專利名稱：提供彩色偏振光的照明設(shè)備和包括其的顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于平板顯示設(shè)備的照明設(shè)備，更具體而言，涉及包括具有提高的偏振性能并且提供垂直輸出光的偏振光導(dǎo)光板單元和膽甾型液晶濾色器，并由此具有提高的光效率和色純度的照明設(shè)備，以及包括所述照明設(shè)備的顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
被廣泛用作平板顯示設(shè)備的液晶顯示器(LCD)屬于非發(fā)射裝置，其具有注入到包括薄膜晶體管的陣列基板和濾色器基板之間的液晶，從而在取決于液晶的各向異性的折射率差的作用下取得成像效果。因此，LCD要求額外的光源，例如諸如背光單元的照明設(shè)備。
但是，當(dāng)前采用的LCD僅采用從光源發(fā)出的光的5％顯示圖像。所述低光效率是由包含在LCD中的偏振板和濾色器的光吸收導(dǎo)致的。設(shè)置兩個相互面對的并且其上分別形成了場發(fā)生電極的基板，并在其間插入液晶，由此制造LCD。此外，液晶分子在通過施加到電極上的電壓產(chǎn)生的電場的作用下發(fā)生移動，因而光透射率根據(jù)液晶分子的狀態(tài)而發(fā)生變化，由此顯示圖像。也就是說，LCD起到通過改變傳輸光的偏振方向而透射光或阻擋光的光閥的作用，因此，LCD采用沿一個方向的線偏振光，并包括位于LCD的兩個表面上的偏振板。設(shè)置于LCD的兩個表面上的偏振板是傳輸沿一方向偏振的光，吸收沿其他方向偏振的光的吸收偏振板。偏振板對入射光的50％左右的吸收是導(dǎo)致LCD的光利用率低的最大因素。
此外，LCD要求包括紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色的濾色器，以顯示全色圖像。此外，采用染料或色素形成濾色器。吸收濾色器僅透射來自入射的RGB光當(dāng)中的對應(yīng)于透射頻帶的光，吸收其余的2/3的光，因此引起了光利用效率的降低。
為了解決上述問題，人們正在開展廣泛的研究工作來提高光效率，其采取的手段有替換吸收偏振板或者將入射到吸收偏振板上的光的偏振方向變?yōu)榕c背部偏振板的偏振方向相同的偏振方向。例如，可以在偏振導(dǎo)光板的上表面上安裝具有諸如雙重亮度增強(qiáng)膜(DBEF)的多層結(jié)構(gòu)的反射偏振膜，由此提高LCD的光利用效率。但是，反射偏振膜成本高昂，并且缺少偏振改變單元，因而限制了光利用效率的提高。因此，人們正在開展廣泛的研究工作開發(fā)一種偏振導(dǎo)光板，其可以根據(jù)需要分離并改變光的偏振方向。
此外，人們正在研究一種作為濾色器的膽甾型液晶濾色器來替代吸收濾色器，所述膽甾型液晶濾色器采用了能夠有選擇地反射對應(yīng)波長的光的膽甾型液晶。
膽甾型液晶具有螺旋結(jié)構(gòu)，通過控制螺距確定所選擇的波長。因此，可以通過控制像素內(nèi)的所述螺距的分布而控制將被反射的光的波長。
能被人眼所見的可見光的波長范圍是400nm到700nm，R、G、B光的中心波長分別為650nm、550nm和450nm左右。
也就是說，如果控制膽甾型液晶，使之相對于每一R、G、B像素的中心波長在左螺距和右螺距之間變化，那么將在對應(yīng)于所述螺距之間的差異的波長范圍內(nèi)有選擇地反射左圓偏振光或右圓偏振光，因而能夠制造膽甾型液晶濾色器。
膽甾型液晶濾色器具有高光利用效率，并且有選擇地反射具有對應(yīng)波長的光。因此，膽甾型液晶濾色器能夠提高色純度和對比率。
但是，在膽甾型液晶濾色器中，如果光傾斜入射而非垂直入射，那么反射波長帶將發(fā)生偏移，使得不想要的波長成分也能夠通過所述膽甾型液晶濾色器透射。也就是說，膽甾型液晶根據(jù)膽甾型液晶的旋轉(zhuǎn)螺距有選擇地反射具有某一波長的光。此外，由于膽甾型液晶濾色器的厚度根據(jù)光的入射角而變化，因此，膽甾型液晶的螺距也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致反射光波長的變化。在將膽甾型液晶濾色器應(yīng)用于顯示裝置時，這一問題導(dǎo)致了串?dāng)_，因而需要對入射到膽甾型液晶濾色器上的光進(jìn)行垂直校準(zhǔn)，以降低上述問題的影響。
圖1示出了包括膽甾型液晶濾色器的照明設(shè)備的截面圖。參考圖1，所述包括常規(guī)膽甾型液晶濾色器的照明設(shè)備包括背光12和位于背光12的一側(cè)的線偏振板11，在線偏振板11上依次疊置玻璃基板1、配向?qū)?、四分之一波片3和膽甾型液晶層4。由于背光12不具有偏振分離功能，因此，這一結(jié)構(gòu)需要線偏振板11，線偏振板11是僅傳輸線偏振光，并吸收其余光的吸收型元件，因此降低了光利用效率。此外，未形成將入射到膽甾型液晶層4上的光準(zhǔn)直到一個小角度內(nèi)的單元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種照明設(shè)備和包括所述照明設(shè)備的顯示設(shè)備，所述照明設(shè)備包括膽甾型液晶濾色器和能夠提高偏振效率和提高垂直出射光的量的偏振導(dǎo)光板單元，因而能夠提供具有高偏振效率和高色純度特性的彩色偏振光。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種提供彩色偏振光的照明設(shè)備，所述設(shè)備包括光源；偏振導(dǎo)光板單元，其將從所述光源發(fā)射的光的偏振方向轉(zhuǎn)化為線偏振光，并對所述光準(zhǔn)直；以及膽甾型液晶濾色器，其設(shè)置在所述偏振導(dǎo)光板單元的上部上，用于根據(jù)光的偏振狀態(tài)和波長有選擇地反射光。


通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，附圖中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)采用膽甾型液晶濾色器的照明設(shè)備的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的照明設(shè)備的示意性截面圖；圖3A和圖3B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖2所示的照明設(shè)備的準(zhǔn)直構(gòu)件的透視圖；圖4是圖2所示的照明設(shè)備的偏振分離層的結(jié)構(gòu)和分離偏振光的方法的圖示；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例相對于入射角示出了從圖2所示的照明設(shè)備的偏振光導(dǎo)板單元出射的S偏振光和P偏振光的透射率的曲線圖；圖6是相對于波長示出了從圖2所示的照明設(shè)備的偏振光導(dǎo)板單元出射的S偏振光和P偏振光的透射率的曲線圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的照明設(shè)備的截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的照明設(shè)備的截面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的照明設(shè)備的截面圖；圖10是圖9所示的照明設(shè)備的第一和第二光出射層的布局的透視圖；以及圖11是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖更為充分地描述本發(fā)明，附圖中展示了本發(fā)明的示范性實(shí)施例。但是，可以以很多不同的形式體現(xiàn)本發(fā)明，而不應(yīng)將本發(fā)明視為局限于本文所闡述的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例的目的在于使本發(fā)明的公開徹底、全面，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的原理。在附圖中，為了清晰起見夸大了層和區(qū)域的厚度。在附圖中采用類似的附圖標(biāo)記表示類似的元件，因而將省略對它們的描述。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的照明設(shè)備的截面圖。參考圖2，照明設(shè)備2030包括光源100、將從光源100發(fā)射的非偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光的偏振導(dǎo)光板單元200和膽甾型液晶濾色器30。
光源100可以是諸如冷陰極熒光燈(CCFL)的線光源或諸如發(fā)光二極管(LED)的點(diǎn)光源。偏振導(dǎo)光板單元200包括引導(dǎo)從光源100發(fā)射的光的導(dǎo)光板260、設(shè)置在導(dǎo)光板260的上部之上的準(zhǔn)直構(gòu)件220以及設(shè)置在導(dǎo)光板260和準(zhǔn)直構(gòu)件220之間用來根據(jù)光的偏振成分分離從導(dǎo)光板260發(fā)射的光的偏振分離層240。偏振分離層240分離處于預(yù)定方向的線偏振光，準(zhǔn)直構(gòu)件220將光校準(zhǔn)到出射面的垂直方向內(nèi)。在下文中將對偏振分離層240和準(zhǔn)直構(gòu)件220予以描述。
膽甾型液晶濾色器30設(shè)置在偏振導(dǎo)光板單元200的上部之上。膽甾型液晶濾色器30由膽甾型液晶或液晶聚合物形成，它是一種利用液晶的分子特征根據(jù)光的偏振狀態(tài)和波長而有選擇地反射或透射光的濾色器。例如，膽甾型液晶分子具有螺旋結(jié)構(gòu)，可以通過螺旋的旋轉(zhuǎn)方向和螺距(即螺旋的一個周期)表示膽甾型液晶分子的特征。在入射到膽甾型液晶濾色器30上的入射光中，膽甾型液晶濾色器30有選擇地反射沿與螺旋的旋轉(zhuǎn)方向相同的方向圓偏振并且具有對應(yīng)于螺距的波長的光，并透射其余光。將膽甾型液晶濾色器30劃分為分別透射R、G和B光的像素區(qū)域30A到30C，采用膽甾型液晶材料填充每一像素區(qū)域30A到30C，并確定其螺距范圍，從而分別透射對應(yīng)R、G、B波長的光。因此，在每一像素區(qū)域30A到30C內(nèi)透射某一波段的光，由此能夠發(fā)射R、G、B光。
還可以在膽甾型液晶濾色器30的下部和上部設(shè)置第一和第二偏振改變構(gòu)件20和40。在偏振導(dǎo)光板單元200的上部設(shè)置第一偏振改變構(gòu)件20，從而將由偏振導(dǎo)光板單元200發(fā)射的線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光。例如，將S偏振光變?yōu)樽髨A偏振光，將P偏振光變?yōu)橛覉A偏振光。第二偏振改變構(gòu)件40將穿過膽甾型液晶濾色器30透射的圓偏振光變?yōu)榫€偏振光。例如，將左圓偏振光變?yōu)镻偏振光，將右圓偏振光變?yōu)镾偏振光。
第一和第二偏振改變構(gòu)件20和40可以是四分之一波片。
在下文中，將更為詳細(xì)地描述偏振導(dǎo)光板單元200的結(jié)構(gòu)，以及垂直于偏振導(dǎo)光板單元200的出射表面準(zhǔn)直入射光，并通過偏振導(dǎo)光板單元200提供偏振光的原理。導(dǎo)光板260包括入射表面260a和光出射表面260b，因而，從光源100發(fā)射的光通過入射表面260a入射，通過光出射表面260b出射。導(dǎo)光板260由能夠透射入射光的透明材料形成，例如諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)的光學(xué)各向同性材料。
準(zhǔn)直構(gòu)件220包括多個用于將從導(dǎo)光板260發(fā)射的光向上反射的反射圖案226，每一反射圖案226包括傾斜面226b。例如，準(zhǔn)直構(gòu)件220包括基板223和布置在基板223上的多個反射圖案。將反射圖案226設(shè)置為面對導(dǎo)光板260。基板223包括光通過其出射的出射表面223a，反射圖案226包括圖案下表面226a和傾斜面226b，從光出射表面260b發(fā)射的光入射到圖案下表面226a，傾斜面226b將所述入射光朝向基板223的出射表面223a全反射。例如，反射圖案226可以具有多面體形狀。傾斜面226b對光進(jìn)行校準(zhǔn)，使之沿垂直于基板223的出射表面223a的方向朝向基板223的出射表面223a出射。也就是說，可以通過調(diào)整反射圖案226的傾斜面226b的傾角調(diào)整校準(zhǔn)后的光所處的方向。反射圖案226的傾斜面226b具有的傾角使得從反射圖案226的傾斜面226b受到全反射并通過基板223的出射表面223a出射的光與出射表面223a的法線之間的夾角處于大約-10°到10°之間。圖3A和圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖2所示的照明設(shè)備的準(zhǔn)直構(gòu)件的透視圖。
參考圖3A和圖3B，準(zhǔn)直構(gòu)件220包括可以按照單向或雙向陣列的方式排列的多個反射圖案226。
偏振分離層240由具有不同折射率的多個薄膜構(gòu)成，并且形成于光出射表面260b和圖案下表面226a之間，其透射通過圖案下表面226a進(jìn)入的具有第一偏振的光，并反射具有與所述第一偏振正交的具有第二偏振的光。例如，所述第一偏振和第二偏振可以分別是水平和垂直偏振P和S。在下文中將對通過偏振分離層240分離入射光的偏振予以描述。
可以在導(dǎo)光板260和偏振分離層240之間設(shè)置粘附層280。粘附層280可以具有的導(dǎo)光板260低的折射率。在這種情況下，由于只有入射角小于光出射表面260b的光出射臨界角的光能夠穿過粘附層280透射，因此，光在一個小角度范圍內(nèi)入射到反射圖案226的傾斜面226b上，從而引起從傾斜面226a反射的光在一個小角度范圍內(nèi)穿過基板223的出射表面223a出射。
還可以在面對入射表面260a的導(dǎo)光板260的表面處與之相對設(shè)置反射板310，其對在導(dǎo)光板260和粘附層280之間的界面處受到全反射的光進(jìn)行反射，并將受到偏振分離層240反射的偏振光反射回導(dǎo)光板260當(dāng)中。受到反射板310反射的光在穿過粘附層280透射之前沿部分改變的路徑在導(dǎo)光板260內(nèi)部傳輸。還可以在反射板310和導(dǎo)光板260之間設(shè)置第三偏振改變構(gòu)件330。在這種情況下，將不能通過偏振分離層240透射的S偏振光轉(zhuǎn)化為P偏振光，從而使之穿過偏振分離層240透射。為了容易地改變偏振方向，可以在面對光出射表面260b的表面上設(shè)置第四偏振改變構(gòu)件350。第三和第四偏振改變構(gòu)件330和350可以是由各向異性材料形成的四分之一波片。此外，可以設(shè)置第三偏振改變構(gòu)件330或第四偏振改變構(gòu)件350二者之一。圖4是示出了偏振導(dǎo)光板單元200的偏振分離層240的結(jié)構(gòu)和根據(jù)偏振成分分離光的過程的示意圖。參考圖4，偏振分離層240由具有折射率n1到n5的第一到第五層241到245疊置而成，其位于一結(jié)構(gòu)上，在所述結(jié)構(gòu)中，依次疊置了具有折射率ni的導(dǎo)光板260和具有折射率na的粘附層280。現(xiàn)在將對光的傳播路徑予以詳細(xì)說明。首先，通過公式1定義通過導(dǎo)光板260傳輸至粘附層280的光的入射角θi的范圍。
90°-θc1＝90°-sin-1(l/ni)＜θi＜θc2＝sin-1(na/ni)--------------(1)θc1表示當(dāng)光從具有折射率ni的導(dǎo)光板260傳輸至折射率為1的空氣層時發(fā)生全反射的臨界角。由于θc1是當(dāng)來自光源100的光穿過空氣層朝向?qū)Ч獍?60傳輸時入射到導(dǎo)光板260上的光的角度θL的最大值，因此，在光出射表面260b處朝向粘附層280傳輸?shù)墓獾慕嵌鹊淖钚≈禐?0°-θc1。此外，θc2表示當(dāng)光從導(dǎo)光板260朝向粘附層280傳輸時發(fā)生全反射的臨界角，它是能夠朝向粘附層280傳輸?shù)墓獾娜肷浣铅萯的最大值?；谕ㄟ^公式1確定的入射角θi的范圍和斯涅耳(Snell’s)定律確定位于第一到第五界面241a到245a處的入射角θ1到θ5。當(dāng)布魯斯特角(Brewster’s angle)θB1到θB5分別處于第一到第五界面241a到245a的入射角θ1到θ5的范圍內(nèi)時，S偏振光受到反射，P偏振光得到透射。在光從具有折射率n1的媒質(zhì)朝向具有折射率n2的媒質(zhì)傳輸時，由tan-1(n2/n1)定義布魯斯特角。入射角θ1到θ5的范圍應(yīng)當(dāng)分別包含布魯斯特θB1到θB5，從而在第一到第五界面241a到245a處發(fā)生偏振分離。
例如，假設(shè)折射率n1高于折射率n2，那么從具有高折射率n1的媒質(zhì)向具有低折射率n2的媒質(zhì)傳輸?shù)墓獾娜肷浣铅?的范圍包括位于第二界面242a處的布魯斯特角θB2。光以該角度穿過第二界面242a傳輸?shù)慕嵌圈?是入射到具有折射率n3的第三層243的光的入射角。角度θ3大于入射角θ2。為了使入射角θ3的范圍包含位于第三界面243a處的布魯斯特角θB3，布魯斯特角θB3可以大于布魯斯特角θB2。因此，n3可以大于n2。利用這一原則，偏振分離層240可以包括多個交替的高折射率層和低折射率層。
偏振分離層240包括由任何在可見光波長處透明的材料構(gòu)成的薄層，例如所述材料為Al2O3、CeO2、Ta2O5、TiO2、ZnS、ZrO2、CaF2或MgF2。
當(dāng)導(dǎo)光板260和粘附層280分別具有1.59和1.45的折射率時，并且當(dāng)偏振分離層240具有由折射率為2.35和1.63的兩種的材料交替布置的層時，通過公式1確定51.03°＜θi＜65.78°。
表1示出了所計算的位于第一到第五界面241a到245a處的入射角θ1到θ5的范圍和布魯斯特角θB1到θB5。
表1

參考表1，位于第二到第五界面242a到245a處的入射角θ2到θ5的范圍分別包含布魯斯特角θB2到θB5。即使入射角θ1的范圍不包括布魯斯特角θB1，也可以通過使粘附層280的折射率稍大于1.45，使前者包含后者。當(dāng)位于第一到第五界面241a到245a處的入射角θ1到θ5的范圍等于布魯斯特角θB1到θB5時，垂直偏振的透射率或者S偏振光的透射率具有最小值0。在這種情況下，具有S偏振的入射光的預(yù)定部分受到反射，只有水平偏振光或P偏振光得到透射。由于S偏振光的透射率分別隨著入射角θ1到θ5偏離布魯斯特角θB1到θB5的程度的增大而逐漸提高，因此向每一相鄰層傳輸?shù)腟偏振光的量降低。當(dāng)在第一到第五界面241a到245a處重復(fù)上述過程時，S偏振光從第一到第五界面241a到245a反復(fù)受到反射，而P偏振光則被分離出來，之后通過偏振分離層240透射。由于隨著入射角θ1到θ5分別偏離布魯斯特θB1到θB5的程度的增大，所透射的P偏振光的量稍微降低，因此從第一到第五界面241a到245a受到反射的光中的大部分具有S偏振，其余光可以具有P偏振。在其通過導(dǎo)光板260前進(jìn)的過程中，將受到反射的P偏振光轉(zhuǎn)化為具有這樣的入射角的光，即使得P偏振光能夠穿過偏振分離層240透射。當(dāng)S偏振光在導(dǎo)光板260內(nèi)傳輸時，可以將S偏振光轉(zhuǎn)化為P偏振光。因?yàn)榧词箤?dǎo)光板260由各向同性材料形成，也可能具有根據(jù)偏振方向而略微變化的折射率?；蛘?，可以通過第三和第四偏振改變構(gòu)件330和350將S偏振光轉(zhuǎn)化為P偏振光，并使之通過偏振分離層240透射。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例相對于入射角示出了從圖2所示的照明設(shè)備的偏振光導(dǎo)板單元200出射的S偏振光和P偏振光的透射率的曲線圖。所述光具有550nm的波長。從圖5所示的曲線顯然可以看到，P偏振光在64°的入射角處具有100％的最大透射率，隨著入射角偏離64°，透射率略微降低。另一方面，在整個入射角的范圍內(nèi)，S偏振光始終具有小于5％的透射率。因此，偏振分離層240顯示出了良好的效率。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例相對于波長示出了從圖2所示的照明設(shè)備的偏振導(dǎo)光板單元200出射的S偏振光和P偏振光的透射率的曲線圖。
實(shí)線表示64°的入射角處的透射率，虛線表示54°和74°的入射角處的透射率。從圖6所示的曲線圖中顯然可以看出，在整個波長范圍內(nèi)P偏振光始終具有大于90％左右的透射率，而S偏振光在450nm到700nm的可見光波段的大部分內(nèi)具有小于20％左右的透射率。
隨著偏振分離層240的層的數(shù)量的增大，能夠提高偏振分離效率，因?yàn)槔酶邤?shù)量的界面，能夠更多地發(fā)生偏振分離。此外，可以選擇每一層的折射率，從而相對于入射角的范圍選擇最佳的布魯斯特角，由此提高偏振分離效率。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的照明設(shè)備5030的示意性截面圖。參考圖7，所述照明設(shè)備包括光源100、將從光源100發(fā)射的非偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光的偏振導(dǎo)光板單元500和膽甾型液晶濾色器30。還可以分別在膽甾型液晶濾色器30的下部和上部設(shè)置第一偏振改變構(gòu)件20和第二偏振改變構(gòu)件40。
第一和第二偏振改變構(gòu)件20和40以及膽甾型液晶濾色器30的結(jié)構(gòu)和操作與圖2所示的照明設(shè)備2030的結(jié)構(gòu)和操作相同，因此將省略對其的詳細(xì)描述。
偏振導(dǎo)光板單元500包括引導(dǎo)從光源100發(fā)射的光的導(dǎo)光板260和精細(xì)結(jié)構(gòu)層570，精細(xì)結(jié)構(gòu)層570形成于導(dǎo)光板260的上表面上，用于分離從導(dǎo)光板260發(fā)射的光的偏振，并對所述光準(zhǔn)直。導(dǎo)光板260包括光向其上入射的入射表面260a和光由其出射的光出射表面260b。精細(xì)結(jié)構(gòu)層570包括第一層510和第二層540，在第一層510上重復(fù)布置包括凹陷部分513和凸起部分515的出射單元517，第二層540形成于第一層510上，并且由根據(jù)入射光的偏振而具有不同折射率的各向異性材料構(gòu)成。所述各向異性材料可以是聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)。連續(xù)形成凹陷部分513和凸起部分515，在相鄰出射單元517之間形成平面部分519。凹陷部分513可以包括曲面和平面，或者兩個或更多的平面。還可以在導(dǎo)光板260的側(cè)面部分上設(shè)置反射板310，還可以在導(dǎo)光板260和反射板310之間設(shè)置第三偏振改變構(gòu)件330。
下文中將描述具有上述結(jié)構(gòu)的偏振導(dǎo)光板單元500的操作。從光源100發(fā)射的光入射到導(dǎo)光板260的入射表面260a，并沿各個方向發(fā)射。向下傳輸?shù)墓獗粚?dǎo)光板260的下表面朝向光出射表面260b反射，朝向光出射表面260b傳輸?shù)墓馐艿秸凵洳⑼ㄟ^第一層510透射，從而入射到第二層540上。由于導(dǎo)光板260和精細(xì)結(jié)構(gòu)層570的第一層510由光各向同性材料形成，因此穿過導(dǎo)光板260和第一層510的光的路徑不會根據(jù)光的偏振方向而變化。相反，第二層540由光各向異性材料形成，因而入射到第二層540上的光根據(jù)光的偏振方向而受到不同的折射，因而光的路徑發(fā)生改變。導(dǎo)光板260和精細(xì)結(jié)構(gòu)層570的第一層510由具有相同或類似折射率的材料形成。例如，導(dǎo)光板可以由具有1.49的折射率的PMMA形成，精細(xì)結(jié)構(gòu)層570的第一層510可以由具有1.5的折射率的樹脂形成。否則，可以采用相同材料將導(dǎo)光板260和第一層510形成為一體。形成第二層540的材料相對于第一偏振光具有與第一層510相同或類似的折射率，相對于第二偏振光具有比第一層510大的折射率。第一偏振光可以是P偏振光，第二偏振光可以是S偏振光。在這種情況下，第一偏振光穿過第一層510透射，并以大于臨界角的角度入射到第二層540的上表面上，從而向下受到全反射。此外，第二偏振光以大于臨界角的角度入射到第一層510的凸起部分515上，因而被朝向第二層540全反射，由此幾乎垂直于精細(xì)結(jié)構(gòu)層570的出射表面540a出射。未出射的第一偏振光當(dāng)其在光導(dǎo)板260內(nèi)傳輸?shù)倪^程中，或者借助第三偏振改變構(gòu)件330，使得其偏振方向得到轉(zhuǎn)化，因而第一偏振光可以向上射出。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的照明設(shè)備6030的截面圖。參考圖8，照明設(shè)備6030包括光源100、將從光源100發(fā)射的非偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光的偏振導(dǎo)光板單元600和膽甾型液晶濾色器30。還可以分別在膽甾型液晶濾色器30的下部和上部設(shè)置第一偏振改變構(gòu)件20和第二偏振改變構(gòu)件40。除了精細(xì)結(jié)構(gòu)層670以外，當(dāng)前實(shí)施例的照明設(shè)備6030具有與圖7所示的實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)，因而在下文中將對精細(xì)結(jié)構(gòu)層670予以描述。
精細(xì)結(jié)構(gòu)層670形成于導(dǎo)光板260上，其包括第一層610和第二層640，在第一層610上重復(fù)布置第一凹陷部分613、凸起部分615和第二凹陷部分616，第二層640形成于第一層610上，并且由根據(jù)入射光的偏振具有不同折射率的各向異性材料構(gòu)成。導(dǎo)光板260和第一層610由具有相同或相似折射率的光各向同性材料形成。第二層640由光各向異性材料形成，例如相對于第一偏振光具有與第一層610相同或類似的折射率，相對于第二偏振光具有比第一層610大的折射率的材料。在光穿過導(dǎo)光板260、第一層610和第二層640的過程中分離第二偏振光，并使光垂直出射的原理與圖7所示的上述實(shí)施例的原理相同。第二凹陷部分616減少以較大出射角射出的光，以提高垂直出射的光的量。出射角是精細(xì)結(jié)構(gòu)層670的第二層640的上表面的法線與出射光之間的角。第二凹陷部分616使以相對較大的角出射的光變成幾乎垂直出射的光。也就是說，在穿過第二凹陷部分616的第一表面616a傳輸?shù)墓猱?dāng)中，第二偏振光被第二凹陷部分616的第二表面616b向上全反射。在光受到第二凹陷部分616的第二表面616b的反射時，經(jīng)過反射的光具有幾乎垂直于出射表面640a的出射角。第一和第二凹陷部分613和616可以包括兩個或更多平面，或者分別包括曲面和平面。此外，可以調(diào)整第一凹陷部分613、凸起部分615和第二凹陷部分616的圓心角(central angle)，以提高沿垂直方向出射的光的量。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的照明設(shè)備7030的截面圖，圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖9所示的照明設(shè)備的第一和第二光出射層720和740的布局的透視圖。參考圖9和圖10，照明設(shè)備7030包括光源100、對從光源發(fā)射的光進(jìn)行準(zhǔn)直的準(zhǔn)光器110、將從光源100發(fā)射的非偏振光轉(zhuǎn)化為線偏振光的偏振導(dǎo)光板單元700和膽甾型液晶濾色器30。還可以分別在膽甾型液晶濾色器30的下部和上部設(shè)置第一偏振改變構(gòu)件20和第二偏振改變構(gòu)件40。
第一和第二偏振改變構(gòu)件20和40以及膽甾型液晶濾色器30的結(jié)構(gòu)和操作與圖2所示的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作相同，因此將省略對其的詳細(xì)描述。
偏振導(dǎo)光板單元700包括降低從光源100發(fā)射的光的入射角范圍的準(zhǔn)光器110、引導(dǎo)光穿過準(zhǔn)光器110入射的導(dǎo)光板260、設(shè)置在導(dǎo)光板260的下部上并且由具有根據(jù)偏振方向而變化的折射率的各向異性材料形成的各向異性層710以及設(shè)置于各向異性層710的下部上用來使光穿過各向異性層710向上射出的第一光出射層720。
準(zhǔn)光器110設(shè)置于與光源100鄰接的導(dǎo)光板260的側(cè)面部分上。準(zhǔn)光器110包括多個彼此面對的反射鏡112和設(shè)置于所述反射鏡112之間的三角棱鏡114。將反射鏡形成為梯形，使得每一反射鏡112在與光源100相鄰接的一側(cè)具有較窄寬度，在與導(dǎo)光板260鄰接的一側(cè)具有較寬的寬度。三角棱鏡114具有面對光源100的底面和與所述底面相對的面對導(dǎo)光板260的角。
導(dǎo)光板260包括光向其上入射的入射表面260a和光由其出射的光出射表面260b，導(dǎo)光板260由光各向同性材料形成。
各向異性層710由光各向異性材料形成，所述材料相對于第一偏振光具有比導(dǎo)光板260小的折射率，相對于第二偏振光具有與導(dǎo)光板260相同或相似的折射率。
第一光出射層720由各向同性材料形成，并且包括第一光出射圖案720a，其用于通過全反射將穿過各向異性層710透射的光準(zhǔn)直到垂直于導(dǎo)光板260的光出射表面260b的方向。第一光出射圖案720a可以是棱鏡圖案，并沿第一方向按一維陣列排列。
還可以在導(dǎo)光板260的側(cè)面部分上設(shè)置反射板310，還可以在導(dǎo)光板260和反射板310之間設(shè)置諸如四分之一波片的第三偏振改變構(gòu)件330。還可以在導(dǎo)光板260的上部之上設(shè)置第二光出射層740，第二光出射層740包括第二光出射圖案740a，第二光出射圖案740a用于對穿過導(dǎo)光板260的光出射表面260b出射的光進(jìn)行額外準(zhǔn)直。參考圖9，將第二光出射層740設(shè)置為使得第二光出射圖案740a沿垂直于第一方向的第二方向布置。
下文中將描述具有上述結(jié)構(gòu)的偏振導(dǎo)光板單元700的操作。準(zhǔn)光器110對光源100發(fā)射的光進(jìn)行準(zhǔn)直，從而使入射到導(dǎo)光板260的上表面或下表面上的光的入射角大于所述臨界角。這里，所述入射角是指導(dǎo)光板260的上表面或下表面的法線與入射光所夾的角。設(shè)置于導(dǎo)光板260的下部上的各向異性層710通過對具有某一偏振的光進(jìn)行全反射而分離偏振(在下文中將對其予以說明)，因此，必須對入射到導(dǎo)光板260上的光進(jìn)行初級準(zhǔn)直。準(zhǔn)光器110的形狀不限于附圖所示例子，例如，可以在考慮準(zhǔn)直效率的情況下，形成不同的準(zhǔn)光器110的長度、三角棱鏡114的折射率或?qū)斀?vertical angle)尺寸。穿過準(zhǔn)光器110入射到導(dǎo)光板260上的光沿各個方向前進(jìn)，向上前進(jìn)的光被光出射表面260b向下全反射，向下前進(jìn)的光入射到各向異性層710上。各向異性層710由相對于第一偏振光具有比導(dǎo)光板260小的折射率，相對于第二偏振光具有與導(dǎo)光板260相同或相似的折射率的材料形成。因此，第一偏振光在各向異性層710的界面處受到全反射，從而向上前進(jìn)，第二偏振光穿過各向異性層710并入射到第一光出射層720上。第一光出射層720由各向同性材料形成，所述材料相對于第二偏振光具有與各向異性層710相同或相似的折射率。因此，入射到第一光出射層720上的光穿過各向異性層710和第一光出射層720之間的界面?zhèn)鬏?，抵達(dá)光出射圖案720，并被向上全反射。光的全反射方向幾乎垂直于導(dǎo)光板260的光出射表面260b。受到各向異性層710的全反射的光當(dāng)其在導(dǎo)光板260內(nèi)傳輸時，或者通過第三偏振改變構(gòu)件330使其偏振得到轉(zhuǎn)化，之后入射到各向異性層710上，并沿幾乎垂直于導(dǎo)光板260的光出射表面260b的方向射出。如果在導(dǎo)光板260的上部之上設(shè)置包括沿垂直于第一光出射圖案720a的布置方向的方向布置的第二光出射圖案740a的第二光出射層740，將提高出射光的量。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖。參考圖11，所述顯示設(shè)備包括光源100、提供彩色偏振光的照明設(shè)備2030和利用從照明設(shè)備2030發(fā)出的光顯示圖像的顯示屏板50。照明設(shè)備2030具有圖2所示的結(jié)構(gòu)，此外，也可以實(shí)施圖7到圖9所示的照明設(shè)備5030、6030和7030。照明設(shè)備2030提供彩色光，所述彩色光線偏振并沿垂直于照明設(shè)備的出射表面的方向準(zhǔn)直，所述照明設(shè)備2030根據(jù)上述原理具有改善的色純度特性。顯示屏板50可以是液晶屏板。還可以在顯示屏板50上設(shè)置漫射板60。顯示屏板50利用從照明設(shè)備2030發(fā)射的光顯示圖像，漫射板60對顯示在顯示屏板50上的圖像的光進(jìn)行漫射，以拓寬視角。
根據(jù)本發(fā)明的照明設(shè)備，可以利用偏振導(dǎo)光板單元和膽甾型液晶濾色器提供具有高偏振效率和改善的色純度特性的彩色偏振光，所述偏振導(dǎo)光板單元的結(jié)構(gòu)提高了光利用效率和垂直出射光的量。
根據(jù)本發(fā)明的照明設(shè)備，與吸收偏振板不同，未射出的偏振光受到反射，受到反射的偏振光在偏振光導(dǎo)板中被再次利用并射出，因此可以提高光利用效率。
此外，膽甾型液晶濾色器能夠有選擇地反射光，可以通過實(shí)施膽甾型液晶濾色器替代吸收濾色器的使用，由此在偏振光導(dǎo)板中對反射光重復(fù)利用?？偠灾?，能夠增強(qiáng)光利用效率。
由于入射到膽甾型液晶濾色器上的光沿幾乎垂直于入射表面的方向入射，因此能夠提高光的色純度特性。
因此，當(dāng)在顯示設(shè)備中實(shí)施該照明設(shè)備時，降低了功率消耗，實(shí)現(xiàn)了良好的圖像質(zhì)量。
盡管已經(jīng)參考其示范性實(shí)施例特別展示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將要理解，可以在其中做出多種形式和細(xì)節(jié)上的變化而不脫離由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種提供彩色偏振光的照明設(shè)備，所述設(shè)備包括光源；偏振導(dǎo)光板單元，其將從所述光源發(fā)射的光的偏振方向轉(zhuǎn)化為線偏振光，并對所述光準(zhǔn)直；以及膽甾型液晶濾色器，其設(shè)置在所述偏振導(dǎo)光板單元的上部上，用于根據(jù)光的偏振狀態(tài)和波長有選擇地反射光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括第一偏振改變構(gòu)件，其設(shè)置于所述膽甾型液晶濾色器和所述偏振導(dǎo)光板單元之間，用于將從所述偏振導(dǎo)光板單元射出的所述線偏振光變?yōu)閳A偏振光；以及第二偏振改變構(gòu)件，其設(shè)置于所述膽甾型液晶濾色器的上部上，用于將穿過所述膽甾型液晶濾色器的所述圓偏振光變?yōu)榫€偏振光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述偏振導(dǎo)光板單元包括引導(dǎo)從所述光源發(fā)射的光的導(dǎo)光板；準(zhǔn)直構(gòu)件，其設(shè)置于所述導(dǎo)光板的上部上，并且包括多個反射圖案，使得每一所述反射圖案具有用于將從所述導(dǎo)光板發(fā)射的光向上反射的斜面；以及偏振分離層，其設(shè)置于所述多個反射圖案中的每一個和所述導(dǎo)光板之間，用于透射從所述導(dǎo)光板發(fā)射的光中的具有第一偏振的光，反射具有與所述第一偏振正交的第二偏振的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述反射圖案具有多面體形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，通過疊置多個具有不同折射率的薄膜形成所述偏振分離層。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述偏振分離層包括由具有不同折射率的兩個薄膜交替布置而得到的多個薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，調(diào)整所述準(zhǔn)直構(gòu)件的所述斜面的傾角，使得從所述斜面受到反射并穿過所述準(zhǔn)直構(gòu)件的上表面射出的光與所述上表面的法線之間所夾的角處于大約-10°到+10°之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，按照單向或雙向陣列布置所述多個反射圖案。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，還包括設(shè)置在所述導(dǎo)光板的側(cè)面部分上的反射板。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，在所述導(dǎo)光板和所述反射板之間另外設(shè)置第三偏振改變構(gòu)件。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，在所述導(dǎo)光板的下表面上另外設(shè)置第四偏振改變構(gòu)件。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述偏振分離層中的每一所述薄膜由從下述集合中選出的一種材料形成Al2O3、CeO2、Ta2O5、TiO2、ZnS、ZrO2、CaF2和MgF2。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，還包括粘附層，其由折射率小于所述導(dǎo)光板的折射率的材料形成，并且設(shè)置于所述導(dǎo)光板和所述偏振分離層之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述偏振導(dǎo)光板單元包括引導(dǎo)從所述光源發(fā)射的光的導(dǎo)光板；以及形成于所述導(dǎo)光板上的精細(xì)結(jié)構(gòu)層，其包括第一層和第二層，在所述第一層中，重復(fù)設(shè)置具有凹陷部分和凸起部分的出射單元，第二層利用各向異性材料形成于所述第一層上，所述各向異性材料根據(jù)入射光的偏振方向而具有不同的折射率。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，在相鄰的所述出射單元之間設(shè)置平面。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述凹陷部分包括曲面和平面。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述偏振導(dǎo)光板單元包括引導(dǎo)從所述光源發(fā)射的光的導(dǎo)光板；以及形成于所述導(dǎo)光板上的精細(xì)結(jié)構(gòu)層，其包括第一層和第二層，在所述第一層中，重復(fù)設(shè)置具有第一凹陷部分、凸起部分和第二凹陷部分的出射單元，第二層利用各向異性材料形成于所述第一層上，所述各向異性材料根據(jù)入射光的偏振而具有不同的折射率。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述第一凹陷部分和所述第二凹陷部分分別包括曲面和平面。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，在相鄰的所述出射單元之間設(shè)置平面。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，將所述導(dǎo)光板和所述精細(xì)結(jié)構(gòu)層形成為互成一體。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述偏振導(dǎo)光板單元包括引導(dǎo)從所述光源發(fā)射的光的導(dǎo)光板；準(zhǔn)光器，其設(shè)置于與所述光源相鄰接的所述導(dǎo)光板的側(cè)面部分上，用于降低進(jìn)入所述導(dǎo)光板的光的入射角；各向異性層，其設(shè)置于所述導(dǎo)光板的下部上，并由具有取決于光的偏振方向的折射率的各向異性材料形成；以及第一光出射層，其形成于所述各向異性層的下部上，并包括多個第一光出射圖案，所述第一光出射圖案將穿過所述各向異性層透射的光朝向所述導(dǎo)光板的上部反射。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，所述準(zhǔn)光器包括多個形成為梯形并彼此面對的反射鏡，所述梯形具有鄰接所述光源的較窄邊和鄰接所述導(dǎo)光板的較寬邊；以及三角棱鏡，其設(shè)置于所述的彼此相對的反射鏡之間，并且具有面對所述光源的底面和與所述底面相對的面對所述導(dǎo)光板的角。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，所述第一光出射圖案為棱鏡圖案。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，沿第一方向?qū)⑺龉獬錾鋱D案布置為一維陣列。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中，在所述導(dǎo)光板上另外形成包括第二光出射圖案的第二光出射層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中，沿垂直于所述第一方向的第二方向?qū)⑺龅诙獬錾鋱D案布置為一維陣列。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的設(shè)備，還包括設(shè)置在所述導(dǎo)光板的側(cè)面上的反射板。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中，在所述導(dǎo)光板和所述反射板之間另外設(shè)置第三偏振改變構(gòu)件。
29.一種顯示設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明設(shè)備；以及利用從所述照明設(shè)備發(fā)射的光顯示圖像的顯示屏板。
30.一種顯示設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求14所述的照明設(shè)備；以及利用從所述照明設(shè)備發(fā)射的光顯示圖像的顯示屏板。
31.一種顯示設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求21所述的照明設(shè)備；以及利用從所述照明設(shè)備發(fā)射的光顯示圖像的顯示屏板。
全文摘要
提供了一種能夠提供彩色偏振光的照明設(shè)備和包括所述照明設(shè)備的顯示設(shè)備。所述照明設(shè)備包括光源；偏振導(dǎo)光板單元，其將從所述光源發(fā)射的光的偏振方向轉(zhuǎn)化為線偏振光，并對所述光準(zhǔn)直；以及膽甾型液晶濾色器，其設(shè)置在所述偏振導(dǎo)光板單元的上部上，用于根據(jù)光的偏振狀態(tài)和波長有選擇地反射光。
文檔編號F21V9/14GK101071225SQ20061017255
公開日2007年11月14日 申請日期2006年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者黃圣模, 劉在鎬 申請人:三星電子株式會社