CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a lentes para diodos emissores de luz (LEDs) e, em particular, a uma lente moldada em dobro que usa dois materiais dotados de diferentes índices de refração para a moldagem da emissão luminosa frontal e lateral.
HISTÓRICO
Os backlights para displays de cristal líquido (LCDs) são às vezes formados usando uma guia de onda plástica retangular (ou guia de luz) , com um ou mais LEDs acoplados oticamente a uma borda da guia de onda. Os LEDs podem incluir um revestimento de fósforo para a criação de luz branca.
g A Fig. 1 é; uma vista de cima para baixo de uma parte de uma guia de onda de backlight 10 com três LEDs idênticos 12 acoplados oticamente a uma borda da guia de onda lOL.^Cada LED pode compreender uma matriz^LED de emissão azul_ 14 (por exemplo, um LED GaN) montado em um sub-apoio 16, uma camada de fósforo (não mostrado) na matriz para contribuir com as componentes luminosas vermelha e verde para criar luz branca, e uma lente em domo 18. A lente 18 é tipicamente hemisférica, de maneira que a emissão luminosa é Lambertiana. A lente é formada por um plástico ou silicone com alto índice de refração (n) para aumentar a extração luminosa da matriz LED 14, aumentando o ângulo crítico na interface da matriz. Portanto, usando esta lente 18, é reduzida a reflexão interna total (TIR) no interior da matriz 14 quando comparada caso a ’ matriz LED 14 não tivesse lente e tivesse uma interface matriz/ar.
Em uma guia de onda de backlight iluminado por múltiplos LEDs ao longo de sua borda, a luz do LED deve fundir e misturar no interior da guia de onda, de maneira a
2/13 estar geralmente uniforme. Esta mistura ocorre naturalmente quando a luz de cada LED se difunde dentro da guia de onda e se incorpora. Entretanto, a luz perto da borda da guia de onda 10, na região da mistura 20, não é uniforme, de maneira 5 5 que parte da guia de onda 10 perto dos LEDs 12 não é usada para contrai luminar um LCD 24 (Fig. 2) . Os raios luminosos (mostrados nas linhas com flechas) são refratados na direção da normal quando a luz percorre de um n inferior para um n superior, como a partir dos vãos de ar da Fig. 1 para a (por 10 exemplo, PMMA) guia de onda plástica 10. Esta refração aumenta a profundidade da região da mistura 20 perto da borda. Esta região da mistura aumenta a largura do backlight, o que é indesejável. Uma solução para encurtar a região da mistura é reduzir o passo dos LEDs, mas isto se torna mais caro. - ________
A Fig. 2 ilustra uma vista lateral do backlight da Fig. 1 mostrando como um raio luminoso 25 de um LED 12 que atinge a superfície superior^ da_ guia de onda - 10-em-ângulo maior que o ângulo crítico é totalmente refletido 20 internamente pela suave superfície superior da guia de onda 10. Este TIR é importante para evitar um vazamento luminoso não uniforme pela superfície superior. A guia de onda 10 tem tipicamente prismas 22 que tornam áspera a superfície do fundo de maneira a refletir a luz para cima de maneira a 25 vazar de forma uniforme pela superfície superior de forma a iluminar um LCD 24.
, A guia de onda 10 deve ser suficientemente espessa para receber uma alta porcentagem da luz emitida pelo LED * acoplado à sua borda. Pode ser usado um refletor à volta dos
0 LEDs para direcionar a luz lateral dos LEDs na direção da borda da guia de onda, porém este refletor precisa de espaço e adiciona custos.
O necessário é ótica para os LEDs que acoplam
3/13 oticamente uma matriz LED a um backlight, de maneira que a região da mistura seja mais curta, de maneira que a guia de onda possa ser mais fina sem perder a eficiência.
SUMÁRIO
Ê revelada uma lente moldada em dobro para um LED.
Uma lente externa é primeiro moldada à volta da periferia de uma matriz LED, onde a lente externa é formada usando silicone com um índice de refração relativamente baixo como n=l,33-l,47. A forma da lente externa determina primariamente 10 o padrão de emissão lateral do LED. É moldada então uma lente interna dentro da abertura central da lente externa, para estar diretamente sobre a superfície superior da matriz LED, onde a lente interna é formada por um silicone de maior índice, como n=l,54-l,76. A luz emitida pela superfície 15 superior da matriz LED é colimada por_uma lente interna, já que existe TIR dentro da lente interna devido a seu índice de refração ser maior que o da lente externa. A lente interna pode formar uma forma cilíndrica, parabólica—ou outra forma que colime substancialmente a maioria da luz que entra na
0 lente interna. Por exemplo, a luz colimada que entra na guia de onda pode estar dentro de 28° a partir da normal. A luz da matriz LED que atinge a parede lateral da lente interna em ângulo menor que o ângulo crítico para TIR é transmitida para a lente externa. O formato da lente externa determina o 25 padrão de emissão lateral da luz (por exemplo, intensidade de pico em 45° da normal).
A superfície superior da lente moldada em dobro pode ser plana, de maneira que possa tocar diretamente uma borda de uma guia de onda plástica. Portanto, não existe vão
0 de ar (n=l) que faça com que a luz refrate substancialmente na normal ao entrar na guia de onda. Portanto, a região da mistura dentro da guia de onda é mais curta, permitindo o uso de guias de ondas menores. Além disso, o padrão de emissão
4/13 lateral criado pela lente externa pode ser dimensionado para uma determinada aplicação de guia de onda (por exemplo, passo do LED) para proporcionar uma boa mistura com a luz a partir dos LEDs adjacentes na borda ou perto da borda da guia de onda, de maneira que a região da mistura seja mais encurtada. A lente interna colimadora cria um feixe mais estreito (comparado com uma lente em domo) que seja misturado de forma inerente com outros feixes colimados de forma mais profunda na guia de onda, mas a luz mais próxima à borda já é uniforme devido à mistura da luz lateral.
Em outra configuração, o material da lente externa forma uma camada diretamente na superfície superior da matriz, e o material da lente interna é moldado sobre esta camada. A camada pode incluir características óticas como um formato côncavo ou características de dispersão. São revelados vários outros projetos de lente.
A invenção também pode ser usada para aplicações luminosas diferentes de backlights, onde o padrão vertical de emissão luminosa (padrão de colimação) e o padrão luminoso de emissão lateral podem ser especificados de forma substancialmente independente.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Fig. 1 é uma vista transversal de cima para baixo da técnica anterior dos LEDs acoplados oticamente a uma parte da guia de onda de backlight de um LCD.
A Fig. 2 é uma vista em seção transversal lateral da guia de onda de backlight da Fig. 1.
A Fig. 3 é uma vista em seção transversal lateral de uma lente moldada em dobro em uma matriz LED de acordo com uma configuração da invenção.
A Fig. 4 é uma vista em seção transversal de cima para baixo de uma parte de uma guia de onda de backlight acoplada oticamente ao LED da Fig. 3.
5/13
A Fig. 5 é uma vista em seção transversal lateral da guia de onda de backlight da Fig. 4.
A Fig. 6 é uma vista em seção transversal lateral de outra forma de lente moldada em dobro para a criação de um 5 padrão de feixe colimador e um padrão de emissão de luz lateral.
A Fig. 7 é uma vista de perto de uma parte da superfície superior da matriz LED da Fig. 6 e um padrão de lente moldada na superfície da matriz para a dispersão de luz 10 na forma do padrão de emissão de luz lateral.
A Fig. 8 é uma vista transversal de perto da superfície superior de uma lente interna da Fig. 3 ou 6, ilustrando que a superfície superior pode ter um padrão ótico moldado em si para a dispersão da luz.
A Fig. 9 é uma vista, transversal _do LED da Fig.- 6 acoplado oticamente a uma parte da guia de onda de backlight para um LCD.
A Fig. 10 é uma vista em seção transversal- lateral de outra forma de lente moldada em dobro.
A Fig. 11 é uma vista em seção transversal lateral de outra forma de lente moldada em dobro.
A Fig. 12 ilustra um padrão de emissão de amostra de um LED usando a lente moldada em dobro, onde o padrão de emissão luminosa frontal e o padrão de emissão de luz lateral 25 podem ser dimensionados individualmente para uma determinada aplicação.
A Fig. 13 ilustra uma primeira etapa de moldagem para a formação da lente externa.
A Fig. 14 ilustra uma segunda etapa de moldagem 3 0 para a formação da lente interna, que é pelo menos parcialmente definida pela forma da superfície interna da lente externa, onde o índice de refração do material usado para formar a lente interna é maior que o índice de refração
6/13 do material usado para formar a lente externa para obter o TIR.
A Fig. 15 é um fluxograma que identifica as várias etapas usadas para formar a lente LED moldada em dobro de 5 acordo com uma configuração da invenção.
Os elementos que são os mesmos ou equivalentes são identificados pelo mesmo número.
DESCRIÇÃO DETALHADA
A presente invenção pode usar matrizes LED de luz branca convencional, como LEDs azuis AlInGaN com uma camada de fósforo, fabricados pelo presente cessionário. Para simplicidade é usada nos presentes exemplos uma matriz LED tipo flip-chip. Os exemplos de LEDs de formação são descritos nas Patentes Norte-americanas Nos. 6,649,440 e 6,274,399, ambas da Philips Lumileds Lighting e incorporadas á presente por referência. A camada de fósforo sobre a matriz LED azul que emite componentes de cores vermelha e verde faz o LED emitir luz branca. _A formação de. placas.cerâmicas de-fósforo é descrita na publicação da Patente Norte-americana
20050269582, denominada Cerâmica Luminescente para um Diodo
Emissor de Luz, por Gerd Mueller et al. , incorporada à presente por referência. Como usado na presente, o termo matriz LED compreende uma matriz nua ou uma matriz com um revestimento de fósforo ou placa de fósforo.
A Fig. 3 mostra uma matriz LED tipo flip-chip convencional 30 montada em um sub-apoio convencional 32. O sub-apoio 32 pode ser cerâmico, de sílica ou outro material.
O sub-apoio 32 contém coxins superiores de ligação para ligação direta aos contatos metálicos anodo e catodo na superfície do fundo da matriz LED 30. Os coxins de ligação no sub-apoio 32 são conectados por traços ou por meio de outros coxins que se ligam a um quadro de bornes de um pacote ou a uma placa de circuitos. A ligação de uma matriz LED a um sub
7/13 apoio é descrita na Patente Norte-americana no. 7,344,902, de Grigoriy Basin, denominada Lentes Sobremoldadas em uma Matriz LED, indicada ao presente cessionário e incorporada à presente por referência.
À volta da periferia da matriz LED 30 é moldada uma lente externa 34 formada por silicone tendo um índice de refração relativamente baixo (n) cerca de 1,33. Podem ser usados outros valores de n, como até cerca de 1,47. Este material é disponível comercialmente. O processo de moldagem 10 deixa uma abertura central na lente externa 34. É então moldada uma lente interna 36 dentro da lente externa 34, onde a lente interna 3 6 é formada de silicone com um valor superior de índice de n=l,54-l,76. Este material é disponível comercialmente. Como a forma da lente interna 36 é 15 parcialmente determinada Ρθΐθ· abertura, central da lente externa 34, a tolerância de moldagem é suavizada. No exemplo da Fig. 3, a lente interna 36 faz substancialmente um formato parabólico. Como a. .matriz , LED. 30-não é-uma fonte “pontual, todas as áreas da matriz LED não estão no ponto focal do
0 formato parabólico, de maneira que a luz emitida pela lente interna 3 6 não seja perfeitamente colimada. Como o n da lente interna 36 é maior que o n da lente externa 34, haverá TIR de luz incidente em ângulo maior que o ângulo crítico, determinado pela lei de Snell. O formato da lente interna 36 25 e os valores n relativos dos materiais da lente determinam o padrão luminoso emitido pela lente interna 36. Ê mostrado um raio luminoso 37.
A lente externa 34 pode ser conformada para criar qualquer padrão de emissão luminosa que passe pelos lados da 30 lente interna 36.
A altura da lente 34/36 pode ser de até 6mm para uma matriz LED de lmm2. A largura da lente total 34/36 depende do padrão desejado de emissão. A lente interna 36
8/13 pode ter um diâmetro de saída de até três vezes a largurada matriz LED. A lente 34/3 6 pode ser simétrica em relaçãoao eixo central (ter formato circular), como vista de cima, ou a lente 34/3 6 pode ter um formato retangular ou outra forma assimétrica para melhor misturar a luz dentro da guiade onda.
A Fig. 4 ilustra a superfície superior plana das lentes 34/36 da Fig. 3 acopladas oticamente a uma borda de uma guia de onda 4 0 plástica (por exemplo, PMMA) sem vão de 10 ar intermediário. Uma fina camada de silicone de alto índice pode fixar as lentes à guia de onda 40, ou um bisel pode fazer com que as lentes toquem a borda da guia de onda 40. Como não existe interface de ar (n=l), existe pouca refração da luz na direção normal ao entrar na guia de onda (n= aprox.
_1,5)_; portanto, a_ região da mistura 42 -é mais curta—quando comparada à região da mistura 20 da Fig. 1. Também, a forma da lente interna 3 6 pode ser projetada para prover uma emissão de ângulo“amplo ou uma emissão de ângulo estreito na guia de onda 40 para obter a mistura de luz desejada. Em uma 20 configuração, o ângulo de emissão de meio brilho de uma lente interna 3 6 na guia de onda 4 0 é cerca de 28° fora da normal, mas o ângulo pode ser mais ou menos, dependendo do ângulo ideal de mistura. A luz lateral das lentes externas 36 dos LEDs adjacentes que entra na guia de onda 4 0 será misturada
25 antes |
da borda ou perto |
da borda, resultando em uma |
curta |
região |
da mistura 42. |
|
|
|
|
|
|
A Fig. 5 é uma |
vista lateral da guia de |
onda |
40 |
da |
Fig. 4 |
ilustrando como |
os |
raios luminosos maiores |
que |
o |
ângulo |
crítico são totalmente refletidos para |
fora |
da |
superfície superior da guia de onda 40. Prismas 44 ou outras características de dispersão luminosa na superfície do fundo da guia de onda 4 0 refletem a luz para cima de maneira a vazar a luz uniformemente para fora da superfície superior
9/13 para a iluminação de um LCD 46. Como a região da mistura 4 2 é curta, a borda do LCD 4 6 pode ser mais próxima à borda da guia de onda 40, permitindo o uso de uma menor guia de onda 40 .
A Fig. 6 é uma vista em corte de outro projeto de lente, onde a lente interna de silicone 50 é substancialmente cilíndrica, e a lente externa de silicone 52 tem um formato geralmente hemisférico para um padrão de emissão relativamente largo. A lente interna 5 0 tem um valor n maior 10 que o valor n da lente externa 52 para induzir TIR.
Durante o processo de moldagem, é difícil evitar que uma camada do material da lente externa se forme na superfície superior da matriz LED, já que a delicada matriz LED não deve tocar o próprio molde. A Fig. 7 é uma 15 aproximação de uma parte da superfície da_ matriz .LED.. 30 ilustrando como esta fina camada de material da lente externa na matriz LED pode incluir formas moldadas dispersoras de luz para aumentar a quantidade. de luz que sai da-lente-interna para a lente externa 52 fazendo com que mais luz esteja em menor ângulo que o ângulo crítico para a lateral da lente interna passagem pela parede .
corte ampliada da Fig. 3 ou que a superfície superior pode ser moldada ;
ter um padrão
A superfície dispersar ressaltos, superfície ilustrando
Fig. 8 é superior da uma seção em lente interna da para ou ótico 59 para dispersar ou redirecionar a pode ser texturizada de várias maneiras redirecionar a luz, luz .
para como usando prismas, depressões, pirâmides ou um holograma de alta também pode ser tornada áspera por pode ser usado um revestimento redirecionar a luz.
aleatória truncadas, aspereza resolução. A superfície jato de esferas. Também de filme ótico para
A Fig. 9 ilustra o LED da Fig. 6 acoplado
10/13 oticamente a uma borda da guia de onda de backlight 60. A lente interna 50, a lente externa 52, o passo dos LEDs 58 e outros fatores podem ser selecionados de maneira que seja curta a região da mistura dentro da guia de onda 6 0 para a criação de luz uniforme.
A Fig. 10 ilustra uma lente interna 64 que tem uma superfície superior em formato convexo para maior controle da emissão frontal. O material da lente externa 65 é também moldado para formar uma espessa região sobre a superfície 10 superior da matriz LED, que afeta os padrões de emissão frontal e lateral. O material da lente externa 65 que recobre a matriz LED 3 0 tem um formato côncavo para reduzir o TIR dos raios luminosos geralmente dirigidos para cima. Alguns raios luminosos 66 são mostrados para ilustrar os vários efeitos dos formatos da lente. A conformação das _lentes pode, serfeita para melhorar a uniformidade da luz na guia de onda de backlight e/ou para encurtar a região da mistura luminosa na guia de onda de backlight. Alternativamentea- conformaçãopode ser feita para a obtenção de qualquer padrão luminoso 20 para uma aplicação não backlight, como uma aplicação automotiva.
A Fig. 11 ilustra uma camada mais espessa do material da lente externa 52 sobre a superfície superior da matriz LED 30 para melhor emissão luminosa lateral. A lente 25 interna 67 é similar à da Fig. 10.
A Fig. 12 ilustra um padrão de emissão simétrico de meio brilho 7 0 de um LED com a lente moldada em dobros, mostrando um padrão de emissão frontal 72 determinado pela lente interna e um padrão de emissão lateral 74 determinado 30 pela lente externa. As formas dos padrões de emissão frontal e lateral podem ser ajustadas de forma substancialmente independente alterando os formatos das lentes interna e externa. Em uma realização, a intensidade de pico dos
11/13 ressaltos de emissão lateral é de 45°-65° da normal, e a emissão frontal colimada tem uma dispersão de 10°-35° da normal na guia de onda quando diretamente acoplada à guia de onda sem vão de ar.
As Figs. 13 e 14 ilustram um processo de moldagem duplo em escala wafer. As matrizes LED 3 0 são montadas em um wafer de substrato 32 possivelmente contendo centenas de matrizes LED idênticas 30.
O molde 80 tem endentações 81 que correspondem à forma desejada da lente externa sobre cada matriz LED 30. O molde 8 0 é formado, de preferência, por um metal com superfície antiaderente ou com uma camada de liberação.
As endentações do molde 81 são preenchidas com líquido ou com um silicone amaciado de cura por calor 84 tendo um índice de refração como_l,33. _ _ - - O wafer 3 2 e o molde 8 0 são aproximados, sendo criada uma vedação a vácuo entre a periferia do wafer 32 e o molde 80. Portanto, cada matriz LED 30.é. inserida-no silicone
84, ficando o silicone 84 sob compressão.
0 O molde 8 0 é então aquecido em cerca de 15 0 graus
Celsius (ou outra temperatura adequada) por certo tempo para endurecer o silicone 84.
O wafer 32 é então separado do molde 80. O silicone também pode ser então curado por calor ou por luz UV. A
Fig. 14 mostra a lente externa resultante 85, com uma fina camada sobre a superfície superior da matriz LED 30 provocada por um vão entre a superfície superior da matriz e o molde duro 80. A fina camada pode ter características moldadas de dispersão luminosa (mostrado na Fig. 7).
0 Na Fig. 14, um segundo molde 8 6 tem endentações 88 que, em combinação com a superfície interna da lente externa
85, são usadas para formar a lente interna. As endentações do molde 88 são preenchidas com líquido ou amaciadas com
12/13 silicone de cura por calor 90 tendo um alto índice de refração como 1,54-1,76. O wafer 32 e o molde 86 são aproximados como anteriormente descrito. O silicone 90 é então curado, e o wafer 32 e o molde 8 6 são separados para 5 produzir os LEDs mostrados na Fig. 3. Todos os LEDs no wafer do sub-apoio 32 são simultaneamente processados.
O wafer do sub-apoio 32 é então cortado para separar os LEDs. Os sub-apoios do LED podem então ser montados em uma faixa de placa de circuitos com outros sub10 apoios de LED para uso em um backlight.
A Fig. 15 é um fluxograma das várias etapas usadas para a formação das lentes de acordo com uma configuração da invenção.
Na etapa 92, o padrão ideal de colimação e o padrão 15 - de emissão—lateral são-determinados-para cada LED- para uma determinada aplicação, como para uma determinada aplicação de backlight e passo de LED.
da lente externa, para os determinados valores n de silicone colimação e de emissão lateral.
Na etapa 94, simultaneamente à volta as lentes externas são das periferias de todas as moldadas matrizes
LED montadas em um wafer de sub-apoio usando molde contendo um primeiro silicone de alto η. O um primeiro material da lente externa também pode encapsular cada matriz LED provendo uma camada sobre a superfície superior das matrizes LEDs.
Na etapa 95, as lentes internas colimadoras são todas as matrizes LED montadas no wafer do sub-apoio usando um segundo molde contendo um segundo silicone tendo um n maior que o primeiro silicone, e assim existe TIR dentro da lente interna. As paredes da abertura central na lente
13/13 externa definem as paredes laterais da lente interna.
Na etapa 96, os LEDs com as lentes moldadas em dobro são acoplados de forma oticamente direta à borda da guia de onda de backlight, onde a forma das lentes e os índices de refração do silicone determinam a mistura luminosa dentro da guia de onda. Os LEDs também podem ser usados em uma aplicação automotiva ou em outras aplicações.
Pode ser utilizada qualquer combinação dos formatos das lentes interna e da lente externa para obter um padrão desejado de emissão. Todas as lentes podem ser simétricas com relação a um eixo central de forma a obter um padrão de emissão substancialmente simétrico ou que pode ser assimétrico para obter um padrão de emissão assimétrico.
Apesar de terem sido mostradas e descritas determinadas configurações-da presente invenção,“ficará'óbviõ para os técnicos no assunto que alterações e modificações podem ser feitas sem abandonar os aspectos mais amplos da presente invenção e, portanto,*as reivindicações'anexas devem englobar em seus escopos todas essas alterações e modificações que estiverem dentro do verdadeiro espírito e escopo da presente invenção.