CN101630067A - 显示器 - Google Patents

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CN101630067A CN200910139933A CN200910139933A CN101630067A CN 101630067 A CN101630067 A CN 101630067A CN 200910139933 A CN200910139933 A CN 200910139933A CN 200910139933 A CN200910139933 A CN 200910139933A CN 101630067 A CN101630067 A CN 101630067A
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马丁·大卫·提林
乔纳森·马瑟
艾玛·珍妮·沃尔顿
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Abstract

本发明提供一种显示器，其包括单视点图像显示板(6)和设置在图像显示板的显示面上、用于限制图像显示板的显示面输出的光的角展度的视差光学镜(8)。这使得光可以在期望视角范围(66)中集中，且避免如果不提供视差光学镜(8)用户(56)看到的大视角范围(64)所产生的非期望反射。该显示器可以用于例如机动车辆中，以防止车辆的风挡玻璃(62)的不期望的反射。

Description

显示器
本发明要求2008年7月17日申请的英国专利申请0813088.2的优先权，其全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及一种控制输出光的角度范围的显示器。
现有许多照明器和显示器的应用，其中需要控制或限制光输出的角度或显示器视角。例如，在显示器的机动车应用中，为了减少或避免驾驶员的注意力分散，尤其在例如夜晚的黑暗环境下，期望限制来自显示器的光的垂直输出角度，从而防止来自车辆风档玻璃的不期望的反射。同样，通常向下，例如朝着地板方向，传播的光被浪费且代表光利用效率的降低。
背景技术
US Re 27617揭示了一种用于控制来自显示器的光的输出角度的公知类型的百叶窗膜。该膜包括以类似于软百叶窗排列的交替的透明和不透明层。此排列方式通过与该层的平面相平行或近似平行的方向上传播的光，但吸收与该平面呈大角度传播的光。因而，吸收在不期望方向上传播的光，且降低了光利用效率。因为相当数量的以倾斜角传播的光由该膜吸收，所以这种类型的光控制膜相对效率低下。
JP2004/245918揭示了一种相似类型的百叶窗膜，但其改动以包括透明、反射和不透明层。平行于和近似平行于百叶窗平面传播的光被透射。以与平面呈较大角度传播且通常向上的光被向下反射到非观看区域，相反，以较大角度向下传播的光被吸收。同样，光利用效率相对较低。
US5204160揭示了一种与US Re 27617相似类型的百叶窗膜，但改动以包括在不透明层之间的微型透镜。另外，在填充吸收材料的凹槽形成光吸收区域。
US2006/0245060A1揭示了一种由具有楔形区域的梯形透镜构成的视角控制片，楔形区域间填充有较低折射率的材料。而且，该文献提供了楔形区域的斜率相对两种介质的折射率的公式。该文献声明减少了以如US Re 27617中揭示的膜所观测到的亮度降低。该文献同样揭示了楔形区域可吸收光或包含颗粒以散射光。
US2007/0076406A1揭示了与US2006/0245060A1相似类型的光控制膜，但该应用是为了扩大显示器的视角，而不是限制视角到一定范围。同样，该文献意欲通过减少入射到显示器的环境光的数量来防止对比度的降低。US2007/0076406涉及为了提供准直背光源而打算与光源部分一起使用的光控制片。在例如示出了典型SLM显示器的图1中，光控制片50提供在光源部分4和液晶面板之间，以提供准直光源。该应用的光控制膜设计为放置在背光源和液晶面板之间。
US7236286揭示了类似于US5204160和US2006/0245060A1的设备，其具有三角形百叶窗但具有在楔形面的底面之下的反射部件，用于反射环境光。楔形的底面朝向环境光照射而放置，且应用到透反显示器，从而显示器在透射和反射两方面可视。膜不执行控制设备的视角的功能。
US6876408揭示了意欲与背光源一起使用来产生准直背光源的光准直板。该光准直板通过准直光线使得光基本上法向入射穿过液晶层，且然后在液晶显示器(LCD)的输出侧漫射光，从而应用于扩大液晶显示器的视角。通过以基本上法向方式使光穿过LCD，未使用通常相比较于法线方向改变光的传播的液晶的离轴双折射，从而LCD的角度特性得到改善。准直板放置在灯框架和液晶面板之间，且漫射板放置在LCD和观察者之间。光准直元件包括在基板的一侧上的圆形微型透镜和在另一侧上的圆形开口，该开口相对于微型透镜的顶点。遮光板形成在基板的微型透镜的对侧且覆盖非开口的区域。提供了根据基板的厚度，基板的折射率，和开口的直径计算所需透镜的直径的公式。漫射板包括微型透镜阵列和反反射涂层，微型透镜阵列在平坦的退出面上具有遮光层，该涂层提供在除了与微型透镜的光轴准直的光输出区域的所有区域。提供漫射板是为了将以基本上法线方向穿过LCD的光折射到更宽的角度范围，从而使得所有观看方向的用户都可看到LCD。
US2007058127A1揭示了利用视差屏障基板生成的多视点显示器和制造视差多视点显示器的方法。其揭示了视差基板的多个选择，但其包括具有与开口配准放置的微型透镜阵列、以及间隔在开口之间的吸收区域的视差光学镜。为了生成多视点显示器，微型透镜必须对多个开口或显示像素成像，每一开口或显示像素被成像到不同的观看方向。该应用关注于增加多视点显示器的亮度，增加视窗之间的角度间隔，并减少视窗之间的干扰。
US2007058258A1是US2007058127A1的部分连续案。该应用揭示了由视差光学镜的动作而形成的多视点显示器，但视差光学镜包括在显示元件内隔开的微型透镜。
US6697042尤其涉及“用于准直照射的背光源组件”，且设计为使用于其中多个显示板平铺在一起的显示设备。准直背光源的使用使得光法向穿过临近放置的多个显示板。如果利用漫射板成像所产生的光，则可使得显示板之间的间隔不可视。在该应用中，例如图3中示出的“腔体退出板”明显是用于设置在包括多个光源的腔体的退出面上，没有将腔体出射板设置在显示器的输出面上的任何揭示或暗示，这是因为这将使得该发明无法实现上述所期望的应用。
US6762883揭示了一种双凸透镜片，其具有包括进入透镜部分的进入面和包括退出透镜部分的退出面。由进入透镜部分的透镜元件折射的光线被导向到退出面的退出透镜部分。
US5396350揭示了一种背光源波导管。利用光源照射波导管，且由全内反射将光导向到波导管。倒转的棱镜设置在波导管的表面以分离出波导管的光。
WO2005/071474揭示了一种显示器，其控制输出光的角度范围到例如对应于预定观察者位置的观看范围。
JP2007-333867揭示了一种包括方位差异屏障的可视性控制元件的角度，该方位差异屏障包括“遮挡部S”和“透明部T”。可通过对例如铬的遮光材料成形而生成方位差异屏障。
US5528319揭示了一种具有两个相隔的栅格的隐私过滤器，每一栅格由“遮蔽组件”阵列形成，遮蔽组件之间具有透明间隔。
EP0599451和US2002/0158967揭示了利用百叶窗膜的隐私过滤器的进一步的示例。
GB2426352涉及生成在高视角可见的“混淆图像”的控制元件的使用，从而只有低视角的观察者可以理解下层显示器上的图像。
US2007/0058127揭示了具有图像显示元件和形成视差光学镜的透镜阵列的显示器。在透镜阵列的透镜之间形成黑膜。
附图中的图1示出了公知类型的典型SLM显示器2。此类型SLM显示器在例如移动电话，笔记本和机动车显示器的设备中很常见。SLM显示器包括显示器6(例如液晶(LC)显示器)，显示器6具有用于增加视角范围的前补偿膜26、后补偿膜22和前偏振器24、后偏振器20。LC显示器的有源部分典型的包括前基板36和后基板48，前基板36上形成可为滤色器的开口40和黑矩阵吸收器38，和后基板48上形成薄膜晶体管(TFT)44。两基板也可包括电极(未示出)和用于定向液晶42的定向层或其他结构(未示出)。SLM显示器也可包括背光源单元4。背光源单元4包括照明设备(例如，发光二极管，LED)14，导光器12，背反射器10，一连串背光源增光膜(BEF)和漫射器16。3M的BEF膜18可设置在背光源和显示板之间以增加显示器的亮度。通过包含光控制膜50，例如3M制造的百叶窗型膜，可以将显示器的视角限制在特定的方向。该膜用于隐私过滤器，以防止其他人看到显示器，或防止在机动车环境中车辆风挡玻璃或航空器等中驾驶员座舱盖的不期望的反射。
发明内容
本发明的第一方面是提供一种显示器。该显示器包括：单视点图像显示板；和设置在图像显示板的显示面上，用于限制图像显示板的显示面输出的光的角展度的视差光学镜。
该显示板可以是像素化显示板，且视差光学镜的元件可以与显示板的不多于一个像素或显示板的不多于一条像素线相关联。“相关联”是指视差光学镜的一个元件成像不多于一个像素或一条像素线(即成像一个像素，或像素的一部分，或一条像素线，或一条部分像素线)。“一条像素线”包括一行像素和一列像素。设置视差光学镜的元件以成像一条像素线将提供与该线垂直方向的视角范围的控制，从而设置视差光学镜的元件以成像一行像素将提供垂直方向的视角范围的控制，反之，设置视差光学镜的元件以成像一列像素将提供水平方向的视角范围的控制。
这里使用的术语“像素”与显示器的最小画面元件相关。在包括红、绿和蓝的彩色显示器的彩色显示的情况下，“像素”通常与显示器的特定颜色的滤色器相关。
视差光学镜的元件的间距可以与显示器，例如平板显示器的像素的间距相等。
在平行于显示器的显示面的方向上，视差光学镜的每一个元件可以相对相关联的显示器的像素偏移。这产生具有不垂直于显示器面的等分线的视角范围。
视差光学镜的元件的间距可小于显示器的像素的间距，或大于显示器的像素的间距。当应用于非平面显示器时，这使得视窗的等分线位于显示器区域上的相同方向。
视差光学镜的元件的间距在显示器上可为恒定，或在显示器上变化。
视差光学镜可为微型透镜阵列。微型透镜阵列在显示器的像素上聚集更多的光，从而提供更亮的显示或允许像素尺寸减小。
微型透镜阵列和图像显示板的像素之间的间隔可近似等于微型透镜阵列的焦距。
微型透镜阵列可与图像显示板的显示面整合在一起。
显示器可包括具有比微型透镜阵列的折射率低的折射率的材料层，该材料层设置为直接相临于微型透镜阵列。微型透镜阵列可由具有比微型透镜阵列的折射率低的折射率的材料与图像显示板相隔开。
微型透镜阵列可包括在微型透镜阵列的透镜之间提供的光吸收材料。
视差光学镜的元件可在一个方向上限制图像显示板的显示面输出的光的角展度，或者在正交的两个方向上限制图像显示板的显示面输出的光的角展度。例如，视差光学镜的元件可在第一正交方向上基本准直图像显示板的显示面输出的光，并且将在第二正交方向上的图像显示板的显示面输出的光的角展度限制到中心位于大约-30°角的第一角度范围和中心位于+30°角的第二角度范围。
显示器可进一步包括提供在图像显示板的非透射部分之后的反射材料。当利用背光源照射透射显示板时，入射在图像显示板的非透射部分上的背光源的光将由该材料反射且由背光灯循环。
微型透镜阵列可包括圆柱形透镜阵列，每一透镜与一条像素线相关联。
图像显示板可为发光图像显示板。
或者图像显示板可为非发光图像显示板，例如液晶显示板。
显示器可用于机动车辆或航空器。
本发明的第二方面提供一种视差光学镜。视差光学镜包括：开口阵列；用于限制穿过开口阵列的光的角展度的微型透镜阵列；和设置在微型透镜阵列的微型透镜之间的非光透射材料。
开口阵列可设置在基板的第一面上，微型透镜阵列可设置在基板的第二面上，且第一面与第二面相对。
开口阵列可设置在第一基板上，微型透镜阵列可设置在第二基板上，且第一基板与第二基板相对。
视差光学镜可包括具有比微型透镜阵列的折射率低的折射率的材料层，该材料层设置为直接相临于微型透镜阵列。
视差光学镜可包括设置在开口阵列的开口之间的用于反射入射在开口阵列的非开口部分的光的反射材料。
视差光学镜可包括设置在开口阵列的各个开口中的光学元件阵列。
光学元件阵列可包括第二微型透镜阵列。
视差光学镜可在两个正交方向上限制穿过开口阵列的光的角展度。
视差光学镜可在第一正交方向上基本准直光。
视差光学镜可将在第二正交方向上的光的角展度限制到中心位于大约-30°角的第一角度范围和中心位于+30°角的第二角度范围。
本发明的第三方面提供一种照明系统。该照明系统包括：(a)包括至少一个光源和具有第一和第二主相对面以及次边缘面的导光器的照明板，第一主相对面包括光输出面，该至少一个光源通过次边缘面引入光至导光器；以及(b)根据本发明第二方面的设置在导光器的输出面之上的视差光学镜。
光学元件可与导光器的输出面相接触以提供光出耦合点。
本发明的第四方面提供一种照明板。该照明板包括：至少一个光源；具有第一和第二主相对面以及次边缘面的导光器，第一主相对面包括光输出面，该至少一个光源通过次边缘面引入光至导光器；以及多个棱镜，其设置在第二主相对面上，用于出耦合来自导光器的光，棱镜成形为出耦合水平方向的光到中心位于大约-30°角的第一角度范围和中心位于+30°角的第二角度范围，且出耦合垂直方向上基本准直的光。
本发明的第五方面提供一种照明板。该照明板包括：至少一个光源；具有第一和第二主相对面以及次边缘面的导光器，第一主相对面包括光输出面，该至少一个光源通过次边缘面引入光至导光器；以及设置为至少部分在导光器内，用于在多个分离的位置出耦合来自导光器的光的多个反射器。
附图说明
将参考附图以示例的方式进一步说明本发明的实施例。
图1示出了公知类型的显示器和光控制膜的横截面示意图；
图2示出了构成本发明的第一实施例的显示器的视差光学镜和显示板的横截面示意图；
图3示出了本发明的第一应用的示意图；
图4示出了构成本发明的第二实施例的显示器的视差光学镜和显示板的横截面示意图；
图5示出了图4中视差光学镜和显示板的垂直方向的性能的图表；
图6示出了图4中视差光学镜和显示板的水平方向的性能的图表；
图7示出了构成本发明的第三实施例的显示器的视差光学镜和显示板的横截面示意图；
图8示出了本发明的第二应用的示意图；
图9示出了与曲面显示器和光控制膜的使用相关联的问题；
图10示出了本发明的第四实施例；
图11示出了构成本发明的第四实施例的显示器的视差光学镜和显示板的横截面示意图；
图12示出了与大面积显示器和光控制膜的使用相关联的问题；
图13示出了本发明的第五实施例；
图14示出了构成本发明的第六实施例的显示器的视差光学镜和显示板的横截面示意图；
图15示出了构成本发明的第七实施例的显示器的视差光学镜和显示板的横截面示意图；
图16示出了构成本发明的第八实施例的显示器的视差光学镜和显示板的示意图；
图17示出了构成本发明的第九实施例的显示器的视差光学镜和显示板的示意图；
图18示出了构成本发明的第十实施例的显示器的视差光学镜和显示板的示意图；
图19示出了构成本发明的第十一实施例的显示器的视差光学镜和显示板的示意图；
图20示出了本发明的第十一实施例；
图21示出了构成本发明的进一步实施例的显示器的视差光学镜和显示板的横截面示意图；
图22示出了构成本发明的进一步实施例的照明系统的照明器和视差光学镜的横截面示意图；
图23示出了构成本发明的进一步实施例的照明系统的照明器和视差光学镜的横截面示意图；
图24示出了包括本发明的进一步实施例的照明面板的照明器和视差光学镜的横截面示意图：
图25示出了构成本发明的进一步实施例的照明系统的照明器和视差光学镜的横截面示意图；
图26示出了构成本发明的进一步实施例的照明系统的照明器和视差光学镜的横截面示意图；
图27示出了依照本发明的进一步实施例的照明器的横截面示意图；
图28示出了依照本发明的进一步实施例的照明系统的平面图；
图29示出了依照本发明的进一步实施例的照明系统的平面图；以及
图30(a)和30(b)分别是示出了依照本发明的进一步实施例的照明系统的横截面示意图和平面图。
具体实施方式
图2中示出了依照本发明第一实施例的显示器的横截面示意图。依照本发明，本示例中包括一串微型透镜32的视差光学镜8与像素化的显示板的像素配准而设置。显示板可为包括其后具有背光源的液晶显示板的液晶板，其中像素可由滤色器40表示，或者显示板可包括例如有机发光显示器的发光显示板，或者包括由多个像素组成的其他类型的显示板。视差光学镜与显示板的前部由介质34相隔规定距离，介质34可为空气或比制成微型透镜的材料的折射率要低的材料，且每一透镜与一个像素开口配准，从而如图3所示，光在规定的角度范围52内在基本上面板的法线方向66上成像。显示板的像素较佳的具有精确控制的开口40，且由吸收黑矩阵材料38相分隔，并且吸收黑矩阵材料30也较佳的提供在微型透镜的透镜之间。微型透镜将吸收区域成像在像素开口所成像的范围之外的角度范围内。微型透镜的视差效果与像素开口一起作用为部分准直来自像素开口的光，从而视差光学镜作用为光控制膜或光准直元件。即，微型透镜的视差效果与像素开口一起作用为限制显示器的显示面的输出光的角展度。显示器因而可设计为具有锐截止角的适当规定的窄视角范围，该范围之外没有光透射。
如果此视差光学镜与图3中所示的机动车环境中的显示器结合使用，则观察者56，例如司机，则可以拥有显示器2的不干扰的观看。观察者不会看到否则将由风挡玻璃62反射出的不期望的图像64。这是因为背光源4发出的光由视差光学镜8阻挡，否则将入射到风挡玻璃62，并且因此没有落入到观看范围52的规定角度范围内。
微型透镜可由吸收区域间隔。
微型透镜可与显示板的前基板由具有比微型透镜或基板的折射率小的粘合层相隔开。
显示板的前基板可以减小厚度以给定微型透镜与显示板之间的精确距离。
微型透镜可为圆柱形，或为基本球形，矩形或正方形。
微型透镜可为平凸或两面凸。透镜可使较少弯曲的面更靠近或更远离于显示板的前基板。
微型透镜可直接形成在显示板的前基板上。
微型透镜的顶点可与像素开口的中心相偏移，从而在非法向于显示板的方向上成像窄视窗。
在显示区域中微型透镜的间距可为恒定。
在显示区域中微型透镜的间距可变化。
像素开口之间的吸收区域可具有形成在显示板的底基板上的相应反射区域，从而来自LCD的背光源的入射到这些区域的光反射回背光源组合且被循环，从而提高显示器的亮度。
因而可以提供具有传播角度的光传播的锐截止的装置。这可以用于限制显示器的可视性且基本减少到非期望观看区域的发光，从而例如避免或减少车辆风挡玻璃的潜在的干扰反射。光可重新导向至期望视角范围，从而提高光利用效率。发射被阻挡的光被返回到例如背光源装置以用于循环。然后这样循环的光以至少部分在输入接受角度内的方式导向回光控制膜，从而可增强显示的图像亮度和/或减少光输入功率。将光集中在观看者所位于的期望角度输出范围提高了显示器中的光利用。来自反射结构的光循环提高了利用效率。从而可以提供对于给定的光源光输出提高亮度、减少非利用和非期望光输出的显示器。
相比背景技术中说明的其他准直方法，性能得到显著提高。没有任一现有技术揭示了可以对于传输光生成窄观看范围，具有锐截止角，且具有比单独的显示板更高的峰值传输的方法。尤其，US Re 27617描述了具有锐截止角的光控制膜，由于用于控制光的角度传输的光吸收区域，US Re 27617的方法导致显示板亮度的整体下降。其他百叶窗型光控制膜也同样如此。
相比US6876408和US6697042的光准直膜，本发明的光准直元件设计为设置在显示板的前部。现有技术是将光准直元件设置在显示板和背光源之间，从而以理想方式导向光穿过显示板。将光控制膜设置在显示板的退出基板之上的优势是可以与显示板紧密整合，产生比其他方式更薄的模块。另外，光控制膜可以用于不需要背光源的发射和反射显示板。明显的是不可能将光准直元件设置在这样的显示板之后。
本发明的操作与US2007058127A1相当不同。US2007058127A1致力于多视点显示器，其中不同的图像显示于不同的方向(和观看者)。为了实现这个目的，US2007058127A1中，微型透镜必须与多图像显示板像素定向到不同方向和角度范围。与此相对的本发明中，视差光学镜应用于单视点显示板，目的在于对单个观看者提供限制的观看角度范围，且没有光传播到定义的观看范围以外的角度。为了实现这个目的，在一个微型透镜和一个显示板像素(或在圆柱形微型透镜的情况下为像素行/列)之间存在直接对应关系。所采用的光学设计与US2007058127A1非常不同，且需要不同折射率的光学元件，不同微型透镜尺寸，和不同的透镜与显示板像素之间的间隔。US2007058127A1的目的在于最大化显示板像素的开口率，从而实现最高亮度的显示。在本发明中，为了实现锐截止角，同时最大化峰值观看方向上的面板的亮度，相比于常规显示器实际上减少了显示板像素的开口。US2007058127A1与本发明的最后一个不同之处在于US2007058127A1中视差光学镜用于产生水平方向的多个视窗，而本发明中在垂直方向中产生窄视角。
实施例2(较佳实施例)
图4示出了本发明的一个实施例的显示器，其包括视差光学镜(在本实施例中为微型透镜阵列8)和图像显示板6。图像显示板是像素化图像显示板。配置视差光学镜从而视差光学镜的元件成像不多于显示板的一个像素或不多于显示板的一像素行/列。通常，视差光学镜的每一个元件成像显示板的一个像素或显示板的一像素行/列，尽管如之后参照图19所述的那样，可以将视差光学镜的两个或多个元件与一个像素(或一像素行/列)相关联，从而视差光学镜的元件只成像像素的一部分(或一像素行/列的一部分)。图4示出了用于之前所述的应用之一的实施例，其中视差光学镜8精确配准，以致参照像素开口40的中心，在平行于显示器的平面的方向，校直视差光学镜的圆柱形微型透镜32的顶点。微型透镜与显示板6的前基板36由比微型透镜的折射率低的材料分隔开。在图4所示的凸微型透镜的情况下，微型透镜突出到低折射率材料34中，从而微型透镜的整个表面与低折射率材料34相接触。理想的是，折射率的差异越大越好。理想的是，因为空气具有低折射率，所以分隔材料34应该是空气，但有时候由于稳定的缘故需要提供一些填充物。为了给出最大化亮度和在观看区域52的边缘的最佳截止角，相比传统显示板稍微改动显示板6。减小前基板36厚度以保证微型透镜与像素开口40分隔期望距离。通常，分隔距离较佳的是光在开口平面上或临近开口平面处聚焦，尽管在某些应用中期望的是在与开口平面稍微偏移的平面上聚光。因为微型透镜阵列将光导入期望视窗，所以可以相比不具有视差光学镜的显示板减小像素开口宽度。后基板41上的相应开口减小到与像素开口40相同的大小，并且，理想的是后基板上非有效开口之外的所有区域涂覆反射材料46，从而提供尽可能多的背光源4的光循环。应注意到，为了简明没有显示后基板上的其他特征，例如栅极线，数据线，存储电容等。
如下制造图4的实施例。改动标准的显示板，从而像素开口40和41的垂直范围从140um减小到58um(开口的水平范围不变)，反射区域46放置在后基板的非透射区域，且前基板变薄为106um的厚度。(术语“垂直”和“水平”参照为预期应用中观看者看到的显示器的方向。)吸收黑矩阵材料沉积在基板28上，且形成条纹，以致条纹的宽度为74.5um且条纹的间距为172.5um。通过涂覆折射率1.54的抗蚀材料到折射率1.52的基板28上大概30um的厚度来形成微型透镜。抗蚀材料形成为黑矩阵吸收材料的相对图案，且然后熔融形成曲率半径53um和宽度98um的透镜。利用具有较低折射率1.34且厚度为37um的胶粘物34将视差元件粘合至显示器6的裸露表面。原始显示板的前偏振器24和补偿膜26层压至基板28的前部以完成整个显示器。
在垂直(图5)和水平(图6)方向测量经过显示器的透射，且与对于光控制膜50利用3M百叶窗膜的图1中的显示器进行比较。在图5和图6中，实线表示图1中的显示器的透射，长虚线(3M LCF)代表当提供3M百叶窗膜形成光控制膜时图1中的显示器的透射，并且短虚线(LMF)代表图4的实施例的显示器的透射。可清晰地看出，垂直方向上的相同的截止角上，在法向入射的情况下，本发明的显示器比不具有光控制膜的等同显示器来说具有更大的亮度。可以看出相比于图1中的显示器发出的光，本实施例的显示器的显示面发出的光具有限制的角展度。从图5中可看出，图4中的实施例的显示器发出的光在垂直方向的角展度是大约70°(从-40°到30°)，而图1中的显示器发出的光在垂直方向的角展度为大约160°(从-80°到80°)。(图4的实施例中，只在一个方向(垂直方向)限制所发出的光的角展度，且图6示出没有明显限制水平方向的角展度。然而，在下述的其他实施例中可以在正交的两个方向上限制输出光的角展度。)
实施例3
在一定的情况下，理想的是具有这样的视窗，视窗的角度范围的等分线并不与显示器成法向。这在图8中进行了显示，其中显示器2以下述方式倾斜，如果等分线法向于显示面，视窗将部分被反射到汽车的风挡玻璃62，且返回到观看者56。可以平行于显示器的平面，相对像素开口偏移微型透镜阵列，从而如图7所示，透镜的顶点不再相对像素开口的中心。除了微型透镜阵列相对于像素开口的偏移，图7的显示器基本上相应于图4中的实施例，且视差光学镜8(本例中为微型透镜阵列)也限制显示器发出的光的角展度。这样偏移微型透镜阵列使得像素开口成像在非法向于显示器的方向。如果设置微型透镜阵列在垂直于圆柱形透镜的轴的方向上，但在显示器平面上移动，则可以在垂直角度周围移动视窗。
实施例4
越来越期望汽车中的显示器为曲面或保形以匹配例如汽车仪表盘的形状特征。如果图1中的百叶窗光控制膜50用于这样的显示器中，将会产生图9所示的效果，其中显示器的法线66在显示器的表面上变化；在顶部线68更朝向风挡玻璃，在底部，线70相离风挡玻璃更远。结果视窗的角度相关性将也以图9中所示的方式在整个显示器上变化，在显示器的顶部附近发射的视窗54成角为产生更多观看者56看到的风挡玻璃反射，且在显示器的底部，视窗53成角为远离观看者发射光。
如图11所示的本发明可以克服上述问题。通过改变视差元件中微型透镜的间距使得其与显示板的像素间距不同，显示平面中相对于像素开口的中心的微型透镜的顶点的位置可以在显示器区域内以规定方式变化。在图11中，视差元件8示出为微型透镜的间距小于相应的像素间距。结果，如图10所示，在显示器的中心微型透镜的顶点在像素开口的中心，视窗形成为视窗的等分线平行于显示器的法线66。在面板的顶部，透镜顶点的位置意味着视窗形成为视窗的等分线平行于显示器中心的视窗的等分线，现在不平行于在该点的显示器的法线68。以相似的方式，可以形成视窗为不管显示器表面上的视窗的位置都可中心于相同的角度方向。除了微型透镜阵列的间距与显示板的像素间距不同之外，图11中的显示器基本相应于图4中的实施例，且视差光学镜8(本例中为微型透镜阵列)也限制显示器发出的光的角展度。
如果显示器的曲率半径不恒定，则为了视窗的等分线位于显示器区域上的相同方向，也需要微型透镜的间距在显示器上为不恒定。然而，如果显示器的曲率半径恒定，则需要微型透镜的间距在显示器上为恒定。
尽管该示例是对于观看者56看到的凸起的显示器，本方法也可应用于凹形显示器，其中，将需要微型透镜阵列的间距大于像素间距。
在两个正交方向呈曲面的显示器中，为了获得整个显示器的视窗的等分线的恒定方向，需要在两正交方向中视差光学镜的元件的间距与像素间距不同。
实施例5
以相同的方式，可以克服与大面积显示器一起使用视角限制滤光器的问题。图12示出了观看者56在以大于光控制元件规定的观看锥面的一半角度的大角度对向于显示器的一部分的位置，此情况下，观看者56不会看到区域54发出的光。结果显示器的部分(边缘部分，如果观看者位于显示器的中心)看起来为黑。
通过使用如图11所示的微型透镜阵列的间距在显示器区域上变化的视差光限制膜，可以如图13所示改变视窗的角度方向。现在观看者56可以看到显示器的所有部分发出的光，同时区域52之外的观看者看不到。为了实现图13所示的期望效果，微型透镜阵列的间距必须比显示板的像素间距小。利用恒定微型透镜间距也可实施图13的实施例，尽管较佳的是在显示器的宽度范围内变化微型透镜间距以给出最满意的效果。
在其他实施例中，例如图10，也可在显示器的宽度范围内变化微型透镜间距。
在图10和13中，需要微型透镜间距只在一个方向上变化，且不需要在进入图10和13的纸张平面的方向上变化。
实施例6
图14示出了本发明的进一步的实施例，其中利用像素的非透射部分，例如区域38。而非使得这些区域不实现功能，可以包括额外的功能性元件，例如光电二极管，其可与TFT一起形成或集成到相同的电路。通过在非透射像素区域的部分区域中形成光电二极管58，可以使用该光电二极管于感应功能，例如作为接触传感器部分。此情形下，需要在前基板的吸收区域中形成光透射开口60。通过在像素的吸收区域38的中心部分形成开口，可以使得光从显示器的前部到达光电二极管，同时仍然限制对显示器法线呈很大的视角的副视窗的形成。也可以在有效的像素开口中形成光电二极管，但这降低了显示器的亮度。除此之外，图14中的显示器基本相应于图4中的实施例，且视差光学镜8(本例中为微型透镜阵列)也限制显示器发出的光的角展度。参照基本相应于图4的显示器的显示器描述了实施例6，但实施例6的特征可以应用于本申请描述的任一实施例。
实施例7
通过在像素开口的一部分中形成反射区域可以形成可反射和透射的显示器。因为这样的显示器可以用于从黑暗到很亮的太阳光的所有亮度等级，其反射部分随着环境光等级增加而变得更重要，所以这样的显示器具有优势。如图15所示，本发明也可适用于这样的显示器。像素中包括反射结构72，从而覆盖有效开口40的一部分。视差光学镜如同对于背光源发出的光一样，同样很好的处理入射到显示器的前部且由结构72反射的光。除此之外，图15中的显示器基本相应于图4中的实施例，且视差光学镜8(本例中为微型透镜阵列)也限制显示器发出的光的角展度。参照基本相应于图4的显示器的显示器描述了实施例7，但实施例7的特征可以应用于本申请描述的任一实施例。
实施例8
所有之前的实施例描述了圆柱形微型透镜，其延伸进入图的纸张平面。图16更清楚的进行了显示，其以简化的方式显示了显示器2的显示板6的一部分的平面图，该部分包括两像素行78和80和四列像素，典型的每一列与一特定颜色的滤色器相关，例如红色滤光器40，绿色滤光器74和红色滤光器76。然而，本发明并不限制于这3种滤色器，也可以为更多的种类，例如，包括白色，青色，品红色和黄色以增加亮度或色域。圆柱形微型透镜32的轴定向为平行于像素列78和80，且与吸收区域例如黑矩阵材料30交替散置。
然而本发明并不限制于圆柱形微型透镜的情形，且也为采用很多其他类型形状的微型透镜。图17示出了第9实施例，在微型透镜阵列中，透镜82从平面图来看基本上为圆形，且以方矩阵排列。如果下面的滤色器和像素以不同的几何形状排列，例如三角形，则透镜也应该以这样的方式排列。设置一个微型透镜对应于一个像素就足够了。微型透镜之间的所有区域由吸收材料30覆盖。通过形成在两个正交方向例如水平和垂直方向上具有透镜光学能力的微型透镜，可以在两个正交观看方向上限制视角。
图18示出了第10实施例，其中通过形成平面视图上看基本上是矩形的微型透镜84，可以提高圆形微型透镜阵列的填充因数。以这种方式，由于吸收材料30占据的显示器区域减少，所以可以稍微增加通过视差屏障的光的数量。
微型透镜可以是平凸式(图4所示)或双凸式。透镜可使较少弯曲的面更靠近或更远离于显示板的前基板。
图17或图18的微型透镜阵列可以应用于本申请中描述的任一实施例。
实施例11
图19示出了本发明的进一步实施例，其中矩形微型透镜进一步细划分为两个更小的矩形子微型透镜86和88，从而两个微型透镜成像单个像素40，74，76。由于在每一个子微型透镜之下的像素的偏移，子像素成像的像素部分成像到面板法线一侧的方向。这在图20中进行了显示，其中子微型透镜86成像视窗92，且子微型透镜88成像视窗90。这样，可以增加一定水平方向的亮度。这在观看者位于一定角度范围的机动车环境中很有用，且具有将大部分显示器的光导向图20中观看者94和96代表的观看者的优点。在两视窗之间具有较低的亮度。
尽管所有上述示例都将液晶显示器参照为主显示器元件，本发明也可很好的应用于其他类型的显示器，包括例如等离子体显示器、真空荧光显示器、有机和无机场致发光显示器的发光显示器，和其他非发光显示器。
本发明并不限定于上述特定的实施例和示例，且包括对于本领域技术人员来说显而易见的其他等同物。
例如，在上述实施例中，视差光学镜粘附到显示板的前基板。然而，微型透镜阵列可以直接形成在图像显示板的前基板上。图21中的第12实施例对此进行了显示，其中微型透镜32直接配置在显示板前基板36上。不再需要额外的基板28，但仍然重要的是具有临近微型透镜32的低折射率层34。可在微型透镜32之间形成吸收区域30。通常层压到LCD的前部的膜例如偏振器24和补偿膜26可以层压到低折射率材料34的顶部。可以如上所述形成微型透镜32，或者可以将其直接形成到前基板。例如，如果前基板36是塑料基板，则可以作为制造或后期制造的一部分压印微型透镜到前基板。除此之外，图21中的显示器基本相应于图4中的实施例，且视差光学镜8(本例中为微型透镜阵列)也限制显示器发出的光的角展度。参照基本相应于图4的显示器的显示器描述了实施例12，但实施例12的特征可以应用于本申请描述的任一实施例。
实施例13
本发明的视差光学镜可以与照明器一起使用来控制光发射角度。在图22所示的示例中，视差光学镜8设置在照明器112之前。视差光学镜包括微型透镜阵列32、临近微型透镜设置且具有比微型透镜的折射率低的折射率材料34、和如前所述与微型透镜阵列的透镜配准设置的开口阵列98。在微型透镜阵列的透镜之间可具有吸收材料30。开口98之间可具有吸收材料102。可具有面对照明器的反射区域46，从而循环入射到非开口区域的光，因而提高系统的亮度。在本实施例中，微型透镜阵列形成在与其上形成有开口阵列的基板100相分离的基板104上。如前，视差形成在微型透镜阵列的微型透镜和开口阵列之间，且这也作用为限制视差光学镜的前表面发出的光的角展度(相比照明器发出的光的角展度)。照明器可以是液晶显示器中的背光源，或可以是通常内部照明例如房间内或外部照明例如街道用的光源。
实施例14
可以不通过两块基板的使用和准直，而在单个基板上实现实施例13的视差光学镜。图23对此进行了显示，其中微型透镜阵列32形成在基板104的一侧，且开口阵列98形成在基板的另一侧，从而如之前所述两个阵列直接相互配准。遮光材料30设置在相邻微型透镜32之间，以保证所有通过视差光学镜的光必须通过微型透镜之一。遮光材料区域减少散射光，且因而减少非期望方向中的光强度。遮光材料区域也可使得微型透镜32的直径更小，这提高了光焦度，因而允许对于给定的开口尺寸生成更紧密准直的光。必须正确调整基板的厚度从而最大化通过开口阵列98的光量。除了视差光学镜形成在单个基板上之外，实施例14基本对应于实施例13。如前，重要的是临近微型透镜阵列的材料34具有比微型透镜的折射率低的折射率，且较佳的是接近空气的折射率。这样形成的视差光学镜具有需要较少数量的基板，且不会产生定向两个阵列所产生的花费。也可以在制造过程中同时形成微型透镜阵列和开口阵列。
实施例15
通过如图24所示设置视差光学镜与照明器光学接触，可进一步提高实施例14中的设备的效率，图24所示的照明器112包括光源14，导光器12和反射器10。视差光学镜8进一步包括第二光学元件阵列106。在本实施例中，光学元件是与第一微型透镜阵列32和开口阵列98精确配准的另一微型透镜阵列。第二微型透镜阵列在沿着导光器的点108上与导光器光学接触。这些接触点目的在于提供导光器的光出耦合点。由此，因为光只从导光器的期望位置处引出，且由此，几乎所有的光将穿过开口阵列98且成像于期望角度范围内，所以提高了系统的整体效率。在光学元件106之间可以具有吸收材料102。也可以具有面对照明器的反射区域46，从而循环从导光器散射的光。除了视差光学镜与照明器光接触之外，实施例15基本对应于实施例13。
光学元件阵列106可以为很多形状。图25中示出了一个示例，其中，光学元件具有截去顶端的金字塔的横截面。在此情况下，梯形的平行边的最短的一边与导光器接触。
实施例16
图26示出了可以沿微型透镜32校直的背光源出耦合特征的另一示例。本实施例与图25的示例以相似的方式工作，然而出耦合特征110是将波导管传播的光向上反射到微型透镜32的反射条纹。因为光只在开口98之后发射，因而促进本设计的效率。开口102和反射区域46可从本设计中省去。
理论上，因为图26中的照明器112将发射基本上准直的光，所以在某些应用中可以不需视差光学镜8而使用照明器112。如果具有视差光学镜则视差光学镜遮蔽少部分非期望方向上照明器发出的光。
可以改进实施例13-16以在2维工作，从而在垂直和水平方向限制光的角展度(术语“垂直”和“水平”参照为观看者看到的显示)。这也可以通过将微型透镜32和开口98做成球形，正方形或矩形来实现。期望的是水平方向的视角范围不同于垂直方向的视角范围。例如，在显示器用于机动车辆的情况下，期望的是光在垂直方向基本准直(即在垂直方向的很窄的视角范围内发光，以防止如前所述的光反射出风挡玻璃)，但在水平方向的很宽的视角范围内发光，以保证车辆的前排两个乘客或者甚至同时前排和后排乘客可清晰看到显示。可以通过使得透镜和开口在一个特定方向上延长而实现这个目的。
如果以这种方式改进实施例13和14，对于圆形和正方形透镜，透镜和开口将分别呈现为图17和18中所示的平面图。这种排列将导致水平方向比垂直方向具有更大的视角。对于实施例15和16，在光学元件与开口交叉的表面，光学元件106将采用与开口98相同的形状。
在图25中所示的实施例15中，可以通过控制截去顶端的金字塔的形状，从而在水平方向与垂直方向上的金字塔的边的斜率为不同，可以生成不同的水平角度范围。这在以平面图形式显示视差光学镜的图28中进行了显示，其中具有截去顶端的金字塔形的顶面98和底面108。微型透镜可采用本申请中的任意形状。
如果显示器将用作汽车中的中央控制台显示器，期望的是具有尽可能多的光导向于驾驶员和副驾驶员，同时仍然防止光在垂直方向上射向风挡玻璃。对于典型的汽车来说，驾驶员或副驾驶员到显示器的方向呈相对显示器的法线近似为±30°的角度(具有对于显示器法线相对的-30°角和+30°角)，从而不在水平方向上中心为-30°角的视角范围内，或不在水平方向上中心为+30°角的视角范围内的显示器发出的光被浪费(因为未到达驾驶员或副驾驶员)。因此，如果光可以限制到中心分别位于大概+30°/-30°角的两个水平角度范围内，则在显示器可视性或功率消耗方面具有很大优势。使得每一角度范围从其中心延展大概±20°(即大概从-50°到-10°和大概+10°到50°)应该确保驾驶员和副驾驶员每一人都在他们各自的视窗内，且考虑不同大小和不同位置的驾驶员和副驾驶员(尽管本发明不限制于从各自中心延展大概±20°的角度范围，且实际上两个角度范围可以相互重叠)。以图19中描述的方式可以实现这样的效果，其中如图20所示2个子微型透镜86和88将单个开口40成像在两个不同的方向90和92。在此情况下，图19示出了一个示例的平面图。图29示出了另一个示例，其中单个微型透镜84将两个开口118和120成像在两个不同的水平方向。
图30(a)和图30(b)示出了进一步的实施例，其包括具有引出特征的背光灯，引出特征的形状设计为其在垂直方向通过准直光限制光的角展度(远离风挡玻璃)，且将光导向驾驶员和副驾驶员(在水平方向)。该图示出的形状为具有在波导管12上的接触点124的大概锥形结构122。如箭头126，128所示，来自接触点的光由该结构引向驾驶员和副驾驶员，且远离风挡玻璃。
实施例17
图27示出了生成具有限制的角度的光输出范围的照明器的其他方法。光源14耦合入波导管12。光沿着波导管传播，直到到达耦合棱镜。棱镜是具有外部反射面116和114的伸长的棱镜。优化棱镜的角度，从而将沿着波导管传播的光反射出波导管的前表面(图中的顶面)。可以调整棱镜的角度从而几乎所有的光在窄锥形角度内发射。例如，照明器是用于机动车时，期望的是照明器发射的光几乎在垂直方向准直，且在两个在水平方向的视角范围，一个是中心于大约-30°的角度，且一个是中心于大约+30°的角度。反射膜10是可选的，但在传统波导管背光照明器中，反射膜将散射出波导管的底面的光反射回显示器。
以上对本发明进行了描述，但是显而易见的是可以以很多方式进行变化。这样的变化应看作为并不脱离本发明的范围，并且对于本领域技术人员来说显而易见的所有这样的变化均应包括在权利要求的范围内。

Claims (40)

1.一种显示器，包括：
单视点图像显示板；和
视差光学镜，其设置在图像显示板的显示面上，用于限制图像显示板的显示面输出的光的角展度，其中，
显示板是像素化显示板，且其中
视差光学镜的元件与显示板的不多于一个像素或显示板的不多于一条像素线相关联。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件的间距等于显示器的像素的间距。
3.根据权利要求2所述的显示器，其中，
在平行于显示器的显示面的方向上，视差光学镜的每一个元件相对相关联的显示器的像素偏移。
4.根据权利要求1所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件的间距小于显示器的像素的间距。
5.根据权利要求1所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件的间距大于显示器的像素的间距。
6.根据权利要求1所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件的间距在显示器上为恒定。
7.根据权利要求1所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件的间距在显示器上为不恒定。
8.根据权利要求1所述的显示器，其中，
视差光学镜是微型透镜阵列。
9.根据权利要求8所述的显示器，其中，
微型透镜阵列和图像显示板的像素之间的间隔近似等于微型透镜阵列的焦距。
10.根据权利要求8所述的显示器，其中，
微型透镜阵列与图像显示板的显示面整合在一起。
11.根据权利要求8所述的显示器，进一步包括：
具有比微型透镜阵列的折射率低的折射率的材料层，该材料层设置为直接相临于微型透镜阵列。
12.根据权利要求8所述的显示器，其中，
微型透镜阵列由具有比微型透镜阵列的折射率低的折射率的材料与图像显示板相隔开。
13.根据权利要求8所述的显示器，其中，
视差光学镜包括在微型透镜阵列的透镜之间提供的光吸收材料。
14.根据权利要求8所述的显示器，其中，
透镜为圆形透镜，球形透镜，矩形透镜和正方形透镜中的一种。
15.根据权利要求8所述的显示器，其中，
透镜为平凸透镜。
16.根据权利要求8所述的显示器，其中，
透镜为双凸透镜。
17.根据权利要求1所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件在一个方向上限制图像显示板的显示面输出的光的角展度。
18.根据权利要求1所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件在正交的两个方向上限制图像显示板的显示面输出的光的角展度。
19.根据权利要求18所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件在第一正交方向上基本准直图像显示板的显示面输出的光。
20.根据权利要求19所述的显示器，其中，
视差光学镜的元件将在第二正交方向上的图像显示板的显示面输出的光的角展度限制到中心位于大约-30°角的第一角度范围和中心位于大约+30°角的第二角度范围。
21.根据权利要求1所述的显示器，进一步包括：
提供在图像显示板的非透射部分之后的反射材料。
22.根据权利要求8所述的显示器，其中，
微型透镜阵列包括圆柱形透镜阵列，每一透镜与一条像素线相关联。
23.根据权利要求1所述的显示器，其中，
图像显示板是发光图像显示板。
24.根据权利要求1所述的显示器，其中，
图像显示板是非发光图像显示板。
25.根据权利要求24所述的显示器，其中，
图像显示板是液晶显示板。
26.根据权利要求1所述的显示器，其中，
该显示器用于机动车辆。
27.根据权利要求1所述的显示器，其中，
该显示器用于航空器。
28.一种视差光学镜，包括：
开口阵列；
微型透镜阵列，用于限制穿过开口阵列的光的角展度；
非光透射材料，设置在微型透镜阵列的微型透镜之间；和
具有比微型透镜阵列的折射率低的折射率的材料层，该材料层设置为直接相临于微型透镜阵列。
29.根据权利要求28所述的视差光学镜，其中，
开口阵列设置在基板的第一面上，微型透镜阵列设置在基板的第二面上，且第一面与第二面相对。
30.根据权利要求28所述的视差光学镜，其中，
开口阵列设置在第一基板上，微型透镜阵列设置在第二基板上，且第一基板与第二基板相对。
31.根据权利要求28所述的视差光学镜，进一步包括：
设置在开口阵列的开口之间的反射材料，用于反射入射在开口阵列的非开口部分的光。
32.根据权利要求28所述的视差光学镜，进一步包括：
光学元件阵列，其中光学元件设置在开口阵列的各个开口中。
33.根据权利要求28所述的视差光学镜，其中，
光学元件阵列包括第二微型透镜阵列。
34.根据权利要求28所述的视差光学镜，其中，
该视差光学镜在两个正交方向上限制穿过开口阵列的光的角展度。
35.根据权利要求34所述的视差光学镜，其中，
该视差光学镜在第一正交方向上基本准直光。
36.根据权利要求35所述的视差光学镜，其中，
该视差光学镜将在第二正交方向上的光的角展度限制到中心位于大约-30°角的第一角度范围和中心位于大约+30°角的第二角度范围。
37.一种照明系统，包括：
(a)照明板，包括：
至少一个光源；
具有第一和第二主相对面以及次边缘面的导光器，第一主相对面包括光输出面，该至少一个光源通过次边缘面引入光至导光器；以及
(b)如权利要求28所述的设置在导光器的输出面之上的视差光学镜。
38.根据权利要求37所述的照明系统，其中，
视差光学镜包括光学元件阵列，光学元件设置在开口阵列的各个开口中，且
光学元件与导光器的输出面相接触以提供光出耦合点。
39.一种照明板，包括：
至少一个光源；
具有第一和第二主相对面以及次边缘面的导光器，第一主相对面包括光输出面，该至少一个光源通过次边缘面引入光至导光器；以及
多个棱镜，设置在第二主相对面上，用于出耦合来自导光器的光，该棱镜成形为出耦合水平方向的光到中心位于大约-30°角的第一角度范围和中心位于大约+30°角的第二角度范围，且出耦合在垂直方向上基本准直的光。
40.一种照明板，包括：
至少一个光源；
具有第一和第二主相对面以及次边缘面的导光器，第一主相对面包括光输出面，该至少一个光源通过次边缘面引入光至导光器；以及
多个反射器，设置为至少部分在导光器内，用于在多个分离的位置出耦合来自导光器的光。
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