專利名稱：準(zhǔn)直儀透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及準(zhǔn)直儀的領(lǐng)域。
有其中必須采用一個準(zhǔn)直光源的多種用途，并且已經(jīng)提出多種不同的準(zhǔn)直系統(tǒng)以便提供這樣一個源。如將認(rèn)識到的那樣，有對其必須具有特別良好程度的準(zhǔn)直以便使整個系統(tǒng)有效地操作的一些用途。
這樣一種系統(tǒng)的一個例子是光致發(fā)光LCD系統(tǒng)。在這樣一種系統(tǒng)中，希望向調(diào)制液晶器件提供在藍和/或紫外光范圍中的照明，該照明光具有高度準(zhǔn)直，大概正負(fù)15°或更小(如下面定義的那樣)。要認(rèn)識到，這樣的要求因此意味著，這樣一種顯示系統(tǒng)一直需要一個較昂貴和復(fù)雜的準(zhǔn)直元件，該準(zhǔn)直元件效率也較低。這已經(jīng)導(dǎo)致具有比大概希望的高的功率消耗的這種系統(tǒng)，以及增大這種系統(tǒng)的總體成本。
本發(fā)明旨在一種低成本準(zhǔn)直器件的提供，該成本準(zhǔn)直器件提供較高效率，而且也能夠?qū)崿F(xiàn)良好準(zhǔn)直度的提供，從而它能用在以上提到的類型的系統(tǒng)中。
根據(jù)本發(fā)明提供有一種準(zhǔn)直儀，它包括一個屏幕，限定一個孔徑陣列；一個凸透鏡，與每個孔徑有關(guān)；及一個透明區(qū)域，定位在屏幕與透鏡之間，以在其之間提供一個空隙，其中面對著透鏡的屏幕表面是光吸收的。
透鏡可以是平凸的。
透明區(qū)域可以由透明聚合物或玻璃材料的一個單屏幕形成，并且可以具有附加或形成在其上的屏幕。
背離透鏡的表面可以是反射性的。透明區(qū)域可以如此形成，從而它與透鏡是整體。
透鏡可以是六邊形或矩形的，以便提供一個緊密堆積的透鏡陣列。一個光吸收擋板可以提供在每個透鏡之間，并且可以都延伸到透明區(qū)域中、可能接觸屏幕、及遠離透明區(qū)域。
本發(fā)明也提供一種用來產(chǎn)生準(zhǔn)直光的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個與一個光源結(jié)合的上述類型的準(zhǔn)直儀，該光源包括至少一個光產(chǎn)生元件和周圍反射箱，使箱的一個表面能由背離透鏡的屏幕表面形成。在這樣一種系統(tǒng)中，光產(chǎn)生源可以產(chǎn)生在350-420nm范圍內(nèi)的光。
本發(fā)明也提供一種包括上述類型的一個光產(chǎn)生源的光致發(fā)光LCD系統(tǒng)。
本發(fā)明能提供一種用來產(chǎn)生準(zhǔn)直光的系統(tǒng)，其中光的強度跨過在離開源某一距離處的區(qū)域是恒定的。這通過減弱準(zhǔn)直和允許離開每個準(zhǔn)直單元的偏離級實現(xiàn)。這平均跨過整個區(qū)域的強度。對于在諸如光致發(fā)光LCD之類的顯示設(shè)備中的使用，產(chǎn)生均勻光強度的優(yōu)點在于，當(dāng)均勻調(diào)制時實現(xiàn)對眼睛具有恒定亮度的圖像。
現(xiàn)在參照附圖將描述本發(fā)明的一個例子，其中

圖1是本發(fā)明一個例子的側(cè)剖視示意圖；圖2是可以與圖1中的例子結(jié)合使用的照明系統(tǒng)的平面和側(cè)剖視示意圖；圖3表示在使用中圖1的例子的關(guān)鍵元件的操作；圖4是曲線圖，表明在本發(fā)明一個例子中實現(xiàn)的準(zhǔn)直級；圖5表示可選擇的透鏡配置和重疊的表明；圖6是本發(fā)明可選擇實施例的剖視圖；及圖7是可以使用本發(fā)明的光致發(fā)光LCD的剖視圖。
參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的一種準(zhǔn)直儀具有一個限定一個孔徑陣列2的屏幕1。屏幕1在一個表面上帶有一個反射涂層3、及在另一個表面上帶有一種光吸收材料4。下面討論這種特定配置的好處。
相鄰屏幕1定位的是一個透明層5，該透明層5具有顯著大于空氣的折射率，并且是透明的、且由在其下器件正在操作的波長下是透明的玻璃或聚合物材料形成。如果在光致發(fā)光LCD系統(tǒng)20中例如采用準(zhǔn)直儀15，則區(qū)域5典型地對于350-420nm波長的光應(yīng)該是透明的。相鄰?fù)该鲄^(qū)域5定位的是與每個孔徑2有關(guān)的一個透鏡6。透鏡6和透明區(qū)域5都應(yīng)該具有盡可能高的折射率。在某些情況下，由于商業(yè)考慮，透鏡6的折射率小于介質(zhì)5的。這保證一個適當(dāng)窄的光錐透過介質(zhì)5到透鏡6，使透鏡單元填密最大，并因此使效率最大。
透鏡6是一個平凸裝置，具有對于綜定操作波長優(yōu)化成把來自孔徑2的光準(zhǔn)直到盡可能大的程度的形狀。
透明區(qū)域5可以由越過和穿過屏幕1中的所有孔徑2的單塊板形成。在其中屏幕1比100μm量級厚的情況下，與孔徑2相鄰的透明區(qū)域5的表面可以通過孔徑突出，從而其表面可以與屏幕1的反向表面平齊。通過孔徑2暴露的透明區(qū)域5的部分可以用介電涂層處理，從而入射在孔徑處的大角度光反射回到燈光箱12中。由于準(zhǔn)直單元現(xiàn)在正在接收一個更窄的光錐，所以它能更靠近其相鄰單元放置，由此增大效率。這種增大必須相對于穿過孔徑的減小第一次光通過而平衡。透鏡6的陣列也可以由越過所有孔徑2和透明區(qū)域5的單板形成。不管這些單元5、6分別或由單板形成，一塊外部擋板9可以提供在每個透鏡6之間，以便防止大角度光離開準(zhǔn)直系統(tǒng)15或通入相鄰?fù)哥R并且然后離開。在其中透明區(qū)域5由各個單元形成的情況下，內(nèi)部擋板8可以提供在相鄰單元之間，以便減小直接來自孔徑2、從透鏡6的彎曲表面向表面1反射回、或在離開相鄰?fù)哥R之后折射入透鏡的大角度光的效果。
圖2表示圖1的準(zhǔn)直儀15如何可以用作光照明單元12的部分。在光照明單元12中，提供有以希望操作波長提供光的一個或多個光源10。這些光源由一個箱13包圍著，箱13在其內(nèi)表面上涂有反射材料，從而反射來自光源10的光，直到它在屏幕1中的孔徑2處離開燈光箱13。光然后穿過透明區(qū)域5和透鏡6，并且準(zhǔn)直以提供一個準(zhǔn)直光源。為了增大這樣一種光源的效率，顯然，在把帶有一個反射涂層3的屏幕1提供在其光接收表面上時有特定好處，從而不會立即通過孔徑2的光反射回箱13，以便以后穿過孔徑2。
圖3表明能認(rèn)為是與本發(fā)明的整體性能有關(guān)的多個設(shè)計參數(shù)(在兩維中)。將認(rèn)識到，對于每種具體用途優(yōu)化準(zhǔn)直儀的設(shè)計。這種優(yōu)化過程顯著受如下參數(shù)的影響單元面積單元面積是組成陣列的準(zhǔn)直孔/透鏡元件的每一個面積。這種單元對于圓形透鏡在形狀上是六邊形的，因為它們不會準(zhǔn)確地鑲嵌成花紋?？邕^這種陣列有光強度的變化。能使單元小得足以保證人眼不可能感覺到亮度的變化。與此相伴隨，在PL-LCD裝置內(nèi)，能增大準(zhǔn)直儀與熒光屏的分離，直到對于一個給定單元尺寸的亮度變化不能由人眼感覺到。因而選擇的單元尺寸依賴于顯示的深度和從其觀看顯示器的距離(例如，可接收范圍可以是1至10mm)。
孔徑單元面積/單元比率這是系統(tǒng)效率的良好一階測量，因為它表示傳送入射在準(zhǔn)直儀下側(cè)上的光的百分比。這種光的一些由于孔徑板的吸收頂側(cè)以后失去，并且恢復(fù)反射光的一些。現(xiàn)在定義一種要求效率，這允許由選擇的單元面積和孔徑面積/單元面積比計算孔徑面積(要不然能定義要求的準(zhǔn)直，并且能模型化孔徑區(qū)域以實現(xiàn)這點)。一個例子是在5％至20％的范圍內(nèi)。
孔徑/透鏡半徑比a/l孔徑的半徑能由其面積計算，例如，圓形透鏡的底半徑由裝配在用于其中透鏡不會重疊的設(shè)計的單元面積中的最大半徑限定。在這個例子中，透鏡的面積是單元面積的91％(即六角形的面積)。因此透鏡的半徑 所以能計算孔徑/透鏡半徑比。例如，典型的孔徑/透鏡半徑比是30％至40％。
透明介質(zhì)5的垂直深度d對于介質(zhì)5的最大折射率現(xiàn)在定義透鏡“底”與孔徑平面的分離d。主要考慮是離開孔徑的光的固體角的主要集合。在其中透鏡底剛好大得足以收集所有光的情況下，透明介質(zhì)5的垂直深度定義為t，其中t＝(l-a)/2tanθt
然而，可以最好增大d到大于t，并且不會收集所有光，剩余的光將入射在垂直擋板8上。這將改進準(zhǔn)直，但減小效率。相反減小d到小于t對準(zhǔn)直具有有限的影響，同時減小效率。在這種情況下，單元面積能隨對應(yīng)效率增益減小。在該例子中，硬件d＝2mm，并且稍小于t。
介質(zhì)5和透鏡6的折射率n5和n6對于為了受制造要求和成本考慮支配的材料，總是使折射率最大。這簡單地使光的固體角最小，并且減小單元尺寸，由此增大效率。將有具有減小折射率的商業(yè)好處(便宜和制造容易)，而這必須與具有高折射率的效率增益平衡。與介質(zhì)5相反，通過減小透鏡的折射率有對于效率的較小損失，因為這不會增大光離開孔徑的固體角。典型例子值是1.49至1.522。
彎曲透鏡表面的定義S非球面曲率最好能優(yōu)化，并且最好對于球面透鏡，盡管在某些情況下可以使用球面透鏡。這種設(shè)計通過避免在可能地方以大(近-掠射(near-glancing))角度入射在彎曲透鏡表面上的光而優(yōu)化，因為這將減小在這個致密介質(zhì)/空氣界面處的反射光的百分比。
透鏡重疊的程度O在允許透鏡重疊的地方，減小單元尺寸，并且較多光通過較大密度的孔徑。另外，將減小在透鏡交叉處的冗余面積，增大效率。這將以增大在每個透鏡交叉處的重疊、減小效率為代價，因為入射在一個透鏡圓形底上的一些光將進入相鄰?fù)哥R，或者如果采用擋板則丟失。
擋板這些吸收如下光1.入射在透鏡底外側(cè)源于其對應(yīng)孔徑的光由內(nèi)部擋板吸收。
2.歸因于在透明介質(zhì)5中的缺陷的散射光由內(nèi)部擋板、外部擋板和孔徑板的頂部側(cè)吸收。
3.入射在透鏡表面上不透過但反射的光由內(nèi)部和外部擋板及孔徑板的頂部側(cè)吸收。
深外部擋板能用來增大準(zhǔn)直，但這是一種非常低效的方法。
最好進行準(zhǔn)直儀的優(yōu)化，以產(chǎn)生希望的準(zhǔn)直級(例如對于PL-LCD用途的±8°至40°)。有發(fā)射較高比例光的要求，因而提高系統(tǒng)效率，而不是僅集中在產(chǎn)生正?；驇缀跽５墓馍?，這將導(dǎo)致跨過以后顯示的非均勻密度。
在一個例子中，已經(jīng)生產(chǎn)的孔徑使用直徑1.71mm的圓形孔徑2，蝕刻到0.25μm不銹鋼板中以形成屏幕1。這種板帶有一個反射表面(面對著光源)和一個涂黑表面。圓形透鏡6具有5mm的直徑，導(dǎo)致代表透鏡6總面積的11.7％的孔徑2的開口面積、或準(zhǔn)直儀下側(cè)面積的10.6％(由多個單元面積組成)。透明區(qū)域5的垂直深度t規(guī)定為2mm。透鏡6和透明區(qū)域5都由玻璃制造，并且具有1.522的折射率。沒有擋板8、9包括在這種設(shè)計中。對于這種配置，超過臨界角θz，導(dǎo)致一些光入射在透鏡6的外邊緣的外側(cè)。
達到的準(zhǔn)直級表示在圖4中的曲線中。準(zhǔn)直角度在這些例子中定義為其中達到50％相對強度的級。
圖5表示可選擇透鏡6配置。透鏡6和透明介質(zhì)5單元的每一個可以在平面圖中具有六邊形、正方形或矩形形狀，以便在準(zhǔn)直儀陣列中提供最佳填密。在圖5a中的圓形透鏡6用在示范配置中。能選擇六邊形透鏡(圖5b)以實現(xiàn)100％覆蓋，并因此允許光入射在給出例子中的圓形透鏡的未端的外側(cè)。
產(chǎn)生準(zhǔn)直光的針孔和有關(guān)凸透鏡6的使用是熟知的。然而，針孔的采用導(dǎo)致極為低效的準(zhǔn)直儀15，因為照明光的大部分由形成針孔的屏幕1阻擋。因而，本發(fā)明采用遠大于認(rèn)為是針孔的孔徑2，孔徑2例如形成屏幕的總表面面積的11.7％，該屏幕形成它們。這種效率的提高然而在準(zhǔn)直光的質(zhì)量方面具有顯著缺陷。在其中采用孔徑2的情況下，在透鏡6上的任何位置不會僅從單個角度，而是從一個角度范圍接收光。離開法線的大部分離散光線源于孔徑2的邊緣處，穿過透鏡的中軸線，并且入射在一個點處的透鏡6的表面上。這點也接收來自孔徑2的其它末端的更接近正常的光。這兩種極端射線代表光入射角度的界限同時在平面內(nèi)，并且在該點處的透鏡6表面的功率折衷成最好把光線的范圍折射到其法線。這將導(dǎo)致透鏡6跨過其表面的光學(xué)功率的上述折衷。這種折衷導(dǎo)致減小的準(zhǔn)直級，使光離散到較大入射角度，這能使得準(zhǔn)直配置不適用于其中過分離散光能引起問題的一些用途。
圖6表明本發(fā)明的一個另外的實施例。透鏡6′由玻璃球體形成，并且布置在一個設(shè)計成起光吸收內(nèi)部擋板作用的預(yù)成形單元中。這個單元可以由金屬(例如鋁)形成，并且通過諸如陽極氧化之類的直接表面處理或通過涂漆可以具有一個涂黑涂層。反射表面可以通過把帶有白色涂層的打孔板附加到預(yù)成形單元的下側(cè)上實現(xiàn)。
圖7表明一個準(zhǔn)直儀15如何可以用在帶有光致發(fā)光LCD20的系統(tǒng)中。該圖表示與準(zhǔn)直儀15一起使用的一個可選擇照明單元12′和一個顯示系統(tǒng)20。該顯示系統(tǒng)包括兩個偏振鏡21、23、一個LCD22、的可見反射鏡疊層24、一個熒光屏25和一個防眩濾波器26。這樣一種系統(tǒng)在專利出版物no.WO95/27920中描述。
在這種類型的光致發(fā)光LCD用途20中，顯著的離散光量能影響在LCD22中達到的對比度，使顯示不能工作。然而，對于本發(fā)明，在屏幕1上的吸收表面4的提供十分意外的克服與在大入射角度下的光產(chǎn)生有關(guān)的問題的多個?？讖?、而不是針孔的采用通過把光從透鏡6的表面向屏幕1反射回導(dǎo)致顯著程度的大角度入射光，這種光然后從屏幕1反射，并且穿過透鏡6以大入射角度退回。在本發(fā)明的情況下，在屏幕1上光吸收材料4的提供防止這種離散反射穿過透鏡6反射回。這減小由準(zhǔn)直儀15發(fā)射的大入射角度光的量，增大準(zhǔn)直的平均程度，同時仍保持高效率。輔助擋板8、9的提供能進一步改進這種效果。
然而，如以上討論的那樣，可能希望利用某一離散光級，以保證跨過顯示器實現(xiàn)恒定的光強度。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)直儀，包括一個屏幕，限定一個孔徑陣列；一個凸透鏡，與每個孔徑有關(guān)；及一個透明區(qū)域，定位在屏幕與透鏡之間，以在其之間提供一個空隙，其中面對著透鏡的屏幕表面是光吸收的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)直儀，其中透明區(qū)域由單片玻璃或聚合物材料形成，
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)直儀，其中透明區(qū)域具有附加或形成在其上的屏幕。
4.根據(jù)任何以上權(quán)利要求所述的準(zhǔn)直儀，其中背離透鏡的屏幕表面是反射性的。
5.根據(jù)任何以上權(quán)利要求所述的準(zhǔn)直儀，其中形成透明區(qū)域，從而它與至少一個透鏡是整體。
6.根據(jù)任何以上權(quán)利要求所述的準(zhǔn)直儀，其中透鏡具有六邊形或正方形或矩形的平面表面，以便提供一個緊密堆積的透鏡陣列。
7.根據(jù)任何以上權(quán)利要求所述的準(zhǔn)直儀，進一步包括一個提供在相鄰?fù)哥R之間的光吸收擋板。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的準(zhǔn)直儀，其中擋板延伸到透明區(qū)域中、遠離透明區(qū)域、或兩者。
9.根據(jù)任何以上權(quán)利要求所述的準(zhǔn)直儀，其中孔徑具有屏幕至少8％的表面面積。
10.根據(jù)任何以上權(quán)利要求所述的準(zhǔn)直儀，其中孔徑帶有形成在其上的介電疊層。
11.一種用來產(chǎn)生準(zhǔn)直光的系統(tǒng)，包括一個與一個光源結(jié)合的根據(jù)任何以上權(quán)利要求所述的準(zhǔn)直儀，該光源包括至少一個光產(chǎn)生元件和周圍反射箱。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中光產(chǎn)生源產(chǎn)生以紫外或可見藍波長365nm至400nm的光。
13.一種包括根據(jù)權(quán)利要求11或12的系統(tǒng)的光致發(fā)光LCD系統(tǒng)。
全文摘要
一種準(zhǔn)直儀包括一個限定一個孔徑陣列(2)的屏幕(1)。一個凸透鏡與每個孔徑有關(guān)，并且一個透明區(qū)域(5)定位在屏幕與透鏡之間，以在其之間提供一個空隙。面對著透鏡的屏幕表面(4)是光吸收的。
文檔編號G02B3/00GK1401087SQ01804850
公開日2003年3月5日 申請日期2001年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者威廉·克羅斯蘭德, 安德雷·達姆斯, 本·米勒 申請人:屏幕技術(shù)有限公司