CN101295102A - 使用伸长的照明装置的液晶显示器背光 - Google Patents

Abstract

一种用于向显示板直射光线的背光装置以及所得到的显示装置，包括设置用来使光线直射向显示板的延长的照明装置、和用于使两个或更多个延长的照明装置发出的方向经过改变方向的光线均匀以提供背光照明的光散射元件。该装置为显示器提供了更加均匀的光线分布。

Description

使用伸长的照明装置的液晶显示器背光

相关申请的交叉引用

作为参考且申请要求于2006年12月7日提交的美国临时申请号为60/873318、发明名称为“线性照明元件及其方法”的美国临时申请为其优先权。

发明领域

本发明涉及用于显示器的背光装置和使用这些装置的液晶显示器领域。特别地，本发明涉及具有固态光源的液晶显示器(LCD)背光单元。

背景技术

虽然代替阴极射线管(CRT)监视器的液晶显示器(LCDs)具备紧凑、轻便的特性，但是有很多关于LCD显示器的图像质量的应用仍然不令人满意，尤其当这些设备的相对尺寸增加时。如那些使用在膝上型计算机或较大显示器中的较大LCD面板是透射式的，因此需要背光。这种类型的位于LCD面板后面的光提供表面向LCD之外发光以及朝向LCD发光。

用于背光的常规方法是使用具有导光板、一种或多种类型的增强膜、偏振膜、反射面和其它光调节元件的冷阴极荧光(CCFL)光源的各种排列。随着显示器大小的增加，特别是随着显示区域的增大，使用侧面安装(side-mounted)的CCFL的传统平板背光方案越来越不合乎需要了，并且在生产中或因为热而容易弯曲。由于低亮度或亮度以及因为显示器的大小增加(例如数字TV中所需的)而产生的与低均匀性有关的问题愈加妨碍了通常用于较小设备中的光导背光技术。用于LCD显示器以及其它显示器和照明应用设施的现有背光装置通常使用多组(bank)平行排列的CCFL，效率相对比较低。由于需要将CCFL及其支撑薄膜以及其支撑面装入(house)到LC面板之后，因此这些显示方案也相对比较厚。该CCFL光源本身在处理时存在环境问题，因为这些设备包含一定量的汞。为了补偿基于CCFL的常规背光存在的均匀性和亮度问题，在背光和显示区域之间插入很多支撑薄膜，或在显示区域之后防止许多支撑薄膜，例如相对高成本的反射偏振薄膜。众所周知，和其它类型的光源相比，CCFL的光谱特征相对比较差。

对于背后应用中的CCFL固有的困难和限制，推动研究者开发替代的背光方法。已提出很多使用发光二极管(LED)的方案。由于在LED亮度、输出色彩以及总体性能方面的新发展以及成本持续下降，使得LED、激光以及固态光源具有特别的吸引力。但是，因为LED和激光作为点光源，所以需要使光线改变方向和使光线传播的合适解决方案以提供背光所需的均匀光平面和提供必要的色彩均匀性。

一种使用LED提供背光照明的方法是使用阵列布置，如文件SID 2006摘要第1524-1527页上所描述的M.Zeiler、J.Huttner、L.Plotz以及H.Ott的题为“Late-news Paper：Optimization Parameters for LED Backlighting Solutions”。使用这种类型的解决方案，使用红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)LED的LED群集(cluster)阵列作为LCD显示器的背光。两种群集描述为：RGGB和RGB。同样地，Deloy等人的题为“Method and Apparatus for Backlighting a Dual ModeLiquid Crystal Display”的美国专利号为6,789,921的专利中描述了用于仪表盘的阵列布置。但是，除了专门用途，例如一些类型的仪表盘和高端监视器以及TV板，因为较差的颜色和亮度均匀，高零件计数器、高发热以及尺寸需求方面的问题，此阵列布置看来不是很有希望的。

光导已经用于传播点光源发出的光线，以形成线光源。例如，Kawai等人的题为“Light Guide，Illuminating Device Having the Light Guide，and ImageReading Device and Information Processing Apparatus Having the IlluminatingDevice”的美国专利号为5,499,112的专利公开了使用具有沿其长度分布的引出功能元件(extraction feature)的单一光导，将来自一个或多个LED的光改变方向为扫描装置中的线。DuNah等人的题为“Lighting Panel”的美国专利号为5,400,224的专利描述了具有多光导的模制面板组件，该光导后表面上处理成具有随机粗糙度以用于背光照明。

已经提出了用于在沿光导板的较大的区域上重新分配LED光的很多解决方案。一个提出方案是由位于俄亥俄州布莱克斯维尔(Brecksville，OH)市的全球照明技术有限公司(Global Lighting Technologies Inc.)提出的微镜(MicroLens)^TM模制光导，即将单一LED发出的光传播到整个较大发光面板上。同样，Parker的题为“Light Emitting Panel Assemblies”的美国专利申请公开号为2003/0123246的专利申请中给出了使用具有使光线改变方向进入面板中的光学“畸形(deformities)”的多个点光源的小规模发光面板。

另一种类型的解决方案首先使LED、灯、或其它点光源发出的光线沿一条线直射(direct)，然后将光线传播到整个面板上。例如，Tai等人的题为“LightExpanding System for Producing a Linear or Planar Light Beam from a Point-LikeLight Source”的美国专利号为5,835,661的专利描述了将一线光直射到发光面板上以在整个区域上分布的光束扩展光导管。同样，Cassarly等人的题为“EfficientLuminaire with Directional Side-Light Extraction”的美国专利申请号为2005/0231973的专利申请中描述的光源布置使用了例如用于展览品或陈列箱的具有光引出结构的沿底板改变光的方向的光导管。作为这一方法的另一例子，Abe等人的题为“Illumination Device”的美国专利号为5,857,761的专利描述了将点光源光传播进入光辐射板的光导。

其它的背光解决方案使用柔性光学纤维使单一光源发出的光直射(direct)，然后经过处理以传播光线使其在LCD面板后面发射。例如，Kim等人的题为“Back Lighting Apparatus of Liquid Crystal Display Using Optical Fiber”的美国专利号为6,714,185的专利中和Kaschke的题为“Optical Fiber Light EmittingApparatus”的美国专利号为5,542,016的专利中描述了这种方法的不同版本。

如上述引用的例子证明，在提供LED背光方面作了大量的工作。然而，尽管已经提出了很多解决方案，但是每一类型的解决方案其本身固有重大缺陷，尤其当面对用于标准膝上型电脑或更大显示板的背光问题时。在Deloy等人的’921发明中提出的二维矩阵想要廉价地实现是困难的，其成本相对较高、体积较大，并且容易存在均匀性问题。在Kawai等人的’112发明中描述的光导布置对要求均匀光线的扫描装置来说是最优的，而不是对于显示器背光应用。在DuNah等人的’224发明中描述的模制面板布置对于普通照明来说足够了，但是对于全彩色显示应用来说容易出现均匀性问题。以这种方法生产大型设备变得日益昂贵并且因为热和机械应力的缘故可能变形。更重要地，这种方法不能提供好的色彩混合并且不太适合使用固态光源的应用。例如在Parker的’3246申请中描述的那样，点光源到面板的构造是不实用的并且用于大尺寸显示器上时出现色彩和亮度的均匀性问题。例如在Tai等人的’661发明中描述的那样，光导到背板布置效率低，容易出现较差的均匀性，并且只适合用于相对小的显示器。处理过的光学纤维的使用对小尺寸的手持式显示器有利，但对于桌上型电脑或较大的显示器设计是不实用的并且是无效的。

除了这些缺陷，传统方法通常不能得到高质量色彩成像，而高质量色彩成像是LC显示器的普遍化以及被人们接受所需要的。色域(color gamut)是一个对显示器设计者来说具有特殊意义的重要考虑事项。传统的CCFL提供一种可以为很多装置所接受的色彩质量评价方法，即提供最高约70％的NTSC色域。尽管这可以为膝上型电脑和计算机监视器设备所接受，但其不符合全色TV显示器所需。

与CCFL光源相比，LED和其它固态光源本身可以提供100％或更多的NTSC色域，这是因为它们具有相对较高的光谱纯度。为了提供这一扩大的色域，需要三个或更多不同色彩的LED或其它固态光源。当使用LED和其它固态光源时，为了支撑这一扩展的色域，背光装置需要高标准的色彩混合。如图像显示领域技术人员所熟知的那样，当使用固态光源时，如Red(R)、Green(G)和Blue(B)LED，很难达到好的色彩均匀水平。如上所述的使用较大面积光导板的传统背光解决方案提供了相对差的色彩混合。

与较大尺寸显示器的背光有关的其它难题包括低成本装配、光效、亮度均匀性以及紧凑尺寸方面的需要。如早期所注意的，常规LED背光解决方案缺乏满足这些附加要求所需要的性能。另外，这对消除所需的反射偏振器是格外有用的，这在均匀和亮度得到充分改善的情况下是可能的。

因此，需要一种LED背光方案，它可以便宜地制造、具有最小厚度、并且提供具有良好均匀性、高亮度和高功效水平的色彩混合。

发明内容

本发明的目的是发展背光照明领域以及提供需要利用固态光源优点的高水平的色彩混合。本发明提供了一种使光线向显示板直射的背光装置，所述背光装置包括：

a)两个或多个伸长的照明装置，其中至少一个伸长的照明装置设置为使光线向显示板直射并且包括：

(i)固体透明的伸长的光通道，其沿基本上和显示板平行且直接位于显示板之下的照明平面延伸；

(ii)用来向所述伸长的光通道提供光线的相关固态光源；

(iii)用来使光线从光通道向上改变方向到显示板的光引出(extraction)元件；以及

b)光散射元件，用来使来自所述两个或多个伸长的照明装置的改变方向的光线均匀化，以提供背光照明。

本发明还提供背光装置的多种变形以及使用该背光装置的显示器。本发明也公开了提供光线的方法。本发明的特征在于提供了使用多照明通道的背光。

本发明的优点在于使用固态光源为显示器提供区域背光。本发明的装置可升级并且尤其适合较大尺寸的LC面板。

本发明的另一个优点在于消除了光导板或者其它平面板的需求，这可有助于减少背光组件的成本和空间外形。

当结合文中给出的并描述了本发明的实施例的附图时，对于那些阅读下面详细描述的本领域技术人员来说，本发明的这些或其它目的、特点以及优点将变得清楚。

附图说明

图1是本发明背光装置的示意图；

图2是具有所述背光装置的显示装置的示意图；

图3是一个实例的伸长的照明装置的示意图；

图4是示出了在伸长的照明装置的光导管一端的LED的平面图；

图5是在一个实例中的伸长的光导管的示意图；

图6A和图6B是不同实例中的伸长的照明装置的截面图；

图7A是使用本发明的伸长的照明装置和散射器的显示装置的侧视图；

图7B是在照明路径中具有附加校准元件的显示装置的侧视图；

图7C是具有混合光源配置的显示装置的侧视图；

图8A示出了用于图7B给出的实例的光发射、校准以及散射的侧视图；

图8B示出了用于图7B给出的实例的菲涅耳(Fresnel)型圆柱透镜校准器的放大截面图；

图9、10、11和12是伸长的照明装置的不同可能排列方式的背光装置的平面图；

图13是在灯箱中的伸长的照明装置的示意图；

图14是示出了任选支撑的伸长的照明装置的侧视图；

图15是替代实例中的一对伸长的照明装置的侧视图；

图16是具有用于其相关光源的反射表面的光导管的平面图；

图17是使用本发明背光的弧形(curved)显示装置的示意图；

图18是使用分色滤色器(dichroic)和反射面来获得光线的一部分背光装置的示意性方框图；

图19是使用分光镜将不同光谱带的光线合为一路的一部分背光装置的示意性方框图；

图20是一个实施例中的一部分伸长的照明装置的纵向截面图。

具体实施方式

本发明提供了非常适合用于显示用途的背光装置，尤其适合用于例如那些应用于LCD电视、医用诊断显示器、图像显示器以及军用显示器的LC显示板。另外，本发明的背光装置可用于适合固态照明的其它照明装置。

在本发明的正文中，术语“固态光源”具有那些在照明领域的技术人员所接受的其传统的含义，表示一种由半导体材料构成的发光源。固态光源例如包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)以及(聚合物发光二极管)PLED，也包括半导体激光器。一般来说，这里使用的术语固态光源表示来自小的点状光源的任意光源，但是发光远的设计可以使得发出的光要么校准要么散布(spread)，从而表现出非点状的样子。为了使光线混合成较宽的非点状光源，可以一定方式排列几个固态光源的阵列或与透镜元件一起排列几个固态光源的阵列。

在本发明的正文中，光线方向描述成向上(upwards)。因此，背光装置从照明平面向上发光。术语“在……下面”和“在……上面”遵照此方向分配。显示板是透射性空间光调制设备(spatial light-modulating device)，例如LC显示设备或其它光阀(light valve)阵列。这里使用的关于照明装置和光通道的术语线性或伸长(elongated)表示长度比宽度长很多，通常表示显示器一个(长度)方向的长度远大于另一(宽度)方向的长度。这些术语包括直的或弯曲的方向，如蛇形线的(serpentine)。例子可包括如正方形、直线形、圆形、三角形多种截面端部形状或者它们可以是两个或多个形状组合成的形状。照明装置或光通道的至少一个表面可包含将光通道的全反射引出或衰减(breakup)或改变方向的装置。在某种意义上可采取这样的装置以提供均匀照明外观。

图1是本发明背光装置10的光通道阵列12的透视图。图3示出了单一线性或伸长的照明装置14。光通道阵列12(图1)排列有两个或多个线性或伸长的照明装置14。如图3所示，每个伸长的照明装置14具有至少一个如LED、激光器、或其它表面发光光源的固态光源16，并且包含伸长的光通道18和光引出元件20。在图1和图3的具体实例中，每个伸长的照明装置14具有两个固态光源16。如图2所示，伸长的光通道18的末端54或者具有反射性。

每个伸长的照明装置14沿照明平面22延伸并改变向上改变光线的方向，使之向着显示板24的方向，在图1中该显示板的一角以虚线轮廓示出，其包含显示屏。显示板24和照明平面22基本上是平行的。图2的示意图以顶视图示出了板22和24。从光通道阵列12发出的光的初始方向是向上的，朝向显示板24，与图1、2以及后面附图中的z轴方向基本一致。通过在这些图中使用的xyz坐标系统，伸长的照明装置14在与y轴大致相同的方向延伸并沿x轴通常按一定距离相互隔开。图像领域技术人员可清楚地知道，伸长的照明装置14可正交设置，使得它们沿与x轴大致相同的方向延伸并沿y轴按一定距离相互隔开。在随后的描述和附图中，示出了沿y轴延伸的情况，但也可使用正交排列。

一种类型的光导管、伸长的光通道18的长度为L，其长度L远远超过其宽度W或厚度T。优选地，长度L比宽度W大5倍。优选地，宽度W和厚度T相互不同，且不超过因子2。在一个实例中，T和W的尺寸大致相等。使W和T的尺寸远小于长度L改善了色彩混合和均匀性，因为直射到伸长的光通道18的光依靠全反射(TIR)在这种光导结构中传播。因为使用了TIR，伸长的光通道18是高效的，除了光引出元件20提供的预定方向之外具有非常低的光损耗。

固体伸长的光通道18的刚性有助于提供更均匀的光输出，因为照明平面22和显示板24之间的距离很好地保持不变。在本发明的正文中，描述性的术语“刚性”指这样的元件，该元件由于其自身重量的原因而具有不可见的弯曲(bowing)或挠曲(bending)。这种布置也简化了将伸长的光通道18装配进光通道阵列12。在截面图中，伸长的光通道18可以是正方形、矩形或圆形，或具有某种其他形状。例如，为了改进LED光源16发出的光混合，固体伸长的光通道18可具有多种弧形(curved)侧壁。如随后的例子中所示，截面形状或尺寸可根据伸长的光通道18的长度变化，使得伸长的光通道18是锥形的，或者以别的方式改变其截面形状。

图4是伸长的光通道18从侧面看的平面图，分别示出了红色、绿色和蓝色LED光源16r、16g、和16b的彩色三色排列。这种排列是特别有利的，使从每个RGB LED光源16r、16g和16b发出的光在伸长的光通道18内充分混合，从而获得高度的色彩均匀性。如先前所述，在使用RGB LED的情况下获得高水平的色彩均匀性是重要的挑战。可选择性地使用单一LED16，例如白光LED。或者，可使用附加的彩色LED以增加亮度或增强色域，例如提供RGGB排列或增加青色、橙色或其它色彩。如随后所详细描述的那样，也可以是其它发光排列。

图5是示出了在伸长的光通道18的一小段内的TIR反射的示意图。如图所示，来自LED16的光可从伸长的光通道18的内边缘多次反射。一般来说，需要高数量的反射次数；通过增加反射次数来获得改进的混合。因而，形成伸长的光通道18使得其长度至少为其宽度的10倍以上，有助于提供更均匀的色彩混合。

如图6A和6B中的截面图所示，伸长的光通道18也可具有例如银镜表面等的反射表面30。任选的反射表面30使光线向显示板24(图2)改变方向。如图6A所示，反射表面30可由空气间隙32与伸长的光通道18隔开，或者如图6B所示可形成在伸长的光通道18上与光通道18形成整体。

图7A、7B和7C示出了显示装置40的不同实例中对应于图1中切面A-A所示视图的截面图，所述显示装置40具有本发明光通道阵列12的背光装置10。背光装置10包括用于改进均匀性的散射器34，并且可包含一个或多个可能具有一个或多个胶粘剂层的任选光管理薄膜42。显示板24可以是LC显示板。发出的光线E主要从照明平面22直射到显示板24。伸长的照明装置14安装在具有反射侧壁和后壁的灯箱38之内，使用散射或镜面反射器或涂层产生发射。因此伸长的照明装置14悬挂于灯箱38的后反射面39之上。

散射器34可以是使用颜料、空气空隙或内部玻璃珠的体型散射器。或者，散射器34可以是表面型散射器，例如，具有透明粘合剂的单一或多种尺寸珠子的珠状(beaded)表面。也可使用菲涅耳透镜型散射器。

图7B示出了附加到显示装置40上的校准器36。校准器36可使用给出的坐标体系相对xz平面校准发出的光线。在一个实例中，校准器36是在xz平面具有一光功率而在正交(y)方向上具有零光功率的圆柱形菲涅耳透镜阵列。校准器36的其它选择包括圆柱形透镜阵列、全息结构、TIR透镜阵列或棱镜阵列。校准器36应具有足够的硬度以在离照明平面22合适的距离上支撑自身并且为了这个目的可要求附加支撑物(未示出)。

图7C示出了在背光装置10内具有混合照明配置的显示装置40的实例。这里，沿伸长的照明装置14设置了一个或多个灯44，例如CCFL光源。灯44可提供白光或可提供特定颜色的光，例如绿光，这些光可能是一些LED所缺少的。

光管理薄膜42可包括多种光增强薄膜或亮度增强薄膜(BEF)，例如维库迪(Vikuiti)^TM薄层亮度增强薄膜，其是3M，St.Paul MN的产品。也可以提供偏光镜，例如反射偏光镜。

图8A的侧视图示出了当使用校准器36时光线怎样从伸长的照明装置14射出。从伸长的照明装置14射出的光线通常朝显示板24的方向，并且在一角度范围射出。优选地，伸长的照明装置14的光发射表面靠近校准器36的焦平面。光传播至校准器36，所述校准器36使光线相对显示板24向法线方向改变方向。散射器34随后将校准后的光线以一小角度范围散开，以为显示板24提供更均匀的背光。图8B示出了例如可用于图7B实例中的菲涅耳型圆柱透镜校准器36的放大横截面图。

在光通道阵列12中的伸长的照明装置14可以按许多构造中的任一种分布，如图9、10、11和12的实例的平面图所示。在图9所示的排列中，伸长的照明装置14在显示板24的整个宽度上延伸并且在x方向上相互间以各种距离分布。这里，每个伸长的照明装置14具有两个光源16，每一端分布一个。在图10和11中，伸长的照明装置14没有在显示板24的整个宽度上延伸，而且根据显示板24的需要可具有相等或不等的长度。不具有相应光源16的末端54可以是反射性的。例如与图11相似的排列可提高均匀性，因为很难在发出的光线中检测图案。

可基于各种因素(例如所需的亮度、面积以及均匀性)改变相邻的伸长的照明装置14之间的间距。相邻的伸长的照明装置14可以是邻近的，但不光学耦合。

图12的排列示出了具有蛇形线延伸外形的伸长的照明装置14。可以有很多替代排列方式，并且可存在这样的显示器实例，其可促进稍微弯曲的伸长的照明装置14的延伸。

图13的示意图示出了具有灯箱38的实例，所述灯箱38可放置伸长的照明装置14。在本文中，灯箱38具有用于将光线直射入每个伸长的照明装置14的孔46。孔46也可用来使伸长的照明装置14定位，在那里伸长的照明装置14的一部分通过这个孔伸出(protrude)。如先前所述，也可在灯箱38内提供反射面48。在灯箱38内也可提供其它透光结构。图14的侧视图示出了在灯箱38内使用的一对支柱52，所述支柱可使伸长的光通道18相对照明板22保持水平且定位。

填充系数(fill factor)是获得所需亮度等级的重要考虑事项，也是使用具有不同波长的光源16时混合光谱组件的重要考虑事项。可根据一个或多个光源16(所述光源16将光射进光通道18)的表面积与光通道18的入射光表面积之比计算每个伸长的照明装置14的填充系数。可根据伸长的照明装置14的发射面积之和与本装置照明平面22的表面积之比计算背光装置10的填充系数。

光源

每个伸长的照明装置14具有至少一个独立的固态光源16。固态光源16可以是独立的，因为其只将光线传送到与其相对应的光通道18，而不是传送到多个光通道18。

如先前所知，固态光源16可以是LED。由于LED具有高亮度和好的光谱特性，所以LED是优选的。假设直射光在窄波长带内发射，这样LED能提供超过传统光源的改善色域的照明。例如当与LCD板一起使用时，CCFL光源提供大约NTSC色域的70％。LED光源可获得NTSC色域的100％或比NTSC色域更大。由于LED可以快速地脉冲激发，所以它们也是优选的。

本发明的光通道18为LED提供了高度的色彩混合。与光导板以及其它的传统解决方案不一样，光通道18具有相对窄的宽度。当光线沿光通道18提供的路径传播时，这种设置产生很多次的反射。于是产生了TIR。可在光通道18的一端或两端将红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的LED设置为RGB三色LED。或者，可使用具有多于一个的单色或多色LED的RGGB排列以提高绿光水平。另外，R、G和B LED可分布在光通道18的不同端，使得例如单个光通道18在其一端具有红色和绿色LED而在另一端具有绿色和蓝色LED。可选地，第四LED(例如白光LED或其它颜色的LED)可设置在光通道18的一端或两端。在另一实例中，每个单独的光通道18可具有单色光源16，使得例如三个相邻的光通道18分别具有红色、绿色和蓝色LED。

可以使用分色滤色器使光线直射入单独的伸长的光通道18。参考图18，对于背光装置10的一部分，多色光源50使光线经过分色滤色器56和58(它们分别反射蓝色和绿色波长)，进入到独立的光通道18。然后红光从反射器60反射到另一个光通道18。如虚线轮廓所示，以这种方式布置的伸长的照明装置14包含的反射面(如分色滤色器56)以及伸长的光通道18。分色滤色器56和58可由振幅或偏振分束器(splitter)替代。在另一实例中，如图19所示，使用振幅或偏振分束器64使分别来自红色、绿色以及蓝色光源16r、16g和16b的光结合，使得此结合光射进光通道18。

光源16可以连续亮着(be on)，这样可向显示板24提供混合RGB或白光。或者，可能是连续颜色背光配置。在一实例中，通过依次激活相应光源16，可迅速地从背光装置80循环R、G和B。另外，可提供线性扫描，沿背光装置10表面以滚动次序提供R、G和B或其它颜色。然后，显示板24可按照同样的次序激活相应像素行或列，提供连续的调制色。这样的配置将不需要具有例如LC显示器的彩色滤光阵列。可使用光源16的定时激活来可选择地提供例如青色、洋红色和黄色等混合色。

本发明的伸长的照明装置14或者可与激光光源一起使用。对于某些类型的显示应用来说，激光光源的相对光谱纯度和快速响应时间使激光具有吸引力。激光的高亮度和高光功率级可允许单个光源来照亮多个伸长的光通道18，例如使用图18中所示的配置。

图16示出了一个可选择的配置，其中光源16r、16g以及16b由例如可以是抛物面反射镜的弧形反射面66支撑。这种配置有助于使从一个或多个LED光源发出的光射入光通道18。

可与伸长的照明装置14一起使用的可选择光源可包括有机发光二极管(OLED)和(聚合物发光二极管)PLED。

光通道

伸长的光通道18由高透明材料制成，所述高透明材料包括各种类型的玻璃，例如层压的安全玻璃。可以使用的塑料包括PMMA、聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚砜、聚烯烃、环烯及其共聚物。光通道18可具有添加剂，以改善热稳定性和光稳定性。该材料的透光率应超过大约90％。除了专门经过加工的地方外，光通道18的表面应当光学抛光。因为其良好的光导属性，因此首选高折射指数n。

在制造过程中，光通道18可挤压成型或注模成型或溶剂成型。例如通过加热和拉伸对材料进一步调节，对获取外形稳定性是有益的。

高硬度或高刚性有利于提供作为较大的背板装置10的模块部件的光通道18。高硬度可以使处理简单并且简化光导管阵列12的组装。优选硬度超过10mN。可使用夹具(clip)、支架或其它的支持物以防止长度较长的光通道18下垂或弯曲，如参考图14所描述的那样。光通道18应当具有足够抑制弯曲的宽度W。如果需要，可使用附加支撑结构以防止侧弯。

在本发明装置的实例中，光通道18以一定距离和光源16分隔开。但是，也可以将光源16嵌入(embed)到伸长的光通道18之内。

光引出功能元件

有很多用于光引出元件20的实例。伸长的照明装置14的光引出元件20的基本功能是引出由TIR引导的光线，并且使光从伸长的光通道18射出。这可以通过很多方式实现，包括下面的方式：

(i)处理光通道18以形成发射面。表面处理类型包括沿伸长的光通道18的边缘，沿朝向显示器的表面形成光引出结构。例如，一个方法是沿长度方向L形成棱镜结构阵列。使用的微观结构可以是棱镜阵列、棱锥阵列、半球阵列、或其它定义明确的几何形状以阻止TIR。这些可包括倒置的、形成单独元件的、或排列成列的顶部或底部发射结构。微观结构可以模制或形成不同的形状和大小，作为离开光源距离的函数。这个方法的一个例子在先前引用的Tai等人的美国专利号为5,506,929的专利中给出。伸长的光通道18的表面也可以是粗糙的或抛光的，以提供光引出元件20。可使用压纹或压力以形成光引出装置。

(ii)光引出薄膜组件的应用。在共同转让的Lee等人的题为“BrightnessEnhancement Film Using A Linear Arrangement Of Light Concentrators”的美国专利申请20050270798中描述了一个可能用于此目的的薄膜，该专利申请在此引用作为参考。例如，光引出薄膜条可用例如粘合剂施加到伸长的光通道18的表面。使用的粘合剂可以是压敏或热敏型，并且可使用紫外线或电子束射线固化。或者可使用化学交联材料如环氧树脂类。LCD显示用途通常需要能经受宽温度范围(-40至85C)的粘合剂。优选能经受较高温度范围(60-85摄氏度)和较高相对湿度(95％@65C)的粘合剂。较好具有高度的透光性。可使用添加剂改变粘合剂的折射系数。可以使用细末端分配器(dispenser)或热溶性粘合剂分配器以使薄膜组件的一部分粘结到侧壁(朝向显示板或面射向光通道18的发光侧)。在制造过程中，光通道18可以并排放置，随后薄膜粘结到一个表面上，然后经过整理和分隔，或与附着薄膜一起封装和使用。任何粘性的附着材料应当仔细选择，使得其在高热环境下不弯曲。

任选地，伸长的照明装置14的发光表面可构造成在其上形成光引出功能元件。光通道18的一部分可模制(mold)，例如使用辊或其它处理工具来形成使光改变方向的微观结构。如果伸长的照明装置14是注塑成型的，可形成作为模子一部分的表面光引出结构(它们的阴模)。然后，当注入并冷却聚合物时，光引出结构变为伸长的照明装置14的整体部分。

(iii)打印点(printed dot)。沿与其光发射面对置的光通道18的基座部分打印的反射点图案可用来使光线从光通道18向外改变方向。打印点可具有不同的密度和大小，有助于提供更均匀的光输出。使用这种方法的光引出技术的例子包括先前引用的Abe等人的美国专利5,857,761中描述的内容。

(iv)伸长的光通道18成形过程。光通道18可具有锥形轮廓。在一个实例中，光通道18是锥形的，并且在显示平面24的整个宽度上延伸。图15的侧视图示出了使用两个锥形光通道18的另一种排列方式。末端54可具有反射涂层，或者可光耦合到相邻的光通道18，使得两个延长的照明装置14共享一些相同的光线，并沿相同的直线延伸。

(iv)体散射(volume-scattering)。作为另一选择，由于折射率失配，可将微米级的粒子散布在光通道18内以产生散射。

(v)内镜。如Wang等人的题为“Modular，High-Intensity Fiber Optic Backlightfor Color Displays”的美国专利6,104,371中所描述的那样，可通过在光导内形成的反射结构中断TIR。

也可以使用上述所列的(i)至(v)这些类型的处理方式的结合。光引出功能元件可以是独立的元件。为了沿光通道18的长度方向提供均匀的光发射，耦合区域的大小和密度可作为从固态光源16沿光通道18的距离的函数而改变。例如，当在光通道18的每一端都有LED光源16时，光引出功能元件在中心部分的分布密度比朝向末端的部分高。或者，光引出元件20的分布密度可在一个方向大体上连续。

可在不止一个表面上提供光引出。光通道18离LCD以及输出表面最远的对置侧通常提供光滑表面，以防止漏光，但也可以对其进行构造、处理、或使其变粗糙以提高光引出量。

光引出元件20可模制、压印(emboss)、压制、粘附、或层压到光通道18的侧面上，所述侧面面对显示板24或其它光输出侧面。光引出元件20也可包括偏振元件，以从光通道18引出偏振光。

监测色彩偏移

LED和其它类型的固态光源相关的一个众所周知的问题涉及光谱稳定性和精确性，其可引起某种程度的色彩偏移。如图3和图9所示，可提供任选的色彩传感器62作为一个或多个伸长的照明装置14的组件。色彩传感器62可用于补偿例如可能由于老化、受热、或者由于LED或其它类型的光源16之间制造的不同而产生的色彩偏移的控制回路(control loop)中。任选地，可调节离特定的光导管最近的像素的图像数据以补偿检测到的色彩偏移。

系统考虑

通过使用当前可获得的很多设备中的任意一个，本发明的伸长的照明装置14能提供2000-6000尼特或更高的高亮度水平。在高能量水平中，在一些应用中LED的热量累积是一个问题。背光装置10可提供一个或多个散热器、冷却风扇、或其它机械装置，以在工作过程中驱散多余的热量。优选地，当使用本发明的装置和方法时，散热组件可沿显示装置的周围边缘设置，远离LCD面板。

图17示出了具有弧形显示板24的显示装置40的一个示例性实例。在本文中，在光通道阵列12中的伸长的照明装置14提供的照明不以平面形式提供，而是沿弧形表面提供，光沿z’、z”和z”’轴改变方向，它们中的每一个轴与显示板24的弧形表面正交，通常称为“分段平行(piece parallel)”排列(arrangement)。当这种排列对一些类型的LC组件来说可能不是最佳的时候，如图所示，具有某种程度弯曲的背光装置10可以与其它类型的透射光调制组件一起使用。

实施例

一个实例使用丙烯酸光导管作为光通道18，通常横截面为1/4平方英寸。光导管具有高透明度，并且在所有侧面和末端均经过光学抛光。为了形成光通道18，将较大的丙烯酸方条(bar)(0.25英寸×0.25英寸×6英尺)锯成14英寸的段，并且末端在车床上抛光。将一光引出薄膜粘结到具有UV环氧树脂的光通道18的一个表面上，使用喷射器分配以沿光通道18的长度向下形成均匀的窄环氧树脂珠(bead)。然后在UV灯下处理粘合剂。

LED阵列用作光源16。多模RGB LED安装在与光通道18靠得很近的位置。这些多模LED在单个封装中包含一个红色、一个蓝色和两个绿色管芯(die)(欧斯拉姆奥斯塔(OSRAM OSTAR)发射设备，LE ATB A2A类型，来自欧斯拉姆(OSRAM)公司)。这些设备可单独开启，且每个管芯的亮度由单独电流源控制。

伸长的照明装置14的另一实例如图20中的纵向截面所示，不成比例。为了固定光引出薄膜76作为光引出元件20，使用微头分配器将UV粘合剂(诺兰德(Norland)UV环氧树脂)70施加到光通道18的一侧。要注意仅施加足够的单体，这样当施加光引出薄膜结构时，其使表面均匀润湿，以将光引出薄膜组件粘附到光通道18上。光引出薄膜组件层压到光通道18上，然后暴露于UV源以与粘合剂交联。用具有单独棱镜元件的微观结构的倒置棱镜薄膜制成光引出薄膜结构，向末端的微观结构的倒置棱镜薄膜分布少于在中间的微观结构的倒置棱镜薄膜。倒置棱镜薄膜部分嵌入到大约8微米厚的聚氨酯粘合剂74中。粘合剂预先涂到5密尔厚的聚酯片材72上，并且在华氏230度的条件下热层压，以将棱镜片材粘附到涂有粘合剂的聚酯片材72的一侧。在热层压过程中，由于热交换，所述棱镜嵌入大约10微米。

具有大约2.5英寸焦距的线性校准菲涅耳薄膜放置在光通道18的顶部，所述光通道18的空气间隙约等于薄膜的焦距。一系列图像说明了具有良好空间均匀性的高亮度。单独点亮LED以产生R、G、B照明，然后将其混合在一起形成良好混合的白LED光。

美国专利号为6,425,675、以及美国专利申请号为2004/0223691和US2004/0179776的文献在此引入作为参考。

实施例

使用相似固态光源的情况下，将配置成本发明光通道18的光导管的色彩均匀性比得上光导板(LGP)的色彩均匀性。光导管由PMMA构成并且具有6平方毫米的截面积以及245毫米的长度。光引出薄膜粘附到光导管的顶侧。光引出薄膜具有部分嵌入到光学透明粘合剂层中的棱镜部件，该光学透明粘合剂层构成紧靠于空气区域的聚合物区域。粘合剂(约10微米厚)涂覆在聚酯薄膜片材上。然后使用光学透明粘合剂将聚酯薄膜粘附到光导管的顶侧。

LED阵列位于光导管的每一端。当输出光线离开光引出薄膜时测量该输出光线。测量在LED和靠近光导管的横向中心(大约距光导管边缘3mm)之间的位于大约中间的点作为样本1。选择靠近边缘的第二点作为样本2，并且和中心点比较色彩均匀性。

出于比较的目的，选择相同材料、厚度和长度的光导板。LGP的宽度是光导管的几倍。以用于光导管的所述相同方式将相同类型的光引出薄膜应用到LGP。LGP在每一端使用相同的LED光源。选择位于LED之间的中间点作为样本11。也对一对样本11(mm，以毫米为单位)中的对比点进行测量并且作为样本12进行比较。

使用标准的CIE 1931色彩空间对光导管和光导板的色彩偏移进行评价。对于这个标准，通过如下方式对整个可见光谱积分得出光的三色值：

，

$k=\frac{100}{\mathrm{\ΣI}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}}$

其中

和

分别是红、绿和蓝色谱的匹配函数。k是常量并且λ是波长。P(λ)是光谱并且I(λ)是标准光源。基准三色值给出色度坐标，如下所示：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

x+y+z＝1

表1列出了相关参数的测量及结果。为了在三色空间中比较光通道18的导光管和光导板(LGP)的色彩均匀性，光导管(样本2对样本1)的Δx和Δy的值的平方和的平方根与LGP(样本12对样本11)的同样值进行比较。结果在表1的Δ色彩行中示出。对于光导管，较低的Δ色彩值表示更均匀的色彩。在本文中，光导管的均匀性约是LGP20倍或更大。这样光导管的使用提供了超过LGP的改善的色彩混合。

表1

表1注解：

Δx＝x_样本2，-x_样本1，    Δy＝y_样本2，-y_样本1

Δ色彩＝(Δx^{^2}+Δy^{^2})的平方根

本发明的装置提供了高度的光引出，将至少50％的LED光向外射向显示板24。相比早期的背光方法，本发明的装置提供了改进的光混合。使用红、绿和蓝LED可获得超过可见光谱区的高色彩空间均匀性。对于专业用途，可使用比可见光更长或更短的波长。可提供优于80％的亮度均匀性。优选地，本发明的背光装置10可提供足够的亮度使得其不需要光导板并且将为了增强亮度和光偏振所需的支撑薄膜的需要减少到最小。由多个伸长的照明装置14构成的背光装置10很容易升级，使本方案尤其适合较大尺寸的显示板。通过使用附加的伸长的照明装置14可将较大的显示板简单地支撑起来。同时，由于其较低的空间外形，本方案有助于减少显示设备的整体厚度。

通过参考其上确定的优选实施例已经详细描述了本发明，但是应当理解，有效的变化和修改也在如上所述的本发明的范围之内，并且如所附权利要求书所注解，只要本领域的普通技术人员不背离本发明的范围。例如，本发明的方法可使用具有多种类型或色彩的光源的任一种。可提供多种光调节元件的任一种作为背光装置10的一部分，例如包括用于光成形、光校准、光传播、光偏振、以及光循环的装置。

尽管说明书已特别地指出并清楚地要求本发明的主旨，以权利要求书结束，相信当参考附图时通过下面的描述将更好地理解本发明，其中：该描述所涉及的专利和其它公开文献在此全部引入作为参考。

元件列表

10.背光装置

12.光导管阵列

14.伸长的照明装置

16、16r、16g、16b.光源；光源，红色；光源，绿色；光源，蓝色

18.光通道

20.光引出元件

22.照明平面

24.显示板

28.光引导结构

30.反射表面

32.空气间隙

34.散射器

36.校准器

38.灯箱

39.反射表面

40.显示装置

42.光管理薄膜

44.灯

46.孔

48.反射表面

50.光源

52.支柱

54.末端

56、58.分色滤色器

60.反射器

62.传感器

64.分束器

66.反射面

70.粘合剂

72.聚酯片材

74.粘合剂

76.光引出薄膜

E.发出的光线

L.长度

T.厚度

W.宽度

x、y、z、z’、z”、z”’.坐标轴

Claims (36)

1、一种用于使光线射向显示板的背光装置，包括：

a)两个或更多个伸长的照明装置，其中至少一个伸长的照明装置设置成使光线射向显示板，并且包括：

(i)固态透明的伸长的光通道，所述光通道沿基本平行于显示板的照明平面延伸且直接位于显示板之下；

(ii)相关固态光源，用来向所述伸长的光通道提供光线；

(iii)光引出元件，用来使光线从光通道向上改变方向以朝向显示板；以及

b)光散射元件，用来使所述两个或多个伸长的照明装置发出的改变方向的光线均匀化，以提供背光照明。

2、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述至少一个固态光源选自LED、OLED、PLED和激光器。

3、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述光引出元件是薄膜。

4、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述光引出元件形成在所述伸长的光通道表面上。

5、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包括设置在所述两个或多个伸长的照明装置和光散射元件之间的校准器。

6、如权利要求5所述的背光装置，其特征在于所述校准器是圆柱形菲涅耳透镜。

7、如权利要求5所述的背光装置，其特征在于所述校准器选自圆柱形透镜阵列、全息结构、TIR透镜阵列以及棱镜阵列。

8、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包含用于引导固态光源发出的光线的弧形反射面。

9、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述光引出元件包含反射点。

10、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述伸长的光通道是锥形。

11、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包括位于伸长的光通道一端的反射表面。

12、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述至少一个伸长的照明装置基本上在照明平面的整个宽度或长度上延伸。

13、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述至少一个伸长的照明装置具有弧形部分。

14、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包含耦合至伸长的光通道的光传感器。

15、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包括沿伸长的光通道的至少一部分延伸的反射表面。

16、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述至少一个伸长的照明装置具有多个固态光源。

17、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包括用于向显示板反射光线的发射表面，所述反射表面与所述两个或多个伸长的照明装置隔开。

18、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于对至少一个伸长的照明装置来说，在伸长的光通道的每一端有至少一个固态光源。

19、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述光引出元件包括沿所述伸长的光通道的长度改变分布密度的微观结构。

20、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述伸长的光通道是方形、矩形或圆形截面。

21、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包括一个或多个分束器，所述分束器用于使至少一个固态光源发出的光线射进伸长的光通道。

22、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包括一个或多个灯光源。

23、如权利要求1所述的背光装置，其特征在于所述伸长的光通道的长度超过其截面宽度的十倍。

24、一种显示装置，包括：

a)液晶显示板；

b)背光装置，用于向液晶显示板提供背光照明，所述背光装置包括多个伸长的照明装置，其中至少一个伸长的照明装置包括：

(i)固态透明的伸长的光通道，沿基本平行于显示板的照明平面延伸并且直接位于显示板之下；

(ii)至少一个独立的固态光源，用来使光线射到所述伸长的光通道；

(iii)光引出元件，用来使光线从光通道向上改变方向并朝向显示板。

25、如权利要求24所述的显示装置，其特征在于所述显示装置还包括提供至少一个功能的光调节元件，所述至少一个功能选自光成形、光校准、光传播、光偏振以及光循环。

26、如权利要求25所述的显示装置，其特征在于所述光调节元件包括粗糙表面、珠形表面或微观结构中的一个或多个。

27、一种用于使光线射向显示板的背光装置，包括：

a)两个或更多个伸长的照明装置，其中至少一个伸长的照明装置使光线射向显示板，并且包括：

(i)伸长的光通道，沿基本平行于显示板的照明平面延伸；

(ii)至少一个固态光源，用于向伸长的光通道提供光线，其中所述固态光源提供多种不同颜色的光；

(iii)光引出元件，用来使光线从光通道向外改变方向以朝向显示板；以及

b)光散射元件，用来使所述两个或多个伸长的照明装置发出的改变方向的光线均匀化以提供背光照明。

28、如权利要求27所述的背光装置，其特征在于所述固态光源提供红光、绿光和蓝光。

29、如权利要求27所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包括提供至少一个功能的光调节元件，所述至少一个功能选自光成形、光校准、光传播、光偏振以及光循环。

30、如权利要求27所述的背光装置，其特征在于所述光调节元件包括粗糙表面、珠形表面或微观结构中的一个或多个。

31、一种用于使光线射向显示板的背光装置，包括：

a)固态光源；

b)两个或多个伸长的照明装置，其中至少一个伸长的照明装置使至少一个固态光源发出的光线射向显示板，并且包括：

(i)伸长的光通道，沿基本平行于显示板的照明平面延伸；

(ii)反射表面，用于使固态光源发出的一部分光线射进伸长的光通道；

(iii)光引出元件，用来使光线从光通道向外改变方向以朝向显示板；以及

c)光散射元件，用来使所述两个或多个伸长的照明装置发出的改变方向的光线均匀化以提供背光照明。

32、如权利要求31所述的背光装置，其特征在于所述反射表面是分色滤色器表面。

33、如权利要求31所述的背光装置，其特征在于所述背光装置还包括提供至少一个功能的光调节元件，所述至少一个功能选自光成形、光校准、光传播、光偏振以及光循环。

34、如权利要求31所述的显示装置，其特征在于所述光调节元件包括粗糙表面、珠形表面或微观结构中的一个或多个。

35、一种用于使光线射向显示板的背光装置，包括：

a)反射表面；

b)两个或多个伸长的照明装置，其中至少一个伸长的照明装置悬挂在反射表面之上并向显示板射出光线，并且包括：

(i)伸长的光通道，沿基本平行于显示板的照明平面延伸；

(ii)至少一个固态光源，用于向伸长的光通道提供光线；

(iii)光引出元件，用来使光线从光通道向外改变方向以朝向显示板；以及

c)光散射元件，用来使所述两个或多个伸长的照明装置发出的改变方向的光线均匀化以提供背光照明。

36、一种提供均匀光线的方法，该方法包括使用权利要求1的装置来产生光线。

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