CN101490467A - 具有不对称出耦合的波导 - Google Patents

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Abstract

一种波导(1)，布置为引导来自至少一个光源(3)的光，包括：出耦合结构(4)，其适于使来自所述波导的光按照总的出耦合的方向出耦合，至少一个引导侧面(5)，其适于通过反射所述光使其朝向所述出耦合结构来将所述光包含在所述波导中，其中，出耦合结构包括不对称漫射层(6，7)。上述不对称漫射层改善了颜色混合，且去除或者限制了色带或者亮度带的出现，同时限制了不存在颜色混合或者亮度变化问题的方向中的发散。

Description

具有不对称出耦合的波导
技术领域
本发明涉及布置为引导来自至少一个光源的光的波导(waveguide)，波导包括至少一个适于将光包含(contain)在波导中的引导侧面(guide edge)，以及适于使光从波导中提取出的提取侧面(extraction edge)。
本发明进一步地涉及包括上述波导的照明装置和包含上述照明装置的显示装置。
背景技术
有一些照明应用，其中来自至少一个光源的光耦合进入波导，且从波导的一个或者几个表面射出。在一些应用中，例如，用于液晶显示器的背光源，光可以通过大尺寸平面波导的顶面出耦合。在其它的应用中，光可以在波导的一个或者几个侧面(edge)耦合出来。通过使用平面波导和将光从其至少一个侧面中耦合出来，可以实现几种不同类型的照明装置。一个上述照明装置的实例是透明灯，所述透明灯由多个平面波导形成。就上述灯来说，可以通过在合适位置将波导的射出侧面形成为角镜(angle mirror)来从灯表面的选定部分提取光。
用于上述照明装置的适当光源包括发光二极管(LED)。LED通常是狭窄带状的，且一般产生白色需要光对从LED发射的光作某些调整。产生白色光的节能方法是，将由适当颜色(典型地为红，绿和蓝)的由诸如LED的光源发射的光相结合来形成白光。
来自不同颜色LED的光的上述结合可以在波导中发生，且在波导的提取侧面处，从波导中射出的混合光的亮度及空间颜色分布通常更加均匀。然而，远离这/这些侧面(edge)的一段距离，在亮度和/或颜色中的变化是可见的。由于人眼对颜色的微小变化非常敏感，产生均匀的白光需要很好的颜色混合。
还有，就由单光源发射且通过波导引导的白色或有色光而言，可能有不足的空间均匀性，特别是在远离波导提取侧面的一定距离处。
改善从波导提取的光的空间均匀性的一种已知方法是，使波导的出耦合侧面漫射(diffuse)。通过该方法，可以获得改善的空间均匀性。然而，通过光反向散射，降低了能源效率，且提取光可以比所预期更加发散。
因此，需要更加节能的方法减少所感知的在远离波导的提取侧面的一定距离处的空间亮度和/或颜色变化。
发明目的
鉴于现有技术的上述和其它缺陷，本发明的目的是提供更加节能的方法改善由波导所射出光的空间均匀性。
此处，光的“空间均匀性”应该理解为在空间域中光的均匀性。空间均匀性包括颜色和亮度的均匀性。实际上，在“白光”应用中颜色的变化可以与单色应用中亮度的变化等同。
发明内容
根据本发明的第一方面，这些和其它的目的是通过波导实现，所述波导包括：提取侧面，适于使所述光能够按照整体(general)出耦合方向从所述波导出耦合；至少一个引导侧面，适于通过反射所述光使其在朝向所述提取侧面的路径上来将所述光包含在所述波导中，其中，提取侧面设置有不对称漫射层。
此处，“漫射(diffusing)”应该理解为，在反射面中的不规则性是在光波长的量级，而表面仍然是宏观上的扁平。
“不对称漫射”应该理解为：漫射度并非在所有平面中相同。特别地，漫射层可以适于在与整体出耦合方向平行的两个不同(例如，相互垂直的)平面中不同地扩散光。
波导可以布置为入耦合以及引导来自多个光源的光，以及在至少一个混合平面中混合所述光。于是，漫射层可以在该混合平面中比在与所述混合平面垂直的平面中扩散更多的光。所述不对称漫射改善了颜色混合，且去除或者限制了色带或者亮度带的出现，同时限制了沿着不存在任何颜色混合或者强度变化问题的方向上的发散。
出耦合结构可以是透射面，其适于通过该表面出耦合光，或者是反射面，其适于通过波导的顶和/或底面出耦合光，接着在反射面中反射。出耦合结构可以按照多种方式配置—其可以是扁平的，弯曲的，棱柱形的，圆形的，或多或少漫射的等等。
在光通过提取侧面出耦合的情况下，该漫射层可以是透明的漫射层。
光在提取侧面中反射后通过顶或底面出耦合的情况下，漫射层可以是漫射镜(diffusing mirror)。可以例如通过将金属涂层应用到漫射引导侧面表面来形成漫射镜。
波导优选地是平面波导。此处，“平面波导”限定为基本上在一个平面内具有延展的波导，即，与平面中波导的尺寸相比，从波导任何点到平面的距离很小。可替换地，波导是非扁平的，其可用于特定设计的照明设备。
进一步地，波导可以布置为引导来自诸如发射多种不同颜色的多个光源的光。根据本发明该实施例的光导将改善光的颜色混合，且例如使得能够发射由不同颜色LED所产生的白光，而在距离波导一定距离的位置没有颜色变化。
根据本发明的第二方面，这些和其它的目的通过照明装置来实现，所述照明装置包括至少一个光源和根据本发明的波导。
有益地，该至少一个光源可以是侧射或者前射(例如，朗伯式)LED中至少一个。
根据本发明的第三方面，这些和其它目的由显示装置来实现，所述显示装置包括显示器和根据本发明的照明装置。
附图说明
参考示出了本发明当前优选实施例的附图，现在更详细地描述本发明的上述和其它方面。
图1是根据本发明实施例波导的透视图；
图2是不对称漫射的示例；
图3a-c示意性地示出了应用根据本发明的波导的实例。
具体实施方式
图1a-b示出了扁平面波导1，其包括：适于接收来自多个光源3(例如，发光二极管)的光的入耦合结构2，以及适于从波导1出耦合光的出耦合结构4。在入耦合结构2和出耦合结构4之间，光由引导侧面(edge)5限制在波导中。引导侧面5可以依靠在侧面和/或顶和/或底面处的全内反射(TIR)、反射体或者TIR与反射体的组合。
波导可以由一个单一绝缘材料或者几种绝缘材料的混合的板形成。适当的绝缘材料包括不同的透明材料，例如，不同类型的玻璃，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等等。波导还可以是至少部分地由波导反射体所封闭的空气。优选地，选定波导的材料，以便波导和周围介质之间的接触面达到用于由入耦合结构所设置入射角的光的全内反射条件。
在图1a中，出耦合结构4由波导的侧面6形成，所述侧面6适于允许光穿过。在TIR波导的情况下，这意味着侧面6适于消除全内反射的条件。例如，侧面6可以设置有散射光的结构，或者包括漫射层。
在图1b中，出耦合结构4是反射面7，该反射面7适于将光射向引导侧面之一，但是具有入射角，使得不再满足全内反射的条件，且光将通过引导侧面5。
根据本发明的实施例，出耦合结构，例如图1a中的漫射层或者图1b中的反射面，设置有不对称漫射层(diffusing layer)8、9。
在光通过出耦合结构来出耦合的情况下，所述不对称漫射层是透明层。所述层可以由下述来实现：通过包括但不限定于层压漫射薄片的不同技术，或者通过使用机械力使表面在一个方向粗糙，在波导热(且因此可变形)时压花图案，通过使用激光来实现结构，或者通过平板印刷。
在光在非耦合(uncoupling)结构(例如，图1b)中反射的情况下，不对称漫射层可以是不对称漫射镜，例如，阳极氧化铝(anodizedaluminum)的反射体。上述反射体由例如以MIRO为商标的安铝(Alanod)公司来提供。
图2示出了不对称漫射的概念。当光线21经过不对称漫射体22时，光在第一平面A中比在第二平面B中扩散(diffuse)更多。由此，出射束23将具有椭圆形的横截面24。
图3a在透视图中图示了以主要由悬浮在两个支撑物33a-b之间的多个平面透明波导32a-d组成的扁平透明灯为形式的照明设备31。在支撑物中，包含了光源34a-b的1-D阵列，此处光源为朗伯型LED(见图3b)的形式。
参考图3b，来自光源阵列34a之一的光35耦合进入波导之一32a，由波导传送，然后在镜子36a中反射，通过镜子36a附近的波导32a底面37a耦合出波导32a。当然，光以相同的方式被引导通过剩余波导32b-d。在上述的实例中，使用了四个波导。当然，可以使用更多数量的波导。
在图4中，示意性地示出了应用根据本发明的波导的第二实例。此处，两个照明装置41a-b集成到显示装置40中，此处，显示装置40是电视机的形式。照明装置41a-b的目的是提供电视机周围的照明，从而改善使用者的观看体验。照明装置41a-b中的每个包括波导42a-b和优选为红
Figure A200780026086D0007144825QIETU
绿(G)和蓝(B)的三个侧发光LED43a-c；44a-c。波导中的每个进一步具有三个引导侧面45a-c；46a-c和一个能透射的提取侧面45d；46d。在这些环境照明装置41a-b的工作期间，来自有色光源43a-c，44a-c的光在波导42a-b中传递和混合，以作为白光通过提取侧面45d、46d射出。
本领域技术人员认识到，本发明决不限制于以上所述的优选实施例。反之，许多修改和改变可能在所附权利要求的范围内。例如，宏观结构和漫射面的结合可以有利地用于实现改善发射光的空间均匀性。进一步地，可以使用比以上所述光源更多数量和其它颜色的光源。特别地，对于通用的照明应用，增加诸如琥珀色或者蓝绿色等的第四乃至第五种颜色是有用的，这改善了显色指数。除了引导侧面以外，还可以配置波导的顶和底面，以便反射方向随着按照给定入射方向射到在表面上的光线入射位置而变化。此外，多层反射体可以被用作反射体。所述多层反射体可以设计为具有比金属反射体更低的吸收。

Claims (11)

1.一种波导(1)，其布置为引导来自至少一个光源(3)的光，所述波导包括：
出耦合结构(4)，其适于使得来自所述波导的光能够以整体的出耦合方向出耦合；
至少一个引导侧面(5)，其适于通过反射所述光使其朝向所述出耦合结构来将所述光包含在所述波导中；
其特征在于，所述出耦合结构包括不对称的漫射层(6；7)。
2.根据权利要求1所述的波导，其中所述漫射层(6；7)适于在与整体的出耦合方向平行的两个不同平面中不同地扩散光。
3.根据权利要求1或者2所述的波导，其中所述波导布置为引导来自多个光源(3)的光，且在至少一个混合平面中混合所述光。
4.根据权利要求3所述的波导，其中所述漫射层适于在所述混合平面(A)中比在与所述混合平面垂直的平面(B)中更加扩散光。
5.根据上述权利要求中任何一个所述的波导，其中所述漫射层是透明漫射层(6)。
6.根据权利要求1至4中任何一个所述的波导，其中所述漫射层是漫射镜(7)。
7.根据上述权利要求中任何一个所述的波导，其中所述波导是平面波导(1)。
8.一种照明装置(31)，包括至少一个光源和根据上述权利要求中任何一个所述的波导。
9.根据权利要求8所述的照明装置，其中，所述照明装置包括多个光源。
10.根据权利要求8或9所述的照明装置，其中所述光源中至少一个是侧发光和朗伯型LED中的至少一种。
11.一种显示装置(40)，包括：显示器和根据权利要求8至10的用于提供周围照明的照明装置。
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