CN1296760C - 一种使用匀光器的led光源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用LED和匀光器的条形光源，其特征在于所述匀光器包括一种透光基体，所述基体至少部分表面具有微小阶梯状阵列结构，以便能够让匀光器存在光的折射和衍射以及反射和/或散射，从而使匀光器配合的光源所发的光均匀化，并且该匀光器为长条形，在其两端各有至少一个LED，这两端LED的方向相对，光轴重合，在匀光器和LED之间存在腔体。根据需要设计匀光器的形状和结构，可以使条形光源以长条为中心各向发光，形成圆柱状均匀光源；或在长条上侧面发光，形成某一角度的扇状均匀光源。使用匀光器还可制作面形或其他形状的LED光源。

Description

一种使用匀光器的LED光源

                      技术领域

本发明涉及以半导体光发射二极管(LED)为主要元件的一种光源；具体涉及使用匀光器的LED条形光源及其外封装结构，以及其制备方法和用途。

                      技术背景

可见光的发光二极管(LED)起源于20世纪90年代，是超高亮度LED应用领域的拓展。1991年，红、橙、黄色III族氮化物类高亮度LED的实用化揭开了LED发展的新篇目。随着超高亮LED的出现，其效率越来越高，且价格逐渐下降。同时LED具有寿命长、耐震动、发光效率高、无干扰、不怕低温、无汞污染问题和性价比高等特点。超高亮度功率型LED大大扩展了LED在各种信号显示和照明光源领域中的应用，主要有汽车内外灯、各种交通信号灯，以及室内外信息显示屏和背光源。目前LCD面板的背光源主要以冷阴极管为主，虽然CCFL具有线型发光、光源均匀等特点，不过其缺点是耗电量高、环保差。相较之下，LED因耗电量低，再加上寿命长、色再现率高、无干扰、不怕低温、短小轻薄、环保等优势，使得目前LED已逐渐取代CCFL，大量用于手机、PDA、数字相机、车用面板以及手持式DVD播放机等产品，更将逐步朝向LCD监视器、液晶电视等领域迈进。

LED光源虽然有上述的多种优点，但是它与各类设备原先所采用的传统光源的形式完全不同，因此无法直接替代这些光源，必须专门为LED光源设计方案。由于LED是点光源，辐射图样是圆锥形，在实际应用中存在弊病：难以获得一个均匀的连续光源，如条形光源或面光源。目前，条形光源的应用十分广泛，如复印机、扫描仪，还有传统液晶显示屏的背光系统所采用的冷阴极荧光灯(CCFL)光源。目前使用者为了用LED获得均匀的连续光源，不得不采用较为复杂的光学、机械结构，例如LED在背光源中应用时，需要混光、导光系统，并配合散射层，才能获得一个比较相对均匀照亮的表面。例如CN2577303，其中使用一种导光管，在导光管表面形成许多锯齿状起伏，以便锯齿斜面反射光来得到比较均匀的光辐射。然而仅仅是一种反射，或许含有散射，不能得到很均匀的光辐射。CN1407520使用一种导光槽，实际上仅仅利用光折射，同样不能得到很均匀的光辐射。这就是说，现有技术没有一种同时使用光的折射和衍射以及反射和/散射性能来得到更加均匀的光辐射。

                      发明内容

本发明的目的是克服现有LED光源存在的上述缺点，提供一种使用匀光器的LED条形光源，尽管只在两端有LED，该条形光源仍然能够在整个条形上得到均匀发光。

本发明是通过对LED光源进行再一次外封装来形成所要求均匀发光的条形或面形光源。因此，本发明一个目的是提供一种匀光器，包括一种透光基体，其中所述基体至少部分表面具有微小阶梯状阵列结构，以便能够让匀光器存在光的折射和衍射以及反射和/或散射，从而使匀光器配合的光源所发的光均匀化。

本发明再一个目的是提供一种匀光器的制备方法，包括按照用户要求的尺寸形状制作匀光器基体外形，然后在至少部分表面上形成微小阶梯状阵列结构。

本发明另一个目的是提供一种使用上述匀光器的条形光源，其中匀光器为长条形，在其两端各有至少一个LED，这两端LED的方向相对，光轴重合；且两端的LED可根据应用需要，选择不同的颜色、功率、光通量、光强及封装类型等。

本发明另一个目的是提供一种条形光源的制备方法，包括按照用户需要的尺寸制作匀光器，然后在匀光器两端安装LED及其配应的电连接元件，最后进行外封装，其中在匀光器和LED之间存在腔体空间。

本发明的匀光器是一种二元光学元件(Binary Optical Elements，简写BOE)，它是一种位相型的衍射光学元件；以光的衍射效应为基本工作原理，采用对光学波面的分析来设计衍射位相轮廓的元件。二元光学的基本原理，就是从波动光学的观点出发，根据光学波面要求用计算机设计成一个二元显微浮雕结构。其图形尺寸小于光的波长，然后再利用微细加工技术，在介质或金属基底上刻蚀成器件。目前制作二元光学元件的方法主要有微电子工艺中的刻蚀法、镀膜法，高精度钻石车床程序控制切削法等。其中微电子工艺技术中的刻蚀法是目前采用的主要手段。由于实际制作出的位相轮廓是以2为量化倍数，与理想的连续位相轮廓的台阶形状近似，故被称为“二元光学元件”。一般二元光学元件是指其位相呈二元阶梯形的衍射光学元件，通常利用一个或多个二元掩模制作而成。其二元微位相结构由计算机产生，通过改变其衍射结构图案，其性能可以适用于很宽的应用范围，在光学信息处理、光通信与传感、光计算等方面均有广阔的应用前景。

匀光器可选用各种光学材料制作，如光学玻璃，光学有机玻璃，光学塑料PMMA、PC等。匀光器的形状尺寸没有严格限制，根据用户对该光源的需要来设计。匀光器与LED结合的地方，要存在一个收集LED发出的光线的腔体。匀光器具有特别的光学设计，其至少部分表面存在微小阶梯状阵列结构，对光线进行折射和衍射以及反射和/或散射，从而实现需要的匀光分布。

这种阶梯阵列结构的形成完全是根据匀光器具体尺寸按照光学基本原理，即折射、衍射和/或反射及散射的基本原理计算制作的，然后通过测量光的均匀性来验证的。上述光学基本原理是根据二元光学系统原理设计的。二元光学系统是一种折射、衍射和散射的一种综合系统，本文叫做折衍混合系统，其原理见图1，是由衍射光学器件与传统的折射光学器件组合而成，即基体表面做成衍射光学器件1a，而基体本身做成折射光学元件1b。具体来说，可将基体视为透镜，其本身是折射元件，在透镜的光出射表面精心设计一些微光学阵列结构；每个阵列结构单元的尺寸为微米量级，从而在透镜表面拥有了衍射元件。从外观看，这些微光学阵列结构就是一种微小的阶梯阵列结构。这种结构的形成完全是根据匀光器具体尺寸按照光学基本原理，即折射、衍射以及反射和/或散射的基本原理计算制作的，然后通过测量光的均匀性来检验。这种阶梯阵列结构的形状和多少没有也不需要严格限制，因为两端LED之间不同距离不同尺寸(包括腔体形状尺寸)就有不同大小和数量的阶梯阵列。尺寸大距离远时，阶梯阵列的尺寸起伏相应大或者多一些，反之则小或少，这是本领域技术人员可以想到的，或者通过基本光学原理来计算的；而且最终结果可以是通过测量来验证的。所谓阵列是指阶梯状是有规律的，这种规律同样根据匀光器的形状尺寸和腔体尺寸来决定。

本发明一个优选实施方案中，参看图2，匀光器1的形状为一长条形，其长度和横截面的形状、尺寸没有严格限制，根据用户对该光源的需要来设计。匀光器两端与LED结合的地方，各形成一个收集LED发出的光线的腔体11、12。匀光器具有折衍混和的光学设计，其至少部分表面存在微小阶梯状阵列结构，对光线进行折射和衍射以及反射和/或散射，以此实现需要的均匀光分布。阶梯阵列结构的制作比较简单，根据不同材质使用不同方法。例如，光学玻璃材质时，可使用光刻腐蚀，激光加工或模具热压等；光学有机玻璃或光学塑料一般采用模具热压。可以在整个表面形成也可在部分表面上形成微小阶梯状阵列结构，完全根据需要来决定。

利用折射和衍射两种光学作用在色散上的相反效果(阿贝数负向)，可以有效地消除色差，扩宽色域，提高色再现性。折衍混和系统相当于传统光学器件(透镜、棱镜、反射镜等)与衍射光学器件(如全息光学器件(HOE)、衍射光学透镜(DOE)等)的组合。折衍混合系统同时利用了光的折射和衍射两种特性；具有独特的色散性质、良好的热性能及单色像差校正能力；在光学设计中增加设计的自由度；多功能集成、减小体积和降低成本；衍射光学透镜独特的色散特性可用于消色差。消色差原理：衍射光学器件具有独特的、不同于常规光学器件的色散性能。衍射透镜的色散特性相对于传统的折射光学，具有与材料本身的无关性和阿贝数的负向性，这点非常有助于消色差。这是现有技术导光管或导光槽所没有的功能。另外，如果需要加大散射，可选地在匀光器一个或多个面上至少部分涂覆散射层。

通过采用匀光器，可以得到比较均匀的辐射图样，使后续的二次光学设计大大简化。匀光器实际上是利用二元光学系统原理的一种透镜，根据实际需要设计该透镜的光学结构。

以条形光源为例，参看图2，将两个LED 2、3分别装在匀光器1的两端，用光透过率高、折射率与匀光器的材料相近的胶4将LED和匀光器粘接固定，以减少光线进入匀光器时的损失。这样，当两端的LED 2、3发光时，光线在两端分别由腔体11、12进入匀光器1，并经过设计好的匀光器内部和/或外部表面的微小结构，从匀光器的表面射出，形成均匀的条形光源。由于两端都有发光源，就避免了光线在匀光器内传输时的损耗引起条形光源发出的光一头较强，而另一头逐渐减弱。根据实际需要，设计匀光器的形状和结构，可以使条形光源以长条为中心各向发光，形成圆柱状均匀光源；或在长条上侧面发光，形成某一角度的扇状均匀光源。腔体的大小没有严格限制，根据条形光源的尺寸而定。尺寸小，腔体小；尺寸大腔体大；甚至可以制成空腔。仍以条形光源为例，空腔时，匀光器实际上是一种圆管或椭圆管，两端结合LED。这样，可在内表面或外表面或者内外表面都形成微小阶梯状阵列结构，从而进一步强化匀光效应。显然，匀光器还可制成平面状，圆形，椭圆形等其他形状。平面形时，可是正方形或矩形，在其四角端或在四角端及中间端都结合LED。圆形或椭圆形时可在多个均分点安置LED，然后粘结，再进行外封装成为整体。所述外封装就是按照本领域技术人员熟知的制备LED光源的方式，将匀光器、LED及其配应的电连接元件固定在一起，形成一个整体的光源元件。

LED芯片可以是单芯片也可是多芯片，可以是单色芯片也可将多个单色芯片组合成一个芯片单元，以便得到所要求颜色的光。

本发明对LED光源进行再一次外封装，形成能够在整个条形上均匀发光的两端有LED的条形光源，其优点是：

(1)该光源与传统光源相比，具有LED光源的各种优点。

(2)两端有发光源，通过合适的设计，能够在整个条形上均匀发光。

(3)通过合适的光学设计和结构设计，可以制造成与各类设备原先所采用的传统光源的同样的尺寸，与设备兼容，可直接替代原有光源，而不需对设备重新设计，或只要做很小的改变就可以使用。

(4)结构简单，造价便宜，实施容易。

从上可知，本发明具有广阔的应用前景。

                        附图说明

图1是本发明的折衍混合系统的原理示意图；

图2是本发明的结构剖面图；

图3是本发明中匀光器的剖面图；

图4是本发明中一种方案的匀光器的横截面及发光示意图；

图5是本发明中另一种方案的匀光器的横截面及发光示意图；

图6是本发明中又一种方案的匀光器的横截面及发光示意图。

                        具体实施方式

下面参照附图结合实施例进一步详述本发明。

实施例1

请参阅图2，将两个LED2、3分别装在匀光器1的两端；匀光器两端与LED结合的地方，各形成一个收集LED发出的光线的腔体11、12，见图3；使LED的发光点分别位于匀光器两端的腔体11、12中；用光透过率高、折射率与匀光器的材料相近的胶4将LED和匀光器粘接固定，并使胶固化。其中，所述胶4可从市场购置。

本例中，匀光器的材料为PMMA，注塑制造；匀光器的横截面是圆形，匀光器本身的微小光学结构使光线从匀光器的圆柱面均匀发出，形成圆柱状均匀光源，见图4。

本例中，选用的两个LED是单芯片、通过荧光粉发出白色光。

本例中，选用的胶是紫外固化胶，用紫外线照射的方法使其固化。

实施例2

基本按照与实施例1相同的结构，不同的是两端的LED2、3选用的是单芯片、发出红、绿或蓝的单色光。

实施例3

基本按照与实施例1相同的结构，不同的是两端的LED2、3选用的是三芯片封装、发出混合白光，即每个LED是将红(R)、绿(G)、蓝(B)三色的LED芯片组合到一个封装中。

实施例4

基本按照与实施例1相同的结构，不同的是匀光器1的横截面是近似三角形，在长条上单面发光，形成一定角度的扇状均匀光源，见图5。

实施例5

基本按照与实施例1相同的结构，不同的是匀光器1的横截面是近似椭圆形，在长条上两面发光，形成一定角度的扇状均匀光源，见图6。另外，在本例中匀光器的表面涂覆了一层散射层。

从上可知，本发明了通过对LED光源进行再一次外封装，提供一种两端有LED的条形光源，能够在整个条形上均匀发光。以上详细叙述了本发明的结构，显然，本领域技术人员可作许多改良和变换，例如外封装的结构和尺寸以及材料的变化等，均落入本发明的精神范围。

Claims (6)

1.一种使用LED和匀光器的条形光源，其特征在于所述匀光器包括一种透光基体，所述基体至少部分表面具有微小阶梯状阵列结构，以便能够让匀光器存在光的折射和衍射以及反射和/或散射，从而使匀光器配合的光源所发的光均匀化，并且该匀光器为长条形，在其两端各有至少一个LED，这两端LED的方向相对，光轴重合，在匀光器和LED之间存在腔体。

2.根据权利要求1的条形光源，其特征在于用光透过率高、折射率与匀光器的材料相近的胶将LED和匀光器粘接固定。

3.根据权利要求1的条形光源，其特征在于设计匀光器的形状和结构，使得条形光源以长条为中心各向发光，形成圆柱状均匀光源；或在长条上侧面发光，形成某一角度的扇状均匀光源。

4.根据权利要求1的条形光源，其特征在于所述匀光器表面涂覆一层散射层。

5.根据权利要求1的条形光源，其特征在于所述匀光器材质是光学有机玻璃。

6.根据权利要求1的条形光源，其特征在于所述匀光器制成空腔，在内表面或外表面或者内外表面都形成微小阶梯状阵列结构。

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