CN111868586B - 用于改善显示器的呈现质量的光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学装置（2），其具有沿着光轴（10）布置的至少如下组件：偏振光的光源（26）；层装置（8），所述层装置沿观察者（4）的视线方向（40）看包括至少一个偏光滤镜（12）并且在其后面包括光学延迟层（14），其中所述偏光滤镜（12）没有间隙地贴靠在所述延迟层（14）上；在所述光源（26）与所述层装置（8）之间存在中间空隙（18）；并且所述中间空隙（18）包括环绕着所述光轴的容积，所述容积被不透光的在内部不进行反射而是进行吸收的边缘面（20）包围；在所述中间空隙（18）中存在至少一个半透光的分界面（22），所述分界面对于由所述光源（26）发射的光来说能透过，而且所述分界面对于沿反方向射入的光来说至少部分地起反射作用。

Description

用于改善显示器的呈现质量的光学装置

背景技术

显示器（屏幕、屏或监视器）通常是电操控显示装置，没有用于对如图像或符号那样的可变信息的光学表示的可移动部分。公知多种变型方案，这些变型方案在日常生活和技术的几乎所有领域都发挥着越来越重要的作用。

这种电子显示器越来越多地与诸如触敏传感器、简称触摸传感器那样的附加功能一起被建造，这些附加功能能够通过触摸所呈现的功能元件来对具有这样装备的显示器的设备进行操作。

在此，从技术角度看特别有挑战性的是：这些附加功能不影响呈现质量并且也不影响视觉外观。更确切地说，希望将这种舒适性特征、诸如“触摸操作”与其它舒适性和质量特征、如出色的呈现质量和尽可能低的环境光干扰相结合。尤其是希望在关断状态下或暗图像区域的高的可感知对比度和高的色彩饱和度以及均匀的黑色呈现。

发明内容

本发明的任务是说明一种技术方案，该技术方案能够就上述意义而言利用简单的装置并且在制造简单且成本低廉的情况下改善显示器、尤其是具有触摸功能性的显示器的呈现质量。尤其是希望显著抑制环境光中的光学伪影或使环境光中的光学伪影变得不起作用，这应该导致在关断或不发光状态下的——任意尺寸的——均匀的黑色的呈现窗口。

该任务通过按照本发明的光学装置来解决。

因此，按照本发明的光学装置包括沿着光轴布置的如下组件：

• 偏振光的光源；

• 层装置，该层装置沿观察者的视线方向看包括至少一个偏光滤镜（偏光镜（Polfilter））并且在其后面包括光学延迟层（延迟器（Retarder）），

其中

• 偏光滤镜没有间隙地贴靠在延迟层上；

• 在光源与层装置之间存在中间空隙；并且

• 该中间空隙包括环绕着光轴的容积，该容积被不透光的在内部不进行反射而是进行吸收的边缘面包围；

• 在该中间空隙中存在至少一个半透光的分界面，该分界面对于由光源发射的光来说能透过，而且该分界面对于沿反方向射入的光来说至少部分地起反射作用。

令人惊讶地发现：利用这些相对简单且有利的可以在几乎每个透明触摸面板的情况下轻易被加装的装置，得到对可由观察者感知到的图像的尤其是关于黑色值和对比度方面的显著改善。同时，在关断状态下或者在没有背光的“暗的”图像区域的情况下的视觉外观被改善为使得环境光不生成干扰性（能看得到的）伪影并且这样形成均匀的黑色整体表面。

如在更下文从详细的描述中得知，通过这里详细规定的装置在一定程度上提供了一种光学二极管，该光学二极管使偏振光源的光在没有明显衰减或其它在图像呈现中可观察到的变化的情况下朝向观察者的方向通过，但是该光学二极管在内部实际上将从外部射入的环境光“吞噬”并且阻碍了从外部射入的环境光反射回到观察者。由此实现了上文提到的优点。

所有这些都是在没有现有技术中所需的、关于时间、机器使用和成本方面花费高的以及技术上冒险的、偏振光源与其它光学单元的粘合（英文optical bonding（光学粘合））的情况下可能的。

有利的变型方案是随后对实施例的详细描述的主题。

有利地，光源包括发射偏振光的显示器。为此，必要时将具有相对于延迟器被适配的偏振方向的附加的偏光滤镜前置于本身发射非偏振光的显示器。

有利地，由光源发射的光线性偏振。有利地，该光学装置的偏光滤镜是线性偏光滤镜，而延迟层优选地是λ/4层，即右旋的+λ/4层或左旋的-λ/4层。

在适宜的设计方案中，偏光滤镜和延迟层被设计为使得由光源发射的光关于其偏振方面沿透射方向穿过偏光滤镜。由此确保了由观察者可感知到的发光强度的衰减最小。

有利地，该层装置除了延迟层和偏光滤镜之外包括多个其它层，其中优选地该层装置的所有相邻的层都没有间隙地彼此贴靠。

在有利的设计方案中，沿观察者的视线方向看，在偏光滤镜前面布置有透明的功能层、尤其是具有触摸传感器的功能层。

沿观察者的视线方向看，有利地存在透明的保护层，例如由玻璃或塑料制成的透明的保护层，作为该层装置的最前方的层，该透明的保护层尤其可以形成用于位于下方的具有触摸传感装置的功能层的操作面。换言之，该透明的保护层可配备如操作面、外观对象、呈现表面等等的其它功能并且具有很大程度上的设计或造型自由度。

在该光学层装置（英文optical stack）中的层的没有间隙的贴靠是重要的，以便首先没有散射光能从外部进入光路，否则该散射光（由于在光学上密度不同的介质之间的其它光学分界面）产生干扰性伪影并且也会对对比度和黑色值产生不利影响。其次，这些光学组件因此能在应用中简单得多并且价格更低廉地被处理。从触摸层经由偏光滤镜直至延迟器的所有功能层在组装之前就已经可以借助于简单且价格低廉的（平坦化）工艺被构造为膜并且在同样简单且有利的（并且平坦化）过程中被施加到（多功能）保护层的背面上。就此而言，在一个优选的实现形式中，保护层可以被视为用于总装置的（机械）结构元件或基础元件。

此外，在中间空隙中有利地通过附加的光学层、比如板或膜来实现至少一个半透光的分界面，该附加的光学层特意为了该目的而布置在光源与上文所描述的层装置之间的中间空隙中。但是，特别优选地也可涉及在另一现有的光学组件之内的所谓的寄生层，该寄生层在一定程度上作为另一功能的所希望的副作用来实现就以上意义而言所需要的半透光性。“半透光”是指：分界面或层对于由光源发射的光来说能透过并且对于沿反方向射入的光来说至少部分地起反射作用。由此，从外部射入到该光学装置中的光在反射时关于其偏振方面“失谐”，使得该光不重新向外到达观察者而是在偏光滤镜处被阻挡。

更准确地说，在具有线性偏光镜和λ/4延迟器的优选的设计方案中，从外部射入到该光学装置中的光关于其偏振一部分由于没有方向性的（多次）反射而“失谐”，而另一部分直接反射回到延迟器上。于是两个部分第二次（不过现在沿反方向“从后方”）经过延迟器，并且在此重新沿偏振方向被旋转+或-λ/4（视构造而定）。由此，光的主要部分不能通过接下来存在的偏光镜，因为该偏光镜的透射方向相对于在延迟器处射出的光的主要部分错开2乘以λ/4 = λ/2并且借此阻挡住该光。

在优选的设计方案中，由多功能保护层、偏光滤镜、光学延迟层以及必要时其它光学组件构成的复合体在框架或外壳之内构造为用于附装在显示器上/处或者用于加装显示器的附件，其中进行吸收的边缘面可以是由该复合体和该显示器构成的机械连接，例如以黑色的、可机器应用并且有持久弹性的密封泡沫或者自粘性设计的黑色的泡沫橡胶冲压件形式。

附图说明

随后依据附图来描述实施例。

图1按照示意性原理图的方式示出了按照本发明的光学装置的构造和工作原理。

具体实施方式

在图1中示出的光学装置2用于改善显示器6在关断状态下的由观察者4可感知到的对比度和色彩饱和度以及实现“黑板（black panel）”效果——即在关断状态下或者在暗的图像区域内的均匀的黑色表面。没有该光学装置2，所建造的显示器6在关断状态下的可见性和亮度和颜色随着安装地点或由于环境光而发生变化并且借此形成光学上有干扰性或者分散注意力的因素。而在有该光学装置2的情况下，在关断状态下显示器6建造在其后的区域始终保持“不可见”，因为从那里没有光能回射到观察者4并且借此该区域显现出均匀黑色。

在本例中，该显示器是发射线性偏振光的显示器6。一般来说，可以将显示器6视为偏振光的扁平伸展的、结构化的或者模块化的光源26，其中光源26的亮度可以在各个图像点之间变化。这里，所发射的光的偏振方向通过在显示器6之内的箭头来表示。

在显示器6的表面前方的不是零的距离a处存在优选地——但不一定——平行于显示器6取向的光学层装置8，该光学层装置沿观察者4的视线方向向显示器6看沿着光轴10包括线性偏光滤镜12并且在其后面包括延迟层14（英文也被称作波片或延迟器），尤其是以λ/4层或板的造型。在偏光滤镜12前面还可以存在具有触摸传感装置的功能层30并且在该功能层前面存在透明的保护层16，作为覆盖物和/或结构元件。触摸传感装置和/或其它功能性也可集成到保护层16中（多功能保护层）。在层装置8的各个层之间绝对没有间隙——不同于在图1中的纯示范性的绘图。更确切地说，偏光滤镜12在其朝向显示器6的一侧直接扁平地贴靠在延迟层14上。偏光滤镜12在其背离显示器6的一侧直接扁平地贴靠在功能层30上，该功能层又在其另一侧直接扁平地贴靠在层装置8的最前方的层、即透明的保护层16上。

术语光轴10这里应宽泛地来理解并且不以光学装置2的严格的对称性为前提。这里，在一个优选的变型方案中用λ来表示由显示器6发射的可见光的平均波长。

延迟层14使由显示器6朝着观察者4的方向发射的线性偏振光的偏振方向旋转所限定的角度。在当前情况下，旋转角度被选择为使得由显示器6发射的光在经过延迟层14之后的偏振方向平行于线性偏光滤镜12的透射方向。

这在图1中依据箭头纯示例性地通过如下方式来表示：由显示器6发射的光的偏振方向——从观察者4出发来看——从竖直沿顺时针方向旋转了45°（=π/4），并且延迟层14引起偏振取向沿顺时针方向的45°旋转，使得光紧接着可以不受阻碍地穿越偏光滤镜12、这里是具有竖直透射方向的偏光滤镜12。换言之，由显示器6发射的光以最小的透射损失、然而在其它情况下关于其可感知到的特性方面未发生变化地穿过层装置8并且接着到达观察者4。

在显示器6与层装置8之间的优选地填充有空气或气体的中间空隙18在其外部分界面或边缘面20处光学上不透光或者不透明。这里，以矩形显示器6以及基本上全等地成型的层装置8为例，涉及四个在轮廓方面为矩形的边缘面20，这些边缘面形成方形中间空隙18的侧面。不透光意味着：在理想情况下，没有光能够从外部经过边缘面20进入中间空隙18。光只能通过层装置8从外部（环境光）进入中间空隙18。

此外，边缘面20关于存在于中间空隙18中的光方面吸收光地来设计，可以说设计为光学宿（Senke）。也就是说，在理想情况下，没有光能够从内部经过边缘面20向外进入周围环境；而且存在于中间空隙18中的光在边缘面20处也不发生明显反射或散射。更确切地说，从内部射到边缘面20上的光至少在很大程度上被吸收。

此外，在显示器6与层装置8之间的中间空隙18中优选地——但不一定——以平行于显示器6的取向布置至少一个、优选地多个对于由显示器6朝向观察者4发射的光来说光学上透明的分界面22，比如作为膜或其它层的组成部分，这些分界面有利地尽可能少地影响该光的偏振。然而沿反方向、即对于从观察者4射到显示器6的方向的光来说，这些分界面22至少部分地并且优选地尽可能完全进行反射。换言之，在当前示例中通过一个或多个分界面22来实现单向镜或者半透光或部分透光镜的功能。简化地也可以说是半透光的分界面22或层并且这是指上文所描述的工作原理，即沿其中一个方向（部分）透明，沿另一方向（部分）反射。

替代特意为了该目的所设置的独立层，（部分）反射/透明的分界面也可以实现为总归存在的膜、玻璃等等（例如显示器表面）的所谓的寄生分界面。

半透光的分界面22的位置能在偏振光源26与延迟层14之间、即在通过距离a来表征的路程之内自由地被选择。

关于从外部进入光学装置2的非偏振的环境光方面，由偏光滤镜12和延迟层14构成的复合体可以被视为圆偏光滤镜24。这里，这在本例中通过螺旋线来表示，该螺旋线表示从外部经过层装置8射入到在光学层装置8与显示器6之间的中间空隙18中的、右旋圆偏振光束。

该从外部射入的光束在进行反射的层22处被反射并且由此变成左旋偏振的、向外指向的光束，该光束一般来说由于偏振不再“匹配”而不再能够或者只是还有少部分能够通过由延迟层14和偏光滤镜12构成的复合体。这是基于以下情况：光在延迟层14处再一次被旋转 λ/4并且借此在偏光滤镜12处沿阻挡方向存在——使得该光在偏光滤镜12处绝大部分被吸收。从内部射到边缘面20上的散射光如已经提及的那样同样被吸收。

在一个特别简单构造的原型中，正面的偏光滤镜12以给定的偏振方向定向，延迟层（延迟器）14构造为-λ/4层（即左旋），而后方的光源26或显示器6的偏光滤镜以其偏振方向相对于偏光滤镜12的偏振方向成+45°定向，以便偏振光在经过延迟层14之后可以不受阻碍地穿过偏光滤镜12射出。

一种替选的装置发挥类似作用，该装置具有+λ/4延迟器和相对于偏光滤镜12的偏振方向成-45°定向的偏振光源26。

同样，在相对应的一般化中，如下所有组合都发挥作用，其中给定的偏振光源26借助于适当的附加的渡越时间适配（通过延迟器）被适配到与所使用的由按照之前提到的描述的偏光滤镜12和延迟层14构成的正面组合“匹配”的相对偏振方向上。

结果是，由显示器6发射的光在经过光学装置2没有明显衰减的情况下向外射到观察者4，而从外部射入并且在内部被反射的环境光绝大部分被吸收并且不再向外射到观察者4。由此，由显示器6呈现的图像的黑色值显著被改善并且由观察者4可感知到的对比度明显被提高以及确保了上文所描述的“黑板”效果。

现在还有一些结构细节和一般性的备注：

偏光滤镜、简称偏光镜如今可以以非常多样的方法来制造，例如作为在各种各样的衬底上的基于聚乙酸酯的拉伸膜、微米和纳米成型的线栅（Wire-Grid）结构，大多借助于UV或反应性固化的液体聚合物或者也通过对适当的光学结构的精密热冲压来制造。如今也使用具有功能性液晶的类漆层。据此得到很大的厚度变化，从几纳米直至几毫米（视载体而定）。在当前示例中优选的是多达几百微米的层厚度。相对应的情况适用于延迟层、保护层和半透光层/分界面。

在层装置8与光源26之间的距离a、即中间空隙18的长度优选地是小的，因为光束的强度以线性路径长度的平方降低，但是一般不受明显限制。在为了测试目的而制造的原型中，距离a约为4至5毫米，对于在例如家用电器的仪表盘或操作面板中的应用来说，优选的距离处于不到1毫米直至几厘米。

易于理解的是：在图1中示出的光学构件的几何形状纯示例性地被选择并且在实践中可具有不同的变体。尤其是，只要机械变形梯度不小于所涉及到的辐射的最小两倍波长，显示器6、层装置8和半透光层或一个或多个分界面22整体（宏观）来看就可以变弯/弯曲，并且只有局部近似扁平。

在当前情况下，光学装置2优选地被设计用于在大约380至800纳米的波长范围内的可见光。但是，所描述的工作原理适用于原则上所有波长。光学带宽一般来说取决于所使用的光学组件的质量和材料特性。

一般来说适用：光学装置2的所有层/分界面都必须与光轴10相交，但是层装置8、一个或多个分界面22、显示器6或光源26不一定必须彼此平面平行或者与其它分界面平面平行。

除了包围显示器6与层装置8之间的中间空隙18的吸收光的边缘面20之外，也可以存在中间空隙18的以与光轴10平行取向的、吸收光的分区。

层装置8的光学层和/或一个或多个部分反射的层22尤其可以构造为柔性膜。

在层装置8中的光学层彼此间的持久连接例如可以借助于透明的、液体形式或者作为有或没有载体的粘合层的非双折射粘合剂来实现，尤其是以简单的平坦化层压法、甚至以非常大的量并且也无限地粘合地来实现。

包围中间空隙18的进行吸收的边缘面20或分界面可以借助于具有不进行反射的、暗的、优选地黑色的（因为光谱中性）的表面的不同材料来实现，例如通过黑色泡沫橡胶或者也借助于CNC适用的泡沫密封件或者相对应的注塑成型件或者其它成型件来实现。这些成型件也可以被设计用于在光源26与其余的光学装置2之间的机械连接。

显示器6可以是发射线性或圆偏振光的任意的市场上常见的单色或彩色显示器（或者也包括定制产品），尤其是液晶显示器（LCD）。如果显示器6本身不发射线性偏振光，则可以使用附加的偏光滤镜和/或延迟器，以便实现在本例中假定的扁平的用于线性偏振光的光源26。借此，这里所描述的本发明可以应用于任何类型的显示器技术，比如也可以应用于等离子体显示器、电致发光显示器或OLED显示器——甚至所有颜色的简单的可发光的文字和符号这里都可以被使用。如果各个显示器分别借助于适当的延迟器被适配到给定的由正面偏光滤镜12和延迟层14构成的光学结构上，则具有不同的偏振方向的不同的显示器类型的组合也可以同时被使用。

由层装置8、部分反射的层22以及必要时进行吸收的边缘面18构成的复合体可以在框架或外壳之内构造为附件，该附件被放到显示器6上并且与该显示器持久连接。尤其是，借此所使用的显示器6能随时并且毫无问题地为了维修和/或升级/改进/产品变型而被更换。

优选的应用例如在汽车制造、飞机制造、造船和铁路建设领域，分别用于驾驶舱或驾驶员或乘客仪表。其它优选的应用在用于家用电器的显示装置领域。一般来说，在本发明的范围内，可以实现在所有工业领域和应用中的任意的触摸面板应用——在优选地具有诸如触摸操作、隐私保护膜等等那样的附加功能的显示-显示器被用作或被建造为能组合的组合单元的任何地方、即在不需要或不希望有不能分离的单元的地方被实现。

附图标记列表

2 光学装置

4 观察者

6 显示器

8 层装置

10 光轴

12 偏光滤镜（偏光镜）

14 延迟层（延迟器）

16 保护层

18 中间空隙

20 边缘面

22 分界面

24 圆偏光滤镜

26 光源

30 功能层

40 视线方向

a 距离。

Claims (16)

1.一种光学装置（2），其具有沿着光轴（10）布置的至少如下组件：

• 偏振光的光源（26）；

• 层装置（8），所述层装置沿观察者（4）的视线方向（40）看包括至少一个偏光滤镜（12）并且在其后面包括光学延迟层（14），

其中

• 所述偏光滤镜（12）没有间隙地贴靠在所述延迟层（14）上；

• 在所述光源（26）与所述层装置（8）之间存在中间空隙（18）；并且

• 所述中间空隙（18）包括环绕着所述光轴（10）的容积，所述容积被不透光的并且在内部不进行反射而是进行吸收的边缘面（20）包围；

• 在所述中间空隙（18）中存在至少一个半透光的分界面（22），所述分界面对于由所述光源（26）发射的光来说能透过，而且所述分界面对于沿反方向射入的光来说至少部分地起反射作用。

2.根据权利要求1所述的光学装置（2），其中所述光源（26）包括电子显示器（6）。

3.根据权利要求2所述的光学装置（2），其中所述光源（26）还包括前置的附加的偏光滤镜。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置（2），其中由所述光源（26）发射的光线性偏振。

5.根据权利要求4所述的光学装置（2），其中所述光源（26）的偏振平面能相对于所述延迟层（14）被调整。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置（2），其中所述偏光滤镜（12）是线性偏光滤镜。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置（2），其中所述延迟层（14）是右旋+λ/4层或左旋-λ/4层。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置（2），其中所述偏光滤镜（12）和所述延迟层（14）被设计为使得由所述光源（26）发射的光关于其偏振方面沿透射方向穿过所述偏光滤镜（12）。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置（2），其中所述层装置（8）除了所述延迟层（14）和所述偏光滤镜（12）之外包括多个其它层（16、30），而且其中所述层装置（8）的所有相邻的层没有间隙地彼此贴靠。

10.根据权利要求9所述的光学装置（2），其中沿观察者（4）的视线方向（40）看，在所述偏光滤镜（12）前面布置有透明的功能层（30）。

11.根据权利要求10所述的光学装置（2），其中所述功能层（30）具有触摸传感器。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置（2），其中沿观察者（4）的视线方向（40）看，存在透明的保护层（16），作为所述层装置（8）的最前方的层。

13.根据权利要求12所述的光学装置（2），其中所述保护层（16）形成操作面。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置（2），其中所述半透光的分界面（22）通过布置在所述中间空隙（18）中的独立的光学层来实现。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的光学装置（2），其中所述层装置（8）在框架或外壳之内构造为用于安装在显示器（6）上的附件。

16.一种显示装置，其具有显示器（6）并且具有根据上述权利要求中任一项所述的光学装置（2），用于改善所述显示器（6）的可感知到的对比度并且用于消除干扰性环境光影响。

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