CN1682137A - 具有偏振光发射波导板的光产生器件 - Google Patents

具有偏振光发射波导板的光产生器件 Download PDF

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H·J·科内里斯森
T·M·H·克里梅斯
J·马拉
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Abstract

本发明涉及光产生器件，包括：板条光导(1)；至少一个光输入单元(2)，放置在所述光导(1)的至少一侧(10)上，包括至少一个光源(20)和用于将光耦合入所述光导(1)中的光入耦合装置(21)；以及至少一个光输出单元(3)，安置在所述光导(1)的至少一侧(11)上。为了提供能够提供具有高度均匀性的偏振光的器件，本发明的光输出单元(3)包括偏振光发射波导板(31)，用于选择性将具有第一偏振状态的光耦合出所述光导(1)。本发明还涉及显示器件，特别是包含本发明的光产生器件的LCD。

Description

具有偏振光发射波导板的光产生器件
本发明涉及包括板条光导、光输入单元和光输出单元的光产生器件。此外本发明涉及显示器件和LCD电视机。
当前使用的板条光导，例如用于薄LC显示屏的背照明的板条光导，通常是边照明的(edge-lit)(也称作侧照明)类型，其中部分被反射器包围的光源放在靠近该光导的至少一个边缘的位置，使得它的光通过其边缘被导入光导。在例如WO 01/63588中公开了这种板条光导。光导中俘获的光通过全内反射(TIR)在该光导中传播，并且通常通过在该光导内传播的光与设在该光导表面的光散射和/或反射/折射装置(例如散射点、散射表面图形或其它光学“不规则性”)的光学相互作用、或者通过该光导表面内/上特别制造的表面形貌耦合出该光导，所有的光散射和/或反射/折射装置的共同点在于它们“破坏”全内反射并且引导光从该光导耦合出。或者，可以使特别织构的光学箔与该光导光学接触用于该光出耦合的目的以及用于其随后的导向。使用这种配置，可以使整个边照明的背光包含在仅有小厚度的空间内，这对于所涉及的应用，即薄笔记本屏幕或薄LC监示器屏幕，是重要的。
在WO 01/90637(PHNL 000294 EPP)中描述了优选在液晶显示器中使用的偏振光发射波导板，该波导板用于各向异性地将具有特定偏振状态的光(例如s偏振光)散射出光导。所述波导板包括将光耦合到波导板内的入射侧、将光耦合出该波导板的主要出射表面以及偏振装置，该偏振装置用于选择性地将经由入射侧耦合进来的光的第一偏振状态的分量向出射表面引导，该偏振装置包括将第一偏振状态的分量选择性向出射表面散射的各向异性光散射层。因此，在光导再循环的光被用于使LCD-面板更高效。该思想是在各向异性箔的表面反射p偏振光而同时将s偏振光散射出光导。当光导内发生消偏振时，P偏振光可被再循环。
然而，使用这种波导板，光再循环和s偏振光的提取太有效。已经发现消偏振可以在仅仅几毫米的距离发生，因此导致光通量的均匀性损失。在距光源几厘米处，大部分光已经被提取，导致强度降低。
因此本发明的目的是提供克服上述问题的光产生器件，该器件特别产生具有高均匀性的偏振光并且适合用在背光型的LCD面板中。
根据本发明，通过如权利要求1中所述的光产生器件实现该目的，其包括：
-具有两个基本平行的侧面以及至少一个边缘的板条光导，该边缘的表面连接所述侧面的表面，
-布置在所述光导的至少一个侧面上的至少一个光输入单元，包括至少一个光源以及用于将光耦合入所述光导中的光入耦合(incoupling)装置，以及
-布置在所述光导的至少一个侧面上的至少一个光输出单元，包括用于选择性将具有第一偏振状态的光耦合出所述光导的偏振光发射波导板。
本发明基于这样的思想：提供至少一个光输入单元和至少一个光输出单元，它们依赖于应用、不同于已知装置，可以安置在所述光导的至少一个侧面上的任何位置的任何地方。这使得光导充当并不直接相互光学耦合的光输入和光输出单元之间的光缓冲器。光在该光导内的缓冲提高了要在被至少一个光输出单元覆盖的该光导的至少一个侧面的表面区域上获得的光强度的均匀性，这有利于获得具有相当均匀的横向亮度水平的出耦合光。光输入和光输出单元之间经由光导的耦合的间接程度与它们各自与光导的光学接触面积(即它们的孔径)成比例，并且还依赖于相应的光输入单元和光输出单元在所述光导的至少一个侧面的相互之间的定位。
根据本发明在光输出单元中提供偏振光发射波导板，该波导板用于选择性将具有优选偏振状态的光耦合出光导。因此，仅仅具有优选偏振状态的光(例如s偏振光)将被提取出光导，因此在不损失均匀性的条件下获得了有效的偏振光再循环。此外，这种光产生器件的制造相当容易。根据本发明的光产生器件优选用于直接背照明型LCD显示器件或者具有扫描背光的LCD电视机，所述扫描背光是减少LCD电视机中运动赝像的已知选择。
用在光输入单元中的光源(例如灯)的数量可以根据光导的侧面面积调整并且可以因此与必须被照明的显示屏表面面积相适应或者发光光源瓦(luminaire tile)的表面面积相适应。这允许光产生器件被构造成(取决于它们的设计细节)使得能以高亮度水平获得高度的横向亮度均匀性，或者使得能够实现光集中或光稀释，所述高亮度水平涉及来自安置在所述光导的至少一个侧面上的至少一个光输出单元的发射光。此外，取决于该至少一个光输出单元的设计参数，光可以从拥有一定程度的准直的光产生器件发射。这对于，例如照明直接靠近该至少一个光输出单元放置的LCD屏是有用的。
本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。在权利要求14中请求保护包括显示屏(特别是LCD屏)的以及根据本发明的光产生器件的显示器件，特别是直接背光型的液晶显示器件。在权利要求15中请求保护包括根据本发明的光产生器件的LCD电视机。
在本发明的上下文中，偏振光发射波导是相对于具有第二偏振的状态的光选择性发射具有第一偏振状态的光的波导，所述第二偏振状态与所述第一偏振状态正交。发射光的偏振选择性定义为具有第一偏振状态的光的发射量与具有第二偏振状态的光的发射量之比，所述第二偏振状态与所述第一偏振状态正交。波导板的透射率是经由出射表面发射的光量与经由入射侧进入的光量之比。
经由波导板的入射侧耦合进来的入射光通过在或多或少平行于出射表面的方向上的全内反射被引导通过该板。通常，该入射光基本是非偏振的，也就是说，它包含等量的第一和第二偏振状态的分量。当该光通过各向异性散射层传播时，第一偏振状态的分量被散射的程度大于第二偏振状态的分量。
相反地，第二偏振状态的分量比第一分量更大程度地被透射，也就是说，该第二分量被选择性透射并因此保持俘获在该波导板中。向出射表面传播并且以不满足全内反射条件的角度入射到该出射表面上的散射光将被折射并且通过该出射表面射出该波导板。
波导板的厚度被调整到适合于即将到来的特定应用所需的光量以及用于向该波导板提供光的光源的尺寸。如果该板太薄，则光传播效率较低，然而，如果它太厚，就会增加不必要的重量。有利的是，厚度为0.1-50mm，或者更好是0.25-20mm。在0.5-10mm的厚度达到有效传播和板的重量之间的良好平衡。
为了有效照明包括根据本发明的波导板的LCD器件的显示面板，在波导方向，波导板关于第一偏振状态的分量(也就是要通过出射表面耦合出来的分量)的透射率可以选择为，使得任何从入射侧达到相对侧的光都包含一定程度的所述第一偏振的分量。
在前面提及的WO 01/90637(PHNL 000294 EPP)中公开了可用于根据本发明的光产生器件的各向异性光散射层的优选实施例，其内容在此引入作为参考。
在可替换的实施例中，输出单元的波导板包括微-构造的各向异性光出耦合层，其大体上提供与上述各向异性光散射层相同的效果。此外，可以在所述各向异性层的背离该光导的一侧的顶上提供保护涂层。微构造的各向异性光出耦合层的优选实施例在权利要求4中定义。
在有利的实施例中，波导板包括欧洲专利申请011206666.1(PHNL010683)中所述的全息出耦合层。其中布拉格角优选为90°或者全息出耦合层的厚度选择为使得出耦合是偏振选择性的。
在本发明的另一个实施例中，提供如例如US 5,808,713中所述的反射偏振器和出耦合结构，其优选为宽带胆甾型网络、多层膜或者线栅(wire grid)偏振器。
光输入单元的光入耦合装置优选包括多个入耦合光学元件，这些元件与所述光导的其上安置至少一个光输入单元的侧面的表面光接触。这种入耦合光学元件可以是棱、立方体或者具有圆形或椭圆截面的圆柱体的形式，具有不同的断面和表面，这在权利要求10-14中定义。
根据一个有利的实施例，为该光导提供有光反射装置，尤其是镜面或漫射反射器，漫射反射器的边缘基本不与该光导光学接触。因此，光线被迫通过TIR在该光导中传播，直到它们通过光输入单元或通过光输出单元射出该光导。优选在该至少一个光输入单元内，在该至少一个光源的背后和/或周围(即，在远离光入耦合装置的方向上)放置额外的反射表面，以将传播远离该光入耦合装置的光线重新引导向该光入耦合装置引导回来。所述额外的反射表面的存在允许在该光输入单元内实现光的反复利用。
优选地，为了用作大面积LC显示屏的均匀发光背照明单元，该光输入单元在放置其的光导的那侧的整个表面区域上散布。此外，可以在该光输入单元内沿该侧规则放置各个光源。类似地，光输出单元可以在光导的一侧的整个表面区域上散布，在所述光导的一侧上安置有光输出单元。
现在将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了具有各向异性光散射层的光产生器件的第一实施例，
图2示出了具有微构造的各向异性层的光产生器件的第二实施例，
图3示出了具有由于吸收非TIR光线的吸收装置的光产生器件的第三实施例，
图4示出了根据本发明的液晶显示器件，
图5示出了具有微结构的各向异性层的光产生器件的第四实施例，
图6示出了具有全息出耦合层的光产生器件的第六实施例，以及
图7示出了具有反射偏振器的光产生器件的第七实施例。
图1示出了根据本发明的光产生器件的第一实施例。所述器件包括板条光导1、安置在光导1的一侧上的光输入单元2以及安置在光导1的另一侧上的光输出单元3。光导1具有两个基本平行的侧面10、11以及边缘12，边缘12具有与侧面10、11的表面连接的表面。光输入部分2覆盖光导1的整个侧面10；光输出部分3覆盖光导1的整个侧面11。
在光输入单元2内，以等间隔提供了用于产生光的5个灯20。为了将产生的光耦合到光导1内，光输入单元2还包括光入耦合装置21，该装置21包括多个与平坦光导表面10光学接触的入耦合光学元件22，元件22的形式为棱或者立方体或者具有圆形或椭圆截面的直立圆柱。基本上垂直于光导表面10排列的光学元件22的直立表面23是光学平滑的并且用于将来自光输入单元2的光41耦合到光导1的内部。平行于光导表面10排列的光学元件22的表面24覆盖有反射层以防止任何不能通过TIR在光导1内传播的光进入光导1，该反射层优选由铝制成并且具有基本上100％的反射率。优选地，光学元件22的表面24在所述表面24背离光导1的一侧是漫射反射的，用于将光42反射在光输入单元2内。
包括光源20的光输入单元2至少部分被漫射反射器27包围，当然除了要使用太阳或外部光源作为用于产生要被耦合到光导1内的光4的光源时之外。所述漫射反射器27优选具有100％的反射率以最大化流明输出和光输入单元2内的光反复利用效率。
俘获的光线通过TIR传播通过光导1。它们可以通过光入耦合装置21的入耦合光学元件22的直立壁23出射，或者它们可以通过光输出单元3的波导板31出射，所述壁23使俘获的光线回到包含光源20的光输入单元2的腔内，在其中它们可以被再循环并再次耦合到光导1。
波导板31具有用于耦合进光的入射侧32以及用于耦合出偏振光的主要出射表面33。波导板31包括用于选择性将通过入射侧32耦合进来的光的第一偏振状态的分量向出射表面33引导的偏振装置，所述出射表面33的形式为各向异性光散射层，其选择性地将第一偏振状态的分量向出射表面33散射。在一个优选实施例中，该层包括其中分散了分散相35的连续相34。该连续和该分散相的折射率被调整成相互协调，使得沿垂直于波导方向(垂直于入射侧32)的第一轴，分散相和连续相的折射率基本不匹配，而沿垂直于波导方向和所述第一轴的第二轴，折射率基本匹配。或者，第一轴可以定向为平行于入射侧32的法线或者出射表面33的法线。
可以进一步开发波导板32，并为其提供额外的元件，诸如，例如用于将入射到其上的任何散射光重新向出射表面33引导的反射器；反射器12，该反射器12用于将任何通过该波导板透射的光重新引导到安置在波导板31和外部显示板之间的波导板和/或二向色偏振器以进一步加强偏振选择性。关于这点，可以再次参考WO 01/90637，其中描述了波导板的另外的实施例，这些波导板通常都可以用在根据本发明的光产生器件中。
在图1中也示出了在光导1中和波导板31中传播的光线的偏振分量的典型轨迹。包括等量的s和p偏振光的非偏振光的光线51通过入射侧32进入波导板31。当传播通过各向异性光散射层31的连续相34时，它遇到分散相区域35。对于p偏振光，分散相35的折射率基本与各向异性光散射层31的连续相34的折射率匹配，因此p偏振分量基本透射。对于s偏振光，分散相35的折射率与连续相35的折射率不匹配。该不匹配导致入射光线51散射到散射光线61、62的束内，该束的至少一部分(即，s偏振的光线61)被引导向出射表面33。因此获得了偏振选择。另外的p偏振的光线62，被散射回到光导1内，在其中它们(显示为光线52)通过全内反射，即通过在反射表面25、13和14处的镜面反射被再循环。因此，在不损失出耦合的光61的均匀性的情况下，实现了有效的偏振光再循环。
根据本发明的光产生器件包括板条光导、光输入单元和光输出单元，该器件使得光导1能够充当输入和输出单元2、3之间的光缓冲器。这些单元2、3不直接相互光耦合，它们之间光耦合的(间接)程度与它们的孔径(即，它们各自与光导1光学接触的面积)成比例。光输入单元2和光输出单元3之间的光缓冲程度因此与输入和输出单元2、3的孔径成反比。单元2、3之间的光学耦合的(间接)程度还依赖于各个单元2、3相对彼此在光导1的侧面上的位置。
在光导1的边缘12，在一个方向传播的TIR光通过镜面或者优选漫射反射器13被反射回来，优选后者不与光导1光学接触。这使得能够在光导1上有额外的光强度的平滑。
图2示出了根据本发明的光产生器件的另一实施例。其中，光输出单元3包括微构造的各向异性层37，而不是图1所示的各向异性光散射层，该层37从外部被任选的保护涂层36覆盖。微构造的各向异性层37通常完成与前述的各向异性散射层31相同的功能，即，使用图2所示的实施例，具有特定偏振状态的光(例如s偏振光)可以被选择性地并均匀地在光导1的整个侧面11上出射。
即使出现消偏振，向光入耦合元件21的反射器24、25散射回的S偏振光也可以从光导1逃逸出。然而，当在液晶显示器(其中LCD板位于光输出单元3下方)中应用如图1和图2所示的光产生器件的实施例时，LCD板本身将通过其极性选择s偏振。将导致小的光损失，但是对比度仍然足够好。
然而，如果仅具有s偏振的光从光导1逃选出，就可能省略LCD面板中第一极性，因此，使得它在总体上更便宜。当提供光吸收装置以防止非TIR光通过光输出单元3从光导1逃逸时，可以实现此效果。这在图3中示出，其中示出了根据本发明的光产生器件的第三实施例。其中光输出单元3包括图1中所示的各向异性偏振光散射层31。然而，除了包括沿光导1的侧面10以等间隔排列的相邻光学元件22之外，光入耦合装置还包括在面向光源20一侧上具有漫射或镜面反射层的被定型的箔或者掩模26。该遮挡箔26遮挡相邻光学元件22之间的光导表面以防止其直接暴露于光源20产生的光，并且优选不与光导1光学接触以便在箔26和光导表面10之间形成腔28。
此外，面对光导1的光学元件22和定型的箔26的表面被吸收层29(例如黑色涂层)覆盖，以便吸收具有非TIR角度的光线53，从而防止非TIR光从光导1逃逸。因此，保持了全TIR模式，从而可以省略LCD器件的一个极性。
图4示意性示出了包括根据本发明的光产生器件的背光照明型液晶显示器件的截面视图。LCD器件70包括LCD面板71，该面板71通常包括散布在透明ITO电极之间的LC单元。器件70还包括如上所述的具有光输入单元2、光导1和光输出单元3的光产生器件，光输出单元3包括用于选择性将偏振光引导到出射表面33的波导板。LCD器件70还包括安置在观察者80和面板71之间的分析器/偏振器72。
LCD器件120是背光照明型的，因此能够使用从光输入单元2产生的光显示图象信息。正如本领域中熟知的，取决于所用的特定LC单元类型，分析器72和(多个)任选偏振器的相互取向使得能够获得不同的LC效果。当面板71的象素上没有电压时，从光输出单元3发射的偏振光进入面板71。当其通过LC单元时，该光的偏振旋转了90°，因此其不能通过分析器72：象素显示为暗。当象素处于开状态时，光的偏振在面板71中不改变，因此光能够无阻碍地通过分析器72：象素显示为白。
在图5中示出了根据本发明的光产生器件的另一实施例，该实施例是图2和3所示的实施例的部分的组合。使用脊或者棱镜的阵列作为光入耦合装置21来调整如图2所示的光入耦合结构2。如图2那样调整光导1和光输出单元3，即，光输出单元3包括用于选择性出耦合s偏振光的微构造各向异性层37。因此，使用该实施例可以实现对光发射方向的高度控制。
图6示出了使用全息出耦合层的根据本发明的光产生器件。在如图2所示调整光输入单元2和光导1的同时，光输出单元3除了包括任选的保护涂层36之外，还包括全息出耦合层38。在全息图中，如果布拉格角α是45°或者如果适当选择层38的厚度，可以选择性耦合出入射光51的一种偏振。因此，s偏振的光61被选择性耦合出。
图6也示出了全息倾斜角度β，该角是光栅平面的法线和堆垛方向之间的角度，堆垛方向是光栅平面堆垛的方向。全息图可以认为是光栅平面的堆垛，每个光栅平面内的折射率是常数且相邻平面之间的折射率不同。关于这种全息层38的更详细的描述，参见前面提及的欧洲专利申请01 120 366.1(PHNL 010683)。该实施例具有不需要微构造和莫尔干涉的简单出耦合构造。
图7示出根据本发明的光产生器件的另一个实施例。同样如图2那样调整光输入单元2和光导1。光输出单元3除了包括任选保护涂层36之外，还包括选择具有特定偏振的光的反射偏振器39。因此，具有特定偏振的光(例如s偏振光)可以选择性通过出耦合层30耦合出来。具有不同偏振的光(例如p偏振62)在反射偏振器39上被反射。该实施例的优点在于不依赖于出耦合结构，例如，在该实施例中可以使用不同的出耦合层30。
本发明提供了其中光导作为光缓冲器的光产生器件。具有优选偏振状态的选择性偏振光均匀射出。该器件的布局简单，并且可以在各种不同的应用中使用。

Claims (17)

1.光产生器件，包括：
-具有两个基本平行的侧面(10、11)以及至少一个边缘的板条光导(1)，该边缘(12)的表面连接所述侧面(10、11)的表面，
-布置在所述光导(1)的至少一个侧面(10)上的至少一个光输入单元(2)，包括至少一个光源(20)以及用于将光耦合入所述光导(1)中的光入耦合装置(21)，以及
-布置在所述光导(1)的至少一个侧面(11)上的至少一个光输出单元(3)，包括用于选择性将具有第一偏振状态的光耦合出所述光导(1)的偏振光发射波导板(31)。
2.权利要求1的光产生器件，其中所述波导板包括各向异性光散射层(31)，用于将具有所述第一偏振状态的光散射出所述光导(1)。
3.权利要求1的光产生器件，其中所述波导板包括微构造的各向异性光出耦合层(37)。
4.权利要求3的光产生器件，其中所述光微构造的各向异性光出耦合层是液晶聚合物或者双折射聚合物，特别是PET或PEN。
5.权利要求1的光产生器件，其中所述波导板包括全息出耦合层。
6.权利要求5的光产生器件，其中布拉格角基本是45°。
7.权利要求5的光产生器件，其中厚度的选择使得出耦合是偏振选择性的。
8.权利要求1的光产生器件，进一步包括反射偏振器和出耦合结构。
9.权利要求8的光产生器件，其中所述反射偏振器是宽带胆甾型网络、多层膜或者线栅偏振器。
10.权利要求1的光产生器件，其中所述光入耦合装置(21)包括与所述光导(1)的所述至少一个侧面(10)的表面光学接触的多个入耦合光学元件(22-24)，所述入耦合光学元件(22-24)具有面对光源(20)且基本平行于所述光导(1)的侧面(10)的表面排列的反射表面部分(24)，并具有至少一个透明表面部分(23)，该表面部分(23)被安排成与所述光导(1)的侧面(10)的表面的夹角不是0°，尤其是基本90°。
11.权利要求10的光产生器件，其中所述入耦合光学元件(22-24)相隔间隔排列，并且其中在所述入耦合光学元件(22-24)之间光反射装置(25)被安排成特别是构造的反射箔或者构造的反射掩模，该箔或掩模基本不与所述光导(1)光学接触且在面对光源(20)的侧面是反射的。
12.权利要求10或11的光产生器件，其中所述入耦合光学元件(22-24)和/或所述光反射装置(25)具有面对光导(1)的光吸收表面部分(26)。
13.权利要求10的光产生器件，其中所述入耦合光学元件(22-24)相隔间隔排列，并且其中在所述入耦合光学元件(22-24)之间光反射装置(25)安排成尤其是与所述光导(1)光学接触的反射层，该反射层在面对所述光导(1)的侧面上是镜面反射的。
14.权利要求10的光产生器件，其中所述入耦合光学元件的反射表面部分(24)在所述反射表面部分(24)背离光导(1)的侧面是漫反射的，具有基本上100％的反射率。
15.权利要求1的光产生器件，其中所述光导(1)在其边缘(12)设有光反射装置(13)，特别是镜面或者漫反射器。
16.显示器件，特别是直接背照明型的液晶显示器件，包括显示屏，特别是LC显示屏以及如权利要求1所述的光产生器件。
17.液晶电视机，包括如权利要求16所述的显示器件。
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