CN1135262A - 在显示装置内的光学元件阵列中用的光学元件 - Google Patents

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Abstract

用于这样元件的阵列中的光学元件构形成一个截短的对称实体结构，这种结构具有光输入面，光输出面和从光输入面到光的输出面向内缩小的侧面。输入光的一部分被输出，而输出光的角度分布随所说的比例和锥形角度而变化。根据视角，反差和THROUGHPUT确定的最佳的几何形状对应于输出面的面积的比例，其范围约在0.1和0.3之间，相对于结构轴的锥形角度其范围约在7.5度到17.5度之间。

Description

在显示装置内的光学元件 阵列中用的光学元件
视屏装置，例如直接光，正面光，静止正面光和背光视屏装置使用了包括连续相邻光学元件的阵列。这种类型的阵列装置在已转让的待批的申请号086414的美国申请中说明并限定了专利范围，该申请由Scott Zimmerman等人在1993年7月1日申请。
光学元件必须具有特定的几何特性，以提供所需的视屏参数，包括输出光和反射环境光之间的反差，所希望的作为输出光输出部分所占输入光的比例(THROUGHT)及所要的输出光的角度分布(SIGMA)。对于这种范围的微光元件，通常由实质上对称的截短的梯形实体构成。这些梯形实体具有光输入面，光输出面及从光输入面到光输出面向内缩小的锥形侧面。
而且，已发现前面所述的反差，THROUGHT和SIGMA特性随光的输出面积同光的输入面积(ARPT)之比的变化而变化，并随实体结构的锥形侧面同实体结构中的线间的角度θ的变化而变化。
所以，本发明的目的是提供一光学元件，它具有同上述相符的最佳的几何特性。
本发明考虑一种光学元件，它用于包含有一个光输入面和一个光输出面的截短的对称实体结构这样元件的阵列中。所选定的光输入面和光输出面的面积不同。光的输出面的面积同光的输入面的面积之比(ARAT)在所选择范围内变化。结构的侧面以所选定范围内的角度(θ)从光的输入面到光的输出面向内缩小。在光元件输出的光和从阵列上反射的光之间的反差随所说的比例(ARAT)变化而变化。光元件输出的进入光的百分比(THROUGHPUT)和输出光的角度分布(SIGMA)随所说比例(ARAT)和所说角度(θ)变化而变化。
图1到图6是举例说明按照本发明构成的光学元件的几何特性。
图7到图8举例说明视角和强度之间关系的曲线。
图9举例说明THROUGHPUT随比率(ARAT)和角度(θ)变化的曲线。
图10举例说明SIGMA随比率(ARAT)和角度(θ)变化的曲线。
本发明公开了基于对称梯形(或接近梯形)几何形状的3维光学元件，此几何形状例如可用于这样的元件阵列。图1所示的数字2表示了基本二维的梯形结构。由这种二维结构可构成大量三维实体。一个特殊的例子是图2中4所示直角园锥形部分，它通过围绕二等分线段d和w的轴，旋转图1的梯形2而得到。其它的形状包括直角对称角锥体6(如图3所示)。实际上，可形成如图4所示的园形直角对称角锥体结构8，其结构的侧面可以是如图2-4所示的直线，或者是如图6所示结构10那样的曲线。
由2个参数项来确定这些结构：(1)同结构的中心线的角度θ，(2)由直径d对直径w之比的平方所定义的参数，即d2/w2，如图2所示称作ARAT。
本发明所指的由如上所述的基本对称的结构得到的三维光学元件的光学性质。此光学元件的特征在于折射率n。且元件通常放置在低折射率nm的介质中。典型地，元件的折射率可以是no＝1.3-1.7。特别方便的值为no＝1.5。周围的介质可以是空气，其折射率nm＝1，亦可以是折射率nm＜no的其它材料，最好是no-nm＞0.1。
根据光线的光学原理，如图1-4中所示的光学元件中的光线，在遇到周围介质的表面时，如果相对于垂直于表面的法线的入射角超过临界角θ0＝arc sin(no/nm)，通过全反射现象，则从表面反射，而如果入射角小于临界角，则光线能够折射并进入周围介质。同中心轴成某角度进入元件的基部的光线可以多次遇到边界。对这种光线可发生3种情况：(1)它可以被折射到元件之外；(2)它可以从元件的顶部出去(可以用同入射角不同的角度)；(3)它亦可以向后反射并从基部出去。关于这一点，参考图5，其中结构4是作为例子而被显示。这种截短的园锥形和角锥形光学元件的光学特性对本领域技术人员来说是公知的，任何不作进一步叙述。
本发明涉及上述截断对称实体圆锥形和角锥形元件阵列在转换光束的角度分布方面的特性。特别是，本发明通过全反射把接近平行的光转换成具有宽角度范围分布的光。关于这一点，光吸收元件(黑)12可安排到光学元件的顶部周围，如图2中所说明的那样。这样出现一阵列的视区，该区是光吸收遍及没有被各个光学元件出口区复盖的区域。这种结构通过提供无反射面，在此区域提供高反差，关于这一点，参考前面所述的待批的U.S序号为086,414的申请。
对许多申请，重要的具体光学性质是：(1)THROUGHPUT(或传播)；(2)角度分布；以及可选择性(3)反差。为了说明效果，这些性质将在下面作定量描述。
THROUGHPUT是入射到光学元件的基部，从顶部出去的光线的比率。
视角指数(SIGMA)是光通量(每个立体角度的光量)角度分布的量度。为了实现定量化，在此定义sinφ的均方根值。在这里φ是沿适当的轴，从结构的中心轴所测量的视角。视角指数是在0到1之间的数，视角指数0对应于完全平行光。从朗伯发射器发射到半球中的视角指数是0.5。为了说明起见，对定义的基本二维梯形结构沿着平面方向的视角已经被实验。
反差是光学元件的底面和顶面面积之间相对于底面面积的简单差，因此，其值等于1-ARAT。
如上所述的光学结构的某些一般光学特性已通过现有技术被测定。而且，已经发现各种形状的光学元件其特征在于参数(ARPT)和(θ)的某个特定的值。所能构成的阵列，具有惊人的THROUGHPUT；视角指数及对比度(可选择)。而且还发现，这些元件的阵列可用于组成各种光学视屏，包括液晶显示和投影显示。
为了举例说明本发明的特点，一个由梯形形成的对称角锥体光学元件，其特征在于已考虑到在空气(nm＝1.0)中折射率no＝1.5。光线以随机输入位置通过底层沿输入方向入射到元件基底上的光线的特征在于具有±10°以上(在空气中)均匀角度分布。
利用计算机编程上熟练的技术人员所开发的计算机程序。对10000光线，平均THROUGHPUT，视角指数和反差，作为几何参数ARAT和θ的函数而被确定。然后，THROUGHPUT，视角指数和反差的结果被确定。在θ＝15°，ARAT＝0.18时，其值的最大值约为0.35，这时显示了反差，视角指数和THROUGHPUT的特别的组合，而并没有发现其它的最大值。
当7.5°≤θ≤17.5°，0.1±ARAT≤0.28时，所计算出的结果维持在它的最大值的75％左右。当θ和ARAT超出此范围时，结果较小。当θ＝13°，ARAT＝0.16时，所计算出光学特性是反差＝0.84，THROUGHPUT＝0.83而视角指数＝0.46。这样的组合值是在适用于液晶显示器的范围内。
上面例子说明仅对某些几何形状，使截短的对称实体光学结构的阵列能同时产生满足视屏应用的THROUGHPUT，视角和反差，这些，就是本发明的目的。
本发明的特点在图7-10中用图形来说明。
图7和8显示视角和强度曲线，分别对应于所述类型的光学元件出口光的小角度分布(图7)和出口光的大角度分布(图8)。
图9显示THROUGHPUT对各种ARAT和角度θ的曲线。图11显示了光线的角度分布对不同的ARAT和角度θ的曲线。
根据本发明的上述见解，参考这里所附的权利要求书，以确定本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于包含光学元件阵列的显示装置中的这种类型的光学元件，其特征在于，它包括：
一个截短的对称实体结构，它包含光输入面和光输出面；
光输入面和光输出面具有不同的选定面积；
光输出面面积对光输入面面积之比其范围大约在0.1和0.3之间；
一个截短的对称实体结构，具有从光输入面到光输出面以一角度向内缩小的锥形侧面，其角度范围约为7.5度到17.5度之间；和
离开光输出面的进入到光输入面的部分光，及离开光输出面的光的角度分布随所说的比例和所说的角度的变化而变化。
2.根据权利要求1所说的光学元件，其特征在于：
截短的实体对称元件具有矩形的截面。
3.根据权利要求1所说的光学元件，其特征在于：
截短的实体对称元件具有园形截面。
4.根据权利要求1所说的光学元件，其特征在于：
截短的实体对称元件有直侧边。
5.根据权利要求1所说的光学元件，其特征在于：
截短的实体对称元件有弯曲侧边。
6.根据权利要求1所说的光学元件，其特征在于：
光输入面和光输出面是平行面。
7.根据权利要求1所说的光学元件，其特征在于：
离开光输出面进入到光输入面的部分光随所说的比例和所说的角度的变化而变化。而离开光输出面的光的角度分布随所说的比例和所说角度而变化。
8.一种用于包含光学元件阵列的显示装置中的这种类型的光学元件包括：
一个截短的对称实体结构，包括光输入面和光输出面，具有的折射率大约在1.4到1.75之间；
光输入面和光输出面所选定的面积不同；
光输出面面积对光输入面面积之比，其范围大约在0.1和0.3之间；和
一个截短的对称实体结构，具有从光输入面到光输出面以一角度向内缩小的锥形侧面，其相对于对称实体结构的轴的角度范围约为7.5度到17.5度之间。
9.根据权利要求8所说的光学元件，其特征在于：
截短的对称实体结构是一直角对称角锥体。
10.根据权利要求8所说的光学元件，其特征在于：
截短的对称实体结构是一段直角圆锥体。
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