CN101243354A - 色彩混合照明单元以及使用该单元的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种照明单元(112)，该照明单元包括：至少两个光源(116a，116b)，这两个光源产生不同波长的光。照明单元还包括：反射腔(118)，其具有一个或多个反射器(202)和设置在所述反射腔的输出端的半透射镜(200)。受控透射镜包括输入耦合元件(206)、输出耦合元件(208)和设置在所述输入耦合元件与所述输出耦合元件之间的第一多层反射器(204)。来自所述光源的光的至少一部分在所述反射腔内被一个或多个反射器反射并且混合。光通过半透射镜射出所述反射腔。该照明单元可以用于照明目的，或者作为照明显示器的背光源的一部分。

Description

色彩混合照明单元以及使用该单元的系统
相关申请
本申请涉及以下申请：与本申请同日提交的、代理人卷号为No.60499US002的、名称为“OPTICAL ELEMENT FOR LATERALLIGHT SPREADING IN BACK-LIT DISPLAYS AND SYSTEMUSING SAME”的美国专利申请No.11/166,723；与本申请同日提交的、代理人卷号为No.60709US002的、名称为“OPTICAL ELEMENTFOR LATERAL LIGHT SPREADING IN EDGE-LIT DISPLAYS ANDSYSTEM USING SAME”的美国专利申请No.11/167,003；与本申请同日提交的、代理人卷号为No.60975US002的、名称为“ILLUMINATION ELEMENT AND SYSTEM USING SAME”的美国专利申请No.11/167,001；以及与本申请同日提交的、代理人卷号为No.60976US002的、名称为“POLARIZATION SENSITIVEILLUMINATION ELEMENT AND SYSTEM USING SAME”的美国专利申请No.11/167,019。
技术领域
本发明涉及光学照明设备和显示器，更具体地涉及由背光源照明的标志和显示系统。
背景技术
液晶显示器(LCD)是用于诸如膝上型计算机、手持计算器、电子表、电视机等装置中的光学显示器。一些LCD，例如膝上型计算机、移动电话以及某些LCD监视器和LCD电视机(LCD-TV)中的LCD，是利用背光源从后面进行照明的，其中，该背光源具有位于显示面板侧面的多个光源。利用位于显示器背面的光导将光从光源导出。光导通常构造成从光导引出光并将光导向显示面板。这种布置方案通常称为边缘照明式显示器，并且常常在显示器不太大和/或显示图像不必很亮的应用领域中使用。例如，大多数计算机监视器是近距离观看的，因此不必像通常从较远距离观看的相等尺寸的电视显示器那样亮。
在较大或较亮的显示器中，背光源趋于使用位于显示面板正后方的光源。这样做的一个原因是，为获得一定水平的显示器亮度所需的光功率需求量按照显示器尺寸的平方增加。因为沿显示器的侧面设置光源的可用空间仅随着显示器尺寸线性地增加，所以形成了如下观点：为获得所需的亮度水平，必须将光源置于面板后面而非设置在侧面。
背光源的一个重要方面是，照明显示面板的光应当是亮度均匀的光。尤其是在所用光源为例如发光二极管(LED)等点光源时，照明均匀性成为问题。在这种情况下，要求背光源使光在整个显示面板上扩散，从而使显示的图像没有暗区。此外，在一些应用中，利用来自产生不同颜色光的多个不同LED的光照明显示面板。在这些情况下，重要的是将来自不同LED的光混合，以使色彩和亮度在整个显示图像上是均匀的。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种光学系统，该光线系统包括：成像面板，其具有照明侧；以及背光单元，其设置在所述成像面板的照明侧。背光单元包括：至少第一光源和第二光源，所述第一光源产生第一波长的光，所述第二光源产生与所述第一波长不同的第二波长的光。背光单元还包括：反射腔，其具有至少一个反射表面和受控透射镜。来自所述第一光源和所述第二光源的光在所述反射腔内被反射。所述受控透射镜包括输入耦合元件、输出耦合元件和位于所述输入耦合元件与所述输出耦合元件之间的第一多层反射器。所述第一多层反射器对来自所述第一光源和所述第二光源的法向入射光是反射性的。所述输入耦合元件使来自所述第一光源和所述第二光源的、沿与所述第一多层反射器基本垂直的方向传播的光的至少一部分改向到透射通过所述第一多层反射器的方向。
本发明的另一个实施例涉及一种照明单元，该照明单元包括：至少第一光源和第二光源，所述第一光源能够产生第一波长的照明光，所述第二光源能够产生与所述第一波长不同的第二波长的照明光。照明单元还包括：反射腔，其具有一个或多个反射器和设置在所述反射腔输出端的受控透射镜。所述受控透射镜包括输入耦合元件、输出耦合元件和设置在所述输入耦合元件与所述输出耦合元件之间的第一多层反射器。来自所述第一光源和所述第二光源的照明光的至少一部分在所述反射腔内被所述一个或多个反射器反射，并且通过所述受控透射镜透射出所述反射腔。
本发明的上述概要说明不是为了描述本发明的每个举例性实施例或者每种实施方式。下面的附图和详细描述更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
通过下面结合附图对本发明各种实施例的详细描述，可以更全面地理解本发明，其中：
图1A示意性示出了背光照明式液晶显示(LCD)设备，其具有根据本发明原理的带受控透射镜的照明单元；
图1B示意性示出了边缘照明式LCD设备，其具有根据本发明原理的带受控透射镜的照明单元；
图2A至图2D示意性示出了根据本发明原理的具有受控透射镜的照明单元的实施例的局部剖视图；
图3A至图3D示意性示出了根据本发明原理的用于受控透射镜的输入耦合元件的不同实施例的局部剖视图；
图4A至图4D示意性示出了根据本发明原理的用于受控透射镜的输出耦合元件的不同实施例的剖视图；
图5A示意性示出了根据本发明原理的偏振敏感受控透射镜的实施例的剖视图；
图5B和图5C示意性示出了根据本发明原理的用于受控透射镜的偏振敏感输出耦合元件的不同实施例；
图6A至图6C示意性示出了根据本发明原理的使用受控透射镜的照明单元的实施例的局部剖视图；
图7示意性示出了根据本发明原理的可以在直接照明式显示器的背光源中使用的多个照明单元的布置方案的实施例；
图8A示意性示出了根据本发明原理的使用受控透射镜的照明单元的示例性实施例；
图8B示意性示出了根据本发明原理的具有将光导入光导的照明单元的背光单元；
图9A和图9B示意性示出了根据本发明原理的使用受控透射镜的照明单元的实施例；
图10A和图10B示意性示出了根据本发明原理的具有受控透射镜的照明单元的另一示例性实施例；以及
图11A至图11C示意性示出了根据本发明原理的具有受控透射镜的照明单元的附加示例性实施例。
本发明可以具有各种变型和替代形式，其细节在附图中通过实例示出并将进行详细描述。然而，应该理解，其意图并非将本发明局限于所述的这些具体实施例。相反，其意图在于覆盖落入由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物及其替换形式。
具体实施方式
本发明适用于诸如液晶显示器(LCD或LC显示器)等照明标志和显示器，适用于利用位于显示面板正后方的光源照明的显示器(即所谓的直接照明式显示器)，并且适用于利用位于显示面板侧面的光源照明的显示器(即所谓的边缘照明式显示器)。相信本发明特别可用于由不同色彩的光源照明的显示器。还相信本发明适用于提供空间照明的系统。
图1A示出了直接照明式显示系统100的示例性实施例的示意性分解视图。这种显示系统100可以用于例如LCD监视器或LCD-TV中。在本示例性实施例中，设备100使用液晶(LC)显示面板102，LC面板102通常包括布置在面板基板106之间的LC层104。面板基板106通常由玻璃形成，并可以包括位于其内表面上的用于控制LC层104中的液晶取向的电极结构和配向层。电极结构通常排列成限定LC面板像素，即LC层上可以独立于相邻像素对液晶取向进行控制的区域。一个或多个面板基板106还可以包括用于在显示的图像上附加颜色的滤色片。
上吸收偏振片108位于LC层104上方，下吸收偏振片110位于LC层104下方。在示出的实施例中，上吸收偏振片108、下吸收偏振片110位于显示面板102之外。吸收偏振片108、110和显示面板102一起控制光从背光源112透射通过显示面板102到达观看者。在一些示例性实施例中，在未激活状态下，LC层104的像素不改变从中通过的光的偏振态。相应地，当吸收偏振片108、110垂直地排列时，上吸收偏振片108吸收通过下吸收偏振片110的光。另一方面，当像素激活时，从LC层104中通过的光的偏振态发生旋转，从而使得透射通过下吸收偏振片110的光的至少一部分也透射通过上吸收偏振片108。例如利用控制器113选择性地激活LC层104的不同像素，使得光在某些需要的位置射出显示器100，从而形成观察者可以看到的图像。控制器113可以包括例如计算机或接收并显示电视图像的电视控制器。在上吸收偏振片108上可以设置一个或多个可选层109，例如以便为显示器表面提供机械和/或环境保护。在一个示例性实施例中，层109可以包括位于吸收偏振片108上的硬涂层。
一些类型的LC显示器可以以与上述方式不同的方式操作，因此在细节上与所述系统不同。例如，吸收偏振片可以平行排列，并且LC面板可以在非激活状态下使光的偏振态发生旋转。无论如何，这种显示器的基本结构仍然与上述结构相似。
背光源112产生照明光并将光导向LC面板102的背面。背光源112包括反射腔114，该反射腔包括用于产生光的多个光源116，或者接收来自光源116的光。光源116可以是例如发光二极管(LED)、有机LED(OLED)，或者可以是其它类型的光源。
反射腔114可以包括底部反射器118，该底部反射器118反射从光源116沿着背离显示面板102的方向向下传播的光。如下所述，底部反射器118还可以用于在显示设备100内回收光。反射器118可以是镜面反射器或可以是漫反射器。可以用作底部反射器118的镜面反射器的一个实例是可从3M Company，St.Paul，Minnesota购得的VikuitiTM Enhanced Specular Reflection(ESR)膜。合适的漫反射器的实例包括充填有诸如二氧化钛、硫酸钡、碳酸钙等漫反射颗粒的诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等聚合物。在共同拥有的美国专利No.6,780,355中讨论了漫反射器的其它实例，包括微孔材料和含小纤维的材料。
反射腔114还包括设置在光源116和显示面板102之间的受控透射镜120。术语“腔”是指由受控透射镜和至少一个反射表面组成的结构，其中光的至少一部分能够在受控透射镜与反射表面之间往复反射。
受控透射镜120使反射腔114内的一部分光反射，并且还促进光在腔114内横向扩散。使光横向扩散有助于使射出受控透射镜120的光的强度分布变得更均匀，从而使得观看者看到更均匀照明的图像。此外，在不同的光源116产生不同颜色光的情况下，使光横向扩散使得不同颜色的混合更彻底，因此观看者看到颜色更均匀的图像。下面将更详细地讨论受控透射镜120的操作。
腔114还可以设置有反射壁122。反射壁122可以由例如与用于底部反射器118的镜面反射或漫反射材料相同的材料制成，或由一些其它类型的反射材料制成。
还可以在腔114与显示面板102之间设置一组光控制层124。光控制层124影响从腔114传播的光从而改善显示设备100的操作。例如，光控制层124可以包括反射偏振片126。上述结构是有益的，这是因为光源116通常产生非偏振光而下吸收偏振片110仅透射单一偏振态的光。这样，光源116产生的光的大约一半不适合透射到达LC层104。然而，反射偏振片126可以用于反射那些在不设置反射偏振片的情况下将被下吸收偏振片110吸收的光，因此可以通过在反射偏振片126和腔114之间的反射回收这些光。反射偏振片126反射的光可以随后由受控透射镜120反射，或该光可以重新进入光混合腔114并由底部反射器118反射。可以将反射偏振片126反射的光的至少一部分去偏振，并随后以透射通过反射偏振片126和下吸收偏振片110到达显示面板102的偏振态返回到反射偏振片126。以这样的方式，反射偏振片126可以用于提高光源116发出的光中到达显示面板102的比例，从而使得由该显示设备100产生的图像更亮。
可以使用任何合适类型的反射偏振片，例如多层光学膜(MOF)反射偏振片；漫反射偏振膜(DRPF)，例如连续相/分散相偏振片；线栅反射偏振片；或胆甾型反射偏振片。
MOF和连续相/分散相反射偏振片都依赖于至少两种材料(通常为聚合物材料)之间的折射率差来选择性地反射一个偏振态的光而透射正交偏振态的光。在共同拥有的美国专利No.5,882,774中描述了MOF反射偏振片的一些实例。可购得的MOF反射偏振片的实例包括可从3M Company，St.Paul，Minnesota得到的包括漫射表面的VikuitiTM DBEF-D200和DBEF-D400多层反射偏振片。
可用于本发明的DRPF实例包括在共同拥有的美国专利No.5,825,543中描述的连续相/分散相反射偏振片和例如在美国专利No.5,867,316中描述的漫反射多层偏振片。在美国专利No.5,751,388中描述了其它合适类型的DRPF。
可用于本发明的线栅偏振片的一些实例包括在美国专利No.6,122,103中描述的那些线栅偏振片。线栅偏振片可特别从MoxtekInc.，Orem，Utah购得。
可用于本发明的胆甾型偏振片的一些实例包括例如在美国专利No.5,793,456和美国专利No.6,917,399中描述的那些胆甾型偏振片。胆甾型偏振片通常在输出侧设置有四分之一波延迟层，以便将透射通过胆甾型偏振片的光转换成线性偏振态。
可以在腔114和反射偏振片126之间设置偏振混合层128，以帮助混合反射偏振片126反射的光的偏振态。例如，偏振混合层128可以是诸如四分之一延迟层等双折射层。
光控制层124还可以包括一个或多个棱柱形增亮层130a、130b。棱柱形增亮层是包括将离轴光改向到更靠近显示器轴线的传输方向的表面结构的层。这控制了透过LC面板102的照明光的视角，并通常增加了轴向通过LC面板102的光量。从而增加了观察者看到的图像的轴向亮度。
棱柱形增亮层的一个实例具有通过折射和反射的组合使照明光改向的多个棱柱形脊部。可用于显示设备的棱柱形增亮层的实例包括可得自3M Company，St.Paul，Minnesota的VikuitiTMBEFII和BEFIII类棱柱形膜，包括BEFII90/24、BEFII90/50、BEFIIIM90/50和BEFIIIT。尽管可以仅使用一个增亮层，但是也可以使用棱柱形结构取向彼此成大约90°的两个增亮层130a、130b。这样的交叉结构能够在两个维度上控制照明光的视角，即水平视角和竖直视角。
图1B示意性示出了包括边缘照明式显示器的显示设备150的示例性实施例。在该实施例中，背光源112包括光导152和一个或多个照明单元154，这些照明单元154产生照明光并将照明光导入光导152。照明单元154包括用于产生照明光的多个光源116。光源116可以是在扩展长度上发射光的扩展光源。扩展光源的一个实例是冷阴极荧光管。光源116也可以是有效的点光源，例如发光二极管(LED)。也可以使用其它类型的光源。所列出的光源不是限制性或穷举性的，而仅是示例性的。
照明单元154可以包括反射腔，该反射腔用于收集光源116的光并将光导向光导152。光导152将来自光源116的照明光导向显示面板102后面的区域，并且将光导向显示面板102。光导152可以通过单个边或多个边接收照明光。在其它实施例中(未示出)，可以通过光耦合机构而不是光导152的边缘来使光耦合到光导152中。底部反射器156可以位于光导152的与显示面板102相对的一侧。光导152可以包括光提取部件153，该光提取部件用于从光导152提取光，以照明显示面板102。例如，光提取部件153可以包括位于光导152的表面上的扩散点(diffusing spot)，该扩散点使光直接导向显示面板102或者导向底部反射器156。可以使用其它方法从光导152中提取光。
现在参考图2A描述照明单元199的一个示例性实施例。该图示出了照明单元199的一部分，包括一些光源116a和116b。反射腔118可以形成在至少一个反射表面202与受控透射镜200之间，反射表面202与受控透射镜200设置成使得光源116a和116b产生的照明光的至少一部分被受控透射镜200与反射表面202二者反射。在示出的实施例中，反射表面202位于光源116a和116b的后面。
受控透射镜200包括多层反射器204，多层反射器204具有反射光谱，使得当光源116a和116b产生的光法向入射在该多层反射器上时，这些光的至少一部分被反射。
输入耦合元件206设置在多层反射器204的下侧，而输出耦合元件208设置在多层反射器204的上侧。输入耦合元件206和输出耦合元件208用于改变至少一部分射入这些耦合元件206和208的光的方向，从而通过受控透射镜200耦合光。输入耦合元件206和输出耦合元件208的示例性实施例包括扩散片(表面扩散片和体扩散片)和微复制表面。下面将更详细地描述输入耦合元件206和输出耦合元件208的实例。输出耦合元件208可以是与输入耦合元件206相同类型的耦合元件，例如输入耦合元件206和输出耦合元件208都为体扩散片，或者输出耦合元件208可以与输入耦合元件206不同。输入耦合元件206和输出耦合元件208可以通过层压或者其它方式与多层反射器204一体地形成。
多层反射器204通常由形成介质堆的基本构造块的光学重复单元构成。光学重复单元通常包括由至少高折射率材料和低折射率材料制成的两层或更多层。使用这些构造块，可以将多层反射器设计成反射红外光波长、可见光波长或紫外光波长，以及反射一对给定正交光偏振态中的一个或两个偏振态的光。通常，通过根据下述关系式控制这些层的光学厚度将介质堆构造成反射特定波长λ的光：
λ＝(2/M)*Dr               (1)
其中，M是表示光反射级的整数，而Dr是光学重复单元的光学厚度。对于第一反射级(M＝1)，光学重复单元具有λ/2的光学厚度。简单的1/4波堆包括多个层，其中每个层具有四分之一波长(λ/4)的光学厚度。宽带反射器可以包括调节到各种波长的多个1/4波堆、在整个堆上具有连续分级的层厚的堆或者其组合。多层反射器还可以包括非光学层。例如，共挤聚合物介质反射器可以包括用于帮助形成反射器膜并保护反射器的保护边界层和/或表层。在名称为“多层光学膜(Multilayer Optical Film)”的已公布PCT专利申请WO95/17303和美国专利No.6,531,230中描述了尤其适用于本发明的聚合物光学堆。在另一些实施例中，介质堆可以是无机材料堆。适用于低折射率材料的一些材料包括SiO2、MgF2和CaF2等。适用于高折射率材料的一些材料包括TiO2、Ta2O5、ZnSe等。然而，本发明不限于四分之一波堆，并更一般地适用于包括例如计算机优化的堆和随机层厚堆在内的任意介质堆。
介质堆对特定波长的光的反射部分地取决于通过堆的传播角。可以将多层反射器204看作对于在堆中以某一角度传播的光具有反射带分布(例如，带中心和带边)。该带分布随着堆中的传播角的改变而改变。堆中的传播角通常与入射角和堆与周围介质的材料折射率相关。随着堆中的传播角改变，反射带分布的带边的波长改变。典型的是，对于所研究的聚合物材料，当在空气中切向入射时，反射器的带边偏移到其法向入射时的值的大约80％。该效应在美国专利No.6,208,466中有更详细的描述。当使用折射率高于空气折射率的介质将光耦合到反射器中时，带边进一步发生大的偏移。此外，p偏振光的带边偏移通常大于s偏振光的带边偏移。
反射带分布对角度的依赖性(例如带边随着角度而偏移)源自于有效层厚的变化。随着角度从法向入射增大，反射带朝向较短的波长偏移。当通过给定层的总光程长度随着角度增大时，带位置随角度的变化不取决于通过层的总光程长度随角度θ的变化，其中角度是相对于与反射器204的层垂直的轴线230测量的。相反，带位置取决于从给定层的上下表面反射的光线之间的光程差。如熟知的公式n·d·cosθ＝λ所示，该光程差随着入射角增大而减小，对于该公式给定层调节为λ/4厚层。在表达式中，n是层材料的折射率，而d是层的厚度。
以上说明描述了反射带分布的带边如何随着角度而改变。如本文所述，术语带边通常指的是多层反射器从基本反射改变到基本透射的区域。该区域可以是相当尖锐的并被描述为单个波长。在其它情况下，反射和透射之间的过渡更缓和，并可以用中心波长和带宽进行描述。然而，在上述任何情况下，在带边的任一侧反射率和透射率之间存在很大的差。
随着特定波长的光在堆中以增大的传播角(从垂直于重复单元界面的轴线230测量)进行传播，光接近带边。在一个实例中，当以足够大的传播角传播时，堆对于该特定波长的光变得基本透光并且该光将透射通过该堆。这样，对于给定波长的光，堆具有：相关的传播角，在小于该角时堆基本反射光；以及另一传播角，当大于该角时该堆基本透射光。相应地，在特定的多层堆中，每一波长的光可以被认为具有：对应角，在小于该角时发生基本反射；以及对应角，在大于该角时发生基本透射。带边越尖锐，对于相关波长这两个角度越接近。为了在本说明书中进行描述，做出这样的近似：这两个角相同并且值为θmin。
上述说明描述了给定堆中的单色光随着传播角的增大而从反射转变到透射的方式。如果使用具有不同波长成分的混合光照明堆，那么对于不同波长成分来说，反射堆从反射光转变到透射光时的角θmin是可能不同的。由于带边随着角度增大而移动到较短的波长，所以对于波长较长的光来说θmin值较低，从而可能允许比较短波长光更多的较长波长光透射通过多层反射器。在一些实施例中，期望通过受控透射镜射出的光的颜色相对均匀。平衡颜色的一种方法是使用输入和输出耦合元件，该输入和输出耦合元件将比较长波长光更多的较短波长光耦合到受控透射镜中。
如下面图3A和图4A所讨论，这种耦合元件的一个实例是包括分散于聚合物基体内的扩散颗粒的体扩散片。该扩散颗粒具有不同于周围基体的折射率。漫散射的本质在于：在其它情况都相同的条件下，与较长波长光相比更多的较短波长光被散射。
此外，散射度依赖于颗粒和周围基体之间的折射率差。如果较短波长下的折射率差较大，那么更多的短波长光被散射。在漫射耦合元件的一个具体实施例中，基体由双轴拉伸的PEN形成，当光是s偏振光时，该材料的面内折射率对于红光为大约1.75，而对于蓝光为大约1.85，即具有高色散。面内折射率是对于电矢量平行于膜平面偏振的光的折射率。对于平行于膜的厚度方向偏振的光，面外折射率为大约1.5。因为p偏振光经历面内折射率和面外折射率结合的有效折射率，因此对于p偏振光的折射率比对于s偏振光的折射率低。
基体内的颗粒可以具有高折射率，例如二氧化钛颗粒的折射率大约为2.5。在450nm-650nm的范围内TiO2的折射率的变化量大约为0.25，该值大于在相似波长范围内PEN的大约为0.1的折射率变化量。因此，在可见光谱范围内，颗粒和基体之间的折射率差的变化量大约为0.15，从而使得对蓝光的散射增加。因此，在可见光谱范围内颗粒和基体之间的折射率差可以发生很大改变。
这样，由于漫散射机理对波长的依赖性以及在可见光谱范围内折射率差的巨大差异，蓝光散射到多层反射器中的程度相对较高，这至少部分地补偿较短波长处的较大θmin值。
例如下面参考图3B-3D和图4B-4D所述的输入和输出耦合元件的另一些实施例主要依靠使光线转向的折射效应。例如，耦合元件可以具有用于将光耦合到多层反射器内或从多层反射器耦合出的表面结构或全息特性。对于较短波长，正常材料色散产生较大的折射效应。因此，依靠折射效应的输入和输出耦合元件可以部分地补偿较短波长处的较大θmin值。
因此，在理解到进入受控透射镜的光的θmin值可以具有大的变化量的基础上，下面的描述中为了简化起见仅指单一值θmin。
系统设计者可以用来控制通过多层反射器的光量的另一个效应是选择布儒斯特角，布儒斯特角即p偏振光无反射损耗地透射通过多层反射器的角度。对于多层反射器中的折射率分别为n1和n2的相邻的各向同性层1和2，对于从层1传输到层2的光来说，层1中的布儒斯特角θB的值由表达式tanθB＝n2/n1给出。因此，可以选择用于多层反射器的不同层中的具体材料以便提供所需的布儒斯特角值。
多层反射器的布儒斯特角的存在提供另一种使光透过反射器的机理，而不依靠输入和输出耦合层来使光转向较大的角。随着p偏振光在受控透射镜中的角度增大，在布儒斯特角时反射带基本消失。角度大于布儒斯特角时，反射带重新出现并继续偏移到较短波长。
在某些实施例中，可以设定蓝光的θB值小于θmin，而红光的θB值大于θmin。该设置使得蓝光通过多层反射器的透射增加，如此至少部分地补偿较短波长光的较大θmin值。
至少一部分来自光源116a的光朝向受控透射镜200传播。以光线210为示例的一部分光通过输入耦合元件206，以大于θmin的角入射到多层反射器204上，并透射穿过多层反射器204。以光线212作为示例的另一部分光以小于θmin的角入射到输入耦合元件206中，但是由输入耦合元件206转向到至少等于θmin的角度，并透射通过多层反射器204。以光线214作为示例的来自光源116a的另一部分光透过输入耦合元件206，并以小于θmin的角度入射到多层反射器204上。因此，光线214被多层反射器204反射到反射表面202。光线214在反射表面202处可以镜面反射方式或者漫反射方式反射。
在一些实施例中，需要以如下方式将多层反射器204安装到输出耦合元件208上：即，避免多层反射器204和输出耦合元件208之间存在空气层或折射率相对较低的其它一些材料层。多层反射器204和输出耦合元件208之间的这种紧密光学耦合减少了光在多层反射器204上发生全内反射的可能性。
光在受控透射镜内的最大角θmax由输入耦合元件206的相对折射率ni和多层反射器204的特定层的折射率n1和n2决定，其中下标1和2是指多层反射器204中的交替层。当输入耦合元件206是表面耦合元件时，ni值等于其上形成耦合表面的材料的折射率。从输入耦合元件206到多层反射器204的传播满足斯涅耳定律。多层反射器204的各个交替层中的θmax值由下面的表达式给出：
θmax＝sin-1(ni/n1，2)         (2)
其中使用n1或者n2。如果ni＞n1并且ni＞n2，那么θmax值可以达到90°。
输出耦合元件208用于从照明单元199中提取至少一部分光。例如，输出耦合元件208扩散光212的一部分，以便使其透过受控透射镜120成为光220。
另一部分光，例如光线222可以不由输出耦合元件208转向。如果光222以大于输出耦合元件的临界角的角度入射到输出耦合元件208的上表面上，其中临界角θc＝sin-1(1/n0)，n0是输出耦合元件208的折射率并且输出耦合元件208与空气交界，那么光222在输出耦合元件208内发生全内反射成为光224。反射光224可以随后在输入耦合元件206的下表面发生全内反射。可选的是，光224可以随后由输入耦合元件206转向并朝向反射表面202透过受控透射镜200。
如果以至少等于θmin的角射入多层反射器204的光以大于θc的角入射到输出耦合元件208上，那么没有转向至输出耦合元件208之外的光通常在输出耦合元件208内发生全内反射。然而，如果以至少等于θmin角射入多层反射器204的光以小于θc的传播角到达输出耦合元件208，那么该光的一部分甚至不被输出耦合元件208转向就透射通过输出耦合元件208，并在输出耦合元件208和空气之间的界面上经历菲涅耳反射损耗。因此，存在使光经历多次反射并在反射腔118内改变方向的多种可能。光还可以在受控透射镜200与反射表面202之间的空间内横向传播。这些多种效应结合起来增加光横向扩散和被提取以产生亮度更均匀的背光照明的可能性。
除了多层反射器204具有小于θmin的布儒斯特角θB值的可能性之外，对于从光源116a发出的光还存在禁止角度区域。该禁止角度区域具有θmin的半角并位于光源116a的上方。在禁止角度区域内光不能透过多层反射器204。然而，来自相邻光源116(例如光源116b)的光232可以从轴线230上的位于光源116a的垂直上方的点射出受控透射镜200，这样，照明单元199有效地将来自不同光源116a和116b的光混合。
根据以上对受控透射镜200的描述，可以看出输入耦合元件206的作用是使至少一部分光转向，使其以至少等于θmin的角度入射到多层反射器204中，否则这些光将以小于θmin的角入射到多层反射器204中。此外，输出耦合元件208的作用是使至少一部分光转向，使其射出受控透射镜200，否则该光在受控透射镜200内发生全内反射。
图2B示意性示出了受控透射镜200的另一个示例性实施例，在该实施例中，在多层反射器204与输出耦合元件208之间设置有透光层250。透光层250可以由任意合适的有机或无机透光材料(例如聚合物或玻璃)形成。合适的聚合物材料可以是非结晶或半结晶的，并可以包括均聚物、共聚物或其共混物。示例性聚合物材料包括但不限于非结晶聚合物，例如：聚碳酸酯(PC)；聚苯乙烯(PS)；丙烯酸酯系树脂，例如购自Cyro Industries，Rockaway，New Jersey的ACRYLITE牌的丙烯酸系树脂片；丙烯酸共聚物，例如丙烯酸异辛酯/丙烯酸共聚物；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；PMMA共聚物；环烯烃聚合物；环烯共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)；苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)；环氧树脂；聚乙烯基环己烷；PMMA/聚氟乙烯共混物；无规聚丙烯；聚苯醚合金；苯乙烯嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚氯乙烯；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；聚氨酯；以及半结晶聚合物，例如：聚乙烯；聚丙烯；聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚碳酸酯/脂肪族PET共混物；聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯/聚乙烯共聚物；乙酸纤维素；乙酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物PET-PEN共聚物，和透明玻璃纤维面板。可以使这些材料中的一些材料(例如PET、PEN及其共聚物)取向，使得材料的折射率不同于各向同性材料的折射率。在利用输出耦合元件208从受控透射镜200提取光之前，可使用透光层250以允许更多地横向扩散来自光源116a和116b的光。
透光层250的一条或多条边可以被反射器252覆盖。因此，在不覆盖反射器252的情况下可能射出透光层250的光254被反射回到透光层250内，并且可从照明单元199中提取成为有效照明光。反射器252可以是任何合适类型的反射器，包括多层介电反射器、透光层250的边缘上的金属涂层、多层聚合物反射器、漫射聚合物反射器等。在示出的实施例中，位于透光层250侧面的反射器252还可以用作反射腔114的侧面反射器，但本发明不限于此。
在图2C示意性示出的另一个示例性实施例中，透光层250设置在输入耦合元件206与多层反射器204之间。
在其它一些实施中，如图2D示意性示出，受控透射镜200可以在透光层250的两侧上配备有两个多层反射器204和205。虽然不是必须的，但是多层反射器204和205可以具有相同的θmin值。
在与本申请同日提交的、代理人卷号为No.60499US002的、名称为“OPTICAL ELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING INBACK-LIT DISPLAYS AND SYSTEM USING SAME”的美国专利申请No.11/166,723中，更进一步地描述了透光层的使用。
现在参考图3A-图3D讨论不同类型的输入耦合元件的示例性实施例。在未示出的其它示例性实施例中，透光层可设置在多层反射器与输入和输出耦合元件中的任意一个之间。
在图3A中，受控透射镜320的示例性实施例包括输入耦合元件326、多层反射器304和输出耦合元件308。在该具体实施例中，输入耦合元件326是体扩散层，其包括分散在透光基体326b中的扩散颗粒326a。以小于θmin的角度射入输入耦合元件326中的光的至少一部分，例如光线328在输入耦合元件326内以大于θmin的角度散射并随后透射通过多层反射器304。一些光，例如光线330在输入耦合元件326内没有散射到足以通过多层反射器304的角度，并且被多层反射器304反射。用于透光基体326b的合适材料包括但不限于本文所列的适用于上述透明层中的聚合物。
扩散颗粒326a可以是可以用于扩散光的任意类型的颗粒，例如折射率不同于周围聚合物基体的透光颗粒、漫反射颗粒、或基体326b中的空隙或气泡。合适的透光颗粒的实例包括：实心或空心无机颗粒，例如玻璃微珠或玻璃薄片；实心或空心聚合物颗粒，例如实心聚合物球或空心聚合物薄片。合适的漫反射颗粒的实例包括二氧化钛(TiO2)、碳酸钙(CaCO3)、硫酸钡(BaSO4)、硫酸镁(MgSO4)等颗粒。此外，基体326b中的空隙可以用于扩散光。可以使用例如空气或二氧化碳等气体填充这种空隙。
在图3B中示意性示出了受控透射镜340的另一个示例性实施例，其中输入耦合元件346包括表面扩散片346a。表面扩散片346a可以设置在多层反射器304的底层上，或者设置在安装于多层反射器304上的单独层上。可以使用模制、压印、浇注或其它方法制备表面扩散片346a。
入射在输入耦合元件346上的光的至少一部分，例如光线348，由表面扩散片346a散射以便以大于θmin的角度传播并由此透射通过多层反射器304。一些光，例如光线350没有被表面扩散片346a散射到足以通过多层反射器304的角度并被反射。
在图3C中示意性示出了受控透射镜单元360的另一个示例性实施例，其中输入耦合元件366包括具有小面367a、367b的微复制结构367。结构367可以设置在多层反射器304的底层上或设置在安装于多层反射器304上的单独层上。结构367与图3B的表面扩散片346a的不同之处在于：表面扩散片346a包括大体无规则的表面结构，而结构367包括具有限定出的小面367a、367b的更规则的结构。
入射到输入耦合元件366上的光的至少一部分，例如入射到小面367a上的光线368，不以角度θmin到达多层反射器304而是在小面367a上发生折射。相应地，光线368透射通过多层反射器304。一些光，例如光线370由小面367b折射成小于θmin的角度并由此被多层反射器304反射。
在图3D中示意性示出了受控透射镜380的另一个示例性实施例，其中输入耦合元件386具有与多层反射器304光学接触的表面部分382和不与多层反射器304光学接触的其它表面部分384，在元件386和多层反射器304之间形成空隙388。空隙388的存在使得入射光的一部分发生全内反射(TIR)。这种类型的耦合元件被称为TIR输入耦合元件。
入射在输入耦合元件386上的光的至少一部分，例如入射到非接触表面部分384上的光线390，不以角度θmin到达多层反射器304而是在表面384上发生全反射。相应地，光线390透射通过多层反射器304。一些光，例如光线392透射通过接触表面部分382到达多层反射器304并以小于θmin的角度入射到多层反射器304上。光线392被多层反射器304反射。
在美国专利No.5,995,690中更详细地描述了其它类型的TIR耦合元件。
除了本文详细描述的那些输入耦合元件以外，可以使用其它类型的输入耦合元件，例如包括表面或体全息照相的输入耦合元件。此外，输入耦合元件可以结合转向光线的不同方法。例如，输入耦合元件可以将表面处理，例如表面结构、表面散射图案或表面全息照相与体扩散颗粒结合。
在一些实施例中需要输入耦合元件和输出耦合元件每个都具有相对较高的折射率，例如相当于或高于多层反射器304的有效折射率(高折射率层和低折射率层的平均折射率)。输入和输出耦合元件的较高折射率有助于增大光传播通过多层反射器304时的角度，从而获得较大的带边偏移。这转而可以增加透过受控透射镜的短波长的光量，从而使得背光照明的颜色更均匀。可以用于输入和输出耦合元件的高折射率聚合物材料的合适实例包括双轴拉伸的PEN和PET，根据拉伸量，这两种材料对于633nm波长的光可以分别具有1.75和1.65的面内折射率值。
与为输入和输出耦合元件选择的材料相对应，应该选择这样的基板：即其折射率不引起阻止限量的光以大角度射入或射出的TIR。相反地，为基板选择低折射率会使得光在从折射率高于基板的输入耦合元件射入基板后在基板内以大传播角传播。选择这两个效应以在光的颜色平衡和横向扩散方面优化系统的性能。
可以将相似的方法用于输出耦合元件。例如，在图4A中示意性示出的受控透射镜420具有输入耦合元件406、多层反射器404和输出耦合元件428。在该具体实施例中，输出耦合元件428是体扩散层，包括分散于透光基体428b内的扩散颗粒428a。上面关于图3A的输入耦合元件326讨论了适合用作扩散颗粒428a和基体428b的材料。
从多层反射器404射入输出耦合元件428的光的至少一部分，例如光线430，可以由输出耦合元件428中的扩散颗粒428a散射并随后透射出输出耦合元件428。一些光，例如光线432，不在输出耦合元件428中发生散射，而是以入射角θ入射到输出耦合元件428的上表面429上。如果对于基板428b的材料来说，θ值等于或大于临界角θc，那么光432在表面429上发生全内反射。
在图4B中示意性示出了受控透射镜440的另一个示例性实施例，其中输出耦合元件448包括表面扩散片448a。表面扩散片448a可以设置在多层反射器404的上表面上，或设置在安装于多层反射器404上的单独层上。
在多层反射器404内传播的一些光，例如光450，入射到表面扩散片448a上并散射出光混合层440。另一些光，例如光452，不被表面扩散片448a散射。根据在表面扩散片448a上的入射角，如图所示，光452可能发生全内反射，或者一些光透射出受控透射镜440而一些光被反射返回多层反射器404内。
在图4C中示意性示出受控透射镜的另一个示例性实施例460，其中输出耦合元件466包括具有小面467a和467b的微复制结构467。如图所示，结构467可以设置在安装于多层反射器404上的单独层468上，或与多层反射器404本身的上表面成为一体。结构467与表面扩散片448a的不同之处在于：表面扩散片448a包括大体无规则的表面结构，而结构467包括具有限定出的小面467a、467b的更规则的结构467。
在多层反射器404内传播的一些光，例如光470，入射到表面扩散片结构467上并折射出受控透射镜460。另一些光，例如光472，不被结构467折射出受控透射镜460，而是返回到多层反射器404。光从受控透射镜460射出的传播角的具体角度取决于多种因素，至少包括构成受控透射镜460与层468的不同层的折射率和结构467的形状。
在图4D中示意性示出了受控透射镜480的另一个示例性实施例，其中输出耦合元件486包括光耦合带，该光耦合带具有与多层反射器404光学接触的表面部分482和不与多层反射器404光学接触的其它表面部分484，从而在元件486和多层反射器404之间形成空隙488。
入射到输出耦合元件486上的光的至少一部分，例如光线490，入射在多层反射器表面的一部分，该部分不与输出耦合元件486接触，而是与空隙488相邻，因此光490发生全内反射。一些光，例如光线492，可以透射通过接触表面部分482并在非接触表面部分484上发生全内反射，并由此耦合到受控透射镜480以外。
除了本文详细描述的那些输出耦合元件，可以使用其它类型的输出耦合元件。此外，输出耦合元件可以结合将光转向到受控透射镜之外的不同方法。例如，输出耦合元件可以将如诸表面结构或表面散射图案等表面处理与体扩散颗粒结合。
在一些实施例中，输出耦合元件可以构造成在输出耦合元件上对光的提取程度是均匀的。在另一些实施例中，输出耦合元件可以构造成在输出耦合元件上将光提取出受控透射镜的程度是不均匀的。例如，在图4A所示的输出耦合元件428的实施例中，扩散颗粒428a的密度在输出耦合元件428上可以是变化的，因此从输出耦合元件428的一些部分提取的光的比例与其它部分相比更高。在示出的实施例中，在输出耦合元件428的左侧，扩散颗粒428a的密度较高。同样，对于图4B-图4D中示出的受控透射镜440、460、480的实施例来说，输出耦合元件448、468、488可以构造或设计成：从输出耦合元件448、468、488的一些部分提取的光的比例比其它部分更高。从受控透射镜提取光的程度的非均匀性，例如从受控透射镜的包含较多光的部分提取较小比例的光并且从受控透射镜的包含较少光的部分提取较大比例的光，可以使朝向显示面板传播的照明光的亮度分布更均匀。
输入耦合元件和输出耦合元件两者的反射率可以影响光在受控透射镜内的反射次数，并由此影响提取光的均匀性。均匀度的代价是因为输入耦合元件、多层反射器和输出耦合元件的吸收而引起的亮度损耗。适当选择材料和材料处理条件可以减少该吸收损耗。
在一些示例性实施例中，受控透射镜可以是偏振敏感的，因此优选地提取一个偏振态的光。图5A示意性示出了偏振敏感受控透射镜520的一个示例性实施例的横截面。受控透射镜520包括可选透光层502、多层反射器504、输入耦合元件506和偏振敏感输出耦合元件528。在此使用三维坐标系来阐述下述说明。任意设定坐标系的轴线使得受控透射镜520的平面平行于x-y平面，z轴为穿过受控透射镜520厚度的方向。在图5A中示出的横向尺寸平行于x轴，而y方向沿着垂直于附图的方向延伸。
在一些实施例中，通过包含两种材料的输出耦合元件528实现仅提取在受控透射镜520内传播的一种偏振态的光，两种材料例如为不同聚合物相，其中至少一种为双折射的。在示出的示例性实施例中，输出耦合元件528具有散射元件528a，该散射元件528a由第一材料形成并嵌入由第二材料形成的连续基体528b。该两种材料的折射率对于一种偏振态的光基本匹配(matched)，而对于正交偏振态的光不匹配。散射元件528a和基体528b中之一或两个可以是双折射的。
例如，如果折射率对于在x-z平面内偏振的光基本匹配并且第一和第二材料的折射率分别为n1和n2，那么得到这样的条件n1x≈n1z≈n2x≈n2z，其中下标x和z分别表示对于平行于x和z轴偏振的光的折射率。如果n1y≠n2y，那么平行于y轴偏振的光，例如光530在输出耦合元件528中发生散射并透射出受控透射镜520。在x-z平面内偏振的正交偏振光，例如光线532，在经过输出耦合元件528时基本维持不发生散射，这是因为对于该偏振态的折射率是匹配的。因此，如果光532以等于或大于连续相528b的临界角θc的角度入射到输出耦合元件528的上表面529上，如图所示，则光532在表面529上发生全内反射。
为了保证从输出耦合元件528中提取的光是高度偏振的，匹配折射率优选地在至少±0.05以内匹配，更为优选的是在±0.01以内匹配。这减少了一种偏振态的散射量。y偏振光的散射量取决于多种因素，包括折射率的失配量、一种材料相与另一种相的比值和分散相的相区大小。使y偏振光在输出耦合元件528内向前散射的量增大的优选范围包括：折射率差为至少大约0.05，颗粒尺寸在大约0.5μm到大约20μm的范围内，颗粒填充率高达大约10％或更多。
可以使用不同构造的偏振敏感输出耦合元件。例如，如图5B示意性示出，在输出耦合元件548的实施例中，散射元件548a构成连续基体548b中的聚合物颗粒分散相。注意到该图示出输出耦合元件548在x-y平面内的剖视图。例如通过沿着一个或多个方向拉伸，取向散射元件548a和/或基体548b的双折射聚合物材料。在共同拥有的美国专利5,825,543和6,590,705中更详细地描述了分散相/连续相偏振元件。
在图5C的剖视图中示意性示出偏振敏感输出耦合元件558的另一个实施例。在该实施例中，散射元件558a设置成基体558b中的纤维的形式，例如聚合物纤维或玻璃纤维。纤维558a可以是各向同性的而基体558b是双折射的，或者纤维558a可以是双折射的而基体558b是各向同性的，或者纤维558a和基体558b都是双折射的。基于纤维的偏振敏感输出耦合元件558中的光的散射至少部分地取决于纤维558a的大小和形状、纤维558a的体积分数、输出耦合元件558的厚度和影响双折射量的取向度。可以提供不同类型的纤维作为散射元件558a。一种合适类型的纤维558a是由可以为各向同性或双折射的一种类型聚合物材料形成的简单聚合物纤维。在美国专利申请No.11/068,159中更详细地描述了设置在基体558b中的该类纤维558a的实例。适用于输出耦合元件558的另一个聚合物纤维实例是复合聚合物纤维，其中由一种聚合物材料形成的多个散射纤维设置在另一种聚合物材料的填充物中，从而形成所谓的“海岛”结构。散射纤维和填充物之一或两者可以是双折射的。散射纤维可以由单一聚合物材料形成或可以由两种或更多种聚合物材料形成，例如在连续相中的分散相。在美国专利申请No.11/068,157和No.11/068,158中更详细地描述了复合纤维。
应该理解到输入耦合元件也可以是偏振敏感的。例如，当非偏振光入射在受控透射镜上时，可以用偏振敏感散射输入耦合元件将一个偏振态的光散射到受控透射镜中，从而允许正交偏振态的光被多层反射器反射返回到底部反射器。然后可以使反射光的偏振态在光返回受控透射镜之前混合。这样，输入耦合元件基本上只允许一种偏振态的光进入受控透射镜。如果受控透射镜的不同层保持光的偏振态，那么即使使用了非偏振敏感输出耦合元件，也基本上只能从受控透射镜中提取一种偏振态的光。输入和输出耦合元件可以都是偏振敏感的。任意用作输出耦合元件的偏振敏感层也可以用作输入耦合元件。
在照明单元的另一些实施例中，尤其是适合诸如LED等类点光源的实施例中，可以将光源布置在受控透射镜本身内。在图6A的剖视图中示意性示出这种方法的一个示例性实施例。受控透射镜620具有透光层622、多层反射器624和输出耦合元件628。透光层622的下表面上可以设置有转向层626。侧面反射器632可以设置在受控透射镜620边缘的周围。侧面反射器可以用于反射传播出透光层622的外缘的任意光。
转向层626可以包括使光偏转的透射偏转层626a，例如用作输入耦合元件的上述任意层，包括体扩散片或表面扩散片或结构化表面。透射偏转层626a可以与底部反射器618一起使用，底部反射器618反射已经透射通过偏转层626a的光。底部反射器618可以是任意合适类型的反射器。底部反射器618可以是镜面反射器或漫反射器，并可以由例如金属化反射器或MOF反射器形成。如图所示，底部反射器618可以安装到透射偏转层626a上，或者可以与透射偏转层626a分离。然而，转向层626在该实施例中不是指输入耦合元件，这是因为转向层626不用于将光耦合到受控透射镜620中。可以提供不同构造的转向层626。在一些示例性实施例中，例如如图6B示意性示出的，转向层626可以只包括漫反射器。
光源616，例如LED(但是也可以使用其它类型的光源)，排列成使发光表面616a至少直接面向透光层622或者甚至可以凹入透光层622。这样，发光表面616a设置在转向层626和多层反射器624之间。在该实施例中，来自光源616的光634射入透光层622而没有透射通过设置在透光层622的下表面上的转向层626。折射率匹配材料，例如凝胶，可以设置在发光表面616a和透光层622之间，以便减少反射损耗并增加从光源616耦合到透光层622中的光量。
光源616可以布置在托架617上。托架617可选地提供与光源616的电连接并还可选地提供用于冷却光源616的热通道。
即使当光源616直接将光射入透光层622而不透过输入耦合元件时，多层反射器624仍然控制在透光层622中传播的光可以射出受控透射镜620时的最小角度θmin。一些光，如光线636和638所示，从光源616以小于θmin的角度射入透光层622并因此被多层反射器624反射。反射光的一部分，例如光线636，可以在入射到底部反射器618之前或之后被转向层626转向，并由此以大于θmin的角度反射返回透光层622成为光线636a。因此，一些光，例如光线636a，转向到允许光线在多层反射器624上仅发生一次反射后就随后透射通过多层反射器624的角度范围内。反射光的另一部分，例如光线638，不会在转向层626上发生转向，因此以将会在多层反射器624上再发生一次反射的角度从底部反射器618反射。
从光源616发出的一部分光，如光线640和642所示，以等于或大于θmin的角度从光源616a射入透光层622，并由此透射通过多层反射器624。透射光的一部分，例如光线640，可以由输出耦合元件628转向，因此透射出受控透射镜620成为光640a。透射光的另一部分，例如光线642，可以不发生转向地透射通过输出耦合元件628，并且如果以大于临界角θc的角入射到输出耦合元件628的上表面628a上，则被全内反射从而朝向透光层622返回。
在透光层622内传播的一部分光644可以在边缘反射器632上反射。边缘反射器632可以用于减少从透光层622的边缘射出的光量，并由此减少损耗。
在图6C中示意性示出了受控透射镜650的另一个实施例，其中透光层652还用作转向层。在该实施例中，透光层652包含一些扩散颗粒，从而使得从其中通过的光的一部分发生转向。在一个实例中，从光源616以小于θmin的角度传播的光束654可以在透光层652内发生转向，从而以大于θmin的角度入射到多层反射器624中。在另一个实例中，由多层反射器624反射的光束656可以在透光层652中发生转向，从而以大于θmin的角度被底部反射器618反射。
在直接照明式显示器中，照明单元可以构造成位于显示面板后面的单个面板。在图7示意性示出的另一个示例性实施例中，背光源700可以包括多个照明单元702。在示出的实施例中，照明单元702构造成条状，并且每个照明单元都包括可设置在交错位置的多个光源716a、716b和716c。照明单元702可以具有不同的形状。此外，光源716a、716b和716c可以产生不同颜色的光。例如，一些光源716a可以产生红光，而另一些光源716b产生绿光，另一些光源716c产生蓝光。可以排列不同颜色的光源716a、716b和716c以便增加不同颜色光的混合程度，从而产生所需颜色均匀性的混合光。
在图8A中示出了照明单元800的另一个实施例，其中在反射腔802的端部810设置多个光源806。在该示例性实施例中，存在一个以上的光源806，并且反射腔802的横截面形状为矩形。每个光源806可以产生相同颜色或不同颜色的光。在不同光源806产生不同颜色的光的情况下，来自每个光源806的光在反射腔802内与来自其它光源806的光混合，使得从受控透射镜804射出的光可以是混合颜色的光。例如，如果存在分别产生红光、绿光和蓝光的三个光源806，那么从受控透射镜804射出的光可以是白光。混合颜色输出光的色度尤其取决于不同光源的相对输出功率和受控透射镜804的光谱特性。
可以沿着受控透射镜804的长度对通过受控透射镜804的光的提取进行分级，使得从照明单元800提取的光的亮度在受控透射镜804的长度上相对均匀。
图8B示意性示出了使用照明单元800的背光源820的示例性实施例。照明单元800至少部分地被反射器822包围，并且设置成使从受控透射镜804射出的光824被导向光导826。可选的增亮层828，例如棱柱形增亮层，可以设置在照明单元800与光导826之间。增亮层828减小了射入光导826的光的角展度，并可促进在光导826内的横向扩散。一部分光，例如光线830，可以被增亮层828反射。可以通过照明单元800内的受控透射镜804或一些其它反射器，或者通过包围照明单元800的反射器822，来改变反射光830的方向以使其返回光导826。
在图9A中示出了照明单元900的另一个实施例，其中光源906位于反射腔902的与受控透射镜904相对的面908上。在该示例性实施例中，存在一个以上的光源906，并且反射腔902的横截面形状为矩形。每个光源906可以产生相同颜色或不同颜色的光。反射腔902可以用于混合来自不同光源906的光，使得从受控透射镜904输出的光的强度分布相对均匀。此外，在光源906产生不同颜色的光的情况下，混合不同颜色的光，以使得从受控透射镜904射出的光是混合颜色的光。例如，如果存在分别产生红光、绿光和蓝光的三个光源906，那么从受控透射镜904射出的光可以是白光。可以在反射腔902内混合来自光源906的光，使得从照明单元提取的光的亮度相对均匀。
在图9B中示意性示出了照明单元920的另一个实施例，其中受控透射镜954位于反射腔902的顶部。附加的光源906可以安置在反射腔902的边缘周围。
在图10A和图10B中示意性示出了照明单元1000的另一个实施例。照明单元1000具有反射腔1002，该反射腔1002包括反射器1008和受控透射镜1004。在底部1007上设置有一个或多个光源1006。底部1007可以是反射性的。底部1007还可以提供用于驱动光源1006的电连接，并且提供用于从光源1006排除热量的吸热器。
来自光源1006的光1020被反射器1008朝向受控透射镜1004反射。反射器1008可以具有任何合适的形状，并且可以是弯曲的(如图所示)或者是平的。如果反射器1008是弯曲的，那么该弯曲形状可以是任何合适类型的弯曲形状，例如椭圆形或抛物线形。在示出的实施例中，反射器1008在一个维度上弯曲。反射器1008可以是任何合适类型的反射器，例如金属化反射器或包括多层聚合物膜(MOF)反射器在内的多层介电反射器。透射通过受控透射镜1004的光可以耦合到光导1012中，以便对显示设备进行背后照明。反射腔1002内的空间1014可以是被填充的或者可以是空的。在空间1014填充有例如透明光学体的实施例中，反射器1008可以设置在该光学体的外表面上。在另一些实施例中，在光源1006与反射器1008之间存在空的空间。在美国专利申请公布2005/0094401A1中更进一步地描述了反射腔的不同结构。
光源1006，例如LED，可以全部产生相同颜色的光，或者不同LED可以产生不同颜色的光，例如红光、绿光和蓝光。在一些示例性实施例中，可以用可选的波长转换器1022改变光1020的至少一部分的颜色。例如，在光1020为蓝光或紫外光的情况下，可以用波长转换器1022将该光的一部分转换为绿光和/或红光1024(虚线)。低通反射器1026可位于受控透射镜1004与波长转换器1022之间。低通反射器1026透射来自光源1006的较短波长的光1020，并且朝向光导1012反射来自波长转换器1022的光1024a。
在另一个实施例中，受控透射镜1004可以用作输出耦合元件，即具有装载荧光物质颗粒的基体的扩散片。在这种构造中，透射穿过多层反射器的光的一部分被荧光物质转换成不同波长的光。没有被这些颗粒扩散或转换的光可被基体层全内反射，从而穿过多层反射器返回。
在图11A中示意性示出了可以用作显示设备的背光源的照明单元1100的另一个实施例。在该实施例中，在第一反射器1102与第二反射器1104之间设置有一个或多个光源1106。在一些实施例中，光源1106可以是LED，并可向大致背离第二反射器1102的方向发光，在这种情况下，可以提供可选的弯曲反射器1108以便沿着第一反射器1102与第二反射器1104之间的空间引导光1110。在其它实施例中(未示出)，光源1106可以在沿着第一反射器1102与第二反射器1104之间空间的方向上大致侧向地发光。
第一反射器1102和第二反射器1104可以为镜面反射器，例如购自3M Company，St.Paul，Minnesota的ESR膜。在各个端部设置有折叠反射器(folding reflector)1112，以便将光1110返送到在第二反射器1104与受控透射镜1114之间形成的反射腔中。光1110最后穿过受控透射镜1114从照明单元1100射出。第一反射器1102可以安装在底部1116上，底部1116向光源1106提供电力，并且还可以用作从光源1106排除热量的吸热器。
光源1106可以在第一反射器1102上排列成不同图案。图11B示出了在第一反射器1102与第二反射器1104之间通过照明单元1100的剖视图，在示出的布置中，光源1106排列成线状图案，并且光被导向边缘1120a和1120b。在图11C示意性示出的布置中，光源1106和反射器1108排列成径向图案，使得光径向向外地导向位于第一反射器1102周围的折叠反射器1112。
本文所描述的照明单元不局限于用来照明液晶显示面板。照明单元还可以用于任何如下情况：使用分立光源产生光，并且需要从包括一个或多个分立光源的面板中获得均匀的照明。因此，该照明单元可以用于固态空间照明应用和标志、照明面板等中。
不应该认为本发明只限于上述具体实例，而是应该认为本发明包括如所附权利要求书中明确提出的本发明的所有方面。在阅读本说明书之后，本发明所属领域的技术人员将很容易明白适用于本发明的各种修改、等同方案以及多种结构。权利要求书旨在包括这些修改和设计。

Claims (31)

1.一种光学系统，包括：
成像面板，其具有照明侧；以及
背光单元，其设置在所述成像面板的照明侧，所述背光单元包括：
至少第一光源和第二光源，所述第一光源产生第一波长的光，所述第二光源产生与所述第一波长不同的第二波长的光，以及
反射腔，其具有至少一个反射表面和受控透射镜，来自所述第一光源和所述第二光源的光在所述反射腔内被反射，所述受控透射镜包括输入耦合元件、输出耦合元件和位于所述输入耦合元件与所述输出耦合元件之间的第一多层反射器，所述第一多层反射器对来自所述第一光源和所述第二光源的法向入射光是反射性的，所述输入耦合元件使来自所述第一光源和所述第二光源的、在与所述第一多层反射器基本垂直的方向上传播的光的至少一部分改向到透射通过所述第一多层反射器的方向。
2.如权利要求1所述的系统，其中，
所述输出耦合元件包括体扩散片、表面扩散片、结构化表面和全内反射输出耦合元件中至少之一。
3.如权利要求1所述的系统，其中，
所述输入耦合元件包括体扩散片、表面扩散片、结构化表面和全内反射输入耦合元件中至少之一。
4.如权利要求1所述的系统，其中，
所述受控透射镜还包括设置在所述输入耦合元件与所述输出耦合元件之间的透光层。
5.如权利要求4所述的系统，其中，
所述透光层设置在所述第一多层反射器与所述输出耦合元件之间。
6.如权利要求4所述的系统，其中，
所述第一多层反射器设置在所述透光层与所述输出耦合元件之间。
7.如权利要求4所述的系统，还包括：
第二多层反射器，其设置在所述输入耦合元件与所述输出耦合元件之间，所述透光层设置在所述第一多层反射器与所述第二多层反射器之间。
8.如权利要求4所述的系统，还包括：
侧面反射器，其与所述透光层的至少一条边缘相邻地设置。
9.如权利要求1所述的系统，其中，
所述输出耦合元件基本上仅将一个偏振态的光从所述背光单元耦合出。
10.如权利要求9所述的系统，其中，
所述输出耦合元件包括在连续聚合物基体中的分散聚合物相，所述分散聚合物相与所述连续聚合物基体中的至少之一包括双折射聚合物材料。
11.如权利要求9所述的系统，其中，
所述输出耦合元件包括设置在聚合物基体内的纤维，所述纤维与所述聚合物基体中的至少之一包括双折射聚合物材料。
12.如权利要求1所述的系统，其中，
所述成像面板包括液晶显示(LCD)面板，并且所述系统还包括设置在所述LCD面板的观看侧的第一偏振片和设置在所述LCD面板的照明侧的第二偏振片。
13.如权利要求1所述的系统，还包括：
控制器，其被连接以便控制所述成像面板显示的图像。
14.如权利要求1所述的系统，其中，
所述第一光源和所述第二光源包括发光二极管(LED)。
15.如权利要求1所述的系统，其中，
所述第一光源包括LED，并且所述第二光源包括被LED照明的荧光物质。
16.如权利要求1所述的系统，其中，
所述第一多层反射器包括聚合物多层膜。
17.如权利要求1所述的系统，还包括：
一个或多个光控制膜，其设置在所述背光单元与所述成像面板之间。
18.如权利要求17所述的系统，其中，
所述光控制膜包括反射偏振片与棱柱形增亮膜中的至少之一。
19.如权利要求1所述的系统，其中，
所述第一光源能够产生红光，所述第二光源能够产生绿光，并且所述背光单元还包括能够产生蓝光的第三光源。
20.一种照明单元，包括：
至少第一光源和第二光源，所述第一光源能够产生第一波长的照明光，所述第二光源能够产生与所述第一波长不同的第二波长的照明光；以及
反射腔，其具有一个或多个反射器和设置在所述反射腔输出端的受控透射镜，所述受控透射镜包括输入耦合元件、输出耦合元件和设置在所述输入耦合元件与所述输出耦合元件之间的第一多层反射器，来自所述第一光源和所述第二光源的照明光的至少一部分在所述反射腔内被所述一个或多个反射器反射，并且通过所述受控透射镜透射出所述反射腔。
21.如权利要求20所述的单元，其中，
所述受控透射镜还包括设置在所述输入耦合元件与所述输出耦合元件之间的透光层。
22.如权利要求20所述的单元，其中，
所述第一光源和所述第二光源包括发光二极管(LED)。
23.如权利要求20所述的单元，还包括：
第三光源，其能够产生与所述第一波长和所述第二波长不同的第三波长的光。
24.如权利要求23所述的单元，其中，
所述第一波长、所述第二波长和所述第三波长分别是红光波长、绿光波长和蓝光波长。
25.如权利要求20所述的单元，还包括：
光波长转换器，其设置成对通过所述受控透射镜输出的照明光的波长进行转换。
26.如权利要求20所述的单元，其中，
所述反射腔为沿着纵轴的细长反射腔并且具有第一端部，所述受控透射镜位于所述反射腔的第一侧并基本上与所述纵轴平行。
27.如权利要求26所述的单元，其中，
所述至少第一光源设置在所述反射腔的第一端部。
28.如权利要求26所述的单元，其中，
所述至少第一光源设置在所述反射腔的第二侧。
29.如权利要求20所述的单元，其中，
所述反射腔包括：至少一个弯曲反射器，其位于一个或多个光源与受控透射镜之间的光路上。
30.如权利要求29所述的单元，其中，
所述至少一个弯曲反射器仅在一个维度上弯曲。
31.如权利要求29所述的单元，其中，
所述至少一个弯曲反射器包括至少两个弯曲反射器，每个弯曲反射器都在两个维度上弯曲。
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