包含光輸入和光輸出單元的光產生裝置的制作方法

專利名稱：包含光輸入和光輸出單元的光產生裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包含平板光導的光產生裝置，其中該平板光導具有兩個大致平行的側面和至少一個邊緣，所述邊緣具有一個與所述側面的表面連接的表面。此外，本發明涉及一種顯示裝置。
背景技術：
當前所使用的平板光導，如用于薄LCD顯示屏的背光照明，一般為邊緣發光(也稱作側面發光)型，其中由反射器部分環繞的光源靠近光導的至少其中一個邊緣設置，使得其光通過該邊緣被引導到光導中。例如WO 01/63588 A1中披露了這樣一種平板光導。光導中捕獲的光憑借內部全反射(TIR)通過光導傳播，并且通常通過光導內部的傳播光與光散射和/或反射/折射裝置(諸如，在光導表面設置的散射點、散射表面圖案、或其他光學“不規則體”)的光學相互作用，或者通過光導表面中/上特別制造的表面形態，來耦合出光導并遠離光導引導，所有光散射和/或反射/折射裝置的共同點在于其“阻撓”內部全反射，并導致光從光導耦合出。或者，可以使特殊紋理的光學箔片與光導光學接觸，用于耦合出光，從而引導光。通過這種設置，可使整個邊緣發光背光包含在僅具有很小厚度的空間內，這對于涉及例如薄筆記本屏幕或薄LC監視器屏幕的應用而言很重要。
已知的平板光導原則上可很好地作為小尺寸平板顯示屏的背光照明，不過當它們用作大面積平板顯示屏幕的背光照明裝置、或者用于一般照明目的的大面積光源瓦片排列(tiles)來說存在問題。就一般照明而言，一種已知解決方案是用設有多個局部光重定向裝置(如光導表面上的散射點或反射/折射表面形態)的大面積邊緣發光平板光導，來取代平常使用的固定光源及其固定設備，使相鄰光重定向裝置之間的間距取決于其與光源的距離。不過，實際上可用的光導厚度高達10mm，已經證明迄今為止難以有效地將光從光源通過光導的邊緣耦合到光導中，并保持整個大面積光導耦出表面上處于任意亮度級的耦出光具有令人滿意的亮度均勻性程度。光耦入效率總是很差，這主要是由于與能量有效的管狀光源如T5或T8熒光燈的直徑相比，光導邊緣的厚度相對較小的原因。光從例如非管狀高強度放電(HID)燈耦合到光導邊緣中的效率甚至更差。
此外，通常管狀光源必須設置在其中的光導邊緣附近的空間受到限制，而且并非與光導表面積成比例。從而光導耦出表面上任意位置處耦出光的局部可獲得強度一般相當有限。從光導耦出的光的適當準直一般需要另外使用非常昂貴的光學箔片。

發明內容
從而，本發明的目的在于提供一種光產生裝置，其克服了上述問題，并能用于多種應用中，其中所使用的光源數量可以與光導的總面積成比例，并且能在高亮度級上以受控的橫向亮度均勻性產生發射光的準直光束。
根據本發明通過權利要求1所述的光產生裝置實現這一目的，該光產生裝置包括-具有兩個大致平行側面和至少一個邊緣的平板光導，該邊緣具有與所述側面的表面連接的一個表面，-設置在所述光導至少一個側面上的至少一個光輸入單元，其包括至少一個光源和用于將光耦合到所述光導中的光耦入(incoupling)裝置，以及-設置在所述光導至少一側上的至少一個光輸出單元，包括用于將光耦出所述光導的光耦出(outcoupling)裝置。
本發明基于提供至少一個光輸入單元和至少一個光輸出單元的思想，其根據應用并與已知裝置不同，可以設置在所述光導至少一側上任何位置處。這使得光導可以作為光輸入與光輸出單元之間的光緩沖器，其并非直接彼此光學耦合。光導內部的光緩沖促進了在光導的被至少一個光輸出單元覆蓋的至少一側的表面區域上獲得光強均勻化，其有利于獲得相當均勻的橫向均勻亮度值的耦出光。光輸入單元與光輸出單元之間通過光導的間接耦合度與其同光導的相應光學接觸面積成比例，即與其孔徑成正比，并且還取決于各個光輸入單元和光輸出單元在所述光導的至少一側上彼此相對的位置。
光輸入單元中使用的光源，例如燈的數量可以與光導的側面面積成比例，從而可以與必須被照亮的顯示屏表面面積或者與發光光源瓦片排列的表面積成比例。這樣就能夠根據其設計的細節創建光產生裝置，能在與設置于所述光導至少一側上的至少一個光輸出單元發射出的光有關的高亮度級上實現高度橫向亮度均勻性，或者能實現光集中或光弱化。此外，取決于至少一個光輸出單元的設計參數，光可以從具有一定程度準直性的光產生裝置中發射出。這對于例如照射直接鄰近至少一個光輸出單元設置的LCD屏幕而言是有用的。另外，除了用于顯示照明或者用于一般照明領域的光源應用以外，根據本發明的光產生裝置可用于點照明。
從屬權利要求中限定了本發明的優選實施例。權利要求14和15中要求保護包括根據本發明的光產生裝置的顯示裝置。
光輸入單元的光耦入裝置優選包括與所述光導的側面表面光學接觸的多個耦入光學元件，在該側面表面上設置有至少一個光輸入單元。這種耦入光學元件可以為具有圓形或橢圓形截面的肋或立方體或圓柱體，具有如權利要求2至5中所限定的不同部分和表面。
類似地，光輸出單元的光耦出裝置可以包括與光導的側面表面光學接觸的多個耦出光學元件，在該側面表面上設置有至少一個光輸出單元。并且耦出光學元件可以為圓形或橢圓形截面的肋或立方體或圓柱體。權利要求6和7中定義了其優選實施例。所述耦出光學元件優選以間隔設置，并且在所述耦出光學元件之間設有光反射裝置，特別是具有背離所述光導的反射表面的成形箔片，尤其是相對于所述耦出光學元件的透明表面部分傾斜的鏡面反射表面，所述耦出光學元件的所述透明表面部分與所述成形箔片的所述鏡面反射表面之間的間隔沿著遠離所述光導的方向變寬。這種成形箔片可通過將塑料或金屬片熱深沖壓成所需形狀而很容易地獲得，隨后例如通過在塑料或金屬壁上沉積銀或鋁層而為所述片提供鏡面反射壁，然后放置在耦出光學元件之間。
根據一有利實施例，光導在其邊緣處設有光反射裝置，特別是鏡面或漫反射器，漫反射器基本上不與光導光學接觸。因此，將借助TIR迫使光線通過光導傳播，直到其通過光輸入單元或光輸出單元射出光導為止。附加的反射表面優選處于至少一個光輸入單元中至少一個光源的后面和/或附近，即沿遠離光耦入裝置的方向，以便重新將遠離光耦入裝置傳播的光線朝向光耦入裝置引導回來。所述附加反射表面的存在可在光輸入單元內實現光的再循環。
優選，為了用作大面積LC顯示屏的均勻發光背光照明裝置，光輸入單元擴展到其所設置于上的光導一側的整個表面區域上。此外，在光輸入單元內各光源可沿這一側規則地設置。類似地，光輸出單元可以擴展到光導的設有光輸出單元一側的整個表面區域上。
為了用作光集中器，優選采用另一實施例，根據這一實施例，光導被至少一個光輸入單元覆蓋的至少一側的表面面積大于光導被至少一個光輸出單元覆蓋的至少一側的表面面積，即被光輸出單元覆蓋的表面面積小于被光輸入單元覆蓋的表面面積。本實施例可用于一般照明的目的，例如用于發射高強度準直光束，或者用于點照明或者聚集由光輸入單元所捕獲的太陽光。
在另一實施例中，可以反過來設置尺寸，即可使光導被光輸出部分覆蓋的至少一側的表面面積大于光導被光輸入部分覆蓋的至少一側的表面面積。該實施方式優選用作例如一般照明領域中的光弱化器和/或用作光強均化器。
在又一實施例中，在至少一個光輸入單元中設置用于將光、具體來說將太陽光和/或外部光源發出的光引導到光輸入單元中的光引導裝置。因此，可將附加的光耦合到光導中，并使用太陽作為光源。
為了用于裝飾照明，光產生裝置的優選實施例包括至少一個光輸出單元，該光輸出單元設有透明固定裝置，用于將光輸出單元非永久性地固定到光導一側上任意位置處。這就使從例如面對光導的設有光輸入單元一側的單個TL光源發射出的光，能從例如設置在光導相對一側上的多個不同的光輸出單元發射出。從而這幾個光輸出單元看作不同的點，每個點發射出準直光，點的形狀與固定光輸出單元并與光導光學接觸的透明固定裝置的形狀相對應。從而，對于面對光導的設有光輸出單元一側的觀察者而言，TL光源的形狀是不可見的。在光產生裝置的該實施例中，從TL光源發射出的光被光耦入裝置捕獲，并耦合到光導中，其中通過TIR發生光均勻化，使捕獲光可在多個光輸出單元上重新分布，其中多個光輸出單元可以在接觸表面區域上，即具有任何二維形狀的透明固定裝置的接觸區域上，與光導的一側光學接觸。發現適當的固定裝置為一層透明硅橡膠，當其按壓到光導一側的平滑表面時，能在硅橡膠層與光導之間同時形成粘接和光學接觸，從而在光導與光輸出單元的光耦出裝置之間形成光學接觸。因此，可將至少一個光輸出單元安裝到光導一側上可由用戶改變的可變位置處。


現在將參照附圖詳細說明本發明，其中圖1表示適合作為光集中器的光產生裝置的第一實施例，圖2表示適合作為背光照明單元的光產生裝置的第二實施例，圖3表示適合作為光弱化器/均化器的光產生裝置的第三實施例，圖4表示適合用于產生點照明的光產生裝置的第四實施例，以及圖5表示使用太陽光的光產生裝置的第五實施例。
具體實施例方式
圖1表示根據本發明的光產生裝置的第一實施例。所述裝置包括平板光導1，設置在光導1一側上的光輸入單元2，以及設置在光導1另一側上的光輸出單元3。光導1具有兩個大致平行的側面10、11和邊緣12，該邊緣12具有與側面10、11的表面連接的一個表面。光輸入部分2覆蓋光導1的整個側面10；光輸出部分3僅覆蓋光導1的一部分側面11。
在光輸入單元2內，等間隔地設置四個用于產生光的燈20。為了將所產生的光耦合到光導1中，光輸入單元2還包括光耦入裝置21，光耦入裝置21包括多個與平坦光導表面10光學接觸的、具有圓形或橢圓形截面的肋或立方體或直立圓柱體形式的耦入光學元件22。光學元件22的大致垂直于光導表面10對齊的直立表面23是光學平滑的，用于將光從光輸入單元2耦合到光導1的內部。光學元件22的平行于光導表面10對齊的表面24被優選具有大致100％反射率的反射層覆蓋，以防止不能利用TIR通過光導1傳播的任何光進入光導1中。優選，光學元件22的表面24在所述表面24背離光導的一側處是漫反射的。
利用在面對光源20一側上具有漫射或鏡面反射層的成形箔片或掩體25，來遮蔽相鄰光學元件22之間的光導表面，使其不直接暴露于光源20所產生的光。優選該遮光箔片25不與光導1光學接觸，從而在箔片25與光導表面10之間形成空腔26。
包括光源20的光輸入單元2至少部分地被漫反射器27圍繞，當然除了當使用太陽或外部光源作為光源來產生將要耦合到光導1中的光4這種情形時。所述漫反射器27優選具有100％的反射率，以使光輸入單元2內流明輸出和光再循環效率最大。
所捕獲的光線5利用TIR通過光導1傳播。其可以通過光耦入裝置21的耦入光學元件22的直立壁23射出，使其回到包含光源20的光輸入單元2的空腔內，從中它們可以被再循環，并再次耦合到光導1中，或者它們可通過光輸出單元3的耦出光學元件32的直立光學透明表面33射出。
耦出光學元件32可以形成為圓形或橢圓形截面的肋或立方體或直立圓柱體，如圖所示，并被相對于耦出光學元件32的透明表面33擁有鏡面反射傾斜表面的結構化箔片35所包圍，其能夠使得出射光6通過從結構化箔片35的傾斜表面的至少一次鏡面反射而實現一定程度的準直。所述成形箔片35的鏡面反射表面與耦出元件32的透明表面33之間的間隔距離最好沿著遠離光導表面11的方向加寬。
根據本發明包括平板光導、光輸入單元和光輸出單元的光產生裝置，使光導1可作為輸入單元2與輸出單元3之間的光緩沖器。這些單元2、3彼此不直接光學耦合，它們之間的(間接)光學耦合程度與其孔徑，即其與光導1光學接觸的相應面積成比例。從而，光輸入單元2與光輸出單元3之間的光緩沖程度與輸入單元2和輸出單元3兩者的孔徑成反比。單元2、3之間的(間接)光學耦合程度還取決于光導1的側面上各個單元2、3彼此相對的位置。
在光導1的邊緣12處，沿一個方向傳播的TIR光通過鏡面、或者優選通過漫反射器13向回反射，后者最好不與光導1光學接觸。這能夠使光導1上的光強度更加平滑。
由于根據圖1中所示的實施例，光導1的側面11上被光輸出單元3覆蓋的表面面積，小于光導1的側面10上被光輸入單元2覆蓋的表面面積，圖1中所示的光產生裝置用作光集中器。
圖2中表示出根據本發明的光產生裝置的另一實施例，其可以優選用作大面積液晶顯示器(LCD)屏幕的均勻發光背光。其中，光輸入單元2擴展到光導1的整個側面10上，而光輸出單元3也擴展到光導1的整個側面11上。在光輸入單元2內，沿側面10規則地設置各個光源20。這樣，它們的數量可以與光導1該側的表面面積成比例，其通常與顯示屏表面面積相同。然后使光射出覆蓋光導1整個相對側面11的光輸出單元3。該出射光6從輸出單元3橫向均勻地出射，并取決于光輸出單元3的耦出光學元件32的設計參數被準直到一定程度。分別選擇光輸入單元2中耦入光學元件22和光輸出單元3中耦出光學元件32的間隔、尺寸和形狀設計參數的適當數值，可避免使用附加光簾屏和/或光漫射屏用于從光輸出單元3得到橫向均勻的光發射(即，橫向均勻的亮度級)。
根據本發明的光產生裝置還可以用作光集中器。這在如圖1中所示光輸出單元3覆蓋的面積遠遠小于光輸入單元2覆蓋的面積時是可能的。其可以應用于一般照明領域，即用于在光導1上產生一個或多個發射高強度準直光的局部光斑。另一個用途是傳輸和聚集在大表面面積光導1上捕獲的入射太陽光。從而，光輸入單元還可以包括光引導裝置，用于將太陽光朝向光耦入光學元件22引導。在這種應用中，光輸出單元不僅可以設置在光導1的側面11上某處，而且還可以設置在光導1的邊緣12上。
根據本發明的光產生裝置還可以用作光弱化器和/或均化器，如圖3中所示。當例如要使幾個HID燈發射出的強光均勻化并擴展到大發光表面區域上時，其可以用于一般照明領域。這在當由這些燈發射出的光4局部地饋送到光導1上的輸入單元2中時是可能的。在光導1內部，光5隨后通過TIR以及光導1的邊緣12處反射器13的多次漫反射而被均勻化。然后，通過面積大于輸入單元2的面積的一個或多個輸出單元3發射出準直光6。
根據本發明的光產生裝置的另一優選實施例在圖4中表示出，其可用于裝飾照明目的。其中，具有相關光源20的各種(固定)光輸入單元2可以處于光導1的一側10上，而根據用戶要求來成形、設定尺寸和定位光輸出單元3與光導1的表面11的光學接觸區域。這通過將給定輸出單元3的耦出光學元件32安裝在其下面設有軟透明硅橡膠層37的透明玻璃或塑料板36的頂部上而實現。當按壓光導1的表面11時，橡膠層37將粘接到平滑表面11，并形成光學接觸。類似地，局部輸出單元3可從光導1中剝離，并且被重新定位在光導表面11上其他位置處，或者完全去除。
可任意選擇光導1的側面11上耦出光學元件32的光學接觸界面的形狀和面積，以及光輸出單元3的數量及其位置。這樣，用戶在安裝有光導1的天花板或墻壁上擁有了緩沖光存儲器，由此他可以在任何所需位置處提取具有可調光斑尺寸和光斑形狀的光。因此，可產生來自多個光斑的點照明。應當注意，光輸入單元2可包含，例如僅僅一個或者幾個TL管。
應當注意，在光輸入單元2的耦入光學元件22之間，還可以設置與光導1光學接觸的反射層，所述反射層在面對光導的一側是鏡面反射的。
圖5表示根據本發明的光產生裝置的另一實施例。其中光輸入單元用于通過光耦入裝置21將入射太陽光40引導到光導1中。另外，提供用于將太陽光線41重新引導到光導1中的反射鏡7，以便提高太陽光的利用效率。當然，光輸入單元中還可以設置附加的光源。
本發明提供一種以光導作為光緩沖器的光產生裝置。該裝置的設計簡單，可用在大范圍的不同應用中。
權利要求
1.一種光產生裝置，包括-具有兩個大致平行側面(10，11)和至少一個邊緣(12)的平板光導(1)，該邊緣(12)具有與所述側面(10，11)的表面連接的一個表面，-設置在所述光導(1)的至少一側(10)上的至少一個光輸入單元(2)，其包括至少一個光源(20)和用于將光耦合到所述光導(1)中的光耦入裝置(21)，以及-設置在所述光導(1)的至少一側(11)上的至少一個光輸出單元(3)，其包括用于將光耦合出所述光導(1)的光耦出裝置。
2.如權利要求1所述的光產生裝置，其中所述光耦入裝置(21)包括與所述光導(1)的所述至少一側(10)的表面光學接觸的多個耦入光學元件(22-24)，所述耦入光學元件(22-24)具有面對光源(20)、并且大致平行于所述光導(1)的側面(10)的表面對齊的反射表面部分(24)，和設置成相對于所述光導(1)的側面(10)的表面以不同于0°的夾角，特別是大致90°夾角的至少一個透明表面部分(23)。
3.如權利要求2所述的光產生裝置，其中所述耦入光學元件(22-24)間隔地設置，并且其中在所述耦入光學元件(22-24)之間設置光反射裝置(25)，特別是與所述光導(1)基本上不光學接觸的結構化反射箔片或結構化反射掩體。
4.如權利要求2所述的光產生裝置，其中所述耦入光學元件(22-24)間隔地設置，并且其中在所述耦入光學元件(22-24)之間設有光反射裝置(25)，特別是與所述光導(1)光學接觸的反射層，其在面對所述光導(1)的一側上是鏡面反射的。
5.如權利要求2所述的光產生裝置，其中所述耦入光學元件的反射表面部分(24)是漫反射的，在所述反射表面部分(24)背離光導(1)的一側處具有大致100％的反射率。
6.如權利要求1所述的光產生裝置，其中所述光耦出裝置包括與所述光導(1)的所述至少一側(11)的表面光學接觸的多個耦出光學元件(32，33)，所述耦出光學元件(32，33)具有設置成相對于所述光導(1)的側面(11)的表面以不同于0°的夾角，特別是大致90°夾角的至少一個透明表面部分(33)。
7.如權利要求6所述的光產生裝置，其中所述耦出光學元件(32，33)間隔設置，并且其中在所述耦出光學元件(32，33)之間設有光反射裝置(35)，特別是具有背離所述光導(1)的反射表面的成形箔片，特別是相對于所述耦出光學元件的透明表面部分(33)傾斜的鏡面反射表面，所述耦出光學元件的所述透明表面部分(33)與所述成形箔片(35)的所述鏡面反射表面之間的間隔沿著遠離所述光導(1)的方向變寬。
8.如權利要求1所述的光產生裝置，其中所述光導(1)在其邊緣(12)處設有光反射裝置(13)，特別是鏡面或漫反射器，漫反射器(13)基本上不與所述光導(1)光學接觸。
9.如權利要求1所述的光產生裝置，僅包括一個光輸入單元(2)和/或一個光輸出單元(3)，其中該光輸入單元(2)和/或光輸出單元(3)大致擴展到所述光導(1)一側(10，11)的一個整個表面區域上。
10.如權利要求1所述的光產生裝置，其中至少一側(10)的被至少一個光輸入單元(2)覆蓋的表面面積大于至少一側(11)的被至少一個光輸出單元(3)覆蓋的表面面積。
11.如權利要求1所述的光產生單元，其中至少一側(10)的被至少一個光輸入單元(2)覆蓋的表面面積小于至少一側(11)的被至少一個光輸出單元(3)覆蓋的表面面積。
12.如權利要求1所述的光產生裝置，其中所述至少一個光輸入單元(2)還包括光引導裝置(7)，用于將光，特別是太陽光(40，41)和/或外部光源產生的光引導到所述至少一個光輸入單元(2)中。
13.如權利要求1所述的光產生裝置，其中所述至少一個光輸出單元(3)設有透明固定裝置(37)，用于將光輸出單元(3)非永久性地固定在所述光導(1)的側面(11)上任意位置處。
14.一種顯示裝置，包括顯示屏，特別是LC顯示屏，以及權利要求1所述的光產生裝置。
15.如權利要求14所述的顯示裝置，其中所述光產生裝置僅包括一個光輸入單元(2)和一個光輸出單元(3)，其中光輸入單元(2)大致擴展到所述光導(1)背離所述LC顯示屏的該側(10)的整個表面區域上，并且其中所述光輸出單元(3)大致擴展到所述光導(1)面對LC顯示屏的該側(11)的整個表面區域上，其中所述光導(1)面對LC顯示屏的該側(11)的尺寸和幾何形狀大致與LC顯示屏的尺寸和幾何形狀相對應。
全文摘要
本發明涉及一種光產生裝置，包括具有兩個大致平行側面(10，11)和至少一個邊緣(12)的平板光導(1)，該邊緣(12)具有與所述側面(10，11)的表面連接的一個表面。為了提供可用于寬應用范圍的裝置，并且其中光導(1)作為光緩沖器，根據本發明的光產生裝置還包括設置在所述光導(1)的至少一側(10)上的至少一個光輸入單元(2)，其包括至少一個光源(20)，和用于將光耦合到所述光導(1)中的光耦入裝置(21)；還包括設置在所述光導(1)的至少一側(11)上的至少一個光輸出單元(3)，其包括用于將光耦合出所述光導(1)的光耦出裝置。本發明還涉及一種包括本發明光產生裝置的顯示裝置。
文檔編號G02F1/13357GK1682136SQ03822102
公開日2005年10月12日 申請日期2003年8月8日 優先權日2002年9月18日
發明者J·馬拉, T·M·H·克里梅斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司