專利名稱：具有復(fù)式封殼透鏡的led的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)器件，以及這種器件的元件和相關(guān)的 制品以及工藝。
背景技術(shù)：
LED在某種程度上是可選光源，因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬^小的尺寸、 較低的功率/電流要求、快速的響應(yīng)時(shí)間、較長的使用壽命、牢固的封 裝、有多種可用的輸出波長并與現(xiàn)代電路構(gòu)造具有相容性。這些特性 可能有助于解釋它們在過去數(shù)十年多種不同最終用途中得到廣泛應(yīng)用 的情況。在效率、亮度和輸出波長方面，LED仍在持續(xù)獲得改進(jìn)，進(jìn) 一步擴(kuò)大潛在最終應(yīng)用的范圍。
LED通常以封裝形式銷售，封裝中包括安裝在金屬接頭上的LED 晶粒或芯片。所述接頭可配有反射杯，杯中裝配LED晶粒，而電引線 連接到LED晶粒。某些封裝也包括模制的透明樹脂，用于包封LED晶 粒。膠囊包封樹脂可以具有使晶粒射出的光保持部分平行的標(biāo)稱的半 球形前表面，或者具有標(biāo)稱的平坦表面。
在圖l-5中給出了己知LED光源的實(shí)例。
在圖1中，光學(xué)半導(dǎo)體器件10包括支承體11以及電致發(fā)光的半 導(dǎo)體二極管12,該二極管通過適用的焊料固定到支承體11的頂部表 面。通過支承體ll中的開口延伸的端線13固定到支承體上，并且通 過電絕緣材料(例如玻璃或陶瓷)制成的墊圈14與支承體電絕緣。每 根端線13通過細(xì)小線材15電連接到二極管12分隔的觸點(diǎn)上。第三 根端線16固定到支承體11，該支承體電連接到二極管12。玻璃圓頂
17安裝并固定到支承體11的頂部表面。玻璃圓頂在二極管12上方
延伸并與之緊密接觸，以使得二極管發(fā)出的輻射均穿過玻璃圓頂。在
圖1的器件10中，玻璃圓頂基本呈球形。圖2示出與器件10相似的 光學(xué)半導(dǎo)體器件10'，不同的是圖2中的玻璃圓頂17'(安裝在支承體 11上并覆蓋了二極管12)是呈半球形的。美國專利3,596,136 (費(fèi)歇 爾(Fischer))中進(jìn)一步描述了圖1和圖2的器件。例如，費(fèi)歇爾(Fischer) 公開了橢圓、拋物線及其它的玻璃圓頂形狀，這些形狀是玻璃圓頂以 有效的方式將輻射從二極管傳輸?shù)叫枰慕邮辗剿璧摹ＹM(fèi)歇爾 (Fischer)還提出，除了其它物質(zhì)外，玻璃圓頂17或17'可由具有高折 射率的玻璃制成，該玻璃的折射率優(yōu)選地大于2并盡可能接近電致發(fā) 光二極管的折射率，并且具有低吸收率的性質(zhì)。
圖3中示出了半導(dǎo)體發(fā)光器件18。器件18包括半導(dǎo)體芯片19， 該芯片具有狹窄的光散射區(qū)20。球面透鏡21通過紫外線硬化粘合劑 23安裝到芯片的后表面22上。通過劃分以及分割更大的半導(dǎo)體晶片 來得到半導(dǎo)體芯片19，并且將晶片基底側(cè)(稍后形成芯片19的后表 面)髙精度研磨到預(yù)定厚度，使得透鏡21中心以及散射區(qū)20中心之 間的距離為最佳。美國專利5,403,773 (尼塔(Nitta)等人)中進(jìn)一步 描述了所述器件18。尼塔(Nitta)等人提出粘合劑樹脂23的折射率應(yīng)該 與器件芯片19以及球面透鏡21的折射率相似。
在圖4中，受LED激發(fā)的基于熒光粉的光源24包括半導(dǎo)電LED25， 該LED安裝在導(dǎo)電散熱器26內(nèi)，該散熱器也會(huì)將來自LED25的部分 光反射向熒光粉反射器組件27。組件27可以位于光學(xué)透明的密封材料 28中，可使該材料定形為透鏡結(jié)構(gòu)29，從而修整由光源24發(fā)出的光。 在美國專利申請公開US2004/0145288A1 (歐德柯克(Ouderkirk)等人) 中進(jìn)一步描述了光源24。
圖5中的多層LED30在美國專利6,717,362 (李(Lee)等人)中 有更全面的描述，該LED包括形成p-n面結(jié)型二極管的半導(dǎo)體材料31 ，
這種材料31由三個(gè)層32、 33、 34封裝。32、 33、 34各層的材料按照 這種方式進(jìn)行挑選，使得各層的折射率逐漸減小，從接近半導(dǎo)體材料 31的折射率減小到接近空氣35的折射率。根據(jù)李(Lee)等人的專利，這 導(dǎo)致半導(dǎo)體材料31和第一層32、第一層32和第二層33、第二層33 和第三層34以及最后的第三層34和空氣35的各自界面之間的折射率 差值變小。李(Lee)等人提出，只要層的折射率具有以上屬性，可以使 用任何數(shù)目的層。

發(fā)明內(nèi)容
本專利申請公開了一種LED光源，特別是一種包括LED發(fā)光體 以及至少部分圍繞發(fā)光體的封殼的LED光源。封殼包括內(nèi)透鏡以及外 透鏡，內(nèi)透鏡的折射率基本上小于外透鏡的折射率，優(yōu)選地為外透鏡 折射率的70%到80%。內(nèi)透鏡及外透鏡可以沿著曲面彼此接觸，該曲 面對應(yīng)于內(nèi)透鏡的外曲面以及外透鏡的內(nèi)曲面。優(yōu)選地，內(nèi)透鏡基本 上是平凸的而外透鏡是凹凸的。內(nèi)透鏡生成發(fā)光體的第一虛像，而外 透鏡生成第二虛像，并且第一虛像位于發(fā)光體和第二虛像之間。LED 光源能夠在緊空間中提供均勻的照明。
在示例性實(shí)施例中，曲面具有曲率半徑，并在曲面頂點(diǎn)和LED發(fā) 光體之間存在一段距離(稱為弛度i，參見下方的圖7)，這段距離按 照這種方式進(jìn)行選擇，以便最小化內(nèi)透鏡的體積，并且涵蓋LED發(fā)光 體以及可能附接到LED發(fā)光體上的引線鍵合。
在示例性實(shí)施例中，外透鏡具有外曲面，所選曲面相對于第一虛 像基本上應(yīng)是消球差的。例如，可以對該外曲面進(jìn)行優(yōu)化，使它相對 于第一虛像的邊緣部分是消球差的，或者相對于第一虛像的邊緣部分 和中心之間的中間部分是消球差的。
在示例性實(shí)施例中，LED發(fā)光體以范圍為0到90度的極角95將 光發(fā)射到內(nèi)透鏡中，然后該發(fā)射光以范圍為0到不超過45度或者0到.
不超過30度的極角62從外透鏡射出。采用這樣的受限制的出射角范 圍，通過在外透鏡的外表面上提供四分之一波長或其它適用的抗反射 涂層，可以有效地降低表面反射率或菲涅耳反射率。
通過下面詳細(xì)的描述，本專利申請的這些方面以及其它方面將顯 而易見。然而在任何情況下，都不得解釋成以上概述對受權(quán)利要求書 保護(hù)的主題有所限制，所述主題僅由本文所附的權(quán)利要求書限定，該 權(quán)利要求書在申請過程中可能會(huì)有所修正。


圖1-5為已知LED光源的示意性截面圖6為LED光源的示意性截面圖，該LED光源包括復(fù)式封殼透
鏡；
圖7為圖6中的LED光源的另一個(gè)示意性截面圖； 圖8為LED晶粒陣列的平面圖，該LED晶粒陣列形成了示例伸 展的LED光源；
圖9為坐標(biāo)圖，顯示了作為LED發(fā)光體一半寬度的函數(shù)的來自光 源(例如圖6-7中的光源)的模擬規(guī)一化透射，用外透鏡外表面半徑 R2進(jìn)行規(guī)一化；而
圖10示出具有附加光學(xué)元件的圖6-7的光源。
在這些圖中，類似的附圖標(biāo)號(hào)標(biāo)明類似的元件。
具體實(shí)施例方式
本應(yīng)用程序公開了采用復(fù)式封殼透鏡的緊湊LED光源，該透鏡形 成LED發(fā)光體(例如伸展的LED晶粒)的虛擬圖像。優(yōu)選地，這種光 源在緊湊的封裝中基本保留了 LED發(fā)光體的光學(xué)擴(kuò)展量，從而可將光 源用于有效地照明微型投影儀系統(tǒng)中的LCOS面板或其它像素化面板。
就這一點(diǎn)而言，發(fā)光二極管或"LED"涉及發(fā)光的二極管，無論
是可見光、紫外光或紅外光。它包括作為"LED"(不論是常規(guī)型還是 超亮型)銷售的各種不同的盒裝或封裝半導(dǎo)體器件。如果LED發(fā)出不 可見光(如紫外光)，以及在一些發(fā)出可見光的情況中，可以將它封 裝成包括熒光粉(或者它可以照亮設(shè)置在遠(yuǎn)處的熒光粉)，以使短波 長的光轉(zhuǎn)換為較長波長的光，在某些情況下，還可以得到發(fā)射白光的 器件。"LED晶粒"是LED最基本的形態(tài)，即經(jīng)半導(dǎo)體加工方法制成 的單個(gè)元件或芯片的形態(tài)。例如，LED晶粒通常是由一種或多種III族 元素和一種或多種V族元素的組合形成(III-V半導(dǎo)體)。合適的m-v 半導(dǎo)體材料的實(shí)例包括氮化物(如氮化鎵)和磷化物(如磷化鎵銦)。
還可以使用其它類型的ni-v材料，例如可以使用元素周期表其它族的
無機(jī)材料。部件或芯片可包括電觸點(diǎn)，這些觸點(diǎn)適用于向器件提供電
壓的電能應(yīng)用。實(shí)例包括引線接合、巻帶自動(dòng)結(jié)合(TAB)或芯片倒裝焊 接。該元件或芯片的各個(gè)層和其它功能元件通常以晶片規(guī)模形成，并 且隨后可將加工好的晶片切成單個(gè)元件，以生產(chǎn)多個(gè)LED晶粒。可將 LED晶粒構(gòu)造成表面貼裝、板上芯片貼裝，或采用其它已知的貼裝構(gòu) 型。 一些封裝LED通過形成在LED晶粒和關(guān)聯(lián)反射杯上形成的聚合物 封殼制成。該LED晶粒具有準(zhǔn)朗伯曲線發(fā)射圖形，而且LED晶粒內(nèi)產(chǎn) 生的大部分光由于晶粒表面處的全內(nèi)反射而被截留，或者從LED晶粒 正上方的聚合物封殼發(fā)出。
現(xiàn)在參見圖6，可以看到圖中光源40包括LED發(fā)光體42以及至 少部分圍繞發(fā)光體的封殼43。圖7描述了完全相同的光源40,但標(biāo)識(shí) 出了未在圖6中顯示的附加參數(shù)，以便于參閱。LED發(fā)光體42可以是 LED晶粒或LED晶粒陣列的發(fā)光表面，或者是(例如)涂覆于表面的 較薄磷光粉層，或換句話講，是由這種LED晶粒激發(fā)的磷光粉層。優(yōu) 選地，發(fā)光體42基本位于平面中，在圖6-7中該平面相當(dāng)于笛卡爾xyz 坐標(biāo)系的x-y平面，但是也可采用其它布置方式。發(fā)光體42是廣角度 光源，而且盡管某些光可能會(huì)由于全內(nèi)反射而截留在發(fā)光體42中，但 射入內(nèi)透鏡44的光通常分布在整個(gè)半球立體角上，該立體角度與范圍 為0到大約90度的光源角度6 s(相對于發(fā)光體局部曲面法線測量該角
度，該法線對應(yīng)于圖6-7中的z軸)相對應(yīng)。
封殼43至少由兩個(gè)截然不同的元件形成，因此可以將它表征為復(fù) 式封殼。具體地講，封殼43具有內(nèi)透鏡44以及外透鏡46，每個(gè)透鏡 的表面都經(jīng)過定制，以會(huì)聚從發(fā)光體42發(fā)出的光。優(yōu)選地，內(nèi)透鏡44 的內(nèi)表面與發(fā)光體42緊密接觸，并且內(nèi)透鏡44的外表面44a與外透鏡 46的內(nèi)表面46a緊密接觸或基本上配合。從而發(fā)光體42基本上被浸沒 在內(nèi)透鏡44的材料中。外透鏡46具有彎曲外表面46b，該表面暴露在 折射率為no的介質(zhì)中，該介質(zhì)通常是但不一定是空氣。優(yōu)選地，內(nèi)部 以及外透鏡44、 46基本上在光源的光軸48周圍旋轉(zhuǎn)對稱，同樣優(yōu)選 地，發(fā)光體42以光軸48為中心。對于光源40，光軸48與笛卡爾坐標(biāo) 系的z軸平行。
內(nèi)透鏡及外透鏡各自的折射率m以及n2，在以下方面并非常規(guī)， 即與上面引用的李(Lee)等人的教導(dǎo)內(nèi)容不同，從相對較高的LED發(fā)光 體42的折射率到相對較低的周圍介質(zhì)的折射率no著手處理時(shí)，這兩個(gè) 折射率不會(huì)逐漸減小。相反，外透鏡的折射率112基本大于內(nèi)透鏡的折 射率巧。在這點(diǎn)上，在適當(dāng)波長處測量或評價(jià)折射率，例如LED發(fā)光 體42的峰值輸出波長處，不論是紅光、綠光、藍(lán)光還是其它可見的色 光。優(yōu)選地，折射率上的差值為足夠大，從而在內(nèi)透鏡及外透鏡之間 形成界面(即表面44a或46a)，該界面具有足夠的光學(xué)功率使得以掠 射角從發(fā)光體42發(fā)出的光以較小的表面角從外透鏡射出，下文將進(jìn)一 步對此進(jìn)行討論。另一方面優(yōu)選的是，差值不是很大，以避免使外表面 46b的菲涅耳折射率變得無法接受。因此，n"ii2的比率優(yōu)選地小于0.8, 更為優(yōu)選地在范圍0.7到0.8內(nèi)。
在示例實(shí)施例中，內(nèi)透鏡44由透光性液體、凝膠或其它非固體材 料組成?？蓪⒃摬牧先菁{或密封在外透鏡46的內(nèi)表面46a和基底50 (LED發(fā)光體42安裝在該基底上)之間的空間內(nèi)，并且外透鏡46也 與基底的周邊附接?；?0可以是或包括基本平坦的陶瓷塊、金屬塊
或其它合適的材料，并且也可以包括其它元件，例如金屬觸點(diǎn)、銷以
及其它常規(guī)結(jié)構(gòu)。在某些情況下，光源40可以包括一個(gè)或多個(gè)把LED 發(fā)光體連接到一個(gè)或多個(gè)金屬觸點(diǎn)或銷的引線鍵合52。如果內(nèi)透鏡由 液體或凝膠組成，則可以使該引線鍵合上由熱引起的應(yīng)力最小。在可 供選擇的實(shí)施例中，內(nèi)透鏡最初可由液態(tài)的能用紫外線固化的粘合劑 或樹脂(例如可得自新澤西州新布倫茲維克的諾藍(lán)公司(Norland Products, New Brunswick, New Jersey)的粘合劑或樹脂)組成，然后通 過應(yīng)用紫外線或其它短波輻射把它固化或換句話講硬化為固體。在固 化之后，該樹脂可發(fā)揮作用，將外透鏡46固定就位并將其與基底50 以及發(fā)光體42粘結(jié)。 一種示例的可用紫外線固化的粘合劑為諾藍(lán)光學(xué) 粘合劑81(NOA81)(Norland Optical Adhesive 81(NOA81))。無論是由液 體、凝膠、樹脂或其它非固體或固體透光性材料組成，盡管可以釆用 其它值，內(nèi)透鏡的折射率n,通常在1.4到1.6的范圍之內(nèi)，常常為約
在示例性實(shí)施例中，外透鏡46由具有相對高折射率的玻璃或其它 適用的光學(xué)材料組成。透鏡的折射率112通常至少為1.8,優(yōu)選地在大約 1.9到2.1的范圍內(nèi)或大約為2。示例材料包括蘭寶石(折射率1.77)、 LASFN9光學(xué)玻璃(折射率1.85)以及S-LAH79光學(xué)玻璃(折射率 2.003)。外透鏡46可鑄造或模制為圖6所示形狀，或者為球形或球體， 然后經(jīng)過加工形成內(nèi)表面46a以及優(yōu)選地接觸基底50的周邊46c。
從光學(xué)角度來看，由于折射率差異以及曲面形狀，內(nèi)透鏡44會(huì)聚 來自發(fā)光體42的光，形成發(fā)光體的第一虛像VIlf而外透鏡46進(jìn)一步 會(huì)聚光，形成第二虛像Vl2。第一虛像位于LED發(fā)光體42和第二虛像 之間。優(yōu)選地，透鏡44、 46相結(jié)合，將LED發(fā)光體42放大3到4倍， 更為優(yōu)選的是放大3.5到4倍。參見圖7， LED發(fā)光體42、第一虛像 以及第二虛像Vl2的最大面內(nèi)尺寸(即在平行于x-y平面的平面中 測量的最大橫向尺寸)分別為標(biāo)記的尺寸h、 &和h2的兩倍。因此， h2/h的值優(yōu)選地在3到4的范圍內(nèi)。此外，最終虛像(Vl2)的最大面內(nèi)尺寸(所述尺寸為2h2)優(yōu)選地接近外透鏡46的最大面內(nèi)尺寸。如果外 表面46b可以清楚地以中心點(diǎn)為C2的曲率半徑R2來表征，這意味著 2h2接近2R2 ，例如R2《2h2《4R2 。
表面44a、 46a、 46b可以是球形或非球形，但是出于經(jīng)濟(jì)性考慮， 它們優(yōu)選地基本為球形，由第一曲率半徑Ri和中心點(diǎn)Q(對于表面44a、 46a)以及第二曲率半徑R2和中心點(diǎn)C2 (對于表面46b)表征。如果封 殼是對稱的，則中心點(diǎn)Q和C2位于光軸48上。其它在圖7中顯示的 所關(guān)注的參數(shù)包括從LED發(fā)光體42的頂部或前表面到表面44a/46a 頂端的軸向距離，標(biāo)記為弛度,；從虛像VI,的頂部或前表面到外表面 46b的頂端的軸向距離，標(biāo)記為弛度2;引線鍵合52相對于LED發(fā)光 體的頂部或前表面的最大高度，標(biāo)記為H,;內(nèi)透鏡44在LED發(fā)光體 平面中的最大面內(nèi)半寬度或半口徑，標(biāo)記為n;以及外透鏡46在LED 發(fā)光體平面中的最大面內(nèi)半寬度或半口徑，標(biāo)記為r2。為了使光源40 的總體尺寸或體積最小化，優(yōu)選地使r2大約等于或僅稍大于r,。
另外，在許多情況下，使內(nèi)透鏡44的體積最小化也是可取的，例 如通過謹(jǐn)慎選擇R,和弛度！的大小來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其中Rt〉弛度j。 當(dāng)內(nèi)透鏡由液體或凝膠材料甚至是未固化(液體)紫外線粘合劑材料 組成時(shí)，使內(nèi)透鏡44的體積最小化有助于減少出現(xiàn)在透鏡之內(nèi)或內(nèi)外 透鏡之間的氣泡或空隙，這些氣泡或空隙會(huì)有害地散射光并降低圖像 質(zhì)量。如果沒有引線鍵合52，該選擇會(huì)迫使n (內(nèi)透鏡的半口徑(面 內(nèi)))大約等于h (發(fā)光體42的最大半寬度)。如果存在引線鍵合52 (如最大高度Hi所示)，則最小體積的形狀一般來講會(huì)有所不同，以 便同時(shí)涵蓋LED發(fā)光體42和引線鍵合52。在某些情況下，采用該解 決方案會(huì)得到表面44a (以及46a)，對于該表面，弛度i^2Hj。
可以選擇&和弛度P而不使內(nèi)透鏡44的體積最小化，以優(yōu)化光 源40的光學(xué)特性。例如，可以選擇&和弛度p以便最大程度地放大 封殼43。
在一些情況下，還期望使光源光學(xué)系統(tǒng)中球差和/或彗差的量最小
或至少控制這個(gè)量。通過在光軸48和LED發(fā)光體42的相交處定位CP 可以使表面44a、 46a消球差(即幾乎或完全沒有球差或彗差)，從而 使得弛度i"Rp但是這樣做通常與最小化內(nèi)透鏡44的體積是不相容 的，并且還會(huì)降低或喪失表面44a、 46a的會(huì)聚能力。因此，控制球差 和彗差的更為可取的方法是將外表面46b設(shè)計(jì)為消球差。對于同軸點(diǎn)， 可以通過如下設(shè)置第一虛像VI,(用作外透鏡的"物像")和外表面46b 頂點(diǎn)之間的距離實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)
弛度2"112*((110+112)/112) (1)
在n2大約為2并且n。為1 (空氣)時(shí)，該式可以簡化為 弛度2^1,5*112 (2)
請注意上述最小體積以及消球差條件可以作為起點(diǎn)，由此可深入 優(yōu)化，例如使用常規(guī)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化。例如，可以根據(jù)上述公 式(l)設(shè)計(jì)外表面46b,然后進(jìn)行優(yōu)化以最小化虛像VI,邊緣上或邊緣附 近的偏軸遠(yuǎn)點(diǎn)的球差和/或彗差。
結(jié)合圖6-7討論的設(shè)計(jì)有一個(gè)意想不到的有益效果，即能夠降低 整體菲涅耳表面反射，尤其是降低外透鏡外表面46b上的菲涅耳表面 反射。就這一點(diǎn)而言，"整體菲涅耳表面反射"指對于LED發(fā)光體42 在幾乎整個(gè)角范圍(0《6 s《90)發(fā)射的光，并且同時(shí)對于指定界面上給 定點(diǎn)處入射光的s和p偏振成分，在外表面46b上所發(fā)生的所有菲涅耳 表面反射的總數(shù)或平均數(shù)。在一種極端情況下，軸向光線以方向es=o (沿著光軸48)從發(fā)光體42的中心部分無偏轉(zhuǎn)地(但是有部分被反射) 通過表面44a、 46a，然后以O(shè)度的內(nèi)表面角(相對于局部表面法線在 外透鏡介質(zhì)ii2中測量)在外表面46b上射入，再以0度的外表面角92
(相對于同一局部表面法線在介質(zhì)n。中測量)顯現(xiàn)。對于該軸向光線， 界面上的菲涅耳反射率基本上為((n2-no)/(n2+no))2，當(dāng)n。"l并且n2&2 時(shí)，相當(dāng)于約11%反射率。在另一種極端情況下，以掠射角6s"90度 從LED發(fā)光體42射入內(nèi)透鏡44的掠射光被部分反射，但是也會(huì)在曲 面44a、 46a偏轉(zhuǎn)，這取決于該表面的曲率R,以及定位(弛度,)。之 后，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)的光于外表面46b上在周邊46c附近的點(diǎn)射入，然后以最
大外表面角(0 2-0 2MAX)從那里顯現(xiàn)。注意，在最大表面角0 2MAX情況 下，為局部S和p偏振成分而平均的菲涅耳反射率明顯高于垂直入射角
度(62=0)情況下的菲涅耳反射率。如果在設(shè)計(jì)透鏡44、 46時(shí)沒有仔細(xì) 考慮，0 2MAx可能為或接近9O度，并且大量由LED發(fā)光體42發(fā)出的 光會(huì)因外表面46b上的菲涅耳反射而丟失。
幸運(yùn)的是，通過使用外透鏡折射率比內(nèi)透鏡折射率大很多(并且 其中外透鏡和內(nèi)透鏡在適當(dāng)曲面處相接)的外透鏡/內(nèi)透鏡組合，就可 以大大減小外表面46b處的最大表面角92MAX，優(yōu)選地減小到45、 40、 35或30度或更小，同時(shí)仍然維持高放大倍率成像系統(tǒng)。采用這種封殼 出射光釆用受限表面角范圍的情況下，通過在外透鏡的外表面上提供 四分之一光波或其它適用的抗反射涂層，還有機(jī)會(huì)有效地更進(jìn)一步降 低整體表面反射或菲涅耳反射。該涂層基本上可在整個(gè)受限表面角范 圍(0到30度或0到45度)內(nèi)有效，但是在范圍大得多的表面角范圍 (例如0到大約90度)內(nèi)效果會(huì)差一些。要注意的是，如果ii2為大約 2并且no為大約l (空氣)，則最佳單層四分之一光波抗反射涂層的折 射率為火n^no),即々2或大約1.4,該折射率與氟化鎂的折射率有利地 相符，氟化鎂是一種尤其堅(jiān)固并且經(jīng)過證明的光學(xué)涂層材料。
與減小外透鏡46外表面46b表面角范圍相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是，外表面46b 有源部分的球形折射得到減小。這就是說外表面46b的有源部分(即 從LED發(fā)光體發(fā)出的光在其上以整個(gè)半球立體角(0《6 s《90度)射出 外表面46b的部分)可以是完整球體的較小部分，或者可以對向更小 的立體角度。事實(shí)上，外表面46b的有源部分基本上為半球狀(而非
超球面)或小于半球(對向2:t或更小球面度的立體角度)比較實(shí)用。
現(xiàn)在參見圖8，可以看到包含在半徑為n的圓形邊界中的示例LED 發(fā)光體60的平面圖，該圓形邊界相當(dāng)于內(nèi)透鏡44的外表面44a與LED 發(fā)光體的平面的相交處。LED發(fā)光體是伸展但并不連續(xù)的，由方形LED 晶粒62組成的4x3陣列構(gòu)成，這些LED晶粒之間具有小間隙，形成大 致為矩形的形狀，該矩形的最大面內(nèi)尺寸為2h (矩形相對角之間的距 離)。發(fā)光體60以光軸48為中心。
在給定發(fā)光體60尺寸的情況下，如果需要最小化光源的整體體積 或尺寸，可以減小內(nèi)透鏡和外透鏡的尺寸，至少最小化r。。以及& (請參見圖7)。然而，由于光源的延伸性質(zhì)以及漸暈問題，過小的透 鏡會(huì)導(dǎo)致虛像VI2或任何通過虛像形成的實(shí)像在整個(gè)圖像上具有不可 接受的與漸暈相關(guān)的亮度變化，亮度在光源中心(最靠近光軸)最高， 在光源的邊緣或角落(離光軸最遠(yuǎn)處)減小至最低。加大透鏡尺寸可 緩解漸暈問題，但也會(huì)加大光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和重量。如果使用球透鏡， 使球直徑保持《5mm以及更為優(yōu)選地《4mm，實(shí)際上可以使之更易于 從現(xiàn)有透鏡制造商處獲得，并且價(jià)格通常更為低廉。
圖9示出簡單但具有代表性的光學(xué)系統(tǒng)的建模結(jié)果，該系統(tǒng)用于 標(biāo)識(shí)光源與透鏡的優(yōu)選比率，以便釆用透鏡尺寸平衡漸暈，使用盡可 能小的透鏡保持小的漸暈損耗。模型假定平坦光源的厚度為零并且最 大面內(nèi)尺寸2h以光軸為中心，光源位于半球形平凸的(半徑為R并且 折射率為1.533)中，并且透鏡也以光軸為中心并由空氣圍繞。模型從 光源的所有區(qū)域從所有方向發(fā)出光，并且計(jì)算按照與光源的幾何或近 軸(虛擬)圖像相對應(yīng)的方向射出透鏡的光百分比。該計(jì)算得出的百 分比在圖9中稱為"規(guī)一化透射"。該建模是為離散值h/R以及兩種典 型光源形狀而構(gòu)建的，這兩種光源形狀為半徑為h的圓形，以及正 方形(從正方形的中心到其任意角的距離均為h)。這兩種光源的最大 面內(nèi)尺寸均為2h。以曲線70示出圓形光源的規(guī)一化透射，并以曲線
72示出正方形光源的規(guī)一化透射。曲線證實(shí)，在相對于R可以忽略h 時(shí)(h/R接近0)，圓形光源以及正方形光源的規(guī)一化透射均接近1。 曲線還示出，在h大小接近R時(shí)(h/R接近l)，規(guī)一化透射會(huì)單調(diào)減 小。有趣的是，相對于曲線70 (圓形光源)，曲線72 (正方形光源) 的向下變化證實(shí)了這樣一個(gè)事實(shí)，即圖像退化主要在光源的最外邊緣 或邊角處發(fā)生。如果將最小許可規(guī)一化透射選擇為0.9 (與漸暈相關(guān)的 損耗為10%)，則根據(jù)圖9，應(yīng)選擇的h/R的值為大約0.4或更小。為 了使透鏡尺寸R保持相對緊湊，我們?yōu)閔/R的值選擇大約為0.2或0.3 的下限。因此，在諸如圖6-7的系統(tǒng)中，我們優(yōu)先選擇(并非必須)h/R2 的值不超過0.4，優(yōu)選地在0.3至0.4的范圍內(nèi)。
本發(fā)明所公開的緊湊光源可用于多種光學(xué)系統(tǒng)中，圖IO中顯示了 其中一種光學(xué)系統(tǒng)。在圖10中，微型準(zhǔn)直系統(tǒng)80包括上述光源40， 以及外部準(zhǔn)直透鏡82以及可選的反射式偏振器84。出于緊湊性考慮， 將透鏡82繪制為分段或分區(qū)菲涅耳透鏡，但是如果需要也可使用任何 傳統(tǒng)的塊狀光學(xué)透鏡或其它已知透鏡。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直，透鏡82的焦距 和位置按照這種方式進(jìn)行選擇，使得由外透鏡46形成的最終虛像IM2 位于透鏡82的后焦點(diǎn)上。注意，由于LED發(fā)光體42的延伸性，準(zhǔn)直 的光出射透鏡82實(shí)際上將具有非零的角展度。
準(zhǔn)直系統(tǒng)80也包括可選的反射式偏振器84。根據(jù)需要，偏振器可 用于提供線性、圓形或橢圓形的偏振光。盡管吸收式偏振器也可用于 該目的，但是如果光源40中存在一種結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)將至少一部分受阻的 偏振狀態(tài)轉(zhuǎn)換為垂直的"通過"狀態(tài)，反射式偏振器(優(yōu)選的是，其 中的"受阻"偏振狀態(tài)會(huì)以鏡面方式反射，而不會(huì)被吸收或散射)能 夠提供增加的效率。事實(shí)上，下面實(shí)例中描述的光源結(jié)合了準(zhǔn)直透鏡 以及美國專利5,882,774 (約查(Jonza)等人)中描述的共擠出多層反 射式偏振器類型，該反射式偏振器在偏振器的兩側(cè)均施加有抗反射涂 層，并觀測到增加的偏振光輸出超過10% (相對于采用吸收式偏振器 的類似系統(tǒng)，而非反射式偏振器)。在美國專利6，916，440 (杰克遜
(Jackson)等人)、6,939,499 (梅里爾(Merrill)等人)、6,949,212 (梅 里爾(Merrill)等人)以及6,936,209 (杰克遜(Jackson)等人)中公開 了制作共擠出多層偏振膜的示例性方法。其它示例性反射式偏振器包 括Vikuiti 雙層增亮薄膜(DBEF)，可得自明尼蘇達(dá)州圣保羅市的3M 公司(3M Company, St.Paul， Minnesota)。還可以想到使用膽甾型偏振器。 如上所述，可以在偏振器的一個(gè)或兩個(gè)表面上使用抗反射涂層，以最 小化由于菲涅耳表面反射而引起的損耗。作為另外一種選擇，可以將 偏振器層合到另一個(gè)光學(xué)元件(例如透鏡或板)的光滑、優(yōu)選為平坦 的表面上，或者將它層合在兩個(gè)側(cè)面上，并夾在兩個(gè)該類光學(xué)元件之 間。
本發(fā)明所公開的緊湊光源也可用于投影系統(tǒng)，例如采用了硅基液 晶(LCOS)面板或其它像素化面板的投影系統(tǒng)。在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利 申請11/322801中公開了一種示例性投影系統(tǒng)，該專利申請的標(biāo)題為 "帶光束均勻器的投影系統(tǒng)(Projection System With Beam Homogenizer)"(律師案巻號(hào)61338US002)。
實(shí)例
對類似結(jié)合圖6-7所述光源進(jìn)行加工以及測試。光源采用市售 Luxeon LED白光發(fā)光體(型號(hào)LXHL-PW01)構(gòu)建而成，該發(fā)光體可 得自加利福利亞州圣何塞市的盧米雷茲照明公司(Lumileds Lighting, SanJose, California)。在不損壞四顆LED晶粒、晶粒前表面上的熒光粉 薄涂層、安裝有晶粒的基底或引線鍵合的情況下，將隨發(fā)光體一起提 供的封殼透鏡移除。這些剩余的元件將保持不變，并在本文中稱為"LED 基座"。四顆LED晶粒在形狀上呈矩形，但彼此相鄰安裝，以便在平 面圖中名義上形成正方形，正方形邊長為1.1mm,但是在每對相鄰的 晶粒之間都存在細(xì)小間隙。白光從熒光粉涂層(基本平坦)射出，該 涂層名義上具有相同正方形區(qū)域(但不連續(xù))。
此外，可從新澤西州巴靈頓的艾德蒙德科技公司(Edmund
Scientific Co., Barrington, New Jersey)獲得由S-LAH79玻璃(折射率 2.003)制成的直徑為5mm的球透鏡。球透鏡被截平，然后通過精加工 在截平區(qū)域形成半徑為2.76mm的內(nèi)腔。之后向內(nèi)腔填充未固化(液體) 諾藍(lán)光學(xué)粘合劑(Norland Optical Adhesive 81(NOA81))，將所得結(jié)構(gòu)置 于LED基座上，使得LED晶粒、熒光粉涂層和引線鍵合位于內(nèi)腔中， 以及截平球透鏡的外周邊(參見圖6中的結(jié)構(gòu)46c)與LED基座的基 底相接觸。然后將所得結(jié)構(gòu)暴露在紫外線中，紫外線用于固化(以及 凝固)液體粘合劑，將外透鏡與基底以及LED晶粒粘結(jié)。所得光源具 有LED發(fā)光體(位于LED晶粒表面上的熒光粉薄涂層)以及復(fù)式封殼 透鏡，該封殼透鏡具有基本上為平凸的內(nèi)透鏡(由固化的紫外線粘合 劑組成)以及由折射率更高的光學(xué)玻璃組成的凹凸外透鏡。光源也具 有以下屬性及特征
n0 =1
n， =1.53
n2 =2.003 =2.76mm
R2 =2.5mm
弛度！ -1.1mm
弛度2 =3.4mm
弛度2/R2=1.36
r! =2.19mm
r2 =2.3 5mm
h=0.77
h/R2 =0.31
h2 =2.58
h2/R2 =1
光源射出角范圍6s-0至大約90度 外表面46b上的表面角范圍92=0至大約30度 復(fù)式封殼透鏡的放大倍數(shù)3.35
除非另外指明，否則本說明書和權(quán)利要求中用來表達(dá)數(shù)量、特性 量度等的所有數(shù)字應(yīng)當(dāng)理解為在所有情況下均由術(shù)語"約"來修飾。 因此，除非有相反的指示，否則說明書和權(quán)利要求中列出的數(shù)值參數(shù) 均為近似值，并且根據(jù)本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員利用本發(fā)明的教導(dǎo)內(nèi)容所 希望獲得的所需特性而有所不同。在最低程度上，并且不是旨在將等 同原則學(xué)說的應(yīng)用限制于權(quán)利要求的范圍，至少應(yīng)按照所報(bào)告有效數(shù) 字的數(shù)和通過采用常舍入法來解釋每一個(gè)數(shù)字參數(shù)。雖然闡述本發(fā)明 廣義范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但是本說明依然盡可能精確地 報(bào)告在具體實(shí)施例中所列出的數(shù)值。然而，任何數(shù)值固有地包含一定 的誤差，這些誤差必然地由各自測試量度中所存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差引起。
上述具體實(shí)施方式
為示例性的，并且并非旨在限制本發(fā)明的范圍。 本文所公開的實(shí)施例可能存在變化和修改形式，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員研究本專利文檔后應(yīng)該能夠理解實(shí)施例中多種元件的實(shí)際替代物和 等同物。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的前提下，可以對本文所公開的 實(shí)施例應(yīng)用這些以及其它的變化和修改形式。
權(quán)利要求
1.一種光源，包括LED發(fā)光體；和至少部分圍繞所述LED發(fā)光體的封殼；其中所述封殼包括內(nèi)透鏡以及外透鏡，所述內(nèi)透鏡的折射率為n1并且具有外曲面，同時(shí)所述外透鏡的折射率n2大于n1，并且具有基本與所述內(nèi)透鏡的所述外曲面配合的內(nèi)曲面；和其中所述內(nèi)透鏡生成所述LED發(fā)光體的第一虛像，而所述外透鏡生成所述第一虛像的第二虛像，并且所述第一虛像位于所述LED發(fā)光體和所述第二虛像之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述LED發(fā)光體發(fā)射從軸向 到掠射角的廣角光到所述內(nèi)透鏡中，并且所述內(nèi)透鏡會(huì)聚并透射該廣 角光到所述外透鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源，其中所述廣角光在所述內(nèi)透鏡中 呈現(xiàn)0至卯度的極角，并且該光以范圍為0到0 2MAX的表面角范圍從外透鏡顯現(xiàn)，其中0 2MAX為45度或更小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述第二虛像相對于所述 LED發(fā)光體的所述放大倍數(shù)在3倍到4倍的范圍之內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述LED發(fā)光體基本上呈平 面，并且具有最大面內(nèi)尺寸2h。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光源，其中所述外透鏡具有半徑為R2 的外曲面，并且其中h/R2不大于0.4。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光源，其中h/R2在0.3至0.4的范圍內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光源，其中所述外透鏡具有基本上相對 于所述第一虛像消球差的外曲面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述外透鏡具有半徑為R2 的外曲面，所述外透鏡暴露在折射率為n。的介質(zhì)中，并且其中所述第 一虛像設(shè)置在與所述外透鏡的所述外曲面頂點(diǎn)的距離為弛度2的位置 處，并且其中弛度2 " R,((no+ri2)/n2)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中ni/n2在0.7至0.8的范圍內(nèi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光源，其中n,為大約1.5并且n2為大約2。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述內(nèi)透鏡基本上是平凸 的，并且所述外透鏡基本上是凹凸的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述內(nèi)透鏡由非固體材料 組成，并且所述外透鏡由固體材料組成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的光源，其中所述內(nèi)透鏡由透光性液體 或凝膠組成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的光源，該光源還包括基底，所述LED 發(fā)光體安裝在該基底上，并且其中所述非固體材料包含在所述外透鏡 和所述基底之間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，該光源還包括基底，所述LED 發(fā)光體安裝在該基底上，并且其中所述內(nèi)透鏡將所述外透鏡粘附到所 述基底。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述LED發(fā)光體以范圍為 0到90度的極角6s將光發(fā)射到所述內(nèi)透鏡中，并且其中該發(fā)射光以范圍為O度到0 2MAX的表面角92從所述外透鏡射出，其中0 2MAX不超過30度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述外透鏡具有外曲面， 并且其中所述光源還包括所述外透鏡的該外曲面上的抗反射涂層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述內(nèi)透鏡的所述外曲面 具有曲率半徑R!，并且具有設(shè)置在距離所述LED發(fā)光體距離為弛度j的頂點(diǎn)，并且其中弛度,以及R,按照這種方式進(jìn)行選擇，以便使所述 內(nèi)透鏡的體積基本上最小，同時(shí)涵蓋所述LED發(fā)光體以及附接到其上 的任何引線鍵合。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源，其中所述內(nèi)透鏡的所述外曲面 具有曲率半徑&，并且具有設(shè)置在距離所述LED發(fā)光體距離為弛度, 的頂點(diǎn)，并且R,〉弛度,。
全文摘要
一種具有LED發(fā)光體以及至少部分圍繞所述發(fā)光體的封殼的LED光源。所述封殼具有內(nèi)透鏡以及外透鏡，所述內(nèi)透鏡的折射率小于所述外透鏡的折射率，并且在某些情況下為所述外透鏡折射率的70％到80％。所述內(nèi)透鏡及外透鏡可沿著曲面彼此接觸，并且在某些情況下所述內(nèi)透鏡基本上是平凸的，并且所述外透鏡為凹凸的。所述內(nèi)透鏡生成所述發(fā)光體的第一虛像，而所述外透鏡生成第二虛像，并且所述第一虛像位于所述發(fā)光體和所述第二虛像之間。LED光源能夠在緊湊的空間內(nèi)提供均勻的照明。
文檔編號(hào)H01L33/58GK101371371SQ200680052691
公開日2009年2月18日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者帕特里克·R·德斯藤 申請人:3M創(chuàng)新有限公司