專利名稱：具有鏡面局部反射器和圓形模式反射型偏振器的背光照明系統(tǒng)的制作方法
具有鏡面局部反射器和圓形模式反射型偏振器的背光照明
系統(tǒng)相關專利申請本申請要求提交于2007年12月28日的美國臨時專利申請No. 61/017255的優(yōu)先 權，該專利的公開內容以引用方式全文并入本文。
背景技術：
本發(fā)明涉及信息顯示器。更具體地講，本發(fā)明涉及包括反射型偏振器的背光光學 in息顯不器。光學信息顯示器常常用于電視機、筆記本電腦和臺式機電腦、手持裝置(例如移 動電話)以及其它應用中。一種廣泛使用的顯示器是液晶(LC)顯示器。通常的液晶顯示 器裝設在液晶面板周圍，在液晶面板中，具有相關電極矩陣的液晶交錯在一對吸收型偏振 器之間。在液晶面板中，通過電極矩陣施加的電場來改變液晶的部分的光學狀態(tài)。根據(jù)其 狀態(tài)，液晶的給定部分(與顯示器的像素或亞像素相對應)會或多或少地旋轉穿過其中的 透射光的偏振。光經(jīng)入口偏振器、液晶和出口偏振器發(fā)生不同程度的衰減，衰減程度取決于 光遇到的液晶部分的光學狀態(tài)。液晶顯示器利用這種行為，從而在不同區(qū)域中得到具有不 同外觀的電子可控的顯示器。由于液晶面板本身不發(fā)光，因此液晶顯示器需要照明源_要么通常是反射的環(huán)境 光、要么更常常是來自背光源的光。一般來講，背光源包括照明設備和多個位于照明設備與 液晶面板之間的光管理膜，其中照明設備可以包括光源，例如發(fā)光二極管或熒光燈。通常， 通過更加充分有效地使用光，光管理膜可以提高顯示器的操作性。

發(fā)明內容
在一個方面，本發(fā)明提供背光源，該背光源包括具有至少一個光源的照明設備、圓 形模式反射型偏振器以及鏡面局部反射器。鏡面局部反射器設置在照明設備與圓形模式反 射型偏振器之間。此外，鏡面局部反射器與圓形模式反射型偏振器基本上直接偏振連通。在另一方面，本發(fā)明提供顯示器，該顯示器包括液晶面板和向液晶面板提供光的 背光源。背光源包括具有至少一個光源的照明設備、圓形模式反射型偏振器以及鏡面局部 反射器。圓形模式反射型偏振器設置在顯示模塊與照明設備之間，鏡面局部反射器位于照 明設備與圓形模式反射型偏振器之間。此外，鏡面局部反射器與圓形模式反射型偏振器基 本上直接偏振連通。在另一方面，本發(fā)明提供用于提供偏振光的背光源，該背光源包括具有至少一個 光源的照明設備、圓形模式反射型偏振器以及鏡面局部反射器。圓形模式反射型偏振器被 構造為透射第一部分光并且反射第二部分光，第一部分光具有第一圓形偏振，第二部分光 具有第二圓形偏振，其中第二圓形偏振與第一圓形偏振正交。鏡面局部反射器位于照明設 備與圓形模式反射型偏振器之間。鏡面局部反射器適用于接納來自圓形模式反射型偏振器 的第二部分光以及將第三部分光返回到圓形模式反射型偏振器。第三部分光是第二部分光
4的一部分，并且具有可被圓形模式反射型偏振器透射的第一圓形偏振。在另一方面，本發(fā)明提供了制備背光源的方法。該方法包括提供照明設備和圓形 模式反射型偏振器；為鏡面局部反射器選擇正交反射比率值以導致優(yōu)化的背光源亮度；在 照明設備與圓形模式反射型偏振器之間設置具有所選正交反射比率值的鏡面局部反射器。 此外，鏡面局部反射器與圓形模式反射型偏振器基本上直接偏振連通。在下面的具體實施方式
中，本發(fā)明的這些方面以及其它方面將顯而易見。然而，在 任何情況下不應將上述發(fā)明內容理解為是對要求保護的主題的限制，該主題僅受所附權利 要求書的限定，并且在審查期間可以進行修改。


本發(fā)明結合附圖進行描述，一般來講，圖中相同的標號表示相同的元件，并且其 中圖1為可包括光管理元件的光學顯示器的一個實施例的示意性剖視圖。圖2為光學顯示器的另一個實施例的示意性剖視圖。圖3為照明設備的一個實施例的示意性剖視圖。圖4為背光源系統(tǒng)的一個實施例的照明設備的一部分和光管理元件的示意性剖 視圖。圖5為圓形模式反射型偏振器的一個實施例的示意性剖視圖。圖6為具有涂層的圓形模式反射型偏振器的一個實施例的示意性剖視圖。圖7為具有涂層的光學薄膜的一個實施例的示意性剖視圖。圖8為多層鏡面局部反射器的一個實施例的示意性剖視圖。圖9為示出照明設備和光管理元件的多種實施例的亮度性能與所包括的鏡面局 部反射器數(shù)量之間關系的圖表。
具體實施例方式通常，本發(fā)明提供可有效循環(huán)偏振光的背光源。此類偏振光可以用來照明光學信 息顯不器。液晶顯示器的背光源向顯示器的液晶面板提供光，該液晶面板僅利用具有透射穿 過面板的入口偏振器的“通過型”偏振的光形成圖像。液晶面板上具有“受阻型”偏振的入 射光通常被入口偏振器吸收并消耗。因此，令人關注的是使由背光源發(fā)出的到達面板的通 過型偏振光的量最大化，并且使到達面板的受阻型偏振光的量最小化。使通過型偏振光最大化并使受阻型偏振光最小化的一種技術是在背光源與液晶 面板之間設置反射型偏振器，以將通過型偏振光透射到液晶面板并且將受阻型偏振光反射 到背光源中。然后，反射的受阻型偏振光可轉變?yōu)橥ㄟ^型偏振光，并且在第二次相遇或后續(xù) 相遇時透射穿過反射型偏振器。光從受阻型偏振到通過型偏振的轉變可以多種方式發(fā)生。上述轉變可能是背光源 中的光散射的結果，該散射往往會使偏振隨機化。在隨機化的情況下，至多一半受阻型偏振 光可能會在給定循環(huán)內經(jīng)散射轉變?yōu)橥ㄟ^型偏振光。受阻型偏振光在第二次或后續(xù)時間遇 到反射型偏振器時，可以再次反射到背光源中，因而有機會再次被隨機化和最終發(fā)射，但由
5于存在損耗機制，每一次循環(huán)時光量都會減少。利用隨機化進行循環(huán)的背光源常常用于目 前可得的顯示器中。通過使用其它依賴確定性過程的光的偏振轉變機制，可以實現(xiàn)對背光 源性能的潛在改善。在本發(fā)明中，偏振轉變反射器可置于背光源中，以確定性地將光從受阻型偏振轉 變?yōu)橥ㄟ^型偏振，從而使光透射穿過反射型偏振器，然后透射到液晶面板上。此類反射器的 一種設置方式是設置在背光源的背部處。該設置方式的潛在缺點是通過型偏振光在從背部 中的反射器到達正面中的反射型偏振器時，可以從其它背光源元件散射或折射穿過這些元 件，從而可能劣化偏振。另一個選項是將偏振轉變局部反射器設置在背光源中更向前的位 置，靠近反射型偏振器，從而偏振轉變光可以在不遇到可能產(chǎn)生不良干涉的背光源元件的 情況下從反射器到達反射型偏振器。進行此類設計時需要考慮的是，局部反射器會在背光 源中的某些光達到反射型偏振器之前將其朝后反射。然而在本發(fā)明中所見的是，當考慮到 背光源系統(tǒng)的總體性能時，這種反射器布置方式的優(yōu)點可以彌補其缺點。圖1為光學顯示器100的一個實施例的示意性剖視圖。顯示器100包括液晶面板 110和可向液晶面板110提供光的背光源120。在一些實施例中，背光源120包括照明設備130和一個或多個設置在照明設備與 液晶面板Iio之間的光管理膜140。如本文進一步所述，照明設備130可包括一個或多個可 向液晶面板110提供照明光的光源(未示出)。光管理膜140可包括一個或多個多種光學 薄膜或其它可提高顯示器100的操作性的元件。它可包括例如影響光角分布的擴散片或棱 鏡增亮薄膜。一個或多個光管理膜140也可包括允許偏振光到達液晶面板110的反射偏振 膜。在一些實施例中，液晶面板110調制一種(“通過型”)偏振的光，并且吸收正交 (“受阻型”)偏振的光。根據(jù)液晶面板110的液晶部分(與顯示器100的像素或亞像素相 對應)的狀態(tài)，具有通過型偏振的入射光的偏振在一定程度上被旋轉，然后光被部分透射 并且部分吸收，具體取決于偏振的旋轉程度。在其它實施例中，可以設想基于除液晶之外其 它技術的偏振顯示模塊。在液晶面板110上的入射光中，液晶面板基本上只能調制具有通過型偏振的光的 部分，具有受阻型偏振的光的部分則主要被吸收并且未被使用。據(jù)此，可能有利的是在滿足 液晶面板的其它照明要求的情況下，以未使用的受阻型偏振為代價，將背光源120構造成 向液晶面板110有效傳輸盡可能多的通過型偏振光。為此，一個或多個光管理膜140可包 括向液晶面板110提供具有通過型偏振的光的反射型偏振器。反射型偏振器被設計成透射第一偏振的光(可為上述通過型偏振，或可通過例如 延遲片轉變?yōu)橥ㄟ^型偏振的偏振)并且反射正交的第二偏振的光。當光從照明設備130 入射到反射型偏振器時，具有第一偏振的光的部分朝液晶面板110透射，具有第二偏振的 光的部分則被反射。隨后，具有第二偏振的反射光的部分可以隨后被背光源內的任何結構 (如反射器，未示出)再次向前朝反射型偏振器反射。在再次向前反射的過程中，再反射光 的偏振可能會改變，使得光中的某些此刻處于可透射的第一偏振。仍保持第二(反射)偏 振的光可以進一步被反射，直至最終以第一偏振透射穿過反射型偏振器，或在光學腔中被 吸收。在上述過程中，反射型偏振器使得具有第二偏振的本來未使用的光被“循環(huán)利用”。 有關組裝了反射型偏振器的顯示器的描述可見于如美國專利No. 6，025，897 (Weber等人)。
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本文所述循環(huán)利用的背光源可依靠一種或多種機制將被反射型偏振器反射的具 有第二偏振的光中的某些轉變?yōu)榫哂锌赏干涞牡谝黄竦墓狻Ｍǔ?，離開照明設備130的 后反射器的光被再反射時會發(fā)生這種情況。在該再反射(有時是漫反射)過程中，偏振可 能被攪亂、隨機化或者說是混合。偏振態(tài)的改變也可能在光透射穿過其它背光源元件或被 該背光源元件反射時發(fā)生。一般來講，只有朝反射型偏振器反射回來的光的一部分存在于 可透射的第一偏振中。如果具有第二偏振的反射光可被有效轉變?yōu)榫哂锌赏干涞牡谝黄竦墓獠⑶曳?回反射型偏振器，則背光源就能夠更有效地將第一偏振的光遞送到液晶面板110。利用圓形 偏振的性質可提供實現(xiàn)上述目的的途徑。鏡面反射會顛倒圓形偏振光的旋向性并且為正交 偏振態(tài)之間的轉變提供簡單的確定性過程?？捎稍诒彻庠聪到y(tǒng)后部處的后反射器提供這種 鏡面反射，但位于后反射器與反射型偏振器之間的光學元件可能會妨礙由第二偏振向第一 偏振的簡單轉變。通過正確設置背光源元件，可以避免出現(xiàn)這種復雜情況。本文描述了包 括一個或多個鏡面反射器和圓形模式反射型偏振器的背光源。圖2為光學顯示器200的一個實施例的示意性剖視圖。顯示器200包括液晶面板 210和背光源220。背光源220包括照明設備230和一個或多個設置在液晶面板210與照 明設備230之間的光管理膜240。照明設備230包括一個或多個光源232。光源232可為線性冷陰極熒光燈(CCFL)。 然而，可以采用其它類型的光源232，例如其它各種熒光燈、白熾燈、發(fā)光二極管、有機發(fā)光 二極管或已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為合適的任何其它光源。照明設備230可包括后反射器234。后反射器234可以為鏡面反射器、漫反射 器或鏡面反射器和漫反射器的組合。鏡面反射器的一個實例為得自3M公司的Vikuiti Enhanced Specular Reflector(ESR) (Vikuiti 增強型鏡面反射器)膜。合適的漫反射器 的實例包括填充有漫反射粒子的聚合物。漫反射器的其它實例(包括微孔材料和含纖絲材 料)在如美國專利6，497，946 (Kretman等人)中有所描述。除本文所列類型之外的其它類 型反射器也可以用于后反射器234。顯示器200可以被描述為“直接照明式”，其具有直接設置在液晶面板210后面的 光源232。在其它實施例中，顯示器200可包括側光式照明設備，如圖3的側光式照明設備 330。照明設備330包括設置在光導336的一個或多個邊緣337處或其附近的一個或多個光 源332。光導336具有大致平面的塊或楔形形狀，但也可以采用任何合適的形式。光源332 通常被光源反射器333包圍，該光源反射器促進由光源發(fā)出并且經(jīng)邊緣337射入光導336 中的光的光學耦合。光在光導336內傳播，部分地受助于全內反射，然后經(jīng)出口表面338離 開照明設備330朝液晶面板透射。照明設備330也可以包括后反射器334，該后反射器可 以起到以液晶面板方向重新導向光線的作用。后反射器334可以直接附接到光導336(如 (例如)美國專利No. 6，447，135 (Wortman等人)所述)，或可以為自立式結構。返回圖2，一個或多個光管理膜240可包括光學薄膜以及可能旨在提高和改善背 光源性能的其它結構。在一些實施例中，一個或多個光管理膜240可包括圓形模式反射型 偏振器242。圓形模式反射型偏振器幾乎完全反射入射到其上的具有一種旋向性的圓形偏 振光，并且?guī)缀跬耆干渚哂衅渌恍蛐缘膱A形偏振光。應該指出的是，圓形模式反射 型偏振器242所反射的光基本保持入射到偏振器上之前表征它的相同圓形偏振旋向性。透
7射穿過圓形模式反射型偏振器242的光可以具有或不具有其入射到偏振器上之前所具有 的偏振，具體取決于偏振器的詳細構造，下文將進一步討論。圓形模式反射型偏振器242可 以為自立式膜，或可以附接到顯示器200中的另一個結構。在一些實施例中，圓形模式反射 型偏振器242附接到液晶面板210。圓形模式反射型偏振器242可包括任何合適的反射型偏振器，如美國專利 No. 5，793，456 (Broer等人)中所述的偏振器。通常，圓形模式反射型偏振器可以多種方式 形成。圓形模式反射型偏振器可采用膽留型液晶材料形成。膽留型液晶化合物通常為手性 分子，并且可為聚合物。膽留型液晶化合物包括具有膽留型液晶相的化合物，在該膽留型液 晶相中，液晶的指向矢(即限定局部平均分子排列方向的單位矢量)沿著與該指向矢垂直 的維度以螺旋的方式旋轉。膽留型液晶化合物的間距為指向矢旋轉360度后(在垂直于指 向矢的方向)所經(jīng)過的距離。該距離通常為IOOnm或更大。通常可通過使膽留型液晶化合物與向列型液晶化合物混合或者說是組合(如通 過共聚)來改變膽留型液晶材料的間距。間距取決于膽留型液晶化合物和向列型液晶化合 物的相對重量比。通常間距可選擇為接近關注的光的波長。指向矢的螺旋扭曲致介電張量 方面發(fā)生空間周期性變化，該變化又引起光的波長選擇性反射。例如，可選擇間距，使得選 擇性反射在可見光、紫外或紅外波長內達到反射峰。膽留型液晶組合物(含有或不含為改變間距而添加的額外的向列型液晶化合物 或單體)可形成為層，該層在特定光波長帶寬內幾乎完全反射具有一種圓形偏振的光(如 左旋或右旋圓形偏振光)，并且?guī)缀跬耆干渚哂衅渌鼒A形偏振的光(如左旋或右旋圓形 偏振光)。此表征描述了以垂直入射角度被導向膽留型液晶材料的指向矢的光的反射或透 射。在其它角度處被導向的光通常被膽留型液晶材料橢圓形偏振。通常相對于垂直入射光 來表征膽留型液晶材料；然而將認識到，可利用已知技術確定這些材料對非垂直入射光的 響應。具有恒定間距的膽甾型液晶層會在有限的帶寬(通常IOOnm或更小)內顯示具有 反射性。為了提高由膽留型液晶材料形成的反射型偏振器的有效性，可采用具有不同間距 的多個層，或采用具有離散或連續(xù)可變間距的單個層。這種構造可得到帶寬較寬的反射型 偏振器，其帶寬覆蓋(例如)從大約400至700nm的可見光譜。有關膽甾型液晶的制造工藝 和光學體的討論可見于美國專利No. 6，573，963 (Ouderkirk等人)、No. 6，876，427 (Watson 等人)、Νο· 6，913，708 (Solomonson 等人)和 No. 6，917，399 (Watson 等人)。合適的膽甾型 液晶膜的一個實例是Nipocs (可得自Nitto Denko (Japan))。圓形模式反射型偏振器也可以由其它光學元件的組合制成。圖5為由線性模 式反射型偏振器544和四分之一波長延遲片546的組合形成的圓形模式反射型偏振 器542的剖視圖。這兩個大致為平面的元件544和546可以如圖所示物理地連接，或 可以分離。線性模式反射型偏振器的實例包括Vikuiti DBEF多層光學薄膜反射型偏 振器(如美國專利No. 5，882，774(Jonza等人)中所述)和DRPF漫反射偏振膜(如美 國專利No. 5，825，543 (Ouderkirk等人)中所述)，二者均得自3M公司。如美國專利 No. 6，122，103 (Perkins等人)中所述的線柵偏振器是另一種類型的線性模式反射型偏振 器?？衫?例如)取向的聚合物材料(例如聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯 醇)或被涂覆的液晶材料制成四分之一波長延遲片。
在此類圓形模式反射型偏振器542中，線性模式反射型偏振器544透射具有第一 線性偏振的光，并且反射具有正交的第二線性偏振的光。通常，當線性模式反射型偏振器 544反射的線性偏振光隨后穿過四分之一波長延遲片546時，會產(chǎn)生橢圓形偏振光。如果 四分之一波長延遲片546的高速軸在相對于線性模式反射型偏振器544的反射光的偏振軸 45度角處取向，會產(chǎn)生圓形偏振光。或者，就像本領域的技術人員可以理解的那樣，可使用 具有其它取向的其它延遲片來進行從線性偏振到圓形偏振、近圓形偏振或橢圓形偏振的轉 變。返回圖2，一個或多個光管理膜240還可包括鏡面局部反射器250。鏡面局部反射 器250位于照明設備230與圓形模式反射型偏振器242之間。在各種實施例中，鏡面局部 反射器250可以采用多種形式，包括圖2所示的自立式元件，或作為附接到背光源另一個結 構的涂層或其它元件。從面向圓形模式反射型偏振器242的一側入射到鏡面局部反射器 250的光以基本上鏡面的方式被局部反射。鏡面局部反射器250對光進行的這種鏡面反射 通常導致圓形偏振光的旋向性的顛倒，從而使反射光處于可以隨后被圓形模式反射型偏振 器242透射的狀態(tài)，下文將詳細描述。未被鏡面局部反射器250反射的光的部分可以被鏡 面透射，也可以不被鏡面透射。對于從面向照明設備230的一側入射到鏡面局部反射器250 上的光，反射和透射(各獨立地考慮)可以是鏡面的或可以不是鏡面的。鏡面局部反射器250可包括任何合適的膜或其它光學元件?？梢杂杀彻庠粗芯哂?另一個功能的元件提供鏡面局部反射。例如，可以由用作覆蓋片的低密度表面紋理膜提供 鏡面局部反射器250，該膜設置在一系列光學薄膜頂部處或者說是位于一系列光學薄膜的 外邊界處。也可由光導336的出口表面338或由光管理膜240中的一個的另一個表面提供 鏡面局部反射器250。也可以由專用膜提供鏡面局部反射器250。鏡面局部反射器可以多種方式形成。鏡面局部反射器可以由基本上整片透明電介 質材料形成。可以利用菲涅耳公式結合電介質折射率方面的知識預測此類鏡面局部反射器 的主表面的反射率。合適的材料包括聚合物，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或聚甲 基丙烯酸甲酯。形成鏡面局部反射器的其它方式包括采用薄的金屬化層或金屬層、采用圖 案化的金屬化層或金屬層、或采用具有不同反射率和透射率的區(qū)域。這樣的層可以涂覆到 電介質基底或塊上或嵌入其內。電介質或金屬局部反射層可以涂覆到、附接到或者說是連接到背光源中的另一個 光學結構或基底上，從而得到鏡面局部反射器。該結構或基底可以提供不同于反射器的光 學功能。例如，在圖6的剖視圖中，局部反射層650附接到圓形模式反射型偏振器642。在 圖7的剖視圖中，局部反射層750連接到光學薄膜760。就電介質層而言，折射率相對較高 的電介質可能是理想的，因為其通常會提供相比周圍介質更大的折射率差，因而可以產(chǎn)生 更強的反射。鏡面局部反射器可以利用來自多個主表面的反射。在由整片透明電介質材料形成 的鏡面局部反射器中，片材的兩個表面都可以起到以鏡面方式反射光的作用。又如，透明電 介質材料的多層光學薄膜疊堆可作為設計反射器的基礎。圖8為包括電介質材料交替層 852和854的多層鏡面局部反射器850的示意性剖視圖。若干參數(shù)可以影響多層疊堆的反 射率，其中包括層的厚度以及疊堆中的層的折射率之間的關系。疊堆可以設計成具有高低 折射率交替的多個光學薄層，即具有接近關注的波長的厚度的層，以使用標準薄膜光學設計原則來獲得光學干涉效應?；蛘?，也可以使用厚度接近多個波長的厚層，該厚層要么是高 低折射率交替的材料、要么是相同材料，而不存在影響性能的干涉效應。設計鏡面局部反射器時考慮的另一個因素是反射器中所用電介質材料的雙折射。 雙折射可以至少兩種方式影響反射器的性能。首先，在光在雙折射電介質內傳播的任何反 射器中，雙折射可以影響或改變光的偏振。通常，圓形偏振光可以轉變?yōu)闄E圓形偏振態(tài)。其 次，具有雙折射材料的界面對光波的反射通常對材料的雙折射率敏感，因為如菲涅耳公式 所述，根據(jù)沿著偏振軸的折射率的不同，光波的偏振分量將被不同程度地反射。在本發(fā)明 中，某些鏡面局部反射器包括一種或多種基本上非雙折射的材料。如本文所述，本發(fā)明的鏡面局部反射器將具有這樣的性質即從面向圓形模式反 射型偏振器的一側入射到其上的光會以基本上鏡面的方式被局部反射。通常，以垂直入射 角度垂直入射到各向同性的基底的圓形偏振光的鏡面反射會導致反射光具有相反(正交) 的偏振旋向性。就反射偏離鏡面的程度而言，反射光的偏振與入射光的偏振之間的關系可 能不太確定。例如，用具有質地粗糙表面的光學片代替鏡面局部反射器，會導致混合偏振的 高度漫反射光。另外，如本文所述，雙折射基底可以導致不完全顛倒圓形偏振光的旋向性的 鏡面反射。考慮到這些影響和其它影響，可以通過以正交于入射光的偏振態(tài)中反射的入射 圓形偏振光的比率來表征反射器，該比率可以稱為正交反射比率。例如，假設入射光來自空 氣，由折射率為1. 5的各向同性的材料形成的反射器標稱可反射4%的垂直入射光。如果該 實例中的反射表面非常平滑，反射器的正交反射比率值可以接近4%。如果我們考慮這種材 料的片材的兩面均平滑，則該值可以接近8%。由相同材料形成但具有高度漫反射的非常 粗糙表面的替代反射器可以顯著地使偏振隨機化，并且正交反射比率可以低得多，例如約
2 % ο再次返回圖2，其它元件(例如示例性光學薄膜260)也可包括在一個或多個光管 理膜240中。光學薄膜260可為影響光角分布的膜，例如得自3M公司的Vikuiti BEF-III 增亮薄膜。有關增亮薄膜的說明可見于如美國專利N0.5，771，328(W0rtman等人)和 No. 6，354，709 (Campbell等人)。這種增亮薄膜通常包括將偏軸光的方向改變?yōu)楦拷@ 示器軸線方向的表面結構。其它可能的元件包括(但不限于)擴散片、擴散板、增益擴散片、 轉向膜、偏振器、反射型偏振器、延遲片或半穿透反射板。在圖2中，光學薄膜260被描述為 位于鏡面局部反射器250與照明設備230之間。在一些實施例中，偏振器242和反射器250之間存在直接光學連通，使得兩者間傳 播的光基本上不受其各種物理特性(例如輻射率、傳播方向、光譜組成和偏振態(tài))的影響。 在其它實施例中，偏振器242和反射器250之間所傳播光的物理特性中的一者或多者會受 居間背光源元件的影響，而一種或多種其它特性則保持基本不受影響。當元件之間所傳播 光的物理特性不受影響時，該元件可以被描述為(例如)“直接偏振連通”或“直接光譜連 通”。在本發(fā)明的一些實施例中，圓形模式反射型偏振器242和鏡面局部反射器250基本上 為直接偏振連通。液晶面板210的構型通常部分取決于顯示器200的背光源220的構型。在如圖2 所示的一個實施例中，液晶面板210包括具有相關電極矩陣的液晶層212、延遲片214、第一 吸收型偏振器216和第二吸收型偏振器218。在該實施例中，從圓形模式反射型偏振器242 傳播的光和液晶面板210上的入射光均為圓形偏振光。延遲片214影響光的組成偏振分量的相位，從而將其從圓形偏振光轉變?yōu)榫€性偏振光。然后，這種線性偏振光入射到第一吸收 型偏振器216上，其透光軸與來自延遲片214的光的偏振軸一致。第一吸收型偏振器216 起到增大進入液晶層212的光的偏振對比度的作用。第一吸收型偏振器216有時可以被稱 為“清理”偏振器。在另一個實施例中，液晶面板210不一定包括延遲片214。這種構型適用于其中圓 形模式反射型偏振器242將線性偏振光傳播至液晶面板210的背光源。在其它實施例中， 液晶面板210可以不含第一吸收型偏振器216，但包括第二吸收型偏振器218，并且可任選 地在液晶層212與第二吸收型偏振器之間具有延遲片。液晶面板的其它實施例可以包括偏 振器和延遲片的其它構型。本文所述的背光源構形可利用偏振光有效地照明液晶面板。通常，這些構形有效 地循環(huán)從反射型偏振器反射的光，并且在光從背光源朝液晶面板傳播過程中隨后相遇時將 這種反射光轉變?yōu)榭杀环瓷湫推衿魍干涞钠駪B(tài)。下文通過描述圖4的示意性剖視圖所 示背光源420的操作方面來闡明這些思想。背光源420包括照明設備430，照明設備430包括一個或多個光源432和后反射器 434。一個或多個光管理膜440包括圓形模式反射型偏振器442和設置在圓形模式反射型偏 振器442與照明設備430之間的鏡面局部反射器450。圖4也包括指示光在背光源420中 傳播方向的箭頭。通常，該圖中箭頭的方向性僅參照光朝向(向上)或遠離(向下)背光 源的輸出方向有意義，背光源的輸出方向朝圖的頂部(向上)，例如液晶面板應處的位置。 圖中箭頭指向右側只是為了清楚起見，而不應理解為具有限制性；實際的光線也可能朝左 傳播，以及以多種角度傳播。結合從光源432發(fā)出的示例性光460的部分的分析繼續(xù)討論背光源420的操作。 在與鏡面局部反射器450相互作用之后，光460的部分透射穿過局部反射器成為光462，并 且部分被反射成為光464。光462隨后與圓形模式反射型偏振器442相互作用。在偏振器 442處，入射光462的一部分透射離開背光源420成為右旋圓形偏振光466R，并且部分被反 射成為左旋圓形偏振光468L。(在本實例中，偏振器442對右旋圓透射和左旋圓反射的選 擇完全是任意的，并且可以反過來。)反射光468L返回鏡面局部反射器450，其中光的一部分被透射成為左旋圓形偏振 光470L，并且光的一部分被反射成為右旋圓形偏振光472R。鏡面局部反射器450產(chǎn)生的鏡 面反射可轉變反射光的偏振。這種轉變使得光472R處于可透射穿過圓形模式反射型偏振 器442的正確狀態(tài)，從而導致透射光474R。這樣，鏡面局部反射器450有助于形成循環(huán)腔以 用于背光源420。從鏡面局部反射器450朝下傳播的光464和470L以及從光源432朝下傳播的光 476總共表示朝后反射器434傳播的光。這個光被后反射器434反射，用光478總共表示的 反射光朝鏡面局部反射器450傳播，其中光478的至少一部分可以從背光源420中透射成 為右旋圓形偏振光。這樣，后反射器434也有助于形成循環(huán)腔以用于背光源420。反射光478的偏振受后反射器434的特性和在鏡面局部反射器450下面的任何其 它結構的特性所影響。光478的偏振可以部分確定地取決于光464、470L和476的偏振態(tài)； 光478的偏振也可以部分被隨機化，具體取決于(例如)所進行反射的類型以及光所穿透 透明材料的雙折射率等因素。相比之下，可高度確定地偏振由鏡面局部反射器450射出的左旋圓形偏振光468L的局部反射所產(chǎn)生的右旋圓形偏振光472R。具有圓形模式反射型偏振器和鏡面局部反射器的背光源系統(tǒng)的性能取決于多種 因素，包括鏡面局部反射器的反射性。這種反射性可以如本文所定義的由正交反射比率值 來量化。隨著正交反射比率值增大，由圓形模式反射型偏振器向鏡面局部反射器傳播的更 大比例的第二偏振光(如圖4中的468L)將以可透射的第一偏振(如472R)循環(huán)返回偏振 器。與此同時，增大的反射率會減少從照明設備(如460、478)到達偏振器(如462)的光 量?？梢詢?yōu)化正交反射比率值，以使亮度或其它用來描述背光源向液晶面板提供的光的可 測量參數(shù)最大化。本文描述了說明本發(fā)明的這一方面的研究。利用模型系統(tǒng)對采用鏡面局部反射器的背光源系統(tǒng)的性能進行模擬。將各種組合 的背光源元件置于照明設備的頂部表面上，然后測量系統(tǒng)的性能。照明設備是由漫射性白 色特氟隆""材料的面板構造的邊長為大約13cm的立方體。利用光纖束將光引入立方體的內 部。立方體內部的多次反射起到使光均質化的作用，從而形成來自立方體表面的高度均一 和均勻的輸出。首先，利用照明設備本身對其頂面進行基準測定過程。使用PhotoResearch PR-650分光輻射譜儀測量亮度。進行基準測定過程之后，將反射型偏振器置于照明設備上， 然后重復測定過程。接下來，在反射型偏振器與照明設備之間放入數(shù)量不斷增加的玻璃反 射片(顯微鏡用載波片)作為鏡面局部反射器，進行一系列測定過程?？刹捎脠A形模式反 射型偏振器和線性模式反射型偏振器執(zhí)行該方案。使用得自Nitto Denko(Japan)的膽甾 型液晶膜Nipocs 作為圓形模式反射型偏振器。使用得自3M公司的DBEF-E和其它類似的 DBEF變體作為線性反射型偏振器。圖9示出以下三種背光源構形中亮度(以cd/m2為單位進行測量，即“尼特”)隨 玻璃反射片(每個玻璃片具有兩個主表面)的數(shù)量的變化(a)具有圓形模式反射型偏振 器的背光源構形；(b)具有線性模式反射型偏振器的背光源構形；(c)沒有偏振器的背光源 構形。曲線900a示出，隨著系統(tǒng)中加入玻璃片亮度隨之增大(從而正交反射比率增大)，直 到放入三塊玻璃片時亮度達到峰值，此后隨著玻璃片的增加亮度不斷降低。亮度增大的原 因是，玻璃片的鏡面反射改善了光的循環(huán)利用。據(jù)推測，玻璃片超過三片時亮度降低是由于 光從照明設備穿過玻璃片不斷增加的反射型疊堆到反射型偏振器的透射受阻。與曲線900a 所示的系統(tǒng)響應相比之下，曲線900b所表示的線性模式反射型偏振器背光源的性能示出 鏡面局部反射器疊堆的反射率增大只會降低亮度。這是預料之中的，由于鏡面反射不會改 變光的偏振態(tài)，因而它對線性偏振光的循環(huán)利用沒有幫助。曲線900c示出了只有玻璃片的 背光源的亮度，該曲線示出，加入第一塊玻璃片時亮度有所增加。據(jù)信，這是光線離開玻璃 片底部后向上傾斜的傳播光線的掠反射所導致。朝照明設備往回反射的該光中的某些以更 靠近垂直的角度向上穿過疊堆循環(huán)利用，并且同軸亮度測量值對該角度敏感。雖然本發(fā)明參照圓形偏振光和圓形模式偏振器討論了背光源的操作和性能的方 面，但本領域的技術人員將會認識到，完全圓形偏振光的純偏振態(tài)通常被視為數(shù)學構造，而 在真實系統(tǒng)中，圓形偏振光通常包括一定程度的橢圓率。此外，本發(fā)明的背光源的有益效果 可以通過涉及除純圓形偏振以外的偏振態(tài)的系統(tǒng)實現(xiàn)，因此此類系統(tǒng)通常應被視為在本公 開范圍內。除了與本公開可能直接抵觸的程度，本文引用的參考文獻及出版物明確地以引用 方式全文并入本文中。對本發(fā)明涉及的示例性實施例進行了討論并參考了本公開范圍內可能的變型。在不脫離本公開范圍的前提下，本公開中的這些及其它變型形式和修改形式對 于本領域的技術人員來說將顯而易見，并且應當理解，本公開并不限于本文示出的示例性 實施例。因此，本公開僅受以下提供的權利要求書的限制。
權利要求
一種背光源，包括照明設備，其具有至少一個光源；圓形模式反射型偏振器；和鏡面局部反射器，其設置在所述照明設備與所述圓形模式反射型偏振器之間；其中所述鏡面局部反射器與所述圓形模式反射型偏振器基本上直接偏振連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述照明設備還包括光導，其中所述至少一個 光源被光學耦合到所述光導的邊緣。
3.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述圓形模式反射型偏振器包括膽留型液晶層。
4.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述圓形模式反射型偏振器包括 線性模式反射型偏振器；和四分之一波長延遲片，其設置在所述線性模式反射型偏振器與所述鏡面局部反射器之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括設置在基底上的層， 所述基底具有與所述鏡面局部反射器的光學功能不同的光學功能。
6.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括設置在所述圓形模式 反射型偏振器上的涂層。
7.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括金屬化的局部反射
8.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括多個基本上鏡面反射 的主表面。
9.根據(jù)權利要求8所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器包括多層光學薄膜。
10.根據(jù)權利要求9所述的背光源，其中所述多層光學薄膜包括一個或多個聚合物層。
11.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器的正交反射比率值至少 為2%。
12.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器的正交反射比率值至少 為4%。
13.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器的正交反射比率值至少 為8%。
14.根據(jù)權利要求1所述的背光源，其中所述鏡面局部反射器具有為導致優(yōu)化背光源 亮度而選擇的正交反射比率值。
15.一種顯示器，所述顯示器具有液晶面板和背光源，所述背光源向所述液晶面板提供 光，其中所述背光源包括照明設備，其包括至少一個光源；圓形模式反射型偏振器，其設置在所述液晶面板與所述照明設備之間；和 鏡面局部反射器，其設置在所述照明設備與所述圓形模式反射型偏振器之間； 其中所述鏡面局部反射器與所述圓形模式反射型偏振器基本上直接偏振連通。
16.一種用于提供偏振光的背光源，包括 照明設備，其包括至少一個光源； 圓形模式反射型偏振器，所述圓形模式反射型偏振器被構造成透射第一部分光并且反 射第二部分光，所述第一部分光具有第一圓形偏振，所述第二部分光具有第二圓形偏振，所 述第二圓形偏振與所述第一圓形偏振正交；和鏡面局部反射器，所述鏡面局部反射器設置在所述照明設備與所述圓形模式反射型偏 振器之間，所述鏡面局部反射器適用于接納來自所述圓形模式反射型偏振器的所述第二部 分光并將第三部分光返回所述圓形模式反射型偏振器，所述第三部分光是所述第二部分光 的一部分并且具有可被所述圓形模式反射型偏振器透射的所述第一圓形偏振。
17. 一種制備背光源的方法，包括 提供照明設備； 提供圓形模式反射型偏振器；為鏡面局部反射器選擇正交反射比率值以導致優(yōu)化的背光源亮度；以及 將具有所述選擇的正交反射比率值的鏡面局部反射器設置在所述照明設備與所述圓 形模式反射型偏振器之間，其中所述鏡面局部反射器與所述圓形模式反射型偏振器基本上 直接偏振連通。
全文摘要
本發(fā)明描述了在顯示器背光源(120、220、420)中，將鏡面局部反射器(250、450)設置在圓形模式反射型偏振器(242、442)與照明設備(230、430)之間。鏡面局部反射器(450)循環(huán)利用從圓形模式反射型偏振器(442)反射出的本來不使用的偏振光(468L)，從而優(yōu)化背光源的亮度。背光源(120)主要應用于液晶顯示器(100)中。
文檔編號G02F1/1335GK101910919SQ200880123090
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月22日 優(yōu)先權日2007年12月28日
發(fā)明者菲利普·E·沃森, 馬克·B·奧尼爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司