专利名称：具有受控的角度非均匀性的led的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有波长转换的发光二极管(LED)，且尤其涉及控制LED的角度依赖性以产生希望的非均勻性。
背景技术：
使用发光二极管(LED)的照明器件在许多照明应用中正变得越来越常见。通常， LED使用初级发射的磷光体转换以产生白色光，但是磷光体也可以用来形成更饱和的颜色， 比如红色、绿色和黄色。磷光体转换LED中发现的常规问题是产生的光的不受控制的角度依赖性和颜色非均勻性。典型地，与从磷光体层的顶部发射的光相比，从磷光体层的侧面发射的光或者来自磷光体层的更高角度的光将具有更长的波长，即更多的光被转换，因为作为顶部发射光的光更直接且被磷光体转换的机会更少。结果，发射的光的颜色依赖于角度。处理颜色非均勻性的当前策略包括降低角度依赖性。举例而言，一种策略是涂敷磷光体材料的侧面以防止光的侧面发射。另一种策略是向磷光体材料添加散射颗粒以便混合转换光和非转换光，使得侧面发射的光和顶部发射的光具有近似相同的颜色。然而，对于角度依赖性的这类解决方案降低了器件的效率，也增大了生产成本。因此，处理角度依赖性的其他解决方案是所希望的。
发明内容
一种光源包括具有波长转换元件的LED，该波长转换元件具有选定的高度和宽度的比率以产生希望的非均勻角度颜色分布，例如在从0°到90°的角度分布内的均勻性 Au' ν’ >0. 015。该光源与这样的应用一起使用，所述应用将来自光源的非均勻角度颜色分布转化成均勻颜色分布，例如均勻性为AU’V’<0.01。因此，相对于围绕被配置成产生均勻角度颜色分布的LED而设计的常规系统，该系统的效率增加。
图1说明了包括具有波长转换元件的LED的光源的侧视图，该光源具有受控的非均勻角度颜色分布。图2说明了随着角度的Au’ ν’偏移，用于示出图1的光源的角度颜色非均勻性。图3A和图3B说明了与闪光灯类型的应用一起使用的光源的实例。图4说明了半侧面发射器配置的光源的侧视图。图5说明了发射具有受控的非均勻角度颜色依赖性的光的光源的另一实施例。图6A和图6B通过实例说明了与背光类型应用一起使用的多个光源的平面图和侧视图。图7为说明针对PMMA丙烯酸的每Imm的吸收曲线的曲线图，所述PMMA丙烯酸在背光应用中常用作波导。
图8为说明波导的光谱吸收效应的曲线图。图9为说明由于PMMA波导的随着距离的(蓝色)吸收而引起的颜色偏移的曲线图。
具体实施例方式图1说明了包括具有 波长转换元件110的发光二极管(LED) 101的光源100的侧视图，该光源具有受控的非均勻角度颜色分布。图1也说明了与光源100—起使用的具有镜片122布置的器件120，所述镜片布置用于将来自光源100的光反射到器件120。器件120 可以是诸如闪光灯类型应用或背光照明或者其他适当应用之类的应用。光源100的角度颜色非均勻性被配置成与基于光的器件120—起使用，使得整个系统(即光源100和器件120) 变得比包括具有均勻角度LED的常规光源100的系统更加有效。LED 101被示为倒装芯片器件，其中焊盘102位于LED 101的底部表面上。焊盘 102结合到衬底106上的接触元件104，所述衬底可以是例如陶瓷或硅。如果希望的话，可以将衬底106安装到散热器108上。如果希望的话，可以使用不同于衬底106和散热器108 的支撑结构。在一个实施例中，LED 101可以是蓝色或紫外(UV)LED并且可以是高辐射器件，例如Frank Wall等人2003年8月29日提交的、公开号为No. 2005/0045901的、题为“Package for a Semiconductor Light Emitting Device” 的、美国序列号为 No. 10/652348 中描述的类型，该文献与本公开具有相同的受让人并且通过引用合并于此。LED 101的角度发射模式可以是朗伯型(如图1中所示)，或者使用诸如晶格结构之类的光子晶体进行控制。波长转换元件110安装到LED 101，该波长转换元件例如可以是嵌入到例如硅树脂中且模制在LED 101上的粘合剂材料中的或者在这里有时称为“发光陶瓷”的刚性陶瓷板中的磷光体。陶瓷板通常为自支撑层并且对于特定波长可以是半透明或透明，这可以减少与诸如共形层之类的非透明波长转换层关联的散射损失。发光陶瓷层可以比薄膜或共形磷光体层更鲁棒。可以在模制在LED 101上的粘合剂中或者在发光陶瓷中使用的磷光体的实例包括铝石榴石磷光体，其具有通式(LulTy_a_b YxGdy) S(AlhGaz)5O12 = CeaPrb,其中 0<X<l、0<y<l、 0<z 彡 0.1、0<a 彡 0. 2 且 0<b 彡 0. 1，例如 Lu3Al5O12 = Ce3+和 Y3Al5O12:Ce3+，其发射黄色-绿色范围内的光；以及(SrnBaxCaPhSihAlaNhC^EUz2+，其中0彡a<5、0<X彡1、0 彡y彡1且0<z彡1，例如Sr2Si5N8:Eu2+，其发射红色范围内的光。适当的Y3Al5O12 = Ce3+ 陶瓷板可以从北卡罗来纳州夏洛特市的Baikowski International Corporation购买。 其他的绿色、黄色和红色发射磷光体也可能是适当的，包括(Sr^bCabBac) SixNyOz Eua2+ (a=0. 002-0. 2、b=0. 0-0. 25、c=0. 0-0. 25、x=l. 5-2. 5、y=l. 5-2. 5、z=l. 5-2. 5)，其包括例如 SrSi2N2O2 = Eu2+ ； (SrlmMguCavBax) (Ga2丁zAlyInzS4) :Eu2+，其包括例如 SrGa2S4: Eu2+ ； SivxBaxSiO4 = Eu2+；以及(Cai_xSrx) S:Eu2+，其中 0<x 彡 1，其包括例如 CaS: Eu2+和 SrS: Eu2+。 如各箭头114和115所示，光源100具有顶部发射和侧面发射的光这两者，其中顶部发射的光114为蓝白色并且侧面发射的光115为淡黄色。通过控制波长转换元件110的高度H或者更特别地控制高度/宽度(H/W)比率，可以控制光的角度依赖性以产生对于器件120合适的希望数量的蓝白色光114和淡黄色光115。举例而言，为了产生更少的蓝色光，使用具有更大高度H的波长转换元件110，而为了产生更多的蓝色光，使用具有更小高度H的波长转换元件110。图2A说明了随着角度的Au’ ν’偏移，其示出光源100的角度颜色非均勻性的一个实施例。随着角度的Διι’ V’偏移是相对于参考点的颜色偏移的度量。由图2Α可见，光源100在0°与90°之间相对于0°参考点产生>0.015的Au’ν’偏移。这是在所述角度范围内测量的最大的颜色随着角度的变化。图2Β示出了具有蓝色LED和红色/绿色磷光体的另一光源100的Au’ ν’的实例，该光源被配置成产生随着角度的Au’ ν’ >0.05。通过改变例如H/W比率，可以产生随着角度值的不同的最大Au’ v’，例如，根据希望的应用，例如光源100与其一起使用的器件120，随着角度的最大Au’v’可以大于0. 015,0. 03,0. 045 或0.06。依照一个实施例，使用光源100的器件120于是产生小于0.015，例如小于0.01 或者0. 005的空间颜色均勻性Au’ ν’。因此，不是试图消除光的角度颜色依赖性，而是光源100被设计成产生受控的角度颜色非均勻性，该角度颜色非均勻性对于光源100要与其一起使用的特定器件120而言被优化。因此，如上面所描述的，例如，光源100被配置成产生随着角度的Au’ ν’偏移>0. 015的受控的角度颜色非均勻性，但是当与器件120 —起使用时，器件120产生 Au’v’<0. 015的空间颜色均勻性。根据应用的要求，不同的空间颜色均勻性是可能的，比如 Δ !，ν，<0· 05至AU’V’<0.015。例如，可以利用依照一个实施例的具有Au，v，<0. 05的背光产生需要高度精确的颜色表示的医疗监视器或其他应用，但是，可以利用具有Au’v’<0.01 的背光产生消费类监视器，并且诸如照相机闪光灯之类的应用可以具有Au’v’<0.015。利用受控的角度颜色非均勻性，可以增加光源100的效率，因为无需阻挡光从光源100发射。 因此，与其中使用了均勻角度LED的系统相比，包括器件120和光源100的系统的总体性能提尚。图3A和图3B说明了可以与闪光灯类型的器件120 (例如用于相机)一起使用的光源100的实例。图2B说明了具有覆盖波长转换元件110的诸如二向色滤光器之类的附加控制元件112的光源100。二向色滤光器112作为角度的函数而不同地透射光，这进一步有助于控制角度依赖性。可替换地，可以使用散射元件以便适当地降低或控制角度依赖性。 如图2B中所示，光源100产生蓝白色光114和淡黄色光115，淡黄色光被反射器122反射并且在成像目标124处混合。如果希望的话，光源100可以是侧面(或半侧面)发射器，其中存在很少的顶部发射和大量的侧面发射。图4说明了半侧面发射器配置的光源100，其中波长转换元件110的顶部表面110t。p上的顶部反射器是不必要的。如图4中所示，来自光源100的侧面IlOside 的角度发射模式是朗伯型。通过利用相对于波长转换元件110的宽度W (其在本实施例中与LED 101的宽度相同)增大波长转换元件110的高度H来代替顶部反射器，减少了到LED 101的光反射的次数。到LED 101的反射是低效的，并且因此通过减少到LED 101的反射， 降低了系统中的损耗。而且，通过增大高度H，波长转换元件110的侧面IlOside具有更大的面积，这提供了增大的来自波长转换元件110侧面IlOside的光提取。通过相对于宽度W增大波长转换元件110的高度H，光源100对于与光收集相对比的要求光提取的应用而言被优化。例如，在诸如闪光灯光学设计之类的应用中，小的设计的源是所希望的，使得光学器件可以保持较小，同时收集大多数光，并且将光瞄准到1米距离处的1. 05x0. 8米的目标。通过增大波长转换元件110的高度，增加了提取的光。波长转换元件内的Ce浓度可以被配置成对于特定的应用产生希望的色点。此外，可以将散射颗粒添加到波长转换元件以便帮助将光提取到空气中。图5说明了发射具有受控的角度颜色依赖性的光的光源100的另一实施例。光源 100包括到波长转换元件110的顶部表面的薄光学耦合层压元件116，其可以是例如二向色层、散射层或红色磷光体层。如果希望的话，特别是当元件116为红色磷光体层、波长转换元件110为诸如LUAG之类的淡绿色磷光体板并且LED 101为蓝色LED时，元件116可以置于波长转换元件110与LED 101之间。此外，光源100可以包括包覆成型(overmolded)圆顶镜片118，其可以是硅、环氧树脂或其他适当的材料，其也可以帮助控制角度颜色非均勻性。如果希望的话，不必使用包覆成型圆顶镜片118。由箭头114示出的顶部发射的光为蓝白色并且具有朗伯型发射轮廓。由箭头115示出的侧面发射的光为淡黄色并且具有由波长转换元件的高度H以及由散射配置的各向同性发射轮廓。在诸如背光之类的希望的应用中，可以将光源100的角度依赖发射转化成均勻的空间颜色分布。图6A和图6B通过实例说明了与背光类型的器件120 —起使用的多个光源100的平面图和侧视图。背光120在背光内的不同位置处提取来自单个光源100的颜色，例如蓝色对绿色/红色。因此，通过使用一定数量的光源100并且通过控制发射的光的角度颜色分布，可以在背光应用中产生均勻的空间颜色分布。图7为说明针对PMMA丙烯酸的每Imm的吸收曲线的曲线图，所述PMMA丙烯酸在背光应用中常用作波导。X轴代表波长，而Y轴代表吸收百分比。图8为说明波导的光谱吸收效应的曲线图，其示出来自72” PMMA波导的边缘(由曲线202示出)和中心(由曲线 204示出)的光谱变化。X轴代表波长，而Y轴代表相对光谱分布。由图8可见，波导中心处的光谱中心204包括比波导边缘202更少的蓝色光。图9为说明针对具有均勻角度和空间输入的常规光源的由于双侧背光中PMMA波导的随着距离的(蓝色)吸收而引起的理论颜色偏移的曲线图。X轴代表以英寸为单位的背光的对角位置，而Y轴代表从中心到边缘的Au’ ν’变化。如所示，使用常规均勻角度光源的常规波导具有大于0.01且事实上高达 0. 02 的 Au，ν，。因此，从图7、8和9中的曲线图可见，更多的蓝色光随着距离而被PMMA波导吸收， 结果是这种波导在波导中心处比在波导边缘处具有更少的蓝色光。而且，如图9中所示， Au’ V’偏移具有随着距离的近似线性的变化。借助于光源100的受控的非均勻角度颜色分布，更多的蓝色光可以朝波导中心直接发射以便补偿PMMA材料中的蓝色吸收，从而在背光应用中产生更均勻的颜色分布。举例而言，图10说明了类似于图9中所示的理论PMMA 波导的吸收，但是使用了具有随着角度>0.01的Δ !’ν’偏移的受控角度颜色非均勻性的光源。如图10中所示，得到的空间颜色均勻性具有小于0.01的Au’ ν’。尽管出于教导的目的结合具体实施例说明了本发明，但是本发明并不限于此。在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种不同的调适和修改。因此，所附权利要求的精神和范围不应当限于前面的描述。
权利要求
1.一种设备，包括光源，该光源包括发光二极管；波长转换元件，其设置在该发光二极管上，该波长转换元件具有一定高度和宽度，其中高度和宽度的比率被选择为在从0°到90°的角度分布内产生具有希望的非均勻角度颜色分布Au，V，>0.015的光。
2.权利要求1的设备，进一步包括用于反射来自该波长转换元件的侧面发射的光和顶部发射的光的镜片，其中所述顶部发射的光和所述侧面发射的光具有希望的非均勻角度颜色分布。
3.权利要求2的设备，其中该镜片将具有希望的非均勻角度颜色分布的所述顶部发射的光和所述侧面发射的光聚焦到目标上，所述顶部发射的光和所述侧面发射的光在该目标处被混合以便在该目标处产生均勻性Au’ V’ <0.015的均勻空间颜色分布。
4.权利要求3的设备，其中该光源用作闪光灯。
5.权利要求1的设备，进一步包括基于光的器件，所述基于光的器件被耦合以接收从该波长转换元件发射的光，其中希望的非均勻角度颜色分布被转化成在所述基于光的器件中均勻性Au’ ν’ <0. 01的均勻颜色分布。
6.权利要求5的设备，其中所述基于光的器件为使用波导的背光，并且其中所述设备还包括多个光源。
7.权利要求1的设备，进一步包括耦合到该波长转换元件的层压元件。
8.权利要求1的设备，其中该波长转换元件包括磷光体。
9.一种方法，包括提供发光二极管；提供具有一定高度和宽度比率的波长转换元件，所述高度和宽度比率被选择成在该波长转换元件所发射的光中产生在从0°到90°的角度分布内均勻性Au’ ν’ >0.015的希望的非均勻角度颜色分布；以及将该波长转换元件耦合到该发光二极管以产生具有希望的非均勻角度颜色分布的光源。
10.权利要求9的方法，进一步包括将来自该光源的希望的非均勻角度颜色分布转化成在基于光的应用中均勻性Δ !’ V’ <0.015的均勻空间颜色分布。
11.权利要求10的方法，其中所述基于光的应用是背光应用。
12.权利要求10的方法，其中所述基于光的应用是闪光灯应用。
全文摘要
一种将发光二极管与波长转换元件一起使用的光源被配置成产生可以与特定的基于光的器件一起使用的非均匀角度颜色分布，该基于光的器件将所述角度颜色分布转化成均匀颜色分布。波长转换元件的高度和宽度的比率被选择成产生希望的非均匀角度颜色分布。与其中使用均匀角度发光二极管的常规系统相比，在光源中使用受控的角度颜色非均匀性以及在将非均匀性转化成均匀颜色分布的应用中使用它增大了系统的效率。
文档编号H01L33/58GK102165613SQ200980137466
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月21日 优先权日2008年9月24日
发明者S·比尔休曾, W·S·施密特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司, 飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司