CN1406190A - 具有与显示装置隔离的光源的显示系统 - Google Patents

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Abstract

高亮度显示装置，一般用在需要日光可读性的应用场合，在厚度为最大一英寸的情况下需要专门的设计方法。本发明涉及一种高强光产生装置(20，920)以及相关的用于将该装置产生的光传输至一远程位置的光传输装置(30，42，40)。本发明特别适用于很小厚度即一英寸以下的背光照明显示器(80)例如液晶显示器(LCD)。通过隔离光源(12)和其它外围装置(与显示装置(80)隔离，采用远程封装盒(900))来实现很小厚度的显示器(80)。这种显示器(80)最适用于空间特别宝贵的高环境照明情况，例如飞机的驾驶舱中。

Description

具有与显示装置隔离的光源的显示系统
相关申请
本申请要求1998年7月7日申请的名称为“平板显示系统(FlatPanel Display System)”的序列号为60/091,981的美国临时专利申请的优先权。序列号为60/091,981的美国临时专利申请的内容在此全文引入作为参考。
发明领域
本发明涉及一种高亮度光产生装置以及相关的用于将该装置产生的光传输至一远程位置的光传输装置。本发明特别适用于很小厚度的背光照明显示器例如液晶显示器(LCD)。特别地，本发明通过将光源与显示装置隔离来实现一种很小厚度的显示器。这种显示器最适用于空间特别宝贵的高环境照明情况，例如飞机的驾驶舱中。本发明的光产生装置及相关光传输装置除照明显示器以外也可以用于其它的应用，例如投影显示器，地面车辆设备显示器，汽车照明(例如前灯、尾灯、仪表盘照明、地图照明，和顶灯)，机场跑道照明，飞机内部照明，和街道照明。
发明背景
一般地，高亮度显示器(例如那些用于航空领域的显示器)是基于具有一个或多个荧光灯的透射式液晶显示器(LCD)的。当封装在反射腔中并附加有光控制膜时，这种灯可以用充分的功率水平加以驱动以产生足够的亮度，从而由透射式LCD产生出远超过200fL的亮度。一般地，这种显示器在组合有最少量电子装置时会具有至少三英寸的厚度。随着更多的电子装置加入以增加功能，显示器厚度会相应地增大。另外，对于航空领域的应用，由于装置面板空间非常宝贵，所以有效显示区域必须占据整个外壳的绝大部分。这种进一步的复杂性增加了封装密度，并且随着封装密度的增加，热学方面的设计显然变得更加关键。在大约0.1瓦特每立方英寸以上，就应当采用主动制冷，通常是风扇制冷，这进一步地增加了体积。
对于许多应用，例如航空领域，存在将显示器厚度降至一英寸以下的需要。考虑到航空应用，这将有助于以新型显示器改善驾驶舱，而只需要对驾驶舱仪表盘和周围结构部件进行最少的调整。可以去除废弃的显示器并代之以仅仅固定在已有仪表盘上的新型显示器，包括与本发明相关的那些显示器。绝大多数的航空显示器都突出至仪表盘前不足一英寸。这种限制是由于诸多因素，例如为了防止一个显示器遮挡另一个显示器，为了避免突入战斗机和攻击机的发射舱，以及为了避免干扰机组成员使用控制装置(例如限制了操纵杆的全程运动)。
为了在传统显示器中实现高亮度、高对比度和高分辨率以适应高环境照明条件，需要相当大的显示器厚度和相当高光强的光源。然而，厚显示器以及高强光源产生的大量热量不利于特定的应用场合，例如在飞机驾驶舱中的应用。
由前述可知，本发明提供了一种显示系统，其中光源位于显示装置例如LCD及其背面光的远端。通过将灯源、驱动电路以及其它部件与显示装置隔离并且将它们置于远端，可以使空间需求得以满足而不违反对于适于飞机驾驶舱的显示系统元件的严格外壳限制。
本发明还提供了一种含有光源和聚光组件的高光强光产生装置，和一种用于将该光束传输到远程位置例如显示装置的光传输装置。
发明概述
本发明用以提供一种高强光产生装置以及相关的用于将该装置产生的光传输至一远程位置的光传输装置。本发明特别适用于构造具有很小厚度例如一英寸以下的背光照明显示器例如液晶显示器(LCD)。通过将光源和其它外围装置与显示装置隔离来实现很小厚度的显示器。相应地，光源和其它光传输装置包含在一个远程封装盒中。这种显示器最适用于空间特别宝贵的高环境照明情况，例如飞机的驾驶舱中。本发明的光产生装置及相关光传输装置除照明显示器以外也可以用于其它的应用，例如投影显示器，地面车辆设备显示器，汽车照明(例如前灯、尾灯、仪表盘照明、地图照明，和顶灯)，机场跑道照明，飞机内部照明，和街道照明。
根据本发明的一个说明性实施例，提供了一种用于照明显示器例如平板显示器(即LCD)的系统。下面说明性地列出了该系统的几个功能性元件：
●一光源，用于产生光束。
●一聚光组件，用于收集光源产生的光束并提供一个或多个输出光。该聚光组件包括至少一个椭球面反射镜，并且最好是八个椭球面反射镜，用于将光源产生的光束反射至相应的八个出射端孔。
●一光导组件，用于收集来自所述输出光的光束，并将其传输至一个共用出射端口。
●一可选的光衰减器，用于提供对从光导组件共用出射端口出射的光的受控可调衰减。
●一均化器(homogenizer)，用于捕获来自可选光衰减器，或者替代地，直接来自光导组件共用出射端口的的潜在非均匀光，并提供通过该均化器的出射端口区域的均匀照明。由该均化器产生的通过出射端口区域的照明并且具有频谱均匀特性以及角度均匀特性。注意均化器最好是斜削的，其输入口大于其输出口。
●一光缆组件集合，用于捕获来自单个均化器出口的光束并将其分配至多个出口。
●瞄准组件集合。每一个瞄准组件捕获由对应的光分发装置出射端口发出的光并投射对准性改善了的光
●一转角组件集合，用于捕获由准直元件投射的准直光束并在保持其准直的同时以具有空间效率的方式改变其传播方向。
●一波导背光装置，用于捕获来自转角组件的准直光束并将其投射至背面光出射面的法线方向。
●一液晶显示器(LCD)，用于透射由背光装置投射的准直光束并且通过LCD区域对其进行空间调制，且在非单色应用场合进行频谱调制，以形成图象。
●一观察屏，用于透射由LCD投射的光束并将其去准直(或散射)，以投射LCD图象使其能够在一个宽范围的观察角被看见。
根据本发明的该实施例，该系统还包括一个或多个光管(例如固体柱棒，或者替代地，方形或矩形截面柱棒)，其中各光管耦合至聚光组件的相应出射端孔。光管用于降低由聚光组件产生的热量会聚和紫外辐射，而这否则会完全分散在通向均化器的光导中。光管最好由可见光透明耐热材料制成，例如玻璃、熔融石英或蓝宝石。另外，各光管最好涂覆以介电红外反射层、或者紫外反射层或者其组合。
根据该实施例的另一方面，波导具有锯齿形或截削锯齿形的下表面，用于将光束根据锯齿形和截削锯齿形表面的尺寸和形状以既定的方向导引出波导。
根据该实施例的再一个方面，该系统包括一个用于重新导向光束的装置，例如转角棱镜组件，位于波导之前。例示性地，该组件具有一个或多个棱镜，其中各棱镜具有一个入射表面，一个出射表面，并且在存在多个棱镜的情况下，还包括位于棱镜之间的界面(例如薄粘合剂或粘合间隙)，以提高组件的光处理效率。特别地，该粘合剂最好具有小于相邻棱镜折射率的折射率。
根据该实施例的再一个方面，该系统包括一个机电光衰减器，用于衰减入射至均化器的光束。该光衰减器位于均化器入口的紧前面，构造成具有从300∶1至88,500∶1的衰减比。该光衰减器包括一对孔径板，其中各孔径板具有菱形孔径。其一可以包括一个滤波片于其中。然而，也可以构造不同形状的孔径以提供同样的功能。
根据该实施例的再一个方面，该系统还包括一个准直器阵列，位于转角棱镜组件的紧前面，用于对均化光束进行准直。例示性地，该准直器包括一个锥形腔阵列，其中该阵列的锥形腔具有圆形、方形、或三角形或者其组合的截面。
附图的简要说明
通过结合附图可以更好地理解下面的详细说明，说明只是以例示方式给出，并非意在将本发明完全限制其中。附图中相同的元件以相同的标记符号表示，其中：
图1A为根据本发明一个实施例的平板显示系统的方框图；
图1B为根据本发明的图1A平板显示系统一部分的底视图；
图1C为根据本发明的图1A平板显示系统一部分的顶视图；
图2A为根据本发明的包含支架和远程封装盒的平板显示系统一部分的分解图。
图2B为根据本发明的包含其它外围装置的图1A平板显示系统一部分的方框图；
图2C为根据本发明的专用对准垫片的底视图；
图3表示根据本发明的图1A平板显示系统中可选采用的光衰减器装置；
图4A、4B和4C分别为根据本发明的图1B和1C的聚光组件的侧立面图、等比图和组装图；
图5为根据本发明一个实施例的图1A平板显示系统的灯源和冷却组件；
图6为根据本发明另一实施例的图1A平板显示系统的灯源和冷却组件；
图7为根据本发明再一实施例的图1A平板显示系统的灯源和冷却组件；
图8为根据本发明的图1A平板显示系统的均化器的透视图；
图9表示根据本发明一个实施例的图1A平板显示系统的方形准直器阵列实施例；
图10A表示根据本发明一个优选实施例的图1A平板显示系统的准直元件阵列的细节实施例；
图10B表示根据本发明一个替代实施例的图1A平板显示系统的准直元件阵列的细节实施例；
图11表示根据本发明另一个实施例的图1A平板显示系统的密封三角空气腔准直器阵列的实施例；
图12表示根据本发明一个实施例的图1A平板显示系统的转弯组件的实施例；
图13表示根据本发明一个实施例的含有波导的图12转弯组件的实施例；
图14表示根据本发明的图1A平板显示系统的波导；
图15表示根据本发明一个实施例的图1A平板显示系统的具有锯齿表面的波导的下表面；
图16表示根据本发明另一个实施例的图1A平板显示系统的具有截削锯齿表面的波导的下表面；
图17表示具有纯粹阶形表面或截削表面的波导的传统下表面；
图18表示根据本发明的具有圆柱状玻璃棒和套筒的图1A平板显示系统一部分的侧视图；以及
图19表示根据本发明的图18圆柱状玻璃棒。
发明的详细描述
在一个说明性实施例中，本发明为一种高亮度、一英寸厚的显示系统，尽管也可以采用其它厚度的显示系统。根据本发明，照明光源远离显示装置，例如LCD及其附属波导、观察屏，和背面光(如果显示装置是透射式的)。该显示装置可以是发射式的、透射式的或反射式的。下面从光学和机械角度说明该显示器。
图1A中画出了根据本发明的平板显示系统5的示意方框图，而图1B、1C、2A和2B画出了显示系统5的各部分。后面将会说明，这些部分包括包含在远程封装盒中即远离显示装置的外围装置。应当理解，显示系统5仅仅是示意性的，图中各部件的相对尺寸、位置，以及形状都只是为了便于讨论。
如图1A-C及2A和2B中所示，显示系统5包括一聚光组件20，后面将参照图4A、4B及5-7详细说明，用于会聚来自光源12的光束。一般地，聚光组件20设计成将可见光传送至其出射端口，尽管聚光组件20也可以设计成传送辐射通量例如红外光、紫外光，和微波。为说明起见，聚光组件20大约为3″乘以4″乘以3.6″高，并且具有超过70％的收集效率。其功能元件包括一密封的会聚光源12比如小弧光高亮度放电(HID)灯和一含有椭球面反射镜10的灯罩。光源12可以由一个270W弧光灯提供，其弧光间隙可以是1.4mm，尽管也可以采用其它灯源和/或弧光间隙。另外，光源12除了其电极遮蔽效应之外最好是一个基本全向的辐射体。这样，聚光组件20通过将全向光源12的输出分组，可以优选提供两个或更多的输出光。
从图1B、1C和2A中可以清楚地看出，椭球面反射镜10由多个L形支架115加以支承。“L”形各边大约为0.9″宽和2.25″高。特别地，图1B和1C画出的是四个L形支架115的组件，而图2A只画出了已有四个支架115中的两个。如图2A所示，各支架具有一对通孔(在“L”的两边上各一个)117，用于容纳各光缆引线25的端套的突起，和一对螺纹孔119，用于通过指旋螺钉夹18将各突出的光缆引线固定至其相应的调整器120中，如图1B和1C所示。通孔117直径大约0.36″，而螺纹孔119直径大约0.19″。并且，光源12和椭球面反射镜由上下衬板16、14加以支承，其中上和下衬板16、14的大约尺寸为3″乘以3.9″乘以0.25″厚并且直径为4.93″。另外，在支承反射镜时，从上衬板16的顶部至下衬板14的底部的高度为大约2.75″。
为了确保构成组件20出射端孔的椭球面反射镜和反射镜边缝112准确对准，最好将一组适当的精密基准表面加入该组件的设计中。从光源的有效光输出取决于这种精密对准。在图2A中，聚光组件20的分解图表示该光产生装置的不同元件是如何组装的并且显示了对准所需的基准表面的设计。
参照图2A和4A-4C，其中画出了四个椭球面反射镜10。该四个椭球面反射镜10的顶部和底部具有圆柱表面，分别接合至衬板16和14的圆柱形衬套中。反射镜10固定地保持在衬板14和16上，匹配在螺旋槽127上的卡紧弹簧126装置定着在反射镜10的背面。上下光源12通过插入在衬板14和16的圆孔中的圆柱形卡件28加以保持。这些孔与衬套同心，并提供光源12与位于组件20中心并与两个衬套的公共轴重合的共同焦点相对准的足够公差。
如图2A和2C所示，在衬板16周围设有专用对准垫片23。该垫片的顶部是平面以与衬板16的平面下表面接合，而该垫片的下面是一个锥形以与反射镜10的上表面匹配。各反射镜10围绕衬套轴的时钟控制(clocking)对准由各反射镜部分的上角边缘中的凹槽140提供(见图4A-4C)。凹槽140具有垂直于衬板16下表面的精密基准背面。在垫片23的下锥形表面上有四个突出的主要突起21。突起21具有八个精密基准面，用以与所述四个反射镜10上的凹槽的对应基准表面接合。为了提供反射镜边缝112与L形支架115上通孔117的同步对准，在垫片23上设有轴销通孔29用以与衬套16中对应的轴销接合。所述四个L形支架及其八个通孔117都相对于衬板16精确定位，从而确保通孔117与反射镜边缝112的准确对准。
八个较小的螺旋弹簧38插入在靠近衬套的下衬板14中的对应插孔39中。反射镜10的锥形下表面各与这些弹簧中的两个相接合。因此各反射镜部分向上衬板16上弹性施压。这种弹性压力作用保证反射镜10的上锥面与上衬板16之间的垫片23的上下界面彼此紧密接触。
在存在由灯源发热引起的热形变的情况下，螺旋弹簧38和卡紧弹簧126的弹性加压作用是保持严格对准的有效方式。这种弹簧加压方法避免了在玻璃反射镜的界面处产生会损坏反射镜的应力。这种应力在不能容纳热致形变的传统对准方法中存在。
考虑到制造，模制精密玻璃表面的单位成本要小于研磨它们的成本(当然小于研磨并抛光它们的成本)。因此，反射镜10的关键表面最好是模制的。这些模制反射镜表面包括螺旋反射镜表面，上下圆柱衬套的界面表面，上下锥形界面表面，带凹槽的上反射镜同步界面表面，以及反射镜10的边缝表面。为了便于玻璃模制工艺，所有模制表面如果不是相反成形和/或取向的话，都设计成具有斜角以便于脱模。例如，上下反射镜边缘最好构造成锥面而不是平面以便于脱模。同样原因，反射镜边缝112最好设计出具有斜角。
图4A、4B和4C分别为图1B和1C中所示聚光组件20的反射镜10侧立面图、等比图和组装图。如图4B所示，各椭球面反射镜10包括两个椭球面反射镜部分110，最好是易于制造。相应地，各椭球面反射镜部分110以如下方式定位，使之具有与所有八个反射镜部分110共同的第一焦点，基本以光源12的灯弧为中心。并且，各各椭球面反射镜部分110具有第二专门焦点，各自基本位于或靠近相应的反射镜边缝112，以提供对于对应柱棒138(后面将详细描述)的柱棒入口125(见图4C)。因此各椭球面反射镜将其从灯弧拦截的光束聚焦至位于或靠近该反射镜第二焦点的对应柱棒入口125处。注意各反射镜边缝112与相应的支架端孔117加以对准，如图1B和1C所示。各柱棒入口125直径例如是4mm，拦截以0.42NA(数值孔径)入射的光束。
如图1B、1C和4A-4C所示，其中说明性地画出了八个反射镜边缝112(每个椭球面反射镜部分110一个)以及八个对应的通孔117。注意各反射镜边缝112由反射镜边缘的一个半孔形成。各椭球面反射镜部分具有两个半孔，每侧一个，从而在灯源外壳中提供了四个孔112和八个柱棒入口125。如果需要使该光产生装置的聚光效率最大化，则各柱棒入口125的直径应当超过由对应椭球面反射镜部分110构成的灯弧图象的理论尺寸。多余边缘应设计成容纳象差、封装灯弧的玻璃外壳导致的光束畸变，以及在制造反射镜表面形状方面以及在反射镜、灯弧与柱棒之间相对对准方面的偏差。增大各柱棒138的直径需要对光束出口所需的各反射镜边缝112加以增大。这减小了椭球面反射镜部分110表面的面积，反过来降低了光收集效率。在例如反射镜边缝112面积足够大从而成为反射镜部分110面积的显著因素的时候，由于反射镜面积减小所引起的这种效率损失是显著的。
替代地，也可以采用直径稍微小点的柱棒138以便在光收集效率与柱棒入口照射密度之间进行一定程度的权衡，这会使柱棒中央的亮度比其边缘更强。
在此处所述的设计中，柱棒入口直径D选择如下：
                   D＝(s2/s1)G+0.51，其中s1为椭球面反射镜与其第一(共同)焦点之间沿主轴的较短距离，而s2为椭球面反射镜与其第二(专门)焦点之间沿主轴的较长距离，G为灯弧电极之间的间隙。
在此示例中，s1＝18.5mm，s2＝46.1mm，G＝1.4mm，所得D为4mm。在D的上述表达式中，(s2/s1)G为从椭球面反射镜区域的任何部分反射而产生的最大理论灯弧图象尺寸的估算值。另外的0.51mm用于边缘。如上述柱棒直径D的表达式所示，D的大小是反射镜设计结构参数s1和s2以及灯电极间隙G的强函数。
所述聚光组件20设计包括由八个椭球面反射镜部分110构成的四个椭球面反射镜10，这是多种可能的替代设计结构之一。例如，聚光组件可以包括更多或者更少的位于灯弧附近的椭球面反射镜，它们都具有一个共同的第一焦点。在所示结构中，各反射镜的第二焦点是专门的，并且需要对应的专门柱棒入口用于光出射。聚光组件中的反射镜数量越多，则从灯弧或从对应的柱棒入口看，由各反射镜拦截的立体角越小。这是假定灯弧周围的反射镜都是相同的。因此，这些反射镜都具有相同的s1和s2值。数值孔径(NA)，定义为来自反射镜的光束在对应的柱棒入口处的最大入射角的正弦，取决于反射镜有效孔径的形状和投影区域尺寸以及反射镜与该入口之间的距离。聚光组件20所示设计的0.42NA代表由反射镜反射的光束对于柱棒入口表面的最大(或近似最大)入射角25E。当然，D和NA的大小取决于聚光组件20以及电极间隙G的设计。然而，对于较小值的G，NA对G的依赖性较小。
反射镜可以由比如玻璃或金属等材料来制作(未画出)。玻璃表面可以具有反射可见光而透射红外光，也可能是紫外光的介电涂层(构成薄膜冷反射镜)；从而减少了聚光组件20内，柱棒138和/或该柱棒的其它光学附件中的热扩散。金属反射镜可以由金刚石改性的铝、电镀沉积的镍或高温聚合物比如Ultem等制成。金属或聚合物反射镜可以用铝、介电薄膜，或其它高反射涂层进行镀膜。与玻璃反射镜相一样，可以在金属反射镜上采用介电涂层以反射可见光。然而，不同于透射红外光、紫外光或两者都透射的玻璃反射镜上采用的涂层，金属反射镜上的介电涂层特别适用于反射可见光而吸收可见光波段之外的光束。这种吸收产生的热量通过金属结构的传导而消散，从而将热量传送出反射镜腔体。
重新参照图1B、1C和2A，聚光组件20利用其椭球面反射镜表面来捕获和传导光源12的输出光。可以通过光导组件，例如每个都用作光传输线的多个光缆，将光束从聚光组件反射镜边缝112输出。如图所示，八个该光缆引线或线束25每个与一对应的柱棒入口125相配合。各光缆引线25可以通过相应的调整器120(如图1B和1C所示)加以调节，以确保准确对准。注意各调整器120与对应的光纤调整孔117相对准。假定出射端口数量为两个或更多(例如所示为八个反射镜边缝112)，光缆引线25可以在套筒30之中结合在一起以形成单个路径。
如图2A所示，套筒30外壳可以是圆柱形的，而套筒30的光纤束出口孔径可以是方形的。套筒30的尺寸为大约1.5″长，直径0.75″。套筒30由支架32支承，其中支架32尺寸为大约3.775″长，5″宽，2.57″深。支架32类似地在其一端具有圆形开口而在其相对端具有方形开口。
参照图18，为了分散热点并承受高功率密度，各光纤引线25的输入端可以耦合至相应的套筒142。各套筒142可以支承以一个耐热的光学透射元件或光管例如柱棒138，它可以与其对应的光纤束空气隔离或粘合。柱棒138可以由具有高折射率的硬质玻璃(例如LaSFN31)或者由具有低折射率的熔融石英制成。注意可以将来自用于收集各反射镜边缝112所发出光束的八个光缆引线的光纤随机混合，以便在光束从套筒30中的单个共同出口出射并进入下一级之前提供一定程度的均化作用。图19中画出了柱棒138的一个示例。如图所示，柱棒138为13mm长，直径为4mm。
如图1A所示，光束均化器40(将参照图8更详细描述)在输入端44处接收来自套筒30输出端的光束。然而，进一步如图1A和2B所示，在均化器40之前可以任选地设置光衰减器42例如膜片(iris)，可调中等密度滤波片，滑动孔径或液晶快门，以减少或消除至均化器的光束。
均化器40在其输出端46的截面处产生均匀的照射。均化器40的输出端耦合至第二光传输线，例如图1A中所示的延伸光缆50，它具有一个输入端52和多个输出端54。
在图1A的示例中，来自光缆50的光束耦合至准直器60。准直器60可以是一个长的斜削光管，具有小面积的输入端和大面积的输出端，例如方形截面锥，其作用近似于一个复合抛物面聚光器(CPC)，一个或多个这种元件的简单阵列，或用于准直光束的透镜阵列。准直器60的输出端提供给一个用于直接或通过转角棱镜组件72对显示装置80进行照明的波导70，其中可以为了小型化而提供转角棱镜组件72。
某些类型的显示器最好采用准直光束来照明。例如，为了背光照明某些液晶显示器(LCD)，最好采用准直光束，因为光束在LCD上的入射角限定在较窄范围时对比度最高。相反地，发散光束或非准直光束会导致降低的对比度。
如前所述，如果显示系统5的物理结构的尺寸或其它限制需要改变光束在准直镜60的输出端与波导70之间的传播方向，则可以在波导70之前设置一个转角组件72(具有一或两个棱镜)。
如图2A和2B所示，显示系统5的许多部件可以置于封装盒900中(并且由盖板905密封)，称作远程封装盒。远程封装盒900提供一定位机构，用于将显示系统的元件定位在离开显示器80例如空间宝贵的驾驶舱面板所处区域的位置。远程封装盒的尺寸最好可以设定成满足特定的应用需求。例如，在飞机中，远程封装盒可以具有由3ATI，5ATI或其它尺寸标准所定义的尺寸，从而可以安装在仪器所采用的机架上，这些仪器将为本发明所替代。因此对于3ATI尺寸标准，远程封装盒的尺寸可以大约是3″乘以3″乘以9″。相应地，可以大幅度减少对于飞机任何主要结构性调整的需求。另外，产生大量热量的部件可以置于远程封装盒中，远离热敏感元件，此处热量的去除可以更容易地实现，并且外壳空间的限制也不太严格。
如图所示，光源10、聚光组件20、光衰减器42、均化器40，及相关支架(前已描述)包含在远程封装盒900之内。光缆50将均化器的输出端连接至其余部件(例如准直器60和波导70)。另外，系统的其它部件，例如电源910、灯驱动电路920、视频接口930、输入/输出组件940，以及处理组件950，也可以设置在远程封装盒900中。应当理解，根据特定系统的需求以及可用空间，可以选择使远程封装盒900中包括或者不包括任何数量这些部件。
聚光组件
图4A、4B和4C分别表示图1B和1C的聚光组件20的侧视图、等比图和组装图。如前所述，聚光组件20有效地将来自光源装置12的光束耦合至均化器40。聚光组件通过反射镜边缝112将光源装置的输出光加以分组，优化了对光束的捕获并且提高了系统的效率。图4B的等比图画出了包括灯源封装盒的所述四个椭球面反射镜部分10之一，其中该四个反射镜10每个都包括两个反射镜部分110。注意，各反射镜110为围绕椭球面主轴旋转的椭球面。相应地，聚光组件20具有八个椭球面反射镜110，其中椭球面反射镜110具有一个在光产生腔中心处的第一共同焦点，和一个不与任何其它椭球面共享的第二专门焦点，位于各相邻椭球面反射镜110边缘附近的所述八个反射镜边缝112之一处。如前所述，各反射镜110在其一端具有一个半孔，使得两个相邻反射镜110构成各反射镜边缝112。
如进一步参照图4C、19和20所述，反射镜边缝112可以优选与相应的透射元件或光管例如固体柱棒138接合。该光管可以耦合至光缆(例如光纤引线25)、另一光管或固体芯光纤。
柱棒138由透光材料例如玻璃、熔融石英或蓝宝石制成，以消除可能会损伤光缆的热点。另外，为了进一步防护光纤免于热量或紫外辐射的损伤效应并且进一步防护下游光学器件特别是聚合物光学器件和粘合剂等，可以在柱棒138的输入端面涂覆以介电IR、UV反射涂层，和/或透射可见光的重铬酸膜。另外，替代该涂层或者在该涂层之外，柱棒138可以用UV吸收材料制成或者可以掺杂以UV吸收材料例如铈(Ce)。
特别参照图18，在工作过程中(到达下游光学接口之前)，来自光源的热量由各柱棒加以吸收，并且可以传送出各柱棒138且传送至用于支承柱棒并用作散热器的导热套筒(或腔室)142中。套筒142最好由导热材料例如铜、铝、不锈钢、其组合，或其它散热材料制成。
各柱棒138可以通过耐热且光学透明的粘合剂或夹持器(未画出)固定在其相应套筒142上。至于粘合剂，粘合剂最好可以承受持久的温度环境，对例如Epoxy Technology公司的Epotek 301-2环氧树脂高达200EC，并且粘合剂最好具有足够低的折射率以保持在柱棒材料中传播的光束的全内反射(TIR)。例如，假定对于在空气介质中出发的光束：
在固体柱棒的抛光入口端面上的最大光线入射角为θ，柱棒介质的折射率为N，在柱棒的抛光圆柱表面上的粘合剂的折射率为n，则，为了使TIR对于所有在柱棒中传播的光束都占优势，n需要小于或等于(N2-sin2θ)的平方根。因此，如果柱棒138由N＝1.88的LaSFN31玻璃制成，并且如果从空气介质的最大光线入射角为θ＝25°，则保持TIR的对应最大粘合剂折射率为n＝1.83。因此，Epotek 301-2环氧树脂是一例保持TIR的粘合剂，因为其折射率为1.564。
替代地，如果柱棒材料和粘合剂的折射率的组合使得不能进行TIR，则应当在粘合剂与柱棒之间施加适当的低折射率涂层，例如氟化镁(其折射率为1.38)。但是如果采用夹持器来保持柱棒138，则在夹持器与柱棒表面之间施加低折射率涂层以形成阻挡层。
聚光组件的冷却结构
如果采用高强光源10(例如小弧光HID灯)或其它高瓦特灯，则该系统中最好设置冷却系统。在图5所示的该优选实施例中，组件200包括一个光源12，约3.575″长，安装在密接管210内部，使两者都位于一个合适的灯固定器220中。管210可以是圆柱形的或者任何其它适宜形状，并且可以由相对于空气具有良好导热性的透明材料制成，例如熔融石英或蓝宝石。如图所示，管210在一端由一个盖230密封而形成一个封闭盒。
管210的外表面212与聚光组件20的反射镜110物理接触。这使得光源12产生的热能可以流向管210并接着流向聚光组件20。替代地，可以通过在灯源的玻璃外壳上附着一个金属导管并将该导管固定在一个散热器(未画出)来提供冷却。
图6画出了一个替代光源和冷却组件300。该组件300具有光源12。在此实施例中，光源12可以是一个短弧光金属卤素HID灯例如日本公司Ushio America，Inc.生产的270W类型的灯。具有适当导热率的铜或其它材料制成的热导330在至少两点与灯12相耦合，并将热量传输出密封区350至散热器340。各热导330大约1.07″长，直径0.75″。密封区350一般是钼薄片导体，在灯石英外壳被加热并“夹紧”时形成气密密封。热导330设计成使得薄片密封温度维持在制造商推荐的范围内，在该范围之上可能会导致密封失败。该技术还利用了所述薄片的低导热率，其中来自灯源的最小能量得以通过该热导传输，从而导致较低的热波导。
图6中也画出了椭球面聚光组件20。聚光组件20吸收的热量会传送至散热器340。为了进一步较低薄片密封温度，可以在热导330与石英灯310之间加入填料以填充空气隙，因为空气是很差的导热体。然而填料应当能够运行石英与铜之间的相对运动，应当具有很低的漏气特性，并且应当能够承受超过灯制造商推荐以上的温度(例如250EC)以具备足够的安全余量。例如，可以采用由UCAR CarbonCompany，Inc.(Cleveland Ohio)制造的Nuclear Grade Style SW-GTA Gratoil产品。该Gratoil材料具有弹性，导热性，为可压缩石墨垫片材料，具有极低的灰分含量，并且不含有粘结剂或树脂。没有粘结剂或树脂使得不会产生高温引致的漏气，而漏气的危险在于，所漏出的蒸气在较冷的椭球面反射镜表面10上凝结会较低其反射率。如果空气不会冲击任何光学表面，则整个组件300可以是强制气体冷却。其结果是，密封反射镜组件可以应用在一个较脏的环境中，例如军事和机动车上的场合。可以调整冷却气体流速，以使温度保持在最大程度提高灯源寿命的温度范围内。
可以采用其它不同的结构。例如，光源可以密封在聚光组件20中以形成一个闭环冷却系统400，如图7所示。在此实施例中，空气在聚光组件的外周循环。特别是光源12密封在密封聚光组件420之中。通过风扇422使洁净空气强制通过光源12，并且空气在增压室430中冷却。增压室和空气导管构成一个包括聚光组件420的密封组件。需要一个密封空间以防止脏空气从密封空间外部的渗入。可以任选地采用散热器、风扇或其它冷却装置(未画出)将热量从增压室430中传出。
在另一结构中(未画出)，可以对灯本身进行强制气冷，假定可以获得洁净空气。代替空气，可以采用氦或者氦氖氮的混合物来冷却所述表面。
光衰减器
如上所述，光衰减器42可以是膜片，可调中等密度滤波片，滑动孔径或液晶快门。如图3中详细所示，光衰减器42具有两个水平地彼此相对滑动的孔径板1010、1020。如图所示，各孔径板具有菱形孔径1030。也可以选择设置一个滤波片例如NVIS滤波片，覆盖住一个菱形孔径，从而可以使驾驶舱显示器适于夜视装置。由于该孔径的较小尺寸，使得位于此处的NVIS滤波片较便宜、较薄、并且还比置于整个LCD显示器背光区之前并将其覆盖的通常位置的NVIS滤波片远为紧凑。
从工作过程中，随着板1010和1020移动到一起或者分开，由这两个孔径1030重叠所产生的开口会根据需要而变化。注意光衰减器最好是机电式地加以操作，并且具有直至300∶1的衰减比。
为了达到高达(例如)85,500∶1的更高衰减比，可以通过在图3所示滑动孔径板之一中插入两个孔径来构成二级光衰减器。在该滑动孔径的任何给定平移位置，其两个孔径中只有一个具有与另一(单个)孔径滑动板的孔径共同的透射区域。该组件的此滑动结构应当设计成移动全部两个孔径以使所述共同透射区域以套筒30光缆出口和均化器40入口孔径44的共同轴为中心。这种对准最大限度地提高了均化器40光出射端口46的均化效果。
二级光衰减通过置于所述两个滑动板孔径之一上的中等密度滤波片来实现。通过沿单个孔径滑动板的开口移动所述两个孔径滑动板的透明孔径直至达到最小尺寸的共同区域开口，来实现第一级光衰减。对于第二级光衰减，沿该单个孔径滑动板的开口移动所述两个孔径滑动板的中等密度滤波孔径直至再次达到最小尺寸的共同区域开口。选择滤波片的中等密度使得其衰减等于或略小于第一级光衰减的最大衰减量。例如，对于第一级衰减范围300∶1，中等密度可以是2.47，从而在两个滑动孔径的共同区域达到最大时提高295∶1的衰减比。从而最大第二级衰减比[295×300]∶1或88,500∶1。
这种二级衰减结构的另一个优点在于NVIS滤波片可以与同一基板上另一侧的中等密度滤波片组合，从而组合了全部两种功能。这种中等密度组合在上述例子中因而被设计成2.47。因为第一级衰减没有NVIS，所以这就避免了通常由NVIS滤波片引起的系统效率下降。
注意两个滑动孔径之间的共同开口区域的最小尺寸限制取决于随着透射孔径的逐渐减小所致衍射的增加程度。这种衍射效应可以变得相当显著，足以导致不准直从而超出下游光缆中光纤的数值孔径(NA)限制。这会导致光缆中的光吸收，从而降低光传输效率。
此外，即使光纤数值孔径(NA)足以容纳这种准直损耗，但是显著的不准直会导致背光准直的不利变化。光产生装置与波导之间的光传输系统设计成最大限度保留从波导出射光束的面积(etendue)并实现一定程度的准直。由光衰减器最小孔径尺寸所引起的明显不准直会导致背光准直的不利下降或者随着达到衰减限制而引起性能的不利变化。
光束均化器
如图8所示，可以通过一个所有六面都抛光的方形截面棒制造光束均化器40。均化器40最好由在可见光区具有低衰减的丙烯酸材料、BK7玻璃或其它材料制成。方形截面可以在均化器的整个长度上都是均匀的，或者如图8所示也可以是斜削的。特别地，均化器40具有一个大的输入端口44和一个小的出射端口46。均化器可以通过研磨、金刚石改性、激光切割或拉伸来制造。选择均化器的长宽比，使得在均化器出射端口的输出光是均匀的。其长度取决于输入光的准直程度、均化器材料的折射率，和所需的均化程度。一般地，其长度在宽度的十倍范围内。例示的均化器40具有13mm乘以13mm的方形入口和8.4mm乘以8.4mm的出射口，其距离为100mm。
另外，斜削均化器的长度可以小于均匀截面的均化器的长度，而提供相同程度的衰减。因此，斜削均化器通常比具有均匀截面的均化器更具空间效率。
光缆
如图1A所示，光缆50具有一个共同的方形输入端口，用以匹配均化器出口46的尺寸和形状。该光缆输入端口通过透明粘合剂粘合至出射口46，以便通过消除空气间隙最大程度地降低在接口处的效率损失，从而降低菲涅尔反射损耗。从输入口伸出的光纤最好捆扎在一个具有垂直圆形截面的装套缆线中。该光缆具有足够的长度、例如两英尺，以馈送至准直器阵列60的入口孔径，如图1A。因此，光缆50具有一个共同的方形入口和多个光缆出口。从单个装套缆线至多个装套缆线的转换可以在沿光缆长度方向的任何适宜点进行。出口的尺寸和形状设计成紧密配合准直器阵列的输入口。
类似于单根光纤入口至均化器出口界面，各光纤出口通过透明粘合剂粘合至对应的准直器入口，用以通过降低菲涅尔反射损耗来最大限度提高在界面处的透射效率。在光缆入口和出口处的配合孔径的对准对于降低耦合效率损失很重要。这种对准包括确保界面两侧的匹配元件的轴彼此平行并对中。另外，如果匹配孔径不是圆形的，如均化器出口46和光缆入口的方形孔径的情况，则这些端口必须围绕其共同轴旋转对准。
此外，通过将入口孔径设计成略大于相邻出口孔径，可以不必采用极严格的对准公差。通过允许出口孔径略微不充满(underfill)相邻的对应出口，可以保持透射效率。在匹配孔径为例如与小准直器入口孔径的界面中最小的情况下，这种不充满技术提供了最大的好处。这是因为较小的孔径需要更严格的对准，以便将所产生的界面效率损耗降低至预定允许量。
准直元件阵列
图10A和10B画出了可含有准直器阵列60(图9画出了其更详细示意图)的准直元件的例子。如图所示，准直器160与260之间的差别在于，准直器160的输入端口165基本是圆形的，而准直器260的输入端口265基本是矩形的。然而，这两个实施例的准直元件都是逐渐变细的，其出口区域大于入口区域。其出口端逐个排成行以形成准直器阵列，例如图9中所示的准直器60。出口孔径的形状最好是方形的或矩形的，以便能够加入相邻的转角棱镜组件的入口孔径，而该转角棱镜组件入口孔径具有横跨准直器出口阵列的长矩形形状。以光束填充该孔径对于避免暗区很重要，否则暗区会从所产生的没有光的区域被投射出来，通过转角棱镜，进入背面光，并通过显示器。准直元件的可选方形或矩形截面在临近其出口的一部分长度上均匀一致是有利的。这使得由这些元件构成的准直器阵列能够彼此邻接堆叠，其侧面相互接触并且其轴相互平行且垂直于转角棱镜组件的入口端面。这些元件可以简便地组装在一个平面上，并使其出口与转角棱镜组件的入口孔径相接触。这种结构确保了简便的对准方式。准直器出口与转角棱镜组件入口的接触面可以通过光学透明粘合剂粘合在一起，而该粘合剂应当具有相对于棱镜折射率而言足够低的折射率，以保持对于由棱镜斜面反射的光束在粘合剂层界面处的全内反射。
图10A的准直器160显示了多个这样的元件，构成了与转角棱镜组件的匹配部分对接的线性阵列的一部分。各元件具有一个圆形的入口孔径165和一个方形的出口孔径168。圆形入口165与对应的光缆50的圆形出口相对接。
优选地，准直器160的出口168为6.6mm2。该尺寸略微超出转角棱镜组件入口孔径的高度。设置成并排紧密封装的线性阵列的33个此种6.6mm方形准直器孔径有大约218mm长，足以略微超出转角棱镜组件72入口孔径的长度。这种超出有利于避免在转角棱镜组件入口孔径上产生暗区或暗条。这些暗条中没有光线，转角棱镜组件会将这些暗条投射至背面光中并通过显示器。如图10A所示，该准直元件的方形截面部分具有6.6mm乘以6.6mm的均匀尺寸直至其开始变成斜削的圆形截面部分。该斜削部分形状为圆锥状，其直径从较小的圆形入口至较大的方形截面逐渐增大。
图10B的准直器260显示了多个类似于图10A的准直元件，类似地构成与转角棱镜组件的匹配部分相对接的线性阵列的一部分。各该元件具有一个方形的入口孔径265和一个方形的出口孔径268。方形入口265与对应的光缆50的方形出口相对接。
类似于准直器160的出口168，出口268优选为6.6mm2。因此，其与转角棱镜组件72入口孔径的界面以及其超出特性与准直器160的相同。
准直器260的各准直元件的斜削部分具有方形截面，其尺寸从较小的方形入口至较大的均匀方形截面区域逐渐增大。因此，不同于准直器160中各准直元件的圆锥状斜削部分形状，准直器260的准直元件都具有棱锥状斜削部分。
准直器160的设计比准直器260的设计更优选，因为如果采用准直器260，则须要使光缆50的光纤束与准直器260的方形端口265相匹配。注意具有方形出口的光纤束比那些具有优选端口的光纤束更昂贵并且更难于制造。
具有6.6mm方形孔径的准直器160和260的典型长度为100mm。准直器160的典型入口165可以具有1.65mm的直径。准直器260的典型入口265可以是1.462mm2。这两种准直器的典型入口尺寸最好具有相等的入口面积2.14mm2。类似地，其相同6.6mm2出口孔径面积43.56mm2也是相等的。
从光缆50的光纤束出口入射至这两种准直器160和260的入口孔径的光线的半锥角具有相当于空气中35E的值。应用斯涅耳定律，在折射率为N的介质中的实际半锥角由ψ给出，其中ψ＝arcsin{(sin35°)/N}。根据“理想”系统的空间不变原理(principle of etendue conservation)，入射光线与准直器端口出射光线的空气等价准直半锥角的关系为：
                 Ainsin2θin＝Aoutsin2θout，其中Ain和Aout分别为入射和出射端口的面积，而θin和θout分别为对应的空气等价的入射光线和出射光线的半锥角。当Ain＝2.14mm2，Aout＝43.56mm2，且θin＝35°时，计算θout的值，得到对应的θout理想值为7.3°，可以通过采用一个适当构造的复合抛物面聚光镜(CPC)作为准直元件来实现。然而，更为实际的是，近似具有理想CPC性能的准直器160和260的θout实际值为大约9°或10°。
图11画出了准直器的另一实施例。更具体地说，密封三角空气腔阵列1110包括多个锥形空气腔1112，在与斜面相交的轴垂直的平面内具有直角三角形截面。如图所示，该阵列夹在斜面反射镜1114之间。该实施例的作用方式与方形阵列相同，因为直角等腰三角形由其斜面反射的镜象构成方形。各直角三角形之间的细缝相对于上下表面成45E角。
转角组件
如前所述，在光线从准直器60入射至光导70之前有可能必须对其重新导向(因为空间限制)。图12和13画出了转角组件72，其中图12画得更为详细，图13包括波导70。
图12和13的转角组件72包括两个棱镜510和520，或者由一个可选的透射式隔片元件530隔开。通过加入隔片元件530，可以增加入射光束与出射光束之间的间隔。通过改变隔片的厚度可以调整该间隔至所需的尺寸。
棱镜510包括第一面512、垂直于面512的第二面516，和一个镜面化的斜面514。类似地，棱镜520包括第一垂直面526、第二垂直面522，和一个镜面化的斜面524。所有的棱镜表面以及隔片表面，包括其端面，都加以抛光。棱镜和隔片的尺寸可以设计成用于最大效率地捕获和透射光束。例如，棱镜510和520的第一和第二面可以是6mm，而棱镜510和520的斜面可以是8.49mm。
棱镜510、520和隔片元件530可以由透明聚合物材料例如丙烯酸或聚碳酸酯制成。替代地，可以采用例如熔融石英、F2或BK7等玻璃，以及这些材料的组合。如果需要，可以将棱镜斜面镀覆铝、银、多层介电膜，或其它反射镜涂层542。替代地，可以采用具有足够高折射率的材料例如LaSFN31来形成棱镜和隔片元件，从而通过对于入射在棱镜斜面空气/玻璃界面上的整个范围光线角保持TIR而不再需要反射镜涂层。例如，由折射率为1.88的LaSFN31玻璃制成的直角棱镜的斜面，对所有从空气介质以24.5度以下角度入射在棱镜入口上的光线都完全地内反射。
棱镜入口和/或出口端面可以根据需要，通过其折射率充分低于棱镜材料折射率的TIR保持粘合剂而粘接至相邻透射元件，例如波导70的入口和/或准直器60阵列出口。当转角棱镜组件入口具有不同于空气的折射材料界面时，决定在其斜面上是否能保持TIR的入口入射角为相当于空气中的角度而不是实际角度。
作为示例，在操作中，如图中虚线所示例子，a、b、c光线在第一棱镜510的第一垂直面512处入射至组件72的入口。光线反射离开镜面514并通过第二垂直面516出射。然后，光线通过隔片530并进入第二棱镜520的第二垂直面522，反射离开镜面524，通过第一垂直面526出射，从而传输至波导70。
可以在各邻接表面之间设置具有低折射率的界面粘合剂540以提高组件的光处理效率。根据给定应用场合各部件的物理布局以及所需的重新导向程度，可以省略第一棱镜510和/或隔片530。如果都加以省略，则转角棱镜的光输入端口处于棱镜520的第二垂直面522处。如果只省略棱镜520，则光线将通过隔片530底部平行于第二垂直面522的面入射。
波导组件
如前所述，光线通过波导70传输至显示装置80。图14中详细画出了波导70。如图所示，波导70具有较薄的平面结构，具有前表面802，后表面804，和两个侧表面806和808。波导70的近似尺寸162.mm乘以215mm乘以6mm厚。该波导最好由丙烯酸材料制成并具有1.485的折射率，尽管也可以采用例如玻璃或其它光学聚合物等材料。
在操作中，准直光束正入射在两个侧表面806和808或其一上。随着光束从侧表面806和808向波导800中心的传播，不光滑表面特性(在后表面804上)使光束重新射向前表面802，使得光束以相对于表面802法线既定的角度从前表面出射。本发明的后表面形状将会在后面参照图15和16与图17所示的传统后表面形状相比较加以描述。
在该波导与下面的铝或防护银反射层(未画出)之间可以设置厚的低折射率涂层(未画出)，以最大限度利用TIR。此外，可以在波导组件70的前表面802上设置宽带延迟和反射偏振膜(未画出)。适用的膜可以从日本公司NittoDenko，Inc.(Fremont，California)购得。这种膜透过一个偏振态的光束而反射相反偏振态的光束。反射光经过两个1/4的相移(第一次通过延迟器经过第一次相移，由铝涂层反射经过第二次相移)并返回延迟膜。
前表面802和四个侧面806和808可以是平面，而后表面804可以具有设计成重新导向所接收准直光束的表面特性。例如，图17中所示的传统表面包括一个平行于前表面802的阶形或台阶形阵列。然而，图17的纯粹台阶形表面相对于图15的本发明锯齿形下波导表面以及图16的本发明截削锯齿形下波导表面而言具有缺点，下面将详细说明。
图15画出了本发明用于波导70的锯齿形图纹下表面。如图所示，光束在一侧进入入口端面。为说明目的，将该下表面的锯齿形引出特性从其实际尺寸大幅度地加以放大。例示性地，各锯齿的高度大约为0.195mm，锯齿阵列的间距为大约0.39mm。在该实施例中，由该下表面锯齿阵列拦截的所有光线都得以引出。另外，在操作中，该阵列将从波导出射的光束根据水平锯齿表面的尺寸和形状以既定的角度重新导向。
图16中画出了用于波导70的交错或截削锯齿形图纹下表面。该表面具有锯齿形形状，交错以一系列平行于前表面802的台阶。例示性地，各锯齿的高度为大约0.039mm，该锯齿阵列的间距为大约0.39mm。所述台阶可以用例如铝涂层等材料加以镜面涂覆以防止通过倾斜表面的折射。表面形状的这种设计对于保持所需的出射角，维持在光导中所传播光束的准直性，保持从前表面出射光束的空间均匀性，以及简化制造工艺是关键的。特别地，空间不均匀性例如由波导材料衰减特性所引起的空间不均匀性，可以通过改变光引出装置的间距或其阶形高度来加以补偿。
图18中锯齿台阶形表面上的所有光束都被“全内反射”(TIR)，从而将光束重新反射至上表面，此后光束还有被倾斜面拦截和引出的可能性。以此方式，进入波导的各光线受到台阶和倾斜面的“交叉火力”，直至或者被倾斜面拦截而引出或者从波导70的薄端面出射。
图16的截削锯齿形设计在性能上显著优于传统的阶形或台阶表面设计(例如图17中的设计)，因为这些表面每个台阶上具有两个45E角使光线迎面撞上。相反地，截削锯齿形图纹表面设计每个台阶上只有一个45E角使光线迎面撞上。另外，由于传统台阶形表面的角不能做到“完全尖锐”，所以光线一旦迎面射至“圆”角上就会减退准直。分析表明这些圆角构成不准直光线的几乎50％。因此，较少比例的圆角是有利的，如图16的截削锯齿形设计中所发生的那样。
图15和16的锯齿表明的倾斜角例示性地为相对于波导前表面802为45E角。它们而且是围绕显示器80法线“同步”的，从而由锯齿面彼此相交(图15中)或锯齿面与锯齿台阶面相交(图16中)所形成的交线平行于波导入口侧面。这种结构使从波导引出的光束具有垂直于波导前表面802的传播方向。
然而，为最大限度提高对比度，某些LCD具有不同于显示器法线方向的其它优选光束传播方向。因此，为了最大限度提高显示器的对比度，将波导中引出光线的传播方向匹配至给定LCD显示器的最佳传播方向(也称作“悦目点(sweet spot)”)总是有利的。
通过改变锯齿面角度不同于45E，可以将所引出光束的传播方向改变至不同于垂直波导前表面802的方向。无须改变锯齿形状的“同步”角，锯齿面从45度的偏移角θ与传播方向从垂直于波导前表面方向的偏移角ψ之间的关系为：
                θ＝(1/2)sin-1((sinψ)/n)，其中n为波导材料的折射率。此式适用于在含有波导前表面法线和进入波导的光传播方向的平面内的ψ变化。
对于不在含有波导前表面法线和进入波导的光传播方向的平面内的ψ变化，必须将锯齿形状围绕波导前表面法线旋转或“同步”。在此情况下，所需ψ为“同步”角β和锯齿面从45度的偏移角θ的函数。
本发明的照明部分可以应用于广泛的应用领域，包括但不限于，交通工具照明、探照灯、特别照明以及投影系统。该显示系统可以应用于交通工具领域例如飞机驾驶舱，以及需考虑观察角、空间、热量和/或结构因素的其它领域。
最后，本发明的上述诸实施例只是意在用于说明。本领域普通技术人员可以在不偏离所付权利要求的精神和范围的情况下作出多种替代实施例。

Claims (47)

1.一种用于照明显示器的系统，包括：
一光源，用于产生光束；
一聚光组件，用于聚集来自光源的光束并提供输出光；
一均化器，响应于所述聚光组件聚集的光束，用于将所聚集光束加以均化；和
一波导，响应于从所述均化器接收的均化光束，用于将该均化光束传输至所述显示器。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述聚光组件包括至少一个椭球面反射镜，用于将所述光源产生的光束反射至对应的至少一个出射端孔，其中所述系统还包括至少一个光管，各所述光管耦合至所述至少一个出射端孔的相应一个，并且其中所述光管通过阻却热量并去除紫外(UV)辐射，可以降低由所述聚光组件产生的对所述均化器的热量和UV辐射。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述光管由所述玻璃、熔融石英和蓝宝石之一制成。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述光管涂覆以介电红外反射层、紫外反射层和透射分色层至少其一。
5.如权利要求1所述的系统，其中入射所述波导的均化光束被准直。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述聚光组件包括多个椭球面反射镜，其中各所述椭球面反射镜具有一个位于所述聚光组件中心的第一共同焦点和位于各自出射端孔的第二专门焦点。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述波导具有一个锯齿形表面和一个截削锯齿形表面。
8.如权利要求1所述的系统，还包括一个用于重新导向光束的装置，位于所述均化器与所述波导之间，具有至少一个棱镜，所述至少一个棱镜各包括一个输入表面，一个输出表面，和一个位于这些表面至少其一上的界面，其中所述界面具有的折射率小于对应的至少一个棱镜的折射率。
9.如权利要求1所述的系统，还包括一个光衰减器，用于衰减入射所述均化器的光束。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述光衰减器构造成具有直至88,500∶1的衰减比。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述光衰减器包括一对孔径板，各孔径板具有一个菱形孔径。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述菱形孔径之一包括一个相应的滤波片。
13.如权利要求1所述的系统，还包括一准直器，用于将所述均化光束加以准直，其中所述准直器包括一个锥形腔阵列。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述锥形腔阵列各具有方形和三角截面之一。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述均化器在其一端具有一个输入端，在其相反端具有一个输出端，并且其中输入端开口大于输出端开口。
16.如权利要求1所述的系统，其中所述光源、所述聚光组件，和所述均化器包含在一个远程封装盒中，使得所述光源、所述聚光组件，和所述均化器位于与所述显示器隔离且离开的位置。
17.如权利要求1所述的系统，其中所述显示器是平板显示器。
18.一种用于重新导向光束的装置，具有至少一个棱镜，所述至少一个棱镜各包括一个输入表面，一个输出表面，和一个位于这些表面至少其一上的界面，其中所述界面具有的折射率小于对应的至少一个棱镜的折射率。
19.一种高强光照明系统，包括：
一高强光源，用于产生光束；
一聚光组件，用于聚集来自光源的光束；
一均化器，用于均化来自光源的光束；和
一波导，用于接收来自均化器的均化光束并将来自光源的均化光束远程传输以提供远程照明。
20.如权利要求19所述的照明系统，其中波导传输所述均化光束以向平板显示器提供所述远程照明。
21.如权利要求19所述的照明系统，其中所述聚光组件包括至少一个椭球面反射镜，用于将所述光源产生的光束反射至对应的至少一个出射端孔，其中所述系统还包括至少一个光管，各所述光管耦合至所述至少一个出射端孔的相应一个，并且其中所述光管通过将热量和紫外(UV)辐射传输离开所述聚光组件，可以降低由所述聚光组件产生的对所述均化器的热量和UV辐射。
22.如权利要求21所述的照明系统，其中所述光管由所述玻璃、熔融石英和蓝宝石之一制成。
23.如权利要求22所述的照明系统，其中所述光管涂覆以介电红外反射层、紫外反射层和透射分色层至少其一。
24.如权利要求19所述的照明系统，其中入射所述波导的均化光束被准直。
25.如权利要求19所述的照明系统，其中所述聚光组件包括多个椭球面反射镜，其中各所述椭球面反射镜具有一个位于所述聚光组件中心的第一共同焦点和位于各自出射端孔的第二专门焦点。
26.如权利要求19所述的照明系统，其中所述波导具有一个锯齿形表面和一个截削锯齿形表面。
27.如权利要求19所述的照明系统，还包括一个用于重新导向光束的装置，位于所述均化器与所述波导之间，具有至少一个棱镜，所述至少一个棱镜各包括一个输入表面，一个输出表面，和一个位于这些表面至少其一上的界面，
其中所述界面具有的折射率小于对应的至少一个棱镜的折射率。
28.如权利要求19所述的照明系统，还包括一个光衰减器，用于衰减入射所述均化器的光束。
29.如权利要求28所述的照明系统，其中所述光衰减器构造成具有直至88,500∶1的衰减比。
30.如权利要求29所述的照明系统，其中所述光衰减器包括一对孔径板，各孔径板具有一个菱形孔径。
31.如权利要求30所述的照明系统，其中所述菱形孔径之一包括一个相应的滤波片。
32.如权利要求19所述的照明系统，还包括一准直器，用于将所述均化光束加以准直，其中所述准直器包括一个锥形腔阵列。
33.如权利要求32所述的照明系统，其中所述锥形腔阵列各具有方形和三角截面之一。
34.如权利要求19所述的照明系统，其中所述均化器在其一端具有一个输入端，在其相反端具有一个输出端，并且其中输入端开口大于输出端开口。
35.如权利要求19所述的照明系统，其中所述光源、所述聚光组件，和所述均化器包含在一个远程封装盒中，使得所述光源、所述聚光组件，和所述均化器位于与所述显示器隔离且离开的位置。
36.一种聚光组件，包括：
一光源；
至少一个椭球面反射镜，用于将光源产生的光束反射至对应的至少一个出射端孔上；和
至少一个光管，各该光管耦合至所述至少一个出射端孔的相应一个上，其中所述光管用于降低由所述聚光组件输出的热量和紫外辐射。
37.如权利要求21所述的组件，其中所述光管由所述玻璃、熔融石英和蓝宝石之一制成。
38.如权利要求21所述的系统，其中所述光管涂覆以介电红外反射层、紫外反射层和透射分色层至少其一。
39.一种用于在照明系统中衰减或阻挡光束的装置，包括：
一对孔径板，各孔径板具有至少一个各自的菱形孔径，
其中至少一个所述孔径板相对于另一个孔径板水平移动；并且
其中所述装置构造成具有直至88,500∶1的衰减比。
40.如权利要求39所述的装置，其中所述菱形孔径之一包括一个相应的滤波片。
41.一种二级光衰减器，用于在照明系统中衰减或阻挡光束，包括：
一第一孔径板，具有第一孔径，所述第一孔径板具有一个第一既定透射区，和
一第二孔径板，具有第二和第三孔径，所述第二孔径具有一个与所述第一既定透射区共同的第二既定透射区，使得光束通过各第一和第二透射区的中心传播，
其中第二和第三孔径之一具有一个叠置的中等密度滤波片，
其中至少一个所述孔径板相对于另一个孔径板水平移动；并且
其中所述装置构造成具有直至88,500∶1的衰减比。
42.如权利要求41所述的二级光衰减器，其中所述孔径为菱形。
43.  如权利要求41所述的二级光衰减器，其中所述第二和第三孔径中具有中等密度滤波片的所述之一还包括一个NVIS滤波片。
44.一种波导，用于在照明系统中导引光束，包括：
一个基本为平面的前表面；和
一个后表面，具有一个锯齿形表面和一个截削锯齿形表面，用于将光束以既定的角度导引出该波导。
45.如权利要求44所述的波导，其中所述锯齿形和截削锯齿形表面的倾斜角为相对于所述前表面成大约45E角。
46.一种用于重新导向光束的装置，具有第一和第二棱镜，各棱镜具有第一和第二垂直面以及一个斜面，其中所述第一和第二垂直面至少其一包括一个界面，其中所述界面具有的折射率小于所述第一和第二棱镜的折射率。
47.如权利要求46所述的装置，其中所述第一和第二棱镜形状为直角等腰三角形。
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