CN101334138A - 用于lcd显示器的小型光棒照明器 - Google Patents

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Q·洪
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Abstract

本发明涉及一种用于LCD显示器的小型光棒照明器以及一种用于显示器的背光，所述背光包括反射体箱和小型光棒，该反射体箱包含反射区域、和开口区域，所述小型光棒位于反射体箱下面的区域，该小型光棒布置成使得光能够通过所述开口。

Description

用于LCD显示器的小型光棒照明器
技术领域
本发明涉及用于显示器的背光装置领域和使用这种装置的液晶显示器。特别的，本发明涉及具有固态光源的液晶显示器(LCD)背光。
背景技术
虽然液晶显示器(LCD)提供一种可替换阴极射线管(CRT)的紧凑轻便的监视器，但还存在很多LCD显示器的图像质量不令人满意的应用，特别是随着这些装置的相对尺寸增加。例如用于便携式电脑或者大型显示器的那些大型LCD面板是能透射的，因此需要背光。置于LCD面板之后的这种类型的光提供表面将光向外或向LCD引导。
传统的用于背光的方法使用多种布置：具有光导板、一种或多种类型的增强型薄膜、偏振薄膜、反射表面和其他光调节元件的冷阴极荧光(CCFL)光源。利用侧安装CCFL的传统平板背光解决方案随着显示器尺寸增加，特别是随着显示区域增大越来越不理想，有可能在制作过程期间或由于加热而易翘曲。通常用于更小装置的光导背光技术越来越被低亮度或亮度级以及由显示器大小增加(例如数字TV所需要的)导致的低均匀性问题所妨碍。用于LCD显示器和其他显示器以及其他照明装置的现有背光装置通常使用CCFL层平行排列，可能相对效率低。这些显示器解决方案由于需要容纳CCFL和它的支持薄膜和置于LC面板后的表面可能也相对较厚。CCFL光源本身呈现出要处理的环境问题，因为这些装置包含一定量的水银。为了补偿传统的基于CCFL的背光的均匀性和亮度问题，许多支持薄膜通常插入在背光和显示器之间，或者置于显示器之下，例如相对昂贵的反射偏振薄膜。众所周知，当和其他类型的光源比较时CCFL的光谱特性较差。
面对用在背光应用中的CCFL的固有困难和局限性，研究人员已被促动追寻可替换的背光方法。已经提出许多利用发光二极管(LED)的解决方案。LED亮度、颜色输出和总性能以及成本的连续降低的新发展，使LED、激光器和固态光源通常特别得到关注。可是，因为LED和激光器作为点光源，因此需要适当的解决方案来重定向光的方向和传播光以提供需要用于背光的均匀的光平面和提供必需的颜色均匀性。
使用LED提供背光照明的一种方法利用一种阵列布置，例如如M.Zeiler，J.Huttner，L.Plotz和H.Ott的标题为“Late-News Paper:Optimization Parameters forLED Backlighting Solution(最新消息：用于LED背光解决方案的最佳参数)”的论文，SID 2006Digest第1524-1527页。使用这类的解决方案，一种使用红(R)，绿(G)和蓝(B)LED的LED组合(cluster)阵列配置来作为用于LCD显示器的背光。描述了两种类型的组合：RGGB和RGB。相似地，Deloy等人的标题为“Method and Appratus for Backlighting a Dual Mode Liquid Crystal Display(用于背光双模液晶显示器的方法和装置)”的美国专利No.6789921描述了一种用于器具面板的阵列布置。可是，除非用于一些类型的器具面板和用于很高端监视器和TV面板的专门用途，因为色彩差和亮度均匀性差、高零件数目、高热度和尺寸要求等问题，阵列布置似乎并不是很有前途。
已经使用光导用于从点光源传播光以形成一行光。例如，Kawai等人的标题为“Lighit Guide，Illuminating Device Having the Light Guide，and Image ReadingDevice and Information Processing Apparatus Having the Illuminating Device(光导、具有光导的照明器件和具有照明器件的图像读取装置和信息处理装置)”的美国专利No.5499112公开了利用具有沿着其长度分配的提取特征的单个光导，在扫描装置中将来自一个或更多LED的光重定向到一条直线。DuNah等人的题为“Lighting Panel(光板)”的美国专利No.5400224描述了具有多个光导的铸模面板组件，其处理成在背面上具有随机粗糙性以用于背光照明。
已经提出许多解决方案用来在更大的区域上沿着光导板重新分配LED光。一个解决方案是来自全球照明技术有限公司(Global Lighting Technologies Inc.)的Brecksville，OH的MicroLensTM模型光导，其在较大光板上传播来自单个LED的光。类似地，Parker的标题为“Light Emitting Panel Assemblies(发光面板组件)”的美国专利申请公开号No.2003/0123246示出一个使用具有光学“变形”的多点源的小比例的光板，该变形将光重定向到面板中。
另一种解决方案首先沿直线引导来自LED、灯或者其他点源的光，然后传播光到整个板。例如，Tai等人的标题为“Light Expanding System for Producing aLinear or Planar Light Beam from a Point-Like Light Source(用于由点状光源产生线性或平面光束的光扩展系统)”美国专利No.5835661描述了光束扩展光导管，其引导一行光到光板，用于在一块区域上分配。类似的，在Cassarly等人的标题为“Efficient Luminaire with Directional Side-Light Extraction(具有定向的侧光提取的有效光源)”美国专利申请号No.2005/0231973中描述的光源布置，使用了具有光提取结构的光导管，用来沿着例如陈列或显示器件的底板重定向光。还有该方法的另一个例子，Abe等人的标题为“Illumination Device(发光器件)”的美国专利No.5857761描述了传播点源光到光辐射板的光导。
另一种使用光路变换来传播光的方式已经被美国专利No.6464588提出。例如，使用棒状照明器来提供来自具有棱镜行的透明板侧的光以重定向光。这种倾斜进一步示出具有转向薄膜以产生轴上的光。
仍是另一种背光的解决方案，使用柔性光纤来引导来自单个光源的光，然后处理用来传播光从而在LCD面板后发射。例如，Kim等人的标题为“BackLighting Apparatus of Liquid Crystal Display Using Optical Fiber(使用光纤的液晶显示器的背光装置)”的美国专利No.6714185和Kaschke的标题为“Optical FiberLight Emitting Apparatus(光纤发光装置)”的美国专利No.5542016描述了这种方法的不同形式。
如上所引用的例子证明，已经有相当多的工作以提供LED背光的目标。可是，虽然已经提出了许多解决方案，每种解决方案都存在固有的重大缺陷，特别是当面对用于标准便携式电脑尺寸或更大的显示器面板的背光问题时。在Deloy等人的‘921的公开文本中提出的二维矩阵可能由相对高价、大体积、均匀性问题而难以低价实现。Kawai等人的‘112的公开文本中描述的光导布置被最优化，以用于需要光的均匀行的扫描应用，而不是显示器背光应用。DuNah等人的‘224的公开文本中描述的模制面板布置可以很好地工作来产生照明，但是对于全彩色显示器应用可能产生均匀性问题。这种类型的解决方案在大尺寸制造方面越来越贵并且由于热和机械应力容易翘曲。更重要的，这样的解决方案不能提供好的色混合以及不能很好适应使用固态光源的应用。例如那些在Parker的‘3246的申请中描述的点源至面板的构造无法实施并且对大尺寸显示器的颜色和亮度呈现出均匀性问题。如Tai等人的‘661的公开文本中描述的光导至底板排列效率低下，容易均匀性低下并且只适合于相对小的显示器。处理过的光纤对于小比例的手握显示器有优势但是对于桌上型电脑或者大尺寸显示器设计就不实用并且效率低。
除了这些缺点外，传统的解决方案通常不能适于对于高质量颜色成像(LC显示器的普遍商品化和接受所需要的)的重大挑战。颜色范围是一个显示器设计者特别感兴趣的重要考虑方面。传统的CCFL提供被很多应用接受的颜色质量的测度，提供最高达NTSC颜色范围的大约70％。虽然这样可以被膝上型电脑和电脑监视器应用所接受，但是不符合全彩色TV显示器的需要。
和CCFL光源相比，LED和其他固态光源，由于它们的光谱纯度较高，固有地可以提供100％或更大的NTSC颜色范围。为了提供这种扩大的颜色范围，需要三个或更多不同颜色的LED或其他固态源。当使用LED和其他固态光源时，为了支持这种扩大的颜色范围，需要来自背光装置的高能级的色混合。图像显示领域技术人员都知道，当使用固态光源例如红(R)、绿(G)和蓝(B)LED时，达到良好的颜色均匀水平是特别具有挑战性的。使用较大面积光导的传统的背光解决方案，例如如上所述，会提供对应的较差的色混合。
对于涉及大比例显示器的背光的其他挑战包括需要低成本组件、光效率、均匀性和紧凑尺寸。如在前所述的，传统的LED背光解决方案不符合满足这些额外要求的需要。此外，消除对反射偏振的需要特别有用，这在有效提高均匀度和亮度的情况时是可能的。
为照明(lighting)和显示器应用提供背光的均匀性已经成为许多研究的起源。固态光非常理想的因为它提供了高密度光的相对紧凑的源。它还有潜力来提供对于CCFL的更困难的光的大颜色范围。实际的LED的色点(color point)可以单独选择和调谐因为光是至少两种或更多颜色的混合。可以容易地调节LED的输出来提供需要的颜色范围。LED具有快速转换时间，可以通过背光闪烁减少LCD的运动模糊并且可以使颜色顺序制(color sequential)LCD的电压的光输出增至三倍。LED还通过比CCFL光源更好地匹配LCD滤色器而具有更高的光效。虽然LED和其他固态光源有许多优点，但是为了给显示器和其他应用提供最好的照明条件也有许多问题需要解决。LED具有很强烈点光源，在沿着LGP或光管的长度或宽度以均匀的方式发射光到较宽区域并呈现时产生一些问题。在本领域中已经提出了从光提取或光重定向特征的许多方式。其中一些在提供均匀的亮度方面具有变化的成功度。随着显示器越来越大，提供一种提供充分亮度和均匀亮度的方式变得越来越具有挑战性。即使在最大功率，单个LED装置在显示器的大表面区域以均匀的方式提供所需要的光强方面也具有一些困难。更大功率可以造成LED的升高的温度和初期寿命故障。另一可能的解决方案可以给每个光棒提供多于一个的LED装置。这样可以从光棒的两个端部或者多于一个LED装置的每个输入侧输送光。
LGP输送单个LED色彩对于好的色混合和均匀照明都成为问题。已经提出很多设计，从具有呈所需图案的印刷点的锥形LGP到在可视侧表面上加入光提取特征或在非可视侧上加入微棱镜。虽然这些方法已经具有有限的成功，但是它们在提供高亮度能级方面，仍然受到挑战。已经在侧光和背光结构中提供LED。利用侧光显示器，LED和它们的散热器(heat sink)和电源可以由边缘框架隐藏。当在背光结构中使用时，掩饰或扩散光源的高强度很困难，并且为了提供色混合，提出了特殊的间距构造。这些当中的一些需要更厚的形式因数(formfactor)，这对于消费者不是想要的或是没有吸引力的。得到基于LED的输出的光的最大值也是困难的，因为它们需要多次离开散射表面的反射。仍然需要更有效的提供用于显示器或光应用的光的装置，并且仍然需要提供具有更高和更均匀亮度特别是用于大显示器应用的背光。
因此，可以看到，需一种能够提供改良的背光特性的LED背光解决方案。
发明内容
本发明包括用于显示器的背光，包括反射体箱(reflector box)和小型光棒，所述反射体箱包括反射区域和开口区域(aperture area)，所述小型光棒置于位于反射体箱下面的区域并且被布置成提供穿过所述开口的光。该背光可以便宜地制造，并且提供具有最小的厚度。
本发明的实施例可以提供改良的背光特性。
附图说明
图1是具有小型光棒的背光。
图2是背光的下半区。
图3是具有倾斜的小型光棒的背光。
图4是具有倾斜的小型光棒和分散光的装置的背光。
图5是具有透镜状输出表面的背光。
图6是“L型”小型光棒。
图7是具有垂直小型光棒的背光。
图8是具有光离轴传播方式的背光。
图9是具有槽形开口的背光。
图10是由小型光棒照明的伸长的照明器。
具体实施方式
本发明提供一种背光装置，很适合显示器应用，特别是LC显示板，例如用于LCD TV、医学诊断显示器、成像显示器和军事显示器的那些。此外，本发明的背光装置可以适用于其中固体照明是有利的其他照明应用。
在本发明的上下文中，术语“固态光源”具有在照明领域接受的传统含义，表示一种由半导体材料形成的发射光源类型。固态光源包括，例如发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)和(高分子发光二极管)PLED，还有半导体激光器。通常本文使用的术语固体光源指的是来自类似小点的源的任何光源，但是发射源的设计可以是这样的，以使得发射的光被准直或扩散以便呈现出非点状。若干个固态光源的阵列可以以某种方式布置或者与透镜元件排列以便在较宽的非点状源中组合光。
本发明的一个目标是提高背光照明技术并且提供利用固态光源所需要的高水平的色混合。本发明提供一种背光装置，用于将光引导向具有亮度的光级和改良的均匀性的显示器面板。
本发明的小型光棒具有以下优点：
1.在小混合区域中极好的色混合，
2.通过利用用于空间照明均匀性的光箱的整个厚度而带来的薄的光箱，
3.使用光棒代替使用波导板(waveguide plate)而带来的轻重量，
4.具有足够数量的LED组的可缩放设计而带来的高亮度，
5.光箱中没有光棒而带来的高的光再循环效率，
6.利用短的光棒带来的小损耗，
7.使用小的光提取区域而带来的高提取均匀性。
本发明还提供了背光装置和一种使用背光装置的显示器的变型。也公开了一种提供光的方法。本发明的一个特征是它提供了一种利用了多个小型光棒的背光。
本发明的一个优点是它可以使用固体光源来为显示器提供背光区域。本发明的装置是可缩放的(scalable)并且特别适用于大尺寸的LC面板。
本发明还有一个优点是它不需要光波导板(light guide plate)或其他平面型板，可以帮助降低成本和减小背光元件的空间形状并且制造简单。
本发明还有一个优点是可以使用许多LED源来照明显示器平面，不必沿着长距离传送光并改变光方向，所述沿着长距离传送光并改变光方向会导致整体低亮度能级。
当本领域技术人员阅读了详细的描述并且与示出和描述本发明的示范性的实施方式的附图结合理解，本发明的这些和其他目标、特征和优点将会更显而易见。
本发明的上下文中，光方向描述成向上(upward)的。因此背光装置或者背光从一照明面板向上发射光。术语“在下”和“在上”于是遵从该方向分配。显示面板是能透射的空间光调节装置，例如LC显示装置或其他光阀阵列。本文关于照明器和光通道使用的术语线性或小型光棒意思是只是长度比宽度稍长一点。小型光棒可以是直的或者可以具有复合的形状(compound shape)来向显示器的可视侧引导光。例子可以包括多种剖面端部形状例如正方形、直线形、圆形、三角形或者它们可以是两种或多种形状的组合形状。小型光棒的至少一个表面可以包括提取或者以其他方式分解或者改变光通道的全内反射的装置。这种装置可以以一种提供均匀的光显示的方式制造。本文使用的术语小型光棒和截短的光棒、截短的照明器、光通道和截短的光通道都一样。术语小型光棒指的是光源和与之相关的光运送装置。
术语可视侧指的是光主要被导向其中并且是在其中观察者可以观察到光或图像的侧。应当注意到在显示器中，在背光和观察者(viewer)之间可以有薄膜、玻璃和或层。非可视侧指的是与可视侧相对的侧。
本发明中有用的小型光棒置于照明板下面并且它们在显示板的方向朝上改变(redirect)光方向。显示板和照明板基本上平行。来自光通道阵列的的光的末端主要方向(end primary direction)是朝上的并且朝着显示板。图像领域技术人员可以明显意识到，小型光棒可以垂直放置这样它们沿着X轴的大体方向延伸且沿着y轴分隔开一段距离，反之亦然。在一些实施例中，小型光棒可以置于和照明平面呈一角度或者与照明平面垂直。在接下来的描述和图中将示出一些排列。在本发明的有用的一些实施方式中，小型光棒与小型光棒之间的中心到中心的间隔为5到50mm。
一种小型光棒具有5∶1∶1和1∶1∶1的长度尺寸L比宽度尺寸W或者厚度尺寸T。更好地，长度L小于宽度尺寸W的5倍。更好地，宽度尺寸W和厚度尺寸T彼此相差不超过因子2(a factor of 2)。在一个实施例中，尺寸T和W大致相等。保持尺寸W和T远远小于长度L改善了色混合和均匀性，因为导向伸长的光通道18的光通过全内反射(TIR)传播通过该光导结构。因为它使用了TIR，小型光棒是高效的，除了在如由光提取元件提供的预期的方向外具有很低的光损失。在本发明的更好的实施例中，小型光棒包括光源和与之相关的电源、散热片、气隙、至少一个光输入端、光混合部件(light mixing section)、具有从光传送部件导出或提取光的装置的光传送部件。在另一实施例中，所述传送部件可以以这样的方式来布置以在它的表面输出侧区域之外传播光。在另一实施例中，背光可以还包括光学薄膜、焊接部件(bonding means)和或层、气隙和在显示应用中使用的本领域熟知的其他部件。光混合部件只需要毫米级的长度。不需要比距离更长使得多种LED的波长混合成均匀的颜色温度。如果使用白色LED并且白点是所需的颜色，那么混合部件是任选的。光传送部件可以具有与光混合部件相同或不同的剖面形状。小型光棒可以以其中光源和混合部件从可视板隐藏的方式放置，这样不以某种方式吸收或分散光来产生不均匀的光。小型光棒的硬度通常不是问题，因为它们相对短。在本发明的上下文中，描述的术语“硬度”应用于一种由于自身的重量而没有呈现出可视的弧度或弯曲的元件。这种布置也简化了小型光棒的组件。小型光棒的剖面可以是正方形、矩形，或者圆形或者具有一些其他形状。例如，小型光棒可以具有曲线边墙(curved sidewall)来提高来自LED光源的光混合。剖面形状和尺寸可以根据它们的长度改变。需要提供这样一种波导，该波导提供大于2000cd/m2的轴上亮度。
如前所示，当使用RGB LED时达到高级别的颜色均匀性可以是重大的挑战性。或者可以使用单个LED，例如白光LED。或者，可以使用其他颜色LED来提高亮度或增大颜色范围，例如提供RGGB排列或增加青色、橙色或者其他颜色。其他光排列也是可能的，如下文更详细所述。
本发明的小型光棒可以使用很多种薄膜、层或具有不同功能的功能部件。这些包括但不仅限于散射体，可以是使用颜料、气体空间(air void)或内部玻璃珠的大型散射体。或者，散射体可以是表面型散射体，例如，具有单尺寸或多尺寸珠子的珠状表面，所述珠子具有透明粘合剂(binder)。也可以使用菲涅耳透镜型散射体。用于在本发明的显示器中使用的小型光棒还可以包括选自光散射、光准直、亮度增强、光偏振、光调制、光滤波和光源中的至少一种功能。这种功能用于提供更高的亮度、好的轴上和离轴(off-axis)可视性。光准直、扩散和散射有助于利用光来给观察者提供最好的显示。
如上所述的光处理薄膜可以包括但是不仅限于各种类型的光增强薄膜或亮度增强薄膜(BEF)，例如VikutiTM牌亮度增强薄膜，为3M公司(圣保罗，明尼苏达州)的产品。也可以提供偏振器，例如反射偏振器。薄膜和或层和它们的功能可以组合成具有多于一个的功能的单个薄膜。
小型光棒可以在任何很多构造或位置的任何一个上分散以提供均匀的照明。邻近的伸长照明器之间的间隔距离可以基于例如所需的亮度、区域和均匀性等因素来变化。邻近的伸长照明器可以是邻近的，但是不是光学耦合的。整桥(integral bridge)可以连接在本发明中一些图中示出的框架的部分的一个或多个拉长的照明器。这样的整桥对于提供改良的硬度是有用的并且也可以有助于在伸长的照明器之间提供改善的亮度均匀度。
为了达到需要的亮度水平，也为了在使用不同波长的光源时混合光谱元件，填充因数可能是重要的考虑因素。每个小型光棒的填充因数可以计算为将光引导到光通道的一个或多个光源的表面面积与光通道的入射光表面面积之比。背光装置的填充因数可以计算为光棒的发射面积的总和与装置的照明平面的表面面积之比。
光源
每个小型光棒具有至少一个独立的固态光源。固态光源可以是独立的，因为它将光传送到与之相关的光棒。
本发明的固态光源可以是LED，如前所述。LED由于它们的高亮度和好的光谱特性因此是有利的。提供在窄的波长带中直接的光发射，LED因此能够提供超过传统光源的改善的颜色范围的照明。例如，当CCFL源与LCD面板一起使用时，CCFL提供NTSC颜色范围的大约70％。LED源可以达到NTSC范围的100％或更大。LED因为它们能迅速受到脉冲作用也是有利的。
本发明的具有混合部件的小型光棒为LED提供高度色混合。不同于光导板和其他传统的解决方案，小型光棒和形成具有相对窄宽度尺寸的光通道的小型光棒的混合部件提供极好的色混合。随着光传播通过混合部件以及向下传播到紧跟混合部件的光通道所提供的光路，这种布置产生大量的反射。红(R)、绿(G)和蓝(B)LED可以定位成在光通道的一个或两个端部处LED的RGB三个一组。或者，具有多于一个LED(该LED具有一种或多种颜色)的RGGB排列可用来增加绿光能级。或者，R，G，BLED可分布在光通道的不同端部，这样，例如，单个的光通道在一端具有红和绿LED并且在另一端具有绿和蓝LED。可任选地，第四个LED，例如白光LED或者其他颜色LED可以置于光通道的一端或者两端。在另一实施例中，各个分开的光通道可具有单色光源，这样，例如，三个邻近的光通道分别具有红、绿和蓝LED。
光源可以连续亮着的(be continuously on)，这样可向显示板提供混合的RGB或白光。或者，可以是颜色顺序背光布置。在一个实施例中，R、G和B通过顺次激活(activate)对应的光源16从背光装置快速循环。或者，可以提供线性扫描，其中穿过背光装置的表面以滚动顺序提供R、G和B或其他色彩。然后显示板可以以相同的顺序激活对应的像素行或列，提供顺序调制的颜色。这样的布置可以避免对于例如LC显示器中滤色器阵列的需要。或者，可以使用光源的定时激活来提供例如青色、品红色和黄色的混合色。
或者，激光器光源可与本发明的伸长照明器一起使用。它们相关的光谱纯度和快速响应时间使激光器对于一些类型的显示器应用是有吸引力的替换。激光器的高亮度和高光功率能级可以允许单个源照明多个小型光棒。
可与伸长照明器一起使用的可替换光源可以包括有机发光二极管(OLED)和(高分子发光二极管)PLED。
光通道
小型光棒光通道由高透明材料形成，包括多种类型的玻璃，例如夹层安全玻璃。可以使用的塑料包括PMMA、聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚砜、聚烯烃、环烯烃和其共聚物。光通道可以具有用于改良热和光稳定性的添加剂。材料的光透过率应当超过大约90％。除非特意处理，光通道的表面应当具有光学抛光(optical finish)。高折射率n是首选的，因为它的良好的光导特性。
在制造中，用于形成混合部件和小型光棒的光通道的基本原料(base stock)可以浇铸、形状压延(profile extruded)或者模塑。诸如通过加热和抛光对材料的进一步调节能有利于达到改良的光学性能。还可用于为小型光棒提供高的平滑度。具有少于50nmRa粗糙程度的TIR表面有助于最小化当光入射到粗糙表面上时因为散射而引起的光泄漏。粗糙表面将会损坏光的TIR并且改变它的角度使得它可能在不需要的点射出小型光棒。这样可以降低小型光棒的总有效性。
尽管由于伸长照明器光通道的长度长、外形窄，高硬度或者高刚度对于伸长照明器光通道是有利的，但是小型光棒要足够短以便它们不弯曲。可以使用夹具，支架，或其他支持件将小型光棒连接到反射体箱的基板的底侧或非可视侧或反射体箱的下方区域的基板。
光重定向特征
在本发明的图中示出很多光提取元件和或光重定向特征的实施方式。光重定向特征的基本功能是引导否则由TIR引导的光，由此使得光改变方向然后从小型光棒的光通道的可视侧发射。这可以以多种方式完成，包括以下方式：
(i)处理光通道以形成发射表面。表面处理的类型包括沿着面对显示器的表面沿着光通道的边缘形成光重定向结构。例如，一种方法是沿着长度方向L形成棱镜结构阵列。使用的微结构可以是棱镜、棱锥、半球或者其他明确的几何形状的阵列来破坏TIR。这些主要是底部结构，作为单独元件形成，或者排列在列中。微结构可以是模塑的，或以其他方式形成，具有多种形状和尺寸，所述形状和尺寸为与光源的距离的函数。本发明的实施例中可以使用另外的光提取特征。光提取特征典型的位于伸长的照明器的可视侧。这种方法的一个例子已经由在前引用的Tai等人的美国专利No.5506929中给出。光通道的表面还可以是粗糙的或者磨光的来提供光提取元件。可以使用模压(emboss)或者压力来形成光提取特征。
(ii)光提取薄膜元件的应用。在Lee等人的题为“Brightness Enhancement FilmUsing A Linear Arrangement Of Light Concentrators(使用线性排列的集光器的亮度增强薄膜)”的共同转让的美国专利申请No.20050270798中描述了用于这个目的的一个可能的薄膜，该申请纳入本文作为参考。光提取薄膜的条可以应用于伸长的光通道18的表面，例如使用粘合剂。使用的粘合剂可以是压敏的或者热敏的，并且可以是使用紫外线或者电子束辐射可固化的。或者，可以使用化学交联材料，例如环氧物。LCD显示器应用通常需要粘性剂能够经受宽温度范围(-40至85C)。优选可以经受较高的温度范围(60-80度)和较高的相对湿度(95％@65C)的粘性剂。高度的光透射率是优选的。可以使用添加剂来改变粘性剂的折射率。细尖端分配器(fine-tip dispenser)或热溶胶分配器可以用来将薄膜元件的片断连接到侧壁(sidewall)(指向显示板或者光通道18的可视侧的发光侧)。在制作中，光通道18可以并排放置，然后将薄膜连接到一面，然后加工和分离，或者包装并与粘贴薄膜一起使用。应当谨慎地选择任何用粘合剂连接的材料这样它不会在高温条件下提供挠曲力。
任选地，小型光棒的发光表面可以具有特征来在其上形成光提取结构。光通道的一部分可以例如使用辊子或者其他方式的处理以塑造形成光重定向微结构。如果伸长照明器是注入模塑的，那么表面光提取结构(它们的反面形式)可以形成为模型的一部分。然后，因为聚合物被注入和冷却，光提取结构成为伸长照明器的一个整体部分。
(iii)印刷点。反射点的图案，其沿着与它的光发射表面相反的光通道基部(base portion)印刷，可以用来改变光的方向，使光向外离开光通道。印刷点可以具有多种密度和尺寸，有助于提供更均匀的光输出。使用这种类型的方法的光提取技术的例子包括在前引用的Abe等人的美国专利No.5857761中所描述的方法。
(iv)小型光棒中光通道的成形：光通道可以形成具有锥形剖面(taperedprofile)。
(v)体积散射。作为另一选择，微米级的粒子可以分散在光通道18中以由于反射率不匹配而产生散射。
(vi)内部镜。如Wang等人的题为“Modular，High-Intensity Fiber OpticBacklight for Color Displays(用于彩色显示的模块式高强度光纤背光)”的美国专利No.6104371所述，TIR可以由形成在光导内的反射结构中断。
也可以使用上文列在(i)到(vi)的方法的这些类型的处理的组合。光提取特征可以是单独的元件。为了提供沿着光通道长度均匀的光发射，耦合的区域的尺寸和密度可以变化，作为沿着光通道的离开固态光源的距离的函数。例如，在光通道的每端有LED光源时，光提取特征可在中心比向两端以更高的密度分散。或者，光重定向元件的分散密度可以在一个方向上基本连续。
可以在多于一个的表面上提供光重定向。光通道的反向侧，离LCD和输出表面最远，通常提供平滑的表面来防止光泄漏但是可以可替换地被构造、处理或者粗糙化来增强光提取的量。
光重定向特征可以浇铸、压印、压制、粘附、印刷或者碾压到小型光棒的光通道部分。不希望在面对显示面板24或其他光输出侧的混合部件上具有光重定向或者光提取特征。
监控色移
LED和其他类型的固态光源的一个公知的问题涉及光谱稳定性和精确性，这可导致一些量的色移。可以提供任选的颜色传感器作为一个或多个小型光棒的元件。可以在控制回路中应用颜色传感器来补偿例如老化、加热、LED之间或其它类型的光源之间的制作上的差别所产生的色移。任选的，可以调节与一个特定光管最近的像素的图像数据以补偿所检测到的色移。
系统考虑
使用目前可得到的许多装置中的任何一个(或一些)，本发明的小型光棒能够提供一种高水平的照明，在2000-6000尼特之间或者更高。在高能量级，热量的积累是LED在应用中的一个问题。背光装置可以提供一个或者多个散热器、制冷风扇或者其它的机械装置来帮助通风或驱散运行中产生的过度热量。有利地，散热部件可以沿着显示器装置的外围边缘设置，当使用本发明的装置和方法时远离LCD面板。
实旅例
一个实施例使用丙烯酸光管作为光通道18，截面积标称为1/4平方英寸。该光管具有高透明度，而且在所有的侧壁及两端具有光学抛光(optical finish)。为了形成光通道18，将较大的丙烯酸正方形棒(0.25×0.25×6英尺)锯成14英寸的段，端部在车床上抛光。将一片光提取薄膜用UV环氧树脂(UV epoxy)连接在光通道18的一个表面上，用注射器分配UV环氧树脂从而沿着光通道18的长度向下形成均匀狭窄环氧树脂珠。然后将胶粘剂在UV灯下固化。
LED阵列用作光源16。多模(multi-die)RGB LED被紧密安装在光通道18附近。这些多模LED分别由在一个单独封装里的一个红色，一个蓝色和二个绿色模数组成(OSRAM OSTAR发射装置，型号LE ATB A2A，产自OSRAM公司)。这些装置可以独立地被开启，单独的电源(current source)控制每一模数(die)的亮度。
伸长照明器14的另一种实施方式的纵向横截面如附图20所示，其并未按照比例画出。对于作为光提取元件20的光提取薄膜76的连接，使用微尖分配器将UV粘合剂(Norland UV环氧树脂)70施加于光通道18的一面。要小心的应用足够多的单体，以致于当应用光提取薄膜结构时，能够提供统一的表面润湿来将光提取薄膜组件粘到光通道18上。光提取薄膜组件层压到光通道18上后，暴露在UV光源下，使粘合剂交联。光提取薄膜是由含有单独棱镜元件的微结构反向棱镜薄膜制成，其中朝向端部的微结构反向棱镜比在中心的要少。这些反向棱镜(inverted prism)被部分地埋入大约8微米厚的聚氨酯粘合剂74中。该粘合剂事先被涂在5密耳厚的聚酯片72上，在230华氏度加热层压以将棱镜片粘合在被粘合剂涂敷的聚酯片72的一面上。棱镜由于层叠期间热度的移动(displacement of the heat)被嵌入大约10微米。
焦距大约2.5英寸的准直线性Fresnel薄膜放置在光通道18的顶部之上，具有大约等于薄膜焦距的气隙。一连串的照片表明具有好的空间均匀性的高亮度。LED被单独点亮以产生红、绿、蓝照明，然后将其混合在一起以形成很好混合的白色LED光。
在此结合作为参考的是美国专利US 6,425,675，以及美国专利申请号2004/0223691和US 2004/0179776。
本发明一个有用的实施例提供了用于显示器的背光源，提供一种显示器的方法，所述显示器包括一个反射体箱和小型光棒，所述反射体箱包括反射区域和开口区域，所述小型光棒位于反射体箱下面的区域并且布置来提供穿过开口区域的光。这样的背光和显示器以及提供显示器的方法用于提供高水平的照明。在这样的实施例中，背光及显示器跨越显示器(across the display)具有至少15％的照明均匀度。光的均匀度指的是点与点之间的照明和或亮度差异。观看者的观看平面是最关键的但是希望提供进入光调制层的均匀的光。另一个实施例希望在至少一次漫射作用后至少提供该光均匀度。这个漫射作用可能在光进入反射体箱时或者离开反射体箱后提供。在另一个实施例中，在光进入偏振作用之前，希望光均匀度小于15％。
在本发明的一种实施方式中，背光和它的开口区域在反射体箱体的基底，开口与反射区域相连。开口可以以这样的一种形式排列，以帮助在开口上以及在连接开口的反射区域上方的区域提供良好的光均匀性。这些开口可以是各种形状(圆形、正方形、长方形、蜂巢状、狭缝状或者其他形状)或者是各种形状的的组合。这些实施方式中的反射体箱的表面是可反射的。它们可以是漫射的、兰伯特面(lambertain)的或镜面状的。这些反射表面帮助在反射体箱的基本所有区域提供改善的光均匀性。
用于本发明的显示器用的背光、显示器和提供所述显示器的方法还包括了至少一种选自下组的功能：漫射、光准直、光传播、光调制、光过滤。本发明中所使用的用于背光和显示器的光控制帮助确保观看者看到没有边带或过暗或过亮区域的条纹的满意图像。漫射有助于传播光以及隐藏物体，光准直和光传播薄膜用于对轴上和离轴的光分配进行照明增强。偏振循环也被使用在发明的实施方式中，用来增加为了建立光调制层的光的量。光过滤指的是应用在LCD显示装置中的颜色过滤阵列。
在本发明的一个优选的实施方式中，在反射体箱的下面有一个区域，帮助隐藏固态发光光源和小型光棒的一部分。这个在发射体箱下面的区域还包含光源、电源(power supply)、电线(wiring)、风扇、通风装置、反射器、光输入器件、光混合器件、光通道、光重定向器件、光提取器件中的至少一个。通过提供一种隐藏光源及与之相关的电源、电线、风扇、散热片及其它处于反射体箱下面的器件及仅允许离开小型光棒的光进入空的反射体箱的方法，传向或导向观看者的光的均匀性将比本领域所用的其它的光箱排列(其中光源的形状必须被隐蔽以提供可接受的照明)所提供的光更均匀。用于本发明的小型光棒包括光源，光输入表面，混合部件，光通道，重定向光的装置或者提取光的装置，以致于将光从光通道的光输出表面发射出来并进入反射体箱的开口中。本文使用的小型光棒还包括一个光源，优选固态光源。小型光棒的光输入表面可具有一个抗反射涂层，其可具有不同的形状或设计，以使得小型光棒可以从与它相关的光源处接受超过75％的光。尽管也可以使用少于75％的光接受，但是将浪费能量，通常是不希望的。
在背光、显示器和提供本发明所述的实施方式的方法中，小型光棒以这样的方式放置，其中从反射体箱一侧观看的时候，光源和光混合部件是基本看不见的。这还包含其它相关的电源、导线、制冷装置或其它用在背光和显示器中的控制装置。
在反射体箱下面的区域可能包含不止一个的小型光棒和与其相关的光源。这些小型光棒可以任何结构放置，如本申请的附图中所示。小型光棒可连接到反射体箱底部(floor)的下表面或者连接到反射体箱下面的区域的底部上，也可能悬挂在反射体箱的底部或者反射体箱下面的区域的底部。小型光棒还可以与反射体箱底部呈一个角度。如此的结构用于最大化小型光棒的间距。在所有给出的使用这些实施方式的背光和显示器中，一些小型光棒具有角度而其它的没有角度。
在本发明中的有用的小型光棒是截短的，并且典型地具有小于50/1的长宽比。端部的外形(profile)可以是正方形、圆形、长方形、多面体或者能提高光的混合和TIR作用的其他形状。光混合部件的形状可以与小型光棒的光通道部位的形状相同或者不同。本发明具有小型光棒的背光和显示器包括固态光源，光输入面，至少一个混合部件，光通道，重定向光的装置，提取光的装置，转向薄膜和输出面。光混合部件通过将固态光源输出的光混合成白光而提供了具有均匀色温(color temperature)的光。光混合部件可以只有几毫米长。光通道可以进一步包括重定向特征。该特征可以帮助使光转向或者重定向光，使之从TIR结构超向小型光棒的光输出面和反射体箱的开口。小型光棒的光通道部分具有至少一个倾斜的表面，其中所述倾斜将光导向开口和光棒的光输出面。该倾斜表面也可以是能反射的。反射装置可以是漫射的、兰伯特面的或镜面状的。如果倾斜表面是透光的或者半透光的，反射装置可以是分开的层，所述层可以用例如粘合剂或粘合装置的耦合光学装置来连接，也可以用气隙分开。典型地，小型光棒及其光通道具有多于一个的表面。在例如正方形或者长方形的非圆形的结构中具有一个与光输入端相对的尾端，一个远离并朝向反射体箱底板的顶部，至少两个侧部。在一个实施例中，小型光棒的光通道在多于一个的表面上具有附加的反射装置。在本发明的一个优选实施例中，每一侧部都有一个反射装置。这些反射装置可以包括镜面、漫射表面或兰伯特面。目的是使导入反射体箱的开口区域的光的量最大化。在本发明的一个实施例中，所述光通道的输出面输出量大于进入光混合部件的光的75％。具有高的光通过小型光棒的光通过效率有助于确保固态光源以一个能量水平运作，从而不会被烧毁而具有长的光源寿命并且不会产生过多的热量。在一个较好的实施例中，所述光通道的输出面的输出量大于进入光混合部件的光的90％。通过设计一个高效率的光棒系统，有助于减小对能量的需要，减少系统中的杂散光及确保背光和显示器的长使用寿命。
在本发明一个有用的实施例中，为显示器提供光的方法包括：
a)提供具有反射区域和开口的反射体箱
b)提供在反射体箱下面的区域
c)提供在反射体箱下面的光源
d)允许来自光源的光直接通过或反射通过开口
这样的方法还包括至少一种选自下组的功能：漫射光、准直光、传播光、偏振光、调制光、过滤光。无论是一种具有单功能的单独的光学薄膜，还是不止具有一个功能的复合薄膜，通过对轴上及离轴的光传播提供横向的或垂直的光控制，提供光控制允许背光或显示器控制观看角度。薄膜还用于控制亮度均匀度及总的亮度水平。不同的液晶需要不同的偏振光装置以及不同的进入光调制层的轴上和离轴的光的分配。
反射体箱的总反射率在总的照明能级和光分配中起着重要作用。在本发明的一种实施方式中，所述方法提供了一个具有高于75％反射率的反射体光箱。如前所述，反射体箱的反射可以是漫射的、镜面的或者兰伯特面的。还希望提供这样一种方法，其中允许从光源发出的光直接或者经反射通过开口使得在开口和反射体箱反射区域之间的照明均匀度差异小于15％。如前所述，背光和显示器可以有至少一个散射体，在一种有用的实施方式中，所述允许从光源发出的光直接或者经反射通过开口，在至少一个散射体作用之后提供了小于15％的照明均匀度差异。在另一种实施方式中，所述方法提供了一种装置，其中所述允许从光源发出的光直接或者经反射通过开口，在至少一个散射体作用和至少一次偏振作用之后，提供了小于15％的照明均匀度差异。在另一个实施方式中，所述方法提供了一种装置，其中允许从光源发出的光直接或者经反射通过开口，在至少一个散射体作用和至少一次光准直或光传播作用之后，提供了小于15％的照明均匀度差异。在所有这些实施方式中，所述方法用于为终端观看提供者均匀的照明。应该注意，在具有背光和显示器积层之前，由于经过薄膜的改正和均匀化或其它的作用，更大的光不均匀性也是可以忍受的。
在该方法一个有用的实施方式中提供了一个固态光源，具体地是一个LED光源。LED是优选的，因为它们可以提供非常强的光，该光可以传播更广的区域，为背光和显示器提供高水平的照明。本发明的其中一个优点是在反射体箱下面的区域提供了隐藏许多背光和显示元件的装置。本发明的方法提供了在所述反射体箱下面的区域，该区域进一步包含小型光棒、光源、散热器、导线、风扇、通风装置、控制装置和其它电子仪器和反射器和支持部件(means ofholding)。
用于本发明的LC显示器为显示器提供了背光的反射体箱，所述背光包括反射体箱和小型光棒，反射体箱包括反射区域和开口区域，小型光棒设置于反射体箱下面的区域，并被排列成提供透过所述开口的光。这样的显示器还提供选自以下功能中的至少一种：漫射、光准直、光传播、光偏振、光调制、光过滤。这些功能用于提供在轴照明至少为2000尼特的显示器。另外，当和期望的LC模式配合使用时，可以提供有用的宽的观看视角。提供了高度的有用性的显示器的实施例，在观看平面横过屏幕(across the screen at the viewing plane)具有少于15％变化的亮度均匀性。
本发明的实施例可以提供便宜的产品，其具有最小的厚度，良好的色彩混合均匀度，高亮度以及高水平的效率。
实施方式：
图1是用于显示器或光调节(light condition)的改进的背光10，其中有一系列的位于反射体箱19下面的小型光棒25。反射体箱19是具有反射表面的空箱子。该反射表面可以是具有用来漫反射或类似于反射镜的镜面反射的光滑或者粗糙表面的白色。本发明独特的实施例在于光箱中除了光什么都没有，而位于反射体箱下面的区域包含光源。小型光棒25包括固态光源17，具有混合元件13和包括光的区域的光棒以及重定向特征15的装置和反射器16或18。反射器16和18在光棒的光通道之间具有空气间隙，或者可以与小型光棒光学耦合。反射器可以在光通道的至少4个侧面上。所述侧面包括底部或非观察侧，两侧和与光输入侧相对的端部。当光出射进入反射体箱、光混合部件或者光输入面时，不需要反射器的部分仅是光输出侧，除非在它进入光混合部件时，它有助于将半球状产生的、来自LED的光重定向到合适的TIR角。本发明其他实施例即使在附图中没有显示，也可以应用反射器。反射器可以是一个连续的反射器，或者是一系列的小平面(facet)。在本发明中有用的反射器也可以是位于包含了小型光棒的区域的底部。
反射体箱19的基部或底部11具有一系列的开口21，其允许光被引导入反射体箱。基部或底部提供了用来隐藏光源17和小型光棒的混合部件13的装置。在小型光棒的端部具有将光16或18反射回到光棒的装置，用于额外的TIR作用和最终的光重定向。另外，背光10具有位于光箱20下面的部分，其包括小型光棒，它们的散热器，电源，电线(wiring)，制冷风扇14和允许空气循环并保持LED冷却的孔12。
位于反射体箱19的底部11的小型光棒25和开口21可以以各种不同的结构设置，以便向背光的观察侧提供均匀的光。小型光棒设有光混合部件，其可以只有几毫米长，以提供来自单独的光源的光的均匀的色温。当光离开光混合部件时，它具有均匀的色温。当光出射光混合部件，它进入小型光棒的一部分，所述小型光棒还可能具有重定向特征。虽然它们示出为均匀的特征，但实际上希望它们在作为离光源的距离的函数的尺寸、形状或密度方面具有一些变化。小型光棒比现有技术中的其他光棒要短的多。现有技术中典型的光棒的长宽比大于100∶1。本发明中有用的小型光棒的长宽比的范围在50∶1到5∶1之间。它们长度的范围可以在15厘米到125厘米之间。小型光棒的断面的横截面形状优选正方形，但是拐角可以是圆的或者磨光面(faceted)以形成其它形状。光重定向特征可以具有从几微米到几百微米的各种尺寸。本发明中有用的光重定向特征与微棱镜在形状、密度和材料上都有所不同。光重定向特征可能缺乏聚合体材料，光重定向特征与小型光棒的聚合体材料的折射率差异优选大于0.05。光重定向特征可以具有不同的形状，例如但不限于圆锥形、圆柱形、梯形、棱镜形、圆形、正方形、三角形、金字塔形或混合形状。特征的相对深度可以在25微米到300微米之间。特征的内表面可以有大于25纳米的粗糙度。在小型光棒的一端具有反射器16。该反射器可以是镜面反射性的或者漫射性的。在光棒的一端还有任选的斜面的反射器，引导光射向显示器的观察侧。本发明中的背光组件还包括支撑或另外将小型光棒连接到反射体箱下部的下表面或者将小型光棒装配到反射体箱下部区域的底部的装置。
小型光棒的形状可以是各种各样的。光输入端部可以是能从固态光源17的半球状的光输出端接收更多光的各种形状或轮廓。光输入端可具有一个锥形，曲线形，棱镜光面，可以向光源提供凹陷处，反射器的这种特定设计可以有助于更多的光到达想要的TIR角度并使其到达光箱的底部的输出孔。反射器不是直接放置在光源前面的，而是放置在上面，下面或侧面。光输入侧还可以具有一个抗反射装置。其他的设计如在共同待批的DOCKET 93433中所公开的一样。小型光棒也可以具有不同的形状。更好的，光混合部件是正方形，以致于能更好的混合光。也可以采用其他的形状。光棒的其余部分(balance)可以是正方形，圆形，锥形，多面体的(faceted)或者混合的。
图2是背光的下半区的透视图，显示了在光箱的假底板(false bottom pan)上交错布局的开口(孔)21。图2显示了应用多个LED或者固态光源从而提供高水平亮度的情况。孔的交错布局的设计可以是在观察侧提供均匀化亮度的各种结构、形状或尺寸。小型光棒可以布置成引导光在光轴上或稍微离轴，以便填满反射体箱底部11的孔21之间的区域。光箱的底部可以是反射的。它可能在反射性质上对于可见光谱的所有或基本上所有波长具有镜面反射性或者漫射性。尽管在该附图中没有示出，本发明的其它实施方式还可以在光箱中具有或向光箱中供应附加了CCFL或者其他光源的混合光源。这样潜在地可以作为使得直接进入显示器观察侧的光均匀化的一种方法。应该注意，小型光棒和与其相关的光源应该尽可能的以各种方法(向右、向左或者开口的任何一侧)被定向，以致于可以提供给小型光棒最好的嵌套和散热。
附图3是具有斜面的小型光棒25的背光，该小型光棒在下侧的斜面上具有反射器16。反射器帮助破坏来自光棒里的TIR，并且允许它通过反射体箱19的底部11的孔。反射器仅仅部分覆盖小型光棒的下侧。反射器优选地是如镜面的，具有镜面反射性质。在一些实施例中，一个兰伯特表面是有用的，而且可以帮助防止高反射表面形成的热斑点。该表面可以具有光重定向特征或微棱镜，其引导光到光箱底部的孔中。
图4是对之前具有斜面的小型光棒的附图的延伸，在小型光棒中的端部进行了改进，具有发散区域使得光可以传播的更宽。还可以具有用于光重定向的辅助元件(auxiliary aid)，包括但不限于光重定向特征31，光重定向特征31包括孔或者凹进，反射面60或33表示的光提取特征和空气分离装置34。光提取器件可以是与小型光棒的斜面联合工作的任何部件。其可以包括是光棒的整体部分的特征，或者具有微小的提取特征的光学薄膜，所述提取特征包括棱镜、透镜、复合形状，其中光学薄膜可以粘到小型光棒的光输出端。这个特征可以形成在光学薄膜表面，并且相反侧粘到光棒的表面，或者该特征可以光学地耦合到粘合层。
图5是背光10的横截面图，具有斜面的小型光棒，在光棒的输出端具有凸透镜51，小型光棒的输出端具有凹面镜形状。
图6是具有三种不同的改进的小型光棒61，64，65的背光10，所述改进的小型光棒61，64，65的类似于“L”形状的延长62帮助保持和输送光到上面的反射体光箱。改进的小型光棒61在光输入端有一个混合部件，用来获得良好的光混合。还有一个光重定向特征15和端部反射器16。“L形”的延伸62可以帮助TIR光通过底部11的开口21向上到达反射体箱19。光重定向特征可以被以图案的方式排列以使得朝向小型光棒的输出端的重定向光的量达到最大。所述特征的尺寸、形状、密度可以被改变，作为离开光源的距离的函数。当在一个倾斜的小平面上时，图案、尺寸、形状、密度和高度和如果光重定向特征处于平面上时是不同的。小型光棒64是类似的，但是其具有一个倾斜的反射器63代替了光重定向装置，使得离开混合部件13的光传向观察侧。在该附图中，尽管只显示了一个倾斜角，期望使用不止一个成角的反射器来优化传向小型光棒光输出端的光量。小型光棒65除了具有倾斜的光重定向特征之外其余相似。
图7是一个在小型光棒25的光输出端具有光控制部件71的背光10。光控制部件可以包括但不局限于用于对轴上的光和离轴光(如光线72所示)的光控制的光成形部件(light shaping)、漫射部件和光散射部件。光控制部件还可以是凸透镜，凹透镜，或者是混合透镜组。光控制部件可以是分层的，包括一个将光学薄膜或间隔装置(spacer)粘合到小型光棒输出端的装置。在本发明中有用的光学薄膜可以包括那些为了偏振的，循环光的，调制光的，滤光的，提高光亮度的，漫射的，在光轴上的或者离轴光控制的部件。
背光还包括风扇14，通风部件12，在小型光棒内的色混合部件13，固态光源17。小型光棒位于发射体箱19底部11以下的区域中。
图8是具有不同的光分配部件的背光10，有助于以离轴的方式传播光。与小型光棒的输出端耦合的光分配叶片81有助于以离轴的方式引导光。光分配部件可以是各种形状及尺寸。该叶片可以进一步在外面覆盖一层材料，使得光可以以TIR的方式出射所述叶片的输出端。光分配束82是一组光纤，所述光纤耦合在小型光棒的输出端。光纤可以被引导填入小型光棒之间的区域，用来提供均匀的照明。
光分配辅助器83是一个发散锥形，其可以允许光向小型光棒之间的离轴位置传播。发散锥形可以是具有与小型光棒基本一样的折射率的聚合材料制成。在本申请另一个实施例中，发散锥形可以用磷光材料处理或填充。
图9是一个在反射体箱的底部11上具有狭缝21的背光20，从而形成开口，使得允许来自小型光棒的光填充到位于包含了小型光棒和与之相关光源的区域20的正上方的反射体箱(图中未显示)。如图示的风扇14和通风器件12有助于从LED光源散热。LED可以以任何方式排列来填充狭缝(左边或者右边)或者从任一侧水平的穿过狭缝(in the slot run horizontally from either side)。狭缝可以是各种尺寸或形状，可以与非狭缝状的孔组合。狭缝可以相互连接，用来最小化不能直接照亮的大的区域，小型光棒可被放置成能直接或者间接照亮狭缝之间的区域。不是所有的小型光棒都需要一定的长度或者宽度。它们可以适合设计的需要照亮的区域就可以。
图10是使用了LED光源17，光混合部件13，及向照明器(lighter)提供光的开口21的小型光棒100。平面图显示了一系列引导光进入伸长的光通道的小型光棒。小型光棒的光源端和混合部件端被光箱的一部分(例如光箱的底部)所隐藏。这些伸长的照明器将位于比小型光棒的抬高的一个平面上。
例子
根据本发明，构造为光通道18的光管的颜色均匀性与用于类似的固态光源的光导板的颜色均匀性相比。光管是由PMMA制成，具有6平方毫米的横截面(6mm square cross section)和245mm的长度。将光提取薄膜粘附在光管的上部。光提取薄膜具有棱镜特征，该棱镜特征被部分地埋入透光粘合剂层，形成靠近空气区域的聚合体区域。粘合剂层(大约10微米厚)涂在聚酯薄膜片上。然后聚酯薄膜用透光粘合剂粘在光管的上部。
LED阵列位于光管的每一端。测量从光提取薄膜射出的输出光。一个大约在这些LED的中间靠近光管横向的中心(大约离光棒边缘3mm)的点测量为样本1。选择的靠近边缘的第二个点为样本2，并与中心点进行颜色均匀度的比较。
作为比较，选择具有相同材料、厚度和长度的光导板。LGP的宽度是光管宽度的几倍。像对光管描述的一样，将相同类型的光提取薄膜以类似的方式应用到LGP中。LGP在每一端都使用相同的LED光源。将LED之间的中间点选择为样本11。测量并比较在样本11的几毫米之内的比较点(样本12)。
使用标准CIE1931色彩空间评估光管和光导板的色移(color shift)。根据这个标准，光的三色值由如下的沿着整个可视光谱的积分得到：
X＝k∫P(λ)I(λ)x(λ)dλ
Y＝k∫P(λ)I(λ)y(λ)dλ
k = 100 ΣI ( λ ) y ‾ ( λ ) Δλ 其中x，y和z分别代表了红、绿、蓝光谱的匹配函数。K是常数，λ是波长，P(λ)是光谱，I(λ)是标准光源(standard illuminant)。归一化的三色值给出了色度坐标，如下：
x＝X/(X+Y+Z)
y＝Y/(X+Y+Z)
z＝Z/(X+Y+Z)
x+y+z＝1
表1列出了相应的参数测量和结果。为了将光道的光管的光均匀性与三色空间的光导板相比，光管的(例1对例2)Δx平方和Δx的总和的平方根与LGP的数值相同。在表1的Δ颜色行中，光管的较低的Δ颜色颜色值表明的是更均匀化的光。在这里，显示出光管比LGP的均匀化程度高接近20倍。使用光管可以比使用LGP提供更加良好的颜色均匀化。
表1
Figure A20081021032600252
表1注释：
Δx＝x样品2-x样品1
Δy＝y样品2-y样品1
Figure A20081021032600261
本发明的设备提供了高度的光提取度，将至少50％的LED光向外导向显示面板。与之前的背光方法具有优点，本发明的设备提供了改进的光混合。使用红、绿、蓝LED，可以在整个可视范围实现高的空间均匀性。对于专门的应用，可以使用比可视范围更长或更短的波长。可以提供超过80％的光均匀性。有利地，本发明的背光装置可以提供足够的光亮度以致于可以不采用光导板并且使得对于用于光增强和偏振的支撑薄膜的需要最小化。由多个伸长的照明器构成的背光装置可以很容易的缩放，使得该解决方案特别适合大尺寸的显示面板。大尺寸的面板可以用额外的伸长照明器来简单地支撑。同时，由于其空间轮廓很小，该解决方案可以帮助减小整个显示器件的厚度。
已经结合某些优选的实施方式详细地描述了本发明，但应理解本领域普通技术人员可以在如上面所述和如权利要求所述的本发明的范围内进行变化和修改，但不偏离本发明的范围。例如，本发明的方法与许多类型或颜色的光源中的任何一种一起使用。可以提供许多光调节元件中的任何一种或多种作为背光装置10的一部分，例如包括用于光成形、光准直、光传播、光偏振、光循环的元件。
已经结合某些优选的实施方式详细地描述了本发明，但应理解可以在本发明所述的精神和范围内进行变化和修改。本文中所引用的专利和其它出版物以其全文纳入本文作为参考。
元件列表
10是背光
11是具有开口的光箱的基底
12是用于致冷和通风的开口
13是光棒的光混合部件
14是制冷风扇
15是光重定向特征
16是反射面
17是LED
18是光通道
19是反射体箱
20是位于反射体箱下面或光箱的下半部分的一个开口区域21是开口
25是小型光棒和光源
27是开口区域
31是光重定向特征(洞/凹痕)
32是用来帮助光在较宽距离上传播的光管的发散区域
33是光提取薄膜
34是在聚合物特征之间的空气区域
51是凸透镜形状
52是凹面形
60是反射表面
61是改进的小型光棒
62是小型光棒的“L-形”延伸
63是倾斜的反射器
64是改进的小型光棒
65是改进的小型光棒
71是光控制装置
72是光线
81是光分配叶片
82是光纤组成的光分配束
83是用于光分配的发散圆锥

Claims (10)

1、一种用于显示器的背光，包括反射体箱和小型光棒，该反射体箱包括反射区域和开口区域，所述小型光棒位于所述反射体箱下面的区域，并且该小型光棒被布置成提供通过所述开口的光。
2、如权利要求1所述的背光，其特征在于，所述开口区域在所述反射体箱的底部或基部。
3、如权利要求1所述的背光，其特征在于，所述开口区域提供横过反射体箱(包括开口和开口之间的区域)的照明，并且点与点之间的亮度差异小于15％。
4、如权利要求3所述的背光，其特征在于，所述反射体箱还包括有助于光均匀性的漫射装置。
5、如权利要求1所述的背光，其特征在于，所述开口区域包括孔和狭缝。
6、如权利要求1所述的背光，其特征在于，位于所述反射体箱下面的所述区域包括选自下组中的至少一个：光源、电源、电线、风扇、通风装置、反射器、光输入器件、光混合器件、光通道、光重定向器件、光提取器件。
7、如权利要求1所述的背光，其特征在于，所述的小型光棒还包括光源。
8、如权利要求1所述的背光，其特征在于，所述光源为固态光源。
9、如权利要求1所述的背光，其特征在于，所述小型光棒以这样的方式放置，使得从反射体箱一侧观察时基本上看不到光源和光混合部件。
10、如权利要求1所述的背光，其特征在于，位于所述反射体箱下面的所述区域包括至少一个小型光棒。
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