CN1500190A - 线性照明光源 - Google Patents

Abstract

一种具有复合弯曲表面的折射物件，可使光源对线形或平面目标提供基本上均匀的照明。折射物件可包括输入边缘或面和输出边缘或面，输入边缘或面具有至少一个成型缺口或空穴，可以至少部分地包围光源。其中缺口或空穴具有二个互相相反显示的弯曲部分，其形状成为可由光源对目标提供基本上均匀的照明。该物件光学上偶合于和至少部分地包围光源，并具有输出边缘或表面，该边缘或表面具有至少二个互相相反显示的曲线(或面)部分，其形状可由光源提供基本上对目标区域均匀的照明。成型物件可用于，例如，照明器件、前灯、后灯和电子显示器。

Description

线性照明光源

技术领域

本发明涉及光源(包括光发射二极管)、点线(从点到线)及点面(从点到面)光转换器和照明器件、前灯、后灯及电子显示器。

技术背景

在各种应用中需要一种在一维空间延伸的光源，称作线性光源。简单的例子是冷阴极荧光管(CCFT)，通常使用在信号、室内照明，和用于展示后方照明及前方照明的板状波导管输入边缘的照明。为降低成本和改进能量效率，要求用离散的或点状光源(即，主要光线大致从一点发出的光源)，诸如光发射二极管(LEDs)或小型灯丝白炽灯，利用从这些光源出来沿直线分布的方法。分布光的方法包括使用从点到线的转换器，用带有棱柱形特征的杆状或圆柱状的光导向器沿长轴反射和再引导光传播通过光导向器，例如美国专利No.4,528,617(Blackington)；5,506,929(Tai等)；5,688,913(Tai等)和5,835,661(Tai等)。这些方法趋向于依靠总内部反射而常常是低效率的，由于内部反射故障损失多达50％的光。另一方法采用沿直线扩散性散射，例如，通过在光导向器内综合扩散特征以弥散和重新引导光通过光导向器传播。这些扩散性散射方法大体由于散射机理中与波长无关而遭受不均匀性、低效率和显色的缺点。其它点线转换器在美国专利No.4,751,615；5,163,748；5,613,751和5,901,266中说明。

有些应用需要在二维空间延伸的光源，称作平面光源。例如，用于一个或多个LEDs的后方照明和从点到线转换器在美国专利No.6,139,163中说明，而光管在美国专利No.5,309,544中说明。

芝加哥大学的R.Winston所著几篇文章和另外一些人讨论“非成像光学”和使用非成像光学设计太阳光聚能器，例如见SPIE会议2538文献汇编，非成像光学：最高效率光转移III，R.Winston，(国际光学工程协会，圣地亚哥，加州，1995年7月)。由D.Jenkins和R.Winston所著论文出现在因特网http：//hep.uchicago.edu/solar/light.html和题名为“照明用新反射镜”讨论非成像光学的应用和在照明中成形反射镜的应用。

发明内容

现有点线和点面转换器器件并不经常提供足够均匀的光输出，特别是当光源本身不均匀或非对称的光输出。经常这些转换器器件必须依靠下游部件(例如，在显示器中后灯和前灯)以改进从显示器观察者见到的光输出均匀性。

我们发现成型折射物件可基本上从一个或多个点状光源对目标线或目标面提供均匀的光分布。当照亮目标线时，成型物件典型地较薄而基本上是二维的，并可提供从点到线的转换。当照亮目标面时，成型物件典型地较厚而基本上是三维的，并可提供从点到面的转换。目标可以是折射物件的一部分或者位于物件的远处。我们把折射物件上目标线或目标面的照明称作“目标方面”的照明。我们把折射物件远处的目标线或目标面的照明称作“目标区域”的照明。名字“目标”共同地用作称呼目标方面或目标区域。

在一个实施方案中，本发明的折射物件包括输入边缘或面和输出边缘或面，输入边缘至少具有一个至少部分地包围光源的成型缺口或空穴，其中缺口或空穴具有至少二个互相相反的正负曲线(或面)部分，其形状可由光源提供基本上对目标均匀的照明。如果缺口或空穴分成两部分，则各部分较佳地具有靠近目标的第一弯曲部分(相对于光源是凹面)，和离目标较远的第二弯曲部分(相对于光源是凸面)，其中第二弯曲部分的形状可对目标以与第一弯曲部分大约同样的每单位目标长度的光强度照亮目标。

在另一实施方案中，本发明的折射物件光学上偶合于和至少部分地包围光源，并具有至少二个互相相反的正负曲线(或面)部分，其形状可由光源提供基本上对目标区域均匀的照明。后面所说折射物件较佳地具有输出边缘或表面的第一弯曲部分(相对于光源是凸面)，至少部分地被第二弯曲部分(相对于光源是凹面)所包围，其中第二弯曲部分的形状可对目标以与第一弯曲部分大约同样的每单位目标面积的光强度照亮目标。

在另一实施方案中，本发明提供一种利用光源照亮目标的方法，包括从光源通过折射物件折射光，该折射物件具有边缘或表面，该边缘或表面又具有互相相反的正负弯曲部分，其形状可由光源提供基本上对目标均匀的照明，其中第二弯曲部分的形状可对目标以与第一弯曲部分大约同样的每单位目标长度的光强度照亮目标。

在又另一实施方案中，本发明提供一种方法可以设计成型折射物件的弯曲部分，它可以由通过弯曲部分折射的光源提供基本上对目标均匀的照明，包括使弯曲部分成型的步骤，使其基本上遵照下列方程式：

${\sin \mathrm{\θ}}_2=\left(\frac{n_1}{n_2}\right)\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_0)$

$\tan (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_2)=\frac{x_f-x_s}{d-y}$

$\tan {\mathrm{\θ}}_0=\frac{x_s}{y}$

$\frac{\mathrm{dy}}{{\mathrm{dx}}_s}=-\tan \mathrm{\α}$

$\frac{{\mathrm{dx}}_f}{{\mathrm{d\θ}}_0}=\left(\frac{1}{C}\right)\frac{{\mathrm{dI}}_0}{d{\mathrm{\θ}}_0}$

在笛卡尔坐标空间中x-轴线平行于目标，y-轴线垂直于目标，而光源处于原点，其中：

(x_s，y)     是弯曲部分上一点的位置，

θ₂         是在点(x_s，y)上光线的折射角度，

n₁          是光源和弯曲部分之间的折射率，

n₂          是弯曲部分和目标之间的折射率，

α                         是在点(x_s，y)上弯曲部分对于x-轴的角度，

θ₀         是从光源出来的光线对于y-轴形成的角度，

x_f          是目标上的点沿x-轴的位置，

d            是从光源到目标沿y-轴的距离，

dI₀/dθ₂  从光源出来光的分布，

C            是在目标上的点所要求的照明，等于I₀₀/2x_f0，

I₀₀         是光源的总光学输出功率，

x_f0         是沿x-轴测量的目标的半长。

本发明也提供包括一个或多个上述折射物件的照明器件、前灯、后灯和显示器。

附图简单说明

图1是具有棱柱形特征沿长轴反射和重新引导光通过光导向器传播的传统工艺光导向器的示意性侧视图。

图2是具有扩散特征在光导向器内分散和重新引导光通过光导向器传播的传统工艺光导向器的示意性侧视图。

图3是本发明折射物件的侧视剖面图。

图4是具有带至少二个相反符号曲率的弯曲部分空穴的放大侧视剖面图。

图5阐明图4中空穴的角度关系。

图6是显示缺口或空穴形状一半的曲线图。

图7是显示使用本发明折射性物件的30毫米长的目标的照明的光线跟踪模拟曲线图，该物件含有如图6所示形状的空穴包围一点光源或1毫米宽的LED。

图8是显示另一缺口或空穴形状一半的曲线图。

图9是显示与Lambertian光源一起使用的缺口或空穴形状一半的曲线图。

图10是本发明具有缺口和折射器的反射性物件的立体图。

图11是本发明另一具有缺口和线性光源的反射性物件的立体图。

图12是本发明具有缺口和棱柱形及扩散性光管理特征的反射性物件的立体图。

图13a是图12中物件的棱柱形特征部分的放大顶视图。

图13b是显示通过图12中物件光线的光线跟踪模拟曲线图，该物件具有或不具有图13a的棱柱形特征。

图14是本发明具有非圆形对称空穴的折射性物件的立体图。

图15是显示本发明中折射性物件的外边缘或表面一半的曲线图，该物件光学上偶合并包围一个光源。

图16是图15中折射性物件的侧视剖面图。

图17是本发明具有缺口、反射器和成型扩散器的折射性物件立体图。

具体的实施方式

首先参照图1，传统工艺的光导向器11具有棱柱形特征，沿其长轴反射和重新引导光通过光导向器传播。诸如从光源15出来的光线13进入光导向器17，并被诸如小平面19的小平面所反射而趋向显示器(未示)。诸如光线13a的光线穿过棱柱体而不是被总内部反射所反射，表示不能用来照亮显示器的损失的光。

其次参照图2，传统工艺的光导向器21具有扩散性特征，在光导向器内分散并重新引导光通过光导向器传播。诸如从光源25出来的光线23进入光导向器27，并被诸如扩散微粒29的扩散微粒所反射而趋向显示器(在图2中未示)。诸如光线23a的光线在离开显示器的不希望方向被扩散性物件所散射，表示不能用来照亮显示器的损失的光。

图3显示本发明折射物件31的侧视剖面图，其形状为单纯的板块材料32，具有输入边缘或表面33和输出边缘或表面34而形成目标方面。如果物件31较薄并基本上为二维空间的，则特征33是输入边缘，特征34是输出边缘，而目标方面基本上是线段。如果物件31较厚并基本上为三维空间的，则特征33是输入表面，特征34是输出表面，而目标方面基本上是平面的一部分。为简单起见，我们将讨论的实施方案中物件31是较薄的，特征33是输入边缘，特征34是输出边缘，而目标方面基本上是线段。物件31具有一个或两个特别形状的缺口36，位于从点状光源35(例如LED等)导入的输入边缘33上。输出边缘34沿其长度具有扩散性表面或体积扩散器以便更均匀地照亮目标方面。从光源35出来的光在缺口36的弯曲部分被折射而趋向输出边缘34。缺口36特别造型，在线性均匀的方式下，从光源35沿输出边缘34长度提供最佳传递，由此使光源35提供对输出边缘34基本上均匀的照明。例如图3所示钟形缺口36将把光从点状光源(对于角度其输出是均匀的)转换为线状光源(对于沿由输出边缘34形成的目标方面上的位置其输出是均匀的)。缺口的形状在长度方向提供对目标方面均匀的照明，并将容许使用点光源或多光源代替线状光源。

在图4中更详细地显示图3中的缺口。缺口41具有假想中线42。缺口41的大体形状典型地对于中线42对称，虽然如果需要也可以用非对称形状达到非对称线性照明，或者容纳一个非对称光源。空气处于光源和缺口41之间。缺口41的各半部具有互相相反显示的弯曲部分44和46，在拐折点48上光滑地联结(以避免照明中的不连续性)。现参照图3和图4，弯曲部分44对于光源35是凹面的。弯曲部分46对于光源35是凸的。曲线对于目标的瞬时角度被称作α，并典型地小于90度。

调用下列方程式以产生缺口的形状：

${\sin \mathrm{\θ}}_2=\left(\frac{n_1}{n_2}\right)\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_0)$

$\tan (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_2)=\frac{x_f-x_s}{d-y}$

$\tan {\mathrm{\θ}}_0=\frac{x_s}{y}$

$\frac{\mathrm{dy}}{{\mathrm{dx}}_s}=-\tan \mathrm{\α}$

式中n₂是折射物件的折射率，而n₁是光源和折射物件之间介质的折射率。参照图5，其余方程式的值可以定义如下。在图5中，x-轴平行于目标，并典型地也将平行于折射物件31的输入边缘33。y-轴垂直于目标，并与缺口41的中线符合一致。光源35处于原点。目标到光源35的距离为d。如果在光源35和折射物件之间的介质是空气，n₁＝1，而n₂被简单地称作n。缺口41的弯曲部分然后呈现为在缺口41内部和折射物件31之间的空气/介质接口，并对于x-轴形成角度α。从光源35出发的光线对于y-轴形成角度θ₀，并且对折射物件31的空气/介质接口以θ₁的入射角和在位置(x_s，y)上撞击。在折射物件31中折射角是θ₂。

通过为折射率、n和距离d选择数值和关联任何两个其余的变数，从上述方程式可导出特定的结果。这些方程式然后决定缺口的高度y，作为其横向宽度x_s的函数。为从已知照明分布dI₀/dθ₂获取沿目标均匀光的分布，位置x_f可以由下列方程式关联到θ₀：

$\frac{{\mathrm{dx}}_f}{{\mathrm{d\θ}}_0}=\left(\frac{1}{C}\right)\frac{{\mathrm{dI}}_0}{d{\mathrm{\θ}}_0}$

在此，C是要求的照明C＝I₀₀/2x_f0，式中I₀₀是总光学输出功率，而x_f0是要求光分布线的半长度。设计目的是使x_f0最大化以便使所需照亮特定长度的光源数量最少。

在本发明的一个实施方案中，缺口设计成为可指导光线从一个dI₀/dθ₂对于θ₀为常数的理想化点状光源出发，趋向将被沿一个线段上大体均匀分布的光照明的目标。然后x_f和θ₀将被方程式x_f＝x_f0θ₀/90线性地联系。从该准则所导出的缺口设计由在图6中的曲线62表示，其条件为n＝1.49，d＝5mm和x_f0＝15mm。通过使用这一设计，点状光源将基本上均匀地照亮位于离光源5mm的30mm长的目标。

图6设计的光线跟踪模拟显示为图7的曲线72。如图7所示，目标在30mm宽的跨度上接受非常均匀的照明，或换言之即跨越横向程度为缺口宽度的10倍。沿目标的光照强度处于平均照明强度约±20％以内。

图7的曲线74为延伸在缺口入口的中间1/3处的1mm宽的光源的光线跟踪。

这样的光源对典型LED比较由曲线72表示的理想化点状光源更具有代表性。如曲线74所示，目标仍在30mm宽的跨度上接受非常均匀的照明，或换言之即跨越横向程度为光源宽度的30倍和缺口宽度的10倍，其光照强度处于平均照明强度约±20％以内。

图7的结果显示，对于理想化点光源和1mm宽光源，光源表观尺寸均有显著扩展并且目标被高度均匀地照明。如此，这些设计促进用一个或多个更小的诸如LED的光源代替单一的线光源。

在本发明另一实施方案中，光源可以具有Lambertian光分布，其中光源的照明度随cos²(θ₀)而变化。使用上述方程式x_f和θ₀之间关系成为：

$x_f=\frac{{2x}_{f0}}{\mathrm{\π}}(\sin \left({\mathrm{\θ}}_0\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_0\right)+{\mathrm{\θ}}_0)$

而缺口的形状可以重新计算以考虑改进的光分布。对于Lambertian光源缺口一侧结果的形状由图8中曲线82表示，其条件为d＝5mm和x_f0＝9mm。与理想化点光源相比较，在缺口凸面对Lambertian光源部分需要较高程度的曲率，这是由于在高θ₀值下较弱的照明度。

本行业中熟练人员将意识到，本发明并不限于与图6到图8有关讨论中的光源分布的例子。通过利用以上所示方程式，缺口形状可以方便地改变以适应光源输出以其它方式变化的例子。

上述方程式可以更广义化以包括一些例子，其中缺口的内部充满较空气的折射率更低的其它介质。典型地，对n₁＞n₂的本发明实施例，目标成为目标方面并因此为折射物件的一部分。不过，如果需要时目标可以是远离折射物件的目标区域。在这些场合中光将通过在折射物件和目标之间的第三介质，而典型地将有三种可用的折射率，即n₁(缺口内部介质)、n₂(折射物件)和n₃(折射物件和目标区域之间的介质)。在这些场合折射物件的输出边缘或输出表面需要基本上是线性或平面的，并且可以被改形(例如按需要弯曲)以改进在目标区域中光分布均匀性。本行业中熟练人员将意识到，这里显示的方程式可以改变以考虑第三折射率和输出边缘或输出表面的形状，而由此计算缺口需要的形状。

对目标是目标方面的实施方案，典型地将只有二种可用的折射率，其中n₁的介质位于光源和曲面之间，而n₂的介质位于曲面和目标方面之间。总之，如果n₁小于n₂，则为获得均匀的照明，缺口的曲率较佳地在高值的θ₀下对于光源是凸面的，而在低值的θ₀下是凹面的。作为该关系的示例，对于d＝5mm，x_f0＝13mm，n₁＝1.35，n₂＝1.65情况的缺口形状和理想化点光源由图9中曲线92显示。该步骤促进利用折射率为n₁的可硬化透明介质包围光源，由此在光源对缺口中心的对准中提供改进的耐用性和精度。

对于涉及具有开放端部的缺口的本发明实施方案，折射表面较佳地同时位于光源的上方和下方以利用否则可能会错过缺口接口的光。这显示在图10中，图中折射物件101具有输入边缘103，输出边缘104(形成目标方面)，而缺口106在缺口上方及下方均装备反射镜108。

本发明并不限于在二维空间中尺寸较小的光源或折射物件。限定缺口的光源和介质例如可以延伸到垂直于缺口的平面。在该模式下，如图11所示，基本上直线形诸如荧光灯管115的光源可以用作光源，以建立均匀地照明的平面输出表面114，在长形折射物件111中形成目标方面。

在本发明的另一实施方案中，可以在输出边缘或表面上附着或设置棱柱体以重新引导光趋向目标，并减少从目标的法线测量的出口角。这显示在图12中，图中折射物件121具有输入边缘123、输出边缘124和缺口126。输出边缘科学24配备有一系列棱柱体127。棱柱体127折射从光源(在图12中未示)出发的诸如光线129的光线使其更趋向于目标区域129的法线。如图12所示的输出边缘124只在其沿端部区域具有棱柱体，因为典型地只有在这些末端的光线需要重新导向。不过，依照要求的输出光分布，整个输出边缘124可以包括棱柱体。也可以在物件121上添加扩散器，例如在运动到目标129光线的途径中，以更好改进照明均匀性。扩散器可以采取各种形式，包括弄粗的棱柱表面、扩散器材料的涂覆薄膜，带有扩散器涂层的附着薄膜、扩散器材料的附着薄膜、或者扩散性材料的模型注塑层。扩散器的扩散性(例如厚度)可沿其长度变化以获得要求的照明分布。扩散器的扩散性也可在多于一维方向跨越平面目标变化，以获取要求的光分布。

图13a显示棱柱体127和在更大放大倍数下通过棱柱体127的光线129的途径。棱柱体出口小平面132的较佳小平面角度p2(相对于棱柱体直线测量)将为大约85度，更较佳地为约88度。另一棱柱体小平面131较佳地具有小平面角度p1，它平行于在棱柱体出口小平面132上的入射平均角度。如果需要，角度p1及p2可以沿目标方面129的长度变化。

对于图12的设计的光线跟踪模拟显示在图13b的曲线134(无图13a的棱柱体特征)和曲线136(有图13a的棱柱体特征)中。在图13b中，水平轴是光线对于y轴的出口角度数，而垂直轴是任意单位的相对照明度。模拟采用p2＝88度和n＝1.49。角度p1的设置使面131基本上平行于在面132上的平均入射光线。棱柱体的效果是移动光线使其具有约40到70度而不是约40到60度的出口角。

在本发明的另一实施方案中，折射物件121的躯体可制成稍微扩散性以便有助于照明的均匀性。例如，这可以通过在物件121中设置扩散性微粒而完成。

至今讨论的实施方案已引用在二维空间均匀地成型的缺口形状。通过围绕缺口中心轴线旋转二维的缺口形状，可以使缺口设计更扩展进入三维空间，并由此形成圆柱形空穴。在最简单的情况，其中旋转是圆形对称的，在输出处形成的光图案是圆形地均匀的。总之，在离扩散性表面固定的距离d处，可对二正交轴线选择x_f0的值以产生均匀地照明的椭圆形区域。这些值然后用于设计对这些轴线要求的缺口形状。沿一条轴线的形状可以平滑地旋转进入正交形状以提供要求的空穴。这样实施方案的例子显示在图14中，其中折射物件141具有非圆形对称的空穴146(以假想线显示)，可以与适当的光源(在图14中未示)一起使用以便在平面目标144的椭圆形区域上提供均匀的照明。

本发明的实施方案也不限于n₁＜n₂的情况。n₂＞n₁实施方案的设计在相似方式下进行。两种方案的任何一种均可提供优点。具有n₁＞1和n₂＝1的实施方案可用透镜作为例子，透镜在光学上联结在光源上(因此包围光源)并在空气中使用。透镜从光源重引导光线以便对位于离光源距离为d的基本上直线或平面目标区域提供基本上均匀的照明。典型地，对于n₂＞n₁的本发明实施方案，目标为目标区域并且因此不是折射物件的一部分。这样的目标对于折射物件是远离的，并通过在折射率为n₂的介质中的折射从折射物件接受光。折射率为n₁的介质处于光源和弯曲表面之间，折射率为n₂的介质处于弯曲表面和目标之间。例如，在板块状透镜的情况目标可以是长形区域，在延伸在垂直于透镜平面方向的二维透镜形状的情况可以是基本上为矩形区域，或者在围绕透镜中心轴线旋转的透镜形状情况可以是圆形区域。例如通过利用上述讨论中的旋转技巧(对一系列缺口的旋转以便产生可以均匀地照明椭圆形目标的空穴)，可以形成照明椭圆形目标区域的透镜。

总之，如果折射率n₂大于n₁，则为获得目标的均匀照明，透镜的曲率对于光源较佳地在高值的θ₀时为凹面，而在低值的θ₀时为凸面。作为这一关系的说明，对于d＝5mm，x_f0＝20mm，n₁＝1.58，n₂＝1情况的透镜和理想化点光源由图15中的曲线152显示。这样透镜(由于其用在LED或其它小光源时的小尺寸，可以称为“小透镜”)的例子在图16中作为小透镜161显示。小透镜161具有包含第一表面部分163(对于光源165是凸面)的外表面162。对于光源165，第二表面部分164是凹面的并且包围表面部分163。从小透镜161的外部观察，第一表面部分163是凹面的而第二表面部分164是凸面的。第一表面部分163和第二表面部分164的形状设置为可以由光源165基本上对目标区域166提供均匀的照明。这一步骤促进利用折射率为n₁的可硬化透明介质形成小透镜161并包围光源165，由此在光源对准中提供改进的耐用性和精度。

本发明另一实施方案在图17中说明，其中光注入具有在输入边缘173上的缺口176、在缺口176上方和下方的反射镜和光输出边缘174的折射性板块171中。从LED(在图17中未示)发出的光通过板块171折射并通过光输出边缘174趋向成型扩散器179。在扩散器端部179的较薄区域179a和179b比扩散器的较厚中心区域179c在较小角度范围内分散光。较厚区域179c也比较薄区域179a和179b传递较少的光。成型扩散器有助于在缺口中线附近分散光，并由此为目标区域180提供更均匀的光分布。扩散器也用作使光的角度分布随机化以便改进照明的均匀性。

本发明的成型照明器件容许从宽度为w的小型、点状光源发出的光用来对大型、基本上直线或平面的、宽度较大的目标(例如，至少5w，较佳地为至少10w，最好为约15到20w)提供基本上均匀的照明。在目标内点上的照明强度较佳地在目标平均强度值的约±50％以内，更较佳地在约±20％以内，而最好在约±10％以内。

总之，在本发明的成型折射物件将在任何应用中找到用途，这些应用包括要求转换从小型、点状光源发出的光而获得良好的照明均匀性。例如，本发明的成型折射物件可以在各种照明器件中使用。代表性的应用包括室内照明；作业照明；闪光灯；警告灯；仪表；传感器；广告；售货机；诸如交通信号之类的交通应用；诸如汽车仪表、尾灯、转弯信号和中间高挂的停车灯之类的车辆应用；诸如前灯、后灯和电子显示器之类的电子应用。本发明的成型折射物件对于用小电池作为动力的亚小型、小型器件照明特别有用。适当的器件包括蜂窝式电话、寻呼机、个人数字助理、时钟、表、计算器、静物照相机和摄像机，膝上型计算机、车辆显示器和诸如此类。可以在这些器件的显示器中利用各种彩色或单色折射光阀。例如，像在COMPAQ的iPAQ^TM手持PC的显示器一样采用折射彩色LCD的显示器。本发明的成型折射物件可以用来照明固定图形器件，诸如布告或信号，和可变外观的基片或其它反射显示器，诸如“Gyricon”电子显示材料(由Gyricon介质公司开发)。成型折射物件也可以用来照明诸如在待批的申请系列号No.(代理人记录no.56153USA5A.002)(与本文同日登记)描述的“前方照明显示器”，或待批的申请系列号No.09/827,732(2001年4月6日提交)中描述的“前方照明触摸屏”一类的显示器。成型折射物件可以包括多于一个光源，例如三个或更多的LED。成型反射物件可以与彩色光源阵列一起使用(例如，一个或多个红、绿及蓝色LED之一)以照明目标，其中阵列中的光源利用连续或闪控寻址方案电子地激励。

本发明的各种改进和变化对于本行业熟练人员是明显的而不必偏离本发明范围和精神。应该理解本发明并不限于以上提出的说明性实施方案。

Claims (26)

1.一种折射性物件，包括输入边缘或表面和输出边缘或表面，输入边缘或表面具有至少一个成型缺口或空穴可以至少部分地包围一个光源，其中缺口或空穴具有至少二个互相相反显示的弯曲部分，其形状可以由光源对目标提供基本上均匀的照明。

2.按照权利要求1所述的折射性物件，其特征在于，缺口或空穴可分成二部分，各具有对光源为凹面并靠近目标的第一弯曲部分，和对光源为凸面并离目标较远的第二弯曲部分，第二弯曲部分的形状成为可以用与第一弯曲部分大约同样的每单位目标长度的光强度照亮目标。

3.按照权利要求1所述的折射性物件，其特征在于，目标包括在折射物件上的目标线或目标面。

4.按照权利要求1所述的折射性物件，其特征在于，目标包括远离折射物件的目标线或目标面。

5.按照权利要求2所述的折射性物件，其特征在于，光源包括一个或多个点状光源。

6.按照权利要求5所述的折射性物件，其特征在于，光源包括一个或多个光发射二极管。

7.一种照明器件，包括至少一个光发射二极管和按照权利要求5所述的折射物件。

8.按照权利要求7所述的照明器件，其特征在于，还包括作为目标的扩散器。

9.按照权利要求7所述的照明器件，其特征在于，还包括提供在目标上更均匀光分布的扩散器。

10.按照权利要求9所述的照明器件，其特征在于，扩散器具有一段长度，而扩散度沿扩散器的长度变化以便获得要求的光分布。

11.按照权利要求9所述的照明器件，其特征在于，扩散器具有厚度，该厚度沿目标的长度变化以便获得要求的光分布。

12.按照权利要求2所述的折射性物件，其特征在于，光源包括一个或多个线性光源。

13.一种折射性物件，它光学地偶合于并且至少部分地包围光源，并具有输出边缘或表面，该边缘或表面具有至少二个互相相反显示的弯曲部分，其形状成为可由光源对目标区域提供基本上均匀的照明。

14.按照权利要求13所述的折射性物件，其特征在于，物件具有至少对光源为凸面并且至少部分地被第二弯曲部分包围的第一弯曲部分，第二弯曲部分对光源为凹面，第二弯曲部分的形状成为可以用与第一弯曲部分大约同样的每单位目标面积的光强度照亮目标。

15.按照权利要求14所述的折射性物件，其特征在于，光源包括点状光源。

16.按照权利要求14所述的折射性物件，其特征在于，光源包括光发射二极管。

17.一种用光源照亮目标的方法，包括通过折射物件折射从光源发出的光，该折射物件具有包含第一和第二互相相反显示的弯曲部分的边缘或表面，弯曲部分的形状成为可由光源对目标提供基本上均匀的照明，其中第二弯曲部分的形状成为可以用与第一弯曲部分大约同样的每单位目标长度的光强度照亮目标。

18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，目标包括在折射物件上的目标线或目标平面。

19.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，目标包括远离折射物件的目标线或目标平面。

20.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，光源包括一个或多个点状光源。

21.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，光源包括一个或多个光发射二极管。

22.一种设计成型折射物件的弯曲部分的方法，以便由光源发出并通过弯曲部分折射的光对目标提供基本上均匀的照明，该方法包括使弯曲部分成型的步骤，使其基本上遵循下列方程式：

${\sin \mathrm{\θ}}_2=\left(\frac{n_1}{n_2}\right)\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_0)$

$\tan (\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_2)=\frac{x_f-x_s}{d-y}$

$\tan {\mathrm{\θ}}_0=\frac{x_s}{y}$

$\frac{\mathrm{dy}}{{\mathrm{dx}}_s}=-\tan \mathrm{\α}$

$\frac{{\mathrm{dx}}_f}{{\mathrm{d\θ}}_0}=\left(\frac{1}{C}\right)\frac{{\mathrm{dI}}_0}{d{\mathrm{\θ}}_0}$

在笛卡尔坐标空间中x-轴线平行于目标，y-轴线垂直于目标，而光源处于原点，其中：

(x_s，y)      是弯曲部分上一点的位置，

θ₂        是在点(x_s，y)上光线的折射角度，

n₁         是光源和弯曲部分之间的折射率，

n₂         是弯曲部分和目标之间的折射率，

α                      是在点(x_s，y)上弯曲部分对于x-轴的角度，

θ₀        是从光源出来的光线对于y-轴形成的角度，

x_f         是目标上的点沿x-轴的位置，

d           是从光源到目标沿y-轴的距离，

dI₀/dθ₂ 从光源出来光的分布，

C           是在目标上的点所要求的照明，等于I₀₀/2x_f0，

I₀₀        是光源的总光学输出功率，

x_f0        是沿x-轴测量的目标的半长。

23.一种被照亮的显示器，包括光源和至少一个按照权利要求13所述的折射物件。

24.一种包括按照权利要求23所述的显示器的蜂窝式电话、寻呼机、个人数字助理、时钟、表、计算器、照相机或摄像机、膝上型计算机或运输车辆。

25.一种被照亮的显示器，包括光源和至少一个按照权利要求1所述的折射物件。

26.一种包括按照权利要求25所述的显示器的蜂窝式电话、寻呼机、个人数字助理、时钟、表、计算器、照相机和摄像机、膝上型计算机或运输车辆。

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