具有高照明均勻度的背光型顯示屏的製作方法

2023-10-07 09:29:04 4

專利名稱：具有高照明均勻度的背光型顯示屏的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學顯示屏，更具體地講，涉及光源從背後直接照明的液晶顯示屏(LCD)，例如可以用於液晶監視器和液晶電視機的顯示屏。

背景技術：
一些顯示系統是從背後照明的，例如液晶顯示屏(LCD)。已經發現此類顯示屏廣泛應用於多種裝置中，例如膝上型計算機、手持計算器、電子表、電視機等。一些背光型顯示屏包括位於顯示屏側的光源，以及布置為將光從光源導向至顯示面板背面的光導裝置。其他背光型顯示屏，例如一些液晶監視器和液晶電視機(LCD-TV)，使用布置在顯示面板背後的多個光源從背後直接照明。較大的顯示屏越來越多地採用後一種布置方式，因為要達到一定程度的顯示亮度所需的光能要求隨顯示屏尺寸的平方增加，而布置沿顯示屏側的光源的可用空間僅隨顯示屏尺寸線性增加。此外，一些顯示屏應用，例如液晶電視機，需要顯示屏足夠亮，以便能夠從比其他應用更遠的距離進行觀看。此外，液晶電視機的視角要求通常不同於液晶監視器和手持裝置的視角要求。
許多液晶監視器和液晶電視機使用多個冷陰極螢光燈(CCFL)從背後照明。這些光源是線性的並且在顯示屏的整個寬度上延伸，其結果是利用由較暗區域分隔開的一系列亮條紋照亮顯示屏的背面。這種照度分布是不可取的，因此通常使用擴散板來使液晶顯示屏裝置背面的照度分布均勻。
使用位於燈背面的漫反射器將光導向觀察者，燈布置在反射器與擴散器之間。漫反射器與擴散器之間的間距受限於從擴散器發出的光的所需亮度均勻度。如果間距太小，則照明均勻度會降低，從而降低觀察者看到的圖像質量。發生這種情況的原因是光在燈之間進行均勻發散的空間不足。


發明內容
本發明的一個實施例涉及直接照明式顯示單元，該顯示單元具有顯示面板以及設置在顯示面板後方的一個或多個光源。所述一個或多個光源能夠生成照明光。擴散器設置在一個或多個光源與顯示面板之間。光轉向層設置在一個或多個光源與擴散器之間。光轉向層具有朝向一個或多個光源的第一光轉向表面。第一光轉向表面主要在正交於光轉向層的第一轉向平面內，對垂直地入射到光轉向層上的光進行轉向。光轉向層還具有朝向擴散器的第二光轉向表面。第二光轉向層經過構造，從而優選地將以垂直於光轉向層的方向在光轉向層中傳播的光線轉向到不與第一光轉向平面平行的第二轉向平面內。
本發明的另一個實施例涉及直接照明式顯示單元，該顯示單元具有顯示面板和一個或多個設置在顯示面板背面的光源，所述一個或多個光源能夠發出照明光。擴散器設置在一個或多個光源與顯示面板之間。光轉向層設置在一個或多個光源與擴散器之間。光轉向層具有朝向一個或多個光源的第一光轉向表面，以及朝向顯示面板的第二光轉向表面，來自一個或多個光源的、以基本垂直於光轉向層的方向在光轉向層內傳播的至少第一部分光線基本通過第二光轉向表面的平坦部分傳輸，並且來自一個或多個光源的、以基本垂直於光轉向層的方向在光轉向層內傳播的至少第二部分光線在第二光轉向表面的傾斜部分處被全內反射。
本發明的上述發明內容並非意圖描述本發明的每個圖示實施例或每種實施方式。附圖和下列具體實施方式
更具體地舉例說明了這些實施例。



結合下面參照附圖對如下本發明的各種實施例的詳細描述，可以更全面地理解本發明，其中 圖1示意性地示出了採用根據本發明原理的亮度均勻層的背光型液晶顯示裝置； 圖2示意性地示出了根據本發明原理的均勻度增強薄膜(EUF)的實施例； 圖3A、3B、4A-4D、5、6A和6B示意性地示出根據本發明原理的EUF的更多實施例； 圖7A-7C示意性地示出了包括根據本發明原理的EUF的光控制單元的不同實施例； 圖8示意性地示出了根據本發明原理，包括光源和光控膜的照明單元的實施例； 圖9A和9B示出根據本發明原理的EUF的建模過程中使用的各個參數； 圖10提供了對照亮度繪製的計算出的各個模型實例的亮度均勻度散點圖； 圖11示出各個模型實例的亮度隨照明元件上的位置而變化的函數關係圖； 圖12示出計算出的從各個模型實例的照明單元以不同角度發出的光的亮度均勻度； 圖13A-D和13F示出多個極性錐光圖，用於描述EUF的操作； 圖13E示意性地示出示例性模型EUF； 圖14示出各個模型的亮度均勻度隨示例擴散器和反射器之間間距而變化的函數關係圖；以及 圖15提供了用實驗方法得到的亮度測量值，這些測量值隨使用多個光管理層組合的整個樣品光箱上的位置而變化。
雖然本發明可具有多種修改形式和替代形式，但其具體形式已經在附圖中以舉例的方式示出，並且將進行詳細的描述。然而應當理解其目的不是將本發明限制於所描述的具體實施例。相反，本發明的目的在於涵蓋所附權利要求書限定的本發明的精神和範圍內的全部修改形式、等同形式和替代形式。

具體實施例方式 本發明適用於顯示面板，例如液晶顯示屏(LCD)，尤其適用於直接從背後照明的液晶顯示屏，例如液晶監視器和液晶電視機(LCD-TV)使用的顯示屏。更具體地講，本發明涉及直接照明式背光源所產生的、用於照明液晶顯示屏的光控制。光控膜結構通常布置在背光源與顯示面板之間。光控膜結構可以層合在一起，也可以為自立式，其通常包括擴散層和至少一個具有稜鏡結構化表面的增亮薄膜。
圖1示出了直接照明式顯示裝置100的示例性實施例的示意分解圖，這種顯示裝置100可用於例如液晶監視器或液晶電視。顯示裝置100可以液晶板102的使用為基礎，液晶板通常包括設置在面板106之間的液晶層104。面板106通常由玻璃製成，其內表面可包括電極結構和定向層，用以控制液晶層104中液晶的取向。電極結構通常構型為限定液晶板像素，即其中的液晶取向控制可獨立於鄰近區域的液晶層區域。一個或多個面板106中還可包括用於在顯示的圖像上附加顏色的濾色片。
上吸收偏振片108布置在液晶層104的上面，而下吸收型偏振片110設置在液晶層104的下面。在示例性實施例中，上、下吸收偏振片位於液晶面板102的外部。吸收偏振片108、110和液晶面板102聯合控制背光源112發出的光穿過顯示器100到達觀察者的傳播過程。例如，可以將吸收偏振器108、110布置為其透射軸為垂直的。處於非活動狀態的液晶層104的像素可能不會更改從其中通過的光的偏振態。因此，穿過下吸收偏振片110的光由上吸收偏振片108吸收。另一方面，當像素被激活時，從其中通過的光的偏振被旋轉，使得至少有一些透射過下吸收偏振片110的光也透射過上吸收偏振片108。有選擇地激活液晶層104的不同像素，例如通過控制器114進行，使得光在某些期望的位置處穿出顯示器，從而形成觀察者看到的圖像。控制器可以包括(例如)計算機或接收並顯示電視圖像的電視機控制器。上吸收型偏振器108上可以提供一個或多個可選的層109，(例如)以便對顯示屏表面提供機械和/或環境保護。在一個示例性實施例中，層109可以包括位於吸收型偏振器108上方的硬質塗層。
應當理解，一些類型的液晶顯示屏的工作方式可以與上述方式不同。例如，吸收型偏振器可以平行排列，並且在未激活狀態下液晶面板可以使光的偏振態發生旋轉。無論如何，這種顯示屏的基本結構仍然與上述基本結構相似。
背光源112包括多個光源116，光源產生用來照明液晶面板102的光。液晶電視或液晶監視器中所用光源116通常為沿著顯示裝置100的高度方向延伸的線性冷陰極螢光管。然而，也可以使用其他類型的光源，例如白熾燈或弧光燈、發光二極體(LED)、平面螢光板或外部螢光燈。該光源列表並非意圖限制或詳盡列舉，僅作為示例。
背光源112還可包括反射器118，用於反射從光源116以遠離液晶面板102的方向向下傳播的光。反射器118也可用於使光在顯示裝置100內進行循環，如下文所解釋的那樣。反射器118可以是鏡面反射器，或者是漫反射器。可以用作反射器118的鏡面反射器的一個例子為從3M Company(St.Paul，Minncsota)購得的VikuitiTM增強鏡面反射(VikuitiTMEnhanced Specular Reflection)(ESR)。適於漫反射器的例子包括填充有漫反射顆粒(例如二氧化鈦、硫酸鋇、碳酸鈣等)的聚合物，例如PET、PC、PP、PS。漫反射器的其他例子包括微孔材料和含纖絲材料，其在共同擁有的美國專利申請公開No.2003/0118805 A1中有所討論。
光控制薄膜的構造120(也稱為光控制單元)設置在背光源112和液晶面板102之間。該光控制薄膜會影響背光源112發出的光的傳播，從而改善顯示裝置100的運行。例如，光控制薄膜的構造120可以包括擴散板122。擴散板122用於擴散接收的光源發出的光，從而提高液晶面板102上的入射照明光的均勻度。最終使得觀察者感受到的圖像亮度更均勻。在一些實施例中，擴散板122可以形成為含有大量漫射顆粒的層。在一些實施例中，擴散板可以附接到光控膜結構120的另一個層上，或者可以省去擴散板。
光控制單元120還可包括反射偏振片124。光源116通常產生非偏振光，而下吸收偏振片110僅透射單一偏振狀態的光，因此光源116所產生的光中約一半沒有透射到液晶層104。然而，可使用反射偏振片124反射本來會在下吸收偏振片中被吸收的光，因此，這些光可通過反射偏振片124和反射器118之間不斷的反射被循環利用。至少一些通過反射偏振片124反射的光可被去偏振，並且隨後以偏振狀態返回到反射偏振片124，這些光透射過反射偏振片124和下吸收偏振片110到達液晶層104。這樣，反射偏振片124可用於讓更多的光源116發出的光到達液晶層104，因此，顯示裝置100所產生的圖像更亮。
可以使用任何適當類型的反射型偏振器，例如多層光學薄膜(MOF)反射型偏振器；漫反射偏振膜(DRPF)，例如連續相/分散相偏振器、線柵型反射偏振器或膽甾型反射偏振器。
MOF反射偏振器以及連續相/分散相反射偏振器均依靠至少兩種材料(通常為聚合物材料)之間的折射率差值來選擇性地反射一種偏振狀態的光，而透射正交偏振狀態的光。MOF反射偏振片的一些例子在共同擁有的美國專利5,882,774中有所描述。市售MOF反射偏振片的例子包括VikuitiTM DBEF-D200和DBEF-D440多層反射偏振片，這些偏振片具有漫射表面，可得自3M Company St.Paul，Minnesota。
與本發明有關的可用DRPF的例子包括在共同擁有的美國專利No.5,825,543中所描述的連續/分散相反射偏振片，以及在(例如)共同擁有的美國專利No.5,867,316中所描述的漫反射多層偏振片。其他合適類型的DRPF在美國專利No.5,751,388中有所描述。
與本發明有關的可用線柵偏振片的一些實例包括那些在美國專利No.6,122,103中描述的線柵偏振片。特別地，線柵偏振片可從Moxtek Inc.，Orem，Utah商購獲得。
與本發明有關的可用的膽甾型偏振片的一些例子包括在(例如)美國專利No.5,793,456和美國專利公開No.2002/0159019中所描述的那些。膽甾型偏振片常常具有位於輸出側的四分之一波長延遲層，從而將經膽甾型偏振片透射的光轉化為線性偏振光。
在一些實施例中，反射型偏振器126可形成漫射，例如通過面向背光源112的漫射表面。在其他實施例中，反射型偏振器126可具有增亮表面，該表面會增加穿過反射型偏振器126的光線的增益。例如，反射型偏振器126的上表面可以具有稜柱增亮表面或增益漫射表面。將在下文中對增亮表面進行更詳細地描述。在其他實施例中，反射型偏振器可以在面向背光源112的側面上具有漫射結構(例如漫射表面或空間)，以及在面向液晶面板102的側面上具有增亮結構(例如稜鏡表面或增益漫射表面)。
在某些示例性實施例中可以提供偏振控制層126，例如在擴散板122和反射型偏振器124之間。偏振控制層126的例子包括四分之一波長延遲層和偏振旋轉層，例如液晶偏振旋轉層。偏振控制層126可以用於改變被反射型偏振器124反射的光的偏振態，從而增加透過反射型偏振器124的循環光。
光控制層結構120還可以包括一個或多個增亮層。增亮層是包括表面結構的層，該表面結構可將離軸光的方向重新導向為更靠近顯示屏軸132的方向。這會增加穿過液晶層104的軸向傳播光量，從而增加觀察者所看到的圖像的亮度。一個例子為稜鏡增亮層，它具有多個稜鏡脊，能夠通過折射和反射改變照明光的方向。可以用於顯示裝置的稜鏡增亮層的例子包括可得自3M Company，(St.Paul，Minnesota)的VikuitiTM BEFII和BEFIII系列稜鏡膜(VikuitiTM BEFII and BEFIII family of prismaticfilms)，包括BEFII 90/24、BEFII 90/50、BEFIIIM 90/50以及BEFIIIT。
稜鏡增亮層通常在一個維度中提供光學增益。光控制層結構120中也可以包括第二增亮層128b，其中稜鏡增亮層被布置為其稜鏡結構垂直取向於第一增亮層128a的稜鏡結構。這種構造在兩個維度中增加了顯示單元的光學增益。在圖示實施例中，增亮層128a、128b布置在背光源112和反射型偏振器124之間。在其他實施例中，增亮層128a和128b可以設置在反射型偏振器124和液晶面板102之間。
可以用於增強透過顯示屏的光的軸向亮度的另一類增亮層128a為增益擴散層。增益擴散層的一個例子為具有在其上表面上充當透鏡的元件結構的層。透過增益擴散層128a的本來會以相對於顯示屏軸132的較大角度傳播的光中，至少一些被層表面上的元件重新導向，以更平行於軸132的方向傳播。可以使用不止一個增益擴散增亮層128a。例如可以使用兩層或三層增益擴散層128a、128b。此外，一層或多層增益擴散層128a可以與一個或多個稜鏡增亮膜128b一起使用。在這種情況下，增益擴散膜128a和稜鏡增亮層128b可以按任何所需順序設置在光控膜120的結構內。可以用於顯示器的增益擴散層的一個例子為得自Keiwa Inc.(Osaka，Japan)的BS-42型薄膜。
光控制單元中的不同層可以是自立式的。在其他實施例中，光控制單元中的兩層或更多層可以層合在一起，例如在共同擁有的美國專利申請公開No.2006/0082698中所描述的那樣。在其他示例性實施例中，光控制單元可以包括兩個通過間隙分開的子組件，例如在共同擁有的美國專利申請公開No.2006/0082700中所描述的那樣。
通常，在針對給定亮度和照明均勻度值設計顯示屏時，光源116與擴散層122之間的間距、相鄰光源116之間的間距以及擴散器的透射是要考慮的重要因素。一般來講，強效擴散器(即可擴散較高比例入射光的擴散器)將使均勻度得到改善，但也會導致亮度減小，因為高擴散水平會伴有較強的反向擴散，同時也會增加損耗。
在正常擴散條件下，從整個屏幕上看到的亮度變化是通過光源上方的亮度最大值和光源之間的亮度最小值來表徵的。均勻度增強薄膜(EUF)130可以布置在光源130與擴散層122之間，以降低顯示面板102照度的不均勻性。EUF 130的每個面(即面向光源116的面和面向顯示面板102的面)都可以是光轉向表面。光轉向表面由多個光轉向元件形成，光轉向元件通過折射方式使光從EUF 130的側面轉向另一側面，降低照度的不均勻性。光轉向元件包括EUF表面上與EUF 130的平面不平行的一部分。
圖2示意性地示出了EUF 200的一個具體示例性實施例。EUF 200包括第一光轉向表面202，該表面包括第一光轉向元件204。在該具體實施例中，光轉向元件204形成為位於EUF 200整個表面上的肋並具有三角形橫截面。第二光轉向表面206也包括具有三角形橫截面的肋狀的光轉向元件208。在EUF 200的這種構造中，光轉向元件204和208的相對取向使得從下方以平行於z軸方向入射在EUF 200上的光210，在x-z平面上被第二光轉向表面206轉向。在退出EUF 200時，在EUF 200中以平行於z軸方向傳播的光，在y-z平面上被第一光轉向表面202轉向。這樣，由於垂直入射在薄膜200上的光在平行於x-z平面上轉向，因此可以說元件204形成了平行於x-z方向的光轉向平面。同樣，由於以平行於z軸方向在薄膜內傳播的光在y-z平面上轉向，因此可以說元件208形成了平行於y-z方向的光轉向平面。在該構造中，由光轉向元件204和208形成的光轉向平面相互垂直。在其他構造中，光轉向平面可以既不平行也不垂直。
在一些構造中，上面或下面的光轉向元件可以以不止一個方向使光轉向。在這種情況下，光轉向平面是指構成最大轉向方向的平面。
在一些實施例中，EUF本身可以由漫射材料形成，例如含有大量漫射顆粒的聚合物基質。漫射顆粒可以遍布整個EUF，或者EUF的某些部分可以不含漫射顆粒，例如光轉向元件。在具有漫射性的EUF部分，光控膜結構無需在EUF與顯示面板之間包括額外的擴散層，儘管也可以具有額外的擴散層。
光轉向表面可以包括不同形狀的光轉向元件，也可以包括多個與EUF平行的部分。圖3A和3B示意性地示出了EUF的一些其他示例性實施例。在圖3A中，EUF 300具有第一光轉向表面302，該光轉向表面包括具有三角形橫截面形狀的光轉向元件304。該圖還示出光轉向元件304的頂角d。在該具體實施例中，相鄰的光轉向元件304之間具有平坦區域306，其中薄膜表面平行於EU F300的平面。平坦區域306的寬度以「w」表示。下光轉向表面308可以具有與第一光轉向表面302相同的形狀，也可以具有不同的形狀。
在圖3B中，EUF 320具有包括光轉向元件324的光轉向表面322，其中光轉向元件的橫截面形狀為截平的三角形，具有頂部平坦部分326。在該具體實施例中，相鄰的光轉向元件324之間也具有平坦區域328。下光轉向表面330可以具有與第一光轉向表面322相同的形狀，也可以具有不同的形狀。
圖4A-4C示意性地示出了EUF的一些其他示例性實施例。在圖4A中，EUF400具有第一光轉向表面402，該第一光轉向表面包括具有曲面406的光轉向元件404。第二光轉向表面408可以包括具有曲面的光轉向元件，但這並非必需。同樣，第一光轉向表面可以不具有曲面，而第二光轉向表面具有曲面。在圖4B中，示例的EUF 420具有光轉向表面422，該光轉向表面包括具有曲面426和平坦部分428的光轉向元件424。在該圖示實施例中，平坦部分428平行於EUF薄膜420的平面。在一些實施例中，光轉向表面422可以包括光轉向元件424之間的平坦部分430。在該圖示實施例中，平坦部分430平行於EUF420的平面。
在圖4A和4B示出的示例性實施例中，光轉向元件404、424的曲面包括表面傾斜度的相對突變，這種突變可以視為類似於數學上的不連續性。例如，傾斜度的突變發生在圖4A中點408(光轉向構件404的頂點)處，以及圖4B中光轉向構件424的點432處。這些傾斜度的相對突變可防止將單一光轉向構件用作透鏡，因為透鏡需要其整個表面上傾斜度平穩變化。因此，光轉向構件404、424不會形成從其中通過的平行光的單一焦點，無論是實焦點還是虛焦點。應當理解，單面EUF或雙面EUF上可以包括本文所述的任何光轉向表面，換句話講，一種僅在薄膜的一個側面上具有光轉向表面，一種在兩面上均具有光轉向表面。
在圖4A和4B示出的示例性實施例中，光轉向元件402、422可以視為EUF 400、420的表1面上的凸起。在其他實施例中，光轉向元件可以形成為EUF表面上的凹陷。圖4C示意性地示出了這類EUF440的一個示例性實施例。在這種情況下，光轉向表面442由具有表面446的光轉向元件444形成。在一些實施例中，可以在凹陷中形成平坦區域448，並且可以在光轉向元件444之間形成平坦區域450。光轉向表面包括的光轉向元件是從EUF上凸起還是陷入EUF，對於本發明來說並不重要，並且事實上，這兩種構造在一些情況下可以視為等同形式，兩個凹陷光轉向元件之間的部分452被視為從EUF上凸起的光轉向元件。
光轉向元件不需要全部具有相同的高度。例如，如圖4D中示意性地示出的那樣，光轉向元件464可以具有不同的高度。而且，單個光轉向元件可以具有沿其長度變化的高度。例如，第二光轉向表面468上的光轉向元件470的高度h會根據沿薄膜460的位置而有所變化。
圖5示意性地示出了具有不同高度的光轉向元件的EUF的另一個實施例。EUF 500具有第一光轉向表面502，該第一光轉向表面的光轉向元件504形成為具有起伏的脊508的稜鏡506。脊508的高度沿著稜鏡506變化，並且寬度w也沿著稜鏡506變化。這類表面在美國專利申請公開No.2007/0047254中有更詳細的描述。第二光轉向表面510可以包括任何所需形狀的光轉向元件。例如，第二光轉向表面510可以包括形成為具有起伏的脊的稜鏡的光轉向元件。
光轉向元件不需要相對於EUF的法線對稱。圖6A示意性地示出了具有非對稱光轉向元件602的EUF 600的一個實例。在該具體實施例中，光轉向元件602形成為具有直面的稜鏡。至少一些光轉向元件(例如光轉向元件602a和602b)相對於垂直於EUF 600所畫的軸604為非對稱的。下光轉向表面606可以包括或不包括非對稱的光轉向元件。
圖6B示意性地示出了具有非對稱光轉向元件622的EUF 620的另一個實施例。至少一些光轉向元件622具有彎曲的側面，並且其相對於垂直於EUF 620的軸624為非對稱的，例如元件622a和622b。
圖7A示意性地示出了具有其他光控制層704的EUF的使用。在該圖示實施例中，光控制層704包括稜鏡增亮層。在其他實施例中，可以將不同類型的層或額外的光控制層(例如反射偏振層)布置在擴散層702的上方。EUF 710布置在擴散層702的入射面。EUF710具有面向擴散層702的第一光轉向表面712和背向擴散層702的第二光轉向表面714。發自一個或多個光源(未示出)的光708穿過EUF710到達擴散層702，然後射在其他光控制層704上。
在一些實施例中，第一光轉向表面712可以附接到擴散層702上，例如通過使用粘合劑。圖7B示意性地示出了此類結構的一個示例性實施例，其中第一光轉向表面712的部分穿入擴散層702下表面703上的粘合劑層722中。在一些實施例中，粘合劑層722與表面712的部分之間留有間隙724。美國專利No.6,846,089中更詳細地描述了使用粘合劑將結構化的薄膜表面附接到其他層的情況。
圖7C示意性地示出了另一個示例性實施例，其中光轉向表面712包括具有平行於擴散層702下表面702a的部分730的光轉向元件。可以將光轉向表面712的表面壓貼在擴散層702的下表面702a上，也可以將其粘附到下表面702a上，例如使用粘合劑粘附。
模型實例 構造了一個具有背光源和光控制單元的顯示屏照明單元的光線追跡模型，以調查照明單元的光學性能隨EUF各種參數的變化情況。圖8示意性地示出了模型照明單元800，其包括限定了光源陣列腔體804邊緣界限的反射框架802、位於燈808陣列下方的後反射器806、擴散層810和EUF812。除非另外指明，否則模型假定反射器806為鏡面反射器。模型假定每個燈808均包括亮度為38,000尼特的細長光源，類似於冷陰極螢光燈。燈808以中心至中心距離S規則地間隔開，反射器806與擴散層810之間的間距給定為D，燈808與反射器806之間的間距為H。燈808之間的間距S假定為30mm，燈的直徑2R假定為3mm，D值假定為7mm。擴散層810的厚度為2mm，而EUF812的厚度為約0.45mm，並且與擴散層810的下表面相接觸。腔體內有三個燈泡808。增亮層814和反射偏振層815布置在擴散層810的上方。增亮層814由平行於燈泡808伸長方向取向的稜脊形成。
EUF所用材料的折射率假定為1.586，其對應於可用於EUF的環氧丙烯酸酯材料的折射率值。EUF可以使用其他合適類型的材料。聚合物材料的例子包括但不限於聚碳酸酯(PC)；間同立構和全同立構的聚苯乙烯(PS)；C1-C8烷基苯乙烯；含烷基、含芳族環和含脂肪族環的(甲基)丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和PMMA共聚物；乙氧基和丙氧基(甲基)丙烯酸酯；多官能(甲基)丙烯酸酯；丙烯酸改性環氧樹脂；環氧樹脂；以及其他的烯鍵式不飽和材料；環狀烯烴和環狀烯共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)；環氧樹脂；聚乙烯基環己烷；PMMA/聚氟乙烯共混物；聚苯醚合金；苯乙烯系嵌段共聚物；聚醯亞胺；聚碸；聚氯乙烯；聚二甲基矽氧烷(PDMS)；聚氨酯；不飽和聚酯；聚乙烯，包括低雙折射聚乙烯；聚丙烯(PP)；聚對苯二甲酸烷基酯，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚萘二甲酸烷基酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚醯胺；離聚物；乙酸乙烯酯/聚乙烯共聚物；乙酸纖維素；醋酸丁酸纖維素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物；PET和PEN共聚物，包括多烯鍵的PET和PEN；以及聚碳酸酯/脂族PET共混物。術語(甲基)丙烯酸酯定義為相應的甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯化合物。
針對EUF上各種形狀的光轉向表面，構建了擴散層810發出的光的均勻度模型。EUF 900的表面的模型如圖9A和9B所示。面向擴散層的光轉向上表面902具有光轉向元件904，該光轉向元件具有曲率半徑為R的曲面906。假設光轉向元件904按間距P布置。R為無量綱數，歸一化為間距P的倍數。因此，如果曲率半徑是間距的50倍，R的值就是50。光轉向元件的頂角θ由連接光轉向元件904頂點和光轉向元件904底角的假想的三角形限定。在某些情況下，光轉向元件的模型具有平坦頂端。平坦部分908的範圍F在0與0.2P之間變化。具有平坦部分的光轉向元件904的頂角應取為不在光轉向元件上截出平坦部分時光轉向元件904的頂角。圖9B示出了光轉向元件下表面912，其中光轉向元件914伸出EUF 900。
在以下討論的所有情況中，每個光轉向表面902和912的光轉向元件904和914尺寸相同，並具有一致的高度。採用蒙特卡羅方法就不同參數的各種取值對照明單元的行為構建了模型。
實例 實例1-6對EUF位於擴散層下方的照明單元進行了建模 對各種EUF參數具有若干組合的照明單元的光學特性進行了建模。表I列出了各種EUF參數的不同範圍。術語「頂角」是指光轉向構件的頂角，術語「平坦長度」是指平坦區域的長度F，術語「R」是指光轉向元件的曲率半徑。術語「底部」是指面向光源的EUF的下表面，術語「頂部」是指背向光源的EUF的上表面。
術語「擴散器-g」是指Henyey-Greenstein擴散參數g＝1時，完全向前散射；g＝-1時，完全向後散射。g＝0對應於向所有方向均勻散射。模型中使用的g的值在0.92-0.955的範圍內，這大約對應於透過2mm厚擴散器的單程透射率在56％-99％範圍內。散射光的角分布f(θ)按f＝(1-g2)/[2(1+g2-2gcos θ)1.5]給出，其中θ為相對於光線入射方向的角度。對於這些g值，散射在向前方向高度偏斜。描述擴散器內光線的平均自由路徑倒數的Henyey-Greenstein u-因子設置為14mm-1。因此，散射係數C為指數級因子，由C＝e-ud給出，其中d為擴散器內的位置。
如圖8所示，燈高H是指燈和反射器之間的間距。模型中包括了光學損耗假設反射器反射98.5％的入射光，剩餘1.5％被吸收，並假設光學膜材料的吸收波長為0.003mm-1。除非另外指明，模型中的反射器為鏡面反射器。參數A、T和R分別對應於被反射器吸收、透射和反射的入射光的百分比。
表I參數範圍 表II給出了實例1A-6A使用的各種參數的實際值。實例1A-6A選自所考慮的多個不同組合，並示例性地表現了總體亮度和均勻度方面的良好性能。
表II 實例1-6的參數值 按照從光源開始的順序，實例1-6的照明單元包括EUF、擴散器、稜鏡增亮層和反射偏振層。
比較例7-12不帶EUF的照明單元 為了對具有EUF的照明單元和常規照明單元進行性能比較，收集了如圖8所示照明單元(不同的是不包括EUF812)的若干組比較數據。表III給出了這些比較例中使用的擴散器-g和燈高的值。
表III 比較例的參數值 在兩個不同條件下分析了實例7-12，即i)反射器為漫反射器806和ii)反射器為鏡面反射器806。漫反射器被視為反射率為97％的朗伯表面。這兩種不同條件在實例名稱中用跟在實例編號後面的字母加以表示，字母「D」表示使用漫反射器的實例，字母「S」表示使用鏡面反射器的實例。因此，例如，實例7有兩組數據。標記為「7D」的一組表示使用漫反射器的實例7，標記為「7S」的一組表示使用鏡面反射器的實例7。「S」和「D」實例的所有其他參數值都相同。
建模結果 使用模型計算了照明單元的各種工作參數，其中包括照明單元上方光線的亮度和沿垂直於照明單元薄膜方向傳播的光線的亮度均勻度。圖10提供了顯示相對亮度均勻度(單位％)與亮度(單位尼特)關係的散點圖。某個實例的亮度均勻度以該實例亮度的百分比給出。比較例7S-12S表現出略高於EUF實例(1-6)的平均亮度，並且透射率越高的實例亮度也越高。亮度最高的EUF實例為實例1，其亮度大約為最亮的比較例(實例12S)的99.5％，而亮度最低的EUF實例(實例6)仍然具有實例12的亮度的大約96％。因此，相對於鏡面反射的比較例7S-12S，EUF實例1-6的亮度即使較低，也並未顯著降低。漫射比較例7D-12D顯示出低於EUF實例1-6的亮度水平。
亮度均勻度計算為整個照明單元的均勻度的標準偏差除以照明單元產生的光的平均亮度的比率。因此，計算結果為相對均勻度值。EUF實例1-6的均勻度落在大約0.2％-1％的範圍內，明顯優於任一組比較例。鏡面反射比較例7S-12S的均勻度在大約3.6％-4％的範圍內，而漫反射實例7D-12D的均勻度則在大約6.6％-7.1％的範圍內。因此，模型顯示，EUF層的存在可以顯著改善照明單元發出的光的均勻度，而亮度水平基本上保持不變。
圖11A的坐標圖示出照明單元發出的垂直傳播的光線的亮度隨位置而變化的函數關係。該圖示出了所有EUF實例(實例1-6)與比較例9S和9D的亮度。實例9D和9S的亮度水平變化幅度大大超過實例1-6。
應當理解，為了提高EUF的性能，可以改變多個不同的EUF參數。EUF性能可以根據EUF抑制光源上方光強峰值的能力進行測量。可以變化的參數包括上下轉向表面的頂角、曲率半徑和平坦空間大小，也包括EUF材料的折射率。
圖12的條形圖示出了實例1-6和實例7S-9S中以各種角度從照明單元發出的光線的均勻度。對於每個實例，均提供以三個角度(即0°、15°和30°)傳播的光線的亮度均勻度。圖10也提供了0°的結果。15°和30°的結果表明儘管大多數EUF實例仍舊顯示30°的均勻度小於1％(只有兩個實例在30°的均勻度略高於1％)，但隨著角度的增加，均勻度略微降低。實例7S-9S在0°、15°和30°的亮度均勻度始終高於3.5％。
據信，雙面EUF通過以下方式發揮作用。首先，參考圖8的內容有助於理解，該圖示出了具有光轉向構件812a的EUF812，該光轉向構件沿著平行於光源816軸線的方向伸長，並伸入該圖的平面內。在一些示例性實施例中，這意味著光轉向構件812a為沿著與螢光燈縱向軸線相同的方向伸長的肋狀構件。當S＝30mm、D＝7mm並且H＝0.5mm時，EUF 812的下光轉向表面的入射角在光源816正上方處為0°，在燈泡之間的中點P處為72°。
頂部光轉向構件812b可以視為漸變式透射濾波器，其透射率取決於入射光的傾角。底部光轉向構件812a根據入射角θi＝atan((D-d)/x)選擇透射角度，其中d為光源816的中心高出反射器806的高度，x表示EUF下表面的入射點與EUF上的光源的正上方的點之間的間距。因此，穿過底部光轉向構件812a的透射角為到光源816的燈泡的距離x的函數，該透射角又決定了穿過上光轉向構件812b的透射率水平。EUF 812為控制光的透射率(作為到光源812的距離的函數)，從而影響亮度均勻度提供了有用的工具。
為了理解雙面EUF的組合效應，單獨考慮每一面的特性是有幫助的。首先考慮背向光源的上光轉向表面的效應。該薄膜類似於增亮膜，由於稜鏡內存在全內反射，增亮膜對於垂直入射光的光透射率較低，而對於以大於允許全內反射的角度入射的光線，透射率則顯著提高。圖13A示出了在類似稜鏡增亮膜的平面/稜鏡膜的平面側上的透射入射光的極角/方位角圖。假設稜鏡頂角為90°(F＝0，R無窮大)。在該圖中，深色陰影對應於透射光較多，白色對應於無透射光。稜鏡軸沿線及周圍的白色沙漏形區域與全內反射(TIR)區域重合。
結合圖13B-13D描述了面向光源的光轉向表面的效應。這些圖提供了透過稜鏡/平面膜的結構化側的透射光的極角/方位角圖，其中稜鏡頂角為70°。結合圖13E可以更好地理解這些圖，該圖示出了具有面向光源(未示出)的稜鏡1302的膜1300。稜鏡1302具有光轉向構件。稜鏡沿著平行於y方向的方向伸長，並且z軸垂直於膜1300。在圖13B中，入射平面為0°，這表示光線被限定在垂直於稜鏡結構且與稜鏡軸共平面的平面內，即限定在圖13E的y-z平面內。在圖13C中，入射平面為70°，因此光線被限定在與膜的法線的傾角為70°且與稜鏡軸共平面的平面內，即平面1304。在圖13D中，光線被限定在與法線的傾角為80°且與稜鏡軸共平面的平面內。
圖13F示出了頂部稜鏡透射和三種底部稜鏡入射平面(即0°、70°和80°)情況的複合極角/方位角圖。圖形對應於以彼此垂直方式取向的EUF兩側的光轉向結構。在0°情況下，光被轉向後遠離中央子午線，此時與頂部稜鏡的相互作用以TIR為主，因此從燈泡向正上方發出的光大部分被EUF反射。在入射角為70°和80°的情況下，光被朝向中央子午線轉向，該區域頂部稜鏡TIR區域較窄(弱反射)，因此以陡峭角度從燈泡發出並在底部稜鏡結構化表面上靠近燈泡之間中點處入射的光被大量透射。燈泡上方的光透射率低，而燈泡間的點處的EUF上的入射光透射率高，這種組合使得總照度分布曲線較平，從而使照度變得更加均勻。圖13F中有一個0°至70°入射光的透射刻度尺，由刻度尺可以明顯看出，靠近燈泡之間中點處的透射率較高。通過調整上下光轉向構件的以下參數可以調整透射刻度尺例如，頂角、小平面曲率(半徑)、扁平或頂端半徑或稜鏡頂端光耦合、稜鏡軸取向、折射率、傾斜或變頂角稜鏡，以及稜鏡表面紋理。頂部和底部稜鏡軸的取向(即稜鏡脊的方向)可以相對彼此和/或相對燈泡變化。
圖14示出了作為D值函數的亮度均勻度的計算結果，D值影響照明單元的厚度。在每種情況下，D值在5mm-11mm的範圍內變化。曲線1401、1402、1403和1405分別示出與實例1、2、3和5類似的設計的結果。曲線1407S示出與實例7S類似的設計的結果，而曲線1407D則示出實例7D的結果。D＝7mm時的均勻度的值與圖10所提供的相同。
優化照明單元性能的一個重要參數為比率S/D，燈間距與厚度的比率。為了減小顯示屏厚度，需要S/D的值較大，但不應以亮度均勻度降低為代價。通常，使用具有後漫反射器806的螢光燈的常規顯示屏806採用小於2的S/D值。這可以通過圖14中曲線1407D的趨勢加以確認D值顯著高於11mm時，亮度均勻度接近1％。採用鏡面後反射器806的最新進展已經證明在亮度均勻度保持大約1％的情況下，S/D值可以高達約3，從而可以減小照明單元的厚度。這在待審的美國專利申請公開No.2006/0262555中有更詳細的描述。
圖14所示趨勢表明EUF的採用使得薄得多的照明單元可以產生合格的亮度。在圖14所示結果所對應的所有設計中，燈間距S均為30mm。因此，對於約2.7或更高的S/D值，所有EUF設計(曲線1401、1402、1403、1405)均取得1％或更好的均勻度。特別是，對於低至7mm以下的D值(即S/D比率大於4.3)，曲線1401、1402、1403、1405顯示出小於1％的亮度均勻度。通過開發不同的EUF設計，可以製備均勻度小於1％且D值小於6mm的系統。
實驗結果 圖15示出了帶有和不帶EUF的燈箱所產生的光的實驗測量值。該燈箱大約寬33cm，並且在35mm的中心至中心間距內容納了8個螢光燈。該燈箱深度為8mm，因此S/D比率的值大約為4.4。在所有情況下燈上方都有擴散層。曲線1502顯示，亮度測量值(單位Cd m-2)是在整個擴散層上的位置的函數。該曲線顯示，強度隨空間變化而有顯著不同。曲線1504反映了在擴散層下方存在EUF的情況下所進行的類似測量的結果，該曲線顯示EUF可以顯著提高輸出強度的均勻度。用於產生這些實驗結果的EUF為雙面EUF，其中每個表面包含一系列稜脊，稜脊之間沒有平坦區域，稜脊本身也沒有平坦區域。在面向燈的下光轉向表面上，稜鏡頂角為66°，而在面向擴散層的上光轉向表面上，稜鏡頂角為100°。
重複測量過程，不同的是，將三個光控制薄膜設置在擴散器上方。從擴散層向上，薄膜依次為增益擴散器、增亮薄膜和反射偏振膜。增益擴散器為得自Keiwa Inc.(Osaka，Japan)的BS-42型增益擴散器。增亮膜為得自3M Company(St.Paul，Minnesota)的BEFIII-10T型稜鏡增亮膜，反射偏振層則為同樣得自3M Company的DBEF-D400型多層反射偏振膜。光控制薄膜的加入顯著增加了光箱上方的透光率。圖中示出亮度隨在整個光箱上的位置而變化的函數關係，其中包括不帶EUF(曲線1506)和帶有EUF(曲線1508)兩種情況。由於邊界條件，中央的照度通常大於邊緣。然而，帶有EUF時所測得的分布曲線比不帶有EUF時平滑得多。
應當理解，光轉向表面可以具有本文未詳細描述的多種不同類型的形狀，包括具有位置、形狀和/或尺寸無規的光轉向元件的表面。此外，雖然上述示例性實施例涉及使照明光折射轉向的光轉向表面，但其他實施例可以衍射照明光，也可以通過折射和衍射的組合來使照明光轉向。本文所述的計算結果顯示，與單獨的簡單擴散器相比，不同類型和形狀的光轉向層具有增強照度以及減小照度變化的潛力。
本發明不應被視為局限於上文所述的具體實例，而應該理解為涵蓋所附權利要求書中明確陳述的本發明的所有方面。在閱讀本說明書之後，本發明所屬領域的技術人員將明白本發明可進行的多種修改形式、等同處理以及可應用於本發明的多種結構。所附權利要求書旨在涵蓋這樣的修改形式和裝置。
權利要求
1.一種直接照明式顯示單元，包括
顯示面板；
一個或多個光源，所述光源設置在所述顯示面板背面並且能夠發出照明光；
擴散器，所述擴散器設置在所述一個或多個光源與所述顯示面板之間；以及
光轉向層，所述光轉向層設置在所述一個或多個光源與所述擴散器之間，所述光轉向層包括面向所述一個或多個光源的第一光轉向表面，所述第一光轉向表面主要在正交於所述光轉向層的第一轉向平面內對垂直地入射至所述光轉向層上的光進行轉向，所述光轉向層還包括面向所述擴散器的第二光轉向表面，所述第二光轉向層被構造為優選地將所述光轉向層內沿垂直於所述光轉向層方向傳播的光轉向至與所述第一轉向平面不平行的第二轉向平面內。
2.根據權利要求1所述的單元，其中所述第一轉向平面基本上垂直於所述第二轉向平面。
3.根據權利要求1所述的單元，其中所述第一光轉向表面包括具有至少兩個由表面不連續性隔開的相鄰的表面部分的光轉向元件。
4.根據權利要求1所述的單元，其中所述擴散器附接到所述光轉向層上。
5.根據權利要求4所述的單元，還包括位於所述擴散器的面向所述光轉向層的側面上的粘合劑層，所述第二光轉向表面的一部分穿入所述粘合劑層。
6.根據權利要求4所述的單元，其中所述第二光轉向表面的至少一些部分平行於所述擴散器並且附接到所述擴散器上。
7.根據權利要求1所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括相對於垂直於所述光轉向層的軸線為非對稱的光轉向構件。
8.根據權利要求1所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括具有平行於所述光轉向層的表面部分的光轉向構件。
9.根據權利要求1所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括至少一個位於兩個相鄰的光轉向構件之間的平坦表面部分。
10.根據權利要求1所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括在整個所述光轉向層上延伸的細長的光轉向構件。
11.根據權利要求10所述的單元，其中所述細長的光轉向構件的高度基本上沿所述細長的光轉向構件的長度為恆定的。
12.根據權利要求11所述的單元，其中所述細長的光轉向構件的高度沿所述細長的光轉向構件的長度是變化的。
13.根據權利要求10所述的單元，其中所述細長的光轉向構件的寬度沿所述細長的光轉向構件的長度是變化的。
14.根據權利要求1所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括兩個高度不同的相鄰的光轉向構件。
15.根據權利要求1所述的單元，還包括設置在所述擴散器與所述顯示面板之間的一個或多個光控膜。
16.根據權利要求15所述的單元，其中所述一個或多個光控膜包括至少第一增亮膜和反射偏振膜。
17.根據權利要求16所述的單元，還包括具有稜鏡結構的第二增亮膜，所述稜鏡結構的取向基本上垂直於所述第一增亮膜的稜鏡結構。
18.根據權利要求1所述的單元，其中所述顯示面板包括液晶顯示(LCD)面板。
19.根據權利要求1所述的單元，其中所述一個或多個光源包括至少一個發光二極體。
20.根據權利要求1所述的單元，其中所述一個或多個光源包括至少一個螢光燈。
21.根據權利要求1所述的單元，還包括連接到所述顯示面板的控制單元，以控制所述單元顯示的圖像。
22.根據權利要求1所述的單元，其中所述擴散器為漫射表面。
23.根據權利要求1所述的單元，其中所述擴散器為擴散層。
24.一種直接照明式顯示單元，包括
顯示面板；
一個或多個光源，所述一個或多個光源設置在所述顯示面板背面並且能夠發出照明光；
擴散器，所述擴散器設置在所述顯示面板與所述一個或多個光源之間；以及
光轉向層，所述光轉向層設置在所述一個或多個光源與所述擴散器之間，所述光轉向層包括面向所述一個或多個光源的第一光轉向表面和面向所述擴散器的第二光轉向表面，所述一個或多個光源發出的光的至少第一部分在所述光轉向層內沿基本上垂直於所述光轉向層的方向傳播，並且基本上透射過所述第二光轉向表面的平坦部分，所述一個或多個光源發出的光的至少第二部分在所述光轉向層內沿基本上垂直於所述光轉向層的方向傳播，並且在所述第二光轉向表面的傾斜部分處被全內反射。
25.根據權利要求24所述的單元，其中從所述一個或多個光源入射到所述第一光轉向表面上的光基本上在第一光轉向平面內被轉向，從所述第一光轉向表面入射到所述第二光轉向表面上的光基本上在與所述第一光轉向平面不平行的第二光轉向平面內被轉向。
26.根據權利要求24所述的單元，其中所述第一光轉向平面基本上垂直於所述第二光轉向平面。
27.根據權利要求24所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括具有至少兩個由表面不連續性隔開的相鄰的表面部分的光轉向元件。
28.根據權利要求24所述的單元，其中所述擴散器附接到所述光轉向層。
29.根據權利要求28所述的單元，還包括位於所述擴散器的面向所述光轉向層的側面上的粘合劑層，所述第二光轉向表面的一部分穿入所述粘合劑層。
30.根據權利要求28所述的單元，其中所述第二光轉向表面的至少一些部分平行於所述擴散器並且附接到所述擴散器上。
31.根據權利要求24所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括相對於垂直於所述光轉向層的軸線為非對稱的光轉向元件。
32.根據權利要求24所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括具有平行於所述光轉向層的表面部分的光轉向元件。
33.根據權利要求24所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括位於兩個相鄰的光轉向元件之間的至少一個平坦表面部分。
34.根據權利要求24所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括在整個所述光轉向層上延伸的細長構件。
35.根據權利要求34所述的單元，其中所述細長構件的高度基本上沿所述細長構件的長度為恆定的。
36.根據權利要求34所述的單元，其中所述細長構件的高度沿所述細長構件的長度是變化的。
37.根據權利要求34所述的單元，其中所述細長光轉向構件的寬度沿所述細長構件的長度是變化的。
38.根據權利要求24所述的單元，其中所述第一和第二光轉向表面中的至少一個包括兩個高度不同的相鄰的光轉向元件。
39.根據權利要求24所述的單元，還包括設置在所述擴散器與所述顯示面板之間的一個或多個光控膜。
40.根據權利要求39所述的單元，其中所述一個或多個光控膜包括至少第一增亮膜和反射偏振膜。
41.根據權利要求40所述的單元，還包括具有稜鏡結構的第二增亮膜，所述稜鏡結構的取向基本上垂直於所述第一增亮膜的稜鏡結構。
42.根據權利要求24所述的單元，其中所述顯示面板包括液晶顯示(LCD)面板。
43.根據權利要求24所述的單元，其中所述一個或多個光源包括至少一個發光二極體。
44.根據權利要求24所述的單元，其中所述一個或多個光源包括至少一個螢光燈。
45.根據權利要求24所述的單元，還包括連接到所述顯示面板的控制單元，以控制所述單元顯示的圖像。
全文摘要
一種直接照明式顯示單元，所述顯示單元具有顯示面板和一個或多個設置在所述顯示面板背面的光源。一種設置在所述一個或多個光源與所述顯示面板之間的擴散器，以及一種設置在所述一個或多個光源與所述擴散器之間的光轉向層。所述光轉向層具有面向所述一個或多個光源的第一光轉向表面和面向所述顯示面板的第二光轉向表面。所述光轉向層將所述一個或多個光源發出的光轉向至所述擴散器，從而改善所述顯示單元內的光的均勻度。
文檔編號G02F1/13357GK101535878SQ200780040984
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月12日 優先權日2006年11月15日
發明者肯尼思·A·愛潑斯坦, 肯尼思·J·漢利 申請人:3M創新有限公司