具有梯度提取的半镜面中空背光源的制作方法

专利名称：具有梯度提取的半镜面中空背光源的制作方法
具有梯度提取的半镜面中空背光源
背景技术：
根据光源与背光源输出区域的相对位置，可将背光源归入两类中的一类；其中背光源的“输出区域”对应于显示设备的可视区域或区。本文中背光源的“输出区域”有时称为“输出区”或“输出表面”，以将输出区或输出表面本身与输出区或输出表面的面积(数量单位为平方米、平方毫米、平方英寸等)区别开来。第一类背光源为“侧光式”。从平面图观察，在侧光式背光源中，沿着背光源构造的外边界或外周边(一般来讲在与输出区域相对应的区域的外部)设置了一个或多个光源。 通常，光源因形成背光源输出区域边界的框架或挡板的遮挡而观察不到。光源通常将光射入称为“光导装置”的部分中，尤其是在需要超薄型背光源的情况下，如在膝上型计算机显示器中。光导装置为相对薄的透光固态板，其长度和宽度尺寸接近于背光源输出区域的尺寸。光导装置利用全内反射(TIR)使从安装在边缘的灯发出的光穿过整个光导装置的长度或宽度传送或引导至背光源的相对边缘，并且在光导装置的表面上设置有不均一的局部提取结构图案，从而将此已引导光的其中一些朝向背光源的输出区域从光导装置中重新导出。这种背光源通常还包括光控膜，例如设置在光导装置之后或之下的反射材料和设置在光导装置之前或之上的反射偏振膜和棱柱BEF膜，以增加同轴亮度。申请人:认为，现有的侧光式背光源的缺点或限制包括与光导装置相关的相对大的质量或重量，尤其对于较大的背光源尺寸而言；需要使用在背光源之间不可互换的部件， 因为光导装置必须通过注塑成型或其他加工方法才能达到特定的背光源尺寸和特定的光源构造；需要使用要求在背光源的各位置间存在基本的空间不均勻因素的部件，如现有的提取结构图案；而且，随着背光源尺寸的增加，由于沿着显示器边缘的空间或“实际使用面积”有限，所以提供充足照明的难度增加，这是因为矩形的周长与面积的比率随特征性面内维度L的增大(如对于给定长宽比的矩形而言为背光源输出区的长度、或宽度、或对角线测量值)而线性降低(1/L)。第二类背光源为“直下式”。从平面图观察，在直下式背光源中，基本上在与输出区域相对应的区域内设置了一个或多个光源，这些光源通常在该区域内以规则的阵列或图案布置。或者，可以说直下式背光源中的光源是直接设置在背光源的输出区域后方。强漫射板通常安装在光源的上方以将光散布在输出区域上。此外，光控膜(例如反射偏振模和棱镜BEF膜)也可设置在漫射板的上方以提高同轴亮度和效率。申请人:认为，现有的直下式背光源的缺点或限制包括与强漫射板相关的低效率； 就LED光源而言，需要使用大量的这种光源来保证足够的均勻度和亮度，这就涉及较高的部件成本和生热性；此外，为避免光源产生不均一和不可取的“击穿现象”(其中在每一个光源上方的输出区域中会出现亮点)而限制了背光源可实现的薄度。在一些情况下，直下式背光源也可以包括位于背光源周边的一个或多个光源，或侧光式背光源可以包括直接位于输出区域后方的一个或多个光源。在这种情况下，如果大部分光直接从背光源输出区域的后方发出，则认为背光源为“直下式”，如果大部分光从背光源输出区域的周边发出，则认为背光源为“侧光式”。
—种或另一种背光源通常与液晶(LC)显示器一起使用。由于液晶显示器(IXD) 面板的运行原理仅利用光的一个偏振态，从而针对LCD应用，了解背光源的正确或可用偏振态的光的亮度和均勻度可能十分重要，而不只是可能为非偏振光的亮度和均勻度。就这一点而言，在所有其他因素为相等的情况下，主要地或专门地以可用偏振态发出光的背光源在LCD应用中比发出非偏振光的背光源更有效。然而，即便背光源发出的光不只是处于可用偏振态，甚至于发射随机偏振光，也仍然完全可用于IXD应用，因为无用偏振态可被设置在LCD面板与背光源之间的吸收型偏振器消除。

发明内容
在一个方面，本发明提供一种包括部分透射的前反射器和后反射器的背光源，该前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空光循环腔。该背光源还包括半镜面元件和设置在中空光循环腔内的光提取元件。该光提取元件具有梯度镜面反射率。该背光源还包括设置成将光注入中空光循环腔中的至少一个光源。所述至少一个光源被构造为在有限的角范围内注入光。在另一方面，本发明提供一种显示系统，该显示系统包括显示面板和设置成向显示面板提供光的背光源。该背光源包括部分透射的前反射器和后反射器，该前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空光循环腔。该背光源还包括半镜面元件和设置在中空光循环腔内的光提取元件。该光提取元件具有梯度镜面反射率。该背光源还包括设置成将光注入中空光循环腔中的至少一个光源。所述至少一个光源被构造为在有限的角范围内注入光。本专利申请的这些方面和其他方面通过下文的具体描述将显而易见。然而，在任何情况下都不应当将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。


整个说明书中都参考了附图，其中类似的附图标记表示类似的元件，并且其中图1为侧光式中空背光源的一个实施例的示意性剖视图。图2为侧光式中空背光源的另一个实施例的示意性剖视图。图3为直下式中空背光源的一个实施例的示意性剖视图。图4A-4C为前反射器的各种实施例的示意性剖视图。图5a_5f为侧光式中空背光源的各种实施例的示意性剖视图。图6为显示系统的一个实施例的示意性剖视图。图7为建模的输出光通量对位置的曲线图。附图未必按比例绘制。图中采用的相同编号表示相同或类似的元件。然而，应当理解，在给定附图中使用标号指示部件并非意图限制另一个附图中用相同标号标记的部件。
具体实施例方式本发明总体描述了薄型中空背光源的若干实施例，可构造该薄型中空背光源，从而得到选定的输出光通量分布。例如，在一些实施例中，可构造本发明的背光源，从而在背光源的输出表面得到均一的光通量分布。术语“均一的”是指光通量分布没有可观察到的亮度特征或令观察者讨厌的不连续性。输出光通量分布的合格均勻度通常取决于应用，如在一般照明应用中均一的输出光通量分布在显示器应用中可能视为不均一的。此外，例如，可构造本发明的背光源实施例中的至少一个或多个，从而在输出表面的中心区域附近得到比在背光源的边缘区域附近具有增大的光通量的输出光通量分布。在一些实施例中，靠近输出表面中心区域的亮度与靠近输出表面边缘区域的亮度之比为至少约1. 10。虽然这种输出光通量分布可视为不均一的，但就某些应用而言，这种分布可能是所需的。可提供任何合适的输出光通量分布。在这些实施例中的至少一个中，背光源包括部分透射的前反射器和后反射器，该前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空光循环腔。该背光源还包括设置在光循环腔中的光提取元件，该光提取元件具有梯度镜面反射率。此示例性背光源也可包括设置在腔体内的至少一个半镜面元件，以及设置为在有限的角范围内将光发射到腔体中的一个或多个光源。如本文所用，术语“输出光通量分布”是指在背光源输出表面上的亮度的变化。术语“亮度”是指输出到单位立体角度中的每单位面积的光(cd/m2)。尽管不打算受任何具体理论的束缚，但可通过控制下列参数中的一个或多个定制本文所述的背光源的输出光通量分布1.前反射器相对于后反射器的定位；2.前反射器和后反射器中的一者或两者的形状；3.前反射器和后反射器的反射性质和透射性质；4.光提取元件的反射、透射和漫射性质；5.所述至少一个半镜面元件的反射性质；和6.由所述一个或多个光源发射到腔体中的光的平均通量偏差角。控制这些因素涉及到以下两者间的平衡用光填充光循环腔与在腔体内旋转或偏转光，使得至少一部分光在输出表面的所需位置处透过前反射器。通常，在腔体内传播的光可视为落入两种角分布或区域传送区域和透射区域。传送区域包括在腔体内以一定的方向传播的光，使得光不可能透过前反射器。传送区域中的光的角范围将至少部分地取决于前反射器和后反射器的反射性质和透射性质；光提取元件的反射、透射和漫射性质；腔体内的半镜面元件的反射性质；以及腔体的几何形状。例如，在本文所述的背光源的一些实施例中，包括了对某些入射光(如与前反射器的主表面成30度或更小的角内)显示出增加的反射率的多种前反射器。就这些前反射器而言，传送区域可定义为包括以与前反射器的表面成30度内的方向在腔体内传播的光。在其它实施例中，前反射器对偏离光可能不显示出这种增加的反射率。在这些实施例中，传送区域可以定义为包括以与前反射器的主表面基本上平行的方向在腔体内传播的光。透射区域包括以允许这种光的至少一部分透过前反射器的方向在腔体内传播的光。换句话讲，透射区域包括不在传送区域中的传播光。就具有基本上平行的前反射器和后反射器的背光源而言，在背光源输出表面处的光通量分布可至少部分地由从传送区域到透射区域的光的转化率来测定。此转化率取决于若干因素，如背光源的前反射器、后反射器和边缘反射器的反射率和镜面反射率，背光源照明边缘的数量，一个或多个光源的光注入角度，以及背光源的长度L与厚度H的比率。通过调节H，可至少部分地控制从传送区域到透射区域的光的转化率。通过定位前反射器和后反射器，使得后反射器的至少一部分不平行于前反射器， 可调节厚度H。例如，如本文进一步所述，可定位后反射器，以与前反射器形成楔形的中空光循环腔。此楔形提供在中空光循环腔中至少单向变化的H。也可通过使前反射器和后反射器中的一者或两者成形为非平面来调节光循环腔的厚度H。如本文所用，术语“非平面”是指反射器(无论是前反射器还是后反射器)无法大体上容纳在平面内。在基本上成平面的基底上形成有亚毫米结构的反射器对于这一应用将不被认为是非平面的。在一些实施例中，背光源可包括具有朝前反射器倾斜的一个或多个部分的非平面后反射器。可设置这些倾斜部分，从而在腔体内所需的位置处得到从传送区域到透射区域的光的增大的转化率。具有非平面后反射器的背光源在例如名称为 "BACKLIGHTS HAVING SELECTED OUTPUT LIGHT FLUX DISTRIBUTIONS AND DISPLAY SYSTEMS USING SAME”(具有选定的输出光通量分布的背光源和使用该背光源的显示系统)的美国专利申请No. 61/030, 767中有进一步的描述。也可通过选择前反射器和后反射器中的一者或两者的反射性质和/或透射性质来部分地控制由本文所述的背光源中的一个或多个生成的光通量分布。例如，就设计为仅发出特定(可用)偏振态光的背光源而言，前反射器可具有高反射率，使这种可用光支持侧向传送或散布，并使光线角度随机化，以实现合格的背光源输出的空间均勻度，但充分透射到可适当应用的角度中，以确保背光源的应用亮度合格。此外，在一些实施例中，循环腔的前反射器的反射率通常随入射角增大而增加，而透射率则通常随入射角增大而减小，其中反射率和透射率是针对非偏振的可见光和任何入射平面，和/或针对某一平面内具有可用偏振态的入射光，对于该平面而言，具有可用偏振态的倾斜光为P-偏振光(此外，前反射器的半球反射率值高，同时可应用光的透射率也充分地高)。也可通过选择光提取元件的反射性质、透射性质和漫射性质来部分地控制由本文所述的背光源中的一个或多个生成的光通量分布。该光提取元件具有梯度镜面反射率，即， 光线在与光提取元件相互作用之后所采取的路径取决于光线与光提取元件相交于何处。光提取元件可包括光提取图案，所述光提取图案被精确地设置以通过折射、反射、漫射或类似处理来提取光。在一个实施例中，光提取元件可包括诸如折射或漫射小珠、漫射颗粒的颗粒、诸如磷光体(phosphor)的降频(down-converting)材料、微结构、纹理等。光提取元件的实例可在例如美国专利No. 6，845，212 (Gardiner等人)和No. 7，223，005 (Lamb等人)以及美国专利申请序列号11/421，241中找到。磷光体的实例包括那些适合于LED转换材料的磷光体，其将在别处描述。提取结构可以是被设计为从背光源提取光的凹槽、小透镜或其他微结构化或印刷的结构。可利用若干方法来将提取结构赋予光导装置，所述方法包括(但不限于)浇注、压印、微复制、印刷、烧蚀、蚀刻以及本领域已知的其他方法。背光源的示例性实施例还包括至少一个半镜面元件，也可选择其反射性质以部分地确定输出光通量分布。例如，该半镜面元件可为中空光循环腔提供镜面反射特性和漫射特性的平衡，所述元件具有足够的镜面反射率，以支持光在腔体内的足够的侧向传送或混合，但也具有足够的漫射率，以使腔体内的稳态光的角分布基本上勻化，即使当光仅在窄的角范围内注入腔体中时也是这样(此外，就设计为仅发出特定(可用)偏振态光的背光源而言，腔体内的循环优选地相对于入射光偏振态包括反射光偏振的一定程度的随机化，这样允许形成将不可用的偏振光转换为可用偏振光的机制)。在一些实施例中，光提取元件和半镜面元件可组合成设置在腔体中的一个光学元件；然而，它们还可以是设置在腔体中的单独的元件。 最后，可控制由一个或多个光源发射到腔体中的光的平均通量偏差角，从而有助于得到注入腔体中的光的所需准直。例如，本文所述的背光源可包括光注入光学器件，该光注入光学器件将最初注入到循环腔中的光部分准直或限制到接近于横向平面(该横向平面与背光源的输出区域或表面平行)的传播方向，如注入光束具有相对于横向平面范围从 0至40度或从0至30度或从0至15度的平均通量偏差角。除了通量偏差角外，还可控制由光源发射到腔体中的光的形状。例如，发射的光可相对于发射轴线径向对称。
用于LCD面板的背光源的最简单形式由以下组成发光表面，例如LED晶粒的活性发射表面或CCFL灯泡中磷光体的外层；和几何光学装置，该装置通过产生伸展的或大面积的照明表面或区域(称为背光源输出表面)来分配或散布该光。一般来讲，由于和所有背光源腔体表面的相互作用以及与发光表面的相互作用，这种将亮度很高的局部光源转换成大面积输出表面的方法会导致光损耗。就第一逼近程度而言，不是通过这种方法穿过与前反射器相关的输出区域或表面(可任选地进入所需的应用观察锥(如果有的话)，并具有特定(如LCD可用的)偏振态(如果有的话))的任何光都是“损耗”光。在共同转让的相关专利申请中，我们通过两个重要参数描述了赋予包含循环腔的任何背光源独特特征的方法。参见名称为THIN HOLLOW BACKLIGHTS WITH BENEFICIAL DESIGN CHARACTERISTICS(具有有益设计特性的薄型中空背光源)的美国专利申请No. 60/939，084。可通过使用反射性光学元件和透射性光学元件的组合来制备将线光源或点光源转变为均一伸展的面光源的背光源腔体(更一般地说，任何发光腔体)。在许多情况下，所需的腔体与其横向尺寸相比非常薄。历史上，对最薄的背光源一般使用实心光导装置，并且除了非常小的显示器(例如手持设备中使用的那些)外，都是用线性连续光源(例如冷阴极荧光灯(CCFL))来照明。 实心光导装置通过光的全内反射(TIR)现象在光导装置的顶表面和底表面处提供低损耗的光传送和镜面反射。光的镜面反射在光导装置内提供最有效的光的侧向传送。设置在实心光导装置的顶表面和底表面上的提取器将光重新导向，以将其引导出光导装置，从而实际上形成部分反射器。然而，实心光导装置用于大型显示器时会出现若干问题，例如成本、重量和光均勻度。随着单独的红/绿/蓝(RGB)色LED的出现，由于这些LED与面积要大得多的背光源输出区域相比实际上是点光源，因此大面积显示器的均勻度问题已经增加。对于常规的直下式背光源以及利用实心光导装置的侧光式系统，高强度点光源都会引起均勻度问题。如果能制成也可以像在实心光导装置中一样有效进行光的侧向传送的中空光导装置，就可以在很大程度上降低均勻度问题。在一些情况下，对于偏振和光线角度循环系统而言，中空腔体(与实心腔体相比)可以更好地将光在整个显示器表面上侧向散布。一般来讲，背光源工业领域尚缺少可用于中空光导装置以有效实现该功能的元件中的一些，或在该元件已经存在的情况下，人们在此之前尚不能以正确的方式构造中空光导装置，以制备均一、薄型、 高效的中空光混合腔体。
尽管实心光导装置确实能通过光的全内反射(TIR)现象提供高效的顶部反射器和底部反射器，但对于制备均一、薄型的背光源而言，高效的中空反射腔体与实心光导装置相比仍具有若干优势。主要使用实心光导装置，从而在光与其它元件(例如反射型偏振器和其它增亮膜)发生相互作用之前得到光的侧向分散。然而，实心光导装置的IlR表面不足以满足现代背光源的所有要求，而且通常需要在实心光导装置的上方和下方两者增加额外的光控膜。当今使用实心光导的大多数系统也使用单独的后反射器，以利用增亮膜，例如BEF和DBEF(两者均得自3M Company, St. Paul, MN)。这些膜使从光导提取但由于偏振或传播角度不适合而无法用于显示的光循环。后反射器通常为白光反射器，其反射特性基本上为朗伯反射。然而，侧向传送中的大多数首先是通过实心光导的IlR表面实现的，并且在朗伯后反射器的作用下，循环的光被转变并返回到显示器。不管怎样，如果需要单独的顶部光控膜和底部光控膜，那么可能更有效的方法是单独使用这些膜，以形成中空光导，并且同时也得到反射型偏振器和其它增亮膜的功能。这样，可省去实心光导以及其它增亮膜。我们认为，可用空气替代实心光导，并用高效低损耗反射器替代实心光导的IlR 表面。这些类型的反射器在促进光在背光源腔体中以最佳方式进行侧向传送方面可发挥重要的作用。光的侧向传送可通过光源的光学构造来启动，或通过利用低损耗反射器的腔体中的光线的广泛循环来引发。我们可将实心光导的IlR表面替代为在空间上分离的低损耗反射器，这些反射器分为两类。第一类是用于正面的部分透射或部分反射器，第二类是用于背面和侧面的全反射器。如上所述，不管怎样，后者常常加设到实心光导系统。为了在腔体中实现最佳的光传送和光混合，前反射器和后反射器均可以为镜面或半镜面反射器，而不是朗伯反射器。可在腔体内的某些位置使用某些类型的半镜面元件，以促进光的均一的混合。在大型光导中使用空气作为光侧向传送的主要介质，能够设计出更轻、成本更低并且更均一的显示器背光源。要使中空光导能够显著增强光的侧向传播，将光注入腔体中的方式非常重要，正如其在实心光导中的那样。采用中空光导的形式，对于在直下式背光源(特别是具有多个但光学隔离的区域的背光源)的各种点处注入光允许更多的选择。在中空光导系统中，IlR 反射器和朗伯反射器的功能可通过镜面反射器和半镜面前向散射漫射元件的组合来实现。我们这里所描述的示例性部分反射器(前反射器)一例如在共同拥有的美国专利申请No. 60/939，079中所描述的非对称反射膜(ARF)—提供低损耗反射，并且相比于单独的实心光导中通过IlR可实现的控制，还提供对偏振光的透射和反射的更好的控制。因此， 除了在整个显示器表面上改善光的侧向分布以外，中空光导还可以改进大型系统的偏振控制。使用上述ARF也可以通过入射角对透射进行有效的控制。这样，可将来自混合腔的光准直到有效程度，以及使用单个膜构造提供偏振光输出。在一些实施例中，优选的前反射器具有相对高的总反射率，以支持腔体内相对高的循环。以“半球反射率”对此进行表征，表示光从所有可能的方向入射在部件(无论是表面、膜还是膜的集合)上时该部件的总反射率。因此，使入射光从以法向为中心的半球内的所有方向(和所有偏振态，除非另外指明)照射该部件，并收集反射到同一个半球中的所有光。反射光的总通量与入射光的总通量之比为半球反射率Rhemi。对于循环腔，以其Rhemi来表征反射器特别方便，因为光通常从所有角度入射到腔体内表面(无论是前反射器、后反射器还是侧反射器)上。此外，不同于法向入射的反射率，Rhemi对反射率随入射角的变化性不敏感，并且已考虑到该变化性，该变化性对于某些部件(如棱镜膜)可能非常显著。此外，在一些实施例中，优选的前反射器显示具有(特定于方向的)随入射角偏离法线的程度增大而增加的反射率(以及通常随入射角的增大而减小的透射率)，至少对于一个平面内的入射光是这样的。这种反射性质引起光优先地以更靠近法线(即更靠近背光源的观察轴)的角度透射出前反射器。这有助于增加在显示器行业中非常重要的视角上感受到的显示器亮度(代价是在更大的视角处感受到的亮度会降低，但这些角度通常不是那么重要)。之所以说“至少对于一个平面内的入射光”反射率随角度增大而增大，是因为有时会希望只在一个视平面内具有狭视角，而又希望在正交平面内具有更广的视角。实例是某些液晶电视的应用，其中需要为在水平面内进行观察提供广视角，但又指定在垂直平面内提供较狭的视角。在其它情况下，在两个正交平面内均需要狭视角，以便使同轴亮度最大化。据此，在其中前反射器为例如美国专利申请No. 60/939，079中所述的ARF的情况下，让我们考虑指定(如果我们想要)前反射器“具有通常随入射角增加的反射率”的意义。 ARF包括多层结构(如共挤出聚合物微层，其已在合适的条件下取向，以产生所需折射率关系和所需反射率特性)，该多层结构对阻挡偏振态下的法向入射光具有非常高的反射率，对透过偏振态下的法向入射光具有较低但仍然可观的反射率(如25%至90% )。处于阻挡态的光的非常高的反射率通常对于所有入射角都保持很高的值。处于透过态的光的行为更受关注，因为这种光在法向入射时具有中等反射率。随着入射角的增大，由于s偏振光反射率的性质，入射平面内透过态的倾斜光将显示具有增大的反射率(然而，相对增量将取决于法向入射的透过态反射率的初始值)。因此，从ARF发出的视平面内的光将被部分准直或在角度上受限。然而，另一入射平面内的透过态倾斜光可显示具有三种行为中的任何一种，具体取决于微层之间ζ轴折射率差值相对于面内折射率差值的大小和极性，如专利申请60/939，079中所讨论。在一种情况下，存在布鲁斯特角，并且此光的反射率随入射角的增加而降低。这会在平行于输出表面的视平面内产生明亮的偏轴凸角，这在LCD显示应用中通常是不可取的 (尽管在其它应用中，此行为可能是合格的，并且即使就LCD显示应用而言，此凸角的输出也可以通过使用棱镜转向膜朝视轴重新导向)。在另一种情况下，布鲁斯特角不存在或非常大，并且ρ偏振光的反射率在入射角增加时相对恒定。这样就会在参考视平面内形成相对广的视角。在第三种情况下，不存在布鲁斯特角，并且ρ偏振光的反射率随入射角而显著增加。这样就会在参考视平面内产生相对狭的视角，其中准直度可通过控制ARF中的微层之间的ζ轴折射率差值大小来至少部分地调整。当然，反射表面不需要如ARF —样具有非对称同轴偏振性质。例如，对称多层反射器可设计为具有高反射率，但通过适当选择微层数量、层厚度分布、折射率等而具有较大的透射率。在这种情况下，s偏振分量将以彼此相同的方式随入射角的增大而增加。同样，这是由S偏振光的反射性质决定的，但相对增加量将取决于垂直入射反射率的初始值。P偏振分量将具有彼此相同的角行为，但通过控制微层之间Z轴折射率差值相对于面内折射率差值的大小和极性，可将此行为控制为上述三种情况中的任何一种。因此，我们发现在前反射器中，折射率随入射角(如果存在)的增加可能是指入射到这样的平面内的具有可用偏振态的光对于该平面，可用偏振态的倾斜光为P偏振光。或者，反射率的这种增加可能是指非偏振光在任何入射面内的平均反射率。在一些实施例中，后反射器对可见光也具有高半球反射率，该半球反射率比前反射器通常高很多，因为前反射器被故意设计成部分透射的以便提供所需的背光源光输出。 后反射器的半球反射率称为Rbtali，而前反射器的半球反射率称为Rftai。优选地，Rftai*Rbtai 的乘积为至少45%。图1是背光源100的一个实施例的示意性剖视图。背光源100包括部分透射的前反射器Iio和后反射器120，前反射器和后反射器形成中空光循环腔130。腔体130包括输出表面135。如本文进一步描述的，腔体130还包括具有梯度镜面反射率的光提取元件140。 背光源100还包括设置在中空光循环腔130内的半镜面元件150，如在本文中进一步描述的。在图1中，光提取元件140被示出为与后反射器120的主表面122相邻设置，半镜面元件150被示出为与部分透射的前反射器110的主表面112相邻设置。应当理解，光提取元件140和半镜面元件150 二者均可设置在腔体130内的任何位置，例如，两个元件均可与前反射器110相邻设置，与后反射器120相邻设置，或者设置在两个反射器之间一半的位置。 在一些情况下，光提取元件140和半镜面元件150可组合成一个通用光学元件(未示出)。如图1所示，背光源100也包括设置为将光发射到光循环腔130中的一个或多个光源160。该一个或多个光源160被构造为在有限的角范围内将光发射到光循环腔130中。 在图1所示的实施例中，光源160靠近腔体130的边缘132设置。背光源100可以为任何合适的尺寸和形状。在一些实施例中，背光源100的长度 L和宽度W可为一毫米或数毫米到若干米。此外，在一些实施例中，可拼合并单独地控制两个或更多个背光源，从而得到大区域背光源。如图所示，背光源100包括注入器或反射器165，其有助于将光从一个或多个光源160引导到光循环腔130中。任何合适的注入器或反射器都可与背光源100 —起使用， 如楔、抛物面反射器、透镜等。参见例如名称为名称为“COLLIMATING LIGHT INJECTORS FOR EDGE-LIT BACKLIGHTS”(用于侧光式背光源的准直光注入器)的美国专利申请 No. 60/939, 082中所述的注入器。虽然图示为沿着背光源100的一侧或边缘设置一个或多个光源160，但也可沿着背光源100的两侧、三侧、四侧或更多侧设置光源。例如，对于矩形背光源，可沿着背光源四侧中的每一侧设置一个或多个光源。前反射器110可包括任何部分透射的反射器，例如共同拥有的名称为 "BACKLIGHT AND DISPLAY SYSTEM USING SAME”(背光源及使用其的显示系统)的美国专利申请 No. 60/939,079 以及名称为 “THIN HOLLOW BACKLIGHTS WITH BENEFICIAL DESIGN CHARACTERISTICS”(具有有益设计特性的薄型中空背光源)的美国专利申请 NO. 60/939, 084中所描述的部分透射的反射器。在一些实施例中，前反射器110可包括一个或多个聚合物多层反射偏振膜，如在以下专利中所述名称为“OPTICAL FILM”(光学膜)的美国专利 No. 5，882，774 (Jonza 等人)；名称为 “BACKLIGHT SYSTEM WITH MULTILAYER OPTICAL FILM REFLECTOR”(具有多层光学膜反射器的背光源系统)的美国专利 No. 6, 905, 220 (Wortman 等人)；名称为 “HIGHT EFFICIENCY OPTICAL DEVICES” (高效光学器件)的美国专利No. 6，210，785 (Weber等人)；名称为“APPARATUS FOR MAKING MULTILAYER OPTICAL FILMS”(制备多层光学膜的设备)的美国专利No. 6，783，349 (Neavin 等人)；名称为“OPTICAL ARTICLE INCLUDING A BEADED LAYER”(包括含珠层的光学制品) 的美国专利公布 No. 2008/0002256 (Sasagawa 等人)；名称为 “METHOD AND MATERIALS FOR PREVENTING WARPING IN OPTICAL FILMS”(用于抑制光学膜翘曲的方法和材料)的美国专利 No. 6，673，425 (Hebrink 等人)；名称为 “MATERIALS，CONFIGURATIONS，AND METHODS FOR REDUCING WARPAGE IN OPTICAL FILMS”(用于减少光学膜翘曲的材料、构造和方法)的美国专利公布 No. 2004/0219338 (Hebrink 等人)；以及名称为“OPTICAL ARTICLE AND METHOD OF MAKING，，(光学制品及其制备方法)的美国专利申请No. 11/735，684 (Hebrink等人)。在一些实施例中，部分透射的前反射器110可在输出表面处提供偏振光。合适的偏振前反射器包括例如 DBEF、APF、DRPF (均得自 3MCompany，St. Paul，MN)、ARF、TOP ( 二者均描述于60/939，079专利申请中)等。在其它实施例中，部分透射的前反射器可提供非偏振光。合适的非偏振前反射器包括例如穿孔镜、微结构化膜等。非偏振膜的其他实例在例如美国专利申请No. 60/939, 084中有所描述。前反射器110对于至少可见光而言是部分透射性的和部分反射性的。前反射器 110的部分透射率允许腔体130内的至少一部分光透过腔体130的输出表面135发出。前反射器Iio可包括任何合适的膜和/或层，它们从腔体130的内部为入射到前反射器110 上的光提供部分透射和反射。在一些实施例中，前反射器110为可操作的以透射偏振光。在这种实施例中，前反射器Iio对在第一平面内偏振的可见光具有至少约90%的同轴平均反射率，对在平行于第一平面的第二平面内偏振的可见光具有至少约5%但小于约90%的同轴平均反射率。如本文所用，术语“同轴平均反射率”是指以基本上垂直于这种表面的方向入射到反射器上的光的平均反射率。此外，术语“总半球反射率”是指反射器对从以反射器法线为中心的半球内的所有方向入射到反射器上的光的总反射率。本领域的技术人员将在第二平面中偏振的光视为可用的偏振态的光，即此类偏振光将透过LC面板的下吸收型偏振器(如图6中的下吸收型偏振器658)入射到LC面板上。此外，本领域的技术人员将认识到，第一平面与阻光轴平行，第二平面与偏振前反射器110的透光轴平行。此外，在一些实施例中，可能理想的是可用偏振态光的平均同轴透射率比不可用偏振态光的透射率大出几倍，从而确保从腔体130输出的光大体上是所需的偏振态光。这也有助于降低从腔体发出的可用光的总损耗。在一些实施例中，可用光的同轴透射率是非可用光的至少10倍。在其它实施例中，可用光与非可用光的透射率比为至少20。在一些实施例中，前反射器110可包括两个或更多个膜。例如，图4A为前反射器 400的一部分的示意性剖视图。反射器400包括靠近第二膜404设置的第一膜402。膜402、 404可间隔开或相互接触。或者，膜402、404可使用任何合适的技术进行连接。例如，可使用任选粘合剂层406将膜402、404层合在一起。任何合适的粘合剂都可用于层406，如压敏粘合剂(例如3M Optically Clear Adhesives (3M光学透明粘合剂))以及紫外固化性粘合剂(例如UVX-4856)。在一些实施例中，粘合剂层406可用折射率匹配液替代，而膜402、 404可使用本领域已知的任何合适的技术保持接触。
膜402、404可包括本文就前反射器所述的任何合适的膜。膜402、404可具有类似的光学特性；或者，膜402、404可具有提供不同光学特性的不同构造。在一个示例性实施例中，膜402可包括如本文所述的在一个平面内具有透光轴的非对称反射膜，而膜404可包括在第二平面内具有透光轴(与第一膜402的透光轴不平行)的第二非对称反射膜。此不平行关系可在两个透光轴平面之间形成任何合适的角度。在一些实施例中，透光轴平面可以是大体上正交的平面。这种关系将为前反射器400在透光轴中提供高反射率。此外，例如膜402可以包括非对称反射膜，而膜404可以包括棱镜增亮膜，例如 BEF0在一些实施例中，BEF可以相对于非对称反射膜取向，以便BEF准直与非对称膜的准直平面正交的平面内的透射光。或者，在其他实施例中，可以对BEF进行取向，以便BEF准直非对称反射膜的准直平面内的透射光。虽然前反射器400在图4A中示为包括两层膜402、404，但前反射器400可包括三层或更多层膜。例如，三层前反射器可使用三层反射型偏振器(例如DBEF或APF，均得自 3M Company, St. Paul, MN)制成。如果三层被布置成使得第二层的偏振轴相对于第一层的偏振轴成45°，并且第三层的偏振轴相对于第一层的偏振轴成90°，则所得前反射器将反射大约75%的法向入射光。可以利用层与层之间的其他旋转角度来实现不同程度的反射。 两个具有几乎正交的透光轴的反射型偏振器之间的双折射(偏振旋转)层或散射层还可以形成这样的反射膜具有受控的反射率程度以用作前反射器的反射膜。本发明的前反射器也可以包括设置在反射器的一个或多个表面之内或之上的光学元件。例如，图4B为前反射器410的另一个实施例的一部分的示意性剖视图。反射器 410包括具有第一主表面414和第二主表面416的膜412。膜412可包括本文就前反射器所述的任何合适的膜或层。多个光学元件418设置在第一主表面414之上或之内。尽管示出为仅设置在第一主表面414上，但是光学元件可设置在第二主表面416上或设置在第一和第二主表面414、416 二者上。任何合适的光学元件可设置在膜412之上或之内，例如微球体、棱镜、立体角反射器、透镜、柱镜(lenticular)元件等。光学元件可为折射元件、折射元件、漫射元件等。在此实施例中，光学元件418可以准直膜412所透射的光。在其他实施例中，光学元件418可以漫射入射到膜412上或离开膜412的光，这取决于光学元件412的设置。光学元件418可设置在膜412的主表面上或至少部分地嵌入膜412的主表面内。此外，可使用任何合适的技术制备膜410，如在名称为“BACKLIGHT AND DISPLAY SYSTEM USING SAME”(背光源和使用其的显示系统)的专利申请No. 60/939，079和名称为 "RECYCLING BACKLIGHTS WITH SEMI-SPECULAR C0MP0NENTS”(具有半镜面部件的循环背光源)的No. 60/939，085中所述的用于制备涂珠ESR的那些技术。光学元件418也可设置在靠近膜410设置的基底上。例如，图4C为前反射器420 的另一个实施例的一部分的示意性剖视图。反射器420包括膜422和靠近膜422设置的增益漫射器424。膜422可包括本文就前反射器所述的任何膜和/或层。增益漫射器4M包括具有第一主表面似8和第二主表面430的基底426，以及多个设置在基底似6的第二主表面430之上或之内的光学元件432。可使用任何合适的光学元件432，如图4B所示的光学元件418。基底4 可包括任何合适的具有光学透射性质的基底。对于图4C所示的实施例，增益漫射器似4的第一主表面4 靠近偏振膜422设置。漫射器似4可靠近膜422设置，使得它与膜422间隔开、与膜422接触或附接到膜422上。 可使用任何合适的技术(如使用光学粘合剂)将漫射器4M附接到膜422上。任何合适的增益漫射器可用于漫射器424。在一些实施例中，光学元件432可设置在基底似6的第一主表面似8上，使得元件432位于基底似6与偏振膜422之间。重新参见图1，前反射器110也可以附接到支撑层。该支撑层可包括任何合适的材料，例如聚碳酸酯、丙烯酸类树脂、PET等。在一些实施例中，前反射器110可由纤维强化光学膜支撑，如在例如名称为“FIBER REINFORCED OPTICAL FILMS”(纤维强化光学膜)的美国专利公布 No. 2006/0257678 (Benson 等人)、名称为“REINFORCED REFLECTIVE POLARIZER FILMS” (强化的反射偏振膜)的美国专利申请No. 11/323，726 (Wright等人)、以及名称为“REINFORCED REFLECTIVE POLARIZER FILMS”(强化的反射偏振膜)的美国专利申请 No. 11/322，3 (Ouderkirk 等人)中所描述的。此外，可以使用任何合适的技术将前反射器110附接到支撑层。在一些实施例中， 可以使用光学粘合剂将前反射器110粘附到支撑层上。在其它实施例中，前反射器110可附接到显示系统的LC面板(如图6所示的显示系统600的LC面板650)上。在这种实施例中，前反射器110可附接到吸收型偏振器上，然后再附接到LC面板上，或者可首先将吸收型偏振器附接到LC面板上，然后再将前反射器110附接到吸收型偏振器上。此外，在非LCD 系统中，前反射器110可附接到着色前板上。如本文所述，前反射器110可包括提供部分反射和部分透射的前反射器的任何合适的膜和/或层。在一些实施例中，前反射器110可包括一个或多个纤维偏振膜，如在名称为 “REFLECTIVE POLARIZERS CONTAINING POLYMER FIBERS”(包含聚合物纤维的反射型偏振器)的美国专利公布No. 2006/0193577 (Ouderkirk等人)、名称为“MULTILAYER POLARIZING FIBERS AND POLARIZERS USING SAME”(多层偏振纤维及使用其的偏振器)的美国专利申请No. 11/468，746 (Ouderkirk等人)、以及名称为"POLYMER FIBER P0LARUERS”(聚合物纤维偏振器)的美国专利申请No. ll/468，740(Bluem等人)中所描述的。可用于前反射器110的其它示例性膜包括胆留型偏振膜、双折射叠片膜、双折射共混聚合物(如得自3M Company的DRPF)以及线栅偏振器。可使用任何合适的技术制备用于本文所述的前反射器和后反射器的膜。参见例如名称为 “APPARATUS FOR MAKING MULTILAYER OPTICAL FILMS”(制备多层光学膜的设备) 的美国专利No. 6，783，349 (Neavin等人)。前反射器110和后反射器120可呈现任何合适的Rhemi值。通常，对中空背光源Rhemi 的选择受给定系统具体设计标准的影响。主要的设计标准通常包括显示器尺寸(长度和宽度)、厚度、对于给定视角实现亮度目标所需的光源流明数、亮度和/或色彩均勻度以及系统对光源、背光源光学材料或腔体维度变化的稳健性。另外，将光源远远分开的能力是重要的系统属性，因为它影响所需的光源的最小数量，并且因此影响系统光源的总成本。最后，背光源的所需角发射可影响Rtali的选择，因为用聚合物多层光学膜可实现的角发射特性取决于此，随着Rtai的增大，可能存在较大的角分布范围。Rtemi较低的一个优点是系统效率较高。通常，发生的循环越少，腔体中多次反射引起的吸收损耗就越低。背光源腔体中的任何材料都可吸收光，包括前反射器和后反射器、侧壁、支撑结构(如柱子)以及光源本身。光可通过腔体中的物理间隙逸出，或通过边缘反射器或后反射器少量透射。减少反射的次数可减少这些损耗、提高系统效率并降低所需的光源流明数。在一些实施例中，腔体长度与厚度的比率(如L/H)越大，一般来讲在腔体内传送光所需的Rhemi也越大。因此对于更大和/或更薄的背光源，通常需要更大的Rhemi值以实现均勻度。所需的光源间距越远，一般来讲所需的Rhemi也越大，以便使光源之间的不均勻度 (所谓的“前照灯效应”)最小化。多次反射可有助于填充光源之间的暗区，并且就RGB系统而言，可通过混合色彩减轻色彩梯阶，从而产生白色外观。通过改变光提取元件的镜面反射率，我们已经说明对于给定的L/H，实现均勻度所需的Rtali可显著减小。这具有的优点是增加了系统效率并降低了所需的光源流明数。然而，降低Rtemi使循环减少，从而导致对制备或部件变化的敏感性更大。系统对以下变化的敏感性随着循环的减少而增大包括厚度H变化在内的维度变化、前反射器或后反射器的反射率或镜面反射率的光学变化、光提取元件的反射率或镜面反射率的光学变化、侧反射器的不连续性、支撑结构(如柱子)的可见性以及光源的色彩和亮度变化。除了对光源输出的敏感性增加之外，系统对服务期漂移、差异老化或光源失效的容差还随着Rtemi的减小而降低。可以设计具有两种Rtemi和相同均勻度的两个系统(例如，一个具有Rtali较低的成形背板或梯度光提取元件，另一个具有Rtai较高的直背板)，然而在一些实施例中，Rtai较低的系统的敏感性可大于Rtali较高的系统。在此，对可制备性的考虑可以比通过降低Rtali 获得的系统效率增加更重要。Rtemi的选择可取决于该系统的具体设计标准。在图1所示的实施例中，前反射器110面向后反射器120以形成腔体130。后反射器120优选地为高反射性的。例如，后反射器120可以具有对于光源射出的可见光而言至少90 %、95 %、98 %、99 %的同轴平均反射率，或对于任何偏振可见光而言更高的同轴平均反射率。该反射率值还可以减少高度循环腔中的损耗量。另外，这种反射率值涵盖了反射到半球中的所有可见光，即这种值包括镜面反射和漫反射两者。无论在空间上均勻分布或图案化，后反射器120都可以主要是镜面反射器、漫反射器或镜面反射器与漫反射器的组合。在一些实施例中，后反射器120可以是半镜面反射器，如本文进一步所述的。还可参见名称为“RECYCLING BACKLIGHTS WITH SEMI-SPECULAR COMPONENTS”(具有半镜面部件的循环背光源)的美国专利申请No. 60/939，085、以及名称为“BACKLIGHT SUITABLE FOR DISPLAY DEVICES”(适用于显示设备的背光源)的美国专利申请No. 11/467，326 (Ma等人)。在一些情况下，后反射器120可由具有高反射率涂层的刚性金属基底或层合到支撑基底上的高反射率膜制成。合适的高反射率材料包括Vikuiti 增强型镜面反射器(ESR) (Vikuiti Enhanced Specular Reflector (ESR))多层聚合物膜 (得自3M Company)；使用0. 4密耳厚的丙烯酸异辛酯-丙烯酸压敏粘合剂将掺有硫酸钡的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜O密耳厚)层合到Vikuiti ESR膜上所形成的膜，本文将所得的层合膜称为“EDR II”膜；得自Toray Industries, Inc.的E-60系列Lumirror 聚酯膜； 多孔聚四氟乙烯(ΡΤ^)膜，如得自W. L. Gore & AssociatesJnc.的那些；得自Labsphere， Inc.的 Spectralon 反射材料；得自 Alanod Aluminum-Veredlung GmbH & Co.的 Miro 阳极氧化铝膜(包括Miro 2膜)；得自Furukawa Electric Co. ,Ltd.的MCPET高反射率发泡片材；得自 Mitsui Chemicals, Inc.的 White Refstar 膜和 MT 膜；以及 hTIPS(即， 具有高反射率的多孔聚丙烯膜，并可使用例如美国专利No. 5，976，686 (Kaytor等人)中所述的热致相分离方法制成。两片TIPS可使用光学粘合剂层合在一起以形成层合材料)。后反射器120可以基本上是平坦而光滑的，或可具有与之相关联的结构化表面， 以增强光的散射或混合。这种结构化表面可以(a)施加在后反射器120的表面上，或(b) 施加在涂敷于表面的透明涂层上。在前一种情况下，可以将高反射率膜层合到预先形成有结构化表面的基底上，或者将高反射率膜层合到平坦基底(如金属薄片，这与购自3M Company 的 Vikuiti 耐用增强型镜面反射片-金属(DESR-M) (VIKUITI Durable Enhanced Specular Reflector-Metal(DESR-M))反射器类似)上，然后再如采用压印操作形成结构化表面。在后一种情况下，可以将具有结构化表面的透明膜层合到平坦反射面上，或将透明膜施加到反射器上，然后再在透明膜上形成结构化表面。对于具有直下式构造(如图3的背光源300)的那些实施例，后反射器120可为在其上面安装光源的连续一体(无中断)层，或可作为分开的部件不连续地构造，或者其相当不连续以至于在其他的连续层中包括隔离孔，光源可通过这些孔伸出。例如，可将反射材料条施加到其上安装有LED行的基底上，每一条的宽度都足以让其从一行LED延伸到另一行， 其长度应足以使其横跨背光源输出区域相对的两条边界线。在图1所示的实施例中，后反射器120为平面反射器，但是背光源100可为非平面后反射器，使得H在整个腔体130上变化，如61/030，767专利申请中所描述的。在一些实施例中，后反射器120和部分透射的前反射器110可沿相同的方向(未示出)弯曲，以使得距离H在整个腔体130上保持基本恒定。前反射器和后反射器之间的空间可利用任何合适的技术来保持，例如刚性板、张紧框架、以及腔体中的各种结构，包括柱子、壁或者从后反射器延伸的突起(如隆起块或脊)。背光源100还可包括沿背光源100外边界的至少一部分设置的一个或多个侧反射器134，该背光源优选为带衬里的，或者说设置有高反射率的竖直壁，以减少光损失和改善循环效率。形成这些壁可采用与用于后反射器120的反射材料相同的反射材料，或者也可以使用不同的反射材料。在一些实施例中，侧反射器134和后反射器120可以由单片材料形成。侧反射器和壁中的一者或两者可为竖直的，或者，侧反射器可为倾斜的、弯曲的或结构化的。在侧反射器上或其相邻处可使用折射结构，以实现所需的反射分布。可选择壁材料和倾斜度，以调节输出光通量分布。背光源100包括光提取元件140，该光提取元件具有梯度镜面反射率，从而导致对光的梯度提取。所述梯度提取可通过局部增加或减少光提取量的任何元件来实现。由于部分透射的前反射器通常具有一定程度的角选择性透射率，所以使附加光偏移到较高透射率的角范围内的提取元件将增加该区域中的亮度。提取区域通常朝着法向，但是可被设计为成倾斜角度。用于提取元件的材料可为镜面的、半镜面的或漫射的、半透明的、半透半反的、 折射的、衍射的、降频的(如磷光体)等。折射元件可为棱镜、小透镜、柱镜等。提取元件可通过印刷、浇注、涂覆、压印、蚀刻、烧蚀、转印(如背胶点)、层合等来施加。提取元件还可通过反射表面的局部偏移来制成，如压印、锤击、波纹压制、研磨、蚀刻等。梯度镜面反射率还可通过漫射涂层的光重新导向性质的变化(局部变化或在整个表面区域上渐变)来实现。这可通过例如厚度、组成或表面性质的变化来实现。还可利用穿孔，例如具有梯度穿孔的漫射膜。另外，具有一种镜面特征的反射膜(例如ESR)可被打孔并设置在具有不同的镜面特征的反射膜(例如白色漫反射器，如得自FUrUkaWa(日本) WMCPET)上方，以提供梯度镜面反射率。如本文所用，术语“梯度镜面反射率”表示在整个相当于输出区域的表面上光提取能力(即，镜面反射率)变化。在一个实施例中，梯度镜面反射率可在整个光提取元件的表面上连续改变并平滑地变化，例如以单调方式变化。在一些实施例中，光提取元件可具有长度方向、宽度方向、或长度和宽度方向二者上的梯度。在一些实施例中，所述梯度可包括一个或多个阶跃变化，如镜面后反射器上用于形成亮中心的圆形区域。在一些实施例中，所述梯度可为分立提取区域的阵列，如具有不同于相邻区域中的镜面反射率的均一镜面反射率的区域。在一些实施例中，梯度镜面反射率可为阶跃镜面反射率、镜面反射率的离散变化、 镜面反射率的连续变化、镜面反射率的不连续变化、具有不同镜面反射率的多个区域的序列、或者梯度镜面反射率的组合。背光源100还包括设置为将光发射到光循环腔130中的一个或多个光源160。在此实施例中，光源靠近背光源100的边缘132设置。图中示意性地示出了光源160。在大多数情况下，这些光源160为紧凑型发光二极管(LED)。就这一点而言，“LED”是指发射可见光、紫外光或红外光的二极管。它包括作为LED(不论是常规型还是超辐射型)销售的非相干的包装或封装的半导体器件。如果LED发射的是诸如紫外光等不可见光，以及在LED 发射可见光的某些情况下，则将其封装为包含磷光体(或是照亮设置在远处的磷光体)，以将短波长光转化为波长更长的可见光，某些情况下会得到发射白光的器件。“LED晶粒”是 LED的最基本形态，即经半导体加工过程而制成的单个部件或芯片。部件或芯片可以包括适合施加能量以便为装置提供能量的电触点。部件或芯片的各个层和其他功能元件通常以晶片级形成，然后可以将加工好的晶片切成单个元件，以生产大量的LED晶粒。本文将对封装 LED(包括前发射和侧发光LED)进行详细的讨论。无论是否用于产生白光，多彩光源可以在背光源中具有多种形式，并对背光源输出区域的色彩和亮度均勻性产生不同的影响。在一种方法中，多个LED晶粒(例如，发红光、 绿光和蓝光的晶粒)全部彼此接近地装在引线框架或其他基底上，然后一起装入单个封壳材料中形成一个封装体，封装体内还可以包括单透镜元件。可以控制这样的光源发射任何一种单独色彩的光，或同时发出所有色彩的光。在另一种方法中，可以将单独封装的LED集成一束用于某个给定的循环腔，其中每个封装体仅有一个LED晶粒并发射一种色彩的光， LED束中含有发出不同色彩(如蓝/黄或红/绿/蓝)的封装LED的组合。在另一个方法中，可以将此类单独包装的多色LED以一个或多个线条、阵列或其他图案的形式设置。如果需要，可以使用其他可见光发光体(如线性冷阴极荧光灯(CCFL)或热阴极荧光灯(HCFL))来代替或辅助分立的LED光源，以作为本发明所公开的背光源的照明源。此外还可使用混合系统，例如CCFL/LED (包括发出冷白光和暖白光的CCFL/LED) XCFL/HCFL (例如发出不同光谱的CCFL/HCFL)。其它合适的光源包括Xe CCFL、平面荧光灯、场发射源、光子晶格源、竖直腔体表面发射激光器、外部电极荧光灯和有机发光二极管。发光器的组合可有多种变化，并包括LED和CCFL，以及诸如多个CCFL、多个不同颜色的CCFL以及LED和CCFL 之类的复合体。例如，在某些应用中，可能有利的是用不同的光源(如长圆柱形CCFL)或线性表面发射光导来代替离散光源列，其中该光导沿其长度方向发光并连接到远程有源元件(如 LED晶粒或卤素灯)，也可对其他光源列做同样的替代。此类线性表面发射光导的实例在美国专利No. 5，845，038 (Lundin等人)和美国专利No. 6，367，941 (Lea等人)中有所公开。已为人们所知的还有纤维耦合激光二极管和其他半导体发光体，在这些发光体中，当把它放在本发明所公开的循环腔中或者以其他方式放在背光源的输出区域后面时，光学纤维波导的输出端可以看作是光源。同样的情况也适用于发光区域较小的其他无源光学元件，如透镜、偏转器、狭窄的光导以及发射从有源元件(如灯泡或LED晶粒)接收到的光线的类似元件。这类无源元件的一个实例是侧发光封装LED的模制封壳或透镜。任何合适的侧发射LED可用于一个或多个光源，例如Luxeon LED(可得自 Lumileds，San Jose，CA)或在例如名称为“LED PACKAGE WITH CONVERGING OPTICAL ELEMENT”(具有会聚光学元件的LED封装体)的美国专利申请No. 11/381，324(Leatherdale 等人)以及名称为 “LED PACKAGE WITH WEDGE-SHAPED OPTICAL ELEMENT”(具有楔形光学元件的LED封装体)的美国专利申请No. 11/381，等人)中所述的LED。在一些实施例中，其中背光源与显示器面板(如图6的面板650)组合使用，背光源100连续发射白光，LC面板与滤色器矩阵相结合，构成多色像素组(诸如黄/蓝(YB)像素、红/绿/蓝(RGB)像素、红/绿/蓝/白(RGBW)像素、红/黄/绿/蓝(RYGB)像素、红 /黄/绿/青/蓝(RYGCB)像素等)，从而使所显示的图像为多色。或者，也可使用色序技术来显示多色图像，该技术不是用白光连续背部式照明LC面板并通过调制LC面板中的多色像素来产生色彩，相反，它是对背光源100内的不同颜色(例如，选自(例如)组合中的红色、橙色、琥珀色、黄色、绿色、青色、蓝色(包括品蓝)和白色)的单独的光源进行调制， 使得背光源以快速重复的连续方式闪现空间上均一的彩色光输出(例如为红色、然后是绿色、然后是蓝色)。这种调制过色彩的背光源接着再与只有一个像素阵列(没有任何滤色器矩阵)的显示组件相组合，以便在调制速度足够快以至于可以在观察者的视觉系统中产生短暂混色效果的情况下，与背光源同步地调制像素阵列，从而在整个像素阵列上产生所有能产生的颜色(背光源中所用光源已知)。色序显示(也称为场序显示)的实例在美国专利No. 5，337，068 (Stewart等人)和美国专利No. 6，762，743 (Yoshihara等人)中有所描述。在一些情况下，人们可能只希望提供单色显示。在这些情况下，背光源100可包括滤光器或主要发射一种可见波长或色彩的特定光源。在一些实施例中，如图3所示的直下式背光源实施例，光源可以设置在后反射器上。或者，光源可以与后反射器间隔开。在其它实施例中，光源可以包括设置在或附接到后反射器上的光源，如共同拥有的和共同待审的美国专利申请No. 11/018,608、 No. 11/018, 605、No. 11/018, 961 和 No. 10/858, 539 中所描述的。可采用任何合适的布置方式设置光源160。此外，光源160可以包括发出不同波长或颜色光的光源。例如，光源可包括发出第一波长照明光的第一光源和发出第二波长照明光的第二光源。第一波长可与第二波长相同，也可不同。光源160也可包括发出第三波长光的第三光源。参见例如名称为 “WHITE LIGHT BACKLIGHTS AND THE LIKE WITH EFFICIENT UTILIZATION OF COLORED LED SOURCES”(有效利用彩色LED光源的白光背光源等)的美国专利申请No. 60/939，083。在一些实施例中，各种光源160产生的光可进行混合，以向显示器面板或其它装置提供白色照明光。在其他实施例中，每个光源160均可产生白光。
此外，在一些实施例中，可以优选至少部分准直发射光的光源。此类光源可以包括透镜、提取器、成型的封壳、或由光学元件构成的它们的组合，从而将所需输出提供至本发明所公开的背光源的中空光循环腔。示例性提取器在例如美国专利申请No. 2007/0257266、 No. 2007/0257270、No. 2007/0258241、No. 2007/0258246 以及美国专利 No. 7，329，982 中有所描述。此外，本发明的背光源可包括光注入光学器件，该光注入光学器件将最初注入到循环腔中的光部分准直或限制到接近于横向平面(该横向平面与背光源输出区域平行)的传播方向，如注入光束具有相对于横向平面范围从ο至45度或从0至30度或从0至15度的平均偏差角。在本发明的一些实施例中，可以优选的是在中空光循环腔内提供一定程度的漫射。此类漫射可以使光在腔体内进行更多的角混合，从而有助于在腔体内散布光，并且使透过输出表面导出腔体的光具有更高的均勻度。换句话讲，光循环腔包含使腔体具有镜面和漫射特性平衡的元件，该元件不但具有足够的镜面反射率以支持腔体内大量的侧向光传送或光混合，而且还具有足够的漫射率以使腔体内稳态光传播的角分布显著勻化，甚至在仅窄范围的传播角度范围内将光射入腔体中时也是如此。另外，腔体内的光循环必然使反射光偏振相对于入射光偏振态产生一定程度的随机化。这允许这样的机制，利用该机制可将不可用偏振光通过循环利用转变成可用偏振光。如本文进一步所述，通过前反射器和后反射器中的一个或两个、侧反射器，或通过设置在前反射器和后反射器之间的一个或多个层可以提供漫射。在一些实施例中，腔体内形成的漫射可以包括半镜面漫射。如本文所用，术语“半镜面反射器”是指正向散射显著多于反向散射的反射器。相似地，术语“半镜面漫射器”是指不使绝大部分入射光的入射光线的法向分量反向的漫射器，即，光基本以正向(ζ向)透射同时在一定程度上以X向和y向散射。换句话讲，半镜面反射器和漫射器(统称为半镜面元件)基本上将光引导向向前方向，并因此与在所有方向将光线同等地重新导向的朗伯部件具有很大的区别。半镜面反射器和漫射器可呈现出相对广的散射角；或者，这种反射器和漫射器在镜面反射方向之外可仅呈现出少量的光偏转。还可参见名称为“RECYCLING BACKLIGHTS WITH SEMI-SPECULAR COMPONENTS”(具有半镜面部件的循环背光源)的美国专利申请No. 60/939，085。可以将任何合适的半镜面反射材料用于本发明的前反射器和后反射器。此外，例如半镜面后反射器可包括在高反射率漫反射器上的部分透射的镜面反射器。合适的部分透射的镜面反射器包括本文所述的任何部分透射的反射膜，例如对称或非对称反射膜。合适的高反射率漫反射器包括EDR II膜(得自3M)；多孔聚四氟乙烯(PTFE) 膜，如得自 W. L. Gore & Associates, Inc.的那些；得自 Labsphere，Inc.的 Spectralon 反射材料；得自Furukawa Electric Co. ,Ltd.的MCPET高反射率发泡片材；以及得自Mitsui Chemicals, Inc.的 White Refstar 膜。在其它实施例中，半镜面后反射器可包括在高反射率镜面反射器上的部分朗伯漫射器。或者，高反射镜面反射器上的正向散射漫射器能够提供半镜面后反射器。用类似于后反射器的构造可以使前反射器具有半镜面反射性。例如，可以组合部分反射朗伯漫射器与部分镜面反射器。或者，可以组合正向散射漫射器与部分镜面反射器。此外，前反射器可以包括正向散射部分反射器。在其他实施例中，可以组合任何上述的前反射器，从而提供半镜面前反射器。如果漫射器设置在腔体中的某处，那么前反射器和后反射器中的一者或两者可以为镜面反射器。反射器中的一个也可为朗伯反射器，但这通常不是最佳构造，特别是对于侧光式背光源而言。在这种情况下，其它反射器应当为半镜面或镜面反射器。前向散射漫射器可为任何合适的漫射器，并且相对于两个方向或两种偏振态可为对称或非对称的。定量地讲，半镜面程度(给定反射器或其他部件的镜面特性与朗伯特性之比)可通过对向前和向后散射的光分量进行通量对比来表征，这两个分量分别称为F和B。前向散射通量和后向散射通量可通过在所有立体角上对反射强度进行积分(或就透光元件而言， 对透射强度进行积分)来获得。然后，可通过“传送比率”T来表征半镜面程度，通过下式给定T = (F-B)/(F+B)。在从纯朗伯面过渡为纯镜面的过程中，T的范围是从0到1。对于纯镜面反射器而言，不存在后向散射(B = 0)，因此T = F/F= 1。对于纯朗伯反射器而言，前向散射通量和后向散射通量相同(F = B)，因此T = 0。下文给定具有实验测得值的实例。任何实际反射元件或透射元件的传送比率都是入射角的函数。这是符合逻辑的，因为可以估计，例如，就几乎法向入射的光线与掠入射的光线而言，前向散射的光量是不同的。结合循环腔，可定义“有效腔体传送比率”，即给定入射光线在循环腔经历完整的巡回或循环后的传送比率。这个量可能值得关注，特别是对于包含至少一个半镜面部件和至少一个额外的散射部件(无论是半镜面的还是朗伯的)的腔体。由于传送比率通常为入射角的函数，因此可以注入腔体中的光的特性或平均入射角(如光源的平均功率通量偏差角)评价或指定有效的腔体传送比率。参见例如美国专利申请No. 60/939，085中对传送比率的进一步讨论。虽然图1未示出，但背光源100(或图6的显示系统600)可包括光传感器和反馈系统，以检测并控制光源160发出的光的亮度和色彩中的一者或两者。例如，传感器可位于各个光源160或光源簇的附近，以监控输出并提供反馈，从而控制、保持或调节白点或色温。沿着边缘或在腔体130内布置一个或多个传感器以对混合光采样可能是有益的。在某些情况下，可能有利的是提供传感器以检测观看环境(例如，显示器所在的房间)中显示器外部的环境光。可使用控制逻辑来基于环境观看条件适当地调节光源160的输出。可以使用任何合适的一个或多个传感器，例如光转频率或光转电压传感器(得自Texas Advanced Optoelectronic Solutions，Plano，Texas)。另外，可使用热传感器来监测并控制光源160 的输出。这些技术中的任何一种都可用于根据运行条件调节光输出以及对随时间老化的部件进行补偿。此外，可以将传感器用于动态对比、垂直扫描或水平区或场序系统，以提供反馈信号来控制系统。背光源100的输出表面135可具有与腔体130的面积相关的任何合适的面积。例如，在一些实施例中，输出表面135的面积可小于腔体130的面积(LXW)。这可(例如)使用具有高反射性部分的前反射器110来实现，从而减小输出表面135的有效面积。对于给定的光源160的输入通量，输出表面积的减小可增大背光源所提供的亮度。如本文所述，本发明的某些背光源可包括设置在背光源一个或多个边缘的一个或多个光源，以形成侧光式背光源。例如，图2为侧光式背光源200的另一实施例的示意性剖视图。背光源200包括部分透射的前反射器210和后反射器220，该前反射器和后反射器形成包括输出表面235的中空光循环腔230。如本文中进一步描述的，腔体230还包括具有梯度镜面反射率的至少一个光提取元件(图2中，元件242、244和M6)。背光源200还包括半镜面元件250，其设置在中空光循环腔230内；和至少两个光源沈0、270，其被设置为将光发射到光循环腔230中。光源沈0、270被构造为在有限的角范围内将光发射到光循环腔230中。本文就图1的背光源100的前反射器110、后反射器120、半镜面元件250以及一个或多个光源160所述的所有设计考虑和可能性同等地适用于图2的背光源200的前反射器210、后反射器220、光提取元件M2J44J46、半镜面元件250以及光源洸0、270。在图2所示的实施例中，一个或多个光源260、270分别靠近背光源200的第一边缘232和第二边缘234设置。在其他实施例中，光源可靠近背光源的任何数量的边缘设置。 如图所示，背光源200包括一对注入器或反射器沈5、275，其帮助将光从一个或多个光源 260,270引导至光循环腔230中。任何合适的注入器或反射器可与背光源200 —起使用，例如楔、抛物面反射器等。参见例如名称为“COLLIMATING LIGHT INJECTORS FOR EDGE-LIT BACKLIGHTS”(用于侧光式背光源的准直光注入器)的美国专利申请No. 60/939，082中所描述的注入器。在图示实施例中，光提取元件被分成三段042、244、246)，后反射器220的第二部分248、249位于这三段之间。在一些实施例中，如图1所示，光提取元件140在背光源100 的整个长度L上是连续的。在一些实施例中，如图2所示，光提取元件(M2J44J46)在背光源200的整个长度L上是不连续的。在一些实施例中(未示出)，光提取元件可在背光源的整个长度和宽度上进一步分割成段，以在输出表面上得到所需的光通量输出。虽然图2的背光源200为靠近背光源边缘设置有一个或多个光源的侧光式背光源，但其它实施例可包括被设置为在由输出表面到后反射器上的投影限定的腔体的区域内将光引导至光循环腔中的光源，从而形成直下式背光源。例如，图3为直下式背光源300的一个实施例的示意性剖视图。背光源300包括部分透射的前反射器310和后反射器320， 该前反射器和后反射器形成具有输出表面335的中空光循环腔330。背光源300还包括设置在中空光循环腔330内的至少一个半镜面元件(未示出)、具有梯度镜面反射率的光提取元件340、以及被设置为将光发射到光循环腔330中的一个或多个光源360、370。在图3 所示的实施例中，光提取元件340被示出为与部分透射的前反射器310相邻；然而，光提取元件340可设置在腔体330中的其他位置处，如在别处所描述的。本文中就图1的背光源 100的前反射器110、后反射器120、具有梯度镜面反射率的光提取元件140、至少一个半镜面元件150以及一个或多个光源160所述的所有设计考虑和可能性同等地适用于图3的背光源300的前反射器310、后反射器320、梯度镜面反射率的光提取元件340、至少一个半镜面元件以及一个或多个光源360、370。在图3所示的实施例中，一个或多个光源360、370设置在光循环腔330内。在一些实施例中，光源360、370被构造为以基本上侧面的方向上发射光，使得发出的光相对于由输出表面335限定的横向平面具有0至40度范围内的平均通量偏差角。换句话讲，光源 360、370可被构造为将相当大一部分光发射到腔体330的传送区中。一个或多个光源360、 370可设置在腔体330内的任何合适的位置。在一些直下式背光源实施例中，一般来讲，竖直反射侧面332、334实际上可以是将背光源与相似或相同的相邻背光源隔开的薄隔板，其中每一个这样的背光源实际上都是更大的分区背光源的一部分。各个子背光源中的光源都能按照任何所需的组合打开或关闭，从而得到由照亮区和黑暗区组成的图案以用于更大的背光源。在一些LCD应用中，可动态地使用这种分区的背光源以提高对比度并且节约能源。区之间的反射隔板可以不完全地延伸到前反射器，但可以由间隙与其分隔，该间隙的大小被设置以使区边界的可见性最小化(从观察者的角度)，同时也使区之间的透光最小化。图5a_5f为根据本发明一个方面的侧光式中空背光源的各种实施例的示意性剖视图。在图中，背光源500包括部分透射的前反射器510和后反射器520，该前反射器和后反射器形成中空光循环腔530。部分透射的前反射器510包括面向后反射器520的主表面512。后反射器520包括面向部分透射的前反射器510的主表面522。背光源530 还包括一个或多个光源(未示出)，其与别处描述的那些类似。在图fe中，背光源500包括与部分透射的前反射器510的主表面512相邻设置的光学元件M0。光学元件540是与具有梯度镜面反射率的光提取元件相结合的半镜面元件。在图恥中，背光源500包括与部分透射的前反射器510的主表面512相邻设置的第一光学元件M0、以及与后反射器520的主表面522相邻设置的第二光学元件Ml。第一和第二光学元件M0、541是与具有梯度镜面反射率的光提取元件相结合的半镜面元件。如图恥所示，每个光学元件内的梯度镜面反射率可不同，或者其可相同。在图5c中，背光源500包括与后反射器520的主表面522相邻设置的光学元件 5410光学元件541是与具有梯度镜面反射率的光提取元件相结合的半镜面元件。在图5d中，背光源500包括光学元件M1，该光学元件通过间隙543与后反射器 520的主表面522隔开。光学元件541是与具有梯度镜面反射率的光提取元件相结合的半镜面元件。在图k中，背光源500包括与部分透射的前反射器510的主表面512相邻设置的半镜面元件M4、以及包括光提取元件545的梯度光提取器，所述光提取元件按梯度设置在后反射器520的主表面522上。在图5f中，背光源500包括与部分透射的前反射器510的主表面512相邻设置的半镜面元件讨4。半镜面元件544具有面向后反射器520的主表面M6、以及包括光提取元件M5的梯度光提取器，所述光提取元件按梯度设置在半镜面元件544的主表面546上。本文中就图1的背光源100的前反射器110、后反射器120、具有梯度镜面反射率的光提取元件140、至少一个半镜面元件150以及一个或多个光源160所述的所有设计考虑和可能性同等地适用于图的背光源500的前反射器510、后反射器520、具有梯度镜面反射率的光提取元件、至少一个半镜面元件以及一个或多个光源。本发明的背光源可按照任何合适的构造或应用来实现。例如，本文所述的背光源可与显示面板结合使用以形成显示系统，如LC显示器或监视器。图6为显示系统600的一个实施例的示意性剖视图。显示系统600包括LC面板650和设置为向LC面板650提供光的照明组件602。LC面板650通常包括设置在面板的平板6M之间的LC层652。平板6M 通常由玻璃形成并在其内表面上可以包括电极结构和定向层，以用于控制LC层652中液晶的取向。通常对这些电极结构进行布置以便限定LC面板的像素，即LC层的区域，其中液晶的取向可独立于相邻的区域进行控制。滤色器也可被包括在一个或多个平板652上，用于
22在LC面板650所显示的图像上加上色彩。LC面板650设置在上吸收型偏振器656和下吸收型偏振器658之间。在图示实施例中，上吸收型偏振器656和下吸收型偏振器658位于LC面板650的外部。吸收型偏振器656、658和LC面板650结合控制从背光源610透过显示系统600到观察者的光透射。 例如，可将吸收型偏振器656、658布置为使其透射轴相互垂直。处于非激活状态的液晶层 652的像素可能不会改变从其中通过的光的偏振。因此，通过下吸收型偏振器658的光被上吸收型偏振器656吸收。当像素被激活时，则旋转从其中通过的光的偏振，从而透过下吸收型偏振器658的光中的至少一些也透过上吸收型偏振器656。例如通过控制器604对LC 层652不同像素的选择性激活可导致光在某些所需的位置处透过显示系统600，从而形成观察者所见的图像。该控制器604可包括(例如)可接收并显示电视图像的计算机或电视控制器。可靠近上吸收型偏振器656设置一个或多个任选层657，例如，设置为显示器表面提供机械和/或环境保护的任选层。在一个示例性实施例中，层657可包括上吸收型偏振器656上方的一层硬质涂料。应当理解，一些类型的LC显示器可能会以与上述不同的方式工作。例如，吸收型偏振器可平行排列，并且在未激活状态下LC面板可以使光的偏振发生旋转。无论如何，此类显示器的基本结构仍然与上述基本结构类似。照明组件602包括背光源610和任选的一个或多个设置在背光源610和LC面板 650之间的光控膜640。背光源610可以包括任何本文所述的背光源，例如图1中的背光源 100。光控膜(也可以称为光管理单元)结构640设置在背光源610和LC面板650之间。光控膜640会影响从背光源610传播的照明光。例如，光控膜结构640可以任选地包括漫射器648。漫射器648用于漫射从背光源610接收的光。漫射层648可以是任何合适的漫射膜或漫射板。例如，漫射层648可以包含任何合适的漫射材料。在一些实施例中，漫射层648可以包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物基质，该聚合物基质具有多种分散相并且包括玻璃、聚苯乙烯小珠以及CaCO3颗粒。示例性漫射器包括得自 3MCompany (St. Paul, Minnesota)的 3635-30、3635-70 和 3635-100 型 3MTMScotchcal 漫射器膜。任选的光控膜640还可以包括反射型偏振器642。在一些实施例中，反射型偏振器642的透射轴可与LC面板650的透光轴对齐。任何合适类型的反射型偏振器可以用于反射型偏振器642，如多层光学膜(MOF)反射型偏振器；漫反射型偏振膜(DRPF)，如连续相 /分散相偏振器；线栅反射型偏振器；或胆留型反射型偏振器。MOF反射型偏振器以及连续相/分散相反射型偏振器均依赖于至少两种材料(通常为聚合物材料)之间折射率的差值，从而选择性地反射一种偏振态的光，而透射垂直偏振态的光。在共同拥有的美国专利No.5，882，774(Jonza等人)中描述了 MOF反射型偏振器的一些实例。可商购获得的MOF反射型偏振器的实例包括Vikuiti DBEF-D200和 DBEF-D440多层反射型偏振器，该偏振器具有漫射表面，可得自3M Company.可与本发明结合使用的DRPF的实例包括连续相/分散相反射型偏振器，如(例如)共同拥有的美国专利No. 5，825，M3 (Ouderkirk等人)中所描述的；以及漫反射多层偏振器，如(例如)共同拥有的美国专利No. 5，867，316 (Carlson等人)所描述的。其他合适类型的DRPF在美国专利No. 5，751，388 (Larson)中有所描述。可与本发明结合使用的线栅偏振器的一些实例包括例如在美国专利 No. 6，122，103 (Perkins等人)中所述的那些。线栅偏振器可从(特别是)Moxtek Inc. (Orem, Utah)商购获得。可与本发明结合使用的胆留型偏振器的一些实例包括例如美国专利 No. 5，793，456 (Broer等人)和美国专利公布No. 2002/0159019 (Pokorny等人)中所述的那些。胆留型偏振器通常在输出侧与四分之一波长延迟层一起提供，以使得透过胆留型偏振器的光被转换为线偏振光。在一些实施例中，偏振控制层644可以设置在漫射板648和反射型偏振器642之间。偏振控制层644的实例包括四分之一波长延迟层和偏振旋转层(如液晶偏振旋转层)。 偏振控制层644可用于改变从反射型偏振器642反射的光的偏振，以使得更多的循环光透过反射型偏振器642。任选的光控膜结构640还可包括一个或多个增亮层。增亮层是具有如下表面结构的层，该表面结构使离轴光转向更靠近显示器的轴线的方向。这会增加穿过LC层652 的同轴传播的光量，从而增加观察者所看到的图像的亮度。增亮层的一个例子为棱镜增亮层，该增亮层具有数个棱镜隆起，其通过折射和反射改变照明光的方向。可用于显示系统 600的棱镜增亮层的实例包括Vikuiti BEF II和BEF III系列的棱镜膜，这些膜可得自 3MCompany，包括 BEF II 90/24,BEF II 90/50,BEF IIIM 90/50、以及 BEF IIIT0 在一些实施例中，可利用一个或多个保偏折射结构。许多类型的折射增亮膜都是高度双折射的，并且可使从反射型偏振器发出的光去偏振。可将基底(例如聚碳酸酯)制成充分地各向同性， 以便不会去偏振。如本文进一步描述的那样，也可以通过前反射器的一些实施例来提供增亮。图6所示的示例性实施例示出设置在反射型偏振器642和LC面板650之间的第一增亮层646a。棱镜增亮层通常提供一个维度上的光学增益。光控膜结构640中也可以包括可选的第二增亮层646b，该增亮层的棱镜结构方向与第一增亮层646a的棱镜结构相互垂直。该构造能沿两个维度增加显示系统600中的光学增益。在其他示例性实施例中，增亮层646a、646b可布置在背光源610和反射型偏振器642之间。任选的光控膜640中的不同层可以是自立式的。在其它实施例中，可将光控膜640 中的两个或更多个层层合在一起，例如，如共同拥有的美国专利申请No. 10/966，610 (Ko等人)中所讨论的那样。在其它示例性实施例中，任选的光控膜640可包括由间隙隔开的两个子组件，例如，如共同拥有的美国专利申请No. 10/965，937 (Gehlsen等人)中所述的那样。在一个方面，本发明背光源的前反射器和后反射器中的一者或两者可被设置或成形，以得到所需的输出光通量分布。在另一方面，一个或多个光提取元件可被设置在腔体内，以得到所需的输出光通量分布。任何合适的技术可用于确定反射器或光提取元件应采取何种形状或定位以便得到所需的分布。例如，可形成具有输出表面的中空光循环腔。该腔体可包括部分透射的前反射器和平面后反射器。可设置一个或多个光源，以在有限的角范围内将光发射到光循环腔中。可选择所需的输出光通量分布。可测量第一输出光通量分布并将其与所需的输出光通量分布进行比较。在一个方面，然后前反射器和后反射器中的一者或两者可被成形或设置，以得到所需的输出光通量分布。在另一方面，光提取元件可被设置在腔体内，以得到所需的输出光通量分布。在另一方面，然后前反射器和后反射器中的一者或两者可被成形或设置，并且提取元件可被设置在腔体内，以得到所需的输出光通量分布。可测量第二输出光通量分布并将其与所需的输出光通量分布进行比较。可对前反射器和后反射器中的一者或两者进行进一步的成形、形成或定位，或者对光提取元件的梯度镜面反射率或定位进行改变，以得到所需的输出光通量分布。也可使用在本领域中已知的任何合适的计算机建模技术执行上述技术中的任何一种或全部。除非另外指明，否则提到“背光源”时也旨在适用于在其预期应用中提供标称均一照明的其它扩展面照明装置。此类其它装置可以产生偏振输出或非偏振输出。实例包括灯箱、指示牌、槽型字以及为室内(如家庭或办公室)或室外用途设计的通用照明装置，有时也称为“灯具”。另外应注意的是，侧光式装置可被构造成从相对的主表面均向外发光，即， 均从上述“前反射器”和“后反射器”向外发光，在这种情况下前反射器和后反射器均为部分透射的。这种装置可照亮设置在背光源相对侧的两个独立的LCD面板或其它图形构件。在这种情况下，前反射器和后反射器可以为相同的或相似的构造。这种双面背光源可用于如双面指示牌、移动电话等。在一些实施例中，双面背光源可包括设置在腔体内的反射构件， 以将光导出背光源的一个或两个主表面。该反射构件可为全反射的、部分透射的或可具有反射性质和透射性质的组合。此外，反射构件的一个或两个主表面可按本文所述的方式成形。任何合适的反射器可用于反射构件。术语“LED”是指发射光(不论可见光、紫外光或红外光)的二极管。发光二极管包括以商品名“LED”销售的非相干的包封或封装半导体器件，而不论是常规的或是超辐射的类型。如果LED发射的是如紫外光等不可见光，以及在LED发射可见光的某些情况下，则将其封装为包含磷光体(或是照亮设置在远处的磷光体)，以将短波长光转化为波长更长的可见光，某些情况下会得到发射白光的器件。磷光体可为荧光材料与粘结剂的混合物。该荧光材料可以是无机颗粒、有机颗粒或有机分子或者是它们的组合。合适的无机颗粒包括掺杂质的石榴石(例如YAG:Ce和(Y， Gd)AG:Ce)、铝酸盐(例如 Sr2Al14O25: Eu 和 BAM: Eu)、硅酸盐(例如 SrBaSiO: Eu)、硫化物(例如ZnS Ag、CaS Eu和Srfeij4 Eu)、氧代硫化物、氧代氮化物、磷酸盐、硼酸盐以及钨酸盐(例如CaWO4)。这些材料的形式可以是常规磷光粉或纳米颗粒磷光粉。另一类合适的无机颗粒是所谓的量子点磷光体，其由半导体纳米颗粒制成，包括Si、Ge、CdS、CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, InN、InP、InAs、A1N、A1P、AlAs、feiN、GaP、GaAs 以及它们的组合。一般来讲，量子点的表面都将至少部分地被有机分子覆盖，以抑制凝聚以及提高与粘结剂的相容性。在一些情况下，半导体量子点可以由核壳构造内数层不同的材料组成。合适的有机分子包括荧光染料，如美国专利No. 6，600，175列出的那些荧光染料。优选那些显示具有良好耐久性以及稳定光学性质的荧光材料。磷光体层可由单层或多层中不同类型的磷光体混合组成，每层含有一种或多种磷光体。磷光体层中的无机磷光体颗粒的粒度(直径)可以有差别，并且可以被分离，使得在整个层横截面上的平均粒度是不均一的。例如，较大的颗粒往往可以位于膜的一侧上，而较小的颗粒往往可以位于另一侧上。此分离可通过允许颗粒在粘结剂固化前能够沉降而实现。其它合适的磷光体包括薄膜磷光体，如Lumiramic 磷光体技术，得自 Lumileds (San Jose, CA)。
"LED晶粒”是LED的最基本形态，即经半导体加工过程而制成的单个部件或芯片。 部件或芯片可以包括适合施加能量以便为装置提供能量的电触点。部件或芯片的各个层和其他功能元件通常以晶片级形成，然后可以将加工好的晶片切成单个元件，以生产大量的 LED晶粒。LED还可以包括杯形反射器或其它反射基底、成型为简单穹顶形透镜或任何其它已知形状或结构的封装材料、提取器以及其它封装元件，该元件可以用于产生前发光、侧发光或其它所需的光输出分布。除非另外指明，凡指LED之处也同样意指适用于能够在较小发射区域发出亮光 (彩色或白色、偏振或非偏振)的其他光源。实例包括半导体激光装置、和利用固体激光泵浦的光源、采用光子晶体的固态光源，例如得自Luminus Devices, Inc. (Billerica, ΜΑ)的 Phlatlight 光源，以及采用诸如量子点或量子阱的量子阱降频元件的光源(参见例如美国专利申请No. 60/978, 304和美国专利公布No. 2006/0124918)。除非另外指明，在说明书和权利要求中使用的表示部件的尺寸、数量和物理特性的所有数字应当被理解为由词语“约”来修饰。因此，除非有相反的指示，在上述说明书和所附权利要求中所提出的数值参数为近似值，可根据本领域内的技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。SM利用 LightTools 6. 0. 0 (得自 Optical Research Associates, Pasadena, CA)禾口虚拟背光源模拟工具来对背光源建模，如名称为“VIRTUAL BACKLIGHT FRAMEWORK”(虚拟背光源架构)的PCT专利公布No. US2008/068953中所描述的(代理人案卷号为62307W0004)。实例1 侧光式背光源建立32" (81. 3cm)对角16:9背光源的模型。该背光源被设计为与图1类似，尺寸如下长度L为398. 5mm，高度H为15. 0mm，抛物面反射器(图1中的元件165)测得为21mm 深、14mm宽(深度为距左侧的距离，宽度为沿边缘132的开口)，光源160测得为2. 6mm。侧反射器(图1中的元件134)相对于竖直方向倾斜约3. 8° (最靠近元件110的末端更接近光源)。含珠增益漫射器(根据名称为“RECYCLING BACKLIGHTS WITH SEMI-SPECULAR COMPONENTS”(具有半镜面部件的循环背光源)的共同待审的美国专利申请No. 60/939，085 的实例F中所描述的工序来制备)用作半镜面元件(图1中的元件150)。除非另外指明， 光引擎和腔体的所有其他内表面均带ESR衬里(得自3M company)。利用两种不同的部分透射的前反射器(图1中的元件110)在没有光提取元件的情况下进行模拟。第一部分透射的前反射器(指定为ARF)为在透光方向上具有32%透射率并具有83%半球反射率的非对称反射膜(ARF)。第二部分透射的前反射器(指定为APF)为具有51%半球反射率的高级偏振膜。两段光提取元件与后反射器相邻地设置在腔体中，如图1所示。这两段光提取元件中的每一个包括施加在后反射器上的具有变化的密度和朗伯散射性质的白点。模拟中所使用的白点图案利用LightTools 6. 0.0(得自Optical Research Associate)中的 "Bezier Placement Option”来计算。第一段光提取器为50mm长，并紧邻光源(从图1中的元件132处开始延伸50mm)。第二段光提取器为200mm长，并且从中点到侧反射器(图1 中的元件134)被后反射器覆盖。每一白点为具有0.98的反射率的朗伯反射器。每一段中的白点被布置成阵列，如表1中所示。利用星号O所指示的参数通过Bezier placementoption来确定沿长度方向L的布置方式。表权利要求
1.一种背光源，包括部分透射的前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空光循环腔；半镜面元件，其设置在所述中空光循环腔内；光提取元件，其设置在所述中空光循环腔内，其中所述光提取元件具有梯度镜面反射率；至少一个光源，其被设置为将光注入所述中空光循环腔中，其中所述至少一个光源被构造为在有限的角范围内注入光。
2.根据权利要求1所述的背光源，其中所述光提取元件包括梯度漫射器。
3.根据权利要求2所述的背光源，其中所述梯度漫射器包括分布于所述光提取元件的表面上的小珠。
4.根据权利要求2所述的背光源，其中所述梯度漫射器包括分散于所述光提取元件内的颗粒。
5.根据权利要求1所述的背光源，其中所述光提取元件包括提取器结构阵列。
6.根据权利要求5所述的背光源，其中所述提取器结构阵列包括微结构、纹理或隆起块。
7.根据权利要求5所述的背光源，其中所述提取器结构阵列包括压印的、烧蚀的、或涂覆的提取结构。
8.根据权利要求1所述的背光源，其中所述梯度镜面反射率的至少一部分沿着所述中空光循环腔的长度L单调地变化。
9.根据权利要求1所述的背光源，其中所述部分透射的前反射器与所述后反射器隔开距离H。
10.根据权利要求1所述的背光源，其中所述部分透射的前反射器和所述后反射器为平面的。
11.根据权利要求1所述的背光源，其中所述部分透射的前反射器对非偏振可见光具有半球反射率Rftemi,所述后反射器对非偏振可见光具有半球反射率Rbtemi,并且其中 Rfhem一Rbhemi 为至少 0. 45。
12.根据权利要求11所述的背光源，其中Rbtali大于0.95。
13.根据权利要求11所述的背光源，其中Rftali大于0.50。
14.根据权利要求1所述的背光源，其中所述输出表面限定横向平面，并且所述光源以相对于所述横向平面在0至40度范围内的平均通量偏差角将光注入所述中空光循环腔中。
15.根据权利要求1所述的背光源，其中所述半镜面元件具有在15度入射角下大于 15%且在45度入射角下小于95%的传送比率。
16.根据权利要求1所述的背光源，其中所述半镜面元件包括所述光提取元件。
17.根据权利要求16所述的背光源，其中所述半镜面元件被设置在所述部分透射的前反射器的面向所述后反射器的主表面上。
18.根据权利要求16所述的背光源，其中所述半镜面元件被设置在所述后反射器的面向所述部分透射的前反射器的主表面上。
19.根据权利要求1所述的背光源，其中所述光提取元件包括印刷点阵列、压印隆起块、涂覆小珠或它们的组合。
20.根据权利要求1所述的背光源，其中所述半镜面元件和所述光提取元件中的至少一个包括降频材料。
21.根据权利要求1所述的背光源，其中所述部分透射的前反射器包括高级偏振膜 (APF)、双倍增亮膜(DBEF)、体漫射器、表面漫射器、或它们的组合。
22.根据权利要求1所述的背光源，其中所述后反射器包括金属、金属化膜、增强型镜面反射器(ESR)膜、或它们的组合。
23.根据权利要求1所述的背光源，其中所述至少一个光源包括发光二极管(LED)、LED 阵列、准直LED、或它们的组合。
24.根据权利要求1所述的背光源，还包括至少一个光传感器，其能够提供用于反馈控制的信号。
25.根据权利要求1所述的背光源，还包括第一区，其包括第一光传感器；和第二区，其包括第二光传感器，其中所述第一和第二光传感器中的每一个均能够提供信号以用于控制所述第一区中的第一光输出和所述第二区中的第二光输出。
26.一种指示牌，包括根据权利要求1所述的背光源。
27.一种照明设备，包括根据权利要求1所述的背光源。
28.—种显示系统，包括显示面板；和背光源，其被设置为向所述显示面板提供光，所述背光源包括部分透射的前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空光循环腔；半镜面元件，其设置在所述中空光循环腔内；光提取元件，其设置在所述中空光循环腔内，其中所述光提取元件具有梯度镜面反射率；禾口至少一个光源，其被设置为将光注入所述中空光循环腔中，其中所述至少一个光源被构造为在有限的角范围内注入光。
全文摘要
本发明提供一种背光源，其包括前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器形成包括输出表面的中空光循环腔。所述背光源还包括设置在所述中空腔体内的半镜面元件和光提取元件。所述光提取元件具有梯度镜面反射率。所述背光源还包括一个或多个光源，其被设置为将光注入所述中空光循环腔中，其中所述一个或多个光源被构造为在有限的角范围内注入光。
文档编号G02F1/13357GK102224448SQ200980146578
公开日2011年10月19日 申请日期2009年10月12日 优先权日2008年10月27日
发明者刘涛, 约翰·A·惠特利 申请人:3M创新有限公司