CN111653659B - 一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法 - Google Patents
一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111653659B CN111653659B CN202010688332.9A CN202010688332A CN111653659B CN 111653659 B CN111653659 B CN 111653659B CN 202010688332 A CN202010688332 A CN 202010688332A CN 111653659 B CN111653659 B CN 111653659B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- refractive index
- emitting diode
- structural member
- optical structural
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 91
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 49
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 24
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical group O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K Aluminium flouride Chemical compound F[Al](F)F KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 12
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 8
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 6
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001635 magnesium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 6
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 6
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 230000004323 axial length Effects 0.000 claims description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 12
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 6
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 5
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 4
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 4
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M lithium fluoride Inorganic materials [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Inorganic materials [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910052950 sphalerite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N zinc oxide Inorganic materials [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/58—Optical field-shaping elements
- H01L33/60—Reflective elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/58—Optical field-shaping elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
- H01L2933/0008—Processes
- H01L2933/0033—Processes relating to semiconductor body packages
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
- H01L2933/0008—Processes
- H01L2933/0033—Processes relating to semiconductor body packages
- H01L2933/0058—Processes relating to semiconductor body packages relating to optical field-shaping elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
本发明涉及一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法，该装置包括中空柱状光学结构件，发光二极管安装在中空柱状光学结构件的一端，中空柱状光学结构件的中空内壁设有反射面，反射面上设有介质层，介质层的折射率沿中空柱状光学结构件的轴向呈周期性梯度渐变，介质层的每个周期单元设有沿中空柱状光学结构件的轴向分布的多个梯级，介质层的每个周期单元内的多个梯级的折射率沿远离发光二极管的方向依次递增，构建一个因折射率梯度递增导致的相位梯度分布。本发明在不改变或不显著改变光学结构件出光面表面积与发光二极管出光面表面积比值的前提下，降低发光二极管的发散角，适用于高密度发光二极管泵浦半导体激光器等领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管光源技术领域，具体涉及一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法。
背景技术
发光二极管是一种自发辐射光源。自发辐射具有空间各项同性的特征。发光二极管是一种面状光源，发光表面的光辐射分布可以看作理想朗伯体，其沿各个方向辐射的光功率满足余弦定律：某方向的辐射功率和该方向与发光表面法线夹角的余弦成正比。
对发光二极管的辐射功率按空间角度积分得到总的辐射功率，从发光表面法线方向(0度角)开始积分到法线的垂直方向(90度角)，当积分辐射功率达到总功率的二分之一时，其对应的积分角度定义为光源的发散角。
在发光二管的诸多应用中，都希望发光二极管的发散角尽可能的小，即辐射光线尽可能靠近法线方向，而不是在任意方向上都有辐射。因此，发光二极管往往采用光学结构件来优化发光二极管的配光曲线。
然而，通过光学结构件降低发光二极管的发散角，都伴随着光学结构件出光面表面积远大于发光二极管出光面的表面积。
更进一步，通过光学结构件获得的发散角越小，其光学结构件出光面表面积与发光二极管出光面表面积的比值越大。
例如：采用透镜准直配光，配光的发散角要小，就要求透镜的焦距越大，透镜的焦距变大了，透镜的口径，相应地光学结构件出光面表面积，也将变大，否则能进入透镜的光线数量将极少，经透镜配光后，沿法线方向的辐射功率会降低，发光二极管发光的利用率会非常低。
传统采用透镜等光学结构件构成的系统中，为了获得小的发散角，必然伴随着光学结构件出光表面的表面积远大于发光二极管出光面的表面积，否则配光后，沿法线方向的光线数量极少，即沿法线方向的辐射功率会降低，发光二极管的光效会非常低。另一方面，这也必然导致光学结构件出光表面法线方向的亮度相比于发光二极管出光表面法线方向的亮度大幅下降。
因此，研究如何在不改变，或者不显著改变光学结构件出光面表面积与发光二极管出光面表面积比值的前提下，降低发光二极管的发散角，将能显著提高经过光学结构件封装后的发光二极管出光表面沿法线方向的亮度，这对于发光二极管在高密度发光二极管泵浦半导体激光器、高精度曝光机、基于发光二极管的微型投影仪、矩阵化发光二极管汽车大灯等领域的应用将有十分重要的作用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法，该装置可以在不改变或者不显著改变光学结构件出光面表面积与发光二极管出光面表面积比值的前提下，降低发光二极管的发散角。
本发明是这样实现的：本发明公开了一种降低发光二极管发射光发散角的装置，包括中空柱状光学结构件，发光二极管安装在中空柱状光学结构件的一端，中空柱状光学结构件的中空内壁设有反射面，所述反射面上设有介质层，所述介质层的折射率沿中空柱状光学结构件的轴向呈周期性梯度渐变，折射率呈周期性梯度渐变的介质层的每个周期单元均设有沿中空柱状光学结构件的轴向分布的多个梯级，且介质层的每个周期单元内的多个梯级的折射率沿远离发光二极管的方向依次递增，同一个梯级内的介质层的折射率相同，介质层的每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率为nb，最大折射率为nt，介质层的周期单元长度是Lp，Lp大于介质层厚度a与折射率差的乘积，折射率差为nt-nb，同时，Lp的最大值小于发光二极管辐射光波的相干长度。
进一步地，Lp的最小值大于发光二极管辐射光波的波长λ。
进一步地，介质层的折射率沿厚度方向是不变的；每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率nb与最大折射率nt之间至少包含5个梯级。
进一步地，中空柱状光学结构件的侧壁为多层结构，由内向外分别为介质层、镜面反射层、基材层。
进一步地，所述基材层采用具有延展性的高导热系数的材料；所述镜面反射层为镀于基材层表面的具有镜面反射功能的金属层，或者镜面反射层为直接对基材层进行镜面抛光形成的镜面反射层。
进一步地，介质层为SiO2、TiO2、Al2O3、MgF2、AlF3、CaF2、LiF、MgO、NaF、ZnO、ZnS、Si3N4、GaAs中的一种或者几种构成。
进一步地，发光二极管出光面法线方向与中空柱状光学结构件的轴线方向相同；发光二极管安装在中空柱状光学结构件的中心通孔内，或者发光二极管安装在中空柱状光学结构件的中心通孔外。
进一步地，中空柱状光学结构件为中空圆柱形，发光二极管的出光表面为圆形，圆形出光表面的直径与中空柱状光学结构件的中心通孔孔径相同。
进一步地，中空柱状光学结构件的中心通孔孔径大于介质层厚度1000倍以上；中空柱状光学结构件的轴向长度等于5-50倍的底面圆直径。
本发明还公开了一种降低发光二极管发射光发散角的装置的制作方法，包括如下步骤：
选择一带反射面的平面基材或在平面基材上设置反射面，在反射面上通过双靶共溅射掩膜沉积工艺分梯级分步沉积折射率呈周期性梯度渐变的介质层，形成多层结构的反射板；
沉积折射率呈周期性梯度渐变的介质层时，通过调节两种靶材沉积的体积分量，实现介质层的每一个周期单元内多个级次的折射率渐变；其中，介质层的折射率沿厚度方向是不变的，垂直于厚度方向的平面上，介质层的折射率在该平面的一个方向是周期性变化的，沿该方向的垂直方向的折射率是不变的；介质层的每个周期单元内的多个梯级的折射率沿远离发光二极管的方向依次递增，介质层的每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率为nb，最大折射率为nt，介质层的周期单元长度是Lp，Lp大于介质层厚度a与折射率差的乘积，折射率差为nt-nb，同时，Lp的最大值小于发光二极管辐射光波的相干长度，Lp的最小值大于所述发光二极管辐射光波的波长λ；
沿着介质层折射率不变的方向将多层结构的反射板卷曲闭合形成中空柱状光学结构件，介质层位于最内侧。
两种靶材的折射率分别为nb、nt；两种靶材的材料为SiO2、TiO2、Al2O3、MgF2、AlF3、CaF2、LiF、MgO、NaF、ZnO、ZnS、Si3N4、GaAs中的任意两种。
本发明具有如下有益效果：本发明采用了上述结构的中空柱状光学结构件，发光二极管安装在中空柱状光学结构件的一端后由发光二极管发射并与中空柱状光学结构件的轴线夹角小于或等于一定值的光线经中空柱状光学结构件的中心通孔从中空柱状光学结构件的另一端出射，由发光二极管发射并与中空柱状光学结构件的轴线夹角大于一定值的光线将与中空柱状光学结构件的中空内壁的反射面发生一次或者多次反射后从中空柱状光学结构件的另一端出射，且光在所述反射面上发生反射时，反射角大于入射角，使光学结构件出光表面发射的光线发散角显著降低，同时光学结构件出光表面的表面积相比于发光二极管出光表面的表面积并无显著改变，这必然会大幅改善光学结构件出光表面法线方向的亮度，从而有利于其在高密度发光二极管泵浦半导体激光器、高精度曝光机、基于发光二极管的微型投影仪、矩阵化发光二极管汽车大灯方面的应用。
附图说明
图1为本发明的多层结构的反射板的结构示意图；
图2为本发明的介质层折射率分布示意图；
图3为本发明的反射面卷曲成柱状的示意图；
图4为本发明的中空柱状光学结构件的端面示意图；
图5为本发明的发光二极管发射光异常反射的示意图；
图6为本发明的发光二极管发射光经过0次、1次、2次、3次反射后的光线示意图；
图7为本发明的发光二极管发射光经过3次反射后的光线示意图；
图7a为本发明的发光二极管发射光经过1次反射后的出射角的角度示意图；
图7b为本发明的发光二极管发射光经过2次反射后的出射角的角度示意图；
图7c为本发明的发光二极管发射光经过3次反射后的出射角的角度示意图；
图8为光源光线的角分布与出射光线的角分布对比示意图；
图9为介质层折射率梯度渐变示意图；
图10为本发明具体实施例一的示意图；
图11为本发明具体实施例三的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参见图1至图4，本发明公开了一种降低发光二极管发射光发散角的装置，包括中空柱状光学结构件，发光二极管安装在中空柱状光学结构件的一轴端，中空柱状光学结构件的中空内壁设有反射面，所述反射面上设有介质层，所述介质层的折射率沿中空柱状光学结构件的轴向呈周期性梯度渐变，按照呈周期性梯度渐变的折射率将介质层沿中空柱状光学结构件的轴向分为多个周期单元，介质层的每个周期单元设有沿中空柱状光学结构件的轴向分布的多个梯级，且介质层的每个周期单元内的多个梯级的折射率沿远离发光二极管的方向依次递增，同一个梯级内的介质层的折射率相同，介质层的每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率为nb，最大折射率为nt，介质层的周期性梯度渐变折射率的周期单元长度是Lp，Lp大于介质层厚度a与折射率差的乘积，折射率差为nt-nb，同时，Lp的最大值小于发光二极管辐射光波的相干长度，Lp的最小值大于发光二极管辐射光波的波长λ。每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率nb与最大折射率nt之间至少包含5个梯级。
以所述介质层周期性梯度渐变折射率的一个周期单元为参考，周期单元中折射率小的方向对应中空柱状光学结构件的底部端口Rb，周期单元中折射率大的方向对应中空柱状光学结构件的顶部端口Rt；发光二极管位于中空柱状光学结构件底部端口Rb附近，发光二极管发射的光由顶部端口Rt出射。
发光二极管出射的光线与中空柱状光学结构件的轴线夹角较小时(即小于或等于一个定值)，发光二极管出射的光线入射到顶部端口平面，光线与顶部端口平面交点位于中空柱状光学结构件顶部端口截面内的，直接由顶部端口出射；
发光二极管出射的光线与中空柱状光学结构件的轴线夹角较大时(即大于一个定值)，发光二极管出射的光线入射到中空柱状光学结构件的中空内壁，光线由介质层透射到反射面，再由反射面反射进入介质层透射出，由顶部端口出射，或再次入射到中空柱状光学结构件的中空内壁，经过中空柱状光学结构件的中空内壁反射面多次反射，最后由顶部端口出射。
进一步地，中空柱状光学结构件的侧壁为多层结构，由内向外分别为介质层R3、镜面反射层R2、基材层R1。
进一步地，发光二极管出光面法线方向与中空柱状光学结构件的轴线方向重合；进一步地，所述发光二极管位于中空柱状光学结构件底部端口附近，发光二极管安装在中空柱状光学结构件的中心通孔内，或者发光二极管安装在中空柱状光学结构件的中心通孔外。
进一步地，所述中空柱状光学结构件包括但不限于为圆柱形。
优选地，中空柱状光学结构件为中空圆柱形，发光二极管的出光表面为圆形，圆形出光表面的直径与中空柱状光学结构件的中心通孔孔径相同，即：光学结构件出光表面面积与发光二极管出光表面面积的比值为1。
进一步地，中空柱状光学结构件的中心通孔孔径远大于介质层厚度。优选地，中空柱状光学结构件的中心通孔孔径大于介质层厚度1000倍以上。
进一步地，中空柱状光学结构件的轴向长度等于5-50倍的底面圆直径。当该比值较小时，输出光的发散角较大，照度均匀性较高。当该比值较大时，输出光的发散角较小，但照度均匀性较低。
进一步地，所述基材层采用具有延展性的高导热系数的材料，包括但不限于：铜、铝、铁等。
进一步地，反射层为镀于所述基材层表面的具有镜面反射功能的金属层，或者直接对基材进行镜面抛光形成镜面反射层。
进一步地，所述金属反射层的材料包括但不限于金、银、铝。
进一步地，所述介质层为SiO2，TiO2，Al2O3，MgF2，AlF3，CaF2，LiF，MgO，NaF，ZnO，ZnS，Si3N4，GaAs中的一种或者几种。
进一步地，所述介质层折射率沿轴线方向的梯度渐变可为多级次梯级渐变，优选的，分8-10个级次。级次过多，制造难度上升，成本上升，级次过少，异常反射光线效率降低。
本发明的工作原理如下：
首先，发光二极管是一种自发辐射光源，其辐射的光子之间理论上是无相干性。光源的空间相干性由相干长度来表示。经典的热辐射光源，光的相干度非常低，相干长度一般在波长级别，远小于光源本身的尺度，因此，空间上，超过一个或数个波长后，光就不具备相干性了。原子分子放电产生的自发辐射光子的相干性较热辐射光源高，相干长度比热辐射光源长。发光二极管光辐射的相干长度则可达数十微米以上，因此，在微米尺度，其相干性是很高的，作为照明灯具，由于尺度已经远大于微米级，其空间相干性不显著。
本发明应用反射面降低发光二极管发射光的发散角的方法与传统的基于透镜、曲面反射光学结构的原理是完全不同。
研究表明，在光遇到界面发生反射时，如果界面上存在折射率扰动导致的相位梯度，且该折射率扰动区域的尺度在入射光的相干长度范围内，则反射光的反射角与入射角满足以下关系：
其中，nt为介质折射率，ni为空气折射率，λ0为入射光波长，θt为出射光线出射角度，θi为入射光线入射角度，
为界面上的相位分布。
时，则为正常反射公式。在界面上设置沿x方向梯度渐变折射率的介质后，由于
将可以实现反射光的反射角大于入射光的入射角，如图5所示，反射角大于入射角。发光二极管发射光波的相干长度在数十微米，只要在相干长度内，构建一个折射率扰动实现相位梯度分布，就可以实现该异常反射面。
发光二极管发射光线的发散角为朗伯分布。将发光二极管置于所述柱状结构内的底部端口Rb附近，发光二极管出光面法线方向与中空柱状光学结构件的轴线方向重合。发光二极管发射光线与轴线夹角较小的光将会直接从中空柱状光学结构件顶部端口出射，与轴线夹角较大的光线将与柱状结构的侧壁发射一次或者多次反射后从柱状结构顶部端口出射，偏离轴线夹角越大，反射次数越多。
入射光线在经过圆柱侧壁反射面反射后，其反射角将增大，大于入射角，从而，出射光线与光源面法线方向的夹角将变小，如图6所示，显示了四条光线，分别经过0次、1次、2次、3次反射后的出射角，经过多次反射后，光线将与发光二极管出光表面的法线方向趋于平行。
如图7所示，与发光二极管出光面法线呈65度夹角的光线经过三次反射后，与发光二极管出光表面的法线之间的夹角减小为18度。如图8所示，各向同性光源经过一个高度等于20倍底面圆直径的空心圆柱的反射面后，其出射角的分布被显著压缩到0度附近，如实线所示，其发散角由90度降低为约10度。
本发明还公开了一种降低发光二极管发射光发散角的装置的制作方法，包括如下步骤：
选择一带反射面的平面基材或在平面基材上设置反射面，在反射面上通过双靶共溅射掩膜沉积工艺分梯级分步沉积折射率呈周期性梯度渐变的介质层，形成多层结构的反射板；
选择一带反射面的平面基材或在平面基材上设置反射面，在反射面上通过双靶(多靶)共溅射掩膜沉积工艺分梯级分步沉积折射率呈周期性梯度渐变的介质层，形成多层结构的反射板；
沉积折射率呈周期性梯度渐变的介质层时，通过调节两种(多种)靶材沉积的体积分量，实现一个周期单元内多个级次的折射率渐变；其中，介质层的折射率沿厚度方向是不变的，垂直于厚度方向的平面上，介质层的折射率在该平面的一个方向是周期性变化的，沿该方向的垂直方向的折射率是不变的；介质层的每个周期单元内的多个梯级的折射率沿远离发光二极管的方向依次递增，介质层的每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率为nb，最大折射率为nt，介质层的周期单元长度是Lp，Lp大于介质层厚度a与折射率差的乘积，折射率差为nt-nb，同时，Lp的最大值小于发光二极管辐射光波的相干长度，Lp的最小值大于所述发光二极管辐射光波的波长λ；
沿着介质层折射率不变的方向将多层结构的反射板卷曲闭合形成中空柱状光学结构件，介质层位于最内侧。
优选地，两种靶材的折射率分别为nb、nt。
靶材可以为SiO2、TiO2、Al2O3、MgF2、AlF3、CaF2、LiF、MgO、NaF、ZnO、ZnS、Si3N4、GaAs中的任意两种或多种。
如图9所示，本实施例采用氧化硅与氧化钛靶双靶共溅射沉积，其中氧化硅折射率为nb，氧化钛折射率为nt，调节两种靶材沉积的体积分数分量，从0.1过度到0.9，即可实现十个级次的折射率渐变：n1b0t，n0.9b0.1t，n0.8b0.2t，n0.7b0.3t，n0.6b0.4t，n0.5b0.5t，n0.4b0.6t，n0.3b0.7t，n0.2b0.8t，n0.1b0.9t，n0b1t。
本发明的基材层与镜面反射层采用一般机床加工与真空镀膜技术就可以完成。介质层可以通过多次掩模多靶共溅射沉积工艺实现。例如：以铜片为基材，真空镀一层镜面反射金膜。采用真空溅射沉积介质层方法，镀膜机安装氧化硅与氧化钛靶，双靶共溅射沉积，控制两靶的溅射功率，即可控制两靶的产率，从而控制氧化硅与氧化钛在膜层中的体积分数，连续调节它们各自的体积分数，即制备折射率连续可调的介质膜。周期性的梯度分布折射率的实现：对于每个周期单元，分成十阶梯度即可以取得理想的折射率梯度渐变的效果。通过周期性结构的掩膜分步沉积每一阶的介质层，最后完成整个表面的膜层。发光二极管发射光波的相干长度可达30微米以上，介质层的周期单元在10微米级别，普通掩膜沉积工艺精度即可达到要求。反射面的卷曲曲率半径一般为毫米级别，采用一般机床加工即可，卷曲曲率半径大于1000倍的膜层厚度，对膜层的影响可以忽略。
下面通过几种具体实施例对上述的中空柱状光学结构件的制作方法进行详细介绍。
具体实施例一：
本实施例采购厚度100微米铜箔，上表面镀镜面金处理，然后在镜面金表面沉积介质层，介质层厚度1微米。介质层由氧化硅、氧化钛两种材料沉积而成，如图10所示，折射率沿Y方向不变，沿X方向周期性梯度渐变，周期长度Lp为10微米，折射率梯度渐变分十个梯级，每个梯级的宽度1微米，每个梯级的折射率从左到右分别为1.46，1.549，1.638，1.727，1.816，1.905，1.994，2.083，2.172，2.261。
将三层结构反射板沿Y方向卷曲制成空心圆柱，介质层在空心圆柱内侧。空心圆柱的参数：底面圆直径1.6毫米，高度8毫米。
采用发光二极管：波长为455nm的LED芯片，尺寸45mil×45mil。将其置于圆柱体底面附近，芯片发光面朝X方向，发光面法线方向与圆柱体中心轴线重合，光由圆柱体上表面圆出射。
具体实施例二：
本实施例采购厚度100微米铜箔，上表面镀镜面金处理，然后在镜面金表面沉积介质层，介质层厚度1微米。介质层由氧化硅、氧化钛两种材料沉积而成，如图11所示，折射率沿Y方向不变，沿X方向周期性梯度渐变，周期长度Lp为10微米，折射率梯度渐变分十个梯级，每个梯级的宽度1微米，每个梯级的折射率从左到右分别为1.46，1.549，1.638，1.727，1.816，1.905，1.994，2.083，2.172，2.261。
将三层结构反射板沿Y方向卷曲制成圆柱，介质层在空心圆柱内侧。空心圆柱的参数：底面圆直径1毫米，高度5厘米。
采用发光二极管：波长为640nm的LED芯片，尺寸45mil×45mil。将其置于圆柱体底面附近，芯片发光面朝X方向，发光面法线方向与圆柱体中心轴线重合，光由圆柱体上表面圆出射。
具体实施例三：
本实施例采购厚度100微米镜面铝箔，在镜面铝表面沉积介质层，介质层厚度1微米。介质层由氧化镁、氧化钛两种材料沉积而成，如图11所示，折射率沿Y方向不变，沿X方向周期性梯度渐变，周期长度Lp为8微米，折射率渐变分八个梯级，个梯级的宽度1微米，每个梯级的折射率从左到右分别为1.75，1.836，1.922，2.008，2.094，2.18，2.226，2.352。
将三层结构反射板沿Y方向卷曲制成圆柱，介质层在空心圆柱内侧。空心圆柱的参数：底面圆直径1.6毫米，高度16毫米。如图所示，将4个空心圆柱按照2×2进行排列。
采用发光二极管：波长为455nm的LED芯片，尺寸45mil×45mil。按照2×2进行排列，将其置于空心圆柱体底面，芯片发光面朝X方向。光由空心圆柱体上表面出射。
采用本发明的中空柱状光学结构件，中空柱状光学结构件出光表面的表面积与发光二极管的出光表面的表面积相等或无显著增大，但从光学结构件出光表面出射光线的发散角却比发光二极管出射光线的发散角显著降低了，本发明特别适用于高密度发光二极管泵浦半导体激光器、高精度曝光机、基于发光二极管的微型投影仪、矩阵化发光二极管汽车大灯等领域的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种降低发光二极管发射光发散角的装置，其特征在于：包括中空柱状光学结构件，发光二极管安装在中空柱状光学结构件的一端，中空柱状光学结构件的中空内壁设有反射面，所述反射面上设有介质层，所述介质层的折射率沿中空柱状光学结构件的轴向呈周期性梯度渐变，折射率呈周期性梯度渐变的介质层的每个周期单元均设有沿中空柱状光学结构件的轴向分布的多个梯级，且介质层的每个周期单元内的多个梯级的折射率沿远离发光二极管的方向依次递增，同一个梯级内的介质层的折射率相同，介质层的每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率为nb，最大折射率为nt，介质层的周期单元长度是Lp，Lp大于介质层厚度a与折射率差的乘积，折射率差为nt-nb，同时，Lp的最大值小于发光二极管辐射光波的相干长度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：Lp的最小值大于发光二极管辐射光波的波长λ；介质层的折射率沿厚度方向是不变的；介质层的每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率nb与最大折射率nt之间至少包含5个梯级。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：中空柱状光学结构件的侧壁为多层结构，由内向外分别为介质层、镜面反射层、基材层。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述基材层采用具有延展性的高导热系数的材料；所述镜面反射层为镀于基材层表面的具有镜面反射功能的金属层，或者镜面反射层为直接对基材层进行镜面抛光形成的镜面反射层。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：介质层为SiO2、TiO2、Al2O3、MgF2、AlF3、CaF2、LiF、MgO、NaF、ZnO、ZnS、Si3N4、GaAs中的两种或者多种构成。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：发光二极管出光面法线方向与中空柱状光学结构件的轴线方向相同；发光二极管安装在中空柱状光学结构件的中心通孔内，或者发光二极管安装在中空柱状光学结构件的中心通孔外。
7.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于：中空柱状光学结构件为中空圆柱形，发光二极管的出光表面为圆形，圆形出光表面的直径与中空柱状光学结构件的中心通孔孔径相同。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：中空柱状光学结构件的中心通孔孔径大于介质层厚度1000倍以上；中空柱状光学结构件的轴向长度等于5-50倍的底面圆直径。
9.一种降低发光二极管发射光发散角的装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择一带反射面的平面基材或在平面基材上设置反射面，在反射面上通过双靶共溅射掩膜沉积工艺分梯级分步沉积折射率呈周期性梯度渐变的介质层，形成多层结构的反射板；
沉积折射率呈周期性梯度渐变的介质层时，通过调节两种靶材沉积的体积分量，实现介质层的每一个周期单元内多个级次的折射率渐变；其中，介质层的折射率沿厚度方向是不变的，垂直于厚度方向的平面上，介质层的折射率在该平面的一个方向是周期性变化的，沿该方向的垂直方向的折射率是不变的；介质层的每个周期单元内的多个梯级的折射率沿远离发光二极管的方向依次递增，介质层的每个周期单元中梯度渐变折射率中最小折射率为nb，最大折射率为nt，介质层的周期单元长度是Lp，Lp大于介质层厚度a与折射率差的乘积，折射率差为nt-nb，同时，Lp的最大值小于发光二极管辐射光波的相干长度，Lp的最小值大于所述发光二极管辐射光波的波长λ；
沿着介质层折射率不变的方向将多层结构的反射板卷曲闭合形成中空柱状光学结构件，介质层位于最内侧。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：两种靶材的折射率分别为nb、nt；两种靶材的材料为SiO2、TiO2、Al2O3、MgF2、AlF3、CaF2、LiF、MgO、NaF、ZnO、ZnS、Si3N4、GaAs中的任意两种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010688332.9A CN111653659B (zh) | 2020-07-16 | 2020-07-16 | 一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010688332.9A CN111653659B (zh) | 2020-07-16 | 2020-07-16 | 一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111653659A CN111653659A (zh) | 2020-09-11 |
| CN111653659B true CN111653659B (zh) | 2021-05-18 |
Family
ID=72352606
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010688332.9A Active CN111653659B (zh) | 2020-07-16 | 2020-07-16 | 一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111653659B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7449380B2 (ja) * | 2020-05-25 | 2024-03-13 | 京セラ株式会社 | 発光装置および表示装置 |
| WO2024119456A1 (zh) * | 2022-12-08 | 2024-06-13 | 华为技术有限公司 | 三维显示设备以及相关的光束整形结构 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1434340A (zh) * | 2002-01-25 | 2003-08-06 | 台达电子工业股份有限公司 | 光纤准直器及其制造方法 |
| CN200956493Y (zh) * | 2006-10-12 | 2007-10-03 | 飞秒光电科技(西安)有限公司 | 半导体激光器整形装置 |
| CN102402907A (zh) * | 2011-12-05 | 2012-04-04 | 广东威创视讯科技股份有限公司 | 一种提高led显示屏显示效果的装置 |
| CN102597832A (zh) * | 2009-10-28 | 2012-07-18 | 泰科电子公司 | 扩束接口设备及其制造方法 |
| CN202647391U (zh) * | 2012-04-16 | 2013-01-02 | 瑞仪光电股份有限公司 | 照明装置与应用此照明装置的隐蔽式照明模块 |
| CN104136952A (zh) * | 2011-12-09 | 2014-11-05 | Jds尤尼弗思公司 | 改变激光束的光束参数积 |
| CN105759462A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-07-13 | 北京大学 | 一种可调光纤准直系统 |
| CN109459824A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-12 | 长春理工大学 | 能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置 |
| CN109946678A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-06-28 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 激光雷达发射系统和方法 |
| CN110927887A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-03-27 | 北京航空航天大学 | 一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法及装置 |
| CN111211471A (zh) * | 2019-12-28 | 2020-05-29 | 华为技术有限公司 | 光纤放大器 |
-
2020
- 2020-07-16 CN CN202010688332.9A patent/CN111653659B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1434340A (zh) * | 2002-01-25 | 2003-08-06 | 台达电子工业股份有限公司 | 光纤准直器及其制造方法 |
| CN200956493Y (zh) * | 2006-10-12 | 2007-10-03 | 飞秒光电科技(西安)有限公司 | 半导体激光器整形装置 |
| CN102597832A (zh) * | 2009-10-28 | 2012-07-18 | 泰科电子公司 | 扩束接口设备及其制造方法 |
| CN102402907A (zh) * | 2011-12-05 | 2012-04-04 | 广东威创视讯科技股份有限公司 | 一种提高led显示屏显示效果的装置 |
| CN104136952A (zh) * | 2011-12-09 | 2014-11-05 | Jds尤尼弗思公司 | 改变激光束的光束参数积 |
| CN202647391U (zh) * | 2012-04-16 | 2013-01-02 | 瑞仪光电股份有限公司 | 照明装置与应用此照明装置的隐蔽式照明模块 |
| CN105759462A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-07-13 | 北京大学 | 一种可调光纤准直系统 |
| CN109459824A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-03-12 | 长春理工大学 | 能够提高单模光纤空间光耦合效率的两级空间光耦合装置 |
| CN109946678A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-06-28 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 激光雷达发射系统和方法 |
| CN110927887A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-03-27 | 北京航空航天大学 | 一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法及装置 |
| CN111211471A (zh) * | 2019-12-28 | 2020-05-29 | 华为技术有限公司 | 光纤放大器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "梯度折射率介质中可控空心光束的传输特性";朱焯炜，苏宙平;《光电子技术》;20121231;第32卷(第4期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111653659A (zh) | 2020-09-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111653659B (zh) | 一种降低发光二极管发射光发散角的装置及其制作方法 | |
| US7679820B2 (en) | IR absorbing reflector | |
| US9146350B2 (en) | Optical element, light source device, and projection display device | |
| US11396474B2 (en) | Method for manufacturing a device for forming at least one focused beam in a near zone | |
| JP5531090B2 (ja) | ビーム整形器 | |
| US20070291505A1 (en) | Light source assembly with integrated optical pipe | |
| CN105866086A (zh) | 一种光学芯片、制作方法及荧光成像系统 | |
| KR20120106473A (ko) | 레이저광을 이용한 조명 장치 | |
| JP2011203359A (ja) | 誘電体層を用いたリフレクタおよびその製造方法 | |
| KR101282814B1 (ko) | 레이저광을 이용한 조명 장치 | |
| JP6916073B2 (ja) | 光デバイス | |
| JPS62226047A (ja) | 多層膜反射鏡 | |
| WO2022185944A1 (ja) | 光学製品及び集光器 | |
| US11385536B2 (en) | EUV mask blanks and methods of manufacture | |
| Tamura et al. | Development of balloonborne hard x-ray telescopes using a multilayer supermirror | |
| CN100405161C (zh) | 导光板及背光模组 | |
| KR101507879B1 (ko) | 레이저광을 이용한 조명장치 | |
| CN209297092U (zh) | 一种曲面反射聚光装置以及投影装置 | |
| CN104075213B (zh) | 一种汽车led远光灯的光学结构 | |
| US11933489B2 (en) | Optical device, and method of fabricating optical device | |
| CN218298725U (zh) | 基于超透镜的闪光灯及具有其的移动设备 | |
| JPH05249370A (ja) | 逆望遠アルゴン対物レンズ | |
| JP2002221596A (ja) | 非球面ミラー | |
| CN108469008B (zh) | 匀光装置及照明装置 | |
| JP2007034337A (ja) | フレネル型ミラー |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20200911 Assignee: Qingxin Electronic Technology (Luoyang) Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2023420000190 Denomination of invention: A device and manufacturing method for reducing the divergence angle of light emitted by light emitting diodes Granted publication date: 20210518 License type: Common License Record date: 20230620 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20200911 Assignee: Qingyan Honglue Industrial Research Institute (Luoyang) Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2023420000196 Denomination of invention: A device and manufacturing method for reducing the divergence angle of light emitted by light emitting diodes Granted publication date: 20210518 License type: Common License Record date: 20230630 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20200911 Assignee: Luoyang Honghang Electronic Technology Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2023980039277 Denomination of invention: A device and manufacturing method for reducing the divergence angle of light emitted by light emitting diodes Granted publication date: 20210518 License type: Common License Record date: 20230810 Application publication date: 20200911 Assignee: YUNNAN TEYI NEW ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2023420000282 Denomination of invention: A device and manufacturing method for reducing the divergence angle of light emitted by light emitting diodes Granted publication date: 20210518 License type: Common License Record date: 20230808 Application publication date: 20200911 Assignee: Yunnan Yaoda Power Engineering Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2023420000281 Denomination of invention: A device and manufacturing method for reducing the divergence angle of light emitted by light emitting diodes Granted publication date: 20210518 License type: Common License Record date: 20230808 Application publication date: 20200911 Assignee: Kunming Yongsen Technology Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2023420000280 Denomination of invention: A device and manufacturing method for reducing the divergence angle of light emitted by light emitting diodes Granted publication date: 20210518 License type: Common License Record date: 20230808 Application publication date: 20200911 Assignee: Luoyang Zhongguangyuan Intelligent Technology Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2023980039279 Denomination of invention: A device and manufacturing method for reducing the divergence angle of light emitted by light emitting diodes Granted publication date: 20210518 License type: Common License Record date: 20230810 |