TW201314865A - 發光模組、燈、燈具及顯示裝置 - Google Patents
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Abstract
一種發光模組150，其通過一光出射窗104而發射光且包含一基底110、一固態光發射器154、158及一部分漫射反射層102。該基底110具有面朝該光出射窗104之一光反射表面112。該光反射表面112具有一基底反射係數Rbase，該基底反射係數Rbase係藉由在藉由該光反射表面反射之光之量與照射於該光反射表面上之光之量之間的一比率定義。該固態光發射器108發射一第一色彩範圍114之光、包含一頂部表面106且具有一固態光發射器反射係數R_SSL，該固態光發射器反射係數R_SSL係藉由在藉由該固態發射器108反射之光之量與照射於該固態光發射器108之該頂部表面106上之光之量之間的一比率定義。該至少一固態光發射器之該頂部表面106之一最大線性尺寸dSSL經定義為沿著一直線自該至少一固態光發射器之該頂部表面106上之一點至該至少一固態光發射器之該頂部表面106上之另一點的最長距離。該光出射窗104包含該部分漫射反射層102之至少一部分。一固態光發射器面積比ρSSL經定義為在該至少一固態光發射器之該頂部表面之面積與該基底之該光反射表面之面積之間的比率。具有一距離h之一間隙存在於該至少一固態光發射器154、158之該頂部表面106與該部分漫射反射層102之間。若對於0<ρSSL<0.1而言0.3‧dSSL≦h≦5‧dSSL、對於0.1≦ρSSL≦0.25而言0.15‧dSSL≦h≦3‧dSSL且對於ρSSL>0.25而言0.1‧dSSL≦h≦2‧dSSL，且若該基底反射係數Rbase之值大於70%且大於該固態光發射器反射係數R_SSL，則獲得一相對有效率之發光模組。
Description
本發明係關於一種包含發光層及固態光發射器之發光模組。本發明進一步係關於一種燈、一種燈具及一種包含發光模組之顯示裝置。
公開專利申請案US 2009/0322208A1揭示一種發光裝置。發光二極體(LED)提供於藉由凹式外殼形成之錐形空腔內。在凹式外殼之正側處，錐形空腔經覆蓋有透明熱導體層，耐火發光層提供於透明熱導體層上。在凹式外殼之背平面處，提供散熱片且凹式外殼之側壁經覆蓋有金屬框架。錐形空腔可經填充有諸如聚矽氧之材料。
LED朝向發光層發射第一色彩之光。發射光之一部分可藉由發光層反射或散射回至空腔中。發射光之另一部分藉由發光層轉換成第二色彩之光。當發光層發射第二色彩之光時，此光在所有方向上發射，且因此，另一色彩之光之一部分發射至空腔中。反射回至空腔中之光或發射至空腔中的第二色彩之光部分地照射於空腔之基底上、部分地照射於空腔之壁上，且部分地照射於LED上。在LED之表面處及在空腔之表面處，光被部分地反射且被部分地吸收。尤其，光之吸收引起發光裝置之低效率。
一些光模組製造者提供包含具有基底之空腔之發光模組。此等模組常常具有提供於基底上之複數個光發射器，諸如，LED。在此等發光模組之某些實施例中，發光層係
(例如)經由接合層而直接地提供於光發射器頂部上，且在其他實施例中，發光層為所謂遠端發光層，此意謂在光發射器與發光層之間存在大約數公分之相對大距離。
具有直接地在頂部上具有發光層之光發射器之發光模組的問題在於：自發光層導引回至LED之光歸因於LED內部之背反射器具有有限反射比(通常，背鏡面為銀，其具有90%之反射比位準)的事實而遭受不良再循環效率。實際上，實際反射比甚至更低，此係因為光發射器材料(通常，GaN/InGaN或AlInGaN)具有高折射率，從而造成光被截留於光發射器內部且因此進一步限制金屬反射比。典型LED反射係數接近於70%(遍及可見光譜範圍求平均值且在正入射角下量測)。此等發光模組之另一問題為熱點之形成，在熱點中，大多數光集中於LED頂部上之面積中且模組之光輸出因此高度地非均一，從而在光輸出及熱分佈兩者中引起熱點。此外，LED晶粒頂部上之磷光體層可變得相對熱且以高通量密度受到激發，從而導致非最佳磷光體轉換效率，藉此限制發光效能。
由於在空腔內部的光之更有效率之再循環，具有遠端發光層之發光模組通常比具有直接地在頂部上具有發光層之光發射器之發光模組更有效率。又，此等模組之光輸出通常更均勻，從而縮減熱點。然而，相比於具有直接地在頂部上具有發光層之光發射器之發光模組，具有遠端發光層之發光模組具有相對大尺寸。相對龐大之遠端發光層解決方案不能用於尺寸受約束之應用，諸如，聚光燈應用(例
如，鹵素備用燈及抛物面反射器燈)。
具有遠端發光層之發光模組之另一缺點在於：發光層之相對大面積引起相對高的材料成本位準。另外，磷光體層內之熱傳導僅朝向光發射器之側壁橫向地導引，且歸因於其龐大構造，遠離遠端磷光體板導引熱之能力受到限制。
本發明之一目標係提供一種相對有效率之發光模組。
本發明之一第一態樣提供一種如請求項1之發光模組。本發明之一第二態樣提供一種如請求項23之燈。本發明之一第三態樣提供一種如請求項24之燈具。本發明之一第四態樣提供一種如請求項25之顯示裝置。附屬請求項中界定有利實施例。
根據本發明之第一態樣的一種發光模組通過一光出射窗而發射光。該發光模組包含一基底、至少一固態光發射器及一部分漫射反射層，該部分漫射反射層為具有漫射反射屬性之一層，其中入射光之至少一部分被漫射反射且該入射光之至少一部分透射通過此層。該基底具有一表面，且該基底之該表面之至少一部分反射照射於該基底之該表面上之光。反射光的該基底之該表面之該部分在下文中被稱為該基底之光反射表面。該光反射表面具有一基底反射係數，該基底反射係數係藉由在藉由該基底之該光反射表面反射之光之量與照射於該基底之該光反射表面上之光之量之間的一比率定義。該至少一固態光發射器經組態以發射一第一色彩範圍之光且具有一頂部表面及一固態光發射器
反射係數，該固態光發射器反射係數係藉由在藉由該至少一固態光發射器反射之光之量與照射於該至少一固態光發射器之該頂部表面上之光之量之間的一比率定義。該至少一固態光發射器之該頂部表面之一最大線性尺寸經定義為沿著一直線自該至少一固態光發射器之該頂部表面上之一點至該至少一固態光發射器之該頂部表面上之另一點的最長距離。該光出射窗包含該部分漫射反射層之至少一部分。一固態光發射器面積比經定義為該至少一固態光發射器之該頂部表面之面積與該基底之該光反射表面之面積之間的比率。該基底反射係數之值大於70%且大於該固態光發射器反射係數。一間隙存在於該至少一固態光發射器之該頂部表面與該部分漫射反射層之間。該間隙係藉由在該至少一固態光發射器之該頂部表面與該部分漫射反射層之間的一距離界定。對於該固態發射器面積比之一相對小值(亦即，小於0.1)而言，此距離係在具有等於或大於0.3乘該頂部表面之一最大線性尺寸之一最小值及等於或小於5乘該頂部表面之該最大線性尺寸之一最大值的一範圍內。對於該固態發射器面積比之中間值(亦即，在具有大於或等於0.1之一最小值及小於或等於0.25之一最大值的一範圍內)而言，該距離係在具有等於或大於0.15乘該頂部表面之該最大線性尺寸之一最小值及等於或小於3乘該頂部表面之該最大線性尺寸之一最大值的一範圍內。對於該固態發射器面積比之一相對大值(亦即，大於0.25)而言，該距離係在具有等於或大於0.1乘該頂部表面之該最大線性尺寸
之一最小值及等於或小於2乘該頂部表面之該最大線性尺寸之一最大值的一範圍內。
在該固態光發射器之該頂部表面與該部分漫射反射層之間的該距離經定義為在該至少一固態光發射器之該頂部表面與面對該至少一固態光發射器的該部分漫射反射層之表面之間的最短線性路徑之長度。若該發光模組包含一個以上固態光發射器，則在該等固態光發射器之該等頂部表面與該部分漫射反射層之間的距離為在該等固態光發射器之頂部表面中每一者與該部分漫射反射層之間的距離之一平均值。
該固態光發射器之該頂部表面之該最大線性尺寸經定義為沿著一直線自該至少一固態光發射器之該頂部表面上之一點至該至少一固態光發射器之該頂部表面上之另一點的最長距離。若該發光模組包含一個以上固態光發射器，則使用該等頂部表面之該等最大線性尺寸之平均值。該頂部表面可為任何形狀，例如，一正方形、矩形、圓形或橢圓形。對於該正方形或該矩形而言，最長線性距離為該正方形或該矩形之一對角線之長度。對於該圓形而言，最長線性尺寸為該圓形之一直徑之長度。
本發明人已用實驗發現，在該(該等)固態光發射器與該部分漫射反射層之間的距離應具有一最小值，在高於該最小值之情況下獲得該發光模組之一相對大光輸出，且該最小值取決於該固態發射器面積比。在低於此最小值之情況下，該發光模組較不有效率地操作，且太多光係藉由該部
分漫射反射層反射、散射回及/或重新發射至該至少一固態光發射器。另外，本發明人已發現，當在該至少一固態光發射器與該部分漫射反射層之間的距離變得太大時，該光輸出開始減低且因此不利(亦取決於該固態發射器面積比之值)。該減低為光之較多吸收之結果，此係因為該光具有通過該發光模組之一較長行進路徑且因此可經歷較多吸收事件。
該基底反射係數之值至少大於該固態光發射器反射係數之值，且因此，該基底相比於該固態發射器吸收較少光。此情形有利，此係因為較多光係藉由該基底反射，且因此，較多光可通過該光出射窗而發射於該發光模組之周圍環境中。其實際上意謂較多光係藉由該基底反射，該光隨後被再循環而非被吸收。該發光模組之效率總體上會改良，此係因為根據本發明之發光模組中之光損失最小化。相比於直接地在該固態光發射器頂部上具有一發光層之發光模組，該固態光發射器之該光吸收損失較少光。相比於具有充當一部分漫射反射層之一遠端發光層之發光模組，藉由該部分漫射反射層反射、散射回及/或重新發射至該模組之內部之該光被更有效率地再循環，此係因為該光在出射於該光出射窗外之前在該模組內部具有較少相互作用(反射)。結果，根據本發明之一發光模組相對有效率。
本發明人已用實驗發現，根據先前指定準則及在該(該等)固態光發射器之該頂部表面與該發光層之間的距離係在特定範圍內之準則的該基底反射係數高於該固態光發射
器反射係數之特定組合導致一相對高光輸出且因此導致一相對有效率之發光模組。
該間隙必須被廣泛地解釋。意義在於：該部分漫射反射層不直接地接觸該至少一固態光發射器之該或該等頂部表面，且在該至少一固態光發射器與該部分漫射反射層之間存在某一距離。該間隙可經填充有空氣，但一實質上透明材料亦可存在於該間隙中。
若該部分漫射反射層不直接地接觸該或該等固態光發射器之該頂部表面，則相對較大量之光將朝向該光反射表面反射及發射。根據本發明，若該光反射表面相比於該至少一固態光發射器具有一較高反射率，則較多光將反射回至該部分漫射反射層，且因此，將獲得一較高光輸出。
本發明人已用實驗發現，一相對高反射率之光學效應可進一步增加該光輸出。若在該(該等)固態光發射器與該部分漫射反射層之間存在一間隙，則該至少一固態光發射器不會變得與在該部分漫射反射層定位於該(該等)固態光發射器頂部上或極接近於該(該等)固態光發射器時一樣溫暖。此情形進一步改良該至少一固態光發射器之效率且可在該固態光發射器或該固態光發射器之一焊接點中達到一臨界溫度之前允許一較高電流負載。因此，實現一較高絕對光輸出。又，若該部分漫射反射層未直接地熱耦合至該至少一固態光發射器，則該部分漫射反射層不會自該至少一固態光發射器接收熱。可有多好地冷卻該部分漫射反射層取決於朝向該基底及該模組被連接至之一可能散熱片之
熱界面的品質。
因此，根據該間隙之存在的該基底反射係數高於該固態光發射器反射係數之一特定組合相比於吾人僅基於藉由該基底之該光反射表面進行較多反射之光學效應而預期的組合導致一較高光輸出。
在一實施例中，該部分漫射反射層包含用於將該第一色彩範圍之該光之至少一部分轉變成一第二色彩範圍之光的發光材料。該第二色彩範圍之該光係藉由該發光材料在所有方向上發射，且此光之一部分亦朝向該至少一固態光發射器或朝向該基底之該光反射表面發射。
在該部分漫射反射層充當一發光層之狀況下，自第一光譜範圍朝向第二光譜範圍之光轉換將光能部分地轉換成熱，通常表示為「斯托克位移(Stokes shift)」損失。此外，實務上，該(該等)發光材料之量子效率(QE)限於(例如)0.9，從而引起包含發光材料之該部分漫射反射層(在下文中被稱為發光層)之進一步變熱。若該發光材料之溫度保持於可接受之極限內，則該發光材料之效率較高。此情形可藉由如下方式而達成：限制該發光材料上之光通量負載(亦即，通量密度分佈)，例如，藉由在該等固態光發射器與該發光層之間施加一特定距離，因此允許該光散播，藉此縮減該發光層上之通量密度。然而，更佳地，在該發光層與該基底之間及在該發光層與該散熱片之間的熱阻經最佳化以達成一低熱阻。此情形可藉由諸如以下各者之各種方式而達成：藉由在該出射窗之周邊處將該發光層耦合
至一熱傳導壁，或藉由在該等發射器與該基底及該發光材料之間施加一熱傳導材料(諸如，一熱傳導玻璃或陶瓷)，或藉由在該發光層上施加熱散播層或結構(諸如，該發光層以熱傳導屬性被附接至之一載體基板)。因此，在此等措施之情況下，在該(該等)固態光發射器與該發光層之間的該間隙引起一更有效率之發光層之光熱效應。
另外，在該至少一固態光發射器與該部分漫射反射層之間的該間隙引起通過該部分漫射反射層之光通量之一更均一分佈，而非在該部分漫射反射層之一極特定面積中之一相對高光通量。又，在該部分漫射反射層包含一發光材料之狀況下，以此方式達成熱力熱點及溫度梯度之縮減。發光材料趨向於對光飽和敏感，此意謂：在高於某一光通量之情況下，該發光材料以一較低效率轉換光。因此，藉由在該(該等)固態光發射器與包含發光材料之該部分漫射反射層之間具有一間隙，會防止該發光材料之光飽和且會改良效率。
在一實施例中，該至少一固態光發射器之該頂部表面面朝該光出射窗。在一實施例中，該等固態光發射器中之一者為一所謂側發射器。在一實施例中，至少一固態光發射器朝向該光出射窗之至少一部分發射光。
在一實施例中，該發光模組包含複數個固態光發射器。該等固態光發射器中每一者經組態以發射在一特定色彩範圍內之光。在另一實施例中，該複數個固態光發射器提供於在該基底與該光出射窗之間的一虛平面上。在一另外實
施例中，該複數個固態光發射器中至少一者朝向該光出射窗之至少一特定部分發射光。或者或另外，該複數個固態光發射器中至少一者具有面朝該光出射窗之一頂部表面。該固態光發射器反射係數經定義為該複數個固態光發射器之該等反射係數之平均值。在一另外實施例中，至少一固態光發射器之該頂部表面面對該光出射窗，且另一固態光發射器之該頂部表面不面對該光出射窗。
在特定實施例中，該光發射器可為複數個固態光發射器之一組合，其中該複數個固態光發射器之發光表面經定位成在一個平面中彼此極接近。極接近意謂在個別固態光發射器之間的距離為大約數十微米，但不大於0.2 mm。此等接近定位之固態光發射器在本發明之內容背景中被視為單一光發射器，亦被稱為多晶粒LED。該頂部表面為該等極接近定位之固態光發射器之該等個別固態光發射器之頂部表面的組合。應注意，極接近置放與該等固態光發射器之晶粒有關，而與固態光發射器之封裝的極接近置放無關。
若提供一個以上固體光發射器，則該發光模組能夠發射較多光。較多光(以絕對值來看)將在該發光模組內被反射且因此返回朝向該等固態光發射器及該基底之該光反射表面發射。因此，若該基底之該光反射表面相比於該等固態光發射器具有一較好反射率，則較多光(以絕對值來看)可藉由經由該反射表面將該光反射回至該部分漫射反射層(且通過該光出射窗)而再循環。另外，具有複數個固態光發射器之該發光模組具有與具有單一固態光發射器之該發
光模組之優點相同的優點。在兩個或兩個以上固態光發射器之狀況下，該等固態光發射器之該等頂部表面之總計面積用於該固態光發射器面積比之計算。
在一實施例中，該基底反射係數之值大於該固態光發射器反射係數加上一因子c乘以在1與該固態光發射器反射係數之間的差。該因子c之值取決於一固態光發射器面積比之值，該固態光發射器面積比經定義為在該至少一固態光發射器之該頂部表面之面積與該基底之該光反射表面之面積之間的比率。若該固態光發射器面積比相對小(亦即，為小於0.1之一值)，則在該因子c大於或等於0.2的情況下提供一相對有效率之發光模組。若該固態光發射器面積比係在一中間範圍內(亦即，在具有大於或等於0.1之一最小值及小於或等於0.25之一最大值的一範圍內)，則在該因子c等於或大於0.3的情況下提供一相對有效率之發光模組。若該固態光發射器面積比相對大(亦即，具有大於0.25之一值)，則在該因子c等於或大於0.4的情況下提供一相對有效率之發光模組。因為一反射係數值不能大於1，所以該因子c具有為1之一最大值。實務上，該固態發射器面積比之值係在介於0與1之間的範圍內。
照射於該部分漫射反射層上的該第一色彩範圍之光歸因於藉由該部分漫射反射層之一表面進行之反射且歸因於內反射及歸因於該部分漫射反射層中之返回散射而散射且朝向該至少一固態光發射器及該基底部分地反射，且亦部分地透射通過該部分漫射反射層。
該至少一固態光發射器歸因於其構造而具有一有限固態光發射器反射係數，此意謂照射於該至少一固態光發射器上之該光之一顯著部分係藉由該至少一固態光發射器吸收。該至少一固態光發射器之該頂部表面反射照射於該頂部表面上之該光之一相對小部分，且彼光之一相對大部分透射至該固態光發射器之核心中。背表面及在該固態光發射器內部之半導體區吸收該光之一顯著部分，且因此，有限量之光(其進入該固態光發射器之該核心中)發射回至該固態光發射器之周圍環境中。詞語「晶粒」常常用於固態光發射器晶片，且兩個術語皆指代供產生光之半導體裝置。該半導體裝置包括實際上產生光之半導體材料，且亦包括電極、分段、導孔、背側鏡面及(例如)保護層。應注意，在一些應用中，固態光發射器在一光透射基板(例如，藍寶石)上生長。在製造之後，該基板仍可存在於固態光發射器晶粒上，且產生於該固態光發射器中之該光係通過該生長基板而發射。術語「頂部表面」不指代該生長基板之一表面，而是指代發射大多數光之該固態光發射器晶粒之一表面。在一些實施例中，通過該頂部表面之該光發射主要地係在該光出射窗之方向上。
應注意，若該基底反射係數充分地高於該固態光發射器反射係數，則該發光模組之效率總體上會實質上改良。另外，在高於取決於該固態光發射器面積比之反射係數之某一差的情況下注意到一顯著改良。因此，根據此實施例，該基底反射係數至少大於該固態光發射器反射係數之值加
上一因子c乘以在1與該固態光發射器反射係數之該值之間的差。若假定Rbase為該基底反射係數且R_SSL為該固態光發射器反射係數，則此準則係藉由如下公式表示：Rbase>R_SSL+c*(1-R_SSL)。因此，若該固態發射器面積比相對小(亦即，小於0.1)(意謂該基底之該反射表面相對於該固態光發射器之該頂部表面之面積具有一相對大面積)，則在c0.2的情況下提供一相對有效率之照明模組。作為一實例，在此狀況下，若R_SSL=0.7，則該基底之該反射表面之該反射係數應大於或等於0.76以達成一相對有效率之發光模組。若該固態發射器面積比係在一中間範圍內(亦即，在具有大於或等於0.1之一最小值及小於或等於0.25之一最大值的一範圍內)(意謂該基底之該反射表面之面積與該固態光發射器之該頂部表面之面積相當)，則在c0.3的情況下提供一相對有效率之照明模組。作為一實例，在此狀況下，若R_SSL=0.7，則該基底之該反射表面之該反射係數應大於或等於0.79以達成一相對有效率之發光模組。若該固態發射器面積比相對大(亦即，大於0.25)(意謂該基底之該反射表面相對於該固態光發射器之該頂部表面之面積具有一相對小面積)，則該因子c應大於或等於0.4以達成一相對有效率之發光模組。作為一實例，在此狀況下，若R_SSL=0.7，則該基底之該反射表面之該反射係數應大於或等於0.82以提供一相對有效率之發光模組。
應注意，該等反射係數為遍及與其有關之一整個表面所
求的平均數。該基底之該光反射表面可包含(例如)相比於其他面積具有較低反射性之面積，諸如，藉由在該基底上使用不同材料及/或不同反射器層厚度。另外，不同波長之光之反射可不同，然而，較佳地，該反射係數為遍及一光譜範圍(其至少包含該第一色彩範圍之光)及遍及一入射角分佈所求的一加權平均值。
在一些狀況下，該至少一固態光發射器附接至一基板(例如，一陶瓷基板)，且該基板與該至少一固態光發射器之組合附接至另一載體層。此載體層可(例如)為亦被稱為絕緣金屬基板(IMS)之一金屬核心印刷電路板(MCPCB)，或一習知PCB(諸如FR4)，或另一陶瓷載體(諸如，氧化鋁或氮化鋁)。在此等情形中，該發光模組之該基底為該另一載體層與該至少一固態光發射器被附接至之該基板之組合。換言之，該基底為經提供有固態光發射器之材料及/或層之組合。因此，在此特定狀況下，該基底反射係數為該等基板與該載體層之反射係數之加權平均值。為了避免疑義，在計算中，該基底之該反射表面之面積不包括藉由該至少一固態光發射器覆蓋之面積。
當該固態發射器面積比相對小(亦即，小於0.1)時，則在0.4c1之狀況下獲得一更有效率之發光模組。對於0.6c1而言，在此狀況下獲得一甚至更有效率之發光模組。當該固態發射器面積比係在一中間範圍內(亦即，在具有大於或等於0.1之一最小值及小於或等於0.25之一最大值的一範圍內)時，則在0.6c1之狀況下獲得一更有效率
之發光模組。對於0.84c1而言，在此狀況下獲得一甚至更有效率之發光模組。若該固態發射器面積比相對大(亦即，大於0.25)，則在0.8c1之狀況下獲得一更有效率之發光模組。
在一實施例中，該至少一固態光發射器提供於該基底之該光反射表面上。為了避免疑義，在計算中，該基底之該反射表面之面積不包括藉由該至少一固態光發射器覆蓋之面積。然而，在其他實施例中，該至少一固態光發射器可定位於提供於該基底與該光出射窗之間的導線之一網路上。在此實施例中，該等導線攜載該(該等)固態光發射器且將電力提供至該(該等)固態光發射器。該等導線可含有一金屬核心及一保護塑膠包層且僅在接觸點處電附接至該發射器之該基板或載體(例如，藉由一焊接點連接)。
在一實施例中，該發光模組包含介入於該基底與該光出射窗之間的一壁。該基底、該壁及該光出射窗圍封一空腔。該壁包含面朝該空腔之一光反射壁表面，且該光反射壁表面具有一壁反射係數，該壁反射係數係藉由在藉由該光反射壁表面反射之光之量與照射於該光反射壁表面上之光之量之間的一比率定義。在此實施例中，一有效反射係數經定義為該基底反射係數與該壁反射係數之一加權平均值，例如，對應於各別表面面積之尺寸而加權。在此實施例中，該有效反射係數至少大於70%且大於該固態光發射器反射係數。因此，若所組合之該基底及該等壁具有所指定之該有效反射係數，則該發光模組相對有效率。
在一另外實施例中，該有效反射係數至少大於該固態光發射器反射係數加上該因子c乘以在1與該固態光發射器反射係數之間的差。用於該因子c之準則相似於用於沒有該等壁之實施例之準則，唯一差異在於：總反射表面現在包含該壁之該反射表面及該基底之該反射表面。因此，該固態發射器覆蓋比現在經定義為在該至少一固態光發射器之該頂部表面之面積與該基底之反射表面之面積同該反射壁表面之面積之總和之間的比率。應注意，與該基底反射係數及該固態光發射器反射係數一致，該壁反射係數為光之一預定義光譜之光之反射的一加權平均值。應注意，該等壁可具有一另外功能，諸如，自該部分漫射反射層(在此實例中，其包含發光材料)朝向該基底傳導熱。該基底常常耦合至一散熱片，且由於在該第一色彩範圍之光轉換成該第二色彩範圍之光的狀況下的熱產生，該發光層可變得相對熱。該等壁之該反射表面輔助達成一相對有效率之發光模組。
在一實施例中，該壁反射係數(亦即，該等壁之該反射係數)至少小於95%，且對於該固態發射器面積比之一相對小值(亦即，小於0.1)而言，在該固態光發射器之該頂部表面與該部分漫射反射層之間的距離係在具有0.3乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最小值及小於0.75乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最大值的一範圍內。對於該固態發射器面積比之中間值(亦
即，在具有大於或等於0.1之一最小值及小於或等於0.25之一最大值的範圍內)而言，在此狀況下之距離係在具有0.15乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最小值及小於0.3乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最大值的一範圍內。對於該固態發射器面積比之一相對大值(亦即，大於0.25)而言，在此狀況下之距離係在具有0.1乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最小值及小於0.2乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最大值的一範圍內。本發明人已發現，對於此等準則而言，獲得一相對有效率之發光模組。
在一實施例中，該壁反射係數大於或等於95%，且對於該固態發射器面積比之一相對小值(亦即，小於0.1)而言，若在該固態光發射器之該頂部表面與該部分漫射反射層之間的距離係在具有0.75乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最小值及2乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最大值的一範圍內，則獲得一相對有效率之發光模組。對於該固態發射器面積比之中間值(亦即，在具有大於或等於0.1之一最小值及小於或等於0.25之一最大值的一範圍內)時，在此狀況下之距離係在具有0.3乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最小值及0.7乘該頂部表面之
該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最大值的一範圍內。對於該固態發射器面積比之一相對大值(亦即，大於0.25)時，在此狀況下之距離係在具有0.2乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最小值及0.5乘該頂部表面之該最大線性尺寸(或該頂部表面之該最大線性尺寸之平均值)之一最大值的一範圍內。
在本發明之一實施例中，該反射基底表面之至少一部分比該固態光發射器之該頂部表面更接近於該部分漫射反射層。在此實施例中，若在該頂部表面與該部分漫射反射層之間的距離係在對於一固態光發射器面積比小於0.1而言具有為0.4*dSSL+△h/2之一最小值及為5*dSSL+△h/2之一最大值、對於一固態光發射器面積比在具有大於或等於0.1之一最小值及小於或等於0.25之一最大值的一範圍內而言具有為0.15*dSSL+△h/2之一最小值及為3*dSSL+△h/2之一最大值或對於一固態光發射器面積比大於0.25而言具有為0.1*dSSL+△h/2之一最小值及為2*dSSL+△h/2之一最大值的一範圍內，則獲得一有效率之發光模組。參數dSSL為該至少一固態光發射器之該頂部表面之該最大線性尺寸，且參數△h為在如下兩個距離之間的差之絕對值：在該至少一固態光發射器之該頂部表面與該部分漫射反射層之間的距離；及在該反射基底表面與該部分漫射反射層之間的距離或平均距離。在複數個固態光發射器之狀況下，使用平均值。在此實施例中，該基底具有(例如)一或多個凹部，其中置
放該(該等)固態光發射器。
在一實施例中，該壁包含以下材料中至少一者：鋁、銅、比如氧化鋁之陶瓷、諸如聚醯胺或詩貝倫(spectralon)之熱傳導聚合物。
在另一實施例中，該基底之該光反射表面及/或該光反射壁表面中至少一者包含一光反射塗層、一光反射模製件、一光反射陶瓷或一光反射箔。一光反射塗層可用以增加該等各別光反射表面之反射率，藉此改良該發光模組之效率。在一較佳實施例中，該基底及/或該壁之該光反射表面漫散射光，其可藉由一白色塗層而獲得。一漫散射表面進一步改良該發光模組之光再循環效率。在另一實施例中，該基底及/或該壁之該光反射表面可進行鏡面反射，其可藉由一金屬鏡面(例如，受保護銀或鋁)而獲得。在一另外實施例中，該基底及/或該壁之該光反射表面可為一漫散射材料與一鏡面反射材料之一組合。
在一另外實施例中，該光反射壁表面相對於該基底之一法線軸線而傾斜以用於增加光朝向該光出射窗之該反射。在又一實施例中，該光反射壁表面彎曲以用於增加光朝向該光出射窗之該反射。此傾斜壁表面或彎曲壁表面引起一凸形空腔(自該空腔之內部來看)。另外，該傾斜或該彎曲係使得觸碰係基底的該光反射壁表面之邊緣比觸碰該部分漫射反射層的該光反射壁表面之邊緣彼此更接近。具有此傾斜或彎曲光反射壁表面之該凸形空腔較好地朝向該部分漫射反射層(且因此朝向該光出射窗)反射照射於該光反射
壁表面上之該光。至少部分地防止了光藉由該光反射壁表面反射至該空腔之內部，反射至該空腔之內部會引起在另一反射點處或藉由該固態光發射器之較多吸收。因此，該發光模組之效率增加。此情形在該固態光發射器面積比之一相對高值下尤其有利。
在一實施例中，該部分漫射反射層形成該光出射窗。該部分漫射反射層具有一邊緣，且該部分漫射反射層之該邊緣接觸該基底。根據該實施例之一構造防止在該部分漫射反射層與該基底之間的壁之使用，此情形在某些應用中可有利。在此實施例中，該空腔係藉由該光出射窗及該基底形成。另外，其可引起一較寬角光輸出分佈。
在另一實施例中，該發光模組包含配置於該一或多個固態光發射器與該發光層之間的一實質上透明材料，該透明材料光學地耦合至該一或多個固態光發射器。該實質上透明材料輔助來自該固態光發射器之光之輸出耦合。一般而言，一固態光發射器之材料具有一相對高折射率，且因而，顯著量之光由於全內反射(TIR)而被俘獲於該固態光發射器內。該實質上透明材料具有比(例如)空氣之折射率更接近於該固態光發射器之該折射率的一折射率，且因此，較多光發射至該透明材料中，且因此最終離開該發光模組。該透明材料可具有接近於該固態光發射器之該折射率的一折射率。若該固態光發射器為LnGaN材料之類型，則該發射器之該折射率接近於2.4，且附接至該發射器表面之一高折射率玻璃或陶瓷將自晶片提取最多光。該透明
材料可包含施加於各種層中或施加為混合物之各種材料。舉例而言，一高折射率陶瓷基板可用一高折射率玻璃或高折射率樹脂而接合至該至少一固態光發射器。該實質上透明材料可為(例如)置放於該至少一固態光發射器上之一圓頂或一平坦囊封物。在一實施例中，該透明材料之該折射率高於1.4。在另一實施例中，該透明材料之該折射率高於1.7。
在一另外實施例中，該實質上透明材料光學地及熱耦合至該發光層。舉例而言，在該基底與該部分漫射反射層之間的整個空間經填充有該透明材料，且因此，該透明材料亦光學地耦合至該部分漫射反射層，從而在該部分漫射反射層與該空腔之間的界面處引起較少反射。因此，較多光發射至該發光模組之環境中。另外，若該透明材料接觸該部分漫射反射層，則該透明材料亦熱耦合至該部分漫射反射層且輔助自該部分漫射反射層朝向(例如)該基底之熱傳導。其引起一較不溫暖之部分漫射反射層，一般而言，該部分漫射反射層更有效率且具有一較長壽命。舉例而言，在該部分漫射反射層為一發光層之狀況下，相比於一氣隙，該透明材料因此在該發光材料與該基底之間提供一增強型熱接觸。因為空氣具有約0.025 W/mK之熱導率，所以具有約0.3 W/mK之熱導率之聚矽氧樹脂將提供一較好熱界面，而比如約1.0 W/mK之熱導率之鈉鈣玻璃的玻璃基板甚至更好，而約1.3 W/mK之硼矽玻璃或熔融矽石玻璃、約30 W/mK之半透明多晶氧化鋁基板及42 W/mK之藍寶石基板
好得多。視情況，該實質上透明材料可為燒結半透明多晶氧化鋁，其中顆粒尺寸較佳地大於44 μm或較佳地小於1 μm以提供與極好熱效能組合之相對高半透明度。
在另一實施例中，該實質上透明材料包含以下各者中至少一者：透明樹脂、透明凝膠、透明液體、透明玻璃、透明聚合物及透明陶瓷。透明指代在第一波長範圍及第二波長範圍之光譜區中不存在實質光吸收。可在該等透明層中允許一些有限散射位準，尤其是在此散射為一前向散射類型的情況下。因此，可(例如)藉由使用一稍微混濁材料之一半透明層而在該發光材料與該基底之間的該實質上透明材料中允許一些散射中心。
在一另外實施例中，該發光材料包含以下各者中至少一者：無機磷光體、有機磷光體、陶瓷磷光體及量子點，或另一螢光材料，或此等者之混合物。應注意，該發光層可包含一載體層(例如，一玻璃基板)及一發光材料層，或該發光層包含在一載體層中的該發光材料之隨機分佈粒子，或在陶瓷磷光體之狀況下，該實質上整個發光層為該發光材料。亦應注意，該發光層可由堆疊或緊密地間隔之各種分離的發光層組成。不同發光材料可用於不同層。然而，該等發光材料亦可在相同層中混合在一起。無機發光材料之實例可包括(但不限於)摻Ce型YAG(Y3Al5O12)或LuAG(Lu3Al5O12)。摻Ce型YAG發射黃色光，且摻Ce型LuAG發射黃綠色光。發射紅色光之其他無機發光材料之實例可包括(但不限於)ECAS(ECAS，其為Ca1-xAlSiN3：Eux；其中0<x1；
尤其是x0.2)及BSSN(BSSNE，其為Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy：Euz(M=Sr、Ca；0x1，尤其是x0.2；0y4，0.0005z0.05))。
在一實施例中，該光出射窗進一步包含用於獲得一漫射光發射、用於獲得一空間上色彩及角度上色彩均一光發射且用於獲得一色彩混合光發射之一漫射器層。該光出射窗亦可包含用於校正角度上色彩變化或光均一性之一雙向色層。除了藉由該發光層影響光發射特性以外，亦可使用其他光學層以影響通過該光出射窗而發射至該發光模組之環境(諸如，用於提供一所要光射束形狀之一光學元件)中之光的特性。
在一實施例中，用於獲得一漫射光發射、用於獲得一空間上色彩及角度上色彩均一光發射且用於獲得一色彩混合光發射之一漫射器層經提供成與背對該至少一固態光發射器的該部分漫射反射層之一側相隔一距離。
在一實施例中，一偏振元件定位於背對該至少一固態光發射器的該部分漫射反射層之一側處。
根據本發明之一第二態樣，提供一種燈，該燈包含根據本發明之發光模組。該燈可包含複數個發光模組。該燈可包含一改型電燈泡、一改型抛物面鍍鋁反射器(PAR)燈、一聚光燈、一向下照明器燈、一改型鹵素燈或一改型電燈管。
根據本發明之一第三態樣，提供一種燈具，該燈具包含根據本發明之一發光模組或包含根據本發明之一燈。該燈
具可包含複數個發光模組。
根據本發明之一第四態樣，提供一種顯示裝置，該顯示裝置包含根據本發明之發光模組。在使用中，該發光模組可充當一LCD顯示裝置之一背光單元。因為該發光模組產生相對有效率之(偏振光)，所以該顯示裝置之成本位準縮減。
分別根據本發明之第二態樣、第三態樣及第四態樣之燈、燈具及顯示裝置提供與根據本發明之第一態樣之發光模組之益處相同的益處且具有相似實施例，該等相似實施例具有與該發光模組之對應實施例之效應相似的效應。
在此內容背景中，一色彩範圍之光通常包含具有一預定義光譜之光。該預定義光譜可(例如)包含具有圍繞一預定義波長之一特定頻寬之一原色，或可(例如)包含複數個原色。該預定義波長為一輻射功率譜分佈之一平均波長。在此內容背景中，一預定義色彩之光亦包括不可見光，諸如，紫外光。舉例而言，一原色之光包括紅色光、綠色光、藍色光、黃色光及琥珀色光。該預定義色彩之光亦可包含原色之混合物，諸如，藍色及琥珀色，或藍色、黃色及紅色。應注意，該第一色彩範圍亦可包含人眼不可見之光，此等光為紫外光或紅外光。術語「紫色光」或「紫色發射」尤其係關於具有在約380 nm至440 nm之範圍內之波長的光。術語「藍色光」或「藍色發射」尤其係關於具有在約440 nm至490 nm之範圍內之波長的光(包括一些紫色色調及青色色調)。術語「綠色光」或「綠色發射」尤其
係關於具有在約490 nm至560 nm之範圍內之波長的光。術語「黃色光」或「黃色發射」尤其係關於具有在約560 nm至590 nm之範圍內之波長的光。術語「橙色光」或「橙色發射」尤其係關於具有在約590 nm至620 nm之範圍內之波長的光。術語「紅色光」或「紅色發射」尤其係關於具有在約620 nm至750 nm之範圍內之波長的光。術語「琥珀色光」或「琥珀色發射」尤其係關於具有在約575 nm至605 nm之範圍內之波長的光。術語「可見光」或「可見發射」指代具有在約380 nm至750 nm之範圍內之波長的光。
本發明之此等及其他態樣自下文所描述之實施例變得顯而易見且將參考下文所描述之實施例予以闡明。
熟習此項技術者應瞭解，本發明之上述實施例、實施及/或態樣中之兩者或兩者以上可以被認為有用的任何方式予以組合。
此外，[實施方式]及申請專利範圍中之術語「第一」、「第二」、「第三」及其類似者用於區分相似元件且未必用於描述依序或序時次序。應理解，如此使用之術語在適當情況下可互換，且本文所描述之本發明之實施例能夠以除了本文所描述或說明之序列以外的其他序列進行操作。
熟習此項技術者可基於本發明之[實施方式]而進行對應於發光模組之所描述修改及變化的發光模組、燈、燈具及/或顯示裝置之修改及變化。
應注意，在不同圖中藉由相同參考數字表示之項目具有
相同結構特徵及相同功能，或為相同信號。在已解釋此項目之功能及/或結構的情況下，沒有必要在[實施方式]中對其進行重複解釋。
該等圖係純粹地圖解的且未按比例繪製。特別出於清晰性起見而極大地誇大一些尺度。
圖1中展示第一實施例，其展示根據本發明之第一態樣之發光模組100的橫截面。發光模組100具有光出射窗104。此實施例中之光出射窗104係藉由包含發光材料之發光層102形成。發光材料將照射於發光材料上的第一色彩範圍114之光之至少一部分轉換成第二色彩範圍116之光。在發光模組100之另一側處，提供基底110，其具有面朝光出射窗104之光反射表面112。在基底110上，提供固態光發射器108，其在使用中朝向光出射窗104之部分發射第一色彩範圍114之光。基底通常具備用以接觸固態光發射器108之晶粒或複數個晶粒以提供電力之電極結構。諸圖中未展示電極結構。藉由固態光發射器108覆蓋的基底110之表面未包括於基底110之光反射表面112中。
光反射表面112具有基底反射係數Rbase，其係藉由在藉由光反射表面112反射之光之量與照射於光反射表面112上之光之量之間的比率定義。固態光發射器108具有固態光發射器反射係數R_SSL，其係藉由在藉由固態光發射器108反射之光之量與照射於固態光發射器108上之光之量之間的比率定義。應注意，該等反射係數兩者為與不同波長之光有關之反射係數的平均值，例如，遍及第一色彩範圍
114之光及第二色彩範圍116之光所求的(加權)平均值。
發光層102未直接地定位於固態光發射器108之頂部表面106上，但其經配置成與固態光發射器108相隔距離h。若固態光發射器108發射第一色彩範圍114之光，則第一色彩範圍114之光之至少一部分係藉由發光層102朝向基底110及固態光發射器108反射。由於在光照射之表面處之反射，或由於內反射或背散射，第一色彩範圍114之光之部分係藉由發光層102反射。反射回之光部分地照射於固態光發射器108上且部分地照射於基底110之光反射表面112上。
第一色彩範圍114之光之另一部分可通過發光層102而透射至發光模組100之環境中。第一色彩範圍114之光之另外部分係藉由發光材料轉換成第二色彩範圍116之光。發光材料在複數個方向上發射第二色彩範圍116之光，且因此，第二色彩範圍116之光之一部分發射至發光模組100之環境中，且第二色彩範圍116之光之另一部分朝向基底110及固態光發射器108發射。
照射於固態光發射器108之頂部表面106上之光被部分地反射且部分地透射至固態光發射器108之半導體材料中。在固態光發射器108內部，光之一部分被吸收，且光之某一其他部分返回朝向頂部表面106反射且返回朝向光出射窗104發射。固態光發射器反射係數R_SSL之值定義照射光之哪一部分被反射回，且值(1-R_SSL)定義有多少照射光係藉由固態光發射器108吸收。實務上，固態光發射器
108具有固態光發射器反射係數R_SSL之相對低值，通常為大約0.7。
藉由發光層朝向基底110反射、散射(亦即，漫射反射)或發射且未照射於固態光發射器108上之光在很大程度上係藉由基底110之光反射表面112反射。然而，少量光仍可在該表面處或在底層中被吸收。基底反射係數Rbase定義照射光之哪一部分係藉由光反射表面112反射回，且值(1-Rbase)定義有多少照射光係藉由光反射表面112吸收。
基底反射係數Rbase及固態光發射器反射係數R_SSL之值始終為介於0與1之間的值。應注意，當判定固態光發射器反射係數R_SSL時未考量藉由固態光發射器108產生之光之量。所反射之光之部分為照射於固態光發射器108上之光之量的部分。
根據本發明，基底反射係數Rbase之值至少大於固態光發射器反射係數R_SSL之值。較佳地，基底反射係數Rbase之值至少大於固態光發射器反射係數R_SSL之值加上因子c乘以在1與固態光發射器反射係數R_SSL之間的差。因此，Rbase>R_SSL+c‧(1-R_SSL)。因此，平均起來，光反射表面112之光反射性大於固態光發射器108之光反射性，其中一值為c乘以在全反射固態光發射器(亦即，100%之反射率)與所使用之固態光發射器108之實際反射率之間的差之至少一值。因子c取決於固態光發射器108之總面積相對於基底110之總反射面積，其在下文中被稱為固態光發射器面積比ρSSL：ρSSL=(A_SSL/Abase)，其中A_SSL
表示固態光發射器108之頂部表面106之總面積，且Abase表示基底110之反射表面112之總面積。實務上，固態光發射器面積比ρSSL具有為1.0之最大值。若固態光發射器面積比ρSSL之值小於0.1(亦即，ρSSL<0.1，指示基底110之反射面積相對於固態光發射器108之頂部表面106之面積相對大)，則因子c應滿足準則c0.2，以便具有相對有效率之發光模組。若0.1ρSSL 0.25(指示基底110之反射面積與固態光發射器108之頂部表面106之面積相當)，則因子c應滿足準則c0.3，以便具有相對有效率之發光模組。若ρSSL>0.25(指示基底110之反射面積相對於固態光發射器108之頂部表面106之面積相對小)，則因子c應滿足準則c0.4，以便具有相對有效率之發光模組。實務上，在所有狀況下之因子c之值小於1.0。
因為實質量之光係藉由發光層102在遠離發光層102之方向上朝向基底110反射、散射或發射，所以有利的是藉由將此光反射回至光出射窗104而再使用此光以改良發光模組100之效率。常常不能選擇固態光發射器反射係數R_SSL，此係因為其為必須用於發光模組100之特定固態光發射器108之固定特性。因此，為了改良發光模組100之效率，有利的是具有比固態光發射器108更好地反射照射光的基底110之光反射表面112。另外，已發現，若Rbase>R_SSL+c‧(1-R_SSL)，則可獲得顯著效率改良。
本發明人已進一步發現，若對於0.0<ρSSL<0.1而言c0.4、對於0.1ρSSL 0.25而言c0.6且對於ρSSL>0.25而言
c0.8，則達成甚至更有效率之發光模組。若對於0.0<ρSSL<0.1而言c0.6且對於0.1ρSSL 0.25而言c0.84，則達成又更有效率之發光模組。
部分漫射反射光之屬性對於達成根據有效率的有效率之發光模組係重要的，且因此，根據本發明，發光層亦可藉由具有部分漫射反射屬性(其中入射光被部分地漫射反射且被部分地透射)之另一層替換。
取決於應用，關於發光模組之流明輸出(lumen output)以及發光模組及固態光發射器之發光面積之尺寸而存在針對發光模組之不同要求。對於需要流明強度之特定角分佈的應用，通常應用射束塑形光學元件。為了將固態光發射器光射束之射束輪廓(其通常接近於朗伯(Lambertian)發射器輪廓)轉換成準直射束，有必要使初始發光尺寸保持相對小。在此狀況下，發光模組之亮度應相對高，其係藉由流明輸出判定且與固態光發射器108之發光表面106之總面積有關，其(例如)亦可藉由使用一個以上固態光發射器108而增加。對於此等應用，需要相對高之固態光發射器面積比ρSSL。一實例為用於改型鹵素燈之模組。
在對發光模組之亮度位準、特定射束形狀或固態光發射器108之總發射面積沒有嚴格要求的應用中，較佳的是具有相對於固態光發射器108之部分吸收表面106相對大之反射基底表面112，以便提供更有效率之光再循環及較高效率。對於此等應用，相對低之固態光發射器面積比ρSSL係較佳的。一實例為在改型燈泡應用中所實現之高流明封
裝，其對發光模組之幾何形狀強加僅有限限定。
應注意，反射係數為遍及與其有關之整個表面所求的平均數。基底之光反射表面可包含(例如)相比於其他面積具有較低反射性之面積。另外，具有不同波長且在不同入射角下之光之反射可不同。較佳地，反射係數係遍及光譜範圍且遍及入射角分佈求平均值，例如，遍及日光之光譜範圍求平均值，或遍及包含特定量之第一色彩範圍及特定量之第二色彩範圍的光譜範圍求平均值。量測反射率係數常常係藉由將光譜範圍之準直光射束指向反射率必須被量測之物件且量測反射光之量而執行。此情形通常係在一或多個入射角下進行，且反射係數為在不同入射角之狀況下所獲得之反射係數的加權平均值，其中權重因子取決於在各種入射角下照射於發光模組中之物件上之光之量。
在一些狀況下，固態光發射器附接至基板(例如，陶瓷或矽基板)，且基板與固態光發射器之組合附接至另一載體層。此載體層可(例如)為亦被稱為絕緣金屬基板(IMS)之金屬核心印刷電路板(MCPCB)，或習知PCB(諸如，FR4)，或另一陶瓷載體(諸如，氧化鋁或氮化鋁或矽基板)。在此等情形中，發光模組之基底為另一載體層與固態光發射器被附接至之基板之組合。換言之，基底為經提供有固態光發射器之材料及/或層之組合。因此，在此特定狀況下，基底反射係數為基板與載體層之反射係數之加權平均值。沒有必要使固態光發射器被附接至之基板或載體基板完全地平坦。通常，在具有物理高度之基板上將存在金屬電極
(諸如，導電銅軌道)以將電力供應至發射器。又，可存在施加至表面之熱散播層。載體之基板之部分可局域地較厚以達成額外支撐結構(例如，用於夾持模組或將準直器附接至模組)，或界定緣邊(例如，用以使光學功能與電功能分離)。其他電組件可存在於基板或載體上，諸如，電容器、比如NTC之溫度感測器、電阻器、ESD保護二極體、齊納(Zener)二極體、變阻器、諸如光電二極體之光感測器，或積體電路(IC)。此等組件可很可能置放於光學出射窗之周邊外部，但原則上亦可置放於光學出射窗之周邊內部。在後者狀況下，此等組件將促成基底之平均反射比。此等組件可經覆蓋有反射層以最小化光學損失。
圖1b展示根據本發明之第一態樣之發光模組150之另一實施例。發光模組150具有相似於發光模組100之結構的結構，然而，提供複數個固態光發射器154、156，其朝向發光層102發射第一色彩範圍114之光。關於發光模組150，固態發射器光反射係數R_SSL經定義為複數個固態光發射器154、156之光反射係數之平均值。
如在圖1b中所見，發光模組150之固態光發射器面積比ρSSL大於發光模組100之此比率，其中對於ρSSL之計算，固態光發射器之頂部表面152、158之總計面積應以A_SSL取代。因此，相比於在發光模組100中，在發光模組150中，相對較大量之光照射於固態光發射器154、156上，且因此，相對較大量之光係藉由固態光發射器154、156吸收。發光模組150為如下發光模組之實例：其中面積比ρSSL大於
0.25，且其中因子c之值應大於或等於0.4，以便具有相對有效率之發光模組。
應注意，在其他實施例中，不同固態光發射器154、156發射不同色彩範圍。此外，發光層102可包含不同發光材料，每一發光材料具有一不同轉換特性，使得透射通過光出射窗104之光並不會僅僅包含第一色彩範圍114及第二色彩範圍116。
在圖1a及圖1b中，固態光發射器108、154、156中每一者具有面朝光出射窗104及發光層102之頂部表面106、152、158。頂部表面106、152、158為在發光層之方向上主要地發射第一色彩範圍114之光所通過的表面。在固態光發射器108、154、156之頂部表面106、152、158與面對頂部表面106、152、158的發光層102之表面之間的距離為距離h，其經定義為在固態光發射器108、154、156之頂部表面106、152、158與面對頂部表面106、152、158的發光層102之表面之間的最短線性路徑之長度。
本發明人已用實驗發現，藉由光反射表面進行較多反射之光學效應並不為促成較高光輸出之唯一因素。在固態光發射器108、154、156與發光層102之間的間隙及距離h亦促成發光模組之效率及光輸出。頂部表面106、152、158中每一者具有經定義為頂部表面106、152、158上沿著一線之最大線性距離的最大線性尺寸dSSL。若頂部表面為圓形，則最大線性尺寸dSSL為圓之直徑之長度。若頂部表面具有正方形或矩形之形狀，則最大線性尺寸dSSL為正方形
或矩形之對角線之長度。本發明人已認識到，若距離h太小，則太多光返回照射於固態光發射器108、154、156上，使得太多光係藉由固態光發射器108、154、156吸收。且，本發明人已進一步認識到，若距離h大於特定值，則相比於發射回至光反射表面之光之量，發射回至固態光發射器108、154、156之光之量可使得在距離h進一步增加之狀況下不可獲得顯著效率改良。此外，本發明人已發現，引起相對有效率之發光模組的距離h之值範圍取決於固態光發射器面積比ρSSL。對於ρSSL<0.1而言，在頂部表面106、152、158與發光層102之間的距離h較佳地係在具有0.3乘頂部表面106、152、158之最大線性尺寸dSSL之最小值且具有5乘頂部表面106、152、158之最大線性尺寸dSSL之最大值的範圍內。對於0.1ρSSL 0.25而言，在頂部表面106、152、158與發光層102之間的距離h較佳地係在具有0.15乘頂部表面106、152、158之最大線性尺寸dSSL之最小值且具有3乘頂部表面106、152、158之最大線性尺寸dSSL之最大值的範圍內。對於ρSSL>0.25而言，在頂部表面106、152、158與發光層102之間的距離h較佳地係在具有0.1乘頂部表面106、152、158之最大線性尺寸dSSL之最小值且具有2乘頂部表面106、152、158之最大線性尺寸dSSL之最大值的範圍內。
若在上文所呈現之公式及準則中因子c大於上文所提及之值，則發光模組100及150可甚至更有效率。相對於直接地在頂部表面上具有發光層之固態光發射器，可獲得大約
40%之效率增加。
在發光模組150中，提供複數個光發射器154、156，且複數個光發射器154、156中每一者可具有至發光層102之不同距離。若距離不同，則距離之平均值應在上文所界定之範圍中之一者內。若固態光發射器154、156各自具有其頂部表面152、158之不同形狀及/或尺寸，則最大線性尺寸dSSL經定義為複數個固態光發射器154、156之頂部表面之最大線性尺寸dSSL的平均值。
若在固態光發射器108、154、156與發光層102之間存在間隙及距離h，則固態光發射器108、154、156不會變得與在發光層102定位於固態光發射器108、154、156頂部上或極接近於固態光發射器108、154、156之狀況下一樣溫暖。在此狀況下，發光層102未直接地熱耦合至固態光發射器108、154、156且在較小程度上提供或接收固態光發射器108、154、156之熱。若發光材料之溫度保持於可接受之極限內，則發光材料之效率較高。另外，若固態光發射器108、154、156之溫度保持於可接受之極限內，則固態光發射器108、154、156之效率較高。因此，在固態光發射器108、154、156與發光層102之間的距離h引起更有效率之發光層102之光熱效應。另外，在固態光發射器108、154、156與發光層102之間的距離h引起通過發光層102之更均一光通量分佈，而非在發光層102之極特定面積中之相對高光通量。發光材料趨向於對光飽和敏感，此意謂：在高於某一通量值之情況下，發光材料以較低效率轉
換光。又，一些發光材料或此等材料之黏合劑(諸如，有機磷光體或有機黏合劑)趨向於對光降解敏感，此意謂：在高於某一通量值之情況下，發光材料或黏合劑開始降解，此情形通常引起效率降低。因此，藉由在固態光發射器108、154、156與發光層102之間產生距離h，防止發光材料之光飽和及光降解效應。又，距離h輔助達成在出射窗中之更均一光輸出分佈且輔助混合在第一光譜範圍與第二光譜範圍之間的色彩分佈。因此，空間色彩均勻性及角色彩均勻性兩者得以改良。此情形可用固態光發射器頂部上或光出射窗中之漫射器或雙向色層予以進一步增強。
固態光發射器108、154、156可為發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)或(例如)雷射二極體(例如，垂直共振腔面射型雷射(VCSEL))。
圖2a及圖2b呈現根據本發明之第一態樣之發光模組200、250的俯視圖。若吾人面朝經由光出射窗而經提供有固態光發射器的發光模組200、250之基底之表面，則見到所呈現之俯視圖。應注意，圖2a及圖2b中未繪製發光層。
在圖2a中，繪製基底之光反射表面204及固態光發射器之頂部表面206。箭頭202指示固態光發射器之頂部表面206之最大線性尺寸dSSL。固態光發射器之頂部表面206之面積為LwLh。基底之光反射表面204之面積為(BwBh-LwLh)，其為基底之總面積減去藉由固態光發射器佔據的基底之面積。因此，基底之光反射表面204之面積不包括藉由固態光發射器佔據的基底之面積。
圖2b展示光反射表面254、第一固態光發射器之第一頂部表面256，及第二固態光發射器之第二頂部表面258。矩形第一固態發射器之最大線性距離係藉由箭頭252指示。第一固態光發射器之第一頂部表面256之面積為L1wL1h。第二固態光發射器之第二頂部表面258為圓形且其直徑係用箭頭260指示。第二固態光發射器之第二頂部表面258之面積為¼π(L2d)2。在此狀況下，基底之光反射表面254之面積為(BwBh-L1wL1h-¼π(L2d)2)。
圖3a呈現包含空腔316之發光模組300之實施例。發光模組300包含具有在空腔316內部之光反射表面306之基底309。在光反射表面306上提供朝向光出射窗發射在第一色彩範圍內之光之固態光發射器312。光出射窗係藉由發光層308形成。在基底309與發光層308之間提供壁314，在此狀況下，四個壁314。壁314之內部表面304具有光反射性且具有壁反射係數Rwall。壁反射係數為在藉由壁314之光反射表面304反射之光之量與照射於壁314之光反射表面304上之光之量之間的比率。固態光發射器312具有固態光發射器反射係數R_SSL。基底309之光反射表面306具有基底反射係數Rbase。圖1a及圖1b之描述中給出基底反射係數及固態光發射器反射係數之定義。
壁314可由各種材料組成。諸如當使用散射陶瓷(諸如，反射氧化鋁、氧化鋯或其他陶瓷)、散射玻璃、散射著色聚合物(諸如，白色聚醯胺)或散射含氟聚合物(比如，詩貝倫或散射聚矽氧樹脂)時，壁材料可提供高反射率。壁314
亦可由諸如鋁或銀之金屬材料組成。金屬可為金屬箔或膜，諸如，具有商標名Alanod之高度反射商用金屬鏡面。
壁材料亦可具有低反射率且經覆蓋有反射層。在此狀況下，壁可包含比如熱傳導聚合物之另一材料(諸如，碳填充塑膠(例如，聚醯胺))，或比如銅、鎳、不鏽鋼之金屬材料，或諸如氮化鋁(AlN)之陶瓷材料。此等材料通常具有有益之高熱導率，例如，銅=~400 W/mK、AlN=~140 W/mK。反射層可為塗層、膜或薄層。反射層可(例如)為用散射粒子(諸如，TiO2或ZrO2)著色的白色聚矽氧或白色溶膠凝膠(例如，以烷基矽酸鹽為基礎之材料)之澆鑄、浸漬、施配或噴射層。或，反射層可(例如)為諸如可蒸鍍或濺鍍於壁材料上之受保護銀或鋁的薄金屬塗層。壁314可呈多種形狀，例如，諸如環之圓形、圓柱形、正方形或三角形。壁可含有諸如散熱片之表面結構，以便促進冷卻。
壁材料亦可由薄膜層(諸如，僅反射器塗層或膜)組成。在此狀況下，壁反射器可覆蓋存在於基底與發光材料之間的固體材料之邊緣，諸如，玻璃或陶瓷基板之周邊。
壁可為漫射反射器或鏡面反射器。在一些實施例中，鏡面反射壁相比於漫射反射壁展示較好效能，且在其他實施例中，漫射反射壁相比於鏡面反射壁展示較好效能。
另外，基底306及壁314可包含熱傳導材料。發光層308較佳地在發光層308之邊緣處熱連接至壁314。舉例而言，熱傳導膏或熱傳導黏接劑可用以將發光層308連接至壁314。在基底306處，可提供對散熱片(未圖示)之界面。基
底306可為散熱片之部分，或基底306可構成散熱片。固態光發射器312提供於空腔316內且應用於光反射基底306。在固態光發射器312與光反射基底306之間的接觸係使得固態光發射器312熱耦合至基底306。固態光發射器312可焊接至或用熱傳導黏接劑(例如，金屬粒子填充黏接劑)而膠合至光反射基底306。空腔316之基底306及或壁314可含有熱導孔以進一步改良熱轉移。舉例而言，基底306可由含有用銅予以金屬化之通孔之氧化鋁陶瓷製成。銅具有較高熱導率(相比於氧化鋁(20 W/mK至30 W/mK)，大約400 W/mK)。固態光發射器312亦可用通過空腔316之基底306之電導孔而連接至電源。電導孔亦可傳導熱。
發光層可包含用於將在第一色彩範圍內之光轉換成第二色彩範圍之光的磷光體。第二色彩範圍較佳地不同於第一色彩範圍--然而，該等範圍可部分地重疊。磷光體可為黃色磷光體，比如，YAG：Ce、LuAG：Ce或LuYAG：Ce，其用於將藉由固態光發射器產生之藍色光部分地轉換成黃色光，使得可獲得組合式實質白色光發射。在另一實施例中，磷光體可為完全轉換磷光體，比如，BSSNE：Eu或ECAS：Eu，其分別用於將藍色光完全地轉換成琥珀色光或紅色光。發光層可包含磷光體(例如，YAG：Ce及ECAS：Eu)之組合以獲得較溫暖白色光發射。
將第一色彩範圍之光轉換成第二色彩範圍之光具有高效率，然而，一些光被吸收且轉換成熱。尤其是在高功率固態光發射器的情況下，吸收能量之量可相對高。若發光層
308變得太熱(例如，大於200℃)，則發光層之效率可能會降級。另外，發光層可包含如下材料：該等材料在高溫下降解，使得其光發射特性亦降級。在發光模組中，所產生熱係經由壁及基底而朝向散熱片轉移。因而，發光層不會變得太熱。
發光層可為經由磷光體之粉末粒子之燒結而製造為熔融巨觀本體或由在反應性燒結程序中形成磷光體之前軀體粉末製造的陶瓷磷光體。此陶瓷磷光體產生於板中，且此等板經機械地分割以給出匹配於光出射窗之適當尺寸。應注意，單一發光材料薄片(比如，陶瓷磷光體薄片)可覆蓋複數個相鄰空腔。
陶瓷磷光體為相對良好的熱導體。熱導率取決於陶瓷磷光體之類型及殘餘孔隙率。作為一實例，陶瓷摻Ce型YAG磷光體之典型熱導率在室溫下為9 W/mK至13 W/mK。諸如聚矽氧或有機聚合物之黏合劑樹脂中之粉末磷光體層之典型熱導率受到具有約0.15 W/mK至0.3 W/mK之熱導率之黏合劑支配。陶瓷磷光體層之厚度可為約10微米至300微米(通常為約100微米)，且因此為剛性自支撐式，因此，發光層無需額外支撐基板。
發光層亦可為經沈積有包含磷光體粒子之半透明樹脂層之玻璃基板。舉例而言，粉末具有分散於黏合劑(通常，聚矽氧樹脂)中之磷光體粒子。然而，較佳地，黏合劑為諸如具有約1 W/mK之典型熱導率之玻璃或溶膠凝膠衍生矽酸鹽或烷基矽酸鹽的較好熱傳導材料。發光層亦可包夾
於兩個其他層之間，例如，發光層施加於玻璃層上且玻璃層施加於發光層頂部上，此情形改良熱散播。其他層組合之實例為陶瓷層-發光層-玻璃層及陶瓷層-發光層-陶瓷層。
在一實施例中，額外層置放於充當漫射器之發光層頂部上，使得發光模組300以改良型角色彩均一性在複數個輸出方向上發射光。相比於轉換在與法線成大角度下行進之光，發光層將較少地轉換差不多垂直地通過發光層而行進之光。在使用部分轉換發光層之狀況下，相比於在大角度下，此情形誘發在接近法線角的情況下發射較多光(通常為藍色)。此情形導致隨著角度而變化的不可接受之色彩變化。漫射器在朝向周圍環境發射之前擾亂光以改良角度上色彩均一性。漫射器較佳地進行主要前向散射。
或者，雙向色或干涉層可存在於發光層頂部上以校正通過發光層而發射之光中之角度上色彩誤差。雙向色層由光所干涉的具有交替較高折射率及較低折射率之眾多薄層組成。雙向色層之光學特性係使得藍色光在接近法線的情況下被較多地反射，且在較大角度下以漸進方式被較少地反射或未被反射。通過磷光體接近法線之藍色固態光發射器之過剩接著係藉由雙向色層之較高背反射予以補償。背反射藍色光將部分地激發磷光體且被色彩轉換，且在空腔中被部分地再循環。雙向色層可作為薄膜而存在於載體基板(諸如，玻璃)上且連接至磷光體。該連接可使用黏接劑而進行。
或者，磷光體可在相對側處作為塗層而存在於與雙向色層相同之基板上。雙向色層之載體基板可為諸如陶瓷之熱傳導透明基板。
藉由發光層反射或散射且藉由發光層發射之光亦朝向壁314反射且係藉由壁314之光反射表面304反射。因而，未立即通過光出射窗而透射至周圍環境中之光係經由壁314之光反射表面304及/或基底309之光反射表面306而反射。因此，未立即透射至周圍環境中之光被更有效率地再循環且促成有效率之發光模組。在此狀況下，有效反射係數Reff經定義為基底反射係數及壁反射係數之加權平均值，或換言之，有效反射率為基底反射係數及壁反射係數之加權平均值。有效反射係數Reff可經定義為：
其中基底反射係數Rbase為基底309之光反射表面306之反射係數，壁反射係數Rwall為壁314之光反射表面304之反射係數，Abase為基底309之反射表面306之總面積，且Awall為壁314之反射表面304之總面積。
在此實施例中，有效反射係數Reff之值應至少大於固態光發射器反射係數R_SSL之值。較佳地，有效反射係數Reff之值應至少大於固態光發射器反射係數R_SSL之值加上因子c乘以在1與固態光發射器反射係數R_SSL之間的差。因此，Reff>R_SSL+c(1-R_SSL)。相似於圖1a及圖1b所描述之實施例，因子c取決於固態光發射器面積比ρSSL，
在此狀況下，ρSSL經定義為：
因此，相比於圖1a及圖1b之實施例，在此狀況下，亦考量壁314之反射表面304之面積，亦即，總反射面積現在包含基底反射面積及壁反射面積。若ρSSL<0.1(指示基底309及壁314之反射面積相對於固態光發射器312之頂部表面之面積相對大)，則因子c之值應大於或等於0.2，以便具有相對有效率之發光模組。若0.1ρSSL 0.25(指示基底309及壁314之反射面積與固態光發射器312之頂部表面之面積相當)，則因子c之值應大於或等於0.3，以便具有相對有效率之發光模組。若ρSSL>0.25(指示基底309及壁314之反射面積相對於固態光發射器312之頂部表面之面積相對小)，則因子c之值應大於或等於0.4，以便具有相對有效率之發光模組。實務上，在兩種狀況下之因子c之值小於1.0。
圖3b展示根據本發明之第一態樣之發光模組350之另一實施例。發光模組350相似於圖3a之發光模組300。然而，存在一些微小差異。發光模組350具有圓形基底358，圓形基底358具有面朝空腔之光反射表面354。空腔係藉由基底358、圓柱形壁362及發光層352圍封。面朝空腔的圓柱形壁362之表面為光反射壁表面356。在基底358之光反射表面354上提供複數個固態光發射器，其朝向空腔之光出射窗發射第一色彩範圍之光。空腔之光出射窗係藉由發光層352形成，發光層352包含用於朝向第二色彩範圍之光轉換
第一色彩範圍之光之部分的發光材料。
又，對於此實施例，ρSSL經定義為固態光發射器360之頂部表面之總計面積與基底358之反射表面354之面積的比率。與參看圖3a所描述之準則及範圍相同的準則及範圍適用。
圖4a中呈現沿著線A-A'的圖3a之發光模組300的橫截面。光出射窗係用402指示。光出射窗402為發光層308之部分，此係因為發光層308之部分配置於具有某一厚度之壁404、314頂部上。或者，可在壁邊緣中存在作為發光層308之支撐的凹部，發光層308可配合於凹部。黏接劑可用以將發光層308附接至壁之頂部或附接至壁之凹部中。在凹部用以附接發光層308之狀況下，存在達成發光層308之側面至壁之熱接觸的額外益處。
因此，有效反射係數Reff之值應至少大於固態光發射器反射係數R_SSL之值。較佳地，有效反射係數Reff之值應至少大於固態光發射器反射係數R_SSL之值加上因子c乘以在1與固態光發射器反射係數R_SSL之間的差。相似於參看圖1a及圖1b所描述之實施例，因子c取決於固態光發射器面積比ρSSL，在此實施例中，其亦包括壁362之反射表面356之面積。若ρSSL<0.1(指示基底309及壁404、314之反射面積相對於固態光發射器312之頂部表面之面積相對大)，則因子c之值應大於或等於0.2，以便具有相對有效率之發光模組。若0.1ρSSL 0.25(指示基底309及壁404、314之反射面積與固態光發射器312之頂部表面之面積相當)，
則因子c之值應大於或等於0.3，以便具有相對有效率之發光模組。若ρSSL>0.25(指示基底309及壁404、314之反射面積相對於固態光發射器312之頂部表面之面積相對小)，則因子c之值應大於或等於0.4，以便具有相對有效率之發光模組。實務上，在兩種狀況下之因子c之值小於1.0。
此外，本發明人已發現，對於固態光發射器面積比ρSSL之值小於0.1而言，在固態光發射器312之頂部表面412與發光層308之間的距離h較佳地係在具有0.3乘頂部表面412之最大線性尺寸dSSL之最小值且具有5乘頂部表面308之最大線性尺寸dSSL之最大值的範圍內。對於0.1ρSSL 0.25而言，在頂部表面308與發光層102之間的距離h較佳地係在具有0.15乘頂部表面308之最大線性尺寸dSSL之最小值且具有3乘頂部表面308之最大線性尺寸dSSL之最大值的範圍內。對於ρSSL>0.25而言，在頂部表面308與發光層102之間的距離h較佳地係在具有0.1乘頂部表面308之最大線性尺寸dSSL之最小值且具有2乘頂部表面308之最大線性尺寸dSSL之最大值的範圍內。
應注意，若固態光發射器312滿足上述準則，則發光模組300為相對有效率之發光模組。藉由固態光發射器之吸收顯著地促成低效率，而所有其他距離、尺寸及反射係數經最佳化用於最大光輸出。若在上文所呈現之公式中因子c大於上文所提及之值，則發光模組300可甚至更有效率。相對於直接地在固態光發射器之頂部表面上具有發光層之發光模組，可獲得大約40%之效率增加。
發光層308置放於壁404、314之頂部邊緣上，且因而，發光層308熱耦合至壁404、314。由於藉由發光材料在朝向第二色彩範圍之光轉換第一色彩範圍之光時對能量之吸收，發光層308變得溫暖。在發光層308與壁404、314之間的熱耦合允許壁404、314朝向基底309傳導發光層之熱，基底309可包含用於將基底309耦合至散熱片之界面。此機構提供發光模組300之有效熱管理且防止發光層308變得太熱，此情形增強發光材料之效率及壽命。另外，空腔316可經填充有實質上光學透明材料。若整個空腔經填充有透明材料，則透明材料亦熱耦合至發光層308，且可以比在使用氣隙時更加有效率之方式遠離發光層朝向壁404、314及基底309傳導熱。如將在圖5a之內容背景中所論述，透明材料具有另外優點，諸如，增加來自固態光發射器412之光輸出耦合。
實質上透明材料通常為固體材料，諸如，具有0.2 W/mK至0.3 W/mK之熱導率之凝固或固化聚矽氧樹脂。存在許多類型之此等材料，其範圍為自硬聚矽氧樹脂至軟聚矽氧樹脂至可撓性彈性聚矽氧樹脂或凝膠型樹脂。其他材料可包括環氧樹脂(為熟習此項技術者所知的許多類型之光學透明聚合物)。在其他實施例中，可使用廣泛範圍之玻璃型材料，諸如，約1.0 W/mK之熱導率之鈉鈣玻璃，或約1.3 W/mK之硼矽玻璃或熔融矽石玻璃。又，可使用陶瓷材料，諸如，約30 W/mK之半透明多晶氧化鋁基板、42 W/mK之藍寶石基板、9.5 W/mK之ALON、15 W/mK之尖晶
石，或7 W/mK之熱導率之YAG。亦可使用此等材料之組合。舉例而言，固體玻璃或陶瓷基板可接合至發射器及/或基底。又，燒結半透明多晶氧化鋁可用作實質上透明材料，其中顆粒尺寸較佳地大於44 μm或較佳地小於1 μm，以便獲得相對高的前向光透射。對於1 mm厚之材料及小於1 μm之顆粒尺寸而言，總的前向光透射大於84%。對於1 mm厚之材料及大於44 μm之顆粒尺寸而言，總的前向光透射大於82%。多晶氧化鋁可用(例如)陶瓷粉末處理技術予以製造，在該技術中，使Al2O3粉末(例如)藉由粉末壓製、粉漿澆鑄、射出成形進行塑形，且進行預燒結及最終燒結。相對大之顆粒尺寸(亦即，大於44 μm)可藉由如下方式而達成：藉由施加具有相對大之顆粒尺寸的氧化鋁粉末、藉由施加較長燒結時間及/或較高燒結溫度、使用較少晶粒生長抑制MgO摻雜(<300 ppm)，及/或施加晶粒生長刺激摻雜物，或上述方法中之一或多者之組合。較佳地，顆粒尺寸小於120 μm以防止多晶氧化鋁之微裂化。以此方式，因為熱導率為約30 W/mK，所以此材料之極佳熱屬性與相對高半透明性進行組合。
視情況，達成與發射器表面之光學及熱接觸，以便自發射器提取較多光且氣隙仍存在於固體材料與基底之間。此情形可有助於藉由固體材料中之光導而使光更有效地散播開以增強光均一性。出於最佳熱接觸起見，亦可(例如)使用黏接劑而將固體基板附接至基底。在固體基板亦耦合至發光層之狀況下，固體基板執行熱散播層及熱界面材料之
功能。固體材料亦可存在於發射器上，諸如，藍寶石或碳化矽SiC之片段，其可為經形成有發射器晶粒之生長基板。此外，圓頂形狀或透鏡形狀光學本體可存在於晶粒上，其尺寸通常比最長線性尺寸大至少2倍，其可(例如)來自玻璃材料之聚矽氧樹脂。圓頂或透鏡狀本體可經覆蓋有另一透明材料。
實質上透明材料在與發射器晶粒進行光學接觸的情況下較佳地具有相對高折射率。因為典型固態光發射器(比如，GaN或InGaN或AlInGaN)具有約2.4之高折射率，所以與晶粒之高折射率接觸藉由縮減固態光發射器晶片中之全內反射而自晶粒提取較多光。大多數透明材料具有在自1.4至1.6之範圍內(通常為1.5)之折射率。適於附接至發射器之高折射率材料之一些實例為高折射率玻璃(比如，LaSFN9)或陶瓷材料(比如，藍寶石(n~1.77)、氧化鋁(n~1.77)、YAG(n~1.86)、氧化鋯(n~2.2)或碳化矽(SiC，n~2.6))。高折射率光學接合可用以附接基板，諸如，高折射率玻璃或高折射率樹脂。高折射率樹脂可由經填充有高折射率奈米粒子之低折射率黏合劑(諸如，經填充有直徑小於100 nm之奈米TiO2粒子或其他高折射率粒子(諸如，ZrO2或鈦酸鹽(諸如，BaTiO3、SrTiO3))之聚矽氧樹脂)組成。在一些類型之發射器中，諸如藍寶石及碳化矽之典型生長基板仍可存在於晶粒上。較佳地，在此狀況下，此等晶粒經覆蓋有諸如上文所描述之高折射率材料。
或者，亦可使用液體材料，諸如，為熟習此項技術者所
知的矽油(n~1.4)或礦物油(n~1.5)或各種液體(諸如，脂肪族或芳香族烴或高折射率之液體)。當使用液體時，圍繞出射窗之邊緣之緊密密封係較佳的，以防止自發光模組洩漏。液體可藉由對流及/或藉由在周圍予以抽汲而用來冷卻發光層。
圖4b展示圖3a之發光模組之另一實施例的橫截面。發光模組450包含外殼455、空腔460、發光層465、對散熱片480之界面470，及光出射窗472。在此狀況下，外殼455包含具有光反射基底表面462及光反射壁表面466、468之基底及壁兩者。展示特定類型之固態光發射器482，其係藉由兩個導線492而連接至電力。LED常常具有在固態光發射器482之頂部表面483處連接至固態光發射器482之接合導線492。頂部表面483為最接近於發光層465且其中光發射至空腔460中的固態光發射器482之表面。在一些實施例中，在頂部表面483處存在兩個電導線接點，且在其他實施例中，在固態光發射器482之頂部表面483處存在至基底之一個電導線接點且在固態光發射器482之底部表面處存在至基底之一個電接點。
如在圖4b中所見，對散熱片480之界面470提供於發光模組450之背側處。應注意，背側係與存在發光層465之側實質上相對，且形成背側的外殼之部分亦形成空腔460之基底。如在圖4b中所見，固態光發射器482施加至空腔460之光反射基底462。在固態光發射器482與外殼455之間的接觸係使得在固態光發射器482至外殼455之間且因而在固態
光發射器482與散熱片480之間獲得良好熱耦合。
或者，固態光發射器482可安裝於光反射基底中之通孔中，使得光發射至空腔460中且使得固態光發射器482具有與外殼455之良好熱接觸。
導線接合頂部連接492為電連接至通常經金屬化的LED 482之頂部表面483處之電接觸面積的導線，且導線將電能提供至LED 482。LED 482之頂部表面483常常亦為LED 482之發光表面。LED 482之發光表面經定義為LED 482之無阻隔發射表面面積，其中藉由LED 482產生之光發射至空腔460中。在此實施例中，LED 482之頂部表面483為面朝發光層465之表面。
使用發光層465(其經實施為陶瓷磷光體，或其經實施為結合具有導線接合頂部連接492之LED 482而沈積於(例如)玻璃基板上之磷光體層)已被證明為困難。導線492阻隔此陶瓷磷光體層在發光表面頂部上之直接供應。一解決方案可為在陶瓷磷光體中鑽鑿引導導線所通過的精密孔，此情形為相對昂貴程序。然而，難以防止沿著導線經由精密孔之光洩漏。此情形引起縮減色彩控制。尤其是當發光層465必須轉換在第一色彩範圍內之大多數光時，光洩漏引起不可接受之縮減色彩飽和。另外，通常將用雷射切除來鑽鑿孔，雷射切除具有損壞在所鑽鑿孔附近之磷光體的風險，使得切除副產物吸收光且磷光體之部分被去活化。
典型陶瓷磷光體(比如，YAG：Ce及琥珀色鋇鍶矽氮化物(BSSNE：Eu))分別具有約1.86及2之折射率。因此，具有高
於1.4之折射率之透明樹脂可在此等特定LED與所論述之特定陶瓷磷光體之間提供相對良好之光學耦合。額外散射中心(比如，散射粒子)可較佳地併入有前向散射特性。
該實施例提供用於將具有一或多個導線接合頂部連接492之LED 482之光轉換成另一色彩的有效且有效率之解決方案。空腔460為導線492提供空間，且由於在空腔內部的光之反射，在光出射窗472處看不到導線492之陰影。應注意，該實施例之空腔460相對於發光模組450之尺寸相對大，且因而，相比於空腔相對較小的已知發光模組，可得到導線之較少陰影。
導線接合頂部連接492連同透明樹脂498(其配置於LED 482與發光層465之間)之使用係有利的。可在將LED 482組裝至外殼455之後將透明樹脂498注入至空腔460中。在注入期間，透明樹脂498處於液態且可朝向空腔之每一隅角流動。導線492對於所注入之透明樹脂而言不為阻礙物，且因而，可在透明樹脂498與LED 482之整個頂部表面483之進行良好接觸。因此，透明樹脂498增加來自LED 482之光之輸出耦合。另外，若透明樹脂498硬化，則導線接合頂部連接492係藉由樹脂498固定且對損壞(例如，若發光模組450經受(例如)在汽車應用中之振動)較不敏感。
圖5a呈現根據本發明之第一態樣之發光模組之若干替代實施例。圖5a(i)所描繪之發光模組500包含基底518、提供於基板516上之複數個LED 514、壁510、提供於該等壁之邊緣上且形成光出射窗之第一發光層506及第二發光層
504。LED 514發射第一色彩範圍之光，且所有LED 514具有相同尺寸，其中最長線性尺寸為d。第一發光層506包含用於將第一色彩範圍之光轉換成第二色彩範圍之光的發光材料。第二發光層504包含用於將第一色彩範圍之光轉換成第三色彩範圍之光或用於將第二色彩範圍之光轉換成第三色彩範圍之光的另一發光材料。壁510、基底518及第一發光層506圍封經填充有透明材料502之空腔。因此，透明材料介入於LED 514與第一發光層506之間。透明材料光學地耦合至LED 514且光學地及熱耦合至第一發光層506。在光發射器與第一發光層506之間的距離係用h指示。面朝空腔的壁510之表面具備光反射塗層508。在LED 514與發透射材料502之間的空間經填充有光反射材料512，藉此覆蓋基底518及基板516。光反射表面係藉由介入於LED 514之間的光反射材料512之表面形成。光反射材料具有基底反射係數Rbase。LED晶粒具有反射係數R_SSL。光反射塗層508具有壁反射係數Rwall。發光模組500之參數根據與參看圖1a、圖1b、圖3a、圖3b及圖4a在先前實施例中所描述之準則相同的準則而彼此有關，其中在此實施例中，固態光發射器之頂部表面之面積A_SSL被計算為複數個LED514之頂部表面之總計面積。
代替光反射塗層，亦可使用可附接至或轉移至基底及/或壁之光反射箔或膜。黏接劑可用於附接，諸如，壓敏黏接劑。反射塗層可為如通常用於MCPCB載體中以使表面電極與金屬載體隔離之介電層，或為通常用於MCPCB或
PCB載體中以用幕隔開表面電極之阻焊劑。因為基板516經覆蓋有反射層且因此被光學地用幕隔開，所以其可由具有差反射率之材料(諸如，氮化鋁(AlN))組成。AlN具有如下優點：其具有約140 W/mK之極高熱導率。因此，可藉由使用反射塗層或箔而使光學功能與熱功能用幕隔開，從而允許兩種功能之個別最佳化，此情形係有利的。
光反射塗層或膜可由漫射反射材料(諸如，由經填充有散射顏料或各種散射顏料之黏合劑組成之白色塗層)組成。合適之黏合劑為聚矽氧材料或矽酸鹽材料或烷基矽酸鹽材料或環氧樹脂材料或聚醯亞胺材料或含氟聚合物或聚醯胺或聚醯胺甲酸酯或其他聚合材料。塗層亦可由高度反射的以硫酸鋇(BaSO4)為基礎之材料組成。散射顏料之實例為TiO2顏料、ZrO2顏料、Al2O3顏料，但亦可使用為熟習此項技術者所知的許多其他散射粒子或微孔。反射塗層或膜亦可由金屬層(諸如，鋁或銀)組成。金屬可為金屬箔或膜，諸如，具有商標名Alanod之高度反射商用金屬鏡面。薄金屬層可蒸鍍或濺鍍於壁材料上。金屬箔可用作附接/接合/焊接至基底之***物。金屬層可經覆蓋有白色塗層，例如，白色聚矽氧或白色烷基矽酸鹽層(諸如，著色甲基矽酸鹽)。陶瓷反射器層亦可用於基底或壁上，例如，散射氧化鋁層，通常為多孔或其他反射陶瓷材料。
圖5a(ii)所描繪之發光模組520相似於發光模組500，然而，壁522自身為光反射材料，且因而，無額外塗層施加至壁522。另外，施加僅一個發光層506。經提供有LED
514之基板524亦為光反射材料，且因而，僅在基板524之間的空間經填充有光反射粒子512。
圖5a(iii)所描繪之發光模組530為使用所謂圓頂狀LED 514之另一變化。LED 514提供於基板516上，且光透射材料502之圓頂置放於該等LED頂部上。光透射材料502之圓頂光學地耦合至LED之晶粒。另外，空腔經填充有另外光透射材料532。另外光透射材料532光學地耦合至光透射材料502之圓頂且光學地耦合至第一發光層506。此情形促進發光層中所產生之熱朝向基底及基底通常被附接至之散熱片的熱轉移。
圖5a(iv)所描繪之發光模組540相似於發光模組500，然而，壁542相對於基底518之法線軸線傾斜。壁542係以使得照射於傾斜壁542上之光朝向第一發光層506而非朝向基底518之方向反射的方式傾斜。傾斜壁542朝向發光層506導引反射於壁542上之光且防止光射線在壁542與基底之間被反射許多次，此情形防止不必要的光吸收，即，每一反射並非完全且在每一反射時吸收少量光。
圖5a(v)所描繪之發光模組550為發光模組540之變體。發光模組550之壁552係以使得照射於彎曲壁552上之較多光朝向第一發光層506且因此朝向光出射窗反射之方式彎曲。此外，基板表面516未經塗佈有反射材料，但在基板之間的間隔512經塗佈有反射材料。基板516可由反射材料(諸如散射陶瓷、諸如包括散射微孔及/或散射粒子之氧化鋁、諸如氧化鋯粒子)組成。因此，基底518之光反射表面
之反射比為遍及面積所加權的基板516及間隔512之反射比之平均值。
圖5a(vi)所描繪之發光模組560為不包含第二發光層504之另一變化。空腔經填充有實質上透明材料562且在發光模組之光出射側處具有彎曲表面。第一發光層506提供於透明材料562頂部上。如圖所示，在LED 514與第一發光層506之間的距離不同。兩個LED經定位成與第一發光層506相隔距離h1，且兩個LED經定位成與第一發光層506相隔距離h2。此實施例中在LED 514之頂部表面之間的距離h之值應被計算為平均距離：h=(h1+h2)/2。在三個或三個以上LED應用於發光模組中之狀況下，相應地調適平均距離公式。
在未圖示之又一實施例中，固態發射器晶粒在無額外中間基板的情況下直接地接合至載體板。此情形進一步縮減在晶粒與板之間以及在晶粒與板通常被附接至之散熱片之間的熱阻。可呈現導線接合以電接觸LED晶粒之頂部。
圖5b呈現四個替代發光模組570、580、590、595。圖5b(i)所描繪之發光模組570相似於發光模組520且在空腔內部具有額外發光層572。因此，舉例而言，具有另一類型之發光材料之層可應用於光反射壁522及基底518之光反射表面，該層不同於如第一發光層506中所應用之發光材料。此另一發光材料朝向第三色彩範圍之光轉換第一色彩範圍之光。或者，與第一發光層中所使用之發光材料相同的發光材料可應用於光反射壁522及基底518之光反射表
面。照射於額外發光層527上之並非所有光皆被轉換，且一些光朝向光反射壁522及基底518之光反射表面發射且隨後返回朝向空腔且因此朝向光出射窗反射。舉例而言，此情形可用以將額外紅色光添加至白色發射以達成溫暖白色發射。
圖5b(ii)所描繪之發光模組580相似於發光模組500。第一差異在於：僅單一發光層506提供於光出射窗處。在製造期間，發光層506施加至透明基板582，其為(例如)玻璃。具有發光層506之基板582係(例如)用鋸子而分割成片段，或被鑽鑿，且具有發光層506之基板582之片段提供於發光模組580之壁510上。
圖5b(iii)所描繪之發光模組590相似於發光模組580，然而，空腔未經填充有實質上透明材料，而經填充有具有發光層506之透明基板582之片段。片段係用(例如)透明樹脂592而接合至光反射壁表面及基底518之光反射表面。透明基板582為(例如)2 mm厚且因而在LED 514之頂部表面與發光層506之間提供約2 mm之高度差。在裝置頂部上，白色聚矽氧緣邊可施加於發光層506之周邊處以防止藉由LED 514發射之光之直射光(例如，藍色)(未圖示)逸出。
圖5b(iv)所描繪之發光模組595相似於發光模組520。然而，使用其他類型之LED。基底598為金屬核心PCB(MCPCB)。無相對大基板之LED可直接地安裝於MCPCB上。適於此等應用之LED為用所謂CSP或COB技術而製造之LED。COB指代板覆晶，其中LED晶片直接地焊接於
MCPCB上。CSP指代晶片尺度封裝，其中載體提供至經製造有LED之晶圓，且晶圓經分割以獲得CSP LED。此等CSP LED呈現於發光模組595中。在CSP LED中，載體597具有與LED晶片596之尺寸相同的尺寸。CSP之側表面可具有反射性且PCB之表面可具有反射性，使得可能無需額外(厚)基底反射器層。
在圖6中，呈現發光模組600、620、630、640、650、660之實施例的其他示意性繪製橫切面。發光模組600、620、630、640、650、660在發光層604、622、632、642、652、662與基底之間不具有壁，但其具有邊緣觸碰光反射表面或基底610、664的發光層604、622、632、642、652、662。發光層604、622、632、642、652、662總體上形成發光模組600、620、630、640、650、660之整個光出射窗。發光模組600、620、630、640、650、660不僅在實質上平行於基底610、664之法線軸線之方向上發射光，而且以相對於該基底之法線軸線之各種光發射角發射光。在圖6(ii)中，展示發光模組620及發光層622之邊緣624的示意性橫截面。如所見，邊緣624接觸基底610之光反射表面且發光層622可在該基底之表面上延伸。
圖6(i)所描繪之發光模組600包含基底610，在基底610上提供具有LED 606之基板608。基板608及LED 606係藉由形成光反射表面之光反射材料612環繞。LED 606之發光頂部表面光學地耦合至亦接觸發光層604之透明材料602。發光模組620、630、640具有另一形狀之發光層622、632、
642且分別在圖6(ii)、圖6(iii)及圖6(iv)中予以描繪。
圖6(v)所描繪之發光模組650具有基底610，在基底610上提供單一晶片尺度封裝LED 656。簡寫CSP-LED常常用於晶片尺度封裝LED 656--此晶片尺度封裝LED 656不包含如先前實施例所示之額外基板。圍繞LED 656施加產生面朝發光層652之光反射表面之光反射材料612。在LED 656及光反射材料612頂部上置放經配置有發光層652之透明材料之圓頂654。半徑r為在LED 656與發光層652之間的距離。在此狀況下，距離h之定義係藉由半徑r替換。
圖6(vi)所描繪之發光模組660不包含透明材料之圓頂，但包含箱狀透明材料663。另外，基底664係由光反射材料製成，且因而，無額外光反射材料層提供於面朝發光層662的基底664之表面上。亦預想其他形狀及組合。
示意性所示之發光模組500、520、530、540、550、560、600、620、630、640、650、660可(圓形地)對稱，但亦可在所描繪橫截面之平面外不對稱。舉例而言，模組可在深度方向上伸長至紙張之平面，以便形成伸長之管、桿或類圓柱形狀。多個發射器可在深度方向上形成發射器陣列。此形狀可(例如)用於LED街燈或LED改型TL燈。原則上，可使用數十個直至數百個LED之LED發射器陣列。可呈現不同量之發射器以匹配於關聯應用中所需要之光輸出。
在圖7a中，展示發光模組700，其製造於可撓性基底箔712上。提供於經裝備有電極連接焊墊(未圖示)之小基板
708上之固態光發射器706提供於可撓性基底箔712上，且在基板708之間的面積經填充有光發射材料710。光發射器706光學地耦合至可撓性透明材料704之層。在可撓性光透射材料704頂部上，提供包含至少一發光材料之發光層702。可撓性光透射材料704之並非整個表面需要藉由發光層702覆蓋，該表面之部分可(例如)用頂部反射器予以阻擋。如在圖7a中所見，發光模組700包含複數個固態光發射器706。在一實施例中，提供固態發射器之相對大之二維陣列以獲得相對大之光出射窗。與先前實施例一致，在固態光發射器706與發光層702之間的距離應在取決於固態光發射器706之頂部表面之最長線性尺寸的範圍內，且藉由基板708與光反射材料710之組合形成的基底712之光反射表面之平均反射率應實質上大於固態光發射器706之反射率。另外，固態光發射器應僅覆蓋藉由光反射材料710及基板708形成之光反射表面之相對小部分。應注意，光反射表面之反射係數Rbase經定義為整個光反射表面之平均反射率。因此，反射係數Rbase為在基板之反射係數與光反射材料之反射係數之間的加權平均值，其中較佳地，權重係藉由特定材料覆蓋的總面積之部分形成。
在圖7b中，呈現可撓性發光模組750之另一實施例。發光模組750相似於發光模組700，然而，基底上僅存在施加至透明材料704之一側之光反射箔754。在可撓性透明材料704之另一側(其係與光反射箔754被施加至之側相對)上，配置發光層702。在透明材料導線內，提供支撐經提供有
固態光發射器706之基板708之棒或桿752。導線、棒或桿752將電力提供至固態光發射器706。自固態光發射器之頂部表面至發光層702之距離係用h指示。在固態光發射器面積比ρSSL小於0.1之狀況下，距離h較佳地大於或等於0.3乘固態光發射器706之頂部表面之最大線性尺寸dSSL且小於或等於5乘固態光發射器706之頂部表面之最大線性尺寸dSSL。對於固態光發射器面積比ρSSL之值係在具有大於或等於0.1之最小值及小於或等於0.25之最大值的範圍內而言，距離h較佳地大於或等於0.15乘固態光發射器706之頂部表面之最大線性尺寸dSSL且小於或等於3乘固態光發射器706之頂部表面之最大線性尺寸dSSL。對於固態光發射器面積比ρSSL之值大於0.25而言，距離h較佳地大於或等於0.1乘固態光發射器706之頂部表面之最大線性尺寸dSSL且小於或等於2乘固態光發射器706之頂部表面之最大線性尺寸dSSL。應注意，此準則亦適用於發光模組700。另外，與先前所論述之實施例一致，光反射箔754之基底反射係數Rbase大於固態光發射器706之固態光發射器反射係數R_SSL，較佳地，光反射箔754之基底反射係數Rbase根據如下關係而與固態光發射器706之固態光發射器反射係數R_SSL有關：Rbase>R_SSL+c(1-R_SSL)，其中亦在此狀況下，因子c之值取決於固態光發射器面積比ρSSL，在此狀況下，ρSSL僅包括如先前實施例中之一些所描述的基底之反射面積。
圖8a至圖8c展示根據本發明之發光模組之實施例的示意
性橫截面。圖8a展示在基板載體2020(例如，包含氧化鋁或氮化鋁)上包含LED晶粒2030之發光模組2000的示意性橫截面。基板載體2020係經由電接點2015(例如，焊接接點)而電連接至印刷電路板2010之接觸焊墊。印刷電路板2010可為包含藉由介電絕緣層(未圖示)覆蓋之鋁基底之金屬核心印刷電路板。在介電層上提供導電電極及接觸焊墊，且電極受到阻焊劑保護層(未圖示)保護。LED晶粒2030經覆蓋有透明保護層2035，例如，透明聚矽氧層。在LED封裝或裝置(其包含LED晶粒2030、基板載體2020及透明保護層2035)之間提供反射層2040，例如，白色TiO2著色聚矽氧。空腔係藉由印刷電路板2010、壁2050及發光層2060界定。壁2050(例如)包含施配於聚矽氧中之TiO2，且發光層2060(例如)包含磷光體材料。在透明保護層2035及反射層2040上提供光學接合層2045(包含(例如)聚矽氧)，其提供在透明保護層2035與填充層2055之間的光學接合，其中填充層2055包含(例如)玻璃且實質上填充在光學接合層2045、發光層2060與壁2050之間的空腔。
圖8b展示在基板載體2120(例如，包含氧化鋁或氮化鋁)上包含LED晶粒2130之發光模組2100的示意性橫截面。基板載體2120係經由電接點2115(例如，焊接接點)而電連接至印刷電路板2110之接觸焊墊。印刷電路板2110可為如關於圖8a所描繪之發光模組2000所描述之金屬核心印刷電路板。LED晶粒2130經覆蓋有透明保護層2135(例如，透明聚矽氧層)。在LED晶粒2135中每一者之透明保護層2135上提
供光學接合層2145，包含(例如)聚矽氧。在具有光學接合層2145之LED封裝或裝置(其中LED封裝或裝置包含LED晶粒2130、基板載體2120及透明保護層2135)之間提供反射層2140，例如，白色TiO2著色聚矽氧。空腔係藉由印刷電路板2110、壁2150及發光層2160界定。壁2150(例如)包含施配於聚矽氧中之TiO2，且發光層2160(例如)包含磷光體材料。填充層2155(其包含(例如)玻璃)實質上填充在光學接合層2145、反射層2140、發光層2160與壁2150之間的空腔。光學接合層2145提供在透明保護層2135與填充層2155之間的光學接合。在LED封裝或裝置經由光學接合層2145而接合至填充層2155之後，反射層2140經由(例如)底填充或包覆成形而提供於LED封裝或裝置之間。
圖8c展示在基板載體2320(例如，包含氧化鋁或氮化鋁)上包含LED晶粒2330之發光模組2300的示意性橫截面。基板載體2320係經由電接點2315(例如，焊接接點)而電連接至印刷電路板2310之接觸焊墊。印刷電路板2310可為如關於圖8a所描繪之發光模組2000所描述之金屬核心印刷電路板。在LED封裝或裝置(其包含LED晶粒2330及基板載體2320)之間提供反射層2340，例如，白色TiO2著色聚矽氧。空腔係藉由印刷電路板2310、壁2350及發光層2360界定。壁2350(例如)包含施配於聚矽氧中之TiO2，且發光層2360(例如)包含磷光體材料。在反射層2340及LED裝置或封裝上提供光學接合層2345(包含(例如)聚矽氧)，其提供在LED封裝或裝置與填充層2355之間的光學接合，其中填
充層2355包含(例如)玻璃且實質上填充在光學接合層2345、發光層2360與壁2350之間的空腔。此發光模組2300不同於圖8a所描述之發光模組2000之處在於：LED晶粒2330未經覆蓋有透明保護層覆蓋，而經覆蓋有光學接合層2345。
根據本發明而製造若干實施例。在第一實驗中，將Philips Fortimo SLM發光模組用作包含16個LED之參考，其中磷光體係直接地在具有1800流明之光通量之晶粒頂部上。根據本發明之一實施例之發光模組在高度反射混合腔室中含有16個藍色發光LED，其中LumiramicTM磷光體層係與LED相隔2.1 mm之距離且空腔直徑為22 mm。在640 mA下，壁插座效率(Wall Plug Efficiency,WPE)係以在介於30%與50%之間的範圍內之因子而改良。壁插座效率為電功率被轉換成光功率(以瓦特為單位)的能量轉換效率，且亦經定義為輻射通量(亦即，每單位時間之輻射能量，亦被稱為輻射功率)對輸入電功率之比率。圖9展示在不同電流位準下對具有16個LED的根據本發明之一實施例之發光模組中之一者所執行的量測結果。水平x軸表示電流位準，且垂直y軸表示具有16個LED的根據本發明之一實施例之發光模組中之一者的輻射通量相對於具有直接地在LED上具有磷光體之16個LED之參考發光模組的輻射通量的增益或改良。圖9展示出，當電流增加時，輻射通量相對於參考發光模組之改良增加，此情形可歸因於磷光體層相對於參考之改良型光熱效能。
在另一實驗中，根據本發明之一實施例而製造發光模組，發光模組包含各自具有1 mm2之頂部表面面積之9個LED且包含各自具有2 mm2之頂部表面面積之4個LED，每一LED具有與該等LED相隔2.1 mm之距離之LumiramicTM磷光體層。輻射通量之量測展示在介於20%與40%之間的範圍內的輻射通量相對於具有直接地在頂部上具有磷光體之16個LED之參考發光模組的改良。
圖10a至圖10c展示另一比較實驗的示意性橫截面。圖10a展示包含直接地在頂部上具有發光層853之四個LED 852(一個LED未圖示)之第一參考發光模組850的示意性橫截面，LED 852置放於基底基板851上。每一LED經覆蓋有圓頂狀光學元件854。圖10b展示由於在LED之間施加於基底基板851上之反射層855而不同於第一參考發光模組之第二參考發光模組860的示意性橫截面。圖10c展示根據本發明之一實施例之發光模組870的示意性橫截面，發光模組870在經覆蓋有反射層875之基底基板871上包含四個LED 872(一個LED未圖示)。LED置放於空腔874中，空腔874經覆蓋有與LED 872之頂部表面相隔2.1 mm之距離的發光層873。輻射通量之量測展示大約4%(在700 mA下量測)的第二參考發光模組860之輻射通量相對於第一參考發光模組850之輻射通量的改良，此係主要地歸因於第二參考發光模組860中之額外反射層855。根據本發明之一實施例之發光模組870之輻射通量相對於第一參考發光模組850之輻射通量的經量測改良為大約25%(在700 mA下量測)。
圖11、圖12、圖13及圖14展示具有根據本發明之發光模組之模擬結果的曲線圖。在光射線示蹤軟體套件的情況下，建置根據本發明之發光模組之光學模型。該模型包含具有各自具有1×1 mm2之頂部表面之晶粒的七個藍色發光LED。因此，此等LED之頂部表面之最大線性尺寸dSSL為約1.4 mm。LED晶粒具有一漫射反射比，該漫射反射比具有約70%的遍及第一光譜範圍及第二光譜範圍所求之加權平均值，此情形對應於典型表面粗糙化GaN型LED晶粒。空腔具有直徑變化之圓形形狀。LED均一地分佈於高度反射基板上且經環繞有形成空腔之高度反射壁。空腔之光出射窗係藉由包含陶瓷磷光體及具有矽中另一磷光體之粒子之額外塗層的發光層覆蓋。藉由發光模組通過光出射窗而發射之光具有溫暖白色點。
光學模擬展示出，具有漫射反射性或鏡面反射性或其組合之壁及/或基底對發光模組之效能有微小影響(約百分之幾)。此影響尤其取決於面積比及空腔之幾何形狀。
圖11展示對於固態發射器面積比之若干值而言因子c對光學效率之影響。在圖11中，垂直y軸表示藉由出射於混合空腔外之白色輻射之通量Wwhite(單位：瓦特)與在第一光譜範圍(通常，藍色光譜範圍)內藉由固態光發射器發射之總藍色通量Wblue(單位：瓦特)的比率表達之光學效能之效率之最佳值。光學效率之最佳值係藉由變化在固態光發射器頂部表面與發光層之間的距離h而判定。水平x軸表示來自公式Reff>R_SSL+c*(1-R_SSL)之因子c。曲線801表
示固態光發射器面積比ρSSL之相對低值之範圍(在此狀況下，在0.01與0.02之間變化)，曲線802表示固態光發射器面積比ρSSL之中間值範圍(在此狀況下，在0.19與0.28之間變化)，且曲線803表示具有固態光發射器面積比ρSSL之相對高值之範圍(在此狀況下，在0.39與0.68之間變化)。直接地在LED頂部上具有發光層之參考發光模組展示約0.5之光學效率，因此，在此狀況下，對於光學效率之值大於0.5而言，達成對參考發光模組之效率改良。圖11展示出，因子c應大於約0.2以在固態光發射器面積比ρSSL之相對低值範圍內具有大於0.5之光學效率、應大於約0.3以在固態光發射器面積比ρSSL之中間值範圍內具有大於0.5之光學效率、應大於約0.4以在固態光發射器面積比ρSSL之相對高值範圍內具有大於0.5之光學效率。對於因子c之較大值係在固態光發射器面積比ρSSL之各別範圍內而言，可達到光學效率之甚至更好值。
圖12展示最佳距離h(在曲線圖中指示為Hopt)對空腔壁之反射係數Rwall的相依性。最佳距離Hopt為在固態光發射器之頂部表面與發光層之間的距離h，其中發光模組之光學效率最佳，例如，具有局域最大值。在圖12中，垂直y軸表示最佳距離Hopt與LED之最大線性尺寸dSSL的商，且水平x軸表示以%計的空腔壁之反射係數Rwall。在此狀況下，對於該等曲線中每一者而言，相對於基底及壁之LED面積比ρSSL變化，此係因為曲線811、812、813中每一者表示在LED頂部表面與發光層之間的可變距離h且因此表示
壁之可變高度，且因此，相對於壁及基底之總反射面積之LED面積比ρSSL變化。對於曲線811而言，總LED面積比ρSSL在0.01與0.02之間變化；對於曲線812而言，總LED面積比ρSSL在0.16與0.22之間變化；且對於曲線813而言，總LED面積比ρSSL在0.28與0.41之間變化。在此狀況下，基底之反射係數Rbase係在介於85%與95%之間的範圍內。在發光層與LED之間的最佳距離Hopt係藉由LED及空腔壁中之光吸收損失之平衡而判定。在LED頂部表面與發光層之間的距離h之相對低值下，藉由LED發射之光將主要地與LED、LED基板及LED中之基底反射器之表面相互作用。在LED頂部表面與發光層之間的距離h之相對大值下，壁之面積將變得主要且吸收損失將受到壁支配。在發光層與LED之間的最佳距離Hopt主要地取決於壁之表面之反射係數Rwall及LED面積比參數ρSSL。平均起來，對於相對低之LED面積比ρSSL及壁反射係數Rwall之典型值(例如，在80%至90%之範圍內)而言，最佳距離Hopt為LED之最大線性尺寸dSSL的大約一半。將壁反射係數Rwall之值增加至(例如)高於95%會引起在LED與發光層之間的最佳距離Hopt增加。增加LED面積比ρSSL會引起最佳距離Hopt減低。已發現，若Rwall<95%且對於0<ρSSL<0.1而言0.3*dSSL h0.75*dSSL、對於0.1ρSSL 0.25而言0.15*dSSL h0.3*dSSL且對於ρSSL>0.25而言0.1*dSSL h0.2*dSSL，則提供相對有效率之照明模組。此外，已發現，在Rwall95%之狀況下，當照明模組滿足以下準則時，提供相對有效率之照明
模組：對於0<ρSSL<0.1而言0.75*dSSL h2*dSSL、對於0.1ρSSL 0.25而言0.3*dSSL h0.7*dSSL且對於ρSSL>0.25而言0.2*dSSL h0.5*dSSL。圖12之結果僅考慮具有正交於基底之壁之空腔及均一LED置放。對於傾斜壁及/或非均一LED置放而言，在LED與發光層之間的最佳距離可能會增加。
圖13展示對於基底反射係數與壁反射係數之若干組合而言總固態光發射器面積比ρSSL對光學效率之影響。在圖13中，垂直y軸表示藉由出射於混合空腔外之白色輻射之通量Wwhite(單位：瓦特)與在第一光譜範圍(通常，藍色光譜範圍)內藉由固態光發射器發射之總藍色通量Wblue(單位：瓦特)的比率表達之光學效能之效率之最佳值。光學效率之最佳值係藉由變化在固態光發射器頂部表面與發光層之間的距離h而判定。水平x軸表示相對於基底面積及壁面積之固態光發射器面積比ρSSL。對於基底反射係數Rbase之兩個不同值及空腔壁之反射係數Rwall之三個不同值而言，展示總共六個曲線821、822、823、824、825、826。曲線821表示Rbase=80%及Rwall=90%，曲線822表示Rbase=80%及Rwall=98%，曲線823表示Rbase=90%及Rwall=90%，曲線824表示Rbase=90%及Rwall=98%，曲線825表示Rbase=98%及Rwall=90%，且曲線826表示Rbase=98%及Rwall=98%。圖13展示出，在光混合空腔之光學效率之最佳值與固態光發射器面積比ρSSL之間存在逆關係。圖13進一步展示出，可區分固態光發射器面積比
ρSSL值之三個範圍：固態光發射器面積比ρSSL之值之相對低範圍、中間範圍及相對高範圍。在ρSSL之相對低值(例如，ρSSL<0.1)下，壁之反射係數Rwall之值對光學效率之值的影響相比於基底之反射係數Rbase之值的影響幾乎可忽略，亦即，改變基底反射係數Rbase之值對發光模組之光學效率有影響，且壁反射係數Rwall之值之改變在固態光發射器面積比ρSSL之此相對低值範圍內以可忽略方式影響光學效率。在ρSSL之相對高值下(例如，若ρSSL>0.25)，壁之反射係數Rwall之值對光學效率之值的影響係與基底之反射係數Rbase的影響相當，亦即，基底反射係數Rbase之值之改變對發光模組之光學效率的影響與在固態光發射器面積比ρSSL之此高值範圍內壁反射係數Rwall之值之改變對發光模組之光學效率的影響相當。在ρSSL之中間值(例如，0.1ρSSL 0.25)下，基底之反射係數Rbase對光學效率之值的影響大於壁之反射係數Rwall之值的影響(在此範圍內不可忽略)，亦即，改變基底反射係數Rbase之值對發光模組之光學效率有影響，且壁反射係數Rwall之值之改變亦影響光學效率，但在固態光發射器面積比ρSSL之此中間值範圍內在較小程度上影響光學效率。
圖14展示根據本發明之一態樣的光學效率之增益被達成時之最大可能固態光發射器面積比依據基底及壁之有效反射率係數Reff的相依性。圖14中之垂直y軸表示最大可能固態光發射器面積比(指示為ρSSL,MAX)，在最大可能固態光發射器面積比下，相對於具有直接地置放於固態光發射器
頂部上之發光層之發光模組達成改良型光學效率。水平x軸表示空腔基底及壁表面之有效反射率係數Reff。資料點831之集合表示0.35乘固態光發射器之最大線性尺寸dSSL的在固態光發射器表面與發光層之間的距離h，資料點832之集合表示1.04乘固態光發射器之最大線性尺寸dSSL的距離h，且資料點833之集合表示1.73乘固態光發射器之最大線性尺寸dSSL的距離h。該等結果允許預測在某一距離h處之最大可能固態光發射器面積比ρSSL,MAX，此情形仍允許相比於具有直接地置放於固態光發射器上之發光層之相同數目個固態光發射器相對大的光再循環效率及相對良好的效能。自圖14可推斷，有效反射效率Reff之較大值允許固態光發射器面積比ρSSL,MAX之較大值(取決於在固態光發射器頂部表面與發光層之間的距離h)，同時仍相對於發光層直接地置放於固態光發射器上的參考情形達成改良型光學效率。增加在固態光發射器與發光層之間的距離h會減低在有效反射係數Reff之相似值下之最大允許固態光發射器面積比ρSSL,MAX，此情形仍相對於發光層直接地置放於固態光發射器上的參考情形提供改良型光學效率。
圖15展示根據本發明之發光模組之光學模型化結果的比較，其中壁正交於基底且空腔具有傾斜壁。該等結果係自具有各自具有2 mm2之晶粒面積之四個LED的光學模擬模型化而獲得。發光層之直徑為6.5 mm，且僅相對於基底面積之LED面積比ρSSL對於正交壁及傾斜壁而言分別為0.241及0.298。亦在此狀況下，相對於基底及壁之LED面積比
ρSSL依據在LED與發光層之間的距離h而變化。在此狀況下，在傾斜壁之反射表面與基底之反射表面之間的角度係在5度至33度之範圍內。在圖15中，垂直y軸表示表達為出射於混合空腔外之白色輻射之通量Wwhite(單位：瓦熱)與在藍色光譜範圍內藉由固態光發射器發射之總藍色通量Wblue(單位：瓦特)的比率的光學效能之效率，且水平x軸表示以毫米為單位的在LED頂部表面與發光層之間的距離h。曲線841表示具有正交壁之發光模組，且曲線840表示具有偏斜或傾斜壁之發光模組。顯然，對於LED面積比ρSSL係在中間值範圍內的此實施例而言，相對大的光學效率可藉由壁之傾斜而達成。在此狀況下，光學效率之最佳值對於傾斜壁及正交壁而言分別係在大約1.1 mm及0.75 mm之在LED頂部表面與發光層之間的距離h處達成，在該距離處，相對於基底及壁之LED面積比ρSSL對於具有直壁之發光模組而言為0.18且對於具有偏斜或傾斜壁之發光模組而言為0.21。對於具有中間LED面積比ρSSL之發光模組而言，自壁所反射的顯著量之光可照射於差的反射LED面積上。壁之傾斜藉由光朝向包含發光層之出射窗的更有效率之重新導引而改良該情形，此改良引起相對大的Wwhite/Wblue值且因此引起改良型光學效率。此效應對於LED面積比ρSSL之相對大值而言變得更顯著。對於LED面積比ρSSL之相對小值而言，壁較遠離LED，且壁之傾斜將對光學效率有相對小影響。
自製造觀點來看，LED晶粒可定位於高度反射PCB板
上，而不使在LED封裝之間的空間填充有白色反射材料。在此狀況下，基底之反射表面可定位於顯著地低於LED晶粒之表面的位階上。在LED之頂部表面與發光層之間的距離h及在反射基底之表面與發光層之間的距離(指示為h2)對發光層之最佳位置的影響係藉由具有一個LED之根據本發明之發光模組的光學射線示蹤模型化予以研究。圖16a展示第一發光模組900的橫截面，第一發光模組900具有基底906、固態光發射器908(例如，LED)，及比LED 908之頂部表面903更遠離發光層902(亦即，h2>h)之反射基底表面901。圖16b展示第二發光模組910(例如，LED)的橫截面，其中反射基底表面901比LED之頂部表面903更接近於發光層902(亦即，h2<h)。在後者狀況下，在反射基底之中心存在錐形開口或凹部，其具有(例如)45度之角度。
圖16c展示模擬結果，其中垂直y軸表示表達為出射於混合空腔外之白色輻射之通量Wwhite(單位：瓦特)與在第一藍色光譜範圍內藉由固態光發射器908發射之總藍色通量Wblue(單位：瓦特)的比率之光學效能之效率，且水平x軸表示在發光層902與固態光發射器908之頂部表面903之間的距離h。圖16c展示七個曲線951、952、953、954、955、956、957，每一曲線表示在反射基底表面901與發光層902之間的距離h2同在LED頂部表面903與發光層902之間的距離h之間的差之不同值。曲線951、952及953表示第一發光模組900之變化，其中反射基底表面901比LED頂部表面903更遠離發光層902(亦即，h2>h)：曲線951表示
h2=h+1.5 mm，曲線952表示h2=h+1.0 mm，且曲線953表示h2=h+0.5 mm。曲線954表示在反射基底表面901與發光層902之間的距離h2等於在LED頂部表面903與發光層902之間的距離h(亦即，h2=h)的情形。曲線955、956及957表示第二發光模組910之變化，其中反射基底表面901比LED頂部表面903更接近於發光層902(亦即，h2<h)：曲線955表示h2=h-0.5 mm，曲線956表示h2=h-1.0 mm，且曲線957表示h2=h-1.5 mm。自圖16c中之曲線可推斷，對於反射基底表面901比LED之頂部表面903更接近於發光層902(亦即，h2<h)的LED裝置910而言，在LED頂部表面903與發光層902之間的距離h之最佳值(其為光學效率具有最佳值(例如，局域最大值)所針對的距離h之值)幾乎獨立於在反射基底表面901與發光層902之間的距離h2。因此，用於在固態光發射器之頂部表面與發光層之間的距離的準則(如上文所定義)亦可適用於此第一發光模組900。當反射基底表面901比LED之頂部表面903更接近於發光層902(例如，在LED置放於反射基底中之凹部中的狀況下)(亦即，h>h2)時，效率具有最佳值時的距離h相對於反射基底表面901及LED表面903具有至發光層902之相等距離的情形較大。對於反射基底表面901比LED之頂部表面903更接近於發光層902(亦即，h2<h)的第二發光模組910而言，用於距離之準則變成：對於ρSSL<0.1而言0.4*d+△h/2<h<5*d+△h/2、對於0.1ρSSL 0.25而言0.15*d+△h/2<h<3*d+△h/2，且對於ρSSL>0.25而言0.1*d+△h/2<h<2*d+△h/2，其中△h為在反射
基底之表面901與LED之頂部表面903之間的距離之絕對值，亦即，△h=|h2-h|。
複數個固態光發射器在基底上之相對定位或置放為另一設計參數。固態光發射器在空腔中之置放可影響包含發光層之空腔之出射窗中之光學通量的分佈及均一性。需要避免可引起熱力熱點之光學熱點。此情形對於空腔之中心尤其重要，在空腔之中心，(例如)由於相對長距離及/或歸因於相對於(在一些實施例中)空腔壁之相對高熱導率的填充空腔之光學材料之相對低熱導率，發光層中之熱負荷更難以傳送至PCB板及散熱片。
空腔內部之不同LED分佈對效率及對在LED與發光層之間的最佳距離的影響係用根據本發明之發光模組的光學射線示蹤模型化予以研究。圖17a展示具有壁981及基底表面982之發光模組980的示意性俯視圖，其中一個LED 984定位於基底982之中心，且六個其他LED 983與中心等距地且彼此等距地定位於具有置放半徑rpl之虛圓上。在此狀況下，發光模組980包含各自具有1×1 mm2之面積之七個LED。針對基底半徑rbase之三個不同值(分別為7.46 mm、3.05 mm及2.36 mm)執行計算。在LED頂部表面與發光層之間的距離已變化，從而引起壁之不同高度值且因此引起壁之不同面積。因此，相對於基底及壁之固態發射器面積比ρSSL之值對於rbase為7.46 mm之狀況而言係在介於0.02與0.04之間的範圍內、對於rbase為3.05 mm之狀況而言係在介於0.09與0.22之間的範圍內，且對於rbase為2.36 mm之狀況
而言係在介於0.13與0.39之間的範圍內。圖17b、圖17c及圖17d展示光學射線示蹤模擬之結果，其中垂直y軸表示表達為出射於混合空腔外之白色輻射之通量Wwhite(單位：瓦特)與在藍色光譜範圍內藉由固態光發射器發射之總藍色通量Wblue(單位：瓦特)的比率之光學效能之效率，且水平x軸表示在發光層與LED頂部表面之間的以毫米為單位之距離h。圖17b、圖17c及圖17d中之不同曲線表示置放半徑rpl之不同值。在圖17b中展示在7.46 mm之基底半徑rbase下之結果，且曲線1101表示rpl=1.2 mm，曲線1102表示rpl=1.5 mm，曲線1103表示rpl=2.5 mm，曲線1104表示rpl=3.5 mm，曲線1105表示rpl=4.5 mm，曲線1106表示rpl=5.5 mm，且曲線1107表示rpl=6.5 mm。在圖17c中展示在3.05 mm之基底半徑rbase下之結果，且曲線1111表示rpl=1.2 mm，曲線1112表示rpl=1.4 mm，曲線1113表示rpl=1.8 mm，且曲線1114表示rpl=2.2 mm。在圖17d中展示在2.36 mm之基底半徑rbase下之結果，且曲線1121表示rpl=1.2 mm，曲線1122表示rpl=1.4 mm，且曲線1123表示rpl=1.6 mm。
圖17b之曲線與圖17c及圖17d之曲線的比較展示出，不同LED定位對光學效率及最佳LED頂部表面至發光層距離(其中效率具有最佳值)的影響對於具有相對低LED面積比ρSSL之空腔而言更顯著，圖17b中展示其結果。圖17b進一步展示LED置放之兩種極端狀況，其中外部LED經置放成相對接近於中心(對應於置放半徑rpl之最低值及曲線
1101)，或相對接近於壁(對應於置放半徑rpl之最大值及曲線1107)。兩種極端狀況引起光學效率之相對低值。
當LED經置放成相對靠近，使得在LED之間的空間與LED之尺寸相當時，則圍繞LED中每一者之基底表面之反射率會顯著地縮減，且該情形可用一個大LED晶粒(多晶粒LED)之模型予以近似。在此多晶粒LED情形中，在LED頂部表面與發光層之間的最佳距離增加以達成光之有效率再循環，其對於具有相對低LED面積比ρSSL(見圖17b)之發光模組而言係清楚地可見的。此效應對於具有中間至高LED面積比ρSSL(圖17c及圖17d)之發光模組而言較不顯著。對於此等後者發光模組，相比於具有LED面積比ρSSL之相對低值之發光模組，LED置放對光學效率有較少影響，亦即，將LED置放成較接近於中心或較接近於空腔壁會對光學效率有較少影響。
出於光學效率原因，較佳的是彼此等距地且與壁等距地置放固態光發射器。非均一固態光發射器置放引起熱點且亦增加固態光發射器中之光吸收損失。固態光發射器面積比ρSSL之相對高值縮減光學效率Wwhite/Wblue對固態光發射器之置放的敏感性，此亦係因為：在此狀況下，在發光模組上存在較少物理空間用於改變LED之部位。在固態光發射器頂部表面與發光層之間的最佳距離之值(其對應於引起最高光學效率之距離)對於固態光發射器面積比ρSSL之相對大值而言通常較低。
為了達成空腔之高效率值，較佳的是，空腔內部之所有
表面遍及裝置之整個光譜範圍具有高度反射性。為此目的，不僅使壁表面而且使在LED封裝與LED基板之間的空間自身另外塗佈有(例如)白色反射塗層，例如，TiO2填充聚矽氧。出於實務原因，將反射塗層施加於LED封裝上之步驟困難。因此，實務上，除了基底表面以外的緊接於LED之表面的反射係數相對低。
圖18展示光學射線示蹤模擬之結果，其中垂直y軸表示表達為出射於混合空腔外之白色輻射之通量Wwhite(單位：瓦特)與在藍色光譜範圍內藉由固態光發射器發射之總藍色通量Wblue(單位：瓦特)的比率之光學效能之效率，且水平x軸表示在發光層與LED之頂部表面之間的以毫米為單位之距離h。該等模擬包括各自具有2 mm2之晶粒面積之四個LED，且發光層之直徑為6.5 mm。曲線1152表示未經塗佈之LED封裝，且曲線1151表示經塗佈有反射層之LED封裝。圖18展示出，未經塗佈之LED封裝相對於具有反射塗層之LED封裝具有稍微較低光學效率，但未觀測到最佳LED表面至發光層距離h之顯著改變。此等模擬結果係藉由用未經塗佈之LED封裝及經塗佈之LED封裝的實驗予以驗證，該實驗展示具有反射塗層之LED封裝相對於未經塗佈之LED封裝的光學效率之大約7%之增加。
圖19a展示根據本發明之第二態樣之燈1000之實施例。燈1000包含連接至包括散熱片、功率驅動器及電連接之燈座1006的改型電燈泡1002。在燈座1006上提供根據本發明之第一態樣之發光模組1004。應注意，燈之實施例不限於
具有傳統電燈泡之尺寸之燈。其他形狀(比如，管)亦係可能的。亦可使用替代燈類型，諸如，聚光燈或向下照明器。燈亦可包含複數個發光模組。
圖19b展示燈1020之另一實施例。燈1020為包含用於準直藉由發光模組1004發射之光之反射器1022的聚光燈。發光模組1004熱耦合至用於遠離發光模組1004傳導熱且將熱提供至燈1020之周圍環境的散熱片1024。散熱片1024可經被動地或主動地冷卻。
圖19c展示根據本發明之第三態樣之燈具1050之實施例。燈具1050包含根據本發明之第一態樣之發光模組1052。在其他實施例中，燈具1050包含根據本發明之第二態樣之燈。
根據本發明之第二態樣之燈及根據本發明之第三態樣之燈具具有相似實施例，該等相似實施例具有與如參看圖1至圖18所描述的本發明之第一態樣之發光模組之效應相似的效應。
圖20呈現根據本發明之發光模組之另一實施例。相似於發光模組520，發光模組1300包含基底518、提供於基板524上之複數個發光二極體514、發光層506、反射壁522、透明材料502，及光反射粒子填充層512。然而，空氣層1301及偏振元件1302在背對發光二極體514之側處定位於發光層506上。在使用中，發光模組1300產生可尤其用於街道照明、辦公室照明及零售店照明且能夠縮減此等應用中眩光之量的偏振光。或者，其可用於液晶顯示器(LCD)
背光應用，從而縮減成本位準，此係因為不再需要分離的偏振器。出射於發光層506外且照射於偏振元件1302上具有正確偏振之光透射通過該偏振元件，而具有非正確偏振之光經導引回至發光層506及發光模組1300之空腔中。此光將藉由在發光層506中之散射及/或藉由經由反射壁522及/或光反射粒子填充層512在空腔內部之漫射反射而被隨機地偏振或去偏振，再次在偏振元件1302之方向上反射，且具有正確偏振之光將透射通過偏振元件1302。非透射光再次經導引回至發光層506及空腔中，其中重複此程序。歸因於空腔之相對高的光再循環效率，發光模組1300為相對有效率之偏振光源。偏振元件1302係藉由空氣層1301而與發光層506分離，以歸因於發光層506中所產生之熱而改良偏振元件1302之熱穩定性。在一替代實施例中，偏振元件1302直接地接觸發光層506，例如，在含有發光材料之陶瓷層上。偏振元件1302可為反射偏振器或散射偏振器。偏振元件1302可為反射偏振箔(例如，可購自3M之Vikuity DBEF)。或者，偏振元件1302包含具有高反射率之窄金屬線(例如，可購自Moxtek)。藉由變化金屬線之寬度及/或在金屬線之間的間距，可最佳化偏振相對於光透射之量。
圖21展示根據本發明之第四態樣之顯示裝置1400之實施例。顯示裝置包含如參看圖1至圖18及圖20所描述的根據本發明之發光模組。在使用中，發光模組可充當LCD顯示裝置之背光單元，或充當光源單元以在背光系統之光導層中注入偏振光。因為發光模組產生相對有效率之(偏振
光)，所以顯示裝置1400之成本位準縮減。
在所有適用實施例中，在空腔中可提供固態光發射器，其在至少一側向方向上發射光。通常藉由在通用固態光發射器頂部上提供兩個額外層而獲得側向發射，兩個額外層為透明材料層及光反射材料層。常常在透明藍寶石基板上製造為固態光發射器之LED。在製造之後，在許多狀況下，移除藍寶石層。然而，當未移除或僅部分地移除藍寶石時，將光反射塗層添加至與LED實質上相對的藍寶石層之表面會引起製造側向發射固態光發射器。或者，可將玻璃或藍寶石片段黏附至LED。
在另一實施例中，一或多個額外固態光發射器可提供於發光模組之壁上。在彼狀況下，壁表面之反射面積應藉由提供於發光模組之壁上之固態光發射器之面積校正。
在一實施例中，發光模組進一步包含圓頂形狀或透鏡形狀光學本體，其可存在於背對光出射窗的部分漫射反射層之側上。或者或另外，用於獲得漫射光發射、用於獲得空間上色彩及角度上色彩均一光發射且用於獲得色彩混合光發射之漫射器層經提供成與背對至少一固態光發射器的部分漫射反射層之側相隔一距離。
對於所有適用實施例，壁及基底可由同一種材料製成且膠合在一起。在另一實施例中，壁及基底為不同材料。應注意，舉例而言，當一個基底係藉由複數個相鄰發光模組共用時(例如，當基底為熱傳導印刷電路板時)，基底(如所繪製)可延伸超出壁。
本發明通常可應用於包含至少一但通常多個LED封裝之模組級(例如，PCB板)上。然而，本發明亦可用於包含一個或一個以上LED晶粒或晶片之LED封裝上。又，LED晶粒或晶片可包含所謂板覆晶類型，其中LED晶粒在無中間LED封裝的情況下直接地附接至(PCB)板。另外，可使用自LED晶粒至板之導線接合連接。
應注意，上文所提及之實施例說明而非限制本發明，且熟習此項技術者將能夠在不脫離附加申請專利範圍之範疇的情況下設計許多替代實施例。
在申請專利範圍中，置於圓括號之間的任何參考記號不應被解釋為限制申請專利範圍。動詞「包含」及其動詞變化之使用不排除除了申請專利範圍中所陳述之元件或步驟以外的元件或步驟之存在。在一元件前之數詞「一」不排除複數個此等元件之存在。可藉由包含若干相異元件之硬體且藉由經合適程式設計之電腦來實施本發明。在列舉若干構件之裝置請求項中，可藉由硬體之同一項目來體現此等構件中之若干者。在相互不同之附屬請求項中敍述某些措施之純粹事實不指示不能有利地使用此等措施之組合。
100‧‧‧發光模組
102‧‧‧發光層
104‧‧‧光出射窗
106‧‧‧頂部表面
108‧‧‧固態光發射器
110‧‧‧基底
112‧‧‧光反射表面
114‧‧‧第一色彩範圍
116‧‧‧第二色彩範圍
150‧‧‧發光模組
152‧‧‧頂部表面
154‧‧‧固態光發射器
156‧‧‧固態光發射器
158‧‧‧頂部表面
200‧‧‧發光模組
202‧‧‧最大線性尺寸
204‧‧‧光反射表面
206‧‧‧頂部表面
250‧‧‧發光模組
252‧‧‧最大線性距離/最大線性尺寸
254‧‧‧光反射表面
256‧‧‧頂部表面
258‧‧‧頂部表面
260‧‧‧直徑/最大線性尺寸
300‧‧‧發光模組
304‧‧‧壁之內部表面/壁之光反射表面/光反射壁表面
306‧‧‧光反射表面
308‧‧‧發光層
309‧‧‧基底
312‧‧‧固態光發射器
314‧‧‧壁
316‧‧‧空腔
350‧‧‧發光模組
352‧‧‧發光層
354‧‧‧光反射表面
356‧‧‧基底
358‧‧‧圓形基底
360‧‧‧固態光發射器
362‧‧‧圓柱形壁
402‧‧‧光出射窗
404‧‧‧壁
406‧‧‧光反射壁表面
412‧‧‧頂部表面
450‧‧‧發光模組
455‧‧‧外殼
460‧‧‧空腔
462‧‧‧光反射基底/光反射基底表面
465‧‧‧發光層
466‧‧‧光反射壁表面
468‧‧‧光反射壁表面
470‧‧‧界面
472‧‧‧光出射窗
480‧‧‧散熱片
482‧‧‧固態光發射器/LED
483‧‧‧頂部表面
492‧‧‧導線/導線接合頂部連接
498‧‧‧透明樹脂
500‧‧‧發光模組
502‧‧‧光透射材料/透明材料
504‧‧‧第二發光層
506‧‧‧第一發光層
508‧‧‧光反射塗層
510‧‧‧壁
512‧‧‧光反射粒子填充層
514‧‧‧LED
516‧‧‧基板
518‧‧‧基底
520‧‧‧發光模組
522‧‧‧反射壁/壁
524‧‧‧基板
530‧‧‧發光模組
532‧‧‧光透射材料
540‧‧‧發光模組
542‧‧‧傾斜壁
550‧‧‧發光模組
552‧‧‧彎曲壁
560‧‧‧發光模組
562‧‧‧實質上透明材料
570‧‧‧發光模組
572‧‧‧額外發光層
580‧‧‧發光模組
582‧‧‧透明基板
590‧‧‧發光模組
592‧‧‧透明樹脂
595‧‧‧發光模組
596‧‧‧LED晶片
597‧‧‧載體
598‧‧‧基底
600‧‧‧發光模組
602‧‧‧透明材料
604‧‧‧發光層
606‧‧‧LED
608‧‧‧基板
610‧‧‧基底
612‧‧‧光反射材料
620‧‧‧發光模組
622‧‧‧發光層
624‧‧‧邊緣
630‧‧‧發光模組
632‧‧‧發光層
640‧‧‧發光模組
642‧‧‧發光層
650‧‧‧發光模組
652‧‧‧發光層
654‧‧‧圓頂
656‧‧‧LED
660‧‧‧發光模組
662‧‧‧發光層
663‧‧‧箱狀透明材料
664‧‧‧基底
700‧‧‧發光模組
702‧‧‧發光層
704‧‧‧可撓性透明材料/可撓性光透射材料
706‧‧‧固態光發射器
708‧‧‧基板
710‧‧‧光反射材料
712‧‧‧可撓性基底箔/基底
750‧‧‧可撓性發光模組
752‧‧‧棒/桿
754‧‧‧光反射箔
801‧‧‧曲線
802‧‧‧曲線
803‧‧‧曲線
811‧‧‧曲線
812‧‧‧曲線
813‧‧‧曲線
821‧‧‧曲線
822‧‧‧曲線
823‧‧‧曲線
824‧‧‧曲線
825‧‧‧曲線
826‧‧‧曲線
831‧‧‧資料點
832‧‧‧資料點
833‧‧‧資料點
840‧‧‧曲線
841‧‧‧曲線
850‧‧‧第一參考發光模組
851‧‧‧基底基板
852‧‧‧LED
853‧‧‧發光層
854‧‧‧圓頂狀光學元件
855‧‧‧反射層
860‧‧‧第二參考發光模組
870‧‧‧發光模組
871‧‧‧基底基板
872‧‧‧LED
873‧‧‧發光層
874‧‧‧空腔
875‧‧‧反射層
900‧‧‧第一發光模組
901‧‧‧反射基底表面
902‧‧‧發光層
903‧‧‧LED表面/LED頂部表面
906‧‧‧基底
908‧‧‧LED/固態光發射器
910‧‧‧第二發光模組/LED裝置
951‧‧‧曲線
952‧‧‧曲線
953‧‧‧曲線
954‧‧‧曲線
955‧‧‧曲線
956‧‧‧曲線
957‧‧‧曲線
980‧‧‧發光模組
981‧‧‧壁
982‧‧‧基底表面/基底
983‧‧‧LED
984‧‧‧LED
1000‧‧‧燈
1002‧‧‧電燈泡
1004‧‧‧發光模組
1006‧‧‧燈座
1020‧‧‧燈
1022‧‧‧反射器
1024‧‧‧散熱片
1050‧‧‧燈具
1052‧‧‧發光模組
1101‧‧‧曲線
1102‧‧‧曲線
1103‧‧‧曲線
1104‧‧‧曲線
1105‧‧‧曲線
1106‧‧‧曲線
1107‧‧‧曲線
1111‧‧‧曲線
1112‧‧‧曲線
1113‧‧‧曲線
1114‧‧‧曲線
1121‧‧‧曲線
1122‧‧‧曲線
1123‧‧‧曲線
1151‧‧‧曲線
1152‧‧‧曲線
1300‧‧‧發光模組
1301‧‧‧空氣層
1302‧‧‧偏振元件
1400‧‧‧顯示裝置
2000‧‧‧發光模組
2010‧‧‧印刷電路板
2015‧‧‧電接點
2020‧‧‧基板載體
2030‧‧‧LED晶粒
2035‧‧‧透明保護層
2040‧‧‧反射層
2045‧‧‧光學接合層
2050‧‧‧壁
2055‧‧‧填充層
2060‧‧‧發光層
2100‧‧‧發光模組
2110‧‧‧印刷電路板
2115‧‧‧電接點
2120‧‧‧基板載體
2130‧‧‧LED晶粒
2135‧‧‧透明保護層
2140‧‧‧反射層
2145‧‧‧光學接合層
2150‧‧‧壁
2155‧‧‧填充層
2160‧‧‧發光層
2300‧‧‧發光模組
2310‧‧‧印刷電路板
2315‧‧‧電接點
2320‧‧‧基板載體
2330‧‧‧LED晶粒
2340‧‧‧反射層
2345‧‧‧光學接合層
2350‧‧‧壁
2355‧‧‧填充層
2360‧‧‧發光層
圖1a及圖1b示意性地展示根據本發明之發光模組之實施例的橫截面；圖2a及圖2b示意性地展示根據本發明之發光模組之實施例的俯視圖；圖3a示意性地展示包含空腔的根據本發明之發光模組之
實施例；圖3b示意性地展示具有圓柱形形狀的根據本發明之發光模組之實施例；圖4a及圖4b示意性地展示包含空腔的根據本發明之發光模組之實施例的橫截面之實施例；圖5a及圖5b示意性地展示根據本發明之發光模組之實施例的複數個橫截面；圖6示意性地展示根據本發明之發光模組之實施例的複數個橫截面，其中發光層形成光出射窗且發光層之邊緣觸碰基底；圖7a及圖7b示意性地展示可撓性發光模組之根據本發明之實施例的橫截面；圖8a、圖8b及圖8c示意性地展示根據本發明之發光模組之實施例的橫截面；圖9展示具有根據本發明之發光模組之實施例之量測結果的曲線圖；圖10a展示第一參考發光模組之示意性橫截面；圖10b展示第二參考發光模組之示意性橫截面；圖10c展示根據本發明之發光模組之示意性橫截面；圖11、圖12、圖13、圖14及圖15展示具有根據本發明之發光模組之實施例之模擬結果的曲線圖；圖16a及圖16b示意性地展示根據本發明之發光模組之實施例的橫截面；圖16c展示具有根據圖16a及圖16b之發光模組之實施例
之模擬結果的曲線圖；圖17a示意性地展示根據本發明之發光模組之實施例的俯視圖；圖17b、圖17c及圖17d展示具有根據圖17a之發光模組之實施例之模擬結果的三個其他曲線圖；圖18展示具有根據本發明之發光模組之模擬結果的另一曲線圖；圖19a及圖19b展示根據本發明之一態樣之燈之兩個實施例；圖19c展示根據根據本發明之一態樣之燈具之實施例；圖20示意性地展示根據本發明之發光模組之實施例的橫截面之實施例；及圖21展示根據本發明之一態樣之顯示裝置之實施例。
102‧‧‧發光層
104‧‧‧光出射窗
110‧‧‧基底
112‧‧‧光反射表面
114‧‧‧第一色彩範圍
116‧‧‧第二色彩範圍
150‧‧‧發光模組
152‧‧‧頂部表面
154‧‧‧固態光發射器
156‧‧‧固態光發射器
158‧‧‧頂部表面
Claims (26)
- 一種發光模組(100、150、300、350)，其用於通過該發光模組(100、150、300、350)之一光出射窗(104、402)而發射光，該發光模組(100、150、300、350)包含：一基底(110、309、358)，其包含一光反射表面(112、306、354)，該光反射表面(112、306、354)具有一基底反射係數(Rbase)，該基底反射係數(Rbase)係藉由在藉由該基底之該光反射表面(112、306、354)反射之光之量與照射於該基底之該光反射表面(112、306、354)上之光之量之間的一比率定義；至少一固態光發射器(108、154、156、312、360)，其經組態用於發射一第一色彩範圍(114)之光，該至少一固態光發射器(108、154、156、312、360)具有一頂部表面(106、152、158、412)且具有一固態光發射器反射係數(R_SSL)，該固態光發射器反射係數(R_SSL)係藉由在藉由該至少一固態光發射器(108、154、156、312、360)反射之光之量與照射於該至少一固態光發射器(108、154、156、312、360)之該頂部表面(106、152、158、412)上之光之量之間的一比率定義，其中一固態光發射器面積比(ρSSL)經定義為在該至少一固態光發射器之該頂部表面(106、152、158、412)之面積與該基底之該光反射表面(112、306、354)之面積之間的比率，且其中該至少一固態光發射器之該頂部表面(106、152、158、412)之一最大線性尺寸(dSSL、202、252、260)經定義為沿著一直線 自該至少一固態光發射器之該頂部表面(106、152、158、412)上之一點至該至少一固態光發射器之該頂部表面(106、152、158、412)上之另一點的最長距離；及一部分漫射反射層(102、308、352)，該光出射窗(104、402)包含該部分漫射反射層(102、308、352)之至少一部分，其中具有一距離(h、h1、h2)之一間隙存在於該至少一固態光發射器之該頂部表面(106、152、158、412)與該部分漫射反射層(102、308、352)之間，針對該間隙，對於0<ρSSL<0.1而言0.3‧dSSL h5‧dSSL、對於0.1ρSSL 0.25而言0.15‧dSSL h3‧dSSL，且對於ρSSL>0.25而言0.1‧dSSL h2‧dSSL，且其中該基底反射係數(Rbase)之值大於70%且大於該固態光發射器反射係數(R_SSL)。
- 如請求項1之發光模組(100、150、300、350)，其中該部分漫射反射層(102、308、352)包含用於將該第一色彩範圍(114)之光之至少一部分轉換成一第二色彩範圍(116)之光的發光材料。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其中該至少一固態光發射器(108、154、156、312、360)之該頂部表面(106、152、158、412)面朝該光出射窗(104、402)。
- 如請求項3之發光模組(100、150、300、350)，其中該至少一固態光發射器(108、154、156、312、360)朝向該光出射窗(104、402)之至少一部分發射光。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其包含複數個固態光發射器(108、154、156、312、360)，其中該等固態光發射器(108、154、156、312、360)中每一者經組態用於發射在一特定色彩中之光，且該等固態光發射器中每一者具有一頂部表面(106、152、158、412)，且其中該固態光發射器反射係數(R_SSL)經定義為該複數個固態光發射器(108、154、156、312、360)之該等反射係數之平均值。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其中該基底反射係數(Rbase)之值大於該固態光發射器反射係數(R_SSL)之值加上一因子c乘以在1與該固態光發射器反射係數(R_SSL)之該值之間的差，其中對於0<ρSSL<0.1而言0.2c1、對於0.1ρSSL 0.25而言0.3c1，且對於ρSSL>0.25而言0.4c1。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其進一步包含介入於該基底(110、309、358)與該光出射窗(104、402)之間的一壁(314、362、404)，該基底(110、309、358)、該壁(314、362、404)及該光出射窗(104、402)圍封一空腔(316)，該壁(314、362、404)包含面朝該空腔(316)之一光反射壁表面(304、406)，該光反射壁表面(304、406)具有一壁反射係數(Rwall)，該壁反射係數(Rwall)係藉由在藉由該光反射壁表面(304、406)反射之光之量與照射於該光反射壁表面(304、406)上之光之量之間的一比率定義， 其中一有效反射係數(Reff)經定義為該基底反射係數(Rbase)及該壁反射係數(Rwall)之一加權平均值，其中該固態光發射器面積比(ρSSL)經定義為在該至少一固態光發射器之該頂部表面之面積與該基底之反射表面之面積同該反射壁表面(304、406)之面積之總和之間的比率，且其中該有效反射係數(Reff)之值大於70%且大於該固態光發射器反射係數(R_SSL)。
- 如請求項7之發光模組(100、150、300、350)，其中該有效反射係數(Reff)之該值大於該固態光發射器反射係數(R_SSL)加上該因子c乘以在1與該固態光發射器反射係數(R_SSL)之間的該差，其中對於0<ρSSL<0.1而言0.2c1、對於0.1ρSSL 0.25而言0.3c1，且對於ρSSL>0.25而言0.4c1。
- 如請求項7之發光模組(100、150、300、350)，其中該壁反射係數(Rwall)小於95%，且其中對於0<ρSSL<0.1而言0.3‧dSSL h0.75‧dSSL、對於0.1ρSSL 0.25而言0.15‧dSSL h0.3‧dSSL，且對於ρSSL>0.25而言0.1‧dSSL h0.2‧dSSL。
- 如請求項7之發光模組(100、150、300、350)，其中該壁反射係數(Rwall)大於或等於95%，且其中對於0<ρSSL<0.1而言0.75‧dSSL h2‧dSSL、對於0.1ρSSL 0.25而言0.3‧dSSL h0.7‧dSSL，且對於ρSSL>0.25而言0.2‧dSSL h0.5‧dSSL。
- 如請求項7之發光模組(910)，其中該基底(906)之該反射表面(901)之至少一部分比該至少一固態光發射器(908) 之該頂部表面(903)更接近於該部分漫射反射層(902)，且其中在該頂部表面(903)與該部分漫射反射層(902)之間的一距離(h)對於0<ρSSL<0.1而言為0.4*dSSL+△h/2h5*dSSL+△h/2、對於0.1ρSSL 0.25而言為0.15*dSSL+△h/2h3*dSSL+△h/2，且對於ρSSL>0.25而言為0.1*dSSL+△h/2h2*dSSL+△h/2，且其中△h為在如下兩個距離之間的差之絕對值：在該至少一固態光發射器之該頂部表面(903)與該部分漫射反射層(902)之間的該距離(h)；及在該反射基底表面(901)與該部分漫射反射層(902)之間的最短距離(h2)。
- 如請求項1之發光模組(100、150、300、350)，其中當參考請求項1時，該基底之該光反射表面(112、306、354)包含一光反射塗層、一光反射模製件或一光反射箔，且其中當參考請求項7時，該基底(110、309、358)之該光反射表面及該光反射壁表面(304、406)中至少一者包含一光反射塗層、一光反射陶瓷或一光反射箔。
- 如請求項7之發光模組(100、150、300、350)，其中該光反射壁表面(304、406)相對於該基底(110、309、358)之一法線軸線而傾斜以用於增加光朝向該光出射窗(104、402)之該反射，或其中該光反射壁表面(304、406)彎曲以用於增加光朝向該光出射窗(104、402)之該反射。
- 如請求項1之發光模組(100、150、300、350)，其中該部分漫射反射層(102、308、352)形成該光出射窗(104、402)，該部分漫射反射層(102、308、352)具有一邊緣 (624)，且該部分漫射反射層(102、308、352)之該邊緣(624)接觸該基底(110、309、358)。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其包含配置於該至少一固態光發射器(108、154、156、312、360)與該部分漫射反射層(102、308、352)之間的一實質上透明材料，該透明材料光學地耦合至該至少一固態光發射器(108、154、156、312、360)。
- 如請求項15之發光模組(100、150、300、350)，其中該實質上透明材料進一步光學地及熱耦合至該部分漫射反射層(102、308、352)。
- 如請求項15之發光模組(100、150、300、350)，其中該實質上透明材料為具有大於44 μm或小於1 μm之一顆粒尺寸之燒結半透明多晶氧化鋁。
- 如請求項2之發光模組(100、150、300、350)，其中該發光材料包含以下各者中至少一者：一無機磷光體、一有機磷光體、一陶瓷磷光體及一量子點，或其一混合物。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其中該光出射窗(104、402)進一步包含以下各者中至少一者：一漫射器層，其用於獲得一漫射光發射、用於獲得一空間上色彩及角度上色彩均一光發射，且用於獲得一色彩混合光發射；一雙向色層，其用於校正角度上色彩變化或光均一性；及 一光學元件，其用於提供一所要光射束形狀。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其中用於獲得一漫射光發射、用於獲得一空間上色彩及角度上色彩均一光發射且用於獲得一色彩混合光發射之一漫射器層經提供成與背對該至少一固態光發射器的該部分漫射反射層之一側相隔一距離。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其進一步包含一偏振元件(1302)，該偏振元件(1302)定位於背對該至少一固態光發射器的該部分漫射反射層之一側處。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其中對於0.0<ρSSL<0.1而言0.4c1、對於0.1ρSSL 0.25而言0.6c1，且對於ρSSL>0.25而言0.8c1。
- 如請求項1或2之發光模組(100、150、300、350)，其中對於0.0<ρSSL<0.1而言0.6c1，且對於0.1ρSSL 0.25而言0.84c1。
- 一種燈(1000、1020)，其包含一如請求項1至23中任一項之發光模組(100、150、300、350)。
- 一種燈具(1050)，其包含一如請求項1至23中任一項之發光模組(100、150、300、350)，或包含一如請求項24之燈(1000、1020)。
- 一種顯示裝置(1400)，其包含一如請求項1至23中任一項之發光模組(100、150、300、350、1300)。
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