CN101416322B - 侧面发射的发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了发光器件和照明方法。发光器件包括一个或多个半导体层、耦合到半导体层的反射底面和顶面。这些半导体层包括生成初级光的有源区域。调节顶面、反射底面和有源区域的相对位置以便基本上通过发光器件的侧面透射初级光。
Description
背景技术
本发明一般涉及照明***领域，更具体地说，涉及在径向方向上具有均匀侧面发射的发光器件。发光器件广泛用于诸如膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、移动电话之类的显示设备的背光照明。这些发光器件可以孤立地使用或者可以耦合到光波导以便进行均匀的光传输。发光器件的示例可以包括发光二极管(LED)。
现有的发光器件没有提供光在空间上的宽发射。发射模式使得在耦合到现有发光器件的光波导中形成暗角。因此，使用现有的发光器件不会实现均匀的照明。需要附加的发光器件来将光均匀地分布在例如显示器上。这增加了包括现有发光器件的照明***的成本。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种相当薄的发光器件。
本发明的另一个目的是提供一种在径向方向上提供光的均匀侧面发射、并且可以有效地耦合到光波导以便产生均匀照明的发光器件。
本发明的各种实施例提供了发光器件和照明方法。发光器件包括一个或多个半导体层、耦合到半导体层的反射底面和顶面。这些半导体层包括生成初级光的有源区域。依照本发明的一个实施例，可以调节顶面、反射底面以及有源区域的相对位置以便基本上通过发光器件的侧面发射初级光。
依照本发明的各种实施例，侧面发射模式使得发光器件能够有效地与光波导结合以便产生相当薄的照明***。该照明***产生均匀的照明并且可以用于例如照明液晶显示器(LCD)。
附图说明
下面将结合附图来描述本发明的各种实施例，这些实施例被提供来说明而不是限制本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1为依照本发明一个实施例的发光器件的截面图；
图2为依照图1的发光器件的截面图；
图3为依照图1的发光器件的截面图；
图4为依照本发明一个实施例的发光器件的截面图；
图5为依照本发明一个实施例的照明***的截面图；
图6为依照本发明一个实施例的照明方法的流程图。
具体实施方式
本发明的各种实施例提供了发光器件和照明方法。发光器件提供了径向方向上的均匀侧面发射。发光器件还可以结合光波导来使用以便产生提供均匀照明的相当薄的照明***。
图1为依照本发明一个实施例的发光器件100的截面图。该截面沿平行于x-y平面的平面获取(如图1所示)。发光器件100可以是例如发光二极管(LED)。发光器件100包括一个或多个半导体层102、反射底面104、顶面106以及基底108。半导体层102包括一个或多个例如有源区域110之类、具有中心平面112的有源区域。发光器件100安装在基台114上。依照本发明的各种实施例，反射底面104、半导体层102和顶面106形成叠层。依照本发明的一个实施例，发光器件100包括倒装芯片结构，以便例如控制传导路径进入以及离开发光器件100中的结点。
通过例如在有源区域110上流过电流来激励半导体层102、来在有源区域110中生成初级光。初级光可以例如是红光、绿光、蓝光、紫外(UV)光、近UV光等等。
依照本发明的一个实施例，顶面106在基本上垂直于中心平面112的方向上反射入射到顶面106上的初级光中的至少一部分。被顶面106反射的初级光部分此后称为第一部分初级光，被顶面106透射的初级光部分此后称为第二部分初级光。反射底面104也被配置成在基本上垂直于中心平面112的方向上反射入射到反射底面104上的初级光。因此，根据有源区域110、反射底面104和顶面106的相对位置，可以在有源区域110、反射底面104和顶面106中的至少两个之间形成诸如法布里-珀罗腔(Fabry-Perot cavity)之类的腔体。依照本发明的一个实施例，在有源区域110和反射底面104之间形成所述腔体。来自有源区域110的初级光的波以及来自有源区域110的镜像116的波彼此干涉。这里，镜像116是有源区域110在反射底面104中的像。依照本发明的一个实施例，可以调节有源区域110和反射底面104之间的相对位置，以便导致初级光的相长或相消干涉。因此，可以增强发光器件100中产生的初级光的强度。同样，可以调节反射底面104、顶面106和有源区域110的相对位置，以便改变腔体效应以及随后的发光器件100的发射模式。例如，距离x(如图1所示)的预定义值可以在一个或多个径向方向上显著地增加初级光的发射。这里，径向方向包括基本上平行于中心平面112的方向。依照本发明的一个实施例，x的预定义值可以具有初级光波长的量级并且可以取决于发光器件100的尺寸。
依照本发明的一个实施例，顶面106可以完全覆盖基底108的表面(如图1所示)。依照本发明的另一个实施例，顶面106可以覆盖基底108的表面的一部分(如图3所示)。此外，顶面106可以包括部分反射器或者全反射器。依照本发明的各种实施例，顶面106和反射底面104可以包括金属层、镜状表面等等。
依照本发明的一个实施例，基底108可以包括诸如蓝宝石之类的透明材料层。基台114可以由反射材料制成或者可以具有涂层或镀层，以便反射在径向方向上发射的初级光。涂层可以是冷涂层，例如带红色的、银、铝、增强的铝涂层，或者可以是高反射膜。特别地，涂层可以具有镜面抛光。此外，如果基台不是非常大，那么涂层可以是白色漫射材料。依照本发明的一个实施例，白色漫射材料还可以用作发光器件100的倒装芯片结构中的底层填料。
依照本发明的一个实施例，发光器件100可以具有不同的几何形状，所述几何形状可以包括但并不限于截断的倒置金字塔、立方体、长方体、半球形等等。此外，发光器件100可以包括一个或多个中间层(图1中未示出)。这些中间层的示例可以包括一个或多个单量子阱或者多量子阱，所述量子阱可以用来提高发光器件100的效率。
依照本发明的一个实施例，发光器件100可以例如用于电视、移动电话、个人数字助理(PDA)等的显示器的直接背光照明。
图2为依照图1的发光器件100的截面图。这里，发光器件100还包括保护发光器件100的外模(overmold)202。此外，顶面106完全覆盖基底108的表面(如图2所示)，并且大量地反射入射到顶面106上的初级光。依照本发明的一个实施例，外模202可以由诸如合成树脂、玻璃、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、光学透明硅脂之类的光学透明材料制成。基本上与径向方向垂直的外模202的一个或多个表面还可以包括锯齿或其他变形以便有效地将初级光耦合出发光器件100。
图3为依照图1的发光器件100的截面图。这里，发光器件100还包括耦合到顶面106的集光器302。顶面106覆盖基底108的表面的一部分。依照本发明的一个实施例，顶面106是在基底108的表面中部的圆形或方形点。特别地，顶面106重定向绕中心轴304逸出的初级光。
集光器302可以用来在径向方向上重定向第二部分初级光并且产生准直的侧面发射。依照本发明的一个实施例，可以使用全内反射(TIR)实现重定向。
依照本发明的各种实施例，集光器302可以具有不同的几何形状。特别地，集光器302可以相对于发光器件100的中心轴304是对称的。例如，集光器302可以包括关于中心轴304对称的抛物形或椭圆形集光器。依照本发明的一个实施例，集光器302可以结合诸如外模202之类的外模来实现。这将在径向方向上提供准直的侧面发射并且还将保护发光器件100。
依照本发明的各种实施例，集光器302可以包括例如环烯烃共聚物(COC)、PMMA、PC、PC/PMMA共聚物、硅脂、碳氟聚合物、聚醚酰亚胺(PEI)等的一个或多个层。
图4为依照本发明一个实施例的发光器件100的截面图。发光器件100还包括波长转换器402。波长转换器402将至少一部分初级光转换成次级光。依照本发明的一个实施例，波长转换器402可以是磷光体层。次级光可以是例如黄光。波长转换器402可以放置成与基底108光学接触(如图4所示)，或者与有源区域110直接接触(图4中未示出)。例如，波长转换器402可以包括刚性磷光板，其可以通过使用玻璃粘合剂或硅树脂粘合到基底108。依照本发明的一个实施例，波长转换器402中的一个或多个层可以沿发光器件100的侧面沉积，以使得这些层基本上垂直于径向方向(图4中未示出)。这将便于将初级光转换成次级光。
依照本发明的一个实施例，波长转换器402可以包括基料和荧光材料。荧光材料例如以颗粒的形式散布在基料中。荧光材料将例如蓝光之类的初级光转换成例如黄光之类的次级光。依照本发明的一个实施例，次级光可以与一部分初级光相混合，以便产生基本上白色的光。
基料的示例可以包括光学透明的硅树脂、丙烯酸树脂、聚碳酸酯等等。荧光材料依照所希望的次级光空间光谱分布来选择。荧光材料的示例可以包括钇铝石榴石(YAG)颗粒。依照本发明的各种实施例，波长转换器402可以使用诸如旋涂、电泳、丝网印刷、过成型(overmolding)之类的工艺来沉积。可以依照例如次级光或者基本上呈白色的光所希望的空间光谱分布来改变波长转换器402中荧光材料的浓度。依照本发明的一个实施例，波长转换器402只包括荧光材料。
依照本发明的另一个实施例，不同的荧光材料可以包含在诸如波长转换器402之类的单个波长转换器中。波长转换器402还可以包括类似稀土金属之类的添加物，以便提高诸如波长转换器402的颜色渲染之类的特性。
依照本发明的各种实施例，波长转换器402可以例如通过在外模202的一个或多个表面上沉积波长转换器402来与外模202一起实现。特别地，外模202的内表面可以包括波长转换器402层(图4中未示出)。
图5为依照本发明一个实施例的照明***500的截面图。该截面是沿平行于x-z平面的平面获取的(如图5所示)。照明***500包括一个或多个诸如发光器件100之类的发光器件以及光透射区502。光透射区502光耦合到发光器件100。依照本发明的一个实施例，发光器件100可以放置在光透射区502中的一个或多个孔内(如图5所示)。
发光器件100产生初级光，该初级光被发射进入光透射区502。光透射区502在平行于y轴的方向上透射初级光。光透射区502透射初级光，以使得初级光可以用来均匀地照射显示器。依照本发明的一个实施例，由发光器件100产生的初级光可以在被发射进入光透射区502之前被转换成次级光。
依照本发明的一个实施例，光透射区502可以包括一个或多个诸如透射表面504之类的透射表面以及一个或多个非透射表面。初级光可以通过这些透射表面来透射。此外，所述透射表面和所述非透射表面一起形成闭合结构。
依照本发明的一个实施例，光透射区502可以是例如光波导、中空光导等等。光透射区502可以由例如合成树脂、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、PMMA、玻璃等制成。依照本发明的各种实施例，光透射区502可以具有恒定的厚度或者可以沿例如x-轴或z-轴变细。特别地，光透射区502的截面x-y可以具有楔形几何形状或者矩形几何形状等等。依照本发明的一个实施例，沿y轴测量的照明***500的厚度可在0.4mm-10mm的范围内。
依照本发明的一个实施例，初级光在光透射区502中可以经历TIR。光透射区502的楔形几何形状可以便于使TIR受挫以及之后初级光通过例如透射表面504的透射。可以使得光透射区502的非透射表面能够反射，以便于初级光通过透射表面的透射并且有助于初级光在光透射区502中的均匀分布。
依照本发明的一个实施例，所述非透射表面中的至少一个可以包括多个耦合部件。可以提供这些耦合部件来均匀且有效地通过例如透射表面504将初级光耦合出光透射区502。依照本发明的各种实施例，这些耦合部件可以包括像楔和脊、丝网印刷点之类的表面变形。这里，这些耦合部件可以包括不同的形状和密度，并且可以通过使用诸如印刷、压制、蚀刻、划线、喷砂之类的工艺来提供。
依照本发明的一个实施例，将诸如发光器件100之类的发光器件放置在光透射区502中，以使得每个发光器件的中心轴基本上彼此平行。发光器件100和光透射区502之间可以存在一个或多个中间层。这些中间层的示例可以包括可增强将初级光耦合进光透射区502中的硅树脂层、环氧树脂层、涂层、等诸如此类。
依照本发明的各种实施例，所述孔可以具有不同的形状和大小，以便例如有效地将初级光从发光器件100耦合进光透射区502中。此外，放置于光透射区502中的发光器件的数量可以根据需要来自照明***500的照明来确定。
依照本发明的各种实施例，结合图1-图4所阐述的发光器件100可以与照明***500中的光透射区502一起使用。
图6为依照本发明一个实施例的照明方法600的流程图。在步骤602，在诸如发光器件100之类的发光器件的有源区域中生成初级光。初级光的生成包括将电流流过一个或多个诸如半导体层102之类的半导体层。在步骤604，至少一部分初级光被诸如顶面106之类的顶面以及诸如反射底面104之类的反射底面反射。经反射的初级光的波可以彼此干涉或者与来自有源区域的初级光发生干涉，以导致发光器件中产生的初级光的强度增大或减小。
在步骤606，调节有源区域、反射底面和顶面的相对位置以便在一个或多个径向方向上增加初级光的发射。特别地，可以调节有源区域和反射底面之间的距离。这里，径向方向是基本上平行于有源区域的中心平面的方向。依照本发明的一个实施例，方法600还包括使用例如诸如光透射区502之类的光透射区来透射初级光。另外，在透射之前还可以将初级光转换成次级光。
本发明的各种实施例提供了在径向方向上具有均匀侧面发射的发光器件。发射模式相对于发光器件的中心轴是对称的。发光器件均匀地照射光波导。这避免了对单独的漫射层的需要。此外，这减少了照射光波导所需的发光器件的数量。因此，降低了照明***的成本和厚度。
尽管已经说明和描述了本发明的各种实施例，但是应当清楚的是，本发明并不仅仅限于这些实施例。在不脱离权利要求中所述的本发明的精神和范围的情况下，许多修改、变化、变型、替换和等效对于本领域技术人员而言将是显然的。
Claims (18)
1.一种发光器件，包括：
a.沿着中心平面的至少一个半导体层，所述至少一个半导体层包括有源区域，其中在该有源区域中生成初级光；
b.反射底面，所述反射底面耦合到所述至少一个半导体层；以及
c.顶面，所述顶面耦合到所述至少一个半导体层，所述顶面反射第一部分初级光；
其中所述顶面和所述反射底面在一个或多个径向方向上重定向初级光，所述一个或多个径向方向中的每一个基本上平行于所述有源区域的所述中心平面，以及
其中，调节所述有源区域、所述反射底面和所述顶面的相对位置，从而在所述有源区域、所述反射底面和所述顶面中的至少两个之间形成干涉腔体。
2.如权利要求1所述的发光器件，其中所述反射底面、所述至少一个半导体层和所述顶面形成叠层。
3.如权利要求1所述的发光器件，其中调节所述有源区域、所述反射底面和所述顶面的相对位置以便基本上在所述一个或多个径向方向上透射初级光。
4.如权利要求1所述的发光器件，还包括保护所述至少一个半导体层和所述顶面的光学透明外模。
5.如权利要求1所述的发光器件，还包括集光器，所述集光器耦合到所述顶面，所述顶面透射第二部分初级光，所述集光器基本上在所述一个或多个径向方向上重定向第二部分初级光。
6.如权利要求5所述的发光器件，其中所述集光器相对于所述发光器件的中心轴是对称的。
7.如权利要求5所述的发光器件，其中所述集光器的至少一个表面包括反射表面。
8.如权利要求1所述的发光器件，还包括波长转换器，所述波长转换器光耦合到所述至少一个半导体层，所述波长转换器将初级光转换成次级光。
9.如权利要求8所述的发光器件，其中所述波长转换器包括磷光体层。
10.一种照明***，包括：
a.一个或多个发光器件，所述一个或多个发光器件中的每一个包括：
i.沿着中心平面的至少一个半导体层，所述至少一个半导体层包括有源区域，其中在该有源区域中生成初级光；
ii.反射底面，所述反射底面耦合到所述至少一个半导体层；以及
iii.顶面，所述顶面耦合到所述至少一个半导体层，所述顶面反射第一部分初级光；
其中所述顶面和所述反射底面在一个或多个径向方向上重定向初级光，所述一个或多个径向方向中的每一个基本上平行于所述有源区域的所述中心平面；以及
b.光透射区，所述光透射区光耦合到所述一个或多个发光器件，
其中，调节所述有源区域、所述反射底面和所述顶面的相对位置，从而在所述有源区域、所述反射底面和所述顶面中的至少两个之间形成干涉腔体。
11.如权利要求10所述的照明***，其中所述光透射区包括锥形波导。
12.如权利要求10所述的照明***，其中所述光透射区包括至少一个反射表面。
13.一种照明方法，该方法包括：
a.生成初级光，所述初级光通过激励至少一个半导体层来生成，其中所述至少一个半导体层包括沿着中心平面的有源区域，所述至少一个半导体层沉积在反射底面上；以及
b.反射至少一部分初级光，该反射由所述反射底面和顶面执行，所述顶面耦合到所述至少一个半导体层，该反射允许在一个或多个径向方向上重定向初级光，所述一个或多个径向方向中的每一个基本上平行于所述有源区域的所述中心平面，
其中，调节所述有源区域、所述反射底面和所述顶面的相对位置，从而在所述有源区域、所述反射底面和所述顶面中的至少两个之间形成干涉腔体。
14.如权利要求13所述的方法，还包括调节所述有源区域、所述反射底面和所述顶面的相对位置以便基本上在所述一个或多个径向方向上透射初级光。
15.如权利要求13所述的方法，还包括通过使用光透射区来透射初级光。
16.如权利要求1所述的发光器件，其中所述顶面的一部分包括全反射器，该全反射器包括金属层或镜状表面。
17.如权利要求10所述的照明***，其中所述顶面的一部分包括全反射器，该全反射器包括金属层或镜状表面。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述顶面的一部分包括全反射器，该全反射器包括金属层或镜状表面。
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