CN1051379C - 用于背照明的光源 - Google Patents

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Abstract

用于背照明显示器的光源组成了一个发光装置，例如放置在具有散射板和洞孔的空腔中的一个白炽灯泡(12)或LED阵列。散射器(20)和亮度增强膜(27)位于洞孔和背照明显示器之间的洞孔开口处。彩色过滤器(24)可用作把光源中发出的光增白。

Description

用于背照明的光源
本发明涉及一个背照明器件，该器件用于显示器尤其是小面积的液晶显示器(LCD)，如用于虚拟现实的头盔装置。LCD可显示字母数字、图象或其它信息，它是由一个透射率随介质两侧的电势变化的介质组成。通过在LCD的背面均匀照射，LCD甚至可在黑暗环境中观看。一个LCD背照明器件的例子已由美国专利4043636公开。
背照明最好用于小面积的LCD以达到某种特性，如头盔中的虚拟现实系统。首先，它必须具有一个可接受的亮度水平。其次，最好具有尽可能是白光的光谱分布，尤其是LCD显示的是彩色图象时。光源要尽可能地小型化，需要的维持能量要尽可能地小。最后也是最重要的是，照明系统必须给整个显示区域提供均匀的照明。后者要求来自光源的光要没有特征以及没有如洞或环之类的变形。实际上，要求均匀照明是很难达到的，现有技术装置常常不能为LCD显示器照明提供足够均匀的光源。另外，现有技术装置经常依赖于把光直接导向反射面，需要复杂的几何回路，并由此增加了重量和成本。
本发明的目的是提供一个简单的、小型的、轻重量的装置以用于对显示器进行背照明，典型的是小面积的LCD显示器。该装置可为整个显示板提供高度均匀、高强度的照明。
本发明的光源对显示面板背面进行背照明，光源包括一个由散射内表面形成空腔的外壳。发光装置，如白炽光灯泡或发光二极管阵列，被安装在空腔中并与内表面保持间距。所述外壳具有与显示板背面毗连的洞孔并朝向空腔开口。在本发明头施例中，洞孔的面积与(i)上述洞孔的面积和(ii)空腔的散射反射表面积二者之和的比率至少为0.05。空腔的深度与洞孔的边到边的尺寸之比至少为0.1。本发明公开的实施例中，洞孔还有一个对开的尺寸，定义为沿着洞孔横截面及与灯泡延长到洞孔且平分洞孔的平面垂直的平面所形成的交线的边到边的长度。空腔深度与对开尺寸之比率在最佳实施例中至少为0.1。在本发明的一个实施例中，空腔深度实际上不大于灯泡封套的尺寸。
光源还由置于洞孔上并用来散射照明的散射器组成，照明则由空腔发出的光通过洞孔照向显示板，用于视角之内照明的亮度增强物质置于散射器和显示板之间。在最佳实施例中有正交的亮度增强膜，视角为50度。此视角是相对于与洞孔平面正交线的一对为25度的视角之和。
彩色滤光器最好包含在空腔和LCD之间。在最佳实施例中，滤光器置于亮度增强膜(BEF)和显示器的背面之间，以增加照射显示器的色温。
本发明的一个实施例中，灯泡置于视孔部位之外的空腔部位，因此在视角之内通过洞孔看不见灯丝。在本发明的另一实施例中，灯泡置于洞孔之下的空腔视孔部位。在灯的前部有一缓冲板将光反射向空腔的底部，阻止灯泡直接通过洞孔发出光，由此保证了从洞孔透出光的均匀性。又一实施例中，光由LCD阵列产生。LCD为彩色的(如红色、蓝色和绿色)并有亮度，由此组合产生白光。
在所有实施例中，发射光在空腔内表面反射，由此空腔可作为朗伯光源。散射器使得透射光以更均匀的强度分布。亮度增强膜(BEF)把由散射器发出的光投向一个小的视角，由此将光集中起来并增强视角内的光强。最后，一个为典型蓝光的白炽灯彩色滤光器，可用来把白炽灯色温由2800K-3300K调为大约4500K-5500K，因此提供了白光。
本发明还提供了一个对显示板进行背照明的方法，包括由实质上的朗伯光源产生照明的步骤，此光源为具有内壁和一个洞孔的空腔。产生的步骤包括使光线由洞孔的周围进入空腔，使射出洞孔的光线具有均匀的强度和颜色。此方法包括用散射器散射从朗伯光源发出的光线，利用亮度增强膜将散射光汇聚到预定的角度范围而基本不降低散射光的均匀性，并将使汇聚的散射光导向显示板。
本发明的背照明装置可用于在简单、小型的仪器中产生较高的强度和白度的均匀照明。
图1是结合利用本发明光源的背照射LCD的虚拟现实头盔的透视图。
图2是本发明光源实施例的透视图。
图3是图2中沿3-3线的光源截面图。
图4是图2中沿4-4线的光源端截面图。
图5是图2中沿图3的5-5线的光源平面图。
图6是从图2的光源中发出的光线的强度与视角的函数关系图。
图7是图3所示的亮度增强膜的截面局部图。
图8是本发明第2个实施例的截面图。
图9是图8实施例的平面图。
图10是显示视角的光源示意图。
图11是光源的另一个实施例的平面图，此光源与图2实施例中的光源各方面均一致，除此之外此光源的安装与图2所示的结构相比是横向的。
图12是利用红、蓝和绿LED阵列的实施例截面图，这些LED组合产生白光。
图13是图12中沿13-13线的光源平面图。
如图1所示，本发明一个优先的实施例由戴在使用者头部的虚拟现实的头盔5组成。头盔5具有一对放置在头盔空腔7内的小面积的彩色显示板26。每一显示板26由具有同样大小的一块前面板和一块后面板LCD组成。显示板26的每一块前面板放置在目镜之后(没有标出)，目镜分别直接放在使用者的眼前，由此每一只眼睛可看见单个的显示板。比如，显示板26的每一面都是长为1/2″、宽为1/2″的矩形。头盔设计成与使用者的面部紧贴，以使外部的光不能进入空腔7。如果头盔比较合适地戴在使用者的头部，头盔将总是相对地保持在使用者头部的同一部位，显示板26也将总是相对地位于使用者眼部的同样部位。因此，每次戴头盔，观察者的眼睛看到的是显示板26的同一部位。
每一显示板26包括如图2和3所示的背照明装置10。背照明10由灯泡12组成，该灯泡置于有洞孔18的外壳14内，同时被散射器20、亮度增强膜(BEF)22和彩色滤光器24覆盖。散射器20、BEF22和彩色滤光器24相互紧贴置放，形成平面结构，后面将称之为光质增强(LQE)装置27。LCD显示器26由发自空腔表面16并透过洞孔18的光背照明，该显示器与LQE器件27相邻，因此可从位置28看见显示器26。虽然头盔5没有在图2中标出，但可以知道位置28位于头盔5的内腔7中。
本发明的一个实施例中，外壳14具有横向内尺寸13mm×33mm，外壳的厚度或深度为10mm，较之标准的闪光灯泡要稍大。本实施例中，洞孔18为13mm2。洞孔18最好小于2平方英寸，以保证与洞孔18相对的空腔板16被白炽灯12均匀照明。
灯泡12最好是白炽灯泡，如普通闪光灯泡，该灯泡通过导线19连接到提供能源的电源(没标出)。灯泡12最好完全包在外壳14中，只有导线19从外壳14导出。导线19从外壳14的壁之上的一个通道伸出。该通道一方面要足够大以便导线19通过，另一方面与灯泡直径相比足够小，这样，假如导线和外壳14之间有空隙存在，可使从空隙处泄露的光最少。
来自灯泡12的光在外壳14中传播，该外壳14形成一个有很好散射内表面16的空腔，该内表面的反射率至少为88％。表面16可涂白漆或其它特别物质如Labsphere公司的光谱反射漆。光谱反射漆的反射率比房间用漆要高很多，大约98％，而房间用漆约为92％。此外，外壳14可完全由散射物质制成，如涂以Lexan(注册商标)聚碳酸酯的TiO2或Spec-tralon(注册商标)塑料，由此避免了在外壳14的内表面16再另涂漆。Spectralon(注册商标)塑料的反射率大约为99％。
来自灯泡12的光在最终从洞孔18中透出之前在外壳14形成的空腔中要经过几次反射，。因为外壳14的内表面16散射，多次的散射造成了与洞孔18相对的外壳14的内表面被均匀照射，成为实际上的朗伯光源，该光源具有这样的性质，即空腔内表面光照度或亮度与视角的函数为常数。
本发明构造光源10时，需要考虑几个因素。一个因素是洞孔18的面积。另一个为复合的空腔面积，即(i)空腔内表面16的表面积和(ii)洞孔18的面积之和。为最有效地利用灯泡12发出的能源并使由洞孔18发出的光均匀，重要的是洞孔18的面积和与复合的空腔面积之比要相对地高，以保证光源内的能量损失最小。这个比率最好至少为0.05，最佳实施例中，此比率近似为0.20。参考图4，空腔壁16弯曲，这种设计降低了复合的空腔面积，并增加了前述的洞孔面积和复合的空腔面积之比率。空腔壁底部同样弯曲以减少角δ(如图3所示)，此角随离灯泡的距离的增大而减小。角δ是由从灯泡12的灯丝的延长线和与空腔表面每一点的切线正交的延长线的夹角。
在图5中的另一重要参数是洞孔18的边到边的尺寸31，此处定义为对开的尺寸。此对开的尺寸由洞孔平面和与洞孔18的平面41垂直的平面相交形成的交线扩展形成，此处平面41通过灯泡12延伸并对开洞孔。外壳14的厚度与这个对开尺寸的比率影响通过洞孔18可见光的强度和均匀性。如果这个比率太大，后述的洞孔面积与复合的空腔面积的比率就变得太小。用此小比率，来自灯泡12的光将会经受较少的反射并按1/r2下降，结果产生不太均匀的强度分布。在本发明的最佳实施例中，此比率大约为0.10。
本发明中的另一参数为灯泡12的封套直径30(一般为灯泡宽度)与由外壳14形成的空腔的厚度32之比。在本发明的最佳实施例中，此比率足够高以使其达到小型化。外壳14要这样构成，以使厚度32不要比灯泡直径30大很多。比如，此比率可为0.60。
即使没有散射器，外壳14和洞孔18的作用也是一个均匀光源，在本发明最佳实施例中，散射器20最好放置在洞孔18的开口上，以去除残余的非均匀性，如由空腔内表面16的不完美性造成的。散射器由半透明的物质组成，典型地为易得到的薄塑料面或体散射器。这两种材料最好，因为它们有低吸收特性，由此减少了能量损失。
为避免浪费光能量，最好将背照明的数值孔径与接收背照明光的透镜(如头盔5的目镜)的数值孔径相匹配。因为空腔实际上起朗伯光源的作用，有必要降低背照明的数值孔径，由此集聚由洞孔透出的光。具体地说，背照明10利用放置在散射器20和显示器26之间的BEF22来集中照明，并由此增加亮度。
定义一个表征BEF22特性的角度是有帮助的。此角度θt(图10中的37)，是洞孔18平面的法线36的半角。更确切地，BEF22在θt角度内透过光线。除了微弱的侧突起，在角θt范围之外将没有光透过BEF。
第二个角，即标号41所示的视角θv，是BEF角θt的两倍。结果是，θv＝2θt。
可以知道，如图10所示，只有当集中照明的平面与图10的纸平面一致时，由BEF22(在角θt内)集中照明才是对称的。BEF22在正交平面内不能提供聚集。在本发明的一些应用中，最好在两个正交平面集中照明。这就需要提供一个第二BEF，其取向与图10中的BEF相正交。这样的安排将在洞孔18的四个边的每一边提供边界线37，并由此集中照明，以使不会有超出θt范围的幅射从洞孔18发出。
参考图7，本实施例中的BEF为可购到的具有线性锥体结构38的簿膜。从原理上说，这种结构38只透过那些来自空腔的光线，这些光线需满足透入边界线37内透射区域内的入射角条件。其它光线将反射回空腔，在那里再次被空腔壁反射。结果是，反射光线来回“循环”，直到以容许光线通过BEF进入透射区域的角度射入BEF。
光被BEF22的锥体结构38反射部分f满足关系1-f＝sinθt。许多反射光线自我反射最终透过BEF22，造成亮度增强效果。因为BEF22被设计成θt＜90度，将把光集中在显示范围，因此增加了在此范围内看到的光强。利用锥体结构，可观察到比未增强的朗伯光源40％的增益。如果膜具有正交排列，可能获得80％增益。使用正交排列膜在两个正交平面产生增强效果，而不是只沿垂直锥体结构的轴产生增强效果，如同当只有一组锥体结构38被使用时。在实施例中，膜的结构足够精细使得显示器26的观察者不能察觉，并且由此产生的光强会尽可能均匀。参考图7，BEF22可为一片具有顶角α(典型值为100°)的膜。这样的膜可在3M公司得到。作为如图7所示两个正交透镜膜的一种选择，可使用一种两维微透镜排列。
BEF22的聚集效果示于图6中，它是观察到的光线亮度作为视角(这里，视角定义为观察者眼睛与洞孔18平面产生的角度)的函数的曲线。曲线40解释为没有BEF22时，强度作为视角的函数，而曲线42表明有BEF22时，所产生的分布。可以看出，在窗区θv＝2θt弧度内达到的强度超出单独使用散射膜时达到的强度。特别值得一提的是，BEF置于散射器和显示器之间，因为后者对光的角分布具有扩展作用，而前者有聚集作用。
图6还表明本发明的一个优点，即整个视程60的照明分布的均匀性。可以看出，曲线42是由BEF22透出光的强度作为视角的函数，该曲线在整个视角θ内高度均匀。
在本发明实施例中，光线从BEF22透出经过彩色过滤器24。由灯泡12组成的闪光灯泡色温只有2800K。可是，彩色LCD显示器要求高色温以达到理想的色彩纯度。结果是，用白炽灯泡作为灯泡12时，要用过滤器把色彩分布调整到理想状态。实施例中过滤器24是吸收蓝光过滤器，因此色温被调为4500K到5500K之间。通过过滤器24的光不断通过LCD26到达位于位置28的观察者眼睛。元件20、22和24之间的缝没有在图1中详细绘出；不同的元件的厚度和间距要很小以便小型化。
在实施例中，背照明在图2-3中被解释，灯泡12放在外壳14里，因此，它处于视孔部分17之外。如此处所使用，“视孔部分”定义为直接位于洞孔18之下的空腔部分。位于灯泡12之外的视孔部分17阻止了来自灯泡12的大部分光线到达洞孔，而没有反射离开空腔表面。因为只有来自灯泡12的光落到LQE27上并且散射器20散射这些光线，此作法使得来自洞孔18的光的强度分布相对均匀。实施例中，图8-9中给出了使得结构更小型化的一个可选择的背照明系统，在图中同样的部位标出了相应的数字。灯泡12放置在外壳14的不同部位。在此实施例中，灯泡12直接放在视孔部分17。不透明缓冲板把灯泡12和洞孔18隔开。缓冲板56有两个散射外表面，其上涂有前述的其中一种反射物质。缓冲板56的散射面阻止灯泡12直接照射洞孔18，而是将光反射进去，如任何光线都是从散射器和BEF反射回洞孔，由此保持了光分布的均匀性。因为灯泡12是直接位于洞孔之下，相对地设在视孔17之外的外壳14背部，外壳14比图2实施例中的要更小型化。另外，图8实施例中使得洞孔表面积和复合空腔面积之比较高，由此使得更有效地利用了灯泡12发出的能量。除了灯泡放置外，所有本实施例中的细节，节，如外壳14的内表面涂漆和散射器、BEF与过滤器放置，都在图2中标出。
图11解释的实施例，除了灯泡12的方向外，在实施例图1-5都有标识。由此，同样的数字标明同样的部位。在图11实施例中，灯泡定向以便使从长轴外延的线平行于洞孔(如相对实施例图5所示，灯泡长轴外延线在洞孔之下通过)。因此，图11中的灯泡相对于图5旋转了90度。
照明光源的另一个实施例如图12和13所示。在此实施例中，从发光二极管(LED)发出的红、蓝和绿光混在一起产生白光，此方法同熟知的艺术手法一样。为解释更清楚一些，与前述实施例对应的部分标以同样的数字。如已解释的，外壳14′由具有内空腔板16′和朝空腔开放的洞孔18′之散射空腔组成。对所示的特定设计，洞孔18′的尺寸为16.1mm×14.1mm，用了2个红色LED12′(r)、4个蓝色LED12′(b)和18个绿色LED12′(g)。如图13所示，LED安装在通道70洞孔18′的周围，通道沿着整个洞孔18′周边扩展。通道70由一小的缓冲板72形成，此缓冲板沿洞孔18的边扩展一个小距离至空腔，并沿洞孔18′的整个周边。缓冲板72扩展进空腔的距离最好不要大于阻止通过洞孔18′看到LED的距离。无论如何，缓冲板72要离空腔板16一定的空间安放，足够的距离可容许来自LED的光散射进入空腔下部的洞孔18′。在最佳实施例中，空腔的厚度为5-10mm。作为典型的发光二极管，LED12′组成发光的固态物质小微粒。在实施例中所示，固态物质在外壳中没有包装，并且没有用定向反射器以便发射的光沿着固态微粒的多表面向多方向传播。这样的多面发射增强了在洞孔18′中的光强的不均匀性。
LED12′固定放置，以使由洞孔18′输出的每一色彩(红、蓝、绿)强度足够均匀。在最佳实施例中，LED12′要对称放置，使得矩形洞孔18′的相对一边放置同样色彩同等数目的二极管12′。因此，由图13所示，洞孔18′的顶部边有9个绿色二极管12′(g)和一个红色二极管12′(r)，而洞孔的底部边同样也有9个绿色二极管12′(g)和一个红色二极管。以此类推，洞孔的左边有两个蓝色二极管12′(b)，而洞孔的右边同样有两个蓝色二极管12′(b)。除了洞孔18′的相对边要对称放置外，在洞孔18′的同一边二极管最好也对称放置。例如，图13中顶部边单个的红色二极管12′(r)放置在顶部边的中央，5个绿色的二极管12′(g)放置在左边，4个绿色的二极管12′(g)放置在右边。底部边同样对称放置，除了4个绿色二极管放置在红色二极管的左边，5个绿色的二极管放置在右边。洞孔的左边(图13可见)，两个蓝色二极管12′(b)分别固定，使得离洞孔左边的每一端距离相同。洞孔右边的蓝色二极管12′(b)同样具有对称性。
如上所述，LED12′的组合选择使得其提供白光。因此，当包括散射器20′和BEF22′时，如图12所示，彩色过滤器就不是必须的，因为红、蓝和绿色的组合产生足够的白光。可是，在某些情况下，有必要调整一些LED以便得到需要的色彩平衡和需要的白色。如果是这样，最好是所有同样色彩的LED调整成同样的数目，以便在洞孔18′保持色彩的均匀性。因为由对称排列的LED和散射空腔产生的照明使得对每一色彩有足够均匀的强度输出洞孔18′，光源产生了高质量的彩色图象。
本发明由此组成了一个高度均匀、有效的和小型的光源，此光源可用于诸如虚拟现实系统的小彩色LCD显示器等应用中。可是，它还可应用在其它小面积背照明系统中，如数字表或自动测量仪。可以知道，本公开的最佳实施例中改变部件的组合和排列而没有背离本发明的实质和范围都在后述的权利要求之内。

Claims (18)

1、一种装置，包括：
一个具有后表面和前表面的显示板，所述显示板至少可部分透射，因此照射在后表面的至少部分照明光能透射到前表面；
一个用于背照明前述显示板的光源，所述光源包括：
一个发光的装置；
一个外壳，有一个散射内表面形成的一个空腔，所述空腔有厚度，上述发光装置安装在所述空腔内，所述外壳有一个朝空腔开口的洞孔，所述孔洞与上述显示板背面相邻以照明背面，所述空腔具有一个散射表面积及所述孔洞面积，洞孔的面积与(i)上述洞孔面积加上(ii)上述空腔表面积之和的比率至少为0.05，上述孔洞有一个边到边的尺寸，上述的厚度与上述边到边尺寸的比率至少为0.1。
散射器位于上述洞孔处，上述散射器放置用于散射照明，散射照明从空腔通过洞孔照向显示板；
亮度增强物质放在上述散射器和显示板之间，上述物质在视角内聚集照明以便增强显示板亮度。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述发光装置包括一个白炽灯泡。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述尺寸是对开尺寸。
4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述装置还包括一个具有选择增强上述白炽灯发出光的白度特征的彩色过滤器，此处色温超出4000K。
5、根据权利要求2所述的装置，其特征在于白炽灯泡的灯丝被封套包住，上述外壳厚度与上述灯丝封套的直径之比小于1.8。
6、根据权利要求2所述的装置，其特征在于白炽灯泡有一被封套包住的灯丝，上述外壳实际上不大于上述灯丝封套的直径。
7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于上述空腔的内表面被涂以反射率高于88％的白漆。
8、根据权利要求1所述的装置，其特征在于上述空腔的反射内表面由高反射率的塑料组成。
9、根据权利要求4所述的装置，其特征在于彩色过滤器放置在空腔和显示板之间。
10、根据权利要求1所述的装置，其特征在于亮度增加物质由具有线性锥体结构的膜组成。
11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于视角不大于大约35度。
12、根据权利要求10所述的装置，其特征在于亮度增加物质进一步由放置在与上述线性锥体结构膜方向垂直的第二片线性锥体结构膜组成。
13、根据权利要求2所述的装置，其特征在于白炽灯泡放置在上述空腔视孔部位外的空腔里。
14、根据权利要求1所述的装置，其特征在于上述厚度与上述尺寸之比至少为0.2。
15、根据权利要求2所述的装置，其特征在于白炽灯泡放置在上述空腔视孔部位内，上述外壳进一步包括放置在灯泡和洞孔之间的缓冲板。
16、根据权利要求1所述的装置，其特征在于上述洞孔是矩形的，且在于洞孔的每一边的长度都不超过2英寸。
17、一种用于照明显示板的装置，该显示板具有后表面和前表面，所述显示板至少可部分透射，因此照射在所述后表面上的至少部分照明光能透射到前表面，所述装置包括：
一个用于背照明所述显示板的光源，所述光源包括：
一个发光装置；
一个外壳，有散射内表面形成的空腔，所述空腔有厚度，安装所述发光装置以便照明所述空腔，所述外壳有一个开口于所述空腔的洞孔，所述洞孔允许光从所述空腔射出，因此当所述洞孔与所述显示板的后表面并列时，所述洞孔照明所述显示板的后表面，所述空腔有一个散射表面积并且所述洞孔有面积，所述洞孔的面积与(i)所述洞孔的面积加上(ii)所述空腔表面积之和的比率至少为0.05，所述洞孔具有一个边到边的尺寸，所述的厚度与所述的边到边的尺寸的比率至少为0.1；
一个散射器；
亮度增强物质，该亮度增强物质聚集照明以便增强光照明显示板的亮度；
其中所述发光装置从所述空腔内的一个位置发光，相对于所述空腔的尺寸，所述位置的尺寸小；并且
其中所述散射器和所述亮度增强膜大体平行地定位在所述外壳上，因此由所述发光装置发射的照明光在从装置射出之前，通过了所述散射器和所述亮度增强膜，以便照明所述显示板。
18、根据权利要求17所述的装置，还包括用彩色过滤器增加聚集散射光的色温到4000K以上。
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