CN101203799A - 背光显示器中横向扩散光的光学元件和使用该元件的系统 - Google Patents

背光显示器中横向扩散光的光学元件和使用该元件的系统 Download PDF

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Abstract

显示系统(100)具有设置在光源(116a、116b)和显示面板(102)之间的半透射镜(120)。半透射镜包括朝向光源的光转向输入耦合元件(206)、朝向显示面板的光转向输出耦合元件(208)和输入耦合元件与输出耦合元件之间的多层反射器(204)。半透射镜横向地扩散光使得显示面板上的照明更均匀。半透射镜可以包括用于获得附加光扩散的位于输入耦合元件和输出耦合元件之间的透明基板(202)。光源可以位于受控透射镜内而不是位于受控透射镜背面。输出耦合元件(208)可以是非起偏的，因此透过受控透射镜的光是非偏振的；或者输出耦合剂元件是起偏的，因此输出光是偏振的。

Description

背光显示器中横向扩散光的光学元件和使用该元件的系统
相关申请
本申请涉及下述申请：与本发明同日提交并具有代理人卷号no.60708US002的名称为“颜色混合照明光单元和使用该单元的系统(COLOR MIXING ILLUMINATION LIGHT UNIT AND SYSTEMUSING SAME)”的美国专利申请No.11/166,722；与本发明同日提交并具有代理人卷号no.60709US002的名称为“边缘照明显示器中用于使光横向扩散的光学元件和使用该光学元件的系统(OPTICALELEMENT FOR LATERAL LIGHT SPREADING IN EDGE-LITDISPLAYS AND SYSTEM USING SAME)”的美国专利申请No.11/167,003；与本发明同日提交并具有代理人卷号no.60975US002的名称为“照明元件以及使用该元件的系统(ILLUMINATIONELEMENT AND SYSTEM USING SAME)”的美国专利申请No.11/167,001；以及与本发明同日提交并具有代理人卷号no.60976US002的名称为“偏振敏感照明元件以及使用该元件的系统(POLARIZATION SENSITIVE ILLUMINATION ELEMENT ANDSYSTEM USING SAME)”的美国专利申请No.11/167,019。
技术领域
本发明涉及光学照明设备和显示器，更具体地涉及由直接照明背光源照明的标志和显示系统。
背景技术
液晶显示器(LCD)是用于诸如膝上型计算机、手持计算器、电子表、电视机等装置中的光学显示器。一些LCD，例如LCD监视器和LCD电视机(LCD-TV)是利用位于LCD面板正后方的多个光源直接照明的。通常被称为直接照明式显示器的该装置越来越普遍地应用于较大的显示器。一个原因是要获得一定水平的显示器亮度所需的光功率需求量按照显示器尺寸的平方增加。另一方面，沿显示器的侧面设置光源的可用空间仅随着显示器尺寸线性地增加。因此，逐渐形成如下观点：要获得一定水平的亮度，必须将光源置于面板背面而非设置在侧面。由于诸如LCD-TV等一些LCD应用需要显示器足够亮，以至于与其它应用相比可以在更远的距离进行观看，而且LCD-TV所需的视角比LCD监视器和手持装置所需的视角宽，因此更经常看到使用直接照明光源的LCD-TV，即使对于相对较小的屏幕尺寸也是如此。
一些LCD监视器和大多数LCD-TV通常由多个冷阴极荧光灯(CCFL)从背面照明。这些光源是线性的并沿显示器的整个宽度延伸，其结果是通过由较暗区域分隔开的一系列亮带照明显示器的背面。这种照明分布是不能满足要求的，因此通常使用扩散片使LCD装置背面的照明分布平滑。
目前，LCD-TV扩散片使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的聚合物基体，该聚合物基体具有包括玻璃、聚苯乙烯微珠和CaCO3颗粒在内的多种分散相。当暴露在灯的高温下时，这些扩散片通常会发生变形或翘曲。此外，一些扩散片具有沿其宽度空间变化的扩散特性，以便使得LCD面板背面的照明分布更均匀。这种不均匀的扩散体有时称为印刷图案扩散体。它们制造起来较昂贵，并且由于该扩散图案在组装时必须对准照明光源而增加了制造成本。此外，需要定制化地挤出复合扩散片，以便于使扩散颗粒均匀地分散在聚合物基体中，这进一步增加了制造成本。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种光学系统，所述光学系统包括：成像面板，其具有照明侧和观看侧；以及至少第一光源和第二光源，其设置在所述成像面板的照明侧。受控透射镜位于所述成像面板和所述光源之间，并且包括朝向所述第一光源和第二光源的输入耦合元件以及朝向所述成像面板的输出耦合元件。所述受控透射镜还包括第一多层反射器，所述第一多层反射器设置在所述输入耦合元件和所述输出耦合元件之间，并与所述输入耦合元件和所述输出耦合元件的至少之一间隔开。所述第一多层反射器反射来自所述光源的法向入射光。所述输入耦合元件将从所述光源沿大致垂直于所述第一多层反射器的方向传播的光的至少一部分转向到透射通过所述第一多层反射器的方向。
本发明的另一个实施例涉及一种光学系统，所述光学系统包括：成像面板；以及至少第一光源，其设置在所述成像面板的背面。从所述第一光源到所述成像面板依次设置有：第一扩散片、第一多层反射器和第二扩散片。来自所述第一光源的至少一些光经过所述第一扩散片、所述第一多层反射器和所述第二扩散片朝向所述成像面板传播。从所述第一光源通出所述第二扩散片的光的强度分布在沿着从所述第一光源垂直于所述第一多层反射器的主表面的轴线的位置上具有最小值。
本发明的另一个实施例涉及一种受控透射镜，所述受控透射镜包括：光转向输入耦合元件；光转向输出耦合元件；以及第一多层反射器，其反射法向入射的第一波长的光。所述受控透射镜还包括对于所述第一波长的光基本透明的基板。所述基板具有侧面反射器，所述反射器设置成反射传输到所述基板的周围边缘的光。所述基板和所述第一多层反射器都设置在所述输入耦合元件和所述输出耦合元件之间。
本发明的上述概要说明不是为了描述本发明的每个示出实施例或者每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地说明这些实施例。
附图说明
结合附图根据以下对本发明各种实施例的详细描述可以更全面地理解本发明，其中：
图1示意性示出使用具有根据本发明原理的使光横向扩散元件的背光源的背光照明液晶显示设备；
图2A和图2B示意性示出根据本发明原理的受控透射镜的实施例的一部分的剖视图；
图3示意性示出根据本发明原理的受控透射镜的另一个实施例的一部分的剖视图；
图4A-图4D示意性示出根据本发明原理的用于受控透射镜的输入耦合元件的不同实施例的剖视图；
图5A-图5D示意性示出根据本发明原理的用于受控透射镜的输出耦合元件的不同实施例的剖视图；
图6A示意性示出根据本发明原理的偏振敏感受控透射镜的实施例的剖视图；
图6B和图6C示意性示出根据本发明原理的偏振敏感输出耦合元件的不同实施例；以及
图7A-图7C示意性示出根据本发明原理的受控透射镜的另一些实施例的一部分的剖视图，其中光源在受控透射镜内发光。
本发明可以具有各种变型和替代形式，其细节在附图中通过实例示出并将进行详细描述。然而，应该理解，其意图并非将本发明局限于所述的这些具体实施例。相反，其意图在于覆盖落入由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物及其替换形式。
具体实施方式
本发明适用于诸如液晶显示器(LCD或LC显示器)等照明标志和显示器，尤其适用于从背面直接照明的LCD，即所谓的直接照明式显示器。直接照明式显示器的一些示例性实例包括一些种类的LCD监视器和LCD电视机(LCD-TV)。
在图1中示出直接照明显示设备100的示例性实施例的示意性分解视图。这种显示设备100可以用于例如LCD监视器或LCD-TV中。显示设备100可以使用液晶(LC)面板102，LC面板102通常包括设置在面板基板106之间的LC层104。面板基板106通常由玻璃形成，并可以包括位于其内表面上的用于控制LC层104中的液晶取向的电极结构和配向层。电极结构通常排列成限定LC面板像素，即LC层上可以独立于相邻像素对液晶取向进行控制的区域。一个或多个面板基板106还可以包括用于在显示的图像上附加颜色的滤色片。
上吸收偏振片108位于LC层104上方，下吸收偏振片110位于LC层104下方。在示出的实施例中，上吸收偏振片108、下吸收偏振片110位于LC面板102之外。吸收偏振片108、110和LC面板102一起控制光从背光源112透射通过显示器100到达观看者。在未激活状态下，LC层104的像素不改变从中通过的光的偏振态。相应地，当吸收偏振片108、110垂直地排列时，上吸收偏振片108吸收通过下吸收偏振片110的光。另一方面，当像素激活时，从LC层104中通过的光的偏振态发生旋转，从而使得透射通过下吸收偏振片110的光的至少一部分也透射通过上吸收偏振片108。例如由控制器113选择性地激活LC层104的不同像素，使得光在某些需要的位置射出显示器，从而形成观察者可以看到的图像。控制器113可以包括例如计算机或接收并显示电视图像的电视控制器。在上吸收偏振片108上可以设置一个或多个可选层109，例如以便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109可以包括位于吸收偏振片108上的硬涂层。
一些类型的LC显示器可以以与上述方式不同的方式操作，因此在细节上与所述系统不同。例如，吸收偏振片可以平行排列，并且LC面板可以在非激活状态下使光的偏振态发生旋转。无论如何，这种显示器的基本结构仍然与上述结构相似。
背光源112产生光并将光导向LC面板102的背面。背光源112包括光混合腔114，该光混合腔包括用于产生光的多个光源116。光源116可以是诸如冷阴极荧光管等线性光源。也可以使用其它类型的光源，例如白炽灯或弧光灯、发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、平面荧光面板或外部荧光灯。所列出的光源不是限制性或穷举性的，而仅是示例性的。
光混合腔114可以包括底部反射器118，该底部反射器118反射从光源116沿着背离LC面板102的方向向下传播的光。如下所述，底部反射器118还可以用于在显示设备100内回收光。反射器118可以是镜面反射器或可以是漫反射器。可以用作底部反射器118的镜面反射器的一个实例是可从3M Company，St.Paul，Minnesota购得的VikuitiTM Enhanced Specular Reflection(ESR)膜。合适的漫反射器的实例包括充填有诸如二氧化钛、硫酸钡、碳酸钙等漫反射颗粒的诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等聚合物。在共同拥有的美国专利No.6,780,355中讨论了漫反射器的其它实例，包括微孔材料和含小纤维材料。
光混合腔114还包括设置在光源116和LC面板102之间的受控透射镜120。该受控透射镜120反射光混合腔114内的一部分光，并在使来自每个光源116的光横向扩散后允许一部分光从光混合腔114中射出。使光横向扩散有助于使从光混合腔114射出的光的强度分布变得更均匀，从而使得观看者看到更均匀照明的图像。此外，在不同的光源116产生不同颜色光的情况下，使光横向扩散使得不同颜色的混合更彻底。下面将更详细地讨论受控透射镜120的操作。
光混合腔114还可以设置有反射壁122。反射壁122可以由例如与用于底部反射器118的镜面反射或漫反射材料相同的材料制成，或由一些其它类型的反射材料制成。
可以在光混合腔114和LC面板102之间设置一组光控制层124。光控制层124影响从光混合腔114传播的光从而改善显示设备100的操作。例如，光控制层124可以包括反射偏振片126。上述结构是有益的，这是因为光源116通常产生非偏振光而下吸收偏振片110仅透射单一偏振态的光。这样，光源116产生的光的大约一半不适合透射到达LC层104。然而，反射偏振片126可以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110吸收的光，因此可以通过在反射偏振片126和光混合腔114之间的反射而回收光。反射偏振片126反射的光可以随后由受控透射镜120反射，或该光可以重新进入光混合腔114并由底部反射器118反射。可以将反射偏振片126反射的光的至少一部分去偏振，并随后以透射通过反射偏振片126和下吸收偏振片110到达LC面板102的偏振态返回到反射偏振片126。以这样的方式，反射偏振片126可以用于提高光源116发出的光中到达LC面板102的比例，从而使得由该显示设备100产生的图像更亮。
可以使用任何合适类型的反射偏振片，例如多层光学膜(MOF)反射偏振片；漫反射偏振膜(DRPF)，例如连续相/分散相偏振片；线栅反射偏振片；或胆甾型反射偏振片。
MOF和连续相/分散相反射偏振片都依赖于至少两种材料(通常为聚合物材料)之间的折射率差来选择性地反射一个偏振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中描述了MOF反射偏振片的一些实例。可购得的MOF反射偏振片的实例包括可从3M Company，St.Paul，Minnesota得到的包括漫射表面的VikuitiTM DBEF-D200和DBEF-D400多层反射偏振片。
可用于本发明的DRPF实例包括在共同拥有的美国专利No.5,825,543中描述的连续相/分散相反射偏振片和例如在共同拥有的美国专利No.5,867,316中描述的漫反射多层偏振片。在美国专利No.5,751,388中描述了其它合适类型的DRPF。
可用于本发明的线栅偏振片的一些实例包括在美国专利No.6,122,103中描述的那些线栅偏振片。线栅偏振片可特别从MoxtekInc.，Orem，Utah购得。
可用于本发明的胆甾型偏振片的一些实例包括例如在美国专利No.5,793,456和美国专利No.6,917,399中描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，以便将透射通过胆甾型偏振片的光转换成线性偏振态。
可以在光混合腔114和反射偏振片126之间设置偏振混合层128，以帮助混合反射偏振片126反射的光的偏振态。例如，偏振混合层128可以是诸如四分之一延迟层等双折射层。
光控制层124还可以包括一个或多个增亮层130a、130b。增亮层是包括将离轴光改向到更靠近显示器轴的传输方向的表面结构的层。这控制了透过LC面板102的照明光的视角，并通常增加了轴向通过LC面板102的光量。从而增加了观察者看到的图像的轴向亮度。
增亮层的一个实例具有通过折射和反射的组合使照明光改向的多个棱柱形脊部。可用于显示设备中的棱柱形增亮层的实例包括可得自3M Company，St.Paul，Minnesota的VikuitiTM BEFII和BEFIII类棱柱形膜，包括BEFII90/24、BEFII90/50、BEFIIIM90/50和BEFIIIT。尽管可以仅使用一个增亮层，但是通常的方法是使用结构取向彼此成大约90°的两个增亮层130a、130b。这样的交叉结构能够在两个维度上控制照明光的视角，即水平视角和竖直视角。
现在参考图2A描述受控透射镜的一个具体实施例。该图示出光混合腔114的一部分，包括一些光源116a、116b、底部反射器118与受控透射镜120的一部分和侧面反射器122。受控透射镜120有利地为直接照明式显示器提供均匀的背光照明，上述直接照明式显示器使用诸如CCFL等线性光源或诸如LED等类点光源，但也可以使用其它类型的光源。受控透射镜120可以包括对于光源116a、116b产生的光来说基本透明的基板202。宽带多层反射器204设置在基板202的至少一侧。在示出的实施例中，多层反射器204设置在基板202的下侧。可以使用粘接剂或不使用粘接剂例如通过层压将多层反射器204安装在基板202上。在示出的实施例中，多层反射器204层压在基板202的朝向光源116a、116b的一侧上。
基板202可以由任意合适的有机或无机透光材料(例如聚合物或玻璃)形成。合适的聚合物材料可以是非结晶或半结晶的，并可以包括均聚物、共聚物或其共混物。示例性聚合物材料包括但不限于非结晶聚合物，例如：聚(碳酸酯)(PC)；聚苯乙烯(PS)；丙烯酸酯系树脂，例如购自Cyro Industries，Rockaway，New Jersey的ACRYLITE牌的丙烯酸系树脂片；丙烯酸共聚物，例如丙烯酸异辛酯/丙烯酸共聚物；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；PMMA共聚物；环烯烃聚合物；环烯共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)；苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)；环氧树脂；聚乙烯基环己烷；PMMA/聚氟乙烯共混物；无规聚丙烯；聚苯醚合金；苯乙烯嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚氯乙烯；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；聚氨酯；以及半结晶聚合物，例如：聚乙烯；聚丙烯；聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚碳酸酯/脂肪族PET共混物；聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯/聚乙烯共聚物；乙酸纤维素；乙酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物；PET-PEN共聚物，和透明玻璃纤维面板。可以使这些材料中的一些材料(例如PET、PEN及其共聚物)取向，使得材料的折射率不同于各向同性材料的折射率。
输入耦合元件206设置在多层反射器204的下侧，而输出耦合元件208设置在基板202的上侧。输入耦合元件206和输出耦合元件208用于改变至少一部分射入这些耦合元件206、208的光的方向，以便将光耦合到受控透射镜120中或从受控透射镜120耦合出。输入耦合元件206和输出耦合元件208的示例性实施例包括扩散片(表面扩散片和体扩散片)和微复制表面。下面将更详细地描述输入耦合元件206和输出耦合元件208的一些示例性实施例。输出耦合元件208可以与输入耦合元件206相同，例如输入耦合元件206和输出耦合元件208都为体扩散片，或者输出耦合元件208可以与输入耦合元件206不同。可以将输入耦合元件206和输出耦合元件208层压或者以其它方式与基板202和多层反射器204一体地形成。
多层介质反射器204通常由形成介质堆的基础构造块的光学重复单元构成。光学重复单元通常包括由至少高折射率材料和低折射率材料制成的两层或更多层。使用这些构造块，可以将多层反射器设计成反射红外光波长、可见光波长或紫外光波长，以及反射一对给定正交光偏振态中的一个或两个偏振态的光。通常，通过根据下述关系式控制层的光学厚度将堆构造成反射特定波长λ的光：
λ＝(2/M)*Dr
其中，M是表示光反射级的整数，而Dr是光学重复单元的光学厚度。对于第一反射级(M＝1)，光学重复单元具有λ/2的光学厚度。简单的1/4波堆包括多个层，其中每个层具有4/λ的光学厚度。宽带反射器可以包括调节到各种波长的多个1/4波堆、在整个堆上具有连续分级的层厚的堆或者其组合。多层反射器还可以包括非光学层。例如，共挤聚合物介质反射器可以包括用于帮助形成反射器膜并保护反射器的保护边界层和/或表层。在名称为“多层光学膜(MultilayerOptical Film)”的已公布PCT专利申请WO95/17303和美国专利No.6,531,230中描述了尤其适用于本发明的聚合物光学堆。在另一些实施例中，介质堆可以是无机材料堆。用于低折射率材料的一些合适的材料包括SiO2、MgF2和CaF2等。适用于高折射率材料的一些合适的材料包括TiO2、Ta2O5、ZnSe等。然而，本发明不限于四分之一波堆，并更一般地适用于包括例如计算机优化的堆和随机层厚度堆在内的任意介质堆。
介质堆对特定波长的光的反射部分地取决于通过堆的传播角。可以将多层反射器看作对于在堆中以某一角度传播的光具有反射带分布(例如，带中心和带边)。该带分布随着堆中的传播角的改变而改变。堆中的传播角通常与入射角和堆与周围介质的材料折射率相关。随着堆中的传播角改变，反射带分布的带边的波长改变。典型的是，对于所研究的聚合物材料，当在空气中切向入射时，反射器的带边偏移到其法向入射时的值的大约80％。该效应在美国专利No.6,208,466中有更详细的描述。当使用折射率高于空气折射率的介质将光耦合到反射器中时，带边进一步发生大的偏移。此外，p偏振光的带边偏移通常大于s偏振光的带边偏移。
反射带分布对角度的依赖性(例如带边随着角度而偏移)源自于有效层厚的变化。随着角度从法向入射增大，反射带朝向较短的波长偏移。当通过给定层的总光程长度随着角度增大时，带位置随角度的变化不取决于通过层的总光程长度随角度的变化。相反，带位置取决于从给定层的上下表面反射的光线之间的光程差。如熟知的公式n·d·cosθ所示，该光程差随着入射角增大而减小，上述公式用于计算波长λ，对于该公式给定层调节为λ/4厚层，其中n是层的折射率而θ是光相对于层的法线的传播角。
以上说明描述了反射带分布的带边如何随着角度而改变。如本文所述，术语带边通常指的是多层反射器从基本反射改变到基本透射的区域。该区域可以是相当尖锐的并被描述为单个波长。在其它情况下，反射和透射之间的过渡更缓和，并可以用中心波长和带宽进行描述。然而，在上述任何情况下，在带边的任一侧反射率和透射率之间存在很大的差。
随着特定波长的光在堆中以增大的传播角(从垂直于重复单元界面的轴线测量)进行传播，光接近带边。在一个实例中，当以足够大的传播角传播时，堆对于该特定波长的光变得基本透光并且该光将透射通过该堆。这样，对于给定波长的光，堆具有：相关的传播角，在小于该传播角时堆基本反射光；以及另一传播角，当大于该另一传播角时该堆基本透射光。相应地，在特定的多层堆中，每一波长的光可以被认为具有：对应角，在小于该角时发生基本反射；以及对应角，在大于该角时发生基本透射。带边越尖锐，对于相关波长这两个角度越接近。为了在本说明书中进行描述，做出这样的近似：这两个角相同并且值为θmin。
上述说明描述了给定堆中的单色光随着传播角的增大而从反射转变到透射的方式。如果使用具有不同波长成分的混合光照明堆，那么对于不同波长成分来说，反射堆从反射光转变到透射光时的角θmin是不同的。由于带边随着角度增大而移动到较短的波长，所以对于波长较长的光来说θmin值较低，从而可能允许比较短波长光更多的较长波长光透射通过多层反射器。在一些实施例中，期望通过受控透射镜射出的光的颜色相对均匀。平衡颜色的一种方法是使用输入和输出耦合元件，该输入和输出耦合元件将比较长波长光更多的较短波长光耦合到受控透射镜中。
如下面参考图4A和图5A所讨论的，这种耦合元件的一个实例是包括分散于聚合物基体内的扩散颗粒的体扩散片。该扩散颗粒具有不同于周围基体的折射率。漫散射的本质在于：在其它情况都相同的条件下，与较长波长光相比更多的较短波长光被散射。
此外，散射度依赖于颗粒和周围基体之间的折射率差。如果较短波长下的折射率差较大，那么更多的短波长光被散射。在漫射耦合元件的一个具体实施例中，基体由双轴拉伸的PEN形成，当光是s偏振光时，该材料的面内折射率对于红光为大约1.75，而对于蓝光为大约1.85，即具有高色散。面内折射率是对于电矢量平行于膜平面偏振的光的折射率。对于平行于膜的厚度方向偏振的光，面外折射率是大约1.5。因为p偏振光经历面内折射率和面外折射率结合的有效折射率，因此对于p偏振光的折射率比对于s偏振光的折射率低。基体内的颗粒具有高折射率，例如二氧化钛(TiO2)颗粒的折射率大约为2.5。在450nm-650nm的范围内TiO2的折射率的变化量大约为0.25，该值大于在相似波长范围内PEN的大约为0.1的折射率变化量。因此，在可见光谱范围内，颗粒和基体之间的折射率差的变化量大约为0.15，从而使得蓝光的散射增加。因此，在可见光谱范围内颗粒和基体之间的折射率差发生很大改变。
这样，由于漫散射机理对波长的依赖性以及在可见光谱范围内折射率差的巨大差异，蓝光散射到多层反射器中的程度相对较高，这至少部分地补偿较短波长处的较大θmin值。
例如下面参考图4B-图4D和图5B-图5D的描述，输入和输出耦合元件的另一些实施例主要依靠使光线转向的折射效应。例如，耦合元件可以具有用于将光耦合到多层反射器内或从多层反射器耦合出的表面结构或全息特性。对于较短波长，正常材料色散产生较大的折射效应。因此，依靠折射效应的输入和输出耦合元件可以部分地补偿较短波长处的较大θmin值。
因此，在理解到进入受控透射镜的光的θmin值可以具有大的变化量的基础上，下面的描述中为了简化起见仅指单一值θmin。
系统设计者可以用来控制通过多层反射器的光量的另一个效应是选择布儒斯特角，布儒斯特角即p偏振光无反射损耗地透射通过多层反射器的角度。对于多层反射器中的折射率为n1和n2的相邻的各向同性层1和2，对于从层1传输到层2的光来说，层1中的布儒斯特角θB的值由表达式tanθB＝n2/n1给出。因此，可以选择用于多层反射器的不同层中的具体材料以便提供所需的布儒斯特角值。
多层反射器的布儒斯特角的存在提供另一种使光透过反射器的机理，而不依靠输入和输出耦合层来使光转向较大的角。随着p偏振光在受控透射镜中的角度增大，在布儒斯特角时反射带基本消失。角度大于布儒斯特角时，反射带重新出现并继续偏移到较短波长。
在某些实施例中，可以设定蓝光的θB值小于θmin，而红光的θB值大于θmin。该设置使得蓝光通过多层反射器的透射增加，如此至少部分地补偿较短波长光的较大θmin值。
来自光源116a的至少一部分光朝向受控透射镜120传播。以光线210为示例的一部分光通过输入耦合元件206，以大于θmin的角入射到多层反射器204上，并透射进入基板202。本文中描述的角度为相对于多层反射器204的法线230的角度。以光线212作为示例的另一部分光以小于θmin的角入射到输入耦合元件206中，但是由输入耦合元件206转向到至少等于θmin的角度，并通过多层反射器204透射进入基板202。以光线214作为示例的来自光源116a的另一部分光透过输入耦合元件206，并以小于θmin的角度入射到多层反射器204上。因此，多层反射器204反射光214。θmin值由下述量决定：即在光以光源116a发射的波长透射通过多层反射器204之前，多层反射器204的带边偏移量。
在一些实施例中，需要以如下方式将多层反射器204安装到基板202上：即，避免多层反射器204和基板202之间存在空气层或折射率相对较低的其它一些材料层。基板202和多层反射器204之间的这种紧密光学耦合降低光在到达基板202之前在多层反射器204上发生全内反射的可能性。
光在基板内的最大角θmax由输入耦合元件206的相对折射率ni和基板的相对折射率ns决定。当输入耦合元件206是表面耦合元件时，ni值等于其上形成表面的材料的折射率。从输入耦合元件206到基板202的传播满足斯涅耳定律。如果假定光以接近90度的切向入射方式入射到输入耦合元件206和基板202之间的界面上，那么θmax的值由下面的表达式给出：
θmax＝sin-1(ni/ns)
因此，在ns值等于或者小于ni值的情况下，光可以沿着基板202以θ＝90°的方向传播。较大的θmax值使得光的横向扩散增加，从而增加亮度均匀度。
输出耦合元件208用于从受控透射镜120中提取至少一部分光。
例如，输出耦合元件208扩散光212的一部分，以便使其透过受控透射镜120成为光220。
基板内的另一部分光，例如光线222可以不由输出耦合元件208转向。如果光222以大于输出耦合元件的临界角的角度入射到输出耦合元件208的上表面上，其中临界角θc＝sin-1(1/ne)，ne是输出耦合元件的折射率，那么光222在输出耦合元件208中发生全内反射并被重新导向基板202成为光224。反射光224可以随后在输入耦合元件206的下表面发生全内反射。可选的是，光224可以随后由输入耦合元件206转向并朝向底部反射器118透过受控透射镜120。
如果以至少等于θmin的角射入基板202的光以大于θc的角入射到输出耦合元件208上，那么没有转向至输出耦合元件208之外的光通常在输出耦合元件208内发生全内反射。然而，如果以θmin角射入基板的光以小于θc的传播角到达输出耦合元件208，那么该光的一部分甚至不被输出耦合元件208转向就透射通过输出耦合元件208，并在输出耦合元件208和空气之间的界面上经历菲涅耳反射损耗。因此，存在使光经历多次反射并在光混合腔114内改变其方向的多种可能。光还可以在基板202内和/或受控透射镜120与底部反射器118之间的空间内横向传播。这些多种效应结合起来增加光横向扩散和被提取以产生亮度更均匀的背光照明的可能性。
除了多层反射器具有小于θmin的布儒斯特角θB值的可能性之外，对于从光源116a发出的光还存在禁止角度区域θf。该禁止角度区域θf具有θmin的半角并位于光源116a的上方。在禁止角度区域内光不能透过多层反射器204。在受控透射镜120上方的曲线图中示意性示出这一点。该曲线图示出从光源116a发射的光的定性亮度曲线，最小值在光源116a的正上方的位置，该位置对应于轴线230。当仅从光源116a发出光时可以看到该光源的上方存在暗区。然而，来自相邻光源(例如光源116b)的光可以从轴线230上的位于光源116a的垂直上方的点射出受控透射镜120，这样，使用该受控透射镜120的背光源有效地将来自不同光源的光混合。
反射器122可以覆盖基板202的一个或多个边缘。这样，在不设置反射器122的情况下会从基板202射出的光将被反射回到基板202中成为光226，并且可以从受控透射镜120提取成为可用照明光。反射器122可以为任何合适类型的反射器，包括多层介质反射器、基板202边缘上的金属涂层、多层聚合物反射器、扩散聚合物反射器等。在图示实施例中，位于基板202侧面的反射器122与用于光混合腔114附近的反射器相同，但是这并非旨在限制本发明，位于基板202边缘附近的反射器可以与光混合腔114的侧面反射器不同。
根据以上提供的对受控透射镜的描述，可以看出输入耦合元件206的作用是使至少一部分光转向，使其以至少等于θmin的角度入射到多层反射器204中，否则这些光将以小于θmin的角入射到多层反射器204中。此外，输出耦合元件208的作用是使至少一部分光转向，使其射出受控透射镜120，否则该光在受控透射镜120内发生全内反射。
如图2B示意性所示，可选的是，受控透射镜120可以设置有位于基板202两侧的两个多层反射器204、205。多层反射器204、205优选地但不是必须地具有相同的θmin值。
受控透射镜还可以具有设置在基板202的背离光源116的侧面上的单个多层反射器，同时还保持有效地控制在受控透射镜120内传播的光的角度范围。在图3中示意性示出这种结构的示例性实施例。当来自光源116a的光312以小于θmin的角度入射到多层反射器205上时，光由多层反射器205反射并可以返回并射出输入耦合元件206成为光317。由多层反射器205反射的光还可以由输入耦合元件206转向从而使其以较大的角度返回基板202。例如，多层反射器205使光线314转向，随后该光线在输入耦合元件206的下表面发生全内反射并被反射返回基板202。全内反射光线316随后以大于θmin的角度返回多层反射器205中并透射通过多层反射器205。
来自光源116a的另一些光可以以大于θmin的角度入射到多层反射器205中，从而透射通过多层反射器205到达输出耦合元件208。例如与示例光线318一样，该光可以在输出耦合元件208的表面上发生全内反射，或者例如与示例光线320一样转向射出输出耦合元件208。
虽然来自光源116的光很少(如果有的话)从光源116a的上方(即沿着轴线330或接近轴线330)垂直地射出受控透射镜120，但是来自相邻光源例如光源116b的光可以从光源116a正上方，即在轴线330处或接近轴线330处从受控透射镜120射出。如果光源116a、116b的间隔彼此太靠近，那么每个光源116a、116b的“禁止区域”交叠，从而产生受控透射镜120的至少不能从光源116a、116b提取光的区域。因此优选的是以间隔d设置相邻光源116a、116b，d的值至少大约为d＝h·tan(θmin)，其中h是基板202的厚度。由于该表达式假设基板202的厚度远远大于多层反射器205、输入耦合元件206和输出耦合元件208的厚度，以至于可以忽略这些层205、206、208的厚度，因此该表达式仅是一种近似。当需要从最近的相邻光源上方提取某一光源的光时，相邻光源116a、116b的间隔和基板202的厚度之间的上述关系是合适的。可以为设计光提取元件而选择另一些条件。例如，光提取元件可以设计成不从最近的相邻光源上方而是从第二接近的相邻光源上方提取来自一个光源的光。
现在参考图4A-图4D讨论不同类型的输入耦合元件的示例性实施例。在这些实施例中，多层反射器404位于基板和输入耦合元件406之间。在另一些未示出的示例性实施例中，基板可以位于输入耦合元件和多层反射器之间。
在图4A中，受控透射镜的示例性实施例420包括输入耦合元件426、多层反射器404、基板402和输出耦合元件408。在该具体实施例中，输入耦合元件426是体扩散层，其包括分散在透光基体426b中的扩散颗粒426a。以小于θmin的角度射入输入耦合元件426中的光的至少一部分，例如光线428在输入耦合元件426中以大于θmin的角度散射并随后透射通过多层反射器404。一些光，例如光线430在输入耦合元件426内没有散射到足以通过多层反射器404的角度，并且被多层反射器404反射。用于透光基体426b的合适材料包括但不限于本文所列的适用于基板的聚合物。
扩散颗粒426a可以是可以用于扩散光的任意类型的颗粒，例如折射率不同于周围聚合物基体的透光颗粒、漫反射颗粒、或基体426b中的空隙或气泡。合适的透光颗粒的实例包括：实心或空心无机颗粒，例如玻璃微珠或玻璃薄片；实心或空心聚合物颗粒，例如实心聚合物球或空心聚合物薄片。漫反射颗粒的合适实例包括二氧化钛(TiO2)、碳酸钙(CaCO3)、硫酸钡(BaSO4)、硫酸镁(MgSO4)等颗粒。此外，基体426b中的空隙可以用于扩散光。可以使用例如空气或二氧化碳等气体填充这种空隙。
在图4B中示意性示出受控透射镜的另一个示例性实施例440，其中输入耦合元件446包括表面扩散片446a。表面扩散片446a可以设置在多层反射器404的底层上或设置在安装于多层反射器404上的单独层上。可以使用模制、压印、浇注或其它方法制备表面扩散片446a。
入射在输入耦合元件446上的光的至少一部分，例如光线448，由表面扩散片446a散射以便以大于θmin的角度传播并由此透射通过多层反射器404。一些光，例如光线450没有被表面扩散片446a散射到足以通过多层反射器404的角度并被反射。
在图4C中示意性示出受控透射镜的另一个示例性实施例460，其中输入耦合元件466包括具有小面467a和467b的微复制结构467。结构467可以设置在多层反射器404的底层上或设置在安装于多层反射器404上的单独层上。结构467与表面扩散片446a的不同之处在于：表面扩散片446a包括大体无规则的表面结构，而结构467包括具有限定出的小面467a、467b的更规则的结构。
入射到输入耦合元件466上的光的至少一部分，例如入射到小面467a上的光线468，不以角度θmin到达多层反射器404而是在小面467a上发生折射。相应地，光线468透射通过多层反射器404。一些光，例如光线470由小面467b折射成小于θmin的角度并由此被多层反射器404反射。
在图4D中示意性示出受控透射镜的另一个示例性实施例480，其中输入耦合元件486具有与多层反射器404光学接触的表面部分482和不与多层反射器404光学接触的其它表面部分484，在元件486和多层反射器404之间形成空隙488。空隙488的存在使得入射光的一部分发生全内反射(TIR)。这种类型的耦合元件被称为TIR输入耦合元件。
入射在输入耦合元件486上的光的至少一部分，例如入射到非接触表面部分484上的光线490，不以角度θmin到达多层反射器404而是在表面484上发生全反射。相应地，光线490透射通过多层反射器404。一些光，例如光线492透射通过接触表面部分482到达多层反射器404。该光以小于θmin的角度入射到多层反射器404上并由此被多层反射器404反射。
在美国专利No.5,995,690中更详细地描述了其它类型的TIR输入耦合元件。
除了本文详细描述的那些输入耦合元件以外，可以使用其它类型的输入耦合元件，例如包括表面或体全息照相的输入耦合元件。此外，输入耦合元件可以结合转向光线的不同方法。例如，输入耦合元件可以将表面处理，例如表面结构、表面散射图案或表面全息照相与体扩散颗粒结合。
在一些实施例中需要输入耦合元件和输出耦合元件每个都具有相对较高的折射率，例如相当于或高于多层反射器404的平均折射率(高折射率层和低折射率层的平均折射率)。输入和输出耦合元件的较高折射率有助于增大光传播通过多层反射器404时的角度，从而获得较大的带边偏移。这转而可以增加透过受控透射镜的短波长的光量，从而使得背光照明的颜色更均匀。可以用于输入和输出耦合元件的高折射率聚合物材料的合适实例包括双轴拉伸的PEN和PET，根据拉伸量，这两种材料对于633nm波长的光可以分别具有1.75和1.65的面内折射率值。
与为输入和输出耦合元件选择的材料相对应，应该选择这样的基板：即其折射率不引起阻止限量的光以大角度射入或射出的TIR。相反地，为基板选择低折射率会使得光在从折射率高于基板的输入耦合元件射入基板后在基板内以大传播角传播。选择这两个效应以在光的颜色平衡和横向扩散方面优化系统的性能。
可以将相似的方法用于输出耦合元件。例如，在图5A中示意性示出的受控透射镜520具有输入耦合元件506、多层反射器504、基板502和输出耦合元件528。在该具体实施例中，输出耦合元件528是体扩散层，包括分散于透光基体528b内的扩散颗粒528a。上面关于图4A的输入耦合元件426讨论了适合用作扩散颗粒528a和基体528b的材料。
从基板502射入输出耦合元件528的光的至少一部分，例如光线530，可以由输出耦合元件528中的扩散颗粒528a散射并随后透射出输出耦合元件528。一些光，例如光线532，不在输出耦合元件528中发生散射，而是以入射角θ入射到输出耦合元件528的上表面529上。如果对于基板528b的材料来说，θ值等于或大于临界角θc，那么如图所示，光532在表面529上发生全内反射。
在图5B中示意性示出受控透射镜的另一个示例性实施例540，其中输出耦合元件548包括表面扩散片548a。如图所示，表面扩散片548a可以设置在基板502的上表面上，或设置在安装于基板502上的单独层上。
在基板502内传播的一些光，例如光550，入射到表面扩散片548a上并散射出受控透射镜540。另一些光，例如光552，不被表面扩散片548a散射。根据在表面扩散片548a上的入射角，如图所示，光552可能发生全内反射，或者一些光透射出受控透射镜540而一些光被反射返回基板502内。
在图5C中示意性示出受控透射镜的另一个示例性实施例560，其中输出耦合元件566包括具有小面567a和567b的微复制结构567。如图所示，结构567可以设置在安装于基板502上的单独层568上，或与基板502本身的上表面成为一体。结构567与表面扩散片548a的不同之处在于：表面扩散片548a包括大体无规则的表面结构，而结构567包括具有限定出的小面567a、567b的更规则的结构。
在基板502内传播的一些光，例如光570，入射到表面扩散片结构567上并折射出受控透射镜560。另一些光，例如光572，不被结构567折射出光混合层560，而是返回到基板502。光从受控透射镜560射出的传播角的具体范围取决于多个因素，至少包括构成受控透射镜560的不同层的折射率和结构567的形状。
在图5D中示意性示出受控透射镜的另一个示例性实施例580，其中输出耦合元件586包括光耦合带，该光耦合带具有与基板502光学接触的表面部分582和不与基板502光学接触的其它表面部分584，从而在元件586和基板502之间形成空隙588。
入射到输出耦合元件586上的光的至少一部分，例如光线590，入射在基板表面的一部分，该部分不与输出耦合元件586接触但与空隙588相邻，因此光590在基板502内发生全内反射。一些光，例如光线592，可以透射通过接触表面部分582并在非接触表面部分584上发生全内反射，并由此耦合到受控透射镜580外。
除了本文详细描述的那些输出耦合元件，可以使用其它类型的输出耦合元件。此外，输出耦合元件可以结合将光转向到受控透射镜之外的不同方法。例如，输出耦合元件可以将如诸表面结构或表面散射图案等表面处理与体扩散颗粒结合。
在一些实施例中，输出耦合元件可以构造成在输出耦合元件上对光的提取程度是均匀的。在另一些实施例中，输出耦合元件可以构造成在输出耦合元件上将光提取出受控透射镜的程度是不均匀的。例如，在图5A中所示的输出耦合元件528的实施例中，扩散颗粒528a的密度在输出耦合元件528上可以是变化的，因此从输出耦合元件528的一些部分提取的光的比例与其它部分相比更高。在示出的实施例中，在输出耦合元件528的左侧，扩散颗粒528a的密度较高。同样，图5B-图5D中示出的输出耦合元件548、568、586可以设计并构造成：从输出耦合元件548、568、586的一些部分提取的光的比例比其它部分更高。从受控透射镜提取光的程度的非均匀性，例如从受控透射镜的包含较多光的部分提取较小比例的光并且从受控透射镜的包含较少光的部分提取较大比例的光，可以使朝向LC面板传播的照明光的亮度分布更均匀。
输入耦合元件和输出耦合元件两者的反射率可以影响光在受控透射镜内的反射次数，并由此影响提取光的均匀性。均匀度的代价是因为输入耦合元件、多层反射器和输出耦合元件的吸收而引起的亮度损耗。适当选择材料和材料处理条件可以减少该吸收损耗。
在一些示例性实施例中，受控透射镜可以是偏振敏感的，因此优选地从光混合腔中提取一个偏振态的光。图6A示意性示出偏振敏感受控透射镜620的一个示例性实施例的横截面。受控透射镜620包括可选基板602、多层反射器604、输入耦合元件606和偏振敏感输出耦合元件628。在此使用三维坐标系来阐述下述说明。任意设定坐标系的轴线使得受控透射镜620平行于x-y平面，z轴为穿过受控透射镜620厚度的方向。在图6A中示出的横向尺寸平行于x轴而y方向沿着垂直于附图的方向延伸。
在一些实施例中，通过包括两种材料的输出耦合元件628实现仅提取在基板602内传播的一种偏振态的光，两种材料例如为不同聚合物相，其中至少一种为双折射的。在示出的示例性实施例中，输出耦合元件628具有散射元件628a，该散射元件628a由第一材料形成并嵌入由第二材料形成的连续基体628b。该两种材料的折射率对于一种偏振态的光基本匹配(matched)，而对于正交偏振态的光不匹配。散射元件628a和基体628b中之一或两个可以是双折射的。
例如，如果折射率对于在x-z平面内偏振的光基本匹配并且第一和第二材料的折射率分别为n1和n2，那么得到这样的条件n1x≈n1z≈n2x≈n2z，其中下标x和z分别表示对于平行于x和z轴偏振的光的折射率。如果n1y≠n2y，那么平行于y轴偏振的光，例如光630在输出耦合元件628中发生散射并透过受控透射镜620。在x-z平面内偏振的正交偏振光，例如光线632，在经过输出耦合元件628时基本维持不发生散射，这是因为对于该偏振态的折射率是匹配的。因此，如果光632以等于或大于连续相628b的临界角θc的角度入射到输出耦合元件628的上表面629上，如图所示，则光632在表面629上发生全内反射。
为了保证从输出耦合元件628中提取的光是高度偏振的，匹配折射率优选地在至少±0.05以内匹配，更为优选的是在±0.01以内匹配。这减少了一种偏振态的散射量。y偏振光的散射量取决于多个因素，包括折射率的失配量、一种材料相与另一种相的比值和分散相的相区大小。使y偏振光在输出耦合元件628内向前散射的量增大的优选范围包括：折射率差为至少大约0.05，颗粒尺寸在大约0.5μm到大约20μm的范围内，颗粒填充率高达大约10％或更多。
可以使用不同构造的偏振敏感输出耦合元件。例如，如图6B示意性示出，在输出耦合元件648的实施例中，散射元件648a构成连续基体648b中的聚合物颗粒分散相。注意到该图示出输出耦合元件648在x-y平面内的剖视图。例如通过沿着一个或多个方向拉伸，取向散射元件648a和/或基体648b的双折射聚合物材料。在共同拥有的美国专利5,825,543和6,590,705中更详细地描述了分散相/连续相偏振元件。
在图6C的剖视图中示意性示出输出耦合元件658的另一个实施例。在该实施例中，散射元件658a设置成基体658b中的纤维的形式，例如聚合物纤维或玻璃纤维。纤维658a可以是各向同性的而基体658b是双折射的，或者纤维658a可以是双折射的而基体658b是各向同性的，或者纤维658a和基体658b都是双折射的。基于纤维的偏振敏感输出耦合元件658中的光的散射至少部分地取决于纤维658a的大小和形状、纤维658a的体积分数、输出耦合元件658的厚度和影响双折射量的取向度。可以提供不同类型的纤维作为散射元件658a。一种合适类型的纤维658a是由可以为各向同性或双折射的一种类型聚合物材料形成的简单聚合物纤维。在美国专利申请No.11/068,159中更详细地描述了设置在基体658b中的该类纤维658a的实例。适用于输出耦合元件658的另一个聚合物纤维实例是复合聚合物纤维，其中由一种聚合物材料形成的多个散射纤维设置在另一种聚合物材料的填充物中，从而形成所谓的“海岛”结构。散射纤维和填充物之一或两者可以是双折射的。散射纤维可以由单一聚合物材料形成或可以由两种或更多种聚合物材料形成，例如在连续相中的分散相。在美国专利申请No.11/068,158和美国专利申请No.11/068,157中更详细地描述了复合纤维。
应该理解到输入耦合元件也可以是偏振敏感的。例如，当非偏振光入射到受控透射镜上时，可以用偏振敏感散射输入耦合元件将一个偏振态的光散射到受控透射镜中，允许正交偏振态的光被多层反射器反射返回到底部反射器。然后可以使反射光的偏振态在光返回受控透射镜之前混合。这样，输入耦合元件基本上只允许一种偏振态的光进入受控透射镜。如果受控透射镜的不同层保持光的偏振态，那么即使使用了非偏振敏感输出耦合元件，也基本上只能从受控透射镜中提取一种偏振态的光。输入和输出耦合元件可以都是偏振敏感的。任意用作输出耦合元件的偏振敏感层也可以用作输入耦合元件。
在受控透射镜的另一些实施例中，尤其是适合诸如发光二极管(LED)的类点光源的实施例中，可以将光源布置在受控透射镜本身内。在图7A的剖视图中示意性示出这种方法的一个示例性实施例。受控透射镜720具有基板722、多层反射器724和输出耦合元件728。基板722的下表面上可以设置有转向层726。侧面反射器732可以设置在受控透射镜720边缘的周围。侧面反射器可以用于反射传播出基板722的外缘的任意光。
转向层726可以包括使光偏转的透射偏转层726a，例如用作输入耦合元件的上述任意层，包括体扩散片或表面扩散片或结构化表面。透射偏转层726a可以与底部反射器718一起使用，底部反射器718反射已经透射通过偏转层726a的光。底部反射器718可以是任意合适类型的反射器。底部反射器718可以是镜面反射器或漫反射器，并可以由例如金属化反射器或MOF反射器形成。如图所示，底部反射器718可以安装到透射偏转层726a上，或者可以与透射偏转层726a分离。然而，转向层726在该实施例中不是指输入耦合元件，这是因为转向层726不用于将光耦合到受控透射镜720中。可以提供不同构造的转向层726。在一些示例性实施例中，例如如图7B示意性示出的，转向层726可以只包括漫反射器。
光源716，例如LED(但是也可以使用其它类型的光源)，排列成使发光表面716a至少直接面向基板722或者甚至可以凹入基板722。这样，发光表面716a设置在转向层726和多层反射器724之间。在该实施例中，来自光源716的光734射入基板722而没有透射通过设置在基板722的下表面上的转向层726。折射率匹配材料，例如凝胶，可以设置在发光表面716a和基板722之间，以便减少反射损耗并增加从光源716耦合到基板722中的光量。
光源716可以布置在托架717上。托架717可选地提供与光源716的电连接并还可选地提供用于冷却光源716的热通道。在共同拥有的美国专利申请公开2005/0265029A1中更详细地描述了用于将光源716安装到托架717上的不同方法。
光源716可以全部发射具有相同光谱含量的光，或者不同光源716可以发射具有不同光谱含量的光。例如，可以一个光源716发射蓝光，另一个光源716发射绿光，第三个光源716发射红光。LED尤其适用于不同光源产生不同波长的光的情况。在受控透射镜内的使光横向扩散效应可以用于混合来自不同颜色的光源716的光，以便使得从受控透射镜发射的光是光源716发射的所有光谱成分的有效混合。
即使当光源716直接将光射入基板722而不透过输入耦合元件时，多层反射器724仍然控制在基板722中传播的光可以射出受控透射镜720时的最小角度θmin。一些光，如光线736和738所示，从光源716以小于θmin的角度射入基板722并因此由多层反射器724反射。一些反射光，例如光线736，可以在入射到底部反射器718之前或之后由转向层726转向，并由此以大于θmin的角度反射返回基板成为光线736a。因此，一些光，例如光线736a，转向到允许光线在多层反射器724上仅发生一次反射后就随后透射通过多层反射器的角度范围内。反射光的另一部分，例如光线738不会在转向层726上发生转向，因此以将会在多层反射器724上再发生一次反射的角度从底部反射器718反射。
从光源716发出的一些光，如光线740和742所示，以等于或大于θmin的角度从光源716射入基板722，并由此透射通过多层反射器724。透射光的一部分，例如光线740，可以由输出耦合元件728转向，因此透射出受控透射镜720成为光740a。透射光的另一部分，例如光线742，可以不发生转向地透射通过输出耦合元件728，并且如果以大于临界角θc的角入射到输出耦合元件728的上表面728a上，则被全内反射从而朝向基板722返回。
在基板722内传播的一些光744可以在边缘反射器732上反射。边缘反射器732可以用于减少从基板722的边缘射出的光量，并由此减少损耗。
在图7C中示意性示出受控透射镜750的另一个实施例，其中基板752还用作转向层。在该实施例中，基板752包含一些扩散颗粒，从而使得从其中通过的光的一部分发生转向。在一个实例中，从光源716以小于θmin的角度传播的光束754可以在基板752内发生转向，从而以大于θmin的角度入射到多层反射器724中。在另一个实例中，由多层反射器724反射的光束756可以在基板752中发生转向，从而以大于θmin的角度被底部反射器718反射。
实例
实例1
通过使用光学透明压敏粘接剂(PSA)将多层聚合物反射膜(可从3M Company，St.Paul，Minnesota购得的商品名称为3M VikuitiTM的ESR膜)层压到具有3mm厚度的聚碳酸酯片的两侧来形成结构。然后使用商品名称为3M ScotchTM的Magic Tape带覆盖ESR膜的外表面。用发出波长为大约640nm的偏振光的激光笔以法向入射到ESR膜的方式照明该结构。入射到结构上的光束的大小为大约2mm×3mm。
在结构的输出侧存在对应于禁止角度区域的中心暗区，该区域形状为椭圆形并具有分别为7mm和6mm的长轴和短轴。当将双折射石英片以光轴相对于偏振方向成45°布置的方式插到激光束中时，该结构的输出侧的光图案的形状改变为圆形。
对应于以θmax传播通过基板的光的光图案的外形是具有分别为16mm和15mm的长轴和短轴的椭圆形。在该实例中θmax值相对较低，这是因为聚碳酸酯片的折射率(n＝1.58)远高于Magic Tape的折射率。
还观察到内径为大约25mm的二次晕环并认为这是由于二次反射产生的。
实例2
使用光学透明PSA将ESR膜层压到厚度为3mm的丙烯酸片的一侧，并用Magic Tape带覆盖ESR的外表面。使用激光笔以2mm×3mm的光束照射到层压有ESR膜的一侧。在层压件输出侧得到的中心暗区具有大约8mm×9mm的尺寸。
输出照明图案的外径没有很好地限定，但其为很大的值，至少为50mm。该结果与高于实例1的较高θmax值一致，这是因为MagicTape和丙烯酸片(每种情况下n～1.49)的折射率之间密切匹配。
实例3
除了聚碳酸酯片具有12mm的厚度以外，构造与实例1相似的结构。当使用具有2mm×3mm的输入光束的光笔垂直照射时，结构产生椭圆形输出光图案，大约为26mm×28mm。由θmax限定的光图案的外径为大约60mm。图案外边缘处的较低的光强度使得难以清楚地分辨图案的外边缘。
本文所描述的受控透射镜不限于用于照明液晶显示面板。受控透射镜还可以用于如下任意情况：使用分立光源产生光，并且需要从包括一个或多个分立光源的面板中输出均匀照明。因此，受控透射镜可以用于固态空间照明应用和标志、照明面板等。
不应该认为本发明只限于上述具体实例，而是应该认为本发明包括如所附权利要求书中明确提出的本发明的所有方面。在阅读本说明书之后，本发明所属领域的技术人员将很容易明白适用于本发明的各种修改、等同过程以及多种结构。权利要求书旨在包括这些修改和设计。

Claims (42)

1.一种光学系统，包括：
成像面板，其具有照明侧和观看侧；
至少第一光源和第二光源，其设置在所述成像面板的照明侧；以及
受控透射镜，其位于所述成像面板和所述光源之间，所述受控透射镜包括朝向所述第一光源和第二光源的输入耦合元件以及朝向所述成像面板的输出耦合元件，第一多层反射器设置在所述输入耦合元件和所述输出耦合元件之间，所述第一多层反射器反射来自所述光源的法向入射光，所述输入耦合元件将从所述光源沿大致垂直于所述第一多层反射器的方向传播的光的至少一部分转向到透射通过所述第一多层反射器的方向。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述成像面板是液晶显示(LCD)面板，并且所述系统还包括设置在所述LCD面板的观看侧的第一偏振片和设置在所述LCD面板的照明侧的第二偏振片。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：
控制器，所述控制器连接以便控制由所述成像面板显示的图像。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述光源包括荧光光源。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述光源包括发光二极管。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述第一光源发射第一波长的光，所述第二光源发射不同于所述第一波长的第二波长的光。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括：
底部反射器，所述光源设置在所述底部反射器和所述受控透射镜之间。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述第一多层反射器包括聚合物多层膜。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述输入耦合元件包括体扩散片、表面扩散片、结构化表面和全内反射输入耦合器中至少之一。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述输出耦合元件包括体扩散片、表面扩散片、结构化表面和全内反射输入耦合器中至少之一。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括：
基板，其设置在所述输入耦合元件和所述输出耦合元件之间。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，
所述基板设置在所述第一多层反射器和所述输出耦合元件之间。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，
所述第一多层反射器设置在所述基板和所述输出耦合元件之间。
14.根据权利要求11所述的系统，还包括：
第二多层反射器，其设置在所述输入耦合元件和所述输出耦合元件之间，所述基板位于所述第一多层反射器和所述第二多层反射器之间。
15.根据权利要求11所述的系统，还包括：
侧面反射器，其设置在所述基板的至少一个边缘上，以便反射在没有所述侧面反射器的情况下会从所述基板射出的光。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，
所述输出耦合元件基本上仅将一个偏振态的光从所述受控透射镜耦合出来。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，
所述输出耦合元件包括连续聚合物基体中的分散聚合物相，所述分散聚合物相和所述连续聚合物基体中的至少一个包括双折射聚合物材料。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，
所述输出耦合元件包括设置在聚合物基体中的纤维，所述纤维和所述聚合物基体中的至少一个包括双折射聚合物材料。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，
来自所述第一光源的光在所述第一光源上方的大致垂直于所述输出耦合元件的位置没有到达所述输出耦合元件，来自所述第二光源的光在所述第一光源上方的大致垂直于所述输出耦合元件的位置从所述输出耦合元件耦合出来。
20.根据权利要求1所述的系统，还包括：
一个或多个光控制膜，其设置在所述受控透射镜和所述成像面板之间。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，
所述光控制膜包括反射偏振片和增亮膜中的至少之一。
22.一种光学系统，包括：
成像面板；
至少第一光源，其设置在所述成像面板的背面；以及
第一扩散片、第一多层反射器和第二扩散片，其从所述第一光源到所述成像面板依次设置，来自所述第一光源的至少一些光透过所述第一扩散片、所述多层反射器和所述第二扩散片朝向所述成像面板传播，从所述第一光源通过所述第二扩散片的光的强度分布在沿着从所述第一光源垂直于所述第一多层反射器的主表面的轴线的位置上具有最小值。
23.根据权利要求22所述的系统，还包括：
基板，其设置在所述第一扩散片和所述第二扩散片之间，所述基板对于来自所述第一光源的光基本透明。
24.根据权利要求22所述的系统，还包括：
底部反射器，所述第一光源设置在所述底部反射器和所述第一扩散片之间。
25.根据权利要求22所述的系统，其中，
所述第一扩散片包括体扩散片和表面扩散片中至少之一。
26.根据权利要求22所述的系统，其中，
所述第二扩散片包括体扩散片和表面扩散片中至少之一。
27.根据权利要求22所述的系统，还包括：
至少一个增亮层，其设置在所述第二扩散片和所述成像面板之间。
28.根据权利要求22所述的系统，其中，
所述第二扩散片优选地大致仅扩散一个偏振态的光。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，
所述第二扩散片包括连续聚合物基体中的分散聚合物相，所述分散聚合物相和所述连续聚合物基体中的至少一个包括双折射聚合物材料。
30.根据权利要求28所述的系统，其中，
所述输出耦合元件包括设置在连续聚合物基体中的纤维，所述纤维和所述连续聚合物基体中的至少一个包括双折射聚合物材料。
31.根据权利要求22所述的系统，其中，
所述至少第一光源包括能够发射第一波长的光的至少第一光源，和能够发射不同于第一波长的第二波长的光的至少第二光源。
32.一种受控透射镜，包括：
输入耦合元件；
输出耦合元件；
第一多层反射器，其反射法向入射的第一波长的光；以及
基板，其对于所述第一波长的光基本透明，所述基板具有边缘反射器，所述边缘反射器设置成反射传输到所述基板的周围边缘的光，所述基板和所述第一多层反射器都设置在所述输入耦合元件和所述输出耦合元件之间。
33.根据权利要求32所述的受控透射镜，其中，
所述第一多层反射器包括聚合物多层膜。
34.根据权利要求32所述的受控透射镜，其中，
所述输入耦合元件包括体扩散片、表面扩散片和复制表面中至少之一。
35.根据权利要求32所述的受控透射镜，其中，
所述输出耦合元件包括体扩散片、表面扩散片和复制表面中至少之一。
36.根据权利要求32所述的受控透射镜，其中，
所述基板设置在所述第一多层反射器和所述输出耦合元件之间。
37.根据权利要求32所述的受控透射镜，其中，
所述第一多层反射器设置在所述基板和所述输出耦合元件之间。
38.根据权利要求32所述的受控透射镜，还包括：
第二多层反射器，其设置在所述输入耦合元件和所述输出耦合元件之间，所述基板位于所述第一多层反射器和所述第二多层反射器之间。
39.根据权利要求32所述的受控透射镜，其中，
所述输出耦合元件是偏振敏感的。
40.根据权利要求39所述的受控透射镜，其中，
所述输出耦合元件包括连续聚合物基体内的分散聚合物相，所述分散聚合物相和所述连续聚合物基体中至少之一包括双折射聚合物材料。
41.根据权利要求39所述的受控透射镜，其中，
所述输出耦合元件包括设置在聚合物基体中的纤维，所述纤维和所述聚合物基体中至少之一包括双折射聚合物材料。
42.根据权利要求32所述的受控透射镜，其中，
所述反射器设置在所述基板的大致整个周围边缘上。
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