CN1664628A - 具有光提取点的光学元件和利用此光学元件的显示装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学元件和一种组合有该光学元件的显示装置。光学元件包括：板元件，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；和施加在第一表面上的光提取点的喷射状图案。每个光提取点有一个与第一表面及过渡区相交的部分球面，过渡区位于部分球面和第一表面之间。过渡区包括从部分球面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。

Description

具有光提取点的光学元件和 利用此光学元件的显示装置
发明背景
本发明总的涉及一种光学元件，并涉及一种利用该元件的液晶显示装置(LCD)。
LCD装置被广泛的用在个人通讯设备、如移动电话、个人电脑和家庭电器应用。要对LCD照明，已知的方式有背照明和前照明。背照明优于前照明之处在于它为显示器提供更好的外观。对提高背照明亮度的先进技术的需求仍然存在。为了提高亮度，提出了几个建议。第一，提出了采用亮度增强的光源。第二，提出了采用光学膜等。第三，提出了采用亮度增强的光导板。这些建议中的一些如下：
JP02-241590A揭示了一种包含光导板的发光板组件。光导板具有第一表面、与第一表面相对的第二表面以及形成在第一表面上的白色形状的印刷图案。白色形状在光导板的不同区域中比例和/或大小可以变化，以便提供均匀的光输出分布。通常，光穿过光导板的量在接近光源的区域比远离光源的其它区域要大。该白色图案用于通过提供随离开光源距离的增大而白色形状的密度增大来调节光量的差异，由此由光导板产生更均匀的光输出分布。
JP06-265731A揭示了一种包含光导板的发光板组件。该光导板具有第一表面、与第一表面相对的第二表面以及圆形浅凹陷图案。该圆形浅凹陷图案在光导板的不同区域中可以有直径和/或深度的不同。该图案用于通过提供随离开光源距离的增大而圆形浅凹陷体积更大来调节穿过光导板的光量的差异，由此由光导板产生更均匀的光输出分布。
JP10-268138A揭示了一种包含光导板的发光板组件。该光导板具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。第一表面连结一个包含棱镜阵列的膜，在第二表面上形成另一个棱镜阵列。
通过在光导板的后表面上提供铸模图案而产生光提取缺陷、如点、棱镜、部分球体、圆柱、方形小柱、锥形物或角锥。为减少或消除光输出不均匀性而进行的调节期间，提供铸模图案需要金属模具永久的改型。因此，铸模图案不能恢复先前的图案。例如，点图案可以直接模制在金属模具上，或者可以通过蚀刻模制在金属模具上。
图10是制造点图案103的示意图，其利用直接有点图案的金属模具在与光导板100形式的光学元件的光输出表面101相对的后表面102上提供模制的图案。每个点103有一个与后表面102和过渡段104相交的球形透镜表面103a，过渡段104处于球形透镜表面103a和后表面102之间。由于制造金属模具期间的卷翘，过渡区104不可避免地包含从球形透镜表面的角取向到后表面的角取向之间不连续和不规则的角结构。如图10中箭头所示，过渡区104散射一部分以理想的视轴入射到过渡区104的光线，并由此降低了轴向亮度。
图11是制造点图案103的示意图，其利用具有蚀刻形成的点图案的金属模具在与光导板100形式的光学元件的光输出表面101相对的后表面102上提供模制的图案。每个点103有一个与后表面102和过渡段104相交的球形透镜表面103a，过渡段104处于球形透镜表面103a和后表面102之间。因为蚀刻不能制造出达到理想的平滑水平的金属模具表面，所以球形透镜表面103a和过渡区104不可避免地包含不连续和不规则的角结构。如图11中箭头所示，球形透镜表面103a和过渡区104散射以理想的视轴入射到球形透镜表面103a和过渡区104上的光线，并由此降低了轴向亮度。
图12是制造点图案103的示意图，其利用丝网印刷在与光导板100形式的光学元件的光输出表面101相对的后表面102上提供模制的图案。用于丝网印刷的墨水105包含珠粒106。如图12中箭头所示，珠粒106散射以理想的视轴入射的光线，并由此降低了轴向亮度。
为通过有效利用光线而增强轴向亮度的尝试包括点图案模具和/或印刷图案。但这些尝试都被证明不是完全令人满意的。
发明概述
根据本发明的一个方面，显示装置包括：显示板；光源；和光学设置在光源和显示板之间的光学元件。光学元件包括一个具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的板元件，以及多个施加在第一表面上的光提取点。每个光提取点有一个与第一表面及过渡区相交的曲面，其中过渡区位于曲面和第一表面之间。过渡区包括从曲面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。
根据本发明的另一方面，光学元件包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的板元件；和多个施加在第一表面上的光提取点。每个光提取点有一个与第一表面和过渡区相交的曲面，其中过渡区位于曲面和第一表面之间。过渡区包括从曲面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。
根据本发明的另一方面，光学元件包括：
板元件，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；和
施加在第一表面上的光提取点的喷射状图案，每个光提取点有一个与第一表面及过渡区相交的部分球面，过渡区位于部分球面和第一表面之间，
过渡区包括从部分球面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。
附图简述
在下列附图中：
图1是根据本发明的一个优选实施例构成的光学元件的截面图；
图2是根据本发明另一优选实施例构成的光学元件的截面图；
图3是根据本发明另一个优选实施例构成的光学元件的截面图；
图4是根据本发明另一优选实施例构成的光学元件的截面图；
图5是图1所示光学元件的部分放大平面图；
图6是根据图1所示实施例采用的LCD装置的截面图；
图7是根据图2所示实施例采用的LCD装置的截面图；
图8是根据图1和图3所示实施例采用的LCD装置的截面图；
图9是制造图1所示光学元件的方法框图；和
图10～12是根据现有技术的光学元件截面图。
优选实施例的详细描述
下面参见附图进行详细的描述。首先参见图1，图中示出了根据本发明的光学元件1的一种形式。为了适合在LCD装置中设置光导板的应用，光学元件1以LCD的形式设置在光源和显示板之间。光学元件1包括一个光导板50的形式的板元件，光导板50有一个第一或后表面3以及一个与第一表面3相对的第二或光输出面2。在此使用的“板元件”指发光板元件、光导、偏振膜、光学片等。光学元件1还包括多个施加到第一表面3的光提取点4。每个光提取点4有一个与第一表面3及过渡区6相交的曲面5，过渡区位于曲面和第一表面3之间。过渡区6包括从曲面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。平白地说，过渡区6在表面的角取向上没有任何杂乱。
光提取点4通过设置喷射状图案而产生。在此使用的术语“喷射状图案”指通过喷射实现的图案。光提取点4可以通过改变喷嘴的喷射高度、喷射压强、喷射量、喷射次数或喷射材料的粘滞度来改变大小和/或形状。光提取点4可以用于控制从板元件50的任何区域发射的光的百分比。例如，可以将较少和/或较小的光提取点4放置在希望光输出较少的区域上。相反，可以将更大比分比和/或更大的光提取点4放置在板元件50上希望光输出更多的区域。
必须改变板元件不同区域中光提取点的百分比和/或大小以提供均匀的光输出分布。例如，在更接近光源的区域中穿过板元件的光量多于其它较远离光源的区域中穿过板元件的光量。光提取点4的图案可以用于通过提供随离开光源距离的增大而密度增大的光提取点来调节板元件50内的光差异，由此由板元件50产生更均匀的光输出分布。光提取点50的密度可以通过改变X-Y表中进光方向上的间距或改变喷嘴之间的间距以改变X-Y坐标系中光提取点4之间的间距来改变。
通过改变对进光方向上的间距和/或喷嘴之间的间距的指示，可以控制光提取点4的喷射状图案，并且可以快速实现任何一种理想的光提取点4的喷射状图案。
可以改变光提取点4的喷射状图案，如球形点、椭圆形点、三角形点、多边形点。喷射状图案的每个点的面积可以充分地小，每个单元的线条宽度可以很细，从而使得在具体应用中喷射状图案中的点4对于人眼几乎不可视，由此消除对于利用较大点的光提取图案很常见的梯度和镶边线条的检测。另外，可以改变点4的形状和/或沿板元件的长度和/或宽度的大小。还可以利用点在板元件的整个长度和/或宽度上的随机设置图案。而且可以对点着色以便进行板元件的颜色校正。也可以改变整个板元件上的点的颜色，以便例如对相同或不同的光输出区提供不同的颜色。
由单次喷射施加到光导板50上的材料滴形成具有部分球形凸起表面的点。可以通过对光导板50上的相同位置重复喷射以施加材料滴来改变点的大小。点的大小也可以通过改变喷嘴高度、喷射压强或喷射材料的粘滞度来改变。点的大小可以随光导板50的吸湿性而变化。
点的形状可以通过对相邻位置或多个位置重复施加材料滴来改变，如部分球状点、椭圆形点、三角形点或多边形点。
可以用任何类型的透明发光材料制作光导板50，如丙烯酸或聚碳酸酯树脂。基本树脂型的透明粘附材料可以用于光提取点4。
在产品的整个寿命期间要求点4和光导板50之间紧密地连结，由此消除对利用光提取点有松离的光导板的光提取图案很常见的针孔的检测。
点4的部分球形凸起表面可以随用作材料的树脂的表面张力而改变，由此使得选择适合于应用的合适材料并控制选取树脂的粘滞度显得很重要。
点4可以通过选择合适的树脂作为适合于所需颜色的材料来着色。选择合适的树脂应该考虑到点的反射效率。
点4可以用于控制发射光的输出光线角分布，以适于设置LCD背光的具体应用。在此情况下，如果点4促使光线以预定的射角从光导板50发射、使得光线以很低的损耗通过LCD，则光输出将会更有效。经光导板50从第一表面3出射的光线遇上点4。光线被点4折射及反射成以预定的射角从光导板50出射。改变点4的材料可以改变折射率，由此改变光输出的亮度。因此希望点4采用具有某一种折射率的树脂以提供更量的光输出。
点4的直径可以随板元件50、如光导板或偏振膜的吸收性而改变。例如，可以在较低吸收性的板元件50上放置较小直径的点4。相反，可以在较高吸收性的板元件50上放置较大直径的点4。点4直径的改变导致被点4反射的光输出的改变。因此希望对板元件50、如光导板或偏振膜采用具有导致点4提供更有效的反射的吸收性的材料。
例如如果将点施加在板元件50上之后用紫外线(UV)固化用于点4的树脂，则点4的部分球形凸起表面的形状会随UV线的量和/或波长而改变。因为与点4的部分球形表面的接触角导致反射效率的变化，所以希望在合适的条件下进行UV固化。
参见图2，图中示出了根据本发明的光学元件1a的另一种形式。光学元件1a与图1中所示光学元件1的基本相同之处在于对光导板50形式的板元件的第一表面3施加第一光提取点4的喷射状图案。但光学元件1a与光学元件1的不同之处在于它还包括施加到光导板50的第二或光输出面2的第二光提取点4a的喷射状图案。每个第二光提取点4a有一个与第二表面2及过渡区6a相交的第二曲面5a，其中过渡区6a位于第二曲面5a和第二表面2之间。第二曲面5a可以是凸起的部分球面的形式。多个第二光提取点4a中每个的过渡区6a包括从第二曲面角取向到第二表面角取向基本上连续的角结构。
再参见图4及图2，从图中由第一光提取点4指导的光线的箭头可以很容易地指导，每个第二光提取点4a定位成接收被其中一个第一光提取点4导向的光线。
在图2所示的光学元件1a的形式中，被第一光提取点4导向的光线在垂直于光输出面的方向从背面3向光输出面2内侧进入光导板50形式的板元件。第二光提取点4a布置成相对于正交于光输出面2的方向与第一光提取点4对齐。
图4表示另一形式的光学元件1b，其基本上与图2所示的光学元件1a相同，除了第一和第二光提取点4和4a之间的位置关系之外。在图2所示的位置关系中，第二光提取点4a布置成相对于正交于光输出面2的方向与第一光提取点4对齐。因为与图2所示的关系不同，第二光提取点4a布置成与相对于正交于第二表面的方向不与多个第一光提取点对齐。
参见图3，图中示出了根据本发明另一形式的光学元件1c。光学元件1c与图1所示光学元件1的基本相同之处在于对板元件15的第一表面3施加光提取点4b的喷射状图案。但光学元件1c与光学元件1的不同之处在于板元件为形成有多个开口14的偏振膜15的形式，并且光提取点4b覆盖开口14。每个光提取点4b有一个与第一表面2及过渡区6相交的曲面5，过渡区6位于曲面5和第二表面2之间。曲面5为凸起的部分球面，将入射到其上的光线(见箭头)导入到相关的一个开口14上。多个光提取点4b中每个的过渡区6包括从曲面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。
参见图5，图中示出了光提取点4(或4b)的喷射状图案的一个实例。在此实例中，光提取点4的喷射状图案提供了一个透镜阵列。
参见图6，图中示出了液晶显示装置(LCD)10的一种形式，其中光学元件1(见图1)以一种公知的方式光学设置在发光二极管(LED)形式的光源12和包含液晶12及彩色滤光片18在内的显示元件之间，而液晶12及彩色滤光片18夹置在玻璃板16和19之间。LCD装置10包括一个对着光导板50的第一表面3放置的反射器11和一个对着光导板50的第二表面2放置的光学片13。LCD装置10还包括位于光学片13和玻璃板16之间的偏振膜15以及其它玻璃板19上的另一偏振膜20。偏振膜15形成有多个开口14。
参见图7，图中示出了液晶显示装置(LCD)10a的另一种形式，其中光学元件1a(见图2)以一种公知的方式光学设置在发光二极管(LED)形式的光源12和包含液晶17及彩色滤光片18在内的显示元件之间，而液晶17及彩色滤光片18夹置在玻璃板16和19之间。LCD装置10包括一个对着光导板50的第二表面2放置的偏振膜15和另一玻璃板19上的另一偏振膜20。偏振膜15形成有与第二光提取点4a对齐的多个开口14，以便允许来自第二光提取点4a的光线通向玻璃板16。可以理解，第二光提取点4a的设置取消了对图6中使用的光学片13的利用。
参见图8，图中示出了液晶显示装置(LCD)10b的另一种形式，其中光学元件1(见图1)和光学元件1c(见图3)以一种公知的方式光学设置在发光二极管(LED)形式的光源12和包含液晶17及彩色滤光片18在内的显示元件之间，而液晶17及彩色滤光片18夹置在玻璃板16和19之间。LCD装置10b包括一个对着光导板50的第一表面3放置的反射器11和对着光导板50的第二表面2放置的光学片13。包括偏振膜15在内的光学片1c设置在光学片13和玻璃板16之间另一偏振膜20设置在另一玻璃板19上。偏振膜15和其它玻璃板19上的另一偏振膜20。
在图9中，框图解释了图1所示光学元件60的制造方法。
在块62处，预处理光导板的过程起始于通过吹气清洁光导板的表面。随后，通过包括热处理在内的表面处理控制表面的吸收性，其中热处理是在一个温度低于60℃的池中进行。
在下一块64处，施加光提取点的喷射状图案的过程起始于在X-Y台上以第一或背面(3)超上地放置光导板。可以用真空或胶带将光导板固定到X-Y台。随后，通过利用CCD相机的图像识别或机械的方式将光导板四个角中的任何一个校正成与原版相符。利用墨水喷射将光提取点的喷射状图案施加到第一或背面(3)的图案区。
条件：
(a)关于树脂粘滞度变化的调节，如果利用喷墨施加粘滞度较大的树脂，则将直径较小且高度较大的点设置在图案区上，因为较大的粘滞度将通过表面张力造成更多的影响。因此，点可以通过调节喷射树脂的粘滞度变化来改变。当然，很希望树脂的粘滞度在施加光提取点的整个喷墨操作期间保持恒定。
(b)关于喷墨嘴位置变化的调节，希望将喷嘴的高度位置设置得低于或等于54.47微米以保持X-Y坐标系的精确度小于或等于1微米，因为喷射的角取向精确度。如果希望将X-Y坐标系的精确度保持为小于或等于5微米，则喷嘴位置的高度设置为低于或等于287.5微米。这可以利用关系式1°＝0.0174算出。利用喷嘴高度较高的喷墨在图案区上设置直径较小且高度较高的点。因此，点可以通过对喷嘴高度变化的调节来改变。当然，很希望喷嘴的高度在施加光提取点的整个喷墨操作期间保持恒定。
(c)关于喷墨施加树脂时的压强，如果在较高压强时通过喷墨施加树脂，则将直径较大、高度较低的点设置在图案区上。因此，可以通过调节压强的变化改变点。当然，很希望压强在施加光提取点的整个喷墨操作期间保持恒定。每次喷墨注入的树脂量最好保持恒定。
(d)关于喷墨墨滴数量变化的调节，如果在一个位置可以进行多次喷墨注入，则可以改变点的直径、高度和体积。因此，可以通过对一个位置喷墨注射次数的变化来改变点的形状。
(e)关于数据输入的间距和点，要求间距在馈进X-Y坐标台时的精确度较高，并且喷墨嘴之间间距的精确度也较高。例如可以通过随着离开光源的距离的增大提供较大的光提取点来改变点的大小以调节光导板之内的光差异，由此由光导板产生更均匀的光输出分布。光提取点大小的理想变化可以通过改变X-Y台馈进方向上的间距和/或改变喷嘴之间的间距、从而改变X-Y坐标系中光提取点之间的间距来实现。通过改变对馈进方向上的间距和/或喷嘴之间间距的指示，可以控制光提取点的喷射状图案，并且可以迅速实现任何一种理想的光提取点的喷射状图案。
继续参见图9，在块65，可以利用UV线或红外线执行光提取点的喷射状图案的固化过程。在对光导板上的图案区施加点之后，如果例如用紫外线(UV)固化点所用的树脂，则点的凸起的部分球面形状可以随UV线的剂量、波长和辐射时间变化。因为与点的部分球面的接触角导致反射效率的改变，所以希望在适当的条件下执行UV固化。
在狭义块68处，可以通过比较点的直径D与临界值D来执行对光提取点喷射状图案的测试过程。如果测试通过，则在块70处不发出警报。如果测试每通过，则在块72处发出警报。还可以比较点的高度与设立的临界值。
从前面的描述中可以了解到本发明的优点在于，包括从曲面角取向到第一表面角取向的基本连续的角结构在内的过渡区可以以理想的方向分布导引入射到点上的几乎所有的光线。
虽然已参考特定的优选实施例展示并描述了本发明，但在阅读和离解本说明书的基础上进行的等同替换和改型对于本领域的技术人员是显而易见的。本发明包括所有的这些等同替换和改型。本发明的范围由权利要求限定。

Claims (20)

1.一种显示装置，包括：
显示板；
光源；和
光学设置在光源和显示板之间的光学元件，
光学元件包括一个具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的板元件，以及多个施加在第一表面上的光提取点，每个光提取点有一个与第一表面及过渡区相交的曲面，其中过渡区位于曲面和第一表面之间，
过渡区包括从曲面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。
2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于板元件是一个光导板。
3.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于板元件是一个偏振膜。
4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于通过喷墨对第一表面施加多个光提取点。
5.如权利要求2所述的显示装置，其特征在于光学元件还包括多个施加到第二表面的第二光提取点，每个光提取点有一个与第二表面和过渡区相交的第二曲面，其中过渡区位于第二曲面和第二表面之间，
多个第二光提取点中每个的过渡区包括从第二曲面角取向到第二表面角取向基本上连续的角结构。
6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于多个第二光提取点中的每一个定位成接收被多个第一光提取点之一导向的光线。
7.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于被第一光提取点导向的光线在垂直于第二表面的方向从第一表面向第二表面向内进入板元件，并且多个第二光提取点布置成相对于正交于第二表面的方向分别与多个第一光提取点对齐。
8.如权利要求6所述的显示装置，其特征在于被第一光提取点导向的光线在相对于垂直于第二表面的方向有一角度的方向从第一表面向第二表面向内进入板元件，并且多个第二光提取点布置成相对于正交于第二表面的方向分别与多个第一光提取点不对齐。
9.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于光学元件还包括多个施加到第二表面的第二光提取点，每个光提取点有一个与第二表面及过渡区相交的第二曲面，其中过渡区位于第二曲面和第二表面之间，
多个第二光提取点中每个的过渡区包括从第二曲面角取向到第二表面角取向基本上连续的角结构。
10.如权利要求9所述的显示装置，其特征在于多个第二光提取点中的每一个定位成接收被多个第一光提取点之一导向的光线。
11.如权利要求10所述的显示装置，其特征在于被第一光提取点导向的光线在垂直于第二表面的方向从第一表面向第二表面向内进入光学元件，并且多个第二光提取点布置成相对于正交于第二表面的方向分别与多个第一光提取点对齐。
12.如权利要求10所述的显示装置，其特征在于被第一光提取点导向的光线在垂直于第二表面的方向从第一表面向第二表面向内进入光学元件，并且多个第二光提取点布置成相对于正交于第二表面的方向分别与多个第一光提取点不对齐。
13.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于偏振膜在第一表面内形成有多个开口，并且多个光提取点分别覆盖多个开口。
14.如权利要求2所述的显示装置，还包括对着光导板的第一表面设置的反射器；和对着第二表面放置的光学片。
15.如权利要求6所述的显示装置，还包括对着光导板的第一表面设置的反射器；和对着形成有多个第二光提取点的第二表面放置的偏振片。
16.如权利要求14所述的显示装置，
还包括具有对着光学片在远离光导板一侧上设置的表面的偏振膜；
其中偏振膜包括多个施加到第二表面的第二光提取点，每个光提取点有一个与第二表面及过渡区相交的第二曲面，其中过渡区位于第二曲面和第二表面之间，
多个第二光提取点中每个的过渡区包括从第二曲面角取向到第二表面角取向基本上连续的角结构；
其中偏振膜在其表面内形成有多个开口；和
其中多个第二光提取点分别覆盖偏振膜的多个开口。
17.一种光学元件，包括：
具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的板元件；和
多个施加在第一表面上的光提取点，每个光提取点有一个与第一表面和过渡区相交的曲面，其中过渡区位于曲面和第一表面之间，
过渡区包括从曲面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。
18.如权利要求17所述的光学元件，其特征在于每个光提取点构造成导向来自第一表面的光线向内入射到板元件的光提取点上。
19.如权利要求18所述的光学元件，还包括：
多个施加到第二表面的第二光提取点，每个光提取点有一个与第二表面和过渡区相交的第二曲面，其中过渡区位于第二曲面和第二表面之间，
多个第二光提取点中每个的过渡区包括从第二曲面角取向到第二表面角取向基本上连续的角结构。
20.一种光学元件，包括：
板元件，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；和施加
在第一表面上的光提取点的喷射状图案，每个光提取点有一个与第一表面及过渡区相交的部分球面，过渡区位于部分球面和第一表面之间，
过渡区包括从部分球面角取向到第一表面角取向基本上连续的角结构。
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