專利名稱：用于照明設備和其他照明系統(tǒng)中的光管理的布魯斯特角膜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多層光學膜，該多層光學膜的反射特性很大程度上取決于該膜內(nèi)微層之間的界面的相長干涉和相消干涉，本發(fā)明還涉及可以使用此類膜的照明系統(tǒng)以及相關方法、系統(tǒng)和制品。該照明系統(tǒng)可包括背光源，例如液晶顯示器(LCD)裝置和類似顯示器中使用的背光源，包括但不限于直接照明式或側(cè)光式類型。另外，還特別包括除了顯示器中所用背光源之外的照明系統(tǒng)，例如，旨在用于照明而無需任何圖形組件的照明系統(tǒng)(包括照明設備、工作燈等)。
背景技術：
最近幾年，面向公眾的顯示裝置在數(shù)量和種類上都取得了巨大的增長。計算機 (無論臺式機、膝上型計算機或筆記本計算機)、個人數(shù)字助理(PDA)、手機和超薄液晶電視機只不過是其中的幾個例子。這些器件中的某些可使用平常的環(huán)境光來觀看顯示器，但多數(shù)包括使顯示器可見的背光源。許多這種背光源都可歸結(jié)為“側(cè)光式”或“直接照明式”兩種類型。這兩類背光源的區(qū)別在于光源相對于背光源輸出表面的布局，其中輸出表面限定顯示器件的可視區(qū)域。在側(cè)光式背光源中，光源沿著背光源構(gòu)造的邊界被設置，位于與輸出表面對應的范圍或區(qū)域之外。光源通常將光發(fā)射到光導裝置中，該光導裝置具有與輸出表面接近的長度和寬度維度，并且光被從其中提取以照亮輸出表面。在直接照明式背光源中，光源陣列被設置在輸出表面的正后方，并且漫射器被設置在光源的前面，從而得到更加均勻的光輸出。某些直接照明式背光源另外整合邊緣安裝式的光源，因此能夠以直接照明式和側(cè)光式兩種方式工作。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，光學組件包括具有內(nèi)布魯斯特角的反射器以及具有正交的反射軸和透射軸的反射型偏振器。在另一個實施例中，直接照明式背光源組件包括一個或多個燈；反射器，其具有內(nèi)布魯斯特角，其中反射器的主表面面向一個或多個燈中的至少一個；以及光重定向?qū)?。在本發(fā)明的又一個實施例中，光學組件包括一個或多個燈；顯示面板；以及反射器，其具有內(nèi)布魯斯特角。反射器為至少三層的多層干涉膜，其中這些層中的至少一層是雙折射的，并且X方向上的折射率(IIx)小于Z方向上的折射率(nz)，其中X方向是面內(nèi)方向。 反射器位于燈和顯示面板之間。在另一個實施例中，光學組件包括具有平滑側(cè)的背光源反射器，該背光源反射器具有在空氣中小于90度的內(nèi)布魯斯特角，其中膜內(nèi)部對某種偏振態(tài)的內(nèi)部反射率在某一角度下為零。背光源反射器在垂直入射角度處的反射率為50%或更大。本發(fā)明公開了多層光學膜，該多層光學膜對所有偏振態(tài)在垂直入射角度均表現(xiàn)出高反射率，但優(yōu)先透射在一個或兩個正交的入射平面內(nèi)的大角度光線。本發(fā)明公開了對稱構(gòu)造和非對稱構(gòu)造。該膜可用于直接照明式背光源和除直接照明式背光源之外的照明系統(tǒng)(例如側(cè)光式背光源)以及非背光源照明系統(tǒng)(例如，旨在用于一般照明而無需任何圖形組件的系統(tǒng)，諸如照明設備和工作燈之類)。本專利申請的這些方面和其他方面通過下文的具體描述將顯而易見。然而，在任何情況下都不應將上述發(fā)明內(nèi)容理解為是對要求保護的主題的限制，該主題僅受所附權利要求書的限定，并且在審查期間可以進行修改。


在整篇說明書中都參考了附圖，其中相同的附圖標記表示相同的元件。圖1為結(jié)合液晶顯示器的直接照明式背光源的分解透視圖。圖2為直接照明式背光源組件的第一實施例的示意性剖視圖。圖3為直接照明式背光源的一個實施例的平面圖。圖4為利用例如LED的緊湊型光源的直接照明式背光源實施例的平面圖。圖5為示出在背光源的輸出表面的至少一部分上的亮度相對于位置的理想化曲線圖。圖6示出了形成單個界面的兩層疊堆膜，其中標注有表示如何標示不同折射率的符號。圖7為表示多層構(gòu)造中各種折射率的情況以及它們?nèi)绾卧龃蠡蛳摌?gòu)造的內(nèi)布魯斯特角的示意圖。圖8為表示多層構(gòu)造中各種折射率的情況以及它們?nèi)绾螠p小或消除該構(gòu)造的內(nèi)布魯斯特角的另一個示意圖。圖9為若干多層雙折射反射器的反射率相對于角度的曲線圖，這些多層雙折射反射器具有從空氣入射的光可達到的內(nèi)布魯斯特角。圖10和圖11分別為在光學組件的一個實施例中使用的具有盤形部分的反射器的頂視圖和側(cè)視圖。圖12為直接照明式背光源組件的另一個實施例的剖視圖。圖13為直接照明式背光源組件的另一個實施例的剖視圖。圖14為直接照明式背光源組件的又一個實施例的剖視圖。圖15為sPS/PMMA反射器的一個界面對s偏振光和ρ偏振光的反射率相對于角度的曲線圖。圖16為sPS/PMMA反射器的另一個實施例的空氣界面的反射率相對于角度的曲線圖。圖17為直接照明式背光源組件的另一個實施例的剖視圖。圖18為反射器的實施例的示意圖。圖19為圖18的sPS/有機硅反射器實施例的空氣界面的反射率相對于角度的曲線圖。圖20為圖18的sPS/有機硅聚酰胺反射器的反射率隨角度變化的曲線圖。圖21為反射器的實施例的示意圖。圖22為圖21的反射器的強軸的示意圖。圖23為圖21的反射器的強軸的反射率隨角度變化的曲線圖。
圖M為圖21的反射器的弱軸的示意圖。圖25為圖21的反射器的弱軸的反射率隨角度變化的曲線圖。圖沈為反射器的另一個實施例的強軸的示意圖。圖27為圖沈的反射器的強軸的反射率隨角度變化的曲線圖。圖觀為強軸在圖沈中示出的實施例的弱軸的示意圖。圖四為圖觀的反射器的弱軸的反射率隨角度變化的曲線圖。圖30為對于三種不同背光源構(gòu)造，相對于與光源相關的橫向位置標繪的相對強度測量的曲線圖。圖31為反射器的優(yōu)選反射光譜和透射光譜的曲線圖。圖32為背光源一個實施例的一部分的示意性剖視圖，該背光源包括漫反射前反射器和漫反射后反射器。圖33為背光源一個實施例的一部分的示意性剖視圖，該背光源包括鏡面反射前反射器和半鏡面后反射器。圖34為在正交平面內(nèi)具有不同輸出發(fā)散度或準直度的照明設備的透視圖。
具體實施例方式本發(fā)明適用于與直接照明式背光源使用的光學組件，與在較大入射角處的光的透射率相比，這些光學組件在垂直入射角度處呈現(xiàn)較低的透射率。在實施過程中，這意味著與離光源較遠的其中強度較低但具有較高百分比的透射率的區(qū)域相比，百分比較低的光透射穿過靠近光源的強度最高的區(qū)域中的光學組件。該凈效應為在整個直接照明式背光源輸出表面上的透射光強度的勻化。因此，觀察者不太可能察覺到在直接照明式背光源上的光源正上方的較亮區(qū)域。這種類型的光學組件在直接照明式顯示器件(例如，包括大面積LCD 電視機或臺式機顯示器的LCD顯示器件)的環(huán)境下尤其可用。如果反射器具有內(nèi)布魯斯特角，則反射器可提供所需的透射特性使光的輸出變平，從而反射器對P偏振光的反射率隨入射角的增大而減小，如將在本文中更詳細說明的。 可仔細選擇反射器的材料和結(jié)構(gòu)，以使得反射器在垂直入射角度處和接近垂直入射角度的反射率具有合適的高數(shù)值，但在較大入射角度處的光線更有可能被透射。因此，只有相當小部分的由直接照明式背光源的光源發(fā)射的光將穿過光源正上方的區(qū)域中的顯示器。較高比例的光在并非光源正上方的顯示器的區(qū)域處穿過。以下描述直接照明式背光源的一般結(jié)構(gòu)。圖1示出了光學組件20的分解透視圖， 其包括與例如液晶顯示(IXD)面板的顯示面板12結(jié)合的直接照明式背光源10。背光源10 和顯示面板12都以簡化的框圖示出，但讀者應該明白，每一個方框都包含其他細節(jié)。背光源10包括框架14和延伸的輸出表面16。工作時，整個輸出表面16被設置在該輸出表面后方的框架14內(nèi)的光源照亮。當被照亮時，背光源10讓多位觀察者18a和18b能夠看到顯示面板12所顯示的圖像或圖形。這些圖像或圖形由通常數(shù)千或數(shù)百萬個獨立的圖像元素(像素)構(gòu)成的陣列產(chǎn)生，像素陣列幾乎完全充滿了顯示面板12的橫向尺寸(長度和寬度)。在大多數(shù)實施例中，背光源14發(fā)出白光，像素陣列被組織成多個多色像素組(例如， 紅/綠/藍(RGB)像素、紅/綠/藍/白(RGBW)像素等)，以使得使顯示的圖像為多色的。 然而，在一些情況下，可能有利的是提供單色顯示。在這些情況下，背光源10可包括濾光器或主要發(fā)射一種可見波長或顏色的特定光源?；蛘?，光源可為被相繼供電的多個單色發(fā)光器件的源，例如紅色LED、綠色LED和藍色LED。圖1中的背光源10被圖示為包括設置在輸出表面16后方的三個伸長的光源，如光源區(qū)20a、光源區(qū)20b、和光源區(qū)20c所指出的那樣。在光源區(qū)之間或者說是光源區(qū)之外的輸出表面16的區(qū)域在本文中被稱作間隙區(qū)。因此，輸出表面16可看作是由光源區(qū)和間隙區(qū)的互補組構(gòu)成。光源區(qū)和間隙區(qū)的存在是以下事實的結(jié)果即使光源是延伸的，但它們在投影面積(平面圖)方面均單獨地和總共地比背光源的輸出表面小得多。在大多數(shù)實施例中，為了得到顯示器的最佳圖像品質(zhì)，期望的是構(gòu)造背光源10使得輸出表面16上的亮度盡可能均勻。在這些情況下，光源區(qū)中的亮度應該與間隙區(qū)中的亮度基本相同。圖2為能夠?qū)崿F(xiàn)這種均勻性的直接照明式背光源30的示意性剖視圖。背光源30 包括前反射型偏振器32、后反射器34和燈36。反射型偏振器32和后反射器34形成光循環(huán)腔22，在該光循環(huán)腔內(nèi)光可以經(jīng)歷連續(xù)反射。反射型偏振器透射第一偏振態(tài)的光，并且反射與第一偏振態(tài)正交的第二偏振態(tài)的光，其中，這兩種偏振態(tài)基本上沿著正交(90度)的面內(nèi)方向發(fā)生平面偏振。膽留型反射型偏振器當與四分之一波延遲器結(jié)合時可執(zhí)行該功能， 并且可用于本發(fā)明，得自3M公司的線柵反射型偏振器和例如DRPF(漫反射型偏振膜)產(chǎn)品的漫反射型偏振器亦如此。通常，本發(fā)明適用任何反射型偏振器，只要這些反射型偏振器反射其偏振平面與一個軸平行的光，并且透射其偏振平面與正交軸平行的光。反射s偏振光并且基本上透射 P偏振光的常規(guī)的平面多層膜不是用于該偏振器的選擇。相反，如以下所討論的，這類膜可用作反射器40。這兩者的正確組合可用于在具有線性部分的光源(例如熒光燈)的背光源中提供均勻的空間強度。圖2還包括具有內(nèi)布魯斯特角的反射器40，例如各向同性的層狀結(jié)構(gòu)。術語“內(nèi)布魯斯特角”指的是在對反射器而言為內(nèi)部的界面處、而不是在與系統(tǒng)中的空氣或其他組分的界面處的布魯斯特角。反射型偏振器32的一個用途在于，向反射器40發(fā)送在垂直于線光源的入射平面內(nèi)主要為P偏振的光。反射器40對ρ偏振光的反射率隨入射角增大而減小。在利用吸收型偏振器的顯示器中該反射型偏振器還可用于將光預偏振。例如，多層雙折射偏振器(例如以Vikuiti品牌得自3M公司的雙倍增亮膜(DBEF)產(chǎn)品)可在垂直于光源軸的平面內(nèi)將P偏振光發(fā)送到反射器。如果這兩個組件的損耗小，則可改變設置的次序，使得反射器40的位置和反射型偏振器32的位置可以互換，而不會發(fā)生功能損失。在小入射角處，反射器40對ρ偏振光的反射率較高，使得只有小入射角的一小部分光全程通過反射器40。例如，圖2中的光線52垂直于反射器40的表面，因而其入射角為零度。因此，入射光52只有一小部分作為光線M從反射器射出。在較大入射角處，反射器 40對ρ偏振光的反射率較小，使得較大一部分光全程通過反射器40。例如，光線56以較大入射角入射到該反射器上，使得較大一部分光作為光線58從該反射器射出。在本發(fā)明的大多數(shù)實施例中，反射型偏振器32不具有內(nèi)布魯斯特角，盡管在其他實施例中，該反射型偏振器的確具有內(nèi)布魯斯特角。如果反射型偏振器32是多層雙折射反射型偏振器，則它可以具有沿著透光軸的內(nèi)布魯斯特角，為基本上透射的，甚至在垂直入射角度處也如此。它甚至可以具有沿著阻塞(反射)軸的內(nèi)布魯斯特角，前提條件是對于s偏振光和P偏振光來說，其在所有入射角度處基本上反射與該軸平行的光。在一些實施例中，反射型偏振器在與該反射型偏振器阻光軸平行的入射平面內(nèi)不具有內(nèi)布魯斯特角。另外可以將本發(fā)明的光學組件構(gòu)造成不具有反射型偏振器。例如，構(gòu)造有全向點光源(例如為LED)的背光源可能不需要對反射器40的ρ偏振光的定向源，因為對于光發(fā)射來說沒有定向方位。圖17提供了這種光學組件的實例。圖17示出了背光源3300，其包括光腔體3302、具有內(nèi)布魯斯特角的反射器3304、漫射器3306和光學光定向膜3307。光腔體3302包括漫射鏡3308，以及多個點光源、螺線形光源或線光源3310。雖然可以在不使用反射型偏振器的情況下構(gòu)造均勻的背光源，但反射型偏振器對于在利用吸收型偏振器的顯示器中預偏振和循環(huán)利用偏振光仍是可取的。還存在不需要偏振光的顯示器，例如背光標牌。盲接照明式背光源的實例和特件如以上所討論的，圖2的背光源構(gòu)造有助于通過使背光源整個表面上的輸出更均勻來隱藏直接照明式背光源中的燈。本文將進一步描述有助于隱藏燈的其他背光源構(gòu)造。 但首先將討論更多普通類型的直接照明式背光源，包括使用線光源、螺線形光源和點光源的背光源。圖1中的直接照明式背光源示出了三個光源20a至20c。在一個實施例中，這些光源是三個單獨不連續(xù)的線型燈，其常常已知為線光源?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，其示出了另一個示例性背光源21的平面圖，其中，光源23a至23c是較大的螺線形燈M的一些部分。圖4示出了可供選擇的背光源沈的平面圖，其包括緊湊型或小面積的光源觀的陣列。這些光源可以是(例如)LED光源?；贚ED的光源實例在下面共同轉(zhuǎn)讓的專利申請中有所描述在2004年10月四日提交的美國專利申請公布US 2004/0150997 Al (Ouderkirk等人)、美國專利申請公布US 2005/0001537 Al (West等人)和序列號為 No. 10/977582 的美國專利申請“Polarized LED” (偏光 LED)。直接照明式背光源的常見類型是線光源、螺線形光源或點光源。直接照明式背光源中的燈位于背光源輸出表面的正后方，而不是沿著背光源構(gòu)造的外邊界。直接照明式背光源是產(chǎn)生或引起光子的場所，(例如，燈)基本上位于顯示區(qū)投影面積內(nèi)。例如，直接照明式背光源10包括顯示區(qū)，例如圖2中的顯示區(qū)16。燈36位于顯示區(qū)16的投影面積內(nèi)。 相似地，燈36位于反射器40的主表面的投影面積內(nèi)。直接照明式背光源的另一種描述是， 一種其中顯示區(qū)的投影面積顯著大于燈或光源的投影面積的背光源。與直接照明式背光源相比，側(cè)光式背光源通常構(gòu)造為具有不位于顯示區(qū)投影面積內(nèi)的燈。相反，在側(cè)光式背光源中，燈沿著顯示區(qū)的邊緣延伸并且延伸到側(cè)邊。^MB^^W^Mm^m^ij^^^m^圖5為背光源沿某路徑的亮度的理想化圖線，該路徑在整個背光源輸出表面的全部或一部分上延伸。選擇該路徑，以使其包括光源正上方的輸出表面區(qū)域(即光源區(qū)64) 以及沒有位于任何光源正上方的輸出表面區(qū)域(即間隙區(qū)66)。對于曲線60而言，該裝置中不存在反射器40來選擇性地反射光。因此，光源區(qū)64變成相對暗的間隙區(qū)66之間的相對亮點。曲線62示出了根據(jù)本發(fā)明采取步驟以使在整個背光源表面上的光強度相等的背光源的理想輸出，其中所述步驟例如在裝置中包括具有布魯斯特角的反射器40。在這種情況下，以小入射角透射穿過反射型偏振器32的光大部分被反射器40反射，而只有一小部分
對于在x-z平面內(nèi)入射的光，等式中ny的值被nx的值替代。nx、ny和nz的相對值會顯著影響內(nèi)布魯斯特角的值和內(nèi)布魯斯特角的存在性。雖然存在可能性的閉聯(lián)集，但一般影響分成可用圖7和8的示意圖概括的兩個主要類別。圖7示出了將內(nèi)布魯斯特角的值增加至超過用各向同性材料可獲得的值或消除了內(nèi)布魯斯特角的光學材料組合。這組條件為第一材料68和第二材料69之間的nz差值小于對于給定入射平面的面內(nèi)折射率的差值。線83和84分別表示第一材料和第二材料的!!,或 值，其中，nlx和之間的差值被示出為保持恒定，并且nly和n2y之間的差值被示出為保持恒定。線85和86表示nlz和n2z 的值，表明隨著nlz和n2z之間差值的減小，內(nèi)布魯斯特角增大。在nz差值消失的線85和86 之間交叉處的線88處，布魯斯特角也消失。超過該點的增大的八~與Anxy相比具有相反符號，并且與對s偏振光的反射率相似，對P偏振光的反射率此時隨入射角而增大。材料中的一種或兩種均可為雙折射的，但保持相同的關系，而與哪個材料是雙折射的無關。圖8示出了本發(fā)明的優(yōu)選光學材料組合，其允許在入射角處可將相當大部分的ρ 偏振光從空氣透射到平表面的反射器的構(gòu)造。采用正確的折射率集，這些反射器可以表現(xiàn)
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被透射。在該特殊情況下，朝顯示器前方透射穿過反射型偏振器的光被反射器40反射和透射，而所反射和透射的量使得光源區(qū)64的亮度基本上匹配間隙區(qū)66的亮度。這樣，在高亮度直明式背光源中就可實現(xiàn)高度均勻的照度。由于實際系統(tǒng)很少能夠?qū)崿F(xiàn)完全的均勻度，因此可調(diào)節(jié)器件的特性，以使全部或一部分背光源輸出表面上方的亮度波動最小化。具有內(nèi)布魯斯特角的反射器實例術語“反射器”指的是反射率為至少約30%的結(jié)構(gòu)。在多種實施例中，反射器的反射率將為至少約50%、80%或90%。除非另有說明，否則所有反射率值指的是垂直入射角度下的反射率。對于在具有不同折射率的兩個區(qū)域之間的平面邊界上入射的光，布魯斯特角為這樣的入射角對于電場矢量在由傳播方向和表面法線限定的平面內(nèi)的光而言，其在該入射角下的反射率為零。換句話講，對于在具有不同折射率的兩個區(qū)域之間的平面邊界上入射的光，布魯斯特角為這樣的入射角在該入射角下的P偏振光的反射率為零。對于從折射率為H1的第一各向同性介質(zhì)至折射率為n2的第二各向同性介質(zhì)的傳播，布魯斯特角被定義為 arc tan(Ii2Ai1)。當在某光學結(jié)構(gòu)內(nèi)的兩個不同折射率的相鄰部分之間存在界面時，該光學結(jié)構(gòu)可能存在內(nèi)布魯斯特角。包含交替的低折射率和高折射率材料的干涉膜可具有內(nèi)布魯斯特角。然而，具有多個層的光學組件不是必需具有內(nèi)布魯斯特角。例如，如果在多層鏡中的交替的層中的一個或兩個均為雙折射的，并且這些層的ζ折射率具有相對于面內(nèi)折射率的特定差值，則將不存在布魯斯特角?；蛘?，采用另一組相對的nz差值，布魯斯特角的值會急劇減小。為有助于說明這種行為，圖6中示出了形成界面的兩個雙折射材料層，并且用符號標示了第一材料68和第二材料69的折射率。各材料層一般可具有沿著χ方向、y方向和ζ方向不同的折射率，如圖6中所示。對于y-z平面內(nèi)偏振的光，在兩個電介質(zhì)材料層的界面處的布魯斯特角θ Β被定義為
22y η
π2 η 2(η2出增強的布魯斯特效應，使得從空氣入射到平面界面上的光可以達到布魯斯特角。對于大多數(shù)由各向同性的材料制備的多層反射器來說，這是不可能的。然而，正確選擇雙折射材料可使第一材料層68和第二材料層69(圖6)之間的nz差值比相同層的面內(nèi)折射率差值大。Δηζ = (nlz-n2z) > (η1χ_η2χ)或(η1ζ_ Δ ηζ) > (nly_n2y)與圖7類似，圖8示出了線83和84，其分別表示第一材料和第二材料的nx或ny 值，其中，nlx和n2x之間的差值被示出為保持恒定，并且nly和n2y之間的差值被示出為保持恒定。線87和線88表示nlz和n2z的值，表明隨著nlz和n2z之間的差值增大至超過nxy值之間的差值，內(nèi)布魯斯特角減小。如圖9所示，Δηζ相對于Δ ηχ的值越大，在這個界面上入射在χζ平面內(nèi)的ρ偏振光的布魯斯特角的值越小，本文還將對此進一步描述。繪出了圖9 =IijJPny為恒定值而Δηζ 為增大值。對于這些構(gòu)造中的任意構(gòu)造，只有多層疊堆中相當大一部分層中存在布魯斯特角時，布魯斯特角的存在才是有用的。如果向多層疊堆添加額外的功能化涂層或第三材料或第四材料層，則這些材料可以根據(jù)它們所接觸的材料產(chǎn)生不同布魯斯特角值。與第一材料和第二材料的界面數(shù)量相比，如果這類材料具有相對少的界面，則這類界面對本發(fā)明的性能將不產(chǎn)生顯著影響。凡是多層疊堆主要包括第一材料和第二材料層的，但一些層在第一材料和第二材料的組合方面為輕微的變型形式，則對整體疊堆的影響可以為較大的布魯斯特角最小值，但是整體效果與只有這兩種材料時的效果類似。具有內(nèi)布魯斯特角的多層反射器的所需性能是在垂直入射角度處具有相對高的反射率，并且在傾斜的入射角處具有較低的反射率(較高的透射率)。通常，凡是相鄰交替的層之間的八~與八！^或Any的符號相同的任何多層反射器都將具有內(nèi)布魯斯特角，并且可用于本發(fā)明。通常，沿著X軸和y軸的面內(nèi)折射率不需要相等。凡是在χ方向和y方向具有相等折射率的單軸情況、凡是nx興ny興nz的雙軸情況、 以及凡是nx興ny = nz的單軸情況之間存在閉聯(lián)集。具有多個內(nèi)布魯斯特角的材料界面雙折射多層反射器可采用取向的(伸長的)雙折射聚合物材料制備。通過使用在 χ方向和y方向的不同拉伸比，可制備非對稱反射器，其各自方向的內(nèi)布魯斯特角具有非常不同的值。圖21中示出了一組示意性的折射率。根據(jù)圖8中提供的信息，就圖21的膜對而言對于在χ-ζ或y-z平面內(nèi)的入射光將存在布魯斯特角。對于在x-z或y-ζ平面內(nèi)的入射光，ζ折射率當然相同，但由于Anz/Any比率大于Δηζ/Δηχ比率，在y_z平面出現(xiàn)的內(nèi)布魯斯特角的角度比x-z平面的小。對于x-z平面和y-z平面之間的方位角，存在內(nèi)布魯斯特角的閉聯(lián)集。因此，僅采用兩種材料制備的多層反射器沿著不同的面內(nèi)方向可具有不同的布魯斯特角。關于光源的有效隱藏，沿著所有的面內(nèi)方向，在垂直入射角度下的相對高的反射率可以是所需的。在一些實施例中，沿任一軸的反射率都大于約50%。以下給出采用具體材料的實例。如果這種非對稱反射器的反射率對于一個軸比對另一個軸高得多，則在偏振來自背光源的光以及得到從背光源輸出的空間上更均勻的光方面，反射器可執(zhí)行反射型偏振器的功能。通常，如果提供的是偏振循環(huán)、或“增益”，則“透光”軸的透射比率應當接近或大于 “阻光軸”的透射率的至少兩倍。
重新參考圖2，對于采用線光源或接近線性陣列的點光源照亮的系統(tǒng)，該非對稱反射器的“阻光軸”優(yōu)選地與該線性方向?qū)R。本發(fā)明的反射器主要透射傾斜的光線，并且在一些實施例中使用光重定向?qū)?例如漫射器、棱鏡膜或、珠狀的“增益漫射器”膜等等)，從而得到相對于顯示器和觀察者的垂直入射角度的光，如本文還將進一步討論。如果反射器還用作預偏振器或偏振循環(huán)膜，則光重定向?qū)踊旧喜粦攲⒂煞瓷淦魍干涞墓馊テ?。如果漫射器或光轉(zhuǎn)向膜基本上去偏振該光，則在反射器和顯示面板之間可以添加單獨的反射型偏振器。本文將進一步討論的反射器40的結(jié)構(gòu)存在許多可能性。例如，在一個實施例中， 反射器40是各向同性的材料的多層疊堆。以下描述反射器40的另外的示例性構(gòu)造。反射器為雙折射層狀結(jié)構(gòu)雙折射層狀結(jié)構(gòu)在例如美國專利No. 5，882，774中有所描述。通常，優(yōu)選的多層反射器40為這樣的多層反射器，其中ζ軸折射率差值大于χ軸折射率差值和/或y軸折射率差值。對于用作反射器的雙軸雙折射層狀結(jié)構(gòu)的某些實施例，沿著至少一個面內(nèi)軸的反射率為至少約50%或至少約60%。當考慮布魯斯特角時，另一個重要的問題是光學結(jié)構(gòu)的內(nèi)布魯斯特角在空氣中是否可達到。圖9示出面內(nèi)折射率為1. 57和1. 41的雙折射層和各向同性層的多層疊堆在空氣中的模擬反射率。nlz值的范圍從圖線a的1. 41至圖線f的1. 7。因此，Δηζ值的范圍從圖線a的0至圖線f的0.四。采用具有這些面內(nèi)折射率的兩種材料的約400個交替的層， 可以實現(xiàn)垂直入射角度下從400nm至800nm的90%的反射率。圖9中示出的反射率值不包括表面反射，即，在計算中不包括來自空氣-聚合物界面的貢獻。與Δηχ相比，Δηζ越大， 布魯斯特角越小。圖線d代表內(nèi)布魯斯特角為約78°并且Iilz= 1.62的構(gòu)造，其易于通過使用作為高折射率材料的sPS和有機硅聚草酰胺來實現(xiàn)。有機硅聚草酰胺的使用在2005 年12月23日提交的共同待審且共同擁有的美國專利申請No. 60/753，857中有所描述。通過減小相對于11&的值，即通過為低折射率層使用具有合適符號的雙折射材料，當然也可減小布魯斯特角。反射器具有盤形間隙在圖10和圖11所示的一個示例性實施例中，反射器70是在各向同性介質(zhì)74中包括(例如)各向同性小板塊或盤72形式的間隙的不連續(xù)相材料。有間隙的材料的優(yōu)點是空氣中的布魯斯特角可低至約50度。通過在擠出或模制期間使用發(fā)泡劑(本領域熟知的工藝)，可在聚合物膜中產(chǎn)生間隙。優(yōu)選地，材料是各向同性的，并且間隙具有約3 1或更大的直徑⑶與厚度⑴ 縱橫比?？v橫比更優(yōu)選地為約10 1或更大。在其他實施例中，間隙區(qū)可以具有橢圓形外形。為了在具有不連續(xù)相或分散相的連續(xù)介質(zhì)中實現(xiàn)布魯斯特角效應，分散相粒子或間隙尺寸比光的波長大得多并且優(yōu)選地具有大約平的表面，比如接近平盤形狀的扁球。例如，在一個實施例中，采用發(fā)泡PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)制備各向同性的有間隙的材料。參見(例如)在Journal of Cellular Plastics (泡沫塑料期刊)2004年3月第 40 卷第 2 期第 111-130 (20)頁上由 R. Gendron 和 P. Moulinie 所著的“Foaming Polymethyl methacrylate with an Equilibrium Mixture of Carbon Dioxide and Isopropanol"(3 ;用二氧化碳和異丙醇的平衡混合物進行聚甲基丙烯酸甲酯的發(fā)泡)。環(huán)狀烯烴是帶有間隙以制備各向同性的空氣/聚合物鏡的另一類各向同性的聚合物。另外，環(huán)狀烯烴通常可以以比PMMA高的拉伸比率被拉伸，從而在間隙中得到較高縱橫比。在示例性實施例中，盤形部分的折射率比圍繞材料的折射率低。在另一個實施例中，盤形部分的折射率比圍繞材料的折射率高。已經(jīng)討論了具有內(nèi)布魯斯特角的反射器的多個不同構(gòu)造，并且下面將作進一步描述。另外，重要的是要注意，不同的反射器構(gòu)造可以用于不同的背光源構(gòu)造，例如本文進一步所討論的具有各種光提取層的背光源構(gòu)造。在一些實施例中，反射器采用各向同性膜層制備，并且在其他實施例中，采用專門定制的雙折射層制備。以下描述其他反射器構(gòu)造。反射器為PEN和PMMA層在一個示例性實施例中，反射器92為多層結(jié)構(gòu)，其包括PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)和PMMA的530個各向同性的層。單個層的厚度范圍從約500nm至2000nm。反射器為PEN/HTV層在一個實施例中，反射器為具有層的層狀結(jié)構(gòu)，這些層為交替的取向PEN和 THV (作為3M的Dyneon THV Fluorothermo塑性材料的四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的聚合物出售)。在一個實施例中，取向的PEN層的nx = Iiy= 1.75并且nz= 1.49，而THV 層的η = 1.35。在其他實施例中，反射器為取向的PET/THV反射鏡。在一個實例中，取向的 PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)層的nx = ny= 1.65并且ηζ= 1.49。這些類型的反射器當浸在丙烯酸類樹脂(n = 1. 49)中時分別具有M度和51度的內(nèi)布魯斯特角(在入射介質(zhì)中測得)。PEN/THV構(gòu)成的反射器可以被制備成在垂直入射角度處的反射率為約99%。然而在空氣中，對于PEN/THV，ρ偏振反射率將隨角度從在垂直入射角度處的99 %降低到在90 度處的90%，對于PET/THV則從99%降低到80%。優(yōu)選地，PEN/THV型構(gòu)造與光注入和/ 或提取組件聯(lián)合使用。反射器為sPS和PMMA層在另一個示例性實施例中，多層反射器可采用間規(guī)立構(gòu)聚苯乙烯(sPS)和PMMA的交替的層制備。sPS材料可為雙軸取向的，以實現(xiàn)大約1. 57的面內(nèi)(X-y)折射率(取決于波長)，而厚度方向折射率或ζ折射率為大約1.62。除非另外指明，否則所有的折射率指的是在波長633nm處的值。一旦多層反射器膜取向，PMMA就將以約1.49的折射率保持基本上各向同性。圖15示出該sPS和PMMA的單個界面對s偏振光和ρ偏振光的反射率與角度的相關性，其相對于在空氣中對該多層反射器膜的入射角標繪。曲線130示出ρ偏振光的反射率，曲線132示出s偏振光的反射率。多層sPS/PMMA反射器可被設計成在垂直入射角度處具有從約10%至90%的任何所需的量的反射率。隨著入射角增大，ρ偏振光的反射率將成比例地降低。sPS/PMMA反射器的另一個示例性實施例在垂直入射角度處具有約80% 的反射率。當這些材料構(gòu)成的多層膜與阻擋s偏振光(其E場方向平行于線光源)的反射型偏振器結(jié)合使用時，只有P偏振光將在垂直于線光源的平面內(nèi)入射該膜。這樣，在該平面內(nèi)透射的總光量將隨入射角增大，在內(nèi)布魯斯特角處達到最大值，在這種情況下，在空氣中的內(nèi)布魯斯特角為約74度，如曲線130接近零反射率處所示。圖16用曲線圖表示具有與上文結(jié)合圖15討論的相同的折射率的多層四分之一波
11sPS/PMMA疊堆對s偏振光和ρ偏振光的反射率的角度相關性模型。曲線160示出包括兩個空氣界面的膜疊堆對P偏振光的反射率，曲線162示出其對s偏振光的反射率，曲線164表示只是將空氣界面移除的疊堆對P偏振光的反射率。曲線160和164之間的差異顯示出表面反射的效果，與膜疊堆的內(nèi)界面相比，其通常具有不同的布魯斯特角度值和反射幅度。圖 16的曲線164的最小值示出當光從空氣中入射時布魯斯特角為約74度。曲線160的最小值示出內(nèi)界面和空氣界面的組合的布魯斯特角。sPS/PMMA多層反射器實施例的小折射率差值需要使用大量的層來實現(xiàn)在可見光譜上的高反射率。需要約1500層來實現(xiàn)圖16中所示的在垂直入射角度處的87%的建模反射率。反射器為sPS和有機硅聚酰胺層如果使用有機硅聚酰胺作為低折射率材料，則可以較少的層來實現(xiàn)較高的反射率。圖18示出了具有sPS和有機硅聚酰胺層并可實現(xiàn)合格的反射率的反射器結(jié)構(gòu)的一個實例，其中各向同性層的折射率為1.41，交替層的ζ折射率為1.62并且面內(nèi)折射率為1.57。 使用約1000層，可以制備垂直入射角度下在約400納米至850納米的范圍內(nèi)反射率為約 99.5%的反射器。圖19示出這種反射鏡的反射率相對于角度的關系曲線。曲線180示出在空氣中膜疊堆對P偏振光的反射率，曲線184表示沒有空氣界面的疊堆對ρ偏振光的反射率。也可以僅使用幾百層來制備合格的反射鏡。與采用全部均各向同性的層制備的反射器相比，使用在空氣中可達到布魯斯特角的反射器可提供改進的燈泡隱藏，同時保持高效率的背光源。因為這類反射器可被制備成在垂直入射角度處具有高達或超過99%的反射率，并且在空氣中小于90度的角度處仍然具有大致零反射率，所以這樣是可以的。組裝了這些反射器的背光源的多個實施例不包括用于從這種反射器注入或提取光的微結(jié)構(gòu)。在許多實施例中，仍然存在漫射器或光轉(zhuǎn)向膜， 以便向顯示器提供所需的光的角分布。例如，將隨機化漫射器設置在反射器上方，或?qū)EF 片與可選的具有優(yōu)化的漫射水平的漫射片一起設置在反射器上方。在本發(fā)明的其他實施例中，除非反射器被浸漬，否則使用各向同性多層反射器，但反射率也沒有如隨角度那樣地快速降低?？赏ㄟ^向反射器施加結(jié)構(gòu)化表面來實現(xiàn)浸漬操作?！霸鲆媛淦鳌被蚱渌闋罨蚶庵Y(jié)構(gòu)與表面的層合可以實現(xiàn)這個效果。具有兩個布魯斯特角的非對稱反射器在合適的多層疊堆的不對稱拉伸的情況下，反射器的一個面內(nèi)軸與其正交的面內(nèi)軸相比可具有小得多的布魯斯特角。這樣，反射器的至少一個軸在空氣中可具有接近60度的內(nèi)布魯斯特角。該值接近空氣/聚合物布魯斯特角。這是重要的，因為在大角度處，表面反射決定了穿過膜的透光率。這些非對稱反射器可提高背光源的效率，同時還提供了相同或更好的燈泡隱藏特性。本文中所描述的背光源構(gòu)造可使用的具有內(nèi)布魯斯特角的反射器的一個實例，采用負雙折射聚合物層和低折射率的各向同性的聚合物或低折射率的正雙折射聚合物的交替層的疊堆來制備。負雙折射聚合物被定義為拉伸方向的折射率減小、而正交方向的折射率中的一個或兩個同時增大的聚合物。正雙折射聚合物被定義為拉伸方向的折射率增大、 而正交方向的折射率中的一個或兩個同時減小的聚合物。該聚合物疊堆僅在一個方向取向，或者通常具有任何不對稱拉伸，從而形成非對稱反射器。當在背光源中使用時，該反射器可以與漫射器并任選地與標準反射型偏振器組合，以幫助隱藏明亮的點光源。利用不對稱取向，一條軸線可具有高反射率，并可用較大折射率差值材料使另一條軸線具有低至60度的空氣中的內(nèi)布魯斯特角。當與標準多層反射型偏振器和漫射器組合時，可以有效地遮蓋明亮光源。雙車由耳慮句SPS/ mmmmm具有內(nèi)布魯斯特角的反射器的一個實施例是對稱雙軸取向的sPS/有機硅聚酰胺反射器。有機硅聚酰胺的折射率為1.41，其大大低于PMMA的折射率，并且可在所用層的數(shù)量可管理的情況下為反射器提供高反射率。該實施例的兩種材料的折射率與圖18所示相同。各向同性層的折射率為1.41，交替的雙折射層的ζ折射率為1.62并且面內(nèi)折射率為 1.57。在這種情況下，兩個拉伸方向的折射率相同。如所建模的，圖20示出具有400層疊堆的該反射器疊堆(其反射400nm至850nm的光)隨角度變化的反射率。曲線2000示出該多層疊堆及其空氣界面對P偏振光的反射率，曲線2004表示僅移除表面-空氣界面反射的該疊堆對P偏振光的反射率。P偏振光的峰值反射率在零度處為約90%。布魯斯特角為在約85度處，并且表面反射使對ρ偏振光的總反射率的最小值變?yōu)榧s70度并具有約15% 的最小反射率。單軸取向的sPS/有機硅聚酰胺層具有兩個布魯斯特角的非對稱反射器的一個實施例為單軸取向的sPS/有機硅聚酰胺層疊堆。在一個實例中，該實施例的疊堆具有約210個層對，并且其對沿著非拉伸軸或強軸偏振的零度光的反射率為99%。當sPS和SPA的疊堆以標準拉幅方式被單軸取向時， 可得到圖21所示的疊堆折射率集。該反射器設計的反射率具有弱軸和強軸。圖22中所示的強軸具有0. 21的折射率差值。圖M中所示的弱軸僅具有0.10的折射率差值。圖23中相對于空氣中的角度標繪出強軸的反射率。曲線2300示出了具有兩個空氣界面的疊堆對ρ偏振光的反射率。曲線 2304表示沒有空氣界面的膜疊堆對ρ偏振光的反射率。圖25中相對于空氣中的角度標繪出弱軸的反射率。曲線2500示出了具有兩個空氣界面的膜疊堆對P偏振光的反射率。曲線2502示出其對S偏振光的反射率，曲線2504 表示沒有空氣界面的疊堆對P偏振光的反射率。這兩個軸都具有內(nèi)布魯斯特角，但如圖23和圖25所示，這兩個布魯斯特角非常不同。該膜疊堆的強軸的內(nèi)布魯斯特角大于90度，而弱軸的內(nèi)布魯斯特角為約60度。應該注意的是，內(nèi)層界面的布魯斯特角與空氣界面的布魯斯特角大約相同。當與例如DBEF 或APF(高級偏振膜(Advanced Polarizer Film)，例如3M公司以Vikuiti 品牌出售的 APF-ND)的反射型偏振器以及光轉(zhuǎn)向膜聯(lián)合使用并與之正確對齊時，如在本發(fā)明的實施例中所發(fā)生的，可以明顯地隱藏燈泡。反射器為sPS/THV層具有兩個布魯斯特角的反射器的一個實施例與圖21的實施例類似，但折射率為 1. 41的有機硅聚酰胺被替代成折射率為1. 35的THV。只需少得多的層(約120個層對) 即可實現(xiàn)相同的效果。為了使該效果最大化，可采用從接近均勻雙軸到真實單軸拉伸的任意不對稱方式將這些實例的膜疊堆取向。
與圖21的實施例類似，該反射器設計的反射率具有弱軸和強軸。圖沈中所示的強軸具有0.27的折射率差值。圖觀中所示的弱軸具有0.16的面內(nèi)折射率差值。圖27中相對于空氣中的角度標繪出強軸的反射率。曲線2700示出具有兩個空氣界面的疊堆對ρ 偏振光的反射率，曲線2704表示該疊堆獨自對ρ偏振光的反射率。圖四中相對于空氣中的角度標繪出弱軸的反射率。曲線四00示出疊堆加空氣界面對P偏振光的反射率，曲線四02示出其對S偏振光的反射率，曲線四04表示沒有空氣界面的疊堆對P偏振光的反射率。應該注意的是，在這種情況下，有空氣界面的曲線四00和沒有空氣界面的曲線四04的最小值相似。這兩個軸都具有內(nèi)布魯斯特角，但如圖27和圖四所示，兩個布魯斯特角非常不同。該膜疊堆的強軸的內(nèi)布魯斯特角大于90度，而弱軸的內(nèi)布魯斯特角為約65度。當與例如DBEF或APF的反射型偏振器和漫射器結(jié)合使用并與之正確對齊時，如在本發(fā)明的實施例中所發(fā)生的，可以明顯地隱藏燈泡。本發(fā)明可用的多層反射器的其他優(yōu)選材料組合使用以下材料中的一種作為高折射率層coPEN、PET的共聚物、和PENg (高折射率無定形PEN)。術語coPEN包括PET或聚萘二甲酸乙二醇酯的任何共聚酯?？勺鳛檩^低折射率材料的可用的材料實例包括PMMA、有機硅聚草酰胺和THV。肺m難/ ■耳又■細原棚列具有固體界面的反射器大多數(shù)通常具有一般不能從空氣對于平面平行界面達到的布魯斯特角。因此，與入射到反射器的很大一部分光在布魯斯特角處過去的行為狀況相比，該反射器具有較低的總透射率。加入結(jié)構(gòu)化表面或漫射器允許以非常大的角度注入和提取反射器中傳播的光，從而可以達到本來不可達到的布魯斯特角。圖12說明背光源90 的一個實施例。背光源90在許多方面類似于圖2的背光源30，包括具有反射型偏振器32 的光腔體22、燈36和后反射器34。背光源90還包括反射器92和光重定向?qū)?4。光重定向?qū)?4能夠根據(jù)入射光的透射來更改光的分布。層94在本文中也可以被稱作注入層。另外，即使不需要提取層，在一些實施例中，例如圖2所示的用空氣界面而不用注入層進行工作的系統(tǒng)還可以得益于光重定向?qū)?。盡管圖2的現(xiàn)有組件(光源、反射器40和偏振器3 能夠向LCD面板提供均勻強度的光，但在一些實施例中，光被導出到側(cè)邊而不是轉(zhuǎn)向觀察者。在一些實施例中，光重定向?qū)訛槁淦?。漫射器可以將離開反射器40的光的方向隨機化。作為另外一種選擇，可以使用圖14的棱鏡膜。兩者都不必被層合，即，空氣間隙也可以工作或較好地工作?？梢猿洚敼庵囟ㄏ?qū)拥慕Y(jié)構(gòu)實例包括漫射器、空間漫射器、和表面結(jié)構(gòu)(例如棱鏡)，如增亮膜。當光重定向?qū)?4為圖12所示的棱鏡結(jié)構(gòu)時，棱鏡凹槽96與燈36的軸線平行對齊?？墒褂玫睦忡R結(jié)構(gòu)的一個實例是3M公司出售的光學照明膜(Optical Lighting Film)。漫射器還可具有其他重要功能。它不僅使光的方向隨機化，而且還應當透射大部分入射光。通常，能夠使光的方向隨機化的漫射器還將把大部分光反射回背光源中。這種漫射器的反射率隨入射角而增大，即，其在垂直入射角度處為最低。當與反射器40的透射率隨入射角而增大的相反效果結(jié)合時，該效果使得在整個背光源表面的強度均勻。與垂直入射角度的光線相比，如本文所討論的具有內(nèi)布魯斯特角的反射器92旨在優(yōu)先地透射角度大的光線。然而，大多數(shù)顯示器件需要光最終被垂直轉(zhuǎn)向顯示表面，以使得對于顯示器正前方的觀察者而言，顯示亮度為最高。為提取在接近布魯斯特角處透射的光，在圖12所示的實施例中，反射器92的出射側(cè)上包括了第二光重定向?qū)?8。層98也可被稱作提取層或提取器。在一個實施例中，背光源90包括充當光注入層的光重定向?qū)?4 和充當光提取層的光重定向?qū)?8兩者。在其他實施例中，背光源90僅包括兩個光重定向?qū)?4,98中的一個。以上作為光重定向?qū)?4的實例描述的結(jié)構(gòu)也可充當光重定向?qū)?8。在一個優(yōu)選實施例中，光重定向?qū)?8為3M公司出售的CG 3536 Scotch Cal漫射膜?！霸鲆媛淦鳌被蚱渌闋罨蚶庵Y(jié)構(gòu)與表面的層合也可用作光重定向?qū)?4和/或光重定向?qū)?8。圖12的結(jié)構(gòu)中所使用的偏振器32的一個實例為與PETG(乙二醇化聚酯)共擠出的單軸取向的90/10coPEN(聚萘二甲酸乙二醇酯的共聚物)的275層膜。在另一個實施例中，使用漫反射型偏振器作為偏振器。具有在空氣中可達到的內(nèi)布魯斯特角而沒有采取結(jié)構(gòu)化的層或漫射注入層的反射器的優(yōu)點在于，需要的組件更少，因此成本可能更低?？赏ㄟ^在如上所述的多層構(gòu)造中使用具有負應力光學系數(shù)的聚合物制備這些反射器。棱鏡膜作為重定向?qū)訄D13示出了能夠?qū)⒈彻庠吹某錾涔庵囟ㄏ虻娇拷ň€的另一個背光源實施例。 背光源100包括設置在反射器102的與光腔體22相對側(cè)上的微結(jié)構(gòu)化棱鏡膜101，其具有背向反射器的棱鏡結(jié)構(gòu)103?？蛇x的粘合劑層104將棱鏡膜101粘結(jié)到反射器102。與已經(jīng)討論的其他背光源實施例相似，光腔體22包括反射型偏振器32、燈36和后反射器34。在一個實施例中，棱鏡膜101具有層合到獨立式反射器結(jié)構(gòu)102的平面?zhèn)?05。作為另外一種選擇，當反射器為多層涂覆型膜時，反射器102被涂覆到棱鏡膜101的平面?zhèn)?05。在圖14所示的可供選擇的實施例中，背光源110包括微結(jié)構(gòu)化棱鏡膜111，其棱鏡結(jié)構(gòu)113面向反射器112?？蛇x的粘合劑層114將微結(jié)構(gòu)化棱鏡膜111粘結(jié)到反射器112。 與已經(jīng)討論的其他背光源實施例類似，背光源110還包括光腔體22(其具有反射型偏振器 32)、燈36和后反射器34。實驗結(jié)果現(xiàn)在描述實例1和2的實驗結(jié)果。構(gòu)建圖12所示背光源結(jié)構(gòu)90并將其作為實例 1進行測試，該結(jié)構(gòu)具有作為光提取層98的漫射器，例如得自3M公司的CG 3536 Scotch Cal漫射膜。實例1包括棱鏡層作為光注入層94。為了構(gòu)造實例1以進行測試，將反射型偏振器32層合到丙烯酸類樹脂板。該丙烯酸類樹脂板被設置在背光源22內(nèi)的熒光燈上方， 使反射型偏振器的透光軸正交于燈36的軸線設置。將具有底部棱鏡注入層94和頂部提取層98的各向同性的反射器92設置在該板的頂部，在棱鏡表面處留有空氣間隙。用透明的粘合劑將棱鏡層94和提取層98層合到各向同性的反射器92的相對側(cè)。實例1的各向同性的反射器92為具有530層的多層PEN/PMMA疊堆。各個層的厚度范圍從約500納米至約 2000納米。測得該反射器在630納米處的折射率為1. 64和1. 49。實例2與實例1相同，不同的是實例2的光提取層94為10密耳厚的漫射器，具有約3微米的粒徑。采用BI Gardner Hazegard Plus (Τ. Μ.)儀器來測量漫射器的霧度、清晰度和透射率，測得值分別為98%的霧度值、5%的清晰度和92%的透射率。
測量隨在整個燈箱表面上的位置而變化的相對光強度。尺寸為IOcmX^. 5cm的燈箱襯以ESR反射鏡膜，該反射鏡膜為以Vikuiti 品牌得自3M公司的多層聚合物增強型鏡面反射器(Enhanced Specular Reflector, ESR)膜。燈為延燈箱長度布置的熒光燈，距各側(cè)壁5cm居中設置。燈保持在距離燈箱底部約8mm的高度。偏振器和其他膜設置在距離燈箱底部約16mm處。實例1的偏振器32為與PETG共擠出的單軸取向的90/10 coPEN的 275層膜。通過測量裝有明視過濾器的硅光電檢測器的短路電流測量了與位置有關的相對強度。在圖30中實例1的這些強度測量值標繪為曲線181，實例2的標繪為曲線182。圖 30還繪制了比較實例A的空間透射的強度，其為兩側(cè)都層合了漫射器的3mm厚的丙烯酸類樹脂板，具體為得自3M公司的aCG 3536 Scotch Cal漫射膜。比較實例A中用簡單的漫射膜看到的大的中心強度峰實際上通過使用實例1和實例2的結(jié)構(gòu)來消除。應該注意的是，對于實例1和實例2兩者，在燈箱表面上方的總強度略低于對照實例A。反射型偏振器僅透射約50%的入射光線，但反射腔體能夠?qū)ψ罱K要被透射的光的被反射的部分進行大量循環(huán)利用和轉(zhuǎn)化。對于實例2，提取器為偏振保持型漫射器，并且背光源的輸出被部分地偏振，其最高強度的偏振與燈泡軸正交，其也是丙烯酸類板上的反射型偏振器的透光軸方向。通過將該軸與LCD面板底部吸收型偏振器的透光軸對齊，可有利地使用該效果，以增加顯示器的亮度。圖31示出圖12的PEN/PMMA反射器92的反射光譜190和透射光譜192。反射器的理想反射光譜194和透射光譜196的一個實例相當平坦地分布在各顏色波段。反射率的最佳水平取決于背光源的反射效率，并可以實驗方式確定。在某些實施例中，該反射器優(yōu)選地具有很少或基本上沒有光的吸收，在這種情況下，透射光譜將被定義為T= I-R0在一個實例中，在約70%的反射率處，反射光譜194為相當平坦的，而在約30 %的透射率處，透射光譜196為相當平坦的。使用漫射器作為光重定向?qū)涌裳谏w由于隨波長變化的不均勻反射率而造成的顏色問題。然而，優(yōu)選使用具有隨波長變化的均勻透射率的反射器?？砂慈缦路椒ㄖ苽溥@類反射器。光譜控制當在彩色顯示器中使用這些寬帶局部反射器時，對這些寬帶局部反射器中的顏色控制是重要的。通過反射光譜的形狀來控制顏色。美國專利No. 5，126，880和No. 5，568，316 提出使用薄層和非常厚的層的組合來減少多層干涉反射器的虹色。如果在某些角度處(如在垂直入射角度處)需要高反射率，則采用該方法需要大量的層，并且這樣導致非常厚的膜。一種替代方法是全部或大部分使用四分之一波膜堆。在這種情況下，控制光譜需要控制膜堆內(nèi)的層厚分布。如果層為聚合物層，則由于和無機膜相比聚合物膜可達到的折射率差值相對較小，因此寬帶光譜(例如，在空氣中較大的角度范圍內(nèi)反射可見光所需要的光譜)需要大量的層。層數(shù)多(多于約250層)的聚合物型多層光學膜常規(guī)地已經(jīng)使用層倍增器來制備，即，聚合物型多層光學膜已經(jīng)由送料區(qū)塊中的單組狹槽產(chǎn)生的層產(chǎn)生的多組層構(gòu)造而成。該方法在美國專利No. 6，738，349中有所略述。倍增器大大簡化了大量光學層的創(chuàng)建，但它們使每一組所得的層的變形對于每一組來說是不同的。因此，對送料區(qū)塊中產(chǎn)生的層的層厚分布方面的任何調(diào)整對于每一組來說是不同的，這意味著不可同時優(yōu)化所有組來產(chǎn)生沒有光譜峰的均勻平滑的光譜。如果在送料區(qū)塊中直接產(chǎn)生的多個層不提供足夠的反射率，則可層合兩個或更多個這樣的膜來增大反射率。因此，產(chǎn)生低色彩、或受控色譜的方法如下1)使用軸棒加熱器控制共擠出的聚合物層的層厚度值，如美國專利No. 6，783，349 中所教導的。2)送料區(qū)塊的設計使得疊堆中所有層在層形成過程中直接受軸棒加熱器區(qū)的控制，即不使用層倍增器。3)在制造過程中來自層厚度測量工具(例如，原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡、或掃描電子顯微鏡)的及時層厚分布反饋。4)光學建模以生成所需層厚分布。5)根據(jù)所測層剖面圖與所需層剖面圖之間的差異進行重復軸桿調(diào)節(jié)。盡管通常不如AFM準確，但也可以通過對光譜求積分(對波長譜積分來求得-Log(I-R))來快速估算層分布。這是根據(jù)這樣的普遍原理得出，即反射器的光譜形狀可以由層厚分布的導數(shù)獲得，前提條件是層厚分布相對于層數(shù)目單調(diào)遞增或單調(diào)遞減。利用后腔體講行循環(huán)利用通常也需要光的橫向(空間)分布均勻。這可采用包含至少一個使循環(huán)的光隨機化的漫射元件的反射型背光源腔體來實現(xiàn)。也可以利用多個光源及其在背光源內(nèi)的間距來提高背光源發(fā)出的光的均勻度。圖17以背光源3300示出了這些概念，該光源包括光腔體 3302、具有內(nèi)布魯斯特角的反射器3304、漫射器3306和光學光定向膜3307。光腔體3302 包括漫射鏡3308，以及多個點光源、螺線形光源或線光源3310。反射型偏振器的選擇如本文所討論的，本發(fā)明的光學組件的一些實施例不包括反射型偏振器。對于的確包括反射型偏振器的實施例，該組件存在許多選擇。如本文更詳細討論的，某些反射型偏振器具有內(nèi)布魯斯特角，而其他的則沒有。所使用的反射型偏振器可具有正交的反射軸和透射軸。反射型偏振器可為或包括(例如)得自3M公司的Vikuiti牌的任意雙倍增亮膜(DBEF)產(chǎn)品或任意的漫反射偏振膜(DRPF)產(chǎn)品、或任意的APF產(chǎn)品、或一個或多個膽甾型偏振膜。線柵偏振器(例如美國專利6，M3，199(Hansen等人)和美國專利公布 2003/0227678 (Lines等人)中所述的那些)也是適合的反射型偏振器。單軸取向的光譜反射型多層光學偏振膜在美國專利5，882，774 (Jonza等人)、5，612，820 (Schrenk等人)和 W002/096621 A2 (Merrill等人)中有所描述。具有連續(xù)相/分散相構(gòu)造的漫反射型偏振器在(例如)5，825，M3 (Ouderkirk等人)中有所描述。在一些情況下，例如采用得自3M 公司的 3M Vikuiti 雙倍增亮膜-漫射(Dual Brightness Enhancement Film-Diffuse, DBEF-D)，反射型偏振器也漫射地透射光。已知的膽甾型反射型偏振器是本發(fā)明所公開的背光源實施例中適用的另一個類型的反射型偏振器。在擬與背光源30 —起使用的顯示面板 12包括靠近背光源設置的其自身的后偏振器的情況下(例如對于大多數(shù)LCD顯示器)，為獲得最大效率和照度，希望構(gòu)造擬與顯示面板后偏振器對齊的前反射型偏振器32，或反之亦然。LCD顯示面板的后偏振器通常是吸收型偏振器，并且通常設置在像素化的液晶顯示器
17件的一側(cè)上，顯示面板前偏振器設置在其另一側(cè)上。后反射器的詵擇 為了提高照度和效率，還有利的是，后反射器不僅具有整體高反射率和低吸收率， 而且其類型是根據(jù)反射來至少部分地轉(zhuǎn)換入射光的偏振態(tài)。即，如果一個偏振態(tài)的光入射到后反射器上，則至少一部分被反射的光以與第一狀態(tài)正交的另一個偏振態(tài)被偏振。許多漫射型反射器具有這種偏振_轉(zhuǎn)換特征。一類合適的漫射型反射器是用作 (例如)各種光測量測定儀器的白標準的那些，其由以壓制的粉餅或瓷磚(例如硫酸鋇或氧化鎂)形式的白色無機化合物制成，但這些材料往往昂貴、堅硬、并且易碎。其他合適的偏振-轉(zhuǎn)換漫射型反射器為(1)取決于粒子、圍繞基質(zhì)、和由于拉伸產(chǎn)生的可選空氣填充的間隙的折射率差值的微孔粒子填充的制品；(2)由燒結(jié)的聚四氟乙烯懸浮液等等制備的微孔材料；以及⑶結(jié)構(gòu)化表面，例如涂覆有反射型材料(例如銀)的表面漫射器。用于制備微孔偏振-轉(zhuǎn)換漫反射型膜的另一種可用技術為熱致相分離(TIPS)。該技術已經(jīng)在微孔材料的制備中采用，其中熱塑性聚合物和稀釋劑通過液-液相分離法被分離，如(例如)在美國專利4，247，498 (Castro)和4，867，881 (Kinzer)中所述。合適的固_液相分離工藝在美國專利4，539，256 (Shipman)中有所描述。使用在微孔材料中結(jié)合的成核劑還被描述為在美國專利4，726，989 (Mrozinski)的固-液相分離法方面的改進。另外合適的漫反射型偏振_轉(zhuǎn)換制品和膜公開于美國專利5，976，686 (Kaytor等人)中。在一些實施例中，后反射器34可包括反射率非常高的鏡面反射器，例如以 Vikuiti品牌得自3M公司的多層聚合物型增強型鏡面反射器(Enhanced Specular Reflector, ESR)膜，其可選地與四分之一波長膜或其他光學延遲膜結(jié)合。Alanod 牌陽極化鋁片材等等是高反射率鏡面材料的另一個實例。作為以上所討論構(gòu)造的替代形式，偏振轉(zhuǎn)換還可采用高反射率鏡面反射器與在后反射器和前反射型偏振器之間設置的空間漫射材料的組合來實現(xiàn)，其組合出于此應用的目的被視為偏振_轉(zhuǎn)換后反射器。作為另外一種選擇，可以將漫射材料或微結(jié)構(gòu)化特征施加到鏡面反射器的表面。當后反射器34為偏振轉(zhuǎn)換類型時，由于最初被反射型偏振器32反射的光的偏振態(tài)不被該偏振器透射，其在被后反射器34反射之后可以至少部分地被轉(zhuǎn)化為其偏振態(tài)可以通過反射型偏振器的光，因而對背光源的總體亮度和效率有貢獻。在腔體內(nèi)反射型偏振器32和后反射器34之間設置有光源36。從觀察者的角度看 (并且在平面圖中)，光源設置在反射型偏振器32后面。光源的外部發(fā)射表面被示出具有基本上圓形的橫截面(如常規(guī)的熒光燈管或燈泡的情況一樣)，但還可使用其他橫截面形狀。根據(jù)例如功率預算、整體亮度、熱考慮事項、尺寸限制等等的設計標準，可根據(jù)需要來選擇光源的數(shù)量、它們之間的間距、和它們相對于背光源的其他組件的布置。附加討論至此，我們已經(jīng)描述了包括布置成光學重復單元的多個微層的各種反射型多層光學膜?？梢詫ξ拥恼凵渎始右赃x擇，使得這些膜具有這樣的內(nèi)布魯斯特角其在與垂直入射相比的較大入射角下能大大減小反射率，并相應地大大增加透射率。換句話說，內(nèi)布魯斯特角使得膜可以相比于垂直入射光線優(yōu)先透射大角度光線。這種優(yōu)先的傾角度透射可以關于膜的法線或ζ軸旋轉(zhuǎn)對稱，或者可以是不對稱的。在對稱情況下，微層之間的界面可以具有在第一入射平面(如x-z平面)內(nèi)的第一內(nèi)布魯斯特角和在第二入射平面(如y-ζ平面)內(nèi)的第二內(nèi)布魯斯特角，其中第一內(nèi)布魯斯特角和第二內(nèi)布魯斯特角基本相等。在不對稱情況下，微層之間的界面可以具有在第一入射平面內(nèi)的第一內(nèi)布魯斯特角，其角度明顯不同于y-z平面內(nèi)的第二布魯斯特角。 對于至少一些偏振態(tài)和在從垂直入射角到高度傾斜的入射角(例如，50、60、70或 80度)的較大入射角范圍內(nèi)，膜的這些反射和透射特性可以是寬帶的，例如在可見光譜范圍內(nèi)延伸并在該范圍內(nèi)相對平坦。不論對稱或不對稱，多層光學膜可以反射至少75 %、80%、85%或90%或以上的垂直入射非偏振光。在斜入射角下，P偏振光的反射率相對于垂直入射角顯著降低。如果膜是不對稱的，這種反射率的下降沿面內(nèi)弱軸比沿面內(nèi)強軸更劇烈。例如，對于包含弱軸的弱平面內(nèi)的入射光，相對于垂直入射傾斜特定傾角θ Oblique下的反射率可降低50%、 60%、70%或80%。對于包含強軸的強平面內(nèi)的入射光，相對于垂直入射傾斜特定傾角 θ oblique下的反射率可降低40%或50%。膜可以由低損耗聚合物材料制成，使得反射率加透射率為約100%，或者 R+T ^ 100% (如至少99% )。除了上述聚合物材料之外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)無規(guī)聚苯乙烯(aPS)與 sPS的共混物可用于改進sPS的雙折射?？梢约尤氪罅康腶PS而不破壞sPS的雙折射性。 雙折射率的減小與所添加的aPS的百分比大致成比例。利用這種方法，具有所選低折射率聚合物的多層sPS-aPS的布魯斯特角和同軸反射率都可以在sPS單獨能夠達到的基礎上加以改進。熟悉多層光學膜基本特性的讀者應當知道，多層光學膜內(nèi)一對給定的微層會隨著光的入射角的變化而反射不同波長的光，對于本文所述多層光學膜同樣如此。在一些情況下，利用該性質(zhì)構(gòu)造旨在隨入射角變化而透射或反射不同波長的“色移”膜。然而，本文所述多層光學膜被設計成可在擴展波長段(例如從400nm至700nm的人眼可見的光譜)內(nèi)大致均勻地反射和透射光，并且被設計成可在廣泛的入射角范圍內(nèi)實現(xiàn)這個目的。通過為膜提供足夠多的微層和適當?shù)膶雍裉荻葋硖峁捛一酒教沟姆瓷渥V帶，可以實現(xiàn)這個目的。反射譜帶最好足夠?qū)捛易銐蚱教?，以使得當其隨入射角和偏振態(tài)變化時，在擴展波長段上保持相對平坦或均勻的光譜透射率和反射率。平坦的光譜特性確保白光被均勻反射或透射，以使得所看到的被反射或透射的光的顏色不會過度偏離光源的顏色。當所關注的擴展波長段為可見光譜時，假設多層光學膜具有暴露于空氣中的平坦主表面，則為多層光學膜提供垂直入射角度下在400nm至900nm的平坦反射譜帶常常足以確保在所有可用角度下 400-700nm的均勻反射率。采用本發(fā)明所公開的多層光學膜的照明系統(tǒng)還可以包括設置為與多層膜形成光循環(huán)腔的后反射器，但讀者應當知道，多層光學膜也可以用于不含后反射器和沒有循環(huán)腔的照明系統(tǒng)中。然而，在包含后反射器的情況下，后反射器可以根據(jù)預期應用采取各種形式。就相對低成本的照明設備設計而言，后反射器可以為或包括施加到結(jié)構(gòu)構(gòu)件(例如一塊金屬片)上的簡單白漆涂層。在一些更高要求的應用(例如IXD電視或類似顯示器的背光源)中，對于任何偏振態(tài)的可見光，后反射器可具有至少90%、95%、98%、99%或以上的同軸平均反射率。這樣的反射率值涵蓋了反射到半球中的所有可見光，即這樣的值同時包括鏡面反射和漫反射。就這一點而言，后反射器可以主要是鏡面反射器、漫反射器或鏡面反射器與漫反射器的組合，無論其在空間上均勻分布或呈一定的圖案。后反射器也可以為或包括如下列專利中所述的半鏡面反射器提交于2008年5月19日的PCT專利申請公開WO XXXX/XXXXXX "Recycling Backlights With Semi-Specular Components，，(具有半鏡面反射元件的循環(huán)背光源)(代理人案卷號63032W0003)，該專利以引用方式并入本文中。
在一些情況下，后反射器可以由具有高反射率涂層的剛性金屬基底制成，或者由層壓到支撐基底上的高反射率膜制成。合適的高反射率材料包括得自3M公司的Vikuiti 增強型鏡面反射片(Enhanced Specular Reflector, ESR)多層聚合物膜；使用0. 4密耳厚的丙烯酸異辛酯_丙烯酸壓敏粘合劑將摻有硫酸鋇的聚對苯二甲酸乙二醇酯膜(2密耳厚)層壓到Vikuiti ESR膜上所形成的膜，本文將這種膜稱為“EDR II”膜；得自Toray Industries, Inc.的E-60系列Lumirror 聚酯膜；多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜(如得自 W. L. Gore&Associates, Inc.的那些)；得自 Labsphere，Inc.的 Spectralon 反射材料; 得自 Alanod Aluminum-Veredlung GmbH&Co.的 Miro 陽極氧化鋁膜(包括 Miro 2 膜)； 得自 Furukawa Electric Co. ,Ltd.的 MCPET 高反射率泡沫片材；得自 Mitsui Chemicals, Inc.的White Refstar 膜和MT膜；以及如美國專利5，976，686 (Kaytor等人)中所述采用熱致相分離(“TIPS”)制備的一種或多種多孔聚丙烯膜。后反射器可基本上平坦和平滑，或可以具有與之相關的結(jié)構(gòu)化表面，以增強光的散射或混合。這種結(jié)構(gòu)化表面可被賦予(a)后反射器的表面或(b)涂敷到該表面的透明涂層。在前一種情況下，可以將高反射率膜層合到預先形成結(jié)構(gòu)化表面的基底上，或者將高反射率膜層合到平坦基底(如金屬薄片，這與得自3M公司的Vikuiti 耐用增強型鏡面反射片-金屬(Durable Enhanced Specular Reflector-Metal, DESR-M)反射器類似)上，然后再如采用壓印操作形成結(jié)構(gòu)化表面。在后一種情況下，可以將具有結(jié)構(gòu)化表面的透明膜層合到平坦反射面上，或可將透明膜施加到反射器上，然后可以在透明膜頂部形成結(jié)構(gòu)化表面。對于包括直接照明式構(gòu)型(即其中一個或多個光源設置在照明系統(tǒng)的輸出或發(fā)光區(qū)域正后方的構(gòu)型)的那些實施例，后反射器可以為上面安裝有一個或多個光源的連續(xù)的一體式不間斷層，或者可以在一些分離的層段中不連續(xù)地構(gòu)成，或者在本來連續(xù)的層內(nèi)包括光源可以叢中伸出的隔離的小孔而在該范圍內(nèi)不連續(xù)地構(gòu)成例如，將反射材料帶施加到其上裝有幾行光源的基底上，每條反射材料帶都具有足以從一行光源延伸到另一行光源的寬度，并具有足以跨越背光源輸出區(qū)域相對邊界的長度尺寸。照明系統(tǒng)也可以包括設置成向循環(huán)腔內(nèi)發(fā)光的一個或多個光源。這些光源可以發(fā)射所關注的擴展波長段(通常為可見光譜)內(nèi)的光，或者可以例如從LED或激光器發(fā)出窄帶紫外光、可見顏色光或紅外光。例如，冷陰極熒光燈(CCFL)在其窄長發(fā)射區(qū)域上提供白光發(fā)射，那些發(fā)射區(qū)域也可工作以將入射到CCFL上的一些光散射(例如循環(huán)腔中會發(fā)生的那樣)。CCFL的典型光發(fā)射具有基本上朗伯型的角分布，這在一些超低損耗背光源設計中可能是低效或者說是不可取的。另外，盡管CCFL的發(fā)射表面一定程度上是漫反射的，但是其通常還具有在這類應用中可能過量的吸收損耗。另一方面，熒光光源在諸如吊頂照明設備或工作照明之類更高損耗系統(tǒng)中已經(jīng)足夠。發(fā)光二極管(LED)也適合用作光源。LED晶粒以近朗伯方式發(fā)射光，但由于其尺寸相對于CCFL而言小得多，所以LED光分布可易于改進，例如用整體密封劑透鏡、反射器、或提取器將所得的封裝LED制成前向發(fā)光體、側(cè)向發(fā)光體、或其他非朗伯外形，這在一些應用中可能是有利的。然而，LED光源相對于CCFL的較小尺寸和較高強度也會使得更難以使用 LED來產(chǎn)生空間均勻的背光源輸出。在使用單個的彩色LED(例如紅/綠/藍(RGB)LED布置)來產(chǎn)生白光的情況下尤其如此，因為無法提供足夠的這種光的側(cè)向傳播或混合會導致不可取的顏色帶或區(qū)域。白光發(fā)射LED (其中通過藍光或紫外光發(fā)射LED晶粒來激發(fā)熒光粉，從而從近似于LED晶粒的小面積或小空間中發(fā)出強烈的白光)可以用于減少此類顏色不均勻。但白光LED目前無法提供與使用單個的彩色LED布置所能達到的相同的LCD色域?qū)挾?，因此白光LED不能滿足所有最終用途應用的需要。 作為另外一種選擇，通過在利用本發(fā)明的膜進行定向控光或光混合的光循環(huán)腔內(nèi)部或上面遠離LED的位置加入熒光體，可以由藍光LED或UVLED產(chǎn)生白光，或者通?？捎筛滩ㄩL的光源產(chǎn)生任何波長更長的光。該構(gòu)造有時稱為“遠程熒光體”。無論使用何種光源，都可以將其設置在系統(tǒng)的擴展輸出表面正后方(例如，位于多層光學膜正后方)，或者可以沿輸出表面邊緣設置。前一種情況稱為“直接照明式”系統(tǒng)，后一種情況為“側(cè)光式”系統(tǒng)。在一些情況下，直接照明式系統(tǒng)也可以包括在裝置周邊處的一個或一些光源，或側(cè)光式系統(tǒng)可以包括輸出區(qū)域正后方的一個或一些光源。在這樣的情況下，如果大部分光來自輸出區(qū)域的正后方，則該系統(tǒng)可被認為是“直接照明式”，如果大部分光來自輸出區(qū)域的周邊，則該系統(tǒng)被認為是“側(cè)光式”。直接照明式系統(tǒng)易受“穿通”現(xiàn)象的影響，在該現(xiàn)象中每個光源上方的輸出區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)亮點。側(cè)光式系統(tǒng)通常包括固體光導，該光導將側(cè)裝光源發(fā)出的光傳輸或引導至輸出區(qū)域的所有部分，并且該光導還具有將光導發(fā)出的光導向觀察者的光提取特征。如果系統(tǒng)為液晶顯示器(LCD)裝置的背光源，則通常在膜和觀察者之間會包括其他元件，例如，一個或多個偏振器(包括吸收型偏振器和反射型偏振器)、漫射器、棱鏡膜(包括得自3M公司的任何增亮膜(Brightness Enhancement Film,BEF)，并且包括可用的轉(zhuǎn)向膜)、以及液晶面板。如果系統(tǒng)較簡單，例如為吊頂照明設備或工作照明，則其他元件可包括漫射膜或面板，和/或其他剛性透光性面板，在該透光性面板上可以層合本發(fā)明所公開的多層光學膜，或者緊貼其設置本發(fā)明所公開的多層光學膜。如上所述，上述布魯斯特角多層光學膜可以在各種照明系統(tǒng)中使用，而不限于直接照明式LCD背光源。可以想到用于房間和空間照明、路燈、背光標牌和其他照明目的的照明設備。本文所描述的照明系統(tǒng)可以包括這里所列并在下文詳述的若干關鍵部件1) 一個或多個光源及其布置(上述許多實例)；2)主要由以下各項限定的光循環(huán)腔(2a)高效率后反射器，以及(2b)部分透射前反射器(例如，本文或以引用方式并入本文的內(nèi)容所描述的膜之一)；3)位于前反射器和后反射器之間的一個或多個漫射元件(可為部件2的一部分或與之分開)；以及4)位于前反射器出口側(cè)的光重定向?qū)印Ｑh(huán)腔邊緣可以設計成前反射器或后反射器的一部分，具體取決于從邊緣發(fā)出的所需光輸出。循環(huán)腔和漫射元件的一個關鍵功能是為光重定向?qū)拥妮斎氡砻嫣峁┚鶆蚧蚱渌O計的光通量。然后光重定向?qū)蛹纯蔀樵撓到y(tǒng)發(fā)出的光提供所需的方向性。上述四種部件可具有多種屬性，可以選擇這些屬性使其成為適當組合，以滿足照明行業(yè)當前對于薄型大面積照明系統(tǒng)在均勻性和方向性方面的各種需求。下面更詳細地討論每個部件的相關方 面。1.光源光源可以布置在邊緣(對于側(cè)光式系統(tǒng))或布置成上述直接照明式。光源的布置方式、由光源發(fā)出的光的方向性、以及布置方式與系統(tǒng)內(nèi)的反射器和漫射器的角度性能的關系可以對照明系統(tǒng)的效率和均勻性產(chǎn)生很大影響。這些特性能否成功地整合到背光源中，部分取決于用于照明背光源的光源類型。 例如，CCFL在其長且窄的發(fā)射面積上提供白光發(fā)射，那些發(fā)射面積還能散射入射在CCFL上的一些光(如循環(huán)腔中會發(fā)生的那樣)。然而，來自CCFL的典型發(fā)射具有基本上朗伯型的角分布，在給定背光源設計中，這可能是低效或換句話講不理想的。另外，盡管具有一定程度的漫反射性，但CCFL的發(fā)射表面通常也具有吸收性損耗，在需要高度循環(huán)腔的情況下該吸收性損耗可能是顯著的。LED晶粒也以朗伯方式發(fā)射光，但是由于其尺寸相對于CCFL小很多，所以LED光分布容易修改，例如用整體密封劑透鏡或反射器或提取器來修改，以使所得到的封裝LED成為前向發(fā)射器、側(cè)向發(fā)射器或其他非朗伯型分布。這樣的非朗伯型分布可為本發(fā)明所公開的背光源提供重要的優(yōu)點。然而，LED光源相對于CCFL的較小尺寸和較高強度也可使其更難使用LED產(chǎn)生空間上均勻的背光源輸出區(qū)域。這在使用各個顏色的 LED(例如紅色/綠色/藍色(RGB)的LED的排列)來產(chǎn)生白光的情況下是特別真實的，因為如果不能對這種光提供足夠的側(cè)向傳播或混合，則可易于導致不期望的色帶或區(qū)域。發(fā)白光的LED (其中熒光體由發(fā)藍光或紫外光的LED晶粒激發(fā)，以從接近LED晶粒的小面積或體積產(chǎn)生強白光)可用于減小這種顏色不均勻性，但白色LED目前無法提供像用各個顏色的LED排列所能實現(xiàn)的色域那樣寬的LCD色域，因此對于所有終端應用而言，白色LED可能并非理想?；跓晒怏w的LED通常產(chǎn)生朗伯型定向輸出。對于可用來優(yōu)化系統(tǒng)性能的朗伯型、蝠翼型或側(cè)發(fā)光分布有不帶熒光體的LED可供使用。作為熒光體LED的替代形式，可以將熒光粉層涂覆或以其他方式附接到循環(huán)腔內(nèi)或的其他元件上或前反射器出口側(cè)。2.光循環(huán)腔和漫射器高效的光循環(huán)腔旨在將射入循環(huán)腔內(nèi)或在腔內(nèi)循環(huán)的光的方向性和偏振方向有效地結(jié)合。這需要在前后反射器之間設置低損耗反射器和光重定向元件。在循環(huán)光學腔體內(nèi)，大部分光在從前反射器射出之前會在基本上共延的前反射器和后反射器之間經(jīng)過多次反射，前反射器是部分透射和部分反射的。前反射器具有足夠高的反射率，足以讓這樣的可用光支持側(cè)向傳播或根據(jù)需要擴散光、并足以達到光線角度隨機性以實現(xiàn)可接受的背光源輸出空間均勻性，但是用以確保照明系統(tǒng)應用亮度的、進入適當?shù)膽每捎媒嵌鹊淖銐蚋叩耐干涫强山邮艿?。將光循環(huán)腔中傳播的光的總損耗保持在極低水平，例如通過設置基本上封閉的低吸收損耗的腔體(該腔體包括低損耗的前反射器和后反射器以及側(cè)反射器)并通過將與光源相關的損耗保持在非常低的水平(例如通過確保所有光源的累積發(fā)射區(qū)域為背光源輸出區(qū)域的一小部分) 來實現(xiàn)。
可能存在這樣的情況，鑒于生產(chǎn)成本或效率方面的原因，會在直接照明式背光源中優(yōu)選使用朗伯曲線發(fā)光LED。由于類似的原因，單獨的光偏轉(zhuǎn)裝置可能不是優(yōu)選的。利用本文所述膜仍然可以實現(xiàn)良好的均勻性和減少“穿通”。如果前反射器具有高度反射性， 例如在垂直入射角度具有小于約10%或小于5%的透射率，則當從垂直入射角度觀察系統(tǒng)時，不易看到LED。雖然本文所述膜在傾傾角度可具有較高透射率，但由給定點光源(例如 LED)發(fā)出的光的強度將降低1/R~2，其中R為從LED到前反射器上某點的距離。因此，當在傾傾角度觀察時，穿通 在強度上按該距離因子而減小。當與膜的部分反射率(甚至在傾傾角度下)組合時，穿通甚至會進一步減小。此外，當如下所述被合適的漫射元件散射時，在垂直角度下受到排斥的光被分布成可進一步增加系統(tǒng)的均勻性。3.漫射元件循環(huán)光腔包括能夠保持該腔鏡面特性和漫射特性平衡的一個或多個構(gòu)成部分，這些部分具有足夠的鏡面反射性以支持所需程度的側(cè)向光傳播，但也具有足夠的漫射性以使得腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)光基本獲得所需的角分布和空間分布。對于偏振照明系統(tǒng)，腔體內(nèi)的循環(huán)優(yōu)選地包括相對于入射光偏振態(tài)將反射光偏振狀態(tài)一定程度地隨機化，這樣能夠使不可用的偏振光轉(zhuǎn)換為可用的偏振光。前后反射器與漫射元件的組合形成光導，該光導控制光從各個光源向前反射器表面的傳播?，F(xiàn)在討論控制該過程的機制。純鏡面反射器(有時稱為反射鏡)按照“入射角等于反射角”的光學定律工作。前后反射器均為純鏡面反射器的空心腔體設計在整個腔體上提供最大的側(cè)向光傳播，因為循環(huán)的光線在腔體的側(cè)向傳播中不受阻礙。然而，腔體中不會進行角混合，因為不存在將以給定入射角傳播的光轉(zhuǎn)換為以其他入射角傳播的光的機制。另一方面，純朗伯反射器可在所有方向等幾率地重新引導光線。這可參見圖13的空心腔體，其中前反射器和后反射器均為純朗伯反射器。初始發(fā)射的相同斜光線立刻被前反射器以所有方向散射，散射光中的大多數(shù)被反射回腔體中，但一些光線透射穿過前反射器。被反射的一些光“向前”(在圖中看大致向右)傳播，但也有等量的光“向后”(大致向左)傳播。我們所說的向前散射是指反射光的側(cè)向或面內(nèi)(平行于所考慮散射表面的平面內(nèi))傳播分量。重復傳播時，此過程在若干反射之后使向前導向的光線分量大大減少。光束被快速分散，產(chǎn)生相比鏡面系統(tǒng)大大減少的側(cè)向傳播。半鏡面反射器提供了鏡面反射特性與漫射特性的平衡。在圖14的空心腔體設計中，前反射器為純鏡面反射器，但后反射器為半鏡面反射器。初始發(fā)射的相同斜光線的反射部分照射后反射器，并以受控的量被顯著向前散射。然后，反射光錐被部分透射，但大部分被(鏡面)反射回后反射器，同時所有的光在很大程度上仍以“向前”的方向傳播。因此，可見半鏡面反射器提高了整個循環(huán)腔體內(nèi)的側(cè)向光傳播，同時仍提供光線方向和偏振態(tài)的足夠混合。具有部分漫射性但又具有顯著向前導向的元件的反射器將可以在整個更長的距離上傳播更多的光，使光線的全反射變少?？蓪腌R面反射器定性地描述為能提供顯著多于逆散射的向前散射的反射器。半鏡面漫射器可定義為不將絕大多數(shù)入射光的垂直方向分量反向的漫射器，即光在向前(ζ)方向上基本上被透射，而在χ和y方向上在一定程度上被散射。關于半鏡面的更定量的描述在提交于2008年5月19日的共同轉(zhuǎn)讓的 PCT 專利申請公開 No. WO XXXX/XXXXX "Recycling Backlights With Semi-Specular Components"(具有半鏡面反射元件的循環(huán)背光源)(代理人案卷號63032W0003)中給出。
作為圖14中雙元件系統(tǒng)的替代形式，可以在循環(huán)腔體的前反射器和后反射器之間插入其他光學元件，并且這樣的其他光學元件可被設計成可為腔體提供所需程度的半鏡面特性。盡管通常有利的是使腔體中元件數(shù)目盡可能少，但通過滿足前反射器或后反射器的最小損耗設計，有時可以使用第三元件來提供更高效率的腔體?？梢酝ㄟ^若干手段實現(xiàn)光線在具有散射元件的腔體內(nèi)的混合。這可以通過漫射元件(既可以是前反射器或后反射器的一體部分，也可以層合到前反射器或后反射器)，或通過使用設置在前反射器和后反射器之間任何位置的單獨漫射片來實現(xiàn)。也可以通過這些可選方式的任何組合來實現(xiàn)。如何選擇取決于問題(例如光學損耗、元件成本、以及加工便利性)的相對重要性。漫射元件可以附接到前反射器或后反射器中任何一個或成為其一體部分，或可以在漫射片和反射器之間形成氣隙。無論漫射器為任一反射器的一體部分，還是層合到任一反射器上，或作為單獨元件設置于腔體中，對于完成一次從后反射器到前反射器并回到后反射器的往返行程的光線而言，總體所需的光學性能是一種控制角擴展函數(shù)的光學性能。半鏡面反射器可具有鏡面反射器和朗伯反射器兩者的特性，或可為關于鏡面反射方向的輪廓分明的高斯錐。作為另外一種選擇，漫射器可具有顯著的(例如回射性膜或涂層的)后向散射性質(zhì)。應當記住，漫射元件也可以與反射器分離，存在若干可能的構(gòu)造來形成漫射程度受控的后反射器(1)在高反射率后漫反射器上的部分透射鏡面反射器；(2)覆蓋高反射率鏡面后反射器的部分朗伯漫射器；(3)在高反射率鏡面后反射器上的前向散射漫射器；(4)在鏡面后反射器上的部分回射涂層；(5)波狀高反射率鏡面反射器；(6)漫反射器。對于每種構(gòu)造，所列出的第一元件被配置成面向腔體內(nèi)部。構(gòu)造為⑴至⑷的第一元件在整個后反射器區(qū)域上可以是連續(xù)或不連續(xù)的。此外，第一元件可具有分級擴散性質(zhì)，或可被印刷或涂覆分級的其他擴散圖案。分級的擴散器為可選的，但可為理想的，以優(yōu)化各種背光源系統(tǒng)的效率。術語“部分朗伯型”是指僅散射入射光中的一些的元件。被這種元件散射的那部分光被幾乎均勻地以所有方向?qū)?。在?gòu)造(1)中，部分鏡面反射器為與用于前反射器的元件不同的元件。在這種情況下，部分反射器可為具有適度反射率的空間均一的膜，或它可為空間不均一的反射器，例如打孔的多層或金屬反射器?？赏ㄟ^改變穿孔的尺寸和數(shù)量，或通過改變膜的基準反射率，或同時采用這兩種方法來調(diào)整鏡面反射程度。構(gòu)造(5)可以通過對多層聚合物鏡膜進行熱壓印來制備，或者通過對這樣的膜進行物理起皺來制備。另外，任何具有這些形狀的表面都可涂覆金屬反射膜或增強金屬反射膜。此外，可對(1)至(4)的半鏡面構(gòu)造進行起皺或壓印處理，以優(yōu)化它們的光傳播特性。這些組合中的一些也可能適用于前(部分)反射器，例如，(2)、(3)、⑷和(5)中的漫射元件或具有本發(fā)明的任何前反射器的它們中的任何組合。同樣，所列出的第一元件被布置用于循環(huán)腔體內(nèi)。所有這三種構(gòu)造的第一元件在部分反射器區(qū)域均可連續(xù)或不連續(xù)，并且第一元件的擴散性質(zhì)可以具有梯度，或者可以被印刷或涂覆具有梯度的其他擴散圖案。定量地講，半鏡面程度(給定反射器或其他元件的半鏡面特性與朗伯特性與回射特性之比)可通過對向前和向后散射的光分量進行通量對比來表征，這兩個分量分別稱為 F和B。前向散射通量和后向散射通量可通過在所有立體角上對反射強度進行積分(或就透光元件而言，對透射強度進行積分)來獲得。然后，可通過“傳播率”T來表征半鏡面程度，通過下式給定T = (F-B) / (F+B)。
當從純回射變?yōu)榧冪R面反射時，T在從-1至1的范圍內(nèi)。對于純回射器，所有光都被后向散射，得到F = 0和B = 1。對于純朗伯反射器，前向散射通量和后向散射通量相等 (F = B)，因此T = 0。對于純鏡面反射器，沒有后向散射(Β = 0)，因此T = F/F= 1。具有實驗測量值的實例在提交于2008年5月19日的共同轉(zhuǎn)讓的PCT專利申請公開No. WOXXXX/ XXXXX "Recycling Backlights With Semi-Specular Components”(具有半鏡面反射元件的循環(huán)背光源)(代理人案卷號63032W0003)中給出。任何實際反射元件或透射元件的傳播率都是入射角的函數(shù)。這是符合邏輯的，因為可以估計，例如，就幾乎垂直入射的光線與掠入射的光線而言，前向散射的光量是不同的。漫反射器可以用得自德國autronic-MELCHERS GmbH的Autronics錐光鏡以反射模式來表征。將樣品置于距離錐光鏡透鏡約2mm的焦點處。用該儀器以白色準直光并以所選入射角照射樣品。樣品反射的光被錐光鏡透鏡采集并成像到二維檢測器陣列(CCD照相機)上。利用校準文件將該圖像轉(zhuǎn)化為角分布函數(shù)。該儀器提供了各種半鏡面反射器和漫反射器的角度反射性質(zhì)的非常有用的比較。反射器的較大鏡面分量會導致靠近鏡面反射角的檢測器飽和，但該值可以在設置為較低靈敏度的設備上單獨測量。對于光線在一個角度與反射器或擴散器發(fā)生單次相互作用的情況，傳播率是定義明確的。良好的循環(huán)腔體使用至少兩個反射或擴散元件，而且可能使用三個或更多此類元件，使所有角度的光線產(chǎn)生多次相互作用。由于單次相互作用的傳播率是入射角的函數(shù)，因此對腔體總傳播率的描述比對單個分量的描述更為復雜?！坝行惑w傳播率”(或者更好地描述為“腔體傳播值”)應為衡量腔體將注入光從注入點散播到腔體內(nèi)的遠端點并使光線足夠隨機化以使光線均勻地導向使用者的能力的量度。估測相對腔體傳播值的簡單方法可用于判斷鏡面元件、半鏡面元件和朗伯元件的各種組合的相對利弊。出于該目的，定義了各個元件的向前傳播數(shù)fT，表示為f T = F/ (F+B)其中如本文中所述定義和測量F和B，但是現(xiàn)在是對單次相互作用的所有角度取平均值。在從10度至80度的范圍內(nèi)，以約10度的間隔進行測量就足以得出合適的平均值。 F和B是前散射光和后散射光的相對比率，并且通過定義F+B = 1，簡單地得到fT = F，F(xiàn)為前散射光的比率。那么，腔體傳播CT是腔體的前反射器和后反射器的F值的乘積CT = FfrontXFback例如，如果前反射器為Ffrant = 1的鏡面反射器，后反射器為Fbaek = 0. 75的半鏡面反射器(傳播率T = 0. 5)，則腔體總傳播值由CT = 1 X0. 75 = 0. 75給出。對于大多數(shù)常見漫射器，T在如上所述在0和1之間的范圍內(nèi)，fT在從0. 5至1. 0 的范圍內(nèi)。然而，如果采用具有一定回射性質(zhì)的材料作為漫射器，則T可以為負數(shù)并且對于這樣的材料可以在從O至-1的范圍內(nèi)，而F將在從0至0. 5的范圍內(nèi)。一個實例是回射玻璃微珠，具有90度或接近90度的成角度小平面的棱鏡結(jié)構(gòu)也是這樣的實例。
又如，如果前反射器為朗伯反射器，使得Ffrant = 0. 5 (T = 0)，而后反射器是半鏡面反射器，使得Fbaek = 0. 75 (T = 0. 5)，則腔體總傳播值為CT = 0. 5X0. 75 = 0. 375。可以預料，與第一例的腔體相比，后一個腔體從注入點傳播到給定距離的光要少得多。這個預測經(jīng)本文描述的實驗證實。對于一些應用，前反射器可以由若干元件堆疊而成，例如鏡面或半鏡面反射器然后是光重定向?qū)踊蛞粋€或多個可彼此層合或不層合的漫射器。前反射器和后反射器均可定義為按特定順序組裝的元件的集合。構(gòu)成前反射器或后反射器的所有元件的總體傳播性質(zhì)可通過一次測量確定。單個元件(如膜)對一疊元件的傳播性質(zhì)的影響取決于元件在疊堆中的順序和取向以及疊堆中其他元件 的性質(zhì)。由于至少這些原因，該疊堆可以作為整體測量?？梢詫⑶胺瓷淦鞯脑糜跍y量裝置(例如，由Autronics和Radiant Imaging (Duval 1, Washington, USA)制造的測量裝置)內(nèi)，使得腔體內(nèi)表面面向測量光束。對半鏡面反射器的上述F和B的測量在反射模式下進行，這意味著入射光束的一部分穿過漫射層兩次或由漫射層反射一次。如果漫射器為設置在腔體內(nèi)前反射器和后反射器之間某處的中間元件，則光線在傳播過程中穿過該漫射器兩次而完成一次前-后循環(huán)。 因此，將中間元件的F和B值定義為以與將涂覆到反射鏡上的漫射器相同的方式測得的值。 該中間元件可以與前反射器或后反射器組合，并且中間元件與所選反射器的組合傳播性質(zhì)可以一起測量。如果大部分光注入腔體內(nèi)中間元件的上方(或從下方穿過中間元件內(nèi)的通孔)，則中間元件可以與底部反射器組合。如果大部分光注入中間元件的下方，則中間元件可以與前反射器組合來測量傳播。4.光重定向?qū)赢敱景l(fā)明所公開的膜用作光腔內(nèi)的前反射器時，光重定向?qū)咏蛹{來自腔體的光通量。入射到光重定向?qū)由系墓馔繉⒕哂幸阅さ淖畲笸腹饴实臉O角θ ^和方位角φ0的預定值為中心的角分布。由Δ ee和Δφβ給定的角度范圍Δ θ和Δφ便于進行能將大部分光有效重定向而進入所需角度范圍內(nèi)的微結(jié)構(gòu)設計。光重定向?qū)涌梢詾轶w漫射器以實現(xiàn)朗伯型輸出或為棱鏡或全息結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)特定角度控制。按△ θ e和Acpe而定的參數(shù)在與本發(fā)明同日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請No. XX/XXXXXX "Reflective Film Combinations With Output Confinement in Both Polar and Azimuthal Directions and Related Constructions^在極角和方位角方向具有輸出限制的反射膜組合及相關構(gòu)造)中更充分地進行討論，該專利以引用方式并入本文中?？梢栽诙鄬幽さ娜肷涔鈧?cè)的相對側(cè)上設置表面結(jié)構(gòu)。這些多層膜被專門設計成在垂直入射角具有相對高的平均反射率(大約90%或以上)，因而可以被視為“反射鏡”，但也被設計成在某些角度范圍內(nèi)(方位角和/或極角)透射大部分光。為了將光重定向到法向(這例如對于液晶顯示器背光源是理想的)，可以將某些結(jié)構(gòu)化形式設置在光出射的反射鏡表面上或上方。這些結(jié)構(gòu)可以為棱鏡，或者可以為球形或部分球形或其他規(guī)則或不規(guī)則的形狀。也可以對這些結(jié)構(gòu)的尺寸進行控制，以折射和/ 或衍射光。反射鏡相對于入射到不同平面內(nèi)的光的透射的方向?qū)ΨQ度可以決定是將一維結(jié)構(gòu)還是二維結(jié)構(gòu)加入反射鏡，以將透射光重新定向。一些反射鏡基本上僅沿膜的一條軸線透射，也就是說，這些反射鏡形成非常狹窄的定向光錐。這些“一維”反射鏡可以更有效地利用一維(如線性)表面結(jié)構(gòu)，其中線性結(jié)構(gòu)被布置成與透射主平面成一角度，通常垂直于該透射軸線。下面給出了一些示例。通常，在反射鏡入射側(cè)不需要表面結(jié)構(gòu)，但為了改善膜反射率的一些方向行為，也可以添加該結(jié)構(gòu)。其他反射鏡可以在更寬的角度范圍內(nèi)透射，并且可以更好地利用二維結(jié)構(gòu)來將光重新定向。此前，已將表面結(jié)構(gòu)添加至反射鏡以漫射或重新定向被反射的入射光。本文公開了可以添加該結(jié)構(gòu)來將被透射的那部分光重新定向。這些膜與上述微結(jié)構(gòu)可用于背光源中，以提供各種準直度的基本上隨機的定向光。當光源高度隨機或為朗伯型(為均勻化而常常要求的條件)時，離開背光源的光的角度范圍難以壓縮。本文所公開的布魯斯特反射鏡膜和其他元件可以有助于形成高度定向的光源。另外，這些反射鏡可以有助于隱藏亮點或線光源。顯示器的均勻度要求常常需要對光源的輸出進行隨機化。當直接照明式顯示器背光源中使用非常明亮的點光源(例如LED)時，問題就更大。在這些制品中使用的反射鏡的突出特征是在反射鏡的入射側(cè)很少或不需要結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生這些定向效果，因為這些效果由平面雙折射界面的光學器件產(chǎn)生。二維結(jié)構(gòu)可以為隨機或有序陣列。二維結(jié)構(gòu)(例如微珠、球體、棱錐等的陣列)可以用于對稱和非對稱反射器上。該結(jié)構(gòu)可以為用粘合劑涂覆的預成形結(jié)構(gòu)，或者可以被壓印(即通過固體表面層的熱壓印或通過澆鑄并固化方法或通過擠出熔融涂布并壓印來復制)。該結(jié)構(gòu)可以為緊密堆積的或間隔開的。作為另外一種選擇，可將包括此類表面結(jié)構(gòu)的
膜層合。該二維結(jié)構(gòu)可以為修圓的和/或棱錐形的。尤其可用的結(jié)構(gòu)為類似于飛機的“鼻錐”的修圓的圓錐結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)縮小了出現(xiàn)在球形結(jié)構(gòu)頂部的平坦區(qū)域。單個元件可以為旋轉(zhuǎn)體或多面體。通過添加各種表面結(jié)構(gòu)，可以將來自部分反射鏡的出射表面的光線角度的輸出分布壓縮至更窄的角度范圍。準直度取決于結(jié)構(gòu)的形狀，該形狀大致通過表面的表面法向量的分布來表征。美國專利3，829，680 (Jones)所公開的用于形成蝠翼分布的結(jié)構(gòu)可以結(jié)合本發(fā)明所公開的布魯斯特鏡使用，以改變其蝠翼分布。該結(jié)構(gòu)將以近垂直入射角度入射到出射平面的一定范圍的光線回射從而形成蝠翼分布。此類結(jié)構(gòu)可以與本發(fā)明所公開的布魯斯特鏡很好地配合，因為該反射鏡已經(jīng)阻擋了大部分近法向光線，并且遞送更多的更高角度的光線，這些光線隨后被結(jié)構(gòu)化表面彎曲成更靠近法線。這樣，可以將布魯斯特鏡的最大輸出角度(接近60或70度)重新定向成較小角度。此外，由于反射鏡本身可以阻擋近法向光線， 微結(jié)構(gòu)不再需要是回射性的，并且可以從Jones所公開的結(jié)構(gòu)修改而成，以增 大更傾斜光線的折射角度。通常，諸如本文所述多層膜那樣在有限的半球角度范圍內(nèi)選擇性地透射光的光學元件可用于增強微結(jié)構(gòu)化的光重定向?qū)拥男阅?。微結(jié)構(gòu)在控制朗伯光源發(fā)出的光的方向性方面的用途有限。然而，本文所述膜僅透射朗伯分布的所選部分，使得可更有效地重定向該光的專用表面結(jié)構(gòu)的設計成為可能。一種示例性微結(jié)構(gòu)為具有這樣的表面法線分布的結(jié)構(gòu)其可以將多層透射的高角度光線折射至更靠近法線的角度。與只有一個表面法線角度不同，棱鏡面用一系列連續(xù)的表面法線表示。該結(jié)構(gòu)既可以是具有彎曲面的棱鏡的線性陣列，也可以是旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu) (例如“鼻錐”結(jié)構(gòu))，還可以是細長的三維結(jié)構(gòu)。
照明系統(tǒng)圖34示出了示例性照明系統(tǒng)的示意圖。利用上文概述的原理，可以構(gòu)造具有設計準直光輸出角度分布2α和2β的薄型大面積高效照明系統(tǒng)。角度α和β可以分別由基本膜特征輸出角度△ θ e和Δφε導出，并且可以使用標準光學設計和光線跟蹤工具來設計光重定向?qū)?。光分? α和2β被定義為光強度下降至中心值的1/e處的角度范圍。如果 2α為θ e和微結(jié)構(gòu)確定的角度范圍，則其可以大至180度或小至20度。中間值30度、45 度、60度、90度和120度也容易實現(xiàn)。如果2 β為方位角范圍Δφβ和微結(jié)構(gòu)確定的角度范圍，則其可以大至180度或小至45度。中間值60度、90度和120度也容易實現(xiàn)。多層膜和棱鏡的主軸可以被取向為相對于照明設備或其他照明裝置的邊緣成任何角度。在圖34中， 主軸對齊僅僅是為了圖示說明。照明系統(tǒng)不僅可以具有直線形狀，還可以為任何形狀。其輪廓可以非常薄，但也容易構(gòu)造厚(深)的腔體。照明系統(tǒng)可以為側(cè)光式、直接照明式或它們的組合。
前反射器可以附接到光重定向?qū)?，或者可以將二者附接到諸如玻璃或剛性聚合物板的板上。該玻璃或板可以為另一系統(tǒng)的元件，該系統(tǒng)通常為要用照明系統(tǒng)照亮的系統(tǒng)。一個實例為LCD面板。膽隱■口 K ■吿丨丨_糊日肢Φ #照、日月碰為了促進側(cè)光式中空腔照明系統(tǒng)內(nèi)的光傳播，選擇腔體傳播率CT進而前后反射器的向前傳播率fT以實現(xiàn)高的光傳播值，以在腔體內(nèi)較大距離上有效散播光，從而提高均勻性。然而，就LCD的直接照明分區(qū)背光源而言，需要限制從給定小面積光源(例如，從局部照明區(qū)域內(nèi)的一個或多個LED)散播的光的范圍。然而，仍須通過某些手段在區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻度，并且成本和易于制造均為主要考慮因素。由于后面的這兩個原因，最好在系統(tǒng)內(nèi)的各個區(qū)域之間不使用壁或其他反射性屏障的情況下限制來自給定局部光源的光。為了在開放系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)均勻度和有限的光散播，應同時使用若干部件。這些部件是(1)前板上的角度選擇部分透射反射器；(2)漫射元件；(3)前反射器和后反射器，它們共同產(chǎn)生低或負腔體傳播率；(4)局部光源，其發(fā)射圖案經(jīng)過選擇，以補充前反射器的角度選擇；以及(5)光重定向?qū)?。此外，前反射器和后反射器應具有高效率，以在高度循環(huán)腔體內(nèi)提供低損耗。上文討論了這些部件的一些細節(jié)。第一部件可以為本發(fā)明的角度選擇反射器。對于小面積光源組成的二維(2D)陣列，如果需要在系統(tǒng)的兩個面內(nèi)方向上透射光，則可以選擇在空氣中沿兩個正交的面內(nèi)軸線均具有小于90度的布魯斯特角的反射器。對于光源組成的一維陣列(例如，熒光燈，或例如LED組成的線性陣列)，可以選擇方位角選擇反射器， 同樣，該反射器的至少一個軸線在空氣中具有小于90度的布魯斯特角。隱藏燈泡是直接照明式系統(tǒng)中的首要關注因素。為了降低或消除明亮的小面積光源的可見性(穿通)，可以將前反射器選擇成在垂直入射角度具有高反射率，并且隨著入射角的增加，透射率逐漸增大。 Rnormal可以大于80%、大于90%或大于95%。如果小面積光源具有大大減少豎直發(fā)射光數(shù)量的改進的輸出分布，則可以將頂部反射器選擇成具有平坦或隨入射角增加的反射率-角度函數(shù)關系，前提條件是其總THemi足夠低以便于光大量循環(huán)。可使用30 %、20 %、10 %、甚至5%的Tltemi以實現(xiàn)此目的。具有顯著的布魯斯特角最小反射的前反射器是有用的，即使該布魯斯特角在空氣中大于90度。然而，該布魯斯特角最小反射率應為約50%或小于垂直入射角度的反射率。可以將第一部件層合到剛性板上，該剛性板可以為另一個系統(tǒng)(例如 IXD面板)的一部分。上文結(jié)合腔體傳播討論了部件(2)和(3)。腔體傳播率越低，就需要越多的反射以將光散播到遠離點光源。當具備顯著的漫射機制時，這樣的系統(tǒng)將通過光的多次反射實現(xiàn)混合，但光遲緩地存在于頂板上時該光的相當多部分會在局部幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)來回反射。然而，為了改進前反射器鏡面性質(zhì)而設置在前反射器上的任何涂層都不應嚴重影響其角度選擇反射性質(zhì)。作為另外一種選擇，可以將具有所選傳播率的光散射層隔著空氣間隙地對著前反射器設置。如果后反射器具有高度回射性，以至于將所有光直接回射至光源，則可以理想地增加一些漫射來散播光，使得大部分光不返回其可能被吸收的光源。回射器與頂部鏡面或半鏡面反射器相組合以將光約束于某個區(qū)域的機能是將光反復地從腔體內(nèi)任何局部光源發(fā)送出去然后返回這些光源。對于諸如高折射率玻璃微珠之類的普通回射器，將發(fā)生大量漫射，從而因反復反射而在光源附近的區(qū)域內(nèi)形成光的更均勻分布。漫反射器或傳播率小于或等于0. 25的單獨的漫射器可用于這種應用。T小于0. 1 或小于0的漫射元件是可取的。CT <0.5的腔體傳播值是可取的。為了增加光的約束，可以采用CT < 0. 3、甚至< 0. 2的腔體傳播值。第四部件(小面積光源)應具有經(jīng)設計的發(fā)射圖案，該圖案可任選地經(jīng)過選擇以補充上述前板上的角度選擇反射器的角度透射特性。該小面積光源不應具有會將大量光定向成平行于前反射器或后反射器的側(cè)向發(fā)射圖案。如此發(fā)射的光會傳播較遠距離并離開該局部區(qū)域。該光源可以任選地具有不對稱方位角輸出，例如，僅向一側(cè)發(fā)射。為了提高均勻度，可以在單個LED的影響區(qū)域內(nèi)存在一個或多個光源。根據(jù)系統(tǒng)的設計準則，可能希望相鄰LED的影響區(qū)域之間有較小或較大程度的重疊。例如，較低重疊可使顯示器的一部分變得很暗。這提供了使分區(qū)系統(tǒng)內(nèi)的對比度和節(jié)能最大化的優(yōu)點，但也會讓系統(tǒng)易受單個LED故障的影響。一些系統(tǒng)有意具有重疊的影響區(qū)域可能是確實需要的，以便在仍然有用的節(jié)能和對比度水平與系統(tǒng)穩(wěn)健性之間實現(xiàn)更有益的平衡。影響區(qū)域可以被看作局部光源(即單個LED或局部的LED燈簇)的光強度下降至區(qū)域中心處強度的Ι/e的區(qū)域。(燈簇=安裝在相同基片或散熱器上并且彼此相隔幾毫米的大量LED。)局部光源的影響區(qū)域可以與最近的相鄰區(qū)或第二近的相鄰區(qū)重疊，甚至與第三近的相鄰區(qū)重疊，具體取決于均勻度和所需區(qū)域大小。局部光源可以布置成線形、正方形、矩形、六邊形或其他圖案，包括隨機陣列。期望有一個或多個光學傳感器來檢測背光源內(nèi)特定點處的輸出，并且通過反饋電路按照控制方案調(diào)節(jié)各個LED的輸出。雖然優(yōu)選空間上不變的解決方案，但可以使用空間上變化的解決方案，例如在每個光源正上方具有印刷的漫射或反射的圓點或飾片以有助于減少“穿通”。除非另外指示，否則本說明書和權利要求書中用來表示數(shù)量、特性量度等的所有數(shù)值應當理解為由術語“約”來修飾。因此，除非有相反的指示，否則說明書和權利要求書中列出的數(shù)值參數(shù)均為近似值，并且根據(jù)本領域內(nèi)的技術人員利用本專利申請的教導內(nèi)容獲得的所需特性而改變。每個數(shù)值參數(shù)并不旨在限制等同原則在權利要求書保護范圍上的應用，至少應該根據(jù)所報告數(shù)值的有效數(shù)位和通過慣常的四舍五入法來解釋每一個數(shù)值參數(shù)。雖然限定本發(fā)明大致范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但就本文所述具體實例中的任何數(shù)值而言，都是按盡量合理的精確程度給出。然而，任何數(shù)值可以很好地包含與測試或測量限制相關的誤差。 在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的前提下對本發(fā)明進行的各種修改和更改，對本領域內(nèi)的技術人員來說將顯而易見，并且應當理解，本發(fā)明不限于本文示出的示例性實施例。 本文提及的所有美國專利、專利申請公布、及其他專利和非專利文獻在它們與上述公開一致的程度上以引用方式并入。
權利要求
1.一種照明系統(tǒng)，包括光源；以及多層光學膜，其設置成反射所述光源發(fā)出的一些光并透射所述光源發(fā)出的其他光，所述多層光學膜具有與第一面內(nèi)軸線相關的第一內(nèi)布魯斯特角和與正交于所述第一面內(nèi)軸線的第二面內(nèi)軸線相關的第二內(nèi)布魯斯特角，所述第二內(nèi)布魯斯特角不同于所述第一內(nèi)布魯斯特角。
2.根據(jù)權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述照明系統(tǒng)包括照明設備。
3.根據(jù)權利要求2所述的照明系統(tǒng)，其中所述照明設備包括剛性透光面板。
4.根據(jù)權利要求3所述的照明系統(tǒng)，其中所述多層光學膜附接到所述剛性透光面板。
5.根據(jù)權利要求4所述的照明系統(tǒng)，其中所述多層光學膜層合到所述剛性透光面板上，且在所述多層光學膜層與所述剛性透光面板之間基本上沒有間隙。
6.根據(jù)權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述照明系統(tǒng)包括背光源。
7.根據(jù)權利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中所述背光源為側(cè)光式背光源。
8.根據(jù)權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述第一面內(nèi)軸線為強軸，所述第二面內(nèi)軸線為弱軸，并且其中所述多層光學膜反射在擴展波長段內(nèi)平行于所述強軸偏振的垂直入射光的至少75<%、80%、85%或90%，并且所述多層光學膜反射在所述擴展波長段內(nèi)平行于所述弱軸偏振的垂直入射光的至少50 %、60 %、70 %或80 %。
9.根據(jù)權利要求8所述的照明系統(tǒng)，其中對于在包含所述強軸的第一平面內(nèi)入射的ρ 偏振光，所述多層光學膜具有隨入射角變化的第一反射率減小，并且對于在包含所述弱軸的第二平面內(nèi)入射的P偏振光，所述多層光學膜具有隨入射角變化的第二反射率減小，并且其中所述第二反射率減小強于所述第一反射率減小。
10.根據(jù)權利要求9所述的照明系統(tǒng)，其中所述第二反射率減小在相對于垂直入射傾斜的特定傾角θ oblique下減小至少50%、60%、70%或80%。
11.根據(jù)權利要求9所述的照明系統(tǒng)，其中所述第一反射率減小在相對于垂直入射傾斜的特定傾角θ oblique下減小至少40%或50%。
12.根據(jù)權利要求1所述的照明系統(tǒng)，還包括連接到所述多層光學膜的結(jié)構(gòu)化表面層。
13.根據(jù)權利要求12所述的照明系統(tǒng)，其中所述結(jié)構(gòu)化表面層包括棱鏡膜。
14.根據(jù)權利要求12所述的照明系統(tǒng)，其中所述結(jié)構(gòu)化表面層將所述多層光學膜的寬角度蝠翼透射特性轉(zhuǎn)化為較窄角度的蝠翼透射特性。
15.根據(jù)權利要求12所述的照明系統(tǒng)，其中所述結(jié)構(gòu)化表面包括二維結(jié)構(gòu)。
16.一種照明系統(tǒng)，包括光源；以及多層光學膜，其設置成反射所述光源發(fā)出的一些光并透射所述光源發(fā)出的其他光，所述多層光學膜具有與兩個正交的面內(nèi)軸線中的每一個面內(nèi)軸線相關的內(nèi)布魯斯特角，所述內(nèi)布魯斯特角中的至少一者與小于90度的空氣中的入射角相對應。
17.根據(jù)權利要求16所述的照明系統(tǒng)，還包括設置成與所述多層光學膜形成光循環(huán)腔的后反射器，所述后反射器的傳播率T < 0。
18.根據(jù)權利要求16所述的照明系統(tǒng)，還包括設置成與所述多層光學膜形成光循環(huán)腔的后反射器，所述光循環(huán)腔的腔體傳播率CT < 0. 25。
全文摘要
本發(fā)明公開了多層光學膜，該多層光學膜對所有偏振態(tài)在垂直入射角度均表現(xiàn)出高反射率，但優(yōu)先透射在一個或兩個正交的入射平面內(nèi)的大角度光線。本發(fā)明公開了對稱構(gòu)造和非對稱構(gòu)造。所述膜可用于直接照明式背光源和除直接照明式背光源之外的照明系統(tǒng)，例如側(cè)光式背光源，以及非背光源照明系統(tǒng)，例如旨在用于一般照明而無需任何圖形組件的系統(tǒng)，諸如照明設備和工作燈之類。
文檔編號G02F1/1335GK102265088SQ200980152080
公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權日2008年11月19日
發(fā)明者約翰·A·惠特利, 蒂莫西·J·內(nèi)維特, 邁克爾·F·韋伯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司