CN1981157A - 使用固态发射器和降频转换材料的高效光源 - Google Patents

使用固态发射器和降频转换材料的高效光源 Download PDF

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Abstract

一种发光设备包括：发射光的光源；降频转换材料，用于接收发射光和将发射光转换为透射光和向后传输光；以及光学装置，被构造成接收向后传输光和将向后传输光传送至光学装置之外。光源是半导体光发射器，其可以包括发光二极管(LED)，激光二极管(LD)，或谐振腔发光二极管(RCLED)。降频转换材料包括荧光体及用于在某一光谱区域内吸收光而在另一光谱区域内发射光的其它材料中的一种。光学装置或透镜包括光透射材料。

Description

使用固态发射器和降频转换材料的高效光源
相关申请
本申请要求2004年5月5日提交的美国临时申请60/568,373和2004年12月15日提交的美国临时申请60/636,123的优先权，这两个专利申请的内容结合于此引作参考。
背景技术
固态发光装置，包括具有发光二极管(LED)和谐振腔发光二极管(RCLED)的固体灯，是非常有用的，因为它们潜在地提供了与传统的白炽灯和荧光灯相比更低的制造成本和更长期的耐用性。由于它们工作(发光)时间长耗能低，固态发光装置常常提供功能成本收益，即使它们的起初成本高于传统灯。因为可以采用大规模半导体制造技术，所以很多固体灯可以在极低的成本下生产。
除了应用于家庭电器和消费电器，音像设备，通讯装置和汽车仪表标识上的指示灯之外，LED还被发现相当多地应用于室内和户外信息显示器中。
随着发射蓝光或紫外光的高效LED的发展，生产产生白光的LED开始成为可能，其通过将LED的一部分原发射光(primaryemission)荧光转换成为较长波长的光以产生白光。将LED的原发射光转换为较长的波长通常被称为原发射光的降频转换(downconversion)。原发射光中没有被转换的部分和较长波长的光结合产生白光。
LED一部分原发射光的荧光转换是通过在被用来填满反射杯的环氧树脂中放置荧光体层实现的，反射杯罩住LED灯内的LED。荧光体是粉末形式，在环氧固化之前与环氧混和。包含荧光体粉末的没有固化的环氧树脂浆即被沉积在LED上随后被固化。
已经固化的环氧树脂中的荧光体颗粒通常任意散布充满整个环氧树脂。LED发射的一部分原始光穿过环氧树脂而没有撞击到荧光体颗粒，LED发射的另一部分原始光撞击到荧光体颗粒，促使荧光体颗粒发出耀眼的光。原始蓝光和荧光体发射的光结合产生白光。
在可见光谱区域，现有的LED技术效率低下。单个LED的发光量低于已知的白炽灯的发光量，白炽灯占可见光谱区域中效率的大约10％。具有相当发光量能量密度的LED装置必须需要更大的LED或包含多个LED的新设计。而且，必须引入一种直接进行能量吸收冷却的形式以处理LED装置自身内部的温度升高。更特殊地，LED装置当被加热到高于100℃的温度时效率变得更低，导致了可视光谱区域中的衰减返回。对于某些荧光体，当温度增加到高于大约90℃的阈值温度时，荧光体自身的转换效率戏剧性地衰减。
授予Wojnarowski等人的美国专利No.6,452,217提出了一种大功率LED灯或复合LED灯的设计，以用于发光产品和从发光产品中排除热的热源中。它具有被设置于多维阵列中的LED晶片。每个LED晶片都具有用以产生白光的半导体层和荧光体材料。反射器将从每个晶片发来的光收集并聚焦生成近似的大功率LED灯。该专利的图12中阐明了沿一定角度的射线轨迹路径发射光线的多侧面阵列。该专利的图19中阐明了有角度的LED灯顶部。
授予Baretz等人的美国专利No.6,600,175和Baretz等人提交的美国专利申请No.2004/0016938提出了一种产生白光的固态发光装置。美国专利申请No.2004/0016938是美国专利No.6,600,175的继续申请。固态发光装置产生较短波长的射线，射线被传输到发光介质上进行降频转换以产生白光。在该专利的图2和图6中，LED和发光介质被隔开。在图6中，例如，较短波长的射线光，优选蓝光波长至紫外光波长范围内的射线光，从固体装置82中发射出来。当发光介质90撞击到较短波长射线时，即被激励发生反应发射出具有在可视光谱区域波长范围内的波长的射线以产生白光。
授予Mueller-Mach等人的美国专利No.6,630,691提出了一种包括荧光转换基板的LED装置，荧光转换基板将LED的发光结构发射出的一部分原光转换为一种或多种波长的光，再与未被转换的原光结合产生白光。如该专利中图2所示，反射电极21被布置于LED表面上。LED发射的一部分原光撞击到发射电极21，发射电极将原光通过LED和基板发射回去。传播进入基板的一部分原光被转换为黄光一部分没有被转换。当这两种类型的光被基板发射出来时，它们结合在一起产生白光。使用反射电极通过保证进入基板的原始光量达到最大值提高了LED装置的效率。
Muller-Mach等人提交的美国专利申请No.2002/0030444，以美国专利No.6,696,703授予Muller-Mach等人，提出了一种薄膜式荧光转换LED结构。该专利中图2示出了LED 2和LED 2表面上的荧光体薄膜21。LED发出的蓝光撞击到荧光体薄膜21。一部分光穿过荧光体21而一部分被吸收并被转换成从荧光体21上发射出来的黄光。蓝光和黄光结合形成白光。在该申请的图3中，反射垫25位于LED 2的表面上。从LED 2发出的光被反射垫25反射回来通过LED 2进入荧光体21。然后光被结合，如该专利中图2所示。该专利中图4利用两个荧光体薄膜31、33，通过基板13，两个薄膜被与LED 2分开。薄膜31发射红光。薄膜33发射绿光。LED 2发射的蓝光穿过将红光和绿光结合产生白光的薄膜31、33。在该申请中图5的实施例中，LED装置50包括多个荧光体薄膜37和38。介质镜36被放置于薄膜37和基板13之间。介质镜36对从发光结构2发射的原始光来说是完全透明的，但对荧光体薄膜37和38发射的波长来说是高反射性的。
Okazaki提交的美国专利申请No.2002/0030060提出了一种提供有紫外线发光元件和荧光体的白光半导体发光装置。荧光体层具有蓝光发光荧光体和黄光发光荧光体，两种荧光体被混和扩散在一起。发光装置3位于反射罩5内。在该申请中图2、4和8的应用中，荧光体层6被形成于远离发光元件3的位置。图2的应用中示出了形成于密封构件7内的荧光体层6。密封构件7由透明树脂制成。在图4和图8的应用中，荧光体层被形成于密封构件7的表面上。
Brukilacchio提交的美国专利申请No.2002/0218880提出了一种LED白光光学系统。如该申请图1的应用中，光学系统100包括LED光源110，光学滤波器120，反射器130，荧光体层135，聚光器140，第一照明区150，第二照明区170，以及驱热器190。光学滤波器120包括反射相关色温(CCT)范围和传输相关色温(CCT)范围。反射相关色温(CCT)范围内的光能被禁止通过光学滤波器120(例如，通过反射)。从位于光学滤波器120的反射范围内的荧光体层后表面137进入光学滤波器前表面121的光能被反射回荧光体层135中。光学滤波器120的传输相关色温(CCT)范围内的光能通过滤波器120传输并与反射器130相互作用。
反射器130为反射性光学元件，被设置为用于将从LED光源后表面112发出的光能反射回LED光源110。光能和光学材料相互作用，且一部分光能离开LED前表面111并与光学滤波器120相互作用。然后光能继续进入荧光体层，以对从荧光体层后表面137发射出的光能提供重复地压缩循环处理。这种重复处理捕获光能，否则光能会丢失。聚光器140捕获从荧光体层前表面136发射出的光能。
Mueller-Mach等人提交的美国专利申请No.2002/0003233，以美国专利No.6,501,102授予Mueller-Mach等人，提出了一种LED装置，其可以对从LED装置的发光结构发出的基本上所有原射线执行荧光转换功能以产生白光。LED装置包括至少一个荧光转换元件，其被设置为用于接收和吸收发光结构发射出的基本上全部原始光。荧光转换元件发射第二和第三波长的二次光，两者结合产生白光。有些实施例使用发光结构表面上的反射电极，有些则不使用。在使用反射电极21的实施例中(图2、3、6、7的应用中)，基板将发光结构与荧光体层分开。也就是说，发光结构位于基板一侧，而荧光体层被放置于基板另一侧。在不使用反射电极的实施例中(图4、5的应用中)，荧光体层被放置于发光结构的表面上。
授予Mueller等人的美国专利No.6,686,691提出了一种用于产生白光的三色灯。该灯使用蓝光LED和红光荧光体和绿光荧光体的混和物以产生白光。如图3所示，灯20包括被放置于反射杯28内的LED 22。LED 22发射由线26指示的光带内的光，而荧光体混合物24被布置于该光带中。可以看到，从LED 22发射出的一些没有被吸收的光从反射杯28的壁上反射回荧光体混合物24。如果光被反射到没有被原始光带覆盖的空间，反射杯28可以改变光带26。反射杯的壁可以是抛物面形状。
授予Soules等人的美国专利No.6,252,254和No.6,580,097，提出了一种被荧光体覆盖的LED或激光二极管。专利No.6,580,097是专利No.6,252,254的一部分。更特殊地，该专利公开了一种被包含荧光体的涂层覆盖的蓝光发光LED。包含荧光体的涂层包括绿光发光荧光体和红光发光荧光体。绿光和红光发光荧光体被蓝光发光二极管激励。
授予Marshall等人的美国专利No.6,513,949，授予Marshall等人的美国专利No.6,692,136，以及Marshall等人提交的美国专利申请No.2002/0067773提出了一种LED/荧光体/LED混和发光系统。专利No.6,692,136是专利No.6,513,949的继续申请。专利申请No.2002/0067773以专利No.6,692,136被授权。如图1A所示，LED 10包括安装在被填满透明环氧树脂13的反射金属盘或反射器12内的LED晶片。图1B示意性描述了与图1A中的LED结构基本相同的典型的荧光体-LED 14，除了填满反射器16的环氧树脂18包括一种或多种类型的发光荧光体材料均匀混和成的颗粒19之外。荧光体颗粒19将从LED晶片15发射出的一部分光转换为不同光谱波长的光。系统允许通过改变LED的颜色和数目，和/或荧光体-LED的荧光体来设置和优化不同的自认为很重要的发光系统性能参数。
授予Mueller-Mach等人的美国专利No.6,603,258提出了一种通过将原蓝绿色光与被荧光转换成的略带红色光结合以产生白光的发光二极管装置，LED被安装于被填满荧光转换树脂的反射杯内。LED发射出的原射线撞击到荧光转换树脂。撞击到树脂的一部分原射线被转换为略带红色的光。原射线中没有被转换的部分穿过树脂与略带红色的光结合产生白光。
授予Srivastava等人的美国专利No.6,616,862提出了一种与铕和锰离子共同激活的卤磷酸盐发光材料。该专利中图3公开了一种安装在具有与LED相邻的反射表面140的杯120内的LED。实施例包括内部散布有荧光体颗粒200的透明容器160。可替代地，与粘结剂混和在一起的荧光体可以被用作LED表面的涂层。从LED发射出的没有被荧光体吸收的一部分蓝光和从荧光体发射出的广谱光结合以提供白光光源。
授予Shimazu等人的美国专利No.6,069,440、6,614,179和6,608,332提出了一种包括转换从发光部件发射出的光的波长并发射光的荧光体的发光装置。这些专利还公开了一种使用被布置于阵列中的多个发光装置的显示器装置。这些专利都是相互关联的，因为它们出自同一原申请。
授予Ishii等人的美国专利No.6,580,224提出了一种用于彩色液晶显示器装置的背后光，以及用于彩色液晶显示器装置背后光的场致发光元件。
Schlereth等人提交的美国专利申请No.2002/0167014，以美国专利No.6,734,467授予Schlereth等人，提出了一种具有半导体LED的LED白光光源，该半导体LED基于至少部分被透明材料制成的包胶环绕的氮化镓(GaN)或铟氮化稼(InGaN)。透明材料包括转换器物质，用于LED发射光的至少部分波长转换。LED具有多个发光区域，通过这些发射区域，相对宽带光放射光谱产生能量高于转换器物质的放射光谱。
在Journal of Light and Visual Environment 27(2)：(2003)刊登的，作者为Yamada K.、Y.Imai和K Ishii，标题为“由蓝光发光二极管和YAG荧光体组成的光源装置的光学模拟”的文献中，公开了一种利用从荧光体上的反射光作为从由LED和荧光体组成的光源获得高发光量的一种有效方式。
发明内容
为了满足这样那样的需要，并且考虑到它的目的，本发明提供了一种发光设备，其包括：发射光的光源；降频转换材料(downconversion material)，用以接收发射光并将发射光转换为透射光(或称作传输光或向前传输光)和反射光(或称作向后传输光)；以及光学装置，其被设置为用于(a)收集和传递发射光到降频转换材料上，并(b)接收反射光并将反射光传递到光学装置外侧。
根据本发明的一方面，光源是半导体光发射器，其包括发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、谐振腔发光二极管(RCLED)之一。
根据本发明的另一方面，降频转换材料包括适于在某一光谱区域内吸收光而在另一光谱区域内发射光的荧光体及其它材料中的一种。
根据本发明的另一方面，光学装置包括具有光透射(光传输)性能的透镜和光导中的至少一种。
根据本发明的另一方面，光源被布置成与光学装置的第一端相邻。
根据本发明的另一方面，降频转换材料被布置成与光学装置的第二端相邻，且第二端与第一端相反。
根据本发明的另一方面，光源可以包括多个半导体光发射器。
根据本发明的另一方面，收集装置可以被包括，用于收集被传递到光学装置外侧去的反射光。收集装置可以是反射器。
本发明的另一示例性实施例包括另一发光设备，其具有包括光透射材料的圆柱形光学元件(cylindrical optic)；被布置于圆柱形光学元件内的光发射源；以及被布置于圆柱形光学元件内中间部分的降频转换材料，用于对光发射源发射来的光实现透射及反射两种功能中的至少一种。
根据本发明的另一方面，光发射源为半导体光发射器，其包括发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、谐振腔发光二极管(RCLED)之一。
根据本发明的另一方面，光发射源被布置成与圆柱形光学元件的一侧面端部相邻。
根据本发明的另一方面，光发射源可以包括第一和第二发射源，两者被相互隔开并都被布置成与圆柱形光学元件的一侧面端部相邻。
根据本发明的另一方面，降频转换材料包括适于在某一光谱区域内吸收光而在另一光谱区域内发射光的荧光体及其它材料中的一种。
根据本发明的另一方面，降频转换材料被大体平行于圆柱形光学元件的纵向轴线布置。
附图说明
如果连同附图一起阅读，本发明可以从下面详细的介绍中得到很好的理解。必须强调，根据惯例，附图的各种特征都不符合比例。相反，为清楚起见，各种特征的尺寸都被任意地扩大或缩小了。附图包括：
图1为说明一种类型的荧光体(YAG:Ce)的反射和透射光谱分布的相对输出与波长关系的图表；
图2为根据本发明示例性实施例的使用固态发射器降频转换材料的高效光源；
图3为图2中示出的高效光源的底部部分的截面图；
图4举例说明了根据本发明另一示例性实施例的使用多个固态发射器和降频转换材料的另一高效光源；
图5A为根据本发明另一示例性实施例的使用固态发射器降频转换材料的高效光源的另一实施例；
图5B为图5A中示出的高效光源的截面图；
图6举例说明了根据本发明示例性实施例的使用固态发射器降频转换材料的另一高效光源；
图7描述了环绕图6中示出的高效光源的反射器，用以改变从光源发射出的光线方向；
图8A至图8E举例说明了根据本发明的不同示例性实施例的被直接放置于示例发光源上面的光学元件，或光学透镜的各种几何形状；
图9A示出了根据本发明示例性实施例的具有多个高效光源的装置，高效光源使用放置于灯管上面的用以改变光源发射光方向的固态发射器降频转换材料；
图9B为图9A中示出的装置的截面图；
图10A举例说明了根据本发明示例性实施例的具有多个高效光源的另一装置，高效光源使用放置于灯管边缘周围的用于改变光源发射光方向的固态发射器降频转换材料；
图10B为图10A中示出的装置的截面图；
图11举例说明了根据本发明示例性实施例的被设置为用于被反射器和高效微透镜散射体环绕的另一高效光源；
图12举例说明了根据本发明示例性实施例的另一高效光源，其将光直接导向光转换材料和反射器，而光转换材料被设置于在高效光源和反射器之间；以及
图13为描述根据本发明示例性实施例的通过光学元件发射朝向光转换材料光的高效光发射器的示意性图表。
具体实施方式
虽然本发明在此处针对特殊实施例进行阐述和介绍，但本发明并不仅限于图中所示出的内容。相反，可以在权利要求和不偏离本发明的范围或其等同替换的范围内做各式修改。
发明人发现，当降频转换荧光体被布置于靠近LED晶片的位置时，荧光转换LED的性能会受到负面影响。低下的性能主要是由于环绕晶片的荧光体介质性能与各向同性的发射器相似，而且反射回来朝向晶片的一部分光在荧光体层、晶片和反射杯之间传播。结果，反射回装置内的光增加了结合温度，这样，减弱了系统的光效并加速了密封材料变黄。所有这些因素减弱了整个过程中的发光量。
文献中显示撞击到荧光体层的光中有60％被反射回来，有助于产生前面所介绍的结果(Yamada，et al.，2003)。八块掺杂铈的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光体板的实验室测量结果证明大约60％的辐射能沿蓝光LED光源的方向被反射回来。被反射的辐射能绝对数量取决于，在其它因素当中，荧光体涂层的密度。图1示出了对带有YAG:CE荧光体板的蓝光LED测量的反射光谱能量分布2。图1还示出了对同一装置测量的透射光谱能量分布4。如图所示，大部分光被反射回来没有被向前传输。
应了解，术语“透射光(传输光)和反射光”被通篇使用。然而，更准确的术语是“向前传输光和向后传输光”。因为荧光体颗粒吸收短波长光并发射被降频转换的光，发射出的光射向各个方向(朗伯发射器)，因此，一部分光向上发射而另一部分光向下发射。向上发射(向外发射)的光是光的传输部分而向下发射到LED晶片上的光是反射部分。
在RCLED中，这些结果被希望具有更高的强度，因为它们发出的光更平行。结果，组件设法捕获透射光部分和反射光部分以提高系统的效率。另外，发明人创造了允许荧光体层被移开晶片的组件，以阻止光反馈回LED和RCLED。结果，LED和RCLED的寿命被改善了。同时，从RCLED发射的光撞击到荧光体层同样获得相同的白光光源。另外，组件通过允许更多的光从荧光体层反射到装置外面以提高装置的效率。
图2举例说明了本发明的具有分配光学元件、可透射光、具有圆柱形几何形状的外罩光学元件10的第一示例性实施例。如图所示，外罩光学元件10包括被嵌入分配光学元件中间部分的荧光体层12。这种结构有效地将分配光学元件分成大致相等的两片，或两部分。也就是说，荧光体层可以是大体平行于圆柱形光学元件10纵向轴线的窄带。
在某一示例性实施例中，荧光体层12可以是YAG:Ce荧光体层。在示例性替代实施例中，荧光体层可以包括其它荧光体，量子点(quantum dots)，量子点晶体，量子点纳米晶体或其它降频转换材料。应了解，本发明的其它实施例可以包括与荧光体层12类似的荧光体层。与如图2所示的嵌入式荧光体层不同，然而，其它实施例可以具有不被嵌入的荧光体层。而且，荧光体层不需要均匀的厚度，相反，它可以具有不同的厚度或不同的荧光体混合物以产生更相同的输出颜色。
一个或多个LED或RCLED可以被放置于底部部分的圆柱形光学元件内，图中被标记为14。在替代实施例中，一个或多个LED/RCLED可以被放置于除圆柱形光学元件底部部分之外的位置。
短波长光16被从LED/RCLED中发射出来。短波长光位于250nm至500nm的波长范围内。因为荧光体层12大体位于圆柱形光学元件的中间，从LED/RCLED发射出的短波长光导致了短波长光从圆柱形光学元件的一侧撞击到荧光体层12。短波长光与导荧光体层之间的撞击产生了具有四种成分的光：短波长光18，从荧光体层上被反射；短波长光20，通过荧光体层被传输；降频转换光22，从荧光体层上被反射；和降频转换光24，通过荧光体层被传输。产生于荧光体层两侧的这四种成分结合并产生白光26。因为本过程发生在荧光体层的两个侧面，所以整体的光提取量增加了。
光(短波长光和降频转换光)—如果荧光体层没有被嵌入圆柱形光学元件或晶片中的话将会被反射回圆柱形光学元件中—将通过圆柱形光学元件的光透射性能，被很方便地传输到外界或圆柱形光学元件的外表面。
作为实施例，依据光学技术的高通量蓝光(470nm)发光LED(鲨鱼系列)发射器可以被使用。荧光体层12的密度可以在4-8mg/cm2(其它密度也被考虑在内)的范围内，圆柱形光学元件10的长度可以在2至4英寸范围内，而圆柱形光学元件的直径可以约为0.5英寸。作为另一实施例，不同的封装效率和均匀性可以通过改变荧光体层的密度，和圆柱形光学元件的长度和直径来实现。当圆柱形光学元件长度为2.25英寸时，可以实现光沿圆柱形光学元件的圆周方向的更高的效率和一致性。
图2中示出的实施例可以由从整圆丙烯酸棒上切下的半圆丙烯酸棒段成型并被抛光。荧光体可以与光学透明环氧树脂混和，然后被均匀涂在每个棒段的平面。棒段可以被连接到一起再放入烤箱中固化环氧树脂。
2.25英寸的光学元件(圆柱形光学元件)的整体发射损失被发现大约为16％。损失包括：6％被反射回LED的光，7％夫瑞奈(Fresnel)损失，和3％由于硬件安装造成的不可回收的损失。
大约一半的损失可以归结为发生在具有不同折射率的介质之间的分界处的夫瑞奈损失。可以通过在LED/RCLED和圆柱形光学元件之间使用耦合器以减少夫瑞奈损失。另外，可以通过在LED/RCLED上使用抗反射膜以阻止光被反射回LED/RCLED来补偿损失。
图3为在底部部分被标记为14的圆柱形光学元件的截面图。如图所示，圆柱形光学元件10包括两个半圆丙烯酸棒段14a和14b。荧光体层12被丙烯酸棒段14a和丙烯酸棒段14b夹在中间。每个丙烯酸棒段包括发光源17和19。每个发光源17和19可以是半导体光发射器，例如发光二极管(LED)，激光二极管(LD)，或谐振腔LED(RCLED)。应了解，底部部分14可以包括两个以上发光源。这样，就可以有多个光发射器组成的一个阵列被放置于丙烯酸棒段14a内，而多个光发射器组成的另一阵列被放置于丙烯酸棒段14b内。这两个阵列可以被相互对称布置，类似于图3中所示的关于荧光体层12对称布置的光源17和19的形式。
图4举例说明了本发明的另一示例性实施例。如果需要的是一般的环境照明，本实施例可以被使用于空间内部。如图所示，装置包括荧光体板50(例如，YAG:Ce或其它荧光体，如前面所列举的)。装置还包括多个半导体发光二极管56形成的阵列，例如LED/RCLED阵列52。阵列52被安装在可以为铝材料的基板54上。在示例性实施例中，基板54可以是圆形。在插图4所示的示例结构中，LED/RCLED被相互隔开围绕圆形基板放置。
发光二极管阵列被放置于基板上以使二极管的发光表面朝向荧光体层板50。用这种方式，二极管56向荧光体层板50发射短波长光。当短波长光撞击到荧光体层板时，产生光的四种成分：短波长光和降频转换光60以及透射短波长光和透射降频转换光64。短波长光和降频转换光60在装置内部被反射产生白光62，如图所示。透射短波长光和透射降频转换光64在装置外侧被传输产生白光66。
图5A和图5B举例说明了本发明的另一示例性实施例。如图所示，装置500包括杯502，和被放置于杯502内位于杯502底部的一个或多个光发射器501。还包括荧光体层503和504。荧光体层503被沉积于与光发射器501底部相对的一端和杯502侧壁的大致中心处。荧光体层503被沉积于杯502侧壁的内侧。如图5A和5B所示的实施例可以被使用于空间内部，如果仅需要一般的环境照明。
装置500包括杯502，其可以是具有一个LED/RCLED或组成阵列的多个LED/RCLED的透明杯。杯包括一个粘接在杯502的内部透明壁上的荧光体层503。另一荧光体层可以被仅仅粘接到杯的中心区域。因此，大部分被反射的短波长光和经过降频转换的光可以直接从前表面的透明部分离开。从LED/RCLED发出光的窄束是优选的，在本实施例中，将从LED/RCLED发出的没有撞击到荧光体层就离开前表面的透明部分的短波长光减到最少。杯可以被制成玻璃或丙烯酸材料。
杯502的内侧可以被填满玻璃或丙烯酸材料，因此将荧光体层503夹在杯502和包含在杯502中的内侧部分之间。荧光体层504也可以被粘接到玻璃或丙烯酸材料的外侧。在替代实施例中，荧光体层504可以被放置于玻璃或丙烯酸材料内部，类似于图2和图3中示出的所介绍的被夹在两个半圆丙烯酸棒之间的荧光体层。
图6也举例说明了本发明的另一示例性实施例。如图所示，装置600包括光发射器602，其通过可由透明介质制成的光学元件606与荧光体层604分开。在示例性实施例中，透明介质可以是空气。在替代实施例中，透明介质可以是玻璃或丙烯酸。荧光体层604可以被安装或沉积于具有透明侧壁610和612的光学元件606上。(如果光学元件606具有圆形截面，侧壁610和612可以是连续的侧壁)。
图7也举例说明了本发明的另一示例性实施例。如图所示，装置700包括被放置于反射器702内的装置600。反射器702具有抛物面几何形状。本发明不具有限制性，因为反射器702可以具有其它的几何形状，例如锥形、球形、双曲面形、椭圆面形、棱锥形、或还可以是例如箱形。装置700的优点包括更好的控制光束输出的分布和使输出的色彩更均匀。
基板603可以被用来安装发光源602，光学元件606的一端，和反射器702的一端，如图6和图7所示。
类似于本发明的其它实施例，发光源602可以是一个或多个半导体光发射器，例如LED、LD或RCLED。发光二极管可以被安装在二极管的阵列中，类似与图4中所描述的光源阵列52。另外，荧光体层604可以类似于图4中所描述的荧光体层50。
图8A至8E描述了光学元件的不同几何形状。光学元件801为圆锥形几何形状。光学元件802为球形几何形状。光学元件803为双曲面形几何形状。光学元件804为棱锥形几何形状。光学元件805为箱形几何形状。其它几何形状可以包括抛物面形或椭圆面形。另外，每个光学元件的较宽表面的顶部都是平面，或可以具有其它几何形状。
类似于其它实施例，光学元件801至805可以被制成透明材料，因此功能与光学透镜(类似图6中的光学元件606)相似，或可以是由透明材料制成的侧壁(类似于图6中的侧壁610和612)形成的中空腔。
虽然没有被示出，反射器(类似于图7中示出的反射器702)可以被放置以环绕每个光学元件801至805。而且，每个光学元件801至805可以包括荧光体层(类似于图6中的荧光体层604)。这个荧光体层(未示出)可以被沉积于每个光学元件的较宽平面的顶部，与其各自的发光源相对。可替代地，这个荧光体层(未示出)可以被夹在每个光学元件内部，各自的光学元件较宽的平面附近并与各自的发光源相对。
下面参考图9A和图9B，二维阵列的透镜被示出了，通常被标记为900。如图9A所示，高效光源装置的N×M阵列被放置于光管912的顶部。光源装置的其中三个被标记为910、920和930。N×M阵列中剩余的光源装置与光源装置910、920或930中的任一个相同。依此类推，这些光源装置中的任一个可以类似于图7中的装置700。
图9B中所示，每个光源装置910、920和930都包括光发射器902，透镜904和类似于图6中的荧光体层604的荧光体层(未示出)。还包括反射器906，用以改变从光发射器902发来的透射光和发射光的方向使其朝向矩形光管912。
光管912，如图所示，包括与光源装置910、920和930邻接的内侧面914，和远离光源装置的另一相反侧面916。在相反侧面916顶部，被沉积有荧光体层918和微透镜层920。微透镜层可以粘接在被沉积的荧光体层上。
图10A和10B举例说明了高效光源的另一示例性实施例，通常被标记为1030，其中光源装置(类似于图7中的光源装置700)被围绕光管边缘隔开布置。如图10A所示，几个光源装置，例如光源装置1020、1022、1024、1026等，被放置于光管1000边缘周围。
高效光源1030的截面图在图10B中被示出了。如图所示，光源装置1018被设置以直接将发射光传导至光管1000内。光源装置1018包括光发射器1020，光学透镜1022和与光发射器1020相对的荧光体层(未示出)。还包括反射器1024用以改变从光发射器1020发射来的透射光和反射光的方向使其射向光管1000的边缘或射入光管1000内部。
光管1000包括边缘1004，顶侧1006和底侧1008。在顶侧1006内，被放置有荧光体层1010和微透镜散射层1012。类似的，在底侧1008，被设置有荧光体层1014和微透镜散射层1016。每个微透镜层都被粘接到各自的荧光体层上。
图11举例说明了本发明的另一示例性实施例。如图所示，装置1110包括光源1100，透镜1102和荧光体层1104。荧光体层被沉积于透镜1102顶部，以使荧光体层远离LED，与图6中示出的形式类似。光源/透镜/荧光体结构被具有高反射比的反射器1106环绕。在示例性实施例中，被测得的反射比可以在90％至97％的范围内。另外，高效微透镜散射层1108被横放在反射器1106顶部。在示例性实施例中，微透镜散射层可以显示出高于95％的效率。
图12举例说明了本发明的另一示例性实施例。如图所示，装置1210包括朝向荧光体层1202的光源1200和反射器1206。透明介质1204可以填满光源1200和荧光体层1202之间的空间。在示例性实施例中，荧光体层1202可以是抛物面形状，或其它弯曲形状，类似于前面列举的几何形状中的一种。反射器1206可以被放置于远离荧光体层和光源的位置。透明介质1208可以被用来填满荧光体层和反射器之间的空间。如图所示，荧光体层1202被放置于光源1200和反射器1206之间。
我们已经熟悉，用于白光发光二极管(LED)中的荧光体将一半以上的发射光反向散射，至今没有人说明这些光可以像光子一样被回收以增加白光源的整体功效。发明人已经用试验验证了本发明的各种实施例所提供的散射光子提取(SPE)方法，有效地增加了白光源的整体功效。电流低的时候，散射光子提取组件显示了光效超过80lm/W的白光，其色差非常接近黑体轨迹。
可以产生白光的不同方法中，荧光转换发射方法是最常用的。第一荧光转换白光LED使用掺杂铈的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光体与蓝基氮化镓(GaN)LED相结合。在典型的白光LED封装中，荧光体被嵌入环绕LED晶片的环氧树脂中。由氮化镓(GaN)LED发射的一部分短波长射线被荧光体降频转换，而组合光被人眼当做白光觉察到。虽然这些产品证明了白光LED概念并被应用于很多壁龛照明电器中，它们不适用于一般的照明电器，因为它们的整体发光量低，功效低。
为了使白光LED达到更高的光效，以下几个阶段需要改进：内量子效率，提取效率，以及荧光转换效率。一些学者已经在挑战研究半导体的材料和成长特性以提高内量子效率。其他的学者在研究成型晶片，荧光体晶体，微米量级LED，和其它的新颖方法以提供光提取效率。更有一些学者在调研新的具有更高降频转换效率和更好光学性能的荧光体。
虽然已有的文献已经表明，光的相当多一部分被荧光体后向散射由于被吸收而丢失在LED中，但是尽发明人所知，至今没有人试图利用本发明的实施例提供的散射光子提取方法通过提取这些被后向散射的光子来改进性能，本发明通过回收被散射的光子有效地增加了荧光转换白光LED的整体发光量和光效。
为了更好地了解原短波长光和荧光体之间的相互作用和量化前散射光量和后散射光量，发明人用2mg/cm至8mg/cm密度范围内的不同密度的掺杂铈的钇铝石榴石(YAG:Ce)荧光体遮住几个直径5cm的圆形玻璃板。这些荧光体板被放置于并排结合为一体的两个球之间，并用荧光体层遮住右边球。荧光体材料被从放置于离玻璃板2.5mm的右边球内的5mm蓝光LED中发射出的射线所激励。分光计通过测量端口测量每个球的发光量。从左球和右球测得的发光量分别显示了通过荧光体层传输的光量和从荧光体层上反射的光量。根据LED发射的辐射能和从YAG:Ce荧光转换的能量，对分光计上的数据进行分析，以确定蓝光区域和黄光区域内的光通量。试验结果显示，传输辐射和反射辐射的光谱能量分布是不同的，尤其蓝光通量与黄光通量的比例。传输辐射和反射辐射的量值取决于荧光体密度，密度低，传输辐射所占百分比就比较高。典型地，可以控制荧光体密度，使传输蓝光和传输黄光处于恰当的比例中以产生色度适合的白光，白光的色度将典型地位于或接近黑体轨迹。从收集的数据来看，可以估计当产生和谐的白色光时，40％的光被传输，而其余的60％被反射。Yamada等人发现了类似的结果，如K.Yamada、Y.Imai、K.Ishii在Journal of Light and Visual Environment 27(2)，(2003)所公开的一样。在传统的白光LED中，相当大部分的这种反射光被晶片周围的部件吸收，这是导致其光效低的原因之一。
图13举例说明了一种可以回收大部分反射光的方法，图中示意性示出了实现散射光子提取的LED组件。与传统典型的白光LED组件不同，其荧光体被散布在晶片周围，在本发明的SPE组件中，荧光体层被移开远离晶片，只在晶片和荧光体之间留下透明介质。组件的有效几何形状可以通过射线轨迹分析确定。组件的几何形状起了很重要的作用，而图13中示出的几何形状有效地将光传递出GaN晶片到荧光体层上，并允许大部分后向散射光从荧光体层上逃离光学元件。与传统典型的组件相比，这种SPE组件可以回收更多的光子。此处荧光体的密度还确定了最后白光的色度。
值得注意的是，SPE组件需要不同的荧光体密度以产生色度坐标类似于传统的白光LED组件的白光。这些不同是因为SPE组件将透射光和后反射光与不相似的光谱相混和了，而传统的组件则使用占优势的透射光的缘故。
为了验证图13中示出的SPE组件提供了更高的发光量和光效，用同一制造商提供的十二个传统高磁通LED，六个3W蓝光LED和六个3W白光LED进行了试验。符合SPE组件的侧面要求的商业光学元件被发明了，并且有几个已经被得到用于和LED一起做试验。虽然这些光学元件不具有图13中所示出的几何形状以提取大部分的后向散射光，但已经足够证明假设了。试验中第二光学元件的顶部平面部分被预定量的YAG:Ce荧光体遮盖。所需的荧光体密度，在单独的试验中通过系统地变化荧光体密度值分析所产生结果的色度然后选择产生与在试验中使用的商业白光LED色度接近的密度值，来确定。比较两种组件概念的性能，白光LED被与未被遮盖的第二光学元件符合。在整体球内测量了商业白光LED的发光量和光谱，并且还测量了激励LED所需的电流和电压。对包括与荧光体遮盖的第二光学元件符合的蓝光LED的SPE组件进行同样地重复测量，如图13中所示。
SPE LED组件的平均光通量和对应的平均光效被发现分别为90.7lm和36.3lm/W。典型的白光LED组件的平均光通量和对应的平均光效分别为56.5lm和22.6lm/W。因此SPE LED组件平均具有61％的更多发光量和61％的更高光效。类似的LED的光通量和对应光效的变化很小，其标准偏差小于4％。与传统典型的白光LED组件相比，SPE组件一贯具有更高的流明输出和更高的光效。
电流对发光量和光效的影响也在两个LED组件上被测量了，一个是典型的白光LED另一个是SPE组件。这两个LED都经历了同一个发光量测量程序，但它们的输入电流被分几步从700mA减至50mA，并收集其对应的光度数据和电子数据。电流非常低的时候，SPE组件的光效超过80lm/W，相比之下，传统组件的光效为54lm/W。
利用SPE组件，后向散射光子在被LED内部件吸收之前被提取。很有必要地，荧光体层被放置于进一步远离晶片的位置，而后向散射光子在组件内经受多重反射之前被提取。移动荧光体移远离晶片具有另外的好处：白光LED的寿命也被提高了，如早期论文所阐述的一样(Narendran，N.，Y.Gu，J.P.Freyssinier，H.Yu，and L.Deng.2004.Solid-state lighting：Failure analysis of white LEDs.Journal of Crystal Growth 268(3-4)：449-456)。
本发明的用以回收一部分后向散射光的可替代方法是用反射材料遮住第二光学设备的侧面，如图5A和5B中所示。虽然相对传统的白光LED组件来说，光效可以被提高，但收益不太多，因为后向散射光在荧光体层和反射器之间前后来回弹射，而这种光的大部分被吸收并作为热消失了。这种方法的缺点是通过周围的环氧材料增加短波长光传播的路径长度，环氧树脂退化更快，从而缩短了白光LED的使用寿命。
应了解，图13中示出的SPE组件的几何形状不仅限于这些特殊的形状。当提出其它设计关心的问题例如颜色和寿命时，可替代的形状也可以被使用以更有效地回收后向散射光子。作为一个实施例，在图13的结构中，发明人发现顶表面直径的优选尺寸约为20mm，而高度优选尺寸约为11mm。
总而言之，本发明回收了从荧光体层后向散射的光。另外，白光LED的整体发光量和对应的光效与传统的白光LED相比可以被有效地增加。电流低的时候，SPE方法显示出超过80lm/W光效的白光，而其色度非常接近黑体轨迹。
虽然本发明已经针对示例性实施例进行了介绍，但它不仅限于此。相反，权利要求将被解释为还包括可能由本领域技术人员做出的不偏离本发明的精神和范围的其它变化和实施方式。

Claims (27)

1.一种发光设备，包括：
发射光的光源；
降频转换材料，用于接收发射光并将发射光转换为透射光和向后传输光；以及
光学装置，被构造成接收向后传输光并将向后传输光传递到光学装置之外。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其中光源是半导体光发射器，包括发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、谐振腔发光二极管(RCLED)之。
3.根据权利要求1所述的发光设备，其中降频转换材料包括适于在某一光谱区域内吸收光而在另一光谱区域内发射光的荧光体及其它材料之一。
4.根据权利要求1所述的发光设备，其中光学装置包括光透射材料。
5.根据权利要求1所述的发光设备，其中光学装置包括具有光透射性能的透镜和光导中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的发光设备，其中光学装置还被构造成将光源的发射光传送至降频转换材料。
7.根据权利要求1所述的发光设备，其中光学装置包括适于将光源的基本上全部发射光传送至降频转换材料的透镜和光导中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的发光设备，其中光源被布置成与光学装置的第一端相邻。
9.根据权利要求8所述的发光设备，其中降频转换材料被布置成与光学装置的第二端相邻，该第二端与第一端相反。
10.根据权利要求1所述的发光设备，其中光学装置在几何结构上被设置成用于将反射光传输到光学装置之外。
11.根据权利要求1所述的发光设备，其中光源包括多个半导体光发射器。
12.根据权利要求9所述的发光设备，其中降频转换材料被沉积于光学装置第二端的一部分上。
13.根据权利要求12所述的发光设备，其中降频转换材料被沉积为大体遮盖光学装置的第二端。
14.根据权利要求1所述的发光设备，还包括用于收集被传送到光学装置之外的反射光的收集装置。
15.根据权利要求14所述的发光设备，其中收集装置包括反射器，用于引导反射光远离收集装置。
16.根据权利要求15所述的发光设备，其中(a)光源被布置成与光学装置第一端相邻，(b)降频转换材料被布置成与光学装置第二端相邻，以及(c)光学装置的第一端被布置成与反射器的第一端相邻。
17.根据权利要求1所述的发光设备，其中光学装置的几何形状包括锥形、球形、双曲面形、抛物面形、椭圆面形、棱锥形、箱形之一。
18.根据权利要求1所述的发光设备，还包括环绕光学装置的至少一部分的反射器，和被沉积于反射器的至少一部分的顶部的光散射体。
19.根据权利要求18所述的发光设备，其中降频转换材料被布置于光源和反射器之间，并且降频转换材料具有弯曲形状。
20.一种发光设备，包括：
包括光透射材料的圆柱形光学元件；
被布置于圆柱形光学元件内的光发射源；以及
降频转换材料，其被布置于圆柱形光学元件的内部中间部分，用于实现对光发射源发出的传输光进行透射及反射这二者中的至少一种。
21.根据权利要求20所述的发光设备，其中光发射源是半导体光发射器，包括发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、谐振腔发光二极管(RCLED)之一。
22.根据权利要求20所述的发光设备，其中光发射源被布置成与圆柱形光学元件的一个侧向端部相邻。
23.根据权利要求20所述的发光设备，其中光发射源包括相互隔开并都与圆柱形光学元件的一个侧向端部相邻设置的第一发射源和第二发射源。
24.根据权利要求20所述的发光设备，其中降频转换材料包括适于在某一光谱区域内吸收光而在另一光谱区域内发射光的荧光体及其它材料之一。
25.根据权利要求20所述的发光设备，其中降频转换材料被大体平行于圆柱形光学元件的纵向轴线布置。
26.根据权利要求20所述的发光设备，其中光发射源在降频转换材料的每侧包括至少一个光源。
27.根据权利要求26所述的发光设备，其中光源被安装在至少一个基板上。
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