專利名稱：具有受控的角度非均勻性的led的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的發(fā)光二極管(LED)，且尤其涉及控制LED的角度依賴性以產(chǎn)生希望的非均勻性。
背景技術(shù)：
使用發(fā)光二極管(LED)的照明器件在許多照明應(yīng)用中正變得越來(lái)越常見(jiàn)。通常， LED使用初級(jí)發(fā)射的磷光體轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生白色光，但是磷光體也可以用來(lái)形成更飽和的顏色， 比如紅色、綠色和黃色。磷光體轉(zhuǎn)換LED中發(fā)現(xiàn)的常規(guī)問(wèn)題是產(chǎn)生的光的不受控制的角度依賴性和顏色非均勻性。典型地，與從磷光體層的頂部發(fā)射的光相比，從磷光體層的側(cè)面發(fā)射的光或者來(lái)自磷光體層的更高角度的光將具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，即更多的光被轉(zhuǎn)換，因?yàn)樽鳛轫敳堪l(fā)射光的光更直接且被磷光體轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)更少。結(jié)果，發(fā)射的光的顏色依賴于角度。處理顏色非均勻性的當(dāng)前策略包括降低角度依賴性。舉例而言，一種策略是涂敷磷光體材料的側(cè)面以防止光的側(cè)面發(fā)射。另一種策略是向磷光體材料添加散射顆粒以便混合轉(zhuǎn)換光和非轉(zhuǎn)換光，使得側(cè)面發(fā)射的光和頂部發(fā)射的光具有近似相同的顏色。然而，對(duì)于角度依賴性的這類解決方案降低了器件的效率，也增大了生產(chǎn)成本。因此，處理角度依賴性的其他解決方案是所希望的。

發(fā)明內(nèi)容
一種光源包括具有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的LED，該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件具有選定的高度和寬度的比率以產(chǎn)生希望的非均勻角度顏色分布，例如在從0°到90°的角度分布內(nèi)的均勻性 Au' ν’ >0. 015。該光源與這樣的應(yīng)用一起使用，所述應(yīng)用將來(lái)自光源的非均勻角度顏色分布轉(zhuǎn)化成均勻顏色分布，例如均勻性為AU’V’<0.01。因此，相對(duì)于圍繞被配置成產(chǎn)生均勻角度顏色分布的LED而設(shè)計(jì)的常規(guī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的效率增加。


圖1說(shuō)明了包括具有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的LED的光源的側(cè)視圖，該光源具有受控的非均勻角度顏色分布。圖2說(shuō)明了隨著角度的Au’ ν’偏移，用于示出圖1的光源的角度顏色非均勻性。圖3A和圖3B說(shuō)明了與閃光燈類型的應(yīng)用一起使用的光源的實(shí)例。圖4說(shuō)明了半側(cè)面發(fā)射器配置的光源的側(cè)視圖。圖5說(shuō)明了發(fā)射具有受控的非均勻角度顏色依賴性的光的光源的另一實(shí)施例。圖6A和圖6B通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了與背光類型應(yīng)用一起使用的多個(gè)光源的平面圖和側(cè)視圖。圖7為說(shuō)明針對(duì)PMMA丙烯酸的每Imm的吸收曲線的曲線圖，所述PMMA丙烯酸在背光應(yīng)用中常用作波導(dǎo)。
圖8為說(shuō)明波導(dǎo)的光譜吸收效應(yīng)的曲線圖。圖9為說(shuō)明由于PMMA波導(dǎo)的隨著距離的(藍(lán)色)吸收而引起的顏色偏移的曲線圖。
具體實(shí)施例方式圖1說(shuō)明了包括具有 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的發(fā)光二極管(LED) 101的光源100的側(cè)視圖，該光源具有受控的非均勻角度顏色分布。圖1也說(shuō)明了與光源100—起使用的具有鏡片122布置的器件120，所述鏡片布置用于將來(lái)自光源100的光反射到器件120。器件120 可以是諸如閃光燈類型應(yīng)用或背光照明或者其他適當(dāng)應(yīng)用之類的應(yīng)用。光源100的角度顏色非均勻性被配置成與基于光的器件120—起使用，使得整個(gè)系統(tǒng)(即光源100和器件120) 變得比包括具有均勻角度LED的常規(guī)光源100的系統(tǒng)更加有效。LED 101被示為倒裝芯片器件，其中焊盤(pán)102位于LED 101的底部表面上。焊盤(pán) 102結(jié)合到襯底106上的接觸元件104，所述襯底可以是例如陶瓷或硅。如果希望的話，可以將襯底106安裝到散熱器108上。如果希望的話，可以使用不同于襯底106和散熱器108 的支撐結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，LED 101可以是藍(lán)色或紫外(UV)LED并且可以是高輻射器件，例如Frank Wall等人2003年8月29日提交的、公開(kāi)號(hào)為No. 2005/0045901的、題為“Package for a Semiconductor Light Emitting Device” 的、美國(guó)序列號(hào)為 No. 10/652348 中描述的類型，該文獻(xiàn)與本公開(kāi)具有相同的受讓人并且通過(guò)引用合并于此。LED 101的角度發(fā)射模式可以是朗伯型(如圖1中所示)，或者使用諸如晶格結(jié)構(gòu)之類的光子晶體進(jìn)行控制。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110安裝到LED 101，該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件例如可以是嵌入到例如硅樹(shù)脂中且模制在LED 101上的粘合劑材料中的或者在這里有時(shí)稱為“發(fā)光陶瓷”的剛性陶瓷板中的磷光體。陶瓷板通常為自支撐層并且對(duì)于特定波長(zhǎng)可以是半透明或透明，這可以減少與諸如共形層之類的非透明波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換層關(guān)聯(lián)的散射損失。發(fā)光陶瓷層可以比薄膜或共形磷光體層更魯棒?？梢栽谀Ｖ圃贚ED 101上的粘合劑中或者在發(fā)光陶瓷中使用的磷光體的實(shí)例包括鋁石榴石磷光體，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+，其發(fā)射黃色-綠色范圍內(nèi)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+，其發(fā)射紅色范圍內(nèi)的光。適當(dāng)?shù)腨3Al5O12 = Ce3+ 陶瓷板可以從北卡羅來(lái)納州夏洛特市的Baikowski International Corporation購(gòu)買。 其他的綠色、黃色和紅色發(fā)射磷光體也可能是適當(dāng)?shù)?，包?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+。 如各箭頭114和115所示，光源100具有頂部發(fā)射和側(cè)面發(fā)射的光這兩者，其中頂部發(fā)射的光114為藍(lán)白色并且側(cè)面發(fā)射的光115為淡黃色。通過(guò)控制波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的高度H或者更特別地控制高度/寬度(H/W)比率，可以控制光的角度依賴性以產(chǎn)生對(duì)于器件120合適的希望數(shù)量的藍(lán)白色光114和淡黃色光115。舉例而言，為了產(chǎn)生更少的藍(lán)色光，使用具有更大高度H的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110，而為了產(chǎn)生更多的藍(lán)色光，使用具有更小高度H的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110。圖2A說(shuō)明了隨著角度的Au’ ν’偏移，其示出光源100的角度顏色非均勻性的一個(gè)實(shí)施例。隨著角度的Διι’ V’偏移是相對(duì)于參考點(diǎn)的顏色偏移的度量。由圖2Α可見(jiàn)，光源100在0°與90°之間相對(duì)于0°參考點(diǎn)產(chǎn)生>0.015的Au’ν’偏移。這是在所述角度范圍內(nèi)測(cè)量的最大的顏色隨著角度的變化。圖2Β示出了具有藍(lán)色LED和紅色/綠色磷光體的另一光源100的Au’ ν’的實(shí)例，該光源被配置成產(chǎn)生隨著角度的Au’ ν’ >0.05。通過(guò)改變例如H/W比率，可以產(chǎn)生隨著角度值的不同的最大Au’ v’，例如，根據(jù)希望的應(yīng)用，例如光源100與其一起使用的器件120，隨著角度的最大Au’v’可以大于0. 015,0. 03,0. 045 或0.06。依照一個(gè)實(shí)施例，使用光源100的器件120于是產(chǎn)生小于0.015，例如小于0.01 或者0. 005的空間顏色均勻性Au’ ν’。因此，不是試圖消除光的角度顏色依賴性，而是光源100被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生受控的角度顏色非均勻性，該角度顏色非均勻性對(duì)于光源100要與其一起使用的特定器件120而言被優(yōu)化。因此，如上面所描述的，例如，光源100被配置成產(chǎn)生隨著角度的Au’ ν’偏移>0. 015的受控的角度顏色非均勻性，但是當(dāng)與器件120 —起使用時(shí)，器件120產(chǎn)生 Au’v’<0. 015的空間顏色均勻性。根據(jù)應(yīng)用的要求，不同的空間顏色均勻性是可能的，比如 Δ !，ν，<0· 05至AU’V’<0.015。例如，可以利用依照一個(gè)實(shí)施例的具有Au，v，<0. 05的背光產(chǎn)生需要高度精確的顏色表示的醫(yī)療監(jiān)視器或其他應(yīng)用，但是，可以利用具有Au’v’<0.01 的背光產(chǎn)生消費(fèi)類監(jiān)視器，并且諸如照相機(jī)閃光燈之類的應(yīng)用可以具有Au’v’<0.015。利用受控的角度顏色非均勻性，可以增加光源100的效率，因?yàn)闊o(wú)需阻擋光從光源100發(fā)射。 因此，與其中使用了均勻角度LED的系統(tǒng)相比，包括器件120和光源100的系統(tǒng)的總體性能提尚。圖3A和圖3B說(shuō)明了可以與閃光燈類型的器件120 (例如用于相機(jī))一起使用的光源100的實(shí)例。圖2B說(shuō)明了具有覆蓋波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的諸如二向色濾光器之類的附加控制元件112的光源100。二向色濾光器112作為角度的函數(shù)而不同地透射光，這進(jìn)一步有助于控制角度依賴性。可替換地，可以使用散射元件以便適當(dāng)?shù)亟档突蚩刂平嵌纫蕾囆浴?如圖2B中所示，光源100產(chǎn)生藍(lán)白色光114和淡黃色光115，淡黃色光被反射器122反射并且在成像目標(biāo)124處混合。如果希望的話，光源100可以是側(cè)面(或半側(cè)面)發(fā)射器，其中存在很少的頂部發(fā)射和大量的側(cè)面發(fā)射。圖4說(shuō)明了半側(cè)面發(fā)射器配置的光源100，其中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的頂部表面110t。p上的頂部反射器是不必要的。如圖4中所示，來(lái)自光源100的側(cè)面IlOside 的角度發(fā)射模式是朗伯型。通過(guò)利用相對(duì)于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的寬度W (其在本實(shí)施例中與LED 101的寬度相同)增大波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的高度H來(lái)代替頂部反射器，減少了到LED 101的光反射的次數(shù)。到LED 101的反射是低效的，并且因此通過(guò)減少到LED 101的反射， 降低了系統(tǒng)中的損耗。而且，通過(guò)增大高度H，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的側(cè)面IlOside具有更大的面積，這提供了增大的來(lái)自波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110側(cè)面IlOside的光提取。通過(guò)相對(duì)于寬度W增大波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的高度H，光源100對(duì)于與光收集相對(duì)比的要求光提取的應(yīng)用而言被優(yōu)化。例如，在諸如閃光燈光學(xué)設(shè)計(jì)之類的應(yīng)用中，小的設(shè)計(jì)的源是所希望的，使得光學(xué)器件可以保持較小，同時(shí)收集大多數(shù)光，并且將光瞄準(zhǔn)到1米距離處的1. 05x0. 8米的目標(biāo)。通過(guò)增大波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的高度，增加了提取的光。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件內(nèi)的Ce濃度可以被配置成對(duì)于特定的應(yīng)用產(chǎn)生希望的色點(diǎn)。此外，可以將散射顆粒添加到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件以便幫助將光提取到空氣中。圖5說(shuō)明了發(fā)射具有受控的角度顏色依賴性的光的光源100的另一實(shí)施例。光源 100包括到波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110的頂部表面的薄光學(xué)耦合層壓元件116，其可以是例如二向色層、散射層或紅色磷光體層。如果希望的話，特別是當(dāng)元件116為紅色磷光體層、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110為諸如LUAG之類的淡綠色磷光體板并且LED 101為藍(lán)色LED時(shí)，元件116可以置于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件110與LED 101之間。此外，光源100可以包括包覆成型(overmolded)圓頂鏡片118，其可以是硅、環(huán)氧樹(shù)脂或其他適當(dāng)?shù)牟牧希湟部梢詭椭刂平嵌阮伾蔷鶆蛐?。如果希望的話，不必使用包覆成型圓頂鏡片118。由箭頭114示出的頂部發(fā)射的光為藍(lán)白色并且具有朗伯型發(fā)射輪廓。由箭頭115示出的側(cè)面發(fā)射的光為淡黃色并且具有由波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的高度H以及由散射配置的各向同性發(fā)射輪廓。在諸如背光之類的希望的應(yīng)用中，可以將光源100的角度依賴發(fā)射轉(zhuǎn)化成均勻的空間顏色分布。圖6A和圖6B通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了與背光類型的器件120 —起使用的多個(gè)光源100的平面圖和側(cè)視圖。背光120在背光內(nèi)的不同位置處提取來(lái)自單個(gè)光源100的顏色，例如藍(lán)色對(duì)綠色/紅色。因此，通過(guò)使用一定數(shù)量的光源100并且通過(guò)控制發(fā)射的光的角度顏色分布，可以在背光應(yīng)用中產(chǎn)生均勻的空間顏色分布。圖7為說(shuō)明針對(duì)PMMA丙烯酸的每Imm的吸收曲線的曲線圖，所述PMMA丙烯酸在背光應(yīng)用中常用作波導(dǎo)。X軸代表波長(zhǎng)，而Y軸代表吸收百分比。圖8為說(shuō)明波導(dǎo)的光譜吸收效應(yīng)的曲線圖，其示出來(lái)自72” PMMA波導(dǎo)的邊緣(由曲線202示出)和中心(由曲線 204示出)的光譜變化。X軸代表波長(zhǎng)，而Y軸代表相對(duì)光譜分布。由圖8可見(jiàn)，波導(dǎo)中心處的光譜中心204包括比波導(dǎo)邊緣202更少的藍(lán)色光。圖9為說(shuō)明針對(duì)具有均勻角度和空間輸入的常規(guī)光源的由于雙側(cè)背光中PMMA波導(dǎo)的隨著距離的(藍(lán)色)吸收而引起的理論顏色偏移的曲線圖。X軸代表以英寸為單位的背光的對(duì)角位置，而Y軸代表從中心到邊緣的Au’ ν’變化。如所示，使用常規(guī)均勻角度光源的常規(guī)波導(dǎo)具有大于0.01且事實(shí)上高達(dá) 0. 02 的 Au，ν，。因此，從圖7、8和9中的曲線圖可見(jiàn)，更多的藍(lán)色光隨著距離而被PMMA波導(dǎo)吸收， 結(jié)果是這種波導(dǎo)在波導(dǎo)中心處比在波導(dǎo)邊緣處具有更少的藍(lán)色光。而且，如圖9中所示， Au’ V’偏移具有隨著距離的近似線性的變化。借助于光源100的受控的非均勻角度顏色分布，更多的藍(lán)色光可以朝波導(dǎo)中心直接發(fā)射以便補(bǔ)償PMMA材料中的藍(lán)色吸收，從而在背光應(yīng)用中產(chǎn)生更均勻的顏色分布。舉例而言，圖10說(shuō)明了類似于圖9中所示的理論P(yáng)MMA 波導(dǎo)的吸收，但是使用了具有隨著角度>0.01的Δ !’ν’偏移的受控角度顏色非均勻性的光源。如圖10中所示，得到的空間顏色均勻性具有小于0.01的Au’ ν’。盡管出于教導(dǎo)的目的結(jié)合具體實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于此。在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出各種不同的調(diào)適和修改。因此，所附權(quán)利要求的精神和范圍不應(yīng)當(dāng)限于前面的描述。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括光源，該光源包括發(fā)光二極管；波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，其設(shè)置在該發(fā)光二極管上，該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件具有一定高度和寬度，其中高度和寬度的比率被選擇為在從0°到90°的角度分布內(nèi)產(chǎn)生具有希望的非均勻角度顏色分布Au，V，>0.015的光。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括用于反射來(lái)自該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的側(cè)面發(fā)射的光和頂部發(fā)射的光的鏡片，其中所述頂部發(fā)射的光和所述側(cè)面發(fā)射的光具有希望的非均勻角度顏色分布。
3.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中該鏡片將具有希望的非均勻角度顏色分布的所述頂部發(fā)射的光和所述側(cè)面發(fā)射的光聚焦到目標(biāo)上，所述頂部發(fā)射的光和所述側(cè)面發(fā)射的光在該目標(biāo)處被混合以便在該目標(biāo)處產(chǎn)生均勻性Au’ V’ <0.015的均勻空間顏色分布。
4.權(quán)利要求3的設(shè)備，其中該光源用作閃光燈。
5.權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括基于光的器件，所述基于光的器件被耦合以接收從該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件發(fā)射的光，其中希望的非均勻角度顏色分布被轉(zhuǎn)化成在所述基于光的器件中均勻性Au’ ν’ <0. 01的均勻顏色分布。
6.權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述基于光的器件為使用波導(dǎo)的背光，并且其中所述設(shè)備還包括多個(gè)光源。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括耦合到該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的層壓元件。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件包括磷光體。
9.一種方法，包括提供發(fā)光二極管；提供具有一定高度和寬度比率的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件，所述高度和寬度比率被選擇成在該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件所發(fā)射的光中產(chǎn)生在從0°到90°的角度分布內(nèi)均勻性Au’ ν’ >0.015的希望的非均勻角度顏色分布；以及將該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件耦合到該發(fā)光二極管以產(chǎn)生具有希望的非均勻角度顏色分布的光源。
10.權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括將來(lái)自該光源的希望的非均勻角度顏色分布轉(zhuǎn)化成在基于光的應(yīng)用中均勻性Δ !’ V’ <0.015的均勻空間顏色分布。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述基于光的應(yīng)用是背光應(yīng)用。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述基于光的應(yīng)用是閃光燈應(yīng)用。
全文摘要
一種將發(fā)光二極管與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件一起使用的光源被配置成產(chǎn)生可以與特定的基于光的器件一起使用的非均勻角度顏色分布，該基于光的器件將所述角度顏色分布轉(zhuǎn)化成均勻顏色分布。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換元件的高度和寬度的比率被選擇成產(chǎn)生希望的非均勻角度顏色分布。與其中使用均勻角度發(fā)光二極管的常規(guī)系統(tǒng)相比，在光源中使用受控的角度顏色非均勻性以及在將非均勻性轉(zhuǎn)化成均勻顏色分布的應(yīng)用中使用它增大了系統(tǒng)的效率。
文檔編號(hào)H01L33/58GK102165613SQ200980137466
公開(kāi)日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者S·比爾休曾, W·S·施密特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備有限責(zé)任公司