專利名稱：具有線性減少的發(fā)散的背光單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種用于例如膝上LCD顯示器的背光顯示設(shè)備的背光照明裝 置，更具體地涉及調(diào)整所給出照度的角度發(fā)散的裝置和方法。
背景技術(shù)：
盡管LCD顯示器為CRT監(jiān)視器提供一種緊湊、輕便的選擇，然而有很多場 合LCD顯示器由于其低照度水平——更確切說其亮度——是不盡如人意的。用于 傳統(tǒng)膝上計算機顯示器的透射型LCD是一種背光顯示器，它具有設(shè)置在LCD后面 用來朝LCD向外引導(dǎo)光的光提供表面。這種光提供表面本身提供基本呈郎伯分布 的照度，即在寬范圍角上具有基本恒定的亮度。以增加同軸和近軸亮度為目的，已 提出使用數(shù)個照度增強膜以相對顯示表面向法線方向重引導(dǎo)一部分這種具有郎伯 分布的光，由此提供減少這種照度的光角度發(fā)散的一些措施。已記載有用于LCD 顯示器和其它類型背光顯示器的各種照度或亮度增強的解決方案。
5,592,332號美國專利(Nishio等)記載了用兩交叉設(shè)置的雙凸透鏡表面來調(diào) 節(jié)LCD顯示裝置中的光的角度范圍。5,611,611號美國專利(Ogino等)記載了用 菲涅耳透鏡片和雙凸透鏡片兩者結(jié)合的背投顯示器來獲得想要的光發(fā)散和亮度。 6,111,696號美國專利(AIlen等)記載一種顯示器或燈具的照度增強膜。面向光源 的膜表面是光滑的；與之相對的表面具有諸如三面體棱鏡的一系列結(jié)構(gòu)，用來重定 向照明角。膜折射軸外光以提供以更窄的角度引導(dǎo)光的校正度。然而，這種膜設(shè)計 在重定向軸外光方面效果最佳；與膜表面垂直的入射光會被反射回光源，而不是透 過膜表面。
5,629,784號美國專利(Abileah等)記載多個實施例，其中采用棱鏡薄片以提 高反射型LCD顯示器的照度、對比度和色彩均一性。照度增強膜的結(jié)構(gòu)化表面朝 向反射的光源以提供增強的亮度和降低的環(huán)境光影響。由于這種元件是用于反射型 成像裝置的，因此棱鏡薄片被設(shè)置在觀看者和LCD表面之間，而不是處于透射型 LCD系統(tǒng)的位置(即光源和LCD之間)。2001/0053075號美國專利申請(Parker
等)記載多種用于LCD顯示器的光重定向膜的表面結(jié)構(gòu)，包括棱鏡和其它結(jié)構(gòu)。
5,887,964號美國專利(Higuchi)等記載一種沿每個表面具有延長的棱鏡結(jié)構(gòu)的透 明棱鏡薄片，用來增強LCD顯示器中的背光傳播和亮度。然而，大量同軸光通過 這種結(jié)構(gòu)被反射而非透過。這種結(jié)構(gòu)僅適用于小型、手持顯示器并且不使用郎伯光 源。
6,356,391號美國專利(Gardiner等)記載使用一排棱鏡在LCD顯示器中重定 向光的一對光轉(zhuǎn)向膜，這種棱鏡可具有不同的尺寸。6,280,063號美國專利(Fong 等)記載在膜具有鈍化的或圓整的峰的一側(cè)具有棱鏡結(jié)構(gòu)的照度增強膜。6,277,471 號美國專利(Tang)記載包括多個具有若干小型曲面的一般三棱鏡結(jié)構(gòu)的照度增 強膜。5,917,664號美國專利(O'ndll等)記載一種相比傳統(tǒng)膜類型具有"軟"截 止角的照度增強膜，由此降低亮度隨視角增大的變化。5,839,823號美國專利(Hon 等)記載一種使用一排微型棱鏡的非郎伯源的光再生的照明系統(tǒng)。5,396,350號美 國專利(Beeson等)記載具有光再生特征的背光裝置，它對裝置中光重定向采用 光源接觸的一排微型棱鏡，其中熱量是一個問題，而相對不均一的光輸出是可接受 的。


圖1示出一種類型的現(xiàn)有技術(shù)解決方案，即用來增強提供自光源18的光的照 度增強膜10。照度增強膜10具有朝向含反射表面19的導(dǎo)光板14 (LGP)的光滑 側(cè)12以及面向LCD元件20的多排三棱鏡結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，如6,111,696和5,629,784 號(上面已列出)以及5,944,405號美國專利所記載的那樣， 一般工作良好并通過 折射軸外光線提高同軸照度并使這種光的一部分更靠近垂直的光軸，從而提供某種 程度上準(zhǔn)直的照度。如圖1所示，軸外光線R1向法線折射。然而，應(yīng)當(dāng)注意由于 全內(nèi)反射(TIR)，近軸光線R3可能以更極端的角度偏離法線地折射。另外，同 軸光線R4實際被反射回導(dǎo)光板14,從反射表面19散射和折射而不是被導(dǎo)向至LCD 元件20。這種近軸光的折射和同軸光的至少一部分反射回導(dǎo)光板14用來相對視角 調(diào)節(jié)發(fā)光亮度，如下面描述的那樣。通過導(dǎo)光板14和反射表面19的作用，從照度 增強膜10反射回來的一部分光最后被散射并再次以大致法線角度向外引導(dǎo)向LCD 組件。當(dāng)然，由于反射表面19的低效率，在多次反射后會有一些光損失。
照度增強膜10的目的在于重定向來自導(dǎo)光板14在大角度范圍提供的光，以 使將提供給LCD元件20的更多輸出光引向法線方向，通過提供某一程度的準(zhǔn)直來 改善光方向。這樣，照度增強膜10幫助提高顯示亮度，不僅包括從正面觀看(即 顯示表面的法線方向)的情況，還包括從傾斜角度方向觀看時的情況。 盡管增強同軸亮度并提供更均一的光表面被認(rèn)為是有利的，然而也考慮提供 增強的背光照度。軸外照度能在除垂直于LCD表面以外的入射角上以多種方式損
害圖像質(zhì)量。LC器件的光角度依賴性示出于圖2A和2B中。在圖2A中，垂直入 射的光被傳過后偏振鏡202，隨后通過LC層200中的一段距離，在這段距離上其 偏振度根據(jù)像素狀態(tài)被調(diào)制。然后透過前偏振鏡204觀看照度。如圖2B所示，軸 外光通過相同的元件，但如圖所示地在距離d'上被調(diào)制。根據(jù)LC器件的類型和角 度e，略為不同的光相位延遲作用于軸外光。另外，由于LC材料的雙折射性，不 同的折射率適用于光的不同偏振狀態(tài)。這種作用導(dǎo)致在不同視角上的色移。另外， 這種軸外照度的處理由于散射光還會降低對比度并降低LC器件的總灰度分辨率。 這種行為在傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)向列TNLCD元件中尤為突出。
光補償器提供一種在處理軸外光時校正這種差異的方案。參照圖3，這里示出 一種將TNLCD器件作為LC元件20的顯示設(shè)備100，它具有支持補償器210、 212 和偏振鏡202、 204。就其結(jié)構(gòu)而言，補償器210、 212典型地采用通過從幾何上監(jiān) 控一部分光導(dǎo)向器的空間取向來抵消LC調(diào)制器中的光導(dǎo)向器的正雙折射的盤狀 LC元件。在操作中，光補償器210、 212提供補償?shù)呢?fù)雙折射以彌補LCD元件20 的正雙折射，如圖3中的TNLCD調(diào)制器所示。對于傳統(tǒng)的TN器件，使用兩補償 膜210、 212，它們分別被設(shè)置在LCD的每一側(cè)。采用這種結(jié)構(gòu)，可在視角的范圍 內(nèi)顯著地提高對比度。
自從最早引入LCD顯示器后，己在LC技術(shù)方面作出了許多改進。垂直對齊 (VA)型LCD已表現(xiàn)出在寬視角上提供改善的性能。將補償膜添加至VA型LCD 導(dǎo)致對比度顯著提高。作為比較，圖4A-4D示出下列配置的ISO比較圖
圖4A示出無補償時TNLCD的ISO對比度曲線，其圖例適用于圖4A和4B;
圖4B示出有補償時TN LCD的ISO對比度曲線；
圖4C示出無補償時VALCD的ISO對比度曲線，其圖例適用于圖4C和4D; 圖4D示出有補償時VA LCD的ISO對比度曲線；
更新類型的LCD提供進一步的改善。光補償?shù)碾p折射(OCB) LCD，正如其 名字所暗示的那樣，對固有雙折射提供一種內(nèi)在補償?shù)拇胧?，由此在許多場合下不 需要補償器。作為對比，圖5A和5B示出無補償和有補償時OCB LCD的ISO對 比度曲線。
另一種最新發(fā)展，對每個像素使用橫向電場的面內(nèi)切換(IPS) LCD提供更為 均一的液晶取向的方向控制，這導(dǎo)致在對比度和顏色方面與視角關(guān)聯(lián)的差異降低。
圖15A和15B分別示出無補償和有補償時IPSLCD的ISO對比度曲線。在圖15B 中，第一曲線66表示250的對比度水平。第二曲線68表示200的對比度水平。圖 17示出IPS LCD的對比度曲線。
對于較早的TN和VA型LCD， 一般需要某些類型的補償膜以提高寬視角上 的性能，如圖4A-4D所示。對于更近時間研發(fā)的OCB和IPSLCD，仍然可以使用 補償膜；然而，對于OCB和IPS器件，由補償器提供的性能改善會被成本缺陷和 由于這些附加薄膜產(chǎn)生的光損失所抵消。當(dāng)使用這些器件時提供改善的對比度而不 用到補償膜是有利的。
最小化或消除補償膜需求的一種方法是減小入射照度的角度。減少照度的角 度發(fā)散使己調(diào)制光的對比度和顏色特性更好。具有沿任何方位角方向離法線方向具 有相對小發(fā)散角的完全準(zhǔn)直的光將會是理想的。盡管從(圖1的)導(dǎo)光板14上的 任何點提供完全準(zhǔn)直的光是有利的，然而這證明是難以實現(xiàn)的。
參照圖6A、 6B和6C，其中分別示出LC顯示器的發(fā)光元件的立體圖、側(cè)視 圖和俯視圖。定義兩個方位角方向x平行于光源18， y與之垂直。導(dǎo)光板14的 表面是基準(zhǔn)x、 y面。這里，光源18是CCFL (冷陰極螢光燈)或相同的元件，它 具有高度dco^和長度WCCFi^。
通過考慮y方向的光學(xué)徑角性(etendue)，能夠看出可沿y方向提供降低的 角度發(fā)散。在一般情況下，光學(xué)徑角性E被定義為
E=A* Q (1)
其中A是光束在其上傳播的面積而Q是光束發(fā)散角。由于光學(xué)徑角性通過該 光學(xué)系統(tǒng)而增大，因此對使用導(dǎo)光板的設(shè)備存在下列關(guān)系 <formula>formula see original document page 7</formula> (2)
其中9cctl是來自CCFL的光束沿y的發(fā)散角，0 lcp是來自導(dǎo)光板的沿y的 發(fā)散角。
實踐中，LLGP的值遠(yuǎn)大于dCCFL的值，因此能構(gòu)想出e CCFI>> e LGP的背光設(shè)計。 這種關(guān)系意味著照度在y方向上在寬角度范圍內(nèi)不發(fā)散。然而這種情況在x方向是
不一樣的。在X方向上，由于WccFL和W^p在尺寸上接近，因此難以沿x方向提供
良好的發(fā)散減小。對于光學(xué)徑角值，在這種情況下保持與等式(2)相同的關(guān)系。 <formula>formula see original document page 7</formula>(3 )
其中^cctl是來自CCFL的光束沿x的發(fā)散角，4)lot是來自LGP的沿x的發(fā) 散角。
設(shè)計出使4)u3P遠(yuǎn)小于4)cCTL的背光裝置是困難的，也就是在Wcctl和WLGP
尺寸上接近的情況下提供良好的發(fā)散減小是困難的。這使相對x和y軸提供準(zhǔn)直的 或更具體地說發(fā)散都減小的照度變得困難和不便。因此，由于難以獲得沿x軸和y
軸發(fā)散都減小的光，傳統(tǒng)設(shè)計一般采用補償膜或相似的補償元件作為對比度改善的 輔助手段。
因此，可以看出需要一種背光解決方案，它以合適的角度為背光顯示器提供 照度，不對總光效率作出明顯的損害并且不需要補償膜。
本發(fā)明要解決的問題
本發(fā)明的背光單元針對LC顯示器的高對比度和高顏色性能的需要，而無需使 用諸如補償膜的更高成本的支持元件。
發(fā)明概述
本發(fā)明提供一種顯示設(shè)備，包括
(a) 光源；
(b) 使來自光源的光從二維光提供表面向外透射的導(dǎo)光板，在寬度方向上定 義的光提供表面的一個維度緯度垂直于來自光源的入射光的路徑，在長度方向上定
義的光提供表面的另一維度垂直于寬度方向；
(c) 主要相對寬度方向減少來自光提供表面的光發(fā)散的線性發(fā)散減小表面，
用來提供發(fā)散線性地減少的照度，藉此在全寬度半最大值處沿寬度方向的發(fā)散比沿
長度方向在全寬度半最大值的發(fā)散小大約50%。
(d) 根據(jù)圖像數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)散線性地減少的光以形成已調(diào)光的液晶顯示元件；
以及
(a)在已調(diào)光的路徑中的散射面。
在一個實施例中，線性散射減小表面包括特征為具有多個光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)的 薄膜基板，其中每個光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)沿光提供表面的長度方向縱向地延伸，每個光 發(fā)散減小結(jié)構(gòu)包括
(a) 光學(xué)耦合于光提供表面的輸入孔；
(b) 在所述輸入孔遠(yuǎn)端的輸出孔，其中輸出孔的表面積大于輸入孔的表面積;
以及
(c)在輸出孔和輸入孔之間并沿長度方向延伸的一對曲面?zhèn)缺?；其中在相?br> 寬度方向垂直剖切得到的橫截面中，曲面?zhèn)缺诮咏鼟佄锞€曲率。
在另一實施例中，顯示液晶顯示器元件表現(xiàn)出對入射光的不對稱響應(yīng)，因此 對于法線入射的光，相對線性發(fā)散減小表面寬度方向的來自液晶顯示器元件的已調(diào) 光的亮度與相對線性發(fā)散減小表面長度方向的液晶顯示元件的已調(diào)光的亮度在全 寬度半最大值下存在10°以上的差別。在一個實施例中，輸出孔的寬度在光發(fā)散
減小結(jié)構(gòu)的長度上變化。 發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的線性發(fā)散減小裝置和方法特別改善了由OCB或IPS LCD提供的對 比度和顏色，對補償器的需求減至最小。
附圖簡述
盡管說明書以專門指出并清楚給出本發(fā)明主題事項保護范圍的權(quán)利要求書作
為結(jié)束，但有理由相信通過下面的說明并結(jié)合附圖將更好地理解本發(fā)明，其中 圖1是示出現(xiàn)有技術(shù)的用于LCD顯示器的照度增強膜的機理的橫截面?zhèn)纫?br> 圖2A是示出在法線視角下觀看到的LC器件的橫截面示意圖2B是示出在軸外視角下觀看到的LC器件的橫截面示意圖3是示出LCD顯示設(shè)備的各種分層的元件的側(cè)視圖4A和4B示出具有和不具有補償器的TNLCD的ISO對比度曲線圖4C和4D示出具有和不具有補償器的VA LCD的ISO對比度曲線圖5A和5B示出具有和不具有補償器的OCB LCD的ISO對比度曲線圖6A是示出照明裝置的諸元件的關(guān)鍵維度和幾何關(guān)系的立體圖6B和6C分別為圖6A的照明裝置的諸元件的側(cè)視圖和俯視圖7是線性發(fā)散減小膜中光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)的橫截面圖8A和8B是示出線性發(fā)散減小膜的不同實施例的光運行動作的橫截面圖9是使用線性發(fā)散減小膜的照明系統(tǒng)的立體圖IO是使用線性發(fā)散減小膜的顯示設(shè)備的立體圖11是使用線性發(fā)散減小膜的顯示設(shè)備的側(cè)視圖12是轉(zhuǎn)向膜元件中關(guān)鍵幾何關(guān)系的特寫(close-up)側(cè)視圖13是示出光源和一部分導(dǎo)光板的特寫側(cè)視圖14是轉(zhuǎn)向膜元件中關(guān)鍵幾何關(guān)系的特寫側(cè)視圖15A和15B示出IPS LCD具有和不具有補償器時的ISO對比度曲線圖； 圖16是本發(fā)明的線性減少的發(fā)散背光單元的亮度曲線的圖； 圖17示出IPSLCD的對比度曲線圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明
如前面給出的背景部分所描述的那樣，使來自背光單元的光在x和y方向均 具有良好的準(zhǔn)直是困難的。這己阻礙了通過傳統(tǒng)LC器件實現(xiàn)背光準(zhǔn)直的有效解決 方案的研發(fā)。然而，盡管提供在x和y方向均良好準(zhǔn)直的光是非常困難的，然而可 在y方向獲得很好程度的發(fā)散減小。同時，已研發(fā)出沿一個方向具有較大視角的專 門類型LC單元。正如從上面給出的背景部分所提到的那樣，新引入的IPS和OCB LCD以及某些類型的VALCD表現(xiàn)出這種行為。例如，IPS型LC在0°和90。方 向具有較高的對比度，而在其它方向具有較差的對比度。本發(fā)明對表現(xiàn)出這種偏移 響應(yīng)的LC采用新的發(fā)散減小策略，使用線性延伸的拋物線反射鏡在y方向上提供 表現(xiàn)出發(fā)散減小的光。
拋物線反射鏡在沿一軸線聚集或傳遞電磁能的各種場合中是公知的。在室內(nèi) 照明場合中，例如拋物線反射鏡以及形狀近似拋物線的反射鏡被設(shè)置在燈或其它光 源周圍以聚集光并一般沿一個方向?qū)⑵湎蛲庖龑?dǎo)。為使光沿一軸線形成最佳的拋物 線反射，光源被設(shè)置在拋物線反射鏡的焦點位置。
有效的光聚集器，例如組合拋物線聚集器(CPC)已使用在各種場合下聚集 光的拋物線反射原理，尤其是在太陽能應(yīng)用場合下。例如，4,002,499和4，003，638 號美國專利(均為Winston)公開了輻射能聚集的反射拋物線聚集器元件的使 用。，384,320號美國專利(Chen)公開了用于住宅的太陽能發(fā)電系統(tǒng)的一排反射 CPC器件的使用。光聚集器還用來支持光檢測裝置。例如GB2326525 (Leonard) 的英國專利申請公開了將反射CPC陣列用作聚集器以為例如電荷耦合器件(CCD) 的光傳感器獲得光。然而，總而言之，這些技術(shù)利用CPC和相似的結(jié)構(gòu)在各種場 合下聚集和檢測光，而不是獲得改善的光分布和重定向。
與照明場合相似，拋物線反射鏡利用拋物線結(jié)構(gòu)的形狀提供一種類型的準(zhǔn)直 器，其中準(zhǔn)直度基于這種結(jié)構(gòu)形狀與理想拋物線的近似程度如何以及在其焦點處的 光源與理想點光源的近似程度如何。對具有"完美"點光源的"完美"拋物線反射 鏡而言，來自點光源的光通過拋物線反射器被很好地準(zhǔn)直。實踐中，在近似拋物線形狀并且輸入光來自傳統(tǒng)光源的情形下，無法實現(xiàn)真正的準(zhǔn)直。然而，入射光的顯 著發(fā)散減小較佳地由CPC或相似結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。為此，本發(fā)明的CPC結(jié)構(gòu)被稱為"發(fā) 散減小結(jié)構(gòu)"而不是"準(zhǔn)直器"。
組合拋物線聚集器(CPC)表現(xiàn)出數(shù)個良好的光聚集特性?，F(xiàn)在參照圖7的 橫截面?zhèn)纫晥D，本發(fā)明的設(shè)備使用一排這種基本形狀的線性光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32， 每個光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32具有基本拋物線形的橫截面并沿排線性地延伸。在光發(fā)散 減小結(jié)構(gòu)32中，在輸入表面34上的輸入孔33從點P在寬范圍角度下射出的光線 R由于全內(nèi)反射(TIR)被反射， 一般以同一輸出角在輸出表面36從輸出孔35射 出。輸出孔35處于輸入孔33的遠(yuǎn)端。
具體地說，通過點P從發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的側(cè)壁38反射的光線一般以與來自 該點的被反射光線的最大光束角9m對應(yīng)的角度9m出射。通過將光發(fā)散減小結(jié) 構(gòu)32緊貼于導(dǎo)光板14，或使其作為導(dǎo)光板14的組成部分，輸入孔33為導(dǎo)光板14 中的大部分光能提供唯一出口。導(dǎo)光板14防止光泄漏，允許光僅通過光發(fā)散減小 結(jié)構(gòu)32出射，只要角度em被保持在適當(dāng)值。
如圖7所示，輸入表面34靠在導(dǎo)光板14的表面上。光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32可被 制造為形成在薄膜基板上的特征，然后粘附于導(dǎo)光板14，每個光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32 粘附于輸入表面34?；蛘?，光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32被模制或被形成為與導(dǎo)光板14出 射表面一體的部分。 一般使用相同的透明材料來制造光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32和導(dǎo)光板 14，不管光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32是與導(dǎo)光板14分開制造的還是與導(dǎo)光板14形成一體 的。這種配置為光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32和導(dǎo)光板14提供相同的折射率n。
作為回顧，當(dāng)入射光的臨界角VTJR超過下面等式(4)中定義時，實現(xiàn)(對于
空氣中的結(jié)構(gòu))TIR，其中n是用于光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的材料的折射率<formula>formula see original document page 11</formula>
(4)
本發(fā)明利用拋物線聚集器如圖7中的光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32所示在一個方向上的 光處理行為。參照圖8A，這里示出線性發(fā)散減小膜30的一部分的橫截面圖，它給 出耦合于導(dǎo)光板14的線性發(fā)散減小表面。具有凸肋的光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32被形成為 具有沿寬度方向延伸的一般拋物線橫截面。如上所述，線性發(fā)散減小膜30是導(dǎo)光 板14的一部分或與之形成接觸。每個光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32引導(dǎo)源自一個或多個光源 18并通過導(dǎo)光板14的光，遵循在顯示成像領(lǐng)域內(nèi)公知的光行為。
仍然參照圖8A，每個線性光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的橫截面形狀被認(rèn)為是由一對 溝槽45界定的?？梢杂^看到每個溝槽45的邊大致為凹進的，由此將光發(fā)散減小結(jié) 構(gòu)32的邊形成為具有大致凸起的形狀。
圖8B示出另一實施例，其中線性發(fā)散減小膜30還具有為各光發(fā)散減小結(jié)構(gòu) 32提供支持結(jié)構(gòu)的附加輸出表面36。
參照圖9的立體圖，圖中示出具有線性發(fā)散減小膜30的三維結(jié)構(gòu)的照明系統(tǒng) 58，其中光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32在尺寸上被放大以便示出關(guān)鍵的聯(lián)系。每個線性光發(fā) 散減小結(jié)構(gòu)32在膜的長度方向L上沿線性發(fā)散減小膜30的輸入側(cè)延伸。在垂直 寬度方向W上，線性光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32以脊或肋的形式出現(xiàn)(從導(dǎo)光板14的立 體圖看)。通過這種結(jié)構(gòu)，理想拋物線外形的較佳特性在一個方向上作用光。艮口， 對于圖9的立體圖中指示的方向，可以如圖7所示的方式使用線性發(fā)散減小膜30 重新定向W方向上的光角度。在一個實施例中，光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32沿大致平行于 光源18 (傳統(tǒng)的CCFL燈泡)中軸線的長度L的方向延伸。
如圖10的立體圖和圖11的側(cè)視圖所示， 一種導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的組合重導(dǎo)向光并作 為顯示設(shè)備60的照明系統(tǒng)58的一部分。在所示實施例中， 一個光源18將光提供 給具有反射表面24的導(dǎo)光板54?；蛘呖稍O(shè)置多個光源18。從圖11的側(cè)視圖中可 以看出線性發(fā)散減小膜30中的每個線性光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的基本拋物線形狀。線 性發(fā)散減小膜30的輸入表面44靠在導(dǎo)光板14上。照明系統(tǒng)5 8將源照度傳至LCD 元件20。在觀看者一側(cè)設(shè)置散射器40以散射透過LCD元件20的光。由于本發(fā)明 的照明系統(tǒng)58提供很好地適應(yīng)LC器件特性的沿一個方向發(fā)散減小的光，可在法 線的大約+/-5°的窄視角內(nèi)獲得至少約150: l直到約200: l范圍內(nèi)的對比度。因 此，不需要補償膜或相似的結(jié)構(gòu)。
必須再次強調(diào)，照明系統(tǒng)58的元件在圖10和圖11中不是按比例繪出的；這 些圖的尺寸被放大以示出每個元件的全部功能。對于多數(shù)實施例而言，光發(fā)散減小 結(jié)構(gòu)32 —般在比例上遠(yuǎn)小于這些圖中表示的結(jié)構(gòu)。
優(yōu)化光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的橫截面形狀
回到圖7，針對少量光線R示出具有緊密遵循拋物線輪廓的側(cè)壁38的光發(fā)散 減少結(jié)構(gòu)32的理論性能。為了使這種原理適于實踐應(yīng)用并能夠以較低的成本制造 線性發(fā)散減小膜30，更清楚地了解光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32如何工作是有利的。然后， 藉由對透過光發(fā)散減少結(jié)構(gòu)32的光行為更為準(zhǔn)確的理解，可將理想的光發(fā)散減小
結(jié)構(gòu)32的形狀(圖3)適用于線性發(fā)散減小膜30的光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32 (圖4a) 的實踐應(yīng)用。例如可放寬某些容限，并調(diào)整更易于制造的光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的形 狀。如上所述，還可通過適當(dāng)選擇曲率和尺寸參數(shù)來最小化交叉效應(yīng)。
參照圖12，圖中示出光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的側(cè)壁38的橫截面形狀，包括關(guān)鍵 尺寸和角度關(guān)系。如圖7所示，角度6m為光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的給定橫截面形狀 定義相對于法線的最大光束角。這表示在輸入孔33進入光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的光呈 角度V，其中-
em《v《90。 (5)
其中角度0m示出于圖7，圖12中的尺寸ri和r。分別為光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32
的輸入和輸出孔半徑。
就x、 z坐標(biāo)系而言，使用下面的式子表示光線以角度V撞擊與側(cè)壁38的點
P(x(v;emer)， z(u/;emer)) (6)
其中值v是確定沿光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的側(cè)壁38位置的變量；值e m和e r
是可選擇的設(shè)計參數(shù)。 一般來說，考慮到來自光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的反射光束的亮 度分布，角度em控制全部角范圍而角度、控制亮度峰值的角位置。因此，也可 控制角度^以最小化或消除交叉效應(yīng)，這將在后面予以說明。為使峰值亮度在軸 上定位，使用下面公式計算^的近似值 er= em/2 (7)
9r的典型值在10-30°的范圍內(nèi)。
注意角度0m不一定要等于亮度的角范圍，但與該角范圍成比例。同樣，角度
^不等于在亮度分布中最高峰的角位置，但確定該峰的位置。
優(yōu)化光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的形狀的第一步是選擇輸入孔半徑ri適宜值。其重要 考慮事項包括相對尺寸；隨著ri變小，光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32變得難以辨認(rèn)并更不可 能形成波紋圖案。然而，如果rj太小，光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32會更難以制造。
一旦確定了n的值，下一步是選擇8m的適宜值。這取決于應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。對于小 型顯示器，可能希望具有較小的視角和高亮度。在這種情形下，合適的9m值可以
在10-30°范圍內(nèi)。對于較大的顯示器， 一般使用較大的8m值。
如上所述并從圖12看出那樣，從線y(z)二一ri測得的角度4)在上邊界n/2和
通常大于9 m的下邊界^。we「之間變化。然后可連同設(shè)計參數(shù)值e m和^使用該下
邊界》Unve"以確定光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的輸出半徑r。和高度h。
如圖12和13所示，為了理解在一個場合下規(guī)定下邊界^。ww的標(biāo)準(zhǔn)，看看導(dǎo)
光板14如何工作是有用的。在導(dǎo)光板14中，TIR被用來包含光束直到它出現(xiàn)在導(dǎo) 光結(jié)構(gòu)32為止。由于菲涅爾法則， 一旦光束進入導(dǎo)光板14，其相對于Y軸的光束 角rii如圖13所示那祥保持小于TIR角Vt!r，如等式(4)中給出的那樣，其中n 是導(dǎo)光板14的折射率。由于導(dǎo)光結(jié)構(gòu)32具有相同(或幾乎相同的)折射率n，這 種角約束同樣適用于導(dǎo)光結(jié)構(gòu)32中。
現(xiàn)在參照圖14，圖中(以虛線)表示以最極端可能角^TiR進入導(dǎo)光結(jié)構(gòu)32 的光束的路徑。相對法線(Z軸)，進入導(dǎo)光結(jié)構(gòu)32的每條其它光束大于或等于
<formula>formula see original document page 14</formula>(8)
如圖12所示，V,。^r是通過線y(Z)二一ri測得的。推薦使^。wer不遠(yuǎn)小于M/2
—vTIR;否則，所得到的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)32的高度h可能過大，使制造變得更為復(fù)雜。 較佳地將高度h保持在較短狀態(tài)并維持小的縱橫比(由寬度r。與高度h定義)。 一般而言
<formula>formula see original document page 14</formula>(9) 藉此，下面的范圍適用于變量cl):
<formula>formula see original document page 14</formula> (10)
通過確定該值，可使用下面的公式確定光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的整體形狀
<formula>formula see original document page 14</formula>
其中ri是輸入表面的半徑，f=ri[l+sin( 9 m)]。 輸出孔半徑r。和高度h可通過用下面的坐標(biāo)系在側(cè)壁38上找到該點而計算得
亂 下面的計算確定輸出孔半徑r。和高度h:
<formula>formula see original document page 14</formula>
(14) 下面是對步驟的概括，以示例值示出如何在一個實施例中確定適宜的值 步驟l.確定ri和9m的值。
在一個實施例中，ri=50um。對于線性減少的發(fā)散，±10°的視角是適宜的，
其結(jié)果是9m二10。。
步驟2.確定^的值。
使用等式(7)，卜可大約5° 。選擇一實用值，例如6° 。 步驟3，確定參數(shù)4M。胃的值。
對于由PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)制造的導(dǎo)光板14， n=1.49
通過等式(9)和(10)得出4M。wer"40。。
步驟4.使用等式(14)計算半徑r。和高度h。 這里rfl9.3um， h=50."m。
設(shè)計事項
對于光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32 (圖7-圖10)的任何可行設(shè)計都必定存在若干約束條 件，為了實現(xiàn)最佳設(shè)計必須作出一些統(tǒng)籌和妥協(xié)。例如，為了增加法線角附近的亮 度， 一般最佳的做法是將9nJ呆持在小范圍的值內(nèi)。然而，由于輸入孔33限制進 入光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的總光量，必須在取得較佳角度范圍和在那些角度下提供足 夠亮度之間作出一些妥協(xié)。
在實際光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的設(shè)計工作中，己觀看到當(dāng)進入導(dǎo)光板14的光被 約束在圖13所示的某一錐形角中時，碰撞點P(x(v),z(v))的分布一般比輸出孔35 更靠近輸入孔33。由于這種效果，可使用等式(11)中規(guī)定的最小高度h來減小 高度h。這在線性發(fā)散減小膜30的制造方面提供了許多實踐上的優(yōu)點，可簡化制 造并提高機械穩(wěn)定性。這種修正同樣通過提高總填充因數(shù)來增加照度。
上文中結(jié)合圖8A描述了交叉效應(yīng)的問題。再次參閱圖8A的側(cè)視圖，可以看 出來自相反方向的光線可進入同一光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32并沿傳輸路徑在交叉點48 形成交叉。當(dāng)這種情況發(fā)生時，不想要的交叉效應(yīng)會造成從線性發(fā)散減小膜30輸 出的軸外峰。已示出通過將側(cè)壁轉(zhuǎn)動一角度^來使交叉效應(yīng)最小化。這種交叉效 應(yīng)可通過略微改變光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的側(cè)壁38曲率被最小化，而不必增加相對高 度h。在圖8A實施例中，來自光線R的交叉點48是通過光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32中由 于重構(gòu)側(cè)壁38產(chǎn)生的TIR行為變化被校正的。將側(cè)壁38略為轉(zhuǎn)離法線提供增加
線性發(fā)散減小膜30的同軸亮度的額外優(yōu)勢。 使用的材料
總地來說，可以多種方式形成線性發(fā)散減小膜30。在一較佳實施例中，線性
發(fā)散減小膜30由丙烯酸膜形成。然而，線性發(fā)散減小膜30可由各種透明材料中的 任何一種形成，包括例如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。對基板的要 求是折射率n，至少為V2或更大。線性發(fā)散減小膜30所用的材料應(yīng)當(dāng)具有與導(dǎo)光 板14、 54相同或近乎相同的折射率n。
典型尺寸、形狀和制造
根據(jù)本發(fā)明制造的線性發(fā)散減小膜30的典型較佳值和范圍包括 (i )相鄰光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32之間的節(jié)距K (圖11) : 80微米。該值一般 在10-200微米之間。
(ii) 高度H: 25微米。該高度值一般在10-100微米的范圍內(nèi)。對于特定場 合多種因素確定最佳高度，包括孔尺寸和側(cè)壁38的曲率。
(iii) 棱鏡陣列結(jié)構(gòu)50的棱鏡角100°
(iv) 輸入孔與輸出孔之比在1:1.5—1:10的范圍內(nèi)。 可使用線性發(fā)散減小膜30提高具有非均一照度特性的表面成像裝置的均一
性。為了實現(xiàn)該目的，可使用光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32自身的非均一構(gòu)造和空間分布。 例如通過改變光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32沿長度的方向來實現(xiàn)非均一構(gòu)造。參照圖8A，可 使用沿用于線性發(fā)散減小膜30的基板的輸入面不準(zhǔn)確布設(shè)的槽45提高線性發(fā)散減 小膜30的空間均一性。
可根據(jù)需要改變節(jié)距K以提供改善的均一性。相鄰光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)之間的節(jié) 距可基本相等或相鄰光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)之間的節(jié)距是變化的?？赏ㄟ^對諸光發(fā)散減小 結(jié)構(gòu)32之間的節(jié)距K形成不同距離而使用光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的非均質(zhì)分布。在 使用兩光源18的情況下，節(jié)距K在線性發(fā)散減小膜30的薄板的中心是最小的。
可以多種方法制造本發(fā)明的線性發(fā)散減小膜30，例如使用在基板材料的薄板 中形成槽45的方法(圖8A)。對基板劃線是形成光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的一種可行 方法?？蛇x擇地采用各種技術(shù)以形成光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32，例如模制，包括使用基 于網(wǎng)格制造的注塑滾塑或使用擠壓板的擠壓模制。線性發(fā)散減小膜30例如可做成 薄板并層壓在已有類型的導(dǎo)光板14上。
對于在背光場合下使用如圖6a、6b和圖7所示的本發(fā)明的線性發(fā)散減小膜30， 應(yīng)當(dāng)滿足下面的特殊要求
(i )用來形成線性發(fā)散減小膜30的材料具有與導(dǎo)光板54大致相同的折射 率n，在大約+/—0.1內(nèi)。
(ii )該實施例的導(dǎo)光板54不為其射出光提供散射器；
(iii)光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)32的輸入孔33直接與導(dǎo)光板54接觸，即輸入孔33 的平表面無任何氣隙地靠在導(dǎo)光板54上。輸入孔33可膠合于、壓入于、模制于導(dǎo) 光板54的表面或形成為導(dǎo)光板54表面的一部分或以其它方式附于導(dǎo)光板54的表 面。
對于該實施例，導(dǎo)光管型導(dǎo)光板54同樣需要使用LCD背光領(lǐng)域內(nèi)公知的結(jié) 構(gòu)來提供與其光源相對的反射表面。
背光的另一實施例
光源18可以是傳統(tǒng)CCFL螢光燈泡或可表現(xiàn)為某些其它類型的源或組合源。 例如，可使用一個或多個LED來代替?zhèn)鹘y(tǒng)CCFL燈泡作為光源18，將光導(dǎo)入導(dǎo)光 板14或其它適宜的波導(dǎo)中。
透鏡散射器40的設(shè)計
由于線性發(fā)散減小膜30提供光相對一根軸的改善的重導(dǎo)向，因此其視角在該
軸方向上可能太窄。為了提供適宜的視角，必須使用設(shè)置在LCD元件20的觀看者
側(cè)的散射器40 (圖10、圖11)來利用沿一個方向的散射。透鏡陣列或屏幕適于實
現(xiàn)這個目的。透鏡陣列通過聚焦入射光使光僅沿一個方向散射。也就是說，其光功
率與發(fā)散功率成比例。聚焦長度f被確定為
<formula>formula see original document page 17</formula>
其中r是曲率半徑而n是屏幕的折射率。光束發(fā)散角"由每個小透鏡的聚焦 長度和半節(jié)距確定
<formula>formula see original document page 17</formula> (16) 其中p是小透鏡陣列的節(jié)距。
給出節(jié)距p和視角"，曲率半徑r可使用下面的等式確定
<formula>formula see original document page 17</formula> 在一個實施例中，公稱小透鏡節(jié)距是50微米。為了獲得+/-30°的視角，聚焦 長度應(yīng)當(dāng)為大約43微米。對于折射率為1.5的材料，相應(yīng)的曲率半徑為86微米。
IPSLC元件的范例
在采用LCD元件20的IPS ，的顯示裝置60中，使用線性發(fā)散減小膜30 是尤為有利的。參照圖16的曲線圖，圖中示出兩條亮度曲線。曲線62 (實線)表 示與CCFL光源18平行的亮度。第二曲線64 (虛線)示出與CCFL光源18垂直
的亮度。
對于多數(shù)類型的LCD元件20，圖16中所示的亮度的不對稱會造成顯示圖像 的明顯不對稱。然而，回來參照圖15B的ISO對比圖，可以看出，ISP類型的LCD 組件20相對CCFL光源18的長度相比垂直方向表現(xiàn)出可觀的對比度差異。在圖 15B中，軸IIO對應(yīng)于與CCFL光源18的長度平行的光。另一軸120對應(yīng)于與CCFL 光源18的長度垂直的光。如該曲線圖所示，與CCFL光源18的長度平行的光在更 寬的角度范圍表現(xiàn)出更高的對比度。也就是說，曲線66和68沿軸IIO拓寬。沿該 軸的光對應(yīng)于圖16中的曲線62，在全寬度半最大值(FWHM)表現(xiàn)為將近+/-30 度。通過比較，沿正交軸120的光對應(yīng)于圖16中的曲線64，在FWHM表現(xiàn)為將 近+/-5度。
通過如此將線性發(fā)散減小膜30的不對稱性匹配于ISP型LCD元件20的非對 稱性，本發(fā)明的方法將均衡化沿平行和垂直于光源18的方向的照度的發(fā)散減小的 需要減至最小。本發(fā)明的線性發(fā)散減小膜30由此提供增強的亮度和對比度而不使 總體光效率受到明顯損害并且不需要補償膜。這種結(jié)果與Jumvon Lee (委托號 #87602)共同轉(zhuǎn)讓的申i青"Brightness Enhancement Film Using A Linear Arrangement Of Light Concentrators"中公開的裝置形成對比，所公開的裝置一般需要補償膜或 某些類型的物品，尤其當(dāng)用于較大直徑的顯示器時。與此在先申請中公開的裝置不 同，本發(fā)明的裝置由于其提供相對窄的視角，它需要散射器40擴展由LC器件調(diào) 制的光的角度。
線性發(fā)散減小的照度，由于該術(shù)語是針對本發(fā)明使用的，是沿一根軸而不是 沿正交軸具有更大程度發(fā)散減小的光。在FWHM，沿一根軸的線性發(fā)散減小的照 度橫跨光沿正交軸不超過50%的角距離。通過線性發(fā)散減小的照度，沿一根軸的 光束發(fā)散明顯小于沿正交軸的光束發(fā)散。較佳地，線性發(fā)散減小的照度在FWHM 具有大約+/-5度。
己參照其某些較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，然而應(yīng)當(dāng)理解，可如上 所述和如所附權(quán)利要求書所述那樣，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可在本發(fā)明的范圍內(nèi)實現(xiàn)多 種變化和修正而不脫離本發(fā)明的范圍。例如，盡管對于線性發(fā)散減小膜30上的所
有結(jié)構(gòu)而言節(jié)距K可以是固定的，但是在線性發(fā)散減小膜30的寬度上改變節(jié)距K
也是有利的。
部件列表10.線性發(fā)散減小膜12.光滑側(cè)14.導(dǎo)光板16.棱鏡結(jié)構(gòu)18.光源19.反射表面20.LCD元件
22、24.反射表面30.線性發(fā)散減小膜32.光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)33.輸入孔34.輸入表面35.輸出孔36.輸出表面38.側(cè)壁40.散射器44.輸入表面45.溝槽48.交叉點54.導(dǎo)光板58.照明系統(tǒng)60.顯示裝置
62、64、 66、 68.曲線
100.顯示裝置110、 120.軸線 200. LC層 202、 204.偏振鏡 210、 212.補償器 H二高度
K二節(jié)距 L二長度 R.光線
權(quán)利要求
1.一種顯示設(shè)備，包括(a)光源；(b)使來自光源的光從二維光提供表面向外透射的導(dǎo)光板，在寬度方向上定義的光提供表面的一個維度緯度垂直于來自光源的入射光的路徑而在長度方向上定義的光提供表面的另一維度垂直于寬度方向；(c)主要相對寬度方向減少來自光提供表面的光發(fā)散的線性發(fā)散減小表面，用以提供線性發(fā)散減小的照度，藉此在全寬度半最大值處沿寬度方向的發(fā)散比在全寬度半最大值沿長度方向的發(fā)散小大約50％。(d)根據(jù)圖像數(shù)據(jù)調(diào)制線性發(fā)散減小光以形成已調(diào)光的液晶顯示組件；以及(e)在已調(diào)光的路徑中的散射表面。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述線性發(fā)散減小表面包括特征 為具有多個光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)的薄膜基板，其中每個光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)沿光提供表面的 長度方向縱向地延伸，每個光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)包括(a) 光學(xué)耦合于光提供表面的輸入孔；(b) 在所述輸入孔遠(yuǎn)端的輸出孔，其中所述輸出孔的表面積大于輸入孔的表面積；以及(C)在所述輸出孔和所述輸入孔之間沿長度方向延伸的一對曲面?zhèn)缺冢黄渲性谙鄬挾确较虼怪逼是械玫降臋M截面中，曲面?zhèn)缺诮咏鼟佄锞€曲率。
3. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述長度方向基本上平行于提供源照度的燈泡的軸線。
4. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)光板和線性發(fā)散減小表面是同一材料。
5. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述輸出孔的寬度在光發(fā)散減小 結(jié)構(gòu)的長度上變化。
6. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，相鄰光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)之間的節(jié)距 基本相等。
7. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，相鄰光發(fā)散減小結(jié)構(gòu)之間的節(jié)距 是變化的。
8. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述液晶顯示器元件采用共面切換。
9. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述液晶顯示器組件是光補償?shù)?雙折射型元件。
10. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述線性發(fā)散減小表面被模制 在二維光提供表面內(nèi)。
11. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述已調(diào)光表現(xiàn)出優(yōu)于150: 1的圖像對比度而不必使用補償物。
12. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述液晶顯示器元件對入射光 表現(xiàn)出不對稱響應(yīng)性，從而對法線入射的光而言，相對于線性發(fā)散減小表面的寬度 方向來自液晶顯示器元件的已調(diào)光的亮度與相對于線性發(fā)散減小表面的長度方向 的液晶顯示器元件的已調(diào)光的亮度在全寬度半最大值處像差I(lǐng)O度以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種顯示裝置，包括(a)光源；(b)使來自光源的光從二維光提供表面向外透射的導(dǎo)光板，在寬度方向上定義的光提供表面的一個維度緯度垂直于來自光源的入射光的路徑而在長度方向上定義的光提供表面的另一尺寸方向垂直于寬度方向；(c)提供線性發(fā)散減少照度的線性發(fā)散減小表面，藉此在全寬度半最大值處沿寬度方向的發(fā)散比在全寬度半最大值處沿長度方向的發(fā)散小大約50％；(d)根據(jù)圖像數(shù)據(jù)調(diào)制線性發(fā)散減小的光以形成已調(diào)光的液晶顯示元件；以及(e)在已調(diào)光的路徑中的散射表面。
文檔編號F21V8/00GK101365910SQ200680042612
公開日2009年2月11日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月10日
發(fā)明者J·李 申請人:羅門哈斯丹麥金融有限公司