背光系统和显示装置的制作方法

专利名称：背光系统和显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及背光系统，该背光系统例如用于使用至少部分透射的空间光调制 器。本发明还涉及包括这种背光系统的显示装置。而且，本发明涉及包括这种可用于全 面照明的背光系统的分布式照明面板。
背景技术：
附图中的图1图示了例如用于移动式电话或PDA装置的典型的小尺寸液晶显示 器(LCD)模块的堆叠结构。显示装置1包括在其底侧和顶侧具有输入和输出起偏振器12 的LCD面板形式的平板透射空间光调制器(SLM)。如下所述，剩余的结构通常被认为 是背光系统。光源(例如，LED或激光器)发射光，以如果不存在散射结构，则所述光 将一直行进，直到它达到导光件的端部的方式，所述光经由全内反射耦合到导光件中， 并横跨显示装置的背面分布。在导光件内存在多个散射结构，其将光从导光件中引出， 以通过在导光件的设置散射结构的表面处中断TIR条件、由此允许光通过空气光引导界 面来照明LCD板。这些散射部件可以位于顶部或底部主导光件表面上。光散射部件的 密度可以随着距离光源的距离而增加，以沿着导光件的长度维持均勻速率的光引出。当 从导光件上下引出光时，反射膜设置在导光件下面，以改善背光装置的效率。在导光件 和LCD板之间还具有一些光学薄膜，其设置为在显示区域上给出更好的照明均勻性，并 增强给定观看角度范围内的亮度。这些薄膜通常由增强背光的中央亮度的不同的层和棱 镜薄膜构成。
棱镜薄膜通常由位于薄片上的具有三角形截面的透镜线构成。这些三角形截面 通常为等腰直角三角形，在截面的顶点具有直角。漫射体之间的两个正交棱镜薄膜通常 用在背光装置中。这种棱镜薄膜的操作是准直光并使光再返回至反射体。沿基本垂直于棱镜线的 方向以大角度到达棱镜薄膜的光靠近法线被反射。角度小的光通过漫射体和导光件经由 全内反射(TIR)反射回反射体，并且更发散地反射回棱镜片。结果是通过光从大角度到 中央的再分布，改善了背光的中央亮度。还感兴趣的是准直背光，其中光围绕背光装置的法向分布、并且在至该法向5 和10度或更小之间具有重要百分比。这种形式的准直光在改善液晶显示装置的效率中是 有用的。简单的棱镜薄膜的操作本身不足以给出这种水平的准直。这种准直可以通过引出特征的控制实现。引出特征典型形式包括以某种方式对 表面的“粗糙化”，从而中断导光件中的全内反射(TIR)。这种情况下的引出产生以大 的角度发射至导光件法向的光。具有多种类型的、能够控制引出角的引出特征，例如US6786613(Minebea， 2004年9月7日)描述了沿更垂直的方向引出光的楔形引出特征。以下描述其它熟知的改善亮度和准直的方法。US 7286280 (The University of British Columbia, 2007 年 10 月 23 日)描述 了包括具有圆边的棱柱结构的薄膜，其可以沉积在亮度增强薄膜(BEF)上以进一步增强亮度增 益，同时维持大的视角。US 6570710 (Reflexite Corporation, 2003 年 5 月 27 日)描述了双侧 BEF 薄膜。棱
柱BEF的类似结构形成在该薄膜的顶部，同时亚波长虫眼形光栅形成在该薄膜的底部。 虫眼光栅的凹槽垂直对准BEF的棱镜，该棱镜消除BEF通常展现的大视角下的色彩非均 勻性。US 7128443 (Philips Electronics, 2006 年 10 月 31 日)描述了具有形成在其顶而
上的反射壁的BEF支撑薄膜。该壁的斜度相对于薄膜法向可以调整，这对到达BEF的光 的椎体有影响，因此对光的准直也有影响。以这种方式，可以调整的显示装置的中央亮 度和视角。传统上，以相对准直的方式引出的光不能与棱镜薄膜一起使用，因为这种光被 再循环，并且这些棱镜薄膜的操作用来降低准直角并降低总光产量。根据本发明的装置提供了一种背光系统，其结合引出特征和棱镜薄膜来提供准 直光。更具体地，从引出特征开始的引出角与棱镜角一致，以产生准直光。这种背光系 统相对于已知的具有非衍射导光件的背光系统的优点在于，从棱镜薄膜散射回的光非常 少，由此增加效率。

发明内容
根据本发明的一方面，提供了用于分布从光源接收的光的导光件。该导光件作 为用于以偏振为基础进行操作的空间光调制器的背光组件。例如这可以是液晶显示装置 (LCD)。该背光单元可以包括反射组件5，该反射组件位于LCD的相对面上且不与导光 件接触。光源可以照亮面积比第一两个表面小很多的导光件的另一面。光的本质部分通 过全内反射传输穿过导光件。导光件包括与相邻层实质上光学接触的至少一个层。至少 一个面或层之间的界面包括这样一种结构，当组合时，其以远离所述法向的一个或多个 选定方向发射光，使得当所述光与导光件上的棱镜薄膜层相互作用时，光被有效地转向 法向。本发明可以具有位于沿两个垂直方向的两个或多个角度发射的光，这两个垂直 方向与大体上交叉的棱镜薄膜结构对准。外耦合光可以为亚波长结构的结构可以为，但不限于透镜状或二维光栅结构。所述结构可以位于可以由多于一层的水平层组成的导光件的一层中，在该导光 件中，仅除包含衍射结构之外的一层(或少于或等于总数的大量层)由光源照亮。导光件可以传输白光或基本上单波长的光。BEF结构可以为色散的，以用白光源改善准直角。所述结构可以为非衍射结构，如优选沿这些上述选定方向发射的透镜状或二维 阵列矩形结构。上述结构可以与具有不同于90°的顶角或具有非直边的BEF结构一起使用，以 使系统最优化。上述结构的尺寸或特征密度可以修改，以获得均勻的输出。根据本发明的一方面，提供一种背光系统。该背光系统包括导光件和至少一个棱镜层，所述导光件用于通过全内反射传输光，所述至少一个棱镜层具有棱镜结构阵 列。此外，该背光系统包括引出特征结构，其用于沿相对于导光件的法向成一定角度的 一个或多个选定方向将光从导光件的表面引向所述至少一个棱镜层，其中所述一个或多 个选定方向中的一个对棱镜结构的对应的受光角来说是特有的，以产生来自所述至 少一 个棱镜层的引出光的准直发射。根据另一方面，引出特征结构包括亚波长引出特征。根据另一方面，引出特征结构包括透镜状光栅结构或二维光栅结构中的至少一 种。根据又一方面，引出特征结构形成在导光件的表面上。根据又一方面，导光件包括光学接触的多个相邻层，并且引出特征结构形成在 所述多个相邻层的至少一个面或界面处。根据另一方面，光仅通过所述多个相邻层中的除形成引出特征结构的层之外的 一个或多个层引入导光件。根据另一方面，棱镜结构具有等于90°的顶角。根据又一方面，棱镜结构具有不等于90°的顶角。根据另一方面，所述一个或多个选定方向由单个选定方向构成。根据还又一方面，所述一个或多个选定方向由多个选定方向构成。根据另一方面，所述至少一个棱镜层包括具有交叉棱镜结构的多个棱镜层，并 且所述一个或多个选定方向包括分别与交叉棱镜结构对准的垂直选定方向。在又一方面中，所述光由多种波长或波长的连续谱组成，并且所述至少一个棱 镜层是色散的，以改善引出光的准直度。根据另一方面，所述光为单波长。根据另一方面，引出特征结构包括包含透镜阵列矩形结构或二维配置矩形结构 中的至少一种的非衍射特征。根据另一方面，引出特征结构中的引出特征的密度、尺寸或形状中的至少一种 随着沿着导光件的位置而改变，以增加来自导光件的引出光的发射的均勻性。根据另一方而，准直发射的方向垂直于所述至少一个棱镜层。根据又一方面，准直发射的方向不垂直于所述至少一个棱镜层。在又一方面中，引出特征结构定位在导光件的引出所述光的面或导光件的与引 出所述光的所述面相对的面中的至少一个上。根据另一方面，该背光系统还包括用于照亮导光件的另一面的光源。根据本发明的另一方面，提供了一种显示装置，其包括至少部分透射的空间光 调制器和在此描述的背光系统。到前述和相关结束的完成，随后，本发明包括随后全面描述的和在权利要求中 特别指出的特征。接下来的描述和附图详细呈现了本发明的一些示例性实施方式。然 而，这些实施方式表示其中可以采用本发明的原理的多种方式中的一些方式。当联合附 图考虑时，接下来的具体实施方式
，本发明的其它目标、优点和新颖特征将变得明显。


图1图示了典型的已知类型的背光单元；图2图示了本发明的示例性的第一实施方式的概观；图3a图示了具有两个发射方向的第一实施方式的操作；图3b图示了具有一个发射方向的第一实施方式的操作；图4图示了第一实施方式的示例性衍射层的细节；图5图示了本发明的具有多层导光件的第二实施方式；图6图示了本发明的具有色散BEF的第三实施方式；图7图示了本发明的具有变化的BEF层的第四实施方式；以及图8图示了本发明的具有肉眼可见的矩形结构的第五实施方式，其中(a)图示了 导光件，(b)图示了下BEF结构的截面，(c)图示了上BEF结构的截面。
具体实施例方式现在将参照附图详细描述本发明，其中在全文中相同的附图标记用来涉及相同 的元件。图1图示了本领域熟知的典型小面积液晶显示装置。该显示装置包括液晶显示 面板1和背光单元2。背光单元2包括将要在此讨论的大量的组件。白光源3 (其可以 为荧光灯、具有荧光体的LED、RGB LED组、激光或其它光源)被定位以将光射入到薄 导光件4的边缘。导光件被设计为通过全内反射(TIR) 14将光传递穿过显示区域。至少 一个大的或主面(其可以为顶面、底面(图示的)或这两个主面)具有特征6，该特征中 断导光件中的TIR15，使得光13离开导光件4。离开导光件4的光通常具有失常的显示 角亮度特性，因此四个附加层、强漫射体7、沿正交方向的两个交叉棱镜片8和9、以及 弱漫射体10用来产生正确的角分布。在许多情况下，弱漫射体10结合到顶部棱镜层9 中。另一层11可以为可选的偏光转换薄膜，其通常为反射一种偏光和传输另一种偏光的 干涉膜。棱镜薄膜8和9为亮度增强薄膜(BEF)，其通常包括重复三角形截面的相同透镜 线。棱镜的顶点通常为90°，且两片中的透镜线正交设置为一个位于另一个上面。这些薄膜8和9的操作包括通过来自棱镜面的折射使离轴光线向中心轴线会聚。同轴光线通过全内反射从棱镜的两个垂直侧反射，并通过导光件系统反向循环。结果是 系统的准直度增加，中央亮度较高。在图2中示出了本发明的示例性实施方式的概观。该示例性实施方式包括将参照图1的传统背光单元2描述的背光装置20，在此仅描述相关的改变。该实施方式包括液晶空间光调制器(SLM) 1和背光装置20。背光装置20包括光源3、导光件4和反射体5。两个薄片，弱漫射体(未图示)和偏光转换薄膜11，这些 可以是单独存在的，而不是这种配置中要求的。导光件4具有引出特征23，其形成可以 定位在导光件4的一面或两面上的引出特征结构。在该实施例中，这些引出特征23位于 顶表面上。导光件4中的光22通过TIR 13传输至引出特征23，并通过引出特征23在24处沿一个或多个选定方向被引出，所述选定方向如由引出光的主衍射级次的方向确定。更 具体地，所述选定方向可以由导光件上的引出特征的衍射峰限定(选定方向可以由引出 特征的结构限定)。更特别地，引出特征可以选择使得衍射峰进入棱镜层，并且由棱镜的 斜面折射向法线。图3a示出了图2中的实施方式的细节，其示出了棱镜片中的一个，即棱镜片8。 棱镜片8具有基本等于90°的顶角32和两条相同的透镜边31a和31b。从引出特征23 引出的光一旦由不与导光件4或引出特征23光学接触的棱镜薄膜的下表面33折射，则基 本上以两个斜角30a和30b(称为正交衍射峰或选定方向)被引导，当分别与棱镜片8的 两个倾斜透镜边31a和31相互作用时，该引出的光被垂直引导，如22所示。图3b示出了棱镜片层(在该情况中指定为8’)的可替换结构。棱镜片层8’ 具有如图示的三角形结构，其中仅具有一个斜边31b’，另一边31a’位于不重要且可能 垂直的角度。在这种情况中引出特征23’基本上以一个角度发射光30’，其中当发射的 光与斜边31b’相互作用时基本上被垂直引导，如22所示。引出特征23，23’和棱镜片8，8’不需要相互对准。在垂直于导光件4的正交平面中，第二棱镜片9示出了相同的性能。准直光方向可以不是棱镜片的法向，而可以是另一限定方向。 引出特征23或23’的一种可行形式在图4中示出。引出特征23，23’由合成 透镜状光栅构成，该光栅的截面在图4中示出。该光栅设置在导光件4的表面上，使得 从导光件4发射的光的强度基本上与显示装置上的相同。这可以通过在其密度或尺寸随 着在导光件上的位置而改变的区域中设置合成的衍射特征而实现。例如，特征截面可以 为具有交替光栅结构44的方形光栅，光栅结构44比构成合成光栅的插入式光栅结构45 高。代替的是，结构44和45高度可以相同，S卩，高度40等于高度43。引出特征可以 与光的波长相似或比光的波长更小(即，亚波长引出特征)，以产生清晰的衍射峰。一种潜在的设计结构可以是，高特征44的间距42可以为508nm，高特征44和 矮特征45之间的距离41可以为254nm。矮特征具有145nm的高度43，高特征具有等于 矮特征的高度的145nm的高度40，或者为矮特征的高度的两倍290nm。这用于在折射率 约为1.58的材料中的450nm的照明波长。当由来自通常位于光照亮的导光件中的角度和偏振范围中的光入射时，光栅以 指定给典型的棱镜片8的可接受角度的主衍射级次发射光，由此产生准直发射。为了产生两个尺寸的准直，图4的图案沿产生二维方形光栅的第二方向重复。 一组交叉棱镜结构8和9随后可以用来产生沿第二方向的准直。本发明的另一实施方式在图5中示出。为了简单起见，在此仅描述该实施方式 和图2的实施方式之间的相关差异。在该实施方式中，背光装置56包括具有第二导光件层50的导光件4，其中该层 50的折射率小于导光件4的折射率。类似于上述引出特征23和23’的引出特征51设置 在第二导光件层50上。在这种布置中，第二导光件层50中的角度范围降低很多。这意 味着在单导光件方法中，外耦合光的质量明显地改善了。通过导光件4的相对面上的合适的非衍射特征，例如在53处将小部分的导光件 光54引入第二层中的浅楔形特征55，可以控制光52从主导光件4到次导光件50中的引入。光57随后以准直方式离开背光装置。构成导光件4的层的数量不固定，下面或两面和/或任一面或界面都可以具有一 个或多个引出结构。在图6中示出的另一实施方式中，其包括背光，其中照亮导光件4的光不是单波 长且可以由多于一种波长或连续谱构成。在图示的情况中，三种波长64-r、64-g、64-b 示出为在24处从导光件4表面上的引出特征23’衍射。在这种情况中，层8”的棱镜结 构图示为类似于图3b中示出的斜边的单斜边63，但在本发明中这同样可以适用于其它实 施方式。在图示的情况中，较长的波长束64-r从法线进一步被衍射，但本发明不限于此。在该情况中，棱镜结构8”的材料是色散的，使得较长波长(64-r)的折射率较 大，因此斜面63上的折射较强。对于在每种波长61-r、61-g和61-b (共同表示为61)处 形成准直光的每种波长来说，折射率按照比例减小。此外，在该实施方式中，斜边63也可以不是平面，而是曲面。图7图示了本发明的另一实施方式，其中棱镜片8随引出特征23改变，以使引 出光方向72最优。本发明图示了根据图3a的实施方式的棱镜层8，但可以适用于本发明 的任何实施方式。 在这方面，衍射光70a和70b入射在斜边71a和71b上，但在这种情况中顶角74 不是直角而是其它角度。图8的三幅示了本发明的其它方面。图8a示出了包括导光件4的导光件装 置80，该导光件4具有延伸到页面内的矩形块形式的引出特征83。来自导光件4的光从 所述块中引入到某个角度范围内。该角度范围主要沿特定方向。图8b图示了具有棱镜 特征86的下棱镜薄膜81 (如，图2中的棱镜薄膜8)。图8c图示了具有棱镜特征88的上 棱镜薄膜82(如，图2中的棱镜薄膜9)，但沿垂直于下棱镜结构的方向。棱镜薄膜81和 82中的特征的形状被限定，以与从导光件配置80中发射的光的方向相互作用，以便基本 上准直露出的光(light emerging)。这种装置不要求在导光件上具有衍射特征。典型的装置包括用于该系统的以相关单位给出的尺寸的下述值。本发明所涵盖 的装置不限于这些值。在图8a中，特征84a的间距为4个单位，特征的84b的宽度可以为1.2个单位， 高度84c为1个单位，导光件的厚度84d为4个单位。在图8b中，棱镜薄膜85c的间距为4个单位，特征85b的高度为5.28个单位， 薄膜85a厚度为6.66个单位。顶角89为41.5°。在图8c中，棱镜薄膜87c的间距为4个单位，特征87b的高度为5.52个单位， 薄膜87a的厚度为6.66个单位。顶角90为39.8°。该背光系统相对于已知的具有非衍射导光件的背光系统的优势在于，从棱镜薄 膜散射回来的光很少。在许多设计中，来自波导件的光通过沿前后方向将光散射出波导 的散射特征引出。这种光在背光系统内经历了多次反弹，效率低，降低了从背光装置输 出的光。在新的实施方式中，几乎所有的光都沿向前方向引出，并由两个棱镜薄膜进行 同轴弯曲，使得经历多次反弹和散射的光很少。因此该系统可以更有效。虽然已经参照某些优选实施方式示出和描述了本发明，但明显的是，一旦阅读并理解了说明书， 本领域技术人员将会想到各种等同物和修改。本发明包括所有这种等 同物和修改，并且仅由接下来的权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种背光系统，包括导光件，所述导光件用于通过全内反射传输光；至少一个棱镜层，所述至少一个棱镜层具有棱镜结构阵列；和引出特征结构，所述引出特征结构用于沿相对于导光件的法向成一定角度的一个或 多个选定方向将光从导光件的表面引向所述至少一个棱镜层，其中所述一个或多个选定 方向中的每一个方向对棱镜结构的对应受光角来说是特定的，以产生来自所述至少一个 棱镜层的引出光的准直发射。
2.根据权利要求1所述的背光系统，其中所述引出特征结构包括亚波长引出特征。
3.根据权利要求2所述的背光系统，其中所述弓丨出特征结构包括透镜状光栅结构或二 维光栅结构中的至少一种。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中所述引出特征结构形成在导光件 的表面上。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中所述导光件包括光学接触的多个 相邻层，并且所述引出特征结构形成在所述多个相邻层的至少一个面或界面处。
6.根据权利要求5所述的背光系统，其中光仅通过所述多个相邻层中的除形成引出特 征结构的层之外的一个或多个层引入导光件。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中棱镜结构具有等于90°的顶
8.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中棱镜结构具有不等于90°的顶
9.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中所述一个或多个选定方向由单个 选定方向构成。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中所述一个或多个选定方向由多 个选定方向构成。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中所述至少一个棱镜层包括具有 交叉棱镜结构的多个棱镜层，并且所述一个或多个选定方向包括分别与交叉棱镜结构对 准的垂直选定方向。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中所述光由多种波长或波长的连 续谱组成，并且所述至少一个棱镜层是色散的，以改善引出光的准直。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中所述光为单波长。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中引出特征结构包括包含透镜阵 列矩形结构或二维配置矩形结构中的至少一种的非衍射特征。
15.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中引出特征结构中的引出特征的 密度、尺寸或形状中的至少一种随着沿着导光件的位置而改变，以增加来自导光件的引 出光的发射均勻性。
16.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中准直发射的方向垂直于所述至 少一个棱镜层。
17.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中准直发射的方向不垂直于所述 至少一个棱镜层。
18.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，其中所述引出特征结构定位在所述 导光件的引出所述光的面或导光件的与引出所述光的所述面相对的面中的至少一个上。
19.根据权利要求1-3中任一项所述的背光系统，还包括用于照亮导光件的另一面的 光源。
20.—种显示装置，包括至少部分透射的空间光调制器；和根据权利要求1-3中任一项所述的用于照亮空间光调制器的背光系统。
全文摘要
一种背光装置，该背光装置设置为用于照亮至少部分透射的显示装置。该背光装置包括光源。导光件从边缘表面接收光并通过全内反射引导所述光。从导光件引出的光具有角发射剖面，使得当入射在棱镜薄膜上时，产生准直光。
文档编号F21V5/04GK102011957SQ20101026797
公开日2011年4月13日 申请日期2010年8月27日 优先权日2009年9月3日
发明者乔纳森·马瑟, 戴维·詹姆斯·蒙哥马利, 米里斯·路特斯, 艾恩尼斯·帕帕康斯坦丁奥 申请人:夏普株式会社