专利名称：发光器件、使用该器件的照明装置及表面发光照明系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种提高采光效率的发光器件、使用该器件的照明装置及表面发光照明系统。
背景技术：
图55所示为常规未密封型发光器件的结构。常规未密封型发光器件100包括由SiC或蓝宝石制成的透明衬底101，及在透明衬底101的表面上形成的由n型半导体层103和p型半导体层104构成的二极管结构102。在n型半导体层103和p型半导体层104的pn结(composition)面105上产生的光主要从基本平行于pn结面105的二极管结构102的外表面，即p型半导体层104的表面104a或透明衬底101的表面(图中未示出)发射出。
由于内部材料的折射率和外部介质的折射率之间的差异，在光出射(exit)面104a上产生折射。如图55所示，入射角等于或大于临界角的光束C1在出射面104a上被全反射，从而未能从出射面104a向外射出，并在发光器件100中传播。
在出射面104a上全反射的光束C1在发光器件100内部传播，并在与出射面104a相对的面(例如，透明衬底101的表面)上被全反射，并再次到达出射面104a。然而，二极管结构102的表面和透明衬底101的表面彼此基本平行，从而在出射面104a上反射光束的入射角几乎不改变。因此，在出射面104a处全反射的光束C1在发光器件100中重复进行全反射，而不会向外射出。在此过程中，一部分光束被构成发光器件100的材料所吸收，从而在发光器件100中重复进行全反射的光束在发光器件100中最终被吸收。因此，从发光器件100向外射出的光束仅为从pn结面105直接进入出射面104a的光束中入射角等于或小于临界角的光束C2。
假设n型半导体层103和p型半导体层104的材料为GaN，而透明衬底的材料为蓝宝石，GaN的折射率约为2.5，而蓝宝石的折射率约为1.77，其分别为比较大的值。进一步假设发光器件100未通过树脂密封，如图55所示，并且外界介质为空气，光在出射面104a上的临界角θcritical≈23.5°。可选地，当假设光的出射面为透明衬底101的表面时，临界角θcritical≈34.4°。在每种情况下，出射光束在出射面上的临界角变为小角度。
如上所述，从发光器件100向外射出的光束被限制为从pn结面105直接进入出射面104a的光束中入射角等于或小于临界角的部分。因此，由于在未密封结构的发光器件100中的临界角为非常小的值，如θcritical≈23.5°或θcritical≈34.4°，因此对于在pn结面上产生的光束，到空气介质的采光效率等于或小于约20％。
因而，为了增加到空气介质的采光效率，发光器件100的周围在常规上被例如具有透明度和相对较高折射率的环氧树脂的透明树脂层所广泛密封，从而减少发光器件100与透明树脂层(例如，p型半导体层104的表面104a)界面的两侧材料折射率之间的差异，以增大临界角。
正如所述，在通过透明树脂层密封发光器件100周围的情况下，从发光器件100到透明树脂层中的采光效率增加，但由于折射率差，在透明树脂层和空气介质的表面之间的界面处会出现折射。因此，到空气介质中的采光效率会随透明树脂层的表面形状而改变。
例如，在二极管结构的表面和透明树脂层的表面彼此基本平行的情况下，临界角θ0和θ1由以下方程式示出。在此，当在透明树脂层和外部介质之间的界面处发生全反射时，则构成二极管结构的材料折射率表示为n0；透明树脂层的折射率表示为n1；外部介质的折射率表示为n2；以及在二极管结构和透明树脂层之间界面处的临界角表示为θ0，而在透明树脂层和外界介质之间界面处的临界角表示为θ1。
θ0＝sin-1(n1/n0)θ1＝sin-1(n2/n1)在此，存在关系n0×sinθ0＝n1×sinθ1sinθ0＝(n1/n0)×sinθ1＝(n1/n0)×sin(sin-1(n2/n1))＝(n1/n0)×(n2/n1)＝n2/n0因此，从二极管结构到外界介质发射的光束的临界角为sin-1(n2/n0)。换句话说，由与二极管结构未通过透明树脂层密封的情况下相同的临界角θ0的方程式表示。当二极管结构的表面和透明树脂层的表面彼此基本平行时，临界角仅取决于构成二极管结构的材料的折射率和空气的折射率，从而即使在由透明树脂层密封时仍不能增加采光效率。
另一方面，当使透明树脂层较大从而发光器件可被视为点光源，并且使透明树脂层的出射面基本为球形从而从发光器件发射出的光束基本垂直于出射面进入时，可以使透明树脂层和外部介质之间界面处的全反射减少到尽可能小，并使射出到空气介质的光束最大。在此情况下，到空气介质的采光效率约为在pn结面上产生的光束的35-40％。
如上所述，在常规未密封发光器件中，到空气介质的采光效率非常小。另一方面，在由透明树脂密封的密封型发光器件中，尽管到空气介质的采光效率增加，但发光器件(发光单元)被具有较小导热系数的透明树脂层密封。因此，仅通过电极或导线向外发射来散发在发光器件中产生的热量，从而散热性能较低并且发光器件的工作寿命缩短。
此外，发光器件的发光颜色为蓝色或紫外时，短波长区的通量密度较大，从而使密封发光部分的透明树脂层易于恶化，并使发光器件的工作寿命变短。另外，密封发光器件的透明树脂层的大小远大于发光器件的大小，从而整体增大了发光器件的尺寸，并且材料的成本变的昂贵。
发明内容
本发明将解决上述常规发光器件的问题，并旨在延长未密封型发光器件的工作寿命，并且本发明提供一种发光器件，通过该器件，可获得等于具有密封结构的常规发光器件最高水平的采光效率，以及提供使用该器件的照明装置和表面发光照明装置。
根据本发明第一方案的发光器件为一种具有二极管结构的未密封型发光器件，由n型半导体层和p型半导体层的叠层在透明衬底表面上形成该二极管结构，并且其特征在于光出射面不平行于二极管结构的各个表面中与透明衬底相对的面。
通过这种结构，光束(如果是常规照明器件，则在发光器件的光出射面和其他面之间重复进行全反射并且被构成该发光器件的材料吸收)从光出射面向外射出，因为当光束重复进行全发射时，在光出射面上的入射角逐渐减小并变得小于临界角。结果，能提高从发光器件向外发射的光的采光效率。因此，即使是未密封型发光器件，仍可以获得等于常规密封型发光器件最高水平的采光效率。此外，由于发光器件没有通过树脂密封，则可以减小发光器件本身的尺寸，并且使材料的成本降低。另外，可以正面向下和正面向上两种方式将发光器件安装在装配衬底上。
此外，根据本发明第二方案的照明装置包括安装在装配衬底上的未密封型发光器件，及设置在发光器件的光出射面前面的荧光部件，该荧光部件被该发光器件发出的光激发并发射与激发波长不同的波长的光，并且其特征在于该发光器件具有二极管结构，该二极管结构由n型半导体层和p型半导体层的叠层在透明衬底的表面上形成，以及光的出射面不平行于该二极管结构的各个表面中与该透明衬底相对的面。
通过这种结构，由于利用荧光物质的波长转换的照明装置被构造为使用根据本发明第一方案的发光器件，从而可减小照明装置的发光单元的尺寸，并减小照明装置本身的尺寸。特别地，通过使用多个减小尺寸的发光器件，可以提供与常规装置大小相等，但具有更高发光亮度的照明装置。
另外，根据本发明第三方案的表面发光照明装置包括安装在装配衬底上的一个或多个未密封型发光器件及荧光部件，该荧光部件被该发光器件发出的光激发并发射与激发波长不同波长的光，并且其特征在于该发光器件具有二极管结构，该二极管结构由n型半导体层和p型半导体层的叠层在透明衬底的表面上形成，以及所述光出射面相对于所述二极管结构的各个面中与该透明衬底相对的一个面形成预定的形状，从而使从该发光器件发射的光通量具有预定的光分布。
通过这种结构，由于利用荧光物质的波长转换的表面发光照明装置被构造为使用根据本发明第一方案的发光器件，在与常规照明装置相同大小的框体上可安装更多数量的发光器件，并且可提供更高亮度的表面发光照明装置。此外，通过适当选择发光器件的光出射面形状，可随意控制光的分布，从而可以提供具有更均匀光分布的表面发光照明装置。
图1为根据本发明的第一实施例的发光器件的结构横截面视图；图2为根据第一实施例的发光器件中的光路图；图3为根据第一实施例照明装置的修改实例的结构横截面视图；图4为表示图3所示的修改实例中用于固定斜板的方法的横截面视图；图5为根据本发明第二实施例的发光器件的结构横截面视图；图6A为根据第二实施例的发光器件中的光路图；图6B为根据第二实施例的发光器件中的光路图；图6C为根据第二实施例的发光器件中的光路图；图7为根据第二实施例的照明装置的修改实例的结构横截面视图；图8为根据第二实施例的照明装置的另一个修改实例的结构横截面视图；图9A为表示根据本发明第三实施例的发光器件的结构的第一实例的平面图；图9B为上述第一实例的横截面视图；图10为表示第三实施例中四角棱锥透明衬底的高度相对于底面最大宽度的比与采光效率之间的关系图；图11A为表示根据第三实施例的发光器件的结构的第二实例的平面图；图11B为上述第二实例的横截面视图；图12A为表示根据第三实施例的发光器件的结构的第三实例的平面图；图12B为上述第三实例的横截面视图；图13为表示第三实施例中近似半球型透明衬底的高度相对于底面直径的比与采光效率之间的关系图；图14A为表示根据本发明第四实施例的发光器件结构的第一实例的平面图；图14B为上述第一实例的横截面视图；图15A为表示根据第四实施例的发光器件结构的第二实例的平面图；图15B为上述第二实例的横截面视图；图16A为表示根据第四实施例的发光器件结构的第三实例的平面图；图16B为上述第三实例的横截面视图；图17为根据第四实施例的发光器件的一个修改实例的横截面视图；
图18为根据第四实施例的发光器件的另一个修改实例的横截面视图；图19为表示根据本发明第五实施例的发光器件结构的第一实例的横截面视图；图20为表示根据第五实施例的发光器件结构的第二实例的横截面视图；图21为表示根据第五实施例的发光器件结构的第三实例的横截面视图；图22为表示根据第五实施例的发光器件结构的第四实例的横截面视图；图23为根据第五实施例的发光器件结构的第五实例的横截面视图；图24为表示根据第五实施例的发光器件结构的第六实例的横截面视图；图25为表示根据本发明第六实施例的发光器件结构的横截面视图；图26为表示根据本发明第七实施例的发光器件结构的横截面视图；图27为表示根据第七实施例的发光器件的修改实例的横截面视28为表示根据本发明第八实施例的照明装置结构的横截面视图；图29为表示根据第八实施例的照明装置的一个修改实例结构的横截面视图；图30为表示根据第八实施例的照明装置的另一个修改实例结构的横截面视图；图31为表示根据第八实施例的照明装置的另一个修改实例结构的横截面视图；图32为表示根据本发明第九实施例的照明装置结构的横截面视图；图33为表示根据第九实施例的照明装置的修改实例结构的横截面视图；图34为表示根据本发明第十实施例的照明装置中，用于将发光器件安装在装配衬底上的凹入部分结构的第一实例的横截面视图；图35为第十实施例结构的第二实例的横截面视图；图36为表示根据本发明第十一实施例的照明装置中，用于将发光器件固定在装配衬底的凹入部分方法的第一实例的横截面视图；图37为第十一实施例结构的第二实例的横截面视图；图38为表示第十一实施例结构的第二实例中，透明中间层的折射率n1和临界角之间的关系图；图39为第十一实施例结构的第三实例的横截面视图；图40为表示根据本发明第十二实施例的表面发光照明装置结构的第一实例的横截面视图；图41为常规发光器件的光分布图；图42为在全漫射光分布情况下，用于解释光束Φ的图形，所述光束Φ为从相对于垂直轴成任意角度α的区域发射出的光束；图43为具有20°圆锥顶角的透明衬底或透明部件的发光器件的光分布图；图44为具有40°圆锥顶角的透明衬底或透明部件的发光器件的光分布图；图45为具有60°圆锥顶角的透明衬底或透明部件的发光器件的光分布图；图46A为使用三角柱形透明衬底或透明部件的照明装置的结构透视图，其被用于根据第十二实施例的表面发光照明装置中。
图46B为用于根据第十二实施例的表面发光照明装置中的照明装置的修改实例的结构透视图；图47为使用三角柱形透明衬底的照明装置的光分布图；图48为第十二实施例结构的第二实例的横截面视图；图49为表示第二实施例结构的第二实例中透明衬底或透明部件的顶角γ2和导光部件的凹入部分的底角γ1之间的关系的放大横截面视图；图50为当底角γ1改变时，在导光部件中未反射而直接发射的比率图；图51为根据本发明第十三实施例的表面发光照明装置结构的横截面平面图；图52为图51中所示的表面发光照明装置的横截面正视图；图53为第十三实施例的表面发光照明装置中采用的发光器件的结构透视图；图54为具有柱面透镜形透明衬底或透明部件的发光器件的光分布图；以及图55为在常规未密封型发光器件中，在pn结面上产生的光从出射面发射出的光路图。
具体实施例方式
第一实施例下面描述本发明的第一实施例。图1为表示根据第一实施例的发光器件10的结构剖面图。发光器件10包括由例如蓝宝石制成的透明衬底11；及由设置在透明衬底11的下表面11b上的n型半导体层13和p型半导体层14的叠层构成的二极管结构12。透明衬底11所形成的形状为在沿二极管结构12的p型半导体层13和n型半导体层14的叠层方向上的剖面中，关于下表面11b倾斜，而在沿垂直于叠层方向上的剖面中上表面11a大体为矩形。凸起电极16a和16b分别设置在n型半导体层13和p型半导体层14与透明衬底11相对的表面上，并且发光器件正面向下(倒装法)安装在装配衬底17上。
在第一实施例中，透明衬底11的上表面11a作为光的出射面(以下称为“出射面11a”)，并且出射面11a关于二极管结构12的各个面中与透明衬底11相对的一个面，也就是p型半导体层14的下表面14a倾斜，从而使其不平行。当在pn结面15上产生的光束进入到出射面11a时，入射光束中相对于出射面11a的入射角小于临界角的部分向外发射，而入射角大于临界角的部分在出射面11a上被全反射并在发光器件10中传播。随后，在进入到p型半导体层14的下表面14a和透明衬底11的侧表面中的光束中，入射角等于或大于临界角的光束被再次全反射，并在发光器件10内部向出射面11a行进。
图2示出了发光器件10中的光路。如图所示，由于出射面11a关于p型半导体层14的下表面14a倾斜，光束在出射面11a处的入射角θ1，θ2...变得越来越小，所述光束在出射面11a和p型半导体层14的下表面14a之间被重复全反射。随后，当在出射面11a处的入射角变得小于临界角时，其从出射面11a向外射出。因此从出射面11a向外发射的光束的比率也就是采光效率增加。
此外，由于发光器件10本身未被透明树脂密封，所以不存在发光器件的工作寿命由于透明树脂的恶化而缩短的问题。另外，二极管结构12直接与空气接触，从而其散热性能提高，并且可以延长发光器件10的工作寿命。另外，由于二极管结构12的散热性能提高，如果可以允许温度以与由透明树脂密封的情况下相同的水平上升，则可以流入更大的电流并获得更大的光束。另外，二极管结构12没有被透明树脂密封，从而其制造成本比由树脂密封的情况降低。另外，发光器件10本身的尺寸将减小。因此，安装有根据第一实施例的发光器件10的装置可整体缩小尺寸。
顺便说一下，透明衬底11的材料不限于蓝宝石，并且，显然使用另一种透明材料如SiC、玻璃或丙烯酸树脂也可获得基本相同的效果。此外，类似地，当在由Al、Ag等涂覆的透明衬底11的倾斜面11a上进行全反射过程并且上述发光器件10正面向上安装在装配衬底上时，不通过树脂来密封发光器件10也可以提高采光效率。然而，在这种情况下，p型半导体层14的表面14a作为出射面。另外，当半导体面14a倾斜，从而不平行于正面向上的透明衬底表面11b时，也可以获得基本相同的效果。
随后，根据第一实施例的发光器件10的修改实例在图3中示出。在修改实例中，透明衬底11包括例如由蓝宝石制成的平行板11A和例如由丙烯酸树脂等制成的透明部件(倾斜板)11B，并且平行板11A和透明部件11B被例如透明且具有高折射率的粘合剂或硅树脂11C所粘合。二极管结构12形成在平行板11A的下表面(第一面)11b上。在二极管结构12与透明衬底11相对的各面中，透明部件11B的下表面(第三面)通过粘合剂与平行板11A的上表面(第二面)紧密接触，并且透明部件11B的上表面(第四面)11a关于p型半导体层14的下表面14a倾斜。
通过修改实例的这种结构，可获得如上述第一实施例基本相同的效果。此外，由于难于加工的蓝宝石板被制成平行板，而倾斜面是由相对易于加工的丙烯酸树脂等形成的，这可以在即使增加制造步骤时降低透明衬底11的加工成本。玻璃、硅树脂或者其他透明材料可用于替代丙烯酸树脂作为透明部件11B的材料。
此外，作为在此修改实例中用于固定透明部件11B的一种方法，其可以在将其固定在装配衬底17上之后在发光器件10的周围填充硅树脂18，例如，如图4所示。另外，用于安装透明部件11B的方法不限于此，从而以光学紧密接触的方式将其安装在平行板11A上的方法表现相同的效果。
第二实施例下面，描述本发明的第二实施例。在上述第一实施例中，透明衬底11的出射面(上表面)11a关于p型半导体层14的下表面14a倾斜。在根据第二实施例的发光器件20中，形成许多凸起部分21b，从而透明衬底21的出射面(上表面)21a变得粗糙，如图5所示。结果，各个凸起部分21b的表面变得与二极管结构12的各个表面中与透明衬底21相对的面，也就是p型半导体层14的下表面14a不平行。由于透明衬底21除了出射面21a之外的结构与上述第一实施例基本相同，因此，同样的标号被用于相同的元件，并且省略对其描述。此外，尽管在图5中被省略，但凸起电极被分别设置在n型半导体层13和p型半导体层14与透明衬底11相对的表面上，并且通过使用突起电极，发光器件被正面向下安装在装配衬底上。关于这些方面，在其他实施例基本相同，除非另有说明。
如从图5所见，在透明衬底21的出射面21a上形成的各个凸起部分21b的剖面形状被形成为其前端尖锐的楔形，并且形状不均匀。凸起部分21b的形状和排列可以是任意的，或者凸起部分21b周期性的以预先设置的多个图形的预定图案来形成。
因此，描述在pn结面15上产生的光束进入到透明衬底21的出射面21a上形成的凸起部分21b的情况。在入射光束中，相对于凸起部分21b表面的入射角θ小于临界角的光束从凸起部分21b的表面直接向外发射出，如图6A所示。另一方面，相对于凸起部分21b表面的入射角θ小于临界角的光束在凸起部分21b的表面上被全反射并在凸起部分21b中传播。然而，凸起部分21b的剖面形状为其前端尖锐的楔形，所以光束在凸起部分21b的表面上被反射，从而在凸起部分21b中朝向顶端传播，如图6B或图6C所示。然后，在凸起部分21b的表面上的每次全反射，使相对于凸起部分21b表面的入射角变小，并接近0°，也就是垂直。最后，入射角变得小于临界角，从而其从凸起部分21b的表面向外发射。因此，即使发光器件20不被树脂密封时，与第一实施例的情况类似，采光效率仍可被提高。
下面，根据第二实施例的发光器件20的修改实例在图7中示出。在此修改实例中，透明衬底21包括例如由蓝宝石制成的平行板21A，及通过涂覆如具有透明度和高折射率的环氧树脂的树脂在平行板21A上形成透明部件21B。此外，大量凸起部分21b形成于透明部件21B的表面上，以至于使得出射面21a粗糙。包括凸起部分21b的其它结构与上述图5中所示的情况基本上相同，因此省略对它们的描述。
在此，蓝宝石的折射率约为1.77，而环氧树脂的折射率约为1.53，从而它们之间的差别很小。因此，在平行板21A与透明部件21B的界面上临界角变为较大(大约120°)，以至于pn结面15上产生的光的大部分通过平行板21A进入透明部件21B。然后，进入透明部件21B的光束进一步进入设置在透明部件21B的出射面21a上的凸起部分21b中。光束进入凸起部分21b的行为如同图6A到图6C所示的那样。
此外，根据第二实施例的发光器件20的另一个修改实例在图8中示出。在此修改实例中，发光器件20正面向上安装在装配衬底上。通过涂覆如具有透明度和高折射率的环氧树脂的树脂在p型半导体层14的表面14a上形成透明部件22，并且在透明部件22的表面上形成大量的凸起部分22b，以致使出射面22a粗糙。每个凸起部分22b的剖面形状被形成为其顶端尖锐的楔形。透明衬底21的两个面相互平行。
通过这些修改实例的这种结构，由于难于加工的蓝宝石板被制成平行板，通过涂覆相对易于加工的环氧树脂等形成透明部件，并且通过形成大量凸起部分使表面粗糙，因此即使制造步骤增加，也可以降低透明衬底21的加工成本。硅树脂或其它透明材料可用于替代环氧树脂作为透明部件的材料。此外，玻璃、丙烯酸树脂等可用于替代蓝宝石作为平行板或透明衬底的材料。
第三实施例下面，描述本发明的第三实施例。在上述第一实施例中，透明衬底11的上表面11a关于下表面11b倾斜，并且在第二实施例中，使透明衬底21的上表面21a粗糙。在第三实施例中，透明衬底31被制成多棱锥形、圆锥或近似半球形。
图9A和图9B示出了根据第三实施例发光器件30结构的第一实例。在第一实例的结构中，由单一材料如蓝宝石制成的透明衬底31具有正四棱锥形状，而由n型半导体层13和p型半导体层14的叠层构成的二极管结构12设置在其底面上。除了透明衬底31的形状之外的结构与上述第一实施例中基本相同。
通过以正四棱锥形形成透明衬底31，作为出射面31a的四个斜面分别关于p型半导体层14的下表面14a倾斜，以使得采光效率提高，如在上述第一实施例中所述。
由于出射面31a的倾斜角随透明衬底31的高度“b”相对于底面31b的最大宽度(即底面31b对角线的长度“a”)的比(b/a)而改变，可以通过改变高度“b”相对于底面31b的对角线长度“a”的比(b/a)来改变采光效率。图10示出了通过改变比(b/a)获得的采光效率的结果。从结果来看，当比(b/a)的值设置为等于或大于约0.4并且等于或小于4.5时，采光效率变得等于或大于约35％，该值为常规发光器件的采光效率(约22-23％)的一倍半。例如，当透明衬底31为正四棱锥形时，底边的长度为350μm(即对角线的长度“a”为495μm)，而高度“b”为300μm，高度“b”相对于对角线的长度“a”的比变为约0.6，从而可获得采光效率的最大效率约37.5％。
图11A和图11B示出了根据第三实施例的发光器件30结构的第二实例。在第二实例的结构中，由单一的材料如蓝宝石制成的透明衬底31具有圆锥形。在这种情况下，由n型半导体层13和p型半导体层14的叠层构成的二极管结构12设置为围绕其底面上。通过设置圆锥形透明衬底31的高度“b”相对于底面的直径“a”的比，类似于上述正四棱锥的情况下，可提高采光效率。
图12A和图12B示出了根据三实施例发光器件30的结构的第三实例。在第三实例的结构中，由单一材料例如蓝宝石制成的透明衬底31具有近似半球形(近似球形)的形状。当透明衬底31形成为近似半球形时，像这样，作为出射面31a的球面相对于p型半导体层14的下表面14a倾斜，从而使采光效率增加，如在上述第一实施例中所述。
由于出射面31a的斜度随透明衬底31的高度“b”相对于底面31b的最大宽度(也就是底面的直径“c”)的比(b/c)而改变，因此可以通过改变高度“b”相对于底面31b的直径“c”的比(b/c)来改变采光效率。图13示出了通过改变比(b/c)获得的采光效率的结果。从结果来看，当比(b/c)设置为等于或大于约0.3的值时，可获得等于或大于约35％的采光效率。此外，发现通过设置比(b/c)约为0.5可获得采光效率的最大效率约36％。例如，当二极管结构12形成为边长350μm的正方形并且以这样一种方式来选择底面31b的直径“c”，即，使得二极管结构12内接于底面31b时，则底面31b的直径“c”变得约为495μm。当透明衬底31的高度“b”约为165μm时，相对于底面31b的直径“c”的比约为0.3，从而使采光效率与常规发光器件相比获得充分高的值。
表1示出了当使二极管结构12的尺寸为边长为350μm的正方形并且改变透明衬底31的形状和高度时通过光学仿真获得的采光效率的结果。由符号No.1至No.3表示的方框示出了透明衬底31形成为矩形立方体形(等效于上表面和下表面相互平行的透明衬底10如图55所示)并且改变其高度的仿真结果。由符号No.4至No.9表示的方框示出了透明衬底31形成为棱锥或圆锥形并且改变其高度的仿真结果。由符号No.10至No.13表示的方框示出了透明衬底31形成为近似半球(近似球形)形形状并且改变其高度的仿真结果。
表1
如从表1中所见，尽管在透明衬底31的形状为矩形立方体形时采光效率为22％，但在透明衬底31的形状为棱锥或圆锥形时采光效率上升为38％，从而增加了采光效率。此外，在透明衬底31的形状为半球形时采光效率上升为36％，然而，当透明衬底的高度降低时，可以获得与透明衬底31的形状为棱锥或圆锥形时基本相同水平的采光效率。
在第三实施例中，透明衬底31的形状为多棱锥形、圆锥形或近似半球形，然而，透明衬底31的形状不限于这些。透明衬底的出射面可以与其入射面(底面)不平行，如三角柱(多个斜面的结合)，例如在图46A中所示，或者如图53所示的柱面透镜形，在下文中将进行描述。
第四实施例下面，描述本发明的第四实施例。在上述第三实施例中，对于透明衬底31，单一材料例如蓝宝石形成为多棱锥、圆锥或近似半球形。在第四实施例中，透明衬底41由蓝宝石等制成的平行板41A以及多棱锥、圆锥和近似半球形的透明部件41B构成，所述透明部件形成于平行板41A上并且由例如环氧树脂、硅树脂等基本透明并具有高折射率的材料制成。
图14A和14B示出了根据第四实施例的发光器件40结构的第一实例。在该第一实例的结构中，作为透明衬底41，平行板41A形成为上表面和下表面相互平行、并且水平方向上的横截面为正方形的近似矩形立方体，而透明部件41B形成为正四棱锥形。此外，由n型半导体层13和p型半导体层14构成的二极管结构12设置在平行板41A的底面上。
在图15A和图15B中所示结构的第二实例中，透明部件41B形成为圆锥形。在图16A和图16B中所示结构的第三实例中，透明部件41B形成为近似半球形(近似球形)。
根据第四实施例，由于难于加工的蓝宝石板被制成平行板，而相对易于加工的环氧树脂等形成多棱锥、圆锥或近似半球形的透明部件41B，因此即使在制造步骤增加时，仍可降低透明部件41的加工成本。
表2示出了当在与上述表1相同的条件下改变透明衬底41的形状和高度时，通过光学仿真获得的采光效率的结果。由符号No.1至No.3表示的方框示出了透明衬底41的透明部件41B形成为矩形立方体形并且改变其高度的仿真结果。由符号No.4至No.7表示的方框示出了透明衬底41的透明部件41B形成为棱锥或圆锥形并且改变其高度的仿真结果。由符号No.8至No.11表示的方框示出了透明衬底41的透明部件41B形成为近似半球形(近似球形)形状并且改变其高度的仿真结果。
表2
如从表2中所见，尽管在透明部件41B的形状为矩形立方体形时采光效率为23％，但在透明部件41B的形状为棱锥或圆锥形时采光效率提高达38％，从而增加了采光效率。此外，在透明部件41B的形状为半球形时采光效率提高达36％，然而，当透明衬底的高度降低时，可以获得与透明衬底31的形状为棱锥或圆锥形时相比基本相同水平的采光效率。
此外，根据第四实施例的发光器件40的修改实例在图17和18中示出。由于这些修改实例将被正面向上安装在装配衬底上，因此通过涂覆如环氧树脂等透明且具有高折射率的树脂将透明部件42设置在p型半导体层14的表面14a上。在图17中，透明部件42形成为多棱锥形和圆锥形。可选择地，在图18中，透明部件42形成为近似半球形。
表3示出了当在与上述表1相同的条件下改变透明部件42的形状和高度时，通过光学仿真获得的采光效率的结果。由符号No.1至No.3表示的方框示出了透明部件42形成为矩形立方体形并且改变其高度的仿真结果。由符号No.4至No.9表示的方框示出了透明部件42形成为棱锥或圆锥形并且改变其高度的仿真结果。由符号No.10至No.13表示的方框示出了透明部件42形成为近似半球形(近似球形)并且改变其高度的仿真结果。
表3
如从表3中所见，尽管在透明部件42的形状为矩形立方体形时采光效率为23％，但在透明部件42的形状为棱锥或圆锥形时采光效率提高为31％，从而增加了采光效率。此外，在透明部件42的形状为半球形时采光效率提高达31％，然而，当透明衬底的高度降低时，可以获得与透明部件的形状为棱锥或圆锥形时基本相同水平的采光效率。
第五实施例下面，描述本发明的第五实施例。在上述第三和第四实施例中，透明衬底31或41整体形成为多棱锥、圆锥或近似半球形。在第五实施例中，在透明衬底51的出射面51a上形成多个多棱锥、圆锥或近似半球形的突起部分51a。此外，与第二实施例相比，其差异在于在透明衬底的出射面上形成的凸起部分的形状和排列具有规律性。
图19示出了根据第五实施例的发光器件50的第一实例。在第一实例的结构中，多个例如多棱锥形(例如正四棱锥形)或圆锥形的凸起部分51b规则地排列在透明衬底51的出射面51a上。其他结构与图4中所示的第二实施例的发光器件20及在图9A和图9B中所示的第三实施例结构的第一实例的发光器件30基本相同。
当注意到每个多棱锥形或圆锥形凸起部分51b时，可应用上述第三实施例中的描述而不必修改，从而类似于第三实施例的情况，与常规发光器件相比，可增加采光效率。此外，当每个凸起部分51b的高度相对于对角线的长度的比与当假定透明衬底为单个棱锥或圆锥时的情况相同，则凸起部分51b的高度被降低与对角线长度被缩短的尺度相同的尺度。
在图20中所示结构的第二实例中，透明衬底51由蓝宝石等制成的平行板51A和由如环氧树脂或硅树脂等透明且具有高折射率的树脂制成的透明部件51B所构成。多个多棱锥或圆锥形的凸起部分51b规则地排列在透明部件51B的出射面51a上。其他结构与第一实例的结构中的基本相同。
在图21所示结构的第三实例中，发光器件50将被正面向上安装在装配衬底上。透明部件52通过如环氧树脂等透明且具有高折射率的树脂设置在p型半导体层14的表面14a上。多个多棱锥或圆锥形的凸起部分51b规则地排列在透明部件52的出射面52a上。
图22至图24分别示出了第四实例至第六实例的结构，其与上述结构第一至第三实例结构的不同之处在于规则地排列在透明衬底51的出射面51a或透明部件52的出射面52a上的多个凸起部分51b或52b形成为近似半球形。其他结构与上述第一至第三实例的结构中的大体相同。
第六实施例下面，描述本发明的第六实施例。图25中所示的第六实施例的发光器件40’在图16A和图16B所示的第四实施例结构的第三实例的发光器件40上形成抗反射涂层42，用以防止在透明部件41B和空气介质的界面上的反射。由于抗反射涂层42，可大幅增加到空气介质的采光效率。由于除了抗反射涂层42之外的其他结构与第四实施例结构的第三实例完全相同，因此略去对它们的描述。
在不形成抗反射涂层时，由于在透明部件41B和空气介质的界面上发生的全反射，会产生损耗。在本实施例中，折射率约为1.36的单层MgF2涂层的抗反射涂层42被涂覆在透明部件41B的表面上，从而降低了由于在透明部件41B和空气介质之间的界面上发生的反射而引起的损耗。同时，由于可以使用光学多层涂层作为抗反射涂层42，例如，抗反射涂层42可由TiO2、SiO2及Al2O3的叠层构成。
在该实施例中，尽管抗反射涂层42形成于第四实施例的发光器件40的出射面41a上，无需多言，抗反射涂层也可形成于按照其他实施例的发光器件的出射面上。
第七实施例下面，描述本发明的第七实施例。在根据上述第一至第六实施例的发光器件中，在透明衬底不作为出射面的那一面上通过层叠n型半导体层13和p型半导体层14形成单个二极管结构12。在如图26所示的根据第七实施例的发光器件40”中，在多个部分上层叠n型半导体层13和p型半导体层14，从而使半导体结构12基本上被分成多个部分。其他结构与在上述第四实施例中结构的第三实例的大体相同，因此省略对其描述。此外，在图中省略示出突起电极分别形成在n型半导体层13和p型半导体层14的下表面上，并且通过使用突起电极将其正面向下安装在装配衬底上。
在二极管结构12被分成如同根据第七实施例的发光器件40”的多个部分的结构中，突起电极被分别设置在被分开的部分上，以与装配衬底连接，从而使本质上增加导热路径。结果，能增加发光器件中产生的热量的散热性能，从而能延长发光器件40”的工作寿命。此外，由于在发光期间发光器件40”的温度降低，发光器件40”的发光量增加。另外，每对突起电极的n型半导体层13和p型半导体层14的区域变窄，从而在每个被分开的区域上电流密度更均匀，并可降低亮度的不均衡。
在本实施例，第四实施例的发光器件40的二极管结构12被分成多个部分。显然，根据其他实施例的发光器件的二极管结构12也可被分成多个部分。
可选择地，如图27所示，可以将多个发光单元62紧密地设置在相对较大的单个透明部件51的下表面(光的入射面)上，所述发光单元62具有例如与图55所示的常规发光器件100大体相同的结构。通过将可选数量的发光单元62紧密地设置在透明部件61上，在所述透明部件中光的出射面不平行于入射面，这样，可提供任何用途的具有可选择的发光区的发光器件60。此外，由于透明部件61的存在可使采光效率高于仅排列多个常规发光器件100的情况。
第八实施例下面，描述本发明的第八实施例。上述第一至第七实施例分别涉及发光器件。然而，第八实施例涉及使用上述一种发光器件的照明装置。
根据第八实施例的照明装置200的结构在图28中被示出。照明装置200由装配衬底203、光学部件205等构成，所述装配衬底203具有凹入部分202，发光器件201安装在凹入部分202中，而所述光学部件205上在面对凹入部分202的位置处(在发光器件201的光出射面的前边)设置有荧光部件204。
发光器件201例如为发射蓝光的蓝光发光器件，并且可为根据第一至第七实施例的发光器件之一。为了正面向下安装发光器件201，通过例如由图1中的标号16a和16b所表示的突起电极将它电连接至装配衬底203上的电路。
荧光部件204包括例如由蓝光激发而发射黄光的荧光材料，所述荧光部件204通过在光学部件205上形成的凹入部分207中填充包括荧光材料的树脂而形成。荧光部件204设置为面对上述发光器件201，并且其尺寸以这样一种方式设置，从而使发光器件201发射出的光束的大部分进入到其中。光学部件205由例如丙烯酸树脂等透明材料制成，而具有期望形状的凸透镜206或其类似物形成在荧光部件204的相对侧，用于控制光分布。
从发光器件201发射出的蓝光进入荧光部件204中，并且其中一部分激发荧光材料，以产生与入射蓝光不同波长的光。然后，例如通过将穿过荧光部件204的蓝光和由荧光材料产生的光混合而从照明装置200输出白光。
即使当发光器件201发射紫外光时，也可以通过适当选择荧光材料的种类而混合由于荧光材料激发的光来输出白光。
通过在光学部件205中最靠近发光器件201的位置设置荧光部件204，如此，可以使从发光器件201发射出的光束有效地进入荧光部件204中。此外，由于光学部件205(其为与发光器件201相独立的部件)形成为可选视觉形状并且荧光部件204设置在光学部件205中，因此施加到发光器件201的应力、热或化学负载被降低。
此外，为了使荧光部件204与发光器件201不接触，在二者之间设置了一个缝隙，从而荧光部件204不会直接暴露于由发光器件201产生的热量，并且荧光材料、包含荧光材料的树脂等的老化降低。结果，可延长荧光部件204的工作寿命，从而可以防止光通量的下降，并且可延长照明装置200的工作寿命。另外，由于荧光部件204不与发光器件201相接触，因此发光器件201的散热性能得到改善。
另外，由于荧光部件204(比如荧光材料或包含迅速老化的荧光材料的树脂)被设置在光学部件205的一侧上，并且光学部件205相对于装配衬底203可分离，因此可以在由于荧光部件204老化而使照明装置200的照明性能降低时，通过更换新的光学部件205来更新荧光部件204。因此，可以使照明装置200的照明性能恢复到初始状态。
根据第八实施例的照明装置的修改实例在图29中示出。从图29可明显看出，在此修改的实施例中，多个凹入部分202形成在单个装配衬底203上，发光器件201分别安装在凹入部分202中，并且分别面向凹入部分202的多个荧光部件204和透镜206设置在单个光学部件205上。通过此修改实例，可获得具有与上述大体相同的效果及发光部分面积变大的的表面发光装置。
在图30中所示的第八实施例的另一修改实例中，荧光部件204面向发光器件201的面形成为与在装配衬底203上形成的凹入部分202的开口大小基本相同。具体来说，光学部件205的凹入部分207的开口边缘和装配衬底203的凹入部分202的边缘形成为基本相同的形状，以相互调整。当包含荧光材料的树脂被填充在上述凹入部分207中时，荧光部件204面向发光器件201的面的大小基本等于凹入部分202的开口大小。
在修改实例情况下，即使要求装配衬底203和光学部件205尺度的精确度，荧光部件204的尺寸也可以制成需要的最小值，从而能获得尽可能小的准光源。结果，通过适当选择光学部件205凸透镜206的形状，更易于控制光分布，从而可以实现所需的光分布。此外，由于荧光部件204面向发光器件201的面形成为与凹入部分202的开口基本相同，防止了在荧光部件204中发光部分的轮廓模糊，并改善了光分布。
下面，第八实施例的另一个修改实例在图31中示出。在此修改实例的照明装置200’中，多个发光器件201紧密地安装在装配衬底203的凹入部分202。与此相对应，装配衬底203的凹入部分202和光学部件205的荧光部件204的尺寸变大。在此修改实例的情况下，使用多个发光器件201，从而照明装置200’的亮度整体提高。此外，发光器件设置为面向荧光部件204的中心部分，从而在荧光部件204的发光中，中心部分的亮度变高。因此，其可近似为点光源，从而可实现光的更窄分布。
第九实施例下面，描述本发明的第九实施例。根据第九实施例的照明装置210的结构在图32中示出。照明装置210由装配衬底203和光学部件211构成，发光器件201安装在所述装配衬底上，而荧光部件204设置在所述光学部件211上。装配衬底203与根据上述第八实施例的照明装置200的装配衬底基本相同。
光学部件211以某种方式构成来将在由荧光部件204转换波长并从其发射出的光束中的、以与朝向光学部件211的采光面212的方向不同的方向发射出的光束反射至朝向采光面212的方向。具体来说，凹入部分214形成在与光学部件211的采光面212相对的面213上、面向发光器件201的位置处，并且通过在凹入部分214中填充包含荧光材料的树脂来形成荧光部件204。在荧光部件204的两侧都形成斜面215，用于沿朝向采光面212的方向全反射从荧光部件204中沿与朝向采光面212的方向不同的方向发射出的光束。采光面212形成为平行于装配衬底203的上表面208。
总体来说，从荧光部件204发射出的光束被分成在图31中由箭头A表示的直接向采光面212行进的一组和沿由箭头B表示的大体在横向上而不是采光面212行进的一组。从荧光部件204大体沿横向发射的光束在斜面215上被反射，并从采光面212被向外发射。结果，从照明装置210发射出的光的分布被控制在预定方向。
如图33所示，可以通过铝的气相淀积等在与采光面212相反的斜面215和后表面216上设置反射部分217。在这种情况下，显然，在与光学部件211的采光面212相对的面213上的至少一部分没有形成反射部分，从发光器件211发射出的光束进入到该部分。通过在采光面212的斜面215和后表面216上设置反射部分217，如此，可以全反射所有进入到采光面212的斜面215和后表面216上的光束，并且可以防止光束从这些面漏到装配衬底203的一侧。更可大幅增加发光效率。此外，由于反射部分217设置在光学部件211和装配衬底203之间，不易于接触到，可以降低反射部分的老化或减少灰尘。
第十实施例下面，描述本发明的第十实施例。第十实施例涉及装配衬底203的凸起部分202，发光器件201安装在该装配衬底中。对于光学部件，可以使用在上述第八和第九实施例中任一个，可选择地，可以使用其他形状的光学部件。
在图34所示的第十实施例的结构的第一实例中，设置在装配衬底203上的凹入部分202的内侧面基本上形成为抛物线形。通过这种结构，从发光器件201发射出的光束的一部分在凸起部分202近似抛物线形的内侧面上被反射，并进入到荧光部件204中作为图34中由箭头所示的近似平行光束。结果，进入到荧光部件204中的光量增加，并且使荧光部件204中的发射光的分布均匀。因此，可以降低照明装置的采光面上的色差。
在图35所示的第十实施例的结构的第二实例中，设置在装配衬底203上的凹入部分202内侧面形成为近似椭圆形。通过这种结构，从发光器件201发射出的光束的一部分在凸起部分202近似椭圆形的内侧面上被反射，并进入到荧光部件204中作为图35中由箭头所示的近似平行光束。结果，进入到荧光部件204中的光量增加，并且光束集中在荧光部件204的中心部分，从而可降低荧光部件204的尺寸。因此，其可近似为点光源，从而可实现光的更窄分布。
第十一实施例下面，描述本发明的第一实施例。第十一实施例涉及一种将发光器件201固定在装配衬底203的凸起部分202中的方法。
在图36所示的第十一实施例的结构的第一实例中，发光器件，其例如与根据图16A和图16B所示第四实施例的发光器件40结构的第三实例基本相同，被用作发光器件201。在图16B中所示的发光器件40除了近似半球形透明部件41B之外，具有与在图55中所示的常规发光器件100大体相同的结构。
然后，通过粘附近似半球形透明部件42形成发光器件201，所述透明部件42由例如丙烯酸树脂等透明并具有高折射率的材料在发光单元62上制成，所述发光单元62具有与常规发光单元基本相同的结构。首先，发光单元62被安装在装配衬底203的凸起部分202中。接下来，将例如硅树脂等具有相对较高折射率的透明树脂230填充在凹入部分202中至一半，并且透明部件42在这样的条件下紧密设置在发光单元62的出射面上，即，以透明部件的下侧浸入树脂中的状态固定透明部件。因此，比通过在发光单元62上固定透明部件42来预先装配发光器件201的情况，发光器件201的安装变得更容易，并且装配的发光器件201被安装在装配衬底203上。此外，由于树脂进入透明部件42和发光单元62之间的缝隙，因此增加了透明部件42和发光单元62的粘附性能并将其牢固地固定。另外，通过具有相对较高折射率的树脂密封发光器件201的侧部，从而也提高从发光器件的侧部的采光效率。
另外，当与填充在凹入部分230中的树脂(例如，硅树脂)相同的材料被用作透明部件42的材料时，在本质上减少了界面，从而可以减少由于菲涅耳(Fresnel)反射引起的损耗。另外由于提高了透明部件42和发光单元62的粘附性能，因此提高了在界面上的采光效率，并提高了透明部件42的固定强度。
在图37所示的第十一实例结构的第二实例中，透明夹层231被设置在透明部件42和发光单元62之间，所述透明夹层231由具有介于透明部件42的材料折射率n2和发光单元62的透明衬底(见例如图55中的透明衬底101)的材料折射率n0之间的中间折射率n1的材料制成，并且通过在凹入部分202中填充例如硅树脂等具有相对较高折射率的树脂230来固定透明部件42。例如，当假定发光单元62的透明衬底的材料为蓝宝石(折射率n0＝1.77)，并且透明部件42的材料为丙烯(折射率n1＝1.49)，则由满足条件1.77＞n1＞1.49的材料形成透明夹层231。在这种情况下，由于透明部件42被树脂230固定，因此透明夹层231的材料不必具有粘附性。
下面，说明透明夹层231的折射率n1被选为透明部件42的材料折射率n2和发光单元62的透明衬底的材料折射率n0之间的中间值的原因。对于折射率n0、n1和n2，将参考上述关于现有技术的描述，从而重复使用相同的标号。
如现有技术中所述，当分别具有折射率n0、n1和n2(n0＞n1＞n2)的三层被连续层叠时，光从折射率n0的第一层到折射率n2的第三层的临界角θ0变为θ0＝sin-1(n2/n0)，而与第二层的折射率n1无关。在这种情况下，由于对应于第一层的发光单元62的透明衬底的材料为蓝宝石(n0＝1.77)，并且对应于第三层的透明部件42的材料为丙烯(n2＝1.49)，因此临界角θ0＝sin-1(n2/n0)57°(第一方程式)。
另一方面，当分别具有折射率n0、n1和n2(n0＞n2＞n1)的三层被连续层叠时，在折射率n1的第二层和折射率n2的第三层之间的界面上没有发生全反射，并且所有从折射率n0的第二层进入到折射率n1的第二层中的光进入到折射率n2的第三层。因此，从折射率n0的第一层到折射率n2的第三层的光的临界角θ0由第一层的折射率n0和第二层的折射率n1来控制，因此θ0＝sin-1(n1/n0)(第二方程式)。在这种情况下，第二层的折射率n1越小，临界角θ0也变得越小。
透明夹层231的折射率n1和临界角θ0之间的关系在图38中示出。从图38中可以看出，当使透明夹层231的折射率n1大于透明部件42的折射率n2时，进入到透明部件42中的光量最大。另一方面，考虑到具有更大折射率的材料一般成本高并且由于菲涅耳反射引起的损耗变大，优选使折射率n1较小。因此，通过选择透明夹层231的折射率n1作为透明部件42的材料折射率n2和发光单元62的透明衬底的材料折射率n0之间的中间值，如上述，从发光单元62发射出的光可最有效地进入到透明部件42中。
在图39所示结构的第三实例中，凸缘42a设置在透明部件42的底部附近，用于从光的出射面向外突出，并且树脂230以这样的方式被填充在凹入部分202中，以使得凸缘42a完全嵌入到树脂230中。通过这种结构，与第一实例的结构相比，尽管透明部件42的形状变得略微复杂，但与树脂230接触的面积增加，从而使用于固定透明部件42的机械强度增加。此外，可以设置透明夹层，该透明夹层具有介于透明部件42的材料折射率和发光单元62的透明衬底的材料折射率之间的中间折射率，如同上述第二实例的结构。
第十二实施例下面，描述本发明的第十二实施例。第十二实施例涉及使用多个发光器件的表面发光照明装置。根据第十二实施例的表面发光照明装置300结构的第一实例在图40中示出。在表面发光照明装置300结构的第一实例中，多个发光器件301安装在装配衬底302上，并且装配衬底302被固定在框体303的近中心部分。此外，平板荧光部件304被固定在框体303上端附近的位置，从而与装配衬底302的装配表面大体平行。
发光器件301为根据上述第三或第四实施例的具有多棱锥形或圆锥形透明衬底或透明部件的发光器件，并发射例如蓝光或紫外光。然而，在根据第一至第七实施例的发光器件中，由于发光器件301不限于所述形状，足以使在预定方向上光出射面的横截面宽度更窄，相应地从作为发光器件的发光面的pn结面15分离。
发光器件301以这样的方式排列在装配衬底302上，使每个间距大体平均。布线图案以这样的方式形成在装配衬底302上，使得并联连接多个串联连接的发光器件301组。框体303形成为大体为圆柱形，其底部例如为金属、树脂等，并且其高度约为20mm，其直径约为50mm。装配衬底302固定在框体303的侧壁303a上，以在侧壁303a的近中心附近的位置处与其大体垂直。荧光部件304形成为透明材料例如并蓄与荧光材料的圆盘形混合物，并在框体303侧壁303a的上端附近被近似垂直地固定至侧壁303a，相对于装配衬底302的装配面存在约5mm缝隙。
通过从多个排列在装配衬底302上的发光器件301发射出蓝光或紫外光，并且通过由于由蓝光或紫外光激发荧光部件304的荧光材料而射出不同波长的光，如此，从表面发光照明装置300的发光面304a中均匀地发射白光。
下面，不具有多棱锥形或圆锥形透明衬底或透明部件的常规发光器件(参见例如图55中的发光器件100)的光分布在图41中示出。如从图41可以看出，当不使用多棱锥形或圆锥形透明衬底或透明部件时，可近似为光的全漫射。如图42所示，当垂直方向(0度轴)上发射的光密度表示为符号I0时，并且关于垂直轴沿顺时针方向的角度表示为符号θ时，则在θ方向上发射的光密度为I0cosθ。在关于垂直轴成任意角度α的区域中发射的光通量φ由以下方程式表示 =I0×π(1-cos2α)]]>此外，从0°到90°的总光通量为φ90＝I0×π。
如果具有这样光分布的发光器件被设置在装配衬底302上，作为照明装置的光出射面的荧光部件上恰好在发光器件301之上的位置处的亮度变高，并且在发光器件301之间的位置处的亮度降低，从而亮度分布变得不均衡。
下面，分别具有20°、40°和60°顶角的圆锥形透明衬底或透明部件的发光器件的光分布在图43、图44和图45中示出。在每幅图中的实线和虚线分别表示在相差90°的剖面平面上光的分布。从发光器件发射出的光束在形成顶角的面也就是光的出射面上重复反射几次，并从形成顶角的面发射出，而相对于形成顶角的面的入射角逐渐变大。通过设置圆锥形的透明衬底或透明部件，如此，光的分布变成恰好在发光器件之上的光通量下降，并且在预定角度方向上的部分增加了恰好光通量下降的量。具体来说，在没有透明衬底或透明部件的情况下，相对发光强度的峰值在角度θ＝45°和θ＝315°处。此外，顶角越小，则由于圆锥形透明衬底或透明部件，光分布变得越宽。
如上所述，通过在发光器件301上设置圆锥形透明衬底或透明部件，从发光器件301发射出的光束广泛分布并进入到荧光部件304中，从而在荧光部件304的光出射面304a上亮度的均匀性提高。
此外，透明衬底或透明部件的形状不限于圆锥形。并且，其形状可为多棱锥形或其他形状。图46A示出了使用三角柱形透明衬底或透明部件310的发光器件301’。这个发光器件301’的光分布在图47中示出。在图47中，实线表示在三角横截面方向上的光分布，而虚线表示在矩形横截面方向上的光分布。通过使用这种三角柱形透明衬底或透明部件310，从发光器件301’的发光部分发射出的光能够广泛分布。
此外，可以选择正面向下和正面向上安装发光单元62，在正面向下时，二极管形成在装配衬底(未示出)的侧面上，而在正面向上时，二极管形成在透明衬底或透明部件310的侧面上。
通过在图40中所示的表面发光照明装置300的装配衬底302上安装这种发光器件301，从发光器件发射出的光束广泛分布并进入到荧光部件304中，从而使荧光部件304的发光面304a上亮度的均匀性提高。
此外，如图46B所示，可以在单个三角柱形透明衬底或透明部件310的矩形入射面上设置多个发光单元62。在这种情况下，透明衬底或透明部件310变得相对较大，从而使其成型或处理更容易，并且可以总体上减少表面发光照明装置的组件数。
下面，根据第十二实施例的表面发光照明装置300结构的第二实例在图48中示出。在表面发光照明装置300结构的第二实例中，在上述第一实例的结构上，在装配衬底302和荧光部件304之间设置由例如丙烯酸树脂制成的导光部件305。凹入部分305a形成在装配衬底302一侧导光部件305的表面上面向发光器件301的位置处，并且每个发光器件301的透明衬底或透明部件的至少顶端部分(优选全部)插入到凹入部分305a中。此外，通过微制造或丝网印刷，在导光部件305表面上未形成凹入部分305a的部分305b处形成点图案，用以对准漫反射。另外，在导光部件305的端面305c上进行镜面精加工。
在此第二实例的结构中，从发光器件301发射出的大部分光束通过透明衬底或透明部件310以大体相同的角度进入到导光部件305的凹入部分305b中。在导光部件305的入射光中，相对于导光部件305的入射面305d，入射角大于临界角的光束在导光部件305的内部被重复反射。在面305b上光束被漫反射，在面305b处进行漫反射过程，并且最终从出射面305d发射出。由于从发光器件301发射出的光在导光部件305中被导引，而在一定角度上均匀化，并进入到荧光部件304中，因此可以增加在荧光部件304的发光面304a上亮度的均匀性。
下面，如图49所示，假定发光器件301的透明衬底或透明部件310的顶角表示为符号γ2(＝40°)，而导光部件305的凹入部分305a的底角表示为符号γ1，并且改变底角γ1。在导光部件305中无反射而直接发射的光比率在图50中示出。从图50中可以看出，导光部件305的凹入部分305a的底角γ1越小，则从导光部件305直接发射的光束比率变得越小，并且因此，在导光部件305中重复被反射的光束的比率增加。当使导光部件305的凹入部分305a的底角γ1小于发光器件301的透明衬底或透明部件310的顶角γ2(40°)时，进入到导光部件305中的光束超过80％在导光部件305中被反射。结果，可以使得表面发光照明装置300的发光面304a上的亮度更均匀。
此外，尽管与图41所示的结构的第一实例相比，由于使用导光部件305而增加了组件数，但由于在导光部件305中的导光作用，可均匀化到荧光部件的辐射密度。因此，尽管增加了发光器件的间隔，但可以选择减少发光器件的数量，及使得荧光部件中的亮度分布均衡。
第十三实施例下面，描述本发明的第十三实施例。第十三实施例涉及一种表面发光照明装置，其中发光器件设置在导光部件的侧面上。图51为根据第十三实施例的表面发光照明装置400的剖面平面图，而图52为其剖面正视图。
如从图中可以看出，近似圆盘形的导光部件405的近似圆柱形侧面的平坦部分被用作入射面405a，并且装配衬底402和安装在装配衬底402上的多个发光器件401面向入射面405a设置。在导光部件405的底面405b上以这样的方式进行例如微制造和白点图案的漫反射过程，使得其密度对应于与发光器件401的距离而变大。此外，相对于导光部件405的出射面以预定缝隙设置由包括荧光材料的材料制成的荧光部件404。
发光器件401的透明衬底和透明部件410形成为例如如图53所示的柱面透镜形(近似圆柱面形)，并且发光单元62紧密地固定在透明衬底或透明部件410的矩形底面上。此外，如图51所示，发光器件401以这样的方式被安装在装配衬底402上，从而使透明衬底或透明部件410的近似半圆形剖面与导光部件405的近似圆形剖面垂直相交。
具有柱面透镜形透明衬底或透明部件410的发光器件401的光分布在图54中示出。在图54中，实线表示在近似半圆形剖面方向上光的分布，而虚线表示在近似矩形剖面方向上光的分布。发光器件401的光分布在近似半圆形剖面方向上呈现相对较窄的分布，而在近似矩形剖面方向上呈现较宽的分布。
以此，当多个发光单元62排列在单个柱面透镜的底面上时，可以获得大体相同的效果。
因此，由于柱面透镜形透明衬底或透明部件410，从发光器件401发出的光在导光部件405的厚度方向上分布较窄，而在平行于导光部件405的平面方向上分布较宽。在这种情况下，在导光部件405的厚度方向上光束入射角较小，从而在导光部件405的底面405b和出射面405c上被全反射的部分增加。
如上所述，当发光器件401设置在导光部件405的侧面上时，可以引导光束进入导光部件405的整个区域，并使得表面发光照明装置400的荧光部件404的发光面404a的亮度均匀。此外，由于发光器件401设置在导光部件405的侧部上，从而更易于进行例如更换发光器件401等维护。
另外，柱面透镜形透明衬底或透明部件410的非矩形剖面形状不限于半圆形。可以为近似半椭圆形和其他可选择的形状。
另外，显然上述实施例的特征可应用到正面向下安装和正面向上安装的两种类型的发光器件。
本申请基于在日本提交的日本专利申请2002-154262，2002-218891和2002-218989，其内容在此作为参考引入。
尽管通过举例方式并参照附图充分描述了本发明，但应理解各种变化和修改对于熟悉本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，除非这种变化和修改脱离了本发明的范围，否则均包含在本发明范围内。
权利要求
1.一种未密封型发光器件，具有二极管结构，该二极管结构由在透明衬底的一个面上层叠n型半导体层和p型半导体层而形成，并且其特征在于，光出射面不平行于该二极管结构的各个面中与该透明衬底相对的一个面。
2.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，该透明衬底的面向形成有该二极管结构的面的面作为所述光出射面；并且它是相对于该二极管结构的各个面中与该透明衬底相对的所述面而倾斜的面，是粗糙面、近似棱锥或圆锥形、近似球形、上面排列着多个近似棱锥或圆锥形或近似球形的凸起部分的面、或多个倾斜面的组合、或近似圆柱形。
3.如权利要求2所述的发光器件，其特征在于，所述光出射面为近似棱锥或圆锥形；以及近似棱锥或圆锥形的高度相对于底面最大宽度的比等于或大于约0.4并等于或小于约4.5。
4.如权利要求2所述的发光器件，其特征在于，所述光出射面为近似球形；以及近似球形的高度相对于底面直径的比等于或大于约0.3并等于或小于约0.5。
5.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，该透明衬底由平行板和透明部件构成，其中，该平行板由第一材料制成并且具有上面形成有该二极管结构的第一面和平行于该第一面的第二面，该透明部件由第二材料制成并且具有与该平行板的该第二面相连接的第三面和与该第三面相对的第四面；该透明部件的该第四面不平行于该二极管结构的各个面中与该透明衬底相对的所述面；以及该透明部件的该第四面作为所述光出射面。
6.如权利要求5所述的发光器件，其特征在于，该透明部件的该第四面是相对于该二极管结构各个面中与该透明衬底相对的所述面倾斜的面，是粗糙面、近似棱锥或圆锥形、近似球形、上面排列着多个近似棱锥或圆锥形或近似球形的凸起部分的面、或多个倾斜面的组合、或近似圆柱形。
7.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，进一步包括与该二极管结构各个面中与该透明衬底相对的所述面相连接的透明部件，并且与该二极管结构的连接面相对的该透明部件的一个面作为所述光出射面。
8.如权利要求7所述的发光器件，其特征在于，所述光出射面是相对于该二极管结构各个面中与该透明衬底相对的所述面倾斜的面，是粗糙面、近似棱锥或圆锥形、近似球形、上面排列着多个近似棱锥或圆锥形或近似球形的凸起部分的面、或多个倾斜面的组合、或近似圆柱形。
9.一种照明装置，包括安装在装配衬底上的未密封型发光器件，及设置在该发光器件的光出射面前面的荧光部件，该荧光部件被从该发光器件发出的光激发并发射与激发波长不同波长的光，并且其特征在于，该发光器件具有二极管结构，该二极管结构由n型半导体层和p型半导体层的叠层在透明衬底的一个面上形成，并且所述光出射面不平行于该二极管结构的各个面中与该透明衬底相对的一个面。
10.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，在表面和内部该包括荧光部件的光学部件被可分离地安装在该装配衬底上。
11.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，该光学部件具有凸透镜形状。
12.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，该发光器件安装在该装配衬底上形成的凹入部分的底面上；并且该透明部件面向该发光器件的一个面近似为与该凹入部分的开口大小相同。
13.如权利要求12所述的照明装置，其特征在于，该凹入部分的内面形成为近似抛物面或近似椭圆面，并且从该发光器件发射出的光在该凹入部分的该内面上被反射，以进入到该荧光部件中。
14.如权利要求12所述的照明装置，其特征在于，在该凹入部分中填入透明树脂，使得该发光器件的该出射面的至少一部分露出。
15.如权利要求14所述的照明装置，其特征在于，具有作为该发光器件的该光出射面功能的部件和填充在该凹入部分中的该透明树脂基本上为相同材料。
16.如权利要求14所述的照明装置，其特征在于，该透明衬底由第一材料制成的平行板和第二材料制成并连接到该平行板的透明部件构成；该透明部件的未连接面作为该光出射面；以及该平行板和该透明部件通过透明连接层被紧密设置，该透明连接层由具有介于该第一材料的折射率和该第二材料的折射率之间的中间折射率的材料制成。
17.如权利要求15所述的照明装置，其特征在于，具有作为发光器件的该光出射面功能的所述部件的至少一部分从该光出射面朝向填充在该凹入部分中的该透明树脂向外突出。
18.一种表面发光照明装置，包括安装在装配衬底上的一个或多个未密封型发光器件及荧光部件，该荧光部件被从该发光器件发出的光激发并发射与激发波长不同波长的光，并且其特征在于，该发光器件具有二极管结构，该二极管结构由n型半导体层和p型半导体层的叠层在透明衬底的一个面上形成，所述光出射面相对于所述二极管结构的各个面中与该透明衬底相对的一个面形成预定的形状，从而使从该发光器件发射的光通量具有预定的光分布。
19.如权利要求18所述的表面发光照明装置，其特征在于，在该发光器件的该光出射面和该荧光部件之间设置导光部件。
20.如权利要求18所述的表面发光照明装置，其特征在于，沿预定方向形成该发光器件的该光出射面的横截面，使其宽度对应于与该发光器件的发光面的距离而变窄。
21.如权利要求20所述的表面发光照明装置，其特征在于，该发光器件的该光出射面近似为棱锥形或圆锥形、多个斜面的组合或近似圆柱形。
22.如权利要求20所述的表面发光照明装置，其特征在于，具有与该发光器件的该光出射面基本上相同形状的凹入部分形成在该导光部件面向该发光器件的一个面上的、面向每个发光器件的位置处；并且该发光器件的该光出射面的至少一部分被插入到该凹入部分中。
23.如权利要求19所述的表面发光照明装置，其特征在于，设置该发光器件使其面向与该导光部件的光出射面相垂直的侧面；以及设置该荧光部件使其面向该导光部件的该光出射面。
全文摘要
一种未密封型发光器件，其具有在透明衬底的一个表面上通过层叠n型半导体层和p型半导体层形成的二极管结构，其中，透明衬底的外表面被倾斜并使其不平行于二极管结构最外侧的表面，以提高从光出射面的采光效率。这两个表面之间重复全反射，并且入射到光出射面的光通量的入射角逐渐减小至临界角之下，以使得光通量输出到发光器件之外。
文档编号H01L33/26GK1656620SQ03812109
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月28日 优先权日2002年5月28日
发明者横谷良二, 山口昌男 申请人:松下电工株式会社