專利名稱：照明組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將光耦合到光導(dǎo)內(nèi)。本發(fā)明還涉及用于LCD(液晶顯示器)的背光結(jié) 構(gòu)。
背景技術(shù)：
當(dāng)來(lái)自光源的光入射于平坦的非結(jié)構(gòu)化光導(dǎo)上時(shí)，沒有光耦合到光導(dǎo)內(nèi)。某些光 將被反射(表示為所謂的菲涅爾反射)，且光的其余部分將通過(guò)光導(dǎo)透射。因此，在現(xiàn)有技 術(shù)中，當(dāng)光要耦合到具有大體上呈板形結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)內(nèi)時(shí)，在光導(dǎo)處采取特殊措施以允許光 源將光耦合到光導(dǎo)內(nèi)。 舉例而言，如果側(cè)部發(fā)光的LED(發(fā)光二極管)用作光源，那么必須在光導(dǎo)的主表 面中做出孔或凹陷以允許將光源容納于光導(dǎo)內(nèi)的位置。為了提供這種孔或凹陷，光導(dǎo)必須 相對(duì)較厚，這導(dǎo)致光導(dǎo)具有相對(duì)較高的質(zhì)量和體積。另外，光源在孔或凹陷中的最佳操作需 要光源與孔或凹陷的良好配準(zhǔn)，這是復(fù)雜的。 在另一已知的結(jié)構(gòu)中，LED被布置于光導(dǎo)的邊緣以允許由LED發(fā)出的光與光導(dǎo)的
主表面成直角地進(jìn)入光導(dǎo)的表面。同樣，在這種布置中，光導(dǎo)必須相對(duì)較厚。 平面或板形光導(dǎo)可用作LCD (液晶顯示器)背光的照明器，還可用作一般照明的照
明器。光在光導(dǎo)內(nèi)通過(guò)TIR(全內(nèi)反射)傳輸，且光通過(guò)本身已知的耦合輸出器件，諸如漫
射器，從光導(dǎo)耦合輸出。 發(fā)明目的 希望提供一種照明組件，其包括光源和光導(dǎo)，在該組件中，光導(dǎo)可為平面形或板形 (平坦，其中板形光導(dǎo)的各相對(duì)主表面基本上平行；或?yàn)樾ㄐ?，其中板形光?dǎo)的各相對(duì)主表
面成小角度)且非常薄。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，提供一種照明結(jié)構(gòu)，該照明結(jié)構(gòu)包括發(fā)光的光源；具有 主表面的角濾光器(angular filter);以及具有主表面的光導(dǎo)。濾光器的主表面平行于光 導(dǎo)的主表面。在這種照明組件中，光導(dǎo)可被制成非常薄，從而減小其質(zhì)量和體積。光源為發(fā) 出相對(duì)較窄波長(zhǎng)范圍的光的光源。這種光源的一種實(shí)例是LED。 在本說(shuō)明書中，術(shù)語(yǔ)角濾光器可指下面這樣的濾光器結(jié)構(gòu)其反射以小角度相對(duì) 于濾光器主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線，且透射以較大角度相對(duì)于濾光器主表面的法 線方向進(jìn)行入射的光線，或者其可指下面這樣的濾光器結(jié)構(gòu)其透射以小角度相對(duì)于濾光 器主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線，并反射以較大角度相對(duì)于濾光器主表面的法線方向 進(jìn)行入射的光線。角濾光器可實(shí)施為二向色濾光器，其也可指二向色鏡，或者光子晶體，或 者衍射元件陣列，或者其組合。 通過(guò)參考下文的具體描述和示出示范性實(shí)施例的附圖，將會(huì)更好地理解權(quán)利要求 和優(yōu)點(diǎn)，從而使權(quán)利要求和優(yōu)點(diǎn)更易于了解，其中相同的附圖標(biāo)記表示相似部件。為了清楚
3起見，附圖中的實(shí)施例的各個(gè)部件未按照比例繪制。


圖1示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的照明組件的第一實(shí)施例的截面。
圖2示出作為波長(zhǎng)的函數(shù)的發(fā)射和透射率曲線。
圖3示出二向色濾光器的透射率與入射角關(guān)系曲線。 圖4示出對(duì)于不同的入射角而言的、作為波長(zhǎng)的函數(shù)的發(fā)射與若干透射率曲線。 圖5示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的照明組件的第二實(shí)施例的截面。 圖6示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的照明組件的第三實(shí)施例的截面。 圖7示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的照明組件的第四實(shí)施例的截面。 圖8a示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的照明組件的第五實(shí)施例的截面。 圖8b示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的照明組件的第六實(shí)施例的截面。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地示出實(shí)施為L(zhǎng)ED 10的光源，其包括熱導(dǎo)體11、光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)12和藍(lán) 寶石結(jié)構(gòu)13。通常，LED 10是通過(guò)M0CVD(有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積)在藍(lán)寶石襯底(藍(lán)寶 石結(jié)構(gòu)13)上沉積諸如InGaN(光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)12)這樣的III-V族半導(dǎo)體的層狀結(jié)構(gòu)而制成。 光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)12與藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)13的組合提供有電觸點(diǎn)且處于結(jié)合到熱導(dǎo)體11上的倒裝芯 片幾何體(flip-chip geometry)中。 藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)13被二向色濾光器14覆蓋，二向色濾光器14即多層濾光器結(jié)構(gòu)，其 反射以小角度相對(duì)于濾光器14主表面的法線方向行進(jìn)的光線(該光線在光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)12中 產(chǎn)生并在藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)13中透射)，且透射以較大角度相對(duì)于所述法線方向行進(jìn)的光線。因 此，LED10的主表面與濾光器14的第一主表面成機(jī)械和光學(xué)接觸。 與第一主表面相對(duì)的濾光器14的第二主表面與光導(dǎo)15的主表面成機(jī)械和光學(xué)接 觸。 應(yīng)當(dāng)指出的是，部件之間的機(jī)械接觸可以是直接的或間接的，諸如通過(guò)中間材料 層，諸如膠層。 還應(yīng)當(dāng)指出的是，照明組件的一部分的'主表面'意味著所述部分具有大于主表面 法向維度的沿著主表面的至少一個(gè)維度。 還應(yīng)當(dāng)指出的是藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)13是可選的，且并非必需存在于照明組件中。在制造 照明組件的過(guò)程中，其可(例如)在施加二向色濾光器14之前從光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)12移除。在 那種情況下，二向色濾光器14可使其第一主表面與光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)12成機(jī)械和光學(xué)接觸。
圖1的照明組件包括LED 10、二向色濾光器14和光導(dǎo)15，該照明組件的功能如下 文所述。 二向色濾光器14被配置成反射由光產(chǎn)生結(jié)構(gòu)12所發(fā)出的、在光導(dǎo)內(nèi)與濾光器14 主表面的法線方向成小角度9力導(dǎo)的光，并且向光導(dǎo)15內(nèi)透射以大于臨界角9力導(dǎo),臨界的角
度e力導(dǎo)所發(fā)出的光。臨界角e力導(dǎo),臨界是滿足光導(dǎo)15中TIR(全內(nèi)反射)的最小可能的角。
對(duì)于周圍是空氣的光導(dǎo)15而言，TIR意味著
e光導(dǎo)> e光導(dǎo),臨界 =asin(l/n光導(dǎo)) (1)
其中n光導(dǎo)是光導(dǎo)15的折射率。 通過(guò)斯涅爾定律和式(1)得出二向色濾光器14透射LED 10內(nèi)相對(duì)于LED 10主
表面的法線方向成角度e，的光滿足以下關(guān)系式(2):
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)其中nLED是LED 10中的(有效)折射率。 由LED IO發(fā)出并往回反射到LED 10的光有被再次吸收的可能性，要盡可能避免 這種可能性。由式(3)給出確保注入到光導(dǎo)15內(nèi)的光線不能再次到達(dá)LED IO所需的光導(dǎo) 15的最小厚度t最小
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)
2tan(0光導(dǎo)，臨界)
其中w是LED 10的有效寬度。 作為實(shí)例，LED的寬度w通常為lmm，且n力，通常為1. 5，意味著光導(dǎo)15的厚度可 小至t最小二 0. 6mm。 在上文中，二向色濾光器14已被描述為反射相對(duì)于濾光器主表面的法線方向的
角度小于臨界角e力導(dǎo),臨界的光，且透射角度大于臨界角e力導(dǎo),臨界的光。在下文中，將解釋臨
界角可隨意選擇。 參看圖2，作為實(shí)例，在左邊示出所測(cè)量的藍(lán)LED的典型光譜(光強(qiáng)與光波長(zhǎng)關(guān) 系)。圖2還在右邊示出假設(shè)的低通濾光器(即，濾光器使低于截止頻率的頻率成份通過(guò)， 或者等同地，濾光器使大于截止波長(zhǎng)的波長(zhǎng)成份通過(guò))對(duì)于法向入射光的透射特征。假定 截止波長(zhǎng)為A(0)，如圖2所示。當(dāng)光相對(duì)于濾光器的法線方向的入射角增加時(shí)，截止波長(zhǎng) 入(0)將轉(zhuǎn)變到更小的值。這種轉(zhuǎn)變近似遵循以下關(guān)系式(4):
<formula>formula see original document page 5</formula>
(4) 在關(guān)系式(4)中，n，和n j^^分別是與濾光器接觸的LED材料的折射率和濾光器 的平均折射率，且9是相對(duì)于法線方向的光入射角。將關(guān)系式(4)與如圖2所示的所測(cè)量 的LED光譜組合，得到如圖3所示的透射率與光在濾光器上的入射角e之間的關(guān)系。 [oo41] 作為實(shí)例，采取入(0) = 550nm，nLED= 1.8和!1濾光器=1.75。在圖4中，再次示出如 圖2所描繪的藍(lán)LED的發(fā)射光譜，以及不同入射角e (0° 、15° 、30° 、45° 、60°和75° ) 的各種透射曲線。從發(fā)射曲線與透射曲線的重疊可看出對(duì)于O。與30°之間的入射角而 言，特定LED的光將被阻擋，而對(duì)于入射角大于30。，特別是45°至75°的入射角而言，特 定LED的光將被透射。實(shí)際上，如圖4所示，在小角度處，濾光器反射光，而在較大角度處， 光被透射。應(yīng)當(dāng)指出的是所示出的數(shù)據(jù)適用于光的一個(gè)特定偏振狀態(tài)。
在如圖5所示的照明組件的一實(shí)施例中，二向色濾光器54光耦合到光導(dǎo)55，而安 裝于熱導(dǎo)體51上的LED 50與二向色濾光器54解耦(間隔開)。此處，二向色濾光器54被 設(shè)計(jì)成使其反射以小角度相對(duì)于濾光器主表面的法線方向行進(jìn)的光線，而透射以較大角度相對(duì)于該法線方向行進(jìn)的光線。LED 50被結(jié)構(gòu)56包圍，結(jié)構(gòu)56的形狀被優(yōu)化以使得由LED 50發(fā)出的光能再次到達(dá)LED 50的可能性最小化。結(jié)構(gòu)56具備內(nèi)襯里57，其具有高(漫) 反射率，使得來(lái)自光源且由結(jié)構(gòu)56的襯里57反射的光線進(jìn)入濾光器54。這些措施用于減 小由二向色濾光器54反射的光線再次到達(dá)LED 50并由LED 50吸收的可能性。
在圖6所示的照明組件的實(shí)施例中，安裝于熱導(dǎo)體61上的LED60在側(cè)部發(fā)光的幾 何體中使用，其中由LED 60發(fā)出的光線由鏡67反射以對(duì)光線進(jìn)行重定向，使得這些光線中 的大部分光線由耦合到光導(dǎo)65的二向色濾光器64透射，且在光導(dǎo)65內(nèi)通過(guò)TIR捕獲。此 處，二向色濾光器64被設(shè)計(jì)成使得其反射以小角度相對(duì)于濾光器主表面的法線方向行進(jìn) 的光線，而透射以較大角度相對(duì)于該法線方向行進(jìn)的光線。 在圖7的所示的照明組件的實(shí)施例中，來(lái)自安裝于熱導(dǎo)體71上的各LED 70且由
二向色濾光器74透射到光導(dǎo)75的光的顏色可以改變。此處，二向色濾光器74被設(shè)計(jì)成使
得它們反射以小角度相對(duì)于濾光器主表面的法線方向行進(jìn)的光線，而透射以較大角度相對(duì)
于該法線方向行進(jìn)的光線。作為實(shí)例，耦合到光導(dǎo)75內(nèi)的藍(lán)光由設(shè)于光導(dǎo)75的主表面上的
圖案化磷光體層78轉(zhuǎn)變成白光。鏡77位于磷光體層78的背離光導(dǎo)75的一側(cè)。視情況，
重定向?qū)?9可用于使光進(jìn)一步準(zhǔn)直(例如)以避免照明器中的眩光。 在圖8a所示的照明組件的實(shí)施例中，放置于熱導(dǎo)體81上且耦合到二向色濾光器
84上的LED 80設(shè)有準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)或者準(zhǔn)直器86。 二向色濾光器84被設(shè)計(jì)成使得其透射以小
角度相對(duì)于濾光器主表面的法線方向行進(jìn)的光線，而反射以較大角度相對(duì)于法線方向行進(jìn)
的光線。反射光線被重復(fù)利用且具有以小角度通過(guò)濾光器的另外的可能性。因此，增強(qiáng)了
LED在前向方向(即，LED 80主表面的法線方向)中的亮度。濾光器84的主表面可平行于
或垂直于光導(dǎo)的主表面(未圖示)，光導(dǎo)的主表面光耦合到準(zhǔn)直器86。 在圖8b所示的照明組件的一實(shí)施例中，二向色濾光器84放置于準(zhǔn)直器86的背離
LED 80的端部。獲得如根據(jù)圖8a的實(shí)施例的類似效果。 作為二向色濾光器(在一個(gè)維度呈周期性的結(jié)構(gòu))的替代，可使用光子晶體(即， 在兩個(gè)維度或三個(gè)維度中呈周期性的人造結(jié)構(gòu))。或者，作為二向色濾光器的替代，可使用 衍射元件的周期性陣列。光子晶體和衍射元件陣列允許與二向色濾光器具有相同的功能， 如在上文中在根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例中所解釋的那樣。 一般而言，使用用語(yǔ)"角濾光器" 來(lái)表示二向色濾光器、光子晶體或衍射元件陣列。 在本發(fā)明中，使用所謂的空腔效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)LED的層厚度使得LED呈現(xiàn)出強(qiáng)的偏 離法線的光線發(fā)射，使用這種LED允許較少的光被二向色濾光器往回重新反射到LED，導(dǎo)致 照明組件更高的效率。除LED之外，可使用其它光源。 如本文所用的用語(yǔ)"一"被定義為一個(gè)或多于一個(gè)。如本文所用的用語(yǔ)"多個(gè)"，被 定義為兩個(gè)或多于兩個(gè)。如本文所用的用語(yǔ)"另一"被定義為至少一個(gè)第二個(gè)或更多個(gè)。如 本文所用的用語(yǔ)"包含"和/或"具有"被定義為"包括"(即，開放式語(yǔ)言)。如本文所用的 用語(yǔ)"耦合"被定義為連接，但未必是直接連接且未必是機(jī)械連接。 雖然在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中描述和說(shuō)明了本發(fā)明，但應(yīng)理解在本發(fā)明的范疇內(nèi) 可做出偏離優(yōu)選實(shí)施例的變更，本發(fā)明并不限于本文所公開的細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
一種照明組件，其包括發(fā)光的光源；具有主表面的角濾光器；以及具有主表面的光導(dǎo)，其中所述濾光器的主表面平行于所述光導(dǎo)的主表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明組件，其中所述濾光器安裝于所述光導(dǎo)的主表面上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的照明組件，其中所述濾光器安裝于所述光源上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的照明組件，其中所述濾光器被配置成反射源自 所述光源的、以小角度相對(duì)于所述濾光器主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線，并透射源自 所述光源的、以較大角度相對(duì)于所述濾光器主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的照明組件，其還包括漫射結(jié)構(gòu)，其中來(lái)自所述光源且由所述漫射結(jié)構(gòu)反射的光線進(jìn)入所述濾光器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的照明組件，其還包括鏡結(jié)構(gòu)，其中來(lái)自所述光源且被所述鏡結(jié)構(gòu)反射的光線進(jìn)入所述濾光器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的照明組件，其中所述濾光器被配置成透射源自 所述光源的、以小角度相對(duì)于所述濾光器主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線，并反射源自 所述光源的、以較大角度相對(duì)于所述濾光器主表面的所述法線方向進(jìn)行入射的光線。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明組件，其還包括準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，其中源自所述光源且由所述 濾光器透射的光線進(jìn)入所述準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明組件，其還包括準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，其中來(lái)自所述光源且由所述 準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)透射的光線進(jìn)入所述濾光器。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的照明組件，其中所述光源包括發(fā)光二極管。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的照明組件，其中所述濾光器包括二向色濾光器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的照明組件，其中所述濾光器包括光子晶體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的照明組件，其中所述濾光器包括衍射元件的 陣列。
14. 一種包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的照明組件的LCD背光結(jié)構(gòu)。
15. —種將光耦合到光導(dǎo)內(nèi)的方法，所述光導(dǎo)具有主表面，所述方法包括 產(chǎn)生光；在所述主表面處將所述光定向；以及過(guò)濾所述光以使得以小角度相對(duì)于所述光導(dǎo)主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線并不 進(jìn)入所述光導(dǎo)，且使得以較大角度相對(duì)于所述光導(dǎo)主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線透射 到所述光導(dǎo)內(nèi)。
全文摘要
一種照明組件，其具有發(fā)光光源、具有主表面的角濾光器和具有主表面的光導(dǎo)。該濾光器的主表面平行于該光導(dǎo)的主表面。該濾光器可被配置成反射源自光源的、以小角度相對(duì)于該濾光器主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線，且透射源自該光源的、以較大角度相對(duì)于該濾光器主表面的法線方向進(jìn)行入射的光線。
文檔編號(hào)F21V8/00GK101784837SQ200880103719
公開日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2008年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月16日
發(fā)明者H·A·范普蘭格, H·J·科尼利森, M·P·C·M·克林 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司