具有复式封壳透镜的led的制作方法

专利名称：具有复式封壳透镜的led的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管(LED)器件，以及这种器件的元件和相关的 制品以及工艺。
背景技术：
LED在某种程度上是可选光源，因为它们具有相对较小的尺寸、 较低的功率/电流要求、快速的响应时间、较长的使用寿命、牢固的封 装、有多种可用的输出波长并与现代电路构造具有相容性。这些特性 可能有助于解释它们在过去数十年多种不同最终用途中得到广泛应用 的情况。在效率、亮度和输出波长方面，LED仍在持续获得改进，进 一步扩大潜在最终应用的范围。
LED通常以封装形式销售，封装中包括安装在金属接头上的LED 晶粒或芯片。所述接头可配有反射杯，杯中装配LED晶粒，而电引线 连接到LED晶粒。某些封装也包括模制的透明树脂，用于包封LED晶 粒。胶囊包封树脂可以具有使晶粒射出的光保持部分平行的标称的半 球形前表面，或者具有标称的平坦表面。
在图l-5中给出了己知LED光源的实例。
在图1中，光学半导体器件10包括支承体11以及电致发光的半 导体二极管12,该二极管通过适用的焊料固定到支承体11的顶部表 面。通过支承体ll中的开口延伸的端线13固定到支承体上，并且通 过电绝缘材料(例如玻璃或陶瓷)制成的垫圈14与支承体电绝缘。每 根端线13通过细小线材15电连接到二极管12分隔的触点上。第三 根端线16固定到支承体11，该支承体电连接到二极管12。玻璃圆顶
17安装并固定到支承体11的顶部表面。玻璃圆顶在二极管12上方
延伸并与之紧密接触，以使得二极管发出的辐射均穿过玻璃圆顶。在
图1的器件10中，玻璃圆顶基本呈球形。图2示出与器件10相似的 光学半导体器件10'，不同的是图2中的玻璃圆顶17'(安装在支承体 11上并覆盖了二极管12)是呈半球形的。美国专利3,596,136 (费歇 尔(Fischer))中进一步描述了图1和图2的器件。例如，费歇尔(Fischer) 公开了椭圆、抛物线及其它的玻璃圆顶形状，这些形状是玻璃圆顶以 有效的方式将辐射从二极管传输到需要的接收方所需的。费歇尔 (Fischer)还提出，除了其它物质外，玻璃圆顶17或17'可由具有高折 射率的玻璃制成，该玻璃的折射率优选地大于2并尽可能接近电致发 光二极管的折射率，并且具有低吸收率的性质。
图3中示出了半导体发光器件18。器件18包括半导体芯片19， 该芯片具有狭窄的光散射区20。球面透镜21通过紫外线硬化粘合剂 23安装到芯片的后表面22上。通过划分以及分割更大的半导体晶片 来得到半导体芯片19，并且将晶片基底侧(稍后形成芯片19的后表 面)髙精度研磨到预定厚度，使得透镜21中心以及散射区20中心之 间的距离为最佳。美国专利5,403,773 (尼塔(Nitta)等人)中进一步 描述了所述器件18。尼塔(Nitta)等人提出粘合剂树脂23的折射率应该 与器件芯片19以及球面透镜21的折射率相似。
在图4中，受LED激发的基于荧光粉的光源24包括半导电LED25， 该LED安装在导电散热器26内，该散热器也会将来自LED25的部分 光反射向荧光粉反射器组件27。组件27可以位于光学透明的密封材料 28中，可使该材料定形为透镜结构29，从而修整由光源24发出的光。 在美国专利申请公开US2004/0145288A1 (欧德柯克(Ouderkirk)等人) 中进一步描述了光源24。
图5中的多层LED30在美国专利6,717,362 (李(Lee)等人)中 有更全面的描述，该LED包括形成p-n面结型二极管的半导体材料31 ，
这种材料31由三个层32、 33、 34封装。32、 33、 34各层的材料按照 这种方式进行挑选，使得各层的折射率逐渐减小，从接近半导体材料 31的折射率减小到接近空气35的折射率。根据李(Lee)等人的专利，这 导致半导体材料31和第一层32、第一层32和第二层33、第二层33 和第三层34以及最后的第三层34和空气35的各自界面之间的折射率 差值变小。李(Lee)等人提出，只要层的折射率具有以上属性，可以使 用任何数目的层。

发明内容
本专利申请公开了一种LED光源，特别是一种包括LED发光体 以及至少部分围绕发光体的封壳的LED光源。封壳包括内透镜以及外 透镜，内透镜的折射率基本上小于外透镜的折射率，优选地为外透镜 折射率的70%到80%。内透镜及外透镜可以沿着曲面彼此接触，该曲 面对应于内透镜的外曲面以及外透镜的内曲面。优选地，内透镜基本 上是平凸的而外透镜是凹凸的。内透镜生成发光体的第一虚像，而外 透镜生成第二虚像，并且第一虚像位于发光体和第二虚像之间。LED 光源能够在紧空间中提供均匀的照明。
在示例性实施例中，曲面具有曲率半径，并在曲面顶点和LED发 光体之间存在一段距离(称为弛度i，参见下方的图7)，这段距离按 照这种方式进行选择，以便最小化内透镜的体积，并且涵盖LED发光 体以及可能附接到LED发光体上的引线键合。
在示例性实施例中，外透镜具有外曲面，所选曲面相对于第一虚 像基本上应是消球差的。例如，可以对该外曲面进行优化，使它相对 于第一虚像的边缘部分是消球差的，或者相对于第一虚像的边缘部分 和中心之间的中间部分是消球差的。
在示例性实施例中，LED发光体以范围为0到90度的极角95将 光发射到内透镜中，然后该发射光以范围为0到不超过45度或者0到.
不超过30度的极角62从外透镜射出。采用这样的受限制的出射角范 围，通过在外透镜的外表面上提供四分之一波长或其它适用的抗反射 涂层，可以有效地降低表面反射率或菲涅耳反射率。
通过下面详细的描述，本专利申请的这些方面以及其它方面将显 而易见。然而在任何情况下，都不得解释成以上概述对受权利要求书 保护的主题有所限制，所述主题仅由本文所附的权利要求书限定，该 权利要求书在申请过程中可能会有所修正。


图1-5为已知LED光源的示意性截面图6为LED光源的示意性截面图，该LED光源包括复式封壳透
镜；
图7为图6中的LED光源的另一个示意性截面图； 图8为LED晶粒阵列的平面图，该LED晶粒阵列形成了示例伸 展的LED光源；
图9为坐标图，显示了作为LED发光体一半宽度的函数的来自光 源(例如图6-7中的光源)的模拟规一化透射，用外透镜外表面半径 R2进行规一化；而
图10示出具有附加光学元件的图6-7的光源。
在这些图中，类似的附图标号标明类似的元件。
具体实施例方式
本应用程序公开了采用复式封壳透镜的紧凑LED光源，该透镜形 成LED发光体(例如伸展的LED晶粒)的虚拟图像。优选地，这种光 源在紧凑的封装中基本保留了 LED发光体的光学扩展量，从而可将光 源用于有效地照明微型投影仪系统中的LCOS面板或其它像素化面板。
就这一点而言，发光二极管或"LED"涉及发光的二极管，无论
是可见光、紫外光或红外光。它包括作为"LED"(不论是常规型还是 超亮型)销售的各种不同的盒装或封装半导体器件。如果LED发出不 可见光(如紫外光)，以及在一些发出可见光的情况中，可以将它封 装成包括荧光粉(或者它可以照亮设置在远处的荧光粉)，以使短波 长的光转换为较长波长的光，在某些情况下，还可以得到发射白光的 器件。"LED晶粒"是LED最基本的形态，即经半导体加工方法制成 的单个元件或芯片的形态。例如，LED晶粒通常是由一种或多种III族 元素和一种或多种V族元素的组合形成(III-V半导体)。合适的m-v 半导体材料的实例包括氮化物(如氮化镓)和磷化物(如磷化镓铟)。
还可以使用其它类型的ni-v材料，例如可以使用元素周期表其它族的
无机材料。部件或芯片可包括电触点，这些触点适用于向器件提供电
压的电能应用。实例包括引线接合、巻带自动结合(TAB)或芯片倒装焊 接。该元件或芯片的各个层和其它功能元件通常以晶片规模形成，并 且随后可将加工好的晶片切成单个元件，以生产多个LED晶粒。可将 LED晶粒构造成表面贴装、板上芯片贴装，或采用其它已知的贴装构 型。 一些封装LED通过形成在LED晶粒和关联反射杯上形成的聚合物 封壳制成。该LED晶粒具有准朗伯曲线发射图形，而且LED晶粒内产 生的大部分光由于晶粒表面处的全内反射而被截留，或者从LED晶粒 正上方的聚合物封壳发出。
现在参见图6，可以看到图中光源40包括LED发光体42以及至 少部分围绕发光体的封壳43。图7描述了完全相同的光源40,但标识 出了未在图6中显示的附加参数，以便于参阅。LED发光体42可以是 LED晶粒或LED晶粒阵列的发光表面，或者是(例如)涂覆于表面的 较薄磷光粉层，或换句话讲，是由这种LED晶粒激发的磷光粉层。优 选地，发光体42基本位于平面中，在图6-7中该平面相当于笛卡尔xyz 坐标系的x-y平面，但是也可采用其它布置方式。发光体42是广角度 光源，而且尽管某些光可能会由于全内反射而截留在发光体42中，但 射入内透镜44的光通常分布在整个半球立体角上，该立体角度与范围 为0到大约90度的光源角度6 s(相对于发光体局部曲面法线测量该角
度，该法线对应于图6-7中的z轴)相对应。
封壳43至少由两个截然不同的元件形成，因此可以将它表征为复 式封壳。具体地讲，封壳43具有内透镜44以及外透镜46，每个透镜 的表面都经过定制，以会聚从发光体42发出的光。优选地，内透镜44 的内表面与发光体42紧密接触，并且内透镜44的外表面44a与外透镜 46的内表面46a紧密接触或基本上配合。从而发光体42基本上被浸没 在内透镜44的材料中。外透镜46具有弯曲外表面46b，该表面暴露在 折射率为no的介质中，该介质通常是但不一定是空气。优选地，内部 以及外透镜44、 46基本上在光源的光轴48周围旋转对称，同样优选 地，发光体42以光轴48为中心。对于光源40，光轴48与笛卡尔坐标 系的z轴平行。
内透镜及外透镜各自的折射率m以及n2，在以下方面并非常规， 即与上面引用的李(Lee)等人的教导内容不同，从相对较高的LED发光 体42的折射率到相对较低的周围介质的折射率no着手处理时，这两个 折射率不会逐渐减小。相反，外透镜的折射率112基本大于内透镜的折 射率巧。在这点上，在适当波长处测量或评价折射率，例如LED发光 体42的峰值输出波长处，不论是红光、绿光、蓝光还是其它可见的色 光。优选地，折射率上的差值为足够大，从而在内透镜及外透镜之间 形成界面(即表面44a或46a)，该界面具有足够的光学功率使得以掠 射角从发光体42发出的光以较小的表面角从外透镜射出，下文将进一 步对此进行讨论。另一方面优选的是，差值不是很大，以避免使外表面 46b的菲涅耳折射率变得无法接受。因此，n"ii2的比率优选地小于0.8, 更为优选地在范围0.7到0.8内。
在示例实施例中，内透镜44由透光性液体、凝胶或其它非固体材 料组成。可将该材料容纳或密封在外透镜46的内表面46a和基底50 (LED发光体42安装在该基底上)之间的空间内，并且外透镜46也 与基底的周边附接。基底50可以是或包括基本平坦的陶瓷块、金属块
或其它合适的材料，并且也可以包括其它元件，例如金属触点、销以
及其它常规结构。在某些情况下，光源40可以包括一个或多个把LED 发光体连接到一个或多个金属触点或销的引线键合52。如果内透镜由 液体或凝胶组成，则可以使该引线键合上由热引起的应力最小。在可 供选择的实施例中，内透镜最初可由液态的能用紫外线固化的粘合剂 或树脂(例如可得自新泽西州新布伦兹维克的诺蓝公司(Norland Products, New Brunswick, New Jersey)的粘合剂或树脂)组成，然后通 过应用紫外线或其它短波辐射把它固化或换句话讲硬化为固体。在固 化之后，该树脂可发挥作用，将外透镜46固定就位并将其与基底50 以及发光体42粘结。 一种示例的可用紫外线固化的粘合剂为诺蓝光学 粘合剂81(NOA81)(Norland Optical Adhesive 81(NOA81))。无论是由液 体、凝胶、树脂或其它非固体或固体透光性材料组成，尽管可以釆用 其它值，内透镜的折射率n,通常在1.4到1.6的范围之内，常常为约
在示例性实施例中，外透镜46由具有相对高折射率的玻璃或其它 适用的光学材料组成。透镜的折射率112通常至少为1.8,优选地在大约 1.9到2.1的范围内或大约为2。示例材料包括兰宝石(折射率1.77)、 LASFN9光学玻璃(折射率1.85)以及S-LAH79光学玻璃(折射率 2.003)。外透镜46可铸造或模制为图6所示形状，或者为球形或球体， 然后经过加工形成内表面46a以及优选地接触基底50的周边46c。
从光学角度来看，由于折射率差异以及曲面形状，内透镜44会聚 来自发光体42的光，形成发光体的第一虚像VIlf而外透镜46进一步 会聚光，形成第二虚像Vl2。第一虚像位于LED发光体42和第二虚像 之间。优选地，透镜44、 46相结合，将LED发光体42放大3到4倍， 更为优选的是放大3.5到4倍。参见图7， LED发光体42、第一虚像 以及第二虚像Vl2的最大面内尺寸(即在平行于x-y平面的平面中 测量的最大横向尺寸)分别为标记的尺寸h、 &和h2的两倍。因此， h2/h的值优选地在3到4的范围内。此外，最终虚像(Vl2)的最大面内尺寸(所述尺寸为2h2)优选地接近外透镜46的最大面内尺寸。如果外 表面46b可以清楚地以中心点为C2的曲率半径R2来表征，这意味着 2h2接近2R2 ，例如R2《2h2《4R2 。
表面44a、 46a、 46b可以是球形或非球形，但是出于经济性考虑， 它们优选地基本为球形，由第一曲率半径Ri和中心点Q(对于表面44a、 46a)以及第二曲率半径R2和中心点C2 (对于表面46b)表征。如果封 壳是对称的，则中心点Q和C2位于光轴48上。其它在图7中显示的 所关注的参数包括从LED发光体42的顶部或前表面到表面44a/46a 顶端的轴向距离，标记为弛度,；从虚像VI,的顶部或前表面到外表面 46b的顶端的轴向距离，标记为弛度2;引线键合52相对于LED发光 体的顶部或前表面的最大高度，标记为H,;内透镜44在LED发光体 平面中的最大面内半宽度或半口径，标记为n;以及外透镜46在LED 发光体平面中的最大面内半宽度或半口径，标记为r2。为了使光源40 的总体尺寸或体积最小化，优选地使r2大约等于或仅稍大于r,。
另外，在许多情况下，使内透镜44的体积最小化也是可取的，例 如通过谨慎选择R,和弛度！的大小来实现这一点，其中Rt〉弛度j。 当内透镜由液体或凝胶材料甚至是未固化(液体)紫外线粘合剂材料 组成时，使内透镜44的体积最小化有助于减少出现在透镜之内或内外 透镜之间的气泡或空隙，这些气泡或空隙会有害地散射光并降低图像 质量。如果没有引线键合52，该选择会迫使n (内透镜的半口径(面 内))大约等于h (发光体42的最大半宽度)。如果存在引线键合52 (如最大高度Hi所示)，则最小体积的形状一般来讲会有所不同，以 便同时涵盖LED发光体42和引线键合52。在某些情况下，采用该解 决方案会得到表面44a (以及46a)，对于该表面，弛度i^2Hj。
可以选择&和弛度P而不使内透镜44的体积最小化，以优化光 源40的光学特性。例如，可以选择&和弛度p以便最大程度地放大 封壳43。
在一些情况下，还期望使光源光学系统中球差和/或彗差的量最小
或至少控制这个量。通过在光轴48和LED发光体42的相交处定位CP 可以使表面44a、 46a消球差(即几乎或完全没有球差或彗差)，从而 使得弛度i"Rp但是这样做通常与最小化内透镜44的体积是不相容 的，并且还会降低或丧失表面44a、 46a的会聚能力。因此，控制球差 和彗差的更为可取的方法是将外表面46b设计为消球差。对于同轴点， 可以通过如下设置第一虚像VI,(用作外透镜的"物像")和外表面46b 顶点之间的距离实现这一点
弛度2"112*((110+112)/112) (1)
在n2大约为2并且n。为1 (空气)时，该式可以简化为 弛度2^1,5*112 (2)
请注意上述最小体积以及消球差条件可以作为起点，由此可深入 优化，例如使用常规光学设计软件进行优化。例如，可以根据上述公 式(l)设计外表面46b,然后进行优化以最小化虚像VI,边缘上或边缘附 近的偏轴远点的球差和/或彗差。
结合图6-7讨论的设计有一个意想不到的有益效果，即能够降低 整体菲涅耳表面反射，尤其是降低外透镜外表面46b上的菲涅耳表面 反射。就这一点而言，"整体菲涅耳表面反射"指对于LED发光体42 在几乎整个角范围(0《6 s《90)发射的光，并且同时对于指定界面上给 定点处入射光的s和p偏振成分，在外表面46b上所发生的所有菲涅耳 表面反射的总数或平均数。在一种极端情况下，轴向光线以方向es=o (沿着光轴48)从发光体42的中心部分无偏转地(但是有部分被反射) 通过表面44a、 46a，然后以O度的内表面角(相对于局部表面法线在 外透镜介质ii2中测量)在外表面46b上射入，再以0度的外表面角92
(相对于同一局部表面法线在介质n。中测量)显现。对于该轴向光线， 界面上的菲涅耳反射率基本上为((n2-no)/(n2+no))2，当n。"l并且n2&2 时，相当于约11%反射率。在另一种极端情况下，以掠射角6s"90度 从LED发光体42射入内透镜44的掠射光被部分反射，但是也会在曲 面44a、 46a偏转，这取决于该表面的曲率R,以及定位(弛度,)。之 后，经过偏转的光于外表面46b上在周边46c附近的点射入，然后以最
大外表面角(0 2-0 2MAX)从那里显现。注意，在最大表面角0 2MAX情况 下，为局部S和p偏振成分而平均的菲涅耳反射率明显高于垂直入射角
度(62=0)情况下的菲涅耳反射率。如果在设计透镜44、 46时没有仔细 考虑，0 2MAx可能为或接近9O度，并且大量由LED发光体42发出的 光会因外表面46b上的菲涅耳反射而丢失。
幸运的是，通过使用外透镜折射率比内透镜折射率大很多(并且 其中外透镜和内透镜在适当曲面处相接)的外透镜/内透镜组合，就可 以大大减小外表面46b处的最大表面角92MAX，优选地减小到45、 40、 35或30度或更小，同时仍然维持高放大倍率成像系统。采用这种封壳 出射光釆用受限表面角范围的情况下，通过在外透镜的外表面上提供 四分之一光波或其它适用的抗反射涂层，还有机会有效地更进一步降 低整体表面反射或菲涅耳反射。该涂层基本上可在整个受限表面角范 围(0到30度或0到45度)内有效，但是在范围大得多的表面角范围 (例如0到大约90度)内效果会差一些。要注意的是，如果ii2为大约 2并且no为大约l (空气)，则最佳单层四分之一光波抗反射涂层的折 射率为火n^no),即々2或大约1.4,该折射率与氟化镁的折射率有利地 相符，氟化镁是一种尤其坚固并且经过证明的光学涂层材料。
与减小外透镜46外表面46b表面角范围相关的优点是，外表面46b 有源部分的球形折射得到减小。这就是说外表面46b的有源部分(即 从LED发光体发出的光在其上以整个半球立体角(0《6 s《90度)射出 外表面46b的部分)可以是完整球体的较小部分，或者可以对向更小 的立体角度。事实上，外表面46b的有源部分基本上为半球状(而非
超球面)或小于半球(对向2:t或更小球面度的立体角度)比较实用。
现在参见图8，可以看到包含在半径为n的圆形边界中的示例LED 发光体60的平面图，该圆形边界相当于内透镜44的外表面44a与LED 发光体的平面的相交处。LED发光体是伸展但并不连续的，由方形LED 晶粒62组成的4x3阵列构成，这些LED晶粒之间具有小间隙，形成大 致为矩形的形状，该矩形的最大面内尺寸为2h (矩形相对角之间的距 离)。发光体60以光轴48为中心。
在给定发光体60尺寸的情况下，如果需要最小化光源的整体体积 或尺寸，可以减小内透镜和外透镜的尺寸，至少最小化r。。以及& (请参见图7)。然而，由于光源的延伸性质以及渐晕问题，过小的透 镜会导致虚像VI2或任何通过虚像形成的实像在整个图像上具有不可 接受的与渐晕相关的亮度变化，亮度在光源中心(最靠近光轴)最高， 在光源的边缘或角落(离光轴最远处)减小至最低。加大透镜尺寸可 缓解渐晕问题，但也会加大光学系统的尺寸和重量。如果使用球透镜， 使球直径保持《5mm以及更为优选地《4mm，实际上可以使之更易于 从现有透镜制造商处获得，并且价格通常更为低廉。
图9示出简单但具有代表性的光学系统的建模结果，该系统用于 标识光源与透镜的优选比率，以便釆用透镜尺寸平衡渐晕，使用尽可 能小的透镜保持小的渐晕损耗。模型假定平坦光源的厚度为零并且最 大面内尺寸2h以光轴为中心，光源位于半球形平凸的(半径为R并且 折射率为1.533)中，并且透镜也以光轴为中心并由空气围绕。模型从 光源的所有区域从所有方向发出光，并且计算按照与光源的几何或近 轴(虚拟)图像相对应的方向射出透镜的光百分比。该计算得出的百 分比在图9中称为"规一化透射"。该建模是为离散值h/R以及两种典 型光源形状而构建的，这两种光源形状为半径为h的圆形，以及正 方形(从正方形的中心到其任意角的距离均为h)。这两种光源的最大 面内尺寸均为2h。以曲线70示出圆形光源的规一化透射，并以曲线
72示出正方形光源的规一化透射。曲线证实，在相对于R可以忽略h 时(h/R接近0)，圆形光源以及正方形光源的规一化透射均接近1。 曲线还示出，在h大小接近R时(h/R接近l)，规一化透射会单调减 小。有趣的是，相对于曲线70 (圆形光源)，曲线72 (正方形光源) 的向下变化证实了这样一个事实，即图像退化主要在光源的最外边缘 或边角处发生。如果将最小许可规一化透射选择为0.9 (与渐晕相关的 损耗为10%)，则根据图9，应选择的h/R的值为大约0.4或更小。为 了使透镜尺寸R保持相对紧凑，我们为h/R的值选择大约为0.2或0.3 的下限。因此，在诸如图6-7的系统中，我们优先选择(并非必须)h/R2 的值不超过0.4，优选地在0.3至0.4的范围内。
本发明所公开的紧凑光源可用于多种光学系统中，图IO中显示了 其中一种光学系统。在图10中，微型准直系统80包括上述光源40， 以及外部准直透镜82以及可选的反射式偏振器84。出于紧凑性考虑， 将透镜82绘制为分段或分区菲涅耳透镜，但是如果需要也可使用任何 传统的块状光学透镜或其它已知透镜。为了实现准直，透镜82的焦距 和位置按照这种方式进行选择，使得由外透镜46形成的最终虚像IM2 位于透镜82的后焦点上。注意，由于LED发光体42的延伸性，准直 的光出射透镜82实际上将具有非零的角展度。
准直系统80也包括可选的反射式偏振器84。根据需要，偏振器可 用于提供线性、圆形或椭圆形的偏振光。尽管吸收式偏振器也可用于 该目的，但是如果光源40中存在一种结构或机构将至少一部分受阻的 偏振状态转换为垂直的"通过"状态，反射式偏振器(优选的是，其 中的"受阻"偏振状态会以镜面方式反射，而不会被吸收或散射)能 够提供增加的效率。事实上，下面实例中描述的光源结合了准直透镜 以及美国专利5,882,774 (约查(Jonza)等人)中描述的共挤出多层反 射式偏振器类型，该反射式偏振器在偏振器的两侧均施加有抗反射涂 层，并观测到增加的偏振光输出超过10% (相对于采用吸收式偏振器 的类似系统，而非反射式偏振器)。在美国专利6，916，440 (杰克逊
(Jackson)等人)、6,939,499 (梅里尔(Merrill)等人)、6,949,212 (梅 里尔(Merrill)等人)以及6,936,209 (杰克逊(Jackson)等人)中公开 了制作共挤出多层偏振膜的示例性方法。其它示例性反射式偏振器包 括Vikuiti 双层增亮薄膜(DBEF)，可得自明尼苏达州圣保罗市的3M 公司(3M Company, St.Paul， Minnesota)。还可以想到使用胆甾型偏振器。 如上所述，可以在偏振器的一个或两个表面上使用抗反射涂层，以最 小化由于菲涅耳表面反射而引起的损耗。作为另外一种选择，可以将 偏振器层合到另一个光学元件(例如透镜或板)的光滑、优选为平坦 的表面上，或者将它层合在两个侧面上，并夹在两个该类光学元件之 间。
本发明所公开的紧凑光源也可用于投影系统，例如采用了硅基液 晶(LCOS)面板或其它像素化面板的投影系统。在共同转让的美国专利 申请11/322801中公开了一种示例性投影系统，该专利申请的标题为 "带光束均匀器的投影系统(Projection System With Beam Homogenizer)"(律师案巻号61338US002)。
实例
对类似结合图6-7所述光源进行加工以及测试。光源采用市售 Luxeon LED白光发光体(型号LXHL-PW01)构建而成，该发光体可 得自加利福利亚州圣何塞市的卢米雷兹照明公司(Lumileds Lighting, SanJose, California)。在不损坏四颗LED晶粒、晶粒前表面上的荧光粉 薄涂层、安装有晶粒的基底或引线键合的情况下，将随发光体一起提 供的封壳透镜移除。这些剩余的元件将保持不变，并在本文中称为"LED 基座"。四颗LED晶粒在形状上呈矩形，但彼此相邻安装，以便在平 面图中名义上形成正方形，正方形边长为1.1mm,但是在每对相邻的 晶粒之间都存在细小间隙。白光从荧光粉涂层(基本平坦)射出，该 涂层名义上具有相同正方形区域(但不连续)。
此外，可从新泽西州巴灵顿的艾德蒙德科技公司(Edmund
Scientific Co., Barrington, New Jersey)获得由S-LAH79玻璃(折射率 2.003)制成的直径为5mm的球透镜。球透镜被截平，然后通过精加工 在截平区域形成半径为2.76mm的内腔。之后向内腔填充未固化(液体) 诺蓝光学粘合剂(Norland Optical Adhesive 81(NOA81))，将所得结构置 于LED基座上，使得LED晶粒、荧光粉涂层和引线键合位于内腔中， 以及截平球透镜的外周边(参见图6中的结构46c)与LED基座的基 底相接触。然后将所得结构暴露在紫外线中，紫外线用于固化(以及 凝固)液体粘合剂，将外透镜与基底以及LED晶粒粘结。所得光源具 有LED发光体(位于LED晶粒表面上的荧光粉薄涂层)以及复式封壳 透镜，该封壳透镜具有基本上为平凸的内透镜(由固化的紫外线粘合 剂组成)以及由折射率更高的光学玻璃组成的凹凸外透镜。光源也具 有以下属性及特征
n0 =1
n， =1.53
n2 =2.003 =2.76mm
R2 =2.5mm
弛度！ -1.1mm
弛度2 =3.4mm
弛度2/R2=1.36
r! =2.19mm
r2 =2.3 5mm
h=0.77
h/R2 =0.31
h2 =2.58
h2/R2 =1
光源射出角范围6s-0至大约90度 外表面46b上的表面角范围92=0至大约30度 复式封壳透镜的放大倍数3.35
除非另外指明，否则本说明书和权利要求中用来表达数量、特性 量度等的所有数字应当理解为在所有情况下均由术语"约"来修饰。 因此，除非有相反的指示，否则说明书和权利要求中列出的数值参数 均为近似值，并且根据本领域内的技术人员利用本发明的教导内容所 希望获得的所需特性而有所不同。在最低程度上，并且不是旨在将等 同原则学说的应用限制于权利要求的范围，至少应按照所报告有效数 字的数和通过采用常舍入法来解释每一个数字参数。虽然阐述本发明 广义范围的数值范围和参数是近似值，但是本说明依然尽可能精确地 报告在具体实施例中所列出的数值。然而，任何数值固有地包含一定 的误差，这些误差必然地由各自测试量度中所存在的标准偏差引起。
上述具体实施方式
为示例性的，并且并非旨在限制本发明的范围。 本文所公开的实施例可能存在变化和修改形式，本领域的普通技术人 员研究本专利文档后应该能够理解实施例中多种元件的实际替代物和 等同物。在不脱离本发明范围和精神的前提下，可以对本文所公开的 实施例应用这些以及其它的变化和修改形式。
权利要求
1.一种光源，包括LED发光体；和至少部分围绕所述LED发光体的封壳；其中所述封壳包括内透镜以及外透镜，所述内透镜的折射率为n1并且具有外曲面，同时所述外透镜的折射率n2大于n1，并且具有基本与所述内透镜的所述外曲面配合的内曲面；和其中所述内透镜生成所述LED发光体的第一虚像，而所述外透镜生成所述第一虚像的第二虚像，并且所述第一虚像位于所述LED发光体和所述第二虚像之间。
2. 根据权利要求1所述的光源，其中所述LED发光体发射从轴向 到掠射角的广角光到所述内透镜中，并且所述内透镜会聚并透射该广 角光到所述外透镜。
3. 根据权利要求2所述的光源，其中所述广角光在所述内透镜中 呈现0至卯度的极角，并且该光以范围为0到0 2MAX的表面角范围从外透镜显现，其中0 2MAX为45度或更小。
4. 根据权利要求1所述的光源，其中所述第二虚像相对于所述 LED发光体的所述放大倍数在3倍到4倍的范围之内。
5. 根据权利要求1所述的光源，其中所述LED发光体基本上呈平 面，并且具有最大面内尺寸2h。
6. 根据权利要求5所述的光源，其中所述外透镜具有半径为R2 的外曲面，并且其中h/R2不大于0.4。
7. 根据权利要求6所述的光源，其中h/R2在0.3至0.4的范围内。
8. 根据权利要求l所述的光源，其中所述外透镜具有基本上相对 于所述第一虚像消球差的外曲面。
9. 根据权利要求1所述的光源，其中所述外透镜具有半径为R2 的外曲面，所述外透镜暴露在折射率为n。的介质中，并且其中所述第 一虚像设置在与所述外透镜的所述外曲面顶点的距离为弛度2的位置 处，并且其中弛度2 " R,((no+ri2)/n2)。
10. 根据权利要求1所述的光源，其中ni/n2在0.7至0.8的范围内。
11. 根据权利要求10所述的光源，其中n,为大约1.5并且n2为大约2。
12. 根据权利要求1所述的光源，其中所述内透镜基本上是平凸 的，并且所述外透镜基本上是凹凸的。
13. 根据权利要求1所述的光源，其中所述内透镜由非固体材料 组成，并且所述外透镜由固体材料组成。
14. 根据权利要求13所述的光源，其中所述内透镜由透光性液体 或凝胶组成。
15. 根据权利要求13所述的光源，该光源还包括基底，所述LED 发光体安装在该基底上，并且其中所述非固体材料包含在所述外透镜 和所述基底之间。
16. 根据权利要求1所述的光源，该光源还包括基底，所述LED 发光体安装在该基底上，并且其中所述内透镜将所述外透镜粘附到所 述基底。
17. 根据权利要求1所述的光源，其中所述LED发光体以范围为 0到90度的极角6s将光发射到所述内透镜中，并且其中该发射光以范围为O度到0 2MAX的表面角92从所述外透镜射出，其中0 2MAX不超过30度。
18. 根据权利要求1所述的光源，其中所述外透镜具有外曲面， 并且其中所述光源还包括所述外透镜的该外曲面上的抗反射涂层。
19. 根据权利要求1所述的光源，其中所述内透镜的所述外曲面 具有曲率半径R!，并且具有设置在距离所述LED发光体距离为弛度j的顶点，并且其中弛度,以及R,按照这种方式进行选择，以便使所述 内透镜的体积基本上最小，同时涵盖所述LED发光体以及附接到其上 的任何引线键合。
20. 根据权利要求1所述的光源，其中所述内透镜的所述外曲面 具有曲率半径&，并且具有设置在距离所述LED发光体距离为弛度, 的顶点，并且R,〉弛度,。
全文摘要
一种具有LED发光体以及至少部分围绕所述发光体的封壳的LED光源。所述封壳具有内透镜以及外透镜，所述内透镜的折射率小于所述外透镜的折射率，并且在某些情况下为所述外透镜折射率的70％到80％。所述内透镜及外透镜可沿着曲面彼此接触，并且在某些情况下所述内透镜基本上是平凸的，并且所述外透镜为凹凸的。所述内透镜生成所述发光体的第一虚像，而所述外透镜生成第二虚像，并且所述第一虚像位于所述发光体和所述第二虚像之间。LED光源能够在紧凑的空间内提供均匀的照明。
文档编号H01L33/58GK101371371SQ200680052691
公开日2009年2月18日 申请日期2006年12月20日 优先权日2005年12月30日
发明者帕特里克·R·德斯藤 申请人:3M创新有限公司