CN101523253A - 光学光导体和光学装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一种具有主延伸方向、至少一个辐射入射面(2)以及相对于主延伸方向纵向伸展的辐射出射面(3)的光学光导体(1)，其中至少一个辐射出射面(2)相对于该主延伸方向(3)横向伸展，并且所述至少一个辐射入射面(2)具有两个凸形拱起的部分区域(4a，4b)，所述部分区域(4a，4b)通过弯折状的或者凹形成型的切口(5)相互连接。此外，还说明了一种利用这样的光导体构成的光学装置以及显示装置。

Description

光学光导体和光学装置
本专利申请要求德国专利申请10 2006 046 235.1的优先权，该德国专利申请的公开内容通过回引结合于此。
本发明涉及一种光学光导体以及一种利用光学光导体构成的光学装置。
这样的光导体例如被用于背景照明装置，例如用于显示装置。在这种情况下，光源的光应尽可能有效地被耦合输入到光导体中。此外，在光导体之内，与光导体平面倾斜的传播是有利的。
本发明的任务是说明一种光导体，该光导体能够在耦合输入端实现有效的耦合输入而在耦合输出端实现高的光密度(Leuchtdichte)。被耦合输入到该光导体的辐射尤其是应尽可能有效并且均匀地分布到辐射耦合输出面上。此外，本发明的任务是说明一种带有这种光导体的光学装置。
该任务通过根据权利要求1所述的光导体或根据权利要求14所述的光学装置来解决。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明，光学光导体设置有主延伸方向、至少一个辐射入射面和相对于主延伸方向纵向伸展的辐射出射面，其中至少一个辐射入射面相对于主延伸方向横向伸展，并且所述至少一个辐射入射面具有两个凸形拱起的部分区域，所述部分区域通过弯折状的或者凹形成型的切口相互连接。
有利地，通过与弯折状的或者凹形成型的切口结合的所述至少一个辐射入射面的凸形拱起的部分区域引起：耦合输入的辐射直接地或者间接地偏转到辐射出射面上，其中尤其是减小了辐射分量沿光导体的主延伸方向的传播，并且由此减小了辐射分量朝与所述至少一个辐射入射面对置的侧面的方向的传播。
在一种有利的改进方案中，给光导体沿着主延伸方向分配中间平面，该中间平面在切口的区域中穿透所述至少一个辐射入射面。很大程度上，关于中间平面对称地实施所述至少一个辐射入射面以及光导体。该扩展方案有利地引起：在中间平面之上和之下的辐射相同地在光导体中传播，使得实现了辐射的均匀分布。
在光导体的一种优选的扩展方案中，所述凸形部分区域之一或者所述两个凸形部分区域圆柱状地被成型。由此有利的是，有效地抑制了辐射沿主延伸方向的传播，使得实现了辐射的均匀分布。
在光导体的一种优选的扩展方案中，光导体平面地、尤其是平坦地被实施。平面实施在这种情况下应被理解为光导体的基本上平坦的造型，但其中微小的弯曲或者拱起是可接受的。这样的光导体特别适于诸如LCD显示器或者车辆仪表板的平坦的或者微小弯曲的显示装置的背景照明。尤其是，在后者所述的情况下，微小的弯曲或者拱起也可是适宜的。
在一种有利的改进方案中，光导体被实施为楔形。楔形实施在这种情况下应基本上被理解为光导体的楔形的厚度，其中该光导体沿光导体的主延伸方向的厚度随着离辐射入射面的距离的增加而减小。通过这样的光导体在辐射耦合输出面上实现了尽可能均匀的光密度。尤其是，被耦合输入到光导体中的辐射因此尽可能均匀地分布到辐射耦合输出面上。
在光导体的一种优选的扩展方案中，光导体的至少一个辐射入射面至少以区域的方式(bereichsweise)具有结构化。
优选地，该结构化相对于切口的伸展方向横向地被实施。该结构化例如可以包括多个槽或者突起，所述槽或者突起同向地并尤其是相对于切口的伸展方向横向地被布置。借助这样的结构化可以使被耦合输入到光导体中的辐射束在切口的伸展方向上被扩张，由此提高了耦合输入的辐射在辐射出射面上的均匀分布。
优选地，光导体的与辐射出射面对置的界面被构造为反射性的和/或配备有反射器层。这样，该界面例如可以被实施为全反射的。可替换地或者附加地，有利的是以反射器层(例如金属层或者金属氧化物层)来涂层界面。这样的界面使落到该界面的辐射有利地朝着辐射耦合输出面的方向偏转。
优选地，光导体的至少一个邻近辐射出射面的界面被构造为反射性的和/或配备有反射器层。这样，该界面例如可以被实施为全反射的。可替换地或者附加地，有利的是以反射器层(例如金属层或者金属氧化物层)涂层界面。这样的界面使落到该界面的辐射有利地朝着辐射耦合输出面的方向偏转。特别有利的不仅是光导体的与辐射出射面对置的界面被构造为反射性的和/或配备有反射器层，而且附加地，光导体的邻近辐射出射面的、在其上未布置辐射源的界面被构造为反射性的和/或配备有反射器层。
在一种有利的改进方案中，光导体可以整体地(einstueckig)来制造，优选地以压铸法来制造。对此，特别是塑料(特别优选为PMMA)被证明为有利的材料。可替换地，该光导体可以含有聚碳酸酯。
在光导体的一种优选的扩展方案中，光导体至少以区域的方式具有耦合输出结构。在此，为了使辐射尽可能均匀地分布到辐射耦合输出面上，耦合输出结构的数目沿光导体的主延伸方向随着离辐射入射面的距离的增加而增加。通过这样的光导体在辐射耦合输出面上实现了尽可能均匀的光密度。三维的耦合输出结构优选地适于作为耦合输出结构，球拱形或者锥角形的耦合输出结构特别优选地适于作为耦合输出结构。在此可能的是：所述三维耦合输出结构指向光导体内或者作为突起指向光导体外。可替换地，耦合输出结构可以被实施为印上的彩色网格、被实施为色点或者被实施为横向沟槽。
利用上述类型的光学光导体构成的光学装置在所述至少一个辐射入射面一方具有至少一个辐射源，使得所述至少一个辐射入射面在辐射方向上被置于该辐射源之后。
光学装置的一种有利的改进方案规定：在光导体的主延伸方向上来看，辐射源距光导体的距离比光导体垂直于光导体的主延伸方向的尺寸更小。通过借助上述辐射入射面的造型对耦合输入的辐射有针对性的偏转，能够实现光学装置的有利的紧凑结构。
优选地，辐射源的长度相对于光导体的辐射入射面的长度来说小。辐射源的长度在这种情况下应被理解为辐射源的有效大小，其中在这种情况下，该有效大小通过独立于该辐射源可以被布置在其中的外壳的辐射源来限定。
很大程度上可以省去在辐射源与光导体的辐射入射面之间的附加光学元件。特别优选地，在辐射源与光导体的辐射入射面之间的中间空间仅仅包含空气。
在光学装置的一种优选的扩展方案中，辐射源是LED、尤其是LED部件或者LED芯片。这样的辐射源的特征在于相对低的能耗和相对应高的效率、简单的控制和尤其是在于紧凑的结构形式。后者特别有利地被用于构造节省位置的光学装置，例如用于对移动电话或者移动计算机进行背景照明。
在光学装置的一种特别优选的扩展方案中，辐射源是发射具有位于CIE标准比色表的白色区域中的色度坐标的混合辐射的LED。
“色度坐标”在本发明的意义上限定描述所述部件的所发射的光在CIE标准比色表中的颜色的数值。
有利地，通过与作为辐射源的白色LED结合的根据本发明的光学装置，在光导体中传播辐射来使得不同的波长范围的不同方向分布得到补偿，以致实现辐射的均匀的分布，其中所述辐射源将不同波长范围(例如在蓝色和在黄色波长范围中)的辐射以不同的方向分布辐射并且因此具有辐射特征(Abstrahlprofil)中的颜色结构。
本发明的其它特征、优点和适宜性从以下结合图1至3对两个实施例的说明得到。
其中：
图1示出了根据本发明的光学装置的第一实施例的示意性剖面图，该光学装置具有根据本发明的光学光导体，
图2分别示出了根据本发明的光学装置的另一实施例的示意性剖面图，该光学装置具有根据本发明的光学光导体，
图3示出了直接位于对应于图1的实施例的辐射入射面之后的光强度分布的图示，以及
图4示出了根据本发明的光学光导体的第三实施例的示意性透视详图。
相同的或者作用相同的元件在附图中配备有相同的附图标记。
图1中所示的光学装置包括带有主延伸方向和辐射入射面2的光学光导体1，该辐射入射面2相对于该主延伸方向横向伸展。此外，光导体1具有辐射出射面3，该辐射出射面3沿着主延伸方向延伸。
辐射入射面2被构造有两个凸形的、优选地为圆柱形的部分区域4a、4b，这些部分区域4a、4b借助凹形拱起的切口5相互连接。凹形成型的切口的曲率半径也可以选择得任意小，使得在极限情况下得到弯折状的切口，该弯折状的切口因此具有朝光导体本体的方向的尖峰。在该切口处优选尽可能小的曲率半径或尽可能锐利的尖峰，因为由此辐射沿主延伸方向的传播被有效地抑制。
优选地，邻近光导体的垂直平面与切口5和该垂直平面与凸形的部分区域之一的交点间的连接线之间的角度ψ为15°到25°之间，特别优选为20°。
优选地，光导体1如所示的那样在主延伸方向上平坦地被构造。此外，光导体可以具有中间平面6，光导体并且尤其是辐射入射面2的凸形的部分区域4a、4b被实施为相对于该中间平面6对称。
在辐射入射面上设置有辐射源7、优选为LED。当然，也可以使用多个LED，这些LED例如可以在切口的伸展方向上行列状地来布置。可替换地，也可以设置多个辐射入射面，在这些辐射入射面之前分别布置一个或者多个LED。特别优选地，构造两个对置的辐射入射面，在这些辐射入射面上分别布置一个或者多个LED。
由辐射源产生的辐射的光线径迹示意性地按照多个部分辐射8示出。这些部分辐射穿过辐射入射面的凸形成型的部分区域4a、4b朝着辐射出射面3的方向或朝着光导体的与辐射出射面3对置的界面的方向被折射。由此，沿光导体的主延伸方向或中间平面6的传播被抑制。
沿主延伸方向的传播对于背景照明目的是不利的，因为平行于中间平面6传播的辐射与辐射出射面或者对置的界面几乎不发生相互作用并且因此不容易到达辐射出射面3上，而且不容易对背景照明作出贡献。在该方向上由辐射源发射的辐射越多，则这就越不利。
光导体的入射面的造型能够实现光学装置的紧凑结构，其中尤其是在辐射源与光导体之间的距离可以有利地选择得小。该距离在这种情况下被理解为在垂直方向上来看的距离A，即辐射源与邻近光导体的垂直平面之间的距离。该距离尤其是小于光导体的垂直尺寸(如厚度D)。
在图2a中示出了具有光学光导体的光学装置的另一实施例。图2中所示的光学装置与图1中的光学装置的不同之处在于：光导体1被实施为楔形。楔形实施在这种情况下基本上被理解为该光导体的楔形厚度，其中光导体1沿光导体1的主延伸方向的厚度随着离辐射入射面2的距离的增加而减小。通过这样的光导体在辐射耦合输出面3上实现尽可能均匀的光密度。尤其是，耦合输入到光导体1的辐射因此尽可能均匀地分布到辐射耦合输出面3上。
在图2b中，针对辐射耦合输出面3上的尽可能均匀的光密度，布置了引入光导体1中的、例如在辐射耦合输出面3上所构造的耦合输出结构13。耦合输出结构13可以附加地或者可替换地在辐射耦合输出面3上被布置。三维的耦合输出结构优选地适于作为耦合输出结构13，球拱形或者锥角形的耦合输出结构特别优选地适于作为耦合输出结构13。在此可能的是：三维耦合输出结构13指向光导体1内或者作为突起指向光导体1外。可替换地，耦合输出结构13可以被实施为印上的彩色网格、被实施为色点或者被实施为横向沟槽。在此，针对辐射耦合输出面3上的尽可能均匀的光密度，耦合输出结构13的数目沿光导体1的主延伸方向随着离辐射入射面2的距离的增加而增加。
图3示出了直接位于对应于图1的光学光导体的辐射入射面之后的得到的光强度分布，该光强度分布已根据模拟计算来确定。
该模拟计算基于厚度D大约为2mm的光导体和边长大约为500μm的并具有近似朗伯特辐射特性的发光二极管芯片，该发光二极管芯片以大约0.4mm的距离A被布置在光导体之前。
在图3中绘出了光导体内的辐射分布，其中相对任意单位的光强度I绘出了辐射方向关于中间平面6的所属角度θ。在这种情况下，0°的角度对应于有关辐射分量平行于中间平面6的传播。
如图3所示，得到如下辐射分布：该辐射分布沿光导体的中间平面6或主延伸方向相对较小，并且随着角度的增加而升高，直至该角度大约为30°。辐射主分量在此被准直成辐射束，该辐射束的传播角度与中间平面围成大约25°的角度。在20°到30°之间的范围中的角度通常被证明为有利的。
此外，光导体具有有利的高耦合输入效率，即大约90％的纯几何耦合输入效率或在考虑耦合输入时的反射损耗的情况下大约85％的耦合输入效率。
最后，具有所示的造型的光导体能以压铸法来制造，而无需特别的技术开销。尤其是，光导体的整体实施是有利的。如下材料特别适于这种实施：这些材料包括优选为PMMA的塑料。可替换地，光导体可以包含聚碳酸酯。
在图4中以详图示出了光学光导体的第三实施例。辐射入射面的造型、尤其是凸形的部分区域4a、4b和连接这些部分区域的切口5的构造很大程度上对应于图1或者图2中所示的光导体。
与此不同地，针对要耦合输入到光导体中的辐射而被设置为入射区域9的区域中的辐射入射面2具有沟纹形状的结构化10，其中沟纹的各个槽11相对于连接两个部分区域4a、4b的切口5的伸展方向12横向地被布置。
由此，辐射源的在入射端的辐射束在切口的伸展方向上被扩张，并且因此在侧面方向上引起了耦合输入的辐射的有利的均匀分布。
本发明并不限于参照实施例的说明。更确切地说，本发明包括任意新的特征以及特征的任意组合，这尤其是包含权利要求书中的特征的任意组合，即使这个特征或者这个组合本身并未明确地在权利要求书中或者在实施例中予以说明。

Claims (20)

1.一种光学光导体(1)，其具有主延伸方向、至少一个辐射入射面(2)以及相对于主延伸方向纵向伸展的辐射出射面(3)，其中，至少一个辐射入射面(2)相对于该主延伸方向横向伸展，并且所述至少一个辐射入射面(2)具有两个凸形拱起的部分区域(4a，4b)，所述部分区域(4a，4b)通过弯折状的或者凹形成型的切口(5)相互连接。
2.根据权利要求1所述的光导体，其中，给光导体(1)分配沿主延伸方向伸展的中间平面(6)，该中间平面(6)在切口(3)的区域中穿透所述至少一个辐射入射面(2)。
3.根据权利要求2所述的光导体，其中，所述至少一个辐射入射面(2)被实施为关于中间平面(6)对称。
4.根据上述权利要求之一所述的光导体，其中，凸形的部分区域(4a，4b)之一或者所述两个凸形的部分区域(4a，4b)圆柱状地被成型。
5.根据上述权利要求之一所述的光导体，其中，光导体(1)平面地、尤其是平坦地被实施。
6.根据上述权利要求1至4之一所述的光导体，其中，光导体(1)楔形地被实施。
7.根据上述权利要求之一所述的光导体，其中，所述至少一个辐射入射面(2)至少以区域的方式具有结构化(10)。
8.根据权利要求7所述的光导体，其中，结构化(10)包括多个槽或者突起(11)，所述多个槽或者突起同向地并且相对于切口(5)的伸展方向(12)横向地被布置。
9.根据上述权利要求之一所述的光导体，其中，光导体(1)的与辐射出射面(3)对置的界面被实施为反射性的和/或配备有反射器层。
10.根据上述权利要求之一所述的光导体，其中，光导体(1)的至少一个邻近辐射出射面(3)的界面被实施为反射性的和/或配备有反射器层。
11.根据上述权利要求之一所述的光导体，其中，光导体(1)能够整体地被制造，优选地以压铸法被制造。
12.根据上述权利要求之一所述的光导体，其中，光导体(1)具有耦合输出结构(13)。
13.根据权利要求12所述的光导体，其中，耦合输出结构(13)的数目沿着光导体(1)的主延伸方向随着离辐射入射面(2)的距离的增加而增加。
14.一种光学装置，其具有根据权利要求1至13之一所述的光导体并具有至少一个辐射源(7)，其中，至少一个辐射入射面(2)在辐射源(7)的辐射方向上被置于该辐射源(7)之后。
15.根据权利要求14所述的光学装置，其中，在光导体(1)的主延伸方向上来看，辐射源(7)距光导体(1)的距离比光导体(1)垂直于光导体(1)的主延伸方向的尺寸小。
16.根据上述权利要求14或者15之一所述的光学装置，其中，通过辐射入射面(2)和辐射源(7)来限制中间空间，该中间空间没有光学元件，尤其是没有透镜和/或镜。
17.根据上述权利要求14至16之一所述的光学装置，其中，辐射源(7)是LED、尤其是LED部件或者LED芯片。
18.根据权利要求17所述的光学装置，其中，LED是薄膜LED。
19.根据上述权利要求14至18之一所述的光学装置，其中，辐射源(7)近似地具有朗伯特辐射特性。
20.一种显示装置，其具有例如LCD显示器的显示元件和根据上述权利要求14至19之一所述的用于背景照明显示元件的光学装置。
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