CN101071225A - 提供彩色偏振光的照明设备和包括其的显示设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种能够提供彩色偏振光的照明设备和包括所述照明设备的显示设备。所述照明设备包括：光源；偏振导光板单元，其将从所述光源发射的光的偏振方向转化为线偏振光，并对所述光准直；以及胆甾型液晶滤色器，其设置在所述偏振导光板单元的上部上，用于根据光的偏振状态和波长有选择地反射光。

Description

提供彩色偏振光的照明设备和包括其的显示设备
技术领域
本发明涉及一种用于平板显示设备的照明设备，更具体而言，涉及包括具有提高的偏振性能并且提供垂直输出光的偏振光导光板单元和胆甾型液晶滤色器，并由此具有提高的光效率和色纯度的照明设备，以及包括所述照明设备的显示设备。
背景技术
被广泛用作平板显示设备的液晶显示器(LCD)属于非发射装置，其具有注入到包括薄膜晶体管的阵列基板和滤色器基板之间的液晶，从而在取决于液晶的各向异性的折射率差的作用下取得成像效果。因此，LCD要求额外的光源，例如诸如背光单元的照明设备。
但是，当前采用的LCD仅采用从光源发出的光的5％显示图像。所述低光效率是由包含在LCD中的偏振板和滤色器的光吸收导致的。设置两个相互面对的并且其上分别形成了场发生电极的基板，并在其间插入液晶，由此制造LCD。此外，液晶分子在通过施加到电极上的电压产生的电场的作用下发生移动，因而光透射率根据液晶分子的状态而发生变化，由此显示图像。也就是说，LCD起到通过改变传输光的偏振方向而透射光或阻挡光的光阀的作用，因此，LCD采用沿一个方向的线偏振光，并包括位于LCD的两个表面上的偏振板。设置于LCD的两个表面上的偏振板是传输沿一方向偏振的光，吸收沿其他方向偏振的光的吸收偏振板。偏振板对入射光的50％左右的吸收是导致LCD的光利用率低的最大因素。
此外，LCD要求包括红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色的滤色器，以显示全色图像。此外，采用染料或色素形成滤色器。吸收滤色器仅透射来自入射的RGB光当中的对应于透射频带的光，吸收其余的2/3的光，因此引起了光利用效率的降低。
为了解决上述问题，人们正在开展广泛的研究工作来提高光效率，其采取的手段有替换吸收偏振板或者将入射到吸收偏振板上的光的偏振方向变为与背部偏振板的偏振方向相同的偏振方向。例如，可以在偏振导光板的上表面上安装具有诸如双重亮度增强膜(DBEF)的多层结构的反射偏振膜，由此提高LCD的光利用效率。但是，反射偏振膜成本高昂，并且缺少偏振改变单元，因而限制了光利用效率的提高。因此，人们正在开展广泛的研究工作开发一种偏振导光板，其可以根据需要分离并改变光的偏振方向。
此外，人们正在研究一种作为滤色器的胆甾型液晶滤色器来替代吸收滤色器，所述胆甾型液晶滤色器采用了能够有选择地反射对应波长的光的胆甾型液晶。
胆甾型液晶具有螺旋结构，通过控制螺距确定所选择的波长。因此，可以通过控制像素内的所述螺距的分布而控制将被反射的光的波长。
能被人眼所见的可见光的波长范围是400nm到700nm，R、G、B光的中心波长分别为650nm、550nm和450nm左右。
也就是说，如果控制胆甾型液晶，使之相对于每一R、G、B像素的中心波长在左螺距和右螺距之间变化，那么将在对应于所述螺距之间的差异的波长范围内有选择地反射左圆偏振光或右圆偏振光，因而能够制造胆甾型液晶滤色器。
胆甾型液晶滤色器具有高光利用效率，并且有选择地反射具有对应波长的光。因此，胆甾型液晶滤色器能够提高色纯度和对比率。
但是，在胆甾型液晶滤色器中，如果光倾斜入射而非垂直入射，那么反射波长带将发生偏移，使得不想要的波长成分也能够通过所述胆甾型液晶滤色器透射。也就是说，胆甾型液晶根据胆甾型液晶的旋转螺距有选择地反射具有某一波长的光。此外，由于胆甾型液晶滤色器的厚度根据光的入射角而变化，因此，胆甾型液晶的螺距也发生变化，从而导致反射光波长的变化。在将胆甾型液晶滤色器应用于显示装置时，这一问题导致了串扰，因而需要对入射到胆甾型液晶滤色器上的光进行垂直校准，以降低上述问题的影响。
图1示出了包括胆甾型液晶滤色器的照明设备的截面图。参考图1，所述包括常规胆甾型液晶滤色器的照明设备包括背光12和位于背光12的一侧的线偏振板11，在线偏振板11上依次叠置玻璃基板1、配向层2、四分之一波片3和胆甾型液晶层4。由于背光12不具有偏振分离功能，因此，这一结构需要线偏振板11，线偏振板11是仅传输线偏振光，并吸收其余光的吸收型元件，因此降低了光利用效率。此外，未形成将入射到胆甾型液晶层4上的光准直到一个小角度内的单元。
发明内容
本发明提供了一种照明设备和包括所述照明设备的显示设备，所述照明设备包括胆甾型液晶滤色器和能够提高偏振效率和提高垂直出射光的量的偏振导光板单元，因而能够提供具有高偏振效率和高色纯度特性的彩色偏振光。
根据本发明的一方面，提供了一种提供彩色偏振光的照明设备，所述设备包括：光源；偏振导光板单元，其将从所述光源发射的光的偏振方向转化为线偏振光，并对所述光准直；以及胆甾型液晶滤色器，其设置在所述偏振导光板单元的上部上，用于根据光的偏振状态和波长有选择地反射光。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示范性实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得显而易见，附图中：
图1是根据现有技术采用胆甾型液晶滤色器的照明设备的截面图；
图2是根据本发明实施例的照明设备的示意性截面图；
图3A和图3B是根据本发明的实施例的图2所示的照明设备的准直构件的透视图；
图4是图2所示的照明设备的偏振分离层的结构和分离偏振光的方法的图示；
图5是根据本发明的实施例相对于入射角示出了从图2所示的照明设备的偏振光导板单元出射的S偏振光和P偏振光的透射率的曲线图；
图6是相对于波长示出了从图2所示的照明设备的偏振光导板单元出射的S偏振光和P偏振光的透射率的曲线图；
图7是根据本发明另一实施例的照明设备的截面图；
图8是根据本发明另一实施例的照明设备的截面图；
图9是根据本发明另一实施例的照明设备的截面图；
图10是图9所示的照明设备的第一和第二光出射层的布局的透视图；以及
图11是根据本发明实施例的显示设备的截面图。
具体实施方式
现在将参考附图更为充分地描述本发明，附图中展示了本发明的示范性实施例。但是，可以以很多不同的形式体现本发明，而不应将本发明视为局限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例的目的在于使本发明的公开彻底、全面，并向本领域技术人员充分传达本发明的原理。在附图中，为了清晰起见夸大了层和区域的厚度。在附图中采用类似的附图标记表示类似的元件，因而将省略对它们的描述。
图2示出了根据本发明实施例的照明设备的截面图。参考图2，照明设备2030包括光源100、将从光源100发射的非偏振光转化为线偏振光的偏振导光板单元200和胆甾型液晶滤色器30。
光源100可以是诸如冷阴极荧光灯(CCFL)的线光源或诸如发光二极管(LED)的点光源。偏振导光板单元200包括引导从光源100发射的光的导光板260、设置在导光板260的上部之上的准直构件220以及设置在导光板260和准直构件220之间用来根据光的偏振成分分离从导光板260发射的光的偏振分离层240。偏振分离层240分离处于预定方向的线偏振光，准直构件220将光校准到出射面的垂直方向内。在下文中将对偏振分离层240和准直构件220予以描述。
胆甾型液晶滤色器30设置在偏振导光板单元200的上部之上。胆甾型液晶滤色器30由胆甾型液晶或液晶聚合物形成，它是一种利用液晶的分子特征根据光的偏振状态和波长而有选择地反射或透射光的滤色器。例如，胆甾型液晶分子具有螺旋结构，可以通过螺旋的旋转方向和螺距(即螺旋的一个周期)表示胆甾型液晶分子的特征。在入射到胆甾型液晶滤色器30上的入射光中，胆甾型液晶滤色器30有选择地反射沿与螺旋的旋转方向相同的方向圆偏振并且具有对应于螺距的波长的光，并透射其余光。将胆甾型液晶滤色器30划分为分别透射R、G和B光的像素区域30A到30C，采用胆甾型液晶材料填充每一像素区域30A到30C，并确定其螺距范围，从而分别透射对应R、G、B波长的光。因此，在每一像素区域30A到30C内透射某一波段的光，由此能够发射R、G、B光。
还可以在胆甾型液晶滤色器30的下部和上部设置第一和第二偏振改变构件20和40。在偏振导光板单元200的上部设置第一偏振改变构件20，从而将由偏振导光板单元200发射的线偏振光转化为圆偏振光。例如，将S偏振光变为左圆偏振光，将P偏振光变为右圆偏振光。第二偏振改变构件40将穿过胆甾型液晶滤色器30透射的圆偏振光变为线偏振光。例如，将左圆偏振光变为P偏振光，将右圆偏振光变为S偏振光。
第一和第二偏振改变构件20和40可以是四分之一波片。
在下文中，将更为详细地描述偏振导光板单元200的结构，以及垂直于偏振导光板单元200的出射表面准直入射光，并通过偏振导光板单元200提供偏振光的原理。导光板260包括入射表面260a和光出射表面260b，因而，从光源100发射的光通过入射表面260a入射，通过光出射表面260b出射。导光板260由能够透射入射光的透明材料形成，例如诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)的光学各向同性材料。
准直构件220包括多个用于将从导光板260发射的光向上反射的反射图案226，每一反射图案226包括倾斜面226b。例如，准直构件220包括基板223和布置在基板223上的多个反射图案。将反射图案226设置为面对导光板260。基板223包括光通过其出射的出射表面223a，反射图案226包括图案下表面226a和倾斜面226b，从光出射表面260b发射的光入射到图案下表面226a，倾斜面226b将所述入射光朝向基板223的出射表面223a全反射。例如，反射图案226可以具有多面体形状。倾斜面226b对光进行校准，使之沿垂直于基板223的出射表面223a的方向朝向基板223的出射表面223a出射。也就是说，可以通过调整反射图案226的倾斜面226b的倾角调整校准后的光所处的方向。反射图案226的倾斜面226b具有的倾角使得从反射图案226的倾斜面226b受到全反射并通过基板223的出射表面223a出射的光与出射表面223a的法线之间的夹角处于大约-10°到10°之间。图3A和图3B示出了根据本发明的实施例的图2所示的照明设备的准直构件的透视图。
参考图3A和图3B，准直构件220包括可以按照单向或双向阵列的方式排列的多个反射图案226。
偏振分离层240由具有不同折射率的多个薄膜构成，并且形成于光出射表面260b和图案下表面226a之间，其透射通过图案下表面226a进入的具有第一偏振的光，并反射具有与所述第一偏振正交的具有第二偏振的光。例如，所述第一偏振和第二偏振可以分别是水平和垂直偏振P和S。在下文中将对通过偏振分离层240分离入射光的偏振予以描述。
可以在导光板260和偏振分离层240之间设置粘附层280。粘附层280可以具有的导光板260低的折射率。在这种情况下，由于只有入射角小于光出射表面260b的光出射临界角的光能够穿过粘附层280透射，因此，光在一个小角度范围内入射到反射图案226的倾斜面226b上，从而引起从倾斜面226a反射的光在一个小角度范围内穿过基板223的出射表面223a出射。
还可以在面对入射表面260a的导光板260的表面处与之相对设置反射板310，其对在导光板260和粘附层280之间的界面处受到全反射的光进行反射，并将受到偏振分离层240反射的偏振光反射回导光板260当中。受到反射板310反射的光在穿过粘附层280透射之前沿部分改变的路径在导光板260内部传输。还可以在反射板310和导光板260之间设置第三偏振改变构件330。在这种情况下，将不能通过偏振分离层240透射的S偏振光转化为P偏振光，从而使之穿过偏振分离层240透射。为了容易地改变偏振方向，可以在面对光出射表面260b的表面上设置第四偏振改变构件350。第三和第四偏振改变构件330和350可以是由各向异性材料形成的四分之一波片。此外，可以设置第三偏振改变构件330或第四偏振改变构件350二者之一。图4是示出了偏振导光板单元200的偏振分离层240的结构和根据偏振成分分离光的过程的示意图。参考图4，偏振分离层240由具有折射率n1到n5的第一到第五层241到245叠置而成，其位于一结构上，在所述结构中，依次叠置了具有折射率ni的导光板260和具有折射率na的粘附层280。现在将对光的传播路径予以详细说明。首先，通过公式1定义通过导光板260传输至粘附层280的光的入射角θi的范围。
90°-θc1＝90°-sin-1(l/ni)＜θi＜θc2＝sin-1(na/ni)--------------(1)
θc1表示当光从具有折射率ni的导光板260传输至折射率为1的空气层时发生全反射的临界角。由于θc1是当来自光源100的光穿过空气层朝向导光板260传输时入射到导光板260上的光的角度θL的最大值，因此，在光出射表面260b处朝向粘附层280传输的光的角度的最小值为90°-θc1。此外，θc2表示当光从导光板260朝向粘附层280传输时发生全反射的临界角，它是能够朝向粘附层280传输的光的入射角θi的最大值。基于通过公式1确定的入射角θi的范围和斯涅耳(Snell’s)定律确定位于第一到第五界面241a到245a处的入射角θ1到θ5。当布鲁斯特角(Brewster’s angle)θB1到θB5分别处于第一到第五界面241a到245a的入射角θ1到θ5的范围内时，S偏振光受到反射，P偏振光得到透射。在光从具有折射率n1的媒质朝向具有折射率n2的媒质传输时，由tan-1(n2/n1)定义布鲁斯特角。入射角θ1到θ5的范围应当分别包含布鲁斯特θB1到θB5，从而在第一到第五界面241a到245a处发生偏振分离。
例如，假设折射率n1高于折射率n2，那么从具有高折射率n1的媒质向具有低折射率n2的媒质传输的光的入射角θ2的范围包括位于第二界面242a处的布鲁斯特角θB2。光以该角度穿过第二界面242a传输的角度θ3是入射到具有折射率n3的第三层243的光的入射角。角度θ3大于入射角θ2。为了使入射角θ3的范围包含位于第三界面243a处的布鲁斯特角θB3，布鲁斯特角θB3可以大于布鲁斯特角θB2。因此，n3可以大于n2。利用这一原则，偏振分离层240可以包括多个交替的高折射率层和低折射率层。
偏振分离层240包括由任何在可见光波长处透明的材料构成的薄层，例如所述材料为Al2O3、CeO2、Ta2O5、TiO2、ZnS、ZrO2、CaF2或MgF2。
当导光板260和粘附层280分别具有1.59和1.45的折射率时，并且当偏振分离层240具有由折射率为2.35和1.63的两种的材料交替布置的层时，通过公式1确定51.03°＜θi＜65.78°。
表1示出了所计算的位于第一到第五界面241a到245a处的入射角θ1到θ5的范围和布鲁斯特角θB1到θB5。
表1
    入射角的范围     布鲁斯特角
    第一界面     58.5＜θ1＜90.0     θB1＝58.3°
    第二界面     31.7＜θ2＜38.1     θB2＝34.8°
    第三界面     49.3＜θ3＜62.8     θB3＝55.3°
    第四界面     31.7＜θ4＜38.1     θB4＝34.8°
    第五界面     49.3＜θ5＜62.8     θB5＝55.3°
参考表1，位于第二到第五界面242a到245a处的入射角θ2到θ5的范围分别包含布鲁斯特角θB2到θB5。即使入射角θ1的范围不包括布鲁斯特角θB1，也可以通过使粘附层280的折射率稍大于1.45，使前者包含后者。当位于第一到第五界面241a到245a处的入射角θ1到θ5的范围等于布鲁斯特角θB1到θB5时，垂直偏振的透射率或者S偏振光的透射率具有最小值0。在这种情况下，具有S偏振的入射光的预定部分受到反射，只有水平偏振光或P偏振光得到透射。由于S偏振光的透射率分别随着入射角θ1到θ5偏离布鲁斯特角θB1到θB5的程度的增大而逐渐提高，因此向每一相邻层传输的S偏振光的量降低。当在第一到第五界面241a到245a处重复上述过程时，S偏振光从第一到第五界面241a到245a反复受到反射，而P偏振光则被分离出来，之后通过偏振分离层240透射。由于随着入射角θ1到θ5分别偏离布鲁斯特θB1到θB5的程度的增大，所透射的P偏振光的量稍微降低，因此从第一到第五界面241a到245a受到反射的光中的大部分具有S偏振，其余光可以具有P偏振。在其通过导光板260前进的过程中，将受到反射的P偏振光转化为具有这样的入射角的光，即使得P偏振光能够穿过偏振分离层240透射。当S偏振光在导光板260内传输时，可以将S偏振光转化为P偏振光。因为即使导光板260由各向同性材料形成，也可能具有根据偏振方向而略微变化的折射率。或者，可以通过第三和第四偏振改变构件330和350将S偏振光转化为P偏振光，并使之通过偏振分离层240透射。
图5是根据本发明的实施例相对于入射角示出了从图2所示的照明设备的偏振光导板单元200出射的S偏振光和P偏振光的透射率的曲线图。所述光具有550nm的波长。从图5所示的曲线显然可以看到，P偏振光在64°的入射角处具有100％的最大透射率，随着入射角偏离64°，透射率略微降低。另一方面，在整个入射角的范围内，S偏振光始终具有小于5％的透射率。因此，偏振分离层240显示出了良好的效率。
图6是根据本发明的实施例相对于波长示出了从图2所示的照明设备的偏振导光板单元200出射的S偏振光和P偏振光的透射率的曲线图。
实线表示64°的入射角处的透射率，虚线表示54°和74°的入射角处的透射率。从图6所示的曲线图中显然可以看出，在整个波长范围内P偏振光始终具有大于90％左右的透射率，而S偏振光在450nm到700nm的可见光波段的大部分内具有小于20％左右的透射率。
随着偏振分离层240的层的数量的增大，能够提高偏振分离效率，因为利用更高数量的界面，能够更多地发生偏振分离。此外，可以选择每一层的折射率，从而相对于入射角的范围选择最佳的布鲁斯特角，由此提高偏振分离效率。
图7示出了根据本发明另一实施例的照明设备5030的示意性截面图。参考图7，所述照明设备包括光源100、将从光源100发射的非偏振光转化为线偏振光的偏振导光板单元500和胆甾型液晶滤色器30。还可以分别在胆甾型液晶滤色器30的下部和上部设置第一偏振改变构件20和第二偏振改变构件40。
第一和第二偏振改变构件20和40以及胆甾型液晶滤色器30的结构和操作与图2所示的照明设备2030的结构和操作相同，因此将省略对其的详细描述。
偏振导光板单元500包括引导从光源100发射的光的导光板260和精细结构层570，精细结构层570形成于导光板260的上表面上，用于分离从导光板260发射的光的偏振，并对所述光准直。导光板260包括光向其上入射的入射表面260a和光由其出射的光出射表面260b。精细结构层570包括第一层510和第二层540，在第一层510上重复布置包括凹陷部分513和凸起部分515的出射单元517，第二层540形成于第一层510上，并且由根据入射光的偏振而具有不同折射率的各向异性材料构成。所述各向异性材料可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)。连续形成凹陷部分513和凸起部分515，在相邻出射单元517之间形成平面部分519。凹陷部分513可以包括曲面和平面，或者两个或更多的平面。还可以在导光板260的侧面部分上设置反射板310，还可以在导光板260和反射板310之间设置第三偏振改变构件330。
下文中将描述具有上述结构的偏振导光板单元500的操作。从光源100发射的光入射到导光板260的入射表面260a，并沿各个方向发射。向下传输的光被导光板260的下表面朝向光出射表面260b反射，朝向光出射表面260b传输的光受到折射并通过第一层510透射，从而入射到第二层540上。由于导光板260和精细结构层570的第一层510由光各向同性材料形成，因此穿过导光板260和第一层510的光的路径不会根据光的偏振方向而变化。相反，第二层540由光各向异性材料形成，因而入射到第二层540上的光根据光的偏振方向而受到不同的折射，因而光的路径发生改变。导光板260和精细结构层570的第一层510由具有相同或类似折射率的材料形成。例如，导光板可以由具有1.49的折射率的PMMA形成，精细结构层570的第一层510可以由具有1.5的折射率的树脂形成。否则，可以采用相同材料将导光板260和第一层510形成为一体。形成第二层540的材料相对于第一偏振光具有与第一层510相同或类似的折射率，相对于第二偏振光具有比第一层510大的折射率。第一偏振光可以是P偏振光，第二偏振光可以是S偏振光。在这种情况下，第一偏振光穿过第一层510透射，并以大于临界角的角度入射到第二层540的上表面上，从而向下受到全反射。此外，第二偏振光以大于临界角的角度入射到第一层510的凸起部分515上，因而被朝向第二层540全反射，由此几乎垂直于精细结构层570的出射表面540a出射。未出射的第一偏振光当其在光导板260内传输的过程中，或者借助第三偏振改变构件330，使得其偏振方向得到转化，因而第一偏振光可以向上射出。
图8示出了根据本发明另一实施例的照明设备6030的截面图。参考图8，照明设备6030包括光源100、将从光源100发射的非偏振光转化为线偏振光的偏振导光板单元600和胆甾型液晶滤色器30。还可以分别在胆甾型液晶滤色器30的下部和上部设置第一偏振改变构件20和第二偏振改变构件40。除了精细结构层670以外，当前实施例的照明设备6030具有与图7所示的实施例相同的结构，因而在下文中将对精细结构层670予以描述。
精细结构层670形成于导光板260上，其包括第一层610和第二层640，在第一层610上重复布置第一凹陷部分613、凸起部分615和第二凹陷部分616，第二层640形成于第一层610上，并且由根据入射光的偏振具有不同折射率的各向异性材料构成。导光板260和第一层610由具有相同或相似折射率的光各向同性材料形成。第二层640由光各向异性材料形成，例如相对于第一偏振光具有与第一层610相同或类似的折射率，相对于第二偏振光具有比第一层610大的折射率的材料。在光穿过导光板260、第一层610和第二层640的过程中分离第二偏振光，并使光垂直出射的原理与图7所示的上述实施例的原理相同。第二凹陷部分616减少以较大出射角射出的光，以提高垂直出射的光的量。出射角是精细结构层670的第二层640的上表面的法线与出射光之间的角。第二凹陷部分616使以相对较大的角出射的光变成几乎垂直出射的光。也就是说，在穿过第二凹陷部分616的第一表面616a传输的光当中，第二偏振光被第二凹陷部分616的第二表面616b向上全反射。在光受到第二凹陷部分616的第二表面616b的反射时，经过反射的光具有几乎垂直于出射表面640a的出射角。第一和第二凹陷部分613和616可以包括两个或更多平面，或者分别包括曲面和平面。此外，可以调整第一凹陷部分613、凸起部分615和第二凹陷部分616的圆心角(central angle)，以提高沿垂直方向出射的光的量。
图9示出了根据本发明另一实施例的照明设备7030的截面图，图10示出了根据本发明的实施例的图9所示的照明设备的第一和第二光出射层720和740的布局的透视图。参考图9和图10，照明设备7030包括光源100、对从光源发射的光进行准直的准光器110、将从光源100发射的非偏振光转化为线偏振光的偏振导光板单元700和胆甾型液晶滤色器30。还可以分别在胆甾型液晶滤色器30的下部和上部设置第一偏振改变构件20和第二偏振改变构件40。
第一和第二偏振改变构件20和40以及胆甾型液晶滤色器30的结构和操作与图2所示的实施例的结构和操作相同，因此将省略对其的详细描述。
偏振导光板单元700包括降低从光源100发射的光的入射角范围的准光器110、引导光穿过准光器110入射的导光板260、设置在导光板260的下部上并且由具有根据偏振方向而变化的折射率的各向异性材料形成的各向异性层710以及设置于各向异性层710的下部上用来使光穿过各向异性层710向上射出的第一光出射层720。
准光器110设置于与光源100邻接的导光板260的侧面部分上。准光器110包括多个彼此面对的反射镜112和设置于所述反射镜112之间的三角棱镜114。将反射镜形成为梯形，使得每一反射镜112在与光源100相邻接的一侧具有较窄宽度，在与导光板260邻接的一侧具有较宽的宽度。三角棱镜114具有面对光源100的底面和与所述底面相对的面对导光板260的角。
导光板260包括光向其上入射的入射表面260a和光由其出射的光出射表面260b，导光板260由光各向同性材料形成。
各向异性层710由光各向异性材料形成，所述材料相对于第一偏振光具有比导光板260小的折射率，相对于第二偏振光具有与导光板260相同或相似的折射率。
第一光出射层720由各向同性材料形成，并且包括第一光出射图案720a，其用于通过全反射将穿过各向异性层710透射的光准直到垂直于导光板260的光出射表面260b的方向。第一光出射图案720a可以是棱镜图案，并沿第一方向按一维阵列排列。
还可以在导光板260的侧面部分上设置反射板310，还可以在导光板260和反射板310之间设置诸如四分之一波片的第三偏振改变构件330。还可以在导光板260的上部之上设置第二光出射层740，第二光出射层740包括第二光出射图案740a，第二光出射图案740a用于对穿过导光板260的光出射表面260b出射的光进行额外准直。参考图9，将第二光出射层740设置为使得第二光出射图案740a沿垂直于第一方向的第二方向布置。
下文中将描述具有上述结构的偏振导光板单元700的操作。准光器110对光源100发射的光进行准直，从而使入射到导光板260的上表面或下表面上的光的入射角大于所述临界角。这里，所述入射角是指导光板260的上表面或下表面的法线与入射光所夹的角。设置于导光板260的下部上的各向异性层710通过对具有某一偏振的光进行全反射而分离偏振(在下文中将对其予以说明)，因此，必须对入射到导光板260上的光进行初级准直。准光器110的形状不限于附图所示例子，例如，可以在考虑准直效率的情况下，形成不同的准光器110的长度、三角棱镜114的折射率或对顶角(vertical angle)尺寸。穿过准光器110入射到导光板260上的光沿各个方向前进，向上前进的光被光出射表面260b向下全反射，向下前进的光入射到各向异性层710上。各向异性层710由相对于第一偏振光具有比导光板260小的折射率，相对于第二偏振光具有与导光板260相同或相似的折射率的材料形成。因此，第一偏振光在各向异性层710的界面处受到全反射，从而向上前进，第二偏振光穿过各向异性层710并入射到第一光出射层720上。第一光出射层720由各向同性材料形成，所述材料相对于第二偏振光具有与各向异性层710相同或相似的折射率。因此，入射到第一光出射层720上的光穿过各向异性层710和第一光出射层720之间的界面传输，抵达光出射图案720，并被向上全反射。光的全反射方向几乎垂直于导光板260的光出射表面260b。受到各向异性层710的全反射的光当其在导光板260内传输时，或者通过第三偏振改变构件330使其偏振得到转化，之后入射到各向异性层710上，并沿几乎垂直于导光板260的光出射表面260b的方向射出。如果在导光板260的上部之上设置包括沿垂直于第一光出射图案720a的布置方向的方向布置的第二光出射图案740a的第二光出射层740，将提高出射光的量。
图11示出了根据本发明实施例的显示设备的截面图。参考图11，所述显示设备包括光源100、提供彩色偏振光的照明设备2030和利用从照明设备2030发出的光显示图像的显示屏板50。照明设备2030具有图2所示的结构，此外，也可以实施图7到图9所示的照明设备5030、6030和7030。照明设备2030提供彩色光，所述彩色光线偏振并沿垂直于照明设备的出射表面的方向准直，所述照明设备2030根据上述原理具有改善的色纯度特性。显示屏板50可以是液晶屏板。还可以在显示屏板50上设置漫射板60。显示屏板50利用从照明设备2030发射的光显示图像，漫射板60对显示在显示屏板50上的图像的光进行漫射，以拓宽视角。
根据本发明的照明设备，可以利用偏振导光板单元和胆甾型液晶滤色器提供具有高偏振效率和改善的色纯度特性的彩色偏振光，所述偏振导光板单元的结构提高了光利用效率和垂直出射光的量。
根据本发明的照明设备，与吸收偏振板不同，未射出的偏振光受到反射，受到反射的偏振光在偏振光导板中被再次利用并射出，因此可以提高光利用效率。
此外，胆甾型液晶滤色器能够有选择地反射光，可以通过实施胆甾型液晶滤色器替代吸收滤色器的使用，由此在偏振光导板中对反射光重复利用。总而言之，能够增强光利用效率。
由于入射到胆甾型液晶滤色器上的光沿几乎垂直于入射表面的方向入射，因此能够提高光的色纯度特性。
因此，当在显示设备中实施该照明设备时，降低了功率消耗，实现了良好的图像质量。
尽管已经参考其示范性实施例特别展示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将要理解，可以在其中做出多种形式和细节上的变化而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (31)

1.一种提供彩色偏振光的照明设备，所述设备包括：
光源；
偏振导光板单元，其将从所述光源发射的光的偏振方向转化为线偏振光，并对所述光准直；以及
胆甾型液晶滤色器，其设置在所述偏振导光板单元的上部上，用于根据光的偏振状态和波长有选择地反射光。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第一偏振改变构件，其设置于所述胆甾型液晶滤色器和所述偏振导光板单元之间，用于将从所述偏振导光板单元射出的所述线偏振光变为圆偏振光；以及
第二偏振改变构件，其设置于所述胆甾型液晶滤色器的上部上，用于将穿过所述胆甾型液晶滤色器的所述圆偏振光变为线偏振光。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振导光板单元包括：
引导从所述光源发射的光的导光板；
准直构件，其设置于所述导光板的上部上，并且包括多个反射图案，使得每一所述反射图案具有用于将从所述导光板发射的光向上反射的斜面；以及
偏振分离层，其设置于所述多个反射图案中的每一个和所述导光板之间，用于透射从所述导光板发射的光中的具有第一偏振的光，反射具有与所述第一偏振正交的第二偏振的光。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述反射图案具有多面体形状。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，通过叠置多个具有不同折射率的薄膜形成所述偏振分离层。
6.根据权利要求3所述的设备，其中，所述偏振分离层包括由具有不同折射率的两个薄膜交替布置而得到的多个薄膜。
7.根据权利要求3所述的设备，其中，调整所述准直构件的所述斜面的倾角，使得从所述斜面受到反射并穿过所述准直构件的上表面射出的光与所述上表面的法线之间所夹的角处于大约-10°到+10°之间。
8.根据权利要求3所述的设备，其中，按照单向或双向阵列布置所述多个反射图案。
9.根据权利要求3所述的设备，还包括：
设置在所述导光板的侧面部分上的反射板。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，在所述导光板和所述反射板之间另外设置第三偏振改变构件。
11.根据权利要求3所述的设备，其中，在所述导光板的下表面上另外设置第四偏振改变构件。
12.根据权利要求3所述的设备，其中，所述偏振分离层中的每一所述薄膜由从下述集合中选出的一种材料形成：Al2O3、CeO2、Ta2O5、TiO2、ZnS、ZrO2、CaF2和MgF2。
13.根据权利要求3所述的设备，还包括：粘附层，其由折射率小于所述导光板的折射率的材料形成，并且设置于所述导光板和所述偏振分离层之间。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振导光板单元包括：
引导从所述光源发射的光的导光板；以及
形成于所述导光板上的精细结构层，其包括第一层和第二层，在所述第一层中，重复设置具有凹陷部分和凸起部分的出射单元，第二层利用各向异性材料形成于所述第一层上，所述各向异性材料根据入射光的偏振方向而具有不同的折射率。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，在相邻的所述出射单元之间设置平面。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述凹陷部分包括曲面和平面。
17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振导光板单元包括：
引导从所述光源发射的光的导光板；以及
形成于所述导光板上的精细结构层，其包括第一层和第二层，在所述第一层中，重复设置具有第一凹陷部分、凸起部分和第二凹陷部分的出射单元，第二层利用各向异性材料形成于所述第一层上，所述各向异性材料根据入射光的偏振而具有不同的折射率。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述第一凹陷部分和所述第二凹陷部分分别包括曲面和平面。
19.根据权利要求17所述的设备，其中，在相邻的所述出射单元之间设置平面。
20.根据权利要求14所述的设备，其中，将所述导光板和所述精细结构层形成为互成一体。
21.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振导光板单元包括：
引导从所述光源发射的光的导光板；
准光器，其设置于与所述光源相邻接的所述导光板的侧面部分上，用于降低进入所述导光板的光的入射角；
各向异性层，其设置于所述导光板的下部上，并由具有取决于光的偏振方向的折射率的各向异性材料形成；以及
第一光出射层，其形成于所述各向异性层的下部上，并包括多个第一光出射图案，所述第一光出射图案将穿过所述各向异性层透射的光朝向所述导光板的上部反射。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述准光器包括：
多个形成为梯形并彼此面对的反射镜，所述梯形具有邻接所述光源的较窄边和邻接所述导光板的较宽边；以及
三角棱镜，其设置于所述的彼此相对的反射镜之间，并且具有面对所述光源的底面和与所述底面相对的面对所述导光板的角。
23.根据权利要求21所述的设备，其中，所述第一光出射图案为棱镜图案。
24.根据权利要求21所述的设备，其中，沿第一方向将所述光出射图案布置为一维阵列。
25.根据权利要求24所述的设备，其中，在所述导光板上另外形成包括第二光出射图案的第二光出射层。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，沿垂直于所述第一方向的第二方向将所述第二光出射图案布置为一维阵列。
27.根据权利要求21所述的设备，还包括：
设置在所述导光板的侧面上的反射板。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，在所述导光板和所述反射板之间另外设置第三偏振改变构件。
29.一种显示设备，包括：
根据权利要求1所述的照明设备；以及
利用从所述照明设备发射的光显示图像的显示屏板。
30.一种显示设备，包括：
根据权利要求14所述的照明设备；以及
利用从所述照明设备发射的光显示图像的显示屏板。
31.一种显示设备，包括：
根据权利要求21所述的照明设备；以及
利用从所述照明设备发射的光显示图像的显示屏板。
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