TWI380465B - High performance led lamp system - Google Patents

Description

1380465 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具有複數個LED元件之LED燈系統。 【先前技術】 近年來，關於無機固態LED之設計及製造的技術已得到 迅速改良，其已高達可製造無機白光發射LED之發展階 段，該等無機白光發射LED之效率高於40 lm/Watt。此效 率明顯超出傳統白熾燈之效率（16 lm/Watt)及大多數鹵素 燈之效率（30至35 lm/Watt)。同時單個LED元件之效率增至 大體上高於100 lm/Watt之程度。 現在與將來將影響用於照明目的之LED之廣泛可用性的 問題在於每一 LED元件之仍然相對有限的光數量。僅在可 將複數個LED元件之光數量相組合時才可達成此等LED燈 系統之效能增加。雖然原則上此為可能的，但若要求具特 別高之亮度的光源，則仍然存在問題，例如因為所發射之 光必須聚焦於小尺寸反射器中。 為了使用LED產生白光，可使用所謂經磷塗布之 LED(PC-LED)。此經磷塗布之LED為一於輻射表面上具有 所謂磷塗層之LED。不應具體地將磷理解為化學元素磷， 而應更一般地理解為螢光材料，其在某一波長之輻射效應 下發射另一波長的光。存在藉由藍光之照射而輻射黃光之 螢光物質。根據所發射光之顏色，稱其為黃磷。藉由使用 此等LED，藉由在輻射藍光之LED上塗覆黃磷層而獲得白 光。將對該磷層確定尺寸，以致LED之部分藍光無阻礙地 103992.doc 1380465 穿過該填層，且該⑽之另_部分轉換為黃光1察 藍光與黃光之同時輕射察覺為白先。或者，存 々 (UV)光且塗布有白磷層之led。藉由人摘 、 精由D適地選擇磷層之類 型及厚度，可製造出亦輻射其他顏色之PC lEd。 使用上述之配置，可自LED元件之給U射表面產生某 -數量之光。然而，LED元件中之電流密度限制使簡單 PC-LED之最大亮度受到限制。

因此’在此技術發展水平中提出若干可能性來增加咖 元件之亮度m目的在於將LED元件所發射之無定向 (朗伯（Lambert))輻射聚焦於一輻射方向。例如在仍 5,813,753中提及一發光裝置’其包含一用於照明及/或顯 示應用之UV或藍光LED，其中該裝置係置放於一具有反射 側壁之凹座中。該凹座由透明材料完全填滿，且其亦包圍 LED。此LED兀件之磷可分散於透明材料中或作為一層而 塗覆於該LED之表面。然而，如今，此等LED並未達到光 投影應用或汽車前燈所要求之亮度。 【發明内容】 因此，本發明之一目的為提供一種具有高於已知系統亮 度之亮度的LED燈系統。 為達成此目的’提出提供一 LED燈系統，其使用LED元 件且具有一腔室’該腔室具有若干内側壁表面及用於發射 光之至）一'轄射開口 ’其中§亥專内側壁表面各自由複數個 LED輻射表面而形成’該等LED輻射表面基本上於整個側 壁表面區域上延伸（意即’延伸至可能之最大程度）。因為 I03992.doc 1380465 具足夠強度之該等LED為目前可用的，故下文中假定此等 LED為無機固體。儘管如此，但只要其具有足夠高之效能 值’其當然亦可為其他電致發光元件，例如雷射二極體、 其他發光半導體或有機LED。因此在本文獻中應將術語 LED理解為每一種相應電致發光元件之同義字。 所提出之配置達到其高亮度係由於：其不僅自其基座輻 射光，而且自腔室之側面輻射光。因此本發明遵循以下原 理：增加每一發光單位基座之光輻射表面，以便達成輻射 開口處之較高亮度。光直接輻射於輻射開口處或反射於面 向led輻射表面或面向LED元件中，直至其發射通過輻射 開口為止。面向輻射表面之LED元件之後侧的反射面使得 其至少部分地反射。因此’輻射開口處之亮度高於通常 LED元件之亮度。 腔室可為使用當前製造技術可獲得之任何形狀。然而， 出於製造之原因以及為易於裝配起見，最好腔室形成一幾 :體，簡單幾何體，其中一側面形成該幾何體之輻射開 般而§，可有利地組合此等幾何體以形成包含複數 個腔室之均一配置。 自裝造與裝配之角度而言，平坦表面形狀為合適的。因 、最好腔至為四面、五面或六面狀，更佳為平行六面體 六、八為立方體狀，其中再次地一側面形成輻射開口。可 易地組合此等規則平坦表面體以形成複數個腔室之陣 列。 根據本發明之有利實施例，腔室具有一立方體設計且每 103992.doc 1380465 一円側壁面係指派給正好一 崎 仵此立方體狀腔室可 為具有1 _X1咖之側面尺寸，且可撓性地在眾多應 时用作為基本元件，且以多個組合對其進行利用。下文 中亦將此基本元件稱為"微空腔（micro uvity”。 根據本發明之一替代實施例，該腔室具有長方體形狀， 且該長方體包含縱側面，該等縱側面中之一者充當輕射開 口’且其他縱侧面各自由複數個較長之伸長㈣元件形 _ A。需要LED燈系統之此等長方體狀設計以主要用於汽車 應用中。此係歸因於㈣麵之基座表面尺寸，此㈣燈系 統粗略地對應於習知車輛前燈之螺線燈絲的尺寸，以致可 將習知光學系統幾乎無變化地與根據本發明之led燈系統 一同使用。 再次地，作為迄今所述之實施例的替代實施例，可以一 方式選擇另一實施例，使得腔室具有兩個面向彼此之側壁 以便形成一 V。此裝置（其中面向之v狀側壁亦由複數個 參 LED元件形成）使得可具有不同於上述實施例之配置的配 - 置。 一明顯之過程步驟為在LED轄射表面上無損壞地塗覆 PC-LED元件所需之螢光物質層。此外，應將大致感溫之 螢光物質自LED之輻射表面熱退搞（thermal decoupling)， 以致其不會受到led運作期間所產生之熱的不利影響。因 此’若將螢光物質直接置放在LED輻射表面上或置放於距 LED輕射表面一距離處，則為有利的。可有利地設定該距 離以達成磷與LED輻射表面之間的熱退耦。 103992.doc 1380465 LED元件之光感（light impression)取決於所塗覆螢光物 質之層厚度及均一性〇必需之螢光物質層厚度愈均一， LED元件所發射之光愈同質。因此若將螢光物質提供於一 載體上，則為有利的。此使得LED之製造獨立於螢光物質 之塗覆，或LED元件之製造過程不與螢光物質之塗布過程 有聯繫。在獨立之载體上，可以所要層厚度更準確且更均 一地塗覆螢光物質。此有利於LED元件之光感。此外，可 φ 將具有螢光物質之載體配置於腔室中之任何所要位置處。 此可為LED輻射表面與腔室之輻射開口之間的某處。 若藉由LED元件輻射之光（例如藍光）照射在磷層上，且 於該處轉換為黃光，則其亦以根據朗伯輻射圖案之非定向 散射方式而輻射。不可能避免黃光亦以與LED燈系統之所 要輻射方向相反的方向而輻射回led元件，其中在該LED 兀件處吸收該黃光。此引起光效率之損失。因此本發明之 另一有利實施例具有一波長濾光器，其較佳為二向色濾光 • 态’其係配置於LED輻射表面與螢光物質之間。舉例而 言，對於來自LED元件之經輻射藍光而言，此濾光器為可 透過的，而對於黃光而言’則為不可透過的。現在，若藍 光自LED元件顯現且進入磷層（其於該處入射於入射於螢光 體上）’該磷層將該藍光轉換為黃光且以LEd元件之方向對 其進行反射’接著其在於該處被吸收之前，藉由波長滤光 器對其進行再一次反射且其在穿透該螢光層之後經由腔室 之輻射開口而退出。此防止了已轉換為黃光之藍光輻射在 腔室内被吸收，且因此作為光而損失。該波長攄光器可有 I03992.doc •10· 1380465 利地用作為載體，如上所述將螢光物質塗覆於其上。此允 許特定之緊密設計。 每一 LED元件亦以根據朗伯輻射圖案之非定向方式來輻 射光。為已最小化LED元件中所導致之光效率損失，可將 LED元件之背面設計為反射的。因此，led元件所發射之 幾乎所有光將被導向成朝向LED輻射表面。 上述例示性實施例專有地與藍光Led元件有關。根據本 φ 發明之LED燈系統顯然亦可進一步發展為使用不同波長特 性之LED元件的程度。舉例而言，在本發明之燈系統之腔 室中，可因此將所謂紅綠藍（RGB)LED用於產生白光或可 將同色LED元件用於產生任何所要之單色光。此外，對於 不同螢光層，可考慮LED發射光譜之各種組合，例如藍光 或uv。寬頻帶黃色螢光材料（YAG)與藍光lED元件相組合 可因此用以產生白光，或UV-LED元件可與紅、綠及藍色 螢光材料相組合以產生白光、黃棕光或琥珀色光，或與藉 | 由藍光LED元件而激發之紅色螢光材料相組合。 如上文已闡述的，LED元件為朗伯輻射體，其發射非定 向之散射光。因此 品到達幸§射表面。 並非所有來自LED元件之輻射光皆必

知垂直路徑而行進至濾光器 对之轄射並不專有地經由最 而是經散射且以不同角度照 103992.doc 1380465 射於濾光器上，故損失為不可避免的。因此，若將準直儀 置放於LED元件與螢光物質或上游波長濾光器之間，則可 能為有利的》此量測考慮到LED元件之朗伯輻射特性：該 準直儀聚焦藉由led元件發射之漫射輻射，故幾乎無輻射 損失。因此’入射於螢光物質上且尤其入射於濾光器上之 輻射為定向輻射。準直儀吸收所述之散射輻射並將其導向 至螢光物質及濾光器，因此增加了個別LED元件之光效 率。準直儀自身可直接連接至LED元件或以上所提及之載 將LED元件所輻射之光引入至螢光物質中再次產生了螢 光物質中之非定向朗伯輻射，儘管存在所引入光至先前準 直。此輻射特性亦發生於腔室之輻射開口處。根據本發明 之另一有利實施例，於輻射開口處提供一準直元件。該準 直元件可依次包含另一準直儀及/或—透鏡，其允許將輻 射定向引入二次光學器件中。 右所產生之光不能在第一位置離開LED主體，則歸因於 自厚材料至薄材料之不利折射率，所產生之光在LED元件 之主體邊緣處完全反射’故LEDS件自身中可導致LED元 件之光效率損失。因此，本發明之另―有利發展提出轄射 表面與螢光材料之間的__大體透明材料，其減少或調節 LED元件之折射率與螢光材料層之折射率之間的不同。此 光學水泥可由聚矽氧形成，且其使得可完全地麴合輸出 LED兀件中所產生之光。此外，可將透明材料之邊緣製成 反射的’以增加效率。 、 103992.doc 1380465 在本發明之另一有利實施例中’螢光材料包含於或分散 於透明材料t，其允許腔室之更為緊密之設計。若透明材 料至少部分地填充腔室或準直儀，則亦為有利的。因此， 透明材料給予腔室更多之穩定性。

根據本發明之LED燈系統不僅適於其中螢光材料由來自 LED兀件之輻射而激發的配置β同樣地，已輻射所要顏色 光之LED元件亦可適用於所要LED燈系統中。然而，為了 給觀察者產生更佳之光感，需要輻射自LED之光為散射 的。因此，本發明之另一有利實施例提出高度透明且非發 光之粉末用於散射LEP所輻射之光的分散，而非使用前述 之螢光材料。在可能無螢光材料2LED元件的狀況（例如用 於紅光或琥珀色光之AlInGaP元件）下，或在僅InGaNLED 元件的狀況下，諸如Ti〇2之高度透明之非發光粉末提供此 狀況下之多餘螢光物質的散射效應，且因此提供更同質之 光感。 在每一類型之定向照明中存在根據本發明之LED燈系統 的有利應用《此包括車輛前燈、投影TV '大影像顯示幕 或點照明。 參看下文中所述之實施例（多個實施例）將明顯看出本發 明之此等及其他態樣，且將以非限制實例之方式對其進行 更詳細地闡述。 【實施方式】 微空腔所基於之原理在圖la中藉由立方體腔室1於—特 別簡單之實施例中進行了說明。如所發明之腔室1的剖視 I03992.doc 13 1380465 圖由三個LED元件2a、2b形成。其輻射表面3a、3b形成腔 室1之内側壁表面。輻射表面3a、3b上係塗覆有一螢光層 6。腔室1之一側面充當輻射開口 4。 藉由LED元件2a、2b中的一者輻射之光直接進入螢光層 6。該光可能在一或多個反射之後經由輻射開口4而自此處 離開腔室1。 因此，在腔.室1中’光不僅僅藉由一 led元件來輻射， 而是在如先前設計中之相同表面區域上自LED元件2a以及 自與LED元件2a成直角配置的LED元件2b而輻射。此最初 之結果在於’來自LED元件2a之非定向發射之輻射（意即其 未直接穿過輻射開口 4之部分）至少部分地藉由侧向置放的 LED元件2b或其上所提供之螢光物質6來反射，且最終經 由輻射開口 4而發射。側向LED元件2b及指派給其的螢光 物質6實質上充當輻射開口4之方向中之輻射光的準直儀。 此外’ LED元件2b自身亦輻射光。此光亦被非定向地輻 射且因此某一部分直接到達腔室1之輻射開口 4。剩餘之部 分在相對之螢光層6或於LED元件2b或LED元件2a之對應組 件處反射。因此，除了對藉由LEd元件2a輻射之光的準直 效應之外，藉由側向置放之LED元件2b產生之光穿過輻射 開口 4。此導致腔室丨之輻射開口 4處的亮度多次高於具相 同表面積之習知LED的亮度。 圖lb展示圖la中所示之立方體腔室丨的另一發展。二向 色濾光器5係配置於每一 LED元件2a、汕與螢光層6之間。 其直接配置於輻射表面3a、扑上。濾光器5係設計為半反 103992.doc 1380465 射的且僅反射黃光且可透過藍光。因此，直接反射黃光以 • 盡可能快地使黃光輻射出腔室1。此防止黃光在腔室丨内被 吸收，且因此防止其作為腔室丨之光良率而損失。或者， 且出於相同只目的，可使用濾光器，其僅將自LED元件 2a、2b之行進光傳遞入螢光層6中，而不傳遞一廣泛頻率 #巳圍内之以相反方向行進之光（包含藍光及黃光），而僅對 其進行反射》 • 圖2以透視圖展示圖1中所示之腔室1。作為對圖i中剖視 圖之補充，此處可見一底板7，其上配置有led元件2&(此 圖中不可見）’且其充當LED元件2a之載體以及散熱片。相 應之底板亦經提供給其他LED元件2b，但為說明之清晰起 見’此處對其進行省略。 圖2中之圖為約自輻射開口4之方向的腔室!之透視圖。 其清晰地展示了：五個輻射表面3a、3b此刻相交於(例如） 1 mm 1 111111之$知]^0的表面區域上，而非此尺寸之一輻 • 射表面。雖然其不必在輻射開口 4處產生五倍之光數量， 但其產生之光數量確實為當前技術發展水平所產生之光數 量的多倍。 LEDit件巾之光效率損失的原目在於其朗伯輻射特性。 通常’僅可開發利用或多或少垂直於㈣元件平面而發射 之光輻射。以其他方向非定向輻射之剩餘輻射幾乎由於吸 收而損失。若LED_2a、2b所發射之輕射以不利之角度 入射於滤光器5上，則其他損失發生於遽光器5處。為此房 因’圖3展示-實施例，其中於每一咖元件m處直 103992.doc ‘15· 1380465

接配置一準直儀8，該準直儀對在輕 中的藉由LED元件2a、2b發射之輻射 8不僅將幾乎全部數量之所產生之光 射表面3a、3b之方向 進行聚焦。該準直儀 弓丨至輻射表面，而且 以 -方式導向輻射使得該輕射幾乎全部穿過遽光器5。 充當微空腔之腔室丨的原理可按需要進行變化。圖4中展 示此變體之一實例。與腔室1相比 此圖之腔室10於橫向

延伸約四倍。因此，輻射表面4具有i mmx4 mm之表面 積。為說明此長度比1螢光層分為四個空隙間隔區& 然而其亦可經組態為-連續層M目反地，形成腔室1〇之長 側面且展示為單片之L E D元件！ 3亦可包含四個個別之L £ d 元件。與圖2中類似，以實例之方式展示底板14，其上配 置有一LED元件（該圖中不可見），且其原則上其亦配置用 於所有其他LED元件。

具有1 mmx4 mm尺寸之輻射開口 4的腔室1〇對應於約車 輛前燈之習知燈裝置之螺線燈絲的尺寸。因此腔室1〇可有 利地用於習知光學系統中，而無須調節至少習知光學系統 之尺寸。 總之，不止一次地指出，該等圖及描述中所說明的此等 系統及方法僅為實施例之實例，熟習此項技術者可在不偏 離本發明之框架的情況下進行大範圍地修正。此外，為完 I起見應指出，不定冠詞"("a"或"an")之使用並不排除 複數個相關項目之存在。 【圖式簡單說明】 圖1為微空腔之剖視圖； 103992.doc -16 · 1380465 圖2為圖1中所示之微空腔之透視圖； 圖3為一具有準直儀之替代微空腔的剖視圖；及 圖4為具有矩形布局之腔的透視圖。 【主要元件符號說明】 1 腔室 2a, 2b 發光二極體（LED)元件 3a, 3b LED輻射表面 4 輻射開口 5 波長遽光器 6 螢光物質/螢光層 7 底板 8 準直儀 12 空隙間隔區 13 較長之伸長LED元件 14 底板 103992.doc - 17-

Claims (1)

1. 第094126389號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(丨〇1年3月 十、申請專利範圍： 1· 一種具有複數個發光二極體（LED)元件之LED燈系統， 其包含一腔室（1)，該腔室（1)具有複數個内側壁面及用 於自該腔室（1)發射光之一轄射開口（4)，其中該等内側 壁面各自主要由複數個LED輻射表面（3a、3b)所形成。 2. 如請求項1之LED燈系統’其特徵在於，該腔室（丨）為一 幾何體’其一側面形成該輻射開口（4)。 3. 如請求項2之LED燈系統，其特徵在於該腔室（1)為四面 體、五面體或六面體形狀，其中該腔室（丨）之一側面形成 該轄射開口（4)。 4. 如請求項3之LED燈系統，其特徵在於該腔室（丨）具有一 立方體設計，且每一内側壁面係指派給正好一 LED元件 (2a、2b)。 5 _如請求項3之LED燈系統，其特徵在於該腔室（1)具有一 長方體形狀，且該長方體包含縱側面，該等縱側面中之 一者充當一輻射開口（4)，且其他縱側面各自由一較長之 伸長LED元件（13)或由複數個LED元件所形成。 6.如請求項3之LED燈系統，其特徵在於該腔室具有兩個相 互面向之侧壁，該等兩個相互面向之側壁係關於彼此以 一 V圖·案而配置。 7*如請求項1至6中任一項之LED燈系統，其特徵在於一螢 光物質（6)係直接提供於該等LED輻射表面（3a、3b)中之 一者上’或提供於距該等LED輻射表面（3a、3b)中之一 者一距離處。 103992-1010323.doc 1380465 8·如明求項7之LED燈系統，其特徵在於該螢光物質（6)係 提供於一載體上。 9. 如請求項8之LED燈系統’其特徵在於該輻射表面（3a、 3b)與該螢光物質（6)之間配置有一波長濾光器（5)，較佳 為一個二向色濾光器。 10. 如請求項1至6中任一項之LED燈系統，其特徵在於使用 不同波長特徵之LED元件。 11. 如請求項7之LED燈系統，其特徵在於當一可能存在的情 況，一LED元件（2a、2b)與該螢光物質（6)或該波長濾波 器（5)之間配置有一準直儀（8)。 12_如請求.項1至6中任一項之LED燈系統，其特徵在於—高 度透明之非發光粉末係配置用於藉由該等led元件中至 少一者輻射之光的分散。 ' Π. —種LED燈系統之使用，其中該LED燈系統係如前述請 求項中之任一項中之LED燈系統，該使用係用以產生定 向照明。 I03992-I0l0323.doc -2-