CN101341761B

CN101341761B - 背光设备

Info

Publication number: CN101341761B
Application number: CN200680048303.4A
Authority: CN
Inventors: W·L·伊泽曼; M·C·J·M·维森伯格
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: EP1967015A2; JP5291469B2; CN101341761A; US7824091B2; JP2009521084A; US20080259643A1; WO2007072263A3; WO2007072263A2

Abstract

提供一种背光设备(100)，至少包括光源(101)和波导板(102)，波导板包括正表面(104)和相对的背表面(103)以及至少一个用于接收来自所述光源(101)的光的表面(107)，提供用于接收光的连接所述正表面和背表面的表面。所述正表面(104)和所述背表面(103)的至少之一是刻有小平面的表面，刻有小平面的表面包括多个平面平行部分(105)和连接所述平面平行部分的多个刻面(106)。刻面(106)被形成得使得所述波导板(102)的厚度随着距所述用于接收光的表面(107)的距离而阶梯式减小，并且使得经由所述用于接收光的表面(107)接收到波导板(102)中的至少部分光通过所述多个刻面(106)从所述波导板(102)中提取出来。

Description

背光设备

技术领域

本发明涉及一种至少包括光源和波导板的背光设备，波导板包括正表面和相反的背表面以及至少一个用于接收来自所述光源的光的表面，所述用于接收光的表面连接所述正表面和背表面。

本发明还涉及包括本发明的背光设备的显示设备。

背景技术

在某些显示器应用中，人们期望由显示设备产生的图像仅在某个角度范围内可见，而从该范围之外的观看角度则无法看到该图像。

例如，在显示器的汽车应用中，为了不转移驾驶员的注意，人们期望显示的图像仅对乘客可见而对驾驶员不可见。这种例子之一是具有设置在汽车仪表板中的显示器的视频娱乐系统，其中副驾驶员可以看电影或看图片作为消遣，却不会转移驾驶员的注意。

在某些应用中，人们更进一步地希望不同的图像从不同的视角是可见的。例如在汽车应用中，某些信息(例如来自导航系统的路线计划信息)应该对驾驶员可见，而副驾驶员和乘客可以看电影或图片以供消遣而不会转移驾驶员的注意。

例如根据Koninklijke Philips Electronics N.V.的WO2005/031444，用于该目的的双视图显示器在本领域中是已知。

然而，应该考虑到驾驶员和副驾驶员之间的观察者，比如，在中间后座的观察者同时都没有被提供用于驾驶员的信息和用于副驾驶员的信息。因此，人们希望的是没有任何光(即信息)是在驾驶员和副驾驶员角度范围之间的方向上从显示器发出的。

为了改善双视图显示器的性能，因此人们希望背光具有在期望的离散角度范围内的专用角度的光输出，而不具有在这些专用角度范围之间的方向上的光输出。

Rober tBosch GMBH在WO98/39598中描述了提供在两个方向上的光的一种背光，其包括一个叠一个(on top of each other)设置的两个光导体板。第一光导体板提取第一方向的光，而第二光导体板提取第二方向的光。

棱柱薄膜设置在每个导体板的背表面。在这种导体板中传导(波导)的光在棱柱表面上朝正表面以相对其接近直角的角度反射，以便从导体板中提取出来。通过选择棱柱结构的形状，可以限定光被提取的角度。

WO98/39598所述内容的一个缺点在于波导内部光的角度分布因棱柱结构而改变。因此，所提取的光的角分布不容易确定为输入光的分布的函数。另外，为了在整个导体板内获得光的均匀提取，有必要非常精确地设计随空间改变的棱柱结构。

因此，需要一种背光，它提供的提取光的角分布直接取决于输入光的角分布的。另外，还需要一种背光，它提供一种在整个波导板内的均匀的光提取并且具有容易得到的结构。

另外，背光优选地在垂直于背光平面的方向上基本不提供任何光

发明内容

本发明的目的是克服这些问题，并提供一种背光设备，这种背光设备可以提供在限定角度范围内的倾斜角度的光，而优选地在与背光平面接近直角的方向无光，这提供的光的角分布取决于输入光的角分布，并且相当容易制造。

更进一步的目的是提供这样的一种背光设备，它可以提供在限定角度范围内两个单独的倾斜角度的光，而优选地在与背光平面接近直角的方向无光。

本发明再进一步的目的是提供一种显示设备，它在限定的倾斜观察角度范围内提供信息，而优选地在与背光平面接近直角的方向上无光。

本发明又一目的是提供一种双视图显示设备，它在两个单独限定的倾斜观察角度范围内提供信息，而优选地在与背光平面接近直角的方向上无光。

本发明的发明者已经发现这样的背光设备可用来实现这些目的：该背光设备包括至少一个波导，该波导板具有表面，通过在这个表面处与波导的主延伸面不平行的表面的部分提取出光。

因此，在本发明的第一方面，提供一种至少包括光源和波导板的背光设备，该波导板包括正表面和相对的背表面以及至少一个用于接收来自所述光源的光的表面，所述用于接收光的表面连接所述正表面和背表面。在这种波导板中，所述正表面和背表面的至少之一是刻有小平面的表面(facetted surface)，该刻有小平面的表面包括多个平面平行部分和多个连接所述平面平行部分的刻面(facet)。这些刻面被形成得使得所述波导板的厚度随着距所述用于接收光的表面的距离而阶梯式减少，即对每个刻面减少，并且使得经由所述用于接收光的表面接收到波导板中的至少部分光通过所述多个刻面从所述波导板中被提取出来。

被导入波导板内并在正表面和背表面经受内部反射的光将在波导中传导。

然而，当这种光遇到刻面时，在这个刻面上的入射角对于至少一部分光而言会足够小，使得这部分光将从波导中被提取出来。

通过刻面提取的光的角度范围将取决于导入波导的光的角度范围。因此，通过向用于接收光的表面提供具有适当角度范围的光，可以容易地设置提取的光的角度范围。

在所有刻面设置成具有相同高度和角度并且在波导板的整个长度上均匀分布的情况下，经由用于接收光的表面所接收的光将被从波导中均匀提取。

在本发明的实施方式中，可以以相对于所述平面平行部分的表面呈在70°到110°的范围内的角度β来形成刻面。

在这个角度范围内，提取效率高，导致产生高效的背光设备。

在本发明的优选实施方式中，刻面基本上垂直于平面平行部分的表面而形成。

当刻面基本上垂直形成时，即角度β约为90度时，在垂直于波导板平面的方向上基本上没有任何光被提取。另外，提取出的光具有与光源提供的光的经波导的部分基本上相同的角分布。

在本发明的实施方式中，背光设备包括至少一个叠一个设置的、如上述定义的第一和第二波导板。

这种背光设备允许光在两个独立的方向上被提取出来。

例如，第一波导板的用于接收光的表面和所述第二波导板的用于接收光的表面可以设置成相互平行但面朝相反的方向。

在本发明的实施方式中，第一波导的刻有小平面的表面可以面对

第二波导的刻有小平面的表面。

这种设置对于包括两个叠置的波导板的背光而言是最有效的设置

在本发明的实施方式中，第一光源设置成提供相对于所述第一波导的用于接收光的表面具有第一角展度的光，而第二光源设置成提供相对于所述第二波导的用于接收光的表面具有第二角展度的光。

从两个单独的波导板提取出来的光的角分布可经相互独立。比如，如果人们希望在一个方向提取出来的光比在另一个方向提取出来的光更多地被聚焦，那么这样可能是有益的。

在本发明的实施方式中，背光设备具有适合于面对显示器面板的正面和一个相对的背面，其中可以在背光设备的背面设置反射表面。

在某些情况下，通过刻面从波导板提取出来的光将包括至少某一部分，该部分被引导向设备的背面。通过在背面上设置反射表面，该光将被重定向到正面，因此提高了背光设备的光利用效率。

在本发明的实施方式中，可以在所述背光设备的所述正面设置折射元件。

这种折射元件可用于重定向和/或改变提取出来的光的角分布，从而在方向/分布上获得期望值。

在第二方面，本发明提供一种显示设备，它包括根据本发明的背光设备。

特别地，本发明提供一种双视图显示设备，它包括本发明的背光设备。

附图说明

现在参考所附的表示当前本发明优选方案的附图，更详细地描述本发明的这些方面及其他方面。

图1以横截面视图表示本发明背光设备的一个实施方式。

图2以横截面视图表示本发明背光设备的另一实施方式。

图3以横截面视图表示本发明的显示设备。

图4表示本发明的显示设备的汽车应用。

图5a-b显示下文实例之一的结果。

图6a-b显示下文实例之一的结果。

图7a-b显示下文实例之一的结果。

具体实施方式

本发明的第一示例性背光设备100如图1所示，至少包括光源101、波导板102，该波导板102具有背表面103、正表面104和用于接收光的表面107。正表面104包括多个平面平行部分105和连接这些平面平行部分105的多个刻面106。

波导板102的厚度随着到用于接收光的表面107的距离对于每个刻面阶梯式减少。

在这个实施方式中，刻有小平面的正表面设计成面对显示面板(比如液晶单元)，而平坦的背表面104设计成面对相反的方向。然而，如本领域技术人员将认识到的，以及根据下列描述，也可以采用相反的取向，并且这也包括在本发明范围内，即，平坦表面103形成旨在面对显示面板的表面，而刻有小平面的表面104形成与其相对的表面。

光源将光发射到用于接收光的表面107上，并且其中该光的至少一部分被引入波导。当引入的光束在波导102中传播时，一旦它以超过全内反射临界角的入射角度遇到背表面103或正表面104的平行部分105，它将在其上被反射并被改变方向朝向相对的表面。按照这种方式光被传导的角度范围在下文中也称为“波导角度范围”。

如在此所用的，“全内反射”在本文中也被缩写为“TIR”，指的是在两种介质之间的分界面中完全反射光束的现象，比如没有任何光通过分界面。光束通过表面的过程遵守Sne11定律：

n₁sin(θ₁)＝n₂sin(θ₂)

在这个公式中，n₁是第一介质(波导)的折射率，θ₁是在第一介质中在分界面上的入射角，而n₂是第二介质(周围环境)的折射率，θ₂是在第二介质中在分界面上的入射角。如果n₁＞n₂，在θ₁很大的情况下，不存在Snell定律的解。在临界角θc(其中θc＝arcsin(n₂/n₁))以上，这意味着从第一介质遇到分界面的光束被完全反射，没有任何光通过该表面。

当在这个波导角度范围内的光遇到刻面106时，在该刻面表面上入射角小于全内反射临界角的光将经由这个刻面从波导中被提取出来。

为了获得通过刻面表面的有效的提取，刻面106应当以接近垂直于平面平行部分105的角度形成。因此，平面平行部分之间的角度应当优选在大约70°到110°之间的范围，比如从大约80°到大约100°，比如大约90°±5°。

因此，通过刻面106提取的光的角度范围取决于经由用于接收光的表面107引入的光的角度范围。

在刻面的角度为90°并且用于接收光的表面平行于刻面的特定情况下，提取的光的角度范围基本上等于光源101所提供的光的角度范围，该光经由用于接收光的表面107被引入波导并且在波导的角度范围之内。如本领域技术人员所知的那样，在现实世界中通过表面提取光在理论上是不完善的，并且总是容易出现一些不规则性，例如菲涅耳反射等。然而，为了理解本发明的目的，这种不规则性可以忽略不计。

因此，通过改变光源发射的光的角度范围，经由刻面106提取的光的角度范围相应地变化。

如本领域技术人员将会意识到的，在垂直于根据这个实施方式的波导102的平面平行部分105的方向上，基本上没有任何光会被提取。

刻面106的间距(即刻面之间的距离)、刻面106的高度、波导板102的厚度全都取决于应用。

例如，对于长度150毫米的波导而言，刻面的间距可以例如从大约0,1毫米到10毫米，刻面的高度可以例如从0,01毫米到1毫米。

波导的厚度通常比波导的长度小得多。例如，厚度可能小于长度的10％。

然而，本发明不限于这些值，根据应用更大以及更小的尺寸可能是适当的，比如显示设备的大小等。

适用于本发明的光源类型取决于背光设备的应用。通常，可采用任何光源，包括本领域技术人员所知晓的任何类型的发光二极管、白炽灯泡和荧光管。对于本发明而言，所用光源的类型不是必要的。

波导板102通常由透光材料(optically clear material)(比如透明的玻璃或陶瓷材料)或者透明的聚合物材料(比如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或聚苯乙烯(PS))制成。

通常，波导的材料的折射率高于周围空气的折射率，使得波导板中的光可以经受全内反射。

由于波导板102中经波导的光具有一个角度范围，这个角度范围包括朝向正表面104的方向和朝向背表面103的方向，经由光提取的光的角度范围也具有这样的角度范围。因此，通过刻面以朝向背面的方向提取的光不会用于例如照明设置在背光设备正面上的显示面板。

因此，将反射表面109设置在背光设备100的背面可能是有利的，以便将所提取出来的朝向该反射表面的光朝着背光设备的前面反射。通过使用这种反射表面，可以极大地提高光的利用。

对于某些应用而言，通过刻面106从波导板102提取出的光的角度范围的平均方向可能不是对于那个应用所期望的方向。例如，提取出的光可能具有过于接近于平面平行部分105的平面的总方向。

因此，在本发明的实施方式中，折射元件110设置在波导板102的正面。这种折射元件应当能够接收从波导板提取的光，然后将那些光的平均方向改变为所期望的平均方向。

适用于本发明的这种折射元件的实例是由3M生产的重定向薄片(redirection foil)和亮度增强薄片(brightness enhancement foil)(BEF)。然而，其他的这种折射元件，或重定向薄片是本领域技术人员已知的。

该第一实施方式的背光设备100适用于作为显示设备的背光，其将仅仅在某一方向内显示信息，该方向不是接近垂直于显示面板的方向。

例如，如本领域所熟知的，这种背光设备100适合于用作透射或透反射(transflective)液晶显示器中的背光。

在图2中显示背光设备200的第二示例性实施方式，包括设置成面对显示面板的第一波导板212和设置成以相反方向面对的第二波导板222，两个波导板如上所述，一个叠一个设置。

针对波导板102的相同的考虑也分别适用于波导板212和222。

第一波导板212的用于接收光的表面217和第二波导板222的用于接收光的表面227设置成相互平行。

然而，表面217和表面222设置在背光设备的相对侧，导致以相反的总方向从这两个波导板提取出光。来自第一波导板212的光通常被提取到左边，而来自第二波导板222光通常被提取到右边。

如图2所示，第一波导板212的刻有小平面的表面214面对第二波导板222的刻有小平面的表面224。然而，如同本领域技术人员将认识到的那样，本发明不局限于这种设置，因此第一波导的平坦表面可选地要么面对第二波导板的平坦表面，要么面对第二波导的刻有小平面的表面。然而，图2所示的设备呈现了可能的最大空间效率设置。

在这种实施方式中，两个波导板的刻面表面彼此面对，并且接收表面面朝相反的方向，优选地在两个刻有小平面的表面之间存在距离。如本文中所使用的，两个刻有小平面的表面之间的距离将被取为垂直距离，即，沿着刻有小平面的表面的平面平行部分的法线从第一波导板212的平面平行部分215到叠置的第二波导板222的平面平行部分225的距离。在图2中，这个距离标记为“d”。

在这种实施方式中还优选的是将第一波导板212的刻面216直接设置在第二波导板222的刻面226之上。

本发明的这个第二实施方式的背光设备因此能够在两个单独的方向(比如不垂直于背光平面的两个方向)上提供光。

正如以上所讨论的，在两个通常相反方向中的每个方向上从背光设备所提供的提取的光取决于相应光源所提供的光。

因此，在这种背光中有可能独立地具有在第一方向上的光的第一角度范围以及在第二方向上的第二角度范围。

另外，在这种背光中，有可能独立地具有在第一方向上的第一颜色或色温等以及在第二方向上的第二颜色或色温等。

反射表面230可以设置在背光设备200的背面。对于这种反射表面230，可应用在上述第一实施方式中针对反射表面109的相同的考虑。

折射元件231，比如重定向薄片，可以设置在背光设备200正面。对于这种折射元件231，可应用在上述第一实施方式中针对反射表面110的相同的考虑。

由于在两个离散总方向上产生光的能力，本发明背光设备200非常适用于作为双视图显示设备(比如双视图液晶显示设备)中的背光。

这种显示设备300示意性地显示在图3中，包括如前所述的被设置以透照(transillunimate)液晶单元310的背光设备200。

背光设备200在两个单独的总方向上提供光，每个方向具有独立选择的角度范围。该光透照液晶单元310，产生可以从观看角度范围320和321分别观看的图像，但从观看角度范围322内不能看到图像，因为在那个方向上没有光射出。

可适用本发明背光设备的双视图显示器存在若干替换方式。

双视图显示器的第一示例性实施方式是时序LCD显示器，其中，比如LC单元交替地显示从第一方向可见的信息，并且交替地显示从第二方向可见的信息。

背光符合LC单元的节奏，使得当LC单元显示从第一方向可见的信息时，背光仅在第一方向发出光，并且当LC单元显示从第二方向可见信息时，背光仅在第二方向发出光。

对于具有从大约25到大约200赫兹(通常为50到100赫兹)范围的刷新率的典型显示器而言，一种方案是每隔一个图像帧将从第一方向可见，且每隔一个图像帧从第二方向可见。

双视图显示器的第二示例性实施方式是一种显示面板被分为第一和第二子部分的显示器。在这个方案中的背光设备可以包括覆盖第一显示器子部分的第一可控遮光器(shutter)和覆盖第二显示器子部分的第二可控遮光器。在操作时，背光设备设置成在第一方向上以第一模式发出光，同时使得第一遮光器能透射而第二遮光器阻挡，并且设置成以第二模式发射具有第二方向的光，同时使得第一遮光器阻挡而第二遮光器透射。

如同本领域的技术人员将认识到的那样，背光设备将适用于多种类型的双视图显示器，包括但不限于上述的类型。

上面双视图显示器设备的汽车应用如图4中所示，其中显示设备400可被观看到的第一方向由驾驶席401表示，而第二方向由副驾驶席402表示。

本领域技术人员认识到本发明决不限于如上所述的优选实施方式。相反，许多修改和变化都可能落入附加的权利要求的范围。

因此总而言之，本发明提供一种背光设备，至少包括光源和波导板，该波导板包括正表面和相对的背表面以及至少一个用于接收来自所述光源的光，提供所述用于接收光的表面连接所述正表面和背表面。所述正表面和背表面的至少之一是刻有小平面的表面，该刻有小平面的表面包括多个平面平行部分和连接所述平面平行部分的多个刻面。刻面被形成得使得所述波导板的厚度随着距所述用于接收光的表面的距离而阶梯式减小，并且使得经由所述用于接收光的表面接收到波导板中的至少部分光通过所述刻面从所述波导板中被提取出来。

实例

现在将参考下列非限制性实例对本发明进行更进一步的描述，图示说明本发明的背光设备的功能。

在下列这些实例中的结果通过计算机仿真(光线-跟踪)获得。

为了这些计算，BREAULT Research的软件包ASAP被用于兼容的计算机系统上。

在这些实例中，刻面的尺寸和数目保持相当少，以便具有相当高的仿真速度。如同本领域技术人员将认识到的那样，对于具有更大尺寸和/或更多数量的刻面的波导板，这些结果也会保持。

角分布图形结果包括：

(i)强度绘图显示强度与角度。角度按照π弧度(从-1到+1)给出，并且强度被描绘为归一化的光射线方向向量到该平面的投影。因此，与所述平面垂直的射线的强度被描绘所述图的中心，而平行于该平面的射线的强度总是在半径为1的圆上。

(ii)图表显示分别分别在C方向(沿着波导的长度方向)和A方向(沿着波导的宽度方向)上通过强度绘图中心的强度。

空间分布的图形结果包括：

(iii)强度绘图显示强度和与用于接收光的表面的距离。到波导中心的距离以毫米为单位给出。光在z＝-10毫米处被引入波导。

(iv)图表显示分别在z方向(沿着波导的长度方向)和x方向(沿着波导的宽度方向)上通过强度绘图中心的强度。

例1：单个波导板

在计算机仿真中仿真如图1所示的具有下列性质的被空气包围的波导板：

长度(z)	20毫米
		宽度(x)	20毫米
厚度(最大)	0.8毫米
		刻面高度	0.018毫米
刻面间距	0.45毫米

折射率	1.49
		刻面的角度β	90°

100％反射表面被仿真在背光设备背面上。

具有朗伯发射体的角展度90度的光经由用于接收光的表面被引入波导。

从该波导提取出来的光的空间分布如图5a所示，角分布如图5b所示。

从所述结果可以清楚地看到，该波导在整个表面上非常均匀地提取光。

进一步地，从所述结果可以很明显地看到，该波导提取在明确定义的角度范围内的光，该角度范围不包括沿波导板正表面的法线的方向。

例2：双波导板

两个在例1中所用类型的波导板以根据图2的结构布置，在波导板的背面设置反射表面。所述两个板的刻有小平面的表面被布置成相互间隔0.018毫米(即这些表面正好位移一个刻面间距)。

作为图示说明，只有下面的波导板才经过用于接收光的表面被提供有光。

从这个波导提取出来的光的空间分布如图6a所示，角分布如图6b所示。

从这些结果可以清楚地看出，该波导在整个表面上非常均匀地提取出光。

进一步地，从这些结果可以很明显地看出，该波导提取在明确定义的角度范围内的光，该角度范围基本上不包括沿波导正表面的法线的方向。

例3：带有重定向薄片的双波导板

采用例1中使用的相同的波导板，在波导板前面设置有附加的BEF薄片。

这个薄片提供有平行于波导的刻面的凹槽，凹槽深度0.05毫米、间距0.2毫米。

从该波导提取出来的光的空间分布如图7a所示，角分布如图7b所示。

从这些结果可以清楚地看出，该波导在整个表面上非常均匀地提取光。

进一步地，从这些结果清楚地看出，该波导板在明确定义的角度范围内提取光，这与例2中的情况(更接近于法线)明显不同。然而仍旧，在沿着波导正表面的法线的方向上基本上没有光被提取出来。

Claims

1. 一种包括背光设备的双视图显示设备，所述背光设备（100）至少包括光源（101）和一个叠一个布置的至少第一波导板和第二波导板，所述第一和第二波导板中的每一个包括正表面（104）和相对的背表面（103）以及至少一个用于接收来自所述光源（101）的光的表面（107），所述用于接收光的表面（107）连接所述正表面和背表面，

其特征在于，

所述第一波导板（212）的用于接收光的表面（217）和所述第二波导板（222）的用于接收光的表面（227）被相互平行地且面向相反的方向地布置，

对于所述至少第一波导板和第二波导板中的每一个，所述正表面（104）和所述背表面（103）的至少之一是刻有小平面的表面，该刻有小平面的表面包括多个平面平行部分（105）和连接所述平面平行部分（105）的多个刻面（106），所述多个刻面（106）被形成为使得所述第一和第二波导板中的每一个的厚度随着距所述用于接收光的表面（107）的距离而阶梯式减小，并且使得经由所述用于接收光的表面（107）接收到所述第一和第二波导板中的每一个中的至少部分光通过所述多个刻面（106）从所述第一和第二波导板中的每一个中被提取出来。

2. 根据权利要求1的双视图显示设备，其中所述刻面（106）相对于所述平面平行部分（105）的表面，以在70o到110o的范围内的角度形成。

3. 根据权利要求1的双视图显示设备，其中所述刻面（106）中的每个刻面垂直于所述平面平行部分的表面而形成。

4. 根据权利要求3的双视图显示设备，其中所述第一波导（212）的刻有小平面的表面（214）面对所述第二波导（222）的刻有小平面的表面（224）。

5. 根据权利要求4的双视图显示设备，其中所述第一波导（212）的刻有小平面的表面（214）和所述第二波导（222）的刻有小平面的表面（224）被分离开与至少所述波导的刻面（216、226）的高度相对应的距离（d）。

6. 根据权利要求1到3中任何一个的双视图显示设备，包括

第一光源，其向所述第一波导的用于接收光的表面提供具有第一角展度的光，以及

第二光源，向所述第二波导的用于接收光的表面提供具有第二角展度的光。

7. 根据权利要求1至3中的任意一个的双视图显示设备，其中所述背光设备具有适合于面对显示面板的正面和相反的背面，并且其中反射表面设置在所述背光设备的所述背面。

8. 根据权利要求1至3中的任何一个的双视图显示设备，其中所述背光设备具有适合于面对显示面板的正面和相反的背面，并且其中折射元件设置在所述背光设备的所述正面。