[发明专利]用来准直来自LED的光发射的纳米结构的超材料和超表面

说明书

公开了一种用于准直发光二极管（LED）的输出的系统、方法和设备。该系统、方法和设备包括包含顶表面（光从其发射）的LED基板和位于发射光路径内的亚波长散射天线阵列，该亚波长散射天线阵列被配置为选择LED发射光的散射方向，以提供来自设备的准直光输出。该阵列可以垂直于从LED发射的光的传播平面排列，并且可以位于邻近顶表面。该阵列可以至少部分或完全位于LED基板内。该阵列可以与顶表面间隔一距离，并且该间隔可以使用与顶表面相邻的电介质间隔物来实现。该阵列可以位于电介质间隔物内。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年10月17日提交的美国临时申请第62/573,372号和2018年10月16日提交的美国非临时申请第16/161,875号的权益，其标题为“用来准直来自LED的光发射的纳米结构的超材料和超表面”（“Nanostructured Meta-Materials and Meta- Surfaces ToCollimate Light Emission from LEDS”），以及2018年2月23日提交的欧洲专利申请第18158381.6号的权益，这两个申请通过引用被并入本文，如同被完全阐述一样。

技术领域

本发明涉及用于准直来自光源的光发射的方法和系统，并且更具体地，涉及用于准直来自发光二极管（LED）的光发射的纳米结构的超材料和超表面。

背景技术

无论发射波长如何，标准发光二极管（LED）管芯通常具有朗伯角发射图案。对于某些LED应用，基本上准直LED发射的光可能是有益的或需要的。例如，从红外（IR）LED发射的用于虹膜扫描的光需要准直。用于提供准直光发射的系统使用耦合到LED的透镜来准直远场中的光束。使用透镜是因为典型的LED具有发射光的朗伯角分布，透镜准直从LED输出的光。这种透镜或其他类型的光学组件通常是与LED管芯不同的构件和/或部件。该附加的部件需要集成到将LED保持在适当位置的封装中。通常，透镜是模制塑料部件，但准直光学设备也可以是反射表面或反射器和透镜两者的组合。外部透镜组件的使用增加了发光组件的尺寸。例如，对于典型的IR LED而言，封装（其是LED连同反射器和/或塑料透镜）高度通常约为3 mm。包括基板的LED管芯通常只有几个100微米厚。对于现有的商业IR LED，封装厚度与LED管芯厚度的比率约为10。随着IR LED越来越多地作为模块（诸如虹膜识别模块）的一部分用于智能电话，并且随着增加的构件密度，智能电话被不断制造地越来越薄，减少IR LED的厚度非常重要。因此，存在对如下技术的需求：允许LED发射具有更薄轮廓的准直光，减少对于用来准直光的外部透镜的需求，缩窄LED发射的辐射轮廓，并提高将光耦合到外部光学设备的效率。

发明内容

公开了一种用于准直发光二极管（LED）的输出的系统、方法和设备。该系统、方法和设备包括：包含顶表面的LED基板，光从该顶表面发射；以及位于发射光路径内的亚波长散射天线阵列，该亚波长散射天线阵列被配置为改变LED发射光的散射的相位和振幅，以提供来自设备的准直光输出。该阵列可以垂直于从LED发射的光的传播平面排列，并且可以位于邻近顶表面。该系统、方法和设备还可以包括阵列位于其内的嵌入介质。该阵列可以至少部分或完全位于LED基板内。该阵列可以与顶表面间隔一距离，并且该间隔可以使用与顶表面相邻的电介质间隔物来实现。该阵列可以位于电介质间隔物内。可替代地，阵列可以是分立元件。

该系统、方法和设备可以包括位于发射的光路径内的亚波长散射天线的第二阵列，该亚波长散射天线的第二阵列被配置为选择LED发射光的散射方向，以提供来自设备的准直光输出。该阵列和第二阵列可以间隔一距离。该阵列和第二阵列可以是相同或不同的阵列。

附图说明

通过以下结合附图以示例的方式给出的描述可以得到更详细的理解，在附图中：

图1示出了放置在LED管芯之上的亚波长散射天线的布置，该亚波长散射天线用于在远场准直LED发射的光；