CN100408914C - 非发射显示器的照明装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于改进具有上观看表面(110)的显示器(100)的照明的方法和装置。所述装置包括基本上位于显示器的上观看表面上的光导板(20)和邻近光导板的、用于向光导板提供光线的至少一个线性光源(50)，其中，所述光导板具有靠近显示器的上观看表面的第一表面(24)、与第一表面相对的第二表面(22)和至少一个侧边缘(26)，所述侧边缘用以许可线性光源提供的一部分光线通过所述侧边缘进入第一和第二表面之间的光导板；并且所述第二表面包括多个细长槽(X0，X1，...，Xn)，用来反射按照所述各槽和侧边缘之间的距离分布的部分许可进入的光线。

Description

非发射显示器的照明装置
发明领域
本发明一般涉及照明装置，详细地说，涉及设置在显示板前面用以照亮显示板的照明装置。
发明背景
为了改善非发射显示器的观看效果、特别是反射型B/W和彩色显示器的观看效果，可以在显示器上方和光源邻近设置光导板，以便把光源产生的光射向显示器的观看表面。通常，光被引导到光导板的一个或多个边缘。在美国专利No.5835661，Tai等，中公开了一种光导板，在所述光导板的上表面设置多个反射槽、以便将引入边缘的光向显示器反射。如美国专利No.5835661所公开的，反射槽均匀分布在光导板的上表面上。因此，显示器上的照明是不均匀的、使得靠近光源的显示器部分比远离光源的显示器部分要亮得多。当光导的厚度减小时，这种不均匀照明就更突出。如果显示器中像素的间距与槽的间距略有不同，则这种均匀分布的槽还可能产生莫阿干涉条纹图案。利用如美国专利No.5835661所公开的光导板，来自光导板下表面的照明光和环境光的镜面反射进一步降低了显示器的观看质量。为了减少这种镜面反射，可以在下表面上设置防反射涂层，例如一层薄膜。防反射涂层一般比较昂贵，因为在制造过程中为了把涂层加到光导板上必须进行一个或多个附加的步骤。
有许多已知的方法可以把光提供给光导板。例如，可以使用冷阴极荧光管(CCFT)作光源并且可以将它设置在光导板的边缘附近，以便将光提供到光导板中。CCFT一般由其内壁涂有磷、气密密封并抽真空的玻璃管构成。当在管子两端加高电压时，就形成等离子体，激励磷发光。与光导的厚度相比，CCFT比较大。当用于便携式通信装置、例如移动电话中时，就显得特别笨重。在美国专利No.5835661，Tai等中还公开一种线性光管，可以将其做得足够薄以便作为光源向便携式通信装置中的显示器提供照明。但是，如美国专利No.5835661中公开的线性光管并不十分有效，因为从线性光管表面出来到光导板边缘的光线以随机的方式散射。这样，实际上只有一小部分从线性光管出来的可用光射向显示器的观看表面。
因此需要提供一种改进非发射显示板或显示器的前照明的方法和装置。
发明内容
本发明的第一方面是提供用于改进具有上观看表面的显示器的照明的方法。所述方法包括以下步骤：
设置基本上在显示器的上观看表面上的光导板；
在光导板附近设置至少一个光源以便向光导板提供光线，其中，所述光导板具有：面对显示器的上观看表面的下表面；上表面；以及至少一个侧边缘，它允许由所述光源提供的光的一部分通过该侧边缘进入所述上表面和下表面之间的光导板；其中，所述上表面包括多个具有密-稀(dense-rare)边界、基本上面对光源的槽，用来使所述允许进入的光线的一部分通过所述光导板的下表面以全内反射的方式向显示器反射；以及其中，所述密-稀边界的分布密度随所述密-稀边界和所述侧边缘之间的距离而改变。
所述分布密度最好随所述距离的增大而增大。
所述下表面最好包括防反射结构，以便减少从下表面到上表面的不不希望有的光反射。
所述防反射结构最好包括多个周期性槽，其中，周期性槽的间距小于光源提供的光线的主波长范围的一半。
本发明的第二方面是用于显示器的照明装置，所述显示器具有上观看表面。所述装置包括：
基本上位于显示器上观看表面的光导板；
位于光导板附近的至少一个线性光源，用来向光导板提供光线，其中，所述光导板具有：面对显示器的上观看表面的下表面；上表面；以及至少一个边缘，它允许由所述光源提供的光线的一部分通过所述侧边缘进入上表面和下表面之间的光导板；其中，所述上表面包括多个具有密-稀(dense-rare)边界、基本上面对光源的槽，用来使所述允许进入的光线的一部分通过所述光导板的下表面以全内反射的方式向显示器反射；以及其中，所述密-稀边界的分布密度随所述密-稀边界和所述侧边缘之间的距离而改变。
所述线性光源最好包括：
线性光管，它具有周围表面和至少一个光输入端；以及
邻近光输入端的光发射体，用来向光输入端提供光线，所述周围表面允许光发射体提供的光线透射到所述光导板的所述侧边缘。
最好，线性光管的纵轴与测侧边缘基本上平行，而所述周围表面的截面基本上与纵轴垂直，其中所述截面包括与反射表面邻接的曲面部分，所述反射表面处在远离光导板的侧边缘的位置、以便将光通过曲面部分反射到侧边缘。
所述曲面部分最好具有靠近侧边缘的球形部分，用以将反射表面反射的光聚焦到侧边缘。
最好在反射表面上设置多个散射体，以便将光散射到曲面部分。
或者，曲面部分与侧边缘接合、使得线性光管成为光导板的组成部分。
本发明的第三方面是提供一种光导板，它包括第一表面、相对的第二表面和至少一个侧边缘，其中，所述第一表面具有基本上面向侧边缘的具有密-稀边界的多个槽、以便将被许可通过侧边缘进入第一和第二表面之间的光导板的光线反射到第二表面；以及其中，所述密-稀边界的分布密度随所述密-稀边界和侧边缘之间的距离而改变。
所述光导板最好还包括设置在第二表面上的防反射结构。
最好，所述防反射结构包括多个周期性槽。
阅读以下结合图1到8所进行的描述，就可明白本发明。
附图简介
图1是说明设置在显示器顶部的前照明装置的图解表示；
图2a是说明设置在具有透明的顶部表面的显示器上的前照明装置原理的截面图；
图2b是说明设置在面板上的前照明装置原理的截面图；
图2c是说明遇到光导板上的反射槽的光束的反射的图解表示；
图3a是说明根据本发明的优选实施例、光导板上表面上的反射槽的分布密度的截面图；
图3b是说明根据本发明另一个实施例、光导板上表面上的反射槽的分布密度的截面图；
图4是说明根据本发明的防反射结构的结构截面图；
图5是位于光导板一个边缘附近的线性光源的图解表示；
图6是说明根据本发明的光管的形状的截面图
图7a是说明光导板的另一个实施例的图解表示，其中光管是光导板的组成部分；
图7b是说明将光管结合到光导板中的截面图；
图8是说明用作后照明的光导板的图解表示。
实现本发明的最佳方式
图1图解说明设置在显示器100顶部的前照明装置10。如图1所示，前照明装置10包括光导板20和线性光源50。光导板20具有上表面22和基本上位于显示器100的上表面110上方的下表面24。线性光源50位于光导板20的侧边缘26附近，该线性光源用来提供通过光导板20照亮显示器100、以便可以通过上表面110和光导板20更清楚地观看显示器100的光线。
如图2a所示，光导板20的上表面22具有多个槽X0，X1，...，Xn，它们将来自光源50的光线向光导板20的下表面24反射、穿过所述上表面110到达显示器100的下表面120。如图2c所示，每个槽Xn具有密-稀边界150，后者基本上面向光导板20的侧边缘26、使得当来自侧边缘26方向的光线200以适当的大入射角碰到密-稀边界150时，就会发生全向内反射而射向光导板20的下表面24。应当指出，当光线200在下表面24碰到密-稀边界时，部分光能量(例如标号204所示)就会被反射回光导板20。为了减少光导板20的下表面24的这种菲涅耳(Fresnel)反射，设置一种防反射结构30是有利的。应当指出，防反射结构30仅用来减少入射角小于某一角度的光线的不需要的反射。例如，防反射结构30用来减少入射角小于30度的光线的Fresnel反射，而允许入射角大于30度的光线反射回光导板20。如图2c所示，光线202被结构30反射回光导板20。通常，显示器100，如图2a所示，是非发射型显示器，例如LCD板。在此情况下，由槽X0，X1，...，Xn反射的光穿透过透明的顶层130到达图中用下层120表示的液晶层、使得在下层120上显示的信息可以被更清楚地观看或读出。应当指出，本发明的前照明装置10也可用于在上层122显示的文本或图像上方没有透明层的面板102，如图2b所示。
图3a是说明根据本发明的优选实施例、光导板20的上表面22上反射槽的分布密度的截面图。反射槽，如图3a所示，用X0，X1，X2，...，Xn-1，Xn，Xn+1表示。两个相邻的槽X0，X1，X2，...，Xn-1，Xn，Xn+1之间距用P0，P1，P.2...，Pn-1，Pn，Pn+1表示。另外，从侧边缘26到光导板20的槽X0，X1，X2，...，Xn-1，Xn，Xn+1之距离用D0，D1，D2，...，Dn-1，Dn，Dn+1表示。当光线穿过光导板20的侧边缘26时，光束的较大部分碰到靠近侧边缘26的那些反射槽，而光束的较少部分碰到远离侧边缘26的那些反射槽。因此，如果反射槽X0，X1，X2，...，Xn-1，Xn，Xn+1在整个光导板20的上表面22上均匀分布，那么，就会有较多的光线反射到靠近光源50的下表面24和显示器100。显示器100在光源侧的照度就比显示器100的其余部分要亮得多。当光导板20的厚度或其上表面22和下表面24之间的距离减小时，这种不均匀的照明效果就会更突出。为了减小这种不均匀的照明效果，最好随着离开槽X的距离D的增加，间距P减小、使得槽X的分布密度随距离D的增大而增大。例如，由于D0＜D1，我们有P0＞P1。这样的槽X的分布密度可以改善显示器100的照明不均匀性。
或者，槽X的分布密度可以以另一种方式改变，如图3b所示。如图3b所示，将反射槽分成表面部分S1，S2，...Sm，每一部分具有相等数量的反射槽。例如，表面部分S1有三个反射槽X’0，X’1，X’2，表面部分Sm有三个反射槽X’n-1，X’n，X’n+1。在一个表面部分S中的各个槽X’可以具有均匀的间隔。例如，在表面部分S1中，有P’0＝P’1。同理，在表面部分Sm中，有P’n-1＝P’n。但由于从侧边缘26到表面部分S1的距离小于从侧边缘26到表面部分Sm的距离，最好是P’0＞P’n。这样，随着从侧边缘26到反射槽X’的距离的增加，反射槽X’的分布密度亦有效地增加。这样的槽X’的分布密度也可以改善显示器100的照明。
为了减少在光导板20的下表面24处的Fresnel反射，最理想的是在下表面24上设置防反射结构30。防反射结构30最好包括多个周期性槽，如图4所示。可以以光导板20的组成部分的形式制造这些周期性槽。例如，可以用模压工艺或压制工艺在上表面制造反射槽的同时在下表面24上制造周期性槽32，或各自单独制造，以降低防反射结构30的生产成本。相邻槽之间的间距用字母Q表示，槽深用字母h表示。如果引入光导板20的光线具有主波长λ，那么，间距Q最好小于主波长λ的一半。周期性槽32的防反射性能是本专业中众所周知的(请参阅，例如，Diffractive Optics forIndustrial and Commercial Application，ed.J.Turunen andF.Wyrowski，Akademie Verlag，1997，pp.308-311)。
可以通过许多不同的方法制造光导板20上表面22上的反射槽X和X’。例如，可以用激光光刻技术在母板上刻槽，然后用电解工艺制作母板的复制品。所述复制品称为镍填隙板。也可以通过干涉光刻技术或电子束光刻技术在母板上制造防反射结构30，再由母板制作镍填隙板。然后这些填隙板作为热压或注入成型的模具。利用填隙板来制作精密的表面结构是本专业中众所周知的。
图5和图6示出线性光源50的结构，它位于光导板20的侧边缘26附近，用来向光导板20提供光线。如图5和图6所示，线性光源50包括线性光管52，光管52有两个端部54和反射增强表面56，后者有助于将光线206射向光导板20的侧边缘26。靠近光管52的各端部54设置一个或多个光发射体60，以便向光管52提供光线。光发射体60可以是发光二极管或任何其他发光器件。光管52具有纵轴70和围绕纵轴70的周围表面58。为了图解说明周围表面58和光导板20的一部分，图6中示出光管52的截面。
如图所示，周围表面58最好包括彼此邻接的前部62和后部64，其中，后部64包括具有用于将光线射向前部62的多个散射体57的反射表面。面对光导板20的侧边缘26的所述前部最好做成曲面，以便当光线210离开光管52而碰到前部62时，减小光线210的发散。这样，前部62的形状有助于聚焦离开光管52的光线。例如，前部62可以是球面形或非球面形。反射表面56可以由衍射光栅和/或镀银表面构成。
图7a和图7b示出照明装置的另一实施例。如图所示，照明装置10’包括线性光源50’，它是光导板20的组成部分。如图7a所示，光管52’的两个端部54’连接到光导板20，而光管52’与光导板20是分离的。图7b示出图7a所示的照明装置的截面图。
应当指出，已经以前照明装置的形式公开了照明装置10，如图1到图7b所示。所述照明装置可以用作后照明装置，如图8所示。如图所示，照明装置10设置在透射显示器104的后面，光导板20的“上”表面24距显示器104的底部比“下”表面22更远一些。应当指出，用于后照明时，在透射显示器104和照明装置10之间不需要防反射结构。
虽然已对本发明的优选实施例作了说明，但是，本专业技术人员应理解，可以在形式和细节上对本发明作前述的以及各种其他的改变、省略和偏离，而不背离本发明的精神和范围。

Claims (13)

1. 一种用于改进具有上观看表面的显示器的照明的方法，所述方法包括以下步骤：
在所述显示器的所述上观看表面设置光导板；
靠近所述光导板设置用于向所述光导板提供光线的至少一个光源，所述光导板具有靠近所述显示器的所述上观看表面的第一表面、与所述第一表面相对的第二表面和至少一个侧边缘，所述侧边缘许可所述光源提供的所述光线的一部分通过所述侧边缘进入所述第一表面和第二表面之间的所述光导板，其中，所述第二表面包括面对所述光源的、具有密-稀边界的多个槽，所述多个槽用来以全内反射的方式将所述许可进入的光线的一部分通过所述光导板的所述第一表面反射到所述显示器，并且其中，所述密-稀边界具有根据所述密-稀边界和所述侧边缘之间的距离而改变的分布密度；
其中，所述第一表面包括防反射结构，所述防反射结构包括多个周期性槽，用来减少从所述第一表面向所述第二表面反射的光线；
其中，由所述光源提供的所述光线具有主波长，而所述周期性槽的间距小于所述主波长的一半。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分布密度随所述距离而增大。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光源提供的光线以小于30度的入射角与所述第一表面交会。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述显示器是液晶显示板。
5. 一种用于照亮具有上观看表面的显示器的照明装置，所述照明装置包括：
光导板，位于所述显示器的所述上观看表面上；
位于所述光导板处附近、用于向所述光导板提供光线的至少一个线性光源，所述光导板具有靠近所述显示器的所述上观看表面的第一表面、与所述第一表面相对的第二表面和至少一个侧边缘，所述侧边缘许可所述光源提供的所述光线的一部分通过所述侧边缘进入所述第一表面和第二表面之间的所述光导板，其中，所述第二表面包括多个具有密-稀边界的细长槽，所述各细长槽用来以全内反射的方式将所述许可进入的光线的一部分通过所述光导板的所述第一表面向所述显示器反射，并且其中，所述密-稀边界具有随所述密-稀边界和所述侧边缘之间的距离而改变的分布密度，
其中，所述第一表面包括防反射结构，所述防反射结构包括多个周期性槽，用来减少从所述第一表面向所述第二表面反射的光线；
所述线性光源提供的光线具有主波长，而所述周期性槽的间距小于所述主波长的一半。
6. 如权利要求5所述的照明装置，其特征在于：所述分布密度随距离而增大。
7. 如权利要求5所述的照明装置，其特征在于：所述光源提供的光线以小于30度的入射角与所述第一表面交会。
8. 如权利要求5所述的照明装置，其特征在于所述线性光源包括：
线性光管，它具有周围表面和至少一个光输入端，以及
至少一个光发射体，所述光发射体靠近所述光输入端、用于向其提供光线，其中，所述周围表面允许由所述光发射体提供的所述光线穿透到所述光导板的所述侧边缘。
9. 如权利要求8所述的照明装置，其特征在于：所述线性光管具有平行于所述侧边缘的纵轴，并且所述周围表面的截面垂直于所述纵轴，所述截面包括与反射表面邻接的弯曲部分，所述反射表面远离所述光导板的所述侧边缘、以便将光通过所述弯曲部分向所述侧边缘反射。
10. 如权利要求9所述的照明装置，其特征在于：所述反射表面包括多个光散射体。
11. 如权利要求9所述的照明装置，其特征在于：所述弯曲部分具有靠近所述侧边缘的柱面形部分，用以将所述反射表面反射的光聚焦到所述侧边缘。
12. 一种光导板，它包括：
第一表面(24)；
相对的第二表面(22)；以及
至少一个侧边缘(26)，用以许可光进入所述第一和第二表面之间的所述光导板，其中，所述第二表面包括多个具有密-稀边界的细长槽(X0，X1，...，Xn)，用来以全内反射的方式将所述许可进入的光线的一部分向所述第一表面反射，并且其中，所述密-稀边界具有随所述密-稀边界和所述侧边缘之间的距离而改变的分布密度，
其中，所述第一表面包括防反射结构(30)，所述防反射结构包括多个周期性槽，用来减少从所述第一表面向所述第二表面反射的光线；
所述许可进入的光线具有主波长，而所述周期性槽的间距小于所述主波长的一半。
13. 如权利要求12所述的光导板，其特征在于：所述分布密度随所述距离而增大。
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