專利名稱：利用光集中器陣列的亮度增強(qiáng)膜和利用該亮度增強(qiáng)膜的光導(dǎo)板、照明系統(tǒng)和顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種亮度提高物品，更具體地，涉及一種利用集中器結(jié)構(gòu)陣列的亮度增強(qiáng)膜，調(diào)節(jié)用于背光顯示器件如膝上型LCD器件的照明度。
背景技術(shù)：
雖然LCD器件在小型、重量輕方面可替換CRT監(jiān)視器，但是在許多應(yīng)用中LCD器件由于亮度或更適當(dāng)?shù)卣f是光亮度的低水平而不能滿足這些應(yīng)用。用于常規(guī)膝上型計(jì)算機(jī)顯示器的透射LCD是背光顯示器的一種類型，具有定位在LCD后面、向外并且向LCD引導(dǎo)光的光提供表面。光提供表面本身提供基本上是Lambertian的照明，即在角度的寬范圍內(nèi)具有基本上不變的光亮度。為了增加軸上和近軸光亮度，已經(jīng)提出許多亮度增強(qiáng)膜，用于將具有Lambertian分布的光的一部分向相對(duì)于顯示器表面的法線重新定向。下面是在亮度或光亮度提高的建議解決方案中用于LCD器件和其他類型背光顯示類型的文獻(xiàn)美國專利US 5,592,332(Nishio等人)公開了使用兩個(gè)交叉雙凸透鏡表面，用于調(diào)節(jié)LCD顯示設(shè)備中光的角度范圍；美國專利US 5,611,611(Ogino等人)公開了利用菲涅耳和雙凸透鏡片的組合的背投影顯示器，用于得到所需的光發(fā)散度和亮度；美國專利US 6,111,696(Allen等人)公開了用于顯示器或照明設(shè)備的亮度增強(qiáng)膜。利用在‘696專利中公開的光學(xué)膜，面向照明源的表面是光滑的；相對(duì)的表面具有如三角形棱鏡的一系列結(jié)構(gòu)，用于重新引導(dǎo)照明角度。在‘696專利中公開的膜折射離軸光以提供以更窄角度引導(dǎo)光的校正度。然而，該膜設(shè)計(jì)對(duì)于重新引導(dǎo)離軸光工作最好；使垂直于膜表面的入射光可以朝向源方向向回反射，而不是透射；美國專利US 5,629,784(Abileah等人)公開了多個(gè)實(shí)施例，其中使用棱鏡片來提高反射型LCD器件的亮度，對(duì)比度和顏色均勻性。在‘784專利公開的實(shí)施例中，類似于‘696專利的亮度增強(qiáng)膜布置成其結(jié)構(gòu)表面面向反射光的源，用于提供改進(jìn)的亮度以及減小的環(huán)境光作用。由于該組件與反射成像器件一起使用，因此‘784公開的棱鏡片放置在觀察者和LCD表面之間，而不是在用于透射LCD系統(tǒng)的位置中(即在光源和LCD之間)；美國專利申請(qǐng)公開號(hào)US 2001/0053075(Parker等人)公開了用于LCD器件的光重新定向膜的多種類型的表面結(jié)構(gòu)，包括棱鏡和其他結(jié)構(gòu)；美國專利US 5,887,964(Higuchi等人)公開了一種透明棱鏡片，其具有沿每個(gè)表面的延伸的棱鏡結(jié)構(gòu)，用于改進(jìn)LCD器件中背光的傳播和光亮度。如關(guān)于上述‘696專利所述，利用該布置，大部分的軸上光反射而不是透射。相對(duì)于光源，‘964中公開的棱鏡片的取向與‘696中公開的棱鏡片的取向相反。‘964中公開的布置僅可用于小的手提式顯示器并且不使用Lambertian光源；美國專利US 6,356,391(Gardiner等人)公開了利用棱鏡陣列的一對(duì)光學(xué)轉(zhuǎn)向膜，用于重新引導(dǎo)LCD器件中的光，其中棱鏡可以具有不同的尺寸；美國專利US 6,280,063(Fong等人)公開了一種亮度增強(qiáng)膜，在該膜的一側(cè)具有棱鏡結(jié)構(gòu)，其具有鈍角或圓形峰值；美國專利US 6,277,471(Tang)公開了一種亮度增強(qiáng)膜，其具有多個(gè)具有彎曲表面的一般三角形棱鏡結(jié)構(gòu)；美國專利US 5,917,664(O’Neil等人)公開了一種亮度增強(qiáng)膜，其與常規(guī)的膜類型相比，具有“軟”的截止角，由此減輕當(dāng)視角增加時(shí)光亮度的改變；美國專利US 5,839,823(Hou等人)公開了一種利用微棱鏡陣列、具有對(duì)于非Lambertian源的光循環(huán)的照明系統(tǒng)；和美國專利US 5,396,350(Beeson等人)公開了一種具有光循環(huán)特征的背光設(shè)備，其使用與光源接觸的微棱鏡陣列，用于照明設(shè)備中的光重新定向，其中熱量可能是一個(gè)問題以及其中相對(duì)非均勻的光輸出是可接受的。
圖1示出了一種類型的現(xiàn)有技術(shù)解決方案，用于提高由光源18提供的光的亮度增強(qiáng)膜10。亮度增強(qiáng)膜10具有面向包含反射表面19的光提供表面14的光滑側(cè)面12，和面向LCD組件20的多行棱鏡結(jié)構(gòu)16。如在美國專利US 6,111,696和5,629,784(都在上面列出)，以及在5,944,405(Takeuchi等人)中描述的該布置通常工作良好，通過離軸光線的折射提高軸上光亮度以及引導(dǎo)一部分該光更接近于法線光軸。如圖1所示，離軸光線R1向法線折射。然而，有益地注意到，由于全內(nèi)反射(TIR)，近軸光線R3可以以更極端的角度折射遠(yuǎn)離法線。此外，軸上光線R4可以實(shí)際上向用于漫射和從反射表面19反射的光提供表面14向回反射，而不是向LCD組件20引導(dǎo)。近軸光的折射和回到光提供表面14中的軸上光的至少一部分的反射用于調(diào)節(jié)相對(duì)于視角的照明光亮度，如隨后所述。通過光提供表面14和反射表面19的作用，從亮度增強(qiáng)膜19反射回的光的一部分最終漫射，并再次以通常法線角向LCD組件向外引導(dǎo)。
然后，亮度增強(qiáng)膜10的目的是重新引導(dǎo)從光提供表面14在大的角度范圍內(nèi)提供的光，因此它提供到LCD組件20的輸出光通常向法線引導(dǎo)。通過這樣，亮度增強(qiáng)膜10不僅當(dāng)垂直于顯示表面直接在上方觀察時(shí)而且當(dāng)以傾斜角度觀察時(shí)幫助提高顯示光亮度。
由于離法線的觀察者角度增加，所感知的光亮度可能超過極限角度而顯著減少。圖2的曲線圖表示出了光亮度曲線26，其描繪了當(dāng)利用現(xiàn)有技術(shù)亮度增強(qiáng)膜10時(shí)的光亮度與觀察者角度的特性關(guān)系。如所預(yù)期的，光亮度在法線處達(dá)到峰值，在法線的每一側(cè)向閾值截止角θ截止減小。超過角度θ截止時(shí)，發(fā)生輕微的增加；然而，這表示浪費(fèi)的光，其由于LCD器件本身的特性，不容易被觀察者所感知。
參考圖2中的亮度曲線26，感興趣的一個(gè)特性是曲線的總形狀。在視角范圍內(nèi)的亮度與這些角度的曲線下方的面積成比例。一般，最大光亮度值在接近法線的角度處發(fā)生，如所預(yù)期的。在許多應(yīng)用中，最有利的是增加在以法線為中心的小范圍視角內(nèi)的光亮度。
雖然如在上述公開的現(xiàn)有技術(shù)中所述的常規(guī)方法提供低視角處的亮度提高的一些措施，但是這些方法具有一些缺點(diǎn)。上述一些解決方案對(duì)于優(yōu)選角度范圍內(nèi)重新分布光更有效的，而不是對(duì)于最好的軸上觀察向法線重新引導(dǎo)光更有效的?，F(xiàn)有技術(shù)亮度增強(qiáng)膜解決方案具有方向偏向，沿一個(gè)方向重新引導(dǎo)光工作最好。例如，亮度增強(qiáng)膜可以沿相對(duì)于顯示表面的寬度方向重新引導(dǎo)光路，但是對(duì)于沿長度方向的光具有很少或幾乎沒有影響。結(jié)果，多個(gè)正交的相交片必須重疊以便沿不同方向重新引導(dǎo)光，一般用于沿相對(duì)于顯示表面的水平和垂直方向重新引導(dǎo)光。必要地，這種類型的方法稍微是折衷方案；這種方法對(duì)于沿正交于兩個(gè)正交軸的方向的光不是最佳的。
如在上述所列專利中公開的，已經(jīng)提出具有形成在基底材料上方的多種類型的折射表面結(jié)構(gòu)的亮度提高物品，包括使用多個(gè)突出棱鏡形狀的布置，作為分離棱鏡結(jié)構(gòu)的矩陣和作為伸長的棱鏡結(jié)構(gòu)，棱鏡的頂點(diǎn)面向以及遠(yuǎn)離光源。對(duì)于大多數(shù)部分，現(xiàn)有技術(shù)解決方案仍然存在方向偏向，在實(shí)際應(yīng)用中需要使用多個(gè)片。
拋物線反射器在許多類型的應(yīng)用中已知，用于收集或透射沿軸的電磁能量。例如，在室內(nèi)照明應(yīng)用中，拋物線反射器和其形狀類似于拋物線形狀的反射器定位在燈或其他光源的附近，以收集光并將其向外、通常沿一個(gè)方向引導(dǎo)。對(duì)于沿軸的光的最佳拋物線反射，光源應(yīng)當(dāng)定位在拋物線反射器的焦點(diǎn)處。
更有效的光集中器，如復(fù)合的拋物線集中器(CPC)已經(jīng)用于多種應(yīng)用特別是太陽能應(yīng)用中以收集光。例如，美國專利US 4,002,499和4,003,638(發(fā)明人都是Winston)公開了用于輻射能量收集的反射拋物線集中器元件的使用。美國專利US 6,384,320(Chen)公開了用于居住太陽能產(chǎn)生系統(tǒng)的反射CPC器件陣列的使用。光集中器也已經(jīng)用于支持感光器件。例如，英國專利申請(qǐng)GB 2 326 525(Leonard)公開了使用反射CPC陣列作為集中器，用于得到光傳感器如電荷耦合器件(CCD)的光。然而，已經(jīng)在多種應(yīng)用中一起利用CPC和類似的結(jié)構(gòu)來收集和傳感光，而不是實(shí)現(xiàn)提高的光分布和重新定向。
盡管已經(jīng)使用共同的作用來改進(jìn)顯示亮度，但是對(duì)于改進(jìn)仍然存有空間，特別是在需要近軸光亮度的高水平時(shí)。LCD設(shè)備仍然需要多層正交相交膜來增加亮度和改進(jìn)對(duì)比度，從而增加顯示器封裝的復(fù)雜性和體積。從而，可以看出需要一種亮度增強(qiáng)膜，其光效率高并在近軸視角處改進(jìn)光亮度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種包括錐形結(jié)構(gòu)陣列的亮度增強(qiáng)膜，每個(gè)所述錐形結(jié)構(gòu)具有光輸入孔徑和更大的光輸出孔徑，其中每個(gè)所述錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面適合于將在所述輸入孔徑處入射的離軸光反射到所述輸出孔徑。本發(fā)明還提供了一種照明系統(tǒng)，顯示設(shè)備，光導(dǎo)板，和使用該膜提高照明度的方法。


盡管本說明書以特別指出并清楚要求本發(fā)明的主題來結(jié)束，但是相信本發(fā)明從下面結(jié)合所附附圖的描述中更加容易理解，其中圖1是示出了用于LCD器件的現(xiàn)有技術(shù)亮度增強(qiáng)膜的截面?zhèn)纫晥D；圖2是示出了現(xiàn)有技術(shù)亮度增強(qiáng)膜的亮度與視角的關(guān)系的圖表；圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中小部分反射腔的透視圖；圖4a是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中利用反射腔的膜的透視頂視圖；圖4b是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中利用反射腔的膜的透視底視圖；圖5a，5b和5c是示出了在本發(fā)明可替換實(shí)施例中使用的不同類型的反射結(jié)構(gòu)的透視頂視圖；圖6是圖3，4和5中所示的膜的線框圖；圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明在處理光線時(shí)反射腔的性能的射線圖；圖8是將相對(duì)于視角的本發(fā)明不同實(shí)施例的相對(duì)光亮度與常規(guī)亮度增強(qiáng)膜的光亮度性能相比較的圖表；圖9示出了在本發(fā)明的可替換實(shí)施例中使用光重新定向的TIR的折射結(jié)構(gòu)的透視圖；圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明的在處理光線時(shí)實(shí)心錐形集中器結(jié)構(gòu)的性能的射線圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)心集中器結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，示出了確定TIR值的關(guān)鍵參數(shù)；圖12是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)心集中器結(jié)構(gòu)的一部分側(cè)壁的放大側(cè)視圖，示出了側(cè)壁輪廓的關(guān)鍵尺度；圖13示出了用于圖9的可替換實(shí)施例的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)的透視圖；圖14a和14b是分別示出了利用沒有和具有輸出透鏡結(jié)構(gòu)的實(shí)心錐形集中器結(jié)構(gòu)時(shí)的相對(duì)亮度效果的圖表；圖15是示出了利用第一實(shí)施例的亮度增強(qiáng)膜的照明系統(tǒng)的示意框圖；和圖16是示出了利用第二實(shí)施例的亮度增強(qiáng)膜的照明系統(tǒng)的示意框圖。
具體實(shí)施例方式
在上文中概述了本發(fā)明。
從一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種亮度增強(qiáng)膜，其包括在光輸入表面和光輸出表面之間延伸的中空反射腔陣列。
從另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種亮度增強(qiáng)膜，其包括在沿光輸入表面的輸入孔徑和沿光輸出表面的輸出孔徑之間延伸的集中器陣列，每個(gè)所述集中器具有一般拋物線形狀，其中，對(duì)于每個(gè)所述集中器，其輸入孔徑的面積小于其輸出孔徑的面積；其中所述輸入表面與光導(dǎo)板接觸；以及，其中每個(gè)所述集中器具有基本上等于所述光導(dǎo)板折射率的折射率。
本發(fā)明的特征在于它使用實(shí)現(xiàn)光的高效率重新分布的膜結(jié)構(gòu)的反射特性。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于它提供相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)解決方案的改進(jìn)的軸上和近軸光亮度增量。
本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于它提供用于光重新定向的單膜，而沒有現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的方向偏向。從而本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜的方向不需要調(diào)整。此外，本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜不顯示方向偏向，消除了提供正交相交亮度增強(qiáng)膜的必要。
本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于它提供角度和空間域的光的均勻分布。
本發(fā)明的又一優(yōu)點(diǎn)在于它允許光分布角度內(nèi)的控制測(cè)量。
本發(fā)明的又一優(yōu)點(diǎn)在于它提供在光導(dǎo)板中不需要漫射體或微結(jié)構(gòu)的亮度增強(qiáng)膜的實(shí)施例。
本發(fā)明的又一優(yōu)點(diǎn)在于它提供亮度增強(qiáng)膜的簡單的解決方案。本發(fā)明的膜直接靠在光提供表面。不需要分離的距離。
本發(fā)明的這些和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合所附附圖的詳細(xì)描述中更加明顯，在附圖中示出和描述了本發(fā)明的示意性實(shí)施例。本描述特別指向?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的設(shè)備的元件形成部分，或更直接與根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備配合。應(yīng)當(dāng)理解，沒有具體示出或描述的元件可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的多種形式。
第一實(shí)施例使用表面反射的中空光集中器參考圖3，示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的亮度增強(qiáng)膜30，包括中空的錐形結(jié)構(gòu)陣列。該陣列由在輸入表面34和輸出表面36之間延伸并且用作光集中器的反射腔32構(gòu)成。亮度增強(qiáng)膜30的輸入表面34靠著光提供表面14放置，或非常接近于光提供表面14放置。具有頂和底漫射體22的光提供表面14將基本Lambertian光提供到輸入表面34。然后輸出表面36提供LCD(未示出)或其他背光組件的輸出照明。
參考圖4a，示出了亮度增強(qiáng)膜30的輸出表面36的透視頂視圖，示出了反射腔32的輸出孔徑35。參考圖4b，示出了在輸入表面34上具有輸入孔徑33的底視圖。
圖3，4a和4b示出了優(yōu)選實(shí)施例，其中反射腔32沿縱向截面為一般拋物線，沿橫向截面為圓形。然而，如圖5a，5b和5c所示，反射腔32的不同構(gòu)形是可能的。在圖5a中，反射腔32是一般錐形，沿橫向方向具有圓形截面。在圖5b中，反射腔32沿橫向截面是矩形。在圖5c中，反射腔32沿橫向截面是六邊形。圖5b和5c的實(shí)施例的縱向截面例如可以是拋物線，一般拋物線，或直線，只要輸入孔徑33小于輸出孔徑35。
圖6示出了從頂部透視的優(yōu)選實(shí)施例的線框圖。在圖3，4a，4b，5a，5b，5c和6中，反射腔32被示出從輸入表面34到輸出表面36完全通過亮度增強(qiáng)膜30延伸。然而，可能有例如利用透明基底的實(shí)施例，反射腔32僅部分通過亮度增強(qiáng)膜30延伸。從而，例如根據(jù)光路，可能在輸出孔徑35之后或輸入孔徑33之前存在附加的透明基底材料。
如上所述，對(duì)于用作光集中器，輸出孔徑35的面積必須大于輸入孔徑33的面積。這一般要求反射腔32是某種程度的錐形。只要滿足輸出孔徑35和輸入孔徑33之間的該關(guān)系，反射腔32可以以許多形式成形。在優(yōu)選實(shí)施例中，反射腔32彎曲以沿縱向截面具有總的完整拋物線形狀，如在圖6的線框圖中最清楚地示出。這種類型的形狀的總的優(yōu)點(diǎn)在圖7的射線圖中表示。當(dāng)反射腔32具有理想化的拋物線輪廓時(shí)，在輸入表面34上自點(diǎn)P在寬范圍的角度內(nèi)出射的光線R通常從輸出表面36以相同的角度出射。明確地，從反射腔32的側(cè)壁38反射、來自點(diǎn)P的光線通常以角度θmax出射，該角度相應(yīng)于從該點(diǎn)的反射光線的最大光束角度θmax。
參考圖8，示出了將本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜30的輸出亮度的模擬光亮度曲線26b與利用如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)亮度增強(qiáng)膜10的光亮度曲線26a相比的圖表。該模擬基于背光LCD的一般情況。該模擬的工作假設(shè)包括Lambertian光源，0.96的反射值，和20度的最大光束角度θmax。假定從底部漫射體22(圖3)中沒有損耗。
如圖8的亮度曲線26b所示，與利用現(xiàn)有技術(shù)亮度增強(qiáng)膜30的解決方案相比，使用反射腔32的陣列作為光集中器的本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜30實(shí)現(xiàn)更高的軸上光亮度。離軸的光的基本量向法線重新引導(dǎo)，如關(guān)于圖7所示。然而，必須注意，軸上光亮度的增加付出了很高代價(jià)；即離軸光亮度相應(yīng)減小，如圖8所示。從而，本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜30對(duì)于需要更強(qiáng)的軸上照明的應(yīng)用而不是需要增加有效視角的應(yīng)用最佳化。有利地，當(dāng)利用本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜30時(shí)，在圖1的現(xiàn)有技術(shù)亮度增強(qiáng)膜10中引起第二峰值28的浪費(fèi)光被重新引導(dǎo)以提供附加的近軸照明，如圖8中的亮度曲線26a和26b的對(duì)比所示。
第一實(shí)施例的一般尺寸，形狀，和制造亮度增強(qiáng)膜30的第一實(shí)施例中反射腔32的一般值包括以下內(nèi)容輸出孔徑35直徑400μm輸入孔徑33直徑140μm高度720μm反射率0.96，額定一般最大光束角度θmax20度在本第一實(shí)施例中，亮度增強(qiáng)膜30可以由金屬或塑料材料形成，該材料例如包括聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或丙烯酸脂膜。當(dāng)材料是反射的情況時(shí)，可以不需要涂層。當(dāng)利用透明材料或反射不充足的材料如金屬表面時(shí)，反射涂層施加到反射腔32的內(nèi)表面，以及任選地施加到該結(jié)構(gòu)的其他部分。形成反射腔32本身的制造技術(shù)包括鉆孔和刻蝕。
圖4a，4b，5a，5b，5c和6示出了支撐反射腔32的結(jié)構(gòu)的多種布置。大多數(shù)這些實(shí)施例在輸入表面34和輸出表面36處具有一些支撐結(jié)構(gòu)。然而，如圖5b所示，輸入和輸出表面34或36的一個(gè)或另一個(gè)可以不使用單獨(dú)反射腔32之間的支撐結(jié)構(gòu)材料。在圖5c的六邊形輸出孔徑35中，共享相鄰反射腔32的側(cè)壁。該布置提供輸出表面36處的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)并允許輸出孔徑35的最大面積。
在優(yōu)選實(shí)施例中，反射腔32沿水平截面(即沿平行于亮度增強(qiáng)膜30的輸出表面的截面)是圓形的。然而，其他形狀是可能的，例如允許反射腔22具有正方形或矩形截面形狀。通常，非圓形截面形狀可以有利地增加亮度增強(qiáng)膜30的占空因數(shù)。同時(shí)，必須觀察到在輸出表面36處的總的占空因數(shù)即輸出孔徑35的面積(圖4-7)必須仔細(xì)地考慮以便保持亮度增強(qiáng)膜30的足夠的支撐結(jié)構(gòu)。
對(duì)于優(yōu)選實(shí)施例，由于光的處理，總的拋物線垂直截面形狀對(duì)于反射腔32是最有利的，如參考圖7的描述。復(fù)合拋物線集中器(CPC)的總的形狀是反射腔32的側(cè)壁38的優(yōu)選形狀。然而，必須注意反射側(cè)壁38可以基本上是垂直的(即不具有限定的斜率)或可以具有固定或可變的斜率。對(duì)于該第一實(shí)施例，如上所述，反射腔32必須滿足輸入孔徑33的面積小于輸出孔徑35的面積的要求。
反射腔32的非均勻尺寸、形狀和分布可以適合于提供均勻的光輸出。從而，例如，利用反射腔32陣列的膜可以對(duì)于不同的實(shí)施例需要反射腔27的不同尺寸和分布。
第二實(shí)施例使用TIR作用的實(shí)心光集中器參考圖9，示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中亮度增強(qiáng)膜40包括實(shí)心、錐形結(jié)構(gòu)陣列。類似于圖3-7的第一實(shí)施例的錐形，一般柱形結(jié)構(gòu)，圖9中示出的實(shí)施例也利用一般拋物線形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)來使用反射調(diào)節(jié)光，但是使用不同的反射原理。這里，亮度增強(qiáng)膜40使用實(shí)心拋物線集中器42的錐形陣列。不同于第一實(shí)施例的反射腔32，實(shí)心拋物線集中器42不需要反射內(nèi)涂層。作為代替，每個(gè)拋物線集中器42使用全內(nèi)反射(TIR)以將來自輸入孔徑43的光引導(dǎo)到輸出孔徑45。如圖9所示，每個(gè)拋物線集中器42的輸入表面44靠著光導(dǎo)板54放置。對(duì)于本實(shí)施例，必須滿足下述具體要求
(i)使用的以形成拋物線集中器42的材料在約+/-0.1內(nèi)具有基本上與光導(dǎo)板54的折射率相同的折射率n；(ii)本實(shí)施例的光導(dǎo)板54不提供漫射體；(iii)拋物線集中器42的輸入孔徑43與光導(dǎo)板54直接接觸，即輸入孔徑43靠著光導(dǎo)板54，沒有任何空氣間隙。輸入孔徑43例如可以通過粘結(jié)成，擠壓成，模制成，或其他方式連接到光導(dǎo)板54的表面。
對(duì)于本實(shí)施例，利用在LCD背光技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員公知的構(gòu)形，作為光導(dǎo)管一種類型的光導(dǎo)板54還要求與其光源相對(duì)的反射表面。提前參考圖16，示出了光導(dǎo)板54的適當(dāng)布置，具有與光源18相對(duì)的反射表面24和具有以直角連接的外部表面。
參考圖10，對(duì)于沿輸入表面44在輸入孔徑43處來自不同原點(diǎn)的光線R，示出了實(shí)心拋物線集中器42的總特性。以類似于使用反射腔32和圖7所表示的第一實(shí)施例的方式，內(nèi)部側(cè)壁48的優(yōu)選曲率是一般拋物線，因此在角度范圍內(nèi)在輸入孔徑43處入射的光由于TIR從側(cè)壁48反射，并在輸出表面46上在輸出孔徑45處輸出。如參考第一實(shí)施例所述，輸入孔徑43的面積必須小于輸出孔徑45的面積。
限定側(cè)壁48的表面曲率對(duì)于第二實(shí)施例的實(shí)心拋物線集中器42，側(cè)壁48的表面輪廓確定全內(nèi)反射(TIR)怎樣重新引導(dǎo)來自光提供表面14的光。參考圖11，以垂直截面示出了拋物線集中器42的側(cè)壁48的輪廓。為了描述的目的，假定拋物線集中器42的水平(即橫向)截面視圖是圓形，盡管可以使用其他形狀。在輸入表面44上，拋物線集中器42的輸入孔徑43具有半徑ri。在輸出表面46上，輸出孔徑45具有半徑re。值h表示拋物線集中器42的高度。自輸入孔徑的圓周上的參考點(diǎn)P，TIR可以發(fā)生的最大角度是θmax，通過等式(1)限定θmax=tan-1(hrinput+routput)---(1)]]>通過再觀察，當(dāng)入射光的臨界角θTIR超過如等式(2)所限定的角度時(shí)發(fā)生TIR，其中n是用于拋物線集中器42的材料的折射率θTIR=sin-1(1n)---(2)]]>
側(cè)壁48曲率設(shè)計(jì)以便使用TIR的關(guān)鍵角度關(guān)系在圖12中示出。這里，角度θslope表示在點(diǎn)S處側(cè)壁48的斜率。角度θinc表示相對(duì)于在點(diǎn)S處的法線，來自點(diǎn)P的光的入射角。為了在側(cè)壁48上的每個(gè)點(diǎn)S處保持來自點(diǎn)P的光的TIR，等式(3)的關(guān)系必須保持θinc＝90°-(θslope-θentry)≥θTIR(3)可以觀察到一般拋物線形狀滿足等式(3)并提供如圖10所示的總的光重新定向性能。
基于上述描述和等式(1)-(3)，使用下述步驟以建立第二實(shí)施例中側(cè)壁48的所需輪廓(步驟1)限定拋物線集中器42的下述參數(shù)(a)輸入孔徑rinput(b)高度h(c)角度θmax(步驟2)利用等式(1)計(jì)算輸出孔徑的半徑routput。
(步驟3)利用等式(3)確定沿側(cè)壁44(圖12)的許多連續(xù)點(diǎn)S處的傾斜角度θslope。
如同第一實(shí)施例的亮度增強(qiáng)膜30的情況一樣，第二實(shí)施例的亮度增強(qiáng)膜40向法線重新引導(dǎo)光，如關(guān)于圖10所述。
增加透鏡結(jié)構(gòu)參考圖13，示出了在拋物線集中器42的一部分輸出表面46上的輸出孔徑45的可替換構(gòu)形。在該構(gòu)形中，透鏡50形成在一個(gè)或多個(gè)拋物線集中器42的輸出孔徑45上，提供來自光提供表面14的光的改進(jìn)的重新定向。
等式(4)描述了透鏡50的曲率半徑。
其中rout是出口孔徑45的半徑，以及peak是沒有透鏡50時(shí)峰值強(qiáng)度發(fā)生的角度，如圖14a所示。
參考圖14b，為了比較，示出了圖1所示的常規(guī)BEF解決方案的光亮度曲線52a，和利用具有透鏡50的實(shí)心拋物線集中器42的本第二實(shí)施例的亮度增強(qiáng)膜40的光亮度曲線52b。圖14b的光亮度曲線52b與圖14a中光亮度曲線52c的比較示出了透鏡50怎樣調(diào)節(jié)出口孔徑45處的光，以大約0度為中心(垂直于BEF表面)有效地將光收集到單個(gè)波瓣中。
第二實(shí)施例的一般尺寸，形狀和制造亮度增強(qiáng)膜40的第二實(shí)施例中實(shí)心拋物線集中器42的一般值包括下述內(nèi)容輸出孔徑45直徑400μm輸入孔徑43直徑140μm高度720μm典型最大光束角度θmax20度具有拋物線集中器42的亮度增強(qiáng)膜40可以由多種塑料材料形成，該材料例如包括聚碳酸酯，PMMA，或丙烯酸酯膜。拋物線集中器42的密度取決于應(yīng)用。為了提供改進(jìn)的空間均勻性，拋物線集中器42的間隔或中心至中心間距，以及它們的輸入和輸出孔徑43和45尺寸和總的形狀可以是非均勻交叉亮度增強(qiáng)膜40。例如，拋物線集中器42可以在更遠(yuǎn)離光源的位置處比光源附近的位置處更密集地群集。
改進(jìn)的照明系統(tǒng)參考圖15，示出了用于顯示設(shè)備60的照明系統(tǒng)56，其使用第一實(shí)施例的亮度增強(qiáng)膜30，用于將光提供到LCD組件20。具有頂和底漫射體22和反射表面24的光提供表面14將來自光源18的Lambertian散射光提供到亮度增強(qiáng)膜30。從亮度增強(qiáng)膜30的調(diào)節(jié)輸出然后通過LCD組件20引導(dǎo)。
參考圖16，示出了用于顯示設(shè)備60的照明系統(tǒng)58，其使用第二實(shí)施例的亮度增強(qiáng)膜40，用于將光提供到LCD組件20。具有反射表面24的光提供表面54提供適當(dāng)角度的入射光，用于通過亮度增強(qiáng)膜40的調(diào)節(jié)。亮度增強(qiáng)膜40的輸入表面44被擠壓，粘結(jié)，或其他方式直接靠著光提供表面54形成。輸出光然后通過LCD組件20引導(dǎo)。(本第二實(shí)施例不需要漫射體22。)如在背景技術(shù)部分所述，利用亮度增強(qiáng)膜10的現(xiàn)有技術(shù)解決方案具有方向偏向，在大多數(shù)應(yīng)用中需要使用兩個(gè)具有正交優(yōu)選角度的膜片?？梢钥闯?，亮度增強(qiáng)膜30和40關(guān)于這種方向偏向交叉膜片的缺少比現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)更有利。利用一般圓形反射腔32或拋物線集中器42，不需要使用多個(gè)亮度增強(qiáng)膜30或40來處理不同角度的光。
對(duì)于中空和實(shí)心的實(shí)施例，入射光的主要調(diào)節(jié)通過來自側(cè)壁38(第一實(shí)施例)或48(第二實(shí)施例)的反射來提供。利用圖3-7的第一實(shí)施例，一些光直接通過反射腔32的中空反射結(jié)構(gòu)，而沒有來自側(cè)壁38的反射。相反，利用圖9-12的第二實(shí)施例，非常少的光能夠通過實(shí)心拋物線集中器42，而沒有來自側(cè)壁48的反射。
區(qū)域照明應(yīng)用的使用上面的描述主要集中在本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜30和40用于背光顯示應(yīng)用。然而，用于本發(fā)明第一或第二實(shí)施例的錐形結(jié)構(gòu)的陣列也可以用于區(qū)域照明應(yīng)用。這些陣列接收寬范圍角度的光并將該光向法線軸重新引導(dǎo)的能力建議了一個(gè)可能使用的范圍，例如用于臺(tái)燈和外科照明設(shè)備。本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜30和40特別適用于使用一般Lambertian光源的照明應(yīng)用。
本發(fā)明已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述；然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下可以實(shí)現(xiàn)多種變化和變型。例如，雖然理想化的拋物線形狀具有特定的優(yōu)點(diǎn)，但是利用圖3-7的中空反射第一實(shí)施例或圖9-13的實(shí)心第二實(shí)施例，拋物線的近似對(duì)于向法線軸重新引導(dǎo)光也是有效的。對(duì)于第一反射實(shí)施例，多種形狀的涂層可以施加到透明或非反射的基底上以便得到適當(dāng)?shù)姆瓷涮匦?。?duì)于第二反射實(shí)施例，拋物線集中器42能夠模制或以其他方式形成到光導(dǎo)板54的表面中，因此亮度增強(qiáng)膜40有效地制造為光導(dǎo)板54的一部分。
本發(fā)明的亮度增強(qiáng)膜將離軸光向相對(duì)于膜表面的法線軸引導(dǎo)，因此，特別適合用于LCD顯示器以及其他類型的背光顯示器。
部件列表10.亮度增強(qiáng)膜12.光滑側(cè)面14.光提供表面16.棱鏡結(jié)構(gòu)18.光源19.反射表面20.LCD組件22.漫射體24.反射表面26，26a，26b、光亮度曲線28.第二峰值30.亮度增強(qiáng)膜32.反射腔33，43.輸入孔徑34.輸入表面36.輸出表面38，48.側(cè)壁40.亮度增強(qiáng)膜42.拋物線集中器44.輸入表面35，45.輸出孔徑46.輸出表面50.透鏡52a，52b，52c、光亮度曲線54.光導(dǎo)板56，58.照明系統(tǒng)60.顯示設(shè)備
權(quán)利要求
1.一種包括錐形結(jié)構(gòu)陣列的亮度增強(qiáng)膜，每個(gè)所述錐形結(jié)構(gòu)具有光輸入孔徑和較大的光輸出孔徑，其中每個(gè)所述錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面適合于將在所述輸入孔徑處入射的離軸光反射到所述輸出孔徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的亮度增強(qiáng)膜，其中所述錐形結(jié)構(gòu)陣列包括在光輸入表面和光輸出表面之間延伸的中空反射腔陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的亮度增強(qiáng)膜，其中所述錐形結(jié)構(gòu)陣列包括在輸入表面上的輸入孔徑和輸出表面上的輸出孔徑之間延伸的集中器陣列，每個(gè)所述集中器具有一般拋物線形狀，其中所述輸入表面與光導(dǎo)板接觸；以及每個(gè)所述集中器具有與所述光導(dǎo)板的折射率基本相同的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的亮度增強(qiáng)膜，其中沿平行于所述輸出孔徑的截面，所述錐形結(jié)構(gòu)基本上是圓形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的亮度增強(qiáng)膜，其中沿平行于所述輸出孔徑的截面，所述錐形結(jié)構(gòu)基本上是六邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的亮度增強(qiáng)膜，其中沿平行于所述輸出孔徑的截面，所述錐形結(jié)構(gòu)基本上是矩形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的亮度增強(qiáng)膜，其中所述離軸光通過光導(dǎo)板提供。
8.一種亮度增強(qiáng)膜，包括在光輸入表面和光輸出表面之間延伸的中空反射腔陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的亮度增強(qiáng)膜，其中至少一個(gè)所述中空反射腔包括彎曲側(cè)壁。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的亮度增強(qiáng)膜，其中沿從所述輸入表面到所述輸出表面的截面，所述彎曲側(cè)壁基本上是拋物線。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的亮度增強(qiáng)膜，其中沿平行于所述輸出表面的截面，所述中空反射腔基本上是圓形。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的亮度增強(qiáng)膜，其中至少一個(gè)所述反射腔的側(cè)壁包括反射涂層。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的亮度增強(qiáng)膜，其中至少兩個(gè)所述中空反射腔彼此的尺寸不同。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的亮度增強(qiáng)膜，其中所述輸入表面包括透明基底。
15.根據(jù)權(quán)利要求8的亮度增強(qiáng)膜，其中所述輸出表面包括透明基底。
16.根據(jù)權(quán)利要求8的亮度增強(qiáng)膜，其中膜包括反射基底。
17.根據(jù)權(quán)利要求8的亮度增強(qiáng)膜，其中每個(gè)所述中空反射腔具有輸入孔徑和輸出孔徑，所述輸出孔徑的面積大于所述輸入孔徑。
18.一種包括在光輸入表面和光輸出表面之間延伸的中空反射腔陣列的亮度增強(qiáng)膜，其中每個(gè)所述中空反射腔具有接收入射的離軸光的輸入孔徑和較大的輸出孔徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的亮度增強(qiáng)膜，其中至少一個(gè)所述中空反射腔沿從所述輸入表面到所述輸出表面的截面基本上是拋物線。
20.一種照明系統(tǒng)，包括(a)光導(dǎo)板，用于提供一般Lambertian光源；(b)亮度增強(qiáng)膜，包括在光輸入表面和光輸出表面之間延伸的中空反射腔陣列；所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸入表面配置成最接近所述光導(dǎo)板以從其中接收光。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中所述亮度增強(qiáng)膜的至少一個(gè)所述反射腔包括彎曲側(cè)壁。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的照明系統(tǒng)，其中沿從所述輸入表面到所述輸出表面的截面，所述彎曲側(cè)壁基本上是拋物線。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中沿平行于所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸出表面的截面，至少一個(gè)所述反射腔基本上是圓形。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中沿平行于所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸出表面的截面，至少一個(gè)所述反射腔基本上是矩形。
25.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中沿平行于所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸出表面的截面，至少一個(gè)所述反射腔基本上是六邊形。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中所述亮度增強(qiáng)膜的至少一個(gè)所述反射腔的側(cè)壁包括反射涂層。
27.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中所述亮度增強(qiáng)膜的至少兩個(gè)所述中空反射腔彼此的尺寸不同。
28.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸入表面包括透明基底。
29.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸出表面包括透明基底。
30.根據(jù)權(quán)利要求20的照明系統(tǒng)，其中所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸入表面是反射的。
31.一種顯示設(shè)備，包括a)光導(dǎo)板，用于提供一般Lambertian光源；b)亮度增強(qiáng)膜，包括在光輸入表面和光輸出表面之間延伸的中空反射腔陣列，所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸入表面配置成最接近所述光導(dǎo)板，所述亮度增強(qiáng)膜從所述輸出表面提供背光照明；和c)LCD顯示板，用于調(diào)制所述背光照明以形成圖像。
32.一種亮度增強(qiáng)膜，包括在沿輸入表面的光輸入孔徑和沿輸出表面的光輸出孔徑之間延伸的集中器陣列，每個(gè)所述集中器具有一般拋物線形狀，其中，對(duì)于每個(gè)所述集中器a)其輸入孔徑的面積小于其輸出孔徑的面積；b)所述輸入表面與光導(dǎo)板接觸；以及c)具有基本上等于所述光導(dǎo)板折射率的折射率。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的亮度增強(qiáng)膜，其中對(duì)于至少一個(gè)所述集中器，透鏡形成在所述輸出孔徑處。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的亮度增強(qiáng)膜，其中每個(gè)所述集中器內(nèi)的全內(nèi)反射將一部分離軸光從所述輸入孔徑引導(dǎo)到所述輸出孔徑。
35.一種照明系統(tǒng)，包括a)提供光的光導(dǎo)板；b)亮度增強(qiáng)膜，包括在沿輸入表面的光輸入孔徑和沿輸出表面的光輸出孔徑之間延伸的集中器陣列，每個(gè)所述集中器具有一般拋物線形狀，其中，對(duì)于每個(gè)所述集中器(1)輸入孔徑的面積小于其輸出孔徑的面積；(2)所述輸入表面與所述光導(dǎo)板接觸；以及(3)具有基本上等于所述光導(dǎo)板折射率的折射率。
36.一種顯示設(shè)備，包括a)提供光的光導(dǎo)板；b)亮度增強(qiáng)膜，包括在沿輸入表面的光輸入孔徑和沿輸出表面的光輸出孔徑之間延伸的集中器陣列，其中每個(gè)所述集中器(1)具有一般拋物線形狀，其中，對(duì)于每個(gè)所述集中器，其輸入孔徑的面積小于其輸出孔徑的面積；(2)具有與所述光導(dǎo)板接觸的輸入表面；以及(3)具有基本上等于所述光導(dǎo)板折射率的折射率；以及c)LCD顯示板，用于調(diào)制所述背光照明以形成圖像。
37.一種提供背光的光導(dǎo)板，包括具有錐形集中器陣列的輸出表面，每個(gè)集中器具有一般拋物線形狀和光輸入孔徑和光輸出孔徑，其中每個(gè)所述集中器的輸入孔徑小于輸出孔徑。
38.一種照明設(shè)備，包括(a)光源；(b)亮度增強(qiáng)膜，包括在光輸入表面和光輸出表面之間延伸的中空反射腔陣列；所述亮度增強(qiáng)膜的所述輸入表面配置成最接近所述光源。
39.一種照明設(shè)備，包括(a)提供光的光源表面；(b)亮度增強(qiáng)膜，包括在沿輸入表面的光輸入孔徑和沿輸出表面的光輸出孔徑之間延伸的集中器陣列，每個(gè)所述集中器具有一般拋物線形狀，其中，對(duì)于每個(gè)所述集中器(1)其輸入孔徑的面積小于其輸出孔徑的面積；(2)所述輸入表面與所述光源表面接觸；以及(3)具有基本上等于所述光源表面折射率的折射率。
40.一種提高背光顯示器的光亮度的方法，包括(a)提供中空反射腔陣列，每個(gè)腔具有光輸入孔徑和光輸出孔徑；和(b)將光引導(dǎo)到所述腔陣列。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的提高光亮度的方法，其中提供中空反射腔陣列的步驟包括將所述腔形成到膜基底中的步驟。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的提高光亮度的方法，進(jìn)一步包括涂敷所述腔的步驟。
43.根據(jù)權(quán)利要求40的提高光亮度的方法，其中至少一個(gè)所述中空反射腔從所述光輸入孔徑到所述光輸出孔徑具有一般拋物線截面。
44.根據(jù)權(quán)利要求40的提高光亮度的方法，其中將光引導(dǎo)到所述輸入孔徑的步驟包括從Lambertian源產(chǎn)生光的步驟。
45.一種提高背光顯示器的光亮度的方法，包括(a)提供具有第一折射率n1的光導(dǎo)表面；(b)形成錐形集中器陣列，每個(gè)集中器具有一般拋物線形狀，其中(1)每個(gè)所述集中器的輸入孔徑小于輸出孔徑；(2)每個(gè)所述集中器具有第二折射率n；和(3)n2基本上等于n1；(c)將多個(gè)所述集中器的輸入孔徑配置成靠著所述光導(dǎo)表面。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的提高背光顯示器的光亮度的方法，其中將多個(gè)所述集中器的輸入孔徑配置成靠著所述光導(dǎo)表面的步驟包括將粘合劑施加到所述錐形集中器陣列的輸入表面的步驟。
全文摘要
一種包括錐形結(jié)構(gòu)陣列的亮度增強(qiáng)膜，每個(gè)所述錐形結(jié)構(gòu)具有光輸入孔徑和較大的光輸出孔徑。每個(gè)所述錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁適合于將在所述輸入孔徑處入射的來自光導(dǎo)板的離軸光反射到所述輸出孔徑。
文檔編號(hào)F21V5/02GK1922516SQ200580005983
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月24日
發(fā)明者J·李, D·凱斯勒 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司