CN1604346A - 新型准直发光二极管封装结构 - Google Patents

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Abstract

一种具有准直功能的发光二极管的封装结构，属于发光二极管照明应用中的封装领域，其特征是通过采用一个具有旋转对称性的准直透镜封装发光二极管芯片，从而使得发光二极管出射的光通过准直透镜以后以较小发散角度出射，形成一个定向发射的面光源。该面光源可以用在手电、射灯、矿灯、投影仪等器件上。通过使用正N边形的准直透镜来封装功率型LED，能得到正N边形的LED照明模块。将多个正N边形的LED照明模块合并，能够得到更大面积的定向发射的面光源。本发明高效的将近似点光源的LED芯片发出的光导出，形成均匀的光束，消除了发光二极管的高亮度给人眼带来的危险性。

Description

新型准直发光二极管封装结构
技术领域
本发明涉及一种准直发光二极管的封装结构，目的是为了将LED芯片发出的光准直并形成一个面光源输出。本发明属于发光二极管的封装技术领域。
背景技术
图1描述了一种常规的发光二极管的封装结构20。发光二极管的常规封装结构20中采用一个半球形的透镜21封装，封装结构20具有一个纵向的对称轴23，封装结构20的光强远场分布图近似为22。由图一可见，常规封装的发光二极管的光强远场分布在纵向对称轴处具有最大值，调整半球形的透镜21的高度可以调整封装结构20的光强远场分布。封装结构20存在的问题是具有较小的发光面积，在其小的发光面积上光强很大。而发光二极管的亮度随着技术的发展越来越大，所以封装结构20对人眼健康存在威胁。
图2是将具有封装结构20的发光二极管配合一个二次光学元件——抛物面形状的反射镜25来将具有封装结构20的发光二极管发出的光进一步准直。采用抛物面形状的反射镜25存在的一个问题是：如果要使得光束角很窄，抛物面形状的反射镜25需要做的很深，因而在应用中会显得很不简洁。而且具有封装结构20的发光二极管配合抛物面形状的反射镜25得到的光强分布在垂直于对称轴23的方向上难以均匀。一些特定的场合比如投影仪的光源需要光源的光束角很窄，而且光斑要求均匀。这些特定场合的应用要求使得有必要设计新型的发光二极管封装结构，使得新的封装设计能够实现准直出光，而且能够满足均匀性的要求。
图3是将具有封装结构20的发光二极管配合另外一个二次光学元件——准直透镜(US6547423)来将具有封装结构20的发光二极管发出的光进一步准直。这种采用透镜来准直发光二极管的光束的方法改变了传统的结构(图2)。相对于图2的结构，采用具有封装结构20的发光二极管配合准直透镜的结构能够更将光束分布得更加均匀，而且达到相同的准直效果，图3的结构更加简洁。但是图3所述的结构也存在问题：采用了二次光学元件，而且一次光学元件和二次光学元件之间有空气隙。如果能够采用一个光学元件就能够实现准直，不仅节省了透镜成本和制作工艺，还能够消除图3中一次光学元件和二次光学元件之间的空气隙。减少光学元件能减小光学元件之间的耦合损耗，而且更少的光学元件意味着设计更加简洁。
发光二极管的生长和封装技术的发展使得发光二极管的电光转换效率不断提高，因而使得采用发光二极管来作通用照明光源成为可能。目前，功率型发光二极管的输入电功率达到1W(D.A.Steigerwald，J.C.Bhat，D.Collins，R.M.Fletcher，M.O.Holcomb，etal，Illumination With Solid State Lighting Technology，IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.2002 8(2)：310-320)，商用的功率型白光LED的流明效率达到30lm/W，LED芯片面积达到1mm2。功率型LED的亮度很高，发光面积很小，利用传统封装结构20封装得到的LED正面轴向的光强很大，对人眼的健康造成了威胁。由于发光二极管的特殊尺寸和特殊发光特性，使其应用在半导体照明方面需要合适的结构。图4是采用传统封装结构20封装多个发光二极管，然后集群使用来获得一个大面积的光源。图4这种利用发光二极管作照明光源的结构没有能够消除LED的高亮度对人眼带来的威胁。而且图4所示的光源难以做到均匀，发光面是由一个个离散的发光点组成，这难以符合高质量照明光源的要求。
综上所述，现阶段的半导体照明的封装结构不能满足半导体照明的需要，有必要设计一种能将发光二极管的近似点光源转变成均匀出光的面光源的封装结构。
发明内容
本发明是为了解决发光二极管照明应用中的采用一个透镜将LED发出的光均匀准直输出，形成一个定向发射的面光源的问题而完成的，其目的是提供一种高效率、简洁的发光二极管的封装结构。
本发明的特征在于：
它含有一个封装底座和一个绑定在封装底座上封装发光二极管的准直透镜。所述准直透镜含有：
准直透镜顶部的折射部分：它所折射的是LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角小的那一部分光线；
准直透镜侧面的全反射部分：它所反射的是LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角大的那一部分光线；
准直透镜上表面的折射/全反射部分：它所折射的是从上述准直透镜侧面的全反射部分所全反射出来的光线和从下述准直透镜下表面反射部分反射出来的光线；它所全反射的是从LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角中等的那一部分光线；
准直透镜下表面的反射部分：它所反射的是从上述准直透镜上表面折射/全反射部分中所全反射过来的那一部分光线。
所述的准直透镜是对所述封装结构的旋转对称轴旋转对称的。
所述的准直透镜在与所述旋转对称轴垂直的平面上的投影是一个正N边形，N＞2，是一个正N边形准直透镜。
所述准直透镜所用材料的折射率在1.3～3.5之间。
所述准直透镜中，其顶部的折射部分、上表面折射/全反射部分、下表面全反射部分以及侧面全反射部分的曲线是下列曲线中的任何一种：直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在2次以上的高次曲线，或者是上述曲线中任何一种两条或两条以上拼接的。
所述准直透镜下表面反射部分镀有高反射率膜。
所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置LED芯片且形状任意的区域，所述区域是用透明材料填充的，所述透明材料的折射率在1.3～3.5之间，它的折射率与所述准直透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED的区域，所述准直透镜内部空腔的形状与上述半球形透镜的形状相吻合，两者之间是透明的材料，所述透明材料的折射率在1.3～3.5之间，它的折射率与所述准直透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED的区域，所述准直透镜内部空腔的形状与上述半球形透镜的形状相吻合，但两者之间存在一个空腔。
所述的准直透镜是一个准直透镜组，它由M个相同的准直透镜水平拼装扩展而成，它的面积为M×S，等于一个定向发射的面光源的面积，其中S是所述透镜组中每一个透镜在俯视图上的投影面积。
所述的发光二极管是用点光源来代替的。
通过实验制作得到具有旋转对称的圆形准直透镜和正六边形的准直透镜。进而将圆形和六角形的准直透镜封装在LED的封装底座上，分别得到圆形和六角形的准直LED。采用LED测试设备测量准直LED的光强远场分布和总光通量，得到准直LED的光强远场分布图和总光通量的值。实验结果表明：圆形和六角形的准直LED的光强远场分布的1/2强度全角(θ1/2)为12度左右，与理论计算的结果10度左右非常接近，因而准直LED的光发散角使其能实现定向发射。在采用相同芯片封装的条件下，圆形和六角形的准直LED与采用传统圆顶透镜封装的LED相比，总光通量为其90％，这说明采用准直LED封装的LED具有良好的准直功能，而且出光效率接近传统的简单圆顶透镜。本发明公布的新型准直LED将LED的近似点光源高效地转化成面光源，有效消除了LED对人眼健康的威胁，在各种需要准直投射功能的场合如投影仪、射灯、手电、舞台灯等将得到广泛的应用。
附图说明
图1为常规封装的LED封装结构示意图。
图2为常规封装的LED和反射器组合结构图。
图3为常规封装的LED和带有空气隙的准直透镜组合应用的断面图。
图4为多个常规封装的LED组合形成大面积光源的基本结构图。
图5为本发明实施例1的的封装结构断面图。
图6为本发明实施例1的具有旋转对称性的准直透镜三维图。
图7为本发明实施例1中准直透镜和常规封装的LED紧密配合使用的基本结构图。
图8为本发明实施例1中准直透镜和常规封装的LED非紧密配合使用的基本结构图。
图9为本发明实例1中准直透镜和封装底座绑定方式图。
图10为本发明实施例1的光线追踪图。
图11为本发明实施例2的光线追踪图。
图12为本发明实施例3的正N边形准直透镜的三维图。
图13为本发明实施例3多个正N边形准直LED水平拼装扩展为大面积定向面光源的结构示意图。
图14为本发明公开的准直透镜50经过实验测试以后得到的极坐标下四个不同截面上的光强远场分布图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
本发明所公开的准直发光二极管的基本结构如图5所示。图5描述准直发光二极管的封装结构包含一个旋转对称轴52，准直发光二极管包含一个准直透镜50和一个封装底座51。准直透镜50被绑定在封装底座51上。封装底座51的形式较多，其中58是发光二极管。发光二极管被固定在金属热沉上，再由金丝、铝丝等绑定。封装底座51可能包括一个金属反射杯，芯片被固定在金属反射杯里面，使得由发光二极管芯片58发出的光经过金属反射杯反射以后向上射出。发光二极管芯片58本身底部可能包含有高反射率的金属层，使得发光二极管58的有源层发出的向下发射的光经过高反射率的金属层反射向上射出。发光二极管芯片58可以是AlGaInN材料系的发光二极管，也可以是AlGaInP材料系的发光二极管。发光二极管芯片58可以是常规尺寸的LED(350μm×350μm)，也可以是功率型的LED(1mm×1mm)。发光二极管芯片58上可以涂覆有荧光粉。总之，从发光二极管芯片58发出的光由准直透镜50所收集，进而得到准直。
图5中，准直透镜50底部存在一个空腔57。在准直透镜和封装底座51进行绑定的时候，空腔57被填充一种透明的树脂。空腔57填充的透明树脂使得发光二极管芯片得到保护，而且能够减小发光二极管芯片58的材料折射率和准直透镜的材料折射率之间的失配带来的光提取的损失。所述透明树脂的材料折射率可以和准直透镜50的材料折射率匹配，也可以处于发光二极管芯片58的体材料折射率和准直透镜50材料折射率之间。所述透明树脂的材料折射率在1.3-3.5之间。
图5中，准直透镜50将来之不同方向的光分别使用不同的导引机制进行准直。从纵剖面图看，准直透镜50的构成部分分为顶部椭圆部分53，圆形上表面全反射/折射部分54，直线形下表面反射部分55，双曲线形侧面全反射部分56，顶部椭圆部分53用来收集准直与旋转对称轴52夹角较小(大约0°-30°)的光线。侧面全反射部分56和上表面全反射/折射部分共同起作用来收集准直与旋转对称轴52夹角很大(大约50°-90°)的光线。上表面全反射/折射部分54和下表面反射部分55共同起作用来准直与旋转对称轴52夹角适中(大约30°-50°)的光线。这样，与旋转对称轴52夹角0°到90°的光线都能得到准直。
准直透镜50可以由一系列的方法来制作，包括模具注塑、灌注脱膜、金刚石刀具加工等方法。准直透镜50的制作材料是透明的，透射率要求较高。准直透镜50的制作材料可以是但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸脂(PC)、PEI、COC等。准直透镜50的制作材料要求透明，可以是某种有颜色的材料。准直透镜50的材料折射率在1.3-3.5之间。
图6是本发明公开的准直透镜50的三维结构示意图。其中52是旋转对称轴，61是发光二极管芯片的中心点。
图7是本发明公开的准直透镜50和传统封装结构20粘接配合，达到准直效果的结构图。传统封装结构20含有一个半球形的透镜，同时准直透镜50的空腔57的形状与传统封装结构20的半球型透镜吻合。再采用折射率合适的树脂材料将准直透镜50的空腔和传统封装20的半球形透镜粘接，粘接用的树脂材料的折射率与准直透镜50的材料折射率和传统封装20的透镜材料折射率同时匹配。如果准直透镜50的材料折射率和传统封装20的材料折射率不一致，可以采用折射率在两者之间的树脂材料来粘接。粘接用的树脂材料可以是但不限于环氧树脂、硅胶等。粘接用的树脂材料折射率在1.3-3.5之间。通过准直透镜和传统封装结构20粘接配合使用，能够使来之发光二极管芯片的光得到准直，形成一个面光源输出。
图8是本发明公开的准直透镜50和传统封装结构20非接触配合，达到准直效果的结构图。传统封装结构20含有一个半球形的透镜，同时准直透镜50的空腔57的形状也是半球形，但是空腔57的半球形半径大于传统封装20的半球形透镜的半径。因此准直透镜50和传统封装结构20之间存在一个空气隙59。通过准直透镜和传统封装结构20存在空气隙的非接触配合使用，能够使来自发光二极管芯片的光得到准直，形成一个面光源输出。
图9是本发明公开的一种准直透镜50和封装底座的绑定方式。准直透镜50的底部有4根伸出的桩62，封装底座的基板上分布了与准直透镜50底部的4根桩62对应的4个小孔。准直透镜50的4根伸出的桩62深入到封装底座的基板上的4个小孔中，再用粘胶粘牢。准直透镜也可以被超声焊接在LED的封装底座上。准直透镜也可以被加热固定在LED的封装底座上。准直透镜或者被咬合在LED的封装底座上。
图10和图11是本发明公开的两种不同形状的准直透镜50的光线追踪示意图。准直透镜50具有一个旋转对称轴52。发光二极管芯片的中心点是61，准直透镜50的构成部分分为顶部椭圆部分53，上表面全反射/折射部分54，准直透镜下表面反射部分55，准直透镜侧面全反射部分56。图10中，上表面全反射/折射部分54、准直透镜下表面反射部分55、准直透镜侧面全反射部分56均为光滑的曲线。图11中，准直透镜下表面反射部分55由两条直线构成，上表面全反射/折射部分54由多段直线构成，准直透镜侧面全反射部分56为光滑曲线。图10和图11中，与旋转对称轴52夹角较小(大约0°-30°)的从LED芯片发出的光线直接通过准直透镜顶部的折射部分53得到折射，经过一次折射得到准直。与旋转对称轴52夹角较大(大约50°-90°)的从LED芯片发出的光线直接通过准直透镜侧面的全反射部分56得到全反射，再通过准直透镜上表面折射/全反射部分54得到折射，光线经过一次全反射和一次折射得到准直。与旋转对称轴夹角适中(大约30°-50°)的从LED芯片发出的光线直接通过准直透镜上表面的折射/全反射部分54得到全反射，再通过准直透镜下表面反射部分55得到反射，最后经过准直透镜上表面折射/全反射部分54得到折射，光线经过一次全反射、一次反射和一次折射得到准直。这样，与旋转对称轴52夹角0°到90°的光线都能得到准直。由于所述准直透镜下表面反射部分54处不满足光线全反射条件，需要在所述准直透镜下表面反射部分54处镀高反射率金属膜。镀膜的方式可以是，但不限于真空蒸发、溅射、电镀等，采用的材料可以是但不限于铝、银、镍铬合金等金属
图12是本发明公开的不具有旋转对称性的准直透镜70的三维示意图。准直透镜70具有一个对称轴71，发光二极管芯片的中心位于点61。准直透镜70的通过对称轴71的任意端面均具有图10或者图11的结构，只是准直透镜70不具有旋转对称性。准直透镜70是由准直透镜50直接切割而成，切割的结果是准直透镜70的上表面全反射/折射曲面在对称轴71的方向上的投影是一个正N边形(图12描述的是一个正方形)，所以准直透镜70具有正N边形结构。正N边形结构的准直透镜同样可以制作准直发光二极管。正N边形准直透镜的最大优势在于可扩展性。多个由正N边形准直透镜封装的准直发光二极管可以集群使用，形成一个更大面积的光源。
图13是本发明公开的正N边形准直透镜集群使用的示意图。多个(1＜N＜1000000)由正N边形准直透镜70封装的准直发光二极管可以集群使用，绑定在散热基板42上，形成一个更大面积的光源。所述多个(1＜N＜1000000)正N边形准直透镜70封装的LED模块之间的连接可以采用咬合方式、粘接方式等。所述多个正N边形准直透镜70封装的LED模块可以采用一个整体的正N边形准直透镜，由模具注塑的方法制作。所述多个正N边形准直透镜封装的LED模块可以采用一个整体的正N边形准直透镜，由灌注脱膜的方法制作。所述多个正N边形准直透镜封装的LED模块可以采用一个整体的正N边形准直透镜，由金刚石刀具加工的方法制作。
所述准直透镜50也可以封装除发光二极管以外的其他任意近似点光源，可以是但不限于白炽灯、卤素灯。
图14是本发明公开的准直透镜50经过实验检验以后得到的极坐标下四个不同截面上的光强远场分布图。由图14可见，θ1/2(光强远场分布全角)仅为12°左右，这说明本发明公开的准直透镜50能够有效的将发光二极管的近似点光源转换成一个定向性很好的面光源。而且图14显示：四个截面上的光强远场分布图近似重合，说明准直透镜50封装的具有准直功能的发光二极管的光强分布在旋转轴方向上也具有对称性。

Claims (11)

1.一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：它含有一个封装底座和一个绑定在封装底座上封装发光二极管的准直透镜，所述准直透镜含有：
准直透镜顶部的折射部分：它所折射的是LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角小的那一部分光线；
准直透镜侧面的全反射部分：它所反射的是LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角大的那一部分光线；
准直透镜上表面的折射/全反射部分：它所折射的是从上述准直透镜侧面的全反射部分所全反射出来的光线和从下述准直透镜下表面反射部分反射出来的光线；它所全反射的是从LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角居中的那一部分光线；
准直透镜下表面的反射部分：它所反射的是从上述准直透镜上表面折射/全反射部分中所全反射过来的那一部分光线。
2.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述的准直透镜是对所述封装结构的旋转对称轴旋转对称的。
3.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述的准直透镜在与所述旋转对称轴垂直的平面上的投影是一个正N边形，N＞2，是一个正N边形准直透镜。
4.根据权利要求1、或2、或3所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述准直透镜所用材料的折射率在1.3～3.5之间。
5.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述准直透镜中，其顶部的折射部分、上表面折射/全反射部分、下表面全反射部分以及侧面全反射部分的曲线是下列曲线中的任何一种：直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在2次以上的高次曲线，或者是上述曲线中任何一种两条或两条以上拼接的。
6.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述准直透镜下表面反射部分镀有高反射率膜。
7.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置LED芯片且形状任意的区域，所述区域是用透明材料填充的，所述透明材料的折射率在1.3～3.5之间，它的折射率与所述准直透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
8.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED的区域，所述准直透镜内部空腔的形状与上述半球形透镜的形状相吻合，两者之间是透明的材料，所述透明材料的折射率在1.3～3.5之间，它的折射率与所述准直透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。
9.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED的区域，所述准直透镜内部空腔的形状与上述半球形透镜的形状相吻合，但两者之间存在一个空腔。
10.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述的准直透镜是一个准直透镜组，它由M个相同的准直透镜水平拼装扩展而成，它的面积不小于M×S，其中S是所述透镜组中每一个透镜在俯视图上的投影面积。
11.根据权利要求1所述的一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：所述的发光二极管是用点光源来代替的。
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