CN101297234B - 照明组件和系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了照明组件和使用该照明组件的系统。所述照明组件可包括反射基板和光源单元，该光源单元包括一个或多个能产生照明光的光源。所述组件还包括具有方位角光束扩展表面特征的第一光提取表面，其中所述第一光提取表面布置为使得所述光源单元位于所述第一光提取表面和所述反射基板之间。所述第一光提取表面可面向所述光源单元。

Description

照明组件和系统
相关专利申请
本申请要求以下美国临时专利申请的优先权，这些临时专利申请的全部公开内容以引用的方式全文并入本文：60/711,519，提交于2005年8月27日；60/711,551，提交于2005年8月27日；60/714,072，提交于2005年9月2日；60/714,068，提交于2005年9月2日；以及60/729,370，提交于2005年10月21日。
以下共同拥有和共同待决的美国专利申请以引用方式并入本文：美国专利申请No.11/212,166，名称为DIRECT-LIT BACKLIGHT HAVING LIGHTRECYCLING CAVITY WITH CONCAVE TRANSFLECTOR(“具有带凹型半透反射板的光回收腔的直接照明式背光源”)；美国专利申请No.11/458,891，名称为DIRECT-LIT BACKLIGHT HAVING LIGHT SOURCES WITHBIFUNCTIONAL DIVERTERS(“具有带双功能转向器的光源的直接照明式背光源”)；美国专利申请No.11/466,628，名称为EDGE-LIT BACKLIGHTHAVING LIGHT RECYCLING CAVITY WITH CONCAVE TRANSFLECTOR(“具有带凹型半透反射板的光回收腔的边缘照明式背光源”)；以及美国专利申请No.XX/XXX,XXX，名称为METHODS OF FORMING DIRECT-LIT BACKLIGHTSHAVING LIGHT RECYCLING CAVITY WITH CONCAVE TRANSFLECTOR(“形成具有带凹型半透反射板的光回收腔的直接照明式背光源的方法”)(代理人案卷号No.61199US006)。
背景技术
一些显示系统是采用背后照明，例如液晶显示屏(LCD)。该类显示器广泛地应用于众多设备中，例如膝上型计算机、手持计算器、数字手表、电视机及类似物。一些背后照明显示器包括：光源，其位于显示器的一侧；以及光导，其设置为将光从光源导向显示器面板的背部。其它背后照明显示器，例如一些液晶监视器和液晶电视机(LCD-TV)，则是采用布置在显示器面板后面的多个光源从后面直接照明。较大的显示器越来越多地采用直接照明式背光源构造，这是因为要达到某个程度的显示亮度所需要的光功率需求量随显示器尺寸的平方增加，而沿着显示器边缘放置光源的实际可用区域仅随显示器尺寸线性增加。此外，一些显示器应用(例如液晶电视机)要求显示器足够亮，从而能够从比其它显示器应用所要求的距离更远的距离观看显示器。另外，液晶电视机的视角要求通常与液晶监视器和手持装置的视角要求不同。
液晶监视器和液晶电视机通常由大量冷阴极荧光灯(CCFL)从后面照明。这些光源是线性的并且在显示器的整个宽度上延伸，其结果是通过由较暗区域分隔的一系列亮带照明显示器的背部。这种照明分布是不可取的；因此，通常会在液晶装置的背部使用扩散板以使照明分布更平滑。
目前，液晶电视机扩散板通常采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物基质，所述聚合物基质具有包括玻璃、聚苯乙烯微珠以及CaCO3颗粒在内的多种分散相。在暴露于灯产生的高温下后，这些板通常会变形或翘曲。此外，这些扩散板还需要定制的挤出共混物以使扩散颗粒在聚合物基质中均匀地分布，这也进一步增加了成本。为试图使液晶显示器面板背部的照明分布更为均匀，一些扩散板具有在扩散板宽度上随空间而变化的扩散特性。这种非均匀的扩散板有时称作印制图案扩散板。因为在装配时必须将扩散图案对准照明光源，所以这些非均匀扩散板的制造成本很高。
最近，市场上出现了一种液晶显示屏电视机(液晶电视机)，其使用例如红色/绿色/蓝色LED的阵列而非CCFL作为直接照明式背光源的光源。其中一个例子是SonyTM Qualia 005 LED平板电视机。40英寸型号所采用的直接照明式背光源具有五排水平布置的侧发射式LuxeonTM LED，每一排均有65个以GRBRG图案重复布置的这种LED，各排间距为3.25英寸。从背部白光漫反射器的正面到前扩散板(约2mm厚)的背部测量，该背光源深约42mm，在两者之间设有一块透明平板，该透明平板上有由325个白色漫反射点构成的阵列。每个反射点都透射一部分光，并与其中一个LED对准，以防止由LED射出的轴上光的大部分直接照射到前扩散板。所述背反射器为平面结构，并具有倾斜的侧壁。
一些背光源的一个重要方面是照明显示器面板的光应该是亮度均匀的。当所用的光源为点光源时(例如LED)，照明的均匀性尤其是一个问题。在这种情况下，需要背光源将光在显示器面板上扩展开，从而使所显示的图像没有暗区。此外，在某些应用中是使用产生不同颜色光的大量不同的LED照明显示器面板。相对亮度来说，人眼更容易辨别颜色的变化，因此难以有效地混合产生不同颜色光的光源以产生白色照明光。在这些情况下，重要的是混合来自不同LED的光，以使得在所显示的图像上颜色及亮度是均匀的。
发明内容
一方面，本发明提供一种照明组件，该组件包括反射基板、具有方位角光束扩展表面特征的第一光提取表面、以及光源单元。光源单元包括一个或多个能够产生照明光的光源，所述光源单元位于所述第一光提取表面和所述反射基板之间。所述第一光提取表面面向所述光源单元。
另一方面，本发明提供一种照明组件，该组件包括反射基板和第一光提取表面，该表面包括密集排布的锥形结构的阵列。阵列在锥形结构之间基本上不具有平坦的连接区域，其中锥形结构的基部位于表面的x-y平面内，而锥形结构的顶端在表面的x-y平面之外。所述组件还包括具有一个或多个能够发出照明光的光源的光源单元，其中所述光源单元位于所第一光提取表面和所述反射基板之间。位于第一光提取表面上的阵列中的锥形结构的顶端朝向光源单元。
另一个面，本发明提供一种照明组件，该组件包括反射基板和第一光提取表面，该表面包括至少一个带小面的表面，该带小面的表面在x-y平面内具有面内弯曲。所述组件还包括具有一个或多个能够发出照明光的光源的光源单元，所述光源单元位于所述第一光提取表面和所述反射基板之间。第一光提取表面面向光源单元。
另一方面，本发明提供一种照明组件，该组件包括反射基板和第一光提取表面，所述表面包括用于使垂直入射到光提取表面上的光束产生至少15°的方位角差值Δβ的装置。所述组件还包括具有一个或多个能够发出照明光的光源的光源单元，所述光源单元位于所述第一光提取表面和所述反射基板之间。第一光提取表面面向光源单元。
另一方面，本发明提供一种直接照明式显示系统，该系统包括具有照明侧的显示器面板、以及设置在显示器面板的照明侧的照明组件。所述照明组件包括反射基板和光源单元，所述光源单元具有一个或多个能够产生照明光的光源。所述组件还包括第一光提取表面，所述光源单元位于第一光提取表面和所述反射基板之间，其中所述第一光提取表面面向光源单元，并且该表面具有方位角光束扩展表面特征。
从下面的详细描述中将可以明白本申请的这些方面及其它方面。然而，在任何情况下以上概述都不应理解为是对所要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，在审查期间可以对其进行修正。
附图说明
图1是背后照明液晶显示系统的一个实施例的示意性剖视图。
图2是照明组件的一个实施例的示意性剖视图，该照明组件包括光提取元件。
图3是照明组件的一个实施例的示意性剖视图，该照明组件包括两个光提取元件。
图4A-C是光提取表面的多个实施例的示意性剖视图。
图5A-C是光提取元件的多个实施例的示意性剖视图。
图6是光源单元的一个实施例的示意性平面图。
图7a是光提取膜一部分的一个实施例的示意透视图，该膜具有结构化表面。
图7b是光提取膜一部分的另一个实施例的示意透视图，该膜具有结构化表面。
图7c是图7b示出的膜的俯视图。
图7d和7e是图7b-c示出的膜的剖视图，其中图7d为示意图。
图7f是一个装置的示意图，该装置能够制造用于制作提取膜(如图7b所示的膜)的母模。
图7g是光提取膜一部分的另一个实施例的示意透视图，该膜具有结构化表面。
图8-11是在已公开的背光源中可用作光源的多种封装LED的示意性剖视图。
图12是极坐标系的透视图。
图13a-c是几个构造的透视图，展示了包括图13c中的产生方位角光束扩展特性的光提取膜在内的不同类型光提取膜的光偏转特性。
图14是光提取膜一部分的另一个实施例的示意透视图，该膜具有结构化表面。
图15是实例E和F的光提取膜的强度极坐标图。
在这些图中，类似的附图标记表示类似的元件。
具体实施方式
本发明适用于显示器面板(例如液晶显示屏)，尤其适用于从背后直接照明的液晶显示屏，例如液晶监视器和液晶电视机(LCD-TV)所使用的显示屏。更具体地讲，本发明涉及对直接照明式背光源所产生的、用于照明液晶显示屏的光进行控制。
在传统照明组件中，设计给定亮度值和照明均匀度的组件时，灯与扩散板的间距、灯与灯的间距以及扩散板透射性是重要的考虑因素。一般来讲，强效扩散板(即能扩散更多入射光的扩散板)能改善均匀度，但同时会降低亮度，这是因为高扩散程度伴随着强反向扩散，即反射的缘故。
根据本发明的一些实施例，位置靠近光源的光提取元件在允许使用更高透射性的扩散板的同时，可提供更高的照明均匀度和/或颜色混合度。高透射性扩散板通常比更强效的扩散板更薄，一般来讲，这种高透射性扩散板有助于降低背光灯的厚度轮廓。光提取元件具有光提取表面，该表面可提取并偏转光源发出的照明光的至少一部分，这些初始沿平行于显示器轴线的方向传播的光被偏转为沿不与显示器轴线平行的方向传播。
在光源单元包括能够产生具有不同峰值波长或颜色的光的光源(例如红色、绿色、蓝色LED的阵列)的实施例中，可对光提取元件进行操作以分布光，从而让光在抵达液晶面板时颜色和强度更加均匀。例如，当需要白色照明光时，光提取元件可混合来自各有色光源的光，使得液晶面板的外观为更均匀的白光。在比使用标准扩散板的直接照明式液晶背光源所需腔体明显更薄的腔体中，光提取元件即可实现该目的。
本发明的照明组件可用作直接照明式显示系统(例如液晶显示器)的背光源。然而，本文所述的照明组件并不仅限于用来照明液晶显示器面板。本文公开的照明组件还可用于利用分立光源产生光的任何情况，而且可取的是包括一个或多个分立光源的面板具有均匀照明。因此，所述照明组件可用于空间固态照明应用、招牌、照明面板及类似物。
图1示出了直接照明式显示系统100的一个实施例的示意性剖视图。该显示系统100可用于例如液晶监视器或液晶电视机等。显示系统100包括液晶面板150和照明组件101，照明组件用于为液晶面板150提供照明光。液晶面板150通常包括设置在面板基板154之间的液晶层152。面板基板154通常由玻璃形成，并且可以包括位于其内表面上的用于控制液晶层152中的液晶取向的电极结构和配向层。这些电极结构通常排列成限定液晶面板的像素，即液晶层的可以独立于相邻区域控制液晶取向的区域。一个或多个面板基板154还可包括滤色器，用于在液晶面板150所显示的图像上附加色彩。
液晶面板150布置于上吸收偏振片156和下吸收偏振片158之间。在所示的实施例中，上吸收偏振片156、下吸收偏振片158位于液晶面板150之外。吸收偏振片156、158和液晶面板150的组合控制着从背光源108通过显示系统100到达观察者的光传输。例如，可将吸收偏振片156、158排列为其透射轴相互垂直。在非激活状态下，液晶层152的像素可以不改变所经过光的偏振态。因此，穿过下吸收偏振片158的光由上吸收偏振片156吸收。当像素被激活时，所经过光的偏振态被旋转，以使得透射通过下吸收偏振片158的至少一部分光也透射通过上吸收偏振片156。例如，通过控制器104选择性激活液晶层152的不同像素，从而使光在所需的特定位置从显示系统100射出，由此形成观察者看到的图像。控制器104可包括例如计算机或接收并显示电视图像的电视控制器等。
可在上吸收偏振片156的上面设置一个或多个可选层157，例如，为显示器表面提供机械和/或环境保护。在一个示例性实施例中，层157可包括位于上吸收偏振片156上面的硬涂层。
应当理解，某些类型的液晶显示屏可能会采用与上述不同的方式操作。例如，吸收偏振片可平行排列，并且液晶显示器可以在处于未激活状态时使光的偏振态旋转。但不管怎样，该类显示屏的基本结构仍然与上述基本结构类似。
照明组件101包括背光源108以及一个或多个光控制膜140，该膜布置在背光源108与液晶面板150之间。显示系统100的背光源108包括光源单元110，该光源单元具有多个可产生照明液晶面板150的光的光源112。光源单元110被布置在紧靠反射基板102的位置。用于液晶电视机或液晶监视器中的光源112通常是沿着显示系统100的高度延伸的线性冷阴极荧光管。但也可采用其它类型的光源，例如白炽灯或弧光灯、LED、平面荧光板或外部电极荧光灯。所列出的光源不是限制性的或穷举性的，仅仅是示例性的。
光源112是示意性示出的。在大多数情况下，这些光源112是紧凑的发光二极管(LED)。此时，“LED”是指发射光(不管是可见光、紫外光或红外光)的二极管。它包括作为LED(不论是常规型还是超辐射型)销售的非相干的包装或封装的半导体器件。如果LED发射不可见光如紫外光，以及在LED发射可见光的某些情况下，其封装成包括荧光体(或是照亮设置在远处的荧光体)，以将短波长光转化为波长更长的可见光，某些情况下会得到发射白光的器件。“LED晶粒”是LED的最基本形态，即经半导体加工过程而制成的单个元件或芯片。该元件或芯片可以包括用于施加能量以驱动器件的电触点。该元件或芯片的各独立层和其它功能元件通常以晶片级形成，然后将加工好的晶片切成单个元件，以生产大量的LED晶粒。本文将对封装LED(包括前发射和侧发射LED)进行详细的讨论。
如果需要，可以使用其它可见光发光体(如线性冷阴极荧光灯(CCFL)或热阴极荧光灯(HCFL))来代替或辅助分立的LED光源，以作为本发明所公开的背光源的照明源。此外还可使用混合系统，例如CCFL/LED，其包括发出冷白光和暖白光的CCFL/LED；CCFL/HCFL，例如发出不同光谱的CCFL/HCFL。发光器的组合可有多种变化，包括LED和CCFL，还包括多个CCFL、多个不同颜色的CCFL以及LED和CCFL混合体等复合体。
例如，在某些应用中，较为理想的是用不同的光源(如长圆柱形CCFL)或线性表面发射光导来代替图1中所示的一排分立光源112，其中该光导沿长度方向发光并连接到远程有源元件，如LED晶粒或卤素灯，同样，也可采用其它光源排来替代。在美国专利No.5,845,038(Lundin等人)和6,367,941(Lea等人)中公开了这种线性表面发射光导的例子。已为人们所知的还有纤维耦合激光二极管和其它半导体发光体，在这些发光体中，当把它放在本发明所公开的回收腔中或者以其它方式放在背光源的输出区域后面时，光学纤维波导的输出端可以看作是光源。同样的情况也适用于发光区域较小的其它无源光学元件，如透镜、偏转器、狭窄的光导以及发射从有源元件(如灯泡或LED晶粒)接收到的光的类似元件。这类无源元件的一个实例是侧发射封装LED的模制封壳或透镜。
在一些实施例中，所述背光源108连续发射白光，液晶面板150与滤色器矩阵相组合，构成几组多彩像素(诸如黄/蓝(YB)像素、红/绿/蓝(RGB)像素、红/绿/蓝/白(RGBW)像素、红/黄/绿/蓝(RYGB)像素、红/黄/绿/青/蓝(RYGCB)像素等)，使所显示的图像为多色。作为另外一种选择，也可以使用色序技术来显示多色图像，该技术不是用白光从背后连续照亮液晶面板150，并通过调制液晶面板150中成组的彩色像素来产生色彩，相反，它是对背光源108自身内部的不同颜色(例如，选自诸如上述组合的红色、橙色、琥珀色、黄色、绿色、青色、蓝色(包括品蓝)和白色)的独立光源进行调制，以使背光源以快速重复的方式依次闪现出空间上均匀分布的彩色光输出(例如，先是红色，然后是绿色，然后再是蓝色)。这种调制过色彩的背光源接着再与只有一个像素阵列(没有任何滤色器矩阵)的显示模块相组合，以便在调制速度足够快以至于可以在观察者的视觉系统中产生短暂混色效果的情况下，与背光源同步地调制该像素阵列，从而在整个像素阵列上产生所有能产生的颜色(背光源中所用光源已知)。色序显示(也称为场序式显示)的例子在美国专利No.5,337,068(Stewart等人)和美国专利No.6,762,743(Yoshihara等人)中有所描述。在一些情况下，可能只希望提供单色显示。在这些情况下，背光源108可以包括滤光器或主要发射一种可见波长或色彩的特定光源。
背光源108还可包括反射基板102，用于反射光源112发出的沿背离液晶面板150的方向传播的光。反射基板102也可用于在显示系统100中循环光，这一点将在本文中进一步说明。
为了提高面板的效率，反射基板102优选具有高反射率。例如，对于光源发出的可见光，反射基板102可以有至少90％、95％、98％、99％或更高的平均反射率。无论在空间上均匀分布或呈一定的图案，反射基板102都可以主要是镜面反射器、漫反射器或镜面反射器与漫反射器的组合。在一些情况下，反射基板102可以由具有高反射率涂层的刚性金属基底制成，或者由层叠到支撑基底上的高反射率薄膜制成。适当的高反射率材料包括可购自3M Company的VikuitiTM Enhanced Specular Reflector(增强型镜面反射器)(ESR)多层聚合物膜；使用0.4密耳厚的丙烯酸异辛酯-丙烯酸压敏粘合剂将掺有硫酸钡的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(2密耳厚)层叠到VikuitiTM ESR薄膜上所形成的薄膜，本文将这种层叠薄膜称为“EDRII”薄膜；购自Toray Industries，Inc.的E-60系列LumirrorTM聚酯薄膜；多孔聚四氟乙烯(PTFE)薄膜(例如购自W.L.Gore &Associates，Inc.)；购自Labsphere，Inc.的SpectralonTM反射材料；购自Alanod Aluminum-Veredlung GmbH & Co.的MiroTM阳极氧化铝膜(包括MiroTM2薄膜)；购自Furukawa Electric Co.，Ltd.的MCPET高反射率泡沫片材；以及购自Mitsui Chemicals，Inc.的White RefstarTM薄膜和MT薄膜。
反射基底102可以大体上是平坦而光滑的，或具有与之相关联的结构化表面，以增强光的散射或混合。这种结构化表面可以：(a)施加在反射基底102的反射面上，或(b)涂敷在施加于反射面的透明涂层上。在前一种情况下，可以将高反射率薄膜层叠到预先形成结构化表面的基底上，或者将高反射率薄膜层叠到平坦基底(如金属薄片，这与购自3M Company的VikuitiTM耐用增强型镜面反射片-金属(DESR-M)反射器类似)上，然后再例如采用压印操作形成结构化表面。在后一种情况下，可以将具有结构化表面的透明薄膜层叠到平坦反射面上，或将透明薄膜施加到反射器上，然后再在透明薄膜上形成结构化表面。
反射基底102可以是上面装有(一个或多个)光源112的连续(而完好)的一整层，或者也可不连续地构造成分开的几块，或者不连续地构造成在连续的层中包括隔开的小孔(光源112可以从中伸出)。例如，将几条反射材料施加到上面装有几行LED的基底上，每一条的宽度都足以从一行LED延伸到另一行LED，并且其长度应足以横跨背光源输出区域的两个相对边界线。
背光源108还可以包括沿着背光源108外边界设置的优选带衬里的侧壁和端壁(未示出)，或者以其它方式设置有高反射率的垂直壁面，以减少光损失和改善循环效率。这些壁面可以采用与反射基板102相同或者不同的反射材料。在示例性实施例中，侧壁具有漫反射性。
光控制膜结构140(也称作光控制单元)位于背光源108和液晶面板150之间。光控制膜140将影响从背光源108传播的照明光，从而改善显示系统100的操作。例如，光控制膜结构140可包括扩散层120。扩散层120用于扩散从光源112接收的光，从而增强入射在液晶面板150上的照明光的均匀度。从而使得观察者感察到亮度更为均匀的图像。
扩散层120可以是任何适当的扩散膜或扩散板。例如，扩散层120可包括任何适当的一种或多种扩散材料。在一些实施例中，扩散层120可以包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物基质，该基质具有包括玻璃、聚苯乙烯小珠以及CaCO3颗粒在内的多种分散相。示例性扩散板可包括可购自3M Company，St.Paul，Minnesota的型号为3635-30及3635-70的3MTMScotchcalTM扩散膜。
光控制元件140还可包括反射偏振片142。光源112通常产生非偏振光，但是下吸收偏振片158仅透射单偏振态的光；因此，由光源112产生的光大约一半不会透射到液晶层152。然而反射偏振片142可用于反射在不设置反射偏振片的情况下会被下吸收偏振片158吸收的光。因此，该光可以通过在反射偏振片142和反射基板102之间的反射而得到回收利用。可将由反射偏振片142反射的光的至少一部分去偏振，随后光以透射通过反射偏振片142以及下吸收偏振片158到达液晶层152的偏振态返回到反射偏振片142。这样，反射偏振片142就可用于增加由光源112发出的到达液晶层152的光，从而提供亮度更高的显示输出。
对于反射偏振片142，可以使用任何适用类型的反射偏振片，例如多层光学膜(MOF)反射偏振片、漫反射偏振膜(DRPF)(诸如连续/分散相偏振片、线栅反射偏振片或胆甾型反射偏振片)。
MOF以及连续/分散相反射偏振片均依赖至少两种材料(通常为聚合物材料)之间的折射率差值来选择性地反射一种偏振状态的光而透射正交偏振态的光。在共同拥有的美国专利No.5,882,774(Jonza等人)中描述了MOF反射偏振片的一些例子。可商购获得的MOF反射偏振片的例子包括VikuitiTM DBEF-D200和DBEF-D440多层反射偏振片，该偏振片具有漫射表面，可购自3M Company。
可用于本发明的DRPF的例子包括例如在共同拥有的美国专利No.5,825,543(Ouderkirk等人)中所描述的连续/分散相反射偏振片、以及例如在共同拥有的美国专利No.5,867,316(Carlson等人)中所描述的漫反射多层偏振片。其它适当类型的DRPF在美国专利No.5,751,388(Larson)中有所描述。
可用于本发明的线栅偏振片的一些例子包括美国专利No.6,122,103(Perkins等人)中描述的那些线栅偏振片。线栅偏振片可从MoxtekInc.，Orem，Utah及其它公司商购获得。
可用于本发明的胆甾型偏振片的一些例子包括例如在美国专利No.5,793,456(Broer等人)以及美国专利公开No.2002/0159019(Pokorny等人)中所述的那些胆甾型偏振片。胆甾型偏振片通常在输出侧设置有四分之一波延迟层，以使得透过胆甾型偏振片的光被转换为线性偏振光。
在一些实施例中，在扩散层120及反射偏振片142之间可以设置偏振控制层144。偏振控制层144的例子包括四分之一波延迟层以及偏振旋转层(例如液晶偏振旋转层)。偏振控制层144可用于改变从反射偏振片142反射的光的偏振态，以使得更多的循环光透过反射偏振片142。
光控制膜结构140还可包括一个或多个增亮层。增亮层是包括将离轴光转向更靠近显示屏轴线的方向的表面结构的层。这样能增加通过液晶层152在轴上传播的光量，从而增加观察者所看到图像的亮度。增亮层的一个例子为棱柱式增亮层，该增亮层具有通过折射和反射改变照明光方向的多个棱柱隆起。可用于显示系统100的棱柱式增亮层的例子包括VikuitiTMBEF II和BEF III系列的棱柱膜，这些膜可购自3M Company，包括BEFII 90/24、BEF II 90/50、BEF IIIM 90/50及BEF IIIT。
图1中所示的示例性实施例示出了设置在反射偏振片142及液晶面板150之间的第一增亮层146a。棱柱式增亮层通常在一个维度上提供光学增益。光控制层结构140中还可以包括可选的第二增亮层146b，该增亮层的棱柱结构的方向与第一增亮层146a的棱柱结构相互垂直。该构造能在两个维度上增加显示系统100的光学增益。在其它示例性实施例中，增亮层146a、146b可位于背光源108和反射偏振片142之间。
光控制单元140中不同的层可以是自立式的。在其它实施例中，可将光控制单元140的两个或更多个层层压到一起，例如，如共同拥有的美国专利申请No.10/966,610(Ko等人)中所述的情况。在其它示例性实施例中，光控制单元140可包括由间隙隔开的两个子组件，例如，如共同拥有的美国专利申请No.10/965,937(Gehlsen等人)中所述的情况。
图1中所示实施例的显示系统100可包括本文所述的任何适当的照明组件。在一些实施例中，背光源108可包括一个或多个光提取元件，这些元件有助于为液晶面板150提供更均匀的照明光。
图2是照明组件200的一个实施例的示意性剖视图，该照明组件包括至少一个光提取元件。如图所示，照明组件200包括反射基板202和紧靠反射基板202放置的光源单元210。照明组件200还可包括可选的扩散层220，该扩散层布置为使得第一光提取元件230位于扩散层220和光源单元210之间。图1中所示实施例的反射基板102、光源单元110以及扩散层120的设计考虑及可能性同样地适用于图2中所示实施例的反射基板202、光源单元210以及可选扩散层220。照明组件200还包括第一光提取元件230，该第一光提取元件定位为使得光源单元210位于第一光提取元件230和反射基板202之间。然而也可能采用其它结构，例如可将反射基板202构造为带有孔隙或狭槽，将光源单元210安装在反射基板202之后并对准，使得单个光源发出的光穿过孔隙或狭槽。此外，在一些情况下也可完全省略反射基板202。
光源单元210包括至少第一光源212a和第二光源212b(本文中统称为光源212)。尽管示出了两个光源，但光源单元210可具有任何适当数目的光源。
在一些实施例中，光源单元210可布置在反射基板202上；作为另外一种选择，光源单元210可与反射基板202间隔开。在其它实施例中，光源单元210可包括布置在或安装到反射基板202上的光源，例如，如共同拥有的和共同待决的美国专利申请No.11/018,608(代理人案卷号No.60116US002)、No.11/018,605(代理人案卷号No.60159US002)、No.11/018,961(代理人案卷号No.60390US002)、以及No.10/858,539(代理人案卷号No.59334US002)中所述的情况。
图2所示的实施例可使用任何适用类型的光源212，例如图1中所示的光源112。在反射基板202上，可采用任何适合的布置方式放置光源212。例如，可采用非线性阵列的方式排布光源212，比如采用六边形图案或其它几何图案，或者采用不均匀(例如随机或半随机)的阵列。图6是背光源600的一个实施例的示意性平面图，该背光源包括多个光源单元610。在所示的实施例中，光源单元610构造为条状，每条包括多个光源612a、612b、612c，这些光源可以交错排列。光源单元610可具有不同的形状。此外，光源612a-c可产生不同颜色或波长的光。例如，一些光源612a可产生红光，其它光源612b可产生绿光，而其它光源612c产生蓝光。可对不同颜色的光源612a-c进行排布，从而增强不同颜色光的混合程度，进而产生具有所需颜色均匀性的混合光。在其它实施例中，光源612a-c每个均可产生白光。此外，在一些实施例中，可将光源612a-c电连接到控制器，从而可对光源612a-c进行独立控制。
回到图2，光源单元210可包括发出不同波长或不同颜色照明光的光源212。例如，光源单元210可包括发出第一波长照明光的第一光源212a和发出第二波长照明光的第二光源212b。第一波长可与第二波长相同，也可不同。光源单元210还可包括发出第三波长光的第三光源(未示出)。在一些实施例中，光源单元210的各个光源212产生的光在混合时向显示器面板或其它装置提供白色照明光。在其它实施例中，每个光源212均可产生白光。
第一光提取元件230布置为使得光源单元210位于第一光提取元件230和反射基板202之间。可对第一光提取元件230进行操作以接收来自光源单元210的至少一部分光，并以产生均匀强度和/或色彩的方式使这部分光朝背离反射基板202的方向传播。
功能性间隙使光源210与扩散层220隔开。此处的“功能性间隙”表示的是具有足够厚度的空间，该空间可让进入空间(例如从输入平面进入)的光在射出空间(例如从输出平面射出)时大致横向扩展开(输入和输出平面限定空间的主要边界或表面)。因此，一般来讲，间隙是否为“功能性间隙”同时取决于其光学厚度和进入该间隙的光的准直程度。光提取元件230将功能性间隙分为光源单元210与光提取元件230之间的第一间隙和光提取元件230与扩散层220之间的第二间隙。在某些情况下，第一和第二间隙也可各自为功能性间隙。
例如，在优选地发出高入射角的光的侧发射式光源(例如可购自Lumileds Lighting，San Jose，California的侧发射式LED封装体，以及安装为将发射光以高入射角投射到提取元件的其它光源)作为光源212时，这时就希望使第一和第二间隙都为相等或相似厚度的功能性间隙。
在其它情况下，可能期望安装各元件，使得第一和第二间隙中仅有一个为功能性间隙，另一个间隙则尽可能地薄，诸如极小的空气间隙，当把一层光学膜铺于另一层光学膜之上时通常会形成这种空气间隙。再如，让光提取元件230极其靠近反射基板202，从而几乎消除第一间隙。当光源优选地正向发光时，例如以朗伯曲线发光的LED或其它以更高角度发射光的正向发光LED，这种结构较为有利。该结构可让提取元件和扩散层之间的第二间隙最大化。如果将光源安装在反射基板202中形成的凹陷部或凹井中，那么也可将光提取元件230直接安装到反射基板202上。在采用凹陷部的情况下，凹陷部可选地由反射材料制成。另一个极端是将第一间隙最大化，同时几乎将第二间隙消除，例如通过让光提取元件230紧靠扩散层220来实现该目的。仅需让这两层物理接触即可，从而使两层之间有极小的空气间隙，或者可使用薄的粘合剂层将光提取元件230与扩散层220附连。注意，例如通过在安装封装LED时让其封装透镜在反射基板上伸出，可以使光源单元210的光源212在反射基板202上突起。
现在关注光提取元件230，该元件包括第一主表面232和第二主表面234。在所示的实施例中，第一主表面232包括面向光源单元210的光提取表面。作为另外一种选择，在其它实施例中，光提取元件230的第二主表面234包括光提取表面。此外，在一些实施例中，第一主表面232和第二主表面234均可包括光提取表面。
光提取元件230可包括光提取膜或光提取层，在光提取膜或光提取层中形成提供光提取表面的结构，或者光提取元件230可包括连接到基板并具有某种结构的薄膜，这一点将在本文进一步说明。
适当的薄膜和结构可包括具有微细结构的膜及类似物，这些微细结构被布置为形成从光源单元210提取光的结构化表面或类似物。该薄膜的一侧或两侧上可以有这样的结构化表面。可用的结构包括线性棱柱、棱锥体形棱柱、圆锥体和椭球体，这些结构可以是伸出表面的凸起或凹入表面的凹坑的形式。可以对该结构的尺寸、外形、几何形状、方向和间距全部进行选择，以优化光提取元件230的性能，并且各个结构可以是对称或非对称的。结构化表面可以是一致的或不一致的，当不一致时，结构的位置和尺寸可以是随机的或伪随机的。在一些实施例中，结构化表面可包括重复的结构图案。通过对尺寸、外形、几何形状、方向和/或间距进行周期性或伪随机性变化来打乱规则排列的特征，就可以调整背光源的色彩和/或亮度均匀性。在一些情况下，对较小和较大的结构进行分布，并且设置薄膜以便使得较小的结构通常位于光源上方，较大的结构位于其它位置，这样做可能是有利的。在一些实施例中，可将这些结构密集布置，使结构之间的空间最小(包括结构之间基本上没有空间的布置方式)。
合适的光提取膜的例子包括商用一维(线性)棱柱形聚合物膜，例如，全部购自3M Company的VikuitiTM增亮膜(BEF)、VikuitiTM透射直角薄膜(TRAF)、VikuitiTM图像转向薄膜(IDF)和VikuitiTM光学照明膜(OLF))，以及常规的透镜状线性透镜阵列。将这些一维棱柱形薄膜作为本发明的直接照明式背光源的光提取膜时，通常需要将棱柱形结构化表面面向光源单元210。
在结构化表面具有二维特征的光提取膜的其它实例中，包括立体角表面构造，例如美国专利No.4,588,258(Hoopman)、No.4,775,219(Appeldorn等人)、No.5,138,488(Szczech)、No.5,122,902(Benson)、No.5,450,285(Smith等人)和No.5,840,405(Shusta等人)中公开的构造；倒棱柱表面构造，例如美国专利No.6,287,670(Benson等人)以及No6,280,822(Smith等人)中所描述的构造；美国专利6,752,505(Parker等人)及美国专利公开No.2005/0024754(Epstein等人)中所公开的表面结构化的薄膜；以及例如美国专利No.6,771,335(Kimura等人)中所描述的珠状片材。
在图7a中示出一个示例性光提取膜。光提取膜700包括棱柱702的阵列。每个棱柱包括四个弯曲的或呈弧状的面，这些面在x-z和y-z平面中均呈弧状。例如，棱柱704有相汇于顶端714的四个面706、708、710和712。顶端714不是尖锐的峰。相反，顶端714具有相当圆滑的表面，该表面由同时沿x方向和y方向延伸的圆弧曲线相交而成。尽管图7a中示出的每个棱柱在x-z和y-z平面中均对称，但是光提取膜700可包括仅在一个平面(例如x-z平面)中对称的棱柱。这种不对称性会导致棱柱偏离z轴倾斜。可使用美国专利公开No.2005/0024754A1(Epstein等人)中所描述的技术来制造膜700。
光提取膜700的棱柱702可包括在x-y平面内任何适当的基部形状，例如正方形、四边形(如梯形、菱形、平行四边形、矩形)。对于菱形的基部，菱形可包括两根对角线，在这两根对角线可具有任何适当的长度和长度比。本文所用的与菱形有关的术语“对角线”是指将多边形的没有通过其任何边缘连接(也就是说不相邻)的任两个顶点连接起来的一条线。在一些实施例中，具有菱形基部的棱柱704的两根对角线的比率可为2∶1。此外，基部的顶点可以是圆状的，也可是尖锐的。
可将棱柱702密集布置，从而让棱柱之间的空间最小化；作为另外一种选择，可将棱柱702在空间上隔开任何适当距离，使膜700的棱柱702之间存在空间。
局部透视图7b示出了另一个示例性光提取膜。其中，膜720具有与光滑表面724相对设置的结构化表面722。结构化表面722包括细长棱柱726的阵列。棱柱726可以是连续的或不连续的，尤其优选地为大致连续的棱柱。这里所说的大致连续是表示每个棱柱726在光提取膜的整个长度上延伸。每个棱柱的高度和宽度可差别很大，在图7b中所示的实施例中，每个棱柱的高度和宽度沿着棱柱的长度呈波浪状起伏。这些起伏足以形成沿着每个棱柱726的长度连续排列的交替的主部727和次部729。这些大量的起伏在结构化表面的平面(x-y平面)中为结构化表面增大弯曲(这一点将在下面进一步讨论)，如果薄膜相对于光源正确放置，即其结构化表面722面向光源，则上述结构有助于将由膜传输的光以可控的方式在一定范围的方位角上扩展开。此外，在本实施例中，相邻的棱柱726相对于彼此是异相的或移位的(尽管这种异相结构不是必须的)，以使得给定棱柱的次部729位于其相邻棱柱的主部727的侧面，同时给定棱柱的主部727位于其相邻棱柱的次部729的侧面。在该实施例中，棱柱形成连续的互锁阵列，棱柱之间基本上没有插入的平坦连接区域。然而，这种互锁结构不是必须的-也就是说，尽管优选为将连接区域最小化，但棱柱之间可以存在一些连接区域。为了形成这种互锁结构(例如，如图7b-c中所示)，棱柱基部的形状或轮廓优选为对称的，以使得形状基本相同的两个棱柱726可沿着共用边界配合，它们之间基本上没有连接区域或间隙。每个棱柱726都包括两个相交的倾斜表面，来形成连续起伏的隆起728。
图7c示出了膜720及其结构化表面722的局部平面图，图7d和7e分别示出了沿着剖切线7d-7d和7e-7e剖切的相应的剖视图。这些视图更为清晰地示出，尽管棱柱726具有上述互锁的对称结构，但每个棱柱726仍具有结构上的不对称性，表现为每个棱柱的两个倾斜表面具有不同尺寸及不同倾斜程度(相对于x-y平面或表面724)，这样可使得在棱柱间形成的起伏隆起728不位于x-z平面或任何与整个结构化表面722或表面724垂直的平面中。相反，隆起728大致位于相对于x-z平面以θ角倾斜的平面中，这可从图7d中很好地看出，θ是棱柱倾斜程度的一个度量。棱柱倾斜的另一个结果是使得给定棱柱的连续隆起728在平面图中不是线性的而是波浪形的。从光学性能的角度来看，棱柱倾斜可让结构化表面具有相对于x-z平面(即相对于与膜720垂直并与棱柱方向平行的平面)不对称的光提取特性。取决于薄膜的预期应用，这一点可能是期望的，或是不期望的。注意，棱柱也可相对于y-z平面表现出倾斜，其中，在x-z平面中测量该倾斜。
如上所述，棱柱726具有起伏的高度和宽度，这种起伏足以沿着棱柱长度形成可辨识的主部727和次部729。图7c中分别以Wmax和Wmin标记棱柱726的最大及最小宽度。例如，比率Wmax/Wmin可至少为2、5、10、20等，或更高。沿着垂直于棱柱长度的方向，从一个倾斜棱柱表面的外边界或边缘到另一个倾斜棱柱表面的外边界或边缘来测量此处所说的宽度。在图7c中，Wmax/Wmin约为20。棱柱726的高度也会在最大高度Hmax到最小高度Hmin之间波动。沿z轴从结构化表面的最低点或顶点到棱柱的隆起728或另一顶点(沿着棱柱的任意给定位置)测量此处所说的高度。例如，比率Hmax/Hmin可至少为2、5、10、20等，或更高。在图7d和7e中，Hmax/Hmin约为20。高度优选为均匀起伏，从而在隆起728的相邻最大高度点或最小高度点之间提供特征长度λ，这一点在图7e中最好地示出。
可由比率λ/Wmax限定面内纵横比。可选择的纵横比范围较广，但是在示例性实施例中该范围大约为1到5。结构化表面722的纵横比为约2。
上述图7b-7e中描述的表面特征在本文中称为“方位角光束扩展表面特征”，该表面特征尤其应用于直接照明式背光源系统中，其中将光提取膜置于一组分立光源和扩散板之间的间隙中，使光提取膜的结构化表面面向光源，从而将那些光源发出的光均匀地扩展到扩散板上。
上述的图7a-7e中描述的表面特征仅为示例性的，并且根据预期应用，还可能采用许多其它光提取表面设计。例如，其它示例性光提取表面设计可参见以下专利公开，这些公开将以引用方式并入本文中：WO2005/120791、WO2006/031483、US2005/0122591、US2005/0280752和US2006/0092490。
为了便于参考，图12中示出了一个叠加到笛卡尔x-y-z坐标系上的α-β-z极坐标系。可方便地沿着z轴选择一个单位矢量1210来表示入射在光提取膜上的准直输入光线的方向。如果入射光的方向与提取膜是垂直的，则可用x-y平面来表示膜。在简单情况下，由提取膜转向的光的方向可在相同的坐标系上用单位球体1214(图中仅示出了上半球)上的另一个单位矢量1212表示。因此可用极坐标(α，β)来指定转向光的方向，其中α是与z轴形成的极角(其值可能为0到90度或0到π/2弧度)，而β是x轴与包括单位矢量1210和1212的平面之间测得的方位角(其值可能为0到360度或0到2π弧度)。
本文所公开的光提取膜可将准直入射光束(光束的横截面积足够大，可照明光提取膜的结构化表面的代表性区域)转换为一束或多束转向光束。例如，图13a示出了在光提取膜1312上垂直入射的准直入射光束1310，其中膜1312是常规BEF膜，具有朝向入射光的结构化表面和光滑的相对表面，结构化表面具有平行于x轴延伸的一组简单线性棱柱。棱柱上(平坦的)倾斜小面将入射光偏转以产生偏转光束1314、1316，被偏转的两束光与z轴成相同的角度1315、1317。由于结构化表面上的棱柱之间没有任何基本平坦的连接区域，因此沿着初始方向(即z轴)只能观察到很少的输出光束，或是根本观察不到输出光束。角1315、1317是与图12所示角度α类似的极角。通过定制结构化表面上的棱柱小面之间的夹角可更改角度1315、1317，从而实现或多或少的光束偏转。
但无论棱柱小面之间的角度是多大，一组简单线性棱柱的表面特征仅产生两束偏转方向不同的光束。如果为了在背光源中实现更好的光混合或光模糊效果，需要更多的转向方向，则可在垂直于棱柱长度的横截面中将线性棱柱的小面由平坦变为弯曲的。在图13b中可看到这种弯曲的效果，其中已采用光提取膜1312a替代了常规BEF膜1312，除了在y-z平面中棱镜的平坦面有较大的弯曲外，光提取膜1312a在各方面均与膜1312相似。这种弯曲实现了在y-z平面中在两个不重叠的范围内平滑变化的表面法向，继而产生扩展的偏转光束1314a、1316a。光束1314a、1316a被称作“扩展光束”是因为它们都在宽广的角度范围内大致连续地延伸(超出光强或背景水平的给定阈值，例如峰值强度的百分比)。在图13b所示的情况中，光束1314a的角度范围为1315a到1315b，光束1316a的角度范围为1317a到1317b。然而，所有这些角均为与图12所示角α类似的极角，从而扩展光束的角宽度将完全处于极方向中。棱柱小面的弯曲不会造成偏转光束在方位角方向上扩展。
从图13c中我们可看到具有方位角光束扩展表面特征的光提取膜的表现。图13c的结构类似于图13a，但光提取膜1312被光提取膜1312b替代，光提取膜1312b与图7b-e中描述的膜720基本相同。膜1312b的取向使得其结构化表面朝向入射光，同时棱柱平行于x轴延伸。如前所述，结构化表面上棱柱的显著起伏在结构化表面的平面(x-y平面)而不是在与其垂直的y-z平面中产生显著弯曲，这可结合图13b看出。由于平滑变化的表面法向(投影到x-y平面上)，该面内弯曲用于产生扩展的转向光束1314b、1316b。如图所示，光束1314b、1316b得到扩展，但扩展方向是与极性偏转角1315c、1317c垂直的方位角方向。在方位角方向上的扩展量可由结构化表面的面内弯曲控制，而该面内弯曲又可由之前讨论的比率Wmax/Wmin、Hmax/Hmin和λ/Wmax表示的起伏程度控制。
图14中示出了另一个能展示方位角光束扩展的结构化表面。其中示出的光提取膜1410的一部分具有光滑的主表面1412和相对的结构化表面1414。结构化表面基本上由一组互锁的蜿蜒棱柱1416组成，每个棱柱均可沿着光提取膜的整个长度延伸。与图7b-e中结构化表面722的棱柱726类似，每个棱柱1416包括两个倾斜的棱柱表面，这两个表面相交形成一个隆起。但与棱柱726不同，每个棱柱1416在y方向上前后起伏的同时还保持着基本一致的宽度和高度。起伏形状可以是正弦的或任何其它平滑变化的函数(或是非平滑函数，或平滑和非平滑函数的组合)，优选的是选择该函数使棱柱1416呈互锁对称性，以使得基本相同的棱柱可以在表面1414上密集排列，棱柱间基本没有平坦连接区域。参见图7f的构造，通过保持一致的切削深度但同时使工具平行于方向742振荡，可在母模上制作用于制成该棱柱的凹槽。蜿蜒的表面特征在结构化表面的平面(x-y平面)中产生弯曲，可通过起伏的程度来控制弯曲量。定位膜1410以使得结构化表面1414面向背光源的光源单元，这时，面内弯曲量可用于控制光束沿方位角方向的扩展量。
除了图7b-e的结构化表面722以及图14的结构化表面1414以外，另一个可展示方位角光束扩展的结构化表面是锥形结构阵列。可采用三角形、菱形或六边形的平面图布置方式排布锥形结构，优选地使锥形结构密集排布并交叉，从而使结构化表面没有平坦的连接区域，从而基本上避免垂直入射光直接(未转向)透过光提取表面传输。
锥形结构的基部位于光提取表面的x-y平面中，结构的顶端不在x-y平面中。基部可以是各种形状，包括例如圆形、椭圆形和六边形等。相交而形成顶端的锥形结构的各侧面可以是线性的，也可以带有弯曲，因而在与结构化表面的x-y平面平行的平面中，锥形结构可具有圆形或椭圆形的横截面。阵列中各个椎体的顶端可以是倾斜或非倾斜的(即顶端可位于垂直于x-y平面的平面内或平面外)。
不同于结构化表面722和1414(其产生两束不同的沿方位角扩展的输出光束)上两个不同的(弯曲的)棱柱面，锥形结构化表面在结构化表面的平面中360°连续弯曲(即圆形或椭圆形横截面形状)，由此产生连续的环形输出光束，其沿方位角以360°覆盖。
包括锥形结构阵列的光提取表面可以以多种形式提供，但背后照明的LED系统(如图2中所描述的那些)优选采用聚合物膜。可以通过使用诸如ELMOF设备形成适合的成型工具，再利用该工具借助浇注、涂覆或挤压工艺来制作这种聚合物膜。
当然，被构造为产生基本上沿方位角扩展的光束的结构化表面也可包括产生沿极角扩展的光束的特征。例如，对于上述的图7b-e的结构化表面722、图14的结构化表面1414以及锥形阵列结构化表面，可在垂直于结构化表面平面的平面中(例如图7b的y-z平面中及图14的y-z平面)形成小面弯曲。对于图7b-e和图14所示情况，可使用具有弯曲切削表面的金刚石切削工具制造母模来实现。这种类型的表面弯曲可产生如图13b中所示沿极方向扩展的光束。因此，通过将结构化表面构造为同时具有较大的面内弯曲和垂直平面内的弯曲，便可将图13b的极角光束扩展与图13c的方位角光束扩展这两者结合起来。
其它能够实现方位角光束扩展的结构化表面可能采用仅具有一个带小面的表面的元件，该表面具有面内(x-y平面)弯曲；或采用具有两个(如图7b-e及图14所示)、三个、四个或一般地N个该类不同表面的元件。也可在结构化表面上的多个元件中分布N个不同的表面(例如一组相对彼此随机倾斜的三面棱柱)。该元件将产生相应数量的N束不同的光，每束光沿方位角方向扩展。此外，还可通过如下方法模拟面内弯曲：在结构化表面的平面内以不同角度排列多个(M个)不同的非弯曲(平坦)小面，从而得到数目同样为M的狭窄、不同的偏转光束，这些光束在方位角方向上相距紧密，以近似光束沿方位角的扩展。因此，对于沿方位角方向扩展的光束，需要让所有由垂直入射光束(其横截面积足够大，能照明光提取膜的代表性区域)产生的所有偏转光束的方位角宽度Δβ(其中光束宽度由光强或背景水平的给定阈值限定，例如峰值强度的百分比，测量该宽度作为方位角的差值Δβ)的总和至少为15°，优选地至少为30°、60°、120°、180°或更大。
如上所述，通常希望光提取膜使得垂直入射光很少或完全不直接(非转向)透射，以防止在光源上方显现被称作“热点”的亮区。相反，要至少沿极角方向偏转垂直入射光(优选还沿方位角方向扩展)。因此，光提取膜优选地改变大多数垂直入射光的方向(垂直入射光的横截面足够大，能够照明光提取膜的代表性区域)，从而将少于9％、少于20％、少于35％或少于50％的透射光分别在极角α(相对于入射光方向测量，参见图12)为10°、15°、20°或25°的范围内透射。作为另外一种选择，至少91％、至少80％、至少65％或至少50％的透射光分别在极角α为10°、15°、20°或25°的范围之外透射。这些关系符合光提取膜以比理想朗伯扩散板更高的程度(以更大的极角)扩散垂直入射光的要求，并且还优选地应用于入射角小于5度、4度、3度、2度或甚至1度的几乎垂直的入射光。
如果希望光提取膜将垂直入射光转向为倾斜极角的光，那么也希望它们将高度倾斜的入射光转向为倾斜度较低且角度与膜的表面法向更为靠近的光。
图13a-c中所示的偏转行为可通过在给定的提取膜上照射准直光源(例如传统激光笔发出的光束)并观察透射光图案来展示。可通过将透射光引导到诸如白色卡片或白纸等屏幕上来实现一定程度地模拟这种观察。可使用能够测量光角度分布的设备实现更为准确的测量，例如使用角度辐射计、光度计或锥光偏振仪，例如可购自autronic-MELCHERS GmbH，Karlsruhe，Germany的锥光偏振仪仪器系列。
可使用具有结构化表面的负相几何形状的工具方便地制作结构化表面722，即凹坑代替隆起、隆起代替凹坑。图7f示意性地展示了制作该工具的装置730。辊732具有至少一层由可加工材料制成的薄外层，例如电铸硬铜或其它适当的材料。然后将辊置于金刚石车削机器中，使用拥有精细成形切削刃的金刚石切刀把整个圆柱形表面734车削为一个镜面光滑表面。金刚石切刀理想地施加极小的压力，从而使可加工材料几乎不发生加工硬化。然后，使用精密成形的金刚石工具736在表面734上切削起伏的凹槽，精密控制金刚石工具736相对于表面的运动和方向。图中的切削深度由绕着围绕枢轴转动点740的旋转运动738控制，此类运动普遍存在于传统的雕刻机器，但是也可采用纯粹的平移运动，例如通过安装有压电致动器的线性支架实现的平移运动。雕刻机器可使用位于金刚石切削工具上游的未切削金属表面上的一个陶瓷底托(未示出)，该底托可用作切削工具的一个基准，从而实现高精度切削。切削工具还具有横向运动控制机构，从而沿着平行于辊732旋转轴线的方向742推动工具。将辊732的旋转速度、金刚石工具的深度控制以及金刚石工具的横向运动同步化，从而实现所需的工具几何结构。在一种方法中，横向运动是缓慢且恒定的，使得金刚石工具切削出以细微渐进的螺旋形状围绕圆柱形表面734的单个连续凹槽。同时，切削深度相对于辊的旋转速度以一定频率按正弦曲线变化，使得相邻的切削都是彼此异相的，如此产生如图7c所示的互锁图案。
可采用该切削技术的多种变化形式来实现提取膜的结构化表面几何形状的多种变化。切削工具的形状控制着棱柱的横截面形状，该工具可具有尖锐的、圆状的或平坦的顶端，还可具有其它平坦或非平坦的(例如圆状的)切削小面。切削工具的安装方向可与局部切削表面正交，以产生对称形状的棱柱，也可以倾斜放置，以产生倾斜的棱柱。控制切削深度的运动可以是简单的正弦曲线形式或更为复杂的起伏形式，例如低频率和高频率正弦曲线的组合、以及具有非连续一阶导数的波形(例如三角波)等等。下面讨论的工具震颤向通常较低频率深度的波形添加高频率的隆起或条纹。切削工具的横向运动(方向742)可以是恒定的或非恒定的，并且可以设置为保留相邻切削之间初始的镜面光滑表面区域，从而在完成的提取膜上的棱柱之间产生平坦的连接区域。
在切削母模的过程中，可能在母模的可加工材料中形成加工痕迹或震颤。这些痕迹可能以微结构的一个或多个面和/或顶端(隆起)上的一系列高频率条痕或波纹的形式出现在由母模制成的微结构化薄膜中。这种条痕可能覆盖整个面，或者可能仅覆盖其中一部分，其例子在图7c中以附图标记777标出。通常而言这些条痕与工具切削方向垂直地延伸。条痕可能出现在每个微结构上，或者仅出现在某些微结构上。大多数微复制薄膜上不希望出现这些条痕，因此需要采取预防措施在母模的制造过程中消除它们。然而在光提取膜中却可有利地利用条痕来增加透射光折射的角度范围，从而进一步加强提取膜的受控光偏转。
也可能形成大致沿工具切削方向的条痕，例如因为使用具有带凹口的、粗糙的或带锯齿(圆齿)面的金刚石切削工具而形成这类条痕。
无论是否使用金刚石切削来制造母模，均可使用后处理方法来使得微结构的面粗糙化或带有纹理。该类方法包括在形成名义图案之后蚀刻或研磨母模，或者在母模上镀上具有所需粗糙度的涂层。
加工好工具之后，就可将其用作制膜工艺中已为人所熟知的制造结构化表面膜的模具。例如，可将可固化组合物涂敷到完成的工具的表面上，将其硬化后再揭掉，便得到完成的膜。也可将基膜与可固化组合物一起使用，从而形成由固化透明材料组成的棱柱726或其它结构，该棱柱连接到由不同透明材料组成的平坦基膜上。
图7g示出了另一个示例性光提取膜750的局部透视图。膜750在许多方面与膜720相似。例如，膜750具有与光滑表面754相对设置的结构化表面752，结构化表面包括细长连续棱柱756的阵列，这些棱柱的高度和宽度沿着棱柱的长度较大程度地起伏，从而形成沿每个棱柱756的长度连续排布的交替的主部757和次部759。棱柱756还可具有连续起伏的隆起758。相邻的棱柱756相对于彼此是异相或移位的，从而给定棱柱的次部759位于其相邻棱柱的主部757的侧面，同时给定棱柱的主部757位于其相邻棱柱的次部759的侧面。然而，与膜720不同的是，膜750具有隔开相邻棱柱的平坦连接区域755。此外，平坦连接区域755在宽度上是不均匀的，这意味着棱柱756的棱柱基部的形状或轮廓不具有精确的互锁对称性。
一些光提取膜具有回射特性。该类膜能够使很大一部分入射光返回光源，在较广范围的入射光方向上都能保持该特性。因此回射膜已经被广泛地应用于路标、路障及安全背心上。例如，具有立方角构造的膜通常采用多个立方角元件来回射入射光。立方角元件从主体层的背表面投射光。在这种构造中，入射光从主体层的前表面进入薄膜，然后在穿过主体层时被立方角元件的表面内反射，随后再射出前表面返回至光源。具有回射性的示例性光提取膜包括3MTM ScotchliteTM反射材料6260高光泽度膜(Reflective Material 6260 High Gloss Film)。这些膜与大多数回射膜一样，对于从膜的一个主表面上入射的光具有回射特性，但是对于从膜的其它主表面上入射的光不具有回射特性。例如，当用作图2结构中的光提取膜时，优选地设置回射膜的取向使得从下方抵达膜的光(光源212发出的从第一主表面232入射的光)不被回射，而从上方抵达膜的光(例如从扩散层220反射过来的从第二主表面234入射的光)被回射。
其它光提取膜可以是非回射的，即这些膜无法使很大一部分入射光返回到光源。示例性非回射膜包括美国专利No.5,948,488(Marecki等人)中所描述的膜以及上述图7a-g中所描述的膜。
光提取元件230可单独使用，或与其它适当的膜或层结合使用。如果与不同类型的膜结合使用，光提取元件230的位置可靠近光源单元210以及其它膜(这些膜可以是半反射膜，例如扩散板、反射偏振片、打孔多层光学反射膜等等，或者是另一个光提取元件)，也可设置为使得光提取元件230位于光源单元210及这类膜之间。例如图2中所示，所述其它膜为扩散板220，可将反射偏振片置于扩散板220和光提取元件230之间，或者置于光提取元件230和光源单元210之间。
如果结合了两个或更多个线性棱柱光提取元件，则可使它们对准、不对准，或“交叉”，使得一个元件的棱柱方向与另一个元件的棱柱方向垂直。
光提取元件和其它膜不必具有相同的尺寸或相同的构造。例如，可以选择反射偏振片、光提取元件和/或扩散板的尺寸和形状以匹配光源单元210中光源212的构造。
在一些情况下，在LED上方包括漫射点或反射点可进一步改善亮度和色彩均匀度。例如可在提取膜上添加反射条，例如美国专利No.2004/0233665(West等人)所述的反射条，从而更有效地阻挡LED直接发出的光。
照明组件200还可包括一个或多个可选的光控制膜240，该膜用于接收穿过光提取元件230和可选扩散层220的照明光。光控制膜240中还可包括任何适当的一层或多层膜，例如图1中所描述的光控制元件140的一层或多层膜。
如本文前面所述，可对光提取元件230进行操作，使其向背离反射基板202的方向引导光源单元210发出的照明光的至少一部分，使得所得的背离照明组件200的照明光具有更好的色彩和/或强度均匀性。例如，光源212发出的以大致平行于轴线250的方向传播的照明光214将在光提取元件230的光提取表面232处被转向。光提取元件230相对于入射光的方向改变射出光的方向。因此，穿过光提取元件230后，光214将以不平行于轴线250的方向传播。换句话讲，在照明光214穿过光提取表面232时，光提取表面232确定性地将从光源单元210传到可选扩散层220的至少一部分照明光214的传播方向转向。要改变光的方向，光提取表面232例如可以是折射表面或衍射表面等。在大多数情况下，可使用全息结构来模拟给定物理微结构表面的光学行为。因此，本文所公开的每个微结构表面均具有全息的对应物。
通过将沿基本平行于轴线250的方向传播的光转向为以非平行于轴线250的方向传播，光提取元件230将更为均匀地分布来自某些光源212的光，由此使得背光源的输出在强度和/或色彩上更为均匀。
在一些实施例中，光提取元件230还可提取(相对于轴线250)以高传播角度传播的照明光并引导该高角度光远离反射基板202。例如，照明光216由光源212a以相对于轴线250的高角度发出。光提取元件230的光提取表面232提取光216，并使其以较小的传播角度射向可选的扩散层220。通过提取高角度光，光提取元件230可通过在照明组件200更大的输出区域上更为均匀地分布某些光源发出的光来进一步提高颜色混合和/或强度的均匀性。
此外，在一些实施例中，可对光提取元件230进行操作，以将部分照明光反射回反射基板202。例如，照明光218由光源212b射出并与轴线250成一定角度朝向光提取元件230传播。光提取表面232又将照明光218反射回反射基板202。光218抵达反射基板202时，将以镜面反射或漫反射形式被反射回光提取元件230。光提取元件230和反射基板202产生的反射可通过在照明组件200的较大输出区域上更有效地分布某些光源发出的光来进行颜色混合。
尽管未在图上示出，但组件200还可包括与反射基板202大致垂直的反射壁。在一些实施例中，该类反射壁可以是倾斜的。反射壁和反射基板202以及光提取元件230形成反射腔。反射壁可以使用与反射基板202相同的材料。
在一些实施例中，照明组件可以包括两个或更多个光提取元件以形成更为均匀的光。例如，图3示出了照明组件300的一个实施例，该照明组件包括两个光提取元件330和360。照明组件300包括反射基板302和靠近反射基板302放置的光源单元310。照明组件300还包括：第一光提取元件330，其布置为使得光源单元310位于第一光提取元件330和反射基板302之间；第二光提取元件360，其布置为使得第一光提取元件330位于第二光提取元件360和光源单元310之间。照明组件300还包括可选的扩散层320，该扩散层布置为使得第一光提取元件330和第二光提取元件360位于扩散层320和光源单元310之间。图2中所示实施例的反射基板202、可选扩散层220以及光源单元210的设计考虑及可能性同样地适用到图3中所示实施例的反射基板302、可选扩散层320以及光源单元310。此外，第一光提取元件330及第二光提取元件360可包括本文所述的任何适当的光提取元件，例如图2中的光提取元件230。
第一光提取元件330包括第一主表面332和第二主表面334。第一主表面332和第二主表面334中的任一表面或二者可具有光提取表面。例如，光提取元件330的第一主表面332可包括光提取表面，使得来自光源单元310的照明光入射到光提取表面332上。
与之相似，第二光提取元件360包括第一主表面362和第二主表面364。第一主表面362和第二主表面364中的任一表面或二者可具有光提取表面。
在一个示例性实施例中，第一光提取元件330可包括第一光提取表面，该表面包括与棱柱光亮膜近似的结构，例如BEF(可购自3M)具有的那些结构。此外，第二光提取元件360可包括光提取表面，该表面具有与第一光提取表面类似的结构。第一和第二光提取表面相互之间可采用任何适当的定位。例如，可设置第二光提取表面的棱柱光亮结构，使其凹槽与第一光提取表面上的棱柱光亮结构的凹槽基本平行。作为另外一种选择，也可设置第二光提取表面的凹槽，使其与第一光提取表面的凹槽基本垂直。
第一光提取元件330可被布置为与第二光提取元件360形成任何适当的关系。例如，第一光提取元件330可被布置为与第二光提取元件360间隔开。作为另外一种选择，第一光提取元件330可被布置为与第二光提取元件360相接触。在一些实施例中，第一光提取元件330可与第二光提取元件相连接，例如如美国专利申请No.2004/0228106(Stevenson等人)中所述的情况。
如本文所述，本发明的光提取元件可包括至少一个光提取表面。图4A中示意性地示出了光提取表面432的一个示例性实施例。在该实施例中，光提取表面432是扩散层420的下表面。在其它实施例中，光提取表面432可以在光源和扩散层420之间的中间层430上，例如，如图4B和4C所示。如图4B所示，可使用粘合剂(例如压敏粘合剂(PSA))将中间层430连接到扩散层420上，或者如图4C所示，中间层430和扩散层420之间存在间隙480。可在间隙480中填充空气或其它层。
本发明的光提取元件可采用任何适当的形式或构造。例如，图5A-C示出了光提取元件的各种构造。图5A示出了包括光提取表面532的第一光提取元件530。光提取元件530与支承层590相连接。支承层590可以由任何适当的一种或多种材料制成，以使支承层590能为光提取元件530提供附加的强度和/或稳定性。作为另外一种选择，支承层590可包括一层或多层光学膜，例如反射偏振片、增亮膜及类似物。此外，支承层590可包括第二光提取元件，对此本文将进一步说明。
图5B示出了包括光提取表面532的光提取元件530，该光提取元件与光学元件592相连接，而光学元件592又与透明基板或板594相连接。可采用任何适当的技术将光学元件592连接到光提取元件530和透明基板594上，例如可使用光学粘合剂。透明基板594可由任何适当的一种或多种透明材料制成，以使得基板能为光提取元件530和光学元件592提供支承，例如可采用环烯烃聚合物以及共聚物、MS(即40w％PS与60w％PMMA的随机共聚物)、聚碳酸酯、丙烯酸酯、PMMA、硅树脂、聚氨酯丙烯酸酯以及它们的共聚物和组合物。
光学元件592可包括任何适当的光学膜，例如反射偏振片、增亮膜及类似物。在一些实施例中，光学元件592可包括第二光提取元件，本文中将进一步说明。
作为另外一种选择，图5C示出了具有光提取表面532的光提取元件530，光提取元件530与透明基板594的第一表面相连接，光学元件592与基板594的第二表面连接。
图8-11示出了可用于本发明所公开的背光源的一些光源的视图，但这些视图并非出于限制的目的。所示光源包括封装LED。图8、9和图11所示的光源为侧向发光式LED封装体，其中LED晶粒发出的光被一体的封壳或透镜元件反射和/或折射，以形成大致侧向传播而非沿着光源对称轴线向前传播的峰值光。取决于是否包括可选转向器，图10所示的光源可以是正向发光或侧向发光式。
图8中，光源800包括由框架812承载并电连接到引线814的LED晶粒810。引线814用于在电学上和结构上将光源800连接到电路板等。透镜820安装在框架812上。透镜820设计为使射入透镜上半部的光在上表面822被全内反射，从而使光入射在上半部的下表面824上并被折射出装置。射入透镜下半部826的光也被折射出装置。光源800还可包括可选的转向器830(如反射材料盘)，该转向器安装在透镜820上方，或安装在上表面822上。另外参见美国专利申请公开US2004/0233665(West等人)。
在图9中，光源900包括装在引线架910上的LED晶粒(未示出)。透明的封壳920封装LED晶粒、引线架910和一部分电线。封壳920相对于包括LED晶粒表面法线的平面具有反射对称性。封壳具有由曲面922限定的凹陷924。凹陷924基本上是线性的，其中心位于对称面上，且在表面922的至少一部分上涂有反射涂层926。从LED晶粒发出的光经反射涂层926反射从而形成反射光线，这些反射光线又被封壳的折射面928折射从而形成折射光线930。另外参见美国专利6,674,096(Sommers)。
在图10中，光源1000包括位于引线架1012的凹陷反射器区1018内的LED晶粒1010。通过引线架1012和另一个引线架1014与LED晶粒1010之间的引线键合，由这两个引线架向光源供电。LED晶粒表面有一层荧光材料1016，并且整个组件被嵌入到前表面为透镜的环氧树脂透明封壳1020内。通电时，LED晶粒1010的顶面会发出蓝光。其中一些蓝光会穿过荧光材料层，并与荧光材料发出的黄光混在一起，形成白色的输出光。或者，也可以省去荧光材料层，这样光源只会发射LED晶粒1010发出的蓝光(或另一种希望的色彩)。在上述两种情况下，白光或有色光基本上都会向前发射，以便在沿光源1000的对称轴线的方向上产生峰值光。然而，如果需要，光源1000还可以可选地包括偏转器1030，该偏转器的反射表面能够将光的方向通常改变为侧向或横向，因而能将光源1000转变成边缘式发光体。偏转器1030可以相对于与纸面垂直的平面具有镜像对称性，或者可以相对于与树脂封壳1020的对称轴线重合的垂直轴线具有旋转对称性。另外参见美国专利5,959,316(Lowery)。
在图11中，光源1110具有由封装基部1116支承的LED晶粒1112。透镜1120连接到基部1116上，封装体轴线1126穿过基部1116和透镜1120的中心。透镜1120的形状限定了LED晶粒1112和透镜1120之间的空间1114。可以用硅树脂或其它合适的介质(如树脂、空气或气体或者真空)填充和密封空间1114。透镜1120包括锯齿折射部分1122和全内反射(TIR)漏斗部分1124。锯齿部分设计为使其可以折射和弯曲光线，以便使从透镜1120射出的光与封装体轴线1126的夹角尽可能接近90度。另外参见美国专利6,598,998(West等人)。
除图8和图10所示的转向器外，光源还可使用其它转向器，其中包括共同转让的美国专利申请No.11/458,891，名称为“Direct-LitBacklight Having Light Sources With Bifunctional Diverters”(“具有带双功能转向器的光源的直接照明式背光源”)中描述的双功能转向器。
无论是否用于产生白光，多彩光源可以在背光源中具有多种形式，并对背光源输出区域的色彩和亮度均匀性产生不同的影响。在一种方法中，多个LED晶粒(例如，红色、绿色和蓝色发光晶粒)全部装在引线架或其它基底上，晶粒彼此之间非常接近，然后一起装入单个封装材料中形成单个封装体，该单个封装体内也可以包括单个透镜元件。这样的光源可以在控制下单独发射任何一种色彩，或同时发射所有色彩。在另一个方法中，可以将单独封装的LED(每个封装体只有一个LED晶粒并发射一种颜色)集成一束，用于某个给定的回收腔，LED束中含有发射不同色彩(如蓝/黄或红/绿/蓝)光的封装LED的组合。在另一个方法中，这种单独封装的多彩LED可以设置成一个或多个线条、阵列或其它图案。例如，在图7b-7e所示的结构中，可将单独封装的LED按连续棱锥体结构上的起伏隆起排列。
其它适当的LED光源包括封装为发出大致为朗伯光图案的LED，这些LED可购自OSRAM、Lumileds Lighting、以及其它LED制造商。该类LED通常包括具有较大的半球形圆顶结构的封壳，LED晶粒位于该圆顶结构的中心；或者具有平坦的封装体表面，LED晶粒设置于该表面之下。
实例
以下是在定制的LED背光源测试台上进行测试的实例。测试台设计为模拟用于对角线为559mm(22英寸)、纵横比为16∶9的液晶电视机的基于LED的区域背光源。测试台有一个开放的矩形框架，它构成了背光源腔体的侧壁，其中框架的长轴水平放置。矩形框架的内壁衬有前文所述的EDRII薄膜，这是一种高反射率的白光漫射膜。
矩形框架的正面覆盖着可移除的扩散板，该扩散板由约3mm厚的白光漫射聚甲基丙烯酸甲酯板(可购自Cyro Corp.，Rockaway，NJ)制成。该扩散板类似于目前在CCFL和基于LED的电视机背光源中使用的扩散板。扩散板的外表面充当测试台的输出表面(即，背光源的输出区域)。
底板装在矩形框架背面的四个线性滑块上，以便调节底板在背光源腔体内的深度。
在底板面对扩散板的一侧装有四个LED条。LED条被布置成横跨底板宽度的水平两行。每一条都有5个红色、5个蓝色和10个绿色侧发射LuxeonTM LED(可购自Lumileds，San Jose，CA)，这些LED按照重复的绿-红-蓝-绿模式在标准印刷电路板上布置成一排。每一条上的LED的中心至中心间距约为12mm。相邻两个水平排的中心间距为152mm。
每一条上的绿色、红色和蓝色LED都按照颜色串联地电连接，以便可以独立地改变每种颜色的输出，从而可以调节测试台的色彩平衡。每一条上接有两个双通道电源。一个电源通道为红色LED提供驱动电流，一个电源通道为蓝色LED提供驱动电流，而两个电源通道一起为绿色LED提供驱动电流，其中每个通道各驱动5个绿色LED。在一次典型测量中，红色LED的驱动电流约为150mA，蓝色LED的驱动电流约为170mA，而绿色LED的驱动电流则约为130mA。在首次测量前，要将350mA的电流通入所有LED中“预烧”166小时，之后才会观察到一段时间内相对稳定的测试台输出。
在LED电路板上方的底板上装有聚碳酸酯反射器支撑板。反射器支撑板为矩形，略小于测试台框架的内部。反射器支撑板上布置有小洞，以便让LED透镜穿过支撑板伸出。安装以后，反射器支撑板的顶面与LED透镜的底部对准。反射器支撑板上层叠有高反射率的背反射器薄膜(可购自3M公司的VikuitiTM ESR薄膜)。这样安装后，薄膜层基本上为平坦的，可以充当背光源光回收腔的反射基板。
在反射器支撑板上方，把2mm厚的透光聚甲基丙烯酸甲酯膜支撑板安装于反射器支撑板和扩散板之间。LED和支撑板之间的间隙由用于安装支撑板的支脚的高度确定。将支脚设为约6.4mm和约12.7mm。薄膜支撑板上连接有测试膜。测试膜安装在板的面朝LED的一侧上。
使用色度照相机(PM1611型，可购自Radiant Imaging，Inc.，Duvall，WA)测量测试台的性能。该照相机配有105mm透镜和ND2中性密度滤光器。使用Radiant Imaging公司提供的软件对相机进行校准，并记录测量结果。利用点光源辐射仪(PR650型，可购自Photo Research，Inc.，Chatsworth，CA)校准色彩和亮度。测试台以垂直取向摆放在照相机前方4米处。将测试台与照相机对准，以使照相机透镜的轴线基本垂直于扩散板，并大致瞄准测试台的中心。
将合适的薄膜(背反射器与测试光提取膜)装入测试台中，并将底板调到适当的位置处，以达到期望的腔体厚度(定义为背反射器板的顶部与扩散板底部之间的空间)，从而对背光源构造进行测量。采用的腔体厚度包括18、28、38和48mm。薄膜支撑板安装在反射器支撑板上方，二者之间的间隙为6.4mm或12.7mm。如果测量不涉及任何测试膜，则测试台中不安装支撑板。
在记录任何测量结果前，将LED开启并预热至少90分钟。将待测光提取元件或薄膜装入测试台后，用色度照相机对底板设为不同深度的测试台进行拍照，通过这种方法即可进行测量。目测和分析测量结果，以获得整个扩散板表面上的总亮度、亮度均匀性和色彩均匀性等特性。
对照物
构造了一个可用于比较的背光源腔体，该腔体内LED的上方没有光提取元件或薄膜。从背反射器(即反射基板)顶部到扩散板底部测量，腔体深度为28mm。
输出区域(即扩散板的顶部)的外观非常不均匀。在输出区域可以清晰地看到与每个LED及其各自色彩相对应的图像或模糊块。
实例A
背光源腔体包括可购自3M Company的BEFIII薄膜，该膜用作光提取元件。薄膜被支撑于丙烯酸板上，棱柱面朝LED且水平取向(即平行于LED排的方向)。从反射基板顶部到扩散板底部的腔体深度为28mm，半透反射器放置在反射基板上方大约12.7mm处。反射基板是采用美国专利No.6,096,247(Ulsh等人)中所描述的技术制作的火雕处理的ESR。
在外观上，该实例展示了在亮度和颜色均匀性方面相对于对照物的改进。
实例B
背光源腔体包括立方角光提取膜，该膜用作光提取元件。该薄膜为单层10密耳厚的聚碳酸酯片材，片材的一个主表面平坦而光滑，该主表面的相对面形成棱柱图案。棱柱与3MTM ScotchliteTM射材料6260高光泽度膜(Reflective Material 6260 High Gloss Film，可购自3M Company)中所用的立方角棱锥阵列相同，该棱锥阵列的特点是具有倾斜的立方角棱柱，棱柱高度(从三角形底面到立方角顶点)为约3.5密耳(约87.5μm)，底面三角形的夹角分别约为55、55和70度。这种提取膜的取向应使薄膜的结构化侧朝向LED。薄膜被支承在丙烯酸板上。从反射基板顶部到扩散板底部的腔体深度为28mm，光提取膜放置在反射基板上方大约12.7mm处。反射基板为ESR。
在外观上，该实例展示了在亮度和颜色均匀性方面相对于对照物的改进。
实例C
背光源腔体包括两张光提取膜，这些膜用作光提取元件。每张光提取膜与实例B中所用的光提取膜相同。第一张膜被支承在丙烯酸板上，其立方角元件面向LED。第二张膜被支承在丙烯酸板的相对面上，其立方角元件面向LED(接触丙烯酸板)。腔体深大约18mm，光提取膜放置在反射基板上方大约12.7mm处。反射基底为ESR。
在外观上，该实例展示了在亮度和颜色均匀性方面相对于对照物的改进。
实例D
背光源腔体包括两张光提取膜，这些膜用作光提取元件。每张光提取膜与实例B中所用的光提取膜相同。第一张光提取膜被支承在丙烯酸板上，其立方角元件面向LED。丙烯酸板的相对面包括漫射膜。第二张光提取膜被附连到丙烯酸板具有漫射膜的一侧上，其立方角元件面向LED(接触漫射膜)。腔体深大约28mm，光提取膜构造放置在反射基板上方大约12.7mm处。反射基底为ESR。
在外观上，该实例展示了在亮度和颜色均匀性方面相对于对照物的改进。
实例E
背光源腔体包括本发明图7b-e中所描述的光提取膜(用作光提取元件)，不同的是，该膜由5密尔厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基膜构成，在基膜上形成了硬化树脂层，该树脂的折射率约为1.586，并在其中形成棱柱形结构化表面722。光提取膜具有大约为6密尔的名义总厚度。结构化表面上的每个棱柱726具有大约150μm的特征长度λ(参见图7e)，以及分别大约68μm和4μm的最大宽度Wmax及最小宽度Wmin，分别大约25μm和1μm的最大高度Hmax及最小高度Hmin。每个棱柱的倾斜棱柱面在横截面上基本是平坦的(参见图7d的y-z平面)，并且两个面之间形成大约96度的顶角。棱柱具有如图7b-e中所示的结构不对称性，其中倾斜角度θ为大约19度。薄膜被支承在丙烯酸板上，棱柱面向LED且水平取向，即每个棱柱沿着平行于LED排的方向延伸。从反射基板顶部到扩散板底部的腔体深度为38mm，光提取元件放置在反射基板上方大约12.7mm处。反射基板为ESR。
在外观上，该实例展示了在亮度和颜色均匀性方面相对于对照物的改进。
实例F
背光源腔体包括实例E所述的光提取膜，该膜用作光提取元件。薄膜被支承在丙烯酸板上，棱柱面向LED且水平取向，即每个棱柱沿着平行于LED排的方向延伸。从反射基板顶部到扩散板底部的腔体深度为28mm，光提取膜构造放置在反射基板上方大约12.7mm处。反射基板为ESR。
在外观上，该实例展示了在亮度和颜色均匀性方面相对于对照物的改进。
结果
表1中显示了实例A-F之间的比较结果。将每个实例的平均亮度除以对照物的平均亮度，可以计算出每种背光源构造的相对效率参数，其中每个平均亮度基本上是对各自背光源的整个输出区域来计算的。将亮度的标准差除以在背光源的大致整个输出区域上的平均亮度，可以计算出每种背光源构造的亮度不均匀度参数。根据实例的平均颜色计算某种颜色的点偏差的平均值，其中颜色用CIEu′v′色空间来表示，可以计算出每种背光源构造的颜色不均匀度参数(Δuv)。故有，
Δuv= 1 N Σ N ( ( u ′ - u avg ′ ) 2 + ( v ′ - v avg ′ ) 2 ) ,
其中N是测试系统的图像的像素数目，u′和v′是每个像素的色坐标，u′avg和v′avg是平均色坐标。这种颜色不均匀度不是在整个输出区域上测量的，而是在输出区域的一个矩形部分上测量的，该矩形长475mm，宽75mm，其中心位于背光源模型的上面一条(或一排)LED的上方。
表1：相对效率、亮度不均匀度和颜色不均匀度
  实例   相对效率   亮度不均匀度   颜色不均匀度
  对照物   100％   13％   0.0078
  A   77％   8％   0.0073
  B   91％   10％   0.0070
  C   80％   10％   0.0060
  D   76％   10％   0.0060
  E   93％   8％   0.0043
  F   93％   10％   0.0053
我们可以从表中看出，实例E和F利用了关于上面图7b-e所描述的光提取膜，与其它实例相比，表现出高效率、低亮度不均匀度和低颜色不均匀度三者之间的最佳平衡。进一步研究之后还可发现，实例E-F中所使用的光提取膜具有与其它众多光提取膜不同的结构化表面特征。
使用可购自autronic-MELCHERS GmbH，Karlsruhe，Germany的锥光偏振仪对每张光提取膜A-F进行观察。结果显示于图15的强度极坐标图。除了使用锥光偏振仪测量偏转光之外，所用构造基本上与图13c的构造相同。图15将所测量的亮度绘制为极角α和方位角β的函数。可以看出偏转光束1510、1512以范围为约20度至约40度的极角偏转，每个光束具有大于45度但小于90度的方位角宽度Δβ。在图15中，所绘制的最低亮度为250cd/m2，峰值亮度为2078cd/m2(出现在光束1510中)，因此光束1510、1512的形状限定在峰值亮度的约10％。
可从图15中推断出，实例E和F的光提取膜表现出约120°或更大角度的方位角光束扩展。此外，如图15所示，实例E和F的光提取膜可以将少于10％的透射光转向为沿极角小于20°的方向传播，同时可以将超过90％的透射光转向为沿极角大于20°的方向传播。
除非与本发明完全抵触，否则本文引用的所有参考文献及专利公开的全文均明确地以引用方式并入本文。本文讨论了本发明的示例性实施例，并对本发明范围内可能的变化提供了参考。在不偏离本发明范围的前提下，本发明的这些和其它变化和修改形式对于本领域的技术人员来说将是显而易见的，而且应当理解，本发明不仅限于本文所提供的示例性实施例。因此，本发明仅受下面提供的权利要求书的限制。

Claims (8)

1.一种照明组件，包括：
反射基板；
第一光提取表面，其具有方位角光束扩展表面特征，其中所述第一光提取表面包括占据其x-y平面的连续细长棱柱的阵列，所述阵列中的每个棱柱都具有两个相交形成隆起的倾斜面，所述隆起基本上是连续且非线性的；以及
光源单元，其包括一个或多个能够产生照明光的光源，其中所述光源单元位于所述第一光提取表面和所述反射基板之间，并且所述第一光提取表面面向所述光源单元。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述第一光提取表面还具有极角光束扩展表面特征。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述隆起在所述x-y平面内起伏。
4.根据权利要求1所述的组件，其中所述棱柱的倾斜面在垂直于所述x-y平面的平面内是弯曲的。
5.根据权利要求1所述的组件，其中所述棱柱的倾斜面在垂直于所述x-y平面的y-z平面内是弯曲的。
6.一种直接照明式显示系统，包括：
具有照明侧的显示器面板；以及
照明组件，其设置于所述显示器面板的照明侧，所述照明组件包括：
反射基板；
光源单元，其包括一个或多个能够产生照明光的光源；以及
第一光提取表面，所述光源单元位于第一光提取表面和所述反射基板之间，其中所述第一光提取表面面向所述光源单元，所述第一光提取表面具有方位角光束扩展表面特征，其中所述第一光提取表面包括占据其x-y平面的连续细长棱柱的阵列，所述阵列中的每个棱柱都具有两个相交形成隆起的倾斜面，所述隆起在x-y平面内基本上连续且起伏，并位于垂直于所述x-y平面的x-z平面之外，所述棱柱的宽度沿着y方向起伏，所述棱柱的高度沿着垂直于所述x-y平面的z方向起伏。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述棱柱的倾斜面在垂直于所述x-y平面的平面内是弯曲的。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述棱柱的倾斜面在垂直于所述x-y平面的y-z平面内是弯曲的。
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