CN115373174A - 指向性背光式显示装置 - Google Patents

指向性背光式显示装置 Download PDF

Info

Publication number
CN115373174A
CN115373174A CN202110553127.6A CN202110553127A CN115373174A CN 115373174 A CN115373174 A CN 115373174A CN 202110553127 A CN202110553127 A CN 202110553127A CN 115373174 A CN115373174 A CN 115373174A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
image
backlight display
display panel
light source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110553127.6A
Other languages
English (en)
Inventor
陈锡勋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
E Lead Electronic Co Ltd
Original Assignee
E Lead Electronic Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by E Lead Electronic Co Ltd filed Critical E Lead Electronic Co Ltd
Priority to CN202110553127.6A priority Critical patent/CN115373174A/zh
Publication of CN115373174A publication Critical patent/CN115373174A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
    • G02F1/133605—Direct backlight including specially adapted reflectors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/24—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type involving temporal multiplexing, e.g. using sequentially activated left and right shutters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
    • G02F1/133606—Direct backlight including a specially adapted diffusing, scattering or light controlling members
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
    • G02F1/133606—Direct backlight including a specially adapted diffusing, scattering or light controlling members
    • G02F1/133607—Direct backlight including a specially adapted diffusing, scattering or light controlling members the light controlling member including light directing or refracting elements, e.g. prisms or lenses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

本发明公开一种指向性背光式显示装置，其背光源包含光源模块、反射式窄角扩散片，该反射式窄角扩散片上有多个微曲面镜组成的阵列，该反射式窄角扩散片反射该光源模块的光线并将该光线以一窄扩散角均匀光束投射。背光式显示面板置于该光线投射的路径上，该背光式显示面板显示的一影像通过该光线投射到眼盒，该影像的每一个像素对应到该反射式窄角扩散片上至少一个微曲面镜，穿透每一该像素的光线都能均匀扩散到该眼盒，该背光式显示面板的所有该像素所扩散的区域皆重叠于该眼盒。

Description

指向性背光式显示装置
技术领域
本发明是将光源投射到反射式窄角扩散片上，利用微曲面镜阵列将反射光朝向一设定方向与窄角度扩散的特性，来产生均匀的指向性光束，作为指向性背光式显示器的背光源。
背景技术
TFT-LCD面板(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display Panel)是最常见的背光式显示面板，其一般的结构如图1所示，有一外部背光源91，两片平行的玻璃基板(Glass Substrate)之间设置液晶92(Liquid Crystal)分子层，两边外侧有两个偏振方向互相垂直的偏振滤光片93(Polarizer)，位于下方的玻璃基板设置薄膜晶体管94(Thin-Film Transistor,TFT)，位于上方的玻璃基板设置彩色滤光片(Color Filter,CF)，从改变TFT上的信号所产生的电场来控制液晶分子的转动方向，背光源的光线通过第一个偏振滤光片，其偏振方向和第二个偏振滤光片垂直，因此被阻挡下来，如果通过第一个偏振滤光片的光线被液晶分子旋转而改变偏振方向，那么光线就可以通过第二个偏振滤光片，显示像素点设定的亮度与颜色。
如图2所示，一个理想的指向性液晶显示器96(LCD)，液晶屏幕上的每一个像素所散发的光线都必须能达到为观赏者所设定的眼盒Z的整个区域，而且亮度都是均光。也就是说，眼盒Z中的任一点都能获得从液晶屏幕每一个像素发出来的光线，而且亮度也是均光。因此，只要观赏者的眼睛在眼盒里就都可以看到完整的影像；若是眼睛在眼盒的范围外，就完全看不到影像。
液晶显示器的液晶面板上的每一个像素(Pixel)，通常由红绿蓝(RGB)三种颜色的子像素(Sub-Pixel)所构成，通过电场强度控制子像素中的液晶分子旋转角度，便可控制通过子像素的光强度，每一像素通过控制红绿蓝这三个颜色光强度比例，以决定最后所呈现的像素亮度与颜色；但是每一个子像素也相当于一个狭缝，穿透每一个子像素的光线有可能产生绕射现象。如图3A所示，当狭缝宽度W1远大于光波长λ，绕射现象不明显，如图3B所示，当狭缝宽度W2越接近光波长λ，绕射现象越明显；而红绿蓝三种颜色子像素通常为长方形，如图4A所示，有一边为长边，而另一边为短边，将子像素的长边平行于图4A的图面的上下方向(即垂直方向)排列时，每一个子像素的短边对应水平宽度Wsph，每一个子像素的长边对应垂直宽度Wspv，因此在水平方向的绕射现象会比垂直方向明显，穿透液晶面板后的光线投射区域，会因为光线绕射而超出原本设定的投射区域之外，也就是在眼盒之外的水平方向也能看见影像，水平宽度Wsph越小就越严重。
液晶显示器(LCD)的背光源可以使用白炽灯泡、CCFL(冷阴极荧光灯)、EL(电致发光器)和LED(发光二极管)等可见光源，依光源分布位置不同则分为侧光式和直下式(底背光式)。
直下式(底背光式)是一个平板式的面光源，可以是一个连续均匀的面光源，如EL或平板荧光灯，也可以是一个由较多的点光源构成，如LED阵列。
LED背光源的优点在于光亮度均匀、使用寿命长、低电压驱动、不需要逆变器、颜色丰富色域宽广，因此成为液晶显示器主流背光源。
如图5A所示，LED阵列的直下式背光源，会在LED芯片上方加上导光板97(Lightguide)与扩散片98(Diffuser)来修正光线的射出方向与扩散角度，提高正面亮度并让光线均匀扩散。
由于前述的直下式背光源不具备指向性，当需要应用指向性的背光源时，例如投影机或抬头显示器(HUD)，则会在LED芯片上方加上杯型的准直镜99，如图5B所示，来增加光线利用率并提高射出光线的指向性。
如图6所示，背光源91为多个具有杯型准直镜的LED依纵向与横向排列而成的LED准直镜阵列背光源，以达到面光源的效果。
然而相邻两准直镜之间的间隔区域，会成为整个面光源中较暗的区块，每一个准直镜的中心与边缘也会有亮度上的差异，让面光源的亮度不均匀，而且准直镜发出的准直光束，无法在穿透过LCD屏幕的每一个像素时，将每一个像素的光线均匀扩散到眼盒的任一位置。
如图7所示，为了让LED准直镜阵列背光源所发射的光线能够均匀化，因此在TFT-LCD面板与准直镜阵列之间加上扩散片98让光线均匀扩散，然而其效果依然有限，无法形成完全均光的面光源，而且造成光线亮度衰减，导致功耗与温度升高。
如图8所示，反射式窄角扩散片已应用于将投影机(LCD或DLP或Laser)投影的影像反射扩散到观赏者的眼盒中，提高光线利用率，增加影像亮度。且投影的影像中的每一个像素的光线透过反射式窄角扩散片的反射与扩散之后，都能均匀扩散到眼盒的任一位置。
如图9A所示，反射式窄角扩散片上有多个微凹面镜21组成的阵列，以方形排列或六角蜂巢排列，每一个微凹面镜21的尺寸可以在2.5um～0.25mm之间。
每一微凹面镜21可以有相同或不同曲率与角度。
反射式窄角扩散片上的微凹面镜数量不拘，可以视分辨率与光路设计需求而调整，例如数十万个(480p：640×480＝307,200，720p：1280×720＝921,600)、数百万个(FHD：1920×1080＝2.073,600，2K：2560×1440＝3,680,400，4K：3840×2160＝8,294,400)，甚至更高。
如图9B所示，反射式窄角扩散片可以是平面，也可以是曲面，并在上述平面或曲面的其中一侧面具有多个微凹面镜21。
如图10A所示，一般的平面反射镜，表面平整光滑，入射光的入射角等于反射光的反射角，因此没有扩散的效果，所以光束的扩散角维持不变，观赏角度受限制。
如图10B所示，若是投影幕布的平面，为了要让各个角度的观赏者都能看到，因此需要宽广表面散射，投射在其平面上的光线会朝四面八方扩散(即，扩散角为θ1)，但也让观看到影像亮度大幅降低。
如图10C所示，而反射式窄角扩散片上的微凹面镜，能将入射光朝向一设定的方向以一设定的窄角度扩散，因此能将光线反射至所设定的方向，在扩散角θ2范围内大幅提升光线的亮度。
发明内容
本发明提供一种指向性背光式显示装置，包含：
一光源模块，投射一光线；
一反射式窄角扩散片，该反射式窄角扩散片上有多个微曲面镜组成的阵列，该反射式窄角扩散片反射该光线，并将该光线以一窄扩散角均匀光束投射；
一背光式显示面板，置于该光线由该反射式窄角扩散片投射至一观赏者的路径上，该背光式显示面板显示的一影像通过该光线投射到一投射区域(即是对应该观赏者一双眼眼盒)，该影像的每一个像素对应到该反射式窄角扩散片上至少一个微曲面镜，每一个像素的光线都能均匀扩散到该投射区域，所有像素点透过该反射式窄角扩散片调整该光线的投射角度与扩散角，使其所扩散的区域皆重叠在该投射区域，该背光式显示面板上数十万、数百万个像素点都有相同的扩散情形。
在这样的设置下，被反射式窄角扩散片反射的光线已经是以均匀扩散的方式投射到背光式显示面板，就不一定需要在光路上设置均光器。
该背光式显示面板上的每一个像素的颜色子像素，是以子像素的长边垂直于背光式显示面板的上下方向(即垂直方向)排列，可以减少水平方向的绕射现象，避免旁边的其他观赏者看见影像。
此外，反射式窄角扩散片的多个微曲面镜，可以是微凹面镜、微凸面镜或者微凹面镜与微凸面镜的组合，该反射式窄角扩散片可用以调整该投射区域的尺寸范围、观看亮度、角度位置。
此外，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间更包含一平凸柱状透镜或一双凸柱状透镜，将该光源模块原本圆形的投射光区整形为椭圆形，符合长方形眼盒的需求。
此外，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间更包含一平凸双曲透镜或一双凸双曲透镜，也就是在两个轴向都有曲率的透镜，将该光源模块原本圆形的投射光区调整为近似长方形的形状，更符合长方形眼盒的需求。
此外，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间更包含至少一个反射镜片，以此改变光路方向，让空间的运用更有弹性。
此外，该光源模块为一高瓦特数的LED、一LED阵列、一具有准直镜的LED或一具有准直镜LED的LED阵列。
此外，该投射区域的尺寸范围、观看亮度、角度位置可由该光源模块做调整。
此外，在该背光式显示面板显示的投射路径上更包含一凹面镜以及一挡风玻璃，载有该影像的该光线再经过该凹面镜与该挡风玻璃的反射放大，最后投射到该观赏者的该双眼眼盒。
本发明还提供一种指向性背光式裸视3D显示装置，包含：
一第一光源模块，投射一第一光线；
一第二光源模块，投射一第二光线；
一反射式窄角扩散片，该反射式窄角扩散片上有多个微曲面镜组成的阵列，该反射式窄角扩散片反射该第一光线与该第二光线并将该第一光线与该第二光线分别以一窄扩散角均匀光束投射；
一背光式显示面板，置于该第一光线与该第二光线由该反射式窄角扩散片投射至一观赏者的路径上，该背光式显示面板以时间多工的方式交替显示一左眼视差影像与一右眼视差影像，该第一光源模块与该第二光源模块交替投射该第一光线与该第二光线，该左眼视差影像通过该第一光线投射到对应该观赏者的左眼的投射区域(即一左眼眼盒)，该右眼视差影像通过该第二光线投射到对应该观赏者的右眼的投射区域(即一右眼眼盒)，投射该第一光线、该第二光线与显示该左眼视差影像、该右眼视差影像的时序同步，其中该第一光线与该第二光线交接之间有全暗时段，对应背光式显示面板的影像转换延迟，影像时序切换的时间小于人眼视觉暂留的时间，让该观赏者的左眼感觉持续看到该左眼视差影像，右眼感觉持续看到该右眼视差影像，在该观赏者脑海中呈现立体影像。该背光式显示面板上的每一个像素的颜色子像素，是以子像素的长边垂直于背光式显示面板的上下方向排列，可以减少水平方向的绕射现象，避免左眼看见右眼视差影像或右眼看见左眼视差影像。
此外，在该反射式窄角扩散片与两个光源模块之间更包含平凸柱状透镜或双凸柱状透镜，将该第一光源模块与该第二光源模块原本圆形的投射光区整形为椭圆形，符合长方形眼盒的需求。
此外，在该反射式窄角扩散片与两个光源模块之间更包含平凸双曲透镜或双凸双曲透镜，也就是在两个轴向都有曲率的透镜，将该第一光源模块与该第二光源模块原本圆形的投射光区整形为近似长方形的形状，更符合长方形眼盒的需求。
此外，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间更包含至少一个反射镜片，以此改变光路方向，让空间的运用更有弹性。
其中该第一光源模块与该第二光源模块为一高瓦特数的LED、一LED阵列、一具有准直镜的LED或一具有准直镜LED的LED阵列。
此外，左眼与右眼的该投射区域的尺寸范围、观看亮度、角度位置可由该光源模块做调整。
此外，在该背光式显示面板显示的投射路径上更包含一凹面镜以及一挡风玻璃，载有该左眼视差影像的该第一光线再经过该凹面镜与该挡风玻璃的反射放大，最后投射到该左眼眼盒，载有该右眼视差影像的该第二光线再经过该凹面镜与该挡风玻璃的反射放大，最后投射到该右眼眼盒。
本发明再提供一种指向性背光式双显示画面装置，包含：
一第一光源模块，投射一第一光线；
一第二光源模块，投射一第二光线；
一反射式窄角扩散片，该反射式窄角扩散片上有多个微曲面镜组成的阵列，该反射式窄角扩散片反射该第一光线与该第二光线并将该第一光线与该第二光线分别以一窄扩散角均匀光束投射；
一背光式显示面板，置于该第一光线与该第二光线由该反射式窄角扩散片投射至一第一观赏者与一第二观赏者的路径上，该背光式显示面板以时间多工的方式交替显示一第一影像与一第二影像，该第一光源模块与该第二光源模块交替投射该第一光线与该第二光线，该第一影像通过该第一光线投射到该第一观赏者双眼的一投射区域(即一第一眼盒)，该第二影像通过该第二光线投射到该第二观赏者双眼的一投射区域(即一第二眼盒)，投射该第一光线、该第二光线与显示该第一影像、该第二影像的时序同步，其中该第一光线与该第二光线交接之间有全暗时段，对应背光式显示面板的影像转换延迟，影像时序切换的时间小于人眼视觉暂留的时间，让该第一观赏者观看该第一影像的同时也让该第二观赏者观看该第二影像，且该第一观赏者无法看见该第二影像，该第二观赏者也无法看见该第一影像。该背光式显示面板上的每一个像素的颜色子像素，是以子像素的长边垂直于背光式显示面板的上下方向排列，减少水平方向的绕射现象，避免第一观赏者看见第二影像或第二观赏者看见第一影像。
此外，在该反射式窄角扩散片与两个光源模块之间更包含平凸柱状透镜或双凸柱状透镜，将该第一光源模块与该第二光源模块原本圆形的投射光区整形为椭圆形，符合长方形眼盒的需求。
此外，在该反射式窄角扩散片与两个光源模块之间更包含平凸双曲透镜或双凸双曲透镜，也就是在两个轴向都有曲率的透镜，将该第一光源模块与该第二光源模块原本圆形的投射光区整形为近似长方形的形状，更符合长方形眼盒的需求。
此外，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间更包含至少一个反射镜片，以此改变光路方向，让空间的运用更有弹性。
其中，该第一光源模块与该第二光源模块为一高瓦特数的LED、一LED阵列、一具有准直镜的LED或一具有准直镜LED的LED阵列。
其中，投射区域的尺寸范围、观看亮度、角度位置可由该光源模块做调整。
此外，在该背光式显示面板显示的投射路径上更包含一凹面镜，以及一挡风玻璃，载有该第一影像的该第一光线再经过该凹面镜与该挡风玻璃的反射放大，最后投射到该第一双眼眼盒，载有该第二影像的该第二光线再经过该凹面镜与该挡风玻璃的反射放大，最后投射到该第二双眼眼盒。
附图说明
图1为TFT-LCD面板结构的示意图。
图2为理想的指向性TFT-LCD显示器的示意图。
图3A、图3B为狭缝绕射现象示意图。
图4A、图4B为TFT-LCD面板的像素与颜色子像素排列结构示意图。
图5A、图5B为TFT-LCD的背光源的示意图。
图6为LED准直镜阵列背光源的示意图。
图7为TFT-LCD的LED准直镜阵列背光源均匀化的示意图。
图8为将反射式窄角扩散片应用于投影影像的示意图。
图9A、图9B为反射式窄角扩散片结构的示意图。
图10A、图10B、图10C为投影光线在不同反射面的扩散示意图。
图11为第一实施例的指向性背光的光路示意图。
图12A、图12B为第一实施例的TFT-LCD指向性背光式显示装置的示意图。
图13A、图13B、图13C为TFT-LCD显示面板置放位置的示意图。
图14A、图14B、图14C为第二实施例的TFT-LCD指向性背光式裸视3D显示装置的示意图。
图15A、图15B为第二实施例的使用示意图。
图16A、图16B、图16C为第三实施例的TFT-LCD指向性背光式双显示画面装置的示意图。
图17A、图17B为第三实施例的使用示意图。
图18为眼盒与投射光区的示意图。
图19为投射光区调整的示意图。
图20为投射光区调整的另一示意图。
图21为光源模块示意图。
图22A、图22B、图22C、图23A、图23B、图24至图27为眼盒示意图。
附图标记说明：1，11，12，101，102，103，104-光源模块；13，15-LED；14，16-LED阵列；19-光线扩散区域；2,20-反射式窄角扩散片；21,210-微凹面镜；3～TFT-LCD显示面板；31,32,33-像素；4-凹面镜；5-挡风玻璃；61-平凸柱状透镜；62-双凸柱状透镜；63-平凸双曲透镜；64-双凸双曲透镜；θ1，θ2-扩散角；G-影像；G1,G2-视差影像；G11-第一影像；G12-第二影像；L,L1,L2-光线；E1-左眼；E2-右眼；P,P1,P2-观赏者；RZ-投射光区；W1,W2-狭缝宽度；Wph-像素水平宽度；Wsph-子像素水平宽度；Wspv-子像素垂直宽度；Z-眼盒；ZL-左眼眼盒；ZR-右眼眼盒；Zp1-第一眼盒；Zp2-第二眼盒；Z1,Z2,Z3,Z4-投射区域；91-外部背光源；92-液晶；93-偏振滤光片；94-薄膜晶体管；95-彩色滤光片；96-液晶显示器；97-导光板；98-扩散片；99-准直镜。
具体实施方式
以下描述是将光线投射的方向定义为前方，以符合技术人员的通常理解。
如图11至图13所示的第一实施例，一种TFT-LCD指向性背光式显示装置，包含：
一光源模块1，投射一光线L；
一反射式窄角扩散片2，该反射式窄角扩散片2上有多个微凹面镜21组成的阵列，该反射式窄角扩散片2反射该光线L并将该光线L以一窄扩散角均匀光束投射，换言之，每一个微凹面镜21将该光线L反射后，反射的光线L会朝向一预定方向投射出一光线扩散区域。在其他实施例中，微凹面镜21也可以改为采用微凸面镜等其他形式的微曲面镜。
如图11所示，该光源模块1将该光线L投射到该反射式窄角扩散片2上，利用多个微凹面镜21将该光线L朝向一设定方向与窄角度扩散，来产生均匀亮度的指向性光源。
如图12A所示，一TFT-LCD显示面板3，置于该反射式窄角扩散片2反射该光线L之后投射至一观赏者的路径上，该TFT-LCD显示面板3显示的一影像G通过该光线L投射到一投射区域(即是对应该观赏者双眼的眼盒Z)，该影像G的每一个像素对应到该反射式窄角扩散片2上至少一个微凹面镜21。如图12B所示，每一个像素的光线都能均匀扩散到该眼盒Z，该影像G对应的所有像素点所扩散的区域皆重叠在设计距离下的该眼盒Z，该TFT-LCD显示面板3上数十万、数百万个像素点都有相同的扩散情形；如图4B所示，该TFT-LCD显示面板3上的每一个像素(Pixel)的颜色子像素(Sub-Pixel)，例如红绿蓝(RGB)子像素(Sub-Pixel)，是以子像素的长边垂直于背光式显示面板的上下方向排列，增加每一个子像素的水平宽度Wsph，减少水平方向的绕射现象，避免旁边的其他观赏者看见影像。
这样的情形下，眼睛只要在该眼盒Z里移动都可以看到完整的该影像G，若是眼睛在该眼盒Z的范围外，就完全看不到该影像G。
该反射式窄角扩散片2的任一微凹面镜21尺寸小于或等于影像G的任一个像素31，该反射式窄角扩散片2可用以调整该投射区域Z的尺寸范围、观看亮度、角度位置，如图13A所示，当该TFT-LCD显示面板3放置于该反射式窄角扩散片2的该微凹面镜21的焦距上，此时，该影像G的其中一个像素31是大于或等于上述的该光线扩散区域19，单一个该微凹面镜21投射到该一个像素31的光线L能够扩散到整个该眼盒Z。如图13B所示，当该TFT-LCD显示面板3放置的距离大于该微凹面镜21的焦距，此时，该影像G的其中一个像素31小于该微凹面镜21在此处的该光线扩散区域19，于是可搭配多个该微凹面镜21投射到该一个像素31的光线L能够扩散到整个该眼盒Z。如图13C所示，当该TFT-LCD显示面板3放置的距离小于该微凹面镜21的焦距，此时，该影像G的其中一个像素31大于该微凹面镜21在此处的该光线扩散区域19，单一个微面镜21投射到该一个像素31的光线L就能够扩散到整个该眼盒Z。类似地，即使单一个该微凹面镜21投射到该影像G的光线L的光线扩散区域19，是对应到多个像素，只要该影像G的范围仍然位于该反射式扩散片的反射光线中，就能够达成上述效果。因此，该TFT-LCD显示面板3的位置可以设置在该反射式窄角扩散片2(的反射路径)至观赏者双眼的眼盒Z之间的光线L的路径的任何位置。
一般的非指向性TFT-LCD使用的背光源，若以电磁波的能量的场型指向性来定义背光源的光场的指向性，非指向性背光源出光光场的FWHM(半峰全宽，Full Width at HalfMaximum)约在±30～±60°或更宽，即是扩散角约在±30～±60°或更宽，使得投射影像的可视角较广。
若是图11至图13所示的实施例的指向性背光式显示装置建构出的背光源，其背光源出光光场的FWHM约为±5～±10°或更窄，即是(窄)扩散角为约为±5～±10°或更窄，使得投射影像的可视角度狭窄化。然而，于本实施态样或其他实施态样中，并不限于用其他方式来定义窄扩散角的具体角度。
该TFT-LCD指向性背光式显示装置，更包含一凹面镜以及一挡风玻璃设置在该TFT-LCD显示面板3的前方的该光线L的路径，载有该影像的该光线再经过该凹面镜与该挡风玻璃的反射放大，最后投射到该观赏者的双眼的该眼盒Z。
如图14A、图14B、图14C所示的第二实施例，一种TFT-LCD指向性背光式显示装置，适用于形成裸视3D影像，包含：
一第一光源模块11，投射一第一光线L1；
一第二光源模块12，投射一第二光线L2；
一反射式窄角扩散片2，该反射式窄角扩散片2上有多个微凹面镜21组成的阵列，该反射式窄角扩散片2反射该第一光线L1与该第二光线L2并将该第一光线L1与该第二光线L2分别以一窄扩散角均匀光束投射；
一TFT-LCD显示面板3，置于该第一光线L1与该第二光线L2由该反射式窄角扩散片2投射至一观赏者P的路径上，该TFT-LCD显示面板3以时间多工的方式交替显示一左眼视差影像G1与一右眼视差影像G2，该第一光源模块11与该第二光源模块12交替投射该第一光线L1与该第二光线L2，如图14A所示，该左眼视差影像G1通过该第一光线L1投射到对应该观赏者P的左眼E1的投射区域(如图15A所示的左眼眼盒ZL)。如图14B所示，该右眼视差影像G2通过该第二光线L2投射到对应该观赏者P的右眼E2的投射区域(如图15B所示的右眼眼盒ZR)，投射该第一光线L1、该第二光线L2与显示该左眼视差影像G1、该右眼视差影像G2的时序同步，其中该第一光线L1与该第二光线L2交接之间有全暗时段，对应TFT-LCD显示面板3的影像转换延迟，影像时序切换的时间小于人眼视觉暂留的时间，人眼视觉暂留的时间约十五分之一秒，例如以频率60Hz交替显示左右眼画面，让左眼影格率(FPS)有30Hz，右眼影格率(FPS)也有30Hz，该观赏者P便不会察觉画面闪烁，就可以使用单一片该TFT-LCD显示面板3让该观赏者P的左眼E1感觉持续看到该左眼视差影像G1，右眼E2感觉持续看到该右眼视差影像G2，在该观赏者P脑海中呈现立体影像，当然也可以更高的频率交替显示左右眼画面，例如90Hz、120Hz，画面衔接就越细腻流畅。
如图4B所示，该TFT-LCD显示面板3上的每一个像素(Pixel)的颜色子像素(Sub-Pixel)，例如红绿蓝(RGB)子像素(Sub-Pixel)，是以子像素的长边垂直于背光式显示面板的上下方向排列，增加每一个子像素的水平宽度Wsph，减少水平方向的绕射现象，避免左眼看见右眼视差影像，或右眼看见左眼视差影像。
该左眼视差影像G1与该右眼视差影像G2可位于该TFT-LCD显示面板3上的相同区域或不同区域，该左眼视差影像G1与该右眼视差影像G2可以相同尺寸或不同尺寸。
如图15A所示，该TFT-LCD指向性背光式显示装置，更包含一凹面镜4，以及一挡风玻璃5，载有该左眼视差影像G1的该第一光线L1再经过该凹面镜4与该挡风玻璃5的反射放大，最后投射到对应该观赏者的左眼眼盒ZL的投射区域。如图15B所示，载有该右眼视差影像G2的该第二光线L2再经过该凹面镜4与该挡风玻璃5的反射放大，最后投射到对应该观赏者的右眼眼盒ZR的投射区域。
如图16A、图16B、图16C所示的第三实施例，一种TFT-LCD指向性背光式显示装置，适用于形成双显示画面，包含：
一第一光源模块11，投射一第一光线L1；
一第二光源模块12，投射一第二光线L2；
一反射式窄角扩散片2，该反射式窄角扩散片2上有多个微凹面镜21组成的阵列，该反射式窄角扩散片2反射该第一光线L1与该第二光线L2并将该第一光线L1与该第二光线L2分别以一窄扩散角均匀光束投射；
一TFT-LCD显示面板3，置于该第一光线L1与该第二光线L2由该反射式窄角扩散片2投射至一第一观赏者P1与一第二观赏者P2的路径上，该TFT-LCD显示面板3以时间多工的方式交替显示一第一影像G11与一第二影像G12，该第一光源模块11与该第二光源模块12交替投射该第一光线L1与该第二光线L2，该第一影像G11通过该第一光线L1投射到对应该第一观赏者P1的双眼的投射区域(即是图17A的第一眼盒Zp1)，该第二影像G12通过该第二光线L2投射到该第二观赏者P2的双眼的投射区域(即是图17B的一第二眼盒Zp2)，投射该第一光线L1、该第二光线L2与显示该第一影像G11、该第二影像G12的时序同步，其中该第一光线L1与该第二光线L2交接之间有全暗时段，对应TFT-LCD显示面板3的影像转换延迟，影像时序切换的时间小于人眼视觉暂留的时间，观赏者便不会察觉画面闪烁，就可以使用单一片TFT-LCD显示面板3让该第一观赏者P1观看该第一影像G11的同时也让该第二观赏者P2观看该第二影像G12，且该第一观赏者P1无法看见该第二影像G12，该第二观赏者P2也无法看见该第一影像G11。
如图4B所示，该TFT-LCD显示面板3上的每一个像素(Pixel)的颜色子像素(Sub-Pixel)，例如红绿蓝(RGB)子像素(Sub-Pixel)，是以子像素的长边垂直于背光式显示面板的上下方向排列，增加每一个子像素的水平宽度Wsph，减少水平方向的绕射现象，避免第一观赏者看见第二影像，或第二观赏者看见第一影像。
如图16B所示，该TFT-LCD指向性背光式显示装置，更包含一挡风玻璃5设置于该第一光线L1与该第二光线L2由该TFT-LCD显示面板3行进至该第一观赏者P1与该第二观赏者P2的路径之间，载有该第一影像G11的该第一光线L1投射至该挡风玻璃5，再经过该挡风玻璃5的反射，最后投射到该第一观赏者P1双眼的第一眼盒Zp1(如图17A所示)，载有该第二影像G12的该第二光线L2投射至该挡风玻璃5，再经过该挡风玻璃5的反射，最后投射到该第二观赏者P2双眼的第二眼盒Zp2(如图17B所示)，让该第一观赏者P1观看该第一影像G11的同时也让该第二观赏者P2观看该第二影像G12，且该第一观赏者P1无法看见该第二影像G12，该第二观赏者P2也无法看见该第一影像G11。
如图16C所示，该TFT-LCD指向性背光式显示装置，与图16B的实施态样相比更包含一凹面镜4在该TFT-LCD显示面板3与该挡风玻璃5之间。如图17A所示，载有该第一影像G11的该第一光线L1投射至该凹面镜4，经过该凹面镜4的反射放大，再投射至该挡风玻璃5，被该挡风玻璃5反射，最后投射到该第一观赏者P1双眼的该第一眼盒Zp1。如图17B所示，载有该第二影像G12的该第二光线L2投射至该凹面镜4，经过该凹面镜4的反射放大，再投射至该挡风玻璃5，被该挡风玻璃5反射，最后投射到该第二观赏者P2双眼的该第二眼盒Zp2，让该第一观赏者P1观看该第一影像G11的同时也让该第二观赏者P2观看该第二影像G12，且该第一观赏者P1无法看见该第二影像G12，该第二观赏者P2也无法看见该第一影像G11。
如图18所示，一般而言，该光源模块1最终产生的投射区域(即该眼盒Z)的需求通常为长方形，然而该光源模块1投射的该光线L所组成的一投射光区RZ并非长方形，通常为圆形，如此有部分超出该眼盒Z范围的该光线L是被浪费在光路上的。
如图19所示，为增加观看影像的亮度，提高投射光线的利用率，前述这些实施例，可以包含一平凸柱状透镜61或一双凸柱状透镜62位于该反射式窄角扩散片2与该光源模块1之间，将原本圆形的该投射光区RZ整形为椭圆形，符合长方形眼盒的需求。
如图20所示，为增加观看影像的亮度，提高投射光线的利用率，前述这些实施例，也可以包含一平凸双曲透镜63或一双凸双曲透镜64位于该反射式窄角扩散片2与该光源模块1之间，也就是在两个轴向都有曲率的透镜，将原本圆形的该投射光区RZ整形为近似长方形的形状，更符合长方形眼盒的需求。
此外，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间更包含至少一个反射镜片，以此改变光路方向，让空间的运用更有弹性。
如图21所示，前述这些实施例，其中该第一光源模块11与该第二光源模块12可以是一高瓦特数LED13、一LED阵列14、一具有准直镜的LED15或是一具有准直镜LED的LED阵列16，这些光源模块都可以在经过反射式窄角扩散片2反射之后产生指向性光源。
图22A至图27所示的多种实施态样，来说明如何设计或调整投射区域的尺寸范围、观看亮度、角度位置。
如图22A所示的实施态样中，一第一光源模块11投射一第一光线L1至一反射式窄角扩散片2，一TFT-LCD显示面板3上有三个像素31、32、33，该第一光源L1被该反射式窄角扩散片2上的微凹面镜21阵列反射扩散后穿透该TFT-LCD显示面板3的三个像素31、32、33，然后投射扩散到一第一投射区域Z1。于本实施态样中，第一投射区域Z1的尺寸范围即是眼盒Z的尺寸范围，只要眼睛在该第一投射区域Z1的范围内，都可以观赏到相同的该TFT-LCD显示面板3的三个像素31、32、33。
以图22A的第一投射区域Z1的尺寸范围为基础，建构出两倍尺寸的投射区域(即第一投射区域Z1加第二投射区域Z2)的眼盒Z时，可以采用如图22B的实施态样。相较于图22A的实施态样，图22B的实施态样是采用不同曲率与角度的微凹面镜210阵列的反射式窄角扩散片20，使该第一光线L1被该反射式窄角扩散片2所反射扩散后穿透该TFT-LCD显示面板3的三个像素31、32、33，然后投射扩散到该第一投射区域Z1与第二投射区域Z2的产生的眼盒Z的范围，只要眼睛在第一投射区域Z1与第二投射区域Z2的范围内，都可以观赏到相同的该TFT-LCD显示面板3的三个像素31、32、33。然而，这种方式等同于让第一光线L1的光源分散到眼盒Z的范围，会让观看的影像亮度减半。
若要以第一投射区域Z1的尺寸范围为基准建构出两倍尺寸的眼盒Z，也可以采用图22C所示的实施态样。于本实施态样，是采用与图22A的相同曲率的反射式窄角扩散片，并同时使用了第一光源模块11以及一第二光源模块12。该第一光源模块11投射一第二光线L1至该反射式窄角扩散片2，该第一光源L1被该反射式窄角扩散片2上的微凹面镜21阵列反射扩散后穿透该TFT-LCD显示面板3的三个像素31、32、33，然后投射扩散到对应该眼盒Z的该第一投射区域Z1。该第二光源模块12投射一第二光线L2至该反射式窄角扩散片2，该第二光源L2被该反射式窄角扩散片2上的微凹面镜21阵列反射扩散后穿透该TFT-LCD显示面板3的三个像素31、32、33，然后投射扩散到对应该眼盒Z的该第二投射区域Z2。如此一来，只要眼睛在该第一投射区域Z1与该第二投射区域Z2的范围内，都可以观赏到相同的该TFT-LCD显示面板3的三个像素31、32、33，而且影像亮度与图22A的实施态样相同，不会因为眼盒Z的尺寸加倍而使亮度减半。
使用多个光源模块对于同一片反射式窄角扩散片而言，就是增加多个不同角度的入射光线，每一个光源模块会在不同的角度产生扩散，因此，光源面积越小所扩散出的眼盒面积越小，光源面积越大所扩散出的眼盒面积越大。
如图23A与图23B所示的实施态样中，眼盒Z的尺寸范围是由相同尺寸的第一投射区域Z1与第二投射区域Z2组成，每一个投射区域Z1,Z2是由个别的光源模块所产出，详言之，两个投射区域Z1,Z2左右并排成该眼盒Z，一第一光源模块101对应形成一第一投射区域Z1，一第二光源模块102对应形成一第二投射区域Z2，只要眼睛在此眼盒Z内所看到的都是相同画面。该第一光源模块101与该第二光源模块102同时投射光线，相当于在眼盒Z中拥有两个光源的亮度。
如图24所示的实施态样中，眼盒Z是将四个投射区域左右连续并排而成，其中，一第一光源模块101对应形成一第一投射区域Z1，一第二光源模块102对应形成一第二投射区域Z2，一第三光源模块103对应形成一第三投射区域Z3，一第四光源模块104对应形成一第四投射区域Z4。如图25所示，当该第一光源模块101、该第二光源模块102、该第三光源模块103与该第四光源模块104同时投射光线，相当于在长型眼盒Z中拥有四个光源的亮度，且只要眼睛在此眼盒Z内所看到的都是相同画面。
如图26所示的实施态样中，眼盒Z是将四个投射区域排成一矩阵，一第一光源模块101对应形成一第一投射区域Z1，一第二光源模块102对应形成一第二投射区域Z2，一第三光源模块103对应形成一第三投射区域Z3，一第四光源模块104对应形成一第四投射区域Z4。如图27所示，当该第一光源模块101、该第二光源模块102、该第三光源模块103与该第四光源模块104同时投射光线，相当于在矩阵眼盒Z的投射区域拥有四个光源的亮度。
投射区域组合与排列形成眼盒尺寸的实施态样不限于此处所举的例子，可依需求做变化。

Claims (15)

1.一种指向性背光式显示装置，其特征在于，包含：
一光源模块，投射一光线；
一反射式窄角扩散片，该反射式窄角扩散片上有多个微曲面镜组成的阵列，该反射式窄角扩散片反射该光线并将该光线以一窄扩散角均匀光束投射；以及
一背光式显示面板，置于该光线被该反射式窄角扩散片投射的一路径上，该背光式显示面板显示的一影像通过该光线投射到一投射区域，该影像的每一个像素对应到该反射式窄角扩散片上至少一个微曲面镜，投射至每一该像素的光线都均匀扩散到该投射区域，该背光式显示面板的所有像素所扩散的区域皆重叠于该投射区域。
2.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该背光式显示面板上的每一个像素的颜色子像素，是以该子像素的长边垂直于该背光式显示面板的上下方向排列。
3.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间包含一平凸柱状透镜或一双凸柱状透镜，将该光源模块的投射光区调整为椭圆形。
4.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间包含一平凸双曲透镜或一双凸双曲透镜，将该光源模块的投射光区调整为近似长方形的形状。
5.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该光源模块包含一高瓦特数的LED、一LED阵列、一具有准直镜的LED或一具有准直镜LED的LED阵列。
6.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，在该路径上更包含一挡风玻璃，将该影像投射该投射区域。
7.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，在该路径上更包含一凹面镜，将该影像投射该投射区域。
8.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该反射式窄角扩散片用于调整该投射区域的尺寸范围、观看亮度及角度位置。
9.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该光源模块用于调整该投射区域的尺寸范围、观看亮度及角度位置。
10.如权利要求1所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，在该反射式窄角扩散片与该光源模块之间更包含至少一个反射镜片。
11.如权利要求1至10中任一项所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该光源模块的数量为多个，其中至少两个光源模块分别投射出一第一光线与一第二光线，该反射式窄角扩散片反射该第一光线与该第二光线，将该第一光线与该第二光线分别以该窄扩散角均匀光束投射；该背光式显示面板置于该第一光线与该第二光线被该反射式窄角扩散片投射的该路径上，该第一光线通过该背光式显示面板时将该影像投射到该投射区域，该第二光线通过该背光式显示面板时将该影像投射到另一投射区域。
12.如权利要求11所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该背光式显示面板所显示的影像一部分为一左眼视差影像，另一部分为一右眼视差影像。
13.如权利要求11所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该背光式显示面板以时间多工的方式交替显示一左眼视差影像与一右眼视差影像，该光源模块投射该第一光线与该第二光线分别与该背光式显示面板显示该左眼视差影像、该右眼视差影像的时序同步，其中该第一光线与该第二光线交接之间有全暗时段，对应背光式显示面板的影像转换延迟，影像时序切换的时间小于视觉暂留的时间。
14.如权利要求11所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该背光式显示面板所显示的影像一部分为一第一双眼影像，另一部分为一第二双眼影像。
15.如权利要求11所述的指向性背光式显示装置，其特征在于，该背光式显示面板以时间多工的方式交替显示一第一双眼影像与一第二双眼影像，该光源模块投射该第一光线与该第二光线分别与该背光式显示面板显示该第一双眼影像、该第二双眼影像的时序同步，其中该第一光线与该第二光线交接之间有全暗时段，对应背光式显示面板的影像转换延迟，影像时序切换的时间小于视觉暂留的时间。
CN202110553127.6A 2021-05-20 2021-05-20 指向性背光式显示装置 Pending CN115373174A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110553127.6A CN115373174A (zh) 2021-05-20 2021-05-20 指向性背光式显示装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110553127.6A CN115373174A (zh) 2021-05-20 2021-05-20 指向性背光式显示装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115373174A true CN115373174A (zh) 2022-11-22

Family

ID=84059282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110553127.6A Pending CN115373174A (zh) 2021-05-20 2021-05-20 指向性背光式显示装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115373174A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220365361A1 (en) Directional backlight
EP4124795B1 (en) Wide angle imaging directional backlights
US9225971B2 (en) Temporally multiplexed display with landscape and portrait operation modes
US8714804B2 (en) Backlight assembly and display apparatus having the same
US9507159B2 (en) Light source device and stereoscopic display apparatus
KR102117220B1 (ko) 지향성 백라이트
US9081196B2 (en) Display apparatus
US7742123B2 (en) Color-filterless LCD
RU2746983C2 (ru) Устройство отображения с управлением направлением выхода, задняя подсветка для такого устройства отображения и способ направления света
US10649131B2 (en) Display device and head-mounted display
JP7189294B2 (ja) 指向性バックライト型表示デバイス
EP4359862A1 (en) Illumination apparatus
US20120242931A1 (en) Three-Dimensional Stereoscopic Display Apparatus
JP4483233B2 (ja) 面光源及び液晶表示装置
US9933556B2 (en) Backlight device and display device having the same
CN115373174A (zh) 指向性背光式显示装置
DE102021113083A1 (de) Gerichtete, hintergrundbeleuchtete Anzeigevorrichtung
JP2011076118A (ja) 表示装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination