CN217983382U - 一种基于超透镜同轴封装的发光二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型专利提供了一种基于超透镜同轴封装的发光二极管，包括：底座；发光二极管芯片，设置于所述底座上；管帽，罩设于所述发光二极管芯片上，并与所述底座相连，所述管帽上设置有与所述发光二极管芯片相对的安装部；超透镜，设置于所述安装孔中，其包括基板和阵列式设置于所述基板表面的超表面结构，所述超表面结构位于靠近所述发光二极管芯片的一侧；所述底座、所述管帽以及所述超透镜同轴封装到一起，形成一可用于容纳所述发光二极管芯片的空腔。同轴封装超透镜，更好地准直了发光二极管的发散光，避免了封装传统光学透镜的引入带来的体积大、效率低、不易集成等问题，具有体积小、重量轻、成本低、易集成等优点。

Description

一种基于超透镜同轴封装的发光二极管

技术领域

本实用新型涉及发光二极管领域，更具体的说，涉及一种基于超透镜同轴封装的发光二极管。

背景技术

发光二极管是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能，在现代社会具有广泛的用途，如照明、平板显示、医疗器件等。同轴封装的发光二极管在医疗照明领域，尤其内窥照明领域发挥着重要作用。发光二极管的发光发散角较大，传统同轴封装的发光二极管通过同轴封装一个球透镜在管帽上来准直光线，其准直效果不佳，并且传统的同轴封装的光学透镜具有体积大、重量沉、不易集成等缺点，直接导致了发光二极管体积大、重量沉、不易集成。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供了一种基于超透镜同轴封装的发光二极管。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，包括：

底座；

发光二极管芯片，设置于所述底座上；

管帽，罩设于所述发光二极管芯片上，并与所述底座相连，所述管帽上设置有与所述发光二极管芯片相对的安装部；

超透镜，设置于所述安装部上，其包括基板和阵列式设置于所述基板表面的超表面结构，所述超表面结构位于靠近所述发光二极管芯片的一侧；

所述底座、所述管帽以及所述超透镜同轴封装到一起，形成一可用于容纳所述发光二极管芯片的空腔。

进一步的是，所述超表面结构包括若干超表面单元和设置于每个所述超表面单元中心位置的纳米结构。

进一步的是，所述超表面单元为正四边形或者正六边形，所述纳米结构为纳米柱结构，所述纳米柱结构包括圆形纳米柱结构、圆孔纳米柱结构、中空纳米柱结构、环孔纳米柱结构或拓扑纳米柱结构中的任意一种或多种。

进一步的是，所述安装部包括安装孔或卡接或夹持结构。

进一步的是，所述基板的材料为玻璃、熔融石英或其他可见光近红外光透光材料，所述纳米结构的材质为非晶硅、单晶硅、石英、蓝宝石、氮化硅、氮化镓、氧化钛中的任意一种。

进一步的是，所述超透镜与所述超表面结构相同的一侧和/或与所述超表面结构不同的一侧镀有相应工作波段的增透膜，所述工作波段波长范围为400-700纳米的可见光或1260-1360纳米的第一近红外光或1530-1590纳米的第二近红外光。

进一步的是，所述超透镜具有正透镜相位分布。

进一步的是，所述超透镜为圆形，所述超透镜的直径为1-10毫米。

进一步的是，所述超透镜的焦距大于或等于所述超透镜与所述发光二极管芯片的发光面之间的距离，所述超透镜的焦距为1-15毫米。

进一步的是，所述发光二极管芯片的工作波段波长范围为400-700纳米的可见光或1260-1360纳米的第一近红外光或1530-1590纳米的第二近红外光。

实施本使用新型的基于超透镜同轴封装的发光二极管，具有以下有益效果：本实用新型通过同轴封装超透镜，有效地准直了发光二极管的发散光，其准直效果更佳，且避免了封装传统光学透镜的引入带来的体积大、效率低、不易集成等问题，同时还具有体积小、重量轻、成本低、易集成等优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1A是本实用新型实施例提供的基于超透镜同轴封装的发光二极管的结构示意图；

图1B是本实用新型实施例提供的基于超透镜同轴封装的发光二极管的使用原理的示意图；

图2A是本实用新型实施例提供的超透镜的结构示意图；

图2B是本实用新型实施例提供的超透镜的正四边形结构单元排列示意图；

图2C是本实用新型实施例提供的超透镜的正六边形结构单元排列示意图；

图3A是本实用新型实施例提供的超透镜的圆纳米柱的结构示意图；

图3B是本实用新型实施例提供的超透镜的圆纳米柱在940nm波段的光相位与横截面直径关系的示意图；

图3C是本实用新型实施例提供的超透镜的圆纳米柱在940nm波段的透过率与横截面直径关系的示意图；

图4A是本实用新型实施例提供940nm波段，焦距为4毫米的超透镜镜面光相位与超透镜半径的曲线示意图；

图4B是本实用新型实施例提供940nm波段，焦距为6.86毫米的超透镜镜面光相位与超透镜半径的曲线示意图；

图5A是本实用新型实施例提供940nm波段，焦距为4毫米的超透镜表面纳米结构的分布示意图；

图5B是本实用新型实施例提供940nm波段，焦距为6.86毫米的超透镜表面纳米结构分布示意图；

图中标记为：底座1，发光二极管芯片2，发光面21，管帽3，超透镜4，基板41，超表面结构42，超表面单元43，纳米结构44，空腔5，正负极接口6。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本使用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种基于超透镜同轴封装的发光二极管，一实施例的结构参见图1A至图2A，该基于超透镜同轴封装的发光二极管包括底座1、发光二极管芯片2、管帽3以及超透镜4；所述发光二极管芯片2设置于所述底座1上；所述管帽3罩设于所述发光二极管芯片2上，并与所述底座1相连，所述管帽3上设置有与所述发光二极管芯片2相对的安装部；所述超透镜4设置于所述安装部上，其包括基板41和阵列式设置于所述基板41表面的超表面结构42，所述超表面结构42位于靠近所述发光二极管芯片2的一侧；所述底座1、所述管帽3以及所述超透镜4同轴封装到一起，形成一可用于容纳所述发光二极管芯片2的空腔5。相比于传统光学透镜，所述超透镜4具有体积小、重量轻、易集成等优点，从而使得该基于超透镜同轴封装的发光二极管整体体积小、重量轻；通过在所述发光二极管芯片2前添加所述超透镜4，所述超透镜4用于聚光，有效的减小了所述发光二极管芯片2的发散角，同时增加了照明距离。

所述管帽3为不透光金属材质或合金材质；所述管帽3形状为满足罩设要求的任一形状，可选的，所述管帽3的形状可以为中空的圆柱状、圆台状、正方体状、长方体状中的任意一种，本实施例以中空圆柱状的镍铁合金管帽为例进行说明。

所述超透镜4安装于所述安装部上，所述安装部可以是设在所述管帽3上的安装孔或卡接或夹持结构，优选地，安装部为安装孔结构，安装孔形状为满足所述超透镜4架设要求的任一形状，可选的，所述安装孔的形状可以为圆形、椭圆形、四边形、多边形中的任意一种；所述安装孔的直径大于或等于2毫米，并小于或等于10毫米。本实施例以直径为5.5毫米的圆形安装孔为例进行说明，可以理解的，所述安装孔的形状和尺寸可以为其他满足辐射收集要求的选择。

所述安装孔位于所述管帽3中心位置，所述安装孔与所述发光二极管芯片2的发光面同轴排列；所述超透镜4的形状、尺寸与所述安装孔相匹配；所述超透镜4架设在所述安装孔位置，与所述发光二极管芯片2的发光面同轴排列；所述超透镜4的所述超表面结构42一侧朝向所述发光二极管芯片2的发光面21；所述超透镜4与所述发光二极管芯片2的发光面之间的间距可为满足封装要求的任一选择，可选的，间距大于或等于2毫米，并小于或等于4毫米。

在该基于超透镜同轴封装的发光二极管中，所述基板41可以透过目标波段的光，所述基板41的材料可以根据需要选择，所述基板41的材料可为玻璃、熔融石英和其他可见光近红外光透光材料，本实施例以所述基板41为熔融石英材料为例进行描述，可以理解的，其他目标波段的透光材料同样可以选择。所述基板41厚度可以根据需求设计，可选的，所述基板41的厚度大于等于0.1毫米，小于等于0.5毫米，本实施例优选以0.3毫米厚度的基板41为例进行描述，另外在所述基板41的下方还设有正负极接口6，以通过该正负极接口6连接电源为发光二极管供电。

结合图2A至图2C所示，所述超表面结构42包括若干超表面单元43和设置于每个所述超表面单元43中心位置的纳米结构44。示例的，本实施例中以正六边形排列的超表面结构42阵列为例进行描述，每个超表面单元43的中心位置分别设有一个纳米结构44，阵列示例图参见图2C，可以理解的，其他满足要求的排列方式也可以选择,阵列示例图参见图2B。

请参考图2B与图2C，所述超表面单元43为正四边形或者正六边形。所述纳米结构44为纳米柱结构，所述纳米柱结构包括圆形纳米柱结构、圆孔纳米柱结构、中空纳米柱结构、环孔纳米柱结构或拓扑纳米柱结构中的任意一种或多种；本实施例提供的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其中所述超透镜4的表面纳米柱结构分布示意图参见图5A。所述基板41的材料为熔融石英，所述纳米结构44的材质为非晶硅。示例的，本实施例以圆形纳米柱结构为例进行描述，所述纳米结构44的材质选择需要避免在目标波段的强吸收，本实施例以硅制纳米结构为例进行描述。可以理解的是，所述纳米结构44的材质可以为其他满足目标波段透明需求的选择，示例性的，所述纳米结构44的材质可为非晶硅、单晶硅、石英、蓝宝石、氮化硅、氮化镓、氧化钛中的一种。所述纳米柱结构的横截面形状可为圆形、椭圆形、四边形、五边形、六边形、拓扑形状中的一种或多种的组合，本实施例以横截面为圆形的正纳米柱为例进行说明，参见图3A。

所述超表面结构42的纳米结构的几何尺寸，包括纳米柱高度、横截面直径、纳米柱之间间距，可以根据照明需求选择。其中，纳米柱结构的高度大于或等于0.2微米，并且小于或等于5微米；相邻的纳米柱结构之间的间距须大于或等于0.35微米，并小于或等于5微米；纳米柱结构的最小尺寸(直径、高度和/或相邻的两个纳米柱结构间的最小间距等)大于或等于0.05微米；纳米柱结构的最大深宽比，即纳米柱结构的高度与超透镜4中纳米柱结构最小直径的比值小于或等于20。示例的，本实施例中，不同位置处纳米柱结构的高度均为0.5微米，相邻纳米柱结构中心之间的间距为0.4微米，纳米柱结构的横截面直径大于或等于0.06微米，并小于或等于0.34微米。

具体的，在940纳米入射光波长的范围内，纳米柱结构光相位与横截面直径之间的关系参见图3B；在940纳米入射光波长的范围内，纳米柱结构透过率与横截面直径之间的关系参见图3C。可以理解的，纳米柱结构的几何形状和尺寸可以为其他满足探测需求和加工条件的选择。

在本实施例中，所述超透镜4与所述超表面结构42相同的一侧和/或与所述超表面结构42不同的一侧镀有相应工作波段的增透膜，所述工作波段波长范围为400-700纳米的可见光或者1260-1360纳米的第一近红外光或者1530-1590纳米的第二近红外光。

所述超透镜4为圆形，所述超透镜4的直径为1-10毫米，可选地，所述超透镜4的直径可为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm中的任意一项。

所述超透镜4的焦距大于或等于所述超透镜4与所述发光二极管芯片2的发光面之间的距离，所述超透镜4的焦距为1-15毫米。可选地，所述超透镜4的焦距可为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm中的任意一项。

所述超透镜4具有正透镜相位分布。所述超透镜4为聚光透镜，可选的，所述超透镜4镜面的相位分布为正透镜相位分布，具体如下：

其中，λ为光波波长,r为各纳米柱结构至基板41中心的距离，f为超透镜4的焦距。所述波长λ可为该基于超透镜同轴封装的发光二极管的目标波段中的任一波长。可选的，波长为940纳米，示例的，本实施例以目标波段为940纳米的基于超透镜同轴封装的发光二极管为例进行说明。

所述超透镜4的焦距为1-15毫米，所述超透镜4与所述发光二极管芯片2的发光面之间的距离为1-15毫米。所述超透镜4焦距f大于或等于所述超透镜4与所述发光二极管芯片2的发光面之间的间距，可选的，所述超透镜4焦距大于或等于1毫米，并小于或等于15毫米；所述发光二极管芯片2的发光面的尺寸为满足所述管帽3罩设要求的任一尺寸；所述发光二极管芯片的发光面的形状和尺寸为满足发光二极管芯片2的任一尺寸，可选的，所述发光二极管芯片2的发光面的形状可为圆形、椭圆形、多边形中的任意一种。本实施例以方形发光面为例进行说明，发光面的边长为0.7毫米或1.2毫米。本实施例中，所述超透镜4的焦距选择，使得其经过超透镜4后的发散角小于10°。本实施例中，针对边长为0.7毫米的方形发光面，对应超透镜4的焦距为4毫米，在工作波长940纳米处，所述超透镜4的镜面光相位分布与超透镜4半径的曲线关系参见图4A；针对边长为1.2毫米的方形发光面，对应超透镜4的焦距为6.86毫米，在工作波长940纳米处，所述超透镜4的镜面光相位分布与超透镜4半径的曲线关系参见图4B。可以理解的，在基于超透镜同轴封装的发光二极管中，所述超透镜4、发光二极管芯片2、发光面的形状、尺寸和间距，可以为其他满足准直目的的选择；所述超透镜4的镜面相位分布可以为其他满足目标波段聚光要求的选择。图5A与图5B分别给出了焦距为4毫米与6.86毫米的超透镜4光刻版图。

本实用新型的基于超透镜同轴封装的发光二极管，通过在同轴封装超透镜4，有效地准直了发光二极管芯片2的发散光，同时避免了封装传统光学透镜的引入带来的体积大、效率低、不易集成等问题，具有体积小、重量轻、成本低、易集成等优点。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，包括：

底座；

发光二极管芯片，设置于所述底座上；

管帽，罩设于所述发光二极管芯片上，并与所述底座相连，所述管帽上设置有与所述发光二极管芯片相对的安装部；

超透镜，设置于所述安装部上，其包括基板和阵列式设置于所述基板表面的超表面结构，所述超表面结构位于靠近所述发光二极管芯片的一侧；

所述底座、所述管帽以及所述超透镜同轴封装到一起，形成一可用于容纳所述发光二极管芯片的空腔。

2.根据权利要求1所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述超表面结构包括若干超表面单元和设置于每个所述超表面单元中心位置的纳米结构。

3.根据权利要求2所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述超表面单元为正四边形或者正六边形，所述纳米结构为纳米柱结构，所述纳米柱结构包括圆形纳米柱结构、圆孔纳米柱结构、中空纳米柱结构、环孔纳米柱结构或拓扑纳米柱结构中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述安装部包括安装孔或卡接或夹持结构。

5.根据权利要求2所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述基板的材料为玻璃、熔融石英或其他可见光近红外光透光材料，所述纳米结构的材质为非晶硅、单晶硅、石英、蓝宝石、氮化硅、氮化镓、氧化钛中的任意一种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述超透镜与所述超表面结构相同的一侧和/或与所述超表面结构不同的一侧镀有相应工作波段的增透膜，所述工作波段波长范围为400-700纳米的可见光或1260-1360纳米的第一近红外光或1530-1590纳米的第二近红外光。

7.根据权利要求1-5任一项所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述超透镜具有正透镜相位分布。

8.根据权利要求1-5任一项所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述超透镜为圆形，所述超透镜的直径为1-10毫米。

9.根据权利要求1-5任一项所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述超透镜的焦距大于或等于所述超透镜与所述发光二极管芯片的发光面之间的距离，所述超透镜的焦距为1-15毫米。

10.根据权利要求9所述的基于超透镜同轴封装的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管芯片的工作波段波长范围为400-700纳米的可见光或1260-1360纳米的第一近红外光或1530-1590纳米的第二近红外光。

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