CN108873448B - 具有提供降低闪耀外观的防眩光层的显示设备 - Google Patents

Abstract

描述显示设备和最小化眩光和闪耀外观的防眩光层。一种显示设备包括含像素阵列的像素基片和防眩光层。所述防眩光层包括具有空间频率的表面粗糙度，从而防眩光层的典型焦距要么至少为四倍的像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离,要么至多为三分之一像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离。在一些实施方式中,像素阵列的像素节距小于约120μm。在一些实施方式中,防眩光层可具有椭圆的功率谱密度，且功率谱密度的短轴与像素阵列的色彩方向对齐。

Description

具有提供降低闪耀外观的防眩光层的显示设备

本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2013/063172，国际申请日为2013年10月13日，进入中国国家阶段的申请号为201380063525.3，发明名称为《具有提供降低闪耀外观的防眩光层的显示设备》的发明专利申请的分案申请。

背景技术

本申请根据35U.S.C.§119要求2012年10月10日提交的美国临时申请系列第61/712000号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。

领域

本发明总体涉及具有防眩光层的显示设备，具体来说，涉及具有同时最小化眩光和外观闪耀的防眩光层的显示设备。

背景技术

眩光的存在是显示设备中的一个大问题，特别是当在户外或光亮环境中观看显示设备时。因此,有效显示设备利用涂覆在显示器前表面上的减反射涂层来消除来自显示器前面的反射。但是,只使用减反射涂层可能不足，因为大量的光仍然被显示设备自身内侧的各种层反射。因此,有些显示设备尝试通过使用在显示设备的前表面上的防眩光处理,或同时组合防眩光和减反射处理来消除反射。

但是,随着显示设备的分辨率增加，特别是手持电子设备中所用的显示设备，像素阵列的像素节距显著收缩。当在显示设备结构内使用防眩光处理时，防眩光层形成称为“闪耀”的图像伪影。为了最小化闪耀的影响,可将防眩光处理或表面的粗糙度设计成具有高空间频率。但是,较高的空间频率形成显著的雾度和降低图像对比度。

概述

本发明的第一方面是显示设备，其包括具有像素阵列的像素基片和相对于该像素基片设置的防眩光层。所述防眩光层包括具有空间频率的表面粗糙度，从而防眩光层的典型焦距要么至少为四倍(at least four times larger than)的像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离,要么至多为三分之一(at least three times smaller than)像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离(或至少比像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离小三倍)。

本发明的第二方面是如上述方面所述的显示设备,其中所述防眩光层的典型焦距至多为三分之一的像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离，且该防眩光层的功率谱密度具有环形形状。

本发明的第三方面是如前述方面中任一项所述的显示设备，其中从该像素阵列到防眩光层的光学距离小于约0.30mm。

本发明的第四方面是如前述方面中任一项所述的显示设备，其中通过防眩光层传输的光的相调制的幅度是至少100nm。

本发明的第五是如前述方面中任一项所述的显示设备，还包括邻近所述像素基片的滤色器基片和邻近该滤色器基片的极化器基片，其中所述防眩光层设置在极化器基片的表面上。

本发明的第六方面如第五方面所述的显示设备，其中极化器基片的厚度为约0.1mm。

本发明的第七方面如第一到第四方面中任一项所述的显示设备，还包括设置在像素阵列的表面上的滤色器基片和触敏层。

本发明的第八方面如第七方面所述的显示设备,还包括盖板玻璃基片和在该盖板玻璃基片表面上的减反射层。

本发明的第九方面如第七方面所述的显示设备,还包括极化器基片,其中触敏层设置在滤色器基片或像素基片上，以及防眩光层设置在极化器基片的外表面上。

本发明的第十方面是第九方面所述的显示设备,还包括盖板玻璃基片和设置在该盖板玻璃基片外表面上的减反射层。

本发明的第十一方面是如前述方面中任一项所述的显示设备,其中防眩光层的表面粗糙度由大于40μm的周期限定。

本发明的第十二方面是如前述方面中任一项所述的显示设备,其中像素阵列的像素节距小于约120μm。

本发明的第十三方面是如前述方面中任一项所述的显示设备,其中像素阵列的像素节距是约80μm。

本发明的第十四方面是如前述方面中任一项所述的显示设备,其中防眩光层的表面由提供椭圆功率谱密度的表面特征限定。

本发明的第十五方面如第十四方面所述的显示设备,其中椭圆功率谱密度具有与像素阵列的色彩方向对齐的短轴。

本发明的第十六方面如第一到第十三方面中任一项所述的显示设备,其中防眩光层的表面由非旋转对称表面特征限定。

本发明的第十七方面如前述方面中任一项所述的显示设备,其中在防眩光玻璃基片上提供防眩光层。

本发明的第十八方面是如前述方面中任一项所述的显示设备,其中像素阵列的像素节距小于约120μm，且从像素基片到防眩光层的光学距离小于约0.30mm。

本发明的第十九方面是显示设备，其包括具有像素阵列的像素基片和相对于像素基片设置的防眩光层。所述防眩光层包括具有空间频率的表面粗糙度，从而防眩光层的典型焦距至少为四倍像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离,其中所述防眩光层的表面特征是非旋转地对称的。显示设备还包括设置在像素阵列表面上的滤色器基片、触敏层和极化器基片。

本发明的第二十方面如第十九方面所述的显示设备,还包括邻近触敏层设置的盖板玻璃基片和在盖板玻璃基片外表面上的减反射层。

本发明的第二十一方面如第十九或二十方面所述的显示设备,其中表面特征提供椭圆功率谱密度，该椭圆功率谱密度具有与像素阵列的色彩方向对齐的短轴。

本发明的第二十二方面如第十九到二十一方面中任一项所述的显示设备,其中像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离小于约或等于0.30mm。

本发明的第二十三方面是显示设备，其包括具有像素阵列的像素基片和相对于像素基片设置的防眩光层,该防眩光层的表面粗糙度具有空间频率从而防眩光层的典型焦距至少为四倍像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离。

本发明的第二十四方面是显示设备，其包括具有像素阵列的像素基片和相对于像素基片设置的防眩光层。所述防眩光层包括具有空间频率的表面粗糙度,从而防眩光层的典型焦距至多为三分之一像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离,以及功率谱密度防眩光层具有环形形状。

在以下的详细描述中提出了本发明实施方式的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。

附图简要说明

图1A示意性地显示显示设备的像素阵列；

图1B示意性地显示图1A所示的像素阵列的两个相邻像素的子像素；

图2示意性地显示非触敏显示设备的层；

图3示意性地显示触敏显示设备的层；

图4是图像，显示10×10LCD像素中的闪耀；

图5示意性地显示单一单色点p_l来源，其撞击周期相板从而在靠近观察者的远场产生交替的亮和暗区域；

图6图形化显示功率/像素偏差(“PPD”)随粗糙度周期变化，假定无限小像素和无限小眼睛瞳孔直径；

图7图形化显示PPD随λdz/T²的变化，其中T是粗糙度周期,假定无限小像素和无限小眼睛瞳孔直径；

图8图形化显示PPD随粗糙度周期变化，假定有限像素尺寸和无限小眼睛瞳孔直径；

图9图形化显示PPD随粗糙度周期变化，假定有限像素尺寸和有限眼睛瞳孔直径；

图10A示意性地显示排布的显微透镜和像素，从而像素位于显微透镜的焦平面；

图10B示意性地显示以一定距离相对于像素设置的显微透镜，该距离比显微透镜的焦距小得多；

图11图形化显示用于各种防眩光层样品的闪耀演变随防眩光到像素阵列距离的变化；

图12A-12D是伪色图像，描述与像素阵列距离增加时，由防眩光层样品产生的闪耀；

图13示意性地显示包括防眩光层的非触敏显示设备的层；

图14A和14B示意性地显示触敏显示设备的层，其包括设置在盖板玻璃基片下方的防眩光层；

图15图形化显示周期为20μm-30μm的第一防眩光层以及周期为40μm-300μm的第二防眩光层的PPD随防眩光层到像素阵列的距离的变化；

图16示意性地显示防眩光层的3个表面特征；

图17显示焦距柱状图，其对应于周期为20μm-30μm的第一防眩光层；

图18显示焦距柱状图，其对应于周期为40μm-300μm的第二防眩光层；

图19图形化显示PPD随典型焦距和防眩光层与像素阵列的距离的比例的变化；

图20图形化显示闪耀演变随防眩光层频率组成的变化；

图21图形化显示具有1/e²频率的高斯功率谱密度，其对应于具有40μm截止周期的防眩光层；

图22显示具有表面纹理的防眩光层，其具有如图21所示的功率谱密度；

图23显示具有1/e²频率的椭圆高斯功率谱密度，色彩方向为1/40微米^-1和相对的方向为1/10微米^-1；和

图24显示具有表面纹理的防眩光层，其具有如图23所示的椭圆功率谱密度；

图25显示居中于1/20微米^-1的环形功率谱密度；

图26显示具有表面纹理的防眩光层，其具有如图25所示的环形功率谱密度；和

图27图形化显示具有不同PSD形状的3个防眩光表面的PPD随典型焦距的变化。

具体描述

现在详细参考具有防眩光处理的显示设备的实施方式，从而降低通过反射出显示设备外表面的光以及反射出显示设备中内表面的光呈现的眩光。具体来说，本发明涉及防眩光层和显示设备，其中防眩光层的典型焦距大于防眩光层到具有像素阵列的像素基片的光学距离(例如,至少大四倍)。在其他实施方式中,特别是其中防眩光层的功率谱密度是环形形状时,典型焦距可小于防眩光层到像素基片的光学距离(例如,至少小三倍)。下面将具体参考附图，更加详细地描述防眩光层和显示设备的各种实施方式。

“防眩光”或类似术语是指光接触经过处理的制品表面(如显示设备表面)时变成漫反射而不是镜面反射的物理转变，或者指将制品表面反射的光变成漫反射而不是镜面反射的性质。在本文所述的一些实施方式中,防眩光层或处理通过玻璃基片中的薄膜涂覆、或通过机械或化学蚀刻来提供。防眩光不减少从表面反射的光的量，只是改变反射光的特征。从防眩光层反射的图像不具有清晰的边界。与防眩光层不同，减反射表面通常是利用折射率变化以及(在一些情况下)相消干涉技术减少从表面反射的光的薄膜涂层。

当向像素化显示器系统，例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)或者触摸屏等引入防眩光或光散射表面时，通常会发生不理想的显示器“闪耀”或“眩耀”的副作用，其在类型和起源上不同于投射或激光系统中观察到和表征的“闪耀”或“斑点”的类型。闪耀与显示器的非常细小的粒状外观相关，看上去会使得颗粒图案偏移以及显示器的可视角改变。显示器闪耀表现为在近似像素水平尺寸尺度的亮和暗或着色斑点。如下文所更加详细描述，呈现不可见的闪耀的第一透明的玻璃板见图12A,而呈现增加的可见的闪耀的透明的玻璃板见图12B-12D。图12A所示样品没有展现出任何可见的闪耀，具有规整且相互一致的像素图像。相反，图12B-12D所示的图像的功率/像素上呈现可见的噪音和一些分散。因此，图12B-12D所示的像素更为扩散并且看上去合并在一起。

如本文所述，已经确定在结合防眩光层的像素化显示器中通常观察到的显示器闪耀的类型主要是折射效应，其中，在表面上具有一些宏观(即，远大于光学波长)尺寸的特征导致折射或者使得显示器像素“透镜化”至变化的角度，从而改变像素的表观相对强度。本文提供了用于定量化这种效果的技术，并参见2012年1月20日提交的美国专利申请公开号2012/0221264，该文的全部内容通过引用纳入本文。通常，该技术使用“眼睛模拟器”照相系统(即，模拟人类观察者眼睛机制的系统)从各显示像素收集的总功率的标准偏差，从而计算功率/像素偏差(“PPD”)。该度量与使用者对于显示器闪耀的判断具有很好的相关性。

现在参考图1A,其示意性地显示提供在显示面板10上的像素阵列12的俯视图。各像素12通过垂直和水平的带13,15分离，其是单个像素12之间的间隔。显示面板10可构造成任任意发光像素化显示器,例如LCD,OLED,有源有机发光二极管(AMOLED)等。图1A所示的显示面板10的像素12以像素阵列来提供，其具有参考指标i和j。如图1B所示,单个像素可包括多个子像素,例如红(R)、绿(G)和蓝(B)子像素，其在沿着显示面板10水平的色彩方向上排布。如本文所使用，像素节距pp定义为相同颜色的子像素之间的距离。如本文所使用，术语“色彩方向”指子像素排布的方向(例如,R,G,B子像素)。应理解，实施方式不限于图1A和1B所示的像素阵列12的像素的形状和排布,和显示面板10可具有不同的单个像素排布,以及不同的像素阵列排布(例如,圆形像素和/或子像素,PenTile矩阵像素,红-绿-蓝-绿像素等)。

图2和3分别示意性地显示非触敏的显示设备11和能触敏的显示设备11′,且两者都构造成LCD显示设备。应理解，实施方式不限于图2和3所示的构造,且在本文所述的一些实施方式中可提供更多或更少的层。如下文所更加详细描述，触敏显示设备是电气响应接收来自人类的手的触摸和手势输入的设备。首先参考图2的非触敏显示设备11,显示设备11通常包括背光21(例如,荧光背光、发光二极管(“LED”)背光等),第一极化器层22,像素基片23(即,薄膜晶体管(“TFT”)层),滤色器基片24,和第二极化器基片25。像素基片23和滤色器基片24可各自包括玻璃基片,例如。像素基片23和滤色器基片24构造成提供像素阵列12。第一和第二极化器基片22,25可允许特定极化的光通过其间(例如,线性极化器允许光的水平组分或垂直组分通过)。应理解，还可提供其它或更少的极化器基片。作为非限制性例子，在OLED显示器中，显示设备通常包括圆形极化器(例如,四分之一波片和线性极化器)，从而消除来自显示器阴极的环境光的反射。此外，还应理解还可在图2和3所示的层之间提供其它粘合剂层。

通过降低像素基片23、第二极化器基片25和粘合剂层的厚度到薄的维度,例如各自到0.10mm,例如,像素基片23的表面和第二极化器基片25的顶部表面之间可存在约0.30mm的机械厚度d_m。机械厚度从滤色器基片24的底部表面测量。假定像素基片23,第二极化器基片25,和粘合剂层的折射率为1.5，这得到约0.20mm的光学距离。注意到在LCD显示器中，通过滤色器基片的滤色器形成图像，这样从滤色器基片的背部表面测量与像素阵列的机械距离。在发射显示器中，例如OLED显示器,图像由OLED层自身形成，且在这种情况下，从OLED层测量与像素阵列的机械距离。如本文所使用，术语“光学距离”定义为机械距离除以在光学路径中的材料的折射率。虽然使用具有不同折射率的多种材料，总光学距离等于单个材料的光学距离之和。如下文所更加详细描述，降低像素阵列和防眩光层之间的光学距离，减少对观察者可见的闪耀幅度。

参考图3,在触敏应用的情况下，对于电容传感器膜(触敏基片28)和盖板玻璃基片29，需要一些额外的层例如氧化铟锡(“ITO”)。在所示的触敏显示设备11′中,触敏基片28是具有在第一方向(例如,y-轴方向)提供触摸传感能力的第一ITO层28a以及在第二、相对的方向(例如,x-轴方向)提供触摸传感能力的第二ITO层28b的玻璃基片。在第二极化器基片25和触敏基片28之间设置屏蔽层或空气间隙。盖板玻璃基片29设置在触敏基片28上。此外，把可构造成减反射膜或涂层的减反射层30设置在盖板玻璃基片29的外表面上。如图3所示,触敏显示设备11′的额外层增加滤色器基片24的底部表面和盖板玻璃基片29或减反射层30的顶部表面之间的机械和光学距离,与图2所示的非触敏显示设备11相比这可增加闪耀幅度。

闪耀可通过本文参考的功率/像素偏差(“PPD”)的标准化度量来定量，这基于下述考虑：大多数的显示器都这样设计使得对于给定显示器类型，在典型观看距离下人类观察者不能分辨小于像素尺寸的特征。这样，单一像素之内的噪音不重要，只有不同像素之间的噪音才相对于闪耀是显著的。

因此，闪耀可通过PPD来定量,其过程如下，给定单一颜色(R,G或B)的给定像素化图像,限定绕着单个像素的窗口，其尺寸等于像素节距pp。应注意，本文概括描述了PPD过程，关于PPD过程的其它信息还参见美国专利申请号13/354,827，如上所述。图4提供10×10LCD像素的伪色实验图像，其显示因存在防眩光表面导致的闪耀。单一窗口显示为绕着单一像素的正方形。正方形的宽度等于像素节距pp。

通常,对窗口内的功率进行积分，PPD定义为相对于平均功率/像素标准化的各像素的积分功率的标准偏差,如下所述:

PPD＝STD(P_i，j)/平均(Pi，j)

现在参考图5,为了构建闪耀模型，让我们考虑单一单色点p_l来源撞击周期相板40的最简单的情况，其表示具有特征(例如,特征42a,42b)来产生闪耀的表面。纯粹从几何角度来看，预期周期相板40在远场形成一些条纹，这些条纹是亮的(通过亮区域50a-50c)或暗的(亮区域50a-50c之间的区域)，其中周期相板40是凹面(例如,特征42a)或凸面(例如,特征42b)。因此，周期表面导致形成以良好限定的角度通过dθ_p分离的亮和暗条纹。为了简便，假定周期相函数，预期远场是周期函数，其具有通过下式给出的角度周期:

dθ_p＝P/dz, 公式1

其中：

dθ_p远场中的角度周期,

P是相板的周期，和

dz是从发射点到相板(即,防眩光层或表面)的距离。

如果我们现在考虑位于显示器远场的观察者,他或她将觉得发射点p_l较暗或较亮，取决于眼睛瞳孔相对于那些条纹所处的位置。在像素化显示器示器,源不是点源和应考虑单个像素的实际尺寸。还基于几何光学，位于与第一点p₁相距距离dy的点p₂发射的远场将与第一点p₁发射的远场相同但通过下式给定的角度位移(shift):

dθ_s＝dy/dz, 公式2

其中dθ_s是是与发射点的位移dy相关的角度位移。

因此，当考虑具有长度dL的连续像素时,和假定光在像素内不是连贯的,进入远场的强度分布可通过下式来提供:

Iff_p1(θ)＝Iff_p0(θ)*rect(θ/(dL/dz)), 公式3

其中：

Iff_p0是用于一种单一点源的远场强度,

rect是矩形函数，

dL像素尺寸,

Iff_p1是由整个像素发射的远场强度，和

*是卷积。

接下来，对于该具体像素多大功率能到达观察者的视网膜可通过下式计算：

其中：

P是观察者察觉的功率；和

积分窗口等于眼睛瞳孔角度范围。

为了计算对应于察觉的功率/像素偏差的PPD,应考虑相对于相板位于无规位置的许多不同像素。根据上述公式2,用于其它像素的远场无需是矩形的，因为已知所有其它远场图像都是相同的，只是以给定角度位移。因此，不是重新计算相对于周期相板40随机设置的像素的远场图案，功率P可为矩形的同时考虑观察者眼睛随机位移远场内侧。结果，可通过下式获得PPD：

Iff_p2(θ)＝Iff_p1(θ)*rect(θ/θ_eye), 公式5

PPD＝STD(Iff_p2)/平均(Iff_p2), 公式6

其中θ_eye是眼睛的角度范围。

应注意，前面的计算中，假定了功率/像素偏差排他地因为眼睛瞳孔收集可变量的功率。但是，存在另一种机制可在功率/像素中产生一些扰动。对于高相调制频率或幅度，部分功率可在像素窗口以外的视网膜上成像。结果，这种功率没有贡献到像素窗口上积分的功率，因此没有在公式6中考虑这种功率泄漏。因此，这种简化模型只适用于具有较小漫射锥的调制：

Ddz<像素间隙,公式7a

其中：

D是表面漫射角度,

dz是从像素到漫射表面的距离，和

像素间隙是给定颜色的像素之间的间隙。

其中上述公式不适用的一个示例是非像素化图像，例如在黑白电子阅读设备中，其中像素之间的间隙接近零，且从没有任何闪耀，与粗糙度结构无关。这表示了用于最小化显示器闪耀的替代策略，即最小化或消除显示器像素之间的间隙。

最后，应注意上述公式降低光谱连贯的来源，其意味着它们只适用于粗糙度幅度小于像素连贯长度的情况：

dh dn<λ²/d 公式7b

其中：

dh粗糙度幅度,

dn是折射率对比(约0.5),和

dλ是光谱宽度。

在防眩光表面中，典型的粗糙度幅度在200nm RMS的量级,这意味着即使使用源,光谱连贯性的假定仍然有效。

现在，为了求解公式1-6,需要计算对应于单一发射点的远场强度。这种计算可通过考虑球形波撞击相板来实施,并通过使用傅立叶光学计算在远场中的电场Eff_p0:

Eff_p0＝FFT[exp(2iπx²/2dzλ+iΦx))] 公式8

iff_p0＝吸收(Eff_p0)²

图6的图表显示计算的PPD，假定无限小像素和无限小眼睛瞳孔直径和正弦周期相板。波长固定为532纳米。图6的图表用PPD相对于粗糙度周期T作图。相幅度设定为0.1，单位为2π，从像素到正弦周期相板的距离固定为3mm。

可知，因为干涉效应，存在一些具体的粗糙度频率其中条纹在FFP中的对比下降到零。这些频率也称为托尔伯特(Talbot)频率，通过下式提供：

dz/T²＝k, 公式9

其中：

T是粗糙度周期,和

k是整数。因此,通过把PPD随λdz/T²而不是随粗糙度周期的变化作图，获得完美的周期函数，如图7的图表所示。

为了考虑实际像素尺寸，可应用公式3的卷积，这导致洗掉用于高频率周期相板的条纹的对比。图8显示用于各像素节距计算的PPD随粗糙度周期的变化，该节距等于70微米对应于高分辨显示器,例如视网膜(Retina)显示器(曲线60),200微米对应于计算机显示屏显示器(曲线61),和500微米对应于大电视(曲线62)。应注意，在图8作图的模拟中，眼睛瞳孔直径仍然考虑为无限小。由图可知，用于高-频率粗糙度的PPD变得显著降低。此外，对于给定粗糙度频率,PPD对于较小的像素总是更差。

通过应用来自公式5的其它卷积可考虑有限眼睛瞳孔直径。图9显示图8的图表中提供的相同情况计算的PPD，但考虑5mm直径眼睛瞳孔，在视网膜显示器和计算机显示屏的情况下距离屏幕0.5米，且在大电视的情况下距离屏幕3米。类似于图8,曲线63表示具有70微米像素节距的显示器,曲线64表示具有200微米像素节距的显示器,和曲线65表示具有500微米像素节距的显示器。

图9的图表表明，假定从像素阵列到正弦周期相板40的距离为约3.0mm,应避免大于约40微米的粗糙度周期来最小化闪耀。这种趋势通过样品粗糙度的其它数学模型和半经验评估来交叉验证。

常规防眩光层或表面通常可通过它们的功率谱密度(PSD)来表征，其是粗糙度形状的傅立叶变换。如本文所使用，术语“粗糙度”、“表面粗糙度(Ra)”或类似术语是指在显微水平或更低的水平的不均匀或不规则的表面条件，如平均均方根(“RMS”)粗糙度。防眩光层的效果是调制被防眩光层反射或透射的光的相位。可知为了有效地消除眩光,相调制的幅度应为至少100nmRMS。例如，当防眩光层是具有折射率1.5的表面时,大多数的光将被散射(与透射相对)，前体是粗糙度幅度为至少200nmRMS。在另一实施例中,防眩光层通过具有折射率n₁和n₂的两种介质之间的粗糙表面来产生。在这种情况下,粗糙度的幅度需为至少100nm除以n₁和n₂之差。通常，PSD可通过居中于零的高斯函数(或一些其它更复杂的函数)来近似。结果是防眩光层的所有特征呈现一些低频率组件，这可产生闪耀特别是当和高分辨显示器一起使用时。为了最小化闪耀,一种解决方案包括增加PSD高斯分布的1/e²频率，从而把大多数的防眩光层粗糙度置于高频率而不是低频率中。但是,当增加粗糙度的空间频率时,光被散射成更大角度导致增加表面的雾度，在一些情况下(例如当防眩光层位于远离像素阵列时),图像可变得模糊。

如下文所更加详细描述，其它实施方式可通过使用防眩光层来最小化雾度和闪耀，该防眩光层具有功率谱密度形状从而消除负责用于形成闪耀的低频率和负责用于形成雾度的高频率(见图25和26)。

如上所述闪耀模型中的另一重要参数是像素基片23和防眩光层的距离(例如,图14A和14B所示的防眩光层480,如下所述)。为了解释距离参数可怎样影响闪耀,考虑防眩光层特征构造成一系列显微透镜。换句话说,由防眩光层提供的峰和值用作单个显微透镜。参考图10A,显示情况其中像素p位移靠近由防眩光层提供的显微透镜的焦平面fp。附图标记42表示单一显微透镜，其在像素p处具有焦平面fp。在这种情况下,光70变得几乎准直的且显微透镜的整个表面将变红、绿、蓝或黑，取决于观察者O的眼睛通过显微透镜观察到的显示器表面是红、绿或蓝像素或位于像素之间的黑色基质。这种情况导致高闪耀幅度，这对观察者而言是容易看见的。

图10B显示情况其中显微透镜42位于非常靠近像素阵列p，从而像素阵列和防眩光层的距离比由防眩光层提供的显微透镜42的焦距小得多。当刚好把显微透镜72设置在发射点(像素p)顶部时,几何光学器件(和傅立叶光学器件)预测显微透镜42不影响光70′发射的方式和完全不存在光集中。在这种情况下，可预期完全消除了闪耀。还可显示，把像素和显微透镜之间的距离设定为比显微透镜的焦距大得多可消除闪耀。但是,这种情况不可行，因为显示设备的厚度变得不切实际。

因此，理想的情况是当防眩光层位于极其靠近显示器的像素时。但是,使防眩光层刚好位于像素阵列的顶部是不可行的解决方案，因为距离需要包括滤色器基片,极化器(在LCD显示器的情况下)和TV盖板(例如在触摸屏的情况下)。但是,预期是通过最小化该距离,可显著降低闪耀。

像素阵列和显微透镜(即,防眩光层)之间的距离对闪耀的影响通过制造实验装置来评估，其由使用一对透镜的LCD显示器的成像像素组成，并使防眩光层位于靠近由该对透镜形成的图像。防眩光层结合到x,y,z台阶，从而图像和防眩光层之间的距离是可变的。距离是可变的，并可评估闪耀幅度随距离的变化。

图11是图表，其显示使用多个防眩光样品测量的闪耀随像素图像和防眩光层距离的演变。曲线101和102分别对应于不具有粗糙度的玻璃基片，而曲线103-110对应于幅度和形状不同的几种粗糙度纹理。

从图11可知,当距离靠近零时，闪耀显著下降。此外，闪耀处不是完全归零，因为透镜失准和透镜孔径的限制，在零距离处认为是测量伪影(artifact)。图12A-12D显示在不同距离和样品的测量结果。图12A显示无防眩光层的测量。图12B,12C和12D分别显示与曲线106相关的样品在0mm,2mm-5mm处的测量结果。

因此，通过最小化像素和防眩光层的距离，可降低闪耀。图13显示非触摸显示设备300，其具有相对于图2如上所述的相同组件，还具有设置在极化器基片28表面的防眩光层380。防眩光层380可通过膜或涂层、独立的防眩光玻璃基片或印制在极化器基片28表面的表面特征来提供。换句话说,防眩光层380可构造成能提供本文所述的防眩光效果的任意表面或处理。用于在玻璃基片表面上提供防眩光层特征的示例技术参见2011年4月20日提交的美国专利申请公开号2011/0267697，该文的全部内容通过引用纳入本文。如上所述,通过使用薄层，可最小化机械厚度和因此像素基片23之间的距离。通过最小化这个距离,减少闪耀幅度。例如,通过使用厚度在0.10mm量级的滤色器基片14并将它连接到厚度在0.10mm量级的极化器基片25,和通过粗糙化极化器层的表面来提供防眩光层380,机械距离可小至0.20mm,由此对应于约0.14mm的光学距离。

但是,如上所述,在触敏显示设备的情况中，需要额外的层来提供触敏能力。为了实现像素阵列和防眩光层的短距离，可使用多种构造。参考图14A所示的显示设备400,为了确保显示设备的刚性，较厚的盖板玻璃基片29通常是优选地。尽管能在盖板玻璃基片29的顶部表面上设置防眩光层，但这样做提供了像素基片23和防眩光层之间增加的距离。或者,可在盖板玻璃层29的背面表面上提供防眩光层,和盖板玻璃基片29可具有减反射涂层30来消除来自显示设备前方侧面的反射。在这种情况下,防眩光层的功能是用于消除来自位于显示设备内侧的层的反射。

参考图14A和14B,另一种选项是以在x-和y-方向提供触摸能力的ITO栅格的形式，提供触敏层428(不用玻璃基片)。图14A显示这种触敏层428，其设置在显示设备400的滤色器基片24上(即,“电池之上(on-cell)”结构),而图14B显示显示设备400′，其包括设置在像素基片23上的触敏层428(即,“电池之中(in-cell)”结构)。在一些实施方式中,可同时在像素基片23和滤色器基片24上提供触敏层。然后可把防眩光层480设置在极化器基片25上。在一些实施方式中,显示设备无需使用额外的盖板玻璃层29,且贡献于所考虑的光学距离的结构只包括滤色器基片24和极化器基片25,例如在图13所示的非触摸情况。如上所述把层厚度保持到极小值,可降低闪耀幅度。

除了防眩光层距离像素阵列的距离以外，可操控防眩光层的构造来降低闪耀,甚至在其中防眩光层设置较远离像素阵列的情况。如下文所更加详细描述,在高分辨显示设备(例如,像素节距小于约120μm的显示设备)的情况下,可构造防眩光层的表面特征从而防眩光层的典型焦距至少大于防眩光层到像素阵列光学距离的四倍(或者至少比防眩光层到像素阵列的光学距离小三倍在表面具有环形谱密度的情况下，从而降低可能对观察者可见的闪耀幅度。

通常,如上所述,当测量或模拟闪耀的量随像素阵列和防眩光层的光学距离的变化时,当从零距离开始时闪耀迅速增加并随后到达平台和随后缓慢地下降。曲线形状是像素阵列的几何形貌和防眩光层的频率含量的函数。图15是图表，显示像素阵列的像素节距固定为80微米的两种不同防眩光层的闪耀幅度。用正方形表示的曲线对应于大多数提供高频率的防眩光层(即,它的PSD是限定到20-30μm周期的环形函数，类似于图25所示的功率谱密度和图26所示的表面)。用三角形表示的曲线包括低得多的频率(即,它的PSD是限制到40-300μm周期的环形函数)。对于高频防眩光层,非常小的像素阵列和防眩光层距离就达到平台，且幅度平台比具有低频的其它防眩光层低得多。

如上所述,防眩光层可与随机显微透镜的阵列相比拟,和闪耀同时是折射效果(几何光学器件)和衍射效果的结果。暂时忽略衍射方面，当显微透镜的焦距等于从像素(即,从滤色器基片的底部表面开始测量)到透镜自身(即,防眩光层)的光学距离时，预期闪耀是最坏的。当显微透镜的焦距等于光学距离时,观察者的视线聚焦在像素之间的间隙其中透镜变暗,或聚焦在像素本身其中透镜变亮。

本发明的实施方式通过使用防眩光层来最小化闪耀幅度，该防眩光层的典型焦距要么比像素阵列和防眩光层的光学距离大得多要么比其小得多。如本文所使用，术语“典型焦距”指通过下述测定的防眩光层焦距:

1.计算防眩光层的二阶偏导数：

B(x,y)＝d²A(x,y)/dx ,公式10

其中：

A(x,y)是防眩光层的形貌，

B(x,y)是二阶导数，和

X是红、绿和蓝子像素在显示面板中的方向(即,色彩方向)。

2.计算在特定位置的局部曲率半径：

R(x,y)＝1/B(x,y), 公式11

其中R(x,y)是局部曲率半径。

3.计算局部焦距

F(x,y)＝R(x,y)/(n₁-n₂), 公式12

其中：F(x,y)＝R(x,y)/(n2-n1)

F(x,y)是局部焦距，和

n₁和n₂限定防眩光层的材料的折射率(其中在其中防眩光层接触空气的情况下，n₁＝1)。

4.计算穿过防眩光层的F(x,y)柱状分布来测定典型焦距f0,其中典型焦距f0是在防眩光层上具有最大发生程度的焦距。

现在参考图16,示意性地显示防眩光层80。各表面特征82a-82c具有局部曲率半径ri和通过ri/(n₁-n₂)测定的局部焦距fi,其中n₁和n₂是防眩光层两侧的折射率。当防眩光位于最后的表面上时,它与空气接触，并且随后通过ri/(n-1)表示局部焦距。三个表面特征82a-82c具有不同的半径ri和幅度A。例如,与表面特征82c相比，表面特征82a具有较小的局部曲率半径ri和因此具有较短的局部焦距fi。穿过防眩光层最频繁地发生的焦距fi是防眩光层的典型焦距f0。

如上所述计算用于两种计算机产生的防眩光层的典型焦距，该防眩光层的表面特征分别具有20μm-30μm的周期(对应于高频图15所示的曲线相同的防眩光层)和具有40μm-300μm的周期(对应于图15的低频曲线的防眩光层)。图17显示焦距柱状图，其对应于周期为20μm-30μm的防眩光层。如柱状图所示,典型焦距为约0.11mm,这良好合理地对应于图15所示的高频闪耀曲线的最大值。图18显示焦距柱状图，其对应于具有周期为40μm-300μm的表面特征的防眩光层。图18的柱状图表明典型焦距转移到约0.65，这同样良好合理地对应于图15所示的低频闪耀曲线的最大值。

因此,可测定和操控防眩光层的典型焦距来影响闪耀的发生。

说明典型焦距对防眩光层的影响的另一种方式是固定防眩光层和像素阵列的距离d₀,并考虑具有不同的频率含量和因此具有不同的典型焦距的不同的防眩光层。可把闪耀幅度相对于典型焦距和距离d₀的比例作图。如上所述,预期当典型焦距和距离d₀的比例是1时，闪耀发生率最高。图19显示这种图表，其用通过PPD表示的闪耀发生率相对于典型焦距和距离d₀的比例作图。如图表所示,当比例等于1时发生通过PPD表示的最大闪耀。

通常,像素到防眩光层距离不是可变参数，并通过一些机械限制来固定,如上所述。在大多数应用中，这种机械距离为至少1.0mm因为滤色器基片的厚度通常在0.50mm的量级，且极化器和可能在光学路径的其它各种层的厚度也贡献于显示设备的厚度。如上所述，为了避免闪耀,表面应使得典型焦距非常不同于从像素到防眩光层的距离。如果设计防眩光层从而典型焦距大于1.0mm的机械距离,可显示这种防眩光层将需要极低的粗糙度频率,这意味着漫射角度将非常窄和不能有效地消除眩光。

另一种选择是选定典型焦距显著小于1mm的防眩光层,这意味着表面需要具有大多数高空间频率含量,例如周期在20-30μm范围的表面特征。在像素节距小于120μm的高分辨率显示器的特定情况下,可知为了在其中典型焦距显著小于1mm的模式下操作并获得可接受的强度的闪耀，需要使用具有非常高频率(例如,大于1/20微米^-1)的防眩光层。但是,这么高频表面的后果是表面具有非常高的雾度，且不利地影响图像分辨率。因此，难以同时取得低闪耀、低雾度和保持高图像分辨率。

在本发明的一些实施方式中,显示设备的防眩光层具有低空间频率，其排布成与像素阵列相距小的距离。换句话说,防眩光层的典型焦距大于1像素阵列和防眩光层的光学距离。图20是图表显示闪耀随防眩光层频率含量的演变，其使用下述条件来计算：

1.PSD几乎是高斯，其具有对应于图表的截止周期的1/e²频率；

2.防眩光层的相调制的幅度是100nm RMS；

3.像素节距是80微米；

4.折射率是1.5；和

5.像素阵列和防眩光层的光学距离是0.2mm(约0.3mm机械距离)。

由图20的图表可知,截止周期应为至少40μm，从而得到低于5％的闪耀强度，在其中像素阵列和防眩光层的光学距离是0.2mm的情况下。这对应于典型焦距约为7倍的像素阵列和防眩光层的光学距离。还可进一步增加截止周期，但通过防眩光层提供的漫射将变得非常低，导致消除眩光的效率降低。应理解，防眩光层的典型焦距可构造成具有5％以外的PPD(即,典型焦距不是7倍的光学距离)。目标PPD可取决于所需的防眩光层的特征。图表图20表明典型焦距相对于像素阵列和防眩光层的光学距离应较大。

图21显示具有1/e²频率的示例圆形对称高斯PSD，其对应于具有40μm截止周期和0.2μmRMS表面粗糙度的防眩光层。图22显示具有如图21所示的PSD的防眩光层的示例表面纹理。图22所示的表面的计算的典型焦距是约1.2mm,这意味着像素阵列和防眩光层的光学距离应小于约0.19mm。假定光学路径中显示设备的材料折射率为1.5,那么机械距离应小于约0.285mm。应理解，提供图21所示的PSD和图22所示的表面纹理只用于非限制性、说明性目的。

应指出，具有低空间频率的防眩光层还可导致较低的漫射角度,这可比具有高空间频率的防眩光层效率更低的消除眩光。可表明防眩光层的形状在显示设备的色彩方向CD(即,RGB子像素方向)中是最重要的。在一些实施方式中,防眩光层的表面特征可构造成非旋转对称的，从而表面特征在显示设备的色彩方向CD长于在相对的方向。因此,通过使用具有椭圆PSD的防眩光层，该椭圆PSD具有沿着显示设备的色彩方向的短轴,和沿着与色彩方向相对的方向的长轴(见图23例如),可最小化闪耀同时增加具有圆形PSD的防眩光层的漫射角度。

图23显示的PSD是椭圆高斯函数，其1/e²频率在色彩方向为1/40微米^-1,和在与色彩方向CD正交方向为1/10微米^-1。粗糙度的幅度是0.2微米RMS。因此,例如但不限于，防眩光层的椭圆PSD在色彩方向的1/e²频率可为相对的方向的的1/e²频率的四分之一。

图24显示具有如图23所示的椭圆PSD的防眩光层的示例表面纹理。如图24所示,防眩光层在色彩方向CD的周期长于在与色彩方向CD正交方向的周期。图23所示的防眩光层的典型焦距与图21所示的防眩光层的相同。

如上所述,在一些实施方式中,防眩光层可具有环形-形状PSD(即,甜甜圈-形状),其中同时消除负责用于形成闪耀的低空间频率和负责用于形成雾度的高空间频率。现在参考图25,图形化显示了示例防眩光表面的环形PSD。如图25所示,环形PSD居中在1/20微米^-1。因此,不存在不利的低和高空间频率，从而可降低闪耀且没有显著雾度的外观。

图26显示具有如图25所示的环形PSD的防眩光层的示例表面纹理。如图26所示,防眩光层具有表面特征，其周期在由环形PSD限定的范围内(即,不存在低和高空间频率)。

现在参考图27，提供显示具有不同的PSD形状的3种防眩光层的闪耀幅度随典型焦距变化的图表。在图27的图表所示的模拟中，把从像素阵列到防眩光层的光学距离设定为0.20mm,传输时相调制的幅度125nm和像素节距设定为80μm。三种防眩光层具有下述PSD形状:用菱形形状表示的数据点对应于具有高斯分布的防眩光层,用正方形形状表示的数据点对应于具有顶帽分布(即,矩形形状)的防眩光层,和用三角形表示的数据点对应于具有环形分布的防眩光层。

从图表可知,在约0.30mm的典型焦距处闪耀到达峰值,这对应于从像素阵列到防眩光层的光学距离。该图表表明两种不同类防眩光层能产生低闪耀强度。首先，典型焦距比像素到AG表面距离小得多的防眩光层能产生低闪耀强度。例如和参考图27的图表,为了实现约6的PPD,典型焦距应为约1.2mm(如箭头500所示),这对应于典型焦距约为像素阵列到防眩光层的光学距离的6倍。为了实现约6的PPD,典型焦距应约为光学距离的7倍,这对应于图20所示的图表。典型焦距取决于所需的防眩光层参数和用于降低的闪耀强度。通常,典型焦距至少为光学距离4倍的防眩光层可最小化闪耀幅度。

其次,典型焦距小于像素阵列和防眩光层的光学距离的防眩光层(例如,至多为光学距离的三分之一)也可最小化闪耀幅度。但是,如上所述,小的典型焦距的防眩光层具有高空间频率，这产生不利的雾度。因此,具有环形形状PSD和小典型焦距(例如,通过环绕的数据点510所示)的防眩光层消除高空间频率和趋于形成低雾度的外观，因为消除了在常规表面(例如具有高斯PSD的表面)中通常存在的高频率拖尾。

现在应理解，本发明的实施方式提供具有防眩光层的显示设备，该防眩光层同时降低眩光和最小化闪耀外观。本文所述的防眩光层可具有典型焦距，该典型焦距与像素阵列显示设备和防眩光层的光学距离相比较大(例如,至少为四倍),或与像素阵列显示设备和防眩光层的光学距离相比较小(例如,至多为三分之一)。在一些实施方式中,防眩光层在频率空间可具有椭圆功率谱密度函数，其具有与显示设备的色彩方向对齐的短轴和与相对的方向对齐的长轴。在其他实施方式中,特别是其中典型焦距较小时，防眩光层可具有环形形状功率谱密度。

应注意，本文可用术语“近似”和“约”表示可由任何定量比较、数值、测量或其它表示方法造成的内在不确定性。在本文中还使用这些术语表示数量的表示值可以与所述的参比值有一定的偏离程度，但是不会导致审议的主题的基本功能改变。

虽然本文显示和描述了特定实施方式，应理解在不偏离所要求保护的主题的精神和范围时，可进行各种其它盖板和修改。此外，虽然本文描述了所要求保护的主题的各种方面，这种方面不必结合利用。因此，所附权利要求旨在覆盖要求保护的主题内容范围内的所有这些改变和改进。

Claims (10)

1.一种显示设备，其包括：

具有像素阵列的像素基片；

相对于该像素基片设置的防眩光层，所述防眩光层包括具有空间频率的表面粗糙度，从而所述防眩光层的典型焦距要么至少为四倍的像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离,要么至少比像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离小三倍，所述防眩光层的功率谱密度具有环形形状；

设置在像素阵列的表面上的滤色器基片；

触敏层；和

极化器基片,

其中，典型焦距通过如下方式确定：

1)计算防眩光层的二阶偏导数

B(x,y)＝d²A(x,y)/dx

其中：

A(x,y)是防眩光层的形貌，

B(x,y)是二阶导数，和

X是红、绿和蓝子像素在显示面板中的方向；

2)计算在特定位置的局部曲率半径

R(x,y)＝1/B(x,y)

其中R(x,y)是局部曲率半径；

3)计算局部焦距

F(x,y)＝R(x,y)/(n₁-n₂)

其中：F(x,y)＝R(x,y)/(n2-n1)

F(x,y)是局部焦距，和

n₁和n₂限定防眩光层的材料的折射率；

4)计算穿过防眩光层的F(x,y)柱状分布来测定典型焦距f0,其中典型焦距f0是在防眩光层上具有最大发生程度的焦距，以及

其中，光学距离定义为机械距离除以在光学路径中的材料的折射率。

2.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述防眩光层的典型焦距至少比像素阵列表面和防眩光层之间的光学距离小三倍，且该防眩光层的功率谱密度具有环形形状。

3.如权利要求1所述的显示设备，其中所述防眩光层设置在极化器基片的表面上。

4.如权利要求1所述的显示设备，还包括：

盖板玻璃基片；和

在该盖板玻璃基片表面上的减反射层。

5.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述防眩光层的表面由提供椭圆功率谱密度的表面特征限定。

6.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述防眩光层的表面由非旋转对称表面特征限定。

7.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，在防眩光玻璃基片上提供防眩光层。

8.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述防眩光层的表面粗糙度由大于40μm的周期限定。

9.如权利要求1所述的显示设备，其特征在于，所述像素阵列的像素节距小于或等于120μm。

10.如权利要求1或9所述的显示设备，其特征在于，从像素基片到防眩光层的光学距离小于0.30mm。

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