专利名称：准直仪透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及准直仪的领域。
有其中必须采用一个准直光源的多种用途，并且已经提出多种不同的准直系统以便提供这样一个源。如将认识到的那样，有对其必须具有特别良好程度的准直以便使整个系统有效地操作的一些用途。
这样一种系统的一个例子是光致发光LCD系统。在这样一种系统中，希望向调制液晶器件提供在蓝和/或紫外光范围中的照明，该照明光具有高度准直，大概正负15°或更小(如下面定义的那样)。要认识到，这样的要求因此意味着，这样一种显示系统一直需要一个较昂贵和复杂的准直元件，该准直元件效率也较低。这已经导致具有比大概希望的高的功率消耗的这种系统，以及增大这种系统的总体成本。
本发明旨在一种低成本准直器件的提供，该成本准直器件提供较高效率，而且也能够实现良好准直度的提供，从而它能用在以上提到的类型的系统中。
根据本发明提供有一种准直仪，它包括一个屏幕，限定一个孔径阵列；一个凸透镜，与每个孔径有关；及一个透明区域，定位在屏幕与透镜之间，以在其之间提供一个空隙，其中面对着透镜的屏幕表面是光吸收的。
透镜可以是平凸的。
透明区域可以由透明聚合物或玻璃材料的一个单屏幕形成，并且可以具有附加或形成在其上的屏幕。
背离透镜的表面可以是反射性的。透明区域可以如此形成，从而它与透镜是整体。
透镜可以是六边形或矩形的，以便提供一个紧密堆积的透镜阵列。一个光吸收挡板可以提供在每个透镜之间，并且可以都延伸到透明区域中、可能接触屏幕、及远离透明区域。
本发明也提供一种用来产生准直光的系统，该系统包括一个与一个光源结合的上述类型的准直仪，该光源包括至少一个光产生元件和周围反射箱，使箱的一个表面能由背离透镜的屏幕表面形成。在这样一种系统中，光产生源可以产生在350-420nm范围内的光。
本发明也提供一种包括上述类型的一个光产生源的光致发光LCD系统。
本发明能提供一种用来产生准直光的系统，其中光的强度跨过在离开源某一距离处的区域是恒定的。这通过减弱准直和允许离开每个准直单元的偏离级实现。这平均跨过整个区域的强度。对于在诸如光致发光LCD之类的显示设备中的使用，产生均匀光强度的优点在于，当均匀调制时实现对眼睛具有恒定亮度的图像。
现在参照附图将描述本发明的一个例子，其中
图1是本发明一个例子的侧剖视示意图；图2是可以与图1中的例子结合使用的照明系统的平面和侧剖视示意图；图3表示在使用中图1的例子的关键元件的操作；图4是曲线图，表明在本发明一个例子中实现的准直级；图5表示可选择的透镜配置和重叠的表明；图6是本发明可选择实施例的剖视图；及图7是可以使用本发明的光致发光LCD的剖视图。
参照图1，根据本发明的一种准直仪具有一个限定一个孔径阵列2的屏幕1。屏幕1在一个表面上带有一个反射涂层3、及在另一个表面上带有一种光吸收材料4。下面讨论这种特定配置的好处。
相邻屏幕1定位的是一个透明层5，该透明层5具有显著大于空气的折射率，并且是透明的、且由在其下器件正在操作的波长下是透明的玻璃或聚合物材料形成。如果在光致发光LCD系统20中例如采用准直仪15，则区域5典型地对于350-420nm波长的光应该是透明的。相邻透明区域5定位的是与每个孔径2有关的一个透镜6。透镜6和透明区域5都应该具有尽可能高的折射率。在某些情况下，由于商业考虑，透镜6的折射率小于介质5的。这保证一个适当窄的光锥透过介质5到透镜6，使透镜单元填密最大，并因此使效率最大。
透镜6是一个平凸装置，具有对于综定操作波长优化成把来自孔径2的光准直到尽可能大的程度的形状。
透明区域5可以由越过和穿过屏幕1中的所有孔径2的单块板形成。在其中屏幕1比100μm量级厚的情况下，与孔径2相邻的透明区域5的表面可以通过孔径突出，从而其表面可以与屏幕1的反向表面平齐。通过孔径2暴露的透明区域5的部分可以用介电涂层处理，从而入射在孔径处的大角度光反射回到灯光箱12中。由于准直单元现在正在接收一个更窄的光锥，所以它能更靠近其相邻单元放置，由此增大效率。这种增大必须相对于穿过孔径的减小第一次光通过而平衡。透镜6的阵列也可以由越过所有孔径2和透明区域5的单板形成。不管这些单元5、6分别或由单板形成，一块外部挡板9可以提供在每个透镜6之间，以便防止大角度光离开准直系统15或通入相邻透镜并且然后离开。在其中透明区域5由各个单元形成的情况下，内部挡板8可以提供在相邻单元之间，以便减小直接来自孔径2、从透镜6的弯曲表面向表面1反射回、或在离开相邻透镜之后折射入透镜的大角度光的效果。
图2表示图1的准直仪15如何可以用作光照明单元12的部分。在光照明单元12中，提供有以希望操作波长提供光的一个或多个光源10。这些光源由一个箱13包围着，箱13在其内表面上涂有反射材料，从而反射来自光源10的光，直到它在屏幕1中的孔径2处离开灯光箱13。光然后穿过透明区域5和透镜6，并且准直以提供一个准直光源。为了增大这样一种光源的效率，显然，在把带有一个反射涂层3的屏幕1提供在其光接收表面上时有特定好处，从而不会立即通过孔径2的光反射回箱13，以便以后穿过孔径2。
图3表明能认为是与本发明的整体性能有关的多个设计参数(在两维中)。将认识到，对于每种具体用途优化准直仪的设计。这种优化过程显著受如下参数的影响单元面积单元面积是组成阵列的准直孔/透镜元件的每一个面积。这种单元对于圆形透镜在形状上是六边形的，因为它们不会准确地镶嵌成花纹。跨过这种阵列有光强度的变化。能使单元小得足以保证人眼不可能感觉到亮度的变化。与此相伴随，在PL-LCD装置内，能增大准直仪与荧光屏的分离，直到对于一个给定单元尺寸的亮度变化不能由人眼感觉到。因而选择的单元尺寸依赖于显示的深度和从其观看显示器的距离(例如，可接收范围可以是1至10mm)。
孔径单元面积/单元比率这是系统效率的良好一阶测量，因为它表示传送入射在准直仪下侧上的光的百分比。这种光的一些由于孔径板的吸收顶侧以后失去，并且恢复反射光的一些。现在定义一种要求效率，这允许由选择的单元面积和孔径面积/单元面积比计算孔径面积(要不然能定义要求的准直，并且能模型化孔径区域以实现这点)。一个例子是在5％至20％的范围内。
孔径/透镜半径比a/l孔径的半径能由其面积计算，例如，圆形透镜的底半径由装配在用于其中透镜不会重叠的设计的单元面积中的最大半径限定。在这个例子中，透镜的面积是单元面积的91％(即六角形的面积)。因此透镜的半径 所以能计算孔径/透镜半径比。例如，典型的孔径/透镜半径比是30％至40％。
透明介质5的垂直深度d对于介质5的最大折射率现在定义透镜“底”与孔径平面的分离d。主要考虑是离开孔径的光的固体角的主要集合。在其中透镜底刚好大得足以收集所有光的情况下，透明介质5的垂直深度定义为t，其中t＝(l-a)/2tanθt
然而，可以最好增大d到大于t，并且不会收集所有光，剩余的光将入射在垂直挡板8上。这将改进准直，但减小效率。相反减小d到小于t对准直具有有限的影响，同时减小效率。在这种情况下，单元面积能随对应效率增益减小。在该例子中，硬件d＝2mm，并且稍小于t。
介质5和透镜6的折射率n5和n6对于为了受制造要求和成本考虑支配的材料，总是使折射率最大。这简单地使光的固体角最小，并且减小单元尺寸，由此增大效率。将有具有减小折射率的商业好处(便宜和制造容易)，而这必须与具有高折射率的效率增益平衡。与介质5相反，通过减小透镜的折射率有对于效率的较小损失，因为这不会增大光离开孔径的固体角。典型例子值是1.49至1.522。
弯曲透镜表面的定义S非球面曲率最好能优化，并且最好对于球面透镜，尽管在某些情况下可以使用球面透镜。这种设计通过避免在可能地方以大(近-掠射(near-glancing))角度入射在弯曲透镜表面上的光而优化，因为这将减小在这个致密介质/空气界面处的反射光的百分比。
透镜重叠的程度O在允许透镜重叠的地方，减小单元尺寸，并且较多光通过较大密度的孔径。另外，将减小在透镜交叉处的冗余面积，增大效率。这将以增大在每个透镜交叉处的重叠、减小效率为代价，因为入射在一个透镜圆形底上的一些光将进入相邻透镜，或者如果采用挡板则丢失。
挡板这些吸收如下光1.入射在透镜底外侧源于其对应孔径的光由内部挡板吸收。
2.归因于在透明介质5中的缺陷的散射光由内部挡板、外部挡板和孔径板的顶部侧吸收。
3.入射在透镜表面上不透过但反射的光由内部和外部挡板及孔径板的顶部侧吸收。
深外部挡板能用来增大准直，但这是一种非常低效的方法。
最好进行准直仪的优化，以产生希望的准直级(例如对于PL-LCD用途的±8°至40°)。有发射较高比例光的要求，因而提高系统效率，而不是仅集中在产生正常或几乎正常的光上，这将导致跨过以后显示的非均匀密度。
在一个例子中，已经生产的孔径使用直径1.71mm的圆形孔径2，蚀刻到0.25μm不锈钢板中以形成屏幕1。这种板带有一个反射表面(面对着光源)和一个涂黑表面。圆形透镜6具有5mm的直径，导致代表透镜6总面积的11.7％的孔径2的开口面积、或准直仪下侧面积的10.6％(由多个单元面积组成)。透明区域5的垂直深度t规定为2mm。透镜6和透明区域5都由玻璃制造，并且具有1.522的折射率。没有挡板8、9包括在这种设计中。对于这种配置，超过临界角θz，导致一些光入射在透镜6的外边缘的外侧。
达到的准直级表示在图4中的曲线中。准直角度在这些例子中定义为其中达到50％相对强度的级。
图5表示可选择透镜6配置。透镜6和透明介质5单元的每一个可以在平面图中具有六边形、正方形或矩形形状，以便在准直仪阵列中提供最佳填密。在图5a中的圆形透镜6用在示范配置中。能选择六边形透镜(图5b)以实现100％覆盖，并因此允许光入射在给出例子中的圆形透镜的未端的外侧。
产生准直光的针孔和有关凸透镜6的使用是熟知的。然而，针孔的采用导致极为低效的准直仪15，因为照明光的大部分由形成针孔的屏幕1阻挡。因而，本发明采用远大于认为是针孔的孔径2，孔径2例如形成屏幕的总表面面积的11.7％，该屏幕形成它们。这种效率的提高然而在准直光的质量方面具有显著缺陷。在其中采用孔径2的情况下，在透镜6上的任何位置不会仅从单个角度，而是从一个角度范围接收光。离开法线的大部分离散光线源于孔径2的边缘处，穿过透镜的中轴线，并且入射在一个点处的透镜6的表面上。这点也接收来自孔径2的其它末端的更接近正常的光。这两种极端射线代表光入射角度的界限同时在平面内，并且在该点处的透镜6表面的功率折衷成最好把光线的范围折射到其法线。这将导致透镜6跨过其表面的光学功率的上述折衷。这种折衷导致减小的准直级，使光离散到较大入射角度，这能使得准直配置不适用于其中过分离散光能引起问题的一些用途。
图6表明本发明的一个另外的实施例。透镜6′由玻璃球体形成，并且布置在一个设计成起光吸收内部挡板作用的预成形单元中。这个单元可以由金属(例如铝)形成，并且通过诸如阳极氧化之类的直接表面处理或通过涂漆可以具有一个涂黑涂层。反射表面可以通过把带有白色涂层的打孔板附加到预成形单元的下侧上实现。
图7表明一个准直仪15如何可以用在带有光致发光LCD20的系统中。该图表示与准直仪15一起使用的一个可选择照明单元12′和一个显示系统20。该显示系统包括两个偏振镜21、23、一个LCD22、的可见反射镜叠层24、一个荧光屏25和一个防眩滤波器26。这样一种系统在专利出版物no.WO95/27920中描述。
在这种类型的光致发光LCD用途20中，显著的离散光量能影响在LCD22中达到的对比度，使显示不能工作。然而，对于本发明，在屏幕1上的吸收表面4的提供十分意外的克服与在大入射角度下的光产生有关的问题的多个。孔径2、而不是针孔的采用通过把光从透镜6的表面向屏幕1反射回导致显著程度的大角度入射光，这种光然后从屏幕1反射，并且穿过透镜6以大入射角度退回。在本发明的情况下，在屏幕1上光吸收材料4的提供防止这种离散反射穿过透镜6反射回。这减小由准直仪15发射的大入射角度光的量，增大准直的平均程度，同时仍保持高效率。辅助挡板8、9的提供能进一步改进这种效果。
然而，如以上讨论的那样，可能希望利用某一离散光级，以保证跨过显示器实现恒定的光强度。
权利要求
1.一种准直仪，包括一个屏幕，限定一个孔径阵列；一个凸透镜，与每个孔径有关；及一个透明区域，定位在屏幕与透镜之间，以在其之间提供一个空隙，其中面对着透镜的屏幕表面是光吸收的。
2.根据权利要求1所述的准直仪，其中透明区域由单片玻璃或聚合物材料形成，
3.根据权利要求2所述的准直仪，其中透明区域具有附加或形成在其上的屏幕。
4.根据任何以上权利要求所述的准直仪，其中背离透镜的屏幕表面是反射性的。
5.根据任何以上权利要求所述的准直仪，其中形成透明区域，从而它与至少一个透镜是整体。
6.根据任何以上权利要求所述的准直仪，其中透镜具有六边形或正方形或矩形的平面表面，以便提供一个紧密堆积的透镜阵列。
7.根据任何以上权利要求所述的准直仪，进一步包括一个提供在相邻透镜之间的光吸收挡板。
8.根据权利要求7所述的准直仪，其中挡板延伸到透明区域中、远离透明区域、或两者。
9.根据任何以上权利要求所述的准直仪，其中孔径具有屏幕至少8％的表面面积。
10.根据任何以上权利要求所述的准直仪，其中孔径带有形成在其上的介电叠层。
11.一种用来产生准直光的系统，包括一个与一个光源结合的根据任何以上权利要求所述的准直仪，该光源包括至少一个光产生元件和周围反射箱。
12.根据权利要求11所述的系统，其中光产生源产生以紫外或可见蓝波长365nm至400nm的光。
13.一种包括根据权利要求11或12的系统的光致发光LCD系统。
全文摘要
一种准直仪包括一个限定一个孔径阵列(2)的屏幕(1)。一个凸透镜与每个孔径有关，并且一个透明区域(5)定位在屏幕与透镜之间，以在其之间提供一个空隙。面对着透镜的屏幕表面(4)是光吸收的。
文档编号G02B3/00GK1401087SQ01804850
公开日2003年3月5日 申请日期2001年12月5日 优先权日2000年12月13日
发明者威廉·克罗斯兰德, 安德雷·达姆斯, 本·米勒 申请人:屏幕技术有限公司