СВЕТОДИОД С ПРЕССОВАННОЙ ДВУНАПРАВЛЕННОЙ ОПТИКОЙ
LIGHT-EMITTING DIODE WITH MOULDED BI-DIRECTIONAL OPTICS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к линзам для светодиодов (СИД) (LED) и, в частности, к двойным прессованным линзам, использующим два материала, имеющих различные показатели преломления, для формирования излучения света вперед и вбок.
Уровень техники
Подсветка для жидкокристаллических дисплеев (LCD) иногда формируется, используя прямоугольный пластмассовый световод (или волновод) с одним или более светодиодами, оптически соединенными с краем световода. Светодиоды могут содержать покрытие люминофором для создания белого света.
На фиг.1 представлен вид сверху на участок световода 10 для подсветки тремя идентичными светодиодами 12, оптически соединенными с краем световода 10. Каждый светодиод может содержать синий излучающий светодиодный кристалл 14 (например, светодиод на нитриде галлия, GaN), смонтированный на подложке 16, слой фосфорного люминофора (не показан) над кристаллом, чтобы ввести компоненты красного света и зеленого света для создания белого света, и куполообразную линзу 18. Линза 18 обычно является полусферической, так чтобы излучение света было диффузным. Линза формуется из пластмассы или силикона с высоким показателем преломления (n), для увеличения светоизлучения светодиодного кристалла 14, увеличивая критический угол на границе с кристаллом. Поэтому при использовании такой линзы 18 полное внутреннее отражение (TIR) внутри кристалла 14 снижается по сравнению с тем, когда светодиодный кристалл 14 не имеет никакой линзы и имеет границу перехода кристалл/воздух.
В световоде для подсветки, освещаемом многочисленными светодиодами вдоль его края, свет светодиода должен объединяться и смешиваться внутри световода, чтобы быть, в целом, однородным. Это смешивание происходит естественным образом по мере того, как свет от каждого светодиода рассеивается внутри световода и объединяется. Однако свет около края световода 10, в области 20 смешивания, неоднороден, поэтому участок световода 10 вблизи светодиодов 12 не используется для подсветки жидкокристаллического дисплея 24 (фиг.2). Лучи света (показанные как линии со стрелками) преломляются в направлении нормали, поскольку свет проходит из среды с низким n в среду с более высоким n, как, например, из воздушных зазоров, показанных на фиг.1, в пластмассовый (например, полиметилметакрилат, PMMA) световод 10. Это преломление увеличивает глубину области 20 смешивания вблизи края. Эта область смешивания добавляет подсветке ширину, что нежелательно. Одно из решений для уменьшения области смешивания состоит в уменьшении шага светодиодов, но это увеличивает стоимость.
На фиг.2 представлен вид сбоку подсветки, показанной на фиг.1, где видно, как световой луч 25 от светодиода 12, направленный на верхнюю поверхность световода 10 под углом больше критического, полностью внутренне отражается (TIR) от гладкой верхней поверхности световода 10. Такое полное внутреннее отражение важно, чтобы предотвратить неравномерное прохождение света через верхнюю поверхность. Световод 10 обычно имеет призмы 22 или обладает шероховатостью нижней поверхности, чтобы отражать свет вверх для равномерного прохождения через верхнюю поверхность для освещения жидкокристаллического дисплея 24.
Световод 10 должен быть достаточно толстым, чтобы принимать высокий процент света, излучаемого светодиодом, соединенным с его краем. Рефлектор вокруг светодиода может использоваться для направления бокового света от светодиода к краю световода, но такой рефлектор увеличивает занимаемый объем и стоимость.
Для светодиодов необходима оптика, которая оптически соединяет светодиодный кристалл с подсветкой так, чтобы область смешивания была короче и так, чтобы световод мог быть сделан более тонким без потери эффективности.
Сущность изобретения
Описывается двойная прессованная линза для светодиода. Внешняя линза сначала прессуется вокруг периферии светодиодного кристалла, причем внешняя линза формуется, используя силикон с относительно низким показателем преломления, таким как n=1,33-1,47. Форма внешней линзы определяет, главным образом, диаграмму направленности бокового излучения светодиода. Внутренняя линза затем прессуется внутри центрального отверстия внешней линзы, чтобы располагаться прямо над верхней поверхностью светодиодного кристалла, причем внутренняя линза изготавливается из силикона с более высоким показателем преломления, таким как n=1,54-1,76. Свет, излучаемый верхней поверхностью светодиодного кристалла, коллимируется внутренней линзой, так как внутри внутренней линзы существует полное внутреннее отражение благодаря ее показателю преломления, более высокому, чем показатель преломления внешней линзы. Внутренняя линза может иметь форму цилиндра, параболическую форму или другую форму, которая коллимирует, по существу, большую часть света, поступающего во внутреннюю линзу. Например, коллимированный свет, входящий в световод, может находиться под углом в пределах 28° от нормали. Свет от светодиодного кристалла, направленный на боковую стенку внутренней линзы под углом меньше критического угла для обеспечения полного внутреннего отражения, поступает на внешнюю линзу. Форма внешней линзы определяет диаграмму направленности бокового излучения света (например, пиковая интенсивность при угле 45° относительно нормали).
Верхняя поверхность двойной прессованной линзы может быть плоской, так что она может напрямую упираться в край пластмассового световода. Поэтому не существует никакого воздушного зазора (n=1), который мог бы заставить свет значительно преломляться в направлении нормали при входе в световод. Поэтому область смешивания внутри световода становится короче, позволяя использовать световоды меньших размеров. Дополнительно, диаграмма направленности бокового излучения, создаваемая внешней линзой, может быть приспособлена для конкретного применения световода (например, шаг светодиодов), чтобы обеспечить хорошее смешивание со светом от соседних светодиодов на краю или вблизи края световода, тем самым дополнительно сокращая область смешивания. Внутренняя линза коллимации создает более узкий пучок (по сравнению с куполообразной линзой), который, по сути, смешивается с другими коллимированными пучками более глубоко внутри световода, но свет ближе к краю уже является однородным благодаря смешиванию бокового света.
В другом варианте осуществления материал внешней линзы образует слой непосредственно на верхней поверхности кристалла, а материал внутренней линзы прессуется над этим слоем. Слой может обладать оптическими признаками, такими как вогнутая форма или рассеивание. Раскрываются различные другие конструкции линз.
Изобретение может также использоваться для применений, связанных с освещением, отличных от подсветок, где вертикальная диаграмма направленности излучения света (диаграмма коллимирования) и диаграмма направленности бокового излучения света могут определяться, по существу, независимо.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид сверху в поперечном сечении светодиода предшествующего уровня техники, оптически связанного с участком световода для подсветки жидкокристаллического дисплея.
Фиг.2 - вид сбоку в поперечном сечении световода для подсветки, показанного на фиг.1.
Фиг.3 - вид сбоку в поперечном сечении двойной прессованной линзы над светодиодным кристаллом в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг.4 - вид сверху в поперечном сечении участка световода для подсветки, оптически соединенного со светодиодом, показанным на фиг.3.
Фиг.5 - вид сверху в поперечном сечении участка световода для подсветки, показанного на фиг.4.
Фиг.6 - вид сбоку в поперечном сечении двойной прессованной линзы другой формы для создания диаграммы направленности коллимированного пучка и диаграммы направленности бокового светового излучения.
Фиг.7 - увеличенное изображение участка верхней поверхности светодиодного кристалла, показанного на фиг.6, и диаграмма направленности линзы, прессованной над поверхностью кристалла для рассеивания света, для формирования диаграммы направленности бокового светового излучения.
Фиг.8 - увеличенное изображение поперечного сечения верхней поверхности внутренней линзы, представленной на фиг.3 или 6, показывающее, что верхняя поверхность может иметь оптическую диаграмму направленности, сформованную для рассеивания света.
Фиг.9 - вид в поперечном сечении светодиода, показанного на фиг.6, оптически соединенного с участком световода для подсветки жидкокристаллического дисплея.
Фиг.10 - вид сбоку в поперечном сечении двойной прессованной линзы другой формы.
Фиг.11 - вид сбоку в поперечном сечении двойной прессованной линзы другой формы.
Фиг.12 - пример диаграммы направленности излучения светодиода, использующего двойную прессованную линзу, где диаграмма направленности фронтального светового излучения и диаграмма направленности бокового светового излучения могут быть сформированы индивидуально для конкретного применения.
Фиг.13 - первый этап прессования для формования внешней линзы.
Фиг.14 - второй этап прессования для формования внутренней линзы, которая, по меньшей мере, частично определяется формой внутренней поверхности внешней линзы, где показатель преломления материала, используемого для формования внутренней линзы, выше, чем показатель преломления материала, используемого для формования внешней линзы, чтобы добиться полного внутреннего отражения.
Фиг.15 - блок-схема последовательности выполнения операций, идентифицирующая различные этапы, используемые для формовки двойной прессованной светодиодной линзы в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
Одни и те же элементы или их эквиваленты обозначаются одними и теми же ссылочными позициями.
Подробное описание
Настоящее изобретение может использовать стандартные светодиодные кристаллы белого света, такие как AlInGaN синие светодиоды со слоем люминофора, изготавливаемые настоящим правопреемником. В приведенных здесь примерах для простоты используется перевернутый светодиодный кристалл. Примеры формования светодиодов описываются в патентах США № 6649440 и 6274399, оба переуступлены компании Philips Lumileds Lighting и включены сюда посредством ссылки. Слой люминофора над синим светодиодным кристаллом, который излучает компоненты красного и зеленого цвета, заставляет синий светодиод излучать белый свет. Формование керамических пластин люминофора описывается в патентной публикации США 20050269582, озаглавленной Luminescent Ceramic for a Light Emitting Diode, автор Герд Мюллер и др., включенной сюда посредством ссылки. Термин "светодиодный кристалл", как он используется здесь, содержит либо непокрытый кристалл, либо кристалл, имеющий покрытие люминофором или пластину люминофора.
На фиг.3 представлен традиционный перевернутый светодиодный кристалл 30, смонтированный на стандартной подложке 32. Подложка 32 может быть керамической, кремниевой или может быть выполнена из другого материала. Подложка 32 содержит верхние контактные площадки для прямого соединения с анодным и катодным металлическими контактами на нижней поверхности светодиодного кристалла 30. Контактные площадки на подложке 32 соединяются дорожками или перемычками с другими площадками, которые соединяются с выводной рамкой корпуса или с печатной платой. Крепление светодиодного кристалла к подложке описывается в патенте США № 7344902, автор Григорий Басин, озаглавленном Overmolded Lens Over LED Die, переуступленном настоящему правопреемнику и включенном сюда посредством ссылки.
Вокруг периферии светодиодного кристалла 30 прессуется внешняя линза 34, сформованная из силикона, имеющего относительно низкий показатель преломления (n) около 1,33. Могут использоваться и другие значения n, такие как приблизительно до 1,47. Такой материал коммерчески доступен. Процесс прессования оставляет во внешней линзе 34 центральное отверстие. Внутренняя линза 36 затем прессуется внутри внешней линзы 34, причем внутренняя линза 36 формуется из силикона с более высоким значением показателя преломления n=1,54-1,76. Такой материал коммерчески доступен. Так как форма внутренней линзы 36 частично определяется центральным отверстием внешней линзы 34, требование по допуску при прессовании снижается. В примере, показанном на фиг.3, внутренняя линза 36, по существу, формуется в виде параболической формы. Так как светодиодный кристалл 30 не является точечным источником, то не все области светодиодного кристалла находятся в фокусе параболической формы, так что свет, излучаемый из внутренней линзы 36, не будет полностью коллимированным. Так как n внутренней линзы 36 выше, чем n внешней линзы 34, будет происходить полное внутреннее отражение света, падающего под углом больше критического, определяемым законом Снелла. Форма внутренней линзы 36 и относительные значения n материалов линз определяют диаграмму направленности света, излучаемого внутренней линзой 36. На фиг.3 показан один световой луч 37.
Внешняя линза 34 может иметь форму, пригодную для создания любой диаграммы направленности света, который проходит через боковые стороны внутренней линзы 36.
2
Высота линзы 34/36 может составлять до 6 мм для светодиодного кристалла площадью 1 мм. Ширина всей линзы 34/36 зависит от требуемой диаграммы направленности излучения. Внутренняя линза 36 может иметь выходной диаметр, соответствующий трехкратной ширине светодиодного кристалла. Линза 34/36 может быть симметрична относительно центральной оси (иметь круговую форму), если смотреть сверху, или линза 34/36 может иметь прямоугольную форму, или другую асимметричную форму для лучшего смешивания света внутри световода.
На фиг.4 представлена плоская верхняя поверхность линзы 34/36, показанной на фиг.3, оптически соединенной с краем пластмассового (например, PMMA) световода 40 без воздушного зазора между ними. Тонкий слой силикона с высоким показателем преломления может крепить линзы к световоду 40 или наклонная кромка может заставить линзы прижиматься к краю световода 40. Поскольку никакой воздушной границы раздела нет (n=l), при входе в световод (n приблизительно равно 1,5) существует небольшое преломление света в направлении нормали, поэтому область 42 смешивания короче по сравнению с областью 20 смешивания, показанной на фиг.1. Также форма внутренней линзы 36 может быть спроектирована такой, чтобы обеспечить излучение в световод 40 в широком угле или в узком угле для достижения требуемого смешивания света. В одном варианте осуществления угол излучения по уровню половинной яркости из внутренней линзы 36 в световод 40 составляет приблизительно 28° от нормали, но угол может быть больше или меньше в зависимости от оптимального угла для смешивания. Боковой свет от внешних линз 36 соседних светодиодов, поступающий в световод 40, будет смешиваться перед краем или вблизи края, приводя в результате к короткой области 42 смешивания.
На фиг.5 представлен вид сбоку световода 40 на фиг.4, показывающий, как световые лучи, падающие под углом больше критического, полностью отражаются от верхней поверхности световода 40. Призмы 44 или другие светорассеивающие признаки на нижней поверхности световода 40 отражают свет вверх, чтобы он равномерно проходил сквозь верхнюю поверхность для освещения жидкокристаллического дисплея 46. Так как область 42 смешивания является короткой, край жидкокристаллического дисплея 46 может находиться ближе к краю световода 40, позволяя использовать световод 40 меньшего размера.
На фиг.6 представлен вид в поперечном сечении другой конструкции линзы, где силиконовая внутренняя линза 50 является, по существу, цилиндрической, а силиконовая внешняя линза 52 имеет, в целом, полусферическую форму для получения относительно широкой диаграммы направленности излучения. Внутренняя линза 50 имеет значение n, большее, чем значение n для внешней линзы 52, чтобы вызвать полное внутреннее отражение.
Во время процесса прессования трудно предотвратить образование слоя материала внешней линзы над верхней поверхностью светодиодного кристалла, так как хрупкий светодиодный кристалл не должен касаться самой пресс-формы. На фиг.7 представлен крупным планом участок светодиодного кристалла 30, показывающий, как этот тонкий слой материала внешней линзы над светодиодным кристаллом может содержать прессованные светорассеивающие формы 56, чтобы увеличить количество света, выходящего из внутренней линзы 50 во внешнюю линзу 52, заставляя большее количество света падать под углом меньше критического, чтобы пройти через боковую стенку внутренней линзы 50.
На фиг.8 представлено увеличенное поперечное сечение верхней поверхности внутренней линзы на фиг.3 или 6, показывающее, что верхняя поверхность может быть прессована так, чтобы иметь диаграмму 59 направленности, пригодную для рассеивания или перенаправления света. Поверхность может быть текстурирована разными способами для рассеивания или перенаправления света, такими как использование призм, выбоин, углублений, усеченных пирамид, случайной шероховатости или голограммы поверхностного рельефа. Шероховатость поверхности может также быть придана дробеструйной обработкой. Оптическое пленочное покрытие может также использоваться для перенаправления света.
На фиг.9 представлен светодиод 58, показанный на фиг.6, оптически соединенный с краем световода 60 для подсветки. Внутренняя линза 50, внешняя линза 52, шаг светодиодов 58 и другие факторы могут быть выбраны так, чтобы область смешивания внутри световода 60 для создания равномерного света была короткой.
На фиг.10 представлена внутренняя линза 64, имеющая выпуклую верхнюю поверхность для дополнительного управления фронтальным излучением. Материал 65 внешней линзы также прессуется, чтобы сформовать над верхней поверхностью светодиодного кристалла толстую область, влияющую на диаграммы направленности излучения в переднем и боковом направлениях. Материал 65 внешней линзы, лежащий над светодиодным кристаллом 30, имеет вогнутую форму, чтобы уменьшить полное внутреннее отражение световых лучей, обычно направленных вверх. Несколько световых лучей 66 показаны, чтобы продемонстрировать различные эффекты, создаваемые формами линзы. Придание линзам определенной формы может выполняться для улучшения равномерности света в световоде для подсветки и/или укорочения области смешивания света в световоде для подсветки. Альтернативно, придание определенной формы может делаться, чтобы добиться любой диаграммы направленности света для применения, не относящегося к подсветке, такого как применение в автомобильной отрасли.
На фиг.11 показан более толстый слой материала 52 внешней линзы над верхней поверхностью светодиодного кристалла для увеличения бокового излучения. Внутренняя линза 67 подобна той, которая показана на фиг.10.
На фиг.12 представлена симметричная по уровню половинной яркости диаграмма направленности 70 излучения светодиода с двойной прессованной линзой, показывающая диаграмму 72 направленности фронтального излучения, определяемую внутренней линзой, и диаграмму 74 направленности бокового излучения, определяемую внешней линзой. Формы диаграмм направленности фронтального и бокового излучения могут регулироваться, по существу, независимо, изменяя формы внутренней и внешней линз. В одном варианте осуществления пиковая интенсивность лепестков бокового излучения приходится на 45°-65° от нормали, а коллимированное фронтальное излучение обладает рассеиванием под углом 10°-35° относительно нормали в световоде, когда имеется соединение напрямую со световодом без воздушного зазора.
На фиг.13 и 14 представлен процесс двойного прессования с цельной подложкой. Светодиодный кристалл 30 монтируются на подложке 32, содержащей, возможно, сотни идентичных светодиодных кристаллов 30.
Пресс-форма 80 имеет выемки 81, соответствующие желаемой форме внешней линзы, располагающейся над каждым светодиодным кристаллом 30. Пресс-форма 80 предпочтительно изготавливается из металла, имеющего антипригарную поверхность или разделительный слой.
Выемки 81 пресс-формы заполняются жидкостью или умягченным твердоотверждаемым силиконом 84, имеющим показатель преломления, такой как 1,33.
Подложка 32 и пресс-форма 80 соединяются, и между периферией подложки 32 и пресс-формой 80 создается вакуумное уплотнение. Поэтому каждый светодиодный кристалл 30 оказывается вставленным в силикон 84, и силикон 84 находится под давлением.
Пресс-форма 80 затем нагревается приблизительно до 150 градусов по Цельсию (или до другой соответствующей температуры) и выдерживается в течение некоторого времени, чтобы силикон 84 затвердел.
Затем подложка 32 отделяется от пресс-формы 80. Силикон 84 может затем дополнительно отверждаться теплом или ультрафиолетовым светом. На фиг.14 показана полученная в результате внешняя линза 85 с тонким слоем над верхней поверхностью светодиодного кристалла 30, образованным за счет зазора между верхней поверхностью кристалла и твердой пресс-формой 80. В тонком слое могут быть сформованы светорассеивающие элементы (показаны на фиг.7).
На фиг.14 вторая пресс-форма 86 имеет выемки 88, которые в комбинации с внутренней поверхностью внешней линзы 85 используются для формования внутренней линзы. Выемки 88 в пресс-форме заполняются жидкостью или умягченным теплоотверждаемым силиконом 90, имеющим высокий показатель преломления, такой как 1,54-1,76. Подложка 32 и пресс-форма 86 соединяются друг с другом, как было описано ранее. Силикон 90 затем отверждается, и подложка 32 и пресс-форма 86 разделяются, чтобы получить в результате светодиоды, показанные на фиг.3. Все светодиоды на подложке 32 обрабатываются одновременно.
Подложка 32 затем нарезается, чтобы разделить светодиоды. Подложки со светодиодами затем могут монтировать на полоске печатной платы вместе с другими подложками светодиодов для использования при подсветке.
На фиг.15 представлена блок-схема последовательности выполнения операций, используемых для формования линз в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На этапе 92 оптимальная диаграмма направленности для коллимации и диаграмма направленности для бокового излучения определяются для каждого светодиода для конкретного применения, такого как частное применение для подсветки, и для шага светодиодов.
На этапе 93 форма внутренней линзы и форма внешней линзы для конкретного значения n силикона, используемого для линз, выбираются, чтобы достигнуть требуемых диаграмм направленности для коллимации и бокового излучения.
На этапе 94 внешние линзы одновременно прессуются по периферии всех светодиодных кристаллов, смонтированных на подложке, используя первую пресс-форму, содержащую первый силикон с высоким n. Материал внешней линзы может также герметизировать каждый светодиодный кристалл, обеспечивая слой над верхней поверхностью светодиодного кристалла.
На этапе 95 внутренние линзы коллимации затем одновременно прессуются над верхней поверхностью всех светодиодных кристаллов, смонтированных на подложке, используя вторую пресс-форму, содержащую второй силикон, имеющий более высокий n, чем первый силикон, таким образом, что внутри внутренней линзы имеет место полное внутреннее отражение. Стенки центрального отверстия во внешней линзе определяют боковые стенки внутренней линзы.
На этапе 96 светодиоды с двойными прессованными линзами оптически присоединяются непосредственно к краю световода для подсветки, где форма линз и показатели преломления силикона определяют смешивание света внутри световода. Светодиоды могут также использоваться для применения в автомобильной отрасли или для другого применения.
Для получения требуемой диаграммы направленности излучения может использоваться любая комбинация раскрытых форм внутренней и внешней линз. Все линзы могут быть симметричны относительно центральной оси, чтобы достигнуть, по существу, симметричной диаграммы направленности излучения, или могут быть асимметричны, чтобы достигнуть асимметричной диаграммы направленности излучения.
Хотя были показаны и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалистов в данной области техники должно быть очевидно, что могут быть сделаны изменения и модификации, не отступая от настоящего изобретения в его более широких аспектах, и поэтому приложенная формула изобретения должна охватывать в пределах ее объема все такие изменения и модификации, попадающие в пределах действительного объема и сущности настоящего изобретения.