CN109312906A - 用于光学耦合来自led的光的模制光导 - Google Patents

Abstract

一种薄塑料光导，形成为在一个表面上具有腔并且在腔正上方具有TIR（全内反射）结构。安装在印刷电路板上的LED定位在腔中。腔壁成形为折射LED光并将LED光朝向TIR结构引导，以最有效地利用TIR结构。TIR结构可具有尖头形状或锥形。腔的顶部顶板可以成形为在TIR结构处引导光，以便通过TIR结构泄漏并且将光与通过光导的周围部分泄漏的光掺合。LED可以分布在仅光导的边缘附近或在光导的整个后表面之上。可以在光导之上层压漫射器片以进一步混合光。

Description

用于光学耦合来自LED的光的模制光导

技术领域

本发明涉及一种照明结构，其包括混合并发射来自发光二极管（LED）的光的光导，并且具体地涉及在光导中形成结构以光学耦合LED光并使光散布。该结构可以用于背光照明、一般照明或用于其他应用。

背景技术

已知的是，将LED光光学耦合到透明光导的侧边缘中。光导的表面具有光学特征，诸如棱镜或粗糙化，以允许光均匀地泄漏。由于LED具有朗伯发射，因此难以耦合到光导的边缘中。此外，光导必须是相对厚的，以使边缘能够接收来自LED的光。

还已知的是，围绕光导周边形成穿过光导的孔，并在每个孔的底部定位一LED。然后将不透明反射器层定位在每个孔的顶部开口之上，以将来自LED的任何顶部发射反射回到光导中。反射器层通常是金属化塑料膜。美国专利申请公开US 20080049445描述了一种光导，其具有定位在孔的底部处的LED，其中不透明尖头形状反射器覆在每个孔上面以将光侧向反射到光导中。光在光导中进一步混合。这种反射器在LED之上创建暗点，并且难以与LED精确对准。必须在LED之上定位不透明的边框，以便使暗点不可见。此外，反射器可能仅具有大约85-90％的反射率，因此从反射层反射离开的光线存在显著衰减。存在其他缺点。

附加地，由于LED仅沿着光导的周边定位，因此难以跨过未被边框覆盖的光导的顶部表面区域而将光均匀地泄漏。

所需要的是一种使用光导和LED的照明结构，其中该结构不遭受现有技术的缺点。

发明内容

在一个实施例中，薄塑料光导形成为在一个表面上具有腔，并且在腔的正（也可以偏离中心）上方具有TIR（全内反射）结构。不形成通孔。安装在印刷电路板（包括柔性电路）上的LED定位在腔中。LED可以被分组成例如一个或多个阵列。LED可以具有朗伯发射并且没有透镜，因此非常薄。至少每个腔的顶部顶板（ceiling）被成形为引导LED光以最有效地利用TIR结构。例如，TIR结构可以具有尖头形状，并且腔的顶部顶板可以反射LED光以最佳地照射TIR结构，从而最大化TIR和光的混合。此外，TIR结构和腔可以成形为使受控量的光通过TIR结构泄漏，因此没有暗点并且不需要边框。取决于光导的配置和功能，与TIR结构反射的光量相比，通过TIR的泄漏可以是零或小的。

TIR结构和腔可以是对称的或不对称的。不对称的形状考虑到沿周边的LED应该使更多的它们的光朝向光导的中间引导。此技术还可以用于对束进行整形或制作不对称光束。腔可以例如被粗糙化、涂覆、填充材料和/或是部分地反射的以支持将光引导到TIR结构。

光导的底部或顶部表面具有附加的光学特征，诸如微小的棱镜、点或粗糙化，以使光通过顶部表面均匀泄漏。光学特征可以沿着表面变化以泄漏不同百分比的光以改善跨过光导的均匀性。

如上文所提到的，TIR结构和腔可以形成为泄漏受控量的光，因此LED之上没有暗点。通过TIR结构泄漏的光可以与从光导表面的其他区域泄漏的光的亮度相同。这允许LED分布在光导的整个底部表面之上，这改善了均匀性并使得光导能够是任何尺寸和形状。

通过将光导中的TIR结构与腔一起模制，可以精确地对准TIR结构和腔。光导可以可能地是非常薄的（甚至诸如小于3mm），并且是柔性的。

可以在光导之上层压漫射器片或其他类型的片以进一步混合光，以增加均匀性或执行另一个功能。可以在光导的底部表面及其边缘上有气隙或没有气隙地层压反射膜，以确保所有光都从光导的顶部表面出射。

公开了其他实施例。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的光导的俯视图，示出了LED腔和TIR结构围绕周边而位于的区域。为清楚起见，每个区域的相对尺寸都大大地放大。

图2是图1的光导中的单个腔和TIR结构（尖头形状）的二等分视图，示出了由腔的壁成形并从TIR结构反射离开的光线的模拟，其中只有极少量的光通过TIR结构泄漏。

图3是可替换的单个腔和TIR结构（锥形）的二等分视图，示出了由腔的壁成形并从TIR结构反射离开的光线的模拟，其中受控百分比的光通过TIR结构泄露，因此LED上方没有暗点或亮点。

图4是另一个单个腔和TIR结构（尖头形状）的二等分视图，其中漫射片或其他类型的片层压在光导之上，并且反射器片定位在光导下方。

图5图示了腔和TIR结构可以如何分布在光导的整个区域之上，其中TIR结构均匀地泄漏光以与从光导的周围区域泄漏的光掺合，从而能够实现任何尺寸和形状的光导的创建。

图6图示了在光导的顶部表面或底部表面中形成的用于泄漏光的光学特征。

相同或相似的元件用相同的数字标记。

具体实施方式

图1图示了根据本发明一个实施例的光导10。光导10可以是具有大约为例如2-5mm厚度的PMMA、PET或其他的塑料。光导10可以是柔性的。

光导10被模制，诸如通过在具有模制特征的阴模的、两个相对的经加热的辊或板之间按压以形成顶部TIR结构12和底部腔40。LED 18定位在每个腔40中。由于模制辊/板的对准，TIR结构12和腔40被精确对准。TIR结构12和腔沿着光导10的一个或多个边缘形成，并且因此在此实施例中在光导中偏离中心。 TIR结构和腔相对于光导的非对称和偏离中心的配置也是可能的。对于小型光导10，沿仅一个边缘可以需要仅一个TIR结构/腔。对于更大得多的光导10，TIR结构12和腔可以位于沿着所有四个边缘或分布在整个表面之上。TIR结构12和腔的间距取决于针对所期望的亮度所需的LED数量和光导尺寸。对于图1的这种偏离中心的配置而言典型的是，与TIR结构反射的光量相比，通过TIR的泄漏可以是零或小的。

代替模制光导和/或腔和/或TIR结构，可以使用注射成型、热压、机械加工、3D打印、轧制、激光处理和其他制造选择的技术中的一种或多种来创建光导。

LED可以被分组成例如一个或多个阵列，并且可以具有相同或不同的颜色，例如用于颜色调整，更具体地用于生成白光。具体地，相邻的LED也可以具有不同的颜色。（相同或不同颜色的多个LED也可以用在一个腔下方，作为另一种类型的解决方案）。

在一个实施例中，如果存在要隐藏的暗点或亮点，则示出为透明的、具有由虚线矩形限定的开口的不透明边框14覆在TIR结构12上面。边框14可以是支撑光导10的框架的一部分，或者可以是壳体的一部分。

图2是仅单个TIR结构12及其下面的腔16的二等分视图。LED 18安装在薄的印刷电路板20（PCB）上，其可以是柔性电路，并且LED 18定位在腔16的中间。对于简单的制造工艺，所使用的全部LED可以在相同的PCB 20上并且与所有腔16对准。PCB 20相对于光导10的底部表面诸如经由框架固定就位。

在图2中，TIR结构12具有对称的圆形尖头形状，使得光被TIR反射到光导10中。TIR结构也可以具有不对称和自由形式的形状。图2示出了由腔16的成形壁和TIR结构12引导、并且还被TIR从光导10的光滑顶部和底部表面反射离开的模拟光线22。在实际实施例中，光导10的顶部或底部表面具有用于使一定百分比的光跨过光导10的顶部表面泄露的光学特征。也可以调整顶部或底部腔表面的表面光学特性以控制光泄漏。如果在光导之上使用漫射器片，则所发射的光将是均匀的。

LED 18可以是任何类型的LED，诸如发射蓝光的GaN基LED，其具有由蓝光激励的一个或多个磷光体层以添加红色和绿色成分，从而创建白光。一些蓝光通过磷光体泄漏。磷光体可以是与红色磷光体一起的YAG磷光体（发射绿-黄色光），以实现所期望的色温。LED发射通常是朗伯型。

在图2的示例中，光导10是3mm厚，并且边框14是10mm宽。

由TIR反射的光基本上不衰减，而由不透明反射膜（诸如金属化层）反射的光可能衰减约10-15％。因此，使用TIR结构12是对使用不透明反射层的改善。

针对所使用的具体TIR结构12，调整腔16的形状（例如，凸形、自由形式、样条或多项式形状）。在图2中，腔16的形状折射LED 18光以最佳地对LED发射进行整形以照射在尖头形状TIR结构12上，使得更多的LED光在TIR的临界角之上被TIR结构均匀地截取。因此，TIR结构12之上的区域可以是暗点。LED侧的光也被重新引导以改善光导10中的混合。

在该示例中，腔16的顶部与尖头的尖端之间仅有0.1mm的间隙。在其他实施例中，甚至可以没有间隙，并且腔16的顶部和尖头的尖端可以相交。

图2中还示出的是诸如可从东丽工业公司（Toray Industries, Inc）获得的、被层压在PCB 20和光导10的垂直边缘24之上以将光反射回光导10中的薄反射膜24。在反射膜24和光导10之间理想地创建小气隙26，以使离开光导10表面的TIR最大化，这比离开反射膜24的反射更有效。

在一个实施例中，TIR结构12和腔16是圆形且对称的。在另一个实施例中，TIR结构12和腔16是不对称的，以便朝向光导10的中间反射更多的LED光，并朝向边缘反射更少的光。此技术还可以帮助对束进行整形，例如不对称束图案。

在另一个实施例中，TIR结构12和腔16被成形为泄露受控量的光以与光导10的周围区域掺合。在这种情况下，不需要边框14来阻挡暗点或亮点。然而，在图2的示例中，仅有极少量的光通过尖头的尖端泄漏。

图3图示了TIR结构30和腔32的不同形状。TIR结构30基本上是锥形的，由于更多的入射光在小于临界角处而允许更多的泄漏。腔32的形状也针对TIR结构30进行调整，以使更多的LED光以小于临界角而照射在TIR结构30上。腔顶板的中心部分通常是平坦的，因此更多的LED光被朝向TIR结构30的中心引导以通过TIR结构30逸出。在腔32的顶部和TIR结构30之间示出1mm的间隙。通过TIR结构30泄漏的光量可以跨过TIR结构30而变得均匀，以匹配通过光导36的周围区域泄漏的光的亮度。以这种方式，不需要边框来隐藏任何暗点。而且，LED可以均匀地布置在光导36的底部表面之上，而不是仅沿着边缘。这改善了均匀性并使得能够制造任何尺寸的光导。示出了模拟光线38。图3的其余部分可以类似于图2。

图4图示了另一个尖头形状的TIR结构12和腔40的可替换形状。腔40具有顶部顶板，其成形为使得它以小于TIR结构12的临界角折射更多的LED光，使得更多LED光从TIR结构12泄露。

图4还图示了PCB 20，其可以是柔性电路、绝缘金属衬底、FR4或其他材料。 PCB 20具有金属迹线，其将LED的阳极和阴极端子连接到电源。在PCB 20之上提供反射层42。反射层42可以是反射焊接掩模。理想地，在反射层42和光导43的底部之间存在气隙，因此更多的光被TIR反射以改善效率（对于一些应用也可以存在光学接触（没有气隙））。反射器层42可以是白色的以漫射光，或是镜面反射或漫射镜面反射。

在光导43的顶部表面之上例如使用透明粘合层46而层压漫射片44或其他类型的片，诸如另一光学结构。覆盖光导的顶部表面的全部或部分的粘合层46，可以例如是胶水、胶带或折射率匹配液体。漫射片44帮助混合从光导43出射的光以增加均匀性。漫射片44可以包含光散射颗粒和/或具有光学特征或粗糙化的表面。合适的漫射片可从东丽工业公司获得。此外，通过在光导表面上方不具有气隙，存在较少的离开表面的TIR（由于粘合层46和漫射片44的较高折射率），并且伴随更少的内反射提取更多的光，从而改善效率。理想地，粘合层46和漫射片44具有与光导43相同的折射率。

图5图示了光导50（仅示出了一小部分）可以如何使TIR结构52跨过光导50的发光表面分布。TIR结构52和下面的腔形成为泄露足够的光以将泄漏的光与从光导50的周围区域泄露的光掺合。因此，可以形成非常大的光导50。此外，光导50可以制作得更薄，因为关于光导50的光衰减的关注较少。取决于所使用的LED的类型、所期望的亮度和光导的尺寸，LED18之间的间隔可以例如大约为10mm-100mm。为清楚起见，LED 18和TIR结构52的相对尺寸被大大地夸大了。

图6图示了光导10的一部分，示出了形成在光导10的底部中的光学特征56，以（使用TIR）将光朝向光导10的顶部表面以小于临界角（相对于顶部表面）引导，以用于从顶部表面逸出。多次内反射是期望的，以混合来自LED的光。反射膜42用于将光反射回光导10中。示出了光线58。

光学特征56可以沿着表面变化，以最均匀地使光跨过光导泄露。

在另一个实施例中，使光导10的光出射表面粗糙化导致受控的光泄漏。

因此，在结构中可以有引导光的五个光学表面：腔、TIR结构、光滑光导表面的TIR、光提取特征和漫射片。

在一个实施例中，进入光导的LED光耦合效率约为96％。模拟中使用的PMMA光导的折射率约为1.4936。

在另一个实施例中，腔和TIR结构可以是不同于圆形的，诸如正方形形状的。光导也可以具有不同的形状，诸如矩形、正方形、圆形或任何不规则/不对称形状。

在一个实施例中，所得到的光导提供作为筒灯的照明，例如用于一般照明或用于园艺应用。在另一个实施例中，光导充当诸如在监视器、智能电话显示器或电视中的LCD显示器的背光。由于实施例中使用的LED不需要透镜，因此LED非常薄，使得能够形成非常薄（小于3mm）的背光以用于智能电话。本发明的其他实施例可以用于汽车应用或例如智能电话中照相机闪光。取决于特定应用，一个或多个LED可以生成在UV或红外光谱中的光。尽管所示实施例中的LED是顶部发射器，但是在本发明的范围内，也可以使用其他类型的LED，诸如侧发射器和n侧发射器。

虽然已经示出和描述了本发明的具体实施例，但是对于本领域技术人员来说将明显的是，在不脱离以本发明的更广泛方面的本发明的情况下可以进行改变和修改，并且因此，所附权利要求要在它们的范围内包含如落入本发明的真正精神和范围内的所有这些改变和修改。

Claims (16)

1. 一种发光结构，包括：

光导，所述光导具有若干个表面，在第一表面中具有腔，并且在相对的第二表面中具有与所述腔对准的TIR结构，其中所述TIR结构通过TIR将至少一些光反射到所述光导中；以及

定位在所述腔内的多个LED，

其中所述光导从其若干个表面中的至少一个泄漏光，并且

其中形成所述腔以折射来自所述LED的光，从而以期望的方式照射在所述TIR结构上。

2.根据权利要求1所述的结构，其中所述TIR结构具有尖头形状。

3.根据权利要求1所述的结构，其中所述腔具有凸形顶板。

4.根据权利要求1所述的结构，其中所述腔具有凹形顶板。

5.根据权利要求1所述的结构，其中所述腔被成形为使所述TIR结构泄漏光以大致匹配从所述光导的周围区域泄露的光的亮度。

6.根据权利要求1所述的结构，还包括覆在所述光导的所述第二表面上面的漫射片。

7.根据权利要求1所述的结构，其中所述TIR结构与其下面的腔之间的间隙等于或小于1mm。

8.根据权利要求1所述的结构，其中所述TIR结构和腔仅位于所述光导的一个或多个边缘附近。

9.根据权利要求1所述的结构，其中所述TIR结构和腔被设计成从所述TIR结构泄露受控量的光，并且所述TIR结构和腔分布在所述光导的所述第一和第二表面上。

10.根据权利要求1所述的结构，其中所述光导是用于显示器的背光。

11.根据权利要求1所述的结构，其中每个TIR结构及其相关联的腔由所述光导的一部分间隔开。

12.根据权利要求1所述的结构，其中所述光导具有形成在所述第一表面上的光提取特征。

13.根据权利要求1所述的结构，其中所述光导具有形成在所述第二表面上的光提取特征。

14.根据权利要求1所述的结构，还包括与所述第一表面相对形成的不透明反射器层，在所述第一表面和所述反射器层之间具有气隙。

15.根据权利要求1所述的结构，其中所述腔和所述TIR结构形成在所述光导中。

16. 根据权利要求1所述的结构，还包括：

覆在所述光导上面的漫射片；以及

在所述光导中形成的光提取特征，所述光提取特征使所述光导从其第二表面泄露光，

其中来自所述LED的光由至少所述腔、所述TIR结构、离开光滑光导表面的TIR、所述光提取特征和所述漫射片引导。