專利名稱：照明器件封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光器件，特別地，涉及照明器件封裝的光學(xué)部件的設(shè)計。
背景技術(shù)：
如果發(fā)光二極管(LED)封裝被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計成有效地提取工作條件下該LED封裝內(nèi)部產(chǎn)生的光，那么這些LED可以更加有效。從器件設(shè)計者的觀點來看，有效的光提取可能是提高來自LED管芯(die)的光能夠離開LED封裝而不必經(jīng)歷該LED封裝內(nèi)不必要的反射的機會的事情。例如，若干設(shè)計特征可能影響光路，所述設(shè)計特征例如光學(xué)界面的取向和位置以及LED封裝的相關(guān)部件的光學(xué)屬性，例如光學(xué)界面任一側(cè)上的材料類型。而且，光在LED封裝內(nèi)部的傳播還可以例如取決于它的波長、它的強度、LED管芯的尺寸和光視效能(luminous efficacy)、驅(qū)動電流、LED封裝的光學(xué)元件的不透明度、LED封裝內(nèi)部的溫度狀況、LED封裝部件的材料和周圍介質(zhì)的折射率，以及相關(guān)材料的折射率的溫度依賴性?，F(xiàn)有技術(shù)LED封裝至少具有LED管芯和密封劑(encapsulant)透鏡。在一些LED封裝中，透鏡和密封劑是分開的或者由不同的材料制成。因此，LED封裝可能具有管芯-密封劑光學(xué)界面、密封劑-透鏡光學(xué)界面以及透鏡-空氣光學(xué)界面。
除了改變LED管芯發(fā)出的光的傳播方向之外，光學(xué)界面還可以反射和透射可變部分的光，這取決于光的波長、光學(xué)界面處的入射角以及光學(xué)界面任一側(cè)上兩種介質(zhì)的折射率。LED封裝的光學(xué)界面處的部分反射和透射可以引起一系列重復(fù)反射和透射的光線。結(jié)果， 一些反射可能延長光路，這會增大LED封裝內(nèi)部不希望的光吸收的可能性。而且，光可能經(jīng)歷全內(nèi)反射(TIR),所述全內(nèi)反射會在特定的入射角下發(fā)生，這些特定的入射角取決于折射率比值。這種效果會在光在具有第一折射率的介質(zhì)內(nèi)傳播并且轟擊具有足夠厚的另一介質(zhì)層的光學(xué)界面時發(fā)生，所述另一介質(zhì)層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過并且遠離光學(xué)界面。此外，折射元件的不恰當(dāng)設(shè)計可能導(dǎo)致LED發(fā)出的光具有潛在地不實用的空間光發(fā)射屬性，這些屬性可能包括
由于單色像差或色差而引起的光發(fā)射模式中的亮度或顏色的不規(guī)則性。
即使在光譜的可見部分內(nèi)，例如LED管芯的折射率也可能顯著地變化。目前使用的大多數(shù)管芯在可見光譜中具有高于大約1.6的折射率。此外，例如一些藍色和綠色LED管芯具有大約2.6-2.7的折射率。例如，如果周圍介質(zhì)為具有大約l.O的折射率的空氣，并且如果管芯的折射率為1.6,那么TIR的最大臨界角將為相對于光學(xué)界面法線的大約39度。然而，對于其他波長而言，臨界角可能小得多。以更大的角度轟擊光學(xué)界面的任何光將完全內(nèi)反射。
一種減少不希望的反射的已知解決方案是利用折射率介于LED管芯的折射率和空氣的折射率之間的材料覆蓋所述LED管芯，或者更一般地在光學(xué)界面處采用給出低的折射率比值的材料。例如，可以將一個或多個LED管芯置于半球形透鏡的中心并且可以利用透明密封劑填充所述管芯和透鏡之間的空間。選擇用于密封劑和透鏡的材料，使得除了其他要求之外，它們的共同的折射率(例如1.5 )逐漸使管芯的折射率(例如2.65)與周圍介質(zhì)的折射率(其為1.0)匹配。然而，當(dāng)兩個或更多LED管芯一起聚集在一個透鏡之下時，該設(shè)計要求相對較大的透鏡尺寸。但是，為了更好的顏色混合，可能希望在相同封裝內(nèi)部具有多個LED管芯。
在若干出版物中認(rèn)可了這些原理中的一些原理。例如，美國專利No.6610598描述了一種發(fā)光二極管表面安裝器件(SMD LED)，其部件通常在表面上具有平面。通過斯涅爾(Snell)定律的計算，大多數(shù)光由于環(huán)氧樹脂和大氣的折射率(大氣中光的折射率為1,環(huán)氧樹脂的折射率約為1.5)之間的差異的原因而不能直接從所述部件中發(fā)出。發(fā)光二極管表面安裝器件包括該SMD LED的平面表面上的若干小透鏡或衍射透鏡，其中放大臨界角的透鏡可以增大從該發(fā)光芯片直接發(fā)出光的機會，這又增大了該LED的亮度。
美國專利No.6590235和No.6204523提供了一種具有在綠色到近UV波長范圍內(nèi)的光發(fā)射的LED部件。該發(fā)光半導(dǎo)體管芯用 一種或多種硅樹脂化合物來密封，包括硬外殼、內(nèi)部凝膠或彈性層或者兩者。所述硅樹脂材料在溫度和濕度范圍上是穩(wěn)定的，并且對于暴露于周圍UV輻射是穩(wěn)定的。結(jié)果，該LED部件有利地具有長的壽命，其中它沒有會降
5低綠色到近UV光輸出的"泛黃"衰減。
美國專利No.6639360提供了 一種高功率輻射發(fā)射器器件以及用于電子部件的散熱封裝。該電子部件封裝包括密封室；包含在密封室中的液體或凝月交；設(shè)置在密封室中與所述液體或凝月交物理接觸以及熱接觸的至少一個電子部件；以及電耦合到所述電子部件并且延伸到所述密封室之外的至少一個電導(dǎo)體。所述電子部件可以包括輻射發(fā)射器、熱或光學(xué)傳感器、電阻器以及微處理器或其他半導(dǎo)體部件中的任何一個或者其任意組合。
美國專利No.6867929描述了 一種對于人眼安全并且以高速實現(xiàn)其開關(guān)的光源器件。該光源器件包括 一個或多個用于發(fā)出單色或多色光束的激光光源；漫射器，其可以是透射的、反射的或者其混合，用于漫射直接從激光光源或者經(jīng)由光學(xué)聚焦系統(tǒng)接收的光束；以及光學(xué)準(zhǔn)直器，其《從漫射器發(fā)出的漫射光束進行準(zhǔn)直。
美國專利No.7015516描述了一種包括發(fā)光二極管的發(fā)光微電子封裝，所述發(fā)光二極管具有第一傳導(dǎo)類型的第一區(qū)域、第二傳導(dǎo)類型的第二區(qū)域以及第 一和第二區(qū)域之間的發(fā)光p-n結(jié)。該發(fā)光二極管限定了較低的接觸表面以及從該較低的接觸表面向上突出的臺面。第一傳導(dǎo)類型的第 一 區(qū)域設(shè)置在臺面上并且限定了該臺面的頂面，第二傳導(dǎo)類型的第二區(qū)域限定了基本上包圍該臺面的所述較低的接觸表面。所述臺面包括
述至少一個側(cè)壁具有用于優(yōu)化從所述封裝提取光的粗糙表面。
美國專利No.7023022描述了 一種包含基本上透明的基底的發(fā)光封裝，該基底具有第一表面和包含透鏡的第二表面。所述封裝還包含適于發(fā)出具有預(yù)定波長的光的發(fā)光二極管(LED),該LED固定在基本上透明的基底的第一表面上。所述基底的第二表面限定了所述封裝的主發(fā)光表面。處于第二表面的透鏡具有與從所述LED發(fā)出的光的預(yù)定波長匹配的光柵模式以用于控制由所述封裝發(fā)出的光的發(fā)射幾何結(jié)構(gòu)。該光柵模式具有包含一系列同心的圓的徑向構(gòu)造。
美國專利No.6921929描述了一種具有無定形(amorphous)含氟聚合物密封劑和透鏡的發(fā)光二極管(LED)。該透鏡和密封劑由無定形含氟聚合物制成，其用于LED或二極管激光器，例如紫外LED。半導(dǎo)體二極管管芯通過在諸如藍寶石之類的基底層上生長二極管來形成。該二極管被倒裝，從而它通過所述層的面發(fā)出光。無定形含氟聚合物密封劑密封所述二極管管芯的發(fā)射面，并且可以被整形為透鏡以便形成整體的密封劑/透鏡?；蛘?，無定形含氟聚合物的透鏡可以與密封劑結(jié)合。也可以使用附加的結(jié)合的或單獨的透鏡。該密封劑/透鏡對于UV光以及紅外光是可透射的。該專利還提供了密封方法。
美國專利No.7026657描述了 一種高輻亮度LED芯片以及用于制造高輻亮度LED芯片的方法。發(fā)光二極管芯片包括輻射發(fā)射有效區(qū)域和窗口層。為了提高發(fā)光效率，輻射發(fā)射有效區(qū)域的截面積小于可用于解耦合光的窗口層的截面積。該發(fā)明還針對一種用于在發(fā)光部件的表面上制造透鏡結(jié)構(gòu)的方法。
美國專利No.6卯3380描述了 一種用于LED封裝的方法和系統(tǒng)。該LED封裝可以包括具有環(huán)形接觸和基區(qū)(base)接觸的引線框架。LED管芯可以耦合到環(huán)形和基區(qū)接觸，使得P型材料部分電連接到環(huán)形接觸并且N型材料部分電連接到基區(qū)接觸?？商鎿Q地，N型材料部分可以電連接到環(huán)形接觸并且P型材料部分可以電連接到基區(qū)接觸。透鏡可以耦合到引線框架，并且光學(xué)材料可以置于由所述透鏡、基區(qū)接觸和環(huán)形接觸限定的腔內(nèi)。該光學(xué)材料可以是凝膠、油脂、彈性材料、非彈性材料、剛性材料、液體材料或者非液體材料。所述方法和系統(tǒng)還可以包括安裝器件，其中所述LED封裝以插座、卡口槽(bayonet)或者有螺紋的方式機械地耦合到安裝器件。所述方法和系統(tǒng)還可以包括包含用來形成LED封裝陣列的環(huán)形接觸陣列的條帶以及包含容納所述LED封裝陣列的容納器件的載體條帶。透鏡的一部分可以涂敷有或者包括光可激發(fā)材料或者該光學(xué)材料可以包括光可激發(fā)材料，使得所述系統(tǒng)發(fā)出白光。
美國專利No.6480389描述了 一種包括散熱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管(LED)，該散熱結(jié)構(gòu)的特征在于具有填充到全密封殼體中的散熱流體冷卻劑，其中安裝在金屬基底上的至少一個LED芯片駐留在該殼體內(nèi)部。該散熱結(jié)構(gòu)被配置有從金屬基底豎立的金屬壁，其用來將密封殼體的透明蓋保持在正確的位置。此外，該豎立的壁鄰近地包圍所述至少一個LED芯片，結(jié)果從中產(chǎn)生的焦耳熱可以通過散熱流體冷卻劑快速地向外擴散到該豎立的壁，然后沿著該壁向下擴散到與用于排熱的更大的外部熱沉(heat sink)鄰接的金屬基底，從而防止了所述至少一個LED過熱。該發(fā)明的其他特性在于，密封殼體的透明蓋由透明材料制成，其中在該透明蓋的內(nèi)表面上形成與散熱流體冷卻劑接觸的凸出部分。因此，如果在殼體內(nèi)部由于填充不充分的原因而存在任何氣泡，那么由于浮力的作用它將不會停留在視場之內(nèi)。因此，避免了由于氣泡的存在而引起
的LED光散射的可能性。
美國專利No.5077587描述了 一種具有防反射層優(yōu)化的發(fā)光二極管。來自LED等的改善的光輸出是通過修改形成發(fā)光區(qū)域的窗口的外緣處透射擴散掩膜層和防反射涂層的組合厚度尺寸來獲得的。
美國專利公開No.2006/0083000描述了 一種用于發(fā)光二極管的透鏡，該透鏡由折射率為n的材料制成，該透鏡包括底部、從該底部延伸的第一彎曲周緣表面、從第一彎曲周緣表面延伸的彎曲中心邊緣表面以及/人彎曲中心邊緣表面延伸的最中心的彎曲表面。所述底部包括用于在其中容納發(fā)光芯片的凹槽。在所述透鏡中，從所述底部的中心到所述彎曲中心邊緣表面的點的距離總是短于該彎曲中心邊緣表面的所述點的曲率半徑。所述最中心的彎曲表面具有相對于底部的凹形形狀。此外，當(dāng)透鏡的主軸和所述最中心的彎曲表面的點的切線之間形成的鈍角為Al并且連接底部的中心和所述最中心的彎曲表面的所述點的直線與透鏡的主軸之間形成的銳角為 A2時，該透4竟?jié)M足公式Al+A2<90+l/sin(l/n)。
美國專利公開No.2005/0221519描述了包括發(fā)光轉(zhuǎn):渙元件的半導(dǎo)體發(fā)光器件以及用于封裝所述半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。用于封裝所述半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法包括將第 一數(shù)量的密封劑材料分發(fā)到包含所述發(fā)光器件的腔體中。所述腔體中第 一數(shù)量的密封劑材料被處理以形成其具有選定形狀的硬化的上表面。發(fā)光轉(zhuǎn)換元件被設(shè)置在所述經(jīng)過處理的第一數(shù)量的密封劑材料的上表面上。該發(fā)光轉(zhuǎn)換元件包括波長轉(zhuǎn)換材料并且在腔體的中間區(qū)域具有比腔體側(cè)壁鄰近位置更大的厚度。
美國專利公開No.2004/0079957描述了 一種功率表面安裝發(fā)光管芯封裝。該管芯封裝包括基底、反射器板和透鏡。所述基底可以由熱傳導(dǎo)但是電絕緣的材料制成，或者由既傳熱又導(dǎo)電的材料制成。在其中所述基底由導(dǎo)電材料制成的實施例中，該基底還包括在所述導(dǎo)電材料之上形成的電絕緣熱傳導(dǎo)材料。該基底具有用于連接到安裝襯墊處的發(fā)光二極管(LED)的線路(trace)。所述反射器板耦合到基底并且基本上包圍安裝襯墊。所述透鏡覆蓋安裝襯墊。工作期間由所述LED產(chǎn)生的熱通過
8基底(用作底部熱沉)和反射器板(用作頂部熱沉)而排出該LED。所述反射器板包括沿著希望的方向引導(dǎo)來自所述LED的光的反射表面。
美國專利公開No.2004/0041222描述了 一種功率表面安裝發(fā)光管芯封裝。該管芯封裝包括基底、反射器板和透鏡。所述基底可以由熱傳導(dǎo)但是電絕緣的材料制成。該基底具有用于將外部電源連接到安裝襯墊處的發(fā)光二極管(LED)的線路。所述反射器板耦合到基底并且基本上包圍安裝襯墊。所述透鏡可以相對于該反射器板自由地移動并且能夠通過密封劑而被升高或降低，所述密封劑濕潤并且粘附到透鏡上，并且置于相對于所述LED芯片的最佳距離處。該透鏡可以用包括光學(xué)化學(xué)物的光學(xué)系統(tǒng)覆蓋，所述光學(xué)化學(xué)物影響所述器件的性能。工作期間由所述LED產(chǎn)生的熱通過基底(用作底部熱沉)和反射器板(用作頂部熱沉)而排出該LED。所述反射器板包括沿著希望的方向引導(dǎo)來自所述LED的光的反射表面。
國際專利公開No.2006/021837描述了包括半導(dǎo)體二極管的發(fā)光二極管系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體二極管^皮設(shè)置成與電接觸、安裝裝置以及光學(xué)耦合器協(xié)同地工作；其中光學(xué)耦合器包括至少菲涅爾(Fresnel)透鏡。菲涅爾透鏡還耦合到諸如凹透鏡或"負"透鏡之類的附加光學(xué)元件以及還耦合到通過全內(nèi)反射原理而工作的反射器。在優(yōu)選的方案中，所述凹透鏡和反射器二者都是非球形的。單件塑料的覆蓋物元件可以以成型工藝制成，其中所有這三個光學(xué)元件，即菲涅爾透鏡、負透鏡和反射器，被制成所述塑料單件。此外，該塑料件可以被設(shè)置成還容納輔助系統(tǒng)，例如對準(zhǔn)指示和緊固裝置以及互鎖外緣構(gòu)造。
國際專利公開No.2005/107420描述了一種發(fā)光設(shè)備，其包括用于發(fā)光的光源；向下轉(zhuǎn)換材料，其接收所發(fā)射的光并且將所發(fā)射的光轉(zhuǎn)換成透射光和后向透射光；以及光學(xué)器件，其被配置成接收后向透射光并且將該后向透射光傳輸?shù)皆摴鈱W(xué)器件之外。所述光源為半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其可以包括發(fā)光二極管、激光二極管或者諧振腔發(fā)光二極管。所述向下轉(zhuǎn)換材料包括用于吸收一個光譜區(qū)域中的光并且發(fā)射另一個光譜區(qū)域中的光的磷光體或者其他材料之一。所述光學(xué)器件或透鏡包括光透射材料。
然而，尚未描述如何可以降低照明器件封裝中的不希望的內(nèi)反射。因此，需要克服已知設(shè)計的某些缺陷的新的封裝設(shè)計。這些背景信息一皮提供來揭示本申請人相信可能與本發(fā)明有關(guān)的信息。不要期望申請人一定認(rèn)可也不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為前面的任何信息構(gòu)成了相對于本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供照明器件封裝。依照本發(fā)明的一個方面，提供
了一種照明器件封裝，其包括 一個或多個發(fā)光元件，其可操作地耦合到基底；復(fù)合透鏡，其具有面對所述一個或多個發(fā)光元件的表面，該復(fù)
合透鏡包括至少內(nèi)部透鏡元件和外部透鏡元件，所述內(nèi)部透鏡元件具有第一折射率，所述外部透鏡元件具有第二折射率，第一折射率大于第二
折射率；所述復(fù)合透鏡、所述一個或多個發(fā)光元件以及所述基底限定了它們之間的封閉空間；以及密封材料，其填充所述空間的至少一部分，該密封材料具有等于或大于笫 一折射率的第三折射率。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種照明器件封裝，其包括 一個或多個發(fā)光元件，其可操作地耦合到基底；復(fù)合透鏡，其被設(shè)置成與所述一個或多個發(fā)光元件發(fā)出的光交互，該復(fù)合透鏡包括至少內(nèi)部透鏡元件和外部透鏡元件，所述內(nèi)部透鏡元件具有第一折射率，所述外部透鏡元件具有第二折射率，第一折射率大于第二折射率；所述復(fù)合透4竟、所述一個或多個發(fā)光元件以及所述基底限定了它們之間的封閉空間；以及密封材料，其填充所述空間的至少一部分，該密封材料具有等于或大于第一折射率的第三折射率。


圖1示意性地示出了依照本發(fā)明一個實施例的照明器件封裝的截面。
圖2示意性地示出了依照本發(fā)明 一 個實施例的照明器件封裝的截面。
具體實施方式
定義
術(shù)語"發(fā)光元件"(LEE)用來限定一種器件，當(dāng)通過例如在其兩端施加電位差或者使電流經(jīng)過它而受到激勵時，該器件發(fā)射電磁頻譜的某個區(qū)域或區(qū)域組合中的輻射，所述區(qū)域例如可見光區(qū)域、紅外和/或
10紫外區(qū)域。因此，發(fā)光元件可以具有單色、準(zhǔn)單色、多色或?qū)挷ǘ晤l譜發(fā)射特性。發(fā)光元件的實例包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管、有機發(fā)光二極管或聚合物/聚合發(fā)光二極管、光泵磷光體涂敷發(fā)光二極管、光泵納米晶體發(fā)光二極管或者本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的其他類似的器件。此外，術(shù)
語"發(fā)光元件"用來限定發(fā)射輻射的特定器件，例如LED管芯。
當(dāng)在本文中使用時，術(shù)語"近似"指的是相對于標(biāo)稱值的+/-10%的
變化。應(yīng)當(dāng)理解，無論是否特意提及，這種變化總包含在這里提供的任何給定值內(nèi)。
除非另有限定，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語都具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中通常理解的意義相同的含義。
本發(fā)明提供了 一種照明器件封裝，其包括復(fù)合透鏡以及一個或多個可操作地耦合到基底的發(fā)光元件，該復(fù)合透鏡被設(shè)置成例如通過面對所述一個或多個發(fā)光元件的該透鏡的表面直接地或者例如通過一個或多個諸如反射器、漫射器、窗口之類的光學(xué)元件間接地與所述一個或多個發(fā)光元件發(fā)出的光交互。
通常，所述復(fù)合透鏡可以由例如兩個或更多透鏡元^f牛構(gòu)成，每個元件可以是具有均勻或非均勻厚度的充分厚的透鏡層。該復(fù)合透鏡的最外
面的透鏡元件的折射率一般小于最里面的透鏡元件(即最靠近所述LEE的透鏡元件)的折射率。密封材料填充位于所述復(fù)合透鏡、所述基底以及所述一個或多個發(fā)光元件之間的封閉空間。該密封材料被選擇成具有的折射率等于或大于所述復(fù)合透鏡的最里面的透鏡元件的折射率但是小于所述LEE的折射率。通常，這些折射率隨著各部件相對于所述發(fā)光元件的距離的增大而減小，以便降低所述發(fā)光元件封裝內(nèi)所述LEE發(fā)出的光的(全)內(nèi)反射的機會。
本發(fā)明可以提供相比于現(xiàn)有封裝設(shè)計技術(shù)具有降低的全內(nèi)反射(TIR)的照明器件封裝。為了促進小的TIR,該照明器件封裝具有若干由提供適當(dāng)折射率的材料制成的光學(xué)部件。這些光學(xué)部件可以被整形并且被設(shè)置成通常控制光在該照明器件封裝內(nèi)部的傳播以及特別地控制所述LEE發(fā)出的光的傳播。該發(fā)光元件封裝可以具有一個或多個發(fā)光元件，例如LED管芯，其在工作條件下發(fā)射光。這些發(fā)光元件可以為不同類型并且可以發(fā)出標(biāo)稱顏色或亮度不同的光。依照本發(fā)明，所述照明器件封裝的構(gòu)造決定了來源于所述一個或多個發(fā)光元件的光如何被引導(dǎo)到該發(fā)光元件封裝的外部。
許多發(fā)光元件(例如LED管芯)由可能具有高的折射率的復(fù)合材
料制成。在一個實施例中， 一種有效地將來自發(fā)光元件的光引導(dǎo)到所述 發(fā)光元件封裝外部的周圍介質(zhì)的方式是讓光連續(xù)地傳播經(jīng)過一 系列其 折射率之間具有相對較d、的間斷的材料。光學(xué)界面處鄰接材料的折射率 越接近，那么在該界面處在其中發(fā)生全內(nèi)反射的立體角就越小。 照明器件封裝中的光傳播還可能受到發(fā)光元件的類型的影響，例如
受到LED管芯如何機械以及電氣連接到基底的影響。應(yīng)當(dāng)指出的是，可 以使用本領(lǐng)域中已知的許多不同技術(shù)來設(shè)置和可操作地連接發(fā)光元件。 例如，LEE可以從基底的頂部被引線鍵合，或者通過使用用于倒裝芯片 的球式柵才各而^皮表面安裝。此外，在一個發(fā)光元件內(nèi)部可以例如存在一 個或多個LED管芯。
如上所述，如果例如復(fù)合透鏡的各元件的折射率分布的特征在于小 的間斷或小的梯度，那么可以降低每個光學(xué)界面處的TIR。同樣的考慮 適用于沿著從所述一個或多個發(fā)光元件到周圍介質(zhì)的整個光路的折射 率分布。所述復(fù)合透鏡可以具有若干元件，每個元件具有不同的折射率， 其中這些折射率隨著相對于所述LEE的距離的變化而變化，以便接近周 圍介質(zhì)的折射率。對于許多應(yīng)用而言，周圍介質(zhì)具有例如像空氣具有的 接近于1.0的低折射率。如果周圍介質(zhì)的折射率低于所述LEE的折射率， 那么所述復(fù)合透鏡的元件可以被設(shè)計成具有隨著離開所述LEE的距離 的增大而減小的折射率。
復(fù)合透鏡
所述復(fù)合透鏡相對于基底而放置，使得其可以有效地與由所述一個 或多個發(fā)光元件發(fā)出的光進行光學(xué)交互。在一個實施例中，該復(fù)合透鏡 可以被設(shè)置成直接與所發(fā)出的光進行交互，即通過面對所述一個或多個 發(fā)光元件的該透鏡的表面與所發(fā)出的光進行交互。在本發(fā)明的一個實施 例中，所述復(fù)合透鏡可以被設(shè)置成間接地與所發(fā)出的光進行交互，即通 過一個或多個反射器、漫射器、窗口以及其他這樣的光學(xué)元件與所發(fā)出 的光進行交互。在本發(fā)明的一個實施例中，所述復(fù)合透鏡可以被設(shè)置成 直接和間接地與所發(fā)出的光進行交互。
所述復(fù)合透鏡可以由兩個或更多具有不同折射率的材料的元件構(gòu)成。該復(fù)合透鏡的最外面的元件的折射率一般小于所述材料的一個或多 個內(nèi)部元件的折射率。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述復(fù)合透鏡包括固體材料、凝膠材料、 液體材料、密封材料等之一或者其組合。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述發(fā)光元件封裝的外表面具有半球形 狀并且可以由復(fù)合透鏡限定。與具有類似的尺寸和形狀但是具有均勻組 分或均勻光學(xué)屬性的單片光學(xué)元件相比，這種復(fù)合透鏡可以為具有兩個
或更多發(fā)光元件的照明器件封裝或者為大面積發(fā)光元件(例如LED管
芯)提供更好的光提取。因此，改善的光提取可以允許照明器件封裝具 有更高的發(fā)光元件密度。
在 一 個實施例中，半球形透鏡可以用來制造可以以朗伯
(Lambertian)發(fā)射模式發(fā)射光的照明器件封裝。如果希望該照明器件 封裝能夠發(fā)出具有與朗伯發(fā)射模式不同的模式的光，那么所述復(fù)合透鏡 的光學(xué)部件可以被適當(dāng)整形，或者這些光學(xué)部件的厚度或它們之間的相 對距離可以被適當(dāng)調(diào)節(jié)成提供與球形形狀不同的光學(xué)界面。
在本發(fā)明的一個實施例中，為了為轟擊所述復(fù)合透鏡的內(nèi)部元件的 內(nèi)表面的光實現(xiàn)接近于法線的入射角，所述透鏡腔體的內(nèi)半徑可以為內(nèi) 接所述一個或多個發(fā)光元件的圓形區(qū)域的尺寸的近似三倍或更多倍。在 本發(fā)明的一個實施例中，可以相對于所述基底設(shè)置所述半球形透鏡，使 得這些發(fā)光元件位于靠近所述內(nèi)半球形透鏡腔體的球心的位置處。
具有適當(dāng)折射率的典型透鏡和密封材料可以例如包括PMMA、聚碳 酸酯、尼龍、COC、 BK7玻璃和硅樹脂，其通常吸收很少的可見光和僅 僅一些紫外(UV)光。這些類型的材料中的一些可以抵抗延長時間暴 露于UV光下引起的褪色并且提供一定范圍的適當(dāng)折射率。
可以以若干不同方式來制造所述復(fù)合透鏡，例如通過注射成型或者 本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他適當(dāng)制造工藝來制造。
在本發(fā)明的一個實施例中，可以通過使用多注射成型工藝來制造兩 個、三個或更多元件的透4免。例如，雙注射成型可以用來制造雙元件復(fù) 合透鏡。雙注射成型可以用來制造提供附加的機械互鎖元件的部件。這 些互鎖元件可以在成型工藝期間被制成并且通過相對于彼此鎖定所述 復(fù)合透鏡的兩個部件來提供后續(xù)的機械穩(wěn)定性。互鎖的類型可以是破壞 性或非破壞性可釋放的鍵合，這取決于互鎖元件的形狀、所用材料的性
13質(zhì)以及成型工藝的性質(zhì)。
一般而言，注射成型部件是按照其部分或子部件的形狀復(fù)雜度增加 的順序來形成的。眾所周知，制造期間由于例如成型材料之間的熱膨脹 系數(shù)不同而引起的諸如去鍵合或者其他不希望的應(yīng)力導(dǎo)致的效果之類 的因素可以決定可替換的制造順序。為了向單獨的部分提供希望的折射 率，可以例如從等級變化的相同類型材料(例如某些硅樹脂等等)制造 復(fù)合透鏡。
已知的是，復(fù)合光學(xué)部件的制造要求控制復(fù)合元件內(nèi)部以及這些元 件之間的界面處的不希望的類型和數(shù)量的包含物。
應(yīng)當(dāng)指出的是，其他類型的成型工藝可以用來制造單獨的部分，這 些單獨的部分可以凈皮組裝成復(fù)合部件或者例如通過使用光學(xué)透明粘合 劑彼此粘結(jié)起來。所述粘合劑可以被選擇成提供特定的折射率。該粘合 劑的折射率可以例如介于緊鄰部分的折射率之間。
適用于照明器件封裝的典型復(fù)合透鏡材料可以具有大約1.40或者 更大的折射率，但是可以使用具有其他折射率的材料。
密封材料
密封材料填充所述一個或多個發(fā)光元件和所述復(fù)合透鏡之間的空 間的全部或部分。依照本發(fā)明，該密封材料被選擇成具有的折射率等于
或大于所述復(fù)合透鏡最里面的元件的折射率并且小于所述LEE的折射 率。 一般而言，密封材料將具有近似1.55的折射率。
當(dāng)例如不存在包含在界面處或所述密封材料內(nèi)的不希望的真空 (void)時，可以降低全內(nèi)反射。在一個實施例中，該密封材料可以具 有與所述LEE的折射率類似的折射率。具有比所述LEE的折射率稍小 的適當(dāng)折射率的密封材料可以降低光在LEE和所述密封材料之間的光 學(xué)界面處經(jīng)歷TIR的機會。
在 一 個實施例中，所述密封材料由例如流體或高度柔韌的材料制 成，其可以幫助控制光學(xué)界面處或附近的熱誘導(dǎo)應(yīng)力以便減輕不同熱膨 脹系數(shù)以及波動的溫度工作條件的不希望的影響。流體密封材料還可以 通過對流提供熱擴散。
在本發(fā)明的一個實施例中，可以例如在諸如復(fù)合透鏡之類的鄰接實 心光學(xué)部件以及諸如基底之類的其他元件之間密封柔軟的或流體密封
14材料或者光學(xué)硅樹脂。應(yīng)當(dāng)指出的是，密封材料可以與或者不與一個或 多個發(fā)光元件進行直接熱接觸。
典型的密封材料例如包括某些硅樹脂和合成橡膠或者具有低離子
雜質(zhì)(例如C1、 K、 Na)的透明凝膠。許多密封材料在本領(lǐng)域中是公知 的，并且例如在諸如Dow Corning , NyeTM或NusilTM之類的商標(biāo)名稱
下是可獲得的。
基底
所述一個或多個發(fā)光元件可操作地耦合到基底。該基底可以是陶瓷 板，例如AIN、金屬包層PC板、金屬陶乾上的LTCC、用于插入成型 引線框架LED的附接襯墊等等，這是本領(lǐng)域中已知的。所述基底面對腔 體的表面或者其某些區(qū)域可以例如是漫射的或者鏡面反射的。反射屬性 可以來自例如鋁或銀涂層以及例如所施加的反射膜。
折射率的估計
在一個實施例中，可以證明一系列材料A、 B和C的折射率w、 "￡、 "c可以依照 =來選擇，以便降低當(dāng)光越過兩個鄰接平面平行光學(xué) 界面AB和BC行進時發(fā)生TIR的機會。降低TIR的折射率組合可以由
想平面平行i學(xué)界面而言，基于A和C的5折^率而獲得的介質(zhì)B的折
理估計。
本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解其他用于根據(jù)所述復(fù)合透鏡和所述LEE
應(yīng);理解的是，所述照明器件封裝的部件的折射率和i:參數(shù)可以:選 擇成最優(yōu)化一個或多個光學(xué)特性，所述光學(xué)特性可以包括例如光譜和空 間輻射分布。
涂層
在本發(fā)明的 一 個實施例中，照明器件封裝內(nèi)部的反射可以通過在該 照明器件封裝的某些部件的某些表面上采用薄的防反射涂層來進一 步 降低。這樣的涂層可以包括具有不同光學(xué)特性的多層材料或材料薄膜。每個附加的涂層引入另一個光學(xué)界面并且可以適于改善該界面處以及 整個照明器件封裝的光學(xué)透射特性。 一般而言，可以抑制不希望的反射 的涂層的特征在于均勻的厚度。該厚度可以更小，但是大約為實用光的 波長。對應(yīng)的薄膜可以具有適當(dāng)?shù)恼凵渎省＠?，所述?fù)合透鏡的外表 面可以被涂敷有折射率小于形成最外面層的材料的折射率但是高于周 圍空氣的折射率的薄層材料。涂層材料一般要求有高的透射率、防褪色 性以及粘附到涂敷的部件的充分的粘性。
在本發(fā)明的一個實施例中，可以利用例如防反射保形涂層來涂敷所
述LEE,例如所述LED管芯，所述保形涂層具有介于該涂層周圍的介 質(zhì)的折射率和所述發(fā)光元件的折射率之間的折射率。類似地，涂層材料 具有良好的特別是針對可見光的透射率、防褪色性以及粘附到發(fā)光元件 的良好的粘性。
防反射涂層可以包括一層或多層不同材料，或者如公知的那樣被微 觀圖案化。而且，許多涂層可以被設(shè)計成為特定波長或偏振的光以及為 例如特定入射角提供最佳的用途。然而，應(yīng)當(dāng)指出的是，適當(dāng)設(shè)計的多 層薄膜可以在大范圍的入射角下提供高透射率。
現(xiàn)在將結(jié)合特定實例來描述本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，以下實例預(yù)期用來 描述本發(fā)明的實施例，絕不是用來限制本發(fā)明。
實例 實例1:
圖1示意性地示出了依照本發(fā)明一個實施例的LED封裝100的截 面。該LED封裝包括雙層透鏡110，其限定了具有半球形內(nèi)表面和外表 面以及兩個層132和134之間的半球形界面的腔體120。應(yīng)當(dāng)理解，所
和外表面的形狀對于不同的實施例可以不同。
LED管芯190和191凈皮設(shè)置在基底140上并且面對所述腔體。應(yīng)當(dāng) 指出的是，可以將不同數(shù)量的LED管芯置于所述封裝內(nèi)。可以用密封材 料填充腔體120?；?40可以是陶瓷板，例如AIN、 FR4或其他印刷 電路(PC)板、金屬包層PC板、金屬陶瓷上的LTCC或者用于插入成 型引線框架LED的附接襯墊?；?40面對所述腔體的表面或者該基底 鄰近管芯190和191的特定區(qū)域可以例如是漫射的或者鏡面反射的。所述反射屬性可以來源于例如鋁或銀涂層。
透鏡110包括提供不同折射率的雙層材料。例如，該透鏡的外層134 可以被制成具有小于內(nèi)層132的折射率。內(nèi)層132形成內(nèi)半球形透鏡腔 體。該透鏡可以具有適合于所述封裝的總體尺寸的、例如介于每層近似 0.2mm和近似lmm厚度之間的壁厚。為了幫助對于轟擊該透^;的內(nèi)表 面的光實現(xiàn)接近于法線的入射角，該半球形透鏡腔體的內(nèi)半徑可以是內(nèi) 接所述LED管芯的圓形區(qū)域的尺寸的近似三倍或更多倍并且所述LED 管芯應(yīng)當(dāng)被設(shè)置成靠近所述內(nèi)半球形透鏡腔體的球心。如上所述，可以 證明一系列材料A、 B和C的折射率w、 "5、化可以依照 =7^來選
擇，以便降低當(dāng)光越過兩個鄰接平面平行光學(xué)界面AB和BC行進時發(fā) 生TIR的機會。例如，如果透鏡層134的折射率近似為1.40并且密封材 料120的折射率近似為1.55,用于那么透鏡層132的材料應(yīng)當(dāng)提供近似 1.47 (=在40.1.55 )的4斤射率。
可以以多注射成型工藝來制造所述雙層透鏡。例如，雙注射成型可 以用來制造雙層復(fù)合透鏡。雙注射成型可以用來制造提供附加的互鎖元 件的部件。圖1示出了具有互鎖元件150的雙層透鏡的一個實例。這些 互鎖元件可以在成型工藝期間被制成并且通過相對于彼此鎖定所述兩 個部件來提供后續(xù)的機械穩(wěn)定性。互鎖的類型可以是破壞性或非破壞性 可釋放的鍵合，這取決于互鎖元件的形狀、所用材料的性質(zhì)以及成型工 藝的性質(zhì)。 一般而言，注射成型部件是按照其部分或子部件的形狀復(fù)雜 度增加的順序來形成的。例如，可能更容易的是對透鏡層132成型并且 隨后在第二成型注射中沉積透鏡層134。
實例2:
圖2示意性地示出了依照本發(fā)明另一個實施例的另一LED封裝200 的截面。該實施例與圖1中所示實施例類似，但是包括具有實心半球形 內(nèi)部透鏡元件232的復(fù)合透鏡210,所述內(nèi)部透鏡元件232由外部透鏡 層234覆蓋。該外部透鏡層234通過互鎖元件250附接到實心半球形內(nèi) 部透4竟元件232。
為了在所述復(fù)合透鏡下面容納LED管芯290和291,將它們設(shè)置在 基底240的凹口 220中。該凹口限定了復(fù)合透鏡210和基底240之間的 腔體。該實心半球形透鏡元件鄰近所述LED管芯的表面可以基本上是平
17坦的，但是可以被紋理化或結(jié)構(gòu)化以便提高光從所述腔體進入所述透鏡 元件的穿透性?？梢岳镁哂羞m當(dāng)折射率的密封劑來填充該腔體。
與前面的實施例相比，在這個實施例中，由于所述密封材料-透鏡 光學(xué)界面的不同形狀和幾何結(jié)構(gòu)的原因，針對折射率的不同考慮是適用 的。例如，所述密封材料可以具有近似1.55的折射率，并且所述實心半
球形內(nèi)部透鏡元件可以具有近似1.55的折射率。應(yīng)當(dāng)指出的是，根據(jù)所 述LED管芯的發(fā)射特性，LED封裝200的實心半球形內(nèi)部透鏡元件以 及密封材料的折射率的不適當(dāng)選擇可能導(dǎo)致不希望的TIR。如果例如所 述封裝材料以及所述實心半球形內(nèi)部透鏡元件提供相等的折射率，那么 LED封裝200的總體光提取效率可以得到提高。
在一個實施例中，希望的輻射模式(例如蝙蝠翼發(fā)射模式)的形成 可以通過將所述一個或多個LED管芯設(shè)置成鄰近適當(dāng)整形的反射器元 件(未示出)來促進。例如，可以利用高反射材料涂敷圖2中的凹口或 者圖1中所述基底面對所述腔體的表面來形成反射器元件，或者可以在 所述腔體中設(shè)置附加的反射元件?？梢栽谒鯨ED封裝中采用可以用作 反射器元件的若干前述部件或者其他附加的部件。反射器元件可以由適 當(dāng)涂敷或整形的部件來制成，所述部件例如金屬散熱器中、基底中或引 線框架中的腔體?？商鎿Q地，反射器元件也可以通過使用以這樣的順序 提供折射率的材料來實現(xiàn)，所述順序能夠引起大量光的全內(nèi)反射。
應(yīng)當(dāng)清楚的是，本發(fā)明的上述實施例是示例性的并且可以以許多方 式來改變。這樣的當(dāng)前或未來的變型不應(yīng)當(dāng)— 皮^L為偏離了本發(fā)明的精神 和范圍，
附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)
權(quán)利要求
1. 一種照明器件封裝，包括a)一個或多個發(fā)光元件，其可操作地耦合到基底；b)復(fù)合透鏡，其具有面對所述一個或多個發(fā)光元件的表面，該復(fù)合透鏡包括至少內(nèi)部透鏡元件和外部透鏡元件，所述內(nèi)部透鏡元件具有第一折射率，所述外部透鏡元件具有第二折射率，第一折射率大于第二折射率；所述復(fù)合透鏡、所述一個或多個發(fā)光元件以及所述基底限定了它們之間的封閉空間；以及c)密封材料，其填充所述空間的至少一部分，該密封材料具有等于或大于第一折射率的第三折射率。
2. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述發(fā)光元件具有大于 第三折射率的折射率。
3. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述內(nèi)部透鏡元件包括 用于接合所述外部透鏡元件的互鎖元件。
4. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述外部透鏡元件包括 用于4妾合所述內(nèi)部透4竟元件的互鎖元件。
5. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述基底在所述發(fā)光元 件一側(cè)上具有表面，該表面至少在鄰近所述發(fā)光元件的位置是反射性 的。
6. 依照權(quán)利要求5的照明器件封裝，其中所述基底至少在鄰近所 述發(fā)光元件的位置具有設(shè)置在所述發(fā)光元件一側(cè)上的反射涂層。
7. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述復(fù)合透鏡至少部分 地經(jīng)過球形整形。
8. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述復(fù)合透鏡包括多個 元件，所述元件具有隨著相對于所述發(fā)光元件的距離的增大而減小的折 射率。
9. 依照權(quán)利要求8的照明器件封裝，其中所述多個元件具有間斷 地減小的折射率。
10. 依照權(quán)利要求8的照明器件封裝，其中所述多個元件具有連續(xù) 地減小的折射率。
11. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述復(fù)合透鏡通過注射 成型來制造。
12. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述復(fù)合透鏡通過多注 射成型來制造。
13. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述內(nèi)部透鏡元件的表 面與具有所述發(fā)光元件的所述基底的 一側(cè)共面。
14. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述外部透鏡元件的表 面與具有所述發(fā)光元件的所述基底的 一側(cè)共面。
15. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述復(fù)合透鏡的表面與 具有所述發(fā)光元件的所述基底的 一側(cè)共面。
16. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述發(fā)光元件被設(shè)置在 所述基底的凹口中。
17. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中所述密封材料與所述內(nèi) 部透鏡元件之間的界面是基本上平坦的，并且其中第三折射率近似等于 第一折射率。
18. 依照權(quán)利要求1的照明器件封裝，其中第三折射率大于第一折射率。
19. 一種照明器件封裝，包括a) —個或多個發(fā)光元件，其可操作地耦合到基底；b) 復(fù)合透鏡，其被設(shè)置成與所述一個或多個發(fā)光元件發(fā)出的光交互，該復(fù)合透鏡包括至少內(nèi)部透鏡元件和外部透鏡元件，所述內(nèi)部透鏡 元件具有第一折射率，所述外部透鏡元件具有第二折射率，笫一折射率大于第二折射率；所述復(fù)合透鏡、所述一個或多個發(fā)光元件以及所述基底限定了它們之間的封閉空間；以及c) 密封材料，其填充所述空間的至少一部分，該密封材料具有等 于或大于第 一折射率的第三折射率。
20. 依照權(quán)利要求19的照明器件封裝，所述復(fù)合透鏡包括表面， 該表面面對所述一個或多個發(fā)光元件，從而提供該復(fù)合透鏡與由所述發(fā) 光元件發(fā)出的光之間的直接交互。
21. 依照權(quán)利要求19的照明器件封裝，其中所述復(fù)合透鏡被設(shè)置 成通過一個或多
全文摘要
本發(fā)明提供了照明器件封裝，其具有一個或多個發(fā)光元件，其可操作地耦合到基底；復(fù)合透鏡，其被設(shè)置成與所述一個或多個發(fā)光元件發(fā)出的光交互，該復(fù)合透鏡包括至少內(nèi)部透鏡元件和外部透鏡元件，所述內(nèi)部透鏡元件具有第一折射率，所述外部透鏡元件具有第二折射率，第一折射率大于第二折射率；所述復(fù)合透鏡、所述一個或多個發(fā)光元件以及所述基底限定了它們之間的封閉空間；以及密封材料，其填充所述空間的至少一部分，該密封材料具有等于或大于第一折射率的第三折射率。
文檔編號H01L33/54GK101485004SQ200780025685
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月6日
發(fā)明者I·阿什當(dāng), S·哈拉 申請人:Tir科技公司