TWI406016B - 多功能強化薄膜 - Google Patents

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Clinton Lee Jones
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Description

多功能強化薄膜
本發明大體上係關於一種光學總成。更特定言之，本發明係關於一種用於一顯示系統中之薄膜總成。
某些光學顯示系統包含如下薄膜：將該薄膜設計為藉由再引導軸外光且再循環軸上光以使其最終作為軸上光自顯示器射出，從而提高該光學顯示系統之軸上亮度之量。舉例而言，可自位於St.Paul,Minnesota之3M Company購得之3M品牌亮度強化薄膜(BRIGHTNESS ENHANCEMENT FILM)(BEF)為一類可用於強化光學顯示系統之光學薄膜。BEF及類似薄膜通常包含一稜鏡陣列，該等稜鏡位於一表面上且尺度大於光波長。該等結構增加了朝向觀視者引導之光的量。使用中，該等薄膜通常以在一維或二維中降低軸外照明之代價來提高軸上照明。以此方式，該材料可有助於顯示器設計者在減少功率消耗之情況下達成所要之軸上照明量。例如，在以下專利中描述了具有結構化表面之BEF及其他類似薄膜之各種實施例：美國專利第5,394,255號(Yokota等人)；第5,552,907號(Yokota等人)；第6,052,164號(Cobb,Jr.等人)；第6,091,547號(Gardiner等人)；及第6,111,696號(Allen等人)。
使用該等稜鏡結構化表面薄膜且經由較佳包含光再循環之反射及折射過程可達成亮度強化。當用於較佳背光組態時，稜鏡結構化表面薄膜有助於朝向觀視者(其通常位於顯示器系統正前方)引導光，否則該光將以高角度離開螢幕而錯過觀視者。
顯示亮度、均一性及總體效能之改良為持續不斷之追求，且通常在液晶顯示器中使用亮度強化薄膜及稜鏡結構。
液晶顯示器(LCD)為用於諸如膝上型電腦、掌上型計算器、數位手錶及電視之設備中的光學顯示器。某些LCD包含一位於該顯示器側面之光源，以及一經定位以將該光自該光源導向至LCD面板背面之光導。其他LCD(例如某些LCD監視器及LCD電視(LCD－TV))則直接使用位於LCD面板後方之若干光源照明。對於較大之顯示器，該配置正日益常用，因為要達成特定位準之顯示亮度，光功率需求隨顯示器大小之平方而增加，而用於沿顯示器側面定位光源的可用區域面積僅隨顯示器大小而線性增加。此外，某些LCD應用(諸如LCD－TV)需要顯示器足夠明亮以使位於自較其他應用而言更遠之距離處可觀視到該顯示器，且LCD－TV之視角需求通常不同於LCD監視器及掌上型設備之彼等視角需求。
某些LCD監視器及大多數LCD－TV通常藉由若干冷陰極螢光燈(CCFL)自背後照明。該等光源通常為線性且通常以平行陣列抑或沿一邊緣而在該顯示器之整個範圍內延伸。
本發明提供一種用於附接至一顯示模組之光管理單元。該光管理單元包含一定向再循環層，該定向再循環層包含一結構化側面及一平坦側面。該結構化側面包含稜鏡結構。該光管理單元亦包含一反射偏光器，其適於傳輸具有第一偏振定向之光且反射具有不同偏振定向之光。該反射偏光器位於該定向再循環層之該平坦側面上。一漫射結構併入該定向再循環層中或併入該定向再循環層與該反射偏光器之間的界面中。該漫射結構漫射通過該漫射結構之光。由該漫射結構引起之漫射足以防止當一沿一垂直於該等稜鏡結構之視線定位的觀視者在一與垂直軸成一斜角處觀視該膜結構時看到色帶。
本發明亦描述一種包含一背光、一液晶顯示面板及一如前文段落所述之光管理單元的顯示設備。
在一實施例中，該稜鏡結構具有一個90度之角度。
併入該光管理單元中之該漫射結構在不同實施例中呈現眾多不同形式。舉例而言，在一實施例中，該漫射結構包含一在該定向再循環層之該結構化側面上的粗糙表面。在另一實施例中，該光管理單元亦包含一在該定向再循環層與該反射偏光器之間的黏接層，且該漫射結構包含該黏接層中之光散射微粒。
該定向再循環層通常包含一稜鏡基板層及一包含該等稜鏡結構之稜鏡結構層。該漫射結構之另一實例為遍及該稜鏡結構層或該稜鏡基板層之內部散播的光漫射特徵。該等光漫射特徵係選自由以下所組成之群：具有一與一形成該等稜鏡結構之樹脂折射率不同之折射率的珠粒、微氣孔及光散射微粒。
在另一實施例中，該漫射結構包含一折射率差異，其存在於該稜鏡基板層與該稜鏡結構化層之間；及一粗糙表面，其位於鄰近該稜鏡結構層之該稜鏡基板層上。
該漫射結構之另一實例為一折射率差異，其存在於該稜鏡基板層與該黏接層之間；及一粗糙表面，其位於鄰近該黏接層之該稜鏡基板層之側面上。
在另一實施例中，該漫射結構包含一具有漫射特徵之反射偏光器表層，其位於該定向再循環層與該反射偏光器之間。
藉由考慮遵循隨附圖式之本發明之各種實施例的詳細描述，可更完整地瞭解本發明。
本發明適用於液晶顯示器(LCD或LC顯示器)，且特定適用於直接自背後照明之LCD，例如，大電腦監視器及LCD電視(LCD－TV)。本發明尤其適用於光源為線性且在顯示器之全寬上拉伸的LCD。本發明亦可用於包含邊緣點亮系統之其他系統。
本發明係針對一種經直接照明之LCD設備，該設備具有一位於LCD面板與光源之間的光管理層的配置。光管理單元通常用來藉由以多種方式影響通過其之光而改良該顯示器之效能。
首先將描述LCD設備之基本組件，因為LCD設備為使用根據本發明之光管理單元之典型設備。圖1中呈現LCD設備100之例示性實施例的示意性分解圖。該顯示器設備100可用於(例如)LCD監視器或LCD－TV中。該顯示器設備100包含一液晶面板102，該液晶面板102通常包含一安置於面板片106之間的液晶層104。一上吸收偏光器l08位於該LC層104上方且一下吸收偏光器110位於該液態LC層104下方。該上偏光器108及該下偏光器110可包含一防眩塗層。
面板片106通常由玻璃形成且可在其內部表面上包含電極結構及對準層，以控制LC層104中之液晶取向。電極結構通常經配置以界定LC像素、LC層之區域，在該區域中液晶之取向可獨立於鄰近區域而加以控制。其中面板片106中之一或多者亦可包含一彩色濾光片以將彩色施加於所顯示之影像。
吸收偏光器108、110與LC面板102組合控制自光源區112經由顯示器至觀視者之光之傳輸。對LC層104之不同像素之選擇性激活(例如由控制器114實現)導致光在特定所要位置處自該顯示器向外發出，從而形成由觀視者看到之影像。控制器114可包含(例如)一電腦或一接收資訊以產生電視影像之電視控制器。
光源區112包含產生照明LC面板102之光的若干光源116。用於LCD－TV或LCD監視器之光源116通常為在顯示設備100上延伸之線性冷陰極、螢光(CCFL)管。可使用許多類型的光源，諸如燈絲燈或弧光燈、發光二極體、平面螢光面板、蛇形或U形CCFL管或外部螢光燈。光源之此清單並非意欲限制或詳盡列舉，而僅為例示性清單。
光源區112亦可包含一反射器118，其用於反射自光源116向下傳播之光。反射器藉此將否則會遠離LC面板102行進朝向LC面板102引導回。反射器118亦可用於在顯示設備內再循環光，如下文所解釋。反射器118可為鏡面反射器或可為漫反射器。
顯示器100亦包含一漫射板122。該漫射體係用於漫射自光源接收之光，從而提高入射至LC面板102上之照明光的均一性。因此，包含漫射板將導致當觀視者察覺到影像時，該影像更均一明亮。
光管理單元120位於光源區112與LC面板102之間。該單元影響自光源區112傳播之光以便改良顯示設備100之操作。現在，將描述光管理單元之主要組件。
光管理單元120可包含一反射偏光器124。光源116通常產生非偏振光，而下吸收偏光器110僅傳輸單一偏振狀態。因此，在無反射偏光器之情況下，約一半由光源產生之光將無法傳輸至LC層104。然而，可使用反射偏光器124來反射否則將在下吸收偏光器中吸收之光，使得該光可由反射偏光器124與反射器118之間的反射來再循環。由反射偏光器124反射之光中之至少某些光可經去偏振，且該等光隨後以一偏振狀態返回至反射偏光器124中，具有該偏振狀態之光經由反射偏光器124及下吸收偏光器110傳輸至LC層104中。反射偏光器與反射器共同作用以再循環否則將由吸收偏光器110吸收之偏振光。以此方式，可使用反射偏光器124來提高到達LC層104之光在由光源116發射之光中所占之分數。由於包含反射偏光器124，由顯示設備100產生之影像將更明亮。
光管理單元120亦可包含一定向再循環層128。定向再循環層為如下之層：其包含在更接近於顯示器之軸之方向上再引導軸外光的表面結構。以此方式增加經由LC層104之軸上傳播光的量，從而提高由觀視者看到之影像亮度。一實例為一稜鏡層，其具有藉由折射及反射來再引導照明光的若干稜鏡隆起緣。另一表面結構實例為金字塔結構。
圖2展示一意欲提高顯示器之軸上亮度之層128。層128具有一第一表面20及一第二表面22。第二表面22包含複數個結構。通常該等結構為諸如稜鏡24之三角形稜鏡，雖然可使用其他形狀。稜鏡24具有一頂點26。經驗已展示若頂點26為尖銳轉角且形成90°之角度，則增益(亦即，具有薄膜之背光的軸上亮度與不具有薄膜之相同背光的軸上亮度之比率)將為最大，雖然其他考慮可引起使用者選擇圓形轉角或其他角度。在稜鏡24與鄰近稜鏡28之間為一谷點30。如同頂點26般，若谷點30為尖銳轉角且形成90°之角度，則層128將具有最高增益，雖然谷點30可為圓形轉角或形成其他角度。
稜鏡具有被稱為層128之間距P之頂點至頂點的間隔。通常該間距應足夠小，使得稜鏡對觀視包含層128之顯示器的使用者而言將不可見，但也不可小至使繞射效應降低效能之程度。商業產品通常具有約24 μm與50 μm之間的間距。
通常第一表面20為平滑表面。在本文之背景下，應瞭解平滑表面意謂表面20上之任何結構較稜鏡(諸如層128之側面22上的稜鏡24)之尺寸小。通常表面20為無澤面，以有助於隱藏層128後方之背光的任何結構。或者，側面20可具有諸如蛾眼結構之其他結構以降低自表面20之費涅(fresnel)反射。
圖2展示四條例示性光線。第一光線36以一入射餘角(亦即，與法線形成接近於90°之角)接近表面20。光線36在通過表面20時朝向層128之法線折射。當到達結構化表面22時，其將再次發生折射。由於結構化表面22上之結構，該光線發生折射使得其再次與層128之法線形成一較小之角度。光線38以一更為接近於層128之法線的角度接近平滑表面20。該光線在通過表面20時，亦發生折射，但折射程度較小。當該光線經由表面22逸出時，其再次發生折射，使得其位於層128之法線之相反側，此側即為其第一次撞擊表面20時之側。光線40以一接近於或處於層128之法線上之角度接近表面20，且其由結構化表面22發生全內反射兩次，從而朝向背光返回。光線42以類似於光線38之角度接近表面，但其處於使其由結構化表面22上之稜鏡之一側發生全內反射而第二側並不如此的位置上。結果該光線以與層128之法線形成一大角度而射出。因為該反射僅發生於在光線撞擊之側形成高入射角之方向上行進的光線，因此稜鏡對該等光線提供非常小之橫截面。此外，許多彼等光線將重新進入下一稜鏡且返回至顯示器。
自該論述可看出：在層128不存在的情況下將以與顯示器之軸形成之高角度自該顯示器射出之光經再引導至一更接近於該軸之方向上。少量光將以與軸形成之大角度被引導射出。因此，可認為以一大於預定角度之入射角度經由表面20進入層128之光被引導至較其進入之角度範圍窄之角度範圍中。以一小於預定角度之入射角度經由平滑表面20進入層128之光朝向背光而反射回。
朝向背光反射回之光將被漫射且朝向層128反射回。大體而言，該光將形成一不同於其首次形成之角度的角度。隨後重複該過程以將更多的光再引導至較窄之角度範圍中。層128之操作之關鍵態樣為層128必須能夠以一第一預定角度範圍反射撞擊其之光，且以一第二預定角度範圍通過但折射撞擊其之光，其中該第二角度範圍中之角度大於第一角度範圍中之角度且其中該第二角度範圍中之光被折射至較經由其進入之角度窄之角度範圍中。
在一實施例中，稜鏡結構為直稜鏡。稜鏡結構可替代性為間斷、起伏、細長結構、微透鏡陣列、稜錐陣列或其他規則或不規則圖案。
圖3展示一用於LCD－TV或LCD監視器之光管理單元之實例。光管理單元120包含一定向再循環薄膜128，該定向再循環薄膜128包含在一基板130上之若干稜鏡隆起緣結構129。該定向再循環層128包含一結構化側面(在圖3之實例中包含稜鏡隆起緣結構129)，及與該結構化側面相對之平坦側面131。在該稜鏡基板130之下方為一反射偏光器124。在該反射偏光器124之下方為一底部基板132。在對諸如圖3之圖式之討論中，術語上方及下方、上及下、向上及向下及該等術語之變體將用於指元件在該等圖式之取向上的相對位置。術語上方及下方並非規定在最終使用之應用中，某些元件必須在彼此上方或下方。然而，該等術語在整篇申請案中指元件在該等圖式中之相對位置可係便利的。
一黏接層134位於該稜鏡基板130與該反射偏光器124之間。一第二黏接層136位於該反射偏光器124與該底部基板132之間。
當將稜鏡結構併入光管理單元100中時，在直接觀視且使用大致為朗伯(Lambertian)漫射光源來照明光管理單元時，可能可見某些光學假影。朗伯光源為遵守朗伯餘弦定律的光源，亦即，該光源具有直接與觀視其之角度之餘弦成比例的強度。此將導致類似半球之輻射圖案。與漫射板122組合之背光112產生在圖1中所說明之顯示設備100中之漫射光源。在該漫射光源用於光管理單元後方之處，光自許多不同方向進入光管理單元。因此，背光112可大致為朗伯光源。
色帶光學假影
當觀視者位於平行於稜鏡結構之方向時，在其自與垂直方向成斜角處觀視光管理單元時，自包含定向再循環薄膜及反射偏光器之光管理單元的輸出中可見之光學假影的一個實例為出現明帶及暗帶。因為光由稜鏡結構折射，所以明帶為彩色。在某些組態及觀視條件下，該彩色比起其他配置及觀視條件較不明顯。自上方或下方進入薄膜的光線由稜鏡結構折射且隨後以特定角度逸出薄膜而形成該色帶。
如上文所討論，光管理單元後方之漫射光源將引起光自許多不同方向進入光管理單元。該等光線自光管理單元逸出之角度及位置將由稜鏡之幾何形狀獨有之因素確定，例如稜鏡之間距，稜鏡塗層之光學指數及基板厚度。某些光線將以發生全內反射之角度碰擊光管理單元之表面。該等光線之全內反射將引起當自斜角觀視光管理單元時，出現暗帶及鄰近亮帶。通常觀視到的亮帶具有一定範圍的彩色。
為說明自由一漫射光源點亮之光管理單元之輸出，再觀視自光管理單元射出之光之錐光鏡曲線是有幫助的。明帶及暗帶在該錐光鏡曲線中顯而易見。圖4說明用於分析自光管理單元120輸出之光之實驗裝置的一個實施例。在圖4之實驗組態中，該光管理單元120位於鄰近一漫射光源142處。一錐光鏡146位於該光管理單元120之相反側。此外，一吸收玻璃偏光器144可位於該錐光鏡與該光管理單元120之間。使用EZContrast錐光鏡(Eldim SA,Herouville,Saint Clair,France購得)收集錐光鏡資料。
圖5中展示自稜鏡之平坦側面照明之稜鏡薄膜的錐光鏡曲線。錐光鏡量測收集來自光源經由透鏡之所有入射角度的光線，該透鏡將光線投影至一偵測器上。設計偵測器/透鏡之組合以使得擊中偵測器之光線來自所有方向及一單個點。該等曲線允許對來自光源之光的角度分佈的解釋。
在圖5中，藉由使用自白至黑漸變之灰度的16個不同陰影中之一者以指示在特定角度之光強度。最暗區域指示光之最高強度。最明亮區域指示未接收到光之區域。在圖5之右側上用數字標尺展示之單位為每平方公尺燭光，其提供在特定觀視位置處顯示器之亮度指示。如圖5中可見，當自平行於稜鏡隆起緣透視觀視薄膜時，在約40°至60°之範圍內的斜角處呈現暗帶及鄰近明帶。
圖5之錐光鏡曲線的最亮區域為位於該曲線中央之橄欖球形區域150。在橄欖球形區域150之邊緣處，隨著遠離橄欖球形區域150之邊界移動，光強度逐漸變小。然而，當達至與縱軸成約40°或－40°之角度後，當觀視者在垂直於稜鏡結構之方向上移動時，將出現交替之明帶及暗帶。在圖5中之參考數字152及153處指示之區域中可見該等明帶及暗帶。
在具有不同於直稜鏡之稜鏡結構的光管理薄膜中，當觀視者平行於該等結構(相當於具有直稜鏡之結構)時，將呈現較小程度之彩虹帶。
本文隨後將關於圖6及圖7進一步論述該等色帶之起源。
請注意，在將光管理單元併入典型LCD監視器或LCD－TV構造中之後，色帶通常不可見。許多LCD監視器或LCD－TV構造包含防眩偏光器作為LC顯示器之一部分。該防眩偏光器通常有效於減輕該等偏振之明帶之可見度。該結果係歸因於以下事實：即明帶與暗帶之角度間距較小，粗略而言僅約為2度至5度。因此，使用具有百分之四至百分之六之混濁度的單層薄膜足以散射該等條帶中之光及減輕其在LCD系統中之可見度。因此，當將光管理系統併入在觀視者與光管理單元之間包含防眩偏光器之LCD系統中時，則明帶及暗帶很可能將不可見。然而，某些系統在LC顯示器中不包含防眩偏光器，使得在LCD系統中可見色帶。此外，在將光管理單元併入LCD系統中之前，在光管理單元中仍可見該等色帶。因此，檢查光管理單元之品質及均一性的人員將注意到色帶。因此，需要消除光管理單元中出現之色帶。
根據本發明，藉由在光管理單元120之結構中添加漫射元件或漫射結構可隱藏色帶結構。在一實施例中，漫射結構可為具有與稜鏡之樹脂折射率不同之折射率的珠粒、微氣孔或其他光散射微粒。或者，稜鏡表面可為粗糙表面以產生類似效果，而又一選擇為漫射元件，其添加至稜鏡基板之主體中、添加至稜鏡樹脂中或添加至層壓黏接劑中。應將漫射結構添加至至少將消除以上所討論之明帶及暗帶的程度。
在一實例中，在光管理單元120中引入用以消除色帶的漫射結構將引入光管理單元中5%或更高之混濁度因子。在另一實例中，混濁度因子為8%，而在另一實例中其為10%或更高。在其他例示性組態中，混濁度因子為15%或更低、12%或更低。在一實施例中，混濁度因子約為5%。在一實施例中，混濁度因子為10%或更低、9%或更低、或8%或更低。
其他控制優點
在LCD－TV中，包含光學光管理系統(其中稜鏡結構鄰近於LC面板)的照明系統較之稜鏡位於其他薄膜之下(諸如位於反射偏光器或其他漫射薄膜之下)的系統而言通常產生在適度寬視角處(諸如約30度至50度)具有較高亮度變化率的亮度概況。在(例如)美國專利第6,091,547號(該案以引用的方式併入本文中)中討論及說明了此現象。在許多應用中，當觀視者軸外移動時，光之急劇減少導致所顯示之資訊突然消失，即使存在以該角度引導至觀視者之某些光。此效應影響觀視者。將漫射結構添加至根據本發明之光管理單元中亦糾正該問題且降低亮度變化率。
色帶光學假影之起源
在檢查色帶之起源中，本發明之發明者發現自由一大致為朗伯光源照明之光管理單元發出之光被條帶化或限制至特定輸出角度組。該條帶可以特定光線在經由薄膜之稜鏡結構傳輸時遭遇之表面相互作用之數量為特徵。
圖6及圖7說明以特定數量之表面相互作用經由稜鏡結構的特定光線路徑。舉例而言，圖6中以與垂直方向大致為30°開始且接近位於與稜鏡300之主軸垂直之平面內的理想光線160將自空氣156進入基板157，遭遇稜鏡158且隨後撞擊偵測器159。光線160在其逸出光管理單元之前，在其至偵測器途中將與稜鏡結構之四個表面相互作用：基板－空氣界面161，稜鏡－基板界面162，稜鏡－空氣界面164，及空氣－偵測器界面165。
僅通過稜鏡結構薄膜一次而逸出之該等理想光線之角度輸出大體上集中於圖5之曲線之橄欖球形區域150中。
另一類型之光線路徑僅通過稜鏡結構薄膜一次但以不合需要之逸出角度而逸出光管理單元。如圖6中所示，如所討論之第一群組光線般，該等光線166以與垂直方向大致為30°開始且接近位於與稜鏡之主軸垂直之平面內。然而，該等光線以不合需要之掠射角撞擊稜鏡－空氣小平面，且因此以掠射角自光管理單元射出。該群組之光線僅通過薄膜一次而逸出，但具有5次表面相互作用且在參考數字166處逸出。光線路徑166以掠射角自光管理單元射出，使得其將在錐光鏡中以相當良好界定於圖5中之邊緣區域154、155處之條帶表示。
圖7說明具有10次表面相互作用之光線167。光線以由暗區域分隔之明區域的離散帶自光管理單元射出，該等離散帶位於圖5中之錐光鏡曲線之邊緣區域154、155處。當發明者識別到光線路徑與眾多不同數目之表面相互作用相關聯時，其注意到對於給定數目之相互作用，光輸出被限定至嚴格限制之輸出角度範圍內。特定光線遭遇之表面數目及類型將由薄膜系統之詳細幾何形狀(包含基板厚度)確定。因此，輸出光之精確角度形狀或條帶極大程度上係視薄膜系統之詳細幾何形狀而定。舉例而言，對於圖5中所示之錐光鏡曲線，基板厚度為10密耳，稜鏡結構之角度為90°，稜鏡結構之厚度為25微米，且稜鏡具有尖銳頂點。高強度光輸出之橄欖球形區域150係為吾人所需，因為其將導致在觀視者最可能位於之角度處具有最高光強度。然而，在錐光鏡曲線之區域152、153中看到之明帶及暗帶非吾人所需。其將導致自沿垂直於稜鏡結構之視線的斜角處觀視光管理單元之觀視者看到色帶。
現在將關於圖8至圖14論述用於將漫射併入光管理單元以消除或降低明帶及暗帶之不同技術及結構的描述。
光管理單元中之漫射結構之實例
圖8說明本發明之光管理薄膜174之一實施例，其中稜鏡結構180包含粗糙表面182。通常藉由倚靠一工具模壓樹脂或聚合物而形成稜鏡結構表面182，且該工具可為粗糙的以提供所要位準之漫射。圖8中(及圖9至圖14中)之其他元件與圖3之該等元件相同編號，其中類似參考數字指示類似結構。
或者，可藉由二次塗層製程產生圖8中之稜鏡結構180的粗糙表面182。
圖9說明本發明之光管理薄膜187之另一實施例，其中稜鏡結構188中併入整體光漫射特徵。該等漫射特徵可為具有與稜鏡之樹脂折射率不同之折射率的珠粒、微氣孔或其他光散射微粒。
漫反射微粒之實例包含二氧化鈦、硫酸鋇、碳酸鈣或其類似物。
圖10說明本發明之光管理薄膜191之另一實施例，其中藉由一不平表面及在稜鏡塗層128與稜鏡基板192之間的界面處的折射率失配而達成光散射。稜鏡基板192包含不平頂面194。
圖11說明本發明之光管理薄膜197之另一實施例，其中稜鏡基板198中併入光散射微粒。光散射微粒可為上文關於圖9所討論之選擇物中之任一者。
圖12說明本發明之光管理薄膜200之又一實施例，其中稜鏡基板202包含結構化底面201。可使用工具或使用塗層來產生該結構化底面。此外，黏接層204具有與基板之折射率不類似或不相同的折射率。黏接層折射率與基板折射率之失配，組合以結構化底部基板表面，將作為整體提供一定位準之漫射至光管理單元200。
圖13展示本發明之光管理薄膜205之替代實施例，其中稜鏡基板130與反射偏光器124之間的黏接層206中併入光散射微粒。
圖14說明根據本發明之新型光管理單元207。光管理單元207包含具有漫射特徵且位於反射偏光器124與黏接層134之間的反射偏光器表層210。表層可包含兩種或兩種以上不可混溶之聚合物，該等聚合物之折射率差異提供光散射效應且其粒度分佈提供對表層中之漫射量的控制。製造漫射之替代方法包含經改質之表面結構及添加至表層材料中之離散微粒。可使用分離製程製造表層且經由包含但不限於壓敏黏接劑、熱固黏接劑及化學固化或光固化黏接劑之疊層製程將表層永久地或半永久地附接至光學媒體上。
例示性LCD組件
現在將描述用於根據本發明之LCD系統之組件的某些例示性結構。
背光112之反射器118可為鏡面反射器或可為漫反射器。可用作反射器118之鏡面反射器之一實例為可自位於3M Company,St.Paul,Minnesota購得到之VikuitiTM 強化鏡面反射(ESR)薄膜。合適之漫反射器之實例包含載有漫反射微粒(諸如二氧化鈦、硫酸鋇、碳酸鈣或其類似物)之諸如PET、PC、PP、PS(上文未定義之縮寫將在下文中定義)的聚合物。包含微孔材料及含原纖維材料之漫反射器的其他實例在共同擁有之美國專利申請公開案2003/0118805 A1(該案以引用的方式併入本文中)中討論。現在將論述用於光管理單元之組件的材料及結構的選擇。
可使用任何合適類型之反射偏光器，例如多層光學薄膜(MOF)反射偏光器，諸如連續相/分散相偏光器、線柵偏光器或膽固醇型反射偏光器。
MOF及連續相/分散相反射偏光器兩者依賴於至少兩種材料(通常為聚合材料)之間的折射率差異，以選擇性地反射處於一偏振狀態的光，而傳輸處於正交偏振狀態的光。在共同擁有之美國專利第5,882,774號(該案以引用的方式併入本文中)中描述MOF反射偏光器之某些實例。MOF反射偏光器之市售實例包含可自3M Company,St.Paul,Minnesota購得到之包含漫射表面的VikuitiTM DBEF－D200及DBEF－D440多層反射偏光器。
可用於本發明之線柵偏光器之某些實例包含在美國專利第6,122,103號中描述之彼等偏光器。線柵偏光器尤其可自Moxtek Inc.,Orem,Utah購得。
可用於本發明之膽固醇型偏光器之某些實例包含在(例如)美國專利第5,793,456號及美國專利公開案第2002/0159019號中描述之彼等偏光器。通常將膽固醇型偏光器連同輸出側面上之四分之一波長阻滯層一同提供，以便將經由膽固醇型偏光器傳輸之光轉換為線性偏振。
本發明所說明之實施例包含稜鏡基板130及底部基板132，雖然如圖8至圖14中所示，在將散射結構併入其中時，使用不同參考數字提及該等基板。基板130、132可由對可見光大體上透明之(例如)有機或無機材料(包含玻璃及聚合物)之任何材料而製成。具有不同配件之基板130、132不需要由相同材料製成。合適之玻璃包含浮法玻璃(亦即，使用浮式製程製成之玻璃)或被稱為LCD玻璃之LCD品質玻璃，該LCD品質玻璃之特性(諸如厚度及純度)較浮法玻璃而言更易控制。合適之聚合物材料可為非晶形或半晶質，且可包含均聚物、共聚物或其摻合物。亦可使用聚合物發泡體。實例聚合物材料包含但不限於以下各物：非晶形聚合物：諸如聚(碳酸酯)(PC)；聚(苯乙烯)(PS)；丙烯酸酯，例如由Cyro Industries,Rockaway,New Jersey以ACRYLITE品牌提供之丙烯酸系薄片；諸如丙烯酸異辛酯/丙烯酸之丙烯酸系共聚物；聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)；PMMA共聚物；環烯及環烯共聚物；丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物(ABS)；苯乙烯－丙烯腈共聚物(SAN)；環氧樹脂類；聚(乙烯基環己烷)；PMMA/聚(氟乙烯)摻合物；無規聚(丙烯)；聚(苯醚)合金；苯乙烯系嵌段共聚物；聚醯亞胺；聚碸；聚(氯乙烯)；聚(二甲基矽氧烷)(PDMS)；聚胺基甲酸酯；聚(碳酸酯)/脂族PET摻合物；及半晶質聚合物：諸如聚(乙烯)；聚(丙烯)；聚(對苯二甲酸乙二酯)(PET)；聚(萘二甲酸乙二酯)(PEN)；聚醯胺；離聚物；乙酸乙烯酯/聚乙烯共聚物；醋酸纖維素；乙酸丁酸纖維素；含氟聚合物；聚(苯乙烯)－聚(乙烯)共聚物；及PET與PEN共聚物。
漫射板除了為LCD提供更均一照明外，其可用作提供於其上駐留光管理單元之薄膜之支撐結構的目的。雖然附接層之薄膜堆疊中之該等層中的每一層均有助於增加堆疊之硬度，但基板為對硬度貢獻最大之層，亦即，基板提供較堆疊之其他層中之任何一層而言更大之抗彎曲力。漫射板通常在其自身重量下並不顯著變形，雖然其可在一定程度上下陷。視顯示器之大小及使用之材料類型而定，漫射板可為(例如)至多數毫米之厚度。在一個例示性實施例中，30"LCD－TV具有2密耳厚度之PMMA塊狀漫射板。在另一例示性實施例中，40"LCD－TV具有3密耳厚度之PMMA塊狀漫射板。漫射板可為厚度在1 mm至5 mm(含上限與下限)中變化的半透明聚合物板或玻璃板。
圖1中所說明之LC顯示器100包含漫射板122。可在本發明之LC顯示器之例示性實施例中包含漫射板122。漫射板之例示性實施例包含含有漫射微粒之聚合物基質。聚合物基質可為對可見光大體上透明之任何合適類型之聚合物，例如上文列出之聚合物材料中之任一者。
漫射微粒為可用於漫射光之任何類型之微粒，例如折射率不同於周圍聚合物基質之透明微粒，漫反射微粒或該基質中之氣孔或氣泡。合適之透明微粒之實例包含實心或中空無機微粒，例如玻璃珠粒或玻璃殼體；實心或中空聚合微粒，例如實心聚合球體或中空聚合球體。合適之漫反射微粒之實例包含二氧化鈦(TiO2 )、碳酸鈣(CaCO3 )、硫酸鋇(BaSO4 )、硫酸鎂(MgSO4 )及其類似物之微粒。此外，聚合物基質中之氣孔可用於漫射光。該等氣孔可充滿氣體，例如充滿空氣或二氧化碳。適用於漫射板之市售材料包含可自3M Company,St.Paul,Minnesota購得之3MTM ScotchcalTM 漫射薄膜(類型為3635－70及3635－30)及3MTM ScotchcalTM ElectroCutTM 圖形薄膜(Diffuser Film)(類型為7725－314)。其他市售漫射體包含丙烯酸泡棉膠帶，諸如第4920號3MTM VHBTM 之丙烯酸泡棉膠帶(3MTM VHBTM Acrylic Foam Tape No.4920)。
漫射板122可視情況補充額外之圖案化漫射體。圖案化漫射體122可包含(例如)圖案化漫射表面或印刷漫射層，諸如二氧化鈦(TiO2 )微粒。圖案化層可置於漫射板122與基板132之間或置於漫射板122上方。可將圖案化漫射體(例如)印刷於漫射板122上或印刷於置於漫射板122上方之薄片上。
以上說明書提供本發明之結構及用途之完整描述。因為可在不背離本發明之精神及範疇之情況下得到本發明之許多實施例，所以本發明歸屬於申請專利範圍。
20．．．第一表面/平滑表面
22．．．第二表面/結構化表面
24．．．稜鏡
26．．．頂點
28．．．稜鏡
30．．．谷點
36．．．第一光線
38．．．光線
40．．．光線
42．．．光線
100．．．顯示設備
102．．．液晶面板
104．．．液晶層
106．．．面板片
108．．．上吸收偏光器
110．．．偏光器
112．．．光源區/背光
114．．．控制器
116．．．光源
118．．．反射器
120．．．光管理單元
122．．．漫射板
124．．．反射偏光器
128．．．定向再循環層/稜鏡塗層
129．．．稜鏡隆起緣結構
130．．．稜鏡基板
131．．．平坦側面
132．．．底部基板
134．．．黏接層
136．．．第二黏接層
142．．．漫射光源
144．．．吸收玻璃偏光器
146．．．錐光鏡
150．．．橄欖球形區域
152．．．區域
153．．．區域
154．．．邊緣區域
155．．．邊緣區域
156．．．空氣
157．．．基板
158．．．稜鏡
159．．．偵測器
160．．．理想光線
161．．．基板－空氣界面
162．．．稜鏡－基板界面
164．．．稜鏡－空氣界面
165．．．空氣－偵測器界面
167．．．光線
174．．．光管理薄膜
180．．．稜鏡結構
182．．．粗糙表面
188．．．稜鏡結構
191．．．光管理薄膜
192．．．稜鏡基板
194．．．不平頂面
197．．．光管理薄膜
198．．．稜鏡基板
200．．．光管理薄膜/光管理單元
201．．．結構化底面
202．．．稜鏡基板
204．．．黏接層
205．．．光管理薄膜
206．．．黏接層
207．．．光管理單元
210．．．反射偏光器表層
300．．．稜鏡
P．．．間距
圖1說明具有光管理單元及防眩偏光器之LCD－TV結構之分解示意圖。
圖2說明可包含於本發明之光管理單元中之定向再循環層。
圖3說明根據本發明之光管理單元之橫截面圖。
圖4展示用於量測自光管理單元射出之光強度之實驗錐光鏡裝配的側示意圖。
圖5為自不包含漫射元件之光管理單元射出之光的錐光鏡曲線。
圖6至圖7說明對自光源射出之光具有不同數目之表面相互作用的各種光線路徑。
圖8至圖14為根據本發明之各種光管理單元之橫截面示意圖，其中該光管理結構內包括某些類型之漫射結構。
雖然本發明可以多種方式更改，但具體內容已在圖式中以實例之方式展示且將詳細描述。然而應瞭解本發明並未將本發明限制於所述之特定實施例。相反，本發明將在遵循由申請專利範圍界定之本發明之範疇及精神的情況下，涵蓋所有更改、均等物及替代物。
100．．．顯示設備
102．．．液晶面板
104．．．液晶層
106．．．面板片
108．．．上吸收偏光器
110．．．偏光器
112．．．光源區/背光
114．．．控制器
116．．．光源
118．．．反射器
120．．．光管理單元
122．．．漫射板
124．．．反射偏光器
128．．．定向再循環層/稜鏡塗層
130．．．稜鏡基板
132．．．底部基板

Claims (22)

  1. 一種用於附接至一顯示模組之光管理單元，其包含：a)一定向再循環層，其包含一結構化側面及一平坦側面，其中該結構化側面包含稜鏡結構；b)一反射偏光器，其適於傳輸具有第一偏振定向之光且反射具有不同偏振定向之光，其中該反射偏光器位於該定向再循環層之該平坦側面上；c)一漫射結構，其併入該定向再循環層中或併入該定向再循環層與該反射偏光器之間的界面中，其中該漫射結構漫射通過該漫射結構之光，(i)其中由該漫射結構引起之漫射足以防止當一沿一垂直於該等稜鏡結構之視線定位的觀視者在一與一垂直軸成斜角處觀視該光管理單元時看到色帶。
  2. 如請求項1之單元，其中該等稜鏡結構具有一個90度之角度。
  3. 如請求項1之單元，其中該漫射結構包含一在該定向再循環層之該結構化側面上的粗糙表面。
  4. 如請求項1之單元，其中該定向再循環層包括：一稜鏡基板層，其包含該平坦側面；及一稜鏡結構層，其包含該結構化側面；其中該漫射結構包含遍及該稜鏡結構層之一內部散播之光漫射特徵。
  5. 如請求項4之單元，其中該等光漫射特徵係選自由以下所組成之群：具有與形成該等稜鏡結構之樹脂折射率不同之折射率的珠粒、微氣孔及光散射微粒。
  6. 如請求項1之單元，其中該定向再循環層包含：一稜鏡基板層，其包含該平坦側面；及一稜鏡結構層，其包含該結構側面；其中該漫射結構包含遍及該稜鏡基板層之一內部散播之光漫射特徵。
  7. 如請求項6之單元，其中該等光漫射特徵係選自由以下所組成之群：具有與形成該稜鏡基板之樹脂折射率不同之折射率的珠粒、微氣孔及光散射微粒。
  8. 如請求項1之單元，其中該定向再循環層包含：一稜鏡基板層，其包含該平坦側面；及一稜鏡結構層，其包含該結構側面；其中該漫射結構包含：一折射率差異，其存在於該稜鏡基板層與該稜鏡結構層之間；及一粗糙表面，其位於鄰近該稜鏡結構層之該稜鏡基板層上。
  9. 如請求項1之單元，其中該定向再循環層包含：一稜鏡基板層，其包含該平坦側面；及一稜鏡結構層，其包含該結構側面；其中該光管理單元進一步包括一在該稜鏡基板層與該反射偏光器之間的黏接層，其中該漫射結構包含：一折射率差異，其存在於該稜鏡基板層與該黏接層之間；及一粗糙表面，其位於鄰近該黏接層之該稜鏡基板層之側面上。
  10. 如請求項1之單元，其進一步包括：(a)一在該定向再循環層與該反射偏光器之間的黏接層，其中該漫射結構包含該黏接層中之光散射微粒。
  11. 如請求項1之單元，其中該漫射結構包括：(a)一具有漫射特徵之反射偏光器表層，其位於該定向再循環層與該反射偏光器之間。
  12. 一種顯示系統，其包括：a)一背光；b)一液晶顯示器(LCD)面板，其包括上板與下板及一安置於該上板與該下板之間的液晶層；及c)一光管理單元，其安置於該背光與該LCD面板之間，其中該光管理單元包含：(i)一定向再循環層，其包含一結構化側面及一平坦側面，其中該結構化側面包含稜鏡結構；(ii)一反射偏光器，其適於傳輸具有第一偏振定向之光且反射具有不同偏振定向之光，其中該反射偏光器位於該定向再循環層之該平坦側面上；(iii)一漫射結構，其併入該定向再循環層中或併入該定向再循環層與該反射偏光器之間的界面中；其中由該漫射結構引起之漫射足以防止當一在平行於該等稜鏡結構之方向定位的觀視者在一與一垂直軸成斜角處觀視該光管理單元時看到色帶。
  13. 如請求項12之系統，其中該等稜鏡結構具有一約90度之角度。
  14. 如請求項12之系統，其中該漫射結構包含一在該定向再循環層之該結構化側面上的粗糙表面。
  15. 如請求項12之系統，其中該定向再循環層包含：一稜鏡基板層，其包含該平坦側面；及一稜鏡結構層，其包含該結構化側面；其中該漫射結構包含遍及該稜鏡結構層之一內部散播之光漫射特徵。
  16. 如請求項15之系統，其中該等光漫射特徵係選自由以下所組成之群：具有與形成該等稜鏡結構之樹脂折射率不同之折射率的珠粒、微氣孔及光散射微粒。
  17. 如請求項12之系統，其中該定向再循環層包含：一稜鏡基板層，其包含該平坦側面；及一稜鏡結構層，其包含該結構側面；其中該漫射結構包含遍及該稜鏡基板層之一內部散播之光漫射特徵。
  18. 如請求項17之系統，其中該等光漫射特徵係選自由以下所組成之群：具有與形成該稜鏡基板之樹脂折射率不同之折射率的珠粒、微氣孔及光散射微粒。
  19. 如請求項12之系統，其中該定向再循環層包含：一稜鏡基板層，其包含該平坦側面；及一稜鏡結構層，其包含該結構側面；其中該漫射結構包含：一折射率差異，其存在於該稜鏡基板層與該稜鏡結構層之間；及一粗糙表面，其位於鄰近該稜鏡結構層之該稜鏡基板層上。
  20. 如請求項12之系統，其中該定向再循環層包含：一稜鏡基板層，其包含該平坦側面；及一稜鏡結構層，其包含該結構側面；其中該光管理單元進一步包括一在該稜鏡基板層與該反射偏光器之間的黏接層，其中該漫射結構包含：一折射率差異，其存在於該稜鏡基板層與該黏接層之間；及一粗糙表面，其位於與稜鏡結構層相對之該稜鏡基板層之側面上。
  21. 如請求項12之系統，其進一步包括：(a)一在該定向再循環層與該反射偏光器之間的黏接層，其中該漫射結構包含該黏接層中之光散射微粒。
  22. 如請求項12之系統，其中該漫射結構包括：(a)一具有漫射特徵之反射偏光器表層，其位於該反射偏光器與該稜鏡層之間。
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