CN1922516A - 利用光集中器阵列的亮度增强膜和利用该亮度增强膜的光导板、照明系统和显示设备 - Google Patents

Abstract

一种包括锥形结构阵列的亮度增强膜，每个所述锥形结构具有光输入孔径和较大的光输出孔径。每个所述锥形结构的内侧壁适合于将在所述输入孔径处入射的来自光导板的离轴光反射到所述输出孔径。

Description

利用光集中器阵列的亮度增强膜和利用该亮度增强膜的 光导板、照明系统和显示设备

技术领域

本发明总的涉及一种亮度提高物品，更具体地，涉及一种利用集中器结构阵列的亮度增强膜，调节用于背光显示器件如膝上型LCD器件的照明度。

背景技术

虽然LCD器件在小型、重量轻方面可替换CRT监视器，但是在许多应用中LCD器件由于亮度或更适当地说是光亮度的低水平而不能满足这些应用。用于常规膝上型计算机显示器的透射LCD是背光显示器的一种类型，具有定位在LCD后面、向外并且向LCD引导光的光提供表面。光提供表面本身提供基本上是Lambertian的照明，即在角度的宽范围内具有基本上不变的光亮度。为了增加轴上和近轴光亮度，已经提出许多亮度增强膜，用于将具有Lambertian分布的光的一部分向相对于显示器表面的法线重新定向。下面是在亮度或光亮度提高的建议解决方案中用于LCD器件和其他类型背光显示类型的文献：

美国专利US 5,592,332(Nishio等人)公开了使用两个交叉双凸透镜表面，用于调节LCD显示设备中光的角度范围；

美国专利US 5,611,611(Ogino等人)公开了利用菲涅耳和双凸透镜片的组合的背投影显示器，用于得到所需的光发散度和亮度；

美国专利US 6,111,696(Allen等人)公开了用于显示器或照明设备的亮度增强膜。利用在‘696专利中公开的光学膜，面向照明源的表面是光滑的；相对的表面具有如三角形棱镜的一系列结构，用于重新引导照明角度。在‘696专利中公开的膜折射离轴光以提供以更窄角度引导光的校正度。然而，该膜设计对于重新引导离轴光工作最好；使垂直于膜表面的入射光可以朝向源方向向回反射，而不是透射；

美国专利US 5,629,784(Abileah等人)公开了多个实施例，其中使用棱镜片来提高反射型LCD器件的亮度，对比度和颜色均匀性。在‘784专利公开的实施例中，类似于‘696专利的亮度增强膜布置成其结构表面面向反射光的源，用于提供改进的亮度以及减小的环境光作用。由于该组件与反射成像器件一起使用，因此‘784公开的棱镜片放置在观察者和LCD表面之间，而不是在用于透射LCD系统的位置中(即在光源和LCD之间)；

美国专利申请公开号US 2001/0053075(Parker等人)公开了用于LCD器件的光重新定向膜的多种类型的表面结构，包括棱镜和其他结构；

美国专利US 5,887,964(Higuchi等人)公开了一种透明棱镜片，其具有沿每个表面的延伸的棱镜结构，用于改进LCD器件中背光的传播和光亮度。如关于上述‘696专利所述，利用该布置，大部分的轴上光反射而不是透射。相对于光源，‘964中公开的棱镜片的取向与‘696中公开的棱镜片的取向相反。‘964中公开的布置仅可用于小的手提式显示器并且不使用Lambertian光源；

美国专利US 6,356,391(Gardiner等人)公开了利用棱镜阵列的一对光学转向膜，用于重新引导LCD器件中的光，其中棱镜可以具有不同的尺寸；

美国专利US 6,280,063(Fong等人)公开了一种亮度增强膜，在该膜的一侧具有棱镜结构，其具有钝角或圆形峰值；

美国专利US 6,277,471(Tang)公开了一种亮度增强膜，其具有多个具有弯曲表面的一般三角形棱镜结构；

美国专利US 5,917,664(O’Neil等人)公开了一种亮度增强膜，其与常规的膜类型相比，具有“软”的截止角，由此减轻当视角增加时光亮度的改变；

美国专利US 5,839,823(Hou等人)公开了一种利用微棱镜阵列、具有对于非Lambertian源的光循环的照明系统；和

美国专利US 5,396,350(Beeson等人)公开了一种具有光循环特征的背光设备，其使用与光源接触的微棱镜阵列，用于照明设备中的光重新定向，其中热量可能是一个问题以及其中相对非均匀的光输出是可接受的。

图1示出了一种类型的现有技术解决方案，用于提高由光源18提供的光的亮度增强膜10。亮度增强膜10具有面向包含反射表面19的光提供表面14的光滑侧面12，和面向LCD组件20的多行棱镜结构16。如在美国专利US 6,111,696和5,629,784(都在上面列出)，以及在5,944,405(Takeuchi等人)中描述的该布置通常工作良好，通过离轴光线的折射提高轴上光亮度以及引导一部分该光更接近于法线光轴。如图1所示，离轴光线R1向法线折射。然而，有益地注意到，由于全内反射(TIR)，近轴光线R3可以以更极端的角度折射远离法线。此外，轴上光线R4可以实际上向用于漫射和从反射表面19反射的光提供表面14向回反射，而不是向LCD组件20引导。近轴光的折射和回到光提供表面14中的轴上光的至少一部分的反射用于调节相对于视角的照明光亮度，如随后所述。通过光提供表面14和反射表面19的作用，从亮度增强膜19反射回的光的一部分最终漫射，并再次以通常法线角向LCD组件向外引导。

然后，亮度增强膜10的目的是重新引导从光提供表面14在大的角度范围内提供的光，因此它提供到LCD组件20的输出光通常向法线引导。通过这样，亮度增强膜10不仅当垂直于显示表面直接在上方观察时而且当以倾斜角度观察时帮助提高显示光亮度。

由于离法线的观察者角度增加，所感知的光亮度可能超过极限角度而显著减少。图2的曲线图表示出了光亮度曲线26，其描绘了当利用现有技术亮度增强膜10时的光亮度与观察者角度的特性关系。如所预期的，光亮度在法线处达到峰值，在法线的每一侧向阈值截止角θ_截止减小。超过角度θ_截止时，发生轻微的增加；然而，这表示浪费的光，其由于LCD器件本身的特性，不容易被观察者所感知。

参考图2中的亮度曲线26，感兴趣的一个特性是曲线的总形状。在视角范围内的亮度与这些角度的曲线下方的面积成比例。一般，最大光亮度值在接近法线的角度处发生，如所预期的。在许多应用中，最有利的是增加在以法线为中心的小范围视角内的光亮度。

虽然如在上述公开的现有技术中所述的常规方法提供低视角处的亮度提高的一些措施，但是这些方法具有一些缺点。上述一些解决方案对于优选角度范围内重新分布光更有效的，而不是对于最好的轴上观察向法线重新引导光更有效的。现有技术亮度增强膜解决方案具有方向偏向，沿一个方向重新引导光工作最好。例如，亮度增强膜可以沿相对于显示表面的宽度方向重新引导光路，但是对于沿长度方向的光具有很少或几乎没有影响。结果，多个正交的相交片必须重叠以便沿不同方向重新引导光，一般用于沿相对于显示表面的水平和垂直方向重新引导光。必要地，这种类型的方法稍微是折衷方案；这种方法对于沿正交于两个正交轴的方向的光不是最佳的。

如在上述所列专利中公开的，已经提出具有形成在基底材料上方的多种类型的折射表面结构的亮度提高物品，包括使用多个突出棱镜形状的布置，作为分离棱镜结构的矩阵和作为伸长的棱镜结构，棱镜的顶点面向以及远离光源。对于大多数部分，现有技术解决方案仍然存在方向偏向，在实际应用中需要使用多个片。

抛物线反射器在许多类型的应用中已知，用于收集或透射沿轴的电磁能量。例如，在室内照明应用中，抛物线反射器和其形状类似于抛物线形状的反射器定位在灯或其他光源的附近，以收集光并将其向外、通常沿一个方向引导。对于沿轴的光的最佳抛物线反射，光源应当定位在抛物线反射器的焦点处。

更有效的光集中器，如复合的抛物线集中器(CPC)已经用于多种应用特别是太阳能应用中以收集光。例如，美国专利US 4,002,499和4,003,638(发明人都是Winston)公开了用于辐射能量收集的反射抛物线集中器元件的使用。美国专利US 6,384,320(Chen)公开了用于居住太阳能产生系统的反射CPC器件阵列的使用。光集中器也已经用于支持感光器件。例如，英国专利申请GB 2 326 525(Leonard)公开了使用反射CPC阵列作为集中器，用于得到光传感器如电荷耦合器件(CCD)的光。然而，已经在多种应用中一起利用CPC和类似的结构来收集和传感光，而不是实现提高的光分布和重新定向。

尽管已经使用共同的作用来改进显示亮度，但是对于改进仍然存有空间，特别是在需要近轴光亮度的高水平时。LCD设备仍然需要多层正交相交膜来增加亮度和改进对比度，从而增加显示器封装的复杂性和体积。从而，可以看出需要一种亮度增强膜，其光效率高并在近轴视角处改进光亮度。

发明内容

本发明提供一种包括锥形结构阵列的亮度增强膜，每个所述锥形结构具有光输入孔径和更大的光输出孔径，其中每个所述锥形结构的内表面适合于将在所述输入孔径处入射的离轴光反射到所述输出孔径。本发明还提供了一种照明系统，显示设备，光导板，和使用该膜提高照明度的方法。

附图说明

尽管本说明书以特别指出并清楚要求本发明的主题来结束，但是相信本发明从下面结合所附附图的描述中更加容易理解，其中：

图1是示出了用于LCD器件的现有技术亮度增强膜的截面侧视图；

图2是示出了现有技术亮度增强膜的亮度与视角的关系的图表；

图3是本发明一个实施例中小部分反射腔的透视图；

图4a是本发明一个实施例中利用反射腔的膜的透视顶视图；

图4b是本发明一个实施例中利用反射腔的膜的透视底视图；

图5a，5b和5c是示出了在本发明可替换实施例中使用的不同类型的反射结构的透视顶视图；

图6是图3，4和5中所示的膜的线框图；

图7是示出了根据本发明在处理光线时反射腔的性能的射线图；

图8是将相对于视角的本发明不同实施例的相对光亮度与常规亮度增强膜的光亮度性能相比较的图表；

图9示出了在本发明的可替换实施例中使用光重新定向的TIR的折射结构的透视图；

图10是示出了根据本发明的在处理光线时实心锥形集中器结构的性能的射线图；

图11是根据本发明的实心集中器结构的侧视图，示出了确定TIR值的关键参数；

图12是根据本发明的实心集中器结构的一部分侧壁的放大侧视图，示出了侧壁轮廓的关键尺度；

图13示出了用于图9的可替换实施例的光学透镜结构的透视图；

图14a和14b是分别示出了利用没有和具有输出透镜结构的实心锥形集中器结构时的相对亮度效果的图表；

图15是示出了利用第一实施例的亮度增强膜的照明系统的示意框图；和

图16是示出了利用第二实施例的亮度增强膜的照明系统的示意框图。

具体实施方式

在上文中概述了本发明。

从一个方面，本发明提供一种亮度增强膜，其包括在光输入表面和光输出表面之间延伸的中空反射腔阵列。

从另一个方面，本发明提供一种亮度增强膜，其包括在沿光输入表面的输入孔径和沿光输出表面的输出孔径之间延伸的集中器阵列，每个所述集中器具有一般抛物线形状，其中，对于每个所述集中器，其输入孔径的面积小于其输出孔径的面积；其中所述输入表面与光导板接触；以及，其中每个所述集中器具有基本上等于所述光导板折射率的折射率。

本发明的特征在于它使用实现光的高效率重新分布的膜结构的反射特性。

本发明的优点在于它提供相对于现有技术解决方案的改进的轴上和近轴光亮度增量。

本发明的进一步优点在于它提供用于光重新定向的单膜，而没有现有技术结构的方向偏向。从而本发明的亮度增强膜的方向不需要调整。此外，本发明的亮度增强膜不显示方向偏向，消除了提供正交相交亮度增强膜的必要。

本发明的进一步优点在于它提供角度和空间域的光的均匀分布。

本发明的又一优点在于它允许光分布角度内的控制测量。

本发明的又一优点在于它提供在光导板中不需要漫射体或微结构的亮度增强膜的实施例。

本发明的又一优点在于它提供亮度增强膜的简单的解决方案。本发明的膜直接靠在光提供表面。不需要分离的距离。

本发明的这些和其他目的、特征和优点将从下面结合所附附图的详细描述中更加明显，在附图中示出和描述了本发明的示意性实施例。本描述特别指向为根据本发明的设备的元件形成部分，或更直接与根据本发明的设备配合。应当理解，没有具体示出或描述的元件可以采用本领域技术人员已知的多种形式。

第一实施例：使用表面反射的中空光集中器

参考图3，示出了本发明第一实施例的亮度增强膜30，包括中空的锥形结构阵列。该阵列由在输入表面34和输出表面36之间延伸并且用作光集中器的反射腔32构成。亮度增强膜30的输入表面34靠着光提供表面14放置，或非常接近于光提供表面14放置。具有顶和底漫射体22的光提供表面14将基本Lambertian光提供到输入表面34。然后输出表面36提供LCD(未示出)或其他背光组件的输出照明。

参考图4a，示出了亮度增强膜30的输出表面36的透视顶视图，示出了反射腔32的输出孔径35。参考图4b，示出了在输入表面34上具有输入孔径33的底视图。

图3，4a和4b示出了优选实施例，其中反射腔32沿纵向截面为一般抛物线，沿横向截面为圆形。然而，如图5a，5b和5c所示，反射腔32的不同构形是可能的。在图5a中，反射腔32是一般锥形，沿横向方向具有圆形截面。在图5b中，反射腔32沿横向截面是矩形。在图5c中，反射腔32沿横向截面是六边形。图5b和5c的实施例的纵向截面例如可以是抛物线，一般抛物线，或直线，只要输入孔径33小于输出孔径35。

图6示出了从顶部透视的优选实施例的线框图。在图3，4a，4b，5a，5b，5c和6中，反射腔32被示出从输入表面34到输出表面36完全通过亮度增强膜30延伸。然而，可能有例如利用透明基底的实施例，反射腔32仅部分通过亮度增强膜30延伸。从而，例如根据光路，可能在输出孔径35之后或输入孔径33之前存在附加的透明基底材料。

如上所述，对于用作光集中器，输出孔径35的面积必须大于输入孔径33的面积。这一般要求反射腔32是某种程度的锥形。只要满足输出孔径35和输入孔径33之间的该关系，反射腔32可以以许多形式成形。在优选实施例中，反射腔32弯曲以沿纵向截面具有总的完整抛物线形状，如在图6的线框图中最清楚地示出。这种类型的形状的总的优点在图7的射线图中表示。当反射腔32具有理想化的抛物线轮廓时，在输入表面34上自点P在宽范围的角度内出射的光线R通常从输出表面36以相同的角度出射。明确地，从反射腔32的侧壁38反射、来自点P的光线通常以角度θ_max出射，该角度相应于从该点的反射光线的最大光束角度θ_max。

参考图8，示出了将本发明的亮度增强膜30的输出亮度的模拟光亮度曲线26b与利用如图1所示的现有技术亮度增强膜10的光亮度曲线26a相比的图表。该模拟基于背光LCD的一般情况。该模拟的工作假设包括Lambertian光源，0.96的反射值，和20度的最大光束角度θ_max。假定从底部漫射体22(图3)中没有损耗。

如图8的亮度曲线26b所示，与利用现有技术亮度增强膜30的解决方案相比，使用反射腔32的阵列作为光集中器的本发明的亮度增强膜30实现更高的轴上光亮度。离轴的光的基本量向法线重新引导，如关于图7所示。然而，必须注意，轴上光亮度的增加付出了很高代价；即离轴光亮度相应减小，如图8所示。从而，本发明的亮度增强膜30对于需要更强的轴上照明的应用而不是需要增加有效视角的应用最佳化。有利地，当利用本发明的亮度增强膜30时，在图1的现有技术亮度增强膜10中引起第二峰值28的浪费光被重新引导以提供附加的近轴照明，如图8中的亮度曲线26a和26b的对比所示。

第一实施例的一般尺寸，形状，和制造

亮度增强膜30的第一实施例中反射腔32的一般值包括以下内容：

输出孔径35直径：400μm

输入孔径33直径：140μm

高度：720μm

反射率：0.96，额定

一般最大光束角度θ_max：20度

在本第一实施例中，亮度增强膜30可以由金属或塑料材料形成，该材料例如包括聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或丙烯酸脂膜。当材料是反射的情况时，可以不需要涂层。当利用透明材料或反射不充足的材料如金属表面时，反射涂层施加到反射腔32的内表面，以及任选地施加到该结构的其他部分。形成反射腔32本身的制造技术包括钻孔和刻蚀。

图4a，4b，5a，5b，5c和6示出了支撑反射腔32的结构的多种布置。大多数这些实施例在输入表面34和输出表面36处具有一些支撑结构。然而，如图5b所示，输入和输出表面34或36的一个或另一个可以不使用单独反射腔32之间的支撑结构材料。在图5c的六边形输出孔径35中，共享相邻反射腔32的侧壁。该布置提供输出表面36处的坚固结构并允许输出孔径35的最大面积。

在优选实施例中，反射腔32沿水平截面(即沿平行于亮度增强膜30的输出表面的截面)是圆形的。然而，其他形状是可能的，例如允许反射腔22具有正方形或矩形截面形状。通常，非圆形截面形状可以有利地增加亮度增强膜30的占空因数。同时，必须观察到在输出表面36处的总的占空因数即输出孔径35的面积(图4-7)必须仔细地考虑以便保持亮度增强膜30的足够的支撑结构。

对于优选实施例，由于光的处理，总的抛物线垂直截面形状对于反射腔32是最有利的，如参考图7的描述。复合抛物线集中器(CPC)的总的形状是反射腔32的侧壁38的优选形状。然而，必须注意反射侧壁38可以基本上是垂直的(即不具有限定的斜率)或可以具有固定或可变的斜率。对于该第一实施例，如上所述，反射腔32必须满足输入孔径33的面积小于输出孔径35的面积的要求。

反射腔32的非均匀尺寸、形状和分布可以适合于提供均匀的光输出。从而，例如，利用反射腔32阵列的膜可以对于不同的实施例需要反射腔27的不同尺寸和分布。

第二实施例：使用TIR作用的实心光集中器

参考图9，示出了本发明的第二实施例，其中亮度增强膜40包括实心、锥形结构阵列。类似于图3-7的第一实施例的锥形，一般柱形结构，图9中示出的实施例也利用一般抛物线形结构的优点来使用反射调节光，但是使用不同的反射原理。这里，亮度增强膜40使用实心抛物线集中器42的锥形阵列。不同于第一实施例的反射腔32，实心抛物线集中器42不需要反射内涂层。作为代替，每个抛物线集中器42使用全内反射(TIR)以将来自输入孔径43的光引导到输出孔径45。如图9所示，每个抛物线集中器42的输入表面44靠着光导板54放置。对于本实施例，必须满足下述具体要求：

(i)使用的以形成抛物线集中器42的材料在约+/-0.1内具有基本上与光导板54的折射率相同的折射率n；

(ii)本实施例的光导板54不提供漫射体；

(iii)抛物线集中器42的输入孔径43与光导板54直接接触，即输入孔径43靠着光导板54，没有任何空气间隙。输入孔径43例如可以通过粘结成，挤压成，模制成，或其他方式连接到光导板54的表面。

对于本实施例，利用在LCD背光技术领域中技术人员公知的构形，作为光导管一种类型的光导板54还要求与其光源相对的反射表面。提前参考图16，示出了光导板54的适当布置，具有与光源18相对的反射表面24和具有以直角连接的外部表面。

参考图10，对于沿输入表面44在输入孔径43处来自不同原点的光线R，示出了实心抛物线集中器42的总特性。以类似于使用反射腔32和图7所表示的第一实施例的方式，内部侧壁48的优选曲率是一般抛物线，因此在角度范围内在输入孔径43处入射的光由于TIR从侧壁48反射，并在输出表面46上在输出孔径45处输出。如参考第一实施例所述，输入孔径43的面积必须小于输出孔径45的面积。

限定侧壁48的表面曲率

对于第二实施例的实心抛物线集中器42，侧壁48的表面轮廓确定全内反射(TIR)怎样重新引导来自光提供表面14的光。参考图11，以垂直截面示出了抛物线集中器42的侧壁48的轮廓。为了描述的目的，假定抛物线集中器42的水平(即横向)截面视图是圆形，尽管可以使用其他形状。在输入表面44上，抛物线集中器42的输入孔径43具有半径r_i。在输出表面46上，输出孔径45具有半径r_e。值h表示抛物线集中器42的高度。自输入孔径的圆周上的参考点P，TIR可以发生的最大角度是θ_max，通过等式(1)限定：

${\mathrm{\θ}}_{\max }={\tan }^{-1}\left(\frac{h}{r_{\mathrm{input}}+r_{\mathrm{output}}}\right)---\left(1\right)$

通过再观察，当入射光的临界角θ_TIR超过如等式(2)所限定的角度时发生TIR，其中n是用于抛物线集中器42的材料的折射率：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TIR}}={\sin }^{-1}\left(\frac{1}{n}\right)---\left(2\right)$

侧壁48曲率设计以便使用TIR的关键角度关系在图12中示出。这里，角度θ_slope表示在点S处侧壁48的斜率。角度θ_inc表示相对于在点S处的法线，来自点P的光的入射角。为了在侧壁48上的每个点S处保持来自点P的光的TIR，等式(3)的关系必须保持：

θ_inc＝90°-(θ_slope-θ_entry)≥θ_TIR              (3)

可以观察到一般抛物线形状满足等式(3)并提供如图10所示的总的光重新定向性能。

基于上述描述和等式(1)-(3)，使用下述步骤以建立第二实施例中侧壁48的所需轮廓：

(步骤1)限定抛物线集中器42的下述参数：

(a)输入孔径r_input

(b)高度h

(c)角度θ_max

(步骤2)利用等式(1)计算输出孔径的半径r_output。

(步骤3)利用等式(3)确定沿侧壁44(图12)的许多连续点S处的倾斜角度θ_slope。

如同第一实施例的亮度增强膜30的情况一样，第二实施例的亮度增强膜40向法线重新引导光，如关于图10所述。

增加透镜结构

参考图13，示出了在抛物线集中器42的一部分输出表面46上的输出孔径45的可替换构形。在该构形中，透镜50形成在一个或多个抛物线集中器42的输出孔径45上，提供来自光提供表面14的光的改进的重新定向。

等式(4)描述了透镜50的曲率半径。

其中r_out是出口孔径45的半径，以及_peak是没有透镜50时峰值强度发生的角度，如图14a所示。

参考图14b，为了比较，示出了图1所示的常规BEF解决方案的光亮度曲线52a，和利用具有透镜50的实心抛物线集中器42的本第二实施例的亮度增强膜40的光亮度曲线52b。图14b的光亮度曲线52b与图14a中光亮度曲线52c的比较示出了透镜50怎样调节出口孔径45处的光，以大约0度为中心(垂直于BEF表面)有效地将光收集到单个波瓣中。

第二实施例的一般尺寸，形状和制造

亮度增强膜40的第二实施例中实心抛物线集中器42的一般值包括下述内容：

输出孔径45直径：400μm

输入孔径43直径：140μm

高度：720μm

典型最大光束角度θ_max：20度

具有抛物线集中器42的亮度增强膜40可以由多种塑料材料形成，该材料例如包括聚碳酸酯，PMMA，或丙烯酸酯膜。抛物线集中器42的密度取决于应用。为了提供改进的空间均匀性，抛物线集中器42的间隔或中心至中心间距，以及它们的输入和输出孔径43和45尺寸和总的形状可以是非均匀交叉亮度增强膜40。例如，抛物线集中器42可以在更远离光源的位置处比光源附近的位置处更密集地群集。

改进的照明系统

参考图15，示出了用于显示设备60的照明系统56，其使用第一实施例的亮度增强膜30，用于将光提供到LCD组件20。具有顶和底漫射体22和反射表面24的光提供表面14将来自光源18的Lambertian散射光提供到亮度增强膜30。从亮度增强膜30的调节输出然后通过LCD组件20引导。

参考图16，示出了用于显示设备60的照明系统58，其使用第二实施例的亮度增强膜40，用于将光提供到LCD组件20。具有反射表面24的光提供表面54提供适当角度的入射光，用于通过亮度增强膜40的调节。亮度增强膜40的输入表面44被挤压，粘结，或其他方式直接靠着光提供表面54形成。输出光然后通过LCD组件20引导。(本第二实施例不需要漫射体22。)

如在背景技术部分所述，利用亮度增强膜10的现有技术解决方案具有方向偏向，在大多数应用中需要使用两个具有正交优选角度的膜片。可以看出，亮度增强膜30和40关于这种方向偏向交叉膜片的缺少比现有技术设计更有利。利用一般圆形反射腔32或抛物线集中器42，不需要使用多个亮度增强膜30或40来处理不同角度的光。

对于中空和实心的实施例，入射光的主要调节通过来自侧壁38(第一实施例)或48(第二实施例)的反射来提供。利用图3-7的第一实施例，一些光直接通过反射腔32的中空反射结构，而没有来自侧壁38的反射。相反，利用图9-12的第二实施例，非常少的光能够通过实心抛物线集中器42，而没有来自侧壁48的反射。

区域照明应用的使用

上面的描述主要集中在本发明的亮度增强膜30和40用于背光显示应用。然而，用于本发明第一或第二实施例的锥形结构的阵列也可以用于区域照明应用。这些阵列接收宽范围角度的光并将该光向法线轴重新引导的能力建议了一个可能使用的范围，例如用于台灯和外科照明设备。本发明的亮度增强膜30和40特别适用于使用一般Lambertian光源的照明应用。

本发明已经参考优选实施例进行了描述；然而，本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下可以实现多种变化和变型。例如，虽然理想化的抛物线形状具有特定的优点，但是利用图3-7的中空反射第一实施例或图9-13的实心第二实施例，抛物线的近似对于向法线轴重新引导光也是有效的。对于第一反射实施例，多种形状的涂层可以施加到透明或非反射的基底上以便得到适当的反射特性。对于第二反射实施例，抛物线集中器42能够模制或以其他方式形成到光导板54的表面中，因此亮度增强膜40有效地制造为光导板54的一部分。

本发明的亮度增强膜将离轴光向相对于膜表面的法线轴引导，因此，特别适合用于LCD显示器以及其他类型的背光显示器。

部件列表：

10.亮度增强膜

12.光滑侧面

14.光提供表面

16.棱镜结构

18.光源

19.反射表面

20.LCD组件

22.漫射体

24.反射表面

26，26a，26b、光亮度曲线

28.第二峰值

30.亮度增强膜

32.反射腔

33，43.输入孔径

34.输入表面

36.输出表面

38，48.侧壁

40.亮度增强膜

42.抛物线集中器

44.输入表面

35，45.输出孔径

46.输出表面

50.透镜

52a，52b，52c、光亮度曲线

54.光导板

56，58.照明系统

60.显示设备

Claims (46)

1.一种包括锥形结构阵列的亮度增强膜，每个所述锥形结构具有光输入孔径和较大的光输出孔径，其中每个所述锥形结构的内表面适合于将在所述输入孔径处入射的离轴光反射到所述输出孔径。

2.根据权利要求1的亮度增强膜，其中所述锥形结构阵列包括在光输入表面和光输出表面之间延伸的中空反射腔阵列。

3.根据权利要求1的亮度增强膜，其中所述锥形结构阵列包括在输入表面上的输入孔径和输出表面上的输出孔径之间延伸的集中器阵列，每个所述集中器具有一般抛物线形状，其中所述输入表面与光导板接触；以及每个所述集中器具有与所述光导板的折射率基本相同的折射率。

4.根据权利要求1的亮度增强膜，其中沿平行于所述输出孔径的截面，所述锥形结构基本上是圆形。

5.根据权利要求1的亮度增强膜，其中沿平行于所述输出孔径的截面，所述锥形结构基本上是六边形。

6.根据权利要求1的亮度增强膜，其中沿平行于所述输出孔径的截面，所述锥形结构基本上是矩形。

7.根据权利要求1的亮度增强膜，其中所述离轴光通过光导板提供。

8.一种亮度增强膜，包括在光输入表面和光输出表面之间延伸的中空反射腔阵列。

9.根据权利要求8的亮度增强膜，其中至少一个所述中空反射腔包括弯曲侧壁。

10.根据权利要求9的亮度增强膜，其中沿从所述输入表面到所述输出表面的截面，所述弯曲侧壁基本上是抛物线。

11.根据权利要求8的亮度增强膜，其中沿平行于所述输出表面的截面，所述中空反射腔基本上是圆形。

12.根据权利要求8的亮度增强膜，其中至少一个所述反射腔的侧壁包括反射涂层。

13.根据权利要求8的亮度增强膜，其中至少两个所述中空反射腔彼此的尺寸不同。

14.根据权利要求8的亮度增强膜，其中所述输入表面包括透明基底。

15.根据权利要求8的亮度增强膜，其中所述输出表面包括透明基底。

16.根据权利要求8的亮度增强膜，其中膜包括反射基底。

17.根据权利要求8的亮度增强膜，其中每个所述中空反射腔具有输入孔径和输出孔径，所述输出孔径的面积大于所述输入孔径。

18.一种包括在光输入表面和光输出表面之间延伸的中空反射腔阵列的亮度增强膜，其中每个所述中空反射腔具有接收入射的离轴光的输入孔径和较大的输出孔径。

19.根据权利要求18的亮度增强膜，其中至少一个所述中空反射腔沿从所述输入表面到所述输出表面的截面基本上是抛物线。

20.一种照明系统，包括：

(a)光导板，用于提供一般Lambertian光源；

(b)亮度增强膜，包括在光输入表面和光输出表面之间延伸的中空反射腔阵列；所述亮度增强膜的所述输入表面配置成最接近所述光导板以从其中接收光。

21.根据权利要求20的照明系统，其中所述亮度增强膜的至少一个所述反射腔包括弯曲侧壁。

22.根据权利要求21的照明系统，其中沿从所述输入表面到所述输出表面的截面，所述弯曲侧壁基本上是抛物线。

23.根据权利要求20的照明系统，其中沿平行于所述亮度增强膜的所述输出表面的截面，至少一个所述反射腔基本上是圆形。

24.根据权利要求20的照明系统，其中沿平行于所述亮度增强膜的所述输出表面的截面，至少一个所述反射腔基本上是矩形。

25.根据权利要求20的照明系统，其中沿平行于所述亮度增强膜的所述输出表面的截面，至少一个所述反射腔基本上是六边形。

26.根据权利要求20的照明系统，其中所述亮度增强膜的至少一个所述反射腔的侧壁包括反射涂层。

27.根据权利要求20的照明系统，其中所述亮度增强膜的至少两个所述中空反射腔彼此的尺寸不同。

28.根据权利要求20的照明系统，其中所述亮度增强膜的所述输入表面包括透明基底。

29.根据权利要求20的照明系统，其中所述亮度增强膜的所述输出表面包括透明基底。

30.根据权利要求20的照明系统，其中所述亮度增强膜的所述输入表面是反射的。

31.一种显示设备，包括：

a)光导板，用于提供一般Lambertian光源；

b)亮度增强膜，包括在光输入表面和光输出表面之间延伸的中空反射腔阵列，所述亮度增强膜的所述输入表面配置成最接近所述光导板，所述亮度增强膜从所述输出表面提供背光照明；和

c)LCD显示板，用于调制所述背光照明以形成图像。

32.一种亮度增强膜，包括在沿输入表面的光输入孔径和沿输出表面的光输出孔径之间延伸的集中器阵列，每个所述集中器具有一般抛物线形状，其中，对于每个所述集中器：

a)其输入孔径的面积小于其输出孔径的面积；

b)所述输入表面与光导板接触；以及

c)具有基本上等于所述光导板折射率的折射率。

33.根据权利要求32的亮度增强膜，其中对于至少一个所述集中器，透镜形成在所述输出孔径处。

34.根据权利要求32的亮度增强膜，其中每个所述集中器内的全内反射将一部分离轴光从所述输入孔径引导到所述输出孔径。

35.一种照明系统，包括：

a)提供光的光导板；

b)亮度增强膜，包括在沿输入表面的光输入孔径和沿输出表面的光输出孔径之间延伸的集中器阵列，每个所述集中器具有一般抛物线形状，其中，对于每个所述集中器：

(1)输入孔径的面积小于其输出孔径的面积；

(2)所述输入表面与所述光导板接触；以及

(3)具有基本上等于所述光导板折射率的折射率。

36.一种显示设备，包括：

a)提供光的光导板；

b)亮度增强膜，包括在沿输入表面的光输入孔径和沿输出表面的光输出孔径之间延伸的集中器阵列，其中每个所述集中器：

(1)具有一般抛物线形状，其中，对于每个所述集中器，其输入孔径的面积小于其输出孔径的面积；

(2)具有与所述光导板接触的输入表面；以及

(3)具有基本上等于所述光导板折射率的折射率；以及

c)LCD显示板，用于调制所述背光照明以形成图像。

37.一种提供背光的光导板，包括具有锥形集中器阵列的输出表面，每个集中器具有一般抛物线形状和光输入孔径和光输出孔径，其中每个所述集中器的输入孔径小于输出孔径。

38.一种照明设备，包括：

(a)光源；

(b)亮度增强膜，包括在光输入表面和光输出表面之间延伸的中空反射腔阵列；所述亮度增强膜的所述输入表面配置成最接近所述光源。

39.一种照明设备，包括：

(a)提供光的光源表面；

(b)亮度增强膜，包括在沿输入表面的光输入孔径和沿输出表面的光输出孔径之间延伸的集中器阵列，每个所述集中器具有一般抛物线形状，其中，对于每个所述集中器：

(1)其输入孔径的面积小于其输出孔径的面积；

(2)所述输入表面与所述光源表面接触；以及

(3)具有基本上等于所述光源表面折射率的折射率。

40.一种提高背光显示器的光亮度的方法，包括：

(a)提供中空反射腔阵列，每个腔具有光输入孔径和光输出孔径；和

(b)将光引导到所述腔阵列。

41.根据权利要求40的提高光亮度的方法，其中提供中空反射腔阵列的步骤包括将所述腔形成到膜基底中的步骤。

42.根据权利要求41的提高光亮度的方法，进一步包括涂敷所述腔的步骤。

43.根据权利要求40的提高光亮度的方法，其中至少一个所述中空反射腔从所述光输入孔径到所述光输出孔径具有一般抛物线截面。

44.根据权利要求40的提高光亮度的方法，其中将光引导到所述输入孔径的步骤包括从Lambertian源产生光的步骤。

45.一种提高背光显示器的光亮度的方法，包括：

(a)提供具有第一折射率n1的光导表面；

(b)形成锥形集中器阵列，每个集中器具有一般抛物线形状，其中：

(1)每个所述集中器的输入孔径小于输出孔径；

(2)每个所述集中器具有第二折射率n；和

(3)n2基本上等于n1；

(c)将多个所述集中器的输入孔径配置成靠着所述光导表面。

46.根据权利要求45的提高背光显示器的光亮度的方法，其中将多个所述集中器的输入孔径配置成靠着所述光导表面的步骤包括将粘合剂施加到所述锥形集中器阵列的输入表面的步骤。

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