CN104303098B - 背光源光导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种背光源光导，所述背光源光导包括大体为平面的结构，所述大体为平面的结构具有光导层、背侧反射层、设置在所述光导层的相对主表面上的低折射率耦合层和用以提供未使用光的循环利用的反射偏振片，所述光导层具有包括提取器的间隔阵列的表面。

Description

背光源光导
技术领域
本发明整体涉及照明系统，并且更具体地涉及用于显示器的背光源光导。
背景技术
光导与光源(诸如，发光二极管(LED))一起使用以用于多种照明应用。在一个具体应用中，光导通常用于为LCD显示器提供照明。光源通常将光发射到光导内，特别是在需要很薄型背光源的情况下，例如在膝上型计算机显示器中。光导为相对薄的透光固态板，其长度和宽度尺寸接近于背光源输出面积的尺寸。光导装置利用全内反射(TIR)使从安装在边缘的灯发出的光穿过整个光导装置的长度或宽度传送或引导至背光源的相对边缘，并且在光导装置的表面上设置有不均一的局部提取结构图案，从而将此已引导光的其中一些朝向背光源的输出面积从光导装置中重新导出。此类背光源通常还包括光管理膜，诸如设置在光导后面或下面的反射材料以及设置在光导前面或上面的反射偏振膜和棱柱增亮膜(BEF)，以增加同轴亮度。
由于最常用的光源(诸如LED)具有相对较大的高度和发射角范围，因此光导的厚度通常为相应厚的以有效地耦合光。用于液晶显示器的常规照明装置在美国专利公开2009/0316431中有所描述。常规照明装置将来自光源的光耦合到平面光导。光导通常与光源具有大致相同的高度，因为降低光导的高度将降低从光源到光导的耦合效率。
然而，普通的膜式光导或板式光导的显著缺点为LED的小纵横比与光导的极大纵横比之间的失配。LED具有约1:1至约4:1的典型纵横比，而边缘光导可具有约20:1至多达约100:1或更大的纵横比。这种失配通常导致光导中的光与从LED发射的光相比具有较高的展度(也称为通过量)。这种高展度继而导致光导需要增加厚度，并且导致光导在一个或多个面上需要空气界面。因此，光导可厚于液晶显示器模块，并且空气界面可限制某些应用，诸如触摸和触觉应用。
发明内容
在本发明的一个方面，背光源光导包括大体为平面的结构，所述大体为平面的结构具有光导层、背侧反射层、设置在光导层的相对主表面上的低折射率耦合层和用以提供未使用光的循环利用的反射偏振片，所述光导层具有包括提取器的间隔阵列的表面。
本发明的上述发明内容并非意图描述本发明的每个所说明的实施例或每种实施方式。附图以及随后的具体实施方式更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
结合以下附图可更好地理解本发明的实施例。附图中的元件未必相对于彼此按比例绘制。
图1为根据本发明的一个方面的示例性背光源系统的等轴视图。
图2A为根据本发明的另一个方面的背光源系统的转换器单元的等轴局部视图。
图2B为根据本发明的另一个方面的背光源系统的转换器单元的转向部分的等轴局部视图。
图2C为根据本发明的另一个方面的背光源系统的转换器单元的转向部分的另一个等轴视图。
图2D为根据本发明的另一个方面的背光源系统的转换器单元的变形光导部分的等轴视图。
图2E为根据本发明的另一个方面的背光源系统的转换器单元的变形光导部分的另一个等轴(底侧)视图。
图2F为根据本发明的另一个方面的背光源系统的转换器单元的变形光导部分的侧视图。
图2G为根据本发明的另一个方面的背光源系统的耦合元件部分的等轴视图。
图2H为根据本发明的另一个方面的背光源系统的耦合元件部分的另一个等轴视图。
图2I为根据本发明的另一个方面的背光源系统的转换器单元的另一个等轴视图。
图2J为根据本发明的另一个方面的背光源系统的可供选择的转换器单元的等轴视图。
图2K为根据本发明的另一个方面的背光源系统的另一个可供选择的转换器单元的输入面的前视图。
图2L为图2K的可供选择的转换器单元的输出面的前视图。
图3A为根据本发明的一个方面的进入转换器单元的、具有约1:1至约2:1的纵横比(X:Y)的示例性光束的横截面图示。
图3B为根据本发明的一个方面的离开转换器单元的、具有约50:1的纵横比(X:Y)的示例性光束的横截面图示。
图4为根据本发明的另一个方面的示例性光源单元的等轴视图。
图5A为根据本发明的另一个方面的示例性背光源光导的等轴局部视图。
图5B为根据本发明的另一个方面的示例性背光源光导单元的示意图。
图6A为根据本发明的另一个方面的示例性提取元件的等轴视图。
图6B为根据本发明的另一个方面的背光源光导单元的示例性提取器层的顶视图。
图7A-7F为根据本发明的另一个实施例的示出形成背光源系统和/或其部件的示例性工序的若干视图。
图8为根据本发明的另一个方面的用于形成具有提取特征的背光源光导的模具的等轴视图。
图9A-9F为根据本发明的另一个实施例的示出形成具有提取特征的模具的示例性工序的若干视图。
虽然本发明接受各种修改形式和替代形式，但其具体方式已在附图中以举例的方式示出，并且将对其进行详细描述。然而，应当理解其目的并非在于将本发明局限于所描述的具体实施例。相反，其目的在于涵盖在由所附权利要求书界定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，将引用构成本文一部分的附图，在这些附图中以举例说明其中可能实践本发明的具体实施例的方式示出本发明。就这一点而言，诸如“顶部”、“底部”、“前”、“后”、“前部”、“向前”和“尾部”等方向性术语应结合所描述的图示取向使用。因为本发明的实施例的组件可以定位为多个不同取向，所以定向术语用于说明的目的，而不具有任何限制性。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构性或逻辑性的修改。因此，并不局限于采用以下具体实施方式，并且本发明的涵盖范围由随附权利要求书界定。
本发明涉及照明系统，并且更具体地涉及具有变形光导的背光源系统，所述背光源系统为显示器提供有效的照明系统。背光源系统及其部件结合在一起或单独地被设计成提供具有低展度的高效照明系统。这样，可减少总体部件的数量并且可消除对空气空间的需要，由此提供出机会以用于压力感测触摸显示器和触觉系统。背光源系统具有若干优点，包括具有较薄的外形、允许使用光学透明的粘合剂(OCA)进行层合、以及消除或降低对角增强膜的需要。
图1示出了可用于照亮诸如LCD之类的显示器(未示出)的示例性背光源系统10的等轴视图。背光源系统10包括光源单元100、转换器单元200和背光源光导单元300。更详细地示于图4中的光源单元100为背光源系统10提供光源。更详细地示于图2A至图2I中的转换器单元200包括将来自光源单元100的光引导到背光源光导单元300内的变形光导。更详细地示于图5A至5B中的背光源光导单元300包括背光源光导，所述背光源光导具有多个提取特征以便将输出光提供到诸如LCD显示器之类的显示器。这种输出光具有良好的均匀性。此外，所述系统将来自光源的光有效地耦合到显示器，并且提供可沿至少一个轴线进行部分准直的输出光。因此，示例性背光源系统10可用作如下多种装置和应用的部分，诸如透射式LCD、半透反射式LCD和反射式LCD(膝上型电脑、平板电脑、移动电话、电子阅读器等)、胆甾型装置、MEMS装置和液体纸装置、标记和可适形图、以及指示器(诸如车载显示器)。
现在将更详细地描述这些部件中的每一个。应该指出的是，这些部件100、200和300中的每一个可与图1的示例性背光源系统的其他部件或与常规背光源系统部件一起使用。
就如图2A至图2I所示的转换器单元200而言，转换器单元200包括变形光导210，所述变形光导210具有输入面212、转向部分250、和对应于离开转换器单元200的光的离开平面的正交光限制面214。转换器单元200将从光源100发射的光(其具有小于约10:1的纵横比，诸如约1:1至约1:2的纵横比)转换成线形输出光束(其具有大于10:1的纵横比，诸如约至少20:1，优选约至少50:1、或优选约至少100:1的纵横比)。图3A示出了进入转换器单元200的具有约1:1的纵横比(X:Y)的示例性光束262的横截面图示。图3B示出了离开转换器单元200的具有约50:1的纵横比(X:Y)的示例性光束264的横截面图示。在一个优选的方面，转换器单元将从光源发射的光转换成线形输出光束，所述线形输出光束具有比光源纵横比大至少四倍的纵横比。
输入面212接收来自光源单元100的光，如在下文更详细所述。光穿过转换器单元200射入耦合器280(其可独立于转换器单元200或为转换器单元200的部分)(如在下文更详细所述)，或者作为另外一种选择，直接射入背光源光导单元300。在一个方面，如图2D、2E和2F所示，光导210为具有输入表面212、顶部表面213、正交表面214、相对正交表面216、底部表面215和端部表面217的大体为直线的结构。表面215包括阶梯式表面，使得光导210的高度沿着从表面212(具有高度＝h1)到相对的端部表面217(具有高度＝h2，其中h2<<h1)的长度L递减。在一个例子中，对于移动单元背光源应用而言，h1可为约1mm，宽度可为约2mm，并且L可为约50mm至约150mm。在另一个例子中，对于电视机和较大尺寸的显示器应用而言，h1可为约5mm，宽度可为约10mm，并且L可为约500mm至约1000mm。
在一个方面，顶部表面213相对于输入表面212为大体正交的，并且底部表面215包括多个倾斜阶梯，其中每个倾斜阶梯平行于顶部表面213。因此，光导210可为大体直线的、阶梯的、和倾斜的结构，并且可由诸如聚合物(例如，聚碳酸酯)或玻璃之类的光学透明材料形成。
此外，光导210可包括转向部分250，所述转向部分250可包括多个转向元件(本文也称为转向器)251a、251b等(参见图2B和图2C)，其中每个转向部分使光的方向改变大约90°。根据背光源光导单元300的尺寸，转向器元件的数量可在几个(3个或4个)至20个或更多个的范围内。转向元件251a、251b等可一体化形成为光导210的部分，或者它们可单独形成，随后利用适当的粘合剂或粘结材料(诸如光学透明的粘合剂)附接到光导210的底部表面215(参见例如图2E)。
在一个方面，每个转向器包括耦合的或非耦合的输入面252、使光方向改变大约90°的反射面256(例如，图2B所示的面256a、256b等)、以及耦合到或非耦合到耦合元件280或背光源光导单元300的输出面254。每个转向部分为薄的(相对于输入面212的尺寸)，使得每个转向器输入面捕集入射光的仅一部分并且将此光部分反射到耦合器280/背光源光导单元300。例如，每个转向器元件可具有约30μm至200μm，优选约50μm的厚度。因此，在一个方面，每个转向元件被构造为大体平面的直角棱柱。因此，在一个方面，输入表面212的高度近似等于所有转向结构的高度的和。
每个转向元件251a、251b等可具有使入射光反射约90°角的镜像面或TIR 45°面。当转向器的主要面、顶面258、和底面259各自由较低折射率材料界定时，光被捕集在每个转向器内。例如，底面259由空气界定，而顶面258可由具有低于光导210的折射率的折射率(例如，1.49)的光学透明的粘合剂界定。作为另外一种选择，可存在施用到表面215或施用到表面258或者施用到这两者的低折射率涂层，并且这些表面彼此耦合。相似地，表面213和259可涂布有低折射率材料以允许材料结合到显示器中的其他元件。合适的低折射率涂层包含二氧化硅和氟化镁。在另一个可供选择的方面，变形光导210可由具有低于用于形成转向器250的材料的折射率的材料形成。在另一个可供选择的方面，变形光导的折射率可类似于转向元件的折射率，而无需在这两者间设置低折射率材料，并且光导可具有低于变形光导的输入面的高度h1、但高于转向部分250的厚度的厚度。
如图2B所示，第一输入光部分262a被转向元件251a捕集。输入光部分在转向元件251a内发生全内反射，并且从有角度的反射面256a朝输出面254引导。输入光部分262a射出转向元件以形成输出光部分264a。相似地，第二光部分262b由转向元件251b捕集，所述转向元件251b轴向隔开地位于转向元件251a的下游且位于略高于转向元件251a的高度的高度处。此输入光部分在转向元件251b内发生全内反射，并且从有角度的反射面256b朝输出面254引导。输入光部分262b射出转向元件以形成输出光部分264b。以类似方式，每个后续转向元件均捕集输入光的一部分并且将此光部分重新导向到耦合器280/背光源光导单元300。因此，输出光部分264a、264b等形成具有至少20:1或更大的高纵横比的线形光束。
反射表面256a、256b等可为平坦的或弯曲的表面。此外，在一些方面，反射表面256a、256b等可涂布有反射涂层。例如，反射表面256a、256b等可涂布有金属或介电层化的涂层。作为另外一种选择，反射表面256a、256b等可进行简单的抛光以使光发生全内反射(TIR)。
在构造中，对于包括单独形成的光导和转向部分的转换器单元而言，可利用光学透明的粘合剂或低折射率粘结材料来将转向部分250配合到光导210的底部表面215上。在此方面，转向元件输入表面252a(参见图2B)可与底部阶梯表面215a(参见图2E)配合，下一个转向元件输入表面252b可与下一个底部阶梯表面215b配合，以此类推。根据可供选择的方面，转向器250的输入面可与光导210光学耦合或非耦合。光学耦合转向器可因降低菲涅耳反射而为更有效的，但可因光束的错误路径而导致具有45°面的转向器的损耗。因此，作为另外一种选择，当使用具有45°面的转向元件时，输入面可为与光导210非耦合的。相似地，转向器元件的输出面(例如，面254(如图2B所示))可为与耦合器280/背光源光导单元300的输入面耦合或非耦合的。
在本发明的可供选择的方面，转换器单元200可具有可供选择的构造。例如，如图2J所示，转换器单元200’可包括膜205a至205g的叠堆。膜可彼此堆叠在一起，并且具有光学透明的粘合剂的居间层或低折射率的反射涂层(未示出)。每个膜可具有反射器表面(诸如表面264g)，所述反射器表面包括镜像面或TIR 45°面，所述镜像面或TIR 45°面能够将经由输入面212’进入转换器单元200’的入射光(例如，光线262a-262g)反射约90°角，以使得入射光转向并且输出为光线264a至264g。如图2J所示，反射表面为彼此连续地、轴向地间隔开的。作为另外一种选择，每个膜层可包括形成于其中的一系列蚀刻线(诸如圆形弯曲)，所述蚀刻线产生每个膜层内的转向通道以将入射光引导到耦合器280/背光源光导单元300。此外，可通过将转向部分250的输出面光学地耦合到耦合器280/背光源光导单元300的输入面来增加弯曲光导的效率。
这种可供选择的构造保持光源沿至少一个方向的均匀性-当光源照亮光导时可具有非均匀的光强度并且膜叠堆保持沿一个轴的分布。所述膜还允许光沿着其他轴进行分布以促进照亮背光源光导单元300的光的均匀性。如此前所提及，可将低折射率涂层夹置在膜层之间以保持一个膜层与另一个膜层的光隔离。根据整个显示系统的需求，这种构造可增加总体厚度并且可降低耦合效率。
在另一个可供选择的实施例中，如图2K和2L所示，可供选择的转换器单元可包括光学纤维阵列。在此例子中，输入面212”在图2K中示为包括N×M纤维阵列。此输入面212”被构造成接收来自光源单元的具有约1:1的纵横比的光。输出面254”包括单排N×M纤维，由此提供具有约至少20:1的纵横比的输出光。
因此，转换器单元200可包括具有渐缩或非渐缩形状的刚性或柔性主体，所述刚性或柔性主体能够使源的纵横比改变超过一个数量级。
上述转换器单元被构造成将入射光源的形式或纵横比转换成线。这种构造还基本上保持光源的展度。
可通过任何数量的源类型提供源光，但较优选的源为LED光源。
图4示出了示例性光源单元100。光源单元100可包括单个LED(诸如LED 110)、两个LED、或更多个LED，这取决于被照亮的显示器的类型。可利用一个或多个复合抛物面集光器105、透镜(未示出)、或它们的组合来将LED110的输出耦合到转换器单元200。当然，在可供选择的实施例中，可利用透镜或多个透镜系统来收集或准直LED的输出。
如图4所示，可将LED 110安装在一个或多个入口孔102a-102d上。尽管图4示出了被构造成收集和集中来自四个LED的光的复合抛物面集光器(CPC)105，但在本发明的其他方面，CPC 105可收集和集中来自更少或更多数量的LED的光。CPC 105的内部部分可为中空的，并且可按照与常规CPC相同的方式来构造。从出口孔104输出LED光。
就这一点而言，“发光二极管”或“LED”是指发射光的二极管，不管发射出的是可见光、紫外光还是红外光，其中发射出的光将具有位于约430至700nm范围内的峰值波长。术语LED包括非相干光源(作为“LED”(不论是常规型还是超辐射型)销售的封闭或封装的半导体器件)、以及相干半导体器件(诸如激光二极管，包括但不限于垂直腔面发射激光器(VCSEL))。“LED晶粒”为LED最基本的形态，即经半导体加工程序制成的单个元件或芯片。例如，LED晶粒可由一种或多种III族元素的组合和一种或多种V族元素的组合形成(III-V半导体)。合适的III-V半导体材料的例子包括氮化物(诸如氮化镓)和磷化物(诸如磷化镓铟)。还可使用其他类型的III-V族材料以及元素周期表中其他族的材料。部件或芯片可包括适用于施加电力以使装置通电的电触点。例子包括引线结合、卷带自动接合(TAB)或倒装焊接。部件或芯片的各个层和其他功能元件通常以晶片级形成，然后可以将加工好的晶片切成单个元件，以生产大量的LED晶粒。LED晶粒可经配置以进行表面安装、芯片直接贴装或其他已知的安装配置。一些封装的LED通过在LED晶粒和相关反射杯之上形成聚合物封壳而制成。LED可在若干种基底中的一种基底上生长。例如，可在蓝宝石、硅、和氮化镓上外延生长GaN LED。就本专利申请而言，“LED”还应被视为包括通常称为OLED的有机发光二极管。
在本发明的一个方面，LED 110可由两种或更多种不同颜色(例如，红绿蓝(RGB)LED(例如，红光LED结合绿光LED结合蓝光LED)，或者作为另外一种选择，红光LED与青光LED的组合)的LED的阵列制成。在另一方面，LED 110可包括一个或多个远程荧光体LED，诸如描述于US 7,091,653中的那些。这样，蓝光和黄光的适当平衡可产生输出到背光源光导单元300的白光。
在另一方面，可将蓝光GaN LED、YAG荧光体、和准直光学系统(诸如，透镜和复合抛物面集光器)用作光源单元100。还可结合使用具有不同颜色输出的附加照明器。
就本发明的系统的设计而言，光源100可利用极高亮度的和高效的LED，可混合和配合不同的离散颜色，并且可利用远程荧光体型LED。同时，光的有效转换(通过保持展度)可消除将使用大量LED的需要。
光源可产生均匀的颜色(诸如，来自荧光体转换型LED的颜色)，或者可为颜色的组合。例如，LED可为蓝光LED与发射绿光的荧光体和发射红光的AlInGaP LED的组合。已经发现，变形光导和转向器的组合能够为从LED发射的光提供足够的路径长度以在进入背光源光导之前有效地混合颜色。
重新参见图2A-2C，在本发明的一个示例性方面，离开变形光导210的光可被使转换器单元200与背光源光导单元300连接的耦合器280接收。耦合器280可为转换器单元200的部分或者可独立于转换器单元200。在此例子中，耦合器280将被描述成是转换器单元200的一部分。例如，如图2B和2C所示，耦合器280可与转向元件250一体化形成在单件构造中。
如图2G和图2H更详细所述，耦合器280包括大体为直线的主体，所述大体为直线的主体沿着一侧(例如，输入面282)具有局部阶梯式外形以接收变形光导的输出，并且沿着相对侧(例如，输出面284)具有线形外形以将光耦合到单元300的大体为平面的背光源光导内。具体地，耦合器280的局部阶梯式输入面282可包括对应于并且对准转向元件250的输出面254的构造的一系列面(例如，面282a-282e，每个面的阶梯高度量对应于每个转向元件厚度)。在耦合器280的相对侧，输出面284具有基本上线形的面并且具有厚度或高度(h3)以基本上匹配背光源光导单元300的背光源光导部分(参见图5A中的光导310)的厚度。光在耦合器280内经由TIR进行导向。因此，耦合器280被构造成基本上保持变形光导的展度，同时校正薄阶梯式面与基本上线形的面之间的形状不一致性。
如上所提及，在本发明的一个方面，耦合器280与转向器250一体地形成。在此方面，转向器250和耦合器280可由连续模塑制品制成。合适的构造材料包括丙烯酸类树脂，所述丙烯酸类树脂包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、固化性丙烯酸类树脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯、和硅氧烷。作为另外一种选择，可利用聚合物膜的切割条或者通过浇铸和固化工艺来形成耦合器280。
在一些情况下，平面光导的输入面积可基本上大于变形光导的输出(约2X)，因此平面光导的厚度将厚于从展度角度而言所需的厚度。
可通过使背光源光导的面积匹配耦合器280的输出来保持系统的展度。这种匹配可通过下述两者之一或者两者的组合来完成：减小背光源光导的厚度以使其比常规背光源光导更薄、或者使耦合器280的外形渐缩以使得输出面284具有比局部阶梯式输入面282更大的厚度。在一些可供选择的方面，渐缩可为线性的或者渐缩可在至少一个轴线上为非线性的。合适的非线性外形可包括抛物线。
可将低折射率层设置在变形光导210与转向器250之间。低折射率层可包括聚合物涂层或者通过物理气相沉积或化学气相沉积施用的涂层。在优选的方面，低折射率涂层将具有低散射。合适的涂层可包含二氧化硅(SiO2)、和MgF2。
在本发明的一个方面，离开耦合器280的光进入背光源光导单元300，所述背光源光导单元300进一步地将光引导到显示器。如图5A所示，背光源光导单元300包括具有一个或多个层的大体为平面的结构。在一个方面，背光源光导单元300包括设置在层330与层320之间的主层或第一(中间)层310。第一(中间)层310可包括充当主背光源光导的高折射率聚合物层，例如，聚碳酸酯、聚苯乙烯、或固化的丙烯酸苯酯。将光引导到装置的可观察侧(在此例子中，引导到显示面板)的提取器315(参见例如图6A、6B)的阵列可设置在层310的底部表面上。第二层330可包括低折射率材料，诸如光学透明的粘合剂(OCA)。在一些方面，作为粘合剂，层330可附接到LCD模块或者中间膜，诸如增亮膜。层320可包括反射表面以充当背侧反射镜。
输入光沿着箭头305的方向进入背光源光导单元300的第一(中间)层310。在一些方面，层310可具有约1.55的折射率。可通过提取器来使光在箭头307的方向上偏转以提供显示器面板(未示出)的照明。由于离开转换器单元200的光具有低展度(例如，小于5)，因此这种光完好准直地进入层310。因此，层330的折射率无需基本上低于层310的折射率以保持有效的波导结构。例如，在本发明的一个方面，层330具有约1.49的折射率。换句话讲，就本文所述的光导设计而言，层310的任一侧的空气边界无需实现有效的波导结构。此外，层310的厚度可为基本上降低的(与常规背光源系统相比)。
在一个方面，第一(中间)层310包括具有约50μm至约500μm厚度的材料。优选的厚度可取决于光源中所用的准直光学器件(如，CPC)的高度，其中层310的厚度可为准直光学器件高度的约1/2。层310优选地具有大体为矩形的形状，但在可供选择的方面，层310可为楔形的。层310的减缩厚度表示相对于常规背光源系统的实质性改进，并且在尺寸(厚度)上比LED光源的尺寸(如，高度)小一个数量级。在常规背光源系统中，主背光源光导通常在两个主侧面上被空气表面或界面包围，因为TIR的最宽范围通常出现在空气充当光导包层的情况下。然而，当光导与背光源光导的一个或两个主侧面上的结构化元件物理接触时，空气包层为不可接受的。这种构型的先前方法并非为最佳的。这些先前方法包括接受因较差的TIR收集角度范围造成的较大光损耗、并且增加背光源光导的厚度以接受准直光束的增加高度。这些方法不能满足改善电源效率和实现较紧凑系统的需求。
上文所述的光源单元100和转换器单元200基本上保持展度并且产生具有高纵横比(20:1或更大)和良好准直度的光。在优选的方面，由LED发射的光为准直的，使得由LED发射的光的至少25％被包含在具有不大于约15°的半角的圆锥体内，更优选地被包含在不大于约10°的圆锥体内。因此，背光源光导单元300的厚度可得到基本上降低(如，降低约2X或更多)。此外，入射光的低散射意味着无需空气包层并且总体装置厚度可得到进一步降低。
在另一方面，如图5B所示，背光源光导单元300包括大体为平面的结构，所述大体为平面的结构具有下述层：具有包括提取器的间隔阵列的表面的光导层310、背侧反射层320、设置在层310的相对主表面上的低折射率耦合层330、使入射光的偏振偏移四分之一波长的四分之一波膜层340和用以提供未使用光的循环利用的反射偏振片350。
LCD透射了光的一种偏振。由于大多数光源为非偏振的，因此常规LCD中的偏振透射导致光学效率的显著损耗并且增加显示器的用电量。相比之下，就本发明的设计而言，如图5B所示，反射偏振片350可通过如下方式来增加显示效率：将光偏振反射回背光源内，由此允许这些光中的一些通过四分之一波膜层340转换成可用的偏振态。
根据本发明的可供选择的方面，可使用两类方法来将反射的偏振光转换成所需的透射偏振。一个方法是利用背光源中的部件以使光的偏振随机化。利用具有散射朗伯曲线型反射器的反射偏振片作为背侧反射器往往会使光去偏振。合适的偏振随机化反射材料包括位于具有光学厚度的和双折射的聚合物(诸如，聚萘二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸乙二酯(PET))上的金属涂层、二向色涂层、以及它们的组合。半镜面反射器也可为合适的，所述半镜面反射器包括取向的空隙型PET膜。这种构型在回收腔中产生较多的反射，并且可降低效率。这种类型的反射器的优点在于减少了诸如四分之一波延迟片之类的光学部件的数量。
第二方法(如图5B中的本发明的方面所示)利用的是具有设置在背侧反射层和反射偏振片之间的四分之一波延迟片的镜面(偏振保持型)背侧反射层。此第二系统方法可比使偏振态随机化的第一方法更有效。在此第二方法中，设置在背侧反射器层与反射偏振片层之间的光学部件应具有极低的光学双折射以最大化输出效率。合适的偏振保持型反射器包括设置在低双折射材料(诸如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和其他非晶态聚合物)上的金属化反射器和无机二向色反射器、以及它们的组合。
此外，由于光源单元100和转换器单元200的低展度，穿过四分之一波膜的光通常具有较窄的角度范围，这消除了对于昂贵的、广泛使用角度范围的四分之一波膜的需要。
用于低折射率层330的合适材料包括SiO2、MgF2、硅氧烷聚合物、含氟聚合物、丙烯酸类树脂、以及它们的混合物。
执行模拟以比较采用朗伯曲线型散射背侧反射层的常规背光源系统(1)与如图5B所示的背光源系统(2)，其中层520包括90％(反射型)镜面反射器，层310由具有提取器阵列的透明材料、低折射率OCA层330、四分之一波反射器层340、和反射偏振片层350(由得自3M公司的APF形成)形成。将反射器结合到光导的背侧，其中对于此例子而言，可将薄的低折射率涂层(例如，物理气相沉积的MgF2或二氧化硅涂层，随后是银或铝涂层)施用到光导和提取器阵列的背侧。背光源系统(2)导致比背光源系统(1)效率高30％和100％(这取决于角增益膜的使用)的更有效系统。当参考显示器使用角增益膜(例如，得自3M公司的BEF膜)时产生效率的最大改进。在此例子中，角增益膜通常定位在光导的顶部表面与反射偏振片的下面之间。利用得自Synopsis公司的Lighttools软件来计算所模拟的效率差。
图6A示出了示例性提取特征或提取器312。提取器312具有截棱锥或齿形，其中倾斜的侧面被设计用于拾取光线并且使它们以基本上90°的角度偏转到显示器单元(未示出)。尽管内角在图6A中示为45°角，但这些内角可为更小或更大的角，这取决于正在背光源光导300内引导的光的特性。提取器形成于光导中，并且可利用空气界面以及任选地结合介电薄膜涂层(诸如，二氧化硅或氟化镁)通过全内反射(TIR)来促进反射。可通过微复制在光导中形成提取器，其中，例如，辐射固化树脂将金属工具表面上的图案复制到光导膜上。作为另外一种选择，光导可包括玻璃层。提取器可包括光导板上的纹理区域，其中所述纹理可控制地散射穿过光导板的光。作为另外一种选择，提取器可包括几何特征，诸如棱柱。示例性的提取特征为分布在光导表面上的棱镜阵列。这种分布为光导提供所需的光输出均匀性。棱柱可被布置成例如凹直角棱柱的一维阵列以使得从光导中提取光，其中每个棱镜具有约1.5μm的高度、3μm的长度、和光导的宽度。棱镜还可被布置成二维阵列，其中每个棱镜的长度为例如约10μm。
图6B示出了提取器层315的顶视图，其示出了每个提取器单元的相对较宽的散布间距。这样，提取器图案中的每个提取器覆盖背光源单元的极小面积，由此促进射向显示器面板的反射光的均匀性。在本发明的一个方面，提取器的密度为光导的面积的约小于20％。在另一方面，提取器的密度为光导的面积的约小于10％。因此，由背光源系统发射的光线处于相对较小的角度范围中，这是背光源系统的低展度设计和使用本文所述的提取器的结果。提取器的这种低密度允许图5B的实施例的循环利用偏振器构造能更有效地工作，因为较少的提取器导致光偏振的较低随机化。用于形成提取器层315的示例性工序更详细地描述于下文中。
根据由研究者执行的模拟，将反射偏振片添加到常规背光源通常增加50％至70％的亮度。利用LightTools版本7.2的示例性模型系统(得自Synopys Inc.(Mountain View,CA,USA))，常规的BacklightSystems3LEDBacklight通过添加模拟的APF膜显示具有72％的亮度增加。对于被构造成与例如图5B所示的实施例类似的系统，其中层320包括90％镜面反射器，层310由具有1.58的折射率并且具有提取器阵列的聚合物材料、低折射率OCA层330、和四分之一波延迟片层340形成，添加反射偏振片层350(由得自3M公司的APF形成)导致具有93％的效率增加。
因此，尽管常规LCD背光源使用反射偏振片具有相对较低的60％至70％的增益，但根据本发明的示例性方面，本文所述的背光源系统可提供80％至90％的增益。根据其他方面，背光源光导可具有低密度的提取器特征、高反射的背部表面、和反射偏振片。背光源光导可使用棱柱提取特征，并且可包括四分之一波延迟膜。背光源还可包括非去偏振型漫射器。
根据本发明的另一方面，本文所述的背光源单元的若干部件(包括转换器单元200和背光源光导单元300的元件)可利用下述工序来形成。图7A-7F用于辅助示出所述工序。
总体而言，示例性工序包括提供至少具有第一光学元件的第一阵列和第二光学元件(其具有不同于第一阵列的形状)的第二阵列的腔体。例如，在一个方面，光学元件的第一阵列可包括转向器并且光学元件的第二阵列可包括具有提取器的背光源光导。在另一方面，光学元件的第二阵列可包括耦合元件。所述工序还包括利用可固化树脂来填充腔体。可将另一个光学元件或者次级光学元件(诸如变形光导)在对准第一光学阵列的情况下施用到可固化树脂。然后可树脂进行固化。然后可从腔体中移除固化组件。在可供选择的方面，可将模制工具(诸如，耦合元件的表面)施用到第一阵列的同一侧(与变形光导同侧)。示例性工序可为连续的(利用位于带或圆柱体上的模具)、半连续的、或者分批的。
更详细地，在图7A中，模制表面或模具400被示为(以局部视图形式)具有凹陷区域(例如，腔体)，所述凹陷区域具有所需光学元件形状的负像。所需光学元件形状的负像可为任何的凹入或凸起形状，或者这两者的组合。光学元件可为阵列或者随机形状，并且可包括例如非球体、球体形状、棱柱、环面形状、和通道。可通过金刚石车削或者飞切母模并且电铸模具来制备模具400。模具400包括部分420，所述部分420被构造成包括背光源光导的转换器单元(例如，转向器、变形光导)。例如，部分420可包括三角形凹槽。部分450被构造成包括背光源光导。例如，部分450可具有例如图8(以夸大比例示出)所示的构造，所述构造具有形成于模具的底部表面411上的提取器阵列或提取器层415(其类似于上文所述的提取器层315)。可用于形成具有提取器415的阵列的模具的工具更详细地描述于下文中。
在一个方面，模具400可被构造为形成用于移动装置或手持装置的背光源光导。在其他方面，本文所述的工序可用于形成较大显示器(诸如平板电脑、计算机或电视显示器)的背光源系统。
任选地，可利用剥离剂或者具有所需光学特性(诸如，低于可固化树脂的折射率)的材料来涂布模制表面。此涂层可与模具保持在一起或者一旦固化时就粘附到可固化树脂。此类合适涂料的例子包括类金刚石涂料、硅氧烷、丙烯酸酯、含氟聚合物、和物理气相沉积的材料。
在图7B中，利用可固化树脂455填充模具400。可通过浸涂、线棒涂布、刮刀涂布、喷墨涂布、辊涂、丝网涂布、或任何其他涂布工艺来施用可固化树脂。可固化树脂可为单一组合物，或者可根据模制表面上的区域而改变。合适的树脂包括丙烯酸酯、硅氧烷、环氧树脂、酯、乙烯基化合物，并且还可包括例如丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、其他单官能丙烯酸酯、多官能丙烯酸酯、二甲基硅氧烷、甲基-苯基硅氧烷、含氟丙烯酸酯、以及它们的混合物。
在图7C中，可将次级光学元件(诸如，变形光导210)在与光学元件(例如，转向器)的阵列对齐的情况下放置在部分420处的可固化树脂上。可在大气环境中、或者惰性气体环境(诸如氮气、氦气、氩气或二氧化碳)中来将次级光学元件施用到树脂的表面。可加热光学元件或树脂、或者这两者，以降低树脂粘度并且降低夹带气体的趋势。也可使用低于大气压的压力来减少空气夹带。次级光学元件可与基准点或者模具上的特征对准，或者可与模具上的特征被动地对准，或者可通过两个或更多个方法的组合来对准。可调整高度以减小光学元件与树脂之间的弯月面。次级光学元件可与次级模制结构同时施用，或者它们可被单独地施用。
在图7D中，将一个或多个可移除的次级模具施用到模具400的表面。在此例子中，将次级模具422施用到模具400的部分420。次级模具422优选地对固化辐射(诸如电子束辐射)透明。可将任选的可移除次级模具施用到树脂表面中的一些或者全部。次级模制表面可与基准点或者模具上的特征对准，或者可与模具上的特征被动地对准，或者可通过两个或更多个方法的组合来对准。可调整高度以减小模制表面与树脂之间的弯月面。在此例子中，模具422可被成型，以便在固化之后形成耦合元件(诸如耦合元件280)。此外，任选地，可将膜施用到模具400的表面，以有助于在固化之后移除次级模具。
在布置可移除的次级模具之后，固化该树脂455。可利用热引发剂或催化剂、通过热驱动冷凝、通过光引发剂、或通过包括电子束的其他光化辐射、或者通过这些方法中的一个或多个的组合来固化树脂。在一个方面，通过辐射(诸如，电子束辐射)并利用常规的固化方法来固化树脂455。同时，可采用UV和/或其他光束固化方法。与UV固化方法相比，利用电子束辐射可减少潜在的光吸收问题。
在图7E中，示出了固化之后且次级模具422已被移除的模具400。
在图7F中，可将具有衬片的光学透明的粘合剂膜施用到固化结构的顶部表面。然后可从模具400中移出包括背光源光导、耦合元件、转换器和变形光导的组件。
此外，可对固化树脂结构和次级光学元件的一个或多个表面进行后处理。合适的后处理包括利用介电材料(诸如MgF2、SiO2、或Al2O3)、或者金属(包括铝或银)、或者介电材料和金属的组合进行物理气相涂布。在一个方面，合适的组合包括低折射率介电材料(诸如，MgF2或SiO2)的涂层、以及随后的铝或银的涂层。低折射率介电涂层增加了高角度下的反射率，并且在较高角度下为透明的以允许金属有效地反射光。
在移出和/或后处理之后，则可将组件结合到上部或者下部显示器表面(未示出)。
因此，可使用上述工序来制备图1中所示的光源光导系统10中的一个或多个元件。
如上文所提及，背光源光导包括将光以均匀方式重新引导到显示器的提取器阵列或提取器层。下面的图9A-9F示出了可被利用的示例性工序。在此示例性工序中，提供了表面，其中凹槽阵列形成于表面上。利用聚合物填充凹槽，所述聚合物可进行平面化。可通过图案化辐射和蚀刻的组合来进一步限定聚合物。可使用电铸来形成具有选定凹槽部分的表面的复制品，其中凹槽的侧面可与光导平面成至少45度的角。所得光导可具有含光(低密度)提取特征(即，提取器)的主表面，其中提取特征占主表面的面积的小于10％。
图9A示出了基底401的等轴视图，所述基底401具有形成于其上表面402中的一系列凹槽403。基底401可由金属(诸如铜、镍、或者它们的合金)形成。可利用常规的切割工艺(诸如金刚石切割工艺)来形成凹槽403。
图9B示出了涂布有聚合物层404的基底401，所述聚合物层404填充了形成于上表面402中的凹槽。聚合物层404可包括材料中的任一种或材料的混合物。在一个方面，聚合物层404包含光致抗蚀剂。作为另外一种选择，聚合物层404可包含可诸如通过常规电子束、反应性离子或类似蚀刻工艺进行蚀刻的聚合物。
任选地，随后可使经聚合物涂布的基底平面化，如图9C所示。利用此步骤，聚合物/抗蚀剂可保留在先前形成的凹槽中，同时从上表面402移除剩余的聚合物/抗蚀剂。适用于平面化的常规工艺包括例如磨料抛光和化学机械抛光(CMP)。平面化可增加成品光导的平滑度。在一些应用中可不需要平面化。
然后可将聚合物/抗蚀剂(已平面化或未平面化)层404暴露于图案化辐射。作为另外一种选择，可利用图案化蚀刻屏障来覆盖聚合物层404，并且可通过反应性离子蚀刻来图案化聚合物层。图9D示出了完成蚀刻步骤之后的基底401。
在一些方面，与光导的主表面相交的提取器特征的蚀刻面可具有高角度，并且可接近垂直于主表面。在一些方面，可采用相对法向的小偏斜角度，以有利于在电铸之后来剥离工具表面。蚀刻表面407还优选地为平滑的并且不基本上散射光。在一些应用中，可优选的是具有垂直或甚至底切的蚀刻面。在一些方面，蚀刻面与主表面成90度和60度之间的角度，更优选地，所述角度在85度和60度之间，并且最优选地，所述角度为与主表面成80度和70度之间的角度。
蚀刻基底随后可利用金属层进行涂布，并且利用其他金属(诸如镍、铜、或者包含镍或铜或这两者的合金)进行电铸。图9E示出了形成于基底401上的成品电铸件408。
图9F示出了与基底分离之后的电铸件408。基底401或者第一电铸件408可用于后续电铸步骤，以形成用于浇铸、固化或注塑操作的附加工具。
因此，上文所述的背光源系统及其部件为显示器提供有效的照明系统。背光源系统及其部件结合在一起或单独地提供具有低展度和减少数量的总体部件的高效照明系统。对于此处所述的背光源系统而言，可消除对于空气空间的需要，由此提供机会以用于压力感测触摸显示器和触觉系统。背光源系统可比常规背光源更薄，由此允许利用光学透明的粘合剂进行层合。此外，消除了对角增强膜的需要。
尽管已在本文中为描述优选实施例的目的示出并描述了具体实施例，但本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的前提下，存在多种替代或等同的实施方式来取代所示和所述的具体实施例。本领域中的技术人员将容易认识到，可以通过众多实施例来实施本发明。本应用旨在涵盖本文中所讨论的实施例的任何调整或变型。

Claims (11)

1.一种背光源光导，包括：
大体为平面的结构，所述大体为平面的结构包括：
光导层，其中所述光导层包括第一主表面和第二主表面，在所述第一主表面中形成有提取器的间隔阵列，所述第二主表面与所述第一主表面相对，其中所述提取器的密度小于所述背光源光导的面积的20％，
背侧反射层，其设置在所述光导层的第一主表面上，其中所述背侧反射层包括偏振保持型镜面反射器，
低折射率耦合层，其具有设置在所述光导层的第二主表面上的第一主表面，其中所述低折射率耦合层包括与其第一主表面相对的第二主表面，
反射偏振片，其设置在所述低折射率耦合层的第二主表面上，其中所述反射偏振片提供未使用光的循环利用，以及
四分之一波膜层，其在所述背侧反射层与所述反射偏振片之间，
其中所述背光源光导提供至少80％的增益。
2.根据权利要求1所述的背光源光导，其中每个提取器包括具有成角度侧面的截棱锥或齿形。
3.根据权利要求1所述的背光源光导，其中每个提取器的高度为5μm至10μm。
4.根据权利要求1所述的背光源光导，其中每个提取器的表面涂布有反射金属层。
5.根据权利要求1所述的背光源光导，其中所述光导层包括由高折射率聚合物形成的矩形结构。
6.根据权利要求5所述的背光源光导，其中所述高折射率聚合物包括聚碳酸酯、聚苯乙烯和固化的丙烯酸苯酯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的背光源光导，其中不存在直接位于所述光导层的任一主侧面上的空气边界。
8.根据权利要求1所述的背光源光导，其中所述偏振保持型镜面反射器包括金属化反射器和无机二向色反射器中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的背光源光导，其中所述低折射率耦合层包含SiO2、MgF2、硅氧烷聚合物、含氟聚合物、丙烯酸类树脂、以及它们的混合物中的一种。
10.根据权利要求1所述的背光源光导，其中所述提取器的阵列通过微复制来形成。
11.根据权利要求1所述的背光源光导，还包括非去偏振型漫射器。
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