用于背光的光纤照明系统.pdf

利用光纤为平板显示器提供背光的设备及方法。

权利要求书
1.  一种背光装置，包括：
光源；
一对隔开的基本上平行的平板，所述平板之一有面对另一平板的光反射表面，所述另一平板是透光的并形成所述装置的光出射面；
位于所述平板之间并形成照明区侧面周边的光纤，所述光纤适用于接收从所述光源发射的光，并从所述照明区的周边基本上均匀地把该光发射进所述照明区中，
由此，反射平板把发射进所述照明区中的光，向把光透射出所述区的透光平板反射。

2.  按照权利要求1的背光装置，其中所述光源，是高强度放电灯。

3.  按照权利要求2的背光装置，其中所述光源，是金属卤化物灯。

4.  按照权利要求1的背光装置，其中所述光源，是无电极灯。

5.  按照权利要求1的背光装置，其中所述光源，是LED阵列。

6.  按照权利要求1的背光装置，其中所述光源，是冷阴极荧光灯。

7.  按照权利要求1的背光装置，其中所述光源，是在照明区的外部。

8.  按照权利要求1的背光装置，其中所述光纤，是侧面发射光纤。

9.  按照权利要求1的背光装置，其中所述反射平板，还包括多个反射小面。

10.  按照权利要求1的背光装置，其中的光源是直接与光纤耦合的。

11.  按照权利要求10的背光装置，其中的光源被包含在光纤之内。

12.  一种用于照明平板的系统，包括：
提供光的源的光引擎；
有基本上平行的主表面并形成照明腔的模块，一个表面包括光反射平板，另一个主表面包括光漫射器；和
围绕所述照明腔侧面周边放置的侧面发射光纤，所述光纤适用于接收从所述光源发射的光，并从所述照明腔的周边基本上均匀地把该光发射进所述照明腔中，
由此，所述反射平板把发射进所述腔中的光，向形成所述模块的光出射面的所述漫射器反射。

13.  按照权利要求12的系统，其中所述光引擎，是在所述模块的外部。

14.  按照权利要求12的系统，其中所述反射平板，还包括多个反射小面。

15.  按照权利要求12的系统，其中所述光引擎，包括光源和反射耦合器，该反射耦合器把从所述光源发射的光耦合进所述光纤中。

16.  按照权利要求15的系统，其中所述光引擎，还包括滤波器，用于把所述光源发射的UV范围中的光，在进入所述光纤之前滤除。

17.  按照权利要求12的系统，其中所述光引擎，包括在所述光纤外部的光源。

18.  一种用于向平板显示器提供均匀分布的光的背光模块，所述模块形成照明腔，该照明腔有一个基本上由平面的反射器形成的主边界和基本上由平面的漫射器形成的光出射面，并且光纤位于所述腔内，用于输送光源来的光并把光输送进所述腔中。

19.  按照权利要求18的背光模块，其中所述光纤，靠近所述腔的侧面周边放置，并适用于把光从所述侧面周边基本上均匀地发射进所述腔中。

20.  一种用于照明平板显示器的系统，包括：
光源；
形成有光出射面的照明腔的模块；
适用于接收从所述光源发射的光，并把该光发射进所述腔中的光纤；和
在所述腔中的光反射结构，用于把所述光纤发射的光引向所述光出射面。

21.  一种用于向平板显示器提供均匀分布的光的背光模块，所述模块形成照明区，该照明区有一个反射光的主边界和另一个有光漫射结构的主边界且形成光出射面的光出射面，并且光纤用于输送光源来的光并把光输送进所述区中。

22.  按照权利要求21的背光模块，其中至少一个所述主边界基本上是平面的。

23.  按照权利要求21的背光模块，其中至少一个所述主边界是弯曲的。

24.  一种用于向平板显示器提供均匀分布的光的背光系统，所述系统包括光透射体和光纤，该光透射体有一个反射光的主边界和另一个具有形成光出射面的光漫射结构的主边界，该光纤与所述体的周边耦合，用于输送光源来的光并把光输送进所述体中。

25.  按照权利要求24的背光系统，其中，通过把该片的侧面边缘放置在沿光纤形成的凹槽中，使光纤与该片耦合。

26.  按照权利要求24的背光系统，其中的光纤，是通过透光胶与该片耦合的。

27.  按照权利要求26的背光系统，其中所述胶有高于纤芯折射率的折射率。

28.  一种用于平板显示器的背光系统，包括光源、光漫射结构、和光波导，该光漫射结构用于使基本上均匀分布的光透射到预定的区域上，该光波导用于引导所述光源发射的光到达所述漫射结构，其改进是，所述光波导包括光纤。

29.  按照权利要求28的背光系统，还包括滤波器，用于从被引导到所述漫射结构的光中，滤除有选择的波长的光。

30.  按照权利要求29的背光系统，其中所述滤波器滤除UV波长范围中的光。

说明书用于背光的光纤照明系统
优先权要求
本申请要求2005年4月5日提交的美国临时专利申请No.60/668,069的申请日优先权，这里引用其内容，供参考。
相关申请
本申请涉及共同未决的美国专利申请序列号No.10/949,196，该专利申请于2004年9月27日提交，标题是“Integrated LightDistribution System Using Optical Waveguide With No ReflectiveCoupler”，该专利申请要求美国临时专利申请No.60/668,069的权益，这里引用每一专利申请的内容，供参考。
技术领域
本发明涉及为诸如液晶显示器的平板显示器提供背光的系统。
背景技术
背光(back lighting)已经在诸多应用中使用，这些应用包括电视、辐射学、商业标牌、计算机系统、多媒体装置、和其他电子装置，这些装置中的显示单元自身并不发射光，而是调制背光光源输出的光。这种应用的一个例子是液晶显示器(LCD)。LCD需要光源供运行，因为LCD不产生光，但借助改变通过的光的偏振性质，能使一个状态的光透射而阻挡第二个状态的光透射，从而调制背光光源的光输出强度。于是，信息作为LCD平板中每一像素光强度调制结果而显示。由于可能在这种显示器中改进反差比和亮度，利用背光的LCD平板系统，已经成为流行的平板显示器应用。
随着半导体技术的快速进步和对个人计算机、蜂窝电话、PDA等等需求的增长，LCD成为在这种装置中显示平板的一种优选系统。虽然阴极射线管(CRT)是经济的，并在许多方面有优点，但能够产生有害的辐射、显示器的个头大、和相对高的功率消耗，是削减把CRT用于诸如个人计算机显示器需求的主要因素。LCD平板由于以更好的分辨率、空间利用率、和功率消耗，已经成为显示器的流行类型。对用于背光LCD平板的系统的要求，是符合轻的重量、低的发热、和LCD平板需要的平坦的平板结构。
目前，用于LCD的背光光源，主要由一种类型的汞放电灯提供。类似于直线的荧光灯和紧凑的荧光灯，这些背光灯是低压的汞放电灯，这里的主要辐射在汞的紫外(UV)光谱中。可以把磷涂敷在灯的外壳，把UV辐射转换为需要的(白色)颜色。这些灯可以是薄的并在相对冷的温度上工作。这种灯的一个例子是冷阴极荧光灯(CCFL)。因为相应的几何形态、低的发热、流明效能、和生产的成熟度，CCFL已经成为LCD技术的标准背光光源。
对个人计算机的应用，典型的屏幕大小，沿对角线测量，是在14英寸到17英寸之间。在该范围中，少量的CCFL对需要的流明是足够的。为了从相应显示器输出均匀的光，可以利用光波导和漫射器。这类发明的例子由授予Mai的美国专利No.7,018,086、授予Klein的美国专利No.6,992,733、和授予Hathaway等人的美国专利No.5,050,946说明。
从原理上说，LCD技术不限于上述14和17英寸的个人计算机屏幕大小。一般说来，加于LCD显示器尺寸的限制，很大程度上与无缺陷LCD平板制造有关的处理和成本问题。这个问题近来已经解决，且制造的大屏幕LCD显示器比得上其他类型的平坦屏幕技术，诸如等离子显示器平板。但是，大屏幕LCD平板要求更大和更亮的背光光源。当前的解决方案是增加背光中使用的CCFL数，然而，这种解决方案提出若干问题。例如，增加CCFL数也增加对相应稳流器的要求和其中的处理难度，从而增加相应的生产费用。另一个缺点在于，CCFL不能具有拉长的纵向尺寸，因此，数个CCFL必须按一定模式使用，为显示器平板整个尺寸提供合适的背光。这样可能由于CCFL间的间隙，导致暗的区域。最后，CCFL内的汞仍然是环境上关心的问题。
需要有供替代的用于LCD的技术，尤其对大屏幕LCD平板的背光。一种这样的替代，是把发光二极管(LED)用于背光。但是，把LED用于背光已经遇到若干问题。例如，单独的LED不能提供背光要求的足够的流明，为此必须使用大的LED阵列。此外，这种大LED阵列成本相当大且产生相当大量的热。因此，对LCD平板显示器系统，仍然需要一种替代的背光系统。
因此，本公开的一个目的，是提供一种新颖的用于平板显示器的背光装置和方法，以消除现有技术装置的不足之处。
本发明的再一个目的，是利用纤维光学，为平板显示器提供一种新颖的背光装置和方法。
本发明的又一个目的，是为平板显示器提供一种新颖的背光装置和方法，该背光装置包括光源和一对隔开的基本上平行的平板，平板之一有面对另一平板的光反射表面，另一平板是透光的，并形成装置的光出射面。该装置还包括位于平板之间并形成照明区侧面周边的光纤，该光纤适用于接收从光源发射的光，并把光从照明区的周边基本上均匀地发射进照明区中。
本公开的再一个目的，是提供一种新颖的用于照明平板的系统和方法，该系统包括提供光源的光引擎；有基本上平行的主表面并形成照明腔的模块，一个表面包括光反射平板，另一个主表面包括光漫射器；和围绕所述照明腔侧面周边放置的侧面发射的光纤。
本公开的另一个目的，是提供一种新颖的背光模块，用于向平板显示器提供均匀分布的光。该模块包括平面反射器和光纤，该平面反射器与形成模块光出射面的平面漫射器分开并基本上与该平面漫射器平行，该光纤位于反射器和漫射器之间，靠近反射器和漫射器之间的侧面周边，该光纤适用于围绕所述侧面周边发射基本上均匀的光。
本公开的再一个目的，是提供一种新颖的背光模块，用于向平板显示器提供均匀分布的光，该模块包括照明腔和光纤，该照明腔有基本上平面的反射器形成的一个主边界，以及基本上平面的漫射器形成的光出射面，该光纤位于腔内，用于输送光源来的光并把光输送进腔中。
本公开的另一个目的，是提供一种新颖的系统，用于照明平板显示器，该系统包括光源和形成有光出射面的照明腔的模块。该系统还包括光纤和光反射结构，该光纤适合接收从光源发射的光并把光发射进腔中，该光反射结构在腔内，用于把光纤发射的光引向光出射面。
本公开的再一个目的，是提供一种新颖的背光模块，用于向平板显示器提供均匀分布的光，该模块形成照明腔，该照明腔有反射器形成的一个主边界和漫射器形成的光出射面，并且光纤位于腔内，用于输送光源来的光并把光输送进腔中。
本公开的另一个目的，是提供一种新颖的背光系统，用于向平板显示器提供均匀分布的光，该系统包括透光片和光纤，该透光片在一个主表面上有反射涂层，在另一个形成光出射面的主表面上有漫射结构，该光纤与片的周边耦合，用于输送光源来的光并把光输送进片中。
本发明仍有另一个目的，是提供背光平板显示器的系统和方法，该系统从传送到平板的光中，滤除有选择的波长的光。
本发明的这些和许多其他的目的和优点，本发明所属领域的熟练人员将从权利要求书、附图、和下面优选实施例的说明的仔细阅读中，容易明显看出。
附图说明
图1是按照本公开的背光系统的一个实施例的横截面图。
图2(a)-2(d)是按照本公开的背光系统的各实施例的简图。
图3(a)是按照本公开的光纤的一个实施例的横截面图。
图3(b)是按照本公开的光纤的另一个实施例的横截面图。
图4(a)-4(c)是按照本公开的背光系统的各替代实施例的横截面图。
图5(a)-5(d)是按照本公开的背光系统的各替代实施例的横截面图。
图6是按照本公开的光引擎的另一个实施例的简图。
具体实施方式
这里公开的内容，一般在诸如LCD显示器系统的平板显示器的背光系统中，可以找到应用。
图1是按照本公开的背光系统100的一个实施例的横截面图。现在参照图1，背光系统100包括一对隔开的基本上平行的平板10、20。平板之一包括反射器10，它有面对另一平板，即漫射器20的光反射表面。漫射器20是透光的，并形成背光系统100的光出射面。光纤30可以放置在反射器10和漫射器20之间。在本实施例中，光纤30形成照明区35(图1中没有画出)的侧面周边，并适合从光引擎40(图1中没有画出)接收光。光纤30把从光引擎40接收的光，从照明区35的周边基本上均匀地发射进照明区35，如图2a中所示。反射器10把发射进照明区35的光，向漫射器20反射，漫射器20使光透射，离开照明区35，供LCD平板50调制。
反射器10可以是无变化地平坦的，也可以包括多个小面，以增加或操纵对光纤30发射的光的反射率，从而减少暗区域和增强背光系统100的亮度。反射器10最好放置在背光系统100的底部，以向上反射发射的光，而漫射器20放置在LCD平板50和反射器10之间，使光均匀化。虽然在图1中没有画出，但可以利用多个漫射器，以获得需要的光输出。漫射器20还可以按照光的空间分布选择，以便达到最大的均匀度。
图2(a)-2(d)是按照本公开的背光系统的各实施例的简图。现在参考图2(a)-2(c)，图示的光引擎40被耦合到光纤30。光纤30可以在其两端，通过美国专利申请No.10/949,196中公开的方法和设备，与光引擎40有效地耦合，上述专利申请于2004年9月27日提交，标题是“Integrated Light Distribution System Using OpticalWaveguide With No Reflective Coupler”，这里引用该专利内容，供参考。光引擎40可以包括诸如LED、LED阵列、CCFL、HID灯、无电极灯、或其他工业中常用的光源等光源。在图2(a)所示实施例中，光纤30的放置，要覆盖略大于对应显示区域的区域。由于光纤30的性质，光从光纤30发射，进入光纤30包围的照明区域35中。然后，发射的光被反射器10(未画出)向漫射器20(未画出)反射。背光系统100的光发射性质，也可以通过改变光纤30的长度而变化。
背光系统的替代实施例，以图2(b)和2(c)画出。现在参考图2(b)和2(c)，光纤30在操作上使其两端连接到光引擎40，并放置在覆盖对应于显示区域的区域上。由于光纤30的放置和性质，显示器中的暗区可以减少到最小，从而增大背光系统100的亮度及效率。现在参考图2(d)，可以预见，能够用多根光纤31、32把光发射进照明区域中。当然，图2(a)-2(d)体现的光纤图形只是示例性的，不应解释为以本领域熟练人员自然设想到的许多变化和修改，来限制本公开的范围。
因此，背光系统可以使用单个光源代替使用许多光源单元，从而可以使用单个稳流器代替使用多个稳流器或CCFL技术使用的逆变器。此外，可以预见，把光源放在背光平板之外，从而便于安装和光源的更换。
光源可以是热的和无UV的，只要在光进入光纤前通过滤波器的使用，从而降低加于平板显示器及相关材料的光负荷。现在参考图6，光引擎可以包括发射需要光谱的HID灯42。从该灯发射的光，用反射耦合器44耦合进光纤30。滤波器46可以只把需要的光谱透射进光纤，因此，不需要的范围中的光，诸如UV和IR范围的光，可以从光纤30输送的光中滤除。因此，系统的下游部件，例如平板显示器，不暴露在UV或IR中。
本公开的替代实施例的光源，可以利用高效的HID灯，50W或较小的灯，能够产生超过2000的屏幕流明。该效率能用于大屏幕LCD平板的背光。在另一个替代实施例中，可以在微波波导内利用微波供电的无电极灯。这样，能够在背光系统100中利用无电极灯的可调光和长寿命的特性。此外，背光系统100中利用的光源，可以不用汞制作，以便产生无汞和环保的产品。另外，借助使用金属卤化物光源，背光光源的光谱输出，可以通过选择灯的填充材料成分确定。其他的光源，例如LED和LED阵列，也可以用于光纤照明的背光。
图3(a)是按照本公开的光纤的一个实施例的横截面图。现在参考图3(a)，光纤30的发射性质可以通过以高折射率材料涂敷光纤来控制。光纤30的一个优选实施例表明，借助以更高折射率材料38涂敷光纤30的一侧，能够诱导约束在光纤30中的光进入照明区域。高折射率材料38改变光纤30的内全反射条件，诱导光离开光纤。由于改变的边界条件，光由此发射而离开光纤30。在本实施例中，最好用单纤芯光纤代替光纤束。光纤30有高折射率材料38的一侧，可以面向照明区域放置。还可以预见，渐变折射率涂层对获得光的均匀分散可能是必要的。
图3(b)是按照本公开的光纤的另一个实施例的横截面图。现在参考图3(b)，打破光纤30的几何形态，以改变光纤30的内全反射条件，诱导光离开光纤并进入照明区域。例如，为了打破光纤的几何形态，可以在光纤30的一部分中切割凹槽39。凹槽39可以延伸至光纤30的长度，也可以沿光纤30在其上以变化的长度和位置切割多个凹槽。图3(b)所示凹槽39的特定形状，只是示例性的，不应解释为以本领域熟练人员自然设想到的许多变化和修改，在限制本公开的范围。
图4(a)-4(c)是按照本公开的背光系统100的各替代实施例的横截面图。现在参考图4(a)-4(c)，LCD平板50、漫射器20、光纤30、和反射器10的几何形态和形状，可以考虑到其他部件而改变，取决于系统的要求。例如，图4(a)画出平板50、漫射器20、光纤30、和反射器10的凹面几何形态。如在图4(b)画出的，反射器10和光纤30可以基本上是平面的，而漫射器20可以是凹面的。此外，如在图4(c)画出的，反射器10和光纤30可以是凸面的；而平板50和漫射器20可以基本上是平面的。当然，图4(a)-4(c)所示几何形态，只是示例性的，不应解释为以本领域熟练人员自然设想到的许多变化和修改，来限制本公开的范围。
图5(a)-5(d)是按照本公开的背光系统100的各替代实施例的横截面图。现在参考图5(a)-5(d)，背光系统100包括：透光片60，它有置于片60的一个主表面上的反射器62(诸如反射涂层)；和置于片60的另一个主表面上的光漫射结构64(诸如平坦的漫射器)。漫射结构64形成背光系统100的光出射面。
侧面发射光纤30可以放置在片60的侧面边缘，用于把来自光源(未画出)的光，输送进片60中。在图5(a)所示实施例中，片60可以通过形成在光纤30中的凹槽65，与光纤30耦合。把片60耦合到光纤30的同时，凹槽65还打破光纤30的几何形态，从而改变光纤30的内全反射条件，以便诱导光从光纤“漏出”并进入片60。片可以由任何合适的柔性或刚性透光材料形成。图5(a)所示凹槽65的特定形状，只是示例性的，不应解释为以本领域熟练人员自然设想到的许多变化和修改，来限制本公开的范围。
光纤30把从光引擎(未画出)接收的光，从片60的周边基本上均匀地发射进片60中，如图5(a)-5(d)所示。反射器62把发射进片60的光，向漫射结构64反射，后者使光透射，离开片60，供平板显示器(未画出)如LCD平板调制。反射器62可以是无变化地平坦的、可以在片60的一侧有材料涂层、也可以进一步包括多个小面，以增加或操纵对光纤30发射的光的反射率，从而在光出射面上获得需要的光分布。
现在参考图5(b)-5(d)，透光片60可以用透明或透光的胶66，与光纤30粘结。在另一个实施例中，胶66可以有高的折射率，以便控制光纤的发射性质，从而诱导约束在光纤30中的光进入片60。当然，胶66可以是完全透明的，而光纤30的发射性质，可以借助用高折射率材料68涂敷光纤30来控制。
据此，高折射率材料68改变光纤30的内全反射条件，以便诱导光离开光纤。由于改变的边界条件，光由此发射而离开光纤30。还能预见，可以利用渐变折射率涂层，以获得从光纤纤芯出射的光的均匀分散。
如图5(a)-5(d)所示，片60、反射器62、漫射结构64、和光纤30的横截面几何形态，可以随背光系统100的要求改变。可以利用图5(a)-5(d)中出示的实施例，作为背光系统100的模块，还可以采用多个这些模块，以增加背光系统的亮度和效能，也可以采用多个这些模块，用于非传统尺寸的显示器中。例如，可以利用图5(a)-5(d)所示替代实施例，为从传统的矩形和正方形的几何形态，到圆形、椭圆形、斜方形、菱形等几何形态的显示器，提供背光。这样的显示器几何形态的多种多样性，可以在诸如广告、汽车、航空、和前述电视、辐射学、商业标牌、计算机、多媒体、蜂窝电话、PDA、和其他电子工业等工业中，找到应用。当然，图5(a)-5(d)所示和上面讨论的几何形态，只是示例性的，不应解释为以本领域熟练人员自然设想到的许多变化和修改，来限制本公开的范围。
虽然，已经说明本发明的优选实施例，但是应当指出，已经说明的实施例，只是示例性的，且当解释本领域熟练人员从仔细阅读本发明中自然想到的全部等价范围、许多变化、和修改时，本发明的范围仅由附于后的权利要求书规定。