專利名稱：光導裝置、背景光裝置以及液晶顯示器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)光導裝置、背景光裝置以及使用背景光裝置的液晶顯示器(LCD)裝置。
背景光裝置已被作為LCD裝置的光源。

圖1(A)顯示的是采用傳統(tǒng)背景光裝置的LCD裝置。傳統(tǒng)的背景光裝置包括產(chǎn)生白光的熒光燈1、安裝成包圍熒光燈1的頂面、底面和后面的反光罩2、楔型光導3、附著在光導3底面的光散射層4、安放在光導3底部的金屬反射鏡5、以及安放在光導3上面的光調(diào)整薄膜6和7。折射沿傾斜方向向棱鏡片的垂直方向傳播的入射光的棱鏡片經(jīng)常用作光調(diào)整薄膜6和7。光散射層4實際上是印刷在光導3的底面上的點狀圖案。如圖1中的光散射層4的右面部分所示，每個點向上散射入射光成大角度分布。通過控制光導3的底面上的點的密度，可以實現(xiàn)使得光均勻地從光導3的頂面通過的背景光裝置。來自光導3的頂面的發(fā)射光被散射成大角度分布。對于某些應用，諸如筆記本個人計算機的LCD裝置，發(fā)射光的這個角度分布是如此大以至于來自光源或者熒光燈1的光的使用效率不會高。因此，采用一個或更多的光調(diào)整片以獲得合適的角度分布。金屬反射鏡5作為光循環(huán)器，能夠把底部的光散射層4的泄露光反射回光導3，用于光的再利用。
發(fā)自背景光裝置的光通過偏振片8被傳播到LCD面板10。偏振片9也被安放在LCD面板10上方。LCD面板10包括上玻璃基片11和下玻璃基片12，而且玻璃基片11和12二者的周邊被密封區(qū)13密封。包括紅、綠和藍色濾光片部分以及公共電極的彩色濾光片(在圖1(A)中未示出)形成在上玻璃基片11的內(nèi)表面上，以實現(xiàn)彩色LCD裝置。一個象素是由三個子象素亦即R、G和B子象素組成的。液晶材料被封裝在玻璃基片11和12之間的空間內(nèi)，諸如90度扭曲向列液晶材料。
現(xiàn)有背景光裝置的第一個問題是很難獲得角度擴散小于10度FWHM(半峰值處的全角寬度)的發(fā)射光，如圖1(B)所示?，F(xiàn)有背景光裝置的第二個問題是背景光裝置需要相當多的元件，某些是不易制造的，因此制造成本變得高了起來?，F(xiàn)有背景光裝置的第三個問題是由于來自熒光燈1的光通過相當多的元件，在通過這些元件的過程中光強度大大地衰減。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能產(chǎn)生角度擴散小于10度FWHM的發(fā)射光的光導和背景光裝置。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能降低制造成本的光導和背景光裝置。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一種能提高來自光源的光的使用效率的光導和背景光裝置。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種使用上述光導裝置和背景光裝置的LCD裝置。
依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置包括折射率為n1的楔型光導，具有頂面、底面和側(cè)面，用來把光傳播到楔型光導的側(cè)面的光源，折射率為n2的第一光透射層，折射率n2小于折射率n1，第一光透射層具有頂面和底面，其中第一光透射層的頂面附著在楔型光導的底面上；以及一個其頂面附著在第一光透射層的底面的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自第一光透射層的入射光偏轉(zhuǎn)向楔型光導的頂面。
楔型光導的折射率n1的范圍是1．4到2．0，而第一光透射層的折射率n2的范圍是1．2到1．4。
楔型光導的折射率n1是1．49，而第一光透射層的折射率n2是1．3。
楔型光導頂面和底面之間的頂角范圍是0．1到3度。
光偏轉(zhuǎn)層包括一個折射率與楔型光導的折射率n1基本相同的第二光透射層和許多的反射鏡，每個反射鏡的反射面相對于光偏轉(zhuǎn)層的頂面傾斜選定的角度，以便將來自第一傳輸層通過第二傳輸層的入射光反射向沿著楔型光導頂面的法線方向的光路，其中第二傳輸層附著在第一傳輸層的底面上，而且第二光透射層和許多反射鏡形成一個整體。
光偏轉(zhuǎn)層是許多的反射鏡，每個反射鏡具有相對于光偏轉(zhuǎn)層的頂面傾斜選擇角度的反射面，用來將來自第一光透射層的入射光反射向沿著楔型光導的頂面法線方向的光路，其中第一光透射層和許多反射鏡形成一個整體。
許多的反射鏡包括其中每個反射鏡的反射面傾斜選擇角度的反射鏡、其中每個反射鏡的反射面傾斜角大于選擇角度的反射鏡、以及其中每個反射鏡的反射面的傾斜角小于選擇傾角的反射鏡。
光源是一個熒光燈，而且每個反射鏡的光反射面連續(xù)地在與熒光燈的中心線平行的方向上延伸。
依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置包括具有折射率n1楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；用來將光傳播到楔型光導的側(cè)面的光源。
折射率n2比折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個底面，其中光透射層的底面附著在楔型光導的頂面；以及附著在光透射層頂面的許多棱鏡，用來將來自光透射層的入射光傳播向沿著光透射層頂面的法線方向的光路。
依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置包括一個具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面。
用來將光傳播到楔型光導的側(cè)面的光源。
折射率n2比折射率n1小的第一光透射層，有一個頂面和一個底面，其中第一光透射層的頂面附著在楔型光導的底面；和其頂面附著在第一光透射層的底面的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自第一光透射層的入射光分色，并將分色后的光傳播向楔型光導的頂面。
光偏轉(zhuǎn)層包括一個其折射率與楔型光導的折射率n1基本相等的第二光透射層和一個反射衍射光柵，所述光柵用來將來自第一光透射層通過第二傳輸層的入射光分離成紅、綠和藍色光，以及用來分別沿著三條光路傳播綠色、藍色和紅色光，其中三條光路之一與所述楔型光導的頂面法線平行，而其余的兩條光路與所述的一條光路分開，而且所述第二光透射層和所述反射衍射光柵形成一個整體。
光偏轉(zhuǎn)層是一個反射衍射光柵，用來將來自第一光透射層通過第二光透射層的入射光分成紅、綠和藍色光，以及用來分別沿著三條光路傳播綠色、藍色和紅色光，其中三條光路之一與所述楔型光導的頂面法線平行，而其余的兩條光路與所述的一條光路分開，而且所述第一光透射層和所述反射衍射光柵形成一個整體。
依據(jù)本發(fā)明的液晶顯示器(LCD)裝置，包括LCD面板，包括一個上透明基片、一個下透明基片、和填充在上透明基片和下透明基片之間的空間內(nèi)的液晶材料；鄰近上透明基片的光散射層；鄰近下透明基片的背景光裝置；其中背景光裝置包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面。
一個用來將光傳播到楔型光導側(cè)面的光源。
折射率n2比折射率n1小的第一光透射層，有一個頂層和一個底層，其中第一光透射層的頂層附著在楔型光導的底面；和其頂面附著在第一光透射層底面上的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自第一光透射層的入射光偏轉(zhuǎn)向楔型光導的頂面。
彩色濾光片形成在上透明基片的內(nèi)表面。
依據(jù)本發(fā)明的LCD裝置包括LCD面板，包括一個上透明基片、一個下透明基片、和填充在上透明基片和下透明基片之間的液晶材料；鄰近上透明基片的光散射層；和鄰近下透明基片的背景光裝置其中背景光裝置包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面。
用來將光傳播到楔型光導側(cè)面的光源；折射率n2比折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個底面，其中光透射層的底面附著在楔型光導的頂面；和附著在光透射層頂面的許多棱鏡，用來將來自光透射層的入射光傳播向沿著光透射層的頂面法線方向的光路上。
依據(jù)本發(fā)明的LCD裝置包括LCD面板，包括一個上透明基片、一個下透明基片、和填充上透明基片和下透明基片之間的液晶材料；鄰近上透明基片的光散射層；和鄰近下透明基片的背景光裝置；其中背景光裝置包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；
一個用來將光傳播到楔型光導的側(cè)面的光源；折射率n2比折射率n1小的第一光透射層，有一個頂面和一個底面，其中第一光透射層的頂面附著在楔型光導的底面上；和其頂面附著在第一光透射層底面上的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自第一光透射層的入射光分色和用于把分色后的光傳播向楔型光導的頂面。
透鏡陣列安放在下透明基片和楔型光導的頂面之間，并且透鏡陣列分別將藍色光、綠色光和紅色光傳播到LCD面板的三個相鄰子象素上。
依據(jù)本發(fā)明的光導裝置包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；折射率n2比折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個底面，其中光透射層的頂面附著在楔型光導的底面上；和一個其頂面附著在光透射層的底面上的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自光透射層的入射光偏轉(zhuǎn)到楔型光導的頂面。
依據(jù)本發(fā)明的光導裝置包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；折射率n2比折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個底面，其中光透射層的底面附著在楔型光導的頂面；和附著在光透射層的頂面的許多的棱鏡，用來將來自光透射層的入射光傳播到沿著光透射層的頂面法線方向的光路上。
依據(jù)本發(fā)明的光導裝置包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；折射率n2比折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個低面，其中光透射層的頂面附著在楔型光導的底面上；和一個其頂面附著在光透射層底面的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自光透射層的入射光分色并將分色后的光傳播到楔型光導的頂面。
圖1顯示的是采用傳統(tǒng)背景光裝置的LCD裝置。
圖2顯示的是采用依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的彩色LCD裝置的第一個實施例。
圖3顯示的是依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置中的一個光路。
圖4顯示的是自光導22頂面發(fā)射的光的角擴散的控制。
圖5顯示的是形成反射鏡的脊或突起部分相對于熒光燈20的設置。
圖6顯示的是依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的另一個結(jié)構(gòu)。
圖7顯示的是依據(jù)本發(fā)明的另一個背景光裝置。
圖8顯示的是采用依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的彩色LCD裝置的第二個實施例。
圖9顯示的是光偏轉(zhuǎn)層24中的反射光柵41分色的一條光路。
圖10顯示的是包括許多的圓柱透鏡如透鏡38和42的圓柱透鏡陣列。
圖11顯示的是由熒光燈20產(chǎn)生的白光。以及圖12顯示的是依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的另一個結(jié)構(gòu)本發(fā)明的第一個實施例圖2顯示的是采用依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的彩色LCD裝置的第一實施例。背景光裝置包括一個光源20，諸如冷陰極熒光燈，用來產(chǎn)生白光，一個安裝成包圍熒光燈20的頂部、底部和后部的反光罩21，一個具有折射率n1的楔型光導22，一個具有折射率n2的第一光透射層23，折射率n2比光導22的折射率n1小，但比空氣的折射率(大約為1．0)大，和一個其折射率基本上與光導2的折射率n1相同的光偏轉(zhuǎn)層24。第一光透射層23的頂面和底面互相平行，而且第一光透射層23的頂面與楔型光導22的底面相接觸。來自熒光燈20的光通過光導22的側(cè)面進入光導22。光偏轉(zhuǎn)層24的頂面和底面互相平行，而且光偏轉(zhuǎn)層24的頂面與第一光透射層23的底面相接觸。以這種方式，光導22、第一光透射層23和光偏轉(zhuǎn)層24互相接觸，它們之間沒有任何空隙。由楔型光導22的頂面和底面確定的頂角T在0．1度到3．0度范圍內(nèi)，最優(yōu)地為0．3度。楔型光導22與偏振片27和LCD面板29相鄰。
楔型光導22、光透射層23以及光偏轉(zhuǎn)層24(在圖6中的微反射鏡26，在圖7中的棱鏡片34，在圖12中的反射衍射光柵41)組合在一起在說明書中稱為光導裝置。也就是說，背景光裝置包括光導裝置和光源。
發(fā)自楔型光導22頂面的光通過偏振片27被傳播到LCD面板29。偏振片28也被放置在LCD面板29的上方。LCD面板29包括一個上透明或玻璃基片30和一個下透明或玻璃基片31，而且玻璃基片30和31二者的周邊由密封區(qū)32密封。象素陣列形成在下玻璃基片31的內(nèi)表面上。象素陣列包括數(shù)據(jù)線、選通線和許多的子象素，每個子象素分別形成在數(shù)據(jù)線和選通線的每個交叉點處。子象素可以通過薄膜晶體管(TFT)連接到數(shù)據(jù)線和選通線上。三個子象素，即紅、綠、藍三子象素構(gòu)成一個象素。由于象素陣列在本領(lǐng)域是為大家所熟悉的，因此圖2中沒有示出。包括紅、綠、藍色濾光片部分一個公共電極的彩色濾光片(在圖2中未示出)形成在上玻璃基片30的內(nèi)表面，以實現(xiàn)彩色LCD裝置。液晶材料被封在玻璃基片30和31之間的空間內(nèi)，諸如90度扭曲向列液晶材料。光散射層33位于偏振片28的上面。
背景光裝置的操作依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的操作參照圖2和3進行描述。圖3顯示的是依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置中的光路之一。來自光源20并傳播到光導22的光在頂面及光導22和第一傳輸層23之間的下分界面以全內(nèi)反射被反射，如果入射到光導22的頂面的入射角比頂面的全內(nèi)反射臨界角C1大，而且入射到光導22和第一光透射層23之間的下分界面的入射角大于分界面的全內(nèi)反射臨界角C2的話。在全內(nèi)反射的過程中，入射到頂面和下分界面的入射角以楔型光導22的頂角的兩倍數(shù)值變得越來越小。光導22的頂面的全內(nèi)反射臨界角C1等于ARCSIN(1／n1)，其中n1是光導22的材料的折射率，數(shù)值“1”是存在于光導22頂面和偏振片27之間的空氣的折射率。折射率為1．4到2．0的透明材料或光透射材料，諸如丙稀酸樹脂、玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯或聚酯纖維，可以用作楔型光導22。楔型光導22的優(yōu)選材料是折射率n1=1．49的丙稀酸樹脂或玻璃。在這種情況下，臨界角C1等于42度，如圖3所示。在光導22和的分界面的全內(nèi)反射臨界角C2等于ARCSIN(n2／n1)，其中第一傳輸層23的折射率n2比光導22的折射率n1小。折射率為1．2到1．4的透明材料或光透射材料可用作第一光透射層23，諸如氟化聚合物，DuPont公司的折射率為1．29的Teflon AF 2400(商品名稱)，以及JSR公司的折射率為1．38的Optomer系列的聚合物。而且，包括氧化硅(SiO2)的制備成折射率為1．2到1．4的sol-gel材料也可以用作第一光透射層23。第一光透射層23的最佳材料是折射率大約為1．3的氟化聚合物。在n2=1．3的情況下，全內(nèi)反射臨界角C2等于60．7度，如圖3所示。因此，當特定光線在分界面的入射角達到60度時，一部分光功率泄漏到具有低折射率n2的第一光透射層23，而不是被反射，而且由于光在每次返回到光導22和第一光透射層23之間的分界面時入射角變得越來越陡，所以在幾次反射過程中，幾乎所有的光功率都進入到第一光透射層23。
因為光導22的頂面的臨界角C1仍足夠小，光不能夠從此泄漏，實際上，所有的光功率都通過折射率為n1的光導22和折射率n2比n1小的第一光透射層23之間的分界面。換句話說，在入射到光導22的頂面的光的入射角變得比全內(nèi)反射臨界角C1小之前，入射到分界面的光的入射角變的比全內(nèi)反射臨界角C2小。以這種方式，在光導22內(nèi)反射的光來自光導22和第一光透射層23之間的分界面處，而不通過光導22的頂面泄漏，因為臨界角C1比臨界角C2小。光在第一傳輸層23內(nèi)傳輸，并到達層23和光反射層24之間的分界面。光反射層24包括其折射率技術(shù)等于光導22的折射率n1的第二光透射層25和一個由諸如Al或Ni金屬制成的微反射鏡26。第二光透射層25和微反射鏡26形成一個整體。也就是說，第二光透射層25的材料和微反射鏡26的整個表面接觸，而沒有任何空隙。反射鏡26之間的距離L1大約為50μm，與LCD面板29的子象素大小相比是很小的。第二光透射層25可以由丙稀酸樹脂或玻璃制成。由于楔型光導22的頂角可以為0．3度，實際上通過點48進入第二光透射層25的光的角分布或角擴散是很小的，而且通常在1度的角擴散范圍內(nèi)，也就是說±1度的角擴散。對通過第一光透射層23和第二光透射層25之間的分界面上的點48進入到第二光透射層25的光產(chǎn)生±1度的角擴散的原因如下。首先，沿一個光路的光參考圖3(A)進行描述。因為第二光透射層25的折射率基本上等于n1(=1．49)，通過點48進入到第二光透射層25的光的入射角大致上等于角A，它是入射到光導22和第一光透射層23的分界面的入射角，如圖3(A)所示。然而，光從第一光透射層23進入到第二光透射層25在點48通過許多的光路，如圖3(B)所示。在圖3(B)中，為了簡化畫圖，僅示出三條光路49、50和51。在楔型光導22的頂角是0．3度的情形下，沿多條光路49、50和51的所有光的光的角度都落在角度范圍A±1度內(nèi)。也就是說，光路49和法線N之間的夾角等于角A，光路50和法線N之間的夾角等于A-1度，而光路51和法線N之間的夾角等于A+1度。以這種方式，進入到第二光透射層25內(nèi)的光的角度都在A±1度的角度范圍內(nèi)。在示例的情形下，角度范圍A±1實際上等于60±1度，而且這個60±1度的角度范圍在本說明書中稱做角D．傳播到微反射鏡26的光被反射向光導22。光導22的頂面平行于LCD面板29的表面。每個反射鏡26的傾角θ由反射鏡26的反射面和平面26A確定，平面26A平行于光偏轉(zhuǎn)層24的頂面。注意到，當傾角θ固定時，角A變化1度，發(fā)射光和法線N之間的夾角E變化1度；而且當傾角θ變化1度，而角A固定時，發(fā)射光和法線N之間的夾角E變化2度。在傾角θ為30度，而角D等于60±1度時，來自光導22的頂面的發(fā)射光的角擴散在0±1度范圍內(nèi)，如圖3(A)所示。當來自光導22的光通過偏振片27、LCD面板29和偏振片28，并通過光散射層33時，光被光散射層33在預定的散射角B內(nèi)散射，如圖2所示。
以這種方式，來自光源20的光進入到靠近偏振片27的楔型光導22和LCD面板29，在光導22內(nèi)進行幾次全內(nèi)反射后進入到第一光透射層23，然后進入光反射層24，然后又被微反射鏡26沿LCD面板29的表面法線方向以選定的角度擴散反射，最后從光導22的頂面發(fā)射出來而到達偏振片27和LCD面板29。
下面，將描述依據(jù)本發(fā)明的LCD裝置的明顯與現(xiàn)有的LCD裝置不同的操作特點和本發(fā)明所實現(xiàn)的有益效果。在現(xiàn)有的采用背景光裝置的LCD裝置中，如圖1中所示，用于顯示圖象的光功率比相當?shù)?。例如，當光被反射鏡5反射回光導3，而且光被棱鏡片6和7折射時，光功率大大地衰減了。以這種方式，在光到達LCD面板10之前相當大部分的光功率被損失了，所以需要大功率源，比如，對于筆記本PC的情況下需要大容量電池。而且，在TN(扭曲向列)模式的LCD裝置情況下，當使用者看到沿傾斜方向通過液晶分子的光時，比如說在偏離顯示平面法線45度的方向上，透射的光功率也就是亮度降低了，結(jié)果對比度降低了。
與現(xiàn)有的LCD裝置相反，在本發(fā)明光中光功率損失可以顯著地降低，這是因為基本上所有來自光源20的光功率可以通過光導22和第一光透射層23之間分界面和經(jīng)過第一傳輸層23傳輸?shù)焦馄D(zhuǎn)層24，而且在反射鏡26的傾角為30度的情況下，基本上所有入射到光偏轉(zhuǎn)層24的入射光的光功率可以以0±1度的角擴散被反射或傳播到LCD面板29。而且，在本發(fā)明中，在反射鏡26的傾角為30度的情況下，由于光沿偏離LCD面板29的表面法線方向±1度角擴散的光路通過LCD面板29的TN液晶材料，現(xiàn)有的LCD裝置中有以傾斜方向通過液晶分子的光引起的與視場角有關(guān)的對比度降低就得以避免了。而且，由于本發(fā)明使用光散射層33，勇于以預定的散射角度散射通過LCD面板29的光，使用者可以觀察到顯示圖象，而不降低對比度。以這種方式，依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置能夠以最小角擴散沿LCD面板29表面的法線方向的光路通過光線，也就是說，以±1度的角度通過LCD面板29的液晶分子，而且通過液晶分子的光被光散射層33散射，光散射層33可以預定的角度散射光，以便提供給使用者理想的視場角。通過選擇光散射層33的散射角可以實現(xiàn)任何希望的視場角，而不會產(chǎn)生現(xiàn)有技術(shù)中由于光以傾斜方向通過液晶分子而引起的問題。沿LCD面板29的表面法線方向具有最小角擴散即±1度的光路可以通過將具有折射率n1=1．49、頂角為0．3度的楔型光導22，具有折射率n2=1．3的第一光透射層23，以及光偏轉(zhuǎn)層24結(jié)合在一起的方式而實現(xiàn)。采用頂角范圍是0．1度到3．0度、折射率n1的范圍為1．4到2．0，以及折射率n2的范圍是1．2到1．4，可以獲得類似的光路。
可以控制多個反射鏡26的傾角θ來控制來自光導22的頂面的光的角擴散。注意到傳播到M1到M5的每個反射鏡的光的角度為D角(=60±1度)，參考圖3(A)和圖3(B)進行了描述。圖4顯示的是控制來自光導22的頂面的光的角擴散。如圖4(A)中所示，反射鏡M1的傾角被移到了32度，以便以角擴散4±1度反射光，其中4度角代表由于傾角θ相對于30度而言被移動+2度，反射光的光路在圖4(A)中被從光導22的頂面法線向右方移動了4度，而±1度的角擴散是由入射到反射鏡M1的反射面的入射光的±1度角擴散引起的，如前所述。反射鏡M2的傾角被移位到了28度以便以4±1度的角擴散反射光，其中4度角代表由于傾角θ相對于30度而言被移動-2度，反射光的光路在圖4(A)中被從光導22的頂面法線向左方移動了4度，而±1度的角擴散是由入射到反射鏡M2的反射面的入射光的±1度角擴散引起的，如前所述。反射鏡M3的傾角保持在30度以便以角擴散0±1度反射光，其中由于傾角θ保持在30度而獲得0度角，而±1度的角擴散是由入射到反射鏡M3的反射面的入射光的±1度的角擴散引起的，如前面所述。反射鏡M4的傾角被移到了31度以便以2±1度的角擴散反射光，其中2度角代表由于傾角θ相對于30度而言被移動+1度，反射光的光路在圖4(A)中被從光導22的頂面法線向右方移動了2度，而±1度的角擴散是由入射到反射鏡M4的反射面的入射光的±1度角擴散引起的，如前所述。以及反射鏡M5的傾角被移到了29度以便以2±1度的角擴散反射光，其中2度角代表由于傾角θ相對于30度而言被移動-1度，反射光的光路在圖4(A)中被從光導22的頂面法線向左方移動了2度，而±1度的角擴散是由入射到反射鏡M5的反射面的入射光的±1度角擴散引起的，如前所述。
雖然在圖4中只顯示了反射鏡M1到M5這5個，其它反射鏡(位示出)的傾角也可以移位以便產(chǎn)生不同的角擴散，諸如1±1度，3±1度等，使得在4±1度的視場角范圍內(nèi)的光強度能夠均勻，如圖4(B)所示。反射鏡26的傾角θ可移位30±20度。換句話說，反射鏡26的傾角θ的范圍是10度到50度。如果傾角θ的移位超過±20度，來自反射鏡26的反射光又被反射回到光導22，由于反射到光導22的頂面的光的入射角變成比全內(nèi)反射臨界角C1大，如圖3中所示。由反射鏡M1到M5和其它反射鏡組合而成的光學元件被應用在LCD面板29上，而且透過LCD面板29的光被光散射層33以預定的散射角散射，以便使用者在視場角或散射角范圍內(nèi)(圖4(B))可以觀察到顯示圖象而不降低對比度，散射角要比圖2所示的視場角大。
圖5所示的是形成反射鏡26的光反射面的脊或突起部分相對于熒光燈20的布置。每一個反射鏡26的光反射面在平行于熒光燈20的中心線20A的方向上連續(xù)地延伸。
圖6顯示的是依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的另一結(jié)構(gòu)。在圖2所示的背景光裝置可由圖6所示的背景光裝置代替。除了其折射率n2比楔型光導22的折射率n1小的第一光透射層23在微反射鏡26上一體形成外，圖6中所示的背景光裝置與圖2和圖3中所示的背景光裝置是類似的，圖6中沒有示出諸如冷陰極熒光燈和反光罩21。楔型光導22鄰近偏振片27和LCD面板29，示于圖2中。進入到第一光透射層23的光被反射鏡26反射，選擇反射鏡的傾角θ以便將入射到反射鏡的反射面的入射光沿光導22的頂面法線方向反射到LCD面板29(在圖6中未示出)。以參考圖4所描述的方式，可以控制反射鏡26的傾角θ以便控制來自光導22的頂面的光的角擴散。
圖7顯示的是依據(jù)本發(fā)明的另外一種背景光裝置。圖2中所示的背景光裝置可由圖7中所示的背景光裝置代替。圖7中所示的背景光裝置包括楔型光導22、第一光透射層23和光偏轉(zhuǎn)層34，諸如棱鏡片。注意到圖7中所示的背景光裝置的楔型光導22和第一光透射層23與圖3中所示的背景光裝置的這些元件是類似的。設置光源20以及反光罩21使得將光傳播到光導22，這些在圖7中沒有示出以便簡化視圖。在圖7所示的背景光裝置中，光透射層23的底面附著在楔型光導22的頂面，作為光偏轉(zhuǎn)層的棱鏡片34附著在光透射層23的頂面。光自此發(fā)射的每個棱鏡的表面在與熒光燈20的中心線20A(圖5)平行的方向上連續(xù)延伸。
在圖7所示的背景光裝置中，棱鏡片34鄰近偏振片27和LCD面板29，在圖7中未示出。圖7中顯示的是另外一種背景光裝置中的一條光路。如果入射到光導22的底面的光的入射角大于底面的全內(nèi)反射臨界角C1(42度)，并且入射到光導22與光透射層23之間的頂部分界面的光的入射角大于分界面的全內(nèi)反射臨界角C2(60．7度)，來自光源20并傳播到光導22的光在底面和光導22與光透射層23之間的分界面上以全內(nèi)反射的方式被反射回去。在全內(nèi)反射過程當中，入射到底面和頂部分界面上的光的入射角以楔型光導22頂角的二倍的速度變得越來越小。
由于光導22的底面的臨界角C1仍足夠小，使得光不能從此泄漏出去，實際上，所有的光功率通過折射率為n1光導22和其折射率n2比n1小的光透射層23之間的分界面而泄漏出去。光被透射到光透射層23內(nèi)，并到達層23和棱鏡片34之間的分界面。棱鏡的距離L1大約為50μm，與LCD面板29的子象素的大小相比是很小的。棱鏡片34偏轉(zhuǎn)入射光到偏振片27和LCD面板29。通過采用具有上述數(shù)值的折射率n1的材料，可以實現(xiàn)入射到棱鏡表面的入射角A度，使得光以窄的角擴散入射到偏振片27，如同圖3中的背景光裝置中的情況。以這種方式，來自光源20的光進入到楔型光導22，而后在光導22內(nèi)進行幾次全內(nèi)反射后進入到光透射層23，然后進入棱鏡片34，再沿LCD面板29的表面法線方向上折射，最后從棱鏡片34發(fā)射出來，沿LCD面板29法線方向到達偏振片27和LCD面板29。當來自棱鏡片34的光通過偏振片27、LCD面板29和偏振片28，并通過光散射層33時，光被散射層33在預定的散射角B內(nèi)散射，如圖2中所示。
本發(fā)明的第二個實施例圖8顯示的是采用依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的彩色LCD裝置的第二個實施例。圖8中所示的LCD裝置的第二實施例的結(jié)構(gòu)和操作與圖2中所示的第一個實施例的LCD裝置除了以下差別外是類似(1)在第二個實施例中采用了包括反射衍射光柵41(圖9)的光偏轉(zhuǎn)層24，(2)在第二實施例中彩色濾光片不形成在LCD面板29內(nèi)，(3)在第二個實施例中，在偏振片27和背景光裝置之間提供了一個圓柱狀透鏡陣列38，以及(4)在光源或熒光燈20和光導22之間提供了光學濾光片39，用來濾除特定波長的光。
參考圖9描述光偏轉(zhuǎn)層24，圖9顯示的是光偏轉(zhuǎn)層24中的反射衍射光柵41分色的光路之一。光偏轉(zhuǎn)層24包括反射衍射光柵41和一個光透射層40。反射衍射光柵41和光透射層40形成一個整體。光透射層40的折射率在范圍1．4到2．0內(nèi)，最好是1．49。光透射層40的材料是丙稀酸樹脂、玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯或聚酯纖維。反射衍射光柵41的材料是金屬，如Al、Ni或Ag。光柵間距(d)與光波長(λ)、折射率(n2)、頂面的光出射角(β)、折射率n2比折射率n1小的光透射層23內(nèi)的光出射角(α)、以及光透射層23和光透射層40之間的分界面上的入射角(γ)的關(guān)系如下n2 Sinα-n2 Sin γ=mλ／d以及Sinβ=n2 Sinα其中(m)是一個表示衍射級的整數(shù)。角α一般取70到90度范圍的值。在綠光波長λ=535nm，m=1，α=80度，以及n2=1．3的情況下，(d)應為417．8nm，以便于β=0。β=0的事實表明綠光垂直于光導22的頂面。而且，藍光(λ=445nm)沿著偏離綠光-10度的光路傳播，而紅光(λ=615nm)沿著偏離綠光+10度的光路傳播，如圖8中所示。注意到在圖9中雖然作為例子只顯示了一條光通路，上述顏色分離在衍射光柵41的所有光柵點上進行。
設置圓柱透鏡陣列的柱面透鏡38以便于將來自各個光柵點的藍光傳播到LCD面板29的子象素35，將來自各個光柵點的綠光傳播到子象素36，并將來自各個光柵點的紅光傳播到子象素37。以這種方式，來自熒光燈20的白光通過反射衍射光柵41被分成紅光、綠光和藍光，而且每個顏色的光被傳播到各自的子象素上，從而在第一個實施例中使用的彩色濾光片在第二個實施例中是不需要的。以同樣的方式，設置柱面透鏡42以便于將來自各個光柵點的藍光傳播到子象素43，將來自各個光柵點的綠光傳播到子象素44，并將來自各個光柵點的紅光傳播到子象素45。
圖10顯示的是包括許多圓柱透鏡如透鏡38和42的圓柱透鏡陣列。圓柱透鏡陣列的頂和底部設置成平行于沿LCD面板29的數(shù)據(jù)線或選通線的子象素。
參考圖11描述光學濾光片39的操作。圖11顯示的是由熒光燈20產(chǎn)生的白光。白光包括各種光成分，如圖11中所示。光學濾光片39抑制光成分46和47。
圖12顯示的是依據(jù)本發(fā)明的背景光裝置的另一個結(jié)構(gòu)。圖8中的背景光裝置可由圖12中的背景光裝置代替。除了折射率n2比楔型光導22的折射率n1小的光透射層23與一體形成在反射衍射光柵41上以外，圖12中所示的背景光裝置與圖8和9中所示的背景光裝置是相似的。在圖12中沒有顯示出光源20如冷陰極熒光燈20和反光罩21。楔型光導22鄰近偏振片27和LCD面板29，如圖2中所示。色彩分離是以如同圖9中所示的方式進行的。
雖然在上面描述的實施例中采用的是TN液晶材料，但是任何液晶材料，如能夠電控偏振光的鐵電液晶材料和反鐵電液晶材料都可用于本發(fā)明中。
本發(fā)明可實現(xiàn)能夠產(chǎn)生角擴散或角度小于10度FWHM的光的光導裝置和背景光裝置，這樣能降低制造成本，并提高來自光源的光的利用效率，以及能實現(xiàn)采用光導裝置和背景光裝置的LCD裝置。
標號說明20……熒光燈21……反光罩
22……楔型光導23……光透射層24……光偏轉(zhuǎn)層25……光透射層26……微反射鏡27，28……偏振片29……LCD面板33……光散射層34……棱鏡片35，36，37……子象素38，42……圓柱透鏡39……光學濾光片40……光透射層41……反射衍射光柵
權(quán)利要求
(1)一種背景光裝置，包括一個折射率為n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；一個把光傳播到所述的楔型光導的所述側(cè)面的光源；一個具有折射率n2的第一光透射層，折射率n2比所述折射率n1小，第一光透射層有一個頂面和一個底面，其中所述第一傳輸層的所述頂面與所述的楔型光導的所述底面相連；以及光偏轉(zhuǎn)層，頂面附著在所述第一光透射層的所述底面上，用于將來自所述第一光透射層的入射光偏轉(zhuǎn)向所述楔型光導的所述頂面。
(2)依據(jù)權(quán)利要求1的背景光裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1的范圍是1．4到2．0，而所述第一光透射層的所述折射率n2的范圍是1．2到1．4。
(3)依據(jù)權(quán)利要求2的背景光裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1是1．49，而所述第一光透射層的所述折射率n2是1．3。
(4)依據(jù)權(quán)利要求1的背景光裝置，其中所述楔型光導的所述頂面和所述底面之間的頂角范圍是0．1到3度。
(5)依據(jù)權(quán)利要求2的背景光裝置，其中所述光偏轉(zhuǎn)層包括折射率和所述楔型光導的所述折射率n1基本上相同的第二光透射層以及許多的反射鏡，其中每個反射鏡具有一個相對于所述光反射層的所述頂面傾斜選擇角度的反射面，以便將來自所述第一傳輸層的所述入射光通過所述第二傳輸層反射向沿所述楔型光導的所述頂面法線方向的光路，其中所述第二光透射層連接到所述第一光透射層的所述底面，而且所述第二光透射層和所述的許多反射鏡形成一個整體。
(6)依據(jù)權(quán)利要求2的背景光裝置，其中所述光偏轉(zhuǎn)層是許多反射鏡，每個反射鏡具有一個相對于所述光反射層的所述頂面傾斜選擇角度的反射面，以便將來自所述第一傳輸層的所述入射光反射向沿著所述楔型光導的所述頂面法線方向的光路，其中所述第一傳輸層和所述許多反射鏡形成一個整體。
(7)依據(jù)權(quán)利要求5或6的背景光裝置，其中所述許多反射鏡包括其中一些具有傾斜所述選擇角度的反射面的反射鏡、其中一些具有傾斜角大于所述選擇角度的反射面的反射鏡、和其中一些具有傾斜角小于所述選擇角度的反射面的反射鏡。
(8)依據(jù)權(quán)利要求7的背景光裝置，其中所述光源是熒光燈，而且每個所述反射鏡的所述光反射面連續(xù)地在與所述熒光燈的中心線平行的方向上延伸。
(9)一種背景光裝置，包括一個具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；用于將光傳播到所述楔型光導的所述側(cè)面的光源；一個具有折射率n2的光透射層，折射率n2比所述的折射率n1小，光透射層有一個頂面和一個底面，其中所述的光透射層的所述底面與所述楔型光導的所述頂面相連；以及許多附著在所述光透射層的所述頂面的棱鏡，用于將來自所述光透射層的入射光傳播向沿所述光透射層的所述頂面的法線方向的光路。
(10)依據(jù)權(quán)利要求9的背景光裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1的范圍是1．4到2．0，而所述光透射層的所述折射率n2的范圍是1．2到1．4。
(11)依據(jù)權(quán)利要求10的背景光裝置，其中素數(shù)楔型光導的所述折射率n1是1．49，而所述光透射層的所述折射率n2是1．3。
(12)一種背景光裝置，包括一個具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面以及一個側(cè)面；用于將光傳播到所述楔型光導的所述側(cè)面的光源；一個具有折射率n2的第一光透射層，折射率n2比所述折射率n1小，第一光透射層有一個頂面和一個底面，其中所述第一光透射層的所述頂面附著在所述楔型光導的所述底面上；以及頂面附著到所述第一光透射層的所述底面上的光偏轉(zhuǎn)層，用于將來自所述第一光透射層的入射光分色和將所述分色光傳播向所述楔型光導的所述頂面。
(13)依據(jù)權(quán)利要求12的背景光裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1的范圍是1．4到2．0，而所述第一光透射層的所述折射率n2的范圍是1．2到1．4。
(14)依據(jù)權(quán)利要求13的背景光裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1是1．49，而所述第一光透射層的所述折射率n2是1．3。
(15)依據(jù)權(quán)利要求13的背景光裝置，其中所述光偏轉(zhuǎn)層包括一個折射率與所述楔型光導的折所述射率n1基本上相同的第二光透射層和一個反射衍射光柵，該光柵用來將來自所述第一光透射層通過所述第二光透射層的入射光分成紅色、綠色和藍色光，和用來分別沿著三條光路傳播綠色光、藍色光和紅色光，其中三條光路之一與所述楔型光導的所述頂面法線平行，而其余兩條光路與所述的一條光路分開，而且所述第二光透射層和所述反射衍射光柵形成一個整體。
(16)依據(jù)權(quán)利要求13的背景光裝置，其中所述光偏轉(zhuǎn)層是反射衍射光柵，用于將來自所述第一光透射層的入射光分成紅、綠和藍色光，以及用于分別沿著三條光路傳播綠色光、藍色光和紅色光，其中三條光路之一與所述楔型光導的所述頂面法線平行，而其余兩條光路與所述的一條光路分開，而且所述第一光透射層和所述反射衍射光柵形成一個整體。
(17)一種液晶顯示器LCD裝置，包括一個LCD面板，包括上透明基片、下透明基片、以及填充在所述上透明基片和所述下透明基片之間的液晶材料；與所述上透明基片相鄰的光散射層；以及與所述下透明基片相鄰的背景光裝置；其中所述背景光裝置包括折射率為n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；用來將光傳播到所述楔型光導的所述側(cè)面的光源；一個折射率n2比所述折射率n1小的第一光透射層，有一個頂面和一個底面，其中所述第一光透射層的所述頂面連接到所述楔型光導的所述底面上；和一個頂面連接到所述第一光透射層的所述底面上的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自所述第一光透射層的所述入射光通過所述楔型光導的所述頂面偏轉(zhuǎn)向所述LCD面板。
(18)依據(jù)權(quán)利要求17的LCD裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1的范圍是1．4到2．0，而所述第一光透射層的所述折射率n2的范圍是1．2到1．4。
(19)依據(jù)權(quán)利要求18的LCD裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1是1．49，而所述第一光透射層的所述折射率n2是1．3。
(20)依據(jù)權(quán)利要求18的LCD裝置，其中彩色濾光片形成在所述上透明基片的內(nèi)表面上。
(21)依據(jù)權(quán)利要求18的LCD裝置，其中所述光偏轉(zhuǎn)層包括一折射率與所述楔型光導的所述折射率n1基本上相等的第二光透射層和許多的反射鏡，每個反射鏡具有相對于所述光偏轉(zhuǎn)層的頂面傾斜選擇角度的反射面，以便將來自所述第一光透射層的所述入射光通過所述第二光透射層反射向沿著所述楔型光導的所述頂面的法線方向的光路上，其中所述第二光透射層連接到所述第一光透射層的所述底面，而且所述第二光透射層和所述許多反射鏡形成一個整體。
(22)依據(jù)權(quán)利要求18的LCD裝置，其中所述光反射層是許多反射鏡，每個反射鏡具有一個相對于所述光反射層的所述頂面傾斜選擇角度的反射面，以便將來自所述第一光透射層的所述入射光反射向沿著所述楔型光導的所述頂面的法線方向的光路，其中所述第一光透射層和所述許多反射鏡形成一個整體。
(23)一種LCD裝置，包括一個LCD面板，包括上透明基片、下透明基片、和填充在所述上透明基片和所述下透明基片之間的液晶材料；與所述上透明基片相鄰的光散射層；以及與所述下透明基片相鄰的背景光裝置；其中所述背景光裝置包括具有折射率n1的楔型光波導，有一個頂面和一個底面以及一個側(cè)面；一個用來將光傳播到所述楔型光導的所述側(cè)面的光源；一個折射率n2比所述折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個底面，其中所述光透射層的所述底面連接到所述楔型光導的所述頂面上；和許多的連接到所述光透射層的所述頂面上的棱鏡，用于將來自所述光透射層的所述入射光傳播向沿著所述光透射層的所述頂面的法線方向的光路上。
(24)依據(jù)權(quán)利要求23的LCD裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1的范圍是1．4到2．0，而所述光透射層的所述折射率n2的范圍是1．2到1．4。
(25)依據(jù)權(quán)利要求24的LCD裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1是1．49，而所述光透射層的所述折射率n2是1．3。
(26)一種LCD裝置，包括LCD面板，包括上透明基片、下透明基片、和填充在所述上透明基片和所述下透明基片之間的液晶材料；鄰近所述上透明基片的光散射層；和臨近所述下透明基片的背景光裝置；其中所述背景光裝置包括折射率為n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；一個用來將光傳播到所述楔型光導的所述側(cè)面的光源；一個折射率n2比所述折射率n1小的第一光透射層，有一個頂層和一個底層，其中所述第一光透射層的所述頂面連接到所述楔型光導的所述底面上；和一個光偏轉(zhuǎn)層，其頂面連接到所述第一光透射層的所述底面上，用于將來自所述第一光透射層的入射光分色和用于將所述分色的光經(jīng)由所述楔型光導的所述頂面?zhèn)鞑ハ蛩鯨CD面板。
(27)依據(jù)權(quán)利要求26的LCD裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1的范圍是1．4到2．0，而所述第一光透射層的所述折射率n2的范圍是1．2到1．4。
(28)依據(jù)權(quán)利要求27的LCD裝置，其中所述楔型光導的所述折射率n1是1．49，而所述第一光透射層的所述折射率n2是1．3。
(29)依據(jù)權(quán)利要求27的LCD裝置，其中所述光偏轉(zhuǎn)層包括一個折射率和所述楔型光導的所述折射率n1基本上相同的第二光透射層及一個反射衍射光柵，所述光柵用來將來自所述第一光透射層通過所述第二傳輸層的入射光分成紅色、綠色和藍色光，和用來分別沿著三條光路傳播綠色光、藍色光和紅色光，其中三條光路之一與所述楔型光導的所述頂面法線平行，而其余兩條光路與所述的一條光路分開，而且所述第二光透射層和所述反射衍射光柵形成一個整體。
(30)依據(jù)權(quán)利要求27的背景光裝置，其中所述光偏轉(zhuǎn)層是反射衍射光柵，用于將來自所述第一光透射層的入射光分成紅、綠和藍色光，以及用于分別沿著三條光路傳播綠色光、藍色光和紅色光，其中三條光路之一與所述楔型光導的所述頂面法線平行，而其余兩條光路與所述的一條光路分開，而且所述第一光透射層和所述反射衍射光柵形成一個整體。
(31)依據(jù)權(quán)利要求29或30的LCD裝置，其中透鏡陣列設置在所述下透明基片和所述楔型光導的所述頂面之間，而且所述透鏡陣列將藍色光、綠色光和紅色光分別傳播到所述LCD面板的三個相鄰子象素上。
(32)一種光導裝置，包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面以及一個側(cè)面；折射率n2比所述折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個底面，其中所述光透射層的所述頂面連接到所述楔型光導的所述底面上；以及其頂面附著到所述光透射層的所述底面上的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自所述光透射層的入射光偏轉(zhuǎn)向所述楔型光導的所述頂面。
(33)一種光導裝置，包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面。折射率n2比所述折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個底面，其中所述光透射層的所述底面附著在所述楔型光導的所述頂面上；和附著在所述光透射層的所述頂面上的許多棱鏡，用來將來自所述光透射層的入射光傳播向沿著所述光透射層的所述頂面的法線方向的光路上。
(34)一種光導裝置，包括具有折射率n1的楔型光導，有一個頂面、一個底面和一個側(cè)面；折射率n2比所述折射率n1小的光透射層，有一個頂面和一個底面，其中所述光透射層的所述頂面附著在所述楔型光導的所述底面上；以及一個其頂面附著在所述光透射層的所述底面上的光偏轉(zhuǎn)層，用來將來自所述光透射層的入射光分色，和用于把分色的光傳播向所述楔型光導的所述頂面。
全文摘要
本發(fā)明實現(xiàn)可產(chǎn)生角擴散或角度小于10度FWHM的光的背景光裝置,這樣能夠降低制造成本,并能提高來自光源的光的利用效率。
文檔編號G02B6/00GK1291729SQ0012929
公開日2001年4月18日 申請日期2000年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月8日
發(fā)明者平洋一, 山田文明, 西海聰子 申請人:國際商業(yè)機器公司