[发明专利]照明器件封装

说明书

技术领域

本发明涉及发光器件，特别地，涉及照明器件封装的光学部件的设计。 

背景技术

如果发光二极管(LED)封装被适当地设计成有效地提取工作条件下该LED封装内部产生的光，那么这些LED可以更加有效。从器件设计者的观点来看，有效的光提取可能是提高来自LED管芯(die)的光能够离开LED封装而不必经历该LED封装内不必要的反射的机会的事情。例如，若干设计特征可能影响光路，所述设计特征例如光学界面的取向和位置以及LED封装的相关部件的光学属性，例如光学界面任一侧上的材料类型。而且，光在LED封装内部的传播还可以例如取决于它的波长、它的强度、LED管芯的尺寸和光视效能(luminous efficacy)、驱动电流、LED封装的光学元件的不透明度、LED封装内部的温度状况、LED封装部件的材料和周围介质的折射率，以及相关材料的折射率的温度依赖性。现有技术LED封装至少具有LED管芯和密封剂(encapsulant)透镜。在一些LED封装中，透镜和密封剂是分开的或者由不同的材料制成。因此，LED封装可能具有管芯-密封剂光学界面、密封剂-透镜光学界面以及透镜-空气光学界面。 

除了改变LED管芯发出的光的传播方向之外，光学界面还可以反射和透射可变部分的光，这取决于光的波长、光学界面处的入射角以及光学界面任一侧上两种介质的折射率。LED封装的光学界面处的部分反射和透射可以引起一系列重复反射和透射的光线。结果，一些反射可能延长光路，这会增大LED封装内部不希望的光吸收的可能性。而且，光可能经历全内反射(TIR)，所述全内反射会在特定的入射角下发生，这些特定的入射角取决于折射率比值。这种效果会在光在具有第一折射率的介质内传播并且轰击具有足够厚的另一介质层的光学界面时发生，所述另一介质层具有小于第一折射率的第二折射率。TIR基本上完全阻止了光透过并且远离光学界面。此外，折射元件的不恰当设计可能导致 LED发出的光具有潜在地不实用的空间光发射属性，这些属性可能包括由于单色像差或色差而引起的光发射模式中的亮度或颜色的不规则性。 

即使在光谱的可见部分内，例如LED管芯的折射率也可能显著地变化。目前使用的大多数管芯在可见光谱中具有高于大约1.6的折射率。此外，例如一些蓝色和绿色LED管芯具有大约2.6-2.7的折射率。例如，如果周围介质为具有大约1.0的折射率的空气，并且如果管芯的折射率为1.6，那么TIR的最大临界角将为相对于光学界面法线的大约39度。然而，对于其他波长而言，临界角可能小得多。以更大的角度轰击光学界面的任何光将完全内反射。 

一种减少不希望的反射的已知解决方案是利用折射率介于LED管芯的折射率和空气的折射率之间的材料覆盖所述LED管芯，或者更一般地在光学界面处采用给出低的折射率比值的材料。例如，可以将一个或多个LED管芯置于半球形透镜的中心并且可以利用透明密封剂填充所述管芯和透镜之间的空间。选择用于密封剂和透镜的材料，使得除了其他要求之外，它们的共同的折射率(例如1.5)逐渐使管芯的折射率(例如2.65)与周围介质的折射率(其为1.0)匹配。然而，当两个或更多LED管芯一起聚集在一个透镜之下时，该设计要求相对较大的透镜尺寸。但是，为了更好的颜色混合，可能希望在相同封装内部具有多个LED管芯。 

在若干出版物中认可了这些原理中的一些原理。例如，美国专利No.6610598描述了一种发光二极管表面安装器件(SMD LED)，其部件通常在表面上具有平面。通过斯涅尔(Snell)定律的计算，大多数光由于环氧树脂和大气的折射率(大气中光的折射率为1，环氧树脂的折射率约为1.5)之间的差异的原因而不能直接从所述部件中发出。发光二极管表面安装器件包括该SMD LED的平面表面上的若干小透镜或衍射透镜，其中放大临界角的透镜可以增大从该发光芯片直接发出光的机会，这又增大了该LED的亮度。 

美国专利No.6590235和No.6204523提供了一种具有在绿色到近UV波长范围内的光发射的LED部件。该发光半导体管芯用一种或多种硅树脂化合物来密封，包括硬外壳、内部凝胶或弹性层或者两者。所述硅树脂材料在温度和湿度范围上是稳定的，并且对于暴露于周围UV辐射是稳定的。结果，该LED部件有利地具有长的寿命，其中它没有会降 低绿色到近UV光输出的“泛黄”衰减。