光循环型薄壁中空腔体背光源的设计参数.pdf

本发明公开了一种背光源单元(10)，所述背光源单元(10)具有中空腔体(16)而不是采用光导装置。将例如LED的一个或多个光源(24a-c)排列以向所述腔体中发射光，所述腔体由前反射器(12)和后反射器(14)形成。所述背光源通常为侧光型。所述背光源可具有大面积，其为薄型并由比常规装置更少的元件组成。所述背光源的设计允许进行光循环。所述单元发出预定偏振的光，并且可被布置以得到所需的水平/垂直视角特性。光在所述腔体内均匀分布并且输出光(20b、20d)是基本上准直的。此类背光源在由两个参数定义的参数空间内占据特定区域，所述两个参数为：第一参数，所述输出发射面积与所述光源发射总面积的比率应在0.0001至0.1的范围内；和第二参数，SEP与所述腔体高度(H)的比率应在3至10的范围内，其中所述SEP为平均平面图光源间距，其为所述单元平面中光源平均间距的特殊量度。本发明还讨论了所需的光源数目N以及所述输出发射区域的形状和尺寸，所述光源布置在所述腔体周边附近。本发明还公开了当将M个相邻光源的子集关闭时要维持的所需最小亮度均匀度(VESA)值，其中M为至少0.1N或M＞2，或M为至少0.1N且M＞2。可将所述背光源用于显示器或用于普通照明用途。

1.  一种侧光式背光源，包括：
形成中空光循环腔的前反射器和后反射器，所述中空光循环腔具有腔体深度H和输出区域面积A输出；和
靠近所述背光源的周边设置以向所述光循环腔发射光的一个或多个光源，所述光源具有平均平面图光源间距SEP并且总共具有有效发射面积A发射；
其中第一参数等于A发射/A输出；
第二参数等于SEP/H；和
所述背光源的特征在于，所述第一参数在0.0001至0.1的范围内并且所述第二参数在3至10的范围内。

2.  根据权利要求1所述的背光源，其中所述一个或多个光源包括一个或多个LED。

3.  根据权利要求1所述的背光源，其中所述前反射器对非偏振可见光具有半球反射率R^f_半球，所述后反射器对非偏振可见光具有半球反射率R^b_半球，并且R^f_半球×R^b_半球为至少0.70。

4.  根据权利要求3所述的背光源，其中R^f_半球×R^b_半球为至少0.80。

5.  根据权利要求1所述的背光源，其中所述背光源在所述输出区域上具有至少50％的VESA 9均匀度值。

6.  根据权利要求5所述的背光源，其中所述背光源具有至少60％的VESA 9均匀度值。

7.  根据权利要求6所述的背光源，其中所述背光源具有至少70％的VESA 9均匀度值。

8.  根据权利要求6所述的背光源，其中所述背光源具有至少80％的VESA 9均匀度值。

9.  根据权利要求1所述的背光源，其中所述输出区域大致为矩形并具有至少12英寸的对角线尺寸。

10.  根据权利要求9所述的背光源，其中所述对角线尺寸为至少23英寸。

11.  根据权利要求10所述的背光源，其中所述对角线尺寸为至少40英寸。

12.  一种侧光式背光源，包括：
形成中空光循环腔的前反射器和后反射器，所述中空光循环腔具有腔体深度H和输出区域面积A输出；和
靠近所述光循环腔的周边设置并向所述光循环腔发射光的一个或多个光源；
其中所述输出区域大致为矩形的形状并具有至少30英寸的对角线尺寸。

13.  根据权利要求12所述的背光源，其中一个或多个光源包括一个或多个LED。

14.  根据权利要求12所述的背光源，其中所述输出区域具有至少50％的VESA 9均匀度值。

15.  根据权利要求14所述的背光源，其中所述输出区域具有至少70％的VESA 9均匀度值。

16.  根据权利要求12所述的背光源，其中所述一个或多个光源具有平均平面图光源间距SEP并且总共具有有效发射面积A发射；
其中第一参数等于A发射/A输出；
第二参数等于SEP/H；和
所述背光源的特征在于，所述第一参数在0.0001至0.1的范围内并且所述第二参数在3至10的范围内。

17.  一种背光源，包括：
形成中空光循环腔的前反射器和后反射器，所述中空光循环腔具有输出区域；和
被设置为向所述光循环腔中发射光的N个光源，所述N个光源包括彼此相邻的M个光源的子集，其中M为N的至少10％，或为至少2，或为N的至少10％且至少为2；
当将所有N个光源通电时和当将所有M个光源选择性关闭时，所述背光源均在其输出区域上具有至少50％的VESA亮度均匀度值。

18.  根据权利要求17所述的背光源，其中所述光循环腔具有深度H；
所述输出区域具有面积A输出；
所述N个光源具有平均平面图光源间距SEP并且总共具有有效发射面积A发射；
第一参数等于A发射/A输出；
第二参数等于SEP/H；和
所述背光源的特征在于，所述第一参数在0.0001至0.1的范围内并且所述第二参数在3至10的范围内。

19.  根据权利要求17所述的背光源，其中所述前反射器和所述后反射器各自基本上是空间上均匀的。

20.  根据权利要求17所述的背光源，其中将所述N个光源主要设置为靠近所述输出区域的周边从而得到侧光式背光源。

21.  根据权利要求17所述的背光源，其中所述前反射器对非偏振可见光具有半球反射率R^f_半球，所述后反射器对非偏振可见光具有半球反射率R^b_半球，并且R^f_半球×R^b_半球为至少0.70。

光循环型薄壁中空腔体背光源的设计参数
相关专利申请
以下共有的和共同未决的PCT专利申请以引用方式并入本文中：名称为BACKLIGHT AND DISPLAY SYSTEM USING SAME(背光源和采用该背光源的显示系统)的PCT专利申请No.XXXX/XXXXXX(代理人案卷号63274WO004)；  名称为RECYCLING BACKLIGHTS WITH SEMI-SPECULARCOMPONENTS(具有半镜面元件的循环背光源)的PCT专利申请No.XXXX/XXXXXX(代理人案卷号63032WO003)；名称为WHITE LIGHTBACKLIGHTS AND THE LIKE WITH EFFICIENT UTILIZATION OF COLOREDLED SOURCES(高效利用彩色LED光源的白光背光源等)的PCT专利申请No.XXXX/XXXXXX(代理人案卷号63033WO004)；和名称为COLLIMATINGLIGHT INJECTORS FOR EDGE-LIT BACKLIGHTS(侧光式背光源的准直光注入器)的PCT专利申请No.XXXX/XXXXXX(代理人案卷号63034WO004)。
技术领域
本发明涉及适用于从后面照亮显示器或其他图形的扩展面积光源，通常称为背光源。本公开尤其适用于，但不一定局限于，发射基本上仅具有一种偏振态的可见光的背光源。
背景技术
以往，简单的背光源装置仅包括三种主要元件：光源或灯具、后反射器、和前漫射片。此类系统仍可用于通用广告牌和室内照明应用。
近年来，已通过加入其他元件以提高亮度或降低功耗、提高均匀度、和/或减小厚度对该基本背光源设计进行了改进。快速发展的消费电子行业对装配有液晶显示器(LCD)的产品(例如计算机显示器、电视显示器、手机、数码相机、袖珍型MP3音乐播放器、个人数字助理(PDA)和其他手持装置)的需求促进了这样的改进。这些改进中的一些，例如使用固体光导装置以使得可以设计非常薄的背光源、使用光管理膜(例如线性棱柱膜和反射偏振膜)以增加同轴亮度，在本文中连同有关LCD装置的其他背景信息进行描述。
尽管上述产品中的一些可以使用普通环境光来观看显示器，但是大部分都带有背光源从而使得显示器可见。就LCD装置而言，这是由于LCD面板不是自发光的，因此通常使用照明组件或背光源来观看。背光源位于LCD面板上与观察者相对的一侧，使得由背光源产生的光透过LCD到达观察者。背光源结合了一个或多个光源，例如冷阴极荧光灯(CCFL)或发光二极管(LED)，并将光源发出的光分配在与LCD面板的可视区域相匹配的输出区域上。由背光源发出的光在背光源的输出区域上有利地具有足以使用户对LCD面板所产生图像具有满意视觉体验的亮度和空间均匀度。
因为操作方法的关系，LCD面板仅利用了一种偏振态的光，从而对LCD应用而言，很重要的一点是要了解背光源发出具有正确或可用偏振态的光的亮度和均匀度，而不只是可能非偏振的光的亮度和均匀度。考虑到这一点，当所有其他因素都相同时，在LCD应用中，主要或专门地发射具有可用偏振态的光的背光源比发射非偏振光的背光源更为有效。然而，由于通过LCD面板背面设置的吸收型偏振器可轻松消除不可用的偏振态，故可发射不仅仅具有可用偏振态的光、甚至可发射随机偏振光的背光源仍完全可用于LCD应用中。
LCD装置通常分为三类，背光源可用于这几类中的两类。在称为“透射型”的第一类中，仅可借助照明背光源观看LCD面板。即，LCD面板被构造为仅“以透射方式”观看，即来自背光源的光沿其光路透过LCD到达观察者。在称为“反射型”的第二类中，除去背光源并代以反光材料，LCD面板被构造为仅用位于LCD上观察者侧的光源观看。来自外部光源(如环境室内灯)的光从LCD面板的前面传送到后面，经反光材料反射后再次沿其光路透过LCD到达观察者。在称为“透反型”的第三类中，将背光源和部分反光材料置于LCD面板的后面，LCD面板被构造为：当打开背光源时以透射方式观看，或者当背光源关闭并存在有足够环境光时则以反射方式观看。
以下的具体实施方式中所述的背光源可普遍用于透射型LCD显示器和透反型LCD显示器中。
除了上述三类LCD显示器之外，根据内部光源相对于背光源输出区域所处的位置，背光源还可分为两类，其中背光源的“输出区域”对应于显示装置的可视区域或可视区。背光源的“输出区域”在本文中有时称为“输出区”或“输出表面”以区分输出区或输出表面本身和输出区或输出表面的面积(以平方米、平方毫米、平方英寸等为单位的数量)。
在“侧光式”背光源中，从平面透视图的角度来看，通常在对应于输出区域的区域或区之外沿背光源构造的外部边界或周边设置一个或多个光源。通常，通过背光源输出区域的边界的框架或挡板使一个或多个光源不会被看到。一个或多个光源通常将光发射到被称为“光导装置”的元件中，特别是在需要非常薄的外形的背光源时，例如在膝上型计算机显示器中。光导装置是一种透明的并且相对较薄的固体板，其长度和宽度尺寸接近背光源输出区域。光导装置使用全内反射(TIR)以传送或导向来自安装在边缘的灯具的光，使其穿过光导装置的整个长度或宽度到达背光源的相对边缘，在光导装置的表面上形成局部提取结构的不均匀图案以将离开光导装置的部分导光重新导向至背光源的输出区域。(逐步提取的其他方法包括使用锥形固体导向装置，其中，一般来讲，由于随着光远离光源传播，平均起来，越来越多的光线达到TIR角度，从而使得该装置倾斜的顶面产生光的逐步提取。)此类背光源通常还包括光管理膜，例如设置在光导装置后面或下面的反光材料、和设置在光导装置前面或上面的反射偏振膜和一个或多个棱镜增亮膜(BEF)，从而增加同轴亮度。
按照申请人的观点，现有侧光式背光源的缺点或局限性包括以下几点：与光导装置相关的相对较大质量或重量，特别是对于较大的背光源尺寸而言；需要使用的元件在背光源之间不可互换，因为光导装置必须是注射成型的或者说是根据特定背光源尺寸和特定光源构造加工而成；由于现有的提取结构图案，故需要使用要求从背光源中一个位置到另一个位置具有显著空间不均匀性的元件；以及，随着背光源尺寸的增加，因为矩形的周长与面积之比随着特征面内尺寸L(例如对于给定长宽比的矩形而言，背光源输出区的长度、宽度、或对角线尺寸)线性下降(1/L)，故提供充分照明的难度也因沿着显示器边缘的有限空间或“实际空间(real estate)”而增加。
在“直接照明式”背光源中，从平面透视图的角度来看，一个或多个光源基本上设置在对应于输出区域的区域或区内，这些光源通常在该区域形成规则阵列或图案。或者，可以说将直接照明式背光源中的一个或多个光源设置在背光源输出区域的正后方。由于通过输出区域可能直接看见光源，故通常将高效漫射板安装在光源的上方以将光扩散在输出区域中从而遮挡光源避免直接看到光源。而且，为了改善同轴亮度和效率，还可将光管理膜(例如反射偏振膜和一个或多个棱镜BEF膜)设置在漫射板的顶部。大面积LCD应用往往会使用直接照明式背光源，这是因为这种背光源不会受侧光式背光源的1/L局限性所约束并且固体光导装置相关的重量适宜。
按照申请人的观点，现有直接照明式背光源的缺点或局限性包括以下几点：与高效漫射板相关的低效率；就LED光源而言，要实现足够的均匀度和亮度，需要大量此类光源，以及与此相关的高元件成本和高发热量；以及，背光源可达到的厚度的限制，超过该厚度，光源会产生不均匀和不可取的“穿通”，这时各个光源上方的输出区域中会出现亮点。
在一些情况下，直接照明式背光源还可包括位于背光源周边的一个或一些光源，或者侧光式背光源可包括位于输出区域正后方的一个或一些光源。在此类情况下，如果大部分光是从背光源输出区域正后方产生的，那么认为该背光源是“直接照明式”，如果大部分光是从背光源输出区域周边产生的，则认为该背光源为“侧光式”。
发明内容
本专利申请特别公开了包括形成中空光循环腔的前后反射器的侧光式背光源。该光循环腔具有输出面积A输出和介于腔体输出区域和腔体背表面之间的特征腔体深度H。在靠近背光源的周边处设置一个或多个光源以向光循环腔中发射光。可通过它们相对于彼此的几何排列方式来描述这些光源，包括它们之间的距离以及它们可以聚集的方式。例如，光源的平面阵列可具有平均平面图光源集合“SEP”，并且光源总共具有有效发射面积A发射。背光源的特征在于0.0001至0.1范围内的第一参数和3至50范围内的第二参数，其中第一参数等于A发射/A输出，第二参数等于SEP/H。可将光源主要布置在输出区域周边以提供侧光式背光源，或者主要布置在输出区域范围内以提供直接照明式背光源。在所述第一和第二参数范围内的背光源可具有任何合适的或大或小的物理尺寸。例如，此类背光源的横向尺寸(例如矩形输出区域的对角线尺寸)可以为英寸级，在此情况下此类背光源可以是较大分区的背光源中许多分割区之一。
本申请还公开了具有形成中空光循环腔的前后反射器的侧光式背光源，并且无论该背光源的第一和第二参数值如何，该背光源可以相对较大。部分透射的前反射器提供形状大致呈矩形的背光源输出区域。矩形的对角线尺寸可以为任何合适的值。在一些实施例中，对角线可以为至少12英寸(300mm)。相对于使用固体光导装置的侧光式背光源，中空腔体可有利地减轻背光源的质量。
本专利申请还公开了一种背光源，其中光在横向或侧向有效并且高效地传播从而使得背光源对光源失效和/或光源到光源颜色变化的可见效果有高度耐抗性。当背光源内各个光源劣化、失效、或关闭时，此类背光源的输出区域上的亮度均匀度仅适度下降。例如，本发明所公开的背光源中N个光源向形成于前后反射器之间的光循环腔中发射光，同时发射的光中的一些穿过前反射器形成背光源输出区域。数字N可以为至少8，N个光源包括彼此相邻的M个光源的子集，其中M为至少N的10％，或为至少2，或为为N的至少10％且至少为2。当将所有N个光源通电时和当将所有M个光源选择性关闭时，背光源都在输出区域保持足够的亮度均匀度。由于光循环腔中优异的侧向或横向光分布(“光混合”)，背光源(例如该背光源)通常也对与标称颜色相同的所有LED光源之间颜色差异相关的问题不太敏感。该颜色变化通常需要封装LED。
在许多情况下，希望提供非常高的光循环腔，其中前反射器对可见非偏振光具有半球反射率R^f_半球，后反射器对可见非偏振光具有半球反射率R^b_半球，R^f_半球×R^b_半球的乘积值为至少0.70。例如，如果后反射器的R^b_半球为98％，那么前反射器的R^f_半球为至少71.4％。如果可任选地将前反射器加工为不同地反射和透射不同的偏振态，那么其对第一偏振态的可见光具有98％的半球反射率，对与第一偏振态正交的第二偏振态(例如可用偏振态)的可见光具有78％的半球反射率。在此情况下，尽管与第一偏振态相比，第二或可用偏振态可优先透射，但其主要被前反射器反射。
通常还希望确保透射通过前反射器的光量显著大于后反射器透射或损耗(例如吸收)的光量。因此，例如，(1-R^f_半球)/(1-R^b_半球)的比率为至少10。
除了前后反射器外，还优选提供高度反射并且低损耗的侧反射器以获得基本上封闭或密封的反射腔体，并且通过例如保持非常小的集合光源面积与背光源输出面积的比率，将与光源相关的损耗保持在最低水平。在某些情况下，高度反射并且低损耗的侧反射器可有助于高光循环腔中光的侧向和横向传送以及混合。
根据以下的详细描述将会明白本申请的这些方面和其它方面。然而，在任何情况下，以上概述都不应理解为是对权利要求书中所要求保护主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。
附图说明
整个说明书中都参考了附图，其中类似的附图标记表示类似的元件，并且其中：
图1为广义的循环背光源或类似的扩展面积光源的示意性侧视图；
图2a-c为光循环腔内不同光源排列方式的俯视平面图；
图3为由两个无量纲参数(参数A和参数B)所定义的背光源参数设计空间图；
图4为具有根据多种市售LCD显示装置绘制的点的背光源参数设计空间图；
图5为表面透视图，示出不同入射平面和不同偏振态；
图6为背光源输出区域的前视图；
图7为包括与LCD面板结合的背光源的显示系统的示意性剖视图；
图8为LED簇排列方式的平面图；
图9为示出不同反射器的平均亮度和后反射器的不同“有效反射率”的图；以及
图10和11为在参数A/参数B的设计空间中绘制各种背光源例子的图，其中图10绘出了侧光式背光源，而图11绘出了直接照明式背光源。
具体实施方式
在提供足以实现预期应用所需的亮度和空间均匀度的同时，组合以下特性的一些或全部对下一代背光源将是有利的：薄型；设计简洁，例如尽可能少的光学元件和光源以及方便的光源布局；低重量；不使用或不需要从背光源中一个位置到另一个位置具有显著空间不均匀性(例如没有显著梯度)的膜元件；与LED光源以及其他小区域、高亮度光源(例如固态激光光源)兼容；对与标称颜色相同的所有LED光源之间颜色差异相关的问题不敏感；尽可能地，对LED光源子集的烧毁或其他失效不敏感；以及，消除或减少在上述背景技术部分中所提及的局限性和缺点的至少一些。
是否能将这些特性成功地引入背光源中部分取决于照亮背光源所用光源的类型。例如，CCFL在其长窄的有源发射区域提供白光发射，这些发射区域还可用于散射照射到CCFL上的一些光，例如可能会发生在光循环腔中。然而，CCFL的典型发射具有基本上呈朗伯曲线的角分布，这在给定的背光源设计中可能会效率低下或者说是不可取。另外，虽然CCFL的发射表面具有一定程度的漫反射，但通常还有吸收损耗，申请人发现如果需要高度光循环腔时，那么会有显著的吸收损耗。
LED晶粒以近朗伯方式发射光，但是由于其尺寸比CCFL小得多，因此LED光分布易于修正，例如可使用整体密封透镜或反射器或提取器进行修正以使得所得的封装LED为前发光体、侧发光体、或其他非朗伯分布。此类非朗伯分布可为本发明所公开的背光源提供重要的优势。然而，LED光源与CCFL相比较小的尺寸和较高的强度还可以使得用LED较难产生空间上均匀的背光源输出区域。在使用各种彩色LED(例如红/绿/蓝(RGB)LED构造)产生白光的情况下尤其如此，因为此类光无法提供足够的侧向传送或混合，这会易于导致产生不可取的彩色带或区。可使用白光发射LED降低此类颜色不均匀性，在该白光发射LED中荧光粉被蓝色或UV发射LED晶粒激发以从接近LED晶粒的小区域或空间产生强烈白光，但是白光LED目前不能提供单个彩色LED构造可达到的LCD色域宽度，因此对于所有终端应用而言可能并不理想。
申请人已发现与LED光源照明兼容的背光源设计特征的组合，并且该组合所形成的背光源设计可以在至少某些方面超过存在于最先进的市售LCD装置中的背光源。这些背光源设计特征包括以下特征的一些或全部：
·循环光学腔体，其中大部分光在从前反射器射出之前会在基本上共同扩展的前反射器和后反射器之间经过多次反射，前反射器是部分透射和部分反射的；
·将光循环腔中传播的光的总损耗保持在极低水平，例如通过设置基本上封闭的低吸收损耗的腔体(该腔体包括低损耗的前反射器和后反射器以及侧反射器)并通过将与光源相关的损耗保持在非常低的水平(例如通过确保所有光源的累积发射区域为背光源输出区域的一小部分)来实现；
·中空的循环光学腔体，即腔体内光的侧向传送主要发生在空气、真空等中而不是发生在光密介质(例如丙烯酸类树脂或玻璃)中；
·就设计为仅发射特定(可用的)偏振态的光的背光源而言，前反射器具有足够高的反射率，足以支持此类可用光的侧向传送或扩散、以及对于光线角度随机性来说足以实现可接受的背光源输出空间均匀性，但是具有对于相应应用来说可用的角度的、足以确保背光源应用亮度的高透射率是可接受的；
·循环光学腔体包括为腔体提供镜面反射和漫射特性平衡的一个或多个元件，该元件具有足以支持腔体内大量侧向光传送或混合的镜面反射，而且甚至当仅在窄范围的角度内向腔体内注入光时，具有足以使腔体内稳态光的角分布基本上均匀化的漫射(此外，就设计为仅发射特定(可用的)偏振态的光的背光源而言，腔体内的循环优选包括相对于入射光偏振态的反射光偏振随机程度，这样能够使不可用的偏振光转换为可用的偏振光)；
·光循环腔的前反射器具有通常随入射角的增大而增加的反射率和通常随入射角的增大而下降的透射率，其中反射率和透射率是对非偏振的可见光和所有入射平面而言，和/或对其中可用偏振态的倾斜光是p偏振的平面内入射的可用偏振态的光而言(此外，前反射器具有高的半球反射率值，同时对在应用中可用的光还具有足够高的透射率)；
·光注入光学元件将初始注入光循环腔中的光部分准直或限制在接近横平面(横平面平行于背光源的输出区域)的传播方向上，例如注入光束在最大功率的一半处的全角宽度(关于横平面)(FWHM)在0至90度、或0至60度、或0至30度的范围内。在某些情况下，对于注入光的最大功率而言，可能理想的是具有在横平面以下、与横平面成不大于40度角的向下突出，在其他情况下，可能理想的是使注入光的最大功率具有在横平面之上朝向前反射器、与横平面成不大于40度角的向上突出。
对于LCD面板的背光源，其最简单的形式是由光产生表面(例如LED晶粒的有源发射表面或CCFL灯泡中荧光粉的外层)和分散或扩散该光的几何和光学排列方式构成，该排列方式以一定方式分散或扩散该光从而产生扩展面积或大面积的照明表面或区域，称为背光源输出区域，该输出区域的发射亮度在空间上是均匀的。一般来讲，该方法是将亮度非常高的局部光源转换为大面积均匀输出表面，由于所有背光源腔体表面的相互作用和光产生表面的相互作用，故会导致光的损耗。其他方法(例如使用具有特定LED透镜的直接照明式光源结构平衡前反射器上的入射第一反弹通量)可通过背光源输出表面产生高效、均匀的亮度，但是这些方法对所有背光源元件的具体几何结构非常敏感。大致上，没有通过该方法传送经过与前反射器相关的输出区域或表面(可任选地进入所需的应用观察者视锥(如果有的话)并且具有特定(例如LCD可用的)偏振态(如果有的话))的任何光为“损耗”光。
我们认为包含光循环腔的任何背光源的特征可以仅在于两个基本参数。就这一点而言，参考图1中所示的普及的背光源10，其中前反射器12和后反射器14形成光循环腔16。背光源10在扩展的输出区域或表面18上发出光，在这种情况下，该扩展的输出区域或表面对应于前反射器12的外主表面。前反射器12和后反射器14显示为平面并且彼此平行，并且在横向尺寸13上共同扩展，该尺寸还对应于输出区域18的横向尺寸，例如长度或宽度。
在其他实施例中，前反射器12和后反射器14可以是不平行的，例如，在名称为BACKLIGHTS HAVING SELECTED OUTPUT LIGHT FLUXDISTRIBUTION AND DISPLAY SYSTEMS USING SAME(具有所选输出光通量分布的背光源和采用该背光源的显示系统)的共同拥有的美国专利申请No.61/030,767中进一步所述的那样。这种不平行的关系可使用任何合适的技术提供。例如，可将顶部反射器和底部反射器的一个或两个成型为非平面形状，可将前反射器和后反射器设置为使得它们不平行，可将一个或多个结构体设置在前反射器和后反射器的一个或两个上，或者可以利用这些技术的任何组合从而得到非平行关系。
光从腔体内射出时，前反射器会反射大量入射的光，如图所示，初始光束20被反射为相对较强的反射光束20a和相对较弱的透射光束20b。请注意，表示各种光束的箭头实质上是示意性的，例如，不同光束的所示传播方向和角分布并不是完全准确的。回到附图，反射光束20a被后反射器14强反射为光束20c。光束20c被前反射器12部分透射从而产生透射光束20d，并且部分反射从而产生另外的光束(未示出)。在前反射器和后反射器之间的多次反射有助于支持腔体内光的横向传播，如箭头22所示。所有透射光束20b、20d等的总和无序相加在一起便得到了背光源的输出。
为了进行示意性说明，小区域光源24a、24b、24c示于图中可供选择的位置处，其中源24a示于侧光式位置处，其具有可有助于准直(至少部分地)来自光源24a的光的反射结构体26。光源24b和24c示于直接照明式位置处，光源24c通常会与后反射器14中所设置的洞或小孔(未示出)对齐使得光注入腔体16中。通常还在尺寸13的端点处设置反射侧表面(未示出，并不是反射结构体26)，优选以密封方式连接前反射器12和后反射器14以最小化损耗。
可使用任何合适的技术将前反射器和后反射器密封在一起。例如，在一些实施例中，可使用反射填缝剂将前反射器12和后反射器14密封在一起。反射填缝剂可形成反射屏蔽从而防止从背光源腔体漏光并提供机械结合将前反射器12和后反射器14固定在一起。可利用任何合适的反射填缝剂。例如，填缝剂可包含填充有反射颗粒的透明基质和/或可包含具有不同折射率的区域。合适的颗粒包括TiO₂或反光材料的带或片，例如金属片、金属聚合物膜、珍珠颜料或多层光学膜。透明基质可以为适合封装和运送反射元件同时向施加表面提供足够的结合强度的任何材料。可通过不混溶的共混物化学组成、玻璃或聚合物珠的填充或向基质中注入空气或其他相异材料来形成具有不同折射率的区域。可经喷嘴分散填缝剂从而形成珠子或其他形状的轮廓。凸型或凹型横截面轮廓为管理背光源腔体内部的光提供了另外的设计选择。填缝剂可为热固化或光学固化的。在一些实施例中，填缝剂可包含具有可保持分散性和形状的合适粘度的环氧型体系。
在一些直接照明式实施例中，一般来讲，竖直的反射侧表面实际上可以为将背光源与类似或相同的相邻背光源分离的薄分区，其中各个此类背光源实际上为较大的分区背光源的一部分。可以任何所需的组合方式将各个子背光源中的光源打开或关闭从而为较大背光源提供具有亮区和暗区的图案。可动态使用此类分区背光源，从而在某些LCD应用中改善对比度并节约能源。各区间之间的反射分区可不完全扩展到顶部反射器，但可以通过间隙彼此分离，该间隙的大小满足使区边界的可见程度最小(从观众来看)，同时还优化了区与区之间的通光性。
回到我们有关两个参数的讨论，本文中称为参数A的第一参数建立了整个发射源区域与背光源输出区域之间的联系。因此，参数A为所有发光光源表面的整个面积(本文中称为“A发射”)与背光源输出表面的面积(本文中称为“A输出”)的比率。就矩形输出区域的通常情况而言，面积A输出即矩形的长度乘以其宽度。对于给定的背光源，可通过对光源的有效面积求和以确定光源表面的总面积。例如，被认为是“大晶粒”LED的Lumileds^TMLXHL-PM09绿色LED具有约1mm²的晶粒表面积(一个大的顶部表面和四个较小的侧表面)。被认为是“小晶粒”LED的Nichia RigelNFSG036B绿色LED的晶粒表面积为约0.09mm²。具有由65个“大晶粒”LED簇(一种为红色、一种为蓝色并且一种为绿色，当将其组合时，其输出被平衡从而产生白光)组成的阵列的背光源的光源总表面积为
A发射＝65簇×3个晶粒/簇×1mm²/晶粒＝195mm²。
对基于CCFL的背光源而言，光产生总表面积仅为每个灯泡的发光荧光粉层的总表面积乘以照亮腔体的灯泡数目。例如，包含16个各为820mm长、直径为4mm的CCFL灯泡的背光源的光产生总表面积将为
A发射＝16个灯泡×(π×4mm)×820mm＝164871mm²。
光源的累积表面积与输出表面积的比率(即参数A)是基本背光源测试的归一化的无量纲量度表示：将高亮度的小表面(通常用朗伯曲线发射图案)转换为大表面输出，优选具有相对均匀的空间亮度，并且优选地其中输出表面的总光通量占光源总光通量的很大比率(对应于理想损耗体系，为1.0或100％的比率)。
我们的第二参数建立了平均平面图或侧向光源集合(“SEP”)与腔体深度(“H”)之间的联系。腔体深度H(图1)为沿着垂直于输出区域的轴从后反射器到前反射器(输出区域A输出)的物理距离，即前反射器与后反射器的同轴间距。腔体深度H还可被理解为非平面输出区域和非平面后反射器之间的平均间距。平均平面图光源间距SEP为相对于输出表面A输出的光源特征侧向间距的度量。参数SEP测量腔体内相对于输出表面，光源以均匀的空间分布方式设置的程度。聚集特征SEP的值较大表明光源在腔体的较小区域(空间)内是“成簇的”或受限的，而SEP的值较小表明光源的间距相对于输出表面是均匀排列的。通常，中空腔体内的光源被布置用于在输出表面上提供尽可能空间均匀的光通量分布，从而得到对于给定的腔体几何形状而言最小的SEP值。SEP的计算可通过实例来更好地解释。
图2a示出了具有设置在后反射器34上或靠近后反射器34的十八个光源32a的直接照明式背光源30a的光源排列方式示意性平面图，该后反射器34具有横向尺寸L(长度)和W(宽度)，其中相关的前反射器和输出区域(未示出)具有相同的横向尺寸并且与后反射器34共同扩展。光源32a以规则的重复图案排列以形成沿着宽度或y方向间隔的三个等间距的行和沿着长度或x方向(垂直于y方向)间隔的六个等间距的列。因此光源沿着x方向的平均间距为L/6，光源沿着y方向的平均间距为W/3。然后将SEP计算为这两个正交光源间距的平均值，或
SEP＝((L/6)+(W/3))/2。
对于6×6英寸的输出区域(L＝W＝6英寸或153mm)，该实例的SEP为SEP＝38mm。请注意，只要光源是以三行和三列的方式排列的，如果各行之间的间距不均匀或如果各列之间的间距不均匀，结果仍是相同的。可通过假设行和列是对齐的，大致地评估沿着行和列较不规则间隔的SEP。
还应注意，各个光源32a可以为单个发射元件，例如单个白光发射LED，或者其可以为各个彩色LED(如红/绿/蓝或红/绿/蓝/绿等)的最小单位单元或簇，该最小单位单元或簇产生所需的背光源颜色，通常为白光。就设计为仅发出一种颜色(例如绿色)的光的背光源而言，各个光源32a为单一绿光发射LED。
图2b示出了与背光源30a类似的背光源30b的光源排列方式示意性平面图，但是其中沿着后反射器34的周边以平行于y方向的单行或单列形式设置十八个光源32b。在这种情况下，仅有一列沿着长度或x方向的光源32b，和18行沿着宽度或y方向设置的(单个)光源32b。因此该光源沿着x方向的平均间距为L/1，该光源沿着y方向的平均间距为W/18。同样将SEP再次计算为这两个正交光源间距的平均值，或
SEP＝((L/1)+(W/18))/2。
对于6×6英寸的输出区域(L＝W＝6英寸或153mm)，该实例的SEP为SEP＝81mm。请注意，如果沿着y方向的光源间距不均匀，结果仍是相同的。即使两个实施例使用的是相同数量的光源，其81mm的SEP值超过图2a实施例的SEP值(38mm)的两倍。就应该如此，因为与图2a相比，图2b中的光源更集中，因此图2b实施例中各个光源比图2a中各个光源需要沿着输出表面影响或照亮更长的横向尺寸。或者可认为SEP是横向或侧向的“影响直径”，要求平均起来各个光源都对输出区域有所贡献。
在一种情况下，在图2a的实施例中仅有一个光源32a，或在图2b的实施例中仅有一个光源32b，无论其中涉及输出区域的单个光源是如何设置的，沿着x方向的平均光源间距为L/1，沿着y方向的平均光源间距为W/1，就6×6英寸的输出区域而言，得到((L+W)/2)或153mm的SEP。
基本跨越输出区域的整个横向尺寸的线形光源(例如CCFL)的处理方式不同于局部或“点”光源，如LED。图2c示出了与背光源30a类似的直接照明式背光源30c的光源排列方式示意性平面图，但是如图所示，其中六个线光源32c以线性阵列排列在整个同一后反射器34上。在这种情况下，该光源沿着x方向的平均间距为L/6，因为有六个光源沿着尺寸L分布。沿着y方向的平均间距为零，因为光源32c沿着该方向是连续的。同样将SEP计算为这两个正交光源间距的平均值，或
SEP＝((L/6)+0)/2＝L/12。
这对应于灯泡与灯泡之间平均间距的一半。对于6×6英寸的输出区域(L＝W＝6英寸或153mm)，该实例的SEP为SEP＝13mm。
在此背景下，我们可以用两个无量纲参数表征任何光循环腔背光源，该光循环腔背光源具有对于其预期应用而言足够的亮度和空间均匀度
参数A＝A发射/A输出，以及
参数B＝SEP/H
其中A发射、A输出、SEP、和H均如上所述。图3示出了将这两个参数绘制为背光源参数空间或背光源设计空间的图。
该表征对平面背光源腔体而言特别直观，其中背光源的后反射器(本文中有时称为背板)和背光源的输出区域均为彼此平行的平面，并且具有大致相等的面积和近似的同延性。然而，我们的双参数表征并非局限于平面平行的背光源几何体，可以被概括用于具有以下基本元件的任何背光源几何体：与前反射器相关联的输出表面、与前反射器形成光循环腔体的后反射器、以及设置在腔体内或与腔体光学连接的一个或多个光源的组合。
此外，沿x和y方向基本规则地间隔的光源的特征光源间距参数SEP的确定方法在上文中有所描述。对于其中光源以不规则型式设置的情况，可通过以下公式确定SEP：

其中A_i为外切两个或更多个不规则间距的光源的圆i的面积，外切圆中光源的数目为#_i。N为用于涵盖所有光源的外切圆总数，其中选择所有外切圆的数目和位置i至N以最小化所有外切圆总面积的总和，
Σi=1,NAi.]]>
例如，参见图2b，如果将沿着y方向以单列方式设置的18个光源限制在y尺寸的下1/2部分，那么这些光源沿着y轴的间距将不均匀，即在轴的下1/2部分间隔为W/36，轴的上1/2部分没有光源。在这种情况下，使用不规则间距的SEP公式得出SEP＝125mm。如果光源在空间上更加集中，则特征聚集参数SEP增加至125mm。
如上所述，对于存在于6×6英寸腔体内的单个光源的情况，如果18个光源的封闭或聚集将继续占据沿着y轴的越来越小的区域，那么不规则间距的SEP公式将得到接近最大值153mm的更大尺寸。
图3清楚地包括设计空间中总体趋势的某些说明。还描述了代表假想初始背光源设计的点36。如果通过减小腔体深度H而保持所有其他设计特征不变来修正设计，那么修正的设计将对应于上述点36a并且与点36垂直对齐。相反，如果通过用更小发射面积光源替换背光源中各个光源、但是保持所有其他设计特征不变(例如用更小的LED晶粒代替各个LED晶粒，但是保持LED晶粒的总数不变并且保持其空间分布一致)来修正初始背光源设计，那么修正的设计将对应于点36左边并且水平对齐的点36b。在又一个替代形式中，可通过在背光源内加入更多光源并将这些光源更密集地排列同时保持其他设计特征不变来修正初始设计。在这种情况下，修正的设计将对应于位于起始点36右下方的点36c。可以预见在未来几年里，LED光源会变得更亮，这样便可以在保持其他设计特征不变的情况下从初始设计中移去光源并在背光源内更稀疏地排列它们。此类设计修正将对应于位于起始点36的左上方的点。
得到数个市售LCD装置，参照背光源参数空间分析其背光源。所得设计点示于图4中所示的背光源设计空间图中，该图再次绘制了参数A与参数B。
点40a-d全部表示利用通过彩色LED阵列照明的直接照明式背光源的商用LCD电视。点40a表示Samsung Electronics 46英寸(对角线尺寸)电视。点40b表示采用高亮度OSRAM Golden Dragon LED的32英寸SonyLED电视。该设备以四色簇(RGGB)组成了LED。点40c表示另一个使用OSRAM Golden Dragon LED的Sony 32英寸LED电视，但该设备以三色簇RGB形式组成了LED。点40d表示Sony Qualia 40英寸电视。点40a-d均具有非常接近2的参数B值。
点40e-f表示商用笔记本电脑的显示器。这些设备均使用侧光式背光源配置、CCFL光源和固体(丙烯酸类树脂)光导装置。点40e表示用于Samsung LTN140W1-101的HP 14.1英寸dv1000。点40f表示型号为B154-EW-02的AUO 15.4英寸笔记本电脑。
点40g表示许多商用LCD电视，均采用通过CCFL照明的直接照明式背光源。
回顾图4中绘制的点，可以看出具有最小参数A值(点40a-d)(即会聚光源发射面积与背光源输出区域面积的最小比率)的背光源具有相对较低的参数B值。具有高参数B值的光源(点40e-f)(即相对于平均光源间距的薄腔体深度)利用具有其相应缺点的固体光导装置，并达到仅适度低的参数A值(因为它们利用CCFL光源)。
期望提供一类具有薄腔体(如参数B＝3或更大)的背光源，其具有适度的低的或甚至非常低的相对光源面积(参数A＝0.1或更小)并且具有中空腔体而不是固体光导装置。
如本文中所述，申请人已发现与LED光源照明兼容的背光源设计特征的组合，该组合可具有在至少某些方面超过现有背光源的背光源设计。我们现在更详细地讨论这些背光源设计特征中的一些，然后参照已经构成并经过测试的背光源证明此类背光源(利用中空腔体设计)现在能在图4的图中占据期望的空间。
我们从对示例性前反射器和后反射器的讨论开始。就这一点而言，通常参考名称为BACKLIGHT AND DISPLAY SYSTEM USING SAME(背光源和采用该背光源的显示系统)的PCT专利申请No.XXXX/XXXXXX(“63274专利申请”)。
此处我们描述的示例性部分反射器(前反射器)(特别是例如63274专利申请中所述的不对称反射膜(ARF))提供低损耗反射，还提供比单独用固体光导装置中的TIR时可能的对偏振光的透射和反射更好的控制。因此，除了改善整个显示器表面中侧向意义上的光分布之外，中空光导装置还可为大系统提供改善的偏振控制。也可以用上面提及的优选ARF对入射角透射率进行明显控制。这样，可以很大程度上将来自混合腔体的光准直，并且可提供来自单一膜构造的偏振光输出。
优选的前反射器具有相对较高的总反射率以支持腔体内相对较高的循环率。我们以“半球反射率”表征这一点，“半球反射率”是指当光从所有可能的方向入射到元件(无论是表面、膜还是膜的集合)上时元件的总反射率。因此，从大致沿法向保持居中的半球内的所有方向(以及所有偏振态，除非另外指明)入射的光来照亮元件，会聚反射到此相同半球内的所有光。对于关注的波长范围而言，反射光总通量与入射光总通量的比率为半球反射率R_半球。对光循环腔来说，以其R_半球表征反射器特别方便，因为光通常以全角度入射到腔体的内表面(无论是前反射器、后反射器还是侧反射器)上。此外，与垂直入射角的反射率不同，R_半球已考虑到反射率随入射角的变化并且对该变化不敏感，这对于某些元件(例如棱镜膜)来说非常重要。
事实上，在示例性实施例中，至少对在一个平面中入射的光而言，优选的前反射器具有随着入射角远离法线而增加的(定向)反射率(和通常随入射角增大而下降的透射率)。此类反射特性使得光在更靠近法线(即更靠近背光源的视轴)的角度下优先地透射出前反射器。这有助于增加显示器在对于显示器行业来说十分重要的视角下的感知亮度(以较高视角下的较低感知亮度为代价，这不太常见，但是同样重要)。我们认为反射率随角度增加的行为是“至少对于在一个平面中入射的光而言”，这是因为有时候仅一个视平面需要窄视角，而在正交平面中需要较宽的视角。一个实例是在某些LCD电视应用中，在水平面观看时需要宽视角，但垂直平面则需要较窄的视角。在其他情况下，两个正交平面均需要窄视角以最大化同轴亮度。
当我们讨论斜角反射率时，记住图5的几何因素是有帮助的。在这里，我们可以看到位于x-y平面的具有z轴法向的表面50。如果表面为偏振膜或部分偏振的膜(例如63274专利申请中所述的ARF)，根据该申请，我们指定y轴为“透光轴”，x轴为“阻塞轴”。换句话说，如果膜为偏振膜，与偏振轴平行于x轴的垂直入射光相比，偏振轴平行于y轴的垂直入射光优先地透过。当然，一般来讲，表面50不必为偏振膜。
光可从任何方向入射到表面50上，但是我们集中到平行于x-z平面的第一入射平面52和平行于y-z平面的第二入射平面54上。“入射平面”当然是指包含曲面法线和光传播特定方向的平面。我们在图中示出入射到平面52中的一束斜光线53和入射到平面54中的另一束斜光线55。假设光线是非偏振的，它们将各自具有位于其各自入射平面的偏振分量(称为“p偏振”光并在图中标记为“p”)和垂直于各自入射平面取向的正交偏振分量(称为“s偏振”并在图中标记为“s”)。值得注意的是，对于偏振表面而言，根据光线的方向，“s”和“p”可与透光轴或阻塞轴对齐。在图中，光线53的s偏振分量和光线55的p偏振分量与透光轴(y轴)对齐，并因此会优先地透射，而相对的偏振分量(光线53的p偏振和光线55的s偏振)与阻塞轴对齐。
据此，在其中前反射器为例如63274专利申请中所述的ARF的情况下，让我们考虑指定前反射器“具有通常随入射角增加的反射率”的意义(如果我们需要)。ARF包括对阻塞偏振态下的垂直入射光具有非常高的反射率和对透光偏振态下的垂直入射光具有较低但仍然很大的反射率(例如25至90％)的多层结构(例如已在合适条件下取向从而产生所需折射率关系和所需反射率特性的共挤出聚合物微层)。阻塞态光(光线53的p偏振分量和光线55的s偏振分量)的非常高的反射率通常保持对于所有入射角都非常高。更有意思的是透光态的光(光线53的s偏振分量和光线55的p偏振分量)，因为其在垂直入射时具有中间反射率。入射平面52中的透光态斜光将因s偏振光反射率的性质具有随着入射角增大而增加的反射率(然而，反射率的相对增加量将取决于垂直入射时透光态反射率的初始值)。因此，ARF膜在平行于平面52的视平面中发出的光将部分地准直或限制在一定角度内。然而，如在63274申请中所讨论的，其他入射平面54中的透光态斜光(即光线55的p偏振分量)可根据微层之间的z轴折射率差值相对于面内折射率差值的大小和偏光性而具有三种行为中任何一种。
在一种存在布鲁斯特角的情况下，该光的反射率随着入射角的增加而下降。这样会在平行于平面54的视平面中产生明亮的偏轴凸角，该凸角通常是LCD观看应用中不可取的(虽然在其他应用中这种现象是可接受的，甚至就LCD观看应用而言，可使用棱镜膜等将该凸角输出重新导向至观察轴)。
在另一种不存在布鲁斯特角或布鲁斯特角非常大的情况下，p偏振光的反射率随着入射角的增大相对恒定。这在参考视平面中产生相对较宽的视角。
在第三种不存在布鲁斯特角的情况下，p偏振光的反射率随着入射角的增大而显著增加。这样可在参考视平面中产生相对较窄的视角，其中通过控制ARF中微层之间的z轴折射率差值的大小至少部分地调整准直程度。
当然，反射表面50不必具有ARF那样的不对称同轴偏振特性。例如，可通过适当地选择微层数目、层厚度分布、折射率等将对称多层反射器设计为具有高反射率但也具有大透射率。在这种情况下，光线53和55两者的s偏振分量将以彼此相同的方式随着入射角的增大而增加。同样，这归因于s偏振光反射率的性质，但是相对增加量将取决于垂直入射反射率的初始值。光线53和光线55的p偏振分量将具有彼此相同的角行为，但是如63274专利申请中所讨论的，可通过控制微层之间的z轴折射率差值相对于面内折射率差值的大小和偏光性来控制该行为使其成为上面提及的三种情况中的任何一种。
因此，我们看到反射率随前反射器中入射角的增大而增加(如果存在的话)可以涉及入射到其中可用偏振态的倾斜光是p偏振的平面上的可用偏振态的光。或者，反射率的这种增加可以是指任何入射平面中非偏振光的平均反射率。
除了特定ARF多层反射膜外，还可使用反射(但部分地透射)元件。替代的候选材料包括以下各类：