專利名稱：用于顯示器的背光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種背光系統(tǒng)，更確切地說，涉及一種使用一種或多種光源(例如發(fā)光二極管、熒光燈和激光器)的高亮度、強(qiáng)度均勻的背光系統(tǒng)。
相關(guān)申請的交叉引用本申請是在2000年9月7日申請的專利申請?zhí)?9/656681的部分延續(xù)申請。
背景技術(shù)：
背光系統(tǒng)現(xiàn)在被用于多種顯示用途，例如個人數(shù)字助理(PDA)、汽車音頻元件、顯示器和照明以及手機(jī)。背光通過更好地在較亮的背景上對比顯示圖形而增加顯示器的有效性。背光系統(tǒng)的性能基于包括亮度、表觀均勻光分布、定向視域和用電在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。后面的特性對便攜式、電池驅(qū)動的應(yīng)用(例如PDA和手機(jī)的顯示屏)特別重要，在所述PDA和手機(jī)顯示屏上，用電直接影響電池壽命。由于PDA和手機(jī)的顯示屏隨著彩色圖形和更高的分辨率的增加變得更奇異，所以對高亮度、均勻而低用電的背光系統(tǒng)的需求已經(jīng)變得更急切。
典型的現(xiàn)有技術(shù)的背光系統(tǒng)使用象熒光燈等的光源。遺憾的是，這種燈需要復(fù)雜的光耦合器以僅在單一的方向上引導(dǎo)光，例如進(jìn)入光管或光波導(dǎo)內(nèi)以顯示全內(nèi)反射(TIR)。這種燈也有相對高的用電、低耐用性和短的壽命以及以每100小時1％的速率能量的損失的缺點。此外，把光耦合至光管而不產(chǎn)生暗區(qū)或暗線(dark zone or line)經(jīng)常是困難的，這減損了背光的理想的均勻性和顯示器的美觀性。
因此，很希望能夠提供一種背光系統(tǒng)，所述背光系統(tǒng)通過克服現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)的耦合要求、暗區(qū)、高用電和壽命局限而提供對這些缺點的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括LED基背光系統(tǒng)，所述背光系統(tǒng)為高性能彩色和高分辨率便攜式顯示器(例如PDA和手機(jī))提供極好的亮度和均勻性。其中除了相干光和非相干光，本發(fā)明也可以使用其他光源的熒光燈。披露了多種不同但相似的實施例。一些適用于多個發(fā)光二級管，一些適用于單個發(fā)光二級管，一些適用于熒光或其它光源。每個都顯示優(yōu)越的亮度并且每一個都解決亮斑(hot spot)或暗區(qū)的問題，所述亮斑或暗區(qū)能減損在整個背光區(qū)獲得光強(qiáng)度的均勻分布。而且，因為每一個這種實施例特別被設(shè)計成以一個或更多個LED作為光源來運(yùn)行，不需要耦合器，壽命較長，耐用性高，并且用電較小。
在第一個這種實施例中，多個LED與光管的輸入邊相鄰地定位。輸入邊包括固定間距的凹槽以沿其整個區(qū)域在一個方向上傳播LED的光，所述方向朝向光管的底面成角度。光管底面可以具有凹槽以把LED的光朝向光管的上表面轉(zhuǎn)換方向，在所述光管的上表面上光脫離光管而射向觀看者。光管底表面也可以由絲網(wǎng)光點圖形或全息的表面結(jié)構(gòu)制成。光管的出射面的外部容納光成形漫射器(LSD)和其它漫射器或光膜。漫射器作為以所選擇的水平和垂直角度漫射和分配出射光，并且光膜使光強(qiáng)度分布成為一定形狀以朝向觀看者達(dá)到最佳亮度。
在第二實施例中，第二LSD定位在光膜的上面。在第三實施例中，包含縮短的LSD的LSD帶定位在鄰近輸入邊的光管下面以更好地減小LED附近的亮斑。在第四實施例中，在下面并連續(xù)至光管的第二LSD代替上述的底面凹槽。在第五實施例中，小LSD在輸入邊代替固定凹槽。在第六實施例中，在凹槽光管的上表面處僅使用一個LED，在光管的上表面處使用固定角或可變角LSD。在第七實施例中，也使用單一LED方案，第二固定角LSD加在第六實施例的可變LSD的上面。這種LSD也可以作為背光光膜的整體部分注模。第六和第七實施例的光管使用圓形凹槽。本發(fā)明的光成形漫射器的重要特征是他們的定向性、可控的散射、均勻的特性和漫射角的連續(xù)變動，所述漫射角的連續(xù)變動沒有斷開線地促進(jìn)均勻背光分布。


在參照如下附圖詳細(xì)說明優(yōu)選實施例后，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)勢以及其它的目的和優(yōu)勢將得到更充分的理解。
圖1是本發(fā)明的單一LED方案的俯視圖；圖2是多個LED方案的俯視圖；圖3是第一實施例的解剖側(cè)視圖；圖4是第二實施例的解剖側(cè)視圖；圖5是第三實施例的解剖側(cè)視圖；圖6是第四實施例的解剖側(cè)視圖；圖7是第五實施例的解剖側(cè)視圖；圖8是第六實施例的解剖側(cè)視圖；圖9是第七實施例的解剖側(cè)視圖；圖10是具有恒定漫射角的固定角矩形漫射器表面的簡化圖；圖11是具有可變漫射角的可變矩形漫射器表面的簡化圖；圖12是相似于圖11，但說明另一個漫射角變量；圖13是也相似于圖11，但仍說明另一個漫射角變量；圖14是具有恒定漫射角的固定角半圓形漫射器表面的簡化圖；圖15是在不同半徑或徑向段具有可變的漫射角的可變半圓形漫射器表面的簡化圖。
圖16是相似于圖15，但說明另一個漫射角變量；圖17是在不同的角形段具有可變的漫射角的可變半圓形漫射器表面的簡化圖；圖18是相似于圖17，但說明另一個漫射角方案；圖19是相似于圖15和17的一個方案，但在不同半徑和不同段具有可變漫射角；圖20是用于制造可變漫射器的制造儀器的方框圖；和圖21-23說明用于產(chǎn)生不同漫射角的漫射器控制的圖20裝置的多種構(gòu)造。
具體實施例方式
參照附圖，特別是圖1和圖2，可以看出，說明本發(fā)明的兩個基本的實施例的俯視圖。在圖1的角照亮(corner-lit)背光實施例中，單一LED12位于光管14的一個拐角，對角地在光管中傳播光。定位在光管14的底表面上的圓形失真凹槽貫穿可視對角線(viewing diagonal)的整個長度。反射膜擱在底表面的外部上并且波型光成形漫射器擱在光管的上表面上。
在圖2的邊緣照亮(edge-lit)實施例中，多個LED30相鄰光管32定位，后者在底面上具有線性失真凹槽，并且貫穿光管的長度。一小塊縮短的漫射器相鄰在底面下面的光管的輸入邊緣定位。反射膜和漫射器完成了這個結(jié)構(gòu)，漫射器放置在光管的上表面。漫射器結(jié)構(gòu)可是恒定或可變的特性。縮短的漫射器42通過更均勻地傳播光而幫助消除亮斑和在緊鄰LED的光管區(qū)域的不規(guī)則，否則可能產(chǎn)生交替的亮斑和暗斑。在縮短的漫射器外的凹槽可是對漫射器產(chǎn)生影響。
圖3說明圖2的多路LED實施例的一個方案。在圖3中，我們看到相似于圖2的基本方案，但是在光管44下面沒有縮短的漫射器。圖3所示的方案的主要變量是在光管44內(nèi)或上的LSD40的角度特性。每一個都在一個方向上(主)使用角度范圍在10E至80E的常角LSD，并在正交方向(次)上使用角度范圍在0.2E至10E的常角LSD。反射器38是涂銀或其他高反射金屬的薄膜。例如，光膜48是一種由日本三菱出售的人造纖維光膜。輸入凹槽43可以被用于傳播LED的光進(jìn)入光管44。在圖4的方案中，凹槽34從光管44中被省略，改為第二LSD層45被隨即定位在光滑的底面46下面。LSD45提供彎曲和校準(zhǔn)作用以向LSD45和光膜48重新分配LED的光。圖5的方案相似于圖3，但是使用輸入LSD50由圖3來代替凹槽。圖6說明圖2方案并沒有修改。圖7說明在光膜48上面添加第二全LSD層54。圖7的實施例說明了與每一個其他實施例相比最平均的亮度，因此構(gòu)成本發(fā)明的現(xiàn)預(yù)期的Abest模式@。圖6和圖7實施例的每一個全長度LSD也可以包括一個漫射角，所述漫射角在整個漫射器長度上是變化的，在下文中參照圖11-13將被說明。
圖8和9說明單一角照亮背光裝置(例如圖1所示)圖8的方案使用具有30E×1E至65E×1E的可變漫射角的單一LSD22。圖9的方案添加3E主漫射角的固定角全長LSD36。每一個可變漫射器優(yōu)選地是圓形角變量，例如如圖15-19的實例所示，同時圖9的固定角LSD具有圖14的圓形構(gòu)造。其它漫射角也是預(yù)期的。
本發(fā)明的其它實施例也是可預(yù)期的。通過實例，定位在光管上的LSD＝s可替代地作成光管的整體表面結(jié)構(gòu)。而且，凹槽34在整體或部分上可替代為漫射器、點距陣結(jié)構(gòu)或絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
請注意圖10-19，所述圖10-19說明了多種漫射器構(gòu)造，所述構(gòu)造能根據(jù)本發(fā)明的背光系統(tǒng)而更有利地使用。圖10說明在它的整個表面上具有恒定漫射角的普通矩形漫射器。在所述實例中，漫射角是在一個方向上(即主方向)的60E和在另一個方向(即次方向)的0.5E。其它漫射角也可根據(jù)理想的光分布而確定。
由于漫射角在漫射器的長度上是變化的，所以圖11-13的矩形漫射器每一個都是可變的。例如，圖11所示的方案主漫射角在其中部周圍從5E逐漸遞增加，在兩末端處逐漸遞增至60E。圖13的漫射器在中部具有60E主漫射角，并且在兩末端逐漸降低至5E。圖14說明在整個表面上固定漫射角(即60E×1E)的半圓形漫射器。圖15說明可變角半圓形漫射器的實例，其中漫射器構(gòu)造具有離散的徑向段，每段具有特定的漫射角。在圖15所說明的實施例中，在中心段的漫射角是30E×1E，但是它在最外端的徑向段逐漸降低至5E×1E。圖16說明相似的漫射器構(gòu)造，但是具有5E×1E的中心段和50E×1E的最外段。此處所示的主和次角的每一個僅是說明性的并且實際上可是任何選擇的角度。
在半圓形或全圓形漫射器中的漫射角也能構(gòu)造成在如圖17和18所示的離散角形段上發(fā)生。在圖17中，具有離散漫射角從左增加至右，即在最左端位置的5E角形段和在最右端位置的70E角形段。圖18說明角形段中的相同類型的漫射角變量。圖19說明在徑向和角形段上的另一個圓形漫射器變量，其中漫射角在最外端角和徑向段處為30E×1E，但在中心徑向段降低至10E×1E。
這種漫射器的制造可通過使用圖20-23所示的裝置進(jìn)行。圖20說明整個裝置，所述整個裝置可被用于制造用于本發(fā)明的背光系統(tǒng)的固定的和可變角的無縫光成形漫射器。此裝置包括在所選擇的相對位置(A、B)上的激光器和光學(xué)器件(M1、M2、SF、CYL)，以提供在水平狹縫處一個窄而校準(zhǔn)的激光狹縫束，參照圖21的II方框60。通常1mm的狹縫通過狹縫尺寸的變化而確定了漫射器的次角。然后K方框62用于控制漫射器的優(yōu)角，V方框64用于產(chǎn)生無縫邊界。當(dāng)在下面的固定器68提供漫射器母機(jī)的被控制的X和Y方向的運(yùn)動時旋轉(zhuǎn)臺組件66用于產(chǎn)生圓形段變量。圖21的構(gòu)造用于產(chǎn)生圖15-19所示的類型的可變圓形(或波形)漫射器。通過僅去除圖22中的K方框62，那么相同的裝置用于制造用于常角圓形(或波形)漫射器(例如如圖14所示的)的母機(jī)(master)。通過僅去除V方框64而沒有運(yùn)行圖23所示的旋轉(zhuǎn)臺66，相同的裝置用于制造可變漫射角(例如圖11-13所示的那些漫射器)的矩形漫射器母機(jī)。僅運(yùn)行II-方框60而沒有旋轉(zhuǎn)臺66將導(dǎo)致圖10所示的類型固定角矩形漫射器。控制漫射器特性的可變面罩的使用進(jìn)一步由受讓人在2000年2月27提交的審理中美國申請?zhí)?9/517240的說明，所述申請關(guān)于用于掃描儀上的可變擴(kuò)散母機(jī)的制造。此申請的內(nèi)容與在此處充分闡述以并入作為參考。
基于上述內(nèi)容，應(yīng)該理解，本發(fā)明屬于構(gòu)造用于主要具有一個或多個LED光源的背光系統(tǒng)以達(dá)到更好的亮度、更大的均勻的光分布，提高耐用性和減小用電。而且，也應(yīng)該理解，此處披露的本發(fā)明在部件和結(jié)構(gòu)的簡化上是獨一無二的。與現(xiàn)有技術(shù)的背光系統(tǒng)不同，不需要笨重的或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)把光源定向至光管或確保在一定最大入射角內(nèi)光進(jìn)入光管。另外，應(yīng)該理解，雖然此處已經(jīng)披露了多種可替代的實施例，但是也可具有所述的益處容易地進(jìn)行修改或添加。通過實例，這所示的分離部件(例如LSD、光管等)多種元件也可整合成統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，例如把LSD制入光管的出射面或把光管的相對面用鏡層覆蓋。因此，本發(fā)明的范圍不限于所說明的實施例，而是由所附權(quán)利要求和它的等效物所確定。
權(quán)利要求
1.一種背光系統(tǒng)，包括至少一個LED；光管，所述光管具有用于接收所述LED發(fā)出的光的輸入表面和用于把所述光的方向朝向出射面改變的光彎曲表面；反射材料層，所述反射材料層定位在所述光管的所述光彎曲表面下面；光成形漫射器，所述光成形漫射器定位在所述光管的所述出射面的上面，以控制所述光管的所述出射面發(fā)出的光的分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光系統(tǒng)，其中所述光管由所確定的大體平面形狀的單片光透射材料和在周圍邊緣表面終止的面制成，所述平面形狀可是平行或以一個楔角限定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的背光系統(tǒng)，其中所述輸入表面包括所述周圍邊緣表面的被選擇的一個，并且所述出射面包括所述面之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光系統(tǒng)，其中所述至少一個LED大體與所述輸入表面相鄰定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光系統(tǒng)，進(jìn)一步包括光膜，所述光膜定位在所述光成形漫射器的上面，以改變所述漫射器發(fā)出的光強(qiáng)度的變量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光系統(tǒng)，進(jìn)一步包括相鄰所述輸入表面定位的光成形漫射器的縮短的帶，所述輸入表面在所述光彎曲面和所述反射材料層之間的所述光管下面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光系統(tǒng)，其中所述輸入表面包括被選擇尺寸和間距的凹槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器在大體它的整個表面上包括恒定漫射角。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器包括以選擇的方式在所述漫射器的表面上變化的漫射角。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的背光系統(tǒng)，其中所述恒定漫射角在第一方向上處于大約10E至80E的范圍內(nèi)，在與所述第一方向正交的第二方向上處于大約0.2E至10E的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的背光系統(tǒng)，其中所述漫射角在第一方向上從大約80E變化至大約1E，在與所述第一方向正交的第二方向上從大約0.2E變化至大約10E。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器在形狀上大體為矩形。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器在形狀上大體為圓形。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的背光系統(tǒng)，其中漫射角沿所述圓形的角形段變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的背光系統(tǒng)，其中漫射角沿所述圓形的徑向段變化。
16.一種背光系統(tǒng)，其用于在電子顯示器上提供大體明亮而均勻的背景光；此系統(tǒng)包括光源，所述光源包括至少一個發(fā)光二極管；光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)與所述光源相鄰定位并具有一個表面，所述表面構(gòu)造成改變從所述光源進(jìn)入所述波導(dǎo)的光的方向以在整個出射面?zhèn)鞑?；和光成形漫射器，所述光成形漫射器位于通過所述出射面上的光的光路上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的背光系統(tǒng)，進(jìn)一步包括鏡子，所述鏡子與相對所述出射面的所述波導(dǎo)相鄰定位。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的背光系統(tǒng)，進(jìn)一步包括光膜，所述光膜在所述光成形漫射器的上面定位，以改變在所述漫射器發(fā)出的光強(qiáng)度變量。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的背光系統(tǒng)，進(jìn)一步包括光成形漫射器的縮短了的帶，所述帶定位在所述波導(dǎo)和相鄰于所述光源的所述鏡子之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器在大體它的整個表面上包括恒定漫射角。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器包括以選擇的方式在所述漫射器的表面上變化的漫射角。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的背光系統(tǒng)，其中所述恒定漫射角在第一方向上處于大約10E至80E的范圍內(nèi)，在與所述第一方向正交的第二方向上處于大約0.2E至10E的范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的背光系統(tǒng)，其中所述漫射角從在第一方向上的大約80E變化至大約1E和從第二方向上大約0.2E變化至大約10E，所述第二方向垂直與所述第一方向。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器在形狀上大體為矩形。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器在形狀上大體為圓形。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的背光系統(tǒng)，其中漫射角沿所述圓形的角形段變化。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的背光系統(tǒng)，其中漫射角沿所述圓形的徑向段變化。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的背光系統(tǒng)，其中所述光波導(dǎo)包括輸入表面，所述輸入表面包括選擇的尺寸和間距的凹槽。
29.根據(jù)權(quán)利要求16所述的背光系統(tǒng)，其中所述波導(dǎo)包括以光成形漫射器形式的輸入表面。
30.一種背光系統(tǒng)，包括；光源；光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)與所述光源相鄰定位以從光源接收光并通過所述光波導(dǎo)的出射面?zhèn)鞑ス?；和可變漫射角光成形漫射器，其定位在所述波?dǎo)出射面發(fā)出的光的光路上以控制所述波導(dǎo)發(fā)出的光的分布。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的背光系統(tǒng)，其中所述光成形漫射器包括無縫漫射器圖形。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的背光系統(tǒng)，其中所述漫射器圖形是圓形的。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的背光系統(tǒng)，其中所述所述漫射器作為所述波導(dǎo)的整體部分在所述出射面上制成。
全文摘要
一種LED為基礎(chǔ)的背光系統(tǒng)，所述背光系統(tǒng)提供優(yōu)良的亮度和均勻性，所述均勻性適于高性能的彩色和高分辨率便攜式顯示器(例如PAD和手機(jī))。披露了多種不同但相似的實施例。一些適用于多個LED(30)，一些適用于單一LED(12)。在第一實施例中，多個LED與光管(14)的輸入邊緣相鄰定位。輸入邊緣包括固定間距的凹槽以在一個方向上傳播LED的光，所述方向在整個區(qū)域上朝光管的底面近似成一個角度。光管(32)底面也具有用于把LED的光改變成朝向光管的上表面的凹槽，在所述上表面光從光管射出而朝向觀看者。漫射器(42)以所選擇的水平和垂直的角度散射而分配射出的光，并且光膜成形。在第二實施例中，第二LSD定位在光膜的上面。在第三實施例中，LSD帶包括縮短的LSD，其定位在相鄰輸入邊緣的光管的下面以更好地減少在LED附近的亮斑。
文檔編號B29D11/00GK1678888SQ03821071
公開日2005年10月5日 申請日期2003年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月27日
發(fā)明者王三莊, 加金德拉·D·薩萬特, 杰弗里·A·蘭恩, 馬克·本納漢斯, 里克·L·希爾 申請人:物理光學(xué)公司