CN102121676A - 用于照明显示装置的准直、均匀化和提取光的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于照明显示装置的准直、均匀化和提取光的装置。一种用于数据显示装置(56)的照明系统，所述照明系统包括光导(30)，由光源(38)产生的光被注射到所述光导(30)中，所述照明系统的特征在于，所述光导(30)包括抛物线形状的平面光注射和准直区(32)，所述抛物线包括通过顶点(40)而彼此连接的两个分支(48a，48b)，所述光源(38)被设置为与所述顶点(40)相对，所述抛物线的对所述平面注射和准直区(32)的轮廓定界的所述分支(48a，48b)被平面提取区(36)扩展以使光在所述波导(30)内部传播，所述提取区(36)具有矩形截面并被设置有光提取器(54)。

Description

用于照明显示装置的准直、均匀化和提取光的装置
技术领域
本发明涉及用于照明显示装置的准直、均匀化和提取光的装置。更具体而言，本发明涉及这种类型的装置，该装置用于准直光束的传播方向以有助于提取用于照明显示装置的光。
背景技术
诸如液晶单元的反射型显示装置必须通过其正面(即，显示信息的面)被照明。因此，使用通常被称为正面照明系统的照明系统。目前在本领域中已知正面照明系统的各种实施例，但直到现在也几乎不能在市场中找到它们的应用。这特别地归因于以下事实，即，很难在所包含的结构不会使被显示的信息难以阅读的情况下制造具有高照明效率水平的正面照明系统。此外，当前已知的正面照明系统的产出率(yield)在所消耗的电功率和所返回的光功率方面并不令人非常满意，并且该系统的成本价格使其几乎不能符合工业制造的要求。
最经常被构想用于制造正面照明装置的系统采用背光型照明装置的工作原理。在本专利申请所附的图1中示意性示出了该类型的背面照明装置。通过总参考标号1整体标示的背面照明装置包括平面、透明的光导2，该光导2被设置在被照明的数据显示装置4(例如，液晶单元)下方。光源6使光穿过光导2的一个侧面而注射到光导2中。光导2被加工为在其中产生光提取器8，光提取器8使在光导2的内部传播的光的一部分朝显示装置4偏移。光提取器8可以为微棱镜、微透镜、衍射阵列等等。通过将镜10设置在光导2下方而完成组件。当然，数据显示装置4为透射型。
在本专利申请所附的图2A和2B中示例了将背光系统在反射型数据显示装置中的应用。在该情况下，平面、透明的光导12被设置在必须被照明的反射型数据显示装置14(例如，反射型液晶显示单元)上方。在明视觉(photopic vision)下，日光通过光导12并被显示单元14反射以再次通过光导12并到达观察者。在暗视觉(scotopic vision)下，使光源16所产生的光穿过光导12的一个侧面注入并被提取器18(微棱镜、微透镜、衍射阵列)在显示单元14的方向上偏移。光最终被显示单元14经光导12朝观察者反射。
在用于将光注射到上述类型的光导的系统的情况下，要优化的第一参数为在光导的整个截面中的光通量的均匀性。该条件对于确保跨过显示装置的整个表面而均匀照明显示装置是重要的。如本专利申请所附的图3所示，通过光提取器18在光导12的表面上的分布来确定显示装置14在光导12的长度L的方向上的照明均匀性。至于显示装置14在光导12的宽度I的方向上的照明均匀性，则依赖于光导16的几何形状(geometry)。
因此，在电功率消耗方面不受约束的装置(例如，液晶计算机屏幕)的情况下，光源16的典型的几何形状是被称为冷阴极荧光灯或CCFL的荧光管的几何形状，其长度基本上对应于液晶显示装置的宽度。然而，虽然从产出率的观点这些荧光管的效率日益提高，但其电功率消耗仍然保持为不适于在其能量储备有必要受到限制的便携电子装置(例如，手表)中使用。
因而，在这些诸如腕表的便携物体中最常用的光源为发光二极管或LED。发光二极管的显著特征在于高亮度水平，因为在所消耗的电功率和所提供的光功率方面，发光二极管的整个发光能量从小的表面发射并且发光二极管具有比所有常规光源高的转换产出率。然而，由于该类型的二极管的减小的尺寸，难以使用发光二极管均匀地照亮显示装置。
本专利申请所附的图4A和4B示例了在当前装置中常用的两个用于注射由发光二极管产生的光的方案。在第一种情况(图4A)中，发光二极管20被设置为与光导22的输入直接相对。该配置对于由发光二极管20产生的光产生了高注射率(injection yield)。然而，因为作为朗伯(lambertian)型的发光二极管的典型发光瓣(luminous emitting lobe)，在光导22内部的光沿大量的不同方向传播。提取器24的光提取效率基本上依赖于其相对于光传播方向的取向。因此，在光导22的设计阶段和制造阶段，必须相对于发光二极管20的位置来确定并控制每个提取器24的取向。这在光提取器24为微棱镜的情况下会成为复杂的任务，并且在希望使用衍射阵列的情况下则几乎是不可能解决的。实际上，在后一情况下，必须开发具有曲线分布的衍射阵列。此外，利用该注射系统，由于发光二极管的瓣形发射分布，侧发光是不均匀的，在小注射角下的光注射率高于大注射角下的光注射率。
在图4B示例的第二情况中，光被首先注射到反射/折射结构26，该反射/折射结构26具有将光以基本上平行的传播方向反射到光导28中的能力。利用该类型的设置，大多数光线平行于光导28的轴传播。然而，为了使注射到光导28中的光均匀，致偏器26必须被设计为能够在光导28的整个宽度内注射恒定量的光。当显示装置需要高质量的照明(准直)而不是强照明时，优选使用该配置。事实上，将光注射耦合到光导中的效率通常低于光源的初始光功率的三分之一。
从上述内容很明显，根据与将光源产生的光注射到光导中所采用的方案，优先考虑光注射到光导的效率以及由此的将最终照明显示装置的光的量，或者优先考虑注射到光导的光的均匀性以及由此的显示装置的照明质量。据申请人所知，尚不存在能够以既明亮又均匀的方式照明显示装置的照明装置。
发明内容
为了在现有技术状态中除了满足其他方面之外还满足该需求，本发明提供了一种用于数据显示装置的照明系统，其确保了光注射到根据本发明的光导中的优良耦合效率以及在该光导中传播的光通量的高准直水平。
本发明由此涉及一种用于照明数据显示装置的系统，所述照明系统包括光导，由光源产生的光被注射到该光导中，所述照明系统的特征在于，所述光导包括抛物线(parabola)形状的平面光注射和准直区，所述抛物线包括通过顶点(apex)彼此连接的两个分支，所述光源被设置为与所述顶点相对，所述抛物线的对所述平面注射和准直区的轮廓定界(delimit)的所述分支被平面提取区所扩展以在所述波导内部传播光，所述提取区具有矩形截面(rectangular section)。
由于这些特征，本发明提供了一种包括光导的用于照明数据显示装置的系统，由于在光源与光导之间的最优耦合效率以及在该光导中传播的光的高准直水平，该光导具有高的光注射率。该光导由此首先包括抛物线形状的平面光注射和准直区，光源被设置为与抛物线的顶点相对。因为抛物线的顶点具有相对小的表面，并且光源被设置为与该表面直接相对，这确保了光到光导的优良的注射率。换言之，光源与光导之间的高耦合效率优化了由光源产生的光功率与被该光源消耗的电功率之间的比率。由此，可以得到用于照明数据显示装置的较高光功率水平。此外，光导的注射和准直区的抛物线形状使光能够在光导内部沿均匀平行方向传播并具有在光导截面中的均匀光通量分布。
一旦从注射和准直区出射，则在提取之前光在其中光通量受到最终调整的平面光提取区内传播，这导致在光导截面中的均匀光分布和平行光线。由此，高度的光准直显著简化了设计和制造光导的工作。实际上，由于本发明，不必根据光源的位置来定向(orient)光提取器，而仅仅相对于光导中的光的一般(general)传播方向而定向光提取器，这更简单。如果使用衍射阵列进行光提取，则阵列线的取向可被选择为使光提取最优。此外，衍射阵列线的取向在光导的整个表面内保持不变。
根据本发明的补充特征，准直区包括被设置在抛物线的对称轴的两侧上的两个直线槽(rectilinear slot)，这两个槽在光提取区的方向上彼此分离。
已经注意到，抛物线形状的平面注射和准直区倾向于在光导的侧面而不是在中心稍微会聚光。为了克服该问题，相对于该结构的对称轴稍微倾斜的两个槽被形成在注射和准直区的表面中。这两个槽在进一步改善在光导截面中的光的均匀性的同时使更多的光线会聚在结构的中心处。
为了更进一步改善在光导的整个截面中的光通量的均匀性，梯形的中间区域被插入在准直区与光提取区之间，所述梯形为等腰梯形并通过该梯形的大底边而被连接到对所述准直区定界的所述抛物线的分支。
如果希望经由顶部对数据显示装置照明，则通过中间区来扩展注射和准直区，该中间区包括矩形截面的第一平面部分，在第一平面部分之后为第二半圆柱形部分，在第二半圆柱形部分之后又是矩形截面的第三平面部分，该第三平面部分平行于第一平面部分延伸且用作光提取区。数据显示装置被设置在光导的第一和第三平面部分之间以覆盖光源以及注射和准直区，并且数据显示装置又被第三平面光提取部分覆盖。在该情况下，诸如液晶显示装置的显示装置必须是反射型的。该显示装置由此允许从观察者的视角完全隐藏光源和部分光导。具体而言，用户不能观察到由光源产生的光晕或“热点”，由此不能确定该光源的位置。此外，使光导弯曲180°这一事实意味着可以获得紧凑的照明系统，该系统不超出显示装置的尺寸而且也不会牺牲光导的准直和使光通量均匀化的作用。实际上，在根据本发明的光导中传播的光束在光导的这样的部分中被注射、准直和均匀化，光导的该部分被要照明的显示装置覆盖并且其长度足以使光准直和均匀化。由此，在光导中引入这样的弯曲部便足够了，其中该弯曲部朝向要被照明的显示装置的顶部导引光。
与根据本发明的光导结合使用的光源为点光源(pinpoint lightsource)，例如白炽灯泡，或优选地，发光二极管。因此，由于本发明，可以通过点光源完全均匀地来照明与光导的截面对应的宽表面。
附图说明
通过对根据本发明的照明系统的一个实施例的以下详细说明，本发明的其他特征和优点将变得更加清楚，该实例是通过参考附图而仅仅作为非限制性示例的方式给出的，在附图中：
图1(已被引用)为用于诸如液晶显示单元的透射型数据显示装置的背光装置的示意图；
图2A和2B(已被引用)为诸如液晶显示装置的正面照明的反射型数据显示装置在明视觉和暗视觉下的示意图；
图3(已被引用)为示例出通过宽光源将光注射到平面光导的示意图；
图4A和4B(已被引用)为示例出使用LED点光源将光注射到平面光导的示意图；
图5为根据本发明的光导的透视图；
图6A为示例出将图5中所示的光导用于正面照明诸如液晶单元的反射型数据显示装置的应用的示意图；
图6B为示例出用于背面照明诸如液晶单元的透射型数据显示装置的根据本发明的光导的变体的示意图；
图6C为根据本发明的光导的简化实施例的示意图；
图7A示出了由光度传感器进行的在光导输出处的光强的测量结果；
图7B示出了沿光度传感器的表面上的水平轴的光强的分布；
图8A示出了与在光度传感器的表面处的光线的角入射(angularincidence)的统计分布有关的结果；
图8B为图8A的图的截面图；以及
图9为抛物线的轮廓的图示。
具体实施方式
本发明出于这样的总发明构思，该构思在于提供一种用于照明数据显示装置的光导，该光导不仅具有优良的光注射率而且具有优良的准直和使光在该光导的整个截面中均匀的特性。由于该光导，对显示装置的照明在显示装置的整个表面上既是明亮的也是恒定的。为了实现该目的，本发明公开了一种光导，其包括至少一个抛物线形的平面光注射和准直区，该区的后面是恒定矩形的光提取区。光源被设置为与抛物线的顶点相对，以便减小光注射表面，因此光注射率是高的。由于其抛物线形状，根据本发明的光导的注射区还使注射的光沿与抛物线的轴平行的方向传播。由此，穿过平面光提取区以被反射朝向要照明的显示装置的是其光线沿平行方向传播的均匀光通量。因为很好地限定了光在光导中的传播方向，因此可以容易地确定用于最佳的光提取效率的光提取器(微棱镜、微透镜、衍射阵列等等)的取向。
将关于反射型或透射型液晶单元的数据显示装置来描述本发明。然而，不用说，该实例仅仅以示例的方式给出，并且数据显示装置可以为任何类型，例如，作为实例的电泳或胆甾醇型显示装置、微光电机械系统(MOEMS)、电润湿型(electro wetting)显示装置或甚至表盘。
图5为根据本发明的光导的透视图。整个结构由总参考标号30表示，该光导实质上包括平面光注射和准直部32，该平面光注射和准直部32之后是平面光透射部34，在平面光透射部34之后是平面光提取部36。
在附图中可以看出，注射和准直部32为抛物线形状，光源38被设置为与抛物线的顶点40相对。该配置使得光以更高的效率注射到光导30中，这是因为穿过光导的光线的入射角大于光导的全反射角。因此，在光导与周围空气之间的界面处存在全反射。因此不必使用诸如对光导周围镀金属(metallising)以确保光不会逃离波导的技术。此外，注射和准直区的抛物线形状具有沿与抛物线的对称轴X-X平行的传播方向准直由光源38发射的光束的效果。
另外，因为观察到注射和准直部32倾向于在抛物线轮廓的边缘上而不是在结构的中心处会聚稍多一些的光，因此，可以在注射和准直部32中形成被对称地设置在抛物线的对称轴X-X两侧的两个矩形槽42a和42b。这两个槽42a和42b在光导30内部在光传播方向上以优选3°的角彼此稍微远离，并且具有在改善光导30的截面内的光分布均匀性的同时将较多的光线导引到光导30的中心的作用。
平面光透射部34扩展了光注射和准直部32。作为变体，可以在注射和准直部32与透射部34之间形成等腰梯形部44，等腰梯形部44通过其大的底边46而连接到抛物线注射和准直部32的分支48a和48b。该梯形部44增强了注射和准直部32的改善的均匀性的效果。
平面光透射部34包括被第二半圆柱形部分52扩展的矩形的第一平面部分50，第二半圆柱形部分52又被光提取部36扩展，该光提取部36与第一平面部分50平行并与第一平面部分50间隔一距离。在光透射部34的第一平面部分50中，光通量受到最终调整，这导致光在光导30的截面内的均匀分布和光束的平行传播方向。一旦优化了均匀性特性和平行性特性，光遵循其通过透射部34的半圆柱形部分52的路径，该路径将光线弯曲180°以将所述光线注射到平面光提取部36中。光提取部36具有矩形形状并配备有用于从光导30提取光的光提取器54。这些光提取器54可以为微棱镜、微透镜或甚至衍射阵列。因为光导30中的光具有高的均匀性和平行性水平，因此显著地简化了光提取器54的设置。
图6A和6B示意性示例了根据本发明的光导的两个实例。在图6A中，上述光导30被用于正面照明诸如液晶显示单元的反射型数据显示装置56。由此，显示单元56被设置在注射和准直部32与光提取部36之间。通过审阅该图可以看出，由光导30和光源38形成的照明系统非常紧凑且几乎没有超出液晶单元56的尺寸。此外，光源38和部分光导30被从观察者的视角隐藏。图6B示出了将根据本发明的光导用于照明诸如液晶显示单元的透射型数据显示装置58的应用。根据该实施例，光导30’不具有半圆柱形部分，其仅仅由注射和准直部32以及之后的透射部34和光提取部36形成。在本发明的简化实施例中，透射部34可以被略去，因此注射和准直部32被直接连接到光提取部36(参见，图6C)。应注意，光源38可以为任何类型的点光源，例如，白炽灯或发光二极管。
使用Zemax Ray追踪软件对上述光导30的光学性能进行数字分析。在模拟中被选择用于制造光导30的材料为BK7玻璃。然而，在光导30由塑料材料制成的情况下，光导30的特性保持非常相似的。在该后一情况下，可以非常简单地通过塑料注射模制来制造根据本发明的光导。在模拟中使用的光导30具有0.4mm的均匀厚度，并且其几何形状可以照明具有6×16mm的尺寸的反射型数据显示装置56。半圆柱形部分52的内部曲率半径为0.95mm。所使用的光源38为从Kingbright产品目录可得的具有0.55μum的波长的发光二极管。首先，在评价覆盖显示装置的光导30的一部分中(换言之，在光提取部36中)的光的特性时，在光导30的输出处，即，在与注射和准直区32相对的侧上，设置光传感器。光度传感器的尺寸与光导30的截面严格匹配。
图7A示出了由光度传感器进行的在光导输出处的光强测量的结果。注意，该强度在光导30的整个截面中是基本上均匀的且代表由发光二极管38注射到光导30的初始光功率的80％。
设(x，y)为在传感器的平面中延伸的正交参考系，“x”轴沿传感器的宽度延伸，点x＝0，y＝0为传感器的中心。图7B示出了其中y＝0的“x”轴的强度分布。注意，该信号呈现出波动，但是信号的平均值是基本上恒定的。观察到的波动部分地归因于噪声，但也归因于以下事实，即，仅仅对有限数目的光线进行了数字模拟。因此，如果进行第二次的模拟，在前面的模拟中显示低于平均值的值的传感器像素完全可能在后面的模拟中显示高于平均值的值。
图8A示出了与在光度传感器的表面处的光线的角入射的统计分布有关的结果。该分布是通过在光线射到光度传感器表面时测量与该光线相关联的矢量形成的角而获得的。点x＝0，y＝0为垂直地射到传感器的表面的光线。方向“x”表征在光导30内部传播的光线与光导的对称轴所形成的角。在该方向上，应该注意，角分布非常接近x＝0；因此，大多数的光线以8到9°的最大偏移而平行于光导32的轴传播，由此以接近90°的角射到传感器的表面。在“y”方向上，观察到宽的统计分布，鉴于在该方向上入射角为光线在光导的内表面上的全反射角，这并不令人惊奇。由此存在却受光导的接收角限制的连续值。
图8B示出了图8A视图的y＝0截面。注意，在“x”方向上，光线的入射角没有超过10°。
图9为抛物线轮廓的图示，该轮廓被限定为被称为CPC(复合抛物线聚光器)的抛物线聚光器的中心截面。如果θi为抛物线的接收角且2a’为抛物线输入直径，那么抛物线的焦距f为：
f＝a’(1+sinθi)
抛物线的长度L为：
L＝a’(1+sinθi)cosθi/sin2θi，并且
抛物线输出直径为：
a＝a’/sinθi。

Claims (12)

1.一种用于数据显示装置(56)的照明系统，所述照明系统包括光导(30)，由光源(38)产生的光被注射到所述光导(30)中，所述照明系统的特征在于，所述光导(30)包括抛物线形状的平面光注射和准直区(32)，所述抛物线包括通过顶点(40)而彼此连接的两个分支(48a，48b)，所述光源(38)被设置为与所述顶点(40)相对，所述抛物线的对所述平面注射和准直区(32)的轮廓定界的所述分支(48a，48b)被平面提取区(36)扩展以使光在所述波导(30)内部传播，所述提取区(36)具有矩形截面并被设置有光提取器(54)，以及特征在于，如果θi为所述抛物线的接收角且2a’为抛物线输入直径，那么所述抛物线的焦距f为：
f＝a’(1+sinθi)
抛物线的长度L为：
L＝a’(1+sinθi)cosθi/sin2θi，并且
抛物线输出直径为：
a＝a’/sinθi。
2.根据权利要求1的照明系统，其特征在于，在所述光导(30)的所述注射和准直区(32)与所述提取区(36)之间插入梯形的中间区(44)，所述梯形为等腰梯形并通过其大的底边(46)而被连接到对所述注射和准直区(32)定界的所述抛物线分支(48a，48b)。
3.根据权利要求1的照明系统，其特征在于，所述注射和准直区(32)包括被设置在所述抛物线的对称轴(X-X)的两侧的两个直线槽(42a，42b)，这两个槽(42a，42b)在所述光提取区(36)的方向上彼此远离。
4.根据权利要求2的照明系统，其特征在于，所述注射和准直区(32)包括被设置在所述抛物线的对称轴(X-X)的两侧的两个直线槽(42a，42b)，这两个槽(42a，42b)在所述光提取区(36)的方向上彼此远离。
5.根据权利要求3的照明系统，其特征在于，所述槽(42a，42b)与所述抛物线的所述对称轴(X-X)形成3°的角。
6.根据权利要求4的照明系统，其特征在于，所述槽(42a，42b)与所述抛物线的所述对称轴(X-X)形成3°的角。
7.根据权利要求1到6中任一项的照明系统，其特征在于，在所述注射和准直区(32)与所述提取区(36)之间插入透射区(34)，所述透射区(34)至少包括矩形的第一平面部分(50)。
8.根据权利要求7的照明系统，其特征在于，所述第一平面部分(50)被第二半圆柱形部分(52)扩展，所述第二半圆柱形部分(52)又被平行于所述注射和准直区(32)的所述提取区(36)扩展。
9.根据权利要求8的照明系统，其特征在于，所述数据显示装置为反射型。
10.根据权利要求9的照明系统，其特征在于，所述数据显示装置为液晶单元(56)、电泳或胆甾醇型显示装置、微光电机械系统、电润湿型显示装置或表盘。
11.根据权利要求1的照明系统，其特征在于，所述光源(38)为点光源。
12.根据权利要求11的照明系统，其特征在于，所述光源(38)为发光二极管。
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