表面形光源的节能照明的制作方法

专利名称：表面形光源的节能照明的制作方法
表面形光源的节能照明 领域本发明涉及到照明系统，特别是涉及到用于表面形光源节能照明
的仪器。
背景不仅把照明应用于视觉发光体，还应用于摄影、显微镜、科研、 娱乐节目制作(包括剧院，电视和电影)、投影和背光灯方面。在照明时，就
要使用点光源或一维光源系统。这些系统有很多缺点与房间或环境的其余地
方相比，光源处的光强度非常高，因此，这种光源会对眼睛造成伤害。这种光 源还会投射出非常明显的影子，使眼睛感到不舒服，因此，在摄影及娱乐节目 制作中可能不使用这种光源。这种光源照射到桌面、电视面板及监控器面板等 表面时，还会造成眩光。平板屏(如，液晶显示屏)的背光能够提供均匀或几乎均匀的光 。背光的重要解决方案之一就是，给液晶显示屏配备一个板形光导(该光导有 若干形状，如点状)或配备一些印在其上的棱镜来萃取光，或通过传播大量的 光扩散粒子来萃取光。光导由夹在两个低折射率材料之间的高折射率材料形成 。把光从板的一端或多端导入。这些表面形光源实际上只是把光从其它初始光源再次传给预定的 发射源。该初始光源必须与表面形光源有效耦合。该应用中所使用的光源包括 CCFL灯，发光二极管阵列等。通常情况下，平板彩色显示器采用的是白光形照明。白光落到使 用滤色器的显示器(如，液晶显示器)上，从而描绘出颜色。由于大量的光被 滤色器吸收，因此，滤色器就降低了显示效能。另一个缺点是，滤色器会降低 显示器的透射率。要避免使用滤色器，就要使用彩色光。必须适当耦合该彩色 光，从而显示正确的颜色。
摘要公开一种把光耦合进表面形光源的仪器和方法。在实际应用中， 该仪器由包含光扩散器的线光源组成。该仪器还有一张在第一条边上有线光源 的板，线光源沿着第一条边扩散。线光源把光扩散开来，从而使光以预定的形 式沿着板的第一条边扩散。根据附图和权利要求书中所指出情况来描述上述特征及其它首选 特征(包括仪器及元件组合的详细情况)。不言而喻，此处所描述的具体方法 和系统仅如图解所示，不受任何局限性。正如艺术技术人员所理解的，在不超 出本发明的范围的前提下，可将此处所描述的原理和特征应用于很多实例。
附图的简要说明本说明书中所包括的


了目前的首选实例、上文中的一般 性说明及下文中的详细说明，以解释本发明的原理。图8为背光的典型光源实例框图。图9为另外一个背光的典型光源实例框图。图10为光耦合系统的实例框图。图11为光耦合系统的实例框图。图12为光耦合系统的实例框图。图13为光耦合系统的实例框图。图14为背光的典型光源实例框图。图15为典型多色背光显示器的实例框图。图16A为典型背光显示系统的典型圆柱俯视图的实例框图。图16B为背光显示系统的典型圆柱侧视图的实例框图。图16C为背光显示系统的典型圆柱侧视图的实例框图。图17A为典型光源照亮多色发光器的实例框图。图17B为典型光源照亮多色发光器圆柱主视图的实例框图。图17C为典型光源照亮多色发光器圆柱俯视图的实例框图。图18A为另外一个典型光源照亮多色发光器的实例框图。图18C为另外一个典型光源照亮多色发光器圆柱俯视图的实例框图。图19为典型光源照亮多色发光器圆柱的实例框图。
图20A为典型光源照亮多色发光器圆柱的实例框图。
图20B为典型光源照亮多色发光器圆柱的实例框图。
图21为典型光源照亮线光源的实例框图。
图22为典型光源照亮线光源的实例框图。
详细说明公开一种把光耦合进表面形光源的仪器和方法。在实际应用中， 系统由线光源组成。该线光源包括扩散材料的分布。该扩散材料把传播到线光 源上的光扩散开来，并把它耦合到表面形光源上。根据实例说明能有效耦合线光源及表面形光源的仪器。根据另外一个实例说明能够有效耦合颜色线光源及多色背光板的仪器。根据另外一个实例说明能够有效耦合初始光源(如，发光二极管
)及线光源的仪器。图1A为典型光源系统199主视图的实例框图。把初始光源100 耦合到线光源102上。初始光源可以为任何一种点光源，如，发光二极管，激 光器，有机发光二极管等。线光源102有一个透明材料中形成的圆柱状导波。 表面形光源104 (核心)是在一个透明材料板上形成的光源。在实际应用中， 线光源的折射率比核心折射率大。核心104的折射率比电镀板108的折射大 。线光源102有一个光扩散器的稀疏分布。光扩散器为金属粉末、金属颜料、 有机粉末及有机颜料中的一个或多个。光扩散器反射入射光。在可选实例中， 光扩散器为透明粒子及透明泡状物中的一个或多个。光扩散器扩散折射光。当 碰到扩散粒子时，在线光源内传播的光就会扩散开来，并脱离线光源。 一些光 就会进入核心104。把线光源102安装在反射面106 (反射面可以为任何一种 反射体，如，金属表面，分布布拉格反射体，混合反射体，全内反射体或全向 反射体)的焦点处。在实际应用中，反射面为抛物线形。线光源发出的光传播 到反射面106上，并被反射到核心104上。核心104为任何一种表面形光源 。核心104充当在其上传播的扩散光光源的作用，该扩散光通过大量的扩散粒 子传播，或被刻在一个或多个表面上。把反光镜109安装在核心104的各条 边上，但安装线光源102的边除外。图1B为典型光源系统199侧视图的实例框图。把初始光源100 耦合到线光源102上。表面形光源104(核心)是在一个透明材料板上形成的 光源。把线光源102安装在反射面106的焦点处，该反射面可以为任何一种 光反射体。线光源发出的光传播到反射面106上，并被反射到核心104上。 核心104的折射率比电镀板108的折射大。在可选实例中，反射面106为椭 圆形、圆形或矩形。图2A为典型光源系统299主视图的实例框图。把初始光源210 耦合到第二个线光源212上，该线光源安装在核心104的边上，该边与安装 第一个线光源102的边相对。核心104为任何一种表面形光源。核心104充 当在其上传播的扩散光光源的作用，该扩散光通过大量的扩散粒子传播，或被 刻在一个或多个表面上。把反光镜209安装在核心104的各条边上，但安装 线光源102和212的边除外。把线光源102安装在反射面106 (反射面可以为任何一种反射体，如，金属表面，分布布拉格反射体，混合反射体，全内反 射体或全向反射体)的焦点处。把第二个线光源安装在反射面216的焦点处，
反射面216可以为任何一种反射体，如，金属表面，分布布拉格反射体，混合
反射体，全内反射体或全向反射体。图3为光源系统399主视图的实例框图。把光源308安装在线光 源圆柱304的一端附近。光源308可以为发光二极管或其它类似的光源。从 光源308发出的光进入线光源圆柱304内。在实际应用中，利用光学装置(如， 聚集反射体)把光源308发出的光传播到线光源圆柱304内。线光源圆柱304 由扩散器组成，该扩散器可能由透明小粒子或泡状物组成，这些粒子或泡状物 通过边界处的折射和反射、粒子内的扩散、散射或全内反射把光314扩散开来 。光源308发出的光被扩散到线光源圆柱的整个长度上，并从所有方向退出。 光退出核心方向与核心耦合。从其它方向退出的光可能会通过反射体(如，上 文图1A所描述的反射体)被循环使用。图4为线光源圆柱的典型元件499的实例框图。元件499的高度 非常小。当光400进入元件499时， 一部分光与照明光402 —样，被扩散并 离开光导，其它的光传播到下一个线光源元件上。进入元件499的光400的 功率与扩散光402和继续传播到下一个元件的光的总功率相当。相对于进入元 件499的光400而言，扩散光402的部分为元件499的扩散率差。元件499 的扩散率差与元件400的高度成正比。元件499的扩散率差与元件499的高 度之间的比率为元件499的光的分布密度。当元件499的高度降低时，光的 分布密度接近一个常量。元件499的光的分布密度与元件499处的扩散器分 布浓度有某种关系。这种关系在某种程序上为近似成正比的关系。当知道元件 499的扩散器分布浓度时，就可以计算出其光的分布密度，反之亦然。
当元件499的高度降低时，扩散光402的功率也会相应地降低。 扩散光402的功率与元件499的高度之间的比率为元件499处扩散光的功率 密度，当元件499的高度降低时，该比率接近一个常量。元件499处扩散光 的功率密度等于光的分布密度与入射光的功率的乘积(即，通过该元件的光的 功率)。通过元件499的光的功率梯度为扩散光功率密度的负值。这两者的关 系可用微分方程式来表示。该方程式为"dP/dh二-qP二-K"，其中
h为光源到线光源元件的距离；
P为通过元件的光的功率；
q为元件的光扩散密度；
K为元件处的扩散光的功率密度。当知道各元件处的光分布密度时，用该方程式来计算扩散光的功 率密度。当知道扩散光的功率密度时，还用该方程式来计算各元件的光分布密 度。为了设计出具有特殊扩散光功率密度的特殊线光源，可用上述微分方程式 计算出各线光源元件(如，线光源102)处的光分布密度。这样，就可以计算 出线光源各元件处的扩散器分布浓度。把这种线光源用作光导中所需扩散光功 率密度的线光源圆柱。如果线光源的扩散光分布均匀，则该扩散光的功率密度会随着高 度的上升而指数下降。可以使均匀扩散光的功率密度接近于所选择的扩散器分 布浓度，从而把功率从光源的一边附近到其对边的降落减到最小。为了减少功 率损失，增加扩散光功率的均匀度，对边把光反射到线光源圆柱499上。在可 选实例中，另外一个线光源把光反射到对边上。为了获得均匀照明，光的分布密度和扩散器分布浓度必须在线光 源长度上发生变化。这可通过上述方法来实现。所需的光的分布密度为 q=K/(A-hK)，其中，A为进入线光源的扩散光功率，K为各元件处的扩散光的 功率密度，均匀照明的扩散光功率密度是一个常量。如果线光源的总高度为H， 则H与K的乘积应小于A，即，扩散光的总功率应小于进入光导的光的总功率， 如果是这样的话，上述解决方案就是切实可行的。如果进入光导的光的全部功 率被充分用于照明，则H与K的乘积等于A。在实际应用中，应使H与K的 乘积略小于A，这样的话，就只会浪费少量功率，光的分布密度也总是有限的图5为有不同浓度扩散粒子的线光源圆柱599的实例图。从线光源圆柱504的光源边(近光源508)到其对边，502扩散光的分布浓度由稀疏 变为稠密。图6为有两个光源608， 609的典型线光源圆柱699的实例图。 当使用光源608和609时，线光源圆柱604中扩散器分布浓度602就不需要 发生巨大变化。应利用上文列出的微分方程式来计算光源608或609的扩散 光功率密度。这两个功率密度之和就是特殊核心元件处的扩散光的总功率密度可以通过光的分布密度q-1/sqrt((h-H/2A2+C/KA2))来实现光源 699的均匀照明，其中，sqrt为平方根函数，八代表取幂，K为扩散光的平均 功率密度/光源(数量等于各元件处的扩散光总功率密度的一半)，C=A(A-HK)。图7为典型反射式线光源圆柱799的实例图。当使用反射式线光 源704时，核心704中扩散器分布浓度702就不需要发生巨大变化。中心线 光源圆柱704的顶端710被反射出去，把光反射到线光源圆柱704上。要实 现光源799的均匀照明，就要利用光的分布密度方程式
q=1/sq,-H/2A2+C/KA2))
其中，D=4A(A-HK)对任何照明系统(如，表面形光源599， 699和799)而言，即使 光源的功率发生变化，光的发射形式均相同。例如，如果线光源圆柱799的光 源708供给一半额定功率，则核心704的各元件就会扩散一半的额定功率。 在改变其光源708或其它光源的功率时，专门设计的用作均匀线光源的光导核 心704在所有额定功率时都起均匀线光源的作用。如果有两个光源，则它们的 功率会相继发生变化，以达到其效果。图8为背光的典型光源899的实例框图。把线光源802安装在抛 物线形反射面806的焦点处。反射体806把线光源802发射出的光线810反 射出去并进入核心804。图9为另外一个背光的典型光源999实例框图。应使用低折射率 的覆层板914，而不使用透明核904。核心904在与线光源902相对的边上被 反射出去。反光镜908可以为任何一种反射镜(包括上文图1A所描述的任何 一种反射镜)。904反射体把线光源902发射出的光线910反射出去并进入核 心904。到达核心904反射边908的光线912被反光镜908反射出去。光线912被反射回来并从光902完全透明的线光源穿过，然后又被反射体906反射 出去，再进入核心904。图10为光耦合系统1099的实例框图。把线光源1002安装在抛 物线形反射面1010的焦点处。线光源1002包含分布浓度稀疏的偏向粒子1006 。确定粒子1006的方向，这样的话，他们把就大部分光扩散开来并进入抛物 线形反射体1010。反射体1010把线光源1002发射出的光线1012反射出去 。光1014射出的反射线反射几乎与核1004的边平行。因此，射线1014与核 心有效耦合，避免了核心内光的浪费。图12为光耦合系统1299的实例框图。线光源1202包含分布浓 度稀疏的光扩散粒子1206。反射面1208遮盖了线光源1202的部分底面。反 射面1208可以为任何一种反射体(包括上文图1A所描述的反射体)。反射 体1208把线光源1202内的光线1214反射出去。反射光线再射到核心1204 上。同样地，光线1212也射到核心1204上。核心1204的底面1220就形成 了。在实际应用中，底面1220呈椭圆形。核心1204内的光线1212和1214 变得平直，并与核心1204有效耦合，避免了核心1104内光的浪费。图13为光耦合系统1399的实例框图。线光源1302包含分布浓 度稀疏的光扩散粒子。把线光源1302安装在矩形反射面1314的孔内。反射 面1314可以为任何一种反射体(包括上文图1A所描述的反射体)。反射体 1314把线光源1302内的光线1303反射出去。光线1303可能在经历一次或 多次反射后射到核心1304上。同样地，光线1305直接射到核心1304上。
控制光扩散角图14为背光的典型光源1499的实例框图。线光源1402和1403
是安装在抛物线形反射面1410的焦点处的透明同心管。在实际应用中，线光 源1402的折射率比线光源1403的折射率大。在可选实例中，线光源1402和 1403的折射率相同，并且被低折射率的覆层分开。线光源1402发出的光线原点离焦点近。光线1412和 1414经抛物线形反射面1410反射后分别生成反射线1416和1418。进入核 心1404的光线1416比光线1418平行。与光线1418相比，光线1416提供 了一个与中心面更紧的扩散角。通过控制进入线光源1402和1403的光来控 制核心1404的光扩散角。
光与多色发光器的耦合图15为典型多色背光显示器1599的实例框图。在平板显示屏 1506上显示图像。在实际应用中，平板显示屏1506为液晶显示器的显示屏。 板1504包含大量的柱状发光器。每个发光器照亮一个像素的圆柱。不同的发 光器发出不同颜色的光。因此，光照射在不同像素圆柱上就会显示出不同的颜 色。在可选实例中，发光器圆柱不是直立的。面1502是把光从板1504反射 到显示屏1506的反方向上的反射面。线光源1508为大量的线光源，各个线 光源传播一种带特殊颜色的光。这些线光源1508被安装在反射体1510的孔 内。图15为完整的显示系统。下文所描述的仅为多色显示系统的单柱。图16B为典型背光显示系统的典型圆柱1699侧视图的实例框图 。通过反射或全内反射把光线1618导入光导1620。偏光器1608、液晶1610 和偏光器1612 —起组成光阀1622，该光阀可调节穿过它的光的强度。发光器 圆柱1604、覆层板1606和反光镜1602 —起组成光导1620。发光器圆柱1604 的折射率比覆层板1606的折射率大。通过反射或全内反射把光导入光导1620。发光器圆柱1604包含分布浓度稀疏的光扩散粒子。后视镜1602反射来自 圆柱1604后面的光。图16C为背光显示系统的典型圆柱1699侧视图的实例框图。侧 镜1614反射来自圆柱1604侧面的光。侧镜1614防止光泄漏进入相邻圆柱。图17A为典型光源1799照亮多色发光器1740的实例框图。光源 1799包含大量的线光源1704。在实际应用中，线光源为带有上文图1A所描 述的微扩散粒子的透明管，该微扩散粒子的分布浓度低。在实际应用中，就定 向取光而言，扩散粒子具有特殊的形状。把线光源1704安装在反射槽的焦点 处。在实际应用中，反射槽1706为抛物线形。反光镜1708部分遮盖了各个 光槽1706。把反光镜1708和1714放置在能够把来自线光源1704的光反射 到发光器1740的相应圆柱的位置处。在实际应用中，反光镜1708遮盖了光 槽1706的三分之一面积。反光镜1708和1714可以为任何一种反射体(包括 上文图1A所描述的反射体)。第一种颜色光1702经过反光镜1708和1710 的反射后，最终射入相应的发光器1700。图17B为典型光源1799照亮多色发光器圆柱1700主视图的实例 框图。把线光源1704安装在反射槽1706的焦点处。在实际应用中，反射槽 1706为抛物线形。反光镜1708部分遮盖了各个光槽1706。反光镜170可以 为任何一种反射体(包括上文图1A所描述的反射体)。第一种颜色光1702 经过反光镜1708和1710的反射后，最终射入相应的发光器1700。图17C为典型光源1799照亮多色发光器圆柱1700俯视图的实例 框图。第一种颜色光1702经过反光镜1708和1710的反射后，最终射入相应 的发光器1700。反光镜1708部分遮盖了各个光槽1706。图18A为另外一个典型光源1899照亮多色发光器1840的实例框 图。反光镜1810把光反射回光槽1706。反光镜1810可以为任何一种反射体 (包括上文图lA所描述的反射体)，它可以防止光在不取光的区域浪费。图18C为另外一个典型光源1899照亮多色发光器圆柱俯视图的 实例框图。第一种颜色光1702经过反光镜1708和1710的反射后，最终射入相应的发光器1700。反光镜1810部分遮盖了包含光源1704的各个光槽1706图19为典型光源1999照亮多色发光器圆柱的实例框图。透明管 1900包括光扩散粒子的点1902。当来自末端的光照亮光源1999时，则从全 部点1902处提取光。在实际应用中，在光源1799的光源1704的位置处使用 光源1999，点1902与反光镜1708排列成行。为了获得想要的扩散光(使各 点处的光密度相同)，就要对图3给出的微分方程式进行适当修改，以获得各 点处的分布密度。图20A为典型光源2099照亮多色发光器圆柱2000的实例框图。 把线光源2004、 2006和2008安装在单槽2010内。在实际应用中，该槽由 抛光线形反射面组成，该反射面可以为任何一种反射体(包括上文图1A所描 述的反射体)。从线光源提取的光进入多色发光器圆柱2000。图20B为典型光源2099照亮多色发光器圆柱2000的实例框图。 线光源2004、 2006和2008为带扩散粒子2016的透明管，该扩散粒子的分 布浓度低。从槽2002内的线光源2004、 2006和2008提取的光进入多色发 光器圆柱2000、 2020和2040。在与相应的发光器圆柱相邻的点处增加扩散 器。反射体2050使从特殊线光源2004提取的大部分光进入相应的发光器圆 柱2020。
初始光源与线光源的耦合在实际应用中，线光源为带微扩散粒子的透明管。因此，来自一 些光源的光被耦合到这个透明管内。图21为典型光源2199照亮线光源的实例框图。光源2102为初 始光源。在实际应用中，光源2102为发光二极管。光源2102的部分被插入 到线光源2104中。光线2100进入线光源2104。在实际应用中，光线2100 因全内反射而进入线光源2104。在其它应用中，光线2100因受到反射面的反 射而进入线光源2104。反射面可以为任何一种反射体(包括上文图1A所述的 反射体)。图22为典型光源2299照亮线光源的实例框图。光源2202为初 始光源。在实际应用中，光源2202为发光二极管。从光源2202发出的光线 2206穿过透镜2200。在实际应用中，透镜2200是透明的，由玻璃或现烯酸制成。光线2206可能在穿过透镜2200后改变方向，进入线光源2204。本发明公开了一种把光耦合进表面形光源的仪器和方法。不言而 喻，此处所描述的实际应用的目的是进行图解，不应视为对本发明所涵盖内容 的限制。对艺术技术人员来说，与本发明的范围或精神相符的各种修改、使用、 替换、重新组合、改进和生产方法是显而易见的。
权利要求
1.一种仪器，包括包含光扩散器的线光源；和第一条边上装有光源的板；其特征在于，线光源把光扩散开来，从而使光以预定的形式沿着板的第一条边扩散。
2. 如权利要求l所述的仪器，其特征在于，还包括反射体，该反射体把线光 源发出的光投射到板的边缘上。
3. 如权利要求l所述的仪器，其特征在于，线光源有部分反射面。
4. 如权利要求l所述的仪器，其特征在于，光扩散器包含光扩散粒子的分布
5. 如权利要求4所述的仪器，其特征在于，光扩散粒子在线光源上的分布是 均匀的。
6. 如权利要求4所述的仪器，其特征在于，光扩散粒子在线光源上的分布是 变化的。
7. 如权利要求4所述的仪器，其特征在于，线光源在其表面上产生均匀的光
8. 如权利要求4所述的仪器，其特征在于，光扩散器包括金属粉末、金属颜料、有机粉末及有机颜料中的一个或多个，光扩散器反射入射光。
9. 如权利要求4所述的仪器，其特征在于，光扩散器包括透明粒子及透明泡 状物中的一个或多个，光扩散器通过折射把光扩散开来。
10. 如权利要求l所述的仪器，其特征在于，还包括安装在板的第二条边上 的其它线光源。
11. 如权利要求l所述的仪器，其特征在于，还包括第二个线光源，该第二 个线光源包括第二个光扩散器和第二个传播并扩散特殊颜色光的线光源，并且板 上有许多的堆积在第一条边上的柱状发光器。
12. 如权利要求ll所述的仪器，其特征在于，还包括反射体，该反射体把其 余线光源发出的光投射到板的第一条边上。
13. 如权利要求ll所述的仪器，其特征在于，还包括安装在板的第二条边上 的彩色线光源。
14. 如权利要求12所述的仪器，其特征在于，把彩色线光源安装在第一个反 射体的光的焦点处。
15. 如权利要求12所述的仪器，其特征在于，把每个彩色线光源安装在第二个反射体的光的焦点附近。
16. 如权利要求14所述的仪器，其特征在于，还包括反光镜，该反光镜把彩 色线光源发出的反射光投射到许多柱状发光器上。
17. 如权利要求16所述的仪器，其特征在于，还包括其余反光镜，该反光镜 把彩色线光源发出的反射光反射回到第一个反射体。
18. 如权利要求16所述的仪器，其特征在于，各个彩色线光源包括光扩散粒 子在反光镜焦点附近的分布。
19. 如权利要求18所述的仪器，其特征在于，光扩散粒子的形状要适合于光 的定向扩散。
全文摘要
本发明揭示了一种把光耦合进表面形光源的仪器。该仪器具有包含光扩散器(106)的线光源(102)。该仪器还具有一张在第一条边上装有线光源的板(104)。线光源把光扩散开来，从而使光以预定的形式沿着板的第一条边扩散。
文档编号F21V7/04GK101529155SQ200780028606
公开日2009年9月9日 申请日期2007年5月25日 优先权日2006年5月25日
发明者乌达安·卡纳德, 巴拉吉·加纳帕蒂 申请人:I2Ic公司