ТОНКИЙ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ ОБЩЕГО ОСВЕЩЕНИЯ
THIN LIGHTING DEVICE FOR APPLICATIONS OF GENERAL LIGHTING

Это изобретение относится к освещению общего назначения, использующему светоизлучающие диоды (СИДы) большой мощности и, в частности, к очень тонкому осветительному прибору (то есть осветительной арматуре с источником света), использующему СИДы для освещения общего назначения.
Осветительные арматуры с лампами люминесцентного излучения представляют собой самый распространенный тип осветительной арматуры для освещения учреждений и магазинов. Осветительные арматуры с лампами люминесцентного излучения также используются под полками или под стеллажами, или в других ситуациях, в которых требуется относительно поверхностный, продолговатый свет. Электрическая лампочка люминесцентного излучения обычно помещается в диффузно-отражающую прямоугольную полость с открытой верхней частью. Прозрачный пластиковый лист с рельефной призматической структурой прикрепляется над отверстием. Пластиковый лист отчасти рассеивает свет и направляет световое излучение вниз на поверхность, подлежащую освещению. Так как люминесцентные электрические лампочки, как правило, имеют диаметр больше, чем полдюйма, такие арматуры, обычно, превышают один дюйм в глубину. Для небольших площадей, подлежащих освещению, глубина осветительной арматуры с лампами люминесцентного излучения становится неприглядной.
По существу, было бы желательным уменьшить толщину источника белого света для замены таких осветительных арматур с лампами люминесцентного излучения.
Массив СИДов белого света высокой мощности расположен на основной поверхности тонкой отражающей полости, имеющей размеры длины и ширины незначительно больше, чем массив СИДов. Массив СИДов может представлять собой одномерный массив, двумерный массив или любую другую структуру. СИДы могут быть установлены на одной или более тонких пластинах печатной платы, которые электрически присоединяют СИДы к зажиму источника питания. Каждый СИД обычно имеет высоту 2-7 мм. Глубина полости выполнена, приблизительно, чтобы быть в 2-5 раз больше толщины СИДов, например, приблизительно 0,5-3 см.
Поверхность светового выхода полости представляет собой отражатель с много большим количеством отверстий, чем количество СИДов (например, в 4-25 раз больше количества СИДов). Отверстия могут быть расположены в виде одномерного массива, двумерного массива или распределены для того, чтобы наилучшим образом обеспечивать равномерную картину освещения. Над каждым отверстием имеется небольшая пластиковая линза, которая служит причиной того, что свет, излучающийся через отверстие, образует конуса света, приблизительно, от 50 до 75 градусов, и предпочтительно 60 градусов. Угол определяется в месте, где свет имеет яркость в половину от максимальной яркости в пределах угла.
Свет, излученный каждым СИДом в пределах полости, как правило, имеет диффузную картину освещения. Этот излученный свет смешивается в полости посредством отражения от всех шести отражающих стенок полости. В конечном счете, свет будет выходить через многочисленные отверстия, образуя относительно равномерную картину освещения на поверхности, подлежащей освещению, посредством осветительного прибора.
Для дополнительного смешивания света в полости или, если полость выполнена сверхтонкой, могут использоваться СИДы с боковым направлением излучения. Боковое излучение может быть получено посредством использования линзы с боковым направлением излучения или посредством расположения небольшого отражателя над верхней поверхностью головки СИДа.
Вместо линзы над каждым отверстием, каждое отверстие может быть образовано в виде усеченного конуса, расширяющегося по направлению к световому выходу. Область выхода конуса, сопоставляемая с входом конуса, устанавливается таким образом, чтобы свет выходил, приблизительно, с углом 60 градусов. Любой угол от 45 до 90 градусов может быть достаточным, в зависимости от применения.
СИДы белого света могут представлять собой СИДы голубого света с желтым люминофорным покрытием, посредством чего смешивание желтого света и голубого света, проходящего через люминофор, обеспечивает белый свет. Белый свет также может быть обеспечен посредством использования голубого СИДа с красным и зеленым люминофорами, окружающими его. Существует множество способов применения люминофора над СИДом.
В другом варианте осуществления СИДы устанавливаются на отражающую поверхность светового выхода полости между отверстиями. Таким образом, свет от СИДов не может непосредственно входить в какое-либо отверстие, а должен сначала отражаться от внутренней поверхности полости до выхода через отверстия. Это улучшает смешивание и равномерность светового выхода. Отражающая поверхность светового выхода может быть выполнена из отражающего алюминия с тем, чтобы также работать в качестве теплоотвода для СИДов. В одном варианте осуществления СИДы выдают белый свет посредством использования люминофора над СИДом. В другом варианте осуществления СИДы выдают голубой свет, и, по меньшей мере, основная поверхность полости покрыта люминофором, таким образом, излучение люминофора в сочетании с голубой составляющей обеспечивает белый свет через отверстия. Это является возможным, так как голубой свет СИДа не излучается непосредственно из отверстия.
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение традиционного СИДа высокой мощности, излучающего белый свет.
Фиг.2 представляет собой поперечное сечение СИДов, установленных в отражающей полости с выходными отверстиями для света на поверхности полости, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На фиг.3А и 3В показаны два типа СИДов с боковым направлением излучения, которые могут быть установлены в отражающих полостях, описанных здесь.
Фиг.4 представляет собой поперечное сечение СИДов, установленных на отражающей поверхности светового выхода полости, в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
Фиг.5 представляет собой поперечное сечение отверстия, имеющего форму усеченного конуса.
Фиг.6 представляет собой вид сверху вниз одного варианта осуществления осветительного прибора с одномерным массивом СИДов.
Фиг.7 представляет собой вид сверху вниз одного варианта осуществления осветительного прибора с двумерным массивом СИДов.
Фиг.1 представляет собой поперечное сечение традиционного СИДа 10, который вырабатывает белый свет посредством смешивания голубого света, выработанного посредством головки СИДа, с желтым светом, выработанным посредством люминофора, например АИГ люминофора. Такие СИДы для освещения являются доступными для приобретения со световым выходом, приблизительно, в 10-100 люмен.
В использующихся примерах головка СИДа представляет собой СИД на основе GaN, например, AlInGaN СИД, для вырабатывания голубого света. СИД, вырабатывающий УФ свет, также может использоваться с соответствующими люминофорами. Головка СИДа имеет плакирующий слой 12 n-типа и активный слой 14, плакирующий слой 16 p-типа и контактный слой 18 p-типа, на котором образован металлический электрод 20. Слой 12 n-типа контактирует с металлическим электродом 22, который проходит через отверстие в p-слоях и активном слое 14. Головка СИДа установлена на керамическом подмонтажном элементе 24, имеющем верхние электроды, которые приварены к электродам головки СИДа посредством термоультразвуковой сварки. Подмонтажный элемент 24 имеет нижние электроды, соединенные с верхними электродами посредством электропроводного сквозного межсоединения (не показано) через подмонтажный элемент 24.
Слой АИГ люминофора 26 образован над головкой СИДа с помощью любого подходящего процесса, например электрофорезов (тип технологии гальванического покрытия, использующий раствор электролита) или любого другого типа процесса. Взамен может использоваться предварительно образованный люминофорный экран, расположенный над верхней поверхностью головки СИДа.
Силиконовая или пластиковая линза 28 герметизирует головку СИДа. Головка СИДа, подмонтажный элемент и линза рассматриваются в качестве СИДа 10 для целей этого описания изобретения.
Общая высота СИДа 10, включая линзу 28 и подмонтажный элемент 24, обычно находится в переделах 2-7 мм. Если СИД 10 был бы размещен в корпусе для монтажа на поверхность с пластиковым футляром и рамкой с внешними выводами, высота может превышать 7 мм. Для сверхтонких СИДов, с их удаленной расширяющей подложкой (обычно темно-синей) и без линзы, толщина, включая подмонтажный элемент, может быть меньше, чем 1 мм. Такие сверхтонкие СИДы также могут использоваться в изобретении. Ширина заключенного в корпус СИДа составляет, приблизительно, 5 мм.
Подмонтажные элементы некоторого количества СИДов припаяны к печатной плате 30, имеющей металлические проводники 32, для соединения многочисленных СИДов и для присоединения к источнику питания. Предпочтительно, печатная плата 30 образована в виде узкой пластины. СИДы могут быть соединены в комбинацию последовательного и параллельного соединения. Корпус печатной платы 30 может представлять собой изолированную алюминиевую пластину для отвода тепла от СИДов. Обычно печатная плата 30 имеет толщину меньше чем 2 мм.
Примеры образования СИДов описаны в патенте США под номерами 6,649,440 и 6,274,399, оба переуступленные Philips Lumileds Lighting Company и включены в настоящее описание изобретения в качестве ссылки.
Конкретные образованные СИДы и независимо от того, установлены они или нет на подмонтажном элементе, не являются важными для целей понимания изобретения.
Фиг.2 представляет собой поперечное сечение трех СИДов 10, установленных на пластине печатной платы 30, в пределах узкой отражающей полости 36. Может использоваться любое количество СИДов 10, в зависимости от требуемых размеров и светового выхода осветительного прибора. Касательно СИДов повышенной яркости, шаг может быть, приблизительно, в 1 дюйм или больше для воспроизведения мощности источника света электрической лампочки. Длина полости обычно будет находиться в пределах от 4 дюймов до нескольких футов. Многочисленные пластины печатной платы могут быть соединены друг с другом для достижения требуемой длины и ширины. Источник тока (не показан) соединен с выводами питания пластин печатной платы.
Основная поверхность 38 и боковые стенки 40 полости 36 являются отражающими. Отражение может быть зеркальным (подобно зеркалу) или рассеянным. Например, материал стенки может представлять собой отшлифованный алюминий или иметь отражающее пленочное покрытие, или может быть покрыт отражающей рассеивающей белой краской. Печатная плата 30 также может иметь должным образом отражающую верхнюю поверхность, и печатная плата 30 может составлять относительно небольшую часть нижней поверхности полости 36. Если печатная плата включает в себя относительно большую площадь, печатная плата рассматривается для образования нижней поверхности полости 36.
Поверхность светового выхода полости 36, противоположная установочной поверхности СИДа, образована из отражающего листа 42, имеющего много больше отверстий 44, чем количество СИДов. Может иметься от 4 до 25 отверстий или больше, из расчета на один СИД, разнесенных для равномерного освещения. Отражающий лист 42 может представлять собой жесткий пластик с отражающей пленкой или может представлять собой тонкий металл. Площадь отверстий составляет, предпочтительно, 10-50% от всей площади листа 42. Предпочтительно, каждое отверстие составляет, приблизительно, 1-2 мм, что составляет, приблизительно, от 1/5 до 1/3 диаметра линзы СИДов средней величины. Диаметр каждого отверстия будет зависеть от количества отверстий для того, чтобы обеспечить достаточный совокупный проход на отражающем листе 42 для обеспечения требуемой общей яркости осветительного прибора. Диаметр каждого отверстия может находиться в пределах от 0,5 мм до 3 мм.
Пластиковая, стеклянная или силиконовая линза 46 покрывает сверху каждое отверстие 44. Форма линзы 46 служит причиной того, что световой выход каждого отверстия 44 имеет угол рассеивания в 60 градусов (определяющийся углом половины яркости при максимуме). Общий угол рассеивания от 45 до 90 градусов может быть достаточным для большинства применений.
Линзы 46 могут быть образованы посредством простой операции формования, при которой верхняя поверхность отражающего листа 42 вводится в контакт с пресс-формой, имеющей углубления, задающие каждую линзу, наполненной жидким линзовым материалом. Линзовый материал может полностью или частично заполнять каждое отверстие 44 и приклеиваться к отражающему листу 42. Линзовый материал затвердевает с помощью тепла, УФ или других средств (в зависимости от материала), и отражающий лист 42 удаляется со всей поверхности пресс-формы вместе с линзами 46, прикрепленными к листу 42.
В другом варианте осуществления линзы 46 могут быть предварительно изготовлены и приклеены к отражающему листу 42 посредством использования каких-либо средств.
Чем дальше отражающий лист 42 удален от СИДов 10, тем большее смешивание света выполняется в полости 36 и тем более равномерное будет результирующее световое излучение. В одном варианте осуществления толщина полости 36 в 2-10 раз больше высоты отдельного СИДа, или, примерно, от 0,5 до 7 см. Расположение отверстий 44 может быть равномерно распределено или распределено таким образом, что плотность распределения отверстий 44, главным образом над СИДом, является меньше, чем плотность распределения отверстий 44 дальше от СИДа. Это уравнивает световой выход из разных областей отражающего листа 42. Размеры отверстий 44 также могут изменяться для регулирования величины светового выхода из каждого отверстия для получения лучшей равномерности.
Дополнительно, линза 28 над каждым СИДом, установленным в любой из полостей, описанных здесь, может иметь форму такую, что картина освещения не является диффузной, а имеет более боковое направление излучения для уменьшения интенсивности светового выхода из отверстий 44 непосредственно над СИДом (благодаря прямому освещению) и для увеличения смешивания света в полости для улучшения равномерности светового выхода из полости.
На фиг.3А показан один тип линзы 48 с боковым направлением излучения над СИДом 50 белого света. На фиг.3В показан сверхтонкий СИД 52 с боковым направлением излучения, который вырабатывает белый свет, в котором отражающая пленка 54 размещена над слоем люминофора на головке СИДа. Такой СИД с боковым направлением излучения может не иметь его расширяющую подложку и может быть выполнен с высотой меньше чем 1 мм. Любой вариант осуществления может быть установлен в отражающей полости.
Фиг.4 представляет собой поперечное сечение другого варианта осуществления отражающей полости 55, в которой СИДы 56 белого света установлены на отражающем листе 42 полости между отверстиями 44. Таким образом, свет от СИДов 56 гарантированно отразится, по меньшей мере, от основной поверхности 38 полости до излучения через отверстие 44. Это улучшает равномерность света, проходящего через отверстия, что обеспечивает возможность более узкой полости, например, в 2-4 раза больше толщины СИДов 56. Отражающая пластина 42, предпочтительно, выполнена из высоко-отражающего улучшенного алюминия, такого как изготавливает Alanod Ltd, с тем, чтобы работать в качестве теплоотвода для СИДов 56. Затем отражающий лист 42 охлаждается атмосферным воздухом. Отверстия могут быть просверлены, пробиты или образованы посредством лазерной обработки.
В другом варианте осуществления СИДы 56 могут выдавать голубой свет (то есть люминофор над головкой СИДа отсутствует), и по меньшей мере, основная поверхность 38 полости покрыта люминофором, который обеспечивает белый свет, когда смешивается с голубым светом СИДа. Люминофорное покрытие может быть нанесено распылением или получено методом трафаретной печати с различными люминофорами. Люминофор(ы) может(гут), например, представлять собой АИГ (желто-зеленый) или сочетание АИГ и красного люминофора (например, CaS или ECAS) для более теплого света. Боковые внутренние поверхности полости также могут быть покрыты люминофором.
Фиг.5 представляет собой поперечное сечение отверстия 60, образованного в отражающем листе 42, имеющего форму усеченного конуса. Область выхода конуса, сопоставляемая с входом конуса, определяется требуемой картиной освещения. Область выхода, сопоставляемая с областью входа, приблизительно задается отношением
output
input
2
A = A sinθ (рав. 1)
где θ - половина угла требуемого выхода конуса.
На фиг.5 область выхода конуса, сопоставляемая с входом конуса, установлена таким образом, чтобы свет выходил, приблизительно, с углом 60 градусов. Любой угол от 45 до 90 градусов может быть достаточным. В таком случае наличие линзы над каждым отверстием не требуется. Отверстия без линз увеличивают поток воздуха в полости 36 для способствования охлаждению СИДов. Однако образование профильных отверстий является более сложным, чем образование цилиндрических отверстий. Отверстия могут быть выполнены посредством сверления, штамповки, гравировки, лазерной обработки или пескоструйной обработки по шаблону.
Отверстия 44/60 во всех вариантах осуществления, в общем смысле, являются круглыми для равномерности светового излучения, но могут иметь другие формы, например овалов, для способствования приданию формы световому излучению таким образом, что угол светового излучения может быть 60 градусов в одном направлении и только 30 градусов в другом направлении. Также отверстия могут включать в себя прорези для создания длинной тонкой картины освещения.
Свет, излучающийся из каждого отверстия 44, будет все больше и больше сливаться, когда объект, подлежащий освещению, перемещается дальше от осветительного прибора.
Фиг.6 и 7 представляют собой виды сверху вниз осветительного прибора, показывающие различные расположения СИДов 10. СИДы 10 могут быть на основной поверхности или на отражающем листе, и СИДы могут или могут не быть с боковым направлением излучения. Для упрощения показаны только четыре равномерно распределенных отверстия 44 из расчета на один СИД 10. В вариантах осуществления на фиг.6 и 7, непосредственно над СИДом отсутствуют отверстия 44 для того, чтобы обеспечить некоторую степень выравнивания света, обеспечиваемого полостью 36/55, для каждого отверстия 44. Осветительный прибор может иметь любое количество рядов СИДов, и СИДы не требуют равномерного распределения с целью обеспечения равномерного светового выхода осветительного прибора, например, на расстояние одного фута. Форма осветительного прибора может быть любой, например квадратной, прямоугольной, круглой и т.д.
В одном варианте осуществления предпочтительная равномерность света, выработанного осветительным прибором, находится в пределах 50% от максимальной яркости на площади с размером осветительного прибора, расположенной на 1 фут ниже осветительного прибора. Это качество рассматривается как, по существу, равномерное освещение, так как будут отсутствовать нежелательные резкие переходы яркости на освещаемом объекте, и наблюдатель может не заметить ослабления яркости вдоль краев объекта. В другом варианте осуществления, где используется больше отверстий, равномерность составляет 75% по объекту. В другом варианте осуществления равномерность составляет 90%.
Несмотря на то, что конкретные варианты осуществления настоящего изобретения были показаны и описаны, для специалистов в данной области будет очевидно, что изменения и модификации могут быть осуществлены, не отступая от этого изобретения, в его более широких аспектах, и следовательно, прилагаемая формула изобретения предназначена для включения в пределы своего объема всех таких изменений и модификаций, как подпадающих под соответствующую идею и объем этого изобретения.