CN101529162B - 发光二极管的亮度增强方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有增强的亮度的光源(图1)包括角度选择光学滤光片(106)和具有高反射层(104)的发光二极管(100)(LED)。角度选择滤光片(106)位于发光二极管的顶表面上，从而使特定角度的光通过。根据一种实施方式，角度选择滤光片(106)包括指数交变的层。用反射偏振器，光源能产生具有增强的亮度的偏振光。
Description
本申请要求自2006年9月23日提交的美国临时专利申请第60/846516号的优先权，该美国临时专利申请在这里通过引用全文并入。
发明背景
本申请通常涉及半导体光源，包括发光二极管。
在各种应用中都想要高亮度的光源。目前，在许多设备和系统中使用的高亮度光源是传统光源，例如HID灯、激光和其它点光源。这种传统光源中的一些光源具有各种技术限制，包括相对短的寿命、难以控制并维持光的颜色以及相对高昂的制造成本。
固态光源，尤其是发光二极管(LED)与灯和其它光源相比，能被设计为具有较长寿命、较低能耗、更易处理的发射波长以及其它益处，并且在广泛应用中日益取代灯和其它光源。然而，LED有许多性能需要改进，以便LED能进一步拓宽它的应用以取代灯和其它光源。LED的最新进展增强了在要求高亮度的照明应用中使用LED的关注。
发明内容
本发明涉及发光二极管设备，其实质上避免了由于相关技术的限制和缺点而引起的一个或更多问题。
本发明另外的特征和优点将在以下的描述中提出，并且根据描述部分将变得明显，或可通过本发明的实践学到。本发明的目的和其它优点将通过在书面描述和它的权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
为了达到这些和其它优点，且依照本发明的目的，如具体和广泛描述的，本发明提供一种发光二极管设备，包括a)具有高反射层与发光层的发光二极管(LED)芯片；以及b)角度选择滤光片，其传播入射角小于选择角度的光，并反射入射角大于所述选择角度的光；所述发光层位于所述高反射层与所述角度选择滤光片之间。可在LED芯片和角度选择滤光片之间提供空气间隙。靠近角度选择滤光片在光离开的方向上还可提供偏振器。
在另一方面，本发明提供一种设备，其包括发射光的发光层；传播发射的光的衬底，发光层在衬底的第一侧面上形成；反射层，其在衬底的第一侧面上形成，以反射发射的光，发光层位于反射层和衬底之间；以及角度选择滤光片，其在衬底的第二侧面上形成，角度选择滤光片反射入射角大于预定义的入射角的发射的光的光射线，并传播入射角小于预定义的入射角的发射的光的光射线。
在又一方面，本发明提供一种设备，其包括发射光的LED芯片；反射层，其在LED芯片的第一侧面上形成以反射发射的光；以及角度选择滤光片，其在LED芯片的第二侧面上形成，角度选择滤光片反射入射角大于预定义的入射角的发射的光的光射线，并传播入射角小于预定义的入射角的发射的光的光射线。
附图简述
图1是带有角度选择光学滤光片的本发明的实施方式的横截面示意图。
图2是从LED的活性发光层发射的光以及它在LED反射层和角度选择光学滤光片的作用下的进一步传播的示意图。
图3是角度选择滤光片的光谱和角度特性。
图4是带有角度选择滤光片的本发明的替换实施方式的横截面示意图。
图5是从发光二极管的活性发光层发射的光以及它在LED反射层和角度选择光学滤光片的作用下的进一步传播的示意图。
图6是带有光学滤光片的本发明的替换实施方式的横截面示意图。
图7是带有光反射偏振器的本发明的替换实施方式的横截面示意图。
图8是带有光反射偏振器和光学相位延迟器的本发明的替换实施方式的横截面示意图。
附图-参考数字
100. LED芯片
102. LED的发光层
104. LED的反射层
106. 角度选择滤光片
108. 光纤
110. 反射偏振器
112. 四分之一波片
优选实施方式详述
一种用于改进LED性能的技术是使用高驱动电流来改进单个LED芯片的性能。这种技术被LED芯片的热耗散所限制。其它用于改进LED性能的技术包括将反射次黏着基台(submount)或布拉格光栅(Bragg-grating)并入LED芯片，如在例如US6,849,878 B2和US6,784,462 B2中描述的。这些手段能限制发射光的角度范围并增加光亮度。
对于某些应用，优选来自LED的偏振光。需要偏振转换机构来增强输出亮度。一种偏振LED光的方法是将反射偏振器放在LED上。因为LED光在所有角度都辐射，因此在一些设计中使用反射偏振器来偏振在所有角度的光。反射偏振器的这种使用能显著地折衷在这种LED设备的输出中的偏振度。
这种应用还描述了通过使用角度选择光学滤光片来提供发光二极管 的增强的高亮度的设备设计和技术。在一些实现中，高亮度的光源能包括带有反射层和角度选择光学滤光片的LED芯片。角度选择滤光片传播入射角小于预定义的选择角度(比如，对垂直于或接近地垂直于滤光片)的发射的光，并反射入射角大于预定义的选择角度(比如，不与滤光片垂直)的光。这个选择角度能由滤光片的设计来确定，并能根据应用的特定要求而在比如5°到75°之间变化。
角度选择滤光片能够位于光离开路径处，以大的入射角将发射的光反射回到LED设备中。在LED里面的高反射层(通常接近发光活性层，有50％或更高的反射率)将大多数的光以各种角度反射回到角度选择滤光片。具有小入射角的光射线能通过角度选择光学滤光片并增加角度选择滤光片的角度允许范围内的总的通量。结果，增加了亮度。这样的一个LED设备能配置为使用发光二极管来提供低成本、高亮度的光源。
当需要偏振光时，反射偏振器能靠近角度选择滤光片放置来偏振输出光。此外，在一些应用中四分之一波片能插入在偏振器和角度选择滤光片之间。
图1显示了基于本发明的一个实施方式的示例性LED设备的简化示意图。这个示例LED设备包括LED芯片衬底100、由活性半导体介质构成的发光层102、高反射层104和角度选择滤光片106。发光层102在LED芯片衬底100的第一侧面上形成并夹在LED芯片衬底100和高反射层104之间。发光层102可发射朗伯模式(Lambertian pattern)的光。在这种结构下，在发光层102中产生的发射的光被指引传播通过LED芯片衬底100朝向LED芯片衬底100的第二侧面。角度选择滤光片106在LED芯片衬底100的第二侧面上形成，并设计为传播入射角小于预定义的选择角度(比如，垂直于或接近地垂直于滤光片)的光射线，以及反射入射角大于角度选择滤光片106的选择角度的光射线，例如不垂直于滤光片的光射线。高反射层104可吸收一些进入的光并朝向角度选择滤光片106反射大多数以各种角度进入的光。角度选择滤光片位于光离开路径处并应接近104。滤光片106的选择角度由滤光片的特性决定。这个选择角度能够被设计和制造成5°到75°之间以满足不同的应用要求。
图2示出图1中的LED设备的操作。从102发射的光射线是或者接近朗伯模式，这意味着光以所有角度辐射。一些光向前传播，其它向后朝向104传播。入射角小于滤光片的选择角度的向前的光将传播通过106。入射角大于选择角度的向前的光将被106反射。反射的光将到达104。大部分的光(＞50％)将被104以朗伯模式反射，并从LED发射出去。由于104的吸收，一些反射的光可能被吸收。再次，入射角小于选择角度的光将传播通过106。所有其它的光将被106再次反射回104。类似地，入射角大于选择角度的部分光被104和106转换为入射角小于选择角度的光。这个过程不断地进行下去。因此，与没有106的情形相比，在选择角度范围内的总的光通量将增加。结果，增强了LED的亮度。
图3示出了在一个实施例中具有特定反射角度的106的光谱特性。这里使用蓝色LED来说明角度选择效果。从蓝色LED发射从在445nm到475nm之间的光。具有小的入射角的光，例如相对于106的法线方向成0°和10°的光，将以非常小的损失(＜5％)传播通过106。具有大的入射角的光，例如30°和60°的光，将几乎被106反射。明显地，这个滤光片的选择角度在20°左右。角度选择滤光片能由两个或更多不同介电层的薄膜叠层制成。在一些实现中，薄膜叠层能由具有不同指数的两种不同电介质材料制成。例如，使用TiO2(n＝2.5)和SiO2(n＝1.46)制成角度选择滤光片。滤光片设计如下
层 厚度(nm)
TIO2 52.82
SIO2 154.05
TIO2 34.88
SIO2 140.13
TIO2 49.50
SIO2 152.45
TIO2 32.30
SIO2 132.16
TIO2 53.70
SIO2 151.07
TIO2 0.44
SIO2 147.61
TIO2 52.37
SIO2 151.07
TIO2 49.52
SIO2 141.25
TIO2 45.56
SIO2 293.48
TIO2 49.91
SIO2 171.36
TIO2 52.64
SIO2 155.83
TIO2 47.16
SIO2 241.03
TIO2 56.56
SIO2 129.17
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SIO2 197.80
TIO2 59.32
SIO2 133.13
TIO2 55.08
SIO2 212.40
TIO2 54.71
SIO2 139.50
TIO2 56.00
SIO2 218.47
TIO2 53.59
SIO2 140.26
TIO2 57.52
图4显示了本发明的替换实施方式的简化示意图。发光二极管包括带有活性发射层102的LED芯片100、高反射层104和角度选择滤光片106。角度选择滤光片106传播入射角小于选择角度(垂直于或接近地垂直于滤光片)的光，并反射入射角大于选择角度(不垂直于滤光片)的光。高反射层104反射大多数以各种角度进入的光。发射层104发射朗伯模式的光。角度选择滤光片位于光离开路径处。在106和100之间有小的空气间隙。
在图5中，从102发射的光是朗伯模式，这意味着光以所有角度发射。一些光向前传播，其它向后朝向104传播。具有小入射角的向前的光将传播通过空气间隙和106。入射角大于临界角的向前的光将被空气间隙反射。因此，间隙也用作角度选择滤光片。106将进一步过滤通过空气间隙的光。因此，小入射角光的总的通量被增加。结果，增强了LED的亮度。
图6显示了本发明的替换实施方式的简化示意图。发光二极管包括具有发光层102的LED芯片100、高反射层104、角度选择光学滤光片106和光纤108。角度选择滤光片106传播入射角小于选择角度(垂直于或接近地垂直于滤光片)的光，并反射入射角大于选择角度(不垂直于滤光片)的光。高反射层104反射大多数以各种角度进入的光。发光层104发射处于(或接近)朗伯模式的光。角度选择滤光片位于光离开路径处。能直接与LED接触或通过指数匹配的树脂与LED接触。光纤108用指数匹配凝胶(对LED光是透明的)直接连接到106，并接收传播通过106的光。由 于滤光片106将减小发光角度，所以与没有滤光片106的情形相比，更多的校准的输出光将具有更高的进入光纤的耦合效率。
在图6中，106的选择角度与108的受光角匹配。结果，传播通过106的光能被有效耦合进入108而具有很少量的亮度损失。
在图7中，反射偏振器110靠近滤光片106放置。因为滤光片106只将小角度光传递到110，所以反射偏振器110能有效传递优选的偏振状态的光，并反射处于其它偏振状态的光射线，所述其它偏振状态的光射线包括返回到层106和100的具有与优选的偏振状态正交的偏振的光。反射的光将被反射层104的反射去偏光，并且一些光被转换到优选的偏振状态，并被指引到106和110。结果，与没有106的情形相比，在110之外有更多的偏振光。因此，偏振器110的反射本质使不处于优选的偏振状态的光再循环，并增强了这个偏振LED设备的输出效率。在一些实现中，四分之一波片能够被插入在层106和110之间，如图8所示。四分之一波片能有效地转换偏振状态。
这里描述的LED设备能够以获得某些优点的结构实现。例如，所描述的LED设备的一个优点是增强亮度的LED封装。另一优点是所描述的设计能用于各种LED芯片，而不要求特殊制造的LED芯片。所描述的设计的又一优点是由于角度选择滤光片产生的输出光的受限制的角度范围，能实现从LED到光纤的有效耦合。此外，所描述的LED设计能用来提供偏振光的增强输出。
描述了一些实现和实施例。基于所描述的内容能进行其它变化和增加。
Claims (31)
1.一种发光二极管设备，其包括：
a)发光二极管芯片，其具有高反射层与发光层；以及
b)角度选择滤光片，其传播入射角小于选择角度的光，以及反射入射角大于所述选择角度的光；
所述发光层位于所述高反射层与所述角度选择滤光片之间。
2.如权利要求1所述的发光二极管设备，其中所述选择角度在5°到75°之间。
3.如权利要求1所述的发光二极管设备，其中所述角度选择滤光片与所述LED芯片直接接触。
4.如权利要求1所述的发光二极管设备，其进一步包括布置在所述角度选择滤光片和所述LED芯片之间的折射指数匹配的材料。
5.如权利要求1所述的发光二极管设备，其中所述角度选择滤光片由折射指数交变的膜的叠层制成。
6.如权利要求1所述的发光二极管设备，其进一步包括光纤，其中所述光纤的受光角匹配所述角度选择滤光片的所述选择角度，以及其中所述光纤连接到所述角度选择滤光片。
7.如权利要求1所述的发光二极管设备，其进一步包括光纤，其中所述光纤的受光角等于或大于所述角度选择滤光片的所述选择角度，以及其中所述光纤连接到所述角度选择滤光片。
8.如权利要求1所述的发光二极管设备，其中入射角大于所述选择角度的部分光被所述高反射层和所述角度选择滤光片转换为入射角小于所述选择角度的光。
9.如权利要求1所述的发光二极管设备，其中所述发光二极管芯片发射蓝光，所述角度选择滤光片传播入射角小于选择角度的蓝光，以及反射入射角大于所述选择角度的蓝光。
10.一种发光二极管设备，其包括：
a)发光二极管芯片，其具有高反射层；
b)角度选择滤光片，其传播入射角小于选择角度的光，以及反射入射角大于选择角度的光；以及
c)空气间隙，其位于所述LED芯片和所述角度选择滤光片之间。
11.如权利要求10所述的发光二极管设备，其中所述角度选择滤光片位于光发射路径处，以及所述空气间隙厚度小于1mm。
12.如权利要求10所述的发光二极管设备，其进一步包括光纤，其中所述光纤的受光角匹配所述滤光片的所述选择角度，以及所述光纤连接到所述角度选择滤光片。
13.如权利要求10所述的发光二极管设备，其中入射角大于所述选择角度的部分光被所述高反射层和所述角度选择滤光片转换为入射角小于所述选择角度的光。
14.如权利要求10所述的发光二极管设备，其中所述发光二极管芯片发射蓝光，所述角度选择滤光片传播入射角小于选择角度的蓝光，以及反射入射角大于所述选择角度的蓝光。
15.一种发光二极管设备，其包括：
a)发光二极管芯片，其具有高反射层与发光层；
b)角度选择滤光片，其传播入射角小于选择角度的光，以及反射入射角大于所述选择角度的光；所述发光层位于所述高反射层与所述角度选择滤光片之间；以及
c)偏振器，其位于光离开方向上靠近所述角度选择滤光片。
16.如权利要求15所述的发光二极管设备，其中所述偏振器是反射偏振器。
17.如权利要求16所述的发光二极管设备，其进一步包括插入在所述偏振器和所述角度选择滤光片之间的相位延迟器。
18.如权利要求17所述的发光二极管设备，其中所述相位延迟器是四分之一波片。
19.如权利要求15所述的发光二极管设备，其中入射角大于所述选择角度的部分光被所述高反射层和所述角度选择滤光片转换为入射角小于所述选择角度的光。
20.如权利要求15所述的发光二极管设备，其中所述发光二极管芯片发射蓝光，所述角度选择滤光片传播入射角小于选择角度的蓝光，以及反射入射角大于所述选择角度的蓝光。
21.一种发光二极管设备，其包括：
发光层，其发射光；
衬底，其传播所发射的所述光，所述发光层在所述衬底的第一侧面上形成；
反射层，其在所述衬底的所述第一侧面上形成以反射所发射的所述光，所述发光层位于所述反射层和所述衬底之间；以及
角度选择滤光片，其在所述衬底的第二侧面上形成，所述角度选择滤光片反射入射角大于预定义的入射角的所发射的所述光的光射线，以及传播入射角小于所述预定义的入射角的所发射的所述光的光射线。
22.如权利要求21所述的设备，其中所述角度选择滤光片包括介电层的叠层，所述介电层包括至少两种不同折射指数的不同材料。
23.如权利要求21所述的设备，其进一步包括在所述衬底的所述第二侧面上的所述角度选择滤光片上形成的反射偏振器，以传播处于预定的偏振状态的发射的光并反射处于与所述预定的偏振状态不同的偏振状态的发射的光。
24.如权利要求23所述的设备，其进一步包括在所述反射偏振器和所述角度选择滤光片之间的相位延迟层。
25.如权利要求24所述的设备，其中所述相位延迟层是四分之一波片层。
26.如权利要求21所述的设备，其进一步包括具有端面的光纤，所述端面被耦合以接收由所述角度选择滤光片输出的所发射的光。
27.如权利要求21所述的设备，其中入射角大于所述预定义的入射角的部分光被所述反射层和所述角度选择滤光片转换为入射角小于所述预定义的入射角的光。
28.如权利要求21所述的设备，其中所述发光二极管芯片发射蓝光，所述角度选择滤光片传播入射角小于选择角度的蓝光，以及反射入射角大于所述选择角度的蓝光。
29.一种发光二极管设备，其包括：
LED芯片，其发射光；
反射层，其在所述LED芯片的第一侧面上形成，以反射所发射的所述光；以及
角度选择滤光片，其在所述LED芯片的第二侧面上形成，所述角度选择滤光片反射入射角大于预定义的入射角的所发射的所述光的光射线，以及传播入射角小于预定义的入射角的所发射的所述光的光射线。
30.如权利要求29所述的设备，其进一步包括光纤，所述光纤被耦合以接收来自所述角度选择滤光片的光以导引来自所述LED芯片的发射的光。
31.如权利要求29所述的设备，其进一步包括在所述LED设备的所述第二侧面上的所述角度选择滤光片上形成的反射偏振器，以传播处于预定的偏振状态的发射的光，以及反射处于与所述预定的偏振状态不同的偏振状态的发射的光。
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