Планарный волновод
Владельцы патента RU 2399936:
Учреждение Российской академии наук Институт систем обработки изображений РАН (ИСОИ РАН) (RU)
Изобретение относится к планарным волноводам. Заявленный волновод содержит в нижней части конусный вырез высотой h<H, где Н - толщина волновода. При этом вводимое излучение распространяется от конусного выреза к краям волновода. Также заявленный волновод имеет в верхней части соосно конусному вырезу в нижней части второй конусный вырез, на который нанесено зеркальное покрытие. Заявленное устройство позволяет получить равномерное радиальное распространение света, введенного в планарный волновод с максимальной эффективностью. 1 табл., 3 ил.
Изобретение относится к вводу излучения в планарный волновод, рассчитанный в приближении геометрической оптики, и может быть использовано для ввода света в планарный волновод с одной из его сторон для создания световых панелей, устройств освещения, плоских фар, подсветок панелей приборов и ЖК экранов.
Также для ввода света в планарный волновод используются дифракционные решетки (Патент США US 7181108 В2 от 20.02.2007, G02B 6/34, аналог). Свет от источника падает под заданным углом на дифракционную решетку, нанесенную на широкую грань волновода (нижнюю сторону) и далее распространяется в волноводе.
Недостатком данного метода является ограниченная дифракционной решеткой эффективность ввода света, сложность ввода белого света в волновод, небольшой разброс углов падения света от источника.
Для ввода света в волновод через широкую грань используют голографические структуры (Патент США №5745266 от 28.04.1998, G03H 1/00, прототип). Для перпендикулярного падения света от нити накаливания лампы или иного источника света на дифракционный оптический элемент используют параболический рефлектор.
Однако с помощью такого устройства можно ввести свет в волновод, который будет распространяться линейно. Данная схема не предназначена для радиального распространения света и имеет ограничения на диапазон углов падения света от источника.
Данное изобретение свободно от указанных выше недостатков.
В основу изобретения поставлена задача получить равномерное радиальное распространение света, введенного в планарный волновод с максимальной эффективностью.
Этого удалось достичь за счет того, что излучение вводится в планарный волновод, содержащий в нижней части конусный вырез высотой h<H, где Н - толщина волновода, причем излучение вводится радиально симметрично и распространяется от конусного выреза к краям волновода, а соосно конусному вырезу в нижней части волновода выполнен дополнительный конусный вырез в верхней части волновода, при этом сумма высот конусных вырезов сверху и снизу волновода меньше толщины волновода, а на верхний конусный вырез нанесено зеркальное покрытие.
На Фиг.1 приведена схема устройства волновода для ввода в него излучения, толщина которого больше размера источника света (светящегося тела LED).
На Фиг.2 приведена схема устройства волновода с двумя конусными вырезами для большей эффективности ввода света для низких показателей преломления волновода.
На Фиг.3 представлен внешний вид волновода в разрезе при выполнении в нем двух соосных конусов.
На схеме устройства Фиг.1 в волноводе толщиной Н просверлено коническое отверстие с телесным углом θ глубиной h, начальным диаметром D. Показатель преломления в волокне n. Диаметр отверстия D зависит от размера светящегося тела LED.
Излучение вводится радиально симметрично и распространяется от конусного выреза к краям волновода. Устройство позволяет ввести в волновод белый свет от LED, имеющий ламбертовскую диаграмму направленности выходящего света.
В таблице приведены параметры одноконусной схемы при различных показателях преломления волновода. Значение η - КПД ввода излучения в процентах от полной энергии LED. При расчетном показателе преломления все выходящее из LED излучение вводится в волновод или отражается обратно в сторону LED, никакое излучение не проходит наружу из волновода вверх (Фиг.1). nc - расчетный показатель преломления, для которого схема ввода работает оптимально, n - показатель преломления, для которого рассчитано значение η. Здесь и далее закрашенные серым цветом ячейки в столбце η указывают на выход излучения в области ввода сверху волновода. Незакрашенные ячейки η свидетельствуют о том, что никакое излучение не выходит сверху волновода в области ввода.
| Таблица | ||||
| Зависимость параметров отверстия в волноводе от показателя преломления. | ||||
| nc | n | h, mm | θ, ° | η, % |
| 1.5 | 1.5 | 4.82D | 12 | 99.5 |
| 1.4 | 86.5 | |||
| 1.29 | 63.9 | |||
| 1.6 | 1.6 | 2.47D | 23 | 99.55 |
| 1.5 | 94.3 | |||
| 1.4 | 79.2 | |||
| 1.29 | 59.5 | |||
| 1.68 | 1.68 | 1.69D | 33 | 99.0 |
| 1.6 | 96.8 | |||
| 1.5 | 86.12 | |||
| 1.4 | 71.5 | |||
| 1.29 | 52.7 |
Данные, приведенные в таблице, справедливы для любой толщины волновода H>h.
Результаты работы устройства на Фиг.1 можно улучшить, если изменить верхнюю поверхность волновода в месте ввода света. На Фиг.2 и Фиг.3 показано устройство двухконусной схемы ввода света в волновод.
Планарный волновод на Фиг.2 имеет КПД ввода света более 98% при показателе преломления волновода более 1.5. При этом введенное излучение не выходит из волновода и распространяется исключительно под углами полного внутреннего отражения внутри волновода, начиная с показателя преломления n=1.6.
Нанесение зеркального покрытия на верхний конус еще улучшает результат для показателей преломления менее 1.5.
В случае более толстого волновода легче получить лучший результат. Например, возможно получить эффективность ввода света в волновод более 98% без нежелательного выхода света из волновода в области ввода для показателя преломления волновода от 1.29 и выше.
При расчете одноконусной схемы в таблице был взят малый запас угла θ (1°), и как следствие, глубина отверстия h минимальна. Поэтому если конус будет создан сверлением волновода, необходимо обратить внимание на гладкость поверхности конуса - шероховатости по оси Y (кольцевые полоски после некачественного сверла) могут привести к выходу излучения сверху волновода при эксплуатации схемы на расчетных показателях преломления и высоты h. Если угол при бугорках шероховатости составит 0.5° и более, рекомендуется уменьшить угол θ и, как следствие, увеличить глубину конуса h. Небольшая шероховатость на поверхности конуса в плоскости XZ (канавки вдоль оси конуса) не критична.
В обоих схемах светящаяся поверхность LED была взята в нижней плоскости волновода.
При взятии LED квадратной формы излучение в волновод вводится одинаково равномерно по всем направлениям в плоскости XZ.
Планарный волновод, содержащий в нижней части конусный вырез высотой h<H, где Н - толщина волновода, причем излучение вводится радиально симметрично и распространяется от конусного выреза к краям волновода, а соосно с конусным вырезом в нижней части волновода выполнен дополнительный конусный вырез в верхней части волновода, при этом сумма высот конусных вырезов сверху и снизу волновода меньше толщины волновода, а на верхний конусный вырез нанесено зеркальное покрытие.
