专利名称：用于发光二极管及其构成的灯泡分散光并优先散射某些波长的光的方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管(LED)，并涉及由LED灯泡替代用于照明的 灯泡。尤其是，它涉及优先散射LED生成的某些波长的光线并分散LED 生成的光线以与白炽灯泡的颜色愈加匹配，或者涉及优选散射用在替代灯 泡中的LED的某些波长的光线并分散用在替代灯泡中的LED的光线以与 #皮代替的灯泡光线的光色和空间分布^t式相匹配。
背景技术：
由半导体结构成的LED，由电流流过该结引起发光。乍一看，好像 LED应当能够对传统的鴒丝白炽灯做极好的替代。在等量功率上，它们 给出比白炽灯多得多的光输出，同样地，它们使用少得多的功率发出等 量的光；而且它们的使用寿命是更大数量级的，即1-10万小时vs.l-2 千小时。
然而，LED以及由LED构成的灯泡有色彩问题。典型使用在灯泡中的 "白色"LED,现今是由两种工艺之一制成的。在更通用的工艺中，发蓝 光LED覆盖有塑料罩，该塑料罩可能有其他光学属性，用荧光粉在其上形 成涂层吸收蓝色光并重发其他波长上的光。LED制造商的研究主要致力于 设计更好的荧光粉，因为目前已知的荧光粉给出相当拙劣的色彩再现。
4另外，这些荧光粉如果被太多光线超驱的话将会饱和，使蓝色通过并发
出被过激的白色LED特有的蓝颜色。
荧光粉工艺的再一个问题是吸收和重发的量子效率小于1,以致于 LED光输出中的一些作为热能损失掉，降低了 LED的量子效率，并且加 重了它的散热问题。
现今用来制作"白色"LED的另一工艺是使用三个(或更多)LED, 典型为红色、蓝色和绿色(RGB)，互相足够靠近地放置以近似想要的任 一种颜色的单一光源。这种工艺的问题在于LED使用时间不同，颜色就 不同，以致于产生的实际颜色随着^f吏用时间而改变。得到"白色LED"的 附加方法是在蓝色或其他颜色LED外围使用有颜色的罩，该蓝色或其他 颜色的LED比如由JKL Lamps皿制成。然而，与之相伴的是相当大的光 损失。LED灯泡与它们使用的LED有同样的问题，而且还受累于LED是 点光源这个问题。试图由灯泡做色彩调节导致进一步地光强损失。
进一步来说，应该漫射LED灯泡的光输出，以便在其表面上方有光 线近似均匀地发出，与白炽灯泡发光达到某个近似水平。过去，LED具 有添加在它们外壳或主体上的漫射物将LED发出的光线展开。另一个方 法是使LED外封装表面粗糙。这些方法没有一个实现LED灯泡的光线均 匀分布，而且可能降低发光效率。实现近似的角向均匀性的方法还伴随 着部分吸收性过程，进一步降低发光效率。另外，RGB(红、绿、蓝)系 统可能难以将它们的光线在所有角度上充分地混到 一起。
这个发明的目的是开发一种构建LED发出的光线的装置以及比目前 可用的LED灯泡更接近白炽灯的LED灯泡，几乎没有或者完全没有光强 损失。
发明内容
在本发明一个实施例中，至少一个外壳通常用来托住荧光粉，这种 荧光粉将LED管芯发出的蓝色光转换成"白色"光，该至少一个外壳包 含多个大小是LED光线主波长的分数的粒子，这些粒子瑞利散射该光线，导致红色优先散射。在本发明的另一个实施例中，该至少一 个外壳 既有荧光粉又有瑞利散射物质。
这个发明的又一个目的是开发一种构建LED灯泡发出的光线的装 置，比^f吏用目前可用方法的得到的LED灯泡更接近白炽灯的颜色，几乎 没有或者完全没有光强损失。在本发明一个实施例中，该灯泡包含多个 大小是LED光线主波长的分数的粒子，这些粒子瑞利散射该光线，导致 红色优先散射。在本发明另一个实施例中，该灯泡的至少一个外壳只有 瑞利散射物质。
这个发明还有一个目的是开发一种在LED灯泡表面上方近似均匀地 分散光线的装置，几乎没有或者完全没有光强损失。在本发明一个实施 例中，该灯泡包含尺寸是LED光线主波长或混色系统中多个LED的波长 的一到几倍的粒子，这些粒子米氏散射该光线，导致该光线在灯泡表面 上方近似均匀地分散。在本发明另一个实施中，该灯泡的至少一个外壳 只有米氏散射物质。
根据另一个实施例，该方法包括从至少一个LED发射光线；并且通 过在该LED灯泡的至少一个外壳中分布众多粒子来分散该至少一个LED 发出的光线，该众多粒子的大小是该至少一个LED发出的光线的主波长 或混色系统中多个LED的波长的一到几倍。
根据又一个实施例， 一种构建LED灯泡中的光线的方法，该LED灯 泡比"f吏用目前可用的方法得到的LED灯泡更接近白炽灯的颜色，该方法 包括从至少一个LED发射光线；并且通过将众多粒子分散在该LED灯 泡的外壳中来优先散射该至少一个LED发出的红光，该众多粒子的大小 是该至少 一 个LED发出的光线的主波长或混色系统中多个LED的波长的 分数。
根据另一个实施例， 一种分散LED灯泡中的光线的方法，该方法包 括从至少一个LED发射光线；并且通过在LED灯泡中分布众多粒子来 散射该至少一个LED发出的光线，该众多粒子的大小是该至少一个LED 发出的光线的主波长或混色系统中多个LED的波长的 一到几倍。根据又一个实施例， 一种优先分散LED灯泡中的光线的方法，该方 法包括从至少一个LED发射光线；并且通过在LED灯泡中分布众多粒子 来散射该至少一个LED发出的光线，该众多粒子的大小是该至少一个 LED发出的光线的主波长或混色系统中多个LED的波长的 一到几倍。
根据另一个实施例， 一种LED包括LED管芯、封装或部分封装该管 芯并且有众多粒子分散其中的外壳、而且其中该众多粒子的大小适于分 散并/或优先散射从该LED发射的该波长的光线。
根据又一个实施例， 一种LED灯泡包括具有至少一个外壳的灯泡、 在该至少一个外壳中或在该灯泡中分散有众多粒子；在所述灯泡里边或 光耦合到所述灯泡上的至少一个LED;而且其中所述众多粒子为这样的 大小以分散并/或优先散射从该至少一个LED发射的该波长的光线。
将所附的图形加进来以提供对该发明的进一步理解，而且并入并 构成这个说明书的 一部分。这些图形图示说明该发明的实施例而且跟说 明书一起用于解释该发明的原理。在这些图形中，
图1是从LED发射的光线的横截面视图，该光线具有来自亚波长粒子 的瑞利(rayleigh)散射。
图2是从LED发射的光线的横截面视图，该光线具有来自超波长粒子 的米氏(Mie)散射。
图3是一种LED灯泡的横截面视图，示出嵌入灯泡中的LED,而且 该灯泡及其外壳既包含瑞利散射物质又包含米氏散射物质。
图4是一种LED的横截面视图，示出嵌入塑料中的LED管芯，而且 该塑料及其外壳既包含瑞利散射物质又包含米氏散射物质。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在所附图形中图示说 明。在任何可能的地方，在图形和说明书中^f吏用的相同的附图标记是指 相同或类似的部件。根据这些设计特征，下面给出对每个优选实施例的详 细描述。
图1示出从LED发射的光线的橫截面视图，根据第一实施例该光线由 亚波长粒子20瑞利散射。如图1所示，典型的是入射光线10将会包括众 多波长成分，其中包括基于LED内使用的发光材料(未示出)的波长50。 例如，在典型的LED发射光语中，从LED发射的对应于蓝颜色的波长50 近似为430纳米。如图1所示，入射光10撞击到一组或众多^^分散的具 有有效直径60的4立子20上。有效直径60优选为主波长50的分数，为入 射光10的瑞利反射构建条件。例如， 一组被分散的粒子20可以是80纳 米的氧化铝粒子。可理解的是可以使用其他合适的粒子，它们的有效直径 60为发射光源或LED的波长50的分数而且构建瑞利散射。可理解的是粒 子无需为球形，也无需近似球形，可以使用其他形状比如圓盘形或长杆形 的粒子。如图l所示，短波成分3(H皮粒子20散射，而具有长波成分的发 射光线40基本上不受影响。因而发射光线40相对入射光线IO在红颜色 上加强了，而没有显著影响光强度。
图2示出从LED发射的光线的横截面视图，根据又一个实施例该光线 具有来自众多超波长粒子70并对每个波长80等量散射的米氏^:射。典型 的是入射光线IO将会包括众多波长成分，其中包括基于LED内使用的发 光材料(未示出)的波长50。例如，在典型的LED发射光谱中，从LED 发射的对应于蓝颜色的波长50近似为430纳米。如图2所示，入射光IO 撞击到一组或众多^皮分散的具有有效直径90的粒子70上。其中有效直径 90比LED发射的光线的主波长50大。^皮分散的粒子70的有效直径90优 选为大小M光源的主波长50的一到几倍。例如，对于一种产生蓝色光 的LED, —组,皮分散的粒子70可以是直径近似为1.1微米的氢氧化铝。可 理解的是可以使用任何合适的粒子，它们的有效直径90比发射光源或LED 的主波长50大而且构建米氏^t射。可理解的是粒子无需为球形，也无需 近似球形，可以使用其他形状比如圓盘形或长杆形的粒子。这构建起入射光10的米氏反射条件，其中入射波长50中每一个都散射成出射波长80。 因而发射光线40或出射波长80相对入射光线10在方向上分散，而没有 显著影响光强度。
图3示出根据一个实施例具有LED灯泡110的瑞利和米氏散射系统 100的4黄截面视图，LED120嵌入灯泡110中。灯泡110包括嵌入灯泡110 的内部130的LED120而且具有外表面或外壳140。 LED灯泡110将至少 一个LED120包含其内，所述的LED120在发光。如图3所示，灯泡110 的内部130和外壳140包含一组被分散的粒子20、 70，以根据瑞利和米氏 散射产生对LED120产生的光线的散射，但是从LED120发射的光线可能 包含几个波长，由于当前LED技术所限而被加强了，这是不希望发生的。 为了优先散射从LED120发射的光线，灯泡外壳140以及灯泡110的主体 或内部130都包含^皮分散的一组粒子20、 70，大小既对应于瑞利散射20 又对应于米氏散射70的波长。就产生蓝色光的LED120来说， 一组^皮分散 的粒子20、 70产生的光线，比从LED120发射的光线更像白炽灯光线(即 看上去不像蓝色)，还有比LED120的光发射角更分散而情况相反也可以。 可理解的是灯泡110可以有不只一个外壳140，而且外壳140中的一个或 多个或者内部130可以包含被分散的粒子20、 70,这些粒子产生瑞利和/ 或米氏散射。
图4示出LED200的4黄截面视图，示出根据另一实施例嵌入塑料230 中的LED管芯220。 LED管芯220嵌入塑料230或内部232并且包括外壳 240。塑料230和外壳240每个都将众多被分散的粒子20、 70包含其中。 众多被分散的粒子20、70每个都有有效直径以产生对LED200所产生的光 线的瑞利和米氏散射。如图4所示，LED200将至少一个LED管芯220包 含其内，LED管芯220发射具有一组被限定的波长的光源。典型的是，LED 管芯200和相应的光源将会包^i午多波长，但是由于当前技术所限在蓝色 和紫外线上加强，这是不希望发生的。典型的是用荧光粉在LED外壳240 上形成涂层将光线中的一些转换到更低频率上，使光线颜色更接近白炽灯 的光线，但还是有不希望发生的蓝色上的加强。在LED200、外壳240和 LED的主体230中都包含被分軟的粒子20、 70,每个都有有效直径60、90以产生对该光源的瑞利和米氏散射。结果是LED200发出的光线蓝色减 少并且比管芯220发射的光线更像白炽灯的光线，还有比LED管芯220 的光发射角更分散而情况相反也可以。添加被分散的粒子20、 70可以作 为荧光粉和通常添加到LED200上的光学器件的补充。
不脱离该发明的范围或精神。有鉴于上述内容，其意图在于本发明覆盖所 提供的这个发明的各种更改和变型，它们落入随后的权利要求及其同等物 的范围。
权利要求
1. 一种优先散射LED中某些波长的光线的方法，该方法包括从LED管芯发射光线；并且通过在该LED的至少一个外壳或主体中分散众多粒子来散射该LED管芯发出的光线，这些粒子的大小是该LED管芯发出的光线的至少一个主波长的分数。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中该散射是瑞利散射。
3. —种优先散射LED灯泡中某些波长的光线的方法，该方法包括从至少一个LED发射光线；并且通过在该LED灯泡的至少一个外壳中分散众多粒子来散射该LED发出的光线，这些粒子的大小是该至少一个LED发出的光线的至少一个主波长的分数。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中该散射是瑞利散射。
5. —种优先散射LED灯泡中某些波长的光线的方法，该方法包括从至少一个LED发射光线；并且通过在LED灯泡中分散众多粒子来散射该LED发出的光线，这些粒子的大小是该至少一个LED发出的光线的至少一个主波长的分数。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中该散射是瑞利散射。
7. —种分射LED灯泡中的光线的方法，该方法包括从至少一个LED发射光线；并且通过在LED灯泡中分布众多粒子来散射该至少一个LED发出的光线，这些粒子的大小是该至少一个LED发出的光线的一个主波长的一到几倍。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中该散射是米氏散射。
9. 一种分射LED灯泡中的光线的方法，该方法包括从至少一个LED发射光线；并且通过在该LED灯泡的至少一个外壳中分布众多粒子来散射该至少一个LED发出的光线，这些粒子的大小是该至少一个LED发出的光线的一个主波长的一到几倍。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中该散射是米氏散射。
11. 一种LED，包4舌LED管芯；至少一个封装或部分封装该管芯而且有众多粒子分散其中的外壳，而且其中该众多粒子的大小适于分散从该LED发射的光线并/或优先散射从该LED发射的某些波长的光线。
12. 根据权利要求11所述的LED,其中该众多粒子包括的粒子的大小适于通过瑞利散射优先散射从该LED发射的红色光。
13. 根据权利要求11所述的LED,其中该众多粒子包括的粒子的大小适于通过米氏散射分散从该LED发射的光线。
14. 一种LED灯泡，包括具有至少一个外壳的灯泡，该外壳有众多粒子分散其中；在所述灯泡里边或光津禹合到所述灯泡上的至少一个LED;并且其中所述众多粒子的大小适于^L从该至少一个LED发射的光线并/或优先散射从该至少一个LED发射的某些波长的光线。
15. 根据权利要求14所述的LED灯泡，其中该众多粒子包括的粒子的大小适于通过瑞利散射优先散射从该至少一个LED发射的某些波长的光线。
16. 根据权利要求14所述的LED灯泡，其中该众多粒子包括的粒子的大小适于通过米氏散射分散从该至少一个LED发射的光线。
全文摘要
一种优先散射LED或LED灯泡中某些波长的光线和/或分散LED或LED灯泡中的光线的方法。该方法包括从至少一个LED管芯发射光线，并且通过在该LED外壳或在LED灯泡或在LED灯泡的至少一个外壳中分散众多粒子来散射该至少一个LED管芯发出的光线，这些粒子的大小是该至少一个LED管芯发出的光线的至少一个主波长的分数。作为另一选择，该方法包括从至少一个LED管芯发射光线，并且通过在该LED灯泡的外壳或主体中分布众多粒子来散射该至少一个LED管芯发出的光线，这些粒子的大小是该LED发出的光线的一个主波长的一到几倍。
文档编号H01J1/62GK101484964SQ200780015303
公开日2009年7月15日 申请日期2007年4月27日 优先权日2006年5月2日
发明者卡罗尔·兰克, 罗纳德·J·兰克 申请人:舒伯布尔斯公司