CN103234171A - Led器件光耦合剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED器件光耦合剂。本发明为折射率n=1.3～1.655的无色透明液体或者无色透明粘稠不定形体，粘度0.5mm²/s～1000000mm²/s；或者折射率n=1.3～1.655的淡黄色透明液体或淡黄色透明粘稠不定形体，色度小于30度，粘度0.5mm²/s～1000000mm²/s；用作LED器件出光封装外的介质，提高LED器件出光封装外介质的折射率来扩大与出光光通量有关的LED出光封装内的全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界；降低LED器件与空气介质的反射率，扩大LED器件内部的最大出射角12%以上，提升LED灯的出光效率15%以上。

Description

LED器件光耦合剂

技术领域

本发明属于照明光学领域，涉及到提高LED灯出光效率的光学材料，特别是直接提高LED器件出射光通量的光耦合剂。

背景技术

LED以其光效高成为重要的照明光源。但LED属于点光源，封装与白炽灯有极大的不同。为了有效地引出光线，LED投射灯用LED灯珠与相匹配的专用带凹球形状的光学收集-聚光装置，有效地收集了向四方发射的大功率LED光，并经光学聚光装置的折射及反射，以小角度投射到小面积。由于LED灯具内的光学零件较多，零件与零件之间存在空气隙，会造成多次光学反射，为此人们采用各种设计改进LED灯具，提高光效。目前认识到提高LED灯具光效不仅需要提高LED的每瓦流明数，更需要光学技术提高灯具的效率。

部分光学检测仪器使用光耦合剂，用于充填光学零件面之间的微小空隙，防止空隙的微量空气影响光透射。如，在晶体和光导、光导和光电倍增管之间充填有薄层硅橡胶光耦合片，以排除空气，减少弱光通过两种光介质界面时的损失。

发明内容

本发明通过基础光学分析，研究LED灯珠出光介质的边界折射、反射与全反射规律，发现LED灯珠，或者大功率LED集成光源直接与空气接触的折射率之差Δn较大，根据界面的反射定律，反射率R也较大。LED灯珠，或者大功率LED集成光源与LED灯具光学零件缝隙填补光耦合剂，可降低两界面之间的反射率，从而提高透射率T；另外根据折射定律的入射角与出射角，以及折射率关系公式

n’sin i’=n sin i                                         （1）

其中n’为LED出光封装的折射率，i’为LED出光封装侧的入射角，n为LED出光封装外的介质折射率，i为LED出光封装外介质的出射角。由等式关系得：折射率大的一侧入射角或者出射角小。根据公式（1），从LED管芯发射的光，在出光封装表面与法线的夹角——入射角（LED芯片侧）不能超过全反射临界角45.58°（n’=1.4）～41.81°（n’=1.5），其中n’为有机硅封装的折射率，介于1.4～1.5之间，大于临界角的光线将发生全反射；由于透明环氧树脂的折射率为1.5左右，双酚A型环氧树脂的折射率n’为1.62～1.65，高于光学玻璃的折射率，三井化学的带硫醇化合物的透明环氧树脂折射率n’1.65，也是LED封装的重要材料。透明环氧树脂的折射率n’介于1.5～1.65，对于n’=1.65与n=1.0的界面，全反射临界角37.31°。

根据折射公式（1），改变光疏媒质的折射率n，将引发光密媒质侧的入射角或者出射角i’的变化；当光疏媒质的折射率n增高时，光密媒质内的全反射临界角i_c’变大，如n’=1.5的玻璃内的光束全反射临界角i_c’，当光疏媒质的折射率n=1.0（空气），光密媒质内的全反射临界角i_c’=41.81°，当光疏媒质换成折射率n=1.33的水后，光密媒质内的全反射临界角i_c’=62.46°；对光密媒质为折射率n’=1.65的透明环氧树脂，全反射临界角从与空气的i_c’=37.31°，增加到与水交界的53.71°，这样一来就扩大LED出光封装的全反射临界角，也即扩展了出光封装内侧的出射角度，增大了出光光通量。

本发明是折射率n=1.3～1.65的无色透明、不挥发、无腐蚀性的液体或者粘稠不定形体，25℃下的粘度0.5～1000000 mm²/s，用于填充光学零件之间的缝隙，特别是具备与LED出光封装表面接触，扩大LED器件内部的最大出射角——全反射临界角，提高LED器件的直接出光光通量的功能。本发明可采用折射率n=1.40的二甲基硅油，如201-100二甲基硅油，25℃粘度100mm²/s～201-230000二甲基硅油，25℃粘度230000mm²/s;无色透明的蓖麻油，如印度供货的蓖麻油折射率n=1.478～1.479（20℃），当其与n’=1.5的玻璃匹配后，玻璃内的全反射临界角i_c’=80.17°～80.40°，若该蓖麻油与n’=1.65的高折射率环氧树脂接触，高折射率环氧树脂内的全反射临界角i_c’=63.61°～63.68°；苯甲基硅油，折射率1.470～1.485，25℃粘度25～40 mm²/s；无色透明油状液体苯基甲基硅油，折射率1.5765～1.5785，等。

根据球冠面积S_S的计算公式，S_S=2πR²(1－cos i’)，其中i’是球冠中心z轴与球心到球冠边沿连线的夹角；引入相对球冠面积S_R=球冠面积S_S：半球面积S_h，相对球冠面积

S_R=(1－cos i’)                                            （2）

其中i’是球冠中心z轴与球心到球冠边沿连线的夹角。LED器件内部光束照射出光封装表面的任意一点O的入射角i’，产生全反射的临界角即与此球冠边沿对应。

LED器件出光封装的折射率n’=1.4（有机硅封装）对应的全反射临界角45.58°，其对应的相对球冠面积

S_R=(1－cos 45.58°)=30.0%，

若LED器件的出光封装折射率n’=1.5（有机硅封装，环氧树脂封装），对应的全反射临界角41.81°，相应的相对球冠面积

S_R=(1－cos 41.81°)=25.5%。

若LED器件的出光封装采用高折射率环氧树脂，折射率n’=1.65，对应的全反射临界角37.31°，相应的相对球冠面积

S_R=(1－cos 37.31°)=20.5%。

通过以上分析计算发现，白光LED器件出光封装胶的有效出光面积受到全反射临界角的影响，其中有机硅的出光封装的相对出光面积在25.5%～30.0%之间，高折射率环氧树脂的相对出光面积为20.5%。

出光封装内荧光粉向大部分方向的辐射超出了实际全反射临界角i_c’，超出全反射临界角i_c’的光只能从LED器件出光封装表面反射回去；若出光封装为球面，如LED灯珠，则大量LED光线在出光封装内球面反复反射损失掉，而不能形成有效出光；对平面型的大功率LED集成光源，出光封装反射回去的光线被粗糙的衬底吸收和反射。

根据折射公式（1），改变光疏媒质的折射率n，将引发光密媒质侧的入射角或者出射角的变化；据此推算出，从光密媒质侧发出的光束在介质表面发生全反射的临界角i_c’随光疏媒质的折射率n变化，当光疏媒质的折射率n增高时，光密媒质内的全反射临界角i_c’变大，如n’=1.5的玻璃内的光束全反射临界角i_c’，当光疏媒质的折射率n=1.0（空气），光密媒质内的全反射临界角i_c’=41.81°，当光疏媒质换成折射率n=1.33的水后，光密媒质内的全反射临界角i_c’=67.12°，对应的相对球冠面积S_R=1－cos 62.46°=53.76%；换成折射率n=1.382的KF96L-1cs二甲基硅油，光密媒质内的全反射临界角i_c’=67.1°，对应的相对球冠面积S_R=1－cos 67.1°=61%；若选择无色透明的蓖麻油，如印度供货的蓖麻油折射率n=1.478～1.479（20℃），当其与n’=1.5的玻璃匹配后，玻璃内的全反射临界角i_c’=80.17°～80.40°，全反射临界角i_c’形成的球冠表面积占半球面的83.2%（相对球冠面积），是玻璃与空气全反射临界角i_c’形成的球冠面积的3.26倍；根据附图2曲线Ⅲ，自然光的反射率R是入射角i的函数，在入射角i=80°～90°（低掠射角）下，反射率R=40%～100%，加权平均反射率70%左右，球冠边沿到半球底的带状区域只占半球面积的17.36%，而其反射率过高，故对LED器件出光效率的提高贡献不大。对n’=1.65的高折射率环氧树脂，与折射率n=1.478～1.479（20℃）的蓖麻油的全反射临界角i_c’=63.61°～63.68°，相对球冠面积占半球面的55.5%～55.7%，是高折射率环氧树脂与空气形成的全反射临界角i_c’=37.31°围成的球冠相对面积20.5%的2.71倍，入射角i’=37.31°～63.68°形成的环形区域增加相对面积171%，根据附图2曲线Ⅲ，该区域的平均反射率不足10%，可增加有效的投射面积155%。

将此球冠分析推广到LED器件，LED光线在出光封装表面发生折射和反射，超过全反射临界角i_c’的光线只能反射回去而不可能发生出光现象；提高LED器件外围介质的折射率n，可以扩大LED出光封装内的全反射临界角i_c’，从而提高出光封装界内发光体的有效发射角及对应的出光球冠的相对面积S_R，使LED内部超过全反射临界角i_c’的环形面积部分变小，从而大幅度地提高LED芯片的出光光通量和出光效率。

透明介质表面垂直入射的反射率R的计算公式

                                                 （3）

添加光耦合剂后，光从LED器件出光封装→光耦合剂，介质之间的反射率可大幅度地降低，例如，根据公式（3）计算，前述折射率n=1.478～1.479（20℃）的蓖麻油和折射率n’=1.5的玻璃之间的反射率R，从与空气交界的R=4.0%降低到0.005%；类似的计算表明，折射率n’=1.65的高折射率环氧树脂的反射率，从与空气交界的R=6.0%降低到0.30%。

此外根据公式（3）推算，若折射率n=1.5、1.33、1.0递减，出射光在n=1.5、1.33之间的界面的反射率R1=0.36%，在n=1.33、1.0界面的反射率R2=2.0%，总透光率T=（1－0.36%）（1－2.0%）=97.6%，低于折射率n=1.5、1.0界面的反射率R=4.0%，即折射率n=1.5、1.0之间插入中间折射率介质后，总反射率降低了。本发明就是要提供创造LED出光封装外折射率逐渐降低的低反射率的条件的相应光学材料，提高LED器件的出光光通量和出光效率。

本发明依据上述理论推导和分析计算，以及相应的实验验证，获得的LED器件光耦剂，其折射率n=1.3～1.655的无色透明液体或者无色透明粘稠不定形体，粘度0.5 mm²/s～1000000 mm²/s；或者折射率n=1.3～1.655的淡黄色透明液体或淡黄色透明粘稠不定形体，色度小于30度，粘度0.5 mm²/s～1000000 mm²/s；用作LED器件出光封装外的介质，提高LED器件出光封装外介质的折射率来扩大与出光光通量有关的LED出光封装内的全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界；所述的视界为：从出光封装外侧看到的出光封装内部（与出光封装表面法线）的极限夹角及其对应的边界，它与出光封装内侧的全反射临界角所围边界线重合。LED出光封装内的全反射临界角i_c’介于n=1.65高折射率环氧树脂与空气交界的37.31°到n=1.4较低折射率有机硅与空气交界的45.58°之间，经与本发明折射率材料接触，全反射临界角i_c’扩展到与LED光耦合剂交界下的最大为90°；对应的出光球冠相对面积，从20.5%～30.0%扩展到最大100%；相应的视界从37.31°～45.58°全反射临界角形成的球冠边界，扩展到最大为半球空间。本发明常用色度小于15度，粘度大于100 mm²/s，不挥发或者极难挥发的无色透明或者淡黄色透明液体或粘稠不定形体；也可针对特殊需要采用色度小于5度，粘度小于5 mm²/s，挥发性或者难挥发的无色透明或者淡黄色透明液体。本发明作为LED灯光学缝隙的填充剂，改进光学零件的光学耦合特性，降低LED器件出光封装表面与空气介质的反射率，垂直入射反射率介于有机硅与空气接触的2.8%到高折射率环氧树脂与空气接触的6.0%，灌注本发明的LED器件光耦合剂后，垂直入射反射率最大减小到接近0，从而提升了LED灯的出光效率；本发明直接接触LED器件的出光面，比与空气接触条件下， LED器件内部的出射角扩大12%以上，提高LED器件的整体出光光通量和出光率15%以上。本发明直接接触LED器件的出光面，进一步扩大LED器件内部的最大出射角到50%以上，提高LED器件的整体出光率70%以上。

本发明能够提高LED灯珠的出光光通量，减少灯具器材界面反射率，改进LED灯具的质量，材料易得，工艺成熟，实施方便，实现方式多样化，成本低廉；我国石油产品颜色测定法把石油产品的颜色分为16个色号，依次加深为1.0，1.5，2.0……，颜色最深的为8.0。润滑油的颜色从淡黄色到深褐色，主要成分为基础油，本发明可用色号1.0的润滑油产品。可用酸性白土作为催化剂，在180℃温度下进行调聚，或用硫酸作为催化剂，在低温度下进行调聚，以获得低粘度的硅油；用碱性催化剂生产高粘度硅油或粘稠物；采用本发明提高LED灯具出光效率的效果显著，符合绿色照明、节能减排的要求。

附图说明

附图1为本发明关于球冠的几何关系图及出光封装表面O点对应的全反射临界角与相应的出光球冠结构示意图。

附图2为本发明引用的n=1.0和n’=1.5的透明介质界面反射率曲线图。

附图3为本发明的形态示意图。

具体实施方式

下面结合附图阐述本发明。

本发明通过基础光学分析，研究LED灯珠出光介质的边界折射、反射与全反射规律，发现LED灯珠与LED灯具光学零件缝隙填补光耦合剂，不仅降低两界面之间的反射率；而且按折射定律的入射角与出射角，以及折射率之间关系

n’sin i’=n sin i                                         （1）

其中n’为LED出光封装的折射率，i’为LED出光封装的入射角，n为LED出光封装外介质的折射率，i为LED出光封装外介质的出射角，由等式关系得：折射率大的一侧入射角或者出射角小。根据公式（1），从LED管芯发射的光，在出光封装表面与法线的夹角——入射角（LED芯片侧）不能超过全反射的临界角45.58°（n’=1.4）～41.81°（n’=1.5），其中n’为有机硅封装的折射率，介于1.4～1.5之间，或者LED封装的重要材料折射率n’=1.65的带硫醇化合物的透明环氧树脂，对于n’=1.65与n=1.0的界面，全反射临界角37.31°；大于临界角的光线将在LED出光封装内发生全反射。

根据折射公式（1），改变光疏媒质的折射率n，将引发光密媒质侧的入射角或者出射角的变化；当光疏媒质的折射率n增高时，光密媒质内的全反射临界角i_c’变大，如n’=1.5的玻璃内的光束全反射临界角i_c’，当光疏媒质的折射率n=1.0（空气），光密媒质内的全反射临界角i_c’=41.81°，当光疏媒质换成折射率n=1.33的水后，光密媒质内的全反射临界角i_c’=62.46°；对光密媒质为折射率n’=1.65的透明环氧树脂，全反射临界角从与空气的i_c’=37.31°增加到与水交界的53.71°，这样一来就扩大LED出光封装的全反射临界角，也即扩展了出射角度，增大了出光光通量。

附图1为本发明关于球冠的几何关系图及出光封装表面O点对应的全反射临界角与相应的出光球冠结构示意图。根据图中的几何关系， i’是球冠中心z轴与球心O到球冠底边的连线形成的夹角，球冠高度H=R（1－cos i’），公知球冠面积S_S＝2πRH，其中R为球心到球表面的半径长度，H为球冠的高度，如附图1标记，故球冠面积计算公式S_S=2πR²(1－cos i’)；引入相对球冠面积S_R=球冠面积S_S︰半球面积S_h，则相对球冠面积

S_R=(1－cos i’)                                             （2）

其中i’是球冠中心z轴与球心O到球冠底边的连线形成的夹角。这样，球冠表面积直接表达成球心到球冠底边连线与中心z轴的夹角i’的关系。

LED器件内光束照射出光封装介质表面，入射角i’为出光封装表面法线与LED光束的夹角。LED器件出光封装材料扮演了光密媒质，LED外为空气（光疏媒质），根据折射定律公式（1），发生全反射的临界角为：按公式（1），出光封装内部的全反射临界角i_c’由sin i_c’=nsin i/n’决定，其中空气侧的夹角i=90°。对LED出光封装表面上的任意一点O，由内而外的入射角i’，由于白光LED封胶内有YAG荧光粉或者其它荧光粉，随机分布的荧光粉作为发光体，会产生漫射光，出光封装胶在固化时产生应力、微气泡，也造成出光封装自身带有漫射特征。作过出光封装表面任意一点O的切平面，如附图1过球心O的水平剖面所示，以球心O的邻域作半球面，任意方向的入射光束沿径向过球心O点，它与切平面的法线夹角i’。根据反射定律，反射光与入射光成镜像，反射角与入射角大小相等，如附图1的反射虚线的箭头所指。LED出光封装内的全反射临界角i_c’，如附图1的Rdi’环带以上部分围成对应的球冠，则全反射临界角i_c’围成了一个有确定相对面积的球冠。大于全反射临界角i_c’的光线均不可能出现在视界内。此处所述的“视界”为：从出光封装外侧透过O点看到的出光封装内部（与出光封装表面法线）的极限夹角及其对应的边界，它与O点的全反射临界角i_c’形成的边界线重合。

目前， LED器件的出光封装材料大量采用具有良好透光性和耐温200℃的有机硅（树脂），其折射率n’在1.4～1.5之间，如201二甲基硅油的n’=1.380～1.410（25℃下的粘度5～150000mm²/s），苯基端氢硅油分n’=1.50和1.51不同牌号，含氢MQ硅树脂的n’=1.30～1.48，苯基端氢硅树脂折射率n’有1.44、1.45、1.49、1.50、1.51等多种牌号。若LED器件的出光封装材料折射率n’=1.4，对应的全反射临界角45.58°，其相对球冠面积

S_R=(1－cos 45.58°)=30.0%，

若LED器件的出光封装材料折射率n’=1.5，对应的全反射临界角41.81°，相对球冠面积

S_R=(1－cos 41.81°)=25.5%。

若LED器件的出光封装采用高折射率环氧树脂，折射率n’=1.65，对应的全反射临界角37.31°，相应的相对球冠面积

S_R=(1－cos 37.31°)=20.5%。

通过以上分析计算发现，白光LED器件出光封装胶的有效出光面积受到全反射临界角的影响，其中有机硅的出光封装的相对出光面积在25.5%～30.0%之间，环氧树脂的相对出光面积为25.5%～20.5%（高折射率环氧树脂下）。

出光封装内荧光粉向大部分方向的辐射超出了实际全反射临界角i_c’，超出全反射临界角i_c’的光只能从LED器件出光封装表面反射回去；若出光封装为球面，如LED灯珠，则大量LED光线在出光封装内球面反复反射损失掉，而不能形成有效出光；对平面型的大功率LED集成光源，出光封装反射回去的光线被粗糙的衬底吸收和反射。

根据折射公式（1），改变光疏媒质的折射率n，将引发光密媒质侧的入射角或者出射角的变化；据此推算出，从光密媒质侧发出的光束在介质表面发生全反射的临界角i_c’随光疏媒质的折射率n变化，当光疏媒质的折射率n增高时，光密媒质内的全反射临界角i_c’变大，如n’=1.5的玻璃内光束的全反射临界角i_c’，当光疏媒质的折射率n=1.0（空气），光密媒质内的全反射临界角i_c’=41.81°，当光疏媒质换成折射率n=1.33的水后，光密媒质内的全反射临界角i_c’=62.46°，对应的相对球冠面积S_R=1－cos 62.46°=53.76%；换成折射率n=1.382的KF96L-1cs二甲基硅油，光密媒质内的全反射临界角i_c’=67.12°，对应的相对球冠面积S_R=1－cos 67.1°=61%；若选择无色透明的蓖麻油，如印度供货的蓖麻油折射率n=1.478～1.479（20℃），当其与n’=1.5的玻璃匹配后，玻璃内的全反射临界角i_c’=80.17°～80.40°，全反射临界角i_c’形成的球冠表面积占半球面的83.2%（相对球冠面积），是玻璃与空气全反射临界角i_c’形成的球冠面积的3.26倍。

附图2为本发明引用与依据的n=1.0和n’=1.5的透明介质界面反射率曲线图，材料取自母国光、战元令编《光学》（人民教育出版社，1978.9第一版）的图12-13。图中的曲线Ⅰ、曲线Ⅱ、曲线Ⅲ分别对应：平行于入射面振动（偏振光）的反射率Rp，垂直于入射面振动（偏振光）的反射率Rs和自然光的反射率R，纵轴代表反射率R，横轴为入射角i。通常的非偏振光（自然光）对应曲线Ⅲ。由附图2可见，入射角i在30°以内的反射率 R几乎不变，反射率取决于公式：

                                                 （3）

公式（3）中n’、n分别为界面两侧的不同介质的折射率。一般玻璃的折射率n’=1.5左右，而空气的折射率n=1.0，计算得到的反射率R=0.040(4.0%)。

根据附图2曲线Ⅲ，在入射角i=80°～90°（低掠射角）下，自然光的反射率R=40%～100%，加权平均反射率70%左右，前述折射率n=1.478～1.479（20℃）的蓖麻油与n’=1.5的玻璃匹配后，玻璃内的全反射临界角i_c’=80.17°～80.40°，形成的球冠边沿到半球底边的带状区域只占半球面积的17.36%，而该区域的反射率过高，故其对LED器件出光效率的提高贡献不大。对n’=1.65的高折射率环氧树脂，与折射率n=1.478～1.479（20℃）印度供货的蓖麻油的全反射临界角i_c’=63.61°～63.68°，全反射临界角形成的相对球冠面积占半球面的55.5%～55.7%，是高折射率环氧树脂与空气形成的全反射临界角i_c’=37.31°围成的相对球冠面积20.5%的2.71倍，入射角i’=37.31°～63.68°形成的环形区域与37.31°以内的球冠比较，增加相对面积171%，根据附图2曲线Ⅲ，该区域的平均反射率不足10%，故增加有效的投射面积155%。

将此分析推广用到LED器件，出光封装内的光线在封装表面发生折射和反射，超过全反射临界角i_c’的光线一直沿球内圆周反射直至损失殆尽或者被衬底吸收；提高LED器件出光封装外围介质的折射率n，扩大LED出光封装界面上任意O点的全反射临界角i_c’，即可提升出光封装界内的有效入射角度及其对应的有效出光球冠的相对面积S_R，达到扩大“视界”的目的，并使LED内部超过全反射临界角的不能出射光的球的环形面积变小，从而大幅度地提高LED芯片的出光光通量和出光效率。

当LED出光封装的折射率n’小于等于本发明的折射率n，在LED出光封装表面（LED芯片侧）将不存在LED光束引起的全反射，使得LED出光封装表面任意一点O的视界变成全平面，这极大地提高大功率LED器件的出光光通量和出光效率；LED出光封装的出射角度从有机硅与空气界面对应的41.81°（n’=1.5）～45.58°（n’=1.4）扩展到最大90°，或者从高折射率环氧树脂的n’=1.65的出射角度37.31°扩展到最大90°；对应的LED器件的出光视界范围也提升到极限，相对球冠面积从有机硅的25.46%～30.0%，或者透明环氧树脂的25.46%～20.5%（n’=1.65的高折射率环氧树脂）扩展到最大100%。

由以上分析计算发现，LED器件透光封装胶的有效出光的相对面积受到全反射临界角i_c’的影响，有机硅封装在30.0%～25.5%之间，n’=1.65的高折射率环氧树脂为20.5%；LED出光封装表面任意一点O的邻域，只有落在球冠表面上的点及其径向连线上的点发出的光才可能通过O点出射，在该邻域上的大多数辐射都超过了全反射临界角i_c’，它们到达O点的辐射只能在球面内反复反射损耗掉了。引入“视界”的概念，以全反射临界角为界，“视界”以外的LED光永远无法溢出LED封装。故扩大全反射临界角，也就扩大了视界，可从LED出光封装内引出更多的光辐射。本发明基于LED芯片内部大部分的光辐射无法通过出光封装引出封装界外的事实，另辟蹊径扩大视界，提高LED的出光率。

使用本发明的光耦合剂后，光从LED器件出光封装→光耦合剂，不仅提升了LED的出射视界，而且介质之间的反射率可大幅度地降低。例如，根据公式（3）计算，前述折射率n=1.478～1.479（20℃）的蓖麻油和折射率n’=1.5的玻璃之间的反射率R，从与空气交界的R=4.0%降低到只有0.005%；类似的计算表明，折射率n’=1.65的高折射率环氧树脂的反射率，从与空气交界的R=6.0%降低到0.30%。

此外根据公式（3）推算，若折射率n=1.5、1.33、1.0递减，出射光在n=1.5、1.33之间的界面的反射率R1=0.36%，在n=1.33、1.0界面的反射率R2=2.0%，总透光率T=（1－0.36%）（1－2.0%）=97.6%，低于折射率n=1.5、1.0界面的反射率R=4.0%（透光率96%），即折射率n=1.5、1.0之间插入中间折射率介质后，总反射率降低了。本发明就是要提供创造LED出光封装外折射率逐渐降低的低反射率的条件的相应光学材料，提高LED器件的出光光通量和出光效率。

附图3为本发明的形态示意图。图中，粘稠状的液体即为本发明的LED器件光耦合剂——折射率大于1的性状为无色透明液体或者无色透明粘稠不定形体，或者淡黄色透明液体或淡黄色透明粘稠不定形体。它具有如下性状特点：折射率n=1.3～1.655的无色透明液体或者无色透明粘稠不定形体，粘度0.5 mm²/s～1000000 mm²/s；或者折射率n=1.3～1.655的淡黄色透明液体或淡黄色透明粘稠不定形体，色度小于30度，粘度0.5 mm²/s～1000000 mm²/s；用作LED器件出光封装外的介质，提高LED器件出光封装外介质的折射率来扩大与出光光通量有关的LED出光封装内的全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界；所述的视界为：从出光封装外侧透过出光封装表面的任意O点看到的出光封装内部与过O点的出光封装表面法线的极限夹角及其对应的边界，它与出光封装内侧的全反射临界角所围边界线重合。LED出光封装内的全反射临界角i_c’介于n=1.65高折射率环氧树脂与空气交界的37.31°到n=1.4较低折射率有机硅与空气交界的45.58°之间，经与本发明折射率材料接触，全反射临界角i_c’扩展到与本发明的光耦合剂交界下的最大90°；对应的出光球冠相对面积，从20.5%～30.0%扩展到最大100%；相应的视界从37.31°～45.58°全反射临界角形成的球冠边界，扩展到最大为半球空间。

本发明常用色度小于15度，粘度大于100 mm²/s，不挥发或者极难挥发的无色透明或者淡黄色透明液体或粘稠不定形体；也可针对特殊需要采用色度小于5度，粘度小于5 mm²/s，挥发性或者极难挥发的无色透明或者淡黄色透明液体。本发明的色度在任何情况下越小越好，尽可能避免被添加的本发明材料吸收LED光线。

一般，折射率高的液体作为光耦合剂使用，光学零件的界面之间的反射率更低，透光性更好，根据公式（1），LED出光封装内出射的光通量也更大；但本发明的材料会随粘度增大色度变大，一些高折射率的材料色度也较大。表1是几种常用的粘度较高的二甲基硅油的物理和光学特性：

表1  二甲基硅油粘度表                 25℃

型 号	粘度   / mm2/s	折射率	密度   /gcm-3
				201-1000	1000	1.400～1.410	0.965～0.975
201-5000	5000	1.400～1.410	0.965～0.975
				201-7000～10000	7000～10000	1.400～1.410

使用时，在光学零件之间的缝隙滴入粘稠状的光耦合剂，然后组合两个光学零件。普通光学零件之间的结构配合造成光线两次经过缝隙形成的界面，如

光学零件1 → 空气缝隙 → 光学零件2 。

填充本发明的光耦合剂后，光学零件之间的结构配合，成为

光学零件1 → 缝隙填满光耦合剂 → 光学零件2 

光线从光学零件1到光耦合剂，两者的折射率差Δn很小，再从光耦合剂到光学零件2，两者的折射率差Δn也很小。两部分的贡献造成添加光耦合剂的LED灯的出射光比没有添加光耦合剂的明显强得多。

本发明作为LED灯光学缝隙的填充剂，改进光学零件的光学耦合特性，降低LED器件出光封装表面与空气介质的反射率，如，垂直入射反射率介于有机硅（n=1.4）与空气接触的2.8%到高折射率环氧树脂（n=1.65）与空气接触的6.0%，灌注本发明的LED器件光耦合剂后，垂直入射反射率R最大减小到接近0，从而提升了LED灯的出光效率；本发明材料直接接触LED器件的出光面，用于填充光学零件之间的缝隙，扩大LED器件内部的出射角——全反射临界角，比与空气接触条件下， LED器件内部的出射角扩大12%以上，提高LED器件的整体出光光通量和出光率15%以上。本发明直接接触LED器件的出光面，进一步扩大LED器件内部的最大出射角到50%以上，提高LED器件的整体出光率70%以上。

我国石油产品颜色测定法把石油产品的颜色分为16个色号，依次加深为1.0，1.5，2.0……，颜色最深的为8.0。润滑油的颜色从淡黄色到深褐色，主要成分为基础油，本发明可用色号1.0的透明润滑油产品代替。

本发明能够提高LED灯珠的出光光通量，减少灯具器材界面反射率，改进LED灯具的质量，材料易得，工艺成熟，实施方便，实现方式多样化，成本低廉；

本发明的具体实施方法如下：

本发明可采用折射率n=1.40的二甲基硅油，如201-100二甲基硅油，25℃粘度100mm²/s～201-230000二甲基硅油，25℃粘度230000mm²/s;苯甲基硅油，折射率1.470～1.485，25℃粘度25～40 mm²/s；无色透明油状液体苯基甲基硅油，折射率1.5765～1.5785，25℃折射率n=1.508的苯基端氢硅油SF2032，印度供货的蓖麻油折射率n=1.478～1.479（20℃）等，选择粘度大、化学稳定性佳的化学品，等。色号1.0、ISO粘度等级2～3的低粘度润滑油，粘度0.65～2mm²/s的KF96L-0.65cs、KF96L-1cs、KF96L-1.5cs、KF96L-2cs二甲基硅油, 25℃折射率n= 1.380～1.390，粘滞系数5mm²/s的201-5二甲基硅油，选择粘度小、化学稳定性佳、无腐蚀的化学品，如乙醇、乙二醇，甚至水或者水与乙醇混合物（防止微生物生长）。

硅油的粘度可用酸性白土作为催化剂，在180℃温度下进行调聚，或用硫酸作为催化剂，在低温度下进行调聚，以获得低粘度的硅油；用碱性催化剂生产高粘度硅油或粘稠物；采用本发明提高LED灯具出光效率的效果显著，符合绿色照明、节能减排的要求。

Claims (6)

1. LED器件光耦合剂，其特征在于：该光耦合剂为折射率n=1.3～1.655的无色透明液体或者无色透明粘稠不定形体，粘度0.5 mm²/s～1000000 mm²/s；

或者折射率n=1.3～1.655的淡黄色透明液体或淡黄色透明粘稠不定形体，色度小于30度，粘度0.5 mm²/s～1000000 mm²/s；

用作LED器件出光封装外的介质，提高LED器件出光封装外介质的折射率来扩大与出光光通量有关的LED出光封装内的全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界；

降低LED器件与空气介质的反射率，扩大LED器件内部的最大出射角12%以上，提升LED灯的出光效率15%以上。

2.按权利要求1所述的LED器件光耦合剂，其特征在于：LED出光封装内的全反射临界角从n=1.65高折射率环氧树脂与空气交界的37.31°到n=1.4较低折射率有机硅与空气交界的45.58°，扩展到与LED光耦合剂交界的最大90°；对应的出射球冠相对面积，从20.5%～30.0%扩展到最大100%；相应的视界从37.31°～45.58°全反射临界角形成的球冠边界，扩展到最大为半球空间。

3.按权利要求1或2所述的LED器件光耦合剂，其特征在于：粘度大于100 mm²/s，不挥发或者极难挥发的无色透明或者淡黄色透明液体或粘稠不定形体，色度小于15度。

4.按权利要求1或2所述的LED器件光耦合剂，其特征在于：粘度小于等于5 mm²/s，挥发性或者难挥发的无色透明或者淡黄色透明液体，色度小于5度。

5.按权利要求1或2所述的LED器件光耦合剂，其特征在于：作为LED灯光学缝隙的填充剂，改进光学零件的光学耦合特性；

直接接触LED器件的出光面，扩大LED器件内部的最大出射角50%以上，提高LED器件的整体出光率70%以上。

6.按权利要求1所述的LED器件光耦合剂，其特征在于：LED器件出光封装表面的垂直入射反射率，从有机硅与空气接触的2.8%～高折射率环氧树脂与空气接触的6.0%，灌注LED器件光耦合剂后，垂直入射反射率最大减小到接近0。

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