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CN101032036B - 利用选择性光线角再循环的led亮度增强 - Google Patents

利用选择性光线角再循环的led亮度增强 Download PDF

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Abstract

允许相对于LED芯片以第一入射角或更小的角发出的光离开LED封装。阻止以大于该第一入射角的从LED芯片发出的光离开LED封装并使其再循环回到LED封装内。在再循环光例如通过使其穿过漫射体而改变它相对于LED芯片的入射角之后，使再循环光从LED封装重新发出。

Description

利用选择性光线角再循环的LED亮度增强
本申请一般涉及LED光源，以及用于投影发动机和投影显示器图像处理的LED光源，更具体地涉及包含运动补偿的图像处理。
高功率LED源的制造者中的领导人已在提高这种源的最大电流密度和散热过程中制造了高亮度的LED源。光从这种源以任意(lambertian)方向发出，并且已设计收集光学系统来保存源的亮度和校准光。然而，这种LED的亮度在用作投影系统的源时是临界的，并且需要增强LED的视亮度。由于LED芯片在所有方向上发射光，所以相当数量的光不能被许多应用直接收集，其限制了光收集能力。
因此，希望具有设计总输出通量具有最小损耗的LED输出分布的方法。还希望增强LED源的亮度，使得能够基于这种源制造投影系统是可行的。还希望研究设计使LED的输出分布更好地匹配总输出通量具有最小损耗的光收集光学系统。
为了解决这些关心问题中的一个或多个，在本发明的一个方面，一种LED封装包括LED芯片；边缘滤器，其透射从LED芯片发出的相对于LED芯片具有第一入射角或更小角的光，并反射从LED芯片发出的相对于LED芯片具有大于第一入射角的入射角的光；和漫射体，其被设置以接收从边缘滤器反射的光。
在本发明的另一方面中，一种LED封装包括LED芯片；角相关的光再循环装置，用于透射从LED芯片发出的相对于LED芯片具有第一入射角或更小角的光，并反射从LED芯片发出的相对LED芯片具有大于第一入射角的入射角的光；和漫射体，其被设置以接收从该边缘滤器反射的光。
描述用于实现本发明的方法的一种方式是，允许从LED芯片发出的相对于LED芯片具有第一入射角或更小的角的光离开LED封装。阻止以大于该第一入射角的从LED芯片发出的光离开LED封装并使其再循环回到LED封装内。在再循环光例如通过使其穿过漫射体而改变它相对于LED芯片的入射角之后，使再循环光从LED封装重新发出。
借助以下附图更好地说明本发明，其中：
图1示例了根据本发明一个可能实施例的LED芯片。
图2示例了根据本发明另一可能实施例的LED芯片。
图3A示例了利用复合抛物形聚光器(CPC)校准来自LED芯片的光。
图3B示例了具有外部光学系统用于校准/收集的LED的使用。
图4A示出了亮度增强膜(BEF)。
图4B示例了具有LED的亮度增强膜(BEF)的使用。
在使用微显示器的投影系统中，存在由显示器的面积和放大光学系统的数值孔径限定的光学孔径(或etendue)。照明系统的物镜提供在该孔径内的最大光通量，并因此产生最亮的投影图像。LED源以任意方向从该源芯片发出光，并且通常在投影系统的孔径内光没有被收集(并因此浪费的)。通过再循环会被浪费的光，通过重定向这些光线到光收集孔径中，能够增加LED的视亮度。
图1示例了LED芯片封装1，其包括上述的LED芯片11、漫射层(漫射体)13和二色性反射镜15。二色性反射镜的作用是反射其入射角落在指定的透射锥体16(即，投影系统的数值孔径)外部的光。为了实现该目的，二色性截止边缘滤器(dichroic cut-off edge filter)17放置在芯片上方，其透射边缘随着光的入射角增加而移向较短的波长。另外的反射镜18可以放置在LED封装1的侧面。使LED的发射光谱和滤光器的透射匹配，以能够反射高入射角的光线，但仍透射接近于轴辐射的光线。反射光再循环通过漫射体13(或可能是漫射体和LED芯片二者)以第二次遇到二色性反射镜15；因此该再循环光12的一部分现在在透射锥体16内，如果发射没有反射该再循环光12的一部分会落入所谓的反射锥体9内。再循环将出现多次直至光被散射到滤光器的透射锥体中，然而再循环路径的吸收损耗将复合以减少由每个连续再循环路径提供的光通量。除了可以使用透射窗与LED波长匹配的边缘滤器设计带通滤光器；低和高波长的滤光器的边缘随着入射角的增加而移位，导致LED辐射的增加反射作为照明入射角的函数。
在图1中，LED芯片11辐射光到半个半球(lambertian分布)。另外的电介质反射镜和漫射体涂层组合以增加发射光的亮度。电介质反射镜的截止波长随着照明的入射角增加而移向较短的波长。
另外，在校准光学系统之后可以放置二色性滤光器，其被集成到LED封装中。在图2中，复合抛物形聚光器(CPC)21通过从光学系统的边缘反射(全内反射)从LED芯片任意发出的光线来校准该从LED芯片任意发出的光线。再次，具有被确定比二色性滤光器截止大的角的光线将被反射并重定向到LED芯片和漫射体。散射该光将该光的一部分引导到二色性滤光器27的透射锥体26中。这里示出了CPC准直器21，尽管其它的对准/收集光学系统也是可以的，并且甚至可以是折射和反射光学系统的组合。此外，在图1中所示它的光的LED芯片可以进一步由CPC21或透镜31校准，并且示意性地示出在图3A和3B中。再循环的光导致从LED发出的圆锥角变窄，因此传统的光学系统(例如非球面透镜)可用于收集光。必须修改CPC光学系统的边缘轮廓，以收集由LED辐射的光线角度的新范围。
除了二色性截止滤光器之外，还存在可以用于选择光线角度范围并将光重定向回到LED芯片的其它光学系统。一个这样的结构是基于三角形槽阵列并示于图4A和4B中。这种结构由商标为BEF(亮度增强膜)的3M制造，并且通常用在直观液晶显示器的背光中以校准光。图4A中所示的光学膜43具有放置在漫射体45顶部上的棱镜膜41。它(通过全内反射)反射接近膜的法线的角度范围(在一个平面上)的光；对于较大的反射角，光被BEF朝着膜的法线折射。因此，选择性反射和再循环光可以利用这种光学结构。这种光学系统的一个优点是与图1中所示的技术相比，反射光对LED的波长相对不敏感；LED的波长变化会从一批到一批，并且另外当LED以高的电流密度驱动时，会发生波长的动态移位。这会导致LED波长和二色性滤光器的紧密度容限。除了仅在一个平面上反射光的三角形槽结构外，棱镜阵列(或交叉的BEF膜)也可用于在两个平面上反射光。
对于利用反射和折射部件的光校准光学系统，一些反向传播的光线会穿过反射侧壁。为了捕获这些光线，可以将高反射漫射层47缠绕在反射壁周围，而没有如图4B所示的光学接触。例如，可在LED芯片48附近或在校准/收集光学系统的出口处添加三角形剖面的槽膜(BEF)棱镜阵列49。该膜提供了光线角度范围的再循环以增加LED的视亮度。

Claims (8)

1.一种LED封装，包括：
设置在LED封装内部的LED芯片；
边缘滤器，其形成LED封装的发射表面并且透射从LED芯片发出的相对于LED芯片具有第一入射角或更小角的光，并反射从LED芯片发出的相对于LED芯片具有大于第一入射角的入射角的光；和
漫射体，被设置在LED封装内部以接收从边缘滤器反射的光。
2.如权利要求1所述的LED封装，其中该边缘滤器是二色性边缘滤器或二色性反射镜。
3.如权利要求1所述的LED封装，其中该边缘滤器包括棱镜阵列或三角形槽阵列。
4.一种在根据权利要求1的LED封装中再循环光的方法，包括：
当光相对于LED芯片以第一入射角或更小的角从LED芯片发出时，使从该LED芯片发出的光通过发射表面离开LED封装；
当光以相对于LED芯片大于第一入射角的入射角从LED芯片发出时，阻止该从LED芯片发出的光离开LED封装，并且使其再循环回到LED封装内作为再循环光；
改变再循环光相对于LED芯片的入射角；和
相对于LED芯片以第一入射角或更小的角从LED封装发出该再循环光。
5.如权利要求4所述的方法，其中阻止光离开LED封装是通过利用二色性边缘滤器或二色性反射镜重定向它的路径来实现的。
6.如权利要求4所述的方法，其中阻止光离开LED封装是通过利用棱镜阵列或三角形槽阵列重定向它的路径来实现的。
7.如权利要求6所述的方法，其中相对于LED芯片改变再循环光的入射角是通过使它穿过漫射体来实现的。
8.如权利要求5所述的方法，其中相对于LED芯片改变再循环光的入射角是通过使它穿过漫射体来实现的。
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