專利名稱:Led器件光耦合劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于照明光學(xué)領(lǐng)域,涉及到提高LED燈出光效率的光學(xué)材料,特別是直接提高LED器件出射光通量的光耦合劑。
背景技術(shù):
LED以其光效高成為重要的照明光源。但LED屬于點光源,封裝與白熾燈有極大的不同。為了有效地引出光線,LED投射燈用LED燈珠與相匹配的專用帶凹球形狀的光學(xué)收集-聚光裝置,有效地收集了向四方發(fā)射的大功率LED光,并經(jīng)光學(xué)聚光裝置的折射及反射,以小角度投射到小面積。由于LED燈具內(nèi)的光學(xué)零件較多,零件與零件之間存在空氣隙,會造成多次光學(xué)反射,為此人們采用各種設(shè)計改進LED燈具,提高光效。目前認(rèn)識到提高LED燈具光效不僅需要提高LED的每瓦流明數(shù),更需要光學(xué)技術(shù)提高燈具的效率。部分光學(xué)檢測儀器使用光耦合劑,用于充填光學(xué)零件面之間的微小空隙,防止空隙的微量空氣影響光透射。如,在晶體和光導(dǎo)、光導(dǎo)和光電倍增管之間充填有薄層硅橡膠光耦合片,以排除空氣,減少弱光通過兩種光介質(zhì)界面時的損失。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過基礎(chǔ)光學(xué)分析,研究LED燈珠出光介質(zhì)的邊界折射、反射與全反射規(guī)律,發(fā)現(xiàn)LED燈珠,或者大功率LED集成光源直接與空氣接觸的折射率之差Λ η較大,根據(jù)界面的反射定律,反射率R也較大。LED燈珠,或者大功率LED集成光源與LED燈具光學(xué)零件縫隙填補光耦合劑,可降低兩界面之間的反射率,從而提高透射率T ;另外根據(jù)折射定律的入射角與出射角,以及折射率關(guān)系公式
n,sin i,=n sin i(I)
其中n’為LED出光封裝的折射率,i’為LED出光封裝側(cè)的入射角,η為LED出光封裝外的介質(zhì)折射率,i為LED出光封裝外介質(zhì)的出射角。由等式關(guān)系得:折射率大的一側(cè)入射角或者出射角小。根據(jù)公式(1),從LED管芯發(fā)射的光,在出光封裝表面與法線的夾角——入射角(LED芯片側(cè))不能超過全反射臨界角45.58° (η,=1.4) 41.81。(η’=1.5),其中η’為有機硅封裝的折射率,介于1.4 1.5之間,大于臨界角的光線將發(fā)生全反射;由于透明環(huán)氧樹脂的折射率為1.5左右,雙酚A型環(huán)氧樹脂的折射率η’為1.62 1.65,高于光學(xué)玻璃的折射率,三井化學(xué)的帶硫醇化合物的透明環(huán)氧樹脂折射率η’ 1.65,也是LED封裝的重要材料。透明環(huán)氧樹脂的折射率η’介于1.5 1.65,對于η’ =1.65與η=1.0的界面,全反射臨界角37.31°。根據(jù)折射公式(1),改變光疏媒質(zhì)的折射率η,將引發(fā)光密媒質(zhì)側(cè)的入射角或者出射角i’的變化;當(dāng)光疏媒質(zhì)的折射率η增高時,光密媒質(zhì)內(nèi)的全反射臨界角i。’變大,如η’=1.5的玻璃內(nèi)的光束全反射臨界角i?!?,當(dāng)光疏媒質(zhì)的折射率η=1.0 (空氣),光密媒質(zhì)內(nèi)的全反射臨界角i。’ =41.81°,當(dāng)光疏媒質(zhì)換成折射率n=l.33的水后,光密媒質(zhì)內(nèi)的全反射臨界角i。’ =62.46° ;對光密媒質(zhì)為折射率η’ =1.65的透明環(huán)氧樹脂,全反射臨界角從與空氣的i?!?=37.31°,增加到與水交界的53.71°,這樣一來就擴大LED出光封裝的全反射臨界角,也即擴展了出光封裝內(nèi)側(cè)的出射角度,增大了出光光通量。本發(fā)明是折射率n=l.3 1.65的無色透明、不揮發(fā)、無腐蝕性的液體或者粘稠不定形體,25°C下的粘度0.5 1000000 mm2/s,用于填充光學(xué)零件之間的縫隙,特別是具備與LED出光封裝表面接觸,擴大LED器件內(nèi)部的最大出射角——全反射臨界角,提高LED器件的直接出光光通量的功能。本發(fā)明可采用折射率n=l.40的二甲基硅油,如201-100 二甲基硅油,25°C粘度IOOmmVs 201-230000 二甲基硅油,25°C粘度230000mm2/s;無色透明的蓖麻油,如印度供貨的蓖麻油折射率n=l.478 1.479 (20°C ),當(dāng)其與n’=l.5的玻璃匹配后,玻璃內(nèi)的全反射臨界角i?!?80.17° 80.40°,若該蓖麻油與η’=1.65的高折射率環(huán)氧樹脂接觸,高折射率環(huán)氧樹脂內(nèi)的全反射臨界角i?!?=63.61° 63.68° ;苯甲基硅油,折射率1.470 1.485,25°C粘度25 40 mm2/s ;無色透明油狀液體苯基甲基硅油,折射率1.5765 1.5785,等。根據(jù)球冠面積Ss的計算公式,Ss=2 π R2(l — cos i’),其中i’是球冠中心z軸與球心到球冠邊沿連線的夾角;引入相對球冠面積Sk=球冠面積Ss:半球面積Sh,相對球冠面積
Se= (I — cos i,)(2)
其中i’是球冠中心z軸與球心到球冠邊沿連線的夾角。LED器件內(nèi)部光束照射出光封裝表面的任意一點O的入射角i’,產(chǎn)生全反射的臨界角即與此球冠邊沿對應(yīng)。LED器件出光封裝的折射 率η’ =1.4 (有機硅封裝)對應(yīng)的全反射臨界角45.58°,其對應(yīng)的相對球冠面積
Se= (1- cos 45.58° ) =30.0%,
若LED器件的出光封裝折射率η’ =1.5 (有機硅封裝,環(huán)氧樹脂封裝),對應(yīng)的全反射臨界角41.81°,相應(yīng)的相對球冠面積Sk= (I — cos 41.81° )=25.5%。若LED器件的出光封裝采用高折射率環(huán)氧樹脂,折射率n’=l.65,對應(yīng)的全反射臨界角37.31°,相應(yīng)的相對球冠面積
Se= (I — cos 37.31° )=20.5%。通過以上分析計算發(fā)現(xiàn),白光LED器件出光封裝膠的有效出光面積受到全反射臨界角的影響,其中有機硅的出光封裝的相對出光面積在25.5% 30.0%之間,高折射率環(huán)氧樹脂的相對出光面積為20.5%。出光封裝內(nèi)熒光粉向大部分方向的輻射超出了實際全反射臨界角i。’,超出全反射臨界角i?!墓庵荒軓腖ED器件出光封裝表面反射回去;若出光封裝為球面,如LED燈珠,則大量LED光線在出光封裝內(nèi)球面反復(fù)反射損失掉,而不能形成有效出光;對平面型的大功率LED集成光源,出光封裝反射回去的光線被粗糙的襯底吸收和反射。根據(jù)折射公式(1),改變光疏媒質(zhì)的折射率n,將引發(fā)光密媒質(zhì)側(cè)的入射角或者出射角的變化;據(jù)此推算出,從光密媒質(zhì)側(cè)發(fā)出 的光束在介質(zhì)表面發(fā)生全反射的臨界角i。’隨光疏媒質(zhì)的折射率η變化,當(dāng)光疏媒質(zhì)的折射率η增高時,光密媒質(zhì)內(nèi)的全反射臨界角i?!兇螅绂恰?1.5的玻璃內(nèi)的光束全反射臨界角i?!?dāng)光疏媒質(zhì)的折射率η=1.0 (空氣),光密媒質(zhì)內(nèi)的全反射臨界角i?!?=41.81°,當(dāng)光疏媒質(zhì)換成折射率n=l.33的水后,光密媒質(zhì)內(nèi)的全反射臨界角i?!?=67.12。,對應(yīng)的相對球冠面積Se=I — cos 62.46。=53.76% ;換成折射率n=1.382的KF96L-lcs 二甲基硅油,光密媒質(zhì)內(nèi)的全反射臨界角i。’ =67.1°,對應(yīng)的相對球冠面積Sk=I — cos 67.1° =61% ;若選擇無色透明的蓖麻油,如印度供貨的蓖麻油折射率n=l.478 1.479 (20°C),當(dāng)其與η’ =1.5的玻璃匹配后,玻璃內(nèi)的全反射臨界角ic,=80.17。 80.40°,全反射臨界角i?!纬傻那蚬诒砻娣e占半球面的83.2% (相對球冠面積),是玻璃與空氣全反射臨界角i。’形成的球冠面積的3.26倍;根據(jù)附圖
2曲線III,自然光的反射率R是入射角i的函數(shù),在入射角i=80° 90° (低掠射角)下,反射率R=40% 100%,加權(quán)平均反射率70%左右,球冠邊沿到半球底的帶狀區(qū)域只占半球面積的17.36%,而其反射率過高,故對LED器件出光效率的提高貢獻不大。對n’=l.65的高折射率環(huán)氧樹脂,與折射率n=l.478 1.479 (20°C )的蓖麻油的全反射臨界角i?!?=63.61° - 63.68°,相對球冠面積占半球面的55.5% 55.7%,是高折射率環(huán)氧樹脂與空氣形成的全反射臨界角ic’=37.31°圍成的球冠相對面積20.5%的2.71倍,入射角i’=37.31° 63.68°形成的環(huán)形區(qū)域增加相對面積171%,根據(jù)附圖2曲線III,該區(qū)域的平均反射率不足10%,可增加有效的投射面積155%。將此球冠分析推廣到LED器件,LED光線在出光封裝表面發(fā)生折射和反射,超過全反射臨界角i?!墓饩€只能反射回去而不可能發(fā)生出光現(xiàn)象;提高LED器件外圍介質(zhì)的折射率n,可以擴大LED出光封裝內(nèi)的全反射臨界角i?!瑥亩岣叱龉夥庋b界內(nèi)發(fā)光體的有效發(fā)射角及對應(yīng)的出光球冠的相對面積Sk,使LED內(nèi)部超過全反射臨界角i?!沫h(huán)形面積部分變小,從而大幅度地提高LED芯片的出光光通量和出光效率。透明介質(zhì)表面垂直入射的反射率R的計算公式
權(quán)利要求
1.LED器件光耦合劑,其特征在于:該光耦合劑為折射率n=l.3 1.655的無色透明液體或者無色透明粘稠不定形體,粘度0.5 mm2/s 1000000 mm2/s ; 或者折射率n=l.3 1.655的淡黃色透明液體或淡黃色透明粘稠不定形體,色度小于30 度,粘度 0.5 mm2/s 1000000 mm2/s ; 用作LED器件出光封裝外的介質(zhì),提高LED器件出光封裝外介質(zhì)的折射率來擴大與出光光通量有關(guān)的LED出光封裝內(nèi)的全反射臨界角,增大出射球冠相對面積和視界; 降低LED器件與空氣介質(zhì)的反射率,擴大LED器件內(nèi)部的最大出射角12%以上,提升LED燈的出光效率15%以上。
2.按權(quán)利要求1所述的LED器件光耦合劑,其特征在于:LED出光封裝內(nèi)的全反射臨界角從n=l.65高折射率環(huán)氧樹脂與空氣交界的37.31°到n=l.4較低折射率有機硅與空氣交界的45.58°,擴展到與LED光耦合劑交界的最大90° ;對應(yīng)的出射球冠相對面積,從20.5% 30.0%擴展到最大100% ;相應(yīng)的視界從37.31° 45.58°全反射臨界角形成的球冠邊界,擴展到最大為半球空間。
3.按權(quán)利要求1或2所述的LED器件光耦合劑,其特征在于:粘度大于100mm2/s,不揮發(fā)或者極難揮發(fā)的無色透明或者淡黃色透明液體或粘稠不定形體,色度小于15度。
4.按權(quán)利要求1或2所述的LED器件光耦合劑,其特征在于:粘度小于等于5mm2/s,揮發(fā)性或者難揮發(fā)的無色透明或者淡黃色透明液體,色度小于5度。
5.按權(quán)利要求1或2所述的LED器件光耦合劑,其特征在于:作為LED燈光學(xué)縫隙的填充劑,改進光學(xué)零件的光學(xué)耦合特性; 直接接觸LED器件的出光面,擴大LED器件內(nèi)部的最大出射角50%以上,提高LED器件的整體出光率70 %以上。
6.按權(quán)利要求1所述的LED器件光耦合劑,其特征在于:LED器件出光封裝表面的垂直入射反射率,從有機硅與空氣接觸的2.8% 高折射率環(huán)氧樹脂與空氣接觸的6.0%,灌注LED器件光耦合劑后,垂直入射反射率最大減小到接近O。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種LED器件光耦合劑。本發(fā)明為折射率n=1.3~1.655的無色透明液體或者無色透明粘稠不定形體,粘度0.5mm2/s~1000000mm2/s;或者折射率n=1.3~1.655的淡黃色透明液體或淡黃色透明粘稠不定形體,色度小于30度,粘度0.5mm2/s~1000000mm2/s;用作LED器件出光封裝外的介質(zhì),提高LED器件出光封裝外介質(zhì)的折射率來擴大與出光光通量有關(guān)的LED出光封裝內(nèi)的全反射臨界角,增大出射球冠相對面積和視界;降低LED器件與空氣介質(zhì)的反射率,擴大LED器件內(nèi)部的最大出射角12%以上,提升LED燈的出光效率15%以上。
文檔編號F21V5/00GK103234171SQ20131016811
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月9日
發(fā)明者胡建人 申請人:杭州電子科技大學(xué)