照明设备的制作方法

文档序号:37522638发布日期:2024-04-01 14:40阅读:101来源:国知局
照明设备的制作方法

本公开大体上涉及来自光调制装置的照明(illumination),并且更具体地涉及用于提供用于在包含隐私显示器、高效率显示器和高动态范围显示器的显示器中使用的、以及用于在环境照明中使用的具有减小的立体角的照明的光学堆叠。


背景技术:

1、隐私显示器对通常在同轴位置上的主要用户提供图像可见性,并且对于通常在离轴位置上的窥探者提供图像内容的降低的可见性。隐私功能可以通过微型百叶窗光学膜来提供,微型百叶窗光学膜使来自显示器的高亮度在同轴方向上透射,而在离轴位置上亮度低,然而,这样的膜是不可切换的,并且因此显示器仅限于隐私功能。

2、可切换隐私显示器可以通过来自空间光调制器的离轴光学输出的控制来提供。控制可以借助于离轴亮度降低、例如借助于显示器偏振器和附加偏振器之间的可切换偏振控制层来提供。

3、具有降低的离轴亮度的背光源可以被用来提供或增强隐私功能。某些成像定向背光源具有引导照明通过显示器面板进到观看窗口中的附加能力。成像系统可以被形成在多个源和各自的窗口图像之间。成像定向背光源的一个示例是可以采用折叠光学系统的光学阀,并且因此也可以是折叠成像定向背光源的示例。光可以在一个方向上基本上没有损耗地传播通过光学阀,而逆向传播的光可以通过反射出倾斜面的反射而被提取,如美国专利no.9,519,153中所描述,该专利整体通过引用并入本文。

4、由与液晶空间光调制器串联布置的单独可控的光源的阵列形成的背光源可以通过减小与空间光调制器上显示的图像的低发光区域对准的光源的输出光通量来提供高动态范围。高动态范围lcd(hdr-lcd)可以实现比通过lcd光学模式单独可以提供的动态范围优越的动态范围。光源(如利用较低分辨率图像数据寻址的led(发光二极管))的阵列被提供在局部调光lcd背光源中,以使得图像的暗区被具有低亮度的背光源照明,并且亮区被用高亮度照明。

5、薄基板和聚合物基板lcd面板可以提供类似于有机led(oled)显示器的机械特性,如柔韧性。这样的薄基板lcd期望地使用具有类似的机械特性的背光源。

6、一种类型的lcd背光源包括光导板以及在光导板的一端的输入光源(如led)的阵列。在波导内通过全内反射传播的光借助于表面特征被输出,表面特征调整波导内光的传播角度并且允许在接近掠射波导外部的角度处提取。这样的光借助于转向膜和/或后反射器被导引到lcd的法线方向。这样的光学堆叠可以具有高效率,但是具有多个光学组件,其中总背光源厚度通常为1mm或更大。这样的边缘照明式光导板通常不适合于用于hdr-lcd照明的二维局部调光、或者自由形式成形的lcd。

7、其他已知的背光源将发光二极管(led)的阵列合并在lcd后面的矩阵中,如美国专利公开no.2017-0261179中所描述的lcd包括多个空间分离的封装led和多个“蝙蝠翼”光学元件,每个蝙蝠翼光学元件被布置为将来自封装led的光导引到侧向方向上。这样的光被强烈地漫射以提供输出照明。这样的背光源需要昂贵的取放led和单个的光学器件对准,并且与边缘照明式背光源相比,具有高的厚度和降低的效率。

8、用于环境照明(如汽车前灯、建筑灯光、商用照明或家用照明)的照明系统可以提供窄的定向光输出分布,例如借助于聚焦光学器件来提供聚光灯照效果,或者可以实现广的定向光输出分布,例如借助于漫射光学器件。

9、白色led照明源可以由分离的光谱带(如红色、绿色、蓝色和黄色)组成,每个光谱带由单独的led元件创建。这样的源使得用户能够分辨单独的颜色,并且作为灯中的源的分离的结果,可以创建彩色照明斑块。

10、折反射元件组合折射表面(折射光学)和反射表面(反射光学),这可以提供全内反射或来自金属化表面的反射。采用具有小的输出发光强度立体角的折反射光学元件的背光源在wipo国际公开no.wo2010038025中被描述,该公开整个通过引用并入本文。


技术实现思路

1、根据本公开的第一方面,提供一种用于在预定区域的上方提供照明的照明设备,照明设备包括:在预定区域的上方延伸的波导,波导包括用于沿着波导引导光的前光引导表面和后光引导表面;发光元件的阵列,发光元件跨波导的后面的预定区域被排列,其中:后光引导表面包括:光输入阱的阵列,每个光输入阱被布置在各自的发光元件的上方;以及光偏转阱的阵列,光偏转阱不被布置在发光元件的上方,每个光输入阱包括朝向前光引导表面延伸的光输入表面,光输入表面被布置为将来自各自的发光元件的光输入到波导中,每个光偏转阱包括朝向前光引导表面延伸的光偏转表面以使得一些被引导的光入射在光偏转表面上并且一些被引导的光穿过光偏转表面,光偏转表面被布置为使入射在其上的被引导的光中的至少一些反射,并且光偏转阱具有围绕每个光输入阱的布置,布置使已经通过光输入阱的光输入表面输入的被引导的光围绕光输入阱分布;并且前光引导表面和后光引导表面中的至少一个包括光提取特征,光提取特征被布置为从波导提取被引导的光作为输出光;以及光转向布置,光转向布置被布置为将输出光中的至少一些重定向为朝向波导的平面的法线。照明设备可以以高效率和高亮度均匀性被提供在薄封装中。输出照明可以被局部化到围绕光输入阱的区域。用于高动态范围显示器的背光源可以被提供。

2、每个光输入阱的光输入表面包括具有表面法线的四个光输入面,表面法线具有在波导的平面中的平均分量,平均分量被定向为相对于参考轴线成0°、90°、180°和270°的至多10°、优选地至多5°内的角度。光可以以最大发光强度被输入到波导中,最大发光强度在波导的平面中的输入角度大约平行于、反平行于或正交于参考轴线。

3、四个光输入面可以是邻接的。光可以从各自的对准的发光元件被高效地捕捉。

4、光输入面中的每个可以是平面的。用于光输入阱的工具可以被方便地提供。在波导内传播的光锥可以跨每个各自的光输入阱附近的区域提供期望的均匀性。

5、光输入面中的每个在波导的材料中可以是凸面的。被准直的光输出锥的尺寸可以被减小,明亮度可以被提高,并且功耗可以被降低。对于窥探者观看地点的隐私图像的安全性因子可以被增大。

6、光提取特征可以包括四个光提取面的集合的阵列,每个光提取面具有表面法线,表面法线具有在波导的平面中的平均分量,平均分量被定向为相对于参考轴线成0°、90°、180°和270°的至多10°、优选地至多5°内的角度。光可以从波导以最大发光强度被提取,最大发光强度在波导的平面中的输入角度大约平行于、反平行于或正交于参考轴线。

7、光偏转阱的光偏转表面可以包括具有表面法线的至少一个光偏转面,表面法线具有在波导的平面中的平均分量,并且关于跨光偏转阱的阵列的光偏转阱的光偏转表面的平均分量可以被各种各样地定向为相对于参考轴线成45°、135°、225°和315°的至多10°、优选地至多5°内的角度。光线可以在波导中以最大发光强度被引导,最大发光强度在波导的平面中的输入角度保持大约平行于、反平行于或正交于参考轴线。被限定于各自的光输入阱附近的区域的光线可以被提供。均匀性可以被改进,并且高动态范围的对比度可以被提高。

8、光偏转阱的光偏转表面可以包括至少一对相对的光偏转面,关于相对的光偏转面的平均分量在相反的方向上延伸。光偏转阱可以提供来自多于一个的照明方向的光的反射,并且可以提供围绕至少相邻的光输入阱的限制,从而改进均匀性。

9、光偏转阱的光偏转表面可以包括第一对相对的光偏转面和第二对相对的光偏转面,第一对相对的面具有表面法线,表面法线具有在波导的平面中的分别被定向为相对于参考轴线成45°和225°的至多10°、优选地至多5°内的角度的平均分量,并且第二对相对的面具有表面法线,表面法线具有在波导的平面中的分别被定向为相对于参考轴线成135°和315°的至多10°、优选地至多5°内的角度的平均分量。对于围绕相邻的光输入阱的区域的输出的均匀性可以被提高。围绕附近的光输入阱的光的限制有利地被提供。

10、第一对相对的面和第二对相对的面可以是邻接的。有利地,面可以被方便地复制。围绕各自的光输入阱的光的限制可以以高效率被实现。

11、光偏转阱的光偏转表面可以包括在第一对和第二对的光偏转表面之间延伸的四个中间光偏转面。光偏转阱的工具加工和涂覆的复杂性可以被降低,从而降低成本。

12、光偏转阱可以在多对相对的面的端部被连接以形成围绕光输入阱的完整环路的网格。各自的光输入阱附近的输出的均匀性可以被改进。制造复杂性可以被降低。

13、光偏转面中的每个可以是平面的。光线可以在波导中以最大发光强度被引导,最大发光强度在波导的平面中的输入角度保持大约平行于、反平行于或正交于参考轴线。被限定于各自的光输入阱附近的区域的光线可以被提供。均匀性可以被改进,并且高动态范围图像的对比率可以被提高。

14、波导可以具有矩形形状,并且参考轴线可以平行于矩形形状的一边。照明设备的边缘处的边框区域的宽度可以被减小。

15、光转向布置可以包括光转向光学组件,光转向光学组件包括输入表面和面对输入表面的输出表面,输入表面跨波导的前光引导表面延伸并且被布置为接收来自波导的输出光,其中输入表面是棱镜的并且被布置为提供输出光朝向波导的平面的法线的偏转。输入表面可以包括被布置为提供输出光朝向波导的平面的法线的偏转的金字塔形凹部的阵列,每个金字塔形凹部包括四个光转向面。换句话说,光转向布置可以包括光转向光学组件,光转向光学组件可以包括光转向膜输入表面和面对输入表面的输出表面,光转向膜输入表面跨波导的前光引导表面延伸并且被布置为接收来自波导的输出光,输入表面包括被布置为提供输出光朝向波导的平面的法线的偏转的金字塔形凹部的阵列。每个金字塔形凹部可以包括具有表面法线的四个光转向面,表面法线具有在波导的平面中的平均分量,其中金字塔形凹部的四个光转向面具有被定向为相对于参考轴线成0°、90°、180°和270°的至多10°、优选地至多5°内的角度的平均分量。以多个角度从波导提取的具有最大发光强度的光线可以以小的锥角被导引到波导的法线方向的附近。对于围绕各自的光输入阱的区域的输出的均匀性可以被提高。围绕光输入阱的光的限制有利地被提供。图像明亮度可以在期望的用户方向上被提高。功耗可以被降低。用于具有高安全性因子的隐私显示器的背光源可以被实现。

16、通过光转向光学组件的输入表面提供的偏转可以跨光转向光学组件的平面在至少一个方向上变化,以使得被偏转的光被朝向照明设备的前面的共同的光学窗口导引。有利地,改进的均匀性可以被实现。

17、光转向布置可以包括光转向光学组件,光转向光学组件可以包括光转向膜输入表面和面对输入表面的输出表面,光转向膜输入表面跨波导的前光引导表面延伸并且被布置为接收来自波导的输出光,输入表面包括被布置为提供输出光朝向波导的平面的法线的偏转的金字塔形凹部的阵列。每个金字塔形凹部可以包括具有表面法线的四个光转向面,表面法线具有在波导的平面中的平均分量,平均分量被定向为相对于参考轴线成25°、90°、205°和270°的至多20°、优选地至多10°内的角度。以多个角度从波导提取的具有最大发光强度的光线可以被导引到远离波导的法线方向的两个方向上,每个方向具有小的光锥。图像明亮度可以在期望的用户方向上被提高。功耗可以被降低。适合于供两个观察者以高明亮度和效率使用的背光源可以被提供。用于汽车应用的中心堆叠显示器的背光源可以被提供。

18、金字塔形凹部的面的表面法线可以与波导的平面的法线具有35度至80度的范围内的、并且优选地45度至65度的范围内的倾斜角度。对于来自照明装置的照明锥的期望的输出方向可以被提供。

19、金字塔形凹部的对应的光转向面可以具有表面法线,表面法线具有跨光转向光学组件的平面在至少一个方向上变化的倾角以使得通过光转向光学组件的棱镜输入表面提供的偏转在至少一个方向上变化以使得被偏转的光被朝向照明设备的前面的共同的光学窗口导引。金字塔形凹部的至少一对相对的光转向面可以具有表面法线,表面法线具有在波导的平面中的平均分量,平均分量跨光转向光学组件的平面在至少一个方向上变化以使得通过光转向光学组件的棱镜输入表面提供的偏转在至少一个方向上变化以使得被偏转的光被朝向照明设备的前面的共同的光学窗口导引。光转向面可以沿着它们的延伸方向弯曲,或者可以沿着它们的延伸方向是笔直的。有利地,光瞳(pupillated)亮度输出可以被实现,并且提高的亮度均匀性和安全性因子可以被实现。

20、光转向布置可以包括光转向光学组件,光转向光学组件包括光转向膜输入表面和面对输入表面的输出表面,光转向膜输入表面跨波导的前光引导表面延伸并且被布置为接收来自波导的输出光,其中输入表面是棱镜的并且被布置为提供输出光朝向波导的平面的法线的偏转。从波导提取的光可以以高效率被朝向期望的输出方向导引。

21、光转向布置可以包括光漫射层。从波导输出的光可以被导引到宽照明锥中。用于可以从宽范围的极坐标地点以高图像可见性被观察的显示器的背光源可以被提供。

22、光漫射层可以包括颜色转换材料。发光元件可以被提供单一颜色,如蓝色。发光元件的成本可以被降低。发光元件的阵列的复杂性可以被降低。均匀的照明可以被提供在颜色转换材料的上方以实现适用于高动态范围显示器的均匀的背光源。

23、照明设备可以进一步包括至少一个光循环膜组件,光循环膜组件包括光循环膜输入表面和面对光循环膜输入表面的光循环膜输出表面,光循环膜输入表面跨光漫射层延伸并且被布置为接收来自光漫射层的输出光,其中光循环膜输出表面是棱镜的并且被布置为提供输出光朝向波导的平面的法线的再循环。输出的效率可以在朝向正面观看地点的方向上被提高。

24、光输入表面可以具有从波导的平面倾斜至多3°的表面法线。光输入阱附近的区域中的热点的可见性可以被降低。

25、光偏转表面中的每个可以具有从波导的平面倾斜至多3°的表面法线。光偏转阱附近的区域中的热点的可见性可以被降低。

26、每个倾斜的光提取特征可以具有从波导的平面的法线倾斜至多3°的表面法线。来自光偏转阱的热点的可见性可以被降低。

27、光偏转表面可以被涂覆反射材料。来自光偏转阱的热点的可见性可以被降低。围绕各自的光输入阱的区域中的限制可以被改进。

28、光输入阱可以具有开口,开口大于它们被布置在其上的各自的发光元件。有利地,热点的可见性可以被降低。光输入阱与发光元件的对准公差可以被减小,从而有利地降低成本和复杂性。

29、每个光输入阱进一步可以包括跨光输入表面延伸的输入阱端表面,光输入阱端表面被布置为在光输入阱上引导被引导的光。光输入阱端表面可以是平面的。光输入阱端表面可以被涂覆反射材料。来自光偏转阱的热点的可见性可以被降低。

30、光偏转阱进一步可以包括跨光偏转表面延伸的光偏转阱端表面,光偏转阱端表面被布置为在光偏转阱上引导被引导的光。光偏转阱端表面可以是平面的。光偏转阱端表面可以被涂覆反射材料。效率可以被提高,并且热点的可见性可以被降低。围绕各自的光输入阱的区域中的限制可以以高均匀性被实现。

31、光偏转阱可以被布置在围绕光输入阱具有四重旋转对称的网格中。光线可以在波导中以最大发光强度被引导,最大发光强度在波导的平面中的角度保持大约平行于、反平行于或正交于参考轴线。提取的光可以以窄的立体角被导引到光输出锥中。有效的被准直的输出照明可以被提供。

32、光偏转阱端表面可以具有相同的面积。工具加工和复制的复杂性和成本可以被降低。光偏转阱的可见性可以被降低。

33、光偏转阱端表面可以具有随着离各自的对准的光输入阱的距离而变化的面积。围绕各自的光输入阱限定的输出光的均匀性可以被提高。

34、照明设备可以被布置为按光输出分布发射光,其中光输出分布的发光强度半最大立体角与朗伯光分布的发光强度半最大立体角的比率可以小于1,优选地小于0.5,更优选地小于0.25,并且最优选地小于0.1。用于适合于对于离轴窥探者以高安全性因子的隐私操作模式以及对于离轴用户以高图像可见性的共享操作模式的可切换显示器的背光源可以被提供。

35、发光元件可以具有至多1000微米、优选地至多500微米、并且更优选地至多250微米的最大宽度。照明设备的厚度可以被减小。

36、在至少一个横截面平面中,光输入阱的中心之间的距离可以至多为20mm,优选地至多为10mm,并且更优选地至多为2.5mm。用于高动态范围操作的区域的可见性可以被降低。

37、前光引导表面可以被布置为通过全内反射来引导光。后光引导表面可以被布置为通过全内反射来引导光。被引导的光的高效率可以被实现。

38、照明设备可以进一步包括在后光引导表面后面的反射层,反射层可以被布置为使通过后光引导表面从波导提取的光往回反射通过波导以用于向前输出。照明设备的效率可以被提高。

39、后光引导表面可以被涂覆反射材料。围绕光输入阱的热点的可见性可以被降低。围绕各自的光输入阱的限制可以被增加。

40、通过光转向光学组件的棱镜输入表面提供的偏转可以跨光转向光学组件的平面在至少一个方向上变化以使得被偏转的光可以被朝向照明设备的前面的共同的光学窗口导引。对于被布置在包括背光源照明设备的显示器的前面的观看者,跨照明设备的亮度的均匀性可以被提高。

41、发光元件的阵列可以被支撑在支撑基板上。波导可以被附连到支撑基板。对于机械变化和热变化的弹性可以被提高。

42、照明设备可以进一步包括光阻挡元件,光阻挡元件围绕光输入阱、在支撑基板和波导的后光引导表面之间延伸。围绕光输入阱的热点的可见性可以被降低。

43、支撑基板可以进一步支撑被连接到发光元件的电子组件。发光元件可以被控制来提供高动态模式操作和其他光控制操作模式。

44、至少一些电子组件可以伸到光偏转阱中的至少一些中。照明设备的厚度可以被减小。

45、每个发光元件可以包括至少一个发光二极管可以被提供在可以被安装在支撑基板上的半导体基板上。半导体基板可以包括用于至少一个发射二极管的驱动电路的至少一部分。发光元件的成本和复杂性可以被降低。

46、每个发光元件可以包括至少一个发光二极管。高效率照明可以对于输入光被提供。

47、发光元件中的至少一些可以进一步包括颜色转换层。

48、颜色转换层可以被提供在发光二极管上或者被提供在与至少一个发光二极管分开的光输入阱内部。白光可以对于输入光被提供。颜色转换层的热波动可以被减小,从而提高转换效率和均匀性。

49、每个发光元件可以包括复数个发光二极管。复数个发光二极管可以具有不同的发光颜色。每个发光元件可以包括四个发光二极管,每个与各自的光输入阱的光输入面对准。关于不同的光输入阱的发光元件可以具有不同的发光颜色。输入光的颜色可以被控制,并且均匀照明可以跨阵列被提供。

50、照明设备可以进一步包括被布置为控制发光元件的控制系统。控制系统可以向照明设备提供图像信息,并且照明设备可以作为显示器被操作。高动态范围背光源设备可以被提供。

51、照明设备可以进一步包括被布置为共同地控制发光元件集群的控制系统。控制系统的成本和复杂性可以被降低。

52、根据本公开的第二方面,提供一种显示装置,显示装置包括:照明设备;以及被照明设备照明的透射空间光调制器。高动态范围显示设备可以被提供。输出可以在至少一个方向上被准直。高明亮度、高功率效率和均匀性可以在薄封装中被实现。适合于可切换隐私显示器的显示器可以被提供。适合于汽车控制台显示器的显示器可以被提供。显示器可以是弯曲的并且具有自由形式形状。

53、根据本公开的第三方面,提供一种被布置在空间光调制器的前面的目镜光学元件。目镜光学元件可以是透镜。来自虚拟现实显示设备的输出可以被提供来有利地实现具有高动态范围的显示内容的沉浸式观看。来自空间光调制器的光可以被高效地耦合到透镜中,从而改进效率。

54、根据本公开的第四方面,提供一种在预定区域的上方延伸的波导,波导包括用于沿着波导引导光的前光引导表面和后光引导表面,其中:后光引导表面包括:光输入阱的阵列,光输入阱用于布置在各自的发光元件的上方;以及光偏转阱的阵列,每个光输入阱包括朝向前光引导表面延伸的光输入表面,光输入表面被布置为将来自各自的发光元件的光输入到波导中,每个光偏转阱包括朝向前光引导表面延伸的光偏转表面以使得一些被引导的光入射在光偏转表面上并且一些被引导的光穿过光偏转表面,光偏转表面被布置为使入射在其上的被引导的光中的至少一些反射,并且光偏转阱具有围绕每个光输入阱的布置,布置使已经通过光输入阱的光输入表面输入的被引导的光围绕光输入阱分布;并且前光引导表面和后光引导表面中的至少一个包括光提取特征,光提取特征被布置为从波导提取被引导的光作为输出光。

55、这样的设备可以被用于lcd背光照明或者至少被用于汽车、家用或专业照明。

56、本公开的各方面中的任何一个都可以按任何组合被应用。

57、本公开的实施方案可以被用于各种光学系统中。实施方案可以包含各种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、自含投影仪系统、视觉系统和/或视听系统、以及电气装置和/或光学装置,或者与各种投影仪、投影系统、光学组件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、自含投影仪系统、视觉系统和/或视听系统、以及电气装置和/或光学装置一起工作。本公开的各方面可以与光学装置和电气装置、光学系统、演示系统相关的几乎任何设备、或可以包含任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此,本公开的实施方案可以被用于光学系统、视觉呈现和/或光学呈现中使用的装置、视觉外设等中、以及若干计算环境中。

58、在继续详细地讨论所公开的实施方案之前,应理解本公开在其应用或创建中不限于所示的具体布置的细节,因为本公开能够有其他实施方案。而且,本公开的各方面可以按不同的组合和布置被阐述以限定其本身独特的实施方案。此外,本文中使用的术语是出于描述、而非限制的目的。

59、本公开的这些及其他优点和特征对于本领域的普通技术人员来说,在完整地阅读本公开后,将变得显而易见。

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