专利名称：具有光循环以增强亮度的照明系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及一种照明系统和一种包括用于平面平板显示的照明系统的电子显示器。
使用或结合照明系统的各种装置不是自身作为光源就是为一些其它的目的提供光线。例如，近年来对小的、便携式计算机如膝上式和较新的笔记本电脑的需求日益增大。随着科技的发展，笔记本装置已经进入更全面地模拟台式方案阶段。为此，计算功率和显示容量必须大大提高。
至于显示器，大多数用户希望大的、清晰的、亮的观察屏，与坐落在桌面上的阴极射线管(“CRT”)监视器的性能相同。为迎合这种需要，电脑制造商寻求制造一种可提供超分辨率、色彩、和对比度而同时只需要最小功率的平面平板显示器。满足这些方面的其中一个难点在于制造一种在有大量的背景光的情况下提供充分照明(亮度)的显示器。
用于这种平面平板显示器的典型的照明系统采用一个发散光源，如荧光光源，对指导发散光线透过显示器的背光结构提供输出。就发散而言，我们指光分布在大于约50度(从分布的中心加或减25度)的最大值的一半处，即(FWHM)。照明系统可以由一个透光装置如波导(光管)组成，该透光装置透过从邻近透光装置输入面的光源发出的光并将光分布在照明系统的输出面上。用波导作为透光装置的某种类型的照明系统可能具有光发散的特定，如印刷或蚀刻在波导上的白点，透光装置将光导出照明系统的输出面A(输出)。此照明系统输出面的面积远大于邻近光源的透光装置输入面A(输入)的面积。另外，照明系统的输出亮度L(输出)远小于裸光源的本征亮度L(本征)。就裸光源而言，我们指附近没有其它的会干扰输出的光学结构而工作的光源。
在尤其是A(输出)大于A(输入)时有许多应用，应用中可以有一个能增强输出照明L(输出)的照明系统方面。在本发明中，我们将指出如何实现增强的输出照明并示出在一些情况下如何实现一种大于裸光源的本征输出的输出照明。
本发明提出了一种光学照明系统，包括(1)具有反射式发射面和本征亮度L(本征)的光源装置；(2)在紧邻光源装置处具有光输入面的透光装置；(3)与光源装置隔离、将光源装置发出的光的一部分反射到光源装置并重复利用的光反射装置；和(4)一个光分离装置，包括(a)与透光装置的一个表面光学接触的光输入面，通过此输入面使得至少透光装置中的一部分光从透光装置中分离，(b)一个光输出面，分离的光经其导向，和任选的(c)一种光准直装置，插在光分离装置的光输入和输出面之间并与输入和输出面邻接，由此照明系统的输出光比透光装置的输入光更为准直。通过使光源发出的光的一部分再回收到光源，光源将显示出增加的亮度L(增强)，该亮度大于单独的裸光源亮度L(本征)，并且照明系统的输出亮度L(输出)将增大。然而，这并非必定意味着L(输出)将大于裸光源的L(本征)。只有在与透光装置的输入面A(输入)，照明系统的输出面A(输出)，在透光装置输入面上的输入光准直或立体角Ω(输入)，照明系统输出面上输出光准直或立体角Ω(输出)有关的一定条件下，系统的输出亮度L(输出)才能大于裸光源装置的本征亮度L(本征)。
在本发明的一个实施例中，带有反射型发射面和本征亮度L(本征)的光源装置毗邻于透光装置的受光面定位。透光装置可以是任何一种透光结构。向透光装置一个面上的光学耦合是一种分离一部分穿过透光装置的光并把光导向照明系统输出面的光分离装置。光反射装置毗邻于透光装置的受光面定位，而透光装置的受光面与光源装置相对设置。穿过透光装置到达光反射装置的光源中的至少一部分光被反射回光源装置，之后再反射出光源装置的反射型发射面，从而增强光源装置的亮度并增大照明系统的输出亮度。通过控制A(输入)、A(输出)、Ω(输入)和Ω(输出)，可以实现照明系统的输出亮度大于光源装置的本征亮度。
在本发明的另一实施例中，每个都有反射型发射面和本征亮度L(本征)的两个光源邻近于相对设置的透光装置的受光面定位。透光装置可以是任意的透光结构。向透光装置一个面上的光学耦合是一种分离一部分穿过透光装置的光并把光导向照明系统输出面的光分离装置。第二光源装置作为第一光源的反射装置，反之亦然。穿过透光装置到达光反射装置(第二光源装置)的第一光源中的至少一部分光被反射回第一光源装置，之后再反射出第一光源装置的反射型发射面，从而增强第一光源装置的亮度并增大照明系统的输出亮度。类似地，穿过透光装置到达光反射装置(第一光源装置)的第二光源中的至少一部分光被反射回第二光源装置，之后再反射出第二光源装置的反射型发射面，从而增强第二光源装置的亮度并增大照明系统的输出亮度。通过控制A(输入)、A(输出)、Ω(输入)和Ω(输出)，可以实现照明系统的输出亮度大于光源装置的本征亮度。
在本发明的另一实施例中，带有反射型发射面和本征亮度L(本征)的光源装置毗邻于透光装置的受光面定位。透光装置可以是任何一种透光结构。向透光装置一个面上的光学耦合是一种分离一部分穿过透光装置的光并把光导向照明系统输出面的光分离装置。光反射装置以部分地包围光源装置的方式放置。光源发出的一部分光穿过透光装置和光分离装置并从照明系统的输出面发出。到达光反射装置的光源中的至少一部分光被反射回光源装置，之后再反射出光源装置的反射型发射面，从而增强光源装置的亮度并增大照明系统的输出亮度。通过控制A(输入)、A(输出)、Ω(输入)和Ω(输出)和光反射装置的面积，可以实现照明系统的输出亮度大于光源装置的本征亮度。
在本发明的另一实施例中，带有反射型发射面和本征亮度L(本征)的光源装置紧邻于透光装置的受光面定位。透光装置可以是任何一种透光结构。向透光装置一个面上的光学耦合是一种分离一部分穿过透光装置的光并把光导向照明系统输出面的光分离装置。光反射装置位于光源装置和透光装置的受光面之间。在此例中，光反射装置部分地把入射到光反射装置上的一部分光反射回光源装置并把来自光源的另一部分光透射到透过装置的输入面。透过光反射装置的一部分光进一步透过透光装置和光分离装置并出射照明系统的输出面。光源发出的一部分光被光反射装置反射回光源，从而增强光源装置的亮度和照明系统的输出亮度。通过控制A(输入)、A(输出)、Ω(输入)和Ω(输出)和光反射装置的面积，可以实现照明系统的输出亮度大于光源装置的本征亮度。
其它的结构可以采用多光源，光源安置成把光彼此反射。再者，单光源和多光源可以与反射器结合使用，反射器部分地包围光源，以增强照明系统的反射能力。
在此描述的照明系统在使用照明系统的系统中有广泛的用途。它们可以用在直接照明系统，投影显示系统，自动指令板的平面平板显示器，游戏，广播电视接收器，军事，航天和航天电子设备方面的应用，电脑监视器和任意其它的提供字母数字、数据或视频信息的装置。其它的应用包括住宅、商业和工业照明等。
在参考附图进行详细描述之后，对本发明以及其它没有列举的目的和优点将有更全面的理解。
图1是一个照明系统的横截面图，系统包括一个具有反射型发射面和相对的反射器的单光源装置。
图2是具有两个反射型发光源装置的照明系统截面图。
图3是具有一个带环绕反射器的光源的照明系统截面图。
图4是具有一个位于光源装置和光发射装置之间的反射装置的照明系统截面图。
图5是可与图4所示照明系统一起使用的反射装置截面图。
图6是可与图4所示照明系统一起使用的另一反射装置截面图。
本领域技术人员通过参考上述附图对本发明的优选实施例将有更全面的了解。图中所列举的本发明实施例并非穷尽举例或局限于在此公开的具体形式。选择的实施例用于描述或最好的解释本发明的原理及可能利用和实际应用，从而使得其它技术人员更好地利用本发明。
在图1中示出截面图的照明系统10是本发明的一个实施例。此图应理解成仅仅是该结构的一种表示，实际的和相关的尺寸将会有所不同。照明系统10有一个带反射型发射面25的光源装置20。带反射型发射面5的光源装置例如包括荧光灯，阴极发光荧光灯，单晶荧光灯，薄膜荧光光源，发光二极管(LED)，有机发光二极管，场致发光薄膜光源，场致发光厚膜光源，灰体辐射器如白炽灯光源和等离子体放电光源，但不局限于此。优选的光源是荧光灯和发光二极管。
透光装置30可以是任意一种透光结构。透光装置包括通过反射而透光的结构，如波导，光管，光劈，由反射体局部包围的空心波导，或本领域技术人员所公知的任意其它结构，但不局限于这些。透光装置30最好是一个具有接受来自光源装置20的光束的输入面35的波导。通过内全反射(TIR)，波导30使光源20产生的光线基本上在波导30之内反射。带有反射面5的光反射装置40位于与光源装置20相对的波导30端。光反射装置可以是至少反射入射到表面上的一部分光的任意一个表面。表面可以有镜面或散射反射率，并且可以是平面、刻面或曲面。
光分离装置50与波导30光学接触，并有一个输入面52和输出面54。光分离装置50分离出经过波导30的光通量的一部分。分离出的光透过输入面52并透出光分离装置50的输出面。光分离装置50的输出面54也是对照明系统10的输出面。光分离装置50可以是任意的光学结构，如简单透镜，棱镜，表面上的粗糙区或本领域技术人员所知道的任意其它的结构，可以把它放置成与透光装置光学接触，并且它至少移去来自透光装置的光的一部分。
如果照明系统的输出面积大于透光装置的输入面积，则光分离装置50最好也包括一个光准直装置。光准直装置的例子有1995年5月7日公布的Beeson等的美国专利US5,396,350《采用微棱镜阵列的背照明装置》、1996年7月27日公布的Zimmerman等的美国专利US5,428,468《采用微棱镜阵列的照明系统》和1996年5月28日公布的Beeson et al的美国专利US5,521,725《采用微棱镜阵列的照明系统》，三个实例在此引为参考。
光准直装置的第一个例子是微棱镜阵列，其中每个微棱镜包括(i)一个光学耦合到透光装置的光输入面，(ii)一个远离光输入面的光输出面，(iii)一个邻近光输入面和光输出面并设置于二者之间与透光装置的表面法向成斜角的第一侧壁。作为第二个例子，光分离装置50可以用于与设置在透光装置30和光分离装置50之间的低折射层结合。这些低折射层用于通过只允许初始光角分布的被选取部分从系统的输出中出射而部分地准直照明系统的输出光。作为进一步地选择，微透镜阵列可以用于与微棱镜阵列结合，使得每个微棱镜的输出至少指向一个对应的微透镜。本发明也可以使用本领域技术人员所公知的其它类型的光准直装置。
为了更好地理解照明系统10的功能，在图1中用一些箭头表示光在照明系统10内可能发生的一系列事件。这些箭头只用于图示的目的，并不意味着所有的光都将经历同样的系列事件。在系列的开始，光从光源装置20的表面25发出。除了作为发射面以外，此表面也是一个具有r(1)折射率的折射面。光源装置20的本征亮度或亮度在光源装置20的附近没有其它的光学结构时测量值为L(本征)。这些光的一部分从面积为A(输入)的波导输入面35进入波导30。在输入面35处的光亮度为L(输入)。穿入输入面35的光(在空气中)呈立体角分布Ω(输入)。进入波导30的光通亮用箭头60指示。用箭头62指示的光60的一部分[x]将通过光分离装置50分离并经输出面54从照明系统10出射。[x]的值可以从0至1，而从0.01和0.80之间较好，在0.01和0.60之间更好，在0.01和0.4之间最好。从输出面54出射的光的立体角分布(在空气中)是Ω(输出)，输出面54的面积是A(输出)。用箭头64表示的光60的剩余部分[1-x]通过TIR将继续经过波导30并在表面36处射出波导30。光64的一部分将通过反射器40的反射面45反射并在面36处重新进入波导30。反射面45的反射率是r(2)。重新进入波导30的初始光60的一部分为[1-x][r(2)]，用箭头70表示。光70的一部分[x]或等价的初始光60的一部分[x][1-x][r(2)]将通过分离装置50分离并经输出面54以Ω(输出)的立体角分布出射照明系统10(以箭头72表示)。光70的剩余部分[1-x](用箭头74表示)或等价的初始光60的一部分[1-x][1-x][r(2)]在一周环行之后将回收到光源装置20。从光源装置20发出到反射器40并再回到光源装置的光在一周的环行之后回收到光源装置20的初始光60的一部分用R表示，R的大小由下式给出(1) R＝[1-x][1-x][r(2)]因为光源装置20的发射面25是反射率为r(1)的反射面，所以光74的等于[r(1)R]的部分将被反射回波导30并用箭头80表示。光源的亮度将通过反射光增强。光从光源装置20到反射器40再回到光源装置20的一周环行所导致的增强的亮度L(本征)由下式给出(2) L(增强)＝L(本征)[1+r(1)R]此处r(1)是光源装置20的反射率，R由方程(1)表示。反射回到波导30的光80可以重复与初始光60相同的事件顺序。光80的一部分可以反射回到光源装置20并导致光源亮度的另外增强。在初始光60剩余的光的第二周环行之后光源的亮度变为(3) L(增强)＝L(本征)[1+r(1)R+[r(1)R]2]这一系列的事件可以发生许多次。方程(3)则变为一个无穷几何级数，级数的每一项通过取级数的前项并乘以因子[r(1)R]而算出。几何级数的和用简单的算术表达式给出。对于上述实例，当初始光60的一部分经过从光源装置20到反射器40再回到光源装置20的许多次环行后导致的增大的亮度由下式给出(4) L(增强)＝L(本征){1/[1-r(1)R}在方程(4)中发射面25的反射率值r(1)是处于0和1之间的一个数。回收光部分R也是一个处于0和1之间的数。因此两数的乘积r(1)R也是一个处于0和1之间的数。人们可以通过把特定的r(1)和R值代进方程(4)看出光回收的部分R和反射率r(1)影响亮度的增强。例如，如果r(1)＝0.9(相对较高)，R＝0.1，则增强的亮度仅是本征亮度的1.10倍。如果r(1)＝0.9，R＝0.5，则增强的亮度是本征亮度的1.82倍。如果r(1)＝0.9，R＝0.9，则增强的亮度是本征亮度的5.26倍。为了得到光源亮度的显著增强，光源的反射率处于0.5和1.0之间较好。光源的反射率处于0.7和1.0之间更好。光源的反射率处于0.9和1.0之间最好。为了使光源的亮度有所增强，光源发出的又返回到光源的光R必须非零。回收部分R处于0.10和0.99之间较好，处于0.25和0.99之间更好，处于0.40和0.99之间最好。
如前所述，即使光源发出的一些光返回光源致使光源有增强的亮度L(增强)，这里L(增强)大于光源的本征亮度L(本征)，也不一定伴随着照明系统10的输出亮度L(输出)大于L(本征)。L(输出)的大小强烈依赖(a)邻近于光源装置的透光装置表面的输入面A(输入)，(b)照明系统输出面的面积A(输出)，(c)在输入面处输入光的准直度或立体角Ω(输入)，和(d)在照明系统的输出面处输出光的准直度或立体角Ω(输出)。在所有的情况中，L(输出)可以有的最大值是L(增强)。作为图示的一个例子，对于一部分光回收到光源的照明装置，假设光在透光装置的输入面上的角分布和在照明系统输出面上的角分布相等[Ω(输出)＝Ω(输入)]。如果透光装置的输入面积A(输入)等于照明系统的输出面积A(输出)，并且在系统中没有光损耗，则L(输出)将等于L(增强)，系统的输出亮度L(输出)将大于光源的本征亮度L(本征)。
在大多数实用的照明系统中，A(输出)远大于A(输入)。在后一例中，只有如果光分离装置50包括一个光准直装置，使得输出光分布所张的立体角Ω(输出)小于输入光分布所张的立体角Ω(输入)(即输出光分布比输入光分布更为准直)，照明系统才可能具有大于光源本征亮度的输出亮度。如果为了简单起见假设输入和输出分布不是朗伯分布就是平截的朗伯分布，并假设系统损耗很小且处于平衡态，则光通量守恒导致(5) [L(输出)][A(输出)][Ω(输出)]＝[L(增强)][A(输入)][Ω(输入)]关于朗伯分布，我们指从任何角度看去分布都有相同的照度或亮度。平截的朗伯分布指外延至某一截止角的朗伯分布，并在截止角之后为零。由下式求解L(输出)(6) [L(输出)]＝{[L(增强)][A(输入)][Ω(输入)]}/{[A(输出)][Ω(输出)]}在方程(6)中，如果输出的光分布远大于输入的光分布，并且输出光的准直由下式给出，则可以取得最大值L(输出)＝L(增强)(7) Ω(输入)＝{[A(输入)][Ω(输入)]}/[A(输出)]为了例证概念上述的实例以假设系统无损耗的简化方式表述。在实际情形中，本领域的技术人员将会理解由于吸收或散射这类事件所导致的光损耗将很复杂，数学分析和方程(5)-(7)将需要改型。
本发明的另一个实施例是如图2所示截面图的照明系统100。此实施例有两个光源，每个光源有一个反射面。应认为此图只代表一种结构；实际的和相关的尺寸将是不同的。照明系统100有一个带反射型发射面125的光源装置120。透光装置例如是一个波导，该波导有一个接收来自光源装置120的输入面135。透光装置的其它例子在第一实施例中已讨论。通过内全反射(TIR)，波导130使光源120产生的光线基本上在波导30之内反射。带有反射面145的附加光源装置140可被用作光源和反射器，位于与光源装置120相对的波导130端。光分离装置150与波导130光学接触并有一个输入面152和输出面154。光分离装置150分离出通过波导130的光通量部分。分离出的光通过输入面152并从光分离装置150的输出面154输出。光分离装置150的输出面154也是照明系统100的输出面。
为了更好地理解照明系统100的功能，在图2中用一些箭头表示光在照明系统100内可能发生的一系列事件。这些箭头只用于图示的目的，并不意味着所有的光都将经历同样的系列事件。首先来看光源装置120，在系列的开始，光从光源装置120的表面125发出。除了作为发射面以外，此表面也是一个具有r(1)折射率的折射面。光源装置120的本征亮度或亮度在光源装置120的附近没有其它的光学结构时测量值为L(本征)。从光源装置120发出的光的一部分从面积为A(输入)的波导输入面135进入波导30。在输入面135处的光亮度为L(输入)。穿入输入面135的光(在空气中)呈立体角分布Ω(输入)。进入波导130的光通量用箭头160指示。用箭头162指示的光160的一部分[x’]将通过光分离装置150分离并经输出面154从照明系统100出射。[x’]的值可以从0至1，而从0.01和0.80之间较好，在0.01和0.60之间更好，在0.01和0.4之间最好。从输出面154出射的光的角分布(在空气中)是Ω(输出)，输出面154的面积是A(输出)。用箭头164表示的光160的剩余部分[1-x’]通过TIR将继续经过波导130并在表面136处射出波导130。光164的一部分将通过光源装置140的反射面145反射并在面136处重新进入波导130。反射面145的反射率是r(2)。重新进入波导130的初始光160的一部分为[1-x’][r(2)]，用箭头170表示。光170的一部分[x’]或等价的初始光160的一部分[x’][1-x’][r(2)]将通过光分离装置150分离并经输出面154以Ω(输出)的立体角分布出射照明系统100(以箭头172表示)。光170的剩余部分[1-x’](用箭头174表示)或等价的初始光60的一部分[1-x’][1-x’][r(2)]在一周环行之后将回收到光源装置120。从光源装置120到光源装置1400并再回到光源装置120发出的光在一周的环行之后回收到光源装置120的初始光160的一部分用R’表示，R’的大小由下式给出(8) R＝[1-x’][1-x’][r(2)]因为光源装置120的发射面125是反射率为r(1)的反射面，所以光174的等于[r(1)R’]的部分将被反射回波导130并用箭头180表示。光源的亮度将通过反射光增强。光从光源装置120到光源装置140再回到光源装置120的一周环行所导致的增强的亮度L(本征)由下式给出(9) L(增强)＝[L(本征)][1+r(1)R’]此处r(1)是光源装置120的反射率，R’由方程(8)表示。反射回到波导130的光180可以重复与初始光160相同的事件顺序。光180的一部分可以反射回到光源装置120并导致光源亮度的另外增强。在初始光160剩余的光的第二周环行之后光源的亮度变为(10) L(增强)＝[L(本征)][1+r(1)R’+[r(1)R’]2]这一系列的事件可以发生许多次。之后方程(10)则变为一个无穷几何级数，级数的每一项通过取级数的前项并乘于因子[r(1)R’]的算出。几何级数的和用简单的算术表达式给出。对于上述实例，当初始光160的一部分经过从光源装置120到光源装置140再回到光源装置120的许许多多次环行后导致的增大的亮度由下式给出(11) L(增强)＝[L(本征)]{1/[1-r(1)R’}方程(11)是光源装置120发出的光被回收到光源装置120所致的增强的亮度表达式。
方程(11)不包括因光源装置140发出的光所致的光源装置120亮度的增强。这种另外的增强也示于图2。在图2所示的第二系列的开始，光从光源装置140的表面145发出。如前所述表面145具有r(2)的折射率。光源装置140的本征照度或亮度在光源装置140的附近没有其它的光学结构时测量，或为简单起见假设与光源装置120的照度相同，为L(本征)。为简单起见，还假设对于光源装置140的L(输入)、A(输入)和Ω(输入)与光源装置120的值相同。正如本领域技术人员所知，光源装置120和140的这些值不必相等。从光源装置发出的光的一部分从面积为A(输入)的波导输入面136进入波导130。在输入面136处的光亮度为L(输入)。穿入输入面136的光(在空气中)呈立体角Ω(输入)分布。进入波导130的光通亮用箭头190指示。用箭头192指示的光190的一部分[x’]将通过光分离装置150分离并经输出面154从照明系统100出射。从输出面154出射的光的角分布(在空气中)是Ω(输出)，输出面154的面积是A(输出)。用箭头194表示的光190的剩余部分[1-x’]通过TIR将继续经过波导130并在表面135处射出波导130。光194的一部分将通过光装置120的反射面125反射并在面135处重新进入波导130。光源装置120反射面125的反射率是r(1)。重新进入波导130的初始光190的一部分为[1-x’][r(2)]，用箭头200表示。此部分光加入到光源装置120的表面照明。从光源装置120反射的附加光200再进行如同光160一样的循环。光源装置120最终增强的亮度L(增强)是光源装置120发出的光回到光源装置120的循环效应加上光源装置140发出的初始光回到光源装置120的反射和循环效应的结结果。两个光源致使增强的总亮度L(增强)由下式给出(12) L(增强)＝[L(本征)]{1+[1-x’][r(1)]}{1/[1-r(1)R’]}由方程(12)给出的关系式与方程(11)类似，但多了一个由于光源装置140发射的光所致的附加项。光源装置140的亮度将因光源装置140发出的光回收到光源装置140并且光源装置120发出的光反射出光源装置140而经历同样的增强。在方程(12)中，[x’]是波导130中由光分离装置150在光经过波导130的一个通路上分离出来的一部分光。[x’]的值可以是从0至1.而从0.01和0.80之间较好，在0.01和0.60之间更好，在0.01和0.4之间最好。为了得到光源亮度的显著增强，光源装置120和140的反射率处于0.5和1.0之间较好。光源装置120和140的反射率处于0.7和1.0之间更好。光源的反射率处于0.9和1.0之间最好。为了使光源的亮度有所增强，光源发出的又返回到光源的光R’必须非零。光回收部分R’处于0.10和0.99之间较好，处于0.25和0.99之间更好，处于0.40和0.99之间最好。
在图2所示的实例中，即使两个光源发出的一些光返回光源致使光源有增强的亮度，也不一定有照明系统100的输出亮度大于光源的本征照度的结论。如图1所示，参数A(输入)、A(输出)、Ω(输入)和Ω(输出)也是很重要的。输出亮度和这些参数之间的关系计算类似于方程(5)-(7)的运算。在很多实际应用中，每个光源的A(输出)远大于A(输入)。在这样的情形中，光分离装置需要包括一个光准直装置以实现L(输出)大于L(增强)。光准直装置的实例在图1所示第一实施例中已经给出。
本发明的另一个实施例是如图3横截面所示的照明装置300。本实施例有一个具有反射型发射面的光源装置。该光源装置由具有反射面的反射装置部分包围。此图应理解成仅仅是该结构的一种表示，实际的和相关的尺寸将会有所不同。照明系统300有一个带反射型发射面325的光源装置320。光源装置320由带有光反射面345的反射装置340包围。透光装置330例如是一个锥形波导，波导有一个接收来自光源装置320的输入面335。透光装置的其它例子在第一实施例中已讨论。通过内全反射(TIR)，波导330使光源320产生的光线基本上在波导330之内反射。光分离装置350与波导330光学接触并有一个输入面352和输出面354。光分离装置350至少分离出通过波导330的光通量的一部分。分离出的光通过输入面352并从光分离装置350的输出面354输出。光分离装置350的输出面354也是照明系统300的输出面。
为了了解解照明系统300的功能，在图3中用一些箭头表示光在照明系统300内可能发生的一系列事件。这些箭头只用于图示的目的，并不意味着所有的光都将经历同样的系列事件。首先来看光源装置320，在系列的开始，光从光源装置320的表面325发出。此光束在图3中用箭头360表示。除了作为发射面以外，此表面也是一个具有r(1)折射率的折射面。光源装置320的本征亮度或亮度在光源装置320的附近没有其它的光学结构时测量，为L(本征)。从光源装置320发出的光的一部分[x”]从面积为A(输入)的波导输入面335进入波导330。[x”]的值可以从0至1，而从0.01和0.80之间较好，在0.01和0.60之间更好，在0.01和0.4之间最好。光在输入面335处的亮度是L(输入)。穿入输入面335的光的立体角分布(在空气中)是Ω(输入)。进入波导330的光通量[x”]用箭头362表示。进入波导330并用箭头362表示的所有或至少一部分光将通过光分离装置350分离并且将经过输出面354从照明系统射出。从输出面354出射的光的立体角分布(在空气中)是Ω(输出)，输出面354的面积是A(输出)。由箭头364表示的光360的剩余部分[1-x”]将到达反射面340。反射装置340的反射面345的反射率是r(2)。从反射面345反射的初始光部分是[1-x”][r(2)]并用箭头370表示。光370的一部分[y]或等价的初始光360的一部分[y][1-x”][r(2)]将回收到光源装置320并用箭头374表示。[y]的值可以是从0至1.但处于0.10和0.99之间较好，处于0.20和0.99之间更好，处于0.3和0.99之间最好。从光源装置320到反射装置340并再回到光源装置320的光在一周的环行之后回收到光源装置320的374用R”表示，R”的大小由下式给出(13) R”＝[y][1-x”][r(2)]光370的剩余部分[1-y]或初始光360的等价部分[1-y][1-x”][r(2)]将到达反射装置340的另一部分并用箭头372表示。因为光源装置320的发射面325是反射率为r(1)的反射面，所以光374等于[r(1)R”]的部分将从面325反射并用箭头380表示。光源装置的亮度将通过反射的光而增强。光从光源装置320到反射装置340再回到光源装置320的一周环行所导致的增强的亮度L(本征)由下式给出(14) L(增强)＝[L(本征)][1+r(1)R”]此处r(1)是光源装置320的反射率，R”由方程(13)表示。从面325反射的光380可以重复与初始光360相同的事件顺序。光380的一部分可以反射回到光源装置320并导致光源亮度的另外增强。在初始光360剩余的光的第二周环行之后光源的亮度变为(15) L(增强)＝[L(本征)][1+r(1)R”+[r(1)R”]2]这一系列的事件可以发生许多次。方程(15)则变为一个无穷几何级数，级数的每一项通过取级数的前项并乘于因子[r(1)R”]算出，R”由方程(13)给出。几何级数的和用简单的算术表达式给出。对于上述实例，当初始光360的一部分经过从光源装置320到反射装置340再回到光源装置320的许许多多次环行后导致的增大的亮度由下式给出(16) L(增强)＝[L(本征){1/[1-r(1)R”}方程(16)是光源装置320因发出的光又回收到光源装置320所致的光源增强的亮度。为了得到光源亮度的显著增强，光源装置320的反射率r(1)处于0.5和1.0之间较好。光源的反射率处于0.7和1.0之间更好。光源的反射率处于0.9和1.0之间最好。为了使光源的亮度有所增强，光源发出的又返回到光源的光R”必须非零。回收部分R”处于0.10和0.99之间较好，处于0.25和0.99之间更好，处于0.40和0.99之间最好。
在图3所示的实例中，即使光源发出的一些光返回光源致使光源有增强的亮度L(增强)，也不一定伴随有照明系统300的输出亮度大于光源的本征亮度的情况。如图1中所示，参数A(输入)、A(输出)、Ω(输入)和Ω(输出)也是很重要的。输出亮度和这些参数之间的关系计算类似于方程(5)-(7)的运算。在很多实际应用中，每个光源的A(输出)远大于A(输入)。在这样的情形中，光分离装置需要包括一个光准直装置以实现L(输出)大于L(本征)。光准直装置的实例在图1所示第一实施例中已经给出。
本发明的另一个实施例是如图4横截面所示的照明装置400。本实施例有一个具有反射型发射面的光源装置。此图应理解成仅仅是该结构的一种表示，实际的和相关的尺寸将会有所不同。照明系统400有一个带反射型发射面425的光源装置420。光反射装置440位于光源装置420和透光装置430之间。光反射装置440是任意一种部分反射的光学元件或结构，选择性地反射从光源装置420发出又返回到光源装420的光的面积的一部分或角分布的一部分，并透过从光源装置420发出到透光装置430的另一部分光。光反射装置440的例子包括但不局限于双凸棱镜阵列，锥形光波导阵列，双凸锥形光波导阵列或这些元件的组合。
光反射装置440的实例示于图5和图6。图5表示一个双凸棱镜505的阵列，可以用作图4中的光反射装置。棱镜端520的形状和长度、棱镜角530和棱镜505的取向可以改变。平面表面510最好邻近光源装置420取向(图4)，棱镜505的点540邻近透光装置430的输入面435取向。棱镜角530最好处于5度至170度的范围内，处于80度至130度更好。图6表示锥形光波导605阵列600，它可以用作图4中的光反射装置。锥形光波导605有输入面610，输出面620和侧壁630。每个锥形波导605的截面形状可以是但不局限于任意尺寸的正方形、矩形、多边形、圆形或椭圆。锥形波导605也可以是双凸锥形波导。锥形波导605的一侧630可以是笔直的、弯曲的或倾斜的。波导端610的面积可以与波导端620的面积不同。波导端610邻近于光源装置420取向(图4)并有比波导端620小的面积。锥形波导之间的区域最好用反射材料填充或覆盖。
图4所示的透光装置430例如是一个锥形波导，具有一个接收来自光源装置420的光的输入面435。透光装置的其它例子已在第一实施例中给出。通过内全反射(TIR)，波导430使光源装置420产生的光线基本上在波导430之内反射。光分离装置450与波导430光学接触并有一个输入面452和输出面454。光分离装置450至少分离出通过波导430的光通量的一部分。分离出的光通过输入面452并从光分离装置450的输出面454输出。光分离装置450的输出面454也是照明系统400的输出面。
为了了解照明系统400的功能，在图4中用一些箭头表示光在照明系统400内可能发生的一系列事件。这些箭头只用于图示的目的，并不意味着所有的光都将经历同样的系列事件。首先来看光源装置420，在系列的开始，光从光源装置420的表面425发出。此光束在图4中用箭头460表示。除了作为发射面以外，此表面也是一个反射面。光源装置420的本征亮度或亮度在光源装置420的附近没有其它的光学结构时测量值为L(本征)。从光源装置320发出的光的一部分[x”’]，用箭头462表示，从面积为A(输入)的波导输入面435进入波导430。[x”’]的值可以从0至1，而从0.01和0.80之间较好，在0.01和0.60之间更好，在0.01和0.4之间最好。光在输入面435处的亮度是L(输入)。穿入输入面435的光的立体角分布(在空气中)是Ω(输出)。进入波导430并用箭头462表示的所有或至少一部分光将通过光分离装置450分离并且将经过输出面454从照明系统400射出。从输出面454出射的光的立体角分布(在空气中)是Ω(输出)，输出面454的面积是A(输出)。由箭头464表示的光460的剩余部分[1-x”’]将通过反射装置440回收到光源420。光源装置420反射面425的反射率是r(1)。从反射面425反射的初始光460的一部分是[1-x”’][r(1)]并用箭头470表示。光源装置420的亮度将因反射光而增强。如前所述实施例，光可以连续进行多次从反射装置440的反射并且光源装置420还进一步增强光源装置420的亮度。
在图4所示的实例中，即使光源发出的一些光返回光源致使光源有增强的亮度，但也不一定伴随有照明系统400的输出亮度将大于光源的本征亮度的结局。如图1中所示，参数A(输入)、A(输出)、Ω(输入)和Ω(输出)也是很重要的。输出亮度和这些参数之间的关系计算类似于方程(5)-(7)的运算。在很多实际应用中，每个光源的A(输出)远大于A(输入)。在这样的情形中，光分离装置需要包括一个光准直装置以实现L(输出)大于L(本征)。光准直装置的实例在与图1相关的第一实施例中已经给出。
图1-6所示的实例意欲表示本发明可能的实施例，但并不限定本发明的范围。正如本领域技术人员所知，在图1、2和4中附加的反射器可以围绕光源装置放置，与图3中的方式类似，并不脱离本发明的范围和实质。附加的光源装置也可以加到图1-4所示的结构中或改型的结构中。
在实验室中证实了通过光循环可以增大亮度，下面用3个实例加以讨论。在第一实例中构造了一个灯泡照明系统。该系统由直径为0.102”(2.6mm)的管状荧光灯、包围荧光灯比并具有沿管长0.07”宽的开槽的空心频谱管(SpectralonTM)散射反射器、一个丙烯酸波导(4”宽、6”长、0.062”厚)，波导的一端由荧光灯通过频谱(SpectralonTM)灯反射器中的开槽照明、以及一个位于波导与灯相对的一端上的散射反射器(4”×0.062”)和一个贴在具有压敏黏附性的波导4”×6”表面上的0.025”×4”的准直片带等组成。根据本申请人提交的另一份美国专利5,521,725，即《采用微棱镜阵列的照明系统》中指导的设计，准直片由棱镜和透镜组成，该内容在此引为参考。准直片有一个椭圆形的输出光分布，沿椭圆的一个轴有大约±8°的角分布(峰值亮度的50％)，沿椭圆的垂直轴有大约±13°的角分布。
周围没有光学元件的荧光灯的本征亮度测定为8000fL(foot-Lamberts)。结构如前面段落描述的(测量准直片的输出)带有放置在系统中的灯泡的照明系统的输出亮度大约为15000fL。因此，照明系统的输出亮度比灯泡源的本征亮度大1.8倍。当移走位于波导上对着灯泡一端的散射反射器以避免从波导回收的光再返回灯泡源时，系统的输出亮度落到8000fL以下(小于本征光源的亮度)。
在第二实例中，是一个两灯泡照明系统结构。该系统由3.2”宽2.4”长0.25”厚的丙烯酸波导、两个0.157”(4mm)直径的沿丙烯酸波导的相反端3.2”×0.25”放置的荧光灯管、环绕每个荧光灯并把每个灯管的光导进波导的涂银的弯曲镜面反射器和一个贴到波导具有压敏粘附性的3.2”×2.4”面上的3.2”×2.0”准直片带等组成。根据本申请人提交的另一份美国专利5,521,725，即《采用微棱镜阵列的照明系统》中指导的设计，准直片由棱镜和透镜组成，该内容在此引为参考。准直片有一个椭圆形的输出光分布，沿椭圆的一个轴有大约±8°的角分布(峰值亮度的50％)，沿椭圆的垂直轴有大约±13°的角分布。
周围没有光学元件的每个荧光灯的本征亮度测定为10,000fL(foot-Lamberts)。结构如前面段落描述的(测量准直片的输出)带有放置在系统中的灯泡的照明系统的输出亮度达到为22,000fL。因此，照明系统的输出亮度比灯泡源的本征亮度大2.2倍。
在第三实例中，是一个六灯泡照明系统结构。该系统由6”宽×6”长×1”厚的丙烯酸波导、六个7mm直径的沿丙烯酸波导的相反端6”×1”放置(每端放三个)的热阴极荧光灯管、环绕每组三个荧光灯并把灯管的光导进波导的涂银的白色散射反射器和一个贴到波导具有压敏粘附性的6”×6”面上的1”×1”玻璃右角棱镜等组成。
周围没有光学元件的每个荧光灯的本征亮度测定为23,667坎/每平方米(Cd/m2)。结构如前面段落描述的(测量右角棱镜的输出)带有放置在系统中的灯泡的照明系统的输出亮度大约为235,000Cd/m2。因此，照明系统的输出亮度比灯泡源的本征亮度大9.9倍。
应该理解到本发明可以应用到很宽范围内的装置中，如直接照明装置，投影显示系统，自动指令板的平面平板显示器，游戏，广播电视接收器，军事，航天和航天电子设备方面的应用，电脑监视器和任意其它的提供字母数字、数据或视频信息的装置。
在描述了本发明优选实施例的同时，本领域技术人员将认识到在不脱离本发明实质和范围的情况下可作其它的进一步改型，所有的实施例都将落在本发明权利要求所限定的范围之内。例如其它各种改变和组合都可以利用公开在参考的专利申请中的结构。
权利要求
1.一种光学照明系统，包括(a)一种用于产生光束的光源装置，光源装置具有反射式发射面和本征亮度L(本征)；(b) 在紧邻光源装置处具有光输入面的透光装置；(c)与光源装置隔离、将光源装置发出的光的一部分反射到光源装置并再循环的光反射装置；和(d)一个分离出透光装置中的一部分光的光分离装置，光分离装置包括(i)与透光装置的一个表面光学接触的光输入面；(ii)一个光输出面，分离的光经其导向，并且任选的(iii)一种光准直装置，插在光分离装置的光输入和输出面之间并与输入和输出面邻接，由此照明系统的输出比透光装置的输入光更为准直，由此光学照明系统的输出亮度被增强。
2.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于光学照明系统的输出亮度大于光源装置的本征亮度。
3.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于光源装置是一种荧光光源或至少是一个发光二极管。
4.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于透光装置是一个光波导或空心波导。
5.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于光分离装置包括一个光准直装置，用于把光束导引成一种基本上准直的光束图案。
6.如权利要求5所述的光学照明系统，其特征在于光准直装置包括一个微棱镜阵列，每个微棱镜包括(i)一个光学耦合到透光装置的光输入面；(ii)一个远离光输入面的光输出面；和(iii)一个邻近光输入面和光输出面并设置于二者之间与透光装置的表面法向成斜角的第一侧壁。
7.如权利要求5所述的光学照明系统，其特征在于光准直装置包括一种设置在透光装置和光准直装置之间低折射率的折射层。
8.如权利要求6所述的光学照明系统，还包括一个微透镜阵列，其特征在于每个微透镜的输出指向至少一个对应的微棱镜。
9.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于光源装置和光反射装置设置在透光装置的相反端，使得光源装置发出的光束的一部分传向光反射装置并返回光源装置。
10.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于光反射装置部分地包围光源装置。
11.如权利要求1所述的光学照明系统，其特征在于光反射装置位于光源装置和透光装置之间。
12.如权利要求11所述的光学照明系统，其特征在于光反射装置包括一个棱镜的双凸透镜阵列或锥形波导阵列。
全文摘要
一种光学照明系统,包括:(a)一种具有反射式发射面和本征亮度的光源装置;(b)一个透光装置;(c)将光源装置发出的光的一部分反射到光源装置并重复利用的光反射装置;和(d)一个分离出透光装置中的一部分光并把光导向照明系统的输出面的光分离装置。最终的照明系统达到增强的输出亮度。在特定的条件下,可以实现大于裸光源本征亮度的输出亮度。
文档编号F21Y103/00GK1252134SQ98804109
公开日2000年5月3日 申请日期1998年2月9日 优先权日1997年2月13日
发明者S·M·兹莫曼, K·M·贝森, H·周 申请人:联合讯号公司