专利名称：改进的波导和照明设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及波导，将所说波导安排成引导来自至少 一 个光源的光，波导包括至少一个引导边缘，引导边缘适合于将光包含在波导内； 提取边缘，提取边缘适合于允许从波导提取光，其中所说的引导边缘 配置成在光朝向提取边缘的路程上反射所说的光。本发明进一步还涉及包括这样 一种波导的照明设备以及包括这种 照明设备的显示设备。
背景技术：
有几种不同的照明应用，其中将来自至少一个光源的光耦合到波 导中，并且从波导的一个或几个表面发射出去。在某些应用中，例如 用于液晶显示器的背光源，光可以通过大尺寸的平面波导的上表面耦 合出去。在另外的应用中，光可以在波导的一个或几个边缘耦合出去。 通过使用平面波导并且在波导的至少 一个边缘将光耦合出去，可以实 现几种不同类型的照明设备。这样一种照明设备的一个例子是透明灯， 透明灯是由一系列平面波导形成的。对于这样一种灯，通过在适当位 置将波导的发射边缘制成倾斜镜，可以从灯表面的选择部分提取光。这样的照明设备的合适光源包括发光二极管UED)。发光二极管 在一般情况下是窄带的，通常需要对于发光二极管发出的光进行某些 处理才能产生白光。产生白光的一种能量有效方法是组合合适颜色(通 常是红、绿、蓝色)的光源(如发光二极管)发出的光以形成白光。来自不同有色发光二极管的光的这种组合可以在波导中发生，在 波导的提取边缘，从波导发出的混合光的强度和空间颜色分布通常是 相当均匀的。但在离开这个/这些边缘的某个距离，强度和/或颜色 的变化是可以察觉的。由于人的眼睛对于颜色的轻微变化是非常敏感 的，因此需要进行很好的颜色混合才能产生均匀的白光。还有，对于由单个光源发射的并且通过波导引导的白光或有色光， 可能感受到空间均匀性不够，尤其是在离开波导提取边缘某个距离的 地方更是如此。改善从波导提取的光的空间均匀性的一种已知方法是漫射所说波导的外部耦合(outcoupling)边缘。通过这种方法可以改善空间均匀 性。但是通过光的反向散射使能量效率下降，提取的光比预期的更加 发散。因此需要一种更加能量有效的方法，来减小在距波导的提取边缘 一定距离的地方所感受到的空间强度和/或颜色的变化。发明内容筌于现有技术的上述缺点以及其它的缺点，本发明的一个目的是 提供一种更加能量有效的方法，来改进由波导发出的光的空间均匀性。按照本发明的的第一方面，通过一种波导来实现所说目的和其它 的目的，对于所说的波导进行安排以便可以引导来自至少一个光源的 光，所说波导包括至少一个引导边缘，引导边缘适合于将光包含在 波导中；和提取边缘，提取边缘适合于允许从波导提取光，其中对 于所说的引导边缘进行配置，以便使所说的光在其途中朝向提取边缘 反射；其中对于引导边缘进一步进行配置，以使相对于引导边缘延伸的总体方向的、在给定的入射方向射在引导边缘上的光线的反射方 向取决于沿引导边缘的入射位置。波导可以由平板(slab)制成，平板由单一电介质材料组成，或者由电介质材料的组合组成。合适的电介质材料包括不同的透明材料， 如各种不同类型的玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。波导还可以是至少部分地由波导反射体封闭的空气。包括电介质材料的平板的波 导的功能可依赖在边缘和/或顶部和/或底部表面的全内反射(TIR )、 反射体、或全内反射和反射体的组合。所谓光的"空间均匀性"应该被理解为光在空间域的均匀性。空 间均匀性包括颜色和强度的均匀性。事实上，在"白光"应用中，颜 色变化可以等效于单色应用中的强度变化。所谓提取边缘适合于允许从波导提取光意味着，提取边缘直接涉 及光从波导中耦合出来。光的提取或向外耦合，可能通过提取边缘直 接发生，或者在提取边缘中发生的最后反射之后，通过在提取边缘直 接附近的波导的顶部和/或底部表面发生。可以按照各种不同的方式 配置提取边缘提取边缘可以是平直的、弯曲的、棱镜形状的、圓形的、或多或少有些漫射的等等。本发明基于如下的认识从常规波导提取的光的不均匀性的主要 机制是，直接来自所述至少一个光源的光与在波导边缘反射的光的混 合不够充分。这种机制的一个效杲是，观察者通过波导可见的光源(实 际的和虛拟的)的数目取决于观察位置。这种情况导致依赖观察位置 的强度和/或颜色的变化。这个问题的解决方案将是大幅度地增加光 源的数目(或者实际上是增加光源的密度)。这样一来，可见光源的 相对数目(实际的和虚拟的)只会緩慢地和连续地随观察位置发生变 化。通过配置波导的所述至少一个引导边缘以使相对于引导边缘延伸 的总体方向的、在给定入射方向射在引导边缘上的光线的反射方向取 决于沿引导边缘的入射位置，增加感觉到的虛拟光源的数目并且实现 改进的提取光的混合。通过本发明达到的一个效果是，可以对于波导进行配置以使实际 上没有任何光通过反向散射或不期望的提取或者通过所述至少一个引 导边缘的向外耦合而损耗。进而，与常规的波导相比，可以对于所述至少一个引导边缘进行配置以使光束发散的增加最小。按照本发明的一个实施例，所述至少一个引导边缘沿着它延伸的 总体方向可以表现出是一个宏观结构。所谓"宏观结构，，应该理解为具有一定尺寸的结构，它的尺寸比 所引导的光的波长大得多(通常100-IOOOO倍)。通过在波导的引导边缘提供宏观结构，对于在给定方向入射的光 线就可获得沿引导边缘改变反射方向。由此，就可改进从波导的提取 边缘提取的光的空间均匀性。宏观结构可以包括至少一个弯曲部分。在弯曲的反射表面上，在给定入射方向入射的光线的反射方向取 决于沿弯曲部分的入射位置。因此，对于特定的光源，获得了数目较 大的反射方向，或者换句话说，获得了数目较大的虚拟光源。从这一 情况出发，随之而来的是来自不同光源的光的较好的混合，并且改善 了所提取的光的均匀性。有益的是，波导的圓形拐角可以构成这些弯曲部分。所述宏观结构进一步还可包括多个弯曲部分。例如，可以由弯曲部分构成波导的整个引导边缘，弯曲部分的曲 率中心位于一个平面内的引导边缘的交替侧，所述平面基本上平行于 波导的顶部和/或底部表面。因此，可以获得甚至更大数目的反射方 向，并且因此改善了光的混合，改善了所提取的光空间均匀性。有益地，可以沿着引导边缘的至少一部分，基本上周期性地形成 这些弯曲部分，其周期小于光源之间的间隔，或者周期的数量级等于 这个间隔的数量级。由此，可以实现光混合的进一步改进。为了使混合的程度足够大，至少 一 个所说的弯曲部分应该优选跨 越大于1度的角距离。但是这个跨越的角距离不应太大，因为这可能导致反向反射的增加，并且在全内反射(TIR)的情况下，可能导致通过引导边缘的向外 耦合。有益地，至少一个所说弯曲部分跨越的角距离应该大于1度并小于io度。当引导边缘中的反射依赖全内反射时，以相对于反射表面的法线 的小于临界角的角度入射的光将要逃离波导。为使通过引导边缘损失 的光量最小，有几个选择方案。这些方案包括组合全内反射和反射体， 以及向引导边缘涂敷金属的或多层反射的涂层。组合全内反射和反射体的方法有许多。例如，可以安排反射体， 使其距平板波导的引导边缘有一定的距离，并且跟在这个/ (这些) 边缘的宏观结构之后。在反射体和这个边缘之间的间隙可以填充空气 或折射率比平板材料低的任何其它材料。因此，以大角度入射的光受到全内反射的反射，以小角度入射的光受到反射体的反射。这导致了 光的低吸收。进而，宏观结构可以是基本上锯齿形状的，具有正的和负的峰。 最好至少一个峰可以具有大于160度的开度角。与以上结合弯曲部分描述的类似，所述基本上锯齿形状的宏观结 构可以沿着引导边缘的至少一部分是周期性的，并且从而优选地具有 对应于或者小于光源之间的间隔的周期。按照本发明的另一个实施例，可以配置所述至少一个引导边缘， 使其提供漫反射。所谓"漫射"在这里应该理解为与反射光的波长相比，反射表面的不规则性较大，而这个表面在宏观上仍旧是平的。通过使引导边缘的表面漫射，在给定方向入射的光将进行不同方 式的反射，这由入射的位置确定。当然，漫射引导边缘基本上是直的， 或者表现出是一个宏观结构。优选地，对于引导边缘进行配置，以便提供非对称的漫反射，由 此可以减小反向散射的数量，使较大部分的光反射到提取边缘。为了使不期望出现的通过漫反射引导边缘的光的向外耦合减至最 小，可以例如通过向漫射引导边缘的表面涂敷金属涂层来形成漫反射 镜。按照本发明的另 一个实施例，为所述至少 一个引导边缘提供能够 改变反射方向的子波长结构。通过形成某些子波长结构(这些子波长结构的尺寸通常小于反射 光的波长)，例如光栅或全息结构，可以改变光的反射方向。优选地，波导可以是平面波导。 "平面波导"在这里定义为横截面基本上为长方形的波导，这种 波导由顶部表面、底部表面和边缘限定，它的顶部表面和底部表面的尺寸(extension)远大于边缘。进而，可以对波导进行安排，以便引导来自多个光源的光。 按照本发明的第二方面，通过一种照明设备实现这些和其它的目的，所说照明设备包括按照本发明的至少 一个光源和波导。有益地，所说的至少 一个光源可以是侧面发射和朗伯发光二极管的至少一个。按照本发明的第三方面，通过一种显示设备实现这些和其它的目 的，所说显示设备包括按照本发明的显示器和照明设备。
现在将参照附图更加详细地描述本发明的这些和其它方面，附图 表示本发明的当前优选的实施例，其中图la-b示意地表示按照本发明的波导的第一应用实例；图lc示意地表示按照本发明的波导的第二应用实例；图2a-2b示意地表示常规波导中的颜色变化和/或强度变化的机制；图3示意地表示按照本发明的波导的顶视图；图4 a - 4 c示意地表示按照本发明的第 一 实施例的波导的实例，其表 示的是宏观结构；图5a-5b示意地表示按照本发明的第二实施例的波导，它具有漫射 边缘。
具体实施方式
在图la-b中表示按照本发明的波导的第一应用实例。图la用透视图说明平直透明灯形式的照明设备1,所说的灯主要 由多个悬挂在两个夹持器3a-b之间的平面透明波导2a-d构成。在这 些夹持器中包含一维阵列的光源4a-b,在这里所说光源是朗伯发光二 极管的形式(在图la中看不到，见图lb)。在图lb中，使用单根光线5说明来自光源阵列4a之一的光是如 何耦合到波导之一 2a中、如何通过波导传输并且在提取边缘6a形成 的镜中反射之后又如何在提取边缘6a附近通过波导2a的底部表面7a 从波导2a耦合出来。当然，还要以相同的形式通过其余的波导2b-d 引导所说的光。在上述例子中，使用4个波导2a-d。当然，还可能使 用较大数目的波导。在图lc中，示意地表示按照本发明的波导的第二应用实例。在这 里，两个照明设备lOa-b集成在显示设备11中，显示设备ll在这里 取平板电视机的形式。照明设备lOa-b的目的是提供电视机周围的环 境照明，由此改善用户的观察感受。每个照明设备10a-b包括波导 12a-b和3个側面发射的发光二极管13a-c; 14a-c，其优选是红(R )、 绿(G)、蓝色(B)。每个波导还有3个引导边缘15a-c; 16a-c和一 个能透射的提取边缘15d; 16d。在这些环境照明设备10a-b操作期间，在波导12a-b中传输并混 合来自有色光源13a-c、 14a-c的光，以便作为白光通过提取边缘15d、 16d进行发射。如杲在上述的照明设备l; lOa-b中使用常规的波导，所发出的光 通常不会作为均匀白光被感觉到，而是展示出有可能强烈的颜色和/ 或强度变化。下面将参照图2a-b说明发生这些变化的最主要的理由。在图2a中，示意地表示具有3个嵌入光源R、 G、 B的常规波导20。在波导20的提取边缘21的点P，可以看见所有的光源R、 G、 B以及它 们在波导20的反射侧面边缘22a-b中的反射。因此，在点P可以感觉 到所发射的光是白色的。但若从波导20的提取边缘21移开，并非在 所有的位置是这种情况。在图2b中清楚地说明了产生这种情况的原因。图2b表示了一种可替换的方式，其说明如下的事实光源R、 G、 B以及它们的反射1T 、G' 、B'的可见数目根据观察位置而有所不同， 并且这种效应对于所发射的光的颜色和/或强度有影响。在这里，在 图2a中的具有光源R、 G、 B及其反射的波导20由具有无限多数目的 光源R、 G、 B、 、 G' 、 B'的无限长的波导30代替。掩膜32覆盖 这个波导30的向外耦合边缘31,所说的掩膜32具有开口，它的宽度 W与图2a中波导20的宽度相同。在给定点P',可以看见8个光源R、 G、 B、 B' 、 G' IT 、 B' 、 G'。因此，在这个点P'的光是来自2个 红色、3个绿色和3个蓝色光源的光的混合。所以这个光的感觉不是白 色的，而是淡青色。其它的观察位置产生其它感受的颜色和/或强度。在图3中，用顶枧图示意地表示按照本发明的波导40。在这里， 所示的两根光线41、 42沿相对于引导边缘x。延伸的总体方向的相同入 射方向Xi分别在两个位置P,、 P2射在波导40的引导边缘43上。由图 显然可见，两才艮光线41、 42的反射方向xrl、 x^是相互不同的。经过 一系列反射之后，通过提取边缘44提取光线41、 42。图4a-4c示意地表示本发明的第一实施例的3个例子，按照这个 实施例，波导51的引导边缘50a-c中的至少一个表现出宏观结构。所 示的提取边缘50d是平直光滑的，但还可以具有其它的性质，例如是 漫射的、圓的或者棱镜形的。在图4a中，示出了具有圓角52a-d的波导51。如图3所示，所示 的两根入射光线41、 42以相对于引导边缘x。延伸的总体方向的相同入 射方向Xi分别在两个位置P,、 P2射在波导51的引导边缘50c上，并且 再一次地，两根光线41、 42的反射方向xrl、 Xr2是相互不同的。要说 明的是，最靠近提取边缘50d的拐角52b、 c也是波导51的向外耦合 结构的一部分。射在由圓角52c形成的弯曲部分上的光线42不仅要发 生反射，而且还要部分地向外耦合，离开波导，如图4a所示。在图4b中，示意地表示按照本发明的波导的第一实施例的第2个 例子。在这里，所示的两个引导边缘50a、 c具有起伏或波浪外观。通过这种安排，与上述的第一例相比，获得了数目较大的反射方向。图4c示意地表示按照本发明的波导的第一实施例的宏观结构的又 一个可能实施方案。在这里，引导边缘50a、 50c按浅锯齿形状上下起 伏，具有正的和负的峰。分别用参考标号52 +和52-表示了一对这样 的峰。在上述的第2和第3例子中，所示的整个引导边缘50a、 c具有波 浪形状。当然，只有部分的引导边缘表现出这样的波浪形状的实施例 也在本发明的范围之内。有益地，形成所说宏观结构的引导边缘的形状，以使通过引导边 缘的反向反射和向外耦合的量最小(在波导依靠全内反射的情况下)， 同时还实现充分的光混合。对于按照上述的第2个例子的宏观结构， 这是通过形成弯曲部分进行的，从而使至少一个弯曲部分横跨的角距 离6大于1度小于IO度。在一般情况下，与距光源53a-c较远的地方 相比，在光源53a-c附近需要较小的角距离6。进而，波导越长，角 距离6应该越小。关于上述第3个例子的基本上锯齿形宏观结构，峰52 + 、 52-的 至少一个的开度角是开度角ri ,开度角ti大于160度。为了实现最佳的光耦合，上述宏观结构的周期应该优选与光源 5 3a-c之间的间距有相同的范围或者小于这个间距。在图5a-b中，示意地表示按照本发明的波导的第二实施例的两个 例子。图5a示意地表示波导61的引导边缘60的第一例(只表示出一部 分)。从宏观的角度看，边缘60的表面看起来是平的。但它经过粗糙 化，以便产生部分漫反射。在图5a中，表示的是对称的漫射。这就意 味着，入射光基本上在所有可能的方向都均匀地反射。借此，可以获 得非常大数量的反射方向。然而，由于反向反射和(对于全内反射类 型的波导)通过引导边缘60的向外耦合， 一部分入射光损失掉了。通过引导边缘的某些向外耦合可以是允许的。但这个向外耦合是 可以避免的，例如通过在引导边缘上直接附加一个反射体或者在距引 导边缘一定距离处并且平行于该引导边缘附加一个反射体、用空气或 任何其它低折射率的材料填充这样形成的间隙。在后一种情况下，使 吸收最小，同时避免了通过引导边缘的向外耦合。在图5b中，引导边缘60改为非对称的漫射。漫射表面可以是不 同程度的非对称漫射。例如，如图5b所示，引导边缘60可以在所有 的正向方向反射光，而不在反向方向反射光。本领域的技术人员认识到，本发明决不限于以上所述的优选实施 例。相反，在所附的权利要求书的范围内，许多改进和变化都是可能 的。例如，宏观结构和漫射表面的组合可以有益地用于实现改进的所 发射的光的空间均匀性。进而，可以使用比以上所述数目更大的和其 它颜色的光源。尤其是对于通用的照明应用，增加第4种或甚至于第5 种颜色可能是有用的，所述颜色如琥珀色或青色，它可以改进颜色再 现指数。除了引导边缘以外，还可以对波导的顶部表面和底部表面进 行配置，以使反射方向随沿给定的入射方向射在所说表面上的光线的 入射位置而变。进而，可以使用多层反射体作为反射体。可以将这种 多层反射体设计成具有比金属反射体更低的吸收。
权利要求
1.一种波导(40、51、61)，对于所说的波导进行安排以便引导来自至少一个光源(53a-c)的光，所说波导包括至少一个引导边缘(43、50a-c、60)，适合于将所述光包含在所述波导(40、51、61)中；和提取边缘(44、50d)，适合于允许从所说波导(40、51、61)提取所述光，其中对于所说的引导边缘(43、50a-c、60)进行配置，以便使所说的光在其途中朝向所说提取边缘(44、50d)反射；其特征在于对于所说的引导边缘(43、50a-c、60)进一步进行配置，以使相对于所说引导边缘(43、50a-c、60)延伸的总体方向的、在给定的入射方向(xi)射在所说引导边缘(43、50a-c、60)上的光线的反射方向(xr1、xr2)取决于沿所说引导边缘(43、50a-c、60)的入射位置(P1、P2)。
2. 根据权利要求1所述的波导(51 ),其中所述至少一个引导 边缘(50a-c)沿着它延伸的总体方向(x。)表现出是一个宏观结构。
3. 根据权利要求2所述的波导(51 )，其中所说宏观结构包括 至少一个弯曲部分(52a-d)。
4. 根据权利要求3所述的波导(51),其中所说宏观结构包括 多个弯曲部分(52a-d)。
5. 根据权利要求3或4所述的波导(51 )，其中至少一个所说 的弯曲部分(52a-d)跨越大于1度的角距离(e )。
6. 根据权利要求5所述的波导(51),其中所说角距离(0 ) 大于1度并小于10度。
7. 根据权利要求2所述的波导(51),其中所说宏观结构基本 上是锯齿形状的，具有正的和负的峰(52 +、 52-),其中至少一个 所说峰(52 + 、 52 -)具有大于160度的开度角(ri )。
8. 根据前述权利要求中任何一个所述的波导(61 )，其中可以 配置所述至少一个引导边缘(60),以提供漫反射。
9. 根据权利要求8所述的波导(61),其中对于所说引导边缘 (60)进行配置，以便提供非对称的漫反射。
10. 根据权利要求1-7所述的波导(40、 51、 61),其中为所述至少一个引导边缘(43、 50a-c、 60)提供能够改变所说反射方向的子波 长结构。
11. 根据前述权利要求中任何一个所迷的波导(40、 51、 61), 其中所述波导是平面波导。
12. 根据前述权利要求中任何一个所述的波导(40、 51、 61)， 其中对所述波导进行安排，以便引导来自多个光源(53a-c)的光。
13， 一种照明设备，所说照明设备包括至少一个光源(53a-c)和 根据前述权利要求中任何一个所述的波导(40、 51、 61)。
14. 根据权利要求13所述的照明设备，其中所说的照明设备包括 多个光源(53a-c)。
15. 根据权利要求13或14所述的照明设备，其中至少一个所说 光源(53a-c)是侧面发射和朗伯发光二极管中的至少一个。
16. —种显示设备，所说显示设备包括显示器和按照权利要求13 -15所述的照明设备。
全文摘要
一种波导(40、51、61)，对于所说的波导进行安排以便引导来自至少一个光源(53a-c)的光，所说波导包括至少一个引导边缘(43、50a-c、60)，适合于将光包含在波导(40、51、61)中；和提取边缘(44、50d)，适合于允许从所说波导(40、51、61)提取光，其中对于所说的引导边缘(43、50a-c、60)进行配置，以便使所说的光在其途中朝向所说提取边缘(44、50d)反射。对于引导边缘(43、50a-c、60)进一步进行配置，以使相对于引导边缘(43、50a-c、60)延伸的总体方向(X0)的在给定的入射方向(xi)射在所说引导边缘(43、50a-c、60)上的光线的反射方向(xr1、xr2)取决于沿引导边缘(43、50a-c、60)的入射位置(P1、P2)。可以对于波导进行配置，以使实际上没有任何光通过反向散射或者不期望的提取或通过至少一个引导边缘的向外耦合而损失。
文档编号G02B6/00GK101268393SQ200680034470
公开日2008年9月17日 申请日期2006年9月12日 优先权日2005年9月19日
发明者A·H·伯格曼, M·C·J·M·维森伯格, M·P·C·M·克里恩, R·P·范戈科姆, W·L·伊泽曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司