集成背光照明组件.pdf

本发明提供用于LCD显示器的集成背光照明组件，包括用于对该组件提供结构性和功能性支撑的基板，设置在该基板上的底部反射器和设置在该底部反射器的开口中用来提供点光源的多个固态光源。此外，本发明提供厚度在10微米到3mm之间而且具有设置在多个固态光源之间用于使点光源变向和发散为均匀平面光的光变向区的多个光膜，以及用于扩散均匀平面光的顶部扩散片，其中多个光膜具有0.1mm到1.0mm之间的厚度和50到1200微牛顿之间的弯曲刚度。

1.  一种用于LCD显示器的集成背光照明组件，包括：
用于向所述组件提供结构性和功能性支撑的基板；
设置在所述基板上的底部反射器；
设置在所述底部反射器的开口中用于提供点光源的多个固态光源；
多个光膜且所述光膜具有设置在所述多个固态光源之间用于使所述点光源变向和发散为均匀平面光的光变向区；
用于扩散所述均匀平面光的顶部扩散片；以及
其中所述多个光膜具有0.1mm到1.0mm之间的厚度和50到1200微牛顿之间的弯曲刚度。

2.  如权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述多个光膜的所述厚度在100微米到1mm之间。

3.  如权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，反射条设置在所述多个固态光源上以减少所述光源从所述LCD显示器的观看侧的可见性。

4.  如权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述多个固态光源安排成并排配置。

5.  如权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述多个固态光源安排成端对端配置。

6.  如权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述光膜还包括设置在所述光变向区中的光变向部件。

7.  如权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，所述光变向区的端部具有用来辅助发散所述点光源的削边。

8.  如权利要求1所述的背光照明组件，其特征在于，还包括设置在所述光变向区之间用来减少所述光变向区之间漏光的沟槽。

9.  一种用于LCD显示器的集成背光照明组件，包括：
用于向所述组件提供结构性和功能性支撑的基板；
设置在所述基板上的底部反射器；
设置在所述底部反射器的开口中用于提供点光源的多个多色固态光源；
多个光膜，具有设置在所述多个固态光源之间用于使所述点光源变向和发散为均匀平面光的光变向区；
设置在所述光变向区中用于提供改善的来自所述多色固态光源的色彩均匀性的多个混色区；
用于扩散所述均匀平面光的顶部扩散片；以及
其中所述多个光膜具有0.1mm到1.0mm之间的厚度和50到1200微牛顿之间的弯曲刚度。

10.  如权利要求9所述的背光照明组件，其特征在于，还包括设置在所述光变向区之间用来减少所述光变向区之间漏光的沟槽。

集成背光照明组件
技术领域
本发明涉及显示器用背光装置和采用这种装置的液晶显示器的领域。特别地，本发明涉及具有固态光源的液晶显示器(LCD)背光。
发明背景
虽然液晶显示器提供对阴极射线管(CRT)监视器的紧凑、轻便的替代品，但对许多应用来说LCD显示器的图像质量仍不能令人满意，尤其是当这些装置的相对大小增加时。诸如那些在膝上型计算机或更大显示器中使用的更大的LCD面板是透射性的，因而需要背光。这种类型的置于LCD面板后面的光提供表面将光向外引导并导向LCD。
用于背光的常规方法使用具有导光板的各种冷阴极荧光(CCFL)光源装置、一种或多种类型的增强膜、偏振膜、反射表面、及其它光调节元件。当显示器大小增加时使用侧装CCFL的常规平板背光解决方案越来越不合乎需要，尤其是当显示面积增大时在制造中或由于热量会容易翘曲。当显示器大小增加时——诸如例如数字TV可能会需要——通常针对较小装置所采用的导光背光技术越来越多地被低亮度或低流明级以及与糟糕的不均匀性有关的问题所妨碍。现有的用于LCD显示器和其它显示器及照明应用的背光装置——通常使用平行排列的触排CCFL——效率会比较低。由于需要容纳CCFL和在LC面板后面的其支持膜及表面，这些显示解决方案还会比较厚。因为这些装置包含少量汞，所以CCFL光源本身带来废弃时的环境问题。为了补偿基于CCFL的常规背光的均匀性和亮度问题，通常在背光和显示器之间，或在显示器之后设置诸如比较高成本的反射偏振膜之类的许多支持膜。如所公知地，与其它类型的光源相比CCFL的光谱特性比较差。
面对背光应用中使用的CCFL固有的这些困难和限制，已经促使研究者们寻求替代的背光方法。已经提出了使用发光二极管(LED)的许多解决方案。近来LED亮度、色彩输出、和总体性能的提高以及成本的持续降低使LED、激光、和一般而言的固态光源极具吸引力。然而，因为LED和激光用作点光源，所以需要适当的解决方案来使它的光变向和分散以提供背光所需的均匀平面光以及提供必要的色彩均匀性。
使用LED提供背光照明的一种方法是使用阵列装置，诸如由M.Zeiler、J.Huttner、L.Plotz以及H.Ott在题为“Late-News Paper：OptimizationParameters for LED Backlighting Solutions”——SID 2006 Digest第1524-1527页——的论文中所描述的装置。使用这种解决方案，使用红(R)、绿(G)、和蓝(B)LED的LED簇的阵列被用作LCD显示器的背光。描述了两种类型的簇：RGGB和RGB。不过，除了诸如针对一些类型的仪器面板和针对非常高端的监视器和TV面板之类的专门用途以外，阵列装置看起来没有前途，这是因为糟糕的色彩和亮度均匀性、较多部件数量、高热量、以及尺寸要求的问题。
已经使用光导来发散来自点光源的光以形成线状光。例如，Kawai等人的题为“Light Guide，Illuminating Device Having the Light Guide，andImage Reading Device and Information Processing Apparatus Having theIlluminating Device”的美国专利No.5,499,112公开了在扫描装置中使用具有沿其长度分布的提取部件的单光导使来自一个或多个LED的光变向为线状。
已经有相当多的工作涉及提供LED背光的目的。然而，虽然已经提出了许多解决方案，但每种解决方案都有固有的显著缺点，尤其是面对针对标准膝上型计算机尺寸或更大尺寸的显示面板的背光问题时。
除了这些缺点，常规的解决方案一般难以解决LC显示器的广泛商业化和接受性所需的高质量彩色成像的重大挑战。对显示器设计者来说色域是特别感兴趣的一个重要考虑因素。常规CCFL提供许多应用可接受的色彩质量度量，至多提供约70％的NTSC色域。虽然这对膝上型计算机和计算机显示器应用是可以接受的，但它达不到全色TV显示器的需要。
与CCFL光源相比，LED和其他固态光源因为它们有相对较高的光谱纯度，所以自然能够提供100％或更多的NTSC色域。为了提供扩大的色域，需要三个或更多个的不同色彩LED或其它固态源。当使用LED和其它固态光源时为了支持这样的扩大色域，需要来自背光装置的高度混色。如成像显示领域的普通技术人员所公知地，当使用诸如红(R)、绿(G)、和蓝(B)LED之类的固态光源时，实现良好水平的色彩均匀性尤其具有挑战性。使用诸如上述光导之类的更大面积光导的常规背光解决方案将会提供相应劣等的混色。涉及用于更大尺寸显示器的背光的其它挑战包括对低成本组件、光效率、均匀性、以及紧凑尺寸的需求。常规LED背光解决方案达不到这些额外要求的需要。另外，消除对厚的大导光板或粗光束的需要将会尤其有用，这可充分改善均匀性和亮度。
因此，可以看出需要能够廉价制造、厚度最小、且提供良好均匀性的混色、高亮度、及高效率水平的LED背光解决方案。
发明内容
在一实施例中，本发明提供用于LCD显示器的集成背光照明组件，其包括：用于向该组件提供结构性和功能性支撑的基板；设置在该基板上的底部反射器；设置在底部反射器的开口中用于提供点光源的多个固态光源；具有设置在多个固态光源之间用于使点光源变向和发散为均匀平面光的光变向区的多个光膜；用于扩散均匀平面光的顶部扩散器；并且其中多个光膜具有0.1mm到1.0mm之间的厚度和50到1200毫牛顿之间的弯曲刚度。
在另一实施例中，本发明提供用于LCD显示器的集成背光照明组件，包括：用于向该组件提供结构性和功能性支撑的基板；设置在该基板上的底部反射器；设置在底部反射器的开口中用于提供点光源的多个多色固态光源；具有设置在多个固态光源之间用于使点光源变向和发散为均匀平面光的光变向区的多个光膜；设置在光变向区中用于改善来自多色固态光源的色彩均匀性的多个混色部分；以及用于发散均匀平面光的顶部发散器；并且其中多个光膜具有0.1mm到1.0mm之间的厚度和50到1200毫牛顿之间的弯曲刚度。

附图简述
图1示出本发明的集成背光照明组件；
图2示出设置有具有光变向区的光膜的背光照明区的局部视图；
图3A和3B示出具有用于使光变向的多个区域和分通道的光输入的多区域光变向膜；
图4A和4B示出具有用于使光变向的多个区域和分通道的光输入的光膜；
图5A和5B示出具有用于RGB LED或其它多色固态光源的混色区段的光膜；
图6A和6B示出具有用于光变向的多个区域以及混色区段的光膜；
图7示出没有如前面附图所示的薄反射条的背光实施例的截面图；
图8示出具有侧射LED光源的光膜——其中侧射LED光源置于该光膜中——的一部分的截面图；
图9A和9B分别示出光输入表面的前视图和俯视图；
图9C示出具有锥形混光区和具有凸透镜的光输入表面及其相关联固态光源的光变向阵列元件的俯视图。
图9D示出插入厚光膜平面的LED光源及其相关联光变向区以及具有光学部件的光输入表面的几种配置的俯视图；
图10A和10B分别示出具有固态光源和大功率微凸透镜的光膜的光源和光进入表面的前视图和俯视图；
图11A、B和C分别示出其中透镜的发光表面具有成形的光学结构的LED光源的前视图、侧视图和俯视图；
图12A、B和C分别示出其中透镜的发光表面具有成形的光学结构的LED光源的前视图、侧视图和俯视图；
图13A示出在固态光源情况下的光变向区的截面图；
图13B示出表示通常与光源的厚度有关的光变向区越厚，耦合效率越高的透视图。
图13C示出说明光源表面相对光变向区的光进入表面靠近定位的需求的重要性的曲线图。
图14A示出其中顶端倾斜或削边以辅助发散光来掩盖或隐藏固态光的光膜内部的光变向区；
图14B示出其中LED置于光变向区的突出区下方的光膜的截面图；以及
图14C示出其中已在光膜中从底部形成凹穴或凹槽从而使光膜的一部分可桥架光源的另一实施例的截面图。
具体实施方式
本发明提供一种在一些实施例中提供利用固态光源所需的高水平的混色和光均匀性而在其它实施例中针对白光照明而设计的集成背光照明组件。此外，本发明显著减小用于在显示器的观看表面上发散光的导光板的厚度。本发明的一个特征是提供利用具有发散区的光膜来提供均匀照明的背光。本发明的一个优点是采用固态光源来为显示器提供区域背光。本发明的装置可大可小而且尤其适用于较大尺寸的LC面板。例如，本发明提供适合显示器应用的背光装置，尤其适合诸如例如用于LCD TV、医疗诊断显示器、成像显示器、以及军事显示器的LC显示面板。此外，本发明的背光装置可用于其中固态照明有利的其它照明应用。
固态照明
固态照明(SSL)指的是一种利用发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、或聚合物发光二极管而不是电灯丝或气体作为照明源的照明。术语“固态”实际上指的是LED中的光是从固态物体(例如，半导体块)而不是从真空或气体管中——如常规白炽灯泡和荧光灯中的情况——发射的。然而，不像常规照明，SSL发出可见光时实际不产生热或寄生能耗。此外，其固态性质提供更好的耐冲击、振动、以及磨损，从而显著增加其寿命。
固态照明的优点
能量效率：作为光源，与常规光源(普通家用灯泡约为9％的换能 效率)的50％以下换能效率相比，LED有可能实现90％+的换能效率。因为LED能够将电能直接转换成光，所以它们可提供从所供给能量产生比热多的光的保证。在未来这对于全球范围的节能极具意义。白光LED已经比白炽光源更有效率(按照流明/瓦-lm/W测量)。当前在其中需要色彩的应用——例如交通灯或公司标志——中，SSL表现出实质的能耗减少，因为产生的所有光都被利用了但没有浪费。
较长使用期：变革照明工业的LED的第二个优点是其可实现的超长使用期。这方面包括两个部分。
第一部分称为“有用使用期”，这是应用特定的。通常理解为灯持续一定的时间然后熄灭。在灯的使用期中，光输出减少并最终到达其使用期的“终点”。LED的光输出随着时间的流逝也会缓慢地降低，然而，实际上它们从不会真正到达其使用期的“终点”。需要考虑的是LED能提供多长时间的足够的光来实现它们的功能，换言之：它们的有用使用期是多少？对其中亮度级不是关键的一些应用来说这可能超过100,000小时。对其它应用来说，它可能是50,000小时，仍然比普通荧光灯好约4倍，比家用白炽灯好约20倍。
第二方面是LED使用期没有实际的终点。这对于建筑装饰应用和公司成像计划具有重要意义。一个烧坏的灯会影响美观，而在超过基于LED的系统的有用使用期将会出现的逐渐变暗将不会有引人注目的负面影响而且不会需要立刻维护。
坚固性：不会有玻璃被打碎或灯丝烧断。LED照明系统自然抗振而且可被设计成比常规照明更容易耐受几乎任意极端环境。
低温性能：虽然有些灯可耐低温(金属卤化物灯，HPS)，但其他的灯尤其是荧光灯在冷天气中不能良好运行。而实际上LED在更冷的环境中能比在室温中运行得更高效。
数字控制：随着世界变得数字化，将照明结合到该世界中变得越来越重要。SSL已经是可以和其它系统通过接口连接或被精确控制以实现最大性能的数字系统。
色彩饱和与光谱：有可能设计一RGB阵列来产生几乎任意色彩，而且因为光不会被过滤或吸收，所以结果是更深的色彩饱和。这也可应用到直接产生而不是全部滤除从光源呈现的蓝色、绿色、和黄色的诸如红色之类的单独LED色彩。此外，RGB光源还可与白光LED光源一起使用。
光控制：LED的尺寸非常小而且它产生的光线以非常窄的光束发射。这意味着可将光学系统设计成以极高的效率控制光，以致执行特定功能所需的光更少，而这又能提高系统的能量效率。
低压操作：现有SSL系统一般工作于低压DC电源，从而使它们可非常安全地安装和工作。
光变向部件：
光膜具有一图案的分立的单独光变向部件，这些部件具有良好的限定形状，用于折射入射光分布以使离开光膜的光分布处于更垂直于膜的观看侧的方向。优选地，可在TIR表面(观看侧和下侧或非观看侧)之间形成这些单独的光变向部件，而且这些部件可包括用于向垂直于出射表面方向折射入射光的一个或更多个倾斜表面。这些倾斜表面例如可包括使光在所需视角内变向的平坦表面和曲面的组合。此外，表面曲率、单独的光学元件的曲面面积与平坦面积的比例以及曲面和平坦表面的周边形状可改变以调节膜的光输出分布，以便于定制与膜一起使用的显示装置的视角。此外，表面曲率、或单独的光学元件的曲面面积与平坦面积的比例可改变以优化向上导向背光或显示器的观看侧的光均匀性。此外，单独的光变向部件的大小和个数，以及单独的光变向部件的表面曲率可被选择以产生或多或少的发散输出，或使来自光源的输入光分布以产生更柔和更发散的光输出分布随机化，同时将输出分布保持在膜垂直方向附近的特定角度范围内。
形成光膜的光变向区内的变向部件的单独光学元件可按照消除与液晶显示器的像素间隔的任意干扰的方式来随机化。此随机化可包括光学元件的大小、形状、位置、深度、取向、角度或密度。这可消除对用来对付波纹和类似效应的发散层的需要。此外，可至少将一些单独的变向部件安排在横跨膜的分组中，同时各个分组中具有不同的大小或形状特征的至少一些光学元件能对横跨膜变化的各个分组的平均大小或形状特征来为任意单个变向部件获取超过加工公差的平均特征值，以及对付波纹和与液晶显示器的像素间隔的干扰效应。此外，可将单独变向部件的至少一些定向为相对彼此不同的角度，用于自定义膜沿两个不同轴重定向/变向光的能力。
此外，变向部件的密度也可因变于它们形成光源的距离而变化。一般靠近光源部件较少而远离光源部件较多。部件的相对大小也可因变于它们离光源的距离变化。通常较小部件离光源更近而较大部件离光源更远。这是为了帮助提供更均匀的背光或显示照明。
单独光学元件的光变向表面与膜的光出射表面所成的角度也可横跨液晶显示器的显示区域变化，以调节膜对横跨光源表面分布不均匀的光输入的光变向功能。光变向区域的单独光学元件的尺寸、形状、位置可变化，而且/或者光变向膜的单独光学元件的取向可变化以应对光源发射的光分布的变化。还可自定义光变向部件的光学元件的性质和图案以针对发射不同光分布的不同类型光源优化光变向膜，例如，针对单灯泡膝上型计算机的一种图案，针对双灯泡平板显示器的另一种图案等等。
此外，提供光变向膜系统，其中将光变向膜的单独变向部件的取向、大小、位置和/或形状调节为背光或其它光源的光输出分布以在所需视角内重定向或变向来自背光的更多入射光。此外，背光可包括沿一个轴准直光的单独的变向部件变形，而光变向膜可包括沿垂直于该轴的另一个轴准直光的单独光学元件。
光提取部件
有许多针对光提取部件的实施例。光提取部件的基本功能是使另外通过TIR引导的光变向，因而使光从线性光通道或导光板(LGP)发射。这可通过许多方法完成，包括以下方法：
(i)可在膜的非观看侧面中形成、模制、压制、和/或钻取孔或成形凹陷。变向部件的深度可为10至500微米而且部分取决于膜的厚度。虽然应当注意光变向部件可设计成与观看侧表面部件或光膜协同工作，但这样的部件可在辅助变向膜的上表面上进一步提取的情况下使用。一旦将光向观看侧面重定向，即可使用诸如发散器之类的其它光膜(可使用体和/或表面，非对称，全息，散射粒子，孔隙等)。这份专利中的实施例还可与提供选自包括扩散、光准直、亮度增强、光发散、光弯曲、正向散射、背散射、侧散射偏振、偏振再循环、光调制、光过滤、加强、尺寸稳定性、层分离的组的功能的至少一种膜组合使用。
(ii)可完成对光膜的光发射部分的处理以辅助从光膜中提取光。表面处理的类型包括沿着线性光通道的边缘或LGP的观看表面，沿着面向显示器的表面形成光提取结构。例如，一种方法是沿着长度方向形成棱镜结构的阵列。所使用的微结构可以是用来破坏TIR的棱柱、金字塔、半球、或其它限定良好的几何形状的阵列。这可包括形成为单个元件或按列对准的倒置的顶部或底部发射结构。微结构可以模制或以其它方式形成为具有因变于到光源的距离而变化的形状和大小。
(iii)光提取膜组件的应用。在由Lee等人的题为“BrightnessEnhancement Film Using A Linear Arrangement Of Light Concentrators”的共同受让的美国专利申请No.20050270798中描述了可用于光膜的光发射部分的一种可能的光提取部件，该申请通过引用结合于此。可任选地，可使光膜一部分的光发射表面构成部件以在其上形成光提取结构。光膜的一部分可通过诸如使用辊来模制或以其它方式处理以形成光变向微结构。
(iv)印刷点。可使用沿光膜的与其发射表面相反的基部印刷的反射点的图案来使光向观看侧向上变向。印刷点可具有变化的密度和大小，以帮助提供更均匀的光输出。
也可使用以上从(i)到(iv)列出的这些类型的处理的组合。光提取部件可以是单独的元件。为了沿光膜的长度提供均匀的光发射，光提取区的大小和密度可因变于到固态光源的距离而变化。例如，当LED光源位于光膜的部件部分的各个端部时，光变向部件可更高密度地分布在中心附近而不是向端部分布。或者，光提取元件的分布密度可沿一个方向基本连续。光变向部件可模制、浮雕、压模、粘附、或叠加到光膜的面向显示平面或其它光输出侧的一侧。
膜材料
通常，需要没有缺陷而且随着使用期和/或环境暴露基本没有颜色变化的高透明材料。可包括添加剂以在宽泛范围的条件下最小化膜中的任意物理、化学或光学变化。该膜应当具有大于85％、优选大于90％的透射率。该膜的另一所需性质是在针对多种显示应用的指定温度和湿度范围上能提供良好的尺寸稳定性。有用的材料可包括但不限于聚碳酸酯、PMMA、抗冲击改性PMMA、光或化学固化的丙烯酸脂、聚酯、环状石蜡、聚酯碳酸酯、聚砜、和它们的共聚衍生物。由这些或其它材料的一些组成的膜可浇铸成没有取向，也可取向为至少一个方向以改善尺寸稳定性。浇铸聚合物也可涂覆(挤压)或以其它方式放置在具有所需性质的分离膜上或可帮助增加浇铸膜上的性质。
监控色移
LED和其它类型固态光源的一个公知问题涉及光谱稳定性和精确度，这会引起一定量的色移。可提供可选的色彩传感器作为一个或多个光膜提取区的组件。可在补偿由于诸如老化、热量或LED或其它类型光源之间的制造差异引起的色移的控制循环中使用色彩传感器。任选地，可调节最接近特定光导管的像素的图像数据来补偿探测到的色移。
系统考虑
使用任意当前可用的许多装置，本发明的光膜能够提供2000-6000尼特之间或更高的高照明水平。在高能量水平下，在一些应用中热积累可以是LED的一个问题。背光装置可提供一个或多个散热器、致冷风扇、或其它机械装置来帮助耗散工作期间的过量热。有利地，在使用本发明的装置和方法时，散热部件可远离LCD面板沿着显示装置的外围边缘放置。
现参考附图，图1提供集成背光照明组件10，包括具有多个光变向区12的光膜60。固态光源11被设置在光插入表面14上以形成二维光照明阵列13。光照明阵列13是光变向区12连同其光插入表面14上的光源11。LED或其它光源将光插入到光膜的厚度内。光变向区将点源固态光源(例如LED)转换成平面光源。因此，从配备有足够数量的用来从背光提供充分亮度的固态光源的这种二维光变向区阵列中产生了大面积平面光源。光膜内的孔61提供一种使光膜厚度内的光源对准的装置。该孔也具有允许光从光源进入光变向区的光输入或光插入表面14。可将提供两个并排的LED63或背对背的LED 64的可选装置配置在该孔内以照亮两个不同的光变向区。虽然示出了从两端对光变向区照明，但一实施例可提供仅在一端照明或一端或两端照明混合的光源。这样的配置提供一种更均匀地照明显示器的装置。
优选地该膜具有50到1200毫牛顿的弯曲刚度。更优选地，在150到400毫牛顿。50毫牛顿以下的弯曲刚度难以处理和放置到显示器中。1200毫牛顿以上的弯曲刚度在辊轧制造工艺所需的辊附近难以弯曲。通过使用型号为16D的洛仑兹和Wettre刚度测试仪测量该膜或条的弯曲刚度。来自这个仪器的输出是单位为毫牛顿的力，需要将20mm长38.1mm宽的样品的悬伸和未夹紧端从未加载位置弯曲15度。
对于光导膜来说，优选地其厚度在0.1mm到1.0mm之间。更优选地该厚度在0.1mm到0.8mm之间。该膜的厚度与所需光源的发射表面相关。需要使该膜的厚度至少与光源的发射表面的厚度匹配，而且优选地，该膜的厚度约为光源的发射表面厚度的两倍。此外，本发明的光导膜具有10/1到1000/1的宽长比。
图2是具有光膜60(由虚线形成)和交错的光变向区12的背光照明区10的局部视图。这样的交错或交迭可按照一定频率的交变图案或可以是随机的，以便于最小化垂直列中垂直线区段69(由其中两变向区和任意相关LED以及它们之间的空区的区域形成)的数量。通过虚线75示出了虚构的垂直列。对此附图来说，这个虚构列中有三个垂直线区段。帧66可覆盖一些边缘光源。框架的厚度由水平虚线67表示。在显示器中该框架可以是如框架部分68所示地不透明。内壁65在背光的点亮观看平面和框架边缘之间形成边界。
图3A(俯视图)和3B(截面图)提供具有用于使光变向的多个区域和分通道的光输入的多区域光变向膜60。在此附图中膜14的光输入部分与该膜的光变向/发射部分以及固态光源的发射部分在同一平面内。图3B是该光膜和形成背光20的一些相关部件的截面图。光膜60是在底部反射器15上的具有形成图案的光变向区12的薄柔性透明网格。光膜60形成图案区12的平面观看区，而光膜60中的孔61和底部反射器中的孔16允许固态光源11将光发射到光膜60的一侧。通过在散热片的底部反射器中提供孔，驱动器和其它非发光表面可隐藏。薄反射条17用来覆盖光源(LED)和该孔，因此在背光或显示器的观看侧上它是不可见的。薄反射器可以是白扩散片或类似镜子的表面。扩散片18放置在光膜上。在一些实施例中，那里可能会有很小的空气间隙以辅助相对量的扩散，尽管该小气隙不是所有情况所必需的。该扩散片可以是其中扩散介质遍及该扩散片的整个厚度的大扩散片。该扩散片可以是平板或膜。在扩散性质上它也可以不对称。
应当注意，LED驱动器、电源、和散热片是通过底部反射器16中的孔位于底部反射器15之下。此外，在多区域光膜60中可以有孔或沟槽61。这样的孔或沟槽可形成或冲压到该膜中，以至少基本上环绕光源发射表面。该孔或沟槽可以是矩形、正方形、曲面或用来优化该孔的面积以及捕获光或尽可能多地将光引导到光变向区中的其它几何形状。该膜上的孔可以是膜上的通孔或成为该膜上的空腔的半通孔。在其中多于一个光变向区被照亮的膜的区域中，LED 11可以端对端配置64或并排并排配置63放置。一般而言并排配置将比端对端(背靠背)配置占据更少的横向空间。单个孔或沟槽可以提供向该光变向区左边提供光而另一LED向光变向区右边提供光的光源。虽然未示出，相对光变向也可定位成垂直放置以便于集中在LED上。光变向部件12可按照使其水平侧(或垂直侧，如果那样放置)光解耦的方式形成图案。薄反射条17可定位在LED上以便于将它们隐藏。虚构垂直线区段69在光变向区之间可具有一距离以容纳光源和与它们相关联的光输入表面。该距离可以从1到10mm地变化。所示配置最适合白光源。RGB LED的混色取决于膜的光耦合表面，而且最好和混色部分(这幅图中未示出)一起优化。
图4A(俯视图)和4B(截面图)提供具有用于使光变向的多个区域和分通道的光输入的多区域光变向膜60。光变向部件12的各个区域与穿过该膜或沟槽(通道)(没有完全穿过该膜)71的孔分离。光变向区之间缺少材料(空气)具有低折射率并且有助于最小化漏光。在此附图中该膜的光输入部分与该膜的光变向/发射部分在同一平面内。应当注意，LED驱动器、电源、和散热片是通过底部反射器16中的孔位于底部反射器之下。此外，在多通道光膜60中可以有孔61。这样的孔可以形成或冲压到该膜中，以便于至少基本上环绕光源。该孔可以是矩形、正方形、曲线形或用来优化该孔面积以及捕获光或尽可能多地将光引导到光变向区中的其它几何形状。在其中多于一个光变向区被照亮的膜的区域中，LED 11可以端对端配置64或并排配置63放置。一般并排配置将比端对端配置占据更少的横向空间。虽然未示出，相对光通道也可定位成垂直放置以便于集中在LED上。光变向部件可按照使其水平侧(或垂直侧，如果那样放置)光解耦的方式形成图案。薄反射条可定位在LED上以便于将它们隐藏。在这个实施例中还可使用其它膜来辅助光扩散、准直、光增强和或光偏振。
具有其中定位了LED以使固态光源的光发射表面处于膜的厚度平面中的孔或空腔61以及在光变向区之间的沟槽(通道)或条形孔的光膜提供在各个并排相邻的光变向条之间没有串音的膜。这样的膜的优点是，它可以与局部动态变暗(自适应变暗、主动变化、高动态范围)的背光兼容，与色彩连续LCD兼容而且容易制造。其缺点是对LED失效的较少耐受和制造中的额外条状开口。这个实施例优选地针对白光LED或白固态光源。如果需要有色LED，则可能需要混色部分(此附图中未示出)。
图5A(形貌视图)和5B(截面图)提供具有用于RGB LED或其它多色固态光源的混色区181的光膜60。设置有与各个光变向区12和/或各个光源11相关联的混色区。该混色区的长度或宽度可仅为几毫米。可调节其实际尺寸以获得最佳混色。该混色区没有光变向部件，并且在和平行于入射光的两侧上的沟槽182一起工作时效率最高。混色量取决于混色区181的光学表面上的TIR。沟槽182将混色区181与光变向区12分隔开。注意，沟槽182也可以是穿过膜60厚度的孔。沟槽182辅助光的TIR过程并最小化漏光。此外，应当注意所示的该实施例提供的是从两端照亮的光变向区。在给定光变向区中通过使混色区在水平位置偏移，其上或其下的区域(在侧边)可更均匀地被照亮。覆盖包括孔和光源的水平定位的光变向区之间的接缝的薄反射条也有助于最小化前灯或亮点。
图6A(俯视图)和6B(截面图)提供具有用于使光变向的多个区域以及混色区的光膜60。光变向部件的各个区域被孔或沟槽71分隔。光变向区之间缺少材料(空气)具有低折射率并且有助于最小化漏光。在此附图中该膜的光输入部分与该膜的光变向/发射部分在同一平面内。应当注意，LED驱动器、电源、和散热片是通过底部反射器16中的孔位于底部反射器之下。此外，在多通道光膜60中可以有孔61。这样的孔可以形成或冲压到该膜中，以便于至少基本上环绕光源。该孔可以是矩形、正方形、曲线状或用来优化该孔的面积以及捕获光或尽可能多地将光引导到光变向区中的其它几何形状。在其中多于一个光通道被照亮的膜的区域中，LED 11可以端对端配置64或并排配置63放置。一般并排配置将比端对端配置占据更少的横向空间。虽然未示出，相对光通道也可定位成垂直放置以便于集中在LED上。光变向部件可按照使其水平侧(或垂直侧，如果那样放置)光解耦的方式形成图案。薄反射条可定位在LED上以便于将它们隐藏。在这个实施例中还可使用其它膜来辅助光扩散、准直、光增强和或光偏振。
具有将LED穿过放入或将LED固定在插入条的孔或空腔的整个膜在光提取区之间形成孔径形状。在各个并排相邻光提取条之间没有串音。其优点是与局部动态变暗(自适应性变暗、主动变化、高动态范围)背光兼容，与连续色LCD兼容，而且易于制造。其缺点是对LED失效的较少耐受性和制造中的额外条状开口。优选地这些实施例针对RGB LED或RGB固态光源。对RGB LED的混色取决于混色区x1的光学表面上的TIR。沟槽x2(也可换用孔)将混色区x1与光变向区12分隔开。
图7示出没有如上图所示的薄反射条17的背光实施例的截面图。扩散性光变向部件183和/或184可放置在膜上并放置在LED光发射表面185和膜60的光输入表面14之间的有限间隔上的LED顶部区域中，以便于使未耦合的光——因为光插入的耦合效率小于100％而没有透射到膜中——向LED顶部变向，以使LED顶部和LED光发射表面与膜的光输入表面之间的有限间隔顶部上的亮度接近光变向区12顶部的亮度。虽然此附图示出扩散光变向部件183和184在光膜60中形成，但一替换实施例可将形成图案的分离膜放置在光膜60的顶部。这将会具有与所示实施例相似的效果。在这个实施例中，还可使用其它膜来辅助光扩散18、准直、光增强和或光偏振。
图8示出配备有侧射LED光源11的光膜60——其中侧射LED光源位于该光膜中的孔63中——的一部分的透视截面图。光膜60具有包括光变向部件80的光变向区12。应当注意，此附图是不合尺寸的，而且不应当基于此附图设想任何结论。例如光变向区看起来像粗条，而实际上它是具有变向部件的薄膜区，而且其宽度大于其厚度，虽然此附图中所示地不是这样。这容易完成以提供对光变向部件的更多理解。光变向部件在形状、设计、封装密度、深度、和平滑度上可变化以将均匀的照明引导到显示器或背光的观看侧。在本发明的一些实施例中，可在光变向区之间设置浅孔或沟槽71。该孔或沟槽旨在提供光变向部件之间的光隔离。还应当注意，该孔或沟槽可延伸以隔离孔63与光变向区12之间的膜区域。通过将这样的部件放置在孔和部件之间的膜区周围，该区域可担当混色区所以可使用RGB光源。如果该沟槽或孔71未延伸到这个区域中，可能需要使用不需要混色的白光或其它光源。这些孔/沟槽位于光变向区之间而且非常浅。它们的宽度可从几微米到几毫米变化。该孔提供低折射率区域而且辅助将光保持在变向区中。此外，在观看者一侧表面光变向区可具有可与或可不与光变向部件一起使用的透镜部件。
图8示出配备有侧射LED光源11的光膜60——其中侧射LED光源位于该光膜中的孔63中——的一部分的透视截面图。光膜60具有包括光变向部件80的光变向区12。应当注意，此附图是不合尺寸的，而且不应当基于此附图设想任何结论。例如光变向区看起来像粗条而实际上它是具有变向部件的薄膜区，而且其宽度大于其厚度，虽然此附图中所示地不是这样。这容易完成以提供对光变向部件的更多理解。光变向部件在形状、设计、封装密度、深度、和平滑度上可不同以将均匀的照明引导到显示器或背光的观看侧。在本发明的一些实施例中，可在光变向区之间设置浅孔或沟槽71。该孔或沟槽旨在提供光变向部件之间的光隔离。还应当注意，该孔或沟槽可延伸以隔离孔63与光变向区12之间的膜区域。通过将这样的部件放置在孔和部件之间的膜区周围，该区域可用作混色区所以可使用RGB光源。如果该沟槽或孔71未延伸到这个区域中，可能需要使用不需要混色的白光或其它光源。这些孔/沟槽位于光变向区之间而且非常浅。它们的宽度可从几微米到几毫米变化。该孔提供低折射率区域而且辅助将光保持在变向区中。此外，在观看者侧表面光变向区可具有可与或可不与光变向部件一起使用的透镜部件。
图9A是光输入的前视图而图9B是光输入表面的俯视图。该表面提供用于改善到光膜的光进入表面14且可通过其物理设计、形状和配置被加强的光耦合的装置。这可包括但不限于用来减少头照明的凸透镜结构102。该类透镜结构提供扩散或发散光的装置。该类透镜结构可用来在光进入膜之后发散它以增大其覆盖面积并增强RGB LED或RGB固态光源的混色。
图9C示出设置有锥形混光区181和具有凸透镜14的光输入表面以及相关联的固态光源11的光变向阵列13的元件的俯视图。该锥形混色区提供用来在更大尺寸上发散来自LED的光的装置，还提供通过混色LED形成白光照明的装置。当与有结构的光输入表面(凸透镜、棱镜、通道、单个元件或粗糙表面)组合使用时，可捕获来自光源的更多光并将其引导到光变向区中。对通道或光学结构阵列来说，该部件可水平或垂直或二者组合地工作，或按照所需图案(在此附图中未示出)形成图案。
图9D示出LED光源11和与它们相连的光变向区12以及插入该光膜内孔61的厚度平面的具有光学部件14的光输入表面的几种配置的俯视图；透镜结构的优点是在光从光源11发射时捕获更多的抛物线状光。当光进入膜时透镜结构还辅助准直光。这为进入光膜的更多光提供更优选的TIR角度。此外，光膜的光输入区可以是抗反射的以便减少内损耗。
图10A提供具有固态光源11和大功率微凸透镜102的光膜的光源和光进入表面101的前视图。放大部分是透镜的侧视图。透镜形状可为如放大部分102所示的大功率透镜。其优点是提供减少的头照明的膜以及辅助混色。如该俯视图中所示的大功率透镜提供使来自膜上部和下部的漏光减少的透镜设计。大功率透镜提供更多可改善TIR角度的光准直，因而将更多光导向该膜具有光变向部件的部分。垂直的大功率透镜使来自膜上部和下部的漏光减少。这个实施例可以和RGB光源或白光源一起使用。如果使用RGB光源，优选地额外使用混光区。虽然此附图提供具有基本相同透镜的实施例，但另一实施例可因变于与LED的距离改变透镜尺寸。朝边缘或甚至与lenslet组合的棱镜形状结构可能需要稍微更大的透镜来辅助捕获光以及引导更多光以合适的TIR角度进入膜。在这些实施例中有用的透镜可以延伸到光膜的整个厚度或仅覆盖膜厚度的一部分。在另一实施例中可设置垂直尺寸的部分透镜形状和工作在水平尺寸104的另一组更大的上下透镜。
图10B提供具有固态光源11和超大功率微凸透镜103的光膜的光源和光进入表面101的俯视图。图10B所示的放大部分是超大功率透镜的截面图。超大功率透镜具有伸长的主体而且它有助于减少头照明还提供一些混色。此外，它提供水平方向的扩散。
图11A、B和C分别示出其中透镜的发光表面具有成形的光学结构的LED光源的前视图、侧视图和俯视图。LED光输出部分的形状还可以包括透镜。图11A提供固态光源11的光源和大功率微凸透镜102的前视图。放大部分是透镜之一的侧视图。透镜形状可为如放大部分102所示的大功率透镜。其优点是提供减少的头照明LED以及辅助混色。如俯视图中所示的大功率透镜提供使来自膜上部和下部的漏光减少的透镜设计。大功率透镜提供更多可改善TIR角度的光准直，因而将更多光导向该膜具有光变向部件的部分。垂直的大功率透镜使来自膜上部和下部的漏光减少。
图11B提供LED和发光侧透镜的侧视图。这个实施例可以和RGB光源或白光源一起使用。如果使用RGB光源，优选额外使用混光区。图11C提供光源11和超大功率微凸透镜103的俯视图。所示的放大部分是超大功率透镜的截面图。超大功率透镜具有伸长的主体而且它有助于减少头照明还提供一些混色。此外，它提供水平方向的扩散。
在图12A、B和C中示出另一透镜配置。图12A提供具有低功率微凸透镜104的光膜的光进入表面101的前视图。这个实施例可与固态光源优选白光LED一起使用。该透镜形状如图12B的截面所示在垂直尺寸上有变化的大功率设计以减少膜的上部和下部的漏光。在水平尺寸上透镜设计为低倍以减少头照明而且还提供更少准直。
图13A是具有固态光源11的光变向区12的截面图。虚线表示光变向区的光源发射表面和光输入表面之间的距离131。光变向区是本发明的薄膜。需要提供尽可能接近的间隔以最大化光进入变向区的总体效率。光变向区的厚度也很重要。图13B是表示通常与光源133的厚度有关的光变向区132越厚，耦合效率越高的透视图。为获得相同的光输入效率，更厚的光变向区比更薄的光变向区提供稍微更长的距离131。对薄光膜来说需要具有0.01到1mm之间的距离。图13C提供示出光源表面相对光变向区的光输入表面精确定位的需求重要性的曲线表。
图14A、B和C提供本发明的其它实施例的截面图。图14A是其中上端倾斜或为削边141以辅助发散光来帮助掩盖或隐藏固态光11的光膜内部的光变向区12。示出了两个实施例，一个是针对从两端被照亮的光变向区，其两端设置有斜面。对仅从一端照亮的光变向区来说，可设置一斜面来帮助发散相邻固态光源上的光。帧66可以隐藏边缘LED和与它相关的散热片和驱动器。应当注意，这些附图中所示的相对尺寸是不正确的，因而不能基于附图的相对尺寸得出结论。
图14B是其中LED定位于光变向区12的凹部142下方的光膜的截面图。这个区域帮助隐藏LED，因为光强部分被部分引导到LED顶部上。此外，可使边缘倾斜(未示出)以提供改善的光均匀性。应当注意光变向区不需要按比例绘制。相对厚度可以更小而长度可以更长。还应当注意显示器上光变向区的数量也可以更多。图14C是其中已经从底部在光膜中形成通道或凹部而使一部分可架起光源的另一实施例的截面图。凹部区域可基本上是正方弯角或它们可以是圆形或削边的。在凹部区域中的LED 11顶上可设置光学部件80。该光学部件可具有多种形状而且它们可以是孔、诸如棱镜、透镜或其它复杂形状之类的形成的部件或结构。该部件可以是单独的结构或它们可形成通道。部件密度(数量)可随与光源的距离而不同。通常当与光源的距离增加时设置更高密度的部件。其目的是在显示器或背光表面上提供均匀照明。