TW201727275A - 具有菲涅耳光學系統的發光單元以及使用該發光單元的發光裝置及顯示系統 - Google Patents

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Abstract

揭露了一種發光單元，該發光單元包括一光源及相對於該光源可操作地佈置的一菲涅耳光學系統。該菲涅耳光學系統包括隔開的上及下表面，各表面包括微稜鏡。該下表面最靠近該光源且接收來自該光源的發散光。該下表面將該發散光引導至該上表面作為第一經重新導向光。該上表面接著從該第一經重新導向光形成具有一均勻輻射出射度的經準直的光。朝向該外緣之該下表面上之該微稜鏡的某些部分皆藉由折射及全內反射而運作，而最靠近該下表面中心的該微稜鏡僅藉由折射而運作。以一發光單元陣列形成一發光裝置。藉由佈置該發光裝置、一影像顯示單元及一對比強化單元形成一顯示系統。

Description

具有菲涅耳光學系統的發光單元以及使用該發光單元的發光裝置及顯示系統
此揭示案關於發光裝置（例如用於顯示器的發光裝置），且更具體地是關於包括具有菲涅耳光學系統之發光單元的發光裝置以及使用該發光裝置的顯示系統。
傳統液晶顯示器（LCD）裝置一般包括發光裝置及LCD面板。由發光裝置所發射的光穿過LCD面板以產生可由檢視者檢視的影像。LCD裝置中所使用的一個類型的發光裝置為直接照明背光裝置，其中光從背後直接照明LCD面板。
雖然用於LCD顯示器的如此發光裝置可被製作為相對有效率的，隨著LCD裝置及顯示系統的效能需求變得越來越嚴格，不斷存在著改良它們效率以及它們對比度的需求。
本揭示案的一態樣為一種發光單元，包括：至少一個光源，發射發散光；一光學系統，相對於該光源而可操作地安置，該光學系統具有一中心透鏡軸，僅具有單一透鏡構件或僅具有第一及第二隔開的透鏡構件，該光學系統具有：i)一下表面，與該光源相鄰且隔開，且接收該發散光及從該下表面形成第一經重新導向光，及ii)一上表面，接收該第一經重新導向光且從該上表面形成第二經重新導向光；該下表面具有由0.6 ≦ ρT ≦ 0.8之範圍中之一標準化轉變半徑rT 所定義的內及外區域，其中該外區域包括第一微稜鏡，該第一微稜鏡皆折射及全內反射該發散光，且其中該內區域是平滑的；及該上表面具有第二微稜鏡，該第二微稜鏡接收該第一經重新導向光且從該第二微稜鏡形成第二經重新導向光，該第二經重新導向光實質上是準直的且具有均勻到該第二經重新導向光之一平均輻射出射度的+/- 8%內的一輻射出射度。
在一實例中，該發光單元包括一支撐結構，該支撐結構可操作地支撐該光源及該光學系統。並且在一實例中，該內區域R1包括第一微稜鏡，但這些微稜鏡僅藉由折射來運作。
本揭示案的另一態樣為發射實質準直及實質均勻之光的一發光單元。該發光單元包括：一支撐結構，具有一中心支撐結構軸、定義一輸出端的一開放前端以及於該開放前端處開放且由一底面及至少一個側壁定義的一內部；一光源，安置在該底面上或附近且發射發散光；一單一單塊透鏡構件，佈置在該支撐結構內部中，該透鏡構件具有：i)一中心透鏡軸；ii)一下表面，與該光源相鄰及隔開，且接收該發散光及從該下表面形成第一經重新導向光；及iii)一上表面，在該輸出端處或附近，且接收該第一經重新導向光及從該上表面形成第二經重新導向光。該下表面具有一第一微結構，該第一微結構包括由0.6 ≦ ρT ≦ 0.8之範圍中之一標準化轉變半徑rT 定義的第一及外區域，其中該內區域內的該第一微結構僅折射該發散光，而該外區域內的該第一微結構皆折射及全內反射該發散光，以形成該第一經重新導向光。該上表面具有一第二微結構，該第二微結構接收該第一經重新導向光且從該第二微稜鏡形成第二經重新導向光，該第二經重新導向光實質上是準直的且具有均勻到該第二經重新導向光之一平均輻射出射度的+/- 8%內的一輻射出射度。
本揭示案的另一態樣為一種藉由使用具有一單塊主體的一單一透鏡構件來從發射發散光的至少一個光源形成一實質準直及實質均勻的光束的方法，該單塊主體具有上及下表面，該方法包括以下步驟：於該下表面處接收該發散光，該下表面包括由0.6 ≦ ρT ≦ 0.8之範圍中之一標準化轉變半徑rT 定義的內及外區域，且具有至少該外區域中的一第一微結構；藉由僅在該內區域中折射該發散光及藉由在該外區域中折射及全內反射該發散光，從該發散光形成第一經重新導向光，其中該第一經重新導向光通過該單塊主體前行至該上表面；及使用該上表面上的一第二微結構於該上表面處從該第一經重新導向光形成第二經重新導向光，該第二微結構僅為折射式的，且其中該第二經重新導向光定義該光束且為實質準直的且具有均勻到該第二經重新導向光之一平均輻射出射度之+/- 8%內的一輻射出射度。在該方法的一實例中，該下表面的該內區域亦包括該第一微結構。在一實例中，該第一及第二微結構分別包括第一及第二微稜鏡。
本揭示案的另一態樣為一種發光裝置，該發光裝置包括如本文中所揭露的一發光單元陣列。
本揭示案的另一態樣為一種可由一檢視者在一檢視空間中檢視的顯示裝置，且該顯示裝置包括該發光裝置；一影像顯示單元，被可操作地佈置為緊鄰該發光裝置；及一對比強化單元，被可操作地佈置為緊鄰該影像顯示單元。
額外的特徵及優點將闡述於以下的詳細說明中，且本領域中具技藝者將從該說明容易理解該等特徵及優點的部分，或藉由實行如本文中所述之實施例辨識該等特徵及優點，該等實施例包括了以下的詳細說明、請求項以及隨附的繪圖。
要了解的是，上述的一般說明及以下的詳細說明兩者僅為示例性的，且係欲提供概觀或架構以了解請求項的本質及特質。附隨的繪圖被包括為提供進一步的了解，且被併入及構成此說明書的一部分。該等繪圖繪示一或更多個實施例（或多個），且與本說明一起用以解釋各種實施例的原理及操作。
現詳細參照隨附繪圖中所繪示的示例性實施例。當可能時，相同的參考標號將用於繪圖各處以指稱相同的或類似的部件。該等繪圖中的元件不一定是按比例的，反而重點一般是放在繪示示例性實施例的原理上。
在以下的論述中，變數「r」表示垂直於光學系統218的透鏡軸AL而量測的徑向座標。參數「R」表示光學系統218或光學系統之透鏡構件220或透鏡構件220U及220L的半徑。變數ρ表示標準化徑向座標，且被定義為ρ = r/R或r = x/X，其中「X」表示光學系統的x維度。
並且在以下論述中，為了易於解釋，對於某個光（例如以下所介紹及論述的光210、光211及光212）而言，此類「光」亦稱為「光束」或「光線（light ray）」或「光線（light rays）」，取決於論述的上下文。
在以下論述中，用語「實質上經準直的」在一實例中意指的是，輸出光束212之光線的至少80%在至少一個平面上具有不多於± 5°的角發散，不包括與散射光相關聯的光線。在某些情況下，對於經準直的光的指稱可包括僅在一個平面上被準直的光（例如與圓柱光學系統相關聯），而在其他情況下，其可包括兩個正交平面上的準直（例如與非圓柱（例如球形）光學系統相關聯）。
顯示裝置
圖1為具有中心顯示軸AD之示例顯示裝置10的示意部分分解側視圖。顯示裝置10包括發光裝置100，該發光裝置具有前側102且包括一或更多個發光單元110的陣列108。各發光單元110具有前端112，從該前端發射實質上經準直的光212。於下文更詳細地呈現發光裝置100及發光單元110的細節。經準直的光212可用以形成顯示裝置10的背光照明。
顯示裝置10更包括影像顯示單元20，該影像顯示單元具有前及背側22及24且被佈置在發光裝置100的前側102附近。顯示裝置10亦包括對比強化單元30，該對比強化單元30具有前及背側32及34且被佈置在影像顯示單元20的前側22附近。在一實例中，顯示裝置10包括透明罩50，該透明罩具有上表面52且被佈置在對比強化裝置30的上表面32附近。在此配置下，發光裝置100充當直接照明背光。
檢視者12被圖示為正在從透明罩之上表面52附近的檢視空間14檢視顯示裝置10。在一實例中，檢視空間14包括入射於顯示裝置10上的環境光16。
將了解的是，顯示裝置10的相鄰元件可以許多方式可操作地相對於彼此而佈置，包括彼此黏合（例如藉由光學上透明的黏著劑黏合）、固定於邊框或框架內（在其間具有或不具有空氣隙）或由本領域中已知及使用的另一合適的耦合機制耦合。
影像顯示單元20被定位為使得從所發光裝置100發射的經準直的光212入射於影像顯示單元上。影像顯示單元20包括顯示像素26陣列。例如，顯示像素26的陣列是具有合適x及y維度（例如寬度及長度）的二維（2D）陣列，以顯示所需尺寸的影像。各顯示像素26包括光閥，該光閥被配置為控制經準直的光212穿過該光閥以形成顯示光214。
在一實例中，影像顯示單元20包括LCD面板，且顯示像素26陣列包括LCD胞元的陣列。各LCD胞元被配置為開啟及關閉，以控制經準直的光212穿過該LCD胞元。在某些實施例中，各顯示像素26被分割成複數個子像素（未圖示），各子像素與專用的顯示色彩元件（例如紅、綠或藍色）相關聯，使得可藉由使用相鄰的紅、綠及藍色子像素來產生色彩影像。在某些實施例中，經準直的光212穿過影像顯示單元20的顯示像素26，使得顯示光214包括定義可由檢視者12檢視之可檢視影像的相對應影像像素216。在某些實施例中，影像顯示單元20包括一或更多個徧振層（例如輸入及輸出徧振器（未圖示））。
對比強化單元30被定位為接收來自影像顯示單元20的顯示光214。在某些實施例中，對比強化單元30被配置為對比強化片。對比強化片實質上可為扁平或平面的。替代性地，對比強化片可為非平面的。例如，對比強化片可為曲線、捲曲（例如捲成管）、彎曲（例如於一或更多個邊緣處彎曲）或形成成另一非平面配置。在一實例中，對比強化單元30包括定義對比強化單元之上及下表面32及34的至少一個透明基板31。在一實例中，基板31具有50 µm ≦ TH31 ≦ 3 mm範圍中的厚度TH31 。在一實例中，基板31的上表面32可具有表面凸紋擴散器紋理（未圖示），其可造成穿過孔40之顯示光214（於下文介紹及論述）的額外擴散，以及賦予可促進環境光16之吸收的光吸收層38紋理。基板31的上表面32亦可具有微結構（未圖示），該微結構在塗有光吸收層38時用以捕捉環境光16且進一步減少環境光的回反射率。
在一實例中，對比強化單元30的下表面34支撐光學構件36的陣列，而上表面32支撐包括孔40之陣列的光吸收層38。孔40與光學構件36軸向對準。例如，各光學構件36與至少一個孔40軸向對準。在一實例中，孔40具有5 µm ≦ wA ≦ 500 µm之範圍中的寬度。在實例中，可使用平版印刷程序或融磨程序來將孔40形成在光吸收層38中。在一實例中，光吸收層38具有0.5 µm ≦ TH38 ≦ 100 µm範圍中的厚度TH38 。孔40可具有任何合理的形狀，包括圓形、橢圓形、正方形及矩形。
在某些實施例中，光學構件36包括微透鏡。微透鏡可被配置為圓柱形或非圓柱形的透鏡狀透鏡、球面透鏡、非球面透鏡、另一合適的透鏡形狀或其組合。例如，在某些實施例中，微透鏡被配置為至少部分地跨對比強化單元30的寬度及/或長度延伸的透鏡狀透鏡。在其他實例中，微透鏡被配置為約以對比強化單元30的寬度及/或長度散佈的球面透鏡（例如在2D陣列中）。附加性地或替代性地，光學構件36具有圓形形狀、矩形形狀、另一合適形狀或其組合。在一實例中，光學構件具有50 µm ≦ wE ≦ 500 µm之範圍中的寬度wE 。
穿過影像顯示單元20的顯示光214於下表面34處進入對比強化單元30且於上表面32離開對比強化單元而成為對比經強化光214CE。對比經強化光214CE包括對比經強化影像像素216CE。對比經強化光214CE進入檢視空間14（例如通過透明罩50）且定義供檢視者12檢視的可檢視影像。
在某些實施例中，影像顯示單元20及對比強化單元30被佈置為使得光學構件36將顯示光214的影像像素214聚焦在對比強化單元的相對應孔40上。例如，由影像顯示單元20傳送的該複數個影像像素216被光學構件36的陣列聚焦在孔40的陣列上，使得影像像素216穿過光吸收層38中的孔以形成構成可由檢視者12檢視之對比經強化像素216CE的對比經強化光214CE。
檢視空間14中的環境光16（例如來自太陽、室內照明或另一光源）可入射於對比強化單元30的上表面上（例如通過透明罩50）。換言之，來自顯示裝置10外面的環境光16可入射於顯示裝置的最上表面上。光吸收層38吸收落在孔40外面之光吸收層上之如此環境光16的至少一部分。如此吸收環境光16可增加顯示裝置10的對比度，因為被吸收的環境光並不干擾由對比強化單元30發射為可檢視影像的對比經強化光214CE。
據此，被孔40佔據的區域是相對小的可為有益的。在某些實施例中，孔40最多佔據光吸收層38之上表面32之表面區域的約50%、約40%、約30%、約20%、約10%、約5%或約1%。因此，在一實例中，光吸收層38之表面區域的大部分被光吸收材料佔據，以吸收環境光16及增加顯示裝置10的對比度。
發光裝置
圖2A及圖2B為發光裝置100之實例的俯視圖，圖示陣列108中之發光單元110的不同配置。在圖2A中，示例發光單元110被圖示為具有正方形橫截面形狀，且為如由示例支撐結構150所定義的「方柱體」（或更精確地為「矩形立方體」）的形式，如特寫插圖中所示。在圖2B中，示例發光單元110被圖示為具有圓形橫截面形狀，且大致為由示例支撐結構150所定義之圓柱體的形式，如特寫插圖中所示。
圖3A為示例發光單元110的特寫橫截面圖。在一實例中，發光單元110包括上述的支撐結構150。在一實例中，支撐結構150具有中心軸AH及於前端152處開放的內部151。前端152在本文中亦稱為「輸出端」，因為經準直的光212於此端處從支撐結構150輸出。支撐結構150包括端壁156及至少一個側壁160。該至少一個側壁160具有至少一個側壁內表面162，而端壁156定義底面164。因此，支撐結構150的開放內部151由該至少一個側壁內表面162及底面164所定義。從支撐結構150的底面164至前或輸出端152的軸向距離被表示為DH，且在一實例中是在5mm£DH£100 mm的範圍中。亦可採用其他形式的支撐結構150以支撐發光單元110的主要元件（亦即光源200及菲涅耳光學系統218，如下文所介紹及描述）。在一實例中，支撐結構150定義外殼。
發光單元110包括光源200，該光源在一實例中可被佈置在支撐結構150之內部151的底面164上或附近且可沿著支撐結構中心軸AH而佈置。光源200具有上表面202，光210從該上表面發射。光源200可為發光二極體（LED）或LED陣列。如特寫插圖中所示，示例光源200可包括一或多個發光構件204，例如分別發射紅、綠及藍光的R、G及B發光構件。
經發射光210可具有廣的發射分佈（例如朗伯特光源）。在另一實例中，光源200可包括小透鏡206，該小透鏡用以減少離開光源之後的光210的發散，亦即使光相較於不存在微透鏡構件的情況具有較窄的發射分佈。經發射光210大致是發散的，其中在一個實例中以發散半角θD 量測發散量。
發光單元110亦包括從光源200隔開的上述菲涅耳光學系統（在下文中為「光學系統」）218。在一實例中，光學系統210可操作地安置在支撐結構150的內部151內。在一實例中，光學系統218以具有折射率nL 的主體221、上表面222、相反下表面224及外緣226的單一透鏡構件220組成。上及下表面222及224大致彼此平行且大致為平面的，但是各者包括各別的微結構232及234（參照圖3A中的頂及底部特寫插圖）。於下文更詳細論述光學系統218及實例透鏡構件220的設計。上及下表面222及224定義光學系統218的上及下表面。
光學系統218被佈置在內部151內，使得下表面224以軸向距離DS與光源200的上表面202鄰近但隔開。在一個實例中，距離DS是在2 mm ≦ DS ≦ 25 mm的範圍中，而在另一實例中是在5 mm ≦ DS ≦ 15 mm的範圍中。在一實例中，光學系統218的上表面222實質上與支撐結構150的輸出端152共面。進一步地，在一實例中，透鏡構件220的外緣226若非與支撐結構150的側壁內表面162緊密接觸就是直接相鄰於該側壁內表面。光學系統218因此在光源200的上表面202及透鏡構件220的下表面224之間的內部151內定義氣隙154。
光學系統218亦具有透鏡中心軸（「透鏡軸」）AL、上及下表面222及224之間量測的軸長LA及寬度或淨孔徑CA。在一實例中，軸長LA是在5 mm ≦ LA ≦ 20 mm的範圍中，而淨孔徑CA是在12 mm ≦ CA ≦ 100 mm的範圍中。在一實例中，透鏡軸AL及支撐結構中心軸AH為同軸的。透鏡構件200亦具有從透鏡軸AL向外徑向量測的半徑R，使得CA = 2R或R = CA/2。在光學系統218為圓柱形的實例中，R = X且透鏡軸AL落在中心平面上。在一實例中，透鏡軸AL亦為光學系統軸。
在一實例中，透鏡構件220具有單塊的主體221（亦即以單一等向性材料製造），使得折射率nL 在主體內實質上是恆定的。在此類實例中，光學系統218的軸長LA等於透鏡構件220之主體221的軸向厚度。在另一實例中，透鏡構件220可以多於一個材料製造，例如使用層壓在一起之具有不同折射率nL1 、nL2 等等的不同材料層。進一步地，在一實例中，在上及下表面222及224之間的主體221內不存在氣隙。在一實例中，主體221可具有梯度折射率，亦即其中nL 作為如從透鏡軸AL向外量測之徑向座標r（或標準化座標ρ）的函數而變化。在某些情況下，以單一單塊透鏡構件220組成的光學系統218是有利的，因為可使用造成上及下表面222及224之良好軸向對準的方式在單一成模程序中形成透鏡構件。
在圖3B中所繪示的另一實例中，透鏡構件220被分割成第一及第二隔開的上及下透鏡構件220U及220L，該等透鏡構件在其間具有氣隙155且分別包括上表面222及下表面224。上及下透鏡構件220U及220L亦分別包括主體221U及221L以及跨氣隙155面向彼此的表面223U及223L。在兩構件的實例中，上表面222及其相反面223U可被交換，使得為了改良光效率以及為了便於製造顯示裝置10（參照圖1），「上」菲涅耳表面222面向光源200，而相反平面223U面向檢視者12且可結合至影像顯示單元20的下表面24。在以下論述中，為了便於及易於論述，參照如圖3A中所示之具有單一透鏡構件220之光學系統218的實施例。
在一實例中，構成透鏡構件220（或上及下透鏡構件220U及220L）之主體221的材料為熱塑材料或聚合物，例如丙烯酸塑膠、聚苯乙烯或聚碳酸酯。在另一實例中，主體221是以玻璃製造。因此，在例如圖3A中所示的實例中，透鏡構件220是發光單元110中的唯一透鏡構件（若採用可選的小透鏡206則是該小透鏡以外的唯一透鏡構件），且因此在一實例中是在光源200的上表面202及支撐結構150的前端152之間的唯一折射式透鏡構件。在透鏡構件220例如如圖3B中所示被分割成兩個隔開的透鏡構件220U及220L的實例中，則在一實例中，在發光單元110中僅存在兩個此類折射式透鏡構件。
如上所述且如圖3A的特寫插圖中所示，光學系統218的上及下表面222及224分別包括微結構232及234。在一實例中，微結構232及234分別由小稜鏡區段或「微稜鏡」242及244（類似於傳統的菲涅耳透鏡）定義。在各種實例中，微稜鏡242及244可為線性的、圓柱形的、非圓柱形的或圓形的。若微稜鏡242及244為線性的，則一或更多個光源200可被佈置在光學系統218的線性焦線處。若微稜鏡242及244為圓形的，則光源200可被佈置在光學系統218的焦點處。在一實例中，微稜鏡242及244具有從25 µm到150 µm之範圍的寬度wP （量測於基座處）。
光學系統218可被視為一種雙側式菲涅耳光學系統。在單一透鏡的光學系統218的實施例中，單一透鏡構件220為雙側式菲涅耳透鏡構件。然而，不像傳統的菲涅耳透鏡，微稜鏡242及244並非基於拆分簡單的球面或甚至是簡單的非球面。實際上，不存在上及下表面222及224中之任一者的可用等效單一表面對應體，因為此類表面會造成過大的透鏡厚度（例如軸長LA的兩倍）且在某些情況下具有會阻擋某些表面區域被照明的表面形貌。
如下文更詳細地描述，光210被下表面224映射或重新導向，使得離開上表面222的光實質上是均勻的，亦即其並不在中心中較亮而在邊緣處較暗，而是具有實質上恆定的輻射出射度。在一實例中，離開上表面222之經準直的光212的輻射出射度均勻到平均輻射出射度（例如均值輻射出射度）的+/- 10 %內，且進一步地在一實例中是均勻到平均輻射出射度的+/- 8%內且甚至進一步地在一實例中是均勻到平均輻射出射度的+/- 4%內。
圖4A為光學系統218之下表面224上之示例微結構234的橫截面圖。微結構234的微稜鏡244被配置為在透鏡軸AL附近的第一或內區域R1中僅為折射性的，而微稜鏡在離透鏡軸較遠的第二或外區域R2中被配置為使用折射及全內反射（TIR）兩者來運作，在該處，純反射式微稜鏡原本在光學上會是有損的且無效率的。因此，外區域的第一微稜鏡包括第一外微稜鏡，而下表面的內區域包括第一內微稜鏡。附加性地或替代性地，外區域的第一微結構包括第一外微結構，而下表面的內區域包括第一內微結構。內及外區域R1及R2之間的轉變發生在標準化轉變半徑ρT 處，其在一實例中是在0.6 ≦ ρT ≦ 0.8的範圍中，而在另一實例中是在0.66 ≦ ρT ≦ 0.75的範圍中。
在微結構234的另一實例中，內區域R1中之下表面224的部分是平滑或連續的，亦即不包含微稜鏡244。在一實例中，內區域R1中的平滑或連續的表面224可具有與原本會在此區域中的微結構234等效的曲率（且具體地是凹曲率）。這在內區域R1中是可能的，因為此區域中之微稜鏡234的斜率不如外區域R2中的斜率那樣大。因此，在光學系統218（且在一特定實例中為透鏡構件220）的實例中，下表面224僅在外區域R2中包括微稜鏡224，其中這些稜鏡使用折射及TIR兩者來運作，且其中定義內及外區域R1及R2的轉變半徑ρT 針對內區域R1亦包括微稜鏡244的情況而如上文剛剛論述地被定義。
圖4B為透鏡構件220之外區域R2中之微結構234之實例微稜鏡244的特寫圖，圖示相對於透鏡軸AL（亦即z方向）具有相對陡峭的入射角的光210如何被第一折射重新導向以使用第一方向前行，且接著再次被TIR重新導向以形成以第二方向前行的第一經重新導向光211。
圖4C為透鏡構件220之內區域R1中之微結構234之示例微稜鏡244的特寫圖，圖示相對於透鏡軸AL（亦即z方向）具有相對小角度的入射角的光210如何被單一折射重新導向以形成第一經重新導向光211。
經過透鏡主體221的經重新導向光211並不如經準直的光到達上表面處。據此，上表面222的微結構232被配置為接收第一經重新導向光211及形成第二經重新導向光212。第二經重新導向光212是實質準直的且實質均勻的，且離開支撐結構150的前或輸出端152。第二經重新導向光212因此實質上以z方向（亦即實質平行於透鏡軸AL）前行，且因此在本文中亦稱為「經準直的光」212。
在一實例中，光學系統218之上表面222上之微結構232的微稜鏡242被配置為全僅為折射式的，亦即沒有一個使用TIR來運作。進一步地，微結構232被配置為使得上表面222在緊鄰透鏡軸AL之處（例如在ρL ＜ 0.15·ρ的標準化半徑內）具有接近零的光功率，因為由光源200發射在透鏡軸附近的光210（亦即軸旁光）已經正在大致以z方向前行，使得相對應的第一經重新導向光211亦大致以z方向前行。
同樣地，上表面222在透鏡邊緣226附近（例如在0.85 ≦ ρE ≦ 1之範圍中的標準化半徑範圍ρE 內）具有接近零的光功率，因為如第一經重新導向光211地映射至透鏡外緣226附近之位置的光210亦被下透鏡表面224實質準直。因此，上表面222的微結構232被配置為在內及外標準化半徑ρ1 及ρ2 之間的環形區域AR中具有最大光功率，其中ρ1 在0.1 ≦ ρ1 ≦ 0.2的範圍中而ρ2 在0.8 ≦ ρ2 ≦ 0.9的範圍中。在一實例中，環形區域RA的標準化環形寬度為WA= ρ2 – ρ1 且在0.6 ≦ WA ≦ 0.8的範圍中（參照圖3A）。
注意，微結構232及234可被定義在單一方向（亦即y方向或x方向）上，或可被定義在兩個方向（亦即x方向及y方向兩者）上。在前者的情況下，微結構是線性的，而在後者的情況下，微結構是二維的（例如圓形的）。因此，在如上所述的某些情況下，經準直的光212可在單一平面（例如x-z平面或y-z平面）上被準直，而在其他情況下其可在x-z及y-z平面兩者上被準直。並且，微結構232及234及相關聯的微稜鏡242及244可使用本領域中已知的技術分別由上及下表面222及224中所形成的溝槽232G及234G來定義。
圖5A為類似於圖3A中所示之發光單元之示例發光單元110的側視圖，且包括由光源200發射之光線210的理想化光路徑。光線210、經重新導向光線211及經準直的光線212的光路徑假設的是，不存在來自上及下表面222及224以及主體221的光損失。來自光源200的光210在相對大的角範圍（例如對於LED光源而言是+/-60 °）上被發射且不需要在該角範圍上是均勻的。光線210在發散光路徑上前行且入射於下表面224上。光線210於下表面224處的間隔被表示為SL (r)。光線間隔SL (r)隨半徑r而變化，且具體而言是隨著r增加而變大。這意味的是，光210在下表面224處是非均勻的，且實質上在透鏡軸AL上具有最高的密集度且隨著半徑增加而降低。
如上所述，下表面224是透過其中的微結構234來配置以重新導向入射於其上的非均勻光線210，以形成以造成在上表面222處實質均勻的光分佈但非經準直的光分佈的方式前行至上表面222的第一經重新導向光211。光線211於上表面224處的間隔被表示為SU (r)。在此理想化實例中，光線間隔SU (r)實質上隨著半徑是恆定的，亦即SU (r) = SU ，其中各光線211表示相同的輻射出射度量。光線210之間的此實質恆定的間隔意味的是，上表面222處的光211實質上是均勻的（亦即具有實質均勻的輻射出射度）。
上表面222是透過微結構232來配置以準直第一經重新導向光211，以形成第二經重新導向光，亦即經準直的光212。因此，在此理想化的實例中，下表面224可被說成是將光210「映射」為到達上表面224上之均勻間隔之位置處的經重新導向光211，該等位置反過來被配置為接收均勻間隔但未經準直的光線211以自其形成經準直的光（線）212。為了完成此映射，下表面224被形成為具有上述的內及外區域R1及R2，其中內區域R1僅包括折射式微結構234，而外區域包括折射式及TIR微結構兩者。
圖5B類似於圖5A，且表示非理想化且因此更現實的情況，其中於上及下表面222及224處存在損失（主體221內的損失是孱弱的且因此被忽略）。由於這些表面處的反射而發生這些損失，該等反射由於這些表面之各別微結構232及234的配置而變化，且具體而言是由於變化構成各別微結構232及234之各別微稜鏡242及244的角度而變化。因此，經重新導向光211的光線間隔SU (r)於上表面222處是非恆定的，反而是變化而補償於上及下表面兩者處發生的光損失。圖示為離開上表面222的光線212是準直的，但在圖5B中圖示為越靠近透鏡構件220的外緣226就更緊密地集中，在該處損失是最大的。然而，在圖5B中，離開上表面222且由電腦模擬產生的光線212並不全具有相同的強度，且更緊密集中的光線亦具有較弱的強度，其中淨效應為實質上均勻且經準直的光束212。
圖5C類似於圖5B，且將光線212表示為具有相等的強度。因為離開上表面222的光線212皆為準直且均勻化的，相等強度的光線212具有實質恆定的間隔S’U (r) = S’U ，亦即類似於理想化示例圖5A中所示的間隔SU (r) = SU 。
因此，發光單元110的光學系統218不僅是準直透鏡且亦是光均勻器，亦即其包括「內建的」光均勻化屬性，該屬性在傳統的發光構件中必須以單獨的光均勻化裝置或構件（例如擴散器或光均質機）來執行。
圖6為發光單元110之光學系統218之上表面222以及如圖1中所示地佈置在該上表面附近之影像顯示單元20及對比強化單元30的特寫橫截面圖。圖6圖示來自下表面224（參照圖3A）的光210如何作為經重新導向光211被引導至上表面222，該經重新導向光形成經準直的光212。經準直的光212穿過顯示單元20的顯示像素26以形成顯示光214及影像像素216。顯示光214及影像像素216接著穿過對比強化單元30以形成對比經強化光214CE及對比經強化影像像素216CE。
圖7A類似於圖3A，且繪示一示例實施例，其中光源200包括佈置在光源200之上表面202附近的收集器光學系統208。收集器光學系統208具有輸出端209。收集器光學系統208被配置為收集（聚光）從光源200發射的光210且使得光210在離開輸出端209之後更不發散（亦即減少發散量）。在一實例中，收集器光學系統208為收集器鏡的形式，例如拋物面反射器或複合的拋物面聚光器。在一實例中，收集器光學系統208在透鏡軸AL周圍是旋轉對稱的，而在另一實例中包括複數個反射（例如4個）拋物線側（亦即多個小面）。在一實例中，收集器光學系統208與光源200結合，使得收集器光學系統與光源光學接觸。收集器光學系統208可為中空或實心的，且可以玻璃或聚合物製造。在一實例中，收集器光學系統208可以單一光學元件（例如單一鏡型反射器）組成。在一實例中，收集器光學系統208透過TIR而運作。
圖7B類似於圖7A，且包括在光210從收集器光學系統208的輸出端209前行至發光單元110的輸出端152時電腦模擬的光210的線軌跡。注意，於輸出端152處輸出之光線212的某些部分是發散的且表示散射光。
如圖7A及7B中所示的收集器光學系統208正以一「逆向」模式運作，其中其並不集中進入較大端的光，反而是用以聚集進入通過緊鄰光源200之上表面202之較窄端的光210。LED光源200實質上具有有著60°之數量級之半角θD 的朗伯特光源輸出。因此，來自LED光源200的光210被收集器光學系統208聚集成具有θD = +/-20°或更少的半角的光。因此，使用收集器光學系統208可造成支撐結構150的更小寬度，因為光210較不發散。例如發光單元110之光通量的量測指示的是，使用收集器光學系統208相較於傳統的發光單元可改良光通量高達70%。例如不使用收集器光學系統208之發光單元110之光通量的量測相較於傳統發光單元已改良光通量高達30%。
圖8類似於圖3A，且圖示一示例實施例，其中單一發光單元110包括兩個隔開的光源200，表示為200A及200B。光學系統218包括上述的上及下表面222及224，但其中這些表面中的各者現在包括各別的微結構232A、232B及234A、234B的集合，該等集合分別沿各別的光源軸ASA及ASB與相對應的光源200A、200B對準。因此，在圖8中所示的單一透鏡實例中，透鏡構件220可被視為具有透鏡軸AL任一側上的區段200A及200B，其中透鏡區段220A具有上及下微結構232A及234A，而透鏡區段220B具有上及下微結構232B及234B。在其他實例中，多於兩個光源200可被包括在給定的發光單元110中，其中光學系統218被配置在相對應的區段220A、220B、220C、...中，以容納給定數量的光源。
光學系統設計考量
光學系統218的設計涉及許多考量，且在一實例中涉及許多步驟。一個設計考量涉及透鏡材料及透鏡材料厚度的選擇。如上所述，一個實例透鏡材料為熱塑性塑膠，例如丙烯酸塑膠。此材料選擇允許以壓縮或射出成型方法大量生產光學系統218。
該至少一個透鏡構件220的厚度是映射量的強函數，該映射必須發生在下表面222處以達成光212的所需輸出一致性，其中較大的映射量需要更大的透鏡厚度。一個選擇透鏡構件厚度的粗略指引是估算透鏡構件220裡面之第一經重新導向光211的最大角度且將此角度除以二。在光211的發散角相對於透鏡軸AL最多為約25°的實例中，透鏡構件厚度的示例值為約12 mm。
設計程序中的另一步驟包括估算標準化轉變半徑ρT ，在該轉變半徑處，下表面224的微結構234從為折射式的改變為皆為折射式及TIR的。計算第一近似值，此轉變半徑ρT 是來自轉變平面外面之來源的通量等於來自轉變平面裡面之來源的通量之處，就在下表面224上方且就在主體221裡面。這意味的是，亦必須考慮下表面224的透射率。如上所述，轉變半徑ρT 的示例位置是在0.6 ≦ ρT ≦ 0.8的範圍中或在0.65 ≦ ρT ≦ 0.75的範圍中。
設計程序中的另一步驟作出了下表面224上之恆定透射率的理想化假設。給定此假設，下表面224的設計目標是在上表面222處產生均勻的輻射出射度，如圖5A中所示。接著基於經估算的所需光線210映射來作出下表面224之微結構234的初始選擇。
接著使用線軌法來執行光學系統218的電腦建模，以基於第一經重新導向光線211決定上表面222處呈現之不均勻性的程度。基於所運算的不均勻性，調整下表面224之微稜鏡244的斜率，且重複該程序直到達成所需的均勻性為止。
在上表面222處（或就在此表面下方）獲取良好的均勻性之後，接著亦可針對於上表面處（例如就在此表面上方的平面處）輸出的光212產生良好的均勻性，而同時亦可準直此類均勻光。給定入射於上表面222上之各微稜鏡242處之上表面222上之第一經重新導向光211之映射函數（亦即入射角）的知識，可將微結構232併入電腦建模。因為微結構232之微稜鏡242的斜率跨上表面222而變化，透射率亦將變化且輸出光將變得不均勻。
在特徵化輸出光212的不均勻性之後，調整下表面224之微結構234之微稜鏡244的斜率，且執行另一線軌法。若輸出光212的準直減少，則調整上表面222之微結構232之微稜鏡242的斜率，且執行另一線軌法。重複此調整微稜鏡242及244之斜率的循環，直到獲取輸出光束212中所需的輸出均勻性及準直的程度為止。
藉由實例的方式，可以具有以下係數的八階多項式來描述下表面224之折射式微稜鏡244的斜率S： 其中斜率S（度）以S = LSR0 + LSR1r + LSR2r2 + LSR3r3 + …. + LSR8r8 給定，其中r表示標準化徑向座標的量值且落在0及1之間。圖9A為基於八階多項式針對折射式微稜鏡244之斜率S（度）對上標準化徑向座標r的繪圖。
同樣地，可以具有以下係數的三階多項式來描述下表面224之折射式及TIR微稜鏡244的斜率： 其中斜率S（度）為S = LST0 + LST1r + LST2r2 + LST3r3 。圖9B類似於圖9A，但是是針對基於三階多項式之折射式及TIR微稜鏡244的斜率。
並且在一實例中，可以具有以下係數的十四階多項式來描述上表面222之微稜鏡242的斜率S： 其中斜率S（度）為S = US0 + US1r + US2r2 + US3r3 + …. + US14r14 。圖9C類似於圖9A及9B，且圖示依據十四階多項式之微稜鏡242的斜率S。
在一實例中，光學系統218之下表面224的設計考慮光源200的發射模式、微稜鏡244的表面區域、肇因於未完成表面的光損失及微稜鏡244的菲涅耳反射及透射率，以上所述全可能影響均勻性。如上所述，發射模式不需要是均勻的，且只要其可被適當特微化，可在設計光學系統218時考慮之，以輸出實質準直且實質均勻的光束212。
對於先前技術中具技藝的該等人將是清楚的是，在不脫離本揭露之精神或範圍的情況下，可作出各種修改及變化。據此，除非依據隨附請求項及它們的等效物，不要限制本揭示案。
10‧‧‧顯示裝置 12‧‧‧檢視者 14‧‧‧檢視空間 16‧‧‧環境光 20‧‧‧影像顯示單元 22‧‧‧前側 24‧‧‧背側 26‧‧‧顯示像素 30‧‧‧對比強化單元 31‧‧‧透明基板 32‧‧‧前側 34‧‧‧背側 36‧‧‧光學構件 38‧‧‧光吸收層 40‧‧‧孔 50‧‧‧透明罩 52‧‧‧上表面 100‧‧‧發光裝置 102‧‧‧前側 108‧‧‧陣列 110‧‧‧發光單元 112‧‧‧前端 150‧‧‧支撐結構 151‧‧‧內部 152‧‧‧前端 154‧‧‧氣隙 155‧‧‧氣隙 156‧‧‧端壁 160‧‧‧側壁 162‧‧‧側壁內表面 164‧‧‧底面 200‧‧‧光源 200A‧‧‧光源 200B‧‧‧光源 202‧‧‧上表面 204‧‧‧發光構件 206‧‧‧小透鏡 208‧‧‧收集器光學系統 209‧‧‧輸出端 210‧‧‧經發射光 211‧‧‧第一經重新導向光 212‧‧‧經準直的光 214‧‧‧顯示光 214CE‧‧‧對比經強化光 216‧‧‧影像像素 216CE‧‧‧對比經強化像素 218‧‧‧光學系統 220‧‧‧透鏡構件 220A‧‧‧透鏡區段 220B‧‧‧透鏡區段 220L‧‧‧下透鏡構件 220U‧‧‧上透鏡構件 221‧‧‧主體 221L‧‧‧主體 221U‧‧‧主體 222‧‧‧上表面 223L‧‧‧表面 223U‧‧‧表面 224‧‧‧下表面 226‧‧‧透鏡邊緣 232‧‧‧微結構 232A‧‧‧微結構 232B‧‧‧微結構 232G‧‧‧溝槽 234‧‧‧微結構 234A‧‧‧微結構 234B‧‧‧微結構 234G‧‧‧溝槽 242‧‧‧微稜鏡 244‧‧‧微稜鏡 x‧‧‧方向 y‧‧‧方向 z‧‧‧方向 AD‧‧‧中心顯示軸 AH‧‧‧中心軸 AL‧‧‧透鏡軸 ASA‧‧‧光源軸 ASB‧‧‧光源軸 CA‧‧‧淨孔徑 DH‧‧‧軸向距離 DS‧‧‧軸向距離 LA‧‧‧軸長 R‧‧‧半徑 R1‧‧‧內區域 R2‧‧‧外區域 S‧‧‧斜率 TH31‧‧‧厚度 TH38‧‧‧厚度 WA‧‧‧寬度 WE‧‧‧寬度 WP‧‧‧寬度 r‧‧‧標準化徑向座標 rT‧‧‧標準化轉變半徑 θD‧‧‧發散半角 SL(r)‧‧‧光線間隔 SU(r)‧‧‧光線間隔 S’U(r)‧‧‧光線間隔
圖1為包括本文中所揭露之發光裝置之示例顯示裝置的示意部分分解側視圖；
圖2A及2B為示例發光裝置的俯視圖，各視圖各包括發光單元陣列，該發光單元陣列在一個實例中具有有著正方形橫截面形狀的支撐結構（圖2A）而在另一實例中具有有著圓形橫截面形狀的支撐結構（圖2B）。
圖3A為示例發光單元的橫截面圖，圖示包括兩側式菲涅耳透鏡的菲涅耳光學系統，該兩側式菲涅耳透鏡與光源隔離且發射實質上經準直的光束；
圖3B類似於圖3A且圖示一示例實施例，其中菲涅耳光學系統包括兩個隔開的菲涅耳透鏡構件；
圖4A到4C為菲涅耳光學系統之下表面之一部分的特寫橫截面圖，繪示藉由折射及全內反射（TIR）運作的外區域及僅藉由折射運作的內區域的各別表面配置（微結構）。
圖5A類似於圖3A，且針對不存在從來自上及下表面之光損失的情況圖示從光源到發光單元之輸出端之理想化光線的光路徑，以繪示光學系統的主要設計原理，其中下表面在上表面處形成均勻但未經準直的光，該上表面被配置為接著準直該光以形成均勻的、經準直的光束；
圖5B類似於圖5A，且圖示電腦模擬之從光源到發光單元之輸出端之光線的光路徑，包括考慮了上及下表面處的光損失，其中光線並不全具有相等的強度；
圖5C類似於圖5B，且圖示輸出光束，該輸出光束具有有著相等強度的光線，且繪示即使考慮上及下表面處的光損失，圖5B的輸出光束如何實際上亦具有圖5A中所示的理想形式；
圖6為發光單元之光學系統之上表面以及如圖1中所示地佈置在該上表面附近之影像顯示單元及對比強化單元的特寫橫截面圖，且繪示經準直的光線如何被引導通過對比強化單元的孔；
圖7A類似於圖3A，且繪示一示例實施例，其中光源包括佈置在光源上表面附近的收集器光學系統。
圖7B類似於圖7A，且包括在光從收集器光學系統的輸出端前行至發光單元的輸出端時電腦模擬的光的光線軌跡；
圖8類似於圖3A，且圖示包括兩個被隔開之光源的示例發光單元；
圖9A為針對折射式微稜鏡之斜率S（度）對上標準化徑向座標r的繪圖，該微稜鏡位在示例光學系統之下表面的第一（內）區域中；
圖9B類似於圖9A，且圖示示例菲涅耳光學系統之下表面之折射式+TIR微稜鏡的斜率S；及
圖9C類似於圖9A，且圖示示例菲涅耳光學系統之上表面之折射式微稜鏡的斜率S。
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10‧‧‧顯示裝置
12‧‧‧檢視者
14‧‧‧檢視空間
16‧‧‧環境光
20‧‧‧影像顯示單元
22‧‧‧前側
24‧‧‧背側
26‧‧‧顯示像素
30‧‧‧對比強化單元
31‧‧‧透明基板
32‧‧‧前側
34‧‧‧背側
36‧‧‧光學構件
38‧‧‧光吸收層
40‧‧‧孔
50‧‧‧透明罩
52‧‧‧上表面
100‧‧‧發光裝置
102‧‧‧前側
108‧‧‧陣列
110‧‧‧發光單元
112‧‧‧前端
212‧‧‧經準直的光
214‧‧‧顯示光
214CE‧‧‧對比經強化光
216‧‧‧影像像素
216CE‧‧‧對比經強化像素
x‧‧‧方向
y‧‧‧方向
z‧‧‧方向
AD‧‧‧中心顯示軸
TH31‧‧‧厚度
TH38‧‧‧厚度
WA‧‧‧寬度
WE‧‧‧寬度

Claims (29)

  1. 一種發光單元，包括： 至少一個光源，發射發散光； 一光學系統，相對於該光源而可操作地安置，該光學系統包括一中心透鏡軸，且僅包括單一透鏡構件或僅包括第一及第二隔開的透鏡構件，該光學系統更包括：i)一下表面，與該光源相鄰且隔開，且接收該發散光及從該下表面形成第一經重新導向光，及ii)一上表面，接收該第一經重新導向光且從該上表面形成第二經重新導向光； 該下表面包括由0.6 ≦ ρT ≦ 0.8之範圍中之一標準化轉變半徑rT 所定義的內及外區域，其中該外區域包括第一微稜鏡，該第一微稜鏡皆折射及全內反射該發散光以從該第一微稜鏡形成該第一經重新導向光；及 該上表面包括第二微稜鏡，該第二微稜鏡接收該第一經重新導向光且從該第二微稜鏡形成該第二經重新導向光，該第二經重新導向光實質上是準直的且具有均勻到該第二經重新導向光之一平均輻射出射度的+/- 8%內的一輻射出射度。
  2. 如請求項1所述之發光單元，其中該外區域的該第一微稜鏡包括第一外微稜鏡，而該下表面的該內區域包括僅以折射運作的第一內微稜鏡。
  3. 如請求項1所述之發光單元，其中該下表面的該內區域是平滑的。
  4. 如請求項1所述之發光單元，其中該光學系統以該單一透鏡構件組成，其中該單一透鏡構件具有定義該上及下表面的一單塊主體。
  5. 如請求項4所述之發光單元，其中該單塊主體以一熱塑性塑膠、一聚合物、一玻璃或其一組合組成。
  6. 如請求項4所述之發光單元，其中該單塊主體具有5 mm ≦ LA ≦ 20 mm之範圍中的一軸長LA，且定義12 mm ≦ CA ≦ 100 mm之範圍中的一淨孔徑CA。
  7. 如請求項6所述之發光單元，其中該光學系統的該下表面與該光源的一上表面隔開5 mm ≦ DS ≦ 15 mm之範圍中的一距離DS。
  8. 如請求項1所述之發光單元，其中該第一及第二微稜鏡各具有一基座，該基座具有25 µm ≦ WP ≦ 150 µm之範圍中的一寬度WP。
  9. 如請求項1所述之發光單元，其中來自該光源的該發散光具有一發散量，且該發光單元更包括一收集器光學系統，該收集器光學系統被可操作地佈置為緊鄰該光源，且被配置為在來自該光源的該發散光入射於該下表面上之前減少該發散光的該發散量。
  10. 如請求項9所述之發光單元，其中該收集器光學系統以一單一收集器鏡組成。
  11. 如請求項1所述之發光單元，其中該至少一個光源包括多個發光構件。
  12. 如請求項1所述之發光單元，其中該至少一個光源以一單一光源組成，該單一光源可操作地沿著該中心透鏡軸佈置。
  13. 一種發光裝置，包括： 如請求項1至12中之任一者所述之一發光單元陣列。
  14. 一種可由一檢視者在一檢視空間中檢視的顯示裝置，該顯示裝置包括： 如請求項13所述之發光裝置； 一影像顯示單元，被可操作地佈置為緊鄰該發光裝置；及 一對比強化單元，被可操作地佈置為緊鄰該影像顯示單元。
  15. 如請求項14所述之顯示裝置，其中： 該影像顯示單元包括一顯示像素陣列； 該對比強化單元包括一光吸收層及光學構件，該光吸收層具有形成於其中的孔，該等光學構件與該等孔隔開且分別與該等孔軸向對準； 來自該發光裝置的該第二經重新導向光穿過該等顯示像素以形成顯示光；及 該顯示光穿過該等光學構件及該光吸收層的該等孔，以形成被傳送進該檢視空間的對比經強化顯示光。
  16. 如請求項15所述之顯示裝置，其中該對比強化單元包括一玻璃基板，該玻璃基板具有上及下表面，該光吸收層形成於該基板的該上表面上，且該等光學構件形成於該基板的該下表面上。
  17. 如請求項15所述之顯示裝置，更包括一透明罩，該透明罩被可操作地安置為與該影像顯示單元相反地緊鄰該對比強化單元。
  18. 一種發光單元，發射實質準直及實質均勻的光，該發光單元包括： 一支撐結構，具有一中心支撐結構軸、定義一輸出端的一開放前端以及於該開放前端處開放且由一底面及至少一個側壁定義的一內部； 一光源，安置在該底面上或附近且發射發散光； 一單一單塊透鏡構件，佈置在該支撐結構內部中，該透鏡構件包括： i)一中心透鏡軸； ii)一下表面，與該光源相鄰及隔開，且接收該發散光及從該下表面形成第一經重新導向光；及 iii)一上表面，在該輸出端處或附近，且接收該第一經重新導向光及從該上表面形成第二經重新導向光； 該下表面包括一第一微結構，該第一微結構包括由0.6 ≦ ρT ≦ 0.8之範圍中之一標準化轉變半徑rT 定義的內及外區域，其中該內區域內的該第一微結構僅折射該發散光，而該外區域內的該第一微結構皆折射及全內反射該發散光，以形成該第一經重新導向光；及 該上表面包括一第二微結構，該第二微結構接收該第一經重新導向光且從該第二微稜鏡形成第二經重新導向光，該第二經重新導向光實質上是準直的且具有均勻到該第二經重新導向光之一平均輻射出射度的+/- 8%內的一輻射出射度。
  19. 如請求項18所述之發光單元，其中該第一及第二微結構各包括微稜鏡。
  20. 如請求項18所述之發光單元，更包括一收集器光學系統，該收集器光學系統被可操作地佈置為緊鄰該光源的一上表面。
  21. 一種發光裝置，包括： 如請求項18至20中之任一者所述之發光單元陣列。
  22. 一種可由一檢視者在一檢視空間中檢視的顯示裝置，該顯示裝置包括： 如請求項21所述之發光裝置； 一影像顯示單元，被可操作地佈置為緊鄰該發光裝置；及 一對比強化單元，被可操作地佈置為緊鄰該影像顯示單元。
  23. 如請求項22所述之顯示裝置，其中： 該影像顯示單元包括一顯示像素陣列； 該對比強化單元包括一光吸收層及光學構件，該光吸收層具有形成於其中的孔，該等光學構件與該等孔隔開且分別與該等孔軸向對準； 來自該發光裝置的該第二經重新導向光穿過該等顯示像素以形成顯示光；及 該顯示光穿過該等光學構件及該光吸收層的該等孔，以形成被傳送進該檢視空間的對比經強化顯示光。
  24. 如請求項23所述之顯示裝置，其中該對比強化單元包括一玻璃基板，該玻璃基板具有上及下表面，該光吸收層形成於該基板的該上表面上，且該等光學構件形成於該基板的該下表面上。
  25. 如請求項23所述之顯示裝置，更包括一透明罩，該透明罩被可操作地安置為與該影像顯示單元相反地緊鄰該對比強化單元。
  26. 一種藉由使用具有一單塊主體的一單一透鏡構件來從發射發散光的至少一個光源形成一實質準直及實質均勻的光束的方法，該單塊主體具有上及下表面，該方法包括以下步驟： 於該下表面處接收該發散光，該下表面包括由0.6 ≦ ρT ≦ 0.8之範圍中之一標準化轉變半徑rT 定義的內及外區域，該下表面的該外區域包括一第一微結構； 藉由僅在該下表面的該內區域中折射該發散光及藉由在該下表面的該外區域中折射及全內反射該發散光，於該下表面處從該發散光形成第一經重新導向光，其中該第一經重新導向光通過該單塊主體前行至該上表面；及 使用該上表面上的一第二微結構於該上表面處從該第一經重新導向光形成第二經重新導向光，該第二微結構僅為折射式的，且其中該第二經重新導向光定義該光束且為實質準直的且具有均勻到該第二經重新導向光之一平均輻射出射度之+/- 8%內的一輻射出射度。
  27. 如請求項26所述之方法，其中該第一微結構包括一第一外微結構，且該下表面的該內區域包括一第一內微結構。
  28. 如請求項26所述之方法，更包括以下步驟： 形成及結合多個光束以形成背光照明。
  29. 如請求項28所述之方法，更包括以下步驟： 將該背光照明傳遞通過包括顯示像素的一影像顯示單元以形成顯示光；及 將該顯示光傳遞通過一對比強化單元以形成對比經強化顯示光。
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