CN1666117A - 光校准系统 - Google Patents

Abstract

一种用于校准光源发出的光的光校准系统，该系统具有多个元件(2、2’，……)，每个元件包含至少一个第一壁(3、3’，……)和至少一个第二壁(4、4’，……)。相邻元件的第一(3)和第二壁(4’)在该光校准系统面对该光源的一侧彼此相对隔开，所述间隔限定了允许光进入到该光校准系统的孔径窗(5、5’，……)。所述相邻元件的第一和第二壁形成了楔形结构，该结构在背对光源的方向上变宽。第一壁和第二壁在面对楔形结构的一侧具有镜面反射表面。根据本发明，第一壁和第二壁相对于孔径窗法线的楔角θ_w是可以调整的，从而能够实现调整校准。

Description

光校准系统

本发明涉及一种用于校准光的光校准系统。

这种光校准系统本身是公知的。它们尤其用作(图像)显示设备中的背光校准系统，例如用于电视机和显示器。这种光校准系统尤其适合用作非发光显示器的背光，例如液晶显示设备，也称作LCD面板，其用于(便携)计算机、电视机或者(便携)电话中。

所述显示设备通常包括具有规则像素图案的基底，每个像素由至少一个电极控制。该显示设备利用控制电路来获得在该(图像)显示设备的(图像)屏幕的相关区域中显示的图像或数据图形。利用开关或者调制器调制来自LCD设备背光源的光，并使用各种类型的液晶效应。此外，该显示器可以基于电泳或者机电效应。

这种光校准系统也可以用作普通照明目的的光源，或者用于商店照明，例如商店橱窗照明或上面展示有货品(例如珠宝)的玻璃或合成树脂(透明或半透明)板的照明。这种光校准系统还可以用作橱窗玻璃，例如用于使玻璃墙在某些条件下发光或者利用光减少或遮挡通过该橱窗的观看。这种光校准系统的其它可选择用途是照亮广告板、绘制表格以及X光照相。

在开篇段落中所提到的光校准系统中，所使用的光源通常是管状低压汞蒸汽放电灯，例如一个或多个冷阴极荧光灯(CCFL)，在工作期间将由光源发出的光耦合到光发射板中，起到光波导作用。这种波导通常构成了较薄和平的板，该板例如由合成树脂或者玻璃制成，其中光在(全)内反射的作用下通过该光波导传输。

作为一种可选择的光源，这种光校准系统还可以具有多个光电元件，也称作电光元件，例如电致发光元件，例如发光二极管(LED)。这些光源通常设置在发光板的光传输边缘表面的附近或切线上，在这种情况下，在工作期间由该光源发出的光入射到该光传输边缘表面上并自己在该板中散布开。

当需要高发光强度和/或必须提供大面积的发光表面时，光校准系统优选表现为直接点燃的背光校准系统。这种直接点燃的背光校准系统可以从WO-A97/36131中获知。该已知的背光校准系统包括至少一个光源，以及接近光源的光导引组件，该光导引组件包括所谓的微棱镜以及这些微棱镜之间的遮挡装置，该遮挡装置局部地遮挡光的通过。在已知的光校准系统中，该光遮挡装置是反射元件，而反射器位于光源的后面和/或周围，也就是说，在远离光导引组件的方向上，从而使远离光导引组件传输的光线重新导引回所述微棱镜。这个优选实施例通过采用了镜面和漫反射的材料，提高了该背光校准系统的全部可利用光输出和效率。该已知光校准系统的缺点在于该光校准系统具有固定的校准角度。

本发明的目的是完全或者部分地消除以上缺点。为了达到本发明的目的，该光校准系统包含：

多个元件，每个元件包含至少一个第一壁和至少一个第二壁，

元件的第一壁和相邻元件的第二壁在该光校准系统面对该光源的一侧彼此相对隔开，所述第一壁和所述第二壁之间的所述间隔限定了允许光源所发出的光进入该光校准系统的孔径窗，

所述元件的第一壁和所述相邻元件的第二壁形成了楔形结构，该结构在背对光源的方向上变宽，

第一壁和第二壁在面对楔形结构的一侧具有镜面反射表面，

第一壁和第二壁相对于孔径窗法线的楔角θ_w是可以调整的，从而能够调整校准。

在根据本发明的光校准系统中，由来自楔形结构壁的镜面反射产生了光校准。在已知的光校准系统中，光的校准是由从微棱镜光学光滑壁产生的入射光的全内反射(TIR)引起的。

在根据本发明的光校准系统中，该楔形结构是开放的、中空的结构(填充了空气，折射率n＝1)。根据该楔形结构的设计，在该楔形结构中会出现连续地反射，这是有利于获得大孔径的光校准系统。优选的是，该第一和第二壁是由片状材料制成的。这种片状材料可以轻易地拉长成所需要的形状，例如，通过热深度拔长处理来制作。在已知的光校准系统中，该楔形微棱镜结构是由固态透明材料制成的。已知光校准系统中的微棱镜的折射率对应于制作该棱镜的材料的折射率(通常该折射率为n≈1.5)。

根据本发明，第一壁和第二壁的楔角θ_w是可以调整的。当楔角改变时，该楔形结构的形状也改变。通过改变该楔形结构的形状，就改变了从第一和/或第二壁反射的光的传播方向，从而影响了由该楔形结构校准光的方式。根据本发明的光校准系统发出的光相应地具有可调整的校准度。

在本发明的说明书中，该中空楔形结构也称作(中空)楔形校准器。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于，可调定位板在背对远离楔形结构的一侧支撑第一壁和第二壁，通过在远离孔径窗的方向上移动该定位板，楔角θ_w变小，反之亦然。通过相对于该孔径窗“向上”和“向下”移动该可调定位板，第一壁和第二壁相对于该孔径窗法线的楔角θ_w就会分别变小和变大。以这种方式就实现了根据本发明的光校准系统的可调校准。可以由例如该光校准系统的使用者通过机械装置或者遥控电机装置来进行该可调定位板的移动。

优选的是，该楔角θ_w在大约0°到大约25°的范围内。当该楔角θ_w≈0°时，该可调定位板处于最高位置(远离孔径窗)，而当该楔角θ_w≈25°时，该可调定位板处于最低位置(靠近孔径窗)。当楔角大时，校准角θ_c小，即该光校准系统发出较窄的光束。优选的是，该楔角θ_w在大约0°到大约15°的范围内。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于，该楔形结构是由形成光阑状楔形结构的多个壁构成的。该多个壁包括至少一个第一壁和至少一个第二壁，该多个壁起到该光阑状楔形结构的(反射)侧挡板(flap)的作用。当该多个第一和第二壁的楔角θ_w改变时，这两种壁彼此滑过。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于，该第一壁和第二壁是直壁。所形成的所谓锥形开放楔形结构较容易制造。

根据本发明的光校准系统的可替换优选实施例，特征在于，该第一壁和第二壁是曲面的，优选为抛物线形壁。曲面或者抛物线形楔更难于制造，但是光学效率更高，这是因为其允许以更大的孔径获得某种程度的光校准，而仅经过一次该抛物线形壁的单镜面反射。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于将每个元件的第一壁和第二壁设置在背对光源的一侧的支撑部件上，并且每个元件的第一壁和第二壁之间的支撑部件具有光反射元件，该元件由镜面和/或漫反射材料构成。在该背光校准系统内产生的光可以仅仅通过元件的第一壁和相邻元件的第二壁之间的孔径窗从该光校准系统中逸出，即在该楔形结构的位置逸出。光不可以传播到元件的第一和第二壁之间的腔中。通过在元件的第一壁和第二壁之间提供反射元件，就可以在该背光校准系统中有效地并且高效率地使光反射回来并且继而重新使用。

反射层和/或涂层通常出现在包含有效光回收、光的(重新)分布、光传输和光校准的任意用途中。对于该反射材料所提出的要求包括不存在对于可见波长范围内的光的吸收，不存在吸收引起的色移，在(组合的)热、光、潮湿的影响下对于化学腐蚀的高抗性以及低成本的有效性同时易于处理/制造。适于充当反射层的是干的免粘合无机粉末颗粒层。优选的是，该镜面反射材料是从由铝和银构成的组中选出的，漫反射材料是从由氧化铝、硫酸钡、焦磷酸钙、氧化钛和硼酸钇构成的组中选出的。优选的是，该元件的第一和第二壁是镜面反射的，例如通过镜面反射材料来制作该壁，该材料例如铝或银，或者用铝或银层涂敷该壁。其它材料十分有助于(背)光校准系统中的光回收。优选的是，将该漫反射粉末材料与Alon-C粉末颗粒(具有平均主要颗粒大小约为20nm的格玛结构氧化铝粉末(Degussa))混合。当将具有平均颗粒直径至少为5μm的焦磷酸钙粉末与1％w/w Alon-C粉末相混合时，所生成的粉末混合物的性质与所谓的自由流动粉末相似。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于该第一壁和第二壁是由玻璃、金属或塑料制成的。优选的是，可以通过例如对镀有铝或银层的光学光滑铝片或者塑料PET片进行热深度拔长处理而制成该开放楔形结构。该铝片或层起到镜面反射表面的作用。位于支撑部件处的该孔径窗，即元件的第一壁和相邻元件的第二壁之间的间隔保持对光透明性。该孔径窗优选具体化为由透明塑料或玻璃层构成的窗体，其附着在支撑部件上并且在该支撑部件的位置处连接到所述第一壁和第二壁，从而保持了该孔径窗的固定宽度。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于，在第一和第二壁面对光源的位置，例如在支撑部件的位置，每个元件的第一壁和第二壁之间的距离d_sp大于可见光波长。通过选择该距离d_sp基本大于约500nm，优选<权利要求12的特征部分＞d_sp≥10μm，可避免该楔形结构中和周围的光衍射现象，从而不会出现衍射所引起的该楔形校准器结构校准性能的紊乱。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于<权利要求13的特征部分>，该楔形结构的高度h_w在0.5×d_aw≤h_w≤50×d_aw的范围内，其中d_aw是元件的第一壁和相邻元件的第二壁在面对光源的位置处该第一和第二壁之间的距离。如果在该光校准系统中设置支撑部件，则d_aw是在该支撑部件位置处的第一壁和第二壁之间的距离。利用在给定范围内的高度h_w，可以将该光校准系统内的光源发出的各向同性光校准为校准角θ_c在10°≤θ_c≤90°的范围内。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于，该光校准系统还包括透镜组件，其包括多个透镜，每个透镜与楔形结构中的一个共同作用。通过在该楔形校准器的光发射侧上设置可任选的透镜组件，可进一步提高所获得的校准度。

通过根据本发明的方法获得了特别简单的光校准系统。根据本发明的光校准系统所发出的光具有可调的校准度。

现在将参照多个实施例和附图来更加详细地解释本发明，其中：

图1是根据本发明的可调楔形校准器实施例的可调定位板位于两个不同位置时的横截面图；

图2A是根据本发明的可调楔形校准器的可选实施例的横截面图；

图2B是根据本发明的可调楔形校准器的另一可选实施例的横截面图；

图3是光阑状可调楔形结构的顶视图；

图4示出了光线通过具体的可调楔形校准器的路径，和

图5示出了可调楔形校准器中作为楔角θ_w函数的校准角θ_c。

这些附图完全是示意性的并且不是完全按照比例画出的。为了清楚起见，一些尺寸是非常夸张的。在附图中尽可能地将相同的部件用相同的附图标记表示出来。

图1示意性地示出了根据本发明的可调楔形校准器实施例的可调定位板8在两个不同位置时的横截面图。图1中的光校准系统包括支撑部件1，其允许从光源发出的光(未在图1A和1B中示出；入射光的方向用箭头L_in表示)进入该光校准系统中。该支撑部件1在背对远离光源的一侧具有多个元件2、2’，……。每个元件2、2’，……包含至少一个第一壁3、3’，……和至少一个第二壁4、4’，……。优选的是，该第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……是由玻璃、金属或塑料制成的。元件2的第一壁3和相邻元件2’的第二壁4’在该光校准系统面对光源的一侧(在图1的实例中在支撑部件1的位置)彼此相对隔开。第一壁3和所述第二壁4’之间的间隔限定了孔径窗5、5’，……，其允许光源发出的光进入到该光校准系统。在该孔径窗的位置，第一壁3和第二壁4’之间的距离也称作孔径宽度d_aw。具有参考标记2的该元件的第一壁3和相邻元件2’的第二壁4’形成了楔形结构，该结构在背对远离光源的方向上变宽。此外，该第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……在面对楔形结构的一侧都具有镜面反射表面(参见图4)，该表面优选是由银或者铝制成。可调定位板8在背对楔形结构的一侧支撑第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……。根据本发明，这个定位板8可以在远离和朝向孔径窗5、5’，……的方向上来回移动。根据该定位板8相对于孔径窗5、5’，……的位置，该楔角θ_w变小或变大。这样，该光校准系统提供的校准就变成了可调的。在可选实施例中，在第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……顶部设置了包括多个透镜的透镜组件(未在图1中示出)。在图1的实例中，第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……是直壁。在可选实施例中，该第一壁和第二壁是曲形壁，优选的是抛物线形壁(未示出)。

在图1的上半部中，该可调定位板8位于其最低的位置。第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……在背对孔径窗5、5’，……的一侧彼此相互接触。在这个位置上，楔角θ_w1达到其最大值。非常适合的楔角值是θ_w1≈25°。尤其优选的楔角值是θ_w1≈15°。在图1的下半部中，该可调定位板8远离该孔径窗5、5’，……移动，从而达到较高的位置。第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……在背对孔径窗5、5’，……的一侧不再彼此相互接触，并且楔角θ_w2减小。该楔角的最小值是θ_w2≈0°。当楔角θ_w大时，校准角θ_c小，即该光校准系统发出较窄的光束。图1中，在该可调定位板8的两个不同位置侧的宽箭头表示：该光校准系统的可变性使得获得可调的校准角变得可能。优选的是，该可调定位板8的光反射元件6、6’，……面对孔径窗5、5’，……具有光反射元件。这种光反射元件6、6’，……有效地将光反射回去并且这种反射返回的光继而在该背光校准系统中重新利用。

图2A示出了可调楔形校准器的可选实施例的横截面图。在这个实施例中，每个元件2、2’，……的第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……之间的支撑部件1具有光反射元件16、16’，……，该光反射元件包括镜面和/或漫反射材料。在图2A的实施例中，该光反射元件16；16’，……嵌入该支撑部件1中，例如在沟道中。图2B示出了该可调楔形校准器的另一可选实施例的横截面图。在这个实施例中，每个元件2、2’，……的第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……之间的支撑部件1具有光反射元件2 6、26’，……，该光反射元件是涂层的形式，该涂层包括镜面和/或漫反射材料。

光反射元件6、6’，……；16、16’，……；26、26’，……的镜面或者漫反射材料优选包括粉末材料，该材料是由氧化铝、硫酸钡、焦磷酸钙、氧化钛和硼酸钇组成的组中选出的。尤其推荐使用平均颗粒直径在8到10μm之间的焦磷酸钙，这是因为其在空气中以900℃退火之后的现成可用性、廉价性、化学纯度、耐高温(＞1000℃)以及已知的对于λ＝400-800nm范围内的可见光的非吸收性。当焦磷酸钙与1％w/w Alon-C纳粉末相混合时，所生成的粉末混合物的性质与所谓的自由流动粉末相似，利用该粉末就可以容易地填充图2A中的所述沟道，从而形成了反射元件16、16’，……。

在孔径窗5、5’，……的位置处，每个元件2、2’，……的第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……之间的距离d_sp优选大于可见光波长。优选的是，距离d_sp和d_aw都大于10μm。优选的是，距离d_sp大于1mm。后者利用干的免粘合自由流动无机粉末使得填充第一壁3、3’，……和第二壁4、4’，……之间的间隔相对简单。优选的是，该楔形结构的高度h_w在0.5×d_aw≤h_w≤50×d_aw的范围内，其中d_aw是在支撑部件1处元件2的第一壁3和相邻元件2’的第二壁4’之间的距离。根据本发明，校准了从该光校准系统发出的光(由图1A和1B中的箭头L_out表示)。

图3示意性地示出了光阑状可调楔形结构的顶视图。在这个实施例中，该楔形结构包括多个壁23、23’，……，24、24’，……，这些壁相对于支撑部件1形成了光阑状楔形结构。该多个壁包括至少一个第一壁23、23’，……和至少一个第二壁24、24’，……，该多个壁起到该光阑状楔形结构的(反射)侧挡板(flap)的作用。当该多个第一和第二壁23、23’，……，  24、24’，……的楔角改变时，其彼此滑过。

图4示意性地示出了光线通过具体可调楔形校准器的路径(支撑部件未示出)。示出了第一壁3和相邻元件的第二壁4’。该第一壁3具有镜面反射表面23，第二壁4’具有镜面反射表面24’。在图4的实例中，光线以θ_i角(关于法线，法线平行于图1中的L_in)入射到开放楔(折射率n＝1)上，并且在第一壁3上的镜面反射表面23上反射，该表面与法线夹角为θ_w(楔角)。在图4的实例中，仅发生一次反射，从该楔形校准器发出的光线关于法线的夹角为θ_c。反射的次数取决于入射角θ_i和该元件的高度h_w以及楔角θ_w。关于法线的校准角θ_c是指当各向同性光以关于法线的夹角为0°≤θ_i≤90°入射到该楔形结构上时，可以从该楔形结构发出的光线的最大角度θ_e。

实际上，该楔角θ_w的调整幅度在大约0°到大约25°的范围内，优选0°≤θ_w≤15°。图4示出了可调楔形校准器中作为楔角θ_w函数的校准角θ_c的典型实施例的视图。如果楔角θ_w在大约11°和22°之间则校准角θ_c大约为46°(参见图4中由(2)表示的曲线部分，其中在楔形结构中最多出现两次反射)。更大的楔角值是不具有吸引力的，这是因为这会导致孔径变得太小。通过降低该楔角θ_w，如果楔角θ_w大约为8°，则校准角θ_c大约为50°(参见图4中由(3)表示的曲线部分，其中在楔形结构中最多出现三次反射)。通过进一步减小该楔角θ_w，如果楔角θ_w大约为5°，则校准角θ_c大约为55°(参见图4中由(4)表示的曲线部分，其中在楔形结构中最多出现四次反射)。通过再一步减小该楔角θ_w，如果楔角θ_w大约为3°，则校准角θ_c大约为60°(参见图4中由(5)表示的曲线部分，其中在楔形结构中最多出现五次反射)。通过又一步减小该楔角θ_w，如果楔角θ_w为0°，则最终校准角θ_c达到90°(参见图4中由(6)表示的曲线部分，其中的反射次数快速增加)。

本发明的保护范围不限于所给出的实施例。本发明在于各个新颖的特征和这些特征的各个组合。权利要求中的附图标记不会限制其保护范围。动词“包括”的使用及其变型不排除那些不同于权利要求中列出的元件的出现。元件前不定冠词“一个”或“一种”的使用不排除多个这些元件的出现。

Claims (15)

1.一种用于校准从光源发出的光的光校准系统，

多个元件，每个元件包含至少一个第一壁和至少一个第二壁，

元件的第一壁和相邻元件的第二壁在该光校准系统面对该光源的一侧彼此相对隔开，所述第一壁和所述第二壁之间的所述间隔限定了允许从光源发出的光进入该光校准系统的孔径窗，

所述元件的第一壁和所述相邻元件的第二壁形成了楔形结构，该结构在背对光源的方向上变宽，

第一壁和第二壁在面对楔形结构的一侧具有镜面反射表面，

第一壁和第二壁相对于孔径窗法线的楔角θ_w是可以调整的，从而能够实现可调整的校准。

2.根据权利要求1所述的光校准系统，其特征在于，可调的定位板在背对楔形结构的一侧支撑第一壁和第二壁，

通过在远离该孔径窗的方向上移动该定位板，使该楔角θ_w变小，反之亦然。

3.根据权利要求1或2所述的光校准系统，其特征在于，该楔角θ_w在大约0°到大约25°的范围内。

4.根据权利要求3所述的光校准系统，其特征在于，该楔角θ_w≤15°。

5.根据权利要求1或2所述的光校准系统，其特征在于，该楔形结构是由形成光阑状楔形结构的多个壁构成的。

6.根据权利要求1或2所述的光校准系统，其特征在于，该第一壁和第二壁是直壁。

7.根据权利要求1或2所述的光校准系统，其特征在于，该第一壁和第二壁是曲形的壁，优选为抛物线形壁。

8.根据权利要求1或2所述的光校准系统，其特征在于，将每个元件的第一壁和第二壁设置在背对光源的一侧的支撑部件上，并且每个元件的第一壁和第二壁之间的支撑部件具有光反射元件，该元件包括镜面和/或漫反射材料。

9.根据权利要求8所述的光校准系统，其特征在于，该镜面反射材料是从由铝和银构成的组中选出的，并且该漫反射材料是从由氧化铝、硫酸钡、焦磷酸钙、氧化钛和硼酸钇构成的组中选出的。

10.根据权利要求9所述的光校准系统，其特征在于，将该漫反射粉末材料与Alon-C颗粒混合。

11.根据权利要求1或2所述的光校准系统，其特征在于，该第一壁和第二壁是由玻璃、金属或塑料制成的。

12.根据权利要求1或2所述的光校准系统，其特征在于，在第一和第二壁面对光源的位置，每个元件的第一壁和第二壁之间的距离d_sp大于可见光波长。

13.根据权利要求12所述的光校准系统，其特征在于，该距离d_sp≥10μm。

14.根据权利要求12所述的光校准系统，其特征在于，该楔形结构的高度h_w在0.5×d_aw≤h_w≤50×d_aw范围内，其中d_aw是元件的第一壁和相邻元件的第二壁在该第一和第二壁面对光源的位置处的距离。

15.根据权利要求1或2所述的光校准系统，其特征在于，该光校准系统还包括透镜组件，其包括多个透镜，每个透镜与楔形结构中的一个共同作用。

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