низкопрофильная линза полного внутреннего отражения с боковым излучением для светодиода

Формула изобретения

1. Осветительная система, содержащая:

- светоизлучающий диод (СИД), этот светодиод имеет главную поверхность, которая испускает свет;

- первый оптический элемент над светодиодом, этот первый оптический элемент имеет искривленную поверхность, такую что большая часть света, испущенного этой главной поверхностью, перенаправляется вследствие полного внутреннего отражения в направлении, которое по существу параллельно главной поверхности, где по существу весь свет, испущенный из первого оптического элемента, проходит через первую площадь поверхности первого оптического элемента, при этом первая площадь поверхности имеет первую высоту в направлении, по существу перпендикулярном главной поверхности; и

- второй оптический элемент, оптически сопряженный с первым оптическим элементом таким образом, что воспринимает по существу весь свет, испущенный через первую площадь поверхности первого оптического элемента, при этом второй оптический элемент имеет область выхода света второй высоты, по существу меньшей, чем первая высота, где большая часть света, испущенного областью выхода света, заключена в направлении, по существу параллельном главной поверхности светодиода, и где область выхода света второго оптического элемента имеет вторую площадь поверхности, приблизительно равную первой площади поверхности или больше ее.

2. Система по п.1, в которой первый оптический элемент содержит симметричное круговое тело, имеющее по существу цилиндрическую боковую стенку, через которую свет выходит из первого оптического элемента, верхнюю поверхность первого оптического элемента, имеющую вершину и воронкообразную форму, в которой главная поверхность светодиода по существу центрально расположена под вершиной и в которой верхняя поверхность вследствие полного внутреннего отражения отражает свет светодиода в направлении, которое по существу параллельно главной поверхности.

3. Система по п.1, в которой второй оптический элемент содержит:

- множество первых волноводов, при этом каждый из первых волноводов имеет входной световой конец и выходной световой конец, причем множество первых волноводов расположено радиально вокруг первого оптического элемента таким образом, что входной световой конец каждого из первых волноводов оптически связан таким образом, что принимает свет только от первой части первой площади поверхности первого оптического элемента; и

- множество вторых волноводов, при этом каждый из вторых волноводов имеет входной световой конец и выходной световой конец, причем множество вторых волноводов расположено радиально вокруг первого оптического элемента таким образом, что входной световой конец каждого из вторых волноводов оптически связан таким образом, что принимает свет только от второй части первой площади поверхности первого оптического элемента,

в которой выходные световые концы первых волноводов и вторых волноводов находятся в одной и той же первой плоскости и в которой входные световые концы первых волноводов и вторых волноводов находятся в различных плоскостях.

4. Система по п.3, в которой первый оптический элемент содержит симметричное круговое тело, имеющее по существу цилиндрическую боковую стенку, через которую свет выходит из оптического элемента, верхнюю поверхность первого оптического элемента, имеющую вершину и воронкообразную форму, в которой главная поверхность светодиода по существу центрально расположена под вершиной, и в которой верхняя поверхность вследствие полного внутреннего отражения отражает свет светодиода в направлении, которое по существу параллельно главной поверхности, и в которой первая часть первой площади поверхности первого оптического элемента является первой половиной по существу цилиндрической боковой стенки, а вторая часть первой площади поверхности первого оптического элемента является второй половиной по существу цилиндрической боковой стенки.

5. Система по п.3, в которой первые волноводы и вторые волноводы имеют прямоугольные поперечные сечения.

6. Система по п.3, в которой первые волноводы являются прямоугольными.

7. Система по п.3, в которой вторые волноводы имеют наклоненный участок, который перенаправляет свет, поступающий на входную плоскость, таким образом, что он выходит из вторых волноводов в первой плоскости, отличной от входной плоскости.

8. Система по п.3, в которой входные световые концы первых волноводов находятся в первой плоскости, а входные световые концы вторых волноводов находятся во второй плоскости, отличной от первой плоскости.

9. Система по п.3, в которой первые волноводы имеют клинообразную форму.

10. Система по п.3, в которой вторые волноводы имеют клинообразную форму с наклоненным участком, который перенаправляет свет, поступающий на входную плоскость, таким образом, что он выходит из вторых волноводов в первой плоскости, отличной от входной плоскости.

11. Система по п.3, в которой первые волноводы и вторые волноводы перекрываются там, где первые волноводы и вторые волноводы оптически связаны с первым оптическим элементом.

12. Система по п.1, в которой вторая высота составляет примерно половину от первой высоты.

13. Система по п.1, в которой вторая высота составляет примерно 1 мм или меньше.

14. Система по п.1, в которой второй оптический элемент содержит множество волноводов, расположенных вокруг первого оптического элемента.

15. Система по п.1, в которой второй оптический элемент испускает свет, имеющий кольцевой вид.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к линзам для светодиодов и, в частности к очень низкопрофильной линзе для бокового излучения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Светодиодные кристаллы, как правило, испускают свет в очень широком угле, обычно до 90 градусов относительно его центральной оси, причем центральная ось перпендикулярна главной поверхности светодиодного кристалла. Для некоторых применений, таких как подача света в тонкий прямоугольный волновод для задней подсветки тонкого жидкокристаллического дисплея (ЖКД), светодиод выполняется с оптической системой, вызывающей испускание света только, в основном, перпендикулярно своей центральной оси внутри малого угла. В таком случае главная поверхность светодиода параллельна поверхности излучения волновода, и весь светоизлучающий участок линзы бокового излучения находится внутри волновода или оптически связан со стороной этого волновода.

Фиг.1 представляет собой вид сбоку одной из таких структур 10 светодиода с боковым излучением предшествующего уровня техники. Светодиодный кристалл 12 установлен на монтажной субопоре 14, которая имеет верхние электроды, контактирующие с нижними электродами на светодиодном кристалле 12. Верхние электроды субопоры обычно через выводы связаны с жесткими контактами сверху, сбоку или снизу субопоры 14 для соединения с монтажной платой для подачи питания на светодиодный кристалл 12. Над светодиодным кристаллом 12 может быть образован слой люминофора (не показан) для преобразования излучения светодиода в излучение другой длины волны для получения множества цветов. Над верхней частью светодиодного кристалла 12 может быть образован отражательный слой 16, такой как металлический слой, чтобы предотвратить выход света по нормали к главной поверхности светодиода и чтобы отразить по существу весь свет либо назад в светодиодный кристалл 12, либо в стороны.

Структура светодиода с боковым излучением по фиг.1 имеет, по меньшей мере, следующие недостатки, проявляющиеся при ее использовании для подачи света в тонкий волновод для задней подсветки. Эта конструкция имеет недопустимо широкое угловое боковое излучение, что показано некоторыми световыми лучами, исходящими из боковой поверхности примерно под 90°. Зеркало 16 отражает свет назад в светодиодный кристалл 12, что приводит к многочисленным внутренним отражениям света, прежде чем он выйдет с боковой стороны, а каждое отражение ослабляет свет. Зеркало не является эффективным на 100%. А формирование отражательного слоя является сложным этапом.

Описанные недостатки устраняются установкой над светодиодным кристаллом вместо отражательного слоя 16 линзы с боковым излучением, которая использует полное внутреннее отражение, чтобы направить свет параллельно главной поверхности светодиодного кристалла. Однако такая линза увеличивает толщину светодиодной конструкции до величины значительно более 1 мм. Свет, излучаемый с боковой поверхности, невозможно эффективно направить в волновод, толщина которого меньше, чем высота бокового излучения.

Фиг.2 представляет собой вид в поперечном сечении линзы 20 бокового излучения, в которой используется полное внутреннее отражение. С боковой стороны линзы показано несколько световых лучей, которые испускаются от нее. Такая линза, которая введена в настоящее описание в качестве ссылки, описана в патенте США № 6473554. Линза - круговая и симметричная относительно своей центральной оси. Поскольку светодиодный кристалл 12 обычно имеет ширину между 0,6 и 1,5 мм, а внутренние углы линзы 20 обычно должны отражать свет параллельно верхней поверхности светодиодного кристалла 12, то требуемая высота линзы 20, диктуемая законами физики, необходима более 1 мм. Для светодиода шириной примерно 1 мм требуемая высота линзы 20 по меньшей мере 2 мм. Увеличение диаметра линзы уменьшает угол светового излучения, поскольку при этом верхней поверхностью линзы 20 большее количество света будет отражаться по сторонам.

Линза 20 не могла бы использоваться для эффективного направления света в волновод толщиной 1 мм.

Существует множество бытовых приборов, которым необходим небольшой дисплей с задней подсветкой. Целью является уменьшение толщины таких дисплеев, и одним из путей уменьшения толщины дисплея является уменьшение толщины волновода задней подсветки. Было бы желательно построить конструкцию светодиода с боковым излучением, которая могла бы эффективно направлять свет в тонкий волновод, такой как волновод толщиной 1 мм.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном варианте исполнения настоящего изобретения низкопрофильная линза с боковым излучением для светодиодного кристалла имеет две связки различных волноводов. Центральная часть линзы имеет воронкообразную форму с вершиной, направленной в центральную часть светодиодного кристалла. Внутренние углы этой воронкообразной формы отражают внутренне свет светодиода, обычно параллельно верхней поверхности светодиодного кристалла. В одном варианте исполнения центральный участок воронки имеет высоту около 2 мм. Соответственно свет будет излучаться из периферии центрального участка воронки в виде 360-градусного кольца света высотой 2 мм.

Из периферийной части нижней половины центрального участка воронки радиально продолжается нижняя связка прямоугольных волноводов, каждый из которых имеет постоянную толщину в 1 мм, которая направляет весь свет, испущенный из нижней половины центрального участка воронки, на выходные световые области нижней связки волноводов. Из периферийной части верхней половины центрального участка воронки радиально продолжается верхняя связка волноводов, каждый из которых имеет постоянную толщину в 1 мм, которая направляет весь свет, испущенный из верхней половины центральной части воронки, на выходные световые области верхней связки волноводов. Каждый из волноводов верхней связки имеет угловой участок, направленный вниз, так что выходные световые области волноводов верхней связки расположены в той же самой плоскости, что и выходные световые области волноводов нижней связки. Поэтому боковое излучение высотой 2 мм, вышедшее из центрального участка воронки, уменьшается до 1- миллиметрового бокового излучения посредством комбинации волноводов верхней и нижней связки. Весь свет от светодиодного кристалла эффективно преобразуется в очень тонкое 360-градусное кольцо света высотой в 1 мм или меньше. Конечно, могут получаться и другие высоты светового излучения.

Вышеописанная техника наполовину уменьшает высоту бокового излучения линзы предшествующего уровня техники по фиг.2.

Бóльшие диаметры линзы бокового излучения уменьшают угол конуса излучения. Обычно эти диаметры заключены между 0,5 см и 3 см.

В другом варианте исполнения верхние и нижние связки волноводов не являются прямоугольными, а имеют клинообразную форму, такую, что внешняя периферия светоизлучающей линзы не имеет зазоров между волноводами.

Над светодиодным кристаллом или над волноводами не требуется формирования никакого отражательного слоя (например, металлического слоя), поскольку все отражение происходит посредством полного внутреннего отражения.

Светодиод может иметь люминофорный слой, так чтобы линза с боковым излучением испускала белый свет для подачи его в 1-миллиметровый волновод для задней подсветки жидкокристаллического дисплея. Конструкция светодиода может быть вставлена в отверстие, выполненное в волноводе для оптической подачи света в волновод.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой вид сбоку простой конструкции светодиода с боковым излучением предшествующего уровня техники.

Фиг.2 представляет собой вид в поперечном сечении линзы предшествующего уровня техники, которая использует полное внутреннее отражение.

Фиг.3 представляет собой перспективный вид сверху одного варианта исполнения низкопрофильной линзы с боковым излучением в соответствии с одним вариантом исполнения настоящего изобретения.

Фиг.4 представляет собой вид сверху линзы по фиг.3.

Фиг.5 представляет собой вид сбоку линзы по фиг.3.

Фиг.6 представляет собой вид в поперечном сечении линзы по фиг.3, выполненном по линии 6-6 фиг.3.

Фиг.7 представляет собой вид в поперечном сечении линзы по фиг.3, выполненном по линии 7-7 фиг.3.

Фиг.8 представляет собой вид сверху другого варианта исполнения низкопрофильной линзы с боковым излучением.

Фиг.9 представляет собой вид сверху линзы по фиг.8.

Фиг.10 представляет собой вид сбоку линзы по фиг.8.

Фиг.11 представляет собой перспективный вид 1-миллиметрового полимерного волновода для задней подсветки небольшого жидкокристаллического дисплея, содержащего светодиод и линзу с боковым излучением по настоящему изобретению.

Фиг.12 представляет собой вид в поперечном сечении синего или ультрафиолетового светодиодного кристалла предшествующего уровня техники, имеющего люминофорное покрытие для излучения света любого цвета, такого как белый, который может быть использован с линзой бокового излучения.

Фиг.13 представляет собой вид в поперечном сечении светодиодного кристалла, имеющего диффузную стеклянную пластинку или люминофорную пластинку, который может быть использован с линзой бокового излучения.

На различных фигурах элементы, обозначенные одними и теми же ссылочными позициями, являются одинаковыми или подобными.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.3 иллюстрирует один вариант исполнения линзы 24 бокового излучения. Фиг.4 и фиг.5 представляют собой различные виды линзы 24. Фиг.6 представляет собой поперечное сечение по линии 6-6 фиг.3, а фиг.7 представляет собой поперечное сечение по линии 7-7 фиг.3. Фиг.5 показывает часть субопоры 14 или монтажную плату, продолжающуюся под линзой 24.

Как показано на фиг.6 и 7, центральный участок 26 линзы имеет симметричную воронкообразную форму с направленной вниз вершиной 28, центрированную относительно светодиодного кристалла 12, такую, что искривленная поверхность воронкообразной формы отражает внутрь по существу весь падающий на нее свет, обычно в стороны, вследствие того, что свет светодиода падает на поверхность линзы под углом, большим, чем критический угол. Может быть некоторая "утечка" света через центральный участок 26, но такая утечка должна быть менее 10% от всего света, испущенного основной поверхностью светодиодного кристалла 12. Внешняя стенка центрального участка 26 является цилиндрической.

Светодиодный кристалл 12 может быть смонтирован на субопоре 14 по фиг.1, которая, в свою очередь, может быть установлена на монтажной плате. Центральный участок 26 может быть кремниевым, выполненным из полимера или иного прозрачного материала, залитого в форме над светодиодным кристаллом 12, полностью инкапсулировав его. Таким инкапсулированием светодиодного кристалла 12, при котором залитый сверху центральный участок 26 сформирован из силикона с высоким показателем преломления, достигается хорошая передача света в этот центральный участок 26.

В варианте исполнения, показанном на фиг. 3-7, высота выхода света центрального участка равна 2 мм, а диаметр - около 5 мм. Могут использоваться также и другие размеры в зависимости от размера светодиодного кристалла 12. Бóльшие по ширине светодиодные кристаллы для достижения требуемой кривизны воронки, обеспечивающей полное внутреннее отражение, потребовали бы более толстый центральный участок 26. Боковое излучение обычно испускается из центрального участка 26 внутри угла в 30°, определенного как угол, в котором свет имеет половинную яркость по сравнению с яркостью света при 0°. Считается, что свет внутри такого угла по существу перпендикулярен главной поверхности светодиодного кристалла, поскольку наиболее яркая часть отраженного света испускается внутри узкого диапазона в районе угла в 0°.

Соответственно, в данном примере, свет будет выходить через внешнюю цилиндрическую стенку центрального участка 26 в виде узкого кольца толщиной 2 мм под узким углом. Чем больше диаметр центрального участка, тем уже угол излучения.

Затем вокруг нижней половины центрального участка 26 формируется радиальная группа прямоугольных волноводов 30 толщиной 1 мм, образующая нижнюю "связку" волноводов. Волноводы 30 могут быть сформированы литьем в форму непосредственно на центральный участок 26 или отформованы отдельно, а затем надстроены над центральным участком 26. Между центральным участком 26 и волноводами 30 даже может быть небольшой воздушный промежуток. Весь свет, испущенный нижней половиной центрального участка 26, оптически подается в волноводы 30, а волноводы 30 направляют этот свет из концов таких волноводов 30, как показано на фиг.3 и 7 световыми лучами 32. Волноводы 30 обычно бывают из того же самого прозрачного материала, который используется для формирования центрального участка 26. Для примера, для нижней связки волноводов показано восемь волноводов 30, но их может быть и больше, и меньше.

После этого вокруг верхней половины центрального участка 26 формируется вторая радиальная группа волноводов 34, имеющих постоянную толщину 1 мм, образующая верхнюю связку волноводов. Направленный под углом вниз участок 36 направляет все лучи, испущенные из верхней половины центрального участка 26, таким образом, чтобы они находились в той же самой плоскости, что и лучи, вышедшие из нижней связки волноводов 30. Такое направление света на фиг.3 и 6 показано световыми лучами 38. Волноводы 34 обычно бывают из того же самого прозрачного материала, который используется для формирования центрального участка 26. Волноводы 34 могут быть сформированы литьем в форму непосредственно над центральным участком 26 или отформованы отдельно, а затем надстроены над центральным участком 26. Между центральным участком 26 и волноводами 34 даже может быть небольшой воздушный промежуток. В данном примере для заполнения пространства между волноводами нижней связки 30 показано восемь волноводов 34. Количество волноводов 34 верхней связки такое же, что и количество волноводов 30 нижней связки.

Высота линзы 24 бокового излучения на выходе волноводов 30/34 всего 1 мм, так что весь свет может быть эффективно подан в волновод задней подсветки, имеющий толщину 1 мм или более. Общая площадь излучения цилиндрической стенки высотой 2 мм центрального участка 26 такая же, что и общая площадь излучения волноводов 30/34 высотой 1 мм. Увеличение диаметра линзы 24 бокового излучения сужает угол конуса испускания до получения плоского светового кольца в 360°.

Чтобы избежать образования каких-либо темных областей между областями выхода излучения волноводов 30 и 34, эти волноводы могут иметь клинообразную форму, как показано на фиг. 8-10. В таком случае выходная область излучения больше, чем область испускания центрального участка 26. Рис.8 показывает нижнюю связку волноводов 40 и верхнюю связку волноводов 42, где волноводы имеют наклоненный вниз участок 44. Работа этой конструкции такая же, как и работа, описанная применительно к фиг. 3-7. Высота выходного излучения линзы 46 бокового излучения по фиг. 8-10 (например, 1 мм) составляет около половины высоты центрального участка 26. Линза 46 может быть изготовлена таким же самым способом, что и линза 24 по фиг. 3-7.

Для светодиодных кристаллов, имеющих ширину менее чем примерно 1 мм, высота выхода излучения центрального участка 26 может быть менее чем 2 мм, а волноводы бокового излучения могут иметь высоту выхода излучения менее чем 1 мм.

Поскольку в обоих вариантах исполнения общая высота области выхода излучения волноводов больше или равна светоизлучающей области центрального участка 26, то этендю центрального участка 26 меньше или равна этендю волноводов, поэтому здесь нет потерь, обусловленных несоразмерностью стыкуемых областей. Вообще говоря, описанная здесь оптическая техника уменьшает высоту источника светового излучения без уменьшения области светоизлучения только лишь использованием полного внутреннего отражения.

Хотя линзы бокового излучения могут использоваться для многих целей, важным назначением является согласование бокового излучения с волноводом. Фиг.11 показывает прозрачный полимерный волновод 50, имеющий толщину в 1 мм. Линза 24 или 46 бокового излучения показана вставленной в отверстие в волноводе 50. Концы волноводов 30/34 в линзе бокового излучения могут упираться во внутреннюю стенку отверстия в волноводе 50 или же там может быть небольшой воздушный зазор. Центральный участок 26 линзы может быть выше или ниже волновода 50, если высота центрального участка 26 больше, чем толщина волновода 50. Волновод 50 по своей нижней поверхности может содержать расположенные под углом отражатели (или может быть выполненным шероховатым), чтобы перенаправлять весь свет в сторону верхней поверхности. Таким образом, верхняя поверхность волновода 50 испускает равномерный свет задней подсветки в жидкокристаллический дисплей. Кроме того, волновод 50 может быть использован для общего освещения или в некоторых иных целях.

Фиг.12 представляет собой вид в поперечном сечении структуры светоизлучающего диода, который сверху может быть залит линзой бокового излучения. Установленный на субопоре 14 светодиодный кристалл 52 может испускать синий или ультрафиолетовый свет. Светодиодный кристалл 52 закрывается люминофором 54, таким как алюмоиттриевый гранат или любая комбинация красного, зеленого или синего люминофоров, так что результирующее световое излучение может быть белым или любого другого цвета. В другом варианте исполнения никакого люминофора не используется, или же люминофор расположен на удалении, как, например, на линзе или с внешней стороны относительно линзы.

Фиг.13 представляет собой вид в поперечном сечении другой структуры светодиода, которая сверху может быть залита линзой бокового излучения. Установленный на субопоре 14 светодиодный кристалл 56 может испускать синий или ультрафиолетовый свет. Затем к верхней поверхности светодиодного кристалла 56 прикреплена пластина из диффузного стекла или люминофорная пластина 58, предназначенная для рассеяния выходящего света и/или изменения его длины волны.

В одном варианте исполнения подложка роста светодиодного кристалла удалена, и он имеет толщину менее 10 микрон. Любой люминофор или диффузное стекло над светодиодом может быть толщиной менее 0,5 мм. Обычный диапазон толщины светодиода не должен влиять на толщину линзы бокового излучения, которая, предпочтительно, отформована над этим светодиодом.

В то время как здесь были показаны и описаны конкретные варианты исполнения настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в них могут быть внесены изменения и модификации без отклонения от объема данного изобретения в его более широком смысле, поэтому приложенные пункты формулы изобретения в пределах определенного ими объема охватывают все такие изменения и модификации как соответствующие существу и объему настоящего изобретения.