CN103238090A - 准直波导设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种准直波导、一种光学背光设备及一种产生辐射电磁能的准直波束的方法。一种准直波导包括用以接收来自点源的辐射电磁能的输入表面及用以发出实质上准直辐射电磁能的输出波束的输出表面。所述波导的第一准直表面接收从所述输入表面进入、在第一方向上行进的所述辐射电磁能的波束，且将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直波束。所述波导的第二准直表面接收辐射电磁能的所述实质上准直波束，且朝向所述输出表面重定向所述实质上准直波束。一种光学背光设备包括用以接收准直波导的反射性腔及定位在所述准直波导的输出表面上的漫射器。

Description

准直波导设备及方法
技术领域
背景技术
普通液晶显示器(LCD)架构利用使用定位在LCD像素后面的背光单元来提供照亮图像。所述背光单元从背面照亮LCD且通过改进LCD显示器的亮度及对比度而允许在低照明或甚至明亮阳光条件下在小型及大型显示器中观看所述图像。LCD背光可为全色或单色。彩色LCD显示器(例如用于LCD电视机或LCD计算机监视器的那些显示器)一般使用白色背光来覆盖大多数的彩色光谱。先前，这些背光利用微型荧光管作为其光源，最近，这些背光单元利用发光二极管(LED)作为其优选光源。
所有扭转向列(TN)及超扭转向列(STN)LCD由于TN及STN液晶材料的光学特性而遭受在宽观看角度下的不良性能。色彩偏移及降低对比度的熟知现象是由于穿过在高角度处观看的光线的液晶(LC)材料对在约法向角处观看的光线的液晶材料的光学路径长度的差异。LCD设计者已尝试通过仔细选择LC材料且通过使用各种LCD修改来克服此问题。
大型背光系统用在各种显示系统中，包含膝上型或笔记型计算机系统、大屏幕LCDTV屏幕、阳光可读航空/汽车显示器、飞机控制显示器及医学显示系统(列举一些)。包含全球定位系统(GPS)导航系统的系统(例如商务飞机驾驶仓显示器及汽车显示器)需要最明亮背光LCD显示器及对于飞行员及副飞行员LCD显示器引导输出光到不对称视场中且对于汽车GPS显示器引导到较小范围的能力。
大多数常规背光单元并有亮度增强薄膜(BEF)。所述BEF另外称为棱镜片，且通过在光学衬底薄膜上形成棱镜图案而制成所述BEF。当所述BEF被并入在背光的前表面上时，所述BEF用于使光集中朝向背光的输出侧。本质上，所述棱镜片是用于增加亮度水平同时使所消耗功率保持恒定的薄膜。所述BEF薄膜使未接受到棱镜薄膜输出中的来自波导/漫射器系统的朗伯(Lambertian)光再循环，所述棱镜薄膜输出准直所述光到约±23°的角视场中。此类型光学系统限制准直视场及在LCD显示器的输出侧上使用微透镜薄膜阵列或全像漫射器薄膜的能力，因为光已被准直为约+/-10°以使用出射孔径上的这些视场调节薄膜。此外，并有再循环薄膜(例如BEF)的常规背光单元产生65°到70°的视场中的次级光输出发出。此可造成不需要光进入许多光学系统，从而造成总体光学系统设计的额外复杂性。
发明内容
各种实施例提供一种准直波导、一种光学背光设备及一种产生辐射电磁能的准直波束的方法。在一个实施例中，一种准直波导包括用以接收来自点源的辐射电磁能的输入表面及用以发出实质上准直辐射电磁能的输出波束的输出表面。所述波导的第一准直表面接收从所述输入表面进入、在第一方向上行进的所述辐射电磁能的波束，且将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直波束。所述波导的第二准直表面接收辐射电磁能的所述实质上准直波束，且朝向所述输出表面重定向所述实质上准直波束。
附图说明
图1是准直波导的一个实施例的透视图。
图2是图1中展示的准直波导的实施例的侧视图。
图2A是图2中展示的准直波导的实施例的准直表面的细节图。
图3是图1中展示的准直波导的实施例的俯视图。
图4是图1中展示的准直波导的实施例的仰视图。
图5是图1中展示的准直波导的实施例的另一透视图。
图6是图1中展示的准直波导的实施例的另一透视图。
图7是图1中展示的准直波导的实施例的前视图。
图8是光学耦合到点源的准直波导的一个实施例的透视图。
图9是图8中展示的准直波导的实施例的另一透视图。
图10是图8中展示的准直波导的实施例的另一透视图。
图11是图8中展示的准直波导的实施例的侧视图。
图12是图8中展示的准直波导的实施例的俯视图。
图13是图1及图8中展示的准直波导的实施例的输入表面的细节图。
图14是图1及图8中展示的准直波导的实施例的准直表面的细节图。
图15说明点源的发光二极管(LED)源模型的角输出曲线。
图16说明图15的发光二极管(LED)源模型的光谱分布曲线。
图17是图形描绘从准直波导的一个实施例的输出表面发出的光的照度或光学功率的曲线。
图18是图形描绘从准直波导的一个实施例的输出表面发出的光的照度或光学亮度的曲线。
图19是图形描绘从准直波导的一个实施例的输出表面发出的光的发光强度的曲线。
图20是从准直波导的一个实施例的输出表面发出的光的角输出强度的曲线。
图21说明准直光学背光的一个实施例。
图22是使用准直波导及/或准直光学背光产生辐射电磁能的准直波束的方法的图。
具体实施方式
在详细论述各实施例之前，应注意，所述实施例并不将其应用或使用限于随附图式及描述中说明的构造细节及元件布置。说明性实施例可实施或并入在其它实施例、变体及修改中且可以各种技术实践或实行。关于一个实施例所描述的特征或元件可并入其它实施例中。本文揭示的准直波导及准直背光设备的实施例及配置仅是说明性的，且并不意味着限制本发明的范围或应用。此外，除非另有指示，否则本文使用的术语及表达已为便于读者出于描述说明性实施例而选择且并不限制本发明的范围。
如本文使用，术语辐射电磁能指可见光光谱及不可见光光谱中的波长的光，包含介于紫外线波长到红外线波长范围内的波长的光。术语光学及/或光学的一般指从紫外线波长到红外线波长的可见光光谱及不可见光光谱中的光的行为。因为光是电磁波，所以电磁辐射的其它形式(例如X射线、微波及无线电波)显示类似性质。因此，术语辐射电磁能并不必须限于光，且意欲涵盖电磁辐射的其它形式(例如X射线、微波及无线电波)。
在一个普遍方面中，所揭示实施例提供解决LCD装置外部而不是所述LCD内部的问题的用于LCD的新操作原理。在一个方面中，将充分准直光(小于约+/-10°)提供到TN或STN，LCD将引起高对比度且无色彩偏移。因为大多数应用要求较宽观看角度，所以提供漫射屏幕以在准直波束通过LC单元之后扩展所述准直波束。此观看屏幕应具有高效率及周围光的低后向散射以便维持高对比度。在各种实施例中，薄膜微透镜阵列及全像漫射器是用以满足这些要求的特别好的选择。此外，高度准直光提供在充分薄背光单元中以便保持总体封装薄度，其为这些显示器的最具吸引力特征中的一者。以薄且有效格式制造这两个元件提供对色彩偏移及对比度的解决方案与所述LCD单元外部的观看角度。此将引起用于许多应用(例如LCD TV、笔记型计算机、汽车导航及航空显示器)中的明显改进且简化的LCD。
在一个普遍方面中，所揭示实施例是关于准直波导、准直光学背光及使用本文揭示的所述准直波导及准直光学背光的各种实施例产生辐射电磁能的准直波束的方法。在一个实施例中，所述准直波导并有使用具有最小厚度及重量的单一光学组件的光学双通设计。辐射电磁能由输入表面接收且在第一方向上行进。当所述辐射电磁能在与所述第一方向相反的第二方向上行进时，由准直辐射电磁能射线的第二表面反射所述辐射电磁能。在所述相反方向上行进的所述准直辐射电磁能由第三表面重定向，所述第三表面准直所述辐射电磁能，且以对输出表面的实质上法向角将所述辐射电磁能耦合出到所述输出表面。在一个实施例中，所述辐射电磁能在所述准直波导内通过全内反射(TIR)重定向。第5,404,869及5,655,832号美国专利中揭示TIR透镜元件的实例，所述案以引用方式并入本文中。
在一个实施例中，准直光学背光接收来自单一点源的辐射电磁能。所述辐射电磁能光学被耦合到所述准直波导中且重定向到狭窄(±5°)的准直且均匀的角视场。准直波导定位在(例如，嵌套)高效率(85%到99%)白色漫反射性材料内。在一个实施例中，全像漫射器或薄膜微透镜阵列放置在所述准直波导的输出表面上以产生预定视场用于从所述LCD单元的输出孔径发出的准直光。
并入有光学双通设计的单一光学组件准直波导的实施例减小了精确光学元件的总数目，且因此减小了成本。此外，在母版(master)工具中界定准直及耦合元件的光学对准，因此使制造误差最小化且使生产良率最大化。
图1到7说明准直波导100的一个实施例。在说明的实施例中，准直波导100包括：输入表面102，其用以接收来自点源(举例来说，例如发光二极管(LED))的辐射电磁能(例如，光)；及输出表面104，其用以发出实质上准直辐射电磁能的输出波束。第一准直表面106接收从输入表面102进入、在第一方向上行进的辐射电磁能的波束120，且将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直波束122。在所说明的实施例中，第一准直表面106也是反射性表面。第二准直表面108接收辐射电磁能的实质上准直波束122，且朝向输出表面104重定向或向外耦合所述实质上准直波束。在一个实施例中，辐射电磁能的重定向波束124以实质上法向于输出表面104的角度从输出表面104发出。在所说明的实施例中，第二准直表面108也是反射性表面。辐射电磁能的重定向波束124向外耦合到狭窄的准直且均匀的角视场。应了解，重定向波束124的出射角并不限于法向角，且可预先确定为比相对于会造成TIR发生的输出表面104的法线的临界角小的任何适宜出射角。因此，重定向波束124将会实质上准直且将会以大于相对于输出表面104的法线的临界TIR角的角度离开输出表面104。
如图2中展示，准直波导100具有界定角度θ1的楔形体。在一个实施例中，楔形角θ1约7°。然而，所述实施例并不限于这些特定尺寸。确切的说，可利用介于约6°到约8°范围内的楔形角θ1来实现所揭示实施例的适宜实施方案，且在一个实施例中，θ1可为介于约5°到约9°的范围内。
在一个实施例中，准直波导100的输入表面102包括微结构。所述微结构包括由特定顶角及半径界定的微棱镜特征以耦合来自点源(举例来说，例如LED)的辐射电磁能。在一个实施例中，所述微棱镜特征包括多个线性棱镜105，每一线性棱镜105界定顶角、顶部尖端半径及底部尖端半径。在说明的实施例中，所述顶部尖端半径大于所述底部尖端半径。在其它实施例中，所述顶部尖端半径可大于所述底部尖端半径。图1到7中展示的准直波导100的输入表面102实质上类似于图8到14中展示的准直波导200的输入表面202。
现在参考图7及13，在一个实施例中，输入表面202包括间隔开距离s1的多个线性棱镜205。线性棱镜105(205)中的每一者可由顶角θ2、第一顶部尖端半径r3及第二底部尖端半径r4界定。在图7及13中说明的实施例中，线性棱镜105(205)的间隔约0.1毫米(约100微米)，顶角θ2约80°，顶部尖端半径r3约50微米，且底部尖端半径r4约10微米。然而，所述实施例并不限于这些特定尺寸。确切地说，可利用介于约0.09毫米到约0.11毫米(约90微米到约110微米)范围内的间隔距离、介于约70°到约90°范围内的顶角θ2、介于约40微米到约80微米范围内的顶部尖端半径r3及介于约1微米到约20微米范围内的底部尖端半径r4来实现所揭示实施例的适宜实施方案。
现在参考图7，在一个实施例中，输入表面102的光学作用输入区域可从约1.4毫米(h)乘约3毫米(w)的范围内选择，其中h是高度且w是宽度。然而，所述实施例并不限于这些特定尺寸。确切地说，可在输入表面102具有介于约1毫米到约2毫米范围内的高度h及介于约2毫米到约4毫米范围内的宽度w的情况下实现所揭示实施例的适宜实施方案。
返回到图1到7，在一个实施例中，准直波导100的输出表面104实质上光学平坦以使表面粗糙度最小化。在图1到7中说明的实施例中，输出表面104是光滑未涂布光学TIR表面。因此，辐射电磁能的输入波束120可通过输出表面104的TIR重定向在准直波导100内。在一个实施例中，输出表面104具有约4:3的纵横比。在图3中说明的实施例中，输出表面104具有光学作用区域，所述区域具有约20毫米的长度l0、约15毫米的宽度w0及沿对角线测量的约2.54厘米(～1.0")的孔径。然而，所述实施例并不限于这些特定尺寸。确切地说，可在所述光学作用区域具有介于约1毫米到约100毫米范围内的长度l0及介于约0.75毫米到约75毫米范围内的宽度w0的情况下实现所揭示实施例的适宜实施方案。在不限制所揭示实施例的范围情况下，其它适宜纵横比包含例如大屏幕笔记型计算机及大屏幕LCD TV中当前流行的16:9的X:Y纵横比。应了解，可根据输出表面104的期望纵横比及期望光学作用区域按比例调整上文参考输入表面102所论述的尺寸。
仍参考图1到7，在一个实施例中，准直波导100的第一反射/准直表面106包括弯曲表面。所述弯曲表面可由第一半径r1(如图2中展示)及第二半径r2(如图3中展示)界定。在说明的实施例中，所述弯曲表面是球面且因此r1=r2，且曲率半径可由单一半径r1=r2界定。在一个实施例中，所述球面可具有约55毫米的曲率半径r1=r2。第一反射/准直表面106的表面可为光滑的，且可具有约18毫米的宽度w0及约4.1毫米的高度h0。然而，所述实施例并不限于这些特定尺寸。确切地说，可在曲率半径在约45毫米到约65毫米的范围内、所述宽度w0在约16毫米到约20毫米的范围内且所述高度h0在约1毫米到约6毫米的范围内的情况下实现所揭示实施例的适宜实施方案。
在一个实施例中，第一反射/准直表面106的表面可为反射性的。所述反射性表面可由金属材料(例如保护性铝)或具有特定反射率的其它反射性金属或非金属材料制成。
图2A是图2中展示的准直波导的实施例的准直表面的细节图。在一个实施例中，准直波导100的第二反射/准直表面108包括在所述第二反射/准直表面108的内部部分上形成的微结构。也就是说，所述微结构定位在准直波导100的本体部分内，以重定向辐射电磁能的实质上准直波束122。所述微结构朝向输出表面104重定向准直波束122。重定向波束124向外耦合到输出表面104作为实质上准直均匀波束。在一个实施例中，所述微结构包括棱镜特征，例如(举例来说)多个线性棱镜109，每一线性棱镜109界定具有预定间隔的多个棱镜(例如，阶梯状)特征。多个线性棱镜109朝向输出表面104射出辐射电磁能的入射准直波束122。可选择所述棱镜特征(例如，线性棱镜109)的间隔距离s2，以使重定向到输出表面104的经射出辐射电磁能波束124的均匀度最优化。如图2A中展示，线性棱镜109的每一棱镜特征包括第一琢面110及第二琢面112。第二琢面112是相对于轴线A形成角度的射出琢面。在一个实施例中，第一琢面110相对于实质上平行于输出表面104的轴线A形成第一角度θ3，且第二琢面112(例如，射出表面)相对于轴线A形成第二角度θ4。在所说明的实施例中，第一角度θ3小于第二角度θ4。所述棱镜特征的间隔由距离s2界定。在所说明的实施例中，间隔s2约0.1毫米，第一角度θ3约10°且第二角度θ4约37.5°。然而，所述实施例并不限于这些特定尺寸。确切地说，可在间隔s2在约0.09毫米到约0.11毫米(约90微米到约110微米)的范围内、第一角度θ3在约9°到约11°的范围内且第二角度θ4在约33.75°到约41.25°的范围内的情况下实现所揭示实施例的适宜实施方案。
在一个实施例中，准直波导100的第二反射/准直表面108包括反射性表面。所述反射性表面可由金属材料(例如保护性铝)或具有特定反射率的其它反射性金属或非金属材料制成。
在图1到7中所说明的实施例中，可使用注塑成型或类似制造技术将准直波导100制造为单一光学组件。举例来说，可使用压缩成型、组合注塑及压缩成型、铸造、紫外线(UV)铸造固化卷轴式工艺及/或使用金刚石研磨切割工艺(举例来说)的机械加工来制造准直波导100。换句话说，包含输入表面102、第一反射/准直表面106及第二反射/准直表面108的准直波导100的本体可整体形成为单一光学组件。包括所述微结构(例如，所述线性棱镜)的输入表面102及第二反射/准直表面108可经成型且可使两者平移上对称以促进常用母版制作(mastering)技术，像飞切钻石车削。此外，输入表面102及第二反射/准直表面108的所述微棱镜特征可经制造而具有相对浅轮廓以使在组件冷却阶段期间的收缩效应最小化。在第一实施例中，第一(例如，弯曲)准直表面106可制造为具有55毫米曲率半径的球面，且对表面翘曲或自标称曲率半径的轻微变化实质上不敏感。然而，所述实施例并不限于此背景。
在其它实施例中，准直波导的本体部分可与所述微结构特征分开制造。举例来说，可使用注塑成型、压缩成型、注塑及压缩成型的组合、铸造、UV铸造固化卷轴式工艺及/或机械加工将所述准直波导的所述本体部分制造为单一组件。接着，可在分开的工艺中制造包括所述微结构特征的组件。举例来说，可使用常规薄膜制作技术将包括所述微棱镜特征的组件(例如所述输入表面及所述第二准直表面)分开制造为包括所述棱镜微结构的薄膜。包括所述棱镜微结构的所述薄膜接着可施加到或层压到所述准直波导的所述本体上。
图8到14说明准直波导200的一个实施例。在所说明的实施例中，准直波导200包括：输入表面202，其用以接收来自点源203(例如，LED)的辐射电磁能(例如，光)；及输出表面204，其用以发出实质上准直辐射电磁能的输出波束。第一准直表面206接收从输入表面202进入、在第一方向上行进的辐射电磁能的波束220，且将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直波束222。第二准直表面208接收辐射电磁能的实质上准直波束222，且朝向输出表面204重定向或向外耦合所述实质上准直波束。在一个实施例中，辐射电磁能的重定向波束224以实质上法向于输出表面204的角度从输出表面204发出。辐射电磁能的重定向波束224向外耦合到狭窄的准直且均匀的角视场。在各种其它实施例中，重定向波束224可重定向为以比相对于输出表面204的法线的临界TIR角大的角度离开输出表面204的实质上准直波束。
在操作中，图8到14中说明的准直波导200实质上类似于图1到7中展示的准直波导100的操作。然而，可通过首先制造光滑本体211且接着将包括输入表面202微棱镜结构的第一薄膜及包括第二准直表面208微棱镜微结构的第二薄膜施加(例如，层压)到光滑本体211上来制造准直波导200。最终，准直波导200以类似于先前论述的关于图1到7中展示的准直波导100的方式表现为单一光学组件。
如图11、图14中展示，第二准直表面208薄膜施加(例如，层压)到准直波导200的光滑本体211部分上。第二准直表面208的微棱镜特征实质上类似于参考图1到7描述的准直波导100的第二反射/准直表面108的微棱镜特征。在一个实施例中，准直波导200的第二准直表面208包括在施加到本体211的薄膜上形成的微结构。所述棱镜微结构重定向准直波束222，且重定向波束224向外耦合到输出表面204作为实质上准直均匀波束。在一个实施例中，所述棱镜微结构包括棱镜特征，例如(举例来说)多个线性棱镜209，每一线性棱镜209界定具有预定间隔的多个棱镜(例如，阶梯状)特征用于射出辐射电磁能的入射准直波束222。可选择所述棱镜特征(例如，线性棱镜209)的间隔尺寸，以使重定向到输出表面204的经射出辐射电磁能波束224的均匀度最优化。如图14中展示，线性棱镜209的每一棱镜特征包括第一琢面210及第二琢面212。第二琢面212是相对于轴线A形成角度的射出琢面。在一个实施例中，第一琢面210相对于实质上平行于输出表面204的轴线A形成第一角度θ3，且第二琢面212(例如，射出表面)相对于轴线A形成第二角度θ4(例如，射出琢面角度)。在所说明的实施例中，第一角度θ3小于第二角度θ4。所述棱镜特征的间隔由距离s2界定。在所说明的实施例中，间隔s2约0.1毫米，第一角度θ3约10°且第二角度θ4约37.5°。然而，所述实施例并不限于这些特定尺寸。确切地说，可在间隔s2在约0.09毫米到约0.11毫米(约90微米到约110微米)的范围内、第一角度θ3在约9°到约11°的范围内且第二角度θ4在约33.75°到约41.25°的范围内的情况下实现所揭示实施例的适宜实施方案。
在一个实施例中，准直波导200的第一准直表面206及第二准直表面208包括反射性表面。所述反射性表面可由金属材料(例如保护性铝)或具有特定反射率的其它反射性金属或非金属材料制成。
准直波导100、200的实施例可由多种光学材料制造。在一个实施例中，准直波导100、200可由透明且低散射的光学聚合物制造。此些光学聚合物的实例包含(但不限于)丙烯酸、聚碳酸酯及氧化硅。在一个实施例中，举例来说，准直波导100、200可由光学等级丙烯酸制造，其中n=1.49。
在各种实施例中，准直波导100、200提供具有预定亮度、均匀度及角光谱的相应准直输出波束124、224。在一个实施例中，输出波束124、224在具有2流明的输出的20毫安LED驱动电流(每LED10毫安)下可具有约3,500fl(footlambert(尺朗伯))(约12,000尼特(Nit))的亮度。在另一实施例中，输出波束124、224在具有4流明的输出的40毫安LED驱动电流(每LED20毫安)下可具有约6,000fl(约41,000尼特)的亮度。输出波束124、224可具有小于10%的均匀度及±10°FWHM(半高全宽)的角光谱。
在各种实施例中，点源203可包括任何适宜辐射电磁能源，举例来说，包含白炽灯泡、一个或一个以上LED、电致发光面板(ELP)、一个或一个以上冷阴极荧光灯(CCFL)或热阴极荧光灯(HCFL)。点源203可产生彩色光，但在各种实施例中也涵盖白光LED背光。在一个实施例中，点源203可包括一个或一个以上红色-绿色-蓝色(RGB)LED点源。
在各种实施例中，点源203可为具有包含紫外线到红外线波长范围内的波长的光的可见光光谱及/或不可见光光谱中的波长的光源。在各种其它实施例中，辐射电磁能点源203可为X射线、微波及无线电波的源。在一个实施例中，点源203可经配置以辐射单一单色波长的光。所属领域的技术人员将了解，点源203可包括一个或一个以上发光元件，当所述发光元件由电源供能时，其可经配置以辐射可见光光谱以及不可见光光谱中的电磁能。所述可见光光谱(有时称为光学光谱或发光光谱)是人眼可见(例如，可检测到)的电磁光谱的部分，且可称为可见光或简称为光。典型人眼将响应于从约380纳米到约750纳米的空气中的波长。所述可见光光谱是连续的，且在一种颜色与下一种颜色之间不具有明显边界。以下范围可用作为彩色波长的近似值：
紫色：约380纳米到约450纳米；
蓝色：约450纳米到约495纳米；
绿色：约495纳米到约570纳米；
黄色：约570纳米到约590纳米；
橙色：约590纳米到约620纳米；及
红色：约620纳米到约750纳米。
不可见光光谱(即，非发光光谱)是位于所述可见光光谱之下及之上(例如，约380纳米之下及约750纳米之上)的电磁光谱的部分。所述不可见光光谱不可由人眼检测到。大于约750纳米的波长长于红色可见光光谱，且其变成不可见红外线、微波及无线电电磁辐射。小于约380纳米的波长短于紫色光谱，且其变成不可见紫外线、X射线及γ射线电磁辐射。
在一个实施例中，可以预定阵列或布置处置经配置以辐射可见光光谱中的光的多个光源203。当光源203由电源系统供能时，光源203适宜用于背光设备的特定均匀预定光谱输出。
图15到16说明可光学耦合到准直波导100、200的典型LED光源的相应角输出及光谱分布。图15说明点源的发光二极管(LED)源模型的角输出曲线300。角输出曲线300假设根据LED模型Toyoda Gosel E1566-YW1K7-09描述的LED点源203用于具有1.2毫米乘2.8毫米的输出大小的侧面发光矩形LED。LED角输出是36°FWHM高斯分布。角输出曲线300图形描绘相对于所述LED的法向平面由所述LED点源输出的波束302的扩展。如所展示，波束302从法线(即，90°)扩展±22.5°。
图16说明图15的所述发光二极管(LED)源模型的光谱分布曲线320。光谱分布曲线320图形描绘所述LED点源沿x轴的波长对沿y轴的权重。如所展示，所述LED是在约450纳米的波长处具有最大输出及约550纳米的较低输出的白色(磷光体)。
图17到20分别图形说明从相应准直波导100、200的相应输出表面102、204发出的准直输出波束124、224的照度(光学功率)、照度(亮度)、发光强度及角输出。到来自LED点源203的准直波导100、200中的输入功率是2.0流明(3.2伏、7毫安及30%LED效率)。准直输出波束124、224的输出功率是0.44流明。光学效率(其为所述输出功率(0.44流明)对所述输入功率(2.0流明)的比率)是(0.44/2.0)*100=22%。
图17是图形描绘从相应准直波导100、200的输出表面102、204发出的光的照度332或光学功率的曲线330。输出表面104、204具有光学作用区域，所述光学作用区域具有约20毫米的长度l0、约15毫米的宽度w0及沿对角线测量的约2.54厘米(～1.0")的光学孔径。以“勒克斯(Lux)”为单位的照度标尺334展示在照度曲线332的右边。如图17中展示，平均照度是在约7.2%的对比率下具有约1450勒克斯。
图18是图形描绘从相应准直波导100、200的输出表面102、204发出的光的照度342或光学亮度的曲线340。输出表面104、204具有光学作用区域，所述光学作用区域具有约20毫米的长度l0、约15毫米的宽度w0及沿对角线测量的约2.54厘米(～1.0")的光学孔径。以“尼特”为单位的照度标尺344展示在照度曲线342的右边。如图18中展示，平均照度在约8.5%的对比率下为约15,200尼特。
图19是图形描绘从相应准直波导100、200的输出表面102、204发出的光的发光强度352的曲线350。输出表面104、204具有光学作用区域，所述光学作用区域具有约20毫米的长度l0、约15毫米的宽度w0及沿对角线测量的约2.54厘米(～1.0")的光学孔径。以“坎德拉(Candela)”为单位的发光强度标尺354展示在发光强度曲线352的右边。如图19中展示，峰值发光强度在约±4.2°的角范围下为约15坎德拉。
图20是从相应准直波导100、200的输出表面102、204发出的光的角输出强度的曲线360。如图20中展示，峰值发光强度在约±4.2°的角范围下为约15坎德拉。
图21说明准直光学背光400的一个实施例。在图21中说明的实施例中，准直光学背光400包括反射性腔402及定位在所述反射性腔402内的准直波导100、200(如本文所揭示及描述)。在一个实施例中，反射性腔402包括高效率白色漫反射性材料，其中所述材料的反射率可为99%。
现在参考图1到14描述的准直波导100、200的实施例，准直波导100、200包括：输入表面102、202，其接收来自点源203的辐射电磁能；输出表面104、204，其发出实质上准直辐射电磁能的输出波束124、224；第一反射/准直表面106、206，其接收从输入表面102、202进入、在第一方向上行进的辐射电磁能的波束120、220且将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直波束122、222；及第二反射/准直表面108、208，其接收辐射电磁能的所述实质上准直波束122且朝向输出表面104、204重定向实质上准直波束124、224。上文论述准直波导100、200的实施例及其操作，且出于简明及清楚此处将不重复。
现在参考图1到14及21，准直光学背光400进一步包括耦合到准直波导100、200的所述输入表面的辐射电磁能的源。在一个实施例中，辐射电磁能的所述源可为LED。
在一个实施例中，准直光学背光400包括定位在准直波导100、200的输出表面104、204上方的漫射器404。将了解，可使用各种类型的漫射器404，且在一个实施例中，漫射器404包括在其上形成的全像图案。漫射器404将来自准直波导100的输出表面104、204的辐射电磁能重定向到狭窄的准直且均匀的角视场。在图21中说明的实施例中，漫射器404是10°角漫射器，其提供约10°的角视场。全像漫射器的实例在SPIE2003年11月第5186卷中David G.Pelka、Kavita Patel的“An Overview of LED Applications forGeneral Illumination”(《Conference Proceedings Paper》)及2003年10月《OE Magazine》第3卷第10号第19页中David G.Pelka的“Keen Forms of Kinoforms-Kinoform-basedDiffusers Help Lighting Designers Leverage Unique LED Advantages”中予以描述，其两者以引用方式并入本文中。
图22是使用参考图1到21描述的准直波导100、200及/或所述准直光学背光的实施例产生辐射电磁能的准直波束的方法的图500。如图22中展示，在一个实施例中，所述方法包括：将来自点源的辐射电磁能光学耦合到输入表面中(502)；通过反射及全内反射(TIR)在第一方向上将来自输入表面102、202的所述辐射电磁能传输到第一反射/准直表面106、206(504)；通过第一反射/准直表面106、206将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直波束122、222(506)；通过第二反射/准直表面108、208将辐射电磁能的实质上准直波束122、222重定向为朝向准直波导100、200的输出表面104、204的实质上准直波束124、224(508)；及从输出表面104、204发出辐射电磁能的实质上准直波束124、224(510)。
在一个实施例中，光学耦合(502)包括通过微结构光学耦合所述辐射电磁能，其中所述微结构包括多个线性棱镜202(图13)，每一线性棱镜202界定顶角θ2、顶部尖端半径r4及底部尖端半径r3，其中顶部尖端半径r4大于底部尖端半径r3。
在一个实施例中，反射(504)包括通过输出表面104、204的内表面使所述光学耦合的辐射电磁能以TIR来反射。
在一个实施例中，重定向(508)包括通过各自界定具有预定间隔s2的多个棱镜特征的多个线性棱镜109、209反射辐射电磁能的实质上准直波束122、222，以使重定向到输出表面104、204的辐射电磁能的均匀度最优化，其中每一棱镜特征包括第一琢面110、210及第二琢面110、210。
在一个实施例中，发出(210)包括以相对于输出表面104、204的实质上法向角从输出表面104、204发出实质上准直辐射电磁能的输出波束124、224。
本文中揭示的尺寸及值不应理解为严格限于所引述的精确数值。而是，除非另外指定，每一此尺寸希望意指引述值与此值周围的功能等效范围两者。举例来说，揭示为“20毫米”的尺寸希望意指“约40毫米”。
虽然低轮廓背光设备在本文中说明且描述为体现在一个或一个以上特定实例中，但其并不希望限于所展示的细节。在不背离所述低轮廓背光设备的范围的情况下可做出各种修改及结构变化。任何修改及结构变化均在权利要求书的等效物的范围内。因此，宽泛地且以与以下权利要求书中阐述的所述低轮廓背光设备的范围一致的方式解释随附权利要求书是适当的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种准直波导，其包括：
输入表面，其用以接收来自点源的辐射电磁能；
输出表面，其用以发出实质上准直辐射电磁能的输出光束，其中所述输出表面是全内反射TIR表面，且其中所述辐射电磁能通过所述输出表面的TIR在所述准直波导内反射；
第一准直表面，其用以接收从所述输入表面进入、在第一方向上行进的所述辐射电磁能的光束，且在所述准直波导内将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向光束上行进的辐射电磁能的实质上准直光束；及
第二准直表面，其用以接收辐射电磁能的所述实质上准直光束且朝向所述输出表面重定向所述实质上准直。
2.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输入表面包括微结构。
3.根据权利要求2所述的准直波导，其中所述输入表面的所述微结构包括多个线性棱镜，每一线性棱镜界定顶角、顶部尖端半径及底部尖端半径，其中所述顶部尖端半径大于所述底部尖端半径。
4.根据权利要求3所述的准直波导，其中所述顶角为约80°，所述顶部尖端半径为约50微米，且所述底部尖端半径为约10微米，且其中所述多个线性棱镜间隔开约0.1毫米的距离。
5.根据权利要求2所述的准直波导，其中所述输入表面的所述微结构包括约1.4毫米乘约3毫米的光学作用输入区域。
6.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输出表面实质上光学平坦以使表面粗糙度最小化。
7.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输出表面是光滑全内反射TIR表面。
8.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输出表面具有约4:3的宽高比。
9.根据权利要求8所述的准直波导，其中所述输出表面具有约15毫米乘约20毫米的光学作用区域。
10.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输出表面具有约16:9的宽高比。
11.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述第一准直表面包括弯曲表面。
12.根据权利要求11所述的准直波导，其中所述弯曲表面是球面。
13.根据权利要求12所述的准直波导，其中所述球面包括约55毫米的曲率半径。
14.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述第二准直表面包括微结构。
15.根据权利要求14所述的准直波导，其中所述微结构包括多个线性棱镜，每一线性棱镜界定具有预定间隔的多个棱镜特征，以使重定向到所述输出表面的辐射电磁能的均匀度最优化，其中每一棱镜特征包括第一琢面及第二琢面。
16.根据权利要求15所述的准直波导，其中所述第一琢面相对于实质上平行于所述输出表面的轴形成第一角度且所述第二琢面相对于所述轴形成第二角度，且其中所述第一角度小于所述第二角度。
17.根据权利要求16所述的准直波导，其中所述棱镜特征的间隔为约0.1毫米，所述第一角度为约10°，且所述第二角度为约37.5°。
18.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述第一准直表面及所述第二准直表面是光学反射性表面。
19.根据权利要求18所述的准直波导，其中所述光学反射性表面是由金属材料制成。
20.根据权利要求19所述的准直波导，其中所述金属材料包括铝。
21.根据权利要求1所述的准直波导，其中从所述输出表面发出的实质上准直辐射电磁能的所述输出光束实质上法向于所述输出表面。
22.一种准直光学背光，其包括：
反射性腔；及
准直波导，其与所述反射性腔定位在一起，其中所述准直波导包括：
输入表面，其用以接收来自点源的辐射电磁能；
输出表面，其用以发出实质上准直辐射电磁能的输出光束，其中所述输出表面是全内反射TIR表面，且其中所述辐射电磁能通过所述输出表面的TIR在所述准直波导内反射；
第一准直表面，其用以接收从所述输入表面进入、在第一方向上行进的所述辐射电磁能的光束，且在所述准直波导内将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直光束；及
第二准直表面，其用以接收辐射电磁能的所述实质上准直光束且朝向所述输出表面重定向所述实质上准直光束。
23.根据权利要求22所述的准直光学背光，其进一步包括耦合到所述准直波导的所述输入表面的辐射电磁能的源。
24.根据权利要求23所述的准直光学背光，其中辐射电磁能的所述源是发光二极管LED。
25.根据权利要求22所述的准直光学背光，其包括定位在所述准直波导的所述输出表面上方的漫射器。
26.根据权利要求25所述的准直光学背光，其中所述漫射器包括全像图案。
27.根据权利要求25所述的准直光学背光，其中所述漫射器包括薄膜微透镜阵列。
28.根据权利要求25所述的准直光学背光，其中所述漫射器将来自所述准直波导的所述输出表面的所述辐射电磁能重定向到狭窄的准直且均匀的角视场。
29.根据权利要求28所述的准直光学背光，其中所述角视场约10°。
30.根据权利要求22所述的准直光学背光，其中所述反射性腔包括高效率白色漫射反射性材料。
31.一种产生辐射电磁能的准直光束的方法，所述方法包括：
将来自点源的辐射电磁能光学耦合到准直波导的输入表面中；
通过输出表面的全内反射TIR在第一方向上将来自所述输入表面的所述辐射电磁能传输到第一准直表面，其中所述输出表面是TIR表面；
在所述准直波导内通过所述第一准直表面将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直光束；
通过第二准直表面将辐射电磁能的所述实质上准直光束重定向为朝向所述输出表面的实质上准直光束；及
从所述输出表面发出辐射电磁能的所述实质上准直光束。
32.根据权利要求31所述的方法，其包括通过微结构光学耦合所述辐射电磁能，其中所述微结构包括多个线性棱镜，每一线性棱镜界定顶角、顶部尖端半径及底部尖端半径，其中所述顶部尖端半径大于所述底部尖端半径。
33.根据权利要求31所述的方法，其包括通过所述输出表面的内表面借助全内反射TIR反射所述光学耦合的辐射电磁能。
34.根据权利要求31所述的方法，其中通过所述第二准直表面重定向辐射电磁能的所述实质上准直光束包括：通过各自界定具有预定间隔的多个棱镜特征的多个线性棱镜反射辐射电磁能的所述实质上准直光束以使重定向到所述输出表面的所述辐射电磁能的均匀度最优化，其中每一棱镜特征包括第一琢面及第二琢面。
35.根据权利要求31所述的方法，其中从所述输出表面发出实质上准直辐射电磁能的输出光束包括：以相对于所述输出表面的实质上法向角从所述输出表面发出实质上准直辐射电磁能的输出光束。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
按专利合作条约第19条的修改的译文
申请人在国际阶段期间，根据PCT条约第19条的有关规定，对国际申请号为PCT/US2011/051238，国际申请日为2011年9月12日的PCT申请的权利要求书进行了修改。
随函附上权利要求书的全文替换页及下述声明一份。
声明
在国际搜索机构的第5号书面意见箱(书面意见书)中，权利要求1、22及31被确定为缺乏新颖性；权利要求2到121、23到30及32到35被确定为具有新颖性；权利要求1到35被确定为缺乏独创性。申请者不同意此判定。然而，申请者已按照专利合作条约第19条选择修正权利要求1、22及31，以阐明本国际申请案所主张的标的物，且进一步将所主张的标的物与ISR中引用的参考区别开来。申请者恭敬地认为修正本得到最初申请的国际申请案的完全支持且未引入新内容。
在支持以上判定时，书面意见书参考了在ISR中识别的以下文件D1到D3：
D1：2008年11月13日Amett Kenneth Edmund等人的US2008/278460A1；
D2：2004年1月29日Liang Thomas T.等人的US2004/019665A1；及
D3：2002年12月5日Koninkl Philips Electronics NV；Hoelen Christoph G.A.；Pfeffe的WO02/097324A1。
第一，申请者恭敬地认为D2与本国际申请案中揭示及主张的标的物完全不相干。D2是针对在多重网络上登录多个装置且一般不涉及光学，更不用说准直波导。因此，申请者请求澄清基于D2的拒绝且撤回支持书面意见书的D2。
第二，尽管D1是针对光透射本身，但D1未揭示及暗示输出面（出射面67）是“全内反射（TIR）表面，且其中辐射电磁能通过输出表面的TIR在准直波导内反射”，如权利要求1、22及31中所叙述，如所修正。此外，D1未揭示或暗示第一准直表面（准直元件40）在与所述第一方向相反的第二方向将辐射电磁能的实质上准直光束重定向到“准直波导内”...的本体（传输元件33）内，如在权利要求1、22及31中所叙述，如所修正。见D1，在图4到7、7C到D、9、11、13、16到17、20及说明书的相应部分处，例如，[00137]。而且，D1揭示准直元件40以实质上正交于输入光束的方向将光束重定向到重定向元件42，但不是如本国际申请案中揭示及主张的输入光束的相对或相反方向。见D1，在id处。重定向元件42接着通过出射面67重定向光学信号，出射面67平行于光束的原方向，不正交于光束的原方向，如本国际申请案中揭示及主张的，见D1在id处。
第三，D3揭示用于对显示器装置进行照明的小型背光系统。如图3A及4A、D3中展示，D3仅揭示包括光混合板5、光运输室9及光发射板9的照明系统。见D3，在图3A、15:8到32及图4A、16:26到32中。然而，D3未揭示或暗示输出面（前壁2）“是全内反射（TIR）表面，且其中辐射电磁能是通过输出表面的TIR在准直波导内反射，”如在权利要求1、22及31中所叙述，如所修正。此外，D3未揭示或暗示第二准直表面（反射内壁10）在与所述第一方向相反的第二方向上将辐射电磁能的实质上准直光束重定向回到“准直波导内”…的准直波导体（光混合板5）内，如在权利要求1、22及31中所叙述，如所修正。而且，D3仅揭示反射内壁10将经反射的光耦合到光发射板1的光输入边缘区4，光发射板1是与光混合板5完全分离的组件。见D3，在id处。然而，D3未揭示或暗示由反射内壁10反射的任何光以与输入光束相反的方向被耦合回到光混合板5中。而且，源自光源6的输入光束经由光输出边缘区8被耦合出光混合板5，其后，光被反射内壁10反射。见D3在ID处。
结论
申请者恭敬地提认为：国际申请案，如所修正，克服了在书面意见中陈述的关于新颖性及独创性的判定。申请者进一步请求撤回D2参考，因为其与所主张的标的物完全不相干。

Claims (35)

1.一种准直波导，其包括：
输入表面，其用以接收来自点源的辐射电磁能；
输出表面，其用以发出实质上准直辐射电磁能的输出波束；
第一准直表面，其用以接收从所述输入表面进入、在第一方向上行进的所述辐射电磁能的波束且将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向波束上行进的辐射电磁能的实质上准直波束；及
第二准直表面，其用以接收辐射电磁能的所述实质上准直波束且朝向所述输出表面重定向所述实质上准直波束。
2.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输入表面包括微结构。
3.根据权利要求2所述的准直波导，其中所述输入表面的所述微结构包括多个线性棱镜，每一线性棱镜界定顶角、顶部尖端半径及底部尖端半径，其中所述顶部尖端半径大于所述底部尖端半径。
4.根据权利要求3所述的准直波导，其中所述顶角为约80°，所述顶部尖端半径为约50微米，且所述底部尖端半径为约10微米，且其中所述多个线性棱镜间隔开约0.1毫米的距离。
5.根据权利要求2所述的准直波导，其中所述输入表面的所述微结构包括约1.4毫米乘约3毫米的光学作用输入区域。
6.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输出表面实质上光学平坦以使表面粗糙度最小化。
7.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输出表面是光滑全内反射TIR表面。
8.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输出表面具有约4:3的纵横比。
9.根据权利要求8所述的准直波导，其中所述输出表面具有约15毫米乘约20毫米的光学作用区域。
10.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述输出表面具有约16:9的纵横比。
11.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述第一准直表面包括弯曲表面。
12.根据权利要求11所述的准直波导，其中所述弯曲表面是球面。
13.根据权利要求12所述的准直波导，其中所述球面包括约55毫米的曲率半径。
14.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述第二准直表面包括微结构。
15.根据权利要求14所述的准直波导，其中所述微结构包括多个线性棱镜，每一线性棱镜界定具有预定间隔的多个棱镜特征，以使重定向到所述输出表面的所述辐射电磁能的均匀度最优化，其中每一棱镜特征包括第一琢面及第二琢面。
16.根据权利要求15所述的准直波导，其中所述第一琢面相对于实质上平行于所述输出表面的轴线形成第一角度，且所述第二琢面相对于所述轴线形成第二角度，且其中所述第一角度小于所述第二角度。
17.根据权利要求16所述的准直波导，其中所述棱镜特征的所述间隔为约0.1毫米，所述第一角度为约10°，且所述第二角度为约37.5°。
18.根据权利要求1所述的准直波导，其中所述第一准直表面及所述第二准直表面是光学反射性表面。
19.根据权利要求18所述的准直波导，其中所述光学反射性表面是由金属材料制成。
20.根据权利要求19所述的准直波导，其中所述金属材料包括铝。
21.根据权利要求1所述的准直波导，其中从所述输出表面发出的实质上准直辐射电磁能的所述输出波束实质上法向于所述输出表面。
22.一种准直光学背光，其包括：
反射性腔；及
准直波导，其定位在所述反射性腔内，其中所述准直波导包括：
输入表面，其用以接收来自点源的辐射电磁能；
输出表面，其用以发出实质上准直辐射电磁能的输出波束；
第一准直表面，其用以接收从所述输入表面进入、在第一方向上行进的所述辐射电磁能的波束，且将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直波束；及
第二准直表面，其用以接收辐射电磁能的所述实质上准直波束且朝向所述输出表面重定向所述实质上准直波束。
23.根据权利要求22所述的准直光学背光，其进一步包括耦合到所述准直波导的所述输入表面的辐射电磁能的源。
24.根据权利要求23所述的准直光学背光，其中辐射电磁能的所述源是发光二极管LED。
25.根据权利要求22所述的准直光学背光，其包括定位在所述准直波导的所述输出表面上方的漫射器。
26.根据权利要求25所述的准直光学背光，其中所述漫射器包括全像图案。
27.根据权利要求25所述的准直光学背光，其中所述漫射器包括薄膜微透镜阵列。
28.根据权利要求25所述的准直光学背光，其中所述漫射器将来自所述准直波导的所述输出表面的所述辐射电磁能重定向到狭窄的准直且均匀的角视场。
29.根据权利要求28所述的准直光学背光，其中所述角视场约10°。
30.根据权利要求22所述的准直光学背光，其中所述反射性腔包括高效率白色漫反射性材料。
31.一种产生辐射电磁能的准直波束的方法，所述方法包括：
将来自点源的辐射电磁能光学耦合到输入表面中；
通过反射及全内反射TIR在第一方向上将来自所述输入表面的所述辐射电磁能传输到第一准直表面；
通过所述第一准直表面将所述辐射电磁能反射成在与所述第一方向相反的第二方向上行进的辐射电磁能的实质上准直波束；
通过第二准直表面将辐射电磁能的所述实质上准直波束重定向为朝向输出表面的实质上准直波束；及
从所述输出表面发出电磁能的所述实质上准直波束。
32.根据权利要求31所述的方法，其包括通过微结构光学耦合所述辐射电磁能，其中所述微结构包括多个线性棱镜，每一线性棱镜界定顶角、顶部尖端半径及底部尖端半径，其中所述顶部尖端半径大于所述底部尖端半径。
33.根据权利要求31所述的方法，其包括通过所述输出表面的内表面借助全内反射TIR来反射所述光学耦合的辐射电磁能。
34.根据权利要求31所述的方法，其中通过所述第二准直表面重定向辐射电磁能的所述实质上准直波束包括：通过各自界定具有预定间隔的多个棱镜特征的多个线性棱镜反射辐射电磁能的所述实质上准直波束以使重定向到所述输出表面的所述辐射电磁能的均匀度最优化，其中每一棱镜特征包括第一琢面及第二琢面。
35.根据权利要求31所述的方法，其中从所述输出表面发出实质上准直辐射电磁能的输出波束包括：以相对于所述输出表面的实质上法向角从所述输出表面发出实质上准直辐射电磁能的输出波束。
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