CN1121371A - 具有多次反射光注入系统并采用微棱镜的背照光照明系统 - Google Patents

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Abstract

一种对液晶平板显示器或其他需要背照光照明的装置进行背照光照明的组件。该组件由多次反射光注入系统、光导管(14)、准直组件(28)以及一组特别构筑的与光导管一起提供具有可控准直度的有效背照光照明技术的微棱镜(36)组成。揭示的组件可以最多应用四个光源，给出更为明亮的背照光照明。

Description

具有多次反射光注入系统并采用 微棱镜的背照光照明系统
本申请是申请日为1992年10月8日、申请号为07/958,238的共同待批专利申请的续展部分。
                 发明背景I.发明领域
本发明总的说来涉及特别适用于液晶显示器的背照光照明(backlighting)系统。特别是，它包含上述共同待批申请中揭示的背照光照明系统的某些改进的特征。II.相关技术的描述
液晶显示器(LCD)常用于便携式计算机系统、电视机和其他电子显示装置。大面积、高性能的LCD需要一个用作操作的照明源。对LCD进行背照光照明已成为个人计算机、电视机以及投射型显示器最常用的光源。一般说来，要求以尽可能低的功耗获取足够明亮的背照光照明。对于三单元堆积组件(three cell stacked asembly，简称TSTN)的结构，必须配以具有特定准直度(即-有限发散角)的背照光照明系统。因为大多数LCD的透射率很低并具有依赖于视角的特征，所以有时要用一个以上的光源才足以明亮地展示画面。例如，彩色有源阵列LCD的透射率仅约2％，用于背照光照明常常需要耗能比冷阴极荧光灯大得多的热阴极荧光灯。采用按照本发明设计的背照光照明组件，可以大大提高将光从一线性漫射光源转换到一平面显示板(例如一LCD)的效率。因此，本发明可以延长便携式LCD显示器供电电池的寿命。背照光照明的均匀性以及由于所占空间较小而便于携带也可以通过本发明而实现。
在大多数已有的背照光照明系统中，使光穿出光导管的机理主要基于随机散射，这不仅依赖于波长，而且不是很有效。另外，这种方法不能提供在诸如堆积液晶显示器的应用中为避免视差效应所需的准直背照光照明。尽管有人建议采用某些方法来获取用于这类显示器的准直背照光照明，但都需要有一个点光源和基于透镜和镜面的光学系统。由于目前市售的点光源的功效通常比荧光灯低，并且在大多数情况下需要一个诸如风扇之类的冷却系统和基于透镜和镜面的光学系统，而这些系统占地空间较大，所以，前述高准直光源技术对于便携式计算机和平面电视机的背照光照明是不实用的。为此，目前堆积平面技术被限制在投射型显示器。
正如从本文中将看到的那样，采用按照本发明的设计的背照光照明组件，一种能够提供高光度和可控准直的背照光照明的小型节能光源可以被应用于便携式计算机中的堆积平面显示器、彩色显示器以及实时平面显示器。
                     发明概述
本文详细揭示了一种对液晶显示器进行背照光照明的组件。该组件包括一个通常呈矩形的背照光照明光导管，该光导管具有相对的顶面和底面、两对相对的侧面；一将光从一个或多个侧面传送到光导管内并使之从光导管的一端传送到另一端的装置，以及一个直接靠近锥形或三角微棱镜(用作光导管底面)的机构。该微棱镜是按照本发明的若干实施例设计的，用来将光导管内的光通过顶面向上反射出去。
在所揭示的背照光照明组件的一个实施例中，两个线性光源通过沿平行于各线性光源方向延伸的光准直组件，在光导管的两个相邻侧面处被耦合到光导管。在后文中将看到，每一个光准直组件可以通过准直组件内的多次反射，在垂直于光导管的平面内将光准直到某种程度。本文中还揭示了按照第二个实施例设计的背照光照明组件。该实施例中，光准直组件被分成一系列纵向延伸侧面邻接的段或通道，它们沿光准直组件的输入端延伸至输出端，并且大体上沿其全长在光学上相互隔离，从而各光导管段对入射光的作用大体上互不相关。正像后文中可以看到的那样，这种多通道结构可以采用线性光源获得离开该组件的二维准直光。在背照光照明组件的第三和第四个实施例中，只采用了一个线性光源。这些系统对不需要强烈背照光照明的应用(如单色LCD或彩色STN LCD)可以提供足够的背照光照明。可以看到，如果需要亮度极高的背照光照明，可以采用多达四个光源。
本发明不仅提供了几个单一的背照光照明组件，而且还提供了一个独特的系统，该系统包括一个组合了液晶显示器和一个特别设计的光偏振结构的背照光照明组件，光偏振结构与背照光照明组件一起，确保大体上所有液晶显示器使用的来自背照光照明组件的光近似为偏振光。这与现有技术中从背照光照明组件得到的光最多只有一半被恰当偏振的偏振方案成了鲜明的对比。在本文揭示的特定实施例中，偏振结构采用了一种回射片偏振器，与构成背照光照明组件一部分的微棱镜一起对离开背照光照明组件的光作恰当的偏振。
本发明的其他特征在本文中将变得更为清楚，包括能够提供一种在宽角度范围内观察而无图像劣化的液晶显示器。
               附图描述
下文中将结合附图对本发明作更详细的描述，其中，
图1是按照本发明的一种实施例而设计的背照光照明组件的透视图，液晶显示器一起示于图中，为方便起见，背照光照明组件以X、Y、Z坐标系示出；
图2是光传导组件取X-Z平面的截面图；
图3是构成图1背照光照明组件一部分的背照光照明管的一部分截面图，其中特别描述了光进出光导管的途径，并示出了按照本发明设计的锥形棱镜片；
图4是图1中背照光照明组件一端的截面图，特别描述了光由一端镜面反射的途径；
图5是按照本发明另一种实施例设计的背照光照明组件的透视图；
图6A是图5中分别取X-Y平面的构成背照光照明组件多通道光传导段一部分的光传导通道的截面图；
图6B是按照本发明另一种实施例设计的由一排具有平面端的锥形棱镜组成的多通道光传导段的截面图；
图7A、7B和7C是按照本发明又一种实施例的光传导或光准直组件的截面图；
图8是用于图1所示部分背照光照明组件的锥形微棱镜改进片一部分的透视示意图；
图9A是采用图8所示锥形微棱镜改进片的本发明背照光照明管一部分的截面图，特别描述了光进入、传播、通过和离开光导管的途径；
图9B是按照本发明设计的改进的背照光照明组件的侧视立面示意图；
图10是按照本发明又一种实施例而设计的背照光照明组件的透视图；
图11是按照本发明又一种实施例而设计的背照光照明组件的透视图；
图12A是按照本发明再一种实施例一部分微棱镜片的透视示意图；
图12B是图12A所示微棱镜片改进后一部分的透视示意图；
图13是回射片偏振器的侧视立面示意图；
图14是图1背照光照明组件和图13回射片偏振器相组合的透视图；
图15是按照本发明，形成图14所示背照光照明组件部分的微棱镜结构和图13所示回射片偏振器结构一起对光进行偏振的示意图；以及
图16是整个液晶显示器系统的侧视立面示意图，该液晶显示器系统包括液晶显示组件、按照本发明设计的背照光照明组件、按照本发明设计的与背照光照明组件合在一起的偏振结构以及一光散射漫射板。
                   最佳实施例的详细描述
参见附图，各图中，相同的标号标示相同的元件，先看图1。如图所述，该图描述的是根据本发明设计的对一液晶显示器进行背照光照明的一组件的透视图。该组件示于X-Y-Z坐标系内的10处，液晶显示器用标号12表示。组件10包括一通常呈矩形的背照光照明光导管14，在相对端16和18之间以及相对侧面或端20和22之间沿X方向和Y方向延伸，组件10还包括沿水平方向(在X-Y平面内)延伸的相对顶面和底面24和26。分别用28和28′表示的两个光准直组件或构件在相邻入口端16和20处将光传导到光导管内，以及使光从入口端16和20处传送到相对端18和22，就像用箭头30和30′所表示的那样。端18和22分别包含光反射面，用来将光反射回入口端16和20，就像用箭头34和34′，表示的那样。
仍看图1，背照光照明组件10还包括一个沿X-Y平面全方位延伸并用作光导管14底面并直接靠近向下呈尖锥形的微棱镜或如后文中也将称作为锥形微棱镜的结构36。注意，每一微棱镜的基面直接靠近邻近的锥形棱镜并处于其共平面内，并且该共平面平行于X-Y轴。在图1所示的特定实施例中，每一个微棱镜(图3中用标号42表示)为一普通的四面锥形，具有一个矩形基面和四个三角形(等腰三角形)光反射面，其第一对相向面反射X方向来的入射光，其第二对相向面反射Y方向来的入射光，每一锥形体的一对相向面示于图3中44和46处。至此，可以说锥形微棱镜的这一结构可以由具有与光导管14相同或近似的折射率的丙稀酸玻璃或聚碳酸酯材料构成。结构36可以单独制作，与光导管的结构不同，例如如图3中所示的那样，呈一个具有下凸锥形特征47的分离片形式，这种结构可以用一种合适的粘接剂方便地粘附到光导管的底面26上，这种粘接剂具有合适的折射率，故对通过光导管和微锥形之间的光呈透明。另一方面，如图3中所示的那样，锥形微棱镜的结构可以被制成是光导管的一个整体部分。在两种情况下，锥形微棱镜的大小和光导管部分的高度已被夸大，从而便于更完整地理解它们是如何作用到引入光导管内的光上的。在图3所示的特定实施例中，每一个规则锥形体在相向光反射面之间限定了一个100°的棱镜角。应该理解的是，本发明并非仅限于这些特定的物理参数。锥形体的宽度和长度还可以具有不同的数值，X和Y方向的角度可以具有不同的数值。另外，锥体表面与基面构成的沿X方向的两个角和/或沿Y方向的两个角可以具有不同的数值，从而如图9B所示，锥体四个三角面中的每一个可以是非等腰三角形。正如将要讨论的那样，还可以要求这些角在X-Y平面内规则变化，使输出光以更加合理的方向传播。锥形微棱镜片在凸起的锥体外表面上还可以涂上铝或其他适宜的材料以增强反射性。
正如后文中所指出的那样，例如通过结构28，在其入口端16处把光引入光导管内，光沿液晶显示器12的方向如箭头38所示的那样向上反射通过顶面24。如同后文中将看到的那样，锥体微棱镜的结构和结构28，28′可以被设计成相同配合工作，从而确保通过表面24而离开光导管的光38具有高度的准直性。
再参见图1，下面更详细地描述通过端面16和20而将光引入光导管内的整体结构28和28′。因为两个结构的工作原理是相同的，下面仅参照结构28来描述。
下面参见图2，图中在X-Z平面内示出了光源64及其固定装置66。结构28包括一个沿平行于光导管入口侧16方向延伸的反射棱镜62。棱镜62具有相向的顶面和底面50和52以及相向端58和60。沿X-Z平面进入棱镜的光具有一个由构成棱镜的材料的折射率决定的最大发散角(进入光线相对于X轴70的夹角，如果棱镜由丙稀酸玻璃制成，则约为43°)。正如下文将要讨论的那样，将进入背照光照明光导管段14的X-Z平面内的光的发散角保持在尽可大的某一最大角是很重要的。如果允许光向下传播到光传导组件，并以大于该最大角的角度进入背照光照明光导管，则背照光输出38就不会具有LCD背照光照明应用所适宜的光强分布的均匀性。在结构28的输入端58，光的最大发散角近似等于n1/n2弧度，其中，n1和n2分别为空气和准直棱镜的折射率。如果准直棱镜采用丙稀酸玻璃，那么如上所述，最大发散角为43°。因为以大发散角离开光传导组件28和进入光导管14的光一般会投射到沿靠近光源那一段光导管底面处的微棱镜上，并因此使背照光照明的光强不具有均匀性，所以，使最大发散角保持足够小而获取均匀的背照光照明光强是很重要的。对于使光准直在所需最大发散角(例如±20°)从而被传送到光导管内的结构28，顶面和底面50和52被构筑成如图2所示相对于X轴有一倾斜角(如约6°)。
举例来说，以相对于X轴的发散角43°进入反射棱镜62的光线72将由反射棱镜的顶面50随后由底面52反射。对于一6°的倾斜表面，每一次反射都使光线的发散角减小12°。结果，离开准直结构28并进入光导管的光线82的发散角为19°，仍在所要求的最大传播发散角±20°的范围内。然而，具有更小初始发散角(例如12°)的光线(例如光线74)将在整个光准直组件内仅由准直光导管的表面反射一次，且其发散角将减小12°。另外，发散角小于6°的光将不会投射到表面50和52上，而方向不变地通过准直组件传播。采用恰当构造的准直组件，初始发散角大于32°的光线将由表面50和52反射，并且在离开准直结构28之前，发散角减小共24°。发散角大于11°但小于32°的光线将由表面50或52至少反射一次，且其发散角至少减小12°。初始发散角小于11°的光线最多由表面50或52中的一个反射一次。由于所有传播方向上的变化是整个内部反射的结果，所以不会产生光强损失。
上述描述的相对于结构28的同一原理也适用于以Y-Z平面进入结构28′的光线。
在描述了通过光传导组件28和28′使来自光源64和64′的光传导到光导管14内的途径以后，下面来看看背照光照明光导管14与锥形微棱镜结构36共同作用到输入光上而给出输出背照光照明38的途径。为此，参照在X-Z平面内给出光导管14截面图的图3。因为在Y-Z平面内传播的光由于锥形微棱镜结构的对称性而与在X-Z平面内传播的光相似，所以下面的讨论同样适用于在Y-Z平面内传播的来自光传导组件28′的光。为便于讨论，如图3所示，假定进入背照光照明光导管的光的最大发散角为±20°。在图3所述的特定实施例中，每一规则锥体在相邻锥形之间限定一个100°的角。
仍参见图3，特别注意与X轴偏离-20°的入射光束76将经受锥形一个表面的弯折，随后以偏离法线(80)+10°的方向78传播。近似平行于X轴方向传播的光束82将偏离80°，其传播方向84偏离表面24法线-10°。一开始偏离X轴+20°的光束86将投射到顶面24的下部，随后向下传播，以类似于光束76的方式由锥形体的一个表面反射，从而如87所示，以与法线成+10°角向上传播。这一过程对所有与X轴构成一正角的光束都一样。与此类似，以相对方向传播的光束也以发散角±10°由微棱镜向外反射传播。结果，在X-Z平面内通过顶面24离开光导管的所有光束被准直到等于初始发散角一半的角度内，即光进入光导管14的1/2角度内。
在结合图3所描述的特例中，假设了锥形体42限定了相邻锥形体之间的角度为100°，并且入射光相对于X轴位于发散区±20°内。为了将光耦合到一光导管内，锥形体阵列应当具有一个由允许发散角和光导管折射率所确定的角度。锥形体阵列的锥角应当近似等于90°加上允许的发散角。实际使用中，对锥体的尺寸和重复距离并没有限制，只要这些锥形体能便于制造，重复距离可以小于人眼的最小分辨距离，可以适宜于用来进行背照光照明。然而，最好不要使锥形体的重复距离接近一个液晶显示器的间距长度或其倍数或除数，从而避免干涉产生的影响。
现在来看图4，该图描述的是具有反射镜面层88的光导管端18。尽管图中未示出，实际上在端部或侧面22处有一个类似的镜面层。因为进入光导管14的光是准直的，一部分光可以通过整个光导管传播，不与锥形微棱镜作用而达到远端18(以及端22)。镜面层88用来使诸如光线90的光线转回来，以防止它们漏出去，并提高背照光照明的均匀性。注意，镜面层略朝向微锥体倾斜。结果，在由镜面反射以后，几乎平行于X轴传播的诸如光线90的入射光向下弯折。这样，离开光导管的光38在整个背照光照明区范围内更加均匀，因为更多的光38趋于离开靠近端16和20的光导管，端16和20比更远离光源的端18和22更靠近光源。
在图1所述的背照光照明组件中，输出光38是为背照光照明LCD显示器而配置的，这些显示器无需高准直照射，所以无需在X和Y方向上获取输出光准直的专用装置。另外，正如前文描述的那样，为了对某些堆积的液晶显示器进行背照光照明，需要有高准直的输出光。图5中描述了为使输出光以两个方向准直而设计的背照光照明组件10′。除了光准直组件28″和28与相应的光准直组件28和28′有些不同以外，组件10′所有的元件均与组件10的相同。光准直组件28″和28包括与相应准直组件28和28′极其相同的结构。然而，每一组件28″和28中的棱镜被分成一系列纵向延伸横向邻接的段或通道，其从光传导组件的输入端延伸到其输出端，并大体上沿其全长相互光学隔离，从而各通道或段对入射光的作用大体上相互不依赖。各光传导通道内的准直过程下文中将作详细描述。再有，因为组件28″和28是以相同方式构筑的，下面仅描述组件28″。
对于X-Z平面内的光线，光准直组件28″内的准直过程如图2中所示的那样与组件28的相同。正如前面描述过的那样，每一光传导段62的顶面和底面50和52被构筑成如图2所示具有某种倾斜角，从而实现X-Z平面内的准直。然而，在组件28″中，多通道光导管结构另外还提供了在X-Y平面内对光进行准直的能力。下面来看看如图6A所示的光在X-Y平面内进入每一光传导段的途径。在该平面内(如在X-Z平面内)，光以制成准直组件的材料的折射率所确定的发散角，在入口端58处进入准直组件。该最大发散角(如果准直组件是丙稀酸制成的，则为43°)通常比允许的最大角度大得多。为了减小该最大发散角，每一光准直段的相对侧54和56包括有恰当的涂层92，例如用来将光传导段内的内部全反射的临界角限制在结合图2讨论的要求最大发散角。这样，在允许发散角范围内进入每一光准直段的光线(例如光线94和96)将从具有涂层92的表面通过准直段由于内部全反射而无光强损耗地被反射。另一方面，以要求发散角以外的角度进入每一光传导段的光线(例如光线98)将传输到涂层92内，达到涂层的外表面上，并在那儿被吸收。结果，大体上所有穿过每一光准直部分传播的光在X-Y平面内被准直成要求的准直度°在最大发散角下无损耗地穿过准直部分的光线的最大发散角被确定为90°，并用弧度(n1/n2)表示，其中，n1和n2为涂层92和棱镜62的折射率。在典型涂层92的情况下，丙稀酸棱镜62上的环氧树脂n1＝1.45，则最大发散角是±13°。
在图5的组件10′中，结构28被构筑成与结构28″相同。微锥体结构36如图3所示采用前述相同的方法使光场在光导管内准直，提供准直的背照光照明38。
图6B示出了同样能够使输出光延两个方向(X-Z和X-Y)准直成某种程度的另一个实施例。该实施例中，多通道光传导部分由一排并排放置的锥形棱镜62′组成。利用与前述在X-Z平面内光准直机理相同的X-Y平面内的机理，光可以在进入背照光照明光导管14之前通过多次反射而准直。本实施例中，在锥形体的间隔中应该采用屏蔽来确保光仅在面向光源64的端处进入棱镜，从而进入棱镜的最大发散角仅由相对于X-轴的丙稀酸的内部全反射角43°来确定。适宜的屏蔽包括填充或罩住图6B中所示空间99的不透光或反光材料97。光源还可以用一种反射材料部分涂覆在面向空隙99的部分处，对光进行屏蔽，并提高系统的效率。
图7A示出了按照本发明而设计的光传导或准直结构的另一种实施例。本实施例中，光传导结构的顶面和底面50′和52′中的每一个有两个部分50′A、50′B和52′A和52′B，每一部分具有不同的倾斜度。因为具有较大发散角的光将在靠近入射端的点处投射到光传导结构的顶/底面上，在入端处具有较大的倾斜度对校正具有较大发散角的光线更为有效。在图7A所示的特定实施例中，表面50′和52′的部分50′A和52′A倾斜11.5°，而部分50′B和52′B仅倾斜5°。初始发散角等于或大于30°的光线(如100，102)在一次反射以后将落在要求的发散角内(例如20°)，并且如果要求更小的发散角，则如图7A中虚线所示的那样，利用延伸反射面的第二次反射可以进一步校正其传播方向。与图2所示只有一个倾斜度的结构相比，按照图7A所示实施例的光传导组件在尺寸上更小，而在准直光时更有效。可以恰当地选择具有各种倾斜角的部分的个数，来满足特定光源的辐照特征和要求的准直度。另外，还可以用具有曲面的光准直棱镜来获取所需的准直度。同时，根据背照光照明组件的形状和空间尺寸的限制，可对光传导结构的结构作特别设计。如果空间上的限制在厚度上(即沿Z方向)比面积上(即X-Y面)更严格，那么光传导结构应当倾斜较小，并具有由较少不同倾斜角部分组成的延伸更长的反射面。反之，光传导结构应当具有由较多不同倾斜角部分组成的延伸较短的反射面。
还可以如图7B所示使光准直组件的顶面斜坡大于底面。这种顶面斜坡大于底面斜坡的结构中，光源相对于位于光导管底面上的微棱镜处于某种“较低位置”上，并因此给出从光源直接到达微棱镜、并且相对于X-Y平面偏转角更小的光线。这一结构在背照光照明的整个光导管表面上给出分布更加均匀的输出光强。
如图7C所示的那样，光准直棱镜的顶面斜坡50″可以延伸到光导管14的顶面，使背照光照明系统的尺寸最小。
图8示出的是一个锥形微棱镜的改进结构36′，这一结构可以被看成是一种去掉了相邻锥形体的最上部边缘在其之间形成平台的结构。这些标号为103的平台平行于光导管14的顶面24，并与顶面24一起用作将光线引导到远离光源的区域处的装置，并且因此得到更均匀分布的光输出。图9A描述了以相当大的发散角进入光导管的两条光线104、106。在光线一旦以图3所示未改进的方式投射到一个锥形体反光侧时，光线104会被耦合到光导管以外。然而，以未改进方式而已被耦合到靠近光线104的光导管以外的光线106(如虚线所示)现在被平台103反射，并被耦合到更加远离光源的背照光照明光导管以外。这种方法可以获得分布更均匀的背照光照明输出光强。平台的尺寸可以视位置而变，从而获取最均匀的辐照。参见图9B所示的例子，图中，平台的大小从背照光照明组件的光源端到其相对端首先减小，随后再增大，如103a、103b、103c和103d。这些平台中的每一个相对于顶面成一角度，以进一步提高光导管内光的准直。
正如前面描述的那样，发散角大的光线将更快地投射到光导管的底面，并将因此在靠近光源的部分处趋于耦合到光导管以外。另一方面，发散角更小的光线能在投射到光导管的底部之前传播更长的距离，并在更加远离光源处被耦合到该光导管以外。发散角足够小的光线仅在被倾斜端面18(见图4)反射以后投射到光导管的底部。结果，如果微棱镜是以相同材料制成的，输出光的发散角将在光导管的延伸范围内有规则地变化。为了使输出光偏转角具有更理想的分布，微棱镜的表面与底面形成的角度应当如图9B所示被设计成沿光导管延伸方向有规则地变化。应该理解的是，锥形棱镜的这些不同的角度和位置偏差同样适用于本专利申请中描述的三角棱镜以及图12A和12B中描述的情况。
本发明许多前述的特征也可以应用于仅采用一个光源的背照光照明组件。图10描述了有效提供高强度背照光照明的这样一个背照光照明组件10。图11描述一种改进了的背照光照明组件10，特别是提供准直背照光照明的组件10″″。在这两种实施例中，除了每一种情况都使用一个光源以外，大多数元件具有与实施例10，10′相同的结构。同时，在后几个实施例中，如图12A所示，由于光线仅从一侧进入光导管14，锥形微棱镜可用具有一维光输出耦合的专利申请中的方式构造的三角形微棱镜来取代。如图12B所示，可以改进三角微棱镜的顶缘，形成一个平台，来获取背照光照明强度更加均匀的分布。这些平台每一个还可以与背照光照明光导管的顶面形成一个角度。另外，由于光导管内的光被准直(比方说在±20°的范围内)，所以不会有光线到达微棱镜的底部尖端区域。因而微棱镜的尖端结构并非是必需的，可以是圆形的，或被去掉，并不会影响背照光照明系统的性能。
众所周知，在大多数LCD操作中，需要有线性偏振光。在典型的情况下，仅采用对某一特定方向偏振的光呈透明的偏振器来获取偏振光。然而，采用这一标准方法，只有少于一半的自然光透过偏振器而成为具有给定极性的线性偏振光，这是由于另一半具有相反极性的偏振光被挡住或被偏振器吸收的缘故。正如下文中描述的那样，本文揭示了一种需要偏振光并采用前述类型的背照光照明组件的LCD系统。然而，正如以后将看到的那样，这一特定系统与现有技术的系统的不同点在于，来自背照光照明组件的大体上所有的光均沿右侧方向偏振，并且因此可以由液晶显示器大体上全部使用。至此，描述的系统采用一种论文“Retroreflecting sheet Polarizer”(M.F.Weber，SID 92 Digest，p.427—429)中描述的那种熟知类型的反光片偏振器。
上述反光偏振器示于图13中并用标号108表示。这一特定装置是用两块90°的三角微棱镜片构成的，上片110和下片112如图13所示分开一定距离。这些片在Weber的论文中实际上是两块Scotch光学照明膜(Scotch Optical Lighting Film，简称SOLF膜)，是在光学薄层114被淀积到一个或两个配对微结构表面上以后用光学粘接剂连接起来的。相邻层的折射率被选择成相对于底棱镜112的法线入射光正好小于光学层114的布鲁斯特角(brewster angle)。如图13中描述的那样，进入偏振器的背照光照明38产生P偏振光116通路，该P偏振光116在含有光学层法线和入射光的入射平面内偏振，而垂直于入射面方向偏振的S偏振光118对180°的反向反射二次。
在描述了反光片偏振器108以后，现在来看看它是如何与一个前述背照光照明组件一起应用于一个完整的液晶显示器系统中的。偏振器108和背照光照明线件10″″的组合结构示于图14中。从图中看出，为了描述的方便，偏振器直接位于构成部分组件10″″的光导管14′顶面之上并向上倾斜。在实际应用中，偏振器与协同液晶显示器直接下方的光导管14′的顶面成并行相对的关系。在所述的特定实施例中，同样为了便于描述，构成部分偏振器的微棱镜与构成部分微棱镜结构36″的微棱镜42′的延伸方向成45°角延伸。
如图15中所示，光线120′从协同微棱镜42′被向上反射到光导管14′以外，在垂直于偏振器108底面的平面(X-Z或Y-Z平面)内向上传播。假设50％的光具有如图14中标为P偏振光122而被透射的右偏振特性，偏振方向错误的光的组分(被标记为S-偏振124)将被反射180°，并朝向棱镜结构36″传播。然而，由于该棱镜结构36″以与偏振器成45°角的方向延伸，所以对偏振器呈S偏振的反射光束对于结构36″来说不是S-偏振的。对于这一结构，向后反射的偏振光被再次分解成棱镜42′的P和S组分，如图15中P′和S′所表示的那样。每一组分在棱镜表面反射以后，其相位角分别改为θP和θS。在所使用的材料的情况下，2θP—2θS(2是由于图中所示的二次内部反射)的值接近90°，并且朝向偏振器108反射的光束近似成为圆偏振光。现在圆偏振光126与非偏振光120一样，对于偏振器来说具有相等的S和P分量。从而，50％的圆偏振光将再次作为P偏振光通过偏振器传输，另一半以S偏振光被反射回微棱镜结构36″。重复这一过程，通过偏振器传输的总的光因此为I1＋I2＋I3＋…＝I0，其中I0为初始进入光导管14′的光。尽管实际上每次反射都会发生损耗，并且非偏振光的转换效率会因此小于理论上的理想值100％，但是，转换效率的增益仍会接近2。这里，应该注意的是，使上述机构工作只需一维方向的准直。然而，采用上述机构，改进的微棱镜/微锥形体不会有效地将自然光转变成偏振光。只要反光偏振器的透光轴既不平行也不垂直于微棱镜的延伸方向或微锥形体任一基面，对于微棱镜结构36″和微锥形体结构36，均可以通过将所有的非偏振光转换成要求的偏振光来提高LCD的亮度。
现在参见图16来看看用标号128标记的整个LCD系统。该系统包括一个前述背照光照明组件，例如直接处于液晶显示器12下方位置的背照光照明组件10′。除了这些组件以外，系统128包括置于液晶单元12顶部被背照光照明组件10′照射的一片硫玻璃片或其他的光发散透明片130。因为从背照光组件出来的光38是高度准直的，所以显示在液晶单元或液晶显示器单元(在堆积单元(Cell)结构的情况下)上的图像被形成在漫射片130的散射面132上，就像是由投射在屏幕上形成的实际画面那样。不管其角度位置如何，光从漫射表面散射出去并进入观察者的眼睛，从而消除了观察者的角度灵敏度。本文揭示的多次反射光准直结构也可以用于所有基于光导管(如美国专利5,050,946中有小平面的平行面光导管设计)的平面板背照光照明系统。

Claims (30)

1.一种用背照光照明液晶显示器的组件，其特征在于，它包含：
(a)一背照光照明光导管，所述背照光照明光导管的相对顶面和底面限定所述光导管的厚度，相对侧面限定其宽度，相对端面限定其长度；
(b)用来将光传导到所述光导管内，并使之通过所述光导管的装置；以及
(c)一种与所述光导管的长度轴向正交，从所述光导管的一侧面沿整个长度延伸到相对侧面并用作所述光导管底面的成行直接相邻的锥形微棱镜结构，每一个所述锥形微棱镜的顶点从一矩形底向下延伸，从而从所述顶点限定了第一和第二对相对的向上成一角度的光反射面部分，用来通过其顶面以准直方式在所述光导管内向上反射光。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述将光传导到所述光导管内的装置包括从其一端面将光传层到所述光导管内并使光朝向相对端面传播的第一光源装置以及从其一侧面将光传导到所述光导管内并使光朝向相对侧面传播的第二光源装置。
3.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述光导管的相对端面和所述相对侧面分别包括朝向所述一端面和所述一侧面的光反射端面和侧面，从而从所述一端面进入所述光导管的光最后由所述第一对光反射面部分向上反射，并且从所述一侧面进入所述光导管的光最后由所述第二对光反射面部分向上反射。
4.如权利要求3所述的组件，其特征在于，所述每一光反射端面和侧面略向下转一角度。
5.如权利要求1所述的组件，其特征在于，处于共平面的所述锥形微棱镜的底面平行于所述光导管的顶面，一个给定的锥形微棱镜的底面利用向上面向水平光反射面部分与相邻锥形微棱镜的底面隔开一定距离。
6.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述第一光源装置包括用来限定光相对于所述光导管长度方向进入所述光导管的最大角度的第一装置，所述第二光源装置包括用来限制光相对所述光导管宽度方向的最大角度进入所述光导管的第二装置。
7.如权利要求6所述的组件，其特征在于，每一所述第一和第二光角度限制装置包括一光准直光导管，其相对的顶面和底面限制其厚度，相对侧面限定其宽度，相对的前端面和后端面限定其长度，每一所述光准直光导管成端对端关系放置，并直接靠近所述背照光照明光导管的光进入端面或侧面，每一光准直光导管的顶面和底面相互从其后端面至其前端面向外成锥形分开。
8.如权利要求7所述的组件，其特征在于，每个所述光准直光导管中的每一个顶锥形面和底锥形面包括两个相互以不同角度向外成锥形的长度部分。
9.如权利要求7所述的组件，其特征在于，每个所述光准直光导管被分成一系列相互间光学隔离的纵向延伸横向邻接的光导管部分。
10.一种用于背照光照明液晶显示器的组件，其特征在于，它包括：
(a)一背照光照明光导管，所述背照光照明光导管的相对顶面和底面限定所述光导管的厚度，相对侧面限定其宽度，相对端面限定其长度；
(b)一种沿整个长度延伸并用作所述光导管底面的光反射面结构，用来向上通过其顶面以准直方式在所述光导管内反射光；以及
(c)用来从至少一端面或一侧面将光传导到所述光导管内并使光从所述光导管的一端面或一侧面朝向其相对端面或侧面的装置，所述将光传导到所述光导管内的装置包括用来将光相对于所述光导管长度方向和/或宽度方向进入光导管的最大角度限制成不大于某一预定的角度，所述光反射面被构造成使得进入所述光导管的光以不大于相对于所述顶面法线所述最大角之一半的角度而朝向所述光导管的顶面反射离开光反射面。
11.如权利要求10所述的组件，其特征在于，所述光反射面由锥形微棱镜结构限定。
12.一种用于背照光照明液晶显示器的组件，其特征在于，它包含：
(a)一背照光照明光导管，所述背照光照明光导管的相对顶面和底面限定所述光导管的厚度，相对侧面限定其宽度，相对端面限定其长度；
(b)一个沿其整个长度方向延伸并用作所述光导管底面的锥形微棱镜结构，用来通过其顶面以准直方式在所述光导管内向上反射光；以及
(c)用来从至少一端面或一侧面将光传导到所述光导管内并使光从所述光导管的一端面或一侧面朝向其相对端面或侧面传播的装置，所述将光传导到所述光导管内的装置包括一个限制光相对于所述光导管长度轴向进入光导管的最大角度的光控装置。
13.一种液晶显示器组件，其特征在于，它包含：
(a)一具有相对顶面和底面以及相对侧面并在相对端面之间沿长度方向延伸的背照光照明光导管；
(b)用来将非偏振光传导到所述光导管内，并使之从所述光导管的一端面传播到其相对端的装置；
(c)一种用作所述光导管底面的锥形微棱镜结构，用来通过其顶面以准直方式在所述光导管内向上反射光；
(d)通过所述光导管的顶面，对所述光导管传送出来的光沿一给定偏振方向进行线性偏振的装置，所述偏振装置包括一偏振结构，所述偏振结构与所述锥形微棱镜一起工作，使从所述光导管通过其顶面传导出来的大体上所有的光以所述给定偏振方向线性偏振，所述偏振装置包括一含有一系列纵向延伸的靠近平行三角形微棱镜的回射片偏振器，所述回射片偏振器可以与所述光导管的顶面成平行关系，并位于所述光导管顶面的前面，从而使所述三角形微棱镜沿横向方向延伸，并不垂直于所述光导管的微棱镜。
14.一种用于背照光照明液晶显示器的组件，其特征在于，它包含：
(a)一背照光照明光导管，所述背照光照明光导管的相对顶面和底面限定所述光导管的厚度，相对侧面限定其宽度，相对端面限定其长度；
(b)一个沿整个长度方向延伸并用作所述光导管底面的光反射面结构，用来通过其顶面以准直方式在所述光导管内向上反射光；
(c)用来从至少一端面或一侧面将光传导到所述光导管内并使光从所述光导管的一端面或一侧面朝向其相对端面或侧面传播的装置，所述将光传导到所述光导管内的装置包括一个限制光相对于所述光导管长度方向或宽度方向进入光导管的最大角度的光控装置，所述光控装置包括一光准直光导管，其相对顶面和底面限定其厚度，相对侧面限定其宽度，相对后端面和前端面限定其长度，所述光准直光导管端对端放置，其接靠近所述背照光照明光导管的光进入端面或侧面，所述光准直光导管的顶面和底面从其后端面至其前端面向外成锥形。
15.如权利要求14所述的组件，其特征在于，所述光准直光导管的每一个顶锥形面和底锥形面包括两个锥形向外相互具有不同角度的长度段。
16.如权利要求14所述的组件，其特征在于，所述光准直光导管被分成一系列相互光学隔离并包括向外呈锥形顶面和底面而纵向延伸、横向邻接的光准直光导管部分。
17.如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述每一个光准直光导管部分包括从其后端面至其前端面向外成锥形的相对侧面。
18.如权利要求17所述的组件，其特征在于，所述每一光准直光导管部分的每个锥形侧面包括两个锥形向外相互具有不同角度的长度段。
19.如权利要求14所述的组件，其特征在于，所述光准直光导管向外成锥形的顶面包括一个延伸到所述光准直光导管向外呈锥形的底面以外并形成所述背照光照明光导管部分顶面的最前段。
20.一种用于背照光照明液晶显示器的组件，其特征在于，它包括：
(a)一背照光照明光导管，所述背照光照明光导管的相对顶面和底面限定所述光导管的厚度，相对侧面限定其宽度，相对端面限定其长度；
(b)用来从其一端面或侧面将光传导到所述光导管内并使光传播到相对端面或侧面的光源装置，所述光源装置包括用来限制光相对于所述光导管长度方向或宽度方向进入所述光导管的最大角度的装置，所述光角度限制装置包括光准直光导管，每一光准直光导管的相对顶面和底面限制其厚度，相对侧面限制其宽度，相对后端面和前端面限定其长度，所述光准直光导管相互端对端放置，并直接靠近所述背照光照明光导管的光进入端面或侧面，每一光准直光导管的顶面和底面相互从其后端面至其前端面向外呈锥形；以及
(c)一沿整个长度延伸并用作所述光导管底面的直接靠近光反射面的结构，用来通过其顶面以准直方式在所述光导管内向上反射光。
21.如权利要求20所述的组件，其特征在于，所述光准直光导管的每一顶锥形面和底锥形面包括两个锥形向外相互具有不同角度的长度部分。
22.如权利要求20所述的组件，其特征在于，所述光准直光导管具有光学涂层并在光学上相互隔离。
23.一种用背照光照明液晶显示器的组件，其特征在于，它包含：
(a)一背照光照明光导管，其具有相对顶面和底面，并在其相对端面之间延伸的长度部分；
(b)将光传导到所述光导管内并使之从所述光导管的一端面传播到相对端面的装置；以及
(c)沿整个长度延伸并用作所述光导管底面的微棱镜结构，每一所述微棱镜限定了相对向上呈一定角度的光反射面部分，用来通过其顶面以准直方式在所述光管内向上反射光，所述微棱镜相互分开一预定间距，且此间距可变，从而在相邻微棱镜之间相应限定了可变的、面朝上的光反射面部分。
24.如权利要求23所述的组件，其特征在于，所述面朝上的平面部分限定了与所述背照光照明管顶面所形成的锐角。
25.如权利要求23所述的组件，其特征在于，所述某些向上成一定角度的光反射面部分向上沿与所述另一部分不同的角度方向延伸。
26.如权利要求23所述的组件，其特征在于，所述微棱镜为三角形微棱镜。
27.如权利要求23所述的组件，其特征在于，所述微棱镜为锥形微棱镜。
28.一种用于背照光照明液晶显示器的组件，其特征在于，它包含：
(a)一背照光照明光导管，所述背照光照明光导管的相对顶面和底面限定所述光导管的厚度，相对侧面限定其宽度，相对端面限定其长度；
(b)将光传导到所述光导管内并使之通过其传播的装置；以及
(c)一种沿整个长度延伸并用作所述光导管底面的直接靠近的微棱镜结构，每一所述微棱镜沿偏离所述背照光照明光导管顶面的方向向下朝最底下的一部分延伸，从而向上从所述最底下一部分限定了具有一定角度的光反射部分，用来通过其顶面以准直方式在所述光导管内反射光。
29.如权利要求28所述的组件，其特征在于，所述每一微棱镜最底下一部分为一平面。
30.如权利要求28所述的组件，其特征在于，所述每一微棱镜最底下一部分呈圆形。
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