專利名稱：光學增強雙液晶顯示背面光裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種液晶顯示器，并具體地涉及一種適用于在從明亮太陽光到完全黑暗變化的環境照明中，包括與夜視成像系統(NVIS)一起使用以使顯示清晰度最優化的液晶顯示器。
現有技術的液晶裝置的背面光系統通常不能有效地收集光。一種傳統系統使用的液晶顯示器(LCD)與其中產生光的白色腔室相連接。在這一系統中，產生寬角度的均勻光。然而，由于LCD限制了視角，并且當它們放在寬角度的均勻光之中時，大量的背面光無法利用。結果是沒有圖像的白光，或者干擾圖像，使得視域端部的對比度很差。要想補償光線和低對比度的損失，必須采用大量熒光管或類似光源。
在某些現有的系統中，可以使用平面反射鏡。然而，如本發明所提出的，若要使用全內反射(TIR)透鏡，由于TIR透鏡是非線性的，TIR透鏡會將更大部分光傳播到其中心而不是其邊緣。因此，其中心比邊緣照得更亮。這種非均勻照明會損壞顯示圖像。
某些傳統的液晶裝置的背面光系統，例如美國專利5,211,463中所說明的，其性能很滿意，但耗能很大，因為光學照明系統通常是低效率的。
這些以及其它問題由本發明加以說明并可成功地予以克服。光發射裝置與非成像光學元件相結合，以建立用于彩色液晶顯示器(LCD)的背面光系統。
通常，將一對光學隔離子系統、一夜視成像系統(NVIS)和一日光系統組合，以提供在從明亮太陽光到完全黑暗之間變化的環境照明中的最佳顯示清晰度，并可包括使用夜視護目鏡的操作。此子系統使用基于全內反射(TIR)和光反射的非成像光學鏡片，兩者被耦合至一光發射源，例如熒光管和其它線狀光源。將光反射器整形成使其將光集中到非成像光學鏡片上，以便補償TIR透鏡的非線性特性。
由此可得到幾個優點。能夠為LCD提供足夠的背面光，以便(1)減小能量需求；(2)得到緊湊的體積，(3)通過從光源散熱而便于熱量管理。因此，該用于彩色液晶顯示器的背面光系統是高效率的。與傳統系統相比，至少能節省50％的能量。非成像光學鏡片具有非常有效地俘獲從光源發出的光的能力，以及將其對準液晶顯示器的能力，以便于白天操作和晚上的光波導。背面光組件也可封裝在大約半英寸厚的典型平面輪廓中。
本發明的其它目的和優點，以及對本發明的更完整的理解通過下面對實施例及其附圖的解釋將會更清楚。
圖1是本發明優選實施例的透視圖；圖2是圖1所述實施例的頂視圖，其蓋的一部分被去掉而露出其內部；圖3是圖2所述實施例沿線3-3的放大視圖；及圖4是圖3所示日光照明區(對于夜晚照明區也同樣是這樣)的一部分的進一步的放大視圖，以說明如何直接地和通過自光源的反射來將所選擇的光線透射成準直的圖形。
參照圖1-3，光學增強雙液晶顯示背面光系統10包括一中心放置的日光照明部件12和放在部件12的端部的一對夜晚照明部件14。部件12和14由基座16支持，上面蓋有波導18。波導在其側面20以反向傾斜部分結束，呈現梯形外觀。NIVS照明部件14通過光學壁壘22與日光照明部件12進行光學隔離，以防止其間的光透射。需要確保所有夜光照明均通過NVIS濾光器54被透射。反射鏡24放置在夜光照明部件14的外側。日光照明部件12包括多個內部的被連續放置的光學單元26，而夜光照明部件14每個包括一側部單元28。
如圖3和4中最佳的圖示，日光照明部件12的每個內部單元26包括全內反射(TIR)透鏡30、反射鏡部分32及熒光管34。而圖中的全內反射(TIR)透鏡30包括幾個通過適當光傳導粘接材料37連接在一起的連續放置的透鏡，它們可以被集成地形成。這種選擇是一種節省的方案。所使用的熒光管的數目依LCD的整體大小而定。每個內部單元的全內反射透鏡30具有小平面36a和36b，以便將來自熒光管34的入射光透射為準直的輸出光42。小面36a和36b被構成為將來自熒光管34的反射及直射光(在圖4中分別以38和40表示)中繼并轉換成準直光42。該準直光被引導至波導18并從而引導至一液晶裝置。由于一典型的全內反射透鏡不均勻地透射光，它將光集中在其中心而非在其邊緣；因此，中心處的光要比邊緣處的光明亮。內部單元的反射器32被設計成修正該象差，如下面馬上所描述的。
反射器部分32包括一對凹形結構的全內反射透鏡表面44，通過一直立部分46連接在它們的中心處。熒光管34或其它線狀光源通過一對支持架48(見圖1和2)(僅在這些附圖中示出一處)被支持在各中心支座46上并且支持部位在這些線狀光源的端部。可通過任意適當的方法，例如通過凝膠在中心支座46頂上沿著光源管34的長度增加這些光源管34的支持部分以保持這些光源管免受損害，例如防沖擊和振動。透鏡32的反射器表面44被彎曲成使更多部分的光線被聚集在TIR透鏡30的外部(由標號50表示)以對這些全內反射透鏡中的任何非線性進行補償。
波導18包括位于日光照明部分12頂上的一亮度增強膜52和分別位于夜晚照明部分14頂上的一對NVIS濾光器54。一擴散器板56被結合至波導18的頂表面。
各夜晚照明部分14包括一局部全內反射透鏡30a和一反射器部分32a，反射器部分32a具有一起立部分46a，一熒光管34a被支持在其上。除被分段外，各全內反射透鏡30a和一反射器部分32a精確地如日光照明部分12的全內反射透鏡30和反射器部分32一樣被構成并工作。
在工作中，來自光源管34和34a的向下光線以一預定的分布向上反射。直射光線40和反射光線38照射在全內反射(TIR)透鏡30和30a的小面上。位于中間的覆蓋整個LCD有效區域的光源管34被用于日光用途。垂直反射器24有助于使光損失最小。由于夜晚工作需要更低水平的照明，減少光傳輸中的效率不是有效的。來自這些光源管的光線被注入波導18及其擴散器板56以通過散射的光照明該LCD。在夜視成像系統(NVIS)應用中，在光路中設置濾光器54以濾除紅外輻射來滿足系統要求。
用于白天和夜晚工作的均勻照明被不同地獲得。TIR透鏡30和30a通過其自己非常有效地準直來自光源在上部180°圓弧上出射的光，在該光源上方的強度恰好是最好的。如圖4中所示，反射器32和32a的主要目的是將在下部180°出射的光線垂直射向TIR透鏡30和30a以便由熒光管生成的幾乎所有的光可被用于照明LCD。由于光線38中的一些進入TIR透鏡的相對小面36b，相似地直射光線40到直射小面36a，不是所有這些光線被準直。這有助于散射光線。如上所述，反射器32和32a的第二個目的是整形反射輪廓以盡可能地對TIR透鏡30的非線性進行補償。擴散器52然后執行最后的接觸，建立一具有與LCD的視角輪廓相匹配的色散角的均勻背面照明(backlit)表面。
盡管相對于具體實施例對本發明進行了描述，但可以認識在不脫離本發明的精神的范圍的前提下可作出各種變化和改型。
權利要求
1.一種用于液晶裝置的顯示器的光學增強雙顯示背面光裝置(10)，包括一日光照明部分(12)，包括多個內部的，鄰接定位的光學單元(26)，該多個光學單元(26)由一對側面單元定界，各所述內部單元(26)包括一反射器(32)，一全內反射透鏡(30)和一熒光管(34)，所述內部單元的反射器(32)具有一對成凹形反射表面的部分(44)，它們連接在一支持所述熒光管的中心支座(46)上，以將來自熒光管的光引向所述全內反射透鏡(30)，各所述凹形部分被構成為對其反射輪廓進行成形以對所述全內反射透鏡中的任何非線性進行補償，及各所述內部單元的全內反射透鏡(30)具有小面(36a,36b)，它們被構成為將來自所述內部單元的熒光管(34)的反射光和直射光中繼為準直光以傳送給一液晶裝置；一對不透明的光學壁壘(22)，它們分別被相對于所述內部單元進行定位；一夜光照明部分(14)，包括一對外部光學單元，該對外部光學單元各自具有相鄰所述外部壁壘而定位的第一側面和包括一側面反射器(24)的第二側面，各所述外部單元包括一反射器部分(32a)、一全內反射透鏡部分(30a)和一熒光管(34a)；各所述外部單元的反射器(24)具有一對成凹形反射表面的部分(44)，它們連接在一支持所述外部單元的熒光管(34a)的中心支座(46a)上，以將來自熒光管的光引向所述全內反射透鏡(30a)，各所述凹形部分(44a)被構成為對其反射輪廓進行成形以對所述全內反射透鏡中的任何非線性進行補償，及各所述外部單元的全內反射透鏡(30a)具有小面，它的被構成為將來自所述內部單元的熒光管的反射光和直射光中繼為準直光以傳送給一液晶裝置；及一波導(18)，可位靠于一液晶裝置并包括一位于所述日光照明部分(12)頂上的亮度增強膜(52)和分別位于所述夜晚照明部分(14)頂上的一對NVIS濾光器(54)，所述擴散器板(56)與所述波導(18)的頂部相接觸。
2.一種光學增強雙顯示背面光裝置，包括一日光照明部分，一夜光照明部分，和光學地分離所述日光和所述夜光部分的光學壁壘裝置。
3.根據權利要求2的裝置，其中所述日光照明部分包括多個內部的，鄰接定位的光學單元，其中各光學單元設置有反射器裝置，全內反射透鏡和光源，且其中各所述內部單元的反射器裝置相對于所述光源定位以使將來自所述光源的光引向所述全內反射透鏡，及各所述內部單元的全內反射透鏡被構成為將來自所述內部單元的光源的反射和直射光中繼為準直光。
4.根據權利要求3的裝置，其中所述夜光照明部分包括至少一個外部光學單元，該外部光學單元被定位相鄰于所述壁壘裝置且包括反射器裝置，全內反射透鏡和光源。其中所述外部單元的反射器裝置相對所述外部單元的光源被定位以將來自光源的光直射給所述全內反射透鏡，且所述外部單元的全內反射透鏡被構成為將來自所述外部單元的光源的反射和直射光中繼為準直光。
5.根據權利要求4的裝置，其中各所述內部及外部單元的反射器裝置被構成為對其反射輪廓進行成形以對其各自的全內反射透鏡中的任何非線性進行補償。
6.根據權利要求5的裝置，其中各所述內部和外部單元的反射透鏡具有可實現光的準直的小面。
7.根據權利要求6的裝置，其中所述光學壁壘裝置包括一對各被相對于所述內部單元的最外邊一個進行定位的一對不透明的光學壁壘。
8.根據權利要求2的裝置，其中所述夜光照明部分包括至少一個外部光學單元，該外部光學單元被定位相鄰于所述壁壘裝置且包括反射器裝置。全內反射透鏡和光源，其中所述外部單元的反射器裝置相對于所述外部單元的光源被定位以將來自光源的光引向所述全內反射透鏡，且所述外部單元的全內反射透鏡被構成為將來自所述外部單元的光源的反射和直射光中繼為準直光。
9.根據權利要求8的裝置，其中所述日光照明部分包括多個內部的，鄰接定位的光學單元，其中各光學單元設置有反射器裝置，全內反射透鏡和光源，且其中各所述內部單元的反射器裝置相對于所述光源定位以使將來自所述光源的光引向所述全內反射透鏡，及各所述內部單元的全內反射透鏡被構成為將來自所述內部單元的光源的反射和直射光中繼為準直光。
10.根據權利要求2的裝置，其中所述日光照明部分包括多個內部的，鄰接定位的光學單元，其中各光學單元設置有反射器裝置、全內反射透鏡和光源。
11.根據權利要求10的裝置，其中所述夜光照明部分包括至少一個外部光學單元，該外部光學單元被定位相鄰于所述壁壘裝置且包括反射器裝置，全內反射透鏡，和光源。
12.根據權利要求11的裝置，其中各所述內部單元的反射器裝置具有相對于所述內部單元的光源被定位以使將來自光源的光引向所述全內反射透鏡的反射器，且各所述內部單元的全內反射透鏡被構成為將來自所述內部單元的光源的反射和直射光中繼為準直光；及各所述外部單元的反射器裝置相對于所述外部單元的光源被定位以將來自光源的光引向所述全內反射透鏡，且各所述外部單元的全內反射透鏡被構成為將來自所述外部單元的光源的反射光和直射光中繼為準直光。
13.根據權利要求12的裝置，其中各所述內部及外部單元的反射器裝置被構成為對其反射輪廓進行成形以對其各自的全內反射透鏡中的任何非線性進行補償。
14.根據權利要求13的裝置，其中各所述內部和外部單元的反射透鏡具有可實現光的準直的小面。
15.根據權利要求2的裝置，其中所述夜光照明部分包括至少一個外部光學單元，該外部光學單元被定位相鄰于所述壁壘裝置且包括反射器裝置，全內反射透鏡，和光源。
16.根據權利要求15的裝置，其中所述日光照明部分包括多個內部的，鄰接定位的光學單元，其中各光學單元設置有反射器裝置、全內反射透鏡和光源。
17.根據權利要求16的裝置，其中各所述內部單元的反射器裝置具有相對于所述內部單元的光源被定位以使將來自光源的光引向所述全內反射透鏡的反射器，且各所述內部單元的全內反射透鏡被構成為將來自所述內部單元的光源的反射和直射光中繼為準直光；及各所述外部單元的反射器裝置相對于所述外部單元的光源被定位以將來自光源的光引向所述全內反射透鏡，且各所述外部單元的全內反射透鏡被構成為將來自所述外部單元的光源的反射光和直射光中繼為準直光。
18.根據權利要求17的裝置，其中各所述內部及外部單元的反射器裝置被構成為對其反射輪廓進行成形以對其各自的全內反射透鏡中的任何非線性進行補償。
19.根據權利要求18的裝置，其中各所述內部和外部單元的反射透鏡具有可實現光的準直的小面。
20.一種根據權利要求19的用于液晶裝置的顯示器的裝置其中所述壁壘裝置包括被定位相鄰于所述內部單元的最外邊一個的一對光學壁壘，且所述夜光部分包括一對夜光照明部分且通過所述光學壁壘而被各自地分離開；及還包括有一位于所述日光照明部分頂上的亮度增強膜，一對分別位于所述夜光照明部分頂上的NVIS濾光器，一波導可位靠于所述液晶裝置，及一擴散器板與所述波導的頂部相接觸。
全文摘要
發光裝置與非成象光學元件相組合以構成一用于液晶顯示器(LCD)的背面發光系統。一對光學隔離的子系統,一夜視成象系統(NVIS)(14)和一日光系統(12)被組合以提供在從明亮太陽光到完全黑暗的環境照明中最優的顯示清晰度。這些子系統采用基于兩者都被耦合至一光源,例如熒光管(34)及其它線狀光源的全內反射(TIR)和光反射的非成象光學鏡片。光反射器(32)被成形以將光聚集在非成象光學透鏡(30)上以對TIR透鏡的非線性特性進行補償。
文檔編號G02F1/13357GK1213785SQ98103069
公開日1999年4月14日 申請日期1998年7月23日 優先權日1997年7月23日
發明者埃德溫·I·伯納德 申請人:利頓系統公司