CN102089703A - 具有先进注入功能的照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种照明装置，所述照明装置具有部分透射前反射器、后反射器、和介于所述部分透射前反射器和所述后反射器之间的腔体。至少一个光注入器设置在所述腔体中，所述至少一个光注入器包括挡板和光源。所述光注入器能够将部分准直的光注入所述腔体中。可在不牺牲透过所述输出区域发出的所述光的均匀度的情况下，通过在所述腔体内逐步设置光注入器来增加所述照明装置的所述输出区域。

Description

具有先进注入功能的照明装置
技术领域
本发明涉及适用于从后面照明显示器或其他图形的照明装置(例如背光源)。本发明特别适合(但不限于)发射基本上具有一种偏振态的可见光的大面积背光源。
背景技术
根据内部光源相对于背光源输出区域设置的位置，照明装置(例如背光源)可归为两类中的一类，其中背光源“输出区域”对应于显示器件的可视区域或可视区。背光源的“输出区域”本文有时称为“输出区”或“输出表面”，以辨别输出区或输出表面本身和该输出区或输出表面的面积(其数量单位为平方米、平方毫米、平方英寸等)。
第一类为“侧光式”。从平面图观察，在侧光式背光源中，沿着背光源构造的外边界或外周边(一般来讲在与输出区域相对应的区域的外部)设置了一个或多个光源。通常，光源被接界背光源输出区域的框架或挡板挡住视线。特别是在需要甚薄型背光源的情况下(如在膝上型计算机的显示器中)，光源通常将光发射到称为“光导”的元件中。光导为相对较薄的透光固体板，其长度和宽度尺寸接近背光源输出区域的尺寸。光导通过全内反射(TIR)将来自侧装灯的光在整个光导长度或宽度上传送或导向至背光源的相对边缘，并且在光导的表面上设置有不均一的局部提取结构，以将从光导中导向出来的光中的一些朝背光源的输出区域重新导向。这种背光源通常也包括光控膜(例如设置在光导后面或下面的反射材料)和设置在光导前面或上方的反射偏振膜和棱柱BEF膜，以增加同轴亮度。
在申请人看来，现有的侧光式背光源的缺点或缺陷包括：与光导相关的相对较大的质量或重量，尤其对于较大的背光源尺寸而言；需要使用从一种背光源到另一种背光源为不可互换的元件，因为光导必须注塑模制或以其它方式加工而成，以用于具体背光源尺寸和具体光源构型；需要使用从背光源中的一个位置到另一个位置需要基本的空间不均匀的因素的元件，如现有的提取结构图案；并且，随着背光源尺寸增加，由于沿着显示器边缘的有限空间或“不动产”导致提供足够照明的难度增加，这是因为矩形的周长与面积之比随着面内特征尺寸L(如，对于给定纵横比的矩形，背光源的输出区域的长度、或宽度、或对角线测度)而线性减小(1/L)。由于机械加工和抛光操作的成本昂贵，因此难以在除周边之外的任何点处将光注入实心光导中。
第二类为“直光式”。在直光式背光源中，从平面透视图来看，基本上在与输出区域相对应的区域或区内设置了一个或多个光源，通常在该区内以规则的阵列或图案设置。或者，可以说直光式背光源中的光源直接设置在背光源的输出区域的后面。强扩散板通常安装在光源的上方以将光散布在输出区域的上方。另外，光控膜(例如反射偏振膜和棱柱BEF膜)也可设置在扩散板顶部以用于改善同轴亮度和效率。在直光式背光源中获取均匀度的缺点是，背光源的厚度一定会随着灯间距的增加而增加。因为灯的数量直接影响系统的成本，所以此折衷方案是直光式系统的缺点。
在申请人看来，现有的直光式背光源的缺点或缺陷包括：与强扩散板相关的低效率；就LED光源而言，需要使用大量的这种光源来保证足够的均匀度和亮度，使相关的元件成本和生热性变高；和背光源可实现的薄度方面的缺陷，光源超过此薄度时产生不均一和不可取的“穿通现象”，其中亮点在每一个光源的上方的输出区域中出现。当使用多色LED(例如红色、绿色以及蓝色LED)簇时，也可存在颜色不均一和亮度不均一的现象。
在一些情况下，直光式背光源也可以包括在背光源周边处的一个或一些光源，或侧光式背光源可以包括直接在输出区域的后面的一个或一些光源。在这种情况下，如果大部分光直接从背光源输出区域的后面起源，则背光源视为“直光式”，如果大部分光从背光源输出区域的周边起源，则背光源视为“侧光式”。
一种或另一种背光源通常与液晶(LC)显示器一起使用。由于液晶显示器(LCD)面板的运行原理仅利用光的一个偏振态，从而针对LCD应用，了解背光源的正确或可用偏振态的光的亮度和均匀度可能十分重要，而不只是可能为非偏振光的亮度和均匀度。就这一点而言，在所有其他因素为相等的情况下，主要地或专门地以可用偏振态发出光的背光源在LCD应用中比发出非偏振光的背光源更有效。然而，发出不全为可用偏振态光(甚至达到发出无规偏振光的程度)的背光源在LCD应用中仍然完全可用，因为不可用的偏振态光可通过在LCD面板背部处提供的吸收型偏振器轻易地消除。
发明内容
在一个方面，本发明所公开的照明装置包括：部分透射的前反射器，其具有输出区域；后反射器，其面向前反射器；和中空腔体，其介于前反射器和后反射器之间。该照明装置也包括：第一光注入器和第二光注入器，其设置在中空腔体中；传输区，其介于第一光注入器和第二光注入器之间；和半镜面元件，其设置在中空腔体中。第一光注入器和第二光注入器各包括：第一反射表面，其从后反射器伸出并面向部分透射前反射器；第二反射表面，其与第一反射表面邻接并面向后反射器；和光源，其可在第二反射表面和后反射器之间注入光，以使得注入光以平行于前反射器的横向平面的30度内的第一方向被部分准直。来自第一光注入器的注入光的至少一部分从第二光注入器的第一反射表面反射，然后导向部分透射前反射器。
在另一方面，本发明所公开的照明装置包括：部分透射的前反射器，其具有输出区域；后反射器，其面向前反射器；和中空腔体，其介于前反射器和后反射器之间。该照明装置也包括：多个光注入器，其以阵列形式设置在中空腔体中；和传输区，其介于相邻的光注入器之间。该多个光注入器中的每一个都包括第一反射表面，其从后反射器伸出并面向部分透射前反射器；第二反射表面，其与第一反射表面邻接并面向后反射器；和光源，其可在第二反射表面和后反射器之间注入光，以使得注入光以平行于前反射器的横向平面的30度内的第一方向被部分准直。该照明装置还包括设置在中空腔体中的半镜面元件。来自第一光注入器的注入光的至少一部分从相邻的光注入器的第一反射表面反射，然后导向部分透射前反射器。
在另一方面，本发明所公开的照明装置包括：部分透射前反射器，其具有输出区域；后反射器，其面向该部分透射前反射器；和中空腔体，其介于前反射器和后反射器之间形成。该照明装置也包括：第一光源，其可将第一准直光束注入中空腔体中；和光注入器，其由从后反射器伸入中空腔体中的挡板形成。挡板包括第一反射表面，该第一反射表面被设置成将第一准直光束的一部分朝部分透射前反射器反射。该照明装置也包括设置在光注入器内的第二光源，其中第二光源可操作以将第二准直光束注入中空腔体中。该照明装置也包括：传输区，其介于第一光源和光注入器之间；和半镜面元件，其设置在中空腔体中。来自第一光源的注入光的至少一部分从挡板的第一反射表面反射，然后导向部分透射前反射器。
本专利申请的这些方面和其他方面通过下文的具体实施方式将显而易见。然而，在任何情况下，都不应将以上概述理解为是权利要求书中要求保护的主题的缺陷，该主题仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。
附图说明
整个说明书中都参考了附图，其中相同的附图标记定为相同的元件，并且其中：
图1为中空背光源的示意性侧视图；
图1a为表面透视图，示出不同入射面和不同偏振态；
图2为包括光注入器的中空背光源的示意性侧视图；
图3为包括光注入器的中空背光源内的光线的示意性侧视图；
图4为包括具有准直光源的光注入器的中空背光源的示意性侧视图；
图5为包括侧光源和光注入器的中空背光源的示意性侧视图；
图6为照明底板的透视图；
图7为照明底板的透视图；
图8为分区照明底板的透视图；
图9为垂直于中空背光源测量的亮度图；
图10a为建模的背光源的示意性侧视图；和
图10b为垂直于图10a建模的背光源的亮度图。
上述附图未必按比例绘制。在图中使用的相同的标号是指相同的元件。然而，应当理解，在给定附图中使用标号指示元件并非意图限制另一个图中用相同标号标记的元件。
具体实施方式
在提供足以用于预期应用的亮度和空间均匀度的同时，组合以下特性中的一些或全部对背光源而言将是有利的：外形薄；设计简洁，例如最少数量的膜元件和最少数量的光源，并且光源布局便利；重量轻；不使用或不需要从背光源中的一个位置到另一个位置具有显著空间不均匀性(如没有显著梯度)的膜元件；与LED光源以及其他小区域、高亮度光源(例如固态激光光源)兼容；对与全都标称为同色的LED光源当中的颜色可变性相关问题不敏感，称作“面元划分”过程；在可能的程度上，对LED光源的子集的烧毁或其他故障不敏感；并且消除或减少了上述背景技术部分中所提及的缺陷和缺点中的至少一些。
这些特性能否成功地整合到背光源中，部分取决于用于照明背光源的光源类型。例如，CCFL(冷阴极荧光灯)在其窄长发射区域上方提供白光发射，那些发射区域也可操作，以散射在CCFL上冲击的一些光(例如循环腔中会进行的那样)。然而，来自CCFL的典型发射具有基本上朗伯曲线型的角分布，在给定背光源设计中，这可能是低效或换句话讲不理想的。另外，尽管具有一定程度的漫反射性，但CCFL的发射表面通常也具有吸收性损耗，申请人已发现在需要高度循环腔的情况下该吸收性损耗是显著的。
LED(发光二极管)晶粒也以朗伯曲线的方式发射光，但由于其尺寸相对于CCFL小很多，所以LED光分布可易于修改，如用整体封壳透镜或反射器或提取器来修改，以使所得的封装LED成为前向发射器、侧向发射器或其他非朗伯型分布。这种提取器的实例可见于(例如)美国专利No.7,304,425(Ouderkirk等人)以及美国专利公布No.2007/0257266(Leatherdale等人)。非朗伯型分布可为本发明所公开的背光源提供重要的优点。然而，LED光源相对于CCFL的较小尺寸和较高强度也可使其更难使用LED产生空间上均匀的背光源输出区域。这在使用各个颜色的LED(例如红色/绿色/蓝色(RGB)的LED的排列)来产生白光的情况下是特别真实的，因为如果不能对这种光提供足够的侧向传送或混合，则可易于导致不期望的色带或区域。发白光的LED(其中荧光体由蓝光或紫外光LED晶粒激发，以从接近LED晶粒的小面积或体积产生强白光)可用于减小这种颜色不均匀性，但白光LED可能不能提供像用各个颜色的LED排列所能实现的色域那样宽的LCD色域，因此对于所有终端应用而言，白光LED可能并非理想。
申请人已发现，背光源的设计特征组合不但与LED光源照明相容，而且还可创造出这样的背光源设计，该背光源设计至少在某些方面胜过存在于最先进的市售LCD装置中的背光源。这些背光源设计特征在名称为“Recycling Backlights with Semi-specular Component”(具有半镜面元件的循环背光源)的共同待审的PCT专利申请No.US2008/064115中有所描述。
背光源设计可包括光循环腔，其中大部分光从前反射器射出之前，在大体上共延的前反射器和后反射器之间经过多次反射，该前反射器部分为透射性，部分为反射性。
背光源设计可将光在循环腔中传播的总损耗保持在极低水平，例如既通过提供吸收性损耗低的基本上封闭的腔体(包括损耗低的前反射器和后反射器以及侧反射器)，又(例如)通过确保所有光源的累积发射区域为背光源输出区域的一小部分而将与光源相关的损耗保持在非常低的水平。
背光源设计可包括中空的光循环腔，即腔体内光的侧向传送主要在空气、真空等中进行，而不是在光致密介质(例如丙烯酸类树脂或玻璃)中进行。
就设计成仅发出特定(可用)偏振态光的背光源而言，前反射器可具有足够高的反射率，以用于这种可用光以支持光的侧向传送或散布，以及用于光线角度随机化，以实现合格的背光源输出空间均匀度，但前反射器具有使光透射成合适可用应用角度的足够高的透射率，以确保背光源的应用亮度为合格的高亮度。
背光源设计可包括光循环腔，该光循环腔包括为光循环腔提供镜面反射特性与漫射特性的平衡的元件，该元件具有足够的镜面反射性以支持腔内的显著的侧向光传送或混合，但也具有足够的漫射性，以使腔内稳态光的角分布基本上均质化(甚至在仅在窄的角度范围内将光注入腔中时亦如此)。另外，腔体内的光循环可导致反射光偏振相对于入射光偏振态在一定程度上随机化。这允许这样的机制，利用该机制可将不可用偏振光通过循环利用转变成可用偏振光。
背光源设计可包括循环腔的前反射器，该循环腔的前反射器具有通常随入射角增加的反射率，和通常随入射角减小的透射率，其中反射率和透射率为用于非偏振可见光和用于任何入射面，和/或用于可用偏振态的斜光对其为p-偏振的平面内入射的可用偏振态光。另外，前反射器具有高的半球反射率值，同时具有应用可用光的足够高的透射率值。
背光源设计可包括光注入光学元件，该光注入光学元件将初始注入光循环腔中的光部分准直或限制到接近横向平面(横向平面平行于背光源的输出区域)的传播方向，如注入光束在最大功率的一半处的全角宽度(关于横向平面)(FWHM)在0至90度、或0至60度、或0至30度的范围内。在某些情况下，可能理想的是，将最大功率的注入光朝下投射(在横向平面的下面)与横向平面成一不大于40度的角度，并且在其他情况下，将最大功率的注入的光朝上投射(在横向平面上方朝前反射器)与横向平面成一不大于40度的角度。
采用上述以及在共同待审的PCT专利申请No.US2008/064115(代理人档案号63032WO003)中公开的设计特征的背光源提供高效、均匀、薄型的中空背光源。然而，在保持均匀度的同时，可能需要增加可被背光源照亮的表面积。至少鉴于此原因，可能有利的是将光注入中空腔体中的不止一个位置处。申请人已发现，可将具有先进注入功能的装置分散于整个腔体，从而增加均匀照射的面积。背光源设计可包括至少一个光注入器(或者称为光注入口)，该光注入器设置在背光源的输出区域中。可通过传送区将各个光注入器彼此相隔地设置，使得从光注入器注入腔体内的光在退出背光源之前可从表面的组合反射。可从后反射器、前反射器以及相邻的光注入器的表面进行一次或多次反射。这样，注入光充分混合并均匀地退出背光源。
出于多种原因，能够将光注入光导的内部中很重要。例如，对于从两个反向边缘照射的侧光式系统而言，光的强度通常会在背光源中心的附近降低，因为该中心是距离光源最远的一点。随着与边缘的距离增加，吸收性损耗增加，使得实现均匀度变得愈加困难，在L/H纵横比非常高时尤为如此。将光注入中空光导的内部中允许人们能够摆脱侧光照明的限制并且制备尺寸极薄的系统。
另一个重要应用是LED背光源的分区。分区系统为显示器，其中发射光至少部分被隔离到可根据图像内容独立加以控制的区中。因为在对比度改进和系统功率要求锐减方面的有益效果，所以分区受到显示器行业的高度商业关注。
分区的背光源对于场序系统而言也很重要，这种场序系统可移除滤色器、提高系统效率以及改善快移图像的质量。场序彩色(FSC)显示器是另一种可受益于分区的重要商业类型的系统。在常规的显示器中，LCD像素同吸色滤色器设置在寄存器中。根据图像内容，LCD像素打开和关闭，以测量透射到滤色器的光量。这些吸色滤色器将透射光量降低不止2/3，由于光源数量的增加、以及系统功率的增加、和增亮薄膜的需要，导致系统成本增加。场序系统通过以下方法消除滤色器：通过按顺序闪烁红色、绿色和蓝色(RGB)光的系统，暂时性而非空间性地将颜色分离。由于移除了滤色器以及减少了像素数(1/3那么多)而提高了孔径比，从而提高了系统效率。已经发现的是，在色序中插入黑帧可改善在这些系统中观察到的运动伪影和色断现象。FSC与快速切换LCD面板(例如OCB(光学补偿双折射))一起使用也可有利于减少运动和颜色的影响，如(例如)美国专利6,424,329(Okita)和美国专利6,396,469(Miwa等人)中所示。对于分区控制，场序系统可使用一维垂直扫描背光源或二维分区控制。波长控制可为白色、RGB或其它颜色(例如RGBCY)，如(例如)美国专利7,113,152(Ben-David等人)中所示。
用于LCD面板的最简单形式的背光源由光发生表面(例如LED晶粒的有源发射表面或CCFL灯泡中荧光粉的外层)和分布或扩散该光的几何和光学构造构成，该构造以这样的方式分布或扩散该光，以产生扩展面积或大面积的照明表面或照明区，称为背光源输出区域，该输出区域的发射亮度在空间上是均匀的。一般来讲，该方法是将亮度非常高的局部光源转换为大面积均匀输出表面，由于与所有背光源腔体表面的相互作用和与光发生表面的相互作用，故会导致光的损耗。就第一逼近程度而言，不是通过这种方法递送穿过与前反射器相关的输出区域或表面(可任选地进入所需的应用观察锥(如果有的话)，并具有特定(如LCD可用的)偏振态(如果有的话)的任何光都是“损耗”光。通过两个基本参数来唯一表征包含循环腔的任何背光源的方法在名称为“Thin Hollow Backlights WithBeneficial Design Characteristics”(具有有益设计特性的薄型中空背光源)的PCT专利申请US2008/064096(代理人案卷号63031WO003)中有所描述。
现在注意图1示出的广义背光源10，其中前反射器12和后反射器14形成中空腔体16。背光源10将光发射到输出区域18的上方，在此情况下该区域对应于前反射器12的外部主表面。前反射器和后反射器示出为平面并且彼此平行，并且在横向纬度13的上方共延，该维度也对应于横向维度(例如输出区域18的长度或宽度)。尽管前反射器和后反射器在图1中示出为平面并且平行，但它们的间距可为变化或不连续的，具体视应用而定。光从腔体内射出时，前反射器会反射大量在其上入射的光，如图所示，初始光束20被反射为相对较强的反射光束20a和相对较弱的透射光束20b。应当注意的是，表示各种光束的箭头实质上是示意性的，如，不同光束的所示传播方向和角分布并非意图为完全准确的。回到附图，反射光束20a被后反射器14强烈地反射为光束20c。光束20c被前反射器12部分透射以产生透射光束20d，并且部分反射以产生另外的光束(未示出)。介于前反射器与后反射器之间的多次反射有助于支持光在腔体内的横向传播(用箭头22指示)。将所有发射光束20b、20d等的全体无逻辑联系地一起添加，从而得到背光源输出。
为了进行示意性的说明，小区域光源24a、24b、24c示于图中可选位置中，其中光源24a示于侧光式位置中并设置有可有助于准直(至少部分地)来自光源24a的光的反射性结构26。光源24b和24c示于光注入位置中；示出的光源24b和24c均无包括在光注入器中的准直光学元件(如在别处描述的挡板)，并且光源24c通常会与后反射器14中提供的孔或孔隙(未示出)对齐，以允许光注入中空腔体16中。反射性侧面(未示出，与反射性结构26不同)通常也会在维度13的端值处设置，优选以密封的样式连接前反射器12、后反射器14，从而将损耗降至最低。在一些实施例中，一般来讲，竖直的反射性侧面实际上可以为将背光源与类似或相同的相邻背光源分开的薄隔断，其中每一个这种背光源实际上为较大的分区背光源的一部分。在一些实施例中，可根据需要使用倾斜的反射性侧面将光导向到前反射器12。各个子背光源中的光源可按任意所需组合打开或关闭或调暗，从而得到照亮的区或变暗的区的图案，以用于较大的背光源。在一些LCD应用中，可动态地使用这种分区的背光源以提高对比度并且节约能源。在一些实施例中，可通过将反馈电路与位于腔体内部、腔体外部、或内部位置和外部位置的组合的一个或多个光传感器组合来控制分区的背光源。
可通过使用反射性光学元件和透射性光学元件的组合来制备将线光源或点光源转变为均一伸展的面光源的背光源腔体(更一般地说，为任何发光腔体)。在许多情况下，所需的腔体与其横向尺寸相比非常薄。用于提供均一伸展的面光源的优选的腔体是那些形成多次反射的腔体，它们既横向传播光线、又使光线方向随机化。一般来讲，与正面的面积相比，光源的面积越小，在腔体输出区的上方形成均一光强的难度就越大。
如别处所述，高效低损耗半镜面反射器对于有利于光在背光源腔体内的光学横向传播可能十分重要。可通过光源的光学配置启动光的横向传播；通过在采用损耗低的半镜面反射器的腔体中大量循环光线可引起光的横向传播；通过逐渐将光注入整个中空腔体中可使光横向传播更长距离。
在中空腔体任一侧空间分离的低损耗反射器分为两大类。第一类是用于正面的部分反射器(又称为部分透射反射器)，第二类是用于后面和侧面的全反射器。为了在腔体中实现最佳的光传送和光混合，与朗伯曲线反射器相反，前反射器和后反射器均可以为镜面或半镜面反射器；可在腔体内的某些位置使用某些类型的半镜面元件，以促进光的均一的混合。在大型光导中使用空气作为光侧向传送的主要介质，能够设计出更轻、更薄、成本更低并且更均一的显示器背光源。
要使中空光导能够显著增强光的侧向传播，将光注入腔体中的方式非常重要，正如其在实心光导中的那样。采用中空光导的形式，对于在直光式背光源(特别是具有多个但光学隔离的区的背光源)的各种点处注入光允许更多的选择。在中空光导系统中，TIR反射器和朗伯曲线反射器的功能可通过镜面反射器和半镜面前向散射漫射元件的组合来实现。如别处所述，过度使用朗伯曲线散射元件并非视为最佳选择。
此处描述的示例性部分发射器(前反射器)，特别是在(例如)名称为“Backlight and Display System Using Same”(使用相同元件的背光源和显示系统)的PCT专利申请No.US2008/064133(代理人档案号63274WO004)中所述的非对称反射膜(ARF)，可提供损耗低的反射，并且与单独的实心光导中的TIR可实现的效果相比，也可更好地控制偏振光的透射和反射。因此，除了改善整个显示器表面上的光的横向分布之外，中空光导也可为大型系统提供改善的偏振控制。也可以用上面提及的优选ARF对入射角透射率进行有效控制。这样，可将来自混合腔的光准直到有效角度，以及使用单个膜构造提供偏振光输出。
优选的前反射器具有相对较高的总反射率，以支持腔体内相对较高的循环率。这以“半球反射率”来表征，“半球反射率”是指当光从所有可能的方向入射到元件(无论是表面、膜还是膜的集合)上时元件的总反射率。因此，使入射光从在法向周围保持居中的半球内的所有方向(和所有偏振态，除非另外指明)照射该元件，并收集反射到同一个半球中的所有光。反射光的总通量与入射光的总通量之比得出半球反射率Rhemi。对于循环腔，以其Rhemi来表征反射器特别方便，因为光通常以所有角度入射到腔体内表面(无论是前反射器、后反射器还是侧反射器)上。此外，不同于法向入射的反射率，Rhemi对反射率随入射角的变化性不敏感，并且已考虑到该变化性，该变化性对于某些元件(如棱镜膜)可能非常显著。前反射器可为单一元件或元件的组合(例如光学膜叠堆)，以递送所需的Rhemi。
事实上，优选的前反射器显示具有(特定于方向的)随偏离法线的入射角而增加的反射率(以及通常随入射角而降低的透射率)，至少对于一个平面内的入射光是这样的。这种反射性质使光在更靠近法线的角度处(即更靠近背光源的视轴)优先地从前反射器射出，这有助于增加在视角处感知的显示器亮度，该视角在显示器行业中十分重要(如果在较高的视角处以降低感知的亮度为代价，此时视角通常不重要)。之所以说“至少对于一个平面内的入射光”反射率随角度而增加，是因为有时会希望只在一个视平面内具有狭视角，而又希望在正交平面内具有较广的视角。实例是某些液晶电视的应用，其中需要为在水平面内进行观察提供广视角，但又指定在垂直平面内提供较狭的视角。在其它情况下，在两个正交平面内均需要狭视角，以便使同轴亮度最大化。
当讨论倾斜角反射率时，牢记应注意的图1a的几何事项很有帮助。图中可见，表面50位于x-y平面内，该平面具有z轴法向。如果表面为偏振膜或部分偏振膜(例如PCT专利申请No.US2008/064133(代理人档案号No.63274WO004)中所述的ARF)，根据该申请的目的指定y轴为“透光轴”，x轴为“阻光轴”。换句话讲，如果膜为偏振膜，与偏振轴平行于x轴的垂直入射光相比，偏振轴平行于y轴的垂直入射光优先地透过。当然，通常表面50不必为偏振膜。
光可从任何方向入射到表面50上，但本文集中讨论平行于x-z平面的第一入射面52和平行于y-z平面的第二入射面54。“入射面”当然是指包含曲面法线和光传播特定方向的平面。如图所示，一条斜光线53在平面52内入射，另一条斜光线55在平面54内入射。假设光线为非偏振态，则它们将各具有位于其各自入射面内的偏振分量(称为“p偏振光”，在图中被标记为“p”)，以及垂直于各自的入射面取向的正交偏振分量(称为“s偏振光”，在图中被标记为“s”)。值得注意的是，对于偏振面而言，根据光线的方向，“s”和“p”可与透光轴或阻光轴对齐。图中，光线53的s偏振分量和光线55的p偏振分量与透光轴(y轴)对齐，并因此会优先地透射，而相对的偏振分量(光线53的p偏振和光线55的s偏振)与阻光轴对齐。
据此，在其中前反射器为例如PCT专利申请No.US2008/064133中所述的ARF(在别处引用)的情况下，让我们考虑指定前反射器“具有通常随入射角增加的反射率”的意义(如果我们需要)。ARF包括多层结构(如共挤出聚合物微层，其已在合适的条件下取向，以产生所需折射率关系和所需反射率特性)，该多层结构对阻光偏振态下的垂直入射光具有非常高的反射率，对透光偏振态下的垂直入射光具有较低但仍然很大的反射率(如25％至90％)。阻光态光(光线53的p偏振分量和光线55的s偏振分量)的非常高的反射率对于所有入射角通常都一直为非常高。更有趣的是透光态的光(光线53的s偏振分量和光线55的p偏振分量)，因为其在垂直入射角度处具有中间反射率。入射面52内的透光态斜光将由于s偏振光反射率的性质而具有随入射角增加而增加的反射率(然而，反射率的相对增加量将取决于在垂直入射角度处的透光态反射率的初始值)。因此，ARF膜在平行于平面52的视平面内发出的光将部分地准直或限制在一定角度内。然而，如在PCT专利申请No.US2008/064133中所讨论的，其他入射面54内的透光态斜光(即光线55的p偏振分量)可根据微层之间的z轴折射率差值相对于面内折射率差值的大小和极性而具有三种行为中的任何者。
在一种情况下，存在布鲁斯特角，并且此光的折射率随入射角的增加而降低。这会在平行于平面54的视平面内产生明亮的偏轴圆形突出部，这在LCD显示应用中通常是不可取的(尽管在其他应用中，此行为可能是合格的，并且即使就LCD显示应用而言，此圆形突出部的输出也可以通过使用棱镜转向薄膜重新导向视轴)。
在另一种情况下，布鲁斯特角不存在或非常大，并且p偏振光的反射率在入射角增加时相对恒定。这样就会在参考视平面内形成相对广视角。
在第三种情况下，不存在布鲁斯特角，并且p-偏振光的反射率随入射角而显著增加。这样就会在参考视平面内产生相对狭视角，其中准直度可通过控制ARF中的微层之间的z轴折射率差值大小来至少部分调整。
当然，反射表面50不必具有如ARF那样的不对称同轴偏振特性。例如，对称多层反射器可设计为具有高反射率，但通过适当选择微层数量、层厚度分布、折射率等而具有较大的透射率。在这种情况下，光线53和55两者的s偏振分量将以彼此相同的方式随入射角而增加。同样，这是由s偏振光的反射性质决定的，但相对增加量将取决于垂直入射反射率的初始值。光线53和光线55的p偏振分量将具有彼此相同的角行为，但如PCT专利申请No.US2008/064133中所讨论的，可通过控制微层之间的z轴折射率差值相对于面内折射率差值的大小和极性来控制该行为使其成为上面提及的三种情况中的任何者。
因此，我们发现在前反射器中，折射率随入射角(如果存在)的增加可能是指入射到这样的平面内的具有可用偏振态的光：对于该平面，可用偏振态的斜光为p偏振光。或者，反射率的这种增加可能是指非偏振光在任何入射面内的平均反射率。
优选的后反射器对可见光也具有通常远高于前反射器的高半球反射率，因为前反射器被有意地设计为部分透射，从而得到所需的背光源光输出。后反射器的半球反射率称为Rb hemi，而前反射器的半球反射率称为Rf hemi。优选地，乘积Rf hemi*Rb hemi为至少55％(0.55)、或65％、或80％。
中空腔体的设计中存在若干方面，该方面与光从小的面光源到输出区的整个面积的有效而均一的传播相关。这些方面为：1)光从光源正确地定向注入腔体中；2)在腔体内使用前向散射扩散片或半镜面反射表面或元件；3)发射光线的前反射器，但该反射器大体上也具有反射性，使得大多数光线在前反射器和后反射器之间多次循环，以便最终使腔体内的光线方向随机化；以及4)通过最佳元件设计使损耗最小化。
常规的背光源已采用这些技术中的一种或多种，以提高背光源的均匀度，但从未针对具有极小面积的光源的薄型中空背光源以正确的配置同时用于这四个方面。下文更为详细地检验了腔体设计的这些方面。
可通过以下方法制成更均匀的中空背光源：通过使用部分准直光源或具有准直光学装置的朗伯曲线光源，以便制备促进光的侧向传送的高度定向光源。在名称为“Collimating Light Injectors for Edge-Lit Backlights”(用于侧光式背光源的准直光注入器)的PCT专利申请No.US2008/064125(代理人档案号63034WO004)中描述了用于侧向注入光的合适光注入器的实例。优选的是，光线主要以水平方向注入中空光导中，即相对于横切于背光源的视轴的平面而言具有相对较小的偏移角。某些光线角度的有限分布是无法避免的，但可以通过结合光源的发射形式的准直光学元件的形状和来优化此分布，以保持在整个腔体输出区域上的光的均匀度。部分反射前反射器和半镜面反射器的部分漫射产生光循环和随机化光腔体，该光腔体与注入光学元件配合使用，以创造出均一、薄型和有效的中空光导。
在直光式系统中，通常优选的是仅将来自给定光源的少量光线直接入射到与此光源直接相对的输出区中的前反射器上。用于实现此效果的一种方法是使用设置在腔体中并且设计成主要在侧向发射光的封装LED等。此特征通常通过LED组件、特别是封壳透镜的光学设计来实现。另一种方法是在LED的上方设置挡板，以阻挡前反射器的视线。如本文所述，光源(如LED)与用于阻挡带有前反射器的光源视线的挡板的组合统称为“光注入器”。挡板通常将包括位于挡板一侧或两侧的高效反射表面，以将光线朝前反射器反射。该高效反射表面可为平面，也可为凸面形状的曲面，以便散布远离光源的反射光使其不会被再次吸收。此布置方式也向光线方向矢量赋予基本的侧向分量。还有一种方法是使用包括反射型偏振器的片件来覆盖光源，该反射型偏振器相对于前反射器的偏振透光轴不对齐。局部反射型偏振器发出的光继续传播到前反射器，其中多数光被反射和循环，从而引起光的基本侧向传播。就这一点而言，参考名称为“Direct LitBacklight with Light Recycling and Source Polarizers”(具有光循环腔和光源偏振器的直光式背光源)的美国专利申请公布No.2006/0187650(Epstein等人)。
可能存在这样的情况，鉴于生产成本或效率方面的原因，会在直光式背光源中优选使用朗伯曲线发光LED。通过在腔体中加大循环程度，仍可以用这种腔体实现良好的均匀度。通过使用反射性甚至更强(如总透射率小于约10％或20％)的前反射器可以获得此效果。对于偏振态背光源，此布置方式还需要透射率极低(大约为1％至2％或更小)的前反射器的阻光轴。然而，过度的循环量可能导致腔体中不合格的损耗。
回顾完中空腔体的优点和设计挑战中的一些之后，接下来将详细介绍半镜面反射元件和透射元件、以及在中空循环腔体背光源中配合使用两者而非单独使用朗伯曲线元件或半镜面元件的优点。
纯镜面反射器(有时称为镜面)根据“入射角等于反射角”的光学规则工作。在一个方面，前反射器和后反射器均为纯镜面。初始发射的斜光线的一小部分透射穿过前反射器，但剩余的光线则以相等的角度被反射至后反射器，然后再以相等的角度被反射至前反射器，依此类推。该布置方式能在整个腔体内提供光的最大侧向传播，因为循环光线可沿侧向路线在腔体内畅通行进。然而，腔体中不会进行角混合，因为不存在将以给定入射角传播的光转换为以其他入射角传播的光的机制。
另一方面，纯朗伯曲线反射器可在所有方向等几率地重新引导光线。初始发射的相同斜光线立刻被前反射器以所有方向散射，散射光中的大多数被反射回腔体中，但一些光线透射穿过前反射器。反射光中的一些“向前”(通常以发射方向)传播，但等量的光则“向后”传播。所谓向前散射是指反射光的侧向或面内(平行于相关散射表面的平面内)传播元件。重复传播时，此过程在若干反射之后使向前导向的光线分量大大减少。光束迅速分散，从而产生最小程度的侧向传播。
半镜面反射器提供了镜面反射特性与漫射特性的平衡。例如，考虑前反射器为纯镜面而后反射器为半镜面的情况。初始发射的相同斜光线的反射部分照射后反射器，并以受控的量被显著向前散射。然后，反射光锥被部分透射，但大部分被(镜面)反射回后反射器，同时所有的光在很大程度上仍以“向前”的方向传播。
因此，可见半镜面反射器提高了整个循环腔体内的侧向光传播，同时仍提供光线方向和偏振态的足够混合。具有部分漫射性但又具有显著向前导向的元件的反射器将可以在整个更长的距离上传播更多的光，使光线的全反射变少。可将半镜面反射器定性地描述为能提供显著多于逆散射的向前散射的反射器。可将半镜面扩散器定义为不逆转绝大多数入射光的光线方向的垂直分量的扩散器，即光在向前方向基本上被透射，而在正交方向在一定程度上被散射。在PCT专利申请No.US2008/064115(代理人档案号63032WO003)中具有半镜面的更为定性的描述。
无论半镜面元件是作为任一反射器的一体部分，还是层合至任一反射器，或作为单独的元件设置在腔体中，总体需要的光学性能是，对于完成从后反射器到达前反射器然后又回到后反射器这一个来回行程的光线而言，其角度分散函数值域显著窄于朗伯曲线分布。优选的是，腔体为半镜面，这样，半镜面元件便可为介于前反射器和后反射器之间的单独元件。可将半镜面元件附接到前反射器或后反射器，或将其设置在多个位置的组合中。半镜面反射器可具有镜面反射器和朗伯曲线反射器两者的特性，或可为关于镜面反射方向的轮廓分明的高斯锥。性能在很大程度上取决于它是如何构造的。应当牢记，扩散片元件也可与反射器分开，对于后反射器和挡板上的高效反射表面存在若干可能的构造，例如：
1)部分透射镜面反射器加上高反射率漫反射器；
2)覆盖高反射率镜面反射器的部分朗伯曲线扩散片；
3)前向散射扩散片加上高反射率镜面反射器；或
4)波状高反射率镜面反射器。
对于每一种编号的构造，所列出的第一元件被布置在腔体的内部。如别处所述，构造1到构造3的第一元件在后反射器和光注入器挡板的区域上可为连续的或不连续的。此外，第一元件可具有分级扩散性质，或可被印刷或涂覆分级的额外扩散图案。分级的扩散器为可选的，但可为理想的，以优化各种背光源系统的效率。术语“部分朗伯曲线”被定义为表示仅散射入射光中的一些的元件。被这种元件散射的那部分光被几乎均匀地以所有方向导向。在构造1)中，部分镜面反射器不同于用于前反射器的元件。在这种情况下，部分反射器可为具有适度反射率的空间均一的膜，或它可为空间不均一的反射器，例如打孔的多层或金属反射器。可通过改变穿孔的尺寸和数量，或通过改变膜的基准反射率，或同时采用这两种方法来调整镜面反射程度。
在一个方面，图2示出了照明装置100，该照明装置包括：部分透射前反射器110，其具有输出表面115；和后反射器120，其与部分透射前反射器110间隔开，以在它们之间形成中空腔体130。如别处所述，反射侧元件195可设置在腔体内(如图所示)，以限定照明装置100的边缘或边界，也可用于分开照明装置100的不同部分。如别处所述，半镜面元件180被设置在中空腔体130内。如图2所示，该半镜面元件被设置为邻近部分透射前反射器110；然而，半镜面元件可设置在中空腔体130内的任何位置处，甚至可为腔体内其他反射元件的一部分。
第一光注入器140和第二光注入器150从后反射器120伸入中空腔体130中。中空腔体130内的第一光注入器140和第二光注入器150的边界各通过从后反射器120伸出的挡板190、和连接挡板边缘192和后反射器120的线的退出孔142、152所限定。挡板190为平面的，例如薄板或膜；如别处所述，挡板190可相反地在一个或多个方向具有弯曲形状，例如抛物线、抛物面、椭圆形、椭圆体、复合抛物线、罩子等。在一些实施例中，光注入器140、150可为在与此申请同一天提交的名称为“Collimating LightEngine”(准直光引擎)的共同待审的代理人档案号64131US002中描述的任何准直光引擎。退出孔142、152设置在与部分透射前反射器110垂直的方向。
传送区170通过后反射器120被限定在第一光注入器140的退出孔142和第二光注入器150的挡板190的接触点之间。如别处所述，传送区170用于进一步提供中空腔体130内的光混合。在一些实施例中，光传播膜(未示出)可邻近退出孔142、152设置，以控制来自注入器140、150的光的侧向传播(即，通常在平行于后反射器120的平面内传播)。
如图2所示，挡板190中的每一个的挡板边缘192可被设置为与部分透射前反射器110间隔开，或其可延伸以接触部分前反射器110(未示出)。可根据需要调整挡板边缘192与部分透射前反射器的间距，从而得到来自第一光注入器140的光与来自第二光注入器150的光的进一步混合。在某些情况下，可能有利的是将来自第一光注入器140的光与来自第二光注入器150的光隔离，并且挡板190中的每一个的挡板边缘192都将与透射前反射器接触。在一些情况下，可能有利的是形成一定程度的混合，并且可将挡板边缘192与部分透射前反射器110分离，以使得来自一个注入器的光可通过此间距，以与来自另一个注入器的光混合。此间距可为开放空间、或部分透射膜部分。部分透射膜部分可为(例如)打孔的膜、切膜、部分反射器、反射型偏振器、在不同区域上方的反射和透射方面有变型的膜等，但其通常具有不同的透射区域。
在中空腔体130内的一个或多个位置处，可设置光传感器185以监控光强，并且可通过(例如)反馈电路调节光源中的任何一个或若干个。光强控制可为手动的或自动的，并且可用于独立地控制照明装置的各种区域的光输出。
第一光注入器140和第二光注入器150包括第一反射表面144、154，其设置在挡板190上并且面向部分透射前反射器110；第二反射表面146、156，其设置在挡板190上并且面向部分透射后反射器120；和光源148、158，其可用于将光注入中空腔体130中。第一反射表面和第二反射表面可为表面反射器(例如金属化的镜面)，也可为体积反射器(例如多层干涉反射器)。第一反射表面和第二反射表面可为邻接的，包括：具有两个相对表面的膜；已被成形或折叠的膜，以使得第一表面在折叠线后变为第二表面；或沿着至少一个共用边接合的两个单独的膜。在一个实施例中，第一反射表面和第二反射表面可被安装在为挡板提供机械支承的基底上。如果光源148、158将光线朝第二反射表面146、156导向，则此表面可为具有高反射性的表面。在别处讨论的某些情况下，光源148、158被配置，以使得光通常不需要从第二反射表面146、156反射，从而该表面不需要具有高反射性。
光源148和158设置在光注入器140和150内，以使得部分准直光可被注入中空腔体130中。如本文所用，“部分准直”表明光以接近横向平面160(通常平行于部分透射前反射器110)的传播方向在中空腔体内传播。如别处所述，如果光与掠射入射角以0到40度、或0到30度、或0到15度的角度拦截部分透射前反射器110，则光在中空腔体130内可传播相对长的距离。
照明装置可包括任何适合的前反射器，包括(如)ARF；多层反射器，包括(如)打孔镜面，例如Enhanced Specular Reflecting(ESR，得自3M公司)膜；金属反射器，包括(如)薄膜增强型金属膜；漫射反射器，包括(如)不对称DRFF(漫反射偏振片膜，得自3M公司)；以及膜的组合，包括PCT专利申请US2008/064096(代理人档案号63031WO003)中描述的那些膜。
照明装置可包括任何适合的后反射器和挡板。在某些情况下，后反射器和挡板(包括第一反射表面和第二反射表面)可由具有高反射率涂层或高反射率膜(可被层合到支持基底)的刚性金属基底制成。合适的高反射率材料包括可购自3M公司的VikuitiTM Enhanced Specular Reflector(增强型镜面反射器)(ESR)多层聚合物膜；使用0.4密耳厚的丙烯异辛酯-丙烯酸压敏粘合剂将硫酸钡加载的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(2密耳厚)层合到VikuitiTM ESR膜上制成的膜，本文将所得的层合膜称为“EDR II”膜；得自Toray Industries，Inc.的E-60系列LumirrorTM聚酯膜；多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜(例如得自W.L Gore & Associates，Inc.的那些；得自Labsphere，Inc.的SpectralonTM反射材料；得自Alanod Aluminum-Veredlung GmbH & Co.的MiroTM阳极氧化铝膜(包括MiroTM2膜)；得自Furukawa Electric Co.，Ltd.的MCPET高反射率发泡片材；得自Mitsui Chemicals，Inc.的White RefstarTM膜和MT膜；以及包括PCT专利申请US2008/064096中所描述材料的其他材料。
照明装置可包括任何合适的光源，包括(如)表面发光LED，例如具有下转换加工式荧光体，以从表面以半球方式发射白光的蓝光或紫外光LED；各个彩色LED，例如红色/绿色/蓝色(RGB)LED的布置方式；以及(例如)在名称为“Backlight and Display System Using Same”(使用相同元件的背光源和显示系统)的PCT专利申请US2008/064133中描述的其他LED。线性冷阴极荧光灯(CCFL)或热阴极荧光灯(HCFL)可用作本发明所公开的照明装置的光源来代替或辅助离散的LED光源。此外，还可以使用混合系统，例如为CCFL/LED(包括发出冷白光和暖白光的那些)、CCFL/HCFL(例如发出不同光谱的那些)。发光器的组合可以有广泛的差别，并且包括LED和CCFL，以及复合体，例如为多个CCFL、多个不同颜色的CCFL、LED和CCFL。
图3示出了照明装置100内的若干代表性的光线的路径。光线AB、AC、AD、AE和AF通过设置在第一光注入器140内的光源148注入中空腔体130中。在图3中，光源l 48被示出为设置在挡板190和后反射器120之间，并且通常以沿着中空腔体的长度的方向注入光。在一个实施例中，光源148可设置在由后反射器120限定的平面下方，并且被设置成通常垂直于中空腔体的长度注入光，以从挡板190反射并且沿着中空腔体的长度重新导向光(未示出)。
光源148可为表面发光LED，例如具有下转换加工式荧光体以从表面以半球方式发射白光的蓝光或紫外光LED。就这种表面发光LED而言：第一光线AB从挡板190的第二反射表面146反射，然后导向部分透射前反射器110。第二光线AC导向部分透射前反射器110，而没有反射。第三光线AD从第二光注入器150的挡板190的第一反射表面154反射，然后导向部分透射前反射器110。第四光线AE从第一光注入器140内的后反射器120反射，然后导向部分透射前反射器110。第五光线AF从传送区170内的后反射器反射，从第二光注入器150的挡板190的第一反射表面154反射，然后导向部分透射前反射器110。如别处所述，挡板190被设置，以使得来自第一光源148的光线通常被限制为在接近横向平面160的角度θ范围内穿过中空腔体130传播。
图3示出了从光注入器注入的光在被导向到部分透射前反射器(如别处所述，光将在此处经历进一步的反射和透射)之前可经历各种反射。与不同表面的这些交互作用的组合提供了光的均化，以使得不均匀的因素可被最少化。另外，传送区170可提供额外混合，以及提供光源之间的物理间距。设置在中空腔体内的挡板起到将LED光源从输出表面115“隐藏”的作用，从而阻挡光源视线的导向线。
如别处所述，部分透射前反射器的材料性质可提高发射光的均匀度，但随着传送区长度的增加，穿过中空腔体的辐射通量存在降低，导致照明装置的亮度的降低。至少鉴于此原因，逐渐通过附加的注入口注入更多光，以增加辐射通量并延长背光源的可用长度。
在中空腔体内的一个或多个位置处可设置光传感器185以监控光强或颜色，并且可通过(例如)反馈电路调节光源中的任何一个或若干个。光强或颜色的控制可为手动的或自动的，并且可用于独立地控制照明装置的各种区域的光输出。
现在参见图4，图中根据一个方面描述了照明装置200。在此实施例中，光源148和158是具有相关准直光学元件149、159的LED装置。准直光学元件149、159可为(例如)在LED输出的上方形成透镜的树脂基封壳。退出准直光学元件的光线相对于横向平面160一直为狭窄传播角度内，并且不需要从挡板190的第二反射表面146、156反射、或从光注入器内的后反射器120的部分的反射。注入的光线在退出输出表面115之前可遵循若干不同的路径。例如，光可入射到传送区170、挡板190的第一反射表面154、以及部分透射前反射器110上。
图5示出了包括侧光式光源501和光注入器140、150的组合的照明装置300。图5示出了通过逐渐注入光来增加照明装置的区域大小。侧光源501可为连接到中空腔体的常规的侧光式照明装置，例如在名称为“Collimating Light Injectors for Edge-Lit Backlights”(用于侧光式背光源的准直光注入器)的PCT专利申请No.US2008/064125(代理人档案号63034WO004)中所述。在图5中，附加的光注入器140和150设置在相应的位置处，以注入附加光线，并且也对从显示器的另一个部分注入的光重新导向。设置在照明装置内的一个或多个光传感器185可监控中空腔体内的光的强度，并且可用于调节光源，从而得到所需的强度和均匀度。
本文所述的照明装置可被组装成设置在可适用的底板上的较大阵列的装置，例如用于显示器或照明应用中。在一个方面，图6为具有后反射器620(与部分透射前反射器(未示出)配合使用)的照明装置底板600的透视图。根据这一方面，多个第一光源648a-648d以大致平行于装置底板边缘的方向被设置在第一光注入器挡板690的下方，第一光注入器挡板690在整个装置底板600上纵向延伸。多个第二光源658a-658d以大致平行于第一光注入器的方向被设置在第二光注入器挡板690’的下方。第二光注入器通过传送区670从第一光注入器移置。一个或多个光传感器685可邻近底板设置，以监控由装置底板生成的光。如果需要，挡板边缘692、692’可用于以机械方式支承部分透射前反射器。为清晰起见，图6示出了设置在挡板边缘附近的光源；然而应当理解，如别处所述，光源进一步被设置在挡板的下方。照明装置底板600可与本文所述的任何照明装置(如图2示出的照明装置200)配合使用。
在另一个方面，图7为具有后反射器720(与部分透射前反射器(未示出)配合使用)的照明装置底板700的透视图。根据这一方面，多个第一光源748a-c被设置在第一光注入器740内；多个第二光源758b-c被设置在第二光注入器750内；多个第三光源768a-c被设置在第三光注入器760内。图7示出的光注入器的阵列可被扩展，以覆盖照明装置底板700的任何所需部分。光注入器740、750和760中的每一个都包括罩子形状的挡板，罩子形状的挡板可通过(例如)对后反射器720打孔或使其变形来形成。每一个光注入器都通过传送区770从相邻的光注入器移置。可设置一个或多个光传感器785，以监控由装置底板生成的光。如果需要，挡板边缘792可用于以机械方式支承部分透射前反射器。为清晰起见，图7示出了设置在挡板边缘附近的光源；然而应当理解，如别处所述，光源进一步被设置在挡板的下方。照明装置底板700可与本文所述的任何照明装置(如图2示出的照明装置200)配合使用。
在另一方面，图8为与部分透射前反射器(未示出)配合使用的分区的照明装置底板800的透视图。根据这一方面，多个光注入器840被设置在后反射器820上方的阵列中，并且后反射器820通过分隔两区的脊825被划分为第一区I和第二区II。如果需要，可通过设置分隔光注入器阵列不同部分的多个脊，将分区的照明装置划分为多个区。一个或多个光传感器885和885’被设置在该区中的每一个中，以允许独立地监控每一个区中的光强。
前反射器的半球反射率Rf hemi可对由光源发出的光的传播产生重要影响。随着Rf hemi的增加，每一次反射后穿过前反射器透射的光减少，从而由于经过多次反射，光在中空腔体内的较大区域的上方传播。图9为垂直于前反射器测量的亮度图，作为到光注入器的退出孔的中心线距离的函数，对于三个前反射器而言具有不同的Rf hemi值。随着Rf hemi的增加，亮度的变化随着与退出孔之间的距离减小，同时光在距离中心线的侧向传播会随之增加。
实例
基于膜的光注入器根据与本申请同一天提交的名称为“CollimatingLight Engine”(准直光引擎)的共同待审的美国专利申请(代理人档案号64131US002)中所述的工序构造。这些光注入器按如下文所述的各种构型设置在底板上。所使用的底板为ESR膜底板，该底板此前已被层合到0.004”(0.16mm)厚的不锈钢衬垫上。
实例1：基于膜的注入器的总光通量
基于膜的光注入器的总光通量(TLF)通过剥离形成楔的上部ESR膜的方式在光电累计球中测得，从而完全暴露LED，以使得它们可无障碍地将光发射到球体中。在19.8V和30mA的条件下驱动时，测得的TLF为49.94流明，采用此值表示光引擎的理想光发射率为100％。然后，将上部ESR膜返回到初始位置，以使得底板上方的ESR最大高度为约2.2mm，从而从LED位置形成2∶1的扩展楔。在该构型中测得的TLF为47.95流明，指示出引擎的效率为96％。
实例2：背光源系统的偏振半球效率
背光源系统使用被制备成高2.5mm、宽100mm、长200mm、壁厚8mm的背光源框架构造而成。该框架的内部周边表面覆盖有ESR。框架设置在光注入器上，该光注入器按如下文所述的各种构型设置在底板上。测得每一个基于膜的光注入器的长度为29mm，并且每一个光注入器在19.7V和30mA的条件下被通电。前反射器由层合物构成，该层合物包括附着到不对称反射膜(ARF)(与偏振一致的纵向透射率(TMD)为32％，得自3M公司)上的含珠扩散片(Keiwa Opalus 702，得自Keiwa Inc.(Osaka，Japan))，该不对称反射膜附着到0.005”(0.2mm)厚的聚碳酸酯薄板上。该层合物中的层中的每一层都使用OPT-1粘合剂(得自3M公司)附着。吸收型偏振器设置在板的上方，用于测量在LCD中使用的偏振光。再次在光电累计球中测量用于每一个构型的TLF。
第一构型：在距离100mm侧壁4mm远的位置设置单个光注入器，同时退出孔向下面向背光源的长度。TLF测量值为27.23流明，与相对于LED的总体光输出的总体偏振半球系统效率54.5％相对应。通过比较LED的TLF和楔，腔体效率为56.8％。
第二构型：在腔体内设置两个光注入器。在距离100mm侧壁4mm远的位置再次设置第一光注入器，同时退出孔向下面向背光源的长度。第二光注入器平行于第一光注入器被设置，通过1mm的传送区分离，同时退出孔向下面向背光源的长度。仅为第一光注入器通电。系统的TLF测量值为24.17流明，与相对于LED的总体光输出的总体偏振半球系统效率48.4％相对应。通过比较LED的TLF和楔，腔体效率为50.4％。
第三构型：在腔体内设置两个光注入器。在距离100mm侧壁4mm远的位置再次设置第一光注入器，同时退出孔向下面向背光源的长度。第二光注入器被设置为平行于第一光注入器，通过30mm的传送区分离，同时退出孔向下面向第一光注入器。仅为第一光注入器通电。系统的TLF测量值为22.48流明，与相对于LED的总体光输出的总体偏振半球系统效率45.0％相对应。通过比较LED的TLF和楔，腔体效率为46.9％。
实例3：四光注入器背光源系统亮度分布
四光注入器背光源系统使用具有4个光注入器的实例2的背光源系统构造而成，以测量若干构型中的背光源的亮度分布。除非另外指明，否者每一个光注入器都具有3个LED的亚单元；每一个亚单元都在10mA的条件下工作；对于在19.8V条件下的每一个光注入器，总工作电流为30mA。在距离100mm侧壁4mm远的位置设置第一光注入器，同时退出孔向下面向背光源的长度。第二光注入器被设置为平行于第一光注入器，通过1mm的传送区分离，同时退出孔向下面向背光源的长度。第三光注入器设置在平行于第二光注入器的位置，通过1mm的传送区分离，同时退出孔向下面向背光源的长度。第四光注入器被设置为平行于第一光注入器，与相对的100mm侧壁(即位于腔体的另一端)之间的距离为4mm，同时退出孔向下面向第一光注入器、第二光注入器和第三光注入器。在下文所述的条件下，在垂直于前反射器的方向测量四光注入器背光源元件的中心线亮度分布(即，在100mm宽的中心位置沿200mm的长度测得的亮度)。
实例4：使用不带前反射器的扩散片控制用于四光注入器背光源系统 的亮度分布。
将四光注入器背光源系统的前反射器ARF层合物从背光源框架移除，然后替换为已从Sony 23”(58.4cm)监控器移除的散装扩散板。打开全部四个光注入器，然后测量中心线亮度分布。与全部四个注入器之间的平台区域的亮度(如2322尼特)相比，该全部四个注入器显示具有大体为在退出孔附近测得的亮度的二倍的峰值(如4941尼特)，介于注入器与侧壁之间的区域(介于第一光注入器与侧壁之间以及介于第四光注入器与相对侧壁之间)的平均亮度为大约100尼特。
实例5：用于四光注入器背光源系统的亮度分布-所有注入器均被通 电。
打开具有ARF层合物前反射器的四光注入器背光源系统中的四个光注入器中的每一个，然后测量中心线亮度。分别在25mA、26mA、23mA和31mA的条件下为该四个光注入器通电。中心线亮度显示的峰值和谷值与实例4中的对照物相比具有更少的变化。最大亮度为3745尼特，并且“明亮区”(第一光注入器到第三光注入器的邻近位置)中的平均亮度为3254尼特。在第三光注入器和第四光注入器(彼此面对)之间看到一个显著的槽，并且介于注入器与侧壁之间的区域的平均亮度为大约400尼特。
实例6：用于四光注入器背光源系统的亮度分布-分区控制。
通过使用如实例5的相同条件演示背光源的分区控制，不同的是第二光注入器被关闭。中心线最大亮度为3530尼特，并且“明亮区”中的平均亮度为2362尼特。介于注入器与侧壁之间的区域的平均亮度为大约400尼特。
实例7：用于四光注入器背光源系统的亮度分布-高亮度。
使用如实例4的相同条件，不同的是将第一光注入器到第四光注入器中的每一个的电源都提高到60mA。中心线亮度显示的峰值和谷值与实例4中的对照物相比具有更少的变化。最大亮度为10225尼特，并且“明亮区”中的平均亮度为7512尼特。在第三光注入器和第四光注入器(彼此面对)之间看到一个较小的槽(与实例6中的槽相比)，并且介于注入器与侧壁之间的区域的平均亮度为大约1200尼特。
实例8：用于四光注入器背光源系统的亮度分布-均匀性改善。
使用如实例5的相同条件，不同的是仅打开第一光注入器和第二光注入器。在第一光注入器到第三光注入器的邻近位置测量中心线亮度，该中心线亮度显示的峰值和谷值与实例4中的对照物相比具有更少的变化。最大亮度为3748尼特，并且“明亮区”中的平均亮度为3405尼特。介于注入器与侧壁之间的区域的平均亮度为大约400尼特。
然后，通过设置与ARF的透光轴对齐的聚碳酸酯BrightnessEnhancement Film(增亮薄膜)(PCBEF，得自3M公司)的片材来提高均匀度。与没有PCBEF的情况相比，中心线亮度显示较小的峰值和谷值。最大亮度为4173尼特，并且“明亮区”中的平均亮度为3818尼特，表示亮度的增益为大约12％。介于注入器与侧壁之间的区域的平均亮度为大约400尼特。
然后，将PCBEF膜移除并使其与ARF的透光轴横向对齐。最大亮度为4870尼特，并且“明亮区”中的平均亮度为4451尼特，表示亮度的增益为大约31％。介于注入器与侧壁之间的区域的平均亮度为大约400尼特。
实例9：用于四光注入器背光源系统的亮度分布-零挡板。
使用如实例5的相同条件，不同的是仅打开第一光注入器到第三光注入器，并且以距离第三光注入器大约一个光注入器的宽度为间隔在第三光注入器和第四光注入器之间设置附加的反射侧壁。这样，第三光注入器的退出孔面向附加的反射侧壁。在第一光注入器到第三光注入器的邻近位置测量中心线亮度，该中心线亮度显示的峰值和谷值与实例4中的对照物相比具有更少的变化。最大亮度为3720尼特，并且“明亮区”中的平均亮度为3260尼特。介于第一光注入器与侧壁之间的区域的平均亮度为大约400尼特。在距离附加的侧壁最近的位置测得的亮度为1800尼特，这表明背光源无需外部注入或挡板即可工作。
实例10：用于四光注入器背光源系统的亮度分布-通过控制光提取率 (R f hemi 的影响)进行分区。
光提取率通过使用不同透射百分比的前反射器膜控制。使用如实例5的相同条件，不同的是仅打开第四光注入器，并且更改前反射器层合物的ARF部分。图9示出了用于三种不同膜的第四光注入器邻近位置的中心线亮度：TMD为11％的ARF(小Rf hemi)、TMD为32％的ARF(中Rf hemi)以及TMD为98％的Advanced Polarizer Film(高级偏振摸)(APF，得自3M公司)(大Rf hemi)。在图9中，第四光注入器的退出孔设置在50mm位置处。随着Rf hemi的增加，亮度的变化随着与退出孔之间的距离而减小，同时光在距离中心线的侧向传播会随之增加。
实例11：内部注入背光源的建模模拟
使用图10a示出的布局对对角线长度为40英寸、纵横比为16∶9的内部注入背光源进行建模。该模型中使用的尺寸(以mm计)为：a＝38.1、b＝112.1、c＝74.0、d＝38.1、e＝95.8、f＝178.1、g＝3.8、h＝12.9、i＝3.8、j＝9.1、k＝2.6、l＝3.8mm。深度为12.9mm的框架具有前反射器，该前反射器由以下组成：ARF(纵向透射率(TMD)为32％，例如得自3M公司)，其附着到框架上方的含珠扩散片(例如Keiwa Opalus 702，得自Keiwa Inc.(Osaka，Japan))上；空气间隙；和凹槽垂直BEF棱镜膜，其在前反射器上方。剩余的腔体内表面与镜面反射高效镜面膜(例如ESR，反射率为99.5％，得自3M公司)一致。
外部的对称性3.5∶1、38.1-mm的楔填充了腔体的边缘(“B”)，并且通过位于远(浅)端附近的楔的后表面上的LED1(例如39盏LumiLedsLuxeon Rebel LED，得自Philips Lumileds(San Jose，CA))进行照明。LED1由三组WWWBGRGRGBWWW装置以均一的23-mm间距组成。内部的非对称性3.5∶1、38.1-mm挡板(“C”至“E”)填充腔体深度的相当大一部分，并且通过位于远端附近的后表面上的LED2(与LED1相同)进行照明。如图10a所示，内部楔的近端孔的高度为9.1mm，并且位于背光源中点附近的位置(“E”)。设置倾斜的端反射器(“F”至“G”)，以将LED2发出的光朝背光源的前表面处的ARF反射。
剩余的内表面与ESR一致(位于其远端附近的LED的紧邻位置的内表面除外)，如图10a所示，其与高效漫反射器(例如MCPET，反射率为98.5％，得自3M公司)一致以减轻光学性能的敏感度，从而获得LED的精确准直度。假定两个LED阵列(LED1和LED2)发出相同的通量。
图10b示出了作为距离前反射器的垂直中心线的位置(单位为英寸)的函数的、从距离前反射器中心72英寸(183cm)位置处观测到的预测亮度图线，该亮度图线平均位于与背光源的照明边缘平行的水平位置的上方。示出的亮度值以流明/英寸2/球面度为单位，并且与一流明的发光源总通量相对应。位置“C”、“E”和“F”与图10a示出的位置相对应。对于许多侧光式背光源来说，不均匀度的等级通常为合格的。
实现平均垂直视图亮度等于5000尼特所需的总光源通量(通过吸收型偏振器测量，即LCD可用发射)为6850流明。在与刚好高于2.5瓦特/装置功耗相对应的工作电流下，使用78个LED(LED1和LED2)来实现所需的6850流明。沿着这两个光源阵列中的每一个的相应的热负荷为大约1.2W/cm，接近无源冷却的预测上限。总功耗为208W。
上述实施例可应用于使用具有光传输性质的薄型结构的任何地方，包括例如电视机、笔记本电脑和监视器的显示器，并用于广告、信息显示或照明。本发明也适用于包括膝上型计算机和手持装置在内的装配有光学显示器的电子器件，例如，个人数据助理(PDA)、个人游戏机、手机、个人媒体播放器、手持计算机等等。本发明的照明装置在许多其他领域内都有应用。例如，可使用本发明制成分区的背光式LCD系统(其中背光源的不同区域根据显示内容进行不同的控制)、灯具、工作灯、光源、指示牌以及购买点显示器。
除非另外指明，在本说明书和权利要求中使用的表示部件的尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由词语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，否则在上述说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，该近似值可根据本领域内的技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。
除了与本公开可能直接抵触的程度，本文引用的所有参考文献及出版物明确地全文以引用方式并入本文中。虽然本文已经图示和描述了具体实施例，但本领域的普通技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可用多种替代和/或等同实现方式来代替所示出和描述的具体实施例。本专利申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施例的任何改型或变型。因此，本发明旨在仅受以下权利要求书及其等同内容的限制。

Claims (39)

1.一种照明装置，包括：
部分透射前反射器，所述部分透射前反射器具有输出区域；
后反射器，所述后反射器面向所述部分透射前反射器，从而在所述部分透射前反射器和所述后反射器之间形成中空腔体；
第一光注入器和第二光注入器，所述第一光注入器和所述第二光注入器设置在所述中空腔体中，所述第一光注入器和所述第二光注入器中的每一个包括：
第一反射表面，所述第一反射表面从所述后反射器伸出并且面向所述部分透射前反射器；
第二反射表面，所述第二反射表面与所述第一反射表面邻接并且面向所述后反射器；
光源，所述光源可操作以在所述第二反射表面和所述后反射器之间注入光，一使得注入的光在平行于所述部分透射前反射器的横向平面的30度内的第一方向被部分准直；
传送区，所述传送区介于所述第一光注入器和所述第二光注入器之间；和
半镜面元件，所述半镜面元件设置在所述中空腔体中，其中来自所述第一光注入器的注入光的至少一部分从所述第二光注入器的所述第一反射表面反射，并且朝所述部分透射前反射器被导向。
2.一种照明装置，包括：
部分透射前反射器，所述部分透射前反射器具有输出区域；
后反射器，所述后反射器面向所述部分透射前反射器，从而在所述部分透射前反射器和所述后反射器之间形成中空腔体；
多个光注入器，所述多个光注入器以阵列的方式设置在所述中空腔体中，所述多个光注入器中的每一个包括：
第一反射表面，所述第一反射表面从所述后反射器伸出并且面向所述部分透射前反射器；
第二反射表面，所述第二反射表面与所述第一反射表面邻接并且面向所述后反射器；和
光源，所述光源可操作以在所述第二反射表面和所述后反射器之间注入光，以使得注入的光在平行于所述部分透射前反射器的横向平面的30度内的第一方向上部分准直；
传送区，所述传送区设置在相邻的光注入器之间；和
半镜面元件，所述半镜面元件设置在所述中空腔体中，其中来自所述第一光注入器的注入光的至少一部分从相邻的光注入器的所述第一反射表面反射，并且导向所述部分透射前反射器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中所述第一反射表面和所述后反射器形成连续的表面。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中所述第一反射表面与所述第二反射表面为共面的。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中所述半镜面元件被设置为邻近所述部分透射前反射器。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中所述部分透射前反射器反射比垂直入射光更多的斜角光。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中所述部分透射前反射器对于在第一平面内偏振的可见光的同轴平均反射率为至少90％，而对于在垂直于所述第一平面的第二平面内偏振的可见光的同轴平均反射率为至少25％但小于90％。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中所述后反射器对于任何偏振态的可见光的同轴平均反射率都为至少95％。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中所述第一反射表面和所述第二反射表面中的至少一个对于任何偏振态的可见光的同轴平均反射率都为至少95％。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中至少一个光源包括LED。
11.根据权利要求10所述的照明装置，其中所述LED围绕垂直于所述部分透射前反射器的轴在小于360度的角展度内发光。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中至少一个光注入器沿着大体上与所述后反射器的周边边缘平行的轴伸长。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中至少一个光注入器为带罩的光注入器。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，其中至少一个光源被设置在所述第二反射表面和所述后反射器之间。
15.根据权利要求1或权利要求2所述的照明装置，还包括第三反射器，所述第三反射器沿着所述中空腔体的周边设置，所述中空腔体介于所述部分透射前反射器和所述后反射器之间。
16.一种照明装置，包括：
部分透射前反射器，所述部分透射前反射器具有输出区域；
后反射器，所述后反射器面向所述部分透射前反射器，从而在所述部分透射前反射器和所述后反射器之间形成中空腔体；
第一光源，所述第一光源可操作以将第一准直光束注入所述中空腔体中；
光注入器，所述光注入器由从所述后反射器伸入所述中空腔体中的挡板形成，所述挡板包括第一反射表面，所述第一反射表面被设置为朝所述部分透射前反射器反射所述第一准直光束的一部分；
第二光源，所述第二光源设置在所述光注入器内并且可操作以将将第二准直光束注入所述中空腔体中；
传送区，所述传送区介于所述第一光源和所述光注入器之间；和
半镜面元件，所述半镜面元件设置在所述中空腔体中，其中来自所述第一光源的注入光的至少一部分从所述挡板的所述第一反射表面反射，并且导向所述部分透射前反射器。
17.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述第一准直光束和所述第二准直光束在平行于所述部分透射前反射器的横向平面的实质上30度内的方向具有准直性。
18.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述第一反射表面和所述后反射器形成连续的表面。
19.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述挡板还包括第二反射表面，所述第二反射表面与所述第一反射表面相对。
20.根据权利要求19所述的照明装置，其中所述第一反射表面与所述第二反射表面为共面的。
21.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述半镜面元件被设置为邻近所述部分透射前反射器。
22.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述部分透射前反射器反射比垂直入射光更多的斜角光。
23.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述部分透射前反射器对于在第一平面内偏振的可见光的同轴平均反射率为至少90％，而对于在垂直于所述第一平面的第二平面内偏振的可见光的同轴平均反射率为至少25％但小于90％。
24.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述后反射器对于任何偏振态的可见光的同轴平均反射率都为至少95％。
25.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述第一反射表面对于任何偏振态的可见光的同轴平均反射率都为至少95％。
26.根据权利要求16所述的照明装置，其中至少一个光源包括LED。
27.根据权利要求26所述的照明装置，其中所述LED围绕垂直于所述部分透射前反射器的轴在小于360度的角展度内发光。
28.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述光注入器沿着大体上与所述后反射器的周边边缘平行的轴伸长。
29.根据权利要求16所述的照明装置，其中所述光注入器为带罩的光注入器。
30.根据权利要求16所述的照明装置，还包括第三反射器，所述第三反射器沿着所述中空腔体的周边设置，所述中空腔体介于所述部分透射前反射器和所述后反射器之间。
31.根据权利要求19或权利要求26所述的照明装置，其中至少一个LED包括准直透镜。
32.根据权利要求1、权利要求2或权利要求16中任一项所述的照明装置，还包括至少一个光传感器，所述至少一个光传感器设置在所述中空腔体中并且可操作以向控制电路提供输入。
33.根据权利要求1、权利要求2或权利要求16中任一项所述的照明装置，还包括至少一个光传感器，所述至少一个光传感器设置在所述中空腔体的外部并且可操作以向控制电路提供输入。
34.根据权利要求1、权利要求2或权利要求16中任一项所述的照明装置，其中每一个光源都可独立地控制。
35.根据权利要求1、权利要求2或权利要求16中任一项所述的照明装置，其中所述部分透射前反射器和所述后反射器在至少一个区域中为不平行的和不共面的。
36.根据权利要求1、权利要求2或权利要求16中任一项所述的照明装置，其中至少一个挡板为所述部分透射前反射器提供机械支承。
37.一种背光源，包括前述任一项权利要求所述的照明装置。
38.一种液晶显示器，包括根据权利要求37所述的背光源，其中所述液晶显示器邻近所述输出区域被设置。
39.一种图形显示器，包括根据权利要求37所述的背光源，其中所述图形显示器邻近所述输出区域被设置。
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