專利名稱：具有提升面的楔形光引出器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子顯示器，并涉及用于對顯示器進行照明的點到線、線到面或點到面轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了許多種裝置用來對電子顯示器進行照明。這些裝置包括背照明板、前照明板、集中器、反射器、結(jié)構(gòu)表面膜以及其它的用于改向、校準、分配或以其它方式操作光的光學(xué)裝置。能否有效利用光，對于用電池驅(qū)動的電子顯示器來說尤為重要，諸如蜂窩式便攜電話、個人數(shù)字助理和膝上型計算機中所使用的那些電子顯示器。
美國專利第4,751,615號(Abrams)揭示了一種楔形的透明頁面照明裝置。美國專利第4,811,507號(Blanchet)揭示了一種具有發(fā)光條紋的前光照明板，發(fā)光條紋的深度隨與光源的距離而增大。美國專利第5,005,108號(Pristash等人)；第5,050,946號(Hathaway等人)和第5,594,830號(Winston等人)揭示了結(jié)構(gòu)表面板照明器，板的厚度沿板的長度變化。美國專利第4,799,137號(Aho)；第4,874,228號(Aho等人)；第5,054,885號(Melby)和第5,190,370號(Miller等人)揭示了各種不同的照明裝置，它們具有傾斜或彎曲的、棱形的結(jié)構(gòu)表面膜。
美國專利第5,359,691號和第5,608,837號(均授予Tai等人)；美國專利第5,485,354號(Ciupke等人)以及美國專利第5,608,550號和第5,894,539號(均授予Epstain等人)揭示了結(jié)構(gòu)表面背照明或前照明裝置，它們具有三角形的微棱鏡或微槽，這些微棱鏡或微槽由平坦的突起間表面區(qū)域或突起間表面分隔開。歐洲專利申請EP0802446A1(Seiko Epson)揭示了一種結(jié)構(gòu)表面背照明裝置，它具有由突起間表面分隔的許多矩形突起。美國專利第5,671,994(Tai等人)揭示了一種結(jié)構(gòu)表面前照明裝置，它具有由突起間表面分隔的許多梯形突起。
美國專利第5,396,350(Beeson等人)；美國專利第5,428,468號和第5,555,109號(均授予Zimmerman等人)和美國專利第5,555,329號(Kuper等人)揭示了各種不同的結(jié)構(gòu)表面背照明裝置，它們具有一系列帶傾斜側(cè)壁的微棱鏡。
美國專利第5,506,929、5,668,913和5,835,661號(均授予Tai等人)和美國專利第5,613,751號(Parker等人)揭示了用于將點光源轉(zhuǎn)換成直線光束或平面光束的光擴展系統(tǒng)。
發(fā)明概要雖然已經(jīng)提出了許多背光和前光導(dǎo)向裝置，但仍需要更有效的設(shè)計和降低能耗。
許多現(xiàn)有的設(shè)計沒有利用光源所提供的所有光。如果能夠?qū)⑦@些未被利用的光引導(dǎo)至顯示器，則能耗可得以進一步降低，并能提高顯示器亮度。
上述的若干設(shè)計具有大致恒定的厚度，并具有大致平坦的結(jié)構(gòu)表面。這些設(shè)計可能無法將行進到裝置端部而沒有射到結(jié)構(gòu)表面上(因而從其反射或被其引出)的光引出。
楔形設(shè)計可降低未經(jīng)反射或引出而沿裝置長度行進的光的量(從而降低損失)。然而，有些現(xiàn)有的楔形設(shè)計難于制造。例如，如果裝置在其末端變細成為一薄邊，則該邊可能難以模制，并可能在使用中折斷或破裂。如果在該末端采用一鏡面，則會因該鏡面處的低效反射而損失一些光，其它的光也會因朝裝置輸入端返回的反射光的引出效率降低而受損。增加一面鏡子還會增加制造成本或降低制造產(chǎn)量。
楔形背光或前光導(dǎo)向裝置的光引出效率和均勻度通常部分地由楔形件的總體尺寸和形狀決定，并由裝置上的任何結(jié)構(gòu)表面特征的細微特征(通常為顯微級)尺寸和形狀決定。例如，上述Hathaway等人的專利中所示的設(shè)計具有一傾斜的結(jié)構(gòu)表面，該面呈一系列下降的臺階的形式。每個臺階具有一平坦的突起間表面區(qū)域和一傾斜的刻面。光通常在該刻面處由這種裝置引出。光通常是通過射在突起間表面上的光的全內(nèi)反射或稱“TIR”、或通過射在裝置一相對表面上的光的全內(nèi)反射而在這種裝置內(nèi)進行重新分配的。反射的光朝裝置的較薄端或末端行進，并可通過在一刻面處的引出而最終射出裝置。然而，在裝置的末端處，會損失掉一些反射光而無法用于顯示器照明。
上述的其它恒定厚度或楔形背光或光導(dǎo)向裝置中的一些也可認為具有刻面和突起間表面，只是可能用了其它的術(shù)語來描述這些裝置的諸部件。通常，背光或光導(dǎo)的總體形狀以及結(jié)構(gòu)表面的幾何形狀也會影響這些裝置的引出光與反射光的比率。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用這樣一種楔形設(shè)計，可以獲得在照明均勻度、光引出可控性、效率等這些要素中的一個以上甚至所有方面的改善，該楔形設(shè)計具有一結(jié)構(gòu)表面，該結(jié)構(gòu)表面包括許多提升面，它們能夠增大可用于光引出的刻面部分的面積。本發(fā)明的一個方面提供一種光引出裝置，它具有a)一光輸入端；b)一基本為平面的、可將光傳輸?shù)揭伙@示器的光輸出表面；以及c)一大體與光輸出表面相對的光改向結(jié)構(gòu)表面；其中，光輸出表面和光改向表面限定一基本呈楔形的截面，其厚度從光輸入端朝裝置的中心減??；光改向結(jié)構(gòu)表面使光朝光輸出表面、并由此朝顯示器反射；并且，光改向表面包括許多突起，每個突起包括一提升面部分、高臺面部分和刻面(facet)部分，突起兩側(cè)與突起間表面部分相接。
如果沒有提升面，引出光的量將由刻面和突起間表面的取向和尺寸決定。當(dāng)在設(shè)計中增加提升面后，實際上增加了每個刻面的尺寸(因而增加了可用于引出的刻面面積)?？傮w呈楔形的引出器輪廓允許所有的總刻面面積或其相當(dāng)一部分都參與引出作用。因此，增加一提升面和使用總體的楔形形狀可改變引出器設(shè)計，提高對顯示器的光引出。這可以實現(xiàn)裝置的總體尺寸和效率方面的改進，并能更好地使用可以利用的光。
本發(fā)明還提供包括上述楔形光引出裝置的點到線轉(zhuǎn)換器、背光和前光導(dǎo)向器，并提供包括這種引出裝置的顯示器。
附圖簡述

圖1a是前光導(dǎo)向器的示意圖。
圖1b是背光導(dǎo)向器的示意圖。
圖2是本發(fā)明光引出裝置的放大的側(cè)視剖面圖。
圖3是本發(fā)明光引出裝置的放大的側(cè)視剖面圖，它表示出說明用的角β。
圖4是本發(fā)明光引出裝置的放大的側(cè)視剖面圖，它表示出說明用的角ρ、θ、φ和γ以及說明用的高度rh和fh。
圖5是本發(fā)明另一光引出裝置的立體圖。
圖6是本發(fā)明又一光引出裝置的立體圖。
圖7是本發(fā)明還有一個光引出裝置的立體圖。
圖8是圖7裝置的放大視圖，表示兩條光線所走的路徑。
圖9是本發(fā)明另外一個光引出裝置的剖面圖。
詳細描述本發(fā)明的楔形光引出裝置提供點到線、線到面或點到面的光轉(zhuǎn)換，它對來自一光源的光進行校準或改向。該光引出裝置(為簡便起見，有時稱作光引出器)可用于對顯示器進行照明。如果光源是點光源，則該光源的橫截面積與顯示器的橫截面積(例如約小于顯示器面積的1/100)相比通常相對較小。如果光源是細長的(例如線)光源，則該光源通常具有一矩形的橫截面積，其較長的尺寸約為其較短尺寸的十倍以上，并且可接近顯示器表面的較短或較長尺寸。
光引出器的一些構(gòu)件及它們之間的相互關(guān)系參照一基準面來描述較為方便。通常，光引出器的光輸出表面是平面的或接近平面的。為了說明本發(fā)明，該基準面將取光引出器的輸出表面所形成(或與其緊密相鄰)的平面。
下面參見圖1a，圖中示意性地示出一前光導(dǎo)向器和顯示器，它們總的由標號10a表示。前光導(dǎo)向器11a位于顯示器12a上方。光線16a通過光輸入表面13a進入光導(dǎo)向器11a。光線16a射在光改向表面14a的一光反射刻面部分(未圖示)上，其反射光線17a向下朝顯示器12a行進，并通過光輸出表面15a射出光導(dǎo)向器11a。射在顯示器12a(假定顯示器12a經(jīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)而可反射光線)上后，光線17a的反射光線18a向上朝觀察者19a反射。光線18a穿過表面15a(該表面雖然看作是一光輸出表面，但在該前光導(dǎo)向器設(shè)計中也用作反射光線18a重新進入光導(dǎo)向器的表面)，穿過光導(dǎo)向器11a，并通過光改向表面14a在突起間表面、刻面或高臺面(未圖示)處射出。
參見圖1b，圖中示意性地示出一背光導(dǎo)向器和顯示器，它們總的由標號10b表示。背光導(dǎo)向器11b位于顯示器12b下方。光線16b通過光輸入表面13b進入背光導(dǎo)向器11b。光線16b射在光改向表面14b上的一刻面部分(未圖示)上后，其反射光線17b向上反射。光線17b通過光輸出表面15b射出背光導(dǎo)向器11b，并(假定顯示器12b經(jīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)而可透光)通過顯示器12b朝觀察者19b行進。
參見圖2，本發(fā)明的前光導(dǎo)向器20具有一大體呈楔形的截面，其厚度在圖中從左向右減小。光輸出表面21大體與一光改向表面相對，該光改向表面具有許多突起22a、22b和22c，這些突起之間有突起間表面，諸如突起間表面26和27。突起22b具有提升面23，該提升面與高臺面24相接，高臺面進而與刻面25相接。突起間表面26和27在突起22b的兩側(cè)與其相接。即使諸如突起22b之類的突起僅有三條側(cè)邊，甚至通過畫一條假想線而完成突起的第四條側(cè)邊所形成的一個四邊形可能沒有兩條平行的側(cè)邊，但為了便于說明，這些突起可稱作為“基本呈梯形”。
圖3表示本發(fā)明的前光導(dǎo)向器30和一條假想線36，該假想線是利用通過頂點35a到35e畫一條線而形成的，這些頂點分別形成于突起32a到32e的提升面33a到33e與高臺面34a到34e的交點處。假想線36與通過基本平的光輸出表面31所形成的平面所畫的一條線37形成一個角β。
參見圖4，本發(fā)明的前光導(dǎo)向器40具有光輸出表面41和突起42。同樣，即使突起42僅有三條側(cè)邊，甚至通過畫一條假想線而完成突起42的第四條側(cè)邊所形成的一個四邊形可能沒有兩條平行的側(cè)邊，但為了便于說明，該突起可稱作為“基本呈梯形”。假想線48a和48b是分別通過提升面43的上、下頂點而畫出的平行于光輸出表面41的線。提升面43具有高度rh，并與假想線48b(如果投影就是與表面41)形成角ρ。高臺面44向下朝光輸出表面41傾斜，與假想線48a(如果投影就是與表面41)形成角θ?？堂?5在假想線48c和48d之間測量的高度為fh，這兩條假想線是通過刻面45的上、下頂點而畫出的平行于表面41的線。刻面45向下朝光輸出表面41傾斜，與假想線48d(如果投影就是與表面41)形成角φ。突起間表面46和47在兩側(cè)與突起42相接。突起間表面47向上傾斜離開光輸出表面41，與假想線48c(如果投影就是與表面41)形成角γ。
圖5表示本發(fā)明的點到線轉(zhuǎn)換器51，它具有一楔形光引出器。為了便于說明，諸如突起52a、52b和52c之類的表面結(jié)構(gòu)以夸大的形式表示。這種突起最好要比所表示的小得多，如下面更詳細地表示。從點光源50射出的光線進入光束收集器55的光輸入表面54，并沿光導(dǎo)管56的長度行進。射在諸如55a、55b、55c和55d等刻面上的光線將通過全內(nèi)反射而引出光輸出表面58。射在諸如57a、57b、57c和57d等突起間表面上的光將通過全內(nèi)反射在光導(dǎo)管56內(nèi)朝點到線轉(zhuǎn)換器56的表面58和末端59反射。這些光在射在表面58上后將進一步通過全內(nèi)反射從表面58朝光導(dǎo)管56中的其它突起(未加標號)反射?；旧纤械墓饩€最終將通過基本平的光輸出表面58射出光導(dǎo)管56，并形成一基本均勻分配的矩形光束。
圖6表示本發(fā)明的點到線轉(zhuǎn)換器61，它具有兩個光源60a和60b。與圖5的轉(zhuǎn)換器一樣，圖6的轉(zhuǎn)換器中的突起以夸大的形式表示。來自光源60a和60b的光線進入光束收集器65a和65b的表面64a和64b并沿光導(dǎo)管66行進。光導(dǎo)管66的厚度沿裝置的長度減小，在狹窄部分67達到最小。光從例如62a到62d等諸突起引出或反射，最終作為基本均勻分配的矩形光束通過光輸出表面68射出光導(dǎo)管66。
圖7表示本發(fā)明的一前光導(dǎo)向器和顯示器組件70。光導(dǎo)向其71位于顯示器79的頂部，略微帶任選的氣隙78而分開。光通過光輸入表面76進入光導(dǎo)向器71，并沿導(dǎo)向器行進而射在諸如72a到72d等諸突起的刻面上。
圖8表示圖7前光導(dǎo)向器71的一部分的放大視圖。光線81a射在刻面75上，其反射光線81b向下通過輸出表面78朝顯示器79反射。射在顯示器79(假定顯示器79經(jīng)適當(dāng)調(diào)節(jié))上后，光線81b的反射光線81c將向上反射，通過表面78重新進入光導(dǎo)向器71，然后通過突起間表面76射出光導(dǎo)向器71。沿不同于光線81a的路徑射向光導(dǎo)向器71的結(jié)構(gòu)表面的光線83a射在突起間表面77上，其反射光線83b朝光導(dǎo)向器71的表面78和末端(未圖示)反射。由于突起間表面77略微向上的斜度，光線83a在突起間表面77上(以及反射光線83b在表面78上)的入射角要大于突起間表面77平行于表面78的場合。同樣原因，反射光線83b射在表面78上的點要比突起間表面77平行于表面78的場合更靠近于光導(dǎo)向器71的末端。通過增大光最終到達刻面的入射角，這有助于提高光導(dǎo)向器71的光引出效率。
圖9表示行進通過本發(fā)明的一背光導(dǎo)向器94的兩條光線91a和93a的光路。光線91a射在突起間表面96上，其反射光線91b朝背光導(dǎo)向器91的末端(未圖示)反射。光線93a射在刻面95上，其反射光線93b向上朝顯示器99反射。如果顯示器99經(jīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)，則光波93b將朝觀察者(未圖示)而穿過顯示器99。
總體看，光引出器具有一楔形的截面。如果需要，提升面和高臺面之間的頂點可位于一直線上。如果諸頂點位于一直線上，將光輸出表面指定為基準面，并通過提升面和高臺面之間的頂點畫出一假想直線，則基準面和假想線之間的夾角β較好約為0.1到6度，更好是約為0.4到4度。在提升面—高臺面頂點位于一直線上的本發(fā)明一個實施例中，刻面高度沿光引出器的長度保持恒定。在另一個這樣的實施例中，刻面高度從光引出器的輸入端朝末端或較窄端減小。在另一實施例中，刻面高度從光引出器的輸入端朝末端或較窄端減小，高臺面部分的長度沿光引出器的長度保持恒定，并且提升面高度從光引出器的末端朝輸入端減小一個足以使提升面—高臺面頂點位于一條直線上的量。
如果需要，提升面和高臺面之間的頂點可位于一弧形路線上。在一個這樣的實施例中，刻面高度從光引出器的輸入端朝末端或較窄端減小，突起間表面部分長度沿光引出器的長度保持恒定。在另一個這樣的實施例中，刻面高度保持恒定，突起間表面長度從光引出器的輸入端朝末端或較窄端減小。無論怎樣，提升面—高臺面頂點位于一弧形路線上的光引出器的角β都應(yīng)通過計算(光引出器的輸入端和末端的厚度差除以光引出器長度)的反正切來估算，如以下公式所示β＝arc tan((輸入端厚度—末端厚度)/光引出器長度)。
各突起不一定要相同，并且不一定要有相同的角度取向、形狀或尺寸。但是，為便于制造，通常最好是形成這樣的突起，即各突起之間的提升面、高臺面和刻面部分具有相同的角度取向以及段長。如果需要，突起間表面部分的角度取向和段長也可以彼此近似。然而，在光引出器的光輸入端附近的突起最好是間隔相對較粗的節(jié)距，并朝光引出器的最窄部分(如圖6的點到線轉(zhuǎn)換器的較窄的中央地峽區(qū))或末端(如圖5、7和9的光引出器的與光輸入端相對的端部)方向間隔相對較細的節(jié)距。這種間隔變化可方便地通過使突起間表面部分的長度從光引出器的輸入端朝末端(或最窄部分)逐漸減小來實現(xiàn)。
各提升面部分最好是平面的，但如果需要的話，也可采用諸如凸形或凹形之類的其它形狀。提升面一般不反射或傳遞來自光引出器內(nèi)部的光線，因此其表面在光學(xué)程度可以不太光滑。但是，必須小心避免提升面的表面過度粗糙。這有助于避免虛反射以及其它看得見的人為現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能因光在光引出器內(nèi)的反向散射以及反向散射光因此微弱傳播通過提升面而引起。提升面高度rh較好是約為0.001到0.5毫米，更好是約為0.002到0.02毫米。基準面和提升面之間的角ρ較好是約為90到45度，更好是約為85到65度。
通常，各高臺部分的一部分會位于由射在鄰接的提升面上的光線所投射的陰影中，因而不會參與光的反射或引出。在一前光導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)中，高臺面的未遮蔽部分可用作引出光的上觀察口。最好，高臺面是平面的，但如果需要，它們可以具有諸如凸形或凹形之類的其它形狀。然而，高臺面最好具有平坦的、光學(xué)程度上光滑的表面，以不致引起引出光的失真。高臺面部分的長度較好是約為0.001到1.5毫米，更好是約為0.004到0.12毫米?；鶞拭婧透吲_面之間的角θ較好是約為0到10度，更好是約為0到2度，高臺面部分最好平行于基準面(或換句話說，θ最好為零)。
刻面或斜面部分將光朝顯示器引導(dǎo)，因而可將其引出(有時遵循一或多次進一步的反射)，并由顯示器適當(dāng)調(diào)節(jié)。最好，刻面是平面的，但如果需要，它們也可具有諸如凸形或凹形之類的其它形狀。最好，刻面具有平坦的、光學(xué)程度上光滑的表面，以不致引起反射光的散射?？堂娓叨萬h較好是大于提升面高度，更好是約為0.001到1.5毫米，最好是約為0.002到0.12毫米。基準面和刻面之間的角φ較好是約為20到50度，更好是約為25到45度。
光改向表面的突起間表面部分通過全內(nèi)反射將光朝光引出器的較窄部分或末端反射。該突起間表面還可用作引出光的下觀察口。最好，突起間表面是平面的，但如果需要，它們也可具有諸如凸形或凹形之類的其它形狀。最好，突起間表面具有平坦的、光學(xué)程度上光滑的表面，以不致引起反射光的散射。如上所述，突起間表面部分的長度最好沿光引出器的長度減小。優(yōu)選的節(jié)距為從光引出器的光輸入端處的每毫米約0.06到12個突起到光引出器的末端或最窄部分處的每毫米約250到1個突起。優(yōu)選的突起間表面部分的長度約為0.003到15毫米，更好是約為0.003到1.2毫米?；鶞拭婧屯黄痖g表面之間的角γ較好是約為0到5度，更好是約為0.5到2度。最好，突起間表面沿與楔形相反的方向傾斜。這樣傾斜后，來自光引出器的輸入端并射在突起間表面上的光將隨后趨向于以較高的入射角射在刻面上，從而提高光引出效率。
這些突起可延伸穿過光改向表面的整個寬度(如圖7中所示)，或可以呈較短的、小于總寬度的部分的形式，這些部分可以在行、列方向上彼此對齊，也可以行與行錯開。這些突起的行可以設(shè)置成平行于光輸入表面，也可以相對于該輸入表面設(shè)置成一個角度。最好，這些突起延伸穿過光改向表面的整個寬度，并通常平行于光輸入表面。
光輸入表面和光輸出表面可以是平面的，也可以具有一凸形或凹形的弧度。當(dāng)光源是點光源時，光輸入表面最好具有凸形的弧度。如果入射光沒有沿輸入表面的寬度均勻分布，則可以在光輸入表面上加設(shè)小透鏡(lenslet)、棱鏡、粗糙表面或其它微結(jié)構(gòu)，以使光更均勻地分布。光輸出表面最好具有一在光學(xué)程度上光滑的表面光潔度，以使傳遞損失、不希望有的散射和失真達到最小。
光引出器可以有任何需要的總體尺寸和厚度，但最好盡可能地薄，例如在光引出器的最厚部分為5毫米或更小。從預(yù)期的顯示器觀察點觀察，光引出器可以是方形的、矩形的、橢圓形的或任何其它需要的形狀。光引出器的尺寸和形狀通常取決于所需的顯示裝置的尺寸和形狀以及該光引出器是被用作點到線、線到面還是點到面轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的光引出器尤其可用作超小型或小型顯示裝置的點到面或線到面前光導(dǎo)向器，這種顯示裝置是用由小電池供電的發(fā)光二極管(LED)來照明的。合適的顯示裝置包括用于蜂窩式便攜電話、尋呼機、個人數(shù)字助理、時鐘、手表、計算器、膝上型計算機、車用顯示器等的彩色或單色液晶顯示器裝置。該顯示器也可以是一固定的圖形顯示，諸如廣告招貼或標記，或是可變外觀的基底，諸如“Gyricon”電子顯示材料(由Xerox Corporation開發(fā))。除了發(fā)光二極管，其它合適的照明源包括熒光或白熾燈、電致發(fā)光燈等。
本發(fā)明的光引出器可以由許多種在光學(xué)上合適的材料制成，包括聚碳酸酯；聚丙烯酸酯，諸如聚甲基丙烯酸甲酯；聚苯乙烯和玻璃，帶有高折射率的塑料，例如最好是聚碳酸酯。光引出器最好是這樣來制造，用模塑、壓花、固化或其它方式抵靠一由車床轉(zhuǎn)動的工具或其它成形表面形成一可注塑的樹脂，該工具由金屬或其它耐久材料制成，并帶有所需結(jié)構(gòu)表面的負復(fù)型。制造這種成形表面以及模塑、壓花或固化光引出器的方法是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的。如果需要，無需實際的光引出器結(jié)構(gòu)就可對各光引出器設(shè)計進行評價，這可以使用合適的光學(xué)跟蹤建模軟件，諸如Breault ResearchOrganization Inc的“ASAP”、Optical Research Associates的“Code V”和“Light Tools”、Wolfram Research Inc的“Optica”以及Focus SoftwareInc的“ZEMAX”。
下面通過非限制性的實例來進一步說明本發(fā)明。
實例用CAD軟件模擬兩個基本呈平面的和三個基本呈楔形的光引出器，并用ASAP光學(xué)跟蹤軟件來對它們進行評價。這種方法所提供的與所觀察到的實際結(jié)果的一致性基本良好，無需模塑和制造出原型。每個光引出器由折射率為1.58的聚碳酸酯塑料制成。所有光引出器寬30毫米、長40毫米，并具有1毫米厚的輸入孔。光引出器1和2的末端厚1毫米。光引出器3、4和5的末端厚0.2毫米。光源假定為矩形，30毫米長、1毫米高，并具有朗伯(Lambertian)光分布。
光引出器1到5的臺階或突起的大體形狀分別示于圖10a到10e中。圖10a到10e中的虛線畫成平行于基準面。光引出器4和5是本發(fā)明的光引出器。每個光引出器的各部分的角度和尺寸列于表I中。對于光引出器1到4，突起間表面(以及高臺面，如果有的話)是水平的(γ為零)。對于光引出器5，突起間表面以0.75度的角γ略微向上傾斜。對于所有的光引出器，提升面(如果有的話)傾斜90度的角ρ。每個光引出器的刻面傾斜30度的角φ。
對于光引出器1到3，表I中所示的提升面高度和刻面高度值適用于整個光引出器。對于光引出器4和5，表I表示最靠近于光引出器輸入端的刻面的高度。光引出器4和5的刻面高度從各光引出器的輸入端朝末端減小。對于光引出器5，表I表示最靠近于光引出器末端的提升面的高度。光引出器5的提升面高度從光引出器的末端朝輸入端減小。這些刻面或提升面高度的變化使光引出器4和5的提升面—高臺面頂點處于一條直線上。
每個光引出器的諸突起間的節(jié)距不同，以使對顯示器的預(yù)計的光輸出優(yōu)化為光引出器的光輸出表面面積的約±10％內(nèi)。然后，計算并記錄各光引出器的預(yù)計的光引出效率。
假定光引出器1和3到5沿光引出器的長度具有200個臺階或突起。假定光引出器2沿光引出器的長度具有400個突起。與光引出器2相比，這就提高了效率，但光輸出的均勻度降低了，并且大量的突起使光引出器2更難制造。
表I光引出βγ ρθ φ提升面高臺面 刻面高 突起起始節(jié)Δ節(jié)距mm最小節(jié) 光引出器序號 高度 高度mm 度mm 總數(shù) 距mm 距mm 器效率mm1 0°0° 90° 0° 30° 0.005 0.017680.005200 0.30 1.00363 0.06 27％×10-32 0°0° 90° 0° 30° 0.005 0.017680.005400 0.175 4.151× 0.06 42％10-43 1.45° 0° NA 0° 30°NA NA 0.004 200 0.21832 0 0.21832 40％4 1.45° 0° 90° 0° 30° 0.005 0.017680.013200 0.4 2.0778550.06 56％×10-35 1.45° 0.75° 90° 0° 30° 0.00460.017680.0138 200 0.44 2.56236 0.06 59％×10-3注意“NA”＝不適用如表I中所示，本發(fā)明的光引出器(光引出器4和光引出器5)的總體效率顯著好于不帶提升面的光引出器(光引出器1和光引出器2)。本發(fā)明的光引出器的總體效率也顯著好于臺階—楔形型式的光引出器(光引出器3)。這種效率的提高應(yīng)有助于延長電池供電顯示器的電池壽命。
通過進一步調(diào)節(jié)突起間表面傾斜角γ可以獲得效率的進一步提高，但這有可能會降低總體的照明均勻度。
本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種不同的修改和變化而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。應(yīng)予理解，本發(fā)明并不局限于上述的示例性實施例。
權(quán)利要求
1.一種光引出裝置，它具有a)一光輸入端；b)一基本為平面的、可將光傳輸?shù)揭伙@示器的光輸出表面；以及c)一大體與光輸出表面相對的光改向結(jié)構(gòu)表面；其中，光輸出表面和光改向結(jié)構(gòu)表面限定一基本呈楔形的截面，其厚度從光輸入端朝裝置的中心減??；光改向結(jié)構(gòu)表面使光朝光輸出表面、并由此朝顯示器反射；并且，光改向結(jié)構(gòu)表面包括許多突起，每個突起包括一提升面部分、高臺面部分和刻面部分，突起的兩側(cè)與突起間表面部分相接。
2.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，提升面部分的存在增進光通過刻面部分引出該裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，提升面部分的高度變化將改變由刻面部分反射的光與由突起間表面部分反射的光的比率。
4.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，如果從一突起間表面部分與一個突起上的一鄰接提升面部分之間的頂點到該突起的一刻面部分與一鄰接突起間表面部分之間的頂點畫一條假想線以形成一假想四邊形，則該四邊形的截面大體呈梯形。
5.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，該裝置的厚度從光輸入端沿裝置的整個長度減小。
6.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，如果通過提升面部分與鄰接的高臺面部分之間的頂點畫一條假想線，并將光輸出表面指定為基準面，則該基準面與該假想線之間的角β約為0.4到4度。
7.如權(quán)利要求6所述的光引出裝置，其特征在于，基準面與提升面部分之間的角ρ約為85到65度，基準面與高臺面部分之間的角θ約為0到2度，基準面與刻面部分之間的角φ約為20到60度。
8.如權(quán)利要求6所述的光引出裝置，其特征在于，基準面與一突起間表面部分之間的角γ約為0.5到2度。
9.如權(quán)利要求6所述的光引出裝置，其特征在于，突起間表面部分和假想線相對于基準面沿相反方向傾斜。
10.如權(quán)利要求6所述的光引出裝置，其特征在于，諸頂點位于一條直線上。
11.如權(quán)利要求6所述的光引出裝置，其特征在于，諸頂點位于一條曲線上。
12.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，突起間表面部分的長度從光引出裝置的輸入端朝光引出裝置的最窄部分或末端減小。
13.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，光引出裝置的光輸入端附近的諸突起間隔相對較粗的節(jié)距，并朝光引出裝置的最窄部分或末端方向間隔相對較細的節(jié)距。
14.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，提升面部分的高度rh約為0.001到0.5毫米，高臺面部分的長度約為0.002到1.5毫米，刻面部分的高度fh約為0.001到1.5毫米，突起間表面部分的長度約為0.003到15毫米。
15.如權(quán)利要求14所述的光引出裝置，其特征在于，刻面部分的高度大于提升面部分的高度。
16.如權(quán)利要求1所述的光引出裝置，其特征在于，突起延伸穿過光改向表面的整個寬度，并大體平行于光輸入表面。
17.一種顯示裝置，它包括光學(xué)連接于如權(quán)利要求1所述的光引出裝置的一點光源或細長光源，該光引出裝置光學(xué)連接于一光閥，該光閥調(diào)節(jié)從光引出裝置引出的光。
18.如權(quán)利要求17所述的顯示裝置，其特征在于，光引出裝置是一前光導(dǎo)向器。
19.如權(quán)利要求17所述的顯示裝置，其特征在于，光引出裝置是一背光導(dǎo)向器。
20.如權(quán)利要求17所述的顯示裝置，其特征在于，該顯示裝置包括一蜂窩式便攜電話、尋呼機、個人數(shù)字助理、時鐘、手表、計算器、膝上型計算機或運輸車輛。
全文摘要
一種楔形光引出器(20)，它具有一光改向表面，該光改向表面包括許多突起(22a，22b，22c)。這些突起(22a，22b，22c)具有提升面(23)，這些提升面可提高刻面(25)的引出效率，從而改善從光源射出的可利用光的有效使用。
文檔編號G02B6/00GK1401066SQ01805064
公開日2003年3月5日 申請日期2001年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月16日
發(fā)明者G·T·博伊德, R·A·米勒, L·R·惠特尼 申請人:3M創(chuàng)新有限公司