具有磷光體的照明裝置的制作方法

專利名稱：具有磷光體的照明裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括有磷光體的照明裝置的領域，并涉及適合照明應用的方法的領域。
背景技術：
文獻W02007/044472 A2描述了高效或更高亮度的發光二極管組件，其可以由具有第一表面和第二表面的高功率發光二極管芯片形成，第一表面被安裝于基板上，其中該第二表面與具有大于30瓦特每米開爾文的熱導率的光透射型散熱器具有密切的熱接觸。另外該LED芯片與至少第一電連接和第二電連接電接觸以向LED芯片供電。提供光透射型散熱器加倍了從LED管芯的熱傳導，于是避免了對磷光體過量的加熱，增加了壽命和/或效率和/或亮度和/或這三者的平衡。在遠端激光照明概念中，典型地，磷光體從其中一個表面被泵浦且由磷光體所生成的光需要從相對的表面被提取。在透明磷光體中發生全內反射(total internal reflection)，簡稱TIR。然而，已知來自磷光體的光發射是發生在所有方向上的。因此，難以避免發射自磷光體的光(磷光體光)在諸如發光二極管(簡稱LED)或激光器的泵浦源的方向上傳播。在LED的情況下，沿LED方向傳播的磷光體光被部分吸收，降低了系統的效率。 總之，難以高效地從一個表面泵浦發光材料而從另一表面提取光。

發明內容
本發明的目的在于提供從發光材料的單獨表面獲得高的光提取效率連同高的系統效率的可能性。該目的通過獨立權利要求的主題得以實現。優選的實施例在從屬權利要求中被限定。根據本發明的第一方面，該目的通過照明裝置得以實現，該照明裝置含有包括適于以預定的立體角發射磷光體光的至少一個發光表面的磷光體，適于朝向磷光體發射光輻射的光源，波導和反射器，其中磷光體光學地耦合至波導，光從其發射的照明裝置的出射表面大于磷光體的任何單獨發光表面，且反射器適于通過不同于照明裝置的出射表面的表面反射從照明裝置發射的至少一部分光輻射。優選地，光輻射從波導的出射表面逸出照明裝置。術語“磷光體的發光表面”通常意味著，光能夠以預定立體角被發射，而不是光實際上以照明裝置的特定設計而被發射。實際上，“磷光體的發光表面”是這樣的表面，如果沒有該波導，該表面也能夠為照明的目的而用于發射磷光體光。術語“照明裝置的出射表面” 意味著這樣的表面，為照明的目的，照明裝置的光實際上發射自該表面，這可以僅是波導的表面或是波導和磷光體的表面的組合。特征“光從其發射的照明裝置的出射表面大于磷光體的任何單獨發光表面”應被這樣理解，即，光從其發射的照明裝置的出射表面分別大于任何或每個單獨的磷光體的發光表面。進一步地，特征“反射器適于通過不同于照明裝置的出射表面的表面反射至少一部分照明裝置發射的光輻射”并不排除反射器也可以反射至少一部分發射自照明裝置的出射表面的光輻射。注意到術語“照明裝置的出射表面”在波導被布置在磷光體頂部上的配置中是指波導的表面區域。在波導被布置為接近或鄰近磷光體的另一配置中，術語“照明裝置的出射表面”是指磷光體的表面和光能夠從其逸出照明裝置的波導的表面的總和。術語“包括適于以預定的立體角發射磷光體光的至少一個發光表面的磷光體”意味著磷光體從至少一個輸出表面發射熒光光輻射。根據本發明優選的實施例，磷光體的發光表面包括平坦表面。該預定的立體角優選為彡2 JI，更優選地(1.8JI。優選地，反射器布置在側表面的至少一部分上和/或布置在出射表面的至少一部分上。進一步地，根據本發明優選的實施例，波導包括從至少一個發光表面與磷光體的光接觸。磷光體優選地包括低散射透明材料，更優選地包括陶瓷磷光體和/或摻雜有機磷光體的聚合物。值得注意的是，發光材料優選地通過不同于磷光體發光表面的表面被泵浦。優選地，波導包括從頂表面和/或側表面耦合到磷光體的平面波導。波導優選地包括反射器，更優選地包括漫反射器。優選地，反射器包括適于將光再分布至不同角度的漫反射器。優選地，磷光體和波導之間的光學耦合包括磷光體的出射表面和波導的入射表面之間的預定角度，更優選地，磷光體和波導之間的光學耦合包括磷光體和波導的折射率的光學匹配。磷光體和波導之間的光學耦合優選地包括折射率> 1.4的材料，其更優選地匹配磷光體或波導的折射率。根據本發明優選的實施例，透明波導被布置在透明磷光體頂部上，且多層中的至少一部分與高折射率材料光學地耦合。根據本發明另一優選的實施例，透明波導被布置為鄰近側表面的至少一部分且從側表面的至少一部分與高折射率材料光學地耦合。根據本發明另一優選的實施例，提供了包括漫反射器的透明波導。根據本發明又一優選的實施例，磷光體的側表面包括不同于垂直角度的相對于波導的入射表面的傾斜角度。優選地，照明裝置進一步包括具有與波導材料不同的透明材料的透明層，其中該透明層被布置在磷光體和波導之間。優選地，波導的出射表面和/或照明裝置的出射表面包括對應于平的形狀、凹的形狀、凸的形狀和/或鋸齒形狀的形狀。鋸齒形狀優選地對應于菲涅耳透鏡。根據本發明又一優選的實施例，照明裝置進一步包括布置于波導出射表面的頂部上的至少一個膜，該膜優選地適于使輻射自波導的出射表面的光輻射偏振。優選地，照明裝置進一步包括適于選擇性地透射和/或反射光輻射的選擇性反射器，其中該選擇性反射器被布置在光源和磷光體之間的光路中。優選地，照明裝置進一步包括適于冷卻磷光體的散熱器。優選地，波導的材料包括玻璃、氧化鋁、諸如硅橡膠的透明聚合物，和/或藍寶石。根據本發明又一優選的實施例，光源包括發光二極管和/或激光器。優選地，發光二極管包括無機材料和/或有機材料。優選地，激光器包括半導體激光器和/或固態激光
ο根據本發明的第二方面，以上提及的目的通過適于照明應用的方法被解決，該方法包括步驟a)朝向光學地耦合至波導的磷光體發射光輻射，b)引導光輻射通過包括適于以預定的立體角發射磷光體光的至少一個發光表面的磷光體，其中根據本發明第一方面且包括磷光體和波導的照明裝置的光從其發射的出射表面大于磷光體的任何單獨的發光表本發明的基本思想是在這樣的幾何配置中使用與透明材料組合的透明磷光體，該幾何配置包括相對于泵浦光進入磷光體的區域而在磷光體內的增加的有效逸出表面區域。 這樣，當表面光進入磷光體時，從具有大的有效區域的單獨表面獲得了高發射。這樣就有可能從與泵浦表面相對的表面發射多于三倍的光。值得注意的是，全部初始反射的光優選地被波導引導通過透明波導至光通過環繞透明波導的漫反射器被耦合出來的區域。漫反射器優選地放置在發光材料周圍。當在入射表面處使用激光器時，優選地使用分色鏡以朝向出射表面送回磷光體光。當在入射表面處使用LED時，其優選地朝向出射表面反射光。由于使用根據本發明第一方面的照明裝置，更少的光將被送至不善反射的LED，因此提取效率是非常大的。值得注意的是，對于激光泵浦系統，能夠達到接近100%的效率。優選地，發光材料是高透明陶瓷磷光體。根據本發明的其他優選實施例，發光材料選自石榴石和氮化物，優選分別地摻雜三價鈰或二價銪。石榴石的實施例包括A3B5O12石榴石，其中A包括釔和/或镥且其中B包括鋁。這樣的石榴石優選地摻雜鈰(Ce)、鐠(Pr)或者鈰和鐠的組合，尤其是鈰。B優選地包括鋁(Al)。根據本發明其他優選的實施例，B包括鎵(Ga)和/或鈧(Sc)和/或銦(h)，優選地上至約20%的Al，更優選地上至約10%的Al， 也就是說，B離子優選地包含90或甚至更高的摩爾百分比的Al且包含10或甚至更低的摩爾百分比的Ga、Sc和h中的一種或多種。B優選地包含上至約10%的鎵。優選地，B和0至少部分地由Si和N替換。元素 A優選地選自包括釔(Y)，釓(Gd)，鋱(Tb)和镥(Lu)的組。進一步地，Gd和/或Tb優選地出現上至約20%的A的量。優選地，石榴石發光材料包括(YhLux)3B5O12:Ce，其中χ等于或大于0且等于或小于1。術語“Ce”表明在發光材料中的至少部分的金屬離子(也就是說， 在石榴石中部分的“A”離子)優選地被Ce替換。例如，假設為(YhLux)3Al5O12 = Ce,則部分的Y和/或Lu被Ce替換。該符號表示法是本領與技術人員知曉的。Ce通常替換A的至多 10% ；通常，Ce的濃度將在0. 1%至4%之間的范圍內，特別是在0. 1%至2%之間(相對于A)。 假設為1%的Ce和10%的Y，則完全正確的化學式為(YaiLuci89Cqcil)3Al5O12t5如本領域技術人員所知，石榴石中的Ce優選地處于三價態。紅色的發光材料優選地包含選自包括(Βει，Sr, Ca) S:Eu、(Ba, Sr, Ca) AlSiN3:Eu和 (Ba, Sr, Ca) 2Si5N8 Eu的組。在該些化合物中，銪(Eu)優選地為二價的，且替換一個或多個被指示的二價陽離子。通常，Eu將不會出現大于陽離子10%的量，優選地在約0.5至10之間的范圍內，更優選地，相對于其所替換的陽離子，在約0. 5至5%之間的范圍內。術語“Eu” 表明部分的金屬離子被Eu替換(諸如被Eu2+替換)。例如，假設在CaAlSiN3 = Eu中有21的 Eu，則正確的化學式為(Qia98Euaci2)AlSiN3tj 二價的銪優選地替換諸如以上的二價堿土陽離子的二價陽離子，優選地為Ca、Sr或Ba。材料(Βει，Sr, Ca) S:Eu也可以表示為MS:Eu，其中M包括從包含鋇(Ba)、鍶(Sr)和鈣(Ca)的組中選擇的元素。優選地，M在該化合物中包括鈣或鍶，或者包括鈣和鍶，更優選地包括鈣。在此，Eu被引入并優選地替換至少一部分M (S卩，Ba、Sr和Ca至少之一)。進一步地，材料(Βει，Sr, Ca)2Si5N8:Eu也可以表示為M2Si5N8 = Eu,其中M包括從包含鋇(Ba)、鍶 (Sr)和鈣(Ca)的組中選擇的元素。優選地，M在該化合物中包括Sr和/或Ba。根據另一優選實施例，M包括Sr和/或Ba(忽略Eu的存在)，Ba較優選地為50%至100%，更優選地為 50%至90%, Sr較優選地為50%至0%，最優選地為50%至10%,諸如Ba1.5Sr0.5Si5N8 Eu (即， 75 %的Ba;25 %的Sr)。在此，Eu被引入并優選地替換至少一部分M，即，Ba、Sr和Ca至少之一。同樣地，材料(Ba，Sr，Ca) AlSiN3 = Eu被表示為MAlSiN3 = Eu,其中M包括從包含鋇 (Ba)、鍶(Sr)和鈣(Ca)的組中選擇的元素。M優選地在該化合物中包括鈣或鍶，或者包括鈣和鍶，更優選地包括鈣。在此，Eu被引入并優選地替換至少一部分M (即，Ba、Sr和Ca至少之一)。BaMgAl10O17IEu2+ (BAM)包括發射藍色的合適材料。具有立方晶體結構的無機磷光體由于它們甚至在多晶態的高透明度， 是最優選的。優選地，高透明的聚合物也被使用，諸如摻雜比如氟硼二吡咯族 (difluoro-boraindacene family) (BODIPY)的有機發光小分子的聚甲基丙烯酸酯，熒光染料，芴(fluerene)衍生物，香豆素染料，噸染料，吡咯甲川-BF2 (P- BF2)絡合物 (pyrromethene -BF2 (P - BF2) complexes)，二苯乙烯(stillbene)衍生物，羅丹明( rodamine)染料，二萘嵌苯羧酰亞胺(perylene carboximide)染料和發光有機金屬絡合物， 如鑭系元素(III) b-二酮螯合物(Lanthanide (III) b-diketonate complexes)。使用發光聚合物如聚對苯乙烯(PPV)的衍生物、聚苯和聚芴以及它們的共聚物和混合物是可能的。


本發明的這些和其他方面根據以下描述的實施例將是清楚明白的，并且將參照所述實施例進行闡述。在附圖中
圖1示出了根據本發明第一優選實施例的照明裝置； 圖2示出了根據本發明第二優選實施例的透明磷光體； 圖3a至!Be示出了根據本發明第三優選實施例的照明裝置； 圖4示出了根據本發明第四優選實施例的照明裝置； 圖5示出了根據本發明第五優選實施例的照明裝置； 圖6示出了根據本發明第六優選實施例的透明層； 圖7示出了根據本發明第七優選實施例的透明層； 圖8示出了根據本發明第八優選實施例的包括菲涅耳透鏡的透明層； 圖9示出了根據本發明第九優選實施例的包括功能性膜的照明裝置；以及圖10示出了根據本發明第十優選實施例的包括選擇性反射器的照明裝置。
具體實施例方式圖1示出了根據本發明第一優選實施例的照明裝置5的基本配置。波導3的出射表面的有效區域或出射表面相對于泵浦光入射表面或磷光體1的出射表面增大了。波導3 相應地對應于透明波導或透明磷光體。具有磷光體1的照明裝置5包括適于發射光輻射(換言之，發射熒光光輻射或熒光)的出射表面，以及圍繞磷光體1的側表面。提供適于發射朝向磷光體1的光輻射的光源2。磷光體1能夠將自光源發射的輻射波長的至少部分轉換為不同于發射的輻射波長的波長。光源對應于諸如發光二極管或激光二極管的固態光源。這樣的二極管優選地在光譜的紫外、紫色和/或藍色部分發射。磷光體1包括至少一個適于以預定的立體角發射磷光體光的發光表面。光源2適于發射朝向磷光體1的光輻射。此外，提供反射器4。圖1示出了磷光體1光學地耦合至波導3且光線從其發射的照明裝置5的出射表面大于磷光體1的任何單獨發光表面。注意到，反射器4適于通過不同于照明裝置5的出射表面的表面反射至少一部分發射自照明裝置5的光輻射。波導3的入射表面適于將來自于磷光體1的出射表面的光輻射發射至波導3的出射表面。注意到，波導3的出射表面的有效區域大于磷光體1的出射表面的有效區域，且反射器4被布置在磷光體1的側表面的至少一部分上且適于反射發射自磷光體1的光輻射、 漫射地將光或輻射重定向至不同的角度。然而，根據本發明第一優選實施例，反射器4被布置在磷光體1的側表面上，也圍繞波導3的側表面，在波導3的側表面漫反射器再次重定向光以使光從波導3的出射表面逸出。在該實施例中，照明裝置5的有效出射表面等于波導 3的出射表面。圖2示出了根據本發明第二優選實施例的透明磷光體并圖示了在透明磷光體1的塊內的全內反射的效果。如果考慮在透明磷光體1內的某點的光發射，則從平坦表面的逸出錐由2 · 2來給出。TIR的臨界角由下式給出
sin (Θ c) = Ii2Ai1 ο如果假設第二折射率n2對應于1，也就是說第二介質是空氣，且第一介質包括具有第一折射率Ii1為1.83的YAG磷光體，則TIR的臨界角對應于33. 1°。換言之，磷光體1的出射表面方向上發射的光只有16. 7%將從該表面逸出，而其余的將被反射。圖3a至!Be示出了根據本發明第三優選實施例的照明裝置5。使用了具有與磷光體1的折射率相似的折射率的材料且因此產生了一表面以使光逸出至空氣并具有最小的返回到磷光體1中的反射。根據示于圖3a的本發明的第三優選實施例，反射器4對應于漫反射器且磷光體1和波導3之間的光學耦合對應于磷光體1和波導3的折射率之間的光學匹配。這樣，迫使多得多的光從磷光體1的出射表面離開且從波導3的出射表面逸出。在此實施例中，層1和3利用折射率匹配材料(未示出)光學地耦合。假設磷光體1顯現不定的大的表面區域，沒有自吸收，光從一點各向同性地發射且當光在入射表面處經歷TIR時光從波導3的出射表面逸出而進入波導3中，則來自于磷光體1的出射表面的光強(由I1表示)與來自于磷光體1的入射表面(在該入射表面處泵浦光進入磷光體以激發磷光體1)的強度(由I2表示)的比由下式給出
立
權利要求
1.一種照明裝置(5)，含有包括適于以預定的立體角發射磷光體光的至少一個發光表面的磷光體(1)，適于朝向磷光體(1)發射光輻射的光源(2)，波導(3)和反射器(4)，其中磷光體(1)光學地耦合至波導(3 )，光從其發射的照明裝置(5)的出射表面大于磷光體(1)的任何單獨發光表面，且反射器(4)適于通過不同于照明裝置(5)的出射表面的表面反射從照明裝置(5)發射的至少一部分光輻射。
2.根據權利要求1所述的照明裝置，其中波導(3)包括從至少一個發光表面與磷光體 (1)的光接觸。
3.根據權利要求1或2所述的照明裝置，其中磷光體(1)包括低散射透明材料，優選地包括陶瓷磷光體和/或摻雜有機磷光體的聚合物。
4.根據權利要求1或2所述的照明裝置，其中反射器(4)包括漫反射器。
5.根據權利要求1或2所述的照明裝置，其中波導(3)包括從頂表面和/或側表面耦合到磷光體(1)的平面波導。
6.根據權利要求1或2所述的照明裝置，其中波導(3)包括反射器(4)，優選地包括漫反射器。
7.根據權利要求1或2所述的照明裝置，其中磷光體(1)和波導(3)之間的光學耦合包括折射率> 1. 4的材料，其優選地匹配磷光體(1)或波導(3)的折射率。
8.根據權利要求1或2所述的照明裝置，其中磷光體(1)的側表面包括不同于垂直角度的相對于波導(3)的入射表面的傾斜角度。
9.根據權利要求1或2所述的照明裝置，還包括具有與波導(3)的材料不同的透明材料的透明層(6)，其中該透明層(6)布置在磷光體(1)和波導(3)之間。
10.根據權利要求1或2所述的照明裝置，其中波導(3)的出射表面和/或照明裝置 (5)的出射表面包括對應于平的形狀、凹的形狀、凸的形狀和/或鋸齒形狀的形狀。
11.根據權利要求10所述的照明裝置，其中鋸齒形狀對應于菲涅耳透鏡。
12.根據權利要求1或2所述的照明裝置，還包括布置于波導(3)的出射表面的頂部上的至少一個膜(7)，該膜(7)優選地適于使從波導(3)的出射表面輻射的光輻射偏振。
13.根據權利要求1或2所述的照明裝置，還包括適于選擇性地透射和/或反射光輻射的選擇性反射器(8)，其中該選擇性反射器(8)被布置在光源(2)和磷光體(1)之間的光路中。
14.根據權利要求1或2所述的照明裝置，還包括適于冷卻磷光體(1)的散熱器。
15.一種適于照明應用的方法，包括步驟a)朝向光學地耦合至波導(3)的磷光體(1)發射光輻射，b)引導光輻射通過磷光體(1)，該磷光體(1)包括適于以預定立體角發射磷光體光的至少一個發光表面，其中根據權利要求1至14之一所述且包括磷光體(1)和波導(3)的照明裝置的光從其發射的出射表面大于磷光體(1)的任何單獨的發光表面。
全文摘要
本發明涉及一種照明裝置和適于照明應用的方法。照明裝置(5)含有包括適于以預定的立體角發射磷光體光的至少一個發光表面的磷光體(1)，適于朝向磷光體(1)發射光輻射的光源(2)，波導(3)和反射器(4)，其中磷光體(1)光學地耦合至波導(3)，光從其發射的照明裝置(5)的出射表面大于磷光體(1)的任何單獨發光表面，且反射器(4)適于通過不同于照明裝置(5)的出射表面的表面反射至少一部分從照明裝置(5)發射的光輻射。這樣，同時實現了從發光材料的單獨表面的高的光提取效率和照明裝置的高量子效率。
文檔編號H01L33/58GK102414850SQ201080017733
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月19日 優先權日2009年4月21日
發明者A. M. 希克梅特 R. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司