СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ МОДУЛЬ, ЛАМПА, ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ
LIGHT-EMITTING MODULE, LAMP, LIGHTING DEVICE AND DISPLAY DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к светоизлучающему модулю, который содержит люминесцирующий слой и твердотельный излучатель света. Изобретение также относится к лампе, осветительному устройству (светильнику) и устройству отображения, содержащему светоизлучающий модуль.
Уровень техники
Опубликованная заявка на патент US2009/0322208A1 раскрывает светоизлучающее устройство. Светоизлучающий диод LED обеспечивается в пределах конической полости, формируемой посредством корпуса с углублением. На передней стороне корпуса с углублением коническая полость покрывается прозрачным теплопроводящим слоем, на котором обеспечивается жаростойкий люминесцирующий слой. На задней пластине корпуса с углублением обеспечивается теплоотвод, а боковые стенки корпуса с углублением покрываются металлической рамкой. Коническая полость может быть заполнена материалом, таким как силиконовая (кремнийорганическая) смола.
Светоизлучающий диод LED испускает свет первого цвета в направлении люминесцирующего слоя. Часть испускаемого света может быть отражена или рассеяна в обратном направлении в полость посредством люминесцирующего слоя. Другая часть испускаемого света преобразовывается посредством люминесцирующего слоя в свет второго цвета. Когда люминесцирующий слой испускает свет второго цвета, этот свет испускается во всех направлениях, вследствие чего часть света другого цвета испускается в полость. Свет, который отражается обратно в полость, или свет второго цвета, который испускается в полость, частично падает на основание полости, частично падает на стенку полости, а также частично падает на светоизлучающий диод LED. На поверхностях светоизлучающего диода LED, а также на поверхностях полости, свет частично отражается и частично поглощается. В частности, поглощение света приводит к неэффективности светоизлучающего устройства.
Некоторые изготовители светоизлучающих модулей производят светоизлучающие модули, которые содержат полость с основанием. Эти модули зачастую имеют множество излучателей света, таких как, к примеру, светоизлучающие диоды LED, которые обеспечиваются на основании. В некоторых вариантах осуществления этих светоизлучающих модулей люминесцирующий слой обеспечивается непосредственно на верхней части излучателей света, к примеру, через связующий слой, а в других вариантах осуществления люминесцирующий слой является так называемым отдаленным люминесцирующим слоем, что означает присутствие относительно большого расстояния между излучателем света и люминесцирующим слоем, порядка нескольких сантиметров.
Проблема светоизлучающих модулей, содержащих излучатели света, которые имеют люминесцирующий слой, расположенный непосредственно на верхней части, заключается в том, что свет, направленный в обратном направлении от люминесцирующего слоя к светоизлучающему диоду LED, страдает от слабой эффективности рециркуляции вследствие того, что задние отражатели, находящиеся внутри светоизлучающего диода LED, имеют ограниченный коэффициент отражения (как правило, заднее зеркало является серебряным и имеет коэффициент отражения, равный 90%). В действительности фактический коэффициент отражения еще ниже, поскольку материал излучателя света, как правило, GaN/InGaN или AlInGaN, имеет высокий показатель преломления, что приводит к тому, что свет удерживается внутри излучателя света, вследствие чего дополнительно ограничивается коэффициент отражения металла. Типичные коэффициенты отражения светоизлучающих диодов LED близки к 70% (усреднены по видимому спектральному диапазону и измерены при нормальном падении на поверхность). Другая проблема этих светоизлучающих модулей заключается в формировании горячих пятен, в которых большая часть света концентрируется в области, находящейся на верхней части светоизлучающего диода LED, вследствие чего светоотдача в горячих пятнах модуля является крайне неравномерной, как по светоотдаче, так и по тепловому распределению. Помимо всего прочего, слой люминофора (люминесцирующего вещества), находящийся на верхней части кристалла светоизлучающего диода LED, может стать относительно горячим и возбужден высокой интенсивностью потока, что приводит к неоптимальной эффективности преобразования люминофора, которая ограничивает характеристики люминесценции.
В целом, светоизлучающие модули, содержащие отдаленный люминесцирующий слой, являются более эффективными по сравнению со светоизлучающими модулями, содержащими излучатели света, которые имеют люминесцирующий слой, находящийся непосредственно на верхней части, благодаря более эффективной рециркуляции света внутри полости. К тому же, светоотдача этих модулей, как правило, является более равномерной, что сокращает интенсивность горячих пятен. Однако светоизлучающие модули, содержащие отдаленный люминесцирующий слой, имеют относительно большой размер по сравнению со светоизлучающими модулями, содержащими излучатели света, которые имеют люминесцирующий слой, находящийся непосредственно на верхней части. Относительно крупногабаритные решения с отдаленным люминесцирующим слоем не могут быть использованы в устройствах с ограниченными размерами, таких как точечные лампы, к примеру, сменные галогеновые лампы и лампы с параболическим отражателем.
Другим недостатком светоизлучающих модулей, содержащих отдаленные люминесцирующие слои, является относительно большая площадь области люминесцирующего слоя, создание которой приводит к относительно высоким материальным затратам. При этом теплопередача в пределах слоя люминофора направлена исключительно в сторону боковых стенок излучателя света, и, вследствие их крупногабаритной конструкции, ограничивается способность направления отвода тепла с отдаленной люминофорной пластины.
В документе EP1686630A2 раскрывается устройство на светоизлучающих диодах (LED), имеющее диффузно-отражающую поверхность, которая включает в себя кристалл LED, который испускает свет, отражающую чашу, которая на своей нижней поверхности имеет кристалл LED, а также имеет наклонную поверхность, которая диффузно отражает свет, испускаемый посредством кристалла LED, и светопреобразующий материал, который обеспечен в отражающей чаше и преобразует свет, испускаемый кристаллом LED, в видимые световые лучи. Светопреобразующий материал пространственно отделен от светодиодного кристалла LED на расстояние, равное или превышающее максимальный размер кристалла LED.
Документ LUO HONG et al: «Analysis of high-power packages for phosphor-based white-light-emitting diodes», APPLIED PHYSICS LETTER, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US.vol.86, no.24, 8 June 2005, pp.243505-1 - 243505-3 раскрывает оптимизированную конфигурацию компоновки для ламп на мощных LED белого свечения, в которых используется диффузно-отражающая чаша, большой интервал между основным источником излучения (кристаллом LED) и преобразователем длин волн (люминофором) и полусферическая оболочка.
В документе US2006/097245A1 раскрыто светопроводящее покрытие, размещенное над, по меньшей мере, одним светоизлучающим кристаллом. Люминофор расположен на выпуклом светопроводящем покрытии или внутри него. Люминофор выводит преобразованный свет в ответ на излучение, которое испускается посредством, по меньшей мере, одного светоизлучающего кристалла. Герметизирующий материал по существу заполняет внутренний объем, определяемый светопроводящим покрытием и печатной платой.
В документе EP1930959A1 раскрыто светоизлучающее устройство, включающее в себя кристалл LED и линзу, расположенную на расстоянии от кристалла, которое, по меньшей мере, в два раза превышает длину наибольшей стороны упомянутого кристалла, а также слой люминофора, находящийся внутри или нанесенный на внутреннюю или внешнюю поверхность упомянутой линзы для преобразования, по меньшей мере, части излучения, испускаемого кристаллом, в видимый свет. Расположение слоя люминофора на удалении от LED повышает эффективность устройства и обеспечивает более равномерную цветопередачу.
В документе US2010/308356A1 раскрыт оптоэлектронный компонент, содержащий, по меньшей мере, одну полупроводниковое тело для испускания электромагнитного излучения в первом диапазоне длин волн, внутреннее тело, пропускающее излучение, в которое погружено полупроводниковое тело, слой для преобразования длин волн на внешней стороне внутреннего тела, причем упомянутый слой содержит материал для преобразования длин волн, подходящий для преобразования излучения в первом диапазоне длин волн в излучение во втором диапазоне длин волн, который отличается от первого диапазона длин волн, выводящую линзу, в которую включено внутреннее тело и слой для преобразования длин волн, причем выводящая линза имеет внутреннюю сторону, окруженную внутренней полусферической областью, и внешнюю сторону, окруженную внешней полусферической областью.
В документе US2006/171152A1 раскрыто светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающий элемент, монтируемый методом перевернутого кристалла, подложку, на которую монтируется светоизлучающий элемент, причем подложка изготовлена из неорганического материала, герметизирующую часть для герметизации светоизлучающего элемента, причем герметизирующая часть изготовлена из неорганического герметизирующего материала, оптическую часть, имеющую практически полусферическую форму, причем оптическая часть изготовлена из неорганического герметизирующего материала, и люминофорную часть, сформированную для покрытия оптической части.
В документе US2008/054281A1 раскрыто светоизлучающее устройство, содержащее источник света для испускания коротковолнового излучения, и оптическое устройство, сконфигурированное для приема излучения, испускаемого из источника света. Устройство направляет, по меньшей мере, часть коротковолнового излучения, испускаемого из источника света, в оптическое устройство, и материал для понижающего преобразования принимает, по меньшей мере, часть коротковолнового излучения, направляемого в оптическое устройство, в одной области спектра и испускает излучение в другой области спектра.
Сущность изобретения
Задача изобретения заключается в обеспечении светоизлучающего модуля, который является относительно эффективным.
Первый аспект изобретения обеспечивает светоизлучающий модуль в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Второй аспект изобретения обеспечивает лампу в соответствии с пунктом 13 формулы изобретения. Третий аспект изобретения обеспечивает осветительное устройство в соответствии с пунктом 14 формулы изобретения. Четвертый аспект изобретения обеспечивает устройство отображения в соответствии с пунктом 15 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления определяются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Светоизлучающий модуль, в соответствии с первым аспектом изобретения, испускает свет через световыводящее окно. Светоизлучающий модуль содержит основание, по меньшей мере, один твердотельный излучатель света и частично диффузно-отражающий слой, который является слоем, имеющим свойства диффузного отражения, в котором, по меньшей мере, часть падающего света диффузно отражается, а, по меньшей мере, часть падающего света проходит через этот слой. Основание имеет поверхность, при этом, по меньшей мере, часть поверхности основания отражает свет, который падает на поверхность основания. Далее в настоящем документе часть поверхности основания, которая отражает свет, будет называться светоотражающей поверхностью основания. Светоотражающая поверхность имеет коэффициент отражения основания, который определяется посредством соотношения между количеством света, которое отражается посредством светоотражающей поверхности основания, и количеством света, которое падает на светоотражающую поверхность основания. По меньшей мере, один твердотельный излучатель света конфигурируется для испускания света первого цветового диапазона, имеет верхнюю поверхность и коэффициент отражения твердотельного излучателя света, который определяется посредством соотношения между количеством света, которое отражается посредством, по меньшей мере, одного твердотельного источника излучения, и количеством света, которое падает на верхнюю поверхность, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света. Световыводящее окно содержит, по меньшей мере, часть частично диффузно-отражающего слоя. Величина коэффициента отражения основания больше величины коэффициента отражения твердотельного излучателя света с прибавленным множителем с к разности между 1 и коэффициентом отражения твердотельного излучателя света. Величина множителя с зависит от величины относительной площади области твердотельного излучателя света, которая определяется в качестве соотношения между площадью области верхней поверхности, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света, и площадью области светоотражающей поверхности основания. Если относительная площадь области твердотельного излучателя света является относительно малой, то есть, величина меньше 0,1, то обеспечивается относительно эффективный светоизлучающий модуль, если множитель с больше или равен 0,2. Если относительная площадь области твердотельного излучателя света находится в промежуточном диапазоне, то есть, в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1, до максимальной величины, которая меньше или равна 0,25, то обеспечивается относительно эффективный светоизлучающий модуль, если множитель с больше или равен 0,3. Если относительная площадь области твердотельного излучателя света является относительно большой, то есть, имеет величину, которая больше 0,25, то обеспечивается относительно эффективный светоизлучающий модуль, если множитель с больше или равен 0,4. Максимальной величиной множителя с является 1, поскольку величина коэффициента отражения не может быть больше 1. На практике величина относительной площади области твердотельного источника излучения находится в диапазоне между 0 и 1.
Свет первого цветового диапазона, который падает на частично диффузно-отражающий слой, рассеивается и частично отражается в направлении, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света и основания вследствие отражений от поверхности частично диффузно-отражающего слоя, вследствие внутренних отражений и вследствие рассеяния в обратном направлении на частично диффузно-отражающем слое, а также частично проходит через частично диффузно-отражающий слой.
По меньшей мере один твердотельный излучатель света имеет ограниченный коэффициент отражения твердотельного излучателя света вследствие его конструкции, а значит существенная часть света, который падает, по меньшей мере, на один твердотельный излучатель света, поглощается посредством, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света. Верхняя поверхность, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света отражает относительно малую часть света, который падает на верхнюю поверхность, при этом относительно большая часть этого света проходит во внутреннюю часть твердотельного излучателя света. Задняя поверхность и полупроводниковые области, которые находятся внутри твердотельного излучателя света, поглощают существенную часть света, в результате чего ограниченное количество света, которое попадает во внутреннюю часть твердотельного излучателя света, испускается обратно во внешнюю среду твердотельного излучателя света. Зачастую термин «кристалл» используется применительно к кристаллу твердотельного излучателя света, причем оба термина относятся к полупроводниковому устройству, в котором генерируется свет. Полупроводниковое устройство включает в себя полупроводниковый материал, который по существу генерирует свет, а также включает в себя электрод, сегментацию, сквозные отверстия, задние зеркала, и, к примеру, защитные слои. Следует отметить, что некоторые твердотельные излучатели света наращиваются на светопроводящей подложке, к примеру, сапфире. После изготовления подложка также может присутствовать на кристалле твердотельного излучателя света, при этом свет, который генерируется в твердотельном излучателе света, испускается через подложку для наращивания. Термин «верхняя поверхность» не относится к поверхности подложки для наращивания, а относится к поверхности кристалла твердотельного излучателя света, который испускает большую часть света. В некоторых вариантах осуществления свет испускается через верхнюю поверхность преимущественно в направлении световыводящего окна.
Величина коэффициента отражения основания, по меньшей мере, больше величины коэффициента отражения твердотельного излучателя света, вследствие чего основание поглощает меньшее количество света по сравнению с твердотельным источником излучения. Это является предпочтительным в связи с тем, что посредством основания отражается большее количество света, вследствие чего во внешнюю среду может быть выпущено большее количество света через световыводящее окно светоизлучающего модуля. По существу это означает, что посредством основания отражается большее количество света, которое впоследствии рециркулируется вместо поглощения. Эффективность светоизлучающего модуля в целом повышается, поскольку потери света в светоизлучающем модуле, в соответствии с изобретением, минимизируются. По сравнению со светоизлучающими модулями, которые имеют люминесцирующий слой, находящийся непосредственно на верхней части твердотельного излучателя света, теряется меньшее количество света вследствие поглощения света твердотельным излучателем света. По сравнению со светоизлучающими модулями, которые имеют отдаленный люминесцирующий слой, функционирующий в качестве частично диффузно-отражающего слоя, свет, который отражается, рассеивается в обратном направлении и/или повторно испускается посредством частично диффузно-отражающего слоя в направлении внутренней части модуля, рециркулируется с большей эффективностью, поскольку он испытывает меньше влияния (отражений) внутри модуля перед выходом из световыводящего окна. В результате светоизлучающий модуль, в соответствии с первым аспектом изобретения, является относительно эффективным.
Было установлено, что, если коэффициент отражения основания в достаточной мере больше коэффициента отражения твердотельного излучателя света, то эффективность светоизлучающего модуля в целом повышается. Кроме того, существенное улучшение было отмечено выше определенной разности коэффициентов отражения, в зависимости от относительной площади области твердотельного излучателя света. Следовательно, в соответствии с изобретением, коэффициент отражения основания, по меньшей мере, больше величины коэффициента отражения твердотельного излучателя света плюс множитель с на разность между 1 и величиной коэффициента отражения твердотельного излучателя света. Если предположить, что Rbase является коэффициентом отражения основания, а R_SSL является коэффициентом отражения твердотельного излучателя света, то этот критерий представляется посредством формулы: Rbase>R_SSL+c*(1-R_SSL). Следовательно, если относительная площадь области твердотельного излучателя является относительно малой, то есть, меньше 0,1, что означает то, что отражающая поверхность основания имеет относительно большую площадь области по сравнению с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя света, то обеспечивается относительно эффективный модуль освещения, если с≥0,2. В качестве примера, если в данном случае R_SSL=0,7, то коэффициент отражения отражающей поверхности основания должен быть больше или равен 0,76 для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля. Если относительная площадь области твердотельного излучателя находится в промежуточном диапазоне, то есть, находится в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1, до максимальной величины, которая меньше или равна 0,25, что означает то, что площадь области отражающей поверхности основания является сопоставимой с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя света, то обеспечивается относительно эффективный модуль освещения, если с≥0,3. В качестве примера, если в данном случае R_SSL=0,7, то коэффициент отражения отражающей поверхности основания должен быть больше или равен 0,79 для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля. Если относительная площадь области твердотельного излучателя является относительно большой, то есть, больше 0,25, что означает то, что отражающая поверхность основания имеет относительно малую площадь по сравнению с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя света, то множитель с должен быть больше или равен 0,4 для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля. В качестве примера, если в данном случае R_SSL=0,7, то коэффициент отражения отражающей поверхности основания должен быть больше или равен 0,82 для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля.
Следует отметить, что коэффициенты отражения являются средними величинами по всей поверхности, к которой они имеют отношение. К примеру, светоотражающая поверхность основания может содержать области, которые имеют меньшую способность отражения по сравнению с другими областями, к примеру, посредством использования различных материалов и/или различной толщины слоев отражателя на основании. Кроме того, отражение света различных длин волн может отличаться, однако, предпочтительно, чтобы коэффициент отражения являлся средневзвешенной величиной по спектральному диапазону, который содержит, по меньшей мере, свет первого цветового диапазона, и по распределению угла падения.
В некоторых случаях, по меньшей мере, один твердотельный излучатель света крепится к подложке, к примеру, к керамической подложке, при этом комбинация подложки и, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света крепится к другому несущему (опорному) слою. К примеру, этот несущий слой может являться печатной платой на металлической основе MCPCB, также называемой изолированной металлической подложкой IMS или традиционной печатной платой PCB, такой как FR4, или другим керамическим кристаллоносителем, к примеру, изготовленным из алюминия или из нитрида алюминия. В таких ситуациях основание светоизлучающего модуля является комбинацией другого несущего слоя и подложки, к которой крепится, по меньшей мере, один твердотельный излучатель света. Иначе говоря, основание является комбинацией материалов и/или слоев, на которых обеспечивается твердотельный(ые) излучатель(и) света. Следовательно, в данном конкретном случае коэффициент отражения основания является средневзвешенной величиной коэффициентов отражения подложек и несущего слоя. Для внесения ясности, в вычислениях площадь области отражающей поверхности основания не включает в себя площадь области, которая покрыта посредством, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света.
Если относительная площадь области твердотельного излучателя является относительно малой, то есть меньше 0,1, то обеспечивается более эффективный светоизлучающий модуль в случае, если 0,4≤с≤1. Еще более эффективный светоизлучающий модуль обеспечивается в данном случае при 0,6≤с≤1. Если относительная площадь области твердотельного излучателя находится в промежуточном диапазоне, то есть, находится в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1, до максимальной величины, которая меньше или равна 0,25, то обеспечивается более эффективный светоизлучающий модуль в случае, если 0,6≤с≤1. Еще более эффективный светоизлучающий модуль обеспечивается в данном случае при 0,84≤с≤1. Если относительная площадь области твердотельного излучателя света является относительно большой, то есть, больше 0,25, то обеспечивается более эффективный светоизлучающий модуль в случае, если 0,8≤с≤1.
В варианте осуществления частично диффузно-отражающий слой содержит люминесцирующий материал для преобразования, по меньшей мере, части света первого цветового диапазона в свет второго цветового диапазона. Свет второго цветового диапазона испускается посредством люминесцирующего материала во всех направлениях, при этом часть этого света также испускается в направлении, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света или же в направлении светоотражающей поверхности основания.
В варианте осуществления верхняя поверхность, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света обращена в направлении световыводящего окна. В варианте осуществления один из твердотельных излучателей света является так называемым боковым источником излучения. В варианте осуществления, по меньшей мере, один твердотельный излучатель света испускает свет в направлении, по меньшей мере, части световыводящего окна.
В варианте осуществления, по меньшей мере, один твердотельный излучатель света обеспечивается на светоотражающей поверхности основания. Для внесения ясности, в вычислениях площадь области отражающей поверхности основания не включает в себя площадь области, которая покрыта посредством, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света. Однако в других вариантах осуществления, по меньшей мере, один твердотельный излучатель света может быть расположен в сети проводников, которые обеспечиваются между основанием и световыводящим окном. В таком варианте осуществления проводники соединяются с твердотельным(и) излучателем(ями) света и подают питание на твердотельный(е) излучатель(и) света. Проводник может включать в себя металлический сердечник и защитную пластмассовую оболочку, а также может состоять в электрической связи в точке контакта с подложкой или носителем источника излучения, к примеру, посредством паяного соединения.
В варианте осуществления светоизлучающий модуль содержит множество твердотельных излучателей света. Каждый из твердотельных излучателей света конфигурируется для испускания света в конкретном цветовом диапазоне. В другом варианте осуществления множество твердотельных излучателей света обеспечивается на воображаемой (мнимой) плоскости, которая находится между основанием и световыводящим окном. В дополнительном варианте осуществления, по меньшей мере, один из множества твердотельных излучателей света испускает свет в направлении, по меньшей мере, конкретной части световыводящего окна. Кроме того, в альтернативном варианте, по меньшей мере, один из множества твердотельных излучателей света имеет верхнюю поверхность, обращенную в направлении световыводящего окна. Коэффициент отражения твердотельного излучателя света определяется как среднее значение коэффициентов отражения множества твердотельных излучателей света. В дополнительном варианте осуществления верхняя поверхность, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света обращена в направлении световыводящего окна, при этом верхняя поверхность другого твердотельного излучателя света не обращена в направлении световыводящего окна.
В некоторых вариантах осуществления излучатель света может являться комбинацией множества твердотельных излучателей света, содержащих светоизлучающие поверхности, которые располагаются в непосредственной близости друг к другу на одной плоскости. В непосредственной близости означает то, что расстояние между отдельными твердотельными излучателями света составляет порядка десятков микрометров, но не больше 0,2 мм. Такие близко расположенные твердотельные излучатели света рассматриваются в контексте настоящего изобретения в качестве одного излучателя света, который также называется многокристальным светоизлучающим диодом LED. Верхняя поверхность является комбинацией верхних поверхностей отдельных твердотельных излучателей света, которые располагаются в непосредственной близости друг к другу. Следует отметить, что очень близкое расположение относится к кристаллам твердотельных излучателей света, а не к очень близкому расположению корпусов твердотельных излучателей света.
Светоизлучающий модуль может испускать большее количество света в случае обеспечения двух и более твердотельных излучателей света. Большее количество света, при рассмотрении в абсолютных величинах, будет отражаться в пределах светоизлучающего модуля и, следовательно, испускаться в обратном направлении к твердотельным излучателям света и к светоотражающей поверхности основания. Следовательно, если светоотражающая поверхность основания имеет лучший коэффициент отражения по сравнению с твердотельными излучателями света, то большее количество света, при рассмотрении в абсолютных величинах, может рециркулироваться посредством отражения света при помощи отражающей поверхности в обратном направлении к частично диффузно-отражающему слою (и через световыводящее окно). Кроме того, светоизлучающий модуль, содержащий множество твердотельных излучателей света, имеет те же самые преимущества, как и светоизлучающий модуль, содержащий один твердотельный излучатель света. В случае присутствия двух и более твердотельных излучателей света, в вычислении относительной площади области твердотельного излучателя света используется суммарная площадь областей верхних поверхностей твердотельных излучателей света.
В дополнительном варианте осуществления между верхней поверхностью, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света и частично диффузно-отражающим слоем присутствует зазор. Зазор должен иметь широкую интерпретацию. Это означает то, что частично диффузно-отражающий слой не состоит в непосредственном контакте с верхней поверхностью или верхними поверхностями, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света, а также означает то, что между, по меньшей мере, одним твердотельным излучателем света и частично диффузно-отражающим слоем присутствует определенный зазор. Зазор может быть заполнен воздухом, тем не менее, в зазоре также может присутствовать по существу прозрачный материал.
Если частично диффузно-отражающий слой не состоит в непосредственном контакте с верхней поверхностью твердотельного излучателя света или твердотельных излучателей света, то относительно большее количество света будет отражаться и испускаться в направлении светоотражающей поверхности. Если, в соответствии с изобретением, светоотражающая поверхность имеет более высокий коэффициент отражения по сравнению с, по меньшей мере, одним твердотельным излучателем света, то большее количество света будет отражаться в обратном направлении к частично диффузно-отражающему слою и, следовательно, будет обеспечена более высокая светоотдача.
На основе экспериментов изобретатели установили, что оптический эффект относительно высокого коэффициента отражения может дополнительно повысить светоотдачу. В случае присутствия зазора между твердотельным(и) излучателем(ями) света и частично диффузно-отражающим слоем, твердотельный излучатель света не нагревается как в случае, когда частично диффузно-отражающий слой располагается на верхней части или в непосредственной близости к твердотельному(ым) излучателю(ям) света. Это дополнительно повышает эффективность твердотельных излучателей света и может предоставить возможность приложения более высокой токовой нагрузки перед достижением критической температуры в твердотельном излучателе света или же в паяном соединении твердотельного излучателя света. Вследствие этого реализуется более высокая абсолютная светоотдача. Кроме того, если частично диффузно-отражающий слой не является непосредственно термически связанным с твердотельным(и) излучателем(ями) света, то он не принимает тепло от твердотельного(ых) излучателя(ей) света. Это зависит от качества термической границы раздела в направлении основания и возможного теплоотвода, с которым соединяется модуль, и от того, насколько хорошо может охлаждаться частично диффузно-отражающий слой. В процессе преобразования света из света первого спектрального диапазона в свет второго спектрального диапазона в случае, когда частично диффузно-отражающий слой является люминесцирующим слоем, осуществляется преобразование световой энергии частично в тепло, обычно обозначаемое как потери «Стоксова смещения». Дополнительно, на практике квантовая эффективность QE люминесцирующего(их) материала(ов) является ограниченной, к примеру, величиной 0,9, что порождает дополнительный нагрев частично диффузно-отражающего слоя, содержащего люминесцирующий материал, который далее в настоящем документе будет называться люминесцирующим слоем. Частью изобретения является обеспечение эффективного охлаждения люминесцирующего слоя. Эффективность люминесцирующего материала повышается в случае, когда температура люминесцирующего материала сохраняется в приемлемых пределах. Это может быть обеспечено посредством ограничения нагрузки светового потока, то есть, распределения плотности потока на люминесцирующем материале, к примеру, посредством использования определенного расстояния между твердотельными излучателями света и люминесцирующим слоем, вследствие чего предоставляется возможность рассеяния света, благодаря которому сокращается плотность потока на люминесцирующем слое. Однако более предпочтительно оптимизировать термическое сопротивление между люминесцирующим слоем и основанием, а также между люминесцирующим слоем и теплоотводом для обеспечения низкого термического сопротивления. Это может быть обеспечено посредством различных способов, к примеру, посредством связи люминесцирующего слоя с теплопроводящей стенкой на окружности выводящего окна, либо посредством использования теплопроводящего материала между источниками излучения и основанием, а также люминесцирующего материала, такого как теплопроводящее стекло или керамика, либо посредством использования теплоотводящих слоев или структур на люминесцирующем слое, таком как несущая подложка, на которую наносится люминесцирующий слой с теплопроводящими свойствами. Следовательно, при помощи таких действий, наличие зазора между твердотельным(и) излучателем(ями) света и люминесцирующим слоем приводит к фототермическому эффекту более эффективного люминесцирующего слоя.
Кроме того, зазор между по меньшей мере одним твердотельным излучателем света и частично диффузно-отражающим слоем приводит к более равномерному распределению светового потока через частично диффузно-отражающий слой, вместо относительно плотного светового потока в очень ограниченной области частично диффузно-отражающего слоя. При этом сокращение интенсивности горячих пятен и температурных градиентов обеспечивается таким способом в случае, когда частично диффузно-отражающий слой содержит люминесцирующий материал. Люминесцирующие материалы имеют тенденцию к чувствительности к фотонасыщению, что означает то, что выше определенного светового потока люминесцирующий материал преобразует свет с меньшей эффективностью. Следовательно, наличие зазора между твердотельным(и) излучателем(ями) света и частично диффузно-отражающим слоем, содержащим люминесцирующий материал, препятствует фотонасыщению люминесцирующего материала, и эффективность повышается.
Следовательно, конкретная комбинация коэффициента отражения основания, который больше коэффициента отражения твердотельного излучателя света, в соответствии с наличием зазора, приводит к большей светоотдаче, чем ожидается исключительно на основе оптического эффекта большего количества отражения посредством светоотражающей поверхности основания.
В варианте осуществления расстояние между верхней поверхностью, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света и частично диффузно-отражающим слоем, находится в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,3 наибольшего линейного размера верхней поверхности, до максимальной величины, которая меньше или равна 5 наибольшим линейным размерам верхней поверхности, при относительно малой величине относительной площади области твердотельного источника излучения, то есть менее 0,1. При промежуточных величинах относительной площади области твердотельного излучателя, которые находятся в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1, до максимальной величины, которая меньше или равна 0,25, расстояние находится в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,15 наибольшего линейного размера верхней поверхности, до максимальной величины, которая меньше или равна 3 наибольшим линейным размерам верхней поверхности. При относительно большой величине относительной площади области твердотельного излучателя, которая больше 0,25, расстояние находится в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1 наибольшего линейного размера верхней поверхности, до максимальной величины, которая меньше или равна 2 наибольшим линейным размерам верхней поверхности.
Расстояние между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и частично диффузно-отражающим слоем определяется в качестве длины наименьшей прямолинейной траектории между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и поверхностью частично диффузно-отражающего слоя, который обращен в направлении твердотельного излучателя света. Если светоизлучающий модуль содержит множество твердотельных излучателей света, то расстояние между верхними поверхностями твердотельных излучателей света и частично диффузно-отражающим слоем является средней величиной расстояний между множеством верхних поверхностей твердотельных излучателей света и частично диффузно-отражающим слоем.
Наибольший линейный размер верхней поверхности твердотельного излучателя света определяется в качестве наибольшего расстояния от точки, находящейся на верхней поверхности твердотельного излучателя света, до другой точки, находящейся на верхней поверхности твердотельного излучателя света, по прямой линии. Если светоизлучающий модуль содержит множество твердотельных излучателей света, то используется средняя величина наибольших линейных размеров верхних поверхностей. Верхняя поверхность может иметь любую форму, к примеру, форму квадрата, прямоугольника, круга или эллипса. В случае использования квадратной или прямоугольной формы, наибольшим линейным расстоянием является длина диагонали квадрата или прямоугольника. В случае использования круглой формы, наибольшим линейным размером является длина диаметра круга.
На основе экспериментов изобретатели установили, что расстояние между твердотельным(и) излучателем(ями) света и частично диффузно-отражающим слоем должно иметь минимальную величину, выше которой обеспечивается относительно большая светоотдача светоизлучающего модуля, и которая зависит от относительной площади области твердотельного излучателя. Ниже этой минимальной величины светоизлучающий модуль работает с меньшей эффективностью, при этом слишком большое количество света отражается, рассеивается в обратном направлении и/или повторно испускается посредством частично диффузно-отражающего слоя к по меньшей мере одному твердотельному излучателю света. Кроме того, изобретатели установили, что когда расстояние между по меньшей мере одним твердотельным излучателем света и частично диффузно-отражающим слоем становится слишком большим, светоотдача начинает ухудшаться и по этой причине является невыгодной, также в зависимости от величины относительной площади области твердотельного излучателя. Ухудшение является результатом поглощения большого количества света вследствие того, что свет проходит больший путь через светоизлучающий модуль, вследствие чего он может испытывать больше событий поглощения.
На основе экспериментов изобретатели установили, что конкретная комбинация коэффициента отражения основания, который больше коэффициента отражения твердотельного излучателя света, в соответствии с предварительно заданным критерием, и критерия расстояния между верхней поверхностью твердотельного(ых) излучателя(ей) света и люминесцирующим слоем, находящегося в конкретном диапазоне, приводит к относительно большой светоотдаче и, следовательно, к обеспечению относительно эффективного светоизлучающего модуля.
В варианте осуществления светоизлучающий модуль содержит стенку, помещенную между основанием и световыводящим окном. Основание, стенка и световыводящее окно заключают полость. Стенка содержит светоотражающую поверхность стенки, обращенную в направлении полости, при этом светоотражающая поверхность стенки имеет коэффициент отражения стенки, который определяется посредством соотношения между количеством света, которое отражается посредством светоотражающей поверхности стенки, и количеством света, которое падает на светоотражающую поверхность стенки. В данном варианте осуществления эффективный коэффициент отражения определяется в качестве средневзвешенной величины коэффициента отражения стенки и основания, к примеру, взвешенной величины, соответствующей размерам соответствующих площадей поверхности. Эффективный коэффициент отражения, по меньшей мере, больше коэффициента отражения твердотельного излучателя света плюс множитель с на разность между 1 и коэффициентом отражения твердотельного излучателя света. Следовательно, светоизлучающий модуль является относительно эффективным в случае, когда основание и стенки в комбинации имеют эффективный коэффициент отражения, определяемый следующим образом. Критерии для множителя с являются подобными критериям в варианте осуществления без стенок, единственной разницей является то, что полная отражающая поверхность теперь содержит отражающую поверхность стенки и отражающую поверхность основания. Следовательно, коэффициент покрытия твердотельного источника излучения теперь определяется как соотношение между площадью области верхней поверхности, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света и суммой площади области отражающей поверхности основания с площадью области отражающей поверхности стенки. Следует отметить, что наряду с коэффициентом отражения основания и твердотельного излучателя света, коэффициент отражения стенки является средневзвешенной величиной отражения света предварительно определенного спектра света. Следует отметить, что стенки могут иметь дополнительную функцию, такую как отвод тепла от частично диффузно-отражающего слоя, который в данном примере содержит люминесцирующий материал, в направлении основания. Основание зачастую соединяется с теплоотводом, при этом в случае, когда свет первого цветового диапазона преобразуется в свет второго цветового диапазона, люминесцирующий слой может сильно нагреться в результате генерации тепла. Отражающая поверхность стенок содействует обеспечению относительно эффективного светоизлучающего модуля.
В варианте осуществления коэффициент отражения стенок имеет величину, по меньшей мере, меньше 95%, а расстояние между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и частично диффузно-отражающим слоем находится в диапазоне от минимальной величины, которая равна 0,3 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величины наибольших линейных размеров верхних поверхностей), до максимальной величины, которая меньше 0,75 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величины наибольших линейных размеров верхних поверхностей) при относительно малой величине относительной площади области твердотельного излучателя, то есть, менее 0,1. При промежуточных величинах относительной площади области твердотельного излучателя, которые находятся в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1, до максимальной величины, которая меньше или равна 0,25, расстояние в данном случае находится в диапазоне от минимальной величины, которая равна 0,15 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величины наибольших линейных размеров верхних поверхностей), до максимальной величины, которая меньше 0,3 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величины наибольших линейных размеров верхних поверхностей). При относительно большой величине относительной площади области твердотельного излучателя, то есть, больше 0,25, расстояние в данном случае находится в диапазоне от минимальной величины, которая равна 0,1 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величины наибольших линейных размеров верхних поверхностей), до максимальной величины, которая меньше 0,2 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величины наибольших линейных размеров верхних поверхностей). Изобретатели установили, что при таких критериях обеспечивается относительно эффективный светоизлучающий модуль.
В варианте осуществления коэффициент отражения стенки больше или равен 95%, и относительно эффективный светоизлучающий модуль обеспечивается в случае, если расстояние между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и частично диффузно-отражающим слоем находится в диапазоне от минимальной величины, которая равна 0,75 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величине наибольших линейных размеров верхних поверхностей), до максимальной величины, которая равна 2 наибольшим линейным размерам верхней поверхности (или средней величине наибольших линейных размеров верхних поверхностей), при относительно малой величине относительной площади области твердотельного излучателя, то есть меньше 0,1. При промежуточных величинах относительной площади области твердотельного излучателя, которые находятся в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1, до максимальной величина, которая меньше или равна 0,25, расстояние в данном случае находится в диапазоне от минимальной величины, которая равна 0,3 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величине наибольших линейных размеров верхних поверхностей), до максимальной величины, которая равна 0,7 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величине наибольших линейных размеров верхних поверхностей). При относительно большой величине относительной площади области твердотельного излучателя, то есть больше 0,25, расстояние в данном случае находится в диапазоне от минимальной величины, которая равна 0,2 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величине наибольших линейных размеров верхних поверхностей), до максимальной величины, которая равна 0,5 наибольшего линейного размера верхней поверхности (или средней величине наибольших линейных размеров верхних поверхностей).
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
В варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, часть отражающей поверхности основания находится ближе к частично диффузно-отражающему слою по сравнению с верхней поверхностью твердотельного излучателя света. В данном варианте осуществления эффективный светоизлучающий модуль обеспечивается в случае, когда расстояние между верхней поверхностью и частично диффузно-отражающим слоем находится в диапазоне от минимальной величины 0,4*d+∆h/2 до максимальной величины 5*d+∆h/2 при относительной площади области твердотельного излучателя света, которая меньше 0,1, от минимальной величины 0,15*d+∆h/2 до максимальной величины 3*d+∆h/2 при относительной площади области твердотельного излучателя света, которая находится в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1, до максимальной величины, которая меньше или равна 0,25, или от минимальной величины 0,1*d+∆h/2 до максимальной величины 2*d+∆h/2 при относительной площади области твердотельного излучателя света, которая больше 0,25. Параметр d является наибольшим линейным размером верхней поверхности, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света, а параметр ∆h является абсолютной величиной разности между расстоянием между верхней поверхностью, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света и частично диффузно-отражающим слоем, и расстоянием или средним расстоянием между отражающей поверхностью основания и частично диффузно-отражающим слоем. При наличии множества твердотельных излучателей света используются средние величины. В данном варианте осуществления основание имеет, к примеру, одно или более углублений, в которых размещается твердотельный(ые) излучатель(и) света.
В варианте осуществления стенка содержит, по меньшей мере, один из следующих материалов: алюминий, медь, керамика, подобная алюминию, теплопроводящие полимеры, такие как полиамиды или спектралон (Spectralon).
В другом варианте осуществления, по меньшей мере, светоотражающая поверхность основания и/или светоотражающая поверхность стенки содержит светоотражающее покрытие, светоотражающий профиль, светоотражающую керамику или светоотражающую фольгу. Светоотражающее покрытие может быть использовано для увеличения коэффициента отражения соответствующих светоотражающих поверхностей, благодаря чему повышается эффективность светоизлучающего модуля. В предпочтительном варианте осуществления светоотражающая поверхность основания и/или стенки осуществляет диффузное рассеяние света, которое может быть обеспечено посредством покрытия белого цвета. Поверхность диффузного рассеяния дополнительно повышает эффективность рециркуляции света в светоизлучающем модуле. В другом варианте осуществления светоотражающая поверхность основания и/или стенки может являться зеркально-отражающей, чего можно добиться посредством использования металлического зеркала (к примеру, защищенного (закрытого) серебра или алюминия). В дополнительном варианте осуществления светоотражающая поверхность основания и/или стенки может являться комбинацией диффузно-рассеивающего материала и зеркально-отражающего материала.
В дополнительном варианте осуществления светоотражающая поверхность стенки наклоняется относительно нормальной оси основания для усиления отражения света в направлении световыводящего окна. В другом дополнительном варианте осуществления светоотражающая поверхность стенки искривляется для усиления отражения света в направлении световыводящего окна. Такая наклонная поверхность стенки или искривленная поверхность стенки приводит к образованию выпуклой полости, при наблюдении изнутри полости. Кроме того, наклон или искривление является таким, что края светоотражающей поверхности стенки, которые касаются основания, находятся ближе друг к другу по сравнению с краями светоотражающей поверхности стенки, которые касаются частично диффузно-отражающего слоя. Выпуклая полость с такой наклонной или искривленной светоотражающей поверхностью стенки лучше отражает свет, который падает на светоотражающую поверхность стенки, в направлении частично диффузно-отражающего слоя (и, следовательно, световыводящего окна). По меньшей мере, частично пресекается отражение света посредством светоотражающей поверхности стенки или посредством твердотельного излучателя света в направлении внутренней части полости, что приводит к большему поглощению в другой точке отражения. Вследствие этого повышается эффективность светоизлучающего модуля. Это особенно выгодно при относительно большой величине относительной площади области твердотельного излучателя света.
В варианте осуществления частично диффузно-отражающий слой формирует световыводящее окно. Частично диффузно-отражающий слой имеет край, при этом край частично диффузно-отражающего слоя состоит в контакте с основанием. Конструкция, в соответствии с вариантом осуществления, препятствует использованию стенок между частично диффузно-отражающим слоем и основанием, что может являться выгодным в некоторых применениях. В данном варианте осуществления полость формируется посредством световыводящего окна и основания. Кроме того, это может привести к более широкому угловому распределению светоотдачи.
В другом варианте осуществления светоизлучающий модуль содержит по существу прозрачный материал, расположенный между одним или более твердотельными излучателями светом и люминесцирующим слоем, при этом прозрачный материал оптически сопряжен с одним или более твердотельными излучателями света. По существу прозрачный материал содействует процессу вывода света из твердотельного излучателя света. Материал твердотельного излучателя света в целом имеет относительно высокий показатель преломления, вследствие чего существенное количество света задерживается в пределах твердотельного излучателя света по причине полного внутреннего отражения TIR. По существу прозрачный материал имеет показатель преломления, который в большей степени приближен к показателю преломления твердотельного излучателя света по сравнению с показателем преломления, к примеру, воздуха, вследствие чего большее количество света испускается в прозрачный материал и, следовательно, окончательно выводится из светоизлучающего модуля. Прозрачный материал может иметь показатель преломления, который приближен к показателю преломления твердотельного излучателя света. Если твердотельный излучатель света изготовлен из материалов InGaN, то показатель преломления источника излучения является близким к 2,4, при этом стекло или керамика с высоким показателем преломления, прикрепленная к поверхности источника излучения, будет извлекать большее количество света из кристалла. Прозрачный материал может содержать различные материалы, используемые в различных слоях или в качестве смесей (комбинаций). К примеру, керамическая подложка с высоким показателем преломления может быть связана, по меньшей мере, с одним твердотельным излучателем света при помощи стекла с высоким показателем или при помощи смолы с высоким показателем. К примеру, по существу прозрачный материал может являться куполообразной или плоскостной капсулой, помещенной, по меньшей мере, в один твердотельный излучатель света. В варианте осуществления показатель преломления прозрачного материала больше 1,4. В другом варианте осуществления показатель преломления прозрачного материала больше 1,7.
В дополнительном варианте осуществления по существу прозрачный материал оптически и термически связан с люминесцирующим слоем. К примеру, все пространство между основанием и частично диффузно-отражающим слоем заполняется прозрачным материалом, вследствие чего прозрачный материал также оптически связан с частично диффузно-отражающим слоем, что приводит к меньшему отражению на границе между частично диффузно-отражающим слоем и полостью. Следовательно, большее количество света испускается в окружающую среду светоизлучающего модуля. Кроме того, если прозрачный материал состоит в контакте с частично диффузно-отражающим слоем, то прозрачный материал также термически связан с частично диффузно-отражающим слоем и содействует процессу отвода тепла от частично диффузно-отражающего слоя в направлении, к примеру, основания. Это приводит к меньшему нагреву частично диффузно-отражающего слоя, что в целом является более эффективным и продлевает срок службы. К примеру, в случае, когда частично диффузно-отражающий слой является люминесцирующим слоем, прозрачный материал обеспечивает улучшенный термический контакт между люминесцирующим материалом и основанием по сравнению с воздушным зазором. Поскольку воздух имеет коэффициент теплопроводности, приблизительно равный 0,025 Вт/мК, силиконовая смола с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 0,3 Вт/мК, будет обеспечивать лучшую термическую границу раздела, между тем как стеклянная подложка, подобная натриево-кальциево-силикатному стеклу с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 1,0 Вт/мК, является еще лучшей, при этом боросиликатное стекло или кварцевое стекло с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 1,3 Вт/мК, прозрачная подложка на основе поликристаллического оксида алюминия с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 30 Вт/мК, и сапфировая подложка с коэффициентом теплопроводности, равным 42 Вт/мК, намного лучше. При желании по существу прозрачный материал может являться прозрачным порошком поликристаллического оксида алюминия, размер зерна которого предпочтительно больше 44 мкм или предпочтительно меньше 1 мкм для обеспечения относительно высокого коэффициента прозрачности в комбинации с очень хорошими тепловыми характеристиками.
В другом варианте осуществления по существу прозрачный материал содержит, по меньшей мере, один из следующих материалов: прозрачную смолу, прозрачный гель, прозрачную жидкость, прозрачное стекло, прозрачный полимер и прозрачную керамику. Термин «прозрачный» означает отсутствие существенного поглощения света в спектральной области первого и второго диапазонов длин волн. В прозрачных слоях могут быть предусмотрены некоторые ограниченные уровни рассеяния, в особенности, если это рассеяние является прямым рассеянием. Следовательно, некоторые центры рассеяния могут быть предусмотрены в по существу прозрачном материале между люминесцирующим материалом и основанием, к примеру, посредством использования прозрачного слоя из слегка мутного материала.
3
5
12
3
5
12
1-x
3
x
2-x-z
x
5-y
8-y
y
z
В дополнительном варианте осуществления люминесцирующий материал содержит, по меньшей мере, один из следующих материалов: неорганический люминофор (фосфор), органический люминофор, керамический люминофор и квантовые точки или другой люминесцирующий материал или их комбинацию. Следует отметить, что люминесцирующий слой может содержать несущий слой, к примеру, стеклянную подложку, а также слой из люминесцирующего материала, или что люминесцирующий слой содержит беспорядочно рассредоточенные частицы люминесцирующего материала на несущем слое, или же, в случае использования керамического люминофора, по существу весь люминесцирующий слой состоит из люминесцирующего материала. Также следует отметить, что люминесцирующий слой может состоять из различных отдельных люминесцирующих слоев, которые имеют многоуровневое расположение или располагаются в непосредственной близости друг к другу. В разных слоях могут быть использованы различные люминесцирующие материалы. Однако на каждом из этих слоев люминесцирующие материалы также могут быть смешаны друг с другом. Примеры неорганических люминесцирующих материалов в числе прочего могут включать в себя YAG, легированный ионами Ce (YAlO) или LuAG (LuAlO). YAG, легированный ионами Се, испускает свет желтого цвета, а LuAG легированный ионами Ce, испускает свет желто-зеленого цвета. Примеры других неорганических люминесцирующих материалов, которые испускают свет красного цвета, в числе прочего могут включать в себя ECAS (ECAS, который является CaAlSiN:Eu; с 0<x≤1; в особенности x≤0,2) и BSSN (BSSNE, который является BaMSiAlyNO:Eu(M=Sr, Ca; 0≤x≤1, в особенности x≤0,2; 0≤y≤4, 0,0005≤z≤0,05).
В варианте осуществления световыводящее окно дополнительно содержит диффузный слой для обеспечения диффузного излучения света, для обеспечения пространственного, цветного и цветного равномерного излучения света под углом, а также для обеспечения излучения света смешанных цветов. Световыводящее окно также может содержать дихроичный слой для коррекции цвета по разным углам или по равномерности света. В дополнение к влиянию на характеристики излучения света посредством люминесцирующего слоя, другие оптические слои также могут быть использованы для влияния на характеристики света, который испускается через световыводящее окно в окружающую среду светоизлучающего модуля, такого как, к примеру, оптический элемент, для обеспечения луча света желаемой формы.
В варианте осуществления диффузный слой для обеспечения диффузного излучения света, для обеспечения пространственного, цветного и цветного равномерного излучения света под углом, а также для обеспечения излучения света смешанных цветов, обеспечивается на некотором расстоянии от стороны частично диффузно-отражающего слоя, обращенного, по меньшей мере, в направлении от одного твердотельного излучателя света.
В варианте осуществления поляризационный элемент располагается на стороне частично диффузно-отражающего слоя, обращенного, по меньшей мере, в направлении от одного твердотельного излучателя света.
В соответствии со вторым аспектом изобретения, обеспечивается лампа, которая содержит светоизлучающий модуль, в соответствии с изобретением. Лампа может содержать множество светоизлучающих модулей. Лампа может содержать модифицированную электрическую лампу, модифицированную лампу с параболическим алюминиевым отражателем PAR, точечную лампу, лампу осветительного устройства, модифицированную галогеновую лампу или модифицированную лампу с продолговатой колбой.
В соответствии с третьим аспектом изобретения, обеспечивается осветительное устройство, которое содержит светоизлучающий модуль, в соответствии с изобретением, или который содержит лампу, в соответствии с изобретением. Осветительное устройство может содержать множество светоизлучающих модулей.
В соответствии с четвертым аспектом изобретения, обеспечивается устройство отображения, которое содержит светоизлучающий модуль, в соответствии с изобретением. В процессе использования светоизлучающий модуль может функционировать в качестве блока фоновой подсветки для жидкокристаллического устройства отображения LCD. Поскольку светоизлучающий модуль осуществляет генерирование (поляризованного света) относительно эффективно, уровень затрат на изготовление устройства отображения снижается.
Лампа, осветительное устройство и устройство отображения, в соответствии с соответствующими вторым, третьим и четвертым аспектами изобретения, обеспечивают те же самые преимущества, как и светоизлучающий модуль, в соответствии с первым аспектом изобретения, и имеют варианты осуществления с эффектами, подобными соответствующим вариантам осуществления светоизлучающего модуля.
В данном случае свет цветового диапазона, как правило, содержит свет, имеющий предварительно определенный спектр. К примеру, предварительно определенный спектр может содержать основной цвет, имеющий конкретную ширину спектра приблизительно равную предварительно определенной длине волны, или, к примеру, может содержать множество основных цветов. Предварительно определенная длина волны означает длину волны спектрального распределения мощности излучения. В данном случае свет предварительно определенного цвета также включает в себя невидимый свет, такой как ультрафиолетовый свет. К примеру, свет основного цвета включает в себя свет красного, зеленого, голубого, желтого и янтарного цветов. Свет предварительно определенного цвета также может содержать комбинации основных цветов, такие как голубой и янтарный или голубой, желтый и красный. Следует отметить, что первый цветовой диапазон также может содержать свет, который является невидимым для человеческого глаза, к примеру, ультрафиолетовый свет или инфракрасный свет. Термины «свет фиолетового цвета» или «излучение в фиолетовой области спектра» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне, приблизительно равном 380-440 нм. Термины «свет голубого цвета» или «излучение в голубой области спектра» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне, приблизительно равном 440-490 нм (включая в себя некоторые фиолетовые и бирюзовые оттенки). Термины «свет зеленого цвета» или «излучение в зеленой области спектра» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне, приблизительно равном 490-560 нм. Термины «свет желтого цвета» или «излучение в желтой области спектра» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне, приблизительно равном 560-590 нм. Термины «свет оранжевого цвета» или «излучение в оранжевой области спектра» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне, приблизительно равном 590-620 нм. Термины «свет красного цвета» или «излучение в красной области спектра» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне, приблизительно равном 620-750 нм. Термины «свет янтарного цвета» или «излучение в янтарной области спектра» в особенности относится к свету, имеющему длину волны в диапазоне, приблизительно равном 575-605 нм. Термины «видимый свет» или «излучение в видимой области спектра» относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне, приблизительно равном 380-750 нм.
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными и будут разъясняться со ссылкой на нижеописанные варианты осуществления.
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что два или более из вышеупомянутых вариантов осуществления, вариантов реализации и/или аспектов изобретения могут быть объединены, и в любом случае считаются полезными.
Помимо всего прочего, термины «первый», «второй», «третий» и т.п., которые встречаются в описании и формуле изобретения, используются для проведения различия между подобными элементами и не должны в обязательном порядке использоваться для описания последовательного или хронологического порядка. Следует подразумевать, что такие используемые термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, а также то, что описанные в настоящем документе варианты осуществления изобретения могут функционировать в других последовательностях, которые отличаются от описанных или иллюстрированных в настоящем документе.
Модификации и изменения светоизлучающего модуля, лампы, осветительного устройства и/или устройства отображения, которые соответствуют описанным модификациям и изменениям светоизлучающего модуля, могут быть выполнены специалистами в данной области техники на основе настоящего описания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1a и 1b изображают графические представления, схематично иллюстрирующие варианты осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, в разрезе.
Фиг.2a и 2b изображают графические представления, схематично иллюстрирующие варианты осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, в горизонтальной проекции.
Фиг.3a изображает графическое представление, схематично иллюстрирующее вариант осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, который содержит полость.
Фиг.3b изображает графическое представление, схематично иллюстрирующее вариант осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, имеющего цилиндрическую форму.
Фиг.4a и 4b изображают графические представления, схематично иллюстрирующие варианты осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, который содержит полость, в разрезе.
Фиг.5a и 5b изображают множество графических представлений, схематично иллюстрирующих варианты осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением.
Фиг.6 изображает множество графических представлений, схематично иллюстрирующих варианты осуществления светоизлучающих модулей, в соответствии с изобретением, с люминесцирующим слоем, формирующим световыводящее окно, причем край люминесцирующего слоя касается основания, в разрезе.
Фиг.7a и 7b изображают графические представления, схематично иллюстрирующие варианты осуществления гибкого светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, в разрезе.
Фиг.8a, 8b и 8c изображают графические представления, схематично иллюстрирующие варианты осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, в разрезе.
Фиг.9 изображает график с результатами измерений варианта осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением.
Фиг.10a изображает графическое представление, схематично иллюстрирующее первый иллюстративный светоизлучающий модуль, в разрезе.
Фиг.10b изображает графическое представление, схематично иллюстрирующее второй иллюстративный светоизлучающий модуль, в разрезе.
Фиг.10c изображает графическое представление, схематично иллюстрирующее светоизлучающий модуль, в соответствии с изобретением, в разрезе.
Фиг.11, 12, 13, 14 и 15 изображают графики с результатами имитационных моделей варианта осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением.
Фиг.16a и 16b изображают графические представления, схематично иллюстрирующие варианты осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, в разрезе.
Фиг.16c изображает график с результатами имитационных моделей вариантов осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с Фиг.16a и 16b.
Фиг.17a изображает графическое представление, схематично иллюстрирующее вариант осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, в горизонтальной проекции.
Фиг.17b, 17c и 17d изображают три других графика с результатами имитационных моделей варианта осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с Фиг.17a.
Фиг.18 изображает другой график с результатами имитационных моделей светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением.
Фиг.19a и 19b изображают графические представления, иллюстрирующие два варианта осуществления ламп, в соответствии с аспектом изобретения.
Фиг.19c изображает графическое представление, иллюстрирующее вариант осуществления осветительного устройства, в соответствии с аспектом изобретения.
Фиг.20 изображает графическое представление, схематично иллюстрирующее вариант осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, в разрезе.
Фиг.21 изображает графическое представление, иллюстрирующее вариант осуществления устройства отображения, в соответствии с аспектом изобретения.
Следует отметить, что элементы, обозначенные посредством одинаковых ссылочных номеров на различных чертежах, имеют аналогичные структурные признаки, аналогичные функции или являются аналогичными сигналами. В случае, если функция и/или конструкция такого элемента уже была разъяснена, повторное разъяснение в подробном описании не проводится.
Чертежи являются чисто схематичными и не выполнялись с учетом масштаба. В частности, для внесения ясности, следует отметить, что некоторые размеры являются сильно преувеличенными.
Осуществление изобретения
Первый вариант осуществления изображается на Фиг.1а, которая иллюстрирует светоизлучающий модуль 100, в соответствии с первым аспектом изобретения, в разрезе. Светоизлучающий модуль 100 имеет световыводящее окно 104. Световыводящее окно 104 в данном варианте осуществления формируется посредством люминесцирующего слоя 102, который содержит люминесцирующий материал. Люминесцирующий материал преобразовывает, по меньшей мере, часть света первого цветового диапазона 114, который падает на люминесцирующий материал, в свет второго цветового диапазона 116. На другой стороне светоизлучающего модуля 100 обеспечивается основание 110, которое имеет светоотражающую поверхность 112, которая обращена в направлении световыводящего окна 104. На основании 110 обеспечивается твердотельный излучатель 108 света, который в процессе использования испускает свет первого цветового диапазона 114 в направлении части световыводящего окна 104. Как правило, основание обеспечивается электродной структурой для установления контакта с кристаллом или множеством кристаллов твердотельных излучателей 108 света для подачи электрической энергии. На чертежах электродные структуры не иллюстрируется. Поверхность основания 110, которая покрывается твердотельным излучателем 108 света, не включается в светоотражающую поверхность 112 основания 110.
Светоотражающая поверхность 112 имеет коэффициент Rbase отражения основания, который определяется посредством соотношения между количеством света, которое отражается посредством светоотражающей поверхности 112, и количеством света, которое падает на светоотражающую поверхность 112. Твердотельный излучатель 108 света имеет коэффициент R_SSL отражения твердотельного излучателя света, который определяется посредством соотношения между количеством света, которое отражается посредством твердотельного излучателя 108 света, и количеством света, которое падает на твердотельный излучатель 108 света. Следует отметить, что оба коэффициента отражения являются средней величиной коэффициентов отражения, связанных со светом различных длин волн, к примеру, средней (средневзвешенной) величиной по свету первого цветового диапазона 114 и свету второго цветового диапазона 116.
Люминесцирующий слой 102 не располагается непосредственно на верхней поверхности 106 твердотельного излучателя 108 света, а располагается на расстоянии h от твердотельного излучателя 108 света. Если твердотельный излучатель 108 света испускает свет первого цветового диапазона 114, то, по меньшей мере, часть света первого цветового диапазона 114 отражается посредством люминесцирующего слоя 102 в направлении основания 110 и твердотельного излучателя 108 света. Часть света первого цветового диапазона 114 отражается посредством люминесцирующего слоя 102 благодаря отражению от поверхности, на которую падает свет, или благодаря внутреннему отражению или рассеянию в обратном направлении. Свет, который отражается в обратном направлении, частично падает на твердотельный излучатель 108 света, а также частично падает на светоотражающую поверхность 112 основания 110.
Другая часть света первого цветового диапазона 114 может быть передана через люминесцирующий слой 102 в окружающую среду светоизлучающего модуля 100, Дополнительная часть света первого цветового диапазона 114 преобразуется посредством люминесцирующего материала в свет второго цветового диапазона 116. Люминесцирующий материал испускает свет второго цветового диапазона 116 во множестве направлений, вследствие чего часть света второго цветового диапазона 116 испускается в окружающую среду светоизлучающего модуля 100, а другая часть света второго цветового диапазона 116 испускается в направлении основания 110 и твердотельного излучателя 108 света.
Свет, который падает на верхнюю поверхность 106 твердотельного излучателя 108 света, частично отражается и частично передается на полупроводниковый материал твердотельного излучателя 108 света. Внутри твердотельного излучателя 108 света часть света поглощается, а другая часть света отражается в обратном направлении к верхней поверхности 106 и испускается в обратном направлении к световыводящему окну 104. Величина коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света определяет часть падающего света, которая отражается в обратном направлении, а величина (1-R_SSL) определяет количество падающего света, поглощаемого посредством твердотельного излучателя 108 света. На Практике твердотельный излучатель 108 света имеет относительно малую величину коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света, в целом, порядка 0,7.
Свет, который отражается, рассеивается, то есть диффузно отражается, или испускается посредством люминесцирующего слоя в направлении основания 110, и не падает на твердотельный излучатель 108 света, в значительной степени отражается посредством светоотражающей поверхности 112 основания 110, Однако на поверхности или нижележащих слоях по-прежнему может поглощаться небольшое количество света. Коэффициент Rbase отражения основания определяет часть падающего света, которая отражается в обратном направлении посредством светоотражающей поверхности 112, А величина (1-Rbase) определяет количество падающего света, которое поглощается посредством светоотражающей поверхности 112.
Величина коэффициента Rbase отражения основания и коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света всегда является величиной, находящейся в диапазоне от 0 до 1. Следует отметить, что количество света, которое генерируется посредством твердотельного излучателя 108 света, не учитывается при определении коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света. Отражаемая часть света является частью количества света, которое падает на твердотельный излучатель 108 света.
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
В соответствии с изобретением, величина коэффициента Rbase отражения основания, по меньшей мере, больше величины коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света. Предпочтительно, чтобы величина коэффициента Rbase отражения основания была, по меньшей мере, больше величины коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света с прибавленным множителем с к разности между 1 и коэффициентом R_SSL отражения твердотельного излучателя света. Следовательно, Rbase>R_SSL+с*(1-R_SSL). Следовательно, светоотражающая поверхность 112, в среднем, имеет большую светоотражающую способность по сравнению с твердотельным излучателем 108 света с величиной, которая является, по меньшей мере, величиной с, умноженной на разность между полной светоотражающей способностью твердотельного излучателя света, то есть 100%-ым коэффициентом отражения, и фактическим коэффициентом отражения используемого твердотельного излучателя 108 света. Множитель с зависит от общей площади области твердотельного излучателя 108 света относительно общей площади отражающей области основания 110, что в дальнейшем будет называться относительной площадью области твердотельного излучателя света ρ:ρ=(A_SSL/Abase), где A_SSL представляет общую площадь верхней поверхности 106 твердотельного излучателя 108 света, а Abase представляет общую площадь отражающей поверхности 112 основания 110. На практике относительная площадь ρ области твердотельного излучателя света имеет максимальную величину, равную 1,0. Если величина относительной площади ρ области твердотельного излучателя света меньше 0,1, то есть, ρ<0,1, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 110 является относительно большой по сравнению с площадью области верхней поверхности 106 твердотельного излучателя 108 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля множитель с должен удовлетворять критерию с≥0,2. Если 0,1≤ρ≤0,25, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 110 является сопоставимой с площадью области верхней поверхности 106 твердотельного излучателя 108 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля множитель с должен удовлетворять критерию с≥0,3. Если ρ>0,25, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 110 является относительно малой по сравнению с площадью области верхней поверхности 106 твердотельного излучателя 108 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля множитель с должен удовлетворять критерию с≥0,4. На практике во всех случаях величина множителя с меньше 1,0.
Поскольку значительное количество света отражается, рассеивается или испускается посредством люминесцирующего слоя 102 в направлении от люминесцирующего слоя 102 к основанию 110, выгодно повторно использовать этот свет посредством отражения света в обратном направлении к световыводящему окну 104 для повышения эффективности светоизлучающего модуля 100. Зачастую коэффициент R_SSL отражения твердотельного излучателя света не может быть выбран по причине того, что он является фиксированным параметром конкретного твердотельного излучателя 108 света, который используется в светоизлучающем модуле 100. Исходя из вышесказанного, для повышения эффективности светоизлучающего модуля 100 выгодно обеспечить светоотражающую поверхность 112 основания 110, которая лучше отражает падающий свет по сравнению с твердотельным излучателем 108 света. Кроме того, было установлено, что существенное повышение эффективности может быть обеспечено, если Rbase>R_SSL+с*(1-R_SSL).
SSL
SSL
SSL>
SSL
SSL
Изобретатели также установили, что еще более эффективные светоизлучающие модули обеспечиваются в случае, когда с≥0,4 при 0,0<ρ<0,1, с≥0,6 при 0,1≤ρ≤0,25 и с≥0,8 при ρ0,25. Еще более эффективные светоизлучающие модули обеспечиваются в случае, когда с≥0,6 при 0,0<ρ<0,1 и с≥0,84 при 0,1≤ρ≤0,25.
Свойства частичного диффузного отражения света являются важными для обеспечения эффективного светоизлучающего модуля, и, исходя из вышесказанного, в соответствии с изобретением, люминесцирующий слой также может быть заменен другим слоем, который имеет свойства частичного диффузного отражения, посредством которого осуществляется частичное диффузное отражение и частичное пропускание падающего света.
SSL
В зависимости от применения, существуют различные требования к светоизлучающим модулям, касающиеся их светосилы, а также размеров светоизлучающей области светоизлучающего модуля и твердотельного излучателя света. В применениях, в которых требуется конкретное угловое распределение интенсивности света, как правило, используются оптические элементы формирования луча. Для преобразования профиля луча света твердотельного излучателя света, который, как правило, является близким к профилю ламбертовского излучателя, в коллимированный (направленный) луч, необходимо сохранить исходный размер излучателя света относительно малым. В данном случае яркость светоизлучающего модуля должна быть относительно высокой, что определяется посредством светосилы и связано с общей площадью светоизлучающей поверхности 106 твердотельного излучателя 108 света, которая, к примеру, также может быть увеличена посредством использования двух и более твердотельных излучателей 108 света. В этих применениях требуется относительно большая относительная площадь ρ области твердотельного излучателя света. Примером является модуль для модифицированной галогеновой лампы.
SSL
В применениях, в которых отсутствуют строгие требования к уровням яркости светоизлучающего модуля, к конкретной форме луча или к общей излучающей области твердотельного излучателя 108 света, предпочтительно обеспечить относительно большую отражающую поверхность 112 основания относительно частично-абсорбирующей поверхности 106 твердотельного излучателя 108 света для обеспечения более эффективной рециркуляции света, а также более высокой эффективности. Для этих применений предпочтительно, чтобы относительная площадь ρ области твердотельного излучателя света являлась малой. Примером является светосильный модуль, реализованный в модифицированных электрических лампах, который задает ограничения только на геометрию светоизлучающего модуля.
Следует отметить, что коэффициенты отражения являются средними величинами по всей поверхности, к которой они имеют отношение. К примеру, светоотражающая поверхность основания может содержать области, которые имеют меньший коэффициент отражения по сравнению с другими областями. Кроме того, отражение света различных длин волн под разными углами падения может отличаться. Предпочтительно, чтобы коэффициент отражения усреднялся по спектральному диапазону, а также по распределению угла падения, к примеру, по спектральному диапазону дневного света или по спектральному диапазону, который содержит конкретные размеры первого цветового диапазона и второго цветового диапазона. Измерение коэффициента отражения зачастую выполняется посредством наведения коллимированного луча света спектрального диапазона на объект, коэффициент отражения которого должен быть измерен, после чего выполняется измерение количества отраженного света. Как правило, это выполняется под одним или несколькими углами падения, при этом коэффициент отражения является средневзвешенной величиной полученных коэффициентов отражения в случае различных углов падения, причем весовой коэффициент зависит от количества света, которое падает под различными углами падения на объект в светоизлучающем модуле.
В некоторых случаях твердотельный излучатель света крепится к подложке, к примеру, к керамической или к кремниевой подложке, при этом комбинация подложки и твердотельного излучателя света крепится к другому несущему слою. К примеру, этот несущий слой может являться печатной платой на металлической основе MCPCB, также называемой изолированной металлической подложкой IMS или традиционной печатной платой PCB, такой как FR4, или другим керамическим кристаллоносителем, к примеру, изготовленным из алюминия или из нитрида алюминия, или кремниевой подложкой. В таких ситуациях основание светоизлучающего модуля является комбинацией другого несущего слоя и подложки, к которой крепится твердотельный излучатель света. Другими словами, основание является комбинацией материалов и/или слоев, на которых обеспечиваются твердотельные излучатели света. Следовательно, в данном конкретном случае, коэффициент отражения основания является средневзвешенной величиной коэффициентов отражения подложек и несущего слоя. Не является необходимым, чтобы подложка, к которой крепится твердотельный излучатель света, или несущая подложка являлась абсолютно плоской. Как правило, на определенной высоте, на подложках будут присутствовать металлические электроды, такие как медные токопроводящие дорожки, которые служат для подачи питания на источники излучения. Кроме того, на поверхности может быть использован теплоотводящий слой. Часть подложки носителя в определенном месте может являться толстой для обеспечения структуры дополнительной поддержки, к примеру, для зажатия модуля или крепления коллиматоров к модулю, или для определения краевой зоны, к примеру, для разделения оптических функций от электрических функций. На подложке или носителе могут присутствовать и другие электрические компоненты, такие как конденсаторы, температурные датчики, подобные NTC, резисторы, защитные диоды ESD, диоды Зенера, варисторы, фотодатчики, такие как фотодиод, или интегральные схемы IC. Есть основания полагать, что эти компоненты могут быть размещены за пределами окружности оптического световыводящего окна, но в принципе, также могут быть размещены и в пределах окружности оптического световыводящего окна. В последнем случае они будут благоприятствовать среднему коэффициенту отражения основания. Эти компоненты могут быть покрыты отражающим слоем для минимизации оптических потерь.
Фиг.1b изображает графическое представление другого варианта осуществления светоизлучающего модуля 150, в соответствии с первым аспектом изобретения. Светоизлучающий модуль 150 имеет структуру, которая является подобной по отношению к структуре светоизлучающего модуля 100, при этом обеспечивается множество твердотельных излучателей 154, 156 света, которые испускают свет первого цветового диапазона 114 в направлении люминесцирующего слоя 102. В светоизлучающем модуле 150 коэффициент R_SSL отражения света твердотельного излучателя света определяется в качестве средней величины коэффициентов отражения света множества твердотельных излучателей 154, 156 света.
SSL
SSL
SSL
Как видно на Фиг.1b, относительная площадь ρ области твердотельного излучателя света светоизлучающего модуля 150 больше относительной площади светоизлучающего модуля 100, причем для вычисления ρ суммарную площадь областей верхних поверхностей 152, 158 твердотельных излучателей света следует заменить на A_SSL. Следовательно, в светоизлучающем модуле 150 относительно большее количество света падает на твердотельные излучатели 154, 156 света, вследствие чего относительно большее количество света поглощается посредством твердотельных излучателей 154, 156 света по сравнению со светоизлучающим модулем 100. Светоизлучающий модуль 150 является примером светоизлучающего модуля, в котором для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля относительная площадь ρ области должна быть больше 0,25, а величина множителя с должна быть больше или равна 0,4.
Следует отметить, что в других вариантах осуществления различные твердотельные излучатели 154, 156 света испускают свет различных цветовых диапазонов. Помимо всего прочего, люминесцирующий слой 102 может содержать различные люминесцирующие материалы, каждый из которых имеет различные характеристики преобразования, при которых свет, который проходит через световыводящее окно 104, имеет более широкий диапазон, по сравнению с первым цветовым диапазоном 114 и вторым цветовым диапазоном 116.
На Фиг.1a и 1b каждый из твердотельных излучателей 108, 154, 156 света имеет верхнюю поверхность 106, 152, 158, которая обращена в направлении световыводящего окна 104 и люминесцирующего слоя 102. Верхние поверхности 106, 152, 158 являются поверхностями, через которые свет первого цветового диапазона 114 в основном испускается в направлении люминесцирующего слоя. Расстояние между верхними поверхностями 106, 152, 158 твердотельных излучателей 108, 154, 156 света и поверхностью люминесцирующего слоя 102, который обращен в направлении верхних поверхностей 106, 152, 158, является расстоянием h, которое определяется в качестве длины наименьшей прямолинейной траектории между верхними поверхностями 106, 152, 158 твердотельных излучателей 108, 154, 156 света и поверхностью люминесцирующего слоя 102, который обращен в направлении верхних поверхностей 106, 152, 158.
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
На основе экспериментов изобретатели установили, что оптический эффект лучшего отражения посредством светоотражающей поверхности является не единственным фактором, который способствует более высокой светоотдаче. Зазор и расстояние h между твердотельным(и) излучателем(ями) 108, 154, 156 света и люминесцирующим слоем 102 также способствуют эффективности и светоотдаче светоизлучающего модуля. Каждая из верхних поверхностей 106, 152, 158 имеет наибольший линейный размер d, определяемый в качестве наибольшего линейного расстояния по линии на верхней поверхности 106, 152, 158. Если верхние поверхности являются круглыми, то наибольший линейный размер d является длиной диаметра круга. Если верхняя поверхность имеет форму квадрата или прямоугольника, то наибольший линейный размер d является длиной диагонали квадрата или прямоугольника. Изобретатели установили, что в случае, когда расстояние h является слишком малым, слишком много света падает в обратном направлении на твердотельные излучатели 108, 154, 156 света, при этом слишком много света поглощается посредством твердотельных излучателей 108, 154, 156 света. Изобретатели также установили, что в случае, когда расстояние h больше конкретной величины, количество света, испускаемое в обратном направлении к твердотельным источникам 108, 154, 156 излучения по сравнению с количеством света, которое испускается в обратном направлении к светоотражающей поверхности, может являться таковым, при котором в случае дополнительного увеличения расстояния h не может быть обеспечено никакого существенного повышения эффективности. Помимо всего прочего, изобретатели установили, что диапазон величин расстояния h, который приводит к обеспечению относительно эффективного светоизлучающего модуля, зависит от относительной площади ρ области твердотельного излучателя света. Предпочтительно, чтобы расстояние h между верхними поверхностями 106, 152, 158 и люминесцирующим слоем 102 находилось в диапазоне, который имеет минимальную величину, равную 0,3 наибольшего линейного размера d верхних поверхностей 106, 152, 158, и максимальную величину, равную 5 наибольшим линейным размерам d верхних поверхностей 106, 152, 158 при ρ<0,1. Предпочтительно, чтобы при 0,1≤ρ≤0,25 расстояние h между верхними поверхностями 106, 152, 158 и люминесцирующим слоем 102 находилось в диапазоне, который имеет минимальную величину, равную 0,15 наибольшего линейного размера d верхних поверхностей 106, 152, 158, и максимальную величину, равную 3 наибольшим линейным размерам d верхних поверхностей 106, 152, 158. Предпочтительно, чтобы при ρ>0,25 расстояние h между верхними поверхностями 106, 152, 158 и люминесцирующим слоем 102 находилось в диапазоне, который имеет минимальную величину, равную 0,1 наибольшего линейного размера d верхних поверхностей 106, 152, 158, и максимальную величину, равную 2 наибольшим линейным размерам d верхних поверхностей 106, 152, 158.
Светоизлучающие модули 100 и 150 могут являться еще более эффективными в случае, когда в вышеупомянутых формулах и критериях множитель с превышает вышеупомянутые величины. Повышение эффективности порядка 40% может быть обеспечено относительно твердотельного излучателя света с люминесцирующим слоем, находящимся непосредственно на верхней поверхности.
SSL
SSL
В светоизлучающем модуле 150 обеспечивается множество излучателей 154, 156 света, при этом каждый из множества излучателей 154, 156 света может иметь отличное расстояние до люминесцирующего слоя 102. Если расстояния отличаются, то средняя величина расстояний должна находиться в одном из вышеопределенных диапазонов. Если каждый из твердотельных излучателей 154, 156 света имеет отличную форму и/или размер верхних поверхностей 152, 158, то наибольший линейный размер d определяется в качестве средней величины наибольших линейных размеров d верхних поверхностей множества твердотельных излучателей 154, 156 света.
При наличии зазора и расстояния h между твердотельным(и) излучателем(ями) 108, 154, 156 света и люминесцирующим слоем 102, твердотельный(ые) излучатель(и) 108, 154, 156 света не нагреваются, как в случае, когда люминесцирующий слой 102 располагается на верхней части или в непосредственной близости к твердотельному(ым) излучателю(ям) 108, 154, 156 света. В данном случае люминесцирующий слой 102 не состоит в непосредственной термической связи с твердотельным(и) излучателем(ями) 108, 154, 156 света, при этом он передает или принимает меньшее количество тепла от твердотельного(ых) излучателя(ей) 108, 154, 156 света. Эффективность люминесцирующего материала повышается в случае, когда температура люминесцирующего материала сохраняется в приемлемых пределах. Кроме того, эффективность твердотельного(ых) излучателя(ей) 108, 154, 156 света повышается в случае, когда температура твердотельного(ых) излучателя(ей) 108, 154, 156 света сохраняется в приемлемых пределах. Следовательно, расстояние h между твердотельным(и) излучателем(ями) 108, 154, 156 света и люминесцирующим слоем 102 приводит к образованию фототермического эффекта более эффективного люминесцирующего слоя 102. Кроме того, расстояние h между твердотельным(и) излучателем(ями) 108, 154, 156 света и люминесцирующим слоем 102 приводит к более равномерному распределению светового потока через люминесцирующий слой 102 вместо относительно плотного светового потока в очень ограниченной области люминесцирующего слоя 102. Люминесцирующие материалы имеют тенденцию к чувствительности к фотонасыщению, что означает, что выше определенного потока люминесцирующий материал преобразует свет с меньшей эффективностью. Также некоторые люминесцирующие материалы или связующие вещества этих материалов, такие как органические люминофоры или органические вяжущие вещества, являются чувствительными к фотодеструкции, что означает, что выше определенного потока свойства люминесцирующего материала или связующего вещества начинают ухудшаться, что обычно приводит к снижению эффективности. Следовательно, посредством создания расстояние h между твердотельным(и) излучателем(ями) 108, 154, 156 света и люминесцирующим слоем 102 пресекается возникновение эффектов фотонасыщения и фотодеструкции люминесцирующего материала. Кроме того, расстояние h содействует обеспечению более равномерного распределения светоотдачи в световыводящем окне, а также содействует распределению смешанных цветов между первым спектральным диапазоном(ами) и вторым спектральным диапазоном(ами). Вследствие чего улучшается как пространственная, так и угловая равномерность цвета. Дополнительное улучшение может быть обеспечено посредством использования диффузного или дихроичного слоя на верхней части твердотельного излучателя света или в световыводящем окне.
Твердотельный(ые) излучатель(и) 108, 154, 156 света может являться светоизлучающим(и) диодом(ами) LED, органическим(и) светоизлучающим(и) диодом(ами) OLED, или, к примеру, лазерным(и) диодам(и), таким как, к примеру, полупроводниковый лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором VCSEL.
Фиг.2a и 2b изображают виды сверху светоизлучающих модулей 200, 250, в соответствии с первым аспектом изобретения. Представленные виды сверху можно видеть при рассмотрении через световыводящее окно в направлении поверхности основания светоизлучающих модулей 200, 250, на которой обеспечены твердотельные излучатели света. Следует отметить, что на Фиг.2a и 2b люминесцирующий слой не иллюстрируется.
SSL
w
h
w
h
w
h
На Фиг.2a иллюстрируется светоотражающая поверхность 204 основания и верхняя поверхность 206 твердотельного излучателя света. Стрелка 202 указывает наибольший линейный размер d верхней поверхности 206 твердотельного излучателя света. Площадью области верхней поверхности 206 твердотельного источника излучения является LL. Площадью области светоотражающей поверхности 204 основания является (BB-LL), что является общей площадью основания за вычетом площади области основания, которую занимает твердотельный излучатель света. Следовательно, площадь области светоотражающей поверхности 204 основания не должна включать в себя площадь области основания, которая покрыта твердотельным излучателем света.
w
h
4
d
w
h
w
h
4
d
1
2
l
2
Фиг.2b показывает светоотражающую поверхность 254, первую верхнюю поверхность 256 первого твердотельного излучателя света и вторую верхнюю поверхность 258 второго твердотельного излучателя света. Наибольшее линейное расстояние первого прямоугольного твердотельного источника излучения обозначается посредством стрелки 252. Площадью области первой верхней поверхности 256 первого твердотельного излучателя света является L1L1. Вторая верхняя поверхность 258 второго твердотельного излучателя света является круглой, при этом ее диаметр обозначается стрелкой 260, Площадью области второй верхней поверхности 258 второго твердотельного излучателя света является /π(L2). Площадью области светоотражающей поверхности 254 основания в данном случае является (BB-L1L1-/π(L2)).
Фиг.3a изображает вариант осуществления светоизлучающего модуля 300, который содержит полость 316. Светоизлучающий модуль 300 содержит основание 309, которое имеет светоотражающую поверхность 306, находящуюся внутри полости 316. На светоотражающей поверхности 306 обеспечивается твердотельный излучатель света 312, который испускает свет первого цветового диапазона в направлении световыводящего окна. Световыводящее окно формируется посредством люминесцирующего слоя 308. Между основанием 309 и люминесцирующим слоем 308 обеспечиваются стенки 314, в данном случае четыре стенки 314. Внутренние поверхности 304 стенок 314 являются светоотражающими и имеют коэффициент Rwall отражения стенки. Коэффициент отражения стенки является соотношением между количеством света, которое отражается посредством светоотражающей поверхности 304 стенок 314, и количеством света, которое падает на светоотражающую поверхность 304 стенок 314. Твердотельный излучатель 312 света имеет коэффициент R_SSL отражения твердотельного излучателя света. Светоотражающая поверхность 306 основания 309 имеет коэффициент Rbase отражения основания. Определение коэффициента отражения основания и твердотельного излучателя света представлено в описании Фиг.1a и 1b.
Стенки 314 могут быть изготовлены из различных материалов. Материал стенки может обеспечить высокий коэффициент отражения, как, к примеру, при использовании рассеивающей керамики, такой как отражающий алюминий, цирконий или другая керамика, рассеивающего стекла, рассеивающего пигментированного полимера, такого как белый полиамид, или рассеивающих фторполимеров, таких как спектралон (Spectralon) или рассеивающая силиконовая смола. Стенки 314 также могут быть изготовлены из металлического материала, такого как алюминий или серебро. Металл может являться металлической фольгой или пленкой, подобной зеркалу из промышленного металла с высоким коэффициентом отражения, реализуемого под торговой маркой Alanod.
Материал стенки также может иметь малый коэффициент отражения и покрываться отражающим слоем. В этом случае стенка может содержать другой материал, подобный теплопроводящему полимеру, такому как углепластик, к примеру, полиамид, или металлические материалы, такие как медь, никель, нержавеющая сталь, или керамические материалы, такие как нитрид алюминия AlN. Как правило, эти материалы имеют высокий коэффициент теплопроводности, что является выгодным, к примеру, медь имеет коэффициент, равный 400 Вт/мК, нитрид алюминия AlN имеет коэффициент, равный 140 Вт/мК. Отражающий слой может являться покрытием, пленкой или тонким слоем. К примеру, отражающий слой может являться отливаемым, углубляемым, распределяемым или напыляемым слоем белой силиконовой смолы или белого золь-геля, к примеру, материала на основе алкильных силикатов, пигментированного рассеивающими частицами, такими как TiO2 или ZrO2. К примеру, отражающий слой также может являться тонким металлическим покрытием, таким как защищенное (закрытое) серебро или алюминий, которое может быть нанесено посредством напыления или распыления на материал стенки. Стенки 314 могут иметь множество форм, таких как, к примеру, круглая, подобная кольцу, цилиндрическая, квадратная или треугольная. Стенка может иметь структуры поверхности, подобные гребням, которые служат для обеспечения охлаждения.
Материал стенки также может состоять из одного тонкопленочного слоя, такого как отражающее покрытие или пленка. В этом случае отражатель стенки может покрывать края твердого материла, присутствующего между основанием и люминесцирующим материалом, к примеру, окружность стеклянной или керамической подложки.
Стенка может являться диффузным отражателем или зеркальным отражателем. В некоторых вариантах осуществления зеркально-отражающая стенка демонстрирует лучшие характеристики по сравнению с диффузно-отражающей стенкой, а в других вариантах осуществления диффузно-отражающая стенка демонстрирует лучшие характеристики по сравнению с зеркально-отражающей стенкой.
Кроме того, основание 306 и стенки 314 могут содержать теплопроводящий материал. Предпочтительно, чтобы люминесцирующий слой 308 состоял в термической связи со стенками 314 по краям люминесцирующего слоя 308. К примеру, для соединения люминесцирующего слоя 308 со стенками 314 может быть использована теплопроводящая паста или теплопроводящий адгезив. На основании 306 может быть обеспечена граница раздела для отвода тепла (не изображено). Основание 306 может являться частью теплоотвода или формировать теплоотвод. Твердотельный излучатель 312 света обеспечивается в пределах полости 316 и крепится к светоотражающему основанию 306. Контакт между твердотельным излучателем 312 света и светоотражающим основанием 306 является таким, при котором твердотельный излучатель 312 света состоит в термической связи с основанием 306. Твердотельный излучатель 312 света может быть спаян или склеен со светоотражающим основанием 306 при помощи теплопроводящего адгезива, к примеру, адгезива с металлическими частицами. Основание 306 полости 316 и/или стенки 314 могут термические сквозные отверстия для дополнительного улучшения теплопередачи. К примеру, основание 306 может быть изготовлено из алюмооксидной керамики, которая содержит сквозные отверстия, которые метализованы медью. Медь имеет более высокий коэффициент теплопроводности (приблизительно равный 400 Вт/мК) по сравнению с оксидом алюминия (20-30 Вт/мК). Твердотельный излучатель 312 света также может быть соединен с источником электропитания при помощи электрических сквозных отверстий через основание 306 полости 316. Электрические сквозные отверстия также могут проводить тепло.
Люминесцирующий слой может содержать люминофоры для преобразования света первого цветового диапазона в свет второго цветового диапазона. Предпочтительно, чтобы второй цветовой диапазон отличался от первого цветового диапазона, тем не менее, диапазоны могут частично накладываться. Люминофор может являться желтым люминофором, таким как YAG:Ce, LuAG:Ce или LuYAG:Ce, служащим для частичного преобразования света голубого цвета, генерируемого посредством твердотельного излучателя света, в свет желтого цвета, таким образом, чтобы получить комбинированное существенно белое световое излучение. В другом варианте осуществления люминофор может являться люминофором полного преобразования, таким как BSSNE:Eu или ECAS:Eu, служащим для полного преобразования света голубого цвета в свет желтого или красного цвета, соответственно. Люминесцирующий слой может содержать комбинацию люминофоров, к примеру, YAG:Ce и ECAS:Eu, для обеспечения излучения более теплого излучения.
Преобразование света первого цветового диапазона в свет второго цветового диапазона обладает высокой эффективностью, тем не менее, некоторая часть света поглощается и преобразовывается в тепло. В особенности при использовании мощных твердотельных излучателей света, количество поглощаемой энергии может быть относительно большим. Эффективность люминесцирующего слоя может понизиться в случае, когда люминесцирующий слой 308 становится слишком горячим, к примеру, больше 200°C. Кроме того люминесцирующий слой может содержать материалы, характеристики которых ухудшаются при высоких температурах, при этом их характеристики излучения также ухудшаются. Тепло, которое вырабатывается в светоизлучающем модуле, передается через стенки и основание в направлении теплоотвода. Благодаря этому люминесцирующий слой не становится слишком горячим.
Люминесцирующий слой может являться керамическим люминофором, который изготавливается с использованием расплавленной макроскопической основной части посредством спекания порошковых частиц люминофора или из порошковых заготовок, которые формируют люминофор в процессе реакционного спекания. Такой керамический люминофор производится в пластинах, и эти пластины нарезаются механическим путем в надлежащем размере, соответствующем световыводящему окну. Следует отметить, что отдельный лист люминесцирующего материала, подобный пластине керамического люминофора, может покрыть множество соседних полостей.
Керамический люминофор является относительно хорошим проводником тепла. Коэффициент теплопроводности зависит от типа керамического люминофора и от остаточной пористости. В качестве примера, обычный коэффициент теплопроводности для керамического люминофора YAG, легированного ионами Ce, составляет 9-13 Вт/мК при комнатной температуре. Обычный коэффициент теплопроводности порошкового люминофорного слоя в связующей смоле, такой как силиконовая смола или органический полимер, преобладает над вяжущим веществом с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 0,15-0,3 Вт/мК. Керамический люминофорный слой может иметь толщину, приблизительно равную 10-300 микрон, обычная толщина приблизительно равна 100 микрон, и поэтому является твердым и самонесущим, вследствие чего люминесцирующему слою не требуется никакой дополнительной поддерживающей подложки.
Люминесцирующий слой также может являться подложкой из стекла, на которую наносится слой из прозрачной смолы, содержащей частицы люминофора. К примеру, порошок с частицами люминофора, которые рассредоточены в вяжущем веществе, как правило, силиконовая смола. Однако предпочтительно, чтобы связующее вещество являлось лучшим теплопроводящим материалом, таким как стекло или зол-гель, полученный на основе силиката или алкильного силиката с обычным коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 1 Вт/мК. Люминесцирующий слой также может быть зажат между двумя другими слоями, к примеру, люминесцирующий слой накладывается на стеклянный слой, а сверху люминесцирующего слоя накладывается стеклянный слой, который улучшает рассеивание тепла. Примерами других комбинаций слоев являются керамический слой - люминесцирующий слой - стеклянный слой, и керамический слой - люминесцирующий слой - керамический слой.
В варианте осуществления дополнительный слой размещается сверху люминесцирующего слоя, который функционирует в качестве светорассеивателя для того, чтобы светоизлучающий модуль 300 испускал свет во множестве направлений вывода с улучшенной угловой равномерностью цвета. Люминесцирующий слой будет преобразовывать свет, который практически перпендикулярно проходит через люминесцирующий слой, в меньшей степени, чем свет, который проходит под большими углами по отношению к нормали. В случае использования частично преобразованного люминесцирующего слоя, он испускает большее количество света (как правило, света голубого цвета) около нормального угла по сравнению с большими углами. Это приводит к недопустимой неравномерности цвета в зависимости от угла. Светорассеиватель смешивает свет до излучения в направлении внешней среды для улучшения угловой равномерности цвета. Предпочтительно, чтобы светорассеиватель имел тип прямого рассеяния.
В альтернативном варианте на верхней части люминесцирующего слоя может присутствовать дихроичный или интерференционный слой для коррекции ошибок угловой равномерности цвета применительно к свету, который испускается через люминесцирующий слой. Дихроичный слой состоит из множества тонких слоев с альтернативно большими и меньшими показателями преломления, с которыми интерферирует свет. Оптические характеристики дихроичного слоя являются такими, при которых свет голубого цвета отражается в большей степени ближе к нормали, при этом при постепенном увеличении угла отображается в меньшей степени или не отображается вовсе под большими углами. Чрезмерное проявление твердотельного излучателя света голубого цвета около нормали через люминофор впоследствии компенсируется посредством усиленного отражения в обратном направлении, осуществляемого посредством дихроичного слоя. Отраженный в обратном направлении свет голубого цвета будет частично возбуждать люминофор, будет подвергнут преобразованию цвета и частично рециркулироваться в полости. Дихроичный слой может присутствовать в качестве тонкой пленки на несущей подложке, такой как стекло, а также может соединяться с люминофором. Соединение может быть выполнено посредством использования адгезива.
В альтернативном варианте люминофор может присутствовать в качестве покрытия на одной подложке с дихроичным слоем, на противоположной стороне. Несущая подложка дихроичного слоя может являться теплопроводящей прозрачной подложкой, такой как керамика.
Свет, который отражается или рассеивается посредством люминесцирующего слоя, а также испускается посредством люминесцирующего слоя, также отражается в направлении стенки 314 и отражается посредством светоотражающих поверхностей 304 стенок 314. Соответственно, свет, который не был сразу пропущен через световыводящее окно во внешнюю среду, отражается посредством светоотражающих поверхностей 304 стенок 314 и/или посредством светоотражающей поверхности 306 основания 309. Благодаря этому свет, который не был сразу выведен во внешнюю среду, рециркулируется с большей эффективностью и способствует обеспечению эффективного светоизлучающего модуля. В данном случае эффективный коэффициент Reff отражения определяется в качестве средневзвешенной величины коэффициента отражения основания и коэффициента отражения стенки, или, другими словами, эффективный коэффициент отражения является средневзвешенной величиной коэффициентов отражения основания и стенки. Эффективный коэффициент Reff отражения может быть определен по формуле:
,
где коэффициент Rbase отражения основания является коэффициентом отражения светоотражающей поверхности 306 основания 309, коэффициент Rwall отражения стенки является коэффициентом отражения светоотражающих поверхностей 304 стенок 314, Abase является общей площадью отражающей поверхности 306 основания 309, а Awall является общей площадью отражающих поверхностей 304 стенок 314.
SSL
В данном варианте осуществления величина эффективного коэффициента Reff отражения должна быть, по меньшей мере, больше величины коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света. Предпочтительно, чтобы величина эффективного коэффициента Reff отражения была, по меньшей мере, больше величины коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света с прибавленным множителем с к разности между 1 и коэффициентом R_SSL отражения твердотельного излучателя света. Следовательно, Reff>R_SSL+c*(1-R_SSL). Множитель с, подобно вариантам осуществления, описанным со ссылкой на Фиг.1а и 1b, зависит от отношения площади ρ области твердотельного излучателя света, которое в данном случае определяется по формуле:
SSL
SSL
SSL
Следовательно, по сравнению с вариантами осуществления, описанными со ссылкой на Фиг.1a и 1b, в данном случае также учитывается площадь области отражающих поверхностей 304 стенок 314, то есть общая площадь отражающей области теперь содержит площадь отражающей области основания и площадь отражающей области стенки. Если ρ<0,1, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 309 и стенок 314 является относительно большой по сравнению с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя 312 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля величина множителя с должна быть больше или равна 0,2. Если 0,1≤ρ≤0,25, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 309 и стенок 314 является сопоставимой с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя 312 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля величина множителя с должна быть больше или равна 0,3. Если ρ>0,25, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 309 и стенок 314 является относительно малой по сравнению с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя 312 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля величина множителя с должна быть больше или равна 0,4. На практике величина множителя с в обоих случаях меньше 1,0.
Фиг.3b изображает графическое представление другого варианта осуществления светоизлучающего модуля 350, в соответствии с первым аспектом изобретения. Светоизлучающий модуль 350 является подобным светоизлучающему модулю 300, иллюстрированному на Фиг.3a. Тем не менее, имеются некоторые незначительные различия. Светоизлучающий модуль 350 имеет круглое основание 358 со светоотражающей поверхностью 354, которая обращена в направлении полости. Полость формируется посредством основания 358, цилиндрической стенки 362 и люминесцирующего слоя 352. Поверхность цилиндрической стенки 362, которая обращена в направлении полости, является светоотражающей поверхностью стенки 356. На светоотражающей поверхности 354 основания 358 обеспечивается множество твердотельных излучателей света, которые испускают свет первого цветового диапазона в направлении световыводящего окна полости. Световыводящее окно полости формируется посредством люминесцирующего слоя 352, который содержит люминесцирующий материал для преобразования части света первого цветового диапазона в свет второго цветового диапазона.
SSL
Также в данном варианте осуществления относительная площадь ρ определяется в качестве соотношения между суммарной площадью областей верхних поверхностей твердотельных излучателей 360 света и площадью области отражающей поверхности 354 основания 358. Используются критерии и диапазоны, являющиеся аналогичными по отношению к критериям и диапазонам, описанным со ссылкой на Фиг.3a.
Фиг.4a изображает светоизлучающий модуль 300, изображенный на Фиг.3a, в разрезе по линии A-A'. Световыводящее окно обозначено ссылочным номером 402. Световыводящее окно 402 является частью люминесцирующего слоя 308 по причине того, что, часть люминесцирующего слоя 308 располагается на верхней части стенок 404, 314, которые имеют определенную толщину. В альтернативном варианте на краю стенки может присутствовать углубление, в которое может быть вставлен люминесцирующий слой 308, служащее в качестве поддержки люминесцирующего слоя 308. Для крепления люминесцирующего слоя 308 к верхней части стенки или в углублении стенки может быть использован адгезив. В случае, когда для крепления люминесцирующего слоя 308 используется углубление, существует дополнительная выгода достижения термического контакта боковой поверхности люминесцирующего слоя 308 со стенкой.
SSL
SSL
SSL
SSL
Следовательно, величина эффективного коэффициента Reff отражения должна быть, по меньшей мере, больше величины коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света. Предпочтительно, чтобы величина эффективного коэффициента Reff отражения была, по меньшей мере, больше величины коэффициента R_SSL отражения твердотельного излучателя света плюс множитель с на разность между 1 и коэффициентом R_SSL отражения твердотельного излучателя света. Множитель с, подобно вариантам осуществления, описанным со ссылкой на Фиг.1а и 1b, зависит от относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, которая в данном варианте осуществления также включает в себя площадь области отражающей поверхности 356 стенок 362. Если ρ<0,1, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 309 и стенок 404, 314 является относительно большой по сравнению с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя 312 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля величина множителя с должна быть больше или равна 0,2. Если 0,1≤ρ≤0,25, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 309 и стенок 404, 314 является сопоставимой с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя 312 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля величина множителя с должна быть больше или равна 0,3. Если ρ>0,25, что указывает на то, что площадь отражающей области основания 309 и стенок 404, 314 является относительно малой по сравнению с площадью области верхней поверхности твердотельного излучателя 312 света, то для обеспечения относительно эффективного светоизлучающего модуля величина множителя с должна быть больше или равна 0,4. На практике величина множителя с в обоих случаях меньше 1,0.
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
Изобретатели также установили, что предпочтительно, чтобы расстояние h между верхней поверхностью 412 твердотельного излучателя 312 света и люминесцирующим слоем 308 находилось в диапазоне, который имеет минимальную величину, равную 0,3 наибольшего линейного размера d верхней поверхности 412, и максимальную величину, равную 5 наибольшим линейным размерам d верхней поверхности 308, при величине относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, меньшей 0,1. Предпочтительно, чтобы при 0,1≤ρ≤0,25 расстояние h между верхней поверхностью 308 и люминесцирующим слоем 102 находилось в диапазоне, который имеет минимальную величину, равную 0,15 наибольшего линейного размера d верхней поверхности 308, и максимальную величину, равную 3 наибольшим линейным размерам d верхней поверхности 308. Предпочтительно, чтобы при ρ>0,25, расстояние h между верхней поверхностью 308 и люминесцирующим слоем 102 находилось в диапазоне, который имеет минимальную величину, равную 0,1 наибольшего линейного размера d верхней поверхности 308, и максимальную величину, равную 2 наибольшим линейным размерам d верхней поверхности 308.
Следует отметить, что в случае, когда твердотельный излучатель 312 света удовлетворяет вышеупомянутым критериям, светоизлучающий модуль 300 является относительно эффективным светоизлучающим модулем. Поглощение посредством твердотельного излучателя света в значительной степени приводит к неэффективности, наряду с тем, что все остальные расстояния, размеры и коэффициенты отражения являются оптимизированными для максимальной светоотдачи. Светоизлучающий модуль 300 может являться еще более эффективным в случае, если в вышеупомянутых формулах множитель с больше вышеупомянутых величин. В светоизлучающем модуле с люминесцирующим слоем, находящимся непосредственно на верхней поверхности твердотельного излучателя света может быть обеспечен прирост эффективности порядка 40%.
Люминесцирующий слой 308 размещается на верхнем краю стенок 404, 314, при этом, по существу, люминесцирующий слой 308 термически связан со стенками 404, 314. Люминесцирующий слой 308 нагревается по причине поглощения энергии посредством люминесцирующего материала, наряду с преобразованием света первого цветового диапазона в свет второго цветового диапазона. Термическая связь между люминесцирующим слоем 308 и стенками 404, 314 предоставляет стенкам 404, 314 возможность отведения тепла с люминесцирующего слоя в направлении основания 309, которое может содержать границу раздела для связи основания 309 с теплоотводом. Этот механизм обеспечивает эффективное регулирование теплообмена светоизлучающего модуля 300 и препятствует сильному нагреву люминесцирующего слоя 308, что повышает эффективность и срок службы люминесцирующего материала. Кроме того, полость 316 может быть заполнена по существу оптически прозрачным материалом. Если вся полость заполняется прозрачным материалом, то прозрачный материал также термически связан с люминесцирующим слоем 308 и может отводить тепло от люминесцирующего слоя в направлении стенок 404, 314 и основания 309 более эффективным способом, чем при использовании воздушного зазора. Как будет обсуждаться со ссылкой на Фиг.5a, прозрачный материал имеет дополнительные преимущества, такие как повышение светоотдачи от твердотельного излучателя 412 света.
2
3
3
Как правило, по существу прозрачный материал является твердым материалом, таким как затвердевшая или отвержденная силиконовая смола с коэффициентом теплопроводности, находящимся в диапазоне от 0,2 до 0,3 Вт/мК. Существует множество типов таких материалов в диапазоне от твердых силиконовых смол до мягких силиконовая смол, мягких упругих силиконовых смол или гелевых смол. Другие материалы могут включать в себя эпоксидные смолы и оптически прозрачные полимеры многих типов, известных специалистам в данной области техники. В других вариантах осуществления может быть использован широкий диапазон стеклянных материалов, таких как натриево-кальциево-силикатное стекло с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 1,0 Вт/мК, боросиликатное стекло или кварцевое стекло, с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 1,3 Вт/мК. Кроме того, могут быть использованы керамические материалы, такие как прозрачные подложки на основе поликристаллического оксида алюминия с коэффициентом теплопроводности, приблизительно равным 30 Вт/мК, сапфировые подложки с коэффициентом теплопроводности, равным 42 Вт/мК, AlON с коэффициентом теплопроводности, равным 9,5 Вт/мК, шпинель с коэффициентом теплопроводности, равным 15 Вт/мК, или YAG с коэффициентом теплопроводности, равным 7 Вт/мК. Также могут быть использованы комбинации этих материалов. К примеру, твердые стеклянные или керамические подложки могут быть связаны с источниками излучения и/или с основанием. Кроме того, для обеспечения относительно высокого коэффициента прямой светопередачи в качестве по существу прозрачного материала может быть использован прозрачный порошок поликристаллического оксида алюминия, размер зерна которого предпочтительно больше 44 мкм или предпочтительно меньше 1 мкм. Для материала, толщина которого равна 1 мм, а размер зерна меньше 1 мкм, суммарная прямая светопередача превышает 84%. Для материала, толщина которого равна 1 мм, а размер зерна больше 44 мкм, суммарная прямая светопередача превышает 82%. К примеру, поликристаллический оксид алюминия может быть изготовлен с использованием технологии обработки керамического порошка, в которой сначала формируется порошок AlO, к примеру, посредством прессования порошка, шликлерного литья, литьевого прессования, а затем предварительно и окончательно спекается. Зерно относительно большого размера, то есть, больше 44 мкм, может быть обеспечено посредством использования алюминооксидного порошка с зерном относительно большого размера, посредством использования большего времени спекания и/или большей температуры спекания с использованием меньшего количества присадок MgO пресекающих рост размера зерна (<300 мкг/дм) и/или использования присадок стимулирующих рост размера зерна или комбинации одного и более вышеупомянутых способов. Предпочтительно, чтобы размер зерна был меньше 120 мкм для предотвращения микрорастрескивания поликристаллического оксида алюминия. Таким образом, превосходные термические свойства этого материала, благодаря коэффициенту теплопроводности, приблизительно равному 30 Вт/мК, объединяются с относительно высоким коэффициентом прозрачности.
По желанию для извлечения большего количества света от источника излучения может быть обеспечен оптический и термический контакт с поверхностью источника излучения, при этом между твердым материалом и основанием по-прежнему присутствует воздушный зазор. Это может способствовать более эффективному рассеянию света посредством световодной структуры твердого материала для повышения равномерности излучения. Для оптимального термического контакта твердые подложки также могут быть соединены с основанием, к примеру, посредством использования адгезива. Твердая подложка выполняет функцию теплоотводящего слоя и материала термической границы раздела в случае ее соединения с люминесцирующим слоем. В источнике излучения также может присутствовать твердый материал, такой как часть сапфира или карбида кремния SiC, который может являться подложкой для наращивания, на которой формируется кристалл источника излучения. Помимо всего прочего, на кристалле может присутствовать оптический корпус, имеющий форму купола или линзы, размер которого обычно, по меньшей мере, в 2 раза превышает наибольший линейный размер, который, к примеру, может быть изготовлен из силиконовой смолы стеклянного материала. Корпус в форме купола или линзы может быть покрыт другим прозрачным материалом.
Предпочтительно, чтобы по существу прозрачный материал имел относительно высокий показатель преломления, когда он состоит в оптическом контакте с кристаллом источника излучения. Поскольку типичные твердотельные излучатели света, такие как GaN или InGaN или AlInGaN, имеют высокий показатель преломления, приблизительно равный 2,4, высокий показатель преломления в контакте с кристаллом извлекает большее количество света из кристалла посредством сокращения полного внутреннего отражения в кристалле твердотельного излучателя света. Большинство прозрачных материалов имеют показатели преломления, в диапазоне от 1,4 до 1,6, как правило, они равны 1,5. Некоторыми примерами материалов с высокими показателями преломления, подходящих для использования в источнике излучения, являются стекла с высокими показателями преломления, такие как LaSFN9, или керамические материалы, такие как сапфир (показатель преломления приблизительно равен 1,77), алюминий (показатель преломления приблизительно равен 1,77), YAG (показатель преломления приблизительно равен 1,86), циркониевая керамика (показатель преломления приблизительно равен 2,2) или карбид кремния SiC (показатель преломления приблизительно равен 2,6). Для крепления подложек может быть использована оптическая связь с высоким показателем преломления, такая как стекло с высоким показателем преломления или смола с высоким показателем преломления. Смола с высоким показателем преломления может состоять из вяжущего вещества с малым показателем преломления, заполненного нано-частицами с высоким показателем преломления, такого как силиконовая смола, заполненная нано-частицами TiO2, размер которых меньше 100 нм в диаметре, или другими нано-частицами с высоким показателем преломления, такими как ZrO2 или титанаты, такие как BaTiO3, SrTiO3. На кристаллах источников излучения некоторых типов по-прежнему могут присутствовать типичные подложки для наращивания, такие как сапфир и карбид кремния. Предпочтительно, чтобы в данном случае эти кристаллы были покрыты материалом с высоким показателем преломления, подобным вышеописанным.
В альтернативном варианте также могут быть использованы жидкие материалы, такие как силиконовые масла (показатель преломления приблизительно равен 1,4) или минеральные масла (показатель преломления приблизительно равен 1,5), или же большое разнообразие жидкостей, таких как алифатические или ароматические углеводороды или жидкости с высоким показателем преломления, известные специалистам в данной области техники. При использовании жидкости по краям световыводящего окна предпочтительно использовать непроницаемое уплотнение для предотвращения утечки из светоизлучающего модуля. Жидкость может служить для охлаждения люминесцирующего слоя посредством конвективного потока и/или посредством циркуляции.
Фиг.4b изображает графическое представление другого варианта осуществления светоизлучающего модуля, изображенного на Фиг.3a, в разрезе. Светоизлучающий модуль 450 содержит корпус 455, полость 460, люминесцирующий слой 465, граница раздела 470 для теплоотвода 480 и световыводящее окно 472. Корпус 455 в данном случае содержит как основание, так и стенки со светоотражающей поверхностью 462 основания и светоотражающими поверхностями 466, 468 стенки. Изображен твердотельный излучатель 482 света определенного типа, электрическая энергия к которому подводится посредством двух проводников 492. Светоизлучающие диоды LED зачастую имеют соединительные проводники 492, которые соединяются с твердотельным излучателем 482 света на верхней поверхности 483 твердотельного излучателя 482 света. Верхняя поверхность 483 является поверхностью твердотельного излучателя 482 света, которая расположена наиболее близко к люминесцирующему слою 465, через которую свет испускается в полость 460, В некоторых вариантах осуществления на верхней поверхности 483 присутствуют два электрических проводных контакта, а в других вариантах осуществления один электрический проводной контакт присутствует на верхней поверхности 483, а другой электрический контакт присутствует на нижней поверхности твердотельного излучателя 482 света с основанием.
Как видно на Фиг.4b, граница раздела 470 для теплоотвода 480 обеспечивается на задней стороне светоизлучающего модуля 450, Следует отметить, что задняя сторона является, по существу, противоположной по отношению к стороне, на которой находится люминесцирующий слой 465, кроме того следует отметить, что часть корпуса, которая формирует заднюю сторону, также формирует основание полости 460. Как видно на Фиг.4b, твердотельный излучатель 482 света крепится к светоотражающему основанию 462 полости 460. Контакт между твердотельным излучателем 482 света и корпусом 455 является таким, при котором между твердотельным излучателем 482 света и корпусом 455, а также между твердотельным излучателем 482 света и теплоотводом 480 обеспечивается хорошая термическая связь.
В альтернативном варианте твердотельный излучатель 482 света может быть смонтирован в сквозное отверстие на светоотражающем основании таким образом, чтобы свет испускался в полость 460, а также, чтобы твердотельный излучатель 482 света состоял в хорошем термическом контакте с корпусом 455.
Верхнее проводное соединение 492 является проводником, который состоит в электрической связи с электрической контактной областью на верхней поверхности 483 светоизлучающего диода 482 LED, которая обычно является метализованной, при этом проводник подает электрическую энергию на светоизлучающий диод 482 LED. Верхняя поверхность 483 светоизлучающего диода 482 LED также зачастую является светоизлучающей поверхностью светоизлучающего диода 482 LED. Светоизлучающая поверхность светоизлучающего диода 482 LED определяется в качестве области поверхности светоизлучающего диода 482 LED, которая не препятствует излучению света, через которую свет, генерируемый посредством светоизлучающего диода 482 LED, испускается в полость 460, В данном варианте осуществления верхняя поверхность 483 светоизлучающего диода 482 LED являются поверхностью, которая обращена в направлении люминесцирующего слоя 465.
Использование люминесцирующего слоя 465, который реализован в качестве керамического люминофора или в качестве слоя люминофора, нанесенного, к примеру, на стеклянную подложку в комбинации со светоизлучающим диодом 482 LED с верхним проводным соединением 492, оказалось затруднительным. Проводники 492 затрудняют абсолютное обеспечение такого слоя керамического люминофора на верхней части светоизлучающей поверхности. Решение может заключаться в рассверливании в керамическом люминофоре высокоточных отверстий, через которые будет проходить проводник, что является довольно дорогостоящим процессом. При этом трудно предотвратить утечку света через высокоточные отверстия вдоль проводника. Это приводит к ухудшению управления цветом. В особенности, когда люминесцирующий слой 465 должен преобразовать большую часть света в первом цветовом диапазоне, утечка света приводит к недопустимому снижению насыщенности цвета. Кроме того, отверстия, как правило, высверливаются посредством лазерной абляции, которая выполняется с риском повреждения люминофора около высверливаемых отверстий, при этом побочные продукты абляции поглощают свет, а часть люминофора становится неэффективной.
Типичные керамические люминофоры, такие как YAG:Ce и нитрид кремния стронция и бария янтарного цвета (BSSNE:Eu), имеют показатель преломления, приблизительно равный 1,86 и 2, соответственно. Следовательно, прозрачная смола с показателем преломления, превышающим 1,4, может обеспечить относительно хорошую оптическую связь между конкретными светоизлучающими диодами LED и конкретными обсуждаемым керамическими люминофорами. В состав могут быть введены центры повышенного рассеяния, подобные рассеивающим частицам, предпочтительно с характеристиками прямого рассеяния.
Вариант осуществления обеспечивает эффективное решение для преобразования света светоизлучающего диода 482 LED с одним и более верхними проводными соединениями 492 в свет другого цвета. Полость 460 обеспечивает пространство для проводника 492, и вследствие отражений света в полости, тень от проводников 492 не будет заметна в световыводящем окне 472. Следует отметить, что размер полости 460 варианта осуществления является относительно большим по сравнению с размером светоизлучающего модуля 450, и поэтому меньшее количество теней от проводников может быть заметно по сравнению с известными светоизлучающими модулями, в которых размер полости является относительно малым.
Использование верхнего проводного соединения 492 наряду с прозрачной смолой 498, которая располагается между светоизлучающим диодом 482 LED и люминесцирующим слоем 465, является выгодным. Прозрачная смола 498 может быть введена в полость 460 после монтажа светоизлучающего диода 482 LED в корпус 455. В процессе ввода прозрачная смола 498 находится в жидком состоянии и может заполнить каждый угол полости. Проводники 492 не являются препятствием для ввода прозрачной смолы, вследствие чего между прозрачной смолой 498 и всей верхней поверхностью 483 светоизлучающего диода 482 LED может быть установлен хороший контакт. Следовательно, прозрачная смола 498 улучшает вывод излучения из светоизлучающего диода 482 LED. Кроме того, если прозрачная смола 498 застывает (затвердевает), то верхние проводные соединения 492 неподвижно закрепляются посредством смолы 498, вследствие чего являются менее чувствительными к повреждениям, к примеру, если светоизлучающий модуль 450 подвергается вибрации, как, к примеру, при использовании в автомобилях.
Фиг.5a изображает альтернативные варианты осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с первым аспектом изобретения. Светоизлучающий модуль 500, изображенный на Фиг.5a(i), содержит основание 518, множество светоизлучающих диодов 514 LED, обеспеченных на подложках 516, стенки 510, первый люминесцирующий слой 506 и второй люминесцирующий слой 504, которые обеспечиваются на краю стенок и формируют световыводящее окно. Светоизлучающие диоды 514 LED испускают свет первого цветового диапазона, при этом все светоизлучающие диоды 514 LED имеют одинаковый размер, равный наибольшему линейному размеру d. Первый люминесцирующий слой 506 содержит люминесцирующий материал для преобразования света первого цветового диапазона в свет второго цветового диапазона. Второй люминесцирующий слой 504 содержит другой люминесцирующий материал для преобразования света первого цветового диапазона в свет третьего цветового диапазона или же для преобразования света второго цветового диапазона в свет третьего цветового диапазона. Стенки 510, основание 518 и первый люминесцирующий слой 506 формируют полость, которая заполняется прозрачным материалом 502. Следовательно, прозрачный материал помещается между светоизлучающими диодами 514 LED и первым люминесцирующим слоем 506. Прозрачный материал состоит в оптической связи со светоизлучающими диодами 514 LED, а также состоит в оптической и термической связи с первым люминесцирующим слоем 506. Расстояние между излучателями света и первым люминесцирующим слоем 506 обозначается посредством буквы h. Поверхности стенок 510, которые обращены в направлении полости, обеспечиваются светоотражающим покрытием 508. Пространства между светоизлучающими диодами 514 LED и светопроводящим материалом 502 заполняются светоотражающим материалом 512, который покрывает основание 518 и подложку 516. Светоотражающая поверхность формируется посредством поверхности светоотражающего материала 512, который помещается между светоизлучающими диодами 514 LED. Светоотражающий материал имеет коэффициент Rbase отражения основания. Кристаллы светоизлучающих диодов LED имеют коэффициент R_SSL отражения. Светоотражающее покрытие 508 имеет коэффициент Rwall отражения стенки. Параметры светоизлучающего модуля 500 сопоставляются друг с другом в соответствии с критериями, являющимися аналогичными по отношению к критериям, описанным в предыдущих вариантах осуществления со ссылкой на Фиг.1a, 1b, 3a, 3b и 4a, причем в данном варианте осуществления площадь области верхней поверхности твердотельного излучателя света A_SSL вычисляется в качестве суммы общих площадей верхних поверхностей множества светоизлучающих диодов 514 LED.
Вместо светоотражающего покрытия также может быть использована светоотражающая фольга или пленка, которая может быть прикреплена или нанесена на основание и/или стенки. Для крепления может быть использован адгезив, такой как адгезив, чувствительный к давлению. Слой отражающего покрытия может являться диэлектрическим слоем, который обычно используется на носителе MCPCB для изолирования поверхностных электродов от металлического носителя или паяльной маски, которая обычно используется на носителе MCPCB или PCB, для экранирования поверхностных электродов. Поскольку подложка 516 покрывается отражающим слоем, вследствие чего является оптически экранированной, она может состоять из материала с малым коэффициентом отражения, из такого как нитрид алюминия AlN. Нитрид алюминия AlN имеет преимущество, заключающееся в наличии очень высокого коэффициента теплопроводности, приблизительно равного 140 Вт/мК. Следовательно, оптические функции могут быть экранированы от термических функций посредством использования отражающего покрытия или фольги, что предоставляет выгодную возможность индивидуальной оптимизации обеих функций.
Светоотражающее покрытие или пленка может состоять из диффузно-отражающего материала, такого как покрытие белого цвета, состоящее из вяжущего вещества, заполненного рассеивающим пигментом или различными рассеивающими пигментами. Подходящими вяжущими веществами являются материалы на основе кремния, либо материалы на основе силикатов, либо материалы на основе алкильных силикатов, либо материалы на основе эпоксидной смолы, либо материалы на основе полиимидов, либо материалы на основе фторполимеров, полиамидов, полиуретанов или других полимеров. Покрытие также может состоять из материала на основе сульфата бария (BaSO4) с высоким коэффициентом отражения. Примерами рассеивающих пигментов являются пигменты TiO2, пигменты ZrO2, пигменты Al2O3, при этом также может быть использовано множество других рассеивающих частиц или пор, известных специалистам в данной области техники. Отражающее покрытие или пленка также может состоять из металлических слоев, таких как алюминий или серебро. Металл может являться металлической фольгой или пленкой, подобной зеркалам из промышленного металла с высоким коэффициентом отражения, реализуемого под торговой маркой Alanod. Тонкий металлический слой может быть нанесен посредством напыления или распыления на материал стенки. Металлическая фольга может быть использована в качестве вставки, которая крепится/связывается/припаивается к основанию. Металлический слой может быть покрыт покрывающим слоем белого цвета, к примеру, слоем из белой силиконовой смолы или белых алкильных силикатов, таким как пигментированный метилсиликат. На основании или стенках также может быть использован керамический отражающий слой, к примеру, рассеивающий алюминиевый слой, как правило, пористый, или другой керамический отражающий материал.
Светоизлучающий модуль 520, изображенный на Фиг.5a(ii), является подобным светоизлучающему модулю 500, тем не менее, стенки 522 изготавливаются из светоотражающего материала, при этом на стенки 522 не наносится никакого дополнительного покрытия. Кроме того используется только один люминесцирующий слой 506. Подложки 524, на которых обеспечиваются светоизлучающие диоды 514 LED, также изготавливаются из светоотражающего материала, при этом светоотражающими частицами 512 заполняются только пространства между подложками 524.
Светоизлучающий модуль 530, изображенный на Фиг.5a(iii), является другим вариантом, в котором используются так называемые куполообразные светоизлучающие диоды 514 LED. Светоизлучающие диоды 514 LED обеспечиваются на подложке 516, при этом купола светопроводящего материала 502 размещаются на верхней части светоизлучающих диодов LED. Купол светопроводящего материала 502 состоит в оптической связи с кристаллом светоизлучающего диода LED. Кроме того, полость заполняется дополнительным светопроводящим материалом 532. Дополнительный светопроводящий материал 532 состоит в оптической связи с куполами светопроводящего материала 502 и первым люминесцирующим слоем 506. Это упрощает отвод выработанного на люминесцирующем слое тепла в направлении основания и теплоотвода, к которому обычно крепится основание.
Светоизлучающий модуль 540, изображенный на Фиг.5a(iv), подобен светоизлучающему модулю 500, однако стенки 542 наклонены по отношению к нормальной оси в направлении основания 518. Стенки 542 наклоняются таким образом, чтобы свет, который падает на наклонные стенки 542, отражался в направлении первого люминесцирующего слоя 506 вместо направления к основанию 518. Наклонные стенки 542 направляют свет, который отражается от стенок 542, в направлении люминесцирующего слоя 506, и предотвращают многократное отражение световых лучей между стенками 542 и основанием, что предотвращает нецелесообразное поглощение света, а именно, каждое отражение не является полным, и при каждом отражении поглощается небольшое количество света.
Светоизлучающий модуль 550, изображенный на Фиг.5a(v), является вариантом светоизлучающего модуля 540. Стенки 552 светоизлучающего модуля 550 искривляются таким образом, чтобы большее количество света, которое падает на искривленные стенки 552, отражалось в направлении первого люминесцирующего слоя 506 и, следовательно, в направлении световыводящего окна. Помимо всего прочего, поверхности подложки 516 не покрываются, при этом отражающим материалом покрывается зазор 512 между подложками. Подложка 516 может состоять из отражающего материала, такого как рассеивающая керамика, такая как алюминий, которая включает в себя рассеивающие поры и/или рассеивающие частицы, такие как частицы циркония. Следовательно, коэффициент отражения светоотражающей поверхности основания 518 является средней величиной коэффициента отражения подложки 516 и зазора 512, взвешенной по области.
Светоизлучающий модуль 560, изображенный на Фиг.5a(vi), является другим вариантом, который не содержит второго люминесцирующего слоя 504. Полость заполняется по существу прозрачным материалом 562 и имеет на световыводящей стороне светоизлучающего модуля искривленную поверхность. Первый люминесцирующий слой 506 обеспечивается на верхней части прозрачного материала 562. Как изображено на чертеже, расстояния между светоизлучающими диодами 514 LED и первым люминесцирующим слоем 506 являются различными. Два светоизлучающих диода LED располагаются на расстоянии h1 от первого люминесцирующего слоя 506, при этом два светоизлучающих диода LED располагаются на расстоянии h2, что формирует первый люминесцирующий слой 506. Величина расстояния h между верхней поверхностью светоизлучающих диодов 514 LED в данном варианте осуществления должно вычисляться в качестве среднего расстояния: h=(h1+h2)/2. В случае использования в светоизлучающем модуле трех и более светоизлучающих диодов LED, формула вычисления среднего расстояния, корректируется соответствующим образом.
Еще в одном варианте осуществления, который не иллюстрируется на чертежах, кристаллы твердотельных источников излучения связываются непосредственно с несущей платой без дополнительной промежуточной подложки. Это дополнительно сокращает термическое сопротивление между кристаллом и платой, а также между кристаллом и теплоотводом, к которому обычно крепится плата. Для электрического контакта на верхней части кристаллов светоизлучающих диодов LED могут присутствовать проводные соединения.
Фиг.5b изображает четыре альтернативных светоизлучающих модулей 570, 580, 590, 595. Светоизлучающий модуль 570, изображенный на Фиг.5b(i), подобен светоизлучающему модулю 520 и внутри полости имеет дополнительный люминесцирующий слой 572. Следовательно, к примеру, на светоотражающие стенки 522 и светоотражающую поверхность основания 518 может быть нанесен слой люминесцирующего материала другого типа, который отличается от люминесцирующего материала, который используется в первом люминесцирующем слое 506. Этот отличный люминесцирующий материал преобразует свет первого цветового диапазона в свет третьего цветового диапазона. В альтернативном варианте в светоотражающих стенках 522 и светоотражающей поверхности основания 518 может быть использован люминесцирующий материал, аналогичный материалу, используемому в первом люминесцирующем слое. Преобразованию подвергается не весь свет, который падает на дополнительный люминесцирующий слой 527, при этом некоторое количество света испускается в направлении светоотражающих стенок 522 и светоотражающей поверхности основания 518, и впоследствии отражается в обратном направлении к полости и, следовательно, в направлении световыводящего окна. К примеру, это может быть использовано для добавления к излучению белого цвета дополнительного света красного цвета для достижения излучения теплого белого цвета.
Светоизлучающий модуль 580, изображенный на Фиг.5b(ii), является подобным светоизлучающему модулю 500. Первым различием является то, что в световыводящем окне обеспечивается только один люминесцирующий слой 506. В процессе изготовления люминесцирующий слой 506 наносится на прозрачную подложку 582, которая является, к примеру, стеклянной. Подложка 582 с люминесцирующим слоем 506 нарезается на части, к примеру, при помощи устройства для резки, или высверливается, и часть подложки 582 с люминесцирующим слоем 506 обеспечивается на стенках 510 светоизлучающего модуля 580.
Светоизлучающий модуль 590, изображенный на Фиг.5b(iii), подобен светоизлучающему модулю 580, однако полость не заполняется по существу прозрачным материалом, а заполняется частью прозрачной подложки 582 с люминесцирующим слоем 506. Часть связывается, к примеру, посредством прозрачной смолы 592 со светоотражающими поверхностями стенок и со светоотражающей поверхностью основания 518. Прозрачная подложка 582 имеет толщину, к примеру, равную 2 мм, а также обеспечивает перепад по высоте между верхними поверхностями светоизлучающих диодов 514 LED и люминесцирующим слоем 506, приблизительно равный 2 мм. На верхней части устройства по окружности люминесцирующего слоя 506 может быть наложено силиконовое кольцо белого цвета для предотвращения утечки прямого света, испускаемого посредством светоизлучающих диодов 514 LED (к примеру, света голубого цвета) (не изображено).
Светоизлучающий модуль 595, изображенный на Фиг.5b(iv), подобен светоизлучающему модулю 520. Однако используются светоизлучающие диоды LED других типов. Основанием 598 является металлическая плата PCB (MCPCB). Светоизлучающие диоды LED без относительно большой подложки могут быть смонтированы непосредственно на плате MCPCB. Светоизлучающие диоды LED, которые подходят для таких вариантов применения, являются светоизлучающими диодами LED, которые изготавливаются по так называемым технологиям CSP или COB. Технология COB относится к монтажу кристаллов на плате, причем кристалл светоизлучающего диода LED припаивается непосредственно к плате MCPCB. Технология CSP относится к корпусам с размерами кристалла, причем носитель обеспечивается на полупроводниковой пластине, на которой обеспечивается светоизлучающий диод LED, при этом полупроводниковая пластина нарезается на части для получения светоизлучающих диодов LED CSP. Такие светоизлучающие диоды LED CSP обеспечиваются в светоизлучающем модуле 595. В светоизлучающих диодах LED CSP носитель 597 имеет размер, аналогичный размеру кристалла светоизлучающего диода 596 LED. Боковые поверхности диода CSP могут являться отражающими, при этом поверхность платы PCB также может являться отражающей, благодаря чему не требуется никакого дополнительного (толстого) отражающего слоя основания.
На Фиг.6 изображены другие варианты осуществления светоизлучающих модулей 600, 620, 630, 640, 650, 660 в разрезе. Светоизлучающие модули 600, 620, 630, 640, 650, 660 не имеют стенок между люминесцирующим слоем 604, 622, 632, 642, 652, 662 и основанием, но они имеют люминесцирующий слой 604, 622, 632, 642, 652, 662 край которого касается светоотражающей поверхности или основания 610, 664. Люминесцирующий слой 604, 622, 632, 642, 652, 662 в целом полностью формирует световыводящее окно светоизлучающих модулей 600, 620, 630, 640, 650, 660. Светоизлучающие модули 600, 620, 630, 640, 650, 660 не только испускают свет в направлении, являющимся по существу параллельным по отношению к нормальной оси основания 610, 664, а также испускает свет в различных углах испускания света относительно нормальной оси основания. На Фиг.6(ii) иллюстрируется светоизлучающий модуль 620 с краем 624 люминесцирующего слоя 622 в разрезе. Как можно видеть на чертеже, край 624 состоит в контакте со светоотражающей поверхностью основания 610, при этом люминесцирующий слой 622 может находиться на поверхности основания.
Светоизлучающий модуль 600, изображенный на Фиг.6(i), содержит основание 610, на котором обеспечиваются подложки 608 со светоизлучающими диодами 606 LED. Подложки 608 и светоизлучающие диоды 606 LED окружаются посредством светоотражающего материала 612, который формирует светоотражающую поверхность. Верхние светоизлучающие поверхности светоизлучающих диодов 606 LED состоят в оптической связи с прозрачным материалом 602, который также состоит в контакте с люминесцирующим слоем 604. Светоизлучающие модули 620, 630, 640 имеют люминесцирующие слои 622, 632, 642 другой формы, и изображаются на Фиг.6 (ii), 6 (iii) и 6 (iv), соответственно.
Светоизлучающий модуль 650, изображенный на Фиг.6(v), имеет основание 610, на котором обеспечивается один корпус со светоизлучающим диодом 656 LED с размерами кристалла. Зачастую аббревиатура CSP-LED используется для одного корпуса со светоизлучающим диодом 656 LED с размерами кристалла, причем такой корпус со светоизлучающим диодом 656 LED с размерами кристалла не содержит дополнительной подложки, как демонстрируется в предыдущих вариантах осуществления. Вокруг светоизлучающего диода 656 LED присутствует светоотражающий материал 612, который создает светоотражающую поверхность, обращенную в направлении люминесцирующего слоя 652. На верхней части светоизлучающего диода 656 LED и светоотражающего материала 612 размещается купол 654 из прозрачного материала, на котором располагается люминесцирующий слой 652. Радиус r является расстоянием между светоизлучающим диодом 656 LED и люминесцирующим слоем 652. Определение расстояния h в данном случае заменяется посредством радиуса r.
Светоизлучающий модуль 660, изображенный на Фиг.6(vi), не содержит купол из прозрачного материала, а содержит прозрачный материал 663 образующий коробчатую форму. Кроме того, основание 664 изготавливается из светоотражающего материального, поэтому на поверхности основания 664, которое обращается в направлении люминесцирующего слоя 662, не обеспечивается никакого дополнительного слоя из светоотражающего материала. Также могут быть предусмотрены другие формы и комбинации.
Схематично изображенные светоизлучающие модули 500, 520, 530, 540, 550, 560, 600, 620, 630, 640, 650, 660 могут являться (кругообразно) симметричными, а также могут являться и асимметричными вне плоскости изображенного разреза. К примеру, модуль может быть вытянут в направлении глубины к плоскости бумаги, чтобы образовать вытянутую, трубкообразную, столбчатую или цилиндрическую форму. Множество источников излучения могут сформировать матрицу источников излучения в направлении глубины. К примеру, такая форма может быть использована в уличном фонаре на светоизлучающих диодах LED или в модифицированной лампе TL на светоизлучающих диодах LED. Теоретически могут быть использованы матрицы источников излучения LED, содержащие от десятков до сотен светоизлучающих диодов LED. Для соответствия светоотдаче, требуемой в связанном варианте применения, могут присутствовать различные количества источников излучения.
На Фиг.7a изображен светоизлучающий модуль 700, который изготавливается на гибком фольговом основании 712. Твердотельные излучатели 706 света, которые обеспечиваются на малой подложке 708, которая оснащается электродными соединительными площадками (не изображено), обеспечиваются на гибком фольговом основании 712, при этом область между подложками 708 заполняется светоотражающим материалом 710. Излучатели 706 света состоят в оптической связи со слоем гибкого прозрачного материала 704. На верхней части гибкого светопроводящего материала 704 обеспечивается люминесцирующий слой 702, содержащий, по меньшей мере, один люминесцирующий материал. Не вся поверхность гибкого светопроводящего материала 704 нуждается в покрытии посредством люминесцирующего слоя 702, к примеру, часть поверхности может быть закрыта верхним отражателем. Как видно на Фиг.7a, светоизлучающий модуль 700 содержит множество твердотельных излучателей 706 света. В варианте осуществления для получения относительно большого световыводящего окна обеспечивается относительно большая двумерная матрица твердотельных источников излучения. В соответствии с предыдущими вариантами осуществления, расстояние между твердотельным излучателем 706 света и люминесцирующим слоем 702 должно находиться в диапазоне, который зависит от наибольшего линейного размера верхней поверхности твердотельных излучателей 706 света, при этом средний коэффициент отражения светоотражающей поверхности основания 712, сформированного посредством комбинации подложек 708 и светоотражающего материала 710, должен быть существенно больше коэффициента отражения твердотельного излучателя 706 света. Кроме того, твердотельные излучатели света должны покрывать только относительно малую часть светоотражающей поверхности, сформированной посредством светоотражающего материала 710 и подложек 708. Следует отметить, что коэффициент Rbase отражения светоотражающей поверхности определяется в качестве среднего коэффициента отражения всей светоотражающей поверхности. Следовательно, коэффициент Rbase отражения является средневзвешенной величиной между коэффициентом отражения подложек и коэффициентом отражения светоотражающего материала, причем предпочтительно, чтобы весовые коэффициенты формировались посредством части общей площади области, которая покрывается посредством конкретного материала.
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
На Фиг.7b изображен другой вариант осуществления гибкого светоизлучающего модуля 750. Светоизлучающий модуль 750 подобен светоизлучающему модулю 700, однако присутствует только основание из светоотражающей фольги 754, которая накладывается на сторону прозрачного материала 704. На другой стороне гибкого прозрачного материала 704, которая является противоположной по отношению к стороне, на которую накладывается светоотражающая фольга 754, располагается люминесцирующий слой 702. В прозрачном материале обеспечиваются проводники, электрические шины или электроды 752, которые поддерживают подложки 708, на которых обеспечиваются твердотельные излучатели 706 света. Проводники, электрические шины или электроды 752 подают электрическую энергию на твердотельные излучатели 706 света. Расстояние от верхней поверхности твердотельных излучателей света до люминесцирующего слоя 702 обозначается посредством буквы h. Предпочтительно, чтобы расстояние h было больше или равно 0,3 наибольшего линейного размера d верхних поверхностей твердотельных излучателей 706 света, и меньше или равно 5 наибольшим линейным размерам d верхних поверхностей твердотельных излучателей 706 света в случае, когда относительная площадь ρ области твердотельного излучателя света меньше 0,1. При величине относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, которая находится в диапазоне от минимальной величины, которая больше или равна 0,1, до максимальной величины, которая меньше или равна 0,25, предпочтительно, чтобы расстояние h было больше или равно 0,15 наибольшего линейного размера d верхних поверхностей твердотельных излучателей 706 света, и меньше или равно 3 наибольшим линейным размерам d верхних поверхностей твердотельных излучателей 706 света. При величине относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, большей 0,25, предпочтительно, чтобы расстояние h было больше или равно 0,1 наибольшего линейного размера d верхних поверхностей твердотельных излучателей 706 света, и меньше или равно 2 наибольшим линейным размерам d верхних поверхностей твердотельных излучателей 706 света. Следует отметить, что этот критерий также относится к светоизлучающему модулю 700. Кроме того, в соответствии с вышеупомянутыми вариантами осуществления, коэффициент Rbase отражения основания из светоотражающей фольги 754 больше коэффициента R_SSL отражения твердотельных излучателей 706 света, причем предпочтительно, чтобы коэффициент Rbase отражения основания из светоотражающей фольги 754 относился к коэффициенту R_SSL отражения твердотельных излучателей 706 света в соответствии с: Rbase>R_SSL+c*(1-R_SSL), где также в данном случае величина множителя с зависит от относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, которая в данном случае включает в себя только отражающую область основания, как описано в некоторых предшествующих вариантах осуществления.
Фиг.8a-8c изображают варианты осуществления светоизлучающих модулей, в соответствии с изобретением, в разрезе. Фиг.8a изображает светоизлучающий модуль 2000, содержащий кристаллы 2030 светоизлучающих диодов LED на носителе 2020 подложки, к примеру, содержащем алюминий или нитрид алюминия, в разрезе. Носитель 2020 подложки состоит в электрической связи с контактными площадками печатной платы 2010 через электрические контакты 2015, к примеру, через паяные контакты. Печатная плата 2010 может являться печатной платой на металлической основе, содержащей алюминиевое основание, покрытое посредством диэлектрического изоляционного слоя (не изображено). На диэлектрическом слое обеспечиваются электропроводящие электроды и контактные площадки, при этом электроды защищаются посредством паяльной маски защитного слоя (не изображено). Кристаллы 2030 светоизлучающих диодов LED покрываются прозрачным защитным слоем 2035, к примеру, прозрачным силиконовым слоем. Между корпусами светоизлучающих диодов LED или устройств, которые содержат кристаллы 2030 светоизлучающих диодов LED, носитель 2020 подложки и прозрачный защитный слой 2035, обеспечивается отражающий слой 2040, к примеру, из пигментированного силикона TiO2 белого цвета. Полость определяется посредством печатной платы 2010, стенок 2050 и люминесцирующего слоя 2060. К примеру, стенки 2050 содержат TiO2, распределенный в силиконе, а люминесцирующий слой 2060, к примеру, содержит люминесцирующий материал. На прозрачном защитном слое 2035 и отражающем слое 2040 обеспечивается оптический связующий слой 2045, содержащий, к примеру, силикон, который обеспечивается для создания оптической связи между прозрачным защитным слоем 2035 и заполняющим слоем 2055, причем заполняющий слой 2055 содержит, к примеру, стекло, и по существу заполняет полость между оптическим связующим слоем 2045, люминесцирующим слоем 2060 и стенками 2050.
Фиг.8b изображает светоизлучающий модуль 2100, содержащий кристаллы 2130 светоизлучающих диодов LED на носителе 2120 подложки, к примеру, содержащем алюминий или нитрид алюминия, в разрезе. Носитель 2120 подложки состоит в электрической связи с контактными площадками печатной платы 2110 через электрические контакты 2115, к примеру, через паяные контакты. Печатная плата 2110 может являться печатной платой на металлической основе, как описано со ссылкой на светоизлучающий модуль 2000, который изображен на Фиг.8a. Кристаллы 2130 светоизлучающих диодов LED покрываются прозрачным защитным слоем 2135, к примеру, прозрачным силиконовым слоем. На прозрачном защитном слое 2135 каждого кристалла 2135 светоизлучающего диода LED обеспечивается оптический связующий слой 2145, содержащий, к примеру, силикон. Между корпусами светоизлучающих диодов LED или устройств с оптическим связующим слоем 2145, где корпуса светоизлучающих диодов LED или устройств содержат кристаллы 2130 светоизлучающих диодов LED, носитель 2120 подложки и прозрачный защитный слой 2135, обеспечивается отражающий слой 2140, к примеру, из пигментированного силикона TiO2 белого цвета. Полость определяется посредством печатной платы 2110, стенок 2150 и люминесцирующего слоя 2160. К примеру, стенки 2150 содержат TiO2, распределенный в силиконе, а люминесцирующий слой 2160, к примеру, содержит люминесцирующий материал. Заполняющий слой 2155, который содержит, к примеру, стекло, по существу заполняет полость между оптическим связующим слоем 2145, отражающим слоем 2140, люминесцирующим слоем 2160 и стенками 2150, Оптический связующий слой 2145 обеспечивается для создания оптической связи между прозрачным защитным слоем 2135 и заполняющим слоем 2155. Отражающий слой 2140 обеспечивается между корпусами светоизлучающих диодов LED или устройств, к примеру, посредством неполного заполнения или многослойного литья, после связи корпусов светоизлучающих диодов LED или устройств с заполняющим слоем 2155 при помощи оптического связующего слоя 2145.
Фиг.8c изображает светоизлучающий модуль 2300, содержащий кристаллы 2330 светоизлучающих диодов LED на носителе 2320 подложки, к примеру, содержащем алюминий или нитрид алюминия, в разрезе. Носитель 2320 подложки состоит в электрической связи с контактными площадками печатной платы 2310 через электрические контакты 2315, к примеру, через паяные контакты. Печатная плата 2310 может являться печатной платой на металлической основе, как описано со ссылкой на светоизлучающий модуль 2000, который изображен на Фиг.8a. Между корпусами светоизлучающих диодов LED или устройств, которые содержат кристаллы 2330 светоизлучающих диодов LED и носители 2320 подложки, обеспечивается отражающий слой 2340, к примеру, из пигментированного силикона TiO2 белого цвета. Полость определяется посредством печатной платы 2310, стенок 2350 и люминесцирующего слоя 2360. К примеру, стенки 2350 содержат TiO2, распределенный в силиконе, а люминесцирующий слой 2360, к примеру, содержит люминесцирующий материал. На отражающем слое 2340, устройствах или корпусах LED обеспечивается оптический связующий слой 2345, содержащий, к примеру, силикон, который создает оптическую связь между корпусами или устройствами LED, и заполняющий слой 2355, причем заполняющий слой 2355 содержит, к примеру, стекло, и по существу заполняет полость между оптическим связующим слоем 2345, люминесцирующим слоем 2360 и стенками 2350. Этот светоизлучающий модуль 2300 отличается от светоизлучающего модуля 2000, который изображен на Фиг.8a, тем, что кристаллы 2330 светоизлучающих диодов LED не покрываются прозрачным защитным слоем, а покрываются оптическим связующим слоем 2345.
Были созданы несколько вариантов осуществления, в соответствии с изобретением. В первом эксперименте в качестве опорного модуля использовался светоизлучающий модуль Philips Fortimo SLM, содержащий 16 светоизлучающих диодов LED с люминофором, находящимся непосредственно на верхней части кристаллов со световым потоком в 1800 люмен. Светоизлучающие модули, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, вмещают в себя 16 светоизлучающих диодов LED голубого свечения в смесительной камере с высоким коэффициентом отражения со слоем люминофорным слоем Lumiramic™ на расстоянии 2,1 мм от светоизлучающих диодов LED и диаметром полости, равным 22 мм. При 640 мА была улучшена степень преобразования электрической энергии в оптическую (WPE) при использовании множителя, в диапазоне от 30% до 50%. Степень преобразования электрической энергии в оптическую является эффективностью преобразования энергии, с которой электрическая энергия преобразовывается в оптическую энергию (в Ваттах), а также определяется в качестве соотношения интенсивности потока излучения (то есть, излучаемой энергии за единицу времени, также называемую мощностью излучения) и входной электрической энергии. Фиг.9 изображает результаты измерений, которые были выполнены на различных уровнях силы тока в одном из светоизлучающих модулей, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, имеющем 16 светоизлучающих диодов LED. Горизонтальная ось х представляет уровень силы тока, а вертикальная ось y представляет эффективность или прирост интенсивности потока излучения одного из светоизлучающих модулей, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, имеющего 16 светоизлучающих диодов LED по отношению к интенсивности потока излучения опорного светоизлучающего модуля с 16 светоизлучающими диодами LED, которые имеют люминофор, находящийся непосредственно на светоизлучающих диодах LED. Фиг.9 изображает прирост интенсивности потока излучения по отношению к опорному светоизлучающему модулю по мере увеличения силы тока, что может быть связано с улучшенным фототермическим эффектом люминофорного слоя по отношению к опорному.
2
2
В другом эксперименте, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, были изготовлены светоизлучающие модули, содержащие 9 светоизлучающих диодов LED, каждый из которых находился в области верхней поверхности, площадь которой равна 1 мм, и содержащие 4 светоизлучающих диода LED, каждый из которых находился в области верхней поверхности, площадь которой равна 2 мм, причем каждый диод имел люминофорный слой Lumiramic™ на расстоянии 2,1 мм от светоизлучающих диодов LED. Измерения интенсивности потока излучения продемонстрировали прирост интенсивности потока излучения по отношению к опорному светоизлучающему модулю с 16 светоизлучающими диодами LED, имеющих люминофор, находящийся непосредственно на верхней части, в диапазоне от 20% до 40%.
Фиг.10а-с схематично иллюстрируют другой сравнительный эксперимент, в разрезе. Фиг.10a схематично иллюстрирует первый опорный светоизлучающий модуль 850, содержащий четыре светоизлучающих диода 852 LED (один светоизлучающий диод LED не изображен) с люминесцирующим слоем 853, находящимся непосредственно на верхней части, размещенных на подложке 851 основания, в разрезе. Каждый светоизлучающий диод LED покрывается куполообразным оптическим элементом 854. Фиг.10b схематично иллюстрирует второй опорный светоизлучающий модуль 860, который отличается от первого опорного светоизлучающего модуля отражающим слоем 855, который нанесен на подложку 851 основания между светоизлучающими диодами LED, в разрезе. Фиг.10c схематично иллюстрирует светоизлучающий модуль 870, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, содержащий четыре светоизлучающих диода 872 LED (один светоизлучающий диод LED не изображен) на подложке 871 основания, которая покрывается отражающим слоем 875, в разрезе. Светоизлучающие диоды LED располагаются в полости 874, которая покрывается люминесцирующим слоем 873 на расстоянии 2,1 мм от верхней поверхности светоизлучающих диодов LED 872. Измерения интенсивности потока излучения демонстрируют прирост интенсивности потока излучения второго опорного светоизлучающего модуля 860 по отношению к интенсивности потока излучения первого опорного светоизлучающего модуля 850 приблизительно на 4% (измерено при 700мА), которое происходит главным образом благодаря дополнительному отражающему слою 855 второго опорного светоизлучающего модуля 860, Измеренный прирост интенсивности потока излучения светоизлучающего модуля 870, в соответствии с вариантом осуществления изобретения, по отношению к интенсивности потока излучения первого опорного светоизлучающего модуля 850 составляет приблизительно 25% (измерено при 700 мА).
2
SSL
Фиг.11, 12, 13 и 14 изображают графики с результатами имитационных моделей светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением. С пакетом программ для прослеживания светового луча была построена оптическая модель из светоизлучающих модулей, в соответствии с изобретением. Модель содержит семь светоизлучающих диодов LED голубого свечения с кристаллами, каждый из которых имеет верхнюю поверхность, площадь которой равна 1×1 мм. Следовательно, наибольший линейный размер d верхних поверхностей этих светоизлучающих диодов LED приблизительно равен 1,4 мм. Кристаллы светоизлучающих диодов LED имеют коэффициент диффузного отражения со средневзвешенной величиной по первому и второму спектральным диапазонам, приблизительно равной 70%, что соответствует типичной шероховатой поверхности кристалла светоизлучающего диода LED типа GaN. Полость имеет круглую форму с переменным диаметром. Светоизлучающие диоды LED равномерно распределяются на подложке с высоким коэффициентом отражения и окружаются стенками с высоким коэффициентом отражения, которые формируют полость. Световыводящее окно полости покрывается посредством люминесцирующего слоя, содержащего керамический люминофор, и дополнительного покрывающего слоя с частицами другого люминофора в силиконе. Свет, испускаемый посредством светоизлучающего модуля через световыводящее окно, имеет точку теплого белого цвета.
Оптические модели демонстрируют, что стенки и/или основание, являющиеся либо диффузно-отражающими, либо или зеркально-отражающими, либо комбинациями этого, имеют незначительное влияние, порядка нескольких процентов, на характеристики светоизлучающего модуля. Это влияние, в числе прочего, зависит от относительной площади области и от геометрии полости.
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
Фиг.11 изображает влияние множителя с на оптическую эффективность при нескольких величинах относительной площади области твердотельного излучателя. На Фиг.11 вертикальная ось y представляет оптимальную величину эффективности оптической характеристики, выраженной посредством соотношения потока излучения белого цвета, выходящего из смешивающей полости Wwhite (единицы: Ватт), и полного потока голубого цвета, испускаемого посредством твердотельных излучателей света в первом спектральном диапазоне, обычно в голубом спектральном диапазоне Wblue (единицы: Ватт). Оптимальная величина оптической эффективности определяется посредством изменения расстояния h между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и люминесцирующим слоем. Горизонтальная ось х представляет множитель с из формулы Reff>R_SSL+c*(1-R_SSL). Кривая 801 представляет диапазон относительно малых величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, в данном случае изменяющихся между 0,01 и 0,02, кривая 802 представляет диапазон промежуточных величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, в данном случае изменяющихся между 0,19 и 0,28, а кривая 803 представляет диапазон с относительно высокими величинами относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, в данном случае изменяющимися между 0,39 и 0,68. Опорный светоизлучающий модуль с люминесцирующим слоем, находящимся непосредственно на верхней части светоизлучающих диодов LED, демонстрирует оптическую эффективность, величина которой приблизительно равна 0,5, следовательно, прирост эффективности по сравнению с опорным светоизлучающим модулем в данном случае достигается при величине оптической эффективности, которая меньше 0,5. Фиг.11 изображает то, что множитель с должен быть больше 0,2 для обеспечения оптической эффективности, величина которой больше 0,5, в диапазоне относительно малых величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, больше 0,3 для обеспечения оптической эффективности, величина которой больше 0,5, в диапазоне промежуточных величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, и больше 0,4 для обеспечения оптической эффективности, величина которой больше 0,5, в диапазоне относительно больших величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света. Лучшие величины оптической эффективности могут быть достигнуты при больших величинах множителя с в соответствующих диапазонах относительной площади ρ области твердотельного излучателя света.
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
Фиг.12 изображает зависимость оптимального расстояния h, обозначенного на графике посредством Hopt, от коэффициента Rwall отражения стенок полости. Оптимальное расстояние Hopt является расстоянием h между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и люминесцирующим слоем, где оптическая эффективность светоизлучающего модуля является оптимальной, к примеру, имеет локальный максимум. На Фиг.12 вертикальная ось y представляет соотношение оптимального расстояния Hopt и наибольшего линейного размера d светоизлучающего диода LED, а горизонтальная ось х представляют коэффициент Rwall отражения стенок полости в %. В данном случае относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED относительно основания и стенок меняется для каждой из кривых, поскольку каждая из кривых 811, 812, 813 представляет переменное расстояние h между верхней поверхностью светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем, и, следовательно, переменную высоту стенок, и поэтому относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED изменяется по отношению к общей площади отражающей области стенок и основания. При кривой 811 относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED изменяется между 0,01 и 0,02, при кривой 812 относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED изменяется между 0,16 и 0,22, а при кривой 813 относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED изменяется между 0,28 и 0,41. Коэффициент Rbase отражения основания в данном случае находится в диапазоне между 85% и 95%. Оптимальное расстояние Hopt между люминесцирующим слоем и светоизлучающими диодами LED определяется посредством баланса потерь при поглощении света в светодиодах LED и на стенках полости. При относительно малых величинах расстояния h между верхней поверхностью светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем, свет, испускаемый посредством светоизлучающих диодов LED, будет в основном взаимодействовать со светоизлучающим диодом LED, подложкой светоизлучающего диода LED подложка и отражающей поверхностью основания светоизлучающего диода LED. При относительно больших величинах расстояния h между верхней поверхностью светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем, область стенок станет доминирующей, и потери при поглощении будут подавляться посредством стенок. Оптимальное расстояние Hopt между люминесцирующим слоем и светоизлучающими диодами LED в основном зависит от коэффициента Rwall отражения поверхностей стенок, а также от параметра ρ относительной площади области светоизлучающего диода LED. В среднем при относительно малой величине относительной площади ρ области светоизлучающего диода LED и типичных величинах коэффициента Rwall отражения стенки, к примеру, находящихся в диапазоне от 80% ДО 90%, оптимальное расстояние Hopt составляет порядка половины наибольшего линейного размера dсветоизлучающего диода LED. Увеличение величины коэффициента Rwall отражения стенки, к примеру, до 95%, приводит к увеличению оптимального расстояния Hopt между светоизлучающими диодами LED и люминесцирующим слоем. Увеличение относительной площади ρ области светоизлучающего диода LED приводит к сокращению оптимального расстояния Hopt. Было установлено, что относительно эффективный модуль освещения обеспечивается в случае, когда Rwall<95% и 0,3*d≤h≤0,75*d при 0<ρ<0,1, 0,15*d≤h≤0,3*dпри 0,1≤ρ≤0,25 и 0,1*d≤h≤0,2*d при ρ>0,25. Помимо всего прочего было установлено, что в случае, когда Rwall≥95%, обеспечивается относительно эффективный модуль освещения, когда модуль освещения удовлетворяет следующим критериям: 0,75*d≤h≤2*d при 0<ρ<0,1, 0,3*d≤h≤0,7*d при 0,1≤ρ≤0,25 и 0,2*d≤h≤0,5*d при ρ>0,25. Результаты, изображенные на Фиг.12, учитывают только полости со стенками, которые являются ортогональными по отношению к основанию, и равномерное размещение светоизлучающих диодов LED. Для наклонных стенок и/или неравномерного размещения светоизлучающих диодов LED оптимальное расстояние между светоизлучающими диодами LED и люминесцирующим слоем может увеличиться.
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
Фиг.13 изображает влияние общей относительной площади ρ области твердотельного излучателя света на оптическую эффективность при нескольких комбинациях коэффициентов отражения основания и стенки. На Фиг.13 вертикальная ось y представляет оптимальную величину эффективности оптической характеристики, выраженной посредством соотношения потока излучения белого цвета, выходящего из смешивающей полости Wwhite (единицы: Ватт), и полного потока голубого света, испускаемого посредством твердотельных излучателей света в первом спектральном диапазоне, обычно в голубом спектральном диапазоне, Wblue (единицы: Ватт). Оптимальная величина оптической эффективности определяется посредством изменения расстояния h между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и люминесцирующим слоем. Горизонтальная ось х представляет относительную площадь ρ области твердотельного излучателя света по отношению к площади области стенки и основания. Все шесть кривых 821, 822, 823, 824, 825, 826 изображаются для двух различных величин коэффициента Rbase отражения основания и трех различны величин коэффициента Rwall отражения стенок полости. Кривая 821 представляет, что Rbase=80% и Rwall=90%, кривая 822 представляет, что Rbase=80% и Rwall=98%, кривая 823 представляет, что Rbase=90% и Rwall=90%, кривая 824 представляет, что Rbase=90% и Rwall=98%, кривая 825 представляет, что Rbase=98% и Rwall=90%, и кривая 826 представляет, что Rbase=98% и Rwall=98%. Фиг.13 изображает наличие обратного соотношения между оптимальной величиной оптической эффективности полости смешивания света и относительной площадью ρ области твердотельного излучателя света. Фиг.13 также изображает возможность различия трех диапазонов величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света, а именно: диапазон относительно малых величин, диапазон промежуточных величин и диапазон относительно больших величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света. При относительно малых величинах ρ, к примеру, ρ<0,1, влияние величины коэффициента Rwall отражения стенки на величину оптической эффективности является почти незначительным по сравнению с влиянием величины коэффициента Rbase отражения основания, то есть изменение величины коэффициента Rbase отражения основания оказывает влияние на оптическую эффективность светоизлучающего модуля, а изменение величины коэффициента Rwall отражения стенки оказывает влияние на оптическую эффективность незначительным образом в данном диапазоне относительно малых величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света. При относительно больших величинах ρ, к примеру, если ρ>0,25, влияние величины коэффициента Rwall отражения стенок на величину оптической эффективности является сопоставимым с влиянием коэффициента Rbase отражения основания, то есть, изменение величины коэффициента Rbase отражения основания оказывает сопоставимое влияние на оптическую эффективность светоизлучающего модуля как изменение величины коэффициента Rwall отражения стенки в данном диапазоне больших величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света. При промежуточных величинах ρ, к примеру, 0,1≤ρ≤0,25, влияние коэффициента Rbase отражения основания на величину оптической эффективности больше, чем, в данном диапазоне не является незначительным, влияние величины Rwall коэффициента отражения стенок, то есть, изменение величины коэффициента Rbase отражения основания оказывает влияние на оптическую эффективность светоизлучающего модуля, а изменение величины коэффициента Rwall отражения стенки также воздействует на оптическую эффективность, но в меньшей степени в данном диапазоне промежуточных величин относительной площади ρ области твердотельного излучателя света.
SSL,MAX
SSL
SSL
SSL
SSL,MAX
SSL,MAX
SSL,MAX
Фиг.14 изображает зависимость максимально возможной относительной площади области твердотельного излучателя света, при которой прирост оптической эффективности достигается в качестве функции эффективного коэффициента Reff отражения основания и стенок, в соответствии с аспектом изобретения. Вертикальная ось y на Фиг.14 представляет максимально возможную относительную площадь области твердотельного излучателя света, обозначенную в качестве ρ, при которой достигается прирост оптической эффективности относительно светоизлучающего модуля с люминесцирующим слоем, размещенным непосредственно на верхней части твердотельного излучателя света. Горизонтальная ось х представляет эффективный коэффициент Reff отражения основания полости и поверхностей стенок. Множество точек 831 на графике представляет расстояние h между поверхностью твердотельного излучателя света и люминесцирующим слоем, равное 0,35 наибольшего линейного размера d твердотельного излучателя света, множество точек 832 на графике представляет расстояние h, равное 1,04 наибольшего линейного размера d твердотельного излучателя света, а множество точек 833 на графике представляет расстояние h, равное 1,73 наибольшего линейного размера d твердотельного излучателя света. Результаты предоставляют возможность предсказания максимально возможной относительной площади ρ области твердотельного излучателя света на определенном расстоянии h, которая по-прежнему обеспечивает относительно высокую эффективность рециркуляции света и относительно хорошую характеристику по сравнению с аналогичным количеством твердотельных излучателей света с люминесцирующим слоем, размещенным непосредственно на твердотельных излучателях света. На основе Фиг.14 можно вывести заключение, что большая величина эффективного коэффициента Reff отражения обеспечивает большую величину относительной площади ρ области твердотельного излучателя света (в зависимости от расстояния h между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и люминесцирующим слоем) наряду с обеспечением повышенной оптической эффективности относительно опорной ситуации, в которой люминесцирующий слой размещается непосредственно на твердотельных излучателях света. Увеличение расстояния h между твердотельным излучателем света и люминесцирующим слоем сокращает максимально возможную относительную площадь ρ области твердотельного излучателя света при подобных величинах эффективного коэффициента Reff отражения, который также обеспечивает повышенную оптическую эффективность относительно опорной ситуацию, в которой люминесцирующий слой размещается непосредственно на твердотельных излучателях света.
2
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
SSL
Фиг.15 изображает сравнение результатов оптического моделирования для светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, со стенками, которые являются ортогональными по отношению к основанию и полостям с наклонными стенками. Результаты были получены на основе оптического имитационного моделирования с использованием четырех светоизлучающих диодов LED, каждый из которых имеет область кристалла, площадь которой равна 2 мм. Диаметр люминесцирующего слоя составляет 6,5 мм, а относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED по отношению к основанию составляет лишь 0,241 и 0,298 для ортогональных и наклонных стенок, соответственно. Также в данном случае относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED по отношению к основанию и стенкам изменяется подобно функции расстояния h между светоизлучающим диодом LED и люминесцирующим слоем. Угол между отражающей поверхностью наклонных стенок и отражающей поверхностью основания в данном случае находится в диапазоне от 5 до 33 градусов. На Фиг.15 вертикальная ось y представляет эффективность оптической характеристики, выраженную в качестве соотношения потока излучения белого цвета, выходящего из смешивающей полости Wwhite (единицы: Ватт), и полного потока голубого цвета, испускаемого посредством твердотельных излучателей света в голубом спектральном диапазоне Wblue (единицы: Ватт), а горизонтальная ось х представляет расстояние h между верхней поверхностью светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем, выраженное в миллиметрах. Кривая 841 представляет светоизлучающий модуль с ортогональными стенками, а кривая 840 представляет светоизлучающий модуль с наклонными стенками. Очевидно, что посредством наклона стенок в данном варианте осуществления может быть обеспечена относительно высокая оптическая эффективность, при которой относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED находится в диапазоне промежуточных величин. Оптимальная величина оптической эффективности в данном случае обеспечивается на расстоянии h между верхней поверхностью светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем, приблизительно равном 1,1 мм и 0,75 мм для наклонных и ортогональных стенок, соответственно, при котором относительная площадь ρ области светоизлучающего диода LED по отношению к основанию и стенкам составляет 0,18 для светоизлучающего модуля с прямыми стенками и 0,21 для светоизлучающего модуля с наклонными стенками. В светоизлучающих модулях с промежуточной величиной относительной площади ρ области светоизлучающего диода LED существенное количество света, отражаемое от стенок, может падать на отражающую область светоизлучающего диода LED с малым коэффициентом отражения. Наклон стенок улучшает ситуацию посредством более эффективного перенаправления света в направлении световыводящего окна, содержащего люминесцирующий слой, в результате чего обеспечиваются относительно большие величины Wwhite/Wblue, и, следовательно, повышенная оптическая эффективность. Этот эффект становится более выраженным при относительно больших величинах относительной площади ρ области светоизлучающего диода LED. При относительно малых величинах относительной площади ρ области светоизлучающего диода LED стенки располагаются на большем расстоянии от светоизлучающих диодов LED, и наклон стенок будет относительно слабо воздействовать на оптическую эффективность.
С производственной точки зрения кристаллы светоизлучающих диодов LED могут быть расположены на плате PCB с высоким коэффициентом отражения без заполнения пространства между корпусами светоизлучающих диодов LED отражающим материалом белого цвета. В данном случае отражающая поверхность основания может быть расположена значительно ниже поверхности кристаллов светоизлучающих диодов LED. Влияние расстояния h между верхней поверхностью светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем и расстояния между отражающей поверхностью основания и люминесцирующим слоем, обозначенного посредством h2, на оптимальную позицию люминесцирующего слоя было исследовано посредством использования оптического имитационного моделирования по лучевому методу светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением, с одним светоизлучающим диодом LED. Фиг.16a изображает графическое представление первого светоизлучающего модуля 900, имеющего основание 906, твердотельный излучатель 908 света, к примеру, светоизлучающий диод LED, и отражающую поверхность 901 основания, которая располагается на большем расстоянии от люминесцирующего слоя 902 по сравнению с верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода 908 LED, то есть h2>h, в разрезе. Фиг.16b изображает графическое представление второго светоизлучающего модуля 910, к примеру, светоизлучающего диода LED, в котором отражающая поверхность основания 901 располагается на меньшем расстоянии от люминесцирующего слоя 902 по сравнению с верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED, то есть h2<h, в разрезе. В последнем случае в центре отражающего основания имеется открытая коническая часть или углубление с углом, к примеру, равным 45 градусам.
SSL
SSL
SSL
Фиг.16c изображает результаты имитационных моделей, где вертикальная ось y представляет эффективность оптической характеристики, выраженную в качестве соотношения потока излучения белого цвета, выходящего из смешивающей полости Wwhite (единицы: Ватт), и полного потока голубого цвета, испускаемого посредством твердотельного излучателя 908 света в первом голубом спектральном диапазоне Wblue (единицы: Ватт), а горизонтальная ось х представляет расстояние h между люминесцирующим слоем 902 и верхней поверхностью 903 твердотельного излучателя 908 света. На Фиг.16c изображаются семь кривых 951, 952, 953, 954, 955, 956, 957, каждая из которых представляет различные величины для проведения различия между расстоянием h2 между отражающей поверхностью 901 основания и люминесцирующим слоем 902 и расстоянием h между верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем 902. Кривые 951, 952 и 953 представляют варианты первого светоизлучающего модуля 900, в котором отражающая поверхность 901 основания располагается на большем расстоянии от люминесцирующего слоя 902 по сравнению с верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED, то есть, h2>h; кривая 951 представляет, что h2=h+1,5 мм, кривая 952 представляет, что h2=h+1,0 мм, а кривая 953 представляет, что h2=h+0,5 мм. Кривая 954 представляет ситуацию, в которой расстояние h2 между отражающей поверхностью 901 основания и люминесцирующим слоем 902 равно расстоянию h между верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем 902, то есть h2 = h. Кривые 955, 956 и 957 представляют варианты второго светоизлучающего модуля 910, в котором отражающая поверхность 901 основания располагается на меньшем расстоянии от люминесцирующего слоя 902 по сравнению с верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED, то есть h2<h; кривая 955 представляет, что h2=h-0,5 мм, кривая 956 представляет, что h2=h-1,0 мм, а кривая 957 представляет, что h2=h-1,5 мм. На основе кривых, изображенных на Фиг.16c, можно вывести заключение, что в устройстве 910 на светоизлучающих диодах LED, в котором отражающая поверхность 901 основания располагается на меньшем расстоянии от люминесцирующего слоя 902 по сравнению с верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED, то есть h2<h, оптимальное величина расстояния h между верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем 902, которая является величиной расстояния h, при котором оптическая эффективность является оптимальной, к примеру, локальный максимум, почти не зависит от расстояния h2 между отражающей поверхностью 901 основания и люминесцирующим слоем 902. Следовательно, для данного первого светоизлучающего модуля 900 также могут быть применены критерии для расстояния h между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и люминесцирующим слоем, как было определено выше. Если отражающая поверхность 901 основания располагается на меньшем расстоянии от люминесцирующего слоя 902 по сравнению с верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED, к примеру, в случае, когда светоизлучающий диод LED размещается в углублении отражающего основания, то есть, h>h2, то расстояние h, при котором эффективность является оптимальной, является большим по сравнению с ситуацией, в которой отражающая поверхность 901 основания и поверхность 903 светоизлучающего диода LED имеют равные расстояния до люминесцирующего слоя 902. Во втором светоизлучающем модуле 910, в котором отражающая поверхность 901 основания располагается на меньшем расстоянии до люминесцирующего слоя 902 по сравнению с верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED, то есть, h2<h, критерии для изменения расстояния являются следующими: 0,4*d+∆h/2<h<5*d+∆h/2 при ρ<0,1, 0,15*d+∆h/2<h<3*d+∆h/2 при 0,1≤ρ≤0,25, и 0,1*d+∆h/2<h<2*d+∆/2 при ρ>0,25, где ∆h является абсолютной величиной расстояния между отражающей поверхностью 901 основания и верхней поверхностью 903 светоизлучающего диода LED, то есть, ∆h=|h2-h|.
Относительное позиционирование или размещение множества твердотельных излучателей света на основании является другим структурным параметром. Размещение твердотельных излучателей света в полости может влиять на распределение и равномерность оптического потока в световыводящем окне полости, содержащей люминесцирующий слой. Желательно избегать появления оптических горячих пятен, которые могут привести к появлению термических горячих пятен. Это является особенно важным для центра полости, откуда термическую нагрузку на люминесцирующем слое более трудно отвести на плату PCB и на теплоотвод, к примеру, по причине относительно большого расстояния и/или по причине относительно малого коэффициента теплопроводности оптического материала, заполняющего полость, по сравнению с, в некоторых вариантах осуществления, относительно большим коэффициентом теплопроводности стенок полости.
pl
base
SSL
base
base
base
pl
base
pl
pl
pl
pl
pl
pl
pl
base
pl
pl
pl
pl
base
pl
pl
pl
2
Влияние различных вариантов размещения светоизлучающих диодов LED в полости на эффективность и оптимальное расстояние между светоизлучающими диодами LED и люминесцирующим слоем исследовано с использованием оптического имитационного моделирования по лучевому методу светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением. Фиг.17a изображает графическое представление, схематично иллюстрирующее светоизлучающий модуль 980 со стенкой 981 и поверхностью 982 основания, в центре которого располагается один светоизлучающий диод 984 LED, а шесть других светоизлучающих диодов 983 LED располагаются по воображаемому кругу с радиусом r расположения, равноудаленно от центра и равноудаленно друг от друга, в горизонтальной проекции. Светоизлучающий модуль 980 в данном случае содержит семь светоизлучающих диодов LED, каждый из которых имеет область, площадь которой равна 1×1 мм. Вычисления выполнялись с использованием трех различных величин радиуса r основания, равных 7,46 мм, 3,05 мм и 2,36 мм, соответственно. Расстояние между верхней поверхностью светоизлучающего диода LED и люминесцирующим слоем менялось, что привело к различным величинам высоты стенок, и, следовательно, к различным площадям областей стенок. Исходя из вышесказанного, величина относительной площади ρ области твердотельного излучателя по отношению к основанию и стенкам находится в диапазоне между 0,02 и 0,04 в случае, когда r равен 7,46 мм, между 0,09 и 0,22 в случае, когда r равен 3,05 мм, и между 0,13 и 0,39 в случае, когда r равен 2,36 мм. Фиг.17b, 17c и 17d изображают результаты оптических имитационных моделей по лучевому методу, где вертикальная ось y представляет эффективность оптической характеристики, выраженную в качестве соотношения потока излучения белого цвета, выходящего из смешивающей полости Wwhite (единицы: Ватт), и полного потока голубого цвета, испускаемого посредством твердотельного излучателя света в голубом спектральном диапазоне Wblue (единицы: Ватт), а горизонтальная ось х представляет расстояние h между люминесцирующим слоем и верхней поверхностью светоизлучающего диода LED, выраженное в миллиметрах. Различные кривые на Фиг.17b, 17c и 17d представляют различные величины радиуса r расположения. На Фиг.17b изображены результаты при использовании радиуса r основания, равного 7,46 мм, при этом кривая 1101 представляет, что r=1,2 мм, кривая 1102 представляет, что r=1,5 мм, кривая 1103 представляет, что r=2,5 мм, кривая 1104 представляет, что r=3,5 мм, кривая 1105 представляет, что r=4,5 мм, кривая 1106 представляет, что r=5,5 мм, а кривая 1107 представляет, что r=6,5 м. На Фиг.17c изображены результаты при использовании радиуса r основания, равного 3,05 мм, при этом кривая 1111 представляет, что r=1,2 мм, кривая 1112 представляет, что r=1,4 мм, кривая 1113 представляет, что r=1,8 мм, а кривая 1114 представляет, что r=2,2 мм. На Фиг.17d изображены результаты при использовании радиуса r, равного 2,36 мм, при этом кривая 1121 представляет, что r=1,2 мм, кривая 1122 представляет, что r=1,4 мм, а кривая 1123 представляет, что r=1,6 мм.
SSL
pl
pl
Сравнение кривых, изображенных на Фиг.17b, с кривыми, изображенными на Фиг.17c и 17d, демонстрирует, что влияние различных вариантов позиционирования светоизлучающих диодов LED на оптическую эффективность и оптимальное расстояние от верхней поверхности светоизлучающего диода LED до люминесцирующего слоя, где эффективность имеет оптимальную величину, является более выраженным при использовании полости с относительно малой относительной площадью ρ области светоизлучающего диода LED, результаты которого изображены на Фиг.17b. Фиг.17b также изображает два дополнительных варианта размещения светоизлучающих диодов LED, в котором внешние светоизлучающие диоды LED размещаются относительно близко к центру, что соответствует самой малой величине радиуса r размещения и кривой 1101, или относительно близко к стенкам, что соответствует самой большой величине радиуса r размещения и кривой 1107. Оба дополнительных случая приводят к относительно малой величине оптической эффективности.
SSL
SSL
SSL
Если светоизлучающие диоды LED размещаются в непосредственной близости друг с другом, когда пространство между светоизлучающими диодами LED является сопоставимым с размером светоизлучающих диодов LED, то коэффициент отражения поверхности основания вокруг каждого из светоизлучающих диодов LED значительно снижается, и ситуация может быть приближена к модели одного большого кристалла светоизлучающего диода LED (многокристального светоизлучающего диода LED). В данной ситуации с многокристальным светоизлучающим диодом LED оптимальное расстояние между верхними поверхностями светоизлучающих диодов LED и люминесцирующим слоем увеличивается для обеспечения эффективной рециркуляции света, который является ясно видимым в светоизлучающем модуле с относительно малой относительной площадью ρ области светоизлучающего диода LED (см. Фиг.17b). Этот эффект является менее выраженным в светоизлучающих модулях со средней или большой относительной площадью ρ области светоизлучающего диода LED, (Фиг.17c и 17d). В этих последних светоизлучающих модулях размещение светоизлучающих диодов LED в меньшей степени влияет на оптическую эффективность, то есть, размещение светоизлучающих диодов LED ближе к центру или ближе к стенкам полости оказывает меньшее влияние на оптическую эффективность, чем светоизлучающие модули с относительно малой величиной относительной площади ρ области светоизлучающего диода LED.
SSL
SSL
Исходя из оптической эффективности, предпочтительно размещать твердотельные излучатели света на равном расстоянии е друг от друга, а также на равном расстоянии от стенок. Неравномерное размещение твердотельных излучателей света приводит к появлению горячих пятен, а также увеличивает потери при поглощении света в твердотельных излучателях света. Относительно большая величина относительной площади ρ области твердотельного излучателя света снижает чувствительность оптической эффективности Wwhite/Wblue при размещении твердотельных излучателей света, а также в данном случае требуется меньше физического пространства на светоизлучающем модуле для смены местоположения светоизлучающего диода LED. Величина оптимального расстояния между верхней поверхностью твердотельного излучателя света и люминесцирующим слоем, которое соответствует расстоянию, приводящему к максимальной оптической эффективности, в целом, меньше при относительно больших величинах относительной площади ρ области твердотельного излучателя света.
2
Для обеспечения величин высокой эффективности полости, предпочтительно, чтобы все поверхности внутри полости имели большой коэффициент отражения по всему спектральному диапазону устройства. Для этого не только поверхности стенок, но также и пространства между корпусами светоизлучающих диодов LED и сами подложки светоизлучающих диодов LED дополнительно покрывались, к примеру, отражающим покрытием белого цвета, к примеру, силиконом, заполненным TiO. На практике этап нанесения отражающего покрытия на корпуса светоизлучающих диодов LED являются трудоемкими. Исходя из вышесказанного, на практике коэффициенты отражения поверхностей, находящихся рядом со светоизлучающим диодом LED, за исключением поверхности основания, являются относительно малыми.
2
Фиг.18 изображает результаты оптических имитационных моделей по лучевому методу, где вертикальная ось y представляет эффективность оптической характеристики, выраженную в качестве соотношения потока излучения белого цвета, выходящего из смешивающей полости Wwhite (единицы: Ватт), и полного потока излучения голубого цвета, испускаемого посредством твердотельного излучателя света в голубом спектральном диапазоне Wblue (единицы: Ватт), а горизонтальная ось х представляет расстояние h между люминесцирующим слоем и верхней поверхностью светоизлучающего диода LED, выраженное в миллиметрах. Имитационные модели включают в себя четыре светоизлучающих диода LED, каждый из которых имеет область кристалла, площадь которой равна 2 мм, при этом диаметр люминесцирующего слоя равен 6,5 мм. Кривая 1152 представляет непокрытый корпус светоизлучающего диода LED, а кривая 1151 представляет корпус светоизлучающего диода LED, покрытый отражающим слоем. Фиг.18 изображает, что непокрытые корпуса светоизлучающих диодов LED имеют несколько меньшую оптическую эффективность по сравнению с корпусами светоизлучающих диодов LED с отражающим покрытием, при этом никакие существенные изменения в оптимальном расстояния h от поверхности светоизлучающего диода LED до люминесцирующего слоя наблюдаются. Эти результаты моделирования были проверены посредством эксперимента с непокрытыми и покрытыми корпусами светоизлучающих диодов LED, который продемонстрировал прирост оптической эффективности для корпуса светоизлучающего диода LED с отражающим покрытием относительно непокрытого корпуса светоизлучающего диода LED приблизительно на 7%.
Фиг.19a изображает графическое представление, иллюстрирующее вариант осуществления лампы 1000, в соответствии со вторым аспектом изобретения. Лампа 1000 содержит модифицированную электрическую лампу 1002, которая соединяется с цоколем 1006 лампы, который включает в себя теплоотвод, стартер и электрические соединения. На цоколе 1006 лампы обеспечивается светоизлучающий модуль 1004, в соответствии с первым аспектом изобретения. Следует отметить, что варианты осуществления лампы не ограничиваются лампами, которых имеют размеры традиционной электрической лампы. Также возможны и другие формы, подобные трубке. Также могут быть использованы и альтернативные типы ламп, такие как точечные лампы или лампа осветительного устройства. Лампы также могут содержать множество светоизлучающих модулей.
Фиг.19b изображает графическое представление, иллюстрирующее другой вариант осуществления лампы 1020, Лампа 1020 является точечной лампой, которая содержит отражатель 1022 для коллимации (сведения света в параллельный пучок) света, который испускается посредством светоизлучающего модуля 1004. Светоизлучающий модуль 1004 состоит в термической связи с теплоотводом 1024 для отвода тепла со светоизлучающего модуля 1004 и вывода тепла из лампы 1020 во внешнюю среду. Теплоотвод 1024 может иметь пассивное или активное охлаждение.
Фиг.19c изображает графическое представление, иллюстрирующее вариант осуществления осветительного устройства 1050, в соответствии с третьим аспектом изобретения. Осветительное устройство 1050 содержит светоизлучающий модуль 1052, в соответствии с первым аспектом изобретения. В других вариантах осуществления осветительное устройство 1050 содержит лампу, в соответствии со вторым аспектом изобретения.
Лампа, в соответствии со вторым аспектом изобретения, и осветительное устройство, в соответствии с третьим аспектом изобретения, имеют варианты осуществления с эффектами, подобные вариантам осуществления с эффектами светоизлучающего модуля первого аспекта изобретения, как было описано со ссылкой на Фиг.1-18.
Фиг.20 изображает графическое представление, иллюстрирующее другой вариант осуществления светоизлучающего модуля, в соответствии с изобретением. Светоизлучающий модуль 1300 содержит основание 518, множество светоизлучающих диодов 514, обеспеченных на подложках 524, люминесцирующий слой 506, отражающие стенки 522, прозрачный материал 502 и слой 512, заполненный светоотражающими частицами, подобно светоизлучающему модулю 520, Однако слой воздуха 1301 и поляризационный элемент 1302 располагаются в люминесцирующем слое 506, на стороне, обращенной в противоположном направлении от светоизлучающих диодов 514. В процессе использования светоизлучающий модуль 1300 генерирует поляризованный свет, который среди прочего может быть использован для уличного освещения, офисного освещения и освещения сектора розничной торговли, а также может сократить количество резкого ослепляющего излучения в этих местах использования. В альтернативном варианте он может быть использован для фоновой подсветки жидкокристаллического устройства отображения (LCD), что снижает уровень стоимости, поскольку отсутствует необходимость в обеспечении отдельного поляризатора. Свет, который выходит из люминесцирующего слоя 506 и падает на поляризационный элемент 1302 с корректной поляризацией, передается через поляризационный элемент, наряду с тем, что свет с некорректной поляризацией направляется обратно на люминесцирующий слой 506 и в полость светоизлучающего модуля 1300, Этот свет будет подвергаться беспорядочной поляризации или деполяризации посредством рассеяния на люминесцирующем слое 506 и/или посредством диффузного отражения внутри полости при помощи отражающих стенок 522 и/или слоя 512, заполненного светоотражающими частицами, повторно отражаться в направлении поляризационного элемента 1302, после чего свет с корректной поляризацией будет пропускаться через поляризационный элемент 1302. Непереданный свет повторно направляется на люминесцирующий слой 506 и в полость, где этот процесс повторяется. Благодаря относительно высокой эффективности рециркуляции света в полости, светоизлучающий модуль 1300 является относительно эффективным источник поляризованного света. Поляризационный элемент 1302 отделяется от люминесцирующего слоя 506 посредством слоя воздуха 1301 для улучшения термической устойчивости поляризационного элемента 1302 в связи с теплом, генерируемым на люминесцирующем слое 506. В альтернативном варианте осуществления поляризационный элемент 1302 состоит в прямом контакте с люминесцирующим слоем 506, к примеру, на керамическом слое, который содержит люминесцирующий материал. Поляризационный элемент 1302 может являться отражающим или рассеивающим поляризатором. Поляризационный элемент 1302 может являться отражающей поляризационной фольгой, к примеру, фольгой Vikuity DBEF, доступной для приобретения от компании 3M. В альтернативном варианте поляризационный элемент 1302 содержит узкие металлические линии с высоким коэффициентом отражения, к примеру, доступные для приобретения от компании Moxtek. Посредством изменения ширины металлических линий и/или шага между металлическими линиями, может быть оптимизирована степень поляризации относительно пропускания света.
Фиг.21 изображает графическое представление, иллюстрирующее вариант осуществления устройства 1400 отображения, в соответствии с четвертым аспектом изобретения. Устройство отображения содержит светоизлучающий модуль, в соответствии с изобретением, как было описано со ссылкой на Фиг.1-18 и 20, В процессе использования светоизлучающий модуль может функционировать в качестве блока фоновой подсветки для жидкокристаллического устройства отображения LCD или в качестве источника света для подачи поляризованного света на световодный слой системы фоновой подсветки. Поскольку светоизлучающий модуль генерирует относительно эффективный (поляризованный) свет, уровень затрат на изготовление устройства 1400 отображения сокращается.
Во всех подходящих вариантах осуществления в полости может быть обеспечен твердотельный излучатель света, который испускает свет, по меньшей мере, в одном боковом направлении. Как правило, боковое излучение достигается посредством обеспечения двух дополнительных слоев на верхней части обычного твердотельного излучателя света, которые являются слоем прозрачного материала и слоем светоотражающего материала. Светоизлучающий диод LED, который является твердотельным излучателем света, зачастую изготавливается на подложке из прозрачного сапфира. Во многих случаях после изготовления сапфировый слой удаляется. Однако, если сапфир не удаляется или удаляется лишь частично, то добавление светоотражающего покрытия на поверхность сапфирового слоя, который находится по существу напротив светоизлучающего диода LED, приводит к изготовлению твердотельного излучателя света с боковым излучением. В альтернативном варианте на светоизлучающий диод LED может быть наклеена часть стекла или сапфира.
В другом варианте осуществления на стенке светоизлучающего модуля может быть обеспечен один и более дополнительных твердотельных излучателей света. В данном случае отражающая область поверхности стенки должна быть откорректирована посредством области твердотельного(ых) излучателя(ей) света, который обеспечивается на стенке светоизлучающего модуля.
В варианте осуществления светоизлучающий модуль, дополнительно содержащий куполообразный или линзообразный (двояковыпуклый) оптический корпус, может присутствовать на стороне частично диффузно-отражающего слоя, который обращен в противоположном направлении от световыводящего окна. В альтернативном или дополнительном варианте диффузный слой, который функционирует для обеспечения диффузного излучения света, для обеспечения пространственного, цветного и цветного равномерного излучения света под углом, а также для обеспечения излучения света смешанных цветов, обеспечивается на некотором расстоянии от стороны частично диффузно-отражающего слоя, обращенного в направлении от, по меньшей мере, одного твердотельного излучателя света.
Во всех подходящих вариантах осуществления стенки и основание могут быть изготовлены из одного и того же материала и склеены друг с другом. В другом варианте осуществления стенки и основание изготавливаются из различных материалов. Следует отметить, что основание, как изображено на чертежах, может выходить за пределы стенок, к примеру, когда одно основание совместно используется посредством множества соседних светоизлучающих модулей, к примеру, когда основание является теплопроводящей печатной платой.
Как правило, изобретение может применяться на модульном уровне, к примеру, к плате PCB, которая содержит, по меньшей мере, один и, как правило, более корпусов светоизлучающих диодов LED. Тем не менее, изобретение также может быть использовано применительно к корпусам светоизлучающих диодов LED, содержащих один и более кристаллов светоизлучающих диодов LED. Кроме того, кристаллы светоизлучающих диодов LED могут являться так называемыми бескорпусными кристаллами, когда кристаллы светоизлучающих диодов LED монтируется непосредственно на плату PCB без промежуточных корпусов светоизлучающих диодов LED. Кроме того, также могут быть использованы проводные соединения от кристалла(ов) светоизлучающего(их) диода(ов) LED к плате.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, а также что специалисты в данной области техники смогут разработать множество альтернативных вариантов осуществления, не отступая от объема прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения любые ссылочные позиции, заключенные в круглые скобки, не должны рассматриваться в качестве ограничивающих формулу изобретения. Использование глагола «содержит» и его спряжений не исключает присутствие элементов или этапов, отличных от заявленных в формуле изобретения. Признак единственного числа, предшествующий элементу не исключают наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратных средств, содержащих несколько различных элементов, а также посредством соответственно запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения на устройство, перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы при помощи одного элемента аппаратных средств. Сам по себе тот факт, что определенные показатели, перечисленные во взаимно противоположных зависимых пунктах формулы изобретения, не означают, что сочетание этих показателей не может быть успешно использовано.