專利名稱：有透明層的光源的制作方法
有透明層的光源
領(lǐng)域 本發(fā)明涉及一種光源，尤其是涉及一種有透明層的光源。
北旦 冃玩 照明裝置是用來為攝影、顯微鏡、科研、娛樂節(jié)目制作(包括劇院、電視和電影)及 圖像投影照亮物體的，照明裝置也用作顯示器的背光燈或前光燈。 先前的系統(tǒng)都起表面形光源的作用。可能會用漫射板遮蓋用于家居照明的熒光 燈，以減少強光。這些系統(tǒng)體積龐大，而且不是透明的。擴散器和漫反射器(如，傘形反射 器)被用作攝影和電影用的光源，但是，它們只是接近于均勻照明。 平板屏幕(如，液晶屏幕)的背光燈提供均勻或幾乎均勻的光。液晶屏幕背光燈 的先前的解決方案就是，給液晶屏幕配備一個板形光導(dǎo)(該光導(dǎo)有若干形狀，如小圓點)， 或配備一些印在其上的棱鏡，以提取光。光導(dǎo)由夾在兩個低折射率材料之間的高折射率材 料形成。通過控制小圓點的形狀和頻率來實現(xiàn)表面上的均勻照明。這些方法可以提供均勻 的照明，但是，該照明在局部范圍內(nèi)是不均勻，當(dāng)仔細看時，就會發(fā)現(xiàn)屏幕表面有一些被黑 暗包圍的發(fā)光的小圓點。這種不均勻不能使人悅目，如果把這種光源用作平板屏幕的背光 燈時，這種不均勻還會導(dǎo)致擾動莫爾條紋的出現(xiàn)。為實現(xiàn)光的局部均勻，就需要用漫射板或 薄膜來遮蓋這種系統(tǒng)，而這些漫射板或薄膜會使這種系統(tǒng)成本高昂、體積龐大而且不透明。
有一些在局部范圍內(nèi)提供均勻照明的系統(tǒng)，在表面上均勻照明。這些系統(tǒng)與上述 系統(tǒng)類似，從某種意義上來說，它們采用一個光導(dǎo)和一種提取部分導(dǎo)出光的方法。但是它們 不是用小圓點或幾何形狀來提取光，而是用散射、衍射或漫射粒子的顯微光來提取光。這些 粒子均勻地分布在整個光導(dǎo)上。這樣，就產(chǎn)生了連續(xù)照明的光源，而不是離散照明的光源。 另一方面，由于是從板的一端把光導(dǎo)到另一端，部分光就會被提取，使得要提取的光越來越 少，照明度也就越來越弱。因此，這些系統(tǒng)不是在整個表面上提供均勻的照明。要提供幾乎 均勻的照明，從光導(dǎo)的一端到另一端的光的落差不應(yīng)太大。這會導(dǎo)致光導(dǎo)邊的光的浪費，因 此，該系統(tǒng)的效率就降低了。 —些系統(tǒng)需要有一個發(fā)偏振光的表面形光源。例如，液晶顯示器就需要偏振光。 一些系統(tǒng)需要有一個發(fā)平行光或部分平行的光(即，發(fā)出的光在窄角范圍內(nèi))的表面形光 源。例如，供個人觀看的顯示器就需要光在窄角上發(fā)出，使光不會在觀看者不在的方向上被 浪費掉。發(fā)出窄角的光還會提高觀看的私密性，因為，不應(yīng)看到顯示器播放內(nèi)容的人將看不 到光，或者只能看到一點點光。發(fā)平行光的光源適合作為這類顯示器的背光燈或前光燈。
摘要 公開了一種提供光源的系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，該裝置由一個光導(dǎo)組成，該光導(dǎo)由具 不同折射率的多個透明層構(gòu)成。 用參考附圖來描述上述特征及其它首選特征(包括元件的組合及實現(xiàn)的詳細情 況)，并且在權(quán)利要求書中指出了這些特征。不言而喻，此處所描述的具體方法和系統(tǒng)僅如圖解所示，不受任何局限性。正如藝術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，在不超出本發(fā)明的范圍的 前提下，可將此處所描述的原理和特征應(yīng)用于很多實例。
圖紙的簡要說明 本說明書中所包括的附圖對目前的首選實例、上文中的一般性描述及下文中的詳 細描述進行了說明，以解釋本發(fā)明的原理。


圖1為典型光源的側(cè)視圖的實例框圖。
圖2為典型光導(dǎo)的側(cè)視圖的實例框圖。
圖3為光導(dǎo)的典型光導(dǎo)元件的實例框圖。 圖4為帶一個具有不同體積消光系數(shù)的光導(dǎo)的典型光源的實例框圖。
圖5為有兩個初始光源的典型光源的實例框圖。
圖6為有一個反射式光導(dǎo)的典型光源的實例框圖。
圖7為典型光源的實例框圖。
詳細說明 圖1為典型光源199的側(cè)視圖的實例框圖。光源199有一個光導(dǎo)150。光源150 有一些透明板104和一些具有不同折射率的透明板106。在一種實際應(yīng)用中，透明板104的 折射率比透明板106的折射率低。在一種實際應(yīng)用中，板104和板106穿插擺放，并且與光 導(dǎo)199的邊108成特殊夾角。入射光線IOO為光源(沒有顯示出來)產(chǎn)生的典型光線。光 源可能分布在光導(dǎo)150的一端或兩端。入射光線100穿過光導(dǎo)150。在透明板104和106 之間的每個界面處，光線100的部分光線被光導(dǎo)150反射出去，部分光線被折射進下一張 板。光線102為由于透明板104和106之間的每個界面處的部分反射，而從光導(dǎo)150發(fā)出 的光線。由于邊108或邊110的界面反射，到達光導(dǎo)150的邊108或邊110的部分入射光 線IOO在不反射的情況就留在了光導(dǎo)內(nèi)。該界面反射可能為全內(nèi)反射。類似地，通過光導(dǎo) 150的邊108和110的內(nèi)反射，穿過整個光導(dǎo)的光(如，入射光100經(jīng)歷多次反射后所形成 的光112)將留在光導(dǎo)150內(nèi)?？梢酝ㄟ^改變個別板104和106的折射率、傾斜度和厚度， 使發(fā)出的光線102形成預(yù)定的光發(fā)射圖案。 在一種實際應(yīng)用中，光導(dǎo)150基本是透明的，讓光照到其邊108或110上。在一種 實際應(yīng)用中，光導(dǎo)150為光源199。在這種情況下，光源199為透明光源。
在一種實際應(yīng)用中，在光導(dǎo)150的一邊配置一張板114。在一種實際應(yīng)用中，板114 為一面鏡子。板114可能為金屬表面、分布布拉格反射器、混合反射器、全內(nèi)反射器、全方位 反射器或散射反射器。鏡子通過反射照在鏡面上來自于光源150的光來提高光源199的效 率。光被反射回去，穿過透明光導(dǎo)150，從面110發(fā)出。因此，鏡子的存在，所有光都只從光 源199的一邊發(fā)出。 在另一個實際應(yīng)用中，板114為吸光表面。在這種情況下，從外部照射到光導(dǎo)150 的邊110(為光源199的正面)上的任何光都會穿過光導(dǎo)150，并被板114吸收。因此，光源 199為對外部光有很低反射率的光源。這種光源用途廣泛。其中一種用途是用作透射式顯 示器(如，液晶顯示器)的背光燈。由于照在背光燈上的環(huán)境光基本上都被吸收，所以，這 類顯示器能夠達到很高的對比率。
在實際應(yīng)用中，產(chǎn)生入射光100的光源會產(chǎn)生偏振光。因此，光線100為偏振光線。 那么，來自光源199的光102也被偏振化。產(chǎn)生光100的光源可能為偏振光源(包括帶偏 光器的光源，帶反射偏光器的光源，本專利中公開的光源，產(chǎn)生偏振光的發(fā)光二極管等)。
在實際應(yīng)用中，產(chǎn)生光100的光源會產(chǎn)生平行光或在角度很窄的圓柱體內(nèi)穿行的 光。產(chǎn)生光100的光源可能為任何一種平行光源(包括帶準(zhǔn)直透鏡和平行光裝置的光源， 帶折光板的光源，含有光子材料的光源，本專利中公開的光源等)。 圖2為典型光導(dǎo)299的側(cè)視圖的實例框圖。光導(dǎo)299有一些具有不同折射率且與 光導(dǎo)299的邊成特殊夾角的透明板206，208，210和212。在一種實際應(yīng)用中，透明板206和 210具有相同的折射率，透明板208和212具有相同的折射率。在另一種實際應(yīng)用中，透明 板206和210的折射率比透明板208和212的折射率低。光200入射到板206和208之間 的界面上。光200的部分光作為光202反射出去，部分光作為光204折射進下一張板208 中。折射光的強度比透明板之間的各個界面處的入射光的強度低。光200經(jīng)過一次或多次 反射和折射，作為光216從光導(dǎo)299發(fā)出。透明板206、208、210和212的厚度是變化的，該 變化取決于距板214底邊(沒有顯示出來)的距離的特殊函數(shù)。在一種實際應(yīng)用中，透明 板的厚度以從底部到頂部的順序遞減。通過改變各張板(206、208、210和212)的折射率、 傾斜度和厚度，使發(fā)出的光216形成預(yù)定的光發(fā)射圖案。在一種實際應(yīng)用中，發(fā)射圖案216 在整張板上都是均勻的。在一種實際應(yīng)用中，發(fā)射圖案216是有方向的，從板214發(fā)出的所 有光都射向預(yù)定的方向。在可選實際應(yīng)用中，相鄰板206，208，210和212的折射率之比是 變化的，該變化取決于距板214底邊的距離的特殊函數(shù)。在一種實際應(yīng)用中，相鄰板的折射 率之比以自下而上的順序遞增。 圖3為光導(dǎo)的典型光導(dǎo)元件399的實例框圖。光導(dǎo)元件399的厚度和寬度為該光 導(dǎo)的厚度和寬度，它的高度非常小。光300經(jīng)過一次或多次反射和折射，作為光302從光導(dǎo) 元件399發(fā)出，剩余光304繼續(xù)前行到達下一個光導(dǎo)元件。發(fā)出的光302和繼續(xù)進入下一 個元件304的光的功率之和與進入300的光的功率相匹配。光300進入光導(dǎo)元件399時發(fā) 出的光302與光導(dǎo)元件399的高度之間的比率為光導(dǎo)元件399的體積消光系數(shù)。隨著光導(dǎo) 元件399高度的降低，體積消光系數(shù)趨于一個常數(shù)。 光導(dǎo)元件399中含有大量具有不同折射率的層。在與測量光導(dǎo)元件399的高度的 相同方向上所測量的層的平均高度的倒數(shù)為光導(dǎo)元件399處的界面密度。光導(dǎo)元件399的 體積消光系數(shù)包含了一種與光導(dǎo)元件399處的界面密度的關(guān)系。這種關(guān)系近似于一定程度 上的正比關(guān)系?？梢院苋菀椎赝ㄟ^實驗來確定這種關(guān)系，因此，可以用已知的界面密度來計 算光導(dǎo)元件399的體積消光系數(shù)，反之亦然。 界面處的相對折射率為兩個相應(yīng)透明層的折射率之比。界面的相對折射率與菲涅 爾反射定律規(guī)定的界面反射率有關(guān)。光導(dǎo)元件399處的平均界面反射率為光導(dǎo)元件399中 所有界面的平均反射率。 光導(dǎo)元件399處的體積消光系數(shù)近似等于光導(dǎo)元件399處的界面密度與光導(dǎo)元件 399處的平均界面反射率的乘積。 隨著光導(dǎo)元件399高度的降低，發(fā)射光302的功率也會相應(yīng)地減小。發(fā)射光302的 功率與光導(dǎo)元件399的高度之間的比率為光導(dǎo)元件399處的線性輻射，隨著元件高度的降 低，該比率趨于一個常數(shù)。光導(dǎo)元件399處的線性輻射為體積消光系數(shù)與入射光(如，穿過元件的光的功率)功率的乘積。穿過光導(dǎo)304的光的功率梯度為線性輻射的負值。這兩種 關(guān)系給出了一個微分方程，該微分方程可以表示為"dP/dh = -qP = -K"，其中，h為從放置 初始光源邊緣到光導(dǎo)元件的距離；P為從元件導(dǎo)過的光的功率；q為元件的體積消光系數(shù)；K 為元件處的線性輻射。在給出體積消光系數(shù)的前提下，用該方程來計算各個元件處的發(fā)射 光的線性輻射。在給出發(fā)射光的線性輻射的前提下，用該方程來計算各個元件的體積消光 系數(shù)。要設(shè)計具有特殊發(fā)射光的線性輻射的特殊光源，就要通過求解上述微分方程來確定 光導(dǎo)(如，光導(dǎo)304)的各個光導(dǎo)元件處的體積消光系數(shù)。這樣，就確定了光導(dǎo)的各個光導(dǎo) 元件處的界面密度。用這種光導(dǎo)來提供對在光導(dǎo)表面上發(fā)射光的線性輻射有具體要求的光 源。 如果在光導(dǎo)內(nèi)使用均勻的界面密度，則線性輻射會隨著高度的降低呈指數(shù)下降。 均勻的線性輻射可以通過選擇界面密度來進行估算，把功率從光源附近的邊到其對邊的下 降幅度降到最小。要降低功率損耗，提高發(fā)射光功率的均勻度，就要用對邊把光反射進光 導(dǎo)。在可選實際應(yīng)用中，另外一個初始光源把光投射到對邊上。 要實現(xiàn)均勻照明，體積消光系數(shù)、界面密度和界面反射率，或者兩者都必須在光導(dǎo) 表面上有所變化。這可以通過上述方法來實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，用方程q二K/(A-hK)來改 變體積消光系數(shù)，其中，A為進入光導(dǎo)的光的功率，K為各個元件處的線性輻射，對于均勻照 明而言，該輻射為一個常數(shù)。如果光導(dǎo)的總高度為H，則H與K的乘積應(yīng)小于A，即，發(fā)射光 的總功率應(yīng)小于進入光導(dǎo)的光的總功率，在這種情況下，上述解決方案是可行的。如果進入 光導(dǎo)的光的全部功率都被用于照明，則H與K的乘積等于A，因此，當(dāng)h接近H(即光導(dǎo)的較 高元件)時，體積消光系數(shù)就接近于最大。在典型光源中，H與K的乘積略小于A，只會浪費 少量功率，體積消光系數(shù)也總是趨于最大。 圖4為帶一個具有不同體積消光系數(shù)的光導(dǎo)的典型光源499的實例框圖。光源 410與光導(dǎo)404的光源端406相鄰擺放。從光導(dǎo)404的光源端406到光導(dǎo)404的對邊408， 界面密度由稀變稠。在一種實際應(yīng)用中，從光導(dǎo)404的光源端406到光導(dǎo)404的對邊408， 界面反射率逐漸增加。在另一種實際應(yīng)用中，從光導(dǎo)404的光源端406到光導(dǎo)404的對邊 408，界面反射率與界面密度的乘積逐漸增加。 圖5為有兩個初始光源的典型光源599的實例框圖。當(dāng)使用兩個初始光源508和 509時，光導(dǎo)中的體積消光系數(shù)就不需要發(fā)生巨大的變化。單獨使用上述微分方程來獲得各 個初始光源508和509所引起的線性輻射。這兩個功率密度之和就規(guī)定了特殊光導(dǎo)元件處 發(fā)射光的總功率密度。 可以通過體積消光系數(shù)q = 1/sqrt ((h_H/2 A 2+C/K A 2))來實現(xiàn)光源500的均 勻照明，其中，sqrt為平方根函數(shù)，A代表取冪，K為每個初始光源的平均線性輻射(在數(shù)字 上等于各元件處的總線性輻射的一半)，C = A(A-HK)。可以通過改變界面密度和界面反射 率得到這個體積消光系數(shù)。 圖6為有一個反射式光導(dǎo)的典型光源699的實例框圖。當(dāng)使用反射式光導(dǎo)620時， 光導(dǎo)620中的體積消光系數(shù)就不需要發(fā)生巨大的變化。光導(dǎo)620的頂端610就成了鏡子， 把光反射進光導(dǎo)620。在光源600中，實現(xiàn)均勻照明的體積消光系數(shù)為q= 1/sqrt((h-H) A2+D/KA2)其中，D = 3A(A_HK)?？梢酝ㄟ^改變界面密度和界面反射率得到這個體積消 光系數(shù)。
根據(jù)實際應(yīng)用，即使初始光源的功率發(fā)生變化，光的發(fā)射圖案均相同。例如，如果 光源699的初始光源提供一半額定功率，則光導(dǎo)620的各元件就會發(fā)出一半的額定功率。專 門設(shè)計的用作均勻光源的光導(dǎo)620通過改變其光源的功率，在所有額定功率時都起均勻光 源的作用。如果有兩個初始光源，則它們的功率會相繼發(fā)生變化，以達到均勻照明的效果。
圖7為光源799的實例框圖。含有透明層的光導(dǎo)702被光源704照亮。光源704 可能有一個或多個白熾光源、固態(tài)光源(如，發(fā)光二極管，熒光管或上文所公開的帶有透明 層的光源)。在實際應(yīng)用中，光源704發(fā)出偏振光，因此，光導(dǎo)702也發(fā)出偏振光。
在實際應(yīng)用中，光源704發(fā)出平行光或在角度很窄的圓柱體內(nèi)穿行的光。因此，光 導(dǎo)702也發(fā)出平行光。平行光的輸出角的大小取決于光導(dǎo)702的透明層與光導(dǎo)702的邊的 夾角?？梢酝ㄟ^選擇光導(dǎo)702的透明層與光導(dǎo)702的邊的夾角來獲得平行光的輸出角。光 導(dǎo)702的透明層與光導(dǎo)的邊的夾角在光導(dǎo)702上可能是變化的，從而使光源799的不同地 方具有不同的發(fā)射光角度。 公開了一種有透明層的光源。不言而喻，在此處描述實例的目的是進行解釋說明， 不應(yīng)視為對本專利所涵蓋內(nèi)容的限制。對藝術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，與本發(fā)明的范圍或精 神相符的各種修改、使用、替換、重新組合、改進和生產(chǎn)方法都是顯而易見的。
權(quán)利要求
裝置的組成為第一個光導(dǎo)和第一個光源(該光源與第一個光導(dǎo)的第一個端相鄰擺放)，其中，第一個光導(dǎo)有多種第一個透明板，第一個透明板至少有兩種不同的折射率，第一個透明板與第一個光導(dǎo)成一定的夾角；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于第一個光源為偏振光光源；
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于第一個光源在角度很窄的圓柱體內(nèi)發(fā)光；
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于第一個透明板的高度在整個光導(dǎo)上是不盡 相同的；
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于第一個透明板的折射率在整個光導(dǎo)上是不 盡相同的；
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于包含一個與第一個端相對的第一個光導(dǎo)相 鄰擺放的鏡子；
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于包含一個與第一個端相對的光導(dǎo)端相鄰擺 放的第二個光源；
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于第一個光源有第二個光導(dǎo)和第三個光源 (該光源與第二個光導(dǎo)的一端相鄰擺放)，第二個光導(dǎo)有多種第二個透明板，第二個透明板 至少有兩種不同的折射率，第二個透明板與第二個光導(dǎo)的邊成一定的夾角；
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于包含一個與第一個光導(dǎo)相鄰擺放的鏡子；
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于包含一個與第一個光導(dǎo)相鄰擺放的吸光板。
全文摘要
公開了一種提供光源的系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，該裝置由一個光導(dǎo)組成，該光導(dǎo)由具不同折射率的多個透明層構(gòu)成。
文檔編號G02F1/1335GK101730861SQ200880023260
公開日2010年6月9日 申請日期2008年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者烏達安·卡納德, 卡瑟克·斯瑞哈蘭, 巴拉吉·加納帕蒂, 瑪納斯·誒萊卡, 薩內(nèi)特·伽努, 馬諾哈爾·喬西, 高瑞·庫爾卡尼 申請人:I2Ic公司