CN101681055A - 用于直接照明式背光源的隐灯式组件 - Google Patents

Abstract

本发明适用于直接照明式背光源使用的光学组件，与在较大入射角度处的光的透射率相比，该光学组件表现出在垂直入射角度处的光的透射率较低，以完成在整个显示器上的光的拉平作用。在一个实施例中，光学组件包括具有内布鲁斯特角的反射器和具有正交的反射轴和透射轴的反射型偏振器。在另一个实施例中，直接照明式背光组件包括：一个或多个灯；反射器，该反射器具有内布鲁斯特角，其中该反射器的主表面为面对一个或多个灯中的至少一个；和光转向层。

Description

用于直接照明式背光源的隐灯式组件

技术领域

本发明涉及用于与背光源使用的光学组件并涉及背光源，例如在液晶显示器(LCD)器件和类似显示器中使用的那些，本发明还涉及制备背光源和用于与背光源使用的光学组件的方法。

背景技术

最近几年，公众可使用的显示器件在数量和品种方面都出现了巨大的增长。计算机(无论台式机、膝上型电脑或笔记本电脑)、个人数字助理(PDA)、手机、和薄型LCD电视机只是几个实例。这些器件中的某些可使用平常的环境光来观看显示器，但多数包括使显示器可见的背光源。

多个这种背光源归为“侧光式”或“直接照明式”的类型。这些类型的不同之处在于光源相对于背光源输出表面的布局，其中输出表面限定显示器件的可视区域。在侧光式背光源中，光源沿着背光源构造的边界被设置，位于与输出表面对应的范围或区域之外。光源通常将光投射到光导装置中，其具有与输出表面接近的长度和宽度维度，并且光被从其中提取以照亮输出表面。在直接照明式背光源中，光源阵列被直接设置在输出表面的后面，并且漫射器被设置在光源的前面，从而得到更加均匀的光输出。某些直接照明式背光源另外整合边缘安装式的光源，因此能够以直接照明式和侧光式两种方式工操作。

发明内容

在一个实施例中，光学组件包括具有内布鲁斯特角的反射器以及具有正交的反射轴和透射轴的反射型偏振器。

在另一个实施例中，直接照明式背光源组件包括：一个或多个灯；反射器，其具有内布鲁斯特角，其中反射器的主表面面向一个或多个灯中的至少一个；以及光转向层。

在本发明的又一个实施例中，光学组件包括：一个或多个灯；显示面板；以及反射器，其具有内布鲁斯特角。反射器为至少三层的多层干涉膜，其中这些层中的至少一层是双折射的，并且x的方向上的折射率(n_x)小于z的方向上的折射率(n_z)，其中x方向是面内方向。反射器位于灯和显示面板之间。

在另一个实施例中，光学组件包括具有平滑侧的背光源反射器，其中背光源反射器具有在空气中小于90度的内布鲁斯特角，其中膜的内部对于一个偏振的内部反射率在某一角度为零。背光源反射器在垂直入射角度处的反射率为50％或更大。

从以下具体实施方式，本专利申请的这些方面及其它方面将显而易见。然而，在任何情况下，不应将以上概述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，按照规定在审查期间可以进行修改。

附图说明

在整篇说明书中都参考了附图，其中相同的附图标记表示相同的元件。

图1为结合液晶显示器的直接照明式背光源的分解透视图。

图2为直接照明式背光源组件的第一实施例的示意性剖视图。

图3为直接照明式背光源的一个实施例的平面图。

图4为利用例如LED的紧凑型光源的直接照明式背光源实施例的平面图。

图5为示出在背光源的输出表面的至少一部分上的亮度相对于位置的理想化曲线图。

图6示出了形成单个界面的两层叠堆膜，并且用符号表示将如何标注出多种折射率。

图7为多层构造中多种折射率的状况以及它们如何增大或消除构造的内布鲁斯特角的示意图。

图8为多层构造中多种折射率的状况以及它们如何增大或消除构造的内布鲁斯特角的另一个示意图。

图9为用于若干多层双折射反射器的反射率相对于角度的曲线图，这些多层双折射反射器具有从空气入射的光可达到的内布鲁斯特角。

图10和图11分别为在光学组件的一个实施例中使用的具有盘形部分的反射器的顶视图和侧视图。

图12为直接照明式背光组件的另一个实施例的剖视图。

图13为直接照明式背光组件的另一个实施例的剖视图。

图14为直接照明式背光组件的又一个实施例的剖视图。

图15为用于s偏振光和p偏振光的sPS/PMMA反射器的一个界面的反射率相对于角度的曲线图。

图16为用于sPS/PMMA反射器的另一个实施例的空气界面的反射率相对于角度的曲线图。

图17为直接照明式背光组件的另一个实施例的剖视图。

图18为反射器的实施例的示意图。

图19为用于图18的sPS/有机硅反射器实施例的空气界面的反射率相对于角度的曲线图。

图20为用于图18的sPS/有机硅聚酰胺反射器的反射率随角度变化的曲线图。

图21为反射器的实施例的示意图。

图22为图21的反射器的强轴的示意图。

图23为图21的反射器的强轴的反射率随角度变化的曲线图。

图24为图21的反射器的弱轴的示意图。

图25为图21的反射器的弱轴的反射率随角度变化的曲线图。

图26为反射器的另一个实施例的强轴的示意图。

图27为图26的反射器的强轴的反射率随角度变化的曲线图。

图28为强轴在图26中为其示出的实施例的弱轴的示意图。

图29为用于图28的反射器的弱轴的反射率随角度变化的曲线图。

图30为用于三种不同的背光源构造、对照相对于光源的横向位置绘制的相对强度测量的曲线图。

图31为用于反射器的优选的反射和透射光谱的曲线图。

具体实施方式

本发明适用于与直接照明式背光源使用的光学组件，与在较大入射角处的光的透射率相比，这些光学组件在垂直入射角度处呈现较低的透射率。在实施过程中，这意味着与离光源较远的其中强度较低但具有较高百分比的透射率的区域相比，百分比较低的光透射穿过过靠近光源的强度最高的区域中的光学组件。该净效应为在整个直接照明式背光源输出表面上的透射光强度的校平。因此，观察者不太可能察觉到在直接照明式背光源上的光源正上方的较亮区域。这种类型的光学组件在直接照明式显示器件(例如，包括大面积LCD电视机或台式机显示器的LCD显示器件)的环境下尤其可用。

如果反射器具有内布鲁斯特角，则反射器可提供所需的透射特性使光的输出变平，从而反射器对p偏振光的反射率随入射角的增大而减小，如将在本文中更详细说明的。可仔细选择反射器的材料和结构，从而反射器对于在垂直入射角度处和接近垂直入射角度的反射率具有合适的高数值，但在较大入射角度处的光线更有可能被透射。因此，只有相当小部分的由直接照明式背光源的光源发射的光将穿过光源正上方的区域中的显示器。较高比率的光在并非光源正上方的显示器的区域处穿过。

以下描述直接照明式背光源的通式结构。图1示出了光学组件20的分解透视图，其包括与例如液晶显示(LCD)面板的显示面板12结合的直接照明式背光源10。背光源10和显示面板12都以简化的框图示出，但读者应该明白，每一个方框都包含额外的细节。背光源10包括框架14和伸展的输出表面16。在操作中，整个输出表面16被输出表面后方的框架14内设置的光源照亮。当被照亮时，背光源10使得各类观察者18a、18b可以看见由显示面板12提供的图像或图形。该图像或图形由通常数千或数百万的单个像元(像素)的阵列来产生，其阵列基本上填满显示面板12的横向范围(长度和宽度)。在大多数实施例中，背光源14发射白光，并且像素阵列被组织成多色像素(例如红色/绿色/蓝色(RGB)像素、红色/绿色/蓝色/白色(RGBW)像素等等)组，从而所显示的图像是多色的。然而，在一些情况下，可能有利的是提供单色显示。在这些情况下，背光源10可包括滤光器或主要发射一种可见波长或颜色的特定光源。

或者，光源可为被相继供能的多个单色发光器件的源，例如红色LED、绿色LED和蓝色LED。

图1中的背光源10被图示为包括设置在输出表面16后方的三个伸长的光源，如光源区20a、光源区20b、和光源区20c所指出的那样。在光源区之间或者说是光源区之外的输出表面16的区域在本文中被称作间隙区。因此，输出表面16可看作是由光源区和间隙区的互补组构成。光源区和间隙区的存在是以下事实的结果：即使光源是伸展的，但它们在投影面积(平面图)方面均单独地和总共地比背光源的输出表面小得多。在大多数实施例中，为了从显示器得到最佳图像品质，希望构造背光源10从而在输出表面16处的亮度为尽可能均一的。在这些情况下，光源区中的亮度应该与间隙区中的亮度基本相同。

图2为能够实现这种均匀度的直接照明式背光源30的示意性剖面图。背光源30包括前反射型偏振器32、后反射器34、和灯36。反射型偏振器32和后反射器34形成光循环腔22，光在其内可以发生连续的反射。反射型偏振器透射第一偏振态的光，并且反射与第一偏振态正交的第二偏振态的光，其中，这两种偏振态基本上沿着正交(90度)的面内方向发生平面偏振。胆甾型反射型偏振器当与四分之一波延迟器结合时可执行该功能，并且可用于本发明，得自3M公司的线栅反射型偏振器和例如DRPF(漫反射型偏振膜)产品的漫反射型偏振器亦如此。

通常，本发明适用任何反射型偏振器，只要这些反射型偏振器反射其偏振平面与一个轴平行的光，并且透射其偏振平面与正交轴平行的光。反射s偏振光并且基本上透射p偏振光的常规的平面多层膜不是用于该偏振器的选择。相反，如以下所讨论的，这类膜可用作反射器40。这两者的正确组合可用于在具有线性部分的光源(例如荧光灯)的背光源中提供均匀的空间强度。

图2还包括具有内布鲁斯特角的反射器40，例如各向同性的层状结构。术语“内布鲁斯特角”指的是在对反射器而言为内部的界面处、而不是在与系统中的空气或其它组分的界面处的布鲁斯特角。反射型偏振器32的一个目的在于，向反射器40发送在垂直于线光源的入射平面内主要为p偏振的光。对于p偏振光而言，反射器40具有随入射角增大而减小的的反射率。反射型偏振器在利用吸收型偏振器的显示器中另外可用于预偏振该光。例如，多层双折射偏振器(例如得自3M公司的Vikuiti牌双倍增亮膜(DBEF)产品)可在垂直于光源轴的平面内将p偏振光发送到反射器。可改变设置的次序，使得反射器40的位置和反射型偏振器32的位置可以互换，而如果这两个组件中的功能损失小，则没有功能损失。

在小入射角处，反射器40对p偏振光的反射率高，使得只有一小部分入射角小的光穿过反射器40一直传播。例如，图2中的光线52与反射器40的表面正交，因此入射角为零度。因此，只有一小部分入射光52从反射器中出现作为光线54。在较大入射角处，反射器40对p偏振光的反射率较低，使得较大部分的光穿过反射器40一直传播。例如，光线56以较大入射角入射到反射器上，所以较大部分从反射器中出现作为光线58。

在本发明的大多数实施例中，反射型偏振器32不具有内布鲁斯特角，尽管在其它实施例中，反射型偏振器的确具有内布鲁斯特角。如果反射型偏振器32是多层双折射反射型偏振器，则它沿着透光轴可以具有内布鲁斯特角，其甚至在垂直入射角度处为基本上透射的。它沿着阻塞(反射)轴甚至可以具有内布鲁斯特角，前提条件是对于s偏振光和p偏振光的来说，其在所有入射角度处基本上反射与该轴平行的光。在一些实施例中，反射型偏振器在与反射型偏振器阻光轴平行的入射平面内不具有内布鲁斯特角。

另外可以将本发明的光学组件构造成不具有反射型偏振器。例如，构造有全向点光源(例如为LED)的背光源不会需要对于反射器40的p偏振光的定向源，因为对于光发射来说没有定向方位。图17提供了这种光学组件的实例。图17示出了背光源3300，其包括光腔体3302、具有内布鲁斯特角的反射器3304、漫射器3306和光学导光膜3307。光腔体3302包括漫射镜3308、以及多个点光源、螺线形光源或线光源3310。虽然可以不使用反射型偏振器来构造均匀的背光源，但是在利用吸收型偏振器的显示器中，对于预偏振和循环利用偏振光来说，反射型偏振器仍然可以为理想的。还存在不需要偏振光的显示器，例如背光标牌。

直接照明式背光源的实例和特性

如以上所讨论的，图2的背光源构造有助于通过使其整个表面上的背光源输出更均匀来隐藏直接照明式背光源中的灯。本文将进一步描述有助于隐藏灯的其它背光源构造。但首先将讨论更多普通类型的直接照明式背光源，包括使用线光源、螺线形光源和点光源的背光源。图1中的直接照明式背光源示出了三个光源20a至20c。在一个实施例中，这些光源是三个单独不连续的线型灯，其常常已知为线光源。现在转到图3，其示出了另一个示例性背光源21的平面图，其中，光源23a至23c是较大的螺线形灯24的一些部分。

图4示出了可供选择的背光源26的平面图，其包括紧凑型或小面积的光源28的阵列。这些光源可以是(例如)LED光源。基于LED的光源实例在下面共同转让的专利申请中有所描述：在2004年10月29日提交的美国专利申请公布US 2004/0150997A1(Ouderkirk等人)、美国专利申请公布US 2005/0001537A1(West等人)和序列号为No.10/977582的美国专利申请“偏光LED”。

直接照明式背光源的通用类型是线光源、螺线形光源或点光源。直接照明式背光源中的灯位于背光源输出表面的正后方，而不是沿着背光源构造的外边界。直接照明式背光源是产生或引起光子的场所，(例如，灯)基本上在显示区投影面积内。例如，直接照明式背光源10包括显示区，例如图2中的显示区16。灯36在显示区16的投影面积内。相似地，灯36位于反射器40主表面的投影面积内。描述直接照明式背光源的另一个方式是：显示区的投影面积明显大于灯或光源的投影面积。与直接照明式背光源相比，侧光式背光源通常采用不是在显示区投影面积内的灯来构造。相反，在侧光式背光源中，灯沿着显示区的边缘延伸并且延伸到侧边。

用于直接照明式背光源的均一的输出光相对于未改进的输出光

图5为沿着通道的背光源的亮度的理想化图线，该通道在整个背光源输出表面的全部或一部分上延伸。选择路径，以使其包括光源正上方的输出表面区域(即光源区64)以及没有位于任何光源正上方的输出表面区域(即，间隙区66)。对于曲线60，器件中不存在选择性地反射光的反射器40。因此，光源区64变成相对暗的间隙区66之间的相对亮点。

曲线62示出了用于背光源的理想输出，其中，根据本发明采取步骤以使在整个背光源表面上的光强度相等，例如在器件中包括具有布鲁斯特角的反射器40。在这种情况下，在小入射角处透射穿过反射型偏振器32的光被反射器40大部分地反射，而只有一小部分被透射。在该特殊情况下，朝显示器前方透射穿过反射型偏振器的光被反射器40反射和透射，而所反射和透射的量使得光源区64的亮度基本上匹配间隙区66的亮度。这样，在高亮度直接照明式背光源中可实现高度均一的照度。由于真实的系统很少能够实现完全的均匀度，因此可调节器件的特性，以使全部或一部分背光源输出表面上方的亮度波动最小化。

具有内布鲁斯特角的反射器实例

术语“反射器”指的是反射率为至少约30％的结构。在多种实施例中，反射器的反射率将为至少约50％、80％或90％。除非另有说明，否则所有反射率值指的是在垂直入射角度处的反射率。

对于在具有不同折射率的两个区域之间的平面边界上入射的光，布鲁斯特角为这样的入射角：对于由传播方向和表面法线限定的平面内具有其电场矢量的光而言，在入射角处的反射率为零。换句话讲，对于在具有不同折射率的两个区域之间的平面边界上入射的光，布鲁斯特角为这样的入射角：对于p偏振光而言，在入射角处的反射率为零。对于从折射率为n₁的第一各向同性介质至折射率为n₂的第二各向同性介质的传播，布鲁斯特角被定义为arc tan(n₂/n₁)。当具有两个不同折射率的相邻部分之间的结构内存在界面时，在光学结构中可存在内布鲁斯特角。包含交替的低折射率和高折射率材料的干涉膜可具有内布鲁斯特角。然而，具有多个层的光学组件不是必需具有内布鲁斯特角。例如，如果在多层镜中的交替的层中的一个或两个均为双折射的，并且这些层的z折射率具有相对于面内折射率的特定微分值，则将不存在布鲁斯特角。或者，采用另一组相对的n_z差值，布鲁斯特角的值会急剧减小。为了示出这种行为，在图6中示出了形成界面的两个双折射材料层，并且用符号示出了第一材料68和第二材料69的折射率的标记。通常，每一个材料层沿着x方向、y方向和z方向都可以具有不同的折射率，如图6中所示。

对于y-z平面内偏振的光，在两个电介质材料层的界面处的布鲁斯特角θ_B被定义为：

${\sin }^2{\mathrm{\θ}}_B=\frac{n_{2z}^2{n}_{1z}^2(n_{1y}^2-n_{2y}^2)}{{n^2}_0(n_{1z}^2{n}_{1y}^2-n_{2z}^2{n}_{2y}^2)}$

对于在x-z平面内入射的光，等式中n_y的值被n_x的值替代。n_x、n_y和n_z的相对值会显著影响内布鲁斯特角的值和内布鲁斯特角的存在。虽然存在可能性的闭联集，但是一般的效果属于图7和图8中的示意图可汇总的两个主要种类。图7示出了光学材料组合，其增大内布鲁斯特角的值超过可由各向同性的材料获得的内布鲁斯特角的值，或消除了内布鲁斯特角。这组条件为：第一材料68和第二材料69之间的n_z差值小于对于给定入射平面的面内折射率的差值。线83和84分别表示用于第一材料和第二材料的n_x或n_y的值，其中，n_1x和n_2x之间的差值被示出为保持恒定，并且n_1y和n_2y之间的差值被示出为保持恒定。线85和86表示n_1z和n_2z的值，表明了随着n_1z和n_2z之间的差值减小，内布鲁斯特角增大。在n_z差值消失的线85和86之间交叉处的线88处，布鲁斯特角也消失。超过该点的增大的Δn_z与Δn_xy相比属于相反符号，并且与对s偏振光的反射率近似，对p偏振光的反射率此时随入射角而增大。材料中的一种或两种均可为双折射的，但相同的关系得以保持，而与哪个材料是双折射的无关。

图8示出了用于本发明的优选的光学材料组合，其允许在入射角处可将p偏振光的基本部分从空气透射到平表面的反射器的构造。采用正确的折射率集，这些反射器可以表现出增强的布鲁斯特效应，使得从空气入射到平面界面上的光可以达到布鲁斯特角。对于大多数由各向同性的材料制备的多层反射器来说，这是不可能的。然而，对双折射材料的正确选择可导致第一材料层68和第二材料层69(图6)之间的n_z差值比相同层的面内折射率的差值大。

Δn_z＝(n_1z-n_2z)＞(n_1x-n_2x)或(n_1z-Δn_z)＞(n_1y-n_2y)

如同图7一样，图8示出了线83和84，其分别表示第一材料和第二材料的n_x或n_y的值，其中，n_1x和n_2x之间的差值被示出为保持恒定，并且n_1y和n_2y之间的差值被示出为保持恒定。线87和线88表示n_1z和n_2z的值，表明随着n_1z和n_2z之间的差值增大至超过n_xy值之间的差值，内布鲁斯特角减小。

如图9所示，Δn_z相对于Δn_x的值越大，在这个界面上，对于入射在xz平面内的p偏振光的布鲁斯特角的值越小，本文还将对此进一步描述。图9的创建用于恒定值n_x和n_y，其具有增大值Δn_z。

对于这些构造中的任意构造，只有多层叠堆中相当大一部分层中存在布鲁斯特角时，布鲁斯特角的存在才是可用的。如果向多层叠堆添加额外的功能化涂层或第三材料或第四材料的层，则这些材料可以根据它们所接触的材料产生不同布鲁斯特角的值。与第一材料和第二材料的界面数量相比，如果这类材料具有相对少的界面，则这类界面对本发明的性能将不产生显著影响。凡是多层叠堆大多数包括第一材料和第二材料的层的，但一些层在第一材料和第二材料的组合方面为轻微的变型形式，则对整体叠堆的影响可以为使得在较广范围内的布鲁斯特角最小，但是整体效果与只有这两种材料时的效果类似。

具有内布鲁斯特角的多层反射器的所需性能是：在垂直入射角度处具有相对高的反射率，并且在倾斜的入射角处具有较低的反射率(较高的透射率)。

通常，凡是相邻交替的层之间的Δn_z与Δn_x或Δn_y的符号相同的任何多层反射器将表现出内布鲁斯特角，并且可用于本发明。通常，沿着x轴和y轴的面内折射率不需要相等。凡是在x方向和y方向具有相等折射率的单轴情况、凡是n_x≠n_y≠n_z的双轴情况、以及凡是n_x≠n_y＝n_z的单轴情况之间存在闭联集。

具有多个内布鲁斯特角的材料界面

双折射多层反射器可采用取向的(伸长的)双折射聚合物材料制备。通过使用在x方向和y方向的不同拉伸比，可制备不对称反射器，其对于各自方向的内布鲁斯特角具有非常不同的值。图21示出示意性折射率集。根据图8中所表示的信息，对于图21中的膜配对，在x-z平面内或在y-z平面内的入射光，都存在布鲁斯特角。在x-z平面内或在y-z平面内的入射光，z折射率当然都是相同的，但由于Δn_z/Δn_y的比大于Δn_z/Δn_x的比，因此与x-z平面相比，对于y-z平面在较小角度处出现布鲁斯特条件。对于x-z平面和y-z平面之间的方位角，存在内布鲁斯特角的闭联集。因此，仅采用两种材料制备的多层反射器沿着不同的面内方向可表现出不同的布鲁斯特角。关于光源的有效隐藏，沿着所有的面内方向，在垂直入射角度处的相对高的反射率可以是所需的。在一些实施例中，反射率沿着任一轴都大于约50％。以下给出具有特定材料的实例。

如果这种不对称反射器的反射率对于一个轴比对另一个轴高得多，则在偏振来自背光源的光以及得到从背光源输出的空间上更均匀的光方面，反射器可执行反射型偏振器的功能。通常，如果提供的是偏振循环、或“增益”，则“透光”轴的透射比率应当接近或大于“阻光轴”的透射率的至少两倍。

重新参考图2，对于采用线光源或接近线性阵列的点光源照亮的系统，该不对称反射器的“阻光轴”优选地与该线性方向对齐。

本发明的反射器主要透射倾斜的光线，并且在一些实施例中使用光转向层(例如漫射器、棱镜膜或、珠状的“增益漫射器”膜等等)，从而得到相对于显示器和观察者的垂直入射角度的光，如本文还将进一步讨论。如果反射器还用作预偏振器或偏振循环膜，则光转向层基本上不应当偏振由反射器投射的光。如果漫射器或光转向膜基本上偏振该光，则在反射器和显示面板之间可以添加单独的反射型偏振器。

本文将进一步讨论的反射器40的结构存在许多可能性。例如，在一个实施例中，反射器40是各向同性的材料的多层叠堆。以下描述反射器40的另外的示例性构造。

反射器为双折射层状结构

双折射层状结构在(例如)美国专利No.5,882,774中有所描述。通常，优选的多层反射器40为这样的一个多层反射器，其中z轴折射率差值大于x轴折射率差值和y轴折射率差值中的一个或两个。

对于用作反射器的双轴双折射层状结构的某些实施例，沿着至少一个面内轴的反射率为至少约50％或至少约60％。

当考虑布鲁斯特角时，另一个重要的问题是光学结构的内布鲁斯特角在空气中是否可达到。图9示出面内折射率为1.57和1.41的双折射层和各向同性的层的多层叠堆的空气中的反射率模型。n_1z值的范围从图线a的1.41至图线f的1.7。因此，Δn_z值的范围从图线a的0至图线f的0.29。采用具有这些面内折射率的两种材料的400个交替的层，可以实现在从400nm至800nm的垂直入射角度处的90％的反射率。图9中示出的反射率值不包括表面反射，即，在计算中不包括来自空气-聚合物界面的贡献。与Δn_x相比，Δn_z越大，布鲁斯特角越小。图线d代表内布鲁斯特角是约78°并且n_1z＝1.62的构造，其易于通过使用作为高折射率材料的sPS和有机硅聚草酰胺来实现。对有机硅聚草酰胺的使用在2005年12月23日提交的共同待审且共同拥有的美国专利申请No.60/753,857中有所描述。通过减小n_2z相对于n_2x的值，即通过使用具有合适符号的双折射材料用于低折射率层，当然也可减小布鲁斯特角。

反射器具有盘形间隙

在图10和图11所示的一个示例性实施例中，反射器70是在各向同性介质74中包括(例如)各向同性小板块或盘72形式的间隙的不连续相材料。有间隙的材料的优点是空气中的布鲁斯特角可低至约50度。通过在挤出或模铸期间使用发泡剂(本领域熟知的工艺)，可在聚合物膜中产生间隙。

优选地，材料是各向同性的，并且间隙具有约3∶1或更大的直径(D)与厚度(t)的纵横比。纵横比更优选地为约10∶1或更大。在其它实施例中，间隙区可以具有椭圆形外形。为了在具有不连续相或分散相的连续介质中实现布鲁斯特角效应，分散相粒子或间隙尺寸比光的波长大得多并且优选地具有大约平的表面，比如接近平盘形状的扁球。

例如，在一个实施例中，采用发泡PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制备各向同性的有间隙的材料。例如，参见在Journal of Cellular Plastics(泡沫塑料期刊)2004年3月第40卷第2期第111-130(20)页上由R.Gendron和P.Moulinie所著的“Foaming Polymethyl methacrylatewith an Equilibrium Mixture of Carbon Dioxide and Isopropanol”(采用二氧化碳和异丙醇的平衡混合物进行聚甲基丙烯酸甲酯的发泡)。环状烯烃是带有间隙以制备各向同性的空气/聚合物镜的另一类各向同性的聚合物。另外，环状烯烃通常可以以比PMMA高的拉伸比率被拉伸，从而在间隙中得到较高纵横比。

在示例性实施例中，盘形部分的折射率比围绕材料的折射率低。在另一个实施例中，盘形部分的折射率比围绕材料的折射率高。

已经讨论了具有内布鲁斯特角的反射器的多个不同构造，并且下面将作进一步描述。另外，重要的是要注意，不同的反射器构造可以用于不同的背光源构造，例如本文进一步所讨论的具有各种光提取层的背光源构造。在一些实施例中，反射器采用各向同性膜层制备，并且在其它实施例中，采用具体特制的双折射层制备。以下描述额外的反射器构造。

反射器为PEN层和PMMA层

在一个示例性实施例中，反射器92为多层结构，其包括PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)和PMMA的530个各向同性的层。单个层的厚度范围从约500nm至2000nm。

反射器为PEN层/HTV层

在一个实施例中，反射器为具有层的层状结构，该层在取向的PEN和THV(作为3M的Dyneon^TM THV Fluorothermo塑性材料的四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物出售)之间交替。在一个实施例中，取向的PEN层具有n_x＝n_y＝1.75且n_z＝1.49，而THV层具有n＝1.35。在其它实施例中，反射器为取向的PET/THV镜。在一个实例中，取向的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)层具有n_x＝n_y＝1.65和n_z＝1.49。这些类型的反射器当浸渍在丙烯酸类树脂(n＝1.49)中时分别具有54度和51度的内布鲁斯特角(入射介质中测量的)。PEN/THV的反射器可以被制备成在垂直入射角度处的反射率为约99％。然而在空气中，对于PEN/THV，p偏振反射率将随角度从在垂直入射角度处的99％降低到在90度处的90％，对于PET/THV则从99％降低到80％。优选地，PEN/THV型构造与光注入和/或提取组件联合使用。

反射器为sPS层和PMMA层

在另一个示例性实施例中，多层反射器可采用间规立构聚苯乙烯(sPS)和PMMA的交替的层制备。sPS材料可为双轴取向的，以实现大约1.57(取决于波长)的面内(x-y)折射率，而厚度方向折射率或z折射率为大约1.62。除非另外指明，否则所有的折射率指的是在633nm的波长处的值。一旦多层反射器膜取向，PMMA就将以约1.49的折射率保持基本上各向同性。图15示出对于s偏振光和p偏振光的角度与该sPS和PMMA的单个界面反射率的相关性，其对照空气中的多层反射器膜上的入射角被绘制。曲线130示出对于p偏振光的反射率，曲线132示出对于s偏振光的反射率。多层sPS/PMMA反射器可被设计成在垂直入射角度处具有从约10％至90％的任何所需的量的反射率。随着入射角增大，对于p偏振光的反射率将成比例地降低。sPS/PMMA反射器的另一个示例性实施例在垂直入射角度处具有约80％的反射率。

当这些材料的多层膜与阻挡s偏振光(其具有平行于线光源的E场方向)的反射型偏振器结合使用时，随后只有p偏振光将在垂直于线光源的平面内冲击该膜。这样，在该平面内透射的总光量将随入射角增大，在内布鲁斯特角处达到最大值，在这种情况下，在空气中的内布鲁斯特角为约74度，如曲线130接近零反射率处所示。

对于以上关于图15讨论的具有相同折射率的s偏振光和p偏振光而言，图16用图表表示sPS/PMMA的多层四分之一波长叠堆的反射率的角度相关性的模型。曲线160示出包括两个空气界面的膜叠堆对于p偏振光的反射率，曲线162示出对于s偏振光的反射率，并且曲线164用图表表示仅移除空气界面的叠堆对于p偏振光的反射率。曲线160和164之间的差值示出表面反射的效果，与膜叠堆的内界面相比，其通常具有不同的布鲁斯特角度值和反射幅度。图16的曲线164中的最小值示出当光从空气入射时约74度的布鲁斯特角。曲线160的最小值示出对于内界面和空气界面的组合的布鲁斯特角。

sPS/PMMA多层反射器实施例的小折射率微分需要使用大量的层来实现在可见光谱上的高反射率。需要约1500层来实现图16中所示的在垂直入射角度处的87％的反射率模型。

反射器为sPs层和有机硅聚酰胺层

如果使用有机硅聚酰胺作为低折射率材料，则可以较少的层来实现较高的反射率。图18示出具有sPS层和有机硅聚酰胺层并且可实现合格反射率的反射器结构的一个实例，其中，各向同性的层的折射率为1.41，并且交替的层具有1.62的z折射率和1.57的面内折射率。可以使用约1000层来制备反射器，使反射器在垂直入射角度处在约400纳米至850纳米的光谱范围内的反射率为约99.5％。图19示出这种镜的反射率与角度的关系曲线。曲线180示出在空气中膜叠堆对于p偏振光的反射率，曲线184用图表表示没有空气界面的叠堆对于p偏振光的反射率。也可以仅使用几百层来制备合格的镜。

与采用所有各向同性的层制备的反射器相比，使用在空气中可达到布鲁斯特角的反射器可提供改进的灯泡隐藏，同时保持高效率的背光源。因为这类反射器可被制备成在垂直入射角度处具有高达或超过99％的反射率，并且在空气中小于90度的角度处仍然具有大致零反射率，所以这样是可以的。组装了这些反射器的背光源的多个实施例不包括用于从这种反射器注入或提取光的微结构。在许多实施例中，仍然存在漫射器或光转向膜，以便向显示器提供所需的光的角分布。例如，将随机化漫射器设置在反射器上方，或将BEF片与可选的具有优化的漫射水平的漫射片一起设置在反射器上方。

在本发明的其它实施例中，除非反射器被浸渍，否则使用各向同性多层反射器，但反射率也没有如随角度那样地快速降低。可通过向反射器施加结构化表面来实现浸渍操作。“增益漫射器”或其它珠状或棱柱结构与表面的层合可以实现这个效果。

具有两个布鲁斯特角的不对称反射器

在合适的多层叠堆的不对称拉伸的情况下，反射器的一个面内轴与其正交的面内轴相比可具有小得多的布鲁斯特角。这样，反射器的至少一个轴在空气中可具有接近60度的内布鲁斯特角。该值接近空气/聚合物布鲁斯特角。这是重要的，因为在大角度处，表面反射决定了穿过膜的透光率。这些不对称反射器可提高背光源的效率，同时还提供了相同或更好的灯泡隐藏特性。

本文中所描述的背光源构造可使用的具有内布鲁斯特角的反射器的一个实例，采用负双折射聚合物层和低折射率的各向同性的聚合物或低折射率的正双折射聚合物的交替的层的叠堆来制备。负双折射聚合物被定义为：折射率在拉伸方向减小、在正交方向的折射率中的一个或两个同时增加的聚合物。正双折射聚合物被定义为：折射率在拉伸方向增大而沿着、在正交方向的折射率中的一个或两个同时减小的聚合物。

聚合物叠堆仅在一个方向取向、或通常采用任何不对称的拉伸，从而产生不对称的反射器。当在背光源中使用时，该反射器可与漫射器结合、并且可选地与标准反射型偏振器结合，以有助于隐藏明亮的点光源。

通过使用不对称的取向，采用较大折射率微分的材料，在空气中，一个轴可具有高反射率而另一个轴可具有低至60度的内布鲁斯特角。当与标准多层反射型偏振器和漫射器结合时，明亮的光源可被有效地掩盖。

反射器为对称双轴取向的sPS/有机硅聚酰胺层

具有内布鲁斯特角的反射器的一个实施例为对称双轴取向的sPS/有机硅聚酰胺反射器。有机硅聚酰胺具有1.41的折射率，比PMMA的折射率低得多，并且有机硅聚酰胺可在使用可控数量的层的同时使反射器具有高反射率。用于该实施例的两种材料的折射率与图18中所示的相同。各向同性的层具有1.41的折射率，而交替的双折射层具有1.62的z折射率和1.57的面内折射率。在这种情况下，两个拉伸方向的折射率相同。如所建模的，图20示出对于具有400层叠堆的该反射器叠堆(其反射400nm至850nm的光)随角度变化的反射率。曲线2000示出多层叠堆及其空气界面对于p偏振光的反射率，而曲线2004用图表表示仅移除表面-空气界面反射的叠堆对于p偏振光的反射率。对于p偏振光的峰值反射率在零度处为约90％。布鲁斯特角为在约85度处，并且表面反射使对于p偏振光的总反射率的最小值变为约70度并具有约15％的最小反射率。

单轴取向的sPS/有机硅聚酰胺层

具有两个布鲁斯特角的不对称反射器的一个实施例为单轴取向的sPS/有机硅聚酰胺层的叠堆。在一个实例中，该实施例的叠堆具有约210个层对，并且对于沿着非拉伸轴或强轴偏振来说，在零度处的光具有99％的反射率。当sPS和SPA的叠堆以标准拉幅被单轴取向时，可得到图21所示的叠堆折射率集。

该反射器设计的反射率具有弱轴和强轴。图22中所示的强轴具有0.21的折射率微分。图24中所示的弱轴仅具有0.10的折射率微分。对于图23中的强轴，对照空气中的角度来绘制反射率。曲线2300示出具有两个空气界面的叠堆对于p偏振光的反射率。曲线2304用图表表示没有空气界面的膜叠堆对于p偏振光的反射率。

对于图25中的弱轴，对照空气中的角度来绘制反射率。曲线2500示出具有两个空气界面的膜叠堆对于p偏振光的反射率。曲线2502示出对于s偏振光的反射率，并且曲线2504用图表表示没有空气界面的叠堆对于p偏振光的反射率。

这两个轴都具有内布鲁斯特角，但如图23和图25所示，这两个布鲁斯特角非常不同。对于膜叠堆，强轴的内布鲁斯特角大于90度，而弱轴的内布鲁斯特角为约60度。应该注意的是，内层界面的布鲁斯特角与空气界面的布鲁斯特角大约相同。当与例如DBEF或APF(高级偏振膜，例如3M公司以Vikuiti^TM的牌子出售的APF-ND)的反射型偏振器以及光转向膜联合使用并与之正确对齐时，如在本发明的实施例中所发生的，可以明显地隐藏灯泡。

反射器为sPS层/THV层

具有两个布鲁斯特角的反射器的一个实施例与图21的实施例类似，但折射率为1.41的有机硅聚酰胺被折射率为1.35的THV取代。需要较少的层(约120个层对)来实现相同的效果。为了使该效果最大化，可采用从接近均匀双轴到真实单轴拉伸的任意不对称方式将这些实例的膜叠堆取向。

与图21的实施例类似，该反射器设计的反射率具有弱轴和强轴。图26中所示的强轴具有0.27的折射率微分。图28中所示的弱轴具有0.16的面内折射率微分。对于图27中的强轴，对照空气中的角度来绘制反射率。曲线2700示出具有两个空气界面的叠堆对于p偏振光的反射率，并且曲线2704用图表单独地表示叠堆对于p偏振光的反射率。

对于图29中的弱轴，对照空气中的角度来绘制反射率。曲线2900示出了叠堆加上空气界面对于p偏振光的反射率，曲线2902示出对于s偏振光的反射率，并且曲线2904用图表表示没有空气界面的叠堆对于p偏振光的反射率。应该注意的是，在这种情况下，对于有空气界面的曲线2900和对于没有空气界面的曲线2904的最小值为类似的。

这两个轴都具有内布鲁斯特角，但如图27和图29所示，两个布鲁斯特角非常不同。对于膜叠堆，强轴的内布鲁斯特角大于90度，而弱轴的内布鲁斯特角为约65度。当与例如DBEF或APF的反射型偏振器和漫射器结合使用并与之正确对齐时，如在本发明的实施例中所发生的，可以明显地隐藏灯泡。

本发明可用的多层反射器的其它优选材料组合使用的是以下较高折射率层的材料中的一种：coPEN、PET的共聚物、和PENg(高折射率无定形PEN)。术语coPEN包括PET或聚萘二甲酸乙二醇酯的任何共聚酯。折射率较小的材料可用的材料实例包括PMMA、有机硅聚草酰胺和THV。

具有光注入层和/或提取层的背光源实施例

具有固体界面的反射器大多数通常具有布鲁斯特角，其对于平面平行界面通常不可从空气达到。因此，与冲击反射器的大量的光在布鲁斯特角处被透射的情况相比，反射器具有较低的整体透射率。通过允许在非常大的角处注入和提取穿过反射器的光，添加结构化表面或漫射器使得以其它方式不可达到的布鲁斯特角成为可达到。图12示出背光源90的一个实施例。采用与图2的背光源30类似的多个方式，背光源90包括光腔体22(其具有反射型偏振器32)、灯36和后反射器34。背光源90还包括反射器92和光转向层94。光转向层94能够根据入射光的透射来更改光的分布。层94这里也可以被称作注入层。

另外，即使不需要提取层，在一些实施例中，例如图2所示的用空气界面而不用注入层进行操作的系统还可以得益于光转向层。图2的现有的组件-光源、反射器40和偏振器32-能够向LCD面板提供均匀强度的光，但在一些实施例中，光被导出到侧边而不是导向观察者。在一些实施例中，光转向层为漫射器。漫射器可以使射出反射器40的光的方向随机化。或者，可以使用图14的棱镜膜。两者都不必被层合，即，空气间隙也可以工作或较好地工作。

可以充当光转向层的结构实例包括漫射器、空间漫射器、和表面结构(例如棱镜)，如增亮膜。当光转向层94为如图12所示的棱镜结构时，棱镜凹槽96与灯36的轴平行地对齐。可使用的棱镜结构的一个实例为由3M公司销售的光学照明膜。

漫射器还可具有额外的重要功能。它不仅使光的方向随机化，而且还应当透射基本量的入射光。通常，能够使光的方向随机化的漫射器还将把基本部分的光反射回背光源中。这种漫射器的反射率随入射角而增大，即，其在垂直入射角度处为最低。当与反射器40的透射率随入射角而增大的相反效果结合时，该效果使得在整个背光源表面的强度相等。

与垂直入射角度的光线相比，如本文所讨论的具有内布鲁斯特角的反射器92旨在优先地透射角度大的光线。然而，大多数显示器件需要光最终被垂直导向显示表面，从而对于显示器正前方的观察者而言，显示亮度为最高。为提取接近布鲁斯特角被透射的光，在图12所示的实施例中，在反射器92的出射侧上包括第二光转向层98。层98也可被称作提取层或提取器。在一个实施例中，背光源90包括充当光注入层的光转向层94和充当光提取层的光转向层98两者。在其它实施例中，背光源90仅包括两个光转向层94、98中的一个。

以上被描述为光转向层94的结构还可以用作光转向层98。在一个优选的实施例中，光转向层98为由3M公司销售的CG 3536 Scotch Cal漫射膜。“增益漫射器”或其它珠状或棱柱结构与表面的层合也可用作光转向层94和/或光转向层98。

图12的结构中所使用的偏振器32的一个实例为采用PETG(乙二醇化聚酯)共挤出的单轴取向的90/10coPEN(聚萘二甲酸乙二醇酯的共聚物)的275层膜。在另一个实施例中，使用漫反射型偏振器作为偏振器。

表现出在空气中可达到的内布鲁斯特角而没有采取结构化的层或漫射注入层的反射器的优点在于，需要的组件更少，因此成本可能更低。可通过在如上所述的多层构造中使用具有负应力光学系数的聚合物制备这些反射器。

作为转向层的棱镜膜

图13示出另一个背光源实施例，它能够将射出背光源的光导向更靠近垂直方向。背光源100包括微结构化的棱镜膜101，其设置在来自光腔体22的反射器102的相对侧上，使得棱镜结构103背离反射器。可选的粘合剂层104将棱镜膜101粘结到反射器102。如同已讨论的其它背光源实施例，光腔体22包括反射型偏振器32、灯36和后反射器34。在一个实施例中，棱镜膜101具有层合到独立式反射器结构102的平面侧105。或者，凡是反射器为多层涂覆型膜的，反射器102被涂覆到棱镜膜101的平面侧105上。

在图14所示的可供选择的实施例中，背光源110包括微结构化的棱镜膜111，其设置有朝向反射器112的棱镜结构113。可选的粘合剂层114将微结构化的棱镜膜111粘结到反射器112。如同已经讨论的其它背光源实施例一样，背光源110还包括光腔体22(其具有反射型偏振器32)、灯36和后反射器34。

实验结果

以下描述实例1和实例2的实验结果。图12所示的背光源结构90被作为实例1来构建和测试，其具有漫射器作为光提取层98，例如得自3M公司的CG 3536Scotch Cal漫射膜。实例1包含棱镜层作为光注入层94。为构建用于测试的实例1，将反射型偏振器32层合到丙烯酸类树脂板。将该丙烯酸类树脂板被设置在背光源22中的荧光灯的上方，使反射型偏振器的透光轴被设置成与灯36的轴正交。将具有其底部棱镜注入层94和顶部提取层98的各向同性的反射器92设置在该板的顶部，在棱镜表面处留有空气间隙。用透明的粘合剂将棱镜层94和提取层98层合到各向同性的反射器92的相背侧。实例1的各向同性的反射器92为具有530层的多层PEN/PMMA叠堆。各个层的厚度范围从约500纳米至约2000纳米。在630纳米处测量的该反射器的折射率为1.64和1.49。

实例2与实例1相同，不同的是实例2的光提取层94为10密耳厚的漫射器，具有约3微米的粒径。采用BYK Gardner Hazegard Plus(T.M.)仪器来测量漫射器的雾度、清晰度和透射率，其具有98％的雾度值、5％的清晰度和92％的透射率。

测量随在整个灯箱表面上的位置而变化的相对光强度。灯箱的尺寸为10cm×26.5cm，并且带有ESR镜膜的衬里，其为得自3M公司的Vikuiti^TM牌多层聚合物Enhanced Specular Reflector(ESR)(增强型镜面反射器)膜。灯为沿着灯箱的长度延伸并在距离每一个侧壁5cm处保持居中的荧光灯泡。灯泡被保持在距离灯箱底部约8mm的高度处。将偏振器及其它膜设置在距离灯箱底部约16mm处。实例1中的偏振器32是与PETG共挤出的单轴取向90/10coPEN的275层膜。

通过测量装配有适光滤光器的硅光检测器的短路电流，进行按照位置的相对强度测量。在图30中将实例1的这些强度测量值绘制成曲线181，并将实例2的这些强度测量值绘制成曲线182。图30还绘制了比较实例A的空间透射的强度，其为两侧都层合了漫射器的3mm厚的丙烯酸类树脂板，具体为得自3M公司的aCG 3536 Scotch Cal漫射膜。比较实例A中以简单的漫射膜看到的大的中心强度峰实际上通过使用实例1和实例2的结构来消除。

应该注意的是，对于实例1和实例2两者，在灯箱表面上方的总强度略低于对照实例A。反射型偏振器仅透射约50％的入射光线，但反射腔体能够对最终要被透射的光的被反射的部分进行大量循环利用和转化。对于实例2，提取器为偏振保持型漫射器，并且背光源的输出被部分地偏振，其最高强度的偏振与灯泡轴正交，其也是丙烯酸类板上的反射型偏振器的透光轴方向。通过将该轴与LCD面板底部吸收型偏振器的透光轴对齐，可有利地使用该效果，以增加显示器的亮度。

图31示出图12的PEN/PMMA反射器92的反射光谱190和透射光谱192。反射器的理想的反射光谱194和透射光谱196的一个实例在整个各种颜色上都应当为相当平坦的。反射率的最佳水平取决于背光源的反射效率，并可以实验方式确定。在某些实施例中，该反射器优选地具有很少或基本上没有光的吸收，在这种情况下，透射光谱将被定义为T＝1-R。在一个实例中，在约70％的反射率处，反射光谱194为相当平坦的，而在约30％的透射率处，透射光谱196为相当平坦的。

使用漫射器作为光转向层可掩盖由于随波长变化的不均匀反射率而造成的颜色问题。然而，优选使用表现出随波长变化的均匀透射率的反射器。可按如下方法制备这类反射器。

光谱控制1

当在彩色显示器中使用这些宽带局部反射器时，对这些宽带局部反射器中的颜色控制是重要的。通过反射光谱的形状来控制颜色。美国专利No.5,126,880和No.5,568,316提出：使用薄层和非常厚的层的组合以减少多层干涉反射器的虹色。如果在某些角度处(如在垂直入射角度处)需要高反射率，则采用该方法需要大量的层，并且这样导致非常厚的膜。

可供选择的方法是使用所有的或大多数的四分之一膜叠堆。在这种情况下，控制光谱需要控制膜叠堆中的层厚度分布。由于与无机膜相比，采用聚合物膜可以实现相对小的折射率差值，因此，如果层是聚合物型，宽带光谱(例如反射空气中大范围角度的可见光所需的宽带光谱)需要大量的层。层数多(多于约250层)的聚合物型多层光学膜常规地已经使用层倍增器来制备，即，聚合物型多层光学膜已经由送料区块中的单组狭槽产生的层产生的多组层构造而成。该方法在美国专利No.6,738,349中有所略述。

倍增器大大简化了大量光学层的创建，但它们使每一组所得的层的变形对于每一组来说是不同的。因此，对送料区块中产生的层的层厚度分布方面的任何调整对于每一组来说是不同的，这意味着不可同时优化所有组来产生没有光谱峰的均匀平滑的光谱。如果在送料区块中直接产生的多个层不提供足够的反射率，则可层合两个或更多个这样的膜来增大反射率。因此，产生低颜色、或受控色谱的方法如下：

1)使用轴棒加热器控制共挤出的聚合物层的层厚度值在美国专利No.6,783,349中有所教导。

2)送料区块的设计使得叠堆中所有层在层形成过程中直接受轴棒加热器区的控制，即，没有使用层倍增器。

3)通过使用层厚度测量工具，例如(如)原子力显微镜(AFM)、透射型电镜、或扫描电镜，在制备期间适时地反馈层厚度分布。

4)用于产生所需的层厚度分布的光学建模

5)基于测量的层分布与所需的层分布之间的差值来反复调节轴棒。

通常没有像AFM一样准确，但还可通过对光谱求积分(对-Log(1-R)与波长光谱的关系式求积分)来快速估计层分布。这遵循的一般原理是：假设层厚度分布相对于层数是单调地增加或减少的，则可由层厚度分布的衍生物得到反射器的光谱形状。

具有后腔体的循环利用

通常也需要光的横向(空间)分布为均一的。这可采用包含至少一个使循环的光随机化的漫射元件的反射型背光源腔体来实现。另外可利用多个光源及其在背光源内的间距的使用，以提高从背光源发射的光的均匀度。图17示出在背光源3300中的这些概念，其包括光腔体3302、反射器3304(具有内布鲁斯特角)、漫射器3306和光学导光膜3307。光腔体3302包括漫射镜3308、和多个点光源、螺线形光源或线光源3310。

反射型偏振器的选择

如本文所讨论的，本发明的光学组件的一些实施例不包括反射型偏振器。对于的确包括反射型偏振器的实施例，对于该组件存在许多选择。如本文更详细讨论的，某些反射型偏振器表现出内布鲁斯特角，而其它的则没有。所使用的反射型偏振器可具有正交的反射轴和透射轴。

反射型偏振器可为或包括(例如)得自3M公司的Vikuiti牌的任意双倍增亮膜(DBEF)产品或任意的漫反射偏振膜(DRPF)产品、或任意的APF产品、或一个或多个胆甾型偏振膜。线栅偏振器(例如美国专利6,243,199(Hansen等人)和美国专利公布2003/0227678(Lines等人)中所述的那些)也是适合的反射型偏振器。单轴取向的光谱反射型多层光学偏振膜在美国专利5,882,774(Jonza等人)、5,612,820(Schrenk等人)、和WO02/096621A2(Merrill等人)中有所描述。具有连续相/分散相构造的漫反射型偏振器在(例如)5,825,543(Ouderkirk等人)中有所描述。在一些情况下，例如采用得自3M公司的双倍增亮膜-漫射(DBEF-D)，反射型偏振器也漫射地透射光。已知的胆甾型反射型偏振器是本发明所公开的背光源实施例中适用的另一个类型的反射型偏振器。在拟与背光源30一起使用的显示面板12包括靠近背光源设置的其自身的后偏振器的情况下(例如对于大多数LCD显示器)，为获得最大效率和照度，希望构造拟与显示面板后偏振器对齐的前反射型偏振器32，或反之亦然。LCD显示面板的后偏振器通常是吸收型偏振器，并且通常设置在像素化的液晶显示器件的一侧上，显示面板前偏振器设置在其另一侧上。

后反射器的选择

为了提高照度和效率，另外有利的是，后反射器不仅具有整体高反射率和低吸收率，而且其类型是根据反射来至少部分地转换入射光的偏振。即，如果一个偏振态的光入射到后反射器上，则至少一部分被反射的光以与第一状态正交的另一个偏振态被偏振。

许多漫射型反射器具有这种偏振-转换特征。一类合适的漫射型反射器是用作(例如)各种光测量测定仪器的白标准的那些，其由以压制的粉饼或瓷砖(例如硫酸钡或氧化镁)形式的白色无机化合物制成，但这些材料往往昂贵、刚性、并且易碎。其它合适的偏振-转换漫射型反射器为：(1)取决于粒子、围绕基质、和由于拉伸产生的可选空气填充的间隙的折射率差值的微孔粒子填充的制品；(2)由烧结的聚四氟乙烯悬浮液等等制备的微孔材料；以及(3)结构化表面，例如涂覆有反射型材料(例如银)的表面漫射器。用于制备微孔偏振-转换漫反射型膜的另一种可用技术为热致相分离(TIPS)。该技术已经在微孔材料的制备中采用，其中热塑性聚合物和稀释剂通过液-液相分离被分离，如(例如)在美国专利4,247,498(Castro)和4,867,881(Kinzer)中所述。合适的固-液相分离工艺在美国专利4,539,256(Shipman)中有所描述。使用在微孔材料中结合的成核剂还被描述为在美国专利4,726,989(Mrozinski)的固-液相分离法方面的改进。另外合适的漫反射型偏振-转换制品和膜在美国专利5,976,686(Kaytor等人)中被公开。

在一些实施例中，后反射器34可包括反射率非常高的镜面反射器，例如得自3M公司的Vikuiti牌多层聚合物型Enhanced Specular Reflector(ESR)(增强型镜面反射器)膜，其可选地与四分之一波长膜或其它光学延迟膜结合。Alanod^TM牌阳极化铝片材等等是高反射率镜面材料的另一个实例。作为以上所讨论构造的替代形式，偏振转换还可采用高反射率镜面反射器与在后反射器和前反射型偏振器之间设置的空间漫射材料的组合来实现，其组合出于此应用的目的被视为偏振-转换后反射器。或者，可将漫射材料或微结构化特征应用到镜面反射器的表面。

当后反射器34属于偏振-转换型时，最初被反射型偏振器32反射的光(因为其偏振态没有被该偏振器透射)在被后反射器34反射之后，可至少部分地被转换成其偏振态此时将穿过反射型偏振器的光，因此有助于整体背光源的亮度和效率。

在反射型偏振器32和后反射器34之间的腔体内设置的是光源36。从观察者的观点以及在平面图上来看，它们被设置在反射型偏振器32的后方。光源的外部发射表面被示出具有基本上圆形的横截面(如常规的荧光灯管或灯泡的情况一样)，但还可使用其它剖视形状。根据例如功率预算、整体亮度、热考虑事项、尺寸限制等等的设计标准，可根据需要来选择光源的数量、它们之间的间距、和它们相对于背光源的其它组件的布置。

在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本发明进行的各种修改和更改，对本领域内的技术人员来说将显而易见，并且应当理解，本发明不限于本文示出的示例性实施例。本文提及的所有美国专利、专利申请公布、及其它专利和非专利文献在它们与上述公开一致的程度上以引用方式并入。

Claims (27)

1.一种光学组件，包括：

反射器，所述反射器具有内布鲁斯特角；和

反射型偏振器，所述反射型偏振器具有正交的反射轴和透射轴。

2.根据权利要求1所述的光学组件，还包括一个或多个灯，所述反射型偏振器位于所述一个或多个灯中的至少一个灯与所述反射器之间。

3.根据权利要求1所述的光学组件，还包括一个或多个灯，所述反射器位于所述一个或多个灯中的至少一个灯与所述反射型偏振器之间。

4.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述反射器为各向同性的层状组件。

5.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述反射器包括在所述反射器内的部分，所述部分具有不同于围绕所述部分的材料的折射率。

6.根据权利要求5所述的光学组件，其中所述部分中的至少一些为盘形的。

7.根据权利要求5所述的光学组件，其中所述部分的折射率比围绕所述部分的材料的折射率低。

8.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述反射器为胆甾型反射器。

9.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述反射器对于p偏振光的反射率随入射角的增大而减小。

10.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述反射器为多层电介质反射器。

11.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述反射型偏振器为聚合物型。

12.一种直接照明式背光源组件，包括：

一个或多个灯；

反射器，所述反射器具有内布鲁斯特角，其中所述反射器的主表面面向所述一个或多个灯中的至少一个；和

光转向层。

13.根据权利要求12所述的背光源组件，其中所述一个或多个灯包括点光源灯、线光源灯或螺线形光源灯。

14.根据权利要求12所述的背光源组件，其中所述反射器具有从空气中可达到的内布鲁斯特角。

15.根据权利要求12所述的背光源组件，其中所述布鲁斯特角从空气不可达到。

16.根据权利要求12所述的背光源组件，还包括所述一个或多个灯与所述反射器之间的光注入层，其中所述光注入层增大了传播角度的范围。

17.根据权利要求12所述的背光源组件，其中所述光转向层使得能够触及更宽范围的传播角度。

18.根据权利要求12所述的背光源组件，其中所述光转向层选自由漫射器、增亮膜、和棱镜组件组成的组。

19.根据权利要求12所述的背光源组件，还包括反射型偏振器。

20.根据权利要求19所述的背光源组件，其中所述反射型偏振器在与所述反射型偏振器的阻光轴平行的入射平面内没有内布鲁斯特角。

21.根据权利要求19所述的背光源组件，还包括第二光转向层。

22.根据权利要求19所述的直接照明式背光源组件，其中所述反射型偏振器被设置在所述一个或多个灯与所述反射器之间。

23.根据权利要求12所述的背光源组件，其中所述一个或多个灯在所述反射器的所述主表面的投影面积内。

24.根据权利要求12所述的直接照明式背光源组件，其中所述反射器被设置在所述一个或多个灯与所述光转向层之间。

25.根据权利要求12所述的直接照明式背光源组件，其中所述光转向层和所述反射器被设置在所述一个或多个灯的正上方。

26.一种光学组件，包括：

一个或多个灯；

显示面板；

反射器，所述反射器具有内布鲁斯特角，其中所述反射器为至少三层的多层干涉膜，所述层中的至少一层为双折射的，x方向上的折射率(n_x)小于z方向上的折射率(n_z)，所述x方向为面内方向，所述反射器位于所述灯和所述显示面板之间。

27.一种光学组件，包括：

背光源反射器，所述背光源反射器具有平滑侧，其中所述背光源反射器具有空气中小于90度的内布鲁斯特角，膜的内部对于一个偏振的内反射率对于某个角度为零；所述背光源反射器在垂直入射角度处的反射率为50％或更大。

Images