專(zhuān)利名稱(chēng)：具有光循環(huán)以增強(qiáng)亮度的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種照明系統(tǒng)和一種包括用于平面平板顯示的照明系統(tǒng)的電子顯示器。
使用或結(jié)合照明系統(tǒng)的各種裝置不是自身作為光源就是為一些其它的目的提供光線。例如，近年來(lái)對(duì)小的、便攜式計(jì)算機(jī)如膝上式和較新的筆記本電腦的需求日益增大。隨著科技的發(fā)展，筆記本裝置已經(jīng)進(jìn)入更全面地模擬臺(tái)式方案階段。為此，計(jì)算功率和顯示容量必須大大提高。
至于顯示器，大多數(shù)用戶希望大的、清晰的、亮的觀察屏，與坐落在桌面上的陰極射線管(“CRT”)監(jiān)視器的性能相同。為迎合這種需要，電腦制造商尋求制造一種可提供超分辨率、色彩、和對(duì)比度而同時(shí)只需要最小功率的平面平板顯示器。滿足這些方面的其中一個(gè)難點(diǎn)在于制造一種在有大量的背景光的情況下提供充分照明(亮度)的顯示器。
用于這種平面平板顯示器的典型的照明系統(tǒng)采用一個(gè)發(fā)散光源，如熒光光源，對(duì)指導(dǎo)發(fā)散光線透過(guò)顯示器的背光結(jié)構(gòu)提供輸出。就發(fā)散而言，我們指光分布在大于約50度(從分布的中心加或減25度)的最大值的一半處，即(FWHM)。照明系統(tǒng)可以由一個(gè)透光裝置如波導(dǎo)(光管)組成，該透光裝置透過(guò)從鄰近透光裝置輸入面的光源發(fā)出的光并將光分布在照明系統(tǒng)的輸出面上。用波導(dǎo)作為透光裝置的某種類(lèi)型的照明系統(tǒng)可能具有光發(fā)散的特定，如印刷或蝕刻在波導(dǎo)上的白點(diǎn)，透光裝置將光導(dǎo)出照明系統(tǒng)的輸出面A(輸出)。此照明系統(tǒng)輸出面的面積遠(yuǎn)大于鄰近光源的透光裝置輸入面A(輸入)的面積。另外，照明系統(tǒng)的輸出亮度L(輸出)遠(yuǎn)小于裸光源的本征亮度L(本征)。就裸光源而言，我們指附近沒(méi)有其它的會(huì)干擾輸出的光學(xué)結(jié)構(gòu)而工作的光源。
在尤其是A(輸出)大于A(輸入)時(shí)有許多應(yīng)用，應(yīng)用中可以有一個(gè)能增強(qiáng)輸出照明L(輸出)的照明系統(tǒng)方面。在本發(fā)明中，我們將指出如何實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的輸出照明并示出在一些情況下如何實(shí)現(xiàn)一種大于裸光源的本征輸出的輸出照明。
本發(fā)明提出了一種光學(xué)照明系統(tǒng)，包括(1)具有反射式發(fā)射面和本征亮度L(本征)的光源裝置；(2)在緊鄰光源裝置處具有光輸入面的透光裝置；(3)與光源裝置隔離、將光源裝置發(fā)出的光的一部分反射到光源裝置并重復(fù)利用的光反射裝置；和(4)一個(gè)光分離裝置，包括(a)與透光裝置的一個(gè)表面光學(xué)接觸的光輸入面，通過(guò)此輸入面使得至少透光裝置中的一部分光從透光裝置中分離，(b)一個(gè)光輸出面，分離的光經(jīng)其導(dǎo)向，和任選的(c)一種光準(zhǔn)直裝置，插在光分離裝置的光輸入和輸出面之間并與輸入和輸出面鄰接，由此照明系統(tǒng)的輸出光比透光裝置的輸入光更為準(zhǔn)直。通過(guò)使光源發(fā)出的光的一部分再回收到光源，光源將顯示出增加的亮度L(增強(qiáng))，該亮度大于單獨(dú)的裸光源亮度L(本征)，并且照明系統(tǒng)的輸出亮度L(輸出)將增大。然而，這并非必定意味著L(輸出)將大于裸光源的L(本征)。只有在與透光裝置的輸入面A(輸入)，照明系統(tǒng)的輸出面A(輸出)，在透光裝置輸入面上的輸入光準(zhǔn)直或立體角Ω(輸入)，照明系統(tǒng)輸出面上輸出光準(zhǔn)直或立體角Ω(輸出)有關(guān)的一定條件下，系統(tǒng)的輸出亮度L(輸出)才能大于裸光源裝置的本征亮度L(本征)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，帶有反射型發(fā)射面和本征亮度L(本征)的光源裝置毗鄰于透光裝置的受光面定位。透光裝置可以是任何一種透光結(jié)構(gòu)。向透光裝置一個(gè)面上的光學(xué)耦合是一種分離一部分穿過(guò)透光裝置的光并把光導(dǎo)向照明系統(tǒng)輸出面的光分離裝置。光反射裝置毗鄰于透光裝置的受光面定位，而透光裝置的受光面與光源裝置相對(duì)設(shè)置。穿過(guò)透光裝置到達(dá)光反射裝置的光源中的至少一部分光被反射回光源裝置，之后再反射出光源裝置的反射型發(fā)射面，從而增強(qiáng)光源裝置的亮度并增大照明系統(tǒng)的輸出亮度。通過(guò)控制A(輸入)、A(輸出)、Ω(輸入)和Ω(輸出)，可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的輸出亮度大于光源裝置的本征亮度。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，每個(gè)都有反射型發(fā)射面和本征亮度L(本征)的兩個(gè)光源鄰近于相對(duì)設(shè)置的透光裝置的受光面定位。透光裝置可以是任意的透光結(jié)構(gòu)。向透光裝置一個(gè)面上的光學(xué)耦合是一種分離一部分穿過(guò)透光裝置的光并把光導(dǎo)向照明系統(tǒng)輸出面的光分離裝置。第二光源裝置作為第一光源的反射裝置，反之亦然。穿過(guò)透光裝置到達(dá)光反射裝置(第二光源裝置)的第一光源中的至少一部分光被反射回第一光源裝置，之后再反射出第一光源裝置的反射型發(fā)射面，從而增強(qiáng)第一光源裝置的亮度并增大照明系統(tǒng)的輸出亮度。類(lèi)似地，穿過(guò)透光裝置到達(dá)光反射裝置(第一光源裝置)的第二光源中的至少一部分光被反射回第二光源裝置，之后再反射出第二光源裝置的反射型發(fā)射面，從而增強(qiáng)第二光源裝置的亮度并增大照明系統(tǒng)的輸出亮度。通過(guò)控制A(輸入)、A(輸出)、Ω(輸入)和Ω(輸出)，可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的輸出亮度大于光源裝置的本征亮度。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，帶有反射型發(fā)射面和本征亮度L(本征)的光源裝置毗鄰于透光裝置的受光面定位。透光裝置可以是任何一種透光結(jié)構(gòu)。向透光裝置一個(gè)面上的光學(xué)耦合是一種分離一部分穿過(guò)透光裝置的光并把光導(dǎo)向照明系統(tǒng)輸出面的光分離裝置。光反射裝置以部分地包圍光源裝置的方式放置。光源發(fā)出的一部分光穿過(guò)透光裝置和光分離裝置并從照明系統(tǒng)的輸出面發(fā)出。到達(dá)光反射裝置的光源中的至少一部分光被反射回光源裝置，之后再反射出光源裝置的反射型發(fā)射面，從而增強(qiáng)光源裝置的亮度并增大照明系統(tǒng)的輸出亮度。通過(guò)控制A(輸入)、A(輸出)、Ω(輸入)和Ω(輸出)和光反射裝置的面積，可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的輸出亮度大于光源裝置的本征亮度。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，帶有反射型發(fā)射面和本征亮度L(本征)的光源裝置緊鄰于透光裝置的受光面定位。透光裝置可以是任何一種透光結(jié)構(gòu)。向透光裝置一個(gè)面上的光學(xué)耦合是一種分離一部分穿過(guò)透光裝置的光并把光導(dǎo)向照明系統(tǒng)輸出面的光分離裝置。光反射裝置位于光源裝置和透光裝置的受光面之間。在此例中，光反射裝置部分地把入射到光反射裝置上的一部分光反射回光源裝置并把來(lái)自光源的另一部分光透射到透過(guò)裝置的輸入面。透過(guò)光反射裝置的一部分光進(jìn)一步透過(guò)透光裝置和光分離裝置并出射照明系統(tǒng)的輸出面。光源發(fā)出的一部分光被光反射裝置反射回光源，從而增強(qiáng)光源裝置的亮度和照明系統(tǒng)的輸出亮度。通過(guò)控制A(輸入)、A(輸出)、Ω(輸入)和Ω(輸出)和光反射裝置的面積，可以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的輸出亮度大于光源裝置的本征亮度。
其它的結(jié)構(gòu)可以采用多光源，光源安置成把光彼此反射。再者，單光源和多光源可以與反射器結(jié)合使用，反射器部分地包圍光源，以增強(qiáng)照明系統(tǒng)的反射能力。
在此描述的照明系統(tǒng)在使用照明系統(tǒng)的系統(tǒng)中有廣泛的用途。它們可以用在直接照明系統(tǒng)，投影顯示系統(tǒng)，自動(dòng)指令板的平面平板顯示器，游戲，廣播電視接收器，軍事，航天和航天電子設(shè)備方面的應(yīng)用，電腦監(jiān)視器和任意其它的提供字母數(shù)字、數(shù)據(jù)或視頻信息的裝置。其它的應(yīng)用包括住宅、商業(yè)和工業(yè)照明等。
在參考附圖進(jìn)行詳細(xì)描述之后，對(duì)本發(fā)明以及其它沒(méi)有列舉的目的和優(yōu)點(diǎn)將有更全面的理解。


圖1是一個(gè)照明系統(tǒng)的橫截面圖，系統(tǒng)包括一個(gè)具有反射型發(fā)射面和相對(duì)的反射器的單光源裝置。
圖2是具有兩個(gè)反射型發(fā)光源裝置的照明系統(tǒng)截面圖。
圖3是具有一個(gè)帶環(huán)繞反射器的光源的照明系統(tǒng)截面圖。
圖4是具有一個(gè)位于光源裝置和光發(fā)射裝置之間的反射裝置的照明系統(tǒng)截面圖。
圖5是可與圖4所示照明系統(tǒng)一起使用的反射裝置截面圖。
圖6是可與圖4所示照明系統(tǒng)一起使用的另一反射裝置截面圖。
本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)參考上述附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將有更全面的了解。圖中所列舉的本發(fā)明實(shí)施例并非窮盡舉例或局限于在此公開(kāi)的具體形式。選擇的實(shí)施例用于描述或最好的解釋本發(fā)明的原理及可能利用和實(shí)際應(yīng)用，從而使得其它技術(shù)人員更好地利用本發(fā)明。
在圖1中示出截面圖的照明系統(tǒng)10是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。此圖應(yīng)理解成僅僅是該結(jié)構(gòu)的一種表示，實(shí)際的和相關(guān)的尺寸將會(huì)有所不同。照明系統(tǒng)10有一個(gè)帶反射型發(fā)射面25的光源裝置20。帶反射型發(fā)射面5的光源裝置例如包括熒光燈，陰極發(fā)光熒光燈，單晶熒光燈，薄膜熒光光源，發(fā)光二極管(LED)，有機(jī)發(fā)光二極管，場(chǎng)致發(fā)光薄膜光源，場(chǎng)致發(fā)光厚膜光源，灰體輻射器如白熾燈光源和等離子體放電光源，但不局限于此。優(yōu)選的光源是熒光燈和發(fā)光二極管。
透光裝置30可以是任意一種透光結(jié)構(gòu)。透光裝置包括通過(guò)反射而透光的結(jié)構(gòu)，如波導(dǎo)，光管，光劈，由反射體局部包圍的空心波導(dǎo)，或本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的任意其它結(jié)構(gòu)，但不局限于這些。透光裝置30最好是一個(gè)具有接受來(lái)自光源裝置20的光束的輸入面35的波導(dǎo)。通過(guò)內(nèi)全反射(TIR)，波導(dǎo)30使光源20產(chǎn)生的光線基本上在波導(dǎo)30之內(nèi)反射。帶有反射面5的光反射裝置40位于與光源裝置20相對(duì)的波導(dǎo)30端。光反射裝置可以是至少反射入射到表面上的一部分光的任意一個(gè)表面。表面可以有鏡面或散射反射率，并且可以是平面、刻面或曲面。
光分離裝置50與波導(dǎo)30光學(xué)接觸，并有一個(gè)輸入面52和輸出面54。光分離裝置50分離出經(jīng)過(guò)波導(dǎo)30的光通量的一部分。分離出的光透過(guò)輸入面52并透出光分離裝置50的輸出面。光分離裝置50的輸出面54也是對(duì)照明系統(tǒng)10的輸出面。光分離裝置50可以是任意的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如簡(jiǎn)單透鏡，棱鏡，表面上的粗糙區(qū)或本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的任意其它的結(jié)構(gòu)，可以把它放置成與透光裝置光學(xué)接觸，并且它至少移去來(lái)自透光裝置的光的一部分。
如果照明系統(tǒng)的輸出面積大于透光裝置的輸入面積，則光分離裝置50最好也包括一個(gè)光準(zhǔn)直裝置。光準(zhǔn)直裝置的例子有1995年5月7日公布的Beeson等的美國(guó)專(zhuān)利US5,396,350《采用微棱鏡陣列的背照明裝置》、1996年7月27日公布的Zimmerman等的美國(guó)專(zhuān)利US5,428,468《采用微棱鏡陣列的照明系統(tǒng)》和1996年5月28日公布的Beeson et al的美國(guó)專(zhuān)利US5,521,725《采用微棱鏡陣列的照明系統(tǒng)》，三個(gè)實(shí)例在此引為參考。
光準(zhǔn)直裝置的第一個(gè)例子是微棱鏡陣列，其中每個(gè)微棱鏡包括(i)一個(gè)光學(xué)耦合到透光裝置的光輸入面，(ii)一個(gè)遠(yuǎn)離光輸入面的光輸出面，(iii)一個(gè)鄰近光輸入面和光輸出面并設(shè)置于二者之間與透光裝置的表面法向成斜角的第一側(cè)壁。作為第二個(gè)例子，光分離裝置50可以用于與設(shè)置在透光裝置30和光分離裝置50之間的低折射層結(jié)合。這些低折射層用于通過(guò)只允許初始光角分布的被選取部分從系統(tǒng)的輸出中出射而部分地準(zhǔn)直照明系統(tǒng)的輸出光。作為進(jìn)一步地選擇，微透鏡陣列可以用于與微棱鏡陣列結(jié)合，使得每個(gè)微棱鏡的輸出至少指向一個(gè)對(duì)應(yīng)的微透鏡。本發(fā)明也可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的其它類(lèi)型的光準(zhǔn)直裝置。
為了更好地理解照明系統(tǒng)10的功能，在圖1中用一些箭頭表示光在照明系統(tǒng)10內(nèi)可能發(fā)生的一系列事件。這些箭頭只用于圖示的目的，并不意味著所有的光都將經(jīng)歷同樣的系列事件。在系列的開(kāi)始，光從光源裝置20的表面25發(fā)出。除了作為發(fā)射面以外，此表面也是一個(gè)具有r(1)折射率的折射面。光源裝置20的本征亮度或亮度在光源裝置20的附近沒(méi)有其它的光學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)測(cè)量值為L(zhǎng)(本征)。這些光的一部分從面積為A(輸入)的波導(dǎo)輸入面35進(jìn)入波導(dǎo)30。在輸入面35處的光亮度為L(zhǎng)(輸入)。穿入輸入面35的光(在空氣中)呈立體角分布Ω(輸入)。進(jìn)入波導(dǎo)30的光通亮用箭頭60指示。用箭頭62指示的光60的一部分[x]將通過(guò)光分離裝置50分離并經(jīng)輸出面54從照明系統(tǒng)10出射。[x]的值可以從0至1，而從0.01和0.80之間較好，在0.01和0.60之間更好，在0.01和0.4之間最好。從輸出面54出射的光的立體角分布(在空氣中)是Ω(輸出)，輸出面54的面積是A(輸出)。用箭頭64表示的光60的剩余部分[1-x]通過(guò)TIR將繼續(xù)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)30并在表面36處射出波導(dǎo)30。光64的一部分將通過(guò)反射器40的反射面45反射并在面36處重新進(jìn)入波導(dǎo)30。反射面45的反射率是r(2)。重新進(jìn)入波導(dǎo)30的初始光60的一部分為[1-x][r(2)]，用箭頭70表示。光70的一部分[x]或等價(jià)的初始光60的一部分[x][1-x][r(2)]將通過(guò)分離裝置50分離并經(jīng)輸出面54以Ω(輸出)的立體角分布出射照明系統(tǒng)10(以箭頭72表示)。光70的剩余部分[1-x](用箭頭74表示)或等價(jià)的初始光60的一部分[1-x][1-x][r(2)]在一周環(huán)行之后將回收到光源裝置20。從光源裝置20發(fā)出到反射器40并再回到光源裝置的光在一周的環(huán)行之后回收到光源裝置20的初始光60的一部分用R表示，R的大小由下式給出(1) R＝[1-x][1-x][r(2)]因?yàn)楣庠囱b置20的發(fā)射面25是反射率為r(1)的反射面，所以光74的等于[r(1)R]的部分將被反射回波導(dǎo)30并用箭頭80表示。光源的亮度將通過(guò)反射光增強(qiáng)。光從光源裝置20到反射器40再回到光源裝置20的一周環(huán)行所導(dǎo)致的增強(qiáng)的亮度L(本征)由下式給出(2) L(增強(qiáng))＝L(本征)[1+r(1)R]此處r(1)是光源裝置20的反射率，R由方程(1)表示。反射回到波導(dǎo)30的光80可以重復(fù)與初始光60相同的事件順序。光80的一部分可以反射回到光源裝置20并導(dǎo)致光源亮度的另外增強(qiáng)。在初始光60剩余的光的第二周環(huán)行之后光源的亮度變?yōu)?3) L(增強(qiáng))＝L(本征)[1+r(1)R+[r(1)R]2]這一系列的事件可以發(fā)生許多次。方程(3)則變?yōu)橐粋€(gè)無(wú)窮幾何級(jí)數(shù)，級(jí)數(shù)的每一項(xiàng)通過(guò)取級(jí)數(shù)的前項(xiàng)并乘以因子[r(1)R]而算出。幾何級(jí)數(shù)的和用簡(jiǎn)單的算術(shù)表達(dá)式給出。對(duì)于上述實(shí)例，當(dāng)初始光60的一部分經(jīng)過(guò)從光源裝置20到反射器40再回到光源裝置20的許多次環(huán)行后導(dǎo)致的增大的亮度由下式給出(4) L(增強(qiáng))＝L(本征){1/[1-r(1)R}在方程(4)中發(fā)射面25的反射率值r(1)是處于0和1之間的一個(gè)數(shù)?；厥展獠糠諶也是一個(gè)處于0和1之間的數(shù)。因此兩數(shù)的乘積r(1)R也是一個(gè)處于0和1之間的數(shù)。人們可以通過(guò)把特定的r(1)和R值代進(jìn)方程(4)看出光回收的部分R和反射率r(1)影響亮度的增強(qiáng)。例如，如果r(1)＝0.9(相對(duì)較高)，R＝0.1，則增強(qiáng)的亮度僅是本征亮度的1.10倍。如果r(1)＝0.9，R＝0.5，則增強(qiáng)的亮度是本征亮度的1.82倍。如果r(1)＝0.9，R＝0.9，則增強(qiáng)的亮度是本征亮度的5.26倍。為了得到光源亮度的顯著增強(qiáng)，光源的反射率處于0.5和1.0之間較好。光源的反射率處于0.7和1.0之間更好。光源的反射率處于0.9和1.0之間最好。為了使光源的亮度有所增強(qiáng)，光源發(fā)出的又返回到光源的光R必須非零?；厥詹糠諶處于0.10和0.99之間較好，處于0.25和0.99之間更好，處于0.40和0.99之間最好。
如前所述，即使光源發(fā)出的一些光返回光源致使光源有增強(qiáng)的亮度L(增強(qiáng))，這里L(fēng)(增強(qiáng))大于光源的本征亮度L(本征)，也不一定伴隨著照明系統(tǒng)10的輸出亮度L(輸出)大于L(本征)。L(輸出)的大小強(qiáng)烈依賴(lài)(a)鄰近于光源裝置的透光裝置表面的輸入面A(輸入)，(b)照明系統(tǒng)輸出面的面積A(輸出)，(c)在輸入面處輸入光的準(zhǔn)直度或立體角Ω(輸入)，和(d)在照明系統(tǒng)的輸出面處輸出光的準(zhǔn)直度或立體角Ω(輸出)。在所有的情況中，L(輸出)可以有的最大值是L(增強(qiáng))。作為圖示的一個(gè)例子，對(duì)于一部分光回收到光源的照明裝置，假設(shè)光在透光裝置的輸入面上的角分布和在照明系統(tǒng)輸出面上的角分布相等[Ω(輸出)＝Ω(輸入)]。如果透光裝置的輸入面積A(輸入)等于照明系統(tǒng)的輸出面積A(輸出)，并且在系統(tǒng)中沒(méi)有光損耗，則L(輸出)將等于L(增強(qiáng))，系統(tǒng)的輸出亮度L(輸出)將大于光源的本征亮度L(本征)。
在大多數(shù)實(shí)用的照明系統(tǒng)中，A(輸出)遠(yuǎn)大于A(輸入)。在后一例中，只有如果光分離裝置50包括一個(gè)光準(zhǔn)直裝置，使得輸出光分布所張的立體角Ω(輸出)小于輸入光分布所張的立體角Ω(輸入)(即輸出光分布比輸入光分布更為準(zhǔn)直)，照明系統(tǒng)才可能具有大于光源本征亮度的輸出亮度。如果為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)假設(shè)輸入和輸出分布不是朗伯分布就是平截的朗伯分布，并假設(shè)系統(tǒng)損耗很小且處于平衡態(tài)，則光通量守恒導(dǎo)致(5) [L(輸出)][A(輸出)][Ω(輸出)]＝[L(增強(qiáng))][A(輸入)][Ω(輸入)]關(guān)于朗伯分布，我們指從任何角度看去分布都有相同的照度或亮度。平截的朗伯分布指外延至某一截止角的朗伯分布，并在截止角之后為零。由下式求解L(輸出)(6) [L(輸出)]＝{[L(增強(qiáng))][A(輸入)][Ω(輸入)]}/{[A(輸出)][Ω(輸出)]}在方程(6)中，如果輸出的光分布遠(yuǎn)大于輸入的光分布，并且輸出光的準(zhǔn)直由下式給出，則可以取得最大值L(輸出)＝L(增強(qiáng))(7) Ω(輸入)＝{[A(輸入)][Ω(輸入)]}/[A(輸出)]為了例證概念上述的實(shí)例以假設(shè)系統(tǒng)無(wú)損耗的簡(jiǎn)化方式表述。在實(shí)際情形中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解由于吸收或散射這類(lèi)事件所導(dǎo)致的光損耗將很復(fù)雜，數(shù)學(xué)分析和方程(5)-(7)將需要改型。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是如圖2所示截面圖的照明系統(tǒng)100。此實(shí)施例有兩個(gè)光源，每個(gè)光源有一個(gè)反射面。應(yīng)認(rèn)為此圖只代表一種結(jié)構(gòu)；實(shí)際的和相關(guān)的尺寸將是不同的。照明系統(tǒng)100有一個(gè)帶反射型發(fā)射面125的光源裝置120。透光裝置例如是一個(gè)波導(dǎo)，該波導(dǎo)有一個(gè)接收來(lái)自光源裝置120的輸入面135。透光裝置的其它例子在第一實(shí)施例中已討論。通過(guò)內(nèi)全反射(TIR)，波導(dǎo)130使光源120產(chǎn)生的光線基本上在波導(dǎo)30之內(nèi)反射。帶有反射面145的附加光源裝置140可被用作光源和反射器，位于與光源裝置120相對(duì)的波導(dǎo)130端。光分離裝置150與波導(dǎo)130光學(xué)接觸并有一個(gè)輸入面152和輸出面154。光分離裝置150分離出通過(guò)波導(dǎo)130的光通量部分。分離出的光通過(guò)輸入面152并從光分離裝置150的輸出面154輸出。光分離裝置150的輸出面154也是照明系統(tǒng)100的輸出面。
為了更好地理解照明系統(tǒng)100的功能，在圖2中用一些箭頭表示光在照明系統(tǒng)100內(nèi)可能發(fā)生的一系列事件。這些箭頭只用于圖示的目的，并不意味著所有的光都將經(jīng)歷同樣的系列事件。首先來(lái)看光源裝置120，在系列的開(kāi)始，光從光源裝置120的表面125發(fā)出。除了作為發(fā)射面以外，此表面也是一個(gè)具有r(1)折射率的折射面。光源裝置120的本征亮度或亮度在光源裝置120的附近沒(méi)有其它的光學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)測(cè)量值為L(zhǎng)(本征)。從光源裝置120發(fā)出的光的一部分從面積為A(輸入)的波導(dǎo)輸入面135進(jìn)入波導(dǎo)30。在輸入面135處的光亮度為L(zhǎng)(輸入)。穿入輸入面135的光(在空氣中)呈立體角分布Ω(輸入)。進(jìn)入波導(dǎo)130的光通量用箭頭160指示。用箭頭162指示的光160的一部分[x’]將通過(guò)光分離裝置150分離并經(jīng)輸出面154從照明系統(tǒng)100出射。[x’]的值可以從0至1，而從0.01和0.80之間較好，在0.01和0.60之間更好，在0.01和0.4之間最好。從輸出面154出射的光的角分布(在空氣中)是Ω(輸出)，輸出面154的面積是A(輸出)。用箭頭164表示的光160的剩余部分[1-x’]通過(guò)TIR將繼續(xù)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)130并在表面136處射出波導(dǎo)130。光164的一部分將通過(guò)光源裝置140的反射面145反射并在面136處重新進(jìn)入波導(dǎo)130。反射面145的反射率是r(2)。重新進(jìn)入波導(dǎo)130的初始光160的一部分為[1-x’][r(2)]，用箭頭170表示。光170的一部分[x’]或等價(jià)的初始光160的一部分[x’][1-x’][r(2)]將通過(guò)光分離裝置150分離并經(jīng)輸出面154以Ω(輸出)的立體角分布出射照明系統(tǒng)100(以箭頭172表示)。光170的剩余部分[1-x’](用箭頭174表示)或等價(jià)的初始光60的一部分[1-x’][1-x’][r(2)]在一周環(huán)行之后將回收到光源裝置120。從光源裝置120到光源裝置1400并再回到光源裝置120發(fā)出的光在一周的環(huán)行之后回收到光源裝置120的初始光160的一部分用R’表示，R’的大小由下式給出(8) R＝[1-x’][1-x’][r(2)]因?yàn)楣庠囱b置120的發(fā)射面125是反射率為r(1)的反射面，所以光174的等于[r(1)R’]的部分將被反射回波導(dǎo)130并用箭頭180表示。光源的亮度將通過(guò)反射光增強(qiáng)。光從光源裝置120到光源裝置140再回到光源裝置120的一周環(huán)行所導(dǎo)致的增強(qiáng)的亮度L(本征)由下式給出(9) L(增強(qiáng))＝[L(本征)][1+r(1)R’]此處r(1)是光源裝置120的反射率，R’由方程(8)表示。反射回到波導(dǎo)130的光180可以重復(fù)與初始光160相同的事件順序。光180的一部分可以反射回到光源裝置120并導(dǎo)致光源亮度的另外增強(qiáng)。在初始光160剩余的光的第二周環(huán)行之后光源的亮度變?yōu)?10) L(增強(qiáng))＝[L(本征)][1+r(1)R’+[r(1)R’]2]這一系列的事件可以發(fā)生許多次。之后方程(10)則變?yōu)橐粋€(gè)無(wú)窮幾何級(jí)數(shù)，級(jí)數(shù)的每一項(xiàng)通過(guò)取級(jí)數(shù)的前項(xiàng)并乘于因子[r(1)R’]的算出。幾何級(jí)數(shù)的和用簡(jiǎn)單的算術(shù)表達(dá)式給出。對(duì)于上述實(shí)例，當(dāng)初始光160的一部分經(jīng)過(guò)從光源裝置120到光源裝置140再回到光源裝置120的許許多多次環(huán)行后導(dǎo)致的增大的亮度由下式給出(11) L(增強(qiáng))＝[L(本征)]{1/[1-r(1)R’}方程(11)是光源裝置120發(fā)出的光被回收到光源裝置120所致的增強(qiáng)的亮度表達(dá)式。
方程(11)不包括因光源裝置140發(fā)出的光所致的光源裝置120亮度的增強(qiáng)。這種另外的增強(qiáng)也示于圖2。在圖2所示的第二系列的開(kāi)始，光從光源裝置140的表面145發(fā)出。如前所述表面145具有r(2)的折射率。光源裝置140的本征照度或亮度在光源裝置140的附近沒(méi)有其它的光學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)測(cè)量，或?yàn)楹?jiǎn)單起見(jiàn)假設(shè)與光源裝置120的照度相同，為L(zhǎng)(本征)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，還假設(shè)對(duì)于光源裝置140的L(輸入)、A(輸入)和Ω(輸入)與光源裝置120的值相同。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，光源裝置120和140的這些值不必相等。從光源裝置發(fā)出的光的一部分從面積為A(輸入)的波導(dǎo)輸入面136進(jìn)入波導(dǎo)130。在輸入面136處的光亮度為L(zhǎng)(輸入)。穿入輸入面136的光(在空氣中)呈立體角Ω(輸入)分布。進(jìn)入波導(dǎo)130的光通亮用箭頭190指示。用箭頭192指示的光190的一部分[x’]將通過(guò)光分離裝置150分離并經(jīng)輸出面154從照明系統(tǒng)100出射。從輸出面154出射的光的角分布(在空氣中)是Ω(輸出)，輸出面154的面積是A(輸出)。用箭頭194表示的光190的剩余部分[1-x’]通過(guò)TIR將繼續(xù)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)130并在表面135處射出波導(dǎo)130。光194的一部分將通過(guò)光裝置120的反射面125反射并在面135處重新進(jìn)入波導(dǎo)130。光源裝置120反射面125的反射率是r(1)。重新進(jìn)入波導(dǎo)130的初始光190的一部分為[1-x’][r(2)]，用箭頭200表示。此部分光加入到光源裝置120的表面照明。從光源裝置120反射的附加光200再進(jìn)行如同光160一樣的循環(huán)。光源裝置120最終增強(qiáng)的亮度L(增強(qiáng))是光源裝置120發(fā)出的光回到光源裝置120的循環(huán)效應(yīng)加上光源裝置140發(fā)出的初始光回到光源裝置120的反射和循環(huán)效應(yīng)的結(jié)結(jié)果。兩個(gè)光源致使增強(qiáng)的總亮度L(增強(qiáng))由下式給出(12) L(增強(qiáng))＝[L(本征)]{1+[1-x’][r(1)]}{1/[1-r(1)R’]}由方程(12)給出的關(guān)系式與方程(11)類(lèi)似，但多了一個(gè)由于光源裝置140發(fā)射的光所致的附加項(xiàng)。光源裝置140的亮度將因光源裝置140發(fā)出的光回收到光源裝置140并且光源裝置120發(fā)出的光反射出光源裝置140而經(jīng)歷同樣的增強(qiáng)。在方程(12)中，[x’]是波導(dǎo)130中由光分離裝置150在光經(jīng)過(guò)波導(dǎo)130的一個(gè)通路上分離出來(lái)的一部分光。[x’]的值可以是從0至1.而從0.01和0.80之間較好，在0.01和0.60之間更好，在0.01和0.4之間最好。為了得到光源亮度的顯著增強(qiáng)，光源裝置120和140的反射率處于0.5和1.0之間較好。光源裝置120和140的反射率處于0.7和1.0之間更好。光源的反射率處于0.9和1.0之間最好。為了使光源的亮度有所增強(qiáng)，光源發(fā)出的又返回到光源的光R’必須非零。光回收部分R’處于0.10和0.99之間較好，處于0.25和0.99之間更好，處于0.40和0.99之間最好。
在圖2所示的實(shí)例中，即使兩個(gè)光源發(fā)出的一些光返回光源致使光源有增強(qiáng)的亮度，也不一定有照明系統(tǒng)100的輸出亮度大于光源的本征照度的結(jié)論。如圖1所示，參數(shù)A(輸入)、A(輸出)、Ω(輸入)和Ω(輸出)也是很重要的。輸出亮度和這些參數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算類(lèi)似于方程(5)-(7)的運(yùn)算。在很多實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)光源的A(輸出)遠(yuǎn)大于A(輸入)。在這樣的情形中，光分離裝置需要包括一個(gè)光準(zhǔn)直裝置以實(shí)現(xiàn)L(輸出)大于L(增強(qiáng))。光準(zhǔn)直裝置的實(shí)例在圖1所示第一實(shí)施例中已經(jīng)給出。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是如圖3橫截面所示的照明裝置300。本實(shí)施例有一個(gè)具有反射型發(fā)射面的光源裝置。該光源裝置由具有反射面的反射裝置部分包圍。此圖應(yīng)理解成僅僅是該結(jié)構(gòu)的一種表示，實(shí)際的和相關(guān)的尺寸將會(huì)有所不同。照明系統(tǒng)300有一個(gè)帶反射型發(fā)射面325的光源裝置320。光源裝置320由帶有光反射面345的反射裝置340包圍。透光裝置330例如是一個(gè)錐形波導(dǎo)，波導(dǎo)有一個(gè)接收來(lái)自光源裝置320的輸入面335。透光裝置的其它例子在第一實(shí)施例中已討論。通過(guò)內(nèi)全反射(TIR)，波導(dǎo)330使光源320產(chǎn)生的光線基本上在波導(dǎo)330之內(nèi)反射。光分離裝置350與波導(dǎo)330光學(xué)接觸并有一個(gè)輸入面352和輸出面354。光分離裝置350至少分離出通過(guò)波導(dǎo)330的光通量的一部分。分離出的光通過(guò)輸入面352并從光分離裝置350的輸出面354輸出。光分離裝置350的輸出面354也是照明系統(tǒng)300的輸出面。
為了了解解照明系統(tǒng)300的功能，在圖3中用一些箭頭表示光在照明系統(tǒng)300內(nèi)可能發(fā)生的一系列事件。這些箭頭只用于圖示的目的，并不意味著所有的光都將經(jīng)歷同樣的系列事件。首先來(lái)看光源裝置320，在系列的開(kāi)始，光從光源裝置320的表面325發(fā)出。此光束在圖3中用箭頭360表示。除了作為發(fā)射面以外，此表面也是一個(gè)具有r(1)折射率的折射面。光源裝置320的本征亮度或亮度在光源裝置320的附近沒(méi)有其它的光學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)測(cè)量，為L(zhǎng)(本征)。從光源裝置320發(fā)出的光的一部分[x”]從面積為A(輸入)的波導(dǎo)輸入面335進(jìn)入波導(dǎo)330。[x”]的值可以從0至1，而從0.01和0.80之間較好，在0.01和0.60之間更好，在0.01和0.4之間最好。光在輸入面335處的亮度是L(輸入)。穿入輸入面335的光的立體角分布(在空氣中)是Ω(輸入)。進(jìn)入波導(dǎo)330的光通量[x”]用箭頭362表示。進(jìn)入波導(dǎo)330并用箭頭362表示的所有或至少一部分光將通過(guò)光分離裝置350分離并且將經(jīng)過(guò)輸出面354從照明系統(tǒng)射出。從輸出面354出射的光的立體角分布(在空氣中)是Ω(輸出)，輸出面354的面積是A(輸出)。由箭頭364表示的光360的剩余部分[1-x”]將到達(dá)反射面340。反射裝置340的反射面345的反射率是r(2)。從反射面345反射的初始光部分是[1-x”][r(2)]并用箭頭370表示。光370的一部分[y]或等價(jià)的初始光360的一部分[y][1-x”][r(2)]將回收到光源裝置320并用箭頭374表示。[y]的值可以是從0至1.但處于0.10和0.99之間較好，處于0.20和0.99之間更好，處于0.3和0.99之間最好。從光源裝置320到反射裝置340并再回到光源裝置320的光在一周的環(huán)行之后回收到光源裝置320的374用R”表示，R”的大小由下式給出(13) R”＝[y][1-x”][r(2)]光370的剩余部分[1-y]或初始光360的等價(jià)部分[1-y][1-x”][r(2)]將到達(dá)反射裝置340的另一部分并用箭頭372表示。因?yàn)楣庠囱b置320的發(fā)射面325是反射率為r(1)的反射面，所以光374等于[r(1)R”]的部分將從面325反射并用箭頭380表示。光源裝置的亮度將通過(guò)反射的光而增強(qiáng)。光從光源裝置320到反射裝置340再回到光源裝置320的一周環(huán)行所導(dǎo)致的增強(qiáng)的亮度L(本征)由下式給出(14) L(增強(qiáng))＝[L(本征)][1+r(1)R”]此處r(1)是光源裝置320的反射率，R”由方程(13)表示。從面325反射的光380可以重復(fù)與初始光360相同的事件順序。光380的一部分可以反射回到光源裝置320并導(dǎo)致光源亮度的另外增強(qiáng)。在初始光360剩余的光的第二周環(huán)行之后光源的亮度變?yōu)?15) L(增強(qiáng))＝[L(本征)][1+r(1)R”+[r(1)R”]2]這一系列的事件可以發(fā)生許多次。方程(15)則變?yōu)橐粋€(gè)無(wú)窮幾何級(jí)數(shù)，級(jí)數(shù)的每一項(xiàng)通過(guò)取級(jí)數(shù)的前項(xiàng)并乘于因子[r(1)R”]算出，R”由方程(13)給出。幾何級(jí)數(shù)的和用簡(jiǎn)單的算術(shù)表達(dá)式給出。對(duì)于上述實(shí)例，當(dāng)初始光360的一部分經(jīng)過(guò)從光源裝置320到反射裝置340再回到光源裝置320的許許多多次環(huán)行后導(dǎo)致的增大的亮度由下式給出(16) L(增強(qiáng))＝[L(本征){1/[1-r(1)R”}方程(16)是光源裝置320因發(fā)出的光又回收到光源裝置320所致的光源增強(qiáng)的亮度。為了得到光源亮度的顯著增強(qiáng)，光源裝置320的反射率r(1)處于0.5和1.0之間較好。光源的反射率處于0.7和1.0之間更好。光源的反射率處于0.9和1.0之間最好。為了使光源的亮度有所增強(qiáng)，光源發(fā)出的又返回到光源的光R”必須非零。回收部分R”處于0.10和0.99之間較好，處于0.25和0.99之間更好，處于0.40和0.99之間最好。
在圖3所示的實(shí)例中，即使光源發(fā)出的一些光返回光源致使光源有增強(qiáng)的亮度L(增強(qiáng))，也不一定伴隨有照明系統(tǒng)300的輸出亮度大于光源的本征亮度的情況。如圖1中所示，參數(shù)A(輸入)、A(輸出)、Ω(輸入)和Ω(輸出)也是很重要的。輸出亮度和這些參數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算類(lèi)似于方程(5)-(7)的運(yùn)算。在很多實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)光源的A(輸出)遠(yuǎn)大于A(輸入)。在這樣的情形中，光分離裝置需要包括一個(gè)光準(zhǔn)直裝置以實(shí)現(xiàn)L(輸出)大于L(本征)。光準(zhǔn)直裝置的實(shí)例在圖1所示第一實(shí)施例中已經(jīng)給出。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是如圖4橫截面所示的照明裝置400。本實(shí)施例有一個(gè)具有反射型發(fā)射面的光源裝置。此圖應(yīng)理解成僅僅是該結(jié)構(gòu)的一種表示，實(shí)際的和相關(guān)的尺寸將會(huì)有所不同。照明系統(tǒng)400有一個(gè)帶反射型發(fā)射面425的光源裝置420。光反射裝置440位于光源裝置420和透光裝置430之間。光反射裝置440是任意一種部分反射的光學(xué)元件或結(jié)構(gòu)，選擇性地反射從光源裝置420發(fā)出又返回到光源裝420的光的面積的一部分或角分布的一部分，并透過(guò)從光源裝置420發(fā)出到透光裝置430的另一部分光。光反射裝置440的例子包括但不局限于雙凸棱鏡陣列，錐形光波導(dǎo)陣列，雙凸錐形光波導(dǎo)陣列或這些元件的組合。
光反射裝置440的實(shí)例示于圖5和圖6。圖5表示一個(gè)雙凸棱鏡505的陣列，可以用作圖4中的光反射裝置。棱鏡端520的形狀和長(zhǎng)度、棱鏡角530和棱鏡505的取向可以改變。平面表面510最好鄰近光源裝置420取向(圖4)，棱鏡505的點(diǎn)540鄰近透光裝置430的輸入面435取向。棱鏡角530最好處于5度至170度的范圍內(nèi)，處于80度至130度更好。圖6表示錐形光波導(dǎo)605陣列600，它可以用作圖4中的光反射裝置。錐形光波導(dǎo)605有輸入面610，輸出面620和側(cè)壁630。每個(gè)錐形波導(dǎo)605的截面形狀可以是但不局限于任意尺寸的正方形、矩形、多邊形、圓形或橢圓。錐形波導(dǎo)605也可以是雙凸錐形波導(dǎo)。錐形波導(dǎo)605的一側(cè)630可以是筆直的、彎曲的或傾斜的。波導(dǎo)端610的面積可以與波導(dǎo)端620的面積不同。波導(dǎo)端610鄰近于光源裝置420取向(圖4)并有比波導(dǎo)端620小的面積。錐形波導(dǎo)之間的區(qū)域最好用反射材料填充或覆蓋。
圖4所示的透光裝置430例如是一個(gè)錐形波導(dǎo)，具有一個(gè)接收來(lái)自光源裝置420的光的輸入面435。透光裝置的其它例子已在第一實(shí)施例中給出。通過(guò)內(nèi)全反射(TIR)，波導(dǎo)430使光源裝置420產(chǎn)生的光線基本上在波導(dǎo)430之內(nèi)反射。光分離裝置450與波導(dǎo)430光學(xué)接觸并有一個(gè)輸入面452和輸出面454。光分離裝置450至少分離出通過(guò)波導(dǎo)430的光通量的一部分。分離出的光通過(guò)輸入面452并從光分離裝置450的輸出面454輸出。光分離裝置450的輸出面454也是照明系統(tǒng)400的輸出面。
為了了解照明系統(tǒng)400的功能，在圖4中用一些箭頭表示光在照明系統(tǒng)400內(nèi)可能發(fā)生的一系列事件。這些箭頭只用于圖示的目的，并不意味著所有的光都將經(jīng)歷同樣的系列事件。首先來(lái)看光源裝置420，在系列的開(kāi)始，光從光源裝置420的表面425發(fā)出。此光束在圖4中用箭頭460表示。除了作為發(fā)射面以外，此表面也是一個(gè)反射面。光源裝置420的本征亮度或亮度在光源裝置420的附近沒(méi)有其它的光學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)測(cè)量值為L(zhǎng)(本征)。從光源裝置320發(fā)出的光的一部分[x”’]，用箭頭462表示，從面積為A(輸入)的波導(dǎo)輸入面435進(jìn)入波導(dǎo)430。[x”’]的值可以從0至1，而從0.01和0.80之間較好，在0.01和0.60之間更好，在0.01和0.4之間最好。光在輸入面435處的亮度是L(輸入)。穿入輸入面435的光的立體角分布(在空氣中)是Ω(輸出)。進(jìn)入波導(dǎo)430并用箭頭462表示的所有或至少一部分光將通過(guò)光分離裝置450分離并且將經(jīng)過(guò)輸出面454從照明系統(tǒng)400射出。從輸出面454出射的光的立體角分布(在空氣中)是Ω(輸出)，輸出面454的面積是A(輸出)。由箭頭464表示的光460的剩余部分[1-x”’]將通過(guò)反射裝置440回收到光源420。光源裝置420反射面425的反射率是r(1)。從反射面425反射的初始光460的一部分是[1-x”’][r(1)]并用箭頭470表示。光源裝置420的亮度將因反射光而增強(qiáng)。如前所述實(shí)施例，光可以連續(xù)進(jìn)行多次從反射裝置440的反射并且光源裝置420還進(jìn)一步增強(qiáng)光源裝置420的亮度。
在圖4所示的實(shí)例中，即使光源發(fā)出的一些光返回光源致使光源有增強(qiáng)的亮度，但也不一定伴隨有照明系統(tǒng)400的輸出亮度將大于光源的本征亮度的結(jié)局。如圖1中所示，參數(shù)A(輸入)、A(輸出)、Ω(輸入)和Ω(輸出)也是很重要的。輸出亮度和這些參數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算類(lèi)似于方程(5)-(7)的運(yùn)算。在很多實(shí)際應(yīng)用中，每個(gè)光源的A(輸出)遠(yuǎn)大于A(輸入)。在這樣的情形中，光分離裝置需要包括一個(gè)光準(zhǔn)直裝置以實(shí)現(xiàn)L(輸出)大于L(本征)。光準(zhǔn)直裝置的實(shí)例在與圖1相關(guān)的第一實(shí)施例中已經(jīng)給出。
圖1-6所示的實(shí)例意欲表示本發(fā)明可能的實(shí)施例，但并不限定本發(fā)明的范圍。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，在圖1、2和4中附加的反射器可以圍繞光源裝置放置，與圖3中的方式類(lèi)似，并不脫離本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)。附加的光源裝置也可以加到圖1-4所示的結(jié)構(gòu)中或改型的結(jié)構(gòu)中。
在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)了通過(guò)光循環(huán)可以增大亮度，下面用3個(gè)實(shí)例加以討論。在第一實(shí)例中構(gòu)造了一個(gè)燈泡照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)由直徑為0.102”(2.6mm)的管狀熒光燈、包圍熒光燈比并具有沿管長(zhǎng)0.07”寬的開(kāi)槽的空心頻譜管(SpectralonTM)散射反射器、一個(gè)丙烯酸波導(dǎo)(4”寬、6”長(zhǎng)、0.062”厚)，波導(dǎo)的一端由熒光燈通過(guò)頻譜(SpectralonTM)燈反射器中的開(kāi)槽照明、以及一個(gè)位于波導(dǎo)與燈相對(duì)的一端上的散射反射器(4”×0.062”)和一個(gè)貼在具有壓敏黏附性的波導(dǎo)4”×6”表面上的0.025”×4”的準(zhǔn)直片帶等組成。根據(jù)本申請(qǐng)人提交的另一份美國(guó)專(zhuān)利5,521,725，即《采用微棱鏡陣列的照明系統(tǒng)》中指導(dǎo)的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)直片由棱鏡和透鏡組成，該內(nèi)容在此引為參考。準(zhǔn)直片有一個(gè)橢圓形的輸出光分布，沿橢圓的一個(gè)軸有大約±8°的角分布(峰值亮度的50％)，沿橢圓的垂直軸有大約±13°的角分布。
周?chē)鷽](méi)有光學(xué)元件的熒光燈的本征亮度測(cè)定為8000fL(foot-Lamberts)。結(jié)構(gòu)如前面段落描述的(測(cè)量準(zhǔn)直片的輸出)帶有放置在系統(tǒng)中的燈泡的照明系統(tǒng)的輸出亮度大約為15000fL。因此，照明系統(tǒng)的輸出亮度比燈泡源的本征亮度大1.8倍。當(dāng)移走位于波導(dǎo)上對(duì)著燈泡一端的散射反射器以避免從波導(dǎo)回收的光再返回?zé)襞菰磿r(shí)，系統(tǒng)的輸出亮度落到8000fL以下(小于本征光源的亮度)。
在第二實(shí)例中，是一個(gè)兩燈泡照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由3.2”寬2.4”長(zhǎng)0.25”厚的丙烯酸波導(dǎo)、兩個(gè)0.157”(4mm)直徑的沿丙烯酸波導(dǎo)的相反端3.2”×0.25”放置的熒光燈管、環(huán)繞每個(gè)熒光燈并把每個(gè)燈管的光導(dǎo)進(jìn)波導(dǎo)的涂銀的彎曲鏡面反射器和一個(gè)貼到波導(dǎo)具有壓敏粘附性的3.2”×2.4”面上的3.2”×2.0”準(zhǔn)直片帶等組成。根據(jù)本申請(qǐng)人提交的另一份美國(guó)專(zhuān)利5,521,725，即《采用微棱鏡陣列的照明系統(tǒng)》中指導(dǎo)的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)直片由棱鏡和透鏡組成，該內(nèi)容在此引為參考。準(zhǔn)直片有一個(gè)橢圓形的輸出光分布，沿橢圓的一個(gè)軸有大約±8°的角分布(峰值亮度的50％)，沿橢圓的垂直軸有大約±13°的角分布。
周?chē)鷽](méi)有光學(xué)元件的每個(gè)熒光燈的本征亮度測(cè)定為10,000fL(foot-Lamberts)。結(jié)構(gòu)如前面段落描述的(測(cè)量準(zhǔn)直片的輸出)帶有放置在系統(tǒng)中的燈泡的照明系統(tǒng)的輸出亮度達(dá)到為22,000fL。因此，照明系統(tǒng)的輸出亮度比燈泡源的本征亮度大2.2倍。
在第三實(shí)例中，是一個(gè)六燈泡照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由6”寬×6”長(zhǎng)×1”厚的丙烯酸波導(dǎo)、六個(gè)7mm直徑的沿丙烯酸波導(dǎo)的相反端6”×1”放置(每端放三個(gè))的熱陰極熒光燈管、環(huán)繞每組三個(gè)熒光燈并把燈管的光導(dǎo)進(jìn)波導(dǎo)的涂銀的白色散射反射器和一個(gè)貼到波導(dǎo)具有壓敏粘附性的6”×6”面上的1”×1”玻璃右角棱鏡等組成。
周?chē)鷽](méi)有光學(xué)元件的每個(gè)熒光燈的本征亮度測(cè)定為23,667坎/每平方米(Cd/m2)。結(jié)構(gòu)如前面段落描述的(測(cè)量右角棱鏡的輸出)帶有放置在系統(tǒng)中的燈泡的照明系統(tǒng)的輸出亮度大約為235,000Cd/m2。因此，照明系統(tǒng)的輸出亮度比燈泡源的本征亮度大9.9倍。
應(yīng)該理解到本發(fā)明可以應(yīng)用到很寬范圍內(nèi)的裝置中，如直接照明裝置，投影顯示系統(tǒng)，自動(dòng)指令板的平面平板顯示器，游戲，廣播電視接收器，軍事，航天和航天電子設(shè)備方面的應(yīng)用，電腦監(jiān)視器和任意其它的提供字母數(shù)字、數(shù)據(jù)或視頻信息的裝置。
在描述了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的同時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的情況下可作其它的進(jìn)一步改型，所有的實(shí)施例都將落在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍之內(nèi)。例如其它各種改變和組合都可以利用公開(kāi)在參考的專(zhuān)利申請(qǐng)中的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)照明系統(tǒng)，包括(a)一種用于產(chǎn)生光束的光源裝置，光源裝置具有反射式發(fā)射面和本征亮度L(本征)；(b) 在緊鄰光源裝置處具有光輸入面的透光裝置；(c)與光源裝置隔離、將光源裝置發(fā)出的光的一部分反射到光源裝置并再循環(huán)的光反射裝置；和(d)一個(gè)分離出透光裝置中的一部分光的光分離裝置，光分離裝置包括(i)與透光裝置的一個(gè)表面光學(xué)接觸的光輸入面；(ii)一個(gè)光輸出面，分離的光經(jīng)其導(dǎo)向，并且任選的(iii)一種光準(zhǔn)直裝置，插在光分離裝置的光輸入和輸出面之間并與輸入和輸出面鄰接，由此照明系統(tǒng)的輸出比透光裝置的輸入光更為準(zhǔn)直，由此光學(xué)照明系統(tǒng)的輸出亮度被增強(qiáng)。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光學(xué)照明系統(tǒng)的輸出亮度大于光源裝置的本征亮度。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光源裝置是一種熒光光源或至少是一個(gè)發(fā)光二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于透光裝置是一個(gè)光波導(dǎo)或空心波導(dǎo)。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光分離裝置包括一個(gè)光準(zhǔn)直裝置，用于把光束導(dǎo)引成一種基本上準(zhǔn)直的光束圖案。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光準(zhǔn)直裝置包括一個(gè)微棱鏡陣列，每個(gè)微棱鏡包括(i)一個(gè)光學(xué)耦合到透光裝置的光輸入面；(ii)一個(gè)遠(yuǎn)離光輸入面的光輸出面；和(iii)一個(gè)鄰近光輸入面和光輸出面并設(shè)置于二者之間與透光裝置的表面法向成斜角的第一側(cè)壁。
7.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光準(zhǔn)直裝置包括一種設(shè)置在透光裝置和光準(zhǔn)直裝置之間低折射率的折射層。
8.如權(quán)利要求6所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，還包括一個(gè)微透鏡陣列，其特征在于每個(gè)微透鏡的輸出指向至少一個(gè)對(duì)應(yīng)的微棱鏡。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光源裝置和光反射裝置設(shè)置在透光裝置的相反端，使得光源裝置發(fā)出的光束的一部分傳向光反射裝置并返回光源裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光反射裝置部分地包圍光源裝置。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光反射裝置位于光源裝置和透光裝置之間。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)照明系統(tǒng)，其特征在于光反射裝置包括一個(gè)棱鏡的雙凸透鏡陣列或錐形波導(dǎo)陣列。
全文摘要
一種光學(xué)照明系統(tǒng),包括:(a)一種具有反射式發(fā)射面和本征亮度的光源裝置;(b)一個(gè)透光裝置;(c)將光源裝置發(fā)出的光的一部分反射到光源裝置并重復(fù)利用的光反射裝置;和(d)一個(gè)分離出透光裝置中的一部分光并把光導(dǎo)向照明系統(tǒng)的輸出面的光分離裝置。最終的照明系統(tǒng)達(dá)到增強(qiáng)的輸出亮度。在特定的條件下,可以實(shí)現(xiàn)大于裸光源本征亮度的輸出亮度。
文檔編號(hào)F21Y103/00GK1252134SQ98804109
公開(kāi)日2000年5月3日 申請(qǐng)日期1998年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月13日
發(fā)明者S·M·茲莫曼, K·M·貝森, H·周 申請(qǐng)人:聯(lián)合訊號(hào)公司