用于平板图像显示设备的照明系统技术方案

本发明专利技术涉及一种照明系统（３），该照明系统包括一个具有一个出射表面和多个端面（１３）的光透明材料光波导（１１），以及一个光源（９），该光源的光经过波导（１１）的至少一个端面（１３）被耦合进入波导（１１）。波导（１１）还包括用于使光源发出的光起偏振的偏振装置。波导（１１）包括至少两个层面，其中一层包括具有折射率ｎ↓［ｅ］和ｎ↓［ｏ］的光各向异性材料，另一层包括具有折射率ｎ↓［ｉ］的光各向同性材料，并且，折射率ｎ↓［ｅ］或ｎ↓［ｏ］中的一个等于ｎ↓［ｉ］。对于折叠率，ｎ↓［ｅ］或ｎ↓［ｏ］应该等于或基本上等于ｎ↓［ｉ］，这是为了能在各向同性和各向异性材料的界面处发生偏振分离。本发明专利技术还涉及一种包括所述照明系统的平板图像显示设备。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种照明系统，该照明系统包括一个具有一个出射表面和多个端面的光透明材料光波导，光源与至少一个端面相对放置，光源的光由所述端面处耦合射入光波导，以及用来使光源发出的光起偏振的偏振装置。本专利技术还涉及一种包括所述照明系统的平板图像显示设备。一种装配有开头段所述类型的照明系统的平板图像显示设备从美国专利US-A 4,212,048得知。在该专利所述的图像显示设备中，图像显示板通过一个包括楔形透明板和光源的照明系统来照明。光源发出的光线在光波导的端面处耦合射入光波导，并且由于在光波导与空气的界面处经历全内反射，而在光波导内传播。因为每一次反射，光线在波导-空气界面的入射角都会减小，就使得该入射角在某一给定瞬间小于临界角，相应的光线将会离开光波导。另外，光波导包括条形偏振材料的偏振装置，该偏振材料在光源附近扩展到整个光波导的厚度。这样，就可以保证离开光波导的光起偏振。该US专利中所述照明系统的一个缺陷是，基本上有50％的光源发出的光未能参与成像而被丢失，这是因为起偏器是二向色性的，并且因此吸收多余的偏振方向。另一个缺陷是，为了使光可以在光波导出射表面处耦合射出，光波导必须是楔形的。由于足够出光的要求，使设计的自由性和光波导材料的选择受到限制。实际上，在光耦合射入光波导后很短的时间内，光到达起偏器，从而被起偏振。偏振光在光波导内传播，直到以小于全内反射(total internal reflection)的临界角的角度入射到出射表面，并因此被耦合射出。因为，实际上各向同性材料不是完全各向同性的，因此在光波导内的传播过程中仍然会发生消偏振。所以，具有相同偏振方向的偏振光的输出将大大减小。或者耦合射出之前所包含的距离应因此相对的短，这会限制光波导设计的自由性，或者光波导的材料要有良好的各向同性，这会限制材料的选择。本专利技术的一个目的是提供一种照明系统，其中光源发出的光中的相对大部分在离开光波导之前被转变为具有相同偏振方向的光，并且其中光波导的形状和材料不对出光产生限制作用。为此，根据本专利技术的照明系统，其特征在于波导至少包括两层，其中一层包括具有折射率ne和no的光各向异性材料，另一层包括具有折射率ni的光各向同性材料，且折射率ne或no至少有一个基本上等于ni。在各向同性和各向异性层之间形成了一个界面。当非偏振光耦合射入到，例如各向异性层时，换言之，当各向异性层作为波导层时，光将被分成两束偏振方向平行于介质优选方向的光束分量，即平行和垂直于各向同性与异性层之间界面的光束分量。偏振方向垂直于界面的光束分量，称作S-分量，将在界面处检测无折射率差异，并因此向波导的出射表面传播。该波导的偏振状态保持不变。然而，一种情形是，该光束分量在界面处的入射角必须小于全内反射的临界角。但是，在非偏振光束耦合入射到各向异性层时，该入射角可以被确定。另一光束分量，称作P-分量，在界面处检测折射率差异，并且只要折射率的差足够大，就在该界面处经历全内反射，并因此到达各向异性层。保留在波导层的光束分量在该层中传播一段时间后会发生消偏振，因为该层的材料是各向异性的。所以，在某一给定传播距离之后，光束将包括两个偏振方向，换言之，包括S-分量和P-分量。如果该光束再次被传播到各向同性和异性材料之间的界面，会再次发生偏振分离。当到达该界面时，S-分量将再向波导的出射表面传播。P-分量在波导层被反射，如上所述，将再次消偏振，反射，部分耦合射出，等等。如果存在很大程度的各向异性，则只有在界面处反射数次之后，P-分量才能基本上完全转变成非偏振光束，因此，大约其中的一半已经具有可以不受阻地通过界面的适当的偏振方向。这样，各向异性材料的各向异性程度就决定了在各向同性和异性层之间的界面处的反射次数。通过适当选择各向异性材料，可以得到波导表面上的最佳强度分布。这一过程每一次都被重复进行，就使得光源发出的光中相对大部分在从波导的出射表面耦合射出之前，被转变成具有相同的，即所预期的偏振方向的光。以这种方式，可以实现相对强的光输出。为了使光从波导耦合出射，光波导可以具有，但是不必一定具有楔形结构。各向异性材料的正常折射率和异常折射率之间的差越大，波导的接收角就越大。一种根据本专利技术的照明系统的优选实施例，其特征在于该波导包括各向同性层，而且各向同性层的折射率ni基本上等于折射率no和ne中最大的一个。另外，各向同性层也可以用作波导层。这样，光就被耦合射入该各向同性层。一种情形是，各向异性层中最大的折射率应该近似等于各向同性层的折射率。如果不是这种情形，则对于一种偏振方向，将会发生向更密介质的转移(transition)，从而在界面处不会发生全反射。该实施例的一个优点是各向同性材料具有低的扩散程度，因此具有宽的材料选择范围。另一个优点是，在这种情形下，各向异性层可以薄膜层形式提供，从而也可以提供非常宽的材料选择范围。根据本专利技术的照明系统的另一种实施例，其特征在于各向异性层被放置在与出射表面相对的波导表面处。光束的偏振方向可以在各向异性和各向同性波导层两种情形下，通过该层被调整，而与波导层的光学属性无关。但是，偏振可以通过与出射表面相对的表面上的附加各向异性层，和/或通过被放置在各向同性波导层上面的各向异性层而被加强。如果波导层包括，例如，光各向异性材料，则附加层应该在光轴方向是各向异性的，其中所述光轴不与各向异性波导层的轴平行。根据本专利技术的照明系统的另一种实施例，其特征在于波导的出射表面具有一种准直结构。在这种方式中，在波导的出射表面出射的光被准直，该光有助于采用所述照明系统的图像显示设备的亮度。不用作波导层的层面可以是不连续层，或者是具有表面结构的层面。这样，由波导出射的光不仅可以被准直，而且还可以保证光在出射表面均匀分布。根据本专利技术的照明系统的另一种实施例，其特征在于准直结构包括一微透镜阵列。微透镜阵列是已知的、非常适合所述应用的元件。根据本专利技术的照明系统的另一种实施例，其特征在于具有消偏振作用的反射器被安置在远离光源的至少一个端面上。本质上已知，为平面照明系统的光波导提供在没有光耦合射入的端面处的反射器，可以阻止到达该处的光因被丢失而不能参与照明系统的光输出。反射器又把光送回光波导。在这种方式中，到目前为止，光就具有新的机会在出射表面耦合射出。如果在端面上的反射器具有消偏振作用，则具有在出射表面耦合射出所不希望的偏振方向的光可以被消偏振，以使大约一半的光可立即获得合适的偏振方向，而且可以耦合射出光波导。另一半的光在波导中的传播中可以被消偏振。消偏振反射器的一个优点是，由于与波导层材料的双折射性无关，将会发生不希望的光束分量的消偏振。根据本专利技术的照明系统的另一种实施例，其特征在于波导的端面被实现为准直器。为了使P-分量在各向同性和各向异性层之间的界面处能基本上完全反射，波导的接收角和各向异性材料中折射率的差应该相互调整适应。该接收角将逐渐比在空气界面的小。该调整可以通过把波导的端面实现为准直器来完成。根据本专利技术的照明系统的另一种实施例，其特征在于准直器包括柱面透镜。根据本专利技术的照明系统的另一种实施例，其特征在于光各向异性材料是各向异性聚合物凝胶或各向异性聚合物网络(network)。这些材料尤其适合用作双折射层形式的双折射材料。通过参考下述实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括一个具有一个出射表面和多个端面的光透明材料光波导，其中光源至少与一个端面相对，而且光源的光可以在所述光波导端面处耦合进入该光波导，以及用于使光源发出的光发生偏振的偏振装置的照明系统，其特征在于，该波导包括至少两层，其中一层包括具有折射率ｎ↓［ｃ］和ｎ↓［ｏ］的光各向异性材料，另一层包括具有折射率ｎ↓［ｉ］的光各向同性材料，并且，折射率ｎ↓［ｃ］或ｎ↓［ｏ］中的一个至少基本上等于ｎ↓［ｉ］。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R温贝格尔弗里德尔，
申请(专利权)人：皇家菲利浦电子有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]