CN101836304A

CN101836304A - 偏振发光器件

Info

Publication number: CN101836304A
Application number: CN200880113132A
Authority: CN
Inventors: H·J·B·加特; C·C·S·尼科尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: US8399898B2; KR20100080937A; CN101836304B; RU2010120918A; JP5415433B2; TW200935630A; TWI451595B; KR101585239B1; WO2009053881A1; EP2206166A1; EP2206166B1; RU2479071C2; US20100220459A1; JP2011501460A

Abstract

本发明涉及一种发光器件，包括：LED管芯(10)，其具有第一表面(12)、第二表面(14)以及连接所述第一表面和所述第二表面(12，14)的至少一个侧刻面(16)。此外，LED管芯包括光偏振层(20)，光阻挡层(30)和光反射层(40)。光偏振层(20)布置在LED管芯的第一表面(12)上，光阻挡层(30)布置在至少一个侧刻面(16)上，以及光反射层(40)布置在第二表面(14)上。

Description

偏振发光器件

技术领域

本发明涉及发光器件，包括LED管芯，其具有第一表面、第二表面以及连接第一表面和第二表面的至少一个侧刻面。进一步地，该LED管芯包括光偏振层、光阻挡层和光反射层。本发明还涉及用于从这种LED管芯提供偏振光的方法。

背景技术

对于在各种发光应用中替代传统光源而言，固态发光二极管(LED)具有光明的未来。更具体地，高亮度无机LED正进入市场，诸如汽车照明、相机闪光灯、显示器投影和显示器背光。

使用这些LED来替代传统光源的优势是由其小体积、高亮度和高色彩饱和度带来的。

然而，作为传统光源，LED发射非偏振光，即，针对特定偏振状态不具有显著偏好的光。因此，在需要偏振光的应用中，此光必须利用其他装置进行偏振。

使用偏振光的应用范围包括LCD背光和LCD投影，以及用于LC波束控制器件的选择中，在这些LC波束控制器件中，LED点源发射的光束利用LC单元进行操纵。

而且，偏振光在室内照明和室外照明中都能产生优势，因为线性偏振光影响在表面上的反射，其能够抑制眩光并且随即影响在视敏度、观察到的对比度和色彩饱和度这些方面对光照环境的观察。由于此影响，存在荧光发光体的偏振，以作为在视觉感知方面具有所要求益处的商业产品。

可以通过在LED制造中使用外来晶体定向方向来实现LED的偏振光发射。然而，这种LED难以制造，并且难于获得高效的光输出。而且，所报告的偏振对比度很小。

用于对光进行偏振的普通方法涉及吸收不需要的偏振状态的步骤。此方法的效率约为45％。

US 2006/0066192A1公开了一种照明系统，其并入了LED和反射偏振器。反射偏振器对从LED发射的光的第一部分进行传输，并反射从LED发射的光的第二部分。反射的光入射在LED上，并由该LED反射。此外，光的第二部分被散射，使得反射光的偏振状态是混合的。由此，部分散射光可以由反射偏振器来传输，使得照明系统的总效率增加。

即使在US 2006/0066192A1中公开的系统给出了提高的偏振效率，但是对于很多应用而言这也是不够的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术和现有技术提供改进。更具体地，本发明的目的在于提供具有提高效率的偏振LED。

根据本发明的第一方面，提供了发光器件，包括LED管芯，其具有第一表面、第二表面以及连接第一表面和第二表面的至少一个侧刻面，以此提供了上述目的。发光器件进一步包括光偏振层、光阻挡层和光反射层，其中光偏振层布置在LED管芯的第一表面上，光阻挡层布置在至少一个侧刻面上，以及光反射层布置在第二表面上。发光器件的优势在于其提供了具有高效率的偏振光。

光偏振层可以完全覆盖第一表面，光阻挡层可以完整覆盖侧刻面，以及光反射层可以完全覆盖第二表面。这是有益的，因为实现了高偏振对比度。

光阻挡层可以是光偏振层，这是有益的，因为该阻挡层和光偏振层是整块制造的。

光阻挡层可以是光反射层，这是有益的，因为该阻挡层和光反射层是整块制造的。

光偏振层可以是反射偏振层，其可以经受来自LED管芯的高温和光通量。

光偏振层可以是线栅光栅。由此，可以使用已知的传统光栅本身。

发光器件可以进一步包括回收利用层，其改变光的偏振状态，其中该光回收利用层被布置在光偏振层和光反射层之间。这是有益的，因为发射出更大量的偏振光。

回收利用层可以是滞后层或去偏振层，这是有益的，因为使用的是传统技术和材料。

波长转换层可以布置在光偏振层和LED管芯之间，这是有益的，因为例如绿、黄或红光的效率提高了。

波长转换层可以是荧光层，其是公知材料。

根据本发明的第二方面，提供了一种光源，其包括至少一个根据本发明第一方面的发光器件。本发明第一方面的优势也适用于本发明的此第二方面。

发光器件可以包括穹顶形的透镜，其覆盖管芯。这是有益的，因为从LED提取出了增大量的光。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于从LED管芯提供偏振光的方法，其中该LED管芯具有第一表面、第二表面以及连接第一表面和第二表面的至少一个侧刻面，以此提供了上述目的。该方法包括以下步骤：从LED管芯的第一表面发射第一数量的光、从该LED管芯的侧刻面发射第二数量的光、借助于布置在侧刻面上的阻挡层来阻挡第二数量的光的第一部分、借助于布置在第一表面上的偏振层来阻挡第一数量的光的第一部分、通过偏振层传输第一数量的光的第二部分、转换第一数量的光的第一部分的偏振状态，以及借助于偏振层传输经过转换的第一数量的光的第一部分。本发明第二方面的优势还适用于本发明的此第三方面。

本发明的其他目的、特征和优势将从下述详细公开、所附从属权利要求和附图变得明显。

附图说明

现在，本发明的实施方式将通过示例的方式、参考示意性附图进行描述，其中

图1示出了根据现有技术的偏振器的基本原理。

图2是根据本发明第一实施方式的发光器件的侧视图。

图3是根据本发明另一实施方式的发光器件的透视图。

图4-图9示出了根据本发明的发光器件的不同实施方式。

具体实施方式

在图1中，示出了偏振元件的基本原理。示出的传播光波入射在偏振元件4上。此光波不具有实线和虚线指示的特定偏振状态，其通过偏振元件4进行传输。然而，仅传输该光波具有某个偏振状态的一部分，如实线示出的。该光波的其他部分被偏振元件4反射回或吸收。

如图1所示，偏振元件4是具有并行布置的多个缝隙的光栅。光栅周期小于光波的波长。这种偏振元件公知为线栅偏振器。线栅偏振器通常由金属(诸如，铝)的小型条带组成，这些小型条带由空气或介电材料分隔。光栅周期通常约为100-200nm的量级。金属与间隙的典型占空比为1∶1，但是其他比例也是适用的，例如，1∶2。每个金属条带的高度通常约为100nm的量级。

图2示出了安装在任何已知类型的衬底5上的发光器件100。衬底5可以是印刷电路板、插槽等。发光器件100具有LED管芯10、光反射层40、光偏振层20和光阻挡层30。光偏振层20布置在LED管芯10的第一表面12附近。光反射层40布置在衬底5和LED管芯10的第二表面14之间。光阻挡层30布置在LED管芯10的侧刻面16附近。

当在LED管芯10的p/n结上施加电压时，朝着LED管芯的第一表面12和侧刻面16发射光。与常规LED一样，发射出的光不具有特定的偏振角度，而是若干不同角度的混合。发射出的第一数量的光入射在光偏振层20上，而发射出的第二数量的光入射在光阻挡层30上。当发射出的第一数量的光击中光偏振层20时，第一数量的光的第一部分被反射，而第一数量的光的第二部分被传输。当发射出的第二数量的光击中光阻挡层30时，至少第一部分通过反射或吸收而被阻挡。在反射后，第一数量的光的第一部分朝着LED管芯传播回，并且当其击中光反射层40时，偏振状态被影响。由此，当发射出的第一数量的光的第一部分第二次入射在光偏振层20上时，部分光将被传输。反射的光将再次反射回光反射层40并稍微改变其偏振状态，由此导致了在与光偏振层20的第三次、第四次、第五次相互作用时的更进一步传输。

偏振层20可以传输圆偏振光，并反射偏振相反的圆偏振旋向性。例如，偏振层20可以传输左手圆偏振光，并反射右手圆偏振光。这种偏振层20可以是胆甾型液晶反射偏振器。

在图3中，示出了LED管芯10和光偏振层20的透视图。在此实施方式中，光偏振层20和光阻挡层30被设计为一个单层。线栅光栅20和光阻挡层30由并行布置的金属条带22组成。光阻挡层30将反射光的第一部分并传输光的第二部分。光阻挡层30和光偏振层20正覆盖LED管芯10的整个第一表面12和侧刻面16。

图4示出了发光器件100。LED管芯10在光反射层40附近，而透明膜50布置在LED管芯10的顶上。LED管芯本身可以是已知的任何适当材料，诸如，用于紫外线和蓝光的InGaN、用于红光的AlGaAs、用于绿光的AlGaP或GaN等。在LED管芯包括GaN的情况下，透明膜50可以包括蓝宝石或碳化硅，以便在制造期间提供GaN的适当沉积。光回收利用层60布置在膜50的顶上，而光偏振层20布置在安装于光回收利用层60的顶上的玻璃板70上。光阻挡层30布置在发光器件100的侧刻面上。图4所示的发光器件100按如下进行操作。

LED管芯10在所有方向发射出特定波长(例如，400nm)的光。方向朝下的一定量的光被反射层40反射，而击中光阻挡层30的一定量的光也被反射，使得没有光通过阻挡层30或反射层40被传输。光阻挡层30和光反射层40可以布置为单个层，例如，布置为反射式金属的薄膜。方向向上的一定量的光(即，直接发射出的光或反射的光)通过透明膜50进行传输，并且通过光回收利用层60进行传播。光回收利用层60被设计以改变光的偏振状态，这或者是通过将偏振状态旋转固定角度实现的，或者是通过提供偏振角度的随机分布实现的。由此，光回收利用层60可以是滞后层(retarding layer)，即，四分之一波长膜，或者是散射层。当光入射在玻璃板70和光偏振层20上时，光的第一部分将被传输，而光的第二部分将朝着LED管芯10被反射回。传输的光将具有与光偏振层20的金属条带22垂直的偏振角度，而反射光将具有与反射光的金属条带22平行的偏振角度。反射光将与光阻挡层30和光反射层40相互作用，并且在多个内部反射之后，光将再次通过光回收利用层40得以传输。这一次，光的偏振角度将改变，使得光的新部分将通过光偏振层20得以传输。此过程被重复，并且，每一次，都会增加传输的偏振光的积累量。光阻挡层30避免具有不期望偏振角度的光从LED管芯10的侧刻面被传输。由此，第一偏振状态的光的量与第二偏振状态的光的量之间的对比度增加。

光回收利用层60可以由具有受控宏观双折射的材料组成，或者，备选地，可以由宏观层面上不可控的局部双折射的材料组成。具有宏观双折射的典型层(诸如，滞后四分之一波长膜(QWF))典型地由延展的聚合物膜(诸如，延展的聚碳酸酯)组成，但是其还可以由液晶聚合物(LCP)制成。滞后器可以是单轴的或扭绞的。滞后器还可以存在多个层，其具有不同的光轴方向。例如，QWF滞后器和二分之一波长滞后器的组合可以一起作为宽带四分之一波长滞后器。

具有增强稳定性的备选材料是可行的。更稳定的聚合物是氟聚合物。可以使用四氟乙烯和六氟丙烯(FEP)聚合物的聚合物。其他类似材料包括四氟乙烯和全氟乙烯醚的聚合物(PFA)，或四氟乙烯和乙烯的聚合物(ETFE)或四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物(THV)。公知的是，所有这些材料具有出色的热稳定性、化学稳定性和光稳定性。而且，可以使用聚四氟乙烯(特氟龙)。

公知的是，诸如蓝宝石的其他材料是双折射的。而且，形状双折射(form-birefringent)材料可以作为滞后器使用，其因纳米级大小的形状而表现出了双折射。具有子波长周期性的介电光栅可以表现出双折射，并且可以用作例如四分之一波长滞后器。而且，纳米线可以用作各向异性光子材料，以及用于其引起的双折射。

对于引导回LED管芯10的光的最大反射率而言，LED管芯10的第二表面14应当具有较高的反射率。通常，反射层40包括开口，其用作LED电极的接触区，诸如，p掺杂GaN。在此，光可能丢失。由此，通过减少接触孔的数量或通过使反射层40中的这些孔变得尽可能地小，应当将孔径损失最小化。而且，反射层的反射率应当被最大化。在一个实施方式中，反射层40是散射层。

在下文中，将描述发光器件100的多个实施方式。在图5中，图4中所示透明板50被移除。取而代之的，光偏振层20布置在光回收利用层60附近。

在图6中，光回收利用层60被设计为LED管芯10的粗糙表面。平面化层80布置在LED管芯20的顶上，而承载光偏振层20的玻璃板70布置在偏振层80的顶上。

在图7中，光偏振层20直接布置在平面化层80上。

在进一步的实施方式中，偏振层20涂覆在荧光转换的LED上，这些LED通过对LED发射的蓝或紫外光进行荧光转换来获得白色或彩色发射。如图8和图9所示，光偏振层20布置在荧光层90的顶上，因为在荧光过程中将不会保持偏振状态。在图9中，光回收利用层60布置在荧光层90和光偏振层20之间。针对图8和图9，发光器件100可以具有诸如蓝宝石层50的透明层，或其可以不具有这种蓝宝石层50。荧光层90可以结合到蓝宝石层50，或直接结合在LED管芯10上。光偏振层20可以出现在荧光层90上，并且还可以出现在LED管芯10的侧刻面上。光偏振层20可以直接在该表面上得到处理，或者由衬底进行支撑，并且粘合到荧光层90。此外，光阻挡层30可以包含反射器，诸如金属，以便强迫光通过光偏振层20进行发射以增强性能。荧光层90的形状例如可以是楔形。光回收利用层60可以布置在光偏振层20以下或荧光层90以下。附加的散射层(未示出)可以被并入以在例如荧光层90的顶上或荧光层90以下对反射光进行去偏振。荧光层90可以是透明的，但是其还可以包括散射中心，以增强去偏振。

光偏振层20可以直接在LED管芯10或荧光层90上产生，优选地，在晶圆级上产生，以及随后切成小块。备选地，传统上，光偏振层20可以在载体衬底(诸如，薄玻璃(例如，0.2mm))上产生、切成小块，以及随后利用适当的粘合剂或者在无需光接触的情况下耦合到LED管芯20或荧光层90。

任何已知类型的球形穹顶本身可以布置在任何公开实施方式的发光器件100上。这增强了从光发射器件100的光提取，其将反射损失最小化并且提取出光，在其他情况下，光将在平坦的光学叠加中被波导(waveguide)。

LED管芯10的第一表面12和侧刻面16之间的角度可以是90度。在其他实施方式中，LED管芯10的第一表面12和侧刻面16之间的角度可以较小，例如，45度。这些层之一(例如，荧光层90或光回收利用层60)的形状可以包含较低角度(例如，45度)的侧刻面，由此得到金字塔形的发光器件。这种侧刻面可以延伸到发光器件的外面，或者与LED管芯10或光阻挡层30正好匹配。光偏振层20(例如，线栅偏振器)可以例如通过光刻工艺而布置在侧刻面的顶上。而且，偏振层20可以是弯曲的，或者荧光层90可以是弯曲的。穹顶本身还可以形成曲面，偏振层20可以沉积在上面。

已经参考若干实施方式在大体上描述了本发明。然而，本领域技术人员容易理解，在不脱离本发明范围的情况下，同样可能有与上述不同的如所附权利要求所定义的其他实施方式。

Claims

1.一种发光器件，包括：

LED管芯(10)，其具有第一表面(12)、第二表面(14)以及连接所述第一表面和所述第二表面(12，14)的至少一个侧刻面(16)，

光偏振层(20)，

光阻挡层(30)，和

光反射层(40)，

其中所述光偏振层(20)布置在所述LED管芯的第一表面(12)上，所述光阻挡层(30)布置在所述至少一个侧刻面(16)上，以及所述光反射层(40)布置在所述第二表面(14)上。

2.如权利要求1所述的发光器件，其中所述光偏振层(20)完全覆盖所述第一表面(12)。

3.如权利要求1或2所述的发光器件，其中所述光阻挡层(30)完全覆盖所述侧刻面(16)。

4.如上述权利要求之一所述的发光器件，其中所述光反射层(40)完全覆盖所述第二表面(14)。

5.如上述权利要求之一所述的发光器件，其中所述光阻挡层(30)是光偏振层。

6.如权利要求5所述的发光器件，其中所述光阻挡层(30)是光反射层。

7.如上述权利要求之一所述的发光器件，其中所述光偏振层(20)是反射偏振层。

8.如上述权利要求之一所述的发光器件，其中所述光偏振层(20)是线栅光栅。

9.如上述权利要求之一所述的发光器件，进一步包括回收利用层(60)，其改变所述光的偏振状态，其中所述光回收利用层(60)被布置在所述光偏振层(20)和所述光反射层(40)之间。

10.如权利要求9所述的发光器件，其中所述回收利用层(60)是滞后层。

11.如权利要求9所述的发光器件，其中所述回收利用层(60)是去偏振层(散射层)。

12.如上述权利要求之一所述的发光器件，其中波长转换层(90)布置在所述光偏振层(20)和所述LED管芯(10)之间。

13.如权利要求12所述的发光器件，其中所述波长转换层(90)是荧光层。

14.一种光源，包括至少一个根据权利要求1的发光器件。

15.如权利要求14所述的光源，其中所述发光器件(100)包括穹顶形的透镜，其覆盖管芯。

16.一种用于从LED管芯提供偏振光的方法，所述LED管芯具有第一表面、第二表面以及连接所述第一表面和所述第二表面的至少一个侧刻面，其中，所述方法包括步骤：

从所述LED管芯的所述第一表面发射第一数量的光，

从所述LED管芯的所述侧刻面发射第二数量的光，

借助于布置在所述侧刻面上的阻挡层来阻挡所述第二数量的光的第一部分，

借助于布置在所述第一表面上的偏振层来阻挡所述第一数量的光的第一部分，

通过所述偏振层传输所述第一数量的光的第二部分，

转换所述第一数量的光的第一部分的偏振状态，以及

借助于所述偏振层传输经过转换的所述第一数量的光的第一部分。