固態光源燈泡的製作方法

2023-05-09 04:09:06 1

專利名稱：固態光源燈泡的製作方法
技術領域：
本發明一般性涉及固態照明。具體而言，本發明涉及採用固態光(SSL)源、非接觸式螢光體和散熱器的燈泡。
背景技術：
固態光(SSL)發光器件(包括具有發光二極體(LED)的固態燈)極其有用，因為它們相對於常規白熾燈和螢光燈具有提供較低的製造成本和長期耐久性益處的潛力。由於其工作(燃燒)時間長和功耗低，所以固態發光器件經常提供功能成本益處，即使其初始成本高於常規燈的成本時也是如此。因為可以使用大規模半導體製造技術，所以可以以極低成本生產許多固態燈。除了諸如家庭和消費者用具的指示燈、視聽設備、通信裝置和機動車儀表標誌的應用之外，LED在戶內和戶外的信息顯示方面也已經找到了大量應用。隨著發射藍色或紫外(UV)光的高效LED的發展，通過螢光體將LED的初級發射的一部分轉換成較長波長來生產產生白光的LED已變得可行。將LED的初級發射轉換成較長波長通常稱為初級發射的下轉換(down-conversion)。這種通過將初級發射的未轉換部分與較長波長的光合併以產生白光的系統是本領域公知的。用LED產生白光的其它選擇包括以不同的比例混合兩種或更多種顏色的LED。例如，混合紅色、綠色和藍色(RGB)LED產生白光是本領域公知的。類似地，已知混合RBG與琥珀色(RGBA)LED或混合RGB與白色(RGBW) LED產生白光。反射表面的使用也是本領域中公知的。反射表面已用於將來自LED的光引導至下轉換材料和/或反射由下轉換材料產生的下轉換光。即使有這些改進，現有技術中的LED 技術也不足以用於可見光譜。單個LED的光輸出低於已知的白熾燈，其在可見光譜中為約 10%效能。為了實現與當前的白熾燈相當的光輸出功率密度，LED器件經常需要較大的LED 或具有多LED的設計。然而，已經發現引入較大LED或多個LED的設計存在其自身的挑戰。最新的研究已經確定，LED的發熱使得總體光發射和燈泡耐久性下降。更具體地，LED器件在被加熱至高於100°C的溫度時效率下降，導致在可見光譜中產生下降回調 (declining return)。長期暴露於高熱也導致LED的有效壽命降低。此外，當溫度升至高於約90°C閾值時，一些下轉換螢光體的固有下轉換效率也顯著降低。克服這些缺陷的嘗試著重於與傳統白熾燈不同的燈泡設計。在燈泡基座處使用散熱器有助於散熱，但是也導致具有與傳統白熾燈明顯不同的美觀度和光分布功能性。儘管固態發光器件已經快速發展並且已經超過了傳統A燈白熾燈泡的照明效率，但是不存在如下基於SSL的替代燈泡可以產生與白熾燈類似的光水平、具有非常高的照明效率值和長得多的壽命。因此，特別需要能夠通過提供類似的或改進的性能效率、壽命、耐久性和燈泡美觀度來代替傳統白熾燈的固態發光器件。

發明內容
為了滿足這種和其它需要，針對其目的，本發明提供一種發光設備，包括燈基座； 透光燈泡外殼，所述燈泡外殼的第一部分與所述燈基座連接；用於發射光的光源，所述光源的至少一部分設置在所述燈泡外殼內，在與所述燈基座基本相反的一端；和與所述光源連接的散熱器，所述散熱器的至少一部分在所述燈泡外殼的外部。所述光源可以為例如至少一個發光二極體(LED)。在另一實施方案中，本發明還包括下轉換材料，其用於接收和下轉換由所述光源發射的光的至少一部分並反向傳輸所接收和下轉換的光的一部分。所述下轉換材料設置在所述燈泡外殼內，遠離所述光源並位於所述光源和所述燈基座之間。使用一種或更多種波長轉換材料吸收一個光譜區中的輻射和發射另一光譜區中的輻射，並且所述波長轉換材料可以是下轉換材料或上轉換材料。多種波長轉換材料能夠將由光源發射的波長轉換至相同或不同的光譜區。在本發明的一些實施方案中，例如，那些採用白色LED作為光源的實施方案中，下轉換材料可能不是必需的，因為所發射的光已經基本類似於白熾燈所產生的光。
在本發明的另一實施方案中，發光設備還包括第一反射器，其用於接收和反射由所述光源發射並被所述下轉換材料下轉換的光。所述反射器設置在所述燈泡外殼內，位於所述光源和所述燈基座之間。在另一實施方案中，所述反射器與所述下轉換材料相鄰。在本發明的一些實施方案中，所述設備可以至少包括用於引導從所述光源發射的光的第二反射器，所述光源設置在所述反射器內。所述第二反射器可以為至少一個杯狀反射器或光學透鏡。當所述光源採用多個發光二極體時，所述發光二極體可以分別設置在至少一個反射器內。在本發明的又一實施方案中，所述散熱器的至少一部分突出進入所述燈泡外殼中。所述散熱器可包括至少一個金屬鰭片，並且另外地或作為替代方案，包括設置在所述燈泡外殼的外部的至少一部分上的網狀物。本發明的多個實施方案還可以包括標準燈泡組件如設置在所述燈泡外殼內用以調節電壓和電流的電子驅動器和/或設置在所述燈泡外殼內以連接所述燈基座和所述光源之間的電流的至少一個電導體。在包括電子驅動器的一些實施方案中，所述電子驅動器的至少一部分設置在所述燈基座內。本發明的另一實施方案還包括用於引導由所述光源發射的光的光導。所述光導的第一端與所述光源連接，並且所述光導的第二端與所述下轉換材料連接。所述光導可採取多種形狀和尺寸。例如，在某些實施方案中，所述光導是圓柱體或錐形圓柱體。在其它實施方案中，錐形圓柱體光導可具有斜切形、平坦形、尖角形、球形、半球形或圓錐形的上部。在一些實施方案中，非接觸式下轉換材料置於光導頂部的這些端面處。本發明的實施方案將所述光源和所述散熱器置於所述燈泡外殼的頂點處，遠離所述燈基座，目的是將由所述光源產生的熱更多地耗散到環境中。與市售基於SSL的替代燈泡(其將光源和任選的散熱器置於燈基座處)相比，這種配置能夠產生更大量的光。本發明的配置也有助於確保保持燈泡組件的溫度，由此延長燈泡耐久性和壽命。
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結合附圖閱讀以下詳細說明將最佳理解本發明。注意，根據一般實踐，附圖的各個特徵不是按比例繪製的。相反，為了清楚起見，各個特徵的尺寸被任意放大或縮小。附圖中包括以下的圖圖1是現有技術的市售的基於LED的燈的圖；圖2是根據本發明第一實施方案的固態光源燈泡的截面圖；圖3是根據本發明另一實施方案的固態光源燈泡的截面圖；圖4(a)示出根據本發明另一實施方案的光源和光準直透鏡的截面圖；圖4(b)出根據本發明另一實施方案的光源、光準直透鏡和圓錐形光導的截面圖；圖4(c)_4(d)示出根據本發明其它實施方案的光源、光準直透鏡和具有平坦尖端的圓錐形光導的截面圖；圖5(a)_5(d)示出根據本發明另一些實施方案的光源、光準直透鏡和具有平坦尖端(其平坦表面取向分別為0°、30°、45°和60° )的圓錐形光導的截面圖；圖5(e)是圖5(d)所示的實施方案的90°旋轉視圖；圖6(a)_6(c)示出根據本發明其它實施方案的具有圓錐形頂表面(分別具有 120°、90°和60°的頂角)的圓錐形光導；圖7(a)_7(b)示出根據本發明一個實施方案的分別處於「關閉」和「開啟」狀態的藍色發光二極體(LED)，該LED具有螢光體塗層頂表面的錐形光導；圖8(a)示出具有白色LED封裝的本發明一個實施方案的3維透視圖；圖8 (b)示出圖8 (a)所示的實施方案的3維分解圖；圖9 (a)示出具有SPE型藍色LED封裝的本發明另一實施方案的3維透視圖；圖9 (b)示出圖9 (a)所示的實施方案的3維分解圖；圖10(a)示出根據本發明一個實施方案的具有6個鰭片的散熱器的3維視圖；圖10(b)示出圖10(a)中所示的本發明實施方案的截面圖；圖11 (a)示出根據本發明另一實施方案的光源、散熱器和拋物線形第一反射器；圖11(b)示出圖11(a)中所示的本發明實施方案的3維截面圖；圖12(a)示出根據本發明另一實施方案的光源、散熱器和圓錐形第一反射器；圖12(b)示出圖12(a)中所示的本發明實施方案的3維截面圖。
具體實施例方式儘管此處參考具體實施方案來舉例說明和描述本發明，但是本發明不限於所顯示的細節。相反，可以在權利要求的等同範圍內對細節進行各種修改而不脫離本發明。本發明人已經發現，當諸如發光二極體(LED)的光源置於燈基座處或燈基座內時，固態光(SSL)發射器件的性能受到不利影響。已經發現，將光源定位在燈基座處產生對基於SSL的燈的效率、光產生和壽命有害的熱水平。克服這些缺陷的嘗試著重於與傳統白熾A燈不同的燈泡設計。在市售的基於LED的產品中，散熱器(如果存在的話)通常位於燈基座和LED源之間以促進散熱。在多數情況下，散熱器與燈基座形成為一體。然而，將散熱器布置在燈基座處或燈基座內阻礙對LED進行適當的熱管理。這是因為較大百分比的熱僅從LED後面傳導至燈基座，而不是從LED耗散到環境中。例如，圖1示出在燈基座處使用散熱元件的市售基於LED的替代燈。雖然以該方式在燈泡基座處使用散熱器可促進熱耗散，但是從該替代燈泡分布的光束與從常規白熾燈泡分布的光明顯不同。此外，目前市售的替代燈的設計具有與常規白熾燈明顯不同的美觀度和光分布功能。例如，由於在市售基於LED的產品中採用的散熱器的位置和形狀，在散熱器方向上的大部分光都被阻擋。這已被證明導致燈後的陰影，這與要被基於SSL的燈替代的白熾燈而言是不常見的且不相同的。最少，這種光分布的變化可產生外觀方面的問題。在其它情況下， 光分布的差別可導致源自設計用於白熾燈的照明設備的完全不可接受的性能。本發明通過將光源定位在燈泡外殼的與白熾A燈基座基本相反的端部處來解決這些問題。光源可以為至少一個半導體發光二極體，例如發光二極體(LED)、雷射二極體 (LD)或共振腔LED (RCLED)。本發明的實施方案可以使用單個SSL源如單個LED，或者可以包括多個SSL源(即多個LED)作為光源。光源可以連接至散熱器，其中所述散熱器的至少一部分位於燈泡外殼的外部。在本發明的配置中的光源定位使燈基座處的固有熱對光源的影響最小化。此外，散熱器用作用於光源的熱耗散元件，使得能夠將熱從光源吸走。散熱器還可以為光源提供機械支撐。例如，散熱器可以位於燈泡外殼的外部但是在燈泡外殼中的缺口處與內部光源連接。這種連接有效地將光源保持在燈泡外殼內並且同時也將燈泡外殼密封封閉。本發明的這種設計特徵使得替代燈泡能夠具有非常高的照明效率值並且產生與白熾燈類似的光水平，同時也延長了基於SSL的燈的壽命耐久性。下轉換材料的使用有助於產生在美觀度上與由常規白熾A燈所產生的光類似的光。應當理解的是，術語「下轉換」和「下轉換的」是指適於吸收一個光譜區中的輻射並且發射另一光譜區中的輻射的材料。如上所述，本發明的下轉換材料可以由一種或更多種適於吸收一個光譜區中的輻射並且發射另一光譜區中的輻射的波長轉換材料構成，並且所述波長轉換材料可以是下轉換材料或上轉換材料。這樣，本發明的實施方案可以引入作為下轉換材料、上轉換材料或兩者的波長轉換材料。相應地，術語「下轉換材料」定義為通過其組成可以吸收任意光譜區中的輻射並且將其在任意光譜區中發射的材料。還應理解的是， 術語「透射光」和「反射光」在本申請全文中使用。然而，更準確地說，所述術語分別為「正向透射光」和「反向透射光」。當從光源發射的光到達下轉換材料時，下轉換材料吸收短波長光並且發射下轉換的光。所發射的下轉換的光可以在所有的方向上行進(稱為朗伯發射體)，因此，下轉換的光的一部分向上行進，而另一部分向下行進。從下轉換材料向上(或向外)行進的光是光的正向透射部分，而向下朝光源行進的光為反向透射部分。在本發明的一些實施方案中，通過採用非接觸式下轉換概念，現有替代燈泡的低性能問題也得到解決。在一個採用非接觸式下轉換概念的系統中，來自光源的短波長輻射能量朝位於光源遠處的下轉換材料發射。擊中下轉換材料的輻射能量的至少一部分被下轉換成較長波長輻射，並且，當兩種輻射混合時，得到與白熾A燈所產生的光類似的白光。下轉換材料可以由適於吸收一個光譜區中的輻射和發射另一光譜區中的輻射的一種或更多種波長轉換材料構成。多種波長轉換材料能夠將從光源發射的波長轉換至相同或不同的光譜區。在採用白色LED作為光源的本發明一些實施方案中，下轉換材料可能是不必要的，因為所發射的光已經與白熾燈所產生的光基本相似。在採用白色LED的其它實施方案中，可以選擇特定的下轉換材料例如「紅色」螢光體以增強白色LED的顯色性能。例如，這樣的配置將使得能夠使用具有中等品質顯色性質的普通白色LED以從LED燈獲得具有更好或更高顯色性質的白光輸出。可以使用反射器來接收和反射由光源發射並被下轉換材料下轉換的光(即正向透射光)。反射器可以採用任意幾何形狀如球形、拋物線形、圓錐形和橢圓形，並且可包含本領域已知的各種反射表面。例如，反射器可以為鋁、具有蒸發鋁反射層的塑料或任意其它種類的反射表面。反射器定位在下轉換材料和燈基座之間，並且可以與下轉換材料間隔開或相鄰。在本發明的至少一個實施方案中，利用本領域已知的常規技術，將下轉換材料施用至並包含在反射器上。通過捕集所發射和下轉換的光的正向透射部分和反向透射部分兩者， 可以提高系統效率。類似地，可以調節下轉換材料和反射器的位置以確保來自光源的光均勻地衝擊下轉換材料以產生均勻的白光並允許更多的光離開器件。同時，將下轉換材料定位在光源遠處防止了光反饋回到光源中。結果，光源處的熱被進一步最小化且導致燈泡壽命耐久性得到改善。任選地，可以採用第二反射器來引導從光源發射的光。合適的第二反射器包括例如杯狀反射器或光學透鏡。當採用第二反射器時，光源可設置在第二反射器內。當採用多個SSL源作為光源時，每個SSL源可以設置在相應的第二反射器內。或者，所有的SSL源均可設置在一個第二反射器內。第二反射器可以採用任意幾何形狀如球形、拋物線形和橢圓形，並且可以由本領域已知的各種材料構成。例如，當採用光學透鏡作為第二反射器時，透鏡可以為任意透光材料如玻璃和塑料。第二反射器用於引導從光源發射的光並且可以配置為將從光源發射的基本上所有的光引導至下轉換材料。在某些實施方案中，第二反射器可以為散熱器的組件並且與其形成為一體。例如，散熱器連接至光源的部分可以是第二反射器或具有第二反射器的功能。在該配置中，第二反射器收集由光源側向發射的光並且將其導離光源。該設計增加了光學效率。可以使用光導來進一步模擬常規白熾A燈的美觀度和性能。例如，光導的第一端可以連接至光源，並且光導的第二端可以連接至下轉換材料。這些組件可以配置在燈泡外殼內以模擬傳統白熾A燈的長絲美觀度。類似地，當光源設置在第二反射器內時，光導可以將來自光源和第二反射器的光引導至下轉換材料。此外，由於光導可以設計為多種形狀和尺寸，所以其可以製造和定位為將從光源發射的基本上所有的光都引導至下轉換材料，從而增加SSL器件的效率。本發明的固態發光器件還可以包括本領域已知的其它部件。例如，SSL器件還可以包括電子驅動器。大多數SSL源是低壓直流(DC)源。因此，需要電子驅動器來調節電壓和電流以用於基於SSL的燈。或者，存在一些交流(AC)SSL源，例如由韓國首爾的％0111 Semiconductor, Inc.以商品名「Acriche」出售的AC-LED。在這些情況下，SSL源(例如 LED或LED陣列)可以與可得自電網的AC電源直接連接。因此，本發明的實施方案可任選包括電子驅動器，其至少一部分位於A燈基座內，具體取決於基於SSL的燈中採用的SSL源的類型。本發明還可以包括至少一個電子導體如連接線。電子導體可以設置在燈泡外殼內以連接燈基座和光源之間的電流。圖2示出本發明的第一示例性實施方案，其具有燈基座12(例如，具有與常規白熾 A燈相同的尺寸和形狀)、透光的燈泡外殼20、用於發射光的光源16、下轉換材料22、反射器對和散熱器18。燈基座12是與在現有的白熾燈中所見的基座相同的標準基座。燈泡外殼20可由多種透光材料如塑料或玻璃製成。如圖所示，燈泡外殼20的第一部分與燈基座12 連接，並且光源16的至少一部分設置在燈泡外殼20內，位於與燈基座12基本相反的一端。 下轉換材料22設置在燈泡外殼20內。反射器M也設置在燈泡外殼20內並且位於下轉換材料22和燈基座12之間。散熱器18顯示為位於燈泡外殼20的底部並且位於與燈基座12基本相反的一端。 散熱器18的至少一部分在燈泡外殼20的外部。散熱器可包括一系列金屬鰭片(在圖8a 和8b中顯示為金屬鰭片18a)。作為替代方案或者另外地，散熱器可包括從散熱器18延伸並且圍繞在光源16和燈基座12底部之間的燈泡外殼20的外表面的至少一部分的網狀物。 散熱器18可由本領域已知的多種熱耗散材料如鋁或銅製成。散熱器可以塗上顏色，例如白色以增強或改變材料的熱耗散能力。散熱器18的至少一部分在燈泡外殼20的外部，但是散熱器18連接至內部光源16。這可以例如在燈泡外殼20內部的與燈基座12基本相反的一端處的缺口處實現。這種連接有效地將光源16基本上保持在燈泡外殼20內並且同時也將燈泡外殼20密封封閉。在組裝後，燈泡外殼20的內部可以為真空或可以填充惰性氣體如氬或氪。圖2示出經電導體32連接至光源16的電子驅動器30。如上所述，任選包括電子驅動器30以調節電壓和電流以用於使用DC SSL源的基於SSL的燈。或者，當選擇AC SSL 源時，不需要電子驅動器30。因此，本發明的實施方案可任選包括電子驅動器30，其至少一部分位於燈基座12內，具體取決於基於SSL的燈中採用的SSL源的類型。在圖2所示的本發明實施方案中也可以採用至少一個電子導體32，例如連接線。電子導體32可以設置在燈泡外殼內，以根據需要穿過電子導體32連接燈基座12的輸入和光源16之間的電流。光源16可以設置在第二反射器沈內，所述第二反射器沈可以為具有開放頂部的杯狀反射器。光源可以包括多個SSL源，例如多個LED，每個SSL源都位於其自己的第二反射器26內。第二反射器沈將從光源16發射的光向上朝下轉換層22 (其可以為螢光體) 和反射器M聚集。可以使用透鏡代替杯狀反射器或與其聯用作為第二反射器26。反射器 M和第二反射器26可以是鋁、具有蒸發鋁反射層的塑料或任意其它類型的高反射表面。通過將從光源16發射的光導向下轉換材料22，第二反射器沈使光從燈泡外殼20側面離開並且同時從光源16透射到下轉換材料22和反射器M的可能性最小化。在所示出的實施方案中，附圖標記34表示光束，而非物理元件，並且不是本發明所要求保護的組件。在該示例性實施方案中，下轉換材料22定位為比光源16更靠近燈基座12，並且反射器M與下轉換材料22相鄰。在一個替代實施方案中，下轉換材料22可以定位在例如橫過燈泡中間的位置D，並且反射器M可以定位在遠離下轉換材料22處。在這樣的實施方案中，從反射器M反射的一些光可通過位於反射器M和下轉換材料22之間的燈泡外殼 20側面選出。下轉換材料22也可以在燈泡外殼20的中心位置D上方的位置處(即，進一步遠離燈基座)。當來自光源16的光擊中下轉換材料22和反射器M時，一些光被從下轉換材料反射回來(即反向透射)並且從燈泡外殼20的側面離開。穿過下轉換材料22的所有光(即正向透射的)均被反射器M反射回來，並且從燈泡外殼20的側面離開。儘管下轉換材料22和反射器M顯示為橫過燈泡外殼20的整個寬度，但是這些組件可以小於整個寬度。調節下轉換材料22和反射器M在燈泡外殼20內的位置以及這些部件的尺寸和形狀以實現期望的基於SSL燈的性能效率，如本領域普通技術人員所理解的那樣。
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在示例性或替代實施方案中，下轉換材料可以包括一種或更多種螢光體。例如， 下轉換材料可以包括以下一種或更多種摻雜鈰的釔鋁石榴石(YAGCe)、摻雜銪的硫化鍶 (SrSEu)、摻雜銪的YAG: Ce螢光體、YAG: Ce螢光體+硒化鎘、或由其它材料(包括鉛(Pb) 和矽(Si))產生的其它類型的量子點；和本領域已知的其它螢光體。將會理解，本發明的其它實施方案可以包括嵌入的螢光體層或非嵌入的螢光體層。而且，螢光體層不需要具有均勻的厚度，相反，其可以具有不同的厚度，或者不同的螢光體相混合以產生更均勻的顏色輸出。下轉換材料可以類似地包括其它螢光體、量子點、量子點晶體、量子點納米晶體或本領域已知的其它下轉換材料。下轉換材料可以是波長轉換晶體而不是與粘合介質混合的粉末材料。如本領域普通技術人員已知的，下轉換材料層可以包括額外的散射顆粒如微球以改善不同波長的光的混合。在一個替代實施方案中，波長轉換材料層可以由多個連續或離散的子層構成，各個子層包含類似的或不同的波長轉換材料。下轉換材料或各個波長轉換層可以通過本領域已知的任意合適的技術如安裝、塗覆、沉積、漏印或絲網印刷來形成。圖3示出本發明的另一實施方案，其具有燈基座12、透光燈泡外殼20、用於發射光的光源16、下轉換材料22、反射器M和散熱器18。另外，該實施方案還包括光導觀。光導 28的第一端連接至光源16，並且光導觀的第二端連接至下轉換材料22，它們基本上都位於燈泡外殼20內。該實施方案顯示，光源16設置在第二反射器沈內，也基本上位於燈泡外殼20內。圖3中示出了杯狀反射器，但是，如前一樣，可以使用光學透鏡來代替杯狀反射器或與其聯用作為第二反射器。相應地，光導觀將來自光源16和第二反射器沈的光導向下轉換材料22。或者，當不採用第二反射器時，光導觀可以連接至光源16並且從光源16直接引導光。在圖3所示的實施方案中，下轉換材料22是小圓柱體的波長轉換材料而不是材料層。下轉換材料22可以位於燈泡的中央部分處，如圖3所示，或者位於另一位置處以實現基於SSL的燈的性能和美觀度目標。這些組件可以配置在燈泡外殼20內以模擬常規白熾A燈的長絲美觀度。例如，通過將圓柱形下轉換材料22定位在燈泡中央，即錐形光導觀的頂部，以實現與標準鎢絲點光源類似的點光源。圖3還示出在空間上遠離下轉換材料22 的反射器對。在該實施方案中，由於下轉換材料過小，所以沒有太多的從反射器M反射的光會撞擊下轉換材料22。然而，光導觀用於確保從光源16發射的基本上所有的光都被導向下轉換材料22，在該處光可以被下轉換並作為白光離開燈泡外殼20。圖4(a)-4(e)示出採用第二反射器的多個本發明實施方案。這些圖示出第二反射器為光學透鏡，但是第二反射器也可以為杯狀反射器。SSL光源如LED可以置於光學透鏡內，如圖4(a)所示。圖4(b)-4(e)還可以包括光導。光源、第二反射器和光導基本上位於燈泡外殼內。透鏡和光導可以製造為單個部件，或者可以包括兩個單獨的部件。光導可以採用多種形狀和尺寸。例如，光導可以為錐形圓柱體，如圖4(b)-4(e)所示，或者其可以為直圓柱體。光導的頂部可以為尖角狀(如圖4(b)所示)，或平坦形狀(如圖4(c)-4(e)所示)。圖4(c)_4(e)還示出光導可以具有不同的長度和尺寸。例如，圖4(c)_4(e)示出長度分別為40mm、35mm和30mm的光導。光導的頂部也可以斜切成不同度數的角度。例如，圖5(a)_5(d)示出具有平坦頂部的錐形光導，所述平坦頂部分別具有0°、30°、45°和60°的平坦表面取向。圖5(e)是圖5(d)中所示的實施方案的90°旋轉視圖，以進一步示出光導設計。另外，光導的頂部可以為球形(球體)、半球形、圓錐形，如圖6(a)_6(c)所示。圖6(a)_6(c)示出具有圓錐形頂表面的錐形光導，所述圓錐形頂表面分別具有120°、90°和60°的頂角。非接觸式下轉換材料置於光導頂部的這些端面處。圖7(a)-7(b)示出根據本發明一個實施方案的具有錐形光導的藍色發光二極體(LED)，所述錐形光導具有螢光體塗層頂表面。圖7(a)示出處於 「關閉」狀態的基於SSL的燈，而圖7(b)示出處於「開啟」狀態的基於SSL的燈。圖8(a)示出本發明一個實施方案的3維透視圖，其包括白色LED封裝作為光源。 圖8(b)示出圖8(a)中所示的實施方案的3維分解圖。這些圖顯示散熱器18為具有在燈泡外殼20外部的6個散熱鰭片18a。本發明的替代實施方案可以使用更多或更少的散熱鰭片。作為替代方案或者另外地，散熱器18可以包括從散熱器18延伸且圍繞位於光源16 和燈基座12底部之間的燈泡外殼20的外表面的至少一部分的網狀物。散熱器18、散熱鰭片18a和網狀物可由本領域已知的多種熱耗散材料如鋁或銅製成。圖8(b)還示出在燈泡外殼20中的缺口，其用於將第二反射器沈和光源16插入燈泡外殼中。散熱器18基本上在燈泡外殼20的外部，並且在燈泡外殼中的缺口處與光源16連接。圖9 (a)示出本發明另一實施方案的3維透視圖，其包括SPE型藍色LED封裝作為光源。SPE型LED封裝使用散射光子提取(SPE)並且在至少一個實施方案中包括在燈泡外殼20中連接在一起的LED光源16、第二反射器沈、光導28和下轉換材料22。圖9 (b)示出圖9(a)中所示的實施方案的3維分解圖。如圖3所示，圖9(a)和圖9(b)中所示的本發明實施方案包括位於錐形光導觀頂部的小圓柱狀下轉換材料22。光導觀連接至第二反射器沈，其中設置有光源26。第二反射器沈和光導觀用於將從光源16發射的基本上所有的光導向下轉換材料22。這些圖也顯示散熱器18為具有在燈泡外殼20以外的6個散熱鰭片18a。本發明的其它實施方案可包括更多或更少的散熱鰭片。作為替代方案或者另外地，散熱器18可以包括從散熱器18延伸並且圍繞位於光源16和燈基座12底部之間的燈泡外殼20的外表面的至少一部分的網狀物。散熱器18基本上在燈泡外殼20之外，並且在燈泡外殼中的缺口處與光源16連接。在本發明的至少一個實施方案中，第二反射器可以為散熱器的組件或與其形成為一體。圖10(a)示出根據本發明的該實施方案的發光設備的3維視圖，並且圖10(b)示出其截面圖。換言之，散熱器的與光源連接的部分可以為第二反射器或具有第二反射器的功能。在該配置中，第二反射器收集光源從側面發射的至少部分光並引導其離開光源以增加光學效率。如圖10 (a)-10(b)所示，光源16設置在散熱器18內和/或與散熱器18連接。 與光源16連接的散熱器18部分用作第二反射器，以收集從光源側面發射的光並引導其離開(在圖10(b)中描述為虛線34)。圖ll(a)-ll(b)和圖12(a)_12(b)示出本發明的其它實施方案，其包括光源、 散熱器和第一反射器。圖ll(a)_ll(b)示出包括拋物線形第一反射器的實施方案，圖 12 (a)-12 (b)示出包括圓錐形第一反射器的實施方案。如上所述，第一反射器可以採取任意幾何形狀如球形、拋物線形、圓錐形和橢圓形，並且可以包括本領域已知的各種反射表面。 例如，反射器可以為鋁、具有蒸發鋁反射層的塑料或任意其它種類的反射表面。另外地或者作為替代方案，可以對反射器施加塗層或進行處理以實現特定的光分布或美觀效果，或者其甚至可以透射少部分光以防止反射器形成清晰陰影。反射器位於光源和燈基座之間，並且在採用下轉換材料時可以與下轉換材料間隔開或與其相鄰。在本發明的至少一個實施方案中，下轉換材料利用本領域已知的常規技術施用於並包含在反射器面向光源的一側上。反射器例如用於增強基於SSL的燈的光學效率。 從LED光源和電子驅動器進入燈基座的熱量限制可以可靠性能使用的LED的總能力並因此限制可產生的光量。在目前可用的採用LED和任選的位於燈基座處或其內的散熱器的產品中，光量通常限於25-40W白熾A燈的當量。本發明的實施方案將LED源和散熱器置於光燈泡的頂點處以將由LED產生的熱更多地耗散到環境中。該配置使得能夠產生更大量的光(例如，60w白熾A燈的當量)並且同時確保保持適當的LED和電子驅動器工作溫度。當與在完全封閉的照明設備中實現的益處相比時，該配置甚至可以更有益於在開放的照明設備中使用LED的應用。如前所述，擊中下轉換材料的輻射能將被轉換成更高波長的輻射，並且在混合時其提供與白熾A燈所產生的光類似的白光。最終的光輸出的光譜取決於下轉換材料。總的光提取取決於到達下轉換層的光量、下轉換層的厚度和反射器的材料及設計。光導的形狀和尺寸可以為實現基於SSL的燈的性能和美觀目的的任意設計。以下實施例和表格詳示用於光導的多個示例性形狀，以及這些形狀中的每一個可能對基於SSL的燈的效率和光輻射的影響。實施例在本發明的至少一個實施方案中，實施具有散射光子提取(SPE)的LED封裝。與下轉換螢光體鋪展在光源或晶片周圍的典型的常規白色LED封裝不同，在本發明的SPE封裝中，螢光體層被從晶片移走，從而在晶片和螢光體之間留下透明介質。用於這類封裝的有效幾何形狀可以經過光線追蹤分析來確定。值得一提的是，SPE封裝要求不同的螢光體密度以產生具有與常規白色LED封裝類似的色度坐標。這種差別是將具有不同光譜的透射光和背反射光混合的SPE封裝的結果，而常規封裝主要使用透射光。進行光線追蹤分析以評價光導概念的可行性。另外，進行實驗室評價以研究總的光輸出和照明效率。進行計算機模擬來確定耦合進入錐形光導中的光、輸出白色光和系統總效率。基礎模型由具有非接觸式螢光體的藍色LED和作為第二反射器的總內反射(TIR) 透鏡構成。藍色LED具有朗伯強度分布以及451nm的光譜峰波長。IlR透鏡安裝到LED頂部以將來自藍色LED的光準直到IlR透鏡的頂表面(如圖4(a)所示)。然後將錐形光導粘結到IlR透鏡頂上。模擬測試為了確定錐形光導的操作和優選幾何尺寸，首先測試50mm高的圓錐形的錐形光導。錐形光導的底表面具有與IlR透鏡頂表面相同的直徑-寬度。為了使更多的光耦合至錐形光導的頂表面且使頂表面面積最小化，模擬一系列光導高度(如圖4(c)至圖4(e)所示)，並且將光導的最佳高度選擇為35mm，如表1所示。如果使用高度較低的錐形光導，則在頂表面上接收的光增加和在頂表面處的聚焦面積增大之間存在權衡。在頂表面上較小的面積意味著使用較少的螢光體，並且可產生更好的聚焦光束。考慮到這種權衡，選擇35mm 高的錐形光導，其具有相當小的頂表面積和較高的從頂表面正向透射的光比例。表1 來自具有不同高度的錐形光導的頂表面的輻射功率
權利要求
1.一種發光設備，包括燈基座；透光燈泡外殼，所述燈泡外殼的第一部分與所述燈基座連接；用於發射光的光源，所述光源的至少一部分設置在所述燈泡外殼內，在與所述燈基座基本相反的一端；下轉換材料，其用於接收和下轉換由所述光源發射的光的至少一部分並反向傳輸所接收和下轉換的光的一部分，所述下轉換材料設置在所述燈泡外殼內，遠離所述光源並位於所述光源和所述燈基座之間；反射器，其用於接收和反射由所述光源發射並被所述下轉換材料下轉換的光，所述反射器設置在所述燈泡外殼內，位於所述下轉換材料和所述燈基座之間；和與所述光源連接的散熱器，所述散熱器的至少一部分在所述燈泡外殼的外部。
2.權利要求1所述的發光設備，其中所述散熱器的至少一部分突出進入所述燈泡外殼中。
3.權利要求1所述的發光設備，其中所述光源為至少一個發光二極體(LED)。
4.權利要求1所述的發光設備，還至少包括第二反射器，所述第二反射器用於引導從所述光源發射的光，所述光源設置在所述反射器內。
5.權利要求4所述的發光設備，其中所述第二反射器與所述散熱器形成為一體。
6.權利要求4所述的發光設備，其中所述用於引導從所述光源發射的光的所述第二反射器選自杯狀反射器和光學透鏡。
7.權利要求4所述的發光設備，其中所述光源包括多個發光二極體，所述發光二極體設置在至少一個反射器內。
8.權利要求1所述的發光設備，其中所述下轉換材料包括適於吸收一個光譜區內的輻射並發射另一光譜區內的輻射的至少一種波長轉換材料。
9.權利要求8所述的發光設備，其中所述至少一種波長轉換材料是至少一種螢光體。
10.權利要求1所述的發光設備，其中所述反射器與所述下轉換材料相鄰。
11.權利要求1所述的發光設備，其中所述散熱器包括至少一個金屬鰭片。
12.權利要求1所述的發光設備，其中所述散熱器包括設置在所述燈泡外殼的外部的至少一部分上的網狀物。
13.權利要求1所述的發光設備，還包括設置在所述燈泡外殼內的電子驅動器。
14.權利要求13所述的發光設備，其中所述電子驅動器的至少一部分設置在所述燈基座內。
15.權利要求1所述的發光設備，還包括設置在所述燈泡外殼內的至少一個電導體，所述至少一個電導體連接所述燈基座和所述光源之間的電流。
16.一種發光設備，包括燈基座；透光燈泡外殼，所述燈泡外殼的第一部分與所述燈基座連接；用於發射光的光源，所述光源的至少一部分設置在所述燈泡外殼內，在與所述燈基座基本相反的一端；下轉換材料，其用於接收和下轉換由所述光源發射的光的至少一部分並且反向傳輸所接收和下轉換的光的一部分，所述下轉換材料設置在所述燈泡外殼內，遠離所述光源並位於所述光源和所述燈基座之間；光導，其用於引導由所述光源發射的光，所述光導的第一端與所述光源連接並且所述光導的第二端與所述下轉換材料連接；反射器，其用於接收和反射由所述光源發射並由所述下轉換材料下轉換的光，所述反射器設置在所述燈泡外殼內，位於所述下轉換材料和所述燈基座之間；和與所述光源連接的散熱器，所述散熱器的至少一部分在所述燈泡外殼的外部。
17.權利要求16所述的發光設備，其中所述散熱器的至少一部分突出進入所述燈泡外殼中。
18.權利要求16所述的發光設備，其中所述光源為至少一個發光二極體(LED)。
19.權利要求16所述的發光設備，還至少包括第二反射器，所述第二反射器用於引導從所述光源發射的光，所述光源設置在所述反射器內。
20.權利要求19所述的發光設備，其中所述用於引導從所述光源發射的光的所述第二反射器選自杯狀反射器和光學透鏡。
21.權利要求19所述的發光設備，其中所述光源包括多個發光二極體，所述發光二極體設置在至少一個反射器內。
22.權利要求16所述的發光設備，其中所述下轉換材料包括適於吸收一個光譜區內的輻射並發射另一光譜區內的輻射的至少一種波長轉換材料。
23.權利要求22所述的發光設備，其中所述至少一種波長轉換材料是至少一種螢光體。
24.權利要求16所述的發光設備，其中所述散熱器包括至少一個金屬鰭片。
25.權利要求16所述的發光設備，其中所述散熱器包括設置在所述燈泡外殼的外部的至少一部分上的網狀物。
26.權利要求16所述的發光設備，其中所述光導是圓柱體。
27.權利要求16所述的發光設備，其中所述光導是錐形圓柱體。
28.權利要求27所述的發光設備，其中所述錐形圓柱體光導具有選自斜切形、平坦形、 尖角形、球形、半球形和圓錐形的上部。
29.權利要求16所述的發光設備，還包括設置在所述燈泡外殼內的電子驅動器。
30.權利要求四所述的發光設備，其中所述電子驅動器的至少一部分設置在所述燈基座內。
31.權利要求16所述的發光設備，還包括設置在所述燈泡外殼內的至少一個電導體， 所述至少一個電導體連接所述燈基座和所述光源之間的電流。
32.一種固態光源燈泡，包括 燈基座；透光燈泡外殼，所述燈泡外殼的第一部分與所述燈基座連接； 至少一個發光二極體(LED)，所述LED的至少一部分設置在所述燈泡外殼內，在與所述燈基座基本相反的一端；下轉換材料，其用於接收和下轉換由所述LED發射的光的至少一部分並反向傳輸所接收和下轉換的光的一部分，所述下轉換材料設置在所述燈泡外殼內，遠離所述LED並位於所述LED和所述燈基座之間；和與所述光源連接的散熱器，所述散熱器的至少一部分在所述燈泡外殼的外部。
33.權利要求32所述的固態光源燈泡，其中所述散熱器的至少一部分突出進入所述燈泡外殼中。
34.權利要求32所述的固態光源燈泡，還包括第一反射器，其用於接收和反射由所述 LED發射並被所述下轉換材料下轉換的光，所述反射器設置在所述燈泡外殼內，位於所述下轉換材料和所述燈基座之間。
35.權利要求34所述的固態光源燈泡，其中所述第一反射器的幾何形狀選自球形、拋物線形、圓錐形和橢圓形。
36.權利要求32所述的固態光源燈泡，還至少包括第二反射器，所述第二反射器用於引導由所述至少一個LED發射的光，每個LED均設置在相應的第二反射器內。
37.權利要求32所述的固態光源燈泡，其中所述散熱器選自至少一個金屬鰭片、網狀物及其組合。
38.一種固態光源燈泡，包括燈基座；透光燈泡外殼，所述燈泡外殼的第一部分與所述燈基座連接；用於發射光的光源，所述光源的至少一部分設置在所述燈泡外殼內，在與所述燈基座基本相反的一端；和與所述光源連接的散熱器，所述散熱器的至少一部分在所述燈泡外殼的外部。
39.權利要求38所述的固態光源燈泡，還包括下轉換材料，其用於接收和下轉換由所述光源發射的光的至少一部分並反向傳輸所接收和下轉換的光的一部分，所述下轉換材料設置在所述燈泡外殼內，遠離所述光源並位於所述光源和所述燈基座之間。
40.權利要求38所述的固態光源燈泡，還包括第一反射器，其用於接收和反射由所述光源發射的光，所述反射器設置在所述燈泡外殼內，位於所述下轉換材料和所述燈基座之間。
全文摘要
一種發光設備，包括燈基座、透光燈泡外殼、用於發射光的光源和與所述光源連接的散熱器。固態LED光燈泡還可以包括下轉換材料。所述下轉換材料設置在所述燈泡外殼內，遠離所述光源並位於所述光源和所述燈基座之間。所述散熱器可包括至少一個金屬鰭片，並且另外地或作為替代方案，包括設置在所述燈泡外殼的外部的至少一部分上的網狀物。固態光燈泡可包括用於引導由所述光源發射的光的光導。所述固態光燈泡配置使得所述光源和散熱器置於所述光燈泡外殼的頂點處，遠離所述燈基座，目的是將由所述光源產生的熱耗散到環境中。此外，所述散熱器的至少一部分在所述光燈泡外殼之外以使所述熱耗散最大化。
文檔編號F21V9/10GK102460005SQ201080025654
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月9日 優先權日2009年6月10日
發明者朱依婷, 納達拉賈·納倫德蘭, 讓·保羅·弗雷西尼耶 申請人:倫斯萊爾工藝研究院