偏振光发射波导、照明装置及其显示装置的制作方法

专利名称：偏振光发射波导、照明装置及其显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有出射表面和入射侧面的偏振光发射波导，具体涉及一种用于前光照明装置中的偏振光发射波导。
本发明还涉及一种包含偏振光发射波导的照明装置，和包括这种照明装置的显示装置。
US5,729,311中披露了一种开头段落中提及的波导。此处所披露的光波导是用于显示装置的侧面发光背光照明系统的一部分。其具有凹槽，凹槽中填充有光学性质与光波导和凹槽中所包含材料相交处的光波导不同的材料，形成一种凹凸结构界面，由于其每一侧上存在光学性质不同的材料，适用于将入射在其上的任何光改变到出射表面的方向。此外，至少这样选择光波导或凹槽处的材料，使得由于光学各向异性，非偏振波导光入射在界面上时，在界面处偏振选择性光束反射和折射。可采用液晶材料作为光学各向异性材料。
对于制造商，US5,729,311建议提供具有凹槽，并且用液晶材料填充该凹槽的波导，然后将液晶材料取向产生光学各向异性，然后固化该材料形成液晶层。本发明的发明者观察到凹槽的存在使凹槽中存在的液晶材料难以产生所需取向和在固化过程中保持取向。在实现所需偏振选择性时取向非常关键。取向缺陷导致不令人满意的偏振分离，以及其他不期望的光学效应，如寄生散射。WO 99/22268披露了一种类似的波导，因而具有类似的缺点。
在所有方面之中，本发明的一个目的在于克服这些缺点，并提供一种可通过简单方式可靠制造的偏振光发射波导。该波导可应用于背光照明装置，但特别适用于前光装置。该波导为高效率和/或亮度偏振光的光源。
通过偏振光发射波导实现这些和其他目的，该偏振光发射波导包括-入射侧面，在使用时靠近入射侧面设置的光源发出的光通过入射侧面进入波导；-波导层，用于引导通过入射面进入的光；-出射面，在使用时偏振光通过出射面射出波导；-靠近波导层，优选与出射面相对设置的偏振选择层；
-形成在波导层与偏振选择层界面处的平面偏振选择分束界面；以及-处于偏振选择层一侧并与偏振选择分束界面空间间隔的凹凸结构表面，凹凸结构表面用于将经分束界面偏振的光改变方向，并入射在凹凸结构表面上，通过出射表面射出波导。
根据本发明的偏振光发射波导具有与US5,729,311的已知波导不同的凹凸结构表面，不过其特征在于凹凸结构表面与偏振选择分束界面空间分离。通过在波导中其他处包含凹凸结构，可选择偏振选择分束界面选择为平面，从而可解决现有技术波导中凹槽引起的对准问题。毕竟，平面基板上不具有取向液晶材料缺陷，是液晶(LC)显示器制造过程中常规的成熟技术。因此，可得到能以更加可靠和简单方式制造的偏振光发射波导。制造性能的改进不会损害波导的光学性质，从而根据本发明的波导是一种极其高效和/或明亮的偏振光光源。根据本发明的波导，可以完全由透明材料制造，其不仅适用于侧面发光背光装置，而且也适用于侧面发光前光装置。
在使用过程中，靠近入射侧面设置的光源发出的光，通过入射侧面进入波导层。所进入的光通过全内反射(TIR)沿波导传导，由此入射在偏振选择分束界面上。偏振选择分束界面用于将第一偏振光全内反射，并透过第二偏振光，从而将入射光束分成两个互补偏振态分离光束。因而选择地导入偏振分离层的第二偏振光朝向凹凸结构表面传播，入射在凹凸结构表面上，然后被改变方向，通过出射表面射出波导。光改变方向角度是这样的，使方向改变的光不会被波导层捕获，从而方向改变的光通过出射面射出。特别是，凹凸结构表面可以与偏振选择层处于相同侧甚至于与偏振选择层相同，不过优选凹凸结构表面处于与出射表面相对的偏振选择层的一侧上。被全内反射的第一偏振光进一步沿着波导引导，用于再利用。再利用的目的在于，通过将第一偏振光转换成非偏振光(消偏振)或者第二偏振光，然后将所转换的光发送到分束界面，从而增大偏振光发射波导的效率。实现这种再利用的方法在现有技术中是已知的。
偏振选择分束界面可用于将波导光的入射束分成分离的线偏振光束，从而获得发射线偏振光的偏振光发射波导。可参见例如US5,845,035和5,808,709以及WO01/53745了解到这种界面。或者，偏振光发射波导可发射圆偏振光。为了实现圆偏振光发射，波导的特征还在于偏振选择层用于透射选定波长范围内具有第一旋向的圆偏振光，并反射旋向与第一旋向互补的圆偏振光，或者可选择地可用凹凸结构偏振选择分束界面取代凹凸结构表面和平面偏振选择分束界面。
这种偏振选择层在现有技术中是已知的，参见例如EP606,940，不过这种已知偏振选择层特别适合于反射与波导角垂直或近似垂直的可见光。在现有技术中，这种偏振选择层称作(宽带)胆甾或手性向列或反射偏振片。在圆偏振光发射波导的一特定实施例中，将分离的凹凸结构表面和平面偏振选择分束界面集成，形成凹凸结构偏振选择分束界面。
为了获得偏振选择分束界面，由光学各向异性材料形成波导层和/或偏振选择层。如果波导和偏振选择层都选择为光学各向异性的，则可获得最大的自由度，例如可独立地改变四个折射率，使波导的性能最优。不过，从制造和成本观点看，优选减少光学各向异性层的数量。此外，由于波导传播是在波导层中进行的，光必然传播较大距离，优选将光学各向同性波导层与光学各向异性偏振选择层组合。
光学各向异性偏振选择层可以为无机双折射层，如同样已知的无机层，或者也已知的光学各向异性有机层，特别是拉伸聚合物层。最好，偏振选择层为液晶聚合物层。
凹凸结构表面适于利用反射改变光的方向，可通过例如微沟槽表面或者利用衍射实现这种用途，可通过例如光栅实现这种用途。
优选凹凸结构表面是波导的自由边界，这表明凹凸结构表面是空气/波导界面。如果表面处存在折射率差，则光的重定向最为有效，使用空气获得低折射率一侧。
为了使构成波导的层数最少，凹凸结构优选设置在偏振选择层的主表面上。与现有技术波导的液晶层中的取向缺陷关系不大，根据本发明，在凹凸结构界面处不发生偏振选择。不过，由于其他原因，如改善液晶材料在偏振选择分束界面处的取向，和/或无需在分束界面处涂覆取向层，和/或预先形成凹凸结构界面的能力，和/或在光学各向同性层中形成凹凸结构，优选包括具有包含凹凸结构的主表面的分离的耦出层，耦出层设置在偏振选择层远离出射面的一侧上。
参见例如US5,608,550可以了解到具有凹凸结构表面用于改变光方向的波导。
在优选实施例中，本发明涉及一种侧面发光照明装置，包括根据本发明的波导，和靠近波导入射侧面设置的光源。
在另一优选的实施例中，侧面发光照明装置是显示装置的一部分。特别是，本发明涉及一种前发光显示装置，包括根据所施加电压调制偏振光的显示板，和包含本发明波导的侧面发光前光装置，用于将偏振光提供给显示板。
按照仅包含与传统方法步骤的方法制造根据本发明的波导。可通过压花或复制成型，具体通过在模型中将可聚合液晶材料聚合，制造凹凸结构。如果凹凸结构作为单独耦出层的一部分，则按常规使用喷射模塑或铸造而形成。
在下面给出的附图和实施例中将更详细地说明这些和其他方面。
附图中

图1在剖面图中示意地表示根据本发明的偏振光发射波导的一个实施例；图2示意地表示以临界角度θc入射的光线的全内反射；图3在剖面图中示意地表示根据本发明的偏振光发射波导的另一实施例；图4在剖面图中示意地表示根据本发明包括侧面发光前光照明装置的显示装置；图5示意地表示具有本发明侧面发光背光装置的透射型显示装置；图6在剖面图中示意地表示包括本发明偏振光发射波导的显示装置的另一实施例；图7在剖面图中示意地表示包括本发明偏振光发射波导的显示装置的又一实施例。
图1在剖面图中示意地表示根据本发明的偏振光发射波导的一个实施例。
波导1具有靠近其设置的光源2，该组合构成根据本发明的侧面发光照明装置。
光源2可以为任何类型，例如冷阴极荧光灯(CCFL)或者发光二极管，或者这种二极管或灯的阵列。光源可以发射彩色光或白光，使用每组由红、绿和蓝灯组成的三个一组的灯发射白光，可选择地按时序方式操作。
光源2优选为使用点光源与光导管结合实现的线形形状。虽然在本实施例中光源沿单侧面延伸，不过并非必须如此；光源也可以设置在另一侧表面旁边。光源2通常发射非偏振光，通常与反射器结合，用于将光源2发出的光从波导朝向波导传播。
波导1具有入射侧面5，在使用时靠近入射侧面5设置的光源2发出的光通过入射侧面进入波导1。如图1中所示，入射侧面是波导层3的主要部分(integral part)，不过并非必须如此。入射侧面可以作为分离元件的一部分，和/或尽管在将非偏振光导入凹凸结构表面方面不是优选的，不过偏振选择层11的相应侧面也可以用作附加的入射侧面。入射侧面5可以与波导层3的主表面成直角，或者可以倾斜，以便增大可用于从光源2接收光的面积。此外，如本领域中已知，可以与光学元件(未示出)如准直器或透镜结合，可使耦入的光例如在耦合入的光量和耦合入的光的角度范围方面最佳。
波导层3将通过入射侧面5进入波导1的光，通过全内反射(TIR)沿着波导1引导。TIR处于两个表面之间，并且根据本发明，这些表面其中之一必须为偏振选择分束界面，在波导1的当前实施例中其由表面9构成。在本实施例中，TIR中涉及的第二表面由出射面7构成，不过并非必须如此，为了这个目的也可以使用其他表面。
参照图2，如本领域中众所周知，如果在折射率为n1的第一介质中传播的光，以大于临界角θc的入射角入射在第一介质与折射率为n2的第二介质形成的界面上，其中n1/n2＞1.0，则实现TIR。利用斯涅尔定律，sinθc＝n2/n1sin 90°＝n2/n1。测量相对于入射点处界面法线的临界角。
根据本发明，偏振选择分束界面9用于将第一偏振光全内反射，并透过第二偏振光。在本实施例中，并非必须如此，第一偏振光是s-偏振光(图1中用粗黑点表示)，透射光为p-偏振光(图1中用双头箭头表示)。或者，在另一实施例中，可透过s-偏振光，反射p-偏振光。代替对线偏振光有选择性，偏振选择分束界面9也用于有选择地将圆偏振光束偏振分裂。
为了在线偏振成分中实现所需的偏振选择性，波导层和/或偏振选择层是光学各向异性的。具体来说，如果np1/nw1＜1.0和np2/nw2＞1.0，其中np1和np2分别为偏振选择层11对第一和第二偏振的波导光的折射率，则nw1和nw2分别为波导层3对第一和第二偏振波导光的折射率。更具体而言，为了使导入波导的所有具有第一偏振的光在界面9处实现TIR，光源2和波导1相互配合，使通过入射侧5耦入的所有光都以角度θ入射在界面9上，其中角度θ满足sinθ＞＝sinθc＝np1/nw1。此外，为了避免任何一种偏振态的光在表面7处损失，光仅以满足sinθ＞＝sinθc＝max(ne1/nw1，ne2/nw2)的角度θ入射，其中ne1，ne2分别为第一和第二偏振态的光在波导层3的表面7附近介质中的折射率。如果如本实施例中，靠近表面7的介质为空气，则sinθ＞＝sinθc＝max(1.0/nw1，1.0/nw2)。
使偏振选择层11或波导层3其中任何一个为光学各向异性，另一个为光学各向同性，足以获得偏振选择分束界面。优选地，选择波导层3为光学各向同性，在此情形中上述实现TIR的条件集合简化为np1/nw＜1.0和np2/nw＞1.0，且sinθ＞＝sinθc＝np1/nw，或者同样地简化为np1＜nw＝＜np2，sinθ＞＝sinθc＝np1/nw且sinθ＞＝sinθc＝1.0/nw，这又可以简化为np1/nw＝＜sinθ＜1.0＝＜np2/nw。为了使将要透过界面9的光，即第二偏振光，从分束界面9反射的量最少，第二偏振光在波导层3和偏振选择层11中的折射率优选彼此相等，即np2/nw等于大约1.0或np2/nw＜0.99。
可使用光学各向同性材料形成波导层3或偏振选择层11其中任何一个，不过优选形成波导层3。可适当使用任何在波导1工作区域中透明的无机材料，如玻璃或陶瓷或基于石英的聚合物或者水解浓缩硅烷化合物(hydrolytically condensed silane compound)。也可以使用有机材料如聚合物材料作为光学各向同性材料。实际上，难以得到理想的光学各向同性材料，在某种程度上总存在产生局部光学各向异性的光学缺陷。在本发明范围内，如果折射率在尺寸和/或方向上存在基本上在任何长度刻度上随机改变的波动(如果存在任何波动的话)，则认为该材料是光学各向同性的。这些的例子是本领域技术人员众所周知的，在聚合物的情况下，包括聚碳酸酯，聚(甲基)丙烯酸酯(poly(meth)acrylate)，聚苯乙烯，环烯聚合物(cyclic olephinepolymer)，聚酯砜(polyestersulphone)，聚硫醇(polythiolene)，聚硅氧烷(polysiloxane)，聚酰亚胺，聚酰胺，聚亚安酯等。聚合物可以为热塑性或热固性聚合物，交联聚合物或直链聚合物，如侧链聚合物，其可以是或者不是轻微交联的。使用聚合物材料，特别是光学各向同性聚合物材料，具有易于成型从而包含其他功能的优点，如用于将波导组装到显示器中的连接装置和将光源2固定到波导1的装置，从而实现集成化。可通过传统方法如喷射模塑(injection molding)、模内复制(in-mold replication)等进行成型。聚合物材料特别适于形成柔性、可弯曲、可折叠或者甚至为可缠绕(wrappable)的波导。
可以通过对于特定光学各向同性材料常规的任何方法，将光学各向同性材料加工成包括波导层3或偏振选择层11的成型物体。在聚合物的情况下，根据特定的聚合物，通过喷射注模，挤压，铸件模内复制涂覆和固化方法等，执行材料成型。
可使用光学各向异性材料形成波导层3和/或偏振选择层11，不过优选仅偏振选择层11由这种材料形成。
可通过光学折射率椭球，二秩张量(second rank tensor)定义光学各向异性的特征，当用对角形式3×3矩阵表示时，在对角线上具有折射率nx，ny和nz，表示三个正交空间方向的折射率。如果在所希望的长度上折射率差异(大小和/或方向)较大，比如至少0.03，并且是非随机的，则认为该材料是光学各向异性的。对于本发明，在垂直于波导主方向的方向上的折射率比如说为ny和nz，值(如果是波导)是不同的，波导中的折射率nx彼此相等，则就足够了。因此，双折射材料，即特征在于两个不同折射率，特别是在一个方向为非寻常光折射率ne，在垂直于该方向的方向为寻常光折射率no的材料适用于本发明波导中的光学各向异性材料，在此情形中ny＝nz＝no且nx＝ne。
光学各向异性材料可以为无机物如无机双折射晶体，或者有机物如液晶材料。为了获得大表面面积层，优选聚合物光学各向异性材料。光学各向异性聚合物材料可以为拉伸聚合物材料，通过拉伸得到单轴或双轴或双折射取向，或者液晶聚合物材料。
可通过拉伸获得光学各向异性材料的聚合物的例子，如双折射材料，具体包括聚乙烯邻苯二甲酸酯(polyethylenenaphthalate)和聚乙烯对苯二酸酯(polyethyleneterephthalate)。在US5,825,543(特别是第12栏第50行至第14栏第67行)中描述了拉伸聚合物和这种拉伸聚合物制造方法以及其各层制造方法的其他例子。
正如本领域中众所周知的，可通过将单体聚合形成液晶聚合物，然后将液晶聚合物取向，赋予液晶聚合物光学各向异性，从而形成光学各向异性液晶聚合物，这可以通过将聚合物加热到玻璃化转变温度之上，并通过传统取向方法如取向层、电场或磁场将所得到的熔液取向而实现。或者，可通过流致取向方法将聚合物取向。聚合物形成之后的取向特别适用于热塑性LC聚合物。这种聚合物为典型的直链聚合物，其中在聚合物的主链或侧链中包含导致各向异性取向的LC内消旋配合基(mesogens)。
在光学各向异性LC聚合物的另一实施例中，本领域中已知的如原位(in-situ)光聚合LC聚合物，使用常规取向方法将可聚合LC单体成分取向，然后在保持所产生取向的同时将经过取向的成分聚合。该方法可以用于直链LC聚合物，不过特别适用于热固性交链聚合物。如本领域公知的，适宜的LC单体包括LC(甲基)丙烯酸酯，单-和二-(甲基)丙烯酸酯，特别是硫醇-烯，环氧化物，乙烯-醚，杂氧环乙烷和肉桂酸。
LC聚合物可具有任何适于实现偏振分束界面的取向，特别是可使用向列或盘形取向获得双折射材料。如果需要圆偏振光，则可使用手性向列或胆甾材料。已知可例如通过将手性化合物加入双折射向列材料中而获得这种材料。
波导层3可由光学各向异性材料制成，不过优选由各向同性材料制成。对于显示应用来说，波导层通常是平板型的，按照显示板的尺寸选择表面面积。结合光源2的孔径角选择波导层3的厚度，使通过入射侧面耦入的光量最大。一般，厚度为大约0.1mm到大约5mm，优选为0.5mm到大约2mm。通常，波导层3是自支撑的，并且可用作设置偏振选择层11的基板。如图1中所示其主表面可以设置成平行的，不过并非必须如此。也可以为楔形或者具有阶梯形主表面，以便控制耦合出的光的空间分布。
偏振选择层11优选由光学各向异性材料制成。偏振选择层11的厚度无关紧要。波导层提供波导和光耦入功能，厚度可以相当小，如小到0.1μm。厚度也可以为0.50μm或1.0μm或者更大。如果偏振选择层11由拉伸聚合物制成，则厚度优选为至少50μm，避免制造或者层压过程中层11破裂。如果需要也可以将原位聚合LC聚合物制成更薄的层，如小至0.1μm。
偏振选择层11具有与波导层3的平坦主表面接触的平坦主表面，形成平坦的偏振选择分束界面9。通过使平坦的偏振选择分束界面与具有凹凸结构的偏振选择分束界面相对，可避免与凹凸结构偏振选择分束界面有关的光学各向异性材料的取向问题。偏振选择分束界面9用于将第一偏振态的波导光全内反射，并透过第二偏振态的波导光。以可以偏振选择的波导光角度范围形式测量的偏振选择分束界面9的效率，为经受全内反射的光的折射率差的函数。具体来说，差别越高，则临界角θc越小。通常，折射率差nw1-np1至少为0.05，优选至少为0.1。由于差别为0.2的材料的选择受到限制，优选差别小于0.2。另一方面，为了减小所不期望的反射，透射光的折射率nw2-np2优选小于0.1或最好小于0.05。
可选择地，波导层3和/或偏振选择层11可包括主表面参与形成偏振选择分束界面9的其他层。例如，在波导层3上原位聚合LC聚合物制成的偏振选择层的情况下，波导层3可包括取向层以获得和保持待聚合的LC单体的所需取向。另一个例子是，为了获得光学质量和/或良好粘接的接触表面，必须使用光学粘接剂。
波导1还包括凹凸结构表面13。表面13用于使通过分束界面9而偏振的光(在本实施例中为p-偏振光)改变方向到出射表面7的方向。表面13处于偏振选择层一侧，并且与分束界面9空间分离。
凹凸结构23可以为这样一种表面，其采用适当的衍射装置如光栅或凹凸结构全息图，利用衍射，将通过偏振选择分束界面9而导入在偏振选择层11中的偏振光改变到出射表面7的方向。光栅可以为格栅或全息光栅。包含这种衍射元件的波导本身在本领域中是已知的。
图1所示的实施例中，凹凸结构表面23包含彼此平行延伸的凹槽或微凹槽和入射侧面5，其利用反射改变通过偏振选择分束界面9而容纳在偏振选择层11中的偏振光的方向。包含这种微凹槽表面的波导是已知的，并且详细内容参考例如US5,608,550。一般，微凹槽为三角形的，并且深度小于100μm。优选深度为5至50μm，或者更优选8至15μm。角度α一般在10°与60°之间改变，优选为15°至50°。最佳角度为大约45°。凹槽的间距，即凹槽之间的相互(中心到中心)距离为10μm至1mm，优选50μm至500μm，或者更好为100μm至400μm。为了补偿从入射侧面到相对端面行进时的光损失，从而在出射面7上获得更均匀的光耦合输出，可使凹槽的间距不均匀，例如从入射侧面5到波导层3的相对端面间距减小。
在波导1的该实施例中，凹凸结构表面23为自由面，表明靠近其一侧处存在空气。尽管并非必须具有这种自由面，不过其有利于使折射率差最大，因为空气的折射率基本等于最小值1.0。折射率越大，则凹凸结构表面13将光改变到出射面7的方向的效率越大。
在波导1中，凹凸结构表面13包含在偏振选择层11的主表面中。不过本发明广义而言并非如此，其有利于仅使用两个不同层实现偏振光发射，产生特别紧凑和重量轻的偏振光发射波导。由于凹凸结构表面13处不发生偏振选择，与偏振选择分束界面附近将要产生对准误差的情形相比，制造过程中可能产生的任何对准误差的影响减弱。
相反，图3中所示的波导31包括耦出层15，耦出层15具有其中包含凹凸结构表面13的主表面。耦出层15设置在偏振选择层11远离出射面7的一侧上。尽管原则上耦出层15可由光学各向异性材料制成，不过其优选由光学各向同性材料制成，上面已经描述了这种材料的适当例子。为了减小偏振选择层11与耦出层15之间界面处的寄生反射，偏振选择层11对导入偏振选择层11的偏振光的折射率优选与耦出层15的折射率匹配。分离的光学各向同性耦出层15中包含凹凸结构表面13，具有消除对准缺陷产生危险的优点。此外，通过使微凹槽处于耦出层15中，其典型深度为100μm，可大大减小偏振选择层11的厚度，从而降低波导的成本，因为通常认为光学各向同性材料比各向异性材料廉价。另外，由于光通过光耦出层15仅传播较短距离，凹凸结构表面13制造时产生的任何光学缺陷与凹凸结构表面处于波导层3中的情形相比都微不足道。当由原位聚合LC聚合物形成偏振选择层11时，耦出层15面对出射面7的表面可以设有取向层，从而保证待聚合LC单体适当取向。结果，偏振选择分束界面9处甚至不需要取向层，从而避免了这种取向层对偏振选择分束界面9的任何潜在的不利影响。
参照图2和3，出射面7为主表面，由凹凸结构表面13改变方向的偏振光通过该主表面朝向其应该照明的物体例如显示器耦合出波导。在波导1和31中，出射面7一般与波导层3的主表面相同，不过并非必须如此。出射面7是平坦的，不过也可以设有凹凸结构，以便调节耦出光的分布，如沿出射面的角度分布和/或强度分布。包含这种凹凸结构的波导在本领域中是已知的，包括微透镜和棱镜阵列。显然，凹凸结构也可以通过与波导分离或者层叠在波导上的单独的层提供。
为了提高偏振光发射波导的效率，保持在波导层3中的光的偏振态可以转变成偏振态与之正交的光，并且再次将所转换的光提供给偏振选择分束界面9。由于波导光通过光稠密介质传播很大距离，实际上在某种程度上总存在的光学缺陷，作为将偏振光消偏振的有效手段。这种光学缺陷的一个例子为波导层制造过程中产生的应力导致的双折射。此外，为了增强波导的效率，与入射侧面5相对的端面可由消偏振反射装置形成，如漫射消偏振反射镜或者偏振态反转反射装置，如结合一四分之一延迟片的偏振反射镜，其引导第一偏振态的光，否则该偏振光在端面处离开波导层3，回到波导层3中，从而将所反射的光再次提供给偏振选择分束界面9。为了提高偏振对比度，与入射侧面相对的端面可设有光吸收装置。
可使用常规加工方法制造根据本发明的波导。可使用挤压，或者优选利用喷射注模制造光学各向同性聚合物波导层3，其能形成复杂的形状，从而将功能集成。可通过单轴或双轴拉伸各向同性聚合物层，原位聚合(交联)取向LC单体层，或者通过在高于玻璃化转变温度时将LC聚合物取向，并冷却到该温度下形成用于波导层或偏振选择层的光学各向异性聚合物层。可通过将预先形成的偏振选择层和预先形成的波导层层叠在一起，可选择地结合支撑底箔以便产生易于处理的机械强度，从而将偏振选择层和波导层结合。如果待组合的各层相对较厚，例如大约100μm或更大，那么叠层结构尤为吸引人。如果波导层或偏振选择层相对较薄，例如大约100μm或更小，则在其他层上印刷，涂覆或者通过其他方式沉积薄层是非常吸引人的。如果由原位聚合LC聚合物形成偏振选择层11，则可通过将单体LC材料夹在两片基板之间来制造偏振选择层，并将LC单体聚合形成聚合物，其中一个基板为波导层3或者包含波导层3。在聚合之后，如同制造波导1那样，可去除与波导层3相对的基板，或者如制造波导31那样将其保留在适当的位置。为了在波导1的偏振选择层11中形成凹凸结构表面13，基板可以设有相应的凹凸结构表面。
可通过传统方法如喷射注模，复制成型，蚀刻，使用金刚石切割器切割或者压印形成凹凸结构表面。在通过将LC聚合物层压在波导层3上形成偏振选择层的情况下，压印偏振选择层是形成凹凸结构的优选方法。在采用分离耦出层的情况下，可使用耦出层作为压印处理中的可释放标志，或者模压过程中的可释放模型(releasable mold)。
出射表面和凹凸结构表面可与被照射物体配合。具体来说，如果物体为显示板，特别是划分成像素的显示板，则可将出射表面和凹凸结构表面构图，从而将光特定地引导到显示板的象素。如果显示板为多色或全彩色的，则波导中可以包含颜色选择装置，这种装置可以例如构图成分离光栅的衍射光栅层，每个光栅可能有选择地改变特定颜色如红、绿或蓝光的方向。
可使用根据本发明的波导和侧面发光照明装置照射任何物体，优选物体为显示装置。
图4在剖面图中示意地表示包括本发明侧面发光前光照明装置的显示装置。前发光显示装置61是一种反射型显示器，具有响应LC单元63中施加的电压而调制偏振光的显示板，其中LC单元63包括玻璃基板65，和处于玻璃基板之间的LC层67。也可以使用其他的非发射型显示单元。
在LC层67中，使用反射A1电极68限定单独可寻址象素69。在本例中，采用(超)扭曲向列单元。象素69处于寻址状态时，不改变透过单元63的光的偏振态。象素67处于非寻址状态时，偏振态改变90°或90°的奇数倍。
显示装置61具有设置在单元63与观察者2之间的单个线吸收偏振片75，在本实施例中吸收p-偏振光，透过s-偏振光。
侧面发光前光装置77设置于偏振片75与显示单元63之间。装置77具有靠近图1中所示波导1的入射侧面5设置的光源79。
使用过程中，利用环境光，环境光线ru通过偏振片75偏振成某一偏振态，即s-偏振的光线rs，其未受干扰地穿过波导1。入射在处于寻址状态的象素69上时，光线rs透过LC层67，被电极68反射，并再次通过LC层67，所有光线均没有改变偏振态。由于当光线rs再次到达偏振片75时偏振态不发生改变，透过偏振片75。另一方面，当环境s-偏振光线rs2入射在非寻址象素上时，偏振态改变，从而形成p-偏振光线rp2，然后光线rp2被偏振片75吸收。当环境光大小不足以提供舒适观察时，打开前光装置77，光源79发出的s-偏振光成分透过偏振选择分束界面9，被凹凸结构层13改变到出射表面7的方向，使波导1照射显示单元63。波导光的p-偏振光成分通过偏振选择分束界面9全内反射，并且进一步沿着波导层3引导。波导层3中发生消偏振，并且消偏振光进一步沿着波导1方向再次入射在偏振选择分束界面9上，从而循环利用p-偏振光成分。在前光装置77中使用波导1，产生明亮且光效率高的显示装置。
在显示装置61的一变型例中，用透射例如铟锡氧化物电极替代反射电极68。为了将所需光线朝向观察者2反射，应当在显示板63的后面设置反射器。
图5示意地表示具有本发明侧面发光背光装置的透射型显示装置。
显示装置91为包括显示LC单元93的透射型装置，其中显示LC单元93具有单独可寻址象素94。在观察者2与显示单元93之间设置吸收s-偏振光且透过p-偏振光的线吸收偏振片95。包括光源2和本发明波导1的侧面发光背光装置从后面照射显示单元93。为了反射光源2的杂散光，可以在波导1的后面设置反射器97。可选择地，为了进一步增大波导1所发射光的偏振对比度，可在波导1与显示单元93之间设置净化吸收偏振片。
在上面所述的实施例中，波导有选择地发射线偏振光。不过并非必须如此。根据本发明的波导还用于发射圆偏振光，如图6中所示。
图6用剖面图示意地表示包括本发明偏振光发射波导的显示装置的另一实施例。
显示装置120为反射型显示装置。包括根据本发明的波导121，与光源122一起构成根据本发明的照明装置。在使用时，波导通过出射面137发射左旋圆偏振光LH。由通过入射侧面135进入波导层123中，并入射在偏振选择分束界面129上的非偏振光实现偏振光发射。偏振选择分束界面129用于将非偏振光分成右旋圆偏振光全内反射光束RH和左旋圆偏振光透射光束LH。通过波导层123与偏振选择层131分界实现所需光束分裂，其中偏振选择层131用于有选择地反射右旋圆偏振光，并透过左旋偏振光。这种层本身是已知的，通常由胆甾有序材料制成。例如在EP606940中披露了能有选择地反射全部可见波长范围的胆甾偏振片。为了使此处披露的偏振片适用于反射以波导角度入射而非垂直入射的光，必须使胆甾材料的螺距较小。由此，垂直入射的反射带偏移到光谱的UV范围，从而，偏振片对于以垂直或近似垂直角度入射的环境可见光更加透明。为了实现有效的反射，偏振选择层131必须具有与形成偏振选择层131的手性向列材料螺距的四倍相应的最小厚度。通常，厚度为大约1到10μm。正如众所周知的，反射光的波长λ与螺距p的关系为λ＝n·p，其中n为手性向列材料的平均折射率。
通过偏振选择分束界面传输到偏振选择层131中的LH圆偏振光入射到凹凸结构表面133上，其通过出射表面137将光朝向根据所施加电压调制偏振光的显示板引导，射出波导，在本实施例中显示板由包括多个独立可寻址像素的(超)扭曲向列(S)TN单元139构成。
在本实施例中，出射表面137和凹凸结构表面133分离，并处于偏振选择层131的相对侧上。这种结构是优选的但并非必须如此，或者出射表面可以与凹凸结构表面处于相同侧甚至相同。此外，作为另一个例子，凹凸结构表面133和偏振选择分束界面123可以结合形成单一的凹凸结构偏振选择分束界面，结果被偏振选择层反射的成分耦合出波导，透射成分进一步沿着波导引导。
波导121发射出用光束F表示的LH偏振光。为了将线偏振光提供给单元139，在单元与波导121之间设置四分之一波层141。如果像素如像素139a处于寻址状态，那么线偏振光不加改变地透过，而如果像素处于非寻址状态如像素139b，则偏振态旋转90°，得到互补的线偏振。在穿过(S)TN单元139之后，光入射在线偏振片143上，线偏振片143设置成在寻址状态下透过光，在非寻址装置下吸收光。透过偏振片143的光被反射器145反射，并且不加改变地原路返回通过偏振片143和单元139。四分之一波层141将线偏振光束转换成LH偏振光束。LH光束不加改变地通过前光装置，并入射在四分之一波层147上，通过四分之一波层将RH光束线偏振。然后线偏振光束穿过用于透过p-偏振光的线偏振片149，并到达观察者2。因此概括而言，通过打开前光，在寻址状态下显示器的像素为亮，在非寻址状态为暗。对于环境光(图6中用光束A表示)而言，显示器通过相同方式工作，因为偏振片149-四分之一波层147组合将非偏振光转变成左旋圆偏振光。
图7在剖面图中示意地表示包括本发明偏振光发射波导的显示装置的另一实施例。
显示器150包括与上述实施例中所用波导相同的波导，其区别在于根据所施加电压调制偏振光的显示板此处为可切换四分之一波层153的形式，其在寻址状态下产生四分之一波长的延迟，在非寻址状态下不产生延迟。在寻址状态下，LH偏振光朝向观察者2反射，在非寻址状态下RH偏振光朝向观察者2反射。为了区分寻址状态和非寻址状态，在观察者2与波导121之间设置四分之一波层157和线吸收偏振片159组成的检偏器，用于有选择地吸收RH偏振光。环境光A通过线性偏振片-延迟器组合147-149转换成LH偏振光。
与发射线偏振光的波导不同，发射圆偏振光的波导的优点在于，环境光或前光在穿过到达观察者时所遇到的多个界面的寄生反射(图6和7中所示光束FP受到的反射)，通过设置在观察者与前光之间的偏振片-延迟器组合而得到抑制，从而增大显示器的对比度。毕竟，通过(寄生)反射圆偏振光的旋向改变，从而在前光发射光为左旋的显示器中，该光的寄生反射通常是右旋的，从而在穿过延迟器147或157之后被线偏振片149或159吸收。
权利要求
1.一种偏振光发射波导，包括入射侧面，在使用过程中靠近入射侧面设置的光源发出的光通过入射侧面进入波导中；-波导层，用于引导通过入射侧面进入的波导光；-出射表面，在使用时偏振光通过出射表面射出波导；-靠近波导层并且优选与出射表面相对设置的偏振选择层；-在波导层与偏振选择层的界面处形成的平坦的偏振选择分束界面；以及-设置在偏振选择层一侧上并与偏振选择分束界面空间分离的凹凸结构表面，该凹凸结构表面用于改变经由分束界面偏振并入射在凹凸结构表面上的光的方向，通过出射表面射出波导。
2.如权利要求1所述的偏振光发射波导，其中在选定波长范围内偏振选择层用于透过第一旋向的圆偏振光，并反射其旋向与第一旋向互补的圆偏振光，或者凹凸结构表面和平坦的偏振选择分束界面用凹凸结构偏振选择分束界面取代。
3.如权利要求1所述的波导，其中偏振选择层是光学各向异性的。
4.如权利要求1，2或3所述的波导，其中偏振选择层是液晶聚合物层。
5.如权利要求1，2，3或4所述的波导，其中凹凸结构表面是波导的自由边界表面。
6.如权利要求1，2，3，4或5所述的波导，其中凹凸结构表面处于偏振选择层的主表面中。
7.如权利要求1，2，3，4或5所述的波导，其中该波导包括具有主表面的耦出层，在该主表面中包含凹凸结构表面，耦出层设置在偏振选择层远离出射表面的一侧上。
8.如权利要求7所述的波导，其中耦出层是光学各向同性的。
9.一种侧面发光照明装置，包括权利要求1-8其中任何一个所述的波导，和靠近该波导入射侧面设置的光源。
10.一种显示装置，包括权利要求9所述的侧面发光照明装置。
11.一种前光显示装置，包括用于响应所施加电压调制偏振光的显示板，和用于将偏振光提供给显示板的侧面发光前光装置，侧面发光前光装置包括前面任一权利要求所述的波导。
全文摘要
一种侧面发光照明装置(77)包括偏振光发射波导(1)，偏振光发射波导(1)包括在波导层(3)与偏振选择层(11)的界面(9)处形成偏振选择分束界面。为了避免波导制造过程中影响偏振选择分束界面正常功能的对准问题，偏振选择分束界面是平坦的。由偏振选择分束界面且传输和偏振的进入偏振选择层的波导光，通过凹凸结构表面(7)经由出射表面(7)耦合出。具有这种波导，特别是如果用于前光时的显示装置具有高亮度和高效率。
文档编号G02F1/13357GK1643299SQ03806336
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月3日 优先权日2002年3月18日
发明者H·P·M·胡克, H·J·科内里斯森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司