專利名稱：線性照明光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光源(包括光發(fā)射二極管)、點線(從點到線)及點面(從點到面)光轉(zhuǎn)換器和照明器件、前燈、后燈及電子顯示器。
背景技術(shù)：
在各種應(yīng)用中需要一種在一維空間延伸的光源，稱作線性光源。簡單的例子是冷陰極熒光管(CCFT)，通常使用在信號、室內(nèi)照明，和用于展示后方照明及前方照明的板狀波導(dǎo)管輸入邊緣的照明。為降低成本和改進能量效率，要求用離散的或點狀光源(即，主要光線大致從一點發(fā)出的光源)，諸如光發(fā)射二極管(LEDs)或小型燈絲白熾燈，利用從這些光源出來沿直線分布的方法。分布光的方法包括使用從點到線的轉(zhuǎn)換器，用帶有棱柱形特征的桿狀或圓柱狀的光導(dǎo)向器沿長軸反射和再引導(dǎo)光傳播通過光導(dǎo)向器，例如美國專利No.4,528,617(Blackington)；5,506,929(Tai等)；5,688,913(Tai等)和5,835,661(Tai等)。這些方法趨向于依靠總內(nèi)部反射而常常是低效率的，由于內(nèi)部反射故障損失多達50％的光。另一方法采用沿直線擴散性散射，例如，通過在光導(dǎo)向器內(nèi)綜合擴散特征以彌散和重新引導(dǎo)光通過光導(dǎo)向器傳播。這些擴散性散射方法大體由于散射機理中與波長無關(guān)而遭受不均勻性、低效率和顯色的缺點。其它點線轉(zhuǎn)換器在美國專利No.4,751,615；5,163,748；5,613,751和5,901,266中說明。
有些應(yīng)用需要在二維空間延伸的光源，稱作平面光源。例如，用于一個或多個LEDs的后方照明和從點到線轉(zhuǎn)換器在美國專利No.6,139,163中說明，而光管在美國專利No.5,309,544中說明。
芝加哥大學(xué)的R.Winston所著幾篇文章和另外一些人討論“非成像光學(xué)”和使用非成像光學(xué)設(shè)計太陽光聚能器，例如見SPIE會議2538文獻匯編，非成像光學(xué)最高效率光轉(zhuǎn)移III，R.Winston，(國際光學(xué)工程協(xié)會，圣地亞哥，加州，1995年7月)。由D.Jenkins和R.Winston所著論文出現(xiàn)在因特網(wǎng)http//hep.uchicago.edu/solar/light.html和題名為“照明用新反射鏡”討論非成像光學(xué)的應(yīng)用和在照明中成形反射鏡的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有點線和點面轉(zhuǎn)換器器件并不經(jīng)常提供足夠均勻的光輸出，特別是當(dāng)光源本身不均勻或非對稱的光輸出。經(jīng)常這些轉(zhuǎn)換器器件必須依靠下游部件(例如，在顯示器中后燈和前燈)以改進從顯示器觀察者見到的光輸出均勻性。
我們發(fā)現(xiàn)成型折射物件可基本上從一個或多個點狀光源對目標(biāo)線或目標(biāo)面提供均勻的光分布。當(dāng)照亮目標(biāo)線時，成型物件典型地較薄而基本上是二維的，并可提供從點到線的轉(zhuǎn)換。當(dāng)照亮目標(biāo)面時，成型物件典型地較厚而基本上是三維的，并可提供從點到面的轉(zhuǎn)換。目標(biāo)可以是折射物件的一部分或者位于物件的遠處。我們把折射物件上目標(biāo)線或目標(biāo)面的照明稱作“目標(biāo)方面”的照明。我們把折射物件遠處的目標(biāo)線或目標(biāo)面的照明稱作“目標(biāo)區(qū)域”的照明。名字“目標(biāo)”共同地用作稱呼目標(biāo)方面或目標(biāo)區(qū)域。
在一個實施方案中，本發(fā)明的折射物件包括輸入邊緣或面和輸出邊緣或面，輸入邊緣至少具有一個至少部分地包圍光源的成型缺口或空穴，其中缺口或空穴具有至少二個互相相反的正負曲線(或面)部分，其形狀可由光源提供基本上對目標(biāo)均勻的照明。如果缺口或空穴分成兩部分，則各部分較佳地具有靠近目標(biāo)的第一彎曲部分(相對于光源是凹面)，和離目標(biāo)較遠的第二彎曲部分(相對于光源是凸面)，其中第二彎曲部分的形狀可對目標(biāo)以與第一彎曲部分大約同樣的每單位目標(biāo)長度的光強度照亮目標(biāo)。
在另一實施方案中，本發(fā)明的折射物件光學(xué)上偶合于和至少部分地包圍光源，并具有至少二個互相相反的正負曲線(或面)部分，其形狀可由光源提供基本上對目標(biāo)區(qū)域均勻的照明。后面所說折射物件較佳地具有輸出邊緣或表面的第一彎曲部分(相對于光源是凸面)，至少部分地被第二彎曲部分(相對于光源是凹面)所包圍，其中第二彎曲部分的形狀可對目標(biāo)以與第一彎曲部分大約同樣的每單位目標(biāo)面積的光強度照亮目標(biāo)。
在另一實施方案中，本發(fā)明提供一種利用光源照亮目標(biāo)的方法，包括從光源通過折射物件折射光，該折射物件具有邊緣或表面，該邊緣或表面又具有互相相反的正負彎曲部分，其形狀可由光源提供基本上對目標(biāo)均勻的照明，其中第二彎曲部分的形狀可對目標(biāo)以與第一彎曲部分大約同樣的每單位目標(biāo)長度的光強度照亮目標(biāo)。
在又另一實施方案中，本發(fā)明提供一種方法可以設(shè)計成型折射物件的彎曲部分，它可以由通過彎曲部分折射的光源提供基本上對目標(biāo)均勻的照明，包括使彎曲部分成型的步驟，使其基本上遵照下列方程式sinθ2=(n1n2)sin(α-θ0)]]>tan(α-θ2)=xf-xsd-y]]>tanθ0=xsy]]>dydxs=-tanα]]>dxfdθ0=(1C)dI0dθ0]]>在笛卡爾坐標(biāo)空間中x-軸線平行于目標(biāo)，y-軸線垂直于目標(biāo)，而光源處于原點，其中(xs，y) 是彎曲部分上一點的位置，θ2是在點(xs，y)上光線的折射角度，n1是光源和彎曲部分之間的折射率，n2是彎曲部分和目標(biāo)之間的折射率，α 是在點(xs，y)上彎曲部分對于x-軸的角度，θ0是從光源出來的光線對于y-軸形成的角度，xf是目標(biāo)上的點沿x-軸的位置，d是從光源到目標(biāo)沿y-軸的距離，dI0/dθ2從光源出來光的分布，C是在目標(biāo)上的點所要求的照明，等于I00/2xf0，I00是光源的總光學(xué)輸出功率，xf0是沿x-軸測量的目標(biāo)的半長。
本發(fā)明也提供包括一個或多個上述折射物件的照明器件、前燈、后燈和顯示器。
附圖簡單說明

圖1是具有棱柱形特征沿長軸反射和重新引導(dǎo)光通過光導(dǎo)向器傳播的傳統(tǒng)工藝光導(dǎo)向器的示意性側(cè)視圖。
圖2是具有擴散特征在光導(dǎo)向器內(nèi)分散和重新引導(dǎo)光通過光導(dǎo)向器傳播的傳統(tǒng)工藝光導(dǎo)向器的示意性側(cè)視圖。
圖3是本發(fā)明折射物件的側(cè)視剖面圖。
圖4是具有帶至少二個相反符號曲率的彎曲部分空穴的放大側(cè)視剖面圖。
圖5闡明圖4中空穴的角度關(guān)系。
圖6是顯示缺口或空穴形狀一半的曲線圖。
圖7是顯示使用本發(fā)明折射性物件的30毫米長的目標(biāo)的照明的光線跟蹤模擬曲線圖，該物件含有如圖6所示形狀的空穴包圍一點光源或1毫米寬的LED。
圖8是顯示另一缺口或空穴形狀一半的曲線圖。
圖9是顯示與Lambertian光源一起使用的缺口或空穴形狀一半的曲線圖。
圖10是本發(fā)明具有缺口和折射器的反射性物件的立體圖。
圖11是本發(fā)明另一具有缺口和線性光源的反射性物件的立體圖。
圖12是本發(fā)明具有缺口和棱柱形及擴散性光管理特征的反射性物件的立體圖。
圖13a是圖12中物件的棱柱形特征部分的放大頂視圖。
圖13b是顯示通過圖12中物件光線的光線跟蹤模擬曲線圖，該物件具有或不具有圖13a的棱柱形特征。
圖14是本發(fā)明具有非圓形對稱空穴的折射性物件的立體圖。
圖15是顯示本發(fā)明中折射性物件的外邊緣或表面一半的曲線圖，該物件光學(xué)上偶合并包圍一個光源。
圖16是圖15中折射性物件的側(cè)視剖面圖。
圖17是本發(fā)明具有缺口、反射器和成型擴散器的折射性物件立體圖。
具體的實施方式首先參照圖1，傳統(tǒng)工藝的光導(dǎo)向器11具有棱柱形特征，沿其長軸反射和重新引導(dǎo)光通過光導(dǎo)向器傳播。諸如從光源15出來的光線13進入光導(dǎo)向器17，并被諸如小平面19的小平面所反射而趨向顯示器(未示)。諸如光線13a的光線穿過棱柱體而不是被總內(nèi)部反射所反射，表示不能用來照亮顯示器的損失的光。
其次參照圖2，傳統(tǒng)工藝的光導(dǎo)向器21具有擴散性特征，在光導(dǎo)向器內(nèi)分散并重新引導(dǎo)光通過光導(dǎo)向器傳播。諸如從光源25出來的光線23進入光導(dǎo)向器27，并被諸如擴散微粒29的擴散微粒所反射而趨向顯示器(在圖2中未示)。諸如光線23a的光線在離開顯示器的不希望方向被擴散性物件所散射，表示不能用來照亮顯示器的損失的光。
圖3顯示本發(fā)明折射物件31的側(cè)視剖面圖，其形狀為單純的板塊材料32，具有輸入邊緣或表面33和輸出邊緣或表面34而形成目標(biāo)方面。如果物件31較薄并基本上為二維空間的，則特征33是輸入邊緣，特征34是輸出邊緣，而目標(biāo)方面基本上是線段。如果物件31較厚并基本上為三維空間的，則特征33是輸入表面，特征34是輸出表面，而目標(biāo)方面基本上是平面的一部分。為簡單起見，我們將討論的實施方案中物件31是較薄的，特征33是輸入邊緣，特征34是輸出邊緣，而目標(biāo)方面基本上是線段。物件31具有一個或兩個特別形狀的缺口36，位于從點狀光源35(例如LED等)導(dǎo)入的輸入邊緣33上。輸出邊緣34沿其長度具有擴散性表面或體積擴散器以便更均勻地照亮目標(biāo)方面。從光源35出來的光在缺口36的彎曲部分被折射而趨向輸出邊緣34。缺口36特別造型，在線性均勻的方式下，從光源35沿輸出邊緣34長度提供最佳傳遞，由此使光源35提供對輸出邊緣34基本上均勻的照明。例如圖3所示鐘形缺口36將把光從點狀光源(對于角度其輸出是均勻的)轉(zhuǎn)換為線狀光源(對于沿由輸出邊緣34形成的目標(biāo)方面上的位置其輸出是均勻的)。缺口的形狀在長度方向提供對目標(biāo)方面均勻的照明，并將容許使用點光源或多光源代替線狀光源。
在圖4中更詳細地顯示圖3中的缺口。缺口41具有假想中線42。缺口41的大體形狀典型地對于中線42對稱，雖然如果需要也可以用非對稱形狀達到非對稱線性照明，或者容納一個非對稱光源?？諝馓幱诠庠春腿笨?1之間。缺口41的各半部具有互相相反顯示的彎曲部分44和46，在拐折點48上光滑地聯(lián)結(jié)(以避免照明中的不連續(xù)性)。現(xiàn)參照圖3和圖4，彎曲部分44對于光源35是凹面的。彎曲部分46對于光源35是凸的。曲線對于目標(biāo)的瞬時角度被稱作α，并典型地小于90度。
調(diào)用下列方程式以產(chǎn)生缺口的形狀sinθ2=(n1n2)sin(α-θ0)]]>tan(α-θ2)=xf-xsd-y]]>tanθ0=xsy]]>
dydxs=-tanα]]>式中n2是折射物件的折射率，而n1是光源和折射物件之間介質(zhì)的折射率。參照圖5，其余方程式的值可以定義如下。在圖5中，x-軸平行于目標(biāo)，并典型地也將平行于折射物件31的輸入邊緣33。y-軸垂直于目標(biāo)，并與缺口41的中線符合一致。光源35處于原點。目標(biāo)到光源35的距離為d。如果在光源35和折射物件之間的介質(zhì)是空氣，n1＝1，而n2被簡單地稱作n。缺口41的彎曲部分然后呈現(xiàn)為在缺口41內(nèi)部和折射物件31之間的空氣/介質(zhì)接口，并對于x-軸形成角度α。從光源35出發(fā)的光線對于y-軸形成角度θ0，并且對折射物件31的空氣/介質(zhì)接口以θ1的入射角和在位置(xs，y)上撞擊。在折射物件31中折射角是θ2。
通過為折射率、n和距離d選擇數(shù)值和關(guān)聯(lián)任何兩個其余的變數(shù)，從上述方程式可導(dǎo)出特定的結(jié)果。這些方程式然后決定缺口的高度y，作為其橫向?qū)挾葂s的函數(shù)。為從已知照明分布dI0/dθ2獲取沿目標(biāo)均勻光的分布，位置xf可以由下列方程式關(guān)聯(lián)到θ0dxfdθ0=(1C)dI0dθ0]]>在此，C是要求的照明C＝I00/2xf0，式中I00是總光學(xué)輸出功率，而xf0是要求光分布線的半長度。設(shè)計目的是使xf0最大化以便使所需照亮特定長度的光源數(shù)量最少。
在本發(fā)明的一個實施方案中，缺口設(shè)計成為可指導(dǎo)光線從一個dI0/dθ2對于θ0為常數(shù)的理想化點狀光源出發(fā)，趨向?qū)⒈谎匾粋€線段上大體均勻分布的光照明的目標(biāo)。然后xf和θ0將被方程式xf＝xf0θ0/90線性地聯(lián)系。從該準(zhǔn)則所導(dǎo)出的缺口設(shè)計由在圖6中的曲線62表示，其條件為n＝1.49，d＝5mm和xf0＝15mm。通過使用這一設(shè)計，點狀光源將基本上均勻地照亮位于離光源5mm的30mm長的目標(biāo)。
圖6設(shè)計的光線跟蹤模擬顯示為圖7的曲線72。如圖7所示，目標(biāo)在30mm寬的跨度上接受非常均勻的照明，或換言之即跨越橫向程度為缺口寬度的10倍。沿目標(biāo)的光照強度處于平均照明強度約±20％以內(nèi)。
圖7的曲線74為延伸在缺口入口的中間1/3處的1mm寬的光源的光線跟蹤。
這樣的光源對典型LED比較由曲線72表示的理想化點狀光源更具有代表性。如曲線74所示，目標(biāo)仍在30mm寬的跨度上接受非常均勻的照明，或換言之即跨越橫向程度為光源寬度的30倍和缺口寬度的10倍，其光照強度處于平均照明強度約±20％以內(nèi)。
圖7的結(jié)果顯示，對于理想化點光源和1mm寬光源，光源表觀尺寸均有顯著擴展并且目標(biāo)被高度均勻地照明。如此，這些設(shè)計促進用一個或多個更小的諸如LED的光源代替單一的線光源。
在本發(fā)明另一實施方案中，光源可以具有Lambertian光分布，其中光源的照明度隨cos2(θ0)而變化。使用上述方程式xf和θ0之間關(guān)系成為xf=2xf0π(sin(θ0)cos(θ0)+θ0)]]>而缺口的形狀可以重新計算以考慮改進的光分布。對于Lambertian光源缺口一側(cè)結(jié)果的形狀由圖8中曲線82表示，其條件為d＝5mm和xf0＝9mm。與理想化點光源相比較，在缺口凸面對Lambertian光源部分需要較高程度的曲率，這是由于在高θ0值下較弱的照明度。
本行業(yè)中熟練人員將意識到，本發(fā)明并不限于與圖6到圖8有關(guān)討論中的光源分布的例子。通過利用以上所示方程式，缺口形狀可以方便地改變以適應(yīng)光源輸出以其它方式變化的例子。
上述方程式可以更廣義化以包括一些例子，其中缺口的內(nèi)部充滿較空氣的折射率更低的其它介質(zhì)。典型地，對n1＞n2的本發(fā)明實施例，目標(biāo)成為目標(biāo)方面并因此為折射物件的一部分。不過，如果需要時目標(biāo)可以是遠離折射物件的目標(biāo)區(qū)域。在這些場合中光將通過在折射物件和目標(biāo)之間的第三介質(zhì)，而典型地將有三種可用的折射率，即n1(缺口內(nèi)部介質(zhì))、n2(折射物件)和n3(折射物件和目標(biāo)區(qū)域之間的介質(zhì))。在這些場合折射物件的輸出邊緣或輸出表面需要基本上是線性或平面的，并且可以被改形(例如按需要彎曲)以改進在目標(biāo)區(qū)域中光分布均勻性。本行業(yè)中熟練人員將意識到，這里顯示的方程式可以改變以考慮第三折射率和輸出邊緣或輸出表面的形狀，而由此計算缺口需要的形狀。
對目標(biāo)是目標(biāo)方面的實施方案，典型地將只有二種可用的折射率，其中n1的介質(zhì)位于光源和曲面之間，而n2的介質(zhì)位于曲面和目標(biāo)方面之間?？傊?，如果n1小于n2，則為獲得均勻的照明，缺口的曲率較佳地在高值的θ0下對于光源是凸面的，而在低值的θ0下是凹面的。作為該關(guān)系的示例，對于d＝5mm，xf0＝13mm，n1＝1.35，n2＝1.65情況的缺口形狀和理想化點光源由圖9中曲線92顯示。該步驟促進利用折射率為n1的可硬化透明介質(zhì)包圍光源，由此在光源對缺口中心的對準(zhǔn)中提供改進的耐用性和精度。
對于涉及具有開放端部的缺口的本發(fā)明實施方案，折射表面較佳地同時位于光源的上方和下方以利用否則可能會錯過缺口接口的光。這顯示在圖10中，圖中折射物件101具有輸入邊緣103，輸出邊緣104(形成目標(biāo)方面)，而缺口106在缺口上方及下方均裝備反射鏡108。
本發(fā)明并不限于在二維空間中尺寸較小的光源或折射物件。限定缺口的光源和介質(zhì)例如可以延伸到垂直于缺口的平面。在該模式下，如圖11所示，基本上直線形諸如熒光燈管115的光源可以用作光源，以建立均勻地照明的平面輸出表面114，在長形折射物件111中形成目標(biāo)方面。
在本發(fā)明的另一實施方案中，可以在輸出邊緣或表面上附著或設(shè)置棱柱體以重新引導(dǎo)光趨向目標(biāo)，并減少從目標(biāo)的法線測量的出口角。這顯示在圖12中，圖中折射物件121具有輸入邊緣123、輸出邊緣124和缺口126。輸出邊緣科學(xué)24配備有一系列棱柱體127。棱柱體127折射從光源(在圖12中未示)出發(fā)的諸如光線129的光線使其更趨向于目標(biāo)區(qū)域129的法線。如圖12所示的輸出邊緣124只在其沿端部區(qū)域具有棱柱體，因為典型地只有在這些末端的光線需要重新導(dǎo)向。不過，依照要求的輸出光分布，整個輸出邊緣124可以包括棱柱體。也可以在物件121上添加擴散器，例如在運動到目標(biāo)129光線的途徑中，以更好改進照明均勻性。擴散器可以采取各種形式，包括弄粗的棱柱表面、擴散器材料的涂覆薄膜，帶有擴散器涂層的附著薄膜、擴散器材料的附著薄膜、或者擴散性材料的模型注塑層。擴散器的擴散性(例如厚度)可沿其長度變化以獲得要求的照明分布。擴散器的擴散性也可在多于一維方向跨越平面目標(biāo)變化，以獲取要求的光分布。
圖13a顯示棱柱體127和在更大放大倍數(shù)下通過棱柱體127的光線129的途徑。棱柱體出口小平面132的較佳小平面角度p2(相對于棱柱體直線測量)將為大約85度，更較佳地為約88度。另一棱柱體小平面131較佳地具有小平面角度p1，它平行于在棱柱體出口小平面132上的入射平均角度。如果需要，角度p1及p2可以沿目標(biāo)方面129的長度變化。
對于圖12的設(shè)計的光線跟蹤模擬顯示在圖13b的曲線134(無圖13a的棱柱體特征)和曲線136(有圖13a的棱柱體特征)中。在圖13b中，水平軸是光線對于y軸的出口角度數(shù)，而垂直軸是任意單位的相對照明度。模擬采用p2＝88度和n＝1.49。角度p1的設(shè)置使面131基本上平行于在面132上的平均入射光線。棱柱體的效果是移動光線使其具有約40到70度而不是約40到60度的出口角。
在本發(fā)明的另一實施方案中，折射物件121的軀體可制成稍微擴散性以便有助于照明的均勻性。例如，這可以通過在物件121中設(shè)置擴散性微粒而完成。
至今討論的實施方案已引用在二維空間均勻地成型的缺口形狀。通過圍繞缺口中心軸線旋轉(zhuǎn)二維的缺口形狀，可以使缺口設(shè)計更擴展進入三維空間，并由此形成圓柱形空穴。在最簡單的情況，其中旋轉(zhuǎn)是圓形對稱的，在輸出處形成的光圖案是圓形地均勻的?？傊陔x擴散性表面固定的距離d處，可對二正交軸線選擇xf0的值以產(chǎn)生均勻地照明的橢圓形區(qū)域。這些值然后用于設(shè)計對這些軸線要求的缺口形狀。沿一條軸線的形狀可以平滑地旋轉(zhuǎn)進入正交形狀以提供要求的空穴。這樣實施方案的例子顯示在圖14中，其中折射物件141具有非圓形對稱的空穴146(以假想線顯示)，可以與適當(dāng)?shù)墓庠?在圖14中未示)一起使用以便在平面目標(biāo)144的橢圓形區(qū)域上提供均勻的照明。
本發(fā)明的實施方案也不限于n1＜n2的情況。n2＞n1實施方案的設(shè)計在相似方式下進行。兩種方案的任何一種均可提供優(yōu)點。具有n1＞1和n2＝1的實施方案可用透鏡作為例子，透鏡在光學(xué)上聯(lián)結(jié)在光源上(因此包圍光源)并在空氣中使用。透鏡從光源重引導(dǎo)光線以便對位于離光源距離為d的基本上直線或平面目標(biāo)區(qū)域提供基本上均勻的照明。典型地，對于n2＞n1的本發(fā)明實施方案，目標(biāo)為目標(biāo)區(qū)域并且因此不是折射物件的一部分。這樣的目標(biāo)對于折射物件是遠離的，并通過在折射率為n2的介質(zhì)中的折射從折射物件接受光。折射率為n1的介質(zhì)處于光源和彎曲表面之間，折射率為n2的介質(zhì)處于彎曲表面和目標(biāo)之間。例如，在板塊狀透鏡的情況目標(biāo)可以是長形區(qū)域，在延伸在垂直于透鏡平面方向的二維透鏡形狀的情況可以是基本上為矩形區(qū)域，或者在圍繞透鏡中心軸線旋轉(zhuǎn)的透鏡形狀情況可以是圓形區(qū)域。例如通過利用上述討論中的旋轉(zhuǎn)技巧(對一系列缺口的旋轉(zhuǎn)以便產(chǎn)生可以均勻地照明橢圓形目標(biāo)的空穴)，可以形成照明橢圓形目標(biāo)區(qū)域的透鏡。
總之，如果折射率n2大于n1，則為獲得目標(biāo)的均勻照明，透鏡的曲率對于光源較佳地在高值的θ0時為凹面，而在低值的θ0時為凸面。作為這一關(guān)系的說明，對于d＝5mm，xf0＝20mm，n1＝1.58，n2＝1情況的透鏡和理想化點光源由圖15中的曲線152顯示。這樣透鏡(由于其用在LED或其它小光源時的小尺寸，可以稱為“小透鏡”)的例子在圖16中作為小透鏡161顯示。小透鏡161具有包含第一表面部分163(對于光源165是凸面)的外表面162。對于光源165，第二表面部分164是凹面的并且包圍表面部分163。從小透鏡161的外部觀察，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的形狀設(shè)置為可以由光源165基本上對目標(biāo)區(qū)域166提供均勻的照明。這一步驟促進利用折射率為n1的可硬化透明介質(zhì)形成小透鏡161并包圍光源165，由此在光源對準(zhǔn)中提供改進的耐用性和精度。
本發(fā)明另一實施方案在圖17中說明，其中光注入具有在輸入邊緣173上的缺口176、在缺口176上方和下方的反射鏡和光輸出邊緣174的折射性板塊171中。從LED(在圖17中未示)發(fā)出的光通過板塊171折射并通過光輸出邊緣174趨向成型擴散器179。在擴散器端部179的較薄區(qū)域179a和179b比擴散器的較厚中心區(qū)域179c在較小角度范圍內(nèi)分散光。較厚區(qū)域179c也比較薄區(qū)域179a和179b傳遞較少的光。成型擴散器有助于在缺口中線附近分散光，并由此為目標(biāo)區(qū)域180提供更均勻的光分布。擴散器也用作使光的角度分布隨機化以便改進照明的均勻性。
本發(fā)明的成型照明器件容許從寬度為w的小型、點狀光源發(fā)出的光用來對大型、基本上直線或平面的、寬度較大的目標(biāo)(例如，至少5w，較佳地為至少10w，最好為約15到20w)提供基本上均勻的照明。在目標(biāo)內(nèi)點上的照明強度較佳地在目標(biāo)平均強度值的約±50％以內(nèi)，更較佳地在約±20％以內(nèi)，而最好在約±10％以內(nèi)。
總之，在本發(fā)明的成型折射物件將在任何應(yīng)用中找到用途，這些應(yīng)用包括要求轉(zhuǎn)換從小型、點狀光源發(fā)出的光而獲得良好的照明均勻性。例如，本發(fā)明的成型折射物件可以在各種照明器件中使用。代表性的應(yīng)用包括室內(nèi)照明；作業(yè)照明；閃光燈；警告燈；儀表；傳感器；廣告；售貨機；諸如交通信號之類的交通應(yīng)用；諸如汽車儀表、尾燈、轉(zhuǎn)彎信號和中間高掛的停車燈之類的車輛應(yīng)用；諸如前燈、后燈和電子顯示器之類的電子應(yīng)用。本發(fā)明的成型折射物件對于用小電池作為動力的亞小型、小型器件照明特別有用。適當(dāng)?shù)钠骷ǚ涓C式電話、尋呼機、個人數(shù)字助理、時鐘、表、計算器、靜物照相機和攝像機，膝上型計算機、車輛顯示器和諸如此類?？梢栽谶@些器件的顯示器中利用各種彩色或單色折射光閥。例如，像在COMPAQ的iPAQTM手持PC的顯示器一樣采用折射彩色LCD的顯示器。本發(fā)明的成型折射物件可以用來照明固定圖形器件，諸如布告或信號，和可變外觀的基片或其它反射顯示器，諸如“Gyricon”電子顯示材料(由Gyricon介質(zhì)公司開發(fā))。成型折射物件也可以用來照明諸如在待批的申請系列號No.(代理人記錄no.56153USA5A.002)(與本文同日登記)描述的“前方照明顯示器”，或待批的申請系列號No.09/827,732(2001年4月6日提交)中描述的“前方照明觸摸屏”一類的顯示器。成型折射物件可以包括多于一個光源，例如三個或更多的LED。成型反射物件可以與彩色光源陣列一起使用(例如，一個或多個紅、綠及藍色LED之一)以照明目標(biāo)，其中陣列中的光源利用連續(xù)或閃控尋址方案電子地激勵。
本發(fā)明的各種改進和變化對于本行業(yè)熟練人員是明顯的而不必偏離本發(fā)明范圍和精神。應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于以上提出的說明性實施方案。
權(quán)利要求
1.一種折射性物件，包括輸入邊緣或表面和輸出邊緣或表面，輸入邊緣或表面具有至少一個成型缺口或空穴可以至少部分地包圍一個光源，其中缺口或空穴具有至少二個互相相反顯示的彎曲部分，其形狀可以由光源對目標(biāo)提供基本上均勻的照明。
2.按照權(quán)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，各具有對光源為凹面并靠近目標(biāo)的第一彎曲部分，和對光源為凸面并離目標(biāo)較遠的第二彎曲部分，第二彎曲部分的形狀成為可以用與第一彎曲部分大約同樣的每單位目標(biāo)長度的光強度照亮目標(biāo)。
3.按照權(quán)利要求1所述的折射性物件，其特征在于，目標(biāo)包括在折射物件上的目標(biāo)線或目標(biāo)面。
4.按照權(quán)利要求1所述的折射性物件，其特征在于，目標(biāo)包括遠離折射物件的目標(biāo)線或目標(biāo)面。
5.按照權(quán)利要求2所述的折射性物件，其特征在于，光源包括一個或多個點狀光源。
6.按照權(quán)利要求5所述的折射性物件，其特征在于，光源包括一個或多個光發(fā)射二極管。
7.一種照明器件，包括至少一個光發(fā)射二極管和按照權(quán)利要求5所述的折射物件。
8.按照權(quán)利要求7所述的照明器件，其特征在于，還包括作為目標(biāo)的擴散器。
9.按照權(quán)利要求7所述的照明器件，其特征在于，還包括提供在目標(biāo)上更均勻光分布的擴散器。
10.按照權(quán)利要求9所述的照明器件，其特征在于，擴散器具有一段長度，而擴散度沿擴散器的長度變化以便獲得要求的光分布。
11.按照權(quán)利要求9所述的照明器件，其特征在于，擴散器具有厚度，該厚度沿目標(biāo)的長度變化以便獲得要求的光分布。
12.按照權(quán)利要求2所述的折射性物件，其特征在于，光源包括一個或多個線性光源。
13.一種折射性物件，它光學(xué)地偶合于并且至少部分地包圍光源，并具有輸出邊緣或表面，該邊緣或表面具有至少二個互相相反顯示的彎曲部分，其形狀成為可由光源對目標(biāo)區(qū)域提供基本上均勻的照明。
14.按照權(quán)利要求13所述的折射性物件，其特征在于，物件具有至少對光源為凸面并且至少部分地被第二彎曲部分包圍的第一彎曲部分，第二彎曲部分對光源為凹面，第二彎曲部分的形狀成為可以用與第一彎曲部分大約同樣的每單位目標(biāo)面積的光強度照亮目標(biāo)。
15.按照權(quán)利要求14所述的折射性物件，其特征在于，光源包括點狀光源。
16.按照權(quán)利要求14所述的折射性物件，其特征在于，光源包括光發(fā)射二極管。
17.一種用光源照亮目標(biāo)的方法，包括通過折射物件折射從光源發(fā)出的光，該折射物件具有包含第一和第二互相相反顯示的彎曲部分的邊緣或表面，彎曲部分的形狀成為可由光源對目標(biāo)提供基本上均勻的照明，其中第二彎曲部分的形狀成為可以用與第一彎曲部分大約同樣的每單位目標(biāo)長度的光強度照亮目標(biāo)。
18.按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，目標(biāo)包括在折射物件上的目標(biāo)線或目標(biāo)平面。
19.按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，目標(biāo)包括遠離折射物件的目標(biāo)線或目標(biāo)平面。
20.按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，光源包括一個或多個點狀光源。
21.按照權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，光源包括一個或多個光發(fā)射二極管。
22.一種設(shè)計成型折射物件的彎曲部分的方法，以便由光源發(fā)出并通過彎曲部分折射的光對目標(biāo)提供基本上均勻的照明，該方法包括使彎曲部分成型的步驟，使其基本上遵循下列方程式sinθ2=(n1n2)sin(α-θ0)]]>tan(α-θ2)=xf-xsd-y]]>tanθ0=xsy]]>dydxs=-tanα]]>dxfdθ0=(1C)dI0dθ0]]>在笛卡爾坐標(biāo)空間中x-軸線平行于目標(biāo)，y-軸線垂直于目標(biāo)，而光源處于原點，其中(xs，y) 是彎曲部分上一點的位置，θ2是在點(xs，y)上光線的折射角度，n1是光源和彎曲部分之間的折射率，n2是彎曲部分和目標(biāo)之間的折射率，α 是在點(xs，y)上彎曲部分對于x-軸的角度，θ0是從光源出來的光線對于y-軸形成的角度，xf是目標(biāo)上的點沿x-軸的位置，d 是從光源到目標(biāo)沿y-軸的距離，dI0/dθ2從光源出來光的分布，C 是在目標(biāo)上的點所要求的照明，等于I00/2xf0，I00是光源的總光學(xué)輸出功率，xf0是沿x-軸測量的目標(biāo)的半長。
23.一種被照亮的顯示器，包括光源和至少一個按照權(quán)利要求13所述的折射物件。
24.一種包括按照權(quán)利要求23所述的顯示器的蜂窩式電話、尋呼機、個人數(shù)字助理、時鐘、表、計算器、照相機或攝像機、膝上型計算機或運輸車輛。
25.一種被照亮的顯示器，包括光源和至少一個按照權(quán)利要求1所述的折射物件。
26.一種包括按照權(quán)利要求25所述的顯示器的蜂窩式電話、尋呼機、個人數(shù)字助理、時鐘、表、計算器、照相機和攝像機、膝上型計算機或運輸車輛。
全文摘要
一種具有復(fù)合彎曲表面的折射物件，可使光源對線形或平面目標(biāo)提供基本上均勻的照明。折射物件可包括輸入邊緣或面和輸出邊緣或面，輸入邊緣或面具有至少一個成型缺口或空穴，可以至少部分地包圍光源。其中缺口或空穴具有二個互相相反顯示的彎曲部分，其形狀成為可由光源對目標(biāo)提供基本上均勻的照明。該物件光學(xué)上偶合于和至少部分地包圍光源，并具有輸出邊緣或表面，該邊緣或表面具有至少二個互相相反顯示的曲線(或面)部分，其形狀可由光源提供基本上對目標(biāo)區(qū)域均勻的照明。成型物件可用于，例如，照明器件、前燈、后燈和電子顯示器。
文檔編號G02B6/42GK1500190SQ02807644
公開日2004年5月26日 申請日期2002年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月6日
發(fā)明者G·T·博伊德, L·R·惠特尼, R·A·米勒, G T 博伊德, 惠特尼, 米勒 申請人:3M創(chuàng)新有限公司