CN100465721C

CN100465721C - 多光导背光

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Publication number: CN100465721C
Application number: CNB2004800387926A
Authority: CN
Inventors: 戴维·J·兰姆; 基思·M·科奇克; 马克·B·奥尼尔; 帕特里克·H·马鲁申; 马克·E·加迪纳; 肯尼思·A·爱泼斯坦; 菲利普·E·沃森
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: KR20060122902A; EP1706783A1; JP2007516582A; TW200528870A; US7303322B2; US20050135115A1; WO2005069066A1; CN1898594A

Abstract

本发明涉及背光系统，其包括第一和第二光导，与第一光导的边缘光学连接的至少一个光源，以及与第二光导的边缘光学连接的至少一个光源，以用于向其各自内部提供光。这种背光系统还可以包括设置在第一光导表面处的第一回收增益结构以及设置在第一光导与第二光导之间的第二回收增益结构。在适当的示例性实施例中，本发明的背光系统包括设置在第二光导的表面处的提取器，以用于从第二光导的内部漫射提取光。在这些示例性实施例中，提供到第二光导内部并且随后从中漫射提取的光的至少一部分通过基本上光学透明的表面入射到第一光导的内部。在一些示例性实施例中，本发明的背光系统包括可以附着于第一光导的回收增益结构。

Description

多光导背光

技术领域

本发明涉及背光系统，其可以有利地用于大型高性能液晶显示器。更具体地，本发明涉及包括多个光导，并且可选地包括各种回收增益结构的背光系统。

背景技术

液晶显示器(LCD)广泛地用于电子显示设备，例如计算机监视器、手持设备和电视中。与阴极射线管(CRT)显示器不同，LCD不发光，因此需要独立的光源，以用于观察这种显示器上形成的图像。环境光照明对于某些用途而言足够了，但是对于大多数大面积和高性能LCD，环境光造成眩光，并且对于清晰度有不良影响。因此，为了提高清晰度，大多数大面积和高性能LCD包括位于显示器之后的光源，该光源通常称作“背光”。

目前，许多用于背光LCD的通用系统包括直接发光背光，其中在显示器之后将多个灯或者单个螺旋形灯设置在使用者视场内，还包括边缘发光背光，其中沿着位于显示器之后的光导的一条或多条边缘放置了光源，使得光源在使用者的视场之外。为了达到CRT显示器的效果，大型LCD显示器(例如对角线大于20”或50cm的LCD显示器)必须具有例如约500nt或更大的高亮度目标。目前，利用用于LCD的直接发光背光实现了这种高亮度目标。

然而，使用常规直接发光背光系统在例如LCD电视的大型LCD的制造商当中已经引起了一定的担忧。一个担忧是该LCD的期望寿命与电视背光中的个别灯的寿命之间的差异，对于大多数LCD电视购买者而言期望寿命是10到20年，个别灯的寿命约为10000到20000小时，并且通常接近这个范围的低端。尤其是，经常用于背光的冷阴极荧光灯(CCFL)具有变化的寿命和老化特性。如果常规直接发光背光中的一个CCFL烧坏，则后果是出现直接穿过显示器的黑线。此外，常规的直接发光显示器的空间色彩均匀度随着每个CCFL不同程度地老化而受损。目前，主要的LCD制造商和电视机制造商没有用于维修这两种模式中损坏的LCD背光的范例。

此外，从常规的直接发光背光中的多个光源到达观察者的光通常不像边缘发光背光中的光那样混和。但是，不论常规的直接发光背光的这个缺点以及均匀度和老化缺点如何，目前常规的直接发光背光是用于例如LCD电视的背光LCD的普遍选择，这是因为它们可以达到类似于CRT显示器的亮度目标。尽管边缘发光背光在许多方面似乎更有利，但是利用常规边缘发光背光实现希望的亮度级仍然是个急待解决的问题。一个难点是将足够大量的光源设置在单个光导的边缘处，以提供足够的光功率，从而达到目标亮度。其它难点包括例如由较大热梯度和处理问题在常规背光中造成的增强膜翘曲。

因此，在背光领域中，仍然需要用于背光系统的能够实现高亮度目标并且更有效的大型高性能LCD。此外，仍然需要用于大型高性能LCD的、克服现有背光的上述其它缺点的背光系统。

发明内容

本发明的发明人通过提供一种如本文中公开并请求保护的多光导背光系统，解决了目前已知的用于大型高性能LCD的背光的这些和其它缺点。这种系统可以有利地用于各种设备，包括LCD电视、LCD监视器、售货点设备，以及其它适当的设备。除了可以获得高输出亮度之外，本发明缓解了使用变化寿命光源的风险，使得个别光源的烧毁或者老化不会对显示器观察质量产生严重影响。因此，如果在根据本发明实施例的多光导系统中个别光源老化或者烧坏，则对于空间亮度和色彩均匀性的影响将由于光混和增强而不太显著。

本发明消除了对于直接发光背光中常规使用的厚漫射片的需求，以使观察者看不到个别光源，从而提供亮度的附加增益。本发明还消除了对于直接发光背光中常规使用的结构反射器的需求，从而降低了成本并且提高了制造的简易性。此外，直接从顶部光导提取的光可以以很大的角度范围出射，这将增强该显示器的轴外可观看性。而且，本发明可以包含用于防止可用于本发明示例性实施例中的各种回收增益结构翘曲和物理损坏的附加特征。

因此，本发明涉及背光系统，在一个示例性实施例中，其包括：第一和第二光导，与第一光导的边缘光学连接的至少一个光源，以及与第二光导的边缘光学连接的至少一个光源，以用于向其各自内部提供光。这种背光系统还可以包括设置在第一光导表面处的第一回收增益结构以及设置在第一光导与第二光导之间的第二回收增益结构。在一些实施例中，本发明的背光系统包括设置在第二光导表面处的提取器，以用于从第二光导的内部漫射提取光。在该示例性实施例中，提供到第二光导内部并且随后从中漫射提取的光的至少一部分通过基本上光学透明的表面入射到第一光导的内部。

第一回收增益结构可以包括反射偏振器、反射偏振器和漫射器，或者反射偏振器和棱镜结构。该漫射器可以是空间上有坡度的。优选的是，该第一回收增益结构附着于第一光导的表面。第二回收增益结构可以包括棱镜结构。优选的是，该第二回收增益结构附着于第一光导的表面。

本发明的背光系统的其它实施例包括第一和第二光导，与第一光导的边缘光学连接的至少一个光源以及与第二光导的边缘光学连接的至少一个光源，以用于向其各自内部提供光。这些示例性实施例还包括设置在第一光导与第二光导之间的第二回收增益结构。

第二回收增益结构可以包括棱镜结构。该棱镜结构优选包括顶点通常背离第二光导的多个棱镜。在适当的实施例中，该第二回收增益结构可以包括第一膜和第二膜，其中该第一膜确定了具有通常背离第二光导的顶点的多个棱镜，该第二表面确定了具有通常背离第二光导的顶点的多个棱镜。由第一膜确定的棱镜和由第二膜确定的棱镜是交叉的。优选的是，该第二回收增益结构附着于第一光导的表面。

根据本发明构建的背光系统还可以包括设置在第一光导表面处的第一回收增益结构。该第一回收增益结构可以包括反射偏振器、反射偏振器和漫射器，或者反射偏振器和棱镜结构。优选的是，该第一增强结构附着于第一光导的表面。

在本发明的适当的示例性实施例中，第一和第二光导各包括两个相对的边缘，至少一个光源与每个所述边缘光学连接，并且第一光导的相对边缘不与第二光导的相对边缘对准。可选的是，该第一和第二光导各包括两个相邻的边缘，至少一个光源与每个所述边缘光学连接，并且第一光导的相邻边缘不与第二光导的相邻边缘对准。

本发明还涉及背光系统，其包括第一和第二光导，与第一光导的第一边缘光学连接的多个光源，与第一光导的第二边缘光学连接的多个光源，与第二光导的第一边缘光学连接的多个光源，以及与第二光导的第二边缘光学连接的多个光源。这种背光系统还可以包括设置在第一光导表面处的第一回收增益结构以及设置在第一光导与第二光导之间的第二回收增益结构。在一些实施例中，本发明的背光系统包括设置在第二光导表面处的提取器，以用于从第二光导内部漫射提取光。在这些示例性实施例中，提供到第二光导内部并且随后从中漫射提取的至少一部分光通过基本上光学透明的表面入射到第一光导的内部。第一回收增益结构可以包括反射偏振器、反射偏振器和漫射器，或者反射偏振器和棱镜结构。该漫射器可以是空间上有坡度的。优选的是，该第一回收增益结构附着于第一光导的表面。

该第二回收增益结构可以包括棱镜结构。该棱镜结构优选包括确定了顶点通常背离第二光导的多个棱镜的表面。在适当的实施例中，该第二回收增益结构可以包括第一膜和第二膜，其中该第一膜确定了具有通常背离第二光导的顶点的多个棱镜，该第二膜确定了具有通常背离第二光导的顶点的多个棱镜。由第一膜确定的棱镜和由第二膜确定的棱镜是交叉的。优选的是，该第二回收增益结构附着于第一光导的表面。

此外，在本发明的适当实施例中，第一光导与第二光导中的至少一个可以具有可变的厚度，并且至少一个光导可以包括第一和第二楔形部分。设置在第二光导表面处的提取器可以是空间上有坡度的。此外或可选的是，光学上基本透明的表面提取结构可以设置在第一光导面对第二光导的表面上。本发明的背光系统还可以包括与第二光导背离第一光导的表面相邻设置的反射片，以及与第二光导面向第一光导的表面相邻设置的漫射片。

本领域普通技术人员将根据后面的详细说明以及附图，更容易理解本发明的背光系统的这些及其它方面。

附图说明

为了使本发明所属技术领域的普通技术人员更容易了解如何制造和使用本发明，以下参照附图详细描述本发明的示例性实施例，在附图中：

图1是现有的LCD电视的直接发光背光的示意横截面图；

图2是根据本发明的背光系统的示例性实施例的示意横截面图；

图2A和2B示出了将光源设置在通常为矩形的光导边缘的可选方式；

图3是根据本发明的背光系统的另一示例性实施例的示意横截面图，示出了空间上有坡度的漫射器的使用方式；

图4是根据本发明的背光系统的另一示例性实施例的示意横截面图，示出了可变厚度光导的使用方式；

图5是根据本发明的背光系统的另一示例性实施例的示意横截面图；

图6是用于测试本发明的一些概念的示例性配置的示意横截面图；

图7A—C示出了说明从顶部光导提取的光的属性的数据，其中该顶部光导为裸露的楔形(图7A)、与DBEF-M层压的楔(图7B)，或者与DRPF层压的楔(图7C)；

图8A—F示出了代表DRPF层压的光导的输出偏振的数据；

图9A—F示出了代表DBEF-M层压的光导的输出偏振的数据；

图10A示出了具有松散DRPF片的光导系统的增益曲线图；

图10B示出了具有层压DRPF片的光导系统的增益曲线图；

图10C示出了具有松散DBEF-M片的光导系统的增益曲线图；

图10D示出了具有层压DBEF-M片的光导系统的增益曲线图。

具体实施方式

图1示出了例如目前用于LCD电视中的常规直接发光背光10的结构和部件。常规背光10包括灯泡阵列15，典型的是CCFL，还包括位于灯泡阵列15之后用于将更多的光导向观察者的成形反射器17。通常将厚漫射板18放置在灯泡阵列15上面，从而漫射来自例如CCFL的各个灯泡的光，以便使观察者看不到这些灯泡。典型的漫射板18具有与其相关的大量吸收以及大量反向散射，如果将光回收增强膜(下面进行描述)添加到该背光中，则上述效果将按指数规律增长。为了进一步有助于使观察者看不到各个灯泡，已经使漫射板具有图案，从而导致了更多的光损失。

常规的背光10还包括薄漫射片16和例如可以从3M公司得到的Vikuiti^TM亮度增强膜BEF的增强膜层14，该增强膜具有棱镜表面结构。增强膜14使一定角度内的光朝观察者折射。该角度外的光被“回收”，即反射回背光10中，在背光中该光在系统内传播，直到达到射出该系统的适当角度为止。此外，常规背光10包括放置在增强膜14上面的反射偏振器层12。反射偏振器12通常为例如也可以从3M公司得到的Vikuiti^TM双面亮度增强膜(DBEF)的多层反射偏振器。反射偏振器12透射具有预定偏振的光，而将具有不同偏振的光反射到背光10中，在背光中改变偏振状态并且使光馈回反射偏振器12。这个过程也称作“回收”。

图2示出了根据本发明示例性实施例构建的背光系统100的示意横截面图。背光系统100包括第一光导130和第二光导140。在图2所示的示例性实施例中，将光源对165a和165b放置在第一光导130的边缘132a和132b处，使得从光源165a、165b发出的至少一部分光耦合到光导130的内部，并且通过例如由于全内反射引起的从表面130a和130b的反射，而沿着该光导的长度方向传播。可以如图2所示提供灯腔反射器156a、156b，从而提高从光源165a、165b到光导130内部的耦合效率。本领域普通技术人员将会理解，反射器156a、156b的形状和结构可以改变。

还参照图2，在示例性背光系统100中，将光源对185a和185b放置在第二光导140的边缘142a和142b处，使得从光源185a、185b发出的至少一部分光耦合到光导140内部，并且通过例如由于全内反射引起的从表面140a和140b的反射，而沿着该光导的长度方向传播。可以如图2所示，提供类似于灯腔反射器156a和156b的灯腔反射器176a、176b，从而提高从光源185a、185b到光导140内部的耦合效率。本领域普通技术人员将会理解，反射器176a、176b的形状和结构也可以改变。

尽管图2所示的示例性背光系统100示出了放置在光导130的边缘132a、132b处的光源对165a、165b，以及放置在光导140的边缘142a、142b处的光源对185a、185b，但是本发明还设想了在光导130的边缘处使用一个、三个或更多光源，以及在光导140的一个或多个边缘处使用一个、三个或更多光源。此外，尽管为了便于说明，光源165a和165b示出为与光源185a和185b对准，但是本发明设想按照对于特定用途的要求，将光源放置在每个光导的任何一个或多个边缘处。例如，图2A和2B示出了将光源135a’、135a”、145a’、145a”和135b’、135b”、145b’、145b”分别设置在通常为矩形的光导130a、140a和130b、140b的边缘处的两种示例性方式。

适用于本发明实施例的光源包括任何发光源，例如荧光灯(如CCFL)、热阴极荧光灯(HCFL)、白炽灯、电致发光光源、磷光光源、外部电极荧光灯、包括有机LED(OLED)的发光二极管(LED)、LED阵列，以及任何其它适当的一个或多个光源，或者任何适当数量的光源或其组合。

光导的数量和类型也可以改变。例如，根据本发明可以使用三个或更多的光导，并且组成的光导中的任意一个或多个可以是空的。增加根据本发明示例性实施例的背光系统中光导的数量会导致显示器重量和厚度的相应增加。然而，大多数大型面板LCD的制造商通常把显示器厚度和重量视为第二位关心的方面。寿命、亮度、空间均匀性、易组装性以及增强膜翘曲的降低通常看上去更为重要。

设置在诸如光导130或光导140边缘处的光源的数量和类型，以及光导的数量、尺寸和类型取决于特定的用途和亮度目标，以及实际考虑，例如相比较于光导尺寸的特定光源的尺寸。例如，假设光导130和140与通常在常规单个光导边缘发光显示器中看到的光导具有几乎相同的厚度，则每个光导可以使用典型CCFL的多达六个灯泡(例如在边缘132a、132b、142a和142b的每一个边缘处具有三个灯泡)。因此，能够利用图2所示的两光导系统取代具有12个灯泡的29”直接发光LCD电视背光，该两光导系统在每个光导边缘处(例如132a、132b、142a和142b)设置了三个灯泡。具有16个灯泡的32”直接发光LCD电视将需要三光导系统，以使其完成边缘发光，以便产生类似的亮度。

进一步参照图2，背光系统100可以包括设置在第一光导130表面处的第一回收增益结构112。在本发明的上下文中，“回收增益结构”可以是能够按照类似于或相当于参照图1所述的增强膜12和14的方式“回收”光的任何结构。优选的是，该第一回收增益结构112设置在表面130a处，并且包括例如可以从3M公司得到的多层反射偏振器Vikuiti^TM双面亮度增强膜(DBEF)的反射偏振器。最优选的是，第一回收增益结构112还包括例如漫射表面或者压敏粘结剂(PSA)层的漫射器，该漫射器可以集成在反射偏振器内，或者作为独立部件包含在该回收增益结构中漫射。漫射器的一个功能就是使反射偏振器反射回背光系统100中的光的偏振和方向随机化。适用于第一回收增益结构112内的示例性部件包括可以从3M公司得到的Vikuiti^TM漫射反射偏振器膜(DRPF)和Vikuiti^TM双面亮度增强膜遮片(DBEF-M)。

第一回收增益结构112优选附着于第一光导130的表面，例如表面130a。通过层压、将增强结构112或者其构成部件中的任意一个模制到光导中，或者利用任何适当的粘结技术，可以使第一回收增益结构112附着于第一光导130的表面。如果第一回收增益结构112包括漫射表面，例如在DBEF-M中那样，则第一回收增益结构112优选附着于光导130，以便使得该漫射表面面对表面130a。在本发明的示例性实施例中，其中第一回收增益结构112附着于第一光导130，可以通过其与第一回收增益结构112的交互作用而从第一光导130内部提取光。例如，如果DRPF或者DBEF-M包含在结构112中，则光被这些膜中的任意一个漫射，并且以适当的偏振状态透射到LCD，或者散射回背光100中，在背光100中能够按照以上说明的那样回收光。可选择的是，利用PSA层，DBEF可以附着于第一光导130的表面。在这种情况下，PSA也有助于从第一光导130内部提取光。

在本发明的适当的示例性实施例中，DBEF和DRPF都可以包含在第一回收增益结构112中，并且优选附着于(例如层压到)光导130的表面130a。在这种情况下，两个反射偏振器，即DBEF和DRPF的偏振轴应当对准。因此，DRPF有助于从光导130提取光，而DBEF将增强对比度。可选择的是，可以将BEF或者另一适当的棱镜膜或结构结合例如DBEF的反射偏振器使用，作为第一回收增益结构112的一部分。BEF有助于光提取，而DBEF将确保光以适当的偏振射出背光100。

此外或可选择的是，图2所示的背光系统100可以包括第二回收增益结构114，该第二回收增益结构可以设置在第一光导130与第二光导140之间。优选的是，第二回收增益结构114包括例如棱镜结构膜的棱镜结构，该棱镜结构有助于重定向并回收光，从而通过朝观察者折射一定角度内的光并且将该角度外的光反向反射，来提高背光100的轴上亮度。适于用在第二回收增益结构114内的这种棱镜结构膜的一个实例是可以从3M公司得到的Vikuiti^TM亮度增强膜(BEF)。第二回收增益结构114还可以包括定向为棱镜顶点通常背离光导140的棱镜结构。

在本发明的适当示例性实施例中，可以在第二回收增益结构114中使用两个BEF或者类似的棱镜膜或结构。在该示例性实施例中，棱镜膜凹槽的方向优选是交叉的，并且薄粘结剂层连接各个膜，使得仅有一小部分棱镜结构浸入粘结剂中。优选将第二回收增益结构114附着(例如层压、模制或者利用任何其它适当的技术粘结)于光导130的表面130b。这个特征将增加从第一光导130的光提取，并且减少可能由于温度变化、处理和其它原因造成的第二回收增益结构114的翘曲。

将提取器143放置在光导140的表面处可以有助于从第二光导140提取光，该提取器优选为漫射提取器。图2示出了这种提取器143的使用方式，在本示例性实施例中该提取器包括设置在光导140的表面140b上的点阵列。优选的是，优化该点图案，从而补偿从整个背光系统100提取光的潜在空间非均匀性。例如，可以调整该点的图案，使得通过朝光导140的中心逐渐增大点的尺寸而朝光导140的中心提取更多的光。

背光系统100还可以包括漫射片116和反射片127。漫射片主要用于增加射出第二光导140的光的空间均匀性，以及有助于使反射回背光100中的光的偏振随机化。反射片127还可以通过反向反射通过光导140的面140b泄漏的光，来提高背光系统100的效率，从而可以朝观察者引导光和/或回收光。

图3是根据本发明另一示例性实施例构建的背光系统200的示意横截面图。背光系统200包括第一光导230和第二光导240。光源对265a和265b放置在第一光导230的边缘232a和232b处，使得从光源265a、265b发出的至少一部分光耦合到光导230的内部，并且通过例如由于全内反射引起的从表面230a和230b的反射，而沿着该光导长度方向传播。可以提供灯腔反射器256a、256b，以提高从光源265a、265b到光导230内部的耦合效率。本领域普通技术人员可以理解，反射器256a、256b的形状和结构可以改变。

进一步参照图3，在示例性背光系统200中，将光源对285a和285b放置在第二光导240的边缘242a和242b处，使得从光源285a、285b发出的至少一部分光耦合到光导240内部，并且通过例如由于全内反射引起的从其表面240a和240b的反射，而沿该光导长度方向传播。可以提供类似于灯腔反射器256a和256b的灯腔反射器276a、276b，以提高从光源285a、285b到光导240内部的耦合效率。本领域普通技术人员可以理解，反射器276a、276b的形状和结构也可以改变。如参照图2所示的示例性实施例已经说明的，光源和光导的数量、类型和结构同样可以改变。

进一步参照图3，背光系统200可以包括设置在第一光导230表面处的第一回收增益结构212。优选的是，第一回收增益结构212设置在表面230a处，并且包括例如DBEF的反射偏振器212b。最为优选的是，该第一回收增益结构还包括例如装入的PSA结构的漫射器212a，该漫射器还可以用于使反射偏振器附着于第一光导230的表面，例如表面230a。如图3所示，漫射器212a可以在空间上有坡度，以提高从背光系统200的输出的整体均匀性。背光系统200还可以包括例如设置在表面230b上的台阶楔形结构的光学透明表面提取特征245，该光学透明表面提取特征将有助于从第一光导230提取光。本领域普通技术人员容易认识到，这种表面提取特征245可以适用于本发明的其它示例性实施例中。

背光系统200的其它部件可以具有与图2所示的实施例的部件类似的结构或者不同的适当结构。例如，背光系统200可以包括第二回收增益结构214，该第二回收增益结构可以设置在第一光导230与第二光导240之间。优选的是，第二回收增益结构214包括例如诸如BEF的棱镜结构膜的棱镜结构，该棱镜结构重定向并回收光，从而通过朝观察者折射一定角度内的光并且将该角度外的光反向反射，来提高背光系统200的轴上输出亮度。

通过在光导240的表面处放置优选为漫射提取器的提取器243，可以实现从第二光导240的光提取。图3表示了这种提取器243的使用方式，在本示例性实施例中该提取器包括设置在光导240表面240b上的点阵列。优选的是，优化该点图案以补偿从整个背光系统200的光提取的潜在空间非均匀性。例如，可以调整该点图案，从而通过朝光导240的中心逐渐增加点的尺寸，来朝光导240的中心提取更多的光。

图4表示了根据本发明另一示例性实施例构建的背光系统300。背光系统300包括第一光导330和第二光导340。如参照其它示例性实施例所述的，将光源对365a和365b放置在第一光导330的边缘332a和332b处，并且将光源对385a和385b放置在第二光导240的边缘342a和342b处。优选的是，提供灯腔反射器356a、356b和376a、376b，以提高从光源365a、365b和385a、385b到光导330和340中的耦合效率。本领域普通技术人员可以理解，该反射器的形状和结构可以改变。光源的数量、类型和结构以及光导的数量和结构同样可以改变。

如图4所示，在示例性背光系统300中，第一光导330可以包括在接线或接缝336c处连接的两个楔形光导336a和336b，或者包括模制的单个光导，使得表面330a通常为平面，而表面330b具有近似为反转的V形的横截面，其中光导330的厚度随着距离光源越远而越小。第一回收增益结构312可以设置在第一光导330的表面处。优选的是，第一回收增益结构312设置在表面330a处，并且包括例如DBEF的反射偏振器。最为优选的是，第一回收增益结构312还包括例如漫射表面或者PSA层的漫射器，该漫射器可以集成在反射偏振器内，或者作为独立部件包含在该回收增益结构中。适用于本发明示例性实施例中的第一回收增益结构312内的结构的实例包括DRPF和DBEF-M。

例如，通过层压、将增强结构312或者其构成部件中的任意一个模制到光导中，或者利用任何适当的粘结技术，可以使第一回收增益结构312优选附着于第一光导330的表面330a。利用全内反射失败和与所附着的第一回收增益结构312的交互作用，可以实现从本示例性实施例中的第一光导330的光提取。

根据本示例性实施例构建的背光系统的其它部件可以具有类似于图2和3所示的实施例的结构，或者不同的适当结构。例如，该背光系统300可以包括设置在第一光导330与第二光导340之间的第二回收增益结构314。优选的是，第二回收增益结构314包括例如诸如BEF的棱镜结构膜的棱镜结构，该棱镜结构重定向并回收光，以通过朝观察者折射一定角度内的光并且将该角度外的光反向反射，来提高背光300的轴上亮度。在适当的示例性实施例中，第二回收增益结构314可以包括棱镜结构，其棱镜顶点通常背离光导340。

通过在光导340的表面处放置提取器343，可以实现从第二光导340的光提取，该提取器优选为漫射提取器。该提取器343可以包括设置在光导340表面340b上的点阵列。优选的是，优化该点图案，以补偿从整个背光系统300的光提取的潜在空间非均匀性。例如，如果使用两个楔形光导336a和336b来形成光导330，则可以调整从第二光导340的光提取，以利用泛光使观察者看不到接线或接缝336c。这可以通过朝光导340的中心增大点图案中的点的尺寸而实现。

图5示出了根据本发明另一示例性实施例的背光系统400的示意横截面图。背光系统400包括第一光导430和第二光导440。如已经参照其它示例性实施例所述的，光源对465a和465b放置在第一光导430的边缘432a和432b处，并且光源对485a和485b放置在第二光导440的边缘442a和442b处。可以提供灯腔反射器456a、456b和476a、476b来提高从光源465a、465b和485a、485b到光导430和440中的耦合效率。本领域普通技术人员可以理解，该反射器的形状和结构可以改变。光源和光导的数量、类型和结构同样可以改变。

进一步参照图5，背光系统400可以包括设置在第一光导430表面430a处的回收增益结构426。优选的是，回收增益结构426包括反射偏振器，例如DBEF，以及棱镜结构，例如棱镜结构膜(如BEF)。通过适当地模制第一光导430、将一片棱镜膜层压到表面430a上，或者利用任何其它适当的技术，可以将该棱镜结构引入背光400中。例如通过层压、模制或者其它适当的粘结技术，也可以将反射偏振器、例如DBEF附着于光导430，优选在棱镜结构上面。可以对回收增益结构426，特别是棱镜结构进行改变，以增强从第一光导430的光提取，以及提高轴外亮度。参见例如美国专利No.6354709，在不会与本发明相矛盾的程度上引入该专利文献作为参考。在适当的示例性实施例中，该回收增益结构可以包括棱镜结构，其棱镜顶点通常面朝第一光导430。

第二光导440可以包括设置在光导440表面处的提取器443，该提取器优选为漫射提取器。与本文中所述的其它实施例一样，提取器443可以设置在光导440的表面440b上，并且可以包括点阵列。优选的是，优化该点图案，从而补偿从整个背光系统400的光提取的潜在空间非均匀性。背光系统400还可以包括漫射片416，其有助于使观察者看不到该漫射提取器443，并且使回收的光的偏振随机化，以及包括反射片427。

进行一系列实验以检测本发明示例性实施例的各个方面。图6示出了用于本发明示例性实施例的检测结构700。该检测结构700包括底部光导740，两个CCFL光源组件780a、780b照射该光导，并且反射器727设置在光导740下面，漫射片716设置在光导740上面。交叉的BEF 714a、714b也包含在检测结构700中，并且位于漫射片716上面。在这种结构中，顶部光导730是层压有DBEF-M(漫射面朝向光导)和DRPF条纹的楔形光导，该条纹标记为712并且并排放置。用于照射顶部光导730的光源760是白炽纤维线光源。吸收偏振器772放置在顶部光导730上面，使其与反射偏振器对准或反对准，或者可以完全去除该吸收偏振器。

然后利用ELDIM EZContrast 160进行锥光镜测试。所有测试均在与纤维光源恒定的距离处进行，以消除向下楔形空间非均匀性的影响。尽管楔形光导730和纤维光源760的输出亮度比CCFL光源组件780a和780b照射的底部光导740的输出亮度小不只一个数量级，但仍看到性能提高。

图7A—7C示出了第一组测试的结果，其示出了从层压有反射偏振器712的顶部光导730提取的光的特性。在这些测试中没有使用吸收偏振器772。图7A示出了从裸露的顶部光导730(非反射偏振器)的光提取，图7B示出了从层压有DBEF-M的顶部光导730的光提取，图7C示出了从层压有DRPF的顶部光导730的光提取。由于全内反射失败而出现了从裸露光导730的提取。图7A—7C示出的数据证明了从顶部光导730通过与层压DBEF-M和DRPF的交互作用的光提取的效果。

图8A—E和9A—E示出了将所提取的光的偏振含量与透过反射偏振器712的光的偏振含量进行比较的测试结果。图8示出了层压在顶部光导730上的DRPF的数据，图9示出了层压到顶部光导730上的DBEF-M的数据。在没有吸收偏振器772的情况下，进行对应于图8A、8D、9A和9D的测试，在具有与反射偏振器712的传递轴对准的吸收偏振器772的情况下，进行对应于图8B、8E、9B和9E的测试，以及在具有与反射偏振器712的传递轴反对准的吸收偏振器772的情况下，进行对应于图8C、8F、9C和9F的测试。在每种配置中，进行两个测试：1)纤维光源接通，而CCFL光源断开(图8A、8B、8C、9A、9B和9C)，以及2)纤维光源断开，而CCFL光源接通(图8d、8E、8F、9D、9E和9F)。整体上讲，图8A—E和9A—E中所示的数据证明了从顶部光导730提取的光主要与透过反射偏振器712的光的偏振方向相同。

图10A—D示出了用于验证该系统700中的反射偏振器712的增益未由于其层压到顶部光导730而减小所进行的测试。首先，去除该顶部光导，并且将反射偏振器放置在图6中的712’处。然后利用松散的DBEF-M片进行测试，然后利用层压到顶部光导730的同一批DBEF-M进行测试(纤维光源未接通)。然后，通过采用具有DBEF-M的测量结果与去除DBEF-M的测量结果之比来计算由于该松散片和层压DBEF-M产生的增益。然后对于DRPF重复该过程。图10A—D示出了这些增益测试的结果。可以看出，具有层压反射偏振器的系统的增益略大于松散片类型的增益。这是由于已经去除了空气界面，并且已经相对于光导润湿了样本的一定散射率造成的。

因此，根据本发明构建的背光系统可以实现高输出亮度，并且解决目前已知的LCD背光遇到的各种问题。例如，本发明减轻了利用变化寿命光源的风险，使得个别光源的烧毁或老化不再对显示器观察质量产生十分严重的影响。因此，如果在根据本发明实施例的多光导系统中的个别光源老化或烧坏，则由于光混和增强，对于空间亮度和色彩均匀性的影响不太显著。

本发明消除了直接发光背光中常规使用厚漫射片以使观察者看不到各个光源的必要性，从而提供了附加的亮度增益。本发明还消除了单腔直接发光背光中常规使用的结构反射器表面的必要性，从而使成本降低，并且制造更简单。此外，直接从顶部光导提取的光可能以宽角度范围射出，这将提高该显示器的轴外可观看性。此外，本发明可以包含用于防止各种回收增益结构翘曲和物理损坏的附加特征，这些特征可以用于本发明的示例性实施例中。

尽管已经参照特定示例性实施例描述了本发明的背光系统，但是本领域普通技术人员容易理解，可以在不背离本发明要旨和保护范围的情况下，对本发明进行各种改变和修改。例如，用于本发明示例性实施例中的光源、光导和回收增益结构的数量、类型和结构可以改变。用于本发明示例性实施例中的任意光导可以是中空的光导或者具有其它适当结构。例如参见与本申请同时提交的、名称为“混合光导背光(Hybrid Lightguide Backlight)”、代理案件第59399US002号美国专利申请，在不会与本发明相矛盾的程度上引入该专利文献作为参考。

此外，本领域普通技术人员可以理解，术语“棱镜结构”、“棱镜膜”和“棱镜”包含例如美国专利No.6354709中所述的具有结构和其它变化的那些部件，以及具有圆形尖峰的棱镜结构。此外，尽管本发明特别有利于与LCD电视相关的大面积、高亮度用途中，但是也可以包含LCD监视器和销售点设备。

Claims

1.一种背光系统，包括：

具有内部的第一光导；

至少一个光源，其与所述第一光导的边缘光学连接，并用于向所述第一光导内部提供光；

设置在所述第一光导表面处的第一回收增益结构；

具有内部的第二光导；

设置在所述第一光导与所述第二光导之间的第二回收增益结构；

至少一个光源，其与所述第二光导的边缘光学连接，并用于向所述第二光导内部提供光；以及

设置在所述第二光导表面处的提取器，其用于从所述第二光导内部漫射提取光；

其中，提供到所述第二光导内部、继而从中漫射提取的光的至少一部分通过基本上光学透明的表面入射到所述第一光导内部。

2.根据权利要求1所述的背光系统，其中，所述第一回收增益结构包括反射偏振器。

3.根据权利要求2所述的背光系统，其中，所述第一回收增益结构还包括漫射器。

4.根据权利要求3所述的背光系统，其中，所述漫射器在空间上有坡度。

5.根据权利要求2所述的背光系统，其中，所述第一回收增益结构还包括棱镜结构。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的背光系统，其中，所述第一回收增益结构附着于所述第一光导的表面。

7.根据权利要求1所述的背光系统，其中，所述第二回收增益结构包括棱镜结构。

8.根据权利要求1或7所述的背光系统，其中，所述第二回收增益结构附着于所述第一光导的表面。

9.一种背光系统，包括：

具有内部的第一光导；

具有内部的第二光导；

设置在所述第一光导与所述第二光导之间的回收增益结构。

10.根据权利要求9所述的背光系统，其中，所述回收增益结构包括棱镜结构。

11.根据权利要求10所述的背光系统，其中，所述棱镜结构包括确定多个棱镜的表面，所述多个棱镜具有通常背离所述第二光导的顶点。

12.根据权利要求9所述的背光系统，其中，所述回收增益结构包括第一膜和第二膜，所述第一膜确定多个棱镜，所述多个棱镜具有通常背离所述第二光导的顶点，所述第二膜确定多个棱镜，所述多个棱镜具有通常背离所述第二光导的顶点。

13.根据权利要求12所述的背光系统，其中，由所述第一膜确定的所述棱镜和由所述第二膜确定的所述棱镜是交叉的。

14.根据权利要求9或10或11或12或13所述的背光系统，其中，所述回收增益结构附着于所述第一光导的表面。

15.根据权利要求9所述的背光系统，还包括设置在所述第一光导的表面处的附加回收增益结构。

16.根据权利要求15所述的背光系统，其中，所述附加回收增益结构包括反射偏振器。

17.根据权利要求16所述的背光系统，其中，所述附加回收增益结构还包括漫射器。

18.根据权利要求15所述的背光系统，其中，所述附加回收增益结构还包括棱镜结构。

19.根据权利要求15或16或17或18所述的背光系统，其中，所述附加回收增益结构附着于所述第一光导的表面。

20.根据权利要求1或9所述的背光系统，其中，所述第一和第二光导各包括两个相对的边缘，至少一个光源与每个所述边缘光学连接，并且所述第一光导的所述相对边缘不与所述第二光导的所述相对边缘对准。

21.根据权利要求1或9所述的背光系统，其中，所述第一和第二光导各包括两个相邻的边缘，至少一个光源与每个所述边缘光学连接，并且所述第一光导的所述相邻边缘不与所述第二光导的所述相邻边缘对准。

22.一种背光系统，包括：

具有内部的第一光导；

与所述第一光导的第一边缘光学连接的多个光源，以及与所述第一光导的第二边缘光学连接的多个光源，其用于向所述第一光导内部提供光；

设置在所述第一光导的表面处的第一回收增益结构；

具有内部的第二光导；

与所述第二光导的第一边缘光学连接的多个光源，以及与所述第二光导的第二边缘光学连接的多个光源，其用于向所述第二光导内部提供光；以及

设置在所述第二光导的表面处的提取器，其用于从所述第二光导内部漫射提取光；

其中，提供到所述第二光导内部、并且随后从中漫射提取的光的至少一部分通过基本上光学透明的表面入射到所述第一光导的内部。

23.根据权利要求22所述的背光系统，其中，所述第一回收增益结构包括反射偏振器。

24.根据权利要求23所述的背光系统，其中，所述第一回收增益结构还包括漫射器。

25.根据权利要求24所述的背光系统，其中，所述漫射器在空间上有坡度。

26.根据权利要求25所述的背光系统，其中，所述第一回收增益结构还包括棱镜结构。

27.根据权利要求22或23或24或25或26所述的背光系统，其中，所述第一回收增益结构附着于所述第一光导的表面。

28.根据权利要求22所述的背光系统，其中，所述第二回收增益结构包括棱镜结构。

29.根据权利要求28所述的背光系统，其中，所述棱镜结构包括确定多个棱镜的表面，所述多个棱镜具有通常背离所述第二光导的顶点。

30.根据权利要求22所述的背光系统，其中，所述第二回收增益结构包括第一膜和第二膜，所述第一膜确定多个棱镜，所述多个棱镜具有通常背离所述第二光导的顶点，所述第二膜确定多个棱镜，所述多个棱镜具有通常背离所述第二光导的顶点。

31.根据权利要求30所述的背光系统，其中，由所述第一膜确定的所述棱镜和由所述第二膜确定的所述棱镜是交叉的。

32.根据权利要求22或28或29或30或31所述的背光系统，其中，所述第二回收增益结构附着于所述第一光导的表面。

33.根据权利要求1或9或22所述的背光系统，其中，所述第一和第二光导中的至少一个具有可变的厚度。

34.根据权利要求1或9或22所述的背光系统，其中，所述第一和第二光导中的至少一个包括第一楔形部分和第二楔形部分。

35.根据权利要求1或22所述的背光系统，其中，所述提取器在空间上有坡度。

36.根据权利要求1或9或22所述的背光系统，还包括设置在所述第一光导的面对所述第二光导的表面上的基本上光学透明的表面提取结构。

37.根据权利要求1或9或22所述的背光系统，还包括与所述第二光导的背离所述第一光导的表面相邻设置的反射片。

38.根据权利要求1或9或22所述的背光系统，还包括与所述第二光导的面向所述第一光导的表面相邻设置的漫射片。