CN1135797A - 用于电光显示器的背光部件 - Google Patents

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Abstract

一个改进的背光部件包括一个紧贴光源的光阑阵列、一个光输入面面积比光输出面面积更小的锥形光学元件阵列，光线穿过光阑并导引到经全反射传输光线的光学元件，以便提供一个平行光源。然后，光线穿过经折射传输光线的微透镜阵列，并为显示器的显示元件提供一个实质上更平行的光源，背光部件可方便的用作电子光学显示器的背光装置，尤其是在军事和航空电子技术应用中。

Description

用于电光显示器的背光部件
发明背景
a.发明的领域
这个发明针对直接观看的电光显示器，例如，液晶显示器，特别是，有关背光照明的显示领域，它尤其适用于军事和航空电子学应用，被专门设计成光线明亮分布均匀的小尺寸的部件。
b.有关技术的说明
已经在进行多方面的努力提供大型，全彩色的显示系统，而不依赖于通常的阴极射线管。例如，参阅《科学美国》1993年3月刊第90-97页“平板式显示器”。在诸如电视接收机，计算机监视器，航空电子显示器，航天显示和有关军用显示的系统中，取消使用阴极射线管的技术是合乎需要的。参阅例如美国专利4,843,381、5,128,783和5,161,041号，讨论一下阴极射线管技术的缺点。
显示设备，例如投影显示设备，离屏显示设备(off screemdisplay decives)和直接观看显示器，这些是我们知道的。参阅例如，EPO 0 525 755 A1美国专利4,659,185、5,132,830和5,159,478号，以及日本出版物245106和42241号。这样的显示器被用于广泛的领域，包括电视，计算机监视器，航空电子显示，航天显示，汽车仪表面板，和提供文本。图形或视频信息的其它设备。这些类型的显示能代替通常的阴极射线管显示，提供诸如小尺寸，量轻、低能耗等优点。
一种能克服阴极射线管缺点的显示是平板式液晶显示(LCD)。LCD典型的是反射式或透射式。一种反射显示是取决于环境光线条件的显示，以便观看显示。透射LCD需要一个照明设备或背面光来保证显示的图象尽可能地明亮。然而LCD有许多固有的缺点。例如，在高视角(对显示表面法向的大夹角)下，LCD呈现低反差且随着观察角度的改变视觉色度也改变。
背光照明设计的特性对由LCD象素矩阵显示的图象质量和显示器的外形都是非常重要的。参阅美国专利5,128,783和5,161,041号以讨论过去的背光照明结构的缺陷。
因此，需要在平板式电光显示领域改进照明光学构造、提供有效的、高反差明亮均匀的图象，并能在宽视角上观看又保持狭小的外形。
发明提要
本发明针对直接观看的平板式显示器，具有改进的背光照明电子显示，提供有效、明亮、高反差的均匀图象且能在宽视角上观看。一个平板式显示器的例子是下文所指的液晶显示，它仅是演示本发明的具体应用，并不是要把发明限定在所公开的这个具体的形式中。
这个改进的背光照明液晶显示包括：一个调制装置它能把图象投射到远置的观察器上，调制装置与改进的背光部件分开安置，背光部件包括一个光源，它紧贴近一光阑装置，光阑装置包括一光阑阵列，可极接近地配置在光源和调制装置中间工作，准直从光阑装置射出的发散光线的第一装置，此第一准直装置极接近地配置在光阑装置和调制装置之间，准直从第一准直装置射出的光线的第二装置，此第二准直装置极接近地配置在第一准直装置和调制装置之间。在本发明的另一方面，第一准直装置与光阑装置的功能相结合。发明的再一方面，背光部件包括光线集聚装置与准直装置相结合。
本发明的显示器的改进是光阑装置和第一及第二准直装置提供能源有效性，并以小尺寸的部件达到光源的明亮和均匀分布。
在本发明的一个方面中，光阑装置包括一安排在平面反射面上的光阑阵列。第一准直装置包括微准直器阵列。第二准直装置包括相应的微透镜阵列。微准直器是在平面衬底上的锥形光学元件，有一极接近光阑装置的平面光输入面和一与衬底相邻的平面光输出面，光输出面与光输入面有一间隔且平行于光输入面，光输出面的面积比光输入面大。发散的光线从光源经过光阑到达微准直器的光输入面并通过微准直器侧面的全反射穿过微准直器阵列。锥形结构部分地准直了光线，所以每一个微准直器的输出都部分地成为准直光源。微准直器的输出对准相应的微透镜阵列，微透镜阵列以适当距离配置在微准直器附近。光线通过折射通过每个微透镜，从微透镜阵列射出大体更为准直的光源供给调制装置。
在本发明的另一方面，光阑装置和第一准直装置的功能组合到一套微准直元件中。微准直器是在平面衬底上的锥形光学元件，有反射侧壁，平面的光输入面极接近光源，其中的输入面起光阑装置作用，平面光输出面与衬底相邻，与光输入面有一间隔且平行于光输入面。在那里光输出面的面积大于光输入面。来自光源未经准直的光线经微准直器反射侧壁一次或多次反射后通过微准直器阵列。锥形结构部分地准直了光线，因为每一个微准直器的输出成为部分准直的光源。微准直器的输出对准以适当距离配置在微准直器附近的相应的微透镜阵列。光线通过折射经过每个微透镜，从微透镜阵列射出的光线是大体更为准直的光线，提供给调制装置。
发明的再一方面，光阑装置包括安排在平面反射面内的光阑阵列。第一准直装置包括一块透明材料的平板，第二准直装置包括微透镜阵列。第一准直装置的透明材料平板使来自光阑装置的光线比当光阑装置和第二准直装置之间充满空气的情况有一更窄的角分布。第一准直装置的输出对准在空间上与光阑阵列对齐的，配置在第一准直装置附近的微透镜阵列。光线经折射通过每个微透镜，从微透镜阵列射出作为大体更为准直的光源供给调制装置。
本发明的再一方面，背光部件包括一个与准直装置结合在一起的光集聚装置。光集聚装置优先用微聚光器阵列。微聚光器是锥形光学元件，与平面衬底连接，有反射侧壁，平面光输入面邻近衬底，平面输出面在光输入面另一侧且平行于光输入面，光输出面的面积小于光输入面面积。来自光源的未准直光线经微聚光器的反射侧壁一次或多次反射通过微聚光器阵列。锥状结构将光线集聚，所以每个微聚光器的输出成为比微聚光器的光输入面的面积实际上更小的光源。微聚光器的输出对准以适当距离配置在微聚光器上面的相应的微透镜阵列。光线经折射通过每一微透镜，从微透镜射出作为大体准直的光源提供给调制装置。
在发明的每一个方面，未准直的光源可以由单个细长的、迂回形管状灯组成，确定一指定的发光结构，另外，未准直的光源也可以由许多分散的管状灯组成，也确定一指定的发光结构。而且，背光部件也可以包括一反射面，例如镜子，配置在未准直光源的后面，使杂散光线改向进入微聚光器阵列。
本发明的改进的背光照明结构在无源显示和有源矩阵电子显示中都能同样有效地操作，这些显示对本领域熟练技术人员是公知的。
本发明的其它目的、优点和新的特征将在下面做部分说明，这依靠下面的试验或通过本发明的实践对本领域熟练的人员来说是显而易见的。本发明的目的和优点通过并结合权利要求书给出的内容可实现和得到。
附图的简要说明
本发明的上述和其它目的和优点，结合附图的如下详细说明将变得明显。其中同样的参考字符代表通篇中的相同部件，而其中：
图1是按照本发明的一个实施例构成的液晶显示结构的剖视图；
图2A是按照本发明背光照明部件一个实施例的部件分解剖视图；
图2B是按照本发明的背光照明部件的另一实施例的部件分解剖视图；
图3A是本发明光阑装置实施例的剖视图；
图3B-3D是本发明光阑装置可能的结构的平面视图；
图4是单个微准直器的剖视图；
图5A-C是包括微准直器阵列的第一准直装置的另一结构的透视图；
图6是单个微透镜的剖面图；
图7A-C是包括微透镜阵列的第二准直装置另一结构的透视图；
图8A-C是包括光阑装置、微准直器阵列和微透镜阵列的本发明另一结构的透视图；
图9是包括透明材料平板的本发明的另一实施例；
图10A-C是包括透明材料平板的本发明另一结构的透视图；
图11是包括微聚光器阵列的本发明另一实施例；
图12是单个微聚光器的剖面图；
图13A-C是包括微聚光器阵列的本发明另一结构的透视图；
图14A-C是包括微聚光器阵列和微透镜阵列的本发明另一结构的透视图；以及
图15A-B图解说明微准直器、微聚光器和微透镜的装配方法。
优选实施例的详细说明
通过参考上述示图，本发明的优选实施例将会被本领域熟练技术人员更好地理解。图中说明的本发明的此优选实施例并不意味着发明的全部或把发明限定为所公开的具体形式。它们被选用来说明或最好地解释发明的原理以及它的可用性和实际使用，使本领域熟练技术人员能最好地利用本发明。
带液晶显示的本发明应用中的一个优选实施例见图1中数字2所示。显示器包括光发生装置6、一个可选的反射装置4、光阑装置8、第一准直装置10、第二准直装置12、一个可选的输入光偏振装置14、调制装置16、一个可选的输出光偏振装置18和图象显示装置20。
光发生装置6、反射装置4、输入光偏振装置14、调制装置16、输出光偏振装置18和显示装置20，它们的确切特征不是严格的，可以有很大变化，在平板式显示技术中通常所用的任何这样的元件也可以用在这个发明的实际中。用作说明的实用光发生装置6包括迂回形或分离的管式萤光灯。实用反射装置4包括金属反射器、金属镀层玻璃镜、荧光屏和镀上白色表面如二氧化钛层之类物质的反光器。典型的实用光偏振装置14和18是塑料薄片偏振材料或类似材料。用作说明的调制装置16是液晶单元(cell)、电解铬(electrochromic)调制器和铅锆镧钛酸盐(PZLT)调制器。在液晶单元里的液晶材料可以在大范围内变化，可以是几种型号的材料之一，包括扭转向列(TN)材料、超扭转向列(STN)材料和聚合物弥散液晶(PDLC)材料，但并不限于此。这种液晶材料被制成行与列的矩阵阵列，如在本技术领域中所知的那样。优选显示装置20是公开在共同未决美国专利申请08/086,414上的显示装置，该专利申请于1993年7月1日提出，并转让于本申请的代理人，公布在这里作为参考。
在图1中，光发生装置6极接近光阑装置8，光阑装置8极接近于第一准直装置10，而10极接近于第二准直装置12，第二准直装置12极接近于偏振装置14，14本身接近调制装置16。如这里用的，“接近”的意思是相邻物理接触或靠近配置，最好安排在约1英寸以内，这取决于元件和它的功能。
图2A示出光发生装置6、反射装置4、光阑装置8、第一准直装置10和第二准直装置12的分解剖面图。光阑装置8包括带反射区24和透光阑区22的衬底21。第一准直装置10包括微准直器阵列30。微准直器30是锥形光学元件，由粘结增强层28连接在平面衬底26上。微准直器30包括平面光输入面32，它临近光阑装置8的透光阑32，锥形侧面33和表面积大于光输入面32的平面光输出面34。来自光源6的未准直光线通过光阑装置8的光阑22，然后经过微准直器侧壁33全反射穿过微准直器阵列30。锥状结构使从每一个微准直器输出的光线成为部分准直的。优先考虑，背光部件也包括一反射装置4，它使杂散光反射通过光阑22。
第二准直装置12包括配置在微准直器30上面的相应的微透镜阵列40。微透镜阵列40由粘结增强层38连接在衬底36上。衬底26和36的高度使等于微准直器30和微透镜40间必需留的距离，以获得大体更为准直的光源供给调制装置16。
平面衬底21、26和36对波长范围在400至700纳米内的光线是透明的。如下面说明的优选的制作方法中，衬底26和36对在约250至400纳米范围内的紫外光线(UV)也是透明的。这个波段使微准直器和微透镜产生由紫外光激发的反应性单体的光聚合作用。所有三个衬底的折射率相等或基本相等，处在约1.45至1.65的范围。最佳折射率是约1.50至1.60。衬底21、26和36可由任何透明固体材料制成。优选的材料包括透明聚合物，玻璃和熔凝氧化硅。这些材料的要求特性包括设备在典型的操作温度下的机械和光学稳定性。最优先选用的材料是玻璃、丙烯酸物、聚碳酸酯和聚酯物。衬底26和36起微准直器30和微透镜40间隔物的作用。衬底26和36的总厚度的选用应使来自微准直器30的光被微透镜40所准直。
微准直器30和微透镜40可由任何透明固体聚合物材料制成。优选材料的折射率应基本等于衬底21、26和36的折射率，约为1.45和1.65，并包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯物、聚苯乙烯和由丙烯酸盐单体光聚作用形成的聚合物。更为优选的材料具有的折射率在约1.50和1.60之间，并包括由丙烯酸盐单体混合物的光聚作用形成的聚合物，它包括氨基甲酸乙酯丙烯酸盐和丙烯酸酯，酯类丙烯酸盐和丙烯酸酯，环氧树脂丙烯酸盐和丙烯酸酯，(聚)乙烯乙二醇丙烯酸盐和丙烯酸酯及含有有机单体的乙烯树脂。实用单体包括甲基丙烯酸酯、正丁基丙烯酯盐、2-乙基己基丙烯酸盐、等癸基丙烯酸盐、2-羟基乙基丙烯酸盐、2-羟基丙基丙烯酸盐、环己基丙烯酸盐、1，4-丁烷二醇二丙烯酸盐、羟乙基双榍A二丙烯酸盐、新戊烷乙二醇二丙烯酸盐、二乙烯乙二醇二丙烯酸盐、二乙烯乙二醇二丙烯酸酯、1，6-己烷二醇二丙烯酸盐、三羟甲基丙烯三丙烯酸盐、季戊四醇三丙烯酸盐和季戊四醇四丙烯酸盐。特别有用的是混合物中至少有一种单体是多功能单体如二丙烯酸盐或三丙烯酸盐，因为这些将在反应性光聚合物中产生交联网络。用于此发明方法中的最优选的材料是交联聚合物，由羟乙基双榍A二丙烯酸盐和三羟甲基丙烯三丙烯酸盐的光聚合混合物组成。最优选材料的折射率范围从约1.53至1.56。
在微准直器30之间的空隙处35的折射率必须小于每个微准直器30的折射率。优选空隙处的材料是包括空气，折射率为1.00，折射率从约1.30至1.40的荧光物质，最应选用材料是空气。
粘结增强层28和38见图2A，是有机材料，透光，它使微准直器30和微透镜40，特别是由如光致交联丙烯酸盐单体聚合物材料形成的，能牢固地粘结在它们的相应衬底上。这种材料对本领域熟练技术人员是公知的。粘结增强层28和38的厚度不是严格的能有很大变化。在本发明的优选实施例中，粘结层28和38的厚度小于1微米。
图2B表示本发明的另一实施例，其中示于图2A的光阑装置8的功能与第一准直装置10结合。在图2B中，微准直器30的侧壁33涂有反射层以形成镜面。输入端32保持透明以接受光线，成为微准直器阵列的输入光阑。用在微准直器侧壁33上的涂层可以是任何反射性材料如铝、铬或银。
图3A示出包括衬底21、反射区域24和透光阑区域22的光阑装置8的剖视图。在这个示图中，光阑区22排列成正方形或长方形阵列，见图3B，其它的结构如六角形样式也是可能的，如图3C所示。光阑区22可以是任何形状如长方形或园形，见图3B和3C，其尺寸分别为长42，宽44或直径50。优先考虑所有光阑22的总面积约占衬底21总面积的百分之五到百分之五十。所有光阑总面积占衬底21总面积的约百分之十到百分之四十更好。最好是所有光阑总面积占衬底21总面积的约百分之二十到百分之三十。尺寸42、44和50调整满足那些参数。
光阑区22有重复的距离，在图3B中为46和48，在图3C中为52和54。重复的距离46、48、52和54可以是相等的或不相等的，根据显示器尺寸和分辨率可有很大变化。重复距离的希望值范围从约10微米到40毫米。更优选的重复距离值从约50微米到约10毫米。最优选的重复距离值范围从约100微米到约2毫米。图3D表示光阑22的另一种变更的形状。每一个光阑22可有大体相当于衬底21长度的长度56，宽度尺寸58和重复尺寸60。宽度58和重复尺寸60相当于以上的图3B和3C中所述的尺寸。
单个微准直器30见图4。在与输入面32平行的平面内微准直器30的剖面和输出面34，可以是任何形状如正方形长方形或园形等。优先考虑使每个输入面32的形状基本与它的相应光阑22的形状相同。同样，也优先考虑使光输入面32的总面积基本上与上面讨论的光阑22的总面积相等。
光输入面32有宽度尺寸68和长度尺寸69(未标出)。另外，尺寸68如果输入面32是园形的话可以代表直径50。优选使宽68基本上与相应的光阑22的宽度相等。优选使长69基本上与相应的光阑22的长度相等。
光输出面34有一宽度尺寸72和一长度尺寸73(未标出)。另外，如果输出面32是园的话，尺寸72可以代表直径。宽72根据显示器尺寸和分辨率的不同可以有很大变化。也就是说，小的显示器例如膝上型计算机显示器和航空电子显示器与大型显示器如大屏幕，平板电视机相比，尺寸需要大大地减小。优选使全部光输出面34的总面积占衬底26的总面积的约百分之四十到百分之一百。更优选全部光输出面34的总面积占衬底26的总面积约百分之五十五到百分之百。最好使全部光输出表面34的总面积占衬底26的总面积约百分之七十到百分之百。尺寸72和73调整到满足那些参数。
微准直器30的高度是尺寸70。尺寸70的希望值范围从约宽72的0.3倍到约宽72的6.0倍。更优选的尺寸70取值范围从约宽72的0.4倍到约宽72的4.0倍。尺寸70的最优选值范围是从约宽72的0.5倍到宽72的3.0倍。
侧壁33连接输入面32到输出面34。侧壁33可以是直的，但最好向外弯曲如图4所示。
相应于光阑阵列22微准直器阵列30的透视图是图5A、5B和5C。示图表示出单个微准直器30可能的构造和微准直器30的阵列的可能的结构。
第二准直装置12包括微透镜阵列40。微透镜40优选用同样的单体如同前面公开的微准直器30那样的制造，其折射率等于或基本等于微准直器30的折射率。而且，任何透明材料都能使用，例如，前面讨论过的那些材料。
单个微透镜40见图6。微透镜40可以是球面透镜或非球面透镜。尺寸80代表的微透镜40的平面光输入面，可从约10微米到40毫米间变动。尺寸80的更优选值范围从约50微米到10毫米。最优的尺寸80的取值范围是从约100微米到2毫米。高度82的希望值范围从约尺寸80的0.05倍到约尺寸80的4.0倍。高度82的更优选值范围从约尺寸80的0.08倍到约尺寸80的3.0倍。高度82的最优值范围从约尺寸80的0.10到约尺寸的2.倍。如果微透镜40是球面透镜，透镜有一弯曲的输出光表面，它具有曲率半径84。曲率半径可以根据相应的微准直器阵列的重复距离46和48或52和54而有很大变化。优选的曲率半径值范围从约5微米到约20毫米，更优选的曲率半径84值的范围从约25微米到约5毫米。最优选的曲率半径值范围从约50微米到约1毫米。为使微透镜40收集来自微准直器30大体上全部的光线，微透镜40的f-数应相对地小。微透镜40的f-数值范围可从约0.5到约4.0，更优选的f-数值范围从约0.6到约3.0。最优选的f-数值范围从约0.7到约2.0。
对应于图3B、3C和3D中的光阑阵列22的微透镜阵列40的透视图分别见图7A、7B和7C。因此，微透镜阵列的重复距离和光阑阵列22的相同。
对应的微准直器阵列和微透镜阵列的分解透视图见图8A、8B和8C。对每一个光阑22有一对应的微准睦器30和一对应的微透镜40，它们对准每一个微准直器30的输出面34。在工作中，从微准直器30射出的基本平行的光线进一步被微透镜40准直，供给调制装置16更为平行的光源。
发明的另一实施例见图9、10A、10B和10C。在这个实施例中，第一准直装置包括一透明材料的平板70。微透镜40阵列附接在平板70上。发散光线经折射通过衬底21并根据斯涅耳折射定律穿过平板70。然后光线进入微透镜40，并经折射穿过微透镜40，从微透镜40以基本平行的光源供给调制装置16。平板波导70最好具有如以前说明的衬底21和36同样的特性。平板波导70的厚度要如此优选，以使光线经它折射，被微透镜40所准直。
图10A、10B和10C表示连接在平板波导70表面上的微透镜40阵列的可能结构。正如前面讨论过的，单个微透镜40与单个光阑22相关联。
本发明另外一个实施例见图11。背光部件包括一个光线集聚装置与微透镜阵列40相结合。光线集聚装置优先采用微聚光器90阵列。微聚光器90是锥形光学元件经粘结增强层94连接在平面衬底92上，有镜面侧壁98邻近衬底的平面光输入面96，而平面输出端100离开且平行于光输入面96，其中输出面100的面积小于光输入面96的面积。来自光源6的非平行光线在镜面侧壁98经过一次或多次反射穿过微聚光器90阵列。锥状结构集聚光线，使每个微聚光器90射出的光成为面积实质上小于光输入面96的光源。微聚光器90的输出对准以适当距离配置在微聚光器90上面的相应微透镜40阵列。光线经折射穿过每一个微透镜40，并从微透镜射出作为基本上平行的光源供给调制装置16。
单个微聚光器见图12。它的尺寸102、104和106分别与上面提到的微准直器30的相应尺寸72、70和68相同。
图13A-13C和14A-14C进一步表示与相应的微透镜阵列40一起的微聚光器阵列的可能结构。
微准直器30，微聚光器90和微透镜40的阵列能用不同的各种技术制造，包括注射成型、压缩成型、热辊压铸，模具中的光聚作用和不同模具的光聚作用。优选的技术是光聚合处理正如前面所参考的美国专利申请中所公开和说明的那样。对工艺的某些简单的改进示于图15A和图15B。
图15A表示用光聚作用过程，以生产图1、2和5中的那种类型的微准直器30和图11-14的微聚光器90。光掩模108实质上与衬底26接触安放，有一粘结层28，其中光掩模有不透明和透明的区域。一个大体厚度均匀包括单体和光激发剂的光聚作用混合物114，置于带有粘结层28的衬底26和带有排放层(release layer)112的背板110之间。为了形成微准直器或微聚光器，必须放足量的光激发剂以吸收有光聚作用的混合物层中的很大一部分紫外光线。光漫射器116置于光掩模108和紫外光源118之间，使紫外光散布一定的角度。为了形成该型的微准直器30和微聚光器90，漫射器应使光散布约为15-45度全角(在50％亮度点上测量)。有光聚作用的混合物114经通过漫射器116和通过光掩模108的透明区的紫外光118曝光一段时间，在足够使单体混合物区域光聚化的条件下形成微准直器或微聚光器阵列。在紫外光曝光后，光掩模108、带排放层112的背板110和未曝光有光聚作用的混合物114被去除，留下微聚光器或微准直器，由粘结层28将它们与衬底26连接。
图15B说明制作已详细叙述的型式的微透镜40的工艺。这个工艺与图15A所说明的一样。为了形成微透镜，必须放足量的光激发剂以吸收有光聚作用的混合物层中很大一部分的紫外光。光漫射器116置于光掩模108和紫外光源108之间，它使紫外光散布一定角度。为了形成所示的该型微透镜40，漫射器应使光散布接近45-120度全角(在50％亮度点上测量)。有光聚作用的混合物114经通过漫射器116和通过光掩模108的透明区的紫外光118曝光一段时间，在足够使单体混合物区域光聚合的条件下形成微透镜40阵列。在已光聚合区域接触排放层112以前紫外光被关闭。通过控制经过漫射器116的光的散布角和控制衬底层36的厚度，无论球面微透镜和非球面微透镜都能形成。
这个发明能用于需要背光照明的应用中。所示的这些应用如计算机终端、电视、飞机座舱显示器，汽车仪表面板和其它需提供文本，图形或视频信息的设备。
下面的具体例子是特别用来说明本发明，而不应认为本发明仅限于此。
例1
中心距为0.050″的锥形光学元件阵列用图15A所示照相曝光装置在0.004″厚的聚酯薄膜上形成。使用光刻制成的玻璃掩模(5″×5″)，它有0.025″×0.025″正方形透明区并排成方形式样，由对紫外光和可见光辐射都不透明的0.025″黑线隔开。在光掩模相邻方孔间的中心距为0.050″。在这个掩模上用几滴甲醇，然后压上0.0065″厚聚膜(乙烯对钛酸盐)(PET)隔离膜。在隔离膜上再滴几滴甲醇，然后压上0.004″厚的PET衬底薄膜。这个衬底薄膜是经超薄薄膜表面处理达到对聚合化单体溶液具有反应性和可粘结性。这样的表面活化的薄膜(suface-activated films)对熟练技术人员是公知的。甲醇的表面张力使2个薄膜轻轻地但牢固地粘结在掩模上。掩模、隔离薄膜和有表面活化的PET衬底薄膜组成衬底子部件阵列。
在分离的5″×5″×0.125空白玻璃板上滴几滴甲醇，然后压上0.004″厚的PET薄膜，利用表面张力固定位置。这就构成了排放膜子部件。排放膜子部件膜面向上置于带螺孔的黑色金属板上。0.050″厚的玻璃隔垫置于排放薄膜子部件的四边上。大约10毫升的具有光聚作用的液体混合物吸到排气膜的中心上。有光聚作用的混合物由这些物质组成：约63％的羟乙基双榍A二丙烯酸盐、31％的三羟甲基丙烯三丙烯酸盐、2％α，α-2羟甲基-α-羟乙酰笨(Darocur1173)光激发剂、2％苯二甲基酮缩醇(Irgacure651)光激发剂和2％的1份1-羟基环乙基苯基酮与1份二苯甲酮的混合物(Irgacure500)光激发剂。光激发剂的总百分比为6％。衬底阵列部件(光掩模/隔垫/衬底)置于有光聚作用的混合物上面，PET衬底侧向下。一块透明的5″×5″×0.25厚玻璃板置于这制作的整个部件之上。金属夹子和螺钉用来使板全部均匀地压合起来，使0.050″厚的有光聚作用的层置于背板和衬底聚酯薄膜之间。
为了形成锥形光学元件阵列，整个制作部分放在紫外光(UV)照射曝光系统的准直透镜下，半透明的塑料薄膜制的光漫射片置于光掩膜和UV照射曝光系统的准直透镜之间之间。它使紫外光散布一定的角度，为了形成锥形光学元件，选用使光散布在约20°全角(在50％光强点上测量)的漫射器。将制作部件用紫外线照射30秒钟。然后制造部件被卸开。现在，具有锥形光学元件阵列的薄膜就形成了，但在锥形光学元件之间的空隙中，复盖着未反应的有光聚作用的材料，将它置于异丙醇搅拌槽中10分钟，在去掉残余的单体后，锥形光学元件用氮蒸汽干燥，放在带有石英窗口的氮气清洗密封容器中，在UV辐射下附加严格处理20秒钟。
光学显微镜用来评价锥形光学元件。单个锥形光学元件的横截面形状接近正方形，在锥形光学元件临近衬底的端部(输出端)的尺寸接近于0.040″0.040″。锥形光学元件离衬底远侧端(输入端)的尺寸约为0.020″0.020″。锥形光学元件的高度约为0.050″。
例2
为了在例1中锥形光学元件阵列的侧壁上涂反光铝膜，将阵列的衬底侧向下，放进真空蒸发器中。约1微米的铝被蒸发到锥形光学元件上。蒸发铝涂在锥形光学元件的侧壁和锥形光学元件离衬底远侧的端面上。镀铝阵列从蒸发器取出。锥形光学元件离衬底远侧端面上的铝层用涂以15微米粒度的抛光纸，然后用3微米粒度，再用0.3微米粒度的抛光纸抛光来去除。所得到的侧壁镀铝的锥形光学元件阵列，或者以0.020″×0.020″光学元件端部作为光线输入端，以0.040″×0.040″光学元件端部作为光线输出端，并被用作微准直器阵列，或者以0.040″×0.040″光学元件端部作为光线输入端，以0.020″×0.020″光学元件端部作为光线输出端，并被用作微聚光器阵列。
例3
中心距为0.050″的微透镜阵列用图15B中所示照相曝光装置在0.004″厚的聚酯薄膜上形成。使用光刻制成的玻璃掩模(5″×5″)，它有0.025″×0.025″正方形透明区，并排成方形式样，由对紫外光线和可见光辐射都不透明的0.025″黑线隔开。光掩模上相邻的方孔间的中心距为0.050″。在这个掩模上用几滴甲醇，然后压上0.013″厚的聚膜(乙烯对钛酸盐)(PET)隔离膜。在隔离膜上再滴几滴甲醇，然后压上0.004″厚的PET衬底薄膜。这个衬底薄膜是经超薄薄膜表面处理达到对聚合化单体溶液具有反应性和可粘结性。这样的表面活化的薄膜对本领域熟练技术人员是公知的。甲醇的表面张力使两张薄膜轻轻地但牢固地粘结在掩模上、掩模，隔离薄膜和表面活化PET衬底薄膜组成阵列衬底子部件。
在分离的5″×5″×0.125″空白玻璃板上滴几滴甲醇，然后压上0.004″厚的PET薄膜，利用表面张力保持位置。这就组成了排放膜子部件。排放膜子部件置于带螺孔的黑色金属板上面。0.050″厚的玻璃隔离垫置于排放膜子部件的四边上。大约10毫升液体具有光聚作用的混合物吸到排放膜的中心上。有光聚作用的混合物由这些物质组成：约为63％的羟乙基双榍A二丙烯酸盐、31％三羟甲基丙烯三丙烯酸盐、2％α，α-二羟甲基-α-羟基乙酰苯、(Darocur1173)光激发剂、2％苯二甲基酮缩醇(Irgacure651)光激发剂和2％的1份1-羟基环已基苯基酮与1份二苯甲酮的混合物(Irgcure500)光激发剂。光激发剂的总百分比为6％。衬底阵列部件(光腌模/隔垫/衬底)置于有光聚作用的混合物上面，PET衬底一侧向下。一块透明的5″×5″×0.25″厚玻璃板置于这制作的部件之上，金属夹子和螺钉用来使板间全部均匀地压合起来，使0.050″厚的有光聚作用的层置于背板和衬底聚酯薄膜之间。
为了形成微透镜阵列，全套制作部件放在紫外光(UV)辐射曝光系统的准直透镜之下。半透明塑料薄膜制的光漫射片置于光掩模和UV辐射曝光系统的准直透镜之间，它使紫外光线散布一定的角度。为了形成微透镜，选用使光散布全角(在50％光强点上测量)约90度的漫射器。制作部件用紫外线照射30秒钟。光聚作用区域不与排放薄膜接触。制作部件然后卸开，形成带有微透镜阵列的薄膜，但仍然在微透镜之间的空隙中复盖着未反应的有光聚作用的材料，将它置于异丙醇搅拌槽中10分钟。在去掉残余的单体后，微透镜用氮蒸汽干燥，放在带有石英窗的氮气清洗密封容器中再在UV辐射下固化20秒钟。
光学显微镜用于评价微透镜。透镜具有约0.050″左右的直径。透镜高约0.025″。
例4
准直光学部件结构如图2B，使用例2中镀铝微准直器阵列和例3的微透镜阵列。一个迂回形约30瓦输入功率的荧光灯作为光源。荧光灯自身的表面亮度测定为3000英尺朗伯。镀铝徽准直器置于距迂回形荧光灯平面约0.25″处。微准直器抛光的小端面面对灯。微透镜阵列置于微准直器阵列附近并使每个微透镜的平面输入面对准微准直器的输出面。PET隔离薄膜置于微准直器阵列输出面和微透镜阵列输入面之间以调整微透镜和微准直器间的间隙。最理想的微准直器与微透镜间之间隙是约0.050″。从准直光线部件来的输出光线散布角，自部件平面垂向测量约为±20°。在输出光线分布范围的中心，准直光线部件的亮度约为3000英尺朗伯。
例5
准直光线部件按图9的结构制造，用镀铝掩模作为例3中的光阑阵列和微透镜阵列。镀铝掩模有0.025″×0.025″见方的透明区域并排成方形式样，由对可见光辐射不透明的0.025″黑线隔开。光掩模上相邻方孔之间的中心距是0.050″。一个迂回形的输入功率为约30瓦的荧光灯用作光源。荧光灯的表面亮度测定为3000英尺朗伯。镀铝掩模置于距迂回形荧光灯约0.25″的地方。微透镜阵列置于掩模附近，且对准，使每个微透镜的平面输入面与掩模中的光阑方口对准。PET隔离薄膜置于掩模和微透镜阵列输入面的中间以调整微透镜和掩模之间隙。最理想的结果是微透镜和掩模总间隙在约0.050″。来自准直光线部件的输出光线的散布角相对于部件平面的垂直向约±20°。在输出光线分布的中心，准直光线部件的亮度约为3000英尺朗伯。
例6
准直光线部件按图11的结构制造，用例2的镀铝微聚光器阵列和例3的微透镜阵列。一个迂回形输入功率约为30瓦的荧光灯用作光源。荧光灯的表面亮度测定为3000英尺朗伯。镀铝微准直器阵列置于距迂回形荧光灯平面约0.25″处。微聚光器阵列被定向成使微聚光器大端面向灯。微透镜阵列置于微聚光器阵列附近并对准它，使每一个微透镜的平面输入面与微聚光器的输出面对准。PET隔离薄膜置于微聚光器阵列输出面和微透镜阵列输入面之间，以调整微透镜和微聚光器之间隙。最理想的结果是当微聚光器和微透镜间的总间隙约为0.050″。来自准直光线部件的输出光线的散布角，相对于部件平面的垂直向约±20°。在输出光线分布中心，准直光线部件的亮度约为3000英尺朗伯。
能够理解，上面说明的具体实施例仅仅是用来解释本发明的原理，熟练技术人员可作各种变更并不超出本发明的范围和精神，本发明的范围仅被下述权利要求所限定。

Claims (10)

1.一个用于电光显示器的背光部件，所说的显示器具有能为远置的观察器提供图象的调制装置，且所说的背光装置包括：
(a)一个光发生装置；
(b)一个光阑装置，它紧贴在所说的光发生装置与所说的调制装置之间工作。
(c)第一准直装置，它处于所说光阑装置和所说调制装置之间，所说的第一准直装置具有一个紧贴到所说光阑装置的平面光输入面，一个平面光输出面离开并平行于所说光输入面，其面积大于所说光输入面，在这些所说光线传播经全反射通到所说的第一准直装置，并基本上按平行方式从光输出面出去；且
(d)第二准直装置，它处于所说光阑装置和所说的调制装置之间，它具有从所说的第一准直装置接收所说基本上平行光线的光输入面，并经过折射传输光线，引导所说的光线，按实质上更为平行的方式到所说的调制装置。
2.按照权利要求1所说的背光部件，其特征在于所说的第一准直装置包括一个锥形光学元件阵列。
3.按照权利要求1所说的背光部件，其特征在于所说的第二准直装置包括一个微透镜阵列。
4.按照权利要求1所说的背光部件，其特征在于所说的光阑装置和所说的第一准直装置由一个具有反射侧面的锥形光学元件阵列组成。
5.用于电光显示器上的背光部件包括：
(a)一个光发生装置；
(b)一个聚光装置，它有一个紧贴所说的光发射装置的平面光输入面，一个平面光输出面，这输出面离开并平行于所说的光输入面，其面积小于所说的光输入面，以及反射侧壁，其中所说的光线通过所说的光输入面进入，经反射通过所说的聚光装置，作为更加聚集的光源在所说的光输出面上出现；及
(c)一个准直装置，它紧贴所说的输出面设置，且具有一个光输入面，以接收从所说的聚光装置来的所说的聚集光源并经折射传输光线，作为基本上平行光源出现。
6.按照权利要求5所说的背光部件，其特征在于所说的聚光装置是锥形的光学元件阵列。
7.按照权利要求5所说的背光部件，其特征在于所说的聚光装置包括一个微透镜阵列。
8.用以提供基本上平行光源的背光部件包括：
(a)一个光发生装置；
(b)一个光阑装置，它紧贴在所说的光发生装置和所说调制装置之间工作；
(c)一个微准直器阵列，它处于所说光阑装置之间，其中所说的微准直器包括一个紧贴所说光阑装置的平面光输入面和一个平面的光输出面，这输出面离开并平行于所说光输入面，其面积大于所说的光输入面，其中所说的光线首先通过所说光阑装置传输，然后经全反射通过所说微准直器阵列，以所说基本上平行的方式从所说光输出面出去；及
(d)一个微透镜阵列，它紧贴所说的微聚光器阵列工作，且包括从所说的微准直器阵列接收所说的基本上平行光的光输入面，其中所说的光线经折射通过所说的微透镜而传输；以实质上更平行的光源出现。
9.按照权利要求8所说的背光部件，其特征在于所说的微准直器和所说的微透镜由有机聚合材料构成，其折射率在1.45到1.65之间。
10.一个直接观看平板显示器包括：
(a)一个调制装置，用来调制从所说光发生器装置来的光，为远处观察者形成可视图象；
(b)一个图象显示装置，用以显示来自位于所说的调制装置的光输出面附近的所说的调制装置的图象，所说的显示装置包括一个在平面衬底上的锥形光学波导阵列，所说的波导的每个锥形端，从所说的衬底向外扩展，并有一个邻近所说的衬底的光输入面，而光输出面离开所说的光输入面；
(c)一个背光部件包括：
(i)一个光发生装置；
(ii)一个光阑装置，紧贴在所说的光发生装置和所说的调制装置之间工作；
(iii)一个微准直器阵列，处于所说的光阑装置和所说的调制装置之间，其中，每个微准直器包括一个紧贴所说光阑装置的平面光输入面，离开且平行于所说光输入面的平面光输出面，且输出面的面积大于所说的光输入面，其中所说的光线首先通过所说的光阑装置传输，然后经全反射通过所说微准直器阵列，从所说的光输入面，以实质上平行的方式出去；
(iV)一个微透镜阵列贴近在所说的微准直器和所说的调制装置之间工作，它包括一个光输入面，以从所说的微准直器阵列接收所说的基本上平行的光线；其中，所说的光线经折射通过所说的微透镜传输，且为所说的调制装置作为实质上更平行的光源出现。
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