后照光系统用的光管的制作方法

专利名称：后照光系统用的光管的制作方法
技术领域：
本发明涉及常用的后照光系统的光管，例如该光管使用在对平面液晶显示器(LCD)的后向照光，尤其是，涉及一种具有对LCD提供均匀光分布的光输入的非散射后照光系统。
平面显示器，例如膝上型计算机使用的LCD，一般配用后照光系统来照明显示面板的液晶。后照光系统的主要的要求是在整个的显示面上提供基本上均匀的光分布，以及提供足够强的光分布。为实现这些要求，典型的后照光系统采用光管将光能从光源耦合到LCD显示面板。
在散射的后照光系统中，沿着光管的一个面设置漫射元件阵列将入射到漫射元件的光线散射到光输出面。该输出面耦合到LCD面板，同时使耦合入的光线通过LCD面板。通过控制散射表面上散射介质的分布使散射型后照光系统具有控制光分布的能力，但是不提供控制光分布角度的能力。大部分由后照光系统产生的光能由于它在对LCD显示器的使用者所不用的方向内的散射而形成浪费。由于大部分的光能没有射向使用者而造成浪费，所以散射型后照光系统缺乏所需的光能强度和亮度。
非散射型后照光系统所提供的优点是可以控制光分布和角分布。由此，可使光能以更有效利用的方式，即，使几乎所有的光能射向使用者的方式定向。通常，采用术语“相关确定性”用来描述所述的非散射型后照光系统，因为依据光的输入位置可知光线的输出点。因此，可以说非散射型后照光系统使输入光能的光线和输出光能的光线相关。
这种相关性有利于设计后照光系统，保证主要的光能射向使用者。在非散射后照光系统中输入光线和输出光线的相关在光输入的成像出现在光输出时可能会导致产生一个潜在的问题。如果在光输入时存在任何光能的畸变，则这种畸变也将在输出时出现。所述畸变可来自于光源或输入光学元件的粗造度或者不连续性。通常这种畸变将在输出时产生不均匀光强区或阴影。其它的畸变源是垂直于光源的光管的壁。这种壁必须是非常的平滑，否则他们将在输出时形成畸变或阴影。
一种在非散射型后照光系统内观测到的特殊畸变是穿过背光的输出面形成一对角线。也观测到侧壁的角部交界面对光管的输入面的畸变会在输出处作为暗的对角线成象，这种交界面是由于光管的结构加工限制所产生的。可以通过抛光和平滑该表面的加工来降低畸变的出现，但这些操作费劳力，所以在大量光管生产时是不实际采用的。
另外，已观测到在冷阴极荧光(CCFL)光源输出中的不均匀可以引起输出中的畸变和阴影。尤其，所述CCFL在其管的每端相邻于电极处具有固有的暗光区。这些暗光区使CCFL的光输出不均匀，相比于光管的中心区它的光输出明显的下降。这些暗光区不仅成象到输出面上，而且还加重对角线的出现。
因此，需要改进光管和后照光系统。
本发明提供后照光系统用的光管。所述光管包含一光输入面，基本上为平面的后表面，基本上为平面的前表面，以及一第一侧面和一第二侧面。该前表面与后表面基本上平行或成一角度，其间有一定的间隔，入光面，第一侧面和第二侧面设置在前表面和底表面之间，并限定前和后表面之间的空腔。每个侧壁表面在过渡面处与入光面互相连接。所述过渡面被弯曲成使输出的光分布密度最佳，并减小输出的畸变。
在本发明的另一优选实施例中，过渡面设置成在其整个面上使光波长全内反射。采用这种方式时，最好将过渡面设置成一复合的双曲面，从侧面延伸到入光面。
在本发明的其它优选实施例中，过渡面设置成对输出光是遮光的，并在入光面和每个第一侧面及第二侧面之间相交。
按照本发明使过渡面优化，并利用包含逆向光学示踪技术在内的光学示踪技术来获得本发明的主要特性。
在本发明的特殊实施例中，可使光管设置成直接耦合到一LCD器件，因此，光管作为一后照光器件操作。
本发明的其它方面是，后照光系统包含依据本发明原理构成的光管。相邻入光面耦合一线性光源。所述线性光源至少包含一个非均匀的光分布区。所述光管和光源设置成确保该非均匀光分布区不靠近光管的入光处。
在本发明的一优选实施例中，光源是冷阴极荧光。非均匀光分布区是两个相邻于电极的暗光区。按照本发明，使光源的长度大于入光面的长度，从而使暗光区分别位于入光面的第一端和第二端之外。
本发明的其它特征和优点将通过下述的详细说明和附图使本领域的技术人员更为清楚。然而，须知在说明本发明的优选实施例时，详细地说明和举例仅是说明而并不成为限制。在不偏离本发明的精神下，可以在本发明的范围内作出许多变化和改进，本发明包含所有的这些改进。
下面，结合


本发明的优选实施例。其中，相同的标号表示同样的部件，其中图1是按照本发明优选实施例的光管的透视图；图2是图1所示部分光管的示意透视图；图3是图1所示部分光管的正视图，较好地说明过渡面。
图4是示意透视说明按照本发明的优选实施例部分光管，还说明按照本发明优选实施例的最佳的光管设置；图5是图4所示光管和最佳设置的示意正视图，还表示光线示踪的结果。
图6是图4所示光管的光线示踪强度分布的曲线图；图7是现有技术的部分光管的示意透视图；图8是图7所示现有光管的光线示踪强度分布的曲线图；图9是按照本发明优选实施例的安装光管的后照光的透视图；图10是图2所示说明优选光管和优选光源布置的后照光的放大的局部透视图。
一种非散射光管包含位于第一侧壁和入光面之间，以及第二侧壁和入光面之间的过渡面。所述过渡面设置成基本上遮蔽第一和第二侧壁与入光面之间的交界面，使角区的任何缺陷不在输出中成象。最好，优化过渡面，使其提供大体上均匀的光强度分布。按本发明优选实施例的光管进一步设置成配用一线性光源，例如一冷阴极荧光光源(CCFL)。所设置的光源有一暗光区，即，非均匀强度的光源区，使该暗光区不邻近入光面设置。典型的CCFL光源在它的相邻电极的端部有两个暗光区，由此需使光源的电极和相关的暗光区设置成位于入光面的端部以外。最好，使电极和暗光区设置成位于所形成的入光面的外伸部分之外，其中该外伸部分适应过渡面。
参见图1和2，按照本发明优选实施例的光管10包含入光面12，第一侧壁14，第二侧壁16，出光面18，以及底面20。光管10配接到内有孔径24的光源准直器22，该孔径用于容纳线性光源，例如，冷阴极荧光部件。在图2中，将基本上均匀的光源图示为一个平面26。如在美国专利U.S.P.NO.08/900,890中已作出的较详细的介绍，光能从光源经入光面12耦合到光管10。所形成的底面20具有一阵列小面或光改向结构，他们反射，但不散射光能，并以一种受控的基本上均匀的光分布通过出光面18，如同用以参考的美国申请U.S.NO.08/601,133所公开的。依据全内反射的原理，使光能在光管10内进行传播。
可以认为光管10是相关确定性的。即，可以对每个从出光面18出射的光线示踪到在入光面12上的入射光线。然而，其结果是任何光管10内的缺陷，尤其是在入光面上的缺陷将受到成象，即，在出光面18作为一个有缺陷的非均匀光强区出现。在现有技术的光管中一种特有的缺陷源是侧壁与入光面的交界面。
继续参见附图1和2，按照本发明的实施例，光管10包含将第一侧壁14与入光面12连接的第一过渡面28，以及将第二侧壁16与入光面12连接的第二过渡面30。第一过渡面28或第二过渡面30通常分别具有凸表面32和34，并具有遮蔽分别由过渡面28与入光面12以及由过渡面30和入光面12之间形成的结合部36和38的作用。
第二过渡面30表示在图3中，并在下面予以讨论。显然，第一过渡面28其构型最好是对称的。所形成的第二过渡面30包含一单调增加的切线40。如图3所示，切线40从入光面12的角部44沿伸到第二侧壁16，其沿伸切线40基本上平行于在第二侧壁16的内壁部上形成的侧面42。区域46由从侧壁16沿伸的第二过渡面30限定，入光面12包含在接合部38与过渡面30连接的沿伸部分48。
如上所述，一个不切实际的解决在侧壁和入光面的界线内的成象缺陷问题的方案是，确保使所形成的接合部为一个完整的角部而没有任何的畸变。为了获取这种完美的接合部，将需要非常精密的制造方法和类似于采用手工的费力的抛光操作。按照本发明，一种更为实际的解决方案是使接合部基本上看不见。对此，如图所示，每个过渡面设置成使过渡面端部与入光面之间的接合部基本上受到遮蔽不让出光观示区看到。即，再次参见图3，过渡面30使接合部38远离出光观示区方向外伸。以这种方式布置的过渡面30将确保任何接合部38内的畸变不会在输出光内成象。
进一步优化过渡面30，提供基本上均匀的光分布。按照本发明的优选实施例，过渡面30为符合下述方程式的一复合的双曲线x2/a2-x2/b2＝1(a)其中，“x”和“x”如图3所示，而“a”和“b”是用于优化光分布强度均匀性的常数。选择a＝1，b＝0.9-1.5。由此可见，各种光管的相对坐标参考将需要对等式(a)增加偏置常数。等式(b)表示等式(a)的一种形式，其在x方向包含“2a”的偏置值(x-2a)2/a2-y2/b2＝1 (b)按照等式(a)和(b)形成的过渡面有利于提供基本上均匀的光分布，并在其整个表面上保持全内反射(TIR)。显然，在不偏离本发明合适范围的情况下，也可以采用其它的过渡面结构。例如，采用一种简单的辐射状锥体，可以通过遮蔽侧壁面和入光面之间的接合部来成功地改善均匀性。然而，一种简单的辐射状锥体不能在其整个表面上保持TIR条件，从而导致附加的光源不均匀性。另外，它的表面曲率也可能引入不均匀性。
按照本发明，过渡面30利用光线示踪技术得到优化。参见图4和图5，表示一种利用光线示踪优化过渡面的布置100。通常，在区域50，一个准直光源102被模制并相对于入光面12设置。一朗伯漫射体104被模制并设置在光源102和入光面12之间。最后，通常将一理论的出光面106模制在过渡面30与侧面42的相交位置52。光线的踪迹结果表示在图5中。利用一31×11列阵示踪100,000光线。图5表示在整个过渡面30内保持TIR条件。
图6表示以曲线形式的光线示踪结果。如图6所示，由过渡面30产生基本上均匀的光强度。将它与现有技术相比，参见附图7和8，现有技术的光管200包含一入光面212，一出光面214，一底面216和具有侧面242的侧壁218。一径向指向的角面254提供在侧壁218和入光面212之间。所示角面254表示一角部，其通常形成在光管的侧壁和入光面之间。角部254的半径被模制为1mm。图8以图表的形式表示强度分布。注意，趋于角部时强度增加到最大值，然后，在相邻角部处强度明显的下降。这种布置的光输出是相当不均匀的，这将由曲线的形状明显的看到。图7和8还明显地可见已有技术的其它缺点和本发明的优点。即，不同于已有技术，本发明的优点是形成向侧壁16外伸的过渡面30，从而使过渡面30与入光面12的实际接合部基本上受到遮蔽。否则的话，过渡面的曲率，不能保持TIR条件，以及接合部本身的缺陷都将导致非均匀的光强度分布。
现参见图9和10，按照本发明优选实施例的后照光系统300包含(1)一光管302，(2)一准直组件304，和(3)光源306。在实际使用中，最后将光管302与LCD一起安装在一框架内(未图示)，并位于LCD的后表面(未图示)。光源306最好是一个(或多个)CCFL器件。准直组件304准直由光源306输出的光，并将光射入光管302。光管302将均匀分布的光能源提供于照明，例如，后照光或液晶显示。
基本上按照上述的光管10形成的光管302包含(1)入光面312，(2)出光面314，(3)一底面316，(4)一第一侧壁318，(5)一第二侧壁320，(6)一第一过渡面328，和(7)一第二过渡面320。光源306包含设置在光源的相对端的第一电极332和第二电极334，如同已有技术所公知的。对于一CCFL器件，光源306也是位于后表面的，其中相邻的第一电极332和第二电极334分别是暗区337和338，以及暗光区337′和338′。
如图9和10可见，光源306位于准直组件304内，使暗光区337′和338′不邻近入光面312。尤其是，暗光区337′位于入光面312的伸出部分之外，同样位于入光面312与第一过渡面328的结合面342之外。于是，暗光区337′和338′不成象到出光面314上，也不引起非均匀的照明区。
如图10所示，背面340可以是包含一散射反射面或部分吸收面的反射面，以进一步减少非均匀性。
对于本发明在不偏离于其精神和范围下可以作出许多的改变和改进。某些改变的范围已在上述讨论过。其它的范围将由从属的权利要求明确地表示。
权利要求
1.一种后照光系统用的光管，所述的光管包含一入光面，一基本上为平面的背面，一基本上为平面的前表面，以及他第一侧面和一第二侧面，所述的前表面基本上平行于所述的背面并与其以一定的间隔设置，所述的入光面，所述的第一侧面和所述的第二侧面设置在所述的前表面和所述的背面之间；每个所述的侧面在过渡面与所述的入光面相互连接，每个所述的过渡面被弯曲，从而使光强度分布最佳化。
2.如权利要求1的光管，其特征是所述每个过渡面包含一位于所述散射入光面分别与散射第一侧面和散射第二侧面之间形成的凹面。
3.如权利要求1的光管，其特征是所述的过渡面包含一凹面，该凹面包含一从所述的入光面沿伸的具有单调增加的切线，并分别与所述第一侧面及所述第二侧面连接。
4.如权利要求1的光管，其特征是每个所述的过渡面包含一双曲线表面。
5.如权利要求1的光管，其特征是所述的过渡面包含一符合下述等式的双曲面x2/a2-y2/b2＝1式中，选择b在0.9-1.5范围内。
6.如权利要求5的光管，其特征是a＝1。
7.如权利要求5的光管，其特征是a＝b＝1。
8.如权利要求1的光管，其特征是所述过渡面包含一符合下述等式的双曲面(x-c)2/a2-(y-d)2/b2＝1式中，选择“c”和“d”是偏置常数。
9.如权利要求1的光管，其特征是所述背面和所述前表面具有一共同的宽度，所述的入光面具有一比所述宽度宽的长度。
10.如权利要求1的光管，其特征是每个所述的过渡面设置成垂直于所述的前表面。
11.如权利要求1的光管，其特征是每个所述的过渡面具有一平滑的表面加工。
12.如权利要求11的光管，其特征是每个所述的过渡面具有一抛光的表面加工。
13.如权利要求1的光管，其特征是每个过渡面设置成在光学上遮蔽所述入光面和每个所述第一侧面与所述第二侧面之间的相交部分。
14.如权利要求1的光管，其特征是利用光线示踪对所述过渡面优化，以取得基本上均匀的光强度分布。
15.如权利要求14的光管，其特征是所述光线示踪包含反向的光线示踪。
16.如权利要求14的光管，其特征是每个所述的过渡面依据在平行于所述入光面布置的观测面的出光强度分布进行优化。
17.如权利要求16的光管，其特征是每个所述过渡面在所述观测面通过减小RMS强度不均匀性进行优化。
18.如权利要求1的光管，其特征是还包含所述的光管在所述入光面耦合到光源，以及在所述的前表面耦合到液晶显示器。
19.如权利要求18的光管，其特征是所述的光源包含至少一个非均匀光分布强度区，所述的区超出各个所述过渡面的范围设置。
20.如权利要求18的光管，其特征是所述光源包含具有第一端和第二端，以及设置在所述第一端与所述第二端之间的基本上具有均匀的光分布强度区的线性光源，所述的区相邻于所述入光面设置，所述的第一端和第二端分别超出每个所述的过渡面设置。
21.一种后照光系统，包含一个具有底面，前表面，后表面和入光面的光管；一个线性光源相邻于所述入光面结合，其特征是所述入光面具有一定的入光面长度，所述的光源具有的光源长度大于所述的入光面长度。
22.如权利要求21的后照光系统，其特征是所述的光源长度包含一个具有基本上均匀照明的所述光源区。
23.如权利要求21的后照光系统，其特征是所述的光源包含一冷阴极荧光器件。
24.如权利要求21的后照光系统，其特征是所述的光源包含相对的电极，他们分别超出所述光源的第一端和第二端安装和设置。
25.如权利要求24的后照光系统，其特征是与每个所述相对的电极关联的是一非均匀照明区，而每个所述的非均匀照明区分别超出所述入光面设置。
26.如权利要求25的后照光系统，其特征是所述的非均匀照明区具有不等的长度。
27.如权利要求25的后照光系统，其特征是所述的非均匀照明区相比于所述光源的其它区是暗淡的区。
28.如权利要求21的后照光系统，其特征是还包含所述的后照光在所述的前表面被耦合到液晶显示器。
29.如权利要求21的后照光系统，其特征是还包含以相对的关系设置在所述的前表面和所述的底面之间的第一侧壁和第二侧壁，每个所述的第一侧壁和所述的第二侧壁包括分别使每个所述的第一侧壁以及所述的第二侧壁与所述的入光面耦合的过渡面。
30.如权利要求29的后照光系统，其特征是每个所述的过渡面设置成垂直于所述的前表面。
31.如权利要求29的后照光系统，其特征是每个所述的过渡面具有一平滑的表面加工。
32.如权利要求31的后照光系统，其特征是每个所述的过渡面具有一抛光的表面加工。
33.如权利要求29的后照光系统，其特征是每个所述的过渡面设置成使所述的入光面与每个所述的第一侧壁和每个所述的第二侧壁之间的相交区在光学上是遮蔽的。
34.如权利要求29的后照光系统，其特征是利用光线示踪使每个所述的过渡面被优化成具有基本上均匀的光分布。
35.如权利要求34的后照光系统，其特征是所述的光线示踪包含反向光线的示踪。
36.如权利要求34的后照光系统，其特征是所述的每个过渡面依据在平行于所述的入光面设置的观测面的出光强度分布予以优化。
37.如权利要求36的后照光系统，其特征是所述的每个过渡面在所述的观测面被优化以减小RMS强度的非均匀性。
38.如权利要求29的后照光系统，其特征是所述的每个过渡面包含一个位于所述的入光面和所述的第一侧壁及所述的第二侧壁之间的凹面。
39.如权利要求29的后照光系统，其特征是所述的每个过渡面包含凹面，该凹面具有从所述的入光面伸展并分布连接所述的第一侧壁和所述的第二侧壁的单调增加的正切关系。
40.如权利要求29的后照光系统，其特征是所述的过渡面包含一双曲面。
41.如权利要求29的后照光系统，其特征是所述的背面是散射反射的。
全文摘要
一种无散射光管(10)包含位于第一侧壁(14)和入光面(12),以及第二侧壁(16)和入光面(12)之间的过渡面(28,30)。该过渡面布置成基本上遮蔽第一和第二侧壁与入光面之间的角部结合面(36,38),使得在角部形成区内的任何缺陷不能成象而输出,最好使该过渡面被优化成基本上均匀的光强分布。按照本发明的优选实施例的光管还设置成配用一线性光源(306),例如一冷阴极荧光灯(CCFL)。使光源的暗光区(337′,338′),即,具有非均匀光强的光源区不相邻于入光面设置。
文档编号G02B6/42GK1320220SQ99811393
公开日2001年10月31日 申请日期1999年8月20日 优先权日1998年8月20日
发明者托马兹·P·杨森, 史太芬·A·科比克, 杰弗里·A·莱恩, 迈克尔·路德, 阿纳托利·华西里耶夫 申请人:物理光学公司