CN101449197A - 用于产生偏振光束的照明设备 - Google Patents

Abstract

一种用于提供偏振光束的照明设备，包括：光源(101)，该光源具有设置成在平面(X－Y)中发光(107)的发光表面；第一偏振反射器(103)，该第一偏振反射器被设置成将所述光源(101)的发光表面包围在所述平面中，并且适合于接收所述光、在目标方向(Z)上反射第一椭圆偏振的光(109)、并透射相反的第二椭圆偏振的光(111)；以及第二反射器(105)，该第二反射器设置成将所述第一偏振反射器(103)包围在所述平面(X－Y)中，并且适合于接收来自第一偏振反射器(103)的透射光(111)，并在目标方向(Z)上反射椭圆偏振光(113)。通过设置所述两个包围侧面发光光源的反射器，可以在保持光束形状的同时获得较高的效率。

Description

用于产生偏振光束的照明设备

技术领域

本发明涉及一种照明设备，该照明设备包括用于产生偏振光束的偏振反射器。

背景技术

在各种不同的发光应用中，需要偏振光，或者说采用偏振光是有益的。例如，希望有产生偏振光以便减小眩目效应的汽车前灯，以及在液晶显示器(LCD)中，需要偏振光作为显示器背光。

对偏振光的期望或需求常常伴随着对高效率(在产生偏振光时，能量损失低)、特定光束形状和/或价格的要求。当提及涉及偏振光的许多想法的实现和/或商业化时，满足这些要求的全部或一些常常是成问题的，或者甚至成为障碍。

产生偏振光的一个已知方式涉及一起使用偏振分束器(PBS)和反射性反射器(例如镜子)。US 5,042,925公开了具有双折射取向的聚合体粘合层的PBS。尽管这允许高的效率，但是最后产生的光束被加宽，束形状未得到保持。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的问题。特定目的是允许产生高效率的具有预定的和界限明确的(well-defined)束形状的偏振光束。

这个和其他目的根据下面的描述将变得清楚明白，其通过用于提供偏振光束的照明设备来实现，该照明设备包括：光源，其具有设置成在平面上发光的发光表面；第一偏振反射器，其设置成将光源包围(enclose)在所述平面中，并且适合于接收发射光、在目标方向上反射第一椭圆偏振的光并透射相反的第二椭圆偏振的光；以及第二反射器，其设置成将第一椭圆偏振反射器包围在所述平面中，并且适合于接收来自第一椭圆偏振反射器的透射光，并在目标方向上反射椭圆偏振光。

通过设置两个包围侧面发射光源的反射器，可以在保持束形状的同时获得更高的效率。

所述光源通常包括与束成形光学器件结合的发光二极管(LED)，所述束成形光学器件例如用于方便在一个平面上发光。这样的LED被称作侧面发光LED。所述发光表面是束成形光学器件的表面。优选地，所述光源关于第一反射器对称地设置在平面上。

在这里，表述“包围在平面中”旨在意味着包围部分(enclosing part)出现在平面上被包围的部分的几乎所有方向上。然而，在所述包围部分中可以存在一个或许多小的、连续的区段，即某些方向或角度的区段，其中不存在包围部分。将之比作具有包围物体的网的情形。该网包括许多洞，然而该物体还是被认为被该网包围。

表述“椭圆偏振光”包括具有相移场分量的偏振光。因此，椭圆偏振光包括圆形偏振光，它是椭圆偏振光的特殊情况，即当场分量被相移90度时的情况，(四分之一波)。然而，这个定义排除了线性偏振，因为线性偏振光中的场分量是同相的。

圆形偏振光允许更均匀的偏振光束，并因此允许更方便和更有效地被转换为线性偏振光。它的一个原因归于圆形的“无限”对称性，这导致圆形只能单向(in one way)取向，因此圆形偏振光能够方便地被添加到其他的圆形偏振光。将其比作椭圆偏振光的一种情形。椭圆可以是相等的大小和形状，但是仍然相对于彼此取向不同。然而，应当注意，完全的圆形偏振光在实践中难以实现，通常需要接受某种程度的椭圆偏振光，尽管通常期望拥有尽可能接近圆形偏振光的椭圆偏振光。

第二反射器可以是非偏振反射器，例如金属反射器。因为金属反射器相移入射光的场分量之一180°(半个波长)，结果是与来自第一反射器的方向相同的椭圆偏振光，因此可以添加来自两个反射器的光以形成目标方向上的均匀偏振光束。然而，应当注意，在实践中常常会有偏离，在自第一反射器反射的光和自第二反射器反射的光之间仍然存在一些相差。

可替换地，第二反射器可以是偏振反射器，在这种情况下，再次使被第一反射器透射的光偏振。

第一反射器和第二反射器优选地在目标方向上充分延伸，使得所述反射器接收几乎所有的由光源发射的光。

所述设备可以进一步包括相移片，该相移片适合于将反射的偏振光转换成单个预定方向的偏振光。相移片可以是四分之一波片，和/或相移片可以具有两个展现出不同相移性质的区域。

获得期望的相移的一个方法是通过调整相移的大小，例如，一个区域可以对应于四分之一波片，另一个对应于半波片。获得期望的相移的另一个方法(可以与第一方法结合)是通过调整或定向所述两个区域的光轴。

所述两个区域可以提供相对于彼此的相移，使得最后的光是线性偏振的，且其中第一区域设置成接收来自第一反射器的反射的椭圆偏振光，第二区域设置成接收来自第二反射器的反射的椭圆偏振光。

附图说明

现在将参照表示了本发明当前优选实施例的附图来更加详细地描述本发明的这个和其他方面。

图1a示意性地示出了根据第一实施例的照明设备的截面侧视图。

图1b示意性地示出了图1a中照明设备的顶视图。

图2示意性地示出了根据第二实施例的照明设备的截面侧视图。

图3示意性地示出了根据第三实施例的照明设备的截面侧视图。

图4示意性地示出了根据第四实施例的照明设备的顶视图。

图5示意性地示出了根据第五实施例的照明设备的顶视图。

具体实施方式

图1a和图1b分别示意性地示出了根据本发明第一实施例的照明设备100的截面侧视图和顶视图。应当注意，尽管使用了术语“侧”和“顶”，但是设备100可以以各种方式来翻转、旋转和定位以便在期望的方向上产生光束。在这个申请的上下文中，光束可以视为一束具有至少一个共同方向分量的光线，即光束是光线的宏观表示。例如，在准直的光束中，光线是平行的，光束和光线具有相同的方向。相反，在扩散的光束中，可能没有或者只有一些光线主要具有与光束相同的方向。

光源101设置成发射非偏振光。该光源包括例如发光二极管(LED)的光生成元件，以及束成形光学器件，例如由透明聚合体材料制成的，适于使光源以期望的方式发光。在该图中，束成形光学器件可以视为表示光源101的沙漏形状，而通常相对比较小的、定位在束成形光学器件的支持表面102中或之下的光生成元件没有明显示出。这里，设置束成形光学器件，使得光在X-Y平面(或平行的X-Y平面)中基本上从束成形光学器件的表面发出。为了表示方便起见，发射的光由光线107表示。这里，光源101被设置成在X-Y平面上在所有方向上发光，然而，在实践中，出于经济的和/或实施的原因，可能存在一些发散并因此也可能存在在其他方向上的发射。

为了防止在Z方向上的发光，所述的束成形光学器件可以与Z方向上的反射器(优选地，偏振反射器)结合。然后，这样的偏振器可以与目标方向上的合适光学元件结合，以便提供期望偏振的光。

应当注意，X，Y和Z参照系是出于表示的目的而使用的，本发明决不限于或束缚于任何特定的坐标系统。

光源101由第一反射器103包围在X-Y平面中，该第一反射器103设置成接收从光源101发射的光。光源101关于包围的第一反射器对称地(这里是圆形对称地)设置在X-Y平面中。

第一反射器的包络表面在Z方向上的延展通常取决于光源101在相同方向上的延展，或者至少取决于光源101的发光部分的延展。在图1a的实例中，第一反射器103的包络表面在Z方向上相比光源具有更大的延展，这例如可以是一种当光源不只在X-Y平面上发光时使得第一反射器接收更多的光的方式。为了达到高效率，第一反射器的包络表面通常应该具有在Z方向上的延展使得能够接收基本上所有的或者大部分的来自光源101的发射光107。

第一反射器103由第二反射器105包围在X-Y平面内，第二反射器105设置成接收来自第一反射器103的透射光111。在示出的实例中，第二反射器包络表面在Z方向上的延展基本与第一反射器相同。可以在图1a中看到的在第一反射器103和第二反射器105之间的空间可以是填充空气的空腔，或者例如可以包括透明的非双折射固体，例如聚合体。第一和第二反射器可以具有相似的形状。形状在这里可以指在垂直于最后产生的光束的平面中的形状，但也可以指(尽管不是必须的)当沿着光束的方向观看时的形状。在后一种情况下，相同的形状可以包括相似的包络表面，例如具有基本相等的倾斜角的线性斜面。

在另一个实施例中，两个反射器103和105的包络表面在Z方向上的延展可以彼此不同，然而，无论如何，第二反射器105通常应该具有延展，该延展使得能够接收基本上所有的或者大部分的来自第一反射器103的透射光。当发射的光107呈现一定发散时，即光不只在X-Y平面上发射时，距光源101越远，所述发散将会更明显。因此，为了接收这样的发散光，相比第一反射器103的包络表面，第二反射器105的包络表面可以设置成在Z方向上延展得更远。

为了反射在X-Y平面中发射的光，并在垂直的Z方向上产生光束，应当理解的是，第一和第二反射器103，105优选地是漏斗状，即具有在Z方向上拥有更大的周长的截面。图1a和1b中的设备100的被截顶的锥形形状可以被看作属于漏斗形状的子组，其由具有包络表面的漏斗构成，该包络表面具有线性斜面。当光源主要在平面(这里是X-Y平面)上发光时，通常(但不是必须地)使用线性斜面。

仍然参考图1a和图1b，第一反射器103和第二反射器105的包络表面的倾斜角108，110与X-Y平面成45°。应当注意，主要在X-Y平面上发光的光源101与45°的倾斜角结合允许了界限明确的准直光束，其中光束的投影形状通常与所述反射器在X-Y平面中的形状(例如图1b中呈现的形状)类似。然而，应当注意，在实际情况中，由于可能属于需要接受的商业原因的非理想的、有缺陷的材料和公差，在某种程度上，仍然会存在光线的一定发散和扩散。

第一反射器103是在目标方向(这里对应Z方向)上将来自光源101的接收的(即入射的)光107反射为第一方向(左或右圆形)的圆形偏振光的偏振反射器。来自第一反射器的反射光由光线109表示。

这里应当注意的是，完全圆形的偏振光在实践中通常难以实现。尽管圆形偏振光是需要的，尽管该反射器可以设置成提供圆形偏振光，但是在某种程度上偏振光仍然常常是椭圆的。圆形偏振光可以视为椭圆偏振光的特殊情况，即当场分量在大小上相等并相对彼此精确相移90°(四分之一波长)时的情况。然而，替代这里将光称为“椭圆偏振的”(其具有很宽的定义)，下面仍将使用“圆形偏振光”。一个原因在于，“圆形偏振”描述了期望的和优选的性质，即使当偏振光在某种程度上是椭圆的时候，仍然期望具有尽可能地接近于圆形偏振的椭圆光。

现在应当容易理解的是，在实际情况中，这里被称为“圆形偏振”的可以包括某种程度的椭圆偏振，因此不应该将下文中“圆形偏振”的意思解释得过于严格。

另外，第一反射器103对于第二方向(这里，与第一方向相反)的圆形偏振光是透明的，并透射所述圆形偏振光。第一反射器103可以例如是胆甾液晶反射器，或者是与四分之一波片结合的反射性线性偏振器。在后一个实例中，所述四分之一波片可以层叠在反射性线性偏振器上。

应当容易理解的是，反射一个方向的圆形偏振光并透射另一个方向的圆形偏振光的任何其他类型的反射器或反射器装置都可以作为替换物来使用。第一反射器103透射的光由光线111表示。

第二反射器105在这里是普通的反射器，例如金属反射器或镜子，它将圆形偏振光的场分量之一相移180°(半个波长)。这将圆形偏振光111的方向(第二方向)改变为相反的方向(第一方向)。因此，第二反射器105将来自第一反射器103的接收光111反射为第一方向的圆形偏振光。同样，在与自第一反射器103反射的光相同的方向上(即对应图1a中的Z方向)反射光。

应当明白的是，由于圆形的“无限”对称性，反射的圆形偏振光可以加起来而在目标方向上(在这里，即Z方向)形成均匀的偏振光束，而不取决于反射发生在X-Y平面上的何处。

为了产生预定的、单个方向的线性偏振光束，四分之一波片115可以设置在圆形偏振光的光束路径上。应当注意，在实际的情况中，正如前面所述，光束可以在某种程度上被椭圆偏振，在这种情况下，通常应该对四分之一波片的相移性质或延迟进行相应地调整，以便产生线性偏振光。

可以注意到，当常规的二向色偏振器被用于从非偏振光中产生线性偏振时，约50％的光被吸收。在图1a和1b的实例中，偏振光被“提取”两次，几乎所有的发射光被用于形成均匀的偏振光束，这允许了高效率。

在另一个实施例中，第一反射器103是圆形偏振器，其由具有四分之一波片的反射性偏振器制成，该四分之一波片设置在反射的线性偏振光的路径上。该四分之一波片可以层叠在反射性偏振器的顶部。

在图1a中可以注意到，光源101和反射器103、105从基平面或支持表面102延伸。然而，尽管这是自然的和简明易懂的设计，但是在可替换的实施例中，光源101和反射器103、105可以从不同的平面或水平面(level)延伸，或在不同的平面或水平面得到支持。

尽管在大部分情况下这不是个问题，但是可能注意的是，当设备100产生高度准直的光束时，在光束的投影中可能会有没被照亮的或照亮不充分的区域。这些区域对应X-Y平面上没有光在Z方向上被反射的区域。在图1b中，这样的区域可以对应光源101以及支持表面102在光源101和第一反射器103之间、第一反射器103和第二反射器105之间可见的部分。当准直度下降时，常常伴随着区域照明的增加。

尽管未照亮的区域常常是不希望的，但是会有忽略、可容忍或者甚至希望它们的存在的情况。例如，在最后产生的光束将被故意散射或扩散的情况下(例如常常是LED背光的情况)，光束投影中任何未照亮的区域在光束被散射或扩散之前，可以不是那么重要。

在大部分的情况下，发射光的准直度是适中的。因此，当光源101和反射器103、105如图1a和1b中那样定位时，在远场中也通常会有相对均匀的照明。

应当注意，在X-Y平面上将第一反射器103靠近光源101布置，和/或将第二反射器105靠近第一反射器103的外边缘布置，例如以便减少未照亮的区域，这可能强加干涉光、散射光或被阻挡的光的风险。例如，由第一反射器103反射的光线可能与光源101的边缘或表面干涉，由第二反射器105反射的光线可能与第一反射器103的包络表面或其边缘干涉。

应当注意，在反射器103、105的包络表面的倾斜角108、110偏离45°的情况中，结果可能是不太准直，至少当来自光源的光107主要在X-Y平面中发射时情况就是如此，因此将会有聚焦的光束或者扩散的光束。

在45°和90°之间的第一和第二反射器103、105的倾斜角108、110导致聚焦的光束，其中反射的光线不只被引导向Z方向，还被引导向反射器103、105的中心。

在0°和45°之间的倾斜角108、110导致具有未照亮的中心区域的未聚焦的、扩散光束。

通过选择45°以下的内部的第一反射器103倾斜108，以及45°以上的外部的第二反射器105倾斜110，结果是光束包括外部的、引导向反射器103、105的中心的聚焦的光束部分，以及内部的、引导向反射器103、105的周边的未聚焦的光束部分。这样的结果是偏振光的宽的、扩散的光束。应当理解，在这样的情况下，在光束的投影中通常不存在未被照亮的区域。

仍然参考图1a和图1b，在第一实施例中来自两个反射器103、105的最终产生的光束是单个方向的圆形偏振的。为了产生均匀的线性偏振光，四分之一波片115可以设置在反射器103、105的顶部，即在反射光109、113的路径上。按照已知的方法设置四分之一波片，使得该四分之一波片的光轴具有相对于入射光方向的预定方向，以便得到期望的、预定方向的线性偏振光。为了方便将光束从圆形偏振光转换成线性偏振光，通常期望准直的光束。然而，应当注意，不要求完全或高度准直的光束，并且高度的准直在实践中往往难以实现，至少在应该保持低成本的时候是这种情况。结合束成形光学器件的、可以作为光源101使用的、商业上可获得的LED如今通常释放出(deliver)具有约20°的准直的光，所述20°是以半高全宽(FWHM)强度测量的。

在一个替换实施例中，自第一反射器103和第二反射器105反射的光109、113是相反方向的圆形偏振光。在这个替换实施例中，第二反射器105可以是偏振反射器，例如胆甾液晶反射器，其反射第二方向的圆形偏振光。这样的第二反射器的实例是胆甾液晶反射器，即在这个替换实施例中，第一和第二反射器103、105的材料可以是相同的，尽管它们的性质可能不同。然后，可以将半波片设置在仅来自反射器103，105其中之一的反射光的路径上，以便改变来自那个反射器的反射光的偏振方向。然后，可以如上面结合第一实施例所述的相似方式使用四分之一波片115，以便产生线性偏振光。半波片和四分之一波片的相移性质可以结合在单个的相移片中。

图2示意性地表示了根据第二实施例的照明设备200的截面侧视图，当期望线性偏振光时以及当自第一反射器203和第二反射器205反射的光是相反方向的圆形偏振光时，可以使用所述照明设备200。在图2中，存在具有对应两个四分之一波片的两个区域217、219的相移片。应当理解的是，当反射器203，205在X-Y平面上为圆形时，所述两个区域217，219表现为在所述平面上的性质不同和/或它们的光轴取向不同的环形区域。例如，区域217，219其中之一的功能可以对应于结合有四分之一波片的半波片的功能，而另一个区域217，219可以恰好用作四分之一波片。

在一个替换实施例中，区域217，219对应于两个四分之一波片，其中每片的快光轴相对于另一片的快光轴成90°设置。

如前面提到的，当光未被圆形偏振，相反地在某种程度上被椭圆偏振时，那么通常应该对四分之一波片的相移性质或延迟进行相应地调整，以便产生线性偏振光。

图3示意性地示出了根据第三实施例的照明设备300的截面侧视图，其中第一和第二反射器303，305的包络表面具有非线性的抛物型斜面。当光源301在各个方向上发光并且不只是在或者主要在平面(例如X-Y平面)上发光时，即当光源301例如是全方向的光源时，通常使用具有曲率的斜面。通常调节非线性的斜面，以便将来自光源301的入射光在目标方向Z上反射。

在另一个实施例中，只有一个反射器具有带有曲率的包络表面。

从前面的描述应当理解，最后得到的光束的形状受反射器的设计和形状的影响。光束在X-Y平面上的投影通常与同一平面上的反射器的形状类似，所述形状例如圆形。通常，一个反射器负责这样的投影的周边部分，因此，那个反射器对投影的形状有最大的影响。该反射器通常是第二反射器。

X-Y平面中反射器的形状和大小以及相同平面上光束投影的形状和大小之间的一致性(correspondence)随着光束的准直度的增大而增加。然而，应当注意，由于反射器的设置，甚至在准直度较低时，通常也会有形状之间的一致性。

目前已经给出的只是圆形反射器，然而，当期望其他形状的光束投影时，可以相应地调节所述反射器。

图4示意性地示出了根据一个实施例的具有矩形反射器403，405的照明设备400的顶视图。

图5示意性地示出了根据一个实施例的具有椭圆反射器503，505的照明设备500的顶视图。

可以注意到，目前已经给出的第一和第二反射器一直具有相似的形状。然而，在替换实施例中，这两个反射器可以具有不同的形状，例如，与外部的、第二矩形或椭圆反射器结合的圆形的内部的第一反射器。

根据上面的描述，应该清楚的是，通过调节反射器的形状、大小和斜率，可以产生期望大小和形状的界限明确的、均匀偏振的光束。

本领域技术人员应当意识到，本发明决不限于上述的优选实施例。相反，可以在所附权利要求的范围内进行许多修改和变化。例如，在前面，所述光源和反射器是同心的，然而，尽管这通常是优选的，但是反射器中的任何一个和/或光源可以移位，使得将出现不被认为是同心的设置，或光源未对称地设置在反射器中的情形。

Claims (14)

1.一种用于提供偏振光束的照明设备，包括：

光源(101)，其具有设置成在平面(X-Y)中发光(107)的发光表面；

第一偏振反射器(103)，其设置成将所述光源(101)的发光表面包围在所述平面中，并且适合于接收所述光、在目标方向(Z)上反射第一椭圆偏振的光(109)并透射相反的第二椭圆偏振的光(111)；以及

第二反射器(105)，被设置成将所述第一偏振反射器(103)包围在所述平面(X-Y)中，并且适合于接收来自第一偏振反射器(103)的透射光(111)，并在目标方向(Z)上反射椭圆偏振光(113)。

2.如权利要求1所述的设备，其中第二反射器(105)是偏振反射器。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中第一和/或第二偏振反射器(103，105)是圆形偏振反射器，所述椭圆偏振光是基本圆形偏振的。

4.如权利要求1所述的设备，其中第二反射器(105)是非偏振反射器，例如金属反射器。

5.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中所述反射器(103，105)中的至少一个是漏斗形的，具有面对目标方向(Z)的较大开口。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述反射器(103，105)中的至少一个在所述平面(X-Y)中是圆对称的。

7.如权利要求5或6所述的设备，其中所述反射器(103，105)中的至少一个是具有线性斜面的包络表面。

8.如权利要求7所述的设备，其中倾斜角(108)处于20°-70°的范围，优选地约为45°。

9.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中第一反射器(101)具有在目标方向(Z)上的延展，使得由光源(101)发射的几乎所有的光(107)都被第一反射器(103)接收。

10.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中第二反射器(105)具有在目标方向(Z)上的延展，使得由第一反射器(103)透射的几乎所有的光(111)都被第二反射器(105)接收。

11.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中第一反射器(103)和第二反射器(105)基本上是同心的。

12.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中设备(100)还包括适合于将反射的偏振光(109，113)转换为单个预定方向的偏振光的相移片(115)。

13.如权利要求12所述的设备，其中相移片(115)是四分之一波片。

14.如权利要求12或13所述的设备，其中相移片(115)包括两个展现不同相移性质的区域，其中第一区域设置成接收被第一反射器(103)反射的光(109)，第二区域设置成接收被第二反射器(105)反射的光(113)。

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