CN106605307B - 光源 - Google Patents

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Abstract

提出了一种光源，包括：适于生成光的半导体二极管结构；以及在半导体二极管之上且适于输出来自半导体二极管结构的光的光学增强部段。部分反射层覆盖光学增强部段的顶部的至少部分并且适于朝向光学增强部段反射输出光的部分。该部分反射层具有横向变化的透光率特性。

Description

光源
技术领域
本发明涉及一种光源，并且更特别地涉及一种包括适于生成光的半导体二极管结构的光源。
背景技术
已知诸如发光二极管（LED）、高功率LED、有机LED（OLED）和激光二极管之类的半导体光源是能量高效的并且是具有小/低展度（etendue）（即光发射的立体角与发射面积的乘积）的小光源。这意味着这些半导体光源从相对小的区域向有限的角度范围中发射光。
这样的半导体光源因此可以有益于其中需要明亮光源的应用。典型的示例应用包括投影系统、汽车照明、相机闪光灯以及聚光灯。对于这些示例，可能合意的是，提供一种不均一的光束（即，在光束中具有随位置而变化的亮度）。这典型地通过叠加光源的若干图像（或若干光束）来实现。具有不同的放大倍率或亮度的图像或光束被覆盖，以便产生具有要求的形状和/或亮度变化的总体输出光束。然而，这样的已知方案典型地未能提供具有合适的形状和/或亮度变化的输出光束。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种光源，包括：适于生成光的半导体结构；在半导体二极管之上且适于输出来自半导体结构的光的光学增强部段；以及覆盖光学增强部段的顶部的至少部分且适于朝向光学增强部段反射输出光的部分的部分反射层，其中该部分反射层具有横向变化的透光率特性。
实施例采用例如利用非均匀厚度和/或反射率的部分反射层覆盖基于LED的光源的光输出表面的概念。部分反射层的变化的厚度和/或反射率可以用来改变通过该部分反射层的不同部分/部段透射的光的量，并且因而使输出光的强度随位置变化。例如，与部分反射层的较薄部段相比，该部分反射层的厚部段将背对着光学增强部段反射更多光。因此，与部分反射层的较薄部段相比，该部分反射层的厚部段将透射更少的光（例如具有更低的透过率特性）。同样地，与部分反射层的低反射率部段相比，该部分反射层的高反射率部段将背对着光学增强部段反射更多光。因此，与部分反射层的低反射率部段相比，该部分反射层的高反射率部段将透射更少的光（例如具有更低的透过率特性）。
换言之，具有非均匀透过率特性的部分反射层可以用来改变输出光的亮度，其中通过部分反射层的部段输出的光的亮度间接地与部分反射层的该部段的厚度和/或反射率成比例。因此，可以通过在不同的横向位置处改变部分透明层的厚度和/或反射率来使该部分透明层的透光率特性横向变化。
实施例可以用来生成光束，该光束具有随光束中的位置而变化的亮度。例如，使用实施例产生的光束的顶部/上部/部段可能比该光束的底部/下部/部段更明亮。换言之，实施例可以被采用来创建来自半导体光源的不均一的光束。这样的不均一光束可以特别地用在例如汽车照明、投影系统、相机闪光灯和聚光灯中。
本公开的半导体光源可以是任何类型的基于半导体的光源，比如发光二极管（LED）、高功率LED、有机LED（OLED）和激光二极管LED。再者，LED可以是任何类型的LED，比如倒装芯片类型（薄膜倒装芯片）、图案化的蓝宝石衬底、顶部连接的/顶部发射、自顶而下连接的。再者，光源可以用作裸露的管芯或被封装。
光输出方向被概括为在单个方向上（例如在图中是竖直的），光沿着该方向从光学增强部段的铣削（mitting）表面输出。然而，将会理解，不是所用光都可以恰好沿着该输出方向输出。因而，光输出方向应当被理解为是指光沿着其从光学增强部段输出的大体方向，其例如远离光学增强部段的上表面而延伸。
在一个实施例中，部分反射层可以被形成以使得在第一位置处部分反射层具有第一厚度并且在第二位置处部分反射层具有第二、不同的厚度。
在另一个实施例中，部分反射层可以被形成以使得在第一位置处部分反射层具有第一反射率并且在第二位置处部分反射层具有第二、不同的反射率。部分反射层可以具有为例如镜面反射的、漫射的或二者的组合的反射率。
在一个实施例中，部分反射层可以包括多个部分反射子层。因此，该部分反射层可以由多个相等的或不同的厚度的子层构建。这可以实现对在部分反射层中各种地点/位置处的部分反射层的厚度和/或反射率的精确控制。再者，它可以实现被制造成具有预定反射率、形状和/或厚度的预制的部分反射子层的使用。
再者，在第一位置处，部分反射层可以包括第一数量的部分反射子层，并且在第二位置处，部分反射层可以包括第二、不同数量的部分反射子层。部分反射层因此可以由多个相等或相异厚度的子层构建，其中不同数量的子层被用在部分反射层中的不同地点/位置处。部分反射层的厚度或反射率的突然/阶跃改变因此可以例如通过在部分反射层中的预定地点/位置处添加部分反射子层而容易地实现。部分反射层的厚度或反射率的突然/阶跃改变可以用来提供在光束的预定地点/位置处亮度的相应的突然/阶跃改变。
再者，在第一和第二位置之间，厚度和/或反射率可以以单调方式逐渐地从第一值改变成第二值。
实施例可以进一步包括至少部分包封光学增强部段和半导体结构的侧表面的光反射结构，该光反射结构适于朝向光学增强部段反射来自半导体二极管结构的光。该光反射结构可以充当具有高反射率的“混合箱”，其回收/反射光直到光经由光学增强部段和部分反射层逃逸。而且，光从其中逃逸的光输出部段可以被调适成在面积/足迹方面比生成光的半导体结构更小，由此增加从光源输出的光的亮度。
实施例可以进一步包括覆盖光学增强部段的顶部的至少部分的掩蔽层，该掩蔽层适于阻挡入射在其面向下的表面上的输出光的透射。该掩蔽层可以被用于例如在光输出射束中创建黑暗（例如低亮度）区域。这样的黑暗区域可以通过掩蔽层提供反射率的突然或骤然改变而被明确限定（例如在边缘处具有亮度的突然或骤然改变）。而且，输出光束中期望的形状或图案可以通过在部分反射层上的预定地点/位置处采用一个或多个掩蔽层而容易地获得。部分反射层的厚度的突然/阶跃改变可以用来在光束的预定地点/位置处提供亮度的相应的突然/阶跃改变。
光学增强材料可以是“颜色转换填充物”，比如荧光（lumiramic）材料或磷光材料。这可以转换从半导体结构输出的光的颜色。它还可以帮助维持横向发射区域的展度。
实施例可以用在汽车照明的领域和需要高亮度照明的其他领域/应用中。
因而，根据本发明的一个方面，可以提供一种包括根据一个实施例的光源的汽车灯。
根据本发明的另一个方面，可以提供一种包括根据一个实施例的光源的投影仪灯。
根据本发明的又一个方面，提供一种制造光源的方法，包括以下步骤：提供适于生成光的半导体二极管结构；在半导体二极管结构之上形成光学增强部段，该光学增强部段适于输出来自半导体二极管结构的光；以及利用部分反射层覆盖光学增强部段的顶部的至少部分，该部分反射层适于朝向光学增强部段反射输出光的部分，其中部分透明层具有横向变化的透光率特性。
该方法可以进一步包括由多个部分反射子层形成部分反射层的步骤。
实施例可以进一步包括利用光反射结构至少部分地包封光学增强部段和半导体结构的侧表面，该光反射结构适于朝向光学增强部段反射来自半导体二极管结构的光。
一个实施例可以进一步包括利用掩蔽层覆盖光学增强部段的顶部的至少部分的步骤，该掩蔽层适于阻挡入射在其面向下的表面上的输出光的透射。
附图说明
现在将参照附图详细描述本发明的实施例，在附图中：
图1A是根据一个实施例的光源的截面视图；
图1B是图示输出光的亮度随图1A的实施例的位置而变化的曲线图；
图2A是根据另一个实施例的光源的截面视图；
图2B是图示输出光的亮度随图2A的实施例的位置而变化的曲线图；
图3描绘了根据一个实施例的光源的使用，其中图示了光源的输出光束的亮度变化；
图4描绘了图3的实施例的修改；
图5是根据一个实施例的光源的等比例视图；
图6是根据另一个实施例的光源的等比例视图；
图7A图示了根据实施例的光源的输出光；以及
图7B图示了常规光源的输出光。
具体实施方式
本发明提供一种包括多个LED光源的光源和一种用于制造该光源的方法。实施例可以特别关联于要求来自相对小且/或高效光源的在不同方向上不同强度的输出光的应用。
实施例采用以下概念：利用具有横向变化的总体透光率特性的部分反射层覆盖基于LED的光源的光输出表面的至少部分。部分反射层的非均匀透光率特性可以用来修改通过部分反射层的不同部分/部段透射的光的量，并且因而使输出光的亮度随位置变化。例如，与部分反射层的较薄部段相比，该部分反射层的较厚部段将背对光源反射更多光。经由另一个示例，与部分反射层的低反射率部段相比，该部分反射层的高反射率部段将背对光源反射更多光。换言之，与部分反射层的较薄或高反射率部段相比，该部分反射层的较厚或高反射率部段将透射更少的光（并且因而具有更低的总体透光率特性）。通过部分反射层的特定部分输出的光的亮度因而将与部分反射层的该部分的厚度或反射率间接地成比例。通过在预定位置/部段处调适部分反射层的厚度和/或反射率，可以使通过部分反射层输出的光束的预定位置/部段处的亮度变化，以便满足预定要求。换言之，依照一个实施例通过非均匀的部分反射层输出的光束可以被调适成不均一的（其具有对应于部分反射层的非均匀性的不均一性）。
如在本文中使用的术语“竖直的”意指基本上与衬底的表面正交。如本文中使用的术语“横向的”意指基本上与衬底的表面平行。再者，描述定位或地点的术语（比如在…之上、在…之下、顶部、底部等）将结合图中图示的结构的取向来解释。
图仅仅是示意性的，并且因此应当理解，特征的尺寸并未按比例绘制。相应地，任意层的图示厚度不应当被看作限制。例如，被绘制为比第二层更厚的第一层在实践中可能比第二层更薄。
参照图1A，描绘了根据一个实施例的光源10的截面视图。光源10包括底部的或最低的层12，其为适于生成光的半导体二极管结构12（例如LED或OLED）。在半导体二极管结构12之上（且直接在其顶部上），存在光学增强部段14，其适于输出来自半导体二极管结构12的光。
在这里，光学增强部段14包括适于转换从半导体二极管结构12的输出的光的颜色的光学增强材料（比如荧光材料或磷光材料）。还要注意，光学增强部段14具有基本平坦的（即平面的）顶部/上表面。
覆盖光学增强部段14的上表面的是部分反射层16，其适于背对光学增强部段14反射（来自光学增强部段14的）输出光的部分。部分反射层16由具有在0.5-5%之间的氧化钛（TiO2）的硅树脂形成。换言之，部分反射层16包括具有低TiO2浓度的Si。
部分反射层16具有非均匀厚度，使得在第一位置X处部分反射层16具有第一厚度Th1，并且在第二位置Y处部分反射层具有第二、不同的厚度Th2。在这里，在第一Y与第二X位置之间，厚度以单调方式从第一厚度Th1线性减小至第二厚度Th2，使得Th2<Th1。
这可以被称为锥形化部分反射层16，因为部分反射层16的厚度沿着部分反射层16的水平部分从第一厚度锥形化（例如增加或减小）至第二厚度。换言之，沿着部分反射层的水平区段，由于部分反射层16的上表面的锥形化的缘故，部分反射层的厚度逐渐变薄或变厚。这样的部分反射层具有基本平坦或平面的下表面。部分反射层16可以因此被认为具有随横向位置而变化的厚度。
在图1的实施例中，部分反射层16最厚的区域位于左侧并且反射更大量的光（即允许更少的光从光源被竖直地透射）。部分反射层16最薄的区域位于右侧并且反射更小量的光（即允许更多的光从光源被竖直地透射）。
因而，如图1B所描绘，从部分反射层16输出的光的亮度从部分反射层16的左向右线性增加。换言之，通过部分反射层的部分输出的光的亮度与部分反射层的该部分的厚度间接地成比例。
现在参照图2A，描绘了根据一个实施例的光源的截面视图。该光源类似于图1A的光源，其中仅部分反射层16的特征是不同的。相应地，省略了其余特征（除了部分反射层16）的详细描述，以便避免不必要的重复。
像图1A一样，（图2A中描绘的）此实施例的部分透明层20具有非均匀厚度，使得在第一位置X处部分反射层16具有第一厚度Th1，并且在第二位置Y处部分反射层具有第二、不同的厚度Th2。然而，在第一Y与第二X位置之间，厚度以非线性单调方式从第一厚度Th1减小至第二厚度Th2，使得Th2<Th1。部分透明层20的上表面因此是弯曲的。
部分反射层20最厚的区域位于左侧并且反射更大量的光（即允许更少的光从光源被竖直地透射）。部分反射层20最薄的区域位于右侧并且反射更小量的光（即允许更多的光从光源被竖直地透射）。
因而，如图2B中所描绘，从部分反射层20输出的光的亮度从部分反射层20的左向右非线性增加。因此，通过部分反射层的部分输出的光的亮度与部分反射层20的该部分的厚度间接地成比例。
转到图3，图示了图1A的光源10的使用，其中图1A的光源10的左侧被取向为在顶部，并且其中图1A的光源10的右侧被取向为在底部。
光源10通过其部分反射层输出光并且经由透镜34输出到投影屏幕32。
从投影到屏幕32的光束，可以看到该光束是不均一的，因为其亮度随着光束的位置而变化。在这里，亮度随着射束中的竖直位置而变化，使得（从透镜34）投影的光束的顶部/上部/部段比（从该透镜）投影的光束的底部/下部/部段更明亮。因此，投影到屏幕上的光束的亮度从在光束的底部处的低值线性增加至在光束的顶部处的高值。
现在参照图4，描绘了图3的实施例的修改。更具体地，光源10已被修改，以便进一步包括覆盖光学增强部段的右下部段的掩蔽层40。
掩蔽层40是长方形的并且适于阻挡来自光源10的输出光的透射。更具体地，在此示例中，掩蔽层40由具有大于20%的氧化钛（TiO2）的硅树脂形成。换言之，掩蔽层40包括具有高TiO2浓度的Si。
从投影到屏幕32上的光束，可以看到，该光束是不均一的，因为其亮度随着光束的位置而变化。如先前的图3中所示的实施例那样，亮度随着射束中的竖直位置而变化，使得（从透镜34）投影的光束的顶部/上部/部段比（从该透镜）投影的光束的底部/下部/部段更明亮。然而，在光束中与掩蔽层40的位置一致的左上位置处存在黑暗（即低亮度）部段。
因此，应当领会，掩蔽层在投影到屏幕32的光束中创建黑暗（例如低亮度）区域。该黑暗区域由于掩蔽层造成反射率的突然或骤然改变而被明确限定（例如在其边缘处存在亮度的急剧或骤然改变）。
参照图5，示出了根据另一个实施例的光源50的等比例视图。
光源50包括适于生成光的半导体二极管结构52（比如LED或OLED），以及直接堆叠在半导体二极管结构52的顶部上的光学增强部段54。光学增强部段54包括适于转换从半导体二极管结构52输出的光的颜色的光学增强材料（比如荧光材料或磷光材料）。
光反射结构56包封光学增强部段54和半导体二极管结构52的侧表面。光反射结构56由高反射性材料形成，使得它适于朝向光学增强部段54反射来自半导体二极管结构52的光。
注意到，光反射结构56的厚度与半导体二极管结构52和光学增强部段54的组合厚度相同。以此方式，光反射结构56的上表面和光学增强部段54的上表面是共面的，从而提供基本上平坦的（例如平面的）顶/上表面。
覆盖光学增强部段54和光反射结构56的上表面的部分的是适于背对光学增强部段54反射（来自光学增强部段54的）输出光的部分的部分反射层58。
在这里，部分反射层58包括两个部分反射子层58A和58B。这两个部分反射子层58A和58B具有相等的厚度，并且第二部分反射子层58B被堆叠在第一部分反射子层58A的顶部上。而且，第二部分反射子层58B具有比第一部分反射子层58A更小的宽度，使得第一部分反射子层58A的部分未被第二部分反射子层58B覆盖。因此，在第一位置X处，部分反射层58包括单个部分反射子层58A，并且在第二位置Y处，部分反射层包括两个部分反射子层58A和58B。部分反射层58因此具有非均匀的厚度，使得在第一位置X处，部分反射层58具有第一厚度（等于第一部分反射子层58A的厚度），并且在第二位置Y处，部分反射层58具有第二、不同的厚度（等于第一58A和第二58B部分反射子层的组合厚度）。
相应地，应当理解，部分反射层58具有相异厚度的两个区域。更具体地，部分反射层58从半导体光源的上表面向上延伸，使得在第一区域中（朝向其外部左和右边缘）部分反射层具有第一厚度，并且使得在第二区域中（朝向其中心）部分反射层58具有第二、更大的厚度。
在这里，在第一Y与第二X位置之间，（在第二部分反射子层58B的边缘处）厚度突然改变。
光源50还包括覆盖光学增强部段54和光反射结构56的上表面的部分的掩蔽层60。掩蔽层60包括白色层60B顶部上的黑色层60A，并且适于阻挡来自它覆盖的光学增强部段54的部分的输出光的透射。这样的黑色60A和白色60B子层的使用可以帮助增加对比度。
在图5的实施例中，部分反射层58最厚的区域位于光学增强部段54的右侧并且反射更大量的光（即允许更少的光竖直地从光源透射）。再者，掩蔽层所位于的区域在光学增强部段54的左侧的一端处并且这阻挡光的透射（即防止光从光源竖直地透射）。
可以获得对部分反射层和/或掩蔽层的厚度和/或地点的精确控制。而且，预制的部分反射子层和/或制造层的使用可以使得能够提供具有随位置的期望亮度变化的光束。
参照图6，示出了根据又一个实施例的光源60的等比例视图。
与图5的实施例一样，光源50包括适于生成光的半导体二极管结构52（比如LED或OLED），以及直接堆叠在半导体二极管结构52的顶部上的光学增强部段54。光学增强部段54包括适于转换从半导体二极管结构52输出的光的颜色的光学增强材料（比如荧光材料或磷光材料）。
光反射结构56包封光学增强部段54和半导体二极管结构52的侧表面。光反射结构56由高反射性材料形成，使得它适于朝向光学增强部段54反射来自半导体二极管结构52的光。
正如图5的实施例那样，光反射结构56的厚度与半导体二极管结构52和光学增强部段54的组合厚度相同。以此方式，光反射结构56的上表面和光学增强部段54的上表面是共面的，从而提供基本上平坦的（例如平面的）顶/上表面。
覆盖光学增强部段54和光反射结构56的上表面的部分的是适于背对光学增强部段54反射（来自光学增强部段54的）输出光的部分的部分反射层68。
在这里，部分反射层68包括两个部分反射子层68A和68B。这两个部分反射子层68A和68B具有相等的厚度，并且第二部分反射子层68B与第一部分反射子层68A毗邻（且平行）。
而且，第二部分反射子层58B具有比第一部分反射子层68A更大的反射率。更具体地，第二部分反射子层58B具有比第一部分反射子层68A更高的TiO2浓度。因此，在第一位置X处，部分反射层58具有第一反射率，并且在第二位置Y处，部分反射层58具有第二、更高的反射率。因此，部分反射层58具有横向变化的透过率特性。换言之，部分反射层58因此具有非均匀的透过率属性，使得在第一位置X处部分反射层58具有第一总体透过率值，并且在第二位置Y处部分反射层58具有第二、不同的总体透过率值。
相应地，应当理解，部分反射层58具有相异反射率的两个区域。更具体地，部分反射层58从半导体光源的上表面向上延伸，使得在第一区域中（朝向其右侧）部分反射层具有第一反射率，并且使得在第二区域中（朝向其左侧）部分反射层58具有第二、更低的反射率。
在这里，在第一Y与第二X位置之间，（在部分反射子层68A和68B的邻近边缘处）反射率突然改变。
在图6的实施例中，部分反射层58具有更大反射率的区域位于光学增强部段54的右侧并且反射更大量的光（即允许更少的光竖直地从光源透射）。
可以实现对（多个）部分反射层的反射率和/或地点的精确控制。而且，预制的部分反射子层和/或制造层的使用可以使得能够提供具有随位置的期望亮度变化的光束。
图7A和7B提供了来自根据实施例的光源的光输出与来自常规光源的光输出的比较。更具体地，图7B图示了来自常规光源的光输出，而图7B图示了来自相同常规光源的光输出，但该光源另外包括覆盖光源的发射表面的下三分之一（1/3）的硅反射膜的。
从图7A可以看出，包括部分反射硅树脂覆盖物的实施例不仅展现出增加的（峰值）亮度（9.4Mdc，对比图7B的常规光源的7.7Mdc）的光，而且展现出亮度在发射表面的下三分之一（1/3）中逐渐增加的输出光。
在实践要求保护的本发明时通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员能够理解并实现所公开的实施例的其他变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其他单元可以履行权利要求中叙述的若干项功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的起码事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，比如与其他硬件一起提供或作为其一部分而提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分发，比如经由因特网或其他有线或无线电信系统分发。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (9)

1.一种光源，包括：
适于生成光的半导体二极管结构（12）；
光学增强部段（14），其在半导体二极管结构之上且适于输出来自半导体二极管结构的光；
部分反射层（16），其覆盖光学增强部段的顶部的至少部分且适于朝向光学增强部段反射输出光的部分；以及
光反射结构，其至少部分地包封光学增强部段和半导体二极管结构的侧表面，该光反射结构适于朝向光学增强部段反射来自半导体二极管结构的光，
其中所述部分反射层在第一位置（X）处具有第一厚度（Th1）并且在第二、横向不同位置（Y）处具有第二、不同的厚度（Th2），第二厚度（Th2）小于第一厚度（Th1），并且所述部分反射层在第一位置（X）处的反射率高于在第二位置（Y）处的反射率，使得所述部分反射层具有横向变化的透光率特性，
其中所述部分反射层包括多个部分反射子层，在第一位置（X）处的第一数量的部分反射子层以及在第二位置（Y）处的第二、不同数量的部分反射子层。
2.权利要求1的光源，其中在第一和第二位置之间，所述部分反射层的厚度以单调方式逐渐地从第一厚度改变成第二厚度。
3.权利要求1或2的光源，进一步包括覆盖光学增强部段的顶部的至少部分的掩蔽层（60），该掩蔽层适于阻挡入射在其面向下的表面上的输出光的透射。
4.权利要求1或2的光源，其中所述光学增强部段包括荧光或磷光材料。
5.权利要求1或2的光源，其中所述半导体二极管结构包括预先结构化的蓝宝石LED。
6.一种包括根据权利要求1-5中任一项的光源的汽车灯。
7.一种包括根据权利要求1至5中任一项的光源的投影仪灯。
8.一种制造光源的方法，包括以下步骤：
提供适于生成光的半导体二极管结构（12）；
在半导体二极管结构之上形成光学增强部段（14），该光学增强部段适于输出来自半导体二极管结构的光；
形成部分反射层，其覆盖所述光学增强部段的顶部的至少部分并且适于朝向所述光学增强部段反射输出光的部分；以及
利用光反射结构至少部分地包封光学增强部段和半导体二极管结构的侧表面，该光反射结构适于朝向光学增强部段反射来自半导体二极管结构的光，
其中，所述部分反射层在第一位置（X）处具有第一厚度（Th1）并且在第二、横向不同位置（Y）处具有第二、不同的厚度（Th2），第二厚度（Th2）小于第一厚度（Th1），并且所述部分反射层在第一位置（X）处的反射率高于在第二位置（Y）处的反射率，使得所述部分反射层具有横向变化的透光率特性，
其中所述形成部分反射层的步骤包括形成多个部分反射子层；在第一位置（X）处的第一数量的部分反射子层，以及在第二位置（Y）处的第二、不同数量的部分反射子层。
9.权利要求8的方法，进一步包括利用掩蔽层覆盖光学增强部段的顶部的至少部分的步骤，该掩蔽层适于阻挡入射在其面向下的表面上的输出光的透射。
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