专利名称：均匀衍射光导、背光和显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种例如与至少部分透射型空间光调制器一起使用的光导和/或背 光。本发明还涉及一种包括这种光导和/或背光的显示器，以及一种可以用于普通照明的 分布式照明面板。更具体地，本发明涉及一种装置和方法，用于保持光导所提供的光的均勻 性以及确保在单程中从光导提取光的实质部分。
背景技术：
附图中的图1示出了例如用于移动电话或PDA设备的、小尺寸的典型液晶显示器 (IXD)模块的堆叠结构。该显示器包括IXD面板形式的平坦透射型空间光调制器(SLM)，在 其底侧和顶面上具有输入和输出偏振器。该结构的其余部分一般被视为背光系统，如下所 述。光源(例如，LED或激光器)发射光，光耦合到光导中并通过全内反射(TIR)在显示器 的背后分布，使得在不存在散射结构的情况下，光将传播，直到到达光导的端部。在光导内， 存在多个散射结构，这些散射结构通过破坏其所位于的光导表面处的TIR条件，由此允许 光通过空气光导界面，来从光导中提取光，以照射IXD面板。这些散射特征可以位于光导的 顶或底部主表面。光散射特征的密度可以随着与光源的距离的增加而增加，以保持沿着光 导的长度的光提取的均勻比率。由于既向下也向上地从光导中提取光，因此将反射膜置于 光导之下，以提高背光的效率。在光导与LCD面板之间还有一些光学膜，放置这些光学膜， 以在显示区域上提供更好的照明均勻性，并且增强给定视角范围内的亮度。这些膜典型地 由漫射层和棱镜膜组成，其增强背光的中心亮度。这些结构的形式在现有技术中是公知的， 这里不进一步讨论。提取光的特征的形式可以采用许多形式。这种提取所采用的形式可以确定随后以 某种方式被漫射或利用的光导发射的角度概况(angular profile)。例如，对于需要光导来 产生准直发射的背光，发射的形式对光导中光的角度范围非常敏感。诸如亚波长、衍射或全 息特征之类的其他可能的提取针对它们的提取概况的质量，也会依赖于角度范围。为了最小化背光内光导中的损失，通常有必要在光到达另一端部之前提取光的大 部分。光的反射和二次通过通常效率很低，并且会引入显著的非均勻性。使用亚波长或光子特征向外耦合光以便从光导中提取光的提取特征必须远小于 在单程中保持光导上良好均勻性所需的典型的非衍射特征。由此，提取效率通常较低，尤其 是在特征仅是折射率光栅的情况下。此外，对提取进行图案化意味着，光导表面的实质部分 (尤其是接近光源的部分)不用于提取，这进一步降低了总提取效率。这意味着通常很难仅 使用衍射特征来获得全高效提取。US 2006/0285185 (Samsung Electronics Co.，2006 年 12 月 21 日)描述了一种全
息光栅，该全息光栅的幅度随着与光源远离而增加，以增强提取效率。尽管没有指出，但是 预计总提取效率较差，尤其是对于小面积背光。US 2006/0187677 (Parrika等人，2006年8月24日)描述了一种具有光栅的衍射 型背光，该光栅的占空比(或填充因子)随着与发光设备远离而增加，以增加光提取。这种设计的效率受到光栅的周期的限制，周期越小，可以填充的占空比越小。同样，预计总提取 效率较差，尤其是对于小面积背光。US 2005/0111814(Taiwan Nano Electrico-Optical Technology Co. ，2005 年 5 月26日)描述了一种仅具有纵向衍射元件的衍射型背光。衍射元件的尺寸、密度以及形状 沿着背光而改变，以提高均勻性。预计总提取效率非常差。US 2005/0052732 (Hon-Hai Precision Industry Co.，2005 年 3 月 10 日)描述了 一种具有多个衍射单元的背光，其依据凹槽相对于光的方向的取向而具有不同效率。这种 设计可能受到角度非均勻性的影响。同样，其总提取可能较差。US 7253799 (Samsung Electronics Co.，2007 年 8 月 7 日)描述了一种具有衍射 光栅的背光系统，该衍射光栅的频率、形状以及幅度保持恒定。安装在光导板与光源相对的 端部处的反射镜向后反射没有提取的光，以再利用。显示器中接近背光的两端的部分看起 来较亮，而向着背光中间的部分看起来较暗，存在反射损失。US 6773126 (0y Modilis Ltd.，2004年8月10日)描述了印刷在背光上的衍射元 件，其中，提取效率依据衍射元件相对于光传播方向的取向而改变。通过接近光源放置“较 弱”衍射元件并且远离光源放置“较强”衍射元件，来实现均勻性。利用这种设计，会发生角 度非均勻性，并且对于小面积背光而言总提取效率较差。
发明内容
本发明提供了一种用于在最简单的亚波长结构(一维和二维矩形和方形光栅)上 提高从光导的光提取效率以及保持所提取的光的均勻性的装置和方法。根据本发明的原理 还可以应用于更复杂的光栅。根据本发明的装置和方法涉及用于向外耦合光的结构。更具体地，该装置和方法 涉及亚波长光栅或光子结构。根据本发明的第一方面，提供了一种用于分布从光源接收到的光的光导。光导作 为针对空间光调制器的、背光组件中的一部分而存在。例如，这可以是液晶显示器(LCD)或 利用背光的其他显示设备。背光单元可以包括在与LCD相对的面上的、且不与光导接触的 反射组件。光源可以照射光导的另一面，所述另一面在面积上可以远小于两个主面。光的 实质部分通过全内反射传播通过光导。光导包括与相邻层实质上光接触的至少一个层。层 之间的至少一个面或界面由以下结构组成当结合该结构时可以从光导中向外耦合光。利用亚波长光栅结构，能够控制从光导发射的光的许多方面。例如，能够控制角度 分布、偏振等，这对基于偏振的透射型空间光调制器(SLM)而言非常重要，例如，对于液晶 显示器LCD。角度分布的控制允许更高的亮度，而无需许多附加组件，从而允许实现更高效、 更亮和更薄的显示器。这些特性中的许多特性可以通过可变类型的简单光栅结构来获得。典型地在光导中使用的正常提取特征典型地为20-70 μ m。亚波长结构在尺寸上必 需是Iym量级或更小，这意味着亚波长结构在提取通过全内反射(TIR)传播的光时效率较 低。根据本发明优选实施例的装置和方法涉及具有高提取效率并同时保持上述特性 的提取特征。在优选实施例中，可以针对具体的提取特性，来优化简单的二级光栅结构，并 且该光栅结构可以通过叠加被切入到第一光栅的“峰”中的第二光栅，来具有增强的和可控的提取。第二光栅(也被称作切去部分(cutaway))可以具有与第一光栅相同的间距 (pitch)，并且可以具有小于第一光栅的“峰”的宽度的宽度。该第二光栅通过干涉进行工 作，以增强从结构的给定区域的提取。提取特征的深度可以随位置而改变，从而实现可控的提取(意味着可以覆盖整个 光导)。这可以降低莫尔效应，提高均勻性，并且通过更多地覆盖光导来提高总提取效率。 这还允许以纳米压印模具来更简单地构造该特征，而不是通过在光导上进行图案化来构造 该特征。提取结构可以在光导的一侧或两侧上。在本发明的第二方面中，提供了进一步改进，该进一步改进可以与优选实施例一 起使用，而且自身上也可以与正常光栅一起使用。更具体地，与其他光线相比，对于与表面 法线成较小角度的光线，光提取效率更高。在这种情况下，可以设计在提取特征的相对侧具 有一系列阶梯型倾斜特征的光导。该改变了角度分布，使得与法线成较小角度的更多光线 入射，这是由于这些光线在光导上被“耗尽”。这实现了更高效的提取和提高的均勻性。这 些特征不被设计为自己来提取光，而仅用于改变特征上的角度分布。根据本发明的一个方面，一种用于在显示设备中提供光的光导包括光导基板，具 有第一和第二主面、以及在第一和第二主面之间的端面，来自光源的光入射到端面中，光导 基板被配置为通过全内反射在第一和第二主面之间传播光；以及在光导基板的第一或第二 主面中的至少一个上的提取结构，提取结构被配置为从光导基板提取光，并且包括第一提 取特征和第二提取特征，其中，第二提取特征在第一提取特征的峰中形成。根据本发明的一个方面，提取特征利用干涉来增强从提取结构的给定区域的光提 取。根据本发明的一个方面，第二提取特征的间距等于第一提取特征的间距。根据本发明的一个方面，第二提取特征的宽度小于第一提取特征的峰的宽度。根据本发明的一个方面，在第一提取特征内的第二提取特征的深度是根据提取结 构内第二提取特征的位置的。根据本发明的一个方面，提取结构包括第三提取特征和在第三提取特征的峰中形 成的第四提取特征，其中，相比于第三提取特征，第一提取特征位于更接近端面的位置，第 二提取特征的深度小于第四提取特征的深度。根据本发明的一个方面，提取特征包括第一和第二光栅。根据本发明的一个方面，提取特征是亚波长全息结构。根据本发明的一个方面，第一或第二提取特征中的至少一个沿着第一或第二主面 在至少一个维度中发生变化。根据本发明的一个方面，提取结构形成在第一和第二主面上。根据本发明的一个方面，第一和第二提取特征包括一维或二维方形光栅中的至少一种。根据本发明的一个方面，光导还包括在提取结构的相对的侧布置的一系列阶梯型 倾斜特征。根据本发明的一个方面，一种用于在显示设备中提供光的光导包括光导基板，具 有第一和第二主面、以及在第一和第二主面之间的端面，来自光源的光入射到端面中，光导 基板被配置为通过全内反射在第一和第二主面之间传播光；在光导基板的第一或第二主面中的至少一个上的提取结构，从光导基板中提取光；以及在提取特征的相对侧布置的一系 列阶梯型倾斜特征。根据本发明的一个方面，一系列阶梯型倾斜特征包括第一阶梯型倾斜特征和第二 阶梯型倾斜特征，相比于第二阶梯型倾斜特征，第一阶梯型倾斜特征位于更接近端面的位 置，其中第一阶梯型倾斜特征的斜率小于第二阶梯型倾斜特征的斜率。根据本发明的一个方面，阶梯型倾斜特征形成为透镜状结构。根据本发明的一个方面，阶梯型倾斜特征形成为三角形结构。根据本发明的一个方面，每个阶梯型倾斜特征的斜率是根据提取结构中阶梯型倾 斜特征的位置的。为了实现上述和相关目的，因此本发明包括下文中完整描述并在权利要求中具体 指出的特征。以下说明书和附图详细阐述了本发明的具体示意实施例。然而，这些实施例 指示采用本发明原理的各种方式中的少数方式。结合附图，根据本发明的以下详细描述，本 发明的其他目的、优点和新颖特征将变得显而易见。
图1示出了传统背光。图2a示出了传统光导的细节。图2b示出了传统光栅提取特征的细节。图3a示出了根据本发明的示例装置的概述。图3b示出了图3a的装置的衍射层的细节。图3c示出了图3a的装置的衍射层的另一细节图4a示出了根据第二特征的高度的提取效率。图4b示出了两种情况下光导中能量的相对变化。图4c示出了根据位置的光导的均勻性。图5示出了随着深度增加的相消干涉。图6示出了根据本发明的另一示例装置。
具体实施例方式现在参照附图详细描述本发明，其中，贯穿附图，类似的附图标记用于指代类似的 元件。图1示出了传统的小面积液晶显示器。该显示器包括液晶显示面板1和背光单 元2。设置白光源3以将光注入到薄光导4的边沿，白光源3可以是荧光管、具有荧光体的 LED、RGB LED组、激光器或其他光源。光导4被设计为通过全内反射(TIR) 14在显示器的 区域上传播光。光导4可以在接近光源的较大侧中的一侧具有锥形体16，以实现更薄的光 导。至少一个较大面(可以是顶面、底面(所示)或顶面和底面两个面)具有特征6，特征 6破坏光导中的TIR 14，使得光13离开光导。离开光导的光通常具有对于显示器而言错误 的角亮度特性，因此使用四个附加层，强漫射器7、沿正交方向的两个交叉的棱镜片8和9、 以及弱漫射器10，来产生正确的角度分布。在许多情况下，将弱漫射器10合并到上棱镜层 9中。另一层11可以是偏振转换膜，典型地，可以是反射一种偏振并透射另一种偏振以提高效率的干涉膜。图2a示出了同样在图1中示出的传统光源3和光导布置17。光导布置17的光 导4可以具有锥形体16，但是这与本发明关系并不密切，并且未在图2a中示出。在这种情 况下，提取特征6包括亚波长全息结构，在这种情况下，光栅应当是透镜状(一维)、或“峰” 或“孔”的网格。图2b示出了接近光源的位置20处的ID或2D光栅的截面。所示的光栅 200是矩形的，但是可以是任何规则的周期性形状，并且可以具有在两个维度上具有不同的 周期。光栅的特性由间距(pitch) 203、“峰”宽度202以及“峰”高度201来确定。这种类型的光栅中的均勻性常规地通过以下方式来实现对这些特征的空间密度 进行图案化，改变特征的间距或高度。在前一种情况中，结果是莫尔条纹和低提取效率。在 后一种情况中，结果是提取特性根据位置而不同。在根据本发明的装置和方法中，保持了光栅的提取特性，保持了在光导上的图案 化，以及显著提高了提取效率。在图3a中示出了根据本发明的装置的优选实施例的总览 图。优选实施例示出了光导结构30，该光导结构30包括参照图1的现有技术光导4描 述的光导31和光源3，，这里仅描述改变之处。改变之处只是涉及光导，背光的其他特征保 持相同。光导由光源3(例如，LED、激光器或荧光管光源)照射，其中发射的光的大部分入 射到光导中。光导可以具有锥形体16，但是这与本发明没有密切关系，并未在图3a中示出。 光导31具有新的提取特征32 (也被称作提取结构32)，提取特征32可以从光源开始以一维 或二维方式发生变化，并且示出了两个具体示例。这些示例是1)接近光源33、和2)远离光 源，并且在图3b和3c中分别示出了这些示例。图3b所示的部分示出了具有间距203、“峰”宽度202和高度201的光栅结构300， 如现有技术中描述一样，光栅结构300确定光导的总体输出特性。如前所述，光栅可以是透 镜状或二维光栅结构。针对图3b的接近光源的结构33的示例尺寸如下。高度201可以是 200nm,峰宽度202可以是200nm，间距203可以是400nm，深度301可以在0到1200nm之间， 并且宽度302可以是lOOnm。为了保持均勻性，没有使用传统方法。而是以恒定方式在光导上对光栅进行图案 化，但是从该结构的“峰”中切去特征，并且可以改变这些特征的高度301和宽度302。可以 只使深度301随着位置的ID或2D函数而发生变化。其他切去特征可以具有提高的效率， 但是方形配置是当前最容易制造的，从而对这种配置进行描述。在接近光源处，深度301较小。在图3c中，宽度304和深度303是不同的。两个 宽度302和304可以实质上相同。深度303明显更大，以提取光导中更大部分的光。针对 结构34的示例尺寸如下。高度201可以是200nm，峰宽度202可以是200nm，间距203可 以是400nm，深度303可以在O与1200nm之间(但是大于深度301)，以及宽度304可以是 IOOnm0因此，提取结构32包括由高度201、峰宽度202和间距203限定的第一提取特征 32a,以及在第一提取特征32a的峰中形成的第二提取特征32b，第二提取特征32b由深度 301和宽度302来限定。如应理解的，提取结构32可以包括多个提取特征，例如，第一提取 特征32a、在第一提取特征32a的峰中形成的第二提取特征32b、与第一提取特征32a相邻的第三提取特征32c、在第三提取特征32c的峰中形成的第四提取特征32d、等等，在本示例 的情况下，第一提取特征32a比第三提取特征32c更接近边沿面。第一、第三、第五等提取 特征可以形成第一光栅，并且第二、第四、第六等提取特征(即，在第一、第三、第五等提取 特征的峰中形成的提取特征)可以形成第二光栅。为了示意根据本发明的光导的操作，考虑具体光栅结构，其中，光栅间距203为 400nm、宽度202为200nm、以及高度201为200nm。在该图案中，实质上与表面垂直地提取 550nm波长的提取光。在任一侧以小角度提取红和蓝光。在图4a中示出了根据该光栅中的切去高度301的提取效率。该图是提取效率40 相对于切去高度301的绘图。绘图41示出了两个强烈的最小值、以及最大值。在该图上， 现有技术的提取效率49是0.4。在需要较少提取的接近光源的位置(提取效率<0. 1)，可 以使用较低值200nm的切去高度301，，而在远离光源处(提取效率为1)，可以使用较高值 的高度303，如接近700nm。图4b示出了根据与光源43的距离的、光导42中的功率量。对于均勻发射，在光 导的远端，功率量应当是从1到0的直线。现有技术45的结果示出了明显的曲线，而本发 明具有类似的提取，但是具有直得多的线46。图4c示出了相对于位置43的上述绘图的微分44。现有技术的结果48示出了明 显的曲线，而根据本发明的光导示出了平坦且非常均勻的发射47。利用现有技术的特征， 提取特性决定结构，并由此设定了提取效率。根据本发明的装置改善并控制提取效率。更 具体地，根据本发明的装置和方法允许控制提取效率，同时保持正常参数。本质上，切去部 分(第二提取特征)具有与原始特征相同的间距(第二提取特征的间距等于第一提取特征 的间距)，因此，间距依赖效果(例如，主衍射方向)没有改变。切去部分对主峰进行划分， 使得依赖于切去特征的尺寸和形状，这两个部分之间的衍射可以沿着主衍射方向进行相长 (提高提取)或相消(降低提取)干涉。图5示出了针对该具体示例的在深度增加情况下 的相消干涉。控制该形状可以通过控制提取效率来控制均勻性。因此，根据本发明的提取结构32可以使用干涉来增强从提取结构的给定区域的 光提取。为了提高总提取效率，重要的是，将提取效率看作是根据来自于光导内的光入射 到光栅结构上的角度的。对于上述光栅结构，在图5中示出了数据。在该图中，针对不同入 射角度，示出了沿着光导43相对于距离的平面光栅上的提取效率42。绘图50a示出了与 法线成89度的光线的提取，50b示出了成79度的光线的提取，50c针对成69度的光线，50d 针对成59度的光线，以及50e针对成49度的接近TIR界限的光线。可以清楚地看到，对于 成较低角度的光线，提取非常高效。接近光源的大角度光线的提取意味着，越是远离光源，提取变得愈加困难。因此为 了提高提取，改变未提取的光的角度是有价值的。图6示出了根据本发明另一方面的装置。该装置寻求解决上述角度问题。本发明 方面包括新的光导布置60，新的光导布置60包括光导61、光源3以及提取特征32。新的光 导61具有坡度较缓的斜面62，斜面62切入到与提取特征相对的光导表面。该斜面不提取 大量的光，而是用于改变光的角度。可以快速提取与法线63成小角度的光13a，但是与法线 64成较大角度的光13b通过与斜面相互作用，减小角度，直到被提取特征高效地提取为止。
该布置通过根据位置来适当控制倾斜值，以提高光导的均勻性。倾斜角度很可能 小于等效的提取特征，并且可以从光源处的零值变化到远离光源处的较大值。特征可以具 有恒定的倾斜角度，但是具有可变的特征尺寸，越是远离光源，特征尺寸变得越大。斜面被 设计为，改变光导中光线的方向，使得光线与光导表面的法线成略微更小的角度。典型地， 倾斜角度在1到3度的量级上。斜面可以是透镜状结构，但是也可以在两个维度中对该斜面进行图案化，以改变 总体均勻性。在存在相对于光导的沿着两个或多个方向的光源的情况下，三角形结构也是 可以的。根据本发明的提取特征在以与法线成较小角度提取光时更高效(见图5)。斜面将 存在的相对于法线的光线角度移动至更高效的提取区域。尽管关于特定优选实施例示出了描述了本发明，但是显而易见的是，本领域技术 人员在阅读和理解说明书时将想到等同物和修改。本发明包括所有这样的等同物和修改， 不仅限于以上权利要求的范围。
权利要求
一种用于在显示设备中提供光的光导，包括光导基板，具有第一和第二主面、以及在第一和第二主面之间的端面，来自光源的光入射到端面中，光导基板被配置为通过全内反射在第一和第二主面之间传播光；以及在光导基板的第一或第二主面中的至少一个上的提取结构，提取结构被配置为从光导基板提取光，并且包括第一提取特征和第二提取特征，其中，第二提取特征形成在第一提取特征的峰中。
2.根据权利要求1所述的光导，其中，提取结构利用干涉来增强从提取结构的给定区 域的光提取。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，第二提取特征的间距等于第一提取 特征的间距。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，第二提取特征的宽度小于第一提取 特征的峰的宽度。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，第一提取特征内第二提取特征的深 度是根据提取结构中第二提取特征的位置的。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，提取结构包括第三提取特征以及在 第三提取特征的峰中形成的第四提取特征，其中，相比于第三提取特征，第一提取特征位于 更接近端面的位置，第二提取特征的深度小于第四提取特征的深度。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，提取特征包括第一和第二光栅。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，提取特征是亚波长全息结构。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，第二提取特征沿着第一或第二主面 在至少一个维度中发生变化。
10.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，提取结构形成在第一和第二主面上。
11.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，第一和第二提取特征包括一维或二 维方形光栅中的至少一种。
12.根据权利要求1-2中任一项所述的光导，其中，光导还包括在提取结构的相对侧布 置的一系列阶梯型倾斜特征。
13.一种用于在显示设备中提供光的光导，包括光导基板，具有第一和第二主面、以及在第一和第二主面之间的端面，来自光源的光入 射到端面中，光导基板被配置为通过全内反射在第一和第二主面之间传播光；在光导基板的第一或第二主面中的至少一个上的提取结构，用于从光导基板提取光；以及在提取特征的相对侧布置的一系列阶梯型倾斜特征。
14.根据权利要求12-13中任一项所述的光导，其中，一系列阶梯型倾斜特征包括第一 阶梯型倾斜特征和第二阶梯型倾斜特征，相比于第二阶梯型倾斜特征，第一阶梯型倾斜特 征位于更接近端面的位置，第一阶梯型倾斜特征的斜率小于第二阶梯型倾斜特征的斜率。
15.根据权利要求12-13中任一项所述的光导，其中，阶梯型倾斜特征被形成为透镜状结构。
16.根据权利要求12-13中任一项所述的光导，其中，阶梯型倾斜特征被形成为三角形结构。
17.根据权利要求12-13中任一项所述的光导，其中，每个阶梯型倾斜特征的斜率是根 据提取结构中阶梯型倾斜特征的位置的。
18.一种背光组件，包括根据权利要求1-2或12-13中任一项所述的光导；以及 光耦合至光导的端面的光源。
19.一种包括根据权利要求18所述的背光组件的显示设备。
20.根据权利要求19所述的显示设备，其中，显示设备是液晶显示设备。
全文摘要
本发明提供了一种用于照射至少为部分透射型的显示器的背光。该背光包括光源。光导从端面接收光，并通过全内反射引导光。使用基于一种光栅结构而设计的亚波长提取特征来从光导中提取光，该光栅结构具有切入到第一结构中的第二互连结构。第一结构确定提取特性。第二结构确定系统的提取效率和均匀性。利用根据本发明的装置，可以实现更高效率和更均匀亚波长提取。
文档编号F21V8/00GK101994996SQ20101026111
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月23日 优先权日2009年8月25日
发明者大卫·詹姆斯·蒙哥马利, 艾尔安尼斯·帕帕康斯坦提努 申请人:夏普株式会社