CN102203964A - 具有模制的双向光学器件的led - Google Patents

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Abstract

用于LED的双模制透镜包括围绕LED管芯的外围模制的外透镜以及在LED管芯顶部表面上模制并且部分地由外透镜中的中心开口限定的准直内透镜。外透镜使用具有诸如n=1.33-1.47之类的相对较低的折射率的硅树脂形成，并且内透镜由诸如n=1.54-1.76之类的更高折射率硅树脂形成，以便在内透镜中造成TIR。未被内透镜内反射的光透射进入外透镜。外透镜的形状确定光的侧面发射模式。由所述两个透镜单独地创建的前面和侧面发射模式可以针对特定的背光或汽车应用进行定制。

Description

具有模制的双向光学器件的LED
技术领域
本发明涉及用于发光二极管（LED）的透镜，特别地，涉及使用两种具有不同折射率的材料以便对前面和侧面光发射定形的双模制透镜。
背景技术
用于液晶显示器（LCD）的背光源有时使用矩形塑料波导（或光导）来形成，其中一个或多个LED光学耦合到波导的边缘。这些LED可以包括创建白色光的磷光体涂层。
图1为背光波导10的部分的自顶向下视图，其中三个相同的LED 12光学耦合到波导10的边缘。每个LED可以包括安装到基座（submount）16上的蓝色发射LED管芯14（例如GaN LED）、管芯上的贡献红色和绿色光分量以创建白色光的磷光体层（未示出）以及圆顶透镜18。透镜18典型地为半球形，使得光发射为朗伯型。透镜由高折射率（n）塑料或硅树脂形成以便通过增加管芯界面处的临界角而增大来自LED 管芯14的光提取。因此，与LED管芯14没有透镜且具有管芯/空气界面的情况相比，通过使用这种透镜18降低了管芯14内的全内反射（TIR）。
在由多个LED沿着其边缘照射的背光波导中，LED光需要在波导内合并和混合以便大体上是均匀的。该混合自然地发生，因为来自每个LED的光在波导内散布（spread）并且合并。然而，混合区域20中波导10边缘附近的光不是均匀的，从而LED 12附近的波导10部分不用来背后照亮LCD 24（图2）。当光从较低的n行进到较高的n，例如从图1的空气间隙进入塑料（例如PMMA）波导10中时，光线（示为带箭头的线）朝法线折射。该折射增加了边缘附近混合区域20的深度。该混合区域给背光源增加了宽度，这是不希望的。使混合区域变短的一种解决方案是减小LED的间距，但这增加了成本。
图2示出了图1背光源的侧视图，其显示了以大于临界角的角度撞击波导10顶部表面的来自LED 12的光线25如何被波导10的平滑顶部表面全内反射。这样的TIR对于防止光通过顶部表面的非均匀泄漏是重要的。波导10典型地具有棱镜22或者在其底部表面上粗糙化以便向上反射光，以均匀地泄漏出顶部表面，从而照射LCD 24。
波导10应当足够厚以便接收高百分比的耦合到其边缘的发射的LED光。LED周围的反射器可以用来将来自LED的侧面光定向到波导边缘，但是这样的反射器增加了空间和成本。
所需要的是用于LED的光学器件，其将LED管芯光学耦合到背光源，使得混合区域更短并且使得可以在不损失效率的情况下使波导更薄。
发明内容
公开了一种用于LED的双模制透镜。首先围绕LED管芯的外围模制外透镜，其中该外透镜使用具有诸如n=1.33-1.47之类的相对较低的折射率的硅树脂形成。外透镜形状主要确定LED的侧面发射模式。然后，在外透镜的中心开口内模制内透镜以便其在LED管芯的顶部表面的正上方，其中内透镜由诸如n=1.54-1.76之类的更高折射率硅树脂形成。从LED管芯顶部表面发射的光由内透镜准直，因为在内透镜中由于其折射率高于外透镜的折射率的原因而存在TIR。内透镜可以形成圆柱、抛物面形状或者对进入内透镜的大多数光基本上准直的其他形状。例如，进入波导的准直光可以处于离法线28o内。以小于TIR临界角的角度撞击内透镜侧壁的来自LED管芯的光透射进入外透镜。外透镜的形状确定光的侧面发射模式（例如在离法线45o处达到峰值强度）。
双模制透镜的顶部表面可以是平坦的，从而它可以直接邻接塑料波导的边缘。因此，不存在使得光在进入波导时基本上折射到法线的空气间隙（n=1）。因此，波导内的混合区域更短，从而允许使用更小的波导。此外，可以针对特定波导应用（例如LED间距）定制（tailor）外透镜创建的侧面发射模式以便提供与来自波导边缘处或附近的邻近LED的光的良好的混合，从而进一步使混合区域变短。准直内透镜产生固有地与更深入到波导中的其他准直束混合的更窄的束（与圆顶透镜相比），但是更靠近边缘的光由于侧面光混合的原因而已经是均匀的。
在另一个实施例中，外透镜材料直接在管芯顶部表面上形成一定层，并且在该层上模制内透镜材料。该层可以包括诸如凹形之类的光学特征或者散射特征。各种不同的其他透镜设计被公开。
本发明也可以用于与背光源不同的其他光应用，其中可以基本上独立地规定垂直光发射模式（准直模式）和侧面光发射模式。
附图说明
图1为光学耦合到用于LCD的背光波导的一部分的LED的现有技术自顶向下的截面视图。
图2为图1的背光波导的侧截面视图。
图3为依照本发明一个实施例的LED管芯上双模制透镜的侧截面视图。
图4为光学耦合到图3的LED的背光波导的一部分的自顶向下的截面视图。
图5为图4背光波导的侧截面视图。
图6为用于创建准直束模式和侧面光发射模式的另一双模制透镜形状的侧截面视图。
图7为图6的LED管芯顶部表面的一部分以及管芯表面上模制的用于散射光以便对侧面光发射模式定形的透镜模式的特写视图。
图8为图3或图6的内透镜的顶部表面的特写截面，其说明该顶部表面可以具有在其中模制的用于散射光的光学模式。
图9为光学耦合到用于LCD的背光波导的一部分的图6 LED的截面视图。
图10为另一双模制透镜形状的侧截面视图。
图11为另一双模制透镜形状的侧截面视图。
图12示出了使用双模制透镜的LED的样本发射模式，其中可以对于特定应用单独地定制前面光发射模式和侧面光发射模式。
图13示出了用于形成外透镜的第一模制步骤。
图14示出了用于形成内透镜的第二模制步骤，该内透镜至少部分地由外透镜的内表面形状限定，其中用来形成内透镜的材料的折射率高于用来形成外透镜的材料的折射率以便形成TIR。
图15为标识用来形成依照本发明一个实施例的双模制LED透镜的各步骤的流程图。
相同或等效的元件利用相同的数字标记。
具体实施方式
本发明可以使用常规的白色光LED管芯，例如由本受让人制造的具有磷光体层的AlInGaN蓝色LED。为了简单起见，在本文的实例中使用了倒装芯片LED管芯。美国专利No.6649440和No.6274399中描述了形成LED的实例，这两篇专利都转让给飞利浦Lumileds照明公司并且通过引用合并于此。蓝色LED管芯上的发射红色和绿色分量的磷光体层使得LED发射白色光。通过引用合并于此的Gerd Mueller等人的题为Luminescent Ceramic for a Light Emitting Diode的美国专利公开20050269582中描述了形成陶瓷磷光体板。当在本文中使用时，术语LED管芯包括裸露的管芯或者具有磷光体涂层或磷光体板的管芯。
图3示出了安装在常规基座32上的常规倒装芯片LED管芯30。基座32可以是陶瓷、硅或者其他材料。基座32包含用于直接结合（bond）到LED管芯30底部表面上的阳极和阴极金属接触的顶部结合垫。基座32上的结合垫通过迹线或通孔连接到其他垫，所述其他垫连接到封装的引线框架或者连接到电路板。转让给本受让人并且通过引用合并于此的Grigoriy Basin的题为Overmolded Lens Over LED Die的美国专利no.7344902中描述了将LED管芯附接到基座。
围绕LED管芯30的外围模制由具有大约1.33的相对较低的折射率（n）的硅树脂形成的外透镜34。可以使用其他的n值，例如高达大约1.47。这样的材料在商业上可获得。该模制过程在外透镜34中留下中心开口。然后，在外透镜34内模制内透镜36，其中内透镜36由具有更高折射率值n=1.54-1.76的硅树脂形成。这样的材料在商业上可获得。由于内透镜36的形状部分地由外透镜34的中心开口确定，因而模制公差被放宽。在图3的实例中，内透镜36基本上形成抛物面形状。由于LED管芯30不是点源，LED管芯的区域不全部处于抛物面形状的焦点处，从而从内透镜36发射的光将不会是完全准直的。由于内透镜36的n高于外透镜34的n，因而以大于由斯涅尔定律确定的临界角的角度入射的光将存在TIR。内透镜36的形状以及这些透镜材料的相对n值确定内透镜36发射的光模式。图中示出了一条光线37。
外透镜34可以被定形成创建穿过内透镜36侧面的光的任何发射模式。
对于1mm2 LED管芯，透镜34/36的高度可以高达6mm。整个透镜34/36的宽度取决于希望的发射模式。内透镜36可以具有高达三倍于LED管芯宽度的出口直径。透镜34/36从上方观察可以关于中心轴对称（具有圆形形状），或者透镜34/36可以具有矩形形状或其他非对称形状以便波导内的光更好地混合。
图4示出了在其间没有空气间隙的情况下图3的透镜34/36的平坦顶部表面光学耦合到塑料（例如PMMA）波导40的边缘。高折射率硅树脂的薄层可以将透镜附加到波导40，或者边框（bezel）可以使得透镜邻接波导40的边缘。由于不存在空气界面（n=1），因而光进入波导（n=大约1.5）时朝法线的折射很少；因此，与图1的混合区域20相比，混合区域42更短。此外，内透镜36的形状可以被设计成提供进入波导40的宽角发射或窄角发射以便实现希望的光混合。在一个实施例中，从内透镜36进入波导40的半亮度发射角为离法线的大约28o，但是取决于用于混合的最佳角度，该角度可以更大或更小。进入波导40的来自邻近LED的外透镜36的侧面光将在边缘之前或者靠近边缘处混合，导致短的混合区域42。
图5为图4的波导40的侧视图，其示出大于临界角的光线如何从波导40的顶部表面全反射。波导40底部表面上的棱镜44或者其他光散射特征向上反射光以便均匀地将光泄漏出顶部表面以照射LCD 46。由于混合区域42短，因而LCD 46的边缘可以更靠近波导40的边缘，从而允许使用更小的波导40。
图6为另一透镜设计的截面视图，其中硅树脂内透镜50基本上为圆柱形，并且硅树脂外透镜52具有大体上半球形的形状以用于相对较宽的发射模式。内透镜50具有比外透镜52的n值更大的n值以造成TIR。
在模制过程期间，防止外透镜材料层在LED管芯顶部表面上形成是困难的，因为易损的LED管芯不应当接触模具本身。图7为LED管芯30表面的一部分的特写图，其示出LED管芯上的该薄层外透镜材料可以如何包括模制的光散射形状56以便通过使得更多的光小于临界角以穿过内透镜50的侧壁而增大从内透镜50逃逸进入外透镜52的光量。
图8为图3或图6的内透镜的顶部表面的特写截面，其示出该顶部表面可以被模制成具有在其中模制的光学模式59以便对光进行散射或重新定向。该表面可以以用于光散射或者对光重新定向的许多方式纹理化，例如使用棱镜、凸块、凹坑、截断的金字塔、随机粗糙化或者表面浮雕全息图。该表面也可以通过喷砂（bead blasting）来粗糙化。光学膜涂层也可以用来对光重新定向。
图9示出了图6的LED 58光学耦合到背光波导60的边缘。LED 58的内透镜50、外透镜52、间距以及其他因素可以被选择成使得波导60内产生均匀光的混合区域是短的。
图10示出了内透镜64，其具有凸形顶部表面以便进一步控制前面发射。外透镜材料65也被模制成在LED管芯顶部表面上形成厚的区域，其影响前面和侧面发射模式。覆盖LED管芯30的外透镜材料65具有凹形以减少通常向上定向的光线的TIR。一些光线66被示出以说明透镜形状的不同影响。可以进行对透镜的定形以便改善背光波导中光的均匀性和/或使背光波导中的光混合区域变短。可替换地，可以进行所述定形以便实现用于非背光应用（例如汽车应用）的任何光模式。
图11示出了用于增大侧面光发射的LED管芯30顶部表面上更厚的外透镜材料52层。内透镜67类似于图10的内透镜。
图12示出了具有双模制透镜的LED的对称半亮度发射模式70，其示出由内透镜确定的前面发射模式72以及由外透镜确定的侧面发射模式74。前面和侧面发射模式的形状可以通过改变内透镜和外透镜的形状而基本上独立地进行调节。在一个实施例中，当在没有空气间隙的情况下直接耦合到波导时，侧面发射瓣（lobe）的峰值强度离法线为45o-65o，并且准直的前面发射进入波导具有离法线的10o-35o散布。
图13和图14示出了晶片级双模制工艺。将LED管芯30安装到衬底晶片32上，该衬底晶片可能地包含数百个相同的LED管芯30。
模具80具有与每个LED管芯30上的外透镜的希望的形状相应的凹口81。模具80优选地由具有不粘表面或释放层的金属形成。
模具凹口81填充有具有诸如1.33之类的折射率的液体或软化的热可固化硅树脂84。
将晶片32和模具80放在一起，并且在晶片32和模具80的外围之间形成真空密封。因此，每个LED管芯30插入到硅树脂84中并且硅树脂84受压。
之后，将模具80加热到大约150摄氏度（或其他适当温度）达一定时间以便使硅树脂84硬化。
接下来，将晶片32与模具80分开。然后，可以附加地通过热或UV光固化硅树脂84。图14示出了得到的外透镜85，其在LED管芯30顶部表面上具有由管芯的顶部表面与硬模具80之间的间隙造成的薄层。该薄层可以具有模制的光散射特征（图7中示出）。
在图14中，第二模具86具有凹口88，其与外透镜85的内表面组合，用来形成内透镜。模具凹口88填充有具有诸如1.54-1.76之类的高折射率的液体或软化的热可固化硅树脂90。如前所述地将晶片32和模具86放在一起。然后，固化硅树脂90，并且将晶片32和模具86分开以产生图3中所示的LED。基座晶片32上的所有LED被同时处理。
接下来，将基座晶片32切割以分开所述LED。然后，可以将LED基座与用于背光源中的其他LED基座一起安装在电路板条上。
图15为用来形成依照本发明一个实施例的透镜的各个步骤的流程图。
在步骤92中，对于特定应用，例如对于特定背光应用和LED间距，确定用于每个LED的最佳的准直模式和侧面发射模式。
在步骤93中，然后针对用于透镜的特定硅树脂n值，选择内透镜形状和外透镜形状以便实现希望的准直和侧面发射模式。
在步骤94中，使用包含高n第一硅树脂的第一模具围绕安装到基座晶片上的所有LED管芯的外围同时模制外透镜。外透镜材料也可以通过在LED管芯顶部表面上提供一定层而封装每个LED管芯。
在步骤95中，然后使用包含第二硅树脂的第二模具在安装到基座晶片上的所有LED管芯顶部表面上同时模制准直内透镜，所述第二硅树脂具有比第一硅树脂更高的n，因而在内透镜中存在TIR。外透镜中的中心开口的壁限定了内透镜的侧壁。
在步骤96中，将具有双模制透镜的LED直接地光学耦合到背光波导的边缘，其中透镜的形状和硅树脂的折射率确定波导内的光混合。所述LED也可以用于汽车应用或其他应用。
所公开的内透镜和外透镜的形状的任意组合都可以用来实现希望的发射模式。所有透镜可以关于中心轴对称以便实现基本上对称的发射模式或者可以是非对称的，以便实现非对称发射模式。
尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员显然的是，可以在不脱离本发明的情况下在其更宽的方面做出若干改变和修改，因此，所附权利要求书应当在其范围内包含所有这样的改变和修改，如同落入本发明的真实精神和范围之内。

Claims (15)

1.一种形成照明设备的方法，包括：
提供安装到基座上的发光二极管（LED）管芯，该LED管芯具有顶部表面；
使用具有第一折射率的第一硅树脂至少围绕LED管芯的外围模制外透镜，该外透镜在LED管芯顶部表面上具有开口；以及
在模制外透镜之后，在外透镜的开口内使用具有比第一折射率更高的第二折射率的第二硅树脂在LED管芯顶部表面上模制内透镜，
内透镜的形状用于通过全内反射（TIR）准直由顶部表面发射的光，
外透镜的形状影响内透镜中未内反射的光的侧面发射模式。
2.权利要求1的方法，其中第一折射率至少为大约1.3并且第二折射率至少为大约1.6。
3.权利要求1的方法，其中模制外透镜包括将外透镜模制成在离顶部表面的垂线45o-65o内创建峰值发射。
4.权利要求1的方法，其中模制内透镜包括将内透镜模制成在离顶部表面的垂线10o-35o之间创建光散布模式。
5.权利要求1的方法，其中模制外透镜包括将外透镜模制成具有近似半半球形外侧壁表面。
6.权利要求1的方法，其中模制内透镜包括将内透镜模制成使得内透镜的顶部是平坦的。
7.权利要求1的方法，其中模制内透镜包括将内透镜模制成使得内透镜的顶部具有光散布特征。
8.权利要求1的方法，其中模制内透镜和模制外透镜包括将内透镜和外透镜模制成关于中心轴对称。
9.权利要求1的方法，其中模制内透镜包括将内透镜模制成基本上为圆柱形。
10.权利要求1的方法，其中模制内透镜包括将内透镜模制成近似为抛物面形。
11.权利要求1的方法，其中模制外透镜包括模制第一硅树脂以便在LED管芯顶部表面上形成第一硅树脂层，其中该层具有非平坦的形状以便实现希望的发射模式。
12.权利要求11的方法，其中所述层包括光散射特征。
13.一种照明设备，包括：
安装到基座上的发光二极管（LED）管芯，该LED管芯具有顶部表面；
至少围绕LED管芯的外围的模制外透镜，该外透镜包括具有第一折射率的第一硅树脂，该外透镜在LED管芯顶部表面上具有开口；以及
外透镜的开口内的在LED管芯顶部表面上的模制内透镜，该内透镜包括具有比第一折射率更高的第二折射率的第二硅树脂，
内透镜的形状用于通过全内反射（TIR）准直由顶部表面发射的光，
外透镜的形状影响内透镜中未内反射的光的侧面发射模式。
14.权利要求13的设备，其中多个具有内透镜和外透镜的LED光学耦合到背光波导的边缘。
15.权利要求13的设备，其中外透镜在离顶部表面的垂线45o-65o内创建峰值发射，并且内透镜在离顶部表面的垂线10o-35o之间创建光散布模式。
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