CN109073201A - 用于标牌显示的背光 - Google Patents

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Abstract

显示装置(100)包括基于固态的光导照明装置(101)、一个或者多个三级反射器(170’)、和显示面板(180’)。照明装置和三级反射器为显示装置中的显示面板提供背光。所公开的显示器中的某些的构件被配置成使得一个或者两个三级反射器均匀地照亮显示面板的后部，从而当观察者例如在显示装置的正前方并且沿其光轴观察时，显示面板所有的区域具有均匀的亮度。而且，所公开的显示器中的某些的构件被配置成使得显示面板的后部被均匀地照亮，而与显示面板是直接地从照明装置还是从该一个或者两个三级反射器接收照明无关。

Description

用于标牌显示的背光
对相关申请的交叉引用
该申请根据美国法典第35条119(e)(1)款要求在2016年2月29日提交的美国临时申请No.62/301，493的利益，其通过引用并入本文的。
技术领域
本公开总体上涉及一种背光显示装置，并且更加具体地，涉及用于照亮特别地用于室内和室外标牌应用的显示面板的背光模块。
背景技术
光源在各种应用中使用，诸如提供一般照明和提供用于电子显示器(例如，LCD)的光。历史上，白炽光源已经广泛地用于一般照明意图。白炽光源通过将灯丝加热到高温直至它发光而产生光。用填充有惰性气体或者抽空的玻璃罩防止热灯丝在空气中氧化。白炽光源逐渐地在很多应用中被诸如荧光灯、紧凑型荧光灯(CFL)、冷阴极荧光灯(CCFL)、高强度放电灯、和固态光源诸如发光二极管(LED)的其他类型的电灯取代。
发明内容
公开了包括基于固态的光导照明装置、一个或者多个三级反射器，和显示面板的显示装置。照明装置和三级反射器为显示装置中的显示面板提供背光。所公开的显示器中的某些的构件被配置成使得一个或者两个三级反射器均匀地照亮显示面板的后部，从而当由观察者例如在显示装置正前方观察时，显示面板的所有的区域具有均匀的亮度。而且，所公开的显示器中的某些的构件被配置成使得显示面板的后部与显示面板是直接地从照明装置还是从一个或者两个三级反射器接收照明无关地被均匀地照亮。前面的跨三级反射器地亮度均匀性可以根据跨三级反射器地例如沿着向前方向最大亮度与最小亮度的比率来量化。
通常，在这里描述的技术的创新方面能够在包括以下方面中的一个或者多个的照明装置中实现：
在一个方面，一种显示装置包括布置成在向前方向上发射光的多个发光元件(LEE)，LEE沿着正交于向前方向的横向方向分布；光导，该光导包括沿着横向方向布置并且从光导的接收端延伸到光导的相对端的一对相对侧表面，光导被配置为将在接收端处从LEE接收的光在向前方向上引导到相对端；光学提取器(optical extractor)，其沿着横向方向伸长并且位于光导的相对端处以重定向所引导的光中的至少一些，并且在第一向后角度范围中输出所重定向的光中的至少一些作为第一输出光；第一反射器，其至少邻近光导的一对相对侧表面中的第一个，并且定位成在第一向前角度范围中反射第一向后角度范围中的光；和显示面板，其定位成接收在第一向前角度范围中来自第一反射器的光，并且透射所接收的光中的至少一些以显示图像。光学提取器和第一反射器的第一组合被配置成使得跨第一反射器的最大亮度与最小亮度的比率小于第一预定比率。
前面的和其他实施例能够每一个可选地独自地或者相组合地包括一个或者多个以下特征。在某些实施方式中，光学提取器被配置为直接地朝向显示面板在向前方向上发射所引导的光的一部分。在某些实施方式中，光学提取器被配置为重定向所有的所引导光并且输出所重定向的光作为第一输出光。
在某些实施方式中，显示面板是电子显示面板。在某些情形中，电子显示面板是液晶显示器面板。在某些实施方式中，显示面板是无源显示面板。
在某些实施方式中，显示装置进一步包括安装设备，该安装设备包括用于封装该多个LEE、光导、和光学提取器的外壳，和用于将显示面板安装到外壳的安装件。在某些情形中，第一反射器形成外壳的部分。在某些情形中，外壳封装第一反射器。在某些情形中，显示装置进一步包括固定到外壳的支架。
在某些实施方式中，显示装置进一步包括与LEE和显示面板通信的电子模块。在某些情形中，电子模块包括配置为向LEE供应电力的电源。这里，电子模块进一步包括配置为向显示面板提供图像数据的显示驱动器。此外，电子模块进一步被配置为根据供应到显示面板的图像数据来调制供应到LEE的电力。另外地，电子模块进一步被配置为调制供应到LEE的电力，从而在操作期间在所显示的图像中引起可感知的闪烁。
在某些实施方式中，标牌能够包括显示装置。
在某些实施方式中，第一预定比率小于5：1。在某些情形中，第一预定比率小于3：1。
在某些实施方式中，光学提取器包括固体光学器件，该固体光学器件包括：用于接收所引导的光的输入表面；平坦的第一向前输出表面，该第一向前输出表面用于在第三向前角度范围中向周边环境透射所引导的光的至少一部分；凸形的并且在输入表面和第一向前输出表面之间延伸的第一向后输出表面；和在输入表面和第一向前输出表面之间延伸的第一重定向表面，该第一重定向表面用于朝向第一向后输出表面反射所引导的光的另一个部分，该第一向后输出表面用于在第一向后角度范围中向周边环境透射反射光。在某些情形中，第一向后输出表面是漫射-透射性表面。此外，第一重定向表面在邻近于输入表面的部分上方是凸形的，并且在邻近于第一向前输出表面的部分上方是平坦的。进而，第一重定向表面和第一向前输出表面在顶点处交叉。
在某些实施方式中，第一反射器包括漫射-反射性表面。在某些实施方式中，显示装置进一步包括一个或者多个光学耦合器。这里，由LEE提供的光在第一角度范围中；光学耦合器被布置成接收由LEE提供的光并且在第二角度范围中将其重定向到光导的接收端；并且光导的数值孔径使得在第二角度范围中从光学耦合器接收的光能够由光导引导通过TIR而离开该一对相对侧表面。
在某些实施方式中，LEE是发射白光的LED。在某些实施方式中，从第一反射器的、邻近光导的边缘到光学提取器的、远离光导的边缘的距离小于3”。在某些实施方式中，第一反射器是凹形的，并且具有小于3"的垂度。
在某些实施方式中，光学提取器被配置成沿着光导的该相对侧表面中对的第二个，在第二向后角度范围中在周边环境中输出一些其他所重定向的光作为第二输出光；照明装置进一步包括第二反射器，其邻近于光导的该一对相对侧表面中的第二个并且与光学提取器隔开，以朝向目标表面在第二向前角度范围中反射在第二向后角度范围中的光；并且光学提取器和第二反射器的第二组合被配置为使得跨第二反射器地最大亮度与最小亮度的比率小于第二预定比率。在某些情形中，第二预定比率等于第一预定比率。在某些情形中，光学提取器、第一反射器和第二反射器的第三组合被配置为使得跨光学提取器、第一反射器和第二反射器地最大亮度与最小亮度的比率小于第三预定比率。此外，第三预定比率小于20：1。在某些情形中，光学提取器包括固体光学器件，该固体光学器件包括：用于接收所引导的光的输入表面；平坦的第一向前输出表面和平坦的第二向前输出表面，该第一和第二向前输出表面被布置成相对于光导镜面对称，并且被配置为在第三向前角度范围中向周边环境透射所引导光的一部分；凸形的并且在输入表面和第一向前输出表面之间延伸的第一向后输出表面，和凸形的并且在输入表面和第二向前输出表面之间延伸的第二向后输出表面，该第一和第二向后输出表面被布置成相对于光导镜面对称；第三向前输出表面，其配置为在第三向前角度范围中向周边环境透射所引导的光的另一部分；和在第一向前输出表面和第三向前输出表面之间延伸的第一重定向表面，和在第二向前输出表面和第三向前输出表面之间延伸的第二重定向表面，该第一和第二重定向表面被布置成相对于光导镜面对称，第一重定向表面用于朝向第一向后输出表面反射所引导的光的又一个部分，第一向后输出表面用于在第一向后角度范围中向周边环境透射由第一重定向表面反射的光，并且第二重定向表面用于朝向第二向后输出表面反射其余的所引导的光，第二向后输出表面用于在第二向后角度范围中向周边环境透射由第二重定向表面反射的光。此外，第三向前输出表面是凹形的。在某些情形中，第一和第二反射器被布置成相对于光导镜面对称。在某些情形中，第一和第二反射器包括漫射-反射性表面。
在附图和以下描述中阐述了在这里描述的技术的一个或者多个实施方式的细节。从描述、绘图和权利要求，所公开的技术的其他特征、方面和优点将变得清楚。
附图说明
图1A示出带有包括光导模块和一个或者两个三级反射器的背光的示例显示装置的截面。
图1B示出图1A的显示装置的透视图。
图1C示出安装在壁上的图1A的示例显示装置。
图1D示出安装在柱上的图1A的示例显示装置。
图2A-2C示出光导模块的一些方面。
图3A-3B示出包括光导模块和当由观察者在光导模块正前方并且沿其光轴观察时看起来被均匀地点亮的一对三级反射器的示例背光的一些方面。
图4A-4F示出图3A-3B的示例背光的光导模块的光学提取器的一些方面。
图5示出在图3A-3B的示例背光中使用的三级反射器的一些方面。
图6A-6B示出包括非对称光导模块和当由观察者在光导模块正前方并且沿其光轴观察时看起来被均匀地点亮的单个三级反射器的另一个示例背光的一些方面。
图7示出在图3A-3B的示例背光的模拟中使用的检测器的布置。
图8、9和10示出图4A-4B的示例背光的模拟的结果。
各绘图中的附图标记和名称示意示例性方面、本公开的具体特征的实施方式。
具体实施方式
图1A和图1B示出显示装置100的一个示例。显示装置100包括(i)具有固态光源的光导模块101，其也被称作照明装置；(ii)至少第一三级反射器170'；和(iii)显示面板180。光导模块101和(一个或者多个)三级反射器170’一起形成用于显示面板180的背光。显示面板180是透射性电子显示面板，诸如液晶显示器(LCD)面板。显示装置100还包括包含光源驱动器(例如，LED驱动器)、显示驱动器、和同步器的驱动模块。驱动模块和背光被包含在外壳103内，外壳103的侧面围绕显示面板180的周边形成边框。用于安装显示装置的元件被附接到外壳103。
在操作期间，响应于来自光源驱动器的信号，背光利用跨面板基本均匀强度的光照亮显示面板180的后部。显示驱动器向显示面板180发送图像信息从而显示图像。同步器例如协调光源驱动器和显示驱动器，以在图像被显示时调制背光提供给显示面板的光的亮度和/或颜色。
在某些实施方式中，除了第一三级反射器170'，显示装置100包括第二三级反射器170"。注意三级反射器170'、170"还简单地称作反射器170'、170"。
在这个示例中，显示装置100进一步包括支撑光导模块101和该一个或者两个三级反射器170'、170"的外罩102。这样，背光有效地朝向显示面板180的后表面引导、分布并且重定向由光导模块101的固态光源发射的光。例如，由固态光源发射的光被耦合到光导模块101的光导的端部中并且被沿着向前方向(例如，沿着z轴线)引导到其相对端，在此处光导模块的光学提取器140朝向第一三级反射器170'在第一向后角度范围145'中重定向被引导光的至少一个部分。并且，当还在显示装置100中包括第二三级反射器时，光学提取器140朝向第二三级反射器170"在第二向后角度范围145"中重定向被引导光的另一个部分。第一三级反射器170'朝向目标表面在第一向前角度范围155'中反射在第一向后角度范围145'中重定向的光。并且，当还在显示装置100中包括第二三级反射器时，第二三级反射器朝向显示面板180在第二向前角度范围155"中反射在第二向后角度范围145"中重定向的光。
如在这里所使用地，在一定“角度范围”中提供光指的是提供沿着一个或者多个主导方向传播的光，其中每一个主导方向相对于相应的主导方向存在发散。在这方面，术语“主导传播方向”指的是传播光的强度分布的部分沿其具有最大值的方向。例如，与该角度范围相关联的主导传播方向能够是(角度)强度分布的波瓣(lobe)的定向。还在该场境中，术语“发散”指的是在其外侧传播光的强度分布下降到低于强度分布的最大值的预定分数的立体角。例如，与该角度范围相关联的发散能够是强度分布的波瓣的宽度。根据照明应用，该预定分数能够是50％、10％、5％、1％，或者其他值。
在某些实施方式中，光学提取器140的输出表面是菲涅耳-透射性表面(即，通过这种表面透射的光的大部分经历折射，并且其中不大于4％的部分经历背反射)并且三级反射器170'、170"中的每一个的相应的反射性表面是漫射-反射性表面(即，从这种表面反射的光经历漫散射)。在其他实施方式中，光学提取器140的输出表面是漫射-透射性表面(即，通过这种表面透射的光的大部分经历漫散射)并且三级反射器170'、170"中的每一个的相应的反射性表面是镜面-反射性表面(即，从这种表面反射的光经历镜面反射)。在某些其他实施方式中，光学提取器140的输出表面和三级反射器170'、170"每一个的相应的反射性表面中的每一个包括漫射-反射性表面。这样，在第一向前角度范围155'中由背光提供的光的强度轮廓是朗伯轮廓(在图1中由第一“均匀”波瓣表示)。并且，当还在显示装置100中包括第二三级反射器时，在第二向前角度范围155"中由背光提供的光的强度轮廓也是朗伯轮廓(在图1中由第二“均匀”波瓣表示)。
在该示例显示装置100中，被引导光的其余部分在第三向前角度范围145"'中由光导模块101的光学提取器140输出。在图1中示意的该示例实施方式中，光学提取器140的出射表面是菲涅耳-透射性表面，从而在第三向前角度范围145'"中由凹槽灯具100发出的光的强度轮廓是“蝙蝠翼”轮廓(在图1中由蝙蝠翼形波瓣表示)。在其他实施方式中，光学提取器140的出射表面是漫射-透射性表面，从而在第三向前角度范围145'"中由凹槽灯具100发出的光的强度轮廓是朗伯轮廓，类似于在第一和第二向前角度范围155'、155"中的光的朗伯轮廓。在第三向前角度范围145'"中由背光发出的光被称为向目标表面提供直接照明。
确定(i)光学提取器140的(一个或者多个)输出表面和出射表面，和(ii)三级反射器170'、170"的相应的反射性表面的反射性和/或漫射性的微观结构特性能够被配置成使得直接照明表示由背光提供给显示面板180的照明的预定分数，并且间接照明表示该预定分数的倒数。例如，能够实现前述的反射性和/或漫射性特性，使得由背光提供的照明是在40-90％之间的间接照明和在60-10％之间的直接照明。某些实施方式可以被配置成基本上不提供任何直接照明。
在某些实施方式中，(i)光学提取器140的(一个或者多个)输出表面，和(ii)三级反射器170'、170"的相应的反射性表面被另外地成形并且布置，使得三级反射器170'、170"中的每一个至少在给定的观察角度范围之上向显示面板180的后表面提供均匀照明。前述的跨三级反射器170’、170"中的每一个的亮度均匀性能够根据跨每一个三级反射器的最大亮度与最小亮度的比率来量化。例如，跨三级反射器170’、170"中的每一个的最大亮度与最小亮度的比率能够低于5：1、4：1或者3：1。以此方式，观察者能够观察三级反射器170’、170"中的每一个的被完全点亮的不含暗区和/或热斑的表面。
在某些情形中，在它们(即，光学提取器的底部和一个或者两个三级反射器)向显示面板提供均匀照明轮廓(即，显示面板邻近于光学提取器的照明基本与和显示面板邻近的(一个或者多个)三级反射器的那些部分相同)时，(i)光学提取器140的(一个或者多个)输出表面，和(ii)三级反射器170’、170"的相应的反射性表面的微观结构和形状/布置这两者能够被配置成使得光学提取器140的底部与该一个或者两个三级反射器混合到一起。前述的跨光学提取器140的底部和该一个或者两个三级反射器170’、170"的亮度均匀性根据跨光学提取器的底部和该一个或者两个三级反射器的最大亮度与最小亮度的比率而量化。例如，跨光学提取器140的底部和该一个或者两个三级反射器170’、170"的最大亮度与最小亮度的比率能够低于25：1、20：1或者15：1。
在某些实施方式中，光学提取器足够远地与显示面板隔开，从而光学提取器不需要在直接向前角度范围中发射光以便提供基本均匀的背光显示面板。在这种情形中，显示面板最靠近光学提取器的区域可以充分地由从三级反射器接收的光点亮。根据实施方式，在提取器和显示面板之间的最短距离可以是大约1cm或者更小、2cm或者更小、5cm或者更小，或5cm或者更大。
通常，显示装置100的尺寸能够根据需要改变。设计能够扩展用于在要求大型显示器(例如，80英寸显示器或者更大、100英寸显示器或者更大、120英寸显示器或者更大、12英尺显示器或者更大、15英尺显示器或者更大、20英尺显示器或者更大、50英尺显示器或者更大，其中尺寸指的是显示面板的对角线尺寸)的应用中使用。在较大的显示器中，多个背光可以平铺在一起以提供照明。由背光提供的光的均匀性意味着较大的显示器能够被多个背光均匀地照亮，而显示面板的、邻近相邻背光之间的接合部的部分无明显的强度变化。而且，背光设计能够在高照度范围(例如，用于室内使用的200-400Nit、大于400Nit，诸如大约450Nit或者更大、500Nit或者更大、600Nit或者更大、800Nit或者更大)之上给予照明，从而使得设计适合于高环境照明环境(例如，作为室外标牌)。
在某些实施方式中，LED驱动系统(LED驱动器、同步器和显示驱动器)被配置为提供随着时间基本恒定的背光照明而无明显的闪烁。在某些实施方式中，LED驱动系统被有意地配置为在操作期间在所提供的背光照明中提供最小但有限量的可感知的闪烁。背光闪烁可以是有用的，以便在显示器中产生明显的变化并且吸引潜在观察者的注意，这可能有助于传播信息以用于与消费者产品或服务有关的信息的广告和营销目的。
通常，显示装置100能够根据需要被安装在各种环境中。例如，图1C示出包括凹陷外罩103R的、类似于显示装置100的示例显示装置100C。以此方式，显示装置100C能够例如被安装在壁上。作为另一个示例，图1D示出包括杆支撑的外罩103P的、类似于显示装置100的显示装置100D。
而且，显示装置100能够在商业环境中，例如作为商店中的广告或者信息标牌使用。在某些实施例中，显示装置100能够在室外，例如作为室外广告标牌使用。
虽然前面的实施例包括电子显示器，但是还能够使用无源显示器。例如，透射性海报显示面板能够是使用上述背光设计的背光。
在描述所公开的背光的光导模块101的光学提取器140和两个三级反射器170’、170"的各种实施例的细节之前，一般性地描述类似的光导模块的构件。
光导模块
参考图2A，光导模块201包括基板205，基板205具有沿着基板205的第一表面分布的多个LEE 210。具有LEE 210的安装件被置放在光导230的第一(例如，上)边缘231处。再次，正z方向称作“向前”方向并且负z方向是“向后”方向。平行于x-z平面通过光导模块201的截面称作光导模块的“横截面”或者“横截平面”。而且，光导模块201沿着y方向延伸，从而这个方向称作光导模块的“纵向”方向。光导模块的实施方式能够具有平行于y-z平面的对称性平面，被弯曲或者以其他方式成形。这称作光导模块的“对称性平面”。
多个LEE 210被置放在基板205的第一表面上，但是在图2A中示出多个LEE 210中的仅仅一个。例如，该多个LEE 210能够包括多个白色LED。LEE 210与一个或者多个光学耦合器220(在图2A中示出其中的仅仅一个)光学耦合。光学提取器240被置放在光导230的第二(例如，下)边缘232处。
基板205、光导230、和光学提取器240沿着y方向延伸长度L，从而光导模块是可以大致平行于显示面板的具有伸长量L的细长光导模块。通常，L能够根据需要改变。典型地，L在从大约1cm到大约200cm的范围中(例如，20cm或者更大、30cm或者更大、40cm或者更大、50cm或者更大、60cm或者更大、70cm或者更大、80cm或者更大、100cm或者更大、125cm或者更大，或者150cm或者更大)。
除了别的以外，基板205上的LEE 210的数目将通常依赖于长度L，其中更多的LEE被用于更长的光导模块。在某些实施方式中，该多个LEE 210能够包括在10和1000之间的LEE(例如，大约50个LEE、大约100个LEE、大约200个LEE、大约个500LEE)。通常，LEE的密度(例如，每单位长度LEE的数目)也将依赖于LEE的额定功率和对光导模块期望的照度。例如，能够在其中期望高照度或者其中使用低功率LEE的应用中使用相对高的密度的LEE。在某些实施方式中，光导模块201具有0.1LEE每厘米或者更大的、沿着它的长度的LEE密度(例如，0.2每厘米或者更大、0.5每厘米或者更大、1每厘米或者更大、2每厘米或者更大)。LEE的密度还可以基于由多个LEE发射的光的期望混合量。在实施方式中，LEE能够沿着光导模块的长度L均匀地隔开。在某些实施方式中，基板205能够被附接到被配置成散热器以提取由该多个LEE 210发射的热的外罩202。基板205的、接触外罩202的表面与基板205的、在其上置放LEE 210的一侧相对。光导模块201能够包括一个或者多个类型的LEE，例如LEE的一个或者多个子集，其中每一个子集能够具有不同的颜色或者色温。
光学耦合器220包括具有定位成从LEE 210朝向光导230反射光的表面221和222的、一个或者多个透明光学材料(例如，玻璃材料或者诸如聚碳酸酯或者丙烯酸的透明塑料)的实心件。通常，表面221和222被成形为收集并且至少部分地准直从LEE发射的光。在x-z横截平面中，表面221和222能够是笔直的或者弯曲的。弯曲表面的示例包括具有恒定曲率半径、抛物线或者双曲线形状的表面。在某些实施方式中，表面221和222涂覆有高度反射性材料(例如，反射性金属，诸如铝或者银)，以提供高度反射性光学界面。光学耦合器220的横截面轮廓能够是沿着光导模块201的长度L均匀的。可替代地，横截面轮廓能够改变。例如，表面221和/或222能够弯曲到x-z平面之外。
光学耦合器220邻近光导231的上边缘的出射孔隙被光学耦合到边缘231以便将来自光学耦合器220的光有效率地耦合到光导230中。例如，固体耦合器和固体光导的表面能够使用基本匹配形成光学耦合器220或者光导230或者这两者的材料的折射率的材料附接(例如，跨界面的折射率相差2％或者更小)。光学耦合器220能够使用折射率匹配流体、油脂或者粘结剂被固定到光导230。在某些实施方式中，光学耦合器220被熔合到光导230或者它们由单件材料一体地形成(例如，耦合器和光导可以是单片的并且可以由固体透明光学材料制成)。
光导230由能够与形成光学耦合器220的材料相同或者不同的一片透明材料(例如，诸如BK7、熔融二氧化硅或者石英玻璃的玻璃材料，或者诸如聚碳酸酯或者丙烯酸的透明塑料)形成。光导230沿着y方向延伸长度L、具有沿着x方向的均匀厚度T，和沿着z方向的均匀深度D。通常基于期望的光导光学性质(例如，支持哪种空间模式)和/或直接/间接强度分布来选择尺寸D和T。在操作期间，从光学耦合器220(以角度范围125)耦合到光导230中的光通过TIR从光导的平表面反射并且在光导内空间地混合。该混合能够帮助在光导232在光学提取器240处的远侧部分处沿着x轴线实现照度和/或颜色均匀性。光导230的深度D能够被选择为在光导的出射孔隙处(即，在端部232处)实现适当的均匀性。在某些实施方式中，D在从大约1cm到大约20cm的范围中(例如，2cm或者更大、4cm或者更大、6cm或者更大、8cm或者更大、10cm或者更大、12cm或者更大)。
通常，光学耦合器220被设计成限制进入光导230的光的角度范围(例如，限制为在+/-40度内)从而至少实质性的数量的光(例如，95％或者更多的光)被光学耦合到在平表面处经历TIR的光导230中的空间模式中。光导230能够具有均匀厚度T，这是分离光导的两个平相对表面的距离。通常，T足够大从而光导具有在第一(例如，上)表面231处足够大以大致匹配(或者超过)光学耦合器220的出射孔隙的孔隙。在某些实施方式中，T在从大约0.05cm到大约2cm的范围中(例如，大约0.1cm或者更大、大约0.2cm或者更大、大约0.5cm或者更大、大约0.8cm或者更大、大约1cm或者更大、大约1.5cm或者更大)。根据实施方式，光导越窄，它可以越好地空间地混合光。窄光导还提供窄出射孔隙。这样，能够认为从光导发射的光类似于从还称作细长虚拟灯丝的一维线性光源发射的光。
虽然光学耦合器220和光导230由透明光学材料的实心件形成，但是中空结构也是可能的。例如，光学耦合器220或者光导230或者这两者可以是中空的，具有反射性内表面，而不是实心的。这样，材料成本能够降低并且在光导中的吸收能够减轻。为此目的，多个镜面反射性材料可以是适当的，包括诸如来自Alanod Corporation的3M VikuitiTM或者MiroIVTM片材的材料，其中大于90％的入射光能够被有效率地引导到光学提取器。
光学提取器240也由能够与形成光导230的材料相同或者不同的透明光学材料(例如，玻璃材料或者透明塑料，诸如聚碳酸酯或者丙烯酸)的实心件构成。在图2A所示示例实施方式中，光学提取器240包括重定向(例如，平坦)表面242和244与弯曲表面246和248。平坦表面242和244代表重定向表面243的第一和第二部分，而弯曲表面246和248代表光导模块201的第一和第二输出表面。
表面242和244涂覆有可以在其上置放保护性涂层的反射性材料(例如，高度反射性金属，诸如铝或者银)。例如，形成这种涂层的材料可以以适当(例如，可见)波长反射大约95％或者更多的、在其上入射的光。这里，表面242和244为从光导230进入光学提取器232'的输入端的、具有角度范围125的光提供高度反射性光学界面。作为另一个示例，表面242和244包括对于在光学提取器240的输入端232'处进入的光透明的部分。这里，这些部分能够是表面242和244的未涂覆区域(例如，部分地镀银的区域)或者中断部(例如，狭槽、狭缝、孔隙)。这样，某些光在第三向前角度范围145"'中通过光学提取器240的表面242和244被沿着向前方向(沿着z轴线)透射。在某些情形中，在第三向前角度范围145"'中透射的光被折射。以此方式，重定向表面243用作光束分裂器而非反射镜，并且在第三向前角度范围145"'中透射入射光的期望部分，同时在角度范围138和138'中反射其余的光。
在x-z横截平面中，对应于表面242和244的线具有相同的长度并且形成顶点或者峰点241，例如在顶点241处接触的v形。通常，重定向表面242、244的夹角(例如，在表面244和242之间的最小夹角)能够根据需要改变。例如，在某些实施方式中，夹角能够是相对小的(例如，从30°到60°)。在特定实施方式中，夹角在从60°到120°的范围中(例如，大约90°)。夹角还能够是相对大的(例如，在从120°到150°或者更大的范围中)。在图2A所示示例实施方式中，光学提取器240的输出表面246、248以对于这两者而言相同的恒定曲率半径弯曲。在一个方面，输出表面246、248可以具有光功率(例如，可以对光聚焦或者散焦。)相应地，光导模块201具有平行于y-z平面与顶点241交叉的对称性平面。
光学提取器240邻近于光导230的下边缘232的表面被光学耦合到边缘232。例如，光学提取器240能够使用折射率匹配流体、油脂或者粘结剂而被固定到光导230。在某些实施方式中，光学提取器240被熔合到光导230或者它们由单件材料一体地形成。
光导模块201的发射光谱对应于LEE 210的发射光谱。然而，在某些实施方式中，波长转换材料可以位于光导模块中，例如远离LEE，从而光导模块的波长光谱依赖于LEE的发射光谱和波长转换材料的组成这两者。通常，波长转换材料能够被放置在光导模块201中的各种不同位置中。例如，波长转换材料可以邻近LEE 210、与光学提取器240的表面242和244相邻、在光学提取器240的出射表面246和248上和/或在其他位置处置放。
波长转换材料(例如，荧光体)的层可以被附接到经由例如置放在提取器(未示意)内或者以其他方式布置的适当的支撑结构(也未示意)保持到位的光导230。置放在提取器内的波长转换材料可以被配置成外壳或者其他物体并且被置放在限制在R/n和R*(1+n2)(-1/2)之间的概念区域内，其中R是提取器240的光出射表面(图2A中的246和248)的曲率半径并且n是提取器的、在从反射性表面(图2A中的242和244)观察时与波长转换材料相对的部分的折射率。支撑结构可以是透明的自支撑结构。波长转换材料在它转换波长时漫射光、提供光的混合并且能够帮助均匀地照亮周边环境的表面。
在操作期间，通过端部232离开光导230的光照射在重定向表面242和244的某些部分处的反射性界面上，并且被远离光导模块的对称性平面向外地分别朝向输出表面246和248反射。重定向表面242的第一部分提供具有朝向输出表面246的角度分布138的光，重定向表面244的第二部分提供具有朝向输出表面246的角度分布138'的光。光通过输出表面246和248离开光学提取器240。通常，输出表面246和248具有光功率，以分别地在第一和第二向后角度范围145’、145"中重定向离开光学提取器240的光。例如，光学提取器240可以被配置为向上(即，朝向与LEE交叉并且平行于x-y平面的平面)、向下(即，远离该平面)或者向上和向下两者发射光。通常，通过表面246和248离开光导模块的光的方向依赖于离开光导230的光的发散和表面242和244的定向。
表面242和244可以被定向成使得很少或者无任何来自光导230的光由光学提取器240沿着某些方向输出。在其中光导模块201被附接到房间的天花板的实施方式中(例如，向前方向是朝向地板)，这种配置能够帮助避免眩光和非均匀照度的出现。
通常，由光导模块201提供的光强度分布反映了光导模块的结构关于y-z平面的对称性。例如，参考图2C，在第一向后角度范围145'中输出的光对应于远场光强度分布290的第一输出波瓣145a，在第二向后角度范围145"中输出的光对应于远场光强度分布290的第二输出波瓣145b并且在第三向前角度范围145'"中输出(泄漏)的光对应于远场光强度分布290的第三输出波瓣145c。通常，光导模块201的强度轮廓将依赖于光学耦合器220、光导230和光学提取器240的配置。例如，在光学耦合器220的形状、光学提取器240的重定向表面243的形状和光学提取器240的输出表面246、248的形状之间的相互作用能够用于控制在远场光强度轮廓290中的输出第一145a和第二145b波瓣的角宽度和主导方向(定向)。另外地，在第一145a和第二145b输出波瓣的组合中的光和在第三输出波瓣145c中的光的数量的比率由重定向表面242和244的反射率和透射率控制。例如，对于重定向表面242、244的90％的反射率和10％的透射率，45％的光能够在对应于第一输出波瓣145a的第一向后角度范围145'中输出，45％的光能够在对应于第二输出波瓣145b的第二向后角度范围145"中输出，并且10％的光能够在对应于第三输出波瓣145c的第三向前角度范围145"'中输出。
在某些实施方式中，输出波瓣145a、145b的定向能够基于由重定向表面242和244的部分形成的v形凹槽241的夹角调节。例如，与由于大于第一角度的第二夹角的远场光强度分布290的输出波瓣145a、145b相比较，第一夹角导致远场光强度分布290的输出波瓣145a、145b位于相对更小的角度处。以此方式，对于由重定向表面243的部分242、244形成的两个夹角中的较小夹角，能够在更加向前的方向上从光导模块201提取光。
进而，虽然表面242和244被描绘成平坦表面，但是其他形状也是可能的。例如，这些表面能够是弯曲的或者有小面的。弯曲的重定向表面242和244能够用于缩窄或者加宽输出波瓣145a、145b。依赖于在光学提取器232'的输入端处接收的光的角度范围125的发散，凹形反射性表面242、244能够缩窄由光学提取器240输出(并且在图2C中示意)的波瓣145a、145b，而凸形反射性表面242、244能够加宽由光学提取器240输出的波瓣145a、145b。这样，适当地配置的重定向表面242、244可以在光中引入会聚或者发散。这种表面能够具有恒定曲率半径，能够是抛物线、双曲线或者具有某个其他曲率。
通常，能够使用各种方法建立元件的几何形状。例如，几何形状能够凭经验建立。可替代地，或者另外地，几何形状能够例如使用诸如LighttoolsTM、TraceproTM、FREDTM或者ZemaxTM的光学模拟软件建立。
通常，光导模块201能够被设计成从图2A所示那些将光输出到不同的第一和第二向后角度范围145’、145"中。在某些实施方式中，照明装置能够将光输出到具有不同于图2C所示那些的发散或者传播方向的波瓣145a、145b中。例如，通常，输出波瓣145a、145b能够具有达大约90°的宽度(例如，80°或者更小、70°或者更小、60°或者更小、50°或者更小、40°或者更小、30°或者更小、20°或者更小)。通常，输出波瓣145a、145b被定向的方向也能够不同于图2C所示方向。“方向”指的是使得波瓣最明亮的方向。在图2C中，例如，输出波瓣145a、145b被以大致-130°和大致+130°定向。通常，输出波瓣145a、145b能够更加指向水平方向(例如，以在从-90°到-135°的范围中的角度，诸如以大致-90°、大致-100°、大致-110°、大致-120°、大致-130°，和从+90°到+135°的范围中的角度，诸如以大致+90°、大致+100°、大致+110°、大致+120°、大致+130°)。
光导模块能够包括可用于定制强度轮廓的其他特征。例如，在某些实施方式中，光导模块能够包括能够以受控方式漫射光以帮助均匀化光导模块的强度轮廓的光学漫射材料。例如，表面242和244能够是粗糙化的，或者漫反射材料而非镜面反射性材料能够被涂覆在这些表面上。相应地，在表面242和244处的光学界面能够漫反射光，将光散射到比将由在这些界面处利用镜面反射的类似结构所提供的更宽的波瓣中。在某些实施方式中，这些表面能够包括促进各种强度分布的结构。例如，表面242和244能够各自具有处于不同的定向的多个平坦小平面。相应地，每一个小平面将光反射到不同的方向中。在某些实施方式中，表面242和244能够在其上具有结构(例如，散射或者衍射光的结构特征)。
表面246和248不需要是具有恒定曲率半径的表面。例如，表面246和248能够包括具有不同的曲率的部分和/或能够在其上具有结构(例如，散射或者衍射光的结构特征)。在某些实施方式中，光散射材料能够被置放在光学提取器240的表面246和248上。
在某些实施方式中，光学提取器240被构造成使得由表面242或者244反射的、在至少一个平面(例如，x-z横截平面)内传播的光的可以忽略的数量(例如，小于1％)在光出射表面246或者248处经历TIR。对于某些球形或者柱形结构，所谓的Weierstrass条件能够避免TIR。中的具有半径R的表面和具有半径R/n的同心假想圆的圆形结构(即，通过柱体或者球体的截面)示意Weierstrass条件，其中n是该结构的折射率。在横截平面内穿过假想圆的任何光射线在圆形结构的表面上入射并且具有小于临界角的入射角并且将离开圆形结构而不经历TIR。在平面中在球形结构内传播但是不从假想表面内发出的光射线能够以临界角或者更大入射角照射在半径R的表面上。因此，这种光可以经受TIR并且不会离开圆形结构。进而，穿过由小于R/(1+n2)(-1/2)——其小于R/n——的曲率半径的区域限定的假想空间的p偏振光的射线当离开圆形结构时将在半径R的表面处经受较小的菲涅耳反射。该条件可以称作Brewster几何形状。实施方式可以被相应地配置。
再次参考图2A，在某些实施方式中，所有的或者部分的表面242和244可以位于由表面246和248限定的假想Weierstrass表面内。例如，表面242和244的、接收通过端部232离开光导230的光的部分能够居于这个表面内，从而从表面242和244反射的、在x-z平面内的光分别地通过表面246和248离开，而不经历TIR。
在以上结合图2A描述的示例实施方式中，光导模块201被配置为将光输出到第一和第二向后角度范围145'和145"中以及第三向前角度范围145"'中。在其他实施方式中，基于光导的光导模块201被修改为将光输出到单个向后角度范围145'中。图2B示出被配置为在光导的单侧上输出光的这种基于光导的光导模块201*，其被称作单侧光导模块。类似图2A所示光导模块201，单侧光导模块201*沿着x轴线伸长。还类似光导模块201，单侧光导模块201*包括基板205和沿着x轴线置放在基板205的表面上以在第一角度范围中发射光的LEE 210。单侧光导模块201*进一步包括光学耦合器220，其被布置并且配置为将由LEE210在第一角度范围中发射的光重定向到第二角度范围125，其具有至少在x-z横截面中小于第一角度范围的发散的发散。而且，单侧光导模块201*包括光导230，以将被光学耦合器220在第二角度范围125中重定向的光从光导的第一端231引导到光导的第二端232。另外地，单侧光导模块201*包括单侧提取器(由240*表示)以接收由光导230引导的光。单侧提取器240*包括重定向表面244，以类似参考图2A对于光导模块201的描述，将从光导230接收的光中的一些重定向到第三角度范围138'中；和输出表面248，以将由重定向表面244在第三角度范围138'中重定向的光输出到第一向后角度范围145'中。还如在图2A中描述地，重定向表面244被配置为将从光导230接收的光中的一些泄漏到第三向前角度范围145"'中。
单侧光导模块201*的光强度轮廓在图2C中被表示成第一输出波瓣145a和第三输出波瓣145c。输出波瓣145a对应于由单侧光导模块201*在第一向后角度范围145'中输出的光并且输出波瓣145c对应于由单侧光导模块201*在第三向前角度范围145'"中输出的光。
通常，类似于光导模块201*，光导模块能够与单个三级反射器组合以提供(i)从由光导模块在第一向后角度范围145'中输出并且由三级反射器重定向到第一向前角度范围155'的光对目标表面的第一部分的间接照明，和(ii)从由光导模块在第三向前角度范围145'"中输出的光对目标表面的第二、不同部分的直接照明。此外，类似于光导模块201*，光导模块能够与一对三级反射器组合以如例如在图1中所示那样提供，(i)从由光导模块在各个第一和第二向后角度范围145’、145"中输出并且分别地由三级反射器重定向到第一和第二向前角度范围155’、155"的光对目标表面的第一和第二不同部分的间接照明，和(ii)从由光导模块在第三向前角度范围145'"中输出的光对目标表面的、不同于第一和第二部分的第三部分的直接照明。以下描述后一组合的一个示例。
包括光导模块和三级反射器的背光
图3A-3B分别地示出包括光导模块301和三级反射器570'、570"的示例背光300的侧视图和透视图。光导模块301的固态光源、光学耦合器和光导能够类似以上结合图2A描述的光导模块201的相应的构件地实现。光导模块301的光学提取器440相对于z轴线(与光导模块301的光轴一致)镜面对称并且能够如在以下结合图4A-4F描述地实现。三级反射器570'、570"的面对光导模块301的各个“前端面(front face)”(称作反射性表面)能够如在以下结合图5描述地实现，而“后端面”能够被实现为实心块或者能够具有其他形式/形状。注意在光导模块301的多个固态光源和光学耦合器被容纳在外罩302内(并且在图3A-3B中不可视)时，光导模块的光导从外罩突出从而以将光导模块的光学提取器440降低相当于三级反射器570'、570"在(y，z)平面中的垂度的沿着z轴线的距离D。光导模块301和三级反射器570'、570"沿着x轴线伸长并且能够具有对应于传统荧光灯具的尺寸的、大约2'或者4'的长度L。
在这个实施方式中，光导模块301的光学提取器440的输出表面和三级反射器570'、570"的相应的反射性表面相对于彼此成形并且布置成使得对于从光学提取器的正前方，并且沿着它的光轴的背光300的人类观察者而言，三级反射器570'、570"每一个看起来被均匀地点亮。例如，跨三级反射器570'、570"每一个地最大亮度与最小亮度的比率能够低于5：1、4：1或者3：1。以此方式，观察者能够观察三级反射器570'、570"每一个的被充分点亮的不含暗区和/或热斑的表面。
图4A是光导模块401的光学提取器440的示例实施方式在(y-z)平面中的横截面。光学提取器440由固体材料(折射率n>1)形成。例如，该材料能够是折射率为大约1.5的玻璃。作为另一个示例，该材料能够是折射率为大约1.5-1.6的塑料。在这个实施方式中，光学提取器440包括在光导的光轴(这里，z轴线)上居中的输入表面441；被布置成相对于z轴线彼此镜像的第一向后输出表面442a和第二向后输出表面442b；被布置成相对于z轴线彼此镜像的第一向前输出表面443a和第二向前输出表面443b；被布置成相对于z轴线彼此镜像的第一重定向表面444a和第二重定向表面444b；和在z轴线上居中并且与输入表面相对的第三向前输出表面445。注意第一/第二向后输出表面442a/442b在边缘446a/446b处与第一/第二向前输出表面443a/443b交叉。另外地，第一/第二重定向表面444a/444b在顶点447a/447b处与第一/第二向前输出表面443a/443b交叉。
输入表面441由在这个示例中在z轴线上方表示的第一输入界面441a(还称作第1界面)和在这个示例中在z轴线下方表示的第二输入界面441b(还称作第2界面)形成。图4B是第1界面441a在(y-z)平面中的横截面——z和y轴线具有不同的比例。对应于第1界面441a的折线的坐标在表格1中给出。对应于第2界面441b的另一条折线的坐标具有与在表格1中给出的坐标符号相反的y值和相同的z值。
表格1
光学提取器440的输入表面441能够被结合到光导模块401的光导的输出端(例如，如上结合图2A所述)。在这种情形中，抗反射性涂层可以被置放在光导的输出端和光学提取器440之间。如果光学提取器440的材料不同于从其形成光导的材料，例如折射率匹配层可以被置放在光导的输出端和光学提取器440之间。在其他情形中，光导和光学提取器440能够一体地形成。
图4C是第1向后输出表面442a在(y-z)平面中的横截面。用于对应于第一向后输出表面442a的例如样条曲线的拟合曲线的节点的坐标在表格2中给出。对应于第2向后输出表面442b的另一条样条曲线的坐标具有与在表格2中给出的坐标符号相反的y值和相同的z值。
表格2
这里，光学提取器440的第一/第二向后输出表面442a/442b是凸形的，并且与第一/第二重定向表面444a/444b和第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面一起在确定跨第一/第二三级反射器地亮度均匀性时起主要作用。注意第一/第二向后输出表面442a/442b的点31对应于边缘446a/446b，在此处第一/第二向后输出表面与第一/第二向前输出表面443a/443b交叉。在某些实施方式中，第一/第二向后输出表面442a/442b未被涂覆。在其他实施方式中，抗反射性涂层可以被设置在第一/第二向后输出表面442a/442b上，从而由第一/第二重定向表面444a/444b反射的光能够以最小的背反射进行透射。在其他实施方式中，第一/第二向后输出表面442a/442b涂覆有漫射涂层(例如，BrightView M PR05TM或者BrightView M PR10 TM)。在这种情形中，由第一/第二重定向表面444a/444b反射的光能够在通过第一/第二向后输出表面442a/442b透射时被漫射。
图4D是第1向前输出表面443a在(y-z)平面中的横截面。对应于第一向前输出表面443a的折线的坐标在表格3中给出。对应于第2向前输出表面443a的另一条折线的坐标具有与在表格3中给出的坐标符号相反的y值和相同的z值。
表格3
这里，光学提取器440的第一/第二向前输出表面443a/443b是平坦的(或者具有在零附近变化的曲率)。注意第一/第二向前输出表面443a/443b的点1对应于边缘446a/446b，在此处第一/第二向前输出表面与第一/第二向后输出表面442a/442b交叉；第一/第二向前输出表面443a/443b的点2对应于顶点447a/447b，在此处第一/第二向前输出表面与第一/第二重定向表面444a/444b交叉。在某些实施方式中，第一/第二向前输出表面443a/443b未被涂覆。在其他实施方式中，抗反射性涂层可以被设置在第一/第二向前输出表面443a/443b上，从而到达第一/第二向前输出表面的、通过输入表面441提供的被引导光能够以最小背反射通过那里透射。在其他实施方式中，第一/第二向前输出表面443a/443b涂覆有漫射涂层(例如，BrightView M PR05 TM或者BrightView M PR10 TM)。在这种情形中，到达第一/第二向前输出表面443a/443b的、通过输入表面441提供的被引导光能够在通过那里透射时被漫射。
图4E是第1重定向表面444a在(y-z)平面中的横截面。用于对应于第一重定向表面444a的例如样条曲线的拟合曲线的节点的坐标在表格4中给出。对应于第2重定向表面444b的另一条样条曲线的坐标具有与在表格4中给出的坐标符号相反的y值和相同的z值。
表格4
这里，光学提取器440的第一/第二重定向表面444a/444b是平坦的(即，具有在零附近变化的曲率)或者它是凹形的，并且与第一/第二向后输出表面442a/442b和第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面一起在确定跨第一/第二三级反射器地亮度均匀性时起主要作用。注意第一/第二重定向表面444a/444b的点1对应于顶点447a/447b，在此处第一/第二重定向表面与第一/第二向前输出表面443a/443b交叉。在某些实施方式中，第一/第二重定向表面444a/444b未被涂覆。在这种情形中，相对于各个表面法线以超过临界角θ＝arcsine(1/n)的角度照射在第一/第二重定向表面444a/444b上的、来自输入表面441的被引导光从第一/第二重定向表面经由全内反射(TIR)朝向第一/第二向后输出表面442a/442b反射。在其他实施方式中，第一/第二重定向表面444a/444b涂覆有反射性涂层。在这种情形中，照射在第一/第二重定向表面444a/444b上的、来自输入表面441的被引导光经由镜面反射或者漫反射或其组合朝向第一/第二向后输出表面442a/442b反射。
图4F是第三向前输出表面445的部分445a在(y-z)平面中的横截面。用于对应于第三向前输出表面445的部分445a的例如样条曲线的拟合曲线的节点的坐标在表格5中给出。对应于第三向前输出表面445的部分445b的另一条样条曲线的坐标具有与在表格5中给出的坐标符号相反的y值和相同的z值。
表格5
这里，光学提取器440的第三向前输出表面445是凹形的。注意斜坡448a(和448b——未在图4A或者4F中示出)在第三向前输出表面445的部分445a/445b与第一/第二重定向表面444a/444b的交叉点处连续。以此方式，在第三向前输出表面445和邻近的第一和第二重定向表面444a、444b之间无任何顶点。还注意第三向前输出表面445以平行于y轴线的斜坡与z轴线交叉。在某些实施方式中，第三向前输出表面445未被涂覆。在其他实施方式中，抗反射性涂层可以被设置在第三向前输出表面445上，从而到达第三向前输出表面的、通过输入表面441提供的被引导光能够以最小背反射通过那里透射。在其他实实施方式现中，第三向前输出表面445涂覆有漫射涂层(例如，BrightView M PR05 TM或者BrightView M PR10 TM)。在这种情形中，到达第三向前输出表面445的、通过输入表面441提供的被引导光能够在通过那里透射时漫射。
注意光学提取器440沿着向前方向(例如，沿着z轴线)的总深度小于14mm(或者大约0.5”)，并且光学提取器沿着正交方向(例如，沿着y轴线)的总宽度是大约24mm(或者小于1”)。
图5是第二三级反射器570"的反射性表面在(y-z)平面中的横截面。用于对应于第二三级反射器570"的反射性表面的例如样条曲线的拟合曲线的节点的坐标在表格6中给出。对应于第一三级反射器570'的反射性表面的另一条样条曲线的坐标具有与在表格6中给出的坐标符号相反的y值和相同的z值。
表格6
这里，第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面是凹形的，并且与光学提取器440的第一/第二重定向表面444a/444b和第一/第二向后输出表面442a/442b一起在确定跨第一/第二三级反射器地亮度均匀性时起主要作用。在第一/第二三级反射器570'/570"的这个实施例中，反射性表面邻近于外罩的一个部分是平坦的并且反射性表面远离外罩402的其余部分是凹形的。第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面涂覆有反射性涂层。在这种情形中，照射在第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面上的、来自光学提取器440的第一/第二向后输出表面442a/442b的光经由镜面反射或者漫反射或其组合朝向第一/第二向后输出表面442a/442b反射。能够用于覆盖第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面的一个示例漫射涂层是WhiteOptics White 98 F16 TM(高角度漫射膜)。
注意第一/第二三级反射器570'/570"沿着向前方向(例如，沿着z轴线)的垂度小于55mm(或者大约2”)，并且第一/第二三级反射器沿着正交方向(例如，沿着y轴线)的跨度是285mm(或者大约11”)。第一/第二三级反射器570'/570"的后一尺寸和用于支撑光导模块401与第一和第二三级反射器的外罩402的量级小于1”的厚度(沿着y轴线)导致背光400具有23-24”的总跨度(沿着y轴线)。在这个示例中，提取器的向前输出表面443a/b位于在z～47mm处的垂度的大约90％处。提取器的向前输出表面443a/b可以位于垂度的70％到95％之间，即在大约z～36mm到z～50mm之间，使得对于各个背光的均匀外观的影响改变。
如以下结合图10示出地，光学提取器440的第一/第二重定向表面444a/444b和第一/第二向后输出表面442a/442b与第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面的形状和相对定向的上述组合被用于设计背光400，其跨三级反射器570'、570"每一个的最大亮度与最小亮度的比率低于3：1的。
而且，如以下结合图10示出的，(i)至少部分地影响观察者在背光400前面可见的直射光的总量的、在光导模块401的光学提取器440的透射性第一/第二向后输出表面442a/442b和第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面上施加的漫射涂层的选择，和(ii)至少部分地影响观察者在背光前面可见的直射光的总量的、在光学提取器的透射性第一/第二向前输出表面443a/443b和第三向前输出表面445上施加的漫射涂层的另一个选择被作出，以设计背光400，其跨三级反射器570'、570"每一个和光学提取器的底侧的最大亮度与最小亮度的另一个比率低于15：1的。
如在以下描述的，使用光导模块和仅仅单个三级反射器的其他背光还能够被设计用于满足规定的亮度均匀性。
包括光导模块和单个三级反射器的背光
图6A示出包括光导模块601和单个三级反射器670的示例背光600的侧视图。能够类似以上结合图2B描述的光导模块201*的相应的构件地实现光导模块601的固态光源、光学耦合器和光导。光导模块601的光学提取器640相对于光导模块601的光轴(平行于z轴线)缺乏镜面对称并且能够如在以下结合图6B描述地实现。三级反射器670的、面对光导模块601的“前端面”(称作反射性表面)能够以类似于以上结合图1和6描述的前端面的方式实现，而“后端面”能够被实现为实心块或者能够具有其他形式/形状。注意在光导模块601的该多个固态光源和光学耦合器被容纳在外罩602内(并且在图6A中不可视)时，光导模块的光导从外罩突出，从而将光导模块的光学提取器640降低相当于三级反射器670在(y，z)平面中的垂度的、沿着z轴线的距离D。光导模块601和三级反射器670沿着x轴线伸长(例如，如在图2B中所示)，并且能够具有对应于传统荧光灯具的尺寸的、大约2'或者4'的长度L。
在这个实施方式中，光导模块601的光学提取器640的输出表面和三级反射器670的反射性表面相对于彼此被成形并且布置成使得当背光600的观察者从光学提取器正前方并且沿其光轴观察时三级反射器670看起来被均匀地点亮。例如，跨三级反射器670的最大亮度与最小亮度的比率能够低于5：1、4：1或者3：1。以此方式，观察者能够观察三级反射器670的被充分点亮的不含暗区和/或热斑的表面。
图6B是光导模块601的光学提取器640的示例实施方式在(y-z)平面中的横截面。注意光学提取器640是类似以上结合图2B描述的光学提取器240*的单侧光学提取器。光学提取器640由固体材料(折射率n>1)形成。例如，该材料能够是折射率为大约1.5的玻璃。作为另一个示例，该材料能够是折射率为大约1.5-1.6的塑料。在这个实施方式中，光学提取器640包括在光导的光轴(这里，z轴线)上居中的输入表面641；与输入表面641相对的向前输出表面643；从输入表面641延伸到向前输出表面643的向后输出表面642；和从输入表面641延伸到向前输出表面643并且与向后输出表面642相对的重定向表面644。注意向后输出表面642在边缘646处与向前输出表面643交叉。另外地，重定向表面644在顶点647处与向前输出表面643交叉。
光学提取器640的输入表面641能够被结合到光导模块601的光导的输出端(例如，如上结合图2B所述)。在这种情形中，抗反射性涂层可以被置放在光导的输出端和光学提取器640之间。光导和光学提取器640能够例如一体地或者分开地形成。如果光学提取器640和光导从类似的材料形成为单独的构件，则折射率匹配层可以被置放在光导的输出端和光学提取器640之间。
光学提取器640的向后输出表面642是凸形的，并且与重定向表面644和三级反射器670的反射性表面一起在确定跨三级反射器地亮度均匀性时起主要作用。在某些实施方式中，向后输出表面642未被涂覆。在其他实施方式中，抗反射性涂层可以被设置在向后输出表面642上，从而由重定向表面644反射的光能够以最小背反射透射。在其他实施方式中，向后输出表面642涂覆有漫射涂层(例如，BrightView M PR05 TM或者BrightView M PR10TM)。在这种情形中，由重定向表面644反射的光能够在通过向后输出表面642透射时漫射。
光学提取器640的向前输出表面643是平坦的(或者具有在零附近变化的曲率)。在某些实施方式中，向前输出表面643未被涂覆。在其他实施方式中，抗反射性涂层可以被设置在向前输出表面643上，从而到达向前输出表面的、通过输入表面641提供的被引导光能够以最小背反射通过那里透射。在其他实施方式中，向前输出表面643涂覆有漫射涂层(例如，BrightView M PR05 TM或者BrightView M PR10 TM)。在这种情形中，到达向前输出表面643的、通过输入表面641提供的被引导光能够在通过那里透射时漫射。
光学提取器640的重定向表面644具有复杂形状，并且与向后输出表面642和三级反射器670的反射性表面一起在确定跨三级反射器地亮度均匀性时起主要作用。例如，重定向表面644在邻近向前输出表面643的部分之上是平坦的(即，具有在零附近变化的曲率)并且在邻近输入表面641的另一个部分上方是凸形的。作为另一个示例，重定向表面644具有拐点，即，在邻近向前输出表面643的部分上方是凹形的并且在邻近输入表面641的另一个部分上方是凸形的。在某些实施方式中，重定向表面644未被涂覆。在这种情形中，相对于各个表面法线以超过临界角θ＝arcsine(1/n)的角度照射在重定向表面644上的、来自输入表面641的被引导光从第一/第二重定向表面经由全内反射(TIR)朝向向后输出表面642反射。在其他实施方式中，重定向表面644涂覆有反射性涂层。在这种情形中，照射在重定向表面644上的、来自输入表面641的被引导光经由镜面反射或者漫反射或其组合朝向向后输出表面642反射。
再次参考图6A，三级反射器670的反射性表面是凹形的，并且与重定向表面644和光学提取器640的向后输出表面642一起在确定跨三级反射器地亮度均匀性时起主要作用。三级反射器670的反射性表面涂覆有反射性涂层。在这种情形中，照射在三级反射器670的反射性表面上的、来自光学提取器640的向后输出表面642的光经由镜面反射或者漫反射或其组合朝向第一/第二向后输出表面442a/442b反射。能够用于覆盖三级反射器670的反射性表面的漫射涂层的一个示例是WhiteOptics White 98 F16 TM(高角度漫射膜)。
光学提取器640的重定向表面644和向后输出表面642和三级反射器670的反射性表面的形状和相对定向的上述组合能够用于设计背光600，其跨三级反射器670的最大亮度与最小亮度的比率低于第一规定均匀性比率，例如低于3：1。
而且，(i)至少部分地影响观察者在背光600前面可见的间接光的总量的、在光导模块601的光学提取器640的透射性向后输出表面642和三级反射器670的反射性表面上施加的漫射涂层的选择，和(ii)至少部分地影响观察者在背光600前面可见的间接光的总量的、在光学提取器的透射性向前输出表面642上施加的漫射涂层的另一个选择能够被作出，以设计背光600，其跨三级反射器670和光学提取器的底侧的最大亮度与最小亮度的另一个比率低于第二规定均匀性比率，低于例如15：1。
已经制造了以上结合图3A-3B、4A-4F和5描述的背光300的样本并且已经进行了试验以评价它们各自的性能。这些试验中的某些总结如下。
用于所公开的背光的试验结果
为了执行以下试验，在背光300中使用的光导模块301的固态光源被实现为LuxeonZ ES(光学耦合器320的每通道一个LED)或者Luxeon Z(光学耦合器的每通道两个LED)。对于前面的实施方式中的任一个，使用由Lumileds TM供应的射线数据集对LED进行建模。光学提取器440的第一和第二向后输出表面442a、442b保留不被覆盖或者利用实现为BrightView MPR05TM或者BrightView MPR10 TM的漫射膜覆盖。对于前面的实施方式中的任一个，使用由Brightview TM供应的BSDF数据文件对漫射表面的特性进行建模。而且，三级反射器570'、570"的反射性表面用实现为WhiteOptics White 98 F16 TM(高角度漫射膜)的漫射膜覆盖。另外地，在背光300中包括的光导模块301和三级反射器570'、570"的宽度(沿着x轴线)是L＝0.578m。
在表格7中总结了用于包括(i)具有光学提取器440的光导模块301和(ii)三级反射器570'、570"的背光300的某些试验结果。这里，光导模块301的光源基于Luxeon Z(即，光学耦合器的每通道两个LED：每通道2x42lm＝48lm)。因为光导模块301具有48个通道，所以由光导模块的光源发射的总功率是4032lm。前面的光源使用2e+6射线模拟。除非另有规定，在光学提取器440的第一和第二向后输出表面442a、442b上施加的漫射膜是BrightViewMPR10 TM。表格7中的所有的功率级均以流明为单位并且使用远场检测器测量。
表格7
使用图7所示的试验装置对背光300进行另外的试验。这里，背光300被布置成使得它的光导模块301的光导平行于z轴线并且使得它的细长尺寸与x轴线对准。为了表征在其前面安设背光300的显示面板的照明，对由背光提供给平行于(x，z)平面置放并且与光导模块301的提取器440隔开距离d701的第一平面检测器701的光测量照度(以Lux为单位)。此外，为了表征在背光300前面的显示面板的照明，对由背光提供给平行于(x，y)平面置放并且与光导模块301的提取器440隔开距离d702的第二平面检测器702的光测量照度(以Lux为单位)。进而，为了确定光导模块301的三级反射器570'、570"每一个和光学提取器440的底侧当从光学提取器的正前方观察时是否看起来被均匀地点亮，通过“透视”平行于(x，y)平面置放并且在光学提取器下方隔开距离d703的第三孔隙检测器703而跨每一个三级反射器和光学提取器的底侧来测量亮度(以Nit为单位)。表格8总结了在这个研究中使用的检测器的配置。
表格8
以下描述使用图7所示的试验装置对背光300执行的另外的试验的结果。
图8示出对由背光300输出的光由第一平面检测器701(见表格8)测量的照度(x，z)轮廓图802。图8还示出表示在第一平面检测器701的中心处由背光300输出的光的照度的竖直变化的z轴线横截面804和表示在第一平面检测器的一半高度处由背光输出的光的照度的水平变化的x轴线横截面806。这些试验结果示意由背光300输出的光提供给平行于在背光中包括的光导模块301的光导的侧表面置放的“横向壁”的照明的竖直和水平均匀性。
图9示出用于由背光300输出的光的、由第二平面检测器702(见表格8)测量的照度(x，y)轮廓图902。图9还示出表示“显示面板照度”沿着与在背光300中包括的光导模块301的伸长正交的第一方向的第一变化的y轴线横截面904。另外地，图9示出表示显示面板照度沿着与在背光300中包括的光导模块301的伸长平行的第二方向的第二变化的x轴线横截面906。
图10示出由背光300输出的光通过第三孔隙检测器703(见表格8)测量的亮度(x，y)轮廓图1002。覆盖到亮度(x，y)轮廓图1002上的点线矩形示意背光300的三级反射器570'、570"的足迹。图10还示出表示跨背光的第一三级反射器570'、光导模块301的提取器440的底部和第二三级反射器570"的背光300的亮度的第一变化的y轴线横截面1004。覆盖到y轴线横截面1004上的点线示意背光300的三级反射器570'、570"的边缘。另外地，图10示出表示背光300的亮度沿着背光的光导模块301的提取器440的底部的第二变化的x轴线横截面1006。覆盖到x轴线横截面1006上的点线示意背光300的三级反射器570'、570"的边缘。
在图10的曲线1002、1004和1006中总结的结果示意被作出以用于将背光300设计成跨三级反射器570'、570"每一个的最大亮度与最小亮度的比率低于3：1的、光学提取器440的第一/第二重定向表面444a/444b和第一/第二向后输出表面442a/442b与第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面的形状和相对定向的选择。以此方式，当背光300的观察者从光学提取器的正前方并且沿其光轴观察时，三级反射器170’、170"每一个看起来被均匀地点亮，不含暗区和/或热斑。
另外地，在图10的曲线1002、1004和1006中总结的结果进一步示意被作出以用于将背光300设计成跨三级反射器570'、570"每一个和光学提取器的底侧的最大亮度与最小亮度的另一个比率低于15：1的、(i)至少部分地影响观察者在背光300前面可见的间接光的总量的、在光导模块301的光学提取器440的透射性第一/第二向后输出表面442a/442b和第一/第二三级反射器570'/570"的反射性表面上施加的漫射涂层的选择，和(ii)至少部分地影响观察者在背光前面可见的直射光的总量的、在光学提取器的透射性第一/第二向前输出表面442a/442b和第三向前输出表面445上施加的漫射涂层的其他选择。
前面的图和随附的描述示意用于照明的示例方法、系统和装置。应当理解，这些方法、系统和装置仅用于说明目的，并且所描述的或类似的技术可以在任何适当的时间执行，包括同时、单独或组合地。另外，这些过程中的很多步骤可以同时、同步和/或以不同于所示的顺序发生。此外，所描述的方法/装置可以使用另外的步骤/部件、更少的步骤/部件和/或不同的步骤/部件，只要这些方法/装置保持适当。
换句话说，尽管已经根据某些方面或实施方式以及通常相关联的方法描述了本公开，但是这些方面或实施方式的改变和置换对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，以上对示例实施方式的描述不限定或约束本公开。在以下权利要求中描述了进一步的实施方式。

Claims (35)

1.一种显示装置，包括：
多个发光元件(LEE)，所述LEE被布置成在向前方向上发射光，所述LEE沿着正交于所述向前方向的横向方向分布；
光导，所述光导包括沿着所述横向方向布置并且从所述光导的接收端延伸到所述光导的相对端的一对相对侧表面，所述光导被配置为将在所述接收端处从所述LEE接收的光在所述向前方向上引导到所述相对端；
光学提取器，所述光学提取器沿着所述横向方向伸长并且位于所述光导的所述相对端处以重定向所引导的光中的至少一些，并且在第一向后角度范围中输出所重定向的光中的至少一些作为第一输出光；
第一反射器，所述第一反射器至少邻近所述光导的所述一对相对侧表面中的第一个，并且定位成在第一向前角度范围中反射所述第一向后角度范围中的光；
显示面板，所述显示面板定位成接收在所述第一向前角度范围中来自所述第一反射器的光，并且透射所接收的光中的至少一些以显示图像，
其中所述光学提取器和所述第一反射器的第一组合被配置成使得跨所述第一反射器的最大亮度与最小亮度的比率小于第一预定比率。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述光学提取器被配置成直接地朝向所述显示面板在向前方向上发射所引导的光的一部分。
3.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述光学提取器被配置为重定向所有的所引导的光并且输出所重定向的光作为所述第一输出光。
4.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述显示面板是电子显示面板。
5.根据权利要求4所述的显示装置，其中所述电子显示面板是液晶显示器面板。
6.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述显示面板是无源显示面板。
7.根据权利要求1所述的显示装置，进一步包括安装设备，所述安装设备包括用于封装所述多个LEE、所述光导、和所述光学提取器的外壳，和用于将所述显示面板安装到所述外壳的安装件。
8.根据权利要求7所述的显示装置，其中所述第一反射器形成所述外壳的部分。
9.根据权利要求7所述的显示装置，其中所述外壳封装所述第一反射器。
10.根据权利要求7所述的显示装置，进一步包括固定到所述外壳的支架。
11.根据权利要求1所述的显示装置，进一步包括与所述LEE和所述显示面板通信的电子模块。
12.根据权利要求11所述的显示装置，其中所述电子模块包括配置为向所述LEE供应电力的电源。
13.根据权利要求12所述的显示装置，其中所述电子模块进一步包括配置为向所述显示面板提供图像数据的显示驱动器。
14.根据权利要求13所述的显示装置，其中所述电子模块进一步被配置为根据供应到所述显示面板的所述图像数据来调制供应到所述LEE的电力。
15.根据权利要求14所述的显示装置，其中所述电子模块进一步被配置为调制供应到所述LEE的电力，从而在操作期间在所显示的图像中引起可感知的闪烁。
16.一种标牌，包括根据权利要求1所述的显示装置。
17.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述第一预定比率小于5：1。
18.根据权利要求17所述的显示装置，其中所述第一预定比率小于3：1。
19.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述光学提取器包括固体光学器件，所述固体光学器件包括：
输入表面，所述输入表面用于接收所引导的光；
第一向前输出表面，所述第一向前输出表面是平坦的，所述第一向前输出表面用于在第三向前角度范围中向周边环境透射所引导的光的至少一部分；
第一向后输出表面，所述第一向后输出表面是凸形的并且在所述输入表面和所述第一向前输出表面之间延伸；和
第一重定向表面，所述第一重定向表面在所述输入表面和所述第一向前输出表面之间延伸，所述第一重定向表面用于朝向所述第一向后输出表面反射所引导的光的另一部分，所述第一向后输出表面用于在所述第一向后角度范围中向所述周边环境透射反射光。
20.根据权利要求19所述的显示装置，其中所述第一向后输出表面是漫射-透射性表面。
21.根据权利要求19所述的显示装置，其中所述第一重定向表面在邻近于所述输入表面的部分上方是凸形的，并且在邻近于所述第一向前输出表面的部分上方是平坦的。
22.根据权利要求21所述的显示装置，其中所述第一重定向表面和所述第一向前输出表面在顶点处交叉。
23.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述第一反射器包括漫射-反射性表面。
24.根据权利要求1所述的显示装置，进一步包括一个或者多个光学耦合器，其中
由所述LEE提供的光在第一角度范围中，
所述光学耦合器被布置成接收由所述LEE提供的光，并且在第二角度范围中将由所述LEE提供的光重定向到所述光导的接收端，并且所述光导的数值孔径使得在所述第二角度范围中从所述光学耦合器接收的光能够由所述光导引导通过TIR而离开所述一对相对侧表面。
25.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述LEE是发射白光的LED。
26.根据权利要求1所述的显示装置，其中从所述第一反射器的、邻近所述光导的边缘到所述光学提取器的、远离所述光导的边缘的距离小于3”。
27.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述第一反射器是凹形的，并且具有小于3"的垂度。
28.根据权利要求1所述的显示装置，其中
所述光学提取器被配置为沿着所述光导的所述一对相对侧表面中的第二个，在第二向后角度范围中在周边环境中输出一些其他所重定向的光作为第二输出光，
所述照明装置进一步包括第二反射器，所述第二反射器邻近于所述光导的所述一对相对侧表面中的第二个并且与所述光学提取器隔开，以朝向所述目标表面在第二向前角度范围中反射在所述第二向后角度范围中的光，并且
所述光学提取器和所述第二反射器的第二组合被配置为使得跨所述第二反射器的最大亮度与最小亮度的比率小于第二预定比率。
29.根据权利要求28所述的显示装置，其中所述第二预定比率等于所述第一预定比率。
30.根据权利要求28所述的显示装置，其中所述光学提取器、所述第一反射器和所述第二反射器的第三组合被配置为使得跨所述光学提取器、所述第一反射器和所述第二反射器的最大亮度与最小亮度的比率小于第三预定比率。
31.根据权利要求30所述的显示装置，其中所述第三预定比率小于20：1。
32.根据权利要求29所述的显示装置，其中所述光学提取器包括固体光学器件，所述固体光学器件包括：
输入表面，所述输入表面用于接收所引导的光，
平坦的第一向前输出表面和平坦的第二向前输出表面，所述第一向前输出表面和所述第二向前输出表面被布置成相对于所述光导镜面对称，并且被配置为在第三向前角度范围中向周边环境透射所引导的光的一部分，
第一向后输出表面和第二向后输出表面，所述第一向后输出表面是凸形的并且在所述输入表面和所述第一向前输出表面之间延伸，所述第二向后输出表面是凸形的并且在所述输入表面和所述第二向前输出表面之间延伸，所述第一向后输出表面和所述第二向后输出表面被布置成相对于所述光导镜面对称，
第三向前输出表面，所述第三向前输出表面配置为在所述第三向前角度范围中向所述周边环境透射所引导的光的另一部分，和
在所述第一向前输出表面和所述第三向前输出表面之间延伸的第一重定向表面，和在所述第二向前输出表面和所述第三向前输出表面之间延伸的第二重定向表面，所述第一重定向表面和所述第二重定向表面被布置成相对于所述光导镜面对称，所述第一重定向表面用于朝向所述第一向后输出表面反射所引导的光的又一部分，所述第一向后输出表面用于在所述第一向后角度范围中向所述周边环境透射由所述第一重定向表面反射的光，并且所述第二重定向表面用于朝向所述第二向后输出表面反射其余的所引导的光，所述第二向后输出表面用于在所述第二向后角度范围中向所述周边环境透射由所述第二重定向表面反射的光。
33.根据权利要求32所述的显示装置，其中所述第三向前输出表面是凹形的。
34.根据权利要求29所述的显示装置，其中所述第一反射器和所述第二反射器被布置成相对于所述光导镜面对称。
35.根据权利要求29所述的显示装置，其中所述第一反射器和所述第二反射器包括漫射-反射性表面。
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