CN101201505B - 改进了背光照明均匀性的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进了背光照明均匀性的系统(10)，所述系统包括背光外壳(19)、耦合到该背光外壳(19)的多个光阀(11)、以及布置在该背光外壳(19)中并且光耦合到所述光阀(11)的多个光源(25)。该照明系统(10)还可包括光散射基板(12)和多个光调制点(32)，所述光散射基板(12)被光耦合在所述多个光源(25)和光阀(11)之间，所述多个光调制点(32)在所述基板(12)上被构图，以便调制来自所述多个光源(25)的光的透射强度，从而通过减少由所述分开的光源引起的条带来实现增加的亮度均匀性。所述光调制点(32)可以包括反射点、透射点、吸收点、或其组合。

Description

改进了背光照明均匀性的系统

技术领域

本发明的各实施例一般而言涉及一种显示装置中的改进了背光照明均匀性的系统。

背景技术

诸如平板液晶显示器(LCD)之类的大尺寸显示装置典型地利用冷阴极荧光灯(CCFL)作为光源。虽然CCFL具有小的形状因子(其直径典型地在2.6到3.0mm的范围内)，但是CCFL具有相对较低的发光效率，并且在较长的长度时是易碎的。随着显示板屏幕对角线继续增加，为了照亮这样的显示器，对于机械耐用的、高发光效率的光源仍然存在越来越多的需求。

新近，热阴极荧光灯(HCFL)已被用作这样的平板显示器的光源。HCFL的使用允许光输出的电流脉冲，这允许减少由LCD像素在图像帧之间改变状态的有限滞后时间所引起的运动模糊。HCFL进一步提供比CCFL高的发光效率，并且对于更长的管长度(典型的具有大约16mm的直径)是更加机械耐用的。然而，由于在平板显示器上的趋势是减少面板厚度，并且HCFL具有比CCFL更大的直径，所以HCFL在显示板的背光腔内往往会占用更多的空间。这在LCD屏幕下以条带的形式引起照明中更大的不均匀性，这通常是令最终用户讨厌的。而且，由于在平板显示器上的趋势是减少面板厚度，所以通常期望增加照明的均匀性而不显著增加背光腔的厚度。

发明内容

在一个实施例中，一种照明系统包括背光外壳、耦合到该背光外壳的多个光阀、以及布置在该背光外壳中并且光耦合到这些光阀的多个光源。该照明系统可以进一步包括在所述多个光源和光阀之间光耦合的光散射基板、以及多个光调制点，所述多个光调制点在基板上被构图，以便调制来自所述多个光源的光的透射强度，从而通过减少由分开的光源引起的条带来实现增加的亮度均匀性。

在另一个实施例中，一种光漫射体包括光散射基板和多个光调制点，所述多个光调制点在基板上被构图，以便调制来自光源的光的透射强度，从而通过减少由大大分开的光引起的条带来实现增加的亮度均匀性。

在一个实施例中，光调制点可以包括包括反射点、透射点、吸收点、或其组合。

附图说明

当参考本发明的各种实施例的附图来阅读下面的详细描述时，将更加全面地理解本发明，所述附图不应被视为限定，而是为了解释和理解，并且相同的附图标记在整个附图中表示相同的部分。

图1是根据一个实施例的示例照明系统10的横截面图。

图2是根据一个实施例的示例照明系统10的透视图。

图3是说明示例T5热阴极荧光灯(HCFL)的示意图，其适合用作根据本发明的实施例的光源15。

图4是说明根据本发明一个实施例的照明系统10的正视图的示意图。

图5说明根据一个实施例的包括形成作为光源位置的函数的空间调制图案的光调制点的照明系统的剖开部分。

图6是说明根据一个实施例作为由从光调制点图案边缘起的点出现计数所表示的灯位置的函数的光调制点间隔的曲线图。

图7是说明根据本发明一个实施例没有光调制点的照明系统和装备有包括光调制点的漫射体的照明系统的亮度的曲线图。

具体实施方式

根据本发明的一个或多个实施例，在此描述了用于改进照明均匀性的系统和方法。在下面的详细描述中，陈述了众多的特定细节以便提供对本发明各种实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将会理解，各实施例可以在没有这些特定细节的情况下被实行，本发明不仅仅限于所描述的实施例，并且本发明可以在各种可选的实施例中被实行。在其它实例中，公知的方法、过程、以及部件没有被详细描述。而且，短语“在一个实施例中”的反复使用不一定指的是同一个实施例，尽管可能是指同一个实施例。最后，在本申请中使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等等打算是同义的，除非另有所指。

图1是根据一个实施例的示例照明系统的横截面图。在图1中，照明系统10包括背光外壳19、耦合到背光外壳19的多个光阀11、以及布置在背光外壳19中并且光耦合到光阀11的多个分开的光源15。照明系统10还包括在多个光源15和光阀11之间光耦合的至少一个光散射基板12、以及提供对(多个)光散射基板12的支撑的多个支撑物16。

光阀可以是透射的或反射的光阀阵列，例如液晶显示器(LCD)，其包括单独可控以便调制由多个光源15所产生的光的透射率的像素孔径。另外，(多个)光散射基板12可以被包括在光阀11和多个光源15之间，以便增加由多个光源15所产生的光的照明均匀性。根据以下将更详细描述的一个实施例，照明系统10装备有多个光调制点，所述多个光调制点在一个或多个光散射基板12上被构图，以便调制来自多个光源15的光的透射强度以实现增加的亮度均匀性。

背光外壳19可以在尺寸和形状因子上改变，这取决于例如照明系统的预定应用。例如，如果照明系统10打算用作LCD电视，则背光外壳的长度和宽度的尺寸可以被设定成适应从大约50到200cm甚至更大范围的LCD面板。然而，即使当背光外壳19的直径已经增加到适应这样的较大LCD面板时，背光外壳19的深度(例如在其内部放置多个光源15的空间)也继续保持在大约25mm。

背光外壳19可以装备有在多个光源15之下或之间形成的一个或多个反射器14，以便将从多个光源15发射的光反射回到光阀11。(多个)反射器可以采用例如单个反射金属板或具有涂层的塑料反射器的形式，并且可以均匀地分布在背光外壳19和光源15之间。可选择地，(多个)反射器14可以作为光源位置的函数而位于背光外壳19和光源15之间。例如，在一个实施例中，一个或多个反射器14可以位于每一个光源15之间，以便通过把附加光反射或散射到(多个)光散射基板12上的较低强度区域来进一步增加照明系统10的照明均匀性。

图2是根据一个实施例的诸如图1的照明系统10之类的示例照明系统的透视图。在图2中，所示出的照明系统包括光源15和反射器14，所述光源15以固定间隔布置在背光外壳19中，所述反射器14至少部分地被设置在背光外壳19和光源15之间。而且，三个光散射基板(漫射体)12a、12b以及12c被示出，并且被光耦合在光阀11(未示出)和多个光源15之间。光散射基板12a、12b以及12c可以包括一个或多个漫射膜、片或板，并且可以独立地或共同地被称作漫射体。在一个实施例中，光散射基板12a、12b以及12c中的一个或多个可以包括聚碳酸酯树脂。在一个实施例中，光散射基板12c可以是具有大约2mm厚度的相对较厚的板，而光散射基板12a和12b中的每一个可以是具有大约0.2mm厚度的薄膜。在一个实施例中，光散射基板12c可以是厚体积的散射漫射体，例如可以从GE Plastics，Pittsfield MA获得的号码为SW2005的GE零件，而光散射基板12a和12b可以是也可以从GE Plastics获得的等级为DL4251或DL4250的ILLUMINEX牌的显示器膜。

根据一个实施例，多个光源15可以包括一个或多个荧光灯。在更加详细说明的实施例中，光源15可以包括一个或多个热阴极荧光灯(HCFL)，例如在灯的两端都具有电极的T5灯。因此，当对在多个光源15的两端处的电极都提供电压时，多个光源15发光。

图3是说明示例T5热阴极荧光灯(HCFL)25的示意图，其适合用作根据本发明的实施例的光源15。为了提供更详细的视图，仅示出HCFL 25的最左边部分。在其每个端部，HCFL 25包括外部主体18以及向灯提供电压源的两个电极17。HCFL 25可以以长度“L”和宽度或直径“D”来表征。在一个实施例中，HCFL 25的直径为大约16mm，而长度可以根据预定应用而改变。例如当与LCD背光相结合使用时，长度可以根据背光外壳19或光阀(例如LCD面板)11的直径而改变。

图4是说明根据本发明一个实施例的照明系统10的正视图的示意图。照明系统10包括前述的背光外壳19和多个热阴极荧光灯(HCFL)25。如所示，热阴极荧光灯25可以基本上被布置在与光阀11平行的平面上，并且可以在光阀后面沿纵向“L”从背光外壳19的一边向另一边延伸。热阴极荧光灯25可以以固定的距离或者在照明系统10的宽度上变化的距离来互相分开。在图4说明的实施例中，热阴极荧光灯25以固定距离27分开。

图4的照明系统10进一步包括光散射基板12(如前所述)，以便增加由多个光源所产生的光的照明均匀性。然而，因为热阴极荧光灯25的直径比更常规地用于平板背光的冷阴极荧光灯的直径大得多(例如T5灯的16mm对CCFL灯的2.6-3.0mm)，所以由于灯的顶部非常接近光散射基板的底部，光带甚至可能穿过光散射基板12。更具体而言，对于CCFL灯来说，背光外壳的腔深度的88％位于CCFL灯的顶部之上和漫射体之下，而对于T5灯来说，仅有背光腔深度的48％位于灯之上和光散射基板12之下。

根据一个实施例，照明系统10装备有多个光调制点，所述多个光调制点在光散射基板12上被构图，以便调制来自热阴极荧光灯25的光的透射强度，从而通过减少由分开的热阴极荧光灯25引起的条带来实现增加的亮度均匀性。除非另有说明，否则术语“点”打算广义地是指小标记或内含物。光调制点可以是基本上圆的，然而，这样的点还可以包括其它形状，其中包括但不限于方形、椭圆形、梯形、或者任何其它几何/多边形形状。而且，这样的点可以是圆形的并且具有直径，而其它的点可以是轻微椭圆形的并且具有长轴和短轴。在一个实施例中，光调制点比相关联的LCD面板的像素孔径区域小，其可以典型地具有大约200μm到大约500μm的孔径区域。在一个实施例中，光调制点可以具有小于大约300μm的点宽或直径。在更特定的例子中，光调制点可以具有等于或小于LCD像素区域的三分之一尺寸的点区域。在一个实施例中，光调制点可以具有大约150μm的点宽或直径。在一个实施例中，光调制点包括结合了高反射和散射的物质例如二氧化钛(例如TiO2)或氧化铝(例如AlO2)的涂料或墨水。另外，光调制点可以以多种已知的或将被开发的方法被形成在光散射基板(例如光漫射体)上。例如，光调制点可以通过丝印、喷墨印刷、或者按需印刷点的印刷被印刷在漫射体上。丝印允许在一次操作中快速印刷整个表面，而喷墨和点按需印刷需要印刷机单独访问每个点位置。

在一个实施例中，在此描述的光调制点可以包括反射点、散射透射点、吸收点、以及其组合。反射点可以是反射的或漫射的，并且一般可以将从光源(例如热阴极荧光灯25)发射的光朝着灯和背光外壳19向后反射。从灯上面的区域反射的光将在灯之间的区域之上散射和漫射，因此增加了灯之间的强度。透射点沿着基本上向前的方向远离灯和背光外壳散射从光源发射的光。相反，吸收点至少部分地吸收从光源(例如热阴极荧光灯25)发射的光。可以调制和隔开吸收点，以使吸收直接在灯上面的一些光，从而改善总体照明均匀性。在某些实施例中，光调制点可以是部分透射的、部分反射的或部分吸收的。例如，光调制点可以包括显示出例如50-95％的反射率的部分透射点。这样的部分透射点在观察者通过大块漫射体观看时可能是不大可见的。

在一个实施例中，透射点可以包括具有与周围的散射基板12相比不匹配的折射率的微米或纳米球(或内含物)。嵌入在基板/漫射体中或附着到漫射体的表面上的、具有更高或更低折射率的球的使用，允许该球在受控锥角内聚焦光。影响所得到的散射的特性的参数是球(或内含物)的尺寸、它们的折射率、以及它们的密度。球的尺寸可以被做成在从100nm到500μm范围，并且可以由包括硅石和聚苯乙烯的各种材料组成。球还可以做成中空的，以便最大化对附近基板的改变的折射率。可以调制和隔开微球体或内含物的密度以增加直接在灯上面的散射并且降低在灯之间的空间上的散射，以便增强总体照明均匀性。

光调制点可以被形成在单个光散射基板(例如12a、12b、12c)的一个或多个表面之内或之上，或者光调制点可以层叠在多于一个的光散射基板上。而且，光调制点可以被形成在光散射基板12的两层或更多层之间。如前所述，光散射基板12可以表示至少部分地由聚碳酸酯树脂形成的漫射体。

而且，光调制点可以被布置成光调制点图案。在一个实施例中，光调制点图案可以以图案长度和图案宽度来表征，由此图案长度被定义为平行于热阴极荧光灯25的纵向“L”，并且图案宽度被定义为垂直于热阴极荧光灯25的纵向“L”。在一个实施例中，光调制点可以被形成为这样的图案，使得所得到的光调制点图案宽度比相应的光源的宽度或直径大。例如，当与热阴极荧光灯25相关联使用时，光调制点图案宽度可以大于16mm，所述16mm是T5灯的直径。在一个实施例中，光调制点图案宽度可以比相应的光源的直径小两倍。在一个实施例中，光调制点图案宽度可以是大约25mm。

在一个实施例中，光调制点图案作为灯的位置的函数被重复。例如，在图4中，每个重复的光调制点图案可以集中在相应的热阴极荧光灯25上。而且，每个重复的光调制点图案可以在分开每个热阴极荧光灯25的距离27的大约一半处开始和结束。在其它实施例中，光调制点图案可以被延伸一直到灯之间的间隔的100％。

在一个实施例中，从多个光源(例如热阴极荧光灯25)发射的光的透射强度可以通过利用了反射点间隔或点区域或其组合的漫射体进行调制。在一个实施例中，例如如图4所示，光调制点之间的间隔可以作为从灯中心沿着灯宽度或直径的距离的函数并且在垂直于纵向的方向上改变。

图5说明根据一个实施例的包括形成作为光源位置的函数的空间调制图案的光调制点的照明系统的剖开部分。图5的照明系统的所说明的部分包括背光外壳19、单个热阴极荧光灯25、以及光散射基板12，该光散射基板12包括形成空间调制图案的光调制点32。在所说明的实施例中，光调制点32之间的间隔作为热阴极荧光灯25的宽度/直径的函数并且在垂直于灯的纵向的方向上改变。因此，在光源(例如热阴极荧光灯25)上面的光散射与在分开这样的光源的间隔上面的光散射相比是增加的。在一个实施例中，光调制点根据以下函数来间隔开：

Px(i)＝A+B*(x/Ni)+C*(x/Ni)²+D*(x/Ni)³

Py(j)＝G*(y/Nj)，

其表示从灯中心到横向的第i个点和纵向的第j个点的距离。用于光调制点的位置的方程可以是直到10次项的多项式的形式，但是一般而言，二次方程对于校正横向变化是足够的，并且在纵向上的间隔是简单线性的。

图6是说明根据一个实施例作为由从光调制点图案边缘起的点出现计数所表示的灯位置的函数的光调制点间隔的曲线图。参考该曲线图可以看到，点之间的间隔从对应于光源(例如热阴极荧光灯25)的中心的点“B”向外增加到点“A”和点“C”，所述点“A”和点“C”各对应于给定光源的光调制点图案的开始或结束。

图7是说明根据本发明一个实施例没有光调制点的照明系统和装备有包括光调制点的漫射体的照明系统的亮度的曲线图。更具体而言，图7说明了从垂直于漫射体的角以流明/cm²每球面度(尼特)为单位测量的、作为沿背光外壳19的线性位移(以mm为单位)的函数的亮度。在图7中，第一曲线53表示包括T5热阴极荧光灯和漫射体面板的标准照明系统的空间亮度。在该实例中，第一曲线53所说明的不均匀性大约是11％。相反，第二曲线54表示根据一个实施例的包括T5热阴极荧光灯和装备有100μm空间调制光反射点的漫射体面板的增强的照明系统的空间亮度。第二曲线54所说明的不均匀性仅仅大约是1％。

至今，为了说明的目的而进行的讨论集中于HCFL光源。然而，本发明的实施例可以包括或者结合使用许多其它光源，其中包括CCFL、发光二极管(LED)、有机发光二极管、激光器等等。光反射点图案能够被修改以基于给定类型的光源和应用来优化所得到的光均匀性。

虽然在此仅仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此应当理解，所附权利要求书打算覆盖落入本发明的真实精神内的这样的修改和变化。

附图标记列表

10照明系统

11光阀

12光散射基板

14(多个)反射器

15光源

16支撑物

17电极

18外部主体

19背光外壳

25热阴极荧光灯

27固定距离

Claims (8)

1.一种照明系统（10），包括：

背光外壳（19）；

多个光阀（11），耦合到所述背光外壳（19）；

多个分开的光源（15），布置在所述背光外壳（19）中并且光耦合到所述光阀（11）；

光散射基板（12），光耦合在所述多个分开的光源（15）和所述光阀（11）之间；以及

多个光调制点（32），被构图在所述基板（12）上以便调制来自所述多个分开的光源（15）的光的透射强度，从而通过减少由所述多个分开的光源（15）引起的条带来实现增加的亮度均匀性，

其中所述多个光调制点（32）包括具有与所述光散射基板（12）的折射率不同的折射率的内含物，并且

其中，对于所述多个分开的光源中的给定光源，所述多个光调制点中位于该给定光源的光调制点图案内的光调制点间的间隔在所述多个光调制点中的所述光调制点与该给定光源的中心间的距离增加时在与该给定光源的纵向方向垂直的方向上线性增加。

2.根据权利要求1所述的照明系统（10），其中所述光散射基板（12）包括漫射体。

3.根据权利要求1所述的照明系统（10），其中来自所述多个分开的光源（15）的光的透射强度作为点间隔或点区域或其组合的函数被调制。

4.一种照明系统（10），包括：

背光外壳（19）；

多个光阀（11），耦合到所述背光外壳（19）；

多个分开的光源（15），布置在所述背光外壳（19）中并且光耦合到所述光阀（11）；以及

漫射体（12），光耦合在所述多个分开的光源（15）和光阀（11）之间以便增加来自所述多个分开的光源（15）的光的照明均匀性，其中所述漫射体（12）包括多个光调制点（32），所述多个光调制点（32）被构图以便调制来自所述多个分开的光源（15）的光的透射强度，其中所述光调制点包括反射点或透射点或吸收点或者其组合，

其中，所述多个光调制点（32）包括具有与所述漫射体（12）的折射率不同的折射率的内含物，

其中，对于所述多个分开的光源中的给定光源，所述多个光调制点中位于该给定光源的光调制点图案内的光调制点间的间隔在所述多个光调制点中的所述光调制点与该给定光源的中心间的距离增加时在与该给定光源的纵向方向垂直的方向上线性增加。

5.根据权利要求4所述的照明系统（10），其中所述多个分开的光源（15）包括热阴极荧光光源（25）。

6.根据权利要求4所述的照明系统（10），其中所述光调制点（32）包括含有高反射散射材料的涂料或墨水。

7.根据权利要求6所述的照明系统（10），其中所述光调制点（32）包括TiO₂或氧化铝。

8.根据权利要求4所述的照明系统（10），其中所述光调制点包括小于大约500μm的点宽。