ПЛАНАРНЫЙ ВОЛНОВОД
PLANAR WAVEGUIDE

Изобретение относится к вводу излучения в планарный волновод, рассчитанный в приближении геометрической оптики, и может быть использовано для ввода света в планарный волновод с одной из его сторон для создания световых панелей, устройств освещения, плоских фар, подсветок панелей приборов и ЖК экранов.
Также для ввода света в планарный волновод используются дифракционные решетки (Патент США US 7181108 В2 от 20.02.2007, G02B 6/34, аналог). Свет от источника падает под заданным углом на дифракционную решетку, нанесенную на широкую грань волновода (нижнюю сторону) и далее распространяется в волноводе.
Недостатком данного метода является ограниченная дифракционной решеткой эффективность ввода света, сложность ввода белого света в волновод, небольшой разброс углов падения света от источника.
Для ввода света в волновод через широкую грань используют голографические структуры (Патент США №5745266 от 28.04.1998, G03H 1/00, прототип). Для перпендикулярного падения света от нити накаливания лампы или иного источника света на дифракционный оптический элемент используют параболический рефлектор.
Однако с помощью такого устройства можно ввести свет в волновод, который будет распространяться линейно. Данная схема не предназначена для радиального распространения света и имеет ограничения на диапазон углов падения света от источника.
Данное изобретение свободно от указанных выше недостатков.
В основу изобретения поставлена задача получить равномерное радиальное распространение света, введенного в планарный волновод с максимальной эффективностью.
Этого удалось достичь за счет того, что излучение вводится в планарный волновод, содержащий в нижней части конусный вырез высотой h<H, где Н - толщина волновода, причем излучение вводится радиально симметрично и распространяется от конусного выреза к краям волновода, а соосно конусному вырезу в нижней части волновода выполнен дополнительный конусный вырез в верхней части волновода, при этом сумма высот конусных вырезов сверху и снизу волновода меньше толщины волновода, а на верхний конусный вырез нанесено зеркальное покрытие.
На Фиг.1 приведена схема устройства волновода для ввода в него излучения, толщина которого больше размера источника света (светящегося тела LED).
На Фиг.2 приведена схема устройства волновода с двумя конусными вырезами для большей эффективности ввода света для низких показателей преломления волновода.
На Фиг.3 представлен внешний вид волновода в разрезе при выполнении в нем двух соосных конусов.
На схеме устройства Фиг.1 в волноводе толщиной Н просверлено коническое отверстие с телесным углом θ глубиной h, начальным диаметром D. Показатель преломления в волокне n. Диаметр отверстия D зависит от размера светящегося тела LED.
Излучение вводится радиально симметрично и распространяется от конусного выреза к краям волновода. Устройство позволяет ввести в волновод белый свет от LED, имеющий ламбертовскую диаграмму направленности выходящего света.
c
В таблице приведены параметры одноконусной схемы при различных показателях преломления волновода. Значение η - КПД ввода излучения в процентах от полной энергии LED. При расчетном показателе преломления все выходящее из LED излучение вводится в волновод или отражается обратно в сторону LED, никакое излучение не проходит наружу из волновода вверх (Фиг.1). n - расчетный показатель преломления, для которого схема ввода работает оптимально, n - показатель преломления, для которого рассчитано значение η. Здесь и далее закрашенные серым цветом ячейки в столбце η указывают на выход излучения в области ввода сверху волновода. Незакрашенные ячейки η свидетельствуют о том, что никакое излучение не выходит сверху волновода в области ввода.
Таблица
Зависимость параметров отверстия в волноводе от показателя преломления.
n<sub>c</sub>
n
h, mm
θ, °
η, %
1.5
1.5
4.82D
12
99.5
1.4
86.5
1.29
63.9
1.6
1.6
2.47D
23
99.55
1.5
94.3
1.4
79.2
1.29
59.5
1.68
1.68
1.69D
33
99.0
1.6
96.8
1.5
86.12
1.4
71.5
1.29
52.7
Данные, приведенные в таблице, справедливы для любой толщины волновода H>h.
Результаты работы устройства на Фиг.1 можно улучшить, если изменить верхнюю поверхность волновода в месте ввода света. На Фиг.2 и Фиг.3 показано устройство двухконусной схемы ввода света в волновод.
Планарный волновод на Фиг.2 имеет КПД ввода света более 98% при показателе преломления волновода более 1.5. При этом введенное излучение не выходит из волновода и распространяется исключительно под углами полного внутреннего отражения внутри волновода, начиная с показателя преломления n=1.6.
Нанесение зеркального покрытия на верхний конус еще улучшает результат для показателей преломления менее 1.5.
В случае более толстого волновода легче получить лучший результат. Например, возможно получить эффективность ввода света в волновод более 98% без нежелательного выхода света из волновода в области ввода для показателя преломления волновода от 1.29 и выше.
При расчете одноконусной схемы в таблице был взят малый запас угла θ (1°), и как следствие, глубина отверстия h минимальна. Поэтому если конус будет создан сверлением волновода, необходимо обратить внимание на гладкость поверхности конуса - шероховатости по оси Y (кольцевые полоски после некачественного сверла) могут привести к выходу излучения сверху волновода при эксплуатации схемы на расчетных показателях преломления и высоты h. Если угол при бугорках шероховатости составит 0.5° и более, рекомендуется уменьшить угол θ и, как следствие, увеличить глубину конуса h. Небольшая шероховатость на поверхности конуса в плоскости XZ (канавки вдоль оси конуса) не критична.
В обоих схемах светящаяся поверхность LED была взята в нижней плоскости волновода.
При взятии LED квадратной формы излучение в волновод вводится одинаково равномерно по всем направлениям в плоскости XZ.