CN100541239C - 用于背光照明式显示器的减少莫阿干涉现象的棱镜片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种与背光照明式显示器一起使用的膜，其在一个表面上具有棱镜结构。该棱镜结构具有蛇形形状，其中，所述蛇形形状具有平均幅度和平均周期，所述平均幅度和所述平均周期选择为减少可见的莫阿干涉现象。

Description

用于背光照明式显示器的减少莫阿干涉现象的棱镜片

技术领域

本发明涉及用于背光照明式显示器的棱镜片和使用该棱镜片的背光照明式显示器。更具体地说，本发明涉及减少莫阿干涉现象的棱镜片和使用该棱镜片的背光照明式显示器。

背景技术

电子显示器常常在背光源的前面使用光选通装置，例如液晶显示器(LED)。背光源可以仅仅作为位于光选通装置的后面的发光元件，例如荧光管，或者可以具有更复杂的布置。常用的布置是使用与边缘导光片相邻地设置的发光元件，例如冷阴极荧光管(CCFT)或者一个或多个发光二极管(LED)，其中该边缘导光片位于光选通装置的后面。导光片在整个光选通装置上传导和分布光。

可以在光源或导光片和光选通装置之间设置各种类型的光学膜。其例子包括具有背向光源的棱镜的棱镜膜、具有面向光源的棱镜的棱镜膜、扩散膜和反射偏振片。通过将来自背光源的光限制在比没有该膜的情况下更窄的角度范围内，在面向光选通装置的一侧上具有棱镜的棱镜膜提高显示器的轴向亮度。具有面向背光源的棱镜的棱镜膜与特定类型的导光片一起使用，该导光片发射的光与法线成大角度(通常，70°以上)。这些棱镜膜用来将光转向法线。扩散片和反射偏振片正如其名字上的含义那样工作。

当与具有规则的像素阵列的光选通装置一起使用棱镜膜时，一个已知的问题是莫阿干涉现象，这是由于线性棱镜的规则图案与光选通装置中的像素行列相互作用而产生的。已经试图通过下述各种方式来避免该问题：布置棱镜膜，使得棱镜与像素行列成非零度或者90°的角度；或者选择棱镜尺寸，使得莫阿干涉的空间频率与显示器的空间频率差别足够大。

附图说明

图1是用于增强显示器的视在亮度的膜；

图2是使用图1的膜的显示器；

图3是现有技术的莫阿干涉现象的示意展示；

图4是根据本发明的膜的图；

图5a至图5f是根据本发明的各种膜的莫阿干涉现象的示意展示；

图6是根据本发明的膜的单个棱镜的图；以及

图7是根据本发明的另一可选的显示器的示意性图。

具体实施方式

下面以液晶显示器为例描述本发明，但是本领域的技术人员将会了解，本发明可用于选择性地阻挡或者透射光的任何显示器。这种显示器称为光选通装置。图1示出用于提高显示器的轴向亮度的膜18。膜18具有第一表面20和第二表面22。第二表面22包括多个结构。一般来说，这些结构是三角形棱镜，例如，棱镜24，但是可以使用其它的形状。棱镜24具有峰26。试验表明，如果峰26是尖角并且形成90°的角度，则增益(即，具有膜的背光源的轴向亮度与没有膜的同一背光源的轴向亮度之比)最大，但是其它考虑事项可能导致用户选择圆角或者其它的角度。在棱镜24和相邻的棱镜28之间的是谷30。与峰26的情况一样，如果谷30是尖的，并且形成90°的角度，则膜18的增益最大，但是谷30可以是圆形的或者形成其它的角度。

棱镜具有峰至峰的间距，称为膜18的节距P。一般来说，节距应当是足够小，以使这些棱镜对观看包括膜18的显示器的用户来说是不可见的，但是不能太小以致于衍射效应降低性能。商用的产品通常具有在约24μm和50μm之间的节距。

通常，第一表面20是光滑的表面。在上下文中，光滑的表面应该理解为是指表面20上的任何结构与膜18的表面22上的棱镜(例如棱镜24)的尺寸相比是小的。通常，为了帮助隐藏膜18后面的背光源的任何结构，表面20将是不光滑的表面。或者，该表面22可以具有其它的结构，例如用于减少从表面20的菲涅耳反射的蛾眼结构。

图1示出四束示例光线。第一束光线36以掠射角即与法线成近似90°的角度进入表面20。当光线36穿过表面20时，它被向膜18的法线折射。达到结构表面22时，它将再次被折射。由于结构化表面22上的结构，该光线被折射，从而它再次与膜18的法线成更小的角度。光线38以非常靠近膜18的法线的角度进入光滑表面20。当它穿过表面20时也被折射，但是折射的程度较少。当该光线从表面22射出时，它就被再次折射，从而处于膜18法线的与其刚入射到表面20上时所处的一侧相对的一侧上。光线40以接近膜18的法线的角度或者以膜18法线的角度进入，被结构化表面22全内反射两次，然后返回到背光源。光线42以与光线38相似的角度进入表面，但是其进入的位置使得该光线被结构化表面22上的棱镜的一侧全内反射，但不被第二侧全内反射。结果，该光线与膜18的法线成大角度地射出。因为仅对沿着与其入射的一侧形成高入射角的方向传播的光线才发生这种反射，所以这些棱镜对这种光线提供非常小的横截面。另外，这些光线中的很多再次进入下一棱镜，并且返回到显示器中。

从该讨论中可知，在没有膜18的情况下，光与显示器的轴线成大角度地从显示器中射出，并且重定向到更靠近该轴线的方向。少量的光与轴成大角度地导出。因此，我们可以说，以大于预定角度的入射角穿过表面20进入膜18的光被导入比其进入的角度范围更窄的角度范围。以小于预定角度的入射角穿过表面20进入膜18的光将被反射回到背光源中。

向背光源反射回的光被散射，并且反射回膜18。一般而言，该光将形成与第一次不同的角度。然后，重复该过程，使得更多的光重定向到更窄的角度范围内。膜18操作的关键方面是，膜18必须能够反射以第一预定角度范围入射在其上的光，并且通过而不是折射以第二预定角度范围入射在其上的光，其中，第二角度范围内的角度大于第一角度范围内的角度，并且，第二角度范围中的光被折射到比其进入的角度范围更窄的角度范围内。

图2是使用两个如图1所示的膜的典型显示器。虽然可以使用单个膜，但是大多数LCD显示器使用两个这样的膜。

显示器50包括外壳52，该外壳包封显示器。光源56在外壳52的里面。通常，光源56是冷阴极荧光管。反射镜54部分包围光源56。反射镜54可以是任何高反射材料。可用作反射镜54的材料的例子是如美国专利5,882,774中所述的多层光学膜。导光片58与光源56光学耦合。导光片58可以是丙烯酸树脂，或者任何其它高透明的材料。通常，导光片58具有丝网印刷在背向液晶的一侧上的点图案，从而有助于提取光，以照明LCD。从导光片58提取出的光穿过膜18a和18b。膜18b具有与膜18a上的结构相似的结构，但是在图2中无法看见它们，因为它们与膜18a的结构垂直。使用两个图1的膜18的类型的膜的作用是，通过使原来在水平维度和垂直维度上以高的角度从显示器中射出的光向更靠近显示器的入口的角度移动，来提高增益。

光从膜18b中射出之后，穿过扩散片60。扩散片60帮助向用户隐藏棱镜和印刷在导光片上的点。穿过扩散片60之后，光穿过液晶显示器62和保护盖板64。

在现有技术中，膜18的棱镜通常是线性棱镜。线性棱镜的问题是，它们倾向于与LCD显示器中的线性像素行列产生莫阿干涉现象。图3示出这种情况。在图3中，诸如水平线70之类的水平线和诸如垂直线72之类的垂直线的阵列表示典型的LCD显示器中的像素阵列。每个像素是正方形的，并且由三个水平排列的子像素构成：一个红色，一个绿色，一个蓝色。因此，像素阵列的水平线是垂直线的三倍。覆盖在该像素阵列上的是一系列的垂直线，例如线74，表示具有线性形貌的膜，例如膜18。诸如线74之类的线表示棱镜的峰。当从约6米的距离观看时，图1将具有这样视觉效应，即从约45厘米的距离(即，使用具有LCD显示器的计算机的人们的典型的观看距离)观看具有诸如膜18之类的带线性棱镜的膜的典型LCD显示器。当从该距离观看图3时，莫阿干涉的明暗条纹清楚可见。

图4示出膜18的另一可选的形式。图4的膜18包括弯曲的或者蛇形的棱镜，例如棱镜80。蛇形图案可以是随机的，或者如图所示，是规则的和周期的。一般来说，规则的和周期的曲线造成的膜18增益的降低很少。

图5a至图5f是与图3相似的图，不同之处在于，表示棱镜峰的线是蛇形的，而不是线性的。当从6米的距离观看时，这些线中的大部分表现出不可辨别的莫阿干涉图案。即使莫阿干涉图案是可见的，但与线性棱镜所产生的莫阿干涉图案相比较，也是减少了。

图6是图5的膜18的单个棱镜的俯视图。不管蛇形图案是随机的还是规则的和周期的，蛇形曲线都具有平均幅度A和平均周期L。当图案是规则的和周期的时，平均幅度和平均周期仅仅等于实际的幅度和周期。应该适当选择平均幅度和平均周期，以使可见的莫阿干涉现象最少。一般来说，幅度应该大于子像素尺寸的约四分之一，并且周期应该至少约等于像素尺寸，周期与幅度之比不应当太大。试验表明，高达12比1的周期与幅度之比在限制可见的莫阿干涉现象方面会是有效的，但是，较大的比值可能会消除可见的莫阿干涉现象。即使不能完全消除可见的莫阿干涉现象，蛇形棱镜也倾向于减少可见的莫阿干涉现象。因此，具有蛇形图案但是不满足上述幅度和周期限制要求的棱镜仍是有用的。

图7是整体上表示为90的另一可选的显示器的示意图。显示器90包括接收来自CCFT 94的光的导光片92。反射镜96收集来自CCFT94的光，并且将它导入导光片92中。

导光片92是锥形的或者楔形的。当光沿着导光片92传播时，由于导光片92的锥形的形状，该光与导光片92的表面所成的角度随着每次反射而改变。最终，光以小于全内反射的临界角的角度入射在导光片92的一个表面上，并且射出。反射镜97反射从导光片92的背侧射出的光。从导光片92射出的光与导光片92的表面的法线成非常大角度地射出。棱镜膜98捕获该光，并且通过在棱镜的小面上所发生的全内反射而改变该光的方向，使得该光沿着显示器的轴线传播。还提供了扩散片100和液晶面板102。

与图2的显示器的情况一样，膜98的棱镜会与液晶面板102的像素阵列产生莫阿干涉现象。通过使这些棱镜具有蛇形图案，可以减少或者消除莫阿干涉现象。关于选择蛇形图案的幅度和节距，对图2的显示器所考虑的事项同样适用。

根据本发明的膜可以由任何透明的聚合物材料制成，例如聚碳酸酯或者丙烯酸树脂。用于例如图2所示的显示器中的膜通常应该具有高的折射率。一般来说，1.72的折射率被认为是最佳的，但是，市售产品通常具有约1.585的折射率。用于图7所示的类型的显示器中的膜通常具有较低的折射率。根据本发明的膜可以由任何已知的方法制造，例如挤出或者浇铸固化可UV固化的树脂。

无论是通过挤出工艺，还是通过浇铸固化工艺，都可以通过已知的金刚石车削技术制造用于制造根据本发明的膜的工具的母模。通常，通过在称为辊的圆柱形坯上进行金刚石车削来制造工具。辊的表面通常是硬铜，但是可以使用其它的材料。围绕辊的外周以连续图案的形式形成棱镜结构。在优选的实施例中，通过称为螺纹切削的技术生产凹槽。在螺纹切削过程中，在辊上切割单个的连续的凹槽，与此同时，沿着与车削辊的方向垂直的方向移动金刚石工具。如果要产生的结构具有恒定不变的节距，则以恒定不变的速度移动该工具。典型的金刚石车床独立地控制工具进入辊中的深度、工具与辊所成的水平角度和垂直角度、以及工具的横动速度。

在本发明中，使用快速工具伺服(FTS)在金刚石工具的恒定不变的横向运动上叠加往复运动。另外，如美国专利6,354,709中所教导的，还可使用FTS将金刚石工具移动到不同的深度，以提供不同高度的棱镜，该专利以引用方式并入本文。

Claims (12)

1.一种用于光选通装置的背光源中的棱镜膜，该光选通装置具有像素阵列，其中，

所述棱镜膜的棱镜具有蛇形形状；

所述蛇形形状具有平均幅度和平均周期；并且

所述像素由子像素构成，并且，所述像素和所述子像素均具有宽度，所述平均幅度大于或者等于所述子像素宽度的25％，所述平均周期大于或者等于像素的宽度。

2.根据权利要求1所述的棱镜膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期选择为基本上消除可见的莫阿干涉现象。

3.根据权利要求1所述的棱镜膜，其中，所述蛇形形状是规则的、周期的。

4.根据权利要求3所述的棱镜膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期选择为基本上消除可见的莫阿干涉现象。

5.根据权利要求1所述的棱镜膜，其中，所述平均周期与所述平均幅度之比小于或者等于12比1。

6.一种背光照明式显示器，包括：

背光源；

光选通装置，其具有像素阵列；以及

位于所述背光源和所述光选通装置之间的根据权利要求1所述的棱镜膜。

7.根据权利要求6所述的背光照明式显示器，其中，所述蛇形形状是规则的、周期的。

8.根据权利要求7所述的背光照明式显示器，其中，所述平均幅度和所述平均周期选择为基本上消除可见的莫阿干涉现象。

9.根据权利要求6所述的背光照明式显示器，其中，所述平均周期与所述平均幅度之比小于或者等于12比1。

10.根据权利要求6所述的背光照明式显示器，其中，棱镜位于所述棱镜膜的与所述光选通装置相同的一侧上。

11.根据权利要求10所述的背光照明式显示器，其中，所述显示器包括位于所述背光源和所述光选通装置之间的第二膜，该第二膜在一侧上具有棱镜结构，其中，所述第二膜的所述棱镜结构具有蛇形形状，并且位于所述第二膜的与所述光选通装置相同的一侧上。

12.根据权利要求6所述的背光照明式显示器，其中，所述背光源包括导光片，棱镜位于所述棱镜膜的与所述背光源相同的一侧上。

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