CN100502065C - 高效荧光转换的led光源及背光模块 - Google Patents
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Abstract
一种高效荧光转换的LED光源及背光模块，包括设置在反射杯或准直透镜底部的LED，以及设置在顶部一预定厚度的荧光粉层，散布或涂覆着荧光粉；尤其是，还包括第一截止滤波片，介于所述荧光粉层和所述反射杯或准直透镜顶部之间，来自LED的预定波长范围的光以小于预定值的入射角穿透该截止滤波片，而背向荧光光子则为之所反射，从而提高荧光萃取效率。此外，还把与该滤波片波通特性相反的第二截止滤波片设置在所述荧光粉层上面，便于荧光光子穿透该第二截止滤波片，同时由该两滤波片所构成的腔结构将多次反射未被荧光粉吸收的激励光子，以充分提高激励光子的被吸收率。采用本发明，产品荧光转换效果突出，结构简单，易于实现。
Description
技术领域 本发明涉及LED光源及背光模块实现高效荧光转换的结构。
背景技术 传统半导体发光二极管(Light Emitting Diode，LED)以GaAsP和GaAlAs材料为主，它的发展始于二十世纪六十年代初，波长覆盖了从可见光波段的绿色和红色一直到近红外波段。但由于输出功率和亮度低，传统LED的应用主要限制于信号指示灯、电视遥控器以及低速短距离光纤通讯等方面。
自二十世纪九十年代初以来，以InGaAlP和InGaN为主的新一代半导体光电子材料迅速发展起来，各种高功率高亮度的红、黄、蓝、绿、紫外以及白光等LED光源纷纷涌现，层出不穷，在各种显示和照明领域得到了越来越广泛的应用。
其中，白光LED光源的主要技术方案有RGB混光和荧光转换两种。荧光转换方案是利用LED芯片发射较短波长的光来激发转换荧光粉发出白光。例如，日本日亚公司(Nichia)的白光LED专利，公开了利用470纳米蓝光LED芯片来激发黄色YAG荧光粉发出白光的技术方案。该方案结构简单、制造成本低、产品具有很强的实用性。
白光LED光源的发展目标是以高流明效率和低成本优势逐渐取代白炽灯和荧光灯等传统光源。到目前为止，白光LED光源的主要技术指标---流明效率，据报道在数十毫安工作电流下已经超过100流明/瓦，而在数百毫安工作电流下已经达到80流明/瓦，都比白炽灯的15流明/瓦和荧光灯的70流明/瓦要高。但目前该白光LED光源的制造成本还相对较高。
随着芯片发光效率、荧光粉吸收和转换效率以及封装效率的提高，白光LED光源的流明效率还有较大提高空间，这对于降低白光LED光源成本，节能降耗都具有重要意义。
图1示意了现有多种荧光转换LED光源结构，见于2005年日本应用物理期刊(Journalof Applied Physics，Japan)第44卷第21期第649～651页。一般来说，荧光转换LED光源至少包括LED、荧光粉及用来改变光子方向的反射杯，所述LED置于反射杯的底部开口。在图1a的方案中，所述荧光粉3被直接涂覆于LED芯片1之上，胶体4覆盖荧光粉3并填充反射杯2的剩余空间，从而荧光粉3在LED芯片1发射出的光子激励下，发出特定波长的光子并经反射杯2收集定向射出。为避免该方案中荧光粉发光效率和寿命受LED芯片发热产生的不利影响，图1b的方案将荧光粉3改为均匀散布于胶体4中，可以既提高荧光转换效率，延长荧光粉寿命，又提高光源输出的均匀性。为了进一步提高荧光转换效率，图1c的方案对光源结构又作了改进：在反射杯2正对LED芯片1的开口处设置一荧光粉层，该荧光粉层与LED芯片之间的空间填充以具有折射系数匹配的胶体，图1d的方案中又将所述反射杯的杯壁由镜面反射特性改为漫反射特性，对荧光转换效率又有所提高。
此外，SPIE(International Society for Optical Engineering)国际光学工程学会关于第5次固态照明国际会议的学报里(Proceedings of SPIE 5491，第45-50页)，也提出了一种性能得到提高的荧光转换白光LED光源结构，如图2所示：与图1d相比，该方案采用透射杯2’来替换反射杯2，还在支撑LED芯片1和透射杯2’的基底的表面镀全反射膜5’；背向荧光光子的萃取(Extracting)效率和整个荧光转换效率又进一步得到提高。
即使这样，现有荧光转换的LED光源的不足之处在于，受激励光子的吸收效率和荧光萃取(Extracting)效率所影响的荧光转换效率仍有进一步被提高的空间。尤其图2所示的方案工艺实现上较为复杂。另外，对于单色荧光转换的LED光源，不仅需要较高的荧光转换效率，对于某些应用来说还需要输出纯净的荧光，这也是现有技术存在的不足。
发明内容 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出一种荧光转换LED光源及背光模块，结构及工艺简单，可以高效率并低成本地实现荧光转换。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为，使用一块介于LED和荧光粉之间的光学截止滤波片，利用该光学截止滤波片对入射光子波长和角度的穿透要求既与反射杯一起提高对LED发射光子的利用率，还在采用多色荧光粉以获得纯净白光输出的同时，利用该光学截止滤波片对背向荧光的良好反射性能，从而可以大大提高荧光萃取效率，使得整体的荧光转换效率得到提高，同时产品的结构和工艺简单化。特别是当利用上下两块光学截止滤波片构成特殊腔结构，并把荧光粉层置于其中时，能用该腔结构来约束未被荧光粉吸收的激发光子，使之在腔中来回反射的行进途中有更多的几率被荧光粉吸收，从而进一步提高荧光粉对激励光子的吸收率；还便于在采用单一荧光粉时获得纯净的单色光输出。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种高效荧光转换的LED光源，包括至少一个LED，设置在一个反射杯或准直透镜的底部；在该反射杯或准直透镜的顶部设置有一预定厚度的荧光粉层，均匀散布或涂覆着荧光粉；尤其是，还包括第一截止滤波片，介于所述荧光粉层和所述反射杯或准直透镜顶部之间，从而该反射杯或准直透镜内预定波长范围的光以小于预定值的入射角穿透该截止滤波片；当所述荧光粉为下转换荧光粉时，该第一截止滤波片为短波通截止滤波片；反之，为长波通截止滤波片。
这样，可以以简单的工艺和结构来提高激励光子的吸收效率和荧光萃取效率。
上述方案中，所述高效荧光转换的LED光源还包括与所述第一截止滤波片波通特性相反的第二截止滤波片，设置在所述荧光粉层的上面，从而所述荧光粉激发的光子以小于第二预定值的入射角穿透该第二截止滤波片。
上述方案中，所述第一截止滤波片和第二截止滤波片的波通转折点大致一致，从而所述荧光粉层中未被荧光粉吸收的所述预定波长范围的光被所述第二截止滤波片反射回所述荧光粉层。
这样，可以进一步激励光子的吸收效率和荧光萃取效率，并便于产生纯净的光输出。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种高效荧光转换的背光模块，包括底盒，该底盒底部的散热基座，以及分布在所述散热基座上的若干LED及若干底部包围一LED的反射杯或准直透镜；所述底盒的顶部开口被一预定厚度的荧光粉层所封闭，该荧光粉层散布或涂覆着荧光粉；还包括位于所述荧光粉层之上的光扩散片以及位于该光扩散片之上的液晶显示屏；尤其是，还包括第一截止滤波片，介于各所述反射杯或准直透镜顶部和所述荧光粉层之间，从而所述底盒内预定波长范围的光以小于预定值的入射角穿透该截止滤波片；当所述荧光粉为下转换荧光粉时，该第一截止滤波片为短波通截止滤波片；反之，为长波通截止滤波片。
上述方案中，所述高效荧光转换的背光模块还包括与所述第一截止滤波片波通特性相反的第二截止滤波片，介于所述荧光粉层与所述光扩散片之间，从而所述荧光粉层中未被荧光粉吸收的所述预定波长范围的光被反射回所述荧光粉层，所述荧光粉激发的光子以小于第二预定值的入射角穿透该第二截止滤波片。
上述方案中，所述不同材料的荧光粉在荧光粉层中按块分布或涂覆，分别罩在一反射杯或准直透镜的顶部。
采用上述各技术方案，荧光转换的效率得到大幅提高，在特定的场合下还能获得预期的纯净光输出，同时产品结构及工艺保持简单优势，便于低成本实现。
附图说明 图1a、b、c、d是现有LED光源结构示意图
图2是现有LED光源的结构示意图
图3是现有背光模块结构示意图
图4是本发明LED光源结构示意图
图5是图4中截止滤波片特性示意图
图6是本发明白光LED光源实施例之一示意图
图7是本发明白光LED光源实施例之二示意图
图8是本发明白光LED光源实施例之三示意图
图9是本发明背光模块结构示意图
图10是本发明背光模块实施例之一示意图
图11是本发明背光模块实施例之二示意图
具体实施方式 下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
如图4所示，本发明LED光源的结构包括LED 14，为表面贴装的发光二极管(包括单个发光二极管或列阵式发光二极管)，或者为在衬底15上形成的发光芯片(包括单个或阵列式发光芯片)。该LED 14设置在反射杯13的底部；所述反射杯13可以采用任何已知技术来实现，比如图1中具有镜面反射或漫反射杯壁的反射杯，也可以用任何已知技术来替代，比如图2中的透射杯2’，或者同样具有光汇聚功能的准直透镜(为了叙述方便，以下所提到的反射杯，若不另加以说明，也可以指准直透镜)。
在所述反射杯13的顶部设置一预定厚度的荧光粉层11，均匀散布或涂覆着荧光粉。第一截止滤波片12设置在所述荧光粉层11和所述反射杯13顶部之间，该截止滤波片12具有如图5曲线a或b的特性；以所述荧光粉为绿色下转换荧光转换材料(激发的绿光波长大于LED发射的蓝光波长)为例，该第一截止滤波片12当具有如曲线a的特性，为短波通截止滤波片，允许波长为500nm以下的蓝光将以小于预定值(由该截止滤波片的光学特性所决定)的入射角穿透该截止滤波片，这样LED 14发射的较大角度范围的蓝光经反射杯13的聚光作用，大部分将以较小角度(例如15-25度)入射到所述第一截止滤波片12并穿透之，激励所述荧光粉发射出绿色荧光(波长505～550nm)，该绿色荧光因为波长大于曲线a的转折点波长(500nm)，部分射向所述第一截止滤波片12的光子将被反射输出，从而提高该光源中的绿色荧光萃取效率。当所述荧光粉为绿色上转换荧光转换材料时，所述第一截止滤波片12应具有如曲线b的相反波通特性，为长波通截止滤波片，LED 14发射的光只有波长大于为500nm以上的能以小于预定值的入射角穿透该滤波片12。
为了进一步提高荧光转换效率，本发明LED光源还可以包括第二截止滤波片10，具有与所述第一截止滤波片12相反的波通特性，设置在所述荧光粉层11的上面，以第一截止滤波片12具有特性曲线a、第二截止滤波片10具有特性曲线b为例，二者具有大致一致的转折点，从而该荧光粉层11中未被荧光粉完全吸收的、小于500nm波长的蓝光被第二截止滤波片10反射，并被所述绿色荧光转换材料所吸收并激发绿光，而满足第二预定入射角(由所述第二截止滤波片10光学特性决定)要求或经多次反射后才满足该入射角要求的绿光将穿透该第二截止滤波片10，提供绿色光输出。该实施例中，荧光转换效率得到提高的同时，可以输出纯净的单色绿光。
若在所述第一截止滤波片12与所述反射杯13顶部之间留一空气隙，还可以使所述荧光粉层中未被吸收利用的角度较大的蓝光被第一截止滤波片12在空气界面处发生全反射，再次返回所述绿色荧光转换材料中，有助于提高荧光转换率。
经过实验验证，采用本发明结构的LED光源在增加第一截止滤波片12后，荧光转换效率平均可提高约115％，增加第二截止滤波片10后，荧光转换效率平均可提高约160％。
本发明中所述荧光粉包括红、黄、绿、蓝单色荧光转换材料中的一种、两种、三种或三种以上；因此，除了上述实施例中产生绿光外，本发明还可以通过截止滤波片、荧光粉和LED的匹配组合来低成本产生白光。
图6为实现白光实施例之一，所述荧光粉包括红、绿、蓝各一种单色荧光下转换材料，在荧光粉层21中均匀混合；所述LED 24发射紫外光(波长250～420nm)，经反射杯23汇聚后，穿透UV短波通截止滤波片(具有类似图5曲线a的光学特性，允许波长较短的紫外光穿透)，从而所述三种荧光粉分别激发产生红、绿、蓝光，穿透RGB长波通截止滤波片20(具有类似图5曲线b的光学特性，允许波长较长的红、绿、蓝光穿透)而混合成白光输出。在该实施例中，所述第一和第二截止滤波片的波通特性相反，但转折点并不一致。
图7为实现白光实施例之二。在该实施例中，所述荧光粉包括红、绿各一种单色荧光下转换材料，在荧光粉层31中均匀混合；所述LED34发射蓝光(波长420～480nm)，经反射杯33汇聚后，穿透蓝光短波通截止滤波片(具有类似图5曲线a的光学特性，允许波长较短的蓝光穿透)，从而所述两种荧光粉分别激发产生红、绿光，与未被吸收的部分蓝光一起混合成白光输出。
图8为实现白光实施例之三。在该实施例中，所述荧光粉为一种黄色荧光下转换材料，在荧光粉层41中均匀分布；所述LED 44发射蓝光(波长420～480nm)，经反射杯43汇聚后，穿透蓝光短波通截止滤波片(具有类似图5曲线a的光学特性，允许波长较短的蓝光穿透)，从而所述荧光粉激发产生黄光，与未被吸收的部分蓝光一起混合成白光输出。
本发明还可以用来设计具有高荧光转换效率的背光模组。如图3所示，现有背光模组包括底盒60，该底盒底部的散热基座62，以及分布在所述散热基座上的若干LED 61，所述底盒60的顶部开口被一预定厚度的荧光粉层63所封闭，该荧光粉层63散布或涂覆着荧光粉；还包括位于该荧光粉层之上的光扩散片64以及位于该光扩散片64之上的液晶显示屏65。该背光模组同样具有荧光转换不高的缺点。如图9所示，本发明背光模组在上述现有技术--底盒55，散热基座58，LED 57，荧光粉层53，光扩散片52及LCD 50的基础上，增加若干底部包围一LED的反射杯或准直透镜56，以及介于各所述反射杯或准直透镜56顶部和所述荧光粉层53之间的第一截止滤波片54，使所述底盒55内预定波长范围的光以小于预定值的入射角穿透该截止滤波片54，并反射所述荧光粉层53中的激发光子，可以提高荧光利用率，从而增强LCD的显示亮度。同样，再增加与所述第一截止滤波片54波通特性相反的第二截止滤光片51，介于所述荧光粉层53与所述光扩散片52之间，通过双滤光片组成的腔结构，对未被荧光粉吸收的来自LED的光进行多次反射，反复激励所述荧光粉，可以大大提高荧光粉对LED光子的吸收利用率。以及在所述第一截止滤波片54与所述反射杯或准直透镜56顶部之间留一空气隙，以全反射所述荧光粉层中未被荧光粉吸收的所述预定波长范围的光，诸如此类提高荧光转换效率的措施，因均已在上述LED光源中涉及，不再赘述。
本发明背光模块中，所述荧光粉也可以包括红、黄、绿、蓝单色荧光转换材料中的一种、两种、三种或三种以上；所述LED(包括表面贴装的发光二极管，或在衬底上形成的发光芯片)的发光波长可以选择250～480nm。除了图9中选用包括红、绿、蓝各一种单色荧光下转换材料的荧光粉进行均匀混合，及发射蓝光的LED 57与蓝光短波通截止滤波片54来产生白光输出外，图10给出了用包括红、绿、蓝各一种单色荧光下转换材料的荧光粉来产生白光的又一具体实施例。在该实施例中，所述三种荧光粉在荧光粉层中按块分布或涂覆，分别罩在一反射杯或准直透镜的顶部。第一截止滤波片和第二截止滤波片可以用整片的UV短波通截止滤波片和RGB长波通截止滤波片，也可以如该图所述，采用分片的UV短波通截止滤波片和相应的红、绿、蓝长波通截止滤波片。图11给出了用包括红、绿各一种单色荧光下转换材料的荧光粉来产生白光的又一实施例，在该实施例中，省掉了第二截止滤波片，从而荧光粉激发的红、绿光和未被吸收的LED激发蓝光混合成白光输出，简化了结构，成本更低。
本发明LED光源或背光模块中，所述荧光粉层中的荧光粉包括下转换荧光粉和上转换荧光粉，可以是通过化学合成的无机或有机粉状荧光颗粒，这些颗粒可以用胶体(例如透明树脂)混合，从而以贴膜的形式提供，或用涂覆的方式附着在所述第一截止滤波片或第二截止滤波片的一面。
采用本发明结构的LED光源或背光模块可以大大降低对LED波长的分选要求，即使在使用过程中LED波长有所退化，也大体能保持该LED与荧光粉之间的波长匹配，从而降低产品的成本。
Claims (13)
1.一种高效荧光转换的LED光源，包括至少一个LED，设置在一个反射杯或准直透镜的底部；在该反射杯或准直透镜的顶部设置有一预定厚度的荧光粉层，均匀散布或涂覆着荧光粉；其特征在于：
还包括第一截止滤波片，介于所述荧光粉层和所述反射杯或准直透镜顶部之间，从而该反射杯或准直透镜内预定波长范围的光以小于预定值的入射角穿透该截止滤波片；
当所述荧光粉为下转换荧光粉时，该第一截止滤波片为短波通截止滤波片；反之，为长波通截止滤波片。
2.根据权利要求1所述高效荧光转换的LED光源，其特征在于：
还包括与所述第一截止滤波片波通特性相反的第二截止滤波片，设置在所述荧光粉层的上面，从而所述荧光粉激发的光子以小于第二预定值的入射角穿透该第二截止滤波片。
3.根据权利要求2所述高效荧光转换的LED光源，其特征在于：
所述第一截止滤波片和第二截止滤波片的波通转折点大致一致，从而所述荧光粉层中未被荧光粉吸收的所述预定波长范围的光被所述第二截止滤波片反射回所述荧光粉层。
4.根据权利要求2或3所述高效荧光转换的LED光源，其特征在于：
所述第一截止滤波片与所述反射杯或准直透镜顶部之间为一空气隙，从而所述荧光粉层中未被荧光粉吸收的所述预定波长范围的光被该第一截止滤波片在空气界面处全反射回所述荧光粉层。
5.根据权利要求2或3所述高效荧光转换的LED光源，其特征在于：
所述荧光粉层为荧光粉和透明折射率匹配树脂或液体以预定比例组成的混合体，荧光粉呈颗粒状散布于其中。
6.根据权利要求1所述高效荧光转换的LED光源，其特征在于：
所述LED为表面贴装的单个发光二极管或列阵式发光二极管，或者为在衬底上形成的单个发光芯片或列阵式发光芯片。
7.根据权利要求1所述高效荧光转换的LED光源，其特征在于：
所述荧光粉包括红、黄、绿、蓝等单色荧光转换材料中的一种、两种、三种或三种以上。
8.一种高效荧光转换的背光模块，包括底盒，该底盒底部的散热基座，以及分布在所述散热基座上的若干LED及若干底部包围一LED的反射杯或准直透镜；所述底盒的顶部开口被一预定厚度的荧光粉层所封闭，该荧光粉层散布或涂覆着荧光粉；还包括位于所述荧光粉层之上的光扩散片以及位于该光扩散片之上的液晶显示屏；其特征在于：
还包括第一截止滤波片，介于各所述反射杯或准直透镜顶部和所述荧光粉层之间，从而所述底盒内预定波长范围的光以小于预定值的入射角穿透该截止滤波片；
当所述荧光粉采用的是下转换荧光粉时，该第一截止滤波片为短波通截止滤波片；反之，为长波通截止滤波片。
9.根据权利要求8所述高效荧光转换的背光模块，其特征在于：
还包括与所述第一截止滤波片波通特性相反的第二截止滤波片，介于所述荧光粉层与所述光扩散片之间，从而所述荧光粉层中未被荧光粉吸收的所述预定波长范围的光被反射回所述荧光粉层，所述荧光粉激发的光以小于第二预定值的入射角穿透该第二截止滤波片。
10.根据权利要求8或9所述高效荧光转换的背光模块，其特征在于：
所述第一截止滤波片与所述反射杯或准直透镜顶部之间为一空气隙，从而所述荧光粉层中未被荧光粉吸收的所述预定波长范围的光被全反射回所述荧光粉层。
11.根据权利要求8所述高效荧光转换的背光模块，其特征在于：
所述LED为表面贴装的发光二极管，或者为在衬底上形成的发光芯片。
12.根据权利要求8或9所述高效荧光转换的背光模块，其特征在于：
所述荧光粉包括红、绿、蓝单色荧光转换材料中的一种、两种或三种；所述LED的发光波长为250～480nm。
13.根据权利要求12所述高效荧光转换的背光模块，其特征在于：
所述不同材料的荧光粉在荧光粉层中按块分布或涂覆，分别罩在一反射杯或准直透镜的顶部。
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