CN1558999A - 提供偏振光的带微型结构的照明系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的多层式装置提供偏振光的发射。层之间的至少一个分界面设有微型结构。在一个实施例中，形式为光导基片(401)的第一层接收来自灯(420)的非偏振光。双折射的第二层(402)设有平行沟槽形式的微型结构(410)。在双折射层的上方设有第三层(403)即涂层。光借助于在双折射层的具有微型结构的表面处的选择性全内反射TIR而耦合输出，以接近法线的角度产生高度线性的偏振发射。偏振光可经由涂层发出或经由光导沿相反方向发出，这就能够以有利的方式允许构造出任何透射式(后照明)、透射反射式(后照明)或反射式(前照明)显示装置。

Description

提供偏振光的带微型结构的照明系统
发明领域
本发明涉及照明装置和包括这种照明装置的系统，所述装置设置成接收非偏振光和发出偏振光，并至少包括形式为光学透明光导的第一层、双折射的第二层以及第三层。
背景
平板显示器如液晶显示器(LCD)是许多种类的电子设备的必要部件，这些电子设备中比较重要的有便携式计算机、移动通信终端等。这些设备必须由电池来供电，因此以最有效的方式来使用电池中的能量是至关重要的。
为了在用于后照明或前照明LCD的照明系统中实现高的总能量效率，应当把与偏振光的产生有关的损耗减至最小。一种新近的解决方案是重复利用而不是吸收非所需的偏振光。这可以通过使用最近可从多家制造商中买到的反射式偏振箔来实现。这种箔直接地透射一个偏振方向的光，并将非所需的偏振反射回到对其进行重复利用的照明系统中。另外，还提出了这样的偏振箔，其中将非所需偏振方向的光往回散射，而不是对其进行反射并且随后重复利用。
另一解决方案是设计一种可直接发出一种偏振状态的光的后照明或前照明系统。在后照明系统中结合有例如如上所述的反射式或散射式偏振箔。
还已经使用了关于偏振分离的另一概念，例如与偏振相关的全内反射(TIR)、取向液晶涂层或其组合。后一概念的例子在专利US-5729311中有介绍，其中显示用于平板式图像显示装置的照明系统。
专利US-5729311所述的照明系统包括光波导，光经波导的端面耦合到所述波导中。所述波导设有凹腔，其中填充了与波导材料不同的材料。这些材料中的一种是光学各向同性的，其折射率为np，而另一材料是光学各向异性的，其折射率为no和ne。对于折射率而言，应当使no或ne等于或基本上等于np，以便在各向同性和各向异性材料之间的界面处产生偏振分离，这就导致了偏振发射。
专利US-5729311所述装置的缺点在于，凹腔位于光波导本身中。这使得波导或多或少地复杂化，因而制造起来成本较高。
发明概要
本发明的一个目的是克服与现有技术中的缺点相关的问题。也就是说，如何得到用于平板显示器的能量效率高的照明系统，同时使其制造工艺保持在简单和低成本的水准。
这一目的是通过提供一种接收非偏振光而发出偏振光的照明装置来实现的。所述装置至少包括形式为光学透明光导的第一层、双折射的第二层以及第三层。所述各层的任二层之间至少一个分界面包括微型结构。为了避免必须使光导的结构微型化，最好是第二和第三层之间的分界面包括微型结构。
在一个优选实施例中，双折射层位于光导和第三层之间，从而第三层起涂层作用。在另一优选实施例中，第三层位于光导和双折射层之间，从而第三层起粘结层作用。此外，在另一实施例中，第一层和第三层指的是同一层。
而且，通过适当地选择光导、双折射层和涂层或粘结层的材料，从而选择其折射率，并且适当地提供具有微型结构化表面的双折射层，所述装置就可发出偏振光。
虽然最好使第三层的折射率与双折射层中的折射率之一相匹配以便将相应偏振方向上的折射/反射损耗减至最小，然而对于适当的最优选输出耦合机构功能来说并不必如此，所述适当的最优选输出耦合机构功能就是微型结构处的所需偏振方向上的选择性全内反射(TIR)。对于在微型结构处不产生TIR的非所需偏振方向来说，折射率的一些失配是可以接受的。因此，在±0.04范围内、优选在±0.02范围内且最好在±0.01范围内的大致匹配是可接受的。而且，双折射层用于增加所需偏振方向上的折射率差异，同时仍然与正交偏振基本上相配，这导致了能够改善发射量和偏振对比率。为了使波导光的所述选择性TIR发生在微型结构处，必须使得相应的偏振方向即相应的空间方向上的双折射层和涂层之间的折射率实现明显的失配，双折射层的折射率应当比涂层的折射率高很多。这就在双折射层-涂层界面处产生TIR的临界角，即以大于临界角的角度入射在所述界面处的光产生全内反射。通过将足够大的临界角与界面的足够大的倾角即微型结构的顶角结合起来，就可将产生全内反射的角度区域控制在波导角度范围内，并将全内反射之后的相应角度方向控制成能得到来自光导的发射。通过适当的优化，可以将波导角度区域选择成使得在微型结构界面处产生全内反射，并将其引导到会产生接近于光导法向的偏振发射的角度。
在另一实施例中，非偏振光进入光导的端面。光的一个偏振分量在光导和双折射层之间的界面处以及在涂层和周围空气之间的界面处发生TIR。光的另一偏振分量在双折射膜和涂层之间的带微型结构的界面处产生折射或反射，并朝向显示器或观察者发出到所述装置之外。在本发明的这一实施例中，双折射层的微型结构的形式为平行的脊部，这些脊部伸出表面并使光的偏振分量产生折射，从而主要地将光经由涂层朝向LCD耦合输出。在本发明的另一实施例中，双折射层的微型结构的形式为平行的沟槽，这些沟槽伸入表面中并使光的偏振分量产生TIR和/或反射，从而主要地将光经由光导朝向LCD耦合输出。在第三层位于光导和双折射层之间的实施例中，偏振光还通过微型结构处的TIR/反射被主要地经由双折射层朝向LCD耦合输出。
根据本发明的装置能够非常有效地提供偏振发射。所述光耦合输出机构通过微型结构处的选择性全内反射(TIR)而以接近法向的角度产生直线性很高的偏振发射，这是根据现有技术如专利US-5729311所述的装置中的折射工艺所无法实现的。
因此，偏振光经由涂层或沿相反的方向经由光导向外发出，这就能够以有利的方式允许构造出任何透射式(后照明)、透射反射式(后照明)或反射式(前照明)显示装置。
本发明所提供的另一优点在于，当在双折射层上施加微型结构，例如通过施加液晶基薄膜即所知的UV复制或UV固化工艺时，可以简化制造工艺，因而比现有技术的装置更便宜。
通过参考下述实施例，可以清楚和理解本发明的这些和其它的方面。
附图的简要说明
图1示意地显示根据本发明的照明装置的透视图。
图2a和2b示意地显示根据本发明的照明装置中的各层之间界面的剖视图。
图3示意地显示根据本发明的照明装置的透视图。
图4a-4f示意地显示根据本发明的照明装置的剖视图。
图5a-5d显示根据本发明的发光的照明装置的顶视图。
图6a-6r示意地显示微型结构的剖视图。
优选实施例
参考图1，2a和2b，图中显示用于LCD 100的后照明系统，所述后照明系统包括各向同性的光波导101、带有微型结构211、221的双折射层102以及顶涂层103。在光导的附近设置第一反射体104和第二反射体105，以便在光导内重复利用优先截留的偏振方向。这可通过提供反射体104、105来实现，其形式为消偏振反射体如漫反射体，即定向反射镜和四分之一波长薄膜的组合体。或者，附加延迟层中的偏振波导光的光延迟提供了光重复利用的另一方式。另外，通过光学延迟而产生的重复利用可以来自于光波导101与理想光学各向同性的偏差，这与例如在注射模制的聚碳酸酯(PC)层中所普遍发生的一样。
用作光波导101的材料例如通常包括透明聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或聚苯乙烯(PS)。双折射层102例如通常包括定向(如拉伸)聚合物层，例如定向的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚邻苯二甲酸乙二醇酯(PEN)或液晶层，例如固化的单轴取向的液晶层或交联液晶网络。涂层103例如通常包括透明的聚合物材料，例如聚合丙烯酸类树脂(如固化的Bisphenol A ethoxylated diacrylate、固化的hexanedioldiacrylate(HDDA)、固化的phenoxyethylacrylate(POEA)、固化的环氧树脂、这些材料的混合物)或取向液晶层。
非偏振光从光源120中发出并沿多个光路进入到波导中，其中只显示出了第一光路131和第二光路141。下面将更具体地讨论光路131、141的传播。
然而，在开始详细描述光路的传播之前，应适当地回忆偏振现象的一些特性，在下述对实施例的描述中将依赖这些特性。由于线性偏振，非偏振光束分成两个相互正交的偏振光束分量。通过使非偏振光束入射在具有折射率niso的各向同性材料的区域和具有折射率no及ne的各向异性材料的区域之间的界面上，其中这两个折射率中的一个即no或ne等于或基本上等于niso，就可以得到这种偏振分离。当非偏振光束入射在这种界面上时，在各向同性和各向异性材料之间的界面处不会检测到任何折射率差异的光束分量将无折射地从中通过，而另一分量将产生折射。如果niso等于或基本上等于no，那么寻常光束无折射地通过各向同性和各向异性材料之间的界面；如果niso等于或基本上等于ne，那么这种界面将使非常光束无折射地通过。
在所述实施例中，波导101、双折射膜102和涂层103中的聚合材料选择成：
no，膜＜niso，波导＜ne，膜，以及
no，膜≈niso，涂层
其中，no，膜和ne，膜分别为双折射膜102的寻常折射率和非常折射率，niso，波导是波导101的各向同性折射率，niso，涂层是涂层103的各向同性折射率。
s-偏振状态的光在波导/双折射膜的界面107处经历从低折射率到高折射率的转变，因此被耦合到双折射膜102中，如光路132和光路142所示。p-偏振光经历从高折射率到低折射率的转变，因此如果光足够准直的话它将被全内反射到波导中，如光路133和光路143所示。换句话说，基于波导/双折射膜的界面107处的TIR而引入第一偏振分离机构。
双折射膜设有微型结构(图2a中的标号211以及图2b中的标号221)，以便将s-偏振光132、142朝向LCD 100耦合输出。如果没有这种微型结构，光就会因例如涂层/空气界面109处的TIR而仍然被截获在波导中。微型结构211、221中填充有涂层103，其与双折射膜102的寻常折射率相匹配并因此引入了第二偏振机构，即由光路133所表示的残余P-偏振光在双折射膜102和涂层103之间产生折射率匹配，并在涂层/空气界面109处被全内反射，因此仍然被截获。然而，S-偏振光即光路132在双折射膜102和涂层103之间存在着折射率失配，因而被微型结构211、221在LCD 100或观察者的方向上耦合输出到波导101之外。为了使S-偏振光的折射率失配最大，顶部涂层103也应选择为各向异性。
作为选择，为了使发出光的偏振方向旋转至不同的方位，可以增设偏振旋转层。例如，为了实现45度的偏振方向旋转，可以增设两个λ/4延迟片的堆叠件，这两个延迟片的轴线相互间呈45度。
再来看微型结构在双折射膜102中的设计。在图2a和2b中分别显示主要为折射和反射的两种不同的微型结构设计211、221。在图2a中显示微型结构211，其主要经折射而耦合输出线性偏振光。这些微型结构的主要优点是，可以避免耦合输出期间光的消偏振，并因此得到高度偏振光。然而，光相对于法线210以较大的角度耦合输出到波导平面上，因此，需要额外的再定向箔(未示出)以得到在LCD100或观察者方向上的光发射。
虽然在图2a和2b中所示的微型结构的剖面为三角形形状，并且相对于与它们在图平面中的延伸部分垂直的方向Z不对称，然而也可以采用相对于方向Z对称的三角形的微型结构。此外还可对微型结构进行其它修改，例如偏离三角形形状和/或偏离图平面中的沟槽或脊部状的延伸部分，例如孔或隆起类的几何形状。图6a到6r通过剖视图显示微型结构的几何形状的例子。沟槽或脊部可以包括延伸在表面的重复的小沟槽/脊部，或包括凹坑或隆起，并且作为对称或不对称三角形的替代，还可包括下凹、凸起或多个直的侧面。
在图2b中显示微型结构221，其主要通过全内反射来耦合输出光，光直接朝向LCD 100或观察者发出而无需使用额外的箔。通过与单向输出耦合相结合可得到中心沿着法线210的偏振光输出，单向输出耦合在前照明应用中是有利的。而且，光的耦合输出效率在基于全内反射的反射式微型结构的情况中是相当高的，这与特征为光的耦合输出效率较低的折射式微型结构形成了对比。
现在来看图3并同时参考图2a和2b，图3示意地显示根据本发明的后照明/前照明照明装置的第二设计。与结合图1，2a和2b所讨论的系统相同，图中显示出用于LCD 300的后照明和/或前照明系统，所述系统包括各向同性的光波导301、带有微型结构211、221的双折射膜302和顶涂层303。与上述例子一样，反射体305设置成与光导相邻。
非偏振光由光源320发出并沿多个光路进入到波导301中，图中示出其中的第一光路331的S-分量和第二光路341的P-分量。聚合材料选择成：
niso，波导≤no，膜＜ne，膜，以及
no，膜＝niso，涂层
这里，S-偏振和P-偏振的光在波导/双折射膜的界面307处均经历从低折射率到高折射率的转变。换句话说，光的两个偏振方向均耦合到双折射膜302中，在所述特定界面307处不会发生光的偏振方向的分离，即，两个偏振方向的光束不同地折射，然而没有一种偏振被排除在各向异性层之外。P-偏振和S-偏振光的分离以及光的耦合输出仅发生在微型结构/顶涂层的界面308处。这种特殊设计的优点在于，材料的选择不是关键性的，更重要的是，后照明和/或前照明的性能变得对光是否被正确地校直不太敏感。这意味着可以使用例如来自传统的冷阴极荧光灯(CCFL)或发光二极管(LED)的非准直光。
图4a-4f显示根据本发明的多层式照明装置的实施例的其它变型。形式为光导基片401的第一层接收来自灯420的非偏振光。在图4a-4f中的各幅图中均显示出了光的传播和分离成S-分量和P-分量。关于传播的详细情况已经结合图1-3进行了介绍。图4a-4f中的所有示例均包括设有微型结构410、430的双折射层。图4a-4c所示示例中的微型结构410为平行的沟槽，而图4d-4f所示示例中的微型结构430的形式为平行的脊部。
在图4a中，光导基片401至少部分地被带微型结构的双折射的(即各向异性的)第二层402所覆盖，在第二层402的上方设有第三层403即涂层。涂层403可以是光学各向同性的或各向异性的。
在图4b中，与图4a类似，光导基片401至少部分地被带微型结构的双折射的(即各向异性的)第二层402所覆盖，在第二层402的上方设有第三涂层403。然而，在图4b所示的装置中，双折射层402借助于粘结层414如粘胶而设置在光导基片层401上。
在图4c中，光导基片401至少部分地被带微型结构的双折射的第二层422所覆盖。然而，与图4a和4b中的示例相比，在基片401和第二层422之间设置粘结性的第三层423。粘结层423可以是光学各向同性的或各向异性的。
在图4d中，光导基片401至少部分地被带微型结构的双折射的第二层432所覆盖，在第二层432的上方设有第三层433即涂层。涂层433可以是光学各向同性的或各向异性的。
在图4e中，与图4d类似，光导基片401至少部分地被带微型结构的双折射的第二层432所覆盖，在第二层432的上方设有第三涂层433。然而，在图4b所示的装置中，双折射层432借助于粘结层444如粘胶而设置在光导基片层401上。
在图4f中，光导基片401至少部分地被带微型结构的双折射的第二层452所覆盖。然而，与图4d和4e中的示例相比，在基片401和第二层452之间设置粘结性的第三层453。粘结层453可以是光学各向同性的或各向异性的。
为了说明本发明的技术效果，进行了由其中仅在基片定向层界面处产生偏振分离的装置所发出的光的对比测量以及由根据本发明的装置所发出的光的测量。
在对比测量中，采用了折射率niso，波导＝1.585的聚碳酸酯波导。采用了拉伸比为4.5、no，膜＝1.57和ne，膜＝1.87的拉伸PEN膜。在拉伸膜中通过微切削加工制出微型结构(参见图2b)，所述微型结构的长轴平行于拉伸方向。采用折射率为1.585(即与聚碳酸酯波导的折射率相同)的粘胶将双折射膜粘结在聚碳酸酯波导上。将非准直光和高度准直光耦合到波导中，并且测量发出光的与偏振有关的角度分布。测量表明，光主要以与波导平面的法线成约15度的角度发射出。S-偏振光和P-偏振光之间的对比率在非准直光的情况下较低(在法线210的方向上为1.9)，而在入射光校直后增加(在法线210的方向上为2.5)。
在采用根据本发明的装置所进行的测量中，采用了折射率niso，波导＝1.49的聚甲基丙烯酸甲酯波导。同样采用了拉伸比为4.5、no，膜＝1.57和ne，膜＝1.87的拉伸PEN膜。在拉伸膜中通过微切削加工制出微型结构(参见图2b)，所述微型结构的长轴平行于拉伸方向。采用折射率为1.49的粘胶将双折射膜粘结在聚甲基丙烯酸甲酯波导上。在拉伸膜上增设第三涂层，其折射率为1.57(即与拉伸PEN膜的寻常折射率相同)。将非准直和高度准直的CCFL光耦合到波导中，并且测量发出光的与偏振有关的空间分布。测量表明，光主要沿光导侧的波导平面的法线发射出，对于非准直的入射光来说，s-偏振光和p-偏振光之间的对比率较高。
在表1中给出在采用非准直边缘照明时的在所有角度上综合而成的总发光强度，而在表2中显示在法线方向上的相应的局部强度值。从表2中可以看出，沿表面法线发出的S/P偏振光之比可高达60-90，从表1中的结果可以看出，S/P光的综合偏振对比率可高达14.5。
图5a-d显示例如用于上述示例中的后照明原型的照明装置的照片。图5a显示灯和样品固定器501、PMMA基片502和具有带沟槽的区域504的PEN箔503。图5b显示灯打开且直接观察的装置。如图5c所示地通过S-定向起偏器505来观察后照明的左部，很难看到亮度的下降，而如图5d所示地通过P-定向起偏器506来观察后照明的右部，则图像完全变黑，这表示光导发射存在着高线性的偏振对比率。
表1：
基片侧  综合亮度(1m/m2)S        P  S/P之比CR
远离灯 265  25.1  9.0
样品中心 297  36.0  8.25
接近灯 365  29.5  14.5
涂层侧 综合亮度S                               P  S/P之比CR
样品中心 153 45.0 3.4
表2：
基片侧 正常亮度(cd/m2)S                            P  S/P之比CR
远离灯 200  3  66.7
样品中心 250  4  62.5
接近灯 260  3  86.7
涂层侧 综合亮度S                            P  S/P之比CR
样品中心 33  6  5.5
因此，总的来说，根据本发明的多层式装置提供了偏振光的发射。层之间的至少一个分界面设有微型结构。在一个实施例中，形式为光导基片(401)的第一层接收来自灯(420)的非偏振光。双折射的第二层(402)设有平行沟槽形式的微型结构(410)。在双折射层的上方设有第三层(403)即涂层。光借助于在双折射层的带微型结构的表面处的选择性全内反射TIR而耦合输出，以接近法线的角度产生高度线性的偏振发射。偏振光可经由涂层发出或经由光导沿相反方向发出，这就能够以有利的方式允许构造出任何透射式(后照明)、透射反射式(后照明)或反射式(前照明)显示装置。

Claims (14)

1.一种设置成可接收非偏振光和发出偏振光的照明装置，所述照明装置至少包括形式为光学透明光导的第一层、双折射的第二层以及第三层，其特征在于：所述各层的任二层之间至少一个分界面包括微型结构。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述双折射层位于所述光导和所述第三层之间，从而所述第三层起涂层作用。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第三层位于所述光导和所述双折射层之间，从而所述第三层起粘结层作用。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于：所述第一层和所述第三层连接成一个层。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述微型结构包括伸出所述具有微型结构的表面的脊部。
6.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述微型结构包括伸入所述具有微型结构的表面的沟槽。
7.如权利要求5至6中任一项所述的装置，其特征在于：所述延伸的单个微型结构的剖面相对于与延伸方向正交的方向是对称的。
8.如权利要求5至7中任一项所述的装置，其特征在于：所述延伸的单个微型结构的剖面为三角形形状。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于：所述第三层为各向同性材料，其折射率与所述双折射层的折射率之一基本上一致。
10.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于：所述第三层为各向异性材料，其折射率之一与所述双折射层的折射率之一基本上一致。
11.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于：所述光导具有比所述双折射层的折射率低的折射率。
12.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于：所述光导具有处于所述双折射层的各折射率之间的折射率。
13.如权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于：所述装置还包括处于所述各层中任二层之间的附加延迟层。
14.一种显示系统，它包括平板式液晶显示器和如权利要求1至13中任一项所述的照明装置。
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