專利名稱:包括光導(dǎo)的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及包括光導(dǎo)的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備的照明系統(tǒng)。更具體地,本發(fā)明涉及光提取設(shè)備,其具有使得未使用的光循環(huán)以照明數(shù)據(jù)顯示設(shè)備的系統(tǒng)。
背景技術(shù):
以下說明具體涉及顯示設(shè)備(例如反射式液晶顯示單元)的前燈。這個技術(shù)已知為“前燈照明”。反射型顯示設(shè)備的前燈照明的已知技術(shù)包括在顯示設(shè)備上設(shè)置透明光導(dǎo),在透明光導(dǎo)中注入光。光導(dǎo)構(gòu)成為將在下層顯示設(shè)備的方向中傳播的光逐漸提取。在光導(dǎo)中提供的用于提取光的結(jié)構(gòu)稱為“光提取器”。光導(dǎo)中這些提取器的數(shù)目、幾何結(jié)構(gòu)和分布根據(jù)其應(yīng)用而不同。在對于顯示設(shè)備提供的數(shù)據(jù)的顯示對比度沒有負(fù)面影響的情況下選擇提供良好照明水平的給定類型光提取器是一項艱巨的任務(wù)。當(dāng)然,出于容易理解的主要審美原因,這些光提取器必須特別地對于用戶盡可能地看不到,并且能夠確保在顯示設(shè)備的整個表面上最可能均勻地照明。后一條件對于手表中結(jié)合的顯示設(shè)備的照明特別重要。第一個問題源自通過光導(dǎo)進(jìn)行的反射式顯示設(shè)備的前燈照明并且負(fù)面影響照明均勻性,該問題與這個類型的光導(dǎo)的實際操作原理有關(guān)。在光導(dǎo)入口處由光源注入的光通量或光功率稱為Ptl,并假設(shè)光導(dǎo)具有每個長度單位的光提取效率E,則根據(jù)光導(dǎo)內(nèi)部的光行進(jìn)的距離z,在光導(dǎo)內(nèi)部剩余的內(nèi)部光通量通過公式Ρ#_Ε’Ζ給出。因此,在光導(dǎo)長度的給定點ζ處可從光導(dǎo)提取的光通量Pexte (ζ)根據(jù)以下關(guān)系與內(nèi)部光通量成正比Pextr(Z) oc poe-E.z(1)以上等式(1)示出,如果光提取效率E在光導(dǎo)的整個長度上保持相同,則從光導(dǎo)提取的光通量Pexte(Z)隨著到光導(dǎo)中的光的注入點的距離以指數(shù)級減少。因此,顯示設(shè)備的照明在其整個表面上將不均勻。為了克服這個問題,第一個方案可包括,建立這樣一種光導(dǎo),其光提取效率隨著到光導(dǎo)中的光的注入點的距離而改變。更具體地,光導(dǎo)的光提取效率隨著遠(yuǎn)離光導(dǎo)中的光的注入點逐步增加。然而,這個方案很難實現(xiàn)。根據(jù)定義,光提取效率始終保持小于1。因此, 提取效率不能夠隨著到光導(dǎo)中的光的注入點的距離無限增加。此外,為了獲得沿著光導(dǎo)的光提取效率的連續(xù)改變,光導(dǎo)中的光提取器的幾何結(jié)構(gòu)或深度將不得不連續(xù)改變,這將需要在光導(dǎo)的設(shè)計和制造方面付出相當(dāng)大的努力。補(bǔ)償從光導(dǎo)提取的光通量的指數(shù)級減少的另一方案包括,提供這樣一種光導(dǎo),其沿著光導(dǎo)的整個長度具有恒定并很低(即遠(yuǎn)小于1)的光提取效率。在這個情況下,以上等式(1)可近似為如下 Pextr(z) OC p。e-E·ζ ^ P0(l-E . ζ) ^P0 (2) 以上等式( 示出,通過恒定且很低的光提取效率,從光導(dǎo)提取的光通量在光導(dǎo)的整個長度上基本相同,并且等于向光導(dǎo)入口注入的光通量。實踐上,這個方案非常容易實現(xiàn),因為這不需要沿著光導(dǎo)改變提取器的幾何結(jié)構(gòu)。當(dāng)然,光提取效率在光導(dǎo)的整個長度上必須相同。然而,這個第二方案還出現(xiàn)一個問題。實際上,為了驗證,以上等式O)需要光提取效率很低。換句話說,僅原始注入到光導(dǎo)中的光通量的一小部分實際用于照明反射式顯示設(shè)備。對于注入到光導(dǎo)中的光通量的剩余部分,一旦到達(dá)光導(dǎo)的出口則將被排出或吸收,并因此永久失去。因此,這種類型系統(tǒng)的光輸出比很差。為了克服這個問題,可設(shè)想在光導(dǎo)出口設(shè)置鏡片,以向光導(dǎo)中重新注入從中脫離的任何光。然而,這個方案不是很適合我們這里關(guān)心的光導(dǎo)類型。當(dāng)然,一旦光從光導(dǎo)中反射回,則它在光導(dǎo)中沿著與初始傳播方向相反的方向傳播,并且不再以相同方式與提取器交互,因為提取器通常具有不對稱結(jié)構(gòu),其被優(yōu)化用于提取直接來自光導(dǎo)入口處設(shè)置的源端的光。因此,在相反方向傳播的任何光將不再以最佳方式提取或擴(kuò)散,并且將負(fù)面影響顯示設(shè)備的顯示對比度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于,通過提供改進(jìn)了光輸出比的光導(dǎo)而克服上述缺陷。因此,本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)顯示設(shè)備的照明系統(tǒng),其中所述照明系統(tǒng)包括光導(dǎo),其包括在其中注入由至少一個光源生成的光的區(qū)域,所述注入?yún)^(qū)域通過用于提取在光導(dǎo)中傳播的光以照明顯示設(shè)備的區(qū)域擴(kuò)展,所述提取區(qū)域配置有光提取器,所述光導(dǎo)采用在光注入?yún)^(qū)域處閉合于自身的環(huán)的形式,所述數(shù)據(jù)顯示設(shè)備設(shè)置在環(huán)中,并且所述照明系統(tǒng)的特征在于,沿著與一平面垂直的方向從光導(dǎo)提取光,所述平面由到光導(dǎo)的光注入方向和環(huán)的母線定義。數(shù)據(jù)顯示設(shè)備的照明系統(tǒng)包括光導(dǎo),其中沒有在提取區(qū)域提取以照明數(shù)據(jù)顯示設(shè)備的光繼續(xù)其光導(dǎo)中的路徑,并返回至在光注入?yún)^(qū)域處的其開始點。因此,將提取區(qū)域中沒有使用的任何光沿與初始注入的光的相同傳播方向循環(huán)和重新注入到光導(dǎo)中,并因此以最佳方式與光提取器交互,由此改善光導(dǎo)中光的耦合并重新使用提取區(qū)域中恢復(fù)的大部分光。因此,數(shù)據(jù)顯示設(shè)備的照明在其整個表面上是均勻的,并且比現(xiàn)有技術(shù)的方案具有更多照明。本發(fā)明的另一優(yōu)點在于,沿著與一平面垂直的方向從光導(dǎo)提取注入到光導(dǎo)中的光,所述平面由到光導(dǎo)的光的注入方向以及環(huán)的母線定義。因此,如果數(shù)據(jù)顯示設(shè)備是反射類型,則從上方(即從顯示數(shù)據(jù)的一側(cè))照明數(shù)據(jù)顯示設(shè)備,而光源設(shè)置在顯示設(shè)備下方。 因此,獲得數(shù)據(jù)顯示設(shè)備包含在光導(dǎo)中的很緊湊的照明系統(tǒng)。此外,由于光源設(shè)置在照明設(shè)備下方,則光源生成的暈(halo)(已知為“熱點”)對于用戶是不可見的。相反,如果數(shù)據(jù)顯示設(shè)備是透射類型,則從下方照明光導(dǎo)中包含的顯示設(shè)備。在這個情況下,同樣,得到的照明系統(tǒng)非常緊湊。還觀察到根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的高度多功能性。通過略微修改,照明系統(tǒng)能夠均勻且密集地照明反射式顯示設(shè)備和透射式顯示設(shè)備。
在閱讀對本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個實施例的以下具體描述的情況下,本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將更加清楚,這個實例僅參照附圖通過非限制性圖示給出,其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)的透視圖;圖2是根據(jù)本發(fā)明的完整照明系統(tǒng)的截面圖,在光導(dǎo)形成的環(huán)中引入有反射式數(shù)據(jù)顯示設(shè)備;以及圖3是與圖2類似的視圖,其中數(shù)據(jù)顯示設(shè)備是透射類型。
具體實施例方式本專利申請中公開的光導(dǎo)是環(huán)形,并因此使得在提取區(qū)域中還沒有從光導(dǎo)提取的任何光返回至光導(dǎo)的光注入?yún)^(qū)域。因此,光導(dǎo)包括通過在注入?yún)^(qū)域上閉合的光提取區(qū)域擴(kuò)展的光注入?yún)^(qū)域。因此,將光導(dǎo)的提取區(qū)域中沒有使用的任何光重新注入到注入?yún)^(qū)域,其通過透射區(qū)域擴(kuò)展,該透射區(qū)域?qū)⑽词褂玫墓夥祷刂撂崛^(qū)域。因此,重新注入到光導(dǎo)中的光在初始注入的光的相同方向傳播,從而提取區(qū)域的提取器對于重新注入的光的效率等同于所述提取器對于光源原始注入的光的效率。數(shù)據(jù)顯示設(shè)備由此在其整個表面上得到均勻且更加密集的照明。根據(jù)本發(fā)明,沿著與一平面垂直的方向從光導(dǎo)提取在光導(dǎo)中傳播的光,所述平面由光注入到光導(dǎo)的方向和環(huán)形光導(dǎo)的母線定義。由于這些特征,在光導(dǎo)中包含的數(shù)據(jù)顯示設(shè)備可以通過很小的改變從上方照明(如果是反射式光導(dǎo)),或從下方照明(如果是透射式光導(dǎo))。此外,本發(fā)明提供了一種很緊湊的照明系統(tǒng)。將結(jié)合反射式數(shù)據(jù)顯示設(shè)備(即需要前燈的設(shè)備)來描述本發(fā)明。更具體地,將結(jié)合反射式液晶顯示設(shè)備來描述本發(fā)明。然而,毫無疑問,本發(fā)明以類似方式適用于透射式數(shù)據(jù)顯示設(shè)備。在圖1的透視圖中示出根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)。通過一般性標(biāo)號1指示其整體,這個光導(dǎo)一般地采用封閉的環(huán)形。光導(dǎo)包括光注入?yún)^(qū)域2,朝向該區(qū)域設(shè)置有光源4。在本發(fā)明的范圍中可使用例如燈絲燈泡或發(fā)光二極管的任意類型光源。在基本直線方向X-X將光注入到光導(dǎo)1。通過光提取區(qū)域8經(jīng)由第一半圓柱透射區(qū)域6來擴(kuò)展光注入?yún)^(qū)域2。這個光提取區(qū)域8配置有多個光提取器10,用于從光導(dǎo)1提取光并將其指向反射式數(shù)據(jù)顯示設(shè)備12的表面,例如液晶顯示單元。如圖2所示,反射式顯示設(shè)備12包含在光導(dǎo)1形成的環(huán)內(nèi),并在內(nèi)部滑動。當(dāng)然,顯示設(shè)備12的數(shù)據(jù)顯示表面14朝向光導(dǎo)1的光提取區(qū)域8。光提取區(qū)域8繼而通過連接至光注入?yún)^(qū)域2的第二半圓柱透射區(qū)域16擴(kuò)展。因此,源自光源4并且沒有在提取區(qū)域8中從光導(dǎo)1提取以照明數(shù)據(jù)顯示設(shè)備12的光繼續(xù)其光導(dǎo)1中的路徑,并返回至在光注入?yún)^(qū)域2處的其開始點。清楚地,將提取區(qū)域8中沒有使用的任何光沿著與光源4初始注入的光的相同傳播方向重新注入到光導(dǎo)1中,并因此以最佳方式與光提取器10交互,由此改善光導(dǎo)1中光的耦合并重新使用提取區(qū)域8中恢復(fù)的大部分光。因此,數(shù)據(jù)顯示設(shè)備12的照明在其整個表面上是均勻的,并且比現(xiàn)有技術(shù)的方案具有更多照明。該結(jié)果通過以下事實來實現(xiàn)沿著垂直于平面Pl的方向從光導(dǎo)1提取光, 該平面Pl由光導(dǎo)1的光的注入方向X-X以及第一和第二半圓柱透射區(qū)域6和16中的一個或另一個的母線Y-Y所定義。應(yīng)注意,半圓柱透射區(qū)域16經(jīng)由兩個基本為三角形的連接器部分A和B連接至光注入?yún)^(qū)域2。這個三角形形狀使得在半圓柱透射區(qū)域16和光注入?yún)^(qū)域2之間占用最大表面區(qū)域,而沒有改變注入?yún)^(qū)域2的拋物線分布。兩個連接器部分A和B的三角形形狀還使得一些準(zhǔn)直光被保留,從而使得循環(huán)的光在與光導(dǎo)1的縱向?qū)ΨQ的正中面P2幾乎平行的傳播方向返回至光提取區(qū)域8。已經(jīng)使用光學(xué)模型化和模擬工具研究了根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)1的光學(xué)特性。假設(shè), 光導(dǎo)1由例如玻璃構(gòu)成,并且在其整個長度上具有0.4mm的恒定厚度。當(dāng)然,光導(dǎo)1可由另一透明介電材料構(gòu)成,例如塑料材料或聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)玻璃)或PMMA。第一和第二半圓柱透射區(qū)域6和16的曲率半徑選擇為等于0. 95mm。模擬的光源4是發(fā)光二極管,其具有與當(dāng)前Kingbright生產(chǎn)的發(fā)光二極管類似的發(fā)光波瓣(lobe)。應(yīng)注意,假設(shè)期望的目的是評估沒有與提取器交互的那部分光的特性,則在這個模型化中沒有考慮光提取器10。上述光導(dǎo)1的模型化得到以下結(jié)果-相比于發(fā)光二極管4初始提供的光通量,在光導(dǎo)1中具有高于70%的光耦合;-通過提取區(qū)域8但沒有從光導(dǎo)1提取的光中的最高達(dá)76%在注入?yún)^(qū)域2中得到恢復(fù),并重新使用。以上模型化還得到以下觀測光導(dǎo)1中的光通量展現(xiàn)出良好的并行度,傳播方向包含在最大角20°之內(nèi)。圖1中可見,注入?yún)^(qū)域2是拋物線形狀,光源4位于拋物線的頂點18的對面。這個配置使得,光源4注入到光導(dǎo)1的光的大部分(大約80% )在光導(dǎo)1中經(jīng)歷全反射,并且不能夠從中脫離。因此,在光導(dǎo)1和周圍空氣之間的分界面處存在全光反射。因此,沒必要使用其他技巧(例如用金屬處理光導(dǎo)1的外圍),以確保光不從光導(dǎo)1脫離。此外,注入?yún)^(qū)域2的拋物線形狀的效果是校準(zhǔn)光源4發(fā)出的光束,使其平行于拋物線的對稱軸的方向傳播,上述對稱軸與光導(dǎo)1的光注入方向x-x重合。不言而喻,本發(fā)明不限于已經(jīng)描述的實施例,本領(lǐng)域技術(shù)人員可設(shè)想各個簡單修改和變形,而不脫離由本專利申請所附的權(quán)利要求定義的本發(fā)明的范圍。具體地,圖3是根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)1的變形的透視圖。圖3的實例涉及透射式數(shù)據(jù)顯示設(shè)備20。在查閱附圖時可見,光導(dǎo)22具有與圖2所示的光導(dǎo)1相同的幾何結(jié)構(gòu)。然而,在這個實例中,在光注入?yún)^(qū)域沈的擴(kuò)展中設(shè)置的光提取區(qū)域M位于顯示設(shè)備20的表面的下方,以向回照射所述設(shè)備。然后,提取區(qū)域M通過第一半圓柱透射部分沈擴(kuò)展,部分沈接下來通過第二平坦透射部分觀擴(kuò)展,部分觀經(jīng)由第三半圓柱透射部分30在光注入?yún)^(qū)域沈上閉合。第一、第二和第三透射部分沈、觀和30僅用于將提取區(qū)域M中還沒使用的任何光返回至注入?yún)^(qū)域 26,使得所述光可重新注入至光導(dǎo)22。清楚地,數(shù)據(jù)顯示設(shè)備20的顯示表面32朝上,與平坦透射部分28相對。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)據(jù)顯示設(shè)備(12,20)的照明系統(tǒng),其中所述照明系統(tǒng)包括光導(dǎo)(1 ;22),其包括在其中注入由至少一個光源(4)生成的光的區(qū)域O 46),所述注入?yún)^(qū)域O ;26)通過用于提取在光導(dǎo)(1 ;22)中傳播的光以照明顯示設(shè)備(12 ;20)的區(qū)域(8 ;24)擴(kuò)展,所述提取區(qū)域(12,20)配置有光提取器(10),所述光導(dǎo)(1 ;22)采用在光注入?yún)^(qū)域O ;26)處閉合于自身的環(huán)的形式,以使得源自光源⑷并且在提取區(qū)域(8 ;24)沒有從光導(dǎo)(1 ;22)提取的光繼續(xù)在光導(dǎo)(1 ;22)中行進(jìn),并返回至光注入?yún)^(qū)域O ;26)處的其開始點,所述數(shù)據(jù)顯示設(shè)備(12 ;20)設(shè)置在所述環(huán)中,并且所述照明系統(tǒng)的特征在于,沿著與一平面(Pl)垂直的方向從光導(dǎo)(1 ;22)提取光,所述平面(Pl)由光導(dǎo)(1)的光注入方向(X-X)以及環(huán)的母線 (Y-Y)來定義。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng),其特征在于,光注入?yún)^(qū)域(2)通過光提取區(qū)域(8)經(jīng)由第一半圓柱透射區(qū)域(6)擴(kuò)展,其中所述光提取區(qū)域(8)繼而通過連接至光注入?yún)^(qū)域(2) 的第二半圓柱透射區(qū)域(16)擴(kuò)展,所述數(shù)據(jù)顯示設(shè)備(1)是反射型,其具有朝向光導(dǎo)(1) 的光提取區(qū)域(8)的數(shù)據(jù)顯示表面(14)。
3.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng),其特征在于,設(shè)置在光注入?yún)^(qū)域06)的擴(kuò)展中的光提取區(qū)域04)通過第一半圓柱透射部分06)擴(kuò)展,所述第一半圓柱透射部分06)接下來通過第二平坦透射部分08)擴(kuò)展,所述第二平坦透射部分08)經(jīng)由第三半圓柱透射部分 (30)在光注入?yún)^(qū)域06)上閉合,第一、第二和第三透射部分Q6J8,30)僅用于將提取區(qū)域 (24)中沒有使用的光返回至注入?yún)^(qū)域( ),用于向光導(dǎo)0 重新注入,并且所述數(shù)據(jù)顯示設(shè)備OO)是透射類型,其具有朝向平坦透射部分08)的數(shù)據(jù)顯示表面(32)。
4.如權(quán)利要求2或3中任一項所述的照明系統(tǒng),其特征在于,所述第二半圓柱透射部分 (16)和所述第三半圓柱透射部分(30)通過兩個基本三角形連接器部分(A,B)連接至光注入?yún)^(qū)域O)。
5.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng),其特征在于,所述光導(dǎo)(1;22)相對于縱向正中面 (P2)是對稱的。
6.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng),其特征在于,所述光注入?yún)^(qū)域O;26)具有拋物線輪廓。
全文摘要
提供一種數(shù)據(jù)顯示設(shè)備(12,20)的照明系統(tǒng),其中所述照明系統(tǒng)包括光導(dǎo)(1;22),其包括在其中注入由至少一個光源(4)生成的光的區(qū)域(2;26),所述注入?yún)^(qū)域(2;26)通過區(qū)域(8;24)擴(kuò)展,該區(qū)域用于提取在光導(dǎo)(1;22)中傳播的光以照明顯示設(shè)備(12;20),所述提取區(qū)域(12,20)配置有光提取器(10),所述光導(dǎo)(1;22)采用在光注入?yún)^(qū)域(2;26)處閉合于自身的環(huán)的形式,以使得源自光源(4)并且在提取區(qū)域(8;24)沒有從光導(dǎo)(1;22)提取的光繼續(xù)在光導(dǎo)(1;22)中行進(jìn),并返回至光注入?yún)^(qū)域(2;26)處的其開始點,所述數(shù)據(jù)顯示設(shè)備(12;20)設(shè)置在所述環(huán)中,并且所述照明系統(tǒng)的特征在于,沿著與一平面(P1)垂直的方向從光導(dǎo)(1;22)提取光,所述平面(P1)由光導(dǎo)(1)的光注入方向(X-X)以及環(huán)的母線(Y-Y)來定義。
文檔編號F21S8/00GK102313201SQ20111014755
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者P·托爾托拉 申請人:斯沃奇集團(tuán)研究和開發(fā)有限公司