УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение касается светоизлучающего устройства, содержащего кристалл СИД, имеющий первую поверхность, вторую поверхность и, по меньшей мере, одну боковую грань, соединяющую первую и вторую поверхности. Кроме того, кристалл СИД содержит светополяризующий слой, светоблокирующий слой и светоотражающий слой. Настоящее изобретение также касается способа обеспечения поляризованного света таким кристаллом СИД.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Твердотельные светоизлучающие диоды (СИД) имеют хорошие перспективы по замене в будущем традиционных источников света в различных областях применения освещения. Конкретнее, неорганические светоизлучающие диоды высокой яркости появляются на рынке в качестве осветительных приборов автотранспортных средств, вспышек для фотокамер, в дисплейных проекторах, а также для подсветки устройств отображения.

Преимущества использования таких светоизлучающих диодов вместо традиционных источников света определяются их малым размером, высокой яркостью и высокой цветонасыщенностью.

Однако, как и традиционные источники света, светоизлучающие диоды эмитируют неполяризованный свет, т.е. свет не обладает существенным предпочтительным поляризационным состоянием. Таким образом, в тех сферах применения, где требуется поляризованный свет, этот свет должен быть поляризован иными средствами.

Практические области использования поляризованного света - LCD-подсветка и LCD-проекторы, также как разработки устройств управления лучом на жидких кристаллах, в которых световой луч, испускаемый точечными источниками СИД, управляется жидкокристаллическими элементами.

Поляризованный свет также дает преимущества при использовании во внутреннем и в наружном освещении, поскольку линейно поляризованный свет оказывает влияние на отражение от поверхностей, обеспечивая подавление бликов, что в свою очередь позволяет наблюдать освещенную среду с высокой оптической резкостью, контрастностью и цветовым насыщением. Благодаря такому воздействию, флуоресцентные источники поляризованного света выступают в качестве промышленных изделий, обеспечивая преимущества в зрительном восприятии.

Имеется возможность обеспечить излучение поляризованного света светоизлучающим диодом путем использования особых направлений ориентации кристалла при изготовлении светоизлучающих диодов. Однако такие светоизлучающие диоды изготовить трудно и сложно получить высокую светоотдачу. Кроме того, как отмечается, мала контрастность в поляризационном свете.

Традиционный способ поляризации света включает в себя этап поглощения нежелательных поляризационных состояний. Эффективность такого способа составляет около 45%.

В заявке США 2006/0066192 А1 раскрыта осветительная система, в состав которой входят СИД и отражающий поляризатор. Отражающий поляризатор пропускает первую часть светового пучка, излученного СИД, и отражает вторую часть светового пучка, излученного СИД. Отраженный свет падает на СИД и отражается от СИД. Далее вторая часть светового пучка рассеивается, так что поляризационное состояние отраженного света принимает смешанный вид. Таким образом, часть рассеянного света может пропускаться отражающим поляризатором, что приводит к повышению в целом эффективности осветительной системы.

Но даже если система, раскрытая в заявке США 2006/0066192 А1, и демонстрирует повышенную эффективность поляризации, она не удовлетворяет требованиям достаточности для многих приложений.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении усовершенствования вышеупомянутых технологий и предшествующего уровня техники. Конкретнее, задача настоящего изобретения заключается в создании СИД с поляризованным излучением, обладающего повышенной эффективностью.

Вышеуказанная задача решается по первому аспекту изобретения с использованием светоизлучающего устройства, содержащего кристалл СИД, имеющий первую поверхность, вторую поверхность и, по меньшей мере, одну боковую грань, соединяющую первую и вторую поверхности. Светоизлучающее устройство дополнительно содержит светополяризующий слой, светоблокирующий слой и светоотражающий слой, при этом светополяризующий слой расположен на первой поверхности, светоблокирующий слой расположен, по меньшей мере, на одной боковой грани, а светоотражающий слой расположен на второй поверхности кристалла СИД. Светоизлучающее устройство является предпочтительным в том, что оно обеспечивает поляризованный свет с высокой эффективностью.

Светополяризующий слой может полностью покрывать первую поверхность, светоблокирующий слой может полностью покрывать боковую грань (боковые грани), а светоотражающий слой может полностью покрывать вторую поверхность. Это является предпочтительным в том, что достигается высокий поляризационный контраст.

Светоблокирующий слой может представлять собой светополяризующий слой, что является предпочтительным в том, что светоблокирующий слой и светополяризующий слой выполняются как одно целое.

Светоблокирующий слой может представлять собой светоотражающий слой, что является предпочтительным в том, что светоблокирующий слой и светоотражающий слой выполняются как одно целое.

Светополяризующий слой может представлять собой отражающий поляризующий слой, который способен выдерживать высокие температуры и световые потоки от кристалла СИД.

Светополяризующий слой может представлять собой решетку с проволочной сеткой. Таким образом, используется по существу известная решетка.

Светоизлучающее устройство может дополнительно содержать слой обеспечения циркуляции, который изменяет поляризационное состояние света, при этом слой обеспечения циркуляции света расположен между светополяризующим слоем и светоотражающим слоем. Это является предпочтительным в том, что излучается большее количество поляризованного света.

Слой обеспечения циркуляции может представлять собой задерживающий слой или слой деполяризации, что является предпочтительным в том, что используются традиционные технологии и материалы.

Слой преобразования длины волны может быть расположен между светополяризующим слоем и кристаллом СИД, что является предпочтительным в том, что повышается эффективность излучения, например, зеленого, желтого или красного света.

Слой преобразования длины волны может представлять собой слой люминофора, являющегося общеизвестным материалом.

По второму аспекту изобретения обеспечивается источник света, содержащий, по меньшей мере, одно светоизлучающее устройство по первому аспекту изобретения. Преимущества первого аспекта изобретения распространяются также на данный второй аспект изобретения.

Светоизлучающее устройство может содержать куполообразную линзу, накрывающую кристалл. Это является предпочтительным в том, что СИД обеспечивает более высокую светоотдачу.

Указанные задачи решаются по третьему аспекту изобретения с использованием способа обеспечения поляризованного света от кристалла СИД, имеющего первую поверхность, вторую поверхность и, по меньшей мере, одну боковую грань, соединяющую первую и вторую поверхности. Способ содержит этапы испускания некоторого первого объема светового излучения от первой поверхности кристалла СИД, испускания некоторого второго объема светового излучения от боковой грани (боковых граней) кристалла СИД, блокирования первой части второго объема светового излучения посредством блокирующего слоя, расположенного на боковой грани (боковых гранях), блокирования первой части первого объема светового излучения посредством поляризующего слоя, расположенного на первой поверхности, пропускания второй части первого объема светового излучения через поляризующий слой, преобразования поляризационного состояния первой части первого объема светового излучения, а также пропускания преобразованной первой части первого объема светового излучения посредством поляризующего слоя. Преимущества второго аспекта изобретения распространяются также на данный третий аспект изобретения.

Прочие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны из последующего подробного раскрытия, из зависимых пунктов прилагаемой формулы изобретения, а также из чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения, представленные в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, где

на фиг.1 показан основной принцип действия поляризатора согласно предшествующему уровню техники;

на фиг.2 представлен вид сбоку светоизлучающего устройства по первому варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг.3 представлен вид в перспективе светоизлучающего устройства по другому варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг.4-9 показаны иные варианты осуществления светоизлучающего устройства по настоящему изобретению.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На фиг.1 показан основной принцип действия поляризующего элемента. Показана распространяющаяся световая волна, падающая на поляризующий элемент 4. Световая волна, не обладающая определенным поляризационным состоянием, как обозначено сплошными и пунктирными линиями, должна пройти через поляризующий элемент 4. Однако проходит лишь часть световой волны, имеющая определенное поляризационное состояние, как показано сплошной линией. Остальные части световой волны отражаются или поглощаются поляризующим элементом 4.

Как показано на фиг.1, поляризующий элемент 4 представляет собой решетку, имеющую ряд щелей, расположенных параллельно. Период решетки меньше длины световой волны. Такой поляризующий элемент известен как поляризатор с проволочной сеткой. Поляризаторы с проволочной сеткой часто состоят из малых полос металла, такого как алюминий, разделенных воздушным пространством или диэлектрическим материалом. Период решетки обычно составляет величину порядка 100-200 нм. Отношение заполнения составляющей металла к зазору обычно равно 1:1, но возможны и другие пропорции, например 1:2. Высота каждой полоски металла обычно составляет величину порядка 100 нм.

На фиг.2 показано светоизлучающее устройство 100, установленное на подложке 5 любого известного вида. Подложка 5 может быть объединительной печатной платой, панелью и т.п. Светоизлучающее устройство 100 имеет кристалл 10 СИД, светоотражающий слой 40, светополяризующий слой 20, а также светоблокирующий слой 30. Светополяризующий слой 20 расположен смежно с первой поверхностью 12 кристалла 10 СИД. Светоотражающий слой 40 расположен между подложкой 5 и второй поверхностью 14 кристалла 10 СИД. Светоблокирующий слой 30 расположен смежно с боковыми гранями 16 кристалла 10 СИД.

Когда к p-n-переходу кристалла 10 СИД прикладывается напряжение, происходит эмиссия света в направлении первой поверхности 12 и боковых граней 16 кристалла СИД. Как и в случае обычных СИД, эмитированный свет не имеет определенного угла поляризации, но определяется множеством различных углов. Первый объем светового излучения приходится на светополяризующий слой 20, а второй объем светового излучения приходится на светоблокирующий слой 30. При падении первого объема светового излучения на светополяризующий слой 20 первая часть первого объема светового излучения отражается, а вторая часть первого объема светового излучения пропускается. Когда второй объем светового излучения падает на светоблокирующий слой 30, по меньшей мере, первая часть блокируется путем отражения или поглощения. После отражения первая часть первого объема светового излучения распространяется назад в направлении кристалла СИД, и после падения на светоотражающий слой 40 оказывается воздействие на поляризационное состояние света. Таким образом, когда первая часть первого объема светового излучения попадает на светополяризующий слой 20 во второй раз, часть светового излучения будет пропущена. Отраженный свет снова будет отражен назад к светоотражающему слою 40 и незначительно изменит свое поляризационное состояние, что приведет к дополнительному пропусканию при третьем, четвертом, пятом взаимодействии со светополяризующим слоем 20.

Светополяризующий слой 20 может пропускать циркулярно-поляризованный свет и отражать свет с противоположной циркулярной поляризацией. Например, светополяризующий слой 20 может пропускать лево-циркулярно поляризованный свет и отражать право-циркулярно поляризованный свет. Подобный светополяризующий слой 20 может представлять собой отражающий поляризатор на холестерическом жидком кристалле.

На фиг.3 показан вид в перспективе кристалла 10 СИД и светополяризующего слоя 20. В этом варианте осуществления светополяризующий слой 20 и светоблокирующий слой 30 выполнены в виде единого слоя. Решетка 20 с проволочной сеткой и светоблокирующий слой 30 состоят из металлических полос 22, расположенных параллельно. Светоблокирующий слой 30 отражает первую часть светового излучения и пропускает вторую часть светового излучения. Светоблокирующий слой 30 и светополяризующий слой 20 целиком покрывают первую поверхность 12 и боковые грани 16 кристалла 10 СИД.

На фиг.4 показано светоизлучающее устройство 100. Кристалл 10 СИД прилегает к светоотражающему слою 40, а поверх кристалла 10 СИД расположена прозрачная пленка 50. Кристалл СИД может быть выполнен по существу из любого известного пригодного материала, такого как InGaN для ультрафиолетового и синего светового излучения, AlGaAs для красного светового излучения, AlGaP или GaN для зеленого и т.д. В том случае, когда кристалл СИД содержит GaN, прозрачная пленка 50 может содержать сапфир или карбид кремния для обеспечения соответствующего осаждения GaN в процессе изготовления. Слой 60 обеспечения циркуляции света расположен поверх пленки 50, а светополяризующий слой 20 расположен на стеклянной пластине 70, установленной поверх слоя 60 обеспечения циркуляции света. Светоблокирующий слой 30 расположен на боковых гранях светоизлучающего устройства 100. Светоизлучающее устройство 100, показанное на фиг.4, функционирует следующим образом.

Кристалл 10 СИД испускает свет с определенной длиной волны, например 400 нм, во всех направлениях. Объем светового излучения, направленного вниз, отражается отражающим слоем 40, и объем светового излучения, падающего на светоблокирующий слой 30, также отражается, так что свет не пропускается через светоблокирующий слой 30 и отражающий слой 40. Светоблокирующий слой 30 и светоотражающий слой 40 могут располагаться в виде единого слоя, например, в виде тонкой пленки из отражающего металла. Объем светового излучения, направленного вверх, т.е. непосредственно эмитированного света или отраженного света, пропускается через прозрачную пленку 50 и распространяется через слой 60 обеспечения циркуляции света. Слой 60 обеспечения циркуляции света выполнен с возможностью изменения поляризационного состояния света, либо посредством изменения поляризационного состояния путем поворота на определенный угол, либо посредством обеспечения произвольного распределения углов поляризации. Таким образом, слой 60 обеспечения циркуляции света может представлять собой либо задерживающий слой, т.е. четвертьволновую пленку, либо рассеивающий слой. При падении света на стеклянную пластину 70 и светополяризующий слой 20 первая часть светового излучения будет пропущена, а вторая часть светового излучения будет отражена обратно в направлении кристалла 10 СИД. Пропущенный свет имеет угол поляризации, перпендикулярный металлическим полосам 22 светополяризующего слоя 20, а отраженный свет имеет угол поляризации, параллельный металлическим полосам 22 отраженного света. Отраженный свет взаимодействует со светоблокирующим слоем 30 и светоотражающим слоем 40, и после ряда внутренних отражений свет снова должен пройти через слой 60 обеспечения циркуляции света. На этот раз угол поляризации светового потока изменяется, так что через светополяризующий слой 20 будет пропущена новая часть светового излучения. Данная процедура повторяется, и с каждым разом суммарный объем пропущенного поляризованного света будет увеличиваться. Светоблокирующий слой 30 препятствует пропусканию света с нежелательным углом поляризации со стороны боковых граней кристалла 10 СИД. Таким образом, разница между объемом светового излучения первого поляризационного состояния и объемом светового излучения второго поляризационного состояния будет увеличиваться.

Слой 60 обеспечения циркуляции света может состоять из материала с управляемым двулучепреломлением, определяемым на макроуровне, или, по альтернативному варианту, с локализованным двулучепреломлением, которое не управляется на макроуровне. Типичные слои, обладающие двулучепреломлением на макроуровне, такие как четвертьволновые пленки (QWF), обычно состоят из вытянутых полимерных пленок, таких как тянутый поликарбонат, но они также могут быть выполнены из жидкокристаллических полимеров (LCP). Фазовая пластина может быть либо одноосной, либо скрученной. Фазовая пластина может также состоять из множества слоев с различным направлением оптических осей. Например, QWF-фазовая пластина и полуволновая фазовая пластина в сочетании могут работать как широкополосная четвертьволновая фазовая пластина.

Могут применяться альтернативные материалы, обладающие повышенной стойкостью. Более стойкими полимерами являются фторполимеры. Могут быть использованы полимеры на основе тетрафторэтилена и гексафторпропилена (FEP). Другие такие же материалы включают в себя полимеры на основе тетрафторэтилена и перфторвинилового эфира (PFA) или полимеры на основе тетрафторэтилена и этилена (ETFE), или полимеры на основе тетрафторэтилена, гексафторпропилена и фтористого винилидена (THV). Все эти материалы известны своей превосходной термостойкостью, химической стойкостью и светостойкостью. Может быть также использован политетрафторэтилен (тефлон).

Другие материалы, такие как сапфир, известны как двулучепреломляющие материалы. Кроме того, в качестве фазовых пластин могут быть использованы form-birefringent материалы, двулучепреломление которых определяется формой наноструктуры. Диэлектрические решетки с периодом менее длины волны могут обеспечивать двулучепреломление, и их можно использовать, например, в качестве четвертьволновых фазовых пластин. Помимо этого, в качестве анизотропных фотонных материалов могут применяться нанопроволоки, при этом они могут быть использованы благодаря своему индуцированному двулучепреломлению.

Для максимального отражения света, направленного назад по направлению к кристаллу 10 СИД, вторая поверхность 14 кристалла 10 СИД должна иметь высокую отражательную способность. Обычно светоотражающий слой 40 содержит отверстия, работающие в качестве зон контакта с электродами СИД, такими как GaN p-типа. Здесь могут иметь место потери светового излучения. Апертурные потери должны быть минимизированы путем уменьшения числа контактных отверстий или путем того, чтобы сделать эти отверстия в отражающем слое 40 как можно меньшими. Кроме того, отражательная способность отражающего слоя должна быть максимальной. В одном варианте осуществления отражающий слой 40 представляет собой рассеивающий слой.

Далее будет описан ряд вариантов осуществления светоизлучающего устройства 100. На фиг.5 прозрачная пластина 50, показанная на фиг.4, удалена. Взамен светополяризующий слой 20 расположен смежно со слоем 60 обеспечения циркуляции света.

На фиг.6 слой 60 обеспечения циркуляции света выполнен в виде шероховатой поверхности кристалла 10 СИД. Выравнивающий слой 80 расположен поверх кристалла 10 СИД, а стеклянная пластина 70, несущая светополяризующий слой 20, расположена поверх выравнивающего слоя 80.

На фиг.7 светополяризующий слой 20 расположен непосредственно на выравнивающем слое 80.

В дополнительных вариантах осуществления светополяризующий слой 20 применяется к светоизлучающим диодам с люминофорным нанесением, которые приобретают белое или окрашенное свечение путем люминофорного преобразования синего или ультрафиолетового света, излучаемого СИД. Как показано на фиг.8 и 9, светополяризующий слой 20 расположен поверх слоя 90 люминофора, поскольку поляризационное состояние не удерживается в процессе фосфоресцирующего свечения. На фиг.9 слой 60 обеспечения циркуляции света расположен между слоем 90 люминофора и светополяризующим слоем 20. С учетом фиг.8 и 9 светоизлучающее устройство 100 может иметь прозрачный слой, такой как сапфировый слой 50, или оно может не иметь такого сапфирового слоя 50. Слой 90 люминофора может быть связан с сапфировым слоем 50 или может располагаться непосредственно на кристалле 10 СИД. Светополяризующий слой 20 может присутствовать на слое 90 люминофора, а также на боковых гранях кристалла 10 СИД. Светополяризующий слой 20 может быть технологически выполнен непосредственно на поверхности или может опираться на подложку и быть приклеенным к слою 90 люминофора. Кроме того, светоблокирующий слой 30 может содержать отражатель, такой как металл, чтобы способствовать излучению света через светополяризующий слой 20 для повышения рабочих характеристик. Слою 90 люминофора также может быть придана форма клина. Слой 60 обеспечения циркуляции света может располагаться под светополяризующим слоем 20 или под слоем 90 люминофора. Могут использоваться дополнительные рассеивающие слои (не показаны) для деполяризации отраженного света, например, поверх слоя 90 люминофора или под слоем 90 люминофора. Слой 90 люминофора может быть прозрачным, но также может содержать рассеивающие центры для усиления деполяризации.

Светополяризующий слой 20 может быть образован непосредственно на кристалле 10 СИД, предпочтительно в масштабе целой пластины, а затем последовательно нарезан. По альтернативному варианту светополяризующий слой 20 может быть традиционно изготовлен на несущей подложке, такой как тонкое стекло (например, 0,2 мм), нарезан и последовательно присоединен к кристаллу 10 СИД или слою 90 люминофора либо с использованием соответствующего связующего, либо при отсутствии оптического контакта.

Сферический купол по существу любого известного вида может быть расположен на светоизлучающем устройстве 100 по любому из раскрытых вариантов осуществления. Это повышает светоотдачу светоизлучающего устройства 100, минимизирует потери на отражение и выводит свет, который иначе бы распространялся в плоской оптической стопе.

Угол между первой поверхностью 12 и боковыми гранями 16 кристалла 10 СИД может составлять 90º. В других вариантах осуществления угол между первой поверхностью 12 и боковыми гранями 16 кристалла 10 СИД может быть меньше, например, 45º. Один из слоев, например слой 90 люминофора или слой 60 обеспечения циркуляции света, может быть выполнен по форме так, чтобы содержать боковые грани под меньшим углом, например 45º, что приводит к образованию пирамидальной формы светоизлучающего устройства. Такие боковые грани могут продолжаться за пределы светоизлучающего устройства или соответствовать лишь кристаллу 10 СИД, или светоблокирующему слою 30. Светополяризующий слой 20, например поляризатор на проволочной сетке, может располагаться поверх боковых граней, например, с использованием литографии. Кроме того, светополяризующему слою 20 может быть придана кривизна, или кривизна может быть придана слою 90 люминофора.

Изобретение описано главным образом на примере лишь нескольких вариантов осуществления. Однако, как ясно специалисту в данной области техники, другие варианты осуществления, помимо тех, что раскрыты выше, равным образом возможны в объеме изобретения, определяемом прилагаемой формулой изобретения.