СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК БЕЛОГО СВЕТА С УДАЛЕННЫМ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ КОНВЕРТЕРОМ Российский патент 2012 года по МПК F21S13/00 F21K2/00 

Настоящее изобретение относится к электротехнике и электронной технике, более конкретно к источникам света на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), еще более конкретно к источникам белого света на основе СИД с конверсионными фотолюминофорами.

Технология твердотельного освещения начинает завоевывать рынок белого освещения, благодаря последним достижениям в разработке эффективных СИД, особенно, нитридных (InGaN), и наиболее высокой достижимой эффективности освещения среди всех известных источников белого света. Светодиодные решения находят широкое применение в тех осветительных устройствах, типа линейных и уличных светильников, в которых осветитель относительно велик и сильно нагревающиеся СИД могут быть распределены так, чтобы облегчить эффективный отвод тепла от них. Разработка светодиодных заменителей традиционных ламп накаливания и галогенных ламп с малым форм-фактором, обладающих высоким световым потоком, ввиду значительных перспектив в решении проблемы энергосбережения является одной из наиболее актуальных современных научно-технических задач, но ее решение сильно затруднено ограничениями объема для размещения управляющей электроники (драйверов) и относительно малой поверхностью для отвода тепла, выделяемого СИД, в таких лампах. Белые СИД часто включают синий СИД, покрытый YAG:Ce фосфором. Высокомощные (один ватт или больше) синие СИД имеют эффективность приблизительно 30-45%, при приблизительно 550-700 мВт, выделяемых на нагревание прибора из каждого приложенного ватта. Кроме того, считается, что при преобразовании фосфором синего света в желтый свет в белых СИД приблизительно 20% падающей световой энергии уходит на нагревание фосфора. Технические спецификации указывают, что падение мощности излучения синих СИД составляет приблизительно 7% при температуре 25-125°С, в то время как падение мощности белых СИД составляет приблизительно 20% при той же самой температуре. Таким образом, в высокомощных белых СИД имеются существенные ограничения на тепловые и световые потоки.

Целью настоящего изобретения является создание СИД лампы, с малым форм-фактором для замены стандартных ламп, в которой преодолены проблемы известных технических решений.

Основу любой СИД лампы, предназначенной для замены стандартных ламп белого свечения, составляют чипы СИД. Белый свет зачастую получается в результате смешения излучения комбинации чипов СИД с различными цветами излучения, например, синего, зеленого и красного, или синего и оранжевого и др.

Однако в последние годы на первый план по масштабам использования выходят источники белого света на основе СИД с фотолюминофорами-конвертерами, которые излучают желтое или оранжевое (красное) излучение при поглощении синего или УФ-излучения чипа СИД. На Фиг.1 показана схема, поясняющая принцип действия источника белого света такого типа.

Устройство содержит чип СИД, излучающий первичное относительно коротковолновое излучение, и конверсионную фотолюминофорную среду, облучаемую указанным относительно коротковолновым излучением, которая при облучении указанным относительно коротковолновым излучением возбуждается, излучая в ответ второе, относительно более длинноволновое излучение. В конкретном исполнении, монохромное синее или УФ-излучение, выходящее из чипа, конвертируется в белый свет упаковкой чипа в органические и/или неорганические фосфоры (фотолюминофоры) в полимерной матрице.

На Фиг.2 показано устройство известного источника белого света на основе СИД с фотолюминофором-конвертером, описанного в патенте US 6351069.

Источник белого света 110 включает нитридный чип СИД 112, который при возбуждении испускает первичное синее излучение. Чип 112 размещен на проводящей рамке чаши отражателя 114 и электрически соединен с проводниками 116 и 118. Проводники 116 и 118 подводят электрическую мощность к чипу 112. Чип 112 покрыт слоем 120 прозрачной смолы, которая включает конверсионный материал для преобразования длины волны излучения 122. Тип конверсионного материала, используемого для формирования слоя 120, может выбираться в зависимости от желательного спектрального распределения вторичного излучения, которое продуцируется материалом 122. Чип 112 и флуоресцентный слой 120 накрыты линзой 124. Линза 124 обычно изготавливается из прозрачной эпоксидной смолы или силикона. При работе источника белого света электрическое напряжение прикладывается к чипу 112, при этом из верхней поверхности чипа испускается первичное излучение. Часть испускаемого первичного излучения поглощается конверсионным материалом 122 в слое 120. Затем конверсионный материал 122 в ответ на поглощение первичного света испускает вторичное излучение, то есть преобразованный свет, имеющий более длинноволновый пик. Остающаяся непоглощенной часть испускаемого первичного излучения передается через конверсионный слой вместе с вторичным излучением. Линза 124 направляет непоглощенное первичное излучение и вторичное излучение в общем направлении, обозначенном стрелкой 126 как выходящий свет. Таким образом, выходящий свет - сложный свет, который составлен из первичного излучения, испускаемого чипом 112, и вторичного излучения, испускаемого конверсионным слоем 120. Конверсионный материал может также быть сконфигурирован таким образом, чтобы лишь малая часть или вообще весь первичный свет не покидал устройства, как в случае чипа, который испускает УФ первичный свет, объединенный с одним или более конверсионных материалов, которые испускают видимый вторичный свет.

Вышеупомянутые известные устройства, в которых слой фотолюминофора сформирован на поверхности СИД, имеют несколько недостатков. Трудно достигнуть цветовой однородности, когда фотолюминофор находится в прямом механическом, оптическом и тепловом контакте с поверхностью СИД, из-за значительных изменений в длине пути света в зависимости от угла распространения излучения через толщу слоя фотолюминофора. К тому же высокая температура от нагретого СИД может нежелательным образом изменять цветовые координаты фотолюминофора или приводить к его деградации.

Для устранения указанных недостатков предложены источники белого света с удаленным от СИД конвертером длины волны, принцип действия которых поясняется на Фиг.3.

Устройство осветителя, построенного на данном принципе, описанного, например, в патенте US 6600175 (В1), поясняется Фиг.4.

Такой источник белого света включает оболочку 207, формируемую прозрачной средой 211, с внутренним объемом. Среда 211 может быть сформирована из любого подходящего материала, пропускающего свет, типа прозрачного полимера или стекла. Среда 211 содержит во внутреннем объеме чип светодиода (СИД) 213, размещенный на основании 214. Первый и второй электрические контакты 216 и 217 соединены с излучающей и тыльной сторонами 218 и 219 чипа СИД 213 соответственно и с излучающей стороной 218 чипа СИД, присоединенной к первому электрическому контакту 216 проводником 212. Со светопропускающей средой 211 связаны флуоресцентные и/или фосфоресцентные компоненты или их смеси, иначе говоря, фотолюминофорная среда, которая конвертирует излучение, испускаемое стороной 218 СИД 213, в белый свет. Фотолюминофор рассеян в оболочке 207 среды 211 и/или размещен в виде пленочного покрытия 209 на внутренней стенке поверхности оболочки 207. Альтернативно, фотолюминофор может быть покрытием на внешней стенке оболочки сборки (не показано), если оболочка используется исключительно в условиях окружающей среде, в которых такое внешнее покрытие может удовлетворительно поддерживаться в рабочем состоянии (например, там, где оно не подвержено истиранию или деградации). Фотолюминофор может, например, быть распределен в полимере, или расплаве стекла, из которого затем сформирована оболочка, чтобы обеспечить гомогенный состав оболочки и обеспечить выход света со всей ее поверхности.

Известен светодиодный белый протяженный светильник с удаленным конвертером цилиндрической формы, описанный в патенте US 7618157 B1. Его устройство схематически показано на Фиг.5. Светильник 310 включает линейный теплоотвод 312, множество СИД 314, установленных на теплоотводе 312 вдоль длинной стороны теплоотвода, и светоиспускающий плафон 316, установленный на теплоотводе 312 в линию с СИД 314, где полукруглая в сечении часть 318 плафона 316, расположенная напротив СИД 314, включает фотолюминофор 320, который возбуждается светом от СИД. Теплоотвод 312 изготовлен из теплопроводящего материала, например алюминия. Плафон 316 изготовлен из прозрачного материала типа стекла или пластмассы. Фотолюминофор 320 может быть нанесен как покрытие на внутреннюю сторону плафона или введен в материал покрытия. Не содержащие фотолюминофора плоские части 326, которые прикреплены к теплоотводу по обе стороны от СИД, имеют внутренние отражательные поверхности 328, например, алюминиевые покрытия, отражающие свет, попадающий на них от СИД 314, к части 318 плафона.

Конверсионный слой может включать фотолюминофорный материал, материал квантовых точек или совокупность таких материалов, а также может включать прозрачный материал-хозяин, в котором диспергированы материал фосфора и/или материал квантовых точек.

Известно, что слои, которые содержат порошковые фотолюминофорные материалы, могут пропускать, поглощать, отражать и рассеивать падающий на них свет. Когда такой слой рассеивает свет, он может также пропускать, поглощать и отражать часть рассеянного света.

В связи с этим обстоятельством общим недостатком упомянутых известных изобретений является то, что излучение, возбуждаемое в зернах фотолюминофора при воздействии излучения СИД, равно как и отраженное излучение СИД, неизбежно частично поглощается в слое фотолюминофора и на внутренних элементах устройства, что приводит к уменьшению эффективности источника белого света.

Yamada [1] и Narendran [2] определили соотношение долей излучения, распространяющегося вперед и назад от конверсионного слоя фотолюминофора YAG:Ce, возбуждаемого синим излучением с длиной волны около 470 нм, которое конвертируется в излучение желтого диапазона длин волн. Narendran показал, что при этом более 60% света, испускаемого и отражаемого конверсионным слоем, распространяется назад к источнику возбуждения и большая часть этого света теряется в пределах СИД сборки [2]. В работе [3] показано, что даже в случае фотолюминофора YAG:Ce с коэффициентом оптического преломления 1,8, замешенного в эпоксидной смоле с коэффициентом оптического преломления 1,6 при плотности фотолюминофора 8 мг/см², позволяющей создавать сбалансированный белый свет, доли направленного обратно и прошедшего вперед излучения, включая синее и желтое излучение, составляют 53% и 47% соответственно, а для только желтого излучения 55% и 45% соответственно.

По этой причине значительного выигрыша в световом потоке и максимально возможной эффективности светодиодно-конверсионных источников белого света можно достичь при прочих равных условиях, направляя в выходную апертуру светодиодного источника с удаленным конвертером излучение, исходящее от поверхности фотолюминофора, непосредственно облучаемой излучением СИД.

Подобное техническое решение предложено в патенте US 7293908 В2, в котором один из заявленных вариантов системы освещения с боковым выводом излучения, выполненной согласно этому патенту, включает удаленный от СИД конверсионный слой, расположенный на отражателе света.

Этот прибор наиболее близок к предлагаемому в настоящем изобретении и поэтому выбран в качестве прототипа.

Принцип действия источника белого света с боковым выводом излучения, выполненной согласно этому патенту, поясняется Фиг.6, на которой показан в разрезе один из заявленных вариантов системы освещения с боковым выводом излучения.

Система освещения с боковым выводом излучения включает СИД 402, первый отражатель 404, второй отражатель 406, выводную апертуру 412, конверсионный слой 602, дополнительный прозрачный покровный слой 408 и поддерживающие средства, которые поддерживают и отделяют второй отражатель 406 от первого отражателя 404. Поддерживающие средства включают плоский прозрачный элемент 502, боковые опоры 504 и основание 506. Боковые опоры 504 предпочтительно прозрачные или отражающие. Первый отражатель 404 прикреплен к основанию 506. Второй отражатель 406 прикреплен к плоскому прозрачному элементу 502. Конверсионный слой 602 расположен на поверхности второго отражателя 406 и преобразует, по крайней мере, часть первичного излучения, испускаемого активной областью СИД 402, в излучение с длиной волны, отличной от длины волны первичного излучения.

Взятые для примера лучи света 414, 415 и 416 иллюстрируют действие системы освещения с боковым выводом излучения. Луч света 414 первичного цвета испускается активной областью СИД 402 и направляется к выходной поверхности СИД 402. Луч света 414 первичного цвета проходит через выходную поверхность СИД 402 и направляется к прозрачному покровному слою 408. Луч света 414 первого цвета проходит через прозрачный покровный слой 408 и направляется в конверсионный слой 602, который конвертирует луч света 414 первого цвета в луч света 415 второго цвета, отличающегося от первого цвета. Свет второго цвета может испускаться в любом направлении от точки преобразования длины волны. Луч 415 второго цвета направляется через прозрачный покровный слой 408 и направляется через выходную апертуру 412 к первому отражателю 404. Луч света 416 второго цвета отражается первым отражателем 404 и направляется к плоскому прозрачному элементу 502. Луч света 416 второго цвета проходит через плоский прозрачный элемент 502 и выходит из системы освещения с боковым выводом излучения.

Недостатком такой системы являются большие апертурные потери и потери света на границах поддерживающих средств и на отражателях.

Попытка устранить эти недостатки предпринята в другом известном источнике белого света прожекторного типа, описанном в патенте US 7810956 В2.

На Фиг.7, поясняющей конструкцию и принцип действия такого устройства, показан вид в разрезе прожекторной лампы согласно одному из вариантов исполнения изобретения по патенту US 7810956 В2. Источник света 730 размещен на креплении 734 и дополнительном тепловом радиаторе 736. Тепловой радиатор 736 может быть оребрен, как показано на Фиг.7. Свет, испускаемый от источника 730 и отраженный от зеркала 732, окружающего источник света 730, излучается в оптическую пластину 738. Слой преобразования длины волны 742 отделен от источника света 730 и расположен так, чтобы воспринимать свет от источника 730. Дополнительный тепловой радиатор 744 может охлаждать конверсионный слой 742. Собирающая оптика 740 коллимирует свет. Источником света 730 может быть СИД, который производит коротковолновый свет, например синий или ультрафиолетовый. Источник света 730 может быть установлен на дополнительном креплении 734 и присоединен к дополнительному тепловому радиатору 736. Оптическая пластина 738 может быть сформирована так, чтобы направлять свет к собирающей оптике 740. Например, стороны 748 могут быть наклонены или изогнуты так, что полное внутреннее отражение направляет свет в собирающую оптику 740.

Недостатком такой системы также являются относительно большие апертурные потери, потери света на границах оптической пластины с источником света, зеркалами и конверсионным слоем, снижающие ее эффективность. Кроме того, световой пучок, выходящий из коллимирующей оптической системы достаточно узок, что неприемлемо при использовании подобного осветителя для замены традиционных ламп с малым форм-фактором, обладающих достаточно широким угловым раствором испускаемого светового потока, даже в случае галогенных ламп.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача обеспечения максимальной эффективности светодиодного источника белого света с удаленным конвертером, обеспечения высоких цветовой однородности и рендеринга, а также широкого углового раствора испускаемого светового потока при малом форм-факторе осветителя.

Предлагается осветитель, включающий источник первичного излучения, состоящий из одного или нескольких СИД, теплоотводящее основание с плоской периферийной частью, на которой закреплены указанные СИД, конверсионный слой для преобразования первичного излучения во вторичное излучение, расположенный на отдалении от СИД. Поставленная задача решается тем, что в теплоотводящем основании для вывода излучения выполнено апертурное отверстие, вблизи от края которого на теплоотводящем основании размещены СИД, а указанная поверхность конверсионного слоя, облучаемая СИД, имеет вогнутую форму, обращенную вогнутостью к источнику первичного излучения и апертурному отверстию.

Сущность изобретения поясняется фиг.8, на которой схематически показан в разрезе предлагаемый осветитель.

Осветитель, включает источник первичного излучения, состоящий из одного или нескольких СИД 1, теплоотводящее основание 2 с апертурным отверстием 3 и периферийной частью 4, на которой закреплены указанные СИД 1, конверсионный слой 5 для преобразования, первичного излучения 6 во вторичное излучение 7, с вогнутой поверхностью 8, обращенной к СИД 1, и второй выпуклой поверхностью 9, причем конверсионный слой 7 расположен на удалении от СИД 1.

Осветитель работает следующим образом. Первичное излучение 6 от СИД 1 попадает на поверхность 8 конверсионного слоя 5, частично отражается от поверхности 8, выходя в апертурное отверстие 3 теплоотводящего основания 2, частично отражается от поверхностей зерен фотолюминофора, рассеиваясь в конверсионном слое 5, частично поглощается материалом конверсионного слоя 5 с преобразованием во вторичное излучение 7, при этом часть первичного излучения 6, прошедшая к поверхности 9, выходит наружу вместе с частью вторичного излучения 7, порожденного конверсионным слоем 5, создавая в их смеси белый свет. Определенная часть первичного излучения 6 при этом выходит из конверсионного слоя в апертурное отверстие 3 светильника и, смешиваясь со вторичным излучением 7, образует излучение белого цвета. Другая часть первичного излучения 6 при этом проходит через конверсионный слой наружу через поверхность 9 и, смешиваясь со вторичным излучением 7, проходящим через поверхность 9, образует излучение белого цвета. Спектральное распределение белого света определяется свойствами материалов конверсионного слоя, в первую очередь составом, дисперсностью фотолюминофора и толщиной конверсионного слоя. Подбором толщины конверсионного слоя в пределах от 5 до 500 мкм можно сблизить координаты цветности белого света, выходящего в апертурное отверстие и выходящего через внешнюю поверхность 9 конверсионного слоя 5.

Фотолюминофорами обычно являются оптические неорганические материалы, допированные ионами редкоземельных элементов (лантанидов), или альтернативно, ионами типа хрома, титана, ванадия, кобальта или неодима. Лантанидные элементы - лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Оптические неорганические материалы включают (но не ограничиваются): сапфир (Al₂O₃), арсенид галлия (GaAs), алюмоокись бериллия (BeAl₂O₄), фторид магния (MgF₂), фосфид индия (InP), фосфид галлия (GaP), алюмоиттриевый гранат (YAG или Y₃Al₁₅O₁₂), тербийсодержащий гранат, иттрий-алюминий-лантанид окисные составы, компаунды окисей иттрий-алюминий-лантанид-галлий, окись иттрия (Y₂O₃), галофосфаты кальция, или стронция, или бария (Са,Sr,Ba)₅(PO₄)₃(Cl,F), состав CeMgAl₁₁O₁₉, фосфат лантана (LaPO₄), лантанид-пентаборатные материалы ((lanthanide) (Mr,Zn)B₅O₁₀), состав BaMgAl₁₀O₁₇, состав SrGa₂S₄, соединения (Sr,Mg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)₂S₄, состав SrS, состав ZnS и нитридосиликаты.

Есть несколько типичных фотолюминофоров, которые могут быть возбуждены УФ-излучением с длиной волны 250 нм или вблизи нее. Типичный фотолюминофор красного свечения - Y₂O₃:Eu⁺³. Типичный фотолюминофор желтого свечения - YAG:Ce⁺³. Типичные фотолюминофоры зеленого свечения включают: CeMgAl₁₁O₁₉:Tb<3+>, (lanthanide) PO₄:Ce⁺³, Tb⁺³ и GdMgB₅O₁₀:Ce⁺³, Tb⁺³. Типичный фосфор синего свечения - BaMgAl₁₀O₁₇:Eu⁺² и (Sr,Ba,Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu⁺². Для более длинноволнового СИД возбуждения в диапазоне длин волн 400-450 нм или вблизи него, типичные оптические неорганические материалы включают алюмоиттриевый гранат (YAG или Y₃Al₅O₁₂), тербийсодержащий гранат, окись иттрия (Y₂O₃), YVO₄, SrGa₂S₄, (Sr,Mg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)₂S₄, SrS, и нитридосиликаты. Типичные фотолюминофоры для СИД возбуждения в диапазоне длин волн 400-450 нм включают YAG:Ce⁺³, YAG:Ho⁺³, YAG:Pr⁺³, SrGa₂S₄:Eu⁺², SrGa₂S₄:Ce⁺³, SrS:Eu⁺² и нитридосиликаты, допированные Eu⁺².

Квантово-точечные материалы - мелкие частицы неорганических полупроводников, имеющие размеры менее чем приблизительно 30 нм. Типичные квантово-точечные материалы включают (но не ограничиваются ими) частицы CdS, CdSe, ZnSe, InAs, GaAs и GaN. Квантово-точечные материалы могут поглощать свет одной длины волны и затем переизлучать свет с различными длинами волн, которые зависят от размера частицы, свойств поверхности частицы и неорганического материала полупроводника.

Конверсионный слой может включать как единственный тип материала фотолюминофора или квантово-точечного материала, так и смесь материалов фотолюминофора и квантово-точечных материалов. Использование смеси более чем одного такого материала целесообразно, если желателен широкий спектральный диапазон эмитируемого белого излучения (высокий цветовой рендеринг). Один из типовых подходов к получению теплого белого света с высоким коэффициентом цветового рендеринга состоит в том, чтобы смешать излучение InGaN СИД с излучением смеси желтого и красного конверсионных фотолюминофоров. Конверсионный слой может включать несколько фотолюминофоров, поглощающих свет, испускаемый СИД, и испускающих свет с большей длиной волны. Например, для синих СИД, конверсионный слой может включать единственный фотолюминофор, испускающий желтый свет, или несколько фотолюминофоров, которые испускают красный и зеленый свет. Для ультрафиолетовых СИД, конверсионный слой может включать фотолюминофоры, которые испускают сине-желтый свет, или фотолюминофоры, которые испускают синий, зеленый и красный свет. Могут быть добавлены фотолюминофоры, испускающие дополнительные цвета, для того, чтобы управлять цветовыми координатами и рендерингом смешанного света, выходящего из осветителя.

Прозрачные материалы хозяина могут включать полимерные и неорганические материалы. Полимерные материалы включают (но не ограничиваются): акрилаты, поликарбонат, флуороакрилаты, перфлуороакрилаты, флуорофосфинатные полимеры, флуоросиликоны, флуорополиимиды, политетрафлуорэтилен, флуоросиликоны, золь-гели, эпоксидные смолы, термопласты, термоусадочные пластмассы и силиконы. Фторсодержащие полимеры особенно полезны в диапазонах ультрафиолетовых длин волн менее чем 400 нм и инфракрасных длин волн более чем 700 нм вследствие их низкого светопоглощения в этих диапазонах длин волн. Типичные неорганические материалы включают (но не ограничиваются): диоксид кремния, оптические стекла и халькогенидные стекла.

Для обеспечения необходимой механической прочности удаленного конвертера фотолюминофор конверсионного слоя может быть конформно нанесен как покрытие на внутреннюю поверхность дополнительного прозрачного несущего элемента, например методами пульверизации, намазывания пасты, осаждения или электрофореза из суспензии фотолюминофора в жидкости. Одна из проблем, связанных с покрытием несущего элемента фотолюминофором, - нанесение однородного воспроизводимого покрытия на несущий элемент, особенно, если несущий элемент имеет неплоскую поверхность, например цилиндрическую или полусферическую. При покрытии методами пульверизации, нанесения пасты и осаждения используют жидкие суспензии для нанесения частиц фотолюминофора на подложку. Однородность покрытия сильно зависит от вязкости суспензии, концентрации частиц в суспензии и факторов окружающей среды, таких, например, как окружающая температура и влажность. Дефекты покрытия, возникающие из-за потоков в суспензии перед высыханием, и ежедневные изменения толщины покрытия относятся к числу рядовых проблем.

Несущие элементы могут быть изготовлены, например, из стекла, прозрачной теплопроводной керамики или прозрачных пластмасс типа поликарбоната, ПЭТ, полипропилена, полиэтилена, акрила, отформованных экструзией.

Для улучшения равномерности освещения несущий элемент может быть изготовлен из матового материала или прозрачного материала с матированной поверхностью.

В некоторых случаях предпочтительно равномерное распределение фотолюминофора в материале несущего элемента, сформированного экструзией, например, в прозрачной пластмассе типа поликарбоната, ПЭТ, полипропилена, полиэтилена, полиакрила. Конверсионный слой при этом может быть предварительно изготовлен в листах, которые затем термически отформованы до требуемой формы.

Конверсионный слой, предварительно отформованный конформно внутренней поверхности несущего элемента, может быть приклеен к ней, например, силиконовым адгезивом, расположенным между конверсионным слоем и внутренней поверхностью несущего элемента. Клеевой слой в этом случае может быть тонким, тоньше, например, чем конверсионный слой, и не оказывать большого термического сопротивления отводу тепла от конверсионного слоя.

В одном из конкретных исполнений осветителя используется предварительно отформованный лист, который приклеивают к стеклянному или поликарбонатному цилиндрическому несущему элементу. Суспензия фотолюминофора, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимера готовится в органическом растворителе. Суспензия затем может быть сформована в лист экструзией или литьем в форму или выливаться на плоскую подложку, например стеклянную, с последующим высыханием. Полученный лист может быть отделен от временной подложки и прикреплен к несущему элементу, используя растворитель или цианакрилатный клей.

В конкретном примере, из суспензии частиц экспериментального фотолюминофора на основе алюмограната иттрия-гадолиния-церия (Y,Gd,Ce)₃Al₅O₁₂ в растворе поликарбоната в хлористом метилене были сформованы экструзией листы разной толщины, показанные на Фиг.9. Конверсионный слой должен иметь достаточно большую толщину, чтобы обеспечить достижение необходимых значений цветовых координат смешанного белого света, покидающего апертуру осветителя. Эффективная толщина определяется процессами оптического рассеяния в используемых фотолюминофорах и лежит, например, между 5 и 500 мкм, чаще всего между 100 и 250 мкм.

Лист прикреплялся к цилиндрическому несущему элементу увлажнением внутренней поверхности несущего элемента изопропанолом и приложением давления к листу через пуансон нужной формы. Растворитель размягчает лист и позволяет воздушным пузырям быть выжатым из-под него для обеспечения полного прилипания листа к несущему элементу. Стеклянный несущий элемент может быть покрыт смесью фотолюминофора с прозрачным силиконовым биндером, которая затем отжигается. При этом силиконовый биндер не удаляется при отжиге. Надо иметь в виду, что фотолюминофор, который преобразует синий свет в оранжево-красный, может деградировать вплоть до полной непригодности после нагрева до 480°С на воздухе. В этом случае должны использоваться другие полимеры с более низкой температурой выжигания. В некоторых вариантах исполнения температура выжигания находится в диапазоне от 260°С до 540°С.

Поверхность конверсионного слоя может быть дополнительно покрыта прозрачным защитным слоем, который предохраняет от проникновения влажности и/или кислорода в конверсионный слой, поскольку некоторые типы фотолюминофоров, например сульфидных, подвержены повреждениям от воздействия влаги. Защитный слой может быть изготовлен из любого прозрачного материала, который блокирует влагу и/или кислород от проникновения в конверсионный слой, например, из неорганических материалов типа двуокиси кремния, нитрида кремния или окиси алюминия, а также органических полимерных материалов или комбинации полимерных и неорганических слоев. Предпочтительные материалы для защитного слоя - двуокись кремния и нитрид кремния.

Защитный слой может также выполнять функцию оптического просветления границы зерна фотолюминофора с атмосферой и уменьшать отражение первичного излучения СИД и вторичного излучения фотолюминофора на данной границе, уменьшая поглотительные потери собственного излучения фотолюминофора в его зернах и тем самым увеличивая эффективность осветителя.

Защитный слои может наноситься также путем финишной поверхностной обработки зерен фотолюминофора, при которой, например, на поверхности зерен формируется наноразмерная пленка силиката цинка толщиной 50-100 нм, просветляющая границу зерна фотолюминофора.

При необходимости апертурное отверстие может быть дополнительно герметично закрыто оптически прозрачным окном, которое защищает конверсионный слой от воздействия влажности и/или кислорода, при этом внутренний объем осветителя может быть заполнен инертной атмосферой или откачан. Инертная атмосфера и вакуум оптически прозрачны для излучения используемых СИД и фотолюминофоров.

Для улучшения равномерности освещения указанное защитное окно может быть изготовлено из матового материала или прозрачного материала с матированной поверхностью.

Поверхность 8 конвертера 5 и поверхность 11 несущего элемента 10 могут иметь осесимметричную форму сферы, или эллипсоида, или параболоида, или цилиндра, усеченных поверхностью теплоотводящего основания 2, причем СИД 1 расположены вблизи и вдоль линии пересечения указанной поверхности теплоотводящего основания 2 с указанной поверхностью 8 конвертера 5.

Поверхность 8 конвертера 5 может также быть сформирована из множества плоских фасеток или сегментов.

Оптимизация толщины и формы поверхности 8 конвертера и расположения СИД с учетом их диаграммы направленности излучения позволяет добиться улучшения цветовой однородности и углового распределения выходящего из осветителя излучения за счет падения излучения СИД на поверхность 8 конвертера под различными углами и перераспределения отраженного излучения внутри полости конвертера 5 до выхода из апертурного отверстия и через толщу конвертера 5.

Диаграмма направленности излучения чипов СИД, как известно из спецификаций, например, чипов мощных синих СИД SL-V-B45AC2 фирмы SemiLEDs или чипов семейства EZBright1000 фирмы CREE, может иметь Ламбертово распределение (конус света с углом 90° от нормали к поверхности чипа СИД), или ограничиваться меньшим конусом с углом α<90°, например, при использовании для вывода излучения квантоворазмерной решетчатой структуры, сформированной на поверхности чипа СИД.

При этом приемлемым является такое расположение СИД на теплоотводящем основании, чтобы ось диаграммы направленности излучения СИД пересекалась с осью симметрии конвертера под углом β≥90°-α/2.

Однако определенная относительно небольшая часть первичного излучения СИД распространяется напрямую вовне апертурного отверстия светильника, и для исключения возможности попадания излучения СИД непосредственно в глаз пользователя теплопроводящее основание 2 может содержать выступ 12, экранирующий прямой выход первичного излучения наружу из осветителя, минуя поверхность 8 конвертера 5, как показано на Фиг.10. Для более полного использования первичного излучения СИД упомянутый выступ 12 теплопроводящего основания 2 содержит дополнительный отражатель - плоскую зеркально отражающую часть 13, направляющую попадающее на нее первичное излучение на поверхность 8 конвертера 5.

Осветитель в этом исполнении дополнительно к изображенным на Фиг.8 элементам, имеющим ту же нумерацию, что и на Фиг.8, включает оптически прозрачный несущий элемент 10, внутренняя поверхность 11 которого контактирует с поверхностью 9 конвертера 5, и выступающую часть 12 с отражающим покрытием 13.

Еще один конкретизированный вариант исполнения осветителя с дополнительным отражателем и оптически прозрачным несущим элементом детально поясняется на фиг.11, на которой показан укрупненный разрез осветителя в области основания 2 с закрепленными СИД 1 с сохранением нумерации соответствующих элементов Фиг.8 (без сохранения масштаба).

Дополнительный отражатель представляет собой наклонную светоотражающую поверхность 15 (например, перевернутую основанием вверх усеченную коническую поверхность в случае осесимметричной формы конвертера), расположенную между чипами СИД 1 и конвертером 5, отражение от которой позволяет практически полностью перенаправить попадающую на нее часть излучения чипов СИД 1 к противоположной стороне конвертера 5, гомогенизируя выходящее излучение осветителя.

В данном исполнении осветителя чипы СИД 1 расположены на основании 2 таким образом, что нормаль к поверхности чипа СИД 1 параллельна (или составляет небольшой угол) с осью симметрии конвертера 5, выполненного в виде пленки, нанесенной одним из ранее описанных методов на внутреннюю поверхность полусферического оптически прозрачного стеклянного колпачка 17, приклеенного эластичным теплостойким теплопроводящим компаундом 18 к алюминиевому полусферическому электрическому контактирующему элементу 19, который в свою очередь приклеен эластичным теплостойким теплопроводящим электроизолирующим компаундом 20 к внутренней поверхности теплоотводящих ребер 21, расположенных между окнами для вывода света от внешней поверхности 9 конвертера 5, выполненными в тепловом радиаторе, предназначенном для рассеивания тепла, выделяемого в осветителе. В контактирующем элементе 19 также выполнены окна для вывода излучения от внешней поверхности 9 конвертера 5, расположенные между теплоотводящими ребрами 21 теплового радиатора, осуществляющими совместно функцию второго общего электрода для чипов СИД 1, присоединенных к ним электрически (параллельно) проводниками 14 и полиимидным шлейфом 16, покрытым металлизацией 15.

Окна для вывода света в контактирующем элементе 19 и в теплорадиаторе, расположенные между теплоотводящими ребрами 21 теплорадиатора, показаны на фиг.12.

Для повышения светоотражательной способности металлизация 15 на полиимидном шлейфе покрыта тонким слоем алюминия и выполняет функцию дополнительного отражателя, наряду с функцией электрического контакта. При таком расположении светодиодов их первичное излучение напрямую не попадает в глаз наблюдателя.

Роль первого электрода играет основание 2, к которому припаяны чипы СИД 1 и находящиеся с ним в электрическом и тепловом контакте теплоотводящие ребра теплового радиатора. Подвод электрического тока к контактирующему элементу 19 осуществляется посредством центрального цилиндрического вывода (не показан на фиг.11), приваренного (или припаянного) к вершине контактирующего элемента 19 соосно с осью симметрии конвертера 5 и присоединенного через электрически изолированное отверстие во внутренней поверхности теплового радиатора к драйверу питания, расположенному в соответствующей полости, выполненной в верхней части тела теплового радиатора (не показана). Далее электрический ток от контактирующего элемента 19 через металлизацию 15 на полиимидном шлейфе 16 подводится к чипам СИД 1 проволочными контактами 14.

Чипы СИД 1 и проволочные контакты 14 могут быть загерметизированы оптическим компаундом 22 по известной технологии, применяемой при изготовлении светодиодных сборок.

Полусферический колпачок 17 может быть также изготовлен из теплопроводящей керамики или оптически прозрачной пластмассы типа поликарбоната, ПЭТ, полипропилена, полиэтилена, акрила или иного подобного материала.

Контактирующий элемент 19 может быть также изготовлен из нержавеющей стали, меди, латуни, ковара или иного подобного материала.

Тепловой радиатор может быть изготовлен из любого подходящего материала, например меди или алюминия. Тепловой радиатор может быть оребрен, чтобы увеличить поверхность теплоотдачи, например, как показано на Фиг.12.

Из листов, показанных на Фиг.9, с использованием чипов СИД типа SL-V-B35AK фирмы SemiLEDs были изготовлены образцы белых линейных полуцилиндрических светильников, обеспечивающие эффективность на уровне 160-200 лм/Вт в зависимости от толщины листа.

Литература

1. Yamada, K., Imai, Y. and Ishii K., "Optical Simulation of Light Source Devices Composed of Blue LEDs and YAG Phosphor," J. Light & Vis. Env. 27 (2), 70-74 (2003).

2. Narendran, N., Gu. Y., Freyssinier, J., Zhu, Y., "Extracting Phosphor-scattered Photons to Improve White LED Efficiency," Phys. Stat. Sol. (a) 202 (6), R60-R62 (2005).

3. Zhu Y., N.Narendran, and Y.Gu. "Investigation of the optical properties of YAG:Ce phosphor". Sixth International Conference on Solid State Lighting. Proceedings of SPIE. 6337, 63370S (2006).

Изобретение относится к источникам белого света на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов с удаленными фотолюминофорными конвертерами. Техническим результатом является повышение эффективности освещения, обеспечение цветовой однородности и расширение светового потока. Осветитель содержит теплоотводящее основание с отверстием для выхода излучения, закрепленные по периферии отверстия, светоизлучающие диоды, на удалении от которых последовательно расположен конвертер излучения, выполненный в виде вогнутого слоя фотолюминофорного материала, обращенного вогнутостью к светоизлучающим диодам и выходному отверстию. При попадании на поверхность конвертера первичного излучения от светоизлучающих диодов белый свет, образующийся в результате смешения отраженного первичного излучения и вторичного излучения фотолюминофорного материала, выходит в отверстие в теплоотводящем основании, а образующийся в результате смешения проходящего через конвертер первичного излучения и вторичного излучения фотолюминофорного материала белый свет выходит через слой фотолюминофорного материала. Вогнутая поверхность конвертера может быть выполнена в форме усеченного эллипсоида вращения, в частности сферы, или параболоида, с главной осью, перпендикулярной плоскости отверстия в теплоотводящем основании, или цилиндра, усеченного плоскостью выходного отверстия. 12 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Осветитель, включающий источник первичного излучения, состоящий из одного или нескольких светоизлучающих диодов, теплоотводящее основание с поверхностью, на которой закреплены указанные светоизлучающие диоды, конвертер излучения, выполненный в виде слоя конверсионного материала, преобразующего первичное излучение, попадающее на его поверхность от светоизлучающих диодов, во вторичное излучение, причем конвертер излучения расположен в отдалении от источника первичного излучения, отличающийся тем, что теплоотводящее основание имеет отверстие для выхода излучения, а указанная поверхность конвертера, облучаемая светоизлучающими диодами, имеет вогнутую форму, обращенную вогнутостью к указанному отверстию и светоизлучающим диодам, причем светоизлучающие диоды расположены вблизи от периметра отверстия.

2. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что указанная поверхность конвертера имеет форму эллипсоида вращения, в частности сферы, или параболоида с главной осью, перпендикулярной плоскости отверстия в теплоотводящем основании, усеченных плоскостью, параллельной плоскости отверстия в теплоотводящем основании.

3. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что указанная поверхность конвертера имеет форму цилиндра, усеченного плоскостью, параллельной плоскости отверстия в теплоотводящем основании и параллельной оси цилиндра.

4. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что теплопроводящее основание включает выступ, экранирующий прямой выход первичного излучения в указанное отверстие.

5. Осветитель по п.2, отличающийся тем, что указанная поверхность конвертера сформирована из множества плоских фасеток или сегментов.

6. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что конвертер размещен на вогнутой внутренней поверхности несущего элемента, выполненного из оптически прозрачного материала, причем выпуклая поверхность конвертера, противоположная его вогнутой поверхности, облучаемой первичным излучением, и вогнутая поверхность несущего элемента находятся в непосредственном контакте.

7. Осветитель по п.6, отличающийся тем, что выпуклая поверхность конвертера и вогнутая поверхность несущего элемента разделены оптически прозрачной средой.

8. Осветитель по п.6, отличающийся тем, что указанный несущий элемент выполнен из матового материала или оптически прозрачного материала с матированной поверхностью.

9. Осветитель по п.4, отличающийся тем, что упомянутый выступ теплопроводящего основания содержит плоскую зеркально отражающую часть, направляющую попадающее на нее первичное излучение на противолежащую поверхность конвертера.

10. Осветитель по п.7, отличающийся тем, что светоизлучающие диоды закреплены на теплоотводящем основании таким образом, чтобы ось диаграммы направленности излучения каждого светоизлучающего диода пересекалась с осью симметрии конвертера под углом, равным или меньшим разности между 90° и полушириной диаграммы направленности указанного каждого светоизлучающего диода.

11. Осветитель по п.3, отличающийся тем, что светоизлучающие диоды закреплены на теплоотводящем основании таким образом, что ось диаграммы направленности излучения каждого светоизлучающего диода параллельна или составляет небольшой угол с осью симметрии конвертера, теплопроводящее основание в области между поверхностью конвертера и светоизлучающими диодами содержит наклонную зеркально отражающую область, направляющую попадающее на нее первичное излучение на противолежащую поверхность конвертера.

12. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что указанное отверстие в указанном теплоотводящем основании закрыто защитным окном, оптически прозрачным или изготовленным из матового материала или прозрачного материала с матированной поверхностью.

13. Осветитель по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя конверсионного материала составляет от 5 до 500 мкм.