CN101228391A - 用于背光源和前灯的聚光本领-保持的照明光学器件 - Google Patents

用于背光源和前灯的聚光本领-保持的照明光学器件 Download PDF

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Abstract

一种亮度保持的非成像的背光源(20)，它包括用于发射光线的发光光源(10)、射入端(21)、射出端(23)、CPC外形(21)以及微结构的小平面(d，dd)，用于将向上反射的光线折射到这些小平面所共有的准直方向上。

Description

用于背光源和前灯的聚光本领-保持的照明光学器件
优先权要求
本发明要求2005年10月21日提交的、题为“ETENDUE-CONSERVINGILLUMINATION OPTICS FOR BACKLIGHT AND FRONTLIGHT”的美国专利申请No.60/729,188的优先权，并在此引入其全部内容作参考。
本发明要求2005年7月28日提交的、题为“ETENDUE-CONSERVINGILLUMINATION OPTICS FOR BACKLIGHT AND FRONTLIGHT”的美国专利申请No.60/703,644的优先权，并在此引入其全部内容作参考。
技术领域
本发明一般涉及照明，尤其涉及高亮度背光源和/或前灯。
背景技术
具有接近光源亮度的输出亮度的器件通常被称作高亮度器件。与用于小显示器的数千平方毫米相比，在很多情况下，很难实现用于非常小的光源的高亮度器件，例如单独的高功率LED(例如，具有约2平方毫米面积的LED)。
提供使用小光源的高亮度器件对于很多情况都是有益的。提供这样器件的成本和/或复杂度是受限制的。
发明内容
一些实施例中给出了使用小光源的背光源/前灯的照明器件，例如单独的高功率发光二极管(LED)。这样的LED现在可以达到用于整个中等尺寸(例如，3”)的显示器的足够的发光度。当多个LED被用于照明一背光源时，为了均匀性它们可以围绕着周界分布。但是，使用一个单独的LED，在横跨出射孔径上会存在均匀性的问题，因为单独的一个只能照明很小的面积。
非成像光学器件的边缘光线原理阐明了光源聚光本领最小增长的规律，非成像光学器件的中心主要数量。当计算具有常规正交坐标x和y的两维外形时，可以计算在x＝常数线上的聚光本领，从而可以使用y坐标和相对于它确定的、作为关于y轴乘以折射率n的方向余弦的光学方向余弦q。如果在点y，光学方向余弦q0和q1限定光线在该点发射，因此(q0(y)≤q(y)≤q1(y))，并且这些限定被确定为沿着y-范围(y0≤y≤y1)，于是光线的聚光本领E时相位空间面积，由 E= ∫ q 0 q 1 ∫ y 0 y 1 dydq 给出。
在三维中，聚光本领是光源面积As和光源输出的投影立体角的乘积，乘以围绕光源的光学介质的折射率n。假定立体角是锥形角，于是三维中的聚光本领的表达式为：
E＝nAssin2θ
其中，θ是立体锥形角的离位角。如果该限定角θ在孔径处不恒定，则表达式会更复杂。在2π球面度内的漫射朗伯(Lambertain)发光由θ＝90°表示。这样的漫射输出是来自LED芯片本身的发光的特征。
理想的光学***保持聚光本领，因此理想的准直器的扩大的输出面积使得其在窄的光束角内的有利的高强度，因为在被所有出射孔径点照明的方向上的强度是亮度和出口面积的乘积。另一方面，阳光集中器的聚焦点的小尺寸导致从其宽光束角的有利的高辐射。特别的，众所周知的符合抛物线集中器(CPC)在二维内是聚光本领受限的并且在3D中也近似。
考虑，例如，Nichia的白光LED模块NSCW020，具有0.77mm2的Lambertian发射面积。具有3.5”对角线的LCD的面积为4000mm2，提供了非常窄的聚光本领受限的输出角θ＝0.8°。在这些实施例中，不是所有的出射孔径都是有光通过的，而是实际上紧密排列在一起，所以人眼不能够分辨它们。在一些应用中，最大性能(考虑到有效的出口面积)通过使用聚光本领受限的光学器件在器件操作的所有三个状态上获得：LED光线的射入、扩束、和射出，始终保持亮度。射入包括对LED光线的第一次准直。光线扩束包括传播LED光线到线光源中并且实现第二次光线扩束，其在光线被射出的输出面积上传播线光源。出射光线应看起来是在出口面上具有均匀的亮度，并且整个器件应非常薄。这些实施例满足这两个标准。
一些实施例进一步提供了亮度保持的非成像的背光源，其由透明电介质组成。该背光源包括：照明光源，它从限定孔径中发射光线，该孔径确定y-z坐标平面并且具有用于确定x-轴的表面法线；输入端口，用于接收所述光线；射入端，它具有用于确定第一y-z边界的所述输入端口和用于确定第二y-z边界的较大的输出端口，所述的射入端具有x-y外形，其从所述的输入端口扩展到所述的输出端口，所述的x-y外形通过全内反射来起作用从而保持光源成像的x-y角宽度反比于其亮度；所述的射入端具有以在所述光源上的轴旋转得到的表面和扫过的外形，其是在负的z轴方向上倾斜允许角的复合抛物线集中器(CPC)的上半部分的第一部分，所述的扫过的外形起到在所述扫过的外形的平面内准直光线的作用并且衍射所述输出端口方位角地分布所述光线；并且光线扩束射出端包括在x-y平面内其y-z边界光学耦合到所述射入端的所述输出端口从而接收其中光线的平面波导，所述射出端具有平滑的其外形是所述射入端的所述CPC外形的剩余部分的旋转上表面，所述射出端具有反射下表面，其包括与所述上表面的所述旋转表面共轴的旋转微结构小平面微结构，所述小平面包括与所述CPC外形的流线平行的表面和具有反射所述接收光线到向上的z方向的倾斜度的连接对角线表面，所述对角线表面的倾斜度被调节使得向上反射的光线被折射到与所述小平面相同的准直方向。
此外，一些实施例提供了一种亮度保持的非成像的背光源***。这些***可包括：发光光源，发射光线到限制孔径之外；CPC-形的射入端包括接收来自所述孔径的输入端口，所述CPC-形射入端在其中形成限制为允许角的光线；线性光线扩束器包括微结构反射小平面族，每个小平面和局部的流线相切并且还和所述的CPC-形射入端具有交角使得偏转所述光线并形成横向发射线光源；和光线扩束射出端包括接收所述偏转光线的平面波导，所述光线扩束射出端包括和所述CPC-形射入端的流线相切的平滑上表面以及具有偏转输入光线通过所述上表面形成光线的小平面的下表面，所述下表面小平面包括基本平行于所述CPC-形射入端的流线的表面和具有反射所述接收光到向上的z方向的倾斜度的连接对角面，所述对角面的倾斜度被调节使得所述向上反射的光线被折射到与所述下表面小平面相同的准直方向。
另一些实施例中包括由透明电介质组成的亮度保持的非成像的背光源。这些背光源和/或***包括发光光源，发射光线到限制孔径之外，其确定了y-z坐标平面并且具有确定x轴的表面法线；输入端口，接收所述光线；射入端，具有确定一个y-z边界的所述输入端口和确定另一个边界的较大的输出端口，所述的输出端口在y-z平面和x-y平面之间成角，所述射入端具有CPC-形的x-y外形，其从所述输入端口到所述输出端口扩展，所述x-y外形通过全内反射起到限制所述光线在一个横向允许的角度内，所述射入端包括厚片的x-z的外形，其具有耦合到所述光源的CPC；四分之一圆柱形转向棱镜，和所述射入端的所述输出端口结合在一起；上光线扩束输出端，设置在临近所述射入端并通过空气隙分离的位置，所述光线扩束射出端具有光学耦合到所述转向棱镜的输入端口，所述光线扩束射出端具有能够漫反射的下表面。
一些实施例包括一种亮度保持的非成像的背光源，其包括空气填充的射入端，包括围绕一个限制输入孔径并向外扩展到较大的出口的反射壁，其中限制输入孔径确定y-z坐标平面并且具有确定x-轴的平面法线；z-轴圆柱透镜，填充所述出口；y-轴圆柱形，光学连接到所述z-轴圆柱透镜在所述z-轴圆周透镜的y-z横截面的z为负值的一半上；和平面光线扩束器，光学连接到所述z-轴圆柱透镜的y-z横截面的z为正值的一半上。
另外，一些实施例提供白光平面光源。这些光源中的一些包括照明光源，从限制孔径向外发射光激励(photostimulative)的光线；射入端，包括接收所述光线的输入端口，准直所述光线的内反射扩束外形，和准直光线的线的线微结构横向偏转器；光线扩束输出端，接收准直光线的所述线，限制其在平面波导内，具有用于形成准直光线的z-延伸片的位于底部x-y平面上的微结构小平面的射出端；二向色滤光片，位于横断所述准之光线的片的位置，具有所述光激发所发出光线的光谱准入和较长波长的光激发所发出光线的光谱反射；和光致发光材料层，位于临近所述二向色滤光器的位置以接收所述通过所述二向色滤光器的光激光所发出的光线并发射响应的较长波长的光线。
另外的实施例中提供亮度保持的非成像的背光源***，包括第一背光源，其包括第一CPC-形的射入端，包括接收来自光源的光线的输入端口，所述CPC形使得形成在其中的光线限定在一个允许的角度内；第一线性光线扩束器，包括一系列微结构反射小平面，每个都包括一个正切于局部流线场的面和另一个与所述第一CPC-形的射入端的流线成角度的面，从而转向所述光线并形成横向发射线光源；和第一光线扩束射出端，包括拱形波导用于接收所述横向发射的线光源的所述光线，所述第一光线扩束射出端包括正切于所述第一CPC-形的流线的平滑上表面和具有偏转光线通过所述上表面以形成平面准直光线的小平面的下表面，所述小平面包括基本平行于所述流线的面和具有倾斜度的连接对角面，该倾斜度反射所述接收的光线在放射向外的方向。
一些实施例给出了前灯。这些前灯可以包括射入端，包括接收所述光线的输入端口，内反射放大外形，其准直所述光线，和用于形成准直光线的线的线微结构横向偏转器；光线扩束射出端，接收准直光线的所述线，限定其在平面波导内，在x-y表面具有微结构小平面的射出端，用于形成准直光线的z-延伸片；二向色滤光器，位于与所述准直光线片交叉的位置，具有所述光激发所发出光线的光谱准入和较长波长的光激发所发出光线的光谱反射；光致发光材料层，位于临近所述二向色滤光器的位置以接收所述通过所述二向色滤光器的光激发所发出的光线并发射响应的较长波长的光线；透明材料的最低区块，具有平面的下表面和与所述光线扩束射出端的所述微结构小平面的射出端等角的上表面，并且小折射率的透明材料层位于其间；以及最高平面反射器，将向上的光激发所发出的光线返回使其被发射通过所述最低区块。
对本发明的特性和优点的进一步理解可以通过参考下文中的对于发明的具体描述并结合相应的附图，其提供了应用本发明原理的说明性实施例。
附图说明
对本发明的上述和其它方面、特征以及优点通过结合下列附图的下述更具体的描述变得更明显，其中：
图1A是示出了实施例LED的俯视图，该LED与下列附图中的器件连接在一起从而利用其几乎全部的照明发射；
图1B是示出了图1A中的LED的端视图；
图2A是示出了背光源实施例的俯视图；
图2B是示出了如图2A中的背光源的侧视图；
图2C是示出了带有光线的如图2A中的背光源；
图2D是示出了如图2C中的光线；
图3是示出了具有边缘光线的CPC外形；
图4A是示出了从流线切割的CPC；
图4B是示出了如图4A的CPC外形的特写视图；
图5A是示出了倾斜于在先前垂直的出射表面的光线出射；
图5B是示出了一个上述倾斜的出射表面的特写视图；
图5C是示出了小平面的光学效果，光线轨迹示出如何评估制造容许性；
图6是示出了具有内反射空间的线性组织的背光源；
图7A是示出了CPC-反馈的线性凹槽的背光源的俯视图；
图7B是示出了如图7A中的背光源的前视图；
图7C是示出了如图7A中的背光源的透视分解视图；
图7D是示出了如图7A中的背光源的射入端和射出端之间的接合处的特写视图；
图7E是示出了如图7A中的背光源的射入端的透视图；
图7F是示出了用于显示如图7A中的背光源的流线凹槽和射出表面的射出尖端的特写侧视图；
图8A是示出了另一个准直背光源的俯视图；
图8B是示出了如图8A中的背光源的倾斜仰视图；
图8C是示出了如图8A中的背光源的一角的特写视图；
图8D是示出了如图8A中的背光源的一角细节视图；
图9A是示出了具有小的提取带(extraction zone)的另一个准直背光源的侧视图；
图9B是示出了如图9A中的背光源的俯视图；
图10是示出了透明的背光源；
图11是示出了双色的背光源；
图12是示出了更加集成的双色的背光源；
图13A-E是示出了具有底部射入端的折叠光路的背光源的侧视图和横截面图；
图14A是示出了正方形背光源***的仰视图；
图14B是示出了如图14A中的背光源***的一部分的特写视图；
图14C是示出了如图14B中的一部分的透视图；
图14D是示出了如图14A中的背光源***的分解透视图；
图14E是示出了如图14A中的背光源***的侧视图；
图14F是示出了用于显示可选择的漫射设置的如图14A中的背光源***的侧视图；
图14G是示出了用于如图14A中的***的射入端的横截面视图以及具有射入特性的光线扩束器；
图14H是示出了第一光线扩束器的上表面的特写视图，其中该第一光线束扩束器和如图14A中的***的第二光线扩束器相连接；
图14I是示出了同一个第一光线扩束器的底面的细微凹槽的特写视图；
图14J是示出了同一***的可选择的结构；
图15A是示出了背光源入口孔径的相空间图；
图15B是示出了标记的边沿的同一***；
图16A是示出了孔径边缘光线；
图16B是示出了上述边缘光线的一半；
图16C是示出了总流线；
图17A是示出了这些流线如何形成射出端的外形；
图17B是示出了具有三个光线扇和射出表面的射出端的外形；
图17C是示出了具有任意发射器的射出端的外形；
图18是示出了直线射出端的外形；
图19是示出了具有直线上表面的另一个射出端；
图20是示出了由直线光线扩束器形成的背光源；
图21是示出了直线光线扩束器的端部尖端的特写视图；
图22A、22B和22C是示出了增厚光线扩束器的尖端的方法；
图23是示出了具有两个端到端结合的双背光源***；
图24是示出了具有两个边对边结合的双背光源***；
图25是示出了四重的背光源***；
图26是示出了另一种四重的背光源***；
图27是示出了适用于在四个侧面上开口的无缝嵌合的背光源；
图28是示出了如上的阵列背光源；
图29是示出了具有一个可选择的、角度-转向输入装置的背光源；
图30是示出了用于共面输入的同阵列的背光源；
图31是示出了在背光源中的折叠棱镜；
图32是示出了多个-LED背光源；
图33是示出了具有一个光致发光层的背光源；
图34是示出了配备荧光的背光源的透视分解图；
图35是示出了具有套筒的光线扩束器；
图36是示出了双向的光线扩束器；
图37是示出了前灯；
图38是示出了具有相同输出端的两侧光线扩束器；
图39是示出了具有不同输出端的两侧光线扩束器；
图40是示出了双两侧光线扩束器；
图41是示出了设置有荧光的前灯；
图42是示出了偏振循环的背光源；
图43是示出了包含有弯曲输出表面的抽出器的准直背光源；
图44是示出了具有半圆形输出表面的背光源；
图45是示出了两个被形成为就有全角输出的圆形光源的半圆形背光源。
相应的附图标记在附图中代表相应的部件。本领域技术人员可以意识到在附图中的元件为了简化和易于示出并且不一定是按比例绘出。例如，在图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被放大，以帮助理解本发明各实施例。并且，通用的而公知的元件，其在商业可行的实施例中是有用的或必须的，通常为了便利本发明的这些不同的实施例的附图明了而没有绘出。
具体实施方式
下面参考对几个实施例的具体描述和相应的附图更好地描述本发明的特征和优点，附图中示出了应用了本发明的原理的实施例。
如上所述，用于产生近似等于其光源的输出照明的器件在一些情况下被等同于或者被指为高亮度器件。获得使用相对较小光源的高亮度的器件通常很困难，例如，与用于小的显示器的数千平方毫米相比，其具有大约2平方毫米面积的单个高功率LED。这通常在输出角相应较小时可以实现，因此实际上所有的输出光基本是平行的，其通常在使用现有的LED时是不平行的(非常小的面积)或者结合有传统准直光学器件的LED。而这种性能被称为准直背光源(或者前灯)，这一术语被用于泛指相对宽角度的输出(例如，±30°)。
一些实施例提供了具有在窄的角度范围上高的输出亮度的器件，并且具有高的空间均一性。并且，一些实施例提供了在相对较薄的外形中具有高的输出亮度的器件，而传统的透镜通常需要一定的厚度来实现如上的光线扩束。
图1A是Nichia公司的示例性的发光二极管组件10的俯视图。最重要的是圆头长方形出射区域11，其射出在表面法线12周围以朗伯(Lambertian)形式发射白光。图1B是同样结构的侧视图。两个视图根据比例给出了发光二极管组件的尺寸并且引入了笛卡尔坐标系，发光二极管组件10的表面法线为x方向，y沿着长度方向，而z沿着宽度方向。发射器11的面积可以计算如下
Ae＝(1.8-0.45)*0.45+π*0.452/4＝0.77mm2。
对于朗伯(Lambertian)光源发出的每一流明，强度为1/π坎德拉。2.7流明的额定发光度为相当高的照明，2.7/(π*0.77)＝1.12candela/mm2＝1,120,000nits。这是自然太阳光亮度的三十倍，并且被称为“高亮度”。
图2A是在x-y平面内的背光源20的俯视图。LED发射区域11位于通过没有空气间隙的光学接触将其光线投射到射入端(injector)21的位置。射入端21在其表面上包括TIR-反射体外形22。长方形射出端(ejector)23具有4∶3的标准视频比，并且通过圆形凹槽24射出光线。这样的出射光线被射出到附图平面以外、朝向读者。出射的光线可操作的照明在±25°的视角上具有最小亮度600尼特(nits)的液晶显示器(未示出)上。最小发光度的量为
600*(40.7/10,000)*n*sin225°＝1.37流明
因此前述的2.7流明的LED发光度说明了光效率至少需要为51％，在几个实施例中很容易实现，但是对于其它既需要准直性又需要空间均一性的其它***中较难实现。
图2A示出了外形22如何使用全内反射，如点26r处，形成笔形波束25和26从而调节如示例性点P所示的发射器11的角宽度β(P)。反射体外形22是一个双曲线，其作为离轴角θ的函数来固有地调节角宽度β，从而在整个射出端23上均匀分布光通量。
图2B示出了在x-z平面上、沿着背光源20的凹槽半径的截面图，以显示射入端21和具有用于出射光线的底部凹槽24的射出端23。射出端23具有光线扩束(在射入端21中具有第一光线扩束器)和射出的功能。射入端21从LED发射器11的0.45mm宽度扩束到3mm的全厚度。
图2C示出了穿过背光源20的同一结构的截面图，其具有CPC外形21、射出端23和流线凹槽24。水平切线20T示出了CPC外形21如何向下倾斜。同时示出还有平行边缘光线27，朝着右边倾斜向下。
图2D也示出了光线27，但是为了清楚将背光源20移除。同时示出了朝着右边向上倾斜的平行边缘光线的集合28，由于上述在CPC外形21水平方向以下的倾斜，其具有比光线27更小的倾斜度。光线扇29从光源的上边缘(未示出，但是在图2C中被标记为11)行进。
图3示出了容许角度为α的双边对称的CPC外形30，其具有单位半宽度的入射孔径31和半宽度1/sinα的出射孔径32。容许角度α被绘制为5°，因此从外形30的入口到出射孔径的CPC长度为[(1/sinα)+1]/tanα＝143。示出角2α以突出CPC31内的每个点示出，光线全部充满这个角范围。平行下边缘33全部位于角-α内。上边缘光线34从入口31的下边缘以角度α向出口32的下边缘行进。位于光线34上的是多片段35的左端，平行于对称轴36而导向。这些片段被称作流线，因为位于其上的两侧的反射镜不改变CPC31的光线输出，并且由于是相切的从而不应扰乱光线流。流线将在之后结合图16更具体的描述。
图4A示出了外形40，填充有折射率为n的透明介质。顶面41和图3中的CPC30的上边缘相同，并且水平的底部边缘42和图3中的片段35相同。光线障碍44表示在流线片段42之间的光线照射。
图4B示出了外形40左侧的特写视图，显示了上CPC表面41和流线片段42，其通过直角片段43连接在一起。同时示出的还有光线障碍44，其代表没有被流线扰乱的原始2α光线。如果它们实际上射出到空气中，对于小的α，它们将是2nα的宽度。如图4A和4B示出的器件被CPC42的流线、顶线41和出口片段42限制，其中顶线41也是流线。由于来自图2C中的射出端11光线在到达出口片段43之前只在流线上反射，限制不会影响到CPC。从而，可以得出在片段43的光线角度传输为2α，而这和在整个CPC内部的点上是相同的。
图5A示出了包括CPC-形状的顶面51的外形50，底部水平片段52，和对角连接片段53，倾斜为反射光线向上而形成垂直的光线障碍54。对角连接片段53也被称作射出端面。在一个实际的器件中，片段52&53可以小到用肉眼无法看到，从而比这里示出的十倍还要多。由于人眼的视力模糊可以导致整个表面看起来具有均匀的亮度而不是倾斜的凹槽，如此高精度的技术实现使得感觉到的亮度成比例的下降。在出射顶面51后，这可以不改变光线障碍54的角宽度2α而实现。射出端面53的倾斜角ρ的个体价值被调节用于补偿顶面51的变化倾斜，从而所有的输出光线障碍54互相平行。
为了实现这样的模糊，射出端面53需要足够的接近使得光线障碍54仅在顶面51外重叠。为了实现不可见，最大间隔在几个实施例中为大约160μ。否则漫射体可以替代器件从而凹槽结构不会被使用者看清楚。
图5B示出了外形50上的射出端面53的一个表面的特写视图。边缘光线阵列55，对向角2α，照射射出端面53的一个倾斜边缘，其全部内反射光线向上因此变成垂直的光线障碍54。在射入模型部分，外表面角56为圆形，通常具有长度为光波长许多倍的半径。
这一圆形在图5C中示出，其为一特写视图示出了圆形的外表面角56结合水平边缘52并示出了射出端面53的表面。圆形角56具有从曲率C的中心的半径r，形成包括角度ρ的弧。边缘光线阵列57和主光线被散射到光线扇58和59。向上的光线扇58在材料的临界角之内，因此可以出射背光源，而对角光线扇59包括不出射背光源的光线从而对其输出没有贡献。光线扇58的广角导致杂散光并且增加聚光本领。
暂时回到图2A，可以看到射入端21，从光源11到射出端23，具有接近射出端23本身的宽度。对于较窄的射入端宽度，图6中的优选实施例被揭示，虽然塑造更复杂。背光源60包括LED组件10、在左边界63上具有CPC外形的射入端62，全内反射偏转空间64，和长方形射出端65，底部具有线性反射凹槽66。CPC外形63从图3的外形30按比例增加，并且相似的变窄光源10的光线角范围。空间64可以由可伸缩***物塑造。只要其中被空气填充，就存在内反射光线障碍67。它们被塑形为传输恒定的照明到长方形输出端65的整个长方形表面(其具有光线扩束和出射的功能)。射出端23的横截面，如图2B示出，和图6中的长方形射出端65相同。
图7A示出了背光源70的俯视图，包括LED组件10、CPC收集器71、混合棒72、具有流线和射出端面74的射入端73(产生第一光线扩束器)、空气隙75、和在底部上具有出射端面77的线性波纹凹槽的射出端76(产生第二光线扩束器)。在LED组件10和CPC71之间是一个微小的空气隙，太小而不能画出，而不是系数匹配的粘胶。这是由于在1.5-1.6范围内的典型的折射系数不足以实现LED出射全±90°，除非输出角很小。空气隙减小了在CPC中的范围到±sin(1/n)，或者大约为40°。除非提到，否则这里的每个耦合到LED的CPC在其和LED之间将具有这样的空气隙。
图7B示出了背光源70的端面视图，示出了LED组件10、CPC收集器71、混合棒72，和流线以及射出端面74。
图7C示出了背光源70的底部透视图，示出了LED组件10、CPC收集器71、混合棒72、具有出射端面74的流线凹槽的射入端73(产生第一光线扩束器)、空气隙75、射出端76(产生第二光线扩束器)、以及具有出射端面77的流线凹槽。
图7D示出了图7C的特写视图，示出了射入端73、射出端76、流线台阶74、空气隙75、和射出端76角之间的连接。
图7E示出了背光源70的高倾斜的透视侧视图，示出了LED光源10、CPC71、混合棒72、射入端73、空气隙75、射出端76、和流线凹槽以及射出端面77。
图7F示出了就是射出端76端的另一个高倾斜的透视侧视图，示出了流线凹槽和射出端面77以及薄的尖端78。凹槽的小型化使得尖端78太薄而不能用于实际射入模塑。因此，改进的优选实施例将在下面给出。
图8A示出了背光源80的俯视图，包括LED组件10、CPC收集器81、具有出射端面83的流线凹槽的射入端82(产生第一光线扩束器)、窄的等角低折射率间隙84、和具有包括回射角86的远端的射出端85(产生第二光线扩束器并且出射光线)。仅仅从射出端85对于使用者的相对一侧可见的是全息漫射片87，在随后的附图中可以更清楚的看到。
图8B示出了背光源80的透视图，示出了LED组件10、CPC收集器81、具有出射端面83的流线凹槽的射入端82、窄的低折射率间隙84、具有回射端角86的射出端85、和全息漫射片87。
图8C示出了背光源80的特写视图，示出了射出端85的尖端，具有位于其上的漫射片87。点划线85p示出了假定的射出端85外形的构造，超过最小可模塑厚度。改为，部件85t具有恒定的厚度，延伸到回射器86，其照明端部件85e，其为部件85t的远侧一半。
图8D示出了射出端85的端部的透视特写视图，示出了后边缘凹槽的回射器86和全息漫射片87。
图9A示出了背光源90的横截面图，包括LED91、CPC顶部外形92、和射出端面93。这些射出端面位于流线凹槽的短的片段的一端，偏移以***总输出线。也就是，由流线形成的凹槽和射出端面不沿着射出端的侧面到侧面之间延伸而是具有一个限定的宽度。这样，射出端的出射端面是矩形而不是线状。因此输出光线障碍94是分隔开的点，使用者不易看清楚。边缘光线障碍95具有和内部输出光线障碍94相同的密度。
图9B示出了背光源90的俯视图，示出了许多个光线障碍点的94的复杂图形。它们在尺寸和间距上被放大，原因是实际上它们太多太密集肉眼无法看清楚。
图10示出了透视的背光源100的侧视图，包括LED光源101、具有用于形成空气隙103的流线凹槽的射出端102、和匹配后片104。光线障碍105结合在一起用于形成使用者107的视觉强输出端106，因此周围的光线L1被覆盖。同时，使用者108看到周围的光线L2，相对的不受分离器102的流线表面干扰。
图11示出了双色背光源110，其包括由上背光源111和下背光源115，每个都具有不同颜色的光源。宽角度输入光线扇112，具有第一颜色，被背光源111传输到窄角度光线障碍113。宽角度输入光线扇116，具有第二颜色，被下背光源115传输到窄角度光线障碍117。两个背光源横向的设置，从而光线障碍117在光线障碍113之间发光。为了清楚可见，第三个背光源没有堆叠在这两个上面示出，RGB***由此构造。
如果第三个颜色不是必需的，更复杂的结构也是可行的。图12示出了双背光源120，其包括第一颜色的上背光源121和第二颜色的反向下背光源125，之间具有空气隙129。背光源121传输宽角度输入122到光线障碍123。下背光源125传输宽角度输入126到输出光线障碍127上，其最初向下但是通过反射镜表面128向上反射从而结合第一颜色的光线障碍。
为了更好的结构紧凑，也可以将射入光器件放置在背光源下方。结构优选的实施例在底部入射种类之内是可行的，将光线向上或向下发射。
图13A示出了背光源131的侧横截面图(上图)和平面横截面图(下图，由线1310确定)，包括LED1311、CPC下部分1312、四分之一棒1313、抛物线上部分1314、和上射出楔1315，通过等角空气隙1316从1314分离。除了楔1315以外的其它部分是粘合在一起的，或者无空气隙的光学耦合在一起，到背光源131的其它部分。如图13A中的两个横截面所示，LED1311光学耦合至的下部分1312，其外形从延伸的垂直的外形1312V开始，通向1312的板状体。图13a的下半部横截面图示出了水平的CPC外形1312C。CPC下部分1312的底部外形的线性部分从外形1312V的端部延伸至点A。从点A到点B是反射抛物线弧1312p，具有在点F的焦距和轴1312a。1312的上半部外形从点B到点F延伸，然后水平的延伸至外形1312V的上部分。
如图13a的上半部横截面图所示，反射圆形弧1313C确定了四分一棒1313的外部外形。从点C到点D延伸有抛物线弧1314P，具有在点F的焦距和轴1314a，确定了上部分1314的上表面，以及楔1315的下表面。粘合在上部分1314的底部，但是不和下部分1312的平面上表面接触的，是白色薄膜漫反射器1316。可以看到示例性光线1317由白色反射器1316漫射的散射向上，反射穿过器件而终止。示例性散射光线1317S被内反射向下在1318散射，其中一部分光线出射(escape)，例如实施例光线1319。一个散射光线，1318S，相似的被内反射向下，通过楔1315的平顶面。这说明了大部分从反射器1316散射的大部分截留的光线被循环返回到另一个光路(go)作为背光源输出穿过上射出端楔1315。同时，这些出射光线的菲涅耳反射相似的循环，如光线1319f所示。内反射光线的循环更优的增加了背光源照明和其均一性。
图13B示出了背光源132的侧横截面图(上图)和平面横截面图(下图)，相似的包括LED1321、下部分1322、3/8th圆柱棒1323、和抛物线楔上部分1324，具有附着在其抛物形底部的漫反射层1326，示出了示例性光线散射点1326s。为了清楚可见，光线和它们的标记没有示出，和图13a中的相似。下部分1322具有增大外形1322V，临近LED1321耦合至1322的位置。1322的下表面也包括平下表面1322f，反射抛物线弧1322p，在点A到点B之间延伸具有焦点F和轴1322a。反射圆形135弧1323c圈住棒1323，光学连接到部分1322和1324。
有利的是在前两个实施例中的反射装置不是必需的，弱传导材料也是如此。图13C示出了背光源133的侧横截面图(上图)和平面横截面图(下图)，其包括LED1331、下中空的反射部分1332具有横截面视点-线1330、有透镜的半圆柱1333、和上漫射-反射盘1336，覆盖由漫射体1334。光学循环是通过漫射薄膜1334的后散射，向后向下到反射器1336。半圆形1333c确定了1333的外部外形，并且通过全内反射传输光线，接受从透镜1333L发出的光线，通过平出口面1333f向上和向后传输到盘1336上，用于由散射器1336s所示的进行漫射传输。透镜外形1333L和中空反射器1332相配合以收集来自LED1331的光线并且将其在1333的主体内导向传输。
下两个优选的实施例使用上反射器来发射其输出光向下穿过下射入部分，但是在其它方面和图13A的形状几何相同。
图13D示出了背光源134的侧横截面图(上图)和平面横截面图(下图，由线1340确定)，包括LED1341、CPC下部分1342、四分之一棒1343、具有反射镀膜1345的抛物线上部分1344、连接到平底部1344的漫射传输窗口1346、在1345和下部分1342的平上表面之间具有空气隙(未示出)。在CPC外形1342c的两个侧面，越过微小的等角空气隙，是两个横向的厚片1347，其构成了背光源的下输出表面。
图13E示出了背光源135的侧横截面图(上图)和平面横截面图(下图)，其包括LED1351、具有横截面视点-线1350的下CPC部分1352、具有流线凹槽1355的长方形上射出端1354、和光学连接上部分和下部分的四分之一组件1353。下视图是具有水平CPC外形1352c的下部分1352的横截面图，由发射器1351照明。从平面图中看不到的是可选择的横向厚片，如在图13D中的部件1347所示。背光源完全工作在镜模式下，没有漫射体，因此从每个凹槽有一个光源的小的成像，如光线135L的窄角度所示。
图14A是长方形背光源140的仰视图，示出了光源141，射入端、其包括准直器142、和第一光线扩束器143，射出端、其包括第二光线扩束器144并且具有射出端面(未示出)。低折射率传输层145结合放大器143&144。直的底边143e具有与图7D中凹槽74相似的凹槽，并且其特意被制造很小而不能被人眼分辨，所以在图14A也没有示出。
图14B示出了LED组件141和CPC142的特写俯视图，具有x-yCPC外形142y。可以看到光线141L的光线束从出口141e向外发光，其具有大的角展开(±41°)和小的空间展开。在准直出射孔径142e的出射光线束142L具有比141L光线的较小的角展开(α＝15°)，并且具有较大的(2.5∶1)的空间展开。
准直器142减小了光源141的角展开并且因此在空间上放大了光束。图14C是准直器142的特写透视图，示出了其具有长方形交叉的CPC的形状，由线性扫频CPCx-y外形142y和较窄的CPCx-z外形142z形成，正交的线性扫频。外形142z在线142t处被全部放大，并且厚度为恒定值。外形142z被制造为比外形142y窄，从而最小化全部的器件厚度。
这一CPC构造对于这种准直功能是好的选择，因为可以简单的由注射塑料块制成而不需要其它的材料，由于其操作是依据全内反射，需要的只是模塑表面具有很小的粗糙度。虽然这样的CPC其它可行的准直器相比具有长度上的缺点，在几个示出的实施例中使用的LED光源的小型，因为其具有接近全部收集的Lambertian输出和小增长的延展性。如流线集中器[附图标记1]的CPC的改进也是一个可行的准直器。
图14D示出了背光源140的透视图，在分解的观看位置上，LCD147位于其照明输出之上漫射器146在其和背光源140之间。
图14E示出了的侧视图，也示出了位于背光源140和LCD147之间的漫射片146。背光源140将准直输出光140L传输到漫射片146，使得对向来自LCD147的输出光线147L的角度较宽。
图14F示出了同一背光源140，但是具有在LCD147上的漫射片146。在可选择的优选实施例中，准直光线140L通过LCD147具有小的角展开，有利的使得LCD实现较高的像素间对比度。这一技术方案的不足在于漫射片146称为一个屏幕，使得使用者看到的不是LCD的像素，而是它们所成像的一个模糊的视像，由于光线140L从LCD像素到漫射片通过一个小的距离传播。这一不足可以被减小到足够小而被忽略，具有本实施例中的较小的角展开。
图14G示出了第一光线扩束器143的特写底部视图，部分地示出了准直器142。光线142L来自准直器142。可以看到第一光线扩束器143的上表面包括平面部分145f和抛物线弧部分145p。只要光线142L具有均匀的发散，这一外形可以沿着第一光线扩束器143的底面产生的均匀的照明，其结构的尺寸为了清楚可见被放大示出。底面143e向上反射均匀被反射的光线，从这里光线143L向上传输，其传输通过第一光线放大器145的上表面并且射入射出端的第二光线扩束器144。
图14H示出了第一光线扩束器143的上表面的特写视图，其和第二光线扩束器144通过薄的粘合层145g连接在一起，包括具有比相邻射出端143&144(1.495)的折射率较低的折射率(1.45)。理论的光线扇R被示出用于揭示在光线传输器上的入射角效应。在n＝1.495和n＝1.45之间，临界角为76°，导致‘TIR’光线偏转向下而剩余的光线被传输。小的折射率差异在本实施例中足以满足偏转的功能145g。传输光线‘Tr’在它们原有的方向上传输，只有很小的横向偏移。
图14i示出了第一光线扩束器143的底面143e的微小凹槽的特写视图，包括偏转小平面d，由流线小平面f连接。如图3中的连接所示，流线是反射面，其留下全部的光线场不接触。在这种情况下，这样的反射不需要镜面表面，因为入射角足够高使得全内反射可以实现。术语“微结构”(microstructure)被用来指光学结构，例如，小到不能通过人眼分辨。
图14J示出了这样的微结构凹槽的可选择结构的特写视图。偏转小平面dd通过阴影表面s连接，其没有照明并且光学不活动的。
图14A到图14G的背光源140执行在其内传输的两个正交的光线上的光束扩束。整个的700∶1(面积上的)的光线扩束对任何测量仪器都是很大的，然而其可以在背光源140的非常薄的厚度内实现。第一光线扩束，沿着x轴，通过线性光线扩束器143。第二光线扩束，沿着y轴，通过平面扩束器144。两个都具有同样的二维外形，其中之一在这里通过流线方法进行追溯。
称作相位空间的数学术语在这里使用，其概念源自分析力学。在光学中，相位空间是空间坐标(x，y，z)和三个对应的光学动量系数(p，q，r)确定的。对应于x轴的光学动量是折射率n和角α的余弦，角α是光线和x轴的交角。另一个光学动量具有相同的定义。在2D的情况中，其中所有的光线被包含在x-y平面内，对于y轴的光学动量q也可以写作：
q＝nsin(α)
其中α是光线关于x轴的交角，因此它和y轴的交角为90-α，其余弦是sin(α)。使用这些光学动量定义是根据通过相位空间的光线流是不能压缩的六维流体，具有和其容积以及照明强度相同的延展性。尤其对于光学有意义的是相位空间守恒定律，也被称为Poincare(参考文献1，p.99)的积分不变量。这些积分不变量一可以被表示为矢量场J的零散度，称作几何向量流量。在空间中的各处它指向最大照明的方向，其数值是最大值。任何矢量场具有积分曲线，定义为通过将矢量作为在每个点的运动矢量进行积分产生的路径。几何矢量流量的积分线被称为流线。这些流线被用来确定光线扩束器的外形。
在这里使用的光线扩束器的外形中，二维的相位空间满足清楚可理解。在光线扩束器的入口孔径的典范的边缘光线在两个边界位置参量y0＝-L/2和y1＝L/2处为q0(y)＝-nsin(α)和q1(y)＝nsin(α)。它们在y-q平面内形成了长方形的相位空间区的角。该长方形的区域是光线束的延伸区域，其中每一个在y-q平面内作为长方形内的一个点。该延伸区域是E＝2nLsin(α)。这一原理在图15中被示出，L＝3mm和α＝15.5°，示出了相位空间的参量y和q。相位空间区域150是由线151(y＝1.5mm)、152(y＝-1.5mm)、153(q＝q0＝-1.5*sin15.5°＝-0.4)、和154(q＝q1＝0.4)限制的长方形。长方形的边缘代表边缘光线，其中的四个是角C1到C4。
在图15a中相位空间边界153和151以及154、152一起分别为下文中为M0和M1的边缘光线的集合。它们在图15b中清楚的示出，但是为了清楚可见比其实际位置向后。每个边缘光线集合在相位空间是连续的。这两个集合包括所有的边缘光线，例如，那些从孔径的点以±α发散的光线以及从孔径各端以+α或-α发散的光线。对应的光线在图16b中示出。
图16a是示出了具有边缘光线C1和C2的孔径A(3mm宽)的在x-y平面内的图，对应于由图15中的角代表的光线。开梯形区域162由孔径A和光线轨迹C3和C4的限定。同时示出的还有边缘光线C1和C2，在中心线F0相交以确定三角形区域161。示例性点P由限制光线E和R之间的照明，并且线T是它们的角等分线，标示了几何矢量流量J位于P的方向。
图16b示出了光线集合M0如何包括所有的光线平行于边缘光线C4，并且所有的光线(除了C3)漫射形成孔径A的右边缘。其它的光线集合，M1，图示为在图16b中的镜面成像，分别具有光线C3和C1而不是C2和C4。因此图16a的区域162中的所有的点和一个并且只有一个光束M0以及一个并且只有一个光束M1交叉。
在图16A的区域162内，我们可以确定光线矢量场v0(x，y)和v1(x，y)，因此每个矢量场是对应的集合M0和M1的轨迹的各个位置处的正切，具有标量值，因此|v0|＝|v1|＝n，其中n是在区域162中的介质的折射率。图16b示出了v0(x，y)的两个实施例，在矢量165和166处。由于v0(x，y)和v1(x，y)是光学矢量场，并且_o1(x，y)＝v1(x，y)。因此，这些函数是短时距方程的解。曲线O0＝常数并且曲线O1＝常数是对应光束的波前。前者的实施例在图16b中以波前167和168示出。
定义路径长度差异函数i(x，y)＝(O0(x，y)-O1(x，y))/2并且j(x，y)＝(O0(x，y)+O1(x，y))/2。这两个函数是正交的，因为_i-_j＝0。也注意到_j＝(_O0(x，y)+_O1(x，y))/2各个位置等分边缘光线M0和边缘光线M1之间形成的角。通过这个，我们可以得到i＝常数，其各个位置对于_j的切线是光束的流线。
图16c示出了从孔径A的流线的全体160，包括中心线F0和限制线F3和F4。对于线F0，i(x，y)＝0，并且对于左边i＜0，对于右边i＞0，每个流线具有其i(x，y)的特定值。在三角形区域161中，流线是垂直的直线。在三角形区域外而不是在图16a中的直线C1和C2之间的区域内，流线是共焦双曲线具有在孔径A一端的焦距。剩余的流线部分是在孔径A的一端具有焦距的抛物线并且倾斜±α角度。除了直线F0、F3和F4，图16c中的弯曲流线具有如图14F中的扩束器144的顶部侧面和如图14G的外形145p的形状。
图16c中的流线的重要的一面是与这些流线结合的镜面表面不干扰其它的流线。因此如果只有图16C中的孔径A的一部分实际使用，则全体160可以沿着任意流线被分割，例如黑线F1。流线可以被用作此孔径B的光线扩束外形，甚至是用于一个有些偏离y轴的孔径。这是因为射出端平面可以在一个新的y轴。
图17A示出了光线扩束器170的结构，具有从F1到F3重复的图16c中的流线。顶面171沿着线F1到其具有点状水平线L的拦截处。台阶172可以看作F1下面的流线的片段。其尺寸为了清楚可见被放大，而实际的台阶通常比人的头发还要细。取决于设计参数，这些射出端用于全内反射并且因此，在这些情况下，其不需要镜面镀膜。
设T为显示器上的微结构线的理想的发射长度而N是要设计的微结构的数量，例如，N＝500，其中要设置N个流线。坐标圆点为点O。第一个台阶172沿着流线F3延伸直到x＝T。然后第一射出端面173被定位。这可以是一个反射器，其将光线射出光线扩束器。我们应该提前知道希望光线出射的方向。例如假定我们需要射出光线所以光线垂直离开光线扩束器到显示线L。每个射出端面被计算为反射光线的线，所以光束的中心光线离开光线扩束器到所需要的方向。注意到，如果设计成功的话，中心光线在偏转曲线171处折射，因此当设计射出端时要考虑这样的折射。通常，射出端很小以致于可以考虑它们是直线的一部分，只被用来计算倾斜度。射出端面终止在我们确定流线的处。剩余的计算是对第一个的重复。
图17B示出了光线扩束器170，包括上偏转表面171和代表数百个实际结构特征的有小面的下表面。台阶172和射出端面173如图17A中所示。三个光线扇174示出用于阐释射出端173的作用。每个射出端面173被看走对于其输出光线175具有适合的角度使得其主要向上射出。
一组更密集的输入光线可以产生一组更均匀的输出光线，但是牺牲了清晰度，如图17C所示，其也示出为由α＝±15.5°限制的任意输出器176。输出光线束177示出了基本相同的越过输出器170宽度的长度。具有许多个射出端，均一性可以很高。
假设光线的辐射能对于其中的每一个光线是恒定的，则在给定表面上的照明和这一表面截取的单元面积聚光本领成比例。在2D的情况下，“表面”由“线”替代。上述设计过程确保了每个沿着显示器的单位长度的聚光本领基本恒定(数学上，对于微结构线上的点_E/_x＝常数)，例如，照明沿着显示器为恒定的，如果光线具有相同的辐射能。当微结构的个数N增加时，近似值更优。
如果_(x)最小，其是通过微结构线上的点的边缘光线形成的最大角、具有坐标是x和_(x)，则
Figure S2006800270339D00194
作为图17中的流线的例子，_E/_x恒定的，因为_和φ都是恒定的。
如上所述的光线扩束器设计方法是用于2D空间的，例如，用于在光线扩束器外形的平面内的光线。此外，该方法假定输入光线的恒定半径，以及电介质材料的零吸收和每个反射的100％镜反射率，没有散射。由于这些假设实际是不可能实现，还需要更多的设计来优化设计。为了简易可行，我们假设设计的目的是实现在显示表面上的恒定照明，因为指定的照明变化量可以很容易适应。一般的，孔径尺寸S乘以s(S≥s，假定例如S是在y轴上的尺寸，s是在如图14C上的z轴上的尺寸)。显示器也是具有尺寸D和d(D≥d)的长方形，假定例如D是在x轴上的尺寸和d是在图14C中的y轴上的尺寸)。我们继续考虑两个线性设计，其在背光源设计中被混合。如图14C中所示，准直器142通过交叉两个线性集中器形成，每一个线性扫频型的设计。
考虑到从光源射出的和包容在具有孔径侧面S的LED的对称平面中的光源。第一光线扩束器准直并扩束这些光线，第二光线扩束器用于包容在x-z平面内的光源发出的光线
1.设置准直器孔径(C乘以c)的尺寸。这一尺寸可以是例如D≥C≥S和d≥c≥s。比率C/S和c/s确定了形成准直器的2个交叉的线性器件的准直。这两个线性器件被设计为恒定角发散的流线集中器[1]。线性器件的发散角可以分别被称为±A和±α。从而，在准直器出射孔径处的2D光束的聚光本领为E＝2ncCsin(A)和e＝2ncCsin(α)，其中nc是在准直器孔径处的折射率。当然，这些聚光本领可以分别等同于在LED孔径的入射光束的聚光本领。因此，±A和±α角可以通过上述公式进行计算。
2.设计第一和第二光线扩束器，根据上述的步骤，例如，假设在其它的情况下任意光线半径是恒定的(例如等同于1)。
3.计算通过光线轨迹在第一光线扩束器输出平面或在接近其的平面I1rr(x，z)内的照明，考虑在之前设计中没有考虑到的现象(吸收、散射、等等)。通过Monte-Carlo光线轨迹法计算这一函数，输出平面分隔为小的单元，入射到每个单元上的光线被计数。由于入射计数的变化量是计数值的平方根，至少1,000的光线被每个单元接收，确定了模拟的最小光线计数。照明被假定对于每个单元的点是大约恒定的。选择单元的大小，使得其包括几个微结构，例如多于四个。标准化对于单位全流量的照明：∫I1rr(x，z)dxdz＝1。
4.计算R1(x)＝(∫dx)∫I1rr(x，z)dz。注意到R1(x)的平均值为1＝(∫R1(x)dx)/(∫dx)。
5.重新计算第一光线扩束器的外形，假定光线R1(x)的半径取决于点x，其和微结构线相交。这样改进了射出端倾的斜度和放置。流线延伸到直到坐标x增加(Δx)n＝(1-k(1-R1(x)))(Δx)0，其中(Δx)0是均匀坐标增加最初设计的(Δx)0＝T/N并且k是要素0＜k≤1。半径越大，包含台阶的流线的部分越大，因此减小了射出端的密度，其因此减小了下一个反复的输出半径。k的最大值引起了较快的收敛但是也带来了更多的不稳定性。输出端倾斜可以在其新的位置上进行稍微的改变。第二光线扩束器使用相似的方式设计。
6.通过Monte-Carlo光线轨迹计算在第二光线扩束器输出平面I1rr(x，y)的照明(该平面可以被显示)。标准化之得到∫I2rr(x，y)dxdy＝1。
7.计算R2(y)＝(∫dy)∫I2rr(x，y)dx。
8.重新计算第二光线扩束器外形，考虑到光线半径为R2(y)，其中y是光线的y坐标，其与微结构线截取。考虑到流线台阶延伸到坐标y增加(Δy)n＝(1-k(1-R2(y)))(Δy)0，其中(Δy)0是初始重复增加的坐标、k是要素0＜k≤1。重复步骤6直到R2(y)≈1。
9.由于在边沿上的边缘效应，虽然R2≈1，I2rr(x，y)在x方向上是不均匀的。在这种情况下，使用R1(x)＝(∫dx)∫I2rr(x，y)dy而不是R1(x)＝(∫dx)∫I2rr(x，z)dz，重新设计第一光线扩束器(步骤4)。
当由±α限定的均衡发射器在两个垂直于流线的平行理想反射镜之间发光时，光线光线不确定的传播并且每个点可以“看到”全部±α的光线，因此流线只是平行于直线。在这个基础上，直的偏转器是可以想像的，具有很多优点。
图18示出了这样的直的偏转器，由平行的流线180形成，具有顶部平面180作为它的上偏转器。水平台阶182和倾斜射出端183连接。点划线184，连接射出端的上至高点，也是直线，确定其为真正的微结构下表面的外形。包含一种折射率n的材料，包括上偏转器181、下台阶182和射出端183的整个外形引导光线通过输入孔径185。当射出端183相对垂直输出倾斜45°时，全内反射工作在：
α＜45°-sin-1(1/n)＝5.7°对于n＝1.58
比这个更宽的输入光线需要镀膜的射出端。
增加该准入角α是可能的，回顾图16c中示出了如何实现。孔径A的右半部，和其所有的流线，从中心流线F0到边缘线F3，是图19中的射出端的基础，包括具有直顶部偏转器191的光线扩束器190，和向下延伸台阶192以及射出端193。限定光线C1和C2，和图16b中所示的相同，作为直的中心流线F0。有利地是，与图18中的相比，光束的光线的平均反射数量较小并且沿着其宽度方向光线扩束器的厚度更恒定。这和注入模型更相关。点划线194和结合图18中的射出端的184相同，在这里重新绘制以示出更优选的这种光线扩束器外形的厚度的连贯性。
图20示出了背光源单元，包括LED光源201、射出端包括准直器202、和第一线性光线扩束器203，和射出端包括第二平面光线扩束器204，其都具有平面偏转器上外形和弯曲小平面的下外形，后者具有包括波纹拖台阶和倾斜射出表面的微结构。平面端205可以用于反射微光，防止光损失。在相反侧的相对应的平面端，在图20中不可见，需要通过全部路径到达射出端的第一扩束器203。否则，在扩束器204的相邻角的照明会因为光线泄漏而急剧减小。和图14H中的情形相似，线206是CPC202和光线扩束器203之间的分隔器，具有比CPC202和扩束器203的折射率略小的特定折射率的光学黏合剂。同样的光学层在线207处，在两个光线扩束器之间，因此第一个可以起作用。
当从中提取光线时，光线扩束器的厚度趋向零。理论上，在一端的厚度是射出端的厚度，其趋近于零。这通常是塑料注模技术的缺陷。一些解决办法如下：
a)光线扩束器的后部分保持为最小的可接受的数值，如具有图20中的尖端208，在图21中示出的扩大的侧视图。平面光线扩束器的外形的端部209终止于端-反射器，或者是镀膜反射器或者是线性如图8D中的表面86的回射器。图21示出了作为设计台阶204s、具有直线偏转器204t的平面光线放大器204的射出端204e的基础的流线210。示出了最小厚度211，在该点上反射镀膜凹口204n开始将线向上延伸到边缘反射器209。这些凹口的右侧射出从这些反射器209反射回来的光线。流线210被反射回这些凹口，因此它们射出和射出端204e相同的光线量。
b)另一种避免在光线扩束器中的边缘薄度的办法是选择两个边缘光线束，因此它们具有相同的焦散。这种情况下，焦散称为光线的流线。该流线是其中两个边缘光线相同，因此反射流线不需要引导光线。图22a示出了放大器和一半的用于确定光线扩束器220的设计的边缘光线的第一视图，并且图22b示出了其它的边缘光线。光线放大器220包括进入孔径221、上偏转表面222、和微结构下射出端表面223。点划直线224连接具有光线扩束器220的尖端220t的入口孔径的底部边缘。偏转表面222目前终止在点222e，但是其外形应该继续沿着点划线224剩余的部分延伸，在尖端220t的厚度逐渐为零。代替的，外形可以被设计得更高以维持厚度，而保持边缘照明不变。图22a示出了以限制角-α进入孔径221的光线束225的平行边缘光线。另一边缘光线的光线束226也被示出，包括从偏转器222向下反射的边缘光线。图22b示出了以角+α进入孔径221的边缘光线的光线束227。光线束228包括从孔径下边缘发出的光线，在点划线224之上和光线束227的最下方光线之下成角。光线束229，在点划线224之间，包括从微结构射出端223的台阶(太小未示出)反射的到达尖端220t的光线。点划线224是偏转器222在点222e的切线，而它本身是边缘光线，因此通过点222e没有需要向后偏转的光线。
因此偏转器222的外形可以通过任意的上述点划线224完成，只要其连接点222e和尖端220t。图22c示出了具有由曲线222c延伸的上偏转222的光线扩束器220，其基本跟随底部表面223的外形，从而维持厚度。
c)图23示出了如何将另一个光线扩束器关于图21中的端-反射器209对称的放置，其可以被去除。双背光源230包括左背光源233和右背光源234，分别由LED231和232照明。它们的结合线235相当于图21中的端-反射器209。
背光源也可以沿着如图20中的平面的侧边205并行的连接。图24示出了双背光源240，由LED241和242照明。由背光源243和右背光源244沿着线245连接，该线可以自由通过该线。
最后，这两种连接方式可以结合在一起形成四重背光源。图25示出了四个背光源240，包括左手的背光源251和252以及右手的背光源253和254。在中心线255上有背光源的侧面，并且沿着中心线256设有其端部。
不同的四重背光源可以由更多的并行的连接装置形成。图26示出了背光源260的透视图，包括两个相同的右手背光源模块261和两个左手模块262。反射端线263可以用于连接两个这样的四重背光源成为八重背光源(未示出)。这样的大范围的嵌合容量是没有先例的并且对于生产具有高像素数量的大屏幕LCD是有用的。生产因素使得保持像素数量的增长变得困难，而将LCD并行的连接在一起会简单一些，如果它们的寻址线被预先合适地配置使得不排除具有黑竖框的连续的像素。
但是，图26的结构，示出了单独的背光源只连接它们的三个边缘，因为第四个被输入端占用了。希望的是具有单独的背光源，其可以连接在它的四个侧边上，用于均衡的平面光源的大范围的无缝嵌合。
图27示出了背光源270，由位于准直光器件272上的光输入端口271、射入端273(其包括第一光线扩束器)、射入端楔274，射出端275(包括第一光线扩束器)、和射出端楔275组成。在射入端273和射入端楔274之间的空气隙产生从准直器272射出的光线的射入端273的主体内的全内反射。相似的，在275上和276下的空气隙产生275内的，从273的外台阶273s射出的光线的，全内反射。这些台阶的尺寸比实际在背光源中使用的微台阶的放大后示出，并且减少了数量。
图28示出了嵌合背光源280，由通过289的单个背光源281组成，每个都和图27中的背光源270相同。这些背光源彼此在四个侧边上相邻，形成了无缝嵌合。单独的准直器。例如示出的283c和284c，在同一平面内是不利的，因为需要LED光源共用同一个电路板，会增加可观的成本。
图29示出了背光源290，和图27中的背光源270的所有方面都相同，除了角转向装置291，在图的右下方放大示出。它包括入口CPC292、转向管293、和混合棒294。转向光293在除了抛物圆柱295以外的所有侧面上是平面。这一技术在2005年3月3日的美国专利申请No.60/658,713、2004年9月29日提交的美国专利申请No.60/614,565、2004年9月22日提交的美国专利申请No.60/612,558、2004年4月23日提交的美国专利申请No.60/564,847和2005年4月25日的美国专利申请No.11/115,055中有所揭示，其被发明人要求了这些申请的优先权，都具有标题“用于发光二极管的光学复印”，并且在这里作为参考文献进行引用。
图30示出了无缝嵌合的背光源300，由九个如图29中所示的模块组成。输入端口301，有利地是共面的，使LED能够使用单个的电路板(未示出)。输入端302，具有如图29中所示的角转向装置，可以通过注模来制造，然后机器结合到长补偿-模的射出端303，每个多重的背光源作为单个元件。相似的，上射出端楔304在多重背光源上延伸。
光学折叠可以减少一个背光源占用的空间。图31示出了准直的背光源310，其中棱镜313被用来折叠准直器在进入第一光线扩束器314之前的输出。如前所述，折射率下降粘合剂被用在沿着偏转表面314d上，以及透镜313的边界和第一光线扩束器314上。
图32示出了另一种减小尺寸的办法，同时增加输出发光度(和聚光本领)。背光源320具有两个LED光源321a和321b，分别具有准直器322a和322b。看不到的是可能的第二对LED和准直器，只是在示出的这些下面。这些使得背光源可以在相同的输出照明下，尺寸上变为两倍大(并且面积为四倍大)。
考虑到图14D和14E中的漫射器246，有一种替换这样漫射器的选择。图33是射出端光线扩束器330的侧视图，包括入口孔径331、上偏转表面332、和尺寸放大的流线台阶333s以及射出端333e一起示出的下微结构表面333。进入孔径331的光线由光线扇336示出，但是不同于其中具有白光传输的前述实施例，这些只有蓝光波长，来自波长为453nm的蓝色LED。从背光源330出射的蓝色光由光线扇337表示，示出为从垂直方向显著的倾斜。这使得射出端333e单独通过全内反射工作，用于角度展开的大数值，消除了之前所述的需要在射出端上镀膜。当这样的倾斜输出对于照明LCD不合适时，这里其照明上光致发光层334。
蓝色敏感层334可以例如是大范围的荧光层，其吸收一些蓝光337并且有利地散射剩余的光线。只要高折射率的荧光微粒组合层334是波长的尺寸或者微粒范围，就可以获得这样的散射。被称为毫微米荧光，具有小于二十倍的荧光粒子，是透镜的并且因此不散射其不吸收的蓝光部分。光线扇338代表微范围的荧光层334的白光Lambertian发射。因为这样的发射发生的和向下的情况一样多，二向色滤光器335位于荧光层334的下方，从而范围这些白光发射到荧光层用于循环，其增加了一层发射的照明。二向色滤光器335可以传输在光线束337的角度的蓝色波长，但是不传输由荧光层334产生的更长的波长。进一步，滤光器335反射所有由荧光层334以大入射角散射的蓝光，从而只有一小部分蓝光没有被循环使用。
图34示出了背光源***340的分解透视图，包括具有蓝色LED341b的准直背光源341、二向色滤光器342、和光致发光层343。这样的层对于现在使用的荧光LCD背光源具有高的效率、亮度和均匀性。荧光层将蓝色光散射使得没有吸收的蓝光以任意方向离开荧光层的前面，例如，具有Lambertian密度。二向色滤光器342用来向后发射光致发光层343的发射光到一个前向的方向用来“循环”。前面的示出了嵌合背光源的图也可以使用大的荧光层，其对于大屏幕LCD电视是有益的。
在这些光线扩束器的下微结构表面的外形中，射出端只占有每个小平面的一小部分。这意味着投射到微结构表面上的偏转表面上的光线通常在两次折射后通过第二光线扩束器。为了补偿这些，称作清洁器的新的元件可以被添加在第二平面光线扩束器的两侧。使用这些元件的目的是使得第二光线扩束器看起来是一个透明的部分。清洁器的一个表面是平面而另一个是其折射率可以被略去的样本(copy of surface)表面。图35示出了平面光线扩束器351的侧视图，示出了上面的偏转表面-清洁器352和下面的微结构表面-清洁器353。如图所示，折射率空隙必须保持在每个清洁器和光线扩束器之间。对于其间的材料的最大折射率由光线扩束器351内部的光线TIR所需要的条件确定，但是其不会明显小于它们所连接的材料的折射率。
图36示出了平顶的波长扩束器360和清洁器361。平顶360u不需要清洁器。
图37示出了如何使用清洁器为用于前灯做好准备。***370包括平面光线扩束器371、清洁器372、LCD373和为了清楚可见而移除了一部分的后向反射器374。由于第二光线扩束器加上清洁器对于外部的使用者是透明的，因此LCD可以通过光线扩束器看到。
进入光线扇375可以看到产生由光线束376示出的输出光线。反射光线377通过LCD373返回并且作为光线束378通过微结构表面的部分穿过射出端之间的空隙，其将经历一次被清洁器372消除的折射。
没有后向反射镜374，该前灯***使得单独的LCD从两侧都可以看见。
本发明的前灯***不仅仅限于LCD，因为它以可以用在图画、油画、等等的装饰性照明。
图38示出了两侧照明如何实现的，通过具有第一和第二微结构表面381和382的光线扩束器380。扩束器380不是全部对称的，因为两个微结构表面的射出端可以替换。因此射出端382e照明相对的台阶381s，就像射出端382e照明相对的台阶382s。
射出的光线不需要在射出端的两侧的同一个方向上。图39示出了具有产生垂直输出光391r的上微结构391和产生倾斜输出392r的下微结构392的光线扩束器390。
图40示出了双光线扩束***的另一种结构，其包括输入光401i从左侧反馈的上光线扩束器401和输入光402i从右侧反馈的下光线扩束器402。发射器401e临近发射器402e，两个扩束器之间是完全对称的。
前灯方案使得一个荧光层，例如图33中的334，没有二向色滤光器(例如，335)并且仍具有高的效率。图41示出了这样的方案的分解侧视图，具有平面光线扩束器411和在其下方的清洁器412。光线扩束器411具有导向荧光转换层413的光线输出端411r，具有后向反射器414循环向上的光线，因此没有后向散射光损失。反射到荧光层413r的光线通过光线扩束器穿过流线台阶411s到达LCD415。
一个透明的***也被用于循环偏振光线。图42示出了偏振-循环背光源***420的分解透视图，包括LED光源421、具有准直器422的射入端、第一光线扩束器423、具有第二光线扩束器424的射出端、偏振滤光片425和LCD426。滤光片425提供了用于LCD426的偏振光的通路，并且向后反射正交的偏振光通过背光源424到四分之一波片延迟器426和后向反射器427。该光线然后范围通过延迟器426，通过的两个通路使得循环光线具有合适的偏振态，并且显著的增强器件输出和效率。
该偏振循环方案也可以用于图42中的第一光线扩束器423。如此使用对于反射偏振片、四分之一波长延迟器和反射薄膜需要较小的空间，其是优点，并且也能够实现前灯或者背光源照明。图42只示出了偏振-循环方案在平面光线扩束器424中使用的情况，意味着只有背光源照明是可行的。
优选的实施例迄今揭示了照明平的表面的构造，因为现有的液晶显示器是严格的平面的。对于未来的等角的显示器，一些实施例也具有弯曲的输出表面。
图43示出了光源431反馈两个贴面器件外形。平直的点划线432示出了接收来自CPC外形433的反射光线的流线射出端平面。点划线434示出了接收来自单一曲线435的反射光线的流线射出端的任意拱形外形并且将光线通过线434向外出射。
图44示出了光源441和位于半圆上的流线射出端凹槽442。螺旋表面443反射光线从光源441到凹槽442上。
图45示出了半圆形光源451和455，设置在用于形成完整的圆形的位置。围绕它们的是圆柱形漫射器456，其位置的设置使得出射光线障碍457被漫射到Lambertian输出458。
一些实施例中给出了限制聚光本领的背光源和/或前灯，具有非成像光学射入端，其通常包括用于接收来自例如LED的小型光源和光线扩束器的光线的准直器。该射入端准直器限定了光线在一个精确的允许角，例如±15°，而光线扩束器具有流线定向反射器，其横向偏转部分准直的光线如同光线沿着其长度产生线阵列的方向进行传播。该偏转的光线进入平面波导，被称为射出端，其传播到输出区域(射出端起光线扩束器的作用)，从这里光线作为准直光线被向上和向外射出，通过在波导底部上的射出端面。大体上全部，和在一些实施例中全部的在波导内的光线被镜面反射，因此它保持其原有的亮度。断断续续的射出端表面比其照明的LCD的像素小，减小了视亮度。该准直输出更有利于在LCD中使用，并且较宽的角度可以通过位于其顶面的全息漫射器实现。
对于至少几个和几个实施例相关的概念的较好的理解可以在以下的参考文献中找到：(1)R.Winston，·J.C.Mifiano，P.Benitez，″Nonimaging Optics″，Elsevier Academic Press，2004；(2)K.K_l_nt_r，S.Matsumoto，and T.Onishi，″Functional light-guide plate characterized by opticalmicrodeflector and micro-reflector for LCD backlight″，IEICE TRANS.ELECTRON.E84-C，1637-1646(2001)；(3)Di Feng，Yingbai Yan，Xingpeng Yang，Guofan Jin and Shoushan Fan，″Novel light-guide plate for liquid crystal display backlight″，J.Opt.A：Pure Appl.Opt.7，111-117(2005)；(4)Di Feng，Guofan Jin，Yingbai Yan，Shoushan Fan，″High quality light guideplates that can control the illumination angle based on microprism structures″，Applied PhysicsLetters，85，6016-6018(2004)，在此引用这些文献作为参考文献。
本发明的揭示通过特定的实施例和应用进行描述，对于本领域的普通技术人员容易想到各种其它改变和变型而不偏离在权利要求中所阐明的发明的范围。前述的描述包括实施本发明的最佳模式，但是只是为了阐明本发明的基本原理的目的。

Claims (21)

1.一种由透明电介质组成的亮度保持的非成像的背光源，包括：
发光光源，它将光线发射到限制孔径之外，该限制孔径确定了y-z坐标平面并且具有用于确定x轴的表面法线；
输入端口，用于接收所述光线；
射入端，它具有用于确定第一y-z边界的所述输入端口和用于确定第二y-z边界的较大的输出端口，所述射入端具有从所述输入端口扩展到所述输出端口的x-y外形，所述x-y外形通过全内反射来起作用从而保持光源成像的x-y角宽度反比于其亮度；
所述射入端是一个绕所述光源上的轴旋转而得到的表面以及扫过的外形，它是在负的z方向上倾斜了其允许角的复合抛物线集中器(CPC)的上半部分的第一部分，所述扫过的外形起到了在所述扫过的外形的平面内准直光线的作用并且同时使所述光线沿着所述输出端口按一定的方位角来分布；以及
光线扩束射出端，它包括在x-y平面内的平面波导，其y-z边界光学耦合到所述射入端的所述输出端口以便从中接收光线，所述射出端具有旋转而得到的平滑的上表面，其外形是所述射入端的所述CPC外形的剩余部分，所述射出端具有由微结构小平面构成的反射下表面，它是与所述上表面的所述旋转表面共轴旋转而得到的，所述小平面包括与所述CPC外形的流线平行的表面以及带倾斜度的连接对角线表面，它在向上的z方向上反射所述接收的光线，调节所述对角线表面的倾斜度，使得所述向上反射的光线被折射到所述小平面所共有的准直方向。
2.一种亮度保持的非成像的背光源***，包括：
发光光源，将光线发射到限制孔径之外；
CPC-形的射入端，它包括用于接收来自所述孔径的光的输入端口，所述CPC-形射入端在其中形成一束限制为允许角的光线；
线性光线扩束器，它包括一系列微结构的反射小平面，每个小平面具有和局部流线相切的表面以及另一个和所述CPC-形射入端的流线成一定角度的表面以便使所述光线偏转并形成横向发射线光源；和
光线扩束射出端，它包括用于接收所述偏转光线的平面波导，所述光线扩束射出端包括和所述CPC-形射入端的流线相切的平滑上表面以及具有多个小平面的下表面，这些小平面用于使接收到的光线偏转并穿过所述上表面从而形成一束光线，所述下表面小平面包括一般平行于所述CPC-形射入端的所述流线的表面以及具有倾斜度且在向上的z方向上反射所述接收到的光的连接对角面，调节所述对角面的倾斜度，使得所述向上反射的光线被折射到所述下表面小平面所共有的准直方向。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述CPC-形射入端三角形空间和所述CPC-形射入端的流线对准，所述CPC-形射入端和所述光线扩束射出端处于光学接触的状态中。
4.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述CPC-形射入端与所述光线扩束射出端通过之间的空气隙被光学隔离，以及
所述线性光线扩束器的所述反射小平面包括横向对准的线性小平面，每一个所述小平面包括一个正切于所述射入端的流线的面和另一个用于使所述光线朝着所述空气隙偏转从而传输到所述光线扩束射出端的倾斜面。
5.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述光线扩束射出端的所述下表面的所述小平面形成了横断所述偏转光线的线性凹槽。
6.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述光线扩束射出端包括后向反射装置，它位于所述CPC-形射入端的相对边缘上。
7.如权利要求2所述的***，进一步包括：
一个或多个附加的光源，它们光学耦合到一个或多个附加的射入端。
8.如权利要求2所述的***，进一步包括：
漫射片，它位于所述光线扩束射出端附近。
9.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述下表面小平面的所述一般平行面是倾斜的，从而不被照明。
10.如权利要求2所述的***，进一步包括：
最上面的一块透明材料，它具有平的上表面以及与所述光线扩束射出端的所述上表面相符的下表面，并且低折射率透明材料层位于其间。
11.如权利要求2所述的***，进一步包括：
最下面的一块透明材料，它具有平的下表面以及与所述光线扩束射出端的所述带小平面的下表面相符的上表面，并且低折射率透明材料层位于其间。
12.如权利要求2所述的***，进一步包括：
平面反射器，它被定位成最接近所述光线扩束射出端的所述下表面；
四分之一波片，它位于所述平面反射器和所述光线扩束射出端的所述下表面之间；和
偏振-再循环反射器，它被定位成最接近所述光线扩束射出端的所述上表面。
13.如权利要求2所述的***，进一步包括：
附加的协同操作的CPC-形射入端，线性光线扩束器和光线扩束射出端被安排成使得光线扩束射出端的上表面和附加的光线扩束射出端的上表面贴合成具有两侧发射的单个块。
14.一种由透明电介质组成的亮度保持的非成像的背光源，包括：
发光光源，它将光线发射到限制孔径之外，该限制孔径确定了y-z坐标平面并且具有用于确定x轴的表面法线；
输入端口，用于接收所述光线；
射入端，它具有用于确定一个y-z边界的所述输入端口以及用于确定另一个边界的较大的输出端口，所述输出端口是在y-z平面和x-y平面之间成一定角度的，所述射入端具有从所述输入端口扩展到所述输出端口的CPC-形的x-y外形，所述x-y外形通过全内反射而起作用以便将所述光线限制在一个横向的允许角内，所述射入端包括厚片的x-z外形，其具有耦合到所述光源的CPC；
四分之一圆柱形转向棱镜，它和所述射入端的所述输出端口结合在一起；
上方的光线扩束射出端，它位于所述射入端附近并通过空气隙而与之隔离开，所述光线扩束射出端具有光学耦合到所述转向棱镜的输入端口，所述光线扩束射出端具有能够漫反射的下表面。
15.如权利要求14所述的***，其特征在于，所述光线扩束射出端也包括横向扫过的CPC外形的上表面，并且进一步包括具有平的上表面的上棱镜块，并且下表面包括横向扫过的CPC外形，该外形与所述光线扩束射出端的所述CPC外形上表面一起形成空气隙。
16.一种亮度保持的非成像的背光源，包括：
空气填充的射入端，它包括反射壁，这些反射壁围绕一个限制输入孔径并向外扩展到较大的出口，其中限制输入孔径确定了y-z坐标平面并且具有用于确定x-轴的表面法线；
z-轴圆柱透镜，用于填充所述出口；
y-轴圆柱体，在所述z-轴圆周透镜的y-z横截面的z为负值的一半上，该y-轴圆柱体以光学方式连接到所述z-轴圆柱透镜；和
平面光线扩束射出端，它以光学方式连接到所述z-轴圆柱透镜的y-z横截面的z为正值的一半。
17.一种白光平面光源，包括：
发光光源，它将光激励的光线发射到限制孔径之外；
射入端，它包括用于接收所述光线的输入端口、用于准直所述光线的内反射扩束外形以及用于形成准直光线的线的线微结构横向偏转器；
光线扩束射出端，用于接收所述准直光线的线，将其限制在平面波导内，在底部x-y平面上具有微结构的小平面的射出端，用于形成准直光线的z-延伸片；
二向色滤光片，它被定位成与所述准直光线的片相交，对所述光激励光线实现光谱准入，而对较长波长的光致发光的光线实现光谱反射；和
光致发光材料层，它位于所述二向色滤光片附近以接收通过所述二向色滤光片的所述光激励光线并发射较长波长的光线作为响应。
18.一种亮度保持的非成像的背光源***，包括：
第一CPC-形的射入端，它包括用于接收来自光源的光线的输入端口，所述CPC形状在其中形成一束被限定在一个允许角内的光线；
第一线性光线扩束器，它包括一系列微结构反射小平面，每个都包括一个正切于局部流线场的面和另一个与所述第一CPC-形的射入端的流线成一定角度的面，从而使所述光线转向并形成横向发射的线光源；和
第一光线扩束射出端，它包括拱形波导，用于接收所述横向发射的线光源的所述光线，所述第一光线扩束射出端包括正切于所述第一CPC-形的射入端的流线的平滑上表面以及具有小平面的下表面，这些小平面用于使光线偏转并通过所述上表面以形成平面准直光线，所述小平面包括一般平行于所述流线的面以及具有倾斜度且在放射状向外的方向上反射所述接收的光线的连接对角面。
19.如权利要求18所述的背光源***，进一步包括：
漫射装置，它被定位成最接近所述拱形第一射出端的外圆周。
20.如权利要求18所述的背光源***，进一步包括：
第一背光源，它包括CPC-形的射入端、线性光线扩束器和光线扩束射出端；和
第二、第三和第四背光源，每个分别包括协同操作的CPC-形的射入端、线性光线扩束器和光线扩束射出端，使得该第一、第二、第三和第四背光源被设置成使得所述第一、第二、第三和第四背光源的拱形射出端统一形成一个完整的环带。
21.一种前灯，包括：
射入端，它包括用于接收所述光线的输入端口、用于准直所述光线的内反射扩展外形以及用于形成准直光线的线的线微结构横向偏转器；
光线扩束射出端，用于接收所述准直光线的线，就其限定在平面波导内，在x-y表面上具有微结构小平面的射出端，用于形成准直光线的z-延伸片；
二向色滤光片，它被定位成与所述准直光线片相交，对所述光激励光线实现光谱准入，而对较长波长的光致发光的光线实现光谱反射；
光致发光材料层，位于所述二向色滤光片附近以接收通过所述二向色滤光片的光激励光线并发射较长波长的光线作为响应；
最下方的透明材料块，它具有平的下表面以及与所述光线扩束射出端的所述微结构小平面的射出端相符的上表面，并且低折射率的透明材料层位于其间；以及
最上方的平面反射器，使将要发射的向上的光激励光线返回并使其通过所述最下方的块。
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