CN1464955A - 具有结构表面的背照灯 - Google Patents

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Abstract

一种背照灯，它包括：一光导向体(16)；一光源(12)，相对于光导向体(16)设置该光源，以将光线引入光导向体(16)；以及一转向薄膜。光线结构(40)形成在光导向体(16)的一输出表面(18)和一背面(20)之一中。光学结构(40)被设置成从光导向体(16)引出光线。一背反射体(24)设置在背面(20)附近。形成包括一变化特性的光学结构(40)，该变化特性被设置成遮盖光导向体(16)的输出中的不均匀性。

Description

具有结构表面的背照灯
技术领域
本发明总地涉及一种背照灯，更具体地说，涉及一种包括在光导向体的一个或多个表面中形成有光学结构的光导向体的背照灯。
背景技术
诸如液晶显示器(LCD)装置之类的背照光显示器装置通常使用一楔形光导向体。楔形光导向体将来自大致呈线性的光源(例如冷阴极荧光灯)的光线结合到大致呈平面的输出。然后平面输出用于LCD的照明。
一种背照光显示器的性能测量是其均匀性。用户易于从显示器的一个区域到下一个区域察觉到相对较小的显示器亮度的差异。即使是相对较小的不均匀性也会使显示器的使用者非常烦恼。
使离开光导向体的光散射的表面漫射体或整体漫射体(bulk diffuser)片材有时可用于遮盖或柔化不均匀性。然而，这种漫射也会导致光线被引离较佳的观察轴线。最终结果可能是显示器的整体亮度沿较佳观察轴线降低，这是显示器装置的又一个性能测量。
出于主观立场，整体亮度的相对较小的升高或降低不象离散的不均匀性那样易于被显示器装置的用户察觉。然而，即使是最小的整体亮度的降低，包括小得只能由客观测量察觉到的降低，也会使显示器装置的设计者沮丧。这是由于显示器的亮度与显示器的功率要求紧密相关。如果可以在不增加所需功率的情况下增加整体亮度，则设计者实际上可将更少的功率分配给显示器装置，且仍能获得可接受的亮度级别。对于由电池供电的便携式装置来说，这将转变成更长的运行时间。
发明内容
根据本发明，一诸如光导向体、光学薄膜或透镜之类的光学元件形成有光学结构的预定的设计的图案。可将光学结构设置成有选择地校正光学元件的输出中的不均匀性，或者可将光学结构设置成以预定和设计的方式影响显示器的性能。
在本发明的第一方面中，一种具有一第一表面、一第二表面、一第一边缘和一第二边缘的光学透射薄膜形成有多个形成在第一表面中的光学结构。将多个光学结构以预定图案设置在第一表面上，每个光学结构具有至少一种从包括波幅、周期和纵横比(aspect ratio)的组中选出的特性。每种特性具有一第一数值，该第一数值用于第一边缘和第二边缘之间的薄膜上的一第一预定位置，而特性具有一不同于第一数值的第二数值，该第二数值用于第一边缘和第二边缘之间的薄膜上的、一不同于薄膜上的第一预定位置的第二预定位置。
在本发明的另一方面中，本发明的结构是厚光学元件例如一光导向体楔块或平板的部分。通过注模法、铸造、压模法或通过将一具有该结构的薄膜粘合于厚光学元件，在厚元件上实现该结构。
附图说明
本技术领域的普通技术人员通过以下结合附图对本发明的几个较佳实施例作出的详细叙述将会清楚本发明的许多优点和特征，其中相同的标号在全文中表示相同的部分，在附图中：
图1是适合本发明的一个实施例的照明装置的立体图；
图2是本发明的一个实施例的结合有光学结构的设计的图案的光学薄膜的立体图；
图3是本发明的又一个实施例的结合有光学结构的设计的图案的光学薄膜的立体图；
图4是本发明的又一个实施例的结合有光学结构的设计的图案的光学薄膜的立体图；
图5是本发明的又一个实施例的结合有光学结构的设计的图案的光导向体楔块的立体图；
图6是本发明的又一个实施例的结合有光学结构的同相设计的图案的光导向体楔块的立体图；
图7是沿图6的线7-7截取的剖视图；
图8是本发明的又一个实施例的结合有光学结构的异相设计的图案的光导向体楔块的立体图；
图9是本发明的又一个实施例的结合有光学结构的设计的图案的线性透镜结构的立体图；
图10是本发明的又一个实施例的结合有光学结构的设计的图案的圆形透镜结构的平面示意图；
图11是图10所示的圆形透镜结构的立体示意图；
图12是本发明的另一个较佳实施例的结合有光学结构的设计的图案的光学薄膜的立体图；
图13是本发明的另一个较佳实施例的结合有光学结构的设计的图案的光学薄膜的立体图；
图14是本发明的另一个较佳实施例的结合有光学结构的设计的图案的光学薄膜的立体图；
图15是本发明的一个较佳实施例的结合有顶面中的光学结构的一第一设计的图案和底面中的光学结构的一第二设计的图案的光导向体的立体图；
图16是图15所示的光导向体的侧视图；
图17是本发明的一个较佳实施例的背照灯的分解立体图；
图18是本发明的一个较佳实施例的背照灯的分解立体图；
图19是显示用于图17所示的背照灯的光输出分布的图形；
图20是显示用于图18所示的背照灯的光输出分布的图形；
图21是现有技术的背照灯的侧视图；
图22是本发明的一个较佳实施例的背照灯的侧视图；
图23-28是本发明的较佳实施例的背照灯的多种构造的侧视图。
具体实施方式
依据几个较佳实施例，尤其是依据适于使用在背照明系统中的光学薄膜或光导向体来叙述本发明，该背照明系统通常使用在平板显示器装置中，例如膝上型计算机显示器或桌上型平板显示器。然而，本发明并不限于该应用，本技术领域的普通技术人员将理解的是，它实际上可应用于任何光学系统，例如投射屏装置和平板电视机。还将理解的是，本发明可应用于诸如在移动电话、个人数字助理(PDA)、寻呼机之类中发现的小型LCD显示器装置。因此，本文所述的实施例不应被看作限制本发明的宽阔范围。
请参见图1，一照明系统10包括一光源12；一光源发射体14；一光导向体16，该光导向体具有一输出表面18、一背面20、一输入表面21和一端面22；一靠近背面20的反射体24；一第一光线重定向元件26；一第二光线重定向元件28；以及一反射偏光镜30。光导向体16可为楔形、其变型或一平板。众所周知，光导向体的用途是将来自光源12的光分布到一远大于光源12的区域，更具体地说，大致分布到由输出表面18构成的整个区域。光导向体16最好还能以紧凑、薄的单元实现这些任务。
光源12可以是一将光线输入到光导向体16的边缘表面21的CCFL，而灯反射体14可以是一围绕光源12以形成灯腔的反射膜。背反射体24位于光导向体16的后面、靠近背面20。背反射体24可以是一有效的背反射体，例如一漫反射膜或一镜面反射膜。
在图示的实施例中，边缘结合的光线从输入表面21向端面22传播，这是由全内反射(TIR)限定的。通过使TIR无效可以从光导向体16引出光线。由于楔形角的原因，限定在光导向体16内的光线增加相对于顶壁和底壁的平面的入射角，使每个TIR回升。因而，由于光线不再受到TIR的限制，其最终将折射出输出表面18，并与其形成一掠射角。将一些光线引出背面20。通过背反射体24将这些光线反射回来，进入并通过光导向体16。第一光线重定向元件26被设置成一转向薄膜，以使离开输出表面18的这些光线沿大致与较佳观察方向平行的方向重新定向。
仍然参见图1并简要参见图2，第一光线重定向元件26可以是一具有一第一表面32和一第二表面34的光透射光学薄膜。在一转向薄膜应用中，第一表面32被设置成一输入表面，并且形成有棱镜44，它可以折射和反射沿较佳观察方向离开光导向体16的光线。第二表面34因此是一输出表面。棱镜可具有一大致均匀的结构，或者可具有一如同编号为No.09/415,873、提交于1999年10月8日的普通转让美国专利申请“具有可变角棱镜的光学薄膜”所述的非均匀结构，本文将援引其揭示内容作为参考。
请返回参见图1，在照明系统10的每种结构中，可以不需要第二光线重定向元件28。当第二光线重定向元件被包括在系统10中时，它可以是一漫射体、一透镜状分布器(lenticular spreader)或一棱镜薄膜，例如可从明尼苏达州圣保罗市的3M公司购得的3M亮度增强薄膜产品(作为BEFII或BEFIII出售)之类的亮度增强薄膜。反射偏光镜30可以是一无机、聚合或胆甾醇(cholesteric)液晶偏光镜薄膜。一适当的薄膜是漫反射偏光镜薄膜产品(作为DRPF出售)或镜面反射偏光镜薄膜产品(作为DBEF出售)，它们都可从3M公司购得。此外，至少可将第二光线重定向元件28和反射偏光镜30、并可能将第一光学重定向元件26结合成一单个光学元件。题为“显示器照明装置和增加显示器照明装置中的亮度的方法”、编号为No.09/415,100、提交于1999年10月8日的普通转让美国专利申请叙述了几种这样结合的光学结构，本文将援引其揭示内容作为参考。
使用用于背照明的光导向体，例如光导向体16，在从光导向体输出的光线中通常具有不均匀性。这些不均匀性通常集中在输入表面21附近。为了遮盖通常被看作缺陷的不均匀性，通常使用一覆盖光导向体的输出表面的漫射体。然而，一漫射体会降低显示器的整体亮度，并且不足以遮盖所有缺陷。
如上所述，在照明系统10中，第一光线重定向元件26被设置成一转向薄膜，并且可具有一图2所示的结构。再次参见图2，薄膜包括一光学结构40(棱镜)的图案42，这些光学结构被设置成具有一异相可变波幅。对于转向薄膜应用来说，图案42形成在一表面上，该表面是薄膜的光线输入表面。然而，在本文将要叙述的几个其它应用中，图案42可以形成在楔块、平板或薄膜的顶面和/或底面上。对于图1所示的转向薄膜应用来说，除了形成在第一光线重定向元件26的第一表面32上的棱镜以外，第二表面34可以形成有光学结构。
继续结合图2进行讨论，第一光学重定向元件26具有一第一边缘36和一第二边缘38。光学结构40在图案42中从第一边缘36朝第二边缘38延伸。每个光学结构40可具有许多特性，例如波幅、周期以及波峰44和波谷46的纵横比。图案42还可以具有若干特性，例如光学结构40之间的间距p。图2所示的结构40具有波幅变化。在第一光学重定向结构26的应用中，可将诸槽设置成使其波幅的变化与光源12(图1)垂直。
继续参见图2，显然在图案42中，光学结构40在第一边缘36处形成有数量更大的波幅变化，该波幅变化的数量朝第二边缘38减少。由于表面斜度越高，光学结构40中的数量更大的波幅变化沿槽轴线产生越大的光功率。那么，该图案的光功率随离开第一边缘36的距离的一函数而减少。这种光学结构40和图案42的设置是有目的的。如同所述，光导向体16的输出中的不均匀性可以集中在输入表面21附近，而距离输入表面21越远处的不均匀性越少。因而，光学结构40和图案42被设置成在第一边缘36附近提供更多的漫射。在应用中，第一边缘36基本上被设置在光导向体16的输入表面21附近。图案42具有一间距p，该间距可以是均匀或可变的，而光学结构40的波幅朝第二边缘38减少为零。如同下面将更详细讨论的那样，可以用任何工具形状来制造该图案。
应予理解的是，使用光线跟踪和其它分析技术，可以确定用于光学结构40和图案42的特定设置，这些设置可以最好地校正光导向体16的输出中特别观察到的不均匀性。也就是说，可以设计光学结构40和图案42的一个或多个特性，以校正特定的不均匀性。如上所述，关于第一光线重定向元件26，光学结构40和图案42将光功率提供给输入表面21附近的光导向体16的输出，以便遮盖可能出现在输入表面21附近的不均匀性。因为通常离输入表面21更远处从光导向体16观察到强度较弱或较小的不均匀性，所以远离输入表面21处提供的光功率较少或不提供光功率。以该种方式，在最需要遮盖或柔化不均匀性的位置提供光功率，而在待遮盖的不均匀性较少的位置提供较少的光功率。此外，通过增加光学结构和/或改变光学结构的特性，事实上可将光功率增加到光导向体输出的任何位置。此外，光功率的增加无需是均匀的。取而代之的是，如果必要的话，可根据需要将光功率增加到光导向体输出的离散区域，以协助遮盖缺陷或造成特定的光学效果。
一些光导向体在光导向体背面包括漫射点的图案。入射到该诸点之一的光线被漫射点散射，并且使该反射光的一部分离开光导向体。尽管这种从光导向体引出光线的方法的漫射性质，但诸点的图案本身在光导向体输出中是可见的。因而，为了隐藏点图案，通常提供另外的漫射。
请结合图3，一薄膜50具有一表面52，形成该表面使其包括多个设置在图案56中的光学结构54。光学结构54基本上被设置成替换用于从光导向体引出光线的漫射点图案。尽管在图3中显示为椭圆形，但并没有将光学结构54共同局限于任何特定形状，也没有将它们局限于图案56中的任何一个特定形状。因此，光学结构54可以是棱柱、直线、点、正方形、椭圆形、圆形、菱形或大致呈任何形状或各种形状的组合。此外，可以将光学结构54的尺寸制造得非常小，并且在图案56中紧密间隔在一起，从而比漫射点图案中的诸点的尺寸和间隔小得多。例如，光学结构可具有达到用于漫射点的典型尺寸的尺寸，但最好小于人眼的敏锐度，并且可以互相间隔在大约50-100米内。光学结构54的极小尺寸和紧密间隔消除或减少了光导向体输出所需的漫射，这通常是隐藏漫射点的图案所必需的。
请参见图4，光学薄膜51具有一表面53，该表面形成多个设置在图案57中的光学结构55。在本发明的该实施例中，光学结构55形成圆圈或点。图5示出了一具有背面61的光导向体楔块59，该背面形成有设置在图案65中的光学结构63。这些光学结构也被图示成圆圈或点，但应当清楚的是，光学结构事实上可以采用任何结构。
本发明允许并为光导向体提供微级的斜度变化。也就是说，通过微级增加光学结构可以局部增加或减少光导向体的斜度。当光线射到更高的正斜度时，从光导向体引出光线的速度将比光线射到标称楔形角更快。
尽管至此为止依据光学薄膜进行讨论，但本发明可应用于光导向体楔块本身。请参见图6和7，一光导向体60具有一输入表面62、一输出表面64和一背面66。输入表面62被设置成位于光源(图中未示出)附近，以提供入射到输入表面62的光源。作为使光导向体60内的TIR无效的结果，入射到输入表面62的光线被引出输出表面64。如同上面所讨论的那样，从光导向体60输出的光线中通常具有不均匀性，尤其是在输入表面62附近。
图7示出了将光功率增加到光导向体60的背面66和调整延伸离开输入表面62的强度。如图6所示，背面66形成有同相光学结构68，该光学结构被设置成增强输入表面62附近的引出，并且随其离开输入表面62而逐渐减少到零。图案在整个表面上也可以是不逐渐减少的，即恒定的，它从零开始增加，任意变化或分布在离散区域中。光学结构也可以是异相的，例如图8所示的光导向体60’的背面66’中形成光学结构68’。应予理解的是，光学结构的图案也可以单独形成在输出表面64中，或者与形成在背面66中的图案相结合——下面将更详细地叙述本发明的这种实施例，尤其是结合图15和16。返回到本讨论，提供光学结构的目的是获得使无论可能发生在何处的光导向体输出的不均匀性最小化的效果。例如，图6和8所示的光导向体60可具有主要在输入表面62附近的不均匀性，这将建议增加在输入表面62附近具有更大光功率的光学结构。
请特别结合图7，光学结构68可形成在光学薄膜70的一表面72上。然后，使用紫外线(UV)固化、压敏或其它适当的胶粘剂将光学薄膜70连接到光导向体60的楔形结构。或者，可将楔块成块模制，以在背面66中包括光学结构68。
如同从先前讨论中总的较清楚的那样，事实上光学结构的任何结构可以形成在一光学薄膜中，并且通过诸如粘合将光学薄膜连接到光导向体或其它成块光学元件。例如，事实上可将减少眩光、防浸湿、菲涅耳(Fresnel)和任何其它能形成在光学薄膜表面中的结构方便地复制在薄膜中，然后将薄膜连接到另一个光学元件。
使用微复制过程可以制造结合有设计的光学结构的薄膜。在该制造过程中，例如通过将图案切削进入一金属辊以制作靠模(master)，并且通过挤压、铸造和固化、压凸和其它适当过程用靠模制造薄膜。或者，可以通过加压或注塑模制、铸造或辊轧成形来制造薄膜。在题为“具有减少缺陷表面的光学薄膜和制造该薄膜的方法”、编号为No.09/246,970、提交于1999年2月9日的普通转让美国专利申请(代理人摘要号No.54176USA9A)中叙述了一种较佳的装置和用于微复制的方法，本文将援引其揭示内容作为参考。
作为本发明的上述特征的一个示例，并结合图9，一线性菲涅耳透镜或棱镜80具有一大致呈平面的第一表面82和一第二表面84。第二表面84形成有透镜结构86，并且将附加的光学结构88叠加在透镜结构86上。光学结构88具有若干特性，例如波幅、周期和纵横比，它们从透镜80的一第一边缘90变化到透镜80的一第二边缘92。透镜80可以成块构成，或者如图9所示，包括光学结构88的透镜结构86可以形成在一薄膜94上，然后将该薄膜粘合到成块的光学基片96。根据应用，可以将第一表面82设置成一输入表面，而将第二表面84设置成一输出表面，反之亦然。
图10和11示出了一圆形透镜81，该圆形透镜包括一第一表面83和一第二表面85。形成包括透镜结构87的第二表面85，例如圆形菲涅耳透镜结构，并将附加的光学结构89叠加在透镜结构87上方。光学结构89具有若干特性，例如波幅、周期和纵横比，例如，它们可以从透镜81的一外圆周变化到透镜81的中心。
现在请参见图12，该图示出了一薄膜100，该薄膜包括一使用“V”形切削工具形成的光学结构108的波幅变化的图案102。图案102可形成在薄膜100的顶面和/或底面上。同样，图案102可形成在一楔块或平板中。薄膜100具有一第一边缘104和一第二边缘106。设置在图案102中的光学结构108从第一边缘朝第二边缘106延伸。每个光学结构108可具有许多特性，例如波幅、周期和纵横比。图案102还可具有若干特性，例如限定光学结构108之间间隔的间距p。图12所示的光学结构108具有波幅变化。在薄膜100的应用中，可将诸槽设置成使其波幅的变化与结合薄膜100的光导向体的光源垂直、平行或成一角度。
继续参见图12，显然在图案102中，光学结构108在第一边缘104处形成更大的波幅，波幅朝第二边缘106减少。由于表面斜度越高，更大的波幅沿槽轴线产生越大的光功率。那么，该图案的光功率随离开第一边缘104的距离的一函数而减少。这种光学结构108和图案102的设置是有目的的。
参阅图13和14，它们分别示出了薄膜110和112。每一薄膜110和112具有与薄膜100相同的特性，并且使用相同的标号来叙述它们之间的相同部分。与使用一“V”形工具形成图案相反，图13的薄膜110具有使用具有一曲线或弧形结构的工具形成的光学结构116的一图案114。图14的薄膜112具有一使用平端工具形成的光学结构120的图案118。图案114和118被设置成所述情况，以便在薄膜110和112的表面或诸表面中提供光功率。应予理解的是，任何工具结构事实上可以与被选择的特定工具一起使用，以便在薄膜的表面或诸表面中获得期望数量和形式的光功率。
在图15和16所示的光导向体121中，光学结构124的一第一图案122形成在底面126中，而光学结构130的一第二图案128形成在楔块134的顶面132中。只是出于图示的目的，图15所示的光学结构124仅部分延伸横过底面126，而图15所示的光学结构130仅部分延伸横过顶面132。应予理解的是，光学结构124和光学结构130将在大多数情况下分别延伸横过整个底面126和顶面132。第一图案122可以被设置成有利于引出来自楔块134的光线，而第二图案128可以被设置成遮盖来自楔块的光线输出中的不均匀性。然而，应予理解的是，楔块134中实现的图案将取决于将要从楔块134获得的理想光线输出。此外，如上所述，图案122和128可以首先形成在光学薄膜中，然后将光学薄膜连接到楔块，例如通过粘合。在另一构造中，通过注塑模制或铸造使表面122和128形成在楔块中。
如同从先前讨论中清楚的那样，并且根据本发明的较佳实施例，一光导向体可形成有光学结构，例如一第一表面、一第二表面或两者中的诸“V”形槽。无论第一表面或第二表面是输入表面，都与该表面相对于光源的取向有关。光学结构可被均匀或随机隔开，并且可具有多种其它特性。因而，本发明具有用于多种应用的光导向体和背照灯系统的应用。应用的一个示例是通过使全内反射无效以引出光线的背照灯系统，其中光导向体在其背面和/或输出表面中形成有光学结构。另一个示例是具有一光导向体的背照灯系统，该光导向体使用点图案以引出光学，并且包括形成在其背面和输出表面的任何一个或两个中的光学结构。下面将更详细地叙述这些和其它示例。
请参见图17，该图示出了一背照灯140，该背照灯包括位于楔形光导向体144的输入边缘143附近的一光源142。一背反射体146设置在光导向体144的背面154附近，一转向薄膜148设置在光导向体144的输出表面150附近。背面154形成有光学结构152。光学结构152可以是形成在背面154中的诸槽，如图16所示的那样。图17所示的诸槽是“V”形槽，并且具有约90度的棱镜角，但可以使用从60度变化到120度的棱镜角。除“V”形槽以外的形状也可以用于光学结构152。此外，可使每个光学结构形成具有一沿其长度从标称值开始变化的高度。该变化可具有一波长，该波长可处在约1米至1000米的范围内，最好小于约140米。在题为“光学薄膜”、编号为09/025,183、提交于1998年2月18日的普通转让美国专利申请(代理人摘要号No.53772USA6A)中揭示并叙述了这种结构，本文将援引其揭示内容作为参考。
如图所示，光学结构152的取向基本上与光源142垂直。应予理解的是，光学结构152的取向可以与光源142平行，或与光源142成0度与90度之间的一角度。
转向薄膜148可以是任何适当的棱镜转向薄膜。例如，可将转向薄膜148形成如同先前所述的题为“具有可变角棱镜的光学薄膜”的美国专利申请中叙述的那样。
形成包括光学结构152的背面154。这将导致与引出自背面154的光线相比，通过输出表面150从光导向体144引出一些另外的光线。一部分离开背面154的光线将遇到背反射体146，并且反射回来通过光导向体144和输出表面150。
现在请参见图18，该图示出了一背照灯140’，该背照灯的结构与背照灯140相似，并使用相同的标号来表示相同的部分。带撇号的标号用于表示与图17所示的背照灯构造不同的部分。背照灯140’包括位于楔形光导向体144’的输入边缘143附近的一光源142。一背反射体146’设置在光导向体144’的背面154’附近，一转向薄膜148设置在光导向体144’的输出表面150’附近。输出表面150’形成有光学结构152’。光学结构152’可以是形成在输出表面150’中的诸槽，如图17所示的那样。图18所示的诸槽是“V”形槽，并且具有约90度的棱镜角，但可以使用从60度变化到120度的棱镜角。除“V”形槽以外的其它形状也可以用于光学结构152’。此外，可使每个光学结构152’形成具有一沿其长度从标称值开始变化的高度。该变化可具有一波长，该波长可处在约1米至1000米的范围内，但对于光导向体应用最好小于约140米。在先前所述的题为“光学薄膜”、编号为09/025,183的美国专利申请中揭示并叙述了这种结构。
如图所示，光学结构152’的取向基本上与光源142’垂直。应予理解的是，光学结构152’的取向可以与光源142’平行，或与光源142成0度与90度之间的一角度。
形成包括光学结构152’的输出表面150’，这将导致与输出表面150’相比，通过背面154’从光导向体144引出另外的光线。也从输出表面150’引出一些光线。一部分离开背面154’的光线将遇到背反射体146’，并且将反射回来通过光导向体144’和输出表面150。因此，对于背照灯140’，最好将背反射体146’直接固定于背面154’。这可以通过将背反射体146’层叠到背面154’得以实现。在编号为09/414,124、提交于1999年10月8日、题为“具有一直接固定的反射体的光导向体及该光导向体的制造方法”的普通转让美国专利中揭示并叙述了这种用于背反射体146’的设置，本文将援引其揭示内容作为参考。或者，可以使用蒸汽沉积过程将背反射体形成在背面上。在反射体直接固定于光导向体背面的实施例中，应予理解的是，反射体必须是镜面、高效且具有低吸收率的。
如上所述，增加分别形成在光导向体的背面或输出表面中的光学结构152和152’的特性变化，例如光学结构的波幅变化，以分别减少背照灯140和140’的输出中的不均匀性。可以通过其它方法在光学结构中提供类似变化，例如向光学结构喷珠(bead blasting)，然而，形成具有棱镜高度的所述变化的诸槽提供了一种可控制、可预知的减少背照灯输出中的不均匀性的较佳方法。
图19示出了设置在背照灯140的输出上方的观察锥体中的光学输出，即从转向薄膜148的输出表面离开背照灯140的光线。可由图示的光线输出确定的是同轴亮度、最大亮度、累积强度、水平分布或水平半角和垂直分布或垂直半角。图20为背照灯140’提供了相似的分布。显而易见的是背照灯140’的输出具有减少的水平分布和略微增加的垂直分布。尽管背照灯140’的同轴亮度和最大亮度与背照灯140相比基本增加，但来自背照灯140和140’的总累积强度或输出光线的总量基本相同。从图19和20可以理解的是，光导向体140和140’中的光学结构的设置将分别对背照灯系统的输出产生影响。在背照灯140’中，具有形成在其顶面中的光学结构152’的光导向体144’与背照灯140相比可实现背照灯140’的光学输出的附加平行校准。此外，由于光学结构152’可以形成有变化的特性，如上所述，在没有另外的光学薄膜或其它装置(例如漫射体)的情况下，可使来自背照灯140’的光学输出均匀。
还有一些与在光导向体140’的输出表面150’中提供光学结构152’(包括变化的特性)相关的附加优点。这样的一个优点涉及输出表面150’与转向薄膜148的分界面。对于形成在输出表面150’中的光学结构152’，转向薄膜148和输出表面150’的棱镜之间具有相对较少的接触点。这会导致通常被称为浸湿的光学缺陷减少。如上所述，改变光学结构152’的形式还有助于遮盖背照灯的输出中的缺陷，使光线输出更加均匀。因此，在输出表面150’中提供光学结构152’的另一优点可以消除整个背照灯系统中的漫射体薄膜。如同可以从图20观察到的那样，由于光学结构152’提供了光平行校准，因此本发明可提供与典型的背照灯系统相比需要较少光学薄膜片材的背照灯系统。
图21示出了一光导向体152、一转向薄膜153、一LCD显示器154和一背反射体155。从光导向体151的顶面161和背面157引出光线。背反射体155和背面157之间的强菲涅耳反射156可截留相当一部分从背面157引出的光线。该光线最终会散失，从而导致效率低下。为了改善这种情况，如图22所示，背反射体155’的反射面158可形成有光学结构159。光学结构159可以是平面、槽或其它具有形状的结构。光学结构159有助于减少来自背反射体155’的镜面反射成分，并且引导更多的光线向上通过光导向体151，从而增加其效率。一适当的、包括光学结构的背反射体是由3M公司出售的增强型漫反射体(EDR)薄膜产品。本技术领域的技术人员将清楚的是，图22中讲述的原理事实上可应用于任何背照灯，包括但不限于背照灯140和本文叙述的附加的较佳实施例的背照灯系统。
上面已经叙述了背照灯系统的一些修改、增强和改进。在本发明的范围内还可理解其它变化。应予理解的是，背照灯系统的特定设置将取决于其应用。为了图示本发明的适应性，结合图23-28示出并叙述几个示例。
光导向体的背面中的诸槽
在图23中，背照灯160包括一光源162、一楔形光导向体164、一背反射体166、一转向薄膜168和一任选的附加光学薄膜170。光导向体164具有一输出表面165和一背面172，该背面形成有与结合图16中的光导向体144所示的光学结构152相似的光学结构。通过注塑模制或铸造可将光学结构直接形成在光导向体164中。或者，可将光学结构形成在一层叠到光导向体164的背面172的光透射薄膜中。
使用形成在光导向体164的背面172上的光学结构，通过输出表面165离开光导向体164的光线与背面172相比有所增加。然而，离开背面172的光线遇到背反射体166，并且反射回来通过光导向体164。一包括光学结构的适当反射体是一带槽的漫反射体。
根据背照灯160的附加方面，可形成在其输出表面176中包括一漫射结构的转向薄膜168。可任选的光学薄膜170可以是亮度增强薄膜，例如上面提到的BEFIII光学薄膜、漫反射偏光镜薄膜产品(作为DRPF出售)或镜面反射偏光镜薄膜产品(作为DBEF出售)，这些产品都可以从3M公司购得。
光导向体的输出表面中的诸槽
在图24中，背照灯180包括一光源182、一楔形光导向体184、一背反射体186、一转向薄膜188和一任选的光学薄膜190。光导向体184具有一输出表面192，该输出表面形成有与结合图17所示的光导向体144’所示的光学结构152’相似的光学结构。通过注塑模制或铸造可形成光导向体184，以将光学结构包括在输出表面192中。或者，可将光学结构形成在一层叠到光导向体184的背面192的光透射薄膜中。这种设置可以增加制造灵活性，并且通过简化用于光导向体184的模具设计以降低制造成本。取代为每个光导向体制作唯一的模具的是，通过将光导向体的一表面与形成有光学结构的光学薄膜一起层叠以使光导向体适合于本发明。
使用形成在光导向体184的背面192上的光学结构，从输出表面192离开光导向体184的光线数量与从背面193离开光导向体的光线数量相比有所增加。然而，离开背面193的光线遇到背反射体186，并且反射回来通过光导向体184。为了确保离开背面193的光线反射回来通过光导向体184的百分比较高，最好将背反射体186直接固定于背面193。这可通过将一镜面或镜面薄膜层叠到背面193或通过蒸汽沉积涂覆背面193得以实现。在直接固定于背面193时，背反射体必须是镜面和高效的。
根据背照灯180的附加方面，可形成在其输出表面196中包括一漫射结构的转向薄膜188。可任选的光学薄膜190可以是亮度增强薄膜，例如上面提到的BEFIII光学薄膜、漫反射偏光镜薄膜产品(作为DRPF出售)或镜面反射偏光镜薄膜产品(作为DBEF出售)，这些产品都可以从3M公司购得。
在图25中，背照灯220包括一光源222、一楔形光导向体224、一背反射体226和一转向薄膜228。光导向体224具有一形成有光学结构(图中未示出)的输出表面230。光学结构可具有一使用任何适当形状的切削工具形成的变化图案，例如在先前提到的题为“光学薄膜”的美国专利申请中叙述的图案。通过注塑模制或铸造可以在光导向体224中直接形成光学结构，或者，可将光学结构形成在一层叠到光导向体224的输出表面230的光透射薄膜中。
使用形成在光导向体224的输出表面230上的光学结构，通过背面232离开光导向体224的光线数量与通过输出表面230离开的光线数量相比有所增加。该光线遇到背反射体226，并且反射回来通过光导向体224。一适当的反射体可以是一带槽的漫反射体。光学结构还可以遮盖不均匀性，并因而在背照灯系统中消除了漫射体的需要。
同样，由于光学结构还可平行校准离开光导向体的光线(见图20)，因此本发明可以提供与典型的背照灯系统相比所需光学薄膜片材较少的背照灯系统。在图25所示的实施例中，具有单张可任选的光学薄膜238，该薄膜可以是从3M公司购得的漫反射偏光镜薄膜产品(作为DRPF出售)或镜面反射偏光镜薄膜产品(作为DBEF出售)。
再循环背照灯系统
在图26中，背照灯200包括一光源202、一楔形光导向体204、一背反射体206以及一张或多张附加、任选的光学薄膜210和212。光导向体204具有一背面214，该背面形成有与结合图17中的光导向体144所示的光学结构152相似的光学结构。通过注塑模制或铸造可以在光导向体204中直接形成光学结构。或者，可将光学结构形成在一层叠到光导向体204的背面214的光透射薄膜中。
形成在光导向体204的背面214上的光学结构有利于从光导向体204引出光线。因此，光学结构可以消除通常用于从光导向体引出光线的漫射点图案。一些光线离开背面214，该光线遇到背反射体206，并且反射回来通过光导向体204。一种适当的背反射体是3M公司出售的增强型漫反射体(EDR)薄膜产品。
消除用于引出来自光导向体204的光线的点图案会降低增加漫射以遮盖出现在背照灯200的输出中的点图案的需要。可任选的光学薄膜210和220可以是亮度增强薄膜，例如上面提到的设置在交叉设置中的BEFIII光学薄膜；漫反射偏光镜薄膜产品(作为DRPF出售)、镜面反射偏光镜薄膜产品(作为DBEF出售)和/或其多种组合，这些产品都可以从3M公司购得。
在图27中，背照灯240包括一光源242、一楔形光导向体244、一背反射体246、一漫射体248和第一、第二可任选的附加光学薄膜250和252。最好使用一具有点图案的胶粘剂将背反射体246固定于光导向体214的背面254，例如在先前提到的题为“具有一直接固定的反射体的光导向体”的美国专利申请中叙述的胶粘剂。因此，将胶粘剂以一点图案设置，通常是一引出点图案。
光导向体244具有一形成有光学结构(图中未示出)的输出表面255。光学结构可具有一如上所述的变化图案。通过注塑模制或铸造可以在光导向体244中直接形成光学结构，或者，可将光学结构形成在一层叠到光导向体244的输出表面255的光透射薄膜中。
如同所述，包括变化图案的光学结构可消除漫射体(例如漫射体248)的需要，以遮盖背照灯240的输出中的点图案和其它不均匀性。因而，漫射体248是可任选的。在使用时，可任选的光学薄膜250和252可以是亮度增强薄膜，例如上面提到的设置在交叉设置中的BEFIII光学薄膜产品、漫反射偏光镜薄膜产品(作为DRPF出售)或镜面反射偏光镜薄膜产品(作为DBEF出售)，这些产品都可以从3M公司购得。
拟楔形背照灯系统
现在请参见图28，背照灯260包括一光源262和一拟楔形光导向体264。拟楔形光导向体264包括一第一表面266和一第二表面268。第一表面可形成有光学结构270，例如结合图17叙述的光学结构152。第二表面可形成带刻面的槽结构272，该结构被设置成与光源262平行。带刻面的槽结构272有利于通过增强全内反射的失效从光导向体引出光线。尽管图中未示出，背照灯260还包括一设置在第二表面268附近的背反射体。
带刻面的槽结构272具有可变的角特征。每个单独刻面具有一刻面角。当带刻面的槽结构272包括一可变的角特征时，各个刻面角随不同刻面变化。带刻面的槽结构272的这种设置会使出现在背照灯260的输出中的不均匀性减少。
尽管光导向体264被图示成一平板结构，但当导向体264可以是楔形的。此外，可将带刻面的槽结构272直接形成在光导向体264中，例如通过模制或铸造，或者可将带刻面的槽结构形成在一层叠到平板或楔形光导向体的光学薄膜中。带刻面的槽结构还可使密度随离开光源262的距离的一函数而变化。
根据上面的说明，本技术领域的技术人员将清楚本发明的其它修改和可替代实施例。只能将该说明书解释为示意性的，并且是出于向本技术领域的技术人员讲述实施本发明的最佳方式的目的。在不背离本发明的精神的情况下，可以充分改变结构和方法的细节，并且保留落在所附的权利要求书的范围内的所有修改的专有使用权。

Claims (35)

1.一种背照灯，它包括：
一光导向体；
一光源，相对于所述光导向体设置所述光源，以将光线引入所述光导向体；
形成在所述光导向体的一输出表面和一背面之一中的光学结构，所述光学结构被设置成从所述光导向体引出光线；
一转向薄膜，所述转向薄膜设置在所述输出表面附近；
一背反射体，所述背反射体设置在所述背面附近；以及
其中，所述光学结构包括一变化特性，该特性被设置成遮盖所述光导向体的输出中的不均匀性。
2.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，所述光学结构包括诸槽。
3.如权利要求2所述的背照灯，其特征在于，所述诸槽被设置成与所述光源基本平行。
4.如权利要求2所述的背照灯，其特征在于，所述诸槽被设置成与所述光源基本垂直。
5.如权利要求2所述的背照灯，其特征在于，所述诸槽被设置成与所述光源成在约0度至约90度之间的一角度。
6.如权利要求2所述的背照灯，其特征在于，所述诸槽具有从包括“V”形槽、平槽和弧形的形状组中选出的一形状。
7.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，所述背反射体直接固定于所述背面。
8.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，用胶粘剂将所述背反射体粘合于所述背面。
9.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，通过一点粘合图案将所述背反射体固定于所述背面。
10.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，形成包括所述光学结构的所述背反射体，所述光学结构被设置成增强反射回来通过所述光导向体的光线。
11.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，所述光导向体是楔形光导向体、平板光导向体和拟楔形光导向体之一。
12.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，所述光学结构形成在一光学薄膜中，所述光学薄膜层叠于所述光导向体。
13.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，所述光导向体在每个输出表面和背面中形成有所述光学结构。
14.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，变化特性随着所述输出表面和背面之一的位置的一函数而变化。
15.如权利要求1所述的背照灯，其特征在于，变化特性的数量从所述光导向体的一第一边缘向所述光导向体的一第二边缘线性减少。
16.一种光学薄膜，它包括：
一透射光薄膜，所述薄膜具有一第一表面和一第二表面；以及
形成在第一表面中的光学结构，包括变化特性的所述光学结构被设置成遮盖所述光学薄膜的输出中的不均匀性，变化特性随变化特性在所述第一表面上的一位置的一函数而变化。
17.如权利要求16所述的光学薄膜，其特征在于，所述光学结构包括诸槽。
18.如权利要求16所述的光学薄膜，其特征在于，所述诸槽被设置成与所述光学薄膜的一边缘基本平行。
19.如权利要求16所述的背照灯，其特征在于，所述诸槽被设置成与所述光学薄膜的一边缘成在约0度至约90度之间的一角度。
20.如权利要求16所述的光学薄膜，其特征在于，薄膜的所述第二表面适于固定到一光学薄膜的背面和输出表面之一。
21.如权利要求16所述的光学薄膜，其特征在于，所述诸槽具有一从包括“V”形槽、平槽和弧形的形状组中选出的形状。
22.如权利要求16所述的光学薄膜，其特征在于，变化特性的数量从所述光学薄膜的一第一边缘向所述光学薄膜的一第二边缘线性减少。
23.一种透镜，它包括：
一第一表面和一第二表面；以及
形成在所述第一表面和所述第二表面之一中的光学结构，包括变化特性的所述光学结构被设置成遮盖所述透镜的输出中的不均匀性，特性随所述光学结构在所述表面上的一位置的一函数而变化。
24.如权利要求23所述的透镜，其特征在于，所述透镜具有一菲涅耳透镜结构，所述光学结构形成在菲涅耳透镜结构中。
25.如权利要求23所述的透镜，其特征在于，所述透镜包括线性透镜结构和圆形透镜结构之一。
26.一种光导向体，它包括：
一输入表面、一背面和一输出表面；以及
形成在所述输入表面、所述背面和所述输出表面之一中的光学结构，包括变化特性的所述光学结构被设置成遮盖所述光导向体的输出中的不均匀性，特性随所述光学结构在所述表面上的一位置的一函数而变化。
27.如权利要求26所述的光导向体，其特征在于，所述光学结构形成在一薄膜中，其中，所述薄膜固定于所述表面。
28.如权利要求27所述的光导向体，其特征在于，通过粘合将所述薄膜固定于所述表面。
29.如权利要求26所述的光导向体，其特征在于，所述光学结构包括“V”形槽、平槽和弧形之一。
30.如权利要求26所述的光导向体，其特征在于，所述光学结构包括被设置成与所述输入边缘垂直的诸槽。
31.如权利要求26所述的光导向体，其特征在于，所述光学结构包括被设置成与所述输入边缘成在0度至90度之间的一角度的诸槽。
32.如权利要求26所述的光导向体，其特征在于，所述光学结构包括分散在图案中的离散光学结构。
33.如权利要求26所述的光导向体，其特征在于，所述光学结构形成在每个背面和输出表面中。
34.如权利要求26所述的光导向体，其特征在于，所述背面形成有刻面，而所述光学结构形成在所述输出表面中。
35.如权利要求26所述的光导向体，其特征在于，变化特性随变化特性在所述表面上的一位置的一函数而变化。
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