CN1488956A - 光束准直装置及其准直型面光源 - Google Patents

Abstract

一种光束准直装置及其准直型面光源，光束准直装置包括透光基板、多数透光锥体及屏幕，各单一透光锥体是具有一相对面积较小的投射面及一相对面积较大的出射面，各单一透光锥体是以面积较小的投射面贴附于屏幕，以面积较大的出射面贴附于透光基板，各单一透光锥体是具有平直或曲线的锥体区段，构成一开口角度朝出射面方向递减的锥体；屏幕与多数透光锥体的投射面的覆盖之处形成多数的透光区域；而投射到该屏幕的透光区域以外区域的光线将被反射回去；投射光线通过屏幕上的多数透光区域进入多数透光锥体后，通过透光锥体周缘表面的全反射以及投射面与出射面折射作用，使光束达到准直，同时从透光基板发射出集中在小角度范围内的准直型面光源。

Description

光束准直装置及其准直型面光源

技术领域

本发明是有关于使散射光线达到准直的光束准直板及背光模组的技术领域，特别是应用于液晶显示器的背光模组与相关照明系统的光束准直装置，以及其光束准直装置产生的准直型面域的光源。

背景技术

液晶显示器(LCDs)已逐渐取代阴极管作为电脑影像的显示器，其主要优点在于轻薄短小和低能源消耗。可广泛应用于广角高对比显像的需求，例如医疗及航空和太空科技，最早的设计并无法满足此类要求，新近的LCDs设计可提供一种产生准直光线的背光模组，是光线通过液晶显示平板后，通过扩散平板的散射作用，进一步扩大视角范围。

参阅图1所示，目前已有多种准直型光源的设计，美国专利US6,327,091B1所揭示，其中一透光平板2上具有多数的透光球体1a，于该多数透光球体1a与平板2相切处构成光线可通过的透光区域，该透光区域以外区域的入射光线将受阻隔，以此界定一开口率。入射光线从透光球体1a与平板2相切的透光区域经由透光球体阵列的绕射作用，而达到准直效果。光源利用率η的定义为透射光线强度除以入射光线强度。当η＝0.079时，开口率为0.03，当η＝0.35时，开口率为0.05。当开口率调整到透射光线强度与准直光线强度愈接近时，光源利用率愈佳。所述设计已达到±15°的光束半辐角，比较更早的±25°光束半福角，有显著改进。

此外，美国专利US5,839,812的设计，是通过透光平板2上的一系列透光锥体1b的绕射作用，而达到光束准直效果。其主要缺陷在于：

1、美国专利US6,327,091B1及US5,839,812所能提供的准直光源，光源利用率仍低。

2、再者，美国专利US5,839,812的结构复杂，生产成本高，不利于产品化。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种光束准直装置，揭示一种利用透光锥体本身的折射与全反射光束特性，使光线集中于小角度内，达到结构简易及高光源使用率的目的。

本发明的另一目的是提供一种光束准直装置，揭示一种于光线投射面具有可反射光线的遮光区域，达到增加入射光线强度的目的。

本发明的再一目的是提供一种光束准直装置，揭示一种照射区域大，无需导光板的准直型面光源的目的。

本发明的又一目的是提供一种光束准直装置所产生的准直型面光源，揭示一种可利用多种不同光源，诸如白炽灯泡、日光灯管、汞灯、金属卤化族灯、冷阴极管与热阴极管等，同时可满足各种光源多样化的光束扩散角度需求的准直型面光源的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种光束准直装置，其特征是：它包括有：

一透光锥体是具有一纵向的中轴线，于横向具有一平坦的出射面及与所述出射面平行且形状相似的投射面，该出射面的形状为长条形、长方形、方形、多边形、圆形、椭圆形或其它几何形状，该投射面的面积是小于所述出射面的面积，所述透光锥体是包括单一或多数的锥体区段，该锥体区段是共同具有一相对于所述中轴倾斜的周缘表面，且于纵向具有介于1-60°之间的开口角度，该开口角度是朝所述出射面方向逐渐减小，同时所述各单一锥体区段的开口角度是固定或者朝所述出射面方向逐渐减小；

一屏幕是与所述透光锥体的投射面互相接合，其中区分为被所述透光锥体的投射面所涵盖的透光区域及由高反射材料构成的遮光区域；

所述投射面与出射面的面积以及所述开口角度是具有使出射光线集中于小角度的数值。

它进一步包括有：一中空腔体是以所述屏幕为界装置于所述透光锥体的投射面，且具有由高反射材料构成的内表面；光源是位于所述中空腔体的内部。所述透光锥体的投射面的周围是高反射材料构成的光阑平板。

本发明提供另一种光束准直装置，其特征是：它包括有：

多数的透光锥体的各单一透光锥体是具有一纵向的中轴线，且具有小于2mm的长度与宽度，并且于横向具有一平坦的出射面及与该出射面平行的一投射面，该投射面的面积是小于所述出射面，所述多数透光锥体的各投射面与各出射面是分别位于一共同平面上；

一屏幕是与所述透光锥体的投射面互相接合，其中区分为被所述透光锥体的投射面所涵盖的透光区域及由高反射材料构成的遮光区域；

透光基板是贴附有所述透光锥体的出射面；

所述多数的透光锥体、屏幕及透光基板构成一光束准直板，其中出射光束的主轴是平行于所述多数透光锥体的中轴线，所述各单一透光锥体的投射面与出射面的面积以及所述开口角度是具有使出射光线集中于小角度的数值。

所述各单一透光锥体的出射面具有长条形、是方形、方形、多边形、圆形、椭圆形或其它几何形状，所述投射面是具有与所述出射面类似的形状。

所述各单一透光锥体进一步包括单一或多数的锥体区段，该锥体区段是共同具有一相对于所述中轴倾斜的周缘表面，且于纵向具有介于1-60°之间的开口角度，该开口角度是朝所述出射面方向逐渐减小，同时所述各单一锥体区段的开口角度是固定，或者朝所述出射面方向逐渐减小。所述透光锥体的投射面的周围为高反射材料构成光阑平板。

本发明的光束准直装置进一步包括有：一中空腔体是以所述屏幕为界装置于所述多数透光锥体的投射面上，并且具有由高反射材料构成的内表面；光源是位于所述中空腔体的内部。

本发明的光束准直装置还包括有：一导光板是具有第一端部及表面为高反射材料的第二端部，介于所述第一及第二端部之间的一扩散反射面及与该扩散反射面相对的一出光面，该出光面装设有所述多数透光锥体的投射面；光源组是位于所述导光板的第一端部。所述各单一透光锥体的投射面及出射面的面积以及锥体的开口角度是具有使出射光线集中于小角度的数值。

本发明的光束准直装置还包括有：一反射板是具有一排列有菱镜阵列的反射面，其中菱镜表面是高反射材料，或反射板底面为高反射材料，其位置及方向是以90°反射来自所述光束准直板的光线，其中所述反射板是以一适当的小角度相对于所述光束准直板出射方线的主轴倾斜，产生大面积准直出射的光束。所述反射板的两端分别装设有第一光束准直板及第二光束准直板。所述光束准直板是装设于所述反射板四边的第一光束准直板、第二光束准直板、第三光束准直板及第四光束准直板，所述反射板的反射面具有二元排列的四方锥镜阵列，所述四方锥镜是各具有一矩形的底部，且其表面为高反射材料构成，且所述四方锥镜是排列在使所述第一、第二、第三、第四光束准直板的出射光线呈90°反射的位置。另有R.G.B.彩色遮光片是贴附于所述屏幕的透光区域。

以下结合较佳实施例和附图详细说明。

附图说明

图1是传统不同形状的折射体的示意图。

图2是本发明的实施例1的示意图。

图3是本发明的光线在具有单一锥体区段的透光锥体内折射及全反射的示意图。

图4是本发明的光线在具有两不同开口角度的锥体区段的透光锥体内折射及全反射的示意图。

图5-图8是本发明的光线在具有多段平直或弧形周缘表面的锥体区段的透光锥体内折射及全反射的示意图。

图9是本发明实施例2的示意图。

图10是本发明实施例3的示意图。

图11是本发明实施例4的示意图。

图12-图13是本发明实施例5的示意图。

图14是本发明实施例6的示意图。

图15是本发明实施例7的示意图。

具体实施方式

实施例1

参阅图2-图8所示，本发明的光束准直装置是通过光线在折射体内的折射及全反射作用达到光束准直效果。图3所示的光线通过一平头的透光锥体10a的路径，该透光锥体10a是呈中轴对称，分别具有一较小的顶面11a和一较大的底面12a，以及一开口角度2α。该透光锥体10a是由具有折射系数n的材料所构成。

当光线从所述顶面11a通过平头透光锥体10a时，相对于周缘表面13a具有一入射角，根据Snell光学反射定律，在平头透光锥体之内产生一折射角。当光线散射时，其最大折射角为θc，可由以下公式表示：θc＝sin^-1(1/n)。

如图3所示，其中α＜θc，光线在平头透光锥体10a内沿着最大折射角θc前进，与锥体的侧表面构成一角度θc-α，并且分别与中轴以如下角度进行反射：

当2α＜θc时，θ＝θc-2α，

或者当2α＞θc时，θ＝2α-θc，

最后，光线以θ_c0＝sin^-1(nsin^-1θ)的出射角度从折射体射出。

图4揭示光线在一折射体中的路径，该折射体是由一第一透光锥体区段131a及一第二透光区段131b构成，第一及第二透光锥体区段是为共轴衔接的二平头锥体，其中该第一透光维体区段的底面12b是与该第二透光锥体区段的顶面11c直接衔接。该第一透光锥体区段的顶面11b构成该折射体的投射面，其面积为H1，且该第二透光锥体区段的底面12c构成该折射体的出射面，其面积为H2，该第一及第二透光锥体区段的开口角分度别为α1及α2，其中α1＞α2。该具有两锥体区段的折射体可压缩光线出射角度，达到较佳的光线准直效果。

参阅图5-图8所示，使用多段共轴的锥体区段，或者多段弧线朝中轴方向弯曲的弧形周缘的锥体区段效果更为显著，其中11d，11e，11f及11g分别表示顶面；12d，12e，12f及12g分别表示底面；13d表示周缘表面；131c，131d，131e，131f，131g及1311表示锥体区段。

根据所述设计：其光源利用率可达η∝H1/H2。

因此，使用多数锥体区段或所述的弧形周缘锥体区段构成的折射体，可达到更高的光源利用率。

参阅图2所示，本发明实施例1的光束准直装置，其中包括一透光锥体10及一屏幕20，透光锥体10是以一纵向的中轴线为对称中心，且于横向具有一平坦的投射面11，及与该投射面11相对且平行的一平坦的出射面12。投射面11及出射面12是具有相同形状，可分别为长条形、长方形、方形、多面形、圆形、椭圆形及其它形状。该投射面11的面积小于该出射面12。该透光锥体10是具有单一的锥体区段131，或分划成多数区段131P。所述各锥体区段(131，131P)是具有一共同的周缘表面13相对于中轴倾斜，且各于纵向位置具有介于1-60°之间的开口角度。任意两开口角度不同的相邻透光锥体区段131，距离出射面12愈近的开口角度愈小。各单一的锥体区段(131，131P)的开口角度是保持一定或者朝出射面12方向逐渐缩小。该屏幕20是装设于透光锥体10的投射面11，于是屏幕上排列有面积不大于锥体10的出射面11的透光区域21。该屏幕20的透光区域21以外的区域是高反射材料，如银、铝、铜等构成的遮光区域22。当光线投射到遮光区域22时，将受到阻隔而无法通过屏幕20。

该屏幕20构成一中空腔体40的壁面。该中空腔体40的内表面41是具有高反射性。该中空腔体40内部装设有一光源60。当光源60启用时，该中空腔体40内充满散射光线，并且从该中空腔体40的内表面41及遮光区域22进行反射。该中空腔体40可根据需求塑造外形，如交通工具内照明器、探照灯、液晶显示器的背光模组及投影机光源。该腔内光源60可为各种类型的光源，如白炽灯泡、日光灯管、汞灯，金属卤化族灯、冷阴极管与热阴极管等。

扩散光线经由屏幕20的透光区域21通过透光锥体10，通过透光锥体10周缘表面的折射及全反射作用而达到准直，如前所述，将使从透光锥体10的出射面12射出的光束成为集中在小角度内的准直型面光源。

投射面与出射面11、12及透光锥体10的开口角度最好能够形成±15°的半幅角。

实施例2

参阅图9所示，本发明的实施例2的光束准直装置，是具有贴附于中空腔体40的透光锥体10，该中空腔体40内部装设有一光源60，如实施例1的情形，该中空腔体40的一侧边是由一光阑平板23构成。该平板23是以内侧面向光源，且表面为高反射材料构成。

实施例3

参阅图10所示，本发明的实施例3的光束准直装置，其中包括一透光基板30r，是排列有多数透光锥体10r阵列的一平板，其中该透光锥体10r的出射面12f是以中轴垂直对准该透光基板30r贴附其上。各单一透光锥体10r是具有小于2mm的长度与宽度。一屏幕20r是置于该多数透光锥体10r的投射面11r的阵列，于是在屏幕20r上形成了由透光锥体10r的投射面11r组成的透光区域21r阵列。该屏幕于该透光区域21r以外的区域是高反射材料构成的遮光区域22r。投射到该遮光区域22r的光线将受到阻隔，无法通过屏幕20r。于是，屏幕20r、多数透光锥体10r以及透光基板30r构成一光束准直板80r，其主轴线是与该多数透光锥体10r的中轴互相平行。

经由该屏幕20r的透光区域21r进入该透光锥体10r的散射光线是通过该透光锥体10r周缘表面13r的折射及全反射作用，而产生对准该光束准直板80r集中在小角度内的准直型面光源。

实施例4

参阅图11所示，本发明的实施例4的光束准直装置是于本发明的实施例3的光束准直装置上装设有一导光板50，该导光板50是具有一装设有光源组61的第一端部51及一表面为高反射材料的第二端部52，介于该第一与第二端部51、52之间形成一扩散反射面53，该扩散反射面53的对侧为一出光面54。该导光板50的出光面54是由所述光束准直板80r构成。当光源组61启用时，该导光板50上充满散射的光线，从该导光板50远端52的扩散反射面53以及遮光区域22r反射。散射光线将穿过所述屏幕20r的透光区域21r，并从透光基板30r射出集中于小角度内的准直型光源。

实施例5

参阅图12所示，本发明的实施例5的光束准直装置，是于本发明的实施例3的光束准直装置上装设有一反射板70。该反射板70是具有一扩散反射面70a及一平坦的底面70b，该扩散反射面70a是具有一连串表面为反射材料的平行并排的菱镜71。光源60从光束准直板80射出大致与该光束准直板80的主轴平行的光线，再经由该反射板70以90°反射。较佳的情况为该反射板70相对于该光束准直板80的主轴以α＜10°的小角度倾斜。因此，产生一可通过相当大范围的准直型光线，特别是适宜液晶显示器的应用。

或者，如图13所示，两套光学装置各具有一光源60，一中空腔体40，及一光束准直板80对称地装置于该反射板70的两侧，该光束准直板80的主轴是相对于该反射板70以α＜10°的小角度倾斜。

实施例6

参照图14所示，本发明的实施例6的光束准直装置，揭示一反射板70在其反射面具有二元排列的四方锥镜72阵列，其中各四方锥镜72是具有矩形的底部，锥镜的表面是高反射材料。四套光学装置90(如图13所示)各具有一光源60，一中空腔体40，及一光束准直板80对称地装置于该反射板70的四边，该光束准直板80的主轴是相对于该反射板70以α＜10°的小角度倾斜。

当本发明的透光锥体的开口角度减少，且投射面的面积增加时，而增加光束射出的扩散角度，比如±25°的光束半辐角，因而可形成多样化扩散角度的面光源。

实施例7

参阅图15所示，是本发明的实施例7的光束准直装置，其中R.G.B.彩色滤光片211、212、213是贴附于屏幕20的透光区域21，构成一分色的光束准直装置，可省去其它彩色滤光片的使用，特别有利于彩色液晶显示器的应用。

本发明的内容并非仅受上述实施例的限制，凡在本发明技术范围内所作的修饰或变化，亦属于本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1、一种光束准直装置，其特征是：它包括有：一透光锥体是具有一纵向的中轴线，于横向具有一平坦的出射面及与所述出射面平行且形状相似的投射面，该投射面的面积是小于所述出射面的面积，，该出射面的形状为长条形、长方形、方形、多边形、圆形、椭圆形或其它几何形状，所述透光锥体是包括单一或多数的锥体区段，该锥体区段是共同具有相对于所述中轴倾斜的周缘表面，且于纵向具有介于1-60°之间的开口角度，该开口角度是朝所述出射面方向逐渐减小，同时所述各单一锥体区段的开口角度是固定或者朝所述出射面方向逐渐减小；屏幕是与所述透光锥体的投射面互相接合，其中区分为被所述透光锥体的投射面所涵盖的透光区域及由高反射材料构成的遮光区域；所述投射面与出射面的面积以及所述开口角度是具有使出射光线集中于小角度的数值。

2、根据权利要求1所述的光束准直装置，其特征是：它进一步包括有：一中空腔体是以所述屏幕为界装置于所述透光锥体的投射面，且具有由高反射材料构成的内表面；光源是位于所述中空腔体的内部。

3、根据权利要求1所述的光束准直装置，其特征是：所述透光锥体的投射面的周围是高反射材料构成的光阑平板。

4、一种光束准直装置，其特征是：它包括有：多数的透光锥体的各单一透光锥体是具有一纵向的中轴线，且具有小于2mm的长度与宽度，并且于横向具有一平坦的出射面及与该出射面平行的一投射面，该投射面的面积是小于所述出射面，所述多数透光锥体的各投射面与各出射面是分别位于一共同平面上；屏幕是与所述透光锥体的投射面互相接合，其中区分为被所述透光锥体的投射面所涵盖的透光区域及由高反射材料构成的遮光区域；透光基板是贴附有所述透光锥体的出射面；所述多数的透光锥体、屏幕及透光基板构成一光束准直板，其中出射光束的主轴是平行于所述多数透光锥体的中轴线，所述各单一透光锥体的投射面与出射面的面积以及所述开口角度是具有使出射光线集中于小角度的数值。

5、根据权利要求4所述的光束准直装置，其特征是：所述各单一透光锥体的出射面具有长条形、是方形、方形、多边形、圆形、椭圆形或其它几何形状，所述投射面是具有与所述出射面想相似的形状。

6、根据权利要求4所述的光束准直装置，其特征是：所述各单一透光锥体进一步包括单一或多数的锥体区段，该锥体区段是共同具有一相对于所述中轴倾斜的周缘表面，且于纵向具有介于1-60°之间的开口角度，该开口角度是朝所述出射面方向逐渐减小，所述各单一锥体区段的开口角度是固定或者朝所述出射面方向逐渐减小。

7、根据权利要求4所述的光束准直装置，其特征是：所述透光锥体的投射面的周围为高反射材料构成光阑平板。

8、根据权利要求4所述的光束准直装置，其特征是：它进一步包括有：一中空腔体是以所述屏幕为界装置于所述多数透光锥体的投射面上，并且具有由高反射材料构成的内表面；光源是位于所述中空腔体的内部。

9、根据权利要求4所述的光束准直装置，其特征是：它进一步包括有：一导光板是具有第一端部及表面为高反射材料的第二端部，介于所述第一及第二端部之间的一扩散反射面及与该扩散反射面相对的一出光面，该出光面装设有所述多数透光锥体的投射面；光源组是位于所述导光板的第一端部。

10、根据权利要求6所述的光束准直装置，其特征是：所述各单一透光锥体的投射面及出射面的面积以及锥体的开口角度是具有使出射光线集中于小角度的数值。

11、根据权利要求4所述的光束准直装置，其特征是：它进一步包括有：

一反射板是具有一排列有菱镜阵列的反射面，其中菱镜表面是高反射材料，或反射板底面为高反射材料，其位置及方向是以90°反射来自所述光束准直板的光线，其中所述反射板是以一适当的小角度相对于所述光束准直板出射方线的主轴倾斜，产生大面积准直出射的光束。

12、根据权利要求11所述的光束准直装置，其特征是：所述反射板的两端分别装设有第一光束准直板及第二光束准直板。

13、根据权利要求11所述的光束准直装置，其特征是：所述光束准直板是装设于所述反射板四边的第一光束准直板、第二光束准直板、第三光束准直板及第四光束准直板，所述反射板的反射面具有二元排列的四方锥镜阵列，所述四方锥镜是各具有一矩形的底部，且其表面为高反射材料构成，且所述四方锥镜是排列在使所述第一、第二、第三、第四光束准直板的出射光线呈90°反射的位置。

14、根据权利要求4所述的光束准直装置，其特征是：另设有R.G.B.彩色遮光片是贴附于所述屏幕的透光区域。

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