專利名稱：照明系統(tǒng)的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種照明系統(tǒng)，包括光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)是光學(xué)透明的，并具有出射表面和許多端面，光源位于與至少一個端面相對的位置，光源的光在所述至少一個端面處耦合到光波導(dǎo)中，光波導(dǎo)具有集成在其中的偏振裝置，用于使光源發(fā)出的光起偏。
本發(fā)明進一步涉及一種制造光波導(dǎo)中的偏振裝置的方法，該光波導(dǎo)是光學(xué)透明的，并具有出射表面和許多端面，光源位于與至少一個端面相對的位置，光源的光在所述至少一個端面處耦合到光波導(dǎo)中，偏振裝置適合于使光源發(fā)出的光起偏。
本發(fā)明還涉及一種控制來自包括光波導(dǎo)的照明系統(tǒng)的偏振光向外耦合的方向的方法，該光波導(dǎo)是光學(xué)透明的，并具有出射表面和許多端面，光源位于與至少一個端面相對的位置，光源的光在所述至少一個端面處耦合到光波導(dǎo)中，光波導(dǎo)具有集成在其中的偏振裝置，用于使光源發(fā)出的光起偏。
背景技術(shù)：
利用非偏振光或偏振光進行照明是一種普遍的技術(shù)。一個例子是常常用于為移動式電話、PDA或其他電子設(shè)備的用戶顯示信息的LCD顯示器的照明，該用戶在下文稱作觀眾。LCD顯示器優(yōu)選利用偏振光進行照明。這種照明既可以實現(xiàn)為經(jīng)顯示板朝觀眾發(fā)出光的背面照明，也可以實現(xiàn)為朝顯示板發(fā)出光然后朝觀眾反射的正面照明。國際申請W001/51849描述了一種顯示設(shè)備，其包括用于提供顯示板照明的光波導(dǎo)。該光波導(dǎo)具有充滿雙折射材料的槽。槽中的雙折射材料將從側(cè)面進入的光分成具有彼此相反的偏振的兩個光束。因此，光波導(dǎo)的槽充滿各向異性單軸材料，例如向列型液晶材料，以實現(xiàn)所需偏振的偏振光朝被照射的顯示板向外耦合。利用偏振光的照明也可以用于室內(nèi)照明。在現(xiàn)有技術(shù)的照明系統(tǒng)中，如WO 01/51849中所述的，向外耦合的偏振光的方向是固定的，不能控制。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種減少或消除現(xiàn)有技術(shù)的缺陷的照明系統(tǒng)，因此，提供一種可以控制向外耦合的偏振光的方向的照明系統(tǒng)。這一目的是根據(jù)前序中的照明系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其特征在于偏振裝置包括-光導(dǎo)，其由光學(xué)透明材料制成，并接收在所述至少一個端面處耦合到光波導(dǎo)中的所述光，-包括液晶的雙折射層，其置于光導(dǎo)上，并位于該光導(dǎo)的出射表面一側(cè)，以及-第一電極和第二電極，這兩個電極都與該雙折射層電接觸，并適用于與電壓發(fā)生器相連，該電壓發(fā)生器在電極之間施加電壓，從而可以改變包括液晶的雙折射層的雙折射性質(zhì)，以控制經(jīng)過該出射表面向外耦合的光的方向。
本發(fā)明的優(yōu)點在于可以控制和改變向外耦合的光的方向。因此，由照明系統(tǒng)提供的照明隨環(huán)境條件、被照射的物體的性質(zhì)或活性以及優(yōu)先選擇的用戶而改變。液晶從LCD顯示器應(yīng)用中是公知的，并且很容易得到。通過改變電壓來控制雙折射性質(zhì)也是LCD應(yīng)用中公知的一種簡單而穩(wěn)定的方法。因此，該照明系統(tǒng)基于普通的制造方法，制造成本低且易于維護(handle)。
根據(jù)權(quán)利要求2的方案的優(yōu)點在于，提供了光以較大角度從出射表面向外耦合，甚至是以垂直于出射表面向外耦合。因此，微觀結(jié)構(gòu)使其可以在施加相對較高電壓時控制光在幾乎垂直于出射表面的方向上的向外耦合，并且當(dāng)施加低電壓或不施加電壓時以相對于出射表面法線的大角度向外耦合。
根據(jù)權(quán)利要求3的方案的優(yōu)點在于，提供了在基本上垂直于出射表面的方向上向外耦合的有效方式。
根據(jù)權(quán)利要求4的方案的優(yōu)點在于，保持雙折射層的處于液晶狀態(tài)的液晶限制在光導(dǎo)上。因此，照明系統(tǒng)可以沿任一方向取向而不會有泄漏的危險。防護蓋也保護雙折射層不受損壞和污染。
根據(jù)權(quán)利要求5的方案的突出的優(yōu)點在于，防護蓋面向該雙折射層的那一面一般是平面，因此適合于至少一個電極的連接。
根據(jù)權(quán)利要求6的方案的優(yōu)點在于，不需要將電極放置在光導(dǎo)面向雙折射層的那一表面上。光導(dǎo)的所述表面可具有微觀結(jié)構(gòu)，例如槽，使得很難將電極放置在其上。防護蓋中的兩個電極放置在其面向雙折射層的那一面上使制造更容易，并且增大了選擇光導(dǎo)上微觀結(jié)構(gòu)的形狀和位置的自由。
根據(jù)權(quán)利要求7的方案的優(yōu)點在于，增大了電極在蓋中和/或光導(dǎo)上的位置的自由。
根據(jù)權(quán)利要求8的方案的優(yōu)點在于，提供了能僅僅尋址一部分照明系統(tǒng)。因此，可以使用獨立的電壓發(fā)生器或開關(guān)來向僅僅一些電極施加電壓，并因此獲得從僅僅一部分照明系統(tǒng)以大角度向外耦合的光。
根據(jù)權(quán)利要求9的方案的優(yōu)點在于，能夠?qū)㈦姌O放置在向外耦合的光的光路中而不降低所述光的強度。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制造供照明系統(tǒng)中使用的光波導(dǎo)中的可控制偏振裝置的方法，其中可以控制向外耦合的偏振光的方向。
這一目的是利用根據(jù)前序的方法來實現(xiàn)的，其特征在于以下步驟-形成光學(xué)透明材料的光導(dǎo)，用于在所述至少一個端面接收耦合到光波導(dǎo)中的所述光，-在光導(dǎo)上位于其出射表面一側(cè)處形成包括液晶的雙折射層，以及-將第一電極和第二電極與包括液晶的雙折射層相連，用于控制通過偏振裝置經(jīng)該出射表面向外耦合的偏振光的方向。
這種制造偏振裝置的方法的優(yōu)點在于，可以使用其他技術(shù)領(lǐng)域公知的部件，如LCD領(lǐng)域。這樣制造的偏振裝置很穩(wěn)定，制造成本比較低，并且可以很容易控制向外耦合的光的方向。
根據(jù)權(quán)利要求11的方案的優(yōu)點在于，提供了在照明系統(tǒng)中設(shè)置一個或兩個電極的簡單而有效的方法，因為防護蓋面向雙折射層的那一面一般是平面，并且很適合于連接一個或幾個電極。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種控制從照明系統(tǒng)向外耦合的偏振光的方向的方法。
這一目的是利用根據(jù)前序的方法來實現(xiàn)的，其特征在于使用偏振裝置，該偏振裝置包括-光導(dǎo)，其由光學(xué)透明材料制成，并適用于接收在所述至少一個端面耦合到該光波導(dǎo)中的所述光，-包括液晶的雙折射層，其設(shè)置在該光導(dǎo)上位于其出射表面一側(cè)的位置，以及-第一電極和第二電極，這兩個電極都與該雙折射層電接觸，其中-在該第一和第二電極之間施加電壓，該電壓提供經(jīng)該出射表面向外耦合的偏振光的所需方向。
該方法的優(yōu)點在于可以利用例如電壓發(fā)生器的簡單裝置來控制向外耦合的光的方向，并且可能除了電壓發(fā)生器本身之外，不需要用于控制向外耦合的光的方向的機械裝置。因此，終端用戶或觀眾很容易控制向外耦合的光的方向，并且由于沒有機械部件，因此該控制很穩(wěn)定。這樣，控制向外耦合的光的方向的本發(fā)明的方法適合于需要容易處理和穩(wěn)定操作的幾個區(qū)域的照明。
根據(jù)權(quán)利要求13的方法的優(yōu)點在于，提供了直接照明和漫射照明的可能性，直接照明即光垂直于該出射表面向外耦合，或以相對于該出射表面法線的小角度向外耦合，漫射照明即光以相對于該出射表面法線的大角度同時從同一照明系統(tǒng)向外耦合。用戶可以控制照明系統(tǒng)并選擇其那個區(qū)域應(yīng)當(dāng)提供那種類型的照明。
本發(fā)明的這些和其他方面將從參考下文中描述的實施例中顯而易見，并進行說明。
附圖簡述現(xiàn)在將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中

圖1是配備根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的反射顯示設(shè)備的橫截面。
圖2是更詳細地顯示圖1所示照明系統(tǒng)的橫截面。
圖3是顯示在圖2的照明系統(tǒng)的第一和第二電極之間施加較高電壓時該照明系統(tǒng)的橫截面。
圖4是顯示配有根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的照明系統(tǒng)的檢查房間的橫截面。
圖5是顯示本發(fā)明的可替換實施例的橫截面。
圖6是顯示圖5中的蓋玻璃(cover glass)沿箭頭VI方向所看到的平面圖。
圖7是顯示用在本發(fā)明另一個可替換實施例中的蓋玻璃的平面圖。
圖8是顯示本發(fā)明再一個可替換實施例的橫截面。
這些附圖是概略視圖，沒有按比例繪制。對應(yīng)的部件一般具有相同的附圖標(biāo)記。
優(yōu)選實施例詳述在下面的描述中，“雙折射”表示透明物體對于第一偏振的光具有一個折射率，即尋常折射率，且對于與所述第一偏振反向的第二偏振的光具有另一個折射率，即異常折射率。表現(xiàn)出雙折射的材料被稱為“各向異性”。不管光的偏振方向如何都具有相同折射率的材料被稱為“各向同性”。
圖1中概略示出的顯示設(shè)備1包括圖像顯示板2和照明系統(tǒng)8，該照明系統(tǒng)位于觀眾(未示出)和顯示板2之間，由此提供顯示板2的正面照明。
圖像顯示板2包括位于兩個襯底3、4之間的液晶材料5，其基于扭轉(zhuǎn)向列(TN)、超扭轉(zhuǎn)向列(supertwisted nematic)(STN)，或鐵電效應(yīng)，從而調(diào)制入射光的偏振方向。圖像顯示板2包括例如像素矩陣，在襯底3上為該像素矩陣提供光反射圖象電極6。襯底4是透光的，并具有一個或多個例如ITO(氧化銦錫)的透光電極7。經(jīng)連接線6′、7′向這些圖象電極提供電壓，借助于驅(qū)動單元9向該連接線提供驅(qū)動電壓。襯底和電極都以已知的方式涂敷取向?qū)?5。
照明系統(tǒng)8包括光波導(dǎo)18，其由光學(xué)透明部件制成，并具有四個端面10、10′。光源12與這些端面之一相對，該端面例如是端面10，光源發(fā)出的光經(jīng)該端面耦合到光波導(dǎo)18中。光源12可以是例如管形熒光燈?？商鎿Q的是，光源可以由一個或多個發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成，特別是在具有小型圖像顯示板的平板顯示設(shè)備中，諸如便攜式電話。此外，光源12可以是可拆卸的。
光波導(dǎo)18的出射表面或出射面16面對圖像顯示板2?？梢韵虿皇构怦詈系狡渲械耐该靼宓拿恳欢嗣?0′配有反射器。按照這種方式，光不會在出射面16向外耦合，從而傳播通過光波導(dǎo)18，到達端面10′，因此，防止光經(jīng)過該端面10′離開光波導(dǎo)18。
為了防止光離開光波導(dǎo)18同時不會促進照明系統(tǒng)8的光輸出，光源12的光優(yōu)選經(jīng)耦合裝置13耦合到光波導(dǎo)18中。
光源12發(fā)出的光束20按照下面所述的方式變?yōu)槠窆?，從而使一種偏振的光主要朝反射圖像顯示板2偏轉(zhuǎn)(光束21)，并根據(jù)像素的狀態(tài)，反射具有相同或反向極性的光(光束22)。
在像素上反射之后，反向偏振光在相位板或延遲器24中變?yōu)榫€偏振光，并到達偏振器25，該實施例中透射軸的方向吸收反射光。類似的是，相同偏振的偏振光由偏振器25透射。
雜散光在內(nèi)表面(例如，表面16)上反射，其偏振與光束22的偏振反向，也通過延遲器24變?yōu)橛善衿?5吸收的線偏振光(光束26)。由光波導(dǎo)18內(nèi)反射產(chǎn)生的雜光也由偏振器25吸收(光束27)。
圖2是包括光波導(dǎo)18的照明系統(tǒng)8的側(cè)剖面圖。光波導(dǎo)18具有由良好光學(xué)性質(zhì)的材料制成的長方體(rectangular parallelepiped)的平面光導(dǎo)30，所述材料如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。光導(dǎo)30的尺寸符合實際應(yīng)用，但是作為一個典型的例子，對于PDA(個人數(shù)字助理)顯示器，該光導(dǎo)的尺寸為60mm×60mm，厚度為1mm。光導(dǎo)30具有表面32，該表面面向顯示板2，因此位于光導(dǎo)30的出射表面一側(cè)。該表面32配有用于向外耦合的呈三角槽34的微觀結(jié)構(gòu)，其在平行于端面10的方向上延伸，光源12發(fā)出的光在這里耦入。在面向顯示板2的光導(dǎo)30的所述表面32上涂敷雙折射層36。該雙折射層36包括在液體基質(zhì)(liquid matrix)中的不可聚合的可換向液晶。該液晶優(yōu)選具有在液晶顯示器(LCD)中所用的類型。這樣，該液晶在施加電壓時改變其取向。液晶取向的變化也影響包括液晶的雙折射層的各向異性方向。因此，雙折射層的尋常折射率與異常折射率之差隨施加的電壓而變化。優(yōu)選的是，雙折射層36的尋常折射率與(各向同性的)光導(dǎo)30的折射率相似。雙折射層36可被認(rèn)為是液體。因此，槽34變?yōu)槌錆M包括液晶的液體基質(zhì)。
在光導(dǎo)30上施加防護蓋玻璃38形式的透明防護蓋，以保持液體雙折射層36位于表面32上的適當(dāng)位置。第一電極40連接到面向雙折射層36的蓋玻璃38的表面42上。第一電極40因此與雙折射層36接觸。該第一電極優(yōu)選由ITO(氧化銦錫)制成，其是透明的導(dǎo)電材料。第二電極44連接到光導(dǎo)30的表面32上。這樣，第二電極44也與雙折射層36接觸。第二電極44可由與第一電極40相同的材料形成，即ITO，該第二電極形成為條形，這些條彼此電接觸(未示出)，從而為槽34提供開口。第一電極40和第二電極44與電壓發(fā)生器46相連。表面32和面42可以覆蓋從用于提供液晶的適當(dāng)取向的LCD技術(shù)中已知的取向?qū)?圖2中未示出)。
圖2中所示的情況是通過電壓發(fā)生器46在第一電極40和第二電極44之間施加低電壓(通常是0-2V，取決于液晶的類型)。在這種低電壓下，雙折射層36的液晶是細長結(jié)構(gòu)(elongated structure)，該液晶主要取向為使其各自的縱軸垂直于槽34的方向?qū)?zhǔn)。根據(jù)液晶的這種取向，該雙折射層的異常折射率與該雙折射層的尋常折射率幾乎相同。光源12發(fā)出非偏振光束20。當(dāng)光束20進入充滿雙折射材料的槽34時，即其液體基質(zhì)中的液晶時，該雙折射材料的異常折射率稍大于光導(dǎo)30的折射率，光束20被分成s偏振光的光束21(即，光波的平面與紙面重合)和p偏振光的光束26(即光波的平面垂直于紙面)。如從圖2中很明顯看出，p偏振光的光束26完全不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因為其服從槽34中的雙折射材料的尋常折射率，該雙折射材料的尋常折射率與光導(dǎo)30的折射率基本上相同。但是，s偏振光的光束21發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因為其服從槽34中的雙折射材料的異常折射率，所述異常折射率高于光導(dǎo)30的折射率。如圖2中所示，光束21(s偏振光)以相對于光束26(p偏振光)的相當(dāng)小的角α1向外耦合。這是因為該雙折射層的異常折射率比尋常折射率大得不多。然后光束21如上所述進入顯示板2。光束26在光波導(dǎo)18中發(fā)生內(nèi)部全反射，并最終以小角度從光波導(dǎo)18向外耦合，使其不會到達顯示板2，或者其經(jīng)端面10、10′之一離開光波導(dǎo)18，可由漫射端部反射器(圖2中未示出)有效地再循環(huán)。
如圖2中所示，光源12發(fā)出的光以相對于光導(dǎo)30的平面的較小角度耦合到光導(dǎo)30中，同時s偏振光以相對于光導(dǎo)30的平面的較大角度向外耦合。光源12發(fā)出的光束20的小角度防止不希望的偏振光，即p偏振光，經(jīng)端面16向外耦合，而是使該偏振光從該面16反射。
圖3示出與圖2中所示相同的照明系統(tǒng)8。但是，圖3表示通過電壓發(fā)生器46在第一電極40和第二電極44之間施加高電壓(通常是10-15V，取決于液晶的類型)的情況。在這種高電壓下，雙折射層36的液晶主要取向為使其各自的縱軸平行于槽34的方向?qū)?zhǔn)。根據(jù)液晶的這種取向，該雙折射層的異常折射率比其尋常折射率大得多。光束20再次由充滿雙折射材料的槽34分成s偏振光的光束21(即，光波的平面與紙面重合)和p偏振光的光束26(即光波的平面垂直于紙面)。如圖3中所示，光束21(s偏振光)以相對于光束26(p偏振光)的大角度α2并幾乎垂直于出射面16而向外耦合。這是因為該雙折射層的異常折射率比尋常折射率大得多。光束21以相對于表面32幾乎成直角的方向離開照明系統(tǒng)8并進入顯示板2。
因此，可以調(diào)整光從照明系統(tǒng)8向顯示板2耦合的方向，從而獲得更大的防眩目角(off-glare angle)，這使觀看顯示設(shè)備1的觀眾更容易觀察到其上提供的信息。
介于圖2中表現(xiàn)的電壓和圖3中表現(xiàn)的電壓之間的外加電壓使得能進一步控制光向外耦合的角度。
圖4示出本發(fā)明的另一種應(yīng)用。用于室內(nèi)照明的照明系統(tǒng)108與上面參考圖2描述的類似。因此，圖4中示出的照明系統(tǒng)108包括光波導(dǎo)18，光波導(dǎo)18具有由良好光學(xué)性質(zhì)的材料制成的長方體的平面光導(dǎo)130，所述材料如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。光導(dǎo)130的尺寸符合實際應(yīng)用，但是作為一個典型的例子，對于室內(nèi)照明，該光導(dǎo)的尺寸為1m×1m，厚度為10mm。光導(dǎo)130具有面向檢查房間102的內(nèi)部的表面132。該表面132配有三角槽34，其在平行于端面110的方向上延伸，來自提供非偏振光的光源的光在這里耦入，該光源呈燈112的形式。在面向房間102的光導(dǎo)130的表面132上涂敷包括液晶的雙折射層136。在光導(dǎo)130上施加透明蓋玻璃138，以保持液體雙折射層136位于表面132上的適當(dāng)位置。與雙折射層136接觸的第一和第二電極140、144與電壓發(fā)生器146相連。由人，例如在房間102中檢查病人107的護士105來控制電壓發(fā)生器146提供的電壓。例如可通過開關(guān)或手持遙控器109來控制電壓發(fā)生器146。當(dāng)需要漫射光時，向電極140、144施加低電壓。然后，偏振光束121A以相對于蓋玻璃138的出射面116的法線的大角度向外耦合，即朝房間102的屋頂103耦合。當(dāng)需要集中的定向光時，例如在護士105檢查的病人107上的定向光時，向電極140、144施加高電壓。然后，偏振光束121B幾乎垂直于出射面116向外耦合，例如直接朝病人107耦合。在這兩種情況下，將不需要的偏振光(光束126)反射，并在光導(dǎo)130內(nèi)再循環(huán)。
圖5是本發(fā)明的可替換實施例的截面圖。圖5中示出的照明系統(tǒng)208與圖2中示出的照明系統(tǒng)8的不同僅在于電極和蓋板的設(shè)計。在光導(dǎo)230上施加蓋玻璃238，以保持包括液晶的雙折射材料236在適當(dāng)?shù)奈恢?。包括許多細長條241的第一電極240連接在面向雙折射層236的蓋玻璃238的表面242上。包括許多細長條245的第二電極244也連接到面向雙折射層236的蓋玻璃238的表面242上，其連接方式為條245位于條241之間，且與條241電絕緣。
圖6是沿著圖5中箭頭VI方向獲得的蓋玻璃238的平面圖。如所看到的，第一電極240的條241經(jīng)公共導(dǎo)線243與電壓發(fā)生器246相連。類似的是，第二電極244的條245經(jīng)公共導(dǎo)線247與電壓發(fā)生器246相連。電極240、244的布置可稱作“面內(nèi)切換”，因為用于控制偏振光的向外耦合的電極240、244都位于同一個平面內(nèi)，即表面242上。由于這種布置，這些電極不需要位于光導(dǎo)230上形成槽234的表面232上。
圖7示出本發(fā)明的再一個實施例。圖7示出蓋玻璃338的平面圖。該蓋玻璃338計劃與光導(dǎo)一起使用，該光導(dǎo)具有與圖5中呈現(xiàn)的光導(dǎo)230相同的基本設(shè)計。但是，蓋玻璃338與圖6中所示的蓋玻璃238的不同之處在于電極的設(shè)計。蓋玻璃338面向雙折射層(圖7中未示出)的表面342分成第一區(qū)域350、第二區(qū)域360和第三區(qū)域370。第一區(qū)域350具有連接到表面342的條形第一電極352和條形第二電極354。電極352、354共同形成第一組電極，其與電壓發(fā)生器346相連。第二區(qū)域360具有連接到表面342的條形第一電極362和條形第二電極364。電極362、364共同形成第二組電極，其與電壓發(fā)生器346相連。第三區(qū)域不具有任何電極。利用蓋玻璃338，可以從電壓發(fā)生器356施加第一電壓，并因此獲得沿所需方向從第一區(qū)域350經(jīng)過出射面316向外耦合的偏振光。第二電壓不依賴于第一電壓，從電壓發(fā)生器366施加該第二電壓以獲得沿所需方向從第二區(qū)域360經(jīng)過出射面316向外耦合的偏振光，這不取決于從第一區(qū)域350向外耦合的光。來自第三區(qū)域370的偏振光經(jīng)過出射面316以小角度向外耦合，例如到達漫射背景照明，而不管電壓發(fā)生器356、366施加的電壓。因此，圖7中所示的蓋玻璃338提供一定量的從第三區(qū)域370以小角度向外耦合的偏振光，并且可以獨立地控制從第一和第二區(qū)域350、360向外耦合的光的方向。
在圖7中以虛線示意性表示的可替換實施例中，僅僅使用一個電壓發(fā)生器386和多個開關(guān)來將互相電絕緣的電極352、354、362、364的所需選擇與電壓發(fā)生器396相連。這樣，可以尋址某一區(qū)域350、360而不需要兩個或多個獨立的電壓發(fā)生器356、366。這樣，條形第一電極352、362可以被認(rèn)為是形成虛的第一電極340的互相電絕緣的條，條形第二電極354、364可以被認(rèn)為是形成虛的第二電極344的互相電絕緣的條。
圖8是本發(fā)明又一個可替換實施例的截面圖。圖8中所示的照明系統(tǒng)408與圖5中所示的照明系統(tǒng)208的區(qū)別僅在于光導(dǎo)的設(shè)計。向圖8中所示光導(dǎo)430的表面432上提供用于向外耦合的隆起(ridges)434形式的微觀結(jié)構(gòu)。雙折射層436圍繞隆起434，該雙折射層由蓋玻璃438覆蓋，還帶有第一電極440和第二電極444。隆起434將提供如上所述槽的類似的偏振光的向外耦合。
應(yīng)該理解，可以在隨附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)對上述實施例進行大量修改。
上面提到的材料被認(rèn)為是例子。例如，作為玻璃的可替換方案，蓋玻璃38、138、238、338可以由適當(dāng)?shù)耐该魉芰现圃?。光?dǎo)30可以由一些其他透明材料制成，如除了PMMA之外的合成樹脂或者玻璃材料。該蓋玻璃和光導(dǎo)應(yīng)該優(yōu)選由電絕緣材料制成，以避免連接到那里的電極發(fā)生短路。作為透明材料的可替換方案，電極可由不透明乃至完全不透光的導(dǎo)電材料制成。但是，透明電極，特別是由ITO制成的電極，是優(yōu)選的，因為可以將其放置在向外耦合的光的光路中而不會降低所述光的強度。
用于向外耦合的微觀結(jié)構(gòu)可以是槽、隆起或任何其他適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，并且可以是對稱的或非對稱的。根據(jù)每個具體情況來設(shè)計槽或隆起的尺寸和形狀，包括槽角或隆起角，從而根據(jù)光導(dǎo)、雙折射層和蓋玻璃中存在的材料來獲得所需的光的向外耦合，并且在所施加的不同電壓下設(shè)計上述尺寸和形狀等。槽優(yōu)選具有三角形，并且應(yīng)該充滿雙折射層的雙折射材料。雙折射材料本身的性質(zhì)也影響向外耦合的方向和切換性能。
作為使用一個光源12的可替換方案，也可以使用位于相反端面的兩個光源。
本發(fā)明可以用于通過為每只眼睛改變向外耦合的光的方向來向每只眼睛提供不同信息從而提供三維(3D)照明效果。
圖1中所示的顯示設(shè)備1包括所謂的正面照明系統(tǒng)8，即照明系統(tǒng)8位于顯示板2以及觀察經(jīng)偏振器25發(fā)出的光的觀眾之間。很明顯，根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)還可以用作背面照明系統(tǒng)，即，顯示板位于照明系統(tǒng)和觀眾之間。在背面照明系統(tǒng)中，將來自光波導(dǎo)的偏振光引向顯示板，這將根據(jù)像素的狀態(tài)而使一些偏振光透過并到達觀眾。因此，本發(fā)明可適用于不同類型的LCD的照明(例如，透反射、反射或透射)，并且不限于上面提供的實施例。
上面描述了本發(fā)明怎樣用于顯示器照明(圖1)和室內(nèi)照明(圖4)。本發(fā)明的其他應(yīng)用領(lǐng)域是汽車內(nèi)部照明。在汽車中，可以控制從照明系統(tǒng)向外耦合的光，從而提供例如路線圖的直接照明，或者提供漫射背景照明。本發(fā)明還可以用于汽車的前燈。因此，可以操作照明系統(tǒng)來實現(xiàn)以幾乎垂直于出射面的角度的向外耦合，即前燈，或者以相對于該出射面成小角度的向外耦合，即減光前燈。
在上面的例子中，偏振光向外耦合離開出射面16，并直接到達物體，如顯示板或病人。但是，也可以在出射面16上提供反射涂層，使向外耦合的光反射回來通過雙折射層，并最終經(jīng)光導(dǎo)離開該波導(dǎo)。該可替換的方案通常不太有吸引力，因為當(dāng)迫使光兩次通過光導(dǎo)和雙折射層時會降低發(fā)光強度，但是這在一些照明應(yīng)用中還是很重要的。
在上面的描述中，已經(jīng)示出施加高電壓導(dǎo)致幾乎垂直于出射面的向外耦合。對于具有正的介電常數(shù)的雙折射材料是這樣的。但是，也可以使用具有負的介電常數(shù)的雙折射材料，在這種情況下，通過施加低電壓來實現(xiàn)幾乎垂直于出射面的向外耦合，高電壓導(dǎo)致光以相對于出射面法線成大角度向外耦合。
總之，照明系統(tǒng)8包括光波導(dǎo)18，其由光學(xué)透明部件制成，并具有四個端面10、10′。光源12的光經(jīng)一個端面10耦合到光波導(dǎo)18中，該光源位于與該端面10相對。光波導(dǎo)18具有光導(dǎo)30。在光導(dǎo)30的出射表面一側(cè)提供包括液晶的雙折射層36。第一電極40和第二電極44都與雙折射層36電接觸，并與電壓發(fā)生器46相連。通過改變電極40、44之間施加的電壓，可以改變包括液晶的雙折射層的雙折射性質(zhì)，從而控制經(jīng)過出射表面16向外耦合的光的方向。
權(quán)利要求
1.一種照明系統(tǒng)，包括光波導(dǎo)(18)，該光波導(dǎo)是光學(xué)透明的，并具有出射表面(16)和許多端面(10，10′)，光源(12)位于與至少一個端面(10)相對的位置，光源的光在所述至少一個端面(10)處耦合到光波導(dǎo)(18)中，光波導(dǎo)(18)具有集成在其中的偏振裝置(30，36，40，44)，用于使光源(12)發(fā)出的光起偏，其特征在于偏振裝置(30，36，40，44)包括-光導(dǎo)(30)，其由光學(xué)透明材料制成，并適用于接收在所述至少一個端面(10)處耦合到光波導(dǎo)(18)中的所述光，-包括液晶的雙折射層(36)，其置于光導(dǎo)(30)上，并位于該光導(dǎo)的所述出射表面(16)一側(cè)，以及-第一電極(40)和第二電極(44)，這兩個電極都與該雙折射層(36)電接觸，并適合于與電壓發(fā)生器(46)相連，該電壓發(fā)生器在兩個電極(40，44)之間施加電壓，從而可以改變包括液晶的雙折射層(36)的雙折射性質(zhì)，以控制經(jīng)過該出射面(16)向外耦合的光的方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的照明系統(tǒng)，其中光導(dǎo)(30)包括微觀結(jié)構(gòu)(34，434)，在該微觀結(jié)構(gòu)的界面處提供雙折射層(36)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的照明系統(tǒng)，其中從槽(34)、占據(jù)由槽(34)所形成的空間的雙折射層(36)，由雙折射層(436)圍繞的隆起(434)中選擇微觀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項的照明系統(tǒng)，其中在雙折射層(36)上設(shè)置防護蓋(38)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的照明系統(tǒng)，其中第一和第二電極(40，44)中的至少一個設(shè)置在防護蓋(38)中，且位于其面向雙折射層(36)的表面(42)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的照明系統(tǒng)，其中第一和第二電極(240，244)都設(shè)置在防護蓋(238)中，且位于其面向雙折射層(236)的表面(242)上。
7.前面任一項根據(jù)權(quán)利要求的照明系統(tǒng)，其中第一和第二電極(240，244)中的至少一個包括許多條(241，245)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的照明系統(tǒng)，其中第一和第二電極(340，344)中的所述至少一個電極的各個條(352，362，354，364)彼此電絕緣。
9.根據(jù)前面任一項權(quán)利要求的照明系統(tǒng)，其中第一和第二電極(40，44)中的至少一個電極由透明導(dǎo)電材料制成。
10.一種制造光波導(dǎo)(18)中的偏振裝置(30，36，40，44)的方法，該光波導(dǎo)(18)是光學(xué)透明的，并具有出射表面(16)和許多端面(10，10′)，光源(12)位于與至少一個端面(10)相對的位置，光源的光在所述至少一個端面(10)處耦合到光波導(dǎo)(18)中，偏振裝置適用于使光源(12)發(fā)出的光起偏，其特征在于以下步驟-形成光學(xué)透明材料的光導(dǎo)(30)，用于在所述至少一個端面(10)接收耦合到光波導(dǎo)(18)中的所述光，-在光導(dǎo)(30)上位于其出射表面(16)一側(cè)處形成包括液晶的雙折射層(36)，以及-將第一電極(40)和第二電極(44)與包括液晶的雙折射層(36)相連，用于控制通過偏振裝置(30，36，40，44)而經(jīng)該出射表面(16)向外耦合的偏振光的方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在雙折射層(36)上形成防護蓋(38)，所述第一和第二電極(40，44)中的至少一個連接到蓋(38)上其面對雙折射層(36)的表面(42)上。
12.一種控制來自包括光波導(dǎo)(18)的照明系統(tǒng)(8)的偏振光向外耦合的方向的方法，該光波導(dǎo)(18)是光學(xué)透明的，并具有出射表面(16)和許多端面(10，10′)，光源(12)位于與至少一個端面(10，10′)相對的位置，光源的光在所述至少一個端面(10)處耦合到光波導(dǎo)(18)中，光波導(dǎo)(18)具有集成在其中的偏振裝置(30，36，40，44)，用于使光源發(fā)出的光起偏，其特征在于使用偏振裝置(30，36，40，44)，該偏振裝置包括-光導(dǎo)(30)，其由光學(xué)透明材料制成，并適用于接收在所述至少一個端面(10)耦合到該光波導(dǎo)(18)中的所述光，-包括液晶的雙折射層(36)，其設(shè)置在該光導(dǎo)(30)上位于其出射表面(16)一側(cè)的位置，以及-第一電極(40)和第二電極(44)，這兩個電極都與該雙折射層(36)電接觸，其中-在該第一和第二電極(40，44)之間施加電壓，該電壓提供經(jīng)該出射表面(16)向外耦合的偏振光的所需方向。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進一步包括利用分成多個獨立區(qū)域(350，360)的出射表面(316)，每個都具有專用的第一和第二電極(352，354，362，364)的組，以及為每個區(qū)域(350，360)的這一組電極(352，354，362，364)施加單獨的電壓，用以提供從該特定區(qū)域(350，360)向外耦合的光的所需和單獨的方向。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)(8)包括光波導(dǎo)(18)，該光波導(dǎo)由光學(xué)透明的部件制成，并具有四個端面(10，10′)。光源(12)位于與一個端面(10)相對的位置，光源的光經(jīng)該端面耦合到光波導(dǎo)(18)中。光波導(dǎo)(18)具有光導(dǎo)(30)。包括液晶的雙折射層(36)設(shè)置在光導(dǎo)(30)上位于其出射端面一側(cè)。第一電極(10)和第二電極(44)都與雙折射層(36)電接觸，并與電壓發(fā)生器(46)相連。通過改變電極(40，44)之間施加的電壓，可改變包括液晶的雙折射層(36)的雙折射性質(zhì)，從而控制光經(jīng)出射表面(16)向外耦合的方向。
文檔編號F21V14/00GK1816769SQ200480018918
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月1日
發(fā)明者H·P·M·胡克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司