[发明专利]用于提取光的具有受控输出的光导系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年1月2日提交的题为“Optic System for Light Guide With Controlled Output(用于具有受控输出的光导的光学系统)”的美国专利申请第12/319,172号以及2009年1月2日提交的题为“TIR Switched Flat Panel Display(TIR开关平板显示器)”的美国专利申请第12/319,171号的优先权权益，全部申请以参见的方式纳入本文。 

技术领域

本发明总地涉及光显示装置，且更具体地可包括用于在光离开光导时控制光的传播方向的光学系统。 

背景技术

许多产品需要光学系统来在较大区域发散光并当光离开系统时控制其方向。最近对LED性能的改进连同生产成本的同时降低使LED对于许多应用场合来说是更可行的选择。然而，许多应用场合，诸如LCD背光、具有背光的标识、顶灯和汽车照明，需要由LED产生的集束光在较大区域发散，同时还控制光的方向。这些应用场合需要改进的光学系统以提供期望的光控制。 

基于LCD技术的显示器已发展了几十年。现在可采用基于对基本技术的改进的许多专利文献。然而，现有技术的显示器还有多个缺点。现有技术装置的主要缺点是过度能量消耗。65″对角HDTV(高清电视)的LCD电视机通常消耗约半千瓦。这是由于技术的效率较低。 

改进LCD显示器的效率的一种方式是使尽可能多的可用光从光源指向最易被观看者看到的区域。对于功耗明显是重要考虑因素的手持显示装置，期望的是指向观看者的光所成角度较窄。 

在诸如电视机的立式应用场合中，期望具有沿垂直于显示器的表面的方向 投射的光的最高强度段。向法线左侧和右侧提供大量的光也较重要。对于并未处于最佳观看位置(垂直于屏幕)的观看者来说这是需要的。在这些应用场合中还期望减少大于或小于垂直于屏幕的角度投射的光量。如果通常沿偏离法线方向照射的光重新照到较佳的角度，则沿较佳方向传输的光强将更大。 

三组现有技术的文献已提出了控制LCD型显示器的光。在这些现有技术的文献中，棱镜型“亮度增强膜”(BEF)是最常见的一类。BEF的一个例子是1995年11月14日公布的Shozo Kokawa等人的美国专利5,467,208“Liquid Crystal Display(液晶显示器)”。该文献讨论了棱镜型膜的现有技术并公开了对于现有技术的改进。棱镜膜的一个缺点是它们仅有对光输出角度的受限制的控制。棱镜特征的改变仅使光输出作略微变化。棱镜膜还受限于两维结构。如果应用场合要求沿三个维度控制光，则必须使用至少两个BEF。 

2002年7月16日公布的Akira Yamaguchi的美国专利6,421,103“Liquid Crystal Display Apparatus...(液晶显示器设备......)”例示第二类现有技术。Yamaguchi的文献公开了用于在光进入LED板时控制光的另一装置。该专利公开了光源、衬底(不用作光导)、孔和衬底上的反射区。光由反射面反射或穿过孔。穿过孔的光被透镜捕获以控制光的方向。Yamaguchi讲授了输出光角度的限制以将更多光直接聚集到LCD型显示器的观看者处。Yamaguchi的装置对输出光提供比BEF装置可用的更多控制。但Yamaguchi装置的缺点是它极其低的效率。光在其离开孔前必须多次在反射面反射。即使当反射面由高反射率的材料制成，强度的损失也是相当大的。因此，尽管该发明的光控制优于BEF装置的控制，但效率却低得多。 

1995年3月7日公布的Karl Beeson的美国专利5,396,350“Backlighting Apparatus...(背光装置......)”；以及2008年3月18日公布的Neil Lubart的美国专利7,345,824“Light Collimating Device(光准直装置)”；公开了用于LED光源装置的第三类光控制中的光学器件。Beeson和Lubart的文献公开了光导侧面上的反射结构。这些反射结构的控制范围受到限制，并且不等效于由诸如Yamaguchi的装置提供的控制。此外，反射结构定位成离LCD板非常近，这使它们输出的缺陷易于被显示器的观看者看到。 

发明内容