CN101730861A - 有透明层的光源 - Google Patents

Abstract

公开了一种提供光源的系统。在实际应用中，该装置由一个光导组成，该光导由具不同折射率的多个透明层构成。

Description

有透明层的光源

领域

本发明涉及一种光源，尤其是涉及一种有透明层的光源。

背景

照明装置是用来为摄影、显微镜、科研、娱乐节目制作(包括剧院、电视和电影)及图像投影照亮物体的，照明装置也用作显示器的背光灯或前光灯。

先前的系统都起表面形光源的作用。可能会用漫射板遮盖用于家居照明的荧光灯，以减少强光。这些系统体积庞大，而且不是透明的。扩散器和漫反射器(如，伞形反射器)被用作摄影和电影用的光源，但是，它们只是接近于均匀照明。

平板屏幕(如，液晶屏幕)的背光灯提供均匀或几乎均匀的光。液晶屏幕背光灯的先前的解决方案就是，给液晶屏幕配备一个板形光导(该光导有若干形状，如小圆点)，或配备一些印在其上的棱镜，以提取光。光导由夹在两个低折射率材料之间的高折射率材料形成。通过控制小圆点的形状和频率来实现表面上的均匀照明。这些方法可以提供均匀的照明，但是，该照明在局部范围内是不均匀，当仔细看时，就会发现屏幕表面有一些被黑暗包围的发光的小圆点。这种不均匀不能使人悦目，如果把这种光源用作平板屏幕的背光灯时，这种不均匀还会导致扰动莫尔条纹的出现。为实现光的局部均匀，就需要用漫射板或薄膜来遮盖这种系统，而这些漫射板或薄膜会使这种系统成本高昂、体积庞大而且不透明。

有一些在局部范围内提供均匀照明的系统，在表面上均匀照明。这些系统与上述系统类似，从某种意义上来说，它们采用一个光导和一种提取部分导出光的方法。但是它们不是用小圆点或几何形状来提取光，而是用散射、衍射或漫射粒子的显微光来提取光。这些粒子均匀地分布在整个光导上。这样，就产生了连续照明的光源，而不是离散照明的光源。另一方面，由于是从板的一端把光导到另一端，部分光就会被提取，使得要提取的光越来越少，照明度也就越来越弱。因此，这些系统不是在整个表面上提供均匀的照明。要提供几乎均匀的照明，从光导的一端到另一端的光的落差不应太大。这会导致光导边的光的浪费，因此，该系统的效率就降低了。

一些系统需要有一个发偏振光的表面形光源。例如，液晶显示器就需要偏振光。一些系统需要有一个发平行光或部分平行的光(即，发出的光在窄角范围内)的表面形光源。例如，供个人观看的显示器就需要光在窄角上发出，使光不会在观看者不在的方向上被浪费掉。发出窄角的光还会提高观看的私密性，因为，不应看到显示器播放内容的人将看不到光，或者只能看到一点点光。发平行光的光源适合作为这类显示器的背光灯或前光灯。

摘要

公开了一种提供光源的系统。在实际应用中，该装置由一个光导组成，该光导由具不同折射率的多个透明层构成。

用参考附图来描述上述特征及其它首选特征(包括元件的组合及实现的详细情况)，并且在权利要求书中指出了这些特征。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。正如艺术领域的技术人员所理解的，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。

图纸的简要说明

本说明书中所包括的附图对目前的首选实例、上文中的一般性描述及下文中的详细描述进行了说明，以解释本发明的原理。

图1为典型光源的侧视图的实例框图。

图2为典型光导的侧视图的实例框图。

图3为光导的典型光导元件的实例框图。

图4为带一个具有不同体积消光系数的光导的典型光源的实例框图。

图5为有两个初始光源的典型光源的实例框图。

图6为有一个反射式光导的典型光源的实例框图。

图7为典型光源的实例框图。

详细说明

图1为典型光源199的侧视图的实例框图。光源199有一个光导150。光源150有一些透明板104和一些具有不同折射率的透明板106。在一种实际应用中，透明板104的折射率比透明板106的折射率低。在一种实际应用中，板104和板106穿插摆放，并且与光导199的边108成特殊夹角。入射光线100为光源(没有显示出来)产生的典型光线。光源可能分布在光导150的一端或两端。入射光线100穿过光导150。在透明板104和106之间的每个界面处，光线100的部分光线被光导150反射出去，部分光线被折射进下一张板。光线102为由于透明板104和106之间的每个界面处的部分反射，而从光导150发出的光线。由于边108或边110的界面反射，到达光导150的边108或边110的部分入射光线100在不反射的情况就留在了光导内。该界面反射可能为全内反射。类似地，通过光导150的边108和110的内反射，穿过整个光导的光(如，入射光100经历多次反射后所形成的光112)将留在光导150内。可以通过改变个别板104和106的折射率、倾斜度和厚度，使发出的光线102形成预定的光发射图案。

在一种实际应用中，光导150基本是透明的，让光照到其边108或110上。在一种实际应用中，光导150为光源199。在这种情况下，光源199为透明光源。

在一种实际应用中，在光导150的一边配置一张板114。在一种实际应用中，板114为一面镜子。板114可能为金属表面、分布布拉格反射器、混合反射器、全内反射器、全方位反射器或散射反射器。镜子通过反射照在镜面上来自于光源150的光来提高光源199的效率。光被反射回去，穿过透明光导150，从面110发出。因此，镜子的存在，所有光都只从光源199的一边发出。

在另一个实际应用中，板114为吸光表面。在这种情况下，从外部照射到光导150的边110(为光源199的正面)上的任何光都会穿过光导150，并被板114吸收。因此，光源199为对外部光有很低反射率的光源。这种光源用途广泛。其中一种用途是用作透射式显示器(如，液晶显示器)的背光灯。由于照在背光灯上的环境光基本上都被吸收，所以，这类显示器能够达到很高的对比率。

在实际应用中，产生入射光100的光源会产生偏振光。因此，光线100为偏振光线。那么，来自光源199的光102也被偏振化。产生光100的光源可能为偏振光源(包括带偏光器的光源，带反射偏光器的光源，本专利中公开的光源，产生偏振光的发光二极管等)。

在实际应用中，产生光100的光源会产生平行光或在角度很窄的圆柱体内穿行的光。产生光100的光源可能为任何一种平行光源(包括带准直透镜和平行光装置的光源，带折光板的光源，含有光子材料的光源，本专利中公开的光源等)。

图2为典型光导299的侧视图的实例框图。光导299有一些具有不同折射率且与光导299的边成特殊夹角的透明板206，208，210和212。在一种实际应用中，透明板206和210具有相同的折射率，透明板208和212具有相同的折射率。在另一种实际应用中，透明板206和210的折射率比透明板208和212的折射率低。光200入射到板206和208之间的界面上。光200的部分光作为光202反射出去，部分光作为光204折射进下一张板208中。折射光的强度比透明板之间的各个界面处的入射光的强度低。光200经过一次或多次反射和折射，作为光216从光导299发出。透明板206、208、210和212的厚度是变化的，该变化取决于距板214底边(没有显示出来)的距离的特殊函数。在一种实际应用中，透明板的厚度以从底部到顶部的顺序递减。通过改变各张板(206、208、210和212)的折射率、倾斜度和厚度，使发出的光216形成预定的光发射图案。在一种实际应用中，发射图案216在整张板上都是均匀的。在一种实际应用中，发射图案216是有方向的，从板214发出的所有光都射向预定的方向。在可选实际应用中，相邻板206，208，210和212的折射率之比是变化的，该变化取决于距板214底边的距离的特殊函数。在一种实际应用中，相邻板的折射率之比以自下而上的顺序递增。

图3为光导的典型光导元件399的实例框图。光导元件399的厚度和宽度为该光导的厚度和宽度，它的高度非常小。光300经过一次或多次反射和折射，作为光302从光导元件399发出，剩余光304继续前行到达下一个光导元件。发出的光302和继续进入下一个元件304的光的功率之和与进入300的光的功率相匹配。光300进入光导元件399时发出的光302与光导元件399的高度之间的比率为光导元件399的体积消光系数。随着光导元件399高度的降低，体积消光系数趋于一个常数。

光导元件399中含有大量具有不同折射率的层。在与测量光导元件399的高度的相同方向上所测量的层的平均高度的倒数为光导元件399处的界面密度。光导元件399的体积消光系数包含了一种与光导元件399处的界面密度的关系。这种关系近似于一定程度上的正比关系。可以很容易地通过实验来确定这种关系，因此，可以用已知的界面密度来计算光导元件399的体积消光系数，反之亦然。

界面处的相对折射率为两个相应透明层的折射率之比。界面的相对折射率与菲涅尔反射定律规定的界面反射率有关。光导元件399处的平均界面反射率为光导元件399中所有界面的平均反射率。

光导元件399处的体积消光系数近似等于光导元件399处的界面密度与光导元件399处的平均界面反射率的乘积。

随着光导元件399高度的降低，发射光302的功率也会相应地减小。发射光302的功率与光导元件399的高度之间的比率为光导元件399处的线性辐射，随着元件高度的降低，该比率趋于一个常数。光导元件399处的线性辐射为体积消光系数与入射光(如，穿过元件的光的功率)功率的乘积。穿过光导304的光的功率梯度为线性辐射的负值。这两种关系给出了一个微分方程，该微分方程可以表示为“dP/dh＝-qP＝-K”，其中，h为从放置初始光源边缘到光导元件的距离；P为从元件导过的光的功率；q为元件的体积消光系数；K为元件处的线性辐射。在给出体积消光系数的前提下，用该方程来计算各个元件处的发射光的线性辐射。在给出发射光的线性辐射的前提下，用该方程来计算各个元件的体积消光系数。要设计具有特殊发射光的线性辐射的特殊光源，就要通过求解上述微分方程来确定光导(如，光导304)的各个光导元件处的体积消光系数。这样，就确定了光导的各个光导元件处的界面密度。用这种光导来提供对在光导表面上发射光的线性辐射有具体要求的光源。

如果在光导内使用均匀的界面密度，则线性辐射会随着高度的降低呈指数下降。均匀的线性辐射可以通过选择界面密度来进行估算，把功率从光源附近的边到其对边的下降幅度降到最小。要降低功率损耗，提高发射光功率的均匀度，就要用对边把光反射进光导。在可选实际应用中，另外一个初始光源把光投射到对边上。

要实现均匀照明，体积消光系数、界面密度和界面反射率，或者两者都必须在光导表面上有所变化。这可以通过上述方法来实现。在实际应用中，用方程q＝K/(A-hK)来改变体积消光系数，其中，A为进入光导的光的功率，K为各个元件处的线性辐射，对于均匀照明而言，该辐射为一个常数。如果光导的总高度为H，则H与K的乘积应小于A，即，发射光的总功率应小于进入光导的光的总功率，在这种情况下，上述解决方案是可行的。如果进入光导的光的全部功率都被用于照明，则H与K的乘积等于A，因此，当h接近H(即光导的较高元件)时，体积消光系数就接近于最大。在典型光源中，H与K的乘积略小于A，只会浪费少量功率，体积消光系数也总是趋于最大。

图4为带一个具有不同体积消光系数的光导的典型光源499的实例框图。光源410与光导404的光源端406相邻摆放。从光导404的光源端406到光导404的对边408，界面密度由稀变稠。在一种实际应用中，从光导404的光源端406到光导404的对边408，界面反射率逐渐增加。在另一种实际应用中，从光导404的光源端406到光导404的对边408，界面反射率与界面密度的乘积逐渐增加。

图5为有两个初始光源的典型光源599的实例框图。当使用两个初始光源508和509时，光导中的体积消光系数就不需要发生巨大的变化。单独使用上述微分方程来获得各个初始光源508和509所引起的线性辐射。这两个功率密度之和就规定了特殊光导元件处发射光的总功率密度。

可以通过体积消光系数q＝1/sqrt((h-H/2∧2+C/K∧2))来实现光源500的均匀照明，其中，sqrt为平方根函数，∧代表取幂，K为每个初始光源的平均线性辐射(在数字上等于各元件处的总线性辐射的一半)，C＝A(A-HK)。可以通过改变界面密度和界面反射率得到这个体积消光系数。

图6为有一个反射式光导的典型光源699的实例框图。当使用反射式光导620时，光导620中的体积消光系数就不需要发生巨大的变化。光导620的顶端610就成了镜子，把光反射进光导620。在光源600中，实现均匀照明的体积消光系数为：q＝1/sqrt((h-H)Λ2+D/KΛ2)其中，D＝3A(A-HK)。可以通过改变界面密度和界面反射率得到这个体积消光系数。

根据实际应用，即使初始光源的功率发生变化，光的发射图案均相同。例如，如果光源699的初始光源提供一半额定功率，则光导620的各元件就会发出一半的额定功率。专门设计的用作均匀光源的光导620通过改变其光源的功率，在所有额定功率时都起均匀光源的作用。如果有两个初始光源，则它们的功率会相继发生变化，以达到均匀照明的效果。

图7为光源799的实例框图。含有透明层的光导702被光源704照亮。光源704可能有一个或多个白炽光源、固态光源(如，发光二极管，荧光管或上文所公开的带有透明层的光源)。在实际应用中，光源704发出偏振光，因此，光导702也发出偏振光。

在实际应用中，光源704发出平行光或在角度很窄的圆柱体内穿行的光。因此，光导702也发出平行光。平行光的输出角的大小取决于光导702的透明层与光导702的边的夹角。可以通过选择光导702的透明层与光导702的边的夹角来获得平行光的输出角。光导702的透明层与光导的边的夹角在光导702上可能是变化的，从而使光源799的不同地方具有不同的发射光角度。

公开了一种有透明层的光源。不言而喻，在此处描述实例的目的是进行解释说明，不应视为对本专利所涵盖内容的限制。对艺术领域的技术人员来说，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、改进和生产方法都是显而易见的。

Claims (10)

1.装置的组成为：第一个光导和第一个光源(该光源与第一个光导的第一个端相邻摆放)，其中，第一个光导有多种第一个透明板，第一个透明板至少有两种不同的折射率，第一个透明板与第一个光导成一定的夹角；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一个光源为偏振光光源；

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一个光源在角度很窄的圆柱体内发光；

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一个透明板的高度在整个光导上是不尽相同的；

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一个透明板的折射率在整个光导上是不尽相同的；

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于包含一个与第一个端相对的第一个光导相邻摆放的镜子；

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于包含一个与第一个端相对的光导端相邻摆放的第二个光源；

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于第一个光源有第二个光导和第三个光源(该光源与第二个光导的一端相邻摆放)，第二个光导有多种第二个透明板，第二个透明板至少有两种不同的折射率，第二个透明板与第二个光导的边成一定的夹角；

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于包含一个与第一个光导相邻摆放的镜子；

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于包含一个与第一个光导相邻摆放的吸光板。

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