CN101253435A - 光源和提供光束的方法 - Google Patents

Abstract

光源，包括：发光元件(6)，其设置成通过元件(6)的正面(8)发射大部分在元件内产生的光，和至少一个用于耦合输出光的结构(7；18)，其具有与元件(6)的正面(8)相接触的基座(11；19)，以及被设置成通过与基座(11；19)相对的孔(12；20)发射光，其中在所述元件(6)和围绕基座(11；19)的环境之间的界面被设置成使得至少部分在元件中产生的光被限定在邻接基座(11；19)的部件(6)的至少一层中。基座(11；19)在比正面(8)的面积(A₀)更小的面积(A₂)上与正面(8)接触。

Description

光源和提供光束的方法

本发明涉及一种光源，包括：

-发光元件，其经设置成通过该元件的一个正面(face)发射在该元件内产生的光的主要部分，并且

-至少一个用于耦合输出光的结构，其具有与该元件所述正面接触的基座(base)并设置成通过基座对面的孔发射光，其中在该元件和围绕所述基座的外界之间的界面被设置成使得至少一部分在元件中产生的光限定在邻接该基座的元件至少一层。

本发明也涉及提供光束的方法，包括：

-激活发光元件，其经设置成通过该元件的一个正面发射在该元件内产生的光的主要部分，使得至少一部分在元件中产生的光在所述元件的所述平面的至少一部分处被反射。

本发明也涉及光学装置，该光学装置包括光源和用于接受来自光源的光的光学***。

利用硅树脂密封剂覆盖发光二极管(LED)的管芯是已知。在硅树脂密封剂顶上，布置塑料覆盖层。除了保护管芯和密封剂之外，它还用于光束成形元件的目的。根据应用，光束可以被成形以使LED主要向前方发射，即，远离所述发光元件的正面。

已知结构的问题在于，当其集成到具有用于聚集来自光源的光的光学***的发光装置中时，有用光的量是有限的。这个问题是因为聚集光的***有限的集光率(etendue)，当光源集成到相对紧凑的发光装置中时，该问题变得突出。

本发明的目的是提供一种光源，一种提供光束的方法，以及用于通过收集来自光源的光的光学***提供相对较大光通量(light throughput)的光学装置。

这个目的通过根据本发明的光源达到，其特征在于基座在比正面面积小的面积上与正面接触。

所述光源形成了具有相对大亮(强)度的光源，该亮(强)度定义为发射到立体角(Ω)内的发光表面单位表面积(A)的发光强度。因为耦合输出光的结构的基座在比正面面积显著小的面积上与发光元件的所述正面接触，故减小发光面积，利于增大亮度。由于元件和围绕基座的环境之间的界面设置成使得至少部分在元件中产生的光限定在邻接该基座的至少一层，没有被直接耦合输出的光会在界面处被反射然后被耦合输出。因此，光强度不随着表面区域的减小而成比例地降低，因为耦合输出光的结构仅仅在后者表面区域的小部分上与所述元件接触。

可以认为，WO 2005/001331公开了一种包括外罩的发光体。光在发光表面发射，该发光表面密封所述外罩的上部。在外罩的下部，嵌入多个光源。光源由带有电触点的LED元件以及提供在LED元件上的相应透镜体组成，光从其中横向发射。面对(相对)外罩的发光表面的透镜体表面每个都涂敷有反射层，其反射回那些不可避免地在LED元件的轴向上辐射的光成分。发光体的空间辐射特性基本由发光表面的形状和梯度(gradient)决定，通常表现出朗伯型(lambert-type)特性。WO2005/001331没有公开包括用于耦合输出光的结构的光源，该结构具有与发光元件的所述表面接触的基座(base)并且该结构被设置成从与基座相对的表面发射光。透镜体的反射层阻止了光束的形成。已知的发光体用于尽可能将或多或少的点状光源的光均匀地分布在发光表面上。

在优选实施例中，邻接基座的至少一个元件层具有大于1的折射率。

因此，对于发射光的平面元件，在与发光元件的周围的界面处的总内反射将倾向于使得光被限定在所述元件中。在该实施例中，围绕基座的反射涂层不是使得至少部分在元件中产生的光被限定在靠近基座的该元件的至少一层所必需的，从而使制造变得更简单。

根据本发明的光源实施例包括多个用于耦合输出光的结构，每个结构具有基座，其在显著比所述正面面积小的面积上所述正面接触。

该实施例的优点在于能够提供相对大的光量。多个光结构中的每一个都以相对大的光强提供光。每个结构具有足够低的集光率(光发射的立体角与发光面积的乘积)，以致相对较大部分的发射光被与光源相连的光元件捕获。

一个实施例的光源，包括至少一个用于准直至少穿过用于耦合输出光的结构的光的布置。

作用是进一步减小光发射的立体角，同时基本上保持集光率，这保证大部分发射光被大量不同的可与光源相连的光学元件中的任意一个捕获。

在一种变体中，至少一个用于耦合输出光的结构包括集成在其上的准直***。

对于小尺寸光源，这使组装特别是对准更简单。

在一种变体中，在与用于耦合输出光的结构的基座相对的各孔上提供至少一个微透镜(lenslet)。

这允许使用相对简单的方法制造用于耦合输出光的结构。

在实施例中，与基座相对的孔比基座具有更大的面积。

这确保在用于耦合输出光的结构中损失了相对少量的光。通过接触区域在相对大的立体角上发射的光被耦合输出。考虑到用于耦合输出光的结构是集光率保持结构，这就会变得很清楚。

在实施例中，发光元件包括分层的器件，其包括：

-一个或多个用于把电流转变成光的有源层，

-至少另外一层，其在元件中产生的光的频率范围内是透明的，并且在该范围内具有比有源层小的吸收系数。

这具有使光容易横向“传播”的效果，使相对较大部分的生成光通过所述或一个用于耦合输出光的结构到达接所述或一个触区域，而不是被吸收在发光器件中。在所述元件是发光二极管(LED)时，这尤为有利，因为在固态LED中使用的有源材料通常具有相对高的吸收系数。

在一种变体中，发光元件包括分层的器件，其包括：

-一个或多个用于把电流转变成光的有源层，

-在所述元件的正面和有源层之间的至少一个层，包括发光材料。

效果在于增加了光源经设置能产生的光的颜色范围。具体地，在发光元件包括LED的情况下，有源层能设置成发射蓝光，例如，光通过发光材料转变成绿或红光。转变的光以相对高的亮度发射，使得光源适于用在图像显示中。

在实施例中，发光元件包括分层器件，其中至少一个用于耦合输出光的结构与邻接其基座的元件层集成在一起。

这使得不再需要结构和元件的复杂组装，使光源易于小型化。

在实施例中，在发光元件的正面的相对面提供反射表面。

这增加了光源的光输出。

在实施例中，发光元件由发光二极管管芯(die)形成。

该实施例结合了发光二极管的有利方面，而避免了发光二极管亮度有限的缺点。

根据另一方面，根据本发明的提供光束的方法，特征在于，通过至少一个具有基座的结构耦合输出光，该基座在比所述正面面积小的面积上与所述正面接触。

一个实施例包括在具有比发光元件低的折射率显著地低的环境中激活所述元件。

因此，可以确保总的内部反射将会在发光元件到其外界的界面处产生。因此，在元件中产生的光的相对大部分通过用于耦合输出光的结构发射。

根据另一方面，根据本发明的光学装置中的光源由本发明的光源形成。

优选地，光学***具有比光源的集光率要大的接受能力(acceptance)。

在本文中，接受能力(acceptance)意思是入射光被捕获的立体角与光捕获面积的乘积。因为其大于光源的集光率，所以捕获了最大量的光。

下面将参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出了光学装置的元件的组合；

图2是具有集成准直器的光源实施例的示意图；

图3是曲线图，表示使用光线-跟踪模拟对由光源发射的光的强度进行计算的结果，所述光源具有图2中所示的结构；

图4是把几个光源的计算强度与实验确定的强度进行比较的柱状图；

图5是包括耦合输出光的结构阵列的光源实施例的示意图。

图1示出了光学组件1，包括光源2和反射器装置3。光源2没有详细示出，因为下面将讨论几种可能的实施例。当光源被施加电压时，反射器装置3捕获发射的光。反射器装置具有立体孔径角Ω₁和光捕获面A₁。因此，反射器装置3的接受能力(acceptance)等于Ω₁·A₁。代替反射装置3，还可以使用透镜或透镜组合。光源2具有比接受能力Ω₁·A₁小的集光率，以保证基本上所有由它发射的光都经过该光学组件1。光学组件1位于基本上由空气构成的环境中。在另一实施例中，环境可以由别的气体或气体混合物形成。光学组件1，或至少光源2，也可以放置在液体或固体介质中，假定这些介质具有比光源2的材料更低的折射率。

光学组件的应用包括投影仪，也就是投影机(beamer)。如所描述的光源2发射相对高亮度的光，意思是它非常适合使用在小型器件中，因为与光源2连接的光学***的孔径角和/或光捕获面积可以相对较小。光源2的另一应用是矩阵照明。本质上，这是投射像素到要被照明的表面的平面像素化(flat pixelated)灯。这样的灯能用于传输状态(mood)或显示包括非文字数字混合的信息。也可以用于在观看电视时提高观看体验，通过使用它进行环境照明，其能把图像延伸到电视屏幕的边界外。其它应用包括用于液晶显示器的基于LED的背光和用于汽车的基于LED的前灯。这能有益地利用LED相对长的寿命、低的操作电压以及它们相对低的成本。通过在这里描述的光源2中集成作为发光元件的LED，消除了亮度有限的缺点。

图2示出了第一光源4的整体结构。第一光源4作为发光元件的示例包括散热器5和LED管芯(die)6。用于耦合输出在发光元件内产生的光的第一结构7连接到发光元件。在所述实施例中，只有一个用于耦合输出光的第一结构7连接到LED管芯6的上表面8。在替换实施例中，几个第一结构7可以在上表面8上设置成阵列。第一结构7增加了发光元件所发射光的亮度。

当通电流时，发光元件可以基于用于发光的多个不同机制中的一个机制。在图2的示例中，如这里所述的所有实施例，其包括LED管芯6，该管芯包括许多由附图标记9表示的有源层。在一个实施例中，层9包括In_xGa_1-xN，其中x因层而异。如果那样的话，有源层的折射率为大约2.5。有源层9具有几μm量级的总厚度，例如5μm。有源层9被由蓝宝石制造的衬底10覆盖，其具有约1.8的折射率。衬底具有比有源层的叠层厚度高1或2数量级(order of magnitude)的厚度，例如100μm。LED具有许多有吸引力的性能，其包括长的寿命、低的操作电压、小的尺寸、几乎纯的光谱颜色、流明(lumen)输出的快速调制、以及通电即启的事实。用于耦合输出光的第一结构7增加了LED管芯6本征低亮度。

用于耦合输出光的第一结构7包括透明介质，具有相对高的折射率。它比光源的环境即空气的折射率的值更接近衬底10和/或有源层9的值。适当的材料包括玻璃、石英、蓝宝石和透明陶瓷。在图2中，用于耦合输出光的第一结构7具有准直器的形状，也就是共心抛物状集中器(concentric-parabolic-concentrator)。因此，其包括一个用于准直光的整体(integral)***。用于耦合输出光的第一结构7的基座11与上表面8接触，并且具有面积A₂。光通过基座11进入用于耦合输出光的第一结构7并通过相对面的具有面积A₃的发光面12发射出。面积A₃显著大于基座的面积A₂。为了增加亮度，该面积A₂是上表面8的总面积A₀的一部分。

发射光的亮度增加，是因为光通量不随着上表面8面积A₂按比例降低，光经过上表面8耦合输出。由于在侧表面13和较低表面14处的至少部分反射，光通量比预期降低得少。在侧表面13的情况下，这是因为LED管芯6的外界具有比衬底10和有源层9低的折射率，以使得总的内反射用于使得光的相当部分被限定在衬底10中。在较低表面14的情况下，这是通过存在反射材料(未详细示出)的表面层得到增强的。也可以利用反射材料的表面层涂敷围绕基座11的上表面8的部分。可选择地，仅仅部分在有源层9中产生的光可以在界面处反射至围绕基座11的空气，即以在全部几何可能范围的子范围中的角度入射到表面上的一部分光。这是超出临界角度的相对于法线的角度范围。几乎没有穿过侧表面13的发射，因为有源层9倾向于吸收大部分在那个方向上传播的生成光。并且，LED管芯5是平面的，因此与上表面8的面积相比，侧表面13的面积较小。

光源的亮度B由以下等式给出：

$B=\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\π}\·A}---\left(1\right)$

其中，Φ是光通量(流明)。该等式基于发射的朗伯模式(lambertianpattern)。

为了估计通过比上表面8总面积A₀小的面积A₂耦合输出光的效果，使用以下等式分析性地模拟所述光亮度：

$\mathrm{\φ}=\frac{A_2}{A_0}\·\frac{1}{1-R_b(1-\frac{A_2}{A_0})}\·{\mathrm{\φ}}_0---\left(2\right)$

其中当A₂＝A₀时，Φ₀是光通量。R_b是有效反射系数，它说明了由来自LED管芯6底部的光的非理想反射引起的损耗，并隐含地说明了有源层9中光的再吸收。

在实际示例中，上表面8的面积A₀为1mm²，基座11的面积A₂为0.2mm²。运用等式(2)，对于R_b＝0.7，可以估算亮度B＝2.3B₀。光通量Φ等于0.45Φ₀。

使用光模拟包(来自Breault研究中心的ASAP)中的光线跟踪(ray-tracing)计算已经确认了该结果。LED管芯6模拟为两个在较低表面14上具有反射层的盒子。有源层9被模拟为1×1×0.01mm³的盒子，具有折射率n＝2.5。衬底被模拟为1×1×0.1mm³的盒子，具有折射率n＝1.8。反射层假设为具有反射率ρ＝0.8的铝电极。有源层9中光的生成通过添加背对背结构(back-to-back configuration)的两个朗伯发射平面(lambertian emitting plane)来模拟。图3示出了该模拟的结果。第一曲线15示出了归一化强度的角分布。第二曲线16示出了集成的强度。从该图中，可以看出50％的光位于2×13°＝26°的角圆锥中。对于此次模拟，用于耦合输出光的第一结构7的入口直径设定为0.5mm。发光表面12的直径设定为3mm。模拟证实了通过使用等式(2)得到的结果，因为结果给出了Φ＝0.46·Φ₀以及B＝2.2·B₀。

为了证实模拟，对一些实际光源进行了测量。图4中示出了这些测量结果。对四个数量A-D的每一个，左边的条表示测量的通量(流明)，而邻接的条表示从模拟得到的通量。A是来自具有常规准直器的LED管芯的通量，准直器完全密封LED管芯6，即同时密封上表面8和侧表面13。B表示未经任何密封的LED管芯6的通量。C表示通过用于耦合输出光的第一结构7的发光表面的输出通量。D是通过侧表面13的通量输出损耗。该损耗是由于总的内反射不会在整个角度范围上发生。实际上，由于发光元件是平面的，发射到侧表面13上的光倾向于以锐角入射。图4证实了通过模拟得到的结果并示出了这些结果不是固有偏倚(biased)的。

以与图2的第一光源相同的方法工作的第二光源17，如图5中所示。发光元件是相同的。以和图2中相同的方式对相应的部分进行编号。第二光源17包括多个第二结构18a-18e，用于通过LED管芯6的上表面8耦合输出光。第二结构18a-18e具有倒圆锥的形状。第二结构18a-18e的各基座19a-19e在显著上小于上表面8的总面积A₀的面积A₂上与上表面8接触。每个具有在其基座19a-19e对面的出口孔径20a-20e，其具有比其对面的基座19a-19e大的面积。第二结构的折射率与衬底10的折射率匹配，而上表面8在围绕基座19a-19e的区域具有与空气的界面。除了空气的其它介质也可以填充用于耦合输出光的第二结构18a-18e之间的空隙(interstices)。

在出口孔20a-20e上设置了微透镜22a-22f的阵列21。微透镜22a-22f和用于耦合输出光的第二结构18a-18e形成所述实施例中的完整元件(integral component)。在其它变体中，阵列21可以接合到第二结构18a-18e。在另一变体中，用于耦合输出光的第二结构18a-18e的阵列与衬底10集成在一起。

应当注意上述实施例，并不是为了限制，而是为了说明的目的，本领域技术人员将能够设计出许多其它实施例，而不脱离所附权利要求的范围。在权利要求中，放置在括号中的任何附图标记不应该被理解为限制权利要求。术语“包括”并不排除存在除了列在权利要求中的元件或步骤之外的其它元件或其它步骤。在元件前面的术语“一”或“一个”并不排除存在多个这样元件的可能。在相互不同的独立权利要求中引用的某一方法并不表示不能使用这些方法的组合。

例如用于耦合输出光的第一结构7包括在一个与第二结构18a-18e的配置类似的配置中的类似结构阵列中。有源层9可以包括有机发光材料。在一个变体中，在衬底10处提供了透明的、荧光材料的陶瓷层。这样的发光元件被称为P-转换LED。因此，并不排除在发光元件的最顶层中产生光。

Claims (16)

1.光源，包括：

-发光元件(6)，设置成通过元件(6)的正面(8)发射大部分在元件内产生的光，以及

-至少一个用于耦合输出光的结构(7；18)，具有与元件(6)的正面(8)接触的基座(11；19)，并设置成通过与基座(11；19)相对的孔(12；20)发射光，其中在元件(6)和围绕基座(11；19)的环境之间的界面经设置使得至少部分在元件中产生的光被限定在邻接基座(11；19)的元件(6)至少一层中，其特征在于基座(11；19)在比正面(8)的面积(A₀)小的面积(A₂)上与所述正面(8)接触。

2.根据权利要求1的光源，其中邻接基座(11；19)的元件(6)的至少一层具有大于1的折射率。

3.根据权利要求1或2的光源，包括多个用于耦合输出光的结构(18a-18e)，每个具有在比正面(8)的面积显著小的面积上与正面(8)接触的基座(20a-20e)。

4.根据前述任意一项权利要求的光源，包括至少一个用于至少准直穿过用于耦合输出光的结构(7；18)之一的光的结构(7；22a-22f)。

5.根据权利要求4的光源，其中至少一个用于耦合输出光的结构(7)包括集成在其上的准直***。

6.根据权利要求4的光源，其中至少一个微透镜(22a-22f)提供在与用于耦合输出光的结构(18)的基座(19a-19e)相对的各个孔(20a-20e)上。

7.根据前述任意一项权利要求的光源，其中所述与基座(11；19)相对的孔(12；20)具有比基座(11；19)大的面积(A₃)。

8.根据前述任意一项权利要求的光源，其中用于发光的部件(6)包括分层器件，其包括：

-一个或多个用于把电流转变成光的有源层(9)，

-至少一个另外层(10)，在元件中产生的光频率范围内是透明的并且在该范围内具有比有源层(9)更小的吸收系数。

9.根据权利要求8的光源，其中发光元件包括分层器件，其包括：

-一个或多个用于把电流转变成光的有源层(9)，以及

-至少一个在所述元件的所述正面和所述有源层之间的层，其包括荧光材料。

10.根据前述任意一项权利要求的光源，其中所述发光元件包括分层器件，其中至少一个用于耦合输出光的结构与邻接其基座的元件一层集成在一起。

11.根据前述任意一项权利要求的光源，其中与所述发光元件的正面(8)相对，提供反射面(14)。

12.根据前述任意一项权利要求的光源，其中所述发光元件由发光二极管管芯形成。

13.提供光束的方法，包括：

-激活发光元件(6)，其设置成通过元件的正面(8)发射大部分在所述元件内产生的光，使得在所述元件(6)中生成的光的至少一部分在所述元件的所述正面(8)的至少部分处被反射，其特征在于：

-通过至少一个具有基座(11；19)的结构(7；18)耦合输出光，该基座在比所述正面(8)的面积(A₀)小的面积(A₂)上与所述正面(8)相接触。

14.根据权利要求13的方法，包括提供激活元件的环境，该环境具有比发光元件(6)显著低的折射率。

15.光学装置，包括光源(2)和用于接受来自所述光源的光的光学***(3)，其中所述光源由根据权利要求1-12任意一项的光源形成。

16.根据权利要求15的光学装置，其中所述光学***(3)具有比所述光源(2)的集光率要大的接受能力。

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