CN1216309C - 照明结构、包括该结构的显示器和照亮显示器的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于为例如LCD提供偏振光的结构。该结构包括基片(201)和顶层(202)。基片(201)优选地是光学各向异性的，并且顶层(202)是各向同性的或者各向异性的。各个折射率选择成这样，使得偏振分离发生在基片(201)和顶层(202)之间的分界面(214)处。而且，折射率选择成这样，即，对入射光(L)的入射角(i)没有限制，因此不需要对入射光(L)的校准。顶层(202)在内部或外部包括光耦合输出结构。

Description

照明结构、包括该结构的显示器 和照亮显示器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于为平板显示器提供偏振光的照明结构以及包括这种照明结构的显示器。

背景技术

如今，液晶型的平板显示器(即LCD)广泛应用于各种不同特征的产品和应用领域中。很多的应用场合包括小的便携式电池供电单元，例如便携电话和计算机。这种应用场合很明显的重要特点在于，能量消耗是消费者在不同制造商的产品之间进行选择时需要考虑的决定性因素。

对背面照明的LCD的要求是，它必须用线偏振光照明以便正确地工作。为了获得偏振光，必须使用用于使“普通的”非偏振光偏振的装置。这通常需要将所谓的起偏器置于非偏振光的路径中，该起偏器具有去除一大部分入射光的作用。由于很多应用场合涉及便携设备，所以需要电池电源。无论光源的效率如何，低的能量消耗都将是关键的考虑因素。

因此，本发明的领域中通常存在的问题在于，现今的用于提供偏振光的照明结构缺乏效率。

美国专利5,845,035号公开了一种用于平板图像显示装置的照明系统。所公开的系统包括光波导件，该光波导件包括两层，光学各向异性的一层具有折射率n_o和n_e，而光学各向同性的第二层具有折射率n_i。

可以看出，US专利5,845,035号的构形中的偏振分离仅在有限的条件下发生，并且仅用于入射光的入射角θ的有限范围，入射角θ是这些层的法线方向和入射光之间的角度。

为了获得偏振分离，即获得用于例如LCD的照明的偏振光，US5,845,035表示出第二层的折射率n_i应该与第一层的折射率n_o、n_e中的任一个相匹配。

这些限制意味着，为使根据现有技术的照明系统有效，即，为了在分界面处获得有效的偏振分离，进入该系统的光必须在一特定的范围内校准，如美国专利5,808,709号中所示。不用说，这增加了照明系统的复杂性，或者如果没有施加校准，就严重地降低了系统的效率。

发明内容

如下面将详细描述的那样，可以看出，为了在各层之间的分界面处得到偏振分离，存在的对入射角θ的限制在于，它必须比入射的临界角θ_c更大。这意味着对在照明系统的耦合输入面处的入射角θ_i的限制，如下面将详细描述的那样。

因此本发明的目的是解决涉及如上所讨论的现有技术系统的问题。为此，如下面所声明的那样提供了照明结构和显示系统。

因此，根据本发明的照明结构包括带有顶表面和侧面的光学各向异性基片。该侧面接收优选来自外部光源的入射光L。沿着基片定位一顶层。该顶层具有与基片的顶表面对接的底表面，例如与基片的该表面贴靠。

基片和顶层具有这样的折射率，使得通过该侧面引到基片中的光的第一偏振分量将在基片和顶层之间的分界面处内反射回到基片中，而不管在该侧面处的入射角为何。

通过该侧面引到基片中的光的第二偏振分量将在基片和顶层之间的分界面处折射到顶层中，而不管在该侧面处的入射角为何。

详细地说，这样获得入射光的偏振，使得基片沿第一方向的第一折射率与顶层沿第一方向的第一折射率的关系根据表达式n_s1≥sqrt(1+n_t1*n_t1)确定。这样具有的作用是，对于基片沿第一方向的第一折射率的值高于sqrt(1+n_t1*n_t1)的情况，经历这些折射率并且相对于基片的侧面具有任何入射角的光将会在基片和顶层之间的分界面中发生全内反射，因此不会到达顶层。

而且，基片沿第二方向的第二折射率和基片沿第三方向的第三折射率的加权平均值低于顶层沿第二方向的第二折射率和顶层沿第三方向的第三折射率的加权平均值。这样具有的作用是，对于相对基片的侧面的所有入射角的情况，即，不管该角度θ为何，经历这些折射率的光会折射到顶层中。

根据本发明的照明结构的实施例包括光学各向异性基片与各向同性或各向异性的顶层的组合。

本发明的另一个方面是一种显示系统，其包括如上所述的照明结构，并且该系统还可以包括布置成照亮基片的侧面212的光源。一显示器例如平板LCD布置成接纳发源于顶层的偏振光。在这种情况下，LCD是贴靠照明结构的单独的单元。然而，可以根据本发明的再一个方面将显示单元例如LCD结合在顶层中，在这种情况下，它接收来自基片和顶层之间的分界面的偏振光。

所公开的照明结构的优点在于，它提供了有效的偏振，并且由于这个事实它可以用于便携装置，例如计算机、电话等，在这些装置中能量消耗是关键性因素。

这种结构的另一个优点在于，它为用于入射光的很宽范围的入射角提供了偏振光，这不需要光源和该结构的基片之间的校准单元例如透镜等。这意味着显示系统可以是低复杂性的，比根据现有技术的系统包含更少的部件。

本发明还提供了一种照亮显示器的方法，其包括以下步骤：

通过光学各向异性基片的侧面将非偏振光引到该光学各向异性基片中；

为所述基片设置光学顶层；

以这样的方式选择所述基片和所述顶层的折射率，使得所述非偏振光的第一偏振分量在照射到所述基片和所述顶层之间的分界面上时内反射回到基片中，并且所述非偏振光的第二偏振分量在照射到所述分界面上时折射到顶层中；以及

从所述顶层取出光，用于显示器的照明，

其特征在于：基片和顶层的折射率选择成这样，使得第一偏振分量在基片中经历一个折射率n_s1，并且在顶层中经历另一个折射率n_t1，这些折射率的关系根据表达式n_s1≥sqrt(1+n_t1*n_t1)确定，并且第二偏振分量在基片中经历的折射率低于或者等于在顶层中经历的折射率。

本发明的这些和其他方面将从下述实施例中变得明显，并且参考下述实施例进行说明。

附图说明

图1a和1b示意地表示了一照明结构的侧视图，该照明结构示出

现有技术结构的限制；

图2示意地表示了根据本发明的照明结构的透视图；

图3表示了一图表，该图表示出了与根据本发明的照明结构有关的参数；

图4表示了一图表，该图表示出了与根据本发明的照明结构有关的参数；

图5a和5b示意地表示了根据本发明的照明结构的第一实施例中的光路的侧视图；

图6a和6b示意地表示了根据本发明的照明结构的第二实施例中的光路的侧视图；

图7示意地表示了根据本发明的显示系统的透视图。

具体实施方式

为了介绍涉及本发明领域的几何形态的术语，以及表示与根据上述US 5,845,035的现有技术结构有关的限制，图1a和图1b表示了进入折射率为n_i的光学各向同性基片101的光L。在各向同性基片101的顶部上是一各向异性顶层102，该各向异性顶层沿着各个各向异性方向的折射率为n_o和n_e。

关于如US 5,845,035所公开的现有技术的缺点在于，偏振分离只在有限的条件下产生，并且用于有限的入射角θ：不是n_o应该与n_i匹配，就是n_e应该与n_i匹配，以便使偏振分离发生在各向同性基片101和顶层102之间的分界面103处。即：

1.n_o＜n_e，n_o＝n_i

耦合输入各向异性层

sin(θ)＞sin(θ_c)＝n_i/n_e

2.n_o＜n_e，n_e＝n_i

耦合输入各向同性层

sin(θ)＞sin(θ_c)＝n_o/n_e

此处θ是入射在分界面103上的角度，并且θ_c是临界角。

因此，为了得到偏振分离，需要将入射在分界面103上的角度限制成大于临界角θ_c。这必须通过将入射角θ_i限制在耦合输入侧面104处来做到，即，进入基片的光L必须被校准在特定的角度范围中，以使偏振分离有效地发生。这意味着增加了照明系统的复杂性，并且还可能降低效率，如果不使用校准，偏振分离的效率就会大大降低。

现在转到图2，表示了对于涉及现有技术的照明装置的问题的解决方法。根据本发明的装置包括基片201和顶层202。基片201优选是光学各向异性的，并且顶层或者是光学各向同性的，或者是光学各向异性的，如下所示的那样。

光L耦合输入折射率为n_s1、n_s2和n_s3的基片201，此处下标1、2和3分别是指方向x1、x2和x3，如图2中所示。在一般情况下，通过折射率n_t1、n_t2和n_t3来使顶层202光学特性化。在各向同性的顶层的情况下，折射率的关系为n_t1＝n_t2＝n_t3。如下面将讨论的那样，通过适当地选择折射率，将减少或甚至消除对入射光L的校准的限制。

光L的一个偏振分量例如分量S在基片201中遇到折射率n_s1，而在顶层202中遇到折射率n_t1。如果n_s1＞n_t1，则S偏振光不会耦合输入顶层202中，提供的入射角θ大于临界角θ_c，该临界角限定如下：

θ_c＝arcsin(n_t1/n_s1) (1)

正交偏振量P在基片201中遇到折射率n_s2和n_s3的加权平均值，而在顶层202中遇到折射率n_t2和n_t3的加权平均值。如果基片201中的这个平均折射率小于顶层202中的平均折射率，则对于所有的入射角θ来说，P偏振光都能折射入顶层202中。

在耦合输入表面213处的耦合输入角θ_i，max，即空气对基片201的耦合输入角被相对于表面212的法线限定，并且与临界角θ_c的关系如下：

θ_i，max＝arcsin(n_s1*cos(θ_c)) (2)

耦合输入角θ_i，max是最大耦合输入角，对于该耦合输入角，全内反射(TIR)将发生在基片到顶层的分界面214处。耦合输入光应该校准在+θ_i，max到-θ_i，max的范围内，以利用如图2中所示的结构发生完全的偏振分离。

图3表示了对于n_t1的选定值为1.54的情况下，随着n_s1而变的θ_c和θ_i，max的实例。对于增大的n_s1，可以耦合输入增大的角范围，并且在分界面214处发生全内反射。当在耦合输入表面212处的所有耦合输入角的光将在基片到顶层的分界面214处发生全内反射时，不需要进行校准。从公式(2)中可以算出，这种情况取决于基片201和顶层202的折射率的组合。如：

n_s1＝sqrt(1+n_t1*n_t1 ) (3)

在图4的图表中表示了这种情况。对于n_s1值高于根据公式(3)的情况时，所有耦合输入角的S偏振光将在分界面214处发生全内反射，而对于较低的n_s1值，只有特定耦合输入角范围的光将在分界面214处发生全内反射，并且在这种情况下应该使用校准。

实际上，对于光学各向同性基片来说这样高的n_s1值难于实现，但是使用各向异性基片就更容易实现，在该各向异性基片中n_e通常可以是非常大的，如下面的实施例中所见的那样。

在顶层202的内侧(或者在有顶层的多个叠层的情况下，在任何随后的顶层的内侧)或者在顶层202的表面215处(或者在有顶层的多个叠层的情况下，在任何随后的顶层的内侧)，可以获得偏振光的耦合输出。

如果忽略散射过程的去偏振作用，则对于各向异性或各向同性的顶层202内侧的耦合输出来说，可以应用所发射的偏振光的散射。

对于顶层202的表面215处的耦合输出来说，可以使用任何微型结构，例如凸起的结构或激光写入的凸纹结构、透镜阵列、折射率波动或表面粗糙度。然而再次说明，耦合输出过程应该使得去偏振作用并不明显。

现在将参考图5a和5b描述上述过程的第一实例。基片501例如是拉伸的PEN膜，该膜沿x1方向拉伸，具有的折射率为n_s1＝1.86，并且n_s2＝n_s3＝1.56。顶层502例如是拉伸的PET膜，该膜沿x2方向拉伸，具有的折射率为n_t1＝n_t3＝1.54，并且n_t2＝1.67。

在图5a中表示了照明结构的截面图。对于基片501中的耦合输入角θ_i，air＝10°(虚线)和80°(实线)的时候，具有偏振量1的光L分别遇到折射率n_sl和n_t1。θ_i，air被限定为进入基片501的耦合输入光相对于进入平面的法线N的角度。

在图5b中表示了具有偏振量2的光L的截面，对于基片501中的类似的耦合输入角来说，该光遇到折射率n_s2、n_s3和n_t2、n_t3。

如从图5a和5b中的实例观察的那样，只有偏振量2将进入顶层502，在此处它可以通过如本领域中所知的合适的结构耦合输出。用于这种构形的临界角由θ_c＝arcsin(n_t1/n_s1)＝55.9°限定。重新计算在基片501和顶层502之间的分界面处的TIR对于基片501中的耦合输入角的条件，其结果是对于所有的耦合输入光的角度(θ_i，air＝0°到90°)来说都能得到完全的偏振分离，即，不需要对耦合输入光的校准。

现在将参考图6a和6b来描述上述过程的第二实例。基片601例如是拉伸的PEN膜，该膜沿x1方向拉伸，具有的折射率为n_s1＝1.86，并且n_s2＝n_s3＝1.56。顶层602例如是各向同性的PC膜，该膜具有的折射率为n_t1＝n_t2＝n_t3＝1.57。

在图6a中表示了照明结构的截面图。对于基片501中的耦合输入角θ_i，air＝10°(虚线)和80°(实线)的时候，具有偏振量1的光L分别遇到折射率n_s1和n_t1。θ_i，air被限定为进入基片601的耦合输入光相对于进入平面的法线N的角度。

在图6b中的截面图表示了具有偏振量2的光L，对于基片601中的类似的耦合输入角来说，该光遇到折射率n_s2、n_s3和n_t2、n_t3。

再次说明，如从图6a和6b中的实例观察的那样，只有偏振量2将进入顶层502，在此处它可以通过如本领域中所知的合适的结构耦合输出。用于这种构形的临界角由θ_c＝arcsin(n_t1/n_s1)＝57.57°限定。重新计算在基片601和顶层602之间的分界面处的TIR对于基片601中的耦合输入角的条件，其结果是对于所有小于θ_i，air＝85.8°的耦合输入光的角度来说都能得到完全的偏振分离，即，事实上对于实际存在的所有耦合输入光都不需要校准。

图7a和7b示意地表示了根据本发明的背面照明的LCD系统。LCD单元703和707分别包括液晶704和708，其需要来源于光源705的偏振光以便正确地工作，如本领域中所知的那样。

在图7a中所示的结构中，LCD单元703是位于顶层702和基片701的顶部上的单独的单元。基片701和顶层702优选地布置成上面已经结合图1-6所讨论的那样。从顶层702到LCD单元703中的偏振光的耦合输出例如通过凸纹结构如上所讨论地那样进行。

在图7b中所示的结构中，LCD单元是整体成形为顶层707的单元，该顶层位于基片701上。基片701和LCD/顶层707优选地布置成上面已经结合图1-6所讨论的那样。进入LCD单元/顶层707中的偏振光的耦合输出例如通过散射如上所讨论地那样进行。

Claims (6)

1.一种照明结构，其包括：

具有顶表面(211)和侧面(212)的光学各向异性基片(201)，该侧面布置成接收入射光(L)；以及

具有底表面(213)的顶层(202)，该底表面与基片(201)的所述顶表面(211)具有分界面(214)；其特征在于：

所述基片和所述顶层具有这样的折射率，使得通过所述侧面引到基片中的光的第一偏振分量将在所述基片和所述顶层之间的分界面处内反射回到基片中；而

通过所述侧面引到基片中的光的第二偏振分量将在所述基片和所述顶层之间的分界面处折射到顶层中，

其特征在于：

基片中沿第一方向(x1)的第一折射率(n_s1)与顶层(202)沿第一方向(x1)的第一折射率(n_t1)的关系根据如下表达式确定，

n_s1≥sqrt(1+n_t1*n_t1)，以及

基片(201)沿第二方向(x2)的第二折射率(n_s2)和基片(201)沿第三方向(x3)的第三折射率(n_s3)的加权平均值低于或者等于顶层(202)沿第二方向(x2)的第二折射率(n_t2)和顶层(202)沿第三方向(x3)的第三折射率(n_t3)的加权平均值。

2.根据权利要求1所述的照明结构，其特征在于：顶层(202)是光学各向同性的。

3.根据权利要求1所述的照明结构，其特征在于：顶层(202)是光学各向异性的。

4.一种显示系统，其包括：

根据权利要求1到3中任一项所述的照明结构；

布置成直接照向基片(201)的侧面(212)的光源(705)；以及

布置成接收从顶层(202)发出的偏振光的显示器(703)。

5.一种显示系统，其包括：

根据权利要求1到3中任一项所述的照明结构；

布置成直接照向基片(201)的侧面(212)的光源(705)；以及

显示器，该显示器包括在顶层(707)中，并且布置成接收来自基片(701)和顶层(707)之间分界面的偏振光。

6.一种照亮显示器的方法，其包括以下步骤：

通过光学各向异性基片的侧面将非偏振光引到该光学各向异性基片中；

为所述基片设置光学顶层；

以这样的方式选择所述基片和所述顶层的折射率，使得所述非偏振光的第一偏振分量在照射到所述基片和所述顶层之间的分界面上时内反射回到基片中，并且所述非偏振光的第二偏振分量在照射到所述分界面上时折射到顶层中；以及

从所述顶层取出光，用于显示器的照明，

其特征在于：基片和顶层的折射率选择成这样，使得第一偏振分量在基片中经历一个折射率n_s1，并且在顶层中经历另一个折射率n_t1，这些折射率的关系根据表达式n_s1≥sqrt(1+n_t1*n_t1)确定，并且第二偏振分量在基片中经历的折射率低于或者等于在顶层中经历的折射率。

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