CN1666118A - 光校准系统 - Google Patents

Abstract

一种用于校准从光源发出的光的光校准系统，该系统具有多个元件(2、2’，……；12、12’，……)。每个元件包含第一壁(3、3’，……；13、13’，……)和第二壁(4、4’，……；14、14’，……)。每个元件的第一壁和第二壁彼此相对隔开。元件(2；12)的第一壁(3；13)和相邻元件(2’；12’)的第二壁(4’；14’)形成楔形结构，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。优选的是，在每个元件的第一壁和第二壁与支撑部件之间所形成的间隔中具有镜面和/或漫反射材料。

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来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)，其中在工作期间将由光源发出的光耦合到起光波导作用的光发射板中。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，也称作电光装置，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，在背对光导引组件的方向上，从而使背对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反射和漫反射的材料，提高了该背光校准系统的全部可利用的光输出和效率。该已知光校准系统的缺点在于该光校准系统的全部可利用的光输出和效率仍然较差。

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，每个元件包含第一壁和第二壁，

每个元件的第一壁和第二壁彼此相对隔开，

元件的第一壁和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。

在根据本发明的光校准系统中，由来自楔形结构的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的。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)。

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，该第一壁和第二壁是直壁。这种所谓的锥形开放楔是比较容易制造的。

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形的，优选为抛物线形壁。曲形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而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。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。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于每个元件的第一壁和第二壁之间形成的间隔中具有镜面和/或漫反射材料。如果在该光校准系统中提供支撑部件，则在三个壁之间形成的间隔中提供该镜面和/或漫反射材料，即在每个元件的第一和第二壁以及支撑部件之间提供该镜面和/或漫反射材料。这种材料很大程度上避免了第一和第二壁的镜面反射表面直接暴露于该光校准系统内的光源发出的光，从而借助该镜面反射表面抵消了由光吸收带来的光损失。优选的是，该材料是漫反射的。

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。这种粉末十分有助于(背)光校准系统中的光回收。优选的是，将该反射粉末与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，可以通过例如对随后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生成该开放楔形结构。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可以保持完全开放。

根据本发明的光校准系统的优选实施例，特征在于，在支撑部件的位置处，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。通过使所选择的该距离d_sp基本大于约500nm，优选d_sp≥10μm，则避免了该楔形结构中和周围的光衍射现象，从而不会出现衍射引起的对该楔形校准器结构校准性能的影响。优选的是，该距离d_sp≥1mm。因此，元件的第一壁和第二壁之间的间隔可以容易地具有自由流动的焦磷酸钙粉末(与1％w/w Alon-C相混合)。

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是在第一壁和第二壁面对光源的位置处，第一壁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的第一壁和第二壁之间的距离。利用给定范围内的高度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到校准角θ_c，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的可选的透镜组件，可以进一步提高所获得的校准度。

通过根据本发明的方法获得的特别简单的光校准系统。尤其是该光校准系统的总的可利用光输出和效率十分高。

现在将参照多个实施例和图来更加详细地解释本发明，其中：

图1A是根据本发明的楔形校准器实施例的横截面图；

图1B是根据本发明的楔形校准器的可选实施例的横截面图；

图2是根据本发明的楔形校准器的另一可选实施例的横截面图；

图3示出了光线通过图1A或1B的具体楔形校准器的路径；

图4示出了图1A或1B的楔形校准器中作为校准角θ_c函数的楔角θ_w，和

图5示出了图1A或1B的楔形校准器中作为校准角θ_c函数的比率h_w/d_aw。

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，一些尺寸是过分夸张的。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1A示意性地示出了根据本发明的楔形校准器实施例的横截面图。图1B示意性地示出了楔形校准器的可选实施例。图1A和图1B的光校准器系统包括支撑部件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在背对光源的一侧具有多个元件2、2’，......。每个元件2、2’，......包括第一壁3、3’，......和第二壁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。每个元件2、2’，......的第一壁3和第二壁4’在支撑部件1的位置彼此相对隔开。在可选的支撑部件的位置处，第一壁3和第二壁4’之间的距离就是所谓的孔径宽度d_aw。元件2的第一壁3和相邻元件2’的第二壁4’形成了楔形结构，该结构在背对光源的方向上变宽，以用于校准光源发出的光。该第一壁3、3’，......和第二壁4、4’，......在面对楔形结构的一侧具有镜面反射表面(未在图1A和1B中示出，但可参见图3)。在图1A和1B的实例中，由覆盖板8覆盖该楔形结构。在可选实施例中，将该覆盖板形成为透镜组件，该透镜组件包括多个透镜(参见图2)。在图1A和1B的实施例中，第一壁3、3’，......和第二壁4、4’，......是直壁。该支撑部件是光校准系统的可选特征。特别是当第一和第二壁由片状材料制成时，这种片可以轻易地拔长成所需要的形状，并且不需要支撑部件来为该光校准系统的第一和第二壁提供足够的支撑。

在图1A中，每个元件2、2’，......的第一壁3、3’，......和第二壁4、4’，......与支撑部件1之间形成的间隔具有镜面和/或漫反射材料。

在图1B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6、6’，该反射元件包括镜面和/或漫反射材料。

该光反射元件6、6’的镜面或者散射反射材料优选包括粉末材料，该材料是从由氧化铝、硫酸钡、焦磷酸钙、氧化钛和硼酸钇组成的组中选出的。尤其推荐的是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。

在支撑部件1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的位置处第一壁3、3’，......和第二壁4、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示)。

图2示意性地示出了根据本发明的楔形校准器的另一实施例的横截面图。图2的光校准系统包括支撑部件11，其允许从光源发出的光(未在图2中示出；入射光的方向用箭头L_in表示)进入该光校准系统。该支撑部件11在背对光源的一侧具有多个元件12、12’，......。每个元件12、12’，......包括第一壁13、13’，......和第二壁14、14’，......。优选的是，该第一壁13、13’，......和第二壁14、14’，......是由玻璃、金属或塑料制成的。每个元件12、12’，......的第一壁13和第二壁14’在支撑部件11的位置彼此相对隔开。第一壁13’和第二壁14之间的距离就是所谓的孔径宽度。元件12的第一壁13和相邻元件12’的第二壁14’形成了楔形结构，该结构在背对光源的方向上变宽，以用于校准从光源发出的光。该第一壁13、13’，......和第二壁14、14’，......在面对楔形结构的一侧具有镜面反射表面。在图2的实例中，该楔形结构被覆盖板覆盖，该覆盖板由透镜组件18组成，该透镜组件包括多个透镜，每个透镜与楔形结构中的一个共同作用。在图2的实例中，第一壁13、13’，......和第二壁14、14’，......是抛物线形壁。

在图2中，每个元件12、12’，......的第一壁13、13’，......和第二壁14、14’，......与支撑部件11之间形成的间隔中具有漫反射材料。该漫反射材料优选从由氧化铝、硫酸钡、焦磷酸钙、氧化钛和硼酸钇组成的组中选出的。

图3示意性地示出了光线通过图1A或1B中的具体楔形校准器的路径(支撑部件和覆盖板未示出)。示出了第一壁3和相邻元件的第二壁。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3的实例中，光线以θ_i角(关于法线，法线平行于图1A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，该壁与法线夹角为θ_w(楔角)。在图3的实例中，仅发生一次反射，从该楔形校准器产生的光线关于法线的夹角为θ_e。反射的次数取决于入射角θ_i，这些元件的高度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。换句话说，θ_c＝(θ_e)_max。

图4示出了图1A或1B的楔形校准器中作为校准角θ_c函数的楔角θ_w。图5示出了图1A或1B的楔形校准器中作为校准角θ_c函数的比例h_w/d_aw。在图4和5中的曲线(1)示出了在该楔形结构中，如果最多仅发生1次反射的结果，曲线(2)示出了如果最多发生2次反射的结果，曲线(3)示出了如果最多发生3次反射的结果，曲线(4)示出了如果最多发生4次反射的结果，曲线(5)示出了如果最多发生5次反射的结果。可以看出，孔径d_aw通常随校准程度的增加而降低(即降低了θ_c)。对于给定的最大镜面反射次数，存在对可获得的最大校准程度的限制。例如，如果最大镜面反射次数为1，则具有直壁的楔形结构就不能将各向同性光校准到比大约30°更好。随着镜面反射的最大次数的增加，可获得的最大校准程度也增加。然而，以有效的流明效率很难获得θ_c≤20°，这同样是因为仍存在非常小的孔径。当反射次数的增加时，由于反射金属表面中的吸收损失，造成流明损失也增加。为了实现θ_c≤20°，优选采用抛物线形的楔形结构(参见图2)。在给定校准程度时，已知楔形校准器的孔径大于开放楔形校准器的孔径，尤其是在更高的校准程度时更是如此。设计用于提供一次镜面反射的中空楔形校准器，其是将各向同性光校准降至办公环境的一般要求的θ_c＝60°的适当选择。因此二维孔径接近50％。在比例h_w/d_aw＝0.68时，具有d_aw＝4.4mm、h_w＝3.0mm以及校准器宽度w＝6.0mm的中空楔形结构，当各向同性光入射到该中空楔形结构上时，该中空楔形结构可实现校准角θ_c＝60°。为了确保用白色反射粉末来容易地填充楔形腔，这种尺寸是非常适合的。由于以上原因，一般优选使用θ_c≥40°的开放楔。优选利用抛物线形楔结构在孔径宽度值d_aw/w不是很小时来实现更小的θ_c值。当使用锥形楔形结构时，如果将附加的透镜组件置于该楔形结构的顶部时，则可以实现较大的孔径宽度比例d_aw/w，较小的θ_w和较小的比例h_w/d_aw。

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 (14)

1.一种用于校准从光源发出的光的光校准系统，包括：

多个元件，每个元件包含第一壁和第二壁，

每个元件的第一壁和第二壁彼此相对隔开，

元件的第一壁和相邻元件的第二壁形成楔形结构，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。

2.根据权利要求1所述的光校准系统，其特征在于该第一壁和第二壁是直壁。

3.根据权利要求1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，优选为抛物线形的壁。

4.根据权利要求3所述的光校准系统，其特征在于该第一壁和第二壁是抛物线形壁。

5.根据权利要求1、2或3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该支撑部件(1)具有光反射元件，该元件包括镜面和/或漫反射材料。

6.根据权利要求1、2或3所述的光校准系统，其特征在于在每个元件的第一壁和第二壁之间形成的间隔中具有镜面和/或漫反射材料。

7.根据权利要求6所述的光校准系统，其特征在于该反射材料是从由氧化铝、硫酸钡、焦磷酸钙、氧化钛和硼酸钇组成的组中选出的。

8.根据权利要求7所述的光校准系统，其特征在于将该反射材料与Alon-C颗粒混合。

9.根据权利要求1、2或3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。

10.根据权利要求1、2或3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。

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

12.根据权利要求11所述的光校准系统，其特征在于该距离d_sp≥1mm。

13.根据权利要求11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的范围内，其中d_aw是在第一壁和第二壁面对光源的位置处，该第一壁和第二壁之间的距离。

14.根据权利要求1、2或3所述的光校准系统，其特征在于该光校准系统还包括具有多个透镜的透镜组件，每个透镜与楔形结构之一共同作用。

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