CN1688029A - 高效率发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种高效率发光二极管，它包括有至少一个发光二极芯片，一个无反射碗的高热导率金属底座，芯片被正装或倒装在一个的所述金属底座上，芯片上方有一个具有特殊曲面的透镜，该透镜的曲面由三部分组成：其顶部为半径为R1的球面，球面顶点和芯片的距离D为K·R1·n2/(n1－n2)，其中n2、n1分别为透镜介质和空气的折射率，K为一常数，其数值决定于所要求的光输出角θ的大小；所述透镜的第二部分为近芯片处的半径为R2的球面，其球心在芯片上或在其附近，使芯片所发的光可近似不折射地出射；所述透镜曲面的第三部分为介于上述二部分之间的曲面，其曲面的曲率半径在R1和R2之间；它具有光利用率高、发光效率高、聚光好等优点，用于照明、汽车灯、矿灯、舞台灯、阅读灯、交通灯和显示器等。

Description

高效率发光二极管
技术领域
本发明涉及的是一种高效率发光二极管，可用于制造不同光输出角的高效率发光二极管、聚光发光二极管和照明灯，用于照明、汽车灯、矿灯、射灯、舞台灯、飞机和汽车等的阅读灯、交通灯和显示器等。
背景技术
现有技术的发光二极管通常把发光二极管芯片安装在一个反射碗内，芯片前方有透光介质和透镜，发光二极管芯片所发的光经反射碗反射和透镜聚光后出射。由于反射碗的尺寸比芯片大得多，芯片所发的光经反射碗反射后形成一个尺寸比芯片大得很多的虚象，使聚光效果变差、芯片所发的光在发光二极管的透光介质、透镜和空气的界面的多次反射增加、光损失增加、光利用率低；特别是大功率发光二极管，因其芯片尺寸大、聚光效果更差。现有技术的大功率发光二极管为了得到良好的聚光效果，除了用大尺寸的反射碗外、通常还需要一个体积很大的锥形聚光透镜，此种结构的发光二极管不仅光利用率低、而且其锥形聚光透镜体积大、重量重、成本高，安装也不方便。
其次，现有发光二极管芯片的光出射角均小于2π，芯片所发的光损失大，光取出效率低，即发光二极管的有效发光效率低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的不足，而提供一种高光利用率的发光二极管和高聚光效率的高效率发光二极管，可用于制造不同光输出角的聚光灯和照明灯。
分析现有发光二极管的结构可知，现有发光二极管的反射碗是现有发光二极管光利用率低、聚光效果差的重要原因之一。本实用新型的发光二极管废除了光反射碗，从而可制成高光利用率和高效聚光的发光二极管。
分析现有发光二极管的结构还可知，现有发光二极管芯片的光出射角均小于2π，本实用新型的发光二极管结构可使芯片的光出射角大于2π，从而可提高发光二极管的有效发光效率。
本发明的发光二极管包括有至少一个发光二极管芯片，被用高热导率胶或焊锡正装或倒装在一个高热导率的金属底座上，其特征在于所述金属底座上无反射碗，芯片上方有一个具有特殊曲面的透镜，所述透镜的曲面由三部分组成：其顶部为半径为R1的球面，球面顶点和芯片的距离约为K·R1·n2/(n1-n2)，其中n2、n1分别为透镜介质和空气的折射率，K为一常数，决定于所要求的光输出角θ的大小，例如要求输出平行光、即θ＝0，则K＝1。所述透镜的第二部分为近芯片处的半径为R2的球面，其球心在芯片上或其附近，使芯片所发的光可近似不折射而直线出射。所述透镜曲面的第三部分为介于上述二部分之间的曲面，其曲面的曲率半径在R1和R2之间。
所述透镜和芯片之间、透镜和金属底座之间有透光介质层，例如硅胶、树脂或塑料等。
所述金属底座为平面，消除了由现有技术的反射碗形成的大尺寸虚象，使光源尺寸缩小到最小、即芯片的尺寸或芯片加发光粉层的尺寸，从而易于设计光学***、提高光出射效率和得到所需光出射角的输出光。
所述金属底座为平台或有平台的锥体，使芯片发出的光出射角可大于2π，从而提高发光二极管的有效发光效率。
为了得到高效率的聚光出射光，所述发光二极管可配有一外光反射装置，例如抛物面反射器，让所述芯片位于所述抛物面的焦点上或附近，使从芯片发出、经上述透镜的第二部分曲面出射的光可经所述反射器射向前方，从而可得到高光利用率、良好聚光的出射光。
上述本发明的发光二极管和外光反射装置可构成为一个单元，一个或多个单元可按光照分布的要求安装，例如可用于汽车的远光灯和近光灯等。
所述的至少一个发光二极管芯片可以是相同发光色或不同发光色的，从而可制成不同发光色的发光二极管、色温可调和高显色指数的白光发光二极管、出射光的颜色随工作时间增加而发生的色飘移可补正的发光二极管等。
本发明的高光利用率发光二极管，与现有技术的发光二极管相比，具有光利用率高、发光效率高、可制成高效率、良好聚光或按需要设计成不同光出射角的的发光二极管，也可制成色温可调和高显色指数的白光发光二极管、出射光的颜色随工作时间增加而发生的色飘移可补正的发光二极管等优点。
附图说明
图1为现有技术的发光二极管的聚光原理示意图。
图2为又一现有技术的发光二极管的光出射原理示意图。
图3为本发明的高效率发光二极管灯的一个实施例的结构示意图。
图4为本发明的高效率发光二极管灯的又一个实施例的结构示意图。
图5为本发明的高效率发光二极管灯的又一个实施例的结构示意图。
图6为本发明的高效率发光二极管灯的又一个实施例的结构示意图。
图7为本发明的高效率发光二极管灯的又一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
附图中的标示如下：
1-芯片                 2-反射碗               3-透镜
4-电连结线             5-引出线               6-虚象
7-输出光线             8-输出光线             9-输出光线
10-芯片                11-硅基板              12-焊锡或导热胶
13-金属基              14-光反射碗            15-虚象
16-输出光线            17-芯片                18-金属基
18a-金属基平面         18b-金属基台面         18c-金属基锥面
18d-金属基多台面       18e-金属基锥面         19-透镜
19a-透镜顶部           19b-底部透镜           19c-透镜中间部分
19d-透镜固定脚         20-输出光线            21-输出光线
22-透镜过渡曲面        23-输出光线            23-反射后输出光线
24-发光粉层            24a-透光介质层         25-介质层
26-输出光线            27-绝缘层              28-导电层
29-螺丝                30-介质层              31-发光二极管
32-光反射器            33-光出射窗口          34-散热器
35-空气流              36-发光二极管光反射器单元
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1为现有技术的发光二极管的聚光原理示意图。图1中1为发光二极管芯片，2为固定芯片的光反射碗，3为透光介质和聚光透镜，4为发光二极管芯片的电连结线，5为发光二极管引出线。由图1可见，芯片1所发的光经反射碗2反射后形成一个尺寸比芯片大得多的虚象6，这使发光二极管聚光效果变差；如图1所示，从芯片1中央发出射向正前方的近轴光可经透镜3聚光成与光轴平行的光出射，如图1中7所示。但经反射碗反射的光则如同从虚象6发出的光、不能很好会聚，如图1中8所示。而在立体角α内的光则无法很好利用，如图1中9所示。因而此种发光二极管的光利用率低、光会聚效果差。
图2为现有技术的功率型发光二极管的光出射原理示意图。图2所示为一芯片倒装的功率型发光二极管的例子，图2中10为发光二极管芯片，它经一硅基板11和焊锡或导热胶12固定在金属基13的光反射碗14上。由于大功率发光二极管芯片尺寸大，所用反射碗的尺寸更大，形成一个寸大更大的虚象15，因而更难于聚光，如图2中16所示。现有技术对于此种功率型发光二极管，为了获得良好的聚光、通常还需要另加一个体积很大的锥形聚光透镜(图中未画出)，此种聚光透镜不仅体积大、重量重、成本高、安装也不方便，而且光利用率低。图2中其它数字所代表的意义和图1中的相同。
图3为本发明的高效率发光二极管的一个实施例的结构示意图。图3中17为至少一个发光二极管芯片，被用高热导率胶或焊锡正装或倒装在一个高热导率的金属底座18上，其电极连接方法可用通常的正装或倒装的连接法(图中未画出)，所述的金属底座18上无反射碗，其安装芯片的一面为平面18a，芯片17上方有一个具有特殊曲面的透镜19，所述透镜的曲面由三部分组成：其顶部19a为半径为R1的球面，球面顶点和芯片的距离D约为K·R1·n2/(n2-n1)，其中n2、n1分别为透镜介质和空气的折射率，K为一常数，决定于所要求的光输出角θ的大小，例如要求输出平行光、即θ＝0，则K＝1，如图3中20所示。所述透镜的第二部分19b为近芯片处的半径为R2的球面，其球心在芯片上或在其附近，使芯片所发的光可近似不折射而直线出射，如图3中21所示。所述透镜曲面的第三部分19c为介于上述二部分之间的曲面，其曲面22的曲率半径在R1和R2之间，利用球面的焦距随光线离光轴的距离增大而逐渐缩小的原理，选择此不同的过渡曲面，可得到出射光的出射角和20相近的出射光，如图3中23所示，当然，若有需要、20和23而者的出射角也可不同。
由图3可见，所述发光二极管的出射光可分为二部分：一部分从透镜的第一部分19a和第三部分19c出射的光、即芯片在立体角β内出射的光经透镜后的出射角为θ，例如θ＝0，则输出光为平行光或接***行的光；光出射角θ的大小可按需要选择不同的n2、R1、D以及R1和R2的过渡曲面来得到。另一部分是从透镜的第二部分19b出射的光、即芯片在立体角δ内出射的光，它们经透镜后的出射光的方向基本不变，就如一个来自点光源的光向四周发射。
由图3可见，所述金属底座18的安装芯片处为平面，这消除了由现有技术的反射碗形成的大尺寸虚象的缺点，使光源尺寸缩小到最小、即芯片17的尺寸或芯片加发光粉层的尺寸，从而易于设计高光利用率的光学***、提高光出射效率和得到所需光出射角的输出光。
所述芯片17的四周也可有发光粉层24；发光粉层24和芯片17之间还可有透明隔热层24a。
所述的至少一个发光二极管芯片17可以是相同发光色或不同发光色的，从而可制成不同发光色的发光二极管、色温可调和高显色指数的白光发光二极管、出射光的颜色随工作时间增加而发生的色飘移可补正的发光二极管等。
所述透镜19和芯片17及金属底座18之间有透光介质层25，例如硅胶、树脂或塑料等。
图4为本发明的高效率发光二极管的又一个实施例的结构示意图，图中所示的金属底座18有一凸出平台或有一凸出平台18b的锥体18c，使芯片发出的光出射角可大于2π，如图4中26所示为大于2π的出射光，从而可提高发光二极管的有效发光效率。图4中4为发光二极管芯片到引出线5的引线，引出线5用于将发光二极管与外电源相连结，以点亮发光二极管；27为绝缘层，28为绝缘层上的导电层，用于引线4和引出线5的相互连接。所述金属底18还可带有至少一个固定螺丝29或至少一个螺丝孔，由于将发光二极管固定在外加散热器上。图4中其它数字所代表的意义和图3中的相同。
图5为本发明的高效率发光二极管的又一个实施例的结构示意图，图中所示的安装芯片17的平台18d有多个，每个平台上安装有至少一个芯片17；平台的锥面18e有光反射层，以反射芯片17向侧面发射的光，如图5中23a所示；透镜19有至少一个固定脚19d，用于穿入金属底座18的孔内固定透镜19；透镜19和金属底座18之间有透光介质30；图5中其它数字所代表的意义和图3和4中的相同。
图6为本发明的高效率发光二极管的又一个实施例的结构示意图，图中所示的高效率发光二极管31带有一光反射器32，例如抛物面的光反射器，发光二极管芯片位于该抛物面的焦点上或其附近，使由发光二极管第二部分19b出射的光经反射器32反射后近于平行抛物面轴或按设计的光出射角出射，从而与发光二极管其它部分出射的光共同组成高光利用率的、良好会聚或按需要设计的光分布的出射光。同时，在光反射器32的光出射窗口33可有一透光板，它可为透明的、着色的、漫射的板，其上也可有一系列小透镜、小棱镜等光学结构。
如图6所示，本发明的高效率发光二极管31可用其螺丝29固定在散热器34上，若被用于汽车上，还可设计成让汽车行进时空气流流经散热器34，以利发光二极管散热，如图5中35所示。图6中其它数字所代表的意义和图5中的相同。
图7为本发明的高效率发光二极管的又一个实施例的结构示意图，图中所示有多个如图6所示的发光二极管31和光反射器32构成的单元36、按出射光分布的要求安装在散热器的不同平面上的例子，例如用于汽车远光灯、近光灯和灯具等。图7中其它数字所代表的意义和图6中的相同。
本发明要求保护的范围不限于本文中介绍的各实施例，涉及的专门技术是本专业一般人员所熟悉的，因此只要了解本发明的内容，可以做各种形式的变换和代换。

Claims (10)

1、一种高效率发光二极管，它包括有至少一个发光二极芯片(17)，一个高热导率金属底座(18)，所述芯片被正装或倒装在所述的金属底座上，芯片的电极经引线(4)与引出线(28、5)相连，用于连接外电源；其特征在于所述金属底座(18)的安装芯片一面为平面或平台而无光反射碗，芯片(17)上方有一个具有特殊曲面的透镜(19)，所述透镜(19)的曲面由三部分组成：其顶部为半径为R1的球面，球面顶点和芯片的距离D为K·R1·n2/(n1-n2)，其中n2、n1分别为透镜介质和空气的折射率，K为一常数，其数值决定于所要求的光输出角θ的大小；所述透镜的第二部分为近芯片处的半径为R2的球面，其球心在芯片上或其附近，使芯片所发的光可近似不折射而直线出射；所述透镜曲面的第三部分为介于上述二部分之间的曲面，其曲面的曲率半径在R1和R2之间。
2、根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于所述的K≈1，即θ≈0，透镜(19)的第一和第二部分输出光为平行光。
3、根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于所述的金属底座(18)的安装芯片处为使芯片发出的光出射角可大于2π的平面(18a)平台或锥体(18c)上的平台(18b)。
4、根据权利要求1或3所述的高效率发光二极管，其特征在于所述的金属底座(18)上有多个安装芯片的平台(18d)，每个平台上安装有至少一个发光二极管芯片(17)。
5、根据权利要求4所述的高效率发光二极管，其特征在于所述的至少一个发光二极管芯片(17)可以是相同发光色或不同发光色的，从而可制成不同发光色的发光二极管、色温可调和高显色指数的白光发光二极管、出射光的颜色随工作时间增加而发生的色飘移可补正的发光二极管。
6、根据权利要求1或2所述的高效率发光二极管，其特征在于所述的透镜(19)和芯片(17)之间、透镜(19)和金属底座(18)之间有如硅胶、树脂或塑料的透光介质层(24a、25、30)。
7、根据权利要求1所述的高效率发光二极管，其特征在于所述的发光二极管还配有一个如抛物面反射器的光反射器(32)，让所述芯片(17)位于所述抛物面的焦点上或其附近，使从芯片发出、经上述透镜的第二部分曲面(19b)出射的光可经所述反射器反射射向前方，从而可得到高光利用率、良好聚光的出射光；所述光反射器(32)的光出射窗口(33)可有一透光板，它可为透明的、着色的、漫射的板，其上可有一系列小透镜、小棱镜的光学结构。
8、根据权利要求3或4或6所述的高效率发光二极管，其特征在于所述的金属底座(18)带有至少一个用于将发光二极管固定在外加散热器(34)上的固定螺丝(29)或至少一个螺丝孔。
9、根据权利要求8所述的高效率发光二极管，其特征在于所述的散热器(34)为由如让汽车行进时产生的外来空气流冷却的风冷散热器。
10、根据权利要求8和9所述的高效率发光二极管，其特征在于散热器(34)的不同平面上按出射光分布的要求安装有多个发光二极管(31)和光反射器(32)构成的、用于汽车远光灯、近光灯和灯具的单元(36)。
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