專利名稱：具有混合和光提取的集成區(qū)域的光導(dǎo)層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有混合和光提取的集成區(qū)域的光導(dǎo)層，其包括 光耦合進入結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及一種顯示單元、 一種分段 式背光、 一種照明設(shè)備和一種方法。
背景技術(shù)：
光導(dǎo)用于各種照明應(yīng)用。這些應(yīng)用的實例是LCD電視、LCD監(jiān)視器 和蜂窩電話顯示器的LED背光。這里需要光導(dǎo)使來自幾個(有時是彩 色的)小光源的光混合，以便生成均勻的發(fā)光區(qū)域。當光充分混合時， 通常利用楔形微結(jié)構(gòu)表面或者涂料點將光朝著將要顯示給觀察者的圖 像的背面耦合出光導(dǎo)。應(yīng)當將任何反射損失保持在最小。
上述現(xiàn)有技術(shù)的普遍問題在于光無法總是在光導(dǎo)層的全部區(qū)域中 充分混合。這些區(qū)域不可以用于耦合出光，并且因此應(yīng)當將它們最小 化，或者優(yōu)選地通過引入更有效的光混合來消除它們。
例如，US-2006/014657 3公開了一種使光在光導(dǎo)中散射的技術(shù)。通 過將來自光源的光傳送到層中，然后借助全內(nèi)反射重復(fù)地使光改變方 向(即朝著與光傳送到光導(dǎo)層中的位置相距一定距離放置的反射物體) 來實現(xiàn)散射。當光入射到該反射物體上時，當前已經(jīng)充分混合的光被 該反射物體反射，從而使得反射光改變其方向性分布，并且由此從光 導(dǎo)層射入提取層。所述技術(shù)的缺點在于部分反射光返回到光源。這樣 降低了該系統(tǒng)的效率，尤其是小型(分段式)背光的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對上述技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)的改進。 具體的目的是提供一種具有耦合進入結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)層，其提供了光 的有效耦合進入和混合。
因此，提供了一種光導(dǎo)層，其包括光耦合進入結(jié)構(gòu)，來自光源的 光入射到其上。該光耦合進入結(jié)構(gòu)具有傾斜表面，并且被配置為通過 借助該層內(nèi)的全內(nèi)反射使光沿著第一總體方向朝反射結(jié)構(gòu)反射而使光具有第一方向性分布。該反射結(jié)構(gòu)被配置為通過使光沿著第二總體方 向朝光耦合進入結(jié)構(gòu)反射而使光具有第二方向性分布。沿著第二總體 方向反射的至少一部分光透過該光耦合進入結(jié)構(gòu)的傾斜表面。因此，透過該傾斜表面的該部分光可以通過光導(dǎo)在光耦合進入結(jié) 構(gòu)另一側(cè)上的延伸而傳播。因此，該光耦合進入結(jié)構(gòu)可以位于沿著光 導(dǎo)的任意位置。本發(fā)明的光導(dǎo)層的優(yōu)點在于，該光耦合進入結(jié)構(gòu)可以位于光導(dǎo)層 中的任意位置，而不會在光耦合進入結(jié)構(gòu)位置處造成發(fā)散的發(fā)光屬性。 因為在耦合進入結(jié)構(gòu)處具有第二方向性分布的部分光被遠離光源引 導(dǎo)，所以該系統(tǒng)效率更高?？梢詮墓鈱?dǎo)層發(fā)射出沿著第二總體方向反射的至少一部分光。當 然，利用與光導(dǎo)層光學(xué)耦合的附加層，也可以使從該光導(dǎo)層發(fā)射出的 一部分光返回到該光導(dǎo)層。從光源入射的光可以在至少一個維度上準直，其優(yōu)點在于使光更 好地被引導(dǎo)通過該光導(dǎo)層。表面上，其優(yōu)點在于減少了任何光泄漏。該反射結(jié)構(gòu)可以位于光導(dǎo)層的末端，其優(yōu)點在于使光更有效地混 合和發(fā)射。透過光耦合進入結(jié)構(gòu)的傾斜表面的至少 一部分光在光導(dǎo)層內(nèi)可以 具有方向性分布，這進一步改進了光導(dǎo)層的光混合和發(fā)射屬性。因為光可以穿過耦合進入結(jié)構(gòu)，所以該結(jié)構(gòu)可以位于例如光導(dǎo)層 的中心，而光仍分布在整個層內(nèi)。光耦合進入結(jié)構(gòu)可以被反射材料部分覆蓋，其優(yōu)點在于光源可以 非常接近光耦合進入結(jié)構(gòu)，同時反射入射到該耦合進入結(jié)構(gòu)上的所有 光。該光耦合進入結(jié)構(gòu)在該傾斜表面的第一側(cè)上可以包括具有折射率nl的物質(zhì)，并且在該傾斜表面的第二側(cè)上可以包括具有折射率ns的物 質(zhì),ns小于nl 。在光導(dǎo)層內(nèi)，從光源入射的光在與光導(dǎo)層主表面的法線和耦合進 入小平面傾斜表面的法線平行的平面中可以具有2cxin的準直量，并且 入射到該5角度r 。該光導(dǎo)層可以滿足條件P 2r-tt/2,和/或光導(dǎo)層可以滿足條件 sin(丌/2-(r-(3 + a,J)〉ns/nl。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種顯示單元，根據(jù)再一個方 面，提供了一種分段式背光，并且根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了 一種照明設(shè)備。該顯示單元、分段式背光和照明設(shè)備分別包括具有以 上結(jié)合本發(fā)明光導(dǎo)層所述的任意特征的光導(dǎo)層。該顯示單元還包括圖 像生成裝置。該背光和照明設(shè)備還包括光源。該顯示器、背光和照明 設(shè)備還可以包括其他標準的光學(xué)部件，例如重定向薄片、散射器、亮 度增強薄片和雙亮度增強薄片。本發(fā)明的光導(dǎo)層還可以包含在可調(diào)諧 顏色的照明設(shè)備中。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種方法，所述方法包括以下 步驟從光源發(fā)射光，所述光入射到光導(dǎo)層的光耦合進入結(jié)構(gòu)的傾斜表 面上，通過利用光耦合進入結(jié)構(gòu)借助該層內(nèi)的全內(nèi)反射使光沿著第 一 總 體方向朝反射結(jié)構(gòu)反射而使光具有第一方向性分布，通過利用反射結(jié)構(gòu)使光沿著第二總體方向朝耦合進入結(jié)構(gòu)反射而 使光具有第二方向性分布，以及使沿著第二總體方向反射的至少 一部分光透過光耦合進入結(jié)構(gòu)的 傾在牛表面。當然，本發(fā)明的方法可以包括以上結(jié)合本發(fā)明的光導(dǎo)層所述的任 意特征，并且具有相同的相應(yīng)的優(yōu)點。應(yīng)當注意，術(shù)語"物質(zhì)"可以是固體材料以及氣體或者液體，并 且術(shù)語"傾斜表面"至少可以表示平面的、曲面的、分割的平面表面 或者它們的任意組合。


現(xiàn)在將通過實例并參照所附的示意圖描述本發(fā)明的實施例，在附 圖中圖1是根據(jù)第一實施例的光導(dǎo)層的橫截面視圖， 圖2是圖1的光導(dǎo)層的放大截面視圖，圖3a是根據(jù)第二實施例的光導(dǎo)層的透視圖， 圖3b是圖3a的光導(dǎo)層的放大截面圖， 圖4a - 4d是反射結(jié)構(gòu)的四個實施例的主視圖， 圖5是圖1的光導(dǎo)層的頂視圖。
具體實施方式
圖1和2示出包括光導(dǎo)層1的光導(dǎo)單元63。該光導(dǎo)層1具有光耦 合進入結(jié)構(gòu)3和反射結(jié)構(gòu)5。光源7發(fā)射光9,該光在一個維度上準直， 從而使得光導(dǎo)中的光從光導(dǎo)層1的下側(cè)11朝耦合進入結(jié)構(gòu)3以2ain 角(如圖2所示)準直。入射光在光導(dǎo)層1內(nèi)相對于光導(dǎo)單元63的主 表面法線N具有平均方向|3 。該主表面按照定義是光導(dǎo)層1面向觀察 包括該光導(dǎo)層1的顯示單元的用戶的表面19。該光耦合進入結(jié)構(gòu)3具 有由相對于法線N的r角限定的傾斜表面15。該傾斜表面15是由狹縫 25構(gòu)成的，該狹縫是由不同于光導(dǎo)層1的媒質(zhì)制成的，例如空氣。在 該狹縫25的另一側(cè)上，放置了光導(dǎo)層1的第二部分23。反射結(jié)構(gòu)5還 具有由相對于法線N的y角限定的傾斜表面17。將附加的光導(dǎo)層35放 置在第一光導(dǎo)層1的頂部，以及將第三光導(dǎo)層36放置在第二光導(dǎo)層的 頂部以從光導(dǎo)單元63提取光。如上所述，該狹縫25優(yōu)選為空氣狹縫。該光導(dǎo)單元63可以是分段式背光或者發(fā)光設(shè)備。該光導(dǎo)單元63 還能構(gòu)成顯示單元的一部分，該顯示單元還包括圖像生成裝置，例如 液晶元件，由該光導(dǎo)單元63從其背面照明該圖像生成裝置。利用耦合進入結(jié)構(gòu)3的傾斜表面15借助全內(nèi)反射耦合到光導(dǎo)層1 中的光被反射。在被反射之后，光進一步傳播到光導(dǎo)層1中，直到其 照射到反射結(jié)構(gòu)5為止。應(yīng)當注意，被耦合進入結(jié)構(gòu)3反射的光遠離光源7反射，使其不 可能返回到光源7,這樣提高了該單元的效率。因為光源7典型地位于 光導(dǎo)層1的下面，所以該系統(tǒng)在分段式背光方面特別受到關(guān)注。由全內(nèi)反射實現(xiàn)在該第一光導(dǎo)層1的上表面19或下表面11處發(fā) 生的任何反射，即從光導(dǎo)層11未提取出光。涂敷了薄反射材料(例如 鋁)的反射結(jié)構(gòu)5由于該反射結(jié)構(gòu)5傾斜表面17的角y而改變了傳播光的角分布。返回的光具有這樣的分布方向使至少一部分反射光從光導(dǎo)層1 發(fā)出并且使至少一部分反射光透過光耦合進入結(jié)構(gòu)3的傾斜表面15。 其后，光導(dǎo)層1的第二部分23接收透射光，在圖1中該第二部分位于 耦合進入結(jié)構(gòu)3的左側(cè)。這意味著，光導(dǎo)層1的第二部分23也用于光 提取。狹縫25媒質(zhì)具有近似等于1的折射率(例如空氣)，并且需要考 慮全部利用斯內(nèi)爾定律獲得的五種不同條件，該法則指出媒質(zhì)的折射 率乘以入射角的正弦函數(shù)等于第二媒質(zhì)的折射率乘以折射角的正弦函 數(shù)，即光波在交界面上是連續(xù)的。所要滿足的第一個條件是光導(dǎo)層1中的光在被耦合到該光導(dǎo)層1 中之后就照射到光耦合進入結(jié)構(gòu)3的傾斜表面。這對光導(dǎo)的厚度施加 了較低的限制。第二個條件是耦合光應(yīng)當在光耦合進入結(jié)構(gòu)3處的全反射之后基 本上平行于光導(dǎo)層1朝反射結(jié)構(gòu)5的傾斜表面17傳播。這給出了關(guān)系 式"2r-:r/2。第三個條件限定了耦合入的光應(yīng)當在耦合進入結(jié)構(gòu)3的傾斜表面 15處被全內(nèi)反射。這導(dǎo)致以下情況sin(n/2-(r-P + ahl))>ns/nl。 此處，ns表示狹縫25媒質(zhì)的折射率，ns應(yīng)當小于nl,并且在空氣的 情況下n-l。第四個條件與返回到耦合進入結(jié)構(gòu)3并且在該光最后在光導(dǎo)層1 的上表面19處被反射時被耦合進入結(jié)構(gòu)3的傾斜表面15反射的該部 分光相關(guān)。如果(tt/2-r)>2 y ,則還滿足附加條件(在反射之后需要 在光導(dǎo)層1的第一平面處的全內(nèi)反射)2r+2y- aln-7i /2>arcsin(ns/nl)。量2 y表征從反射結(jié)構(gòu)5返回的光的方向。第五個條件限定了返回到耦合進入結(jié)構(gòu)3最后與光導(dǎo)層1的下表面11相互 作用的光應(yīng)當能夠透射到光導(dǎo)層23的第二部分中。引入變量 gM=arctan(tan(3 7r/2+2 y ± a in)/cos ( 5))禾口 g A=arctan (tan (3丌/2+2 y)/cos(5))以及函數(shù)f U)H TT-la訓(xùn)(sinU)cos(5)cos(r)-cosU)sin(r)) I |,這產(chǎn)生了以下約束條 件f UJ〈arcsin(ns/nl)和f (。)<arcsin(ns/nl)。如果2y〈tt/2—r，則還 存在另外的約束條件。引入g產(chǎn)arctan(Un(7T/2+0Cin-2y-2r)/cos(5))，約束條件為f ( g E) 〈arcsin (ns/nl)。在這里參照圖5， 2 5是垂直于圖1的平面的光的準直量。 全部五個條件是守恒的，這意味著不太嚴格的條件仍然有效，但是會產(chǎn)生一些光泄漏。除了上述五個條件之外，該系統(tǒng)優(yōu)選地基本上服從下列三個限制條件來自光源7的光將經(jīng)內(nèi)反射傳播到反射結(jié)構(gòu)5。當tt/2-a i,arcsin(n2/nl)時滿足該條件，其中2oc^是光導(dǎo)層1中的光的準直度。被反射結(jié)構(gòu)5反射的光應(yīng)當能夠透過更高的層。當 丌/2—arctan(tan(2 y 一 oc "，) cos ( a inT )) <arcs in (n2/nl)時滿足該條 件，其中OCi/是光導(dǎo)層1中沿著垂直于圖1平面的方向的反射光的準 直度，并且y是傾斜的反射結(jié)構(gòu)5的角度。為了簡化，可以采用近似 值cXi/' =ainT。應(yīng)當注意，ainT'和0Ci/通常是不同的，但是通常近似 相等，并且當光沿著垂直于圖1平面的方向準直時(Cxi,/),在圖1的 平面中需要較少量的準直度(ocin)。優(yōu)選地，被反射結(jié)構(gòu)5反射的光沒有經(jīng)透射從上層35、 36射出進 入空氣中(除了經(jīng)向外耦合結(jié)構(gòu)之外)。當tt/2-2 y-ain>arcsin(n2/nl) 時滿足該全內(nèi)反射條件。上述參數(shù)的一些典型值為Y=19度，r=51度，nl = l. 49， n2 = l. 44， P=12度以及(Xi,尸8度。重要的是，耦合進入光的方向性角分布與被反射結(jié)構(gòu)5反射的光 的方向性角分布不重合或者幾乎不重合。在這里，方向性角分布表示 相對于光導(dǎo)單元63的法線N的角分布。而且，由上述五個條件來滿足這個條件。圖3示出用亍減少準直量的兩個類似的光導(dǎo)層1,它們具有相同的 折射率。如圖3所示，三角形耦合進入結(jié)構(gòu)29可以部分地被反射鏡薄片33 覆蓋，以便防止光線在從光源發(fā)出之后可能入射到耦合進入結(jié)構(gòu)中。在圖4中，該反射結(jié)構(gòu)5是階梯狀37或者分段式39。而且如圖所 示，該反射結(jié)構(gòu)5可以向內(nèi)傾斜41或向外傾斜43,或者其組合傾斜 45。光導(dǎo)層1頂部的可選附加層35和/或36可以在幾個光導(dǎo)段上延伸， 以在這些段之間混合光，類似圖3所示，或者防止段之間的尖銳邊界。 取代使頂層延伸，通過引入與幾個段光學(xué)接觸的另一附加層能夠?qū)崿F(xiàn) 相同效果，例如位于光導(dǎo)層1之下的附加層。在一個實施例中，該光導(dǎo)伸長并且特別適于掃描或者一維可調(diào)背 光。當該伸長的光導(dǎo)覆蓋了背光的一個維度時，光從下面耦合進來。如上所述以及如本領(lǐng)域公知的，光導(dǎo)單元63可以具有附加層36, 其中可以發(fā)生光提取。盡管本發(fā)明特別適于幾個層，但是在這里本發(fā) 明不依賴于多個層的存在，或者不依賴于建立返回光方向性分布的方 式。在光導(dǎo)中，入射到光耦合進入結(jié)構(gòu)3的傾斜表面上的光在圖1的 平面中具有2cxin的準直角，該準直角典型地在0-20度范圍內(nèi)。其他 方向5 (垂直于a )上的準直將限制光混合，但是也弱化了對第一方 向上的準直的限制。然而，光在其他方向上無需準直，這將增強背光 的均勻性。光源7可以是任何已知的類型，例如發(fā)光二極管、冷陰極 熒光燈或者有機發(fā)光二極管。光耦合進入結(jié)構(gòu)3應(yīng)當由適于引導(dǎo)光的光學(xué)透明材料制成。狹縫 25媒質(zhì)的折射率優(yōu)選地小于光導(dǎo)材料1的折射率。該狹縫媒質(zhì)25可以 是空氣。光導(dǎo)層的第二部分23的折射率還可以與第一部分的折射率不 同(從耦合進入結(jié)構(gòu)3觀察第一部分與第二部分23相對)。盡管以上結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員而言，顯而易見的是，在不背離如后面權(quán)利要求所限定的 本發(fā)明的情況下可以想象出若干種修改。
權(quán)利要求
1.一種光導(dǎo)層，包括光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)，來自光源(7)的光入射到其上，所述光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)具有傾斜表面(15)，其被配置為通過借助該層內(nèi)的全內(nèi)反射使光沿著第一總體方向朝反射結(jié)構(gòu)(5)反射而使光具有第一方向性分布，該反射結(jié)構(gòu)(5)被配置為通過使光沿著第二總體方向朝光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)反射而使光具有第二方向性分布，其中沿著第二總體方向反射的至少一部分光透過該光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)的傾斜表面(15)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光導(dǎo)層，其中沿著第二總體方向反射的 至少一部分光從光導(dǎo)層(1 )射出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光導(dǎo)層，其中從光源(7)入射的 光(49)在至少一個維度上準直。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的光導(dǎo)層，其中基本上從光 源(7 )入射的所有光都入射到光耦合進入結(jié)構(gòu)(3 )的傾斜表面(15 ) 上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的光導(dǎo)層，其中該反射結(jié)構(gòu) (5)位于光導(dǎo)層(1)的末端(51)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的光導(dǎo)層，其中透過光耦合 進入結(jié)構(gòu)(3)的傾斜表面的至少一部分光在光導(dǎo)層(1)內(nèi)具有方向 性分布。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的光導(dǎo)層，其中該光耦合進 入結(jié)構(gòu)(3 )被反射材料(33 )部分地覆蓋。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的光導(dǎo)層，其中該光耦合進 入結(jié)構(gòu)(3)在該傾斜表面的第一側(cè)上包括具有折射率nl的物質(zhì)，并 且在該傾斜表面的第二側(cè)上包括具有折射率ns的物質(zhì)，ns小于nl。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光導(dǎo)層，其中在光導(dǎo)層(1)內(nèi)從光源 (7)入射的光(49)在與光導(dǎo)層(1)的主表面的法線(N)和耦合進入結(jié)構(gòu)(3 )的傾斜表面(15 )的法線平行的平面中具有準直量(2 a i,)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光導(dǎo)層，其中入射到該耦合進入結(jié)構(gòu) 傾斜表面上的光在光導(dǎo)層內(nèi)具有平均方向(P )。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的光導(dǎo)層，其中光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)的傾斜表面(15)相對于光導(dǎo)層(1)主表面的法線(N)形成角(r )。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11和11所述的光導(dǎo)層，其中p"2r-丌/2。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光導(dǎo)層，其中sin(jr/2-(r-P + a in)) 〉ns/nl 。
14. 一種顯示單元，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項所述的光 導(dǎo)層(1 )以及圖像生成裝置。
15. —種分段式背光，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項所述的 光導(dǎo)層(1)以及光源(7)。
16. —種照明設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項所述的光 導(dǎo)層(1)以及光源(7)。
17. —種引導(dǎo)光的方法，所述方法包括以下步驟從光源(7 )發(fā)射光，所述光入射到光導(dǎo)層(1 )的光耦合進入結(jié) 構(gòu)(3)的傾斜表面(15)上，通過利用光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)借助該層內(nèi)的全內(nèi)反射使光沿著第 一總體方向朝反射結(jié)構(gòu)(5)反射而使光具有第一方向性分布，通過利用反射結(jié)構(gòu)(5)使光沿著第二總體方向朝光耦合進入結(jié)構(gòu) (3)反射而使光具有第二方向性分布，以及使沿著第二總體方向反射的至少 一部分光透過光耦合進入結(jié)構(gòu) (3)的傾斜表面(15)。
全文摘要
一種光導(dǎo)層，包括光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)，來自光源(7)的光入射到其上，所述光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)具有傾斜表面(15)，其被配置為通過借助該層內(nèi)的全內(nèi)反射使光沿著第一總體方向朝反射結(jié)構(gòu)(5)反射而使光具有第一方向性分布。該反射結(jié)構(gòu)(5)被配置為通過使光沿著第二總體方向朝光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)反射而使光具有第二方向性分布，并且沿著第二總體方向反射的至少一部分光透過該光耦合進入結(jié)構(gòu)(3)的傾斜表面(15)。還公開了一種顯示單元、一種分段式背光、一種照明設(shè)備和一種方法。
文檔編號G02B6/00GK101542341SQ200780043713
公開日2009年9月23日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28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