TW200950159A - A luminous device - Google Patents

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200950159 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體發光裝置之領域，更特定言之係關 於一種包含一光透射元件之發光裝置，該光透射元件包含 用於產生光的一半導體二極體結構。 【先前技術】 半導體二極體（例如光發射二極體（LED)、高功率LED、 有機光發射二極體（OLED)以及雷射二極體）已知係能量有 效率並且小的光源，其具有小光展量（etendue)(即發射面 積與其中發射光的立體角之乘積）。此暗示此等二極體發 射自相對較小區域的光至一有限角範圍（例如半球體）中。 藉由使用半導體二極體，可建立小並且有效率的光學系 統。此類光學系統通常準直/引導光以如任—特定應用所 需要而進一步處理。應用之典型範例係投影系統、汽車前 照明、相機LED閃光燈以及聚光燈。對於此等應用之大多 數，LED光展量之進一步減小為設計之改良式小型化所需 要。然而，僅藉由按比例減小整個半導體二極體來減小半 導體二極體之大小會減小產生的光通量。已做出努力來改 良一光發射區域之光方向以及位置（例如）以增加一特定光 學設計之效率。例如，朝一裝置之邊緣或向後朝該半導體 二極體周圍的反射器發射的光通常係難以在準直光學元件 中使用並且增加半導體二極體之光展量。 在美國專利5,528,057中，揭示一發光元件，其包含具有 傾斜同心表面部分的一光學反射表面（一反射透鏡層），其 139239.doc 200950159

用於朝S亥元件之一出知兹eg e I 03对®濃縮在一發光區域中產生的光。 組態該發光元件以僧_ I m a __ 更作用層之一區用作該發光區域。不 利地，該發光元件之效率係不理想。 【發明内容】 • 本發明之一目的係減輕先前技術之問題。 此目的係藉由如在隨附的獨立技術方案^中提出的發光 裝置以及如在隨附的獨立技術方案15中提出的照明系統來 ⑩ 滿足。在巾請專利範15附屬項中定義特定具體實施例。 依據本發明之-態樣，提供—發光裝置，其包含一光透 射元件（或光透射裝配件），其包含用於產生光的一半導體 二極體結構（或半導體二極體）、用於反射來自該二極體的 光至該光透射元件中的一反射區段以及用於輸出來自該二 極體結構的光之一輸出區段。此外，該發光裝置進一步包 含至少部分地封圍該光透射元件之側表面的一反射結構， 其用於反射來自該二極體結構的光朝向該輸出區段。 Φ 依據本發明之另一態樣，提供一照明系統，其包含依據 本發明之具體實施例的發光裝置。 本發明之一想法係藉由減小光輸出區段，同時維持產生 光量（或光通量）來提供具有減小光展量之發光裝置。該發 ’ 光裝置包含一光發射（或透射）元件（或光發射裝配件）以及 一反射結構，其至少部分地包圍該光發射元件，以及至少 一個半導體二極體結構（或半導體二極體晶粒）。將該光透 射元件之表面或多個表面（其中可發射/擷取光）劃分成具有 不同特性的至少兩個區段或區域（即可圖案化該表面或該 139239.doc 200950159 等表面）。至少一個區域具有高棟取效率，而至少一個另 一區域具有高反射效率（或低擷取效率）。換言之，該反射 區段及/或該輸出區段可加以配置在該光發射元件之一頂 部表面上及/或該光發射元件之一或多個側表面上。可與 一子基板（於其上可配置該半導體二極體結構）相對地配置 該頂部表面以便將該光發射元件定位在其頂部表面與該子 基板之間。具有高反射效率的（至少一個）區段係旨在反射 來自該半導體二極體的光回至該光發射元件以便該光可朝 該輸出區段加以反射（直接或經由（例如）該反射結構中的額 外反射）並且因而貢獻自該發光裝置的光通量《該反射結 構（封圍該光透射元件）亦反射光（直接或經由（例如）該反射 區段中的額外反射），以便反射的光最終可透過該（等）輸出 區段（輸出表面）來發射。 此外，藉由最佳化該反射結構以及該半導體二極體結構 (或半導體二極體）中的低損失條件來再循環非擷取光。因 此’該光在空腔中反彈，直至其碰撞擷取區域（或輸出區 段）’其中將省略光。因此’總光通量之某些可能會損 失’但是該輸出區段中的通量密度（亮度）可能會增加。依 據以上說明，已獲得具有減小光展量的一發光裝置，同時 保持該裝置的光通量儘可能高。有利地，透過界定的輸出 區段發射的光係更容易用於應用中並且導致任一應用光學 構造的較小設計。 可注意’是否將存在總通量損失取決於該裝置的構造， 特別係周圍子基板的構造。對於藉由該光發射元件之邊緣 139239.doc 200950159 發射至該子基板的光’具有低反射率的子基板將產生高光 損失因此，較佳的係利用高反射率之反射結構，藉以可 增加通量密度。

❹ 此外，即使由該LED發射的總光通量可能會減少，但是 一光學構造（例如準直器）中的有用總光通量可能會增加， 因為在最有效地用於應用t的方向上發射更多光。例如， 至該光發射元件之頂部表面(即劃分成多個區段之上述表 面）的正常角（0度）附近10至15%的亮度增加會產生該準直 器（光學構造）中的光增益，同時高角度（例如8〇至9〇度）處 的光通量並非由該準直器有效率地使用。 對向上」向下」、「頂部」、「底部」、「上部」、「下 邛」以上」、「以下」等的任何參考將參考平行於該半導 體二極體結構之平面的—平面來進行而且係僅使用以便增 加清楚性。因此應注意，該發光裝置可以任何特定角來傾 斜，以便此等參考可能需要關於目前所觀察的特定發光裝 置的實際位置來重新解釋。 士夕，可注意，該光透射元件之側表面係—般垂直於該 輸出區段之一平面 '然而，亦可針對任—特定應用來實現 其他角方位。較佳的係’該半導體二極體結構係一頂部發 射類型。 此外’反射結構可包含任—適當反射構件（例如一反射 層、一反射塗層、反射膜）或—反射器（例如二色性） 鏡 散射反射器、一金屬反射器、一個-.M 一色性反射器） 或其組合或類似物。 139239.doc 200950159 措辭「用於產生光的半導體二極體結構」應理解為包含 一雷射二極體，特定言之係一 VCSEL(垂直腔表面發射雷

射）、一光發射二極體（LED)或類似物。可注意，一 VcSE]L 一般透過一頂部表面來準直發射。因此，—般地，一 VCSEL將僅透過該頂部表面而非透過該等側表面來發射 光。然而，當將一 VCSEL·與一磷光體組合以將紫外光或藍 光轉換為另一顏色時，將加以散射光並且光將可能透過該 等側表面加以發射。 頃發現’在依據本發明之發光裝置的具體實施例中該 二極體結構之光產生區較佳地係盡可能大。此外，較佳的 係，該輸出區段（或多個區段）的區域係小於該光透射結構 之頂部表面的區域（而且小於該二極體結構之該（等）光產生 區的區域）。較佳地，該反射區段（或多個區段）之區域與該 輸出區段（或多個區段）之區域的比率係相對小，即該輸出 區段（或多個區段）與該反射區段（或多個區段）比較係大 的。因為該輸出區段係小於其中產生光的區域，故減小光 展量’而且由於藉由該反射結構進行再循環，所以達到亮 度增益。以此方式，減小該發光裝置的光展量，即產生並 且自一輸出區段輸出大光通量’此可構成該光發射元件之 頂部表面的一部分（或光發射元件之側表面的一部分）。此 外’在一些具體實施例中較佳的係實質上由該反射結構完 全封圍該等側表面。 在依據本發明之發光裝置的一具體實施例中，該反射區 段具備具有小於該光透射元件之折射率的一折射率之材 139239.doc 200950159 料，藉以可由全内反射來反射光。換言之，提供自該光透 射元件之一第一折射率至低於在該反射區段中提供的材料 之提及的第一折射率之一折射率的轉變。以此方式，將由 全内反射來反射入射在該反射區段上的光之一實質部分。 . 此特別出現在該光透射元件的折射率與具有高反射率的區 域（反射區段）比較係高時。 在依據本發明之發光裝置的另一具體實施例中，該反射 φ 結構進一步封圍該反射區段，即可由至少部分地封圍該光 透射元件以及該光透射元件之該反射區段的該反射結構提 供該反射區段中的反射構件。具有低（與該輸出區段比較） 擷取效率的（至少一個）區段亦可具有低光學損失特性，以 便不實質上損失（吸收）入射在此區段或此等區段上的光。 典型地，該等反射區段包含具有接近於100%的反射係數 之高反射塗層（或層）。例如，可使用一擴散散射塗層、一 金屬鏡、一個二色性鏡或其組合。 # 應注意，在依據本發明之發光裝置的其他具體實施例 中’可實現利用該折射率轉變與一反射結構之組合的一反 射區段。 在依據本發明之發光裝置的另外具體實施例中，該輸出 • 區段包含一粗糙化區域，例如前向散射區域或前向散射層/ 塗層、微光學裸取結構、微稜鏡錐體或溝槽、繞射光柵、 全像光栅結構、光子晶體、準光子晶體或類似物或者其組 合。以此方式’可增加該發光裝置的擷取效率。 在依據本發明之發光裝置的另外具體實施例中，該光發 139239.doc -9. 200950159

之作用光產生層的厚度。以 欠1观μ賙諧至該半導體二極體 以此方式，若該光導層係實質上 非損失及非吸收性的，則一般可增加該裝置的效率。 在依據本發明之發光裝置的其他具體實施例中，該輸出 區段具備一第一磷光體（陶瓷）材料。以此方式，可控制自 該發光裝置發射的光之顏色内容。 此外，在依據本發明之發光裝置的其他具體實施例中， 在該輸出區段中提供的一磷光體（陶瓷）材料可以係不同於 由該光導層包含的磷光體（陶瓷）材料之類型。例如，包含 發射藍光的一半導體二極體、產生白色（紅、綠及藍色之 混合物）光通量的一磷光體材料（例如YAG : Ce(轉換藍光至 綠、黃及少許紅色光））之一光導層，以及包含一紅色嶙光 體材料之一輸出區段的一發光裝置可提供一暖白光發射。 藍光之一部分將加以轉換為白色磷光體中的紅、黃及綠光 (因而提供白光為紅、黃、綠及藍光之混合物）而且紅色磷 光將增加發射光中的紅色之數量以便發射光將感覺為暖白 光（即具有紅色成分的白光）。 在依據本發明之發光裝置的另外具體實施例中，該光發 射元件進一步包含具備係不同於第一磷光體（例如陶究）材 139239.doc • 10- 200950159 料的湞尘之—第二磷光體（例如陶瓷）材料的一第二輸出區 、 方式’自5亥卓輸出區段的不同顏色之光將在遠場 中混cr。可藉由特定顏色的輸出區段（即具備不同磷光體 材料的輸出區段）之配置及數目來決定光之混合物（顏色内 . 容P例如，當使用發射藍光的一半導體二極體時，具備 紅色麟光體的兩個輸出區段以及具備綠色磷光體的一個輸 • A區段（與視需要地一些「空」輸出區段）可提供遠場中的 φ 暖白光發射。 此外，在依據本發明之發光裝置的一些具體實施例中， 該光發射元件包含輸出區段之一陣列。 此外在依據本發明之發光裝置的具體實施例十，該輸 出區段之形狀可以係以十字形物或甚至一文字訊息或一影 像或其組合之形式的矩形、三角形、多邊形、正方形、橢 圓形、環形。 在依據本發明之發光裝置的其他具體實施例中，該輸出 ❹ &段具備-準直器、-光擷取圓頂物或其組合。㈣係通 常配備有一半球體圓頂物以自該裝置擷取更多光，從而與 自平面光發射表面至空中的直接透射比較，減小光發射表 面上的全内反射損失。以此方式’可如任一特定應用所需 • 要來控制該發光裝置的光發射。例如，用作一閃光燈的一 LED可與準直器光學元件組合以擠壓—半球體立體角之發 射光至+/- 20度的準直光束。類似構造可用於投影顯示應 用。 當研究隨附中請專利範圍及下列說明時，將明白本發明 139239.doc •11 · 200950159 之另外的特徵及其具有的優點。熟習此項技術者認識到可 組合本發明之不同特徵以建立除下文中說明的具體實施例 以外的具體實施例，而不脫離本發明之範轉。 【實施方式】 在整個下列說明中，類似參考數字在適用時已用以表示 類似元件、零件、項目或特徵。 在圖1中，顯示依據本發明之一具體實施例的一發光裝 置之一斷面側視圖。發光裝置1包含一光透射元件2(其在 此情況下係一 LED晶粒或LED晶片3)，以及一反射器4( 一 反射結構）。該發光裝置係安裝於一子基板6上。能自圖1 看出，反射器4經配置用以部分地覆蓋LED晶粒3之上部表 面。因此，LED晶粒3(LED層或半導體二極體結構）之上部 (依據圖1)表面包含用於輸出來自LED晶粒3的光之一輸出 區丰又2 1以及用於反射來自led晶粒3的光回至該[ED晶粒中 的一反射區段22。反射光將再次加以反射並且將最終碰撞 輸出區段21，因而貢獻自該發光裝置的光通量。該1^1)晶 粒之大小通常係1毫米xl毫米而且其厚度通常係〗微米至ι〇 微米。發光裝置1之大小可以係更大。該反射器可以係一 金屬反射器（具有1〇〇奈米之典型厚度）、一個二色性反射器 (典型厚度1微米至5微米）、_散射反射器（典型厚度5微米 至200微米，通常約5〇微米）。在一些具體實施例中，可能 較佳的係將該頂部表面上的一金屬（或二色性）反射器與該 等側表面上的一散射反射器組合。 此外，在圖1中，顯示若干橢圓（或以橢圓斷面）元件（或 139239.doc •12· 200950159 僅珠粒）。此等珠粒指示用於橫跨半導體二極體3施加一驅 動信號（一電壓或電流）的正及負電連接。LED晶粒3係 TFFC(薄膜覆晶）類型，其中LED晶粒3形成一薄層（已移除 一原始載體基板）而且LED晶粒3係顛倒（倒裝）安裝於子基 板6上。自LED晶粒3之相同侧連接正接點及負接點兩者。 在LED晶片3内存在一些電通孔（未顯示），其用以連接底部 接點至頂部LED電極（未顯示卜該等珠粒示意性描述LED ❿ 晶粒3之接觸。LED晶粒3本身未加以詳細顯示。已熟知， 一 LED晶粒3由包含Ρ、η接面及用於驅動lED晶粒3的接點 之數個半導電層組成^此外，LED晶粒3之背面係通常採 用同時可以係該晶粒之背面電極的高反射層（例如金屬反 射器）來覆蓋。以此方式’迫使在該led中產生的光通常在 向上方向上於半球體中加以發射。圖丨中所示的LED晶粒3 係自底部經由一子基板接觸。然而，存在其他連接技術， 其藉由LED晶粒3的背面與子基板6的連接墊之間的軟焊或 φ 焊接程序來進行更直接的電接觸。亦可實現LED晶粒3與 子基板6之間無珠粒的直接接觸。因此，實質上整個 晶粒3將加以啟用並且建立一細長光產生作用區，其本質 上在完整LED晶粒3之上延伸。亦可使用一共同頂部接觸 . 構造。在此一頂部接觸構造中，一線接合係用以自該子基 板上的一接觸區域接觸該LED之頂部電極。此係由於光學 及構造考量而不甚佳。 此外，LED晶粒3之電極可加以劃分成分段區，其同時 發射光或可加以個別地定址，取決於至片段的電連接。同 139239.doc 13 200950159 樣地，LED晶粒3可加以分裂成可分離地加以電控制的各 種區。可使分段區域在相同LED基板上彼此接近而且該等 分段區域可共用一共同電極’無論係頂部電極或底部電 極。然而，該等片段亦可由彼此緊密接近而構造的分離晶 粒組成’其中該LED晶粒係多晶粒類型。例如，該led晶 粒可由發射紅光、綠光或藍光的區域組成。類似考量適合 於其他光發射半導體二極體’例如固態雷射。 現在參考圖2，解說依據圖丨的發光裝置之斷面侧視圖。 在圖2中，圖1中的發光裝置之光透射元件2進一步包含一 LED基板5(其通常具有100微米至3〇〇微米，較佳地係1〇〇微 米之厚度LED基板5係提供在LED晶粒3以上。在該圖式 中，指示三光束31、32、33 ^第一光束31指示光可在由光 透射元件2之一側表面上的反射器4反射之後入射在輸出區 段21上。第一光束32證實直接入射在輸出區段21上的光。 最後光束33解說在於輸出區段21上擷取之前已在反射器4 上反射數次（在光透射元件2的側表面附近以及在反射區段 22兩者上）的一光束33。可注意，同等可行的係使用已自 一基板加以移除的一LED晶粒3。相反，其可加以接合至 透月發光方塊，已通常藉由膠接合（未顯示的黏性層）將 該反射器固定於該透明發光方塊上。一可行優點可以係， 可分離地產生LED晶粒3以及具有該反射器的該透明發光 方塊。 在圖2中，反射器4上（光束31、32及33)之反射係顯示為 鏡面反射，其中入射角及反射角係相對於法線方向而相 139239.doc -14- 200950159 等。然而’此等反射亦可以係擴散反射而非鏡面反射或部 分鏡面反射與部分擴散反射之組合。此將取決於所用的反 射器之類型’例如’諸如沈積於光滑表面上的鋁或銀之金 屬將係鏡面反射器，然而，沈積於粗糙表面上的金屬通常 係僅部分鏡面反射及部分擴散反射的，其中反射角將自入 射角偏離’其中偏離之數量將取決於存在的粗糙度之數 1。較佳地，該反射器係一散射（擴散）反射器，例如白漆 φ 或多孔陶究，藉以將入射光重新引導至偏離角以便光透過 該等輸出區段隨最小數目之反射互動而逃逸。LED基板5 或一分離附接透明發光方塊亦可含有散射中心（例如小孔 隙、晶體或偏離折射率之小區域/顆粒）以達到重新引導能 力。 圖3顯不依據圖2的發光裝置之斷面側視圖。在此範例 中，輸出區段21(例如）藉由接合磷光體至LED基板或透明 發光方塊（未顯示的接合層）而具備一磷光體材料7，較佳地 Φ 係一磷光體陶瓷材料。可依據特定應用之需求來選擇磷光 體之顏色’例如紅、綠及藍色。對於一些應用，可能需要 使用組合的數個構光體材料，例如針對當自該㈣晶粒的 . 光係藍色時（例如在堆疊組態中）的情況，一綠色層與一紅 . &層組合。-堆整組態中或在不同輸出區域21中橫向配置 的組合磷光體主要應用於圖4(參見下文），其中層8可甴數 個堆疊填光體層（最容易實施）或橫向配置組合曰麟光體組 成，配置組態可與LED晶粒(電極)分段(如以上說明） 組合以調譜透過該等輸出區域的光之顏色比率。在圖3 139239.doc -15· 200950159 中，層7亦可含有磷光體之堆疊或具有橫向配置磷光體部 为。以此方式’可貫現白光（作為紅、綠及藍光之混合 物）。有利地，在該輸出區段中提供的層之厚度決定發射 光之顏色内容。 在圖3中的發光裝置之另一範例中，LEd基板5(或如圖4 中的磷光體元件8)可延伸至超出LED晶粒（或光發射固態裝 置）3之區域。LED晶粒3上的一過大基板5係用於促進該基 板至LED區域的接合及定位準確度。磷光體層7(其亦可以 存在於圖1中的輸出區段21中）之區域係小於LED晶粒3之區 域。應注意，該磷光體層之厚度不必一定係與反射結構4 之厚度相同。麟光體層7可以係較薄或較厚。反射塗層 4(反射結構）亦可覆蓋磷光體層7之側而且該輸出區段亦可 加以界定在該磷光體層之頂部（或磷光體表面）上。 參考圖4 ’顯示依據本發明之另一具體實施例的一發光 裝置1之一斷面側視圖。在此範例中，發光裝置1包含光透 射元件2’其包含具有50微米至400微米之厚度（較佳地12〇 微米）的白色磷光體陶瓷材料8。此外，發光裝置1之輸出 區段21具備一紅色磷光體陶瓷材料7。LED晶粒3能夠發射 藍光。在此組態中，自LED晶粒3發射的光（通常為藍光）係 轉換為白色磷光體材料8中的紅及綠光（自LED晶粒3的藍光 之某些根本未加以轉換）。在光出射發光裝置1之前，紅色 磷光體陶瓷材料7將穿過的光之某些轉換為紅光（通常具有 較長波長），因而增加發射光中的深紅光之部分。因此， 自該發光裝置的發射係感覺為暖白光。填光體層7可在厚 139239.doc 16 200950159 度上自該反射器之厚度偏離’從而係較薄或較厚。 圖4亦可描述—組態，其中碟光體層8將藍光轉換為（例 如)綠、琥拍或紅光。…組態中，層7代表一藍吸收 層，其允許轉換的綠、號拍或紅光之傳遞。以此方式，任 何小量的未轉換藍光經渡出並且吸收用以提供色純度的增 加至有色綠、琥拍或紅色發射。在一發光裝置的另一範例 中層7可代表一色性渡光片，其反射藍光並且透射轉換

、在此清況下，藍光具有由磷光體層8加以吸收並旦加 以發射為轉換光的合理機會，因而再循環藍光。 應/思'在其中例證發光裝^包含配置於LE〇晶粒3上 (或以上）的碗光體（陶幻材料之圖&巾，基於清楚性已省 略-薄（幾微米厚）接合或黏性層，例如聚石夕氧。在盆尹鱗 光體層由分散於黏結劑(例如聚石夕氧)中的磷光體顆粒組成 之情況下，通常不需要此類接合層。 在圖5中，顯示依據本發明之另一具體實施例的一發光 裝置之-斷面側視圖。此例證發光裝置i包含一圓頂物9, 其用於增加該輸出區段中的光操取之效率。該圓頂物通常 係聚矽氧圓頂物。通常地，該圓頂物之外側係硬聚矽氧而 且其内側係聚矽氧凝膠。（與沒有圓頂物9比較，由於輸出 區段21中折射率中的差異之減小）該圓頂物具有阻撓該磷 光體上之擁取表面上的全内反射之效應。其後自該圓頂物 至空中的轉變出現在彎曲圓形圓頂物表面上並且因此或多 或少以接近此介面之法線的角度出現，從而產生最小光反 射損失，因而最大化擷取效率。因為磷光體材料8之擷取 139239.doc 200950159 區域（輸出區段21)係小於通常擷取區域，故與傳統led比 較’圓頂物9可在大小上係較小。然而，反射器4中的一孔 (一輸出區段21)亦具備一準直器以便達到自該發光裝置的 準直光發射。此外，反射層4覆蓋子基板6之一部分。以此 方式’因為該反射器比該子基板具有高的反射率，自圓頂 物出口的在該圓頂物之邊緣（其中其連接至該子基板）與該 圓頂物之中心中的該光透射元件之間可能後退的任何反射 光將以（比在於子基板6中沒有反射器部分情況下）高的效率 加以反射。 現在參考圖6，顯示一發光裝置1之斷面透視圖。在此範 例中’光透射元件2包含一鱗光體材料8。在麟光體材料8 之層的頂部上應用一反射器4。形成正方形形狀之反射器 中的一孔（輸出區段21)以發射自LED晶粒3的光。一正方形 光學主體（光導層），例如延伸至超出反射器表面22的正方 形玻璃發光方塊，可存在於輪出區域21中以便藉由減小輸 出區域上的全内反射並且透過玻璃發光方塊之頂部及側表 面提供光拮員取而自該裝置擷取更多光。 圖7顯示依據圖6的發光裝置丨之另一具體實施例的斷面 透視圖。在此範例中，輸出區段21之形狀係環形的。此可 能係尤其吸引人的，因為圓形輸出區段21將自一傳統 LED(或發光裝置）的典型正方形發射轉換成環形、角對 秸、圓形光束。有利的，角對稱光束可組合擷取圓頂物或 %形準直光學元件來使用。然而，應注意，輸出區段h之 形狀可以係環形、正方形、三角形、矩形、糖圓、十字形 139239.doc 200950159 或甚至含有文字訊息或影像/標誌等β 圖6中的發光裝置之另—具體實施例在顯示其斷面透視 圖的圖8中加以解說。在該圖式中可看出，反射器4具備複 數個孔或輸出區段2卜輸出區段21係以矩陣配置，但是應 瞭解’該等輸出區段可以許多其他方式（例如線結構或^ 叉線結構）來配置（圖案化）。此圖案化自由允許控制輸出區 域與反射區域的比率，藉以影響擷取效率。此外，其實現 0 冑輸出區域及反射區域具有仍產生輸出區域與反射區域之 類似比率的不同大小及形狀的可能性。以此方式，可控制 裝置區域之上的總擷取之均勻度或裝置區域上的擷取位 置。此外，擷取區域之圖案可匹配額外光學元件之圖案， 例如圓頂物、透鏡、準直器、彩色滤光片、吸收滤光片、 二色性濾光片。 在圖9中也實圖8中的發光裝置之另一具體實施例的斷 面透視圖。此處，輸出區段21係成形為反射器4中的環形 〇 孔。再者，環形輸出區段可尤其組合環形光學元件（例如 圓頂物或環形準直器）來使用。 圖10顯示依據本發明的發光裝置之另一具體實施例的斷 面透視圖。在此範例中，光透射元件2進一步包含一 LED 基板5而且輸出區段21之一第一集係保持為空的或採用一 透明材料加以填充，輸出區段22之一第二集具備一第一類 1(例如紅色磷光體）之一填光體材料，而且輸出區段23之 一第三集具備一第三類型（例如綠色磷光體）之一磷光體材 料 LED Ba粒3此夠發射藍光。以此方式，可實現混合 139239.doc -19· 200950159 紅、綠及藍光以便獲得白光。藉由空、紅及綠輸出區段之 比例來決定遠場圖案之顏色内容（處於自該發光裝置之一 距離處的光）。當然，同樣地，可使用紫外線發射半導體 裝置。在此一裝置中，採用紫外線吸收藍光發射磷光體來 填充空/透明區。適當藍、綠及紅色磷光體的組合提供白 光。 此外’在圖π中，解說依據本發明之發光裝置1的另一 具體實施例之斷面側視圖。複數個輸出區段2丨之每一者具 備一各別擷取圓頂物9。以此方式，增加該發光裝置之擷 取效率，因為減小加以全内反射的光量。在此範例中，光 透射元件2包含一磷光體（陶瓷）材料8。然而，可由一 led 基板或透明玻璃片或類似物來取代該磷光體材料。該透明 材料可含有散射中心以使光更加擴散。 現在參考圖12’顯示依據本發明之發光裝置1之另一具 體實施例的一斷面側視圖。在此範例中，複數個輸出區段 21具備直準器’較佳地’如圖12中所示的每一輸出區段以 有一個準直器。自一輸出區段21發射的複數個光束4〇指示 該等光束加以準直。然而，該等光束可彼此稍微發散。 輸出區段之陣列圖案（如圖8至13中所示）將發光裝置1細 刀成具有減小尺寸的虛擬光源。此等光源可各具有其自己 的操取圓頂物以增強如圖5及11中所示的擷取效率。此 外’此等虛擬光源可與準直器陣列光學元件組合以便達到 如圖12中所示的準直光通量陣列。可能有利的係使用一些 虛擬光源處的準直器以及一些其他虛擬光源處的圓頂物 139239.doc •20- 200950159 (例如）以將自圓頂物區域的大角度分佈與自準直器區域的 小角度分佈組合。此外，圖丨丨及12中的輸出區域21可採用 璘光體材料來覆蓋，類似於圖10。 參考圖13，顯示依據本發明之發光裝置丨之另一具體實 施例的一斷面側視圖。在此範例中，複數個輸出區段21具 備粗糙化擷取區域，.例如前向散射區域、微光學擷取結 '構、微稜鏡錐體或溝槽、繞射光柵、全像光柵結構及（準） φ 光子晶體。因為入射在此等區段上的光之一主要部分將加 以全内反射，反射區域22具有減小擷取效率。因為入射光 之主要邛分的角超過臨界角，光將加以全内反射。在光 學接觸中或無光學接觸的一額外反射器（例如在該反射器 與-光學主體或光導層8之間具有薄氣隙)可加以添加至具 有減小擷取效率的區域以進一步減小其操取效率並且重新 引導光以透過具有高揭取效率的區域加以再循環及重新發 射。光學主體（光導層）8可以係磷光體材料或— led基板或 讓不吸收入射光的任何另一光學元件。 粗糙化區域可應用於輸出區段21之某些或全部。應注 意，此等表面粗趟化結構可組合本文中說明的具體實施例 之任-者來使用。明確地，此等表面粗糖化結構可與（多 個)圓頂物結構或準直器結構組合，類似於圖5、"及… 在以上具體實施例之全部中’採用該反射器覆蓋該LED 晶粒、該LED基板、該光學主體（光導層）（例㈣D基板或 墙光體材料)之側。此基於效率原因係較佳。然而，此等 側需要加以覆蓋，或可僅部分地加以覆蓋。該等輸出區段 139239.doc 200950159 亦可存在於除該裝置之頂部表面上的輸出區段以外的側區 域上，或可取代頂部表面上的輸出區段（其在此情況下將 包含一均勻反射層）。 現在參考圖14,顯示包含光發射元件2的一發光裝置 一範例，該光發射元件包含一；LED基板5及一 LED晶粒3。 光發射元件2包含定位在光發射元件2之側表面上的輸出區 段21及反射區段22。此外，該發光裝置包含一反射器4。 在依據圖14的發光裝置丨之其他範例中，可省略頂部表面 上的輸出區段21及反射區段22。 應注意’在該等圖式（除圖丨丨及12以外）中，已採用直線 繪製側上的反射器4。實務上，反射器4之側的形狀可以係 向外（如在圖11及12中）或向内（凹入，未顯示）稍微彎曲 的。當使用以下進一步加以提及的塗布技術時，一凹入曲 率可能更為合適。 在另一範例（未顯示）中，一雷射二極體係用作半導體二 極體結構（在該等圖式中表示為3)。較佳地，使用一 VCSEL(垂直腔表面發射雷射）。此一雷射二極體透過其頂 部表面發射光，類似於其中自一LED發射光的方式。通常 地，該雷射二極體具有450奈米（藍光）之波長。此外，包含 一 VCSEL的此一發光裝置進一步包含—磷光體材料，例Z YAG: Ce。YAG: Ce能夠將藍光轉換為黃光，從而與白光 混合。亦可使用其他磷光體以便將藍光轉換為（例如）綠、 琥珀或紅色。自該雷射二極體的光束通常係在該磷光體中 散射（例如藉由該磷光體層中的孔隙或其他散射中心）以便 139239.doc •22· 200950159 直接自該發光裝置洩漏（輸出）光， 因而不再準直雷射光。 若磷光體材料係實質上透明的，丨 < η α，則原始準直光之某些可保 留其準直及偏光而且可透過該黧鈐 ” ^ %邊寺輸出區段加以透射。轉換 光通常加以各向同性地發射而B m 1 a 、 |耵而且因此不含有明顯的準直 度。光束可在其他範例中鉬只± 〗τ朝反射頂部表面（或該等圖式中 表示為22的反射區段)而且不直接朝該輸出區段加以引 導。散射反射器（即該等圖式中的反射器4)反向散射其並非 由麟光體加以轉換的純藍或f外線雷射光而且重新分佈 雷射光’ Θ而準直及偏光會損失。然而，獲得藍光至所需 顏色或藍與轉換顏色的混合（例如至白色）之轉換。若使用 透明主體’則將透過提供_圖案化雷射輸出的輸出區段來 直接發射雷射光之部分。準直可保留或損失，取決於輸出 區域中存在的光學結構，其範例已在以上加以提及。未透 過輸出區域加以引導的雷射光將加以再循環以達到較高效 率。若使用一鏡面反射器，則可（部分地）保存準直及偏 光若使用更擴散反射器，則準直、相干及偏光者將損 失達較高程度。 在该發光裝置之以上說明的範例中，可使用InGaN(氮化 銦鎵）之一藍色高功率]LED(在該等圖式中表示為3)。此類 LED係生長於一適當基板上的複雜層堆疊中，其中該基板 之原子封裝距離應該充分地匹配至生長的led材料之距離 (此在該技術中為人熟知）。此一基板可以係sic，較佳地係 藍寶石（ai2o3，n=177)。該基板可以係數百微米厚，通常 為100微米。存在用於採用（例如）雷射釋放程序來移除該基 139239.doc •23- 200950159 板，從而使該基板不含薄LED層（例如幾微米至1 〇微米厚） 之已知技術。可在薄LED層上沈積一碌光體層，通常藉由 接合（以上已說明接合層）。例如，一陶瓷麟光體組件（例如 1x1毫米及120微米厚陶瓷發光方塊）可加以接合至1χ1毫米 LED層（或LED晶粒）。然而，包含嵌入於聚合樹脂中的幾 微米大小之磷光體顆粒的傳統磷光體材料亦可直接沈積於 該LED晶片（或LED層）上。 在依據本發明之發光裝置的另一範例中，鄰近於該輸出 區段（或該等輸出區段）所應用的反射器（在該等圖式中表示 為4)具有接近於1〇〇%的反射率。在歐洲專利申請案 07122839.9中說明可以一可接受塗層厚度來實現此反射率 的反射器塗層之一類型。此塗層由一混雜材料系統組成， 該混雜材料系統將高折射率相位與近似尺寸之低折射率相 位組合以便實質上反向散射入射光。可經受高光通量密度 及接近於LED作用區域的熱負載之一較佳材料系統係基於 採用咼折射率顆粒（通常為100奈米至1〇〇〇奈米直徑的Ti〇2) 填充的洛膠凝膠導出黏結劑系統（例如矽酸鹽或曱基矽酸 鹽或類似物），其中反射器厚度的範圍為2微米至1〇〇〇微 米，較佳地係20微米至50微米。或者，可使用以諸如銀塗 層的金屬層（如以上提及）之形式的反射器。然而，可能難 以採用此一金屬|達到肖反射率並且同時保言蔓金屬免於腐 蝕。再者’如以上提及，可使用二色性反射器。此類二色 性反射器可具有極高反射率（最高至98%或更多），但是在 -般情況下，此-反射器可具有針對較大人射角的減小效 139239.doc -24- 200950159 能。應瞭解，可應用不同反射器類型之組合，例如—金屬 層前面的二色性塗層。 此外可以若干方式來產生該等輸出區段（在該等圖式 中表不為21)。在白反射器塗層（例如Ti〇2填充溶朦凝膠塗 層）情況下，可藉由壓紋在塗層之濕式或凝膠相位期間產 生孔圖案(即輸出區段21)。或者或此外，可藉由沈積於孔 . 區域（或輸出區段）中的疏水圖案上的抗濕潤來實現扎圖 ❹ 案，此可藉由微接觸印刷或其他印刷技術來應用。 用於產生孔圖案（即當覆蓋該光透射元件之頂部表面 時，该反射結構中的輸出區段）的另外技術包括直接印 刷，例如網版印刷或噴墨印刷、微影蝕刻方法或雷射剝 蝕。使用沈積透過遮罩、微影蝕刻、反應離子蝕刻或雷射 剝蝕，可實現先前提及的金屬或二色性圖案化。 即使已參考本發明之特定例證具體實施例說明本發明， 熱習此項技術者仍將明白許多不同變更、修改及類似物。 • 所忒明的具體實施例因此並非旨在限制如由隨附的申請專 利範圍所定義的本發明之範_。 【圖式簡單說明】 自以上詳細說明及附圖將輕易瞭解本發明之各種態樣， - 包括其特定特徵及優點，其中： 圖1顯示依據本發明之一具體實施例的一發光裝置之斷 面側視圖， 圖2顯示依據圖丨的該發光裝置之一斷面側視圖，其中該 光透射元件進一步包含一 LED基板， 139239.doc -25- 200950159 圖3顯示依據圖2的該發光裝置之一斷面側視圖，其中該 輸出區段具備一磷光體材料， 圖4顯示依據本發明之另一具體實施例的一發光裝置之 斷面側視圖，其中該光透射元件進一步包含一白色磷光體 材料而且該輸出區段具備一紅色磷光體材料， 圖5顯示依據本發明之另一具體實施例的一發光裝置之 斷面側視圖，其中該發光裝置具備用於導引自該輸出區段 的光之一圓頂物。 圖6顯示一發光裝置之一斷面透視圖，其中該光透射元 ❹ 件包含一磷光體材料， 圖7顯示依據圖6的發光裝置之另一具體實施例的斷面透 視圖， 圖8顯示圖6中的發光裝置之一另一具體實施例的斷面透 視圖，其中該發光裝置具備複數個輸出區段，每一輸出區 段係以一正方形之形式， 圖9顯不圖8中的發光裝置之另一具體實施例的斷面透視 圖’其中每一輸出區段係以一環之形式， 〇 圖1〇顯示依據本發明之發光裝置的另一具體實施例之斷 面透視圖，其中該光透射元件進一步包含一 1^]3基板而且 輸出區段之一第一集具備一第一類型之一磷光體材料，輸 出區段之一第二集具備一第二類型之一磷光體材料而且輸 出區段之一第三集具備一第三類型之—磷光體材料， 圖11顯示依據本發明之發光裝置的另一具體實施例之斷 面側視圖其中複數個輸出區段之每一者具備一各別揭取 139239.doc •26· 200950159 圓頂物， 圖12顯示依據本發明之發光裝置的另一具體實施例之斷 面側視圖’其中複數個輸出區段之每一者具備一各別準直 器，以及 圖13顯示依據本發明之發光裝置的另一具體實施例之斷 面側視圖’其中複數個輸出區段具備粗糙化擷取區域。 圖14顯示依據本發明之發光裝置的另一具體實施例之斷 面側視圖’其中輸出區段及反射區段係配置在該光發射元 件之側表面上。 【主要元件符號說明】 1 發光裝置 2 光透射元件 3 二極體結構/LED晶粒或晶片 4 反射結構/反射器 5 LED基板/光導層 6 子基板 7 磷光體材料/磷光體層 8 磷光體元件/光導層/磷光體材料 9 圓頂物 21 輸出區段/輸出區域 22 反射區段/反射器表面 23 輸出區段 31 光束 32 光束 139239.doc -27- 200950159 33 40 光束光束 139239.doc

Claims (1)

1. 200950159 七、申請專利範圍·· 1. 一種發光裝置（1)，其包含一光透射元件（2)，該光透射 元件（2)包含用於產生光的一半導體二極體結構（3)、用 於反射來自該二極體結構（3)的光至該光透射元件（2)中 的一反射區段（22)以及用於輸出來自該二極體結構（3)的 光之一輸出區段（21)，其中該裝置（1)進一步包含至少部 . 分地封圍該光透射元件（2)之側表面的一反射結構（4)， 其用於反射來自該二極體結構（3)的光朝向該輸出區段 ^ (21)。 2.如請求項丨之裝置（1)，其中該反射結構（4)進一步封圍該 反射區段（22)。 3·如前述請求項中任一項之裝置⑴，其中該反射區段⑼ 具備具有小於該光透射元件（2)之折射率的一折射率之一 材料，藉以由全内反射來反射在該半導體二極體結搆中 產生的該光之一部分。 參4· *請求項1或2之裝置⑴，其中該輸出區段（21)包含一粗 糙化區域。 3亥粗糖化區域包含一前向散 、—微棱鏡錐體或溝槽、一 、—光子晶體、一準光子晶 5.如請求項4之裝置（1)，其中 射區域、—微光學擷取結構 繞射光柵、一全像光栅結構 體或類似物或者其組合。 6, 如清求項1或2之裝詈 _ 衣置（丨）其中該光發射元件（2)進一步 佈置在《_極體結構（3)與該輸出區段（2 〇之間的一 光導層（5、8)。 139239.doc 200950159 7. 如請求項1或2之裝置（丨），其中該光導層（5、8)包含一磷 光體材料 '一磷光體陶瓷材料、一 LED基板、透明 YAG、玻璃、藍寶石、石英或其組合。 8. 如請求項1或2之裝置（1)，其中該輸出區段（21)具備一第 一磷光體材料（7) ’較佳地係一第一磷光體陶瓷材料。 9. 如凊求項8之裝置（1) ’其中在該輸出區段（21)中提供的 該磷光體材料（7)係不同於一磷光體材料（8)的一類型， 杈佳地係由該光導層（5、8)所包含的磷光體陶瓷材料。

   1〇·如請求項8之裝置（1)，其中該光發射元件（2)進一步包含 具備第一磷光體材料的一第二輸出區段（23),該第二 磷光體材料屬於不同於該第一磷光體材料的一類型。 11. 如喷求項！或2之裝置（1)，其中該光發射元件p)包含輸 出區段（21)之一陣列。 12. 如凊求項W2之裝置⑴，其中至少一個輸出區段（川之 形狀係以十字形物之形式，或以文字/影像/標誌或其組

   合之形式的矩形、三角形、多邊形、正方形、橢圓形、 環形。 13. 14. 15. 如:求項1或2之裝置⑴’其中至少_個輪出區段⑼具 備一準直器、一光擷取圓頂物或其組合。 如凊求項1或2之裝置，盆中兮_ 衣具肀該一極體結構（3)係一薄 膜覆晶類型二極體結構（3)。 種包含如請求項1或2之裝置的照明系統。 139239.doc •2·