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CN100530711C - 高性能led灯系统 - Google Patents

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CN100530711C
CN100530711C CNB2005800266606A CN200580026660A CN100530711C CN 100530711 C CN100530711 C CN 100530711C CN B2005800266606 A CNB2005800266606 A CN B2005800266606A CN 200580026660 A CN200580026660 A CN 200580026660A CN 100530711 C CN100530711 C CN 100530711C
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Abstract

描述了一种具有多个LED元件的LED灯系统。该系统包括腔室(1)，其具有多个内部侧壁面和用于发射光的辐射开口(4)。内部侧壁面均主要由多个LED辐射表面(3a、3b)形成。

Description

高性能LED灯系统
技术领域
本发明涉及一种LED灯系统，其具有多个LED元件。
背景技术
近年来，关于设计和制造无机固体LED的技术被迅速地改进，达到可以制造效率高于40lm/Watt的无机白光发射LED的发展阶段。该效率明显超过传统的白炽灯的效率(16lm/Watt)，并且超过大部分卤素灯的效率(30～35lm/Watt)。同时，单个LED元件的效率增长到显著高于100lm/Watt的水平。
现在和将来将影响LED在照明方面的广泛可用性的问题是，每个LED元件的仍然相对有限的光量。对于该LED灯系统，仅当能够组合多个LED元件的光量时，才可以实现性能的增加。尽管这在原理上是可行的，但是例如，在由于发射光须聚焦在小尺寸的反射器中而需要具有特别高的亮度的光源的情况下，仍存在问题。
为了使用LED生成白光，尤其利用所谓的磷光体涂覆LED(PC-LED)。该磷光体涂覆LED是在其辐射表面上具有所谓的磷光体涂层的LED。磷光体不应被专门理解为化学元素磷，而是应更一般地理解为荧光材料，其在特定波长的辐射的作用下，发射具有另一波长的光。存在在受到蓝光的照射时辐射黄光的荧光物质。与发射光的颜色一致，它们被称为黄色磷光体。通过使用该LED，通过在辐射蓝光的LED上面施加黄色磷光体层，获得了白光。所述磷光体层的尺寸被确定为使得，LED的一部分蓝光不受阻碍地通过该磷光体层，而另一部分磷光体层被转换为黄光。蓝光和黄光的同时辐射被观察者感知为白光。可替换地，存在辐射UV光并且涂覆有白磷光体层的LED元件。通过适当地选择磷光体层的类型和厚度，可以制造辐射其他颜色光的PC LED。
使用上文描述的配置，可以从LED元件的给定的辐射表面生成一定量的光。然而，LED元件中的电流密度限制，限制了单个PC-LED的最大亮度。
因此，现有技术中提出了数种可行方案，用于增加LED元件的亮度。它们的主要目的在于，将LED元件发射的不定向(Lambert)辐射聚焦到一个辐射方向中。例如，在US 5,813,753中提到了用于照明和/或显示应用中的包括UV或蓝色LED的光发射设备，该设备被置于具有反射侧壁的凹槽中。该凹槽完全填充了透明材料，并且其围绕LED。该LED元件的磷光体可以散布在透明材料中，或者作为层施加在LED的表面上。然而，目前，该LED仍未达到光投影应用或者车头灯所需的亮度。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种LED灯系统，其具有高于已知系统的亮度。
为了实现该目的，提出了一种LED灯系统，其使用LED元件，并且具有腔室，该腔室具有数个内部侧壁表面和至少一个用于发射光的辐射开口，其中内部侧壁表面均由基本上延伸遍及(即最大可能程度地)侧壁表面区域的多个LED辐射表面形成。在下文中假设LED是无机固体块体，这是因为目前能够获得具有足够的强度的这种LED。当然，它们也可以是其他的电致发光元件，例如激光二极管，其他的光发射半导体或有机LED，只要它们具有足够高的性能值。因此，在本文中术语“LED”应被理解为各种相应的电致发光元件的同义词。
所提出的配置方案实现了其高亮度，这是因为其不仅自其基底辐射光，而且还自腔室的侧壁辐射光。因此本发明遵循这样的原理，即增加每个光发射单元的基底的光辐射表面，以便于在辐射开口处实现更高的亮度。光直接在辐射开口处辐射，或者在面对的LED辐射表面处或面对的LED元件中反射，直至被发射通过辐射开口。面对辐射表面的LED元件的后侧的反射系数(reflective finish)，使得它们至少部分地是反射的。结果，辐射开口处的亮度高于普通的LED元件。
腔室可以具有使用目前的制造技术可获得的任何形状。然而，出于制造的原因，以及为了易于组装，有利的是，该腔室形成几何体，优选地是简单的几何体，其侧面形成辐射开口。通常，该几何体可以有利地组合，以便于形成包括多个腔室的一致的配置。
从制造和组装的观点出发，平坦表面形状是适当的。因此，优选的是，腔室具有四面体、五面体或者六面体的形状，更优选地，具有平行六面体的形状，特别是立方体的形状，同样，侧面形成辐射开口。该规则的平坦表面体可以容易地组合，以形成多个腔室的阵列。
根据本发明的有利的实施例，该腔室具有立方体设计，并且每个内部侧壁面正好分配给一个LED元件。该立方体形状的腔室可被设计为具有1mm×1mm的侧面尺寸，并且灵活地用作多种应用的基本元件，并且可以以多种组合使用。下文将该基本元件称为“微腔”。
根据本发明的可替换的实施例，腔室具有长方体形状，并且该长方体包括纵向侧面，其中一个用作辐射开口，并且其他的纵向侧面均由多个长的伸长的LED元件形成。LED灯系统的该长方体形状设计主要用于汽车应用。这是因为，由于基底表面的尺寸为1×4mm，该LED灯系统大致对应于传统的车辆头灯的螺旋灯丝的尺寸，由此可以在几乎不改变传统的光学系统的情况下使用根据本发明的LED灯系统。
再一次地，作为到此为止描述的实施例的替换方案，可以以这样的方式选择另一实施例，即腔室具有两个相互面对从而形成V的侧壁。其中面对的V形侧壁也由多个LED元件形成的这种设备，使得可以获得不同于上文提及的实施例的配置。
明智的工艺步骤是，将PC-LED元件所需的荧光物质层对其无损坏地施加到LED的辐射表面上。此外，应使通常对温度敏感的荧光物质同LED的辐射表面热去耦，由此其将不会受到LED操作过程中产生的热的不利影响。因此，有利的是，荧光物质被直接置于LED的辐射表面上或者与其离开一定距离。该距离可以有利地设定为实现磷光体和LED的辐射表面之间的热去耦。
LED元件的光感依赖于施加的荧光物质的层厚度和均匀性。荧光物质的必要的层厚度越均匀，LED元件发射的光就越均匀。因此，有利的是，在载体上提供荧光物质。这使得LED的制造不依赖于荧光物质的施加，或者LED元件的制造工艺与荧光物质的涂覆工艺没有关联。在分立的载体上，可以更加准确地且更加均匀地以所需的层厚度施加荧光物质。这对于LED元件的光感是有利的。此外，具有荧光物质的载体可以放置在腔室中任何所需的位置。其可以位于LED辐射表面和腔室的辐射开口之间的某个位置。
如果LED元件辐射的光，例如蓝光，照射到磷光体层上，并且在该处转换为黄光，则其还根据Lambert辐射图样以无方向性散射的方式辐射。不可能避免黄光也逆着LED灯系统的所需辐射方向向后朝向LED元件辐射，在LED元件处将该黄光吸收。这引起了光效率损失。因此，本发明的另一有利的实施例具有波长滤光器，其优选地是二色性滤光器，其配置在LED辐射表面和荧光物质之间。例如，该滤光器对于自LED元件辐射的蓝光是可穿透的，但是对于黄光则不行。现在，如果蓝光从LED元件射出并且进入磷光体层，此处其入射在荧光体上，该荧光体将该蓝光转换为黄光并且在LED元件的方向上将其反射，则在该处将其吸收之前，其再一次由波长滤光器反射并且在穿透荧光层之后通过腔室的辐射开口离开。这防止了在腔室中吸收已被转换为黄光的蓝光辐射，并因此防止了光损耗。波长滤光器可以有利地用作载体，在其上面施加荧光物质，如上文所述。这可以实现特别紧凑的设计。
而且，根据Lambert辐射图样，每个LED元件以无方向性的方式辐射光。为了使LED元件中由此引起的光效率损耗最小，可以将LED元件的背部设计为反射的。因此，几乎所有由LED元件发射的光将被导向LED辐射表面。
上文提及的示例性实施例专门涉及蓝光LED元件。显然，根据本发明的LED灯系统还可进一步开发以达到使用具有不同波长特性的LED元件的程度。例如，在本发明的灯系统的腔室中，可以使用所谓的RGB LED，用于生成白光，或者可以使用单色LED元件，用于生成任何所需的单色光。而且，利用不同的荧光层，可以考虑LED发射光谱的不同的组合，例如，蓝光或UV。可以使用宽带黄色荧光材料(YAG)与蓝光LED元件的组合，用于生成白光，或者UV-LED元件可以同红色、绿色和蓝色荧光材料组合，用于生成白色、黄褐色或者棕黄色的光，或者与由蓝光LED元件激励的红色荧光材料组合。
如上文已经解释的，LED元件是Lambert辐射体，其发射无方向性的散射光。结果，并非所有来自LED元件的辐射光到达辐射表面。未在辐射表面的方向上发射的辐射主要被吸收掉，并且因此损耗掉。如果使用波长滤光器则可能出现更大的损耗。如果发射的辐射以不利的角度照射到滤光器上，即明显大于或小于90°的角度，则其不能穿透该滤光器，并且因此损耗掉。由于LED元件发射的辐射并非仅仅通过最短垂直的路径传播到滤光器，而是散射并且以不同的角度照射在滤光器上，因此损耗是不可避免的。因此，可能有利的是，将准直器置于LED元件和荧光物质或上游波长滤光器之间。该措施考虑到了LED元件的Lambert辐射特性：准直器聚焦LED元件发射的漫射辐射，因此几乎不会损耗辐射。因此，入射在荧光物质上，并且特别地，入射在滤光器上的辐射是定向辐射。准直器捕获所述的散射辐射，并且将其引导至荧光物质和滤光器，其结果是，提高了各个LED元件的光效率。准直器自身可以直接连接到LED元件或者上文提及的载体。
将LED元件辐射的光引入到荧光物质中再一次地在荧光物质中产生了无方向性Lambert辐射，尽管事先对该引入的光执行了准直。该辐射特性还出现在腔室的辐射开口处。根据本发明的另一有利的实施例，在辐射开口处提供了准直元件。准直元件可以包括另一准直器和/或透镜，其允许有方向性地将辐射引入到次级光学系统中。
如果生成的光不能首先离开LED块体，则在LED自身中可能引起LED元件的光效率损耗，这是因为，由于从厚的材料到薄的材料的不利的折射率，所生成的光在LED元件的块体边缘处全反射。因此，本发明的另一有利的发展方案提出，在辐射表面和荧光物质之间使用基本透明的材料，其减少或者调节LED元件的折射率和荧光材料层的折射率之间的差异。该光学胶合剂可由硅树脂形成，并且使得可以将LED元件中生成的光完全耦合出来。而且，可以使该透明材料的边缘是反射的，以增加效率。
在本发明的另一有利的实施例中，荧光材料包含于或者散布在透明材料中，这允许腔室的紧凑设计。而且，有利的是，透明材料至少部分地填充腔室或者准直器。因此该透明材料为腔室提供更高的稳定性。
根据本发明的LED灯系统不仅适用于其中通过来自LED元件的辐射激励荧光材料的配置。而且，在所描述的LED灯系统中还可以使用已辐射所需颜色的光的LED元件。然而，为了产生对于观察者更加舒适的光感，理想的是，使从LED辐射的光散射。因此，本发明的另一有利的实施例提出了，使用高度透明的不发光粉末，用于使LED辐射的光分散，而非使用前面描述的荧光材料。在不需要荧光材料也可工作的LED元件，例如在用于红色或者棕黄色光的AlInGaP元件的情况下，或者在InGaN-LED元件的情况下，高度透明的不发光粉末，诸如TiO2，提供了(在该情况中)过多的荧光物质的散射效果，并且因此提供了更加均匀的光感。
根据本发明的LED灯系统有利地应用于各种类型的方向性照明中。这包括车辆头灯、投影TV、大图像屏幕或者斑点照明。
借助于非限制性的示例，通过参考下面描述的实施例，本发明的这些和其他的方面是显而易见的，并且将得到更加详细的说明。
附图说明
图1是微腔的截面视图，
图2是如图1所示的微腔的透视图，
图3是具有准直器的可替换的微腔的截面视图，
图4是具有矩形布局的腔的透视图。
具体实施方式
借助于立方体腔室1的示例，在特别简单的实施例中，在图1a说明了微腔所基于的原理。如本发明的腔室1的截面视图由三个LED元件形成，2a、2b。它们的辐射表面3a、3b形成了腔室1的内部侧壁表面。荧光层6施加在辐射表面3a、3b上。腔室1的一个侧面用作辐射开口4。
由LED元件2a、2b之一辐射的光直接进入荧光层6。该光可能在一次或多次反射之后自该处通过辐射开口4离开腔室1。
在腔室1中，不仅仅由一个LED元件辐射光，如同以前的设计，在相同的表面积上，从LED元件2a和与其成直角的LED元件2b辐射光。其主要结果在于，来自LED元件2a的无方向性发射的辐射，即其未直接穿过辐射开口4的部分，至少部分地由侧面安置的LED元件2b或者在其上提供的荧光物质6反射，并且最终通过辐射开口4出射。侧面的LED元件2b和分配给它们的荧光物质6实际上用作辐射开口4的方向上的辐射光的准直器。
而且，LED元件2b自身也辐射光。该光也是无方向性辐射的，并且因此某一部分直接到达腔室1的辐射开口4。剩余的部分在相对的荧光层6处，或者在LED元件2b处，或者在LED元件2a的对应的部分处反射。因此，除了对LED元件2a辐射的光有准直效果之外，侧面安置的LED元件2b生成的光通过辐射开口4。这导致了在腔室1的辐射开口4处的亮度数倍于具有相同的表面积的传统LED的亮度。
图1b示出了图1a所示的立方体腔室1的另一发展方案。二色性滤光器5被配置在每个LED元件2a、2b和荧光层6之间。其被直接配置在辐射表面3a、3b上。滤光器5被设计为半反射的，并且仅反射黄光，而对于蓝光是可穿透的。因此黄光被直接反射，以便于尽可能快地辐射离开腔室1。这防止黄光在腔室1中被吸收，并且因此防止腔室1的光输出的损耗。可替换地，并且出于相同的目的，可以使用这样的滤光器，其仅通过从LED元件2a、2b传播到荧光层6中的光，而在宽的频率范围(包括蓝光和绿光)中的在相反的方向上传播的光，则不能通过，而是被反射。
图2在透视图中示出了如图1所示的腔室1。作为对图1中的截面视图的补充，这里可以看到基板7，在其上面配置了LED元件2a(在该视图中不可见)，并且其用作载体以及LED元件2a的散热器。对于其他的LED元件2b也提供了相应的基板，但是出于使说明清晰的目的，这里将其略去。
图2中的视图是近似从辐射开口4的方向截取的腔室1的透视图。其清晰地示出了现在有五个辐射表面3a、3b在例如1mm×1mm的传统LED的表面区域上会合，而非该尺寸的一个辐射表面。尽管它们不一定在辐射开口4处生成五倍的光量，但是它们确实生成了数倍于现有技术的光量。
LED元件中的光效率损耗的一个原因是它们的Lambert辐射特性。通常，仅利用大致垂直于LED元件的平面发射的光辐射。作为吸收的结果，在其他的方向上无方向性地辐射的剩余的辐射大部分损耗掉。如果LED元件2a、2b发射的辐射以不利的角度入射在滤光器5上，则在滤光器5处出现其他的损耗。图3示出了一实施例，其中出于该原因，将一个准直器8直接放置在每个LED元件2a、2b处，该准直器在辐射表面3a、3b的方向上聚焦LED元件2a、2b发射的辐射。准直器8不仅将生成光的几乎全部的量导向辐射表面，而且以使其几乎完全通过滤光器5的方式引导辐射。
用作微腔的腔室1的原理可以按照需要变化。图4中示出了该变化方案的一个示例。相比于腔室1，该图的腔室10在横向方向中延伸约四倍。结果，辐射开口4具有1mm×4mm的表面积。为了说明该长度比，将荧光层细分为四个间隔的部分12，然而其还可被设置为连续的层。相反地，LED元件13，其形成了腔室10的长的侧面并且被示为单片，也可以由四个独立的LED元件组成。类似于图2，作为示例示出了的基板14，在其上面配置了一个LED元件(在该视图中不可见)，并且原则上为所有其他的LED元件配置基板。
具有尺寸为1mm×4mm的辐射开口4的腔室10，大致对应于车辆头灯的传统灯设备的螺旋灯丝的尺寸。因此，腔室10可以有利地用于传统的光学系统中，同时至少在尺寸方面不需要调节后者。
总而言之，应当再一次指出，附图和描述中说明的这些系统和方法仅是实施例的示例，在不偏离本发明的构架的前提下，其在很大程度上可由本领域的技术人员修改。而且，应当指出，出于完整性的目的，不定冠词“一个”的使用并未排除多个相关项的存在。

Claims (17)

1.一种具有多个LED元件的LED灯系统，包括腔室(1)，该腔室(1)具有多个内侧壁面和用于从该腔室(1)发射光的辐射开口(4)，其中所述内侧壁面均主要由多个LED辐射表面(3a、3b)形成。
2.权利要求1的LED灯系统，其特征在于，腔室(1)是几何体，其侧面形成了辐射开口(4)。
3.权利要求2的LED灯系统，其特征在于，腔室(1)是四面体、五面体或者六面体形状，腔室(1)的侧面形成了辐射开口(4)。
4.权利要求3的LED灯系统，其特征在于，腔室具有立方体设计，并且每个内侧壁面恰好被分配给一个LED元件(2a、2b)。
5.权利要求3的LED灯系统，其特征在于，腔室(1)具有长方体形状，并且所述长方体包括纵向侧面，所述纵向侧面之一用作辐射开口(4)，并且其它纵向侧面均由长的伸展的LED元件(13)形成。
6.权利要求3的LED灯系统，其特征在于，腔室(1)具有长方体形状，并且所述长方体包括纵向侧面，所述纵向侧面之一用作辐射开口(4)，并且其它纵向侧面均由由多个LED元件形成。
7.权利要求3的LED灯系统，其特征在于，该腔室具有两个相互面对的侧壁，它们相对于彼此布置为V形图案。
8.前面权利要求1-7中任何一个所述的LED灯系统，其特征在于，在LED辐射表面(3a、3b)之一上直接提供荧光物质(6)。
9.前面权利要求1-7中任何一个所述的LED灯系统，其特征在于，在LED辐射表面(3a、3b)之一前面的一定距离处提供荧光物质(6)。
10.如权利要求9所述的LED灯系统，其特征在于，荧光物质(6)被提供在载体上，所述载体位于腔室(1)中所述LED辐射表面(3a、3b)之一与所述辐射开口(4)之间。
11.权利要求10的LED灯系统，其特征在于，在辐射表面(3a、3b)和荧光物质(6)之间配置波长滤光器(5)。
12.权利要求11的LED灯系统，其中所述波长滤光器(5)是二色性波长滤光器。
13.权利要求1-7中任何一个所述的LED灯系统，其特征在于，使用具有不同波长特性的LED元件。
14.权利要求9所述的LED灯系统，其特征在于，准直器(8)被配置在LED元件(2a、2b)和荧光物质(6)之间。
15.如权利要求11中所述的LED灯系统，其特征在于，准直器(8)被配置在LED元件(2a、2b)和波长滤光器(5)之间。
16.权利要求1-7中任何一个所述的LED灯系统，其特征在于，配置高度透明的不发光粉末，用于使至少一个LED元件辐射的光分散。
17.使用权利要求1-7中任何一个所述的LED灯系统，用于生成定向照明。
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