專利名稱：具有結(jié)構(gòu)化膜的中空背光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于從背后照明顯示內(nèi)容或圖像的擴(kuò)展面光源，其通常被稱為背光 源。
背景技術(shù)：
從歷史上看，簡單的背光源裝置僅包括三個主要組件光源或燈、后反射器和前漫 射片。這樣的系統(tǒng)還通用于廣告指示牌以及室內(nèi)照明應(yīng)用。近年來，已經(jīng)通過添加其他組件對這種基本背光源設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，以增加亮度 或減小功耗、增加均勻度、和/或減小厚度。由于高速增長的消費電子產(chǎn)品行業(yè)對包含液晶 顯示器(IXD)的產(chǎn)品(例如，計算機(jī)監(jiān)控器、電視監(jiān)控器、移動電話、數(shù)碼相機(jī)、袖珍MP3音 樂播放器、個人數(shù)字助理(PDA)以及其他手持式裝置的需求，更刺激了這些改進(jìn)。本文中結(jié) 合關(guān)于LCD裝置的進(jìn)一步的背景信息提及了這些改進(jìn)中的一些，例如使用固態(tài)導(dǎo)光裝置以 允許設(shè)計非常薄的背光源，以及使用光管理膜(例如線形棱柱膜和反射偏振膜)以增加軸 向(on-axis)亮度。盡管上面列出的產(chǎn)品中的一些也可以使用普通環(huán)境光來觀看顯示內(nèi)容，但大部分 都包括用于使顯示內(nèi)容可見的背光源。就LCD裝置而言，這是因為LCD面板不是自發(fā)光的， 因此通常利用照明組件或“背光源”來觀看。背光源位于IXD面板的與觀看者相對的一側(cè)， 使得背光源產(chǎn)生的光透過IXD而到達(dá)觀看者。背光源包含一個或多個光源，例如冷陰極熒 光燈(CCFL)或發(fā)光二極管(LED)，并使來自所述光源的光散布在與LCD面板的可視面積匹 配的輸出面積上。有利的是，背光源所發(fā)出的光在背光源的整個輸出面積上具有足夠的亮 度和足夠的空間均勻度，以為使用者提供對LCD面板所生成圖像的令人滿意的觀看體驗。IXD面板通常僅使用光的一個偏振態(tài)，因此就IXD應(yīng)用而言，重要的是知道背光源的正確即可用偏振態(tài)的光的亮度和均勻度，而不僅只是可能為非偏振的光的亮度和均勻 度。在這一方面，在所有其他因素相同的情況下，與發(fā)射非偏振光的背光源相比，發(fā)射主要 為或全部為可用偏振態(tài)的光的背光源在LCD應(yīng)用中更為有效。然而，發(fā)射非全部為可用偏 振態(tài)的光(甚至到發(fā)射隨機(jī)偏振的光的程度)的背光源仍完全可用于IXD應(yīng)用，這是因為 可通過在LCD面板和背光源之間設(shè)置吸收型偏振片來消除不可用的偏振態(tài)。通常認(rèn)為IXD裝置可分成三類，在這三類中有兩類使用背光源。在第一類(稱作 “透射型”)中，IXD面板僅可借助于發(fā)光背光源來觀看。也就是說，IXD面板被構(gòu)造為僅“在 透射模式下”通過使來自背光源的光透過LCD而到達(dá)觀看者來觀看。第二類(稱作“反射 型”)不需要背光源，用反射材料代替背光源，并且LCD面板被構(gòu)造為可僅用位于LCD的觀 看者一側(cè)的光源來觀看。來自外部光源的光(例如，室內(nèi)環(huán)境光)從前至后透過IXD面板， 被反射材料反射，并再次透過LCD而到達(dá)觀看者。第三類(稱作“透反射型”)的背光源和 部分反射材料均被置于IXD面板后面，IXD面板被構(gòu)造為既可在背光源打開時在透射模式 下觀看，也可在背光源關(guān)閉而存在充足的環(huán)境光時在反射模式下觀看。除了上面討論的三類IXD顯示器之外，還可根據(jù)內(nèi)部光源相對于背光源的輸出面 積的布置位置將背光源分為兩類，其中背光源“輸出面積”對應(yīng)于顯示裝置的可視面積或區(qū) 域。背光源的“輸出面積”在本文中有時被稱為“輸出區(qū)域”或“輸出表面”，以區(qū)分區(qū)域或 表面本身與該區(qū)域或表面的面積(其單位為平方米、平方毫米、平方英寸等的數(shù)值量)。在“側(cè)光式”背光源中(從平面圖看)，一個或多個光源沿著背光源構(gòu)造的外邊界 或周邊(通常在與輸出面積對應(yīng)的面積或區(qū)域之外)設(shè)置。光源通常將光發(fā)射到被稱作“導(dǎo) 光裝置”的組件中，特別是在需要外形非常薄的背光源的情況下，例如在膝上型計算機(jī)顯示 器中。導(dǎo)光裝置是透光的、固體的且相對薄的板，其長度和寬度尺寸接近背光源輸出面積。 導(dǎo)光裝置使用全內(nèi)反射(TIR)，以將光從安裝在邊緣的光源橫跨導(dǎo)光裝置的整個長度或?qū)?度傳送或引導(dǎo)到背光源的相對邊緣，并且導(dǎo)光裝置的表面上設(shè)有局部提取結(jié)構(gòu)的非均勻圖 案，以將出自導(dǎo)光裝置的所導(dǎo)引光中的一些光再導(dǎo)向背光源的輸出面積。這樣的背光源通 常還包括光管理膜，例如設(shè)置在導(dǎo)光裝置后面或下方的反射材料以及設(shè)置在導(dǎo)光裝置前面 或上方的反射偏振膜和棱柱增亮膜，以增加軸向亮度。在申請人看來，現(xiàn)有側(cè)光式背光源的缺點或局限包括與導(dǎo)光裝置有關(guān)的較相對 大的質(zhì)量或重量，特別是對于較大的背光源尺寸而言；需要使用不可在背光源之間互換的 組件，因為導(dǎo)光裝置必須針對特定背光源尺寸并針對特定光源配置而注塑成形或以其他方 式加工；需要使用要求背光源具有一個位置到另一位置的基本的空間不均勻性的組件，如 當(dāng)前的提取結(jié)構(gòu)圖案一樣；并且，隨著背光源尺寸增加，由于沿著顯示器邊緣的有限空間或 “實際使用面積(real estate) ”導(dǎo)致提供足夠照明的難度增加，這是因為矩形的周長與面 積之比隨著面內(nèi)特征尺寸L(例如，對于給定縱橫比的矩形，背光源的輸出區(qū)域的長度、或 寬度、或?qū)蔷€尺寸)而線性減小(1/L)。在“直下式”背光源中(從平面圖看)，一個或多個光源基本上設(shè)置在與輸出面積 對應(yīng)的面積或區(qū)域中，通常在該區(qū)域內(nèi)以規(guī)則的陣列或圖案布置。強(qiáng)漫射板通常安裝在光 源上方，以將光擴(kuò)散到整個輸出面積上。同樣，光管理膜(例如反射偏振膜和棱柱增亮膜) 也可被置于漫射板頂上，以用于提高軸向亮度和效率。大面積LCD應(yīng)用往往使用直下式背 光源，因為直下式背光源不受側(cè)光式背光源的1/L約束的限制。
在申請人看來，現(xiàn)有直下式背光源的缺點或局限包括與強(qiáng)漫射板有關(guān)的低效； 就LED光源而言，需要大量這種光源以達(dá)到足夠的均勻度和亮度，相關(guān)聯(lián)地組件成本和發(fā) 熱量也高；對可實現(xiàn)的背光源薄度有限制，超過該限制，光源會產(chǎn)生不均勻和不期望的“穿 通”，在“穿通”情況下，在輸出面積中在每個光源上方會出現(xiàn)亮點。在一些情況下，直下式背光源也可在背光源的周邊處包括一個或一些光源，或者 側(cè)光式背光源可在輸出面積的正后方包括一個或一些光源。在這樣的情況下，如果大部分 光來自背光源輸出面積的正后方，則該背光源被認(rèn)為是“直下式”，如果大部分光來自背光 源輸出面積的周邊，則該背光源被認(rèn)為是“側(cè)光式”。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明提供了一種背光源，所述背光源包括前反射器和后反射器，所 述前反射器和后反射器形成具有輸出表面的中空的光再循環(huán)腔。所述前反射器包括第一 定向再循環(huán)膜，其具有沿第一軸線延伸的棱柱的陣列；以及第二定向再循環(huán)膜，其設(shè)置為使 得第一定向再循環(huán)膜位于第二定向再循環(huán)膜與后反射器之間。第二定向再循環(huán)膜具有沿第 二軸線延伸的棱柱的陣列。所述背光源還包括半鏡面漫射片，其設(shè)置在前反射器與后反射 器之間；以及一個或多個光源，其設(shè)置成在關(guān)于發(fā)射軸線的有限角度散布內(nèi)向光再循環(huán)腔 內(nèi)發(fā)射光，使得第一軸線平行于所述發(fā)射軸線。在另一方面，本發(fā)明提供了一種背光源，所述背光源包括前反射器和后反射器，所 述前反射器和后反射器形成具有輸出表面的中空的光再循環(huán)腔，其中所述前反射器包括至 少四個定向再循環(huán)膜。所述背光源還包括半鏡面漫射片，其設(shè)置在前反射器與后反射器之 間；以及一個或多個光源，其設(shè)置成可向光再循環(huán)腔內(nèi)發(fā)射光。在又一方面，本發(fā)明提供了一種顯示器，所述顯示器具有液晶面板以及向所述液 晶面板提供光的背光源。所述背光源包括前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器 形成具有輸出表面的中空的光再循環(huán)腔。所述前反射器包括第一定向再循環(huán)膜，其具有沿 第一軸線延伸的棱柱的陣列；以及第二定向再循環(huán)膜，其設(shè)置為使得第一定向再循環(huán)膜位 于第二定向再循環(huán)膜與所述后反射器之間。第二定向再循環(huán)膜具有沿第二軸線延伸的棱柱 的陣列。所述背光源還包括半鏡面漫射片，其設(shè)置在前反射器與后反射器之間；以及一個 或多個光源，其設(shè)置成在關(guān)于發(fā)射軸線的有限角度散布內(nèi)向光再循環(huán)腔內(nèi)發(fā)射光，使得第 一軸線平行于所述發(fā)射軸線。在再一方面，本發(fā)明提供了一種顯示器，所述顯示器具有液晶面板以及向所述液 晶面板提供光的背光源。所述背光源包括前反射器和后反射器，所述前反射器和后反射器 形成具有輸出表面的中空的光再循環(huán)腔，其中所述前反射器包括至少四個定向再循環(huán)膜。 所述背光源還包括半鏡面漫射片，其設(shè)置在前反射器與后反射器之間；以及一個或多個 光源，其設(shè)置成可向光再循環(huán)腔內(nèi)發(fā)射光。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(yīng)將上述發(fā)明內(nèi)容理解為是對要求保護(hù)的主題的限制，該主題僅受所附權(quán)利 要求書的限定，并且在審查期間可以進(jìn)行修改。


參照附圖描述本發(fā)明，其中圖1是顯示系統(tǒng)的一個實施例的示意性剖視圖。圖2是棱柱光學(xué)膜的一個實施例的一部分的示意性剖視圖。圖3是增益漫射片的一個實施例的示意性剖視圖。圖4是增益漫射片的另一個實施例的示意性剖視圖。圖5是背光源的一個實施例的示意性透視圖。圖6是具有半鏡面漫射片的背光源的一個實施例的示意性剖視圖。圖7是多功能光學(xué)膜的一個實施例的一部分的示意性剖視圖。
具體實施例方式總的來說，本發(fā)明描述背光源，所述背光源可提供足以滿足預(yù)期應(yīng)用的亮度和空 間均勻度。這樣的背光源可用于任何合適的照明應(yīng)用，例如顯示器、指示牌、普通照明等。在 一些實施例中，所描述的背光源包括由前反射器和后反射器形成的中空導(dǎo)光裝置。前反射 器可以是部分透射的，從而允許發(fā)射具有所需光學(xué)特性或光學(xué)特性組合的光。在一些實施 例中，所需光學(xué)特性可包括所選的偏振態(tài)；在其它實施例中，所需光學(xué)特性可包括具有所選 視角的發(fā)射光。在一些示例性實施例中，本發(fā)明揭示的背光源平衡以下特性1)光的再循環(huán)量； 2)光在腔內(nèi)的散射程度；以及3)導(dǎo)入腔內(nèi)的光的角度與空間散布。這種平衡/定制可通 過再循環(huán)以及(可選)受控的漫射量而在腔內(nèi)(既在空間也在角度上)基本上充滿光。所 述再循環(huán)量足以實現(xiàn)所需背光源的均勻度、效率和亮度。這種平衡還可提供這樣的背光源， 所述背光源的亮度和均勻度可適合高性能顯示應(yīng)用，但所述背光源還具有此前不可實現(xiàn)的 形體比例(例如，薄型設(shè)計)、光學(xué)性質(zhì)(例如，對于給定光源發(fā)射面積的大輸出面積)或電 效率。在傳統(tǒng)背光源中，設(shè)計給定的亮度值和照明均勻度的背光源時，燈與漫射片的間 距、燈與燈的間距以及漫射片透射性是重要的考慮因素。一般來講，強(qiáng)漫射片(即能漫射更 多入射光的漫射片)能改善均勻度，但同時會降低亮度，這是因為高的漫射強(qiáng)度會伴隨著 強(qiáng)的反向漫射即反射。這樣的強(qiáng)漫射片還會增大背光源外形的總體厚度。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，部分透射的前反射器可提供更高的照明均勻度和/或 顏色混合，而不需要強(qiáng)漫射片，從而減小背光源的厚度外形。在背光源包括能夠生成具有不同峰值波長或顏色的光的光源(例如紅色、綠色、 藍(lán)色LED的陣列)的一些實施例中，高再循環(huán)腔可用來散布光，使得被導(dǎo)向裝置外的光的顏 色和強(qiáng)度更均勻。例如，當(dāng)需要白色照明光時，腔可混合來自各個顏色光源的光，使得液晶 面板呈現(xiàn)更均勻的白光。這樣的再循環(huán)腔可以比使用的標(biāo)準(zhǔn)背光源(例如，LC顯示器中的 背光源)薄得多。本發(fā)明的背光源可用作顯示系統(tǒng)(例如，LC顯示器)的背光源。然而，本文所述 的背光源并不限于用來對液晶顯示面板提供照明。本發(fā)明所公開的背光源也可用于任何利 用分立光源產(chǎn)生光并希望在包括一個或多個分立光源的面板外還具有均勻照明的場合。因 此，所述背光源可用于固態(tài)空間照明應(yīng)用、指示牌、照明面板等中。
一般而言，對于下一代背光源而言有利的是，在提供對于預(yù)期應(yīng)用可接受的亮度 和空間均勻度的同時還結(jié)合部分和全部的如下特性外形??；設(shè)計簡單，例如最小數(shù)量的 光源和方便的光源布局；重量輕；不使用或不需要從背光源中的一個位置到另一位置具有 顯著的定制空間不均勻性的薄膜組件；與LED光源兼容；對于與全都標(biāo)稱為同色的LED光 源中間的顏色變動相關(guān)的問題不敏感，這稱作“進(jìn)倉(binning)”現(xiàn)象；在可能的范圍內(nèi)，對 LED光源的子集的燒毀或其他故障不敏感；并且消除或減少了上面背景技術(shù)部分中所提及 的至少一些局限和缺點。這些特性是否能成功地并入背光源，部分地取決于用來照明背光源的光源的類 型。例如，CCFL在其長且窄的發(fā)射面積上提供白光發(fā)射，那些發(fā)射面積還能散射入射在 CCFL上的一些光(如再循環(huán)腔中會發(fā)生的那樣)。然而，CCFL的典型發(fā)射具有基本上朗 伯曲線型的角度散布，在給定背光源設(shè)計中，這可能是低效或在其他方面不理想的。另外， 盡管CCFL的發(fā)射表面一定程度上是漫反射的，但是其通常還具有吸收損耗，申請人已發(fā)現(xiàn) 該吸收損耗是嚴(yán)重的，如果需要高再循環(huán)腔的話。LED晶粒以近朗伯方式發(fā)射光，但是由于 其尺寸相對于CCFL小很多，所以LED光散布容易修改，例如用整體封裝的透鏡或反射器或 提取器來修改，以使所得到的封裝LED成為前向發(fā)射器、側(cè)向發(fā)射器或其他非朗伯型散布。 這樣的非朗伯型散布可為本發(fā)明所公開的背光源提供重要的優(yōu)點。然而，LED光源相對于 CCFL的較小尺寸和較高強(qiáng)度也會使其更難以產(chǎn)生空間均勻的背光源輸出面積。對于使用各 個顏色的LED (例如，紅色/綠色/藍(lán)色(RGB)的LED的排列)來產(chǎn)生白光的情況而言尤其 如此，因為如果不能對這些光提供足夠的側(cè)向傳送或混合，則容易導(dǎo)致不希望有的色帶或 面積。發(fā)白光的LED (其中熒光體由發(fā)藍(lán)光或紫外光的LED晶粒激發(fā)，以從接近LED晶粒的 小面積或體積產(chǎn)生強(qiáng)白光)可用于減小這種顏色不均勻性，但白色LED目前無法提供像用 各個顏色的LED排列所能實現(xiàn)的色域那樣寬的LCD色域，因此對于所有終端應(yīng)用而言，白色 LED可能并非理想。申請人:已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些可與LED光源照明兼容的，并且可產(chǎn)生在至少一些方面優(yōu) 于當(dāng)前技術(shù)水平的市售LCD裝置中可找到的背光源的背光源設(shè)計背光源設(shè)計特征的組合。 這些背光源設(shè)計特征包括以下特征中的一些或全部A.再循環(huán)光學(xué)腔，其中大部分光在從前反射器出射之前在基本上共延的前反射器 和后反射器之間經(jīng)歷多次反射，所述前反射器是部分透射、部分反射的；B.通過例如提供低吸收損耗的基本上封閉的腔(包括低損耗前反射器和后反射 器以及側(cè)反射器)，并且通過使與光源相關(guān)的損耗保持得非常低(例如通過確保所有光源 的累積發(fā)射面積是背光源輸出面積的很小一部分)，使光在再循環(huán)腔中傳送的總損耗保持 得非常低；C.再循環(huán)光學(xué)腔為中空，即光在腔內(nèi)的側(cè)向傳送主要發(fā)生在空氣、真空等中，而非 發(fā)生在光密介質(zhì)(例如，丙烯酸類樹脂或玻璃)中；D.就被設(shè)計為僅發(fā)射特定(可用)偏振態(tài)的光的背光源而言，前反射器對這樣的 可用光具有足夠高的反射率，以支持側(cè)向傳送或擴(kuò)散，并且使光線角度隨機(jī)化以實現(xiàn)背光 源輸出的合格的空間均勻度，但是對適當(dāng)?shù)膽?yīng)用可用角度具有足夠高的透射率以確保背光 源的合格的高應(yīng)用亮度；E.再循環(huán)光學(xué)腔包括為腔提供鏡面反射特性與漫射特性的平衡的一個或多個組件，所述組件具有足夠的鏡面反射性以支持腔內(nèi)的顯著的側(cè)向光傳送或混合，但是還具有 足夠的漫射性以使腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)光的角度散布基本上勻化(甚至在僅以較窄范圍的傳送角度 將光射入腔中時亦如此)。另外，腔內(nèi)的再循環(huán)可導(dǎo)致反射光的偏振相對于入射光偏振態(tài)具 有一定程度的隨機(jī)化。這為不可用偏振光可通過再循環(huán)而被轉(zhuǎn)換為可用偏振光的機(jī)制創(chuàng)造 了條件；F.再循環(huán)腔的前反射器具有通常隨入射角變化的反射率以及通常隨入射角變 化的透射率，其中所述反射率和透射率是針對非偏振可見光并針對任何入射面的，使得存 在第一角度區(qū)域和第二角度區(qū)域，反射率在第一角度區(qū)域中高于第一角度區(qū)域的外部，透 射率在第二角度區(qū)域中高于第二角度區(qū)域的外部。另外，前反射器具有高的半球反射率 (hemispheric reflectivity)值，同時具有對于應(yīng)用可用光的足夠高的透射率值；G.光射入光學(xué)組件，其將初始射入再循環(huán)腔內(nèi)的光部分地準(zhǔn)直或限制到接近橫向 平面(所述橫向平面平行于背光源的輸出面積)的傳送方向，例如射入光束相對于橫向平 面的平均偏離角度在0至45度的范圍內(nèi)。如本文所提及的，本發(fā)明的背光源可用作顯示系統(tǒng)的背光源。圖1是光學(xué)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以及布置為向液晶面板 110提供光的照明組件101。照明組件101包括背光源120，并且可包括另外的光管理組件 180，例如光學(xué)膜。如圖1所示，液晶面板110包括液晶層112、入射板114和出射板116。入射板114 和出射板116可各自包括玻璃基底，并且可各自包括電極矩陣、定向?qū)?、偏振器、補(bǔ)償膜、保 護(hù)層和其他層。色彩濾鏡矩陣也可被包括在板114和116之一或其二者中，以用于在液晶 面板110所顯示的圖像上附加顏色。在液晶面板110中，液晶層112的部分的光學(xué)狀態(tài)通 過借助電極矩陣施加的電場而改變。根據(jù)其狀態(tài)，液晶層112的給定部分(與顯示器100 的像素或亞像素相對應(yīng))會或多或少地使透射透過其的光的偏振旋轉(zhuǎn)。透過入射板114的 入射偏振器、液晶層112和出射板116的出射偏振器行進(jìn)的光減弱至不同的程度，這取決于 偏振器的取向以及光遇到的液晶層部分的光學(xué)狀態(tài)。顯示器100利用這種行為來獲得在不 同區(qū)域具有不同外觀的電子可控的顯示器。光管理組件180 (也可稱為光管理單元)的排列可布置在背光源120和液晶面板 110之間。光管理組件180影響從背光源120傳送的照明光。例如，光管理組件180的排列 可包括漫射層，或簡稱為漫射片。漫射片用來漫射從背光源120接收的光。漫射片可以是任何合適的漫射片或板。例如，漫射層可以包含任何合適的一種或 多種漫射材料。在一些實施例中，漫射層可包含聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物基質(zhì)， 該基質(zhì)具有各種分散相，包括玻璃、聚苯乙烯微珠和CaCO3顆粒。一些示例性的漫射片可 包括得自 3M 公司(St. Paul, Minnesota)的類型為 3635-30,3635-70 和 3635-100 的 3M Scotchcal 漫射片?？蛇x的光管理組件180還可包括反射偏振器?？梢允褂萌魏魏线m類型的反射偏振 器，例如多層光學(xué)膜(MOF)反射偏振器；漫反射型偏振膜(DRPF)，例如連續(xù)相/分散相偏振 片；線柵反射偏振器；或者膽留反射偏振器。MOF反射偏振器以及連續(xù)相/分散相反射偏振器均依靠至少兩種材料(通常為聚 合物材料)之間的折射率差值來選擇性地反射一種偏振態(tài)的光，并透射正交偏振態(tài)的光。在共同擁有的美國專利No. 5，882，774 (Jonza等人)中描述了 MOF反射偏振器的一些實例。 市售的MOF反射偏振器的實例包括Vikuiti DBEF-D280和DBEF-D400多層反射偏振器，其 包括漫射表面，可得自3M公司?？捎糜诒竟_的DRPF的實例包括連續(xù)相/分散相反射偏振器，例如共同擁有的 美國專利No. 5，825，543 (Ouderkirk等人)中所描述的那些，還包括漫反射多層偏振片，例 如共同擁有的美國專利No. 5，867，316 (Carlson等人)中所描述的那些。其他合適類型的 DRPF在美國專利No. 5，751，388 (Larson)中有所描述?？捎糜诒景l(fā)明的線柵偏振片的一些實例包括美國專利No. 6，122，103 (Perkins等 人)中所描述的那些。線柵偏振片尤其可得自Moxtek公司(0rem，Utah)。本發(fā)明可結(jié)合使用的膽甾型偏振器的一些實例包括(例如)美國專利 No. 5，793，456 (Broer等人)以及美國專利申請No. 09/791，157 (Pokorny等人)中所述的那 些。膽留型偏振器經(jīng)常與四分之一波長延遲層一起設(shè)置在輸出側(cè)，以使得透射透過膽甾型 偏振器的光被轉(zhuǎn)換為線偏振光。在一些實施例中，在背光源120和反射偏振器之間可設(shè)置偏振控制層。偏振控制層 的實例包括四分之一波長延遲層以及偏振旋轉(zhuǎn)層(例如液晶偏振旋轉(zhuǎn)層)。偏振控制層可用 于改變被反射偏振器反射的光的偏振，從而增加透射通過反射偏振器的再循環(huán)光的比率。光管理組件180的光學(xué)排列還可包括一個或多個增亮層或膜(也被稱為定向再循 環(huán)層或膜)。增亮層是包括如下表面結(jié)構(gòu)的一種層該表面結(jié)構(gòu)可以將離軸光的方向改變 為更靠近顯示器法向軸線的方向。這樣能增加透過液晶面板110軸向傳送的光量，從而增 加觀看者所看到圖像的亮度和對比度。增亮層的一個實例為棱柱增亮層，其具有多個棱柱 隆起，通過折射和反射來改變照明光的方向?？捎糜陲@示系統(tǒng)100的棱柱增亮層的實例包 括Vikuiti BEF II和BEF III系列的棱柱膜，這些膜可得自3M公司，包括BEF II 90/24、 BEF II 90/50、BEF IIIM 90/50以及BEFIIIT。還可通過前反射器的一些實施例來實現(xiàn)亮 度增強(qiáng)，如本文所進(jìn)一步描述的?？蛇x的光管理單元180中不同的層可能是自立式的。在其它實施例中，可將 光管理單元180中的兩個或更多個層壓合在一起，例如，如共同擁有的美國專利申請 No. 10/966，610 (Ko等人)中所討論的那樣。棱柱光學(xué)膜或其他結(jié)構(gòu)化表面光學(xué)膜可附著到 其他膜，如共同擁有的美國專利No. 6，846，089 (Stevenson等人)中所討論的那樣。在其它 示例性實施例中，可選的光管理單元180可包括兩個由間隙隔開的子組件，例如，如共同擁 有的美國專利申請No. 10/965，937 (Gehlsen等人)中所述的那樣。圖1所示實施例的顯示系統(tǒng)100包括背光源120。如本文所述，背光源120可以 是任何合適的背光源。除非另外指明，“背光源”也用來指稱其他面積擴(kuò)展的照明裝置，所 述照明裝置在其預(yù)期應(yīng)用中提供標(biāo)稱均勻的照明。背光源120包括形成中空的光再循環(huán)腔 162的前反射器130和后反射器160。腔162包括輸出表面164。輸出表面164可以是任何 合適的形狀(例如矩形)，并且其尺寸可適用于任何所需的顯示器應(yīng)用，例如小至用于移動 電話的子顯示器(對角線測量大約為30mm)，大至膝上型計算機(jī)屏幕(對角線測量大約為 30cm)、監(jiān)視器或電視(對角線測量大約為50cm、80cm、100cm、150cm或更大)。背光源120 還包括一個或多個光源166，所述光源設(shè)置成可將光發(fā)射到腔162中?？蛇x地，背光源120 可在不具有光源的側(cè)面上包括圍繞光再循環(huán)腔162的周邊的側(cè)反射器或表面168。
如圖所示，背光源120包括射入器170，該射入器170幫助將來自一個或多個光源 166的光導(dǎo)向光再循環(huán)腔162內(nèi)。任何合適的射入器可以與背光源120 —起使用，例如在美 國專利申請No. 60/939，082 (Hoffend)中描述的那些射入器。射入器170可將初始射入再 循環(huán)腔162的光部分地準(zhǔn)直或限制到接近橫向平面(所述橫向平面平行于背光源的輸出表 面)的傳送方向上，例如射入光束相對于橫向平面的平均偏離角度在0至45度的范圍內(nèi)， 或在0至30度的范圍內(nèi)，或在0至15度的范圍內(nèi)。在一些實施例中，本身至少部分地對發(fā) 射光進(jìn)行準(zhǔn)直的光源可被優(yōu)選。這樣的光源可包括光學(xué)元件中的透鏡、提取器、成型封殼或 它們的組合，以提供所需輸出。盡管描述了一個或多個光源166沿著背光源120的一側(cè)布置，但是在一些實施例 中，光源可沿著背光源的兩側(cè)、三側(cè)、四側(cè)或更多側(cè)布置。例如，對于矩形形狀的背光源，一 個或多個光源可沿著背光源的四側(cè)中的每一側(cè)布置。在一些實施例中，光源和前反射器組 件之間的幾何關(guān)系將約束光源定位，如本文所公開的。光源166被示意地示出。在大多數(shù)情況下，這些光源166是緊湊的發(fā)光二極管 (LED)。就這一點而言，“LED”是指發(fā)射可見光、紫外光或紅外光的二極管。發(fā)光二極管包 括作為LED(不論是常規(guī)型還是超輻射型)銷售的非相干的封閉或封裝的半導(dǎo)體器件。如 果LED發(fā)射的是如紫外光等不可見光，以及在LED發(fā)射可見光的某些情況下，則將其封裝為 包含熒光體(或是照亮設(shè)置在遠(yuǎn)處的熒光體)，以將短波長光轉(zhuǎn)化為波長更長的可見光，某 些情況下會得到發(fā)射白光的器件。"LED晶?！笔荓ED最基本的形式，即經(jīng)半導(dǎo)體加工過程制造出的單個組件或芯片。 該組件或芯片可以包括用于應(yīng)用能量以驅(qū)動器件的電觸點。該組件或芯片的各獨立層和其 它功能元件通常以晶片級形成，并且將加工好的晶片切成單個元件，以生產(chǎn)大量的LED晶 粒。本文將對封裝LED(包括前發(fā)射和側(cè)發(fā)射LED)進(jìn)行詳細(xì)的討論。無論是否用于產(chǎn)生白光，多色光源在背光源中可以具有多種形式，并對背光源輸 出區(qū)域的色彩和亮度均勻性產(chǎn)生不同的影響。在一種方法中，多個LED晶粒(例如，發(fā)紅光、 綠光和藍(lán)光的晶粒)全部彼此接近地裝在引線架或其它基底上，然后一起裝入單個封殼材 料中形成一個封裝體，封裝體內(nèi)還可以包括單透鏡元件?？梢钥刂七@樣的光源發(fā)射任何一 種單獨的色彩，或同時發(fā)出所有色彩的光。在另一種方法中，可以將單獨包裝的LED集成一 束用于某個給定的再循環(huán)腔，其中每個封裝體只有一個LED晶粒并發(fā)射一種色彩的光，LED 束中含有發(fā)出不同色彩(如藍(lán)/黃或紅/綠/藍(lán))的封裝LED的組合。在另一個方法中， 可以將這種單獨包裝的多色LED以一個或多個線條、陣列或其它圖案的形式設(shè)置。如果需要，可以使用其它可見光發(fā)光體(例如，線型的冷陰極熒光燈(CCFL)、熱陰 極熒光燈(HCFL)或外部電極熒光燈(EEFL))來代替或輔助分立的LED光源，以作為本發(fā)明 所公開的背光源的照明光源。此外，還可使用混合系統(tǒng)，例如CCFL/LED (包括發(fā)冷白光和暖 白光的CCFL/LED)、CCFL/HCFL/EEFL(例如發(fā)出不同光譜的CCFL/HCFLL/EEFL)。發(fā)光體的 組合可有多種變化，包括LED和CCFL，還包括(例如)多個CCFL、多個不同顏色CCFL以及 LED和CCFL混合體等復(fù)合體。例如，在某些應(yīng)用中，可能需要用不同的光源(例如，長圓柱形的CCFL)或用線型 的表面發(fā)射導(dǎo)光裝置來代替一排分立光源，其中所述導(dǎo)光裝置沿其長度方向發(fā)光并連接到 遠(yuǎn)程有源組件(例如，LED晶粒或鹵素?zé)?，也可對其它排的光源作同樣的替代。在美國專利No. 5，845，038 (Lundin等人)和No. 6，367，941 (Lea等人)中公開了這種線型的表面發(fā)射導(dǎo) 光裝置的實例。已為人們所知的還有纖維耦合激光二極管和其它半導(dǎo)體發(fā)光體，在這些發(fā) 光體中，當(dāng)把它放在本發(fā)明所公開的再循環(huán)腔中或者以其它方式放在背光源的輸出區(qū)域后 面時，光學(xué)纖維波導(dǎo)的輸出端可以看作是光源。同樣的情況也適用于發(fā)光區(qū)域較小的其它 無源光學(xué)元件，如透鏡、偏轉(zhuǎn)器、狹窄的光導(dǎo)以及發(fā)射從有源元件(如燈泡或LED晶粒)接 收到的光線的類似元件。這類無源元件的一個實例是側(cè)發(fā)射封裝LED的模制封殼或透鏡。任何合適的側(cè)發(fā)射LED可用于一個或多個光源，例如LuXeon LED (可得自 Lumileds, San Jose, CA)或在(例如)美國專利申請 No. 11/381，324 (Leatherdale 等人) 和美國專利申請No. 11/381，293 (Lu等人)中描述的LED。在其中組合使用背光源與顯示面板(例如，圖1中的液晶面板110)的一些實施例 中，背光源120連續(xù)發(fā)射白光，液晶面板與色彩濾鏡矩陣相組合而形成多色像素組(例如， 黃/藍(lán)(YB)像素、紅/綠/藍(lán)(RGB)像素、紅/綠/藍(lán)/白(RGBW)像素、紅/黃/綠/藍(lán) (RYGB)像素、紅/黃/綠/青/藍(lán)(RYGCB)像素等)，以使得所顯示的圖像為多色。作為另 外一種選擇，也可以使用色序技術(shù)來顯示多色圖像，該技術(shù)不是用白光從背后連續(xù)照明液 晶面板并通過調(diào)制液晶面板中的多色像素組來產(chǎn)生色彩，而是代之以對背光源120內(nèi)的不 同顏色(例如，選自諸如上述組合的各種組合中的紅色、橙色、琥珀色、黃色、綠色、青色、藍(lán) 色(包括品藍(lán))和白色)的獨立光源進(jìn)行調(diào)制，以使背光源以快速重復(fù)的方式依次閃現(xiàn)出 空間上均勻的彩色光輸出(例如，先是紅色，然后是綠色，然后再是藍(lán)色)。這種調(diào)制過色彩 的背光源接著再與只有一個像素陣列(沒有任何色彩濾鏡矩陣)的顯示組件相組合，以便 在調(diào)制速度足夠快以至于可以在觀察者的視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生短暫混色效果的情況下，與背光 源同步地調(diào)制像素陣列，從而在整個像素陣列上產(chǎn)生所有能產(chǎn)生的顏色(背光源中所用光 源已知)。色序顯示(也稱為場序顯示)的實例在美國專利No. 5，337，068 (Stewart等人) 和美國專利No. 6，762，743 (Yoshihara等人)中有所描述。在一些情況下，人們可能只希望 提供單色顯示。在這些情況下，背光源120可以包括濾色器或主要發(fā)射一種可見波長或色 彩的特殊光源?？刹捎萌魏魏线m的布置方式設(shè)置光源166。另外，光源166可包括發(fā)射不同波長或 顏色的光的光源。例如，光源可包括發(fā)射第一波長照明光的第一光源和發(fā)射第二波長照明 光的第二光源。第一波長可與第二波長相同，也可不同。光源166也可包括發(fā)射第三波長 光的第三光源。參見(例如)美國專利申請No. 60/939，083 (Sawateev)。在一些實施例 中，各種光源166可產(chǎn)生經(jīng)混合而向顯示面板或其他裝置提供白色照明光的光。在其它實 施例中，每個光源166均可產(chǎn)生白光。背光源120還包括后反射器160，后反射器160與前反射器130和可選的側(cè)反射器 168—起形成中空的光再循環(huán)腔162。后反射器160以具有高反射率為優(yōu)選。例如，后反射 器160對光源所發(fā)出的可見光的軸向平均反射率可為至少90%、95%、98%、99%或者對任 何偏振可見光具有更高的軸向平均反射率。這樣的反射率值還可降低高度再循環(huán)腔內(nèi)的損 耗量。這樣的反射率值涵蓋了反射到半球中的所有可見光，即這樣的值同時包括鏡面反射 和漫反射。后反射器160可以主要是鏡面反射器、漫反射器或鏡面反射器與漫反射器的組 合，無論在其在空間上均勻分布或呈一定的圖案。在一些實施例中，后反射器160可以是半鏡面反射器，如本文進(jìn)一步描述的。還可參見美國專利申請No. 60/939, 085 (Weber)和美國 專利申請No. 11/467，326 (Ma等人)。在一些情況下，后反射器160可以由具有層合于支承 基底的高反射率涂層或高反射率膜的剛性金屬基底制成。合適的高反射率材料包括可購自 3M公司的Vikuiti Enhanced Specular Reflector (增強(qiáng)型鏡面反射器)(ESR)多層聚合 物膜；使用0. 4密耳厚的丙烯異辛酯-丙烯酸壓敏粘結(jié)劑將摻有硫酸鋇的聚對苯二甲酸乙 二醇酯膜(2密耳厚)層合到Vikuiti ESR膜上所形成的膜，本文將所得的這種層合膜稱為 "EDR II”膜；購自Toray Industries公司的E-60系列Lumirror 聚酯薄膜；多孔聚四氟 乙烯(PTFE)膜，例如可得自W. L. Gore & Associates公司的那些；可得自Labsphere公司 的 Spectralon 反射材料；可得自 AlanodAluminum-Veredlung GmbH& 公司的 Miro 陽極氧 化鋁膜(包括Miro 2膜)；來自Furukawa Electric有限公司的MCPET高反射率泡沫板； 可得自Mitsui Chemicals公司的White Refstar 膜和MT膜；以及2xTIPS (參見用于進(jìn)行 說明的實例)。后反射器160可以大體上是平坦而光滑的，或其可具有與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)化表面， 以增強(qiáng)光的散射或混合。這種結(jié)構(gòu)化表面可以(a)設(shè)在后反射器160的表面上，或(b)設(shè) 在施加于所述表面的透明涂層上。在前一種情況下，可以將高反射率膜層合到預(yù)先形成結(jié) 構(gòu)化表面的基底上，或者將高反射率膜層合到平坦基底(如金屬薄片，這與購自3M公司的 Vikuiti 耐用增強(qiáng)型鏡面反射片-金屬(DESR-M)反射器類似)上，然后再如采用壓印操 作形成結(jié)構(gòu)化表面。在后一種情況下，可以將具有結(jié)構(gòu)化表面的透明薄膜層壓到平坦反射 面上，或?qū)⑼该鞅∧な┘拥椒瓷淦魃?，然后再在透明薄膜上形成結(jié)構(gòu)化表面。背光源120也可包括沿著背光源120外邊界的至少一部分布置的一個或多個側(cè)反 射器168，其優(yōu)選地為帶襯里的或者說設(shè)置有高反射率的垂直壁，以減少光損失和改善再循 環(huán)效率。形成這些壁可以采用與用于后反射器160的反射材料相同的反射材料，或者也可 以使用不同的反射材料。在一些實施例中，側(cè)反射器168和后反射器160可以由單片材料 形成。在本發(fā)明的一些實施例中，可被優(yōu)選的是在中空的光再循環(huán)腔內(nèi)提供某個程度的 漫射。這樣的漫射可以使腔內(nèi)的光實現(xiàn)更多的角混合，從而幫助光在腔內(nèi)擴(kuò)散，并在透過輸 出表面從腔出射的光中提供更大的均勻度。換言之，再循環(huán)光學(xué)腔包含為腔提供鏡面特性 與漫射特性的平衡的組件，所述組件具有足夠的鏡面反射性以支持腔內(nèi)的顯著的側(cè)向光傳 送或混合，而且還具有足夠的漫射性以使腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)光傳送的角度散布基本上勻化(甚至在 僅以較窄范圍的傳送角度將光射入腔中時亦如此)?？梢酝ㄟ^前反射器和后反射器之一或 其二者、側(cè)反射器、或者通過布置在前反射器和后反射器之間的一個或多個層來實現(xiàn)漫射， 如本文中進(jìn)一步描述的。在一些實施例中，腔內(nèi)實現(xiàn)的漫射可包括半鏡面漫射。如本文所用，術(shù)語“半鏡 面反射器”是指與按逆向散射相比明顯更多地按前向散射進(jìn)行反射的反射器。類似地，術(shù) 語“半鏡面漫射片”是指這樣的漫射片，其對基本上大部分入射光不反轉(zhuǎn)入射光線的法向分 量，即光基本上在前向(ζ)方向上透射并在方向上被某個程度地散射。換言之，半鏡 面反射器和漫射片在基本上前向方向上導(dǎo)引光，因此非常不同于在所有方向上都等幾率地 再導(dǎo)引光的朗伯組件。半鏡面反射器和漫射片可表現(xiàn)出相對寬的散射角度；或者，這樣的 反射器和漫射片可在鏡面方向之外僅表現(xiàn)出少量的光偏轉(zhuǎn)。參見(例如)美國專利申請No.60/939, 085(Weber)。任何合適的一種或多種半鏡面材料可用于本發(fā)明的前反射器和后反射器。例如， 半鏡面后反射器可包括在高反射率漫射反射器上的部分透射鏡面反射器。合適的鏡面反 射器包括ESR(可得自3M公司)和本文描述的其他鏡面反射器。合適的高反射率漫射反 射器包括EDR II膜(可得自3M)；多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜，例如可得自W. L. Gore & Associates公司的那些；可得自Labsphere公司的Spectralon 反射材料；得自Furukawa Electric有限公司的MCPET高反射率泡沫板；可得自MitsuiChemicals公司的White Refstar 膜。在另一個實施例中，半鏡面后反射器可包括在高反射率鏡面反射器上的部分朗伯 漫射體?；蛘?，在高反射率鏡面反射器上的前向散射漫射體可構(gòu)成半鏡面后反射器?？捎门c后反射器相似的構(gòu)造將前反射器制成半鏡面的。例如，部分反射的朗伯漫 射體或前向散射漫射體可與本文所公開的任何前反射器組合，以提供半鏡面前反射器。在 另一個實施例中，本文所公開的增益漫射片用作半鏡面漫射片。增益漫射片可與后反射器 或前反射器相鄰，或連接到后反射器或前反射器。這樣的漫射器可取向為使得表面結(jié)構(gòu)面 朝再循環(huán)腔或背離再循環(huán)腔。在一個實施例中，如圖7所示及本文所述，增益漫射片結(jié)構(gòu)化 層708與定向再循環(huán)膜結(jié)構(gòu)化層704相鄰或連接到定向再循環(huán)膜結(jié)構(gòu)化層704，所述定向再 循環(huán)膜結(jié)構(gòu)化層704與再循環(huán)腔相鄰。作為在前反射器630或后反射器660上或在其附近包括半鏡面漫射片的替代形 式，如圖6所示，半鏡面漫射片690可被置于背光源620的再循環(huán)腔662內(nèi)的任何其它合適 的位置處。在這種情況下，半鏡面漫射片690在腔內(nèi)懸于前反射器630和后反射器660之 間，其中所述反射器也可包括半鏡面漫射特征。圖1中顯示器100的背光源120包括前反射器130，該前反射器130包括多個定向 再循環(huán)膜或?qū)?32。定向再循環(huán)膜是光學(xué)膜，其通常包括在接近顯示器軸線的方向上重新導(dǎo) 向偏軸光的表面結(jié)構(gòu)。這樣能增加透過液晶面板110軸向傳送的光量，從而增加觀看者所 看到圖像的亮度和對比度。定向再循環(huán)膜通常使從再循環(huán)腔162入射到其上的很大一部分 光返回或再循環(huán)到再循環(huán)腔中。定向再循環(huán)膜也可被稱為增亮膜或?qū)?。一些定向再循環(huán)膜 可包括再導(dǎo)引光的細(xì)長棱柱的陣列。其他定向再循環(huán)膜可被稱為增益漫射片，并且在膜或 層的一個或兩個主表面上包括排列成規(guī)則或不規(guī)則矩陣陣列的結(jié)構(gòu)，例如珠、圓頂、棱錐或 其他凸起結(jié)構(gòu)。通常，棱柱定向再循環(huán)膜或增亮膜通過反射軸向光和折射偏軸光來充當(dāng)光的部分 準(zhǔn)直器。例如，圖2是棱柱增亮膜200的一部分的示意性剖視圖。膜200具有平滑面202和 結(jié)構(gòu)化面204。結(jié)構(gòu)化面204包括多個棱柱206。光線210以掠射角(即，與法線成接近90 度的角度)入射在平滑表面202上并被折射。當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)構(gòu)化表面204時，光線210被再次 折射。光線212以比光線210更靠近平滑表面202的法線的角度接近平滑表面202。當(dāng)光 線212透過平滑表面202和結(jié)構(gòu)化表面204時，其也被折射。另外，光線214以比光線212 更靠近平滑表面202的法線的角度入射在平滑表面202上，并被結(jié)構(gòu)化表面204全內(nèi)反射 兩次。如圖所示，以相對大的角度入射在增亮膜200上的光線(S卩，光線210)往往被棱 柱表面朝著法線折射，而以相對小的角度入射的光線(即，光線214)往往在棱柱表面處通過全內(nèi)反射[TIR]被朝著入射方向反射回去。通過這樣的過程，來自角度混合源(例如，再 循環(huán)腔)的光線通過結(jié)構(gòu)化表面204向著法線角度集中。在棱柱面處通過TIR過程反射回 腔內(nèi)的光可被典型的光再循環(huán)腔中的后反射器反射。如果后反射器是漫反射型的，或者如 果再循環(huán)腔中的其他組件是漫射型的，則所述該反射的光被再次角度混合，并且與沒有增 亮膜200的情況下觀察錐內(nèi)的亮度相比，再循環(huán)過程可導(dǎo)致法線角度觀察錐周圍的亮度增 加。盡管對圖2的棱柱定向再循環(huán)膜或增亮膜200的說明描述了透過所示特定結(jié)構(gòu)化 面204傳送的特定光線實例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，具有不同的結(jié)構(gòu)化表面的 其他定向再循環(huán)膜可依賴相似或不同的機(jī)制來使光再循環(huán)并使發(fā)射光向法線集中。用作定向再循環(huán)膜的棱柱光學(xué)膜可包括大致均勻形狀的棱柱，或者其可包括 形狀、高度、側(cè)向位置和/或其他尺寸特性可隨膜上的位置不同而顯著變化的棱柱。具 有變化的幾何形狀的棱柱光學(xué)膜的實例在美國專利No. 5，771，328 (Wortman等人)和 No. 6，354，709 (Campbell等人)以及美國專利申請No. 11/467，230 (Schardt等人)中有所 描述。在一些實施例中，增益漫射片可用作前反射器130中的定向再循環(huán)膜132。圖3是 增益漫射片300的示意性剖視圖。增益漫射片300包括基底302和結(jié)構(gòu)化層304?；?02 和結(jié)構(gòu)化層304可以由任何合適的一種或多種光學(xué)透射材料(包括聚合物材料)形成。結(jié) 構(gòu)化層304包括光學(xué)元件306，其在結(jié)構(gòu)化層304的背離基底302的表面上呈矩陣陣列設(shè) 置。盡管以橫截面示出了光學(xué)元件306，為了本發(fā)明的目的，其被設(shè)置成矩陣陣列。在該矩 陣陣列中，各個光學(xué)元件306可設(shè)置成具有行和/或列的矩形構(gòu)型、其中各個元件相對于彼 此斜向和/或橫向偏移從而形成不能被完全表征為具有行和/或列的圖案的構(gòu)型、或者其 中各個元件的分布不遵從任何可辨別圖案(例如隨機(jī)分布)的構(gòu)型。在一些實施例中，增益漫射片300包括附加層308，所述附加層可起到另一光學(xué)或 機(jī)械功能，例如將基底302與結(jié)構(gòu)化層304連接。在另一些實施例中，結(jié)構(gòu)化層304和基底 302不通過層308連接。在再一些實施例中，結(jié)構(gòu)化層304是基底302的一體部分。除了結(jié)構(gòu)化層304之外，增益漫射片300可任選地包括設(shè)置在基底302的相對面 310上的第二結(jié)構(gòu)化層(未示出)。任何合適的光學(xué)元件可被設(shè)置在結(jié)構(gòu)化層304上或設(shè) 置在其中，例如微球、珠、棱柱、圓頂、立體角、棱錐、透鏡或其他凸起結(jié)構(gòu)。光學(xué)元件可以是 折射元件、衍射元件、漫射元件等。結(jié)構(gòu)化層304的折射率可以基本上是均勻的，或者可以 隨位置不同而變化。在一個實施例中，光學(xué)元件306可將通過增益漫射片300透射的光準(zhǔn) 直。在其他實施例中，根據(jù)光學(xué)元件306的定位和種類，光學(xué)元件306可漫射入射在增益漫 射片300上或從增益漫射片300出射的光。增益漫射片300可以利用任何合適的技術(shù)來制造。在一些示例性實施例中，透 明層304可由透明的可固化聚合物材料制成。在這樣的實施例中，光學(xué)元件306可被澆 鑄、壓印或者說是微復(fù)制到可固化材料上，然后進(jìn)行固化。圖4示出了另一類型的增益漫 射片400，其中結(jié)構(gòu)化層404包括散布在粘結(jié)劑414中的珠412。至少一些珠412形成 凸起406。在一些實施例中，珠412和粘結(jié)劑414的折射率可基本上相同。除了結(jié)構(gòu)化 層404之外，增益漫射片400還包括基底402，并且可選地包括附加層408。增益漫射片 的一個實例是可得自Keiwa公司的Opalus BS—702。在美國專利申請No. 10/989，161 (Ko等人)、No. 11/026, 872 (Ko 等人)、No. 11/026, 938 (Ko 等人)、No. 11/026, 940 (Ko 等人)、 No. 11/122，864 (Whitney 等人)和 No. 11/193，052 (Whitney 等人)中公開了其他增益漫射 片。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，前述美國專利申請中所描述的一些增益漫射片包括實質(zhì) 上為棱柱型的光學(xué)元件，并且可被描述成包括沿軸線延伸的棱柱的陣列。這樣的光學(xué)膜可 被描述成棱柱定向再循環(huán)膜，以及被描述成增益漫射片。如本文所公開的，增益漫射片在被適當(dāng)?shù)夭贾脮r可充當(dāng)半鏡面漫射片。這樣的布 置可包括在再循環(huán)腔內(nèi)獨立，或者與后反射器或前反射器相鄰或附連到后反射器或前反射 器。圖7示出可包括在前反射器中的多功能光學(xué)膜700。多功能膜700包括基底702、具 有多個棱柱706的第一結(jié)構(gòu)化層704以及具有多個光學(xué)元件710的第二結(jié)構(gòu)化層708。這 樣的膜700可向再循環(huán)腔提供半鏡面漫射，同時充當(dāng)前反射器的多個定向再循環(huán)膜中的一 個。多功能膜700可以通過任何合適的技術(shù)來制造，包括棱柱定向再循環(huán)膜與增益漫射片 的層合或其他附連。在另一個實施例中，棱柱和光學(xué)元件可在制造時形成在單個基底上。多 功能膜700可包括圖7中未示出的其他層，其起到其他功能(例如光學(xué)或機(jī)械功能)。在其 它實施例中，單獨的增益漫射片和棱柱定向再循環(huán)膜可彼此相鄰設(shè)置，并提供等同于多功 能膜700的光學(xué)功能，而不需要進(jìn)行物理連接。用在本發(fā)明的背光源中的前反射器可包括兩個、三個、四個、五個、六個或更多個 定向再循環(huán)膜的各種組合。在帶有棱柱膜(例如BEF膜)以及其他定向再循環(huán)膜的實施例 中，棱柱膜可被設(shè)置成最靠近再循環(huán)腔，而其他定向再循環(huán)膜設(shè)置成比棱柱膜距腔更遠(yuǎn)。圖 5是示例性的背光源520的組件的示意性透視圖，該背光源520具有形成再循環(huán)腔562的前 反射器530和后反射器560。前反射器530可包括棱柱膜534、536和538以及增益漫射片 540。背光源520還包括一個或多個光源566以及射入器570，其設(shè)置成可向背光源腔內(nèi)發(fā) 射光572。光572以通常與發(fā)射軸線574有關(guān)的有限角度散布發(fā)射。在一些實施例中，帶有 射入器的光源沿著背光源520的多個邊緣設(shè)置。在其他背光源組件(例如，棱柱定向再循 環(huán)膜)相對于發(fā)射軸線的對齊被指定的實施例中，光源的布置可被限為所有可能的背光源 邊緣的子集。如圖5所示，第一棱柱膜534和第三棱柱膜538具有沿著基本上平行于發(fā)射軸線 574的軸線延伸的棱柱，其中按照從背光源520的內(nèi)部再循環(huán)腔562開始朝著液晶面板(未 示出)向外行進(jìn)的“第一、第二、第三等”次序提及前反射器530的膜。第二棱柱膜536具 有沿著基本上垂直于發(fā)射軸線574的軸線延伸的棱柱。在另一個實施例中，第二棱柱膜具 有基本上平行于發(fā)射軸線574延伸的棱柱，使得第一棱柱膜534、第二棱柱膜536和第三棱 柱膜538全部具有沿著基本上平行于發(fā)射軸線574的軸線延伸的棱柱。在又一個實施例 中，第一棱柱膜534和第二棱柱膜536具有沿著平行于發(fā)射軸線574的軸線延伸的棱柱，而 第三棱柱膜538具有沿著基本上垂直于發(fā)射軸線574的軸線延伸的棱柱。在再一個實施 例中，前反射器530中可能不存在第三棱柱膜538，而第一棱柱膜534具有平行于發(fā)射軸線 574延伸的棱柱，第二棱柱膜536具有平行于或垂直于發(fā)射軸線574延伸的棱柱。通常，本 發(fā)明的前反射器可包括任何數(shù)量的棱柱定向再循環(huán)膜，各個棱柱延伸軸的取向不是平行于 就是垂直于光源發(fā)射軸線。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就整個輸出表面上的亮度和均勻度而言，第一棱柱膜 534(即，最靠近再循環(huán)腔562的膜)具有沿著平行于光源發(fā)射軸線延伸的棱柱的背光源構(gòu) 造可能具有最優(yōu)性能。
盡管具有沿軸線延伸的棱柱的棱柱定向再循環(huán)膜534、536和538的取向被描述成 相對于發(fā)射軸線574平行或垂直，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，相對于平行和垂直方向 的角度改變應(yīng)落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的變化可能是由制造公差引起，或者其可能被有 意地設(shè)計到系統(tǒng)中以改善諸如摩爾條紋(moir6)的影響，摩爾條紋可能由棱柱膜的重復(fù)光 學(xué)圖案之間、或膜與其他顯示器結(jié)構(gòu)(例如液晶面板的像素陣列)的重復(fù)光學(xué)圖案之間的 干涉引起。此外，膜取向的其他變化可根據(jù)顯示器設(shè)計或性能目標(biāo)的其他方面來指定。圖5的增益漫射片540可以是單個增益漫射片，或者其可以代表兩個、三個、四個、 五個、六個或更多個增益漫射片。在一些實施例中，前反射器包括不必一定包含棱柱定向再 循環(huán)膜的增益漫射片。在其他實施例中，具有相同或不同構(gòu)造的一個、兩個、三個或更多個 增益漫射片與兩個、三個或更多個棱柱膜組合。本發(fā)明的背光源520的前反射器530可包括表征為定向再循環(huán)膜的那些光學(xué)膜之 外的光學(xué)膜。例如，前反射器530可包括反射偏振器542，例如DBEF、DRPF或APF，如本文所 述。包含這樣的反射偏振器可以在多個方面改善背光源的性能，包括使背光源更高效，或者 使背光源能夠針對一個或多個光源的給定能量輸入產(chǎn)生更多的可用光。背光源的前反射器的定向再循環(huán)膜和其他光學(xué)膜可以是自立式的，或者其中一些 或全部可通過任何合適的方法實際上彼此附接，所述方法包括諸如本文中結(jié)合顯示器的光 管理單元中的其他膜的描述所公開的方法。另外，無論是對“前反射器”還是“光管理單元” 中所包括的膜的描述可被認(rèn)為是任意的且非排他性的。優(yōu)選的前反射器具有相對高的總反射率，以支持腔內(nèi)的相對高的再循環(huán)。這可用 術(shù)語“半球反射率”來表征，其表示當(dāng)光從所有可能的方向入射到組件上時組件(無論是表 面、膜還是膜的集合)的總反射率。因此，用以從法線方向為中心的半球內(nèi)的所有方向入射 (以及所有偏振態(tài)，除非另外指明)的光(具有適用于預(yù)期應(yīng)用的光譜分布)照射所述組 件，并且收集所有反射到同一半球內(nèi)的光。反射光的總通量與入射光的總通量之比得出半 球反射率Rtemi。對于再循環(huán)腔而言，用其Rtemi來表征反射器特別方便，因為光通常以所有角 度入射在腔的內(nèi)表面上(無論是前反射器、后反射器還是側(cè)反射器)。另外，與針對法線入 射的反射率不同，Rheffli考慮了反射率隨入射角的變化，這種變化對某些組件(例如，棱柱膜) 而言可能非常明顯。優(yōu)選的后反射器也具有高的半球反射率_通常比前反射器高出許多，因為前反射 器被有意地設(shè)計為部分透射型，以便提供所需的背光源光輸出。再循環(huán)背光源構(gòu)造可用 前反射器和后反射器的半球反射率(分別為Rftali和RbtoJ的乘積來表征。優(yōu)選地，乘積 Rfhemi^Rbhemi 為至少 70% (0. 70)、或 75% 或 80%。實例在以下實例中，如表1和表2分別列出的，在具有16:9規(guī)格的32英寸和20英寸 (沿著對角線測量)的中空背光源測試臺上測試各種前反射器膜構(gòu)造。測試臺的再循環(huán)腔 分別厚17mm和10mm。這兩種測試臺均包括具有可得自3M公司的增強(qiáng)鏡面反射器(ESR)膜 的后反射器和側(cè)反射器。沿測試臺的頂部和底部邊緣的LED向背光源提供光。LED按照RGGB 陣列排列，以為LCD背光源提供足夠亮度的顏色不確定的光。鋁制的“反向”楔形反射器用 于將來自每個LED的光引導(dǎo)到中空再循環(huán)腔內(nèi)。(對該反向楔的描述可參見美國專利申請 No. 60/939，082，其名稱為“COLLIMATING LIGHTINJECTORS FOR EDGE-LIT BACKLIGHTS”(側(cè)光式背光源的準(zhǔn)直光射入器)。用色度照相機(jī)(型號PM 1613F-1或型號PM-9913E，均得自RadiantImaging公司) 測量了實例中的亮度和均勻度。這兩個型號的色度照相機(jī)經(jīng)正確校準(zhǔn)后產(chǎn)生幾乎相同的 數(shù)據(jù)。所述照相機(jī)配有105mm鏡頭并選擇內(nèi)部ND2中性密度濾鏡。使用Radiant Imaging 公司提供的軟件對照相機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，并記錄測量結(jié)果。在點光源輻射儀(型號PR650，得自 PhotoResearch公司)的輔助下校準(zhǔn)顏色和亮度。測試臺以水平取向擺放在照相機(jī)前方1 米處。將測試臺與照相機(jī)對齊，使得照相機(jī)鏡頭的軸線垂直于輸出面積，并大致瞄準(zhǔn)測試系 統(tǒng)的中心。設(shè)置照相機(jī)軟件以利用剪輯功能僅記錄圖像的顯示部分。通過軟件自動設(shè)置曝 光時間，以避免圖像的過度曝光。通過用待測膜配置測試臺，然后用色度照相機(jī)拍攝測試系統(tǒng)的照片來進(jìn)行測量。 利用定制數(shù)據(jù)分析程序，從測量的圖像計算出平均亮度和亮度均勻度。通過層合到丙烯酸類樹脂板的吸收型偏振片(得自Sanritz的HLC2-5618S)來測 量數(shù)據(jù)，除非另外指明。在一些其中膜疊堆包含反射偏振器的實例中，吸收型偏振片的透光 軸平行于反射偏振器的透光軸取向。在以下實例中，通過對圖像中每一個像素的亮度值求和，然后除以記錄下的圖像 中的像素總數(shù)來計算平均亮度值。由于圖像數(shù)據(jù)用色度照相機(jī)記錄，因此這是軸向亮度 值。根據(jù)視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(Video ElectronicsStandards Association)的 Flat Panel Display Measurements Standard, v. 2. 0(2001 年 6 月 1 日出版)標(biāo)準(zhǔn) 306-1 "Sampled Uniformity andColor of White”(采樣均勻度和白色)來確定亮度均勻度。如該標(biāo)準(zhǔn)中所 規(guī)定的，使用九個采樣點。從記錄下的圖像，通過對落入樣本點位置周圍的近似圓形區(qū)域內(nèi) 的亮度取平均來確定每個樣本點處的亮度。所述近似圓形區(qū)域的直徑為圖像對角線的3%。本文所記述的VESA 9pt亮度均勻度是根據(jù)9個樣本點按如下方式確定，
VESA 9 pt亮度均勻度=J^L
丄max其中Lmin是9個點中的亮度最小值，Lmax是9個點中的亮度最大值。VESA9pt亮度 均勻度的值越大，表示越均勻。在這些實例中，使用以下命名來描述所測試的前反射器膜疊堆的組件。底板用于使膜平坦的聚甲基丙烯酸甲酯支撐板。PCGD涂珠的聚碳酸酯增益漫射片。在PCGD表現(xiàn)為最先列出的膜疊堆組件的情 況下，其充當(dāng)半鏡面組件，被布置成是相對于再循環(huán)腔最靠內(nèi)的膜，并且其結(jié)構(gòu)化表面面向腔。BEF2具有垂直于LED邊緣的棱柱(即，平行于LED發(fā)射軸線延伸的棱柱)的增亮 膜 1190/50。BEF2-旋轉(zhuǎn)具有平行于LED邊緣的棱柱(S卩，垂直于LED發(fā)射軸線延伸的棱柱)的 增亮膜 Film II 90/50。3T具有垂直于LED邊緣的棱柱(即，平行于LED發(fā)射軸線延伸的棱柱)的增亮膜 III-T 90/50。APF-D層合在漫射聚碳酸酯片之間的高級偏振膜、多層反射型偏振膜(可得自3M公司)表132英寸背光源Hli式臺中的tfr/i射器臘疊堆
權(quán)利要求
一種背光源，包括形成中空的光再循環(huán)腔的前反射器和后反射器，所述中空的光再循環(huán)腔具有輸出表面，所述前反射器包括第一定向再循環(huán)膜，其包括沿第一軸線延伸的棱柱的陣列；以及第二定向再循環(huán)膜，其設(shè)置為使得所述第一定向再循環(huán)膜位于所述第二定向再循環(huán)膜與所述后反射器之間，所述第二定向再循環(huán)膜包括沿第二軸線延伸的棱柱的陣列；半鏡面漫射片，其設(shè)置在所述前反射器與所述后反射器之間；以及一個或多個光源，其設(shè)置成在關(guān)于發(fā)射軸線的有限角度散布內(nèi)向所述光再循環(huán)腔內(nèi)發(fā)射光；其中所述第一軸線平行于所述發(fā)射軸線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述第二軸線垂直于所述第一軸線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述第二軸線平行于所述第一軸線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述前反射器還包括第三定向再循環(huán)膜，所述 第三定向再循環(huán)膜設(shè)置成使得所述第二定向再循環(huán)膜位于所述第三定向再循環(huán)膜與所述 第一定向再循環(huán)膜之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的背光源，其中所述第三定向再循環(huán)膜包括沿第三軸線延伸的 棱柱的陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的背光源，其中所述第一軸線、所述第二軸線和所述第三軸線 平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的背光源，其中所述前反射器還包括第四定向再循環(huán)膜，所述 第四定向再循環(huán)膜設(shè)置成使得所述第三定向再循環(huán)膜位于所述第四定向再循環(huán)膜與所述 第二定向再循環(huán)膜之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的背光源，其中所述前反射器還包括第五定向再循環(huán)膜，所述 第五定向再循環(huán)膜設(shè)置成使得所述第四定向再循環(huán)膜位于所述第五定向再循環(huán)膜與所述 第三定向再循環(huán)膜之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述半鏡面漫射片設(shè)置在所述后反射器上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述半鏡面漫射片設(shè)置在所述第一定向再循 環(huán)膜上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述背光源表現(xiàn)出至少50%的VESA9均勻度值。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述輸出區(qū)域為矩形，并且具有至少30mm的對 角線尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背光源，其中所述前反射器對非偏振可見光的半球反射率 為Rfhemi，所述后反射器對非偏振可見光的半球反射率為Rbhemi，并且Rfhemi*Rbhemi為至少0. 70。
14.一種背光源，包括形成中空的光再循環(huán)腔的前反射器和后反射器，所述中空的光再循環(huán)腔具有輸出表 面，所述前反射器包括至少四個定向再循環(huán)膜；半鏡面漫射片，其設(shè)置在所述前反射器與所述后反射器之間；以及一個或多個光源，其設(shè)置成可向所述光再循環(huán)腔內(nèi)發(fā)射光。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光源，其中所述至少四個定向再循環(huán)膜包括 三個棱柱再循環(huán)膜，各自包括沿軸線延伸的棱柱的陣列；以及增益漫射片；其中所述三個棱柱再循環(huán)膜的所述軸線平行，并且其中所述三個棱柱再循環(huán)膜設(shè)置在 所述增益漫射片與所述后反射器之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光源，其中所述至少四個定向再循環(huán)膜包括五個定向再 循環(huán)膜，所述五個定向再循環(huán)膜包括兩個棱柱再循環(huán)膜，各自包括沿軸線延伸的棱柱的陣列；以及 三個增益漫射片；其中所述兩個棱柱再循環(huán)膜的所述軸線垂直，并且其中所述兩個棱柱再循環(huán)膜設(shè)置成 使得所述兩個棱柱再循環(huán)膜位于所述三個增益漫射片與所述后反射器之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光源，其中所述至少四個定向再循環(huán)膜包括五個定向再 循環(huán)膜，所述五個定向再循環(huán)膜包括兩個棱柱再循環(huán)膜，各自包括沿軸線延伸的棱柱的陣列；以及 三個增益漫射片；其中所述兩個棱柱再循環(huán)膜的所述軸線平行，并且其中所述兩個棱柱再循環(huán)膜設(shè)置成 使得所述兩個棱柱再循環(huán)膜位于所述三個增益漫射片與所述后反射器之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光源，其中所述至少四個定向再循環(huán)膜包括六個增益漫 射片。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的背光源，其中所述前反射器還包括反射偏振器。
20.一種顯示器，所述顯示器包括液晶面板和向所述液晶面板提供光的背光源，其中所 述背光源包括形成中空的光再循環(huán)腔的前反射器和后反射器，所述中空的光再循環(huán)腔具有輸出表 面，所述前反射器包括第一定向再循環(huán)膜，其包括沿第一軸線延伸的棱柱的陣列；以及 第二定向再循環(huán)膜，其設(shè)置為使得所述第一定向再循環(huán)膜位于所述第二定向再循環(huán)膜 與所述后反射器之間，所述第二定向再循環(huán)膜包括沿第二軸線延伸的棱柱的陣列； 半鏡面漫射片，其設(shè)置在所述前反射器與所述后反射器之間； 以及一個或多個光源，其設(shè)置成可在關(guān)于發(fā)射軸線的有限角度散布內(nèi)向所述光再循環(huán)腔內(nèi) 發(fā)射光；其中所述第一軸線平行于所述發(fā)射軸線。
21.—種顯示器，所述顯示器包括液晶面板以及向所述液晶面板提供光的背光源，其中 所述背光源包括形成中空的光再循環(huán)腔的前反射器和后反射器，所述光再循環(huán)腔具有輸出表面，所述 前反射器包括至少四個定向再循環(huán)膜；半鏡面漫射片，其設(shè)置在所述前反射器與所述后反射器之間；以及一個或多個光源，其設(shè)置成可向所述光再循環(huán)腔內(nèi)發(fā)射光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種背光源(120)，其包括前反射器(130)和后反射器(160)，所述前反射器和后反射器形成具有輸出表面(164)的中空的光再循環(huán)腔(162)。所述前反射器包括至少四個定向再循環(huán)膜(132)。所述背光源還包括半鏡面漫射片以及一個或多個光源(166)，所述半鏡面漫射片設(shè)置在前反射器與后反射器之間，所述光源設(shè)置成向光再循環(huán)腔內(nèi)發(fā)射光。
文檔編號G02B6/00GK101939675SQ200980104508
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月7日
發(fā)明者尚德恩·D·哈特, 戴維·G·弗賴爾, 戴維·J·蘭姆, 肯尼斯·A·愛潑斯坦, 馬克·B·奧尼爾 申請人:3M創(chuàng)新有限公司