CN1117993C - 带有渐缓切割表面的亮度增强膜 - Google Patents

带有渐缓切割表面的亮度增强膜 Download PDF

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Abstract

一种亮度增强膜(40)有多个线性棱镜(46，48，50)。诸棱镜成对设置，每对有第一和第二棱镜，每个棱镜有一棱镜角和一谷部角。每对棱镜角彼此，或每对谷部角彼此，是相等的，但棱镜角和谷部角彼此不相等。

Description

带有渐缓切割表面的亮度增强膜
发明背景
众所周知的是，结构表面材料能提高朗伯背光，如通常用于液晶显示器(LCD)的那种背光的视在轴线亮度。这些膜被共同认作亮度增强膜。这些膜通过将以相对于显示器轴线较大的角度到较小的角度射入的光线折射而发挥功效。在无亮度增强膜时，以一相对于显示器轴线较小的角度射入的光线被反射回到背光以作再循环。在那处光线射到一漫射罩，混乱了它的方向。在被反射后它又进入亮度增强膜并如前面一样被折射或反射。
亮度增强膜的作用是通过减少以相对于显示器轴线的较大角度入射的光线量增加以较小角度入射的光线量。如此，当某人以相对于该轴线增大的角度看着一显示器时，明显可见的亮度被削弱了。一种普通的膜将提供的亮度从一平行于轴线的方向向一相对于轴线为约35°的角度慢慢削弱。在35°与40°之间明显可见的亮度削弱得很快。这种作用被熟知为一种锐切割。有些用户较喜欢一种较渐缓的或适度的切割。
发明概要
按照本发明的第一方面，一种用于增强一光源沿其轴线的视在亮度的亮度增强膜包括一第一表面和一第二表面，该第一表面是一结构表面，该第二表面是一平滑基面，在第一表面上设有多个线性棱镜，诸棱镜并排成对设置，每对棱镜为一第一棱镜和一第二棱镜，每个棱镜具有一棱镜角和一谷部角，每对棱镜角或每对谷部角彼此相等，但棱镜角和谷部角彼此不相等。。
按照本发明的第二方面，一种与一显示器结合使用的背光包括：一灯源；一灯管，它的位置使能接收来自所述灯源的光；以及，一亮度增强膜，用于增强该背光沿其轴线的视在亮度，该膜包括一第一表面和一第二表面，该第一表面是一结构表面，该第二表面是一平滑基面，在第一表面上设有多个线性棱镜，诸棱镜并排成对设置，每对棱镜为一第一棱镜和一第二棱镜，每个棱镜具有一棱镜角和一谷部角，每对棱镜角或每对谷部角彼此相等，但棱镜角和谷部角彼此不相等。
按照本发明的第三方面，一种背光显示器包括：一灯源；一灯管，它的位置使能接收来自所述灯源的光；一亮度增强膜，用于增强该背光显示器沿其轴线的视在亮度，该膜包括一第一表面和一第二表面，该第一表面是一结构表面，该第二表面是一平滑基面，在第一表面上设有多个线性棱镜，诸棱镜并排成对设置，每对棱镜为一第一棱镜和一第二棱镜，每个棱镜具有一棱镜角和一谷部角，每对棱镜角或每对谷部角彼此相等，但棱镜角和谷部角彼此不相等；以及，一液晶显示器模件。
附图简要说明
图1表示已有技术的亮度增强膜；
图2和3表示不带亮度增强膜的背光(backlight)的亮度曲线；
图4表示计算机对一已有技术亮度增强膜的光学增益的预测；
图5和6表示一在其上具有单片已有技术的亮度增强膜的背光的亮度曲线；
图7表示按照本发明的亮度增强膜的第一实施例；
图8表示一包括按照本发明的亮度增强膜的背光显示器；
图9表示计算机对单片图7所示的亮度增强膜的所作的预计的增益曲线；
图10和11表示一采用了单片图7所示的亮度增强膜的背光的亮度曲线；
图12和13表示一采用了两片图7所示的亮度增强膜的背光的亮度曲线；
图14和15表示一具有两片已有技术的亮度增强膜的背光的亮度曲线；
图16表示一不带亮度增强膜的背光的等亮度(iso-luminosity)曲线；
图17表示一具有两片亮度增强膜的背光的等亮度曲线；
图18表示一具有两片图7所示的亮度增强膜的背光的等亮度曲线；
图19表示本发明的亮度增强膜的的另一可供选用的实施例；
图20表示具有一按照本发明的亮度增强膜的背光显示器；
图21表示计算机绘制的、图19所示的亮度增强膜的估计的增益曲线；以及
图22和23表示两片图19所示的亮度增强膜的估计的增益曲线。
详细说明
下面的讨论将描述亮度增强膜，当沿着与显示器轴线平行的一方向观看该显示器时，该种亮度增强膜能增大结合一信息显示器使用的背光的视在亮度。为此，显示器轴线垂直于该显示器的平面。另外，当有两个亮度增强膜在同一显示器中时，离光源较远的那一个被认作顶部的一个，而不管在任何给定的时间的定向如何。
一般说来，已有技术的亮度增强膜包括一在其上具有诸平行的线性棱镜的结构表面。其他的表面通常是平滑的。这些棱镜一般是与相邻的侧边组成一等腰三角形，其顶峰部和低谷部均为90°角(尽管可采用其他的角度)。
图1表示了一已有技术的典型的亮度增强膜。总的标号为18的图1的亮度增强膜有一平滑表面20和一结构表面22。结构表面22有多个如棱镜24和26的棱镜。通常，顶峰部被选取为90°角，因为这样就使沿着显示器轴线的亮度得以最大地提高。
图1表示已有技术亮度增强膜是如何改善沿着显示器轴线的视在亮度。设定图1的亮度增强膜是由聚碳酸酯制成，其折射率为1.586。在图1中，表示了四条典型的光线。第一条光线36以一切线角，即一相对于法线大致为90°的角度射到平滑表面20上。如当光线36射到结构表面材料18上与表面20的法线的夹角为89.9°时，该光线36通过该结构表面材料18时以相对于法线为39.1°的角度折射。在到达结构表面22时，该光线又被折射。由于结构表面22的结构所决定的，该光线被折射并使与该结构表面22的法线的夹角较小。在该实例中该夹角为35.6°。
光线38以一更接近于法线的夹角射到平滑表面20上。当该光线通过该平滑表面20时也被折射，但其折射度较小。如果光线38以一与平滑表面20的法线为10°的夹角射到平滑表面20时，它将从结构表面22以一与平滑表面20的法线为37.7°的夹角但在法线的另一侧射出。
光线40以某一角度射入结构表面22，并使它在内部被该表面两次全部反射。
最后，光线42以一与光线38的类似的入射角射到平滑表面20上，但射在一相对的斜刻面上并在内部由结构表面22上的一棱镜的一侧面全部反射，而不是由第二侧反射。其结果，它以与平滑表面20的法线的一较大的夹角射出。由于这样的一反射仅仅发生于这样的一条光线，即该条光线沿一对一被该光线照射的侧面形成一较大的入射角的方向行进，故诸棱镜对于这样的光线提供一很小的横截面。此外，相对这样的光线将重新进入下一个棱镜并返回。
图2是无任何亮度增强膜的、与LCD结合使用的一典型的背光的水平亮度扫描的曲线。在图2中画出的是以尼特(新烛光/米2)为单位的亮度与相对于背光轴线的观察角的关系。一水平扫描表示测量装置是在水平面内转动的。如从图2可看出的，从一轴线上观察角向外至大约35°处亮度是相当地稳定。在大约35°处，亮度开始下降。
图3是同一个由图2所示的背光的垂直亮度扫描。可看出，亮度与垂直角的函数关系与图2所示的亮度与水平角的函数关系类似。
图4是采用了单片已有技术的亮度增强膜的一背光所期望的光学增益的曲线，该光学增益是在一垂直于诸棱镜的平面内的观察角的函数。绘制图4所示的曲线的计算设定空腔效率(cavity efficiency)为75％而亮度增强膜的折射率为1.586。光学增益定义为在无亮度增强膜的情况下在一特定的观察角的亮度与该背光在背光轴线上的亮度之比。可看出，在背光轴线上增益达到一峰值为约1.6，并在从背光轴线的角度为约35°之前增益下降较慢，而到了35°后下降的较快。
图5是一现有的已有技术亮度增强膜的实际测得的亮度值的曲线，该亮度增强膜具有诸90°棱镜和50微米的峰-峰距，并在一垂直于棱镜方向的平面内转动。可看出，这个曲线较好符合于图4的理论曲线。为作对比，图6曲线中所示的实测的亮度值是沿着诸棱镜而不是垂直于诸棱镜的观察角的函数。
图7表示了一按照本发明提供的一渐缓切割面的膜。图7表示了一按照本发明的、总的标号为40的亮度增强膜。亮度增强膜40包括一基片42和一结构表面材料44。基片42一般是由聚酯材料制成，结构表面材料44一般由紫外处理的丙烯材料制成。或者，该亮度增强膜40也能被挤压成单一结构而无分离的基片与结构表面覆盖层。基片42的外表面最好是平的，但也可有结构。另外，也能使用其他的可供选择的基片。
结构表面材料44具有多个在其上形成的如棱镜46、48和50的棱镜。棱镜46、48和50分别具有峰部52、54和56。尽管所有的峰部52、54和56所具有的峰角或棱镜角如在60°-120°范围内也能有效地工作，但最好是取为90°。在棱镜46与48之间是一低谷部58。在棱镜48与50之间是一低谷部60。低谷部58可被认为是与棱镜46有关的低谷部，其谷部角为70°，而低谷部60可被认为是与棱镜48有关的低谷部，其谷部角为110°，当然也可取其他角度值。有效的是，象已有技术亮度增强膜一样，该亮度增强膜40通过反射和再循环一些光线而折射其余光线提高了一背光的轴线亮度的视在性，但诸棱镜是沿诸交替的方向斜削的。棱镜斜削的效果是为了增加输出光锥的幅度。
图8表示了一按照本发明的显示器。图8的显示器8包括一光源62，一般为一小的荧光灯。光源62的后面是一沿所需方向引导光线用的反光器64。该反光器64将从光源62来的光线引导到灯管66中。典型的灯管66是由光学透明的丙烯材料制成的整体件。在该灯管66之后面的是一种反射材料68。一般说来，在灯管66的背面上是诸光线引出点(extraction dot)(未图示)。在灯管66的前面是一扩散器70。来自灯管66的光线从其前面引出而通过该扩散器70加以引导。
在扩散器70的前面是亮度增强膜72。光线通过扩散器70后进入亮度增强膜72。如上所述，亮度增强膜72反射或折射光线。被反射的光线将通过扩散器70和灯管66返回，并被反射材料68反射。这光线然后被再循环。扩散器70将光线的方向搞乱使它不被亮度增强膜72重复反射。另外可取的是，也可略去扩散器70，反射材料68能为一扩散反射镜。
被亮度增强膜72折射的光线进入一任选的第二片亮度增强膜74。该亮度增强膜74的材料可与亮度增强膜72的相同，但诸棱镜沿着不同的方向延伸，通常沿着垂直于亮度增强膜72的方向延伸。或者，亮度增强膜74可为已有技术的一亮度增强膜或本发明的亮度增强膜的另一实施例。尽管包括两个亮度增强膜通常可实现较高的增益，即使如从该显示器略去亮度增强膜74，还是能达到本发明的有益效果。
光线从亮度增强膜74射出后通过LCD76。图9表示对结合一典型的背光使用的、图7所示的类型的亮度增强膜的所期望的光学增益进行计算机计算的结果。可看出，所期望的轴线上光学增益略小于图4中对已有技术亮度增强膜所示的值。但相反的是，该增益随着提供的所需渐缓切割角度的增大而更加逐步倾斜。
图10表示了对采用了图7所示类型的亮度增强膜的一背光的亮度的实测结果，它是观察角的函数。图10所示的测量结果是沿着垂直于棱镜的方向测得的。可看出，图10所示的曲线形状非常类似于图9所示的预料的形状。
图11表示了对具有单片图7所示类型的亮度增强膜的一背光的亮度的实测值，它是平行于棱镜的观察角的函数。可看出，图11所示的曲线形状相似于无一如图2所示的亮度增强膜的背光的形状。但是，由于亮度的增强作用使提高了亮度值。
图12表示了具有两片图7所示类型的亮度增强膜、按照图8的一背光的亮度，它是平行于图8的亮度增强膜74的棱镜方向的角度的函数。图13是图8的背光沿垂直于图8的亮度增强膜74的棱镜方向的一方向所实测的亮度。为对比起见，图14和15分别是使用对应于图12和13的已有技术亮度增强膜的一背光的亮度曲线。可看出，在图12和13的曲线中的亮度值随着角度的增大而较快地减小了，如此提供了所需的渐缓切割。
图16、17和18分别表示一无亮度增强膜的背光、一带有交叉的诸已有技术的亮度增强膜的背光和一带有交叉的诸图7所示类型的亮度增强膜的背光的等亮度扫描。这些扫描表示背光在从显示器轴线0°-60°范围内在该灯的前面围绕一360°方位角的亮度。虚线表示的圆表示相对于背光轴线为10°、20°、30°、40°和50°。这些图样的较亮的区域表明是其亮度较大，而较深暗的区域表明是其亮度较小。需注意的是，比例是按照各个不同显示器的总共在轴线上的亮度调节的。所以这些表明该亮度是每个背光的角度的函数，但不能直接彼此比较以表明每一个的总的亮度。
如可从图16看出的，无任何亮度增强膜的背光的亮度直到在相对于轴线为40°与50°之间的角度值时开始下降前是相对恒定的。相反，图17所示的带有已有技术的亮度增强膜的恒定的亮度下降的较快，达到在角度约为25°时的其亮度的一半，如由虚线80所示。在比25°大的诸角度时亮度下降的十分快。
与图17所示的曲线相比，图18所示的亮度曲线随角度的增大而逐渐下降。如由线82所示，在略大于30°时亮度值是最大值的一半。此后，亮度曲线仍然比起图17的逐渐地倾斜。
作为图7所示的渐缓切割亮度增强膜的一种可供选择的方案，通过使用对称的棱镜可达到一种类似的作用，但为诸棱镜提供了诸交替的峰部角。最好是诸棱镜在大于90°与小于90°之间交替。图19表示了这样一种膜。亮度增强膜140包括一基片142和一结构表面覆盖层144。如图8所示的膜中，基片142通常为聚酯制成，而膜144则为一种紫外处理过的丙烯膜。也象图7的亮度增强膜一样，图19的膜还能通过如挤压的工艺以一种整体结构制出。
结构表面复盖层144包括如棱镜146、148和150的诸棱镜。棱镜146、148和150分别有峰部152、154和156。峰部152和156具有110°的峰部角或棱镜角。峰部154有一70°的峰部角或棱镜角。在峰部152与154之间是一与峰部152有联系的低谷部158。在峰部154与156之间是一与峰部154有联系的低谷部160。低谷部158和160具有90°的谷部角。
图20表示了一使用包含图19的亮度增强膜的背光的显示器。在图20的显示器中，光源162、反光器164、灯管166、反光器168和扩散器170所有的功能类似于图8所示系统中的对等的零件的功能。亮度增强膜的172和174的功能类似于图8所示系统中的诸可比的零件的功能。也与图8所示的系统一样，亮度增强膜172与174中的任一个可为已有技术的亮度增强膜或图7的亮度增强膜和图19的亮度增强膜。最后，LCD 176用来实际显示数据。
图21是一从图19的单片亮度增强膜获得的所期望的增益的计算机产生的模型，该增益是角度的函数，被测量的显示器的轴线与诸槽交叉。可看出，随角度的增大这个增益得以逐渐地下降。图22和23所示的曲线是由计算机产生的，表示具有两片分别与上方膜的诸槽交叉和平行的图19所示的亮度增强膜的一背光的所期望的增益值。
熟悉该技术领域的普通技术人员认识到，为了避免由相邻的亮度增强膜之间的光学连接引起的一些问题，诸棱镜的高度可按照其公开内容在本申请文本中已被引用的美国专利申请08/400,052中的传授改变。

Claims (5)

1.一种用于增强一光源沿其轴线的视在亮度的亮度增强膜，该膜包括一第一表面和一第二表面，所述第一表面是一结构表面，所述第二表面是一平滑基面，在所述第一表面上设有多个线性棱镜，所述诸棱镜并排成对设置，每对棱镜为一第一棱镜和一第二棱镜，每个棱镜具有一棱镜角和一谷部角，每对棱镜角或每对谷部角彼此相等，但棱镜角和谷部角彼此不相等。
2.一种与一显示器结合使用的背光，所述背光包括：
一灯源；
一灯管，它的位置使能接收来自所述灯源的光；
一亮度增强膜，用于增强所述背光沿其轴线的视在亮度，所述膜包括一第一表面和一第二表面，所述第一表面是一结构表面，所述第二表面是一平滑基面，在所述第一表面上设有多个线性棱镜，所述诸棱镜并排成对设置，每对棱镜为一第一棱镜和一第二棱镜，每个棱镜具有一棱镜角和一谷部角，每对棱镜角或每对谷部角彼此相等，但棱镜角和谷部角彼此不相等。
3.按照权利要求2的背光，其特征在于，它还包括一在所述灯管与所述亮度增强膜之间的一扩散器。
4.一种背光显示器，它包括：
一灯源；
一灯管，它的位置使能接收来自所述灯源的光；
一亮度增强膜，用于增强所述背光显示器沿其轴线的视在亮度，所述膜包括一第一表面和一第二表面，所述第一表面是一结构表面，所述第二表面是一平滑基面，在所述第一表面上设有多个线性棱镜，所述诸棱镜并排成对设置，每对棱镜为一第一棱镜和一第二棱镜，每个棱镜具有一棱镜角和一谷部角，每对棱镜角或每对谷部角彼此相等，但棱镜角和谷部角彼此不相等；以及
一液晶显示器模件。
5.按照权利要求4的背光显示器，其特征在于，它还包括一在所述灯管与所述亮度增强膜之间的一扩散器。
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