适用于照明显示器的光波导设备 【技术领域】
本发明涉及适用于照明显示器的光波导设备(light guides)。
背景技术
在通常的照明和显示器应用中(例如用于照明标记和广告，也用于照明液晶显示器)人们已经知道使用光波导设备来照明面板。在一种形式下，通常称作灯箱，该光波导设备包括中空的限定光学腔的箱形结构，而在另一种形式下，它包括固体光波导板。在这两种形式下，都可以由通常是平行于该主表面的方向进入光导体的光照明光波导设备的一个主表面，例如光可以从位于邻近光波导设备边缘的至少一个延伸的光源出射。
在EP-A-0 490 279；0 377 309；和0 293 182；以及GB-A-2 310 525中描述了以中空灯箱(light box)形式出现的光波导设备。在这些灯箱中，使用棱镜光学薄膜以便得到被照明表面上更均匀的光分布。另外，由美国明尼苏达St.Paul明尼苏达矿业和制造公司发布的题名为“薄灯箱”的申请公告描述了一种灯箱的设计和结构，它使用ScotchTM光学照明薄膜与有一定形状地V-5115 ScotchTM取光薄膜结合在一起来照明图形显示器。
在上述使用固体光波导板的光波导设备的情况下，众所周知，在光波导板后主表面上形成某种类型的取光元件可以使得在前表面(也就是被照明的表面)上有更均匀的光分布。在一些情况下，可采用印刷取光元件并且将其直接用于光波导板的后表面。这类配置在下述专利中有描述，例如，US-A-5 736 686；5 649 754；5600 462；5 377 084；5 363 294；5 289 351；5 262 928；5 667 289；和3 241256。
US-A-5 618 096描述了不同类型的发光面板和提到了在面板一侧或两侧都提供取光变形(deformities)的可能性以控制来自面板任意区域的发光量。文中也提到该变形可以印刷到薄层或薄膜上，这些薄层或薄膜是用来把变形施加到面板元件上。WO 92/05535描述了一种包括透明面板的照明显示系统，在透明面板的两侧有点阵并且在后侧附有不透明的背向薄膜。把待照明的图象印刷在位于面板前侧的另一个薄膜上。
从现有揭示中可知，在构建用于照明目的的光波导设备中要说明的主要问题包括要在被照明面板上得到均匀亮度的程度，并把产生对环境是适合的照明程度所需的能量减到减小。至于这些问题中的第一个问题，经常发生的情况是在面板上靠近光源的区域会得到更亮的照明，这减小了总的可视外观和照明效率。至于这些问题中的第二个问题，从环境和花费的观点要求用于照明目的的能量消耗尽可能低显然是大家都希望的。而且，当能量由电池提供时(当照明液晶显示器LCD和计算机显示器时的情况下)，通常也要求所使用的能量应尽量小从而使电池可以尽可能小和轻。
除了那些考虑以外，还需要能够以相对地方便和在低成本的情况下生产各种不同尺寸的光波导设备，该光波导设备适宜用于不同的情形但是仍然保持高效性能是有好处的。
【发明内容】
本发明提供一种光波导设备，该光波导设备包括限定光波导的光学腔的外罩，它有第一和第二相对的主表面，和至少一个使光从光学腔一端进入光学腔并且在两个主表面之间传导的光源；其中第一主表面包括一个窗口，通过它光可以从光学腔发射出去，而第二主表面包括含有镜面反射表面的薄膜材料，所述镜面反射表面面向光学腔内并且在预定的结构中的有漫反射取光元件，它可以使光通过所述窗口从光学腔发射出去。
在文中的术语“取光元件”表示了一种结构，它能够以一个角度反射光使得光能够通过所述窗口从光学腔中发射出去。在较适宜的形式中，取光元件是在漫反射材料上形成的印刷元件。在这里使用的术语“印刷”包括通过包含在印刷表面(其中至少一个取光元件的形状是预先确定的)和要形成的取光元件的表面之间暂时接触的常规印刷工艺沉积漫反射材料。“印刷”也可以包括通过在要形成的取光元件表面上的预定位置喷射的方法沉积漫反射材料。
根据本发明的光波导设备可以使用相对低成本的材料和相对高生产量的方式以不同尺寸生产，并且能够使用合适的光源对显示器面板进行有效均匀的照明。
【附图说明】
参考下述的附图将描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的光波导设备的透视图；
图2是与图1示出的光波导设备相似的光波导设备的透视示意图，其中光波导设备分解示出；
图3是以图2中线III-III截出的光波导设备的横截面图；
图4示出了图1到3所示类型的光波导设备的后表面；
图5是描述图1到3所示类型的光波导设备的后表面特性图；
图6和图7是和图3和图4相似的另一个光波导设备和那个光波导设备的后表面；
图8是和图5相似的用于描述图7所示后表面特性的图；以及
图9示出对图2和3中光波导设备的修改。
【具体实施方式】
如图1所示的光波导设备1包括限定光学腔的盒式外罩3。外罩3有相对的主表面5，6和相对的狭窄侧面7，8和9，10。邻近一个狭窄侧面7布置伸长的光源11并以通常平行于主表面5，6的方向把光引入光学腔。在其中一个主表面(表面5)形成一个窗口，光学腔中的光可以通过这个窗口发射出去并且用于照明。
图3示出在外罩3中的光学腔13。邻近光源11的狭窄侧面7包括形成窗口的光学薄层材料15，来自光源11的光通过这个窗口可以进入光波导设备1。薄层材料15在远离光源的一侧有结构化表面以再引导来自光源11的光并且保证通过这个窗口的光通常以平行于表面5，6的方向优先地进入光学腔13。例如，光学薄层材料15可以有这样的结构化表面，它包括一系列由许多平行三角形棱镜形成的凸起和凹槽。在EP-A-0 293 182中描述了薄层材料的类似使用。在光波导设备1中，最好为材料15确定方向，使得棱镜延伸平行于伸长的光源。在市场上可以买到的由美国明尼苏达州的明尼苏达St.paul矿业和制造公司提供的商品名称为“ScotchTM Optical Lighting Film”的薄膜材料。
光波导设备1中相对窗口15的狭窄侧面8在面对光学腔13的一侧有反射表面17。这个反射表面较适宜是高效率镜面反射表面，它可以由任意适宜的材料来提供但是较适宜是由US-A-5 882 774和WO97/01774描述的一类多层光学薄膜。合适的可替换材料是银反射薄膜，例如在市场上可以买到的由美国明尼苏达的明尼苏达St.paul矿业和制造公司提供的商品名称为“Silverlux”的薄膜。
光波导设备的其它两个相对的狭窄侧面9，10也有面向腔内的反射表面。在这个例子中，反射表面较适宜是在市场上可以买到的由美国明尼苏达州的明尼苏达St.paul矿业和制造公司提供的商品名称为“Light Erhancement Film”的薄膜材料。但是，也可以使用任意其它合适的反射材料：人们发现通常当这些狭窄侧面的长宽比小于10时较适宜使用漫反射材料，当长宽比大于10时较适宜使用镜面反射材料。可以理解这个比率符合光波导设备1的长度/厚度比率(另称作“纵横比”)。
光波导设备的前表面或窗口5包括光学薄层材料19，薄层材料较适宜地沿着光学腔13在表面5，6之间引导来自光源11的波导并且只有当光从特定角度入射到材料19上时才允许光离开光学腔。更具体地说，薄层材料19有面向光学腔的光滑表面，并且在朝着光学腔外的一侧有一个结构化表面，所述结构化表面包括一系列由多个平行三角棱镜组成的凸起和凹槽，利用它把光入射到材料19上，当光沿着光学腔13传输时，只要是以预定角度范围内入射到材料19上的光将被完全内部反射。同样地，材料19可以和材料15相同，在这种情况下，确定材料的方向使得棱镜从直角方向延伸到图2所示的光源11的延伸方向。EP-A-0 293 182描述了那种材料的类似使用。为了保护薄膜材料19上的棱镜结构，需要在光波导设备外罩的外侧邻近材料19处布置另外的面板21。这个另外的面板虽然不是必要的，但是当使用时，它可以包括乳白色的光散射材料薄膜来提高通过薄膜材料19更进一步的光均匀性。
光波导设备1的后表面6包括薄膜材料23，薄膜材料提供了面向光学腔13内的高效率镜面反射表面24。对于与垂直入射到表面的方向不同的光，反射表面24的反射率应基本上不减小，并且至少是90％(较适宜是98％)。薄膜材料23较适宜是由US-A-5 882 774和WO97/01774描述的一类多层光学薄膜。特别对有比较低的纵横比(约小于10)的光波导设备，合适的替换材料是在市场上可买到的由美国明尼苏达的明尼苏达St.paul矿业和制造公司提供的商品名称为“Silverlux”的薄膜。
下面更详细地描述，镜面反射表面24在预定结构中装有漫反射取光元件，使得光受控制地通过窗口5从光学腔13中发射出去。在这种情况下，取光元件包括如图4所示的在表面24上的在漫反射材料中形成的点阵列27。
在图2和3中，光波导设备11布置在有三个侧面的箱体25中，箱体的敞开侧面布置在邻近形成光波导设备1的进入窗口的薄层材料15处。依照下述观点构造箱体25，即确保光源11可以尽可能多的把光导入光学腔13，为此，在箱体的内表面可以覆盖上合适的诸如反射涂层或薄膜材料之类的高效漫反射材料。用另一种方法，光源11可以装备抛物面的反射器来把来自光源的光导向光学腔13，或是可由合适的装有孔径的光源来替代。虽然在邻近光源11的光波导设备的狭窄侧面7中较适宜使用薄膜材料15，但并不必要。
下面描述如上所述光波导设备1的运作。来自光源11的光(可能在箱体25的各壁上随后的反射或再传导)通过窗口材料15进入光学腔13并且优先地以平行于光波导设备的主表面5，6的方向传输到表面17，在表面17光被反射并且返回。但是，任何入射到后表面24(也就是点群27)的取光元件上的光将被漫反射，因而，一些光将以能够通过光学薄膜材料19并且射出光波导设备的角度撞击光波导设备的前表面5。
众所周知，可以使用各种形式的取光元件使光射出光波导设备。在图1到3所示的光波导设备中，取光元件27(如上所述)由在镜面表面24上的漫反射材料上形成的点阵列组成。环形的取光元件并不必要，但是，它们可以是任意能够由印刷工艺便利地形成的形状(例如矩形，三角形，直线，等等)并且甚至可以包括形状和/或尺寸的组合。取光元件也可以是在反射表面24上的连续直线。取光元件27较适宜直接印刷到反射表面24上，但是也可以替换地先印刷到透明薄膜上然后粘到表面24上来形成。而且，虽然较适宜使用印刷的取光元件，也可以使用如下所述的其它形式。
布置光波导设备1的反射表面24上的印刷取光元件27来提供在光波导设备前表面5上的所需照明图案。在许多情况下需要对表面5均匀照明，并且如果表面24由漫反射部分27覆盖的百分比面积随着与光源11的距离(在光源延长方向的垂直角度方向测量)而变化(最典型是增加)就可以达到那种效果。在图4中示意性地示出，其中可见由取光元件27覆盖的薄膜材料23的表面24百分比在紧邻光源11的区域为零，然后该百分比随着离开光源距离的增加而增加。在图4中，在离薄膜23另一端的近距离位置取光元件27的表面覆盖达到了最大值，然后表面覆盖在距离光源11的最远区域略为减小。该减小为光学腔13的远端反射表面17产生效果创造条件在各种情况下由光波导设备的特定结构决定它(及其延伸)的这种需要。可以理解图4只是示意而用，取光元件27的表面覆盖变化通常是连续的而不是如图4中所示的不连续。图5示出取光元件27表面覆盖的更典型变化，即在从光源11测量的光学腔13的第一个10％长度中表面覆盖为零，接着线性增加，从光源测量的光学腔在大约90％的长度距离处到达100％(也就是完全覆盖)。然后在远离光源11的光学腔13末端，表面覆盖略为减小。
图6和7示出与图2到4示出的光波导设备大致相同的光波导设备31，不过在相对光源11的位置使用附加光源11’(也就是邻近外罩3的狭窄侧面8)。为了使光从光源11’进入光学腔13，外罩3的侧面8包括形成窗口的光学薄层材料15’，而不是图3中的反射材料17。另外，光波导设备的后表面24是装备有取光点群27’合适的已修改好的结构，这将在下面详细讨论。
和光源11相似，光源11’位于有三个侧面的箱体25’中，但和光源11一样，可以用另一种方法，它可以装备抛物面反射器或由合适的装有孔径的光源来代替把光从光源导向光学腔，形成从箱体25’进入光学腔13的窗口材料15’较适宜和光学薄膜材料15相同。
光波导设备31以上述光波导设备1相似的方式工作，除了在这种情况下，来自光源11，11’的光(可能在相应的箱体25，25’的各壁上随后的反射或再导向)通过相应的窗口材料15，15’进入光学腔13并且较优先地以平行于光波导设备主表面5，6的方向传输到在光学腔另一端的光波导箱体，在光波导箱体中一些光会被反射和返回。任何入射到后表面24的取光元件(也就是点群27’)上的光将被漫反射，因而，一些光将以能够通过光学薄层材料19并且射出光波导设备的角度，碰撞光波导设备的前表面5。
正如图2到4中的光波导设备的情况一样，在光波导设备31的反射表面24上的印刷取光点群27’被布置为能够为光波导设备的前表面5提供所需的照明图案。在许多情况下，需要对表面5均匀照明，如果由漫反射点群27’覆盖的表面24的百分比面积随着距离每个光源11，11’的位置(在与光源延伸方向成直角的方向测量)一直变化(一般主要是增加)并且在距离两个光源的等距离中心区域都达到最大，就能够得到均匀照明。这在图7中示意性地示出，其中可见由取光元件27’覆盖的薄膜材料23的表面24百分比在紧邻光源11，11’的区域为零，然后随着距离各个光源的位置的增加百分比也增加，在表面的中心区域33达到最大值。可以理解图7只是示意性的，取光点群27’的表面覆盖变化通常是连续的而不是图中所示的不连续。图8示出了取光元件27’的表面覆盖的更典型变化，图中示出从各个光源11，11’测量的光学腔13的第一个10％长度中表面覆盖为零，接着线性增加，从距离各个光源测量的在光学腔中大约40％的距离处的中心区域到达100％(也就是完全覆盖)。
图4和7都说明了在保持均匀的点尺寸时，由取光元件27，27’提供的表面覆盖随着表面24单位面积点群数目的改变而变化。作为替换，当保持表面24单位面积上的取光元件数目恒定时，取光元件的尺寸可以改变，作为另一个替换，取光元件的尺寸和单位面积上的数目都可以变化。
在一些情况下，横向地改变光学腔(也就是平行于光源11，11’的延伸方向的方向)的取光元件27，27’的表面覆盖，也可能是合适的。
图4和7中的取光元件27，27’使用任意合适的印刷介质印制并且将起到漫反射器的作用，在使用印刷工艺时取光元件和并与反射表面24和所用印刷工艺不矛盾。一种合适的介质是高效漫反射无光泽白油墨。可以使用任何适宜的印刷工艺来把印刷介质沉积到薄膜材料的表面，包括网板印刷，凹版印刷和胶板印刷。也可以使用喷墨印刷。在较佳的工艺中，使用传统的丝网印刷工艺来沉积印刷介质，因为那是一个常用的相对低成本的工艺，该工艺适合于长的生产过程但是仍然能够保持对于取光元件27，27’尺寸的良好控制。可以从经验上为特定的光波导设备确定由印刷介质应该覆盖的反射表面24的程度，这需要在表面24上提供适宜的，线性变化的取光元件27，27’的图案并且把光波导设备前表面5所形成的照明和在没有任何取光元件时所获得的情况进行比较。然后根据上述比较调整图案来得到所需的照明。
虽然通常在光波导设备1，31的前表面5需要连续不变的照明层次，但有时也需要以预定的方式在表面5提供变化的照明分布层次。例如，分布在前表面5的照明层次需要与被照明的图象匹配，这样图象的较亮部分得到较多的光而图象的较暗部分得到较少的光。例如首先在反射表面24上提供能够使前表面5均匀照明的取光元件27，27’的图案并且接着在那个图案上添加安置在与图象有关的(image-dependent)结构上的另一个取光元件来得到上述的效果。而且，所述另一个取光元件可以直接印刷在元件27，27’上或被印刷在将被粘附到已经印刷的表面24上的分离的透明薄膜上。作为替换，所述另一个取光元件可以布置到光波导设备的前表面5的光学薄膜材料19的平滑表面上，在这个例子中，取光元件需要由半透明材料形成，能够反射和透射来自光学腔13的入射光。作为另一个替换，可以从反射表面24上省略取光元件27，27’(至少在某些区域)只有所提供的另一个与图象相关的取光元件。
图9示出在前面图中提及的如图2和图3所示的由单一光源11照明的光波导设备的一类布置。图中示出含有为光波导设备前表面提供均匀照明的取光元件27图案的反射表面24，它结合了含有被照明图象的薄膜35。添加到反射表面24上的是透明薄膜37，透明薄膜含有另外的布置在与图象相关结构上的取光元件39，从而使图象的较亮部分接收到较多的光而图象的较暗部分接收到的光较少。通常，薄膜35上的图象是数字印刷图象，如果需要，考虑到诸如用于图象的油墨特性和人眼的光谱灵敏度之类的因素，其中用于印刷图象的图象数据文件也能够用于在薄膜37上印刷取光元件39。
虽然图9示出位于分离的薄膜37上的另外的取光元件39，可以理解它们在反射表面24上可以互相交换位置。在那种情况下，当使用数字印刷工艺时，所有需要的取光元件(也就是元件27和元件39)可以方便地一起放沉积到表面24上。
把薄膜材料23用于光波导设备1，31的光学腔13的后表面是有利的，因为这样的材料不仅在实际印刷工艺中(当薄膜材料表面是平坦，未结构化时(unstructured)特别有利)便于加工，而且在光波导设备总装之前的任何随后的干燥和贮藏阶段中也便于处理。当反射薄膜材料23用于光波导设备中时，该薄膜材料23防止光通过后表面6泄漏出光学腔13并因此增强了前表面5的照明。另外，反射薄膜材料表面上的任意划痕(例如在触摸或装配光波导设备时)将不会不利地影响到前表面5的照明。而且，因为取光元件27印刷在平面反射表面24上，所以，即使当取光元件以规则排列方式布置时也不会产生更多干涉的图案的危险。
选择用于形成取光元件27，27’的印刷介质来使与所使用的薄膜材料兼容也拥有耐久性和漫反射特性。较适宜使用高度不透明的白色油墨，在网板印刷工艺中，已经发现使用紫外固化油墨可以得到最好的印刷质量。网板印刷有另一个优点，即沉积在薄膜材料23上的油墨层是厚的并且从而使油墨层相对坚固而且也不容易褪色或变色。而且，与一些印刷工艺不同，网板印刷工艺不需要对材料23施加高压力，对材料产生的损害也较小。印刷介质也可以在广大的尺寸范围内用于广大的不同薄膜材料的范围。不过，可以理解也可以用其它材料形成取光元件27，27’，也可以包括其它工艺，例如，激光印刷，喷墨印刷，热转移印刷，和热喷墨印刷。
在一些情况下，取光元件27，27’可以由其它方法形成，这些方法可诸如包括在使用涂覆或喷射工艺的所需结构中对薄膜材料表面粗糙处理或漫反射材料的沉积(包括微粒)。
参考图1到3或图6的上述中空光波导设备可以以这样的方式来制造，即它是相对轻便的方式制造。当光波导设备是大尺寸时特别有利(例如为照明大的标记)，尤其当该设备需要安装在难以进入的位置时。它也使较厚的光波导设备用得更为普遍(它可以容许更多光进入光学腔13)。可以相当简单地制备这类光波导设备成许多不同的尺寸，特别是具有广泛不同的纵横比(也就是长度/厚度比)。例如，可在小到5，大到100的纵横比中生产这类光波导设备在两个例子中都能有效工作。有小的纵横比的光波导设备的优点是，容许进入光学腔13中的光从窗口5出射以前经过的反射较少。因此，取光元件27，27’的结构所需精确度是较低的。
人们对照明标记领域的特别兴趣是图1到3和6中示出的这类光波导设备可以制造成宽度小到10cm的事实，甚至根据标记的尺寸可以小到3cm。这类光波导设备有低的纵横比(通常小于10)并且使用常规荧光管作为光源，人们发现这样的光波导设备相对固体光波导设备性能更好(在一些情况下非常好)。在光波导设备有较大的纵横比的另一个情况下，人们发现它们比固体光波导设备更能够适应一定程度的未对准光源。
和光波导设备1，31一起使用的光源不需要有如所示的伸长形式。也可以使用诸如发光二极管(LEDs)之类的其它光源。依照光源的形式，可以使用多于一种光源通过外罩3的邻近侧把光导入光学腔13。在那种情况下，取光元件27，27’的表面覆盖也可以沿着光学腔横向变化(也就是在9，10两侧间变化)。
上述图1到3和6中示出的光波导设备用于照明图象显示器，但它们可以用于其它目的，例如照明液晶显示器。
现在描述结合图1到3中示出的这类光波导设备的照明标记的例子。
除去前表面5的光波导设备1的外罩3可以是诸如PVC(聚氯乙烯)之类的由任意合适材料组成的单体的已形成真空的结构。外罩可以替换地由多面形成，这些面例如是丙烯酸材料，各自形成外罩的一侧，并且以任意适当的方式结合在一起。外罩大约是60×60×4.5cm。
外罩的后主表面6的内表面由薄膜23覆盖，在薄膜表面的法线方向的反射率至少为98％，其中所述薄膜是由US-A-5 882 774和WO 97/01774描述的一类镜面反射的多层光学薄膜。图5示出了面向外罩3的薄膜23的表面24上的印刷点图案的表面覆盖百分比的变化。使用一类按对于小型圆盘的配方制造的白色紫外固化油墨(是由英国汉普郡Eastleigh的NOR-COTE供应的一种合适的油墨)把点图案用网印刷到薄膜23的表面24。通过变化点的尺寸而保持表面的单位面积上点的数量不宽(基于包含每英寸(2.54cm)20个点的点横线)可以得到由油墨覆盖的表面24的表面覆盖百分比的变化。
外罩3的一个狭窄侧面7的内表面由上述“ScotchTM光学薄膜”的薄膜15覆盖，并且使棱镜面向外罩并且沿着平行于外罩该侧面长边的方向延伸。外罩3另一边狭窄侧面8的内表面由与后主表面6相同但没有印刷点图案的镜面反射薄膜覆盖。外罩3剩下的两个狭窄侧面9，10的内表面由上述“LightEnhancement Film(增光薄膜)”覆盖。
外罩3靠近上述在前主表面5上形成的“ScotchTM光学薄膜”的薄膜19。布置薄膜使得在棱镜在外罩的外侧并且在狭窄侧面7和8之间延伸。
这样形成的光波导设备模块放置在标记外罩中并在邻近光波导设备外罩3的狭窄侧面7处的高反射外罩25之内装置60cm长，14W的荧光管并使光导向后者。我们发现外罩3的前主表面5有高程度均匀照明并且足以有效照明位于表面5前面的图形图象。