准直发光二极管封装结构制造技术

一种具有准直功能的发光二极管的封装结构，属于发光二极管照明应用中的封装领域，其特征是通过采用一个具有旋转对称性的准直透镜封装发光二极管芯片，从而使得发光二极管出射的光通过准直透镜以后以较小发散角度出射，形成一个定向发射的面光源。该面光源可以用在手电、射灯、矿灯、投影仪等器件上。通过使用正Ｎ边形的准直透镜来封装功率型ＬＥＤ，能得到正Ｎ边形的ＬＥＤ照明模块。将多个正Ｎ边形的ＬＥＤ照明模块合并，能够得到更大面积的定向发射的面光源。本发明专利技术高效的将近似点光源的ＬＥＤ芯片发出的光导出，形成均匀的光束，消除了发光二极管的高亮度给人眼带来的危险性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种准直发光二极管的封装结构，目的是为了将LED芯片发出的光准直并形成一个面光源输出。本专利技术属于发光二极管的封装

技术介绍
图1描述了一种常规的发光二极管的封装结构20。发光二极管的常规封装结构20中采用一个半球形的透镜21封装，封装结构20具有一个纵向的对称轴23，封装结构20的光强远场分布图近似为22。由图一可见，常规封装的发光二极管的光强远场分布在纵向对称轴处具有最大值，调整半球形的透镜21的高度可以调整封装结构20的光强远场分布。封装结构20存在的问题是具有较小的发光面积，在其小的发光面积上光强很大。而发光二极管的亮度随着技术的发展越来越大，所以封装结构20对人眼健康存在威胁。图2是将具有封装结构20的发光二极管配合一个二次光学元件——抛物面形状的反射镜25来将具有封装结构20的发光二极管发出的光进一步准直。采用抛物面形状的反射镜25存在的一个问题是如果要使得光束角很窄，抛物面形状的反射镜25需要做的很深，因而在应用中会显得很不简洁。而且具有封装结构20的发光二极管配合抛物面形状的反射镜25得到的光强分布在垂直于对称轴23的方向上难以均匀。一些特定的场合比如投影仪的光源需要光源的光束角很窄，而且光斑要求均匀。这些特定场合的应用要求使得有必要设计新型的发光二极管封装结构，使得新的封装设计能够实现准直出光，而且能够满足均匀性的要求。图3是将具有封装结构20的发光二极管配合另外一个二次光学元件——准直透镜(US6547423)来将具有封装结构20的发光二极管发出的光进一步准直。这种采用透镜来准直发光二极管的光束的方法改变了传统的结构(图2)。相对于图2的结构，采用具有封装结构20的发光二极管配合准直透镜的结构能够更将光束分布得更加均匀，而且达到相同的准直效果，图3的结构更加简洁。但是图3所述的结构也存在问题采用了二次光学元件，而且一次光学元件和二次光学元件之间有空气隙。如果能够采用一个光学元件就能够实现准直，不仅节省了透镜成本和制作工艺，还能够消除图3中一次光学元件和二次光学元件之间的空气隙。减少光学元件能减小光学元件之间的耦合损耗，而且更少的光学元件意味着设计更加简洁。发光二极管的生长和封装技术的发展使得发光二极管的电光转换效率不断提高，因而使得采用发光二极管来作通用照明光源成为可能。目前，功率型发光二极管的输入电功率达到1W(D.A.Steigerwald，J.C.Bhat，D.Collins，R.M.Fletcher，M.O.Holcomb，etal，Illumination With Solid State Lighting Technology，IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.2002 8(2)310-320)，商用的功率型白光LED的流明效率达到30lm/W，LED芯片面积达到1mm2。功率型LED的亮度很高，发光面积很小，利用传统封装结构20封装得到的LED正面轴向的光强很大，对人眼的健康造成了威胁。由于发光二极管的特殊尺寸和特殊发光特性，使其应用在半导体照明方面需要合适的结构。图4是采用传统封装结构20封装多个发光二极管，然后集群使用来获得一个大面积的光源。图4这种利用发光二极管作照明光源的结构没有能够消除LED的高亮度对人眼带来的威胁。而且图4所示的光源难以做到均匀，发光面是由一个个离散的发光点组成，这难以符合高质量照明光源的要求。综上所述，现阶段的半导体照明的封装结构不能满足半导体照明的需要，有必要设计一种能将发光二极管的近似点光源转变成均匀出光的面光源的封装结构。
技术实现思路
本专利技术是为了解决发光二极管照明应用中的采用一个透镜将LED发出的光均匀准直输出，形成一个定向发射的面光源的问题而完成的，其目的是提供一种高效率、简洁的发光二极管的封装结构。本专利技术的特征在于它含有一个封装底座和一个绑定在封装底座上封装发光二极管的准直透镜。所述准直透镜含有准直透镜顶部的折射部分它所折射的是LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角小的那一部分光线；准直透镜侧面的全反射部分它所反射的是LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角大的那一部分光线；准直透镜上表面的折射/全反射部分它所折射的是从上述准直透镜侧面的全反射部分所全反射出来的光线和从下述准直透镜下表面反射部分反射出来的光线；它所全反射的是从LED芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角中等的那一部分光线；准直透镜下表面的反射部分它所反射的是从上述准直透镜上表面折射/全反射部分中所全反射过来的那一部分光线。所述的准直透镜是对所述封装结构的旋转对称轴旋转对称的。所述的准直透镜在与所述旋转对称轴垂直的平面上的投影是一个正N边形，N＞2，是一个正N边形准直透镜。所述准直透镜所用材料的折射率在1.3～3.5之间。所述准直透镜中，其顶部的折射部分、上表面折射/全反射部分、下表面全反射部分以及侧面全反射部分的曲线是下列曲线中的任何一种直线、圆、双曲线、椭圆、抛物线、曲线方程在2次以上的高次曲线，或者是上述曲线中任何一种两条或两条以上拼接的。所述准直透镜下表面反射部分镀有高反射率膜。所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置LED芯片且形状任意的区域，所述区域是用透明材料填充的，所述透明材料的折射率在1.3～3.5之间，它的折射率与所述准直透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED的区域，所述准直透镜内部空腔的形状与上述半球形透镜的形状相吻合，两者之间是透明的材料，所述透明材料的折射率在1.3～3.5之间，它的折射率与所述准直透镜的材料的折射率之差Δn＜1.0。所述准直透镜的构成部分进一步包括一个用于放置一个采用半球形透镜封装的LED的区域，所述准直透镜内部空腔的形状与上述半球形透镜的形状相吻合，但两者之间存在一个空腔。所述的准直透镜是一个准直透镜组，它由M个相同的准直透镜水平拼装扩展而成，它的面积为M×S，等于一个定向发射的面光源的面积，其中S是所述透镜组中每一个透镜在俯视图上的投影面积。所述的发光二极管是用点光源来代替的。通过实验制作得到具有旋转对称的圆形准直透镜和正六边形的准直透镜。进而将圆形和六角形的准直透镜封装在LED的封装底座上，分别得到圆形和六角形的准直LED。采用LED测试设备测量准直LED的光强远场分布和总光通量，得到准直LED的光强远场分布图和总光通量的值。实验结果表明圆形和六角形的准直LED的光强远场分布的1/2强度全角(θ1/2)为12度左右，与理论计算的结果10度左右非常接近，因而准直LED的光发散角使其能实现定向发射。在采用相同芯片封装的条件下，圆形和六角形的准直LED与采用传统圆顶透镜封装的LED相比，总光通量为其90％，这说明采用准直LED封装的LED具有良好的准直功能，而且出光效率接近传统的简单圆顶透镜。本专利技术公布的新型准直LED将LED的近似点光源高效地转化成面光源，有效消除了LED对人眼健康的威胁，在各种需要准直投射功能的场合如投影仪、射灯、手电、舞台灯等将得到广泛的应用。附图说明图1为常规封装的LED封装结构示意图。图2为常规封装的LED和反射器组合结构图。图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有准直功能的发光二极管封装结构，其特征在于：它含有一个封装底座和一个绑定在封装底座上封装发光二极管的准直透镜，所述准直透镜含有：准直透镜顶部的折射部分：它所折射的是ＬＥＤ芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角小的那一部分 光线；准直透镜侧面的全反射部分：它所反射的是ＬＥＤ芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角大的那一部分光线；准直透镜上表面的折射／全反射部分：它所折射的是从上述准直透镜侧面的全反射部分所全反射出来的光线和从下述准直透镜下 表面反射部分反射出来的光线；它所全反射的是从ＬＥＤ芯片发出的光中与所述封装结构的旋转对称轴夹角居中的那一部分光线；准直透镜下表面的反射部分：它所反射的是从上述准直透镜上表面折射／全反射部分中所全反射过来的那一部分光线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗毅，钱可元，胡飞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]