具有镜面局部反射器和圆形模式反射型偏振器的背光照明系统的制作方法

专利名称：具有镜面局部反射器和圆形模式反射型偏振器的背光照明系统的制作方法
具有镜面局部反射器和圆形模式反射型偏振器的背光照明
系统相关专利申请本申请要求提交于2007年12月28日的美国临时专利申请No. 61/017255的优先 权，该专利的公开内容以引用方式全文并入本文。
背景技术：
本发明涉及信息显示器。更具体地讲，本发明涉及包括反射型偏振器的背光光学 in息显不器。光学信息显示器常常用于电视机、笔记本电脑和台式机电脑、手持装置(例如移 动电话)以及其它应用中。一种广泛使用的显示器是液晶(LC)显示器。通常的液晶显示 器装设在液晶面板周围，在液晶面板中，具有相关电极矩阵的液晶交错在一对吸收型偏振 器之间。在液晶面板中，通过电极矩阵施加的电场来改变液晶的部分的光学状态。根据其 状态，液晶的给定部分(与显示器的像素或亚像素相对应)会或多或少地旋转穿过其中的 透射光的偏振。光经入口偏振器、液晶和出口偏振器发生不同程度的衰减，衰减程度取决于 光遇到的液晶部分的光学状态。液晶显示器利用这种行为，从而在不同区域中得到具有不 同外观的电子可控的显示器。由于液晶面板本身不发光，因此液晶显示器需要照明源_要么通常是反射的环境 光、要么更常常是来自背光源的光。一般来讲，背光源包括照明设备和多个位于照明设备与 液晶面板之间的光管理膜，其中照明设备可以包括光源，例如发光二极管或荧光灯。通常， 通过更加充分有效地使用光，光管理膜可以提高显示器的操作性。

发明内容
在一个方面，本发明提供背光源，该背光源包括具有至少一个光源的照明设备、圆 形模式反射型偏振器以及镜面局部反射器。镜面局部反射器设置在照明设备与圆形模式反 射型偏振器之间。此外，镜面局部反射器与圆形模式反射型偏振器基本上直接偏振连通。在另一方面，本发明提供显示器，该显示器包括液晶面板和向液晶面板提供光的 背光源。背光源包括具有至少一个光源的照明设备、圆形模式反射型偏振器以及镜面局部 反射器。圆形模式反射型偏振器设置在显示模块与照明设备之间，镜面局部反射器位于照 明设备与圆形模式反射型偏振器之间。此外，镜面局部反射器与圆形模式反射型偏振器基 本上直接偏振连通。在另一方面，本发明提供用于提供偏振光的背光源，该背光源包括具有至少一个 光源的照明设备、圆形模式反射型偏振器以及镜面局部反射器。圆形模式反射型偏振器被 构造为透射第一部分光并且反射第二部分光，第一部分光具有第一圆形偏振，第二部分光 具有第二圆形偏振，其中第二圆形偏振与第一圆形偏振正交。镜面局部反射器位于照明设 备与圆形模式反射型偏振器之间。镜面局部反射器适用于接纳来自圆形模式反射型偏振器 的第二部分光以及将第三部分光返回到圆形模式反射型偏振器。第三部分光是第二部分光
4的一部分，并且具有可被圆形模式反射型偏振器透射的第一圆形偏振。在另一方面，本发明提供了制备背光源的方法。该方法包括提供照明设备和圆形 模式反射型偏振器；为镜面局部反射器选择正交反射比率值以导致优化的背光源亮度；在 照明设备与圆形模式反射型偏振器之间设置具有所选正交反射比率值的镜面局部反射器。 此外，镜面局部反射器与圆形模式反射型偏振器基本上直接偏振连通。在下面的具体实施方式
中，本发明的这些方面以及其它方面将显而易见。然而，在 任何情况下不应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。


本发明结合附图进行描述，一般来讲，图中相同的标号表示相同的元件，并且其 中图1为可包括光管理元件的光学显示器的一个实施例的示意性剖视图。图2为光学显示器的另一个实施例的示意性剖视图。图3为照明设备的一个实施例的示意性剖视图。图4为背光源系统的一个实施例的照明设备的一部分和光管理元件的示意性剖 视图。图5为圆形模式反射型偏振器的一个实施例的示意性剖视图。图6为具有涂层的圆形模式反射型偏振器的一个实施例的示意性剖视图。图7为具有涂层的光学薄膜的一个实施例的示意性剖视图。图8为多层镜面局部反射器的一个实施例的示意性剖视图。图9为示出照明设备和光管理元件的多种实施例的亮度性能与所包括的镜面局 部反射器数量之间关系的图表。
具体实施例方式通常，本发明提供可有效循环偏振光的背光源。此类偏振光可以用来照明光学信 息显不器。液晶显示器的背光源向显示器的液晶面板提供光，该液晶面板仅利用具有透射穿 过面板的入口偏振器的“通过型”偏振的光形成图像。液晶面板上具有“受阻型”偏振的入 射光通常被入口偏振器吸收并消耗。因此，令人关注的是使由背光源发出的到达面板的通 过型偏振光的量最大化，并且使到达面板的受阻型偏振光的量最小化。使通过型偏振光最大化并使受阻型偏振光最小化的一种技术是在背光源与液晶 面板之间设置反射型偏振器，以将通过型偏振光透射到液晶面板并且将受阻型偏振光反射 到背光源中。然后，反射的受阻型偏振光可转变为通过型偏振光，并且在第二次相遇或后续 相遇时透射穿过反射型偏振器。光从受阻型偏振到通过型偏振的转变可以多种方式发生。上述转变可能是背光源 中的光散射的结果，该散射往往会使偏振随机化。在随机化的情况下，至多一半受阻型偏振 光可能会在给定循环内经散射转变为通过型偏振光。受阻型偏振光在第二次或后续时间遇 到反射型偏振器时，可以再次反射到背光源中，因而有机会再次被随机化和最终发射，但由
5于存在损耗机制，每一次循环时光量都会减少。利用随机化进行循环的背光源常常用于目 前可得的显示器中。通过使用其它依赖确定性过程的光的偏振转变机制，可以实现对背光 源性能的潜在改善。在本发明中，偏振转变反射器可置于背光源中，以确定性地将光从受阻型偏振转 变为通过型偏振，从而使光透射穿过反射型偏振器，然后透射到液晶面板上。此类反射器的 一种设置方式是设置在背光源的背部处。该设置方式的潜在缺点是通过型偏振光在从背部 中的反射器到达正面中的反射型偏振器时，可以从其它背光源元件散射或折射穿过这些元 件，从而可能劣化偏振。另一个选项是将偏振转变局部反射器设置在背光源中更向前的位 置，靠近反射型偏振器，从而偏振转变光可以在不遇到可能产生不良干涉的背光源元件的 情况下从反射器到达反射型偏振器。进行此类设计时需要考虑的是，局部反射器会在背光 源中的某些光达到反射型偏振器之前将其朝后反射。然而在本发明中所见的是，当考虑到 背光源系统的总体性能时，这种反射器布置方式的优点可以弥补其缺点。图1为光学显示器100的一个实施例的示意性剖视图。显示器100包括液晶面板 110和可向液晶面板110提供光的背光源120。在一些实施例中，背光源120包括照明设备130和一个或多个设置在照明设备与 液晶面板Iio之间的光管理膜140。如本文进一步所述，照明设备130可包括一个或多个可 向液晶面板110提供照明光的光源(未示出)。光管理膜140可包括一个或多个多种光学 薄膜或其它可提高显示器100的操作性的元件。它可包括例如影响光角分布的扩散片或棱 镜增亮薄膜。一个或多个光管理膜140也可包括允许偏振光到达液晶面板110的反射偏振 膜。在一些实施例中，液晶面板110调制一种(“通过型”)偏振的光，并且吸收正交 (“受阻型”)偏振的光。根据液晶面板110的液晶部分(与显示器100的像素或亚像素相 对应)的状态，具有通过型偏振的入射光的偏振在一定程度上被旋转，然后光被部分透射 并且部分吸收，具体取决于偏振的旋转程度。在其它实施例中，可以设想基于除液晶之外其 它技术的偏振显示模块。在液晶面板110上的入射光中，液晶面板基本上只能调制具有通过型偏振的光的 部分，具有受阻型偏振的光的部分则主要被吸收并且未被使用。据此，可能有利的是在满足 液晶面板的其它照明要求的情况下，以未使用的受阻型偏振为代价，将背光源120构造成 向液晶面板110有效传输尽可能多的通过型偏振光。为此，一个或多个光管理膜140可包 括向液晶面板110提供具有通过型偏振的光的反射型偏振器。反射型偏振器被设计成透射第一偏振的光(可为上述通过型偏振，或可通过例如 延迟片转变为通过型偏振的偏振)并且反射正交的第二偏振的光。当光从照明设备130 入射到反射型偏振器时，具有第一偏振的光的部分朝液晶面板110透射，具有第二偏振的 光的部分则被反射。随后，具有第二偏振的反射光的部分可以随后被背光源内的任何结构 (如反射器，未示出)再次向前朝反射型偏振器反射。在再次向前反射的过程中，再反射光 的偏振可能会改变，使得光中的某些此刻处于可透射的第一偏振。仍保持第二(反射)偏 振的光可以进一步被反射，直至最终以第一偏振透射穿过反射型偏振器，或在光学腔中被 吸收。在上述过程中，反射型偏振器使得具有第二偏振的本来未使用的光被“循环利用”。 有关组装了反射型偏振器的显示器的描述可见于如美国专利No. 6，025，897 (Weber等人)。
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本文所述循环利用的背光源可依靠一种或多种机制将被反射型偏振器反射的具 有第二偏振的光中的某些转变为具有可透射的第一偏振的光。通常，离开照明设备130的 后反射器的光被再反射时会发生这种情况。在该再反射(有时是漫反射)过程中，偏振可 能被搅乱、随机化或者说是混合。偏振态的改变也可能在光透射穿过其它背光源元件或被 该背光源元件反射时发生。一般来讲，只有朝反射型偏振器反射回来的光的一部分存在于 可透射的第一偏振中。如果具有第二偏振的反射光可被有效转变为具有可透射的第一偏振的光并且返 回反射型偏振器，则背光源就能够更有效地将第一偏振的光递送到液晶面板110。利用圆形 偏振的性质可提供实现上述目的的途径。镜面反射会颠倒圆形偏振光的旋向性并且为正交 偏振态之间的转变提供简单的确定性过程。可由在背光源系统后部处的后反射器提供这种 镜面反射，但位于后反射器与反射型偏振器之间的光学元件可能会妨碍由第二偏振向第一 偏振的简单转变。通过正确设置背光源元件，可以避免出现这种复杂情况。本文描述了包 括一个或多个镜面反射器和圆形模式反射型偏振器的背光源。图2为光学显示器200的一个实施例的示意性剖视图。显示器200包括液晶面板 210和背光源220。背光源220包括照明设备230和一个或多个设置在液晶面板210与照 明设备230之间的光管理膜240。照明设备230包括一个或多个光源232。光源232可为线性冷阴极荧光灯(CCFL)。 然而，可以采用其它类型的光源232，例如其它各种荧光灯、白炽灯、发光二极管、有机发光 二极管或已经发现为合适的任何其它光源。照明设备230可包括后反射器234。后反射器234可以为镜面反射器、漫反射 器或镜面反射器和漫反射器的组合。镜面反射器的一个实例为得自3M公司的Vikuiti Enhanced Specular Reflector(ESR) (Vikuiti 增强型镜面反射器)膜。合适的漫反射器 的实例包括填充有漫反射粒子的聚合物。漫反射器的其它实例(包括微孔材料和含纤丝材 料)在如美国专利6，497，946 (Kretman等人)中有所描述。除本文所列类型之外的其它类 型反射器也可以用于后反射器234。显示器200可以被描述为“直接照明式”，其具有直接设置在液晶面板210后面的 光源232。在其它实施例中，显示器200可包括侧光式照明设备，如图3的侧光式照明设备 330。照明设备330包括设置在光导336的一个或多个边缘337处或其附近的一个或多个光 源332。光导336具有大致平面的块或楔形形状，但也可以采用任何合适的形式。光源332 通常被光源反射器333包围，该光源反射器促进由光源发出并且经边缘337射入光导336 中的光的光学耦合。光在光导336内传播，部分地受助于全内反射，然后经出口表面338离 开照明设备330朝液晶面板透射。照明设备330也可以包括后反射器334，该后反射器可 以起到以液晶面板方向重新导向光线的作用。后反射器334可以直接附接到光导336(如 (例如)美国专利No. 6，447，135 (Wortman等人)所述)，或可以为自立式结构。返回图2，一个或多个光管理膜240可包括光学薄膜以及可能旨在提高和改善背 光源性能的其它结构。在一些实施例中，一个或多个光管理膜240可包括圆形模式反射型 偏振器242。圆形模式反射型偏振器几乎完全反射入射到其上的具有一种旋向性的圆形偏 振光，并且几乎完全透射具有其它正交旋向性的圆形偏振光。应该指出的是，圆形模式反射 型偏振器242所反射的光基本保持入射到偏振器上之前表征它的相同圆形偏振旋向性。透
7射穿过圆形模式反射型偏振器242的光可以具有或不具有其入射到偏振器上之前所具有 的偏振，具体取决于偏振器的详细构造，下文将进一步讨论。圆形模式反射型偏振器242可 以为自立式膜，或可以附接到显示器200中的另一个结构。在一些实施例中，圆形模式反射 型偏振器242附接到液晶面板210。圆形模式反射型偏振器242可包括任何合适的反射型偏振器，如美国专利 No. 5，793，456 (Broer等人)中所述的偏振器。通常，圆形模式反射型偏振器可以多种方式 形成。圆形模式反射型偏振器可采用胆留型液晶材料形成。胆留型液晶化合物通常为手性 分子，并且可为聚合物。胆留型液晶化合物包括具有胆留型液晶相的化合物，在该胆留型液 晶相中，液晶的指向矢(即限定局部平均分子排列方向的单位矢量)沿着与该指向矢垂直 的维度以螺旋的方式旋转。胆留型液晶化合物的间距为指向矢旋转360度后(在垂直于指 向矢的方向)所经过的距离。该距离通常为IOOnm或更大。通常可通过使胆留型液晶化合物与向列型液晶化合物混合或者说是组合(如通 过共聚)来改变胆留型液晶材料的间距。间距取决于胆留型液晶化合物和向列型液晶化合 物的相对重量比。通常间距可选择为接近关注的光的波长。指向矢的螺旋扭曲致介电张量 方面发生空间周期性变化，该变化又引起光的波长选择性反射。例如，可选择间距，使得选 择性反射在可见光、紫外或红外波长内达到反射峰。胆留型液晶组合物(含有或不含为改变间距而添加的额外的向列型液晶化合物 或单体)可形成为层，该层在特定光波长带宽内几乎完全反射具有一种圆形偏振的光(如 左旋或右旋圆形偏振光)，并且几乎完全透射具有其它圆形偏振的光(如左旋或右旋圆形 偏振光)。此表征描述了以垂直入射角度被导向胆留型液晶材料的指向矢的光的反射或透 射。在其它角度处被导向的光通常被胆留型液晶材料椭圆形偏振。通常相对于垂直入射光 来表征胆留型液晶材料；然而将认识到，可利用已知技术确定这些材料对非垂直入射光的 响应。具有恒定间距的胆甾型液晶层会在有限的带宽(通常IOOnm或更小)内显示具有 反射性。为了提高由胆留型液晶材料形成的反射型偏振器的有效性，可采用具有不同间距 的多个层，或采用具有离散或连续可变间距的单个层。这种构造可得到带宽较宽的反射型 偏振器，其带宽覆盖(例如)从大约400至700nm的可见光谱。有关胆甾型液晶的制造工艺 和光学体的讨论可见于美国专利No. 6，573，963 (Ouderkirk等人)、No. 6，876，427 (Watson 等人)、Νο· 6，913，708 (Solomonson 等人)和 No. 6，917，399 (Watson 等人)。合适的胆甾型 液晶膜的一个实例是Nipocs (可得自Nitto Denko (Japan))。圆形模式反射型偏振器也可以由其它光学元件的组合制成。图5为由线性模 式反射型偏振器544和四分之一波长延迟片546的组合形成的圆形模式反射型偏振 器542的剖视图。这两个大致为平面的元件544和546可以如图所示物理地连接，或 可以分离。线性模式反射型偏振器的实例包括Vikuiti DBEF多层光学薄膜反射型偏 振器(如美国专利No. 5，882，774(Jonza等人)中所述)和DRPF漫反射偏振膜(如美 国专利No. 5，825，543 (Ouderkirk等人)中所述)，二者均得自3M公司。如美国专利 No. 6，122，103 (Perkins等人)中所述的线栅偏振器是另一种类型的线性模式反射型偏振 器。可利用(例如)取向的聚合物材料(例如聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯 醇)或被涂覆的液晶材料制成四分之一波长延迟片。
在此类圆形模式反射型偏振器542中，线性模式反射型偏振器544透射具有第一 线性偏振的光，并且反射具有正交的第二线性偏振的光。通常，当线性模式反射型偏振器 544反射的线性偏振光随后穿过四分之一波长延迟片546时，会产生椭圆形偏振光。如果 四分之一波长延迟片546的高速轴在相对于线性模式反射型偏振器544的反射光的偏振轴 45度角处取向，会产生圆形偏振光。或者，就像本领域的技术人员可以理解的那样，可使用 具有其它取向的其它延迟片来进行从线性偏振到圆形偏振、近圆形偏振或椭圆形偏振的转 变。返回图2，一个或多个光管理膜240还可包括镜面局部反射器250。镜面局部反射 器250位于照明设备230与圆形模式反射型偏振器242之间。在各种实施例中，镜面局部 反射器250可以采用多种形式，包括图2所示的自立式元件，或作为附接到背光源另一个结 构的涂层或其它元件。从面向圆形模式反射型偏振器242的一侧入射到镜面局部反射器 250的光以基本上镜面的方式被局部反射。镜面局部反射器250对光进行的这种镜面反射 通常导致圆形偏振光的旋向性的颠倒，从而使反射光处于可以随后被圆形模式反射型偏振 器242透射的状态，下文将详细描述。未被镜面局部反射器250反射的光的部分可以被镜 面透射，也可以不被镜面透射。对于从面向照明设备230的一侧入射到镜面局部反射器250 上的光，反射和透射(各独立地考虑)可以是镜面的或可以不是镜面的。镜面局部反射器250可包括任何合适的膜或其它光学元件。可以由背光源中具有 另一个功能的元件提供镜面局部反射。例如，可以由用作覆盖片的低密度表面纹理膜提供 镜面局部反射器250，该膜设置在一系列光学薄膜顶部处或者说是位于一系列光学薄膜的 外边界处。也可由光导336的出口表面338或由光管理膜240中的一个的另一个表面提供 镜面局部反射器250。也可以由专用膜提供镜面局部反射器250。镜面局部反射器可以多种方式形成。镜面局部反射器可以由基本上整片透明电介 质材料形成。可以利用菲涅耳公式结合电介质折射率方面的知识预测此类镜面局部反射器 的主表面的反射率。合适的材料包括聚合物，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或聚甲 基丙烯酸甲酯。形成镜面局部反射器的其它方式包括采用薄的金属化层或金属层、采用图 案化的金属化层或金属层、或采用具有不同反射率和透射率的区域。这样的层可以涂覆到 电介质基底或块上或嵌入其内。电介质或金属局部反射层可以涂覆到、附接到或者说是连接到背光源中的另一个 光学结构或基底上，从而得到镜面局部反射器。该结构或基底可以提供不同于反射器的光 学功能。例如，在图6的剖视图中，局部反射层650附接到圆形模式反射型偏振器642。在 图7的剖视图中，局部反射层750连接到光学薄膜760。就电介质层而言，折射率相对较高 的电介质可能是理想的，因为其通常会提供相比周围介质更大的折射率差，因而可以产生 更强的反射。镜面局部反射器可以利用来自多个主表面的反射。在由整片透明电介质材料形成 的镜面局部反射器中，片材的两个表面都可以起到以镜面方式反射光的作用。又如，透明电 介质材料的多层光学薄膜叠堆可作为设计反射器的基础。图8为包括电介质材料交替层 852和854的多层镜面局部反射器850的示意性剖视图。若干参数可以影响多层叠堆的反 射率，其中包括层的厚度以及叠堆中的层的折射率之间的关系。叠堆可以设计成具有高低 折射率交替的多个光学薄层，即具有接近关注的波长的厚度的层，以使用标准薄膜光学设计原则来获得光学干涉效应。或者，也可以使用厚度接近多个波长的厚层，该厚层要么是高 低折射率交替的材料、要么是相同材料，而不存在影响性能的干涉效应。设计镜面局部反射器时考虑的另一个因素是反射器中所用电介质材料的双折射。 双折射可以至少两种方式影响反射器的性能。首先，在光在双折射电介质内传播的任何反 射器中，双折射可以影响或改变光的偏振。通常，圆形偏振光可以转变为椭圆形偏振态。其 次，具有双折射材料的界面对光波的反射通常对材料的双折射率敏感，因为如菲涅耳公式 所述，根据沿着偏振轴的折射率的不同，光波的偏振分量将被不同程度地反射。在本发明 中，某些镜面局部反射器包括一种或多种基本上非双折射的材料。如本文所述，本发明的镜面局部反射器将具有这样的性质即从面向圆形模式反 射型偏振器的一侧入射到其上的光会以基本上镜面的方式被局部反射。通常，以垂直入射 角度垂直入射到各向同性的基底的圆形偏振光的镜面反射会导致反射光具有相反(正交) 的偏振旋向性。就反射偏离镜面的程度而言，反射光的偏振与入射光的偏振之间的关系可 能不太确定。例如，用具有质地粗糙表面的光学片代替镜面局部反射器，会导致混合偏振的 高度漫反射光。另外，如本文所述，双折射基底可以导致不完全颠倒圆形偏振光的旋向性的 镜面反射。考虑到这些影响和其它影响，可以通过以正交于入射光的偏振态中反射的入射 圆形偏振光的比率来表征反射器，该比率可以称为正交反射比率。例如，假设入射光来自空 气，由折射率为1. 5的各向同性的材料形成的反射器标称可反射4%的垂直入射光。如果该 实例中的反射表面非常平滑，反射器的正交反射比率值可以接近4%。如果我们考虑这种材 料的片材的两面均平滑，则该值可以接近8%。由相同材料形成但具有高度漫反射的非常 粗糙表面的替代反射器可以显著地使偏振随机化，并且正交反射比率可以低得多，例如约
2 % ο再次返回图2，其它元件(例如示例性光学薄膜260)也可包括在一个或多个光管 理膜240中。光学薄膜260可为影响光角分布的膜，例如得自3M公司的Vikuiti BEF-III 增亮薄膜。有关增亮薄膜的说明可见于如美国专利N0.5，771，328(W0rtman等人)和 No. 6，354，709 (Campbell等人)。这种增亮薄膜通常包括将偏轴光的方向改变为更靠近显 示器轴线方向的表面结构。其它可能的元件包括(但不限于)扩散片、扩散板、增益扩散片、 转向膜、偏振器、反射型偏振器、延迟片或半穿透反射板。在图2中，光学薄膜260被描述为 位于镜面局部反射器250与照明设备230之间。在一些实施例中，偏振器242和反射器250之间存在直接光学连通，使得两者间传 播的光基本上不受其各种物理特性(例如辐射率、传播方向、光谱组成和偏振态)的影响。 在其它实施例中，偏振器242和反射器250之间所传播光的物理特性中的一者或多者会受 居间背光源元件的影响，而一种或多种其它特性则保持基本不受影响。当元件之间所传播 光的物理特性不受影响时，该元件可以被描述为(例如)“直接偏振连通”或“直接光谱连 通”。在本发明的一些实施例中，圆形模式反射型偏振器242和镜面局部反射器250基本上 为直接偏振连通。液晶面板210的构型通常部分取决于显示器200的背光源220的构型。在如图2 所示的一个实施例中，液晶面板210包括具有相关电极矩阵的液晶层212、延迟片214、第一 吸收型偏振器216和第二吸收型偏振器218。在该实施例中，从圆形模式反射型偏振器242 传播的光和液晶面板210上的入射光均为圆形偏振光。延迟片214影响光的组成偏振分量的相位，从而将其从圆形偏振光转变为线性偏振光。然后，这种线性偏振光入射到第一吸收 型偏振器216上，其透光轴与来自延迟片214的光的偏振轴一致。第一吸收型偏振器216 起到增大进入液晶层212的光的偏振对比度的作用。第一吸收型偏振器216有时可以被称 为“清理”偏振器。在另一个实施例中，液晶面板210不一定包括延迟片214。这种构型适用于其中圆 形模式反射型偏振器242将线性偏振光传播至液晶面板210的背光源。在其它实施例中， 液晶面板210可以不含第一吸收型偏振器216，但包括第二吸收型偏振器218，并且可任选 地在液晶层212与第二吸收型偏振器之间具有延迟片。液晶面板的其它实施例可以包括偏 振器和延迟片的其它构型。本文所述的背光源构形可利用偏振光有效地照明液晶面板。通常，这些构形有效 地循环从反射型偏振器反射的光，并且在光从背光源朝液晶面板传播过程中随后相遇时将 这种反射光转变为可被反射型偏振器透射的偏振态。下文通过描述图4的示意性剖视图所 示背光源420的操作方面来阐明这些思想。背光源420包括照明设备430，照明设备430包括一个或多个光源432和后反射器 434。一个或多个光管理膜440包括圆形模式反射型偏振器442和设置在圆形模式反射型偏 振器442与照明设备430之间的镜面局部反射器450。图4也包括指示光在背光源420中 传播方向的箭头。通常，该图中箭头的方向性仅参照光朝向(向上)或远离(向下)背光 源的输出方向有意义，背光源的输出方向朝图的顶部(向上)，例如液晶面板应处的位置。 图中箭头指向右侧只是为了清楚起见，而不应理解为具有限制性；实际的光线也可能朝左 传播，以及以多种角度传播。结合从光源432发出的示例性光460的部分的分析继续讨论背光源420的操作。 在与镜面局部反射器450相互作用之后，光460的部分透射穿过局部反射器成为光462，并 且部分被反射成为光464。光462随后与圆形模式反射型偏振器442相互作用。在偏振器 442处，入射光462的一部分透射离开背光源420成为右旋圆形偏振光466R，并且部分被反 射成为左旋圆形偏振光468L。(在本实例中，偏振器442对右旋圆透射和左旋圆反射的选 择完全是任意的，并且可以反过来。)反射光468L返回镜面局部反射器450，其中光的一部分被透射成为左旋圆形偏振 光470L，并且光的一部分被反射成为右旋圆形偏振光472R。镜面局部反射器450产生的镜 面反射可转变反射光的偏振。这种转变使得光472R处于可透射穿过圆形模式反射型偏振 器442的正确状态，从而导致透射光474R。这样，镜面局部反射器450有助于形成循环腔以 用于背光源420。从镜面局部反射器450朝下传播的光464和470L以及从光源432朝下传播的光 476总共表示朝后反射器434传播的光。这个光被后反射器434反射，用光478总共表示的 反射光朝镜面局部反射器450传播，其中光478的至少一部分可以从背光源420中透射成 为右旋圆形偏振光。这样，后反射器434也有助于形成循环腔以用于背光源420。反射光478的偏振受后反射器434的特性和在镜面局部反射器450下面的任何其 它结构的特性所影响。光478的偏振可以部分确定地取决于光464、470L和476的偏振态； 光478的偏振也可以部分被随机化，具体取决于(例如)所进行反射的类型以及光所穿透 透明材料的双折射率等因素。相比之下，可高度确定地偏振由镜面局部反射器450射出的左旋圆形偏振光468L的局部反射所产生的右旋圆形偏振光472R。具有圆形模式反射型偏振器和镜面局部反射器的背光源系统的性能取决于多种 因素，包括镜面局部反射器的反射性。这种反射性可以如本文所定义的由正交反射比率值 来量化。随着正交反射比率值增大，由圆形模式反射型偏振器向镜面局部反射器传播的更 大比例的第二偏振光(如图4中的468L)将以可透射的第一偏振(如472R)循环返回偏振 器。与此同时，增大的反射率会减少从照明设备(如460、478)到达偏振器(如462)的光 量。可以优化正交反射比率值，以使亮度或其它用来描述背光源向液晶面板提供的光的可 测量参数最大化。本文描述了说明本发明的这一方面的研究。利用模型系统对采用镜面局部反射器的背光源系统的性能进行模拟。将各种组合 的背光源元件置于照明设备的顶部表面上，然后测量系统的性能。照明设备是由漫射性白 色特氟隆""材料的面板构造的边长为大约13cm的立方体。利用光纤束将光引入立方体的内 部。立方体内部的多次反射起到使光均质化的作用，从而形成来自立方体表面的高度均一 和均勻的输出。首先，利用照明设备本身对其顶面进行基准测定过程。使用PhotoResearch PR-650分光辐射谱仪测量亮度。进行基准测定过程之后，将反射型偏振器置于照明设备上， 然后重复测定过程。接下来，在反射型偏振器与照明设备之间放入数量不断增加的玻璃反 射片(显微镜用载波片)作为镜面局部反射器，进行一系列测定过程。可采用圆形模式反 射型偏振器和线性模式反射型偏振器执行该方案。使用得自Nitto Denko(Japan)的胆甾 型液晶膜Nipocs 作为圆形模式反射型偏振器。使用得自3M公司的DBEF-E和其它类似的 DBEF变体作为线性反射型偏振器。图9示出以下三种背光源构形中亮度(以cd/m2为单位进行测量，即“尼特”)随 玻璃反射片(每个玻璃片具有两个主表面)的数量的变化(a)具有圆形模式反射型偏振 器的背光源构形；(b)具有线性模式反射型偏振器的背光源构形；(c)没有偏振器的背光源 构形。曲线900a示出，随着系统中加入玻璃片亮度随之增大(从而正交反射比率增大)，直 到放入三块玻璃片时亮度达到峰值，此后随着玻璃片的增加亮度不断降低。亮度增大的原 因是，玻璃片的镜面反射改善了光的循环利用。据推测，玻璃片超过三片时亮度降低是由于 光从照明设备穿过玻璃片不断增加的反射型叠堆到反射型偏振器的透射受阻。与曲线900a 所示的系统响应相比之下，曲线900b所表示的线性模式反射型偏振器背光源的性能示出 镜面局部反射器叠堆的反射率增大只会降低亮度。这是预料之中的，由于镜面反射不会改 变光的偏振态，因而它对线性偏振光的循环利用没有帮助。曲线900c示出了只有玻璃片的 背光源的亮度，该曲线示出，加入第一块玻璃片时亮度有所增加。据信，这是光线离开玻璃 片底部后向上倾斜的传播光线的掠反射所导致。朝照明设备往回反射的该光中的某些以更 靠近垂直的角度向上穿过叠堆循环利用，并且同轴亮度测量值对该角度敏感。虽然本发明参照圆形偏振光和圆形模式偏振器讨论了背光源的操作和性能的方 面，但本领域的技术人员将会认识到，完全圆形偏振光的纯偏振态通常被视为数学构造，而 在真实系统中，圆形偏振光通常包括一定程度的椭圆率。此外，本发明的背光源的有益效果 可以通过涉及除纯圆形偏振以外的偏振态的系统实现，因此此类系统通常应被视为在本公 开范围内。除了与本公开可能直接抵触的程度，本文引用的参考文献及出版物明确地以引用 方式全文并入本文中。对本发明涉及的示例性实施例进行了讨论并参考了本公开范围内可能的变型。在不脱离本公开范围的前提下，本公开中的这些及其它变型形式和修改形式对 于本领域的技术人员来说将显而易见，并且应当理解，本公开并不限于本文示出的示例性 实施例。因此，本公开仅受以下提供的权利要求书的限制。
权利要求
一种背光源，包括照明设备，其具有至少一个光源；圆形模式反射型偏振器；和镜面局部反射器，其设置在所述照明设备与所述圆形模式反射型偏振器之间；其中所述镜面局部反射器与所述圆形模式反射型偏振器基本上直接偏振连通。
2.根据权利要求1所述的背光源，其中所述照明设备还包括光导，其中所述至少一个 光源被光学耦合到所述光导的边缘。
3.根据权利要求1所述的背光源，其中所述圆形模式反射型偏振器包括胆留型液晶层。
4.根据权利要求1所述的背光源，其中所述圆形模式反射型偏振器包括 线性模式反射型偏振器；和四分之一波长延迟片，其设置在所述线性模式反射型偏振器与所述镜面局部反射器之间。
5.根据权利要求1所述的背光源，其中所述镜面局部反射器包括设置在基底上的层， 所述基底具有与所述镜面局部反射器的光学功能不同的光学功能。
6.根据权利要求1所述的背光源，其中所述镜面局部反射器包括设置在所述圆形模式 反射型偏振器上的涂层。
7.根据权利要求1所述的背光源，其中所述镜面局部反射器包括金属化的局部反射
8.根据权利要求1所述的背光源，其中所述镜面局部反射器包括多个基本上镜面反射 的主表面。
9.根据权利要求8所述的背光源，其中所述镜面局部反射器包括多层光学薄膜。
10.根据权利要求9所述的背光源，其中所述多层光学薄膜包括一个或多个聚合物层。
11.根据权利要求1所述的背光源，其中所述镜面局部反射器的正交反射比率值至少 为2%。
12.根据权利要求1所述的背光源，其中所述镜面局部反射器的正交反射比率值至少 为4%。
13.根据权利要求1所述的背光源，其中所述镜面局部反射器的正交反射比率值至少 为8%。
14.根据权利要求1所述的背光源，其中所述镜面局部反射器具有为导致优化背光源 亮度而选择的正交反射比率值。
15.一种显示器，所述显示器具有液晶面板和背光源，所述背光源向所述液晶面板提供 光，其中所述背光源包括照明设备，其包括至少一个光源；圆形模式反射型偏振器，其设置在所述液晶面板与所述照明设备之间；和 镜面局部反射器，其设置在所述照明设备与所述圆形模式反射型偏振器之间； 其中所述镜面局部反射器与所述圆形模式反射型偏振器基本上直接偏振连通。
16.一种用于提供偏振光的背光源，包括 照明设备，其包括至少一个光源； 圆形模式反射型偏振器，所述圆形模式反射型偏振器被构造成透射第一部分光并且反 射第二部分光，所述第一部分光具有第一圆形偏振，所述第二部分光具有第二圆形偏振，所 述第二圆形偏振与所述第一圆形偏振正交；和镜面局部反射器，所述镜面局部反射器设置在所述照明设备与所述圆形模式反射型偏 振器之间，所述镜面局部反射器适用于接纳来自所述圆形模式反射型偏振器的所述第二部 分光并将第三部分光返回所述圆形模式反射型偏振器，所述第三部分光是所述第二部分光 的一部分并且具有可被所述圆形模式反射型偏振器透射的所述第一圆形偏振。
17. 一种制备背光源的方法，包括 提供照明设备； 提供圆形模式反射型偏振器；为镜面局部反射器选择正交反射比率值以导致优化的背光源亮度；以及 将具有所述选择的正交反射比率值的镜面局部反射器设置在所述照明设备与所述圆 形模式反射型偏振器之间，其中所述镜面局部反射器与所述圆形模式反射型偏振器基本上 直接偏振连通。
全文摘要
本发明描述了在显示器背光源(120、220、420)中，将镜面局部反射器(250、450)设置在圆形模式反射型偏振器(242、442)与照明设备(230、430)之间。镜面局部反射器(450)循环利用从圆形模式反射型偏振器(442)反射出的本来不使用的偏振光(468L)，从而优化背光源的亮度。背光源(120)主要应用于液晶显示器(100)中。
文档编号G02F1/1335GK101910919SQ200880123090
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月22日 优先权日2007年12月28日
发明者菲利普·E·沃森, 马克·B·奥尼尔 申请人:3M创新有限公司