CN102906608B - 光波导装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于照亮、照明和显示目的的光波导装置，该装置展示了具有预定的并且优选地均匀的角亮度分布的输出光。该装置包括光波导（13）和多个提取特征（10、11），光波导适合于引导耦合到其的光，多个提取特征定位在光波导的一个或多个表面上。多个提取特征包括第一(11)和第二提取特征的交错模式，这些提取特征的布置提供了用于定义输出光的预定的角亮度和空间亮度分布的设备。该装置待产生的均匀的角亮度分布，其即使当光波导弯曲或者屈曲时也被维持。

Description

光波导装置

技术领域

本发明涉及用于照亮、照明和显示目的的光波导装置，并且特别地，涉及展示具有预定的并且优选地均匀的角亮度分布的输出光的光波导装置。

背景技术

很多光波导装置对于本领域中的技术人员是已知的。这些装置用于一系列功能，包括照明、背光、标识和显示目的。例如，使用光纤照明技术来产生平坦的、可弯曲的照明面板用于LCD背光在本领域中是已知的。在这种装置中，用于引导光的塑料或者玻璃光纤被交织到平坦的、可弯曲的照明面板中，例如参见美国专利号6,874,925。然而这种装置具有展示低的角均匀性的光输出，尤其是在照明面板是弯曲或者屈曲的时候。

可选地，使用平坦的或者楔形形状的透明面板用于背光照明、背光、标识和显示目的是已知的。这种装置的实例由发明人在PCT公布号WO2005/101070中提供并且示意性地呈现在图1中，如一般由参考数字1表示的。在这里，光源2边缘耦合到平面光波导3中。然后，由于全内反射的效应，由光源2生成的光4传播到平面光波导3内。然后，平面光波导3的表面上的提取特征5例如隆起部、凹痕、凹槽、墨点或者线条使光4能够避免全内反射条件。

存在由提取特征5使用来干扰全内反射的两种主要物理原理，即，反射和折射。反射涉及与光波导3的表面上的反射材料相互作用的光4，光4被吸收以及然后重新发射并因此破坏全内反射的效应。白色材料例如白墨水通常被用作反射介质。白墨水在任意方向上发射光(通常被称作散射)，并作为结果，散射光的一部分以低于全内反射条件所应用的临界角的角度入射在相对的表面上，并且因此然后光可以从该表面射出光波导3。

可选的解决方案是使用折射效应，其中出射表面的形状在小规模上被局部地修改，使得引导的光的有效入射角被改变成低于临界角，并且因此光可以按照斯涅耳定律射出。光波导3的表面的机械加工或者激光加工被采纳来实现该效应。可选地，在光波导3上的注塑模具、微模具或者微凸透明半球状微透镜特征或者如发明人在PCT公布号WO2009/141663中描述的不均匀显露的提取特征是已知的。折射技术一般比使用反射提取特征的技术给出对引导的光4的更有效和可控制的干涉。

所有上面描述的提取特征5的共同特征是它们展示低的角亮度均匀性，其转移到从装置1输出的光上。为了提供具有均匀的角亮度的外观的观测器6，将扩散器7定位在平面光波导3和观测器6之间在本领域中是已知的。被定位在平面光波导3的与观测器6相对的侧面上的反射器8常常用于提高到达观测器6的光水平。虽然扩散器7和反射器8的合并可以将来自平面装置的输出的角均匀度提高到例如大于90％，但是扩散器7和反射器8的合并不仅增加了装置1的制造成本，而且还增加了其总体厚度。

此外，发现当平面光波导3屈曲或者弯曲时扩散器7的有效性显著地降低，如对于某些应用所期望的。图2展示了图1的光波导装置1被形成为曲线形状的情况的示意性表示。作为由提取特征5控制的光的低的角均匀性的结果，看装置1的点A和点B的观测器6将看到不同的亮度级。因此，本领域中已知的非平面光波导装置1的输出光水平被发现随着视角显著地变化，导致如观测器6所看到的明亮区和黑暗区。

在PCT公布号WO2009/141663中，发明人描述了一种技术，其中在光波导3上以阵列形成的提取特征5的使用提供用于提高输出光的空间亮度，即，如沿着光波导3的输出表面的不同区域的法线观测的亮度的均匀性的设备。然而，所描述的装置仍然需要合并扩散器7，以便补偿在输出光的角亮度上的变化。

除上述内容之外，还存在关于对发光体要求的光分布的角度的控制的工业标准，例如欧洲标准EN12464-1：“The Lighting of Workplaces”。存在这些标准存在的多种原因，例如，照明可能引起干扰在现代计算机屏幕上的反射。由于此原因，该标准规定用于控制平均亮度的要求。对于正常的工作站，限制适用于1000cd/m²或者200cd/m²，取决于计算机屏幕。该限制适用于从65°开始的所有角度。对于关键的计算机屏幕活动，这从55°起的所有角度开始。

发明内容

因此，本发明的一个方面的目的是消除或者至少减轻本领域中已知的光波导装置的上述缺陷。

本发明的一个方面的另一个目的是提供一种允许输出光的预定角亮度分布的光波导装置，例如展示实质上均匀的角亮度的光输出的光波导装置。

本发明的一个方面的又一个目的是提供一种展示实质上均匀的角亮度的光输出的非平面光波导装置。

按照本发明的第一方面，提供一种包括光波导和多个提取特征的光波导装置，该光波导适合于引导耦合到其的光，多个提取特征被定位在光波导的表面上并且被布置成重定向所引导的光的一部分以便提供输出光，其中多个提取特征包括第一和第二提取特征的交错模式。

通过提供第一和第二提取特征的交错模式，可以产生输出光的预定的角亮度分布。

第一提取特征优选地产生输出光的第一角亮度分布分量。第二提取特征优选地产生输出光的第二角亮度分布分量。

最优选地，第一和第二提取特征的交错模式并且因此第一和第二角亮度分布的组合给输出光提供均匀的角亮度分布。有利地，光波导装置的均匀的角亮度分布被实现而无需使用扩散器或者反射器。这提供一种适合于提供均匀的角亮度的输出光的光波导装置，其与本领域中已知的光波导装置相比时具有减小的厚度和制造成本。

优选地，光波导装置还包括被布置成将光耦合到光波导中的一个或多个光源。

可选地，交错模式包括由第一和第二提取特征构成的元件的阵列。

该阵列可以包括不规则地隔开的元件的阵列。优选地，阵列的元件的位置离一个或多个光源越远，元件之间的间隔就越小。以这种方式，提取特征提供一种用于提高该装置的输出光的空间亮度均匀性的设备。

可选地，阵列包括规则地隔开的元件的阵列。优选地，阵列的元件的位置离一个或多个光源越远，元件的面积就越大。以这种方式，提取特征提供一种用于提高该装置的输出光的空间亮度均匀性的设备。

阵列可以包括第一和第二提取特征的交替的行或者列。可选地，阵列包括第一和第二提取特征的方格模式。

在又一可选实施方式中，交错模式可以包括超过两种类型的提取特征。

提取特征优选地被定位在光波导的公共表面上。然而提取特征可以被定位在光波导的相对表面上。

提取特征可以包括反射提取特征或者折射提取特征。

光波导可以是平面的。可选地，光波导可以是非平面的，例如屈曲或者弯曲的。

按照本发明的第二方面，提供了一种光波导装置，该光波导装置包括非平面光波导和多个提取特征，该非平面光波导适合于引导耦合到其的光，多个提取特征被定位在光波导的表面上并且被布置成重定向引导的光的一部分以便提供输出光，其中多个提取特征包括第一和第二提取特征的交错模式。

通过提供第一和第二提取特征的交错模式，可以产生输出光的预定的角亮度分布。

本发明的第二方面的实施方式可以包括实现本发明的第一方面的优选的或者可选的特征的特征，或者反之亦然。

按照本发明的第三方面，提供一种生产光波导装置的方法，该方法包括以下步骤：

-提供光波导，该光波导适合于引导耦合到其的光；以及

-将第一和第二提取特征的交错模式定位在光波导的表面上，以便提供用于形成输出光的设备。

定位交错模式的步骤可以给输出光提供均匀的角亮度分布。

定位交错模式的步骤可以包括将第一和第二提取特征定位在光波导的公共表面上。然而提取特征可以被定位在光波导的相对表面上。

该方法还可以包括将光源耦合到光波导的步骤。

本发明的第三方面的实施方式可以包括实现本发明的第一和第二方面的优选的或者可选的特征的特征，或者反之亦然。

按照本发明的第四方面，提供一种生产光波导装置的方法，该方法包括以下步骤：

-提供非平面光波导，该非平面光波导适合于引导耦合到其的光；以及

-将第一和第二提取特征的交错模式定位在光波导的表面上，以便提供用于形成输出光的设备。

本发明的第四方面的实施方式可以包括实现本发明的第一、第二和第三方面的优选的或者可选的特征的特征，或者反之亦然。

附图说明

当阅读以下的详细描述时并当参考以下的附图时，本发明的方面和优势将变得明显，其中：

图1展示了如本领域中已知的光波导装置的侧视图；

图2展示了图1中的光波导装置在屈曲或者弯曲时的示意性表示；以及

图3展示了：

(a)按照本发明的一方面的光波导装置的侧视图；以及

(b)按照本发明的一方面的光波导装置的底视图。

图4展示了镜像微透镜提取特征与耦合在图3的光波导装置内的光的相互作用的示意性表示；

图5展示了以下项的亮度与观测角度的关系曲线：

(a)图3的光波导装置的第一提取特征；

(b)图3的光波导装置的第二提取特征；以及

(c)图3的第一和第二提取特征的组合输出。

图6展示了适合于用作折射提取特征的结构的一个实例，即，具有非对称的三角形形状的横截面的圆柱体；

图7展示了适合于用作以下项的结构的另一可选实例：

(a)图3的光波导装置的第一提取特征，即，具有反射涂层的微透镜；以及

(b)图3的光波导装置的第二提取特征，即，微透镜；

图8展示了可以被用作光波导装置内的提取特征的可选的表面特征的侧剖面；以及

图9示出了光波导装置的一个可选实施方式的平面图。

具体实施方式

参照图3，展示了按照本发明的一方面的光波导装置9的侧视图和底视图。光波导装置9可以被看到包括以LED的形式的光源2的阵列，光源2边缘耦合至平面光波导3。定位在平面光波导3的整个外表面上的是多个第一光提取特征10和第二光提取特征11。第一光提取特征10和第二光提取特征11按照交错模式部署在平面光波导3的整个表面上。

图3(b)提供第一光提取特征10和第二光提取特征11之间的交错模式的进一步细节。如可以看到的，交错模式包括第一光提取特征10和第二光提取特征11的交替的行。可以看到，提取特征离光源2越远，提取特征10和11的表面面积就增大。

在图3中展示的实施方式中，第一光提取特征10和第二光提取特征11是反射提取特征，并且被定位在平面光波导3的公共表面上。特别是，第一提取特征10包括涂有反射涂层的微透镜。图4示意性地展示了这些镜像微透镜与耦合在光波导3内的光4的相互作用的进一步细节。第二光提取特征11可以包括非对称的或者对称的3-d形状，其形成三角形或者金字塔形状、随机微透镜、v型凹槽、如下面图8(a)中展示的圆柱体。

图5展示了亮度与观测角度的关系曲线。图5(a)中展示的这些曲线中的第一个示出了光波导装置9的第一提取特征10的亮度与观测角度的关系曲线。第一提取特征10的亮度分布是不均匀的。特别是，图5(a)的亮度曲线被看到是关于0°观测角非对称的，更多的光在-180°到0°范围内被提取。

图5(b)中展示的这些曲线中的第二个示出了光波导装置9的第二提取特征11的亮度与观测角度的关系曲线。亮度分布再次是不均匀的，但是这次亮度曲线被看到是关于0°观测角非对称的，更多的光在0°到180°范围内被提取。

由于第一光提取特征10和第二光提取特征11以交错模式部署在平面光波导3的整个表面上，它们倾向于相互补偿，使得光波导装置9的亮度与观测角度的关系曲线作为整体实质上是均匀的，如图5(c)所展示的。作为结果，光波导装置9展示了实质上均匀的角亮度的光输出。

通过安排提取特征10和11距离光源2越远提取特征10和11的表面面积就增大，提取特征10和11还提供用于提高装置9的输出光的空间亮度均匀性的设备。可选地，可以通过安排提取特征10和11被定位成离光源2越远提取特征10和11之间的间隔就减小来实现装置9的输出光的空间亮度的提高的均匀性。

在光波导装置9b的可选实施方式中，第一光提取特征10b和第二光提取特征11b均是折射提取特征并且再次被定位在平面光波导3的公共表面上。图6展示了以具有非对称的三角形形状的横截面的圆柱体形式的这种提取特征10b和11b的一个实例。本领域中的技术人员将认识到，为了提供具有图6的提取特征10b和11b的均匀的角亮度分布，必须在光波导3的任一端使用光源2。作为结果，从图6的右手边耦合的光提供图5(a)的亮度与观测角度的关系曲线，而从左边耦合的光提供图5(b)的亮度与观测角度的关系曲线。整体效果是这些折射提取特征10b和11b的交错模式提供如图5(c)所展示的光波导装置9b的亮度与观测角度的关系曲线。作为结果，光波导装置9b展示了实质上均匀的角亮度的光输出。

以与以上描述的方式类似的方式，提取特征10b和11b的表面面积或者间隔的适当选择可以用于还提供具有均匀的空间亮度的光波导装置9b。

本领域中的技术人员将认识到，第一提取特征10可以包括反射提取特征，而第二光提取特征11可以包括折射提取特征，或者反之亦然。图7(a)展示了一个这样的合适的反射提取特征10c，其包括以具有反射涂层的第一透明半球状微透镜的形式的平面光波导3的表面的形状上的变化。这种部件提供图5(a)中所示的类型的亮度与观测角度的关系曲线。以类似的方式，没有镜像涂层的第二透明半球状微透镜11c也用于提供第二折射提取特征。这种部件提供图5(b)中所示的类型的亮度与观测角度的关系曲线。在本实施方式中，必须在与将看到输出光的位置相对的平面光波导3的侧面上合并反射器8，以便提供具有实质上均匀的亮度的光输出的光波导装置9c。

将认识到，可以采用可选的交错模式。例如交错模式可以包括：

1)第一光提取特征10和第二光提取特征11的交替的列；

2)被布置为方格模式的第一光提取特征10和第二光提取特征11；

3)第一光提取特征10和第二光提取特征11的较不规则的布置，例如提取特征可以在两个或者多个行或者列中被分组，或者随机地定位在平面光波导3的整个表面上的阵列内。在这种实施方式中，输出光的均匀性可能减小。

4)被布置在1)至3)中描述的模式中的任一种中的超过两种类型的提取特征。

在除了只包括反射提取特征5的实施方式以外的所有上面描述的实施方式中，提取特征5可以被定位在平面光波导3的相对表面上。然而，这是较不优选的布置，因为使装置较厚和提高制造成本是可能的。

使用上面的布置，本领域中的技术人员将认识到，来自光波导装置9的输出光的均匀性质不取决于光波导是平面的。因此，现在光波导可以是弯曲或者屈曲的而没有输出光的均匀性质的显著退化。因此，观测器将看不见明亮区域和黑暗区域，因为它们改变光波导装置9的它们的视角，即使光波导装置是非平面的。实际上，使用展示大曲率(弯曲半径＞10cm)的光波导装置的上述装置，实现了观测器的高均匀性水平(＞70％)。

光波导装置9的可选实施方式可以包括被定位在平面光波导3的相对表面上的第一光提取特征10和第二光提取特征11。作为例子，图8展示了可以被用作提取特征10和11的可选的表面特征。图8(a)所示的提取特征包括反射涂层并且因此适合于用作反射提取特征，而如图8(b)所示的提取特征不包括反射涂层并且因此适合于用作折射提取特征。可以看出，图8的表面特征包括非对称的或者对称的3-d形状，其形成微透镜、三角形或者金字塔形状、随机微透镜、v型凹槽、圆柱体。

参照图9进一步说明光波导装置9的柔韧性。特别是，图9示出了包括具有两种不同类型的提取特征的交错模式的光波导装置9d的平面图。在本实施方式中，光波导装置9d被预期从光波导3的任一侧照射，因此提取特征展示了不同的表面面积密度，以便允许均匀的空间照明分布，以及将由该装置提供的均匀的角亮度分布。

部署有提取特征的反射涂层可以是镜面的(反射镜)或者非镜面的(白色)。

光源2可以包括单个LED或者相同或者不同颜色的多个LED。光源可以被定位在光波导的一个或多个边缘处。光源2可以被嵌入光波导3内或者定位在形成于光波导3中的孔或者口中。光源2在光波导3内或者在整个光波导3上的分布可以是规则的2-d模式，例如六角形或者正方形，或者可以按照不规则方式随着在整个光波导上变化的LED的密度而改变。光源2可以是边缘发光的、侧面发光的、或者顶部发光的LED封装。光源2可以是LED、超辐射发光LED、微腔或者激光二极管芯片。光源2可以是荧光灯。

光波导3可以在横截面上是正方形、矩形、圆形或者任何其它规则的形状。可选地，光波导3可以具有不规则形状的横截面。光波导3的尺寸可以从1厘米到2米变化，并且厚度范围从0.1毫米到10毫米。

单独的光提取特征10和11的尺寸(x，y，z)可以在1微米到1厘米的范围内。光提取特征10和11可以是具有光子带隙、衍射或者非线性光学特性的纳米结构。

虽然第一提取特征10和第二提取特征11的上述交错模式已被设计为产生装置的均匀的输出，将认识到，可以通过提取特征10和11的慎重选择和部署来产生输出光的可选的预定亮度分布。能够控制“任务”照明和/或“装饰”照明的角分布例如对于减少汽车(其中仅朝着两个前面的乘员引导输出光是合乎需要的)内的内部顶灯或在办公室环境(其中大部分光被引导到工作区中的桌子是合乎需要的)内的眩光是重要的。

本发明固有地具有优于本领域中已知的光波导装置的显著优势。在第一实例中，可以为平面光波导装置实现均匀的光输出而无需使用扩散器或者反射器。这在与本领域中已知的光波导装置比较时提供了适合于具有减小的厚度和制造成本的光波导装置。

另外，来自光波导装置的输出光的均匀性质被维持，即使该装置是弯曲或者屈曲的，即，非平面的。这显著地增加了目前描述的光波导装置的潜在应用，例如低成本的能量有效的美学上令人愉快的灯、用于弯曲或者柔性的显示器和标志的背光灯、用于显示和照明的汽车和航空电子设备内部、对医学产品的照明。这些是空间亮度分布和角分布可以在需要时被优化用于输送光的所有应用。

描述了用于照亮、照明和显示目的的光波导装置，其展示了具有预定的并且优选地均匀的角亮度分布的输出光。该装置包括光波导和定位在光波导的一个或多个表面上的多个提取特征，光波导适合于引导耦合到其的光。多个提取特征包括第一和第二提取特征的交错模式，这些提取特征的布置提供了一种用于定义输出光的预定的角亮度和空间亮度分布的设备。该装置允许待产生的均匀的角亮度分布，其即使当光波导弯曲或者屈曲时也被维持。

本发明的前述描述为了说明和描述的目的而被提出，并且没有被规定为无遗漏的或者将本发明限制于所公开的精确形式。选择和描述所述实施方式，以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域中的其它的技术人员能够最好地在各种实施方式中并且以适合于所设想的特定用途的各种修改来利用本发明。因此，可以合并另外的修改或改进，而不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (19)

1.一种包括光波导和多个提取特征的光波导装置，所述光波导适合于引导耦合到该光波导的光，所述多个提取特征被定位在所述光波导的一个或多个表面上并且被布置成重定向所引导的光的一部分以提供来自所述光波导装置的输出光，所述多个提取特征包括第一提取特征和第二提取特征的交错模式，所述第一提取特征产生所述输出光的第一角亮度分布分量，且所述第二提取特征产生所述输出光的第二角亮度分布分量，其中所述第一角亮度分布分量和所述第二角亮度分布分量的组合给所述输出光提供均匀的角亮度分布。

2.根据权利要求1所述的光波导装置，其中所述光波导装置还包括被布置成将光耦合到所述光波导中的一个或多个光源。

3.根据权利要求1或2所述的光波导装置，其中所述交错模式包括由所述第一提取特征和所述第二提取特征构成的元件的阵列。

4.根据权利要求3所述的光波导装置，其中所述阵列包括不规则地隔开的元件的阵列。

5.根据权利要求4所述的光波导装置，其中所述阵列的所述元件的位置离所述一个或多个光源越远，则所述阵列的所述元件之间的间隔就越小。

6.根据权利要求3所述的光波导装置，其中所述阵列包括规则地隔开的元件的阵列。

7.根据权利要求6所述的光波导装置，其中所述阵列的所述元件的位置离所述一个或多个光源越远，所述阵列的所述元件的面积就越大。

8.根据权利要求3至7中的任一项所述的光波导装置，其中所述阵列包括所述第一提取特征和所述第二提取特征的交替的行或者列。

9.根据权利要求3至7中的任一项所述的光波导装置，其中所述阵列包括所述第一提取特征和所述第二提取特征的方格模式。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的光波导装置，其中所述交错模式包括超过两种类型的提取特征。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的光波导装置，其中所述多个提取特征被定位在所述光波导的公共表面上。

12.根据权利要求1至10中的任一项所述的光波导装置，其中所述多个提取特征被定位在所述光波导的相对表面上。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的光波导装置，其中所述多个提取特征包括反射提取特征或者折射提取特征。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的光波导装置，其中所述光波导是平面的。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的光波导装置，其中所述光波导是非平面的。

16.一种生产光波导装置的方法，所述方法包括：

-提供光波导，所述光波导适合于引导耦合到该光波导的光；

-将第一提取特征和第二提取特征的交错模式定位在所述光波导的一个或者多个表面上，以提供用于形成来自所述光波导装置的输出光的设备；

-从所述第一提取特征产生所述输出光的第一角亮度分布分量；

-从所述第二提取特征产生所述输出光的第二角亮度分布分量；以及

-将所述第一角亮度分布分量和所述第二角亮度分布分量组合以给所述输出光提供均匀的角亮度分布。

17.根据权利要求16所述的生产光波导装置的方法，其中通过将所述第一提取特征和所述第二提取特征定位在所述光波导的公共表面上来形成所述交错模式。

18.根据权利要求16所述的生产光波导装置的方法，其中通过将所述第一提取特征和所述第二提取特征定位在所述光波导的相对表面上来形成所述交错模式。

19.根据权利要求16至18中的任一项所述的生产光波导装置的方法，其中所述方法还包括将光源耦合到所述光波导的步骤。