CN101057162B - 用于来自光源阵列的光的漫射器以及并有该漫射器的显示器 - Google Patents

用于来自光源阵列的光的漫射器以及并有该漫射器的显示器 Download PDF

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Abstract

一种可安置在点光源的背光阵列和平面显示器之间的光学结构。所述结构分布点光源发射的光，以均匀地照射显示器平面，而不引入明显的观察视差。发射的光被部分地准直在优选的角度观察范围内，从而当从垂直方向观察时，最大化显示器的照度。所述结构是高反射性的，以使任何未被发射的光线的大部分被所述结构在内部反射，提高了那些光线随后被所述结构发射的可能性。

Description

用于来自光源阵列的光的漫射器以及并有该漫射器的显示器
相关申请的交叉引用
【0001】对于美利坚合众国而言，本申请要求2004年7月27日提交的美国专利申请第60/591,087号的美国法典第35篇第119条规定的权益。
技术领域
【0002】本发明涉及具有光源阵列的显示器类型，所述光源阵列起到背光的作用。来自光源的光被分布以获得显示器的合适均匀的空间和角度照射，同时在垂直观察方向保持高照度。
背景技术
【0003】本发明涉及用于显示器的背光，所述显示器具有由背光照射的传输式光调制器。此类显示器的例子既包括一些液晶显示器(LED)，又包括高动态范围显示器，所述高动态范围显示器的类型在2002年9月6日公布的国际专利公布WO 02/069030以及2003年9月18日公布的国际专利公布WO 03/077013中被公开，在这里两者都被并入本文作为参考。
【0004】类似上述公布中所公开的显示器，高动态范围显示器合并有一光源层(可被称作“背光”)以及一显示层，所述显示层包含光调制器。背光被控制以产生一光图案，所述光图案代表将被显示的图像的较低分辨率的版本。低分辨率图像被显示层调制以为观测者的感知提供较高分辨率的图像。
【0005】背光典型地包括点式主动调制光源阵列，例如发光二极管(LED)。在背光前面被定位和对准的显示层，可以是液晶显示(LCD)板等。两层之间相对较小的分隔距离的维持允许背光的邻近光源发射的光平滑地相互汇入，以使高分辨率图像的每个象素都被照射。合适的图像补偿技术可被应用以移除不希望有的图像模糊假象。
【0006】在许多平面照明应用中(例如，不仅在上述的平面显示器中，而且在一些普通照明情形中)，都需要均匀地对平面进行照射(也就是背光)。被安排在一个阵列的多个LED可被用于此类应用中，因为它们提供了健壮的、低功率的白炽光源替代品。但是，LED只提供点源照射，而不是均匀平面照射。因此，以某种方式分布LED阵列的LED发射的光以均匀地照射平面是必要的。
【0007】在显示器应用中，还需要避免每个LED和正好在LED前面的照射显示区域之间的视差(由观测者位置的变化而引起的在物体方向的明显变化，所述观测者位置的变化对应到物体的不同视线)。否则，如果该区域被从不同角度观察，观测者将感知该区域中的变化，这是不希望有的。
【0008】视差问题阻碍了在如下情形中均匀平面照射的获得，每个点式光源以一定方式与正好在光源前面的显示区域相互作用，通常在LED/LCD型高动态范围显示器的情形下就是这样，其中每个LED对应LCD显示器上的一特定象素或一簇象素。在此类显示器中，每个LED应该主要照射就在LED前面的LCD象素。这种照射特性应该在观测者的观察角度变化时保持基本不变。
【0009】同时还需要，背光发射的光在优选的角度观察范围内被部分地准直，也就是与显示器垂直方向呈大约25°的范围内，以便在被从垂直方向观察时，最大化显示器的照度。另外还需要光学结构总体上(也就是光源层和显示层之间的一切)是适度反射性的，以便最大化反射性偏振器的效率，所述反射性偏振器被合并入最先进的LCD显示器中并因此最小化由偏振引起的光损耗。
发明内容
【0010】本发明提供了显示器，所述显示器在光源的背光阵列和显示层之间包含一光学结构。光源可以是诸如发光二极管(LED)的点光源。所述结构分布点光源发射的光。本发明还提供了可被用来分布来自点光源阵列的光的光学结构及相关方法。
【0011】本发明的各方面和本发明实施例的各种特征将在下文中被描述。
附图说明
【0012】附图说明了本发明非限定性示例应用。
【0013】图1是一个被充分放大但未按比例的横截面侧视图，其示出了平面光分布结构的一片断部分。
【0014】图2是一个被充分放大但未按比例的横截面侧视图，其示出了另一种具有附加漫射器的平面光分布结构的一片断部分。
具体实施方式
【0015】在下面所有的描述中，阐明具体细节是为了提供对本发明更透彻的理解。但是，即使没有这些细节，本发明也可被实施。在其它实例中，公知的元件未被详细显示或描述以避免对本发明不必要地混淆。因此，说明书和附图应被视为说明性的，而不是限制性的。
【0016】图1描述了一分层平面光分布结构10。显示器背光13的一些光源12(其可以是LED)，以及可包括LCD板或其它光调制器的显示板14，在图1中被示意性地示出。光分布结构10合并有一个后反射器16，一个光漫射体积18，一个可选的反射性偏振器20，以及一个可选的角度选择性光发送器22。
【0017】后反射器16在对应背光阵列的LED 12的位置具有透明区域24阵列。透明区域12可包含孔或窗，所述孔或窗对至少一些LED 12发射的光是基本透明的。为每个LED 12提供一个透明区域24。区域24被按一定尺寸制作并被对准，以匹配LED 12的尺寸和对准方式。例如，LED 12可被排列成矩形阵列、六边形阵列、正方形阵列等，且区域24被排列成一定型式，所述型式与LED 12的布局匹配。区域24也可被整形以匹配LED 12。
【0018】在所说明的实施例中，LED 12没有透镜。这些无透镜的LED近似地以Lambertian型式发送光线(也就是发送的光线具有的强度随观察角度变化而变化，变化的方式是强度与观察角度的余弦成正比)。在替代性的实施例中，LED或其它光源可具有透镜或以其它方式构造，从而以一种非朗伯方式发送光线。每个区域24将对应的、紧邻的LED12发射的光发送进入漫射器18。
【0019】LED 12可在漫射器18之外，如所示。在替代性的实施例中，LED 12可延伸通过区域24并些微伸入漫射体积18内，所述区域可以是孔。
【0020】后反射器16的面部26是高反射性的，所述后反射器面向漫射器18。面部26优选至少部分是镜面反射性的(也就是对比漫射反射器，反射角基本等于入射角)并可以基本上全部是镜面反射性的。可从3M Specialty Film and Media Products Division，St.Paul，MN获得的穿孔″radiant mirror film″是可用来制造后反射器16的材料的一个例子。
【0021】光漫射体积18的厚度尺寸28(最简单的情形下，所述光漫射体积在可以是气隙)优选被最小化，而同时保持足够厚度，这样从后反射器16传入漫射体积18的光线在光线通过反射性偏振器20之前是非对称漫射的(也就是光线向多个方向散射)。因此，进入漫射体积18的光线的方向特性在离开漫射器18的光线中基本上已不存在。
【0022】在漫射体积18具有各向异性散射系数的情形下，厚度尺寸28可被减小以使基本平行于垂直观察方向30的光线比基本垂直于垂直观察方向30的光线更强烈地散射。这种各向异性散射可通过将多层薄的、弱的光散射板片19(如图2，未在图1中显示)放入漫射体积18来获得。在薄片19表面上光的局部反射导致沿基本平行于垂直观察方向30传播的光的充分散射。例如，薄片19可由合适的透明聚合物材料制成。各向异性散射也可通过在漫射体积18内提供一种透明介质来获得，例如合适的树脂或掺入白色颗粒(例如涂料颜料颗粒等)的凝胶或其它漫射反射颗粒。
【0023】可选的反射性偏振器20(其具有的偏振特性与被合并在LCD显示板14的反射性偏振器的偏振特性相匹配)向后将光线反射进漫射体积18，所述光线具有的偏振特性与被合并在LCD显示板14中的偏振器的偏振特性不匹配。这种被不相称地偏振的光线在漫射体积18内经历进一步漫射并再次被后反射器16朝着可选的反射性偏振器20的方向反射(“再循环”)。
【0024】漫射体积18内的漫射随机化再循环的光线的偏振特性，以使再循环的光线中的一些最终能朝着LCD显示板14的方向穿过反射性偏振器20。任何剩余的不相称地偏振的光线如前所述再次被反射性偏振器20、漫射体积18和后反射器16再循环，直到再循环的光线的偏振特性与偏振器20匹配，以使再循环光线能朝着LCD显示板14的方向穿过反射性偏振器20。
【0025】可选的角度选择性光发送器22可通过让微复制棱镜结构在VikuitiTM Brightness Enhancement Film(亮度增强膜)的两个平行板片上彼此交叉成90°来制成，所述板片可从3M Specialty Film and MediaProducts Division，St.Paul，MN获得。光发送器22选择性地朝着LCD显示板14以基本平行于垂直观察方向30的方向发送被部分地准直的光线，同时将任何未被发射的光线的大部分向后反射回反射性偏振器20及后反射器16，以使未被发射的光线可被进一步反射(“再循环”)，以用于随后通过光发送器22的发射。
【0026】分层的平面光分布结构10从其光吸收损耗低的特征来讲，是高效率的。如果后反射器16、漫射体积18内的任何材料、反射性偏振器22(如果存在)、以及角度选择性光发送器22(如果存在)，都由基本上不吸收LED 12所发射的光的材料制成，那么几乎所有由LED 12发射到结构10中的光线能够最终通过结构10朝LCD显示板14方向被发射。不需要的图像伪影被明显减少，且在一些情形中，被充分消除，这是由于所述结构的高漫射特性。
【0027】为了明确性和简洁性，各种可由本领域的技术人员提供的元件在这里未被详细描述。例如，合并了如这里所述的光学结构的显示器包括相配的驱动电路以引起LED 12或其它光发射器发射光。这种电路可选地允许LED 12或其它光源的亮度被单独调制。任何相配的驱动电路都可被使用，所述驱动电路包括本领域技术人员公知的那些。此外，显示器典型地具有相配的驱动电路，所述驱动电路被用于操作显示板中的单个象素以根据图像数据调制光，所述图像数据对应于将被显示在显示器上的图像。相配的显示板驱动电路也为本发明领域中的技术人员公知。因而在此对LED 12的驱动电路、显示板14的驱动电路以及其他易于理解的元件(例如电源等)不予赘述。
【0028】上文所提一个部件(例如，构件，零件，组件，板片，准直仪，反射器等)之处，除非另行指示，该部件的涵义(包括“装置”的涵义)应被解释为包括该部件的等同物的任何执行所描述部件的功能的部件(也就是，在功能上等同)，同时包括在结构上不等同于所公开的结构的部件，所述公开的结构在所说明的本发明的代表性实施例中执行功能。
【0029】根据前述公开，许多改变和更改对于本领域技术人员将会很明显，这些改变和更改在本发明的实践中是可能的且不偏离本发明的精神和范围。例如：
·任一或两个反射性偏振器20和角度选择性光发送器22可被省略-在光分布结构10中只提供后反射器16和光漫射体积18就能获得良好的结果。但是优选包括反射性偏振器20以提高结构10的光输出能力，否则不相配地偏振的光线将会损失。同时优选包括角度选择性光发送器22以增加结构10发射光的亮度-虽然要以减小观察角度为代价，这是因为光发送器22部分地准直穿过它的光。这可通过在光发送器22和LCD显示板14之间提供附加漫射器32来补偿，如图2中所示。附加漫射器32横向漫射被贯穿光发射器22的通道狭窄地漫射的光线，从而增加了观察角度。
·当反射性偏振器20和角度选择性光发送器22两者都存在时，它们可被以任一顺序安排。
·后反射器16完全平坦是不必要的。后反射器16在小比例(也就是具有表面结构)上可以是崎岖的。漫射体积18的面部一般应该互相平行以使光被充分均匀地从漫射体积18发射出来。
【0030】虽然上文已讨论了许多示例方案和实施例，但本领域技术人员将会认识到其中的某些修改、置换、增加和子组合。因此，所附权利要求和今后引入的权利要求应被解释为包括所有这样的修改、置换、增加和子组合，它们均在权利要求的真正范围内。

Claims (16)

1.一种用于分布光的光学结构，所述光是由多个点光源构成的光源发射的，所述结构包括：
具有透明区域的二维阵列的反射器，每个所述点光源都对应所述透明区域中的一个，所述区域用于将光从所述点光源传入所述结构；
用于对穿过所述透明区域的光进行漫射的光漫射器，所述光漫射器各向异性地对与所述光漫射器相互作用的光进行散射；
角度选择性光发送器，用于将穿过所述光漫射器的光部分地准直在一优选的角度观察范围内；以及
反射性偏振器，用于对从光漫射器传向所述角度选择性光发送器的光进行偏振；
其中所述角度选择性光发送器以基本垂直于所述光学结构的方向选择性地发射被部分地准直的光线，并且向后反射任何未被发射的光线的大部分。
2.根据权利要求1所述的光学结构，其包括所述透明区域中用于每个所述点光源的一个透明区域，并且其中每个所述透明区域的尺寸、形状和布局被设计成与所述点光源中相应的一个点光源的尺寸、形状和布局匹配。
3.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述反射器包括一个高反射性外表面。
4.根据权利要求3所述的光学结构，其中所述反射器的所述外表面至少部分是镜面反射性的。
5.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述光漫射器具有各向异性散射系数，以使基本平行于所述光学结构垂直方向的方向中的光线比基本垂直于所述光学结构垂直方向的方向中的光线被更强烈地散射。
6.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述光漫射器包括处于所述漫射器内的多层薄的、光散射弱的片材。
7.根据权利要求6所述的光学结构，其中所述片材包括一种基本透明的聚合物材料。
8.根据权利要求1所述的光学结构，其中所述反射性偏振器对光线进行偏振，以匹配显示板的偏振，所述显示板被定向成与所述角度选择性光发送器平行。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的光学结构，其中所述点光源包括发光二极管。
10.根据权利要求9所述的光学结构，其中所述发光二极管被封装在无透镜外壳内。
11.根据权利要求1到7中任一项所述的光学结构，其中所述透明区域包括所述反射器中的孔。
12.根据权利要求11所述的光学结构，其中所述点光源通过所述孔凸出到所述反射器前面的区域中。
13.一种显示器，其包括二维阵列点光源、显示板、以及根据权利要求1到7中任一项所述的光学结构，该光学结构被放置在所述点光源和所述显示板之间。
14.根据权利要求13所述的显示器，其中所述显示板包括LCD显示板。
15.根据权利要求13所述的显示器，其包括一个处于所述光漫射器和所述显示板之间的亮度增强层。
16.根据权利要求15所述的显示器，其包括一个处于所述亮度增强层和所述显示板之间的附加漫射器。
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