TW201423235A - 變形光學封裝 - Google Patents

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TW201423235A
TW201423235A TW102144677A TW102144677A TW201423235A TW 201423235 A TW201423235 A TW 201423235A TW 102144677 A TW102144677 A TW 102144677A TW 102144677 A TW102144677 A TW 102144677A TW 201423235 A TW201423235 A TW 201423235A
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optical package
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light source
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TW102144677A
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Andrew John Ouderkirk
Maxwell Adebayo Fadipe
Nicholas Theodore Gabriel
Erin Alice Binder
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3M Innovative Properties Co
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Abstract

一種光學封裝包含：一光源，其產生具有一第一縱橫比之光；一變形光導，其用以自該光源接收該光；一轉向器陣列，其用以接收且轉向來自該變形光導的光，及一集光器，其用以收集自該轉向器陣列接收的光，其中該集光器輸出具有一第二縱橫比的光，該第二縱橫比大於該第一縱橫比。輸出光束之一有效高度低於該光源之一有效高度。

Description

變形光學封裝
本發明大體係關於一種光學封裝，且更確切而言，係關於一種基於LED之光學封裝，其具有一變形光導、一轉向器，及一集光器以提供一薄、高效及模組式光學封裝。
光導結合諸如發光二極體(LED)之光源用於多種照明應用。在一特定應用中，光導常用以為LCD顯示器提供照明。光源通常將光發射至光導中，特別在需要極薄輪廓背光之狀況下，如在膝上型電腦顯示器中。光導為清透、實心且相對較薄的板，其長度及寬度尺寸與背光輸出區域相似。光導使用全內反射(TIR)將來自邊緣安裝之燈的光輸送或導引越過光導的整個長度或寬度而至背光之相反邊緣，且將區域化提取結構之不均勻圖案設在光導的表面上以將此經導引光中的一些朝向背光之輸出區域重導向到光導外。此等背光通常亦包括光管理膜以增加軸上亮度(on-axis brightness)，該等光管理膜諸如經安置於光導後面或下方的反射材料，及經安置於光導前部或上方的反射偏振膜及稜鏡亮度增強膜(BEF)。
由於諸如LED之最常用光源具有相對較大的高度及寬範圍的自LED的發射角，因此光導常常相應地較厚以高效地耦合來自LED的光。用於液晶顯示器之習知照明裝置描述於美國公開案第2009/0316431號中。習知照明裝置將光自光源耦合至一平面光導。光 導通常與光源具有大約相同高度，此係由於降低光導之高度將降低自光源至光導的耦合效率。
然而，典型膜或板光導之一顯著缺點在於LED之小縱橫比與光導之極高縱橫比之間的失配。LED之典型縱橫比為約1：1至約4：1，而邊緣光導之縱橫比可為自約20：1至多達約100：1或更大。此失配常常導致光導中之光相比自LED發射的光具有高得多的光展量(etendue)，亦被稱作輸送量。此高光展量反過來最終導致光導需要亮度增強膜。將光導之厚度與LED匹配亦導致光導內的光具有寬範圍的角度。針對寬範圍之角度形成TIR要求光導之兩個主要表面皆以空氣為界。結果，光導可比液晶顯示器模組更厚，且空氣界面可限制某些應用，諸如觸控應用及觸覺應用。
在本發明之一例示性態樣中，一光學封裝包含：一光源，其產生具有一第一縱橫比之光；一變形光導，其用以自該光源接收該光；一轉向器陣列，其用以接收且轉向來自該變形光導的光，及一集光器，其用以收集自該轉向器陣列接收的光，其中該集光器輸出具有一第二縱橫比的光，該第二縱橫比大於該第一縱橫比，其中輸出光束之一有效高度低於該光源的一有效高度。
本發明之上述概述並非意欲描述本發明之每一經說明之實施例或每一實施。諸圖及以下【實施方式】更特定地例證此等實施例。
100‧‧‧光學封裝
105‧‧‧轉換器單元
110‧‧‧光源單元/LED
120‧‧‧光導
122‧‧‧輸入表面/輸入面
123‧‧‧頂表面
124‧‧‧正交表面
125‧‧‧底表面
125a‧‧‧底表面
125b‧‧‧底表面
126‧‧‧相反正交表面
127‧‧‧末端表面
150‧‧‧轉向器/轉向部分/轉向區段
151a至151j‧‧‧轉向器/轉向元件
152a‧‧‧入口面/輸入表面
152b‧‧‧入口面/輸入表面
156a至156j‧‧‧反射表面
158‧‧‧表面
158a‧‧‧頂表面
159‧‧‧表面
159a‧‧‧底表面
160‧‧‧轉向器/集光器元件
162a‧‧‧第一輸入光片段
164a‧‧‧輸出光片段
170‧‧‧耦合部分/耦合區段/耦合器
180‧‧‧集光器部分
190‧‧‧外殼
200‧‧‧光學封裝/光學系統
202‧‧‧反射表面
210‧‧‧光源單元
220‧‧‧變形光導
251a至251d‧‧‧轉向器
256‧‧‧反射面
256d‧‧‧反射面
260‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
265‧‧‧界面
270‧‧‧耦合部分/耦合區段
271‧‧‧耦合體
280‧‧‧集光器部分/集光器
281‧‧‧集光器主要表面
282‧‧‧集光器主要表面
283‧‧‧入口表面
284‧‧‧出口表面/輸出面
300‧‧‧光學封裝
302‧‧‧第一反射表面
310‧‧‧光源單元
320a‧‧‧變形光導
320b‧‧‧變形光導
351a‧‧‧轉向器
356a‧‧‧反射面
360‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
370‧‧‧耦合部分/耦合區段
371‧‧‧耦合體
380‧‧‧集光器部分/集光器
381‧‧‧集光器主要表面
382‧‧‧集光器主要表面
384‧‧‧輸出表面
400‧‧‧光學封裝
402‧‧‧第一反射表面
410‧‧‧光源單元
420a‧‧‧變形光導
420b‧‧‧變形光導
451a‧‧‧轉向器
456a‧‧‧反射面
460‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
470‧‧‧耦合部分/耦合區段
471‧‧‧耦合體
480‧‧‧集光器部分/集光器
481‧‧‧集光器主要表面
482‧‧‧集光器主要表面
484‧‧‧輸出表面
500‧‧‧光學封裝
502‧‧‧第一反射表面
510‧‧‧光源單元
520a‧‧‧變形光導
520b‧‧‧變形光導
551a‧‧‧轉向器
556a‧‧‧反射面
560‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
570‧‧‧耦合部分/耦合區段
571‧‧‧耦合體
580‧‧‧集光器部分/集光器
581‧‧‧集光器主要表面
582‧‧‧集光器主要表面
584‧‧‧輸出表面
600‧‧‧光學封裝
602‧‧‧第一反射表面
610‧‧‧光源單元
620a‧‧‧變形光導
620b‧‧‧變形光導
651a‧‧‧轉向器
656a‧‧‧反射面
660‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
670‧‧‧耦合部分/耦合區段
671‧‧‧耦合體
680‧‧‧集光器部分/集光器
681‧‧‧集光器主要表面
682‧‧‧集光器主要表面
684‧‧‧輸出表面
700‧‧‧光學封裝
702‧‧‧第一反射表面
710‧‧‧光源單元
720‧‧‧變形光導
751a‧‧‧轉向器
756a‧‧‧反射面
760‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
770‧‧‧耦合部分/耦合區段
771‧‧‧耦合體
780‧‧‧集光器部分/集光器
781‧‧‧集光器主要表面
782‧‧‧集光器主要表面
784‧‧‧輸出表面
800‧‧‧光學封裝
802‧‧‧第一反射表面
810‧‧‧光源單元
820‧‧‧變形光導
851a‧‧‧轉向器
856a‧‧‧反射面
860‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
870‧‧‧耦合部分/耦合區段
871‧‧‧耦合體
880‧‧‧集光器部分/集光器
881‧‧‧集光器主要表面
882‧‧‧集光器主要表面
883‧‧‧入口表面
884‧‧‧輸出表面
900‧‧‧光學封裝
902‧‧‧第一反射表面
910‧‧‧光源單元
920a‧‧‧變形光導
920b‧‧‧變形光導
951a‧‧‧轉向器
956a‧‧‧反射面
960‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
970‧‧‧耦合部分/耦合區段
971‧‧‧耦合體
980‧‧‧集光器部分/集光器
981‧‧‧集光器主要表面
982‧‧‧集光器主要表面
984‧‧‧輸出表面
1000‧‧‧光學封裝
1002‧‧‧第一反射表面
1010‧‧‧光源單元
1020a‧‧‧變形光導
1020b‧‧‧變形光導
1051a‧‧‧轉向器
1056a‧‧‧反射面
1060‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
1070‧‧‧耦合部分/耦合區段
1071‧‧‧耦合體
1080‧‧‧集光器部分/集光器
1081‧‧‧集光器主要表面
1082‧‧‧集光器主要表面
1084‧‧‧輸出表面
1100‧‧‧光學封裝
1102‧‧‧第一反射表面
1110‧‧‧光源單元
1120a‧‧‧變形光導
1120b‧‧‧變形光導
1151a‧‧‧轉向器
1156a‧‧‧反射面
1160‧‧‧轉向器/集光器單元/轉向器/集光器元件
1170‧‧‧耦合部分/耦合區段
1171‧‧‧耦合體
1180‧‧‧集光器部分/集光器
1181‧‧‧集光器主要表面
1182‧‧‧集光器主要表面
1184‧‧‧輸出表面
參考以下圖式更好地理解本發明之實施例。該等圖式之元件不一定相對於彼此按比例繪製。
圖1A為根據本發明之一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖1B為圖1A之光學封裝的分解圖。
圖1C至圖1D為根據本發明之一態樣之光學封裝的變形光導元件 的不同近視圖。
圖1E至圖1F為根據本發明之一態樣之光學封裝的轉向器及集光器元件的不同近視圖。
圖1G為圖1A之光學封裝的正視圖。
圖2A至圖2D為根據本發明之另一態樣之光學封裝的各種等角視圖。
圖3為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖4為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖5為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖6為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖7為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖8為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖9為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖10為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
圖11為根據本發明之另一態樣之光學封裝的等角視圖。
雖然本發明可具有各種修改及替代形式，但已經由實例在圖式中展示本發明之細節且將對其進行詳細描述。然而，應瞭解，不意欲將本發明限定於所描述之特定實施例。相反，意欲涵蓋在如由隨附申請專利範圍界定之本發明範疇內的所有修改、等效物及替代物。
在以下實施方式中，參看隨附圖式，其形成實施方式之部分，且其中藉由說明而展示可實踐本發明之特定實施例。就此而言，諸如「頂部」、「底部」、「正面」、「背面」、「前」、「前向」、「後」等之方向術語係參考所描述之(多個)圖的定向而使用。因為本發明之實施例之組件可以若干不同定向來定位，所以方向術語係出於說明目的而使用且絕非用於限定。應瞭解，可使用其他實施例，且可在不偏離本發明 之範疇之情況下進行結構或邏輯改變。因此，以下詳細描述不應以限定之意義來理解且本發明之範疇由隨附申請專利範圍界定。
本發明係有關於一種提供具有高縱橫比及小有效高度之輸出光的小型高效模組式光學封裝。光學封裝之共有元件可經組態且經配置以提供可以許多不同方式實施的大量替代性設計。因此，光學封裝可用作大量裝置及應用之部分，諸如透射式、透射反射式及反射式LCD(膝上型電腦、平板電腦、手機、電子閱讀器等等)；膽固醇型、MEMS型及液體紙型(liquid paper)裝置；告示板與保形圖形，及指示器(諸如車輛顯示器)。
圖1A展示可用以照明諸如LCD之顯示器(圖中未示)之例示性光學封裝100的等角視圖。圖1B展示光學封裝100之分解圖。光學封裝100包括光源單元110、轉換器單元105，及外殼190。光源單元110為光學封裝100提供光之來源。本文中更詳細展示的轉換器單元105包括將來自光源單元110之光導引至轉向器/集光器元件160中的變形光導120。轉向器/集光器元件160包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導120導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分170中。光被進一步導向而穿過耦合部分170至轉向器/集光器元件160之集光器部分180中。系統100高效地耦合來自光源的光，且提供可視需要部分地在至少一軸線中準直的具有較大縱橫比之輸出光。另外，輸出光之有效高度實質上低於自光源發射之光的有效高度。
現將更詳細地描述此等組件中的每一者。
光源光可由任何數目之光源類型提供，但更佳之光源為基於LED之光源110。光源單元110可包括單一LED、兩個LED，或更多LED，此取決於正被照明之顯示器的類型。LED 110之輸出可以多種方式耦合至轉換器單元105。在一實例中，將來自光源110之輸出光作為實質上未經準直的光直接傳輸至轉換器105之變形光導120中。或者，可視 (例如)空間要求而利用一或多個複合抛物線集光器(CPC)、透鏡(圖中未示)或其組合以提供在進入轉換器單元105之前的至少某種部分光束準直。若使用CPC，則CPC之內部部分可為中空的或由透明材料製成，且以與習知CPC相同的方式進行構造。當然，在替代性實施例中，可利用透鏡或多透鏡系統收集且準直光源110之輸出。
在本發明之不同態樣中，光源110可定位於光學系統中的不同位置處。舉例而言，如圖1A至圖1F中所示，光源110定位於轉換器單元105之一末端處。或者，諸如在圖3中所示，光源定位於沿著光學系統之中心位置處。
就此而言，「發光二極體」或「LED」係指發射光(可見光、紫外線光或紅外線光)之二極體，其中所發射的光將具有在自約430至700nm之範圍中的峰值波長。術語LED包括：不相干光源，其為屬於習知或超級輻射種類的作為「LED」行銷之經包覆或囊封的半導體裝置；以及諸如雷射二極體之相干半導體裝置，其包括(但不限於)垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)。「LED晶粒」為呈最基本形式之LED，亦即，呈藉由半導體處理程序製造之個別組件或晶片形式的LED。舉例而言，LED晶粒可由一或多種第III族元素之組合及一或多種第V族元素之組合(III-V族半導體)形成。合適的III-V族半導體材料之實例包括諸如氮化鎵之氮化物及諸如磷化鎵銦之磷化物。亦可使用其他類型之III-V族材料，以及來自週期表之其他族的材料。組件或晶片可包括適合於施加電力以對裝置通電之電接點。實例包括導線結合、捲帶式自動結合(TAB)或覆晶結合。組件或晶片之個別層及其他功能元件通常按晶圓尺度形成，且可接著將成品晶圓切塊成個別零件以產生許多LED晶粒。LED晶粒可經組態用於表面黏著、板上晶片封裝或其他已知安裝組態。藉由在LED晶粒及相關聯之反射杯上形成聚合物囊封物來製造一些封裝LED。LED可生長於若干基板中之一者上。舉例而 言，可藉由磊晶法在藍寶石、矽及氮化鎵上生長GaN LED。為了達成本申請案之目的，「LED」亦應被視為包括通常被稱作OLED之有機發光二極體。
在本發明之一態樣中，光源110可包含兩個或兩個以上不同色彩LED之一陣列，例如，紅綠藍(RGB)LED(例如，紅色LED結合綠色LED結合藍色LED)，或作為代替，紅色LED與青色LED的組合。在另一態樣中，LED 110可包含一或多個遠端磷光體LED，諸如US 7,091,653中描述的彼等。以此方式，藍光與黃光之適當平衡可產生白光。
在另一態樣中，藍色GaN LED、YAG磷光體，及諸如透鏡及複合抛物線集光器之準直光學系統可用作光源單元110。亦可組合式地使用具有不同色彩輸出之額外照明器。
因為系統為模組式的，且最終裝置可包括經定位在整個最終裝置中的多個光學封裝100，所以可視應用而在每一光學封裝模組中利用相同或不同的光源110。
另外，在使用本發明的系統之設計的情況下，光源110可利用極高亮度且高效的LED，混合且匹配不同離散色彩，且利用遠端的基於磷光體之LED。同時，經由保留光展量，光之高效轉換可消除利用大量LED的需要。
光源可來自一磷光體轉換之LED，或可為不同LED之組合。舉例而言，LED可為藍色LED與發射綠光之磷光體及發射紅光之AlInGaP LED的組合。已發現，變形光導與轉向器之組合提供供自LED發射的光在進入背光光導單元之前有效地混合色彩的足夠長的路徑。
光學封裝100亦包括轉換器單元105。轉換器單元105將自光源110發射的縱橫比小於約10：1(諸如約1：1至約1：2)之光轉換成縱橫比為光源的至少兩倍(更佳為光源的至少四倍，且甚至更佳為光源的至少五 倍)的輸出光束。在一些態樣中，轉換器單元105產生線形輸出光束。該輸出光束可實質上在至少一方向上準直，且在一些態樣中，可實質上在兩個方向上準直。如以另一方式描述的，來自轉換器單元105之輸出光具有低於自光源110輸出之光的有效高度的一有效高度(光束實體高度×平行於高度軸而發射之光的半高寬角)。
轉換器單元105之一組件為更詳細地展示於圖1C及圖1D中的變形光導120。變形光導120為一大體直線結構，其具有輸入表面122、頂表面123、正交表面124、相反正交表面126、底表面125，及末端表面127。表面125包含階梯式表面，使得光導120之高度沿著長度L自表面122(具有高度=h1)至相反的末端表面217(具高度=h2，其中h2<<h1)降低。在一實例中，對於行動單元背光應用，h1可為約1mm，寬度可為約2mm，且L可為約50mm至約150mm。
在一態樣中，頂表面123大致相對於輸入表面122正交，且底表面125包括複數個傾斜階梯，其中每一傾斜階梯平行於頂表面123。因此，光導120可為大體上直線、階梯式且傾斜的結構，且可由諸如聚合物(例如，聚碳酸酯)或玻璃之光學清透材料形成。
輸入面122自光源單元110接收光。光穿過變形光導120而至轉向器/集光器元件160之轉向部分或區段150。轉向區段150可包括複數個轉向元件(本文中亦被稱作轉向器)151a至151j(參見圖1E及圖1F)，其中每一轉向部分將光之方向改變大致90°。每一轉向器包括相對於輸入面成約30度至約60度角的一反射小面。視光學封裝之大小而定，轉向器元件之數目的範圍可為自幾個(例如，2-6)至10個或更多(例如，圖1A至圖1F之實例系統中展示了10個轉向器)。在一些態樣中，轉向器可被逐個封裝。在其他態樣中，轉向器可彼此間隔開(例如，相鄰轉向器之間可插入大致為轉向器長度之½的間隔)。
在一態樣中，轉向元件151a、151b等可被一體式地形成為轉換器 單元105的部分。轉向元件可經定位使得轉向區段150之入口面152a、152b等可經安置成接近於光導120的底表面125a、125b等。或者，轉向元件151a、151b等可被一體式地形成為光導120的部分，或轉向元件151a、151b等可被單獨形成，接著使用諸如光線清透黏著劑之適當黏著劑或結合材料附接至光導120之底表面125。請注意，自光源110輸出之光的一部分可能在進入轉向區段150之前未穿過光導120。
在一態樣中，每一轉向器包含一耦合或去耦輸入面152、將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器160之耦合區段170中的反射面156(例如，圖1E中所示的面156a至156j)。每一轉向部分係薄的(相對於輸入面122之大小)，使得每一轉向器輸入面僅僅俘獲入射光的片段，且將該光片段反射至轉向器/集光器160之耦合區段170中。舉例而言，每一轉向器元件可具有約30μm至1000μm之厚度，較佳介於約50μm與200μm之間。因此，在一態樣中，每一轉向元件經組態為一大體平面的直角稜鏡。因此，在一態樣中，輸入表面122之高度可大致等於所有轉向結構之高度的總和，只是在一些狀況下，一小段光直接自光源110傳遞至轉向器/集光器元件160之耦合部分中。
低折射率層可經安置於變形光導120與轉向器部分150之間。低折射率層可包含一聚合物塗層或藉由物理氣相或化學氣相沈積而塗覆之一塗層。在一較佳態樣中，低折射率塗層將具有低散射。合適塗層可包括矽石、SiO2，及MgF2。
每一轉向元件151a、151b等可具有將入射光反射約90°角的一經鏡射或TIR 45°小面。由於轉向器之主要面(例如，頂面158a及底面159a)各自以較低折射率材料為界，因此光被俘獲於每一轉向器內。舉例而言，底面159a可以空氣為界，而頂面158a可以空氣或以具有比光導120之折射率更低的折射率(例如，1.49)的光學清透黏著劑為界。或者，可存在塗覆至表面125或表面158，或兩者的低折射率塗層，且 該等表面彼此耦接。類似地，表面123及159可塗有低折射率材料，以允許材料結合至顯示器中的其他元件。合適的低折射率塗層包括矽石及氟化鎂。在另一替代性態樣中，變形光導120可由比用以形成轉向器之材料具有更低折射率的材料形成。在又一替代性態樣中，變形光導120之折射率可類似於轉向元件的折射率，其中該等兩者之間未安置有低折射率材料，且光導可具有小於變形光導120之輸入面的高度h1而大於轉向區段150之厚度的一厚度。
如圖1F中所示，第一輸入光片段162a由轉向元件151a俘獲。該輸入光片段在轉向元件151a內全內反射，且被導向離開成角度之反射表面156a朝著耦合器/集光器170/180發射。輸入光片段162a作為輸出光片段164a自集光器180出現。類似地，第二光片段可由轉向元件151b俘獲，該轉向元件151b在與轉向元件151a之高度稍微偏移的高度處、在轉向元件151a之下游與其軸向間隔開。該輸入光片段在轉向元件151b內全內反射，且被導向離開成角度之反射表面而經由耦合器170朝著集光器180發射。以類似方式，每一後續轉向元件俘獲輸入光之片段，且經由耦合器170向著集光器180重導向彼光片段。因此，輸出光片段164a等經耦合，且實質上在集光器180中準直於至少一方向上，以形成具有至少20：1或更大之高縱橫比的成形光束。
反射表面156a等可為平面或曲面。另外，在一些態樣中，反射表面156a等可塗有反射塗層。舉例而言，反射表面156a等可塗有金屬或介電層狀塗層。或者，反射表面156a等可僅僅經拋光以全內反射(TIR)光。
在構造中，對於包含單獨形成之光導及轉向區段的轉換器單元，可使用光學清透黏著劑或低折射率結合材料將轉向區段150與底表面125上的光導120配對。在此態樣中，轉向元件輸入表面152a可與底部階梯表面125a配對，下一轉向元件輸入表面152b可與下一底部階 梯表面125b配對，且等等。根據替代性態樣，轉向器150之輸入面可以光學方式耦合至光導120或自光導120去耦。光學耦合轉向器可歸因於降低菲涅耳反射而更有效率，但可使得具有45°小面之轉向器歸因於光束之錯誤路徑而具有損失。因此，作為代替，當利用具有45°小面之轉向元件時，輸入面可自光導120去耦。在替代性態樣中，轉向器元件之輸出面可耦合至耦合器170/集光器180之輸入面或自其去耦。
轉換器單元105亦包括耦合部分170及集光器部分180。在圖1A至圖1F中，耦合/集光器由單一整合式構造形成。在替代性態樣中，耦合部分170及集光器部分180可被形成為光學系統100內的單獨元件。
耦合部分170接收離開轉向部分150的光。如圖1E及圖1F中更詳細展示的，耦合部分170包含在一或多個維度中延展的一系列體，例如，梯形耦合體或耦合器體。該等體可具有大體平面形狀(諸如圖1E至圖1F中所示)，或耦合器體可具有錐形形狀，諸如圖3中所示。在一些替代性態樣中，該錐形可為線性的，或該錐形可在至少一軸線中為非線性的。合適的非線性輪廓可包括抛物線。錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光。另外，耦合部分之錐形設計使直接穿過轉向器部分的光準直。經由TIR在耦合部分170內導引光。因此，耦合部分170可在耦合部分之平面中(意即，在平行於耦合部分之主要表面的平面中)準直光。
如上文所提及，在本發明之一態樣中，耦合部分170可與轉向器部分150形成為一體。在此態樣中，轉向器部分150及耦合部分170可由一連續模製物品製成。合適的構造材料包括丙烯酸系樹脂(其包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、可固化丙烯酸系樹脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯，及聚矽氧。或者，可使用聚合物膜之切割條，或藉由鑄製與固化製程形成耦合部分170。
離開耦合部分170之光進入集光器部分(亦被稱作集光器180)。集光器180包含可經組態以在至少一方向(例如，與集光器180之平面正交)上準直光的一大體直線體。集光器180可平滑化或漫射去除進入集光器部分之光束的不均勻性。集光器部分180可具有大體平面形狀(諸如圖1E至圖1F中所示)，或集光器180可具有錐形形狀，諸如圖2A至2D中所示。在一些替代性態樣中，該錐形可在至少一軸線中呈線性，該錐形可在至少一軸線中呈非線性，或可使用錐形之組合。合適的非線性輪廓可包括抛物線。經由TIR在集光器部分180內導引光。類似於耦合部分170，集光器180可由一連續模製物品製成。合適的構造材料包括丙烯酸系樹脂(其包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、可固化丙烯酸系樹脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯，及聚矽氧。由於轉向器/耦合/集光器可由模製材料形成，因此該集光器亦可以允許聚合物在一方向上流動的方式成形。
圖1G為光學封裝100的部分正視圖。應注意，轉向器150、耦合部分170，及集光器180可相對於光導120之主要表面以約3°至約12°之小角度α稍微歪斜或傾斜，以提供相鄰轉向元件之間的逐漸過渡。此斜率使得耦合區段扭轉，且相對於無扭轉之系統，降低了該系統之光展量。
另外，光學封裝100包括外殼190。外殼190可經成形以保護、對準、支撐，及/或密封光學系統的一或多個元件。如圖1B中所示，外殼190支撐轉換器單元105之變形光導120及轉向器部分150。另外，外殼190可包含一類框架結構，其亦可提供可用以將來自光源110之光反射至變形光導120中的表面。外殼190亦可包括用以將集光器180之輸出與光導或其他裝置(圖中未示)對準的結構。或者，外殼190可用以允許容納相鄰對準結構(圖中未示)。
因此，自光學系統100輸出的光可具有高縱橫比，且可用於多種 應用，諸如提供用於背光及顯示器(尤其薄背光)的光。
圖2A至圖2D展示另一例示性光學封裝200之不同等角視圖，該光學封裝可被單獨使用或與其他類似光學封裝模組組合而用作一模組以照明顯示器(圖中未示)或其他裝置。光學封裝200包括光源單元210及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導220及具有一系列轉向器251a至251d、耦合部分270及集光器部分280的轉向器/集光器單元260。請注意，為簡單起見，自諸圖中省略外殼。光源單元210為光學封裝200提供光之來源，且經安置於光學系統的一末端。在此態樣中，光學封裝210包括兩個LED。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的反射表面202以將自光源210發射之光的至少一實質部分反射至變形光導中。在此態樣中，來自光源210之輸出光的另一部分可經過反射表面202，且直接進入耦合部分270之耦合體271中(參見例如圖2C)。
變形光導220將來自光源單元210之光導引至轉向器/集光器元件260中。在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導220相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件260包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導220導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分270中。在此態樣中，該轉向器部分包括四個轉向器251a至251d，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器260之耦合區段270中的反射面256(例如，圖2B中展示了面256d)。轉向器251a至251d之構造可類似於上文描述之轉向器151a至151j的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分270至轉向器/集光器元件260之集光器部分280中。耦合部分270包含在一或多個維度中延展之一系列耦合體，例如梯形體(諸如圖2C中展示的耦合體271)。該等耦合體可具有一大體平面形狀，其在至少一方向上具有錐形。在此態樣中，該錐 形為線性的(向著集光器280水平延展)。此錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光。經由TIR在耦合部分270內導引光。在一些態樣中，耦合部分270可包括稍微扭轉或成角度的定向，其可將封裝200之光展量改良一倍。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。
在此特定態樣中，氣隙存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間(參見，例如，圖2C中所示的界面265)。
離開耦合部分270的光進入集光器部分280。在此態樣中，集光器280包含具有錐形之一大體直線體，使得集光器主要表面281及282(參見，例如，圖2C)各自具有非線性錐形。在此態樣中，主要表面281及282具有自入口表面283朝著出口表面284的抛物線錐形，其中集光器在集光器入口處具有高度h1且在集光器出口處具有高度h2，其中h1<h2。此抛物線錐形可幫助提供經準直的輸出光。與線性錐形相比，抛物線錐形可在較小體積中提供高準直度。經由TIR在集光器部分280內導引光。在一些態樣中，集光器部分280可包括稍微扭轉或成角度的定向，此可改良封裝之光展量。集光器280可由使用上文描述之構造材料的一連續模製物品製成。集光器280之設計的優點包括輸出光沿著集光器280之主要軸線具有側向均勻性。自可製造性觀點而言，集光器280亦提供優點。
類似於系統100，光學封裝200高效地耦合來自光源的光，且提供可在至少一軸線中部分準直的具有較大縱橫比之輸出光。另外，輸出光之有效高度實質上低於自光源發射之光的有效高度。在一些態樣中，輸出光之有效高度至多為自光源發射之光的有效高度的五分之一。
舉例而言，根據由調查員執行之計算，在使用光學封裝200的情況下，對於實體高度為0.5mm及平行於高度軸線之光的FWHM角為約 170°之LED，自LED輸出的光具有約85mm deg之有效高度。在光學封裝200之輸出端，輸出面284之高度為0.5mm，且FWHM角為約24°，從而產生用於光學封裝的約12mm deg之有效高度，降低了至少約七分之六。
藉由使用此模組式途徑，光學封裝設計者可修改個別光學封裝的任何數目之不同態樣，以提供經定製以滿足特定照明應用之要求的系統。舉例而言，下文表1中所示的經勾選參數提供用於產生圖2A至圖2D中所示之光學系統200的一實例途徑。對此等參數之修改(例如，僅僅藉由針對每一元件選擇或取消選擇某些參數)可用以產生大量不同光學封裝(圖3至圖11中所示之光學封裝300-1100僅僅為可使用此途徑產生的許多可能的替代性光學封裝中的幾個光學封裝)。
圖3展示另一例示性光學封裝300，其可被單獨使用或與其他類似光學封裝模組組合而用作一模組以照明顯示器(圖中未示)或其他裝置。光學封裝300包括光源單元310及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導及具有一系列轉向器之轉向器/集光器單元360，該轉向器/集光器單元包括轉向器351a、耦合部分370及集光器部分380。請注意，為簡單起見而自圖中省略外殼。光源單元310為光學封裝300提供光之來源，且沿著變形光導安置於一中心位置處。在此態樣中，光學封裝310包括兩個LED。在此態樣中，變形光導被劃分為經安置於光源310之每一側的兩部分(或較小光導)320a及320b。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的第一反射表面302以將自光源310發射之光的至少一部分反射至變形光導320a中。第二反射表面(圖中未示)可安置於第一反射表面302下方，以將自光源310發射之光的另一部分反射至變形光導320b中。變形光導320a、320b將來自光源單元310之光導引至轉向器/集光器元件360中。
在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導320a、320b相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件360包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導320a、320b導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分370中。在此態樣中，該轉向器部分包括六個轉向器(僅僅展示轉向器351a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器360之耦合區段370中的反射面356(例如，圖3中展示了面356a)。在此態樣中，轉向器部分包括相鄰轉向器之間的間隙。此轉向器間隔可提供光學封裝之更直截了當的構造，此係因為此組態在轉向器之輸出面處為耦合體提供了更多空間。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器151a至151j的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分370至轉向器/集光器元件360之集光器部分380中。耦合部分370包含在一或多個維度中延展之一系列耦 合體，例如梯形體(諸如圖3中展示的耦合體371)。在此態樣中，由於錐形向著集光器380線性水平延展(平面內)且抛物線性地垂直延展(與轉向器體之平面正交)，因此該等體包括在多個方向上的錐形。此錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光。經由TIR在耦合部分370內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。在此特定態樣中，氣隙可存在或可不存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分370的光進入集光器部分380。在此態樣中，集光器380包含不具有錐形之直線體，使得集光器主要表面381及382大體上彼此平行，且大體上垂直於輸出表面384。集光器380可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。在使用此組態的情況下，光源310之中心與集光器380之中心在高度上對準或重合，因此允許實現減小的總體封裝大小。
圖4展示另一例示性光學封裝400，其可被單獨使用或與其他類似光學封裝模組組合而用作一模組以照明顯示器(圖中未示)或其他裝置。光學封裝400包括光源單元410及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導及具有一系列轉向器之轉向器/集光器單元460，該轉向器/集光器單元包括轉向器451a、耦合部分470及集光器部分480。請注意，為簡單起見而自圖中省略外殼。光源單元410為光學封裝400提供光之來源，且沿著變形光導安置於一中心位置處。在此態樣中，光學封裝410包括兩個LED。在此態樣中，變形光導被劃分為經安置於光源410之每一側的兩部分(或較小光導)420a及420b。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的第一反射表面402以將自光源410發射之光的至少一部分反射至變形光導420a中。第二反射表面(圖中未示)可安置於第一反射表面402下方，以將自光源410發射之光的另一部分反射至變形光導420b中。變形光導420a、420b將來自光 源單元410之光導引至轉向器/集光器元件460中。
在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導420a、420b相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件460包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導420a、420b導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分470中。在此態樣中，該轉向器部分包括六個轉向器(僅僅展示轉向器451a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器460之耦合區段470中的反射面456(例如，圖4中展示了面456a)。在此態樣中，轉向器部分包括相鄰轉向器之間的間隙。此轉向器間隔可提供光學封裝之更直截了當的構造，此係因為此組態在轉向器之輸出面處為耦合體提供更多空間。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器151a至151j的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分470至轉向器/集光器元件460之集光器部分480中。耦合部分470包含在一或多個維度中延展之一系列耦合體，例如梯形體(諸如圖4中展示的耦合體471)。在此態樣中，該等耦合體係大體上平面的，其具有向著集光器480水平延展的階梯式、抛物線錐形。此錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光且準直耦合部分之平面中的光。經由TIR在耦合部分470內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。在此特定態樣中，氣隙可存在或可不存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分470的光進入集光器部分480。在此態樣中，集光器480包含在向著輸出表面484之一方向上具有線性錐形的一大體直線體，使得集光器主要表面481及482彼此不平行。集光器480可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。在使用此組態的情況下，光源410之中心與集光器480之中心在高度上對準或重合，因此允許實現減小的總體封裝大小。
圖5展示另一例示性光學封裝500，其可被單獨使用或與其他類似光學封裝模組組合而用作一模組以照明顯示器(圖中未示)或其他裝置。光學封裝500包括光源單元510及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導及具有一系列轉向器之轉向器/集光器單元560，該轉向器/集光器單元包括轉向器551a、耦合部分570及集光器部分580。為簡單起見而自圖中省略外殼。光源單元510為光學封裝500提供光之來源，且沿著變形光導安置於一中心位置處。在此態樣中，光學封裝510包括兩個LED。在此態樣中，變形光導被劃分為經安置於光源510之每一側的兩部分(或較小光導)520a及520b。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的第一反射表面502以將自光源510發射之光的至少一部分反射至變形光導520a中。第二反射表面(圖中未示)可安置於第一反射表面502下方，以將自光源510發射之光的另一部分反射至變形光導520b中。在此態樣中，來自光源510之輸出光的另一部分可經過反射表面，且直接進入耦合部分570之耦合體中。變形光導520a、520b將來自光源單元510之光導引至轉向器/集光器元件560中。
在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導520a、520b相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件560包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導520a、520b導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分570中。在此態樣中，該轉向器部分包括四個轉向器(僅僅展示轉向器551a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器560之耦合區段570中的反射面556(例如，圖5中展示了面556a)。在此態樣中，轉向器部分包括在相鄰轉向器之間的間隙。此轉向器間隔可提供光學封裝之更直截了當的構造，此係因為此組態在轉向器之輸出面處為耦合體提供更多空間。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器151a至151j的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分570至轉向器/集光器元件560之集光器部分580中。耦合部分570包含在一或多個維度中延展之一系列耦合體，例如梯形體(諸如圖5中展示的耦合體571)。在此態樣中，該等耦合體係大體平面的，其具有向著集光器580水平延展的線性錐形。此錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光。經由TIR在耦合部分570內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。在此特定態樣中，氣隙可存在或可不存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分570的光進入集光器部分580。在此態樣中，集光器580包含在向著出口表面584之一方向上至少具有線性錐形的一大體直線體，使得集光器主要表面581及582彼此不平行。在此態樣中，集光器580具有相對較長長度。集光器580可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。
圖6展示另一例示性光學封裝600，其可被單獨使用或與其他類似光學封裝模組組合而用作一模組以照明顯示器(圖中未示)或其他裝置。光學封裝600包括光源單元610及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導及具有一系列轉向器之轉向器/集光器單元660，該轉向器/集光器單元包括轉向器651a、耦合部分670及集光器部分680。為簡單起見而自圖中省略外殼。光源單元610為光學封裝600提供光之來源，且沿著變形光導安置於一中心位置處。在此態樣中，光學封裝610包括兩個LED。在此態樣中，變形光導被劃分為經安置於光源610之每一側的兩部分(或較小光導)620a及620b。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的第一反射表面602以將自光源610發射之光的至少一部分反射至變形光導620a中。第二反射表面(圖中未示)可安置於第一反射表面602下方，以將自光源610發射之光的另一部分反射至變形光導620b中。變形光導620a、620b將來自光源單元 610之光導引至轉向器/集光器元件660中。
在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導620a、620b相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件660包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導620a、620b導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分670中。在此態樣中，該轉向器部分包括六個轉向器(僅僅展示轉向器651a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器660之耦合區段670中的反射面656(例如，圖6中展示了面656a)。在此態樣中，轉向器部分包括在相鄰轉向器之間的間隙。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器151a至151j的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分670至轉向器/集光器元件660之集光器部分680中。耦合部分670包含在一或多個維度中延展之一系列耦合體，例如梯形體(諸如圖6中展示的耦合體671)。在此態樣中，該等耦合體係大體平面的，其具有向著集光器680水平延展的線性錐形。此錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光。經由TIR在耦合部分670內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。在此特定態樣中，氣隙可存在或可不存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分670的光進入集光器部分680。在此態樣中，集光器680包含在向著出口表面684之一方向上至少具有線性錐形的一大體直線體，使得集光器主要表面681及682彼此不平行。集光器680可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。
圖7展示另一例示性光學封裝700。光學封裝700包括光源單元710及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導720及具有一系列轉向器、耦合部分770及集光器部分780的轉向器/集光器單元760。為簡單起見而自諸圖中省略外殼。光源單元710為光學封裝700提供光之來 源，且經安置於光學系統的一末端。在此態樣中，光學封裝710包括兩個LED。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的反射表面702以將自光源710發射之光的至少一實質部分反射至變形光導中。在此態樣中，來自光源710之輸出光的另一部分可經過反射表面702，且直接進入耦合部分770中。
變形光導720將來自光源單元710之光導引至轉向器/集光器元件760中。在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導720相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件760包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導720導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分770中。在此態樣中，該轉向器部分包括四個轉向器(圖7中展示轉向器751a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器760之耦合區段770中的反射面756(例如，圖7中展示了面756a)。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分770至轉向器/集光器元件760之集光器部分780中。耦合部分770包含在一或多個維度中延展之一系列耦合體，例如梯形體(諸如圖7中展示的耦合體771)。該等耦合體可具有一大體平面形狀，其在至少一方向上具有錐形。在此態樣中，該錐形為線性的(向著集光器780水平延展)。經由TIR在耦合部分770內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。
在此特定態樣中，氣隙存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分770的光進入集光器部分780。在此態樣中，集光器780包含在向著出口表面784之至少一方向上具有線性錐形的一大體直線體，使得集光器主要表面781及782不平行。集光器780可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。
圖8展示另一例示性光學封裝800。光學封裝800包括光源單元810及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導820及具有一系列轉向器、耦合部分870及集光器部分880的轉向器/集光器單元860。為簡單起見而自諸圖中省略外殼。光源單元810為光學封裝800提供光之來源，且經安置於光學系統的一末端。在此態樣中，光學封裝810包括兩個LED。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的反射表面802以將自光源810發射之光的至少一實質部分反射至變形光導中。在此態樣中，來自光源810之輸出光的另一部分可經過反射表面802，且直接進入耦合部分870中。
變形光導820將來自光源單元810之光導引至轉向器/集光器元件中。在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導820相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件860包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導820導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分870中。在此態樣中，該轉向器部分包括四個轉向器(圖8中展示轉向器851a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器之耦合區段870中的反射面856(例如，圖8中展示了面856a)。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分870至轉向器/集光器元件860之集光器部分880中。耦合部分870包含在一或多個維度中延展之一系列耦合體，例如梯形體(諸如圖8中展示的耦合體871)。該等耦合體可具有一大體平面形狀，其在至少一方向上具有錐形。在此態樣中，該錐形為線性的(向著集光器880水平延展)。經由TIR在耦合部分870內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。
在此特定態樣中，氣隙存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分870的光進入集光器部分880。在此態樣中，集光 器880包含一大體直線體，其在至少一方向上具有抛物線錐形。在此特定態樣中，主要表面881具有自入口表面883向著出口表面884的抛物線錐形，其中集光器在集光器出口處具有比在集光器入口處之高度更高的高度。此抛物線錐形幫助在不顯著增大出口表面884之高度的情況下提供經準直的輸出光。經由TIR在集光器部分880內導引光。集光器880可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。
圖9展示另一例示性光學封裝900。光學封裝900包括光源單元910及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導及具有一系列轉向器之轉向器/集光器單元960，該轉向器/集光器單元包括轉向器951a、耦合部分970及集光器部分980。為簡單起見而自圖中省略外殼。光源單元910為光學封裝900提供光之來源，且沿著變形光導安置於一中心位置處。在此態樣中，變形光導被劃分為經安置於光源910之每一側的兩部分(或較小光導)920a及920b。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的第一反射表面902以將自光源910發射之光的至少一部分反射至變形光導920a中。第二反射表面(圖中未示)可安置於第一反射表面902下方，以將自光源910發射之光的另一部分反射至變形光導920b中。在此態樣中，來自光源910之輸出光的另一部分可經過反射表面，且直接進入耦合部分970之耦合體中。變形光導920a、920b將來自光源單元910之光導引至轉向器/集光器元件960中。
在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導920a、920b相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件960包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導920a、920b導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分970中。在此態樣中，該轉向器部分包括四個轉向器(僅僅展示轉向器951a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器960之耦合區段970中的反射 面956(例如，圖9中展示了面956a)。在此態樣中，轉向器部分包括在相鄰轉向器之間的間隙。此轉向器間隔可提供光學封裝之更直截了當的構造，此係因為此組態在轉向器之輸出面處為耦合體提供更多空間。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器151a至151j的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分970至轉向器/集光器元件960之集光器部分980中。耦合部分970包含在一或多個維度中延展之一系列耦合體，例如梯形體(諸如圖9中展示的耦合體971)。在此態樣中，該等耦合體係大體平面的，其具有向著集光器980水平延展的線性錐形。此錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光。經由TIR在耦合部分970內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。在此特定態樣中，氣隙可存在或可不存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分970的光進入集光器部分980。在此態樣中，集光器980包含在向著出口表面984之一方向上具有至少一個長線性錐形的一大體直線體，使得集光器主要表面981及982彼此不平行。在此態樣中，集光器980具有相對較長長度。集光器980可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。
圖10展示又一例示性光學封裝1000。光學封裝1000包括光源單元1010及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導及具有一系列轉向器之轉向器/集光器單元1060，該轉向器/集光器單元包括轉向器1051a、耦合部分1070及集光器部分1080。為簡單起見而自圖中省略外殼。光源單元1010為光學封裝1000提供光之來源，且沿著變形光導安置於一中心位置處。在此態樣中，光學封裝1010包括兩個LED。在此態樣中，變形光導被劃分為經安置於光源1010之每一側的兩部分(或較小光導)1020a及1020b。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的第一反射表面1002以將自光源1010發射之 光的至少一部分反射至變形光導1020a中。第二反射表面(圖中未示)可安置於第一反射表面1002下方，以將自光源1010發射之光的另一部分反射至變形光導1020b中。變形光導1020a、1020b將來自光源單元1010之光導引至轉向器/集光器元件1060中。
在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導1020a、1020b相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件1060包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導1020a、1020b導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分1070中。在此態樣中，該轉向器部分包括六個轉向器(僅僅展示轉向器1051a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器1060之耦合區段1070中的反射面1056(例如，圖10中展示了面1056a)。在此態樣中，在相鄰轉向器之間無間隙。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器151a至151j的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分1070至轉向器/集光器元件1060之集光器部分1080中。耦合部分1070包含在一或多個維度中延展之一系列耦合體，例如梯形體(諸如圖10中展示的耦合體1071)。在此態樣中，該等耦合體係大體平面的，其具有向著集光器1080水平延展的線性錐形。此錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光。經由TIR在耦合部分1070內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。在此特定態樣中，氣隙可存在或可不存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分1070的光進入集光器部分1080。在此態樣中，集光器1080包含直線體(無錐形)，使得集光器主要表面1081及1082大體上彼此平行，且垂直於出口表面1084。在此態樣中，集光器1080具有相對較長長度。此外，系統1000在出口表面1084處具有極小高度，且僅在一維度中準直光，由此促進對極薄顯示裝置的照明/與極薄顯示 裝置的耦合。因此，一些組態可產生約0.05mm至約0.2mm之實體高度。集光器1080可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。
圖11展示又一例示性光學封裝1100。光學封裝1100包括光源單元1110及轉換器單元，該轉換器單元包括變形光導及具有一系列轉向器之轉向器/集光器單元1160，該轉向器/集光器單元包括轉向器1151a、耦合部分1170及集光器部分1180。為簡單起見而自圖中省略外殼。光源單元1110為光學封裝1100提供光之來源，且沿著變形光導安置於一中心位置處。在此態樣中，光學封裝1110包括兩個LED。在此態樣中，變形光導被劃分為經安置於光源1110之每一側的兩部分(或較小光導)1120a及1120b。在此配置中，提供可形成於直角稜鏡或外殼(圖中未示)之表面上的第一反射表面1102以將自光源1110發射之光的至少一部分反射至變形光導1120a中。第二反射表面(圖中未示)可安置於第一反射表面1102下方，以將自光源1110發射之光的另一部分反射至變形光導1120b中。變形光導1120a、1120b將來自光源單元1110之光導引至轉向器/集光器元件1160中。
在此態樣中，儘管總體設計及結構與上文所描述的相同，但變形光導1120a、1120b相比變形光導120具有較短長度。轉向器/集光器元件1160包括轉向器部分，該轉向器部分接收由變形光導1120a、1120b導引之光的片段，且將其轉向至耦合部分1170中。在此態樣中，該轉向器部分包括六個轉向器(僅僅展示轉向器1151a)，其各自具有將光方向改變大致90°且將光導引至轉向器/集光器1160之耦合區段1170中的反射面1156(例如，圖11中展示了面1056a)。在此態樣中，在相鄰轉向器之間提供氣隙。轉向器之構造可類似於上文描述之轉向器151a至151j的構造。
光被進一步導向穿過耦合部分1170至轉向器/集光器元件1160之集光器部分1180中。耦合部分1170包含在一或多個維度中延展之一系 列耦合體，例如梯形體(諸如圖11中展示的耦合體1171)。在此態樣中，該等耦合體係大體平面的，其具有向著集光器1180水平延展的線性錐形。此錐形特徵幫助俘獲直接穿過轉向器部分(未由反射表面轉向)的光。經由TIR在耦合部分1170內導引光。耦合部分可由上文描述之構造材料中的任一者形成。在此特定態樣中，氣隙可存在或可不存在於轉向器部分之出口面與耦合部分之輸入面之間。
離開耦合部分1170的光進入集光器部分1180。在此態樣中，集光器1180包含直線體(無錐形)，使得集光器主要表面1181及1182大體彼此平行，且垂直於出口表面1184。在此態樣中，集光器1180具有相對較長長度。此外，系統1100在出口表面1184處具有極小高度，且僅在一維度中準直光，由此促進對極薄顯示裝置的照明/與極薄顯示裝置的耦合。此組態可產生約0.05mm至約0.2mm之實體高度。集光器1180可由使用上文描述之構造材料的連續模製物品製成。
因此，上文描述之光學封裝及其組件為顯示器提供高效的照明系統。舉例而言，顯示器可由一個、兩個、三個，或三個以上單獨的光學封裝模組(包括光學封裝100至1100中的任一者)照明。該等模組可端對端地配置於顯示裝置之同一側或顯示裝置之不同側上。該等模組可為單一顯示裝置中的相同或不同組態。光學封裝及其組件一起或單獨地提供具有低光展量及較少數目之總體組件的高度模組式的高效照明系統。與習知背光系統相比，本文中描述的光學封裝可耦接至甚至更薄的顯示裝置。
儘管已出於描述較佳實施例的目的在本文中說明且描述特定實施例，但一般熟習此項技術者應瞭解，在不偏離本發明之範疇的情況下，廣泛的多種替代或等效實施可取代所展示且描述之特定實施例。熟習此項技術者將易於瞭解，本發明可實施於極廣泛的多種實施例中。本申請案意欲涵蓋本文所論述之實施例之任何調適或變化。
100‧‧‧光學封裝
105‧‧‧轉換器單元
110‧‧‧光源單元/LED
120‧‧‧光導
122‧‧‧輸入表面/輸入面
123‧‧‧頂表面
124‧‧‧正交表面
125‧‧‧底表面
125a‧‧‧底表面
125b‧‧‧底表面
126‧‧‧相反正交表面
127‧‧‧末端表面
150‧‧‧轉向器/轉向部分/轉向區段
151a至151j‧‧‧轉向器/轉向元件
152a‧‧‧入口面/輸入表面
152b‧‧‧入口面/輸入表面
156a-156j‧‧‧反射表面
158‧‧‧表面
158a‧‧‧頂表面
159‧‧‧表面
159a‧‧‧底表面
160‧‧‧轉向器/集光器元件
162a‧‧‧第一輸入光片段
164a‧‧‧輸出光片段
170‧‧‧耦合部分
180‧‧‧集光器部分
190‧‧‧外殼

Claims (45)

  1. 一種光學封裝，其包含：一光源，其產生具有一第一縱橫比之光；及一轉換器單元，該轉換器單元包括：一變形光導，其用以自該光源接收該光；一轉向器陣列，其用以接收且轉向來自該變形光導的光；及一集光器，其用以收集自該轉向器陣列接收的光，其中該集光器輸出具有一第二縱橫比的光，該第二縱橫比大於該第一縱橫比，且其中來自該集光器之該輸出光的一有效高度低於由該光源發射之該光的一有效高度。
  2. 如請求項1之光學封裝，其中該轉向器陣列及該集光器被形成為一轉向器/集光器元件的部分，該轉向器/集光器元件進一步包括經安置於該轉向器陣列與該集光器之間的一耦合部分。
  3. 如請求項1或2之光學封裝，其中自該集光器輸出之該光的該有效高度實質上低於自該光源發射之該光的該有效高度。
  4. 如請求項1或2之光學封裝，其中進入該變形光導之輸入面的光具有大約自約1比1至約1比4之一縱橫比，且離開輸出面之光具有至少1比25之一縱橫比。
  5. 如請求項1或2之光學封裝，其中光轉向部分包含空間上分開之轉向元件的一陣列。
  6. 如請求項1或2之光學封裝，其中每一轉向元件包含實質上反射光之一實質上反射的小面。
  7. 如請求項1或2之光學封裝，其中每一轉向元件包括將入射光反射約90°角的一經鏡射或TIR 45°小面。
  8. 如請求項1或2之光學封裝，其中每一轉向元件包含一大體上平面的直角稜鏡。
  9. 如請求項1或2之光學封裝，其中每一轉向元件具有自約40μm至約60μm之一厚度。
  10. 如請求項1或2之光學封裝，其中每一空間上分開之轉向元件具有以一較低折射率材料為界之一主要上表面及一主要下表面。
  11. 如請求項10之光學封裝，其中該較低折射率材料為空氣。
  12. 如請求項1或2之光學封裝，其中該變形光導由具有一第一主要表面及第二主要表面之一大體直線結構形成，該等主要表面中的至少一者為一階梯式表面。
  13. 如請求項12之光學封裝，其中階梯式表面包含複數個階梯結構，該等階梯結構各自具有自約20μm至約80μm之一階梯高度。
  14. 如請求項12之光學封裝，其中該光轉向部分包含與該階梯式表面配對的空間上分開之轉向元件的一陣列。
  15. 如請求項14之光學封裝，其中一光學清透黏著劑經安置於該階梯式表面與該光轉向部分之間。
  16. 如請求項14之光學封裝，其中一氣隙經安置於該階梯式表面與該光轉向部分之間。
  17. 如請求項1或2之光學封裝，其中該耦合部分及該集光器部分由一單一整合式構造形成。
  18. 如請求項1或2之光學封裝，其中該耦合部分及該集光器部分被形成為光學系統內的單獨元件。
  19. 如請求項1或2之光學封裝，其中該耦合部分包含在一或多個維度中延展的一系列耦合體。
  20. 如請求項19之光學封裝，其中該等耦合體包含梯形體。
  21. 如請求項19之光學封裝，其中該等耦合體具有一錐形形狀。
  22. 如請求項21之光學封裝，其中該錐形在至少一軸線上呈線性。
  23. 如請求項21之光學封裝，其中該錐形在至少一軸線上呈非線性。
  24. 如請求項1或2之光學封裝，其中該集光器包含一大體上直線體。
  25. 如請求項1或2之光學封裝，其中該集光器經組態以在至少一方向上準直光。
  26. 如請求項1或2之光學封裝，其中該集光器具有一大體平面形狀。
  27. 如請求項1或2之光學封裝，其中該集光器具有一錐形形狀。
  28. 如請求項27之光學封裝，其中該錐形在至少一軸線上呈線性。
  29. 如請求項27之光學封裝，其中該錐形在至少一軸線上呈非線性。
  30. 如請求項29之光學封裝，其中該錐形為抛物線形。
  31. 如請求項17之光學封裝，其中該單件構造包含一連續模製物品。
  32. 如請求項17之光學封裝，其中該單件構造包含丙烯酸系樹脂、可固化丙烯酸系樹脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯，及聚矽氧中的一者。
  33. 如請求項1或2之光學封裝，其進一步包含用以保護且支撐該光學封裝之一或多個元件的一外殼。
  34. 如請求項33之光學封裝，其中該外殼包括具有一反射表面的一框架，該反射表面經組態以將自該光源輸出的光導引至該變形光導中。
  35. 如請求項1或2之光學封裝，其中該集光器具有實體高度為約0.05mm至約0.2mm之一輸出表面。
  36. 如請求項11之光學封裝，其中該大體直線結構包含一經模製塑膠 或玻璃。
  37. 如請求項1或2之光學封裝，其中該光源包含至少一LED。
  38. 如請求項1或2之光學封裝，其中該光源包含至少一遠端磷光體LED。
  39. 如請求項1或2之光學封裝，其中該光源包含第一及第二LED，其中該第一LED之輸出波長不同於該第二LED的輸出波長。
  40. 如請求項1或2之光學封裝，其中來自該集光器之該輸出光的該有效高度至多為由該光源發射之該光的一有效高度的五分之一。
  41. 如請求項40之光學封裝，其中來自該集光器之該輸出光的該有效高度至多為由該光源發射之該光的一有效高度的七分之一。
  42. 一種顯示裝置，其包含如前述請求項中任一項之光學封裝。
  43. 如請求項42之顯示裝置，其進一步包含一第二光學封裝。
  44. 如請求項43之顯示裝置，其中該第二光學封裝包括：一第二光源，其產生具有一第一縱橫比之光；及一第二轉換器單元，該第二轉換器單元包括：一變形光導，該變形光導用以自該第二光源接收該光，一轉向器陣列，該轉向器陣列用以接收且轉向來自該變形光導的光，及一集光器，該集光器用以收集自該轉向器陣列接收的光，其中該集光器輸出具有一第二縱橫比的光，該第二縱橫比大於該第一縱橫比，且其中來自該集光器之該輸出光的一有效高度低於由該第二光源發射之該光的一有效高度。
  45. 一種光學封裝，其包含：一光源，其產生具有一第一縱橫比之光；及一轉換器單元，該轉換器單元包括：一變形光導，其用以自該光源接收該光；一轉向器陣列，其用以接收且轉向來自該變 形光導的光；及一集光器，其用以收集自該轉向器陣列接收的光，其中該集光器輸出具有一第二縱橫比的光，該第二縱橫比大於該第一縱橫比，其中該輸出光的一實體高度低於該光源之一實體高度。
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