專利名稱：使用面發(fā)射(led)光源進行均勻照明的背光源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請一il^涉及背光照明裝置，更特別地涉及一種4OT發(fā)光二極管(LED) ，的背^S。
背景技術(shù)：
透射液晶裝置(LED)和其它類型的顯^置需要某種類型的背光照明光 源。背光照明市場基本上有三項照明技術(shù)電致發(fā)光燈(EL)、冷陰極熒光燈 (CCFL)和發(fā)光二極管(LED)。至今，由于提供了高效和可靠的光源，CCFL 技術(shù)在便攜式電腦和便攜式顯示器市場中占了大部分。CCFL特別適用于媳照 明應(yīng)用，在該應(yīng)用中，這些線光源直接發(fā)光進入導(dǎo)光板或?qū)拥囊贿?，該?dǎo)光板 廳將光擴展至咜的輸出表面上。然而，CCFL固有的缺陷限制了其預(yù)期的增長。 例如，CCFL燈包括水銀和一些易碎物。CCFL只在尺寸限定的范圍內(nèi)是可以獲 得且實用的，這在非常小的顯示器和更大的顯示器中限制了它們的應(yīng)用，例如 那^^用于電視顯示的。而且，CCFL在背光單元中產(chǎn)生不需要的熱，潛在地 扭曲或者在其它方面損壞位于顯示模塊中的一個或多個光學(xué)層組件。
LED背光照明相對這些其它技術(shù)有固有的優(yōu)點，LED機械地耐用和只需要 低DC電壓電源。誠類型的LED可以特別明亮，相對高效率，和具有固有的 長壽命。LED由于窄的光if^寺性從而具有大的色域優(yōu)點和容許顏色的更易操作， 可以獲得多樣的顏色。而且LED也能配置在邊緣照明^g里，他們相對于用于 直接觀看照明裝置的其它技術(shù)也具有優(yōu)點，其中在面上分開間隔的光源裝置提 供需要的背光光源。
許多直接觀看LED背光照明技術(shù)方案已經(jīng)商業(yè)化了，包括三星公司的 (Samsung)使用在LNR460D LCD平面屏HDTV中的裝置。專利文獻描述的許 多LED背光裝置和改進，例如
Deloy等的美國專利號6,789,921名為"雙模式液晶顯示背光照明方法和裝 置"，描述了一種LED背光照明體，j頓了包括熱降低補償?shù)亩鄠€二維LED
陣列；
Holman等的美國專利號6,871,982名為"高密度照明系統(tǒng)'，描述了一種背光 裝置，具有位于反射腔內(nèi)部且具有支撐棱鏡層的LED陣列；
Boyd等的美國專利號6,568,822名為"線性照明系統(tǒng)'，描述了一種照明光 源，^f頓LED改變均勻性，* LED部分±也密封在一棱鏡單元的鋸齒狀輸入 表面；
Feldman等的美國專利號6,666,567名為"具有凸起的LED結(jié)構(gòu)的光源的方 法和裝置"，描述了一種LED背光源，將LED裝置設(shè)置于一g面上Jlf共附加 照明以及衝財廣旨自LED光的支撐光學(xué)器件；禾口
Paolini等的歐洲專利申請公開號EP1 256 835名為"彩色LCD的背光]0""， 描述了一種LED背光裝置，其中，來自纖布置的LED的光通過光導(dǎo)里的結(jié) 構(gòu)改變方向而向外。
當(dāng)上面歹咄的方案的每一個都聲稱采用了至少一些改善4頓LED光源的背 光照明性能的措施時，但是這些方案的每一個都具有缺陷并仍然存在相當(dāng)大的 改善的空間。為了在一個更寬闊的區(qū)域擴展照明以及以適當(dāng)?shù)姆较蛐怨璴導(dǎo)光朝 向背光顯示器，實現(xiàn)從點光源到一區(qū)域的均勻性是一個復(fù)雜的問題，而且需要 多個光學(xué)組件的相互作用。為了擴展以及使點光源LED照明適用于背光顯示器， 需要光學(xué)組件的一些組合。
雖然LED背光裝置已經(jīng)受到了相當(dāng)大的注意，但是仍然具有許多的缺點。 因為LED本質(zhì)上為點光源，LED直視背光照明需要高性能的 魏元件彩魏光 至販的表面區(qū)鄉(xiāng)擋需要時重復(fù)利用光，這增加了 LED背光燈的厚度和費用。 來自LED自身的熱也是一個問題。從這些光源發(fā)出的熱可導(dǎo)致在LCD中的均 勻性失常。許多傳纟絲統(tǒng)的飾差的光分布造成其它照明糊呦勻。
因此，直視LED背光照明^g具有優(yōu)點，顯示出改善的均勻性和效率、低 費用和更薄的空間外形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明劍共一種提供照明的照明裝置，包括
a)—面對寸光源陣列，其中每個面對寸光源發(fā)出源照明光束，以光束角^到 照明平面；
b)—相應(yīng)于戶;M面鄉(xiāng)光源陣列的棘擴展光學(xué)元件陣列，其中，ffiii每 個光束擴展光學(xué)元件戶;f^源照明光束的折射實質(zhì)上滿足一分布函數(shù)
其中^是從戶，光束擴展光學(xué)元件的光軸^f;M照明平面的徑向距離， 辦是戶皿徑向距離的任意小的增量， ^是相應(yīng)于辦的光束角的角度增量，禾口 /(。是戶脫光源的角度分布的分布函數(shù)， 這樣，每一光束擴展光學(xué)元件調(diào)節(jié)來自相應(yīng)面mt光源的源照明光束的發(fā) 光強度，以^^射向照明平面的均勻照明光束； 禾口，
c)—光束發(fā)散減小的 元件陣列，其中，^光束發(fā)散減小的透鏡元件
減小相應(yīng)的均勻照明光束的角度發(fā)散，從而提供具有改善的均勻性和減小的光 束發(fā)散的照明。
本發(fā)明也提供一個顯示裝置，包括
a) —面鄉(xiāng)光源陣列，其中針面鄉(xiāng)光源發(fā)出源照明光束，以光束角0到 照明平面；
b) —相應(yīng)于戶脫面鄉(xiāng)光源陣列的光束擴展光學(xué)元件陣列，其中，ffiil每 個光束擴展光學(xué)元件所述源照明光束的折射實質(zhì)上滿足一分布函數(shù)
其中y是;A^述光束擴展光學(xué)元件的光軸沿著戶脫照明平面的徑向距離， 辦是所述徑向距離的任意小的增量， M是相應(yīng)于辦的光束角的角度增量，和 /(。是戶脫光源的角度分布的分布函數(shù)，
這樣，每一光束擴展光學(xué)元件調(diào)節(jié)來自相應(yīng)面mr光源的源照明光束的發(fā)
光強度，以li^M向照明平面的均勻照明光束； 和，
c) 一光束發(fā)散減小的透鏡元件陣列，其中，每個光束發(fā)散減小的透鏡元件 減小相應(yīng)的均勻照明光束的角度發(fā)散，從而提供具有改善的均勻性和減小的光 束發(fā)散的照明。d) —液晶光調(diào)制器，用來調(diào)制具有減小的光束發(fā)散的戶; ^照明光束以鄉(xiāng)
帶有圖像的光束；和
e) —觀看角度控制膜，與戶脫液晶光調(diào)制器空間分離，用來擴大戶脫帶有 圖像的光束的觀看角度。
本發(fā)明還衝共一用來衝共照明的照明組件，包括
a) 多個面鄉(xiāng)光源，其中，齡面鄉(xiāng)光源鄉(xiāng)一源照明光束；
b) 多個光束擴展光學(xué)元件，其中，旨光束擴展光學(xué)元件調(diào)節(jié)來自相應(yīng)面 ，光源的源照明光束的發(fā)光強度以衝共均勻的照明光束；
c) 多個光束發(fā)散減小的M元件，其中旨光束發(fā)散減小的 元件改變 戶M均勻的照明光束到觀看方向以提供具有減小角度發(fā)散的照明光束；禾口
d) 觀看角度控制膜，與戶瓶光束發(fā)散減小的纖元件空間分離，用來擴大 具有減小角度發(fā)散的照明光束的觀看角度。
本發(fā)明還皿一顯^S，包括
a) 多個面魏光源，其中，針面鄉(xiāng)光源提供一源照明光束；
b) 多個光束擴展光學(xué)元件，其中，^光束擴展光學(xué)元件調(diào)節(jié)來自相應(yīng)面 對才光源的源照明光束的發(fā)光強度以衝共均勻的照明光束；
c) 多個減小光束發(fā)散的 元件，其中*光束發(fā)散減小的 元件改變 戶，均勻的照明光束到觀看方向以,具有減小角度發(fā)散的照明光束；禾口
d) 液晶光調(diào)制器，用來調(diào)審俱有減小的光束發(fā)散的戶脫照明光束以樹共帶 有圖像的光束；
e) 觀看角度控制膜，與戶脫液晶光調(diào)制器空間分離，用來擴大戶脫帶有圖
像的光束的戶;M觀看角度。
本申請使用一分開布置的的LED的裝置或其它面，光源。它提供一 LED 背光照明，在觀看角度范圍內(nèi)具有更均勻的照明而不需要一強的漫射元件。它 也衝共一有效的背光裝置，會擬更低成本制造，并具有較薄的空間外形。
通過閱讀下面更詳細(xì)的描述，結(jié)合其中示出和，本發(fā)明的示意性實施例 的的附圖，本發(fā)明的這些以及其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說是明顯的。


雖然詳細(xì)的描述包括特別指出和明顯提出本發(fā)明主題的權(quán)利要求，但結(jié)合 附圖從后面的描述中更容易 本發(fā)明。
圖1是傳驢視LED背光燈的橫截面的側(cè)視圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的LED背光燈橫截面的偵艦圖； 圖3是光束擴展光學(xué)元件的關(guān)鍵幾何^t系的示意圖； 圖4是按照本發(fā)明的一個實施例的光束擴展光學(xué)元件的側(cè)視圖； 圖5A和5B是照明光束形，照明強度影響的曲線圖； 圖6A是根據(jù)本發(fā)明顯示裝置如何鄉(xiāng)均勻空間照明的截面圖； 圖6B是根據(jù)本發(fā)明或相當(dāng)?shù)膶嵗跊]有菲涅耳透鏡下光調(diào)節(jié)作用的橫截 面的示意圖；和
圖7是在一實施例中LED光源和支撐組件的可能的蜂巢型配置的平面圖。
具體實施例方式
這里的描述把注意力特別貫注于按照本發(fā)明的裝置的構(gòu)成部分，或更直接 地與該裝置共同協(xié)作的元件?？梢岳斫獾氖遣⒎翘囟ǖ恼f明或描述元件可以采 取本領(lǐng)職術(shù)人員熟知的不同的形式。
如圖1所示，為了描述而以簡化的橫截面圖的形式示出，使用LED背光燈 12照明LC裝置22的傳統(tǒng)LCD顯示器10的部，置。多個LED14沿表面16 配置，每個提供一源照明光束18。折射元件20，典型的^3t^，擴^^M源照 明光束。t魏器30有助于微進一步的角度擴展和最小化更高亮度的"熱點"。
作為第一近似，LED14看作一朗伯(Lambertian)源或者點光源，在寬角度 范圍發(fā)送源照明光束18。然而，LED14的空間亮度分布一般不均勻。因此，需 要折射元件20和^l寸器30校正不均勻的亮度分布。在圖1中的傳統(tǒng)裝置，漫 射器30作為均勻器。為了補償LED14的不均勻亮度分布，漫射器30必須相對 地厚且被M地設(shè)計以實5Ilt匕功能。典型地需要一個霧度(haze value)大約大 于90%的強^|寸元件。
一種建議的改M度均勻性的途徑皿化折射元件20的皿。例如，Boyd 等的美國專利號6,568,822題為"線性照明光源"的專利披露了具有復(fù)合曲面的透 鏡，其中透鏡被亥贈以便它實質(zhì)上覆蓋LED， ^Si也擴展光束用于背光照明使 用，這改善了亮度在 IM器30上的均勻性。雖然該方案可以幫助改善照明均勻
性，但還需要霧ig^i9(^的強翻器30來確?？山邮艿木鶆蛐浴Ｓ捎谶@樣的 高霧度，當(dāng)光穿過$，器30和從表面16反射出去時，^i^器30通過多次t^ 光來提供均勻光。值得注意的是，伴隨著每次,和反射存在光損失，該光散 射可使光脫離預(yù)想的路徑和離開織的〗頓者，因此，艦斷氐了從光源14傳 輸?shù)侥┒薸頓者的光的效率。
為了改善照明均勻性和光效率，本發(fā)明的裝置和方法進一步調(diào)節(jié)照明光束，
在其入射到，魏器30上之itr^改變方向和角度減小的措施。如圖2戶標(biāo)，同
樣在橫截面，背光燈24,設(shè)計成^t照明裝置50中的照明均勻性。LED14 沿反射面26配置。^LED14具有相應(yīng)的光束擴展光學(xué)元件28，該光束擴展 光學(xué)元件28作為一個照明均勻器，在一個寬角度范圍內(nèi)^W展照明光束34。 菲涅耳纖元件32，一種光束發(fā)散減小的透鏡部件的ttit類型，優(yōu)點在于它的 薄的外形，然后對擴展照明光束34提供一定程度上光束發(fā)散的減小，因此, 減小發(fā)散的照明光束36。漫射器38設(shè)置在減小發(fā)散的照明光束36的路徑上， 作為一種觀看角度控制膜或物品來擴膨見看角度，從而給LC裝置22或其它組 f^if共均勻的背光照明40。LC裝置22調(diào)制均勻的背光照明40以形成調(diào)制的圖 像光束54。
作為本申請中所使用的詞語，"減小發(fā)散'光束具有至少一些通過菲涅耳透 鏡元件32產(chǎn)生的減小角度發(fā)散的措施。對于大多數(shù)背光照明應(yīng)用中，照明光束 并不需要準(zhǔn)直。期望的發(fā)散減小最小至少大約+/-5%。所允許的角度發(fā)散禾， 可在一個范圍內(nèi)變化，取決于光源的尺寸和菲涅耳 元件32的焦距。選擇漫 射器38以提供適合不同應(yīng)用的光束發(fā)散。
基于亮度和照度的分析優(yōu)化本發(fā)明。照度根據(jù)表面單位面積上入射的光通 量給出。亮度或光亮度，根據(jù)單位投影面積的單位立體角的輻射的 量給出， 如投影到垂直于傳播方向的平面上。如果光源是朗伯(Lambertian)，它的發(fā)光 強度具有coW的下降，其中e是光束相對于法線的偏移角。它的照度，同時， 具有cos4 0的下降。
關(guān)于圖3，光束擴展光學(xué)元件28的設(shè)計是用來使LED14的照度在照明平面 S上一特定二維區(qū)域上更接近常數(shù)，這意,滿足下面的公式，其中幾乎一樣 是可能的
=常數(shù) (1)
其中o是^ii量，y是在照明區(qū):W:離光軸的距離，如圖3所示。在圖3 中線z表示光軸。
一個朗伯(Lambertian)光源的發(fā)光5驢標(biāo)為一個分布函數(shù)
，)= (2)
其中e是從光源，的光束的角度的測量值。為了獲得均勻光照明，要求光 束擴展光學(xué)元件將公式(2)轉(zhuǎn)換為公式(1)。由于 量在{對可光學(xué)系統(tǒng)中是 守恒的，相對地直^f導(dǎo)到為均勻照明使用朗伯(Lambertian)光源的擴展光學(xué)元 件應(yīng)該滿足的^f牛，為
% = —) (3)
還是參照圖3，假設(shè)一光束以e角入射到光束擴展光學(xué)元件上。從光學(xué)擴展 光學(xué)元件，光束入射到照明平面《的位置y上。當(dāng)入射角以一增量M變化，相 應(yīng)的少的變量是辦，應(yīng)該與cos(。成比例。換句話說，當(dāng)光束角e增加時，區(qū)域 辦中的光通量以cos的增長。簡單的提出，這個^^牛要求光學(xué)元fH專輸更多的 光到高角度以補償在照度中的余弦下降。
在光束擴展光學(xué)元件后也可以導(dǎo)出光束的發(fā)光強度。該光束擴展光學(xué)元件 產(chǎn)生均勻照明以滿足下面的關(guān)系
^ =常數(shù) (4) 辦
其中^是辦的對向區(qū)域，那么 辦=，,m (5)
相應(yīng)于d的對向立體角是
<formula>formula see original document page 12</formula>
i!31轉(zhuǎn)換公式(6)，可以得到下面的公式
<formula>formula see original document page 13</formula>
cos2(。
將公式(7)帶入公式(4)和使用公式(5)得到 Z cos3(S)
-常數(shù) (8)
因此，使用公式(6)，發(fā)光5驢變成(9):
^-常數(shù)x^" (9) c/Q cos3(e)
雖然這，導(dǎo)假設(shè)了一個朗伯(Lambertian)光源，同樣的理論可以更普遍 地應(yīng)用于其它類型的光源。在普通情況下，光源可以考慮成具有角度分布
<formula>formula see original document page 13</formula>(10)
下面相同的推導(dǎo)過程，公式(3)可以擴展為更普^i也形式，
公式(11)是公式(3)的概括形式。4OT這一分析，在使用LED光源的 照明系統(tǒng)中光束整形光學(xué)元件的目標(biāo)是滿^i:面的方程(11)，假設(shè)~#殊的分 布函數(shù)/(。。上面描述的例子中，角度分布函數(shù)/(。遵循余弦性質(zhì)。其它可能 的角度分布函數(shù)可以是指數(shù)函數(shù)或三角函數(shù)，例如cos2(0。無論角度分布函數(shù) /(。是什么，光束整形光學(xué)元件應(yīng)該以這樣的方式補償，在照明平面的 量 保持基本的均勻。綜上，通過光束整形光學(xué)元件提供的照明均勻性應(yīng)該在 90 %內(nèi)。
圖4示出，在 面外形中，在一個實施例中光束擴展光學(xué)元件28的，。 這里，光束擴展光學(xué)元件28是一具有凸和凹曲率的透鏡。光束擴展光學(xué)元件28
在透鏡元件中心具有凹部分48,也就是，相對接近于光軸O，和凸形外部分52。 (圖4中，凹部分48具有非常小的凹曲率)。
圖5A示出了在被光束擴展光學(xué)元件28限制前，來自LED14的光的發(fā)光強 度的曲線44。圖5B示出了一個發(fā)光^破曲線46，覆蓋一角度范圍大約垂直(0 度)于從光束擴展光學(xué)元件28提供的擴展照明光束34 (圖2)。曲線46的, 皿顯示發(fā)光強度與(cos3 成比例，這如所期望的一樣。
圖6A所示，以理想的形式，顯^置50如何衝共基本均勻的空間亮度。這 里，LED14皿光至具有，光束擴展功能的光束擴展光學(xué)元件28。菲涅耳透 鏡元件32然后鵬光束發(fā)散減小和4輸有調(diào)節(jié)的照明至$魏器38，典型的是一 個層，以控制觀看角度。這種設(shè)置為到達LC裝置22的照明提供了均勻的空間 亮度。在這一系統(tǒng)中，M翻器38的光的角度擴展j頓用來增寬觀看角度， 而不是像傳統(tǒng)的設(shè)計中用來,均勻性。從而，在用戶模式式中該漫射器38被 選擇以滿足顯示?！姥氲奶厥庥^看角度需求。在圖2和圖6A所示實施例中，$魏 器38在照明路^i:。在變形的實施例中，,器38可以被設(shè)置在調(diào)制光的路 ^il，也就是說，在光調(diào)制元件和觀看者之間。在一實施例中，滿射器38為 LC顯示裝置增加觀看角度至少大約+/-10度。
本發(fā)明的裝置和方法為每一個LED14提供了一相應(yīng)的光束擴展光學(xué)元件 28和菲涅耳 元件32。用于多個LED14的菲涅耳M元件32可以被設(shè)置成 一個陣列，因此，在一實施例中， 一個單層具有多個菲涅耳皿元件的一個陣 列，有適當(dāng)?shù)某叽缫约氨薸th^間基于LED14的間距間隔。在每一個獨立的菲涅 耳 ^件32與其相應(yīng)的LED14之間需要某些對皿置。漫射器38可以是一 層或板，也可以比傳統(tǒng)的LED背光照明中，例如圖l中所示的背光照明24，所 需的相應(yīng)的漫射元件薄的多，。
如果沒有菲涅耳 元件32 ,的光束擴散減小，由于入射光束的方向性 觀看者感覺到的照明會不均勻。圖6B圖示性地顯示了這種情況。光線41在接 近法線方向?qū)τ谟^ 是很容易可見的。相比較光線42在一離軸角度傳播而且 在被^M器38作用后仍不傳播進眼睛。沒有這些光束擴散減小，照明的一部分 可能#^離所期望的觀看角度傳播，導(dǎo)致照度大大減弱。防止這種情況發(fā)生的 一種方式是使用一很強的漫射器，具有高于90%的霧度；然而，這種高擴散光 學(xué)組件顯示出高的吸收性和背面反射，導(dǎo)致低的光效率。在本發(fā)明中，菲涅耳 纖元件32 (圖2和6A中戶標(biāo))m艦擴散減小排除了對強纟魏器的需要， 不管入射角如何改^A射光束的方向至更艦法線方向。為了使照明在至噠LC 裝置22前在一個窄角度范圍傳播，只需要一個霧度低于90%的弱漫射器。
LED14和它們的支撐組件可以矩形豐試的排和列戯它魏的模式沿礎(chǔ) 面26設(shè)置。例如，圖7所示的平面圖顯示了一個蜂mt莫式，其中每一個單元54 都以緊密的封^1i式設(shè)置。#^單元54可以包含一個具有一相應(yīng)的光束擴展光 學(xué)元件28和菲涅耳元件32的LED14。組件以這種方式封裝，f頓六邊形的蜂 巢單元54，優(yōu)化由LED14,的照明平面中的組件設(shè)置。
加工制造
在一實施例中，在顯示裝置50 (圖2和6A)中使用的光束整形和調(diào)節(jié)組件 以預(yù)定的組件間距制造，也就是說，例如，LED14和它們相應(yīng)的光束擴展光學(xué) 元件28均勻地空間地布置。菲涅耳透鏡32作為一單層的部分被模制，單^Hf 鏡為了與LED14對準(zhǔn)適當(dāng)?shù)乜臻g分開。
光束擴展光學(xué)元件28可以由傳統(tǒng)的光學(xué)材料形成。當(dāng)<頓非球面形伏，普 遍,使用光學(xué)塑料制造。因為這些組件是作為照明系統(tǒng)(而不是成像系統(tǒng)) 的部分，制造公差不需要嚴(yán)格。
通過特別參考某^m的實施例，本發(fā)明獲得了詳細(xì)的描述，但是可以理 解的是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明范圍的可實現(xiàn)的變化和修改，也 在如上所述的本發(fā)明的范圍，以及從屬權(quán)利要求記載之內(nèi)。例如，雖然〗頓了 LED14，但作為點光源的其它類型的面皿光源也可以使用。也可以使用反射 型光束擴展光學(xué)元件28， LED14或其它面，光源可以是多色光源，如白光光 源，或者可以是單色的。菲涅耳纖元件32的優(yōu)點是它的薄尺寸， 一些薄準(zhǔn)直 透鏡元件的變形型可以被替換以,菲涅耳,元件32的準(zhǔn)直作用。
因此，這里提供一驢和方法，用于LED背光照明裝置和1頓該體的顯
不器o
部件列表
IO丄CD顯示器 12,背光燈 14.LED 16.面
18.源照明光束
20,折射元件
22.LC縫
24.背光燈
26礎(chǔ)表面
28.光束擴展光學(xué)元件
30.漫射器
32.菲涅耳,元件
34.擴展照明光束
36.基本準(zhǔn)直的照明光束
38.翻器
40.均勻化的背光照明
41， 42.光線
44.曲線圖
46.曲線圖
48.凹部分
50.顯示裝置
52.外部分
54.圖像調(diào)制后的光束 S照明平面
權(quán)利要求
1.一種提供照明的照明裝置，包括a)面發(fā)射光源陣列，其中每個面發(fā)射光源以光束角θ將源照明光束引導(dǎo)到照明平面；b)與所述面發(fā)射光源陣列相對應(yīng)的光束擴展光學(xué)元件陣列，其中，通過每個光束擴展光學(xué)元件的所述源照明光束的折射實質(zhì)上滿足一分布函數(shù)dy/dθ＝f(θ)其中y是從所述光束擴展光學(xué)元件的光軸沿著所述照明平面的徑向距離，dy是所述徑向距離的任意小的增量，dθ是相應(yīng)于dy的光束角的角度增量，和f(θ)是所述光源的角度分布的分布函數(shù)，這樣，每一光束擴展光學(xué)元件調(diào)節(jié)來自相應(yīng)面發(fā)射光源的源照明光束的發(fā)光強度，以提供射向照明平面的均勻照明光束；和，c)光束發(fā)散減小的透鏡元件陣列，其中，每一個光束發(fā)散減小的透鏡元件使相應(yīng)的均勻照明光束的角度發(fā)散減小，從而提供具有改善的均勻性和減小的光束發(fā)散的照明。
2. —種衝共照明的照明裝置，包括a) 多個面mt光源，其中，齡面鄉(xiāng)光源^f共一源照明光束；b) 多個光束擴展光學(xué)元件，其中，針光束擴展光學(xué)元件調(diào)節(jié)來自相應(yīng)面 ，光源的源照明光束的發(fā)光強度以^均勻的照明光束；c) 多個光束發(fā)散減小 元件，其中每個光束發(fā)散減小M元件朝著觀看 方向改^^3t均勻的照明光束的方向以提供具有減小角度發(fā)散的照明光束；和d) 觀看角度控制膜，它與戶腿光束發(fā)散減小透鏡元件是空間分離的，用來 擴大具有減小角度發(fā)散的照明光束的觀看角度。
3. —種顯碟置，包括a)多個面對寸光源，其中，齡面鄉(xiāng)光源掛共一源照明光束； b) 多個光束擴展光學(xué)元件，其中，針棘擴展光學(xué)元件調(diào)節(jié)來自相應(yīng)面ait光源的源照明光束的發(fā)光強度以,均勻的照明光束；c) 多個光束發(fā)散減小透鏡元件，其中^t束發(fā)散減小，元件朝著觀看方向改變戶;M均勻的照明光束的方向以提供具有減小角度發(fā)散的照明光束；d) 液晶光調(diào)制器，用來調(diào)制具有減小的角度發(fā)散的所述照明光束以提供帶 有圖像的光束；e) 觀看角度控制膜，它與所述液晶光調(diào)制器是空間分離的，用來擴大戶;M帶有圖像的光束的觀看角度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3戶，的顯^g，其特征在于，觀看角度控制膜增加戶;M觀看角度至少約+/—10度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1戶皿的照明，，其特征在于，戶皿光束發(fā)散減小 元 件是菲涅耳透鏡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于，至少一個面，光源是 LED。
7. 根據(jù)權(quán)禾腰求1戶腿的照明裝置，其特征在于，至少一個面鄉(xiāng)光源是單 色的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于，至少一個面皿光源是多 色的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于，至少一個光束擴展光學(xué)元 件包括非球面3tH，其中面對著照明平面的纖表面至少包括凹曲率和凸曲率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于，所述光束發(fā)散減小M 元件陣列是在一片Milo
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明裝置，其特征在于，分布函數(shù)/(。是指數(shù)函數(shù)。
12. 根據(jù)權(quán)禾腰求1戶脫的照明裝置，^f寺征在于，分布函數(shù)/(。^H角函數(shù)。
13. 根據(jù)權(quán)禾腰求2戶脫的照明裝置，其特征在于，所3^見看角度控制膜是 霧度為90%或更小的$11寸器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求3戶皿的照明，，其特征在于，戶;M^見看角度控制膜是霧度為90%或更小的漫射器。
15. —種顯碟置，包括a) 面，光源陣列，其中*面，光源以光束角^將源照明光束引導(dǎo)到 照明平面；b) 與戶服面鄉(xiāng)光源陣列相對應(yīng)的光束擴展光學(xué)元件陣列，其中，通過每 個光束擴展光學(xué)元件的戶欣源照明光束的折射實質(zhì)上滿足一分布函數(shù)其中y是/A^述光軸沿著戶脫照明平面的徑向距離， 辦是戶，徑向距離的任意小的增量， M是相應(yīng)于辦的光束角的角度增量，和 /的是戶腿光源的角度分布的函數(shù)，這樣，每一光束擴展光學(xué)元件調(diào)節(jié)來自相應(yīng)面，光源的源照明光束的發(fā) 光強度，以向照明平面劍共均勻的照明光束； 和，c) 光束發(fā)散減小透鏡元件陣列，其中每一個光束發(fā)散減小透鏡元件減小相 應(yīng)的均勻照明光束的角度發(fā)散，從而提供具有改善的均勻性和減小的光束發(fā)散 的照明。d) 液晶光調(diào)制器，用來調(diào)制具有減小的光束發(fā)散的照明光束以鄉(xiāng)帶有圖 像的光束；和e)觀看角度控制膜，它與所述液晶光調(diào)制器是空間分離的，用來擴大戶， 帶有圖像的光束的觀看角度。
16.根據(jù)權(quán)禾腰求15戶脫的照明裝置，其特征在于，0ME看角度控制膜是 霧度為90%#小的漫射器。
全文摘要
一種適用于液晶顯示(LCD)(22)的背光燈的直接觀看的照明裝置(24)，包括(按照此順序)面發(fā)光源陣列(LED)(14)，它具有一角度發(fā)光強度分布；光束擴展光學(xué)元件陣列(28)；菲涅耳透鏡陣列(32)，用于減小光束發(fā)散；以及(任選的)漫射器(38)。光束擴展光學(xué)元件的折射特性(凸的和凹的)使得在照明平面處(LCD位于該處)發(fā)光通量基本上恒定。因此，光束擴展光學(xué)元件將更多的光折射到更高的光束角度中，從而補償這些源的發(fā)光強度的相應(yīng)下降。菲涅耳透鏡的薄片減小光束的發(fā)散，并且將它們引導(dǎo)至漫射器。(較弱的)漫射器用于添加進一步的光束發(fā)散以適于各種應(yīng)用，而不是自身產(chǎn)生亮度的均勻性。該裝置允許更纖細(xì)的設(shè)計，從而不需要具有高霧度(＞90％)的強漫射器。
文檔編號G02F1/1335GK101351739SQ200680038589
公開日2009年1月21日 申請日期2006年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者D·凱斯勒, J·李, X-D·米 申請人:羅門哈斯丹麥金融有限公司