CN101297414A

CN101297414A - 诸如多视点显示器的定向光输出设备

Info

Publication number: CN101297414A
Application number: CNA2006800403097A
Authority: CN
Inventors: G·P·卡曼; M·W·G·庞杰
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2026-10-23
Also published as: JP2009514157A; US8936373B2; TW200739993A; EP1943692A2; WO2007049213A3; CN101297414B; JP5020961B2; EP1943692B1; WO2007049213A2; US20080285282A1

Abstract

一种发光设备，包括衬底(61)以及在衬底上提供的发光元件(62)的排列。该衬底具有用于至少定义第一和第二区域(60a，60b，60c)的曲状表面，该第一和第二区域具有面对不同方向的法线方向。发光元件(62)包括定向发光元件，并且发光元件在第一和第二区域上(60b，60c)提供，从而定义第一和第二发光方向。该排列提供了位于设备中的结构化(地形非平坦)衬底上的光源元件，以便通过每个发光区域地对光发射进行控制、可电子地修改该设备所发射的光的角分布。

Description

诸如多视点显示器的定向光输出设备

本发明涉及例如多视点显示设备这样的、用于在不同空间位置提供多个视点的定向光输出设备。

多视点显示器用于诸如3D显示器、双视点汽车安装的显示器、或者多视点呈现显示器之类的各种目的。越来越将3D显示器视为在显示器方面的下一主要革新。创建3D图像的普通技术是通过将诸如LCD或等离子体显示器之类的现有显示器与用于将不同像素成像到不同观看角度的额外光学部件相结合。

图1示意性地给出了该方法，并且可看出，来自像素列的光输出10指向不同的横向观看位置。此后用户12可利用左眼和右眼看见不同的图像，并且将这感受为图像的3D或深度效果。存在有不同方法以向不同横向位置提供不同视点方向，并且最普通的方法是使用垂直(或者基本上垂直)双凸透镜元件阵列。

对于非立体显示器而言，双视点显示器是多视点显示器的另一示例，并且其例如可用于机动车应用。代替显示多个视点以获得立体图像，其在不同方向上显示不同图像。该技术的应用示例是用于向汽车驾驶员示出路程计划的显示器，其同时允许乘客读取电子邮件、观看电影、或者玩游戏。因为安全原因，驾驶员将不能看到呈现给乘客的信息。

在典型的机动车应用中，用于驾驶员和乘客的观看区应当满足参考图2所说明的要求。图2中的左图给出了期望的光输出，该光输出具有中央盲区20和两个横向观看区22。例如，角度α可能必须是大约14度。图2中的右图给出了怎样实现如与传统显示的曲线26相比而言的曲线24这样的期望的发射轮廓。如所示，传输过程中的突变是不实际的，并且正弦函数形状可能是合适的。

在靠近显示法线的方向中应当没有可见图像(优选为暗输出)并且在向左右倾斜的角度(仅是举例来说+/-30度)处，应当可看得见图像。

可按照许多方式来构造双视点显示器。一个已知方法是将屏障层引入到传统显示器(例如LCD)的顶部，这如图3所示。

屏障层30由在垂直方向上排列的狭缝32的水平阵列组成。这些狭缝所定义的孔允许来自一个显示像素34的光从在显示法线左边的视角可见，并且运行来自其相邻像素的光仅从在相对侧的视角可见。按照这种方式，可显示两个独立的图像：一个在左，一个向右。

这会引起两个视点34和36以及靠近显示法线的方向上的盲区38。

然而，从图3可知，在盲区38中可以看到两个视点二者，并且这呈现出串扰的区域，而不是暗区。坐在该位置的观察者将看到合并成一个图像的第一视点34和第二视点36的图像。这当然是不希望的，并且甚至在机动车应用中是危险的，因为它可分散驾驶员的注意。

已考虑到可解决该问题的一个方式是提供背光，其仅在相对于背光的平面具有倾斜角度而并非垂直地发光。

背光设计发展到提供可定制的光源(例如具有可选择的亮度、颜色、和/或光分布)，并且这些在功能使用和设计方面提供了灵活性。

在该领域得到应用的技术示例是有机固态照明。

对于专业应用而言，效率是首要重要的。固态照明的开发提供了两个一般光源技术以实现这些目标，即无机发光二极管(LED)和有机发光二极管(OLED)。对于大面积照明而言OLED是理想光源。可利用卷绕处理来生产这些光源，并且期望的是可承受的光源可在卷筒上得到，并且形状、颜色、以及大小是可定制的。

OLED典型地是包括夹在衬底上的电极(阳极和阴极)之间的、例如以半导电共轭聚合物形式的一个或多个有机层(基于小分子和/或聚合物)。一个电极是透明的并且另一个是适用于将空穴或电子注入到聚合物层中的材料。术语OLED包含这样的聚合物材料(PLED)或者其他类型的发光二极管(LED)。

图4给出了OLED光源的基本结构，该OLED光源包括衬底40、下部电极层42、以有机叠层(organic stack)形式的电致发光层44、以及顶部电极46。

还使用例如用于封装OLED的附加层。在有机叠层中生成的光可离开该设备以经由衬底(底部发射OLED)或经由顶部(顶部发射OLEDs)而朝着观察者的方向。底部发射设备需要利用透明衬底40和透明底部电极42，然而顶部发射设备需要利用透明顶部电极46。

已考虑到希望利用以这样方式设计的OLED背光来实现多视点(例如双视点)显示器，其中所述背光是仅在倾斜角下而并非在前向上发射出光。然而，现有方法需要利用屏障。

原则上需要屏障，这是因为每个OLED元件在所有倾斜方向(例如+30度和-30度)上发射出光，然而仅须发射出每个像素一个视点。

低电耗和空间自由还使OLED发光设备成为许多一般照明应用的候选者。用于一般照明目的的有机固态照明中的瓶颈之一是未对光的外出耦合进行定向，这会造成漫射光。为此，对于诸如局部照明、聚光照明、顶棚照明、台灯、机动车内照明、桌灯、作业照明等等之类的许多应用而言使用传统(即薄的，平面)OLED不是有效的。

可利用微腔光学器件实现OLED的定向发光。光学腔对OLED的发光的基本效果是使光子态密度重新分布、以便在给定方向上仅发射出与所允许的腔模式相对应的某些波长。

例如，EP 1154676公开了一种使用谐振腔以提高视角范围上的色彩纯度的有机EL设备。该光学腔使用多次反射以创建谐振。

图5给出了包括光学腔的各种基本OLED结构。

在图5a中，下部电极42是半透明的并且顶部电极是反射型的(底部发射)。在图5b中，顶部电极46是半透明的并且底部电极是反射型的(顶部发射)。在图5c中，这两个电极都是半透明的。

在这些结构中，在其之间生成了光的电极之间提供了相对小的距离(大约所要发射的波长的量级)。该尺度控制了所允许的腔模式。通过利用金属或半透明导电薄膜，并选择性地结合电介质涂层，可获得电极的反射性质。

无法对微腔的形式进行电切换以改变所发射的光的方向，并且因此不能向用户提供对角分布的期望控制。

因此还有必要提供对基于OLED的设备所发射的光的角分布的控制。

根据本发明，提供了一种发光设备，该发光设备包括：

衬底；以及

在衬底上提供的发光元件的排列，

其中该衬底具有用于至少定义第一和第二区域的波状表面，该第一和第二区域面向不同方向的法线方向，其中发光元件包括定向发光元件，并且其中发光元件在第一和第二区域上提供，从而定义第一和第二发光方向。

该排列提供了位于设备中的结构状(地形非平坦)衬底上的光源元件，以便可以通过对每个发光区域的光发射进行控制来电子地修改该设备所发射的光的角分布。

发光元件例如可包括有机发光二极管设备(OLED)。该OLED的特征在于发光轮廓是定向的(即非朗伯(Lambertian))。这例如可以是通过利用包括微腔的OLED、或者通过将附加光学结构并入到OLED中、或者通过在OLED设备外部应用例如棱柱或箔片这样的光学元件来实现的。

因此可实现下述基于OLED的设备，在该基于OLED的设备中可对所发射的光的角分布进行电调节，而无需机械移动的部件。可避免不同方向输出之间的串扰而无需屏障。

定向发光元件优选具有集中在其上安装有发光元件的衬底的法线方向周围的光输出。例如，该输出在其上安装有发光元件的衬底的法线方向上具有最大亮度，并且亮度是最大值的50％的全角处于5度至50度的范围中，或者进一步优选处于10度至35度的范围中。

有机发光二极管设备包括夹在电极之间的场致发光材料，并且因此该电极定义了用于提供定向输出的光学腔。这避免了对用于定义定向输出的附加元件的需要。

该衬底具有脊面、每个脊的一个面定义了第一区域的一部分并且每个脊的另一面定义了第二区域的一部分。存在有多个脊。

该脊包括用于定义两个不垂直的面(相对于衬底的一般平面)的三角形突出，每个面从衬底的一般平面的法线朝着相应侧的方向。

第一和第二区域的每一个都可包括每个彼此平行的多个衬底部分。该部分一起定义了结合的光输出面。

该设备包括显示设备的背光。因而使每个区域与用于要在特定方向或方向范围上显示的一个显示图像的像素相关联。

因此第一和第二区域的每一个都可包括每个彼此平行的衬底的多个连续部分，而且每个部分与红色、绿色、或蓝色的子像素相关联。或者，每个部分与红色、绿色、以及蓝色的每一个的子像素相关联。当脊形状用于定义该部分时，每种颜色的子像素与脊的长度对其或者沿着脊的长度交替。这可使用于相同显示图像的相同颜色的子像素之间的距离保持最小，以提高可感知的分辨率。

本发明还提供了一种利用本发明的背光的显示设备。该显示设备在使用的过程中可进行操作以使用在第一和第二区域上提供的发光元件以显示第一和第二图像。这允许实现多视点(例如自动立体)显示而无需诸如双凸透镜之类的附加光学元件。

在另一实现中，该设备包括可控光源。这允许实现可对光分布进行电控制的基于OLED的发光元件。这增加了使用发光元件的自由度。

现在参考附图对本发明的示例进行详细的描述，在附图中：

图1用于对多视点显示器的操作原理进行说明；

图2给出了在机动车应用中使用的多视点显示器的期望光强输出；

图3给出了使用屏障层以试图获得参考图2所说明的期望的定向输出；

图4以示意形式给出了传统OLED显示设备的结构；

图5以示意形式给出了利用光学腔来对光输出方向进行控制的OLED显示设备的已知结构；

图6给出了本发明的第一发光设备；

图7给出了本发明的发光设备的进一步示例；

图8给出了本发明的多视点显示设备的三个示例；

图9给出了该衬底的可能脊形状；

图10给出了该衬底的另一可能脊形状；

图11给出了本发明的可控发光设备；以及

图12给出了本发明的显示设备。

图6给出了本发明的、可用作多视点定向显示设备的背光的定向光源的第一示例。该示例使用非平坦衬底以提供具有不同发射法线角的光源的不同部分，并且光源元件本身是定向的。

图6给出了该衬底的一个可能形状，其中第一组面60a通常面向外，第二组面60b面向一侧并且第三组面60c面向另一侧。

在这个结构状(地形非平坦)衬底上使用定向OLED以对所发射的光的角分布进行控制。光源62是定向的，并因此具有对于所有角度不是相等的亮度，即非朗伯(Lambertian)输出。该定向输出由椭圆表示。

该衬底可以是刚性、可弯曲、或者保角的。保角衬底与其层叠在其上的另一衬底/设备相符。因此该衬底最初是可弯曲的，但是仅仅直至成形成期望结构为止，此后该形状是固定的并且不再反复改变。

光源62排列成条形，例如就光源所照明的显示器的法线观察方向而言自上至下。

由于该衬底的结构，因此OLED条沿不同方向发光。通过每个条地控制亮度，可对OLED设备的结果产生的发射轮廓进行电调节。因此可将这种结构化的OLED设备应用在用于一般照明目的的多视点显示器或固态发光设备中。

当然，存在许多适当的表面轮廓。适当的表面轮廓的关键方面在于，不同衬底区域的法线方向之间存在差异。表面轮廓可包含1D地形图案(例如类似于条这样的线形结构)或者2D地形图案。

另一适当结构的示例是诸如具有各种斜度的条或锥体之类的基于三角形的结构。

图7给出了可提供定向输出或者不同定向输出范围的各种衬底形状。图7的一些示例使用三角形突出物以提供两个面，每个位于到光源的一般平面的每个法线侧上。

OLED元件位于这些面的一个或这两者上，并且三角突起与和光源的一般平面平行的部分相间隔。再次，定向OLED输出由椭圆表示，并且通过每个发光条或者区域控制亮度，可对OLED设备的发射轮廓进行电调节。

通过按照已知方式利用微腔可获得定向OLED，虽然例如利用在OLED中引入附加光学结构或者应用诸如棱柱和箔片之类的光学元件这样的其他技术同样是可能的。然而，每个OLED元件的定向光输出不需要中心盲区，并且因此可避免使用屏障层。

可以在OLED的沉积之前或者在OLED的沉积之后构造衬底。例如，可在构造化载体上执行在弯曲/保角衬底上层叠定向OLED。

该图案化特征是微迟到的或者更大。通常，该图案具有与OLED显示元件分辨率或者置于下面的显示器的分辨率相同的或更大的尺度。例如，在显示器应用的情况下，该衬底的结构化尺寸与(子)像素大小相同或者更大。

因此，由于该限制，构成了用于一个定向输出的部分设备的部份具有与像素或者子像素间距相对应的最小尺寸(例如脊的宽度)。或者，每个部份具有与子像素组或者子像素的尺寸相对应的最小尺寸。

图8给出了上面所概述的原则的应用以用于实现双视点显示器的定向背光。

图8给出了结构化(即非平坦)衬底上的定向(即非朗伯(Lambertian))OLED条80。该衬底具有毗连在一起的一系列三角形突起的形式。该结构呈现出具有第一法线方向的第一组面以及具有不同的第二法线方向的第二组面，所述第一法线方向偏离显示设备的平面的一般法线方向，所述第二法线方向再次偏离显示设备的平面的一般法线方向。这提供了横截面为规则的三角形振动图案。

OLED形成了例如LCD显示器这样的显示设备的背光。

在图8A所示的示例中，OLED元件的每个条80沿着该条依次照明叠在上面显示器的红色、绿色，以及蓝色(子)像素R，G，B。在图8B所示的示例中，OLED元件的每个条照明用于定义连续列的红色、绿色、以及蓝色(子)像素R，G，B的三个子条。在图8C所示的示例中，OLED元件的每个条仅用于照明(子)像素的一种颜色。

图8中的不同选项不仅表示背光(尤其是脊大小，因为这是子像素大小或者像素三元组的大小)的不同设计，而且还确定叠在上面显示器的设计和控制。因此，作为系统，对背光和要照明的显示器进行设计和控制(即，可电子寻址)。

通过每个条地控制像素输出，可控制各个视点中的发射，以便可对每个视点所显示的图像进行控制。

就所感知的分辨率而言，图8所示的不同实施例具有不同性能。在图8C中，相同颜色并且具有相同表面法线(即相同发射方向)的子像素之间的距离比图8A和8B中要大得多。其结果是图8C的实施例被感知为更多″颗粒″或者具有更粗糙分辨率。通常，优选的结构具有颜色和/或斜度序列的组合，其中使具有相同斜度的彩色子像素(一起构造单个像素)尽可能紧密地间隔。

这确保了每个视点的图像的最佳分辨率。如果使用了非最佳结构(例如，如果就可制造性而言它们具有优点)，那么用于叠在上面的显示器的驱动/呈现算法可考虑这些效果。

在双视点(即多视点)显示器应用中，衬底结构的图案尺度具有与像素或者子像素相同的大小。因此，每个条在尺寸方面可与单个子像素宽度(图8A的示例)或者单个像素三元组(图8B的示例)相对应。当然在衬底形状中还可具有更粗糙分辨率，以便每个条可用于照明少量列的像素或者子像素，虽然这还会降低图像质量。该衬底图案当然与像素阵列对齐。

优选地，定向OLED发射出以发光区域的法线为中心的锥形光以避免由单个像素发射出多个视点。该锥的角宽优选是5度至50度。将该宽度定义为输出强度是最大输出强度的50％或更大的完全角宽。该定义测量了光输出的主要部分的发射角并且忽略了远离法线的角度处的、不可避免的低强度杂散光发射。

利用垂直的条，衬底结构会导致在以衬底斜面的法线为中心的水平方向上的双视点。在垂直方向上，观察角受到每个发光元件的锥形的宽度的限制。为了获得具有垂直方向上的较宽观察角的、在水平方向上的双视点显示器，可以使用不对称的漫射器。该不对称的漫射器位于发光元件与观察者之间。

当然，存在可用的许多表面轮廓。以下是尤其适当的轮廓的示例：

-用于双视点显示器的三角形突起。对于显示器安装在汽车的中央控制台上的机动车应用而言，相对于光源的一般平面的倾斜角在15至50度的范围中。

-锯齿形突起。一组锯齿形突起可用于替换较大的三角形形状，这如图9所示。

-具有不同倾斜角的突起组的三角形或锯齿形突起，用于多视点或3D显示器，这如图10所示。

上面已经概述了使用OLED定向发光设备以形成诸如LCD或面内开关电泳显示器之类的衰减显示设备的背光。

OLED发光元件可作为替代直接形成定向电致发光发射显示设备的像素。对于在非平坦或者可弯曲的衬底上创建有源矩阵显示设备已经做了大量的工作。

在这种情况下，定向发光元件用于形成定向多视点显示设备而无需附加显示效果。这需要具有非平坦衬底形状的有源矩阵阵列，这需要非标准的显示制造技术。

然而，可在可弯曲衬底上形成基于硅的有源矩阵设备，例如对利用可弯曲的聚酰亚胺薄膜作为显示衬底进行了相当大的探究。这种衬底可层压在具有表面地形的更刚性非平坦衬底上以获得期望的发射轮廓。

还对在钢箔上创建有源矩阵聚合物发光二极管(polyLED)以及利用使用有机电子器件(例如电泳设备)的卷绕式有源矩阵设备进行了某些探究。

本发明还可应用于一般光源上以用于更宽范围的应用。

图11给出了可以使用根据本发明的固态发光设备获得的照明轮廓的示例。

可直接对不同发光元件的光输出进行控制的能力(而不是通过重叠显示面板来控制衰减)可使单个光源设计受到电控制以实现诸如法线方向上的聚光输出(图11A)、漫射光输出(图11B)、用于提供主要外围光的定向输出(图11C)、以及用于将光提供给所选侧的定向输出(图11D)之类的许多不同的发光效果。

通过该结构的每个条地对发光区域的亮度进行调节，可对发射轮廓进行控制。

还可将角分布与特定颜色的定向OLED结合在一起，以便对角分布的控制可用于对空间色分布进行控制。

可选择所使用的发射锥体的宽度和/或倾斜角以便发射方向之间有一些重叠以防止在照明区域中出现暗(较少照射)区。

上面的详细示例使用按照一维所构造的衬底(提供平行延伸的衬底区域的条)。然而，在有机固态照明设备中还可使用二维结构。例如，锥体阵列可用于提供对发光方向的进一步空间控制。

在上述示例中，利用腔可实现定向光输出。然而，使用覆盖显示元件的孔径阵列还可实现定向光输出，以便来自一个发光元件的光输出可仅穿过一个孔径，并且该孔径限制了光输出的角分散。

对于其中本发明的设备用作背光或者为了一般照明目的的示例而言，没有必要例如使用有源矩阵来创建可分别寻址的像素。在这种情况下，可制造同时寻址的定向发光元件的条。条可平行延伸(从左到右，从上到下)或者按照同心圆或其他结构延伸。这降低了电底板的成本，这是因为它仅需要一个电极层的简单图案(例如OLED的阳极或阴极)。

对于其中背光与LCD相结合的示例而言，对LCD面板中的元件的寻址可实现对光输出的期望控制，并且对于背光设计而言还不需要附加的复杂性。

图12给出了本发明的显示设备，在该显示设备中背光120是如上所述的发送设备的形式，并且显示控制设备122叠在背光上面。该控制设备包括LCD光调制器，即实质上不具有其自己的背光的LCD显示器。

可能的制造技术的一个示例是例如通过将可弯曲/保角的OLED片层压在更刚性的预形成衬底上来形成随后变形的平坦OLED片。可使用的衬底是塑料(例如聚酰亚胺)或金属箔。

还有可能尤其是通过蒸发，将OLED沉积在预成形的衬底上。原则上，包括OLED的功能性有机层极其薄，例如总厚度约为100nm。因此，所需的表面地形受到限制，并且可应用传统的蒸发技术以及同样可能应用传统旋涂技术。

在一些应用中，单独的光元件不需要单独控制。例如对于背光而言，输出具有连续亮度并且来自所有OLED元件。在其他应用中，希望的是至少对不同定向区域进行单独控制。当照明布置直接形成了显示器时，需要有源矩阵阵列以提供对起像素或子像素作用的每个光源的独立寻址。

定向OLEDs可基于小分子OLED(smOLED)以及聚合物OLED(pLED)设备。

本领域普通技术人员可显而易见地得知各种修改。

Claims

1、一种发光设备，该发光设备包括：

衬底；以及

在衬底上提供的发光元件的排列，

其中该衬底具有用于至少定义第一和第二区域的曲面表面，该第一和第二区域具有面向不同方向的法线方向，其中发光元件包括定向发光元件，并且其中发光元件在第一和第二区域上提供，从而定义第一和第二发光方向。

2、如权利要求1所述的设备，其中定向发光元件的每一个都具有集中在其上安装有发光元件的衬底的法线方向周围的光输出。

3、如权利要求1或2所述的设备，其中定向发光元件具有下述输出，该输出在其上安装有发光元件的衬底的法线方向上、或者基本上在该法线方向上具有最大亮度，并且亮度是最大值的50％的全角处于5度至50度的范围中。

4、如权利要求3所述的设备，其中亮度是最大值的50％的全角处于10度至35度的范围中。

5、如先前任何一个权利要求所述的设备，其中发光元件包括有机发光二极管设备。

6、如权利要求5所述的设备，其中该发光元件包括位于光学腔中的场致发光材料。

7、如先前任何一个权利要求所述的设备，其中衬底具有脊面、每个脊的一个面定义了第一区域的一部分并且每个脊的另一面定义了第二区域的一部分。

8、如权利要求7所述的设备，其中该脊包括三角形突起。

9、如先前任何一个权利要求所述的设备，其中第一和第二区域的每一个都包括每个彼此平行的多个衬底部分。

10、一种显示设备包括：

背光，该背光包括如先前任何一个权利要求所述的发光设备；

叠在所述背光上面的显示控制设备。

11、如权利要求10所述的设备，其中第一和第二区域的每一个包括每个彼此平行的多个衬底连续部分，并且其中每个部分都与红色、绿色、或者蓝色的子像素相关联。

12、如权利要求10所述的设备，其中第一和第二区域的每一个包括每个彼此平行的多个衬底连续部分，并且其中每个部分与红色、绿色、或者蓝色中的每一个的子像素相关联。

13、如权利要求12所述的设备，其中每个部分包括脊面，并且其中每个颜色的子像素与脊的长度对齐。

14、如权利要求12所述的设备，其中每个部分包括脊面，并且其中每个颜色的子像素沿着脊的长度交替。

15、如权利要求10至14任何一个所述的设备，包括多视点显示设备，其中该显示设备可进行操作以使用至少在第一和第二区域上提供的发光元件以至少显示第一和第二图像。

16、如权利要求15所述的设备，包括自动立体显示设备，其中该显示设备在使用中可进行操作以使用在第一和第二区域上提供的发光元件以向用户的不同眼睛显示第一和第二图像单眼图像。

17、如权利要求1至9任何一个所述的设备，包括可控光源，该可控光源的角分布和/或空间颜色分布是电可控的。

19、如权利要求18所述的设备，其中至少第一与第二发光方向的光输出之间存在一些重叠。