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CN101438426A - 带有会聚光学元件的led封装 - Google Patents

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CN101438426A
CN101438426A CNA2007800159459A CN200780015945A CN101438426A CN 101438426 A CN101438426 A CN 101438426A CN A2007800159459 A CNA2007800159459 A CN A2007800159459A CN 200780015945 A CN200780015945 A CN 200780015945A CN 101438426 A CN101438426 A CN 101438426A
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Abstract

本发明公开了一种光源，其包括：具有发光表面的LED晶粒；及光学元件，其包括基部、小于所述基部的顶端以及在所述基部和所述顶端之间延伸的会聚侧面，其中所述基部光耦合到所述发光表面并尺寸不大于所述发光表面，且其中所述光学元件引导所述LED晶粒发射的光以产生侧面发光图案。

Description

带有会聚光学元件的LED封装
技术领域
本发明涉及光源。更具体地讲，本发明涉及其中使用光学元件来提取从发光二极管(LED)发射的光的光源。
背景技术
LED具有提供可与传统光源竞争的亮度、输出和运行寿命的固有潜能。不幸的是，LED会在半导体材料中产生光，半导体材料具有高的折射率，因此难以在不实质上降低亮度或不增大LED表面发光面积的情况下，有效地从LED中提取光。由于半导体和空气之间的折射率在很大程度上失配，因此半导体-空气界面的出射锥角度相对较小。半导体中产生的许多光被完全内反射，不能逃逸出半导体，因此降低亮度。
以前从LED晶粒中提取光的方法是使用呈多种形状(例如，覆盖LED晶粒的保形圆顶结构或在围绕LED晶粒而成形的杯状反射器中形成)的环氧树脂或硅树脂封壳。封壳的折射率高于空气，从而降低半导体-封壳界面的全内反射，因此能提高提取效率。然而，即使有封壳，半导体晶粒(典型的折射率n为2.5或更高)和环氧树脂封壳(典型的n为1.5)之间仍然存在显著的折射率失配。
最近，已经提出单独制作光学元件，然后使其接触或接近LED晶粒的表面，以耦合或“提取”来自LED晶粒的光。该类元件可被称为提取器。该类光学元件的实例在美国专利申请公开案No.US2002/0030194A1“LIGHT EMITTING DIODES WITH IMPROVEDLIGHT EXTRACTION EFFICIENCY”(具有改善光提取效率的发光二极管)(卡马拉斯(Camras)等人)中有所描述。
发明内容
本申请公开了一种光源，其包括具有发光表面的LED晶粒和光学元件，该光学元件包括基部、小于基部的顶端以及在基部与顶端之间延伸的会聚侧面，其中基部光耦合到发光表面并且尺寸不大于发光表面，且其中光学元件引导LED晶粒发射的光以产生侧部发光图案。本发明的以上概述并不旨在描述本发明的每一个公开的实施例或每一种实施方式。以下附图和具体实施方式更具体地说明示例性实施例。
附图说明
结合附图思考本发明的以下具体实施方式，可更完全地理解本发明，其中类似的附图标号指示类似的元件。附图旨在作为示例性实例而并非意图加以限制。附图中多种元件的尺寸是近似的，并可能不符合比例。
图1为示出一个实施例中光学元件和LED晶粒构造的示意性侧视图。
图2a-c为根据另外的实施例的光学元件的透视图。
图3为根据另一个实施例的光学元件的透视图。
图4a-4i为根据数个可择实施例的光学元件的俯视图。
图5a-c为示出可选实施例中的光学元件的示意性前视图。
图6a-e为根据数个可供选择的实施例的光学元件和LED晶粒的示意性侧视图。
图7a-d为根据数个实施例的光学元件和LED晶粒的底视图。
图8为根据另一个实施例的光学元件和LED晶粒阵列的透视图。
图9为根据另一个实施例的光学元件和LED晶粒的局部视图。
图10a示出了实例1中所述的强度等值线图。
图10b示出了实例1中所述的强度线图。
图10c示出了实例1中使用的LED晶粒的布置。
图11a示出了实例2中所述的强度等值线图。
图11b示出了实例2中所述的强度线图。
图11c示出了实例2中使用的LED晶粒和光学元件的布置。
图12a示出了实例3中所述的强度等值线图。
图12b示出了实例3中所述的强度线图。
图12c示出了实例3中使用的LED晶粒和光学元件的布置。
具体实施方式
最近，制作从LED晶粒中更有效地“提取”光的光学元件。单独制作用于提取的光学元件，然后使其接触或接近LED晶粒的表面。该类光学元件可称为提取器。采用光学元件(例如以上光学元件)的大多数应用都将光学元件成形为从LED晶粒提取出光并使光沿大致正向发射。光学元件的某些形状也可使光准直。它们被称为“聚光器”。参见(例如)美国专利申请公开案No.US 2002/0030194A1“LIGHTEMITTING DIODES WITH IMPROVED LIGHT EXTRACTIONEFFICIENCY”(具有改善光提取效率的发光二极管)(Camras(卡马拉斯)等人)；美国专利申请案No.10/977577“HIGH BRIGHTNESS LEDPACKAGE”(高亮度LED封装)(代理人案卷号60217US002)；以及美国专利申请案No.10/977249，标题为“LED PACKAGE WITHNON-BONDED OPTICAL ELEMENT”(具有非粘结光学元件的LED封装)(代理人案卷号60216US002)。
另外还提出了侧发光光学元件。参见标题为“LIGHT EMITTINGDEVICES WITH IMPROVED LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY”(具有改善光提取效率的发光二极管)的U.S.7,009,213(卡马拉斯等人；下文称“卡马拉斯等人‘213”)。卡马拉斯等人‘213描述的侧发光体依靠反射镜将再次引导至侧面。
本专利申请案公开了成形为在无需反射镜和其它反射层的情况下便可将光再次引导至侧面的光学元件。申请人发现，特定形状的光学元件由于其形状的缘故可有助于将光再次引导至，从而消除对附加反射层或反射镜的需要。如下文所述，该类光学元件通常具有至少一个会聚侧面。会聚侧面用作入射角较大的光的反射表面，因为光在光学元件(优选地为高折射率)与周围介质(例如空气，低折射率)的界面处全内反射。
消除反射镜可改善制造工艺并降低成本。此外，由于光学元件的材料可能非常昂贵，因此具有会聚形状的光学元件使用较少的材料能进一步节省成本。
本发明公开具有光学元件的光源，这些光学元件用于有效地从LED晶粒提取出光并改变发射光的角分布。每个光学元件均光耦合到LED晶粒(或LED晶粒阵列)的发光表面以有效地提取光并改变发射光的发光图案。包括光学元件的LED光源可用于多种应用，其包括(例如)液晶显示器或背光标牌中的背光源。
本文所述的具有会聚光学元件的光源可适用于边缘照明式构造和直射式构造的背光源。楔形光学元件尤其适于边缘照明式背光源，其中沿着背光源的外部设置光源。棱锥形或锥形会聚光学元件尤其适用于直射式背光源。该类光源可用作单光源元件，也可成阵列布置，取决于具体的背光源设计。
对于直射式背光源，光源通常设置在漫射或镜面反射器与上部薄膜叠堆之间，该上部薄膜叠堆可以包括棱镜薄膜、漫射器和反射偏光片。其可用于以最有效的视角范围并以均匀的亮度将光源发射的光引向观察者。示例性棱镜薄膜包括诸如可得自明尼苏达州圣保罗3M公司的BEFTM之类的增亮薄膜。示例性反射偏振片包括DBEFTM，同样可得自明尼苏达州圣保罗3M公司。对于边缘照明式背光源，光源可定位成使得光射入中空或实心的光导。光导通常具有位于其下方的反射器以及上述上部薄膜叠堆。
图1为示出根据一个实施例的光源的示意侧视图。光源包括光学元件20以及LED晶粒10。光学元件20具有三角形横截面，该三角形横截面包括基部120以及两个在与基部120相对一侧接合以形成顶端130的会聚侧面140。顶端可为一个点(如图1中130处所示)，或可为钝头形，例如在截平的三角形中(如虚线135所示)。钝头形顶端可为平整顶端、圆形顶端或其组合。顶端小于基部并且优选地位于基部上方。在某些实施例中，顶端不大于基部尺寸的20％。优选地，顶端不小于基部尺寸的10％。在图1中，顶端130位于基部120上方的居中位置。然而，还可以想到顶端不居中或偏离基部中心的实施例。
光学元件20光耦合到LED晶粒10以提取LED晶粒10发射的光。LED晶粒10的主发光表面100大致平行于光学元件20的基部120并与其接近。LED晶粒10与光学元件20可以包括粘结和非粘结构造在内的多种方式光耦合，下文对此有更详细的描述。
如图1中箭头160a-b所示，光学元件20的会聚侧面140a-b起到改变LED晶粒10发射光的发光图案的作用。典型的裸LED晶粒以第一发光图案发射光。通常，第一发光图案一般为正向发光或具有大致正向发光的部件。会聚光学元件(例如，图1中所示的光学元件20)将第一发光图案改变为不同的第二发光图案。例如，楔形光学元件引导LED晶粒发射的光以产生具有两个叶瓣的侧发光图案。图1示出了由LED晶粒发射并在基部处进入光学元件20的示例性光线160a-b。当沿与会聚侧面140a形成相对较小入射角的方向发射的光线从高折射率材料的光学元件20射出而进入周围介质(例如，空气)时，该光线会出射被折射。示例性光线160a就示出了这样一条相对于法线以小角度入射的光线。以大入射角(大于或等于临界角的角度)发射的不同光线会在其相遇的第一会聚侧面(140a)处会被全内反射。然而，在诸如图1示出的会聚光学元件之类的会聚光学元件中，反射光线随后会以小入射角与第二个会聚侧面(140b)相遇，在此处其会被折射并且从光学元件出射。示例性光线160b示出了这样一条光路。
具有至少一个会聚侧面的光学元件可将第一发光图案更改为与此不同的第二发光图案。例如，利用此类会聚光学元件可将大致正向发光的光图案改变为大致侧发光的第二光图案。换句话讲，可将高折射率的光学元件成形为引导LED晶粒发射的光以产生侧发光图案。如果光学元件旋转对称(例如，锥形)，则所得发光图案将具有环形分布-发射光的强度将以圆形图案集中在光学元件周围。如果(例如)光学元件成形为楔形形状(参见图3)，则侧发光图案将具有两个叶瓣-光强度将集中在两个区域中。在对称楔形的情形下，两个叶瓣将位于光学元件的相对侧(两个相对区域)。对于具有多个会聚侧面的光学元件，侧发光图案将具有相应的多个叶瓣。例如，对于四棱锥形的光学元件，所得侧发光图案将具有四个叶瓣。侧发光图案可为对称，也可为不对称。当光学元件的顶端相对于基部或发光表面非对称放置时，就会产生不对称的图案。本领域内的技术人员将会了解此类布置和形状的多种改变，以便产生所期望的多种不同发光图案。
在某些实施例中，如强度线图中所测量，侧发光图案具有最大值位于至少30°的极角处的强度分布。在其它实施例中，侧发光图案的强度分布集中在至少30°度的极角处。目前公开的光学元件还可具有其它强度分布，包括(例如)在45°和60°极角处具有最大值或集中在45°和60°极角处的强度分布。
会聚光学元件可具有多种形式。每个光学元件都具有基部、顶端和至少一个会聚侧面。基部可为任何形状(例如，正方形、圆形、对称或不对称、规则或不规则)。顶端可为点、线或面(在顶端被截平的情况下)。无论具体会聚形状如何，顶端的表面积都小于基部，以使得侧面从基部向顶端会聚。会聚光学元件可以为棱锥形、锥形、楔形或其组合。这些形状中的每一个也可以在顶端附近被截平，从而形成钝头形顶端。会聚光学元件可以为多面形形状，具有多边形基部以及至少两个会聚侧面。例如，棱锥形或楔形光学元件可以具有矩形或正方形基部以及四个侧面，其中至少两个侧面为会聚侧面。其它的侧面可以为平行侧面，作为另外一种选择，也可以是发散的或会聚的侧面。基部的形状不必是对称的，可以为(例如)梯形、平行四边形、四边形或其它多边形。在其它实施例中，会聚光学元件可以具有圆形、椭圆形或形状不规则但是连续的基部。在这些实施例中，可以说光学元件只具有单个会聚侧面。例如，可以将具有圆形基部的光学元件成形为锥形。一般来讲，会聚光学元件包括基部、(至少部分地)位于基部上方的顶端以及连接顶端和基部以形成实体的一个或多个会聚侧面。
图2a示出了会聚光学元件200的一个实施例，其成形为四棱锥形并具有基部220、顶端230和四个侧面240。在该特定实施例中，基部220可为矩形或正方形，顶端230位于基部上方的居中位置(顶端沿垂直于基部平面的直线210的投影位于基部220的居中位置)。图2a还示出了具有发光表面100的LED晶粒10，该发光表面靠近并平行于光学元件200的基部220。LED晶粒10以及光学元件200在发光表面-基部界面处光耦合。光耦合可以通过多种方式来实现，下文将更为详细地描述。例如，可将LED晶粒和光学元件粘结在一起。在图2a中，基部和LED晶粒的发光表面示出为在尺寸上大致匹配。在其它实施例中，基部可以大于或小于LED晶粒的发光表面。
图2b示出了会聚光学元件202的另一个实施例。在此，光学元件202具有六边形基部222、钝头形顶端232和六个侧面242。侧面在基部和顶端之间延伸，每个侧面均向顶端232会聚。顶端232为钝头形并形成同样为六边形但小于六边形基部的表面。
图2c示出了光学元件204的另一个实施例，其具有两个会聚侧面244、基部224和顶端234。在图2c中，光学元件成形为楔形，顶端234形成直线。图中示出另外两个侧面为平行侧面。从顶部观察，光学元件204如图4d所示。
楔形光学元件的可供选择的实施例的形状还可包括具有会聚和发散侧面的组合的形状，例如，图3所示的光学元件22。在图3所示的实施例中，楔形光学元件22类似于斧头。两个发散侧面142起到使LED晶粒发射的光准直的作用。两个会聚侧面144在顶部会聚形成顶端132，当从侧面观察时，该顶端的形状为基部上方的直线(参见图1)，但当根据图3(或图4e)所示进行观察时，该顶端具有延伸超过基部的部分。如图1所示，会聚侧面144允许LED晶粒10发射的光再次引导至侧面。例如，如图4f所示，其它实施例包括所有侧面都会聚在一起的楔形形状。
还可将光学元件成形为具有如下部分的锥形：圆形或椭圆形基部、(至少部分地)位于基部上方的顶端以及连接基部和顶端的单个会聚侧面。如在上述棱锥和楔形形状中，顶端可以为点、线(直线或曲线)，或为形成一个表面的钝头形。
图4a-4i示出了光学元件的多个可供选择的实施例的俯视图。图4a-4f示出了顶端位于基部上方的居中位置的实施例。图4g-4i示出了非对称光学元件的实施例，其中顶端偏离或倾斜且不位于基部上方的居中位置。
图4a示出了棱锥形光学元件，其具有正方形基部、四个侧面以及位于基部上方的居中位置的截平顶端230a。图4h示出了棱锥形光学元件，其具有正方形基部、四个侧面以及偏心的截平顶端230h的。图4b示出了光学元件的实施例，其具有正方形基部以及成形为圆形的钝头形顶端230b。在这种情况下，会聚侧面是弯曲的，以使得正方形基部与圆形顶端连接。图4c示出了棱锥形光学元件，其具有正方形基部和会聚到一点以形成顶端230c的四个三角形侧面，该顶端位于基部上方的居中位置。图4i示出了棱锥形光学元件，其具有正方形基部和会聚到一点而形成顶端230i的四个三角形侧面，该顶端位于基部上方的偏离位置(非居中位置)。
图4d-4g示出了楔光学元件。在图4d中，顶端230d形成了一条位于基部上方居中位置的线。在图4e中，顶端230e形成了一条位于基部上方居中位置且部分位于基部上方的线。顶端230e还具有延伸超出基部的部分。图4e所示的俯视图可为图3中以透视图示出且如上所述的光学元件的俯视图。图4f和图4g示出了楔形光学元件的两个可供选择的实施例，其具有形成线的顶端以及四个会聚侧面。在图4f中，顶端230f位于基部上方的居中位置，而在图4g中，顶端230g是偏离的。
图5a-5c示出了根据可供选择的实施例的光学元件的侧视图。图5a示出了光学元件的一个实施例，其具有基部50以及起始于基部50并朝向位于基部50上方的顶端30会聚的侧面40和41。可选地，侧面可朝向截平顶端31会聚。图5b示出了光学元件的另一个实施例，其具有基部52、会聚侧面44以及垂直于基部的侧面42。两个侧面42和44形成位于基部边缘上方的顶端32。可选地，顶端可以为钝头形顶端33。图5c示出了具有大致为三角形横截面的可供选择的光学元件的侧视图。在此，基部125以及侧面145和147大致形成三角形，但侧面145和147为非平面表面。在图5c中，光学元件具有弯曲的左侧面145和有小平面的右侧面(即三个更小平整部分147a-c的组合)。这些侧面可以是弯曲侧面、分段侧面、有小平面的侧面、凸侧面、凹侧面或其组合。这些侧面形式仍能以类似于上述平面或平整侧面的方式来改变提取的光的角发射的功能，而且能提供更高的定制最终发光图案的程度。
图6a-6e示出了光学元件620a-e的可供选择的实施例，其分别具有在每个基部622a-e与顶端630a-e之间延伸的非平面侧面640a-e。在图6a中，光学元件620a具有包括两个有小平面的部分641a和642a的侧面640a。基部622a附近的部分642a垂直于基部622a，而部分641a朝向顶端630a会聚。类似地，在图6b-c中，光学元件620b-c分别具有侧面640b-c，这些侧面是通过连接641b-c和642b-c这两个部分而形成。在图6b中，会聚部分641b为凹形。在图6c中，会聚部分641c为凸形。图6d示出了具有两个侧面640d的光学元件620d，这些侧面是通过连接部分641d和642d而形成。在此，基部622d附近的部分642d朝向截平顶端630d会聚并且最上部部分641d垂直于钝头形顶端630d的表面。图6e示出了具有弯曲侧面640e的光学元件620e的可供选择的实施例。在此，侧面640e为s形，但大体上朝向钝头形顶端630e会聚。当侧面由两个或更多个部分形成时(如图6a-e中所示)，优选地，这些部分布置为使得侧面仍然大体上是会聚的，即使可能有不会聚的部分。
优选地，基部的尺寸LED晶粒在与发光表面处的尺寸匹配。图7a-7d示出了这类布置的示例性实施例。在图7a中，具有圆形基部50a的光学元件与具有正方形发光表面70a的LED晶粒光耦合。在此，通过使让圆形基部50a的直径“d”等于正方形发光表面70a的对角尺寸(同样为“d”)来使基部和发光表面匹配。在图7b中，具有六边形基部50b的光学元件光耦合到具有正方形发光表面70b的LED晶粒。在此，六边形基部50b的高度“h”与正方形发光表面70b的高度“h”匹配。在图7c中，具有矩形基部50c的光学元件光耦合到具有正方形发光表面70c的LED晶粒。在此，基部和发光表面的宽度“w”匹配。在图7d中，具有正方形基部50d的光学元件光耦合到具有六边形发光表面70d的LED晶粒。在此，基部和发光表面的高度“h”匹配。当然，其中基部和发光表面具有相同形状且具有相同表面积的简单结构也是满足此标准。在此，基部的表面积与LED晶粒的发光表面的表面积匹配。
类似地，当光学元件与LED晶粒阵列耦合时，优选地，可使发光表面侧处的阵列的尺寸以与光学元件的基部尺寸匹配。另外，阵列的形状不必与基部的形状匹配，只要它们在至少一种尺寸上(例如，直径、宽度、高度或表面积)匹配即可。
作为另外一种选择，LED晶粒在发光表面处的尺寸或LED晶粒阵列的组合尺寸可小于或大于基部的尺寸。图6a和6c示出了其中LED晶粒(分别为610a和610c)的发光表面(分别为612a和612c)与基部(分别为622a和622c)的尺寸匹配的实施例。图6b示出了具有大于基部622b的发光表面612b的LED晶粒610b。图6d示出了LED晶粒的阵列612d，该阵列在发光表面612d处的组合尺寸大于基部622d的尺寸。图6e示出了具有小于基部622e的发光表面612e的LED晶粒610e。
例如，如果LED晶粒发光表面为边长为1mm的正方形，则可将光学元件基部制成具有匹配的1mm边长的正方形。作为另外一种选择，正方形发光表面可以光耦合到矩形基部，矩形的一个边长与发光表面的边长匹配。矩形的非匹配边长可以大于或者小于正方形的边长。可选地，可将光学元件制成带有圆形的基部，其直径等于发光表面的对角线尺寸。例如，为达到本申请案的目的，对于1mm×1mm的正方形发光表面，可认为直径为1.41mm的圆形基部在尺寸上是匹配的。还可以使基部的尺寸稍微小于发光表面的尺寸。如标题为“High BrightnessLED Package”(高亮度LED封装)的共同拥有的美国专利申请案(代理人案卷号60217US002)中所述，如果使光源的表面尺寸最小化是目的之一，这就能形成若干优点。
图8示出了这样的光源的另一个实施例：该光源包括光耦合到成阵列12布置的多个LED晶粒(14a-c)的会聚光学元件24。当在阵列中组合了红、绿和蓝LED以在混合的情况下产生白光时，这种结构尤其有用。在图8中，光学元件24具有会聚侧面146以将光再次引导侧面。光学元件24具有被成形为正方形的基部124，该基部光耦合到LED晶粒阵列12。LED晶粒阵列12也形成正方形(具有边16)。
可通过常规手段或通过使用如下美国专利申请案中所公开的精密研磨技术来制造：标题为“PROCESS FOR MANUFACTURINGOPTICAL AND SEMICONDUCTOR ELEMENTS”(光学和半导体元件的制造工艺)的共同转让的美国专利申请案No.10/977239(代理人案卷号60203US002)；标题为“PROCESS FOR MANUFACTURING ALIGHT EMITTING ARRAY”(发光阵列的制造工艺)的美国专利申请案No.10/977240(代理人案卷号60204US002)；以及标题为“ARRAYSOF OPTICAL ELEMENTS AND METHOD OF MANUFACTURINGSAME”(光学元件阵列及其制备方法)的美国专利申请案No.11/288071(代理人案卷号60914US002)。
光学元件为透明的，并且优选地具有相对较高的折射率。适于光学元件的材料包括(但不限于)诸如高折射率玻璃(例如，LASF35型肖特玻璃(Schott glass type LASF35，可得自纽约州艾尔姆福特的南美肖特股份有限公司，商品名为LASF35)之类的无机材料以及陶瓷(例如，蓝宝石、氧化锌、氧化锆、金刚石和碳化硅)。蓝宝石、氧化锌、金刚石和碳化硅尤其有用，因为这些材料还具有相对较高的热导率(0.2-5.0W/cm K)。还可以想到高折射率聚合物或填充有纳米颗粒的聚合物。合适的聚合物可以既是热塑性聚合物又是热固性聚合物。热塑性聚合物可以包括聚碳酸酯和环烯烃共聚物。热固性聚合物可为(例如)丙烯酸树脂、环氧树脂、硅树脂以及在本领域中已知的其它聚合物。合适的陶瓷纳米粒子包括氧化锆、二氧化钛、氧化锌和硫化锌。
光学元件的折射率(no)优选与LED晶粒发光表面的折射率(ne)相差不大。优选的是，这两者之间的差值不大于0.2(|no-ne|≤0.2)。可选地，取决于使用的材料，差值可以大于0.2。例如，发光表面的折射率可以为1.75。合适的光学元件的折射率可以等于或大于1.75(no≥1.75)，包括(例如)no≥1.9、no≥2.1和no≥2.3。可选地，no可以低于ne(例如，no≥1.7)。优选的是，光学元件的折射率与主发光表面的折射率匹配。在某些实施例中，光学元件和发光表面的折射率可以具有相等的值(no＝ne)。例如，ne＝1.76的蓝宝石发光表面可以与蓝宝石光学元件匹配，或与no＝1.76的SF4型玻璃光学元件(可得自纽约州艾尔姆福特的南美肖特股份有限公司，商品名为SF4)匹配。在其它实施例中，光学元件的折射率可以高于或低于发光表面的折射率。当光学元件由高折射率材料制成时，增大了从LED晶粒的光提取(缘自高的折射率)，且改变了光的发射分布(缘自其形状)，从而可提供定制的发光图案。
在全部公开内容中，为了简单起见，对LED晶粒10进行了一般化描述，但可以包括在本领域中已知的常规设计特征。例如，LED晶粒可以包括截然不同的p-型和n-型掺杂半导体层、缓冲层、基底层和覆盖层。图中示出了简单的矩形LED晶粒布置，但还可以想到其它已知的构型，例如，形成经截平的倒置棱锥LED晶粒形状的倾斜侧面。为了简单起见，同样未示出到LED晶粒的电触点，但众所周知可将其布置在晶粒的任何表面上。在示例性实施例中，“倒装芯片”设计中的LED晶粒具有都设置在底部表面的两个触点。本公开并不旨在限制光学元件的形状或者LED晶粒的形状，而是仅仅提供示例性实例。
当光学元件和LED晶粒的发光表面之间的最小间隙不大于倏逝波时，就认为光学元件光耦合到LED晶粒。光耦合可以通过将LED晶粒和光学元件在物理上放置得非常靠近来实现。图1示出了LED晶粒10的发光表面100和光学元件20的基部120之间的间隙150。通常，间隙150为空气间隙，并且通常非常小以促进受抑全内反射。例如，在图1中，如果间隙150大约为光在空气中的波长，那么光学元件20的基部120就在光学意义上接近于LED晶粒10的发光表面100。优选的是，间隙150的厚度小于光在空气中的波长。在使用多个波长光的LED中，间隙150的值优选地最多为最长的波长。合适的间隙尺寸包括25nm、50nm和100nm。例如，当LED晶粒和光学元件的入射孔或基部被研磨至光学平滑度并经晶片粘结在一起时，优选地，可使间隙最小。
另外，优选的是，间隙150在发光表面100和基部120之间的接触区域上大致均匀，并且发光表面100和基部120的粗糙度小于20nm，优选地小于5nm。在这种构造中，如果LED晶粒10发射的光线从出射锥以外的地方发射，或者以在LED晶粒-空气界面通常会被全内反射的角度发射，那么该光线反而会被透射进入光学元件20。为了促进光耦合，可以将基部120的表面成形为与发光表面100匹配。例如，如果LED晶粒10的发光表面100是平整的，如图1所示，那么光学元件20的基部120也可以是平整的。作为另外一种选择，如果LED晶粒的发光表面是弯曲的(例如，稍微凹陷)，那么可以将光学元件的基部成形为与发光表面匹配(例如，稍微凸起)。基部120的尺寸可以小于、等于或大于LED晶粒的发光表面100。基部120的横截面形状可以与LED晶粒10相同或不同。例如，LED晶粒可以具有正方形发光表面，而同时光学元件具有圆形基部。其它变型对于本领域内的技术人员将显而易见。
合适的间隙尺寸包括100nm、50nm和25nm。例如，当LED晶粒和光学元件的入射孔或基部被研磨至光学平滑度并且被晶片粘结到一起时，优选地可使间隙最小化。可以通过施加高温和高压将光学元件和LED晶粒粘结到一起，从而形成光耦合的布置。可以使用任何已知的晶片粘结技术。示例性晶片粘结技术在标题为“Process forManufacturing Optical and Semiconductor Elements”(光学和半导体元件的制造工艺)的美国专利申请No.10/977239(代理人案卷号60203US002)中有所描述。
在间隙有限的情况下，可以通过在LED晶粒的发光表面和光学元件的基部之间添加薄的光导层来实现或增强光耦合。图9示出了光学元件和LED晶粒(例如，图1所示的光学元件和LED晶粒)的部分示意性侧视图，但其具有设置在间隙150中的薄的光导层60。与间隙150类似，光导层60的厚度可以为100nm、50nm、25nm或更小。优选的是，光耦合层的折射率与发光表面或光学元件的折射率紧密匹配。光导层可以用于粘结或非粘结(机械分离)构造中。在粘结实施例中，光导层可为任何合适的能透射光的粘结剂，其中包括(例如)透明粘合剂层、无机薄膜、可熔玻璃粉或其它类似粘结剂。粘结构造的其它实例在(例如)于2002年3月14日公布的、标题为“Light Emitting Diodeswith Improved Light Extraction Efficiency”(具有改善光提取效率的发光二极管)的美国专利公布No.U.S.2002/0030194中(卡马拉斯(Camras)等人)中有所描述。
在非粘结实施例中，可将LED晶粒光耦合至光学元件，而不在LED晶粒和光学元件之间使用任何粘接剂和其它粘结剂。非粘结实施例允许LED晶粒和光学元件机械分离，并且允许彼此独立地移动。例如，光学元件可以相对于LED晶粒侧向移动。在另一实例中，当各组件在操作期间受热时，光学元件和LED晶粒可自由地膨胀。在这种机械分离的系统中，膨胀所产生的大部分应力(无论是剪切应力还是法向应力)不会从一个部件传递到另一个部件。换言之，一个组件的移动不会在机械上影响其它部件。当发光材料易碎时，当LED晶粒和光学元件之间的膨胀系数存在失配时，以及当LED反复地点亮和熄灭时，这种构造尤其理想。
机械分离的构造可通过放置光学元件使其与LED晶粒在光学上靠近(两者之间只有非常小的空气间隙)来形成。如上所述，空气间隙应当足够小以促进受抑全内反射。
作为另外一种选择，如图9所示，可以将薄的光导层60(例如，折射率匹配的流体)添加到光学元件20和LED晶粒10之间的间隙150中，前提条件是光导层允许光学元件和LED晶粒独立地移动。适于光导层60的材料的实例包括折射率匹配的油，以及具有相似光学特性的其它液体或凝胶。可选地，光导层60还可以具有导热性。
可以使用任何已知的密封剂材料将光学元件和LED晶粒封装到一起，以形成最终的LED封装或光源。在非粘结实施例中，对光学元件和LED晶粒进行囊封可提供一个将其固持在一起的结构。
其它非粘结构造在标题为“LED Package with Non-bonded OpticalElement”(具有非粘结光学元件的LED封装)的共同拥有的美国专利申请No.10/977249(代理人案卷号60216US002)中有所描述。涉及会聚光学元件的其它细节在共同提交并且共同转让的美国专利申请“LEDPackage With Wedge-Shaped Optical Element”(具有楔形光学元件的LED封装)(美国专利申请No.11/381,293)、“LED Package WithCompound Converging Optical Element”(具有复合会聚光学元件的LED封装)(美国专利申请No.11/381,329)、“LED Package WithEncapsulated Converging Optical Element”(具有封装的会聚光学元件的LED封装)(美国专利申请No.11/381,332)以及“LED Package WithNon-bonded Converging Optical Element”(具有非粘结会聚光学元件的LED封装)(美国专利申请No.11/381,334)中有所描述。
实例
使用加利福尼亚州帕萨迪纳的光学研究协会的光学工程软件(LightTools)版本5.2.0为提取器的性能建模。对于每次模拟，使用以下参数追踪30,000条光线：
·使用位于5微米x 1mm x 1mm的GaN层(其折射率为2.4，光密度为2.1801)中心的200nm x 1mm x 1mm的1瓦特体积光源为LED晶粒外延层建模。
·GaN层的底部表面镜面反射85％，吸收15％。
·LED晶粒基底为尺寸为0.145mm x 1mm x 1mm、折射率为1.76、光密度为0.0的蓝宝石。
·提取器同样为蓝宝石，其具有1 x 1mm、高度为实例中规定高度的基部。
·提取器和晶粒之间没有间隙。
在标为a和b的两类图线中示出了建模结果。第一类(a)为强度等值线图，其为极坐标图，其中半径表示极角，圆周周围的数字表示方位角。灰阶图上特定位置的灰度表示由极角和方位角所限定的方向上的强度(单位为功率/立体角)。强度等值线图可以表示半球(通常选择极角为0°到90°，方位角0°到360°)的光强度分布。
第二类(b)为强度线图。强度线图为极坐标图，其中半径标度表示强度(单位为功率/立体角)，圆周标度表示极角。强度线图表示穿过强度等值线图的光强度半球的一个垂直切片。其示出了恒定方位角的数据和该角度+180°的数据。圆周标度为0°至180°右侧部分表示该恒定方位角的数据，而圆周标度为360°至180°的左侧部分表示该方位角+180°的数据。该强度线图以更容易读取量值的方式示出了强度等值线图中所示的部分数据。
实例1：裸LED晶粒(对比物)
图10a-b示出了仅有LED晶粒(没有提取器和封壳)时的输出。图10c示意性地示出了这种布置。图10a示出了发光在整个半球范围上是宽广并大致均匀的角分布。图10b示出了两条强度线图线。实线表示0°(方位角)处的光强度。虚线表示90°(方位角)处的光强度。图10b示出了0°和90°处的光强度大致相等这一情形。该系统的净输出为0.1471W。
实例2：会聚棱锥
图11a-b结合高度为2mm的棱锥形非对称蓝宝石提取器示出了实例1的LED晶粒的发光强度。图11c中示意性地示出了这种布置。图11a中的强度等值线图示出了发光图案主要集中在四个叶瓣中这一情形。图11b中的强度线图线示出了45°方位角切片(实线)处和90°方位角切片(虚线)处的强度。对于45°方位角切片，右边部分的图线中，光强度在53°附近达到最大值并且集中在约50°处；左边部分的图线中，光强度在292°附近达到最大值并且集中在约310°处。对于90°方位角切片，右边部分的图线中，光强度在50°处达到最大值并且集中在大约40°处；左边部分的图线中，光强度在310°处达到最大值并且集中在约320°处。相比于仅有LED晶粒情形下(实例1)的0.1471W，该系统的净输出为0.2695W。
实例3：楔形提取器
结合具有两个会聚侧面和两个发散侧面并且其顶端长度为3mm、高度为2mm的宝石提取器，图12a-b示出了实例1的LED的发光强度。图12c示意性地示出了这种布置。图12a示出了发光主要集中两个相对的叶瓣中，这两个相对的叶瓣集中在90°和270°方位角周围叶瓣并具有相对较高的强度(亮点)。图12b中示出了两条强度线图。实线表示0°(方位角)处的光强度。虚线表示90°(方位角)处的光强度。图12b示出了0°方位角处的光强度相对较低并且集中在约0°极角周围。在90°方位角处，光强度形成两个强度相对较高的叶瓣。图线右侧叶瓣集中在约45°处并且在约55°处具有最大强度。图线左侧叶瓣集中在约315°处并且在约300°处具有最大强度。该系统的净输出为0.3057W，而仅有LED晶粒的情形下(实例1)为0.1471W。楔形提取器对于边缘照明式背光源系统可能尤其有用。
这些实例示出了，取决于提取器的形状和长宽比，可保持较高的提取效率，而同时可形成多种不同的发光分布。
虽然本发明有多种修改形式和替代形式，但其具体细节已通过附图和具体实施方式以举例的方式示出。然而应当理解，本发明并不受所描述的具体实施例的限制。相反，其目的在于涵盖属于由随附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的修改形式、等同物和替代形式。

Claims (20)

1.一种光源，包括：
具有发光表面的LED晶粒；和
光学元件，其包括基部、小于所述基部的顶端和在所述基部与所述顶端之间延伸的会聚侧面，其中所述基部光耦合到所述发光表面并且尺寸不大于所述发光表面；
其中所述光学元件引导所述LED晶粒发射的光以产生侧发光图案。
2.根据权利要求1所述的光源，其中所述侧发光图案包括多个旁瓣。
3.根据权利要求1所述的光源，其中所述侧发光图案为环形。
4.根据权利要求1所述的光源，其中所述侧发光图案是非对称的。
5.根据权利要求1所述的光源，其中所述顶端位于所述发光表面上方。
6.根据权利要求1所述的光源，其中所述顶端位于所述基部上方的居中位置。
7.根据权利要求1所述的光源，其中所述顶端为钝头形。
8.根据权利要求1所述的光源，还包括设置在所述光学元件和所述发光表面之间的光导层。
9.根据权利要求1所述的光源，其中所述光导层的厚度小于50nm。
10.根据权利要求8所述的光源，其中所述光学元件在所述发光表面处粘结至所述LED晶粒。
11.根据权利要求1所述的光源，其中所述侧发光图案具有最大值位于至少30度极角处的强度分布。
12.根据权利要求1所述的光源，其中所述侧发光图案具有集中在至少30度极角处的强度分布。
13.根据权利要求1所述的光源，其中所述光学元件与所述LED晶粒机械分离。
14.根据权利要求1所述的光源，其中所述基部与所述发光表面在尺寸上基本匹配。
15.根据权利要求1所述的光源，其中所述基部小于所述发光表面。
16.根据权利要求1所述的光源，其中所述光学元件的折射率no≥1.75。
17.根据权利要求1所述的光源，其中所述光学元件由无机材料组成。
18.根据权利要求1所述的光源，其中所述LED晶粒为成阵列布置的多个LED晶粒中的一个。
19.根据权利要求1所述的光源，其中所述基部为矩形，并且其中所述光学元件包括四个侧面。
20.一种包括根据权利要求1所述的光源的直射式背光源。
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