专利名称：Led器件光耦合剂的制作方法
技术领域：
本发明属于照明光学领域，涉及到提高LED灯出光效率的光学材料，特别是直接提高LED器件出射光通量的光耦合剂。
背景技术：
LED以其光效高成为重要的照明光源。但LED属于点光源，封装与白炽灯有极大的不同。为了有效地引出光线，LED投射灯用LED灯珠与相匹配的专用带凹球形状的光学收集-聚光装置，有效地收集了向四方发射的大功率LED光，并经光学聚光装置的折射及反射，以小角度投射到小面积。由于LED灯具内的光学零件较多，零件与零件之间存在空气隙，会造成多次光学反射，为此人们采用各种设计改进LED灯具，提高光效。目前认识到提高LED灯具光效不仅需要提高LED的每瓦流明数，更需要光学技术提高灯具的效率。部分光学检测仪器使用光耦合剂，用于充填光学零件面之间的微小空隙，防止空隙的微量空气影响光透射。如，在晶体和光导、光导和光电倍增管之间充填有薄层硅橡胶光耦合片，以排除空气，减少弱光通过两种光介质界面时的损失。
发明内容
本发明通过基础光学分析，研究LED灯珠出光介质的边界折射、反射与全反射规律，发现LED灯珠，或者大功率LED集成光源直接与空气接触的折射率之差Λ η较大，根据界面的反射定律，反射率R也较大。LED灯珠，或者大功率LED集成光源与LED灯具光学零件缝隙填补光耦合剂，可降低两界面之间的反射率，从而提高透射率T ;另外根据折射定律的入射角与出射角，以及折射率关系公式
n，sin i，=n sin i(I)
其中n’为LED出光封装的折射率，i’为LED出光封装侧的入射角，η为LED出光封装外的介质折射率，i为LED出光封装外介质的出射角。由等式关系得:折射率大的一侧入射角或者出射角小。根据公式(1)，从LED管芯发射的光，在出光封装表面与法线的夹角——入射角(LED芯片侧)不能超过全反射临界角45.58° (η，=1.4) 41.81。(η’=1.5)，其中η’为有机硅封装的折射率，介于1.4 1.5之间，大于临界角的光线将发生全反射；由于透明环氧树脂的折射率为1.5左右，双酚A型环氧树脂的折射率η’为1.62 1.65，高于光学玻璃的折射率，三井化学的带硫醇化合物的透明环氧树脂折射率η’ 1.65，也是LED封装的重要材料。透明环氧树脂的折射率η’介于1.5 1.65,对于η’ =1.65与η=1.0的界面，全反射临界角37.31°。根据折射公式(1)，改变光疏媒质的折射率η，将引发光密媒质侧的入射角或者出射角i’的变化；当光疏媒质的折射率η增高时，光密媒质内的全反射临界角i。’变大，如η’=1.5的玻璃内的光束全反射临界角i。’，当光疏媒质的折射率η=1.0 (空气)，光密媒质内的全反射临界角i。’ =41.81°，当光疏媒质换成折射率n=l.33的水后，光密媒质内的全反射临界角i。’ =62.46° ;对光密媒质为折射率η’ =1.65的透明环氧树脂，全反射临界角从与空气的i。’ =37.31°，增加到与水交界的53.71°，这样一来就扩大LED出光封装的全反射临界角，也即扩展了出光封装内侧的出射角度，增大了出光光通量。本发明是折射率n=l.3 1.65的无色透明、不挥发、无腐蚀性的液体或者粘稠不定形体，25°C下的粘度0.5 1000000 mm2/s，用于填充光学零件之间的缝隙，特别是具备与LED出光封装表面接触，扩大LED器件内部的最大出射角——全反射临界角，提高LED器件的直接出光光通量的功能。本发明可采用折射率n=l.40的二甲基硅油，如201-100 二甲基硅油，25°C粘度IOOmmVs 201-230000 二甲基硅油，25°C粘度230000mm2/s;无色透明的蓖麻油，如印度供货的蓖麻油折射率n=l.478 1.479 (20°C )，当其与n’=l.5的玻璃匹配后，玻璃内的全反射临界角i。’=80.17° 80.40°，若该蓖麻油与η’=1.65的高折射率环氧树脂接触，高折射率环氧树脂内的全反射临界角i。’ =63.61° 63.68° ;苯甲基硅油，折射率1.470 1.485，25°C粘度25 40 mm2/s ;无色透明油状液体苯基甲基硅油，折射率1.5765 1.5785，等。根据球冠面积Ss的计算公式，Ss=2 π R2(l — cos i’)，其中i’是球冠中心z轴与球心到球冠边沿连线的夹角；引入相对球冠面积Sk=球冠面积Ss:半球面积Sh，相对球冠面积
Se= (I — cos i，)(2)
其中i’是球冠中心z轴与球心到球冠边沿连线的夹角。LED器件内部光束照射出光封装表面的任意一点O的入射角i’，产生全反射的临界角即与此球冠边沿对应。LED器件出光封装的折射 率η’ =1.4 (有机硅封装)对应的全反射临界角45.58°，其对应的相对球冠面积
Se= (1- cos 45.58° ) =30.0%,
若LED器件的出光封装折射率η’ =1.5 (有机硅封装，环氧树脂封装)，对应的全反射临界角41.81°，相应的相对球冠面积Sk= (I — cos 41.81° )=25.5%。若LED器件的出光封装采用高折射率环氧树脂，折射率n’=l.65，对应的全反射临界角37.31°，相应的相对球冠面积
Se= (I — cos 37.31° )=20.5%。通过以上分析计算发现，白光LED器件出光封装胶的有效出光面积受到全反射临界角的影响，其中有机硅的出光封装的相对出光面积在25.5% 30.0%之间，高折射率环氧树脂的相对出光面积为20.5%。出光封装内荧光粉向大部分方向的辐射超出了实际全反射临界角i。’，超出全反射临界角i。’的光只能从LED器件出光封装表面反射回去；若出光封装为球面，如LED灯珠，则大量LED光线在出光封装内球面反复反射损失掉，而不能形成有效出光；对平面型的大功率LED集成光源，出光封装反射回去的光线被粗糙的衬底吸收和反射。根据折射公式(1)，改变光疏媒质的折射率n，将引发光密媒质侧的入射角或者出射角的变化；据此推算出，从光密媒质侧发出 的光束在介质表面发生全反射的临界角i。’随光疏媒质的折射率η变化，当光疏媒质的折射率η增高时，光密媒质内的全反射临界角i。’变大，如η’=1.5的玻璃内的光束全反射临界角i。’，当光疏媒质的折射率η=1.0 (空气)，光密媒质内的全反射临界角i。’ =41.81°，当光疏媒质换成折射率n=l.33的水后，光密媒质内的全反射临界角i。’ =67.12。，对应的相对球冠面积Se=I — cos 62.46。=53.76% ;换成折射率n=1.382的KF96L-lcs 二甲基硅油，光密媒质内的全反射临界角i。’ =67.1°，对应的相对球冠面积Sk=I — cos 67.1° =61% ;若选择无色透明的蓖麻油,如印度供货的蓖麻油折射率n=l.478 1.479 (20°C)，当其与η’ =1.5的玻璃匹配后，玻璃内的全反射临界角ic，=80.17。 80.40°，全反射临界角i。’形成的球冠表面积占半球面的83.2% (相对球冠面积)，是玻璃与空气全反射临界角i。’形成的球冠面积的3.26倍；根据附图
2曲线III，自然光的反射率R是入射角i的函数，在入射角i=80° 90° (低掠射角)下，反射率R=40% 100%，加权平均反射率70%左右，球冠边沿到半球底的带状区域只占半球面积的17.36%，而其反射率过高，故对LED器件出光效率的提高贡献不大。对n’=l.65的高折射率环氧树脂，与折射率n=l.478 1.479 (20°C )的蓖麻油的全反射临界角i。’ =63.61° - 63.68°，相对球冠面积占半球面的55.5% 55.7%，是高折射率环氧树脂与空气形成的全反射临界角ic’=37.31°围成的球冠相对面积20.5%的2.71倍，入射角i’=37.31° 63.68°形成的环形区域增加相对面积171%，根据附图2曲线III，该区域的平均反射率不足10%，可增加有效的投射面积155%。将此球冠分析推广到LED器件，LED光线在出光封装表面发生折射和反射，超过全反射临界角i。’的光线只能反射回去而不可能发生出光现象；提高LED器件外围介质的折射率n，可以扩大LED出光封装内的全反射临界角i。’，从而提高出光封装界内发光体的有效发射角及对应的出光球冠的相对面积Sk，使LED内部超过全反射临界角i。’的环形面积部分变小，从而大幅度地提高LED芯片的出光光通量和出光效率。透明介质表面垂直入射的反射率R的计算公式
权利要求
1.LED器件光耦合剂，其特征在于:该光耦合剂为折射率n=l.3 1.655的无色透明液体或者无色透明粘稠不定形体，粘度0.5 mm2/s 1000000 mm2/s ； 或者折射率n=l.3 1.655的淡黄色透明液体或淡黄色透明粘稠不定形体，色度小于30 度，粘度 0.5 mm2/s 1000000 mm2/s ； 用作LED器件出光封装外的介质，提高LED器件出光封装外介质的折射率来扩大与出光光通量有关的LED出光封装内的全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界； 降低LED器件与空气介质的反射率，扩大LED器件内部的最大出射角12%以上，提升LED灯的出光效率15%以上。
2.按权利要求1所述的LED器件光耦合剂，其特征在于:LED出光封装内的全反射临界角从n=l.65高折射率环氧树脂与空气交界的37.31°到n=l.4较低折射率有机硅与空气交界的45.58°，扩展到与LED光耦合剂交界的最大90° ;对应的出射球冠相对面积，从20.5% 30.0%扩展到最大100% ;相应的视界从37.31° 45.58°全反射临界角形成的球冠边界，扩展到最大为半球空间。
3.按权利要求1或2所述的LED器件光耦合剂，其特征在于:粘度大于100mm2/s，不挥发或者极难挥发的无色透明或者淡黄色透明液体或粘稠不定形体，色度小于15度。
4.按权利要求1或2所述的LED器件光耦合剂，其特征在于:粘度小于等于5mm2/s,挥发性或者难挥发的无色透明或者淡黄色透明液体，色度小于5度。
5.按权利要求1或2所述的LED器件光耦合剂，其特征在于:作为LED灯光学缝隙的填充剂，改进光学零件的光学耦合特性； 直接接触LED器件的出光面，扩大LED器件内部的最大出射角50%以上，提高LED器件的整体出光率70 %以上。
6.按权利要求1所述的LED器件光耦合剂，其特征在于:LED器件出光封装表面的垂直入射反射率，从有机硅与空气接触的2.8% 高折射率环氧树脂与空气接触的6.0%，灌注LED器件光耦合剂后,垂直入射反射率最大减小到接近O。
全文摘要
本发明涉及一种LED器件光耦合剂。本发明为折射率n=1.3～1.655的无色透明液体或者无色透明粘稠不定形体，粘度0.5mm2/s～1000000mm2/s；或者折射率n=1.3～1.655的淡黄色透明液体或淡黄色透明粘稠不定形体，色度小于30度，粘度0.5mm2/s～1000000mm2/s；用作LED器件出光封装外的介质，提高LED器件出光封装外介质的折射率来扩大与出光光通量有关的LED出光封装内的全反射临界角，增大出射球冠相对面积和视界；降低LED器件与空气介质的反射率，扩大LED器件内部的最大出射角12%以上，提升LED灯的出光效率15%以上。
文档编号F21V5/00GK103234171SQ20131016811
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月9日 优先权日2013年5月9日
发明者胡建人 申请人:杭州电子科技大学