專利名稱：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)明涉及用于照明顯示設(shè)備的照明系統(tǒng)。 本發(fā)明還涉及顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
用于照明顯示設(shè)備的照明系統(tǒng)本身是已知的。它們尤其用在非發(fā)
射性的顯示器中，例如液晶顯示器(也稱為LCD面板)，其用于例如電 視接收機(jī)、(計(jì)算機(jī))監(jiān)視器、(無繩)電話和便攜式數(shù)字助理。照 明系統(tǒng)還可以用于例如諸如數(shù)字投影儀或所謂光束器(beamer)之類 的投影系統(tǒng)中，用于投影圖像或顯示電視節(jié)目、電影、視頻節(jié)目或DVD 等等。另外，這樣的照明系統(tǒng)用于一般照明目的，比如諸如應(yīng)用于例 如標(biāo)牌、輪廓照明和告示板之類中的大面積直視發(fā)光面板。
比如在US2 005/0001537中公開了這種照明系統(tǒng)。在所引用的美國 申請中所公開的照明系統(tǒng)中，該照明系統(tǒng)包含在混合腔室中的紅、綠 和藍(lán)色發(fā)光二極管陣列。在照明系統(tǒng)的實(shí)施例中，照明系統(tǒng)包含兩個(gè) 擴(kuò)散器(diffuser),它們被分開相當(dāng)遠(yuǎn)，以便形成兩個(gè)混合腔室。 第 一擴(kuò)散器顯示在照明系統(tǒng)中大概中心的位置》第二擴(kuò)散器基本上形 成照明系統(tǒng)的頂部，限定了上層混合腔室的室頂。下層混合腔室提供 相對好的光混合，然后由第一擴(kuò)散器使之更均勻。然后，該相當(dāng)均勻 的光分布更進(jìn)一步地在第二混合腔室中混合。然后該混合光再次由第 二擴(kuò)散器擴(kuò)散，以創(chuàng)建相對均勻的光外形。
所述已知的照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于用于在光出射窗上混合光的光混 合腔室相對厚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有改進(jìn)的光混合腔室的照明系統(tǒng)。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，利用一種照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該目的，該照明 系統(tǒng)包含
光混合腔室，包含光出射窗、位于光出射窗位置對面的后壁、以及在光出射窗和后壁之間延伸的邊緣壁，后壁的表面基本上是鏡面反 射的，用于鏡面反射打在后壁的表面上并且相對于垂直于后壁的軸具 有相對大的入射角的光。
用于將光發(fā)射進(jìn)光混合腔室的光源，所述光以基本上與光出射窗 平行的方向發(fā)射到光混合腔室中，
多個(gè)光耦合輸出元件，用于耦合輸出來自光混合腔室的光，以及 設(shè)置在光出射窗的角度反射濾光器，所述角度反射濾光器由多個(gè)基本
透明層構(gòu)成，每層具有基本均勻的(uniform)層厚度和具有折射率， 每組兩個(gè)相鄰層具有不同的折射率。
在權(quán)利要求書和說明書中，"相對于垂直于后壁的軸的相對大的入 射角"意思指大于60度的入射角，并且優(yōu)選大于80度。根據(jù)本發(fā)明的措
施的效果是光源發(fā)射的光基本上被約束在光混合腔室內(nèi)部，發(fā)射到光 混合腔室中的光的方向基本上與光出射窗平行。由于光的方向的這個(gè) 取向，發(fā)射到光混合腔室中的大部分光以相對于光出射窗的法線軸相 對大的角度打到(impinge)光出射窗上。光出射窗包含用于約束發(fā)射 到光混合腔室中的大部分光的角度反射濾光器。角度反射濾光器由多 個(gè)透明層構(gòu)成。每一透明層具有一折射率，且每組兩個(gè)相鄰層具有不 同的折射率。這種透明層結(jié)構(gòu)用作角度反射濾光器，反射打到光出射 窗(因此打在角度反射濾光器上)的、相對于法線軸具有相對大角度 的光，同時(shí)透射打到光出射窗上的、相對于法線軸具有相對小入射角 的光。角度反射濾光器從反射性變?yōu)橥干湫缘慕嵌热Q于比如構(gòu)成角 度反射濾光器的透明層的數(shù)目，或者比如取決于相鄰?fù)该鲗拥恼凵渎?之間差異。光混合腔室的后壁表面對于以相對于后壁法線軸的相對大 的入射角打到該表面上的光基本上是鏡面反射的。因此，當(dāng)光源發(fā)射 的光由后壁反射時(shí)，其基本上保持其角度分布。后壁的鏡面反射面、 發(fā)射到光混合腔室中的光的方向的取向、以及在光出射窗處存在角度 反射濾光器的組合，導(dǎo)致在光混合腔室內(nèi)部有效率地約束發(fā)射到光混 合腔室中的大部分光。該約束使在光混合腔室內(nèi)部的光被更有效率地 混合，產(chǎn)生在光混合腔室內(nèi)部的光的基本上均勻的分布。由于這種有 效率約束，相對于已知光混合腔室，所述光混合腔室厚度可以被減少 ,同時(shí)實(shí)現(xiàn)光混合腔室內(nèi)部的光的基本均勻的分布。光混合腔室的厚 度是光混合腔室在基本垂直于光出射窗的方向上的尺寸。照明系統(tǒng)更進(jìn)一步地包含多個(gè)光耦合輸出元件。當(dāng)被約束在光混合腔室內(nèi)部的光 打在光耦合輸出元件上時(shí)，光的傳播方向被改變。傳播方向被改變的 部分光將以一角度打在光出射窗上，使得所述光被角度反射濾光器透 射并隨后被從照明系統(tǒng)朝向顯示設(shè)備發(fā)射。傳播方向被改變的另一部 分光將以一角度打光出射窗上，使得所述光被角度反射濾光器反射， 并因此打在光耦合輸出元件上的所述另一部分光被再次約束在光混合 腔室中。光耦合輸出元件比如可以是散射元件，散射打在光耦合輸出 元件上的光，或者，可選地，光耦合輸出元件比如可以是鏡面反射元 件，通過鏡面反射打在光耦合輸出元件上的光改變光的方向。
角度反射濾光器的基本透明層的層厚度被定義為在基本垂直于光 出射窗的方向上基本透明層的尺寸。當(dāng)光源的光以基本上平行于基本 透明層法線的方向打在基本透明層上時(shí)，所述多個(gè)基本透明層上每一 層對于光源發(fā)射的至少部分光必須是基本透明的。
當(dāng)使用設(shè)置在光出射窗的角度反射濾光器時(shí)的另一種好處在于部 分準(zhǔn)直了照明系統(tǒng)發(fā)出的光。由于透射光的角度相關(guān)性，由角度反射 濾光器透射的光是以某一入射角范圍之內(nèi)的入射角打在角度反射濾光 器上的光。以不同于所述某一入射角范圍的角度打在角度反射濾光器 上的光將由角度反射濾光器反射，并將仍然約束在光混合腔室內(nèi)部。 由于由角度反射濾光器透射的光的角度相關(guān)性，透射光并且因此從照 明系統(tǒng)發(fā)射的光被準(zhǔn)直。準(zhǔn)直水平取決于比如構(gòu)成角度反射濾光器的 透明層的數(shù)目或者比如取決于相鄰?fù)该鲗拥恼凵渎手g的差異。
在已知顯示設(shè)備中，反射偏振器經(jīng)常用于向顯示設(shè)備的液晶層透 射偏振光，并用于將其余的光再循環(huán)回到照明系統(tǒng)中。 一般地，在照 明系統(tǒng)的光已經(jīng)被混合并且已被均勻分布在照明系統(tǒng)的光出射窗之后 ，應(yīng)用這些已知的反射偏振器。反射偏振器由多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該多層
本發(fā)^的角度1射濾光器中，每組:個(gè)相^的ii明層必須具有不同的 折射率。為了有效地約束光，在兩個(gè)相鄰的透明層之間的折射率差異 必須對發(fā)射到光混合腔室中的光的任何偏振方向都有效。反射偏振器 設(shè)計(jì)成基本上完全透射照明系統(tǒng)發(fā)射的預(yù)定偏振方向的光，并基本上 完全反射照明系統(tǒng)發(fā)射的剩余的光。由于這個(gè)原因，反射偏振器的多 層結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成使得預(yù)定偏振方向的光的折射率沒有變化，同時(shí)用于剩余光的折射率的變化被設(shè)計(jì)成將光完全反射回照明系統(tǒng)中，與打到 反射偏振器上的光的入射角無關(guān)。因此已知的反射偏振器教導(dǎo)技術(shù)人 員，必須使多層結(jié)構(gòu)最優(yōu)化以基本上完全透射具有預(yù)定偏振方向的光 ，同時(shí)基本上阻礙全部剩余的光。將已知的反射偏振器應(yīng)用為角度反 射濾光器不會(huì)解決該問題，因?yàn)榉瓷淦衿鲗⑼耆干渚哂蓄A(yù)定偏振 方向的光，這不會(huì)導(dǎo)致預(yù)定偏振方向的光在光混合腔室內(nèi)部的約束和 混合。此外，由于具有預(yù)定偏振方向的光被已知的反射偏振器基本上
自由透射(free transmission)，將反射偏振器用作角度反射濾光器 將不會(huì)導(dǎo)致從照明系統(tǒng)所發(fā)射的光的準(zhǔn)直。
在照明系統(tǒng)的實(shí)施例中，后壁表面以及每一邊緣壁表面都是鏡面 反射的，用于鏡面反射在光混合腔室內(nèi)的光。這個(gè)實(shí)施例的益處在于 ，它導(dǎo)致基本保持在光混合腔室內(nèi)反射光的角度分布，并且混合量被 提高。
可選地，每一邊緣壁表面是漫反射的，用于漫反射光混合腔室內(nèi) 的光。這個(gè)實(shí)施例的益處在于可以獲得更均勻的光分布。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射到光混合腔室中的光包含預(yù)定 顏色的光，并且兩個(gè)相鄰基本透明層的厚度之和基本上等于預(yù)定顏色 的光的波長一半。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，兩個(gè)相鄰基本透明層的厚 度之和基本上等于預(yù)定顏色的光的波長一半的角度反射濾光器約束了 預(yù)定顏色的光，導(dǎo)致在光混合腔室內(nèi)部預(yù)定顏色的光的均勻分布。比 如，這個(gè)實(shí)施例在遠(yuǎn)程磷光體照明系統(tǒng)中尤其有益。所述遠(yuǎn)程磷光體 照明系統(tǒng)包含發(fā)光材料層或者將預(yù)定顏色的光轉(zhuǎn)換為具有另一預(yù)定顏 色光的發(fā)光材料的混合層。通常，預(yù)定顏色是原色藍(lán)色。比如，部分
如紅色和綠色之類的原色的混合的光。原色藍(lán)色光的另一部分將通過 遠(yuǎn)程磷光體層透射，并將與遠(yuǎn)程磷光體層發(fā)射的光混合，比如導(dǎo)致產(chǎn) 生被感知為白色的光。因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰基本透明層的厚度之和基本上等 于預(yù)定顏色的光的波長的一半，所以預(yù)定顏色的光被約束并混合在光 混合腔室內(nèi)部。可選地，發(fā)射到光混合腔室中的預(yù)定顏色的光比如是 紫外線，它例如由遠(yuǎn)程磷光體層完全變?yōu)榭梢姽?。遠(yuǎn)程磷光體層可應(yīng) 用在光混合腔室之外，比如用在照明系統(tǒng)和顯示設(shè)備之間?？蛇x地， 遠(yuǎn)程磷光體層可應(yīng)用在光混合腔室內(nèi)部，比如用作光耦合輸出元件。在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，其中至少一個(gè)透明層是雙折射單軸 層，其具有被設(shè)置基本上與光出射窗平行的雙折射對稱軸。這個(gè)實(shí)施 例的益處在于，由于雙折射單軸層而使得對偏振方向垂直于雙折射對 稱軸的光的折射率變化與被約束在光混合腔室中的其余光的折射率相 比較更少。由于這種差異，偏振方向垂直于雙折射對稱軸的光與約束 在光混合腔室中的其余光相比，被約束得更少，導(dǎo)致照明系統(tǒng)的光混 合腔室發(fā)射部分偏振光。
在照明系統(tǒng)的 一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射到光混合腔室中的光是偏振方 向基本上與光出射窗平行的基本偏振光。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，對 于偏振方向基本與光出射窗平行的光而言，在光混合腔室中限制光的 效率得以改善。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到在具有不同折射率的兩個(gè)基本透明 介質(zhì)之間的界面處的對于菲涅耳反射的反射系數(shù)對于不同偏振方向的 光是不同的。偏振方向平行于該界面的光通常相比較于其余的光具有 更高的反射系數(shù)。通過將發(fā)射到光混合腔室中的光的偏振方向選擇為 基本上平行于光出射窗，由于偏振光相對于非偏振光具有更高的反射 系數(shù)，而使得光的約束得以改善。比如，改善后的光的約束可以導(dǎo)致 更進(jìn)一步地減小光混合腔室的尺寸。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，光混合腔室是光學(xué)光導(dǎo)向裝置(
light guide)。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，被約束在光混合腔室中的部 分光可經(jīng)由全內(nèi)反射被約束，這減少了光混合腔室內(nèi)部的反射損失。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)光導(dǎo)向裝置是楔形的。這個(gè)實(shí) 施例的益處在于，楔形產(chǎn)生發(fā)射到光混合腔室中的光的逐步的( gradual )耦合輸出，因此更進(jìn)一步地改善了從照明系統(tǒng)發(fā)射的光的均 勻性。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，光源包含分布在光混合腔室后壁上 的多個(gè)側(cè)面發(fā)光的發(fā)光二極管。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，設(shè)置在光混 合腔室后壁上的側(cè)面發(fā)光的發(fā)光二極管(更進(jìn)一步地也稱為LED)已經(jīng) 在基本平行于后壁并因此基本平行于光出射窗的方向發(fā)光。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，其中光混合腔室的至少 一個(gè)邊緣壁 包含光輸入窗，光源設(shè)置在通過光輸入窗將光發(fā)射到光混合腔室中的 邊緣光結(jié)構(gòu)中。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，邊緣光結(jié)構(gòu)通常更進(jìn)一步地 減少照明系統(tǒng)的厚度。此外，邊緣光結(jié)構(gòu)使得能夠利用比如低壓氣體放電燈作為光源，同時(shí)發(fā)射到光混合腔室中的光的方向仍然基本上平 行于光出射窗。通過利用低壓氣體放電燈還改善了由光源發(fā)射到光混 合腔室中光的顏色均勻性，并且通常改善了照明系統(tǒng)的效能。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，其中光混合腔室的至少一個(gè)邊緣壁 包含光輸入窗，照明系統(tǒng)包含另外的光混合腔室，所述另外的光混合 腔室通過光輸入窗將光發(fā)射到光混合腔室中。這個(gè)實(shí)施例的益處在于 ，光源可以由多個(gè)發(fā)光二極管(比如發(fā)射多種原色的發(fā)光二極管)組 成。所述另外的光混合腔室將混合多種原色的光，以便獲得比如發(fā)射 到光混合腔室中的基本上白色的光。由于光在光混合腔室的約束，所 述光在光混合腔室內(nèi)部被均勻分布。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射到光混合腔室中的光相對于基
本垂直于光出射窗的平面的角度分布小于大約30度，并且優(yōu)選小于大 約10度。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，基本上發(fā)射到光混合腔室中的全部 光都約束在光混合腔室內(nèi)部。此外，通過將光發(fā)射到具有較高準(zhǔn)直度 的光混合腔室中，，與將光發(fā)射到具有較低準(zhǔn)直度的光混合腔室中相 比，為獲得某一水平的約束如果角度反射濾光器包含更少的基本透明 層就足夠了。盡管角度反射濾光器的層被描述為基本透明，但是被反 射或透射的光將存在一些剩余吸收。當(dāng)需要更少的基本透明層以獲得 所要求的光在光混合腔室內(nèi)部的約束水平時(shí)，照明系統(tǒng)的效率得以改 善。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)光耦合輸出元件基本上均 勻地分布在后壁上。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，所述多個(gè)光耦合輸出元 件的均勻分布導(dǎo)致從根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的光出射窗發(fā)出的光的均 勻分布。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，在光混合腔室中的多個(gè)光耦合輸出 元件的密度不同。比如，所述多個(gè)光耦合輸出元件的密度在整個(gè)光混 合腔室的后壁上不同，以獲得發(fā)射光的預(yù)定均勻性。可選地，比如， 密度變化可以被應(yīng)用于校正從照明系統(tǒng)發(fā)出的光的任何殘留的非均勻性。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)光耦合輸出元件是鏡面反 射元件。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，打在光耦合輸出元件上的光沒有被 漫散射而是被鏡面反射，基本上保持了由光源發(fā)射光的角度分布。此外，鏡面反射元件通常保持反射光的偏振方向。當(dāng)使用發(fā)射偏振光到 光混合腔室中的光源時(shí)，由光耦合輸出元件耦合輸出的光也被偏振， 使得照明系統(tǒng)能夠朝著顯示設(shè)備有效地發(fā)射基本偏振的光。
在照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)光耦合輸出元件被設(shè)置在 角度反射濾光器中。這個(gè)實(shí)施例的益處在于，當(dāng)應(yīng)用角度反射濾光器 時(shí)，可以同時(shí)應(yīng)用所述多個(gè)光耦合輸出元件，比如，作為角度反射濾 光器的第一基本透明層的一部分。在角度反射濾光器中應(yīng)用光耦合輸 出元件，使得能夠通過改變角度反射濾光器中的所述多個(gè)光耦合輸出 元件的分布來簡單、靈活地改變所述多個(gè)光耦合輸出元件的分布。
本發(fā)明還涉及包含根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的顯示裝置。


參考下文描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將更為明白并
得以闡明。
在附圖中
圖U和1B顯示根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的橫截面示意圖， 圖2A和2B顯示通過兩個(gè)連續(xù)的基本透明層之間的界面的透射和從
該界面的反射的角度相關(guān)性，
圖3A顯示一個(gè)偏振光源的實(shí)施例的俯視示意圖，
圖3B顯示從兩個(gè)連續(xù)的基本透明層之間的界面對具有不同偏振方 向的光的反射的角度相關(guān)性，
圖4 A顯示包含另外的光混合腔室的照明系統(tǒng)的橫截面示意圖，以
及
圖4B顯示根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備的橫截面示意圖。 這些附圖完全是概略的而不是按比例繪制的。特別地，為了清楚
， 一些尺寸被大大放大。附圖中盡可能由相同的附圖標(biāo)號標(biāo)注類似的部件。
具體實(shí)施例方式
圖1A、 1B和4A顯示才艮據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)IO、 20、 30的橫截面示 意圖。根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)IO、 20、 30包含光混合腔室50，光混合腔室50包含光出射窗52、后壁54和在光出射窗和后壁54之間延伸的邊 緣壁。照明系統(tǒng)IO、 20、 30還包含將光發(fā)射到光混合腔室50中的光源 60、 62。光按照基本上平行于光出射窗52的方向發(fā)射到光混合層中。 照明系統(tǒng)IO、 20、 30包含多個(gè)光耦合輸出元件70、 72用于耦合輸出來 自照明系統(tǒng)IO、 20、 30的光，并且包含設(shè)置在光出射窗52的角度反射 濾光器80。角度反射濾光器80由多個(gè)基本透明層81、 82、 83、 84組成 ，透明層81、 82、 83、 84的每一層具有基本相同的層厚度。所述多個(gè) 透明層81、 82、 83、 84中的兩個(gè)連續(xù)的透明層81、 82; 82、 83; 83、 84的每一組具有不同的折射率nl、 n2。角度反射濾光器80可以比如由 包含聚甲基丙烯酸甲酯(亦稱P畫A，折射率大約1.50)的層81、 83與 包含空氣(折射率大約l. 0)的層82、 84交替構(gòu)成，或者由包含聚碳酸 酯(亦稱PC，折射率大約1.58)的層81、 83與包含空氣的層82、 84交 替構(gòu)成?？蛇x地，角度反射濾光器80可由具有不同折射率nl、 W的固 體材料層81、 82、 83、 84相互直接疊放構(gòu)成，這樣將空氣從層81、 82 、83、 84之間排除在外。比如角度反射濾光器80可例如由基本透明層 81、 82、 83、 84組成，每一層具有不同的折射率nl、 n2、 n3、 n4;或 者比如可由具有不同折射率nl、 t^的兩種不同材料構(gòu)成，不同材料的 層81、 82、 83、 84交替地施加以形成角度反射濾光器80u在不脫離本 發(fā)明范圍的情況下，基本透明層81， 82， 83， M的其他組合也可以用來形 成角度反射濾光器80。
基本透明層81、 82、 83、 84的結(jié)構(gòu)用作角度可選的反射濾光器80 ,反射打到角度反射濾光器80上的、相對于法線軸N具有相對大的入射 角i的光，同時(shí)透射打到角度反射濾光器80上的、相對于法線軸N具有 相對小的入射角i的光。由于被發(fā)射到光混合腔室50中的光的方向，該 光的大部分以相對于法線軸N的相對大角度i打到角度反射濾光器80， 約束了發(fā)射到光混合腔室5 0中的該大部分光。光混合腔室50的內(nèi)表面 55、 57、 59是鏡面反射表面55、 57、 59，基本上保持從這些表面55、 57、 59反射的光的角度分布64。在可選的實(shí)施例中，內(nèi)表面55基本上 是鏡面反射表面，用于鏡面反射打到內(nèi)表面55上的并且相對于垂直于 內(nèi)表面55的軸具有相對大的入射角的光。例如，在這個(gè)可選實(shí)施例中 的內(nèi)表面55包括白色擴(kuò)散器，該擴(kuò)散器由透明層覆蓋或由幾個(gè)具有交 變折射率的透明層所覆蓋。在另一個(gè)可選實(shí)施例中，內(nèi)表面57、"是漫反射表面，用于漫反射混合腔室50內(nèi)的光。鏡面反射內(nèi)表面55、 57 、59、發(fā)射到光混合腔室50中的光的方向的取向，以及在光出射窗52 上角度反射濾光器80的存在的組合，導(dǎo)致發(fā)射到光混合腔室50中的大 部分光有效地約束在光混合腔室50內(nèi)部。這種約束使光混合腔室50內(nèi) 部的光被混合，產(chǎn)生光混合腔室50內(nèi)部的光的基本均勻的分布。照明 系統(tǒng)IO、 20另外包含多個(gè)光耦合輸出元件70、 72。當(dāng)被約束在光混合 腔室50內(nèi)部的光打到光耦合輸出元件時(shí)，所述光被耦合輸出光混合腔 室50 (例如通過從光耦合輸出元件70、 72的散射或者例如通過從光耦 合輸出元件70、 72的鏡面反射)。從光耦合輸出元件70、 72被散射或 被反射的部分光將以一個(gè)角度打到光出射窗52上，以至于使得所述光 被角度反射濾光器80透射，并且接著從照明系統(tǒng)IO、 20發(fā)射向顯示設(shè) 備40(參見圖4B)。從光耦合輸出元件70、 72被散射或被反射的另一 部分光將成一角度打到光出射窗52上，以至于使得所述光被角度反射 濾光器80反射，并且因此所述另一部分散射光被重新約束在光混合腔 室50中。
比如，可以通過增加設(shè)置在光出射窗52的基本透明層81、 82、 83 、84的數(shù)目來增加約束水平，其在大多數(shù)情況下導(dǎo)致角度反射濾光器 80的更好的性能。然而，同時(shí)，由于當(dāng)光正在通過增加數(shù)目的基本透 明層81、 82、 83、 84反射或透射時(shí)的光的剩余吸收，增加數(shù)目的基本 透明層81、 82、 83、 84將減少照明系統(tǒng)10、 20、 30的效率。這種照明 系統(tǒng)IO、 20、 30的設(shè)計(jì)者可以使用該相關(guān)性來優(yōu)化照明系統(tǒng)10、 20、 30。例如，基本透明層81、 82、 83、 84的最佳數(shù)目由發(fā)射到光混合腔 室50中的光的準(zhǔn)直度所確定。如果發(fā)射到光混合腔室中的光沒有被準(zhǔn) 直得相對高，那么需要相對大數(shù)目的基本透明層81、 82、 83、 84 (典 型為10個(gè)和更高)。如果發(fā)射到光混合腔室50中的光被準(zhǔn)直得相對高 ，那么基本透明層81、 82、 83、 84的數(shù)目可以在10以下。此外，如果 發(fā)射到光混合腔室50中的光被高度準(zhǔn)直，比如，當(dāng)使用激光作為光源 62 (比如具有小于大約5度的角度分布)時(shí)，可能僅僅需要單個(gè)基本透 明層81、 82、 83、 84來實(shí)現(xiàn)光混合腔室50內(nèi)部光的所要求的約束。
設(shè)置在光出射窗52的角度反射濾光器80的附加效果在于，從照明 系統(tǒng)IO、 20、 30發(fā)出的光凈皮部分地準(zhǔn)直。由于透射光的角度相關(guān)性， 由角度反射濾光器80透射的光是以某一范圍入射角i內(nèi)的入射角i打到角度反射濾光器80上的光。以不同于所述某一范圍入射角i的角度打到 角度反射濾光器80上的光將由角度反射濾光器80反射，并且將保持被 約束在光混合腔室50內(nèi)部.準(zhǔn)直水平例如取決于構(gòu)成角度反射濾光器 80的透明層81、 82、 83、 84的數(shù)目，或者例如取決于相鄰?fù)该鲗?1、 82、 83、 84的折射率之間的差異。
光耦合輸出元件70、 72，比如可以是諸如后壁54上的劃痕之類的 不平整(irregularity)，或者比如是附著到后壁54上的玻璃顆粒。 在根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)IO、 20、 30的一個(gè)實(shí)施例中，光耦合輸出元 件72比如是鏡面反射結(jié)構(gòu)72，比如是后壁54上的鏡面反射的不平整72 。當(dāng)使用鏡面反射結(jié)構(gòu)72作為光耦合輸出元件70、 72時(shí)的好處在于， 這些結(jié)構(gòu)基本上保持了發(fā)射到光混合腔室50中的光的角度分布64，因 此限制了由照明系統(tǒng)IO、 20、 30發(fā)射的光的角度分布64。此外，鏡面 反射結(jié)構(gòu)72基本上保持了從鏡面反射結(jié)構(gòu)72反射的光的偏振方向。當(dāng) 發(fā)射到光混合腔室50中的光由部分偏振光組成時(shí)，鏡面反射結(jié)構(gòu)72的 使用使根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)IO、 20、 30能夠朝著顯示設(shè)備40發(fā)射基 本偏振光?？蛇x地，耦合輸出元件70、 72比如可以是嵌入例如角度反 射濾光器80(未顯示)中的散射元件70，比如嵌入在設(shè)置在光混合腔 室50的光出射窗52上的角度反射濾光器80的第一基本透明層81中。當(dāng) 應(yīng)用嵌入在角度反射濾光器80中的光耦合輸出元件70時(shí)，比如通過改 變角度反射濾光器80中光耦合輸出元件70的密度，可以相對容易地改 變光耦合輸出元件70的分布。在一個(gè)光混合腔室50由光學(xué)光導(dǎo)向裝置 構(gòu)成的實(shí)施例中，光耦合輸出元件比如可以是嵌入在所述光學(xué)光導(dǎo)向 裝置中的光散射元件70。
光源60、 62比如可以是LED 60、 62或比如以 一維或二維陣列i殳置 的多個(gè)LED 60、 62。為了實(shí)現(xiàn)以基本平行于光出射窗52的方向?qū)⒐獍l(fā) 射到光混合腔室50中，側(cè)面發(fā)光的LED 60可以設(shè)置在光混合腔室50的 后壁54上，并且比如均勻分布在光混合腔室50的后壁54上?？蛇x地， 比如LED 60、 62被設(shè)置成例如陣列LED 60、 62的形式，LED 60、 62比 如通過設(shè)置在光混合腔室50的邊緣壁56、 58上的光輸入窗90，從光混 合腔室50的邊緣將光發(fā)射到光混合腔室50中。光源60、 62比如也可以 是激光源(未顯示)或多個(gè)激光源?？蛇x地，光源比如可以是低壓氣 體放電燈(未顯示)或多個(gè)低壓氣體放電燈，優(yōu)選地設(shè)置在光混合腔室so的邊緣。低壓氣體放電燈比如可以包含設(shè)置在低壓氣體放電燈遠(yuǎn) 離光混合腔室50的側(cè)面上的反射鏡(未顯示)，用于重定向被發(fā)射遠(yuǎn) 離光混合腔室的低壓氣體放電燈的部分光返回光混合腔室50。
在如圖1A中所示的照明系統(tǒng)10的實(shí)施例中，光源60比如是設(shè)置在 照明系統(tǒng)10的后壁54上的側(cè)面發(fā)光的LED60。設(shè)置在后壁54上的側(cè)面發(fā) 光的LED60通常在基本平行于后壁54的方向發(fā)光。側(cè)面發(fā)光的LED 60發(fā) 射的光的分布比如可以在平行于后壁54的平面中在沿起源于光源的所 有方向上是基本對稱的，并且在垂直于光出射窗52的平面中具有由側(cè) 面發(fā)光的LED 60發(fā)射的光的限制的角度分布64。在圖1A所示的實(shí)施例 中，后壁54被設(shè)置基本上平行于光出射窗52，并且因此側(cè)面發(fā)光的LED 60所發(fā)射的光的方向也平行于光出射窗52。側(cè)面發(fā)光的LED 60發(fā)射的 大部分光被約束在光混合腔室50內(nèi)部。由于基本上鏡面反射的表面55 、57、 59，因此側(cè)面發(fā)光的LED 60發(fā)射的光的角度分布64基本上被保 持，同時(shí)光正被約束在光混合腔室50內(nèi)部。當(dāng)光打到光耦合輸出元件 70、 72上時(shí)，光耦合輸出元件70、 72將重定向光，使得至少部分重定 向的光將由角度反射濾光器80透射并且從照明系統(tǒng)10朝著顯示設(shè)備40發(fā)射。
在如圖1B所示的照明系統(tǒng)20的實(shí)施例中，光源6"匕如是設(shè)置在照 明系統(tǒng)20的光混合腔室50的光輸入窗90處的LED 62陣列，通過光輸入 窗90將光發(fā)射到光混合腔室50中?？蛇x地，如圖1B所示的照明系統(tǒng)20
中的光源比如可以是低壓氣體放電燈。
圖2A和2B顯示從兩個(gè)連續(xù)的基本透明層81、 82; 82、 83; 83、 84 之間的界面透射和反射的角度相關(guān)性，一層81、 83具有1. O的折射率， 而另一層82、 84具有1.5的折射率。圖2A和2B中所示圖形的橫軸表示打 在兩個(gè)連續(xù)的基本透明層81、 82; 82、 83; 83、 84之間的界面上的光 的入射角i。入射角i相對于兩個(gè)連續(xù)的基本透明層81、 82; 82、 83; 83、 84之間的界面的法線軸N被定義。圖2A和2B中所示的圖形的縱軸分 別表示歸一化(normal ized)透射水平T和歸一化反射水平R。如從圖2A 和2B的圖形可以看到的，具有相對大的入射角i的部分光，比如相對于 界面的法線軸N的入射角i大于60度的那部分光，將被反射。角度反射 濾光器80包括在具有不同折射率nl、 n2的多個(gè)基本透明層81、 82、 83 、84內(nèi)的多個(gè)界面。在這些界面中的每個(gè)界面處，將產(chǎn)生可與圖2A和2B中所示的反射/透射特征相比較的光的反射/透射。包含具有如圖2A 和2B中所示的特征反射/透射的多個(gè)界面的疊層81、 82、 83、 84，導(dǎo)致 角度反射濾光器80反射以等于或大于相對于多個(gè)界面的法線軸N的某 一預(yù)定入射角i的角度打在角度反射濾光器80上的大部分光，并且透射 以小于相對于多個(gè)界面的法線軸N的某一預(yù)定入射角i的角度打在角度 反射濾光器80上的大部分光。 ，
圖3A顯示偏振光源100的實(shí)施例的示意俯視圖。如圖3A所示的偏振 光源100包含包圍在偏振反射薄片(foil)110 (比如商業(yè)上通稱為BEF IIO的薄片或DBEF薄片110)中的側(cè)面發(fā)光的LED 60?？蛇x地，激光源 (未顯示)可用作偏振光源IOO。
圖3B顯示從兩個(gè)連續(xù)的基本透明層81、 82; 82、 83; 83、 84之間 的界面對具有不同偏振方向的光的反射的角度相關(guān)性。圖3B中所示的 圖形的橫軸表示打在兩個(gè)連續(xù)的基本透明層81、 82; 82、 83; 83、 84 之間的界面上的光的入射角i。在圖3B中所示圖形中，在界面的一側(cè)折 射率為l.O，在界面的另一側(cè)折射率為l. 5。類似的(comparable)效果 發(fā)生在其他折射率情況下。入射角i相對于兩個(gè)連續(xù)的基本透明層81、 82; 82、 83; 83、 84之間的界面的法線軸N被定義。圖3B所示的圖形的 縱軸表示歸一化的反射水平R。圖3B中用點(diǎn)劃線U0表示的第一曲線12Q 顯示出具有平行于兩個(gè)連續(xù)層81、 82; 82、 83; 83、 84之間的界面的 偏振方向的光的反射變化。圖3B中用虛線130表示的第二曲線顯示出具 有平行于與兩個(gè)連續(xù)的基本透明層81、 82; 82、 83; 83、 84之間的界
面垂直的平面的偏振方向的光的反射變化。圖^中用實(shí)線no表示的第
三曲線140顯示出在兩個(gè)連續(xù)基本透明層81、 82; 82、 83; 83、 84之間 的界面處基本非偏振的光的變化的平均值。如從圖3B可以看到的，具 有與兩個(gè)連續(xù)層81、 82; 82、 83; 83、 84之間的界面平行的偏振方向
更高的i射R。因此，利用將偏振方向平行于所述界;的光發(fā)射到i混 合腔室50中的光源，將使所述光更有效率地約束在光混合腔室50中， 導(dǎo)致有可能更進(jìn)一步地減少光混合腔室50厚度。這種對于偏振方向基
中的效果，不限于應(yīng)用于具有)度反射濾光器so的光混合i室二，而
是也可以用于不具有角度反射濾光器80的照明系統(tǒng)。例如，當(dāng)利用光學(xué)光導(dǎo)向裝置時(shí)，由于通過使用偏振光源，因而來自偏振光源100的、
偏振方向平行于例如光學(xué)光導(dǎo)向裝置的光出射窗的光相對有效率地約 束在光學(xué)光導(dǎo)向裝置內(nèi)部。此外，當(dāng)使用楔形光導(dǎo)向裝置時(shí)，即使不
應(yīng)用角度反射濾光器80，來自偏振光源100的光相比較于非偏振光而言 也將更有效率地約束在楔形光導(dǎo)向裝置內(nèi)部。如例如在圖1A、 1B、 4A 和4B中所公開的光混合腔室的實(shí)施例中，當(dāng)例如由透明蓋板(未顯示 )替換角度反射濾光器80作為光出射窗52時(shí)，對發(fā)射到光混合腔室50 中的、偏振方向基本平行于光出射窗52的光的約束導(dǎo)致偏振光約束^ 光混合腔室50內(nèi)部，而去除了對角度反射濾光器80用于約束的需要。 利用偏振方向基本上平行于光出射窗52的偏振光源100與沒有使用角 度反射濾光器80的非偏振光的使用相比較，導(dǎo)致了均勻性的改善。
圖4A顯示包含另外的光混合腔室95的照明系統(tǒng)30的橫截面示意圖 。在圖4A中所示的照明系統(tǒng)30的實(shí)施例中，所述另外的光混合腔室95 被設(shè)置平行于光混合腔室50。比如通過多個(gè)發(fā)射不同顏色光的光源62 在所述另外的光混合腔室95中發(fā)射光。比如不同顏色的光在所述另外 的光混合腔室95中混合，所述另外的光混合腔室95優(yōu)選包含鏡面反射 表面96、 97、 98,用于將光限制在所述另外的光混合腔室95內(nèi)。所述 另外的光混合腔室95包含另外的光輸出窗99，比如其設(shè)置在如圖"中 所示的所述另外的光混合腔室95的邊緣壁上。該另外的光輸出窗99被 耦合到光混合腔室50的光輸入窗90，其將在所述另外的光混合腔室95 中混合的光發(fā)射到光混合腔室50中。所述另外的光輸出窗"比如經(jīng)由 棱鏡92或經(jīng)由多個(gè)棱鏡92 (如圖4A中所示)耦合到光混合腔室50的光 輸入窗90。使用棱鏡92的好處在于，使用全內(nèi)反射對光進(jìn)行重定向， 導(dǎo)致基本無損耗地重定向光。可選地，反射鏡(未顯示)可以被用于 將從所述另外的光輸出窗99發(fā)出的光向光混合腔室50的光輸入窗90重 定向。光源60、 62還可以是如圖4A中所示的側(cè)面發(fā)光的LED 60?？蛇x 地，激光源(未顯示)或低壓氣體放電燈(未顯示)可用作光源60、 62。
圖4B顯示根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備40的橫截面示意圖。顯示設(shè)備40 包含如圖U中所示的照明系統(tǒng)10。照明系統(tǒng)1 O發(fā)射的光基本均勻分布 在光出射窗52上，并且被部分地準(zhǔn)直。如圖4B中所示的顯示設(shè)備"比 如可以包含亮度增強(qiáng)薄膜150，也表示為BEF 150。 BEF150使用結(jié)構(gòu)表面對光進(jìn)行準(zhǔn)直，并且將基本上僅僅透射以預(yù)定范圍內(nèi)的入射角i打在
BEF 150上的光，并將其余的光反射回到照明系統(tǒng)10中，供重復(fù)利用。 BEF 15 0可以被應(yīng)用以更進(jìn)一步地對由照明系統(tǒng)10朝著顯示設(shè)備40的圖 像生成層140發(fā)射的光進(jìn)行準(zhǔn)直。另外，顯示設(shè)備40比如包含雙重亮度 增強(qiáng)薄膜160，也表示為DBEF 160，其基本上僅僅透射具有預(yù)定偏振方 向的光，并將其余的光反射回照明系統(tǒng)10中以供重復(fù)利用。DBEF 160 比如被用作對于圖像生成層140的偏振器。圖像生成層140比如包含用 于在顯示設(shè)備40上生成圖像的一組濾色器170、液晶元件陣列180和分 析器190?？蛇x地，擴(kuò)散器可以用在照明系統(tǒng)10的角度反射濾光器和BEF 150之間。
應(yīng)當(dāng)注意，上述實(shí)施例只是圖示說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明 ，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)將能設(shè)計(jì)出許多 可選的實(shí)施例。
在權(quán)利要求中，括號內(nèi)的任何附圖標(biāo)記不被理解為對權(quán)利要求的 限制。動(dòng)詞"包含"及其詞形變化的使用不排除存在除了權(quán)利要求中所 記栽的元件或步驟之外的元件或步驟。在元件之翁的冠詞"一"或"一個(gè) "不排除存在多個(gè)這種元件。本發(fā)明可由包含若干不同元件的硬件來實(shí) 現(xiàn)。在列舉若干舉元的裝置權(quán)利要求中，這些舉元中的幾個(gè)單元可由 同一個(gè)硬件零件實(shí)現(xiàn)u只不過事實(shí)在于，某些手段記載在互相不同的
從屬權(quán)利要求中僅僅這一事實(shí)并不表明這些手段的組合不能用于獲得 優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.用于照明顯示設(shè)備(40)的照明系統(tǒng)(10、20、30)，照明系統(tǒng)(10、20、30)包含光混合腔室(50)，其包含光出射窗(52)、位于光出射窗(52)相對面的后壁(54)，以及在光出射窗(52)和后壁(54)之間延伸的邊緣壁(56、58)，后壁(54)的表面(55)是基本上鏡面反射的，用于鏡面反射打到后壁表面的并且相對于垂直于后壁的軸具有相對大的入射角的光，光源(60、62)，用于將光發(fā)射到光混合腔室(50)中，所述光以基本平行于光出射窗(52)的方向被發(fā)射到光混合腔室(50)中，多個(gè)光耦合輸出元件(70，72)，用于耦合輸出來自光混合腔室(50)的光，以及角度反射濾光器(80)，其設(shè)置在光出射窗(52)，該角度反射濾光器(80)由多個(gè)基本透明層(81、82、83、84)組成，每層(81、82、83、84)具有基本均勻的層厚度且具有折射率(n1、n2)，每組兩個(gè)相鄰層(81、82、83、84)具有不同的折射率(n1、n2)。
2. 如權(quán)利要求1所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中后壁(54 )的和每個(gè)邊緣壁(S6、 58)的表面(55、 57、 59)是鏡面反射的， 用于鏡面反射光混合腔室(50)內(nèi)的光
3. 如權(quán)利要求1所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中每個(gè)邊緣 壁(56、 58)的表面是漫反射的，用于漫反射光混合腔室(50)內(nèi)的 光。
4. 如權(quán)利要求1所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中被發(fā)射到 光混合腔室(50)中的光包含預(yù)定顏色(B)的光，并且兩個(gè)相鄰的基 本透明層(81,82,83,84 )的厚度和基本等于預(yù)定顏色(B)的光的波 長的一半。
5. 如權(quán)利要求1所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中透明層( 81、 82、 83、 84)的至少 一個(gè)是雙折射單軸層，該層具有基本平行于 光出射窗(52)設(shè)置的雙折射對稱軸。
6. 如權(quán)利要求1、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中被 發(fā)射到光混合腔室(50)中的光基本上是偏振光，該偏振光具有基本 平行于光出射窗(52)的偏振方向。
7. 如權(quán)利要求l、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中光 混合腔室(50)是光學(xué)光導(dǎo)向裝置。
8. 如權(quán)利要求7所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中光學(xué)光導(dǎo) 向裝置是楔形的。
9. 如權(quán)利要求1、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中光 源(60、 62)包含分布在光混合腔室(50)的后壁(54)上的多個(gè)側(cè) 面發(fā)射的發(fā)光二極管(60)。
10. 如權(quán)利要求l、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中 光混合腔室(50)的至少一個(gè)邊緣壁(56、 58)包含光輸入窗(90)，并且光源(60、 62)設(shè)置在邊緣光結(jié)構(gòu)中，其經(jīng)由光輸入窗(90) 將光發(fā)射到光混合腔室(50)中。
11. 如權(quán)利要求l、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中 光混合腔室(50)的至少一個(gè)邊緣壁(56、 58)包含光輸入窗(90)，并且照明系統(tǒng)(10、 20、 30)包含另外的光混合腔室(95)，該另 外的光混合腔室(95)經(jīng)由光輸入窗(90)將光發(fā)射到光混合腔室( 50)中。
12. 如權(quán)利要求K 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中 被發(fā)射到光混合腔室(50)中的光相對于基本上垂直于光出射窗(52 )的平面的角度分布(64)小于大約30度，并且優(yōu)選小于大約10度。
13. 如權(quán)利要求l、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中 所述多個(gè)光耦合輸出元件(70、 72)基本均勻地分布在后壁(54)上
14. 如權(quán)利要求1、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中 在光混合腔室(50)中的所述多個(gè)光耦合輸出元件(70、 72)的密度不同。
15. 如權(quán)利要求1、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中 所述多個(gè)光耦合輸出元件(70、 72)是鏡面反射元件(72)。
16. 如權(quán)利要求1、 2或3所要求的照明系統(tǒng)(10、 20、 30)，其中 所述多個(gè)光耦合輸出元件(70、 72)被設(shè)置在角度反射濾光器(80) 中。
17. 顯示設(shè)備(40)，其包含如前面權(quán)利要求中的任何一個(gè)所要求 的照明系統(tǒng)(10、 2 0、 30)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于照明顯示設(shè)備(40)的照明系統(tǒng)(10、20、30)并涉及顯示設(shè)備(40)。照明系統(tǒng)包含光混合腔室(50)，光混合腔室包含光出射窗(52)、位于光出射窗(52)對面的后壁(54)，以及在光出射窗(52)和后壁(54)之間延伸的邊緣壁(56、58)。后壁(54)的表面(55)基本上是鏡面反射的，用于鏡面反射打到后壁表面上的并且相對于垂直于后壁的軸具有相對大的入射角的光。照明系統(tǒng)更進(jìn)一步地包含光源(60、62)和多個(gè)光耦合輸出元件(70)。光源以基本平行于光出射窗的方向?qū)⒐獍l(fā)射到光混合腔室中。照明系統(tǒng)更進(jìn)一步地包含應(yīng)用在光出射窗處的角度反射濾光器(80)。該角度反射濾光器由多個(gè)基本透明層(81、82、83、84)組成，透明層的每一層具有基本均勻的厚度。角度反射濾光器的每組兩個(gè)相鄰層(81、82、83、84)具有不同的折射率。
文檔編號G02F1/13357GK101529323SQ200780039821
公開日2009年9月9日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月26日
發(fā)明者F·皮爾曼, G·森尼尼, M·C·J·M·維森伯格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司