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CN101467270B - 发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发光装置(101)，该发光装置(101)包括组合了波长变换陶瓷(106)和准直光学组件(110)的蓝光光源，例如LED(102)。例如，通过胶粘物或插入塑模，陶瓷(106)由光学组件(110)机械地支撑。光源(102)和变换器(106)之间的中间缝隙优选地填充以像硅树脂这样的材料。

Description

发光装置
技术领域
本发明涉及一种包括发光二极管(LED)的发光装置以及用于制造这种发光装置的方法。
背景技术
对于很多应用而言，包括LED的发光装置正快速地赢得越来越多的重要性，且已经为它们提出了各种各样的设计。例如通过引用结合到本申请中的WO 2005/109529A1描述了一种LED被嵌入在透明材料中且放置在反射式准直器的焦点上的设计。然而，如果需要保持小的容差，这种装置以及类似设计的生产是相当难的。而且，需要允许产生白光发射的发光装置。
US 2004 159900公开了一种发光装置，该发光装置具有LED芯片和嵌入在透明“灌封材料”中的波长变换器。
这种固体陶瓷波长变换器已经在文献中有所描述(KIM等人：“The effects of substrates and deposition parameters on the growingand luminescent properties of Y3Al5O12:Ce thin films”OPTICAL，MATERIALS，ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V.AMSTERDAM，NL，vol.28，no.6-7，(2006)，pages 698-702)。
DE 10349038 A1公开了包括直接贴附到LED光源的陶瓷磷光剂的陶瓷体。
WO 2006 034703公开了一种包括其中嵌入了发光变换材料的透明外壳支架的光电子组件；在外壳支架的凹陷部，布置了LED芯片，该LED芯片可选地通过硅树脂材料耦合到外壳支架。
EP1418628A1公开了一种包括透明光学构件的发光装置，该透明光学构件具有布置在其上且与LED分开的集成荧光构件。在某些实施例中，该透明光学构件通过内部反射部分地重定向光。
US2004 257797公开了一种发光装置，该发光装置包括LED元件和嵌入了变换部分的透明主体。
透明环氧树脂被嵌入到LED芯片和具有磷光剂的区域中的发光装置还在SAKUMA K.等人的文献(“Warm-white light-emitting diodewith yellowish orange SiALON ceramic phosphor”，OPTICSLETTERS，OSA，WASHINGTON，DC，US，vol.29，no.17，(2004)，pages2001-2003)中得到描述。
JP 2000 022222公开了一种LED，其中变换元件通过LED芯片的金属接触引脚支撑。
EP 1691425和WO 2005 053041公开了一种发光装置，其中LED芯片被安装在凹陷部且所述凹陷部被变换元件覆盖。而且，提供透镜元件以产生所需的光分布。
发明内容
基于这种背景，本发明的一个目的是提供一种比较容易制造、鲁棒且能产生宽的、特别是白光发射谱的发光装置。
根据本发明第一方面的发光装置和根据本发明第二方面的方法实现该目的。本发明的其它方面公开了优选实施例。
根据本发明的发光装置包括以下组件：
-光源，尤其是蓝光光源或UV光源。
-固态波长变换器，用于将所述光源发射的光变换到不同的波长。该波长变换器尤其可以包括发光材料，该发光材料通过来自光源的光激励，且再次发射被吸收的能量作为不同波长的光。在来自光源的所有光没有被全部捕获且被变换器变换的情况下，发光装置的整体发射谱于是将包括光源的原始光，这拓宽了光谱。在UV发光光源的情况下，所有的辐射都将被吸收。
-具有反射表面的光学组件，用于重定向变换器发射的光到所需的方向以离开装置，其中所述变换器通过所述光学组件被机械地支撑。
在所述发光装置中，变换器和光学组件组合成一个机械链接的稳定结构。这两个组件的相对布置因此具有很小的容差，这有利于进一步的装配且得到较高精确度的产品。而且，这种结构可以与总发光装置分离制造，通过预测试该部件允许最佳供给链和优化制造的装置。
优选地，发光装置能够发射尤其具有2000至6000 K范围中的相干色温(CCT)的白光。通过光源和变换器的适当选择，例如通过组合蓝色光源与Lumiramic变换器(Lumiramic变换器在US2005/0269582A1中描述，结合到本申请中作为参考)，实现白色光谱的发射。
变换器可以优选地是陶瓷材料，例如上述Lumiramic材料。
存在不同的方法将变换器机械耦合到光学组件。在一个优选变型中，经由中间材料例如(透明)胶状环氧树脂实现这一点。在这种情况下光学组件和变换器一般是分离的预制造的结构，它们然后通过最初液态的中间材料链接，所述最初液态的中间材料在其应用之后固化或硫化。
在另一变型中，变换器通过分子黏附机械地耦合到光学组件。这尤其可以通过环绕预制的固态变换器塑模光学组件的塑料实现。
在本发明的另一发展中，像硅树脂这样的透明填充材料填充光源和变换器之间的缝隙。因而，可以获得好的光学耦合且组件的定位中的剩余容差可以被补偿。
尽管光学组件的主要功能是重定向离开变换器的光到优选方向，但它还可以包括部分地环绕光源和/或变换器的反射表面。因而，在背面或侧面方向离开光源或变换器且一般将丢失的光被捕获，且被送回以贡献于装置的有用光输出。可选择地或附加地，如果光学应用寻求这种构造，还可以包括光吸收表面和/或漫射表面。
光学组件的设计依赖于发光装置的期望应用。优选地，光学组件包括重定向来自焦点区域的光到与装置的光轴平行的主方向的准直部件。
发光装置还可以包括透镜以用于将发射的光重定向到所需的方向且用于修整发射的光束。透镜可以是分离的组件或集成到光学组件中。
发光装置的光源原则上可以通过任意合适的技术实现。优选地是蓝光或UV光源。而且，有利地，它可以由作为容易获得的固态光源的发光二极管(LED)和/或激光或类似的光源(例如，VCSEL(垂直腔面发射激光器)或VECSEL(垂直外部腔面发射激光器))实现。
本发明还涉及如上所述的发光装置的制造方法，其中所述方法包括以下步骤：
a)将固态波长变换器作为插件放置到模具中。将变换器固定在模具中不会产生什么问题，这是因为变换器背面(面对最终发光装置的光源)和变换器正面(朝向最终发光装置的发射方向)必须保持自由且因而在塑模工艺中可以被夹持器接触。这也可以通过使用辅助胶带塑模工艺实现。
b)环绕所述插件(即变换器)注塑模材料，尤其是像环氧、LCP(液晶聚合物)等的某些塑料材料，其中所述材料形成光学组件。因而，在注入材料固化之后，将产生包括变换器和光学组件的合成部件。可选地，在固化之后，如有需要，注入材料的表面可以覆盖有反射、漫射或吸收层。
c)将包括变换器和光学组件的上述合成部件与光源以及可选地发光装置的其他部件装配在一起。
上述制造方法具有两个主要优点：首先，使用最小尺寸的容差实现了变换器和光学组件之间的机械鲁棒链接，其次，所述链接容易与无论如何必须完成的光学组件的注模同时制造。
本发明的这些和其他方面将从此后描述的(多个)实施例显现且将参考此后描述的(多个)实施例得到阐述。在附图的帮助下，以举例的方式描述这些实施例，附图中：
附图说明
图1示意性示出了根据本发明的发光装置的第一实施例的剖面图，其中陶瓷变换器被粘合到光学组件；
图2示意性示出了根据本发明的发光装置的第二实施例的剖面图，其中环绕陶瓷变换器塑模光学组件。
附图中相差100的参考数字表示相同或相似的组件。
具体实施方式
由于像高效率和可调节色温这样的优势特征，LED发光装置被越来越多地使用。然而，LED在很多方面不同于常规的电灯泡。这意味着诸如机动车光源设备制造者这样的光源制造商必须学习以掌握新的技术，以能够使用LED工作。而且，因为LED的产品寿命短且几乎没有任何标准，所以对于每个新的产品，都需要大量的开发努力和时间。这些问题可以通过使用LED模块改善：LED配置成具有某些功能以与系统的其余部分具有良好定义的机械、电学、光学和热学连接。尽管LED内部可能改变，但接口可以做成遵循某些标准。
而且，在微观“操纵”LED发光装置发射的光可能是重要的。这意味着，例如，非常接近光源地完成准直和截止(对于前发光应用的情况)。这对于像扩展(etendue)这样的方面而言是有利的。在下文中，术语“微光元件”将用于微观的相关光学元件。
可以以两种方式使用LED产生白光：红光、绿光和蓝光LED的组合或覆盖有蓝光或UV LED的黄色磷光剂。在后面一种情况下，磷光剂可以被透明或半透明陶瓷代替。在下面提出的设计中，这种陶瓷变换器将用于从LED、尤其是所谓的Lumiramic瓦提取光。Lumiramic瓦是陶瓷磷光剂变换器板，其将蓝光LED的蓝光变换成其他颜色，例如黄光或红光，且显示出优于常规磷光剂的优点。Lumiramic瓦与主要光学元件(准直器)的组合允许以较少的制造步骤制备更有效的系统，其中偏向于在十分靠近LED的地方发生颜色变换。而且，Lumiramic瓦将优选地具有与LED相同的大小以维持扩展。
现在，提出的设计基本思想是使得光学组件或微光部件与陶瓷变换器板相组合。这具有多重目的：
-两个元件(微光元件和陶瓷变换器板)仍被使用。
-与LED顶上的陶瓷变换器板的通常附着相关的问题被避免(这种附着通常使用折射率匹配光学材料实现，通常是几乎没有强度的硅树脂状材料，所以可能导致弱的振动行为)。
-组合的微光元件和陶瓷变换器板可以制作为半成品，使得光学部件的最后组装较为容易且允许预测试该半成品。
-微光元件可以这样制作，使得它帮助防止陶瓷变换器板的某些缺点，诸如来自板的边发射(即，微光元件将捕获和反射边发射的光到所需的方向)。
-而且，组合的微光元件和陶瓷变换器板可以以这种方式设计：变换器板和LED都被保护不受环境影响且防止在组装中的进一步处理过程中被错误地使用。
-在LED芯片和主要光学元件或微光元件的通常布置中，通常存在精度问题导致的不对准和光学损耗。缝隙导致光学损耗：并不是来自LED的所有通量都被捕获和/或光所来自的表面积增加，导致较低的亮度。物理上连接不同部件给出了消除某些缝隙的可能性。
图1在这方面示出了根据上述概念的发光装置1的第一实施例。该发光装置的中心元件是位于基板3上的发射蓝光的LED 2，所述基板3是像装配有金属走线的陶瓷绝缘基板这样的基板或任意其他合适的基板类型。LED被光学组件10(“微光元件”)环绕，该光学组件在其上方的成形部分中用作准直器，用于定向发光装置发射的光到光轴A的主要方向。为此，光学组件10包括侧向反射表面11。
发光装置1还包括Lumiramic瓦作为波长变换元件6。变换器6吸收LED发射的光的一部分且使用不同(较长)的波长再发射。因而，发光装置1发射的整体光谱被扩展，且尤其可以实现白光发射。
变换器6通过粘合材料5的小滴或连续轮缘刚性地耦合到光学组件10。
LED 2、变换器6和光学组件10之间的空隙填充以透明填充材料4，例如硅树脂。因而，实现了紧密光学耦合且最小化光学损耗。
光学组件10还包括分别环绕变换器6和LED 2的侧面的反射表面11、12和13。这些表面将具有镜面反射且通过重定向边发射返回到LED或变换器帮助最小化光损耗。
图2示出了根据本发明的发光装置101的可选实施例，其中与图1中相似的组件具有增加了100的相同参考数字。
如上所述，发光装置101包括基板103(在这种情况下具有中间底座105)上的LED 102、陶瓷变换器106(例如，Lumiramic)和包括具有反射表面111的准直器的光学组件110。而且，光学组件110包括环绕变换器106的反射表面112以最小化所述边的光损耗。
与图1对照，发光装置101的光学组件110具有与变换器106的直接机械接触。光学组件110通过注模产生，其中陶瓷变换器106被置入模具中，使得它能够“过塑模”(插入塑模的Lumiramic部件)。这会消除准直器110和变换器106之间的物理缝隙。这些装备然后可以机械地附接到模块的其他部件。
光学组件110的准直器功能用于扩展关键光学系统。然而，依赖于希望准直的程度，准直器的长度可以变得不太切合实际的大。通过组合小的准直器和透镜，设置的长度可以保持在极限内。小的准直器然后被称为主光学元件且透镜被称为辅助光学元件。
为保护系统免受热机械应力的影响，硅树脂轴枕104可以布置在LED 102和变换器106之间以给出系统某些膨胀空间。
通过如图1和图2所示种类的单个注模部件，可以实现LED发光装置的下面的功能：
-具有一个或多个面的反射准直器杯的光学功能；
-由经由硅与LED基板相连的Lumiramic瓦提供的外耦合功能。
以所示方式建立光源模块允许减小模块部件的数目，以优化LED芯片的光的提取，且简化其装配。所述设计的可能应用是机动车前灯，但一般发光中的其他应用领域当然也是可行的。
最后，需要指出，在本申请中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个，且单个处理器或其他单元可以满足若干装置的功能。本发明体现在每一个新颖特性特征中且体现在每一个特性特征组合中。此外，权利要求书中的参考符号不应理解为限制了它们的范围。

Claims (12)

1.一种发光装置，包括：
光源，其安装在基板上；
固态波长变换器，其用于将所述光源发射的光变换成不同的波长；
光学组件，其用作反射准直器并且围绕所述光源，并且其具有反射表面，用于重定向所述固态波长变换器发射的光到预期方向以离开所述发光装置，并且防止所述固态波长变换器发射的光通过所述反射准直器；所述反射准直器从所述基板向上延伸高于所述光源从而将光重定向和准直到所述预期方向；所述反射准直器在所述光源周围延伸高于所述光源从而捕获由所述光源发射的光；
所述反射准直器收集在所述光源周围发射的光，并且，在发射离开所述发光装置的所述预期方向上，所述反射准直器不在所述固态波长变换器上方延伸；
其中所述固态波长变换器由所述光学组件机械地支撑以与所述光学组件一起形成分离的、机械链接的结构；以及
其中所述反射准直器机械地支撑和支持所述固态波长变换器并且延伸高于所述固态波长变换器，以及所述反射准直器进一步与所述光源发射的光光学对准从而反射由所述光源发射的通过所述固态波长变换器的光。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置用于发射白光。
3.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述固态波长变换器是陶瓷。
4.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述固态波长变换器经由中间材料机械地耦合到所述光学组件。
5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述中间材料是胶粘物。
6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述固态波长变换器通过分子黏附机械地耦合到所述光学组件。
7.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，透明填充材料填充所述光源和所述固态波长变换器之间的缝隙。
8.根据权利要求7所述的发光装置，其特征在于，所述透明填充材料是硅树脂。
9.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光学组件包括部分地环绕所述光源和/或固态波长变换器的反射、漫射和/或吸收表面。
10.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述发光装置包括透镜。
11.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光源包括蓝光光源、UV光源、发光二极管、激光器、VCSEL和/或VECSEL。
12.一种用于制造根据权利要求1所述的发光装置的方法，包括以下步骤：
a)将固态波长变换器作为插件放置到模具中；
b)环绕所述插件注模材料，其中所述材料形成所述发光装置的光学组件；
c)将在步骤b)中获得的合成部件与光源以及可选地与其他部件组装在一起。
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