CN101939675A - 具有结构化膜的中空背光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种背光源(120)，其包括前反射器(130)和后反射器(160)，所述前反射器和后反射器形成具有输出表面(164)的中空的光再循环腔(162)。所述前反射器包括至少四个定向再循环膜(132)。所述背光源还包括半镜面漫射片以及一个或多个光源(166)，所述半镜面漫射片设置在前反射器与后反射器之间，所述光源设置成向光再循环腔内发射光。

Description

具有结构化膜的中空背光源
相关专利申请
本专利申请要求提交于2008年2月7日的美国临时专利申请No.61/026876的权益，该专利的公开内容以引用方式全文并入本文。
以下共同拥有和共同待审的PCT专利申请以引用方式并入本文：PCT专利申请No.PCT/US08/064096，其名称为“THIN HOLLOW BACKLIGHTSWITH BENEFICIAL DESIGN CHARACTERISTICS”(具有有利设计特性的薄中空背光源)；PCT专利申请No.PCT/US08/064115，其名称为“RECYCLINGBACKLIGHTS WITH SEMI-SPECULAR COMPONENTS”(具有半镜面组件的再循环背光源)；PCT专利申请No.PCT/US08/064129，其名称为“WHITELIGHT BACKLIGHTS AND THE LIKE WITH EFFICIENT UTILIZATION OFCOLORED LED SOURCES”(有效利用彩色LED光源的白光背光源等)；PCT专利申请No.PCT/US08/064125，其名称为“COLLIMATING LIGHTINJECTORS FOR EDGE-LIT BACKLIGHTS”(用于侧光式背光源的准直光射入器)；PCT专利申请No.PCT/US08/064133，其名称为“BACKLIGHT ANDDISPLAY SYSTEM USING SAME”(背光源及使用其的显示系统)。
技术领域
本发明涉及适用于从背后照明显示内容或图像的扩展面光源，其通常被称为背光源。
背景技术
从历史上看，简单的背光源装置仅包括三个主要组件：光源或灯、后反射器和前漫射片。这样的系统还通用于广告指示牌以及室内照明应用。
近年来，已经通过添加其他组件对这种基本背光源设计进行了改进，以增加亮度或减小功耗、增加均匀度、和/或减小厚度。由于高速增长的消费电子产品行业对包含液晶显示器(LCD)的产品(例如，计算机监控器、电视监控器、移动电话、数码相机、袖珍MP3音乐播放器、个人数字助理(PDA)以及其他手持式装置的需求，更刺激了这些改进。本文中结合关于LCD装置的进一步的背景信息提及了这些改进中的一些，例如使用固态导光装置以允许设计非常薄的背光源，以及使用光管理膜(例如线形棱柱膜和反射偏振膜)以增加轴向(on-axis)亮度。
尽管上面列出的产品中的一些也可以使用普通环境光来观看显示内容，但大部分都包括用于使显示内容可见的背光源。就LCD装置而言，这是因为LCD面板不是自发光的，因此通常利用照明组件或“背光源”来观看。背光源位于LCD面板的与观看者相对的一侧，使得背光源产生的光透过LCD而到达观看者。背光源包含一个或多个光源，例如冷阴极荧光灯(CCFL)或发光二极管(LED)，并使来自所述光源的光散布在与LCD面板的可视面积匹配的输出面积上。有利的是，背光源所发出的光在背光源的整个输出面积上具有足够的亮度和足够的空间均匀度，以为使用者提供对LCD面板所生成图像的令人满意的观看体验。
LCD面板通常仅使用光的一个偏振态，因此就LCD应用而言，重要的是知道背光源的正确即可用偏振态的光的亮度和均匀度，而不仅只是可能为非偏振的光的亮度和均匀度。在这一方面，在所有其他因素相同的情况下，与发射非偏振光的背光源相比，发射主要为或全部为可用偏振态的光的背光源在LCD应用中更为有效。然而，发射非全部为可用偏振态的光(甚至到发射随机偏振的光的程度)的背光源仍完全可用于LCD应用，这是因为可通过在LCD面板和背光源之间设置吸收型偏振片来消除不可用的偏振态。
通常认为LCD装置可分成三类，在这三类中有两类使用背光源。在第一类(称作“透射型”)中，LCD面板仅可借助于发光背光源来观看。也就是说，LCD面板被构造为仅“在透射模式下”通过使来自背光源的光透过LCD而到达观看者来观看。第二类(称作“反射型”)不需要背光源，用反射材料代替背光源，并且LCD面板被构造为可仅用位于LCD的观看者一侧的光源来观看。来自外部光源的光(例如，室内环境光)从前至后透过LCD面板，被反射材料反射，并再次透过LCD而到达观看者。第三类(称作“透反射型”)的背光源和部分反射材料均被置于LCD面板后面，LCD面板被构造为既可在背光源打开时在透射模式下观看，也可在背光源关闭而存在充足的环境光时在反射模式下观看。
除了上面讨论的三类LCD显示器之外，还可根据内部光源相对于背光源的输出面积的布置位置将背光源分为两类，其中背光源“输出面积”对应于显示装置的可视面积或区域。背光源的“输出面积”在本文中有时被称为“输出区域”或“输出表面”，以区分区域或表面本身与该区域或表面的面积(其单位为平方米、平方毫米、平方英寸等的数值量)。
在“侧光式”背光源中(从平面图看)，一个或多个光源沿着背光源构造的外边界或周边(通常在与输出面积对应的面积或区域之外)设置。光源通常将光发射到被称作“导光装置”的组件中，特别是在需要外形非常薄的背光源的情况下，例如在膝上型计算机显示器中。导光装置是透光的、固体的且相对薄的板，其长度和宽度尺寸接近背光源输出面积。导光装置使用全内反射(TIR)，以将光从安装在边缘的光源横跨导光装置的整个长度或宽度传送或引导到背光源的相对边缘，并且导光装置的表面上设有局部提取结构的非均匀图案，以将出自导光装置的所导引光中的一些光再导向背光源的输出面积。这样的背光源通常还包括光管理膜，例如设置在导光装置后面或下方的反射材料以及设置在导光装置前面或上方的反射偏振膜和棱柱增亮膜，以增加轴向亮度。
在申请人看来，现有侧光式背光源的缺点或局限包括：与导光装置有关的较相对大的质量或重量，特别是对于较大的背光源尺寸而言；需要使用不可在背光源之间互换的组件，因为导光装置必须针对特定背光源尺寸并针对特定光源配置而注塑成形或以其他方式加工；需要使用要求背光源具有一个位置到另一位置的基本的空间不均匀性的组件，如当前的提取结构图案一样；并且，随着背光源尺寸增加，由于沿着显示器边缘的有限空间或“实际使用面积(real estate)”导致提供足够照明的难度增加，这是因为矩形的周长与面积之比随着面内特征尺寸L(例如，对于给定纵横比的矩形，背光源的输出区域的长度、或宽度、或对角线尺寸)而线性减小(1/L)。
在“直下式”背光源中(从平面图看)，一个或多个光源基本上设置在与输出面积对应的面积或区域中，通常在该区域内以规则的阵列或图案布置。强漫射板通常安装在光源上方，以将光扩散到整个输出面积上。同样，光管理膜(例如反射偏振膜和棱柱增亮膜)也可被置于漫射板顶上，以用于提高轴向亮度和效率。大面积LCD应用往往使用直下式背光源，因为直下式背光源不受侧光式背光源的1/L约束的限制。
在申请人看来，现有直下式背光源的缺点或局限包括：与强漫射板有关的低效；就LED光源而言，需要大量这种光源以达到足够的均匀度和亮度，相关联地组件成本和发热量也高；对可实现的背光源薄度有限制，超过该限制，光源会产生不均匀和不期望的“穿通”，在“穿通”情况下，在输出面积中在每个光源上方会出现亮点。
在一些情况下，直下式背光源也可在背光源的周边处包括一个或一些光源，或者侧光式背光源可在输出面积的正后方包括一个或一些光源。在这样的情况下，如果大部分光来自背光源输出面积的正后方，则该背光源被认为是“直下式”，如果大部分光来自背光源输出面积的周边，则该背光源被认为是“侧光式”。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种背光源，所述背光源包括前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空的光再循环腔。所述前反射器包括：第一定向再循环膜，其具有沿第一轴线延伸的棱柱的阵列；以及第二定向再循环膜，其设置为使得第一定向再循环膜位于第二定向再循环膜与后反射器之间。第二定向再循环膜具有沿第二轴线延伸的棱柱的阵列。所述背光源还包括：半镜面漫射片，其设置在前反射器与后反射器之间；以及一个或多个光源，其设置成在关于发射轴线的有限角度散布内向光再循环腔内发射光，使得第一轴线平行于所述发射轴线。
在另一方面，本发明提供了一种背光源，所述背光源包括前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空的光再循环腔，其中所述前反射器包括至少四个定向再循环膜。所述背光源还包括：半镜面漫射片，其设置在前反射器与后反射器之间；以及一个或多个光源，其设置成可向光再循环腔内发射光。
在又一方面，本发明提供了一种显示器，所述显示器具有液晶面板以及向所述液晶面板提供光的背光源。所述背光源包括前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空的光再循环腔。所述前反射器包括：第一定向再循环膜，其具有沿第一轴线延伸的棱柱的阵列；以及第二定向再循环膜，其设置为使得第一定向再循环膜位于第二定向再循环膜与所述后反射器之间。第二定向再循环膜具有沿第二轴线延伸的棱柱的阵列。所述背光源还包括：半镜面漫射片，其设置在前反射器与后反射器之间；以及一个或多个光源，其设置成在关于发射轴线的有限角度散布内向光再循环腔内发射光，使得第一轴线平行于所述发射轴线。
在再一方面，本发明提供了一种显示器，所述显示器具有液晶面板以及向所述液晶面板提供光的背光源。所述背光源包括前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器形成具有输出表面的中空的光再循环腔，其中所述前反射器包括至少四个定向再循环膜。所述背光源还包括：半镜面漫射片，其设置在前反射器与后反射器之间；以及一个或多个光源，其设置成可向光再循环腔内发射光。
在下面的具体实施方式中，本发明的这些方面以及其它方面将显而易见。然而，在任何情况下不应将上述发明内容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，并且在审查期间可以进行修改。
附图说明
参照附图描述本发明，其中：
图1是显示系统的一个实施例的示意性剖视图。
图2是棱柱光学膜的一个实施例的一部分的示意性剖视图。
图3是增益漫射片的一个实施例的示意性剖视图。
图4是增益漫射片的另一个实施例的示意性剖视图。
图5是背光源的一个实施例的示意性透视图。
图6是具有半镜面漫射片的背光源的一个实施例的示意性剖视图。
图7是多功能光学膜的一个实施例的一部分的示意性剖视图。
具体实施方式
总的来说，本发明描述背光源，所述背光源可提供足以满足预期应用的亮度和空间均匀度。这样的背光源可用于任何合适的照明应用，例如显示器、指示牌、普通照明等。在一些实施例中，所描述的背光源包括由前反射器和后反射器形成的中空导光装置。前反射器可以是部分透射的，从而允许发射具有所需光学特性或光学特性组合的光。在一些实施例中，所需光学特性可包括所选的偏振态；在其它实施例中，所需光学特性可包括具有所选视角的发射光。
在一些示例性实施例中，本发明揭示的背光源平衡以下特性：1)光的再循环量；2)光在腔内的散射程度；以及3)导入腔内的光的角度与空间散布。这种平衡/定制可通过再循环以及(可选)受控的漫射量而在腔内(既在空间也在角度上)基本上充满光。所述再循环量足以实现所需背光源的均匀度、效率和亮度。这种平衡还可提供这样的背光源，所述背光源的亮度和均匀度可适合高性能显示应用，但所述背光源还具有此前不可实现的形体比例(例如，薄型设计)、光学性质(例如，对于给定光源发射面积的大输出面积)或电效率。
在传统背光源中，设计给定的亮度值和照明均匀度的背光源时，灯与漫射片的间距、灯与灯的间距以及漫射片透射性是重要的考虑因素。一般来讲，强漫射片(即能漫射更多入射光的漫射片)能改善均匀度，但同时会降低亮度，这是因为高的漫射强度会伴随着强的反向漫射即反射。这样的强漫射片还会增大背光源外形的总体厚度。
根据本发明的一些实施例，部分透射的前反射器可提供更高的照明均匀度和/或颜色混合，而不需要强漫射片，从而减小背光源的厚度外形。
在背光源包括能够生成具有不同峰值波长或颜色的光的光源(例如红色、绿色、蓝色LED的阵列)的一些实施例中，高再循环腔可用来散布光，使得被导向装置外的光的颜色和强度更均匀。例如，当需要白色照明光时，腔可混合来自各个颜色光源的光，使得液晶面板呈现更均匀的白光。这样的再循环腔可以比使用的标准背光源(例如，LC显示器中的背光源)薄得多。
本发明的背光源可用作显示系统(例如，LC显示器)的背光源。然而，本文所述的背光源并不限于用来对液晶显示面板提供照明。本发明所公开的背光源也可用于任何利用分立光源产生光并希望在包括一个或多个分立光源的面板外还具有均匀照明的场合。因此，所述背光源可用于固态空间照明应用、指示牌、照明面板等中。
一般而言，对于下一代背光源而言有利的是，在提供对于预期应用可接受的亮度和空间均匀度的同时还结合部分和全部的如下特性：外形薄；设计简单，例如最小数量的光源和方便的光源布局；重量轻；不使用或不需要从背光源中的一个位置到另一位置具有显著的定制空间不均匀性的薄膜组件；与LED光源兼容；对于与全都标称为同色的LED光源中间的颜色变动相关的问题不敏感，这称作“进仓(binning)”现象；在可能的范围内，对LED光源的子集的烧毁或其他故障不敏感；并且消除或减少了上面背景技术部分中所提及的至少一些局限和缺点。
这些特性是否能成功地并入背光源，部分地取决于用来照明背光源的光源的类型。例如，CCFL在其长且窄的发射面积上提供白光发射，那些发射面积还能散射入射在CCFL上的一些光(如再循环腔中会发生的那样)。然而，CCFL的典型发射具有基本上朗伯曲线型的角度散布，在给定背光源设计中，这可能是低效或在其他方面不理想的。另外，尽管CCFL的发射表面一定程度上是漫反射的，但是其通常还具有吸收损耗，申请人已发现该吸收损耗是严重的，如果需要高再循环腔的话。LED晶粒以近朗伯方式发射光，但是由于其尺寸相对于CCFL小很多，所以LED光散布容易修改，例如用整体封装的透镜或反射器或提取器来修改，以使所得到的封装LED成为前向发射器、侧向发射器或其他非朗伯型散布。这样的非朗伯型散布可为本发明所公开的背光源提供重要的优点。然而，LED光源相对于CCFL的较小尺寸和较高强度也会使其更难以产生空间均匀的背光源输出面积。对于使用各个颜色的LED(例如，红色/绿色/蓝色(RGB)的LED的排列)来产生白光的情况而言尤其如此，因为如果不能对这些光提供足够的侧向传送或混合，则容易导致不希望有的色带或面积。发白光的LED(其中荧光体由发蓝光或紫外光的LED晶粒激发，以从接近LED晶粒的小面积或体积产生强白光)可用于减小这种颜色不均匀性，但白色LED目前无法提供像用各个颜色的LED排列所能实现的色域那样宽的LCD色域，因此对于所有终端应用而言，白色LED可能并非理想。
申请人已经发现了一些可与LED光源照明兼容的，并且可产生在至少一些方面优于当前技术水平的市售LCD装置中可找到的背光源的背光源设计背光源设计特征的组合。这些背光源设计特征包括以下特征中的一些或全部：
A.再循环光学腔，其中大部分光在从前反射器出射之前在基本上共延的前反射器和后反射器之间经历多次反射，所述前反射器是部分透射、部分反射的；
B.通过例如提供低吸收损耗的基本上封闭的腔(包括低损耗前反射器和后反射器以及侧反射器)，并且通过使与光源相关的损耗保持得非常低(例如通过确保所有光源的累积发射面积是背光源输出面积的很小一部分)，使光在再循环腔中传送的总损耗保持得非常低；
C.再循环光学腔为中空，即光在腔内的侧向传送主要发生在空气、真空等中，而非发生在光密介质(例如，丙烯酸类树脂或玻璃)中；
D.就被设计为仅发射特定(可用)偏振态的光的背光源而言，前反射器对这样的可用光具有足够高的反射率，以支持侧向传送或扩散，并且使光线角度随机化以实现背光源输出的合格的空间均匀度，但是对适当的应用可用角度具有足够高的透射率以确保背光源的合格的高应用亮度；
E.再循环光学腔包括为腔提供镜面反射特性与漫射特性的平衡的一个或多个组件，所述组件具有足够的镜面反射性以支持腔内的显著的侧向光传送或混合，但是还具有足够的漫射性以使腔内稳态光的角度散布基本上匀化(甚至在仅以较窄范围的传送角度将光射入腔中时亦如此)。另外，腔内的再循环可导致反射光的偏振相对于入射光偏振态具有一定程度的随机化。这为不可用偏振光可通过再循环而被转换为可用偏振光的机制创造了条件；
F.再循环腔的前反射器具有通常随入射角变化的反射率以及通常随入射角变化的透射率，其中所述反射率和透射率是针对非偏振可见光并针对任何入射面的，使得存在第一角度区域和第二角度区域，反射率在第一角度区域中高于第一角度区域的外部，透射率在第二角度区域中高于第二角度区域的外部。另外，前反射器具有高的半球反射率(hemispheric reflectivity)值，同时具有对于应用可用光的足够高的透射率值；
G.光射入光学组件，其将初始射入再循环腔内的光部分地准直或限制到接近横向平面(所述横向平面平行于背光源的输出面积)的传送方向，例如射入光束相对于横向平面的平均偏离角度在0至45度的范围内。
如本文所提及的，本发明的背光源可用作显示系统的背光源。图1是光学显示器100的一个实施例的示意性剖视图。显示器100包括液晶面板110以及布置为向液晶面板110提供光的照明组件101。照明组件101包括背光源120，并且可包括另外的光管理组件180，例如光学膜。
如图1所示，液晶面板110包括液晶层112、入射板114和出射板116。入射板114和出射板116可各自包括玻璃基底，并且可各自包括电极矩阵、定向层、偏振器、补偿膜、保护层和其他层。色彩滤镜矩阵也可被包括在板114和116之一或其二者中，以用于在液晶面板110所显示的图像上附加颜色。在液晶面板110中，液晶层112的部分的光学状态通过借助电极矩阵施加的电场而改变。根据其状态，液晶层112的给定部分(与显示器100的像素或亚像素相对应)会或多或少地使透射透过其的光的偏振旋转。透过入射板114的入射偏振器、液晶层112和出射板116的出射偏振器行进的光减弱至不同的程度，这取决于偏振器的取向以及光遇到的液晶层部分的光学状态。显示器100利用这种行为来获得在不同区域具有不同外观的电子可控的显示器。
光管理组件180(也可称为光管理单元)的排列可布置在背光源120和液晶面板110之间。光管理组件180影响从背光源120传送的照明光。例如，光管理组件180的排列可包括漫射层，或简称为漫射片。漫射片用来漫射从背光源120接收的光。
漫射片可以是任何合适的漫射片或板。例如，漫射层可以包含任何合适的一种或多种漫射材料。在一些实施例中，漫射层可包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物基质，该基质具有各种分散相，包括玻璃、聚苯乙烯微珠和CaCO3颗粒。一些示例性的漫射片可包括得自3M公司(St.Paul，Minnesota)的类型为3635-30、3635-70和3635-100的3MTM ScotchcalTM漫射片。
可选的光管理组件180还可包括反射偏振器。可以使用任何合适类型的反射偏振器，例如多层光学膜(MOF)反射偏振器；漫反射型偏振膜(DRPF)，例如连续相/分散相偏振片；线栅反射偏振器；或者胆甾反射偏振器。
MOF反射偏振器以及连续相/分散相反射偏振器均依靠至少两种材料(通常为聚合物材料)之间的折射率差值来选择性地反射一种偏振态的光，并透射正交偏振态的光。在共同拥有的美国专利No.5,882,774(Jonza等人)中描述了MOF反射偏振器的一些实例。市售的MOF反射偏振器的实例包括VikuitiTM DBEF-D280和DBEF-D400多层反射偏振器，其包括漫射表面，可得自3M公司。
可用于本公开的DRPF的实例包括连续相/分散相反射偏振器，例如共同拥有的美国专利No.5,825,543(Ouderkirk等人)中所描述的那些，还包括漫反射多层偏振片，例如共同拥有的美国专利No.5,867,316(Carlson等人)中所描述的那些。其他合适类型的DRPF在美国专利No.5,751,388(Larson)中有所描述。
可用于本发明的线栅偏振片的一些实例包括美国专利No.6,122,103(Perkins等人)中所描述的那些。线栅偏振片尤其可得自Moxtek公司(Orem，Utah)。
本发明可结合使用的胆甾型偏振器的一些实例包括(例如)美国专利No.5,793,456(Broer等人)以及美国专利申请No.09/791,157(Pokorny等人)中所述的那些。胆甾型偏振器经常与四分之一波长延迟层一起设置在输出侧，以使得透射透过胆甾型偏振器的光被转换为线偏振光。
在一些实施例中，在背光源120和反射偏振器之间可设置偏振控制层。偏振控制层的实例包括四分之一波长延迟层以及偏振旋转层(例如液晶偏振旋转层)。偏振控制层可用于改变被反射偏振器反射的光的偏振，从而增加透射通过反射偏振器的再循环光的比率。
光管理组件180的光学排列还可包括一个或多个增亮层或膜(也被称为定向再循环层或膜)。增亮层是包括如下表面结构的一种层：该表面结构可以将离轴光的方向改变为更靠近显示器法向轴线的方向。这样能增加透过液晶面板110轴向传送的光量，从而增加观看者所看到图像的亮度和对比度。增亮层的一个实例为棱柱增亮层，其具有多个棱柱隆起，通过折射和反射来改变照明光的方向。可用于显示系统100的棱柱增亮层的实例包括VikuitiTMBEF II和BEF III系列的棱柱膜，这些膜可得自3M公司，包括BEF II 90/24、BEF II 90/50、BEF IIIM 90/50以及BEFIIIT。还可通过前反射器的一些实施例来实现亮度增强，如本文所进一步描述的。
可选的光管理单元180中不同的层可能是自立式的。在其它实施例中，可将光管理单元180中的两个或更多个层压合在一起，例如，如共同拥有的美国专利申请No.10/966,610(Ko等人)中所讨论的那样。棱柱光学膜或其他结构化表面光学膜可附着到其他膜，如共同拥有的美国专利No.6,846,089(Stevenson等人)中所讨论的那样。在其它示例性实施例中，可选的光管理单元180可包括两个由间隙隔开的子组件，例如，如共同拥有的美国专利申请No.10/965,937(Gehlsen等人)中所述的那样。
图1所示实施例的显示系统100包括背光源120。如本文所述，背光源120可以是任何合适的背光源。除非另外指明，“背光源”也用来指称其他面积扩展的照明装置，所述照明装置在其预期应用中提供标称均匀的照明。背光源120包括形成中空的光再循环腔162的前反射器130和后反射器160。腔162包括输出表面164。输出表面164可以是任何合适的形状(例如矩形)，并且其尺寸可适用于任何所需的显示器应用，例如小至用于移动电话的子显示器(对角线测量大约为30mm)，大至膝上型计算机屏幕(对角线测量大约为30cm)、监视器或电视(对角线测量大约为50cm、80cm、100cm、150cm或更大)。背光源120还包括一个或多个光源166，所述光源设置成可将光发射到腔162中。可选地，背光源120可在不具有光源的侧面上包括围绕光再循环腔162的周边的侧反射器或表面168。
如图所示，背光源120包括射入器170，该射入器170帮助将来自一个或多个光源166的光导向光再循环腔162内。任何合适的射入器可以与背光源120一起使用，例如在美国专利申请No.60/939,082(Hoffend)中描述的那些射入器。射入器170可将初始射入再循环腔162的光部分地准直或限制到接近横向平面(所述横向平面平行于背光源的输出表面)的传送方向上，例如射入光束相对于横向平面的平均偏离角度在0至45度的范围内，或在0至30度的范围内，或在0至15度的范围内。在一些实施例中，本身至少部分地对发射光进行准直的光源可被优选。这样的光源可包括光学元件中的透镜、提取器、成型封壳或它们的组合，以提供所需输出。
尽管描述了一个或多个光源166沿着背光源120的一侧布置，但是在一些实施例中，光源可沿着背光源的两侧、三侧、四侧或更多侧布置。例如，对于矩形形状的背光源，一个或多个光源可沿着背光源的四侧中的每一侧布置。在一些实施例中，光源和前反射器组件之间的几何关系将约束光源定位，如本文所公开的。
光源166被示意地示出。在大多数情况下，这些光源166是紧凑的发光二极管(LED)。就这一点而言，“LED”是指发射可见光、紫外光或红外光的二极管。发光二极管包括作为LED(不论是常规型还是超辐射型)销售的非相干的封闭或封装的半导体器件。如果LED发射的是如紫外光等不可见光，以及在LED发射可见光的某些情况下，则将其封装为包含荧光体(或是照亮设置在远处的荧光体)，以将短波长光转化为波长更长的可见光，某些情况下会得到发射白光的器件。
“LED晶粒”是LED最基本的形式，即经半导体加工过程制造出的单个组件或芯片。该组件或芯片可以包括用于应用能量以驱动器件的电触点。该组件或芯片的各独立层和其它功能元件通常以晶片级形成，并且将加工好的晶片切成单个元件，以生产大量的LED晶粒。本文将对封装LED(包括前发射和侧发射LED)进行详细的讨论。
无论是否用于产生白光，多色光源在背光源中可以具有多种形式，并对背光源输出区域的色彩和亮度均匀性产生不同的影响。在一种方法中，多个LED晶粒(例如，发红光、绿光和蓝光的晶粒)全部彼此接近地装在引线架或其它基底上，然后一起装入单个封壳材料中形成一个封装体，封装体内还可以包括单透镜元件。可以控制这样的光源发射任何一种单独的色彩，或同时发出所有色彩的光。在另一种方法中，可以将单独包装的LED集成一束用于某个给定的再循环腔，其中每个封装体只有一个LED晶粒并发射一种色彩的光，LED束中含有发出不同色彩(如蓝/黄或红/绿/蓝)的封装LED的组合。在另一个方法中，可以将这种单独包装的多色LED以一个或多个线条、阵列或其它图案的形式设置。
如果需要，可以使用其它可见光发光体(例如，线型的冷阴极荧光灯(CCFL)、热阴极荧光灯(HCFL)或外部电极荧光灯(EEFL))来代替或辅助分立的LED光源，以作为本发明所公开的背光源的照明光源。此外，还可使用混合系统，例如CCFL/LED(包括发冷白光和暖白光的CCFL/LED)、CCFL/HCFL/EEFL(例如发出不同光谱的CCFL/HCFLL/EEFL)。发光体的组合可有多种变化，包括LED和CCFL，还包括(例如)多个CCFL、多个不同颜色CCFL以及LED和CCFL混合体等复合体。
例如，在某些应用中，可能需要用不同的光源(例如，长圆柱形的CCFL)或用线型的表面发射导光装置来代替一排分立光源，其中所述导光装置沿其长度方向发光并连接到远程有源组件(例如，LED晶粒或卤素灯)，也可对其它排的光源作同样的替代。在美国专利No.5,845,038(Lundin等人)和No.6,367,941(Lea等人)中公开了这种线型的表面发射导光装置的实例。已为人们所知的还有纤维耦合激光二极管和其它半导体发光体，在这些发光体中，当把它放在本发明所公开的再循环腔中或者以其它方式放在背光源的输出区域后面时，光学纤维波导的输出端可以看作是光源。同样的情况也适用于发光区域较小的其它无源光学元件，如透镜、偏转器、狭窄的光导以及发射从有源元件(如灯泡或LED晶粒)接收到的光线的类似元件。这类无源元件的一个实例是侧发射封装LED的模制封壳或透镜。
任何合适的侧发射LED可用于一个或多个光源，例如LuxeonTMLED(可得自Lumileds，San Jose，CA)或在(例如)美国专利申请No.11/381,324(Leatherdale等人)和美国专利申请No.11/381,293(Lu等人)中描述的LED。
在其中组合使用背光源与显示面板(例如，图1中的液晶面板110)的一些实施例中，背光源120连续发射白光，液晶面板与色彩滤镜矩阵相组合而形成多色像素组(例如，黄/蓝(YB)像素、红/绿/蓝(RGB)像素、红/绿/蓝/白(RGBW)像素、红/黄/绿/蓝(RYGB)像素、红/黄/绿/青/蓝(RYGCB)像素等)，以使得所显示的图像为多色。作为另外一种选择，也可以使用色序技术来显示多色图像，该技术不是用白光从背后连续照明液晶面板并通过调制液晶面板中的多色像素组来产生色彩，而是代之以对背光源120内的不同颜色(例如，选自诸如上述组合的各种组合中的红色、橙色、琥珀色、黄色、绿色、青色、蓝色(包括品蓝)和白色)的独立光源进行调制，以使背光源以快速重复的方式依次闪现出空间上均匀的彩色光输出(例如，先是红色，然后是绿色，然后再是蓝色)。这种调制过色彩的背光源接着再与只有一个像素阵列(没有任何色彩滤镜矩阵)的显示组件相组合，以便在调制速度足够快以至于可以在观察者的视觉系统中产生短暂混色效果的情况下，与背光源同步地调制像素阵列，从而在整个像素阵列上产生所有能产生的颜色(背光源中所用光源已知)。色序显示(也称为场序显示)的实例在美国专利No.5,337,068(Stewart等人)和美国专利No.6,762,743(Yoshihara等人)中有所描述。在一些情况下，人们可能只希望提供单色显示。在这些情况下，背光源120可以包括滤色器或主要发射一种可见波长或色彩的特殊光源。
可采用任何合适的布置方式设置光源166。另外，光源166可包括发射不同波长或颜色的光的光源。例如，光源可包括发射第一波长照明光的第一光源和发射第二波长照明光的第二光源。第一波长可与第二波长相同，也可不同。光源166也可包括发射第三波长光的第三光源。参见(例如)美国专利申请No.60/939,083(Savvateev)。在一些实施例中，各种光源166可产生经混合而向显示面板或其他装置提供白色照明光的光。在其它实施例中，每个光源166均可产生白光。
背光源120还包括后反射器160，后反射器160与前反射器130和可选的侧反射器168一起形成中空的光再循环腔162。后反射器160以具有高反射率为优选。例如，后反射器160对光源所发出的可见光的轴向平均反射率可为至少90％、95％、98％、99％或者对任何偏振可见光具有更高的轴向平均反射率。这样的反射率值还可降低高度再循环腔内的损耗量。这样的反射率值涵盖了反射到半球中的所有可见光，即这样的值同时包括镜面反射和漫反射。
后反射器160可以主要是镜面反射器、漫反射器或镜面反射器与漫反射器的组合，无论在其在空间上均匀分布或呈一定的图案。在一些实施例中，后反射器160可以是半镜面反射器，如本文进一步描述的。还可参见美国专利申请No.60/939,085(Weber)和美国专利申请No.11/467,326(Ma等人)。在一些情况下，后反射器160可以由具有层合于支承基底的高反射率涂层或高反射率膜的刚性金属基底制成。合适的高反射率材料包括可购自3M公司的VikuitiTMEnhanced Specular Reflector(增强型镜面反射器)(ESR)多层聚合物膜；使用0.4密耳厚的丙烯异辛酯-丙烯酸压敏粘结剂将掺有硫酸钡的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(2密耳厚)层合到VikuitiTMESR膜上所形成的膜，本文将所得的这种层合膜称为“EDR II”膜；购自Toray Industries公司的E-60系列LumirrorTM聚酯薄膜；多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜，例如可得自W.L.Gore & Associates公司的那些；可得自Labsphere公司的SpectralonTM反射材料；可得自AlanodAluminum-Veredlung GmbH&公司的MiroTM阳极氧化铝膜(包括MiroTM2膜)；来自Furukawa Electric有限公司的MCPET高反射率泡沫板；可得自Mitsui Chemicals公司的White RefstarTM膜和MT膜；以及2xTIPS(参见用于进行说明的实例)。
后反射器160可以大体上是平坦而光滑的，或其可具有与之相关的结构化表面，以增强光的散射或混合。这种结构化表面可以：(a)设在后反射器160的表面上，或(b)设在施加于所述表面的透明涂层上。在前一种情况下，可以将高反射率膜层合到预先形成结构化表面的基底上，或者将高反射率膜层合到平坦基底(如金属薄片，这与购自3M公司的VikuitiTM耐用增强型镜面反射片-金属(DESR-M)反射器类似)上，然后再如采用压印操作形成结构化表面。在后一种情况下，可以将具有结构化表面的透明薄膜层压到平坦反射面上，或将透明薄膜施加到反射器上，然后再在透明薄膜上形成结构化表面。
背光源120也可包括沿着背光源120外边界的至少一部分布置的一个或多个侧反射器168，其优选地为带衬里的或者说设置有高反射率的垂直壁，以减少光损失和改善再循环效率。形成这些壁可以采用与用于后反射器160的反射材料相同的反射材料，或者也可以使用不同的反射材料。在一些实施例中，侧反射器168和后反射器160可以由单片材料形成。
在本发明的一些实施例中，可被优选的是在中空的光再循环腔内提供某个程度的漫射。这样的漫射可以使腔内的光实现更多的角混合，从而帮助光在腔内扩散，并在透过输出表面从腔出射的光中提供更大的均匀度。换言之，再循环光学腔包含为腔提供镜面特性与漫射特性的平衡的组件，所述组件具有足够的镜面反射性以支持腔内的显著的侧向光传送或混合，而且还具有足够的漫射性以使腔内稳态光传送的角度散布基本上匀化(甚至在仅以较窄范围的传送角度将光射入腔中时亦如此)。可以通过前反射器和后反射器之一或其二者、侧反射器、或者通过布置在前反射器和后反射器之间的一个或多个层来实现漫射，如本文中进一步描述的。
在一些实施例中，腔内实现的漫射可包括半镜面漫射。如本文所用，术语“半镜面反射器”是指与按逆向散射相比明显更多地按前向散射进行反射的反射器。类似地，术语“半镜面漫射片”是指这样的漫射片，其对基本上大部分入射光不反转入射光线的法向分量，即光基本上在前向(z)方向上透射并在x和y方向上被某个程度地散射。换言之，半镜面反射器和漫射片在基本上前向方向上导引光，因此非常不同于在所有方向上都等几率地再导引光的朗伯组件。半镜面反射器和漫射片可表现出相对宽的散射角度；或者，这样的反射器和漫射片可在镜面方向之外仅表现出少量的光偏转。参见(例如)美国专利申请No.60/939,085(Weber)。
任何合适的一种或多种半镜面材料可用于本发明的前反射器和后反射器。例如，半镜面后反射器可包括在高反射率漫射反射器上的部分透射镜面反射器。合适的镜面反射器包括ESR(可得自3M公司)和本文描述的其他镜面反射器。合适的高反射率漫射反射器包括EDR II膜(可得自3M)；多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜，例如可得自W.L.Gore & Associates公司的那些；可得自Labsphere公司的SpectralonTM反射材料；得自Furukawa Electric有限公司的MCPET高反射率泡沫板；可得自MitsuiChemicals公司的White RefstarTM膜。
在另一个实施例中，半镜面后反射器可包括在高反射率镜面反射器上的部分朗伯漫射体。或者，在高反射率镜面反射器上的前向散射漫射体可构成半镜面后反射器。
可用与后反射器相似的构造将前反射器制成半镜面的。例如，部分反射的朗伯漫射体或前向散射漫射体可与本文所公开的任何前反射器组合，以提供半镜面前反射器。在另一个实施例中，本文所公开的增益漫射片用作半镜面漫射片。增益漫射片可与后反射器或前反射器相邻，或连接到后反射器或前反射器。这样的漫射器可取向为使得表面结构面朝再循环腔或背离再循环腔。在一个实施例中，如图7所示及本文所述，增益漫射片结构化层708与定向再循环膜结构化层704相邻或连接到定向再循环膜结构化层704，所述定向再循环膜结构化层704与再循环腔相邻。
作为在前反射器630或后反射器660上或在其附近包括半镜面漫射片的替代形式，如图6所示，半镜面漫射片690可被置于背光源620的再循环腔662内的任何其它合适的位置处。在这种情况下，半镜面漫射片690在腔内悬于前反射器630和后反射器660之间，其中所述反射器也可包括半镜面漫射特征。
图1中显示器100的背光源120包括前反射器130，该前反射器130包括多个定向再循环膜或层132。定向再循环膜是光学膜，其通常包括在接近显示器轴线的方向上重新导向偏轴光的表面结构。这样能增加透过液晶面板110轴向传送的光量，从而增加观看者所看到图像的亮度和对比度。定向再循环膜通常使从再循环腔162入射到其上的很大一部分光返回或再循环到再循环腔中。定向再循环膜也可被称为增亮膜或层。一些定向再循环膜可包括再导引光的细长棱柱的阵列。其他定向再循环膜可被称为增益漫射片，并且在膜或层的一个或两个主表面上包括排列成规则或不规则矩阵阵列的结构，例如珠、圆顶、棱锥或其他凸起结构。
通常，棱柱定向再循环膜或增亮膜通过反射轴向光和折射偏轴光来充当光的部分准直器。例如，图2是棱柱增亮膜200的一部分的示意性剖视图。膜200具有平滑面202和结构化面204。结构化面204包括多个棱柱206。光线210以掠射角(即，与法线成接近90度的角度)入射在平滑表面202上并被折射。当到达结构化表面204时，光线210被再次折射。光线212以比光线210更靠近平滑表面202的法线的角度接近平滑表面202。当光线212透过平滑表面202和结构化表面204时，其也被折射。另外，光线214以比光线212更靠近平滑表面202的法线的角度入射在平滑表面202上，并被结构化表面204全内反射两次。
如图所示，以相对大的角度入射在增亮膜200上的光线(即，光线210)往往被棱柱表面朝着法线折射，而以相对小的角度入射的光线(即，光线214)往往在棱柱表面处通过全内反射[TIR]被朝着入射方向反射回去。通过这样的过程，来自角度混合源(例如，再循环腔)的光线通过结构化表面204向着法线角度集中。在棱柱面处通过TIR过程反射回腔内的光可被典型的光再循环腔中的后反射器反射。如果后反射器是漫反射型的，或者如果再循环腔中的其他组件是漫射型的，则所述该反射的光被再次角度混合，并且与没有增亮膜200的情况下观察锥内的亮度相比，再循环过程可导致法线角度观察锥周围的亮度增加。
尽管对图2的棱柱定向再循环膜或增亮膜200的说明描述了透过所示特定结构化面204传送的特定光线实例，但是本领域技术人员应该认识到，具有不同的结构化表面的其他定向再循环膜可依赖相似或不同的机制来使光再循环并使发射光向法线集中。
用作定向再循环膜的棱柱光学膜可包括大致均匀形状的棱柱，或者其可包括形状、高度、侧向位置和/或其他尺寸特性可随膜上的位置不同而显著变化的棱柱。具有变化的几何形状的棱柱光学膜的实例在美国专利No.5,771,328(Wortman等人)和No.6,354,709(Campbell等人)以及美国专利申请No.11/467,230(Schardt等人)中有所描述。
在一些实施例中，增益漫射片可用作前反射器130中的定向再循环膜132。图3是增益漫射片300的示意性剖视图。增益漫射片300包括基底302和结构化层304。基底302和结构化层304可以由任何合适的一种或多种光学透射材料(包括聚合物材料)形成。结构化层304包括光学元件306，其在结构化层304的背离基底302的表面上呈矩阵阵列设置。尽管以横截面示出了光学元件306，为了本发明的目的，其被设置成矩阵阵列。在该矩阵阵列中，各个光学元件306可设置成具有行和/或列的矩形构型、其中各个元件相对于彼此斜向和/或横向偏移从而形成不能被完全表征为具有行和/或列的图案的构型、或者其中各个元件的分布不遵从任何可辨别图案(例如随机分布)的构型。
在一些实施例中，增益漫射片300包括附加层308，所述附加层可起到另一光学或机械功能，例如将基底302与结构化层304连接。在另一些实施例中，结构化层304和基底302不通过层308连接。在再一些实施例中，结构化层304是基底302的一体部分。
除了结构化层304之外，增益漫射片300可任选地包括设置在基底302的相对面310上的第二结构化层(未示出)。任何合适的光学元件可被设置在结构化层304上或设置在其中，例如微球、珠、棱柱、圆顶、立体角、棱锥、透镜或其他凸起结构。光学元件可以是折射元件、衍射元件、漫射元件等。结构化层304的折射率可以基本上是均匀的，或者可以随位置不同而变化。在一个实施例中，光学元件306可将通过增益漫射片300透射的光准直。在其他实施例中，根据光学元件306的定位和种类，光学元件306可漫射入射在增益漫射片300上或从增益漫射片300出射的光。
增益漫射片300可以利用任何合适的技术来制造。在一些示例性实施例中，透明层304可由透明的可固化聚合物材料制成。在这样的实施例中，光学元件306可被浇铸、压印或者说是微复制到可固化材料上，然后进行固化。图4示出了另一类型的增益漫射片400，其中结构化层404包括散布在粘结剂414中的珠412。至少一些珠412形成凸起406。在一些实施例中，珠412和粘结剂414的折射率可基本上相同。除了结构化层404之外，增益漫射片400还包括基底402，并且可选地包括附加层408。增益漫射片的一个实例是可得自Keiwa公司的Opalus BS-702。在美国专利申请No.10/989,161(Ko等人)、No.11/026,872(Ko等人)、No.11/026,938(Ko等人)、No.11/026,940(Ko等人)、No.11/122,864(Whitney等人)和No.11/193,052(Whitney等人)中公开了其他增益漫射片。本领域的技术人员应该理解，前述美国专利申请中所描述的一些增益漫射片包括实质上为棱柱型的光学元件，并且可被描述成包括沿轴线延伸的棱柱的阵列。这样的光学膜可被描述成棱柱定向再循环膜，以及被描述成增益漫射片。
如本文所公开的，增益漫射片在被适当地布置时可充当半镜面漫射片。这样的布置可包括在再循环腔内独立，或者与后反射器或前反射器相邻或附连到后反射器或前反射器。图7示出可包括在前反射器中的多功能光学膜700。多功能膜700包括基底702、具有多个棱柱706的第一结构化层704以及具有多个光学元件710的第二结构化层708。这样的膜700可向再循环腔提供半镜面漫射，同时充当前反射器的多个定向再循环膜中的一个。多功能膜700可以通过任何合适的技术来制造，包括棱柱定向再循环膜与增益漫射片的层合或其他附连。在另一个实施例中，棱柱和光学元件可在制造时形成在单个基底上。多功能膜700可包括图7中未示出的其他层，其起到其他功能(例如光学或机械功能)。在其它实施例中，单独的增益漫射片和棱柱定向再循环膜可彼此相邻设置，并提供等同于多功能膜700的光学功能，而不需要进行物理连接。
用在本发明的背光源中的前反射器可包括两个、三个、四个、五个、六个或更多个定向再循环膜的各种组合。在带有棱柱膜(例如BEF膜)以及其他定向再循环膜的实施例中，棱柱膜可被设置成最靠近再循环腔，而其他定向再循环膜设置成比棱柱膜距腔更远。图5是示例性的背光源520的组件的示意性透视图，该背光源520具有形成再循环腔562的前反射器530和后反射器560。前反射器530可包括棱柱膜534、536和538以及增益漫射片540。背光源520还包括一个或多个光源566以及射入器570，其设置成可向背光源腔内发射光572。光572以通常与发射轴线574有关的有限角度散布发射。在一些实施例中，带有射入器的光源沿着背光源520的多个边缘设置。在其他背光源组件(例如，棱柱定向再循环膜)相对于发射轴线的对齐被指定的实施例中，光源的布置可被限为所有可能的背光源边缘的子集。
如图5所示，第一棱柱膜534和第三棱柱膜538具有沿着基本上平行于发射轴线574的轴线延伸的棱柱，其中按照从背光源520的内部再循环腔562开始朝着液晶面板(未示出)向外行进的“第一、第二、第三等”次序提及前反射器530的膜。第二棱柱膜536具有沿着基本上垂直于发射轴线574的轴线延伸的棱柱。在另一个实施例中，第二棱柱膜具有基本上平行于发射轴线574延伸的棱柱，使得第一棱柱膜534、第二棱柱膜536和第三棱柱膜538全部具有沿着基本上平行于发射轴线574的轴线延伸的棱柱。在又一个实施例中，第一棱柱膜534和第二棱柱膜536具有沿着平行于发射轴线574的轴线延伸的棱柱，而第三棱柱膜538具有沿着基本上垂直于发射轴线574的轴线延伸的棱柱。在再一个实施例中，前反射器530中可能不存在第三棱柱膜538，而第一棱柱膜534具有平行于发射轴线574延伸的棱柱，第二棱柱膜536具有平行于或垂直于发射轴线574延伸的棱柱。通常，本发明的前反射器可包括任何数量的棱柱定向再循环膜，各个棱柱延伸轴的取向不是平行于就是垂直于光源发射轴线。已经发现，就整个输出表面上的亮度和均匀度而言，第一棱柱膜534(即，最靠近再循环腔562的膜)具有沿着平行于光源发射轴线延伸的棱柱的背光源构造可能具有最优性能。
尽管具有沿轴线延伸的棱柱的棱柱定向再循环膜534、536和538的取向被描述成相对于发射轴线574平行或垂直，但是本领域技术人员应该理解，相对于平行和垂直方向的角度改变应落在本发明的范围内。这样的变化可能是由制造公差引起，或者其可能被有意地设计到系统中以改善诸如摩尔条纹(moiré)的影响，摩尔条纹可能由棱柱膜的重复光学图案之间、或膜与其他显示器结构(例如液晶面板的像素阵列)的重复光学图案之间的干涉引起。此外，膜取向的其他变化可根据显示器设计或性能目标的其他方面来指定。
图5的增益漫射片540可以是单个增益漫射片，或者其可以代表两个、三个、四个、五个、六个或更多个增益漫射片。在一些实施例中，前反射器包括不必一定包含棱柱定向再循环膜的增益漫射片。在其他实施例中，具有相同或不同构造的一个、两个、三个或更多个增益漫射片与两个、三个或更多个棱柱膜组合。
本发明的背光源520的前反射器530可包括表征为定向再循环膜的那些光学膜之外的光学膜。例如，前反射器530可包括反射偏振器542，例如DBEF、DRPF或APF，如本文所述。包含这样的反射偏振器可以在多个方面改善背光源的性能，包括使背光源更高效，或者使背光源能够针对一个或多个光源的给定能量输入产生更多的可用光。
背光源的前反射器的定向再循环膜和其他光学膜可以是自立式的，或者其中一些或全部可通过任何合适的方法实际上彼此附接，所述方法包括诸如本文中结合显示器的光管理单元中的其他膜的描述所公开的方法。另外，无论是对“前反射器”还是“光管理单元”中所包括的膜的描述可被认为是任意的且非排他性的。
优选的前反射器具有相对高的总反射率，以支持腔内的相对高的再循环。这可用术语“半球反射率”来表征，其表示当光从所有可能的方向入射到组件上时组件(无论是表面、膜还是膜的集合)的总反射率。因此，用以从法线方向为中心的半球内的所有方向入射(以及所有偏振态，除非另外指明)的光(具有适用于预期应用的光谱分布)照射所述组件，并且收集所有反射到同一半球内的光。反射光的总通量与入射光的总通量之比得出半球反射率Rhemi。对于再循环腔而言，用其Rhemi来表征反射器特别方便，因为光通常以所有角度入射在腔的内表面上(无论是前反射器、后反射器还是侧反射器)。另外，与针对法线入射的反射率不同，Rhemi考虑了反射率随入射角的变化，这种变化对某些组件(例如，棱柱膜)而言可能非常明显。
优选的后反射器也具有高的半球反射率-通常比前反射器高出许多，因为前反射器被有意地设计为部分透射型，以便提供所需的背光源光输出。再循环背光源构造可用前反射器和后反射器的半球反射率(分别为Rf hemi和Rb hemi)的乘积来表征。优选地，乘积Rf hemi*Rb hemi为至少70％(0.70)、或75％或80％。
实例
在以下实例中，如表1和表2分别列出的，在具有16:9规格的32英寸和20英寸(沿着对角线测量)的中空背光源测试台上测试各种前反射器膜构造。测试台的再循环腔分别厚17mm和10mm。这两种测试台均包括具有可得自3M公司的增强镜面反射器(ESR)膜的后反射器和侧反射器。沿测试台的顶部和底部边缘的LED向背光源提供光。LED按照RGGB阵列排列，以为LCD背光源提供足够亮度的颜色不确定的光。铝制的“反向”楔形反射器用于将来自每个LED的光引导到中空再循环腔内。(对该反向楔的描述可参见美国专利申请No.60/939,082，其名称为“COLLIMATING LIGHTINJECTORS FOR EDGE-LIT BACKLIGHTS”(侧光式背光源的准直光射入器)。
用色度照相机(型号PM 1613F-1或型号PM-9913E，均得自RadiantImaging公司)测量了实例中的亮度和均匀度。这两个型号的色度照相机经正确校准后产生几乎相同的数据。所述照相机配有105mm镜头并选择内部ND2中性密度滤镜。使用Radiant Imaging公司提供的软件对照相机进行校准，并记录测量结果。在点光源辐射仪(型号PR650，得自PhotoResearch公司)的辅助下校准颜色和亮度。测试台以水平取向摆放在照相机前方1米处。将测试台与照相机对齐，使得照相机镜头的轴线垂直于输出面积，并大致瞄准测试系统的中心。设置照相机软件以利用剪辑功能仅记录图像的显示部分。通过软件自动设置曝光时间，以避免图像的过度曝光。
通过用待测膜配置测试台，然后用色度照相机拍摄测试系统的照片来进行测量。利用定制数据分析程序，从测量的图像计算出平均亮度和亮度均匀度。
通过层合到丙烯酸类树脂板的吸收型偏振片(得自Sanritz的HLC2-5618S)来测量数据，除非另外指明。在一些其中膜叠堆包含反射偏振器的实例中，吸收型偏振片的透光轴平行于反射偏振器的透光轴取向。
在以下实例中，通过对图像中每一个像素的亮度值求和，然后除以记录下的图像中的像素总数来计算平均亮度值。由于图像数据用色度照相机记录，因此这是轴向亮度值。根据视频电子标准协会(Video ElectronicsStandards Association)的Flat Panel Display Measurements Standard，v.2.0(2001年6月1日出版)标准306-1“Sampled Uniformity andColor of White”(采样均匀度和白色)来确定亮度均匀度。如该标准中所规定的，使用九个采样点。从记录下的图像，通过对落入样本点位置周围的近似圆形区域内的亮度取平均来确定每个样本点处的亮度。所述近似圆形区域的直径为图像对角线的3％。
本文所记述的VESA 9pt亮度均匀度是根据9个样本点按如下方式确定，
Figure BPA00001190037000241
其中Lmin是9个点中的亮度最小值，Lmax是9个点中的亮度最大值。VESA9pt亮度均匀度的值越大，表示越均匀。
在这些实例中，使用以下命名来描述所测试的前反射器膜叠堆的组件。
底板用于使膜平坦的聚甲基丙烯酸甲酯支撑板。
PCGD涂珠的聚碳酸酯增益漫射片。在PCGD表现为最先列出的膜叠堆组件的情况下，其充当半镜面组件，被布置成是相对于再循环腔最靠内的膜，并且其结构化表面面向腔。
BEF2具有垂直于LED边缘的棱柱(即，平行于LED发射轴线延伸的棱柱)的增亮膜II90/50。
BEF2-旋转具有平行于LED边缘的棱柱(即，垂直于LED发射轴线延伸的棱柱)的增亮膜Film II 90/50。
3T具有垂直于LED边缘的棱柱(即，平行于LED发射轴线延伸的棱柱)的增亮膜III-T 90/50。
APF-D层合在漫射聚碳酸酯片之间的高级偏振膜、多层反射型偏振膜(可得自3M公司)
表1：32英寸背光源测试台中的前反射器膜叠堆
Figure BPA00001190037000242
实例1和2各自包括三片BEF II 90/50和增益漫射片作为前反射器，不同之处在于第三BEF膜的角取向。两个实例均表现出适用于显示器的足够亮度和均匀度，二者之间性能变化小。实例3和4对应于实例1和2，并且用反射偏振器代替了顶部增益漫射片。如所预期的，添加反射偏振器实现了背光源中的偏振再循环，显著改善了亮度值，并且各自的均匀度也有一些改善。
表2：20英寸背光源测试台中的前反射器膜叠堆
Figure BPA00001190037000251
如所示出的，实例5、6和7各自包括三片或四片BEF棱柱膜以及增益漫射片。每个实例表现出适用于显示器的足够的亮度和均匀度。实例8、9和10对应于实例5、6和7，并且用反射偏振器代替了顶部增益漫射片。如所预期的，添加反射偏振器实现了背光源中的偏振再循环，显著改善了亮度值，而均匀度结果各不相同。在所有情况下，均匀度仍落在适用于显示器的可接受范围内。
除非可能与本公开直接抵触，本文引用的参考文献及出版物明确地以引用方式全文并入本文中。对本发明涉及的示例性实施例进行了讨论并参考了本公开范围内可能的变型。在不脱离本公开范围的前提下，本公开中的这些及其它变型形式和修改形式对于本领域的技术人员来说将显而易见，并且应当理解，本公开并不限于本文示出的示例性实施例。因此，本公开仅受以下提供的权利要求书的限制。

Claims (21)

1.一种背光源，包括：
形成中空的光再循环腔的前反射器和后反射器，所述中空的光再循环腔具有输出表面，所述前反射器包括：
第一定向再循环膜，其包括沿第一轴线延伸的棱柱的阵列；以及
第二定向再循环膜，其设置为使得所述第一定向再循环膜位于所述第二定向再循环膜与所述后反射器之间，所述第二定向再循环膜包括沿第二轴线延伸的棱柱的阵列；
半镜面漫射片，其设置在所述前反射器与所述后反射器之间；
以及
一个或多个光源，其设置成在关于发射轴线的有限角度散布内向所述光再循环腔内发射光；
其中所述第一轴线平行于所述发射轴线。
2.根据权利要求1所述的背光源，其中所述第二轴线垂直于所述第一轴线。
3.根据权利要求1所述的背光源，其中所述第二轴线平行于所述第一轴线。
4.根据权利要求1所述的背光源，其中所述前反射器还包括第三定向再循环膜，所述第三定向再循环膜设置成使得所述第二定向再循环膜位于所述第三定向再循环膜与所述第一定向再循环膜之间。
5.根据权利要求4所述的背光源，其中所述第三定向再循环膜包括沿第三轴线延伸的棱柱的阵列。
6.根据权利要求5所述的背光源，其中所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线平行。
7.根据权利要求4所述的背光源，其中所述前反射器还包括第四定向再循环膜，所述第四定向再循环膜设置成使得所述第三定向再循环膜位于所述第四定向再循环膜与所述第二定向再循环膜之间。
8.根据权利要求7所述的背光源，其中所述前反射器还包括第五定向再循环膜，所述第五定向再循环膜设置成使得所述第四定向再循环膜位于所述第五定向再循环膜与所述第三定向再循环膜之间。
9.根据权利要求1所述的背光源，其中所述半镜面漫射片设置在所述后反射器上。
10.根据权利要求1所述的背光源，其中所述半镜面漫射片设置在所述第一定向再循环膜上。
11.根据权利要求1所述的背光源，其中所述背光源表现出至少50％的VESA 9均匀度值。
12.根据权利要求1所述的背光源，其中所述输出区域为矩形，并且具有至少30mm的对角线尺寸。
13.根据权利要求1所述的背光源，其中所述前反射器对非偏振可见光的半球反射率为Rf hemi，所述后反射器对非偏振可见光的半球反射率为Rb hemi，并且Rf hemi*Rb hemi为至少0.70。
14.一种背光源，包括：
形成中空的光再循环腔的前反射器和后反射器，所述中空的光再循环腔具有输出表面，所述前反射器包括至少四个定向再循环膜；
半镜面漫射片，其设置在所述前反射器与所述后反射器之间；
以及
一个或多个光源，其设置成可向所述光再循环腔内发射光。
15.根据权利要求14所述的背光源，其中所述至少四个定向再循环膜包括：
三个棱柱再循环膜，各自包括沿轴线延伸的棱柱的阵列；以及
增益漫射片；
其中所述三个棱柱再循环膜的所述轴线平行，并且其中所述三个棱柱再循环膜设置在所述增益漫射片与所述后反射器之间。
16.根据权利要求14所述的背光源，其中所述至少四个定向再循环膜包括五个定向再循环膜，所述五个定向再循环膜包括：
两个棱柱再循环膜，各自包括沿轴线延伸的棱柱的阵列；以及
三个增益漫射片；
其中所述两个棱柱再循环膜的所述轴线垂直，并且其中所述两个棱柱再循环膜设置成使得所述两个棱柱再循环膜位于所述三个增益漫射片与所述后反射器之间。
17.根据权利要求14所述的背光源，其中所述至少四个定向再循环膜包括五个定向再循环膜，所述五个定向再循环膜包括：
两个棱柱再循环膜，各自包括沿轴线延伸的棱柱的阵列；以及
三个增益漫射片；
其中所述两个棱柱再循环膜的所述轴线平行，并且其中所述两个棱柱再循环膜设置成使得所述两个棱柱再循环膜位于所述三个增益漫射片与所述后反射器之间。
18.根据权利要求14所述的背光源，其中所述至少四个定向再循环膜包括六个增益漫射片。
19.根据权利要求14所述的背光源，其中所述前反射器还包括反射偏振器。
20.一种显示器，所述显示器包括液晶面板和向所述液晶面板提供光的背光源，其中所述背光源包括：
形成中空的光再循环腔的前反射器和后反射器，所述中空的光再循环腔具有输出表面，所述前反射器包括：
第一定向再循环膜，其包括沿第一轴线延伸的棱柱的阵列；以及
第二定向再循环膜，其设置为使得所述第一定向再循环膜位于所述第二定向再循环膜与所述后反射器之间，所述第二定向再循环膜包括沿第二轴线延伸的棱柱的阵列；
半镜面漫射片，其设置在所述前反射器与所述后反射器之间；
以及
一个或多个光源，其设置成可在关于发射轴线的有限角度散布内向所述光再循环腔内发射光；
其中所述第一轴线平行于所述发射轴线。
21.一种显示器，所述显示器包括液晶面板以及向所述液晶面板提供光的背光源，其中所述背光源包括：
形成中空的光再循环腔的前反射器和后反射器，所述光再循环腔具有输出表面，所述前反射器包括至少四个定向再循环膜；
半镜面漫射片，其设置在所述前反射器与所述后反射器之间；
以及
一个或多个光源，其设置成可向所述光再循环腔内发射光。
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