CN102472866A - 用于照明光学元件的光收集器 - Google Patents

Abstract

提供了一种光收集器，以将来自光源的光收敛到照明光学元件的接受角范围，以及将收敛的光耦合到该照明光学元件中，其中该照明光学元件的接受角范围小于该光源的发射角范围。

Description

用于照明光学元件的光收集器

背景技术

为了在视觉上呈现信息，计算机显示器可包括光学系统。计算机输入装置也可以包括用于探测用户输入的光学系统。按照各种方式，计算机显示器和输入装置已经以多功能部件的形式被集成。一个这样的示例为光学触摸屏，其中在该光学触摸屏，用户输入被光学地探测并且通过在屏幕上出现的依赖于上下文的图形被引导。

在一些情形中，用于显示器和/或输入装置的比较小足印的光学系统的实际构造由于其中固有的僵硬的尺度约束而提出了挑战。传统光学工程的光引导方法在这些装置可能难以按比例缩小以提供满意的显示质量或输入功能。

发明内容

提供了一种光收集器，以将来自光源的光收敛到照明光学元件的接受角范围，以及将收敛的光耦合到照明光学元件中，其中照明光学元件的接受角范围小于光源的发射角范围。

将理解，上面的发明内容被提供从而以简化形式介绍概念选集，所述概念选集在下文的具体实施方式中予以进一步描述。此发明内容不是旨在确定所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由具体实施方式之后的权利要求书限定。再者，所要求保护的主题不限于解决在上文中或者在此公开内容的任何部分中指出的任何缺点的实施方式。

附图说明

图1示意性示出依据本公开内容的实施例的输入装置。

图2和3为示意性截面视图，其示出依据本公开内容的实施例的光学系统的各方面。

图4为透视图，其示出依据本公开内容的实施例的照明光学元件的各方面。

图5为透视图，其示出依据本公开内容的实施例的照明光学元件的较高边缘表面。

图6示意性示出依据本公开内容的实施例的照明光学元件的转向层的一部分。

图7示出依据本公开内容的实施例，对于三种不同场景的辐射强度与入射角函数的假设曲线。

图8略微示意性地示出依据本公开内容的实施例的光收集器。

图9略微示意性地示出依据本公开内容的实施例，布置在照明光学元件和光源之间的图8的光收集器实施例。

图10和11说明依据本公开内容的实施例的光收集器的收集区域的某些几何方面。

图12说明依据本公开内容的实施例的光收集器的模式去除器的截面。

具体实施方式

现在通过示例的方式并且参考某些所说明的实施例来描述本公开内容的主题。在一个或多个实施例中可以基本上相同的部件被协调地确定并且以最小的重复性予以描述。然而将指出，在不同实施例中协调地确定的部件可以至少部分不同。将另外指出，此公开内容中包括的图示是示意性的。所说明的实施例的视图不一定按比例绘制，并且长宽比、特征尺寸和特征数目可以被故意歪曲以使得更容易看清选择的特征或关系。

图1示意性示出一个示例实施例中的输入装置10。输入装置可配置成以任何合适的方式接受用户输入—例如，经由一个或多个机械按键、触摸感应输入区域和/或鼠标区域。另外，输入装置可呈现图形信息以引导用户输入，例如向用户指示按下和/或触摸特定区域将导致特定输入。因此，输入装置可具有绘在一个或多个机械按键上的字母数字字符。然而，在一些实施例中，至少一些用于引导用户输入的图形信息可以以在输入装置的一个或多个图像区域上渲染的可改变的、依赖于上下文的图像的形式呈现。比如，在图1中，输入装置10包括第一图像区域12和第二图像区域14。第一图像区域在一组可按下的按键16上方延伸，可改变的按键表面图像18可以从下方投影在该按键上。可改变的按键表面图像可以向用户指示按压特定按键的当前的、依赖于上下文的结果。

在一个实施例中，第二图像区域14可以是输入装置10的仅显示区域。可以从第二图像区域下方投影各种图像以提供信息给用户。在另一实施例中，第二图像区域可包括至少一些输入功能；例如它可以是电阻性、电容性或者基于光学的触摸感应区域。因此，在第二图像区域中提供的图像可以基本上如针对第一图像区域12所述被呈现以引导用户输入。

为了将各种依赖于上下文的、输入引导图像投影在第一和第二图像区域上，输入装置10包括光学系统20。光学系统可以布置在第一图像区域12和第二图像区域14的一个或多个之下，从而在其上投影依赖于上下文的、输入引导的图像。在所说明的实施例中，光学系统可操作地耦合到计算机22，该计算机配置成提供依赖于上下文的图像数据到光学系统。尽管在图1中示为与输入装置不同的分离的方框，在其它实施例中该计算机可以耦合在输入装置内，或者反之亦然。

自然地，计算机22可以可操作地耦合到输入装置10的其它部件并且配置成从输入装置接收输入数据。因此，计算机可配置成确定输入装置的各种机械按键开关的状态，问询输入装置的触摸感应输入区域和/或鼠标区域，等等。

图2和3为示意性截面视图，其示出在一个示例实施例中的光学系统20的各方面。这些图示示出从光学系统接收投影图像的机械按键16，其包括图像调制层24和背光元件26。图像调制层可以是配置成从背光元件接收光以及选择性地透射一个或多个图像到输入装置10的第一或第二图像区域的任何显示部件。在一个实施例中，图像调制层可包括液晶显示器（LCD）控制层—光闸元件的二维阵列，其配置成在空间上和在时间上调制来自背光元件的光的强度。在一个实施例中，光闸元件可以是耦合到红色、绿色和蓝色透射窗口的偏振LCD元件。在一个实施例中，图像调制层可以可操作地耦合到计算机22并且配置成从其接收合适的、依赖于上下文的图像数据。

在图2和3说明的实施例中，背光元件26包括光源28、照明光学元件30和光收集器32。光源可包括任何紧凑的可见光发射器—例如低廓形灯、电弧、放电和/或荧光发射器。然而，在一些实施例中，光源可包括一个或多个发光二极管（LED）。光源中的每个LED可发射一个可见光波段—例如红色、绿色或蓝色光，或者白色光。因此，一个或多个LED可配置成提供合适用于照射常规彩色LCD控制层的基本上白色光。

照明光学元件30可以是任何合适的光学元件，该光学元件配置成接纳光，并且对于在接受角范围内接纳的光，转向和准直所接纳的光，并且从出射面投影转向的、准直的、接纳的光。照明光学元件可以由在期望波长范围上是透射的任何合适材料形成，例如该期望波长范围为由光源28发射的波长范围。作为示例，合适材料包括玻璃、丙烯酸树脂和聚碳酸酯。如图2和3中所示，照明光学元件30可包括具有平面的且相对的上和下表面的基本上楔形光学元件。上和下表面一起限定该光学元件的楔角度，在一些实例中该楔角度可以为0至1度。在一个具体实施例中，楔角度可以是0.82度。相对的较矮和较高边缘表面毗邻上和下表面布置。通过较矮边缘表面，源于光源28的发散光被耦合到照明光学元件中并且朝向较高边缘表面扇出。较高边缘表面起到准直反射器的功能，将光往回朝向较矮边缘表面反射。在较矮和较高边缘表面之间，光经由全内反射（TIR）传播通过照明光学元件，并且由于仔细控制的不满足TIR条件而以受控方式逃离照明光学元件。在下述段落中，通过示例方式描述更具体地配置成提供这种功能的照明光学元件。然而将理解，各种其它配置的照明光学元件同样与本公开内容一致。

在一个实施例中，照明光学元件30的较矮边缘表面为基本上平面的并且相对于上和下表面倾斜地取向。较高边缘表面可以近似为两倍于较矮边缘表面的高度；它可以镀银或者可以否则支持宽波段反射性涂层。在图2中，虚拟的水平平分平面将照明光学元件的上表面反射在下表面上。因此，图3中示出的视图可以是光学系统20在该平分平面中的截面。在此和其它水平平面中，较高边缘表面可以在截面中为弧形，曲率半径近似为照明光学元件长度的两倍。此配置导致源于光源28的发散光沿着当投影在水平平面上时基本上准直的路径被反射回到较矮边缘表面。为了提供相对于竖直平面（即图2的观看平面）的准直，照明光学元件的较高边缘表面可以形成小面以产生菲涅耳类型反射器。特别地，基本上平面的小面的阵列可以沿着较高边缘表面而水平地行进。小面可以支持上文提到的反射性涂层。

图4为在一个实施例中的照明光学元件30的透视图，并且图5提供照明光学元件的较高边缘表面的放大的、略微示意性的视图，其示出了菲涅耳类型反射器。图4还在33示出此处提到的虚拟的水平平分平面。

现在回到图2和3，准直光在回到较矮边缘表面的途中可能经历在照明光学元件30的相对的上和下表面的多个反射。由于照明光学元件的楔形状，给定光射线的每个连续反射减小后续反射的入射角。结果，每个光射线将最终以亚临界入射角遇到相对的上和下表面其中之一并且折射离开照明光学元件。为了将此光向上重定向到图像调制层24，照明光学元件的下表面支持转向层34。转向层导致折射离开照明光学元件的光以非常浅出射角，例如基本上与水平平分平面33垂直而往回反射通过照明光学元件。以此方式，在适当入射角范围上耦合到照明光学元件中的光可以被向上投影，从而提供用于图像调制层的背光照明。

图6示出在一个示例实施例中的转向层34。转向层可包括低折射率披覆层36，其粘附并且光学耦合到照明光学元件30的下表面。披覆层确保大多数光逃离照明光学元件的下表面—即，结合到转向层的表面，而不是上表面。转向膜38布置在披覆层的相对侧面上。在一个实施例中，转向膜可包括镜像特征40的阵列。

通常，照明光学元件30的接受角范围（即，入射角范围，其中在该入射角范围上，光将耦合到光学元件中并且通过TIR在光学元件中传播）部分地由形成照明光学元件的材料的折射率决定以及部分地由照明光学元件的尺度决定。这种范围可以由一对极端射线角度（α，β）表征。此处，α可以限定投影到水平平分平面33中的极端射线角度，该角度是垂直于较矮边缘表面和水平平分平面的交线测量的；β可以限定投影到垂直水平平分平面并且垂直较矮边缘表面的平面中的极端射线角度，该角度是相对于水平平分平面测量的。极端射线角度α和β可以对应于耦合效率正在减小或者已经显著减小—到例如50%的角度。在一个实施例中，其中照明光学元件的折射率为1.49并且其中照明光学元件为320毫米长乘以189毫米宽，α可以为17.22度，并且β可以为11.60度。因而，α和β可以不相等；然而在一些实施例中，α和β可以相等。

在理想配配置中，光源28将被选择以在照明光学元件30的整个接受角范围上提供恒定光通量，并且在该接受角范围外不提供光。为了说明，理想辐射廓形与入射角的函数在图7中用实线代表。原则上，以大于接受角范围的入射角将光接纳到照明光学元件中会是不利的。这种光无法被定向到图像调制层以提供照明；相反，它将被折射离开照明光学元件并且会导致光学系统20中不期望的反射。然而，各种否则合适的光源自然地配置成发射发射角范围大于照明光学元件的接受角范围的光。例如，白光LED光源如上所述可根据朗伯强度廓形发射—例如在~3.1球面度的立体角上基本上恒定的亮度。

因此，现在回到图2和3，背光元件26包括光收集器32。光收集器可以是这样的任何光学元件，其配置成将来自光源28的光收敛（例如，角度收敛）到照明光学元件30的接受角范围，以及将收敛的光耦合到照明光学元件中。以此方式，光收集器可以将光源的辐射廓形转变为更密切匹配照明光学元件的接受角范围的辐射廓形。

图8示出在一个示例实施例中的光收集器32。图9示出布置在照明光学元件30和光源28之间的相同的光收集器，在所说明的实施例中该光收集器包括薄的矩形的发射层42。光收集器可以由任何合适的材料形成，该材料包括上文确定的合适于照明光学元件30的材料。在一个实施例中，光源可以经由基本上矩形的接触区域而机械和/或光学地耦合到光收集器。接触区域例如可以与光源的发射区域一致。

在一个实施例中，光收集器32可以是光学系统20的分立部件。在其它实施例中，光收集器可以集成到光学系统的一些其它部件中。比如，光收集器可以是照明光学元件30的一部分—例如由相同的聚合物单块形成。在一个实施例中，光收集器和照明光学元件可以共享一个公共的连续的材料相。在其它实施例中，分开形成的光收集器可以经由一个或多个薄的光学透明膜接合到照明光学元件。另外，将光收集器接合到照明光学元件的膜的至少其一可配置成抑制反射；它例如可包括干涉和/或二向色涂层。在另一实施例中，光收集器可以经由光学透明的折射率匹配的凝胶而耦合到照明光学元件。

在图8所示实施例中，光收集器32包括集成到一个无缝结构中的收集区域44和邻接区域46。在光收集器经由注射成型形成的实施例中，这种配置可以提供某些制造优势。它还可以使能更精确地相对于照明光学元件30定位光收集器。

在结构上，收集区域44包括具有六个平滑表面的固体。入射孔径48布置在所述表面其中之一上，并且出射孔径50布置在相对表面上。因此，光收集器32可以布置有该收集区域，并且对齐从而通过入射孔径接受来自光源28的光以及通过出射孔径将光投影在照明光学元件30上。在所说明的实施例中，通过出射孔径投影的光在到达照明光学元件的路径上被透射通过邻接区域46的桥接分段。

为了容易进一步描述，参照相对于光收集器32和照明光学元件30固定取向的笛卡尔坐标系是方便的。在此处使用的坐标系中，z轴与来自照明光学元件的照明的方向对齐，垂直于水平平分平面33；x轴与在水平平分平面中的照明光学元件的较长尺度对齐；并且y轴与在水平平分平面中的照明光学元件的较短尺度对齐。因而，xy平面与水平平分平面33相同。取坐标系的原点作为光源28的发射区域42的中心点，并且取光学系统的'机械轴'作为正x轴。

参考上文限定的坐标系，现在描述收集区域44的附加特征。通常，毗邻入射孔径48和出射孔径50的四个表面配置成经由TIR收敛进入入射孔径的光，以及在照明光学元件30的接受角范围内，将收敛的光反射离开出射孔径。特别地，收集区域可包括相对的表面的第一镜像图像对，其平行于xy平面对齐并且配置成将来自光源28的光收敛到小于α的角度。收集区域可进一步包括相对的表面的第二镜像图像对，其平行于xz平面对齐并且配置成将来自光源的光收敛到小于β的角度。为了提供期望的收敛，相对的表面的第一和第二镜像图像对的每个表面可以是弯曲的—例如按抛物线弯曲。然而，至少一对表面也可以包括一平面区域，该平面区域中断否则弯曲的区域，如下文所进一步描述。

为了在数学上描述收集区域44的结构，从两个平面图开始是方便的，即在xy平面中绘制的第一平面图以及在xz平面中绘制的第二平面图。两个平面图的每个随后垂直于其各自平面被拉伸（即，几何上投影），从而形成无限延伸的立体图。两个拉伸的立体图的相交处（即，它们之间共享的空间区域）在结构上限定收集区域。

图10和11说明在一个示例实施例中收集区域44的某些几何方面，并且特别是参考上文描述所基于的平面图。特别地，图10说明在xy平面中绘制的第一平面图52，以及图11说明在xz平面中绘制的第二平面图54。

如图10所示，第一平面图52包括抛物线分段I和线性分段II。第一平面图的抛物线分段可以按照下述方式构造。一旦α的值被选择，从xy平面中的点P绘制射线R，入射孔径的一个边缘在那里与该平面相交。射线被提取离开LED并且通过相对于机械轴x的角度α而旋转离开入射孔径48。射线R现在可以用作用于构造焦点位于P的抛物线的分段的轴。抛物线分段I位于与点P相对地布置的抛物线的分支上并且延伸离开入射孔径，直至其与射线R'相交，该射线R'为射线R在与xy平面正交并且平行于x轴的平面中的反射。因而，射线R'和抛物线的相交处限定抛物线分段的端点E以及出射孔径42的一个边缘。出射孔径的相对边缘与E'（与E对称的点）一致，即，这两个点为在与xy正交并且包含机械轴x的平面中的彼此的反射。因此得出，在说明的示例中，极端射线角度α的值不仅决定出射孔径42的尺寸，而且决定收集区域44的长度。

在一个实施例中，抛物线分段I可以一直延伸回到入射孔径48。在其中发射层42是理想地平坦的实施例中，这种配置可提供源和楔之间的良好耦合。然而，在其中发射层可具有显著厚度的其它实施例中，通过将抛物线分段仅仅部分延伸到入射孔径（图10中到点F），可以提高耦合效率。线性分段II随后被提供以跨过从F到入射孔径的区域。线性分段可具有这样的斜率，该斜率等于抛物线分段在点F的限制斜率。

如图11所示，第二平面图46也包括抛物线分段I和线性分段II，该第二平面图可以如针对第一平面图44所述那样构造，除了使用极端射线角度β取代极端射线角度α。

将理解，本公开内容涵盖了各种不同光收集器实施例，并且光收集器的具体尺度可以针对其中使用光收集器的每个光学配置而具体调适。然而，在其中α为17.22度并且β为11.60度的一个实施例中，入射孔径48可以为沿着y轴2.64毫米以及沿着z轴1.92毫米。出射孔径50可以为沿着y轴9.63毫米以及沿着z轴5.48毫米。在第一平面图52中，线性分段II可以在x方向上从入射孔径延伸1.81毫米，以及在第二平面图54中，该线性分段可以在x方向上从入射孔径延伸0.82毫米。光收集区域44可以在x方向上延伸9.00毫米，并且布置成与照明光学元件30距离5.30毫米，邻接区域46填充收集区域和照明光学元件之间的空间。

在一个实施例中，入射孔径48可以符合光源28的发射层42的尺度。然而，在其它实施例中，入射孔径在y和/或z方向上可以略微大于光源。相对于光源扩大入射孔径在这样的实施例会是有利的，其中组装和/或制造容差会导致发射层42和光收集器32之间的不完全对齐。

在达到合适的光收集器配置中，第一或第二平面图中线性分段II的长度以及入射孔径48的尺度可以在适当极限内调节。然而这种调节会致使从光收集器投影的光略微溢出或者略微未填满照明光学元件的接受角范围。在图7中，示出代表性的未填满（点虚线）和溢出（虚线）条件以供与理想廓形（实线）比较。通常，未填满接受角范围将导致在照明光学元件的边缘区域的不充分照明，而溢出将导致光学系统中不期望的杂散反射。

因此，在一个实施例中，在第一或第二平面图中线性分段II的长度以及入射孔径48的尺度可配置成在垂直照明光学元件的中心平面的平面中略微溢出照明光学元件的接受角范围。然而，为了消除不期望的杂散反射，光收集器32可包括模式去除器56，其布置在邻接区域46的桥接分段的外部，如图8和9所示。

图12说明在一个示例实施例中的模式去除器56的截面。模式去除器包括披覆层58和衰减层60。模式去除器的披覆层可以直接粘附并且光学耦合到光收集器32的邻接区域；它可包括折射率小于邻接区域的折射率的材料，并且选择为使得照明光学元件的期望的接受角范围以外的光泄漏到披覆层中并且折射通过披覆层。高折射率衰减层应用在披覆层上方。衰减层可包括合适数量的黑色染料、黑色颗粒等，使得折射通过披覆层的任何光在衰减层中被吸收。以此方式，在透射通过邻接区域时，溢出廓形可以被修正从而更好地匹配照明光学元件的接受角范围。在一个具体实施例，模式去除器的披覆层可包括'Norland光学粘合剂63'，并且衰减层可包括'Black Kapton?'，以上为Norland Products, Inc.(Cranbury, New Jersy)和E.I. du Pont de Nemours and Company(Wilmington, Deleware)的产品。

最后将理解的是，此处描述的物件、系统和方法在性质上是示例性的，以及这些特定实施例或示例不应在限制意义上考虑，因为许多变化被考虑到。因此，本公开内容包括此处描述的各种系统和方法的所有新颖且非显而易见的组合和子组合，以及其任何及所有等同物。

Claims (15)

1.一种光学系统包括：

照明光学元件，其具有出射面，该照明光学元件配置成接纳光，并且对于在接受角范围内接纳的光，转向和准直接纳的光，并且从出射面投影转向的、准直的、接纳的光；

光源，其配置成发射发射角范围大于接受角范围的光；以及

光收集器，其配置成将来自光源的光收敛到照明光学元件的接受角范围，以及将收敛的光耦合到照明光学元件中。

2.权利要求1的光学系统，其中该发射角范围符合基本上朗伯发射廓形。

3.权利要求1的光学系统，其中该光源包括发射白光的二极管。

4.权利要求1的光学系统，其中该接受角范围由投影在第一平面上的第一极端射线角度（α）和投影在第二平面上的第二极端射线角度（β）限定，第二平面与第一平面正交，并且其中第一极端射线角度大于第二极端射线角度。

5.权利要求4的光学系统，其中该光收集器的收集区域包括相对的表面的第一镜像图像对，其配置成将来自光源的光收敛到小于第一极端射线角度的角度。

6.权利要求5的光学系统，其中该光收集器的收集区域包括相对的表面的第二镜像图像对，其配置成将来自光源的光收敛到小于第二极端射线角度的角度。

7.权利要求6的光学系统，其中相对的表面的第一和第二镜像图像对的至少其一包括平面区域。

8.权利要求1的光学系统，其中该光源机械并且光学地耦合到该光收集器。

9.权利要求1的光学系统，其中该光收集器经由抗反射层耦合到该照明光学元件。

10.权利要求1的光学系统，其中该光收集器经由光学透明凝胶耦合到该照明光学元件。

11.权利要求1的光学系统，进一步包括图像调制层，其配置成选择性地透射一些从该照明光学元件投影的光作为在图像区域上形成的图像。

12.权利要求11的光学系统，进一步包括计算机，其可操作地耦合到该图像调制层和该光源，并且配置成控制在该图像区域上形成的图像。

13.权利要求12的光学系统，其中该图像区域包括键盘区域。

14.权利要求13的光学系统，其中该键盘区域包括一个或多个可按下的按键。

15.权利要求1的光学系统，其中该光收集器配置成将来自该光源的光耦合到照明光学元件中，其中该照明光学元件配置成投影在第一平面上投影的以低于第一极端射线角度接纳的光以及在第二平面上投影的以低于较小的第二极端射线角度接纳的光，第二平面与第一平面正交，该光收集器包括：

收集区域，其包括相对的表面的第一和第二镜像图像对，其中每个表面包括弯曲区域和平面区域，第一对配置成将来自光源的光收敛到小于第一极端射线角度的角度，并且第二对配置成将来自光源的光收敛到小于第二极端射线角度的角度；以及

邻接区域，其配置成机械地耦合到该照明光学元件，并且将来自该收集区域的光透射到该照明光学元件。

Images