CN101310143A - 薄型高效光准直设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种包括波导板(100)在内的光准直设备，所述波导板具有第一表面(101)、设有相对小面的第二表面(102)和至少一个接收光的表面(105)，所述第二表面包括多个基本上为平面的平行部分(103)和连接所述平面平行部分(103)的多个小面(104)。以相对于所述平面平行部分(103)的非直角(β)形成每个小面(104)，所述光准直设备进一步还包括多个准直折射元件(106)，其中每个准直折射元件(106)对应于所述多个小面(104)中的一个单独的小面，并且位于对应小面(104)上反射的并且从所述波导板(100)提取的光的至少主要部分的光束路径中。

Description

薄型高效光准直设备

技术领域

本发明涉及包括波导板的光准直设备，所述波导板具有第一表面、具有相对小面的第二表面和至少一个接收光的表面，所述第二表面包括多个平面平行部分和多个连接所述平面平行部分的小面。本发明还涉及包括至少一个光源和至少一个光准直装置的发光设备。

背景技术

发光二极管的效率变得越来越高。由于热效率的改善并且由于使用具有高效率的、与颜色转换的磷光体组合的蓝色发光二极管，所以效率(流明/瓦特)越来越高。

遗憾的是，发光二极管在所有的方向发光。发光二极管的发光表面很小，但光线从发射部分射向所有的方向(接近半球，朗伯辐射模式)。对于大多数的应用场合，光源需要具有较小的角展度。为了提高提取效率和整形光的输出，给发光二极管提供了直接设在发光二极管模块(像球形透镜)上的初级光学部件。

但在许多应用中，所需的准直程度要比利用初级光学部件能达到的准直程度高得多。因此，要向照明系统增加附加光学部件(次级光学部件)。通常，在某些应用中，希望准直低到1°左右。

通用的准直光学部件是化合物抛物面准直器(CPC)。化合物抛物面准直器通常是圆锥形状的透明材料。典型的化合物抛物面准直器是旋转对称的形状，具有通过倾斜抛物面连接的入口、出口平面。已知化合物抛物面准直器是一个高效的准直器。但是化合物抛物面准直器的一个问题是高度准直所需的高度。例如，使用1×1mm的发光二极管并且寻求1°的准直角，则提供具有4,7m长的准直器，该准直器具有半径为81mm的出口平面。

在Rizkin等人的美国专利申请No 2003/0189832 A1中描述了实现具有更加紧凑结构的准直光学部件的一种方案，描述了一个光源和用于准直由光源发出的光的反射光变换器。反射光变换器包括第一反射部件，第一反射部件的形状是经过预先计算的，以便将光源发出的光沿大体上平行于光源的方向反射到一个第二反射部件上，第二反射部件的形状也是经过预先计算的，以便将来自第一反射部件的光沿大体平行于光源光轴的方向反射。这种方案得到的结构比单纯的化合物抛物面准直器结构紧凑得多。然而，这种光变换器表现的准直效果还不是太好(准直度±5°)。

因此，在本领域中需要一种准直光学部件，这种准直光学部件能将高效的准直(即角展度小)与小型的结构相结合。

发明内容

本发明的一个目的是至少部分地解决这个问题，提供能够实现高度准直的光准直设备。本发明的另一个目的是提供能够具有低厚度并且具有高准直度的光准直设备。

这些目的是通过本发明的光准直设备满足的。

于是，在一个方面，本发明提供一种包括波导板在内的光准直设备，所述波导板具有第一表面、设有相对小面的第二表面和至少一个接收光的表面，所述第二表面包括多个平面平行部分和多个连接所述平面平行部分的小面。

在本发明的光准直设备中，以相对于所述平面平行部分的非直角形成每个小面，所述光准直设备进一步还包括多个准直折射元件，其中每个准直折射元件对应于所述多个小面中的一个单独的小面。

每个准直折射元件位于在对应小面上反射的并且从所述波导板提取的光的至少主要部分的光束路径中。

波导板具有第一表面和第二表面，其中所述第二表面由通过多个倾斜表面(小面)连接的平行部分的楼梯状结构组成。

所述设备设有多个准直折射元件，其中每个单独的准直折射元件对应于一个单独的小面，以使在对应小面上反射的并且从波导板提取的光的至少主要部分由对应的准直折射元件接收并准直。

通常，在一个小面上反射的光向无限远聚焦在对应的准直折射元件上。

这样，利用本发明的光准直设备就可以得到高度的准直。

在波导板中的有限数目的小面之后，进入波导的几乎所有的被接收光都朝向准直折射元件阵列反射，并且由准直折射元件准直。

于是，本发明的光准直设备可以是一个比较薄的结构。

此外，由于进入波导板的几乎所有的被接收光都朝向准直折射元件反射并且由准直折射元件准直，所以通过本发明的光准直设备获得了程度很高的光利用率。

在本发明的某些实施例中，优选以这样的一个角度形成小面以便使经过接收光的表面接收的光朝向第一表面反射，即以小于90°的角度形成小面，在一般情况下，这个角度范围从第二表面的平行部分算起从约15°到75°。在这样的实施例中，将准直折射元件安排在波导板的第一表面侧面上，例如在第一表面上或距第一表面有一定距离。

在本发明的另外的实施例中，优选以这样的一个角度形成小面以便使经过接收光的表面接收的光朝向第一表面反射，即以大于90°的角度形成小面，在一般情况下，这个角度范围从第二表面的平行部分算起从约105°到165°。在这样的实施例中，将准直折射元件安排在波导板的第二表面侧面上，例如在第二表面上或距第二表面有一定距离。

准直折射元件例如可以从下面的组中选择出来：透镜、菲涅尔透镜和全息元件。准直折射元件还可以包括多个这样的透镜、菲涅尔透镜和/或全息元件。

在本发明的实施例中，在准直折射元件的焦距和从所述准直折射元件的光学中心到对应的小面的距离之间的比值范围可以从约1.2∶1到1∶1.2。例如，准直折射元件的焦平面可以与对应的小面交叉。

为了获得良好的准直，通常希望将准直折射元件聚焦在对应的小面上，或者至少接近对应的小面。

在本发明的某些实施例中，波导板可以包括多个重叠的层，每一层都有一个第一表面和一个相对的第二表面，其中每一层的第二表面包括至少一个平面部分和至少一个小面，以相对于所述的平面部分的非直角形成所述的小面。这样一个分层的实施例可用于在一个准直设备内单独准直来自不同光源的光。每一层的作用可以是一个单独的波导，每个小面对应于单独的准直折射元件，所以通过关联每个单独的光源与单独的层，每个光源都将由单独的折射元件准直。

在小面上的反射可以依赖在小面表面上的全内反射。然而，在本发明的某些实施例中，小面可设有反射涂层。

为了依赖在小面上的全内反射，小面表面相对于在它上面反射的光所成的角度以及周围材料和波导的折射率之间的关系必须满足依照斯涅耳定律的全内反射判据。通过在小面表面上安排反射涂层，可以与斯涅耳定律无关地获得反射，从而提高了例如关于波导材料和小面的角度之类的选择自由度。

在某些实施例中，本发明的设备可以包括一个光准直部分，该光准直部分安排在接收光的表面和波导板小面之间的光学路径中。这样的光准直部分允许经过接受区域引入来自非准直光源的光。为了在波导板内获得期望的角展度，可以使用这种准直部分来准直接收的光。例如，可以对于光准直设备的靠近接收光的表面并且位于接收光的表面和波导板小面之间的光束路径中的部分进行设计，使其具有光准直的形状，例如漏斗或化合物抛物面准直器(CPC)。至少当以低于20°的角展度接收光时，本发明的准直设备能够使经过所述多个准直折射元件离开所述设备的光的准直角至少在一维小于5°，例如小于3°，更加优选地小于1.5°，所述的光是经过所述接收光的表面接收的。

在许多应用场合希望有小的准直角度，例如要照明边界明确的区域的应用场合希望有小的准直角度。

在本发明实施例中，波导板可以具有基本上垂直于波导板的平面部分的对称轴。接收光的表面可以是相对于这个对称轴对称的。

在本发明的某些实施例中，波导板可以是相对于对称轴旋转对称的。

本发明的光准直装置的对称实施例能够准直在平行于设备的第一和/或第二表面的平面的两维上接收的光。

在本发明的实施例中，借助折射率低于所述波导折射率的材料，将准直折射元件安排在波导板上。这就允许在波导板内产生全内反射，条件只是在这个表面上的入射角大于临界角。

在本发明的实施例中，接收光的表面(一个、两个或多个)和/或所述透镜表面可以设有抗反射涂层。这样的涂层可以减小这些表面中的菲涅尔损耗，得到设备的较高的光利用效率。

在本发明的实施例中，可以将本实施例的两个光准直设备(第一和第二设备)安排成这样的：将在第二光准直设备中的所述接收光的表面设置成接收经过第一光准直设备的准直折射元件离开第一光准直设备的光。

通常，本发明的光准直设备的非对称实施例只能够准直在一维上的光，在一维上产生较窄的角分布，而在与其垂直的一维上产生较宽的角分布。通过如以上所述安排两个这样的准直设备，每一个设备都在另一个设备的后面，第一准直设备可以在第一维上准直光，而第二准直设备接收这个部分准直的光并且还要在垂直第一维的第二维上准直这个光。于是，实现了在两维上的完全准直。

在第二方面，本发明提供了包括光源的光准直设备，本发明的光准直设备安排成接收和准直所述光源发出的光。

在本发明的实施例中，可以在光源和用于接收准直设备的光的表面之间安排一个折叠式反射镜。

本发明的另外一些方面从本发明的下面的详细描述中将变得显而易见，这些方面包括但不限于具有本发明的至少一个光准直设备的显示设备。

附图说明

现在参照表示本发明的典型实施例的附图更加详细地描述本发明的这些和其它方面。

图1a用剖面图表示本发明的准直设备，其中透镜安排在光导板的第一表面上；

图1b表示对应的设备，其中透镜安排在本发明的第二表面上；

图2用剖面图表示本发明的准直装置的另一个实施例；

图3a用剖面图表示本发明的旋转对称的准直设备；

图3b用透视图表示图3a的设备；

图4a用透视图表示本发明的准直装置的另一个实施例；

图4b表示图4a中实施例的可替换方案；

图5a-c表示下述实验之一的结果；

图6a-b表示下述实验之一的结果；

图7a-c表示下述实验之一的结果；

图8a-d表示下述实验之一的结果。

具体实施方式

本发明涉及包括波导板的光准直设备，所述波导板具有第一表面、设有小面的第二表面和至少一个接收光的表面，所述第二表面包括多个基本上是平面的平行部分和多个小面，以相对于所述平面平行部分的非直角形成每个小面并且每个小面连接所述平面平行部分。

在图1a中用剖面图表示光准直设备的一个典型实施例。

光准直设备包括一个波导板100，波导板具有前表面101、设有小面的后表面102，后表面102包括多个基本上是平面的平行部分103和多个小面104，以相对于平面平行部分103的角度β形成每个小面104，并且连接平面平行部分。此外，光准直设备包括至少一个接收光的表面105。将光源107安排成向接收光的表面105发射光。所述光源可以是任何类型，包括(但不限于)白炽灯、荧光管、气体放电灯和发光二极管(LED)，所述发光二极管(LED)包括基于无机物的发光二极管和基于有机物的发光二极管，如有机物发光二极管(OLED)和聚合物发光二极管(polyLED)。

前表面101设有多个透镜106，每个透镜对应一个单独的小面104，使得每个透镜106位于在对应小面上反射的并且从所述波导板100提取的光的至少主要部分的光束路径中。

如在这里使用的术语“主要部分”指的是，由对应的透镜106接收的、在小面104上反射的并从光导板100提取的光的至少50％，如至少75％，例如超过90％。

如在这里使用的，术语“前表面”和“前侧”用于代表设备的这样的表面/侧面，即在反射时在小面上反射的光向这个表面/侧面改变方向。于是，在角度(β)是0°＜β＜90°的情况下，前表面意指第一表面。另一方面，角度β是90°＜β＜180°的情况下，第二表面是前表面。

在图1a所示的设备中，β＜90°，第一表面是前表面。在图1b所示的设备中，β＞90°，第二表面是前表面。

经过表面105以大于全内反射临界角的角度接收的光由于在前表面101上以及在后表面102的平面平行部分103上发生的全内反射而在波导内传播。然而，当光遇到小面表面104时，光在表面104上向前表面101反射，它的入射角明显低于在前表面上全内反射的临界角，结果从波导上提取这个光的至少一部分。将透镜106安排在前表面101上，透镜106的宽度P使得在小面104上反射的并且从波导100提取的光的主要部分可由透镜106准直。

由于波导是楼梯轮廓，并且由于每个小面都有一个对应的准直透镜，所以在有限数目的小面以后提取和准直了基本上所有的光。

本发明设备内小面的间距，即一个小面的中心到相邻小面的中心的距离(因此一般也是透镜的间距)，取决于设备的应用场合，并且取决于光源的大小。例如，对于适合于使用1×1mm的发光二极管芯片作为光源的设备，间距的范围通常从约0.1mm到约10mm，例如从约1mm到5mm。然而，也能使用较大或较小的间距。在一般情况下，合适的间距与光源的大小成比例。通常，透镜106的宽度P等于或接近小面的间距。

在一般情况下，每个透镜106的焦点位于对应的小面104上，或者在其附近。例如，透镜的焦点可以位于穿过对应的小面的一个假想线上，所述假想线相对于平行的后侧部分103形成一个角度γ(γ＝2β)。对于β＝45°，γ＝90°，这就意味着，透镜的焦点应该在这个小面的上方、上面或下方，但是在小面的宽度之内。

透镜106的焦距与透镜光学中心和对应的小面104之间的距离(沿上述的假想线度量的距离)之间的比值可以在约1.2∶1到约1∶1.2这个范围之间。换句话说，在焦距和上述距离之间的差可以是约±20％，例如约±10％，例如约±5％，例如约±3％或甚至于更小，例如约±1％。这个差越小，可获得的准直度的理论最大值越高。优选地，透镜106的焦平面与相应的小面104相交；更加优选的是，透镜106的焦点位于相应的小面104上；最为优选的是，透镜106的焦点位于相应的小面104的中间。

在一般情况下，对于适合使用1×1mm发光二极管作为光源的设备，透镜的焦距范围从约1mm到约20mm，例如从约3mm到约15mm。但是较长的或较短的焦距也是能使用的，这取决于设备的应用场合和波导的折射率。然而，合适的焦距取决于波导板100的厚度，这个厚度，如以上针对间距所述的，与光源的大小成比例。

本领域的普通技术人员将会认识到，本发明不限于使用常规的透镜来聚焦来自小面的光。相反，可以使用许多类型的准直折射元件。这样的折射元件包括(但不限于)厚和薄的透镜、菲涅尔透镜、和全息元件。此外，这样的折射元件可由多个这样的透镜和/或全息元件组成。例如，每个折射元件可以由一组透镜组成，这组透镜在对应的小面上或在对应的小面附近具有有效的焦点，如以上所述的。

小面104与平行的后表面部分103形成的角度β的范围通常是从约15°到75°，例如从约35°到55°，例如约45°。在β为45°时，γ＝90°(2β)，在这样的情况下，最好将透镜106安排在对应的小面104的正上方。

小面的高度，即两个相邻的平行后侧部分之间的垂直距离，通常在从约0.1mm到2mm的范围，例如0.3mm-0.7mm的范围。然而，较大的或较小的高度也可以使用，这取决于设备的应用场合。小面的高度在一般情况下要比对应的透镜的焦距小得多。

在图1中，图中所示的所有小面都形成基本上相同的角度β。然而，本发明还包括这样的可能性：每个小面都单独地形成一个不同的角度β。例如，通过随着距光接收区域的距离的增加逐渐增加角度β，并且相应地设置所述透镜，本发明的设备可以获得会聚光。

由于图1a中的波导100随着距光接收区域105的距离的增加逐渐变薄，所以从小面到波导100的前表面101的距离也减小。为了维持透镜的焦距和透镜与对应的小面之间的距离的比值，可以在距前表面101逐渐增加的距离安排透镜的光学中心，如在图1a中所表示的，从而可以维持期望的比值。

可替换地，透镜106的强度可以相应地增加(即减小透镜的焦距)。

另一种替换方案是安排一个透镜阵列，在这里，所有透镜的基座都在楔形物上的一个平面内，所述楔形物安排在前表面上，将透镜放置在距小面相同的距离处。

适合用于制作本发明的光准直设备的波导和透镜的材料包括(但不限于)透明的玻璃材料、透明的陶瓷材料和透明的塑料材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或聚苯乙烯(PS)。波导和透镜可以是相同或不同的材料。

为了在波导的前表面101和平行的平面部分103上获得全内反射，波导材料的折射率应该大于周围材料的折射率。因此，期望在前表面101上安排的透镜106的材料的折射率小于波导100的折射率，或者按照另一种方式，在透镜和波导之间安排一种材料，这种材料的折射率小于波导材料的折射率。通常，安排一种粘结剂来粘结透镜和光导，这种粘结剂的折射率小于波导的折射率。这就允许透镜和波导用相同的材料制造，或者用折射率基本上相等的材料制造。

为了减小在波导和粘结剂之间的界面上以及在粘结剂和透镜之间的界面上的菲涅尔损耗，粘结剂的折射率应该尽可能地分别接近透镜和波导的折射率。尽管如此，粘结剂的折射率应该小于透镜和波导的折射率，以便允许在合理的角度范围内产生全内反射。

每个倾斜的小面104应该向对应的透镜高效地反射光。为此目的，小面可以设有反射表面。可替换地，在小面上的反射可以取决于在小面和波导后侧上的材料之间的界面处的全内反射。

通过选择如下面将要讨论的一系列参数，可以改变离开本发明的光准直设备的光的准直角度，但在一般情况下，至少在一维上，低到小于5°、优选地小于3°、更加优选地小于1.5°或甚至于更小、例如小于1°的准直利用本发明的光准直设备是可以实现的。

如在这里所用的，术语“准直角度”指的是包含98％光强的一个角度范围。

许多光源，如发光二极管，在宽的角度范围发射光。为了在本发明的准直设备中利用同样多的发射光，有益的作法是，对于光源发出的光进行预先准直。进行预先准直是为了减小角展度，以便以遵从全内反射的角度在波导内引入尽可能多的光。

可以使用任何准直结构来获得这个预先准直，例如上述的漏斗、化合物抛物面准直器结构或者聚焦的菲涅尔透镜。通常在靠近接收光的表面的位置安排准直结构。在本发明的实施例中，通过位于接收光的表面和波导小面之间的光路中的一个准直结构来实现预先准直。按照另一种方式，用于预先准直的准直结构可以安排在光源和接收光的区域之间的光路中。可替换地，在需要时，光源本身可以设有预先准直结构，以便经过接收光的区域接收期望的角度范围内的光。对于某些光源，例如某些侧面发光的发光二极管，在期望的角度范围内发射光的主要部分，因此不需要进行这样的预先准直。

包括一个光源和本发明的一个光准直设备的发光设备形成了本发明的一个优选实施例，所述光准直设备安排成接收和准直由所述光源发出的光的至少一部分。

本发明的光准直设备的一个优点是，如果指定期望的准直性质，这种设备的结构参数可以很容易地从一系列理论关系式中导出。下面描述图1a所示的本发明的准直设备的几个参数之间的理论关系，在这里，从平面的后表面部分到小面的角度β是45°。

在这些理论计算中，

-d是从透镜的光学中心到波导的后表面的距离；

-w是小面104的宽度，在平行于后表面部分103的方向取的值；

-P是透镜的宽度；

-R是透镜的半径。

第一个要满足的关系是对于所有离开透镜的光线最多应该具有的角展度α_out的要求。通过透镜的中心并在反光镜的边缘出发的光线应该满足这个要求。

如果我们假定w＜＜d，并且透镜是薄透镜，则

$d>\frac{w*n}{2*{\mathrm{\α}}_{\mathrm{out}}};$

(1)

在这里，n是波导和透镜的折射率，tan(α_out)≈α_out(对于小的α_out)。在实践中，我们规定α_out。我们一旦选定了w或d，其它的参数也就固定了。

第二，小面应该在透镜的焦点，以使透镜在小面的无穷远产生一个图像。由于我们已经对波导和透镜作出了假定，所以透镜在折射率为n的材料中的焦距由下式给出：

$f=\frac{n}{n-1}R$

(2)

焦距等于波导的厚度：f＝d。

第三，透镜的间距应该是这样的：来自一个小面的所有的光都是由对应的小面上方的透镜俘获的。如果波导中光的角展度的一半是α，则我们近似获得如下的关系：

$P>2\tan \left(\mathrm{\α}\right)*(d-\frac{1}{2}w)\≈2\tan \left(\mathrm{\α}\right)*\left(d\right)$

(3)

在这里，我们假定w＜＜d。

第四，要求透镜的宽度小于透镜的直径：

P＜2R

(4)

总之，我们获得下述不等式：

$d\frac{n-1}{n}=R>\frac{1}{2}P>\tan \left(\mathrm{\α}\right)*d$

(5)

因此，波导中的角展度应该小于可从下式导出的α：

$\tan \left(\mathrm{\&alpha;}\right)<\frac{n-1}{n}$

(6)

对于n＝1.5，这给出α＜18°。

为了获得合理的参数值，我们进行如下的推理。假定有一个光源，光源的聚光本领(etendue)为E(在一个方向)，则下式成立：

E＝n*d*α

(7)

于是，结合上述n和α之间的关系式的要求(6)，就可以对于参数d进行选择。结合上述的关系(1)以及所要求的准直量，就可以得到反射镜的宽度w。

波导的总长度由下式给出：

L＝P*N

(8)

在这里，N是大于商d/w的第一个整数。

α(波导中的角展度)的计算值也给出了安排在波导和透镜之间的一个层(例如粘结剂)的折射率的最大期望值。应该对于粘结剂进行选择，以满足角展度低于α的光在波导内全内反射的要求，从而使90°-α(波导的光(wave guided light)在前表面上的入射角)大于临界角θc：

(9)

例如，对于折射率n_波导为1.5并且接收光的角展度α为±18°的波导，粘结剂的折射率n_粘结剂应该小于1.423。这低于波导的折射率，但是对于粘结剂而言是高的折射率。

在第二实施例中，如图2所示，波导100可以包括多个重叠的层110。每个这样的层都有一个前表面、一个后表面103和一个小面104，小面104连接后表面与前表面。当在彼此的上面安排所述层110的时候，得到的波导具有与上述实施例基本上相同的外观和性质。

在每个层110之间可以安排粘结剂化合物将各层粘结在一起。这样的粘结剂化合物通常可以是折射率低于层材料的透明化合物。因此，每个单独的层110可以用作一个单独的波导，因为每一层110内的光在前和后表面都要受到全内反射。但是，当一个层110内的光碰到小面104时，这个光就在其上向透镜反射，并且这个反射光的至少一部分将要从波导上提取，因为在两个单独的层之间的或者在最上层和透镜阵列之间的界面上，入射角将小于全内反射的临界角。这个实施例的一个优点是，不同的分开的光源(例如不同颜色的光源)可以与单独的层110发生关联，来自每个这样的光源的光仅由与这个光源有关联的层(一个或两个或多个)相对应的透镜(一个或两个或多个)准直。

图1所示的设备是本发明的光准直设备的通用实施例的剖面图。然而，在本发明的设备实际可行的实施例中，光准直设备是一个三维的结构。为进行说明，在这里的图3和图4中提供了两个不同的三维结构。

在图3a和3b中，表示的是本发明的光准直设备的旋转对称实施例。如本领域的普通技术人员将要认识到的，也可以实现具有n重对称的设备，在这里，n是从2开始的任何整数，通常在范围2-16中，该设备的剖面如在这里针对旋转对称(n＝∞)的实施例所描述的剖面。本发明也包含这样的n重对称的设备。

图3b表示图3a所示设备的透视图。

在图3所示的实施例中，将在这里表示为一个化合物抛物面准直器结构的准直结构308安排在接收光的表面305和波导300的小面304之间的光路中。锥体309把由这个化合物抛物面准直器结构准直的光重新引导到小面304。在锥体309的表面上的反射可以是由于全内反射或者在该表面上的反射涂层。在化合物抛物面准直器结构308的表面上的反射可以是由于在这个表面上的反射涂层的全内反射。

准直结构308不限于化合物抛物面准直器结构，如本领域的普通技术人员所认识的，可以使用任何一种准直结构来提供期望的角度范围α。

在这个实施例中的准直设备相对于穿过接收光的表面305的对称轴307是旋转对称的。

对于光源310(通常是发光二极管)进行安排以便发射光，这个光的至少一部分经过接收光的表面305由准直设备收集。光源310与光准直设备一起形成一个发光设备。

如以上所讨论的，准直结构308是为了在波导内获得期望的角展度α。在一个可替换实施例(未示出)中，光源310设有一个准直结构，从而将具有期望角展度的光提供给本发明的光准直设备。

在又一个可替换实施例中，省去准直结构308和改变方向的锥体309，得到一个旋转对称(或n重对称)的光准直设备，其剖面图如图1a所示，它的对称轴在接收光的区域105的左面。这样一个实施例当准直来自侧面发光的光源(如侧面发光二极管)的光时特别有用。应该注意的是，选择性地预先准直所述的光以便在波导中获得期望的角展度α，如以上所述。

在图4a中，用透视图表示了本发明的光准直设备的非对称实施例，其在顶视图中基本上为矩形。

在这个实施例中，每个透镜406和小面403都在基本上垂直于波导板400的长度的方向延伸。在图4a中表示的设备只能准直在y维方向接收的光，在x方向的准直极少或没有。

如图4b所示的本发明的又一个实施例使用了如图4a所示类型的两个光准直设备。第一个设备安排成获得在x方向的光准直。第二个设备安排成获得在y方向的光准直，并且将第二个设备定位成接收光的区域接收离开第一个设备的透镜的光。于是，第一个设备提供x方向的准直，第二个设备提供y方向的准直。此外，对于第一和第二准直设备，参数是可以不同的，于是提供了在x方向准直和y方向准直相互独立的不同的准直设备。

本领域的普通技术人员认识到，本发明决不限于以上所述的优选实施例。相反，许多改进和变化在所附的权利要求书的范围内都是可能的。例如，如图4a所示，将光源410安排成在接收光的区域405上直接发光。在可替换实施例中，在光源和准直设备之间安排光改变方向的装置，例如折叠式反射镜或光纤。这样的改变方向的装置对于光源相对于准直装置的位置提供了较大的自由度。通常，在光源和接收光的区域之间安排折叠式反射镜，以便可以在准直设备下方安排光源。于是，光源发出的光由折叠式反射镜改变方向，朝向准直设备的接收区域。

此外，在图3和4所示的准直设备中，形成小面的角度β小于90°，透镜安排在光导板的第一表面侧面上。如本领域的普通技术人员所知，本发明的范围还要包含这些实施例的变型，其中角度β大于90°，并且透镜因而安排在光导板的楼梯状第二侧面上，如图1b所示。

此外，提供要由本发明的光准直设备准直的光的光源可以是任何光源，不限于使用发光二极管来提供光。这样一些光源的例子包括白炽灯泡、放电灯和荧光灯。

本发明的光准直设备或发光设备通常可用在照明领域中的期望从紧凑的准直光学部件可以得到高准直度的任何一个应用场合。实例包括(但不限于)显示设备的背光照明、机动车照明、室内照明、图像投影系统等。

总之，本发明涉及包括波导板的光准直设备，波导板具有第一表面、设有相对小面的第二表面和至少一个接收光的表面，所述第二表面包括多个基本上为平面的平行部分和连接所述平面平行部分的多个小面。

以相对于所述平面平行部分成非直角β形成每个小面，所述设备进一步还包括多个透镜，其中每个透镜对应于一个独立的小面，并且每个透镜位于在对应的小面上反射的并且从所述波导板提取的光的至少主要部分的路径中。

实例

借助计算机模拟(射线跟踪)来测试设备的性质，对本发明的光准直设备进行了研究。

为了进行这些计算，在兼容的计算机系统上使用了与诸如BREAULT研究所的ASAP之类的工具类似的内部软件包的软件。

在下述实验中，角分布测量的图形结果用以下方式表达：

(i)表示不同视角的光强度的强度曲线。将光的强度表示为不同的灰度色调，较亮的灰度色调有较高的强度。强度值是任意单位的。在x轴和y轴上的值代表视角的正弦值(从-1到+1)。

(ii)表示分别沿x方向和y方向通过强度曲线中心的归一化强度(从0到1)的图表。

在下述实验中，空间分布测量的图形结果用以下方式表达：

(i)表示不同坐标的光强度的强度曲线。将光的强度表示为不同的灰度色调，较亮的灰度色调有较高的强度。强度值是任意单位的。所给出的在x轴和y轴上的值是从一个参考点算起的以毫米为单位的距离。

(ii)表示分别沿x方向和y方向通过强度曲线中心的归一化强度(从0到1)的图表。

实验1：旋转对称准直设备的性质

在这里讨论基于图3所示的结构的准直器的设计，在这里将出射光的期望角展度限定为1.2°。准直器前表面的半径是147mm，将光源模型化成1×1mm的方形发光二极管，它在半球范围内均匀发射光。

通过图3a中给出的参数描述了整个系统。在经过基于上述的分析估算的某些初始试验和有根据的推测后，获得如表1所示的参数。

表1

P	4.0mm
		R	3.6mm
W	0.250mm
		D	8.4mm
Rin	12.3mm
		Rcpc	6.8mm
Lcpc	38mm
		Rled	1.4mm(1×√2)
n波导	1.5
		β	45°

在波导板和透镜之间模拟空气层(n＝1)。

选择波导中的角展度α为12°，其远低于先前描述过的理论上限值18°。

对于上面的参数，分别在图5a和5b中表示得到的光的角展度和空间分布。

图5a示出了按照视角的正弦(从-1到+1)表示的角分布。

测量这些量的检测器平面位于结构顶部。从图5a可以看出，角展度的确很小。

在图5b中，表示在设备的顶部直接测量的光的空间分布，透镜的结构清晰可见。这表明还有某些改进的空间剩下(例如增加波导的角展度，或者减小透镜的间距)。进而，可以看出，在径向方向强度是下降的。基于反射镜的面积随距对称轴的距离的增加而增加，期望与1/r成比例地减小。

在许多应用中，远场分布是重要的。在图5c中，表示的是在1m距离处的空间分布。透镜的结构不再是可见的(如所期望的那样)。进而，在光强度的径向方向，我们观察到一个良好的平滑降落。

结构的效率是93.4％。在很大程度上，计及准直器出口处由玻璃-空气界面引起的光损耗(来自透镜表面的菲涅尔损耗为4％)。

实验2：长方形实施例的性质

实验2a：在一维的准直

对于如图4a所示的长方形准直器的性质进行评估，准直器前表面面积为11×180mm。使用与上述的实验1相同的材料和发光二极管。在表2中表示出这个设备的参数。

表2

D	11mm
		W	0.370mm
R	4.4mm
		P	2.6mm
β	45°

为了获得可以接受的结果，必须限制波导中光束在x方向的开度角。只要开度角小于15°，就获得了可接受的结果。这是通过在模拟中将化合物抛物面准直器放在波导的前方实现的。

分别在图6a和6b中表示得到的角分布和空间分布。

图6a示出了按照视角的正弦(从-1到+1)表示的角分布，从曲线清晰可见，在y方向实现了良好的准直，角展度是1.1°。

在图6b中，表示的是在设备顶部直接测量的空间分布，波导结构清晰可见(光在y＝0处进入准直设备)。

实验2b：在两维的准直

为了获得在两个方向的准直器，将在上述实验2a中使用的结构与第二个一维准直器(如以上所述并在图4b中表示的)组合起来。于是，第一个准直器准直y方向的光，而给第二准直器提供y方向准直后的光并且第二准直器在x方向准直y方向准直后的光。在表4中标出了这个第二准直器使用的参数值。

表3

D	6.5mm
		W	0.500mm
R	5.23mm
		P	3.5mm
β	45°

在图7a和图7b中分别表示所获得的光的角分布和空间分布。对于图7a中的角分布，我们观察到，在x方向和y方向的角展度很小，为±1°。对于图7b中的在设备的顶部直接测量的空间分布，我们看见了反映这个实施例中的设备的结构的一个典型模式(光在y＝0处进入第二准直器)。

在远场(距准直器1m)，再一次看见，空间分布是平滑的，如图7c所示。值得注意的是在边界处光输出下降的陡峭度。

第二准直器的前表面面积是156×185mm，从距离为1m处照明的光点的面积是170×180mm。所以准直设备使用的面积接近理论的最小界限。

在这个模拟中的光效率是64％。通过在波导和透镜之间使用如上所述的具有高折射率的粘结剂，这个效率提高到74％。

剩余的多数损害发生在第一准直器的透镜和第二准直器的接收表面之间的界面上。利用在第一准直器的透镜上和第二准直器的接收区域上的抗反射层，有可能进一步改善效率。

为了探讨颜色混合性质，将发光二极管管芯再度分成4个部分，并且对于每个这样的单个发光二极管部分评估远场(距准直器1m)中的照明模式。在图8a-d中表示了四个不同的发光二极管部分的结果。我们观察到，对于所有四个发光二极管部分，光的空间分布几乎相同。这就意味着，颜色的混合是相对良好的。

Claims (19)

1、一种包括波导板(100)在内的光准直设备，所述波导板具有第一表面(101)、设有相对小面的第二表面(102)和至少一个接收光的表面(105)，所述第二表面包括多个平面平行部分(103)和连接所述平面平行部分(103)的多个小面(104)，其特征在于：

以相对于所述平面平行部分(103)的非直角(β)形成每个小面(104)，

所述设备进一步还包括多个准直折射元件(106)，其中每个准直折射元件(106)对应于所述多个小面(104)中的一个单独的小面，并且每个准直折射元件(106)位于对应小面(104)上反射的并且从所述波导板(100)提取的光的至少主要部分的光束路径中。

2、根据权利要求1所述的设备，其中：所述小面(104)相对于第二表面(102)的所述平面平行部分(103)形成的所述角度(β)范围从15°到75°，并且所述透镜(106)安排在设备的第一表面侧面上。

3、根据权利要求1所述的设备，其中：所述小面(104)相对于第二表面(102)的所述平面平行部分(103)形成的所述角度(β)的范围从约105°到165°，并且所述透镜(106)安排在设备的第二表面侧面上。

4、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：所述准直折射元件(106)从下面的组中选择出来：透镜、菲涅尔透镜、全息元件以及多个透镜、多个菲涅尔透镜、多个全息元件。

5、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：在折射元件(106)的焦距和从所述折射元件(106)的光学中心到对应的小面(104)的距离之间的比值范围从约1.2∶1到1∶1.2。

6、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：折射元件(106)的焦平面与对应的小面(104)相交。

7、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：所述波导板(100)包括多个重叠的层(110)，每一层都有一个第一表面和一个相对的第二表面，其中每一层的第二表面包括至少一个平面部分(103)和至少一个小面(104)，以相对于所述的平面部分(103)的非直角形成所述的小面。

8、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：所述小面(104)设有反射涂层。

9、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，包括一个光准直部分(308)，光准直部分安排在所述接收光的表面(305)和所述波导板(300)的所述小面(304)之间的光路中。

10、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：经过所述多个折射元件(106)离开所述设备的光的准直角至少在一维小于5°，优选地小于3°，更加优选地小于1.5°，所述的光是经过所述接收光的表面接收的。

11、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：所述的波导板具有对称轴，对称轴基本上垂直于波导板的平面部分。

12、根据权利要求11所述的设备，其中：所述接收光的表面相对于所述对称轴是对称的。

13、根据权利要求11或12所述的设备，其中：所述波导板相对于所述对称轴是旋转对称的。

14、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：借助折射率低于所述波导折射率的材料，将所述折射元件(106)安排在所述波导(100)上。

15、根据前述权利要求中任何一个所述的设备，其中：所述接收光的表面(105)和/或所述折射元件(106)的表面设有抗反射涂层。

16、一种光准直设备，包括根据前述权利要求中任何一个所述的第一光准直设备和第二光准直设备，其中：将在所述第二光准直设备中的接收光的表面安排成接收经过所述第一光准直设备的所述折射元件离开所述第一光准直设备的光。

17、一种发光设备，包括一个光源和根据前述权利要求中任何一个所述的光准直设备，将所述光准直设备安排成接收由所述光源发出的光。

18、根据权利要求17所述的发光设备，其中：在所述光源和所述接收光的表面之间安排一个折叠式反射镜。

19、一种显示设备，包括至少一个根据权利要求1-16中任何一个所述的光准直设备或者至少一个根据权利要求17或18中任何一个所述的发光设备。

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