照明组件及其形成方法
【专利说明】
[0001] 本申请是基于申请日为2011年12月2日、申请号为201180058442. 6(国际申请 号为PCT/US2011/063047)、发明创造名称为"照明组件及其形成方法"的中国专利申请的分 案申请。
[0002] 相关专利申请
[0003] 名称为"ILLUMINATION ASSEMBLY AND METHOD OF FORMING SAME"（照明组件及 其形成方法）的共同拥有和同时待决的美国专利申请No. 61/419, 832以引用方式并入本文 中。
技术领域
[0004] 本发明涉及适于从背后照明显示器或其他图形的照明组件，它们通常被称为背光 源。本发明特别适于（但不一定限于）包括实心光导的侧光式照明组件。
【背景技术】
[0005] 从历史上看，诸如背光源装置的简单照明组件仅包括三种主要部件：光源或灯、后 反射器和前漫射体。这样的系统在广告招牌以及室内照明应用中仍然通用。
[0006] 近年来，通过加入其他部件来提高亮度或降低功耗、提高均匀度、和/或减小厚 度，已对该基本设计作了改进。高速发展的消费电子行业对装有液晶显示器（LCD)产品的 需求是促进这些改进的动力，例如对计算机显示器、电视显示器、移动电话、数码相机、袖珍 式MP3音乐播放器、个人数字助理（PDA)、以及其他手持装置的需求。本文将进一步结合有 关LCD装置的【背景技术】信息来描述这些改进中的其中一些，例如使用实心光导以允许设计 十分薄的背光源，以及使用光控膜（诸如线性棱柱膜和反射偏振膜）来增加轴向亮度。
[0007] 尽管上文列出产品中的一些可以使用平常的环境光来观看显示器，但大部分产品 均包括用于使显示器可见的背光源。就LCD装置而言，这是由于LCD面板不是自行照明，因 此通常使用照明组件或背光源来观看。从观察者方向看，背光源位于IXD面板的相对侧，使 得背光源产生的光穿过LCD到达观察者。背光源包括诸如冷阴极荧光灯（CCFL)或发光二 极管（LED)之类的一个或多个光源，将光源发出的光分配到与LCD面板的可视区域相配的 整个输出区域或表面上。背光源发出的光在背光源输出区域上有利地具有足够的亮度和足 够的空间均匀度，从而让LCD面板产生的图像带给用户满意的视觉体验。
[0008] -般来讲，IXD装置属于三个类别中的一类，并且这些类别中有两类使用了背光 源。第一类别称为"透射型"，仅能借助于发光背光源来观看IXD面板。即，IXD面板被构造 为仅通过"透射方式"来观看，来自背光源的光穿过其光路上的LCD透射至观察者。第二类 别称为"反射型"，背光源被除去并用反射材料替换，并且LCD面板被构造为仅通过位于LCD 观察者一侧的光源来观看。来自外部光源（如环境室内灯）的光从LCD面板的正面到达LCD 面板的背面，经反射材料反射，再次穿过其光路上的LCD到达观察者。第三类别称为"透反 射型"，背光源和局部反射材料均布置在LCD面板后，该LCD面板被构造为既可以在背光源 开启时通过透射方式来观看，也可以在背光源关闭并且存在足够的环境光时通过反射方式 来观看。
[0009] 以下【具体实施方式】中描述的照明组件通常可用于透射型IXD显示器和透反射型 LCD显示器。
[0010] 除了上述三类IXD显示器之外，根据内部光源相对于背光源输出区域或表面所处 的位置，背光源还可分为两类，其中背光源的"输出区域"对应于显示装置的可视区域或可 视区。本文中背光源的"输出区域"有时称为"输出区"或"输出表面"，以将输出区或输出 表面本身与输出区或输出表面的面积（数量单位为平方米、平方毫米、平方英寸等）区别开 来。
[0011] 在"侧光式"背光源中，一个或多个光源沿着背光源构造的外部边界或周边设置 (见平面透视图），通常在与输出区域相对应的区域或地带之外。通常，光源因形成背光源 输出区域边界的框架或挡板的遮挡而观察不到。光源通常将光射入称为"光导"的部分中， 尤其是在需要超薄型背光源的情况下，如在膝上型计算机显示器中。光导为相对薄的透 光固态板（plate)，其长度和宽度尺寸接近于背光源输出区域的尺寸。光导使用全内反射 (TIR)，以将光从安装在边缘的光源横跨光导的整个长度或宽度传送或引导到背光源的相 对边缘，并且光导的表面上可设置具有局部提取特征的非均匀图案，以将出自光导的所导 引光中的一些光再导向背光源的输出区域。其他逐步提取的方法包括使用锥形实心光导， 其中随着光从光源传播开有更多光线（平均而言）达到TIR角度，因此倾斜的顶部表面导 致了光的逐步提取。此类背光源通常也包括光控膜（例如设置于光导后方或下方的反射材 料）以增加轴向亮度，以及设置于光导前方或上方的反射偏振膜和棱柱增亮膜（BEF)膜。
[0012] 在"直接照明式"背光源中，一个或多个光源大体上设置在与输出区域相对应的区 域或地带内（见平面透视图），通常以规则排列的阵列或图案设置于该地带内。或者，可以 说直下式背光源中的光源是直接设置在背光源的输出区域后方。因为透过输出区域有可能 直接观察到光源，所以通常在光源上方安装强效漫射板以在输出区域上散布光，从而遮掩 光源使得不能直接观察到光源。另外，光控膜（例如反射偏振膜和棱柱BEF膜）也可以设 置在漫射板顶部以用于改善轴向亮度和效率。
[0013] 在一些情况下，直下式背光源也可以包括位于背光源周边的一个或多个光源，或 侧光式背光源可以包括直接位于输出区域后方的一个或多个光源。在这种情况下，如果大 部分光直接从背光源输出区域的后方发出，则认为背光源为"直接照明式"，并且如果大部 分光从背光源输出区域的周边发出，则认为背光源为"侧光式"。
【发明内容】
[0014] 在一个方面，本发明提供了包括光导的照明组件，所述光导包括输出表面和沿着 光导的至少一个边缘的基本垂直于输出表面的输入表面，其中输入表面沿着y轴线延伸。 所述组件还包括沿着基本平行于y轴线的轴线线设置的多个光源，其中光源用以导引光通 过输入表面进入光导。光源沿y轴线的中心至中心间距为至少15mm，并且多个光源中的至 少一个光源的主要发射表面与输入表面之间的距离不大于1_。所述组件还包括设置在多 个光源和光导的输入表面之间的结构化表面层，其中所述结构化表面层包括基底和基底的 第一表面上的面向多个光源的多个结构体。所述组件还包括多个提取特征，用以导引来自 光导的光通过输出表面，其中一个或多个提取特征被设置成离多个光源IOmm以内。多个光 源和结构化表面层用以导引光的至少一部分在光导平面内与输入表面的法线成至少45度 地穿过输入表面进入光导。
[0015] 在另一方面，本发明提供了包括光导的照明组件，所述光导包括输出表面和沿着 光导的至少一个边缘的基本垂直于输出表面的输入表面。所述组件还包括多个光源，所述 光源被设置成将光对准而穿过输入表面进入光导；以及设置在多个光源和光导的输入表面 之间的结构化表面层。所述结构化表面层包括基底和所述基底的第一表面上的面向多个光 源的多个结构体。所述多个结构体中的至少一个结构体包括由三次贝塞尔曲线限定的形 状，该三次贝塞尔曲线具有两个端点（?,%)和（x 3，y3)以及两个控制点（Xl，yi)和（x2，y 2)， 其中所述曲线连接如下曲线的两个端点：
[0016] x(t) = axt3+bxt2+cxt+x〇，y (t) = ayt3+byt2+cyt+yQ，此处 tf_, [0 1]，
[0017] 其中：
[0018] Cx= 3 (x !-x0)
[0019] bx= 3 (x 2-x^ -cx
[0020] ax= x 3-x〇-cx-bx
[0021] Cy= 3(y !-Y 0)
[0022] by= S(Y2-Y1)-Cy
[0023] ay=y3-yQ-cy-by。
【附图说明】
[0024] 在整个说明书中参考的附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：
[0025] 图IA是照明组件的一个实施例的示意性剖视图，该照明组件包括结构化表面层。
[0026] 图IB是图IA的照明组件的示意性平面图。
[0027] 图2A-D是结构化表面层的各种实施例的示意性剖视图。
[0028] 图3是结构化表面层制品的一个实施例的示意性剖视图。
[0029] 图4是显示系统的一个实施例的示意性剖视图。
[0030] 图5是照明组件的另一个实施例的示意性剖视图，该照明组件不包括结构化表面 层。
[0031] 图6是图5的照明组件的光导内亮度与位置的关系曲线图。
[0032] 图7是照明组件的一个实施例的光导内亮度与位置的关系曲线图。
[0033] 图8是照明组件的另一个实施例的光导内亮度与位置的关系曲线图。
[0034] 图9是照明组件的另一个实施例的光导内亮度与位置的关系曲线图。
[0035] 图10A-B是照明组件的各种实施例的均匀度与LED间距的关系曲线图。
[0036] 图11是用于金刚石车削机的金刚石的一个实施例的显微图。
[0037] 图12A-B是结构化表面层的各种实施例的显微图。
[0038] 图13A-C是不包括结构化表面层的照明组件的一个实施例的光导Prometric图中 亮度与位置的关系曲线图。
[0039] 图14A-C是照明组件的一个实施例的光导Prometric图中亮度与位置的关系曲线 图。
[0040] 图15A-C是照明组件的一个实施例的光导Prometric图中亮度与位置的关系曲线 图。
[0041] 图16A是照明组件的各种实施例的耦合效率与LED到光导的距离的关系曲线图。
[0042] 图16B是图16A的照明组件的均匀度与LED到光导的距离的关系曲线图。
[0043] 图17A是照明组件的各种实施例的耦合效率与LED到光导的距离的关系曲线图。
[0044] 图17B是图16A的照明组件的均匀度与LED到光导的距离的关系曲线图。
[0045] 图18是照明组件的各种实施例的辐射亮度与角度的关系曲线图。
[0046] 图19是照明组件的各种实施例的TIR锥之外的光份额与光导折射率的关系曲线 图。
[0047] 图20A是结构化表面层的结构体的一个实施例的高度与位置的关系曲线图。
[0048] 图20B是图20A的结构体的表面法线分布曲线图。
[0049] 图20C是图20A的结构体的表面法线概率分布曲线图。
[0050] 图21A-C是包括具有图20A-C所示结构体的结构化表面层的照明组件的光导内亮 度与位置的关系曲线图。
[0051] 图22A是结构化表面层的结构体的另一个实施例的高度与位置的关系曲线图。
[0052] 图22B是图22A的结构体的表面法线分布曲线图。
[0053] 图22C是图22A的结构体的表面法线概率分布曲线图。
[0054] 图23A-C是包括具有图22A-C所示结构体的结构化表面层的照明组件的光导内亮 度与位置的关系曲线图。
[0055] 图24A是结构化表面层的结构体的另一个实施例的高度与位置的关系曲线图。
[0056] 图24B是图24A的结构体的表面法线分布曲线图。
[0057] 图24C是图24A的结构体的表面法线概率分布曲线图。
[0058] 图25A-C是包括具有图24A-C所示结构体的结构化表面层的照明组件的光导内亮 度与位置的关系曲线图。
[0059] 图26A是结构化表面层的结构体的另一个实施例的高度与位置的关系曲线图。
[0060] 图26B是图26A的结构体的表面法线分布曲线图。
[0061] 图26C是图26A的结构体的表面法线概率分布曲线图。
[0062] 图27A-C是包括具有图26A-C所示结构体的结构化表面层的照明组件的光导内亮 度与位置的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0063] -般来讲，本发明描述的照明组件提供适于预期应用的亮度均匀性和空间均匀 度。此类组件可用于任何合适的照明应用，如显示器、标牌、一般照明等。在一些实施例中， 所述照明组件包括光导、可被操作以导引光进入光导的多个光源，以及设置在光源和光导 之间的结构化表面层。所述组件可被构造为在组件的输出表面处提供均一的输出光通量分 布。术语"均一的"是指光分布没有可观察到的亮度特征或令观察者讨厌的不连续性。输 出光通量分布的合格均匀度通常取决于应用，如在一般照明应用中均一的输出光通量分布 在显示器应用中可能视为不均一的。
[0064] 如本文所用，术语"输出光通量分布"是指在组件或光导的整个输出表面上的亮度 变化。术语"亮度"是指输出到单位立体角度中的每单位面积的光（cd/m 2)。
[0065] 包括诸如LED的光源和用于分配该光源的光的实心光导的照明组件通常面临许 多亮度均匀性上的难题。这些难题中的一个是光在较大面积上的均一分布。通常通过优 化光导表面或光导内部形成的提取特征的形状和图案或密度梯度来应对该难题。另一个 难题是光导的入射边缘附近的亮度均匀性。有两个因素会造成光导输入表面处的亮度不均 匀：（1)当光从空气入射到实心光导中时，其在全内反射（TIR)锥内折射，例如对于折射率 为1. 49的光导该全内反射锥的锥角为约+/-42度；以及（2) LED是不能被轻易改造成线光 源的点光源。因此，离散的点光源将约42度半角的光锥射入光导，并且该光导的入射边缘 附近的亮度均匀性只能在光导中距该边缘特定距离处实现，此处相邻光锥之间存在显著重 叠。
[0066] 例如，图5代表从中心至中心间距为IOmm的三个LED 520发射到光导510中的若 干模拟光线。LED位于离光导510的输入表面514的距离为1mm处。光线代表使用标准建 模技术生成的建模数据。光导的折射率为1.49。由于相邻LED 520发射的光锥缺乏显著重 叠，故形成了非均匀区502,这种现象称为"前灯照明"。
[0067] 使用下列公式由光导的折射率(其确定光导中的TIR角度θ TIR)以及LED间 隔Dmi(对应于图IB中的距离e)确定光导输入表面附近的该非均匀区的范围：
[0068] L = '('I、 2 tan 砍.//;)〇
[0069] 因为LED效率不断改进，所以为组件递送目标平均亮度所需的LED数不断减少。此 外，在光导的一个边缘上使用较少的LED可具有显著的成本和热量方面的优势。然而，使用 较少的LED产生了新问题。随着LED数减少，LED之间的间距D m随之增加，并且非均匀区 L的范围变得过大，以至于对于大多数应用（如LED LCD)而言是不可接受的。这就是所谓 的"均匀度约束"。
[0070] 本发明的照明组件被设计为通过更有效地使光在光导的平面内传播，来减小光导 输入表面附近的非均匀区的尺寸。因此，本发明所公开的组件能够使得D m显著增大。
[0071] 图IA-B是照明组件100的一个实施例的示意性剖视图和平面图。照明组件100 包括光导110,该光导具有输入表面112和沿着光导的至少一个边缘的基本垂直于输出表 面的输入表面114 ;多个光源120,其被设置成可将光对准而通过输入表面进入光导；以及 设置在多个光源和输入表面之间的结构化表面层130。在图示实施例中，输入表面沿着y轴 线延伸，并且多个光源沿着基本平行于y轴线的轴线设置。在一些实施例中，光源120用以 导引光通过结构化表面层130,并通过输入表面114进入光导110。
[0072] 结构化表面层130包括基底132和基底的第一表面133上的面向多个光源120的 多个结构体136。输入表面沿着