專利名稱：一種使用勻光器的led光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以半導(dǎo)體光發(fā)射二極管(LED)為主要元件的一種光源；具體涉及使用勻光器的LED條形光源及其外封裝結(jié)構(gòu)，以及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
可見光的發(fā)光二極管(LED)起源于20世紀(jì)90年代，是超高亮度LED應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。1991年，紅、橙、黃色I(xiàn)II族氮化物類高亮度LED的實(shí)用化揭開了LED發(fā)展的新篇目。隨著超高亮LED的出現(xiàn)，其效率越來越高，且價(jià)格逐漸下降。同時(shí)LED具有壽命長、耐震動(dòng)、發(fā)光效率高、無干擾、不怕低溫、無汞污染問題和性價(jià)比高等特點(diǎn)。超高亮度功率型LED大大擴(kuò)展了LED在各種信號(hào)顯示和照明光源領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要有汽車內(nèi)外燈、各種交通信號(hào)燈，以及室內(nèi)外信息顯示屏和背光源。目前LCD面板的背光源主要以冷陰極管為主，雖然CCFL具有線型發(fā)光、光源均勻等特點(diǎn)，不過其缺點(diǎn)是耗電量高、環(huán)保差。相較之下，LED因耗電量低，再加上壽命長、色再現(xiàn)率高、無干擾、不怕低溫、短小輕薄、環(huán)保等優(yōu)勢，使得目前LED已逐漸取代CCFL，大量用于手機(jī)、PDA、數(shù)字相機(jī)、車用面板以及手持式DVD播放機(jī)等產(chǎn)品，更將逐步朝向LCD監(jiān)視器、液晶電視等領(lǐng)域邁進(jìn)。
LED光源雖然有上述的多種優(yōu)點(diǎn)，但是它與各類設(shè)備原先所采用的傳統(tǒng)光源的形式完全不同，因此無法直接替代這些光源，必須專門為LED光源設(shè)計(jì)方案。由于LED是點(diǎn)光源，輻射圖樣是圓錐形，在實(shí)際應(yīng)用中存在弊病難以獲得一個(gè)均勻的連續(xù)光源，如條形光源或面光源。目前，條形光源的應(yīng)用十分廣泛，如復(fù)印機(jī)、掃描儀，還有傳統(tǒng)液晶顯示屏的背光系統(tǒng)所采用的冷陰極熒光燈(CCFL)光源。目前使用者為了用LED獲得均勻的連續(xù)光源，不得不采用較為復(fù)雜的光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)，例如LED在背光源中應(yīng)用時(shí)，需要混光、導(dǎo)光系統(tǒng)，并配合散射層，才能獲得一個(gè)比較相對(duì)均勻照亮的表面。例如CN2577303，其中使用一種導(dǎo)光管，在導(dǎo)光管表面形成許多鋸齒狀起伏，以便鋸齒斜面反射光來得到比較均勻的光輻射。然而僅僅是一種反射，或許含有散射，不能得到很均勻的光輻射。CN1407520使用一種導(dǎo)光槽，實(shí)際上僅僅利用光折射，同樣不能得到很均勻的光輻射。這就是說，現(xiàn)有技術(shù)沒有一種同時(shí)使用光的折射和衍射以及反射和/散射性能來得到更加均勻的光輻射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有LED光源存在的上述缺點(diǎn)，提供一種使用勻光器的LED條形光源，盡管只在兩端有LED，該條形光源仍然能夠在整個(gè)條形上得到均勻發(fā)光。
本發(fā)明是通過對(duì)LED光源進(jìn)行再一次外封裝來形成所要求均勻發(fā)光的條形或面形光源。因此，本發(fā)明一個(gè)目的是提供一種勻光器，包括一種透光基體，其中所述基體至少部分表面具有微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)，以便能夠讓勻光器存在光的折射和衍射以及反射和/或散射，從而使勻光器配合的光源所發(fā)的光均勻化。
本發(fā)明再一個(gè)目的是提供一種勻光器的制備方法，包括按照用戶要求的尺寸形狀制作勻光器基體外形，然后在至少部分表面上形成微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種使用上述勻光器的條形光源，其中勻光器為長條形，在其兩端各有至少一個(gè)LED，這兩端LED的方向相對(duì)，光軸重合；且兩端的LED可根據(jù)應(yīng)用需要，選擇不同的顏色、功率、光通量、光強(qiáng)及封裝類型等。
本發(fā)明另一個(gè)目的是提供一種條形光源的制備方法，包括按照用戶需要的尺寸制作勻光器，然后在勻光器兩端安裝LED及其配應(yīng)的電連接元件，最后進(jìn)行外封裝，其中在勻光器和LED之間存在腔體空間。
本發(fā)明的勻光器是一種二元光學(xué)元件(Binary Optical Elements，簡寫B(tài)OE)，它是一種位相型的衍射光學(xué)元件；以光的衍射效應(yīng)為基本工作原理，采用對(duì)光學(xué)波面的分析來設(shè)計(jì)衍射位相輪廓的元件。二元光學(xué)的基本原理，就是從波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)光學(xué)波面要求用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)二元顯微浮雕結(jié)構(gòu)。其圖形尺寸小于光的波長，然后再利用微細(xì)加工枝術(shù)，在介質(zhì)或金屬基底上刻蝕成器件。目前制作二元光學(xué)元件的方法主要有微電子工藝中的刻蝕法、鍍膜法，高精度鉆石車床程序控制切削法等。其中微電子工藝技術(shù)中的刻蝕法是目前采用的主要手段。由于實(shí)際制作出的位相輪廓是以2為量化倍數(shù)，與理想的連續(xù)位相輪廓的臺(tái)階形狀近似，故被稱為“二元光學(xué)元件”。一般二元光學(xué)元件是指其位相呈二元階梯形的衍射光學(xué)元件，通常利用一個(gè)或多個(gè)二元掩模制作而成。其二元微位相結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，通過改變其衍射結(jié)構(gòu)圖案，其性能可以適用于很寬的應(yīng)用范圍，在光學(xué)信息處理、光通信與傳感、光計(jì)算等方面均有廣闊的應(yīng)用前景。
勻光器可選用各種光學(xué)材料制作，如光學(xué)玻璃，光學(xué)有機(jī)玻璃，光學(xué)塑料PMMA、PC等。勻光器的形狀尺寸沒有嚴(yán)格限制，根據(jù)用戶對(duì)該光源的需要來設(shè)計(jì)。勻光器與LED結(jié)合的地方，要存在一個(gè)收集LED發(fā)出的光線的腔體。勻光器具有特別的光學(xué)設(shè)計(jì)，其至少部分表面存在微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)，對(duì)光線進(jìn)行折射和衍射以及反射和/或散射，從而實(shí)現(xiàn)需要的勻光分布。
這種階梯陣列結(jié)構(gòu)的形成完全是根據(jù)勻光器具體尺寸按照光學(xué)基本原理，即折射、衍射和/或反射及散射的基本原理計(jì)算制作的，然后通過測量光的均勻性來驗(yàn)證的。上述光學(xué)基本原理是根據(jù)二元光學(xué)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)的。二元光學(xué)系統(tǒng)是一種折射、衍射和散射的一種綜合系統(tǒng)，本文叫做折衍混合系統(tǒng)，其原理見圖1，是由衍射光學(xué)器件與傳統(tǒng)的折射光學(xué)器件組合而成，即基體表面做成衍射光學(xué)器件1a，而基體本身做成折射光學(xué)元件1b。具體來說，可將基體視為透鏡，其本身是折射元件，在透鏡的光出射表面精心設(shè)計(jì)一些微光學(xué)陣列結(jié)構(gòu)；每個(gè)陣列結(jié)構(gòu)單元的尺寸為微米量級(jí)，從而在透鏡表面擁有了衍射元件。從外觀看，這些微光學(xué)陣列結(jié)構(gòu)就是一種微小的階梯陣列結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的形成完全是根據(jù)勻光器具體尺寸按照光學(xué)基本原理，即折射、衍射以及反射和/或散射的基本原理計(jì)算制作的，然后通過測量光的均勻性來檢驗(yàn)。這種階梯陣列結(jié)構(gòu)的形狀和多少?zèng)]有也不需要嚴(yán)格限制，因?yàn)閮啥薒ED之間不同距離不同尺寸(包括腔體形狀尺寸)就有不同大小和數(shù)量的階梯陣列。尺寸大距離遠(yuǎn)時(shí)，階梯陣列的尺寸起伏相應(yīng)大或者多一些，反之則小或少，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的，或者通過基本光學(xué)原理來計(jì)算的；而且最終結(jié)果可以是通過測量來驗(yàn)證的。所謂陣列是指階梯狀是有規(guī)律的，這種規(guī)律同樣根據(jù)勻光器的形狀尺寸和腔體尺寸來決定。
本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，參看圖2，勻光器1的形狀為一長條形，其長度和橫截面的形狀、尺寸沒有嚴(yán)格限制，根據(jù)用戶對(duì)該光源的需要來設(shè)計(jì)。勻光器兩端與LED結(jié)合的地方，各形成一個(gè)收集LED發(fā)出的光線的腔體11、12。勻光器具有折衍混和的光學(xué)設(shè)計(jì)，其至少部分表面存在微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)，對(duì)光線進(jìn)行折射和衍射以及反射和/或散射，以此實(shí)現(xiàn)需要的均勻光分布。階梯陣列結(jié)構(gòu)的制作比較簡單，根據(jù)不同材質(zhì)使用不同方法。例如，光學(xué)玻璃材質(zhì)時(shí)，可使用光刻腐蝕，激光加工或模具熱壓等；光學(xué)有機(jī)玻璃或光學(xué)塑料一般采用模具熱壓?？梢栽谡麄€(gè)表面形成也可在部分表面上形成微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)，完全根據(jù)需要來決定。
利用折射和衍射兩種光學(xué)作用在色散上的相反效果(阿貝數(shù)負(fù)向)，可以有效地消除色差，擴(kuò)寬色域，提高色再現(xiàn)性。折衍混和系統(tǒng)相當(dāng)于傳統(tǒng)光學(xué)器件(透鏡、棱鏡、反射鏡等)與衍射光學(xué)器件(如全息光學(xué)器件(HOE)、衍射光學(xué)透鏡(DOE)等)的組合。折衍混合系統(tǒng)同時(shí)利用了光的折射和衍射兩種特性；具有獨(dú)特的色散性質(zhì)、良好的熱性能及單色像差校正能力；在光學(xué)設(shè)計(jì)中增加設(shè)計(jì)的自由度；多功能集成、減小體積和降低成本；衍射光學(xué)透鏡獨(dú)特的色散特性可用于消色差。消色差原理衍射光學(xué)器件具有獨(dú)特的、不同于常規(guī)光學(xué)器件的色散性能。衍射透鏡的色散特性相對(duì)于傳統(tǒng)的折射光學(xué)，具有與材料本身的無關(guān)性和阿貝數(shù)的負(fù)向性，這點(diǎn)非常有助于消色差。這是現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)光管或?qū)Ч獠鬯鶝]有的功能。另外，如果需要加大散射，可選地在勻光器一個(gè)或多個(gè)面上至少部分涂覆散射層。
通過采用勻光器，可以得到比較均勻的輻射圖樣，使后續(xù)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)大大簡化。勻光器實(shí)際上是利用二元光學(xué)系統(tǒng)原理的一種透鏡，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)該透鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
以條形光源為例，參看圖2，將兩個(gè)LED 2、3分別裝在勻光器1的兩端，用光透過率高、折射率與勻光器的材料相近的膠4將LED和勻光器粘接固定，以減少光線進(jìn)入勻光器時(shí)的損失。這樣，當(dāng)兩端的LED 2、3發(fā)光時(shí)，光線在兩端分別由腔體11、12進(jìn)入勻光器1，并經(jīng)過設(shè)計(jì)好的勻光器內(nèi)部和/或外部表面的微小結(jié)構(gòu)，從勻光器的表面射出，形成均勻的條形光源。由于兩端都有發(fā)光源，就避免了光線在勻光器內(nèi)傳輸時(shí)的損耗引起條形光源發(fā)出的光一頭較強(qiáng)，而另一頭逐漸減弱。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)勻光器的形狀和結(jié)構(gòu)，可以使條形光源以長條為中心各向發(fā)光，形成圓柱狀均勻光源；或在長條上側(cè)面發(fā)光，形成某一角度的扇狀均勻光源。腔體的大小沒有嚴(yán)格限制，根據(jù)條形光源的尺寸而定。尺寸小，腔體?。怀叽绱笄惑w大；甚至可以制成空腔。仍以條形光源為例，空腔時(shí)，勻光器實(shí)際上是一種園管或橢圓管，兩端結(jié)合LED。這樣，可在內(nèi)表面或外表面或者內(nèi)外表面都形成微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步強(qiáng)化勻光效應(yīng)。顯然，勻光器還可制成平面狀，圓形，橢圓形等其他形狀。平面形時(shí)，可是正方形或矩形，在其四角端或在四角端及中間端都結(jié)合LED。圓形或橢圓形時(shí)可在多個(gè)均分點(diǎn)安置LED，然后粘結(jié)，再進(jìn)行外封裝成為整體。所述外封裝就是按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的制備LED光源的方式，將勻光器、LED及其配應(yīng)的電連接元件固定在一起，形成一個(gè)整體的光源元件。
LED芯片可以是單芯片也可是多芯片，可以是單色芯片也可將多個(gè)單色芯片組合成一個(gè)芯片單元，以便得到所要求顏色的光。
本發(fā)明對(duì)LED光源進(jìn)行再一次外封裝，形成能夠在整個(gè)條形上均勻發(fā)光的兩端有LED的條形光源，其優(yōu)點(diǎn)是(1)該光源與傳統(tǒng)光源相比，具有LED光源的各種優(yōu)點(diǎn)。
(2)兩端有發(fā)光源，通過合適的設(shè)計(jì)，能夠在整個(gè)條形上均勻發(fā)光。
(3)通過合適的光學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以制造成與各類設(shè)備原先所采用的傳統(tǒng)光源的同樣的尺寸，與設(shè)備兼容，可直接替代原有光源，而不需對(duì)設(shè)備重新設(shè)計(jì)，或只要做很小的改變就可以使用。
(4)結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜，實(shí)施容易。
從上可知，本發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的折衍混合系統(tǒng)的原理示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是本發(fā)明中勻光器的剖面圖；圖4是本發(fā)明中一種方案的勻光器的橫截面及發(fā)光示意圖；圖5是本發(fā)明中另一種方案的勻光器的橫截面及發(fā)光示意圖；圖6是本發(fā)明中又一種方案的勻光器的橫截面及發(fā)光示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1請(qǐng)參閱圖2，將兩個(gè)LED2、3分別裝在勻光器1的兩端；勻光器兩端與LED結(jié)合的地方，各形成一個(gè)收集LED發(fā)出的光線的腔體11、12，見圖3；使LED的發(fā)光點(diǎn)分別位于勻光器兩端的腔體11、12中；用光透過率高、折射率與勻光器的材料相近的膠4將LED和勻光器粘接固定，并使膠固化。其中，所述膠4可從市場購置。
本例中，勻光器的材料為PMMA，注塑制造；勻光器的橫截面是圓形，勻光器本身的微小光學(xué)結(jié)構(gòu)使光線從勻光器的圓柱面均勻發(fā)出，形成圓柱狀均勻光源，見圖4。
本例中，選用的兩個(gè)LED是單芯片、通過熒光粉發(fā)出白色光。
本例中，選用的膠是紫外固化膠，用紫外線照射的方法使其固化。
實(shí)施例2基本按照與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)，不同的是兩端的LED2、3選用的是單芯片、發(fā)出紅、綠或藍(lán)的單色光。
實(shí)施例3基本按照與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)，不同的是兩端的LED2、3選用的是三芯片封裝、發(fā)出混合白光，即每個(gè)LED是將紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色的LED芯片組合到一個(gè)封裝中。
實(shí)施例4基本按照與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)，不同的是勻光器1的橫截面是近似三角形，在長條上單面發(fā)光，形成一定角度的扇狀均勻光源，見圖5。
實(shí)施例5基本按照與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)，不同的是勻光器1的橫截面是近似橢圓形，在長條上兩面發(fā)光，形成一定角度的扇狀均勻光源，見圖6。另外，在本例中勻光器的表面涂覆了一層散射層。
從上可知，本發(fā)明了通過對(duì)LED光源進(jìn)行再一次外封裝，提供一種兩端有LED的條形光源，能夠在整個(gè)條形上均勻發(fā)光。以上詳細(xì)敘述了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可作許多改良和變換，例如外封裝的結(jié)構(gòu)和尺寸以及材料的變化等，均落入本發(fā)明的精神范圍。
權(quán)利要求
1.一種使用LED和勻光器的條形光源，其特征在于所述勻光器包括一種透光基體，所述基體至少部分表面具有微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)，以便能夠讓勻光器存在光的折射和衍射以及反射和/或散射，從而使勻光器配合的光源所發(fā)的光均勻化，并且該勻光器為長條形，在其兩端各有至少一個(gè)LED，這兩端LED的方向相對(duì)，光軸重合，在勻光器和LED之間存在腔體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的條形光源，其特征在于用光透過率高、折射率與勻光器的材料相近的膠將LED和勻光器粘接固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的條形光源，其特征在于設(shè)計(jì)勻光器的形狀和結(jié)構(gòu)，使得條形光源以長條為中心各向發(fā)光，形成圓柱狀均勻光源；或在長條上側(cè)面發(fā)光，形成某一角度的扇狀均勻光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求5的條形光源，其特征在于所述勻光器表面涂覆一層散射層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的條形光源，其特征在于所述勻光器材質(zhì)是光學(xué)有機(jī)玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的勻光器，其特征在于所述勻光器是空心的，在其至少部分內(nèi)表面上有微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用LED和勻光器的條形光源，其特征在于所述勻光器包括一種透光基體，所述基體至少部分表面具有微小階梯狀陣列結(jié)構(gòu)，以便能夠讓勻光器存在光的折射和衍射以及反射和/或散射，從而使勻光器配合的光源所發(fā)的光均勻化，并且該勻光器為長條形，在其兩端各有至少一個(gè)LED，這兩端LED的方向相對(duì)，光軸重合，在勻光器和LED之間存在腔體。根據(jù)需要設(shè)計(jì)勻光器的形狀和結(jié)構(gòu)，可以使條形光源以長條為中心各向發(fā)光，形成圓柱狀均勻光源；或在長條上側(cè)面發(fā)光，形成某一角度的扇狀均勻光源。使用勻光器還可制作面形或其他形狀的LED光源。
文檔編號(hào)G02B5/18GK1716048SQ200510034628
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者李明遠(yuǎn), 陳迎春, 肖俊, 陳皓明 申請(qǐng)人:深圳市中電淼浩固體光源有限公司