CN101311756A - 具有光变向的lcd显示器 - Google Patents

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Abstract

一种用于将光导向显示面板和最终显示器件的背光源装置，其包括固体光波导，该固体光波导包括相对的TIR表面，包含位于TIR表面之间的并中断一个TIR表面的理想图案的光变向表面特征，该特征具有与光波导的固体材料不同的折射率。这种装置可给显示器提供更加均匀的光分布。

Description

具有光变向的LCD显示器
相关申请的交叉引用
本申请是与代理人备案号为93845的申请共同提交的。
发明领域
本发明涉及用于显示器的背光源装置和使用这种装置的液晶显示器领域。本发明尤其涉及一种具有固态光源的液晶显示器(LCD)背光源。
发明背景
尽管与阴极射线管(CRT)显示器相比，液晶显示器(LCD)较紧凑且重量轻，但尤其是随着器件的相对尺寸增加，还存在其中LCD显示器的图像质量仍不满意的一些应用领域。较大的LCD面板，如在膝上型计算机或较大显示器中使用的那些LCD面板是透射型的，因而需要背光源。位于LCD面板后面的这种类型的光提供表面将光导出并导向LCD。
用于背光源的常规方案使用带有光导板、一种或多种增强膜，偏振膜，反射表面，以及其他调光元件的冷阴极荧光(CCFL)光源的多种设置。随着显示尺寸增加，越来越不希望使用侧安装CCFL的常规平板背光源方案，尤其是随着显示区域增加，其易受制造中、或者由于热量而导致的扭曲的影响。由于较低的亮度或发光级别，以及与随着例如数字TV所需要的显示尺寸增加，均匀性较差的相关问题，通常用于小型器件的光波导背光源技术逐渐受到限制。通常使用平行排列的CCFL束的用于LCD显示器和其他显示器以及照明应用领域的现有背光源装置效率相对较低。由于在LC面板后面需要容纳CCFL及其支撑膜和表面，所以这些显示方案还相对较厚。CCFL光源本身在处理表现出环境问题，因为这些器件包含一定量的汞。为了补偿常规的CCFL类背光源的均匀性和亮度问题，通常在背光源与显示器之间插入或者在显示器后面设置多个支撑膜，例如成本相对较高的反射偏振膜。公知的是，当与其他类型的光源相比时，CCFL的光谱特性相对较差。
面对背光源应用领域中使用的CCFL的固有困难和限制，激励研究人员寻找可替代的背光源方案。提出了利用发光二极管(LED)的多个方案。近来在LED亮度、色输出、和整体性能方面的提高以及成本的持续减小，使得LED、激光器和固态光源变得尤其具有吸引力。然而，因为LED和激光器用作点光源，所以需要适当的方案来将光变向并分散，从而提供背光源所需的均匀的平面光以及提供必需的色彩均匀性。
使用LED提供背光源照明的一个方案是使用阵列设置，如在SID2006 Digestpp.1524-1527，题目为“Late-News Paper：Optimization Parameters for LEDBacklighting Solutions”中由M.Zeiler，J.Hutter，L.Plotz和H.Ott在该文献中所述的。使用这种类型的方案，配置使用红色(R)，绿色(G)和蓝色(B)LED的LED串的阵列作为LCD显示器的背光源。描述了两种串：RGGB和RGB。类似地，Deloy等人的题目为“Method and Apparatus for Backlighting a Dual ModeLiquid Crystal Display”的美国专利No.6,789,921描述了用于仪表板的阵列设置。然而，除了专门的用途，如用于一些种类的仪表板和非常高端的显示器和TV板之外，由于较差的颜色和亮度均匀性、较高的部件数、高热量和空间要求，阵列设置没有表现出什么前景。
为了形成线型光，已经使用光波导来扩散来自点光源的光。例如，Kawai等人的名称为“Light Guide，Illuminating Device Having the Light Guide，and ImageReading Device and Information Processing Apparatus Having the IlluminatingDevice”美国专利No.5,499,112公开了使用沿长度分布有导出特征的单个光波导，将来自一个或多个LED的光变向成扫描装置中的一行。DuNah等人的名称为“Lighting Panel”的美国专利No.5,400,224描述了一种模制面板组件，其具有在其后表面上随机进行了粗糙处理的多重光波导，用于背光源照明。
已经提出了多个方案用于沿光波导面板在更大的区域上，沿光导板再分布LED光。提出的一个方案是Global Lighting Technologies Inc.，Brecksville，OH的MicroLensTM模制光波导，其可在更大的光面板上散布来自单个LED的光。类似地，Parker的名称为“Light Emitting Panel Assemblies”的美国公开专利申请No.2003/0123246显示了使用多个点光源的小型光面板，其具有将光变向到面板中的光学“缺陷”。
另一种方案首先沿一条线传导来自LED、灯或其他点光源的光，然后在一个面板上散布该光。例如，Tai等人的名称为“Light Expanding System for Producinga Linear or Planar Light Beam from a Point-Like Light Source”的美国专利No.5,835,661描述了一种光束扩展光管，其将线型光传导到光面板，用于在一个区域上分布。类似地，Casssarly等人的名称为“Efficient Luminaire with DirectionalSide-Light Extraction”的美国专利申请No.2005/0231973使用具有光导出结构的光管，用于沿背面将光变向，如用于展览或显示事实(case)。作为该方案的另一个例子，Abe等人的名称为“Illumination Device”的美国专利No.5,857,761描述了一种光波导，其将点光源光散布进光辐射板中。
同样另一个背光源方案使用用于传导来自单个光源的光的柔性光纤，然后经过处理，用于散布该光，从而在LCD面板后面发射。例如，在Kim等人的名称为“Back Lighting Apparatus of Liquid Crystal Display Using Optical Fiber”的美国专利No.6,714,185中和Kaschke的名称为“Optical Fiber Light EmittingApparatus”的美国专利No.5,542,016中，描述了该方案的不同版本。
上述引证的例子证明，对于提供LED背光源的目标，已经进行了大量的工作。然而，尽管已经提出了许多方案，但每种方案都存在固有显著的缺陷，尤其是当面对标准的膝上型电脑尺寸或更大的显示面板的背光源问题时。在’921Deloy等人公开内容中提出的2-D矩阵很难廉价地实现，成本相对较高，体积较大，易出现均匀问题。在’112 Kawai等人公开内容中所述的光波导设置对于需要均匀线型光的扫描应用领域是最佳的，而对于显示背光源应用领域并不最佳。在’224 DuNah等人公开内容中所述的模制面板发置对于一般照明来说工作足够好，但对于全色显示应用领域来说易出现均匀问题。以较大尺寸制造时，该方案花费逐渐增多，且由于热量和机械应力，其易于变形。更重要的是，这种方案不能提供较好的色混合，且不会很好地适于使用固态光源的应用领域。点光源-面板结构，如在’3246 Parker申请中所述的那些是不切实际的，对于较大尺寸显示器来说，对于颜色和亮度会表现出均匀问题。光波导-背面板排列结构，如在’661 Tai等人公开内容中所述的那些效率较低，易于出现较差的均匀性，且仅适于相对较小的显示器。使用经过处理的光纤对于小尺寸手持显示器来说具有优点，但对于桌上型或较大显示器设计来说是不切实际的，效率较低。
除了这些缺陷之外，常规的方案一般不能适应LC显示器广泛商业化和认同所需的高质量彩色成像的重要挑战。色域是一个显示器设计者尤其感兴趣的重要的考虑因素。常规的CCFL提供了一些应用领域可接受的彩色质量的量度标准，提供高达大约70％的NTSC色域。尽管这对于桌上型和计算机显示器应用领域是可接受的，但对于全色TV显示器是不足的。
与CCFL光源相反，由于相对较高的光谱纯度，LED和其他固态光源本身就能提供100％或更大的NTSC色域。为了提供该扩大的色域，需要三个或更多不同颜色的LED或其他固态光源。当使用LED和其他固态光源时为了支持这种扩展的色域，背光源装置需要较高级别的色混合。作为成像显示领域的普通技术人员公知的，当使用固态光源，如红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)LED时，获得较好级别的色均匀性尤其具有挑战性。使用较大面积光波导的常规背光源方案，如上述的那些，提供了相对较差的色混合。
与用于较大尺寸显示器的背光源相关的其他挑战包括需要低成本组件、光效率、均匀性和紧凑尺寸。如之前提到的，常规的LED背光源方案对于满足这些额外条件是不足的。需要提高基于LED的显示器的均匀性和亮度。对于改善光导板和光棒的光引出率，有多个建议。能以均匀的方式变向或导出光的较大显示器是比较困难的。还缺少改进的光变向部件。
因而，可以看出，需要一种可廉价制造，具有最小厚度并以较好均匀性、较高亮度和较高级别的效率提供色混合的LED背光源方案。
发明内容
本发明提供了一种固体波导，其包括相对的TIR表面，包含位于TIR表面之间的并中断一个TIR表面的理想图案的光变向表面特征，该特征具有与光波导的固体材料不同的折射率。本发明发展了背光源照明领域，提供了改善的较高级别的色混合，利用了固态光源的优点。例如，理想的图案形成为光波导的整体部分，可在形成光波导之后在添加该图案，或者该图案作为光学膜添加到光波导。
可变化地，本发明还可用在背光源装置和使用该背光源装置的显示器中。还公开了用于提供光变向的工艺。本发明的优点是，其使用固态光源来提供显示器的背光源区域。本发明装置的尺寸是可以变化的，尤其适用于大尺寸的LC面板。
本发明进一步的优点是其可用于光导板或其他平坦型面板，以及细长照明器。
当结合显示和描述本发明示意性实施方式的附图时，通过阅读下面详细的描述，本发明的这些和其他目的、特征和优点对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
附图的简要描述
图1A是具有可变高度凹痕的光导板的示意图；
图1B是具有可变密度凹痕的光导板的示意图；
图1C是具有凹痕的光导板的示意图；
图2是具有凹痕的光学膜的光导板的示意图；
图3A是具有整体的凹痕和棱镜光输入端的光导板的示意图；
图3B是具有较大棱镜光输入端和附加光学膜的光导板的示意图；
图4是具有初始光混合部和带凹痕的锥形表面的光导板的示意图；
图5A是具有混合凸片的固体波导的示意图
图5B是具有光变向特征的固体波导的示意图。
发明的详细描述
本发明提供了一种用作背光源装置的光波导，其可很好地适于显示应用领域，尤其是用于LC显示面板，如LCD TV、医疗诊断显示器、成像显示器和军事显示器使用的那些。此外，本发明的光波导装置可用于其中固态发光比较有利的其他照明应用领域。
在本文中，术语“固态光源”具有照明领域人员接受的常规含义，是指由半导体材料形成的一种发射光源。固态光源例如包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)和(聚合物发光二极管)PLED、以及半导体激光器。一般地，这里使用的术语固态光源是指来自较小点状光源的任意光源，但是发射源的设计是这样的，即发射的光被校准或散布，从而呈现为非点状。几个固态光源的阵列以一方式或者用透镜元件设置，从而以较宽的非点状源结合该光。
在本文中，光变向描述为向上，大致向着显示器的观看侧或发光元件的光发射侧。因而用作背光源装置的光波导从照明平面向上发射光。术语“下面”和“上面”遵照该方向指定。术语观看侧和非观看侧是指用于观看或光发射的一侧，非观看侧是与观看侧相对的一侧。显示面板是透射型空间调光器件，如LC显示器件或其他光阀阵列。这里对于照明器和光通道使用的术语线性和细长的是指在长度上比宽度上大，典型的是在一个(长度)方向上接近显示器的长度，但在其他(宽度)方向上长度并不接近。这些术语可以是直的或弯曲的，如蜿蜒的。例子包括各种横截面端部形状，如正方形、直线形、圆形、三角形，或者是两个或多个形状的组合形状。照明器或光通道的至少一个表面包括用于引出或打破或改变光通道的全内反射的方法。可以以一定方式形成这种部件，从而提供均匀的光外貌。这里使用的术语细长照明器和光棒相同。术语光输入侧或光输入端是指光从光源进入光波导的最初一侧。这里使用的术语孔、凹痕和光变向特征是指向着光波导、细长的照明器、或显示器的观看侧改变光的方向。
代理人备案号为第93845的上述共同提交的US申请的实施方式在这里结合作为参考。
本发明中使用的具有细长照明器的固体波导沿着照明平面延伸并在显示面板的方向上将光变向为向上。显示面板和照明平面大致平行。来自光通道的光的最初方向为向上，向着显示面板或观看者。作为成像领域普通技术人员可理解的，细长照明器可如此正交设置，即它们在x轴的基本方向上延伸且沿y轴间隔开一定距离。在随后的描述和附图中，显示了沿y轴的延伸，但是可选择地使用正交设置。在本发明中有利的一些实施方式中，细长照明器之间间隔有小于25mm的中心距。
典型的细长照明器光通道具有长度尺寸L，其适当超过宽度尺寸W或厚度尺寸T。优选地，长度L超过宽度尺寸W的5倍。优选地，宽度尺寸W和厚度尺寸T彼此不同不会超过系数2。在一个实施方式中，尺寸T和W大约相等。将尺寸W和T保持为比长度L小很多改善了色混合和均匀性，因为导入细长光通道18的光通过全内反射(TIR)的方式通过光波导结构传播。因为其使用TIR，所以细长照明器光通道效率较高，除了在由光引出元件提供的预定方向上之外，光损耗非常低。在本发明中有利的其他实施方式中，细长照明器的长度与光输入表面面积具有超过100/1的比率。
理想的是提供可提供超过2000cd/m2的同轴亮度(on-axis brightness)的光波导。
如前面提到的，当使用RGB LED时获得较高级别的色均匀性是一个重大的挑战。可选择地使用单个LED，如白光LED。可选择地，可使用另外的彩色LED来提高亮度或提高色域，例如提供RGGB排列或增加青色、橙色或其他颜色。也可以是其他照明设置，随后将更加详细地描述。在一些实施方式中，每一光输入表面都具有超过一个的固态光源是有利的。对于细长照明器的长度，每一光输入表面都具有超过一个的光源可提供更多的光，而不必以较高级别的功率运行，不必冒潜在的烧毁固态光源的危险。具有超过一个的光源还可有助于确保在保持足够亮度的同时足够的光到达固体波导的较远的区域。
存在与本发明的固体波导使用的不同功能的各种膜。这些包括但并不限于扩散器，其可以是使用颜料、气孔或内部玻璃珠的块型扩散器。可选择地，扩散器可以是表面型扩散器，例如，具有透明粘合剂的单或多尺寸珠子的珠状表面。还可使用菲涅耳透镜型扩散器。在本发明中使用的显示器中使用的固体波导进一步包括从由下述功能组成的组中选出的至少一个功能：光扩散、光校准、亮度增强、光偏振、光调制、滤光、光源。这些功能在提供高亮度、同轴较佳以及偏轴观看方面是有利的。光校准、扩散和散射有助于使光给观看者提供最愉悦的观看。
上述的光处理膜包括但并不限于各种光增强膜或亮度增强膜(BEF)，如3M，St.Paul，MN的产品VikuitiTM薄亮度增强膜。还可设置偏振片，如反射偏振片。膜和它们的功能可组合为具有超过一个功能的单个膜。
在本发明中，如果光波导包括细长照明器，则它们可以以多个结构的任意一种来分布。相邻细长照明器之间的分隔距离可根据因素，如所需的亮度、面积和均匀性而变化。相邻细长照明器是相邻的，但并不是光学耦合。在如本发明中的一些图中所示，整体桥部可在侧面部分连接一个或多个细长照明器。这种整体桥部对于提供较高的硬度是有利的，且还有助于在细长照明器之间提供较高的亮度均匀性。
填充因数是获得所需亮度级别以及在其中使用不同波长的光源的情况下混合光谱分量一个重要的考虑因素。每个光波导和或细长照明器的填充因数可计算为将光导入光通道的一个或多个光源的表面面积与光通道的入射光表面面积的比率。背光源装置的填充因数可计算为细长照明器的发射面积的总和与装置的照明平面的表面面积的比率。
光源
每个光波导或细长照明器都具有至少一个单独的固态光源16。固态光源是独立的是因为其传送光。
如前面提到的，固态光源16可以是LED。由于其较高亮度和较好的光谱特性，LED是有利的。能在窄波段内提供直接光发射，因而LED能提供比常规光源高的色域的照明。例如当CCFL光源用于LCD面板时，CCFL光源能提供大约70％的NTSC色域。LED光源可获得100％或更大的NTSC范围。因为可快速地脉动，所以LED也是有利的。
细长照明器以及尤其是具有本发明混合部分的固体波导为LED提供了较高程度的色混合。与光导板和其他常规方案不同，具有细长照明器和以相对较窄宽度尺寸形成光通道的混合部分的固体波导提供了出色的色混合。当光通过混合部分以及在由细长照明器光通道提供的通路下面传播时，该设置提高了实际的反射(TIR行为)次数。在光通道18的一端或两端，红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)LED设置为LED的RGB组。可选择地使用超过一个的LED的一个或多个颜色的RGGB设置，从而提高绿光级别。可选择地，R，G和B LED可分布在光通道的不同端，从而例如，单个光通道在一端具有红色和绿色LED，在另一端具有蓝色LED。任选地，可在光通道的一端或两端设置第四LED，如白光LED，或其他颜色LED。在另一个实施方式中，每个分离的光通道具有单色光源，从而例如，三个相邻的光通道分别具有红色、绿色和蓝色LED。
可使用二色性滤色片将光导入单独的细长光通道中。
光源持续打开，从而给显示平面提供混合的RGB或白光。可选择地，可以是色连续背光源设置。在一个实施方式中，通过连续的激活相应光源16，可从背光源装置快速地循环R，G和B。可选择地，可提供线性扫描，跨过背光源装置的表面，以滚动的顺序提供R，G和B或其他颜色。然后显示平面以相同的顺序激活像素的相应行或列，提供连续的调制色。这种结构例如可使LC显示器不需要彩色滤色片阵列。可选择地，可使用光源的定时激活提供混合色，如青色、洋红色和黄色。
可选择地，本发明的细长照明器可使用激光器光源。相对高的光谱纯度和快速的响应时间使激光器具有吸引力，对于一些类型的显示应用领域来说是可选择的。激光器的较高亮度和较高光功率级别可使单个光源照明多个细长照明器光通道。
细长照明器使用的可选择的光源包括有机发光二极管(OLED)和(聚合物发光二极管)PLED。
光通道
光波导和细长照明器光通道由高透明度材料形成，包括各种玻璃，如夹层安全玻璃。可使用的塑料包括PMMA、聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚砜、聚烯烃、结晶蜡及其共聚物。光通道具有提高热和光稳定性的添加剂。材料的光透射率应超过大约90％。除了有意处理之外，光通道的表面应具有光学平滑度。对于有利的光导特性，优选较高的折射率n。
在制造中，光波导和或细长照明器光通道例如可以铸造、挤压成型或模制。材料的其它条件，如通过加热和抛光对于获得较高的光学性能是有利的。提供具有较高的平滑度的固体波导和细长照明器也是有利的。具有小于50nmRa粗糙度的TIR表面有助于将由于当光撞击粗糙表面时的散射导致的光泄漏最小化。粗糙表面会打破光的TIR并改变其角度，从而其在不希望的点处离开细长照明器。这减小了细长照明器的整体效率。
对于细长照明器，较高的硬度或刚度对于将光通道作为较大背板装置的模制组件来说是有利的。较高的硬度使得处理简单且易于组装光管阵列。优选超过10mN的硬度。使用夹子、固定器或其他支撑体来帮助阻止较长长度的光通道的下垂或弯曲。光通道应具有足够抑制弯曲的宽度W尺寸。如果需要的话，可使用额外的支撑结构来阻止侧面弯曲。
在本申请中所示的实施方式中，细长照明器光通道与光源分开一定距离。然而，还可将光源嵌在细长光通道内。
光变向特征
对于该说明书的附图中所示的光变向元件或特征，具有多个实施方式。细长照明器或光波导的光变向特征的基本功能是导引由TIR进行通道传播的光，由此使光转向，然后从细长光通道的观看侧发射。这可以多个方式实现，包括下列方式：
(i)对光波导或细长照明器的处理一般适用于或形成在非观看侧上。本发明中使用的光变向的元件向内或指向光波导或照明器的观看或发射侧。它们中断非观看侧TIR表面，因此位于两个主要TIR表面之间。它们形成一系列的凹痕。凹痕一般尺寸较小，但与前面的微结构不同，因为它们更大。尽管它们在几微米尺寸范围中，但它们还可在几百微米范围中。可使用多个任意形状，但优选它们是棱镜、棱锥、半球、孔、复合形状或破坏TIR的其他边界明显的几何形状。微结构的凹痕可以模制、印花、挤出辊模制、钻孔，或以其他方式形成。作为距光源的距离的函数，它们的形状和尺寸可以变化。微凹痕可以形成为光波导或细长照明器的整体部分，或者它们形成为光学膜的一部分，然后粘附到光波导或细长照明器。使用的粘结剂的粒子包括压敏或热敏或者使用例如紫外线或电子束辐射可固化的粘结剂。可选择地使用化学交联材料，如环氧树脂类。对于LCD显示器应用领域，通常需要能经受较宽温度范围(-40到85℃)的粘结剂。优选能经受较高温度范围(60-85℃)和较高相对湿度(95％@65℃)的粘结剂。优选较高的光学透射度。可使用添加剂，尤其是纳米颗粒来修改粘结剂的折射率。可使用尖细的分配器或热熔胶分配器将膜元件的片段粘附到细长照明器，或者在光波导的情形中，施加(涂覆或转印)一层粘结剂，然后层叠具有理想凹痕图案的光学膜。应当注意，粘结剂层可涂覆或转印到包含凹痕的光学膜的相对侧，然后将具有粘结剂的膜层叠到光波导或细长照明器。可给光学膜和粘结剂施加任意的释放衬垫，然后在层叠之前移除。任意地，细长照明器的非光发射表面上可形成光变向结构。例如使用辊或其他处理来模制一部分照明器或光波导，从而形成光变向微结构。在喷射成型工艺中，光变向结构形成为模的一部分。然后，当注入并冷却聚合物时，光引出结构变为细长照明器的整体部分。在使用挤出辊成型的工艺中，将聚合物熔化，然后浇铸到具有理想特征的辊或带上。最终的模或产品将具有理想的凹痕图案。可将UV或其他化学聚合物浇铸进模中或者浇铸到具有理想图案的辊或带上，从而形成产品或膜层。还应注意，可形成一层，然后将理想图案形成到该层或膜中。
还可使用上述这些类型工艺的组合。光变向特征为单个元件。为了沿光波导或照明器的长度提供均匀的光发射，作为沿光通道距固态光源的距离的函数，凹痕的尺寸和密度可变化。例如，在光通道的每端都具有LED光源的情形中，在靠近中心处比向着两端以更高的密度设置光变向特征。可选择地，光变向元件的分布密度在一个方向上大致是连续的。
可在超过一个的表面上设置光变向特征。距LCD和输出表面最远的光通道的相对一侧一般提供平滑的表面，从而阻止光泄漏，但可选择地，其可被构造、处理、或者变粗糙，从而提高光引出的量。
光变向元件可模制成型、印花、挤压、粘附、打印或层叠到细长照明器或光波导。
监视色偏移
LED和其他类型的固态光源的一个公知问题涉及光谱稳定性和精确性，这会导致一定量的色偏移，可设置可选的色传感器作为一个或多个细长照明器的组件。色传感器用在补偿由于老化、热量或者在LED或其他类型光源之间的制造差异所导致的色偏移的控制回路中。可选地，可调整用于最靠近特定光管的像素的图像数据来补偿探测到的色偏移。
系统考虑因素
使用许多现有可用的器件，本发明的细长照明器或光波导能提供在2000-6000nit之间或更高的高级别照明。在较高的能量级别时，在一些应用领域中LED会出现热量聚集的问题。背光源装置可设置一个或多个散热片、冷却电扇或其他在操作过程中有助于扩散过多热量的机械结构。有利地，当使用本发明的装置和方法时，散热组件沿显示器件的外围边缘远离LCD面板设置。
实施方式
图1A，1B和1C是在非观看侧形成有一系列孔或凹痕11，12和13的固体波导10的侧视截面图。光波导可从一端或两端被光源16照明。如果仅从一端照明，则在与该光源相对的一端具有反射器。孔或凹痕可以是任意形状或尺寸，或者作为距光源的距离的函数，形状和或尺寸可以变化。在一些实施方式中，孔在宽度和长度尺寸上具有相同的相对尺寸。尽管理想的是深度较大或者稍微较小，但这些特征通常深度在1-300微米尺寸范围内。这些特征在散射光并将光变向为光棒的观看侧方面是有利的。光板可以是平坦的、锥形的、圆形的或其他形状或复合形状。这里具有用于提供改进的光混合均匀性的光混合部。间隔、密度、尺寸和形状可变化，从而沿光棒的长度提供均匀的发光。尽管在这些图中仅显示了侧视图，但在多个特征中侧向尺寸也可以变化。光棒还设置了用于将光源更有效地耦合进光棒的部件。这些部件包括但并不限于锯齿或凹入端、反射器、将光源嵌在柔性介质，如粘合剂中、设置透镜，从而当光离开光源时将光整形，校准或以其他方式传导。这种部件有助于在光棒中建立TIR角，从而将进入的光量与离开光源的光量的比最佳化。此外，可在光导板与光棒中施加和使用孔和凹痕以及其他将光棒最佳化的部件。
图2是具有光学膜21的光波导，在光学膜的非观看侧上具有浇铸、印花、模制成型或以其他方式形成的一系列变向凹痕。光学膜21通过粘接层22粘附到光波导。粘结剂是具有较高程度透射率的光学透明粘结剂。理想的是透射率超过80％，超过90％提供了一种在提供均匀光透射率以及将光变向为观看侧方面更加有效的背光源。粘结剂厚度在0.3和75微米之间。应当注意，粘结剂一般厚度越薄，粘结强度越低，随着厚度增加，将会吸收更多的光。最优选的范围在10和25微米之间。此外，粘结剂的折射率应在0.02内与用于形成凹痕的膜以及光波导材料的折射率匹配。在本发明使用的一些其他实施方式中，粘结剂在光波导的长度或宽度尺寸上构图或连续。粘结剂应具有可经受显示器和显示组件的环境条件的充分粘接特性。本发明中使用的光波导在剖面上可以是任意的设计(正方形、矩形、圆形、锥形)。它们还包含混合部，可以从一端或两端照明，它们也可以是反射器。凹痕具有从1-300微米的深度。凹痕的侧面可以是直的、圆的或锥形的。凹痕的相对形状例如是正方形、矩形、三角形、圆锥形、圆柱状、透镜状、盘状、梯形或部分梯形。对于光波导上的所有凹痕，凹痕的相对深度大致相等，作为距光源的距离的函数，深度可以变化。凹痕之间的间隔以及凹痕的加工密度也可以变化，从而有助于提供更加均匀的光混合和亮度均匀性。凹痕可以是离散的特征，或者它们以下述方式构图，即形成连接两个或多个凹痕的互连的区域，从而具有连续的凹痕。凹痕的顶视图剖面也可以变化，剖面表面可以是稍微粗糙的。
图3A是固体波导10，其在至少一端设置有至少一个棱镜形光输入端31，至少有光源16，在光波导10的两个TIR表面35(观看侧)和34(非观看侧)之间设置有光变向部件。光变向部件形成为光波导的整体部分。光变向部件36是在非观看侧表面中的一系列凹痕。随着距光源的距离变化，凹痕的尺寸、形状和密度变化。如果光波导具有彼此相对的两个或多个光源，则凹痕图案从两端开始变化，在中心具有较高密度或高度。如果仅从一端照明，则与光输入端相对的一端还包括反射器。反射部件可以是光谱的或扩散的。在光输入端附近还具有一没有引出或反射特征(至少是非常少)小区域。该区域用于提供色混合。该区域对于细长照明器尤其有用。此外，在光输入端上具有光混合部33。
图3B是类似的光波导10，其具有混合部33，棱镜形光输入端32覆盖整个光输入端，和被用作光学膜34的带有光学透明的粘结剂22的凹痕。
图4是具有初始光混合部33和带有凹痕41的锥形表面的光波导40。应当注意，在混合部之外，两个主TIR表面并不彼此平行。锥形侧的斜面设计为与凹痕结合来帮助光变向。为了沿光的长度提供最高级别的亮度和均匀性，凹痕的尺寸、形状和密度变化。上图也可以是细长照明器。
图5A是固体波导53的平面图，其具有固态光源16和混合凸片51以及反射表面52。
图5B是固态光波导53的横截面图，其具有光变向特征55和从光源16提供均匀色温的色混合凸片51。尽管光变向特征显示为光波导的整体部分，但其他实施方式也可提供具有光学膜的光波导，在光学膜中具有光变向特征。
本发明其他有利的实施方式可提供具有细长通道和整体桥部的光波导，该整体桥部连接光通道，从而形成混合的细长照明器和光波导。
本发明有利的实施方式形成了固体波导，其包括相对的TIR表面，包含位于TIR表面之间的并中断一个TIR表面的理想图案的光变向表面特征，该特征具有与光波导的固体材料不同的折射率。该实施方式提供了一种具有整体特征的光波导。通过位于内部，它们不易受损害，它们具有预定量的较低折射率材料，这有助于在预定方向上控制和将光变向。在本发明的实施方式中，光变向表面特征包括下述一种材料，其折射率比用于形成光波导或细长照明器的材料的折射率大0.02。在有利的实施方式中，光变向表面特征包括空气，在其他实施方式中，光变向表面特征是凹痕。
在其他有利的实施方式中，凹痕或者以其他方式缺损或材料的变向特征是，可以填充有磷光材料的材料。在该实施方式中，磷光材料可吸收一些光能，然后重新接纳光。
在其他有利的实施方式中，光变向特征具有三维形状。光变向表面特征的形状包括从下列形状组成的组中选出的至少一个形状：圆锥状、圆柱状、梯状、透镜状、圆形、正方形、三角形、锥体状。在其他实施方式中，光变向表面特征具有复合形状。如果特征具有顶点，则一般理想的是所述顶点面对光波导发射侧。在本发明其他有利的实施方式中，光变向表面特征从所述中断表面向着相对的TIR表面从宽逐渐变窄。这用于将最大量的光导向光波导的发射或观看侧。光变向表面特征包括至少一个单个元件。光变向表面特征的有利的实施方式是离散的特征。离散的或单个元件很容易形成并提供最高度的柔韧性，用于控制光波导或细长照明器中的变向光的量和均匀性。应当注意，在其他实施方式中，光变向表面特征是互连的。特征还可形成为模拟或形成通道。
本发明的光变向表面特征具有0.1到300微米之间的深度，但优选的是光变向表面特征具有1和100微米之间的深度。如果形成锥形孔，则就从顶点到形成它们的层的表面来测量高度。对于锥形孔或凹痕，根据在哪里测量它们，宽度发生变化。应当注意，即使在彼此不平行的两个TIR表面中使用这些类型的凹痕，光波导的变化也可提供良好的效用。在锥形光波导或细长照明器的情形中，主表面不平行，协同光变向特征，凹痕图案参数变化，从而提供最高级别的亮度和均匀性。本发明有利的实施方式的固体波导具有实质上不与TIR表面平行的光输入表面。优点是形状因子(form factor)减小了，这对消费者而言是具有很大吸引力的。具有较薄的显示器使得在显示器的构造中材料减少。作为距光输入表面的距离的函数，光变向表面特征的密度变化。一般理想的是设置一提供均匀的色温的初始光混合部。这种混合部不需要光变向，并靠近光输入表面。混合部的长度可变化，但仅仅需要几毫米的长度，从而获得出色的光混合。沿波导或细长照明器的长度的密度函数与光变向特征的密度函数不同。
本发明有利的实施方式是一种显示器，其包括一固体波导，该光波导具有相对的TIR表面，包含位于TIR表面之间的并中断一个TIR表面的理想图案的光变向表面特征，该特征具有与光波导的固体材料不同的折射率。光变向特征的优选材料是空气。该特征是孔或除气体之外的其他材料缺损的区域。当然可以用其他材料填充全部或者一些孔时，包含填充孔的任意材料的孔与光波导材料之间的折射率差越高，光变向越有效。应当注意，孔可完全或仅部分地用材料填充，该材料是复合材料，如具有多个空气泡的泡沫。本发明其他有利的显示器实施方式还包括从下述功能组成的组中选出的至少一个功能：光源、光扩散、光校准、光散射、光再循环、偏振、光调制。使用这些功能材料提供了改善的光操作，如光扩散，改善的同轴亮度，改善的斜角观看的亮度。
因为本发明中使用的光变向特征是孔或材料缺损的区域，所以可通过钻孔、模制成型、印花、浇铸或其他本领域公知的方式来形成具有理想图案的光变向特征的固体波导。光波导厚度从10到30mil变到更厚的几毫米的厚度。对于光导，优选较薄的方法，如挤出辊成型，因为通过将聚合物浇铸到包含将在最终膜中形成孔或凹痕的凸起的辊或带上形成基本光波导。这种方法可使用PMMA、聚砜、聚碳酸酯、聚酯、乙酸酯或其他透明聚合物。一般加热聚合物到其熔点之上，然后将其直接或间接挤出到移动的模具上，以形成具有理想光变向特征的膜。可将一些聚合物熔接早溶剂中，将最终的溶液浇铸在成型轮或带上。在本发明的其他工艺实施方式中，首先形成膜或平板，然后通过施加热量和/或压力将理想图案的孔印到表面中。其他有利的方法是，形成光波导的膜或平板，然后在至少一侧上浇铸另一层，然后在该层中形成理想的图案。该方法使用各种聚合物，但一个优选的材料是UV固化层，其可用理想的光变向特征模制成型，然后在形成图案的工艺过程中固化。UV浇铸和固化的有用方式还包括透明模，其使UV单体和低聚物在特征形成过程中固化。在加层方法中可使用其他材料，然后通过模制成型和或印花形成理想的特征图案。在本发明的另一个实施方式中，可在分离的膜之中或之上形成光变向特征，然后将该膜粘接到光波导或细长照明器。使用还包括光变向特征的分离的光学膜可提供大量的优点是因为，光波导或细长照明器没有形成特征，而是使用分离的薄膜形成特征，然后在稍后时刻粘附到光波导或照明器。光波导非常坚硬，试图在一侧上形成特征会导致不能提供均匀的光分布的弯曲的表面。波导也是非常昂贵的，能增加功能的分离的光学膜是非常理想的，而且其制造成本较低。对于质量和理想的功能，可预先筛选光学膜。膜是透明的(＞85％)，对于任何颜色都是通畅的，为了较小的光学干扰，理想的是厚度较薄。理想的光变向特征可直接形成到膜中或到分离的层中。可使用类似的模制成型、校准、挤出辊成型、印花方法。
本发明有利的实施方式提供了一种具有观看侧和非观看侧的固体波导，其包括相对的TIR表面、靠近所述光波导非观看侧的光学透明粘结剂、具有观看侧和非观看侧的光学膜(或层)，该光学膜包含位于所述光学膜的非观看侧和观看侧之间的并中断非观看侧表面的理想图案的光变向表面特征，该特征具有与光学膜的固体材料不同的折射率。这种实施方式质量较高，且制造起来不怎么昂贵，并可提供很大的柔韧性。
用于形成上面的光波导和细长照明器的光学膜具有光变向表面特征，该光变向表面特征包括折射率与光学膜相差至少0.02的材料。本发明光学膜中的光变向特征可包含空气或气体，从而在特征(为孔或者固体的缺损区域或者液体材料)之间提供较高的折射率差。光变向特征具有1到100微米之间的深度。
光变向特征从所述中断表面向着相对的TIR表面从宽逐渐变窄。光学膜和它们的所述光变向表面特征包括至少一个单个元件。特征可以是离散的，它们的尺寸、形状、高度、密度或其他物理参数可变化。在一些实施方式中，通过通道将单个特征互连，或者单个特征以下述方式设置，即沿光波导或细长照明器的长度或宽度形成单个特征的组合和连续的特征。作为距光源的距离的函数，密度函数可变化。光学膜还包含光变向特征缺损的区域。这种区域可应用在其中在正常TIR之外不希望光变向的色混合部上。本发明的光学膜沿光波导或细长照明器的宽度和长度提供了均匀的光分布和亮度。
本发明另一个有利的实施方式提供了一种显示器，其包括具有观看侧和非观看侧的固体波导，该固体波导包括相对的TIR表面、靠近所述光波导非观看侧的光学透明粘结剂、具有观看侧和非观看侧的光学膜，该光学膜包含位于所述光学膜的非观看侧和观看侧之间的并中断非观看侧表面的理想图案的光变向表面特征，该特征具有与光学膜的固体材料不同的折射率。上述显示器还包括从下列功能组成的组中选出的至少一个功能：光源、光扩散、光校准、光散射、光再循环、偏振、光调制。为了提供具有良好同轴亮度和/或宽视角，这种实施方式是有利的。理想的是用彩色滤色片进行光调制为观看者提供图像。
在另一个实施方式中，具有观看侧和非观看侧的固体波导包括相对的TIR表面、具有观看侧和非观看侧的光学层，该光学层包含位于所述光学层的非观看侧和观看侧之间的并中断非观看侧表面的理想图案的光变向表面特征，该特征具有与光学层的固体材料不同的折射率。在该实施方式中，代替光学膜，在光波导或细长照明器上设置一层。适用于本发明的形成固体波导的方法为给一个TIR表面涂敷聚合物层，并在所述聚合物层中形成光变向特征的图案。这种聚合物层还包括交联形成具有理想图案特征层的UV固化单体或低聚物。
实施例
样品1：
一个实施方式使用丙烯酸细长照明器，其横截面为一般为1/4英寸的正方形。细长照明器是高度透明的并在所有侧面和端部上都具有光学抛光。为了形成细长照明器，在车床上将PMMA的棒料(0.25”×0.25”×14英寸)进行光学抛光，然后用精细磨料的泥浆手工抛光，从而在侧面上和光输入端上获得小于25nm的表面Ra。将棒的后侧或非观看侧钻出孔型图案，从而提供理想的光变向。孔被钻到大约100微米的深度。从光输入部分开始的初始部不钻孔。这里具有大约10-15mm不具有孔的部分。该部分用作色混合部。
使用LED阵列作为光源。在光输入端附近安装多芯片RGB LED。这些多芯片LED由单个封装结构中的1个红色、1个蓝色和2个绿色芯片组成(OSRAM公司的OSRAMOSTAR Projection devices，type LEATB A2A)。这些器件可单独打开，通过分离的电流源控制每个芯片的亮度。然后评价该样品的相对光输出均匀性。
样品2
在另一个例子中，使用透明聚酯片(Dupont ST505)形成光学膜，其中在一侧上涂敷UV单体层，将具有一系列面向外的凸起的透明模压到UV固化单体中，然后用UV光源将单体固化，从而将该层交联。然后移除所述模，剩下具有一系列孔的薄层。然后将具有带孔的UV层的光学膜粘接(Norland UV环氧树脂)到光棒的非观看侧。用与样品1中相同的LED结构设置最终的样品。
已经参照特定优选的实施方式详细描述了本发明，但应当理解，在本发明的精神和范围内，一些变形例和修改例也是有效果的。在该描述中提到的专利和其他公开在这里全部结合作为参考。
10固体光波导
11不同高度的孔或凹痕
12三角形孔
13具有平坦顶部的孔或凹痕
16固态光源
21具有孔或凹痕的光学膜
22粘结剂层
23光学膜中的孔或光变向特征
31棱镜形光输入端
32较大的棱镜形光输入端
33光混合部
34非观看侧TIR表面
35观看侧TIR表面
36光变向部件
40锥形光波导
41具有孔的锥形或倾斜表面
51光混合凸片
52反射器
53固体光波导
55光变向特征

Claims (10)

1.一种固体光波导，其包括相对的TIR表面，包含位于TIR表面之间的理想图案的光变向表面特征并中断一个TIR表面，这些特征具有与光波导的固体材料不同的折射率。
2.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，所述光变向表面特征包括折射率差超过0.02的材料。
3.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，所述光变向表面特征包括空气。
4.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，所述光变向表面特征是凹痕。
5.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，所述光变向表面特征包括折射率差超过0.02的材料。
6.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，所述光变向表面特征包括磷光材料。
7.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，所述光变向表面特征具有0.1到300微米的深度。
8.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，所述光变向表面特征从中断表面向着相对的TIR表面从宽逐渐变窄。
9.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，所述光变向表面特征包括从下列形状组成的组中选出的至少一个形状：圆锥状、圆柱状、梯状、透镜状、圆形、正方形、三角形、和棱锥状。
10.根据权利要求1所述的固体光波导，其特征在于，根据距光输入表面的距离，所述光变向表面特征的密度发生变化。
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