具有输出方向控制的显示设备及用于这种显示设备的背光制造技术

一种显示背光，包括边缘发光式波导，该边缘发光式波导具有光耦出结构的阵列，光耦出结构的每一个例如包括伸入到波导内的突起。每个突起具有射束重定向面，其与法线形成角a。将角a和波导的折射率以及波导外部(输出面之上)的折射率设计为满足各种关系，这确保可以将光学输出选为处于大致向前的方向上的期望的角度范围内(并且因此不被消减)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有输出方向控制的显示设备及用于这种显示设备的背光
本专利技术涉及一种用于显示设备的背光，其特别适用于其中图像显示在窄范围的输出方向上的显示设备。一个示例是自动立体显示设备，其包括具有显示像素阵列的显示面板和用于向不同物理位置引导不同视图的装置。另一示例是防窥显示装置，其中只在观看者的方向上提供显示图像。
技术介绍
已知的自动立体显示设备包括二维液晶显示面板，该二维液晶显示面板具有显示像素的行和列的阵列(其中一个“像素”典型地包括一组“子像素”，并且“子像素”是单独可寻址的、单色的最小图像元件)，其充当了图像形成装置以产生显示。彼此平行延伸的细长透镜的阵列覆盖显示像素阵列并且充当视图形成装置。这些透镜被称为“柱状透镜(lenticularlens)”。来自显示像素的输出穿过这些柱状透镜被投射，所述柱状透镜起到修改输出方向的作用。柱状透镜设置为透镜元件的板状物，每个透镜元件包括细长的半圆柱型透镜元件。柱状透镜在显示面板的列方向上延伸，每个柱状透镜覆盖显示子像素的两个或更多个相邻列的相应的组。每个柱状透镜可以与两列显示子像素相关联，以使得用户能够观察到单个立体图像。替代性地，每个柱状透镜可以与行方向上的三个或更多个相邻显示子像素的组相关联。每个组中的显示子像素的对应列适当地布置成从相应的二维子图像提供垂直分片(slice)。随着用户的头部从左向右移动，观察到一系列连续的、不同的、立体的视图，这创建了例如环顾印象。图1是已知的直视式自动立体显示设备1的示意性透视图。已知的设备1包括有源矩阵型的液晶显示面板3，其充当空间光调制器以产生显示。显示面板3具有显示子像素5的行和列的正交阵列。为了清楚起见，图中只示出了少数的显示子像素5。实际上，显示面板3可以包括大约一千行和几千列显示子像素5。在黑白显示面板中，子像素实际上构成了完整的像素。在彩色显示装置中，子像素是全彩像素的一个颜色组件。根据通用术语，全彩像素包括对于创建所显示的最小图像部分的所有颜色而言所必须的所有子像素。因此，例如，全彩像素可以具有红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)子像素，可能增加白色子像素或者一个或多个其他基本颜色子像素。液晶显示面板3的结构是完全常规的。特别地，面板3包括一对间隔的透明玻璃基板，它们之间设置有排列的扭曲向列型的液晶材料或其他液晶材料。基板在它们的面对的表面上承载了透明氧化铟锡(ITO)电极的图案。在各基板的外表面上还设置有偏振层。每个显示子像素5包括在各基板上的相对的电极，在相对的电极之间具有介于中间的液晶材料。显示子像素5的形状和布局由电极的形状和布局确定。显示子像素5有规律地通过间隙彼此间隔开。每个显示子像素5与开关元件(诸如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管(TFD))相关联。通过向开关元件提供寻址信号，操控显示像素以产生显示，并且对本领域技术人员而言，合适的寻址方案是已知的。显示面板3由光源7照亮，在这种情况下，光源7包括在显示像素阵列的区域之上延伸的平面背光。来自光源7的光被定向穿过显示面板3，独立的各显示子像素5被驱动以调制光并产生显示。背光7具有侧边缘7a和7b、顶边缘7c和底边缘7d。其具有前面，光从所述前面输出。显示设备1还包括透镜板9，其布置在显示面板3的显示侧之上，该透镜板执行导光功能并且因此执行视图形成功能。透镜板9包括彼此平行地延伸的透镜元件11的行，为了清晰起见，仅以放大的尺寸示出了透镜元件中的一个。透镜元件11的形式为凸面的(半)圆柱型透镜，每一个具有垂直于该元件的圆柱弯曲部分延伸的细长轴12，并且每个元件充当光输出定向装置，该光输出定向装置用于从显示面板3向位于显示设备1前方的用户的眼睛提供不同的图像或视图。显示设备具有控制背光和显示面板的控制器13。图1中示出的自动立体显示设备1能够在不同的方向上提供若干不同的透视图，即，它能够将像素输出定向到显示设备的视场内的不同的空间位置。特别地，每个透镜元件11覆盖每一行中的显示子像素5的小组，其中在当前示例中，行垂直于透镜元件11的细长轴延伸。透镜元件11在不同的方向上投射组的每个显示子像素5的输出，以便形成若干不同的视图。随着用户的头部从左向右移动，他/她的眼睛将依次接收到若干视图中的不同视图。图2更详细地示出了上面描述的透镜型成像装置的操作原理，并且示出了背光20、显示设备24、液晶显示面板和透镜阵列28的横截面。图2示出了透镜装置28的透镜27如何将像素组中的像素26’、26”和26”’的输出定向到显示设备前方的相应的三个不同的空间位置22’、22”和22”’。不同的位置22’、22”和22”’是三个不同视图的部分。以类似的方式，显示像素26’、26”和26”’的相同输出由装置28的透镜27’定向到相应的三个其他的不同空间位置25’、25”和25”’。在三个空间位置22’至22”’定义第一视区或视锥29’的同时，三个空间位置25’至25”’定义第二视锥29”。应理解，取决于能够定向像素组(其诸如由像素26’至26”’形成)的输出的阵列中柱状透镜的数量，存在更多的这样的视锥(未示出)。视锥填充显示设备的整个视场。上述视图定向原理导致在从一个视锥到另一个视锥时发生视图重复，因为在每个视锥内，相同的像素输出显示在特定的视图中。因此，在图2的示例中，空间位置22”和25”提供相同的视图，但是分别位于不同的视锥29’和29”中。换句话说，特定的视图在所有的视锥内示出相同的内容。在视锥之间的边界处，在末端视图之间存在跳跃，从而破坏自动立体效果。该问题的解决方案是，例如通过将背光设计成具有方向性输出而只允许单个视锥。WO2011/145031公开了定义具有单个视锥输出的显示装置的各种方法。使用准直背光来控制视图可以被观看的方向，例如对于若干不同的应用而言是已知的，这些应用包括视线跟踪应用、防窥面板以及亮度增强面板。这种准直背光的一个已知组件是提取其全部光的光发生组件，光发生组件的形式为大约以柱状透镜的节距间隔开的薄发光条的阵列，该柱状透镜也是背光的部分。图3示出了这种构造，其中背光7包括条状光发射器的阵列30，正透镜阵列32以及位于透镜阵列和发射器之间的复制结构34。透镜阵列32准直来自薄发光条的阵列30的光。这样的背光可以由一系列发射元件形成，所述发射元件诸如OLED条或LED的排。然而，这种解决方案制造起来昂贵并且易于失效，这是由于在OLED的情况下的短的寿命。发光元件的广角发射图案还同时照亮多个透镜，并且因此它们仍然创建视锥重复。用于显示装置的背光照明和前光照明的边缘发光式波导(edgelitwaveguide)不昂贵且耐用。因此，有利的是，围绕边缘发光技术来构建准直背光组件。然而，已知的边缘发光式波导被设计成遍及波导的整个表面提供光输出的最大均匀性，并且因而没有设计成用于产生大约以组合透镜的节距间隔开的薄光条的阵列。图4示出了边缘发光式波导40的示意图。该波导包括波导材料，诸如具有顶面40a、底面40b和侧边缘40c的固体材料的平板。存在由于图4的横截面是在横向的一侧到另一侧的方向上选取而在图4中看不到的顶边缘和底边缘。波导在平面图中大致呈矩形。(在矩形的顶侧和底侧的)波导的顶边缘和底边缘对应于相关的显示装置的顶部和底部，并且(在矩形的左本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种显示背光，包括：波导材料，所述波导材料具有折射率nwg，并且具有平行的顶面(40a)和底面(40b)，以及一对相对的侧边缘(40c)，其中光输出来自所述顶面(40a)；光源装置(42)，用于在所述相对的侧边缘中的一个或两个处将光提供到所述波导材料内；以及光耦出结构(44)的阵列，其形成在平行的顶面或底面处，用于重定向光，使得光在所述光耦出结构的位置从波导逸出，其中，所述光耦出结构提供具有一定范围的输出方向的逸出光，所述范围被限制成小于180度并且与所述顶面的平面在角度上间隔开，其中，所述光耦出结构的每一个包括伸入到所述波导材料内的突起，每个突起具有射束重定向面，所述射束重定向面与垂直于所述顶面(40a)和底面(40b)的方向形成相应的角度，其中，所述背光适于与波导材料顶面(44a)之上的折射率nout一起使用，并且其中对于折射率比率m＝nwg/nout：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.25 EP 14186327.41.一种显示背光，包括：波导材料，所述波导材料具有折射率nwg，并且具有平行的顶面(40a)和底面(40b)，以及一对相对的侧边缘(40c)，其中光输出来自所述顶面(40a)；光源装置(42)，用于在所述相对的侧边缘中的一个或两个处将光提供到所述波导材料内；以及光耦出结构(44)的阵列，其形成在平行的顶面或底面处，用于重定向光，使得光在所述光耦出结构的位置从波导逸出，其中，所述光耦出结构提供具有一定范围的输出方向的逸出光，所述范围被限制成小于180度并且与所述顶面的平面在角度上间隔开，其中，所述光耦出结构的每一个包括伸入到所述波导材料内的突起，每个突起具有射束重定向面，所述射束重定向面与垂直于所述顶面(40a)和底面(40b)的方向形成相应的角度，其中，所述背光适于与波导材料顶面(44a)之上的折射率nout一起使用，并且其中对于折射率比率m＝nwg/nout：并且其中，α为所述射束定向面与法线方向的角度。2.如权利要求1所述的显示背光，其中：所有的光耦出结构(44)具有相同的射束重定向面角α。3.如权利要求1所述的显示背光，其中：所述光耦出结构(44)包括多个集合(44a，44b)，每个集合内的光耦出结构具有相同的射束重定向面角α，并且不同的集合具有不同的射束重定向面角α。4.如权利要求1所述的显示背光，其中所述光耦出结构的每一个包括从所述显示背光的顶边缘跨越到底边缘的列，并且其中，所述显示背光还包括在所述波导材料之上的柱状透镜(56)的阵列(54)，每个透镜覆盖相关联的光耦出列或相关联的多个光耦出列。5.如权利要求4所述的显示背光，其中输出方向β的范围被选择为：β＝2tan-1(p/2e)其中，p为所述柱状透镜(56)的节距，并且e为从所述光耦出结构(44)到透镜阵列(54)的光学路径长度。6.如权利要求4或5所述的显示背光，其中，所有光耦出结构(44)具有相同的射束重定向面角α；每个柱状透镜(56)以单个的相关联的...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·G·范普坦，B·克鲁恩，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL