显示照明系统及其制造方法

专利名称：显示照明系统及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种包括光波导的照明系统，该光波导是光学透明的并且具有出射表面和多个端面，与该多个端面中的至少一个相对放置了光源，光源发出的光在所述至少一个端面处耦合到光波导中，该光波导具有集成在其中的偏振装置，用于使光源发出的光偏振。
本发明还涉及一种制造光波导中的偏振装置的方法，该光波导是光学透明的并且具有出射表面和多个端面，与该多个端面中的至少一个相对适合于放置光源，光源发出的光在所述至少一个端面处耦合到光波导中，该偏振装置适于使光源发出的光偏振。
背景技术：
LCD显示器经常用于向移动电话、PDA或者其它电子设备的用户(以下称作观察者)显示信息。优选利用偏振光照射LCD显示器。照明可以为背光照明，其中通过显示板朝观察者发射光，或者为前光照明，其中光朝显示板发射，继而朝观察者反射回来。国际申请97/08582描述了一种显示设备，包括用于提供显示板照明的光波导。该光波导具有填充了双折射材料的凹槽。凹槽中的双折射材料将来自该侧的光分成两个具有相反偏振的光束。因此，光波导的凹槽填充了各向异性单轴材料，例如向列型液晶材料，以实现朝待照明的显示板出耦合具有所需偏振的偏振光。然而，该光波导对于制造步骤敏感，并且如果凹槽没有获得高质量的表面属性和填充，则会导致出耦合大量具有不想要的偏振的光。

发明内容
本发明的目的是提供一种照明系统，其减少或消除了现有技术的缺陷，因此提供了一种易于制造的照明系统并且出耦合基本上仅具有所需偏振的光。
利用导言部分的照明系统实现了此目的，该照明系统的特征在于该偏振装置包括光导，其由光学透明材料制成并且适于接收在所述至少一个端面耦合到光波导中的所述光，还包括多个纤维，其由光学透明材料制成并且具有双折射特性，所述纤维在出射表面处在光导上形成层，所述纤维适于使光导接收的光偏振，以通过出射表面出耦合偏振光。
本发明的优点在于通常容易得到具有非常平滑表面的纤维。纤维的平滑表面减少了杂散光的形成并且增加了在所需方向上偏转的偏振光量。该纤维优选为可以作为例如光通信领域或者纤维制造领域中的主要用品获得的纤维。
本发明的另一个优点在于该纤维使得通过适当选择纤维的类型、材料、形状和直径可更容易控制双折射率，并且使得附着在光导上的所有单独的纤维具有相同的上述特性。因此就更容易提供一种光波导，其为出耦合偏振光提供了所需的方向。
在现有技术的光波导中，双折射材料的所谓导向器功能(即光轴的取向方向)，也就是对从某个方向入射并且具有一种偏振的光仅表现出一种折射率(寻常或非寻常折射率，取决于偏振)的功能不能总是得到精确的控制。在现有技术中，具有一种偏振的光，例如s光，从而可以经历寻常和非寻常折射率，因此“浪费”了一些由此未按需要出耦合的光。而且，在现有技术中，具有其它偏振的光，例如p光，也经历寻常和非寻常折射率，并且一定程度地被无意地出耦合。本发明提供了一种改进的导向器功能，并且出耦合所有具有所需偏振的光，并且几乎仅仅具有所需偏振的光。
根据权利要求2的措施具有对出耦合的偏振光的方向提供更好的控制的优点。
根据权利要求3的措施具有为纤维提供双折射特性提供有效方式的优点。易于获得由塑料聚合物材料制成的纤维。通过调整拉伸的程度，可以高精度地控制双折射特性。通过拉伸纤维，确保了纤维的双折射特性取决于入射光的方向。沿着垂直于拉伸的纤维(该纤维已经沿纵向被拉伸)的方向入射的光将经历两种不同的折射率，而沿着纤维方向入射的光仅经历一种折射率，即寻常折射率。纤维的拉伸提供了最佳的导向器功能，因为垂直于拉伸的纤维入射的具有某种偏振的光，无论是s光还是p光，将仅经历一种折射率。因此，具有所需偏振的光将非常大程度地出耦合，而具有不想要的偏振的光几乎根本不出耦合。
根据权利要求4的措施具有保护纤维以防止可能将偏振光偏转到不想要的方向的划痕和灰尘的优点。而且，树脂层帮助将纤维保持在光导上的适当位置。因为树脂层是各向同性的，所以其自身将不会对偏振有贡献。这使得光学光导的偏振特性易于控制。
根据权利要求5的措施具有以下优点没有被双折射纤维偏转的偏振光在从树脂层传播到纤维中，继而从纤维传播回树脂层中时也不会偏转或反射。这就减少了从光波导耦合出的具有不想要偏振的光的量。而且，由于也避免了该光的不想要的偏转和反射，因此改进了对于具有所需偏振的光的方向的控制。
根据权利要求6的措施具有以下优点进一步改进对于具有不想要的偏振的光的方向的控制，使得该光不会沿与具有所需偏振的光相同的方向出耦合。
根据权利要求7的措施具有以下优点为具有所需偏振的光提供有效的并沿严格定义的方向的出耦合。因此，具有所需偏振的光的浪费非常少。而且，纤维的紧密填塞在该照明系统将要照明的物体(例如显示板)表面上提供了非常均匀的光分布。
根据权利要求8的措施的优点在于编织结构和非编织结构通常容易获得并且提供非常紧密填塞的纤维结构。因此，获得例如显示板的均匀照明。编织和非编织结构同样特别易于在采用拉伸纤维以提供双折射特性的用途中发挥作用。
本发明的另一目的是提供一种制作光波导中的偏振装置的方法，该方法比现有技术的方法更有效，并且提供了具有更高质量的偏振装置。利用导言部分的方法实现这个目的，该方法的特征在于以下步骤由光学透明材料形成光导，用于接收在所述至少一个端面耦合到光波导中的所述光；拉伸由光学透明材料制成的纤维以提供具有双折射特性的纤维；并且将该纤维附着于与出射表面相邻的该光导的表面处，从而使光导接收的光偏振并且通过出射表面出耦合偏振光。
本方法的优点在于通过调整拉伸程度可以高精度地控制纤维的双折射特性。纤维的拉伸可以是单轴(纵向)或者双轴的。单轴拉伸为纤维提供了双折射特性，并且为优选的。纤维的双轴拉伸为纤维提供了三折射特性。三折射纤维也出耦合具有不希望的偏振的光，因此是次优选的。纤维本身作为具有平滑表面的常用物品易于获得，这减少了杂散光的量。
参照下文中描述的实施例将了解和说明本发明的这些及其它方面。


现在，将参照附图更详细地描述本发明，在附图中图1是装备了根据本发明的照明系统的反射显示设备的实施例的横截面图。
图2是图1所示的光波导的三维视图。
图3是图2的光波导的横截面图。
图4是根据第二实施例的光波导的横截面图。
图5是根据第三实施例的光波导的三维视图。
图6是表示了使用根据现有技术的光波导出耦合具有所需偏振的偏振光的简图。
图7是表示了使用根据本发明的光波导出耦合具有所需偏振的偏振光的简图。
图8是表示了使用根据本发明的光波导出耦合具有不想要的偏振的偏振光的简图。
这些附图是示意性的，并未按比例绘制。相应的元件通常具有相同的附图标记。
具体实施例方式
在下述描述中，“双折射”表示透明物体对于具有第一偏振的光具有一种折射率，即寻常折射率，而对具有与所述第一偏振相反的第二偏振的光具有另一种折射率，即非寻常折射率。表现出双折射的材料可以称作是“各向异性的”。对于具有任何偏振的光都具有相同折射率的材料称作是“各向同性的”。
图1示意表示的显示设备1包括图像显示板2，和放置在未示出的观察者与显示板2之间从而为显示板2提供前光照明的照明系统8。
该图像显示板2包括两个基底3、4之间的液晶材料5，其基于扭曲向列(TN)、超扭曲向列(STN)或者铁电效应，从而调制入射光的偏振方向。该图像显示板2包括例如像素矩阵，为其在基底3上提供光反射图像电极6。基底4是透光的，并且具有一个或多个例如由ITO(氧化铟锡)制成的光透射电极7。通过连接线6’、7’向图像电极提供电压，利用驱动单元9向该连接线提供驱动电压。基底和电极按照已知方式涂敷了定向层15。
照明系统8包括光波导18，其由光学透明成分制成并且具有四个端面10、10’。光源12的光通过一个端面(例如端面10)耦合到光波导18中，该光源12与该端面相对放置。光源12可以是例如棒状荧光灯。或者，该光源可以由一个或多个发光二极管(LED)构成，特别是在具有小图像显示板的平板显示设备(例如移动电话的)中。而且，该光源12可以是可拆卸的。
光导18的出射表面16面对图像显示板2。其中没有光耦合进来的透明板的每个端面10’可设有反射器。这样，从而防止在出射表面16上未耦合出并且因此传播通过光波导18且到达端面10’的光通过该端面10’离开光波导18。
为了防止光离开光波导18而不对照明系统8的光输出作贡献，优选将灯12的光通过耦合装置13耦合到光波导18中。
按照以下将要描述的方式将灯12发出的光束20转变为偏振光，使得主要将具有一种偏振的光偏转到反射图像显示板2(光束21)，并且根据像素的状态以相同或者相反的极性反射该光(光束22)。
在像素上反射之后，在相位板或者延迟片24中将具有相反偏振的光转变为线偏振光，并且到达偏振片25，在本实施例中偏振片25的透射轴方向使得反射光被吸收。类似的是，具有相同偏振的偏振光通过偏振片25。
在内表面(例如表面16)上反射的杂散光具有与光束22相反的偏振，并且也由延迟片35转变为被偏振片25吸收的线偏振光(光束26)。而且，偏振片25还吸收在光波导18中由于内反射引起的寄生光(光束27)。
图2是光波导18的三维视图。光波导18包括平面光导30，该光导30为由具有良好光学特性的材料(例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯))制成的长方体。光导30的尺寸可适于各种实际用途，但是作为典型实例，对于PDA(个人数字助理)显示器，其为60mm×60mm，厚度为2mm。光导30具有平面表面32，其面对显示板2。在表面32的上面，彼此相邻地贴附了多个平行纤维34，以形成平行纤维34的层35。纤维34平行于接收灯12发出的光的端面10。调整纤维34的直径以符合实际用途，但是作为实例其可以为25微米。
纤维34由诸如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或者PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)的材料制成的，其在拉伸时获得了双折射特性，即纤维34相对于入射光是各向异性的。当单轴地拉伸这种纤维时，获得了寻常折射率，也称作正常折射率，并获得了非寻常折射率，在PET或者PEN纤维的情况下非寻常折射率大于寻常折射率。拉伸的程度和材料确定了非寻常折射率与寻常折射率有多大不同。在将它们安装到表面32上之前，已经将纤维34拉伸到了获得非寻常折射率的程度，即纤维34变成双折射的。借助于树脂层36将纤维34贴附到光导30上。已经将液态的树脂和纤维34一起层叠在光导30上，随后利用诸如UV光进行固化以形成其中嵌有纤维34的树脂层36。选择该树脂，使其为各向同性的并且在固化状态时具有基本上与纤维34的寻常折射率相同的折射率，以便出耦合s偏振光。在可供选择的实施例中，如果希望出耦合p偏振光，则已固化的树脂的折射率应当基本上与纤维的非寻常折射率相同。
作为实例，图3表示了光源12发出的非偏振光的光束20的特性。当光束20入射到双折射的并且具有非寻常折射率的纤维34中时，该非寻常折射率大于其所镶嵌的树脂层36的折射率，光束20被分成s偏振光光束21(即光波平面与纸面一致)和p偏振光光束26(即光波平面垂直于纸面)。如图3所示，p偏振光光束26根本没有偏转，这是因为其经历纤维34的寻常折射率，纤维34的寻常折射率基本上与树脂层36的折射率相同。然而，s偏振光光束21被偏转，这是因为其经历纤维34的非寻常折射率，其大于树脂层36的折射率。如图3所示，光束21(s偏振光)基本上垂直于出射表面16从光波导18出耦合。然后，光束21入射到如上所述的显示板2。光束26在光波导18内全内反射，并且最终可以以小角度从光波导18出耦合，使得其不会到达显示板2，或者通过端面10、10’之一离开光波导18。
如图3所示，光源12发出的光以与光导30的平面相当小的角度耦合到光导30中，而出耦合的s偏振光垂直于光导30的平面出耦合。光源12发出的光束20的小角度防止了具有不想要的极性的光(即p偏振光)通过出射表面16输出耦合，取而代之的是从表面16反射该光。
图4表示了本发明的可选实施例。与图3的实施例相比主要的差别在于照明系统108包括光波导118，光波导118包括嵌在树脂层36中的椭圆纤维134。如图4所示，该椭圆纤维134可以导致形成光束21的s偏振光的更大偏转。
图5表示了本发明的又一实施例。与图2的实施例相比主要的差别在于光波导218具有纤维234，其构成了编织结构240的一部分，该编织结构是通过嵌入树脂层236而附着于光导30上的。在嵌入编织结构240之前，已经在平行于与光源12相对的端面10的方向上拉伸该编织结构。通过拉伸编织结构240，那些平行于端面10的纤维234就已经具有了双折射特性，并且将根据图3所示的相同原理使光源12发出的光偏振。
图6-8描述了用于检验本发明效果所进行的实验的结果。在实验中，利用Eldim S.A.的Ezcontrast 160测量系统测量偏振角度亮度分布。图6-8中的比例尺表示了3到260lm/cd2。图6表示了现有技术的光波导的s偏振光的输出耦合，该光波导与上述国际申请WO 97/08582中所述的光波导在设计上相似。如上所述，偏振光(在这种情况下为s光)的期望出耦合方向垂直于光波导的出射表面16。在图6中，沿着从0到180标记的轴表示了在这个期望方向上的亮度。然而，从图6可以看出，现有技术的光波导在90标志附近也呈现高的亮度。沿着90标记的亮度表示已经以小角度，即几乎沿着出射表面而非垂直于该表面，出耦合的s光。这种小角度s光将不会到达显示板，因此浪费了。s光以小角度发生的相当大的出耦合是由于可能在凹槽中的不规则处以及填充凹槽的各向异性单轴向列液晶材料中的光散射造成的。
为了测试本发明，制造了根据本发明的光波导。制备了平面PMMA光导。将PET薄膜拉伸到其原来长度的4，2倍以获得双折射特性，并且随后将其切割为纤维。然后借助丙烯酸树脂将纤维层叠到光导上，该树脂在利用UV光固化之后具有基本上与光导以及纤维的寻常折射率相同的折射率。
图7表示了根据本发明的光波导的s光的亮度。如图7所示，大多数s光沿垂直于出射表面的方向被出耦合(即s光亮度沿0-180轴具有强的最大值)。
图8表示了根据本发明的光波导的p偏振光(p光)的亮度。如图8所示，几乎没有p光垂直于出射表面出耦合(即沿0-180轴的p光亮度非常小)。沿垂直于出射表面的方向上的s光与p光亮度的比值(也称作对比度)约为15。因此显而易见的是，根据本发明的光波导在提供用于照射显示板的偏振光方面是非常有效的。利用诸如光纤的、比通过切割拉伸的PET膜获得的纤维具有更轮廓分明和平滑的表面特性的纤维，借助于本发明期望得到非常高的对比度并且以过小的角度出耦合的s光量将进一步减少。
可以理解，在所附权利要求的范围内可对上述实施例进行大量修改。
因此，如图5所述，例如纤维可以构成编织结构的一部分，或者如图3所示可以是平行纤维，或者构成了非编织结构的一部分。
应当沿纤维的纵向进行拉伸。对于编织和非编织结构，优选在平行于与之相对放置光源的端面的方向上进行拉伸。可以选择拉伸的程度，从而获得所使用的纤维的期望双折射特性。
作为使用一个光源的可替代方案，还可以使用放置在相对端面处的两个光源。
利用包含在编织或非编织结构中的纤维，可以在两个垂直方向上进行拉伸。因此，在第一步中可以单轴地拉伸放置在第一方向上的纤维，然后在第二步中可以单轴地拉伸放置在垂直的第二方向上的纤维。然后，可以将两个光源放置在波导的两个垂直端面处，在该波导中已经集成了编织或者非编织结构。在这种情况下，可以由编织或非编织结构的双折射纤维使从两个方向入射的光偏振。
还可以混合不同的纤维以获得纤维层，其中一部分纤维是双折射的，其它纤维是各向同性或者仅略微双折射的。
单独的纤维可以沿着光导的整个宽度或长度延伸，或者可以使用纤维的短长度，将它们排列成沿着波导的整个长度延伸。
图1所示的显示设备1包括所谓的前发光照明系统8，即照明系统8放置在显示板2和观察者之间，观察者观察通过偏振片25发射的光。显而易见的是，还可以将根据本发明的照明系统用作背发光系统，即显示板放置在照明系统与观察者之间。在背发光照明系统中，将来自光波导的偏振光引导到显示板，该显示板将根据像素的状态允许一部分偏振光通过并且到达观察者。因此，本发明可以用于不同类型的液晶显示器(例如透射反射(transflective)、反射或者透射型)和不同类型的液晶效果，并且不限于以上给出的实例。
作为纤维34的可选方案，可以使用条带和相似的物品。纤维的形状，圆形、椭圆形、方形或者三角形，与寻常和非寻常折射率之间的关系一起确定出耦合光的方向。
总而言之，照明系统8包括光波导18，其由光学透明成分制成并且具有四个端面10、10’。光源12的光通过一个端面10耦合到光波导18中，光源12与该端面10相对放置。光波导18具有光导30。多个纤维34附着于光导的表面32。纤维34具有双折射特性。提供双折射特性的优选方法是在其纵向拉伸由适当聚合物塑料材料制成的纤维34。纤维34使光源12发出的光偏振，偏振光将通过出射表面16从光波导出耦合。该照明系统可以用于诸如移动电话、PDA等的LCD板的前或背照明。
权利要求
1.一种包括光波导的照明系统，该光波导是光学透明的并且具有出射表面和多个端面，与该多个端面中的至少一个相对放置了光源，光源发出的光在所述至少一个端面处耦合到该光波导中，该光波导具有集成在其中的偏振装置，用于使光源发出的光偏振，其特征在于该偏振装置包括光导，该光导由光学透明材料制成并且适于接收在所述至少一个端面耦合到光波导中的所述光，还包括多个纤维，它们由光学透明材料制成并且具有双折射特性，这些纤维在出射表面处在光导上形成层，这些纤维适于使光导接收的光偏振，以通过出射表面出耦合偏振光。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中至少一部分纤维平行于光源发出的光耦合进入的所述至少一个端面。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的照明系统，其中纤维由双折射的拉伸的聚合物材料制成。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的照明系统，其中偏振装置进一步包括覆盖纤维的各向同性树脂层。
5.根据权利要求4所述的照明系统，其中纤维具有寻常折射率和非寻常折射率，纤维的寻常折射率基本上与树脂层的折射率相同。
6.根据前面任一项权利要求所述的照明系统，其中光导由各向同性材料制成，该材料的折射率基本上与纤维的寻常折射率相同。
7.根据前面任一项权利要求所述的照明系统，其中纤维紧密填塞并且相互平行。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的照明系统，其中纤维包含在涂敷到光导上的编织或非编织结构中。
9.一种制造光波导中的偏振装置的方法，该光波导是光学透明的并且具有出射表面和多个端面，与该多个端面中的至少一个相对放置了光源，光源发出的光在所述至少一个端面处耦合到该光波导中，该偏振装置适于使光源发出的光偏振，其特征在于以下步骤由光学透明材料形成光导，用于接收在所述至少一个端面耦合到光波导中的所述光，拉伸由光学透明材料制成的纤维以使纤维具有双折射特性，并且将纤维附着于与出射表面相邻的该光导的表面处，从而使光导接收的光偏振并且通过出射表面出耦合偏振光。
10.根据权利要求9所述的方法，其中附着该纤维使其平行于光源发出的光耦合进入的所述至少一个端面。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中借助于添加到纤维的树脂而将纤维附着于光导。
12.根据权利要求9到11中任一项所述的方法，其中将该纤维拉伸到这样的程度从光波导出耦合的偏振光基本上与出射表面成直角地被出耦合。
全文摘要
一种包括光波导(18)的照明系统(8)，该光波导(18)由光学透明成分制成并且具有四个端面(10、10’)。光源(12)发出的光通过一个端面(10)耦合到光波导(18)中，与该端面(10)相对放置该光源(12)。该光波导(18)具有光导(30)。多个纤维(34)附着于光导(30)的表面(32)。纤维(34)具有双折射特性。一种用于提供双折射特性的优选方法是在其纵向上拉伸由适当的聚合物塑料材料制成的纤维(34)。纤维(34)将使光源(12)发出的光偏振，并且偏振光将通过出射表面(16)从光波导(18)出耦合。该照明系统(8)可以用于对诸如移动电话、PDA等的LCD板的前或背照明。
文档编号G02F1/13357GK1748174SQ200480003841
公开日2006年3月15日 申请日期2004年1月20日 优先权日2003年2月10日
发明者H·P·M·胡克, R·A·M·希梅特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司