[发明专利]用于照明显示装置的准直、均匀化和提取光的装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于照明显示装置的准直、均匀化和提取光的装置。更具体而言，本发明涉及这种类型的装置，该装置用于准直光束的传播方向以有助于提取用于照明显示装置的光。

背景技术

诸如液晶单元的反射型显示装置必须通过其正面(即，显示信息的面)被照明。因此，使用通常被称为正面照明系统的照明系统。目前在本领域中已知正面照明系统的各种实施例，但直到现在也几乎不能在市场中找到它们的应用。这特别地归因于以下事实，即，很难在所包含的结构不会使被显示的信息难以阅读的情况下制造具有高照明效率水平的正面照明系统。此外，当前已知的正面照明系统的产出率(yield)在所消耗的电功率和所返回的光功率方面并不令人非常满意，并且该系统的成本价格使其几乎不能符合工业制造的要求。

最经常被构想用于制造正面照明装置的系统采用背光型照明装置的工作原理。在本专利申请所附的图1中示意性示出了该类型的背面照明装置。通过总参考标号1整体标示的背面照明装置包括平面、透明的光导2，该光导2被设置在被照明的数据显示装置4(例如，液晶单元)下方。光源6使光穿过光导2的一个侧面而注射到光导2中。光导2被加工为在其中产生光提取器8，光提取器8使在光导2的内部传播的光的一部分朝显示装置4偏移。光提取器8可以为微棱镜、微透镜、衍射阵列等等。通过将镜10设置在光导2下方而完成组件。当然，数据显示装置4为透射型。

在本专利申请所附的图2A和2B中示例了将背光系统在反射型数据显示装置中的应用。在该情况下，平面、透明的光导12被设置在必须被照明的反射型数据显示装置14(例如，反射型液晶显示单元)上方。在明视觉(photopic vision)下，日光通过光导12并被显示单元14反射以再次通过光导12并到达观察者。在暗视觉(scotopic vision)下，使光源16所产生的光穿过光导12的一个侧面注入并被提取器18(微棱镜、微透镜、衍射阵列)在显示单元14的方向上偏移。光最终被显示单元14经光导12朝观察者反射。

在用于将光注射到上述类型的光导的系统的情况下，要优化的第一参数为在光导的整个截面中的光通量的均匀性。该条件对于确保跨过显示装置的整个表面而均匀照明显示装置是重要的。如本专利申请所附的图3所示，通过光提取器18在光导12的表面上的分布来确定显示装置14在光导12的长度L的方向上的照明均匀性。至于显示装置14在光导12的宽度I的方向上的照明均匀性，则依赖于光导16的几何形状(geometry)。

因此，在电功率消耗方面不受约束的装置(例如，液晶计算机屏幕)的情况下，光源16的典型的几何形状是被称为冷阴极荧光灯或CCFL的荧光管的几何形状，其长度基本上对应于液晶显示装置的宽度。然而，虽然从产出率的观点这些荧光管的效率日益提高，但其电功率消耗仍然保持为不适于在其能量储备有必要受到限制的便携电子装置(例如，手表)中使用。

因而，在这些诸如腕表的便携物体中最常用的光源为发光二极管或LED。发光二极管的显著特征在于高亮度水平，因为在所消耗的电功率和所提供的光功率方面，发光二极管的整个发光能量从小的表面发射并且发光二极管具有比所有常规光源高的转换产出率。然而，由于该类型的二极管的减小的尺寸，难以使用发光二极管均匀地照亮显示装置。

本专利申请所附的图4A和4B示例了在当前装置中常用的两个用于注射由发光二极管产生的光的方案。在第一种情况(图4A)中，发光二极管20被设置为与光导22的输入直接相对。该配置对于由发光二极管20产生的光产生了高注射率(injection yield)。然而，因为作为朗伯(lambertian)型的发光二极管的典型发光瓣(luminous emitting lobe)，在光导22内部的光沿大量的不同方向传播。提取器24的光提取效率基本上依赖于其相对于光传播方向的取向。因此，在光导22的设计阶段和制造阶段，必须相对于发光二极管20的位置来确定并控制每个提取器24的取向。这在光提取器24为微棱镜的情况下会成为复杂的任务，并且在希望使用衍射阵列的情况下则几乎是不可能解决的。实际上，在后一情况下，必须开发具有曲线分布的衍射阵列。此外，利用该注射系统，由于发光二极管的瓣形发射分布，侧发光是不均匀的，在小注射角下的光注射率高于大注射角下的光注射率。