CN1756976A - 准直扫描背光设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫描背光设备，其基于动态光提取，该设备包括：光导结构(24)；光源，用于发射光，其配置为被导入所述光导结构中，光导结构(24)配备有可寻址的耦出部件，包括两个或多个定义区域，每个定义区域提供来自所述光导结构(24)的可切换的光耦出。该扫描背光设备的特征在于，在所述光导结构(24)附近配置的至少一个微光学重定向部件(23)，被配置为将由所述光导结构(23)发射的光以所述光导结构的基本法线方向重定向。

Description

准直扫描背光设备

技术领域

本发明涉及一种基于动态光提取的扫描背光设备，该设备包括光导结构，用于发射光的光源，其被配置为导入所述光导结构中，该光导结构配备有可寻址的耦出(out-coupling)部件，包括两个或多个定义区域，每个定义区域提供来自所述光导结构的可切换的光耦出。

背景技术

现今普遍使用利用光阀或光闸技术的显示器。该显示器的典型的示例是液晶显示器，其通常借助于主动矩阵驱动进行驱动。光阀或光闸显示器的基本功能是，该显示器或者其像素图案，可以透射光(白像素)或阻挡光(黑像素)，但是该显示器自身未生成光。因此，需要照明背光。

当诸如主动矩阵液晶显示器的显示器将显示视频资料，诸如移动的电视画面时，面板常常显现运动模糊。由于液晶显示器的使用在电视领域变得更加普遍，因此移动画面的质量变得日益重要。然而，已经示出，所谓的扫描背光的使用，基本上克服了上述问题。标准的扫描背光包括多个灯，其以类似于面板的方式配置，并且通过按照正确的顺序开关灯，执行扫描背光。这意味着，在特定时刻，实际上仅有一小部分灯打开，并且因此需要更多的灯，以便于对其进行补偿。

通过使用光导结构可以实现更加有效的扫描背光，其中灯恒常地发射光。随后，自光导动态地提取光。在专利文献WO 02/21042中公开了该用于动态光提取地扫描背光的示例。该文献描述了基于扫描窗原理的照明背光，包括光导和光源，其被配置为将光引入到光导的一侧。切换功能可通过散射液晶材料(还被称为LC-凝胶，其是通过在光引发剂存在的情况下进行液晶单体和非反应性液晶(或其混合物)的混合物的光聚合而获得的)层获得，其可以在透明状态和散射状态之间切换。在图1中示意性地示出了该扫描背光。

然而，实际上，LC-凝胶的散射特性是这样的，即以掠射角发射大量的光。在图2中公开了来自动态散射光导的光的角分布的示例。由于很少在这些掠射角处观察显示设备，因此这是不需要的。因此，进行了用于使发射光朝向法线显示方向重新分布的某些努力。例如，已发展了亮度增强箔膜，例如，其由3M制造。然而，该薄膜是昂贵的，并且通常仅可以实现有限量的亮度增益。因此，需要对该问题的可替换的解决方案。

发明内容

因此，本发明的目的在于，克服如上文所指出的关于现有领域的问题。而且，本发明的目的在于，提高法线观察方向上的背光亮度。本发明的另一目的在于，提供一种针对上文提及问题的比较成本有效的解决方案。

通过如权利要求1所限定的扫描背光设备，至少部分地实现了上文的和其他的目的。基于动态光提取的该扫描背光设备包括光导结构，其具有相对的前向和后向面；光源，用于发射光，其配置为被导入所述光导结构中，该光导结构配备有可寻址的耦出部件，包括两个或多个定义区域，每个定义区域提供来自所述光导结构的可切换的光耦出，其特征在于，在所述光导结构附近配置了至少一个微光学重定向部件，其被配置为将由所述光导结构发射的光以所述光导结构的基本法线方向重定向。通过该微光学重定向部件，可以修改来自扫描背光的发射光的角分布。以掠射角发射的光朝向法线观察方向被重定向，其导致了该观察方向中的增强的亮度。

根据本发明的第一实施例，所述微光学重定向部件被配置为配置于光导结构的前向面上的层，该层的一个表面配备有透射棱镜结构。由此，通过适当地选择棱镜结构的材料和顶角，可以生成适当的透射重定向部件。该棱镜结构适当地配置在微光学重定向部件面对光导结构的侧上。而且，该棱镜结构的顶角基本上处于40～80°的区间内，优选地处于50～70°的区间内，且最优选地是约60°。

作为可替换的实施例，该棱镜结构可以包括交替的棱镜凸起和平坦区域。这进一步改善了背光的效率，特别是对于在宽的角分布中生成光的背光。根据另一实施例，所述微光学重定向部件被适当地配置为，配置于光导结构的后向面上的层，该层的一个表面配备有反射棱镜结构。该实施例是有利的，其在于，不需要向设备添加额外的元件。该棱镜结构适当地配置在微光学重定向部件面对光导结构的面上。而且，该棱镜结构的顶角基本上处于70～110°的区间内，优选地处于80～100°的区间内，且最优选地是约90°。

附图说明

下文将借助于本发明目前的优选实施例，通过参考附图，更加详细地描述本发明。

图1是根据现有技术的用于动态光提取的扫描背光的示意性剖面。

图2是如图1中公开的背光中由动态散射光导发射的光的角分布的图线。

图3是公开了本发明第一实施例的主要原理的示意性剖面图。

图4是如图3中公开的背光中由动态散射光导发射的光的角分布的图线。

图5是公开了本发明的第二实施例的示意性剖面图。

图6是公开了本发明的第三实施例的示意性剖面图。

图7是其中结合了本发明的扫描背光的示意性剖面图。

图8是另一实施例的细节的示意性剖面图。

具体实施方式

本发明涉及扫描背光系统，例如用于同显示面板一起使用来生成显示设备。在图7中公开了显示设备1的示意图，包括其中可以实现本发明的扫描背光2。整个背光2被配置为位于显示面板3后面。

显示面板3基本上包括光电材料层4，诸如液晶材料，基于例如扭曲向列、光学补偿双折射、面内切换、超扭曲向列或铁电操作，以便于提供光阀功能，用于调制入射在显示面板上的光。层4基本上夹在第一和第二基板5、6之间。而且，显示面板3适当地细分为像素矩阵，其由配置在所述基板5、6上的电极装置(未示出)控制。优选地，使用了主动矩阵寻址。经由连接线8向该电极装置提供来自驱动单元7的控制电压信号。而且，通过本身已知的方式，该显示面板进一步配备有偏振器和检偏器，并且基板和电极由透光材料制造。

本发明主要涉及的背光2基本上包括第一和第二光导结构9、10。第一光导结构9包括散射液晶材料层，并且其将在下文得到更加详细的描述。稳定的第二光导结构10基本上由光导材料构成，并且在该实施例中，第一和第二光导结构9、10借助于粘合层11(诸如胶水层)粘合在一起，以便于一起形成背光光导结构24。然而，应当注意，所述第二光导结构10可以从本发明的背光中排除，并且在该情况中，背光光导结构基本上由其自身上的第一光导结构9构成。背光光结构24具有出射面12，其被配置为面对所述显示面板3，以及适当地具有四个端面13。光源14，诸如例如杆形荧光灯，沿至少其中一个所述端面13配置(在图7中示出的情况中，沿两个端面配置)，并且由所述光源14发射的光被配置为通过所述端面13耦合到背光光导结构24中。在所述光源14周围适当地配置反射设备15，以便于将光源发射的光重定向到背光光导结构24中。第一光导结构9基本上包括散射液晶凝胶材料层16，其夹在第一基板17和第二基板18之间。该基板由基本上光透明的材料制造，诸如玻璃。而且，借助于多个构图的前和后电极19、20，其分别配置在所述第一基板17和所述第二基板18上，将光导细分为图案。电极19、20借助于连接线(由21示意性地表示)连接到驱动单元7。通过对电极19、20寻址，散射液晶凝胶材料层16的不同区域可以在透射状态和散射状态之间切换，其中在透射状态中，该区域仅透射之后在背光光导中内部反射的光；在散射状态中，光被像素散射，并且因此允许在朝向显示面板3的方向上透射通过光导的出射面12。而且，可以在与出射面15相对的背光光导的背面上提供反射器22，以便于将光反射回光导中，以提高光导的效率。事实上，光导结构24的所有表面，除了耦入端面或端面13和出射面12，可以配备有反射涂层等，以便于防止光在不需要的位置出射光导24。

本发明基于这样的认识，即由扫描背光2通过出射面12发射的光可以以基本前向的方向重定向，即，以对于背光3和/或显示面板4基本为法线的方向，以便于提高显示器的法线观察方向中的亮度。

根据本发明的第一实施例，这可以通过在显示面板3和扫描背光2之间，即在图7中指出的位置A中包括微光学重定向部件，诸如重定向箔来实现。根据该第一实施例，微光学重定向部件23具有图3中示意性公开的设计。在该实施例中，重定向部件23由重定向箔构成，其在面对扫描背光2的箔侧面上配备有基本连续的棱镜结构，即，并列配置的多个棱镜凸起25，并且基本上覆盖了重定向部件23的整个表面。如果光源被配置为显示设备的两个相对侧上的灯，则该棱镜结构可以为一维的(即，凹槽状图案)，或者，如果光源被配置为显示设备的所有侧上的灯，则其可以为二维(即，棱锥状图案)。在该情况中，棱镜结构的每个棱镜25的顶角α基本上是60°，并且在图4中公开了由配备有上文描述的微光学重定向部件的背光发射的光的结果角分布。相比于图2中公开的角分布图线，应当注意，由于本发明的重定向部件，光输出在法线方向上被准直，并且因此，显示设备的观察者将体验更大的亮度。这是因为，图3中公开的棱镜结构将由扫描背光2以掠射角发射的光朝向法线重定向。该结构的精确效率应归于来自扫描背光3的光的角分布，以及重定向部件的顶角α和折射率n，以便于实现落入重定向部件23的光的内部反射和重定向。因此，棱镜结构的顶角可以针对所选择的设置进行优化，并且例如对于扫描背光2的标准配置，可以处于40～80°的区间内，优选地处于50～70°的区间内，且最优选地是约60°。而且，精确效率依赖于扫描背光2的液晶凝胶材料层16的散射功率。如果层16以相对低的偏置电压进行偏置，则散射主要在前向方向，并且重定向结构非常良好地工作。在较高的偏置电压下，层16的散射变得更加同向性，并且重定向部件23的准直变得效率较低，但是仍然实现了亮度增益。

在图5公开了本发明的第二实施例。该实施例基本上同图3中公开的实施例相似，但是不同之处在于，棱镜结构是不连续的，即基本上在每个棱镜凸起之间配置有间隔或平坦表面部分。通过在重定向部件23中将凸起隔开，对于已经具有接近于显示设备法线方向的光线而言，该部件变得更加透明，然而相比于第一实施例，对掠射光线的效果几乎不变。因此，在扫描背光2提供了较宽的光的角分布的情况中，重定向部件23变得更加有效。在该情况中，由于阴影，该现象通过图5说明，相比于图3中公开的实施例，由背光2以掠射角发射的光线几乎未注意到任何差异。然而，基本上沿背光2的法线方向发射的光线具有较大的透射通过重定向部件23的概率，而不会改变方向，其也在图5中指出。可以依赖于掠射光线的角分布选择棱镜结构的凸起之间的距离，由此可以以最优的方式并且依赖于基本法线的光线量，来利用上面的阴影效应。而且，每个凸起的顶角遵循与图3中公开的和上文描述的示例相同的推理。

下面将通过参考图6更详细地描述本发明的第三实施例。根据本发明的该实施例，本发明的目的可以通过在扫描背光2后面，即在图7中指出的位置B中包括微光学重定向部件23来实现。如上文所指出的，背光光导朝向光导的前面和后面发射光，并且因此，微光学重定向部件可以同样良好地安置在扫描背光2后面，如显示设备1的潜在的观察者所看见的。因此，可以修改和构造图7中公开的反射器22，以便于使反射的输出光沿法线方向准直。出于该目的，该反射器包括凹槽图案或者棱镜凸起26，非常类似于图3的重定向部件的凸起。然而，在该情况中，凸起的顶角β优选地是约90°，以便于将沿法线方向入射的光线基本上反射到其来的方向，但是同时也朝向法线以掠射角反射光线。因此，反射离开重定向部件的光，在该情况中由反射器15形成，将沿法线被准直。

对于上文描述的所有实施例，可能需要多个灯，诸如例如冷阴极荧光灯(CCFL)，以便于自背光2获得足够的光输出。例如，在图7中公开的实施例中，沿显示设备1的两侧，例如沿显示设备的顶面和底面提供灯。而且，如上文所指出的，反射设备15被配置为围绕每组灯，以便于将尽可能多的光耦合到光导中。而且，灯的尺寸限制了光导的厚度。在某些情况中，背光光导需要比包含液晶凝胶层16的第一光导结构9更厚或者厚很多，并且因此其可以粘合或胶合到例如由厚的聚合物板构成的第二光导结构10上。在光导24的背面上，如上文所指出的，安置反射器22，并且可以如上文描述的第三实施例构造该反射器或不构造该反射器。而且，附加的第二光导结构10优选地安置在第一光导结构的前面，如潜在的观察者所看到的，并且因此，包含LC凝胶的光导被安置得与反射器22更加接近。这是有利的，其在于可以避免视差。然而，如果视差不是问题，则包含LC凝胶的光导可以设置在附加的第二光导结构的前侧上，如潜在的观察者所看到的。还应当注意，在包括附加的第二光导结构的实施例中，该光导可被用作主光导，被配置为引导由光源发射的大部分光。

而且，如上文所指出的，可能需要更多的灯，并且例如灯可以沿光导的所有四侧安置。然而，在该情况中，重定向在二维上可能是必要的。这可以通过在微光学重定向部件上提供二维重定向图案来实现，或者可替换地，使用彼此堆叠放置的两个正交交叉的一维重定向部件(仅适于上文的实施例1和2)。

然而，本发明也可以采用单个灯或者光源，或者在仅通过光导的一个单侧发射光的情况中。在这些情况中，具有棱镜结构25的重定向装置23不需要具有如图3中公开的对称剖面。反之，重定向微棱镜可以具有两个刻面，输入刻面和反射刻面，没有必要具有同表面法线相同的角度，以便于优化同光源位置相关的重定向装置的性能。在图8中公开了这种重定向装置的示例，其中β≠γ。

下文将描述本发明的另一有利的变化方案。该变化方案的目的在于通过使显示器的亮部分更亮，并且使显示器的暗部分更暗，进一步提高显示器的对比度。而且，可以改善背光的色彩范围和效率。这可以通过光源调制器实现，其被配置为用来调制馈送到扫描背光2系统的光源14的功率，与扫描背光2的滚动散射寻址同步。由此，如果当前所寻址的部分被配置为向在该时刻将是亮的一部分显示设备提供光，则可以增加针对光源的功率，并且因此光源发射更多的光，并且，如果当前被寻址的部分被配置为向在该时刻将是暗的一部分显示设备提供光，则可以降低针对光源的功率，并且因此光源发射较少的光。这样，可以使背光的亮部分更亮，并且使暗部分更暗。由于光更有效率地输送到需要其的位置，因此这将导致更有效率的背光和更亮的闪光图像。通过单独对不同的色彩应用相同的技术，诸如红色、绿色和蓝色光源，背光的颜色可以在屏幕上变化。这有效地导致了较大的可用色彩范围。

为了足够精确，可能需要包括反馈环路，其包括一个或多个光传感器(未示出)，用于测量实际灯输出并且将其同用于待显示的图像部分所需的输出进行比较。该光传感器(未示出)的检测信号被反馈给灯驱动器(未示出)，该灯驱动器也被连接，以接收来自驱动单元7的信息。由此，馈送到扫描背光的每个区域的照明功率可以响应于将由显示面板3的相应像素或多个像素显示的图像内容而变化。因此，通过在对分段背光进行寻址时改变光源功率，可以提高显示的对比度。当对片段i进行寻址时(即，其正在散射)，电源将具有功率pi，并且当片段j正在散射时，电源将具有功率pj。依赖于用于片段i的所需亮度调节功率pi，并且背光3的灯的平均功率应是恒定的。优选地，背光的光源由光发射设备(LED)构成，并且该设备在功率上可以以有效的方式相对容易地变化。而且，LED可以非常快速的开关，并且受到平均功率的限制，并且因此可以使短的脉冲非常明亮。可替换地，背光的光源可以由冷阴极荧光灯(CCFL)构成，其具有不同的磷光体或磷光体混合物。

而且，LED的使用是有利的，其在于商业上可获得不同波长的LED，并且因此LED特别适用于组合功率和色彩调制。因此，本发明的概念可以扩展为独立地改变例如彩色显示器的R、G、B光源。这样，改变了光的功率和颜色。尽管这没有(或者几乎不)增加原色三角形的尺寸，但是确实导致了原色三角形的偏移。该偏移可以针对每个被寻址的片段独立地设置。尽管在一个片段中仅可以获得“正常的”原色三角形，但是整个屏幕的颜色范围增加。

而且，结合色域的时间连续适应性，额外的改进是可行的。例如，当图像被分解为局部需要较高的亮度而在剩余区域中色域是更加重要的时候，通过同时打开在该色彩区域中发射的所有光源来填充滤色器带宽，可以提供亮度的额外增强。在另一实施例中，扫描背光的经调制的光耦出以电寻址折射率原理工作，其区分界面上的全反射(未耦出)和透射。可以使折射率调制具有方向依赖性。这意味着，通过堆叠两个折射率切换层，第一层将调制来自一个方向的R、G、B，而第二层将调制来自正交方向的稍微偏移的R’、G’、B’颜色(参看图13)。这具有这样的优点，即两组光源，R、G、B和R’、G’、B’可以连续地开启。如果使用了两组荧光灯而非快速开关LED，则这可能是有利的。还应当可行的是，使散射元件具有方向依赖性。

本发明的保护范围不限于所示出的实施例。本发明存在于每个新颖特征和特征性特征的每个组合之中。而且，权利要求中的参考数字不应被解释为限制它们的保护范围。

应当注意，上文描述的本发明的概念可用于不同类型的光电主动显示面板，诸如液晶显示面板，或者其它类型的光阀或光闸系统。而且，应当注意，本发明不限于单色和RGB显示器，而是实际上可用于任何显示器，不论其色彩如何。

而且，应当注意，如上文所述，可寻址的光耦出部件可以包括可寻址液晶凝胶层。然而，还可以使用微机电耦出结构作为可寻址光耦出部件，并且可以实现相应的效果，并且该实施例同样包括在附属权利要求的保护范围中。该可寻址光耦出部件可以借助于所谓的MEMS(微机电系统)技术实现。

Claims (11)

1.一种扫描背光设备(2)，其基于动态光提取，该设备包括：

-光导结构(24)；

-光源(14)，用于发射光，配置为被导入所述光导结构中，

-光导结构(24)，配备有可寻址的耦出部件(9)，包括两个或多个定义区域，每个提供来自所述光导结构(24)的可切换的光耦出，

其特征在于

至少一个微光学重定向部件(23)，配置在所述光导结构(24)附近，被配置为将由所述光导结构(23)发射的光以所述光导结构的基本法线方向重定向。

2.权利要求1的背光设备，其中所述微光学重定向部件(23)被配置为配置于光导结构(24)的前向侧上的层，该层的一个表面配备有透射棱镜结构(25)。

3.权利要求2的背光设备，其中棱镜结构配置在微光学重定向部件(23)面对光导结构(24)的侧上。

4.权利要求2或3的背光设备，其中棱镜结构(25)的顶角基本上处于40～80°的区间内，优选地处于50～70°的区间内，且最优选地是约60°。

5.权利要求2～4的任何一个的背光设备，其中棱镜结构(25)包括交替的棱镜凸起和平坦区域。

6.权利要求1的背光设备，其中所述微光学重定向部件(23)被配置为配置于光导结构(24)的后向侧上的层，该层的一个表面配备有反射棱镜结构(26)。

7.权利要求6的背光设备，其中棱镜结构(26)配置在微光学重定向部件(23)面对光导结构(24)的侧上。

8.权利要求6或7的背光设备，其中棱镜结构的顶角基本上处于70～110°的区间内，优选地处于80～100°的区间内，且最优选地是约90°。

9.如前面权利要求的任何一个的背光设备，其中可寻址耦出部件(9)配备有可寻址液晶凝胶层(16)或微机电耦出结构中的一个。

10.如前面权利要求的任何一个的背光设备，进一步包括光源调制器，用于调制背光设备(2)的光源(14)的功率，所述调制依赖于将由所述背光设备(2)显示的照明图案。

11.一种显示设备，包括如前面权利要求的任何一个的扫描背光。

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