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CN101542192A - 照明系统和显示设备 - Google Patents

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CN101542192A
CN101542192A CNA200780043335XA CN200780043335A CN101542192A CN 101542192 A CN101542192 A CN 101542192A CN A200780043335X A CNA200780043335X A CN A200780043335XA CN 200780043335 A CN200780043335 A CN 200780043335A CN 101542192 A CN101542192 A CN 101542192A
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CN
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illuminator
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display device
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CNA200780043335XA
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M·P·C·M·克里恩
M·J·J·贾克
R·P·范戈科姆
H·J·科尼利森
D·K·G·德博尔
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

本发明涉及用于照亮显示设备的照明系统(10)以及涉及显示设备。照明系统包括用于将光分布在显示设备上的光分布元件(20)。光分布元件包括：光输出窗口(40)，位于光输出窗口(40)对面的后壁(42)，以及延伸在光输出窗口和后壁之间的侧壁(44，46)，侧壁中至少一个包括：用于允许光进入光分布元件的光输入窗口(48)。光分布元件进一步地包括：用于将光从光分布元件经由光输出窗口向显示设备镜面反射的镜面反射式光向外耦合装置。第一光束(100)包括第一原色(R)光，其照射到光输入窗口上从而将第一原色光耦合进入光分布元件。至少第二光束(102，104)包括第二原色(G，B)光，其照射到光输入窗口上从而将第二原色光耦合进入光分布元件，第二光束与第一光束基本上不平行。使用镜面反射式向外耦合装置产生了在第一和第二光束之间的入射角间的差异。基本上维持该差异，这导致了由光分布元件向显示设备发射的光的颜色分离。

Description

照明系统和显示设备
技术领域
本发明涉及用于照亮显示设备的照明系统。
本发明还涉及显示设备。
背景技术
用于照亮显示设备的照明系统本身是公知的。他们尤其用在非发射性显示器中，例如，液晶显示设备(也被称为LCD面板)，所述LCD面板用在例如电视接收机、(计算机)显示器、(无绳)电话和便携式数字助理中。照明系统还可以用在例如用于投影图像或者显示电视节目、电影、视频节目，或者DVD等的投影系统(例如，数字投影机、或者卷轴机)中。另外，上述照明系统用作通常的发光目的，例如，用于应用在例如告示牌、轮廓采光、以及广告牌等中的大面积直视式发光面板。
例如，US4,798,448中公开了上述照明系统，其公开了用于彩色显示设备的照明系统，所述彩色显示设备包括将三种原色光分开的装置，以便像素内部的单个单元仅仅接收想要的颜色光。正如在上述US专利中所公开的用于将三种原色分开的装置包括衍射光栅。衍射光栅将从凸透镜接收的白光分开且使光弯曲，以便三种原色光射向单个液晶单元格，且每个液晶单元仅接收意图通过该单元传输的颜色。
公知的照明系统具有如下缺点：其具有比较低的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改善效率的照明系统。
根据本发明的第一方面，该目的利用照明系统来实现，其包括：
光分布元件，其用于将光分布在显示设备上，该光分布元件包括：光输出窗口、位于光输出窗口对面的后壁、以及延伸在光输出窗口和后壁之间的侧壁，该侧壁中至少一个包括用于容许光进入光分布元件的光输入窗口，该光分布元件进一步地包括镜面反射式光向外耦合装置，用于镜面反射来自光分布元件的光以经由光输出窗口射向所述显示设备，
用于产生包括第一原色光的第一光束和包括第二原色光的第二光束的装置，第二光束与第一光束基本上不平行，以及
光输入窗口，其布置成接收第一光束从而将第一原色光耦合进入光分布元件，以及至少接收第二光束从而将第二原色光耦合进入光分布元件。
根据本发明的方案具有如下效果：由于使用镜面反射式向外耦合装置，在运行过程中，当第一和第二原色光通过镜面反射式向外耦合装置从光分布元件耦合出去时，第一光束和第二光束之间的入射角间的差异基本上得以维持。因此，第一和第二原色光以不同的角度从光分布元件向显示设备发射，这导致了由用于第一和第二原色光的光分布元件所发射光的色彩分离。与第二原色光相比较，第一原色光相对于光输入窗口的法线轴以不同的角度射入光分布元件。在运行过程中，镜面反射式光向外耦合装置布置成将光从光分布元件向显示设备耦合出去。从镜面反射表面反射的光基本上遵守反射定律。根据该定律，照射到镜面反射表面上、相对于反射表面的法线轴具有特定入射角的光从镜面反射表面、以与相对于反射表面法线轴的入射角相等的反射角反射。因为与第二原色光相比，第一原色光相对于光输入窗口的法线轴、以不同的角度射入光分布元件，所以与第二原色光相比，从镜面反射式光向外耦合装置向显示设备反射第一原色光相对于光输出窗口的法线轴成不同的角度。由于使用镜面反射式向外耦合装置，基本上维持从镜面反射式向外耦合装置反射的光的角度分布，因而，在将光从光分布元件耦合出去时，维持第一和第二原色光之间的角度差异(angular difference)。因此，根据本发明的照明系统发射与第二原色光分离的第一原色光，因为第二原色光不与第一原色光平行发射。来自镜面反射表面的反射效率相对比较高。由于镜面反射式光向外耦合装置与耦合进入根据本发明照明系统的非平行的第一和第二光束的结合，与使用如公知照明系统中所示的、用于分离不同原色光的衍射光栅相比较，发射不同原色的分离光更加有效。
发明者已经认识到，使用公知照明系统中的衍射光栅引起该系统比较低的效率。该低效率由光栅处的散射损失以及光以不同于第一级次的衍射级次散射造成。根据本发明的照明系统接收包括第一原色光的第一光束和包括第二原色光的第二光束。由于第二光束与第一光束不平行，第一和第二原色光以不同的角度射入光分布元件。镜面反射式光向外耦合元件在将该光耦合出去时维持光分布元件中光的角度分布，且因而维持第一原色和第二原色光之间的角度差异。与第二原色光分离的第一原色光从根据本发明的照明系统发射，同时，与公知照明系统相比较，改善了照明系统的效率。用于产生第一和第二光束的装置可以是例如用于产生第一光束的第一光源和例如用于产生第二光束的第二光源。可替代地，第一和第二光束可以由具有例如用于将来自光源的第一和第二束分开的二色分光镜的单独光源生成。用于产生第一和第二光束的装置还可以是例如多个发光二极管，在所述发光二极管中，第一组发光二极管发射第一原色光，由第一组中的每个发光二极管发射的光束基本上平行，以及第二组发光二极管发射第二原色光，由第二组中的每个发光二极管发射的光束基本上平行。
原色光包括具有在特定波长周围的预定光谱带宽的光。在显示设备中，典型地，使用例如红色、绿色和蓝色的三原色。通过使用红色、绿色和蓝色，可以由显示设备产生全色图像，包含白色。同样，允许产生全色图像的其他原色(例如，红色、绿色、蓝色、青色以及黄色)的组合可以用在显示设备中。用在显示设备中的原色的数量可以改变。
在照明系统的实施例中，第一光束的第一原色光和/或第二光束的第二原色光包括偏振光。在根据本发明的照明系统中使用的镜面反射式向外耦合装置不仅维持从镜面反射式向外耦合装置反射的光的角度分布，而且基本上维持从镜面反射式向外耦合装置反射的光的偏振。在第一和/或第二光束中使用充分偏振的光具有如下优点：从光分布元件发射的第一和第二原色光不仅成角度的分离，而且是充分偏振的。在用作液晶显示设备背光照明系统的照明系统中，具有预定偏振方向的充分偏振的光可以显著地改善上述设备的效率。液晶显示设备典型地包括一对偏光器。第一偏光器限定耦合进入液晶单元的光的偏振方向。液晶单元可能随后影响已经耦合进入液晶单元的光的偏振方向的取向，以便光将由第二偏光器传输或者阻挡。当由根据本发明的照明系统所发射的光包括充分(substantially)偏振的光时，第一偏光器的效率可以实质上得到改善，或者甚至可以完全省略第一偏光器。发射充分偏振的光的光源是例如激光器或者激光二极管。可替代地，光源可以转换成通过用偏振化反射箔(例如，商业上公知为双重亮度增强箔)包裹发光二极管来发射充分偏振的光的光源。
照明系统的进一步实施例包括布置在光输出窗口和显示设备之间的透镜阵列，透镜阵列具有多个圆柱形透镜，用于接收角距的光和将角距的光会聚到每个圆柱形透镜的多个焦点。使用具有多个圆柱形透镜的透镜阵列具有如下优点：圆柱形透镜将从光分布元件发射的第一和第二原色光的角分布分别转换到第一和第二原色光的第一和第二焦点位置。显示设备的第一组液晶单元可以布置在例如第一焦点位置处，便于由第一原色照亮，以及显示设备的第二组液晶单元可以布置在例如第二焦点处，便于由第二原色照亮。
在照明系统的实施例中，镜面反射式光向外耦合装置布置成多行镜面反射式光向外耦合装置，行布置成与多个圆柱形透镜的纵向轴基本上垂直。该实施例具有如下优点：垂直布置多行光向外耦合装置和圆柱形透镜的纵向轴减小了圆柱形透镜阵列中的周期(periodicity)和多行光向外耦合装置的另外的周期之间的光学干涉。光学干涉图案(也称为莫尔图案)可以导致从照明系统所发射的光的不均匀光强。通过布置多行光向外耦合装置与多个圆柱形透镜的纵向轴基本垂直，将减小由于莫尔图案导致的不均匀性。
在照明系统的实施例中，镜面反射式光向外耦合装置以与显示设备像素间距相关联的规则间距分布。该实施例具有如下优点：镜面反射式光向外耦合装置与显示设备像素间距之间的关联性还减小了任何莫尔效应，且由此导致了改善从照明系统所发射的光的强度均匀性。
在照明系统的实施例中，光分布元件包括光导。使用光导具有如下优点：第一和第二原色光可以基本上经由全内反射传播通过光分布元件，其是在光导内部基本上没有损失的传播。
在照明系统的实施例中，镜面反射式光向外耦合装置包括在光导中的多个缝隙，多个缝隙中的每个缝隙具有包括两个基本上平行的镜面反射表面的基本上矩形的形状，所述镜面反射表面限定了相对于光导的光输出窗口的一个角度。该实施例具有如下优点：仅仅相对于镜面反射表面的法线轴、以大于预定角度的角度照射到缝隙的镜面反射表面上的光将向光输出窗口反射，然而，相对于镜面反射表面的法线轴、以小于预定角度的角度照射到镜面反射表面上的光将由缝隙传输且将进一步地传播通过光导。预定角度由光导材料和缝隙内部的折射率之间的差异来确定。当光传播通过光导时，光在从基本上与光输出窗口平行的光导第一壁反射后或者在从基本上与后壁平行的光导第二壁反射后照射到镜面反射表面上。通常，在光从光导的第一壁反射之后或者从光导的第二壁反射之后，相对于镜面反射表面法线轴的角度(光以所述角度照射到该表面上)是不同的。假如镜面反射表面是镜面，根据本发明的照明系统不仅发射与第二原色光成角度分离的第一原色光，而且也发射第一和第二原色光，对每种原色光实质上在两个方向上发射：一个方向由在照射到镜面之前从第一壁反射的光引起，且第二方向由在照射到镜面之前从第二壁反射的光引起。因此，第一和第二原色光之间的完全分离更加困难。在根据本发明的照明系统中，光向外耦合装置包括具有两个基本上平行的镜面反射表面的缝隙。相对于镜面反射表面的法线轴、以比较小的入射角照射到该表面上的光将传输通过缝隙，然而，相对于镜面反射表面的法线轴、以比较大的入射角照射到该表面上的光将从该表面反射，且经由光输出窗口由照明系统发射。第一和第二光束必须以如下方式布置：例如，在从第一壁反射后照射到镜面反射表面上的光将由该表面传输，然而在从第二壁反射后照射到镜面反射表面上的光将被反射。这使得由光分布元件所发射的第一和第二原色光完全地成角度分离。
在照明系统的实施例中，镜面反射式向外耦合装置包括多个三角形的镜面反射式向外耦合元件。三角形的镜面反射式向外耦合元件可以布置在例如光分布元件的后壁处。三角形的镜面反射式向外耦合元件具有如下优点：它们容易加工。
在照明系统的实施例中，三角形的镜面反射式向外耦合元件布置成相对于光输出窗口的法线轴基本对称。该实施例具有如下优点：以基本上与光输出窗口平行的方向传播通过光分布元件且从两侧照射到三角形反射式向外耦合元件上的光将射向光输出窗口，同时维持光的角分布。在光分布元件中，例如，在光从光分布元件边缘反射时，光可以在相反的方向行进。当应用三角形反射式向外耦合元件时，反射光将同样向光输出窗口耦合出来，同时基本上维持第一和第二原色光之间的角度差异。
在照明系统的实施例中，光分布元件具有楔形形状，该实施例具有如下优点：楔形形状使得穿过光分布元件光输出窗口的光基本上均匀分布。
在照明系统的实施例中，楔形形状具有在远离光输入窗口的方向呈阶式地减小的分光分布元件厚度，两个连续台阶之间的分界面包括来自多个镜面反射式向外耦合元件的镜面反射式光向外耦合元件，光分布元件的厚度是在与光输出窗口基本上垂直的方向中的光分布元件的尺寸。该实施例具有如下优点：在集成了镜面反射式向外耦合元件同时，呈阶式(stepwise)减小的光导使光均匀分布。
在照明系统的实施例中，镜面反射式光向外耦合装置具有弯曲的镜面反射表面。弯曲的镜面反射表面可以是例如抛物线形。该实施例具有如下优点：该弯曲的镜面反射表面可以用来使反射光改变方向，且同样地影响由光分布元件的光输出窗口所发射光的均匀性。每个反射式光向外耦合装置可以具有弯曲的(例如，抛物线形)镜面反射表面，或者，可替代的地，镜面反射式光向外耦合装置可以共同地形成弯曲的(例如，抛物线形)镜面反射表面。
在照明系统的实施例中，镜面反射式光向外耦合装置由半透明镜构成，所述半透明镜限定相对于光输出窗口的角度。该实施例具有如下优点：半透明反射表面的透明度可以用来影响光分布元件内部的光分布。
在照明系统的实施例中，镜面反射式光向外耦合装置分布在光分布元件中，用于产生由光输出窗口射出的、基本上均匀的第一和第二原色光的分布。
本发明还涉及包括根据本发明照明系统的显示设备。
附图说明
参考以下所述的实施例将显而易见并阐明本发明的这些和其它方面。
在图中：
图1A是根据本发明照明系统的示意性横截面图，
图1B是根据本发明照明系统的示意性顶视图，
图2A示出了图1A中示意性横截面视图的详细部分，其阐明了光通过照明系统的传播，以及光从照明系统的向外耦合，
图2B详细地示出了镜面反射式光向外耦合装置的实施例，
图3示出了根据本发明的显示设备的实施例，
图4示出了根据本发明的显示设备的实施例，其中，照明系统包括相对于光输出窗口法线轴基本上对称布置的三角形镜面反射式向外耦合元件，
图5示出了包括根据本发明照明系统的显示设备的进一步实施例，其中，多行镜面反射式光向外耦合装置布置成与圆柱形透镜的纵向轴基本垂直，
图6示出了根据本发明的显示设备的实施例，其中，照明系统包括楔形光导，在所述楔形光导中，楔形光导的厚度在远离光输入窗口的方向呈阶式减小，
图7示出了根据本发明的照明设备的实施例，其中，镜面反射式光向外耦合装置具有抛物线形的镜面反射表面，
图8示出了根据本发明的显示设备的实施例，其中，抛物线形的镜面反射表面经由菲涅耳型反射表面来形成，
图9示出了根据本发明的显示设备的实施例，其中，镜面反射式光向外耦合装置由半透明镜构成。
图完全是概略性的，且未按比例画出。特别地，出于清晰性的目的，某些尺寸被强烈的夸大。图中的相似部件尽可能地由相同的附图标记来表示。
具体实施方式
图1A是根据本发明的照明系统10的示意性横截面图。照明系统10包括由光导20构成的光分布元件20(也称为光学波导)以及镜子80。光导20包括光输出窗口40(也称为光出射窗口)、后壁42和侧壁44，46。侧壁44，46中的一个包括光输入窗口48(也称为光入射窗口)，用于容许光进入光导20。光导20进一步地包括镜面反射式光向外耦合装置50，用于将光从光导20向光输出窗口40镜面反射。镜面反射式光向外耦合装置50由例如成排布置的形成三角形镜面反射式向外耦合元件的三角形缝隙构成(见图1B)。在图1A中所示的实施例中，光源(未示出)产生照射到用于将光耦合进入光导20的光输入窗口48上的第一光束100、第二光束102和第三光束104。光源可以是例如用于产生第一光束的第一光源(例如，激光、LED或者气体放电灯)、用于产生第二光束的第二光源(例如，激光、LED或者气体放电灯)、以及用于产生第三光束的第三光源(例如，激光、LED或者气体放电灯)。可替换地，第一、第二和第三光束可以由具有例如用于将第一、第二和第三束从光源中分开的二色分光镜的单独光源(例如，激光、LED或者气体放电灯)生成。光源还可以是例如多个发光二极管，发光二极管的第一组发射第一原色光，其中，由第一组中每个发光二极管发射的光束基本上平行，第二组发射第二原色光，其中，由第二组中每个发光二极管发射的光束基本上平行，以及第三组发射第三原色光，其中，由第三组中每个发光二极管发射的光束基本上平行。第一光束100包括第一原色R光，例如，原色红。第二光束102包括第二原色G光，例如，原色绿。第三光束104包括第三原色B光，例如，原色蓝。第一、第二和第三光束100、102、104照射到光输入窗口48处的每个入射角不同。在第一、第二和第三光束100、102、104的光已经耦合进入光导20之后，第一原色R、第二原色G和第三原色B光经由全内反射基本上限制在光导20中。由于光束100、102、104之间入射角之间的差异，第一原色R光将传播通过光导20，同时以与第二原色G光和第三原色B光相比不同的内反射角、从光输出窗口40和从后壁42反射。当第一、第二和第三原色R、G、B光照射到镜面反射式光向外耦合装置50上时，光的方向改向光输出窗口40、且从光导20发射。第一原色R光照射到镜面反射式光向外耦合装置50处的入射角与第二原色G和第三原色B光的入射角不同，这导致了：在光经由光输出窗口40从光导20发射时，维持第一、第二和第三原色R、G、B光的角距(angular separation)。使用镜面反射式光向外耦合装置50并具有在其中经由镜面反射来限制光的光分布元件20，第一、第二和第三光束100、102、104的角距由根据本发明的照明系统10来维持。从照明系统10发射的光因而包括角度分隔开的第一原色R光、第二原色G光和第三原色B光。
图1B是根据本发明照明系统10的示意性顶视图。由光源(未示出)产生的第一、第二和第三光束100、102、104照射到光导20的光输入窗口48上，其中，第一、第二和第三光束100、102、104入射到光输入窗口48上的角度是不同的。在图1B所示的实施例中，当从顶视图中看时，第一、第二和第三光束100、102、104的光似乎布置成基本上平行。然而，第一、第二和第三光束100、102、104的入射角相对于与光输出窗口40垂直的平面(如图1A中所示)不同。可替换地，第一、第二和第三光束100、102、104可以例如相对于与光输出窗口40平行的平面(如图3所示)以不同的入射角、或者以相对于与光输出窗口40平行的平面和与光输出窗口40垂直的平面(未示出)都不同的入射角照射到光导20的光输入窗口48上。镜面反射式光向外耦合装置50可以包括例如如图1A中所示的三角形连续线。可替代地，表示图1B中镜面反射式光向外耦合装置50的线可以是包括多个分离的镜面发射式光向外耦合装置50的行。
图2A示出了图1A中示意性横截面视图的详细部分82，其阐明了光通过光导20的传播以及光从光导20的向外耦合。详细部分82示出了仅仅用于包括第一原色R光的第一光束100的传播和向外耦合。然而，相同的原理适用于第二光束102和第三光束104。第一光束100相对于光输入窗口48的法线轴48a、以入射角θv照射到光输入窗口48上。在图2A中，光导20的折射率假设高于光导20周围环境的折射率。光导20可以由例如玻璃(折射率：nglass＝1.51)制成，或者由例如更透亮的、基本上透明的塑料材料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(折射率：nPMMA＝1.49))制成，或者由例如聚碳酸酯(折射率：nPC＝1.59)制成。光导的周围环境可以例如是空气(折射率：nair＝1.00)。从周围环境(图2A实例中的空气)传播进入具有较高折射率的光导20中的光向法线轴48a折射，正如图2A所示。一旦来自第一光束100的第一原色R光在光导20内部，光经由全内反射传播通过光导20，其中，当光从光输出窗口40和从后壁42反射时，反射角基本上与入射到光输出窗口40上和后壁42上的角度相等。详细部分82进一步地示出了具有折射涂层51的镜面反射式光向外耦合装置50。传播通过光导20的光可以直接地(或者在从光输出窗口40反射之后)照射到镜面反射式光向外耦合装置50上，这在图2A中由光导20内部的实线R1表示，或者传播通过光导20的光可以在从后壁42反射后照射到镜面反射式光向外耦合装置50上，这由图2A中的点线R2表示。通常，对于实线R1和点线R2，入射到镜面反射式光向外耦合装置50上的角度是不同的，这导致了第一原色R光的第一输出光束OR1以及第二输出光束OR2的成角度分离。出现两个输出光束OR1、OR2通常不是优选的。这可以借助于不包括反射涂层51的镜面反射式光向外耦合装置50来解决，且相对于这些装置(未示出)的法线轴、以比较小的入射角照射到镜面反射式光向外耦合装置50上的光因而将传输通过镜面反射式光向外耦合装置，但以比较大的入射角照射到镜面反射式光向外耦合装置50上的光将向光输出窗口40反射，以从光导20发射。可替换地，镜面反射式光向外耦合装置50可以由图2B中所示的矩形缝隙构成。
图2B详细示出了镜面反射式光向外耦合装置50的实施例。镜面反射式光向外耦合装置50由光导20中的矩形缝隙(slit)57构成。矩形缝隙57具有两个基本上平行的镜面反射表面57a，57b，所述镜面反射表面57a，57b相对于光导20的光输出窗口40限定角α。缝隙57例如填充有空气，或者可替换地填充有与光导20具有不同折射率的不同物质。由于光导20和缝隙57内部之间的折射率不同，仅仅相对于镜面反射表面57a的法线轴(未示出)、以比预定角度更大的入射角照射到镜面反射表面57a上的光将被反射，然而，以比预定角度更小的入射角照射到镜面反射表面57a上的光将透过并经由全内反射继续传播通过光导20。该实施例具有如下优点：其可以防止出现具有基本上相同原色的两个成角度分离的光束(见图2A，输出光束OR1、OR2)。图2B的左部分示出了一种布置，其中第一原色R1光以比较小的入射角照射到镜面反射表面57a上、且传输通过缝隙57。图2B的右部分示出了一种布置，其中传播通过光导20的第一原色R2光从后壁42反射，且随后以比较大的入射角照射到镜面反射表面57a上，所述光随后向光输出窗口40反射，从而从光导20发射。因此，第一原色R光以单独的输出光束OR2或者以基本上平行布置的多个输出光束OR2从光导20发射，由此避免了第一原色R光的角距。在图2B中，仅仅对于包括第一原色R光的第一光束100阐明了将缝隙57用作镜面反射式光向外装置50的作用。然而，同样的原理适用于第二光束102和第三光束104。
图3示出了根据本发明的显示设备31的实施例。显示设备31包括如图1A所示的照明系统10，以及包括具有多个子像素90R、90G、90B的像素90的图像生成层30，例如，每个原色R、G、B对应于一个子像素。像素90布置在基本上透明的基底86、84之间，所述基底86、84例如包括用于驱动子像素90R、90G、90B的电触头(未示出)。通常，子像素90R、90G、90B的光传输(transmission)是可控的，由此控制每个原色R、G、B对于像素90颜色和强度的贡献。图像可以通过控制从显示设备31的每个像素90发射的光的强度和颜色来生成。在图3所示的显示设备31的实施例中，一个镜面反射式向外耦合装置50与一个像素90相关联。图3中所示的图像生成层10仅仅示出了夹在两个基底和扩散层88之间的一层像素90。每个像素90包括三个子像素90R、90G、90B，其中，例如每个子像素90R、90G、90B由包括液晶的单元(进一步地也称为LC-单元)构成，其能影响所传输光的偏振方向。通常，图像生成层10还包括偏振层(未示出)、用于驱动LC-单元的一组电触头层、以及用于限定所发射光偏振方向的分析层(analyzing layer)(未示出)。虽然出于简化的原因已经省略了这些元件，但是现有技术中众所周知的是，按照所述方式，这些元件将应用于获得显示设备31上的图像。
图4示出了根据本发明的显示设备32的实施例。图4中所示显示设备32包括用于接收分离的光R、G、B，且将分离光R、G、B会聚到圆柱形透镜62焦点处(例如，像素90的子像素90R、90G、90B处)的圆柱形透镜阵列60。使用圆柱形透镜62具有如下优点：镜面反射式光向外耦合装置50的分布不需要与图像生成层30中的像素90的间隔相关联。因为特定原色R、G、B的全部光从光输出窗口40基本上平行地发射，所以圆柱形透镜62将相对于圆柱形透镜62纵向轴64以某个角度照射到圆柱形透镜62上的所有光会聚到一个焦点。在图4中所示的显示设备32的实施例中，照明系统12包括三角形的镜面反射式向外耦合元件52，所述三角形的镜面反射式向外耦合元件52布置成相对于光输出窗口40的法线轴(normal axis)40a基本上对称。由于对称布置三角形的镜面反射式向外耦合元件52，在与光输出窗口40基本上平行的方向传播通过光导22、且从两相对侧射到三角形反射式向外耦合元件52上的光将射向光输出窗口40，同时维持光的角距。在光导22中，例如当光从光导22的侧壁44、46反射(未示出)时，可以在相反方向行进。在图4所示的实施例中，光导22包括用于将光耦合进入光导22的在光导22两相对侧的两个光输入窗口48。第一原色R光以基本上相同的入射角耦合进入两个光输入窗口48。而且，三角形镜面反射式向外耦合元件52布置成将第一原色光基本上与光输出窗口40的法线轴40平行地耦合出去，这导致了在相反方向传播通过光导22的第一原色R光被与法线轴40基本上平行地发射。当第二原色G光同样以基本上相同的入射角耦合进入两个光输入窗口48，且第三原色B光以基本上相同的入射角耦合进入两个光输入窗口48时，从三角形的镜面反射式向外耦合元件52发射的光设置成相对于法线轴40a基本上对称。这具有如下优点：从光输出窗口40发射的光布置成相对于法线轴40a基本上对称。可替换地，三角形的镜面反射式向外耦合元件52可以例如由第一和第二矩形缝隙57(见图2)代替，其中，第二矩形缝隙(未示出)是由在光输出窗口40法线轴40a上的反射所形成的第一矩形缝隙57镜像。
在图像生成层30中的像素90包括多个子像素90R、90G、90B。子像素90R、90G、90B的布置优选地与从照明系统12所发射的光的角分布相对应，例如包括子像素90R、90G、90B相对于法线轴N的对称布置。在图4中所示的实施例中，每个像素90包括对应于原色红R的一个子像素90R、对应于原色绿G的两个子像素90G、以及对应于原色蓝B的两个子像素90B。在图4所示的像素布置中，每个像素90与该像素90任一侧的相邻像素90共有用于原色蓝B的子像素90B，这有效地导致了每像素90一个对应于的原色蓝B的子像素90B。该实施例具有如下优点：像素90可以更小，由此得到更高的分辨率。
图5示出了包括根据本发明照明系统11的显示设备37的进一步实施例，其中，多行镜面反射式光向外耦合装置50布置成与圆柱形透镜62的纵向轴64基本上垂直。显示设备37包括图像生成层30和包括光分布元件21(例如，光导21)的照明系统11。出于清楚的原因，图像生成层30与圆柱形透镜62的阵列60一起已经移出了照明系统11。必须用相同原色的光照明的子像素90R、90G、90B布置在与圆柱形透镜62的纵向轴64平行的行中。第一、第二和第三光束100、102、104在与光输出窗口40平行的平面中、相对于光输入窗口48的法线轴48a以不同的角度(见图2A)照射到照明系统11的光输入窗口48上。可替换地，第一、第二和第三光束100、102、104还可以附加地在与光输出窗口40垂直的平面中、相对于法线轴48a以不同的角度θH照射。镜面反射式光向外耦合装置50例如与图2A或者2B中所示相同。同样在图5中所示的结构中，其中，多行镜面反射式光向外耦合装置50布置成与圆柱形透镜的纵向轴64垂直，第一、第二和第三光束100、102、104之间的角度差异基本上被照明系统11维持，这导致了从光导20的光输出窗口48所发射的光的角距。该实施例具有如下优点：垂直布置多行镜面反射式光向外耦合装置50和圆柱形透镜62的纵向轴64减小了圆柱形透镜阵列60的周期和多行镜面反射式光向外耦合装置50另外的周期之间的光学干涉。光学干涉图案(也称为莫尔图案)可以导致从照明系统11所发射的光的不均匀光强。相对于多个圆柱形透镜62的纵向轴64基本上垂直布置多行镜面反射式光向外耦合装置50减小了由于莫尔图案而导致的不均匀性。
图6示出了根据本发明的显示设备33的实施例，其中，照明系统13包括楔形光导23，所述楔形光导的厚度T1、T2在远离光输入窗口48的方向呈阶式减小。两个连续台阶S1、S2之间的分界面53a包括来自多个镜面反射式向外耦合装置53的镜面反射式向外耦合装置53。在基本上与光输出窗口40垂直的方向上限定了光导23的厚度T1、T2。该实施例具有如下优点：呈阶式减小的光导23使光均匀分布，同时集成了镜面反射式向外耦合元件53。
图7示出了根据本发明的显示设备34的实施例，其包括图像生成层30和照明系统14。照明系统14包括镜面反射式光向外耦合装置50。在图7所示的实施例中，镜面反射式光向外耦合装置50由抛物线形的镜面反射表面54构成。反射性表面(例如，抛物线形的镜子54)代替光导，用于光分布元件24中。图7中所示的实施例具有如下优点：抛物线形的镜面反射表面54可以用来例如使所反射的光改变方向，且因此，例如影响从光分布元件24的光输出窗口40所发射的第一、第二和第三原色R、G、B的光的均匀性。
图8示出了根据本发明的显示设备35的实施例，其包括图像生成层30和照明系统15。照明系统15具有多个例如形成菲涅耳类反射表面的镜面反射表面55。图8中所示的实施例具有如下优点：照明系统15的厚度相对于图7中所示的实施例可以变小。
图9示出了根据本发明的显示设备36的实施例，其中，镜面反射式光向外耦合装置50由半透明镜56构成。图9中所示的显示设备36也包括图像生成层30和照明系统16。照明系统16包括具有半透明镜56的光分布元件26，其相对于光分布元件26的光输出窗口40限定了角度α。光分布元件26可以包含例如具有镜面反射壁并包括半透明镜56的盒子。盒子可以包括例如在光输出窗口40处的成角度反射滤波器(未示出)，以便限制相对于光导法线轴40a以比较大的角度照射到光输出窗口40上的光。可替换地，光分布元件26可以例如由多个行的相邻光导构成。邻近光导具有例如相对于光输出窗口40形成角度α的侧壁(edge wall)。半透明镜56例如由两个相邻光导之间的小气隙(未示出)形成。该实施例具有如下优点：半透明反射表面56的透明度可以用来影响光分布元件26内部的光分布。
需要指出的是，上述实施例说明而不是限制本发明，本领域技术人员将能够设计许多替代的实施例，而不脱离所附权利要求的范围。
在权利要求中，设置在圆括号之间的附图标记不应该解释为限制权利要求。使用动词“包括”及其结合不排除存在不同于权利要求中所陈述的那些元件或者台阶。在元件前的冠词“一”不排除存在多个上述元件。本发明可以借助于包括几个明显元件的硬件来实现。在枚举几个装置的设备权利要求中，这些装置中的几个可以由一个或者相同项的硬件所包含。在相互不同的独立权利要求中所叙述的某些方法的仅有事实不表示这些方法的结合不能用来受益。

Claims (15)

1.一种用于照亮显示设备(31，32，33，34，35，36，37)的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，所述照明系统(10，11，12，13，14，15，16)包括：
光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)，其用于将光分布在显示设备(31，32，33，34，35，36，37)上，该光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)包括光输出窗口(40)、位于光输出窗口(40)对面的后壁(42)、以及在光输出窗口(40)和后壁(42)之间延伸的侧壁(44，46)，所述侧壁(44，46)中至少一个包括用于容许光进入光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)的光输入窗口(48)，该光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)进一步包括镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)，用于镜面反射从光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)的光以经由光输出窗口(40)射向显示设备(31，32，33，34，35，36，37)，
用于产生包括第一原色(R)光的第一光束(100)和包括第二原色(G，B)光的第二光束(102，104)的装置，第二光束(102，104)与第一光束(100)基本上不平行，以及
光输入窗口(48)，其布置成接收第一光束(100)从而将第一原色(R)光耦合进入光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)，以及接收至少第二光束(102，104)从而将第二原色(G，B)光耦合进入光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)。
2.根据权利要求1所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，第一光束(100)的第一原色(R)光和/或第二光束(102，104)的第二原色(G，B)光包括偏振光。
3.根据权利要求1或2所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，照明系统(10，11，12，13，14，15，16)进一步地包括：布置在光输出窗口(40)和显示设备(31，32，33，34，35，36，37)之间的透镜阵列(60)，透镜阵列(60)具有多个圆柱形透镜(62)，用于接收角度分隔的光以及将角度分隔的光会聚到每个圆柱形透镜(62)的多个焦点处。
4.根据权利要求3所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)以多个镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)的行布置，所述的行布置成与多个圆柱形透镜(62)的纵向轴(64)基本上垂直。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，所述镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)以与显示设备(31，32，33，34，35，36，37)的像素(90)的间距相关联的规则间距分布。
6.根据上述权利要求中任何一个所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，所述光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)包括光导(20，22，23)。
7.根据权利要求6所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)在光导(20，22，23)中包括多个缝隙(57)，所述多个缝隙(57)中的每个缝隙(57)具有包括两个基本上平行的镜面反射表面(57a，57b)的基本矩形的形状，所述镜面反射表面(57a，57b)相对于光导(20，22，23)的光输出窗口(40)限定了角度(α)。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，所述镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)包括多个三角形的镜面反射式向外耦合元件(50，52)。
9.根据权利要求8所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，所述三角形的镜面反射式向外耦合元件(50，52)布置成相对于光输出窗口(40)的法线轴(40a)基本上对称。
10.根据权利要求1、2、3或6所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，所述光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)具有楔形形状(23)。
11.根据权利要求10所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，楔形形状(23)具有在远离光输入窗口(48)的方向呈阶式减小的光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)厚度，两个连续台阶(S1，S2)之间的分界面(53a)包括来自所述多个镜面反射式向外耦合元件(53)的镜面反射式光向外耦合元件(53)，光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)的厚度(T1，T2)为在与光输出窗口(40)基本上垂直的方向上的光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)的尺寸。
12.根据权利要求1、2、3或6所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，所述镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)具有弯曲的镜面反射表面(54)。
13.根据权利要求1、2、3或6所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，所述镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)由半透明镜(56)构成，所述半透明镜(56)相对于光输出窗口(40)限定角度(α)。
14.根据权利要求1、2、3或6所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)，其中，所述镜面反射式光向外耦合装置(50，52，53，54，55，56，57)分布在光分布元件(20，21，22，23，24，25，26)中，用于产生从光输出窗口(40)所发射的第一和第二原色(R，G，B)光的基本均匀分布。
15.一种显示设备(31，32，33，34，35，36，37)，其包括如前述权利要求中所要求中任一所述的照明系统(10，11，12，13，14，15，16)。
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PB01 Publication
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