CN101688991A - 控制背光源输出特性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种背光源，所述背光源包括光源和一个或多个光循环棱镜膜。所述光源发出以某种角出射分布离开所述光源的光。所述光循环棱镜膜相对于所述光源定向，使得所述光循环棱镜膜的所述棱镜峰背离所述光源定向。所述光循环棱镜膜具有最佳入射角度范围，所述最佳入射角度范围允许光不经过光循环穿过所述光循环棱镜膜。所述光源的组件、所述光循环棱镜膜的所述特性或这两者被构造用于控制所述光源的所述角出射分布与所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围之间的所述重叠。

Description

控制背光源输出特性的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于控制采用增亮型光循环棱镜膜的背光源的输出特性的系统和方法。

背景技术

平板显示器广泛用于从包括计算机监视器和电视机在内的较大设备到诸如手机、便携式DVD播放机、手表和游戏设备等小型手持装置的多种应用。许多平板显示器使用光学活性材料(如液晶)和从背后照亮光学活性材料的光源。设置在液晶与背光源之间的膜已经用于提高显示器的亮度。例如，可使用增亮膜来增强以相对于显示器表面的所需视角射出的光。基本上平行于所需视角形成的光称为“同轴”光。在许多应用中，出射光的所需角度与显示器表面垂直。增加同轴光的量可以降低生成所需量的同轴亮度所必需的能量的量。这对于使用电池供电式光源的光学显示器来说尤为重要。

一般来讲，增亮膜产生的同轴亮度的增加称为膜的“增益”。例如，如果所需视角垂直于显示器表面，则膜的同轴增益是指基本上垂直于有膜和没有膜的显示器表面测得的光强度的比率。

具有一个大致平坦的表面和另一个具有棱镜结构的表面的增亮膜常用于引导原本沿着视轴看不到的光。典型的平板显示器装置可以使用几种不同类型的膜，以提供沿着优选的视向具有基本一致输出的整体明亮、高对比度的显示器。

需要可为光学显示器，尤其是低功率应用提供照明的增强型背光源。本发明可满足这些和其他需要，并提供优于现有技术的其他优点。

发明内容

本发明的实施例涉及背光源和制造背光源的方法。一个实施例涉及具有光源和一个或多个光循环棱镜膜的背光源。光源被构造为可发出具有角出射分布的离开光源的光。光循环棱镜膜具有背离光源定向的棱镜峰。光循环棱镜膜具有允许非循环光在所需出射角度范围内从光循环棱镜膜平面离开的最佳入射角度范围。光源的一个或多个组件、光循环棱镜膜的一种或多种特性，或这两者被构造为优先形成光源的出射分布和最佳入射角度范围中的一者或两者，以控制出射分布与最佳入射角度范围之间的重叠。

根据一些方面，光源的一个或多个组件被构造为优先形成光源的出射分布，以提供相对于非循环光量的循环光量。

在一些构造中，光源的一个或多个组件可被构造为优先形成光源的出射分布，以增加光源的出射分布与光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的重叠。在一些构造中，棱镜膜的一种或多种特性被构造为优先形成膜的最佳入射角度范围，以增加出射分布与优选的入射角度范围之间的重叠。在其他实施例中，光源组件被构造为使光源的出射分布朝膜的最佳入射角度范围偏移，而光循环棱镜膜的特性被构造为使最佳入射角度范围朝光源的出射分布偏移。

例如，在多种构造中，用于优先使出射分布朝最佳入射角度范围偏移的光源组件可包括：一个或多个具有背离光循环棱镜膜定向的微结构化表面的增益扩散片、具有或不具有微结构化特征的光导装置、镜面反射器、微结构化镜面反射器、包括棱镜膜的镜面反射器、包括层合至基底上的薄膜聚合物反射层的镜面反射器，以及具有特定雾度和透光度特性的扩散片。

在多种构造中，使最佳入射角度范围朝出射分布偏移的光循环棱镜膜的特性包括：光循环棱镜膜的折射率、光循环棱镜膜的棱镜轴之间的角度、至少一个光循环棱镜膜与光源的纵向轴线之间的角度、光循环棱镜膜的棱镜顶角，以及光循环棱镜膜棱镜的对称性。

另一个实施例涉及引导光穿过包括光源和一个或多个光循环棱镜膜的背光源的方法。光由光源发出，并以某种角出射分布离开光源。可通过一个或多个光循环棱镜膜引导光穿过背光源。光循环棱镜膜与允许非循环光以所需视角穿过光循环棱镜膜的最佳入射角度范围有关。引导光涉及控制光源的出射分布使其接近光循环棱镜膜的最佳入射角度范围和控制光循环棱镜膜的最佳入射角度范围使其接近光源的出射分布中的一者或两者。落入最佳入射角度范围内的光的第一部分穿过棱镜膜，未发生光循环。光的第二部分发生光循环。

在多种构造中，使用一个或多个具有背离光循环棱镜膜定向的微结构化表面的增益扩散片、镜面反射器、具有微结构化表面的光导装置以及扩散片雾度和透光度参数来控制光源的出射分布。

在其他构造中，利用一个或多个光循环棱镜膜的折射率、光循环棱镜膜的顶角、光循环棱镜膜棱镜轴之间的角度、至少一个光循环棱镜膜与光源的纵向轴线之间的角度中的一者或多者来控制光循环棱镜膜的最佳入射角度范围。

引导光可以涉及仅控制出射分布、仅控制最佳入射角度范围或同时控制出射分布和最佳入射角度范围。

本发明的又一个实施例涉及制造包括光源和一个或多个光循环棱镜膜的背光源的方法。制造背光源的方法包括确定一个或多个背光源组件的特性，这包括确定至少一个光源的光出射分布特性以及确定至少一种光循环棱镜膜构造的最佳入射角度范围中的一者或两者。最佳入射角度范围使得光能穿过光循环棱镜膜，而不发生光循环。根据背光源组件的特性选择背光源的光源和光循环棱镜膜构造中的一者或两者。所选背光源组件提供出射分布与最佳入射角度范围之间的所需重叠量。光源和光循环棱镜膜被布置为使得光循环棱镜膜的棱镜峰背离光源定向。

本发明的上述发明内容并非意图描述本发明的每个实施例或每种实施方式。通过结合附图参考以下具体实施方式和权利要求书，可更完整地了解本发明，本发明的优点和成就也将变得显而易见并被领会。

附图说明

图1为示出了根据本发明实施例的背光源的示意图，该背光源包括光源和一个或多个光循环棱镜膜；

图2示出了背光源光循环棱镜膜部分的示例性最佳首过入射角度范围的锥光图；

图3示出了从背光源光源部分发出的光的示例性角出射分布的锥光图；

图4示出了叠加到图3出射分布上的图2的最佳首过入射角度范围；

图5A示出了根据本发明的实施例通过使最佳入射角度范围朝出射分布偏移来控制最佳首过入射角度范围与角出射分布之间的重叠量的方法；

图5B示出了根据本发明的实施例通过使光源的出射分布朝膜的最佳入射角度范围偏移来控制最佳入射角度范围与角出射分布之间的重叠量的方法；

图5C示出了根据本发明的实施例扩大出射分布的角区域以增大出射分布与最佳入射角度范围之间的重叠量的方法；

图6为根据本发明实施例的流程图，示出了控制组装有光源和光循环棱镜膜的背光源的首过光与非循环光的比率的方法；

图7A为示出了具有朝向光导定向的镜面和朝向光循环棱镜膜定向的结构化表面的增益扩散片的示意图，其中光循环棱镜膜可用于控制根据本发明实施例的背光源的特性；

图7B包括具有朝向光导定向的结构化表面和朝向光循环棱镜膜定向的镜面的增益扩散片，其中光循环棱镜膜可用于控制根据本发明实施例的背光源的特性；

图8A为图7A光源的角出射分布的锥光图；

图8B为图7B光源的角出射分布的锥光图；

图9示出了两个光循环棱镜膜的最佳入射角度范围的模型，其中第一膜的棱镜轴相对于光导的纵向轴线呈约0度角度，第二膜的棱镜轴相对于光导的纵向轴线呈约90度角度；

图10A示出了叠加到图7A光源角出射分布上的0/90光循环棱镜膜的最佳入射角度范围的锥光图；

图10B示出了叠加到图7B光源角出射分布上的0/90光循环棱镜膜的最佳入射角度范围的锥光图；

图11A和11B分别示出了根据本发明实施例的SSU和SSD增益扩散片的入射和出射角；

图12A和12B示出了根据本发明实施例的包括单个光循环棱镜膜的背光源构造，该单个光循环棱镜膜具有基本上平行于光导的纵向轴线定向的棱镜轴，并且具有结构化的增益扩散片；

图12C示出了根据本发明实施例的组装了非结构化扩散片和单个光循环棱镜膜的背光源；

图12D提供了图12A结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图12E提供了图12B结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图13A和13B示出了根据本发明实施例的包括单个光循环棱镜膜的背光源构造，该单个光循环棱镜膜具有基本上垂直于光导的纵向轴线定向的棱镜轴，并且具有结构化的增益扩散片；

图13C示出了根据本发明实施例的组装了非结构化扩散片和单个光循环棱镜膜的背光源；

图13D提供了图13A结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图13E提供了图13B结构化增益扩散片型背光源构造的输出图；

图14A和14B示出了根据本发明实施例的包括单个光循环棱镜膜的背光源构造，该单个光循环棱镜膜具有相对于光导的纵向轴线呈约45度角度的棱镜轴，并且具有结构化的增益扩散片；

图14C示出了根据本发明实施例的组装了非结构化扩散片和单个光循环棱镜膜的背光源；

图14D提供了图14A结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图14E提供了图14B结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图15A和15B示出了根据本发明实施例的包括单个光循环棱镜膜的背光源构造，该单个光循环棱镜膜具有相对于光导的纵向轴线呈约135度角度的棱镜轴，并且具有结构化的增益扩散片；

图15C示出了根据本发明实施例的组装了非结构化扩散片和单个光循环棱镜膜的背光源；

图15D提供了图15A结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图15E提供了图15B结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图16A和16B示出了具有结构化扩散片和两个光循环棱镜膜的背光源，这两个光循环棱镜膜相对于光导的纵向轴线呈0度和90度角度；

图16C示出了组装了非结构化扩散片和两个交叉的光循环棱镜膜的背光源；

图16D提供了图16A结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图16E提供了图16B结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图16F和16G分别提供了具有未组装有和组装有非结构化增益扩散片的0/90光循环棱镜膜的背光源的锥光输出图；

图17A和17B示出了根据本发明实施例的包括结构化扩散片和光循环棱镜膜的背光源的示意图，所述光循环棱镜膜相对于光导的纵向轴线呈45度和135度角度；

图17C示出了组装了非结构化扩散片和两个交叉的光循环棱镜膜的背光源；

图17D提供了图17A结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图17E提供了图17B结构化扩散片型背光源构造的输出图；

图17F和17G分别提供了提供了具有未组装有和组装有非结构化增益扩散片的45/135光循环棱镜膜的背光源的锥光输出图；

图18为示出了0/90光循环棱镜膜的最佳首过入射角度范围的图线，该0/90光循环棱镜膜的棱镜顶角为90度，折射率为1.56；

图19A示出了根据本发明实施例的具有朝向光导定向的基本上平滑的反射表面的反射器，其中光导可用于形成光源的出射分布；

图19B示出了根据本发明实施例的具有朝向光导定向的结构化表面的反射器，其中光导可用于形成光源的出射分布；

图19C为示出了具有对称倾斜反射结构的反射器的示意图；

图20A示出了楔型背光源垂直截面的输出亮度与穿过没有光循环棱镜膜的背光源系统的底部扩散片的角度的关系图；

图20B示出了描述各种背光源构造效果的亮度与出射角度的关系图；

图20C和20D分别针对平坦的反射器和微结构化的反射器示出了垂直于显示器表面的背光源出射通量的图线；

图21为根据本发明实施例的结构化反射器的示意图，该结构化反射器具有层合在结构化基底上的增强型镜面反射器(ESR)膜；

图22为根据本发明实施例的包括设置在ESR基底上的棱镜膜的反射器的示意图；

图23示出了图22中所示反射器相对于光导的布置方式；

图24示出了具有白色平面反射器的背光源的输出图；

图25示出了具有ESR反射器的背光源的输出图；

图26示出了组装有图22所示反射器的背光源的输出图；

图27A示出了具有白色平面反射器且使用DBEFII偏振器的背光源的输出图；

图27B示出了组装有与DBEFII一起使用的图22所示反射器的背光源的输出图；

图28A为示出了没有扩散片只有光导的光源的出射分布的锥光图；

图28B-28F为示出了组装有光导和多个扩散片的光源的出射分布的图线；

图29A-E示出了背光源的光输出，该背光源具有交叉的折射率为1.56的光循环棱镜膜并组装有多个扩散片；

图30A-E示出了背光源的光输出，该背光源具有交叉的折射率为1.65的光循环棱镜膜并组装有多个扩散片；

图31示出了具有非结构化顶面和底面的光导；

图32为示出了具有设置在背离光循环棱镜膜定向的光导表面上的结构的光导的示意图；

图33和34为示出了具有设置在朝向光循环棱镜膜定向的光导表面上的结构的光导的示意图；

图35A示出了光循环棱镜膜构造，其中棱镜膜之间的角度为90度；

图35B示出了光循环棱镜膜构造，其中棱镜膜之间的角度为180度；

图36示出了改变棱镜膜之间的角度对最佳入射角度范围的影响；

图37针对离开光源的各种角度的光提供了这样的曲线，这些曲线示出了改变光循环棱镜膜的棱镜顶角对背光源的峰值输出角度的影响；

图38A-38C提供了这样一些曲线，这些曲线示出了改变光循环棱镜膜的棱镜顶角和折射率对背光源的峰值输出角度的影响；

图39为示出了折射率和棱镜顶角对光循环棱镜膜的最佳入射角度范围的影响的锥光图；

图40提供了两个光循环棱镜膜的剖视图，该光循环棱镜膜具有基本上平行的棱镜轴；

图41为示出了根据本发明实施例的、基于棱镜角度形成膜的输入分布的概念的示意图；

图42为反向光线追踪模型的锥光图，示出了由位于交叉的棱镜膜下方的检测器接收的光的四个轮廓分明的区域。

图43为交叉棱镜膜的最佳倾角与棱镜折射率的关系图；

图44为交叉棱镜膜的最佳倾角与棱镜顶角的关系图；

图45为交叉棱镜膜的最佳倾角与偏角的关系图；

图46示出了以80度的偏角布置的交叉光循环棱镜膜的最佳入射角度的锥光图；

图47示出了以10度的偏角布置的交叉光循环棱镜膜的最佳入射角度的锥光图；

图48为示出了当改变一个棱镜面的角度时最佳入射角度的变化的锥光图的一部分；

图49为制造根据本发明实施例的背光源的方法的流程图；

图50示出了平板计算机、膝上型计算机或台式计算机的基本组件，所述计算机具有组装了根据本发明实施例的背光源的显示器；

图51示出了电视机的框图，该电视机采用了根据本发明多个实施例的背光源；

图52为手持式MP3播放器的框图，该手持式MP3播放器包括采用了根据本发明实施例制造的背光源的显示器；以及

图53提供了移动电话的框图，该移动电话组装了具有根据本发明实施例构造的背光源的显示器；

虽然本发明可有各种修改形式和替代形式，但是已经以实例的方式在附图中示出了其具体形式，并且将详细描述这些具体形式。然而，应当理解，本发明并不局限于所描述的具体实施例。相反，其目的在于涵盖所附权利要求书所限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。

具体实施方式

在以下示例性实施例的说明中，将参考构成本文一部分的附图，这些附图以举例说明本发明可能实施的各种实施例的方式示出。应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以使用实施例，并且可以进行结构性的修改。

根据本发明的系统、装置或方法可以包括本文所述的特征、结构、方法或它们的组合中的一者或多者。例如，可使装置或系统包括下述有利特征和/或方法中的一者或多者。其意图是，此类装置或系统不必包括本文所述的所有特征，但可使其包括提供可用结构和/或功能的选择性特征。方法可以包括所述步骤中的一者或多者，并不局限于任何具体实施顺序。

平板显示器可用于多种应用，包括计算机监视器、电视机、膝上型计算机以及诸如手机、手表和游戏设备之类的手持设备。这些设备的显示器通常使用布置在液晶面板后面的背光源。为了更有效的操作，需要使来自背光源的光与所需视角“同轴”或基本上平行于所需视角透过液晶面板射出。从面板射出的相对于所需视角显著偏轴的光被浪费。特别是对于电池供电的设备而言，这种浪费的能量是一种明显的缺点。

许多背光源采用侧光式光导光源以及一个或多个棱镜膜。棱镜膜使光准直，从而减少从显示器发出的相对于视角偏轴的光。用于增强亮度的一种类型的棱镜膜为转向薄膜。转向薄膜可被布置为棱镜峰朝向光导定向。光线离开光导并射到棱镜结构上。光被棱镜结构的第一表面折射，并被棱镜结构的第二表面反射，从而光被导向为与视角同轴。

另一种类型的棱镜膜“循环”光的一部分，以增加从显示器出射的同轴光的量。光循环棱镜膜包括一个或多个具有背离光导定向的棱镜峰的棱镜膜层。棱镜峰可以是圆头或截头的，以实现某些光学特性。当来自光导的光射在棱镜上时，光的一部分被折射为同轴方向，而光的另一部分因全内反射而反射回来。反射光可以循环，直到其最终从显示器射出。

通过光循环来增加同轴光具有多种优点，这包括隐藏缺陷以及改善背光源区域上方的光的均匀度，从而为观察者提供更柔和以及更愉悦的外观。尽管希望循环来自光源的光的一些部分来保持这些特性，但通过增加穿过棱镜膜的没有循环的“首过光”的量来提高背光源亮度也是有利的。为使光与所需视角同轴穿过棱镜膜，而不进行循环，光必须在特定角度范围内入射到膜上，该特定角度范围在本文中称为最佳入射角度范围。

本发明的实施例涉及可增强使用光循环棱镜膜的背光源的亮度，同时还可保持光循环优点的多种方法。本文所述的一些实例涉及改变首过光与通过光循环棱镜膜的循环光之间的比率的方法。改变首过光与循环光的比率可通过改变离开背光源的光源的光的角出射分布和/或光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的对应量来实现。例如，控制出射分布与最佳入射角度范围之间的对应量或重叠量可涉及优先形成光源的出射分布和/或膜的最佳入射角度范围，以增加基本上为正常值的增益，从而调整增益分布以适应所需视角。

图1示出了背光源100，其包括光源110和一个或多个光循环棱镜膜120、125。光源110包括灯111，例如荧光灯管或发光二极管。虽然图1中只示出了一个灯111，但背光源100可以包括多个灯。在图1的实例中，灯111沿着光导115的一个边缘延伸。可选的反射器112可用于将光从灯111导入光导115。

光导115通常为平面形状，其具有顶面116和底面117、离灯111最近的近端118，以及离灯111最远的远端119。光导115可为顶面116与底面117之间具有角度的楔形。例如，楔角可为最大约1度，或可为约0度。

光导115接收来自灯111的光，并允许光通过全内反射沿着光导115的纵向轴线130传播。光导115内的光沿着光导115传播，直到光导115的出射面上的光的入射角小于临界角。只要光导内的光的入射角度大于临界角，光就会发生全内反射。当入射角小于临界角时，光会透射穿过出射面116，从而离开光导115。对于楔形光导而言，光的入射角的减小量与来自出射面116上每次反射的楔角成比例。光可以在光导顶面116绝大部分范围内的上方离开光导115。

光源110可以任选包括设置在光导115与光循环棱镜膜120、125之间的扩散片140。扩散片140遮盖光导提取斑点图案使其不为观察者所见，从而产生更均匀的照明。光源110也可包括使从光导115的底面117射出的光朝光循环棱镜膜120、125反射的反射器150。

背光源100包括一个或多个具有棱镜128的光循环棱镜膜120、125，棱镜128具有朝向光源110定向的棱镜底126和背离光源110定向的棱镜峰127。如图1所示，背光源100可以包括两个具有多个三角形线性棱镜128的光循环棱镜膜120、125，其中每个膜120、125的棱镜轴122、123可以分别沿着线性棱镜的峰127确定方向。图1示出了两个具有方向基本上垂直的棱镜轴122、123的光循环棱镜膜120、125，但也可以采用其他方向。

来自光源110的光入射到定向为离光源110最近的光循环棱镜膜120的平表面121上。该光的第一部分被光循环棱镜膜120、125朝光源110回射。回射的光被扩散片140、反射器150或光源110的其他结构反射至光循环棱镜膜120、125。光可以被光循环棱镜膜120、125朝光源110回射多次，直到光达到所需入射角，以从光循环棱镜膜120、125射出。循环光用光线172表示。

光的第二部分离开光源110并以在光循环棱镜膜120、125的最佳入射角度范围内的入射角入射到光循环棱镜膜120、125上。被称为首过光的光的第二部分从膜中射出，不会发生光循环。在图1中，光线171表示首过光。

本发明的实施例涉及控制离开背光源的光源的光的角出射分布与产生基本上相对于所需视角同轴的首过光的光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的对应度，如角范围的重叠。背光源设计者1)可以只控制光源110的光学特性，2)可以只控制光循环棱镜膜120、125的光学特性，3)可以控制光源110和光循环棱镜膜120、125这两者。可对光源、光循环棱镜膜或这两者的特性加以选择以控制出射分布与最佳入射角度范围间的重叠量。

本发明的一些实施例涉及第一方案，并且注重于改变光源的特性，以形成光源的角出射分布，从而控制光源的出射分布与光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的重叠。本发明的一些实施例涉及第二方案，并且注重于改变光循环棱镜膜的特性，以形成膜的最佳入射角度范围，从而控制出射分布/输入范围的重叠。另外的实施例示出了背光源设计者控制光源和光循环棱镜膜这两者的至少一些特性的情况。这些实施例注重于形成光源的出射分布并同时形成光循环棱镜膜的最佳入射角度范围。

形成光源的出射分布和/或光循环棱镜膜的最佳入射角度范围的各种方法结合图2-5进行说明。图2示出了背光源的光循环棱镜膜部分的示例性最佳入射角度范围220的理想化锥光图205。理想化锥光图205示出了最佳入射角度范围220，其中灰度210表示与倾角相关的强度，同心圆206表示倾角，并且沿着锥光图205的圆周207表示方位角。落入最佳入射角度范围220内的入射到光循环棱镜膜上的光以基本上与所需视角同轴的方向离开膜。

图3示出了背光源的光源部分发出的光的示例性角出射分布320的锥光图305。与图2示出的最佳入射角度范围220一样，该锥光图示出了与强度310、倾角306和方位角307相关的光源的出射分布320。

图4示出了叠加到图3的角出射分布320上的图2的最佳入射角度范围220。本发明的实施例涉及控制光循环棱镜膜的最佳入射角度范围220与光源的出射分布320之间的对应量。

如图5A所示，控制对应量可通过调整膜的一种或多种特性以将膜的最佳入射角度范围从第一部分510a改变为第二部分510b来实现。可以改变最佳入射角度范围510a-510b以增加与光源的出射分布520的对应量或对应程度，如图5A所示。在一些情况下，可以调整最佳入射角度范围510a-510b，以降低最佳入射角度范围与出射分布520之间的对应量，从而增加循环光的量或改变首过光与非循环光的比率。

在一些实施例中，控制光源出射分布与膜的最佳入射角度范围之间的对应量可通过调整光源的一个或多个组件的特性来实现。如图5B所示，可以调整光源的一种或多种特性，以将光源的出射分布从第一部分520a调整至第二部分520b。可以改变光源的出射分布520a-520b，以增加与光源的最佳入射角度范围510的对应量或对应程度。在某些情况下，可以改变出射分布，以降低膜的最佳入射角度范围510与光源出射分布520之间的对应量。

在一些实施例中，膜的最佳范围和光源的出射分布可以选择性地被配置为控制出射分布与最佳范围之间的对应量。例如，可以扩大、减小或偏移出射分布和最佳范围中的一者或两者。图5C示出了这样的概念：将出射分布区域从第一出射分布形状520a扩大为第二出射分布形状520c，以增加出射分布520c与最佳范围510之间的重叠量。

图6为根据本发明实施例的、示出了操作背光源的方法的流程图，该背光源包括光源和一个或多个光循环棱镜膜。如此前所述，光源发出的光的出射分布与光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的重叠允许光穿过膜，而不会发生光循环。

操作背光源的方法涉及使用光源产生光(610)。朝一个或多个光循环棱镜膜引导光(620)。引导光包括优先形成光的出射分布(621)和优先形成光循环棱镜膜的角输入范围(622)中的一者或两者。出射分布的形成取决于一个或多个组件的特性或光源的特性。最佳入射角度范围的形成取决于光循环棱镜膜的特性。可对光源组件的特性和/或光循环棱镜膜的特性加以选择以控制出射分布与最佳入射角度范围之间的重叠。

出射分布与最佳入射角度范围重叠的光的第一部分穿过光循环棱镜膜(630)。光的第二部分发生光循环(640)。

在一些实施例中，光源包括设置在光导与光循环棱镜膜之间的增益扩散片(图1中的140)。可对增益扩散片的特性加以选择以优先形成光源的出射分布。图7A和7B示出了两种构造的液晶显示器(LCD)701、702，该液晶显示器具有组装了增益扩散片770、775的背光源790、795。LCD701、702包括液晶面板760和背光源790、795。背光源790、795包括光导715和两个光循环棱镜膜720、725，在此实例中，两个光循环棱镜膜具有基本上正交的棱镜轴。增益扩散片770、775设置在背光源790、795和交叉的光循环棱镜膜720、725之间。

图6中示出的第一背光源构造790包括增益扩散片770，该增益扩散片具有朝向光导715定向的镜面和朝向光循环棱镜膜720、725定向的结构化表面。图7中示出的第二背光源构造795包括增益扩散片775，该增益扩散片具有朝向光导715定向的结构化表面和朝向光循环棱镜膜720、725定向的镜面。可对增益扩散片的特性加以选择，以通过优先使光源的出射分布朝根据本发明实施例的膜的输入范围偏移来获得所需背光源特性。

在一些实施例中，朝向光导定向的增益扩散片的结构化表面使光源的出射分布朝光循环棱镜膜的角输入范围偏移。图7A示出了具有增益扩散片770的光源701，其中增益扩散片770具有朝向光循环棱镜膜定向的结构化表面，称为结构化表面朝上(SSU)的增益扩散片。图7B示出了具有增益扩散片775的光源702，其中增益扩散片775具有朝向光导装置定向的结构化表面，称为结构化表面朝下(SSD)的增益扩散片。除了相对于光导装置715和膜720、725取向之外，图7A和7B的增益扩散片770、775具有相似的特性。图8A和8B分别示出了SSU增益扩散片和SSD增益扩散片的出射分布的锥光图。

比较图8A和8B的结果表明，与SSD增益扩散片的出射分布相比，SSU增益扩散片出射分布的峰值强度覆盖了较小的区域810(较小的角范围)。SSD增益扩散片出射分布的峰值强度覆盖了较大的区域820(较大的角范围)。在图8A中，SSU增益扩散片出射分布的最高强度区域落在30至50度的倾角范围内和40至325度的方位角范围内。SSD增益扩散片出射分布的最高强度区域落在25至65度的倾角范围内和60至300度的方位角范围内。

图9示出了计算机生成的两个光循环棱镜膜的最佳入射角度范围模型，其中第一膜(图7A和7B中的720)的棱镜轴相对于光导715的纵向轴线呈约0度，而第二膜(图7A和7B中的725)的棱镜轴相对于光导715的纵向轴线呈约90度。这种交叉的光循环棱镜膜的特定构造在本文中称为0/90膜，表示第一膜和第二膜相对于光导的纵向轴线分别呈0度和90度。在此实例中，计算机模型假设棱镜折射率为1.66，但对于不同的光循环棱镜膜材料可以采用其他折射率。以图9中所示的最佳入射角度范围入射到底部光循环棱镜膜(图7A和7B中的720)上的光基本上垂直于膜720、725的平面从膜720、725射向液晶面板760，在该实例中，其为所需视角。

图10A示出了叠加到具有SSU增益扩散片的光源的角出射分布上的0/90光循环棱镜膜(图9所示)的最佳入射角度范围的锥光图，其中出射分布如图8A的锥光图所示。图10B示出了叠加到具有SSD增益扩散片的光源的角出射分布上的0/90光循环棱镜膜(图9所示)的最佳入射角度范围的锥光图，其中出射分布如图8B的锥光图所示。比较图10A和10B的结果表明，与SSU增益扩散片的出射分布相比，SSD增益扩散片的角出射分布显示出与0/90膜的最佳入射角度范围的显著多的重叠。SSD增益扩散片更宽泛的角出射分布可增加与膜的最佳入射角度范围的重叠。将SSD增益扩散片与这些0/90膜一起使用允许更大百分比的首过光从光循环棱镜膜中射出。从而，SSD增益扩散片可形成进行更有效操作的光源出射分布，因为更多的光以可增加从背光源输出的首过光的接近所需视角的角度进入0/90光循环棱镜膜。

图10A和10B示出了这样的概念：使用SSD增益扩散片形成光源的角出射分布，以增加角出射分布与某些类型的0/90光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的重叠。光源出射分布与光循环棱镜膜的最佳范围之间的重叠由光源的多个组件的特性和/或光循环棱镜膜的特性确定。具有最适合一种光循环棱镜膜构造的出射分布的光源或光源组件对于另一种光循环棱镜膜构造而言可能不是最适合的。图11A和11B示出了SSU和SSD增益扩散片的概念。

图11A示出了SSU增益扩散片1101，其被构造为接收来自较宽锥形入射角1111的光，并将光集中成较窄锥形出射角1121。因此，如果1)光导的出射分布较宽和/或2)膜的最佳入射角度较窄并与SSU增益扩散片的出射分布重叠，则这种类型的增益扩散片可以是优选的增益扩散片。

图11B示出了SSD增益扩散片，其接收来自较窄锥形入射角1112的光。在这种情况下，SSD增益扩散片的出射分布1122比接收的入射角1112的窄锥形宽。如果1)光导的出射分布较窄和/或2)膜的最佳入射范围较宽，则这种类型的增益扩散片可以是优选的增益扩散片。

上述实例示出了对可用于形成光源出射分布以匹配或实现与膜的最佳入射角度范围增大的重叠的光源组件(如增益扩散片)特性的选择。

具体光循环棱镜膜实施的最佳入射范围也会受到光循环棱镜膜的各种特性和/或构造的影响，包括(但不限于)所用膜的数量、膜与光导的纵向轴线之间的角度、一个膜与另一个膜之间的角度、光循环棱镜膜的棱镜几何形状、光循环棱镜膜的棱镜和/或基底的折射率、棱镜/基底界面反射，以及基底漫射程度。所有这些因素都会影响首过光通过膜的最佳入射角度范围。

图12A-C、13A-C、14A-C、15A-C、16A-C和17A-C提供了根据各个实施例的具有光源和光循环棱镜膜组合的背光源构造的3维视图。在图12A-B、13A-B、14A-B、15A-B、16A-B和17A-B中示出的背光源构造的光强度输出的锥光图分别在图12D-E、13D-E、14D-E、15D-E、16D-E和17D-E中示出。

图12-15涉及具有单个光循环棱镜膜1210的背光源，其中棱镜轴1201相对于光导装置1230的纵向轴线1202以多种角度定向。图12A和12B分别示出了包括单个光循环棱镜膜1210的背光源构造，其中光循环棱镜膜1210具有基本上平行于光导装置1230的纵向轴线1202定向的棱镜轴1201，并且具有SSD增益扩散片1221(图12A)或SSU增益扩散片1222(图12B)。图12C示出了组装有非结构化扩散片1223和单个光循环棱镜膜1210的背光源。图12D提供了图12A的SSD背光源构造的输出图，而图12E示出了图12B的SSU背光源构造的输出图。

图13A和13B分别示出了包括单个光循环棱镜膜1210的背光源构造，其中光循环棱镜膜1210具有基本上垂直于光导装置1230的纵向轴线1202定向的棱镜轴1201，并且具有SSD增益扩散片1221(图13A)或SSU增益扩散片1222(图13B)。图13C示出了组装有非结构化扩散片1223和单个光循环棱镜膜1210的背光源。图13D提供了图13A的SSD背光源构造的输出图，图13E示出了图13B的SSU背光源构造的输出图。

图14A和14B分别示出了包括单个光循环棱镜膜1210的背光源构造，其中光循环棱镜膜1210具有相对于光导装置1230的纵向轴线1202呈约45度的棱镜轴1201，并且具有SSD增益扩散片1221(图14A)或SSU增益扩散片1222(图14B)。图14C示出了组装有非结构化扩散片1223和单个光循环棱镜膜1210的背光源。图14D提供了图14A的SSD背光源构造的输出图，图14E示出了图14B的SSU背光源构造的输出图。

图15A和15B分别示出了包括单个光循环棱镜膜1210的背光源构造，其中光循环棱镜膜1210具有相对于光导1230的纵向轴线1202呈约135度的棱镜轴1201，并且具有SSD增益扩散片1221(图15A)或SSU增益扩散片1222(图15B)。图15C示出了组装有非结构化扩散片1223和单个光循环棱镜膜1210的背光源。图15D提供了图15A的SSD背光源构造的输出图，图15E示出了图15B的SSU背光源构造的输出图。

图16-17示出了具有两个光循环棱镜膜1210、1215的背光源，这两个光循环棱镜膜1210、1215的棱镜轴1201、1203被定向为基本上彼此垂直。图16A和16B中示出的具有相对于光导1230的纵向轴线1203分别呈0和90度的棱镜轴1201、1203的光循环棱镜膜1210、1215称为0/90光循环棱镜膜。图16A和16B示出了组装有SSD增益扩散片1221(图16A)或SSU增益扩散片1222以及0/90光循环棱镜膜1210、1215的背光源。图16C示出了组装有非结构化扩散片1223和0/90光循环棱镜膜1210、1215的背光源。

图17A和17B的背光源中示出的光循环棱镜膜1210、1215具有相对于光导1230的纵向轴线1202分别呈45度和135度的棱镜轴1201、1203。棱镜轴相对于光导呈45度和135度的光循环棱镜膜称为45/135光循环棱镜膜。图17A示出了具有45/135光循环棱镜膜1210、1215和SSD增益扩散片1221的背光源。图17B示出了具有45/135光循环棱镜膜1210、1215和SSU增益扩散片1222的背光源。图17C示出了组装有非结构化增益扩散片1223和45/135光循环棱镜膜1210、1215的背光源。

图12D、13D、14D和15D的锥光图分别示出了图12A、13A、14A和15A中示出的单个光循环棱镜膜/SSD背光源构造的光强度输出。图12E、13E、14E和15E的锥光图分别示出了图12B、13B、14B和15B中示出的单个光循环棱镜膜/SSU背光源构造的光强度输出。将与SSU增益扩散片构造相应的锥光输出图和与SSD增益扩散片构造相应的锥光输出图进行比较表明，对于这些单个光循环棱镜膜构造而言，与SSD增益扩散片相比，SSU增益扩散片产生的出射分布可提供增加的同轴光输出(基本上垂直于背光源的表面)。

反之，在使用交叉的0/90膜的构造中，使用SSD增益扩散片可以提供超过SSU增益扩散片构造的增大的输出。将图16D(与图16A的SSD背光源构造相对应)中示出的输出图与图16E(与图16B的SSU背光源构造相对应)中示出的输出图进行比较表明，具有0/90交叉的光循环棱镜膜和SSD增益扩散片的背光源的增大的光输出是显著的。相似地，与使用45/135光循环棱镜膜和SSU增益扩散片的光源的输出相比，组装有45/135光循环棱镜膜和SSD增益扩散片的光源的出射分布可产生更高的输出。图17D示出了图17A中示出的具有45/135光循环棱镜膜和SSD增益扩散片的光源的锥光输出。图17E示出了具有45/135光循环棱镜膜和SSD增益扩散片的光源的锥光输出。比较图17D和17E的结果表明，具有SSD增益扩散片的背光源具有更高的增益。

图16F和16G分别提供了具有未组装和组装有非结构化增益扩散片的0/90光循环棱镜膜的背光源的锥光输出图。图17F和17G分别提供了具有未组装和组装有非结构化增益扩散片的45/135光循环棱镜膜的背光源的锥光输出图。将图16F和16G的锥光图与图17F和17G的图进行比较表明，对于未组装扩散片或组装有非结构化扩散片的光导而言，45/135交叉的光循环棱镜膜构造优于0/90构造。

上述实例说明，对首过光的光源出射分布与膜的最佳入射角度范围的考虑可以用来设计具有所需光输出特性的背光源系统。例如，控制光源的出射分布与光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的对应量的能力使得能针对同轴增益对背光源设计进行优化，同轴增益是一种可基本上由通过膜的首过光的量控制的特性。作为另外一种选择或除此之外，可以针对主要取决于循环光的量的背光源特性对背光源设计进行优化。

在一些背光源应用中，光从光导的底面漏出，然后被底部反射器反射回来。在一些实施例中，用于形成光的出射分布的光源组件包括底部反射器(图1中的150)。例如，可以使用基本上平坦的反射器、结构化的反射器或棱镜反射器将从光导底面漏出的光朝光循环棱镜膜的最佳入射角度范围引导。通过使用该反射器，光可以被反射，从而与光循环棱镜膜的最佳入射角度范围重叠，而且漏光量也会减少。以下构造示出了可通过控制后反射器的特性来提高光学效率和LCD对比度的背光源设计。

图18的锥光图示出了0/90光循环棱镜膜的最佳首过光入射角度范围，该0/90光循环棱镜膜的棱镜顶角为约90度。当膜的折射率改变时，最佳入射角度范围(其以在锥光图的四个象限内对称出现的区域1810表示)朝更高的倾角偏移。例如，对于折射率为1.56的交叉的0/90膜而言，最佳入射角度区域1810的中心位于44.95度倾角和43.15度方位角处。当折射率增至1.65时，仅在图18的四分之一象限内示出的最佳入射角度范围1850的中心变为54.83度倾角和42.68度方位角处。

光源可以设计为可产生与具有特定折射率的膜匹配的角出射分布。作为另外一种选择，当设计背光源系统时，可对膜的折射率加以选择以实现其与特定光源出射分布的匹配性。

在一些实施例中，光源的出射分布由具有倾斜反射结构的结构化反射器的特性来控制。倾斜反射表面可用于形成光源出射分布以实现与光循环棱镜膜匹配的操作，从而产生具有所需增益和/或均匀度特性的背光源输出。

图19A和19B示出了背光源的剖视图，该背光源采用了与根据这些实施例的交叉的光循环棱镜膜相匹配的反射器。如图19A和19B所示，背光源包括光导1910、灯1911和棱镜膜1920、1925。光源反射器1950的特性可用于影响光源的出射特性，以控制出射分布与光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的重叠量。图19A示出了反射器1950，该反射器1950具有朝向光导1910定向的基本上平滑的反射表面1952。图19B示出了反射器1950，该反射器1950具有朝向光导1910定向的结构化表面1951。

本发明的多个实施例涉及用于使背光源的同轴亮度最大化的某些增强型镜面反射器(ESR)与光循环棱镜膜的组合。得自3M公司(St.Paul，Minn.)的ESR膜是第一组层与第二组层相交叉的层叠件。第一组层的折射率与第二组层的折射率不同。如果将层厚度选择为约四分之一波长，则光会从ESR膜反射。通过使层叠件包含一系列的层厚度，ESR在波长范围内具有高反射率。用于背光源应用的ESR可以在整个可见光波长范围内具有大于约95％的反射率。

作为另外一种选择，可以使用标准镜面反射器，例如金属涂覆的聚合物膜。一般来讲，由于ESR具有高反射率，所以可以使用ESR通过提高背光源腔体的循环效率来提高背光源的光输出强度。然而，ESR往往会使来自采用楔型光导的光源输出的角出射分布变窄。根据设计，这对于其他类型的侧光式显示器背光源(大量的光从显示器侧面进入的显示器)而言也是正确的，包括具有平板光导的液晶监视器。然而，通过适当地选择光循环棱镜膜的特性，可以将ESR产生的强而窄的背光源输出优先引导向观察者。

例如，可以使用组装有ESR的光源并结合高折射率光循环棱镜膜来提供具有增大的增益的背光源，其中折射率n大于约1.60。任何可受益于一组窄而强的背光源输出角的应用，都可以利用ESR或其他高镜面反射器与为获得某组入射角而被优化的光循环棱镜膜的适当设计组合。可对光循环棱镜膜的特性(如折射率和/或棱镜形状)加以选择，以与ESR光源的出射分布匹配。

通过使用该方法，使采用ESR反射器的光源的偏轴峰强度与高折射率(n＞1.60)光循环棱镜膜的最佳首过光入射角度范围匹配，从而制成优选实施例之一中楔型光导系统中的这些膜与ESR的组合。反射器的高折射率棱镜膜可以由填充有ZrO2纳米颗粒并在UV照明下固化(具有～1.66-1.68的最终固化指数)的高折射率有机单体的组合制成。

通过结合ESR反射器使用这些高折射率膜，使首过光的数量超过循环光的数量，从而可以提高系统的同轴增益。与采用标准折射率光循环棱镜膜的系统相比，实现所需输出角和更高的系统亮度对于具有和不具有反射型偏振器的显示器系统来说都是有利的。所用高折射率树脂的低吸收性和高折射率会使整个系统得到更高的亮度增强。当包括的ESR作为后反射器时，该优点尤其显著，使得ESR与高折射率棱镜膜的这种组合不仅对于同轴光方向而且对于总系统亮度来说都是理想的。

以往的设计不包括可将偏轴背光源输出转回同轴输出的高折射率棱镜膜应用；特别是在包含镜面后反射器的楔型背光源中尤为如此。其他实施例可以包括具有定制的折射率与棱镜形状组合的光循环棱镜膜，这种光循环棱镜膜将会形成光源的特定角出射分布，并且会将光重新导向为与所需视角基本上同轴，而且还可以用于实现预定的首过光与循环光的比率。高折射率膜有利地具有这样的能力：可有效利用由ESR反射器产生的具有较窄出射分布的光。

该实施例的一个方面与ESR(或另一种镜面反射器)在某些光源系统中易于形成更高的离轴光强度的发现有关，例如组装了楔型光导的光源。本文所述实施例描述了这样的具体策略，该策略涉及使用高折射率棱镜膜通过偏移膜的最佳首过光入射角度范围来补偿这些光源的出射特性。此外，应该认识到，存在多种也包括在本发明范围内的用于偏移膜的入射角度范围的其他策略。这些策略可以包括(但不限于)：改变光循环棱镜形状或几何形状；在光导上方使用其他结构化膜，其中可以考虑不是棱镜的结构，如透镜膜、孔膜、光子带隙结构，或具有内部倾斜镜的膜；调整背光源中的镜面反射器的方位或位置(即角度)；在镜面反射器的正面添加结构化表面；形成自身可重定向背光源输出角的镜面反射器(即，将镜面反射器模制成脊状结构)；或改变楔型光导的形状或表面结构，以与镜面反射器发生相互作用，从而形成优选的输出角。

本发明一个单独的方面是在背光源系统中广泛应用ESR(或另一种高镜面反射器)，在该系统中优选为确定的(限于窄角度范围)光输出。一般来讲，对于期望具有来自背光源的确定的窄输出角度范围的任何液晶显示器背光源系统，建议使用镜面反射器(理想的是，但不限于，诸如ESR之类的增强型多层反射器)作为解决方案。除了如现有技术中所述只是在光循环腔中使用ESR的高反射特性之外，还可以通过在形成确定的背光源系统时将ESR用作角范围缩小元件来改进现有技术。

如上所述，本发明的一个实施例利用高折射率棱镜膜有效地将偏轴光重新导向为朝向同轴观察者。这种偏轴光输出是某些液晶显示器中的侧光式背光源系统的特点，如笔记本电脑和手持设备中使用的液晶显示器。已经发现的是，与同轴背光源输出的输出峰相比，在此类测光式光导后面使用诸如ESR之类的镜面反射器，偏轴背光源的输出峰得到极大的增强。因此，对于这些系统而言，有利的是使用高折射率棱镜膜，而不是标准折射率膜，因为高折射率膜的最佳首过光入射角度范围与光源的出射分布更匹配。如本文所述，可将由于存在ESR而能够补偿光的出射分布的概念扩展至其他角度调整策略。本发明的另一个方面是将ESR(或另一种镜面反射器)用作需要确定输出的背光源系统中的“角范围缩小”元件。

图20A提供了楔型背光源垂直截面的输出强度与穿过没有光循环棱镜膜的背光源系统的底部扩散片的输出角度的关系图。曲线2001和2002分别示出了白色反射器和ESR的强度/角度关系。注意，当使用ESR时，背光源的峰输出变得更加强烈和狭窄，使得整个系统更具确定性。

图20B示出了亮度与输出角度的关系图，描述了上述各种背光源构造在特定液晶显示器系统(Dell D800 15.4″WXGA)中的效果。这些是背光源光输出的垂直截面强度。曲线2005和2008与组装了折射率为约1.58的光循环棱镜膜的背光源系统相关，其中与曲线2005相对应的系统使用ESR反射器，而与曲线2008相对应的系统使用白色反射器。曲线2006和2007与组装了如美国专利公布2006/0210726中所述的折射率为约1.66的高折射率棱镜膜的背光源相关，该专利以引用方式并入本文中。与曲线2006相对应的系统使用ESR反射器，而与曲线2007相对应的系统使用白色反射器。较弱的两条曲线(2007、2008)是具有漫反射型白色反射器的系统的输出，而较强的曲线(2005、2006)是其中反射器被替换为多层ESR的系统的输出。注意，当标准折射率膜与ESR结合使用时，偏轴光的量非常显著。使用高折射率光循环棱镜膜可产生更多具有所需视角的同轴光。

现在返回图19B，背光源系统可以包括在至少一个表面上具有结构的镜面反射器1950。如前所述，从光导1910漏出的光被反射器1950朝棱镜膜反射。反射的光有助于光源的角出射分布，可以控制光源的角输出分布以匹配特定光循环棱镜膜构造的输入分布。例如，如果需要增加同轴增益，则反射器可以将光导向光循环棱镜膜的最佳首过光入射角度范围。

在一些实施例中，可以使用微结构化的镜面反射器1950将光反射至光循环棱镜膜1920、1925。微结构被选择为可将循环光反射至膜1920、1925，使得光基本上被导向为与所需视角同轴。所述微结构具有第一和第二底角和顶角。可使用本文所述的方法控制增益，以控制显示器的隐藏缺陷和均匀度特性和/或调整增益分布，从而适应不同的视向或不同的视向范围。例如，可以将光集中于一个方向的一组窄视角和另一个方向的一组宽视角，最大亮度可以垂直于显示器屏幕或被优化为不垂直于显示器的某些角度，等等。

使用微结构化的镜面后反射器来控制显示器的特性可以提供这样的自由度：可根据显示器的要求来调整具有最大增益的视向和调整具有优化增益的可视区域的角大小。该方法具有超越具有平面漫反射器或镜面后反射器的背光源的优点，因为平面反射器不允许改变最大增益的方向。

结构化的反射器1950具有包括反射表面1951的倾斜结构。倾斜结构具有使反射表面朝灯1911倾斜的左底角。沿着结构最高点的轴相对于光导1910的纵向轴线成一角度，如约90度。可对反射器结构的左底角加以选择以形成与光循环棱镜膜1920、1925的特定构造匹配的光源1950的出射分布。将高反射率材料，如Ag、Al、BaSO₄或TiO₂直接涂覆到结构化的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上是一种制造该反射器1950的方法。

例如，光导构造可以允许光从光导1910的底面以相对于光导1910的底面的法向约85度的角度漏出。如前所述，对于棱镜顶角为90度以及折射率为1.56的交叉的光循环棱镜膜而言，其最佳入射范围的中心为约45度。根据反射定律，对于具有这些特性的交叉光循环棱镜膜而言，反射器微结构的左底角可被选择为约20度。

对于监视器应用而言，灯1911通常布置在光导1910的两侧，如图19C所示。在这些具体实施中，反射器1955可以使用具有相等的右底角和左底角的对称倾斜型反射器结构。

图20C和20D提供了使用白色平面反射器与微结构化镜面后反射器(其中微结构的顶角为约150度)的典型显示器的增益的对比。该显示器构造具有灯1910、反射器1950和光循环棱镜膜1920，分别如19A和B所示。图20C为对于平面反射器而言，垂直于显示器表面的背光源输出通量图。图20D为对于微结构化反射器而言，垂直于显示器表面的背光源输出通量图。从这些图线可以看出，使用微结构化反射器可以提供0.553的垂直于显示器表面的背光源输出通量，与之相比，使用白色平面反射器可以提供0.506的背光源输出通量。产生这种结果的原因是光能量被微结构化后反射器限制在较小的垂直角度可视区域内。在后反射器中使用不同的微结构并结合使用单个或交叉的光循环棱镜膜使得能优化通量分布，从而获得多种视角和视角区域。

图21示出了根据一个实施例的结构化反射器2100。该结构化反射器2100具有层合在结构化基底2110上的增强型镜面反射器(ESR)膜2105。

图22示出了可用于形成光源角出射分布的反射器的另一个实施例2200。在该实施例中，棱镜膜2210设置在ESR基底2220上。例如，可以用光学透明粘合剂2230将棱镜膜2210层合到ESR基底2220上，以形成液晶显示器背光源应用的结构化反射器。棱镜膜/ESR反射器的特性，包括(例如)反射器棱镜顶角、折射率以及左右反射器棱镜底角，可被选择为有助于将从光源发出的光导向为在一个或多个光循环棱镜膜的最佳首过光入射角度范围内。可以使用具有此构造的反射器的背光源来增加从显示器出射的同轴光，和/或提高优于以前的反射器的隐藏缺陷能力和/或光均匀度。棱镜和空气界面处的光的折射和反射提高了朝向液晶显示器面板的光强度。与单独使用ESR反射器的实施例相比，该实施例的另一个优点是提高了具有设置在ESR反射器上的棱镜膜的反射器的耐用性。

对随相对于反射器平面的棱镜小平面角度的变化而变化的亮度进行检查，结果表明，当棱镜折射率为1.58时，约13.5度的棱镜小平面角度可返回通常与法向呈30度的入射光线。与法向呈30度的入射光线被光循环棱镜膜重新导向回法向。

图23示出了图22中的反射器2200相对于光导2310的布置。反射器2200的棱镜轴与光导的纵向轴线2301成一角度，如约90度。

图24、25和26示出了白色反射器(图24)和ESR反射器(图25)的背光源输出锥光图，以及与之对比的、具有图22所示构造的棱镜膜/ESR反射器实施例(图26)的背光源输出锥光图。从图24、25和26可以明显地看出，棱镜膜/ESR反射器具有优于白色反射器和ESR反射器设计的同轴光强度增益。此外，当在光循环棱镜膜与液晶面板之间使用反射型偏振器时，例如得自3M公司(St.Paul，Minn.)的DBEFII，强度增益会进一步增大。图27A和27B可以用来比较具有白色反射器并使用DBEFII偏振器的背光源(图27A)和具有与DBEFII一起使用的棱镜膜/ESR反射器的背光源(图27B)。比较图27A和27B可以了解到，棱镜膜/ESR反射器具有增强的背光源同轴增益。

在一些系统中，具有棱镜或微结构化特征的后反射器可以与顶面和/或底面也具有微结构的光导一起使用。在此构造中，光导装置的出射角度可同时受反射器表面和光导微结构的影响。反射器和光导的特征可以设计为具有适合形成光源的光出射分布的功能。

在一些实施例中，可利用光源扩散片(图1的140)的特性形成光源的角出射分布。例如，通过改变扩散片的雾度水平来影响光源的角出射分布。可以通过适当地选择与光循环棱镜膜特性匹配的雾度水平来控制光源的角出射分布与光循环棱镜膜的最佳首过光入射角度范围之间的重叠量。

表1提供了具有不同雾度和透光度特性的扩散片列表。图28A-F、图29A-E和图30A-E示出了扩散片雾度特性对光源的角出射分布和背光源输出的影响。

表1

扩散片	透光度	雾度
			1	92.2	63.3
2	92.5	66.2
			3	92.6	92.1
4	73.6	96.8
			5	75.4	95.3

图28A为示出了单独的光导的出射分布的锥光图。图28B-28F为分别示出了组装有光导和扩散片1-5的光源的出射分布的图。图29A-E分别示出了具有折射率为1.56的交叉光循环棱镜膜并组装了扩散片1-5的背光源的光输出。图30A-E分别示出了具有折射率为1.65的交叉光循环棱镜膜并组装了扩散片1-5的背光源的光输出。

从图28B-28F可以看出，扩散片的雾度和透光度特性有助于形成光源的出射分布。例如，与分别具有图28E和28F所示的雾度水平较高的扩散片4和5的背光源的出射分布相比，具有图28B所示的雾度水平较低的扩散片1的背光源显示具有更扩展的出射分布。图29A-E分别为组装了扩散片1-5，并使用折射率为1.56的交叉光循环棱镜膜(BEF2)的背光源的输出分布图。图30A-E分别为组装了扩散片1-5，并使用折射率为1.65的交叉光循环棱镜膜(HGBEF)的背光源的输出分布图。从图29A-E、图30A-E的输出图和下表3可以发现，对于两种水平的折射率而言，组装了扩散片3的背光源具有最高亮度。

表3

背光源结构	亮度	增益
			光导(LG)	48.58
LG+扩散片1	55.04	1.13
			LG+扩散片1和HGBEF	202.2	3.67
LG+扩散片1和BEF2	194.2	3.53
			LG+扩散片2	55.33	1.14
LG+扩散片2和HGBEF	209.8	3.79
			LG+扩散片2和BEF2	201.4	3.64
LG+扩散片3	60.83	1.25
			LG+扩散片3和HGBEF	212	3.49
LG+扩散片3和BEF2	205.3	3.37
			LG+扩散片4	77.22	1.59
LG+扩散片4和HGBEF	201.9	2.61
			LG+扩散片4和BEF2	195.2	2.53
LG+扩散片5	76.77	1.58
			LG+扩散片5和HGBEF	207.3	2.71
LG+扩散片5和BEF2	197.3	2.58

本发明的一些实施例涉及根据光导的特征实现光源出射分布与特定光循环棱镜膜构造的首过光输入分布之间的所需程度的重叠。光导的顶面和/或底面可以是非结构化的，可以具有规则排列的点的微图案，或可以包括微结构化的棱镜。用于背光源的特定类型的光导应具有与膜的最佳入射角度范围相匹配的出射分布，以获得所需程度的重叠。

有利的是，使光导的输出出射分布具有紧密居中的出射分布，但出射分布的紧密居中只有在出射分布与光循环棱镜膜的最佳入射角度范围匹配时才有效。如果集中的出射分布与膜的最佳入射角度范围没有重叠，则集中的光几乎没有益处。在这些实施例中，相对分散的光导出射分布可能优于集中的出射分布。

图31示出了具有非结构化顶面和底面的光导3100。图32-34示出了三个在一个表面上具有微结构3112、3113、3114的光导3102、3103、3104。如此前所述，光导包含可沿着光导面之间的光腔从灯引导光的材料。当光以一定的角度入射到输出表面时，光导的输出表面允许光离开光学腔体。在多个背光源具体实施中，可能有利的是将具有非结构化表面或棱镜表面的光导与匹配的光循环棱镜膜结合使用，以使光源出射分布与膜的最佳入射角度范围更匹配。

如图32-34所示，光导3102、3103、3104的微结构3112、3113、3114包括由多个平行的三角形棱镜形成的一系列脊和凹槽。光导棱镜的棱镜轴3190可以相对于光导的纵向轴线3195成一角度或平行取向。如果光在预定的角度范围内入射到结构化表面上，则当光沿着光学腔体传播时，棱镜对入射到光导结构化表面上的光进行全内反射。

光导棱镜可以设置在背离光循环棱镜膜定向的光导反射表面上(图32)，或者可以设置在朝向光循环棱镜膜定向的光导表面上(图33-34)。可以通过选择光导棱镜底角和/或光导棱镜顶角中的一者或多者形成光导的出射分布。

在一些实施例中，控制光循环棱镜膜最佳入射角度范围与光源的出射分布之间的关系可以涉及改变光循环棱镜膜的棱镜轴之间的角度。图35A和35B分别示出了棱镜膜之间的角度为90度和180度的光循环棱镜膜构造。注意，在图35A中，第一光循环棱镜膜3520的棱镜轴3510相对于光源的纵向轴线3590呈约90度角，而第二光循环棱镜膜3520的棱镜轴3511相对于光源的纵向轴线3590呈约0度角。在图35B中，棱镜轴3510、3511之间的角度变为180度，而第一和第二棱镜膜3520、3525相对于光源的纵向轴线3590的相应角度分别为45度和225度。

图36示出了改变棱镜膜之间的角度对最佳入射角度范围的影响。在折射率保持恒定的情况下，绘出了光循环棱镜膜之间的角度为90、120、150、165和180度时的最佳入射角度区域的中心。从该图线中可以发现，最佳入射角度范围的中心点的方位角从42.6度变为0度，而倾角从38.7度变为8.8度。

在一些实施例中，可以至少部分地通过适当选择折射率、光循环棱镜膜的底角以及光循环棱镜膜棱镜的顶角的组合来形成光循环棱镜膜的最佳入射角度范围。图37针对离开光源的各种角度的光提供了一系列的曲线，这些曲线示出了改变光循环棱镜膜的棱镜顶角对背光源的峰值输出角度的影响。从图37上叠加的图线中可以认识到，对于不同值的光源出射角度而言，可以通过适当选择棱镜顶角来实现0度的峰值输出角度或其他所需的视角。

图38A-38C的曲线示出了改变光循环棱镜膜的棱镜顶角和折射率对背光源的峰值输出角度的影响。从这些图中可以领会到，棱镜顶角和折射率的考虑对于确定与具有特定出射分布的光源一起使用的光循环棱镜膜构造而言是重要的。

图39为示出了折射率和棱镜顶角对最佳入射角度范围的影响的锥光图。当光循环棱镜膜的折射率增大或棱镜顶角减小时，光循环棱镜膜的最佳输入区域移至锥光图的边缘。许多光导型光源在锥光图的边缘具有角出射区域。因此，将光循环棱镜膜的折射率增至(例如)约1.65可以为出射分布靠近锥光图边缘的光源提供更好的匹配。此外，如果光循环棱镜膜的折射率较高，则较高折射率光循环棱镜膜的最佳入射角度区域也较大。当使用较高折射率的光循环棱镜膜时，部分由于光源出射分布与光循环棱镜膜最佳入射角度范围之间需更好匹配，而使背光源的光输出增大。

从图39中可以明显地看出，光循环棱镜膜的折射率和顶角都可以改变光循环棱镜膜的最佳范围。图39的锥光图表明，当棱镜膜的顶角从180度变为60度时，最佳入射角度从0度变为67度。如图39所示，77度和65度的顶角产生最佳入射区域。

当光循环棱镜膜棱镜的顶角减小时，光循环棱镜膜的最佳输入区域移至图的边缘，其通常与光源出射区域匹配。然而，65度和77度顶角膜的最佳入射角度范围区域略小于90度区域。

根据菲涅耳定律，较大的入射角度会导致较低的透射比。然而，光循环棱镜膜的顶角不能无限减小，而且具有小顶角的光循环棱镜膜不总意味着高增益。如前所述，背光源的增益取决于背光源系统组件之间的相互作用，尤其是光源的输出以及光源的角出射分布与光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的关系。因此，具有90度棱镜顶角或任何其他顶角的光循环棱镜膜对于所有光源来说可能不是最佳的。为了实现光源与光循环棱镜膜之间的最佳匹配，光循环棱镜膜可以使用除90度之外的棱镜顶角，例如80度、100度或其他棱镜顶角。

图40提供了两个光循环棱镜膜4020、4025的剖视图。在图40中，光循环棱镜膜的棱镜轴基本上是平行的。光循环棱镜膜的每个棱镜都具有两个底角和一个顶角。改变这些角度中的任何一个都会导致膜的最佳入射角度区域偏移，因此可以通过改变这些角度中的任何一个来形成输入区域。

图41示出了基于棱镜角度形成膜的输入分布的概念。图41示出了示例性的一对膜4120。膜4120以横截面的形式示出，并在纸面平面内延伸。第一膜4141可以邻近光导并可以任选与光导(未示出)间隔开。第一膜4141具有面向光导装置的平滑面4142，该平滑面4142可视为局部平坦，在通常的制造公差内。第一膜4141具有与平滑面4142相对的结构化面，该面背离光导装置。

该结构化面包括平行的线性棱镜，其可以沿着全部或部分显示区域延伸。棱镜在近表面(或近端)4144与远表面(或远端)4145的交界处形成，其中近和远是相对于灯(图41的最左侧边缘)而言的。远表面4145与连接第一膜4141结构化面上的棱镜峰的假想平面4143形成角4146。相似地，近表面与假想平面4143形成角4138。

第二膜4147的构造与第一膜4141相似，其具有面向第一膜4141的平滑面4148，和与平滑面4148相对的结构化面。第二膜4147的结构化面也具有可以沿着全部或部分显示区域延伸的平行的线性棱镜，棱镜在近表面4150与远表面4151的交界处形成。远表面4151与连接第二膜4147结构化面上的棱镜峰的假想平面4149形成角4152。近表面与假想平面4149形成角4139。

第一膜4141和第二膜4147可以在空间上略微间隔开，以使得光不会不经过折射便从一个膜耦合至另一个膜。作为另外一种选择，它们可以与基本上与全部或部分平滑面4148接触的假想平面4143接触。

棱镜高度可以不同，如(例如)美国专利No.5,771,328和/或美国专利No.6,354,709中所述，这两个专利都以引用方式并入本文中。此类棱镜高度变化可减少未经过折射便在膜之间耦合的光的量。

对穿过第一膜和第二膜的示例性光线进行追踪，并在图41中将其标记为折射之间的区域中的光线元素4153-4157。光线4153从光导装置射出，以相对高的入射角(相对于平滑面4142处的表面法线)射在第一膜4141的平滑面4142上。光线4153在平滑面4142处折射，重新定向为沿着接近表面法线的方向，从而形成光线4154。光线4154在第一膜4141内从平滑表面4142传播至结构化表面，并以相对低的入射角射在远表面4145上。然后光线4154在远表面4145的界面处折射，作为光线4155离开第一膜4141。光线4155在空气中从第一膜4141传播至第二膜4147，并射在第二膜47的平滑面4148上，其入射角小于光线4153在平滑表面4142处形成的入射角。光线4155在平滑表面48处折射，作为光线4156传播至第二膜4147的结构化面上。光线4156射在第二膜4147的远表面4151上，经折射后，作为方向被导向为所需视角的光线4157离开第二膜4147。

每个界面处的折射角均取决于斯涅尔定律，该定律规定，折射率和折射角(相对于表面法线)的正弦值的乘积在折射之前和之后不变。折射之前，折射角可以称为入射角，折射之后，折射角可以称为出射角。通过连续应用斯涅尔定律对穿过膜的每个界面处的光线进行追踪。空气的折射率基本上为1.0。

膜的折射率取决于膜材料，并可以具有任何合适的值，通常在约1.4和约2.0之间。对于典型的材料如聚碳酸酯，折射率可以在约1.57和约1.62之间。作为另外一种选择，膜可以由两种不同的材料制成，其中棱镜由一种材料制成，而基膜由另一种材料制成。例如，棱镜可以由折射率为约1.58的UV固化的丙烯酸类树脂制成，基膜可以由折射率为约1.66的聚酯制成。也可以使用其他合适的材料。第一膜和第二膜可以由相同的材料制成，或由不同的材料制成。

远表面4145和4151的精确角度4146和4152通常根据膜4141和4147所用材料的折射率，以及根据光导装置的发射特性来选择。以下光线追踪是具体的实例，也可以使用其他折射率和角度。假定光线4153以15度的传播角度(相对于光导装置平面)从光导装置射出。光线4153以相对于表面法线75度的入射角度射到膜4141的平滑表面4142上。膜4141的折射率取为1.58。光线4153在平滑表面处折射，形成光线4154，其相对于平滑表面法线形成约38度的出射角度。光线4154在膜4141内的传播角度(相对于光导装置平面)为约52度。将远表面4145的角度4146选择为45度。光线4154相对于远表面45的入射角为约7度。光线4154在远表面4145处折射，形成光线4155。光线4155以相对于远表面4145呈约12度的出射角度离开远表面4145。光线4155的传播角度(相对于光导装置平面)为约57度。光线4155以相对于表面法线呈约33度的入射角度射到膜4147的平滑表面4148上。膜4147的折射率也取为1.58。光线4155在平滑表面4148处折射，形成光线4156，其相对于平滑表面法线形成约20度的出射角度。光线4156在膜4147内的传播角度(相对于光导装置平面)为约70度。将远表面4151的角度4152也选择为45度。光线4156相对于远表面4151的入射角度呈约25度。光线4156在远表面处折射，形成光线4157。光线57以相对于远表面4145呈约41度的出射角度离开远表面4151。光线4157的传播角度(相对于光导装置平面)为约86度；光线4157与膜4120的法线呈约4度，并被导向观察者。注意，对穿过膜4120的示例性光线4153的追踪仅仅是斯奈尔定律的重复应用以及对几何形状的注意。也可以使用其他折射率和角度。

使用上述方法可以表明，当光线穿过膜4141和4147传播时，角度范围变小。应考虑确定光线相对于背光源平面(或换句话讲，假想平面4143和4149)的传播角度、光线穿过膜20的各个位置处的传播角度。首先，将光线4153的传播角度视为15度+/-1.0度，其中1.0度表示光线传播时的角范围大小。15度的值可以视为主传播角度，1.0度可以视为光束的角宽。注意，来自光导装置15的实际照明光可以具有明显大于本文考虑的15度+/-1.0度的角度；为了简便起见，在此实例中，我们将宽度限定为+/-1.0度。

追踪穿过膜的光线，我们发现，光线4154的传播角度为约52度+/-0.2度。光线4155的传播角度为约57度+/-0.3度。光线4156的传播角度为约70度+/-0.2度。光线4157的传播角度为约86度+/-0.4度。比较1.0度的入射光线范围和0.4度的出射光线范围；可以发现光线范围显著减小。换句话讲，出射角范围4159小于入射角范围4158。这意味着更多的光线被导向为朝向观察者的接近垂直的出射方向，导致接近垂直观察时的表观亮度更大，而且有利地导致从观察者的角度来看更尖锐的峰值亮度分布。

尽管上述实例使用了45度的远表面角4146和4152，但也可以使用其他值，例如40至50度范围内、35至55度范围内或30至60度范围内的任何值。远表面角4146和4152可以相等，或者可以不相等。

注意，具有不同的远表面角意味着光线穿过膜的传播角度可以与先前实例的数值不同。一般来讲，光线4153的传播角度的典型值可以为5度至25度，光线4155的传播角度的典型值可以为45至65度，而光线4157的传播角度的典型值可以为80至100度。这些值仅出于示例性目的，不应视为是限制性的。

近表面角4138和4139对于确定图41中的光线4153-4157的出射角度不起作用，这些光线在空气/膜界面处折射并在没有任何反射的情况下传送至观察者。然而，近表面角4138和4139会影响被膜4141和4147反射并返回光导装置的光的量。此类返回的光将进行“光循环”，然后优选重新反射至膜4120，直到传送至观察者。此类光的最终传输角度标准部分地由膜4141和4147中的棱镜的角4138、4139、4146和4152决定。这种光的“循环”有助于使背光源输出在其区域内更均匀，这是非常有利的。“循环”光可以来自菲涅尔反射、散射或反射偏振器。

例如，光线4153中全部能量的一小部分将通过菲涅尔反射被表面4142反射。最终，在被背光源中的多个组件一次或多次反射和/或重新定向后，重新定向的光线被传输至观察者；这就是上文所述的光的“循环”。

对于膜4147而言，近表面角4139重新导向光的作用较小，其更大的作用仅为“不干涉”透射光线4157。示例性的近表面角4139可为90度，或可在80至90度、70至90度、80至100度、70至110度的范围内或任何合适的范围内。实际上，可能难以制造近表面角大于90度的膜。

图41中绘制的膜4141和4147看起来好像一个膜中的棱镜平行于另一个膜中的棱镜。在实施过程中，将两个膜对齐以使其棱镜真正平行可能会导致不期望的莫尔效应。在膜4141、4147的棱镜轴之间引入一个角可降低莫尔效应。足以降低莫尔效应的棱镜轴之间的示例性角可以在任意方向为5度。

对于膜4141和4147而言，棱镜间距(或换句话讲，棱镜元件的峰-峰间距)具有多种范围。间距可以小于约50或60微米，以使得观察者看不到各个棱镜元件。间距范围的另一端可以由效率问题确定。在制造过程中，棱镜峰可以具有倒角，倒角半径大约为1微米或更大。该倒角在很大程度上与间距无关。制造的间距越小，倒角的影响就变得越普遍，并在非常小的间距处出现效率损耗。因此，可将间距制造为大于约5微米，以避免倒角引起的效率损耗。可用的间距范围为约5微米至约60微米，但也可以使用其他范围。膜4141和4147的间距可以相等，或者可以不相等，但不相等的间距可以进一步降低不期望的莫尔效应。另外，一个膜4141或4147的间距可以不等于另一个膜间距的整数倍，以便进一步降低不期望的莫尔效应。此外，一个膜4141或4147的间距可以不等于另一个膜间距的有理分式(如2/5或7/4)，以便进一步降低不期望的莫尔效应。出于本文的目的，所述有理分式的分子和分母均为1至20之间的整数。

在多个实施例中，可对光循环棱镜膜的一种或多种特性加以选择，以使膜的最佳入射角度范围朝光源的出射分布移动。例如，可以通过改变棱镜折射率、棱镜顶角、棱镜轴之间的角度(称为偏角)和/或棱镜的对称性或不对称性中的一者或多者来控制棱镜膜的最佳入射角度范围与光源的出射分布之间的重叠。这些光循环棱镜膜参数对光循环棱镜膜的最佳入射角的影响已通过使用反向光线追踪模型得到了证实。

用于评估棱镜折射率的模型包括基底厚度为0.1mm，棱镜顶角为90度，棱镜间距为0.05mm的交叉45/135光循环棱镜膜。顶部膜的棱镜轴定向为45度，而底部膜的棱镜轴定向为135度角度。反向光线追踪中使用的光源为垂直于膜的2度窄光锥。交叉膜上方的光源覆盖系统的整个空间范围，检测器位于膜的下方。图42为此反向光线追踪模型的锥光图，示出了由位于交叉棱镜膜下方的检测器接收的光的四个轮廓分明的区域。已检测光的这四个主要区域位于0、90、180和270度的方位角处。

当模型中的棱镜折射率改变时，确定由检测器接收的光的倾角。图43示出了由检测器接收的光的倾角变化与棱镜折射率的关系图。这些倾角被解释为棱镜折射率为上文列出的参数的交叉棱镜膜系统的最佳入射倾角。例如，对于1.57的棱镜折射率，最佳入射倾角为约44.5度。由反向光线追踪确定的每个倾角的透射强度、棱镜折射率坐标是不同的。

具有上文所列特性的交叉棱镜膜的理想入射倾角通常会随着棱镜折射率的增大而显著增大。透射强度和总透射通量通常会随着棱镜折射率的增大而下降。

用反向光线追踪模型评估棱镜顶角对最佳入射倾角的影响。模型包括折射率为1.58、基底厚度为0.1mm、棱镜间距为0.05mm的交叉45/135光循环棱镜膜。反向光线追踪中使用的光源是垂直于膜的2度窄光锥。图44示出了当棱镜顶角改变时倾角的变化。每个坐标的标记表示检测器处的强度。具有此组参数的交叉光循环棱镜膜的最佳入射倾角通常会随着棱镜顶角的增大而显著减小。透射强度通常会随着棱镜角的增大而减小。

使用反向光线追踪模型来评估交叉棱镜膜的棱镜轴之间的角度(偏角)对最佳入射角的影响。模型包括折射率为1.58、基底厚度为0.1mm、折射率为1.58、棱镜间距为0.05mm的光循环棱镜膜。图45示出了当棱镜膜之间的角度改变时最佳入射角的变化。

图45描绘了曲线4510和4520，其示出了两个输出区域的最佳入射倾角的变化。例如，曲线4510的点4511代表80度偏角的第一区域的最佳入射倾角。点4511对应于图42的最顶部入射角度区域。曲线4520的点4521代表80度偏角的第二区域的最佳入射倾角。

图46的锥光图表示在80度偏角下图45的图表的数据。当偏角改变时，最佳入射角的倾角和方位角也会改变。图47的锥光图示出了10度偏角的输出。结合图45比较图47和46，图46示出的最顶部区域4611(与图45的点4511相对应)已移至图47中的具有接近0度的方位角和约70度的倾角的区域4711(与图45的点4512相对应)。图46右边的区域4621(与图45中的点4521相对应)已移至图47中的具有接近0度的方位角和约15度的倾角的区域4722(与图45的点4522相对应)。

当偏角接近90度时，理想的入射倾角接近45度。当偏角接近0或180度时，即接近平行时，有两个主要强度峰，一个具有大的理想倾角，另一个具有明显较小的倾角。一般来讲，反向光线追踪峰的强度在较小的最佳入射角处较大。

用反向光线追踪模型确定不对称棱镜的影响。在该分析中，棱镜的一个面的棱面角是不同的。图48示出了锥光图的一部分，指示出棱面变化时最佳入射角的变化。在该实例中，棱镜折射率为1.58。当从膜的主平面测量时，使一个侧面的棱面角固定在45度。棱镜的另一个侧面上的棱面角是可变的。与图48中的点相对应的标记为可变的棱面角。

当一个侧面的棱面角增大时，夹角减小，最佳入射倾角增大，但强度往往稍有下降。一般来讲，反向光线追踪峰的强度在较小的最佳入射倾角处较大。

本文所述的多个实施例涉及获得光源的出射分布与背光源系统中光循环棱镜膜的最佳入射角度范围之间的所需重叠量的方法。例如，可以通过使背光源的角出射分布与光循环棱镜膜的最佳角入射分布相匹配来实现增强沿着所需视角的背光源的亮度。可以通过设计或选择背光源系统的各个组件来形成出射分布和/或最佳范围。如本文所述，可以基于设计或选择背光源系统的特性或组件来控制光源的出射分布的形成。组件或特性可以包括(例如)背光源反射器、光导、扩散片、光循环棱镜膜和/或其他背光源组件。本文提供的实例不仅是形成出射和入射分布的方法，而且还是用于说明匹配背光源组件以增强沿着视角的亮度的基本概念的实例。这些光分布形成技术中的任何一种可以单独使用，或者可以结合一种或多种其他分布形成技术使用。示例性实施例中描绘的背光源设计可以用于获得最大亮度，或者可以用于获得背光源发出的首过光与循环光的预定比率，以便获得光循环提供的增强的亮度和出色的缺陷掩饰能力。

图49示出了制备根据本发明实施例的背光源的方法。该方法的步骤并不限于任何特定的顺序，并且每个实施例中并不一定需要执行全部步骤。

确定多个一种或多种光循环棱镜膜构造的每种光循环棱镜膜构造的最佳入射角度范围(4910)。光循环棱镜膜构造可以包括光循环棱镜膜的具体特性或取向。作为另外一种选择或除此之外，确定多个光源的每个光源的出射分布(4920)。在一些实施例中，要选择光循环棱镜膜构造(4930)，因为构造的特性或光循环棱镜膜取向可提供或有利于获得最佳入射角度范围与出射分布之间的所需重叠量。在一些实施例中，要选择一个或多个光源特性或组件(4940)，因为光源组件或特性可提供或有利于获得出射分布与最佳入射角度范围之间的所需重叠量。在一些实施例中，要选择一种或多种光循环棱镜膜构造和/或特性以及一个或多个光源组件和/特性，以提供所需的重叠量。可以选择可移动光源出射分布和/或可移动最佳入射角度范围以提供或有利于获得所需重叠的光源和/或光循环棱镜膜的任何构造、特性和/或组件。例如，可以选择光源和/或光循环棱镜膜的任何组合，包括本文所述的组件、特性或构造中的任何一种，以获得光出射分布与最佳入射角度范围之间的所需重叠。

在背光源中布置选择的光源和选择的光循环棱镜膜构造，以使得光循环棱镜膜可循环来自光源的一部分光(4950)。

图50-53为组装了具有根据本发明实施例的背光源的显示器的示例性设备的框图。除了以下描述的示例性设备之外，组装了本文所述背光源的显示器还有许多其他应用，并且对于技术人员来说是显而易见的。图50-53示出的系统可以与(例如)本文所述的任何增亮膜构造结合使用。

图50示出了平板、便携或台式计算机的基本组件，这些计算机具有组装了一个或多个上文实例中描述的光学薄膜的监视器。计算机包括连接到输入设备5060(例如键盘、鼠标、控制杆或其他指向装置)上的中央处理单元5030。存储器5050可以包括用于存储程序和/或数据的RAM、ROM、磁盘驱动器或闪存模块。图形控制器5020可控制组装了一个或多个根据本发明实施例的光学薄膜的液晶显示器或其他类型的显示器5010。可以通过有线或无线网络模块5040为计算机提供网络连接。

图51示出组装了一个或多个本文多个实施例中描述的光学薄膜的显示器的另一种应用。电视机可以包括RF输入模块5120和视频输入模块5190。RF调谐器5120通过解调器5130连接到电视机数据和控制逻辑单元5150上。此外或作为另外一种选择，以诸如NTSC、S-video、RGB之类的视频格式和/或其他视频格式输入的视频被视频解码器5180解码，并送至数据/控制逻辑单元5150。音频控制电路5160用于通过扬声器4470提供音频信息。视频在显示器数据/定时模块5140的控制下显示在根据本文所述的多个实施例构造的显示器5110上。

图52为手持式MP3播放器的框图，其包括使用一个或多个根据本发明实施例加工的光学薄膜的显示器210。MP3播放器由中央处理单元(CPU)5250控制。在CPU 5250的控制下，通过MP3解码器5240对以MP3格式储存在存储器5270中的数据进行解码。MP3解码器5240产生用于驱动扬声器或耳机5230的输出。CPU 5250在显示器5210上显示图形或文本图像，并通过键盘5280接收来自使用者的输入。MP3播放器还可以包括可连接到计算机或其他设备上的USB、蓝牙或其他有线或无线接口5260。MP3播放器的电力由电池5220提供。

图53示出组装了根据本发明实施例的显示器的移动电话。移动电话包括连接到天线5315上的RF收发机5320，天线5315被构造用于传输和接收数据并控制发往或来自蜂窝网络中运行的基站的信号。由收发机5320接收到的数据经由移动电话控制器电路5350解调并转换为音频。声音数据通过连接到扬声器5370的音频接口5360提供给用户。麦克风5380将声音转换成电信号，电信号随后被收发机5320进一步处理，之后通过天线5315输出。移动电话包括具有本文所述的一个或多个光学薄膜的显示器5310，如液晶显示器。信息通过液晶显示器控制器5340出现在显示器5310上，呈现给用户。移动电话接收用户通过键盘5325输入的信息，而且还可以具有用于存储用户信息的存储器45330。移动电话由可充电电池5305提供电力。

本发明的各个实施例的上述说明是为了举例说明和描述的目的而呈现。这些描述并非意图详尽列举本发明或将本发明限定为公开的准确形式。按照上述教导，可以使用许多修改形式和变型形式。本发明的范围旨在不受此详细说明的限制，而是受本文所附权利要求书的限制。

Claims (48)

1.一种背光源，包括：

光源，所述光源被构造用于发光，所述光源发出的光具有角出射分布；和

一个或多个光循环棱镜膜，所述一个或多个光循环棱镜膜具有背离所述光源定向的棱镜峰，所述光循环棱镜膜具有最佳入射角度范围，所述最佳入射角度范围允许非循环光从所述光循环棱镜膜的平面在所需出射角度范围内出射，并且其中所述光源的一个或多个组件被构造用于优先形成所述光源的所述角出射分布，以控制所述光源的所述角出射分布与所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围之间的重叠。

2.根据权利要求1所述的背光源，其中所述光源的一个或多个组件被构造用于优先形成所述光源的所述角出射分布，以提供相对于非循环光量的循环光量。

3.根据权利要求1所述的背光源，其中所述光源的所述一个或多个组件被构造用于优先形成所述光源的所述角出射分布，以增加所述光源的所述角出射分布与所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围之间的所述重叠。

4.根据权利要求1所述的背光源，其中所述光循环棱镜膜的一个或多个特性被构造用于优先形成所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围，以增加所述角出射分布与所述最佳入射角度范围之间的所述重叠。

5.根据权利要求4所述的背光源，其中：

所述光源的所述一个或多个组件被构造用于使所述光源的所述角出射分布朝所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围偏移；并且

所述光循环棱镜膜的所述一个或多个特性被构造用于使所述最佳入射角度范围朝所述光源的所述角出射分布偏移。

6.根据权利要求1所述的背光源，其中：

所述光源的所述一个或多个组件包括镜面反射器；并且

所述光源包括布置在所述镜面反射器与所述光循环棱镜膜之间的光导装置。

7.根据权利要求6所述的背光源，其中所述镜面反射器包括具有角反射特征的结构化表面。

8.根据权利要求6所述的背光源，其中：

所述镜面反射器包括顶角为约150度的三角形特征；并且

所述光循环棱镜膜包括至少一个具有顶角为约90度的棱镜的光循环棱镜膜。

9.根据权利要求6所述的背光源，其中：

所述一个或多个组件包括具有结构化特征的镜面反射器，所述结构化特征包括具有一个或多个约20度内角的三角形特征；并且

所述光循环棱镜膜包括一个相对于所述镜面反射器的特征轴呈约45度的棱镜膜和另一个相对于所述镜面反射器的特征轴呈约135度的棱镜膜。

10.根据权利要求6所述的背光源，其中所述镜面反射器包括：

微结构化基底；和

设置在所述微结构化基底上的反射层。

11.根据权利要求6所述的背光源，其中所述反射层包括层合至所述基底上的聚合物薄膜层。

12.根据权利要求6所述的背光源，其中所述镜面反射器包括棱镜层。

13.根据权利要求6所述的背光源，其中所述镜面反射器包括：

反射基底；

棱镜膜；和

所述反射基底与所述棱镜膜之间的粘合剂。

14.根据权利要求13所述的背光源，其中所述反射基底包括聚合物薄膜。

15.根据权利要求13所述的背光源，其中所述棱镜膜的棱镜轴被设置为基本上垂直于所述光导装置的纵向轴线。

16.根据权利要求13所述的背光源，其中所述棱镜膜的所述棱镜是不对称的。

17.根据权利要求6所述的背光源，其中所述光导装置包括具有微结构化表面的锥形光导装置。

18.根据权利要求1所述的背光源，其中：

所述光循环棱镜膜中的至少一者的折射率大于1.6；并且

所述光源的所述一个或多个组件包括雾度特性为约70％至约90％的扩散片。

19.一种背光源，包括：

光源，所述光源被构造用于发光，所述光源发出的光具有角出射分布；和

一个或多个光循环棱镜膜，所述一个或多个光循环棱镜膜具有背离所述光源定向的棱镜峰，所述光循环棱镜膜具有最佳入射角度范围，所述最佳入射角度范围允许非循环光从所述光循环棱镜膜的平面在所需出射角度范围内出射，其中所述光循环棱镜膜的一个或多个特性被构造用于优先形成所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围，以控制所述光源的所述角出射分布与所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围之间的重叠。

20.根据权利要求19所述的背光源，其中所述光循环棱镜膜的所述一个或多个特性包括所述光循环棱镜膜的折射率。

21.根据权利要求19所述的背光源，其中所述光循环棱镜膜的所述一个或多个特性包括所述光循环棱镜膜的棱镜顶角。

22.根据权利要求19所述的背光源，其中所述光循环棱镜膜的所述一个或多个特性包括所述光循环棱镜膜的棱镜轴之间的角度。

23.根据权利要求19所述的背光源，其中所述光循环棱镜膜的所述一个或多个特性包括所述光循环棱镜膜中的一者或两者与所述光源的纵向轴线之间的角度。

24.一种背光源，包括：

光源，所述光源包括：

光导装置；和

增益扩散片，所述增益扩散片具有朝所述光导装置定向的微结构化特征；以及

一个或多个光循环棱镜膜，所述一个或多个光循环棱镜膜具有背离所述光导装置定向的棱镜，其中所述增益扩散片被构造为形成离开所述光源的光的出射分布，使得所述出射分布至少部分地与所述光循环棱镜膜的最佳入射角度范围重叠，所述最佳入射角度范围允许非循环光在优选的出射角度范围内从所述背光源出射。

25.根据权利要求24所述的背光源，其中所述一个或多个光循环棱镜膜的折射率为约1.6。

26.根据权利要求24所述的背光源，其中：

所述光循环棱镜膜中的一者的棱镜轴相对于所述光导装置的纵向轴线呈45度角；并且

所述光循环棱镜膜中的另一者的棱镜轴相对于所述光导装置的纵向轴线呈135度角。

27.根据权利要求24所述的背光源，其中所述一个或多个光循环棱镜膜的棱镜的顶角为约90度。

28.一种通过背光源引导光的方法，所述背光源包括光源和一个或多个光循环棱镜膜，所述方法包括：

使用所述光源发光，所述光源与角出射分布相关；

通过所述一个或多个光循环棱镜膜引导所述光穿过所述背光源，所述一个或多个光循环棱镜膜与最佳入射角度范围相关，其中引导所述光包括以下步骤中的一者或两者：

控制所述光源的所述角出射分布，使所述角出射分布接近所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围；以及

控制所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围，使所述最佳入射角度范围接近所述光源的所述角出射分布；

使所述光的第一部分穿过所述光循环棱镜膜而不进行光循环，所述光的所述第一部分是以落入所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围内的角度从所述背光源射出；以及

使所述光的第二部分进行光循环。

29.根据权利要求28所述的方法，其中控制所述光源的所述角出射分布包括：使用增益扩散片、镜面反射器、具有微结构化表面的光导装置以及具有选定雾度和传输参数的扩散片中的一者或多者来控制所述角出射分布。

30.根据权利要求28所述的方法，其中控制所述光源的所述角出射分布包括：使用具有背离所述光循环棱镜膜定向的微结构化表面的增益扩散片来控制所述角出射分布。

31.根据权利要求28所述的方法，其中控制所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围包括：使用如下特性中的一者或多者来控制所述最佳入射角度范围：所述光循环棱镜膜的折射率、所述光循环棱镜膜的顶角、所述光循环棱镜膜的棱镜轴之间的角度、所述光循环棱镜膜中的至少一者与所述光源的纵向轴线之间的角度。

32.根据权利要求28所述的方法，其中控制所述角出射分布和控制所述最佳入射角度范围包括：增加所述角出射分布与所述最佳入射角度范围之间的重叠。

33.一种背光源，包括：

利用光源发光的装置，所述光源与角出射分布相关；

通过一个或多个光循环棱镜膜引导光穿过所述背光源的装置，所述一个或多个光循环棱镜膜与最佳入射角度范围相关，所述最佳入射角度范围允许光不经过光循环就离开所述背光源，其中用于引导所述光的装置包括以下装置中的一者或两者：

用于控制所述光源的所述角出射分布使其接近所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围的装置；以及

用于控制所述光循环棱镜膜的所述最佳入射角度范围使其接近所述光源的所述角出射分布的装置。

34.根据权利要求33所述的背光源，还包括用于增加所述角出射分布与所述最佳入射角度范围之间的重叠的装置。

35.一种制造背光源的方法，所述背光源包括光源和一个或多个光循环棱镜膜，所述方法包括：

表征背光源的组件，包括以下表征中的一者或两者：

确定离开所述光源的光的出射分布；以及

确定所述光循环棱镜膜的最佳入射角度范围，所述最佳入射角度范围允许所述光不经过光循环就穿过所述光循环棱镜膜；

选择背光源的组件以控制所述出射分布与所述最佳入射角度范围之间的重叠，选择所述背光源的组件包括以下步骤中的一者或两者：

选择一个或多个光源组件来提供所述出射分布与所述最佳入射角度范围之间的所需重叠量；以及

选择所述光循环棱镜膜的一种或多种特性来提供所述出射分布与所述最佳入射角度范围之间的所需重叠量；以及

相对于所述光循环棱镜膜布置所述光源，使得所述光循环棱镜膜的棱镜峰背离所述光源定向。

36.根据权利要求35所述的方法，其中：

选择所述光源组件包括：选择具有微结构化表面的增益扩散片；并且

相对于所述光循环棱镜膜布置所述光源包括：使所述增益扩散片的所述微结构化表面背离所述光循环棱镜膜定向。

37.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光源组件包括：选择具有增加所述出射分布与所述最佳入射角度范围之间的重叠的特性的镜面反射器。

38.根据权利要求35所述的方法，其中增加所述出射分布与所述最佳入射角度范围之间的重叠的所述镜面反射器的所述特性包括微结构。

39.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光源组件包括：选择具有增加所述出射分布与所述最佳入射角度范围之间的重叠的特性的扩散片。

40.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光源组件包括：选择可增加所述出射分布的区域以覆盖所述最佳入射角度范围的一个或多个区域的光源组件。

41.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光源组件包括：选择使所述出射分布朝所述最佳入射角度范围偏移的光源组件。

42.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光循环棱镜膜的所述特性包括：选择所述光循环棱镜膜的棱镜顶角。

43.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光循环棱镜膜的所述特性包括：选择所述光循环棱镜膜的折射率。

44.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光循环棱镜膜的所述特性包括：选择所述光循环棱镜膜的棱镜轴之间的角度。

45.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光循环棱镜膜的所述特性包括：选择所述光循环棱镜膜中的至少一者的棱镜轴与所述光源的纵向轴线之间的角度。

46.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光循环棱镜膜的所述特性包括：选择使所述最佳入射角度范围朝所述出射分布偏移的特性。

47.根据权利要求35所述的方法，其中选择所述光循环棱镜膜的所述特性包括：选择增加或减小所述最佳入射角度范围的特性。

48.根据权利要求35所述的方法，其中：

表征所述背光源包括：既表征所述光源又表征所述光循环棱镜膜；并且

选择所述背光源的组件包括：既选择所述光源组件又选择所述光循环棱镜膜的特性。

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