一种分立光学装置，用于耦接到分立ＬＥＤ，所述分立光学装置包括： 入射面，用于当所述分立光学装置耦接到分立ＬＥＤ时，接收来自所述分立ＬＥＤ的光； 与所述入射面相对并与所述入射面相距一距离的出射面，其中所述出射面至少具有针对从所述分立光学装置所投射的期望半角的光维持辐射率恒定所需的最小面积； 一组侧壁，其中将每一侧壁布置和成形为使得从所述入射面到该侧壁具有直线传播路径的至少大部分光线以小于或等于所述出射面处的临界角的所述出射面处的入射角，被反射到所述出射面。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及分立光学装置。甚至更具体地，本专利技术的实施例涉及 用于提高对来自分立发光二极管("LED")的光的利用能力的装置和 方法。
技术介绍
发光二极管("LED")在电子领域中是普遍存在的。它们用于数 字显示器、照明系统、计算机和电视、蜂窝式电话以及各种其它装置 中。在LED中，如在传统二极管中一样，多余的电子从N型半导体 移动到P型半导体中的电子空穴。但是，在LED中，在该过程期间 光子被释放以产生光。对于许多应用来说，期望聚集尽可能多的来自 LED的光，并使其分布成所期望的锥角。许多传统的LED器件使用形成在LED周围的圆顶球面或非球面 透镜。 一般地，从透镜到圆顶的距离控制着发射锥(emission cone)。 T-1躲、T-Smm或其变型是圆顶透镜LED的例子。但是，该设计有几个 缺点。首先，典型的圆顶仅能聚集f/l接收角的LED晶片(die)。因 此，大于该角度所发射的光子或者由于全内反射("TIR")而被陷在 圆顶内，或者以无法利用的角度发射出圃顶的边缘。其次，光的分布 高度地依赖于芯片和圆顶之间的对准的精确性。因此，远场分布和近 场分布常常牺牲。第三，近场和远场分布之间可能存在显著的不一致性。最后，分布本身在空间上不均匀。另一传统的方案是在LED的上面放置较大的圆顶。虽然该方法 确实允许大多数(如果不是全部的话)能量出来，但是对于实际应用 来说有几个显著的缺点。首先，发射锥角典型地大于180度。虽然光 不再被陷住，但是能量被发射到大于LED固有角(original angle )的 角度。机械壳体等可能以较大的角度晕映(vignette)、散射以及吸收 光。其次，由于大多数二次光学系统仅能聚集f/l锥体(具有约30度 或更小的半角的锥体)，所以损失很多光。第三，由于圆顶远大于LED 晶片，分布不必要地覆盖过大的区域。这导致光被聚焦时的低功率密 度(或辐照度)。另一方案是在典型圆顶透镜的上面放置TIR透镜，以聚集所发 射的所有能量，并将其引导到较小的锥体中。这增加了系统的复杂性， 并且仅解决使更多的光进入较窄的锥角中的问题。这些系统也不能解 决保持光源的亮度恒定、生成均匀的图案以及维持远场和近场的一致 性的问题。另外，添加这样的TIR透镜使照明封装的大小和成本成十 倍地增大，从而使得该方案对于电子和便携式装置中的几乎所有LED 应用都不实用。其它的系统采用复杂精密的TIR透镜、反射式集光器 (collector)和聚光透镜系统。尽管某些从圆顶使LED再成像的反射 式系统可以维持辐照度(例如，LED位于一个焦点处而像位于另一焦 点处的椭球体)，但是这些系统对许多应用来说是不实用的。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供的分立光学装置和方法基本上消除或减少 了以前的分立光学装置系统和方法的缺点。对于本公开来说，"分立光 学装置，，是独立于LED而形成、但可以形成在LED的上方的光学装 置。本专利技术的一个实施例包括用于耦接到LED的分立光学装置；该 分立光学装置包括入射面，用于当该分立光学装置耦接到分立发光 二极管时接收来自该LED的层的光，以及与该入射面相对并且与该入射面相距一距离的出射面。该出射面至少具有针对从该分立光学装置 所发射的期望半角的光保持亮度恒定所必需的最小面积。另外，该分立光学装置可以包括一组侧壁。可以将每一侧壁布置和成形为使得 从该入射面到该侧壁具有直线传播路径的至少大多数光线以小于或等 于出射面的临界角的出射面处的入射角，被反射到出射面。本专利技术的另一实施例包括用于耦接到分立LED的分立光学装 置，该分立光学装置包括入射面，用于当该分立光学装置耦接到分 立非圆形LED时接收来自分立非圆形LED的层的光；出射面，与该 入射面相对，并且与该入射面相距一距离；以及一组侧壁。根据一实 施例，该出射面至少具有针对发射自该分立光学装置的期望半角的光 保持亮度恒定所必需的最小面积。另外，可以将每一侧壁布置和成形 为，使得从入射面到该侧壁具有直线传播路径的至少一部分光线以 小于或等于出射面的临界角的出射面处的入射角，被反射到出射面。 每一侧壁形状代表多个轮廓面的叠加。可以选择出射面的面积、距离 和侧壁形状，用来以至少60%的效率和期望的强度特性(profile)， 以10至60度之间的半角来投射光。本专利技术的另一实施例包括用于耦接到分立LED的分立光学装 置，该分立光学装置包括入射面，用于当所述分立光学装置耦接到 分立非圓形LED时，接收来自所述分立非圆形LED的层的光；与所 述入射面相对并与所述入射面相距一距离的出射面；以及一组侧壁。"，^Q，所述出射面可以具有至少等于由"2力2定义的最小面积的面积，其中，Qi是光进入所述入射面的有效立体角，ll2是光离开所述出射面的有效立体角，At是所述入射面的面积，ih是所述分立光学装置的材料的折 射率，以及n2是所述分立光学装置的外面的物质的折射率。可以将出 射面和入射面之间的距离选择为至少最小的距离，使得从所述入射面 到所述出射面具有直线传播路径的所有光线具有小于或等于所述出射 面处的临界角的入射角。另外，可以将每一侧壁布置和成形为使得从 所述入射面到该侧壁具有直线传播路径的至少一部分光线以小于或等 于所述出射面处的临界角的所述出射面处的入射角，被反射到所述出射面。每一侧壁的形状代表多个轮廓面的叠加。可以选择所述出射面的面积、距离和侧壁的形状，用以以至少60%的效率和期望的强度特 性，以10至60度之间的半角来投射光。本专利技术的实施例提供一种分立光学装置，该分立光学装置通过在 保持亮度恒定的同时以期望的半角和强度特性来投射光，从而提供优 于现有技术的技术优势。本专利技术的实施例可以，例如，以60-96%的 效率以10至60度半角(或其它半角)提供光。在出射面上具有合适 的增透涂覆层的情况下效率可以比这更高(接近100%)，或者比这 低。另一优点是，根据本专利技术实施例的分立光学装置可以比以前的分 立光学装置小很多(包括小十倍以上)。又一优点是，可以在没有损耗或者损耗最小的情况下形成紧凑的 分立光学装置阵列。本专利技术的实施例提供另 一优点提供具有均匀或接近均匀的强度 分布的正方形或矩形输出。本专利技术的实施例提供另一优点减轻或消除对用于生成具有期望 半角的光的二次光学器件的需要。本专利技术的实施例提供另一优点提供无需额外的光学器件即可以 期望的纵横比来投射光的分立光学装置。本专利技术实施例所提供的另一优点是可以在近场和/或远场中以 期望的形状和强度特性来投射光。附图说明通过参考下面结合附图所作出的说明，可以获得对本专利技术及其优 点的更完整的理解，在附图中，相似的附图标记表示相似的特征，以 及其中图l是包括根据本专利技术实施例的分立光学装置的光学系统的一实 施例的图形表示；图2是一组光线的图形表示，该组光线从一点传播至距该点的距离不同的表面；图3提供根据本专利技术一实施例的分立光学装置的俯视图的图形表示；图4A是用于确定侧壁形状的分立光学装置模型的截面的图形表示；图4B是示出可以使用计算机程序来定义侧壁的小面的图形表示；图4C是分立光学装置的一实施例的图形表示，该分立光学装置 的侧壁被成形为引起TIR，从而使得光线从侧壁被反射到出射面； 图5是用于估计有效立体角的一实施例的图形本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种分立光学装置，用于耦接到分立ＬＥＤ，所述分立光学装置包括： 入射面，用于当所述分立光学装置耦接到分立ＬＥＤ时，接收来自所述分立ＬＥＤ的光； 与所述入射面相对并与所述入射面相距一距离的出射面，其中所述出射面至少具有针对从所述分立光学装置所投射的期望半角的光维持辐射率恒定所需的最小面积； 一组侧壁，其中将每一侧壁布置和成形为使得从所述入射面到该侧壁具有直线传播路径的至少大部分光线以小于或等于所述出射面处的临界角的所述出射面处的入射角，被反射到所述出射面。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
【专利技术属性】
技术研发人员：D·T·东，P·N·温伯格，M·R·托马斯，
申请(专利权)人：伊鲁米特克斯公司，
类型：发明
国别省市：US
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