ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2011 года по МПК H01L33/50 

Изобретение относится к осветительным устройствам, содержащим светоизлучающий диод (LED), и к способу для производства такого осветительного устройства.

Осветительные устройства, содержащие LED, приобретают быстро растущее значение для многих применений и большое разнообразие конструкций, предложенных для них. WO 2005/109529 A1, которая введена в настоящее заявку в качестве ссылки, описывает, например, конструкцию, в которой LED впрессован в прозрачный материал и расположен в фокусе зеркального коллиматора. Производство такого устройства и подобных устройств, однако, довольно затруднительно, если нужно выдерживать маленькие допуски. Более того, для осветительных устройств существует необходимость в генерировании излучения белого света.

US 2004159900 раскрывает осветительное устройство с чипом LED и преобразователем длины волны, который впрессован в «заливочный материал».

Твердые керамические преобразователи длины волны были описаны в литературе (KIM и др. «Влияния подложек и параметров осаждения на выращивание и люминесцентные свойства Y₃AL₅O₁₂:Ce тонких пленок». Оптические материалы, Издательство Elsevier Science, Амстердам, NL, том 28, ном. 6-7 (2006), стр.698-702).

DE 10349038 А1 раскрывает керамические тела, содержащие керамические фосфорные пластины, которые непосредственно прикреплены к LED источнику света.

WO 2006034703 раскрывает оптоэлектронный компонент, содержащий прозрачное основание корпуса, в которое запрессован преобразующий материал; в углублении основания корпуса расположен LED чип, который необязательно связан с основанием корпуса силиконовой массой.

ЕР 1418628 А1 раскрывает светоизлучающее устройство, содержащее прозрачный оптический элемент с встроенным флуоресцентным элементом, которые расположены над и на расстоянии от LED. В некоторых вариантах осуществления прозрачный оптический элемент частично перенаправляет свет с помощью внутреннего отражения.

US 2004257797 описывает светоизлучающее устройство, содержащее LED элемент и прозрачное основное тело, в которое впрессован преобразующий участок.

Осветительное устройство, в котором прозрачная эпоксидная смола заливает LED чип и область с люминофорами, было далее описано Сакумой К. и др. («Светодиоды теплого белого света с желтоватым оранжевым SiAlON керамическим люминофором», Письма по оптике, OSA, Вашингтон, DC, US, том 29, ном.17 (2004), стр.2001-2003).

JP 2000 022222 раскрывает LED, в котором преобразующий элемент крепится металлическими контактными штифтами LED чипа.

ЕР 1691425 А и WO 2005053041 раскрывают светоизлучающее устройство, в котором LED чип смонтирован в углублении и упомянутое углубление покрыто преобразующим элементом. К тому же может быть предусмотрен линзовый элемент, чтобы получать требуемое распространение света.

На основании этого предыдущего уровня техники объектом настоящего изобретения было создание осветительного устройства, которое сравнительно легко изготавливать, было прочным и способным излучать в широком, особенно белом, спектре испускания.

Эта цель достигается осветительным устройством, соответствующим п.1 формулы, и способом, соответствующим п.10. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах.

Осветительное устройство в соответствии с настоящим изобретением содержит следующие компоненты:

- источник света, конкретно источник синего света или источник УФ-света;

- твердотельный волновой преобразователь для преобразования излучаемого света источником света на другую длину волны. Волновой преобразователь может, в частности, содержать люминесцентный материал, который возбуждается светом, исходящим из источника света, и который переизлучает поглощенную энергию как свет с другой длиной волны. В случае если не весь исходящий из источника свет собран и преобразован преобразователем, спектр полного излучения осветительного устройства тогда будет содержать первоначальный свет осветительного устройства, который расширяет спектр. В случае источника света УФ-излучения все излучение должно быть поглощено;

- оптический компонент с отражающей поверхностью для перенаправления света, излученного преобразователем в желаемом направлении, выходящего из устройства, в котором преобразователь механически поддерживается вышеупомянутым оптическим компонентом.

В описанном осветительном устройстве преобразователь и оптический компонент объединены в одну механически связанную устойчивую структуру. Взаимное расположение этих двух компонентов, таким образом, достигается с маленькими допусками, которые облегчают дальнейшую сборку и выпуск продукции высокой точности. Также эта структура может быть произведена отдельно от целого светового устройства, делая возможными оптимальную цепочку снабжения и средства для оптимизации производства продукции с помощью заранее проверенной этой части.

Осветительное устройство способно излучать предпочтительно белый свет, главным образом с коррелированной тепловой температурой (ССТ) в диапазоне от 2000 до 6000 К. Излучение белого спектра получается с помощью выбора подходящего источника света, например путем комбинирования источника синего света с Lumiramic преобразователем (Lumiramic преобразователь описан в US 2005/0269582 А1, которая включена в настоящую заявку в качестве ссылки).

Преобразователь может быть предпочтительно из керамического материала, например из вышеупомянутого Lumiramic материала.

Существуют различные пути для механического объединения преобразователя с оптическим компонентом. В одном предпочтительном варианте это достигается посредством промежуточного материала, например (прозрачного) клея, подобного эпоксидной смоле. Оптический компонент и преобразователь в этом случае будут обычно разделенными заранее изготовленными структурами, которые затем связаны с помощью изначально жидкого промежуточного материала, который застывает или отверждается после применения.

В другом варианте преобразователь механически соединен с оптическим компонентом с помощью молекулярной адгезии. В частности, это может быть получено путем формования пластичного материала оптического компонента вокруг заранее изготовленного твердого преобразователя.

В дальнейшем развитии изобретения прозрачный заливочный материал, подобный силикону, заполняет промежутки между источником света и преобразователем. Таким образом, может быть получено хорошее оптическое соединение и оставшиеся допуски при расположении компонентов могут быть компенсированы.

В то время как основной функцией оптического компонента является перенаправление света, который направляется преобразователем в нужном направлении, он дополнительно может содержать отражающие поверхности, которые частично окружают источник света и/или преобразователь. Свет, который исходит из источника света или преобразователя в обратном или в боковом направлении, который обычно был бы потерян, таким образом, может быть собран и послан обратно, чтобы дополнить полезный свет, исходящий от источника. Альтернативно или дополнительно, могут также быть введены поглощающие свет поверхности и/или рассеивающие свет поверхности, если оптическое применение потребовало бы такой конструкции.

Конструкция оптического компонента зависит от требуемого применения осветительного устройства. Предпочтительно оптический компонент содержит коллиматорную часть, которая перенаправляет свет, исходящий из фокальной области, в основном направлении, параллельном оптической оси устройства.

Осветительное устройство может далее содержать линзу для перенаправления излучаемого света в требуемом направлении и для придания формы излучаемому потоку. Линза может быть отдельным компонентом или встроенной в оптический компонент.

Источник света светоизлучающего устройства может быть в принципе реализован с помощью любой подходящей технологии. Предпочтительно это источник синего или УФ-света. Более того, наиболее удобно он может быть реализован с помощью светоизлучающего диода (LED), представляющего собой твердотельный источник света, что является легкодоступным, и/или с помощью лазеров или подобных источников света (например, VCSEL (лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением) или VECSEL (лазер с внешним вертикальным резонатором и поверхностным излучением)).

Далее изобретение относится к способу для производства осветительного устройства, как это было описано выше, где упомянутый способ содержит следующие этапы:

а) размещение твердотельного преобразователя длины волны в качестве вставки в матрицу. Фиксирование преобразователя в формованных положениях не представляет проблемы, так как его задняя поверхность (наружная для источника света в окончательном осветительном устройстве) и его передняя поверхность (расположенная в направлении излучения окончательного осветительного устройства) должны оставаться свободными и могут, таким образом, соприкасаться с держателями в процессе формования. Также этого можно добиться и использованием ленты, способствующей процессу формования;

b) инжекция-формование материала, главным образом некоторых пластических материалов, таких как эпоксидная смола, LCP (жидкокристаллический полимер) и т.п., вокруг вставки (т.е. преобразователя), где упомянутый материал формирует оптический компонент. Таким образом, составная часть, содержащая преобразователь и оптический компонент, будет получена после отверждения инжектированного материала. Дополнительно, поверхности инжектированного материала могут быть покрыты отражающим, рассеивающим или поглощающим слоем после отверждения, там, где это необходимо;

с) сборка вышеупомянутой составной части, состоящей из преобразователя и оптического компонента с источником света и дополнительно с последующими частями осветительного устройства.

Описанный способ производства имеет два основных преимущества: во-первых, механическая прочная связь между преобразователем и оптическим компонентом получается с минимальными размерными допусками, и, во-вторых, упомянутая связь может быть легко получена одновременно с инжекционным формованием оптического компонента, что должно бы быть сделано во всяком случае.

Эти и другие аспекты изобретения будут видны из и объяснены со ссылкой на осуществление(я), описанное в дальнейшем. Эти осуществления будут описаны в виде примера с помощью сопровождающих чертежей, в которых:

ФИГУРА 1 показывает схематично поперечное сечение первого осуществления осветительного устройства, соответствующее настоящему изобретению, в котором керамический преобразователь приклеен к оптическому компоненту;

ФИГУРА 2 показывает схематично поперечное сечение второго осуществления осветительного устройства, соответствующее настоящему изобретению, в котором оптический компонент сформован вокруг керамического преобразователя.

Числа отсылок на чертежах, которые отличаются на 100, указывают на одинаковые или похожие компоненты.

LED осветительные устройства используются все больше и больше благодаря своим полезным свойствам, таким как высокая эффективность и возможность регулировки цветовой температуры. LED однако отличаются от обычных электрических лампочек по ряду причин. Это означает, что производители осветительных устройств, таких как набор автомобильных габаритных огней, должны научиться овладевать ведущими новыми технологиями, чтобы иметь возможность работать с LED. Более того, так как срок жизни товара LED короток и какая-либо стандартизация затруднена, необходимо затратить существенное количество усилий и времени на развитие каждого нового продукта. Эти проблемы могли бы упроститься с помощью использования LED модулей: LED выполняются с некоторыми определенными наборами функциональных возможностей, чтобы иметь вполне определенное механическое, электрическое, оптическое и термическое сопряжение с остальной системой. В то время как внутри LED могут изменяться, сопряжения могут быть выполнены таким образом, чтобы согласовываться с определенными стандартами.

Более того, может быть важно «манипулировать» светом, излученным LED осветительным устройством на микроуровне. Это означает, что, например, коллимация и ограничение (для случая применений фронтального освещения) выполнены очень близко к источнику света. Это имеет преимущества для таких вопросов, как геометрический фактор пучка. В дальнейшем тексте термин «микрооптический элемент» будет использован для связанных оптических элементов на микроуровне.

Белый свет может генерироваться LED двумя путями: комбинированием красного, зеленого и синего LED или желтого люминофора, покрывающего синий или УФ LED. В последнем случае Люминофор может быть замещен прозрачной или полупрозрачной керамикой. В конструкциях, которые будут предложены далее, такие керамические преобразователи будут использованы, чтобы получать свет из LED, главным образом так называемых Lumiramic плиток. Lumiramic плитки представляют собой керамические фосфорные пластинки преобразователя, которые преобразовывают синий свет синего LED в другой цвет, например желтый или красный, и показывают преимущества перед обычным люминофором. Объединение Lumiramic плитки с основными оптическими элементами (коллиматором) позволяет сделать более эффективной систему при меньшем количестве производственных этапов, в которой предпочтительно иметь цветовое преобразование, происходящее очень близко к LED. Более того, желательно, чтобы плитка имела тот же самый размер, как и LED, чтобы поддерживать геометрический фактор пучка.

Основная идея предложенных конструкций заключается в том, как объединить оптический компонент или микрооптическую часть с керамической пластиной преобразователя. Это служит множеству целей:

- оба элемента (микрооптический элемент и керамическая пластина преобразователя) все еще используются;

- проблемы, связанные с обычным прикреплением керамической пластины преобразователя к верху LED, устранены (такое прикрепление обычно выполняется оптическим материалом с совпадающим коэффициентом преломления, который часто является таким материалом, как силикон, который почти не придает прочности, поэтому, возможно, приводит к слабым вибрациям);

- комбинированный микрооптический элемент и керамическая пластина преобразователя могут быть сделаны как полуфабрикат, делая окончательное объединение оптической части легче и допуская предварительное испытание такого полуфабриката;

- микрооптический элемент может быть сделан таким, чтобы помочь предотвратить некоторые недостатки керамических пластин преобразователя, таких как боковое излучение из пластины (т.е. микрооптический элемент мог бы захватывать и отражать излученный боковой свет в требуемом направлении);

- также комбинированный микрооптический элемент и керамическая пластина преобразователя могут быть сконструированы таким образом, что оба - пластина преобразователя и LED - защищены от воздействий окружающей среды и от неправильного употребления в течение дальнейшей обработки в сборке;

- в обычном устройстве LED чипов и первичных оптических элементов или микрооптических элементов часто встречается несоосность и оптические потери, вызванные проблемами с точностью. Зазоры вызывают оптические потери: не весь световой поток от LED захвачен и/или область поверхности, которая излучает свет, увеличена, приводя к низкой яркости. Связь различных частей физически дает возможность устранить некоторые из этих зазоров.

Фигура 1 показывает в этом отношении первое осуществление осветительного устройства 1 в соответствии с вышеупомянутыми идеями. Центральный элемент этого осветительного устройства - это синий излучающий LED 2, который установлен на подложке 3, такой как керамическая изолирующая подложка, снабженная металлическими дорожками, или любой другой подходящий тип подложки. LED окружен оптическим компонентом 10 («микрооптическим»), который служит в его верхней сформированной части в качестве коллиматора для направления излучаемого света устройством в основном направлении оптической оси А. С этой целью оптический компонент 10 содержит боковые отражающие поверхности 11.

Осветительное устройство 1 далее содержит Lumiramic плитку как элемент 6 преобразования длины волны. Преобразователь 6 поглощает часть света, излучаемого LED, и переизлучает его с другой (более длинной) длиной волны. Таким образом, полный спектр, излученный осветительным устройством 1, расширен и главным образом может быть получен белый свет.

Преобразователь 6 жестко связан с оптическим компонентом 10 с помощью нанесенного капельками или непрерывной кромкой клеящего материала 5.

Промежуток между LED 2, преобразователем 6 и оптическим компонентом 10 заполнен прозрачным заполняющим материалом 4, например силиконом. Таким образом, получается плотное оптическое соединение и оптические потери минимизированы.

Оптический компонент 10 далее содержит отражающие поверхности 11, 12 и 13, которые окружают стороны преобразователя 6 и LED 2 соответственно. Эти поверхности должны иметь зеркальное отражение и помогать минимизировать потери света за счет перенаправления направленного в сторону излучения обратно в LED или преобразователь.

Фигура 2 показывает альтернативное осуществление осветительного устройства 101, соответствующее настоящему изобретению, в котором одинаковые компоненты, так же как на Фигуре 1, имеют те же самые номера отсылок, увеличенные на 100.

Как указано выше, осветительное устройство 101 содержит LED 102 на подложке 103 (в этом случае с промежуточным подслоем 105), керамический преобразователь 106 (например, Lumiramic) и оптический компонент 110, содержащий коллиматорную часть с отражающими поверхностями 111. Более того, оптический компонент 110 содержит отражающие поверхности 112, окружающие преобразователь 106, чтобы минимизировать потери света сторонами.

В противоположность Фигуре 1 оптический компонент 110 осветительного устройства 101 имеет непосредственный механический контакт с преобразователем 106. Оптический компонент 110 получен путем инжекционного формования, в котором керамический преобразователь 106 вставлен в матрицу, так что он может быть «запрессован сверху» (во внутрь запрессованной Lumiramic части). Это устраняет физические зазоры между коллиматором 110 и преобразователем 106. Эта сборка может затем быть механически присоединена к другим частям модуля.

Коллиматорная функция оптического компонента 110 использована для оптической системы с предельным геометрическим фактором пучка. В зависимости от желаемой степени коллимации, длина коллиматора может, однако, стать нереально большой. Объединением маленького коллиматора с линзой можно сохранить длину установки в пределах. Маленький коллиматор тогда называется первичным оптическим элементом, а линза - вторичным оптическим элементом.

Чтобы защитить систему от термомеханического воздействия, силиконовая подушка 104 может быть расположена между LED 102 и преобразователем 106, чтобы дать системе некоторое пространство для расширения.

Обеспечить следующие функциональные возможности LED осветительного устройства можно с помощью единой инжекционно-формованной части такого типа, как показано на Фигурах 1 и 2:

- оптическая функциональность, с одной или несколькими сторонами отражающей чаши коллиматора;

- функциональность вне соединения, обеспеченная Lumiramic плиткой, которая связана с подложкой LED через силикон.

Вставка модуля источника света показанным образом позволяет уменьшить количество частей модуля, оптимизировать испускание света чипа LED и упростить его сборку. Возможное применение описанных конструкций представляет собой автомобильное переднее освещение, но, конечно, возможны также другие области применения освещения вообще.

Окончательно указано, что настоящее применение термина «содержащий» не исключает других элементов или этапов, что неопределенный артикль «а» или «an» не исключает множественного числа и что единственный процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких назначений. Изобретение заключается в каждом и во всех новых признаках и в каждой и во всех комбинациях характерных особенностей. Более того, знаки отсылок в формуле не будут истолкованы как ограничение его объема.

Осветительное устройство 101 содержит источник света 102; твердотельный преобразователь 106 длины волны для преобразования света, излученного источником света, на другую длину волны; оптический компонент 110 с отражающей поверхностью 111 для перенаправления света, излученного преобразователем 106, в требуемом направлении (А) для выхода из устройства, в котором преобразователь 106 механически поддерживается упомянутым оптическим компонентом 110, чтобы сформировать отдельную механически связанную структуру с оптическим компонентом. Изобретение обеспечивает возможность создания более прочного осветительного устройства, которое сравнительно легко изготавливать и которое способно излучать в широком, особенно белом, спектре испускания. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Осветительное устройство (1, 101), содержащее:
- источник (2,102) света;
- твердотельный преобразователь (6,106) длины волны для преобразования света, излученного источником света, на другую длину волны;
- оптический компонент (10, 110) с отражающей поверхностью (11, 111) для перенаправления света, излученного преобразователем (6, 106) в требуемом направлении (А) для выхода из устройства, в котором преобразователь (6, 106) механически поддерживается упомянутым оптическим компонентом (10, 110), чтобы сформировать отдельную механически связанную структуру с оптическим компонентом.

2. Осветительное устройство (1, 101) по п.1, отличающееся тем, что оно приспособлено для излучения белого света.

3. Осветительное устройство (1, 101) по п.1, отличающееся тем, что преобразователь (6, 106) керамический.

4. Осветительное устройство (1, 101) по п.1, отличающееся тем, что преобразователь (6, 106) механически объединен с оптическим компонентом (10, 110) посредством промежуточного материала, предпочтительно клея (5).

5. Осветительное устройство (1, 101) по п.1, отличающееся тем, что преобразователь (6, 106) механически объединен с оптическим компонентом (10, 110) с помощью молекулярной адгезии.

6. Осветительное устройство (1, 101) по п.1, отличающееся тем, что прозрачный заполняющий материал, в частности, силикон (4, 104) заполняет зазоры между источником (2, 102) света и преобразователем (6, 106).

7. Осветительное устройство (1, 101) по п.1, отличающееся тем, что оптический компонент (10, 110) содержит отражающие, рассеивающие и/или поглощающие поверхности (12, 13, 112), частично окружающие источник (2, 102) света и/или преобразователь (6, 106).

8. Осветительное устройство (1, 101) по п.1, отличающееся тем, что оно содержит линзу.

9. Осветительное устройство (1, 101) по п.1, отличающееся тем, что источник света содержит источник синего света, источник УФ света, Светоизлучающий Диод, Лазер, VCSEL и/или VECSEL.

10. Способ для производства осветительного устройства (1, 101) по п.1, содержащий следующие этапы:
a) размещение твердотельного преобразователя (6, 106) длины волны как вставки в матрицу;
b) инжекцию-формование материала вокруг вставки (6, 106), причем упомянутый материал формирует оптический компонент (10, 110) осветительного устройства;
c) сборку составной части, полученной на этапе b) с источником света (2, 102) и, необязательно, с дополнительными частями.