具有散射器以修整发光二极管的空间发射图案和颜色均匀性的密封材料

摘要

一种发光器件，包括具有散射特征的密封材料以修整输出光束的空间发射图案和色温均匀性。该密封材料由具有光散射特性的材料形成。这些光散射器的浓度在密封材料内和/或密封材料的表面上是随空间位置而变化的。具有高密度散射器的区域安排在密封材料中与以期望的源发射角范围进入密封材料的光相互作用。通过使来自特定发射角范围中的光将至少经历一次散射事件的可能性增大，输出光束的强度和色温分布都可以被调整。

权利要求

1.一种发光器件，包括：

至少一个光发射器；和

密封材料，所述密封材料被布置为使得基本上所有的由所述至少一个光发射器发射的光都穿过所述密封材料，所述密封材料的光散射特性在空间上相对于光传播穿过所述密封材料的光发射角而是变化的。

2.权利要求1的发光器件，特征在于所述密封材料包括光散射颗粒。

3.权利要求2的发光器件，特征在于所述光散射颗粒包括选自由二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)和热解石英(SiO2)组成的组中的一种或多种物质。

4.权利要求2的发光器件，特征在于所述密封材料包括多个三维(3-D)区域，至少一个上述区域含有相对于其它所述区域更高浓度的光散射颗粒。

5.权利要求4的发光器件，特征在于所述密封材料具有二等分的横截面，所述横截面显示在所述至少一个光发射器的远端侧配有一尖顶区域，所述尖顶区域限定了一个所述3-D区域，其中该3-D区域相对于一个相邻区域具有高浓度的光散射颗粒。

6.权利要求4的发光器件，特征在于所述密封材料具有二等分的横截面，所述横截面显示两个楔形区域，它们沿所述密封材料的底面向相反方向延伸，使得所述楔形区域与所述密封材料的外表面同延，所述楔形区域限定了一个所述3-D区域相对于一个相邻区域具有高浓度的光散射颗粒。

7.权利要求4的发光器件，特征在于所述密封材料包括的多个3-D区域相对于其它所述区域具有高浓度的光散射颗粒。

8.权利要求1的发光器件，特征在于所述密封材料的一个或多个表面部分被修改以散射入射到所述表面上的发射光。

9.权利要求8的发光器件，特征在于所述密封材料的一部分表面被修改以散射入射到所述表面上的发射光。

10.权利要求8的发光器件，特征在于所述密封材料表面的在所述发射器对面的一个圆顶形部分被修改。

11.权利要求1的发光器件，特征在于还包括围绕所述至少一个光发射器的暴露部分的一个波长转换材料层。

12.权利要求1的发光器件，特征在于还包括被放置在所述衬底上的一个反射器元件，所述反射器具有基本上环形的形状，所述密封材料和所述至少一个发射器被安排在所述环形的中心，所述反射器元件包括将来自所述至少一个发射器的光向所述密封材料重定向的内壁。

13.权利要求12的发光器件，特征在于所述反射器元件的内壁被修改以散射入射光。

14.权利要求1的发光器件，特征在于所述至少一个发射器包括位于所述衬底上的多个发射器。

15.一种发光器件，包括：

位于一个表面上的至少一个发射器；和

位于所述发射器上的密封材料，使得基本上所有由所述器件发射的光都经过所述密封材料，所述密封材料具有与光散射颗粒浓度有关的多个三维(3-D)区域，所述3-D区域被安排在所述密封材料中以修改所述发光器件的输出强度和色温分布。

16.权利要求15的发光器件，特征在于所述3-D区域都安排在所述密封材料中，以在一个视角范围内提高所述发射光的颜色均匀性。

17.权利要求15的发光器件，特征在于所述3-D区域都安排在所述密封材料中以调整作为视角函数的所述发射光的强度分布。

18.权利要求15的发光器件，特征在于所述密封材料包括相对于一相邻区域具有高浓度光散射颗粒的一个3-D区域，所述3-D区域位于所述密封材料的在所述至少一个发射器对面的所述尖顶处。

19.权利要求15的发光器件，特征在于所述密封材料包括相对于一相邻区域具有高浓度光散射颗粒的一个3-D区域，所述3-D区域位于靠近所述至少一个发射器的所述密封材料的表面附近，且从所述密封材料的中心向密封材料表面向外延伸，所述3-D区域的体积随与所述密封材料中心的距离而增加。

20.权利要求15的发光器件，特征在于所述密封材料包括相对于一邻近区域具有高浓度光散射颗粒的一个3-D区域，所述3-D区域位于一个基本上环形的区域中，所述环形区域的外半径与所述密封材料的表面同延，且内半径离所述密封材料中心有一个距离。

21.权利要求15的发光器件，特征在于所述密封材料包括相对于其它区域具有高浓度光散射颗粒的多个3-D区域。

22.权利要求21的发光器件，特征在于所述多个3-D区域包括两个以上不同浓度的光散射颗粒。

23.权利要求15的发光器件，特征在于还包括位于所述表面上的多个发射器。

24.一种调整从源发射的光的输出强度和色温分布的方法，包括：靠近所述源提供密封材料，使得基本上所有的发射光都穿过所述密封材料；

使用在所述密封材料中且沿密封材料表面选择性地安排的光散射元件簇，重定向从所述源发射的光；和从所述密封材料发出光，所述光具有由所述簇的选择性安排确定的输出分布。

25.权利要求24的方法，特征在于所述光散射元件包括光散射颗粒。

26.权利要求25的方法，特征在于所述光散射颗粒包括从由二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)和热解硅石(SiO2)组成的组中选择的一种或多种物质。

27.权利要求24的方法，特征在于所述光散射元件包括所述密封材料表面的修改部分。

28.权利要求24的方法，特征在于所述光散射元件包括在密封材料中的光散射颗粒和所述密封材料表面的修改部分。

29.一种密封材料，包括：

用于限定所述密封材料的形状的第一材料，所述第一材料具有第一折射率；和第二材料，具有分散在第一材料内的颗粒特征使得所述第二材料具有遍及所述第一材料的非均匀密度，所述第二材料具有第二折射率。

30.权利要求29的密封材料，特征在于所述密封材料包括在所述密封材料中比邻近区域具有较高浓度第二材料的一个高密度区域

31.权利要求30的密封材料，特征在于所述密封材料具有凸的曲面和平面。

32.权利要求31的密封材料，特征在于所述密封材料被定位以接收来自至少一个光源的光，所述光入射在所述平面上。

33.权利要求32的密封材料，特征在于所述高密度区域位于所述密封材料中，使得所述高密度区域在一个低发射角度范围上与从所述至少一个光源发射的光相互作用。

34.权利要求33的密封材料，特征在于所述高密度区域位于所述密封材料的尖顶中。

35.权利要求32的密封材料，特征在于所述高密度区域位于所述密封材料中，使得所述高密度区域在一个高发射角度范围上与从所述至少一个光源发射的光相互作用。

36.权利要求35的密封材料，特征在于所述高密度区域沿着所述密封材料的平坦边缘布置，使得所述高密度区域形成在所述密封材料中的一个反锥。

37.权利要求32的密封材料，特征在于所述高密度区域位于所述密封材料中，使得所述高密度区域在中等范围的发射角度上与从所述至少一个光源发射的光相互作用。

38.权利要求37的密封材料，特征在于所述高密度区域具有基本上环形的形状。

39.权利要求32的密封材料，特征在于所述高密度区域位于所述密封材料中，使得在低角度、中等范围角度和/或高角度的范围的一个组合上所述高密度区域与从所述至少一个光源发射的光相互作用。

40.权利要求29的密封材料，特征在于所述密封材料包括多个高密度区域，它们比所述密封材料中的相邻区域具有较高浓度的第二材料。

41.权利要求29的密封材料，特征在于所述密封材料表面的一部分被修改。

42.一种制造密封材料的方法，包括：

提供用于成形所述密封材料的模具；

在所述模具中引入具有特定光散射特性的第一材料；

按照使所述密封材料包括不同的区域且每个区域具有特定光散射特性的序列，在所述模具中引入具有特定光散射特性的附加材料

43.权利要求42的方法，特征在于每种引入所述模具的所述材料允许在将所述序列中的下一个所述材料引入所述模具之前设置。

44.权利要求42的方法，特征在于所述材料包括光散射颗粒。

45.权利要求44的方法，特征在于所述材料的光散射特性至少部分地由每种所述材料中光散射颗粒的浓度确定。

46.权利要求44的方法，特征在于所述密封材料是基本上半球形的，且所述第一材料相对于所述附加材料具有最高的光散射颗粒浓度，所述附加材料被安排为具有随着离所述密封材料的尖顶的距离逐渐增大而逐渐减小的光散射颗粒浓度。

47.权利要求42的方法，特征在于所述密封材料包括至少三个所述不同的区域。

说明书

技术领域

本发明涉及发光器件，更具体地，涉及具有调整的空间发射图案和色温曲线的白光发光二极管和多色发光器件组件。

背景技术

发光二极管(LED或LEDs)是将电能转换成光的固态器件，且一般包括夹在相反掺杂的层之间的一个或多个有源半导体材料层。通常，引线连接用于将偏置电压施加在掺杂层上，将空穴和电子注入有源层，在这里它们复合产生光。光从有源层和LED的所有表面发出。一个典型的高效率LED包括一个安装在LED封装上和被透明媒介包封的LED芯片。从LED的光提取效率是制造高效率发光二极管的重要问题。
LED可以制造为发射各种颜色的光。然而，常规LED无法从其有源层产生白光。通过在LED周围放置的黄色荧光体、聚合物或染料，来自蓝色发光LED的光被转换白光，其中典型的荧光体是掺铈的钇铝石榴石(Ce:YAG)。[见日亚公司(Nichia Corp.)的白光LED，零件编号NSPW300BS，NSPW312BS等；另见Lowrey的美国专利US5959316，“荧光体-LED器件的多重封装(Multiple Encapsulationof Phosphor-LED Devices)”]。周围的荧光体材料将LED蓝光中的一些能量“下转换”，这增大了光的波长，将它的颜色改变为黄色。一些蓝光通过荧光体而不被改变，而一部分光下转换为黄色。LED发出蓝色和黄色两种光，它们合并提供白光。在另一个方案中，来自紫色或紫外线发光LED的光被在LED周围的多色荧光体或染料转换为白光。
应注意的是，在该申请中参照两个不同的角度进行描述。第一个角度是图1a中显示的视角θv。该视角是从一个光轴测量的，所述光轴在这种情况下贯穿半球形封装材料的中心并且垂直于密封材料的平坦边缘。零度视角(0°)表示，从密封材料的输出被从密封材料外的一个点观看(或测量)，该点在光源的正对面，即正面。视角随着所述器件相对于观看者倾斜而增加。90度(90°)的视角表示，输出正被从垂直于光轴且与密封材料的平坦边缘平齐的一个角度测量，即从侧面直接测量。
被参照的第二个角度是发射角，它在图1a中显示为θe。发射角度享有与视角相同的光轴。它从光轴测量光线在从光源发射后在密封材料中最初传播的角度。从光源沿光轴最初传播的光线(如光线R1)的发射角为0°。如图所示，光线θe是大约40度(40°)。随着最初传播的方向偏离光轴，发射角增大。两个角度之间的重要区别是，在给定视角的输出分布受密封材料内部的散射事件影响，而发射角描述了，从光源最初发射的光线在它与密封材料中的材料相互作用之前的方向。
已考虑了LED的不同涂层工艺，包括旋涂、喷涂、静电沉积(ESD)和电泳沉积(EPD)。如旋涂或喷涂的工艺通常在荧光体沉积过程中利用粘合剂材料，而其它工艺需要在它们的沉积之后立即添加一个粘合剂，以稳定荧光体颗粒/粉末。
一个其中在LED上引入荧光体的普通型LED封装方法，称为“杯中水珠(glob in a cup)”的方法。一个LED芯片安放在一个杯形凹陷的底部，且含荧光体的材料(例如分布在密封材料如硅或环氧树脂中的荧光体颗粒)被注入和填充到上述的杯中，包围和封装LED。然后该密封材料固化以在LED周围变硬。但是，这种封装可以导致LED封装在相对于封装的不同视角具有发光色温的显著变化。这种颜色变化可能是由若干因素导致的，包括光线穿过转换材料的不同路径长度。这个问题可以在以下封装中变得更加严重，其中含荧光体的基体材料在安放LED的杯“边缘”以上延伸，导致大部分的转换光线被向侧面发射到高的视角中(例如，与光轴的角度在90度)。结果是，LED封装发射的白光变得不均匀，并且可以带有不同颜色或强度的光带或块。
另一种封装或涂覆LED的方法包括使用如电泳沉积的方法将荧光体颗粒直接耦合到LED的表面上。这个工艺使用静电电荷以将荧光体颗粒吸引到LED芯片的充电表面上。该方法可以导致作为视角函数的颜色均匀性的改善，这种改善的一个原因是转换后的光和未转换的光的源位于接近空间中的相同点。例如，一个覆盖着黄色转换材料的蓝色发光LED可以提供非常均匀的白光源，因为转换材料及LED接近空间中的同一点。这种方法具有不一致性，因为难以在大规模生产环境下控制跨过许多LED的静电电荷。
解决这些不一致性以改善发射光的空间色温均匀性的一个已知方法是，使用光散射颗粒使传出光线的路径随机化。图1a和1b说明采用这种方法的发光器件100。图1a表示沿(图1b所示)剖面线1a的一个已知器件的剖视图。光源102放置在衬底104上。一个下转换材料层106覆盖光源102。反射器108放置在衬底104上的光源102周围，使得光源102被包封在由反射器108与衬底104所限定的腔中。半球形的密封材料110放置在光源102上。该密封材料110可使用例如环氧胶粘剂安装在光源102上，虽然其它安装方法也可使用。光散射颗粒112被放置遍及密封材料110。
光线R1至R4表示从光源102发射的示范光子的路径。如图所示，R1被发射并通过长度(l1)的下转换材料106，其中光有可能经历波长转换。需指出的是，光子将被下转换(即，吸收和再发射)的概率增加了光子通过下转换材料106所行过的距离。因此，在转换材料106中行过更大距离(l2)的光线R2被下转换的机会更大。由此可知，依赖于下转换层的形状，在通过下转换层106时经历下转换的光的百分比是从源102的发射角的函数。如果没有光散射颗粒，发射光谱将展示出明显的图案，产生人眼往往可识别的具有色温和强度差异的光斑。这种非均匀性使发光器件对于某些应用不可取的。
在通过下转换材料106后，光进入密封材料110。分布遍及密封材料110的光散射颗粒112旨在将各个光子在它们被发射之前重定向，以使光子离开密封材料110的地点随机化。这具有改善空间色温均匀性的效果。例如，R1与光散射颗粒112相撞，改变方向并且被发射，如图所示。与如果没有散射颗粒的情况相比，R1在不同的地点离开密封材料110。R3经历了多次的散射事件。R2和R4畅通地通过密封材料。因此，通过使光子与它们的最初发射角不相关，光散射颗粒(在一定程度上)使发射出来的光子离开密封材料110的地点随机化。

发明内容

根据本发明的一个发光器件的实施例包括至少一个光发射器。密封材料安排在发射器上，使得基本上所有从发射器发出的光都通过密封材料。所述密封材料的光散射特性在空间上相对于光传播穿过所述密封材料的光发射角而是变化的。
根据本发明的发光器件的另一个实施例包括放置在一表面上的至少一个发射器。密封材料被放置在发射器上，使得基本上所有从发射器发出的光都通过密封材料。该密封材料具有与光散射颗粒浓度有关的多个三维(3-D)区域。所述3-D区域安排在密封材料中以修改发光器件的输出强度和色温分布。
根据本发明的一种调整从源发射的光的输出分布的方法的一个实施例，包括靠近所述源提供密封材料，使得基本上所有的发射光都穿过所述密封材料。通过使用在所述密封材料中且沿密封材料表面选择性地安排的光散射元件簇，从所述源发射的光被重定向。从所述密封材料发出的光，具有由所述簇的选择性安排和所述密封材料的修改表面的位置确定的输出分布。
根据本发明的密封材料的一个实施例包括用于限定所述密封材料的形状的第一材料。所述第一材料具有第一折射率。具有颗粒特征的第二材料被分散在第一材料内，使得所述第二材料具有遍及所述第一材料的非均匀密度。所述第二材料具有第二折射率。
一种制造密封材料的方法的实施例包括提供用于成形所述密封材料的模具。一定量的具有特定光散射特性的第一材料被引入到所述模具中。按照使所述密封材料包括不同的区域且每个区域具有特定光散射特性的序列，将具有特定光散射特性的附加材料引入到所述模具中。

附图说明

图1a是已知发光器件的剖视图。
图1b是已知发光器件的顶视平面图。
图2是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图3是模型图，显示从根据本发明的具有高密度区域的发光器件和一个没有高密度区域的类似器件的示范的相关色温输出分布。
图4是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图5是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图6是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图7是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图8是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图9是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图10是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图11是根据本发明的密封材料的一个实施例的剖视图。
图12是根据本发明的发光器件的一个实施例的剖视图。
图13是根据本发明的发光器件的一个实施例的剖视图。

具体实施方式

本发明提供了改进的发光器件和制造该器件的方法，其中发光强度和色温分布可以使用具有光散射特性的材料通过将该材料按照各种不同配置安排在发射器周围的密封材料中进行调节。新器件和方法对固态光源如发光二极管(LED)工作得特别好。与其它LED产品相同，一个偏置电压施加在器件上，且光作为器件有源区的辐射复合的结果而被发射。对LED的输出(有时也被称为光斑)进行加工通常是可取的。有些应用需要一个具有高的色温均匀性和广泛的发射分布的光斑。
可以使用本发明操纵的两种光输出分布的属性是作为视角函数的色温和强度分布。其它的属性也可以同样操纵。一个密封元件位于所述光源上，使得基本上所有的从源发出的光都必须通过它。该密封材料也可以被放置为使得所述密封材料和光源安装在一个共同的表面上。该密封材料可包括如上所述放置在光源上的任何结构，在根据本发明的一个实施例中，所述密封材料可以包括单独使用的一个透镜，或该透镜与其它焊接材料组合以安装在源上。该密封材料可由有机硅、环氧树脂、玻璃、塑料或其它材料制成，且可以执行如光束整形、准直和聚焦等功能。所述密封材料可在源上原位形成，也可以是分别制造然后再通过如环氧粘合剂而被连接到光源上的。通过改变密封材料内部的空间光散射特性，在一个发射角范围内一定比例的由源发出的光可以被重定向以产生所需的输出分布。发射角和观看角在上述第5和6段讨论了。下面详细讨论密封材料的一些示范配置。
虽然有几种结构可以用来在密封材料内散射光，特别适合本发明的两个光散射结构是散射颗粒和表面修改。通过改变密封材料内的光散射颗粒的密度以产生高密度颗粒区域，来自源的光可以被重定向以实现特定的输出分布。
另一种重定向光的方式是修改密封材料表面的选定区域。表面可以通过几种已知的方法被修改，如蚀刻或研磨，如在下面详细讨论的。接近密封材料表面的修改部分的光(相对于未经修改的部分)具有较高的概率被重定向和在另一点离开密封材料。因此，通过修改表面的特定区域，输出分布可以被修整以符合规格。在密封材料内部的散射颗粒和对密封材料的表面进行修改的结合，也是有效的。
应当注意的是，当一个如层、区域或衬底的元件被称为是在另一个元件“上”时，它可以直接在该另一个元件上或者也可能存在插入的元件。此外，相对的术语，如“内”，“外”，“上”，“以上”，“低”，“下”和“以下”，和类似的用语，在这里可以用来形容一层或其它区域的关系。应当理解的是，这些术语是为了涵盖除了在附图中描绘的方向以外，所述器件的不同方向。
虽然术语第一、第二等可以在这里用于描述各种元素、元件、区域、层和/或部分，这些元素、元件、区域、层和/或部分不应该受这些术语限制。这些术语只用来区分元素、元件、区域、层或部分与其它元素、元件、区域、层或部分。因此，以下讨论的第一元素、元件、区域、层或部分也可以被称为第二元素、元件、区域、层或部分，而不会违背本发明的教导。
应当注意的是，术语“层”和“层们”在整个申请中是可以互换的。本领域普通技术人员可以理解，单个“层”的材料实际上可包括该材料的几个分开的层。同样地，若干“层”的材料可在功能上被视为单个层。换句话说，术语“层”不表示均匀的材料层。一个单个的“层”可能含有被局限在子层中的变化的散射材料浓度和组分。这些子层可在单个的形成步骤或在多个步骤中形成。除非另有专门说明，在描述一个元件包括一个“层”或“层们”的材料时，它不是为了限制在权利要求中体现的本发明范围。
这里参考剖视图描述本发明的实施例，它们是本发明理想化实施例的简单示范。因此，可以预期作为例如制造技术和/或公差的结果，对图示形状进行变化。本发明的实施例不应被解释为限于图中所示的区域或颗粒的特定形状，而是应当包括由于例如制造所产生的形状偏差。例如，因为正常的制造公差，图示或描述为矩形的一个区域通常可以具有圆形或弧形的特征。因此，图中示出的区域在是示意图性质的，它们的形状并不用于说明一个区域或颗粒的精确形状，且不是为了限制发明的范围。
图2显示根据本发明的一个密封材料200的实施例。密封材料200通常包括至少两个不同的材料。一个媒质202给出密封材料200的形状。密封材料200的优选形状是半球形，具有一个曲表面和一个平表面。然而，许多其它的密封材料形状也可以使用，例如平面形状或平凸形状。媒质202包括光固化或热固化材料，或如透明的环氧树脂或硅胶。光散射颗粒204分布遍及媒质202。
散射颗粒204可以包含许多不同的材料，包括：
硅胶，
氧化锌(ZnO)，
氧化钇(Y2O3)
二氧化钛(TiO2)
硫酸钡(BaSO4)
氧化铝(Al2O3)；
熔炼石英(SiO2)；
热解石英(SiO2)；
氮化铝；
玻璃珠；
二氧化锆(ZrO2)；
碳化硅(SiC)；
钽氧化物(TaO5)；
氮化硅(Si3N4)；
氧化铌(Nb2O5)；或
氮化硼(BN)。
TiO2、Al2O3和二氧化硅是首选材料。还可以使用上述列表以外的其它材料。这些散射颗粒204应该有比周围媒质202高的折射率，在所述材料之间产生大的折射率差。由于折射率差导致折射，也可以使用具有比周围媒质202低的折射率的散射颗粒材料。散射颗粒204的直径一般小于1微米，虽然较大的颗粒也可以使用。这些颗粒204在每种202中产生局部的非均匀性，迫使光偏离直的路径
当光撞击一个或多个颗粒散射204时，媒质202和颗粒204之间的折射率差导致光被折射和向不同方向行进。大的折射率差会使入射的光子有更激烈的方向改变。为此，具有高折射率的材料在如有机硅树脂或环氧树脂的媒质中工作得很好。选择光散射材料的另一个考虑因素是材料的光吸收。在封装内的光离开密封材料200之前，大的颗粒会更多地向后散射所述光，这减少了器件的总光输出。因此，首选的散射颗粒材料具有相对于媒质高的折射率(如在环氧树脂中的TiO2)，且颗粒大小与通过密封材料200传播的光波长相若(如用于可见光谱的1μm颗粒)。这确保了最大的正面或侧面散射效果，同时尽量减少由于向后散射造成的光损耗。
在从密封材料发射到四周之前，单个光子可能会经历多次散射事件。当光子进入具有高密度散射颗粒的一个区域，它可以在许多方向折射多次，使光子从具有高浓度散射颗粒的区域离开密封材料的可能性减少。通过改变整个媒质202中的光散射颗粒浓度，输出光的色温和强度可以被调整。
可以使用不同的散射颗粒浓度，由该器件被设计使用的应用所决定。例如，使用TiO2散射颗粒时，高密度区域可以包括约0.1％体积的散射颗粒，而周围媒质可以包括0.02％体积的散射颗粒。因此在这个例子中，与周围媒质相比，高密度区域在单位体积内具有5倍之多的散射颗粒。示范性的密度比是5∶1(高密度区域：低密度区域)。其它密度和密度比也可以使用，但由吸收造成的损耗会随着散射颗粒密度而增加。因此在上述的例子中，在周围媒质中的TiO2散射颗粒的密度不应超过0.05％，以维持可接受的损耗指标。密度和密度比可根据为不同的散射颗粒和周围媒质选择的材料而改变。
通过影响从一个特定角度由源发射的光线在给定点离开密封材料200的可能性，高密度区域可以特别安排在密封材料中以获得各种输出分布。如上所述，更具体地，由于光的色温是视角的函数，角度色温分布是可以控制的。因为无论什么颜色的光都不太可能通过高密度区域和离开密封材料200，角度强度分布也可以调整。其它因素也会影响遍及密封材料200的高密度区域的沉积。密封材料200可安排为与类似于如图1a所示器件的发光器件进行合作。
再次参照图2，区域206相对于周围区域208具有高浓度的颗粒散射204。区域206代表一个三维(3-D)空间，占据了基本上半球形密封材料200的尖顶区域。光线208显示为从位于密封材料200下方一段距离处的源(未显示)产生。
为了便于参考，以具有绝对值小于约30°的发射角进入密封材料200的光被称为低角度光线。具有绝对值大于约30°和少于约60°的发射角的光称为中等范围角度的光。具有绝对值大于约60度的发射角的光被称为高角度光。所述给定的范围只是表示入射光的发射角的一般意义，而不应被理解为将与上述术语相关联的光限制为发射角的严格范围。
光线208进入密封材料200的平面，如图所示。在这个具体实施例中，低角度光线可能会与高密度区域206发生碰撞。入射在区域206上的低角度光线将有更高百分比会经历散射，与只是通过周围区域208的光相比。减少百分比的入射在区域206上的光将直接通过该区域206。使用这种特定的几何结构，从区域206发出的光将具有更好的色温均匀性，由于光线被重定向远离该区域206、从相邻区域208离开密封材料而导致的由于增加数量的散射事件和降低的强度。
在该实施例中，高密度尖端区域206的体积可以根据被操纵的输出分布的视角范围确定。更大体积的高密度材料将在更宽的视角范围上影响输出分布。例如，如果设计要求在-45°至45°的视角范围上改变输出分布，高密度材料的具体体积需要填充该尖顶区域206。由于在该实施例中的几何结构相对简单，下面的简单公式可以用来寻找高密度材料的必要体积，其中R是基本上半球形的密封材料的半径和θ是发射角：
$V=\pi ·R^3·[\cos \theta -\frac{{\cos }^3\theta }{3}-\frac{2}{3}]$
在该实施例中，高密度尖顶区域206导致在一个视角范围上的输出强度及相关色温(CCT)都明显减少，其中在所述视角范围上的观看被所述尖顶区域206阻挡。如图3所示，这具有在特定的角度范围上使输出分布曲线平坦的效果。图3只是为了提供一个使用尖端区域实施例的典型输出分布的例子。该图并没有反映实际的实验结果。
图4显示根据本发明的密封材料400的另一个实施例的剖视图。该密封材料400可如上所述同样地形成，使用相同或不同的材料。在这里，区域402相对于邻近区域406拥有高浓度的散射颗粒404和被放置在密封材料200的最接近光源(未显示)的平表面附近。图4显示具有楔形特征的高密度区域402。在3-D中，该区域402类似于一个截断的反锥结构。
图4描述的配置的一个结果是，光可以被重定向远离高角度返回密封材料400的中心。高密度区域406具有将通常在高视角测量的光强度重新分配到较低视角的效果。密封材料400的上述实施例在较低视角观看(例如从正面看)时显得更亮。因此，高密度区域402可以用来整形光束的强度分布曲线。在高视角的色温度均匀性已经很好了，所以高密度区域402对高视角处的色温分布曲线的影响不大。
楔形特征402被放置以限定一个空间，其中低角度光可以穿过低密度区域406而不与高密度区域402相互作用。楔形特征402的顶点之间的距离可以调整，以增加或减少光线通过达到低密度区域406的空间的尺寸。
图5显示根据本发明的密封材料500的另一个实施例的剖视图。区域502比周围区域506具有更高浓度的光散射颗粒504。在3-D中，高密度区域502基本上是圆环形的。因此，该区域502形成围绕在密封材料500周围的中间有孔的一个环。在该实施例中，具有在较高或较低范围中的发射角的光，穿过所述密封材料而不与高密度区域502相互作用。具有中等范围发射角(例如，θ＞40°或θ＜50°)的光将入射在高密度区域502上。因此，输出分布在中等范围的视角上受到更显著的影响。该区域502的宽度和孔的尺寸可以选择为，使得从一个特定的中等角度范围发出的光与高密度区域502相互作用。
图6显示根据本发明的密封材料600的剖视图。密封材料600包括多个与相邻区域604相比具有较高浓度散射颗粒602的区域。尖顶区域606和基座区域608都是高密度区域。这种具体实施例允许来自中等范围发射角的光穿过密封材料600而较少可能与高密度区域606、608相互作用。高密度区域608的功能是将光重定向返回光轴，整形光束的强度分布和将光重定向到高密度区域606。高密度区域606的功能是改善在低视角的光的颜色均匀性和强度分布。虽然该实施例显示了区域几何结构的一种特别组合，根据需要的输出分布，许多不同组合也是可行的。上述组合只是一个示例。因此，本发明不应局限于这些例子。
图7显示根据本发明的密封材料700的剖视图。该密封材料700采用了多个高密度区域，每个这些区域具有不同浓度的光散射颗粒702。尖顶区域704具有最高密度的光散射颗粒702；基座区域706中的光散射颗粒702的密度比尖顶区域704低，但比区域708密度高。密度可以被选择以影响从各个不同的发射角范围发出的光。更密集的区域将导致在一个相关的视角上的输出分布与一些视角范围相比具有较低的强度和改进的色温均匀性。
图8显示根据本发明的密封材料800的一个实施例的剖视图。密封材料800的特点是在渐变的尖顶区域中有一段散射颗粒802的密度范围。散射颗粒804被放置为具有渐变的密度，其中最不密集的子区域806最接近源，最密集的子区域808在尖顶。具有中等密度的子区域810插在中间。这些子区域806、808、810是离散的其中具有均匀的散射颗粒密度的层。然而，所述渐变的区域可以具有从低到高密度的平滑过渡的连续体。此外，密度最大的子区域可被放置为最接近源(未显示)。渐变的尖顶区域802以更连续和平滑的方式在预期的视角范围上影响输出分布，显著消除了强度和色温变化。
一种制造具有渐变的散射颗粒区域的器件的方法包括一个顺序成型的过程。在一个具有半球形密封材料如密封材料800的实施例中，半球形模具可以用来形成密封材料800。一定量的具有特定光散射颗粒浓度的第一材料被引入模具中。第一材料在该实施例中将成为尖顶区域，可以允许在添加下一层之前被硬化或设置，或工艺能够继续而没有硬化。然后，一定量的具有不同浓度的光散射颗粒的第二材料被引入在第一材料顶上的模具中。第二材料可允许在添加附加层之前设置，但这一工艺能够在硬化先前放置的层之前继续进行。具有不同厚度和光散射颗粒浓度的附加层可以随后被引入模具中。因此，顺序成型工艺可用于制造如图8所示的一种密封材料，。可以使用许多不同的模具形状和材料顺序以制造所需的密封材料
图9显示根据本发明的密封材料900的一个实施例的剖视图。密封材料900的特征是修改的表面902和散射颗粒904。与其它散射材料类似，修改的表面902散射光中的光子，防止它们以与从源(未显示)发射的相同角度离开密封材料900。这具有使入射在修改表面902上的那一部分发射光随机化的效果。撞击在修改表面902上的光具有较高的概率在一个改变的角度被发射，或被重定向回到密封材料900内部。因此，强度和色温分布曲线可以通过修改表面的特定部分进行调节。
在该实施例中，均匀密度的散射颗粒904具有一般的散射效果，而修改的表面在特定范围的视角上对输出分布具有集中的效果。这里，修改的表面902位于密封材料900的尖顶。在低角度发射的光更可能撞击到修改的表面902。由于色温是发射角的函数，一个特定范围的视角可以具有用于改善色温均匀性的目标。
有几种不同的用于修改表面的已知方法。例如，表面的一些部分可以被腐蚀、切割或研磨。也可以使用使表面粗糙的其它方法。表面可被随机修改，或者可以被专门纹理化以提供更有序的修改。已知的纹理化方法可以用来在修改的表面上提供许多不同的具体几何结构，例如截断的金字塔形。表面将入射光散射的程度取决于表面的粗糙度。粗糙度是可测量的，为表面轮廓的从峰到谷的平均距离。随着表面粗糙度的增加，散射光的比例也增加。例如，如果表面被使用化学蚀刻(例如HF基的腐蚀剂)进行粗糙化，表面粗糙度可以通过改变蚀刻时间来调整。较长时间的蚀刻通常会导致较高程度的表面粗糙度。这样，表面粗糙度可被控制以实现一个特定的平均散射水平。
图10显示根据本发明的密封材料1000的一个实施例的剖视图。密封材料1000的特征是多个修改的表面1002、1004。与具有高密度散射颗粒的区域类似，来自不同发射角范围的光可以被操纵以产生特定的输出分布。在这个实施例中，与在中等角度发出的光相比，更高比例的来自低角度和高角度的光将被内部重定向。从这些表面1002、1004发出的光还显示更均匀的色温分布，虽然在其中色温非均匀性最高的较低视角处的效果会更为明显。通过选择密封材料表面的某些区域1000进行修改，输出强度分布可被具体调整。图10是修改表面的区域的组合的一个示范实施例。然而，许多其它的修改表面的几何结构也可用于实现调整的输出分布。
图11显示根据本发明的密封材料1100的一个实施例的剖视图。该密封材料的特点是高密度散射颗粒区域1102和修改表面1104的组合。这种特定的示范实施例会影响从低和高的发射角发出的光的输出分布。高密度区域1102被安排为与从源以低角度发射的光进行交互。修改的表面1104被布置用于改变从源以高角度发出的光的分布，及将高角度光重定向回到密封材料1100中和朝向区域1102。虽然高密度区域和修改表面都对与它们相互作用的光线产生类似的效果，但两种不同的结构所造成的输出分布有差异。由于所述这些结构与光相互作用的方式和不同的程度，这种组合可提供优势。在一个密封材料中使用这两种结构可以提供额外的设计选择，以产生一个特定的输出分布。对所述组合的结构的很多变化是可能的。例如，高密度区域可以用来修改从中等范围的角度发出的光的发布，而修改的表面与从低角度发出的光相互作用。本发明不限于任何特定的组合或结构。
图12显示发光器件1200的一个实施例的剖视图。例如，如发光二极管的光源1202放置在一个表面上，光源的主要发射表面被一层波长转换材料1204覆盖。环形反射器元件1206位于所述表面上且包围所述源1202。例如，反射器元件1206可以由如铝的反射材料制成，或者它可以在面向源1202的内壁上包含散射或反射涂层。反射器元件1206重定向从源1202以很高的角度发射的光线。
密封材料1208位于源1202以上，使得基本上所有的发射光都必须在逃逸到四周之前经过密封材料1208。虽然密封材料1208可以有多种形状，一个首选的形状是半球形。光散射颗粒1210被分布遍及传输光的密封材料1208。该密封材料1208可使用传输光的填充材料1209安装在源1202以上。填充材料1209最好是具有与密封材料1208的折射率匹配或基本匹配的高透射率和高折射率的高温聚合物，它可以由玻璃、石英、高温和透明的塑料、有机硅、环氧树脂或这些材料的组合形成。密封材料1208可以放置在填充材料1209的顶部且与它粘接。在另一个实施例中，密封材料可以这样形成：密封材料和光源安装在一个共同的表面上，它们之间没有填充材料。
在这个具体实施例中，密封材料包括一个修改的表面1212。修改的表面1212安排在密封材料1208的尖顶，与从源1202以低角度(即沿光轴)发出的光相互作用。反射器元件1206还包括一个修改的表面1214，它沿内壁行进，面向源1202。表面1214也可以类似地被修改，如以上参照密封材料的修改表面所讨论的。例如，表面可通过蚀刻、切割或研磨而被粗糙/纹理化。表面修改的其它方法也可以使用。虽然没有在图12中显示，也可以修改密封材料1200的面向源1202的平表面。修改的表面1214在光通过到其上的密封材料1208之前使高角度光的方向随机化。这有助于消除如上所述由波长转换材料造成的色温图案。除了散射颗粒1210和密封材料的修改表面1212之外，修改的表面1214也工作。修改的表面1214可以与任何其它光散射结构结合使用，以实现一个修整的输出分布。
图13显示根据本发明的发光器件1300的一个实施例的剖视图。该器件1300与图12所示的器件是相似的，具有许多相同的特征。该器件1300包括几个光散射元件。密封材料1302具有分布在其中的光散射颗粒，有些光散射颗粒集中在密封材料1302的尖顶处的高密度区域1304中。该器件1300的特征是修改的密封材料表面1306、1307。反射器元件1308也有修改的表面1310。
反射器元件1308连同多个光源1314安装在表面1312上。光源1314可以是相同的颜色或不同的颜色，单色或白色。在首选的实施例中，三个光源安装在表面1312上：红源、绿源和蓝源。光源1314可以按多种配置安装在表面1308上。散射元件可以这样安排在所述器件中：来自部分或全部光源1314的光可以被操纵以实现期望的输出分布。
虽然已经在参考其首选的配置详细介绍了本发明，其它版本也是可能的。因此，本发明的精神和范围不应限于上述的版本。
本发明得到政府合约编号USAF 05-2-5507的支持。政府具有本发明的某些权利。