具有直接固定的反射器的光导单元及其制作方法

专利名称：具有直接固定的反射器的光导单元及其制作方法
发明的背景发明的领域本发明总的涉及诸如用于照明显示设备的光导单元，更具体地说，本发明涉及一具有直接固定反射器的光导单元。
相关技术的描述背投设备，如液晶显示(LCD)设备，通常使用一板块型或楔型的光导单元。光导单元从一基本线性的光源，例如冷阴极荧光灯(CCFL)，分配光到一基本平面的输出上。光导单元的该平面光输出用来照亮LCD。
显示装置性能的量度是其亮度，显示装置的每个部件对其亮度的贡献，有的是正面的，有的是负面的。从主观上来说，总体亮度的略微增加或减小不易被显示装置的最终用户所觉察。然而，总体亮度即使最小的减小，包括小到只能被客观的仪器测量所感觉出来的减小，都令显示装置的设计师感到丧失信心。这是因为显示的亮度和显示所要求的电能是密切相关的。如果总体亮度能被增加而不增加要求的电能，则设计师实际上能配置较少的电能给显示装置，还仍然达到一可接受水平的亮度。对电池供电的便携式装置，这就转变成较长的供电时间。
众所周知，光导单元的目的是将来自光源的光分配到远大于光源的面积上去，更具体地说，大体上分配到光导单元的整个输入表面面积上。在板块型、楔型和准楔型的光导单元中，光线通过沿一边缘表面进入光导单元，并通过内部全反射(TIR)，在背表面和输入表面之间，从边缘表面向光导单元的相反端表面传播。在板块型和某种楔型的光导单元中，背表面包括例如光点图形、刻面等结构。一光线与这些结构中的一种结构相遇，则改换方向，即不是漫反射就是镜面反射，如此，导致离开输出表面。在其它的楔型光导单元中，光经受内部全反射的抑制而获得。由于楔形角，以及每次TIR的反射通过TIR限制在光导单元内的一光线增加了相对于顶壁和底壁平面的入射角，光最终以一掠射角折射出输出表面，因为它不再被TIR所包含。
有些光线也退出光导单元的背表面。光线还被显示系统的其它元件反射回光导单元，这些光线继续通过光导单元朝向和通过该背表面。为阻止离开或通过背表面的光线的丢失，已知有一种邻近背表面的反射器来将这些光线反回而进入和通过该光导单元。通过提供反射器，增加光导单元的亮度。
通过TIR的抑制，光线以大约65°-85°的退出角度离开楔型光导单元的背表面。尤其在80°-85°范围内，由于靠近临界角的菲涅耳反射表面的约束，射出光线的百分数较低。然而，一旦这些光线射出，当在背表面和平行布置的镜面反射器之间反射时，这些光线再度进入光导单元同样是困难的。结果是，光被阻挡在光导单元背表面和反射器之间。光线与反射器的每次相遇，发生衰减。其结果是光的衰减，要不然可用来贡献于显示的亮度。
发明概要在本发明的一个方面，一光导单元包括一输入边缘表面、一背表面和一输出表面。一反射器例如通过粘结直接固定在背表面，。
在本发明的另一个方面，一照明装置包括一有一整体的背反射器的光导单元。
在本发明的再一方面，一反射镜由一设置图案(patterned)的粘结剂层固定于一光导器的背表面。
在本发明又一个方面，一偏振镜通过一层粘结剂直接固定于光导单元上。
一种制作带直接固定反射镜的光导单元的方法也包含在本发明之内。
附图简要说明通过下面参照附图对本发明的几个最佳实施例的详细说明，将使本技术领域的技术人员领略本发明的诸多优点和特性，附图中同一标号在通篇说明书中指同一元件。其中

图1是一照明装置的示意图，按照本发明的一实施例，其包括一楔型光导单元和一直接固定于该光导单元的背反射器；图2是一照明装置的示意图，按照本发明的另一实施例，其包括一楔型光导单元和一直接固定于该光导单元的背反射器；图3是一照明装置的示意图，按照本发明的另一实施例，其包括一楔型光导单元和一直接固定于该光导单元的背反射器；图4是一照明装置的示意图，按照本发明的一实施例，其包括一准楔型光导单元和一直接固定于该光导单元的背反射器；
图5是一照明装置的示意图，按照本发明的一实施例，其包括一光导单元和一直接固定于该光导单元的背反射器；图6是适用于图5中的照明装置的粘结图形(adhesive pattern)的示意图；图7是适用于图5中的照明装置的另一粘结图形的示意图；图8是一照明装置的示意图，按照本发明的另一实施例，其包括一光导单元和一直接固定于该光导单元的背反射器；图9是一显示装置的示意图，按照本发明的一实施例，其包括一光导单元和一直接固定的偏振镜；而且图10是一显示装置的示意图，按照本发明的一另实施例，其包括一光导单元和一直接固定的偏振镜。
最佳实施例的详细描述本发明利用几个最佳实施例加以描述，特别是，利用适用于背投系统的光导单元，背投系统通常用于屏幕显示设备，例如膝上型轻便电脑显示器或桌面平屏显示器。然而，本发明不是局限于这样的应用中，本技术领域的技术人员懂得，它实际上可应用于任何光学系统，例如，应用于屏幕电视。因此，不应把本发明的广泛的范围局限于这里所述的实施例。
参照图1，一照明系统10包括一光源12、一光源反射器14和一光导单元16。该光源12可以是一CCFL，它提供光给光导单元16的输入边缘表面18。光源反射器14可以是反射膜，它包住光源12形成一腔室15。
光导单元16是包括一背表面20和一输出表面22的一光学透射的单片式楔。光导单元16还包括一相对于输入边缘表面18的端表面24。光导单元16包括一板块和一准楔的结构将受到赞赏。每个背表面20和输出表面22基本上是平的，背表面朝着输出表面交成楔角。光导单元16的这种结构保证了光线通过内部全反射从背表面20与输出表面22之间从输入边缘表面18朝向端表面24的传播，并保证了通过内部全反射的抑制而输出光。
直接固定于背表面20的是一高效率的镜面反射器26。好的反射器是85％反射，较佳的是95％反射，最佳的是大于97％反射，即，吸收衰减小于3％。还有一点，作为全范围入射角的反射器，反射器26应保持充分的平面镜。在一最佳实施例中，反射器26是一镜膜，采用直接固定法，例如用粘结剂层迭到背表面20上。在这方面，可采用3M高反射可视镜产品，其由明尼苏达州圣·保罗的3M公司销售，该产品是由多个聚合物层组成。或者，反射器26可以是多层聚合物材料真空淀积而成的膜。这种膜要求有多层，其中，设置特殊层来反射特殊波长的光。
反射器26层迭到背表面20上可通过采用UV固化、压力敏感的或其它适宜的粘结剂的粘结方法来完成。或者，可采用淀积工艺，例如金属淀积工艺，或其它敷设反射表面的方法，在背表面20上形成反射器26。直接固定反射器26于背表面20方法，提供了一种有效的镜面反射器，其仍旧维持TIR容纳被导的光线。此外，直接固定反射器减少了或消除了由于背表面20和反射器26的反射表面之间光阻挡而发生的衰减。反射器26在光循环中光重新进入光导单元以及亮度增强系统中进一步起到了低衰减镜面反射器的作用。
反射器26粘结到光导单元16上可采用均匀分布轻微扩散的粘结剂。在楔型光导单元中，扩散的粘结剂当作TIR阻挡层。扩散的粘结剂还可在非单一通路系统中用来非常轻微地疏散再循环光。
直接固定背反射器于光导单元上的结果是，这种构造对光从光导单元的输出平面输出极其有效。缺点是在先前设计中非觉察的或仅中等觉察的非均匀性是显著的。参照图2，按照本发明的另一实施例的照明装置30包括一有漫射体34形成于输出表面36上用来遮掩或掩盖非均匀性。
通过在光导单元32的本体内夹杂漫射微粒的方法，漫射体34可与光导单元32一体形成，或者例如用粘结剂粘结的方法，将漫射体膜直接固定到光导单元32的输出表面36上。更可取的是，漫射体可直接在输出表面36上形成。在这一点上，漫射体34是形成于输出表面上的均匀漫射体。更可取的是，漫射体34包含程序的光学结构，这种结构的构造描述见于题为“具有程序的光学结构的光学元件”、、与此同日提交申请的(代理人登记号No.28724/35321)普通转让的美国专利申请，该申请的揭示内容在本文中已被引用以作参考。在这方面，参照图3，漫射体34’可包括具有变化特性的同相光学结构，例如从边缘表面18到端表面24逐渐变细到零，以在输出表面36的不同位置可选择地提供不同量的光能。尽管添加了漫射体34或34’时，与无漫射体的照明装置10相比，结果降低了照明装置30的轴上亮度，但与先前技术的照明装置设计相比，亮度仍有提高，且非均匀性有显著降低。在另一构造中，漫射体34’可与失相(out-of-phase)光学结构一起形成，这种光学结构具有变化的特性，在输出表面36的不同位置上有选择地提供不同量的光能。
如前面提及的美国专利申请“具有程序的光学结构的光学元件”所述，实际上，任何工具构造可用来创建组成漫射体34的程序的光学结构。一种有平末端的工具可提高照明装置30的轴上亮度。
如上所述，反射器可用粘结剂通过层迭法固定到光导单元上。必须注意防止污染物被引入介于光导单元和反射器之间的交界面。在这方面，粘结剂可施加到光导单元上，将无粘结剂的膜相对于放到光导单元小心地放到位。
现参照图4，光导单元40包括一输入边缘表面42、一相对的端表面44、一输出表面46和一背表面48。直接固定于背表面48的是一反射器50。光导单元40显示为一板块，背表面48与多个光学结构52组合在一起。这种结构这里称作准楔构造。光导单元40可采用浇注来包含这种光学结构52，或在背表面48上采用合适的微复制技术来形成该光学结构52。光学结构52的目的是更均匀地从光导单元40中取出光来。
反射器50最好是直接固定在背表面48上。在这方面，粘结剂的薄层可施加在结构52之间的背表面48的平表面54上，也可施加在反射器50上。粘结剂的薄层最好不填充在光学结构52上。如图3进一步所示，光导单元40的输出表面46可与结构52一起组成，该结构52可为均匀的或程序的。
现转到图5来，照明装置60包括一光源62和一光源反射器64，两者在光源62周围形成一腔室。光源可以是CCFL。设置光源62来向光导单元68的输入边缘表面66提供光。光导单元68表现为一板块；然而，受到好评的光导单元68应是楔型和准楔型。光导单元68包括一背表面70、一输出表面72和一与输入边缘表面66相对的端表面74。
照明装置60还包括一漫射体反射器76。例如通过图形转移在反射器76上形成一种粘结剂78图形，粘结剂78用来直接固定反射器76到光导单元68的背表面70上。粘结剂78的图形布置有间隔和密度，应选择能有效地和均匀地从光导单元68中抽取光的间隔和密度。从光源62发出的光线79碰到粘结剂78，则漫反射并从光导单元68中抽出。
尽管粘结剂78的图形在说明书中描述为形成在反射器76上，但较为推崇的粘结剂78图形可形成在光导单元68上。这种布置简便反射器76的操作，这里反射器76较佳地采用漫反射膜。
粘结剂可如图6所示的诸点75的图案，这些点以适当的密度和间隔分布以保证光从光导单元68中均匀地送出。在光导单元68间使用漫射体的地方，或光导单元68包含漫射体的地方(例如，漫射体形成于输出表面72上)，点的直径可至1mm。点也可做得足够小，例如小于100微米，这样对漫射体来说没有必要去遮蔽它们。或者，图形也可如图7所示的多个间隔的段77。假使选择的图形，其覆盖的面积百分率仍保持原样，当然也可采用包括其它形状的图形。
如图8所示的照明装置60’在结构上与图5中的照明装置60相似，其中相同的标号用来代表相同的元件。在照明装置60’中，通过粘结剂73的连续层，反射器76直接固定在光导单元74上。漫射图形71保证了光从光导单元74中的抽出，而粘结剂73的连续层消除了反射器76和光导单元74之间的气隙。漫射图形71也可换种方式形成在光导单元74上，且反射器76通过粘结剂73的连续层直接加以固定，本技术领域的技术人员将肯定这种做法。还应得到肯定的做法是利用粘结剂、漆、墨水或类似材料来形成漫射图形71。
本发明的各实施例的进一步优点在于除去了用于背反射器的支承框架。现存的设计利用一框架件来支承反射器。通过直接将反射器固定于光导单元上，就不再需要支承框架，其结果，减少了显示系统的部件，减轻了显示装置的总重量。
现参照图9，一显示装置80包括一照明装置82和一液晶显示器(LCD)84。照明装置82包括一光源86和一光导单元88。光导单元88包括一输入边缘表面90、一背表面92、一输出表面94和一端表面96。设有一反射器98，可直接固定到背表面92上，尽管这种结构并不一定需要。LCD包括一底表面板100和一顶表面板102，两者共同容纳一液晶层104。
一偏振镜106直接固定在输出表面94上。偏振镜可以是如普通转让的美国专利5828488和5783120中所述的反射式偏振镜，专利的揭示内容已特地引入了本文以作参考。该偏振镜106也可以是一胆甾醇偏振镜或其它类型的偏振镜。
偏振镜106最好通过一粘结剂层108直接固定在输出表面94上。粘结剂可为透射的，其透射率与光导单元88透射率相同或十分接近。粘结剂也可是漫射的。对漫射的粘结剂，可在粘结剂树脂中放入绝缘的小粒子。选择绝缘粒子的折射率应与树脂的相差很小，而且可以是聚合型偏振或扩散型偏振，主要取决于偏振镜的类型。粘结剂的漫射性质有利地保证遮掩了照明装置80的输出的不均匀性。
在某些有要求的场合，也可能通过在反射式偏振镜106的输出表面112内形成一光学结构，遮掩照明装置80的输出的不均匀性。光学结构可在整个输出表面112上提供一均匀的漫射量。或者，可按前面提及的题为“具有程序的光学结构的光学元件”的美国专利申请中所述的来形成光学结构。如此，光学结构将在输出表面112上提供可变的光能量。
偏振镜106要求对齐，这样，其透射特性和LCD84的透射特性相一致。尽管某些器具要求照明系统是保持型偏振，但在照明系统82中也有要求提供某种扩散型偏振。这可如上所述通过使用扩散型偏振漫射粘结剂，将偏振镜106直接固定在输出表面94上得以实现。在如图10所示的显示器80’中，其与图9中所示的显示器80相似，相同的标号用来代表相同的元件，偏振阻滞剂114，如双折射膜阻滞剂，设置在背表面92和反射器98之间。比如通过层迭法，偏振阻滞剂114可直接固在背表面92上，而反射器98可比如通过层迭法直接固定在偏振阻滞剂114上，尽管不一定要求这样的结构。事实上，偏振阻滞剂114可设置在偏振镜106和光导单元88的输出表面94之间，这种做法是得到肯定的。
本发明利用几个最佳实施例加以描述。根据前面的描述，对本发明的修改和变化的实施例，显然对本技术领域的技术人员是清楚的。这种描述只是示范性的解释，其目的只是教会本技术领域的技术人员以最佳的方式来实现本发明。在不脱离本发明的精神的前提下，本结构和方法的细节可作相当的变化，仍保留使用所有落入所附权利要求范围内的修改。
权利要求
1.一光导单元包括一光学透射单片，该光学透射单片具有一输入边缘、一背表面和一输出表面；以及一直接固定在背表面的反射器。
2.按权利要求1所述的光导单元，其特征在于，反射器层迭在背表面上。
3.按权利要求1所述的光导单元，其特征在于，反射器包括一基本上不吸收的镜面反射膜。
4.按权利要求1所述的光导单元，其特征在于，还包括一形成在输出表面上的漫射体。
5.按权利要求4所述的光导单元，其特征在于，漫射体包括多个程序的光学结构，其在输出表面的预选的漫射区域提供预选的光能漫射量。
6.按权利要求1所述的光导单元，其特征在于，单片包括分布在单片体积内的漫射粒子。
7.按权利要求1所述的光导单元，其特征在于，单片包括板块型、楔型和准楔型中的一种。
8.按权利要求1所述的光导单元，其特征在于，反射器通过设置图形的粘结剂层固定在单片上，其中，设置图形的粘结剂层用来从光导单元中抽取光。
9.按权利要求8所述的光导单元，其特征在于，设置图形的粘结剂层包括一点状图形。
10.按权利要求8所述的光导单元，其特征在于，粘结剂是漫射的。
11.一照明装置包括一光源，该光源包括一在光源周围形成一光源腔室的一光源反射器；一光学透射单片，该光学透射单片具有一输入边缘、一背表面和一输出表面，其中，设置光源对输入边缘提供光；以及一与背表面一体形成的反射器。
12.按权利要求11所述的照明装置，其特征在于，反射器层迭在背表面上。
13.按权利要求11所述的照明装置，其特征在于，反射器包括一基本上不吸收的镜面反射膜。
14.按权利要求11所述的照明装置，其特征在于，还包括一形成于输出表面上的漫射体。
15.按权利要求14所述的照明装置，其特征在于，漫射体包括多个程序的光学结构，其在输出表面预选的漫射区域，提供预选的光能漫射量。
16.按权利要求11所述的照明装置，其特征在于，单片包括分布在单片体积内的漫射粒子。
17.按权利要求11所述的照明装置，其特征在于，单片包括板块型、楔型和准楔型中的一种。
18.按权利要求11所述的照明装置，其特征在于，反射器通过设置图形的粘结剂层加以固定。
19.按权利要求18所述的照明装置，其特征在于，设置图形的粘结剂层包括点状图形。
20.按权利要求18所述的照明装置，其特征在于，粘结剂包括一种漫射的粘结剂。
21.按权利要求11所述的照明装置，其特征在于，还包括一直接固定在输出表面上的偏振镜。
22.按权利要求21所述的照明装置，其特征在于，偏振镜通过粘结剂的连续层加以固定。
23.按权利要求22所述的照明装置，其特征在于，还包括设置在偏振镜和反射器之间的偏振阻滞剂。
24.制作一光导单元的方法包括提供一具有一输入边缘、一背表面和一输出表面的光学透射单片；提供一反射器，该反射器做成基本上覆盖整个背表面；以及将反射器固定到背表面上。
25.按权利要求24所述的方法，其特征在于，固定步骤包括将反射器粘结到背表面上。
26.按权利要求24所述的方法，其特征在于，提供反射器和固定反射器的步骤包括在背表面上形成反射器。
27.按权利要求24所述的方法，其特征在于，反射器包括一基本上不吸收的镜面反射膜。
28.一光导单元包括一具有输入边缘、一背表面和一输出表面的光学透射的单片；以及一直接固定在输出表面上的偏振镜。
29.按权利要求28所述的光导单元，其特征在于，还包括一直接固定在背表面上的反射器。
30.按权利要求28所述的光导单元，其特征在于，偏振镜包括一反射式偏振镜。
31.按权利要求28所述的光导单元，其特征在于，偏振镜通过设置图形的粘结剂层直接加以固定。
32.按权利要求31所述的光导单元，其特征在于，偏振镜通过粘结剂的连续层直接加以固定。
33.按权利要求28所述的光导单元，其特征在于，还包括一形成在偏振镜输出表面上的漫射体。
全文摘要
一光导单元(14,32)包括一输入边缘表面(18)、一背表面(20)和一输出表面(22)。一反射器(26),例如通过粘结剂粘结法,直接固定在背表面(20)上。
文档编号G02B6/00GK1377452SQ00813763
公开日2002年10月30日 申请日期2000年9月19日 优先权日1999年10月8日
发明者D·L·沃特曼, S·科布, K·A·爱泼斯坦, W·D·科雷特曼, M·E·加德纳 申请人:3M创新有限公司