CN101558352B - 照明系统和包括照明系统的显示器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种照明系统，包括至少一个光源(2)和光引导件(1)。该光引导件(1)的第一部分由光发射面(12)和背面(13)限定，并且该光引导件的第二部分由光接收面(14)和光反射面(15)限定。该光源(2)设置为邻近或大致邻近该光接收面(14)，并且来自该光源的光线通过该光接收面(14)进入光引导件，并由该光反射面(15)反射进入该光引导件的第一部分。光线通过光发射面(12)从波导发射，并可以用来照亮例如放置在光发射面(12)之上的显示设备。该光源和该光接收面位于光引导件的与该光发射面相同的一侧上。

Description

照明系统和包括照明系统的显示器
技术领域
本发明涉及一种照明系统，例如可用作显示设备的背光的照明系统，该显示设备整个或部分地为如液晶显示设备之类的透射空间光调制器。还涉及结合这样的照明系统的显示器。
所公知的是，显示设备整个或部分地为将由设置在显示设备后面的照明系统照亮的透射空间光调制器(“在显示设备后面”意思是照明系统设置在显示设备朝向观众的相反侧)。这样的照明系统通常公知为背光。
背景技术
在美国专利No.4612295中描述了一种公知类型的背光，并在图1(a)中的侧视图和图1(b)中的从上部观察的平面图中示出，该背光包括透明的光引导件1。光引导件1可为平板状光引导件，或它可为锥形的，其厚度随着跨光引导件的距离而降低。例如荧光管之类的一个或多个光源2沿着光引导件的一个或多个边缘定位(为了解释的简化，在图1(a)和1(b)中仅示出一个荧光管)，且来自每个光源2的光线进入光引导件1，并根据“全内反射”现象在光引导件内传播。光引导件的较大的平面中的一个平面设置有散射结构(未示出)，使得在光引导件内传播的光线较佳地以在光引导件的区域范围内大致均匀的强度散射出光引导件。光引导件1设置在通常由图1(a)中的3表示的透射类型的显示设备的后面，使得散射出光引导件的光通过显示设备3。
图1示出的一般类型的背光可选择地采用发光二极管(LED)代替荧光管作为光源。美国专利No.6904225描述了一种用于从光引导件引出光线的特殊类型的散射结构，其包括设置在光引导件表面上的多个散射点。通过改变设置在光引导件上的散射点的数量密度，以补偿整个光引导件区域在波导内传播的光线的密度方面的变化，而由所述的点的特殊放置限定的散射点结构产生从光引导件均匀散射出的光线。
特别地，LED在一定角度范围内发光，并且典型地具有1mm量级的尺寸，而用于显示器的背光的光引导件典型地可具有10cm或更大量级的尺寸。因此，如从美国专利No.6904225中获取的并表示从光引导件之上看的平面图的图2所示，当采用LED作为光源时，光引导件的一些区域4接收来自光源2的相对低强度的光线。接收来自光源2的相对低强度的光线的光引导件的这些区域4设置有较高数量密度的散射点5，使得从光引导件的发射的光的强度在整个光引导件的区域保持为近似均匀。
图1中示出的一般类型的背光在后部照明的显示器中广泛采用，特别是用于用在移动设备和小型监视器中的小型LCD显示器。它们应用至大型监视器也是可能的。
通常，图1(a)和1(b)中示出的这种类型的采用LED作为光源的背光采用白光LED。如在下文将更详细描述的，白光LED包括磷，磷吸收由LED的发光元件发射的部分光线，并以不同于发光元件的原始发射波长的波长重新发射光线，使得来自LED的输出除包含来自发光元件的输出的未吸收部分外，还包含由磷重新发射的成分。可选择地，图1(a)和1(b)中示出的这种类型的背光可采用单彩色LED(例如，红、绿和蓝LED)-然而，由于需要提供使来自红、绿和蓝LED的光线能够在其中混合以给出白光的光转换部，因此这并不是普遍采用的类型。
图3为穿过由透射类型的显示设备3和图1中示出的一般类型的背光组成的典型的显示器装置的示意剖面图，其中LED用作光源2。(图3中仅示出一个光源)。较佳地，反射镜11设置在光引导件1后面，使得从远离显示设备3的光引导件1的后表面发射的任何光线由反射镜反射回显示设备3。这改善了显示器装置的输出效率。
例如，透射类型的显示设备3可以为液晶显示设备。
需要确保从LED进入光引导件1的光线的良好的耦合意味着光引导件1的厚度t不能明显小于LED的直径d。具有0.88mm直径或甚至0.6mm直径的LED在商业上已经可用了，且如果采用这样的LED，需要光引导件1具有至少0.8mm或0.6mm的厚度t。(在锥形波导的情况下，波导的厚度t在至少一点处至少必须为0.8mm或0.6mm。)
尤其在移动设备市场，存在向更薄显示器装置发展的趋势。这主要允许更方便的处理，以降低费用，并允许更多功能装配到盒体中；而且，更薄的设备对消费者更具有吸引力。对于LCD模块(例如)，背光单元的厚度是整个厚度的重要部分。因此，希望降低背光单元的厚度，以使显示器装置的厚度能够降低。
LED典型地制造成LED封装的形式，其由典型地具有300μm量级尺寸的发光元件组成，该发光元件由反射镜包围，以校准由发光元件输出的光线。在白光LED封装的情况中，发光元件通常发射蓝光或紫光区域光谱的光线，且发光元件还由黄磷包围，其中黄磷吸收来自发光元件的一部分蓝/紫光，并以黄光区域的光谱重新发射，由磷重新发射的黄光和来自发光元件的蓝/紫光中的未被吸收的部分混合，以产生白光输出。反射镜典型地由树脂制成，具有60μm的典型厚度。在这种结构的LED封装中，来自发光元件的蓝/紫光入射到树脂反射镜上，且由此导致树脂反射镜退化。因此，不希望降低LED封装的厚度，因为这会缩短LED封装的寿命。
原则上，树脂反射镜可由金属反射镜代替。然而，为了通过用金属反射镜代替树脂反射镜而降低LED封装的厚度，需要金属反射镜比目前的树脂反射镜薄，如具有小于60μm的厚度。具有小于60μm的厚度的金属反射镜在结构上很脆弱并容易损坏，使得LED封装的寿命将会再次被缩短；这样的薄金属反射镜也难以制造。
类似地，如果背光设置有一个或多个荧光管作为光源，在实践中荧光管具有0.6-0.8mm左右的直径。与很小的LED一样，具有0.3mm以下直径的荧光管是已知的，如此薄的荧光管具有较短的寿命和较低的光输出。
如上述参照图2所解释的，LED在一定角度范围内发光，且典型地具有比背光的光引导件的尺寸小很多的尺寸。因此，设置具有光转换部或光混合部的光引导件是已知的，在光引导件中，来自LED的光线能够发散，以覆盖光引导件的整个宽度，如果设置多个LED，其中来自LED的光线能够发散，以与从相邻LED发射的光线会合。美国专利No.6951401公开了一种背光，其中这样的光转换部平行设置，并与光引导件的主体隔离，通过将光转换部放置在光引导件的主体的后面，可使背光更加紧凑。这在图4中示出，图4为穿过美国专利No.6951401的背光的剖面图。
在图4中示出的美国专利No.6951401的背光中，来自光源2(在这个例子中为LED)的光线耦合进入光转换面板7。光转换面板7与光引导件的主体平行设置。选择光转换面板7的长度，使得当光线沿着光转换面板7通过时，来自LED的光能够产生所需要的发散性。而且，美国专利No.6951401采用单彩色LED，并且来自不同LED的光线在光转换面板7中混合，以产生白光。离开光转换面板7的光线通过限定弯曲波导的弯曲反射镜8耦合进入光引导件1的主体。为了将光线散射出光引导件前表面1b，散射结构9设置在光引导件的背面1a。
在美国专利No.6951401的背光中，每个光转换部7和光引导件1的厚度需要至少与LED的直径一样大，以确保进入光转换部的光线和从光转换部7进入光引导件1的光线的良好的耦合。
美国专利No.6371623也提出需要使来自LED的光线能够在其中发散以覆盖光引导件的整个宽度的光转换部。如图5(a)所示，美国专利No.6371623教导了在来自LED的光线的路径中设置棱镜片10，以增加来自LED的光线的发散，并因此降低光转换部7所需要的长度。
美国专利No.6371623还教导了LED可以设置为发射近似垂直于光引导件1的平面的光线，如图5(b)所示。棱镜片10设置在LED和光引导件1之间。这允许降低背光系统的长度-在图5(a)中，背光系统的长度为B+L，其中B为光转换部7的长度，且L为光引导件的发光部的长度，但是在图5(b)中，沿着光引导件的方向的背光系统的长度为B2+L，其中B2为沿着光引导件的方向延伸的光转换部7的长度的一部分。图5(b)中的光转换部7的整个长度由B1+B2给出，且对于给定的棱镜片，B1+B2＝B，其中B为图5(a)中的光转换部7的长度。因此，图5(b)中的沿着光引导件的方向的背光系统的长度将小于图5(a)中的背光系统的长度，因为B2+L＜B+L。
JP-A-4322204描述了一种具有光引导件和光源的照明系统。来自光源的光线在光聚集部中接收，并穿过光引导件结合处到达光引导件。
JP-A-2003279971涉及一种具有LC部和用于照亮LC部的背光的显示器。背光部具有光引导板和光源。光源照亮光引导板的背面的一部分，并且从光引导板的前表面发射光线。
发明内容
本发明的第一方面提供一种照明系统，包括光源和光引导件；其中该光引导件的第一部分由发光面和与该光发射面大致相对的背面限定，并且该光引导件的第二部分由光接收面和光反射面限定，该光反射面用于将通过该光接收面进入该光引导件的第二部分的光线反射进入该光引导件的第一部分；其中该光引导件的第一部分和该光引导件的第二部分限定光学上连续的折射媒介；其中该光发射面、该光接收面、该光反射面和该背面相互是不重合的；其中该光源设置为邻近或大致邻近该光引导件的光接收面，并且其中该光源和该光接收面位于波导的与该光发射面相同的一侧上。
具体地，光源和光接收面位于波导的与光发射面相同的一侧上，这是为了使光发射面排除光接收面和/或光源整个地或部分地设置在光引导件的背面的可能性。
在JP-A-4322204中，光源在光引导件的背面(其位于光引导件的与光发射面相对的一侧上)整个地或部分地突出。当JP-A-4322204的照明系统结合在显示器中时，在光引导件的后表面之后的该光源的突出对显示器的整体厚度有贡献。相反，在本发明的照明系统中，通过将光源设置在光引导件的与光发射面相同的一侧上，能够确保没有任何照明系统的部件在波导的后表面之后突出，当本发明的照明系统用在显示器中时，这样对显示器的整体厚度有贡献。因此，当结合在显示器中时，与结合JP-A-4322204的照明系统的显示器相比，本发明的照明系统能够提供具有降低厚度的显示器。
光源设置为将光线导向至光接收面上，且因此需要光接收面的尺寸至少与光源的光发射区域的尺寸一样大。然而，提供用于通过光接收面将光线反射进入光引导件的光反射面意味着不需要光接收面在光发射面和背面之间的该光引导件的厚度方向的范围内延伸。因此，在光发射面和背面之间测量的该光引导件的厚度不限制为等于或大于光源的发光区域的尺寸，且可以形成为小于光源的发光区域的尺寸。因此，尽管仍然采用例如传统的0.6mm或0.8mm直径的光源，本发明也允许降低光引导件的厚度，并且因为可以采用0.6mm或0.8mm的光源，则可以避免与较小光源相关的短寿命和光输出少的问题。
原则上，光引导件的厚度可以将需要为光引导件提供足够物理强度的要求降至最低，并且光引导件可以具有例如0.3mm或更低的厚度，或者甚至0.2mm或更低的厚度。
该光发射面可以为平面或大致为平面。这样允许照明系统与具有平面或大致平面的显示设备一起使用。
该光发射面与光接收面可以是连续的或大致连续的。这样可以简化光引导件的制造过程。
该光发射面可以相对于该光接收面倾斜。
该光发射面可以远离该光接收面倾斜。这样降低了所测量的与光发射面垂直的光源的高度，并且因此可以采用的光源的高度。它还降低了来自光源的光线必须被反射的角度。
可替换地，该光发射面可以朝向该光接收面倾斜。这样可以提供改善的光捕获效率。
该光发射面可以大致垂直于该光接收面。在该实施例中，光源的直径比光源的高度更加受限制，且这样允许更大的设计选择。
波导的第一部分可以与波导的第二部分一体形成。这样消除了由于在波导的第一部分和波导的第二部分之间的界面处的吸收或散射所导致的光损耗的可能性。
该光反射面可以为非平面。它在剖面上可以为凸的。与平面的光反射面相比，这样可以增加光捕获效率。
该光反射面可以由多项式曲线、指数曲线或双曲线定义。它可以由二次曲线定义。这样提供了特别好的光捕获效率。
照明系统可以包括两个或多个光源，每个光源设置为邻近或大致邻近光引导件的各个光接收面。与仅具有一个光源的照明系统相比，这样提供了具有较高的输出光强度的照明系统。
该光引导件可以进一步包括第二光接收面和第二光反射面，该第二光反射面用于将通过第二光接收面进入该光引导件的光线反射进入该光引导件的第一部分中；并且其中该照明系统可以进一步包括第二光源，该第二光源设置为邻近或大致邻近该光引导件的第二光接收面。
该第二光接收面和该第二光反射面可以限定光引导件的第三部分，并且其中该光引导件的第一部分、该光引导件的第二部分和该光引导件的第三部分限定光学上连续的折射煤介。
照明系统可以包括两个或多个光源，每个光源设置为邻近或大致邻近该光接收面。与仅具有一个光源的照明系统相比，这样提供了具有较高的输出光强度的照明系统。它还可以在光发射面区域之上提供更加均匀的输出光强度。
这些或每个光源可以设置为垂直于或大致垂直于各个光接收面而发光。这样就增加了将光线耦合进入波导的效率。
这些或每个光源可以为LED。
该光引导件的第一部分可以具有0.3mm或更小的厚度。它可以具有0.2mm或更小的厚度。
照明系统可以进一步包括设置在该光反射面上面的反射镜。它可以进一步包括设置在该第二光反射面上面的第二反射镜。通过所述反射镜，可以重新利用已经以别的方式传播出光反射面的任何光线，从而增加了光捕获效率。
照明系统可以进一步包括设置在该光接收面的未设置光源的区域的上面的第三反射镜。通过该反射镜，可以重新利用已经以别的方式传播出光反射面的任何光线，从而增加了光捕获效率。
照明系统可以进一步包括设置在该第二光接收面的未设置第二光源的区域的上面的第四反射镜。
该光反射面的轮廓在该光引导件的宽度范围内可以是变化的。这可以改善波导中的光发散性，和/或者对于大角度光线，可以改善内耦合效率。
该光反射面可以包括一个或多个分段，沿着该光引导件的宽度方向穿过这些或每个分段的剖面具有弯曲的轮廓。
这些或每个光源可以设置在对应的分段上面。
每个分段可以为回转体表面的一部分。
限定回转体的这些或每个轴线可以位于该光引导件的与该光反射面的相对的一侧上。
可替换地，限定回转体的这些或每个轴线可以位于该光引导件的与该光反射面相同的一侧上。
本发明的第二方面提供一种显示器，包括：显示设备；和用于照亮该显示设备的第一方面的照明系统，该显示设备的光输入面设置为大致与该光引导件的光发射面对准。在显示设备定位为其输入面大致与光引导件的光发射面对准时，光源设置在显示设备的侧部(例如，如图6所示)。仅显示设备的厚度或光源的高度中的一个(无论哪一个更大)对显示器的整体厚度有贡献。
该显示设备可以为透射类型的显示设备，并且该照明系统可以设置在该显示设备的与该显示设备的预期观看的位置相对的一侧上。
可替换地，该显示设备可以为反射类型或透射类型的显示设备，并且该照明系统可以设置在该显示设备的与该显示设备的预期观看的位置相同的一侧上。
根据下文的描述，本发明的附加目标、特征和优点将会更加清楚。而且，根据参照附图的下述解释，本发明的优点将会是明显的。
附图说明
现在将通过示例性例子并参照附图描述本发明的较佳实施例，其中在附图中：
图1(a)为由背光照亮的显示设备的示意性侧视图；
图1(b)为图1(a)的背光的示意性俯视图；
图2为示出散射点的可能结构的背光的示意性俯视图；
图3展示出具有图1(a)中示出的一般形式的背光存在的问题；
图4为具有光转换部的背光的示意性剖视图；
图5(a)为具有光转换部的另一背光的俯视图；
图5(b)为具有光转换部的另一背光的侧视图；
图6为结合根据本发明的照明系统的显示设备的示意图；
图7为图6的显示设备的照明系统的局部放大图；
图8(a)为具有根据本发明的另一实施例的照明系统的显示设备的示意图；
图8(b)为具有根据本发明的另一实施例的照明系统的显示设备的示意图；
图9为具有根据本发明的另一实施例的照明系统的显示设备的示意图；
图10为具有根据本发明的另一实施例的照明系统的显示设备的示意性俯视图；
图11为具有根据本发明的另一实施例的照明系统的显示设备的示意图；
图12为具有根据本发明的另一实施例的照明系统的显示设备的示意性透视图；
图13(a)至13(c)为根据本发明的另一实施例的照明系统的示意图；
图14(a)至14(c)为根据本发明的另一实施例的照明系统的示意图；且
图15为结合本发明的照明系统的反射类型的显示设备的示意性剖视图。
具体实施方式
在整个说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的组件。
图6为显示器6的示意图，其中显示器6结合有显示设备3和本发明的用于照亮显示设备3的照明系统。在图6中，显示设备3为透射类型的显示设备，且照明系统用作背光-即，照明系统2设置在与显示设备3朝向想要观看的位置相对的一侧上。对本发明来说，显示设备3的种类不重要，且可以采用任何传统的透射类型的显示设备，例如，液晶显示设备(LCD)。因此，将不再描述显示设备3。
图3中示出的显示器6的照明系统也包括光引导件1和光源2。来自光源2的光线进入光引导件1，且从光引导件的光发射面12发射。在图6的显示器装置中，显示设备3设置在光引导件的光发射面12的上面，使得它的输入面成对准，或大致与光引导件的光发射面12对准，且光引导件的光发射面12的区域通常对应于显示设备3的区域。
在本发明的照明系统中，光引导件1的第一部分由光引导件1的光发射面12和背面13限定。光引导件1的第二部分由光接收面14和光反射面15限定，其中来自光源2的光线通过光接收面14进入光引导件1的第二部分。光反射面15反射已经通过光接收面14进入光引导件1的第二部分的光线，并将该光线导入光引导件的第一部分。进入光引导件的第一部分的光线在波导内传播，并通过例如设置在光引导件的背面13上的合适的外耦合结构(outcoupling structure)(未示出)，以公知的方式散射出波导。针对所要应用的照明系统选择外耦合结构，它们可以为传统的外耦合结构，且不再进一步描述。
光引导件的第一部分和光引导件的第二部分限定了光学上连续折射的媒介，使得当光线从光引导件的第二部分传播至光引导件的第一部分时，不存在光损耗。光发射面12、背面13、光接收面14和光反射面15相互重合。
光源2设置为邻近或大致邻近光引导件的光接收面14。图6和图7(图7为图6的局部放大图)中的每一个都示出了光源2，该光源如此设置，使得在光源的光发射面2’和光引导件的光接收面14之间存在小的气隙，但是原则上，光源2和其光发射面可直接设置在光引导件1的光接收面14上。可选择地，光源2可以采用合适的透明黏胶粘附至光引导件的光接收面。
在图6的实施例中，光引导件的光接收面14与光发射面12一起是连续的，即光接收面14和光发射面12均为公共表面(common surface)的一部分。
设置光反射面15意味着光线不需要像图3的现有技术中的光引导件一样大致沿着波导的长轴进入波导。这也意味着光接收面14不需要在光引导件1的厚度方向的范围内在光发射面12和背面13之间延伸。如图6所示，光源2可以设置和定向成，且光反射面的形状可以形成为，使得光线以与波导的长轴大致成90°进入光引导件1，并由反射面15反射，以大致沿着波导1的长轴传播。
因此，在图6所示出的照明系统中，光引导件1的厚度t不限制为等于或大于光源2的直径d(或其它合适的尺寸)，其中该厚度t是在光引导件的光发射面12和背面13之间测量的。仅需要光引导件1的光接收面14的尺寸形成为等于或大于光源2的直径d。然而，由于光接收面14不沿着光引导件的厚度方向延伸，这对光引导件的厚度t不设置任何限制。因此，即使图6的光源2的直径d等于图3的光源的直径d，仍然可能使图6的光引导件1的厚度t大致小于图3的光引导件1的厚度t。比较图3的显示器和图6的显示器，显示出，即使采用相同的光源(LED)和相同的显示设备，与图3的显示器相比，图6的显示器具有显著降低的整体厚度。原则上，图6示出的照明系统中的光引导件的厚度可以形成得尽可能小，以与光引导件相称，保持足够的强度以承受在使用中其可能面对的任何冲击。
根据本发明，即使采用具有0.6mm或0.8mm直径d的光源，光引导件1的厚度t也可以降低至0.3mm或以下，或甚至降低至0.2mm或以下。相反，在图3的传统的显示器6中，采用具有0.8mm或0.6mm直径d的光源将要求光引导件1的厚度t分别至少为0.8mm或0.6mm。
较佳地，光源2在光引导件1上面突出的高度不大于光引导件1的光发射面12和显示设备3的上表面之间的整体距离D。光源2在光引导件上面突出的距离设定为1+g，其中1为光源的长度，且g为光源的光发射面和光接收面14之间的间隙(在图7中示出)。因此，较佳地，首先，通过将光源放置在光接收面14上或非常接近光接收面14，最小化光源2的光发射面和光引导件的光接收面14之间的距离g。一旦间隙g已经减小为它的最小可能值，则较佳地，选择光源的长度1，使得(l+g)＜D。根据显示设备3的厚度，这或者可能要求图6的光源2的长度1小于图3的公知的显示器的光源2的长度-然而，对光源长度的限制不可能在制造或使用中引入任何严重的问题。特别地，在光源2为LED封装的情况下，LED封装的长度通常决定从LED封装发射的光线的准直程度。降低LED封装的长度将会降低从LED封装输出的光线的准直程度，但是与现有技术不一样，降低的准直程度在本发明的背光中并不是大问题，这是因为在本发明的背光中，光线并不导入波导的薄边缘，而是导入波导的表面。事实上，低的准直程度将意味着来自LED封装的发光元件的光线与封装壁之间存在较少的相互作用。结果，LED封装会稍微更明亮，而且，由于在封装树脂中吸收的光线较少，LED封装的寿命将会得到改善。相反，如同要求降低图3的传统的显示器6中的光引导件1的厚度t一样，LED封装的直径d的降低能够严重地降低LED封装的寿命和功率输出。
由光引导件的光发射面12和背面13限定的光引导件的第一部分、及由光接收面14和光反射面15限定的光引导件1的第二部分一起组成光学连续的折射媒介。通过将光引导件形成为单个单元可以方便地实现这种结构，从而使得光引导件的第一部分和光引导件的第二部分相互一体形成。例如，图6的光引导件1可以采用合适的成型模具，采用合适的透明塑料材料或透明树脂模制形成。
然而，原则上，光引导件的第一部分和光引导件的第二部分可以制造为分离的部件，并相互连接以形成光引导件。如果这样做，光引导件的第一部分的折射率等于或近似等于光引导件的第二部分的折射率，且它们采用具有近似等于光引导件的两部分的折射率的折射率的透明黏胶连接在一起，从而使光引导件的两部分和透明黏胶组成光学上大致连续的折射媒介。
光引导件的光反射面15用作光学转向元件，该光学转向元件用于重新引导已经通过光接收面14进入光引导件1的光线，以大致沿着光引导件引导该光线。光反射面15能够反射光线，且具有很少的光损耗。这是因为进入本发明的背光的光引导件的光线经历单次反射，图4的背光要求通过多次反射而使光线转向。在图4的现有技术的光引导件中，将会由于因为有损耗的反射镜或因为弯曲波导中的TIR的弯曲损耗而产生多次反射的结果而发生实质上的光损耗。
较佳地，反射层16设置在波导的光反射面15的上面，以改善光线反射进入波导的第一部分的效率。例如，反射层16可以为沉积在如图7中示出的光反射面15上面的金属层。可选择地，可能的是，在实践中，图6的显示器6的实际结构将包括与图3的反射镜11类似的反射镜，这种反射镜定位在光引导件1的后面，以重复利用从光引导件的背面发射的光线。对于这种反射镜，可能的是，在光引导件1的背面的整个区域上、包括在光反射面15上延伸，并且这种反射镜的形状形成为与表面光引导件1的背部的形状互补。
较佳地，光引导件的光反射面15的形状形成为，以低的损耗将来自光源2的光线导入波导1的第一部分。运用简单的集光率观点(etendueargument)，显示出下列情况是可能的，即对于典型的0.6mm厚的LED封装(具有用于发光的近似0.45mm直径的开口孔)，对于具有1.5折射率的光引导件1，以及对于用于将光线耦合进光引导件的0.7的典型的内耦合效率，可以采用最小厚度t为0.7x0.45/1.5＝0.21mm的光引导件(对于光引导件和LED封装，假定近似的数值孔径，并且假定LED封装的发射角度大约近似于全TIR波导中的光线的角度范围(通常，这是一个较好的近似))。如上所述，这近似为如今普遍使用的光引导件的厚度的1/3。
原则上，光反射面15可以为平面表面。然而，平的光反射面可能导致低的光捕获效率。因此，较佳地，光反射面15为非平面，且较佳地，为图6中所示的剖面中的凸面。
虽然图6的照明系统示出为仅具有一个光源，但本实施例并不限于此。可选择地，图6中示出的照明系统可以包括两个或多个光源，每个光源设置为邻近或大致邻近光接收面(例如，以图12中示出的方式)。与仅具有一个光源的照明系统相比，使用两个或多个光源的为照明系统提供了较高的输出光强度。它还可以提供在光发射面的整个区域更加均匀的输出光强度。
当由具有0.6mm直径的LED封装照亮时，在图7中示出了一种适合于光引导件1的光反射面的形状，所述光反射面具有图6中示出的一般形式和0.2mm厚度。这种情况中的LED封装的发光孔径为0.48mm。定义位于LED封装的孔径的顶部边缘的原点和光引导件1的上表面的高度，能够定义三点：
原点O；
位于LED另一侧之上的光引导件的下表面上的点P(坐标为x＝0.2，y＝0.48)；和
中间点Q。
根据由y＝0.48×(x/0.2)1.35给出的曲线确定中间点Q，且当x＝0.1且y＝0.19时发现最佳结果。
例如，光反射面15的形状可以由O和P之间的二次曲线限定。确定通过点O，Q和P的二次曲线是可能的，因为三个不在同一直线上的点定义了一条二次曲线。然而，通过将光反射面15的形状定义为二次有理贝塞尔(Bezier)曲线，可能降低参数的数量。采用Q点作为控制，能够产生通过点O和点P的二次曲线族。图7中示出的光接收面15对应于为2的中间权重。
假定光反射面15的反射率为97％，并采用具有由黄磷包围的蓝光LED元件的标准模型LED封装，模拟图7的光引导件，给出捕获到光引导件的第一部分中的光线的效率为64％。这种模拟是针对单个LED进行的。
通过在光引导件的光接收面14的一个或多个部分上的不设置光源的位置设置反射镜，可以增加捕获到光引导件的第一部分中的光线的效率。这在图12中展示出，其中图12为根据该实施例的照明系统的示意性透视图，并示出设置在光引导件的光接收面14之上、位于光接收面14的不设置光源的部分上的反射材料18。如果进入光引导件的任何光线将由光反射面15反射，使得光线通过光接收面14将向回传递出光引导件并将被损耗了，则反射材料18将会将该光线反射回到光引导件中，以便重新利用该光线而没有损耗。例如，反射材料18可以为薄的金属层，且较佳地，覆盖光接收面14的不设置光源的部分的尽可能大的区域，以最小化光线的损耗。(在图12中，反射材料18示出为设置在光接收面的整个暴露区域之上，远离围绕每个光源2的窄带18’，但是本发明并不限于这种特定结构)。在模拟多个LED封装沿光引导件的一个边缘设置时，发现在LED封装之间设置反射材料18将光线捕获效率提高至68％。
图12的实施例可以采用如下方式实现，即通过在光接收面14上沉积薄的金属层，且随后从将要设置光源的位置(例如采用蚀刻)去除金属层。绝缘层(未示出)可以设置在反射镜上面，以阻止放置在光引导件的光发射面12上面的显示器的电连接件接触反射材料18。
光反射面的形状很重要，且应当选择成获得进入光引导件的第一部分中的良好光线捕获效率。光反射面的形状不限于二次曲线，但是可选择地，例如，为高阶多项式曲线、和指数曲线、或者双曲线。
作为另一种选择，光反射面的形状可以包括近似上述描述的形状中的一种形状的一系列直线部分。
在图6和7中，光引导件1的光接收面14示出为平面。然而，如同在现有技术中所公知的，也可能为光接收面14设置用于增加进入波导的第二部分的光线的发散性的输入或混合结构。如果设置输入或混合结构，它与光引导件1应当为光学上连续的，且在光引导件1的光接收面14上一体形成。这样的输入/混合结构可以为传统的技术，且在次不再描述。
在图6中，为了简化解释，已经省略了对理解本发明没有必要的显示器的元件，且实际的显示器将包括图6所示元件的附加元件。例如，典型的显示器装置可能包含放置在光引导件的光发射面12和显示设备3之间的漫射器，以消除显示设备区域上的照明的任何非均匀性。作为另一个例子，一个或多个亮度增强薄膜也可能设置在光引导件的光发射面12和显示设备3之间。还作为另一个例子，也可以设置用于驱动显示设备以显示图像的驱动电路。这些元件可以为传统的元件，且在此将不再对其进行详细描述。
例如如果显示设备3具有平的输入面，则图6的光引导件1的光发射面12可以为平的(平面)。可选择地，如果显示设备3为非平面的，例如如果显示设备3具有弯曲的输入面，则光引导件1的光发射面12的形状可以形成为与显示设备3或显示设备3的输入面的形状互补。然而，应当说明的是，弯曲的显示设备典型地具有至少为20cm的曲率半径，且可以考虑其形状可以与这种显示设备相互补的光发射面为基本上的平面。
图8(a)示出结合根据本发明另一实施例的照明系统的显示器6。图8(a)的照明系统大致对应于图6的照明系统，且在此将仅描述其中的差异。
在图8(a)的照明系统中，光引导件1的光发射面相对于光引导件的光发射面12倾斜。在本实施例中，光接收面远离光发射面倾斜，在光引导件1的外部，在光发射面12和光接收面14之间的角度大于180°。本实施例具有这样的优点，即来自光源2的必须被反射的光线通过的角度小于图6中的照明系统必须被反射的光线通过的角度。本实施例的另一优点是，对于给定的显示设备3，具有较大高度h的光源可以容纳在图8(a)的显示器中，而不是图6的显示器中。忽略显示设备3和光引导件1的间隙，并忽略光源2和光引导件1之间的间隙，能够容纳在图8(a)的照明系统中的光源的最大高度由hmax＝T/cos(90-α)给出，其中T为显示设备的厚度，且α为光接收面14和光发射面12的法线之间的角度。
图8(b)示出结合根据本发明另一实施例的照明系统的显示器。图8(b)的照明系统大致对应于图6的照明系统，且在此将仅描述其中的差异。
在图8(b)的实施例中，光引导件1的光接收面14也相对于波导的光发射面12倾斜。在本实施例中，光接收面14向着光发射面12倾斜，在波导的外部之上测量的、光发射面12和光接收面14之间的角度小于180°。
本实施例还可以提供改善的捕获效率，假设能够恰当地选择光反射面15的形状。在本实施例中，对于给定的显示设备3，在光源不突出显示设备3之外的情况下，能够容纳在图8(b)的照明系统中的光源的最大高度小于能够容纳在图6的照明系统中的光源的最大高度。
在图8(a)和8(b)的实施例中，较佳地，如图所示，光反射面为非平面，以改善上述的光捕获效率。
图9示出结合根据本发明另一实施例的照明系统的显示器。本实施例的照明系统大致对应于图6的照明系统，且在此将仅描述其中的差异。
在本实施例中，光接收面14垂直或大致垂直于光引导件1的光发射面12，使得光接收面14位于光引导件的与显示设备3相同的一侧上。在本实施例中，要求光反射面15将来自光源2的光线以近似180°的角度反射，以将该光线导入光引导件的第一部分。
在本实施例中，实际上对光源2的高度h不存在限制。光源的主要要求在于光源的直径d小于显示设备3的厚度。对于典型的显示设备，在图9的实施例中，能够采用具有0.8或0.6mm直径d的传统光源，而不是具有超过显示设备的厚度的光源的直径。如图9所示，光源的直径可以大于限定在光发射面12和背面13之间的波导的第一部分的厚度。
图6、8(a)、8(b)和9的光引导件的第一部分示出为具有均匀的厚度t。原则上，光引导件的第一部分为锥形的，使得它的厚度t在光引导件的范围内是降低的。然而，在实际中这可能是不需要的，因为显示器的厚度由光引导件的最大厚度决定。
上述实施例可以以各种方式发生变化。例如，图6、8(a)、8(b)和9中的每一个示出具有单个光源2的照明系统，但本发明的照明系统不限于单个光源。例如，能够设置沿着光引导件1的一个边缘配置的两个或多个光源，每个光源设置为邻近或接近邻近光引导件的光接收面14。图10为显示器的俯视图，其中多个光源(图10中示出3个光源，但本实施例并不限于3个光源)沿着光引导件1的一个边缘设置，每个光源设置为邻近或接近邻近光引导件的光接收面14。
图10展示出用于显示设备3的驱动电路17可以如何设置在相邻的光源之间。
另一例子，本发明的照明系统的光引导件可以包括两个或多个光接收面14、14’。图11为具有照明系统的显示器的示意性剖视图，在该例子中，在该照明系统中光引导件1具有沿光引导件的相对侧边缘设置的两个光接收面14、14’。在图11所示的照明系统中，第二光接收面14’和第二光反射面15’限定光引导件1的第三部分，该第三部分形成在光学上与光引导件1的第一和第二部分连续的折射媒介。而且，波导可以例如通过模制形成为单个元件，使得波导的第一、第二和第三部分相互一体形成。可选择地，波导的第一、第二和第三部分可分开制造，并组装形成波导。
第二光源2设置在邻近或大致邻近光引导件的第二光接收面14’。通过第二光接收面14’进入波导的第三部分的光线由第二光反射面15’导入波导的第一部分。第二光源2、第二光接收面14’和第二光反射面15’的配置如上描述的对应于第一光源2、第一光接收面14和第一光反射面15的配置。如上参照图7所描述的，反射镜(未示出)可以设置在第一和第二光反射面15、15’中的每一个之上。而且，如上参照图12所描述的，反射镜(未示出)可以设置第一和第二光接收面14、14’中的每一个的未设置光源的至少一部分之上。
与仅具有一个光源的照明系统相比，使用两个或多个光源为照明系统提供了更高的输出光强度。它还可以在光发射面的整个区域上提供更加均匀的输出光强度。
在本发明的其中照明系统具有包括两个光接收面的波导的实施例中，照明系统可以包括邻近或接近邻近第一光接收面14设置的两个或多个光源、和邻近或接近邻近第二光接收面14’设置的两个或多个光源。在一个实施例中，照明系统可以包含4个光源，一个设置在或设置为靠近光引导件的每个角部。
在图6、8(a)、8(b)、9、10和11中示出的照明系统中，LED封装已经用作这些或每个光源。然而，本发明不限于采用LED封装作为这些或每个光源。可以采用其它合适的光源，例如，荧光管或冷阴极荧光灯。
棱镜扩展器(prism spreaders)可以结合在光反射面15中，并且，在图11的照明系统，可以结合在第二光反射面15’中。这些在现有技术中是已知的，且不再进一步描述。
在上述各实施例中，光引导件的第二部分具有在波导宽度范围内均匀的剖面，使得光反射面15仅在(最多)在一个维度是弯曲的。然而，本发明不限于此，光引导件的第二部分的剖面在整个光引导件的第二部分是可以变化的，使得光反射面15在两个维度是弯曲的，特别地，光反射面15可以具有在光引导件的宽度范围内变化的轮廓。图13(a)、13(b)和13(c)分别为根据本发明的这样的实施例的照明系统的示意性透视图、侧视图和正视图。
在图13(b)中，曲线19a表示光源2位于中心下面的光引导件的光反射面15的轮廓，图13(c)中标示的虚线19a表示光反射面15具有曲线19a的轮廓的位置。较佳地，曲线19a对应于上述参照图7所描述的曲线中一个。
在图13(b)中，位于两个光源的大致中间部位的光引导件的光反射面15的轮廓由曲线19b表示，图13(c)中标示的虚线19b表示光反射面15具有曲线19b的轮廓的位置。可以看出，曲线19a与曲线19b不同，光反射面15的轮廓在波导的宽度范围内是变化的。在本实施例中，光反射面15的轮廓沿着光引导件的宽度方向变化，即，如图(a)所示，两个或多个光源沿着光引导件的宽度方向设置，光反射面15的轮廓沿设置光源2的方向变化。如在沿宽度方向的部分所看到的，光反射面15为弯曲的。
较佳地，光反射面15包括一个或多个分段，沿着光引导件的宽度方向的穿过这些或每个分段的剖面具有弯曲的轮廓。较佳地，这些或每个光源2设置在对应的分段上面。这在图13(c)中示出，图13(c)示出形成为两个分段15a、15b的光反射面。一个光源2设置在光反射面的一个分段15a上面，且另一个光源2设置在另一个分段15b上面。(在图13(c)仅示出两个光源2和光反射面的两个分段15a、15b，但本发明并不限于此，且光反射面可以包括一个分段或多于两个分段。较佳地，光源的数量等于光反射面的分段的数量，每个光源设置在对应的光反射面分段上面。)
光反射面的这些或每个分段可以为回转体表面的一部分。这在图13(c)中示出，其中通过围绕各自的轴线20旋转曲线19a，产生光反射面的每个分段，其中轴线20沿光引导件的长度方向延伸，垂直于设置光源2所沿的方向。在图13(c)中，轴线20位于光引导件的与光反射面相对的侧上，使得当从平行于设置光源2所沿的方向的部分观察时，光接收面的分段为凸的。较佳地，轴线20与各个光源的中心对准。
图14(a)、14(b)和14(c)分别为根据本发明的另一实施例的照明系统的示意性透视图、侧视图和正视图。本实施例大致对应于图13(a)、13(b)和13(c)的实施例，且将仅描述其中的差异。
在图14(c)中，轴线20位于与光反射面相同的光引导件的一侧上，而不是位于如图13(c)中的光引导件的与光反射面相对的侧上，其中光反射面的分段15a、15b围绕该轴线20产生。因此，当从平行于设置光源2所沿的方向的部分观察时，光接收面15的分段为凹的。
在图13(a)至13(c)和14(a)至14(c)各实施例中，轴线20可以但不要求平行于光引导件1。可选择地，轴线20位于光引导件内或穿过光引导件。
在一个实施例中，光反射面的形状形成为使得沿着光引导件的宽度方向穿过光反射面的剖面具有弯曲的轮廓，或者其中光反射面由两个或多个分段形成，使得沿着光引导件的宽度方向穿过这些或每个分段的剖面具有弯曲轮廓，在该实施例中，光反射面或者光反射面的这些分段不限于回转体的一部分。光反射面或者光反射面的这些分段可以具有任何合适的形状，例如，圆锥形(如椭圆形、抛物线形等)。
在图13(a)至14(c)的实施例中，将光反射面15形成为一个或多个回转体的分段将会改善光引导件中的光发散性，且对于大角度光线，还会改善进入光引导件的第一部分的内耦合效率。
在图13(a)至14(c)的实施例中，或者在这样的实施例中，即其光反射面的形状形成为使得沿着光引导件的宽度穿过光反射面，或者穿过光反射面的分段的剖面具有弯曲轮廓的实施例中，光反射面可选择地包括近似于所描述的形状中的一个的一系列平面部分。
在图11的实施例中，光反射面15a、15b的形状可以如上方式形成，例如根据图13(a)-13(c)，或者根据图14(a)-14(c)。
在上述描述的各实施例中，本发明的照明系统已经用作用于透明显示设备的背光，其中照明系统设置在显示设备的与显示设备的预期观看的位置相对的一侧上(例如，如图6所示)。然而，本发明的照明系统不限于用作背光，并且例如可选择地，可以用作用于反射类型或透射类型的显示器的正面照明。在这样的应用中，如在图15中示意性地展示的，本发明的照明系统设置在显示设备3的与显示设备预期观看的位置22相同的一侧上。从照明系统的光引导件1发射的光线进入显示设备3，并通过光引导件反射回观众，例如，通过在21指示的反射镜。
在上述描述的各实施例中，较佳地，这些或每个光源设置为垂直于或大致垂直于各个光接收面而发光。这通过最小化在光接收面的光的反射，增加进入波导的光线的耦合效率。
虽然已经展示并描述了本发明的特定实施例和应用，应当理解，本发明不限于在此公开的精确配置和元件。在不偏离本发明的精髓和保护范围的前提下，可以在在此公开的本发明的方法和系统的配置、操作和细节上进行对本领域技术人员来说非常明显的各种修改、变形和变化。

Claims (33)

1.一种照明系统，包括光源和光引导件；
其中所述光引导件的第一部分由光发射面和与所述光发射面大致相对的背面限定，并且所述光引导件的第二部分由光接收面和光反射面限定，所述光反射面用于将通过所述光接收面进入所述光引导件的第二部分的光线反射进入所述光引导件的第一部分；
其中所述光引导件的第一部分和所述光引导件的第二部分限定光学上连续的折射媒介；
其中所述光发射面、光接收面、光反射面和背面是相互不重合的；
其中所述光源设置为邻近所述光引导件的光接收面；以及
其中所述光源和所述光接收面位于光引导件的与所述光发射面相同的一侧。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光发射面为平面或大致为平面。
3.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光发射面与光接收面连续或大致连续。
4.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光接收面相对于所述光发射面倾斜。
5.如权利要求4所述的照明系统，其中所述光发射面和所述光接收面之间的角度大于180°。
6.如权利要求4所述的照明系统，其中所述光发射面和所述光接收面之间的角度小于180°。
7.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光发射面大致垂直于所述光接收面。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，其中光引导件的第一部分与光引导件的第二部分是一体的。
9.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，其中所述光反射面为非平面。
10.如权利要求9所述的照明系统，其中所述光反射面在剖面上为凸的。
11.如权利要求10所述的照明系统，其中所述光反射面由多项式曲线、指数曲线或双曲线定义。
12.如权利要求11所述的照明系统，其中所述光反射面由二次曲线定义。
13.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，包括两个或多个光源，光源分别设置为邻近光引导件的光接收面。
14.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，其中所述光引导件进一步包括第二光接收面和第二光反射面，所述第二光反射面用于将通过第二光接收面进入所述光引导件的光线反射进入所述光引导件的第一部分；
并且其中所述照明系统还包括第二光源，所述第二光源设置为邻近所述光引导件的第二光接收面。
15.如权利要求14所述的照明系统，其中所述第二光接收面和所述第二光反射面限定光引导件的第三部分，并且其中所述光引导件的第一部分、所述光引导件的第二部分和所述光引导件的第三部分限定光学上连续的折射媒介。
16.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，包括两个或多个光源，每个光源设置为邻近所述光接收面。
17.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，其中所述光源或每个光源设置为发射垂直于或大致垂直于相应光接收面的光线。
18.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，其中所述光源或每个光源为LED。
19.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，其中所述光引导件的第一部分具有0.3mm或更小的厚度。
20.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，其中所述光引导件的第一部分具有0.2mm或更小的厚度。
21.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，进一步包括设置在所述光反射面上面的反射镜。
22.如权利要求14或15所述的照明系统，进一步包括设置在所述第二光反射面上面的第二反射镜。
23.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，进一步包括设置在所述光接收面的未设置光源的区域的上面的第三反射镜。
24.如权利要求14或15所述的照明系统，进一步包括设置在所述第二光接收面的未设置第二光源的区域的上面的第四反射镜。
25.如权利要求1至7中的任一项所述的照明系统，其中所述光反射面的轮廓在所述光引导件的宽度范围内变化。
26.如权利要求25所述的照明系统，其中所述光反射面包括一个或多个分段，沿着所述光引导件的宽度方向穿过所述分段或每个分段的剖面具有弯曲的轮廓。
27.如权利要求26所述的照明系统，其中所述光源或每个光源设置在对应的分段上面。
28.如权利要求26或27所述的照明系统，其中每个分段为回转体表面的一部分。
29.如权利要求28所述的照明系统，其中限定回转体的轴线位于所述光引导件的与所述光反射面相反的一侧。
30.如权利要求28所述的照明系统，其中限定回转体的轴线位于所述光引导件的与所述光反射面相同的一侧。
31.一种显示器，包括：显示设备；和用于照亮所述显示设备的如在权利要求1至7中的任一项中所限定的照明系统，所述显示设备的光输入面设置为邻近所述光引导件的光发射面。
32.如权利要求31所述的显示器，其中所述显示设备为透射类型的显示设备，并且其中所述照明系统设置在所述显示设备的与所述显示设备的预期观看位置相对的一侧。
33.如权利要求31所述的显示器，其中所述显示设备为反射类型或透射类型的显示设备，并且其中所述照明系统设置在所述显示设备的与所述显示设备的预期观看位置相同的一侧。
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