與腔109內之光混合組合導致由輸出窗108輸出之一色彩轉換之光。藉由調諧該等波長轉換材料之化學屬性及腔109之該等內部表面上之塗層之幾何屬性，可指定由輸出窗108輸出之光的特定色彩屬性，例如，色彩點、色彩溫度及演色性指數(CRI)。
腔109可用一非固體材料填充，諸如空氣或一惰性氣體，使得該等LED 102發射光至該非固體材料中，相對於至一固體囊封材料中。經由實例，該腔可密封性密封，且使用氬氣填充該腔。或者，可使用氮。
該等LED 102可發射具有不同或相同色彩之光，直接發射或藉由磷光體轉換，例如，在磷光體層施加至該等LED之處，作為該LED封裝之部分。因此，該照明裝置100可使用彩色LED 102之任意組合，諸如紅色、綠色、藍色、琥珀色或青色，或該等LED 102可全部產生相同色彩之光，或可全部產生白光。例如，該等LED 102可全部發射藍光或UV光。再者，該等LED 102可發射偏振光或非偏振光，且以LED為基礎的照明裝置100可使用偏振LED或非偏振LED之任意組合。當與磷光體(或其他波長轉換構件，諸如發光染料)組合使用時，其可例如在該輸出窗108中或該輸出窗108上，施加至腔本體105之側壁，或施加至該腔內放置之其他組件(諸如側壁插入物107及/或底部反射鏡插入物106或未作圖式之其他插入之組件)，該照明裝置100之輸出光具有如期望之色彩。該等磷光體可從由以下化學式表示之組中選擇：Y3 Al5 O12 :Ce(亦已知為YAG:Ce，或僅YAG)、(Y,Gd)3 Al5 O12 :Ce、CaS:Eu、SrS:Eu,SrGa2 S4:Eu、Ca3 (Sc,Mg)2 Si3 O12 :Ce、Ca3 Sc2 Si3 O12 :Ce、Ca3 Sc2 O4 :Ce、Ba3 Si6 O12 N2 :Eu、(Sr,Ca)AlSiN3 :Eu、CaAlSiN3 :Eu、CaAlSi(ON)3 :Eu、Ba2 SiO4 :Eu、Sr2 SiO4 :Eu、Ca2 SiO4 :Eu、CaSc2 O4 :Ce、CaSi2 O2 N2 :Eu、SrSi2 O2 N2 :Eu、BaSi2 O2 N2 :Eu、Ca5 (PO4 )3 Cl:Eu、Ba5 (PO4 )3 Cl:Eu、Cs2 CaP2 O7 、Cs2 SrP2 O7 、Lu3 Al5 O12 :Ce、Ca8 Mg(SiO4 )4 C12 :Eu、Sr8 Mg(SiO4 )4 Cl2 :Eu、La3 Si6N11 :Ce、Y3 Ga5 O12 :Ce、Gd3 Ga5 O12 :Ce、Tb3 Al5 O12 :Ce、Tb3 Ga5 O12 :Ce及Lu3 Ga5 O12 :Ce。該照明裝置之色彩點之調整可由替換側壁插入物107及/或該輸出窗108而完成，其類似地可用一個或多個波長轉換材料塗覆或充滿，且基於其等之效能而選擇，諸如其等之色彩轉換屬性。
在一實施例中，一發射紅色之磷光體，諸如CaAlSiN3 :Eu或(Sr,Ca)AlSiN3 :Eu遮蓋側壁插入物107之一部分及在該腔109底部之底部反射鏡插入物106，且一YAG磷光體遮蓋該輸出窗108之一部分。藉由選擇定義該腔之該等側壁之形狀及高度，且選擇該腔中哪一部分將用磷光體遮蓋或不遮蓋，且藉由最佳化該視窗上該磷光體層之層厚度，從模組處發射之光的色彩點可如期望般調諧。
在一實例中，在該側壁(其可為例如展示於圖3B中之該側壁插入物107)上可圖案化一單一類型之波長轉換材料。經由實例，可在該側壁插入物107之不同區塊上圖案化一紅色磷光體，且一黃色磷光體可遮蓋該輸出窗108，如圖7A中所展示。該等磷光體之覆蓋及/或濃度可變化，以產生不同色彩溫度。應理解，若由該等LED 102產生之藍光變化，則該紅色磷光體之覆蓋面積及/或該等紅色及黃色磷光體之濃度將需要變化，以產生期望之色彩溫度。在該側壁插入物107上之該等LED 102、紅色磷光體及在該輸出窗108上之黃色磷光體之色彩效能可在組裝之前量測，且基於效能而選擇，使得該等組裝之部件產生期望之色彩溫度。在一實例中，該紅色磷光體之厚度可為例如在60 μm至100 μm之間，且更明確地為在80 μm至90 μm之間，而該黃色磷光體之厚度可為例如在100 μm至140 μm之間，且更明確地為在110 μm至120 μm之間。該紅色磷光體可用一黏結劑以體積之1%至3%之一濃度混合。該黃色磷光體可用一黏結劑以體積之12%至17%之一濃度混合。
圖4更詳細地繪示安裝板104。該安裝板104提供電連接至該等附接之LED 102至一電源供應器(未作圖式)。在一實施例中，該等LED 102為封裝之LED，諸如由Philips Lumileds Lighting製造之Luxeon Rebel。亦可使用其他類型之封裝LED，諸如由OSRAM(Ostar封裝)、Luminus Devices(美國)、Cree(美國)、Nichia(日本)或Tridonic(奧地利)製造之封裝LED。如在此定義，一封裝之LED係含有電連接之一個或多個LED晶粒之一組件，諸如電線接合連接或鈕扣凸塊，且可能包含一光學元件及熱、機械及電介面。該等LED 102可包含在該等LED晶片上的一透鏡。或者，可使用沒有一透鏡的LED。沒有透鏡之LED可包含保護性層，其等可包含磷光體。該等磷光體可施加為一黏結劑中之一散佈，或施加為一分離盤。每一LED 102包含至少一個LED晶片或晶粒，其可安裝於一基台上。該LED晶片通常具有約1 mm乘以1 mm乘以0.5 mm之一尺寸，但此等尺寸可變化。在一些實施例中，該等LED 102可包含多個晶片。該等多個晶片可發射類似或不同色彩之光，例如，紅色、綠色及藍色。再者，可在相同基台上之不同晶片上施加不同磷光體層。該基台可為陶瓷或其他適當材料。該基台通常包含在一底部表面上的電接觸墊片，其等耦接至該安裝板104上之接觸件。或者，可使用電接合電線，以將該等晶片電連接至一安裝板。該等LED 102可與電接觸墊片一起包含該基台之該底部表面上之熱接觸區塊，由該等LED晶片產生之熱可經過該等熱接觸區塊而提取。該等LED之該等熱接觸區塊耦接至該安裝板104上之熱擴散層131。熱擴散層131可安置於安裝板104之頂層、底層或中間層之任意者上。熱擴散層131可經由通孔而連接，該等通孔連接頂部熱擴散層、底部熱擴散層及中間熱擴散層之任意者。
在一些實施例中，該安裝板104將該等LED 102產生之熱傳導至該板104之側面及該板104之底部。在一實例中，安裝板104之底部可經由安裝基部101而熱耦接至一散熱器130(展示於圖9中)。在其他實例中，安裝板104可直接耦接至一散熱器，或一發光器具及/或其他機構(諸如一風扇)，以驅散該熱。在一些實施例中，該安裝板104將熱傳導至一散熱器，該散熱器熱耦接至該板104之頂部。例如，安裝板固持環103及腔本體105可將熱從安裝板104之頂表面處傳導開。安裝板104可為一FR4板，例如，其為0.5 mm厚，具有在頂表面及底表面上作為熱接觸區塊的相對較厚的銅層，例如30 μm至100 μm。在其他實例中，該板104可為一金屬芯印刷電路板(PCB)或具有適當電連接的一陶瓷基台。可使用其他類型之板，諸如由氧化鋁(以陶瓷形式之氧化鋁)或氮化鋁(亦以陶瓷形式)製成之板。
安裝板104包含電墊片，在該等LED 102上之電墊片連接至該等電墊片。該等電墊片由一金屬電連接，例如銅，該銅係連接至一接觸件的導線，且一電線、橋接或其他外部電源連接至該銅。在一些實施例中，該等電墊片可為經該板104之通孔，且在相對側上(即該板之底部)製造電連接。如所繪示，安裝板104在尺寸上係矩形。安裝至安裝板104之LED 102可在矩形安裝板104上以不同組態配置。在一實例中，LED 102在安裝板104之長度尺寸上以列對準而延伸，且在安裝板104之寬度尺寸上以行對準而延伸。在另一實例中，LED 102具有一六邊形配置，以產生一緊密排列之結構。在此一配置中，每一LED從其緊靠之鄰近者之各者處等距。此一配置期望增加從該光源子組件115處發射之光的均一性。
圖5A繪示附接至該安裝板104之頂表面的一底部反射鏡插入物106。該底部反射鏡插入物106可由具有高導熱性之一材料製成，且可與該板104熱接觸而放置。如所繪示，該底部反射鏡插入物106可安裝於該板104之頂表面上，環繞該等LED 102。該底部反射鏡插入物106可為高度反射性的，使得在該腔109內向下反射之光大體上朝向該輸出窗108而反射回去。經由實例，該底部反射鏡插入物可反射380奈米與780奈米之間至少95%之入射光。再者，該底部反射鏡插入物106可具有一較高導熱性，使得其作為一額外熱擴散器。
如圖5B中所繪示，該底部反射鏡插入物106之厚度可與該等LED 102之該等基台102submount 之厚度近似相同或略微 更厚。在該等LED 102之該底部反射鏡插入物106中打孔，且底部反射鏡插入物106安裝於該等LED封裝基台102submount 及該板104之剩餘部分上。以此方式，除了由LED 102發射光之區塊，一高度反射性表面遮蓋腔本體105之底部。經由實例，該底部反射鏡插入物106可用一高度導熱性材料製成，諸如以鋁為基礎的材料，其經處理使得該材料具高度反射性且耐久。經由實例，由一德國公司Alanod製造之稱為Miro®的一材料可使用為該底部反射鏡插入物106。該底部反射鏡插入物106之高反射性可藉由將該鋁拋光或藉由用一個或多個反射性塗層將該底部反射鏡插入物106之內表面遮蓋而達成。該底部反射鏡插入物106可或者由一高度反射性薄材料製成，諸如由3M(美國)銷售的VikuitiTM ESR，其具有65μm的一厚度。
在其他實例中，底部反射鏡插入物106可由一高度反射性非金屬材料製成，諸如由Toray(日本)製造之LumirrorTM E60L或諸如由Furukawa Electric Co.Ltd.(日本)製造之微晶聚對苯二甲酸乙二(醇)酯(MCPET)或諸如由W.L.Gore(美國)製造之一燒結PTFE材料。底部反射鏡插入物106之厚度(尤其當由一非金屬反射性膜構造時)可在相當大程度上大於LED 102之該等基台102submount 之厚度，如圖5C中所繪示。為在沒有遮擋(impinging)自LED 102發射之光的情況下適應增加之厚度，可在該底部反射鏡插入物106中打孔，以暴露該LED封裝之該基台102submount ，且該底部反射鏡插入物106直接安裝於安裝板104之頂部。以此方式，在 沒有在相當大程度上遮擋自LED 102發射之光的情況下，底部反射鏡插入物106之厚度可大於該基台102submount 之厚度。當利用具有基台(僅略微大於該LED之發光部分)之LED封裝時，此解決方案尤其吸引人。在其他實例中，安裝板104可包含凸起墊片104pad ，以近似匹配該LED基台102submount 之覆蓋區，使得LED 102之發光部分在底部反射鏡插入物106上方凸起。在一些實例中，該非金屬層106a可由一較薄金屬反射性支持層106b支持，以增強整體反射率，如圖5D中所繪示。例如，該非金屬反射層106a可具有擴散反射性屬性，且該反射性支持層106b可具有鏡面反射屬性。此方法在減少鏡面反射層內之潛在波導上係有效的。期望最小化反射層內之波導，因為波導減小整體腔效率。
該腔本體105及該底部反射鏡插入物106可熱耦接，且若期望，可產生為一塊。該底部反射鏡插入物106可例如使用一熱導電膏或帶而安裝至該板104。在另一實施例中，該安裝板104之該頂表面經組態為高度反射性的，以便消除對該底部反射鏡插入物106的需要。或者，可施加一反射性塗層至板104，該塗層由白色粒子組成，例如由浸入一透明黏結劑(諸如一環氧樹脂、聚矽氧、丙烯酸或N-甲基吡咯烷酮(NMP)材料)中的TiO2、ZnO或BaSO4製成。或者，該塗層可由一磷光體材料製成，諸如YAG：Ce。磷光體材料及/或該TiO2、ZnO或GaSO4材料之塗層可直接施加至該板104，或例如藉由網版印刷而施加至例如該底部反射鏡插入物106。
圖5E繪示照明裝置100之另一實施例之一透視圖。若期望，例如，在使用一較大數目之LED 102之處，該底部反射鏡插入物106可包含在該等LED 102之間的一凸起部分，諸如繪示於圖5D中之凸起部分。照明裝置100繪示於圖5E中，其具有在該等LED之間的一轉向器117，該轉向器經組態以將從該等LED 102關於安裝板104之該頂表面的一法線以較大角度發射之光重新引導至較小角度。以此方式，由LED 102發射之近似平行於安裝板104之該頂表面的光朝向該輸出窗108而被重新引導向上，使得由該照明裝置發射之光對比於由該等LED直接發射之光的圓錐角具有一較小圓錐角。當選擇在較大輸出角度發射光的LED 102時(諸如近似一朗伯源的LED)，使用具有一轉向器117的一底部反射鏡插入物106係有用的。藉由反射該光至較窄角度，該照明裝置100可使用於避免光處於較大角度的應用中，例如，由於眩光問題(辦公室照明或一般照明)，或由於期望僅在需要之處及最有效之處發送光的效率原因，例如，任務照明及櫥櫃內照明。此外，對於該照明裝置100改良光提取的效率，因為以較大角度發射之光在到達該輸出窗108之前對比於沒有該底部反射鏡插入物106之一裝置，遭受腔109內較少的反射。此當與一光隧道或整合器組合使用時尤其有利，由於由該混合腔內重複反射導致之效率損失，其有利地限制較大角度內的通量。該轉向器117繪示為具有一錐形，但若期望，可使用替代之形狀，例如一半圓頂形，或一球形帽，或非球面反射鏡形。該轉向器117 可具有一鏡面反射塗層，一擴散塗層，或可用一個或多個磷光體塗覆。該轉向器117之高度可小於該腔109之高度(例如，近似該腔109之高度的一半)，使得在該轉向器117之頂部與該輸出窗108之間具有一較小空間。在腔109內可實施多個轉向器。
圖5F繪示一底部反射鏡插入物106之另一實施例，其中在照明裝置100中之每一LED 102由一分離個別之光學井118環繞。光學井118可具有一抛物線、複合抛物線、橢圓形或其他適當形狀。來自照明裝置100之光從較大角度校準至較小角度，例如，從一2×90度的角至一2×60度的角，或一2×45度的光束。該照明裝置100可使用為一直接光源，例如，作為一下照燈或一櫥櫃燈，或其可用於將光注入一腔109。該光學井118可具有一鏡面反射塗層，一擴散塗層，或可用一個或多個磷光體塗覆。光學井118可以一塊材料構造為底部反射鏡插入物106之部分，或可單獨構造及與底部反射鏡插入物106組合構造，以形成具有光學井特徵的一底部反射鏡插入物106。
圖6A繪示側壁插入物107。側壁插入物107可用高度導熱性材料製成，諸如以鋁為基礎的材料，其經處理以使得該材料具有高度反射性及耐用。經由實例，可使用由一德國公司Alanod製造之稱為Miro®的一材料。該高度反射性側壁插入物107可藉由將該鋁拋光，或藉由用一個或多個反射性塗層將該側壁插入物107之內表面遮蓋而達成。該底部反射鏡插入物106可或者由一高度反射性薄材料製成， 諸如由3M(美國)銷售的VikuitiTM ESR，其具有65μm的一厚度。在其他實例中，底部反射鏡插入物106可由一高度反射性非金屬材料製成，諸如由Toray(日本)製造之LumirrorTM E60L或諸如由Furukawa Electric Co.Ltd.(日本)製造之微晶聚對苯二甲酸乙二(醇)酯(MCPET)或諸如由W.L.Gore(美國)製造之一燒結PTFE材料。側壁插入物107之內部表面可為鏡面反射的或擴散反射性的。一高度鏡面反射塗層之一實例係一銀鏡，其具有保護該銀層免於氧化的一透明層。高度擴散反射性材料之實例包含MCPET、PTFE及Toray E60L材料。另外，可施加高度擴散反射性塗層。該等塗層可包含二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)及硫酸鋇(BaSO4)粒子，或此等材料之一組合。
在其他實例中，可由一反射性支持層支持一非金屬反射層，以增強整體反射率。例如，該非金屬反射層可具有擴散反射性屬性，且該反射性支持層可具有鏡面反射屬性。此方法在減少鏡面反射層內之潛在波導上為有效的；導致腔效率增加。
在一實施例中，側壁插入物107可由一高度擴散、反射性MCPET材料製成。該等內部表面之一部分可用一表面塗覆層(overcoat)塗覆，或用一波長轉換材料充滿，諸如磷光體或發光染料。為簡單起見，此一波長轉換材料將在此大體上稱為磷光體，儘管出於此專利文件之目的，任意發光材料或發光材料之組合考慮為一波長轉換材料。經由實例，可使用的一磷光體可包含Y3 Al5 O12 ：Ce、(Y,Gd)3 Al5 O12 ：Ce、CaS:Eu、SrS:Eu、SrGa2 S4:Eu、Ca3 (Sc,Mg)2 Si3 O12 :Ce、Ca3 Sc2 Si3 O12 :Ce、Ca3 Sc2 O4 :Ce、Ba3 Si6 O12 N2 :Eu、(Sr,Ca)AlSiN3 :Eu、CaAlSiN3 :Eu、CaAlSi(ON)3 :Eu、Ba2 SiO4 :Eu、Sr2 SiO4 :Eu、Ca2 SiO4 :Eu、CaSc2 O4 :Ce、CaSi2 O2 N2 :Eu、SrSi2 O2 N2 :Eu、BaSi2 O2 N2 :Eu、Ca5 (PO4 )3 Cl:Eu、Ba5 (PO4 )3 Cl:Eu、Cs2 CaP2 O7 、Cs2 SrP2 O7 、Lu3 Al5 O12 :Ce、Ca8 Mg(SiO4 )4 C12 :Eu、Sr8 Mg(SiO4 )4 C12 :Eu、La3 Si6 N11 :Ce、Y3 Ga5 O12 :Ce、Gd3 Ga5 O12 :Ce、Tb3 Al5 O12 :Ce、Tb3 Ga5 O12 :Ce及Lu3 Ga5 O12 :Ce。
如上文所討論，腔109之該等內部側壁表面可使用置於腔本體105內的一單獨側壁插入物107而實現，或可藉由處理腔本體105之該等內部表面而達成。側壁插入物107可置於腔本體105內，且用於定義腔109之側壁。經由實例，側壁插入物107可取決於哪一側具有一較大開口而從頂部或底部插入至腔本體105內。
圖6B至圖6C繪示處理選定之腔109之內部側壁表面。如圖6B及圖6C中所繪示，該等期望之處理施加至側壁插入物107，但如上文所討論，可不使用側壁插入物107，且可直接將所描述之處理施加至腔本體105之該等內部表面。圖6B繪示一矩形腔，其具有沿著較長尺寸延伸而描繪的一長度及沿著較短尺寸延伸而描繪的一寬度。在此實例中，一反射性塗層113施加至該等兩個較短側壁表面107s，且波長轉換材料之一塗層111沿著對應於該長度尺寸之該等側壁表面1071而施加。若期望，用於形成該側壁插入物107本身的材料可為反射性的，藉此不再需要反射性塗層113。在一實施例中，該等較短側壁表面107s在沒有色彩轉換的情況下反射380奈米與780奈米之間之至少95%的入射光。已發現對側壁插入物107，即，反射性較短側壁表面107s及波長轉換較長側壁表面1071之此處理的組合係尤其有利的。對應於該寬度尺寸，在該等側壁表面107s上實施一反射性表面已證實改良從輸出窗108處發射之輸出光束的色彩均一性。圖6B及圖6C繪示一鋸齒形圖案化塗層111，其中每一鋸齒之峰值與圖6C中繪示之每一LED 102之放置對準。沒有塗層111之該等側壁表面1071之任意部分係反射性的，且例如可在沒有色彩轉換的情況下反射380奈米與780奈米之間的至少95%之入射光。對應於該長度尺寸在該等側壁表面1071上實施磷光體圖案(其中該磷光體圖案繞該等LED而集中)亦已改良色彩均一性，且使得使用磷光體材料更有效。雖然繪示一鋸齒圖案，可利用類似效果之其他圖案，諸如半圓形、抛物線、平坦之鋸齒圖案，及其他形狀。此外，若期望，該塗層111可不具有圖案，即，該等側壁表面1071之整體可用磷光體塗覆。
圖7A至圖7C以橫截面視圖繪示輸出窗108之多種組態。在圖3A及圖3B中，該視窗108展示為安裝於該腔本體105之頂部上。其可有效地密封該視窗108與該腔本體105之間的間隙，以形成一密封性的密封腔109，使得沒有灰塵或濕氣能進入該腔109。可使用一密封材料填充該視窗108與該腔本體105之間的間隙，例如一環氧樹脂或一聚矽氧材料。由於該視窗108及腔本體105之材料之熱膨脹係數的差異，其可有利地使用隨時間保持可撓性的一材料。作為一替代，該視窗108可由玻璃或一透明陶瓷材料製成，且焊接至該腔本體105上。在此情況中，該視窗108可用一金屬材料在邊緣處鍍金屬，諸如鋁或銀，或銅，或金，且焊接膏施加於該腔本體105與視窗108之間。藉由加熱該視窗108及該腔本體105，該焊料將融化且在該腔本體105與視窗108之間提供一較好連接。
在圖7A中，該視窗108具有在該視窗之內表面(即，面對該腔109之表面)上的一額外層124。該額外層124可含有擴散粒子及具有波長轉換屬性之粒子(諸如磷光體)的任一者或兩者。該層124可藉由網版印刷、噴射上漆或粉末塗覆而施加至該視窗108。對於網版印刷及噴射上漆，通常該等粒子浸入一黏結劑中，此可藉由以一聚胺基甲酸酯為基礎的漆，或一聚矽氧材料。對於粉末塗覆，一黏結材料以小球的形式混合至該粉末混合物中，該等小球具有一較低熔點，且當該視窗108加熱時製造一均一層，或一基部塗層施加至該視窗108，在該塗覆程序期間，該等粒子黏貼於該視窗108。或者，該粉末塗層可使用一電場而施加，且該視窗及磷光體粒子在一烤爐中烘烤，使得該磷光體永久地黏著至該視窗。施加至該視窗108之該層124之厚度及光學屬性可在該粉末塗覆程序期間監控，例如，藉由使用一雷射及一分光計，及/或偵測器，或相機，均以向前散射及向後散射的模式，以獲得正確的色彩及/或光學屬性。
在圖7B中，該視窗108分別具有兩個額外層124及126；一個在該視窗之內部，且一個在該視窗108之外部。該外部層126可為光散射粒子，諸如TiO2、ZnO及/或BaSO4粒子。磷光體粒子可添加至該層126，以對從該照明裝置100出來之光的色彩進行一最終調整。該內部層124可含有波長轉換粒子，諸如一磷光體。
在圖7C中，該視窗108亦具有兩個額外層124及128，但其等兩者在該視窗108之相同內表面上。雖然展示兩層，應理解，可使用額外層。在一組態中，最接近該視窗108的層124包含白色散射粒子，使得若從外部觀看，該視窗108呈現白色，且具有隨角度的一均一光輸出，且層128包含發射黃色的一磷光體。
該磷光體轉換程序產生熱，且因此該視窗108及例如在該視窗108上、在層124中之該磷光體應經組態使得其等不會變得過熱。為此目的，該視窗108可具有一高度導熱性，例如，並不低於1 W/(mk)，且該視窗108可使用具有較低熱電阻的一材料而熱耦接至該腔本體105，其用作一散熱器，該較低熱電阻的材料諸如焊料，熱膏或熱帶。對於該視窗的一較好材料係氧化鋁，其可以其晶體形式使用，稱為藍寶石，以及以其多晶或陶瓷形式使用，稱為礬土。若期望，可使用其他圖案，例如，具有變化尺寸、厚度及密度之較小點。
圖8展示一反射鏡140之一透視圖，該反射鏡安裝至照明裝置100，用於校準從該腔109發射之光。該反射鏡140可由一導熱性材料製成，諸如包含鋁或銅的一材料，且可連同腔本體105或經腔本體105而熱耦接至該板104上的一熱擴散器，如參考圖5A而討論。熱藉由傳導而經附接至板104及導熱性腔本體105及該導熱性反射鏡140之熱擴散層131而流動。熱亦經由該反射鏡140上的熱對流而流動。反射鏡140可為一複合抛物線聚光器，其中該聚光器由一高度反射性材料製成。複合抛物線聚光器趨向於較高，但其等通常以一減少長度之形式使用，此增加該光束角度。此組態之一優點為不需要額外擴散器來將該光同質化，此增加輸出效率。光學元件，諸如一擴散器或反射鏡140可例如藉助於螺紋、一夾具、一扭鎖機構或其他適當配置而可移除地耦接至該腔本體105。在其他實例中，擴散器或反射鏡140可直接耦接至安裝基部101。
圖9繪示附接有一底部散熱器130的照明裝置100。在一實施例中，該板104可經由熱環氧樹脂而接合至該散熱器130。或者或再者，該散熱器130可經由螺紋而用螺紋螺合至該照明裝置100，以將該照明裝置100夾緊至該散熱器130，如圖9中所繪示。如圖4中可看見，該板104可包含用作熱接觸面積的熱擴散層131，其等例如使用熱油脂、熱帶或熱環氧樹脂而熱耦接至散熱器130。為適當冷卻該等LED，流入該板上之該等LED之每一瓦特之電能應使用至少50平方毫米的一熱接觸面積，但較佳地為100平方毫米。例如，在當使用20個LED的情況中，應使用一1000至 2000平方毫米的散熱器接觸面積。使用一較大散熱器130允許該等LED 102以較高功率驅動，且亦允許不同散熱器設計，使得冷卻能力較少取決於該散熱器之配向。再者，可使用加強冷卻之風扇或其他解決方案，以將熱從該裝置中移除。底部散熱器可包含一孔隙，使得可製造至該板104之電連接。
在該板104上之熱擴散層131(例如展示於圖4中)可附接至該反射鏡或一散熱器，諸如散熱器130。再者，熱擴散層131可直接附接至一外部結構，諸如一光器具。在其他實施例中，反射鏡140可由一金屬製成，諸如鋁、銅或其等之合金，且熱耦接至該散熱器130，以幫助驅散熱。
如圖1及圖2中所繪示，可在該照明裝置100中使用多個LED 102。該等LED 102沿著所展示之長度及寬度尺寸線性放置。該照明裝置100可具有更多或更少LED，但已發現20個LED為一有用數量之LED 102。在一實施例中使用20個LED。當使用較大數目之LED時，可期望將該等LED組合至多個串，例如，兩串之十個LED，以維持一相對較低的正向電壓及電流，例如，不大於24V及700mA。若期望，可將一較大數目之LED串聯，但此一組態可導致電的安全問題。
側壁插入物107、底部反射鏡插入物106及輸出窗108之任意者可用磷光體圖案化。該圖案本身及該磷光體組合物兩者可變化。在一實施例中，該照明裝置可包含位於該光混合腔109之不同區塊處的不同類型之磷光體。例如，一紅色磷光體可位於該側壁插入物107及該底部反射鏡插入物106之任一者或兩者上，且黃色及綠色磷光體可位於該視窗108之頂表面或底表面上，或嵌入該視窗108內。在一實施例中，一中央反射鏡(例如，圖5E中展示之轉向器117)可具有不同類型之磷光體的圖案，例如，在一第一區塊上的一紅色磷光體，及在一分開之第二區塊上的一綠色磷光體。在另一實施例中，不同類型之磷光體(例如，紅色及綠色)可位於該側壁插入物107或該腔本體105之側壁上的不同區塊處。例如，一類型之磷光體可在該側壁插入物107上之一第一區塊處圖案化，例如，以條、點或其他圖案，而另一類型之磷光體係位於該側壁插入物107之一不同第二區塊上。若期望，可使用額外磷光體，且位於該腔109內之不同區塊中。再者，若期望，可使用僅一單一類型之波長轉換材料，且在該腔109內圖案化，例如在該等側壁上。
繪示於圖10中之照明器包含整合至一改造燈裝置150的一照明裝置100。該改造燈裝置150包含一反射鏡140，其具有拋光為反射性的一內表面142或視需要包含一反射性塗層及/或一波長轉換層。該反射鏡140可進一步包含一視窗144，其視需要包含一波長轉換層之一塗層，或其他光學塗層，諸如一二向色濾光片。應理解，如在此定義之以一LED為基礎的照明裝置並非一LED，但為一LED光源或器具或一LED光源或器具之組件部分。在一些實施例中，以LED為基礎的照明裝置100可為一替代燈或改造燈或一替代燈或改造燈之一部分。如圖10中所繪示，以LED為基礎的一照明裝置100可為以LED為基礎的一改造燈裝置150之一部分。
儘管在上文描述之某些特定實施例係出於指導之目的，此專利文件之教示具有一般適用性，且並不限制於上文描述之特定實施例。例如，圖3A及圖3B繪示具有一線性組態的側壁，但應理解，該等側壁可具有任意期望之組態，例如，彎曲、不垂直、有斜面等等。例如，藉由使用錐形側壁預校準該光，經該光混合腔109而達成一較高傳輸效率。在另一實例中，在沒有使用安裝板固持環103的情況下，腔本體105用於將安裝板104直接夾緊至安裝基部101。在其他實例中，安裝基部101及散熱器130可為一單一組件。繪示於圖8至圖10中之實例係出於例證性的目的。亦可預期一般多邊形及橢圓形之照明裝置之實例。相應地，可在未脫離由申請專利範圍中闡明之本發明之範圍的情況下實踐所描述之實施例之多種修改、調適及多種特徵之組合。
100．．．照明裝置
101．．．安裝基部
102．．．發光二極體
102submount ．．．基台
103．．．安裝板固持環
104．．．安裝板
104pad ．．．凸起墊片
105．．．腔本體
106．．．底部反射鏡插入物
106a．．．非金屬層
106b．．．金屬反射性支持層
107．．．側壁插入物
1071．．．側壁表面
107s．．．反射性較短側壁表面
108‧‧‧輸出窗
109‧‧‧光混合腔
111‧‧‧波長轉換材料塗層
113‧‧‧反射性塗層
115‧‧‧光源子組件
116‧‧‧光轉換子組件
117‧‧‧轉向器
118‧‧‧光學井
124‧‧‧額外層
126‧‧‧額外層
128‧‧‧額外層
130‧‧‧散熱器
131‧‧‧熱擴散層
140‧‧‧反射鏡
142‧‧‧內表面
144‧‧‧視窗
150‧‧‧改造燈裝置
圖1繪示一發光二極體(LED)照明裝置之一實施例之一透視圖；
圖2展示繪示該LED照明裝置之組件的一分解圖；
圖3A及圖3B繪示該LED照明裝置之一實施例之透視圖、橫截面視圖；
圖4繪示一安裝板，其提供電連接至所附接之LED及該LED照明裝置之一熱擴散層；
圖5A繪示附接至該安裝板之該頂表面的一底部反射鏡插入物；
圖5B繪示該安裝板之一部分、一底部反射鏡插入物及具有一基台之一LED的一橫截面視圖，其中該底部反射鏡插入物之厚度與該LED之基台之厚度近似相同；
圖5C繪示該安裝板之一部分，一底部反射鏡插入物及具有一基台之一LED的另一橫截面視圖，其中底部反射鏡插入物之厚度在相當大程度上大於該LED之該基台之厚度；
圖5D繪示該安裝板之一部分、一底部反射鏡插入物及具有一基台之一LED之另一橫截面視圖，其中該底部反射鏡插入物包含一非金屬層及一較薄金屬反射性支持層；
圖5E繪示該安裝板及包含在該等LED之間之一凸起部分之底部反射鏡插入物的另一實施例之一透視圖；
圖5F繪示一底部反射鏡插入物之另一實施例，其中每一LED由一分離之個別光學井環繞；
圖6A繪示與該照明裝置使用之側壁插入物之一實施例；
圖6B及圖6C分別繪示具有一波長轉換材料沿著矩形腔之長度圖案化及沒有波長轉換材料沿著寬度而圖案化的側壁插入物之另一實施例之一透視圖及側面圖；
圖7A繪示在該視窗之內表面上具有一層的照明裝置之輸出窗之一側面圖；
圖7B繪示具有兩個額外層的該照明裝置之該輸出窗之另一實施例之一側面圖；一個在該視窗之內部，且一個在該視窗之外部；
圖7C繪示具有兩個額外層之該照明裝置之該輸出窗之另一實施例之一側面圖；其等兩者在該視窗之相同內表面上；
圖8展示安裝至照明裝置之一反射鏡之一透視圖，該反射鏡用於校準從該照明裝置發射之光；
圖9繪示附接有一底部散熱器的照明裝置；及
圖10繪示整合至一改造燈裝置之一照明裝置之一側面圖。
100．．．照明裝置
101．．．安裝基部
102．．．發光二極體
103．．．安裝板固持環
104．．．安裝板
105．．．腔本體
106．．．底部反射鏡插入物
107．．．側壁插入物
108．．．輸出窗
109．．．光混合腔
115．．．光源子組件
116．．．光轉換子組件

Claims (20)

  1. 一種裝置，其包括：一光源子組件，其具有在一第一方向上延伸的一長度尺寸、在垂直於該第一方向之一第二方向上延伸的一寬度尺寸，及安裝於一第一平面中的複數個發光二極體(LED)，其中該寬度尺寸小於該長度尺寸；及一光轉換子組件，其安裝於該第一平面上方且與該複數個LED實體分離，且經組態以將從該光源子組件發射之光混合及色彩轉換，該光轉換子組件包含一輸出窗，其中該光轉換子組件之一第一內部側壁表面之一第一部分與該第一方向對準且以一第三方向在該第一平面及該輸出窗之間延伸，並用一第一類型之波長轉換材料塗覆，其中一第二內部側壁表面之一第一部分與該第二方向對準且以該第三方向在該第一平面及該輸出窗之間延伸，並在沒有色彩轉換的情況下反射入射光。
  2. 如請求項1之裝置，其中與該第二方向對準之該第二內部側壁表面之該第一部分在沒有色彩轉換的情況下反射380奈米與780奈米之間之至少95%之入射光。
  3. 如請求項1之裝置，其中該光轉換子組件包含安置於該第一平面之頂部上的一底部反射鏡插入物，其中該底部反射鏡插入物反射380奈米與780奈米之間之至少95%之入射光。
  4. 如請求項3之裝置，其中該底部反射鏡插入物及該第二內部側壁表面之該第一部分之任一者包含安置於一反射 性支持層上方的一非金屬反射層。
  5. 如請求項4之裝置，其中該非金屬反射層具有擴散、反射性屬性，且該反射性支持層具有鏡面、反射性屬性。
  6. 如請求項1之裝置，其中該第一內部側壁為一可替換插入物，可針對其色彩轉換屬性而選擇該可替換插入物。
  7. 如請求項1之裝置，其中該第一內部側壁表面之一第二部分在沒有色彩轉換的情況下反射380奈米與780奈米之間之至少95%之入射光。
  8. 如請求項1之裝置，其中該複數個LED以一六邊形配置安裝於該第一平面內，其中緊鄰環繞一LED的每一LED係與該LED等距。
  9. 如請求項1之裝置，其中該光轉換子組件之該輸出窗被塗覆一第二類型之波長轉換材料。
  10. 如請求項1之裝置，其中光散射粒子與該第二類型之波長轉換材料混合。
  11. 如請求項9之裝置，其中輸出窗包括一第三類型之波長轉換材料。
  12. 一種裝置，其包括：複數個發光二極體(LED)；及安裝於該複數個LED上方且與該複數個LED實體分離的一光混合腔，且該光混合腔經組態以將從該等LED發射之光予以混合及色彩轉換，其中該光混合腔之一第一內部表面包括一可替換、反射性插入物，且其中該可替換、反射性插入物包括由一第二反射層支持之一非金屬 擴散反射層。
  13. 如請求項12之裝置，其中該第二反射層係鏡面反射的。
  14. 如請求項12之裝置，其中該可替換、反射性插入物係形成該光混合腔之一底部表面的一底部反射鏡插入物。
  15. 如請求項12之裝置，其中該可替換、反射性插入物係形成該光混合腔之側壁表面的一側壁插入物。
  16. 如請求項12之裝置，其中該光混合腔經組態以將從該等LED發射之光予以混合及色彩轉換直到該光經一輸出窗而射出，其中該輸出窗安置於該複數個LED之上方且與該複數個LED實體分離，其中該光混合腔之一第一部分用一第一類型之波長轉換材料塗覆。
  17. 一種裝置，其包括：具有複數個凸起墊片的一安裝板：安裝於該安裝板之該複數個凸起墊片上的複數個發光二極體(LED)；一光混合腔，其經組態以將從該複數個LED處發射之光反射，直到該光經一輸出窗而射出，該光混合腔包括具有複數個孔的一底部反射鏡，該複數個LED該複數個凸起墊片經由該複數個孔而墊高，其中該光混合腔之一第一部分用一第一類型之波長轉換材料塗覆，且其中該輸出窗之一部分用一第二類型之波長轉換材料塗覆。
  18. 如請求項17之裝置，其中該光混合腔之一第二部分在沒有色彩轉換的情況下反射從該複數個LED處發射之光。
  19. 如請求項17之裝置，其中該底部反射鏡包含安置於一反 射性支持層上方的一非金屬反射層。
  20. 如請求項19之裝置，其中該非金屬反射層具有擴散、反射性屬性，且該反射性支持層具有鏡面、反射性屬性。
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