專利名稱：一種用于準(zhǔn)直光線的發(fā)散角旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種尤其適宜于與液晶顯示裝置一起使用的前照明和背照明系統(tǒng)。特別是本發(fā)明涉及一種具有延伸微棱鏡結(jié)構(gòu)的薄膜和/或光管，這種結(jié)構(gòu)能夠在二維空間中將光束可控的準(zhǔn)直用作高效的前光或背光。
液晶顯示(LCDs)通常運用在便攜式計算機系統(tǒng)、電視、移動電話和其它的電子顯示設(shè)備當(dāng)中。因為LCDs主要在良好的光線環(huán)境下觀看，所以，高品質(zhì)的LCD裝置為了充分的視野亮度需要大的光輸出。因此，這些高品質(zhì)的LCDs為了充分的亮度需要一個光源，背光系統(tǒng)就是一種最常用的光源。
背照明LCD裝置的構(gòu)造通常包括兩個薄板。一個是LCD裝置本身。另一個，即背光裝置，是一個構(gòu)造成將光線導(dǎo)出其頂板的表面，進(jìn)入并穿過LCD裝置的光管。在透射中無能量損耗的導(dǎo)出背光板表面的光線越多，背光的效率越高。特別是，希望背光裝置輸出的準(zhǔn)直光束均勻地透過LCD裝置。
為了說明光束的準(zhǔn)直情況，將光束看作是從三維直角坐標(biāo)系中，也就是處于x-y-z空間中直角坐標(biāo)的原點發(fā)出。但是，為方便起見，在下面關(guān)于光束旋轉(zhuǎn)的發(fā)散和角度的討論中，將在相對于x-y-z空間能夠看見的角度空間討論和描述準(zhǔn)直。以下使用的角度空間，在兩軸的曲線上描述光束，豎直軸上的為θ，水平軸上的為φ，θ是光束投射到x-y平面上的角度，φ是同樣的光束投射到y(tǒng)-z平面上的角度。因此，在直角坐標(biāo)系中描繪的一個光束在角度空間可被描繪成一個點。如下所示，當(dāng)光束不平行于x-y平面時，有發(fā)散角θ，當(dāng)光束不正交(垂直)于y-z平面時，有發(fā)散角φ。
描述發(fā)散光束的另一種方法是說當(dāng)光束從一個公共點移開時光束發(fā)散。因此，實際上發(fā)散的非準(zhǔn)直光束將形成一個寬喇叭口的錐形，它的錐尖點處于一個點光源上(任何光源可被認(rèn)做點光源的會聚)。當(dāng)錐形發(fā)散的非準(zhǔn)直光被一維準(zhǔn)直時，光線被再次導(dǎo)向，以形成一個從點狀光源出發(fā)的扇，但仍然具有與原始的寬喇叭口錐形相同的立體角。當(dāng)一維準(zhǔn)直理想時，二維準(zhǔn)直更理想。二維準(zhǔn)直將把寬延的扇形變成一個錐形，但具有一個基本上減小的立體角。因此，二維準(zhǔn)直光束將使三維的發(fā)散光束更平行。
在1994年10月25日和1995年2月14日公布的美國專利US5,359,691和US5,390,276中分別描述了的平面準(zhǔn)直器，其中Tai作為發(fā)明的發(fā)明人提出了有效的背照明，上述專利在此結(jié)合作為本發(fā)明的參考。背光由一個沿光管的光入口端延伸的線光源構(gòu)成，投射到光管中的光線被微棱鏡準(zhǔn)直成一維。一個反饋機構(gòu)在二維上準(zhǔn)直光束。發(fā)散的角度因此被減小，輸出光線實質(zhì)上被準(zhǔn)直。
當(dāng)背光提供充足的光對LCD裝置照明時，線性光源有時可能占用比所希望的更多的空間。因此，人們希望有一種由點狀光源構(gòu)成的前光或背光。
1996年4月9日授予Tai等人的美國專利US5,506,929公布的擴束技術(shù)提供了一種使用點狀光源如發(fā)光二極管和白熾燈對顯示器照明的方法，該專利在此引用作為參考。擴束器用于代替線光源，以大致類似于線性光源的方式分布點狀光源的光。
另外，當(dāng)無論從點狀光源還是線性光源發(fā)出的透射光被擴束器導(dǎo)入以微棱鏡為基底的平面準(zhǔn)直器中時，光線被有效的作一維準(zhǔn)直。為了補償，擴束器通過反饋機構(gòu)提供二維準(zhǔn)直。但反饋機構(gòu)易造成能量損耗。
1995年5月7日授予Beeson等人的美國專利US5,396,350公布的二維準(zhǔn)直光線的背光裝置現(xiàn)有技術(shù)依賴于光的多次循環(huán)。三維結(jié)構(gòu)包括多個微透鏡，每個微透鏡的頂上有一個小孔在光管的上表面。當(dāng)光穿過小孔被準(zhǔn)直時，只有光管中光束的一部分入射到小孔上。射到光管中其它面上的光束被無效地反射并再循環(huán)?，F(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中循環(huán)光因沒有非常光滑的表面而造成散射，從而遭受能量損耗。尤其是因散射到材料中而造成的損耗，即所謂的模糊不可避免。另外，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)具有三維機構(gòu)，復(fù)雜且難于制造。
以下將對本發(fā)明的用于光束的發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器作更為詳細(xì)的描述。為了實現(xiàn)對透出光管進(jìn)入LCD裝置的光線作預(yù)計的二維準(zhǔn)直，通過本發(fā)明的發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器把傳播并入射到光管表面上的光的發(fā)散角準(zhǔn)直成二維。
發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器包括微棱鏡排，微棱鏡排在光主傳播方向上的棱鏡軸反射側(cè)光。當(dāng)把發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器結(jié)合到前照明或背照明系統(tǒng)中，而系統(tǒng)利用微棱鏡和/或薄膜將光束準(zhǔn)直成一維并反射出光管進(jìn)入例如LCD時，發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器把光束準(zhǔn)直成二維。因此，利用發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器來二維準(zhǔn)直光束的光學(xué)組件包括一個或多個前照明或背照明光管，以及至少一個具有延長的微棱鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)部件，利用大致在光的主傳播方向上的棱鏡軸旋轉(zhuǎn)其發(fā)散角。
組件還包括一個基本上為直角背照明的光管，光束從一側(cè)或多側(cè)導(dǎo)入其中，并從光管的一端移向相反端，還包括由緊挨著微棱鏡構(gòu)成的作為光管下表面的第二結(jié)構(gòu)。微棱鏡的第二結(jié)構(gòu)在光管內(nèi)通過內(nèi)全反射把光向上反射并使其穿過頂表面。組件還包括一個帶有微棱鏡的膜，調(diào)節(jié)修改輸出光的角分布輪廓。
把發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器用作擴束器和/或光管本身的一部分，向高效能的前照明或背照明系統(tǒng)提供可控的二維準(zhǔn)直輸出光。具有延伸的棱鏡結(jié)構(gòu)的薄膜還改變前照明或背照明系統(tǒng)的輸出光的傳播方向。
以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。


圖1是采用一個連帶著光管的微棱鏡的擴束組件透視圖，其中還描繪了一個x,y,z坐標(biāo)系；圖2是從x-z平面截取的光束發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器的截面圖；圖3A是從水平面反射的光束的透視圖；圖3B是從垂直面反射的光束的透視圖；圖4是角空間內(nèi)入射光和反射光示意圖；圖5A是光入射面的角空間坐標(biāo)系中小發(fā)散角的光束在z方向進(jìn)入光管的分布圖；圖5B是在發(fā)散角旋轉(zhuǎn)棱鏡的角空間坐標(biāo)系中圖5A中的入射和反射光的分布圖；圖6A是在棱鏡的角空間坐標(biāo)系中圖5B中的光束入射到棱鏡其中一個側(cè)面上的分布圖；圖6B是在發(fā)散角旋轉(zhuǎn)棱鏡的角空間坐標(biāo)系中圖6A中的反射光分布圖；圖7A是在90°棱鏡的發(fā)散角旋轉(zhuǎn)棱鏡的角空間坐標(biāo)系中20°發(fā)散角的入射光和反射光在z方向進(jìn)入光管的分布圖；圖7B是在120°棱鏡的發(fā)散角旋轉(zhuǎn)棱鏡的角空間坐標(biāo)系中圖7A的反射光的分布圖；圖8是具有彎曲面的發(fā)散角旋轉(zhuǎn)微棱鏡；圖9A是微棱鏡在兩側(cè)的光束發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器從x-z平面截取的截面圖；圖9B是發(fā)散角旋轉(zhuǎn)棱鏡在下表面的光束發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器從x-z平面截取的截面圖；圖10是利用微棱鏡反射光的光導(dǎo)引或光準(zhǔn)直組件的截面圖；圖11是在其上表面具有發(fā)散角旋轉(zhuǎn)微棱鏡排的擴束光管截面圖；圖12是采用線性光源的擴束組件截面圖；圖13是使用其表面帶有微棱鏡的轉(zhuǎn)換膜的截面圖；圖14A是使用基于把光束彎向正交方向的膜的內(nèi)全反射的透視圖；圖14B是使用基于把光束彎向正交方向并增加光束發(fā)散角的膜的內(nèi)全反射透視圖，其中，膜具有彎曲表面的微棱鏡。
圖15是極薄的背照明系統(tǒng)透視圖，其中，系統(tǒng)采用一個在其表面有微棱鏡的偏振器，對來自薄光管的光束進(jìn)行彎曲、擴束和起偏。
圖16是一個照明系統(tǒng)的透視圖，照明系統(tǒng)帶有與照明光管連為一體的擴束器。
圖17是具有前照明系統(tǒng)的發(fā)散旋轉(zhuǎn)器的使用透視圖18是使用隨機分布的微棱鏡轉(zhuǎn)動光束發(fā)散角的透視圖。
現(xiàn)在來看附圖，在整個各個附圖中相同的部件采用相同的標(biāo)號。圖1展示了一種使用兩個發(fā)光二極管(LED)2和4作為光源的背照明組件系統(tǒng)。從LEDs發(fā)出的光首先被擴束器6擴展成一個線狀光源，擴束器是位于表面10上的采用微棱鏡8的窄長光管。然后，光在背照明光管30的方向上反射出擴束器6。
根據(jù)本發(fā)明，圖中所示與擴束器6為一整體但也可以是分離單元的結(jié)構(gòu)12和14導(dǎo)引并準(zhǔn)直入射到擴束器中的光束。結(jié)構(gòu)12和14在它們各自的表面20和22上有延伸的微棱鏡結(jié)構(gòu)16和18以旋轉(zhuǎn)光束的發(fā)散角，使得輸出光被準(zhǔn)直成二維。延伸的微棱鏡結(jié)構(gòu)16和18的軸大致在LEDs2和4發(fā)出的光的主傳播方向上。通過在擴束器6中準(zhǔn)直光束，可使從擴束器中輸出的光得到更好的準(zhǔn)直。
從擴束器6輸出的光入射到背照明光管30中被進(jìn)一步擴展成一個面光源以顯示背照明。在其表面具有微棱鏡結(jié)構(gòu)28的膜24放置在擴束器6的前方以彎折擴束器的輸出光。背照明光管30在其下表面34上設(shè)置微棱鏡32，通過內(nèi)全反射將光束反射出光管。微棱鏡44位于其表面40上的膜42用于把光束折向例如LCD。散射器46用于擴展輸出光的發(fā)散角并提供更好地均勻性。
下面來看圖2，截面圖描繪了結(jié)構(gòu)12和可被反射器3環(huán)繞的光源2。結(jié)構(gòu)12包括一個準(zhǔn)直棱鏡48。棱鏡48有一對相對的側(cè)面50和52以及相對端54和56。進(jìn)入棱鏡的光束有一個由制作棱鏡的材料的折射率決定的最大發(fā)散角(如果棱鏡由折射率為1.49的丙烯酸制作，則最大發(fā)散角為42°)。
表2-2
角度值e變?yōu)?θ(見圖3A)。另一方面，圖3B的旋轉(zhuǎn)光束在圖4中由P’(0)或θ、-φ表示。也就是當(dāng)反射面m固定在旋轉(zhuǎn)位置m’時，反射光束
的坐標(biāo)位置P’(ω)可通過使點P’(0)繞原點順時針轉(zhuǎn)動2ω角度而確立。P’旋轉(zhuǎn)中使用參數(shù)2的原因在于當(dāng)反射面改變ω角度時反射光束改變2ω角度。因此，如果平面m變化的角度ω=90。，則反射光的坐標(biāo)將旋轉(zhuǎn)180。并到達(dá)圖中的P’(90°)點，反射光束將具有(θ,-φ)角。這種預(yù)測范圍與圖3B所示的結(jié)果一致。
應(yīng)注意到沿平行于x軸的軸旋轉(zhuǎn)平面m將僅致使光束的發(fā)散角相對于x軸旋轉(zhuǎn)。表示成從點P或P’到原點距離的發(fā)散角的值是常數(shù)，這是因為平面m圍繞平行于x軸的軸a旋轉(zhuǎn)。因此，發(fā)散角的值定義為光束與x軸的夾角，如圖3A和圖3B所示。發(fā)散角γ為一常數(shù)，則反射光就處在以γ為半徑的圓的圓周上，如圖4中的角空間所示。
現(xiàn)在讓我們來討論穿過光準(zhǔn)直組件12傳播的光(見圖2)。首先來看經(jīng)過與x-z平面成16。角的表面54進(jìn)入光準(zhǔn)直組件12的隨機光。記得這些光束與入射面的法向所具有的最大的發(fā)散角為42°。處于特定角度的光束的強度分布可以用包含陰影區(qū)域的分布曲線表示，如圖5-7所示。在圖2所示的坐標(biāo)系(x’,y’,z’)中從光入射面54出射的光束的發(fā)散角可以用圖5A所示的(θ,φ)空間中42°半徑的圓盤表示。應(yīng)注意到在z’方向以大發(fā)散角(大θ值)入射到光管中的光束在y方向上可以只有一個很小的發(fā)散角(φ值)，反之依然。
為了證明延伸的微棱鏡12在發(fā)散角旋轉(zhuǎn)和準(zhǔn)直處理方面的作用，首先來看圖2中光束64在垂直于x’-z’平面中的入射面?zhèn)鞑ゲ⑷肷涞近cP1上的情況。這些光束的θ值接近于0，φ值從-42°到+42°分布。(這里我們首先討論大φ值和小θ值，例如光束64的情況，而下面我們將討論小φ值和大θ值例如光束66的情況，)。這些光束的角強度分布如圖5中(θ,φ)空間的陰影區(qū)所示。
為了討論通過微棱鏡48的光束反射，我們需要把延伸的微棱鏡12的光分布從(x’,y’,z’)65變換到(x”,y”,z”)67坐標(biāo)系。隨著x軸從(x’,y’,z’)65坐標(biāo)系到(x”,y”,z”)67坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)6°角，入射光的角分布在(θ,φ)空間向上移動6°，如圖5B所示。
為方便起見，仍參見圖2來討論棱鏡角為90°，或兩側(cè)面60和62分別為ω=45°和-45°的延伸的微棱鏡12。φ’≥-6°的光束入射到延伸的微棱鏡表面60，該表面相對于x”-y”平面具有正的γ值。其結(jié)果是如圖6A所示，對于表面60(與表面62相對)，照射到表面60上的入射光將具有φ’從-6°到42°的強度分布，且θ’≌6°。由表面60反射的光束將具有θ’從-6°到42°的強度分布，且φ’≌6°。
仍然參見圖6B,φ’＞0的表示成以虛線為邊界的區(qū)域的光束向棱鏡的反面62傳播并將向下反射，成為具有θ’≌6°并且φ’從0°向-6°擴展的角強度分布。這里應(yīng)該注意到圖5和圖6中的(θ,φ)簡圖只表示光強度分布的角范圍。因為負(fù)φ’值的光束照射到表面60上的概率(或橫截面)比照射到表面62上的可能性小得多，所以在θ’從-6°到42°且φ’≌6°范圍內(nèi)分布的光的強度相對較弱。
負(fù)φ角的光束照射到表面60上的概率很小，這是因為表面60向離開光束的方向傾斜，而表面62向膜傾斜。類似地，具有φ’的光也能照射到表面62并因而照射表面60的概率減小，強度也減小。當(dāng)微棱鏡的側(cè)面與x”-y”平面夾45°角時，|φ’/θ’|≤tan45°=1的光束有入射到棱鏡60和62兩表面的機會，但概率不等。|φ’/θ’|≥tan45°的光束只能照射到一側(cè)。
當(dāng)表面62和表面60對稱時，二者對光束的反射相似，但隨著φ的符號而變換。因此，先被表面62反射的光束最終將具有θ’為0°到42°；φ’≌-6°和θ’≌6°；φ’從0°到-6°的分布。
再參見圖2，讓我們來討論在實驗室坐標(biāo)系(x,y,z)中的發(fā)散角。對于x-y-z坐標(biāo)系，反射光束將具有縮小10°的θ值(此時的范圍為-10°～+32°和4°)，φ值不改變(≌±6°，以及-6°到6°)。負(fù)θ值的反射光束將向下朝著準(zhǔn)直棱鏡的第二側(cè)面?zhèn)鞑?。因為在表?4上沒有微棱鏡結(jié)構(gòu)，所以從該表面反射的光束將只有縮小了兩倍表面傾角或14°的發(fā)散角，并因此準(zhǔn)直到φ=φ’(0°～≌±6°),θ=-10°～18°。
討論了最初具有大φ值的光束準(zhǔn)直之后，我們現(xiàn)在開始討論相對于x-z平面最初具有大發(fā)散角的光束，即具有大θ值的光束。大θ值的光束如66將照射到P2，準(zhǔn)直組件的截面接近光源。因為這些光束已具有小φ值，所以沒有旋轉(zhuǎn)其發(fā)散角的必要。接近光入射面54的表面區(qū)域因此可具有光滑的表面，或可由小棱鏡角的微棱鏡組成。照射到接近側(cè)壁的光入射面的區(qū)域上的光束將具有減小的發(fā)散角θ，減小的角度為側(cè)表面與x軸夾角的兩倍。反射光將向準(zhǔn)直棱鏡的其它側(cè)面?zhèn)鞑?，進(jìn)一步減小相對于x-y平面的發(fā)散角并最終以二維小發(fā)散角從準(zhǔn)直棱鏡射出。
現(xiàn)在我們討論以φ和θ在量上近似的發(fā)散角入射準(zhǔn)直棱鏡的光束。作為例子，我們假設(shè)光束68在P3處以θ=20°入射發(fā)散旋轉(zhuǎn)棱鏡。參見圖7A,φ＞0°的邊界區(qū)域表示入射到微棱鏡表面60的光束的角強度分布。另一方面，圖7A中的陰影區(qū)域表示由90°角的微棱鏡反射的光的角強度分布。圖7B表示由120°角的微棱鏡(每側(cè)與側(cè)面62夾30°角)反射的光分布。對于90°角的棱鏡，反射束的φ’值大體上為20°，而120°的棱鏡將導(dǎo)致φ’從0°到23°的連續(xù)分布，大部分光以非常小的φ’值分布。用120°的棱鏡旋轉(zhuǎn)光束可得到平均減小的發(fā)散角φ’。
因為在x’-z’平面具有大發(fā)散角的光束在x’-y’平面有小的發(fā)散角，所以微棱鏡的側(cè)面可以有一個曲面，以比具有平面?zhèn)让娴奈⒗忡R更有效地減小發(fā)散角φ。這種結(jié)構(gòu)特別適合發(fā)散角二維連續(xù)分布的光束。在x-y平面具有大發(fā)散角的光束(相對于x-z平面為小發(fā)散角)將只照射微棱鏡下部，并且將在(θ,φ)空間旋轉(zhuǎn)一個大的角度，使它們的角度在兩個方向?qū)嵸|(zhì)上互換。具有大θ角的光束將也具有小φ值。這些光束入射到微棱鏡上接近頂部的區(qū)域的概率較大，其中頂部的坡度較小。這些光束在(θ,φ)空間將旋轉(zhuǎn)一個小的角度，并因此將產(chǎn)生較小的發(fā)散角φ。
圖8表示第二個實施例，微棱鏡角度72隨坐標(biāo)x并相對表面50和/或52變化。該結(jié)構(gòu)是有效的，因為只有大θ角的光束才能照射到緊鄰光入射端設(shè)置的延伸的微棱鏡結(jié)構(gòu)74上。注意到延伸的微棱鏡結(jié)構(gòu)74的單個微棱鏡有一個彎曲的橫截面。本發(fā)明構(gòu)思了關(guān)于延伸的微棱鏡的各種適當(dāng)?shù)那驶蚪嵌刃螤罨蛩鼈兊慕Y(jié)合。
圖9A示出了光準(zhǔn)直組件的另一個實施例。在此實施例中，表面52和54都具有延伸的微棱鏡結(jié)構(gòu)以準(zhǔn)直和旋轉(zhuǎn)光束。在此實施例中，兩維中的發(fā)散角更加均勻地混合并因此提供更佳的二維準(zhǔn)直均勻性。圖9B示出了第四實施例，發(fā)散角旋轉(zhuǎn)的延伸微棱鏡結(jié)構(gòu)16只處于下表面52上。對于此實施例，x-z平面中的發(fā)散角在旋轉(zhuǎn)之前首先減小。
描述了光源2發(fā)出的光由光導(dǎo)引組件12導(dǎo)引的方法之后，我們把注意力轉(zhuǎn)向擴束光管6與微棱鏡結(jié)構(gòu)8共同作用于輸入光以提供輸出光的方法。為了演示光束反射出擴束器6的機理，我們首先考慮光線只從一端進(jìn)入光管的情況，如圖10所示，圖中給出了擴束器6在x-z平面的橫截面。假設(shè)在x-y平面光進(jìn)入背照明光管的最大發(fā)散角為±18°，如圖10所示。
在圖10所示的特定實施例中，每個棱鏡的側(cè)面44和46與x-y平面夾30°的角。應(yīng)該理解本發(fā)明不局限于這些特定的物理參數(shù)，而是可以結(jié)合任意適當(dāng)?shù)慕嵌然蚯?。材料以及微棱鏡表面與光管上表面的夾角都可以有不同的值。反射微棱鏡也可以有曲面以聚焦輸出光。
仍然看圖10，特別注意到偏離x-y平面18°的入射光80將照射到棱鏡的表面，被彎折60°，然后再在偏離正交方向84一個+12°角的方向82上傳播。幾乎平行于x軸傳播的光束90將被彎折60°并再在偏離表面24的正交方向84一個+30°角的方向88上傳播。初始偏離x軸-18°的光束92將照射到側(cè)面24的下側(cè)并再向-x方向傳播，由此被微棱鏡的一個表面以類似于光束82的方式反射，之后，在與正交方向成+12°角的方向上傳播。此過程對所有的光束發(fā)生，與x軸形成負(fù)角度。其結(jié)果是經(jīng)過上表面24射出擴束光管的光束在x-z平面將被準(zhǔn)直成其原始發(fā)散角的一半，即光進(jìn)入光管10時的角度的一半。
因為來自光準(zhǔn)直部分的光束的最大發(fā)散角小于或等于相對于微棱鏡表面的折射臨界角，所以沒有光線能夠從不正當(dāng)?shù)囊粋?cè)逸出光管。利用這種結(jié)構(gòu)，從光管輸出的光束的發(fā)散角由斯涅耳折射定律決定將在光管內(nèi)從+12°變到30°，在空氣中從18°變到48°。利用位于光管相對端的兩光源2和4，在空氣中輸出的光將偏離正交而從+18°到+48°以及從-18°到-48°傳播。
雖然擴束器6被分成一個準(zhǔn)直組件和擴束光管，但兩單元可以是一個整件。另外，發(fā)散角旋轉(zhuǎn)的延伸的微棱鏡結(jié)構(gòu)16可以擴展到擴束器光管部分內(nèi)。如圖11所示，整個上表面由發(fā)散角旋轉(zhuǎn)的延伸微棱鏡結(jié)構(gòu)16覆蓋的光管還提供改進(jìn)的均勻性，這是因為光束的方向連續(xù)變化。
應(yīng)注意到基于鏡面反射的背照明系統(tǒng)的公開例如平面準(zhǔn)直器技術(shù)涉及非均勻的圖象。光管中的微棱鏡象反射鏡一樣反射光束?？梢杂^察到側(cè)壁以及光管邊緣的圖象，并且通常需要較強的散射來覆蓋圖象。強散射降低輸出亮度。在本發(fā)明中，位于擴束器右側(cè)的微棱鏡通過旋轉(zhuǎn)發(fā)散角反射側(cè)路光束來破壞圖象。此擴束器因此將具有改進(jìn)的均勻性并需要較少的散射，保持了準(zhǔn)直，這是因為發(fā)散角旋轉(zhuǎn)過程不影響總偏轉(zhuǎn)角的值。最終的背照明系統(tǒng)因此將隨著散射的降低或小散射強度的散射器的使用而擁有均勻的高亮度。本實施例優(yōu)選帶曲面的微棱鏡，曲面與上表面有較小的夾角。對于由位于下表面的微棱鏡反射出的光束，位于上表面的棱鏡趨于將其聚焦到正交方向，正如微棱鏡一樣。
示于圖12的本發(fā)明實施例使用線光源，如冷陰極熒光燈92。在這種情況中，擴束器6的寬度大約與顯示器有源區(qū)的寬度相等。在此實施例中，擴束器將線光源擴展成一個面光源。如圖12所示，鏡面反射器100把燈92包圍，把光束準(zhǔn)直成一維，使其具有小θ值。在上表面制作發(fā)散角旋轉(zhuǎn)的延伸的微棱鏡結(jié)構(gòu)16以旋轉(zhuǎn)光束，使得輸出光被二維準(zhǔn)直。位于下表面的微棱鏡94用于對光進(jìn)行反射。光管與熒光燈相對的面涂覆一層反射膜102，以將光束反射回微棱鏡。帶有反射膜102的面可以制成向下表面傾斜，使得實質(zhì)上所有的光都被微棱鏡反射出去。
討論了擴束器6的作用之后，我們現(xiàn)在討論帶微棱鏡的膜的使用，其中微棱鏡把光束彎向由正交軸104表示的正交方向。如上所述，從擴束器6輸出的光偏離正交方向傳播，從+18°到+48°以及從-18°到-48°，如光束106和108所示。需要用膜把兩光束的傳播方向轉(zhuǎn)到正交方向。如圖13所示，用棱鏡角為80°的棱鏡膜24把從光源2和4發(fā)出的輸出光向前彎折，即進(jìn)入光管30。
在也由丙烯酸制作的膜中偏轉(zhuǎn)角為12°的光線130將向正交方向124彎折28.5°，并在光線132的方向上傳播，光線132與光線124的方向相差-16.5°。偏轉(zhuǎn)角為30°的光線134將被彎折-10.6°并在光線136的方向上傳播，而光線136偏離正交方向12419.4°。類似的，偏轉(zhuǎn)角為-12°至-30°的光線將照射到膜24的表面74，并將具有在+16.5°和-19.4°之間變化的偏轉(zhuǎn)角。來自分別位于光管相對端的兩光源2和4的光束在此被合并成一個光束，從-19.4°向+19.4°傳播。合并的輸出光的角分布與大多數(shù)LCDs在x-z平面的觀察角非常匹配，并適宜于普通的便攜式顯示裝置使用。
為了適應(yīng)窄發(fā)散角且高亮度輸出的需要，可使用小角度如70°的棱鏡膜把兩個光束彎向正交方向。類似地，用大角度如90°的棱鏡膜可以實現(xiàn)寬一點兒的視角。要想得到非常寬的視角，如±40°，則可以使用具有大角度，如100°棱鏡角的棱鏡膜。從該膜輸出的光束仍由兩強度峰值相隔大約40°的光束組成。然后可以用諸如全息散射器的散射器擴展兩光束的發(fā)散角，使兩光束重疊達(dá)到大約±40°的發(fā)散角。
實現(xiàn)寬視角的另一個實施例是使用彎曲表面的棱鏡膜。對于上述特殊光管，具有棱鏡的棱鏡膜將給出發(fā)散角為40°的輸出光，所述棱鏡兩側(cè)面的曲率在35°到65°變化。具有高亮度輸出和寬發(fā)散角的背照明系統(tǒng)適合于視頻的應(yīng)用。
現(xiàn)在我們再把注意力轉(zhuǎn)向光管30的發(fā)光。如同擴束器6一樣，光管30具有位于其下表面的微棱鏡，其把光束反射出光管，使之進(jìn)入譬如是LCD。在發(fā)光光管上的微棱鏡的軸垂直于光傳播的主方向。在此特例中，位于下表面的微棱鏡與下表面成30°的角。微棱鏡還有一個彎曲的表面對輸出光聚焦。和擴束器光管一樣，在y方向輸出光的發(fā)散角在空氣中為18°到48°。與上述膜類似但寬度較寬的微棱鏡的棱鏡角為80°的膜可以用于把傳播方向彎向正交方向。
對于圖11和12所示的實施例，只可以使用一個燈泡。因為光線只從一端進(jìn)入光管，所以可以使用如圖14A所示的全內(nèi)反射膜把光線折向觀察者。在膜面向光管的一側(cè)，微棱鏡表面142具有90°的傾角。微棱鏡144的另一個表面具有61°的傾角。發(fā)散角為48°的光束從側(cè)面142進(jìn)入膜并被側(cè)表面144內(nèi)全反射。該光束將從表面140以偏離膜的法向-8°的角度離開膜。類似地，發(fā)散角為18°的光束146將也被該膜全反射并以偏離法向6°的角度離開膜。散射器86用于擴展輸出光的發(fā)散角以與顯示器的觀察角度匹配。圖14B表示一個具有彎曲的側(cè)面152的類似膜。該膜將彎折并擴展光束。
對于便攜式顯示器來說，具有最小的重量和厚度將是非常理想的。圖15顯示了LCD的背照明系統(tǒng)薄于燈泡直徑的光管的應(yīng)用。面對CCFL燈的光管的光入射面被一個高反射率(≌95％)的涂銀薄膜包裹。燈92和反射膜100形成一個燈箱，通過反饋機構(gòu)實現(xiàn)光向光管30中的高效耦合。從燈泡中發(fā)出但并不導(dǎo)向光管的光可以被反射膜反射，并重新取向。存在反射光射向光管以進(jìn)行有效顯示照明的可能性。重復(fù)該過程并實現(xiàn)光向光管中的有效耦合。
進(jìn)入光管中的光主要在x-z平面準(zhǔn)直。光管在其上表面有一個發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器的延伸微棱鏡結(jié)構(gòu)16，在其下表面有光準(zhǔn)直和反射微棱鏡154。為了進(jìn)一步減輕重量和厚度，在偏振器膜156上制作一個光束轉(zhuǎn)向和擴展微棱鏡，其中該偏振膜可以層疊在液晶板上。本實施例因此提供了一個極薄的背照明系統(tǒng)，因為該被照明系統(tǒng)不需要單獨的膜。利用偏振器和光束彎折一擴展膜對輸出光起偏，并使光束具有一個與顯示器的觀察角匹配的發(fā)散角?？梢酝ㄟ^紫外線固化丙烯酸酯技術(shù)利用透明熔結(jié)在偏轉(zhuǎn)膜上制作微棱鏡。
本發(fā)明的另一個實施例示于圖16。在本實施例中，擴束器6層疊到光管30上。就單個器件的制造而言，本背照明單元適宜于批量生產(chǎn)并易于安裝。但把光轉(zhuǎn)向膜放置在擴束器6和光管30之間卻很困難，因此省去。進(jìn)入光管30的光束將有一個大的發(fā)散角φ。發(fā)光光管中的輸出因此將有四束光以大角度φ和θ組成。因為光轉(zhuǎn)向膜只能彎折和合并一維光的傳播方向，所以背照明系統(tǒng)的輸出將由兩側(cè)路傳輸光組成。該輸出光的輪廓基本上不適合大部分的顯示照明應(yīng)用。
在φ方向彎轉(zhuǎn)光束可以通過在光管30上表面上的延伸微棱鏡結(jié)構(gòu)16來實現(xiàn)。如上所述，當(dāng)光束照射到位于光管上表面的微棱鏡上時光管中的光束發(fā)散角將旋轉(zhuǎn)。通過混合φ和θ值，輸出光將有連續(xù)分布的φ值，并且只需要一個膜把輸出光束彎向正交方向。
圖17示出了使用擴束器的前照明組件的實施例。光束通過微棱鏡反射出光管。光補償器162用于刪除或最小化象散。
在上述所有的實施例中，發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器實質(zhì)上由排成一排的同一微棱鏡組成。但如圖所示，微棱鏡的其它結(jié)構(gòu)如隨機排列的直槽結(jié)構(gòu)或微棱鏡164也可用于旋轉(zhuǎn)發(fā)散角。對于隨機分布的不同長度的微棱鏡，輸出光的均勻性將增強。這種配置取消了對使用附加的發(fā)散器的需求并將取得更薄和更簡單的背照明系統(tǒng)。
在光管的上表面還可以制作其它的微結(jié)構(gòu)，如槽的次微直槽或如全息圖般制作的微棱鏡以旋轉(zhuǎn)光管中光束的發(fā)散角。一個全息圖通常與稱作參考光的第二光束一起記錄從物體上反射的激光。一維散射器的全息圖是由激光束的干涉而精確形成的最小行結(jié)構(gòu)。發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器的作用依賴于每個微棱鏡的軸，而該軸與光束的主傳播方向大致平行。
權(quán)利要求
1.一種光束發(fā)散角旋轉(zhuǎn)組件，包括(a)一個棱鏡，棱鏡具有確定棱鏡厚度的相對的上下表面，確定棱鏡寬度的相對側(cè)面，以及確定棱鏡長度的相對端；(b)將光束按預(yù)定的方式導(dǎo)入上述棱鏡、使光束具有一個主傳播方向的裝置，和(c)至少在上述相對表面中一個上的結(jié)構(gòu)，其包括相鄰的微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)在上述棱鏡中的光束的主傳播方向上以排的形式延伸。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，微結(jié)構(gòu)均勻分布。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，微結(jié)構(gòu)隨機分布。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，微結(jié)構(gòu)是微棱鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，微結(jié)構(gòu)是微槽。
6.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，微結(jié)構(gòu)是相同的微棱鏡，每個微棱鏡的頂點從矩形的基底向上延伸，使得能夠把每個頂點確定為仰角的光束反射表面片斷。
7.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，微結(jié)構(gòu)是一種全息圖元件。
8.如權(quán)利要求4所述的組件，其特征在于，微棱鏡有彎曲表面。
9.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，上述導(dǎo)引光束的裝置是一種包裹光源的反射膜。
10.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，上述導(dǎo)引光束的裝置是一種具有直徑的光源，上述發(fā)散角旋轉(zhuǎn)組件比上述光源的直徑薄。
11.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，上述棱鏡有一個向棱鏡的上述表面之一傾斜的光入射面。
12.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，上述棱鏡的上下表面離開對方向外逐漸變細(xì)。
13.一種擴束組件，用于把點光源的光束擴展成具有主傳播方向的線光源或把線光源擴展成具有主傳播方向的面光源，其包括(a)一個光管，光管具有確定光管厚度的相對的上下表面，確定光管寬度的相對側(cè)面，以及確定光管長度的相對端；(b)一個將光束導(dǎo)入上述光管中的光源，上述光具有一個主傳播方向，和(c)在上表面上近似地沿上述光束的主傳播方向延伸的微棱鏡，微棱鏡構(gòu)造成以預(yù)定的方式旋轉(zhuǎn)光束的發(fā)散角。
14.如權(quán)利要求13所述的組件，其特征在于，上述下表面包括將光束導(dǎo)出上述上表面的微棱鏡。
15.如權(quán)利要求13所述的組件，其特征在于，上述上表面有一個法向，一膜處于上述上表面，它將光束從光管中導(dǎo)出，向垂直于上述上表面的方向傳播。
16.如權(quán)利要求15所述的組件，其特征在于，上述膜在其表面上有微棱鏡。
17.如權(quán)利要求16所述的組件，其特征在于，上述膜表面上的微棱鏡產(chǎn)生由內(nèi)全反射輸出的光。
18.如權(quán)利要求15所述的組件，其特征在于，上述膜偏振光束。
19.如權(quán)利要求13所述的組件，其特征在于，上述光源有直徑，所述光管比上述光源的直徑薄。
20.如權(quán)利要求13所述的組件，其特征在于，上述光源有直徑，所述光管比上述光源的直徑的一半薄。
21.如權(quán)利要求13所述的組件，還包括一個發(fā)光光管。
22.如權(quán)利要求21所述的組件，其特征在于，上述擴束組件和上述發(fā)光光管作為一個整體單元。
23.如權(quán)利要求21所述的組件，其特征在于，上述發(fā)光光管是背照明光管。
24.如權(quán)利要求21所述的組件，其特征在于，上述發(fā)光光管是前照明光管。
25.如權(quán)利要求21所述的組件，其特征在于，上述發(fā)光光管是楔形。
26.如權(quán)利要求21所述的組件，其特征在于，還包括一個第二發(fā)光光管。
27.如權(quán)利要求21所述的組件，其特征在于，上述發(fā)光光管具有確定光管厚度的相對的上下表面，確定光管寬度的相對側(cè)面，以及確定光管長度的相對端，所述發(fā)光光管有一個縱軸，其特征還在于，發(fā)光光管包括由緊鄰微棱鏡構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，微棱鏡在垂直于上述發(fā)光光管的縱軸方向上在發(fā)光光管的下表面上以排的形式延伸，每個微棱鏡的頂點從矩形的基底向下延伸，使得能夠把仰角的光束反射表面片斷確定為頂點，其中該片斷以通常的準(zhǔn)直方式在發(fā)光光管內(nèi)向上經(jīng)其上表面反射。
28.如權(quán)利要求26所述的組件，其特征在于，上述第二發(fā)光光管具有確定第二發(fā)光光管厚度的相對的上下表面，確定第二發(fā)光光管寬度的相對側(cè)面，以及確定第二發(fā)光光管長度的相對端，第二發(fā)光光管有一個縱軸，其特征還在于，第二發(fā)光光管的寬度與第一光管的長度大致相等，第二發(fā)光光管包括由緊鄰微棱鏡構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，微棱鏡在垂直于上述第二發(fā)光光管縱軸的方向上在發(fā)光光管的下表面上以排的形式延伸，每個微棱鏡的頂點從矩形的基底向下延伸，使得能夠把仰角的光束反射表面片斷確定為頂點，其中該片斷以通常的準(zhǔn)直方式在第二發(fā)光光管內(nèi)向上經(jīng)其上表面反射。
29.一種發(fā)光光管組件，包括(a)確定發(fā)光光管厚度的相對的上下表面，確定發(fā)光光管寬度的相對側(cè)面，以及確定光管長度的相對端；(b)將光束導(dǎo)入上述發(fā)光光管組件中的裝置；(c)在上表面上近似地沿上述光束的主傳播方向延伸的延長的微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)構(gòu)成以預(yù)定的方式旋轉(zhuǎn)光束的發(fā)散角。(d)所述發(fā)光光管具有一個縱軸和由緊鄰微棱鏡構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，微棱鏡在垂直于上述發(fā)光光管的縱軸方向上在發(fā)光光管的下表面上以排的形式延伸，每個微棱鏡的頂點從矩形的基底向下延伸，使得能夠把仰角的光束反射表面片斷確定為頂點，其中該片斷以通常的準(zhǔn)直方式在發(fā)光光管內(nèi)向上經(jīng)其上表面反射。
30.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述發(fā)光光管是一個背光裝置。
31.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述發(fā)光光管是一個前光裝置。
32.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述微結(jié)構(gòu)是均勻分布的。
33.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述微結(jié)構(gòu)是隨機分布的。
34.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述微結(jié)構(gòu)是微棱鏡。
35.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述微結(jié)構(gòu)是微槽。
36.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述微結(jié)構(gòu)是同樣的微棱鏡，每個微棱鏡的頂點從矩形的基底向下延伸，使得能夠把仰角的光束反射表面片斷確定為頂點。
37.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述微結(jié)構(gòu)是一種全息圖元件。
38.如權(quán)利要求34所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述微棱鏡有曲表面。
39.如權(quán)利要求29所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述將光束導(dǎo)入發(fā)光光管中的裝置是擴束器。
40.如權(quán)利要求39所述的發(fā)光光管，其特征在于，上述擴束器包括(a)一個光管，光管具有確定光管厚度的相對的上下表面，確定光管寬度的相對側(cè)面，以及確定光管長度的相對端；(b)一個將光束導(dǎo)入上述光管中的光源，上述光具有一個主傳播方向，和(c)在上表面上近似地沿上述光束的主傳播方向延伸的微棱鏡，所述上表面構(gòu)造成以預(yù)定的方式旋轉(zhuǎn)光束的發(fā)散角。
41.如權(quán)利要求40所述的發(fā)光光管，其特征在于，光源是一個點狀光源。
42.如權(quán)利要求41所述的發(fā)光光管，其特征在于，光源是一個線光源。
43.一種提供光束發(fā)散角旋轉(zhuǎn)組件的方法，包括步驟(a)提供一個棱鏡，使棱鏡具有確定棱鏡厚度的相對的上下表面，確定棱鏡寬度的相對側(cè)面，以及確定棱鏡長度的相對端；(b)提供一個導(dǎo)光組件，使光束按預(yù)定的方式導(dǎo)入上述棱鏡；和(c)在上述至少一個相對表面上設(shè)置一個結(jié)構(gòu)，其包括相鄰的微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)在上述棱鏡中的光束主傳播方向上以排的形式延伸。
44.一種用于提供擴束組件的方法，把點光源的光束擴展成具有主傳播方向的線光源或把線光源擴展成具有主傳播方向的面光源，包括步驟(a)提供一個光管，光管具有確定光管厚度的相對的上下表面，確定光管寬度的相對側(cè)面，以及確定光管長度的相對端；(b)提供一個將光束導(dǎo)入上述光管中的光源，上述光具有一個主傳播方向，和(c)提供在上表面上近似地沿上述光束的主傳播方向延伸的微棱鏡，所述上表面構(gòu)造成以預(yù)定的方式旋轉(zhuǎn)光束的發(fā)散角。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，還進(jìn)一步包括(d)提供一個發(fā)光光管。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，還進(jìn)一步包括(e)將上述擴束組件和發(fā)光光管形成為一個整體單元。
47.一種提供發(fā)光光管組件的方法，包括步驟(a)提供確定發(fā)光光管厚度的相對的上下表面，確定發(fā)光光管寬度的相對側(cè)面，以及確定發(fā)光光管長度的相對端；(b)提供一個將光束導(dǎo)入上述發(fā)光光管組件中的裝置；(c)提供在上表面上近似地沿上述光束的主傳播方向延伸的延長的微結(jié)構(gòu)，所述上表面構(gòu)造成以預(yù)定的方式旋轉(zhuǎn)光束的發(fā)散角；和(d)所述發(fā)光光管具有一個縱軸和一個由緊鄰微棱鏡構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，微棱鏡在垂直于上述發(fā)光光管的縱軸方向上在發(fā)光光管的下表面上以排的形式延伸，每個微棱鏡的頂點從矩形的基底向下延伸，使得能夠把仰角的光束反射表面片斷確定為頂點，其中該片斷以通常的準(zhǔn)直方式在發(fā)光光管內(nèi)向上經(jīng)其上表面反射。
全文摘要
這里公開了一種前照明或背照明組件，用于前照明或背照明顯示器或其它需要前照明或背照明的裝置。組件利用一個帶有一組特定形狀的微棱鏡(16)的光管旋轉(zhuǎn)光束的發(fā)散角。發(fā)散角旋轉(zhuǎn)器與平面準(zhǔn)直器組件(50)一起使用，用二維準(zhǔn)直度可控的光束高效地對顯示器照明。
文檔編號G02B6/00GK1238045SQ97199729
公開日1999年12月8日 申請日期1997年10月1日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月8日
發(fā)明者戴振玉 申請人:克利奧技術(shù)公司, 戴振玉