专利名称：照明组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及将光耦合到光导内。本发明还涉及用于LCD(液晶显示器)的背光结 构。
背景技术：
当来自光源的光入射于平坦的非结构化光导上时，没有光耦合到光导内。某些光 将被反射(表示为所谓的菲涅尔反射)，且光的其余部分将通过光导透射。因此，在现有技 术中，当光要耦合到具有大体上呈板形结构的光导内时，在光导处采取特殊措施以允许光 源将光耦合到光导内。 举例而言，如果侧部发光的LED(发光二极管)用作光源，那么必须在光导的主表 面中做出孔或凹陷以允许将光源容纳于光导内的位置。为了提供这种孔或凹陷，光导必须 相对较厚，这导致光导具有相对较高的质量和体积。另外，光源在孔或凹陷中的最佳操作需 要光源与孔或凹陷的良好配准，这是复杂的。 在另一已知的结构中，LED被布置于光导的边缘以允许由LED发出的光与光导的
主表面成直角地进入光导的表面。同样，在这种布置中，光导必须相对较厚。 平面或板形光导可用作LCD (液晶显示器)背光的照明器，还可用作一般照明的照
明器。光在光导内通过TIR(全内反射)传输，且光通过本身已知的耦合输出器件，诸如漫
射器，从光导耦合输出。 发明目的 希望提供一种照明组件，其包括光源和光导，在该组件中，光导可为平面形或板形 (平坦，其中板形光导的各相对主表面基本上平行；或为楔形，其中板形光导的各相对主表
面成小角度)且非常薄。
发明内容
在本发明的一实施例中，提供一种照明结构，该照明结构包括发光的光源；具有 主表面的角滤光器(angular filter);以及具有主表面的光导。滤光器的主表面平行于光 导的主表面。在这种照明组件中，光导可被制成非常薄，从而减小其质量和体积。光源为发 出相对较窄波长范围的光的光源。这种光源的一种实例是LED。 在本说明书中，术语角滤光器可指下面这样的滤光器结构其反射以小角度相对 于滤光器主表面的法线方向进行入射的光线，且透射以较大角度相对于滤光器主表面的法 线方向进行入射的光线，或者其可指下面这样的滤光器结构其透射以小角度相对于滤光 器主表面的法线方向进行入射的光线，并反射以较大角度相对于滤光器主表面的法线方向 进行入射的光线。角滤光器可实施为二向色滤光器，其也可指二向色镜，或者光子晶体，或 者衍射元件阵列，或者其组合。 通过参考下文的具体描述和示出示范性实施例的附图，将会更好地理解权利要求 和优点，从而使权利要求和优点更易于了解，其中相同的附图标记表示相似部件。为了清楚
3起见，附图中的实施例的各个部件未按照比例绘制。
图1示意性地描绘了根据本发明的照明组件的第一实施例的截面。
图2示出作为波长的函数的发射和透射率曲线。
图3示出二向色滤光器的透射率与入射角关系曲线。 图4示出对于不同的入射角而言的、作为波长的函数的发射与若干透射率曲线。 图5示意性地描绘了根据本发明的照明组件的第二实施例的截面。 图6示意性地描绘了根据本发明的照明组件的第三实施例的截面。 图7示意性地描绘了根据本发明的照明组件的第四实施例的截面。 图8a示意性地描绘了根据本发明的照明组件的第五实施例的截面。 图8b示意性地描绘了根据本发明的照明组件的第六实施例的截面。
具体实施例方式
图1示意性地示出实施为LED 10的光源，其包括热导体11、光产生结构12和蓝 宝石结构13。通常，LED 10是通过M0CVD(有机金属化学气相沉积)在蓝宝石衬底(蓝宝 石结构13)上沉积诸如InGaN(光产生结构12)这样的III-V族半导体的层状结构而制成。 光产生结构12与蓝宝石结构13的组合提供有电触点且处于结合到热导体11上的倒装芯 片几何体(flip-chip geometry)中。 蓝宝石结构13被二向色滤光器14覆盖，二向色滤光器14即多层滤光器结构，其 反射以小角度相对于滤光器14主表面的法线方向行进的光线(该光线在光产生结构12中 产生并在蓝宝石结构13中透射)，且透射以较大角度相对于所述法线方向行进的光线。因 此，LED10的主表面与滤光器14的第一主表面成机械和光学接触。 与第一主表面相对的滤光器14的第二主表面与光导15的主表面成机械和光学接 触。 应当指出的是，部件之间的机械接触可以是直接的或间接的，诸如通过中间材料 层，诸如胶层。 还应当指出的是，照明组件的一部分的'主表面'意味着所述部分具有大于主表面 法向维度的沿着主表面的至少一个维度。 还应当指出的是蓝宝石结构13是可选的，且并非必需存在于照明组件中。在制造 照明组件的过程中，其可(例如)在施加二向色滤光器14之前从光产生结构12移除。在 那种情况下，二向色滤光器14可使其第一主表面与光产生结构12成机械和光学接触。
图1的照明组件包括LED 10、二向色滤光器14和光导15，该照明组件的功能如下 文所述。 二向色滤光器14被配置成反射由光产生结构12所发出的、在光导内与滤光器14 主表面的法线方向成小角度9力导的光，并且向光导15内透射以大于临界角9力导,临界的角
度e力导所发出的光。临界角e力导,临界是满足光导15中TIR(全内反射)的最小可能的角。
对于周围是空气的光导15而言，TIR意味着
e光导> e光导,临界 =asin(l/n光导) (1)
其中n光导是光导15的折射率。 通过斯涅尔定律和式(1)得出二向色滤光器14透射LED 10内相对于LED 10主
表面的法线方向成角度e，的光满足以下关系式(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发出并往回反射到LED 10的光有被再次吸收的可能性，要尽可能避免 这种可能性。由式(3)给出确保注入到光导15内的光线不能再次到达LED IO所需的光导 15的最小厚度t最小
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)
2tan(0光导，临界)
其中w是LED 10的有效宽度。 作为实例，LED的宽度w通常为lmm，且n力，通常为1. 5，意味着光导15的厚度可 小至t最小二 0. 6mm。 在上文中，二向色滤光器14已被描述为反射相对于滤光器主表面的法线方向的
角度小于临界角e力导,临界的光，且透射角度大于临界角e力导,临界的光。在下文中，将解释临
界角可随意选择。 参看图2，作为实例，在左边示出所测量的蓝LED的典型光谱(光强与光波长关 系)。图2还在右边示出假设的低通滤光器(即，滤光器使低于截止频率的频率成份通过， 或者等同地，滤光器使大于截止波长的波长成份通过)对于法向入射光的透射特征。假定 截止波长为A(0)，如图2所示。当光相对于滤光器的法线方向的入射角增加时，截止波长 入(0)将转变到更小的值。这种转变近似遵循以下关系式(4):
<formula>formula see original document page 5</formula>
(4) 在关系式(4)中，n，和n j^^分别是与滤光器接触的LED材料的折射率和滤光器 的平均折射率，且9是相对于法线方向的光入射角。将关系式(4)与如图2所示的所测量 的LED光谱组合，得到如图3所示的透射率与光在滤光器上的入射角e之间的关系。 [oo41] 作为实例，采取入(0) = 550nm，nLED= 1.8和!1滤光器=1.75。在图4中，再次示出如 图2所描绘的蓝LED的发射光谱，以及不同入射角e (0° 、15° 、30° 、45° 、60°和75° ) 的各种透射曲线。从发射曲线与透射曲线的重叠可看出对于O。与30°之间的入射角而 言，特定LED的光将被阻挡，而对于入射角大于30。，特别是45°至75°的入射角而言，特 定LED的光将被透射。实际上，如图4所示，在小角度处，滤光器反射光，而在较大角度处， 光被透射。应当指出的是所示出的数据适用于光的一个特定偏振状态。
在如图5所示的照明组件的一实施例中，二向色滤光器54光耦合到光导55，而安 装于热导体51上的LED 50与二向色滤光器54解耦(间隔开)。此处，二向色滤光器54被 设计成使其反射以小角度相对于滤光器主表面的法线方向行进的光线，而透射以较大角度相对于该法线方向行进的光线。LED 50被结构56包围，结构56的形状被优化以使得由LED 50发出的光能再次到达LED 50的可能性最小化。结构56具备内衬里57，其具有高(漫) 反射率，使得来自光源且由结构56的衬里57反射的光线进入滤光器54。这些措施用于减 小由二向色滤光器54反射的光线再次到达LED 50并由LED 50吸收的可能性。
在图6所示的照明组件的实施例中，安装于热导体61上的LED60在侧部发光的几 何体中使用，其中由LED 60发出的光线由镜67反射以对光线进行重定向，使得这些光线中 的大部分光线由耦合到光导65的二向色滤光器64透射，且在光导65内通过TIR捕获。此 处，二向色滤光器64被设计成使得其反射以小角度相对于滤光器主表面的法线方向行进 的光线，而透射以较大角度相对于该法线方向行进的光线。 在图7的所示的照明组件的实施例中，来自安装于热导体71上的各LED 70且由
二向色滤光器74透射到光导75的光的颜色可以改变。此处，二向色滤光器74被设计成使
得它们反射以小角度相对于滤光器主表面的法线方向行进的光线，而透射以较大角度相对
于该法线方向行进的光线。作为实例，耦合到光导75内的蓝光由设于光导75的主表面上的
图案化磷光体层78转变成白光。镜77位于磷光体层78的背离光导75的一侧。视情况，
重定向层79可用于使光进一步准直(例如)以避免照明器中的眩光。 在图8a所示的照明组件的实施例中，放置于热导体81上且耦合到二向色滤光器
84上的LED 80设有准直结构或者准直器86。 二向色滤光器84被设计成使得其透射以小
角度相对于滤光器主表面的法线方向行进的光线，而反射以较大角度相对于法线方向行进
的光线。反射光线被重复利用且具有以小角度通过滤光器的另外的可能性。因此，增强了
LED在前向方向(即，LED 80主表面的法线方向)中的亮度。滤光器84的主表面可平行于
或垂直于光导的主表面(未图示)，光导的主表面光耦合到准直器86。 在图8b所示的照明组件的一实施例中，二向色滤光器84放置于准直器86的背离
LED 80的端部。获得如根据图8a的实施例的类似效果。 作为二向色滤光器(在一个维度呈周期性的结构)的替代，可使用光子晶体(即， 在两个维度或三个维度中呈周期性的人造结构)。或者，作为二向色滤光器的替代，可使用 衍射元件的周期性阵列。光子晶体和衍射元件阵列允许与二向色滤光器具有相同的功能， 如在上文中在根据本发明的不同实施例中所解释的那样。 一般而言，使用用语"角滤光器" 来表示二向色滤光器、光子晶体或衍射元件阵列。 在本发明中，使用所谓的空腔效应，通过调节LED的层厚度使得LED呈现出强的偏 离法线的光线发射，使用这种LED允许较少的光被二向色滤光器往回重新反射到LED，导致 照明组件更高的效率。除LED之外，可使用其它光源。 如本文所用的用语"一"被定义为一个或多于一个。如本文所用的用语"多个"，被 定义为两个或多于两个。如本文所用的用语"另一"被定义为至少一个第二个或更多个。如 本文所用的用语"包含"和/或"具有"被定义为"包括"(即，开放式语言)。如本文所用的 用语"耦合"被定义为连接，但未必是直接连接且未必是机械连接。 虽然在本发明的优选实施例中描述和说明了本发明，但应理解在本发明的范畴内 可做出偏离优选实施例的变更，本发明并不限于本文所公开的细节。
权利要求
一种照明组件，其包括发光的光源；具有主表面的角滤光器；以及具有主表面的光导，其中所述滤光器的主表面平行于所述光导的主表面。
2. 根据权利要求1所述的照明组件，其中所述滤光器安装于所述光导的主表面上。
3. 根据权利要求1或2所述的照明组件，其中所述滤光器安装于所述光源上。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的照明组件，其中所述滤光器被配置成反射源自 所述光源的、以小角度相对于所述滤光器主表面的法线方向进行入射的光线，并透射源自 所述光源的、以较大角度相对于所述滤光器主表面的法线方向进行入射的光线。
5. 根据权利要求4所述的照明组件，其还包括漫射结构，其中来自所述光源且由所述漫射结构反射的光线进入所述滤光器。
6. 根据权利要求4所述的照明组件，其还包括镜结构，其中来自所述光源且被所述镜结构反射的光线进入所述滤光器。
7. 根据权利要求1至3中任一项所述的照明组件，其中所述滤光器被配置成透射源自 所述光源的、以小角度相对于所述滤光器主表面的法线方向进行入射的光线，并反射源自 所述光源的、以较大角度相对于所述滤光器主表面的所述法线方向进行入射的光线。
8. 根据权利要求7所述的照明组件，其还包括准直结构，其中源自所述光源且由所述 滤光器透射的光线进入所述准直结构。
9. 根据权利要求7所述的照明组件，其还包括准直结构，其中来自所述光源且由所述 准直结构透射的光线进入所述滤光器。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的照明组件，其中所述光源包括发光二极管。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的照明组件，其中所述滤光器包括二向色滤光器。
12. 根据权利要求1至10中任一项所述的照明组件，其中所述滤光器包括光子晶体。
13. 根据权利要求1至10中任一项所述的照明组件，其中所述滤光器包括衍射元件的 阵列。
14. 一种包括根据前述权利要求中任一项所述的照明组件的LCD背光结构。
15. —种将光耦合到光导内的方法，所述光导具有主表面，所述方法包括 产生光；在所述主表面处将所述光定向；以及过滤所述光以使得以小角度相对于所述光导主表面的法线方向进行入射的光线并不 进入所述光导，且使得以较大角度相对于所述光导主表面的法线方向进行入射的光线透射 到所述光导内。
全文摘要
一种照明组件，其具有发光光源、具有主表面的角滤光器和具有主表面的光导。该滤光器的主表面平行于该光导的主表面。该滤光器可被配置成反射源自光源的、以小角度相对于该滤光器主表面的法线方向进行入射的光线，且透射源自该光源的、以较大角度相对于该滤光器主表面的法线方向进行入射的光线。
文档编号F21V8/00GK101784837SQ200880103719
公开日2010年7月21日 申请日期2008年8月11日 优先权日2007年8月16日
发明者H·A·范普兰格, H·J·科尼利森, M·P·C·M·克林 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司