專利名稱：具有鏡面局部反射器和圓形模式反射型偏振器的背光照明系統(tǒng)的制作方法
具有鏡面局部反射器和圓形模式反射型偏振器的背光照明
系統(tǒng)相關(guān)專利申請(qǐng)本申請(qǐng)要求提交于2007年12月28日的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/017255的優(yōu)先 權(quán)，該專利的公開內(nèi)容以引用方式全文并入本文。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及信息顯示器。更具體地講，本發(fā)明涉及包括反射型偏振器的背光光學(xué) in息顯不器。光學(xué)信息顯示器常常用于電視機(jī)、筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)電腦、手持裝置(例如移 動(dòng)電話)以及其它應(yīng)用中。一種廣泛使用的顯示器是液晶(LC)顯示器。通常的液晶顯示 器裝設(shè)在液晶面板周圍，在液晶面板中，具有相關(guān)電極矩陣的液晶交錯(cuò)在一對(duì)吸收型偏振 器之間。在液晶面板中，通過電極矩陣施加的電場(chǎng)來改變液晶的部分的光學(xué)狀態(tài)。根據(jù)其 狀態(tài)，液晶的給定部分(與顯示器的像素或亞像素相對(duì)應(yīng))會(huì)或多或少地旋轉(zhuǎn)穿過其中的 透射光的偏振。光經(jīng)入口偏振器、液晶和出口偏振器發(fā)生不同程度的衰減，衰減程度取決于 光遇到的液晶部分的光學(xué)狀態(tài)。液晶顯示器利用這種行為，從而在不同區(qū)域中得到具有不 同外觀的電子可控的顯示器。由于液晶面板本身不發(fā)光，因此液晶顯示器需要照明源_要么通常是反射的環(huán)境 光、要么更常常是來自背光源的光。一般來講，背光源包括照明設(shè)備和多個(gè)位于照明設(shè)備與 液晶面板之間的光管理膜，其中照明設(shè)備可以包括光源，例如發(fā)光二極管或熒光燈。通常， 通過更加充分有效地使用光，光管理膜可以提高顯示器的操作性。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供背光源，該背光源包括具有至少一個(gè)光源的照明設(shè)備、圓 形模式反射型偏振器以及鏡面局部反射器。鏡面局部反射器設(shè)置在照明設(shè)備與圓形模式反 射型偏振器之間。此外，鏡面局部反射器與圓形模式反射型偏振器基本上直接偏振連通。在另一方面，本發(fā)明提供顯示器，該顯示器包括液晶面板和向液晶面板提供光的 背光源。背光源包括具有至少一個(gè)光源的照明設(shè)備、圓形模式反射型偏振器以及鏡面局部 反射器。圓形模式反射型偏振器設(shè)置在顯示模塊與照明設(shè)備之間，鏡面局部反射器位于照 明設(shè)備與圓形模式反射型偏振器之間。此外，鏡面局部反射器與圓形模式反射型偏振器基 本上直接偏振連通。在另一方面，本發(fā)明提供用于提供偏振光的背光源，該背光源包括具有至少一個(gè) 光源的照明設(shè)備、圓形模式反射型偏振器以及鏡面局部反射器。圓形模式反射型偏振器被 構(gòu)造為透射第一部分光并且反射第二部分光，第一部分光具有第一圓形偏振，第二部分光 具有第二圓形偏振，其中第二圓形偏振與第一圓形偏振正交。鏡面局部反射器位于照明設(shè) 備與圓形模式反射型偏振器之間。鏡面局部反射器適用于接納來自圓形模式反射型偏振器 的第二部分光以及將第三部分光返回到圓形模式反射型偏振器。第三部分光是第二部分光
4的一部分，并且具有可被圓形模式反射型偏振器透射的第一圓形偏振。在另一方面，本發(fā)明提供了制備背光源的方法。該方法包括提供照明設(shè)備和圓形 模式反射型偏振器；為鏡面局部反射器選擇正交反射比率值以導(dǎo)致優(yōu)化的背光源亮度；在 照明設(shè)備與圓形模式反射型偏振器之間設(shè)置具有所選正交反射比率值的鏡面局部反射器。 此外，鏡面局部反射器與圓形模式反射型偏振器基本上直接偏振連通。在下面的具體實(shí)施方式
中，本發(fā)明的這些方面以及其它方面將顯而易見。然而，在 任何情況下不應(yīng)將上述發(fā)明內(nèi)容理解為是對(duì)要求保護(hù)的主題的限制，該主題僅受所附權(quán)利 要求書的限定，并且在審查期間可以進(jìn)行修改。


本發(fā)明結(jié)合附圖進(jìn)行描述，一般來講，圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件，并且其 中圖1為可包括光管理元件的光學(xué)顯示器的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。圖2為光學(xué)顯示器的另一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。圖3為照明設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。圖4為背光源系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的照明設(shè)備的一部分和光管理元件的示意性剖 視圖。圖5為圓形模式反射型偏振器的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。圖6為具有涂層的圓形模式反射型偏振器的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。圖7為具有涂層的光學(xué)薄膜的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。圖8為多層鏡面局部反射器的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。圖9為示出照明設(shè)備和光管理元件的多種實(shí)施例的亮度性能與所包括的鏡面局 部反射器數(shù)量之間關(guān)系的圖表。
具體實(shí)施例方式通常，本發(fā)明提供可有效循環(huán)偏振光的背光源。此類偏振光可以用來照明光學(xué)信 息顯不器。液晶顯示器的背光源向顯示器的液晶面板提供光，該液晶面板僅利用具有透射穿 過面板的入口偏振器的“通過型”偏振的光形成圖像。液晶面板上具有“受阻型”偏振的入 射光通常被入口偏振器吸收并消耗。因此，令人關(guān)注的是使由背光源發(fā)出的到達(dá)面板的通 過型偏振光的量最大化，并且使到達(dá)面板的受阻型偏振光的量最小化。使通過型偏振光最大化并使受阻型偏振光最小化的一種技術(shù)是在背光源與液晶 面板之間設(shè)置反射型偏振器，以將通過型偏振光透射到液晶面板并且將受阻型偏振光反射 到背光源中。然后，反射的受阻型偏振光可轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^型偏振光，并且在第二次相遇或后續(xù) 相遇時(shí)透射穿過反射型偏振器。光從受阻型偏振到通過型偏振的轉(zhuǎn)變可以多種方式發(fā)生。上述轉(zhuǎn)變可能是背光源 中的光散射的結(jié)果，該散射往往會(huì)使偏振隨機(jī)化。在隨機(jī)化的情況下，至多一半受阻型偏振 光可能會(huì)在給定循環(huán)內(nèi)經(jīng)散射轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^型偏振光。受阻型偏振光在第二次或后續(xù)時(shí)間遇 到反射型偏振器時(shí)，可以再次反射到背光源中，因而有機(jī)會(huì)再次被隨機(jī)化和最終發(fā)射，但由
5于存在損耗機(jī)制，每一次循環(huán)時(shí)光量都會(huì)減少。利用隨機(jī)化進(jìn)行循環(huán)的背光源常常用于目 前可得的顯示器中。通過使用其它依賴確定性過程的光的偏振轉(zhuǎn)變機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)背光 源性能的潛在改善。在本發(fā)明中，偏振轉(zhuǎn)變反射器可置于背光源中，以確定性地將光從受阻型偏振轉(zhuǎn) 變?yōu)橥ㄟ^型偏振，從而使光透射穿過反射型偏振器，然后透射到液晶面板上。此類反射器的 一種設(shè)置方式是設(shè)置在背光源的背部處。該設(shè)置方式的潛在缺點(diǎn)是通過型偏振光在從背部 中的反射器到達(dá)正面中的反射型偏振器時(shí)，可以從其它背光源元件散射或折射穿過這些元 件，從而可能劣化偏振。另一個(gè)選項(xiàng)是將偏振轉(zhuǎn)變局部反射器設(shè)置在背光源中更向前的位 置，靠近反射型偏振器，從而偏振轉(zhuǎn)變光可以在不遇到可能產(chǎn)生不良干涉的背光源元件的 情況下從反射器到達(dá)反射型偏振器。進(jìn)行此類設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的是，局部反射器會(huì)在背光 源中的某些光達(dá)到反射型偏振器之前將其朝后反射。然而在本發(fā)明中所見的是，當(dāng)考慮到 背光源系統(tǒng)的總體性能時(shí)，這種反射器布置方式的優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)其缺點(diǎn)。圖1為光學(xué)顯示器100的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。顯示器100包括液晶面板 110和可向液晶面板110提供光的背光源120。在一些實(shí)施例中，背光源120包括照明設(shè)備130和一個(gè)或多個(gè)設(shè)置在照明設(shè)備與 液晶面板Iio之間的光管理膜140。如本文進(jìn)一步所述，照明設(shè)備130可包括一個(gè)或多個(gè)可 向液晶面板110提供照明光的光源(未示出)。光管理膜140可包括一個(gè)或多個(gè)多種光學(xué) 薄膜或其它可提高顯示器100的操作性的元件。它可包括例如影響光角分布的擴(kuò)散片或棱 鏡增亮薄膜。一個(gè)或多個(gè)光管理膜140也可包括允許偏振光到達(dá)液晶面板110的反射偏振 膜。在一些實(shí)施例中，液晶面板110調(diào)制一種(“通過型”)偏振的光，并且吸收正交 (“受阻型”)偏振的光。根據(jù)液晶面板110的液晶部分(與顯示器100的像素或亞像素相 對(duì)應(yīng))的狀態(tài)，具有通過型偏振的入射光的偏振在一定程度上被旋轉(zhuǎn)，然后光被部分透射 并且部分吸收，具體取決于偏振的旋轉(zhuǎn)程度。在其它實(shí)施例中，可以設(shè)想基于除液晶之外其 它技術(shù)的偏振顯示模塊。在液晶面板110上的入射光中，液晶面板基本上只能調(diào)制具有通過型偏振的光的 部分，具有受阻型偏振的光的部分則主要被吸收并且未被使用。據(jù)此，可能有利的是在滿足 液晶面板的其它照明要求的情況下，以未使用的受阻型偏振為代價(jià)，將背光源120構(gòu)造成 向液晶面板110有效傳輸盡可能多的通過型偏振光。為此，一個(gè)或多個(gè)光管理膜140可包 括向液晶面板110提供具有通過型偏振的光的反射型偏振器。反射型偏振器被設(shè)計(jì)成透射第一偏振的光(可為上述通過型偏振，或可通過例如 延遲片轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^型偏振的偏振)并且反射正交的第二偏振的光。當(dāng)光從照明設(shè)備130 入射到反射型偏振器時(shí)，具有第一偏振的光的部分朝液晶面板110透射，具有第二偏振的 光的部分則被反射。隨后，具有第二偏振的反射光的部分可以隨后被背光源內(nèi)的任何結(jié)構(gòu) (如反射器，未示出)再次向前朝反射型偏振器反射。在再次向前反射的過程中，再反射光 的偏振可能會(huì)改變，使得光中的某些此刻處于可透射的第一偏振。仍保持第二(反射)偏 振的光可以進(jìn)一步被反射，直至最終以第一偏振透射穿過反射型偏振器，或在光學(xué)腔中被 吸收。在上述過程中，反射型偏振器使得具有第二偏振的本來未使用的光被“循環(huán)利用”。 有關(guān)組裝了反射型偏振器的顯示器的描述可見于如美國(guó)專利No. 6，025，897 (Weber等人)。
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本文所述循環(huán)利用的背光源可依靠一種或多種機(jī)制將被反射型偏振器反射的具 有第二偏振的光中的某些轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂锌赏干涞牡谝黄竦墓?。通常，離開照明設(shè)備130的 后反射器的光被再反射時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。在該再反射(有時(shí)是漫反射)過程中，偏振可 能被攪亂、隨機(jī)化或者說是混合。偏振態(tài)的改變也可能在光透射穿過其它背光源元件或被 該背光源元件反射時(shí)發(fā)生。一般來講，只有朝反射型偏振器反射回來的光的一部分存在于 可透射的第一偏振中。如果具有第二偏振的反射光可被有效轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂锌赏干涞牡谝黄竦墓獠⑶曳?回反射型偏振器，則背光源就能夠更有效地將第一偏振的光遞送到液晶面板110。利用圓形 偏振的性質(zhì)可提供實(shí)現(xiàn)上述目的的途徑。鏡面反射會(huì)顛倒圓形偏振光的旋向性并且為正交 偏振態(tài)之間的轉(zhuǎn)變提供簡(jiǎn)單的確定性過程?？捎稍诒彻庠聪到y(tǒng)后部處的后反射器提供這種 鏡面反射，但位于后反射器與反射型偏振器之間的光學(xué)元件可能會(huì)妨礙由第二偏振向第一 偏振的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)變。通過正確設(shè)置背光源元件，可以避免出現(xiàn)這種復(fù)雜情況。本文描述了包 括一個(gè)或多個(gè)鏡面反射器和圓形模式反射型偏振器的背光源。圖2為光學(xué)顯示器200的一個(gè)實(shí)施例的示意性剖視圖。顯示器200包括液晶面板 210和背光源220。背光源220包括照明設(shè)備230和一個(gè)或多個(gè)設(shè)置在液晶面板210與照 明設(shè)備230之間的光管理膜240。照明設(shè)備230包括一個(gè)或多個(gè)光源232。光源232可為線性冷陰極熒光燈(CCFL)。 然而，可以采用其它類型的光源232，例如其它各種熒光燈、白熾燈、發(fā)光二極管、有機(jī)發(fā)光 二極管或已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為合適的任何其它光源。照明設(shè)備230可包括后反射器234。后反射器234可以為鏡面反射器、漫反射 器或鏡面反射器和漫反射器的組合。鏡面反射器的一個(gè)實(shí)例為得自3M公司的Vikuiti Enhanced Specular Reflector(ESR) (Vikuiti 增強(qiáng)型鏡面反射器)膜。合適的漫反射器 的實(shí)例包括填充有漫反射粒子的聚合物。漫反射器的其它實(shí)例(包括微孔材料和含纖絲材 料)在如美國(guó)專利6，497，946 (Kretman等人)中有所描述。除本文所列類型之外的其它類 型反射器也可以用于后反射器234。顯示器200可以被描述為“直接照明式”，其具有直接設(shè)置在液晶面板210后面的 光源232。在其它實(shí)施例中，顯示器200可包括側(cè)光式照明設(shè)備，如圖3的側(cè)光式照明設(shè)備 330。照明設(shè)備330包括設(shè)置在光導(dǎo)336的一個(gè)或多個(gè)邊緣337處或其附近的一個(gè)或多個(gè)光 源332。光導(dǎo)336具有大致平面的塊或楔形形狀，但也可以采用任何合適的形式。光源332 通常被光源反射器333包圍，該光源反射器促進(jìn)由光源發(fā)出并且經(jīng)邊緣337射入光導(dǎo)336 中的光的光學(xué)耦合。光在光導(dǎo)336內(nèi)傳播，部分地受助于全內(nèi)反射，然后經(jīng)出口表面338離 開照明設(shè)備330朝液晶面板透射。照明設(shè)備330也可以包括后反射器334，該后反射器可 以起到以液晶面板方向重新導(dǎo)向光線的作用。后反射器334可以直接附接到光導(dǎo)336(如 (例如)美國(guó)專利No. 6，447，135 (Wortman等人)所述)，或可以為自立式結(jié)構(gòu)。返回圖2，一個(gè)或多個(gè)光管理膜240可包括光學(xué)薄膜以及可能旨在提高和改善背 光源性能的其它結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)光管理膜240可包括圓形模式反射型 偏振器242。圓形模式反射型偏振器幾乎完全反射入射到其上的具有一種旋向性的圓形偏 振光，并且?guī)缀跬耆干渚哂衅渌恍蛐缘膱A形偏振光。應(yīng)該指出的是，圓形模式反射 型偏振器242所反射的光基本保持入射到偏振器上之前表征它的相同圓形偏振旋向性。透
7射穿過圓形模式反射型偏振器242的光可以具有或不具有其入射到偏振器上之前所具有 的偏振，具體取決于偏振器的詳細(xì)構(gòu)造，下文將進(jìn)一步討論。圓形模式反射型偏振器242可 以為自立式膜，或可以附接到顯示器200中的另一個(gè)結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，圓形模式反射 型偏振器242附接到液晶面板210。圓形模式反射型偏振器242可包括任何合適的反射型偏振器，如美國(guó)專利 No. 5，793，456 (Broer等人)中所述的偏振器。通常，圓形模式反射型偏振器可以多種方式 形成。圓形模式反射型偏振器可采用膽留型液晶材料形成。膽留型液晶化合物通常為手性 分子，并且可為聚合物。膽留型液晶化合物包括具有膽留型液晶相的化合物，在該膽留型液 晶相中，液晶的指向矢(即限定局部平均分子排列方向的單位矢量)沿著與該指向矢垂直 的維度以螺旋的方式旋轉(zhuǎn)。膽留型液晶化合物的間距為指向矢旋轉(zhuǎn)360度后(在垂直于指 向矢的方向)所經(jīng)過的距離。該距離通常為IOOnm或更大。通?？赏ㄟ^使膽留型液晶化合物與向列型液晶化合物混合或者說是組合(如通 過共聚)來改變膽留型液晶材料的間距。間距取決于膽留型液晶化合物和向列型液晶化合 物的相對(duì)重量比。通常間距可選擇為接近關(guān)注的光的波長(zhǎng)。指向矢的螺旋扭曲致介電張量 方面發(fā)生空間周期性變化，該變化又引起光的波長(zhǎng)選擇性反射。例如，可選擇間距，使得選 擇性反射在可見光、紫外或紅外波長(zhǎng)內(nèi)達(dá)到反射峰。膽留型液晶組合物(含有或不含為改變間距而添加的額外的向列型液晶化合物 或單體)可形成為層，該層在特定光波長(zhǎng)帶寬內(nèi)幾乎完全反射具有一種圓形偏振的光(如 左旋或右旋圓形偏振光)，并且?guī)缀跬耆干渚哂衅渌鼒A形偏振的光(如左旋或右旋圓形 偏振光)。此表征描述了以垂直入射角度被導(dǎo)向膽留型液晶材料的指向矢的光的反射或透 射。在其它角度處被導(dǎo)向的光通常被膽留型液晶材料橢圓形偏振。通常相對(duì)于垂直入射光 來表征膽留型液晶材料；然而將認(rèn)識(shí)到，可利用已知技術(shù)確定這些材料對(duì)非垂直入射光的 響應(yīng)。具有恒定間距的膽甾型液晶層會(huì)在有限的帶寬(通常IOOnm或更小)內(nèi)顯示具有 反射性。為了提高由膽留型液晶材料形成的反射型偏振器的有效性，可采用具有不同間距 的多個(gè)層，或采用具有離散或連續(xù)可變間距的單個(gè)層。這種構(gòu)造可得到帶寬較寬的反射型 偏振器，其帶寬覆蓋(例如)從大約400至700nm的可見光譜。有關(guān)膽甾型液晶的制造工藝 和光學(xué)體的討論可見于美國(guó)專利No. 6，573，963 (Ouderkirk等人)、No. 6，876，427 (Watson 等人)、Νο· 6，913，708 (Solomonson 等人)和 No. 6，917，399 (Watson 等人)。合適的膽甾型 液晶膜的一個(gè)實(shí)例是Nipocs (可得自Nitto Denko (Japan))。圓形模式反射型偏振器也可以由其它光學(xué)元件的組合制成。圖5為由線性模 式反射型偏振器544和四分之一波長(zhǎng)延遲片546的組合形成的圓形模式反射型偏振 器542的剖視圖。這兩個(gè)大致為平面的元件544和546可以如圖所示物理地連接，或 可以分離。線性模式反射型偏振器的實(shí)例包括Vikuiti DBEF多層光學(xué)薄膜反射型偏 振器(如美國(guó)專利No. 5，882，774(Jonza等人)中所述)和DRPF漫反射偏振膜(如美 國(guó)專利No. 5，825，543 (Ouderkirk等人)中所述)，二者均得自3M公司。如美國(guó)專利 No. 6，122，103 (Perkins等人)中所述的線柵偏振器是另一種類型的線性模式反射型偏振 器?？衫?例如)取向的聚合物材料(例如聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯 醇)或被涂覆的液晶材料制成四分之一波長(zhǎng)延遲片。
在此類圓形模式反射型偏振器542中，線性模式反射型偏振器544透射具有第一 線性偏振的光，并且反射具有正交的第二線性偏振的光。通常，當(dāng)線性模式反射型偏振器 544反射的線性偏振光隨后穿過四分之一波長(zhǎng)延遲片546時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橢圓形偏振光。如果 四分之一波長(zhǎng)延遲片546的高速軸在相對(duì)于線性模式反射型偏振器544的反射光的偏振軸 45度角處取向，會(huì)產(chǎn)生圓形偏振光?；蛘?，就像本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的那樣，可使用 具有其它取向的其它延遲片來進(jìn)行從線性偏振到圓形偏振、近圓形偏振或橢圓形偏振的轉(zhuǎn) 變。返回圖2，一個(gè)或多個(gè)光管理膜240還可包括鏡面局部反射器250。鏡面局部反射 器250位于照明設(shè)備230與圓形模式反射型偏振器242之間。在各種實(shí)施例中，鏡面局部 反射器250可以采用多種形式，包括圖2所示的自立式元件，或作為附接到背光源另一個(gè)結(jié) 構(gòu)的涂層或其它元件。從面向圓形模式反射型偏振器242的一側(cè)入射到鏡面局部反射器 250的光以基本上鏡面的方式被局部反射。鏡面局部反射器250對(duì)光進(jìn)行的這種鏡面反射 通常導(dǎo)致圓形偏振光的旋向性的顛倒，從而使反射光處于可以隨后被圓形模式反射型偏振 器242透射的狀態(tài)，下文將詳細(xì)描述。未被鏡面局部反射器250反射的光的部分可以被鏡 面透射，也可以不被鏡面透射。對(duì)于從面向照明設(shè)備230的一側(cè)入射到鏡面局部反射器250 上的光，反射和透射(各獨(dú)立地考慮)可以是鏡面的或可以不是鏡面的。鏡面局部反射器250可包括任何合適的膜或其它光學(xué)元件?？梢杂杀彻庠粗芯哂?另一個(gè)功能的元件提供鏡面局部反射。例如，可以由用作覆蓋片的低密度表面紋理膜提供 鏡面局部反射器250，該膜設(shè)置在一系列光學(xué)薄膜頂部處或者說是位于一系列光學(xué)薄膜的 外邊界處。也可由光導(dǎo)336的出口表面338或由光管理膜240中的一個(gè)的另一個(gè)表面提供 鏡面局部反射器250。也可以由專用膜提供鏡面局部反射器250。鏡面局部反射器可以多種方式形成。鏡面局部反射器可以由基本上整片透明電介 質(zhì)材料形成?？梢岳梅颇浇Y(jié)合電介質(zhì)折射率方面的知識(shí)預(yù)測(cè)此類鏡面局部反射器 的主表面的反射率。合適的材料包括聚合物，例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或聚甲 基丙烯酸甲酯。形成鏡面局部反射器的其它方式包括采用薄的金屬化層或金屬層、采用圖 案化的金屬化層或金屬層、或采用具有不同反射率和透射率的區(qū)域。這樣的層可以涂覆到 電介質(zhì)基底或塊上或嵌入其內(nèi)。電介質(zhì)或金屬局部反射層可以涂覆到、附接到或者說是連接到背光源中的另一個(gè) 光學(xué)結(jié)構(gòu)或基底上，從而得到鏡面局部反射器。該結(jié)構(gòu)或基底可以提供不同于反射器的光 學(xué)功能。例如，在圖6的剖視圖中，局部反射層650附接到圓形模式反射型偏振器642。在 圖7的剖視圖中，局部反射層750連接到光學(xué)薄膜760。就電介質(zhì)層而言，折射率相對(duì)較高 的電介質(zhì)可能是理想的，因?yàn)槠渫ǔ?huì)提供相比周圍介質(zhì)更大的折射率差，因而可以產(chǎn)生 更強(qiáng)的反射。鏡面局部反射器可以利用來自多個(gè)主表面的反射。在由整片透明電介質(zhì)材料形成 的鏡面局部反射器中，片材的兩個(gè)表面都可以起到以鏡面方式反射光的作用。又如，透明電 介質(zhì)材料的多層光學(xué)薄膜疊堆可作為設(shè)計(jì)反射器的基礎(chǔ)。圖8為包括電介質(zhì)材料交替層 852和854的多層鏡面局部反射器850的示意性剖視圖。若干參數(shù)可以影響多層疊堆的反 射率，其中包括層的厚度以及疊堆中的層的折射率之間的關(guān)系。疊堆可以設(shè)計(jì)成具有高低 折射率交替的多個(gè)光學(xué)薄層，即具有接近關(guān)注的波長(zhǎng)的厚度的層，以使用標(biāo)準(zhǔn)薄膜光學(xué)設(shè)計(jì)原則來獲得光學(xué)干涉效應(yīng)?；蛘?，也可以使用厚度接近多個(gè)波長(zhǎng)的厚層，該厚層要么是高 低折射率交替的材料、要么是相同材料，而不存在影響性能的干涉效應(yīng)。設(shè)計(jì)鏡面局部反射器時(shí)考慮的另一個(gè)因素是反射器中所用電介質(zhì)材料的雙折射。 雙折射可以至少兩種方式影響反射器的性能。首先，在光在雙折射電介質(zhì)內(nèi)傳播的任何反 射器中，雙折射可以影響或改變光的偏振。通常，圓形偏振光可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形偏振態(tài)。其 次，具有雙折射材料的界面對(duì)光波的反射通常對(duì)材料的雙折射率敏感，因?yàn)槿绶颇?所述，根據(jù)沿著偏振軸的折射率的不同，光波的偏振分量將被不同程度地反射。在本發(fā)明 中，某些鏡面局部反射器包括一種或多種基本上非雙折射的材料。如本文所述，本發(fā)明的鏡面局部反射器將具有這樣的性質(zhì)即從面向圓形模式反 射型偏振器的一側(cè)入射到其上的光會(huì)以基本上鏡面的方式被局部反射。通常，以垂直入射 角度垂直入射到各向同性的基底的圓形偏振光的鏡面反射會(huì)導(dǎo)致反射光具有相反(正交) 的偏振旋向性。就反射偏離鏡面的程度而言，反射光的偏振與入射光的偏振之間的關(guān)系可 能不太確定。例如，用具有質(zhì)地粗糙表面的光學(xué)片代替鏡面局部反射器，會(huì)導(dǎo)致混合偏振的 高度漫反射光。另外，如本文所述，雙折射基底可以導(dǎo)致不完全顛倒圓形偏振光的旋向性的 鏡面反射?？紤]到這些影響和其它影響，可以通過以正交于入射光的偏振態(tài)中反射的入射 圓形偏振光的比率來表征反射器，該比率可以稱為正交反射比率。例如，假設(shè)入射光來自空 氣，由折射率為1. 5的各向同性的材料形成的反射器標(biāo)稱可反射4%的垂直入射光。如果該 實(shí)例中的反射表面非常平滑，反射器的正交反射比率值可以接近4%。如果我們考慮這種材 料的片材的兩面均平滑，則該值可以接近8%。由相同材料形成但具有高度漫反射的非常 粗糙表面的替代反射器可以顯著地使偏振隨機(jī)化，并且正交反射比率可以低得多，例如約
2 % ο再次返回圖2，其它元件(例如示例性光學(xué)薄膜260)也可包括在一個(gè)或多個(gè)光管 理膜240中。光學(xué)薄膜260可為影響光角分布的膜，例如得自3M公司的Vikuiti BEF-III 增亮薄膜。有關(guān)增亮薄膜的說明可見于如美國(guó)專利N0.5，771，328(W0rtman等人)和 No. 6，354，709 (Campbell等人)。這種增亮薄膜通常包括將偏軸光的方向改變?yōu)楦拷@ 示器軸線方向的表面結(jié)構(gòu)。其它可能的元件包括(但不限于)擴(kuò)散片、擴(kuò)散板、增益擴(kuò)散片、 轉(zhuǎn)向膜、偏振器、反射型偏振器、延遲片或半穿透反射板。在圖2中，光學(xué)薄膜260被描述為 位于鏡面局部反射器250與照明設(shè)備230之間。在一些實(shí)施例中，偏振器242和反射器250之間存在直接光學(xué)連通，使得兩者間傳 播的光基本上不受其各種物理特性(例如輻射率、傳播方向、光譜組成和偏振態(tài))的影響。 在其它實(shí)施例中，偏振器242和反射器250之間所傳播光的物理特性中的一者或多者會(huì)受 居間背光源元件的影響，而一種或多種其它特性則保持基本不受影響。當(dāng)元件之間所傳播 光的物理特性不受影響時(shí)，該元件可以被描述為(例如)“直接偏振連通”或“直接光譜連 通”。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，圓形模式反射型偏振器242和鏡面局部反射器250基本上 為直接偏振連通。液晶面板210的構(gòu)型通常部分取決于顯示器200的背光源220的構(gòu)型。在如圖2 所示的一個(gè)實(shí)施例中，液晶面板210包括具有相關(guān)電極矩陣的液晶層212、延遲片214、第一 吸收型偏振器216和第二吸收型偏振器218。在該實(shí)施例中，從圓形模式反射型偏振器242 傳播的光和液晶面板210上的入射光均為圓形偏振光。延遲片214影響光的組成偏振分量的相位，從而將其從圓形偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性偏振光。然后，這種線性偏振光入射到第一吸收 型偏振器216上，其透光軸與來自延遲片214的光的偏振軸一致。第一吸收型偏振器216 起到增大進(jìn)入液晶層212的光的偏振對(duì)比度的作用。第一吸收型偏振器216有時(shí)可以被稱 為“清理”偏振器。在另一個(gè)實(shí)施例中，液晶面板210不一定包括延遲片214。這種構(gòu)型適用于其中圓 形模式反射型偏振器242將線性偏振光傳播至液晶面板210的背光源。在其它實(shí)施例中， 液晶面板210可以不含第一吸收型偏振器216，但包括第二吸收型偏振器218，并且可任選 地在液晶層212與第二吸收型偏振器之間具有延遲片。液晶面板的其它實(shí)施例可以包括偏 振器和延遲片的其它構(gòu)型。本文所述的背光源構(gòu)形可利用偏振光有效地照明液晶面板。通常，這些構(gòu)形有效 地循環(huán)從反射型偏振器反射的光，并且在光從背光源朝液晶面板傳播過程中隨后相遇時(shí)將 這種反射光轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀环瓷湫推衿魍干涞钠駪B(tài)。下文通過描述圖4的示意性剖視圖所 示背光源420的操作方面來闡明這些思想。背光源420包括照明設(shè)備430，照明設(shè)備430包括一個(gè)或多個(gè)光源432和后反射器 434。一個(gè)或多個(gè)光管理膜440包括圓形模式反射型偏振器442和設(shè)置在圓形模式反射型偏 振器442與照明設(shè)備430之間的鏡面局部反射器450。圖4也包括指示光在背光源420中 傳播方向的箭頭。通常，該圖中箭頭的方向性僅參照光朝向(向上)或遠(yuǎn)離(向下)背光 源的輸出方向有意義，背光源的輸出方向朝圖的頂部(向上)，例如液晶面板應(yīng)處的位置。 圖中箭頭指向右側(cè)只是為了清楚起見，而不應(yīng)理解為具有限制性；實(shí)際的光線也可能朝左 傳播，以及以多種角度傳播。結(jié)合從光源432發(fā)出的示例性光460的部分的分析繼續(xù)討論背光源420的操作。 在與鏡面局部反射器450相互作用之后，光460的部分透射穿過局部反射器成為光462，并 且部分被反射成為光464。光462隨后與圓形模式反射型偏振器442相互作用。在偏振器 442處，入射光462的一部分透射離開背光源420成為右旋圓形偏振光466R，并且部分被反 射成為左旋圓形偏振光468L。(在本實(shí)例中，偏振器442對(duì)右旋圓透射和左旋圓反射的選 擇完全是任意的，并且可以反過來。)反射光468L返回鏡面局部反射器450，其中光的一部分被透射成為左旋圓形偏振 光470L，并且光的一部分被反射成為右旋圓形偏振光472R。鏡面局部反射器450產(chǎn)生的鏡 面反射可轉(zhuǎn)變反射光的偏振。這種轉(zhuǎn)變使得光472R處于可透射穿過圓形模式反射型偏振 器442的正確狀態(tài)，從而導(dǎo)致透射光474R。這樣，鏡面局部反射器450有助于形成循環(huán)腔以 用于背光源420。從鏡面局部反射器450朝下傳播的光464和470L以及從光源432朝下傳播的光 476總共表示朝后反射器434傳播的光。這個(gè)光被后反射器434反射，用光478總共表示的 反射光朝鏡面局部反射器450傳播，其中光478的至少一部分可以從背光源420中透射成 為右旋圓形偏振光。這樣，后反射器434也有助于形成循環(huán)腔以用于背光源420。反射光478的偏振受后反射器434的特性和在鏡面局部反射器450下面的任何其 它結(jié)構(gòu)的特性所影響。光478的偏振可以部分確定地取決于光464、470L和476的偏振態(tài)； 光478的偏振也可以部分被隨機(jī)化，具體取決于(例如)所進(jìn)行反射的類型以及光所穿透 透明材料的雙折射率等因素。相比之下，可高度確定地偏振由鏡面局部反射器450射出的左旋圓形偏振光468L的局部反射所產(chǎn)生的右旋圓形偏振光472R。具有圓形模式反射型偏振器和鏡面局部反射器的背光源系統(tǒng)的性能取決于多種 因素，包括鏡面局部反射器的反射性。這種反射性可以如本文所定義的由正交反射比率值 來量化。隨著正交反射比率值增大，由圓形模式反射型偏振器向鏡面局部反射器傳播的更 大比例的第二偏振光(如圖4中的468L)將以可透射的第一偏振(如472R)循環(huán)返回偏振 器。與此同時(shí)，增大的反射率會(huì)減少?gòu)恼彰髟O(shè)備(如460、478)到達(dá)偏振器(如462)的光 量?？梢詢?yōu)化正交反射比率值，以使亮度或其它用來描述背光源向液晶面板提供的光的可 測(cè)量參數(shù)最大化。本文描述了說明本發(fā)明的這一方面的研究。利用模型系統(tǒng)對(duì)采用鏡面局部反射器的背光源系統(tǒng)的性能進(jìn)行模擬。將各種組合 的背光源元件置于照明設(shè)備的頂部表面上，然后測(cè)量系統(tǒng)的性能。照明設(shè)備是由漫射性白 色特氟隆""材料的面板構(gòu)造的邊長(zhǎng)為大約13cm的立方體。利用光纖束將光引入立方體的內(nèi) 部。立方體內(nèi)部的多次反射起到使光均質(zhì)化的作用，從而形成來自立方體表面的高度均一 和均勻的輸出。首先，利用照明設(shè)備本身對(duì)其頂面進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)定過程。使用PhotoResearch PR-650分光輻射譜儀測(cè)量亮度。進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)定過程之后，將反射型偏振器置于照明設(shè)備上， 然后重復(fù)測(cè)定過程。接下來，在反射型偏振器與照明設(shè)備之間放入數(shù)量不斷增加的玻璃反 射片(顯微鏡用載波片)作為鏡面局部反射器，進(jìn)行一系列測(cè)定過程。可采用圓形模式反 射型偏振器和線性模式反射型偏振器執(zhí)行該方案。使用得自Nitto Denko(Japan)的膽甾 型液晶膜Nipocs 作為圓形模式反射型偏振器。使用得自3M公司的DBEF-E和其它類似的 DBEF變體作為線性反射型偏振器。圖9示出以下三種背光源構(gòu)形中亮度(以cd/m2為單位進(jìn)行測(cè)量，即“尼特”)隨 玻璃反射片(每個(gè)玻璃片具有兩個(gè)主表面)的數(shù)量的變化(a)具有圓形模式反射型偏振 器的背光源構(gòu)形；(b)具有線性模式反射型偏振器的背光源構(gòu)形；(c)沒有偏振器的背光源 構(gòu)形。曲線900a示出，隨著系統(tǒng)中加入玻璃片亮度隨之增大(從而正交反射比率增大)，直 到放入三塊玻璃片時(shí)亮度達(dá)到峰值，此后隨著玻璃片的增加亮度不斷降低。亮度增大的原 因是，玻璃片的鏡面反射改善了光的循環(huán)利用。據(jù)推測(cè)，玻璃片超過三片時(shí)亮度降低是由于 光從照明設(shè)備穿過玻璃片不斷增加的反射型疊堆到反射型偏振器的透射受阻。與曲線900a 所示的系統(tǒng)響應(yīng)相比之下，曲線900b所表示的線性模式反射型偏振器背光源的性能示出 鏡面局部反射器疊堆的反射率增大只會(huì)降低亮度。這是預(yù)料之中的，由于鏡面反射不會(huì)改 變光的偏振態(tài)，因而它對(duì)線性偏振光的循環(huán)利用沒有幫助。曲線900c示出了只有玻璃片的 背光源的亮度，該曲線示出，加入第一塊玻璃片時(shí)亮度有所增加。據(jù)信，這是光線離開玻璃 片底部后向上傾斜的傳播光線的掠反射所導(dǎo)致。朝照明設(shè)備往回反射的該光中的某些以更 靠近垂直的角度向上穿過疊堆循環(huán)利用，并且同軸亮度測(cè)量值對(duì)該角度敏感。雖然本發(fā)明參照?qǐng)A形偏振光和圓形模式偏振器討論了背光源的操作和性能的方 面，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，完全圓形偏振光的純偏振態(tài)通常被視為數(shù)學(xué)構(gòu)造，而 在真實(shí)系統(tǒng)中，圓形偏振光通常包括一定程度的橢圓率。此外，本發(fā)明的背光源的有益效果 可以通過涉及除純圓形偏振以外的偏振態(tài)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，因此此類系統(tǒng)通常應(yīng)被視為在本公 開范圍內(nèi)。除了與本公開可能直接抵觸的程度，本文引用的參考文獻(xiàn)及出版物明確地以引用 方式全文并入本文中。對(duì)本發(fā)明涉及的示例性實(shí)施例進(jìn)行了討論并參考了本公開范圍內(nèi)可能的變型。在不脫離本公開范圍的前提下，本公開中的這些及其它變型形式和修改形式對(duì) 于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將顯而易見，并且應(yīng)當(dāng)理解，本公開并不限于本文示出的示例性 實(shí)施例。因此，本公開僅受以下提供的權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
一種背光源，包括照明設(shè)備，其具有至少一個(gè)光源；圓形模式反射型偏振器；和鏡面局部反射器，其設(shè)置在所述照明設(shè)備與所述圓形模式反射型偏振器之間；其中所述鏡面局部反射器與所述圓形模式反射型偏振器基本上直接偏振連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述照明設(shè)備還包括光導(dǎo)，其中所述至少一個(gè) 光源被光學(xué)耦合到所述光導(dǎo)的邊緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述圓形模式反射型偏振器包括膽留型液晶層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述圓形模式反射型偏振器包括 線性模式反射型偏振器；和四分之一波長(zhǎng)延遲片，其設(shè)置在所述線性模式反射型偏振器與所述鏡面局部反射器之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括設(shè)置在基底上的層， 所述基底具有與所述鏡面局部反射器的光學(xué)功能不同的光學(xué)功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括設(shè)置在所述圓形模式 反射型偏振器上的涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括金屬化的局部反射
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括多個(gè)基本上鏡面反射 的主表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括多層光學(xué)薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的背光源，其中所述多層光學(xué)薄膜包括一個(gè)或多個(gè)聚合物層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器的正交反射比率值至少 為2%。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器的正交反射比率值至少 為4%。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器的正交反射比率值至少 為8%。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器具有為導(dǎo)致優(yōu)化背光源 亮度而選擇的正交反射比率值。
15.一種顯示器，所述顯示器具有液晶面板和背光源，所述背光源向所述液晶面板提供 光，其中所述背光源包括照明設(shè)備，其包括至少一個(gè)光源；圓形模式反射型偏振器，其設(shè)置在所述液晶面板與所述照明設(shè)備之間；和 鏡面局部反射器，其設(shè)置在所述照明設(shè)備與所述圓形模式反射型偏振器之間； 其中所述鏡面局部反射器與所述圓形模式反射型偏振器基本上直接偏振連通。
16.一種用于提供偏振光的背光源，包括 照明設(shè)備，其包括至少一個(gè)光源； 圓形模式反射型偏振器，所述圓形模式反射型偏振器被構(gòu)造成透射第一部分光并且反 射第二部分光，所述第一部分光具有第一圓形偏振，所述第二部分光具有第二圓形偏振，所 述第二圓形偏振與所述第一圓形偏振正交；和鏡面局部反射器，所述鏡面局部反射器設(shè)置在所述照明設(shè)備與所述圓形模式反射型偏 振器之間，所述鏡面局部反射器適用于接納來自所述圓形模式反射型偏振器的所述第二部 分光并將第三部分光返回所述圓形模式反射型偏振器，所述第三部分光是所述第二部分光 的一部分并且具有可被所述圓形模式反射型偏振器透射的所述第一圓形偏振。
17. 一種制備背光源的方法，包括 提供照明設(shè)備； 提供圓形模式反射型偏振器；為鏡面局部反射器選擇正交反射比率值以導(dǎo)致優(yōu)化的背光源亮度；以及 將具有所述選擇的正交反射比率值的鏡面局部反射器設(shè)置在所述照明設(shè)備與所述圓 形模式反射型偏振器之間，其中所述鏡面局部反射器與所述圓形模式反射型偏振器基本上 直接偏振連通。
全文摘要
本發(fā)明描述了在顯示器背光源(120、220、420)中，將鏡面局部反射器(250、450)設(shè)置在圓形模式反射型偏振器(242、442)與照明設(shè)備(230、430)之間。鏡面局部反射器(450)循環(huán)利用從圓形模式反射型偏振器(442)反射出的本來不使用的偏振光(468L)，從而優(yōu)化背光源的亮度。背光源(120)主要應(yīng)用于液晶顯示器(100)中。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK101910919SQ200880123090
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者菲利普·E·沃森, 馬克·B·奧尼爾 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司