Линза для формирования излучения светодиода

Линза содержит последовательно установленные внутреннюю, по ходу излучения светодиода, и внешнюю поверхности. Внутренняя поверхность центральной зоны, прилегающей к оси линзы, имеет оптическую силу, обеспечивающую перенос изображения излучающей площадки светодиода на более удаленное расстояние от внешней поверхности. Внешняя поверхность имеет воронкообразную форму, обращенную вершиной от излучающей площадки светодиода. Профиль внешней поверхности таков, что при первом взаимодействии излучения с внешней поверхностью происходит полное внутреннее отражение, а при втором взаимодействии излучения с внешней поверхностью происходит преломление света в направлении, преимущественно перпендикулярном оптической оси линзы. Технический результат - снижение доли потока излучения, выходящего из формирующей линзы вблизи ее оси, повышение интенсивности выходящего пучка света и обеспечение более равномерного распределения интенсивности света, попадающего на экран. 2 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к области оптических систем, а именно систем для формирования излучения светодиодов, в частности в системах подсветки цветных жидкокристаллических дисплеев.

Осветительные системы цветных жидкокристаллических дисплеев на светодиодах имеют много преимуществ, среди которых следует отметить широкий цветовой охват и больший контраст по сравнению с осветительными системами на лампах накаливания.

Основной задачей, возникающей при проектировании светодиодных осветительных систем для дисплеев с задней подсветкой, например жидкокристаллические дисплеи, является задача обеспечения эффективного смешения излучения от отдельных светодиодов с целью получения равномерной подсветки экрана при малой толщине осветительной системы.

На практике эта задача решается путем использования светодиодов со специальными формирующими линзами, которые направляют излучение, выходящее из излучающей площадки светодиода преимущественно в плоскость, параллельную подсвечиваемому экрану. Затем излучение от светодиодов с такими формирующими линзами направляется в волновод, также ориентированный параллельно экрану. В волноводе происходит смешивание и последующий вывод излучения к экрану, что обеспечивает равномерную подсветку экрана. Такие решения описаны, например, в патенте США №6177761 [1], в выложенных заявках США №20020163810 [2] и 20020163808 [3], а также в международной публикации WO 01/07828 [4]. Во всех упомянутых решениях предлагается использовать формирующую линзу, преимущественно, в виде пирамиды с числом сторон не менее трех. Общим недостатком известных решений является значительное снижение интенсивности проходящего сквозь линзу пучка светового излучения.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является формирующая линза по патенту США №6679621 [5], осуществляющая отклонение излучения светодиода от ее оси на 90° и формирование узкой диаграммы направленности (см. фиг.1).

Линза содержит внутреннюю А и внешнюю В+С поверхности и функционально состоит из двух частей: центральной и периферийной. Лучи 2, идущие от излучающей площадки светодиода F через центральную части линзы, преломляются вначале на ее внутренней поверхности, затем отражаются от участка В внешней поверхности, испытывая полное внутреннее отражение, и, преломившись на участке С внешней поверхности линзы, выходят из линзы преимущественно перпендикулярно оси линзы.

Лучи 1, проходящие через периферийную часть линзы, преломляются на внутренней А и внешней С поверхностях линзы и выходят из нее также преимущественно перпендикулярно оси линзы.

Для обеспечения полного внутреннего отражения лучей 2 на поверхности В линза имеет воронкообразную форму, обращенную острием к излучающей площадке светодиода. Из-за этой особенности часть лучей, выходящих от внеосевых точек излучающей площадки не испытывает полного внутреннего отражения на поверхности В и выходит из линзы под углами, близкими к оси линзы.

На фиг.2 представлен график типового распределения силы света светодиода, снабженного описанной формирующей линзой. Из графика видно, что линза не позволяет полностью решить задачу отклонения излучения светодиода от оптической оси. В частности, сила света светодиода в направлении оси и в пределах ±40° вокруг оси составляет около 20% от максимальной. Это означает, что доля потока излучения, сформированного перпендикулярно оптической оси линзы, снижается. Из-за этого светодиод с такой формирующей линзой будет виден через экран как светящаяся точка.

Для устранения этих светящихся точек над светодиодами необходимо дополнительно устанавливать непрозрачные экраны, размерами, несколько превышающими размеры линзы.

Вышеуказанное техническое решение [5] было выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы повысить интенсивность выходящего пучка света и добиться более равномерного распределения интенсивности света, попадающего на экран.

Данная техническая задача решается тем, что линза для формирования излучения светодиода содержит последовательно установленные внутреннюю, по ходу излучения светодиода, и внешнюю поверхности, внутренняя поверхность центральной зоны, прилегающей к оси линзы, имеет оптическую силу, обеспечивающую перенос изображения излучающей площадки светодиода на более удаленное расстояние от внешней поверхности, а внешняя поверхность имеет воронкообразную форму, обращенную вершиной от излучающей площадки светодиода, причем профиль внешней поверхности является таким, что при первом взаимодействии излучения с внешней поверхностью происходит полное внутреннее отражение, а при втором - преломление света в направлении, преимущественно перпендикулярном оптической оси линзы, для снижения доли потока излучения, выходящего из формирующей линзы вблизи ее оси.

Существо изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:

фиг.1 - прототип изобретения;

фиг.2 - график распределения силы света известного светодиода;

фиг.3 - заявляемая линза для формирования излучения светодиода;

фиг.4 - вариант исполнения линзы по фиг.3 с таблицей ее параметров;

фиг.5 - график распределения силы света светодиода с заявляемой формирующей линзой.

На фиг.3 изображен ход лучей в предложенной формирующей линзе, поясняющий ее принцип действия. Так же, как в прототипе [5], лучи 1, проходящие через периферийную часть формирующей линзы, претерпевают два последовательных преломления на внутренней и внешней поверхностях соответственно и отклоняются линзой преимущественно перпендикулярно оптической оси. А лучи 2, проходящие через центральную часть линзы, вначале преломляются на внутренней поверхности, затем отражаются от внешней поверхности, испытывая полное внутреннее отражение, и, вторично проходя через внешнюю поверхность, преломляются ею, также отклоняясь преимущественно перпендикулярно оптической оси.

Для того чтобы внешняя поверхность центральной части была одновременно и отражающей и преломляющей, она выполнена в виде воронки, обращенной вершиной от излучающей площадки светодиода. В результате расстояние между излучателем и вершиной увеличивается, что способствует снижению доли излучения, рассеянного вблизи оптической оси линзы.

Из-за того, что внутренняя поверхность центральной части линзы имеет определенную оптическую силу, происходит оптический перенос излучателя на более удаленное расстояние от внешней поверхности, что дополнительно обеспечивает снижение доли излучения, выходящего из формирующей линзы вблизи ее оси.

В качестве примера конкретного выполнения на фиг.4 представлен чертеж осевого сечения формирующей линзы. Здесь Н - общая высота линзы; α, h - соответственно угол при вершине и высота воронкообразной части внешней поверхности, D - внешний диаметр в основании линзы, d - внутренний диаметр в основании линзы, r - радиус кривизны внутренней поверхности центральной части линзы.

Оси Z и R - оси декартовой системы координат, в которой функцией Z=f(R) задается внешняя асферическая поверхность вращения вокруг оси Z.

Экспериментальные данные относительно конструктивных параметров одного из реализованных вариантов линзы по фиг.4 приведены в Таблице 1. В Таблице 2 приведены полученные эмпирическим путем данные о предпочтительном профиле асферической поверхности линзы в варианте исполнения линзы по фиг.4, а именно, приведены значения координат асферической поверхности R и Z=f(R) для 34 конкретных точек.

Таблица 1.
Параметр	Значение	Параметр	Значение
D	5.5 [мм]	Н	3.95 [мм]
d	2.5 [мм]	h	2.3 [мм]
α	63.35°	r	1.5 [мм]

Таблица 2.
№	R	Z=f(R)	№	R	Z=f(R)	№	R	Z=f(R)	№	R	Z=f(R)
1	2.7500	0.00	6	2.7257	0.25	11	2.6516	0.50	16	2.5231	0.75
2	2.7490	0.05	7	2.7150	0.30	12	2.6305	0.55	17	2.4903	0.80
3	2.7461	0.10	8	2.7022	0.35	13	2.6071	0.60	18	2.4548	0.85
4	2.7413	0.15	9	2.6874	0.40	14	2.5814	0.65	19	2.4167	0.90
5	2.7345	0.20	10	2.6706	0.45	15	2.5530	0.70	20	2.3758	0.95
21	2.3321	1.00	26	2.06430	1.25	31	1.6979	1.50
22	2.2852	1.05	27	1.99976	1.30	32	1.6104	1.55
23	2.2352	1.10	28	1.9311	1.35	33	1.5175	1.60
24	2.1818	1.15	29	1.8580	1.40	34	1.4193	1.65
25	2.1249	1.20	30	1.78040	1.45

На фиг.5 представлен график распределения силы света светодиода с этой формирующей линзой. Из графика видно, что предлагаемое техническое решение в области углов ±45° позволяет снизить уровень паразитного рассеянного излучения в максимуме почти на порядок (не менее чем в 8 раз). Среднеквадратическое значение рассеянного излучения в этом же диапазоне углов более чем в 30 раз снижено по сравнению с ближайшим аналогом.

Линза для формирования излучения светодиода, содержащая последовательно установленные внутреннюю, по ходу излучения светодиода, и внешнюю поверхности, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность центральной зоны, прилегающей к оси линзы, имеет оптическую силу, обеспечивающую перенос изображения излучающей площадки светодиода на более удаленное расстояние от внешней поверхности, а внешняя поверхность имеет воронкообразную форму, обращенную вершиной от излучающей площадки светодиода, причем профиль внешней поверхности таков, что при первом взаимодействии излучения с внешней поверхностью происходит полное внутреннее отражение, а при втором взаимодействии излучения с внешней поверхностью происходит преломление света в направлении преимущественно перпендикулярном оптической оси линзы.