CN1213785A - 光学增强双液晶显示背面光装置 - Google Patents

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Abstract

发光装置与非成象光学元件相组合以构成一用于液晶显示器(LCD)的背面发光系统。一对光学隔离的子系统,一夜视成象系统(NVIS)(14)和一日光系统(12)被组合以提供在从明亮太阳光到完全黑暗的环境照明中最优的显示清晰度。这些子系统采用基于两者都被耦合至一光源,例如荧光管(34)及其它线状光源的全内反射(TIR)和光反射的非成象光学镜片。光反射器(32)被成形以将光聚集在非成象光学透镜(30)上以对TIR透镜的非线性特性进行补偿。

Description

光学增强双液晶显示背面光装置
本发明涉及一种液晶显示器，并具体地涉及一种适用于在从明亮太阳光到完全黑暗变化的环境照明中，包括与夜视成像系统(NVIS)一起使用以使显示清晰度最优化的液晶显示器。
现有技术的液晶装置的背面光系统通常不能有效地收集光。一种传统系统使用的液晶显示器(LCD)与其中产生光的白色腔室相连接。在这一系统中，产生宽角度的均匀光。然而，由于LCD限制了视角，并且当它们放在宽角度的均匀光之中时，大量的背面光无法利用。结果是没有图像的白光，或者干扰图像，使得视域端部的对比度很差。要想补偿光线和低对比度的损失，必须采用大量荧光管或类似光源。
在某些现有的系统中，可以使用平面反射镜。然而，如本发明所提出的，若要使用全内反射(TIR)透镜，由于TIR透镜是非线性的，TIR透镜会将更大部分光传播到其中心而不是其边缘。因此，其中心比边缘照得更亮。这种非均匀照明会损坏显示图像。
某些传统的液晶装置的背面光系统，例如美国专利5,211,463中所说明的，其性能很满意，但耗能很大，因为光学照明系统通常是低效率的。
这些以及其它问题由本发明加以说明并可成功地予以克服。光发射装置与非成像光学元件相结合，以建立用于彩色液晶显示器(LCD)的背面光系统。
通常，将一对光学隔离子系统、一夜视成像系统(NVIS)和一日光系统组合，以提供在从明亮太阳光到完全黑暗之间变化的环境照明中的最佳显示清晰度，并可包括使用夜视护目镜的操作。此子系统使用基于全内反射(TIR)和光反射的非成像光学镜片，两者被耦合至一光发射源，例如荧光管和其它线状光源。将光反射器整形成使其将光集中到非成像光学镜片上，以便补偿TIR透镜的非线性特性。
由此可得到几个优点。能够为LCD提供足够的背面光，以便(1)减小能量需求；(2)得到紧凑的体积，(3)通过从光源散热而便于热量管理。因此，该用于彩色液晶显示器的背面光系统是高效率的。与传统系统相比，至少能节省50％的能量。非成像光学镜片具有非常有效地俘获从光源发出的光的能力，以及将其对准液晶显示器的能力，以便于白天操作和晚上的光波导。背面光组件也可封装在大约半英寸厚的典型平面轮廓中。
本发明的其它目的和优点，以及对本发明的更完整的理解通过下面对实施例及其附图的解释将会更清楚。
图1是本发明优选实施例的透视图；
图2是图1所述实施例的顶视图，其盖的一部分被去掉而露出其内部；
图3是图2所述实施例沿线3-3的放大视图；及
图4是图3所示日光照明区(对于夜晚照明区也同样是这样)的一部分的进一步的放大视图，以说明如何直接地和通过自光源的反射来将所选择的光线透射成准直的图形。
参照图1-3，光学增强双液晶显示背面光系统10包括一中心放置的日光照明部件12和放在部件12的端部的一对夜晚照明部件14。部件12和14由基座16支持，上面盖有波导18。波导在其侧面20以反向倾斜部分结束，呈现梯形外观。NIVS照明部件14通过光学壁垒22与日光照明部件12进行光学隔离，以防止其间的光透射。需要确保所有夜光照明均通过NVIS滤光器54被透射。反射镜24放置在夜光照明部件14的外侧。日光照明部件12包括多个内部的被连续放置的光学单元26，而夜光照明部件14每个包括一侧部单元28。
如图3和4中最佳的图示，日光照明部件12的每个内部单元26包括全内反射(TIR)透镜30、反射镜部分32及荧光管34。而图中的全内反射(TIR)透镜30包括几个通过适当光传导粘接材料37连接在一起的连续放置的透镜，它们可以被集成地形成。这种选择是一种节省的方案。所使用的荧光管的数目依LCD的整体大小而定。每个内部单元的全内反射透镜30具有小平面36a和36b，以便将来自荧光管34的入射光透射为准直的输出光42。小面36a和36b被构成为将来自荧光管34的反射及直射光(在图4中分别以38和40表示)中继并转换成准直光42。该准直光被引导至波导18并从而引导至一液晶装置。由于一典型的全内反射透镜不均匀地透射光，它将光集中在其中心而非在其边缘；因此，中心处的光要比边缘处的光明亮。内部单元的反射器32被设计成修正该象差，如下面马上所描述的。
反射器部分32包括一对凹形结构的全内反射透镜表面44，通过一直立部分46连接在它们的中心处。荧光管34或其它线状光源通过一对支持架48(见图1和2)(仅在这些附图中示出一处)被支持在各中心支座46上并且支持部位在这些线状光源的端部。可通过任意适当的方法，例如通过凝胶在中心支座46顶上沿着光源管34的长度增加这些光源管34的支持部分以保持这些光源管免受损害，例如防冲击和振动。透镜32的反射器表面44被弯曲成使更多部分的光线被聚集在TIR透镜30的外部(由标号50表示)以对这些全内反射透镜中的任何非线性进行补偿。
波导18包括位于日光照明部分12顶上的一亮度增强膜52和分别位于夜晚照明部分14顶上的一对NVIS滤光器54。一扩散器板56被结合至波导18的顶表面。
各夜晚照明部分14包括一局部全内反射透镜30a和一反射器部分32a，反射器部分32a具有一起立部分46a，一荧光管34a被支持在其上。除被分段外，各全内反射透镜30a和一反射器部分32a精确地如日光照明部分12的全内反射透镜30和反射器部分32一样被构成并工作。
在工作中，来自光源管34和34a的向下光线以一预定的分布向上反射。直射光线40和反射光线38照射在全内反射(TIR)透镜30和30a的小面上。位于中间的覆盖整个LCD有效区域的光源管34被用于日光用途。垂直反射器24有助于使光损失最小。由于夜晚工作需要更低水平的照明，减少光传输中的效率不是有效的。来自这些光源管的光线被注入波导18及其扩散器板56以通过散射的光照明该LCD。在夜视成像系统(NVIS)应用中，在光路中设置滤光器54以滤除红外辐射来满足系统要求。
用于白天和夜晚工作的均匀照明被不同地获得。TIR透镜30和30a通过其自己非常有效地准直来自光源在上部180°圆弧上出射的光，在该光源上方的强度恰好是最好的。如图4中所示，反射器32和32a的主要目的是将在下部180°出射的光线垂直射向TIR透镜30和30a以便由荧光管生成的几乎所有的光可被用于照明LCD。由于光线38中的一些进入TIR透镜的相对小面36b，相似地直射光线40到直射小面36a，不是所有这些光线被准直。这有助于散射光线。如上所述，反射器32和32a的第二个目的是整形反射轮廓以尽可能地对TIR透镜30的非线性进行补偿。扩散器52然后执行最后的接触，建立一具有与LCD的视角轮廓相匹配的色散角的均匀背面照明(backlit)表面。
尽管相对于具体实施例对本发明进行了描述，但可以认识在不脱离本发明的精神的范围的前提下可作出各种变化和改型。

Claims (20)

1、一种用于液晶装置的显示器的光学增强双显示背面光装置(10)，包括
一日光照明部分(12)，包括多个内部的，邻接定位的光学单元(26)，该多个光学单元(26)由一对侧面单元定界，
各所述内部单元(26)包括一反射器(32)，一全内反射透镜(30)和一荧光管(34)，
所述内部单元的反射器(32)具有一对成凹形反射表面的部分(44)，它们连接在一支持所述荧光管的中心支座(46)上，以将来自荧光管的光引向所述全内反射透镜(30)，各所述凹形部分被构成为对其反射轮廓进行成形以对所述全内反射透镜中的任何非线性进行补偿，及
各所述内部单元的全内反射透镜(30)具有小面(36a,36b)，它们被构成为将来自所述内部单元的荧光管(34)的反射光和直射光中继为准直光以传送给一液晶装置；
一对不透明的光学壁垒(22)，它们分别被相对于所述内部单元进行定位；
一夜光照明部分(14)，包括一对外部光学单元，该对外部光学单元各自具有相邻所述外部壁垒而定位的第一侧面和包括一侧面反射器(24)的第二侧面，各所述外部单元包括一反射器部分(32a)、一全内反射透镜部分(30a)和一荧光管(34a)；
各所述外部单元的反射器(24)具有一对成凹形反射表面的部分(44)，它们连接在一支持所述外部单元的荧光管(34a)的中心支座(46a)上，以将来自荧光管的光引向所述全内反射透镜(30a)，各所述凹形部分(44a)被构成为对其反射轮廓进行成形以对所述全内反射透镜中的任何非线性进行补偿，及
各所述外部单元的全内反射透镜(30a)具有小面，它的被构成为将来自所述内部单元的荧光管的反射光和直射光中继为准直光以传送给一液晶装置；及
一波导(18)，可位靠于一液晶装置并包括一位于所述日光照明部分(12)顶上的亮度增强膜(52)和分别位于所述夜晚照明部分(14)顶上的一对NVIS滤光器(54)，所述扩散器板(56)与所述波导(18)的顶部相接触。
2、一种光学增强双显示背面光装置，包括一日光照明部分，一夜光照明部分，和光学地分离所述日光和所述夜光部分的光学壁垒装置。
3、根据权利要求2的装置，其中所述日光照明部分包括多个内部的，邻接定位的光学单元，其中各光学单元设置有反射器装置，全内反射透镜和光源，且其中
各所述内部单元的反射器装置相对于所述光源定位以使将来自所述光源的光引向所述全内反射透镜，及
各所述内部单元的全内反射透镜被构成为将来自所述内部单元的光源的反射和直射光中继为准直光。
4、根据权利要求3的装置，其中所述夜光照明部分包括至少一个外部光学单元，该外部光学单元被定位相邻于所述壁垒装置且包括反射器装置，全内反射透镜和光源。其中所述外部单元的反射器装置相对所述外部单元的光源被定位以将来自光源的光直射给所述全内反射透镜，且
所述外部单元的全内反射透镜被构成为将来自所述外部单元的光源的反射和直射光中继为准直光。
5、根据权利要求4的装置，其中各所述内部及外部单元的反射器装置被构成为对其反射轮廓进行成形以对其各自的全内反射透镜中的任何非线性进行补偿。
6、根据权利要求5的装置，其中各所述内部和外部单元的反射透镜具有可实现光的准直的小面。
7、根据权利要求6的装置，其中所述光学壁垒装置包括一对各被相对于所述内部单元的最外边一个进行定位的一对不透明的光学壁垒。
8、根据权利要求2的装置，其中所述夜光照明部分包括至少一个外部光学单元，该外部光学单元被定位相邻于所述壁垒装置且包括反射器装置。全内反射透镜和光源，其中所述外部单元的反射器装置相对于所述外部单元的光源被定位以将来自光源的光引向所述全内反射透镜，且
所述外部单元的全内反射透镜被构成为将来自所述外部单元的光源的反射和直射光中继为准直光。
9、根据权利要求8的装置，其中所述日光照明部分包括多个内部的，邻接定位的光学单元，其中各光学单元设置有反射器装置，全内反射透镜和光源，且其中
各所述内部单元的反射器装置相对于所述光源定位以使将来自所述光源的光引向所述全内反射透镜，及
各所述内部单元的全内反射透镜被构成为将来自所述内部单元的光源的反射和直射光中继为准直光。
10、根据权利要求2的装置，其中所述日光照明部分包括多个内部的，邻接定位的光学单元，其中各光学单元设置有反射器装置、全内反射透镜和光源。
11、根据权利要求10的装置，其中所述夜光照明部分包括至少一个外部光学单元，该外部光学单元被定位相邻于所述壁垒装置且包括反射器装置，全内反射透镜，和光源。
12、根据权利要求11的装置，其中：
各所述内部单元的反射器装置具有相对于所述内部单元的光源被定位以使将来自光源的光引向所述全内反射透镜的反射器，且各所述内部单元的全内反射透镜被构成为将来自所述内部单元的光源的反射和直射光中继为准直光；及
各所述外部单元的反射器装置相对于所述外部单元的光源被定位以将来自光源的光引向所述全内反射透镜，且各所述外部单元的全内反射透镜被构成为将来自所述外部单元的光源的反射光和直射光中继为准直光。
13、根据权利要求12的装置，其中各所述内部及外部单元的反射器装置被构成为对其反射轮廓进行成形以对其各自的全内反射透镜中的任何非线性进行补偿。
14、根据权利要求13的装置，其中各所述内部和外部单元的反射透镜具有可实现光的准直的小面。
15、根据权利要求2的装置，其中所述夜光照明部分包括至少一个外部光学单元，该外部光学单元被定位相邻于所述壁垒装置且包括反射器装置，全内反射透镜，和光源。
16、根据权利要求15的装置，其中所述日光照明部分包括多个内部的，邻接定位的光学单元，其中各光学单元设置有反射器装置、全内反射透镜和光源。
17、根据权利要求16的装置，其中各所述内部单元的反射器装置具有相对于所述内部单元的光源被定位以使将来自光源的光引向所述全内反射透镜的反射器，且各所述内部单元的全内反射透镜被构成为将来自所述内部单元的光源的反射和直射光中继为准直光；及
各所述外部单元的反射器装置相对于所述外部单元的光源被定位以将来自光源的光引向所述全内反射透镜，且各所述外部单元的全内反射透镜被构成为将来自所述外部单元的光源的反射光和直射光中继为准直光。
18、根据权利要求17的装置，其中各所述内部及外部单元的反射器装置被构成为对其反射轮廓进行成形以对其各自的全内反射透镜中的任何非线性进行补偿。
19、根据权利要求18的装置，其中各所述内部和外部单元的反射透镜具有可实现光的准直的小面。
20、一种根据权利要求19的用于液晶装置的显示器的装置：
其中所述壁垒装置包括被定位相邻于所述内部单元的最外边一个的一对光学壁垒，且所述夜光部分包括一对夜光照明部分且通过所述光学壁垒而被各自地分离开；及
还包括有一位于所述日光照明部分顶上的亮度增强膜，一对分别位于所述夜光照明部分顶上的NVIS滤光器，一波导可位靠于所述液晶装置，及一扩散器板与所述波导的顶部相接触。
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