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CN1739202B - 光发射器件 - Google Patents

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CN1739202B
CN1739202B CN2003801086175A CN200380108617A CN1739202B CN 1739202 B CN1739202 B CN 1739202B CN 2003801086175 A CN2003801086175 A CN 2003801086175A CN 200380108617 A CN200380108617 A CN 200380108617A CN 1739202 B CN1739202 B CN 1739202B
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Abstract

一种光发射器件，包括：一个电致发光元件(1)、一个外壳(2)和电致发光元件的电流供给部件。该器件的特征在于，微型光学元件(12)与外壳结合，并且配置成对电致发光元件(1)发射的光产生作用。所述微型光学元件可以由与外壳(2)结合的至少部分透明的层(11)的表面上的微光学结构构成。例如，可以通过直接在与外壳(2)结合的部分透明的层(11)上压印的方式或通过把包括电致发光元件的部分透明的层(11)浇铸到光发射器件主体上的方式来制造微型光学结构。按照一个或多个电致发光元件(1)的位置、尺寸和形状以及一个或多个电致发光元件(1)的输出光分布来设计微型光学元件(12)的衍射光学特征。

Description

光发射器件
技术领域
本发明涉及光发射器件，包括电致发光元件(如发光二极管LED或有机发光二极管OLED)。更具体地说，依照权利要求书所定义的，本发明涉及一种光源。
背景技术
发光二极管(LED)已很长时间为大家所知，并且以多种形式存在。通常，发光二极管(LED)包括一个带有适当电流供给部件的发光二极管芯片(作为电致发光元件的例子)和一个外壳。发光二极管(LED)属于批量产品，并且对各种各样的波长、发射功率和其它特性都有效。最近一段时间，有机发光二极管(OLED)逐渐得以普及。有机发光二极管(OLED)以一个包括两个导体间的一系列有机薄膜的电致发光元件为基础。
与使用发光二极管光源有关的主要问题是发光二极管不容易被准直或整形。这是根据下面的事实得出的：发光二极管是一种扩展光源，也就是说，是一种光从一个空间的扩展区域发出的光源(通常，发光二极管的活性区域为几十微米至几百微米或达到几毫米，然而像垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的活性区域只有几微米)。因此，发光二极管(LED)通常有一个在广角范围内扩展的输出光分布。如果需要使发光二极管产生的光聚焦、准直或以其他的方式加以影响，就必须在发光二极管旁边安置一个外部光学系统。
图1显示的是现有技术发展水平下、包含了这种光学系统的LED的例子。该图示意性地说明了包含一个LED的配置，所述LED由一个LED芯片1、一个充当漫反射镜用来使光改变方向从而不向上发射的外壳2、以及包围芯片的环氧树脂3(或其它透明材料)组成。该配置中还包括一个外部光学元件4，所述外部光学元件依靠适当的支承垫5被加设在环氧树脂层的上部。支承垫须使得在LED光源和外部光学元件4之间不存在粗劣的界面。比如，在这些组成部分之间的一个细小的、不规则气隙可能会导致光学畸变。支承垫可以是一个比如具有适当光学特征的黏合层。在传统例中，光学元件4通常是一个所谓的半球形透镜，该透镜聚集由芯片发射的光并微弱地使光准直。由这样的配置获得的、典型的光输出结果遵循朗伯余弦定律，也就是说，从光源看，强度分布直接与光源的角余弦有关。
较窄角度的分布只能通过复杂的反射镜和/或透镜系统获得。为了另外使发射光束整形，由光学元件组成的复杂系统还是必要的。
在现有技术中，曾有人建议将衍射光学元件(DOE)和发光二极管(LED)一起使用。WO 97/04491揭示了用衍射光学元件(DOE)代替球面或非球面透镜，被做成玻璃支承座形状，其安装一个LED。EP 1 115155 A2显示了一个带有发光二极管(LED)阵列和衍射光学元件(DOE)阵列的光学计算机，其中的LED阵列被安置在一个玻璃片下面，玻璃片包含了与LED接触的电极；其中的衍射光学元件阵列用于使发光二极管(LED)发射的光准直。
发光二极管(LED)常被作为LED显示屏的组成部分，包括发光二极管(LED)的阵列或不规则排列。如果不打算使半球形透镜从LED显示屏的上表面突出，要将包括半球形透镜的发光二极管(LED)安装在这种LED显示屏上则需要独立的固定装置；并且对大多数应用来说，附加反射镜和/或透镜系统的安装太复杂。另外，由于半球形透镜的尺寸关系，带有现有技术的准直装置的LED显示屏的厚度是相当薄的。在其它应用中(例如室内照明、接入背面光照明显示器或正面光照明显示器的发光体、投影显示、液晶显示投影仪或小型照相机的闪光灯)，整个光发射器件的紧密度是最重要的。
发明内容
本发明的一个目标是：提供一种包含LED芯片，一种具备可与现有技术的LED相比的改良特性的光源。最好是，这种光源的配置应当提供一种增强的适应性，以致该光源可特制来满足特定应用的需求。
尤其是，可以期望有一种解决方案，使LED发射的光的光分布能够更好地被准直或整形。
最好这种光源应可以大批量、低成本地制造。
另外，光源应当设计成不需要精细的制造技术就能够灵活地将这种光源结合进LED装置中。
本发明的另一个目标是：提供一种LED显示屏，这种LED显示屏易于制造并且最好具备至少是某些上面提到的有利特性。
本发明的另一个目标是：提供光源的制造方法，并且这种光源最好至少具备上面提到的某些有利特性。
最后，本发明的一个目标是：提供LED显示屏的制造方法。
本发明的第一个原理是：借助于以衍射和/或折射光学元件为基础的微型光学元件，使一个包括了电致发光元件(如LED或OLED光源)的光源发出的初始的、典型的朗伯光分布准直和/或以其他方式整形。
与传统光学元件相反，微型光学元件以引起折射和/或衍射的精细结构为基础，该结构具备特征性的深度/高度，并且通常具备的典型宽度只有几微米(μm)，如0.5微米～200微米，最好在0.5微米和约50微米之间或者在0.5微米和约30微米之间。换句话说，对折射光学元件来说，特征性的断面深度(profile depth)和断面宽度(profile width)为几个波长直到几十个波长的量级；对衍射光学元件来说，特有的断面深度和断面宽度为一个波长直到几个波长的量级。根据经验，微型光学元件具备这样的结构，在该结构中不同邻近位置呈现的发射的相位关系是清晰的。这与传统的、完全折射的光学元件相反，可以用几何光学图形描述传统的、完全折射的光学元件的结构中不同部分的发射行为。因此，可以认为与传统光学元件(如传统透镜、镜元等)相反的微型光学元件具备这样的结构，它必须考虑光的波动性，并且光的波动性参与了微型光学元件对发射的影响。
由于这个原理，除了容易制造并且比现有技术中的光源更薄之外，光发射器件可以采用几乎任何方式使初始发射的光整形，而不是只具备部分地和/或微弱地使其准直的可能性。例如，除了使光束准直或聚焦，光发射器件还可以被制成任何所期望式样的形状(如一个公司的标识或某个造型单元的组成部分，等等)。光发射器件还可针对波长范围将准直或其它整形功能进行组合。这对光发射器件包括多个以不同波长发射的电致发光元件的情形是有用的，并且还适合从光发射器件的不同位置发出不同比率的光的情形。
即使在只是使LED发射的光准直的情况下，依照LED的形状和发射特征配置的微型光学元件，要比配置成用来代替折射准直透镜的微型光学元件提供更高的效率。例如为了节省空间而进行这样的替代。然而，仅仅用同样为点光源设计的衍射类型微型光学元件代替折射透镜通常会降低配置效率，也就是会降低以所要的方式发射的光强度。本发明的光发射器件考虑了电致发光区域的形状及其发射特征，并依照应用需求来进行整形。这样，与传统的菲涅耳透镜解决方案相比，可以明显提高效率和系统性能。因为在本发明中描述的光学微结构可设在离发射区域或体积非常近的位置上，所以整个系统可以是极其紧凑的。
本发明的第二个原理是：将光学元件(也就是微型光学元件)与包含(容纳或携带)微型光学元件的一个部件(如LED光源的外壳或OLED的基板)直接结合。微型光学元件甚至可以这样：直接在至少部分透明的层上压印微光学结构，所述至少部分透明的层直接附着在包围一个或几个电致发光元件的透明材料上，透明材料可以是比如某种通常在传统LED中使用的材料。作为一种替代方案，微型光学元件也可以这样：直接在所述的、包围LED芯片的透明材料上压印微光学结构。在任何情形下，用于准直和/或整形LED输出结果的光学元件是衍射/折射微型光学元件，该衍射/折射微型光学元件被设置成直接与外壳或基板相接触并具有光学函数。
至少部分透明的层以及至少包围电致发光元件的部分透明材料可以不必是完全透明的。相反，至少其中之一可以包括比如对光有影响的添加剂(如染料、荧光材料等)。作为一个例子，如果选择的是荧光染料，则所述材料或者层甚至可以集成更多的功能，即还可以用荧光材料达到将电致发光元件发射的初始光转变为特定的、所要的光波波长或波长分布的目的。
本发明的光发射器件显示了下列优势：尽管这些装置带有一个整形光学元件，但是它们具有平坦的表面，并且相当薄且基本上是平坦的。所以，与现有技术的发光二极管(LED)相比，本发明的光发射器件更易于操纵、也更易于结合到LED显示屏或带有LED光源等的器件中。于是，不需要满足特定的条件(如器件的几何结构)，就可以很容易地将本发明的光发射器件安装到几乎任何类型的器件上。尤其是，本发明的光发射器件可以用在包含一个LED的、非常薄的器件中。如果使用适当的二极管芯片(如OLED元件)，则整个封装可比100微米还要薄，像纸一样薄。
本发明第二原理的另一方案是：直接在LED显示屏的基础层设置微型光学元件，以这种方式，可以很容易地将不带任何整形光学元件的LED光源放到邻近该基础层的位置上；因此，这个实施例使LED显示屏易于安装，并使得对LED显示屏发射的光进行准直或其他整形变为可能。这使得不需要任何特定约束而对LED显示屏的功能性进行修整成为可能。例如，LED显示屏的基础层包括用于放置LED的规则排列的预定位置-“LED坞”，每个“LED坞”包括一个被提前放在LED显示屏的基础层上的准直光学元件。于是，使用比如适当的粘合剂，就可以刚好将所要的发光二极管(LED)的样式设在LED显示屏的基础层上。
本发明的另一个原理是：微型光学元件的特征通常以某种塑料的形式(聚合体、或其它可整形材料，如溶胶-凝胶状态相互转换的材料(SolGel material))体现。这一点与现有技术是相反的。在现有技术中，光学元件既可以是前面曾提到的、相当简单的、塑料制成的某种半球形透镜，或者如果要求高质量的话，光学元件通常由玻璃制成。塑料材质的贡献在于：本发明的光源和LED显示屏易于制造。该原理的另一些优势包括：多种多样的可选择的光学特性(如折射率、发射特性等)、较低的成本和较轻的重量。
在组成过程中，通过权衡和组合不同的光学函数并考虑电致发光元件的扩展性质及其围绕物(即外壳或基板)可以获得微型光学元件的形状。可假定微型光学元件包含一个或多个集成的光学函数，通过考虑一个或多个电致发光元件的位置、尺寸和形状以及它们的输出光分布和附属外壳/反射镜的形状来设计这些集成的光学函数。
通常，这个特点会导致以下事实：微型光学元件的对称特征与电致发光元件的对称特征相对应。例如，充当电致发光元件的LED芯片通常是正方形的，它具有四重旋转对称的特征。如果LED是长方形的，则它具有二重旋转对称的特征。在这两种情形下，LED还具备沿两条相互垂直的直线方向线对称的特征。正如投射到微型光学元件显示屏上的那样，微型光学元件的几何特征表现为相应的对称性。在使光束准直时，在微型光学元件的特征中明显占有优势的是相应的对称性。在进行任意光束整形时，这些相应的对称特征会与结果得到的输出射束形状相关的其它几何特征相叠加。对于两个独立的LED芯片或全部器件结合成单个输出射束的情形，微型光学图形将显示出双重对称。
除了上述好处外，本发明还表现为下列若干优势。一个优势是：可以利用大批量的模压加工或铸造过程对本发明的光发射器件和LED显示屏进行低成本制造。尤其是，可在生产光发射器件期间将微光学结构加到外壳上。
另一个优势是：光发射器件和LED显示屏可以组合不同的功能，无需带有更多的元件。例如，单个LED准直光学元件可在不需要多个光学元件的情况下就将来自不同电致发光元件的不同波长光形成的非相干光准直，也就是说，可以针对扩展的多色光源来设计光学微结构。这一点与现有技术形成对照。在现有技术中，设计的半球形透镜基本上是为了仅仅使LED芯片发射的光准直，通常假定它是具有一个波长的点光源，因此它对于设有多个电致发光元件或者LED芯片(或其它电致发光元件)周围由荧光材料包围的情形是无效的。
在本发明一特定实施例中，微型光学元件包括多个独立的部分，每一部分都具备一项独立的光学函数。
制作光发射器件的方法包括下列步骤：提供至少一个电致发光元件，所述至少一个电致发光元件至少部分嵌入了至少部分透明的材料中；为所述至少部分透明的材料的一个最外层表面增加一个充当微型光学元件的结构。可以通过为所述表面增加至少部分透明的层、并在所述至少部分透明的层上模压加工出微光学结构来完成这个步骤。作为一种替代方案，也可以在表面浇铸至少部分透明的层，以这种方式设置微光学结构。总之，在如下方面存在很大的可能性：应用新的、有效的制造技术制作光发射器件或LED显示屏，并可更改这些技术以提供优化的结果。
附图说明
下面，将参考所附图形对本发明的优选实施例进行描述。
图1表示一例现有技术中带准直光学元件的LED。
图2、3和4表示本发明的光源。
图5示出本发明的LED显示屏。
图6a至6c表示本发明的一个光源的制造过程。
图7表示微光学结构。
图8和9表示如图7描述的微光学结构的剖面图。
图10和11表示本发明的一个LED芯片和微光学结构的相对位置与尺寸。
图12和13表示本发明的另一优选实施例。
图14至16示出另一微光学结构。
具体实施方式
图2所示的光发射器件包括一个LED主体，所述主体由一个LED芯片1、一个外壳2和包围LED芯片的环氧树脂3(或其它至少部分透明的材料)组成。例如，图中所有主要部分(但不是必需的)都按照图1所描述的传统发光二极管(LED)的式样。光发射器件还包括一个至少部分透明的层11，所述至少部分透明的层11比如被层压或浇铸在带有环氧树脂3的外壳2上，并且它还可以由环氧树脂制成或者可替代地由其它热塑性材料或硬塑材料制成。它可以由比如紫外固化或热固化材料制成。尽管在本发明优选实施例中该至少部分透明的层是由聚合体材料构成的，但是它还可以由玻璃制成。根据特定的用途，这个附加层的厚度可以在比如5微米和约1毫米之间变化，最好是小于150微米。至少部分透明的层11包括表面以微光学结构形式存在的微型光学元件12，所述表面指的是图中层11和整个光源的最外层表面。
换句话说，电致发光元件1包括一个光发射表面和一个与所述光发射表面对置的底部，其中所述底部附着在外壳和/或基板的内表面，其中所述光发射表面被至少部分透明的材料3覆盖，所述至少部分透明的材料至少部分地充填外壳2或覆盖基板。由至少部分透明的材料3确定第一表面，其中至少部分透明的层粘在所述第一表面上且由此确定第二表面，所述第二表面基本与所述第一表面平行。微型光学元件12由在所述第二表面上呈现的微光学结构构成。
以下列方式设计微光学结构：由LED芯片1发射的或由外壳2漫反射的光经过前面提到的表面之后被衍射和/或折射由此而被准直和/或以其他方式整形。
作为LED芯片的替代，可使用另一个电致发光元件(图中未示出)。例如，可以与图2所示相似的结构安置这样的另一个电致发光元件(例如OLED)，传统LED芯片和OLED之间的主要差别在于后者比较薄。
作为又一个替代方案，也可以提供多个电致发光元件。
取代采用自粘附层，而是基本透明层11可以通过至少部分透明的粘合剂被粘贴到LED主体上。在这样的情形下，微结构自身可以由任何材料制成，在本发明的一个特定实施例中，微结构甚至可以包括由玻璃制成的支承垫。
现在来讨论设计过程，作为一个例子，可利用下列步骤来设计准直/整形光学元件：
1、芯片被模型化为理想点光源阵列。假定每个虚光源(virtualsource)的分布与LED芯片的分布相配，也就是说，对于朗伯芯片分布，假定每个点光源也是朗伯光源。总体上说，每个点光源具有与所述电致发光元件相同角度的光分布，而其强度可选择地适于所述电致发光元件的局部发射强度。
2、外壳被模型化为加权、非均匀间隔的次级点光源阵列。假定每个光源的分布与外壳材料的反射特性相配(例如为朗伯的)，然而要通过考虑有多少能量(以及以哪个角度)射到外壳相应点上来计算阵列中独立光源的相对权重，也就是说，要通过考虑有多少能量被反射以及首先向哪个方向反射来计算阵列中独立光源的相对权重。通常，假定外壳是一个理想的朗伯漫反射体，也就是说，假定反射光为朗伯分布。为此，假定接收来自该光源的光的外壳上的所有点充当了次级朗伯点光源。另外，这些次级光源中的每一个所发射的总强度必须等于每个模拟点从芯片(也就是从初级虚光源)接收的能量。这种情况可以通过由接收的能量计算得到的适当的权重函数对每个次级光源进行定标来实现。最后，在对射到所研究的点上的光线入射角进行加权平均的基础上计算每个次级光源的主方向(也就是最大强度的方向)。或者换句话说，每个次级光源都将具有总能量和主方向，并且所述主方向与相应光源射到外壳上一点的入射光的加权平均相配。
3、为每个虚点光源单独设计一个理想的准直/整形光学元件。于是，通过加权求和，在LED单元的射出表面(即环氧树脂层上部)上组合所获得的光学函数。通过考虑每个虚光源为射出表面的每个点提供了多少能量来计算用于求和的权重，也就是说，权重与每个点上每个光源的相对强度相对应。
4、可以例如基于传输函数的原理将总的光学函数转换到表面轮廓。于是，首先假定在逐点方式下光学元件与输入场(即在来自点光源的出射表面的场)和输出场(即经过元件之后的场分布，在本例中为经准直的场)有关联，并假定这种关联可以用传输函数表示。于是，在这些假设条件下，传输函数仅仅是两个场的差，即输出场减去输入场。最后，可以通过解答什么样的物理轮廓与给定的传输函数值对应，由传输函数计算出元件的物理描述。在一个尽可能简单的例子中，该步骤被简化为：引入与传输函数相配的振幅或相位改变，计算一下需要多少材料，即计算出断面的深度有多大。在一些较复杂的例中，还可以考虑如断面的局部形状、折射率分布等。在充分严格情况下，传输函数的概念是无效的，输入和输出场要通过麦克斯韦方程、界面的电磁边界条件发生关联，必须通过求出能同时满足方程和所考虑空间内所有点的边界条件的表面才能获得所需元件的物理尺寸。
尽管本发明不限于衍射还包括折射的情形，但是所述微光学结构可使得所述光学元件与具备若干集成光学函数的衍射光学元件(DOE)相比较。
图3所示的光源与图2所示光源是不同的，因为它不必一定要包括环氧树脂上部的至少部分透明的层。相反，微型光学元件12直接由环氧树脂(或其它至少部分透明的)材料3上的微光学结构构成。
现在来看图4，图中的光源包括一个被分成11a、11b、11c三部分的至少部分透明的层，并且每部分都增加了一项不同的功能。这一实施方式对那些上面提到的、由此产生的光学函数超出了可用制造技术中现有技术状态的情形是有用的。此时，将元件分割成若干份并将每一份都看作是元件的一个独立部分，以此可以逼近该函数。
尽管在图4中不同的部分均按单独的层体示出，但不必一定这样。相反，通常这些不同的部分将是不同的微光学结构12a、12b、12c，它们单个地在至少部分透明的层上呈现。
另外，(在宏观意义上)一个结构没有被分割成不同部分而具备不同功能的情形也是有可能的。只是必须将具备不同功能的结构特征组合起来，例如有两个端面的突起，一个端面通过衍射和/或折射使来自第一LED芯片的光准直，另一端面使来自第二LED芯片的光准直，等等。
图5表示带有某种规则图形的微光学结构12的LED显示屏基础层21。例如，所设计的微光学结构都是为了使特定波长范围的光准直，波长范围包括附着在显示屏基础层上的LED发射光的波长。LED显示屏上还包括几个LED主体22，每个主体带有一个LED芯片和一个外壳；并且LED显示屏上还包括包围LED芯片的环氧树脂(或其它至少部分透明的材料)。例如，利用环氧树脂(或其它至少部分透明的材料)的粘性、基础层的粘性或借助于中间粘附层(图中未示出)LED主体22被贴在基础层21的一侧，这些粘接材料的光学特性在设计微光学结构12时被加以考虑。LED主体被贴在微光学结构的位置上，然而，并不是所有的微光学结构都必须带有相应的LED主体。
LED显示屏的基础层连同安装在上面的发光二极管(LED)的电流供给部件可充当一个通用面板。在单个制造步骤中，可以通过喷射模塑或者压印方法制作显示屏的基础层。
作为一例，显示屏的基础层由上述用于LED的至少部分透明的层的材料制成。作为一种替代方案，还可以用玻璃材料制成显示屏的基础层。
可以看到：与已有的LED显示屏相比，本发明的LED显示屏的制造更简单，因为只要求制作者以标准的手段将标准的不用定制的发光二极管(LED)加到一个标准化的基础层上而已。
图6a至6c表示本发明光源的制造方法。该方法包括下列步骤：取一个LED 31，所述LED 31包括一个电致发光元件1(这里是一个LED芯片)、一个外壳2和环氧树脂(或其它至少部分透明的材料)(如图6a)；通过比如层压增加一个由热塑性材料制成的至少部分透明的层11(如图6b)；以及，借助于带有与所制微光学结构压痕对应的突起33的可重用压印工具32，在高温下，在至少部分透明的层11表面压印出(或模压加工出)微光学结构。作为这种分步工序的替换方案，压印和层压步骤可以合并为：层压印刷机包括一个用于直接在层面上压印出结构的压印工具。
在一个可选择的实施例中，最初呈粘性状态的至少部分透明的层11可以被浇铸进环氧树脂(或其它至少部分透明的材料)和模压工具32之间的空隙中；然后，被固化(如紫外固化)。最好只在制成至少部分透明的层11的材料已经至少部分固化时去掉模压工具。当然，在本实施例中，在放置模压工具之前，可以将粘性材料放置到环氧树脂(或其它至少部分透明的材料)上部以构成一个层面。
更一般地说，制造微光学结构的方法可包括利用构造工具进行模压加工或浇铸UV材料(和/或化学制品)和/或使材料热固化中任何一种方式。可以在LED主体和包含微光学结构的层之间添加附加层。作为一种替代方案，可以将已经包含了微结构(嵌入其中或附着在上面)并且作为层的支承垫粘贴或层压或以其他方式固定在LED主体上。作为另一种替代方案，也可以通过模压加工或浇铸(或喷射模塑法)，直接对LED主体的一部分(包括包围电致发光元件的至少部分透明的材料)进行构造。
如图7所示的微光学结构41可以使LED光源发射的光准直。这是一个可以在如图2至5中显示的任何一个光源中呈现的微光学结构的例子。阴影代表对断面深度的测量：阴影的颜色越暗，表示断面特征的深度越深。图中，反映电致发光元件尺寸的中央连续部分变得可见。如果用多个电致发光元件代替单个电致发光元件，则会表现为相应的、多个连续部分。图8描绘了剖切如图7所示的结构中央部分的剖面图。该图表示断面高度(单位为微米)是位置的函数(任意单位)。这些结构可被定标。结构的尺寸取决于波长。如果波长是变化的并且结构尺寸是根据波长按比例定标的，则功能性保持不变。另外，可以通过增加或削减高度来改变结构高度(或深度)，如此可利用一个整数乘上2π来改变发射相位，也就是说，利用一个整数乘上结构材料中光的波长来改变结构高度。当然，在这种情形中，也必须对结构宽度进行改变，结构高度越小，结构宽度越细。最后，图9示意性地描述了图7所示断面的基本部分。这些部分是：一个中央透镜51(这在图7和8中也是可见的)、一个中间部分52(在实践中对应于多个类似菲涅耳透镜的半桥状的突起并且在图9中用单个这样的突起表示)以及边缘透镜53。中央透镜51将充当一种用于扩展电致发光元件的准直透镜。该透镜基本上是几个离轴透镜的加权平均。中间部分52充当了另一个准直仪，并使射到中间部分的光转向轴线方向。尤其是，所设计的边缘透镜部分53是主要用来使从芯片外壳的边缘被反射的光准直的。这些透镜通过将外壳作为次级扩展光源来设计，另外，所述次级扩展光源到透镜的距离是不定的。
图10和11表示LED芯片1和在至少部分透明的层11上形成的微光学结构的相对位置与尺寸。这些图中，没有示出将层11和LED芯片1机械连接的外壳和/或透明层。这里，在如图12和13的实施例中，LED芯片1的水平范围可在如0.5至2毫米的范围内。与层11的最小厚度相对应的微光学结构12的最大厚度的分布处在从单色光大约1微米到不同波长光的大约20微米的范围内。
在图10的配置中，层11的形状和范围与LED芯片1的近似匹配，并且层11被装在紧靠LED芯片1的地方，比如带有气隙或者有几微米至20微米至1毫米的间距。
作为图11的变形，可以将微光学结构设置到面向LED芯片的一侧，或者可以在层11的两侧提供微光学结构。层11还可以包括一个次级微光学结构，所述次级微光学结构位于朝向LED芯片1的那一面。这样可以减少气隙并增加了光束整形的功能性。在这样的情形中，所放置的微型光学元件的适当间隔要低于50-100微米，考虑较高精确度的同时，也要考虑LED芯片的局部发射差异，并且将LED芯片的局部发射差异结合进微光学结构的设计中。
作为图11的进一步推广，所述包含微光学结构12的层11不限于平面或平直的形状。考虑并利用表面的光学函数，也可以在不同形状的表面上设计并制作微光学结构。例如，这样的表面可包括一个球形或梯形剖面。
在如图11的配置中，层11的范围是如LED芯片1的范围的两倍或更多倍数。因此，LED芯片1距离层11的间隔较大，例如可以达到0.5毫米。这种安排更适合于带有朗伯输出特征的发光二极管(LED)。LED的输出光束的定向越准，微光学结构12就可越小，并且它的位置可设置得离LED芯片1越近。
图12表示光发射器件，其中的层11通过外壳2与LED芯片1相连。正如上面描述的，LED芯片1距离层11的间隔越大，就越适合将外壳2内表面上的次级发射结合进微光学结构12的设计中。
图13表示一种光发射器件，其中的层11被层压或浇铸在LED芯片1上，并且使微光学结构12整形，换句话说，就是微光学结构12被模压或模塑到层11中。层的厚度范围例如是20微米或以上。层11基本覆盖LED芯片1的光发射表面。它最好基本上不遍布LED芯片1的光发射表面。
图14至16示出了另一些微光学结构，与图7类似，用于将特定光源形状和/或光源配置的输出转变成圆形光束。图14代表用于将带有三重旋转对称特征的三角形光源或LED的输出转变成圆形光束的结构。图15代表用于将带有二重旋转对称特征的、两个独立的、相当小的光源的输出转变成圆形光束的结构。图16代表用于将八角形光源的输出转变成圆形光束的结构。与光源的实际外形相对应，它带有四重(对于两个长度的侧边交替的八角形)或八重(对于正八角形)的旋转对称特征。
可以设想各种其它的实施例。例如，LED的外壳不必一定要做成图中所示的样子，而可做成任意形状并且可以由任何材料组合构成。电致发光元件不必一定要是传统的LED芯片，而可以是在注入电流后发光的任何装置。另外，微光学结构不必一定要位于光源的最外层表面，而可以位于任何适当的表面。

Claims (15)

1.一种光发射器件，包括：至少一个电致发光元件(1)和一个配置成对由电致发光元件(1)发射的光产生作用的衍射光学元件(12)，其特征在于，所述衍射光学元件(12)的衍射光学特征按照一个或多个电致发光元件(1)的输出光分布来设计，其中，电致发光元件(1)设在与衍射光学元件(12)结合的外壳(2)和/或基板上，并且对衍射光学元件(12)的衍射光学特征的设计还结合了在其底层的外壳(2)的形状和反射特征，所述外壳上的点接受来自光源的光从而被设想为充当次级朗伯点光源。
2.如权利要求1所述的光发射器件，其特征在于，所述衍射光学元件(12)的对称特征与所述电致发光元件(1)的对称特征相对应，也与所想要的发射特性的对称特征相对应。
3.如权利要求1或2所述的光发射器件，其特征在于，所述衍射光学元件(12)在一个至少部分透明的层(11)上形成，该层(11)覆盖所述电致发光元件(1)的一个光发射表面。
4.如权利要求3所述的光发射器件，其特征在于，所述至少部分透明的层(11)不遍布电致发光元件(1)的光发射表面。
5.如权利要求1或2所述的光发射器件，其特征在于包括：一个外壳和/或基板(2)，用以容纳电致发光元件(1)和电致发光元件(1)的电流供给部件，其中，所述衍射光学元件(12)结合在所述外壳和/或基板(2)上。
6.如权利要求5所述的光发射器件，其特征在于，所述衍射光学元件(12)直接地且不可倒置地固定在所述外壳和/或基板(2)上。
7.如权利要求5所述的光发射器件，其特征在于，包括一个LED，其中包含一个作为电致发光元件(1)的LED芯片、一个外壳和/或基板(2)和包围所述电致发光元件(1)的至少部分透明的材料(3)，其中，所述衍射光学元件(12)由附着在所述至少部分透明的材料(3)上的至少部分透明的层(11)的一个表面上的衍射光学结构构成。
8.如权利要求5所述的光发射器件，其特征在于，包括一个LED，其中包含一个作为电致发光元件(1)的LED芯片，一个外壳和/或基板(2)和包围所述电致发光元件(1)的至少部分透明的材料(3)，其中，所述的衍射光学元件由所述至少部分透明的材料(3)上的衍射光学结构构成。
9.如权利要求7所述的光发射器件，其特征在于，所述至少部分透明的材料(3)包含具有光作用的添加物。
10.如权利要求7所述的光发射器件，其特征在于，所述至少部分透明的材料(3)包含荧光材料。
11.如权利要求1或2所述的光发射器件，其特征在于，所述衍射光学元件(12)包括多个独立部分，每一部分具有一个独立的光学功能。
12.如权利要求1或2所述的光发射器件，其特征在于，所述电致发光元件(1)包括一个光发射表面，其中，所述光发射表面被至少部分透明的材料(3)覆盖，所述至少部分透明的材料(3)确定一个第一表面，其中一个至少部分透明的层被粘贴在所述第一表面上并确定一个与所述第一表面平行的第二表面，且其中所述衍射光学元件(12)由所述第二表面内的衍射光学结构构成。
13.如权利要求1或2所述的光发射器件，其特征在于，所述衍射光学元件(12)具有介于0.5微米和200微米之间的特征性深度和/或高度。
14.一种制造衍射光学结构的方法，该结构与一个设于外壳(2)和/或基板的电致发光元件一起用于光发射器件，所述衍射光学结构配置成对所述电致发光元件(1)发射的光产生作用，包括以下步骤：
·将所述电致发光元件(1)的光发射模型化为一个点光源阵列，总体上说，每个点光源具有与所述电致发光元件相同角度的光分布；
·将与这样的一些点对应的次级点光源的光发射模型化，在这些点上离开所述电致发光元件的光在到达所述衍射光学结构之前被所述外壳(2)和/或基板反射，并将次级点光源的光发射模型化为朗伯性质的；
对于所想要的光束形状，针对每个点光源设计光束整形光学元件；
·组合全部点光源的光束整形光学元件，生成总光学功能；以及
·按照该总光学功能生成所述衍射光学结构的一个表面轮廓。
15.如权利要求14所述的制造衍射光学结构的方法，其特征在于：
在将所述电致发光元件(1)的光发射模型化的步骤中，强度适于所述电致发光元件的局部发射强度。
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