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CN1129014C - 一种用于准直光线的发散角旋转系统和方法 - Google Patents

一种用于准直光线的发散角旋转系统和方法 Download PDF

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Abstract

这里公开了一种前照明或背照明组件，用于前照明或背照明显示器或其它需要前照明或背照明的装置。组件利用一个带有一组特定形状的微棱镜(16)的光管旋转光束的发散角。发散角旋转器与平面准直器组件(50)一起使用，用二维准直度可控的光束高效地对显示器照明。

Description

一种用于准直光线的发散角旋转系统和方法
技术领域
本发明主要涉及一种尤其适宜于与液晶显示装置一起使用的前照明和背照明系统。特别是，本发明涉及一种具有延伸微棱镜结构的薄膜和/或光管，这种结构能够在二维空间中将光束可控的准直用作高效的前光或背光。
背景技术
液晶显示(LCDs)通常运用在便携式计算机系统、电视、移动电话和其它的电子显示设备当中。因为LCDs主要在良好的光线环境下观看，所以，高品质的LCD装置为了充分的视野亮度需要大的光输出。因此，这些高品质的LCDs为了充分的亮度需要一个光源，背光系统就是一种最常用的光源。
背照明LCD装置的构造通常包括两个薄板。一个是LCD装置本身。另一个，即背光装置，是一个构造成将光线导出其顶板表面从而进入并穿过LCD装置的发光光管。在透射中无能量损耗地导出背光板表面的光线越多，背光的效率越高。特别是，希望背光装置输出的准直光束均匀地透过LCD装置。
为了说明光束的准直情况，将光束看作是从三维直角坐标系中，也就是处于x-y-z空间中直角坐标的原点发出。但是，为方便起见，在下面关于光束旋转的发散和角度的讨论中，将在相对于x-y-z空间能够看见的角度空间讨论和描述准直。以下使用的角度空间，在两轴的曲线上描述光束，竖直轴上的为θ，水平轴上的为φ，θ是光束投射到x-y平面上的角度，φ是同样的光束投射到y-z平面上的角度。因此，在直角坐标系中描绘的一个光束在角度空间可被描绘成一个点。如下所示，当光束不平行于x-y平面时，有发散角θ，当光束不正交(垂直)于y-z平面时，有发散角φ。
描述发散光束的另一种方法是说当光束从一个公共点移开时光束发散。因此，实际上发散的非准直光束将形成一个宽喇叭口的锥形，它的锥尖点处于一个点光源上(任何光源可被认做点光源的会聚)。当锥形发散的非准直光被一维准直时，光线被再次导向，以形成一个从点状光源出发的扇，但仍然具有与原始的宽喇叭口锥形相同的立体角。当一维准直理想时，二维准直更理想。二维准直将把宽延的扇形变成一个锥形，但具有一个基本上减小的立体角。因此，二维准直光束将使三维的发散光束更平行。
在1994年10月25日和1995年2月14日公布的美国专利US5,359,691和US5,390,276中分别描述了的平面准直器，其中Tai作为发明的发明人提出了有效的背照明系统，上述专利在此结合作为本发明的参考。背光由一个沿光管的光入口端延伸的线光源构成，投射到光管中的光线被微棱镜准直成一维。一个反馈机构在二维上准直光束。发散的角度因此被减小，输出光线实质上被准直。
当背光提供充足的光对LCD装置照明时，线性光源有时可能占用比所希望的更多的空间。因此，人们希望有一种由点状光源构成的前光或背光。
1996年4月9日授予Tai等人的美国专利US5,506,929公布的扩束技术提供了一种使用点状光源如发光二极管和白炽灯对显示器照明的方法，该专利在此引用作为参考。扩束器用于代替线光源，以大致类似于线性光源的方式分布点状光源的光。
另外，当无论从点状光源还是线性光源发出的透射光被扩束器导入以微棱镜为基底的平面准直器中时，光线被有效的作一维准直。为了补偿，扩束器通过反馈机构提供二维准直。但反馈机构易造成能量损耗。
1995年5月7日授予Beeson等人的美国专利US5,396,350公布的二维准直光线的背光装置现有技术依赖于光的多次循环。三维结构包括多个微透镜，每个微透镜的顶上有一个小孔在光管的上表面。当光穿过小孔被准直时，只有光管中光束的一部分入射到小孔上。射到光管中其它面上的光束被无效地反射并再循环。现有技术的系统中循环光因没有非常光滑的表面而造成散射，从而遭受能量损耗。尤其是因散射到材料中而造成的损耗，即所谓的模糊不可避免。另外，现有技术的系统具有三维机构，复杂且难于制造。
发明内容
为此，根据本发明的一个方面，提出了一种光束发散角旋转组件，它包括：
(a)一个棱镜，该棱镜具有确定棱镜厚度的相对的上下表面，确定棱镜宽度的相对侧面，以及确定棱镜长度的相对端；
(b)将光束按预定的方式导入上述棱镜、使光束具有一个主传播方向的装置，和
(c)位于上述相对表面中的至少一个上的结构，其包括相邻的微结构，该微结构在上述棱镜中的光束的主传播方向上以排的形式延伸；该微结构随机分布。
根据本发明的另一方面，提出了一种扩束组件，用于把点光源的光束扩展成具有主传播方向的线光源或把线光源扩展成具有主传播方向的面光源，其包括：
(a)一个扩束光管，该扩束光管具有确定扩束光管厚度的相对的上下表面，确定扩束光管宽度的相对侧面，以及确定扩束光管长度的相对端；
(b)一个将光束导入上述扩束光管中的光源，上述光具有一个主传播方向；和
(c)在上表面上近似地沿上述光束的主传播方向延伸的微棱镜，所述上表面构造成以预定的方式旋转光束的发散角。
根据本发明的又一个方面，提供了一种照明组件，它包括：
(a)确定发光光管厚度的相对的上、下表面，确定发光光管宽度的相对侧面，以及确定发光光管长度的相对端；
(b)将光束沿主传播方向导入上述照明组件中的装置；
(c)在上表面上近似地沿上述光束的主传播方向延伸的延长的微结构，所述上表面构成以预定的方式旋转光束的发散角。
(d)发光光管具有一个纵轴和由紧邻微棱镜构成的结构，微棱镜在垂直于上述发光光管的纵轴方向上在发光光管的下表面上以排的形式延伸，每个微棱镜的顶点从一矩形的基底向下延伸，以确定出仰角光束反射表面，该仰角光束反射表面以通常的准直方式将发光光管内的光线向上表面反射。
另外，根据本发明的又一个方面，提出了一种提供扩束组件的方法，以把点光源的光束扩展成具有主传播方向的线光源或把线光源扩展成具有主传播方向的面光源，该方法包括下列步骤：
(a)提供一个扩束光管，该扩束光管具有确定扩束光管厚度的相对的上下表面，确定扩束光管宽度的相对侧面，以及确定扩束光管长度的相对端；
(b)提供一个将光导入上述扩束光管中的光源，上述光具有一个主传播方向，和
(c)提供在上表面上近似地沿上述光的主传播方向延伸的微棱镜，所述上表面构造成以预定的方式旋转光束的发散角。
最后，根据本发明的又一个方面，提出了一种提供照明组件的方法，该方法包括下列步骤：
(a)提供确定发光光管厚度的相对的上下表面，确定发光光管宽度的相对侧面，以及确定发光光管长度的相对端，所述发光光管具有一个纵向轴；
(b)提供一个将光束导入上述照明组件中的装置；
(c)提供近似地沿所述纵轴方向延伸的延长的微结构，所述上表面构造成以预定的方式旋转光束的发散角；和
(d)提供由紧邻微棱镜构成的结构，所述微棱镜在垂直于上述发光光管的纵轴方向上在发光光管的下表面上以排的形式延伸，每个微棱镜的顶点从一矩形的基底向下延伸，以确定出仰角光束反射表面，该仰角光束反射表面以通常的准直方式将发光光管内的光线向上表面反射。
以下将对本发明的用于光束的发散角旋转器作更为详细的描述。为了实现对透出光管进入LCD装置的光线作预计的二维准直，通过本发明的发散角旋转器把传播并入射到光管表面上的光的发散角准直成二维。
发散角旋转器包括微棱镜排，微棱镜排在光主传播方向上的棱镜轴反射侧光。当把发散角旋转器结合到前照明或背照明系统中，而系统利用微棱镜和/或薄膜将光束准直成一维并反射出光管进入例如LCD时，发散角旋转器把光束准直成二维。因此，利用发散角旋转器来二维准直光束的光学组件包括一个或多个前照明或背照明光管，以及至少一个具有延长的微棱镜结构的光学部件，利用大致在光的主传播方向上的棱镜轴旋转其发散角。
该光学组件还包括一个基本上为直角背照明的发光光管，光束从一侧或多侧导入其中，并从发光光管的一端移向相反端，还包括由紧挨着微棱镜构成的作为发光光管下表面的第二结构。微棱镜的第二结构在发光光管内通过内全反射把光向上反射并使其穿过顶表面。该光学组件还包括一个带有微棱镜的膜，调节修改输出光的角分布轮廓。
把发散角旋转器用作扩束器和/或发光光管本身的一部分，向高效能的前照明或背照明系统提供可控的二维准直输出光。具有延伸的棱镜结构的薄膜还改变前照明或背照明系统的输出光的传播方向。
附图说明
以下将结合附图对本发明作更详细的描述。
图1是采用一个连带着扩束光管的微棱镜的扩束组件的透视图，其中还描绘了一个x，y，z坐标系；
图2是从x-z平面截取的光束发散角旋转器的截面图；
图3A是从水平面反射的光束的透视图；
图3B是从垂直面反射的光束的透视图；
图4是角空间内入射光和反射光示意图；
图5A是光入射面的角空间坐标系中小发散角的光束在z方向进入光管的分布图；
图5B是在发散角旋转棱镜的角空间坐标系中图5A中的入射和反射光的分布图；
图6A是在棱镜的角空间坐标系中图5B中的光束入射到棱镜其中一个侧面上的分布图；
图6B是在发散角旋转棱镜的角空间坐标系中图6A中的反射光分布图；
图7A是在90°棱镜的发散角旋转棱镜的角空间坐标系中20°发散角的入射光和反射光在z方向进入光管的分布图；
图7B是在120°棱镜的发散角旋转棱镜的角空间坐标系中图7A的反射光的分布图；
图8是具有弯曲面的发散角旋转微棱镜；
图9A是微棱镜在两侧的光束发散角旋转器从x-z平面截取的截面图；
图9B是发散角旋转棱镜在下表面的光束发散角旋转器从x-z平面截取的截面图；
图10是利用微棱镜反射光的光导引或光准直组件的截面图；
图11是在其上表面具有发散角旋转微棱镜排的扩束光管的截面图；
图12是采用线性光源的扩束组件的截面图；
图13是使用其表面带有微棱镜的转换膜的截面图；
图14A是使用基于把光束弯向正交方向的膜的内全反射的透视图；
图14B是使用基于把光束弯向正交方向并增加光束发散角的膜的内全反射透视图，其中，膜具有弯曲表面的微棱镜。
图15是极薄的背照明系统透视图，其中，系统采用一个在其表面有微棱镜的偏振器，对来自薄光管的光束进行弯曲、扩束和起偏。
图16是一个照明系统的透视图，该照明系统带有与发光光管连为一体的扩束器。
图17是具有前照明组件的发散旋转器使用时的透视图；
图18是使用随机分布的微棱镜转动光束发散角的透视图。
具体实施方式
现在来看附图，在各个附图中，相同的部件采用相同的标号。图1展示了一种使用两个发光二极管(LED)2和4作为光源的背照明组件系统。从LEDs发出的光首先被扩束器6扩展成一个线状光源，扩束器6包括采用了位于一表面上的微棱镜8的窄长的扩束光管10。然后，光沿着发光光管30(在该实施例中为背照明光管)的方向反射出扩束器6。
根据本发明，图中所示与扩束器6为一整体但也可以是分离单元的结构12和14导引并准直入射到扩束器中的光束。结构12和14在它们各自的表面20和22上有延伸的微棱镜结构16和18，以旋转光束的发散角，使得输出光被准直成二维。延伸的微棱镜结构16和18的轴大致在LEDs 2和4发出的光的主传播方向上。通过在扩束器6中准直光束，可使从扩束器中输出的光得到更好的准直。
从扩束器6输出的光入射到发光光管30中，以被进一步扩展成一个面光源而显示背照明。在其表面具有微棱镜结构28的膜24放置在扩束器6的前方，以弯折扩束器的输出光。发光光管30在其下表面34上设置有微棱镜32，其通过内全反射将光束反射出发光光管30。微棱镜44位于其表面40上的膜42用于把光束折向例如LCD。散射器46用于扩展输出光的发散角并提供更好的均匀性。
下面来看图2，该截面图描绘了结构12和可被反射器3环绕的光源2。结构12包括一个准直棱镜48。棱镜48有一对相对的侧面50和52以及相对端54和56。进入棱镜的光束有一个由制作棱镜的材料的折射率决定的最大发散角(如果棱镜由折射率为1.49的丙烯酸制作，则最大发散角为42°)。
侧面50和52分别以相对于x轴倾斜如10°和7°的夹角50a和52a构筑，如图4所示。射入面54与y-z面成16°的角54a并向侧面50倾斜。因此，侧面50和52有一个倾角以准直光束。
图2显示出结构12的表面50包括本发明的延伸的微棱镜结构16。如下所述，延伸的微棱镜结构16旋转光束的发散角，使得从结构12输出的光在θ和φ的范围内准直。
光束发散角旋转器的原理在图3A和3B中演示。图3A显示投射到平行于x-y平面的平面上的光束 同时示出光束
Figure C9719972900132
与x-y平面及y-z平面的角度。图4-7中绘出的这些角度θ和φ证明了本发明的发散角的旋转。发散角θ(垂直轴)为相对于x-y平面的夹角，φ(水平轴)为相对于x-z平面的夹角。因此，该光束在角空间中通常用(φ，θ)表示。
在图3A中，当反射面m平行于x-y平面时，反射光束 的发散角将变为(-θ，φ)。图3B表示同一光束 投射到平行于x-z平面上的情况。反射光束 具有角度θ和-φ。反射面取向m从图3A到图3B所示方位的连续变化可以通过沿平行于x轴的轴使反射面m转动γ＝90°的角度而实现。这里旋转面m由垂直于平面且位于光束k和平面m相交点的入射点的矢量n表示。
在图3B中，所示平面m从其初始位置旋转一个角度ω到达新的固定位置m’，这是反射面m位置的反时针旋转。当在角空间内描绘时，反射光束
Figure C9719972900144
的角度和方向在图4中由角度θ和-φ表示。在此图中，光束的取向表示成坐标系中的一个点，坐标系垂直轴代表θ值，水平轴代表φ值。因此，入射光由坐标为(θ，φ)的点P表示。
在第一例中，反射离开平面m(旋转角ω＝0)的光束
Figure C9719972900145
的角坐标由角度值θ变为-θ(见图3A)。另一方面，图3B的旋转光束在图4中由P’(0)或θ、-φ表示。也就是当反射面m固定在旋转位置m’时，反射光束
Figure C9719972900146
的坐标位置P’(ω)可通过使点P’(0)绕原点顺时针转动2ω角度而确立。P’旋转中使用参数2的原因在于当反射面改变ω角度时反射光束改变2ω角度。因此，如果平面m变化的角度ω＝90°，则反射光的坐标将旋转180°并到达图中的P’(90°)点，反射光束将具有(θ，-φ)角。这种预测范围与图3B所示的结果一致。
应注意到沿平行于x轴的轴旋转平面m将仅致使光束的发散角相对于x轴旋转。表示成从点P或P’到原点距离的发散角的值是常数，这是因为平面m围绕平行于x轴的轴a旋转。因此，发散角的值定义为光束与x轴的夹角，如图3A和图3B所示。发散角γ为一常数，则反射光就处在以γ为半径的圆的圆周上，如图4中的角空间所示。
现在让我们来讨论穿过光准直组件传播的光(见图2)。首先来看经过与x-z平面成16°角的表面54进入光准直组件的随机光。这些光束与入射面的法向所具有的最大的发散角为42°。处于特定角度的光束的强度分布可以用包含阴影区域的分布曲线表示，如图5-7所示。在图2所示的坐标系(x’，y’，z’)中从光入射面54出射的光束的发散角可以用图5A所示的(θ，φ)空间中42°半径的圆盘表示。应注意到，在z’方向以大发散角(大θ值)入射到光管中的光束在y方向上可以只有一个很小的发散角(φ值)，反之亦然。
为了证明延伸的微棱镜在发散角旋转和准直处理方面的作用，首先来看图2中光束64在垂直于x’-z’平面中的入射面传播并入射到点P1上的情况。这些光束的θ值接近于0，φ值从-42°到+42°分布。(这里我们首先讨论大φ值和小θ值，例如光束64的情况，而下面我们将讨论小φ值和大θ值例如光束66的情况，)。这些光束的角强度分布如图5中(θ，φ)空间的阴影区所示。
为了讨论通过微棱镜48的光束反射，我们需要把延伸的微棱镜的光分布从(x，y，z’)65变换到(x”，y”，z”)67坐标系。随着x轴从(x，y，z’)65坐标系到(x”，y”，z”)67坐标系旋转6°角，入射光的角分布在(θ，φ)空间向上移动6°，如图5B所示。
为方便起见，仍参见图2来讨论棱镜角为90°，或两侧面60和62分别为ω＝45°和-45°的延伸的微棱镜。φ’≥-6°的光束入射到延伸的微棱镜表面60，该表面相对于x”-y”平面具有正的γ值。其结果是如图6A所示，对于表面60(与表面62相对)，照射到表面60上的入射光将具有φ’从-6°到42°的强度分布，且θ’≌6°。由表面60反射的光束将具有θ’从-6°到42°的强度分布，且φ’≌6°。
仍然参见图6B，φ’＞0的表示成以虚线为边界的区域的光束向棱镜的反面62传播并将向下反射，成为具有θ’≌6°并且φ’从0°向-6°扩展的角强度分布。这里应该注意到图5和图6中的(θ，φ)简图只表示光强度分布的角范围。因为负φ’值的光束照射到表面60上的概率(或横截面)比照射到表面62上的可能性小得多，所以在θ’从-6°到42°且φ’≌6°范围内分布的光的强度相对较弱。
负φ角的光束照射到表面60上的概率很小，这是因为表面60向离开光束的方向倾斜，而表面62向膜倾斜。类似地，具有φ’的光也能照射到表面62并因而照射表面60的概率减小，强度也减小。当微棱镜的侧面与x”-y”平面夹45°角时，|φ’/θ’|≤tan45°＝1的光束有入射到棱镜60和62两表面的机会，但概率不等。|φ’/θ’|≥tan45°的光束只能照射到一侧。
当表面62和表面60对称时，二者对光束的反射相似，但随着φ的符号而变换。因此，先被表面62反射的光束最终将具有θ’为0°到42°；φ’≌-6°和θ’≌6°；φ’从0°到-6°的分布。
再参见图2，让我们来讨论在实验室坐标系(x，y，z)中的发散角。对于x-y-z坐标系，反射光束将具有缩小10°的θ值(此时的范围为-10°～+32°和4°)，φ值不改变(≌±6°，以及-6°到6°)。负θ值的反射光束将向下朝着准直棱镜的第二侧面传播。因为在表面54上没有微棱镜结构，所以从该表面反射的光束将只有缩小了两倍表面倾角或14°的发散角，并因此准直到φ＝φ’(0°～≌±6°)，θ＝-10°～18°。
讨论了最初具有大φ值的光束准直之后，我们现在开始讨论相对于x-z平面最初具有大发散角的光束，即具有大θ值的光束。大θ值的光束如66将照射到P2，准直组件的截面接近光源。因为这些光束已具有小φ值，所以没有旋转其发散角的必要。接近光入射面54的表面区域因此可具有光滑的表面，或可由小棱镜角的微棱镜组成。照射到接近侧壁的光入射面的区域上的光束将具有减小的发散角θ，减小的角度为侧表面与x轴夹角的两倍。反射光将向准直棱镜的其它侧面传播，进一步减小相对于x-y平面的发散角并最终以二维小发散角从准直棱镜射出。
现在我们讨论以φ和θ在量上近似的发散角入射准直棱镜的光束。作为例子，我们假设光束68在P3处以θ＝20°入射发散旋转棱镜。参见图7A，φ＞0°的边界区域表示入射到微棱镜表面60的光束的角强度分布。另一方面，图7A中的阴影区域表示由90°角的微棱镜反射的光的角强度分布。图7B表示由120°角的微棱镜(每侧与侧面62夹30°角)反射的光分布。对于90°角的棱镜，反射束的φ’值大体上为20°，而120°的棱镜将导致φ’从0°到23°的连续分布，大部分光以非常小的φ’值分布。用120°的棱镜旋转光束可得到平均减小的发散角φ’。
因为在x’-z’平面具有大发散角的光束在x’-y’平面有小的发散角，所以微棱镜的侧面可以有一个曲面，以比具有平面侧面的微棱镜更有效地减小发散角φ。这种结构特别适合发散角二维连续分布的光束。在x-y平面具有大发散角的光束(相对于x-z平面为小发散角)将只照射微棱镜下部，并且将在(θ，φ)空间旋转一个大的角度，使它们的角度在两个方向实质上互换。具有大θ角的光束将也具有小φ值。这些光束入射到微棱镜上接近顶部的区域的概率较大，其中顶部的坡度较小。这些光束在(θ，φ)空间将旋转一个小的角度，并因此将产生较小的发散角φ。
图8表示第二个实施例，微棱镜角度72随坐标x并相对表面50和/或52变化。该结构是有效的，因为只有大于θ角的光束才能照射到紧邻光入射端设置的延伸的微棱镜结构74上。注意到延伸的微棱镜结构74的单个微棱镜有一个弯曲的横截面。本发明构思了关于延伸的微棱镜的各种适当的曲率或角度形状或它们的结合。
图9A示出了光准直组件的另一个实施例。在此实施例中，表面50和52都具有延伸的微棱镜结构以准直和旋转光束。在此实施例中，两维中的发散角更加均匀地混合并因此提供更佳的二维准直均匀性。图9B示出了第四实施例，发散角旋转的延伸微棱镜结构16只处于下表面52上。对于此实施例，x-z平面中的发散角在旋转之前首先减小。
描述了光源2发出的光由光导引组件导引的方法之后，我们把注意力转向扩束器6的扩束光管与微棱镜结构8共同作用于输入光以提供输出光的方法。为了演示光束反射出扩束器6的机理，我们首先考虑光线只从一端进入光管的情况，如图10所示，图中给出了扩束器6在x-z平面的横截面。假设在x-y平面光进入发光光管的最大发散角为±18°，如图10所示。
在图10所示的特定实施例中，每个棱镜的侧面44和46与x-y平面夹30°的角。应该理解，本发明不局限于这些特定的物理参数，而是可以结合任意适当的角度或曲率。材料以及微棱镜表面与光管上表面的夹角都可以有不同的值。反射微棱镜也可以有曲面以聚焦输出光。
仍然看图10，特别注意到偏离x-y平面18°的入射光80将照射到棱镜的表面，被弯折60°，然后再在偏离正交方向84一个+12°角的方向82上传播。几乎平行于x轴传播的光束90将被弯折60°并再在偏离表面24的正交方向84一个+30°角的方向88上传播。初始偏离x轴-18°的光束92将照射到侧面24的下侧并再向-x方向传播，由此被微棱镜的一个表面以类似于光束82的方式反射，之后，在与正交方向成+12°角的方向上传播。此过程对所有的光束发生，与x轴形成负角度。其结果是经过上表面24射出扩束光管的光束在x-z平面将被准直成其原始发散角的一半，即光进入扩束光管10时的角度的一半。
因为来自光准直部分的光束的最大发散角小于或等于相对于微棱镜表面的折射临界角，所以没有光线能够从不正当的一侧逸出光管。利用这种结构，从光管输出的光束的发散角由斯涅耳折射定律决定将在光管内从+12°变到30°，在空气中从18°变到48°。利用位于光管相对端的两光源2和4，在空气中输出的光将偏离正交而从+18°到+48°以及从-18°到-48°传播。
虽然扩束器6被分成一个准直组件和一个扩束光管，但两单元可以是一个整体件。另外，发散角旋转的延伸的微棱镜结构16可以扩展到扩束器6的扩束光管部分内。如图11所示，整个上表面由发散角旋转的延伸微棱镜结构16覆盖的光管还提供改进的均匀性，这是因为光束的方向连续变化。
应注意到基于镜面反射的背照明系统的公开例如平面准直器技术涉及非均匀的图象。光管中的微棱镜象反射镜一样反射光束。可以观察到侧壁以及光管边缘的图象，并且通常需要较强的散射来覆盖图象。强散射降低输出亮度。在本发明中，位于扩束器右侧的微棱镜通过旋转发散角反射侧路光束来破坏图象。此扩束器因此将具有改进的均匀性并需要较少的散射，保持了准直，这是因为发散角旋转过程不影响总偏转角的值。最终的背照明系统因此将随着散射的降低或小散射强度的散射器的使用而拥有均匀的高亮度。本实施例优选带曲面的微棱镜，曲面与上表面有较小的夹角。对于由位于下表面的微棱镜反射出的光束，位于上表面的棱镜趋于将其聚焦到正交方向，正如微棱镜一样。
示于图12的本发明的实施例使用线光源，如冷阴极荧光灯92。在这种情况下，扩束器6的宽度大约与显示器有源区的宽度相等。在此实施例中，扩束器将线光源扩展成一个面光源。如图12所示，镜面反射器100把灯92包围，把光束准直成一维，使其具有小θ值。在上表面制作发散角旋转的延伸的微棱镜结构16以旋转光束，使得输出光被二维准直。位于下表面的微棱镜94用于对光进行反射。光管与荧光灯相对的面涂覆一层反射膜102，以将光束反射回微棱镜。带有反射膜102的面可以制成向下表面倾斜，使得实质上所有的光都被微棱镜反射出去。
讨论了扩束器6的作用之后，我们现在讨论带微棱镜的膜的使用，其中微棱镜把光束弯向由正交轴104表示的正交方向。如上所述，从扩束器6输出的光偏离正交方向传播，从+18°到+48°以及从-18°到-48°，如光束106和108所示。需要用膜把两光束的传播方向转到正交方向。如图13所示，用棱镜角为80°的棱镜膜24把从光源2和4发出的输出光向前弯折，即进入发光光管30。
在也由丙烯酸制作的膜中偏转角为12°的光线130将向正交方向124弯折28.5°，并在光线132的方向上传播，光线132与光线124的方向相差-16.5°。偏转角为30°的光线134将被弯折-10.6°并在光线136的方向上传播，而光线136偏离正交方向12419.4°。类似的，偏转角为-12°至-30°的光线将照射到膜24的表面74，并将具有在+16.5°和-19.4°之间变化的偏转角。来自分别位于光管相对端的两光源2和4的光束在此被合并成一个光束，从-19.4°向+19.4°传播。合并的输出光的角分布与大多数LCDs在x-z平面的观察角非常匹配，并适宜于普通的便携式显示装置使用。
为了适应窄发散角且高亮度输出的需要，可使用小角度如70°的棱镜膜把两个光束弯向正交方向。类似地，用大角度如90°的棱镜膜可以实现宽一点儿的视角。要想得到非常宽的视角，如±40°，则可以使用具有大角度，如100°棱镜角的棱镜膜。从该膜输出的光束仍由两强度峰值相隔大约40°的光束组成。然后可以用诸如全息散射器的散射器扩展两光束的发散角，使两光束重叠达到大约±40°的发散角。
实现宽视角的另一个实施例是使用弯曲表面的棱镜膜。对于上述特殊光管，具有棱镜的棱镜膜将给出发散角为40°的输出光，所述棱镜两侧面的曲率在35°到65°变化。具有高亮度输出和宽发散角的背照明系统适合于视频的应用。
现在我们再把注意力转向发光光管30的发光。如同扩束器6一样，发光光管30具有位于其下表面的微棱镜，其把光束反射出光管，使之进入譬如是LCD。在发光光管上的微棱镜的轴垂直于光传播的主方向。在此特例中，位于下表面的微棱镜与下表面成30°的角。微棱镜还有一个弯曲的表面对输出光聚焦。和扩束器的扩束光管一样，在y方向输出光的发散角在空气中为18°到48°。与上述膜类似但宽度较宽的微棱镜的棱镜角为80°的膜可以用于把传播方向弯向正交方向。
对于图11和12所示的实施例，只可以使用一个灯泡。因为光线只从一端进入光管，所以可以使用如图14A所示的全内反射膜把光线折向观察者。在膜面向光管的一侧，微棱镜表面142具有90°的倾角。微棱镜144的另一个表面具有61°的倾角。发散角为48°的光束从侧面142进入膜并被侧表面144内全反射。该光束将从表面140以偏离膜的法向-8°的角度离开膜。类似地，发散角为18°的光束146将也被该膜全反射并以偏离法向4.5°的角度离开膜。散射器46用于扩展输出光的发散角以与显示器的观察角度匹配。图14B表示一个具有弯曲的侧面152的类似膜。该膜将弯折并扩展光束。
对于便携式显示器来说，具有最小的重量和厚度将是非常理想的。图15显示了LCD的背照明系统薄于灯泡直径的光管的应用。面对CCFL灯的光管的光入射面被一个高反射率(≌95％)的涂银薄膜包裹。灯92和反射膜100形成一个灯箱，通过反馈机构实现光向光管中的高效耦合。从灯泡中发出但并不导向光管的光可以被反射膜反射，并重新取向。存在反射光射向光管以进行有效显示照明的可能性。重复该过程并实现光向光管中的有效耦合。
进入光管中的光主要在x-z平面准直。光管在其上表面有一个发散角旋转器的延伸微棱镜结构16，在其下表面有光准直和反射微棱镜154。为了进一步减轻重量和厚度，在偏振器膜156上制作一个光束转向和扩展微棱镜，其中该偏振膜可以层叠在液晶板上。本实施例因此提供了一个极薄的背照明系统，因为该被照明系统不需要单独的膜。利用偏振器和光束弯折一扩展膜对输出光起偏，并使光束具有一个与显示器的观察角匹配的发散角。可以通过紫外线固化丙烯酸酯技术利用透明熔结在偏转膜上制作微棱镜。
本发明的另一个实施例示于图16。在本实施例中，扩束器6层叠到发光光管30上。就单个器件的制造而言，本背照明单元适宜于批量生产并易于安装。但把光转向膜放置在扩束器6和发光光管30之间却很困难，因此省去。进入发光光管30的光束将有一个大的发散角φ。发光光管中的输出因此将有四束光以大角度φ和θ组成。因为光转向膜只能弯折和合并一维光的传播方向，所以背照明系统的输出将由两侧路传输光组成。该输出光的轮廓基本上不适合大部分的显示照明应用。
在φ方向弯转光束可以通过在发光光管30上表面上的延伸微棱镜结构16来实现。如上所述，当光束照射到位于光管上表面的微棱镜上时光管中的光束发散角将旋转。通过混合φ和θ值，输出光将有连续分布的φ值，并且只需要一个膜把输出光束弯向正交方向。
图17示出了使用扩束器的前照明组件的实施例。光束通过微棱镜反射出发光光管。光补偿器162用于删除或最小化象散。
在上述所有的实施例中，发散角旋转器实质上由排成一排的同一微棱镜组成。但如图18所示，微棱镜的其它结构如随机排列的直槽结构或微棱镜164也可用于旋转发散角。对于随机分布的不同长度的微棱镜，输出光的均匀性将增强。这种配置取消了对使用附加的发散器的需求并将取得更薄和更简单的背照明系统。
在光管的上表面还可以制作其它的微结构，如槽的次微直槽或如全息图般制作的微棱镜以旋转光管中光束的发散角。一个全息图通常与称作参考光的第二光束一起记录从物体上反射的激光。一维散射器的全息图是由激光束的干涉而精确形成的最小行结构。发散角旋转器的作用依赖于每个微棱镜的轴，而该轴与光束的主传播方向大致平行。

Claims (13)

1、一种扩束组件，用于把点光源的光束扩展成具有主传播方向的线光源或把线光源扩展成具有主传播方向的面光源，其特征在于，其包括：
(a)一个扩束光管，该扩束光管具有确定扩束光管厚度的相对的上下表面，确定扩束光管宽度的相对侧面，以及确定扩束光管长度的相对端；
(b)一个将光束导入上述扩束光管中的光源，上述光具有一个主传播方向；和
(c)在上表面上近似地沿上述光束的主传播方向延伸的微棱镜，所述上表面构造成以预定的方式旋转光束的发散角。
2、如权利要求1所述的扩束组件，其特征在于，上述下表面包括将光束导出上述上表面的微棱镜。
3、如权利要求1所述的扩束组件，其特征在于，上述上表面有一个法向，一膜处于上述上表面上，它将光束从扩束光管中导出，并向预定方向传播。
4、如权利要求1所述的扩束组件，其特征在于，还包括一个发光光管。
5、如权利要求4所述的扩束组件，其特征在于，上述发光光管具有确定发光光管厚度的相对的上下表面，确定发光光管宽度的相对侧面，以及确定发光光管长度的相对端，所述发光光管有一个纵轴，发光光管包括由紧邻微棱镜构成的结构，微棱镜在垂直于上述发光光管的纵轴方向上在发光光管的下表面上以排的形式延伸，每个微棱镜的顶点从一矩形的基底向下延伸，以确定出仰角光束反射表面，该仰角光束反射表面以通常的准直方式将发光光管内的光线向上表面反射。
6、一种照明组件，其特征在于，包括：
(a)一发光光管，该发光光管具有确定发光光管厚度的相对的上、下表面、确定发光光管宽度的相对侧面、以及确定发光光管长度的相对端；
(b)将光束沿主传播方向导入上述照明组件中的装置；
(c)在上表面上近似地沿上述光束的主传播方向延伸的延长的微结构，所述上表面构成以预定的方式旋转光束的发散角；
(d)发光光管具有一个纵轴和由紧邻微棱镜构成的结构，微棱镜在垂直于上述发光光管的纵轴方向上在发光光管的下表面上以排的形式延伸，每个微棱镜的顶点从一矩形的基底向下延伸，以确定出仰角光束反射表面，该仰角光束反射表面以通常的准直方式将发光光管内的光线向上表面反射。
7、如权利要求6所述的照明组件，其特征在于，上述微结构是随机分布的。
8、如权利要求6所述的照明组件，其特征在于，上述微结构是微棱镜。
9、如权利要求6所述的组件，其特征在于，上述上表面有一个法向，一膜处于上述上表面，它将光束从光管中导出，并向预定方向传播。
10、一种提供扩束组件的方法，以把点光源的光束扩展成具有主传播方向的线光源或把线光源扩展成具有主传播方向的面光源，其特征在于，包括下列步骤：
(a)提供一个扩束光管，该扩束光管具有确定扩束光管厚度的相对的上下表面，确定扩束光管宽度的相对侧面，以及确定扩束光管长度的相对端；
(b)提供一个将光导入上述扩束光管中的光源，上述光具有一个主传播方向；和
(c)提供在上表面上近似地沿上述光的主传播方向延伸的微棱镜，所述上表面构造成以预定的方式旋转光束的发散角。
11、如权利要求10所述的提供扩束组件的方法，其特征在于，还进一步包括：
(d)提供一个发光光管。
12、如权利要求11所述的提供扩束组件的方法，其特征在于，还进一步包括：
(e)将上述扩束组件和发光光管形成为一个整体单元。
13、一种提供照明组件的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(a)提供一发光光管，该发光光管具有确定发光光管厚度的相对的上下表面、确定发光光管宽度的相对侧面、以及确定发光光管长度的相对端，并具有一个纵向轴；
(b)提供一个将光束导入上述照明组件中的装置；
(c)提供近似地沿所述纵轴方向延伸的延长的微结构，所述上表面构造成以预定的方式旋转光束的发散角；和
(d)提供由紧邻微棱镜构成的结构，所述微棱镜在垂直于上述发光光管的纵轴方向上在发光光管的下表面上以排的形式延伸，每个微棱镜的顶点从一矩形的基底向下延伸，以确定出仰角光束反射表面，该仰角光束反射表面以通常的准直方式将发光光管内的光线向上表面反射。
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