專利名稱：用于背光照明式顯示器的減少莫阿干涉現(xiàn)象的棱鏡片的制作方法
背景技術(shù)：
電子顯示器常常在背光源的前面使用光選通裝置，例如液晶顯示器(LED)。背光源可以僅僅作為位于光選通裝置的后面的發(fā)光元件，例如熒光管，或者可以具有更復(fù)雜的布置。常用的布置是使用與邊緣導(dǎo)光片相鄰地設(shè)置的發(fā)光元件，例如冷陰極熒光管(CCFT)或者一個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管(LED)，其中該邊緣導(dǎo)光片位于光選通裝置的后面。導(dǎo)光片在整個(gè)光選通裝置上傳導(dǎo)和分布光。
可以在光源或?qū)Ч馄凸膺x通裝置之間設(shè)置各種類型的光學(xué)膜。其例子包括具有背向光源的棱鏡的棱鏡膜、具有面向光源的棱鏡的棱鏡膜、擴(kuò)散膜和反射偏振片。通過(guò)將來(lái)自背光源的光限制在比沒(méi)有該膜的情況下更窄的角度范圍內(nèi)，在面向光選通裝置的一側(cè)上具有棱鏡的棱鏡膜提高顯示器的軸向亮度。具有面向背光源的棱鏡的棱鏡膜與特定類型的導(dǎo)光片一起使用，該導(dǎo)光片發(fā)射的光與法線成大角度(通常，70°以上)。這些棱鏡膜用來(lái)將光轉(zhuǎn)向法線。擴(kuò)散片和反射偏振片正如其名字上的含義那樣工作。
當(dāng)與具有規(guī)則的像素陣列的光選通裝置一起使用棱鏡膜時(shí)，一個(gè)已知的問(wèn)題是莫阿干涉現(xiàn)象，這是由于線性棱鏡的規(guī)則圖案與光選通裝置中的像素行列相互作用而產(chǎn)生的。已經(jīng)試圖通過(guò)下述各種方式來(lái)避免該問(wèn)題布置棱鏡膜，使得棱鏡與像素行列成非零度或者90°的角度；或者選擇棱鏡尺寸，使得莫阿干涉的空間頻率與顯示器的空間頻率差別足夠大。


圖1是用于增強(qiáng)顯示器的視在亮度的膜；圖2是使用圖1的膜的顯示器；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的莫阿干涉現(xiàn)象的示意展示；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的膜的圖；圖5a至圖5f是根據(jù)本發(fā)明的各種膜的莫阿干涉現(xiàn)象的示意展示；圖6是根據(jù)本發(fā)明的膜的單個(gè)棱鏡的圖；以及圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一可選的顯示器的示意性圖。
具體實(shí)施例方式
下面以液晶顯示器為例描述本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)了解，本發(fā)明可用于選擇性地阻擋或者透射光的任何顯示器。這種顯示器稱為光選通裝置。圖1示出用于提高顯示器的軸向亮度的膜18。膜18具有第一表面20和第二表面22。第二表面22包括多個(gè)結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，這些結(jié)構(gòu)是三角形棱鏡，例如，棱鏡24，但是可以使用其它的形狀。棱鏡24具有峰26。試驗(yàn)表明，如果峰26是尖角并且形成90°的角度，則增益(即，具有膜的背光源的軸向亮度與沒(méi)有膜的同一背光源的軸向亮度之比)最大，但是其它考慮事項(xiàng)可能導(dǎo)致用戶選擇圓角或者其它的角度。在棱鏡24和相鄰的棱鏡28之間的是谷30。與峰26的情況一樣，如果谷30是尖的，并且形成90°的角度，則膜18的增益最大，但是谷30可以是圓形的或者形成其它的角度。
棱鏡具有峰至峰的間距，稱為膜18的節(jié)距P。一般來(lái)說(shuō)，節(jié)距應(yīng)當(dāng)是足夠小，以使這些棱鏡對(duì)觀看包括膜18的顯示器的用戶來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，但是不能太小以致于衍射效應(yīng)降低性能。商用的產(chǎn)品通常具有在約24μm和50μm之間的節(jié)距。
通常，第一表面20是光滑的表面。在上下文中，光滑的表面應(yīng)該理解為是指表面20上的任何結(jié)構(gòu)與膜18的表面22上的棱鏡(例如棱鏡24)的尺寸相比是小的。通常，為了幫助隱藏膜18后面的背光源的任何結(jié)構(gòu)，表面20將是不光滑的表面。或者，該表面22可以具有其它的結(jié)構(gòu)，例如用于減少?gòu)谋砻?0的菲涅耳反射的蛾眼結(jié)構(gòu)。
圖1示出四束示例光線。第一束光線36以掠射角即與法線成近似90°的角度進(jìn)入表面20。當(dāng)光線36穿過(guò)表面20時(shí)，它被向膜18的法線折射。達(dá)到結(jié)構(gòu)表面22時(shí)，它將再次被折射。由于結(jié)構(gòu)化表面22上的結(jié)構(gòu)，該光線被折射，從而它再次與膜18的法線成更小的角度。光線38以非?？拷?8的法線的角度進(jìn)入光滑表面20。當(dāng)它穿過(guò)表面20時(shí)也被折射，但是折射的程度較少。當(dāng)該光線從表面22射出時(shí)，它就被再次折射，從而處于膜18法線的與其剛?cè)肷涞奖砻?0上時(shí)所處的一側(cè)相對(duì)的一側(cè)上。光線40以接近膜18的法線的角度或者以膜18法線的角度進(jìn)入，被結(jié)構(gòu)化表面22全內(nèi)反射兩次，然后返回到背光源。光線42以與光線38相似的角度進(jìn)入表面，但是其進(jìn)入的位置使得該光線被結(jié)構(gòu)化表面22上的棱鏡的一側(cè)全內(nèi)反射，但不被第二側(cè)全內(nèi)反射。結(jié)果，該光線與膜18的法線成大角度地射出。因?yàn)閮H對(duì)沿著與其入射的一側(cè)形成高入射角的方向傳播的光線才發(fā)生這種反射，所以這些棱鏡對(duì)這種光線提供非常小的橫截面。另外，這些光線中的很多再次進(jìn)入下一棱鏡，并且返回到顯示器中。
從該討論中可知，在沒(méi)有膜18的情況下，光與顯示器的軸線成大角度地從顯示器中射出，并且重定向到更靠近該軸線的方向。少量的光與軸成大角度地導(dǎo)出。因此，我們可以說(shuō)，以大于預(yù)定角度的入射角穿過(guò)表面20進(jìn)入膜18的光被導(dǎo)入比其進(jìn)入的角度范圍更窄的角度范圍。以小于預(yù)定角度的入射角穿過(guò)表面20進(jìn)入膜18的光將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，該光將形成與第一次不同的角度。然后，重復(fù)該過(guò)程，使得更多的光重定向到更窄的角度范圍內(nèi)。膜18操作的關(guān)鍵方面是，膜18必須能夠反射以第一預(yù)定角度范圍入射在其上的光，并且通過(guò)而不是折射以第二預(yù)定角度范圍入射在其上的光，其中，第二角度范圍內(nèi)的角度大于第一角度范圍內(nèi)的角度，并且，第二角度范圍中的光被折射到比其進(jìn)入的角度范圍更窄的角度范圍內(nèi)。
圖2是使用兩個(gè)如圖1所示的膜的典型顯示器。雖然可以使用單個(gè)膜，但是大多數(shù)LCD顯示器使用兩個(gè)這樣的膜。
顯示器50包括外殼52，該外殼包封顯示器。光源56在外殼52的里面。通常，光源56是冷陰極熒光管。反射鏡54部分包圍光源56。反射鏡54可以是任何高反射材料?？捎米鞣瓷溏R54的材料的例子是如美國(guó)專利5,882,774中所述的多層光學(xué)膜。導(dǎo)光片58與光源56光學(xué)耦合。導(dǎo)光片58可以是丙烯酸樹(shù)脂，或者任何其它高透明的材料。通常，導(dǎo)光片58具有絲網(wǎng)印刷在背向液晶的一側(cè)上的點(diǎn)圖案，從而有助于提取光，以照明LCD。從導(dǎo)光片58提取出的光穿過(guò)膜18a和18b。膜18b具有與膜18a上的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)，但是在圖2中無(wú)法看見(jiàn)它們，因?yàn)樗鼈兣c膜18a的結(jié)構(gòu)垂直。使用兩個(gè)圖1的膜18的類型的膜的作用是，通過(guò)使原來(lái)在水平維度和垂直維度上以高的角度從顯示器中射出的光向更靠近顯示器的入口的角度移動(dòng)，來(lái)提高增益。
光從膜18b中射出之后，穿過(guò)擴(kuò)散片60。擴(kuò)散片60幫助向用戶隱藏棱鏡和印刷在導(dǎo)光片上的點(diǎn)。穿過(guò)擴(kuò)散片60之后，光穿過(guò)液晶顯示器62和保護(hù)蓋板64。
在現(xiàn)有技術(shù)中，膜18的棱鏡通常是線性棱鏡。線性棱鏡的問(wèn)題是，它們傾向于與LCD顯示器中的線性像素行列產(chǎn)生莫阿干涉現(xiàn)象。圖3示出這種情況。在圖3中，諸如水平線70之類的水平線和諸如垂直線72之類的垂直線的陣列表示典型的LCD顯示器中的像素陣列。每個(gè)像素是正方形的，并且由三個(gè)水平排列的子像素構(gòu)成一個(gè)紅色，一個(gè)綠色，一個(gè)藍(lán)色。因此，像素陣列的水平線是垂直線的三倍。覆蓋在該像素陣列上的是一系列的垂直線，例如線74，表示具有線性形貌的膜，例如膜18。諸如線74之類的線表示棱鏡的峰。當(dāng)從約6米的距離觀看時(shí)，圖1將具有這樣視覺(jué)效應(yīng)，即從約45厘米的距離(即，使用具有LCD顯示器的計(jì)算機(jī)的人們的典型的觀看距離)觀看具有諸如膜18之類的帶線性棱鏡的膜的典型LCD顯示器。當(dāng)從該距離觀看圖3時(shí)，莫阿干涉的明暗條紋清楚可見(jiàn)。
圖4示出膜18的另一可選的形式。圖4的膜18包括彎曲的或者蛇形的棱鏡，例如棱鏡80。蛇形圖案可以是隨機(jī)的，或者如圖所示，是規(guī)則的和周期的。一般來(lái)說(shuō)，規(guī)則的和周期的曲線造成的膜18增益的降低很少。
圖5a至圖5f是與圖3相似的圖，不同之處在于，表示棱鏡峰的線是蛇形的，而不是線性的。當(dāng)從6米的距離觀看時(shí)，這些線中的大部分表現(xiàn)出不可辨別的莫阿干涉圖案。即使莫阿干涉圖案是可見(jiàn)的，但與線性棱鏡所產(chǎn)生的莫阿干涉圖案相比較，也是減少了。
圖6是圖5的膜18的單個(gè)棱鏡的俯視圖。不管蛇形圖案是隨機(jī)的還是規(guī)則的和周期的，蛇形曲線都具有平均幅度A和平均周期L。當(dāng)圖案是規(guī)則的和周期的時(shí)，平均幅度和平均周期僅僅等于實(shí)際的幅度和周期。應(yīng)該適當(dāng)選擇平均幅度和平均周期，以使可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象最少。一般來(lái)說(shuō)，幅度應(yīng)該大于子像素尺寸的約四分之一，并且該幅度應(yīng)該至少約等于像素尺寸，周期與幅度之比不應(yīng)當(dāng)太大。試驗(yàn)表明，高達(dá)12比1的周期與幅度之比在限制可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象方面會(huì)是有效的，但是，較大的比值可能會(huì)消除可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。即使不能完全消除可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象，蛇形棱鏡也傾向于減少可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。因此，具有蛇形圖案但是不滿足上述幅度和周期限制要求的棱鏡仍是有用的。
圖7是整體上表示為90的另一可選的顯示器的示意圖。顯示器90包括接收來(lái)自CCFT 94的光的導(dǎo)光片92。反射鏡96收集來(lái)自CCFT94的光，并且將它導(dǎo)入導(dǎo)光片92中。
導(dǎo)光片92是錐形的或者楔形的。當(dāng)光沿著導(dǎo)光片92傳播時(shí)，由于導(dǎo)光片92的錐形的形狀，該光與導(dǎo)光片92的表面所成的角度隨著每次反射而改變。最終，光以小于全內(nèi)反射的臨界角的角度入射在導(dǎo)光片92的一個(gè)表面上，并且射出。反射鏡97反射從導(dǎo)光片92的背側(cè)射出的光。從導(dǎo)光片92射出的光與導(dǎo)光片92的表面的法線成非常大角度地射出。棱鏡膜98捕獲該光，并且通過(guò)在棱鏡的小面上所發(fā)生的全內(nèi)反射而改變?cè)摴獾姆较?，使得該光沿著顯示器的軸線傳播。還提供了擴(kuò)散片100和液晶面板102。
與圖2的顯示器的情況一樣，膜98的棱鏡會(huì)與液晶面板102的像素陣列產(chǎn)生莫阿干涉現(xiàn)象。通過(guò)使這些棱鏡具有蛇形圖案，可以減少或者消除莫阿干涉現(xiàn)象。關(guān)于選擇蛇形圖案的幅度和節(jié)距，對(duì)圖2的顯示器所考慮的事項(xiàng)同樣適用。
根據(jù)本發(fā)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樹(shù)脂。用于例如圖2所示的顯示器中的膜通常應(yīng)該具有高的折射率。一般來(lái)說(shuō)，1.72的折射率被認(rèn)為是最佳的，但是，市售產(chǎn)品通常具有約1.585的折射率。用于圖7所示的類型的顯示器中的膜通常具有較低的折射率。根據(jù)本發(fā)明的膜可以由任何已知的方法制造，例如擠出或者澆鑄固化可UV固化的樹(shù)脂。
無(wú)論是通過(guò)擠出工藝，還是通過(guò)澆鑄固化工藝，都可以通過(guò)已知的金剛石車削技術(shù)制造用于制造根據(jù)本發(fā)明的膜的工具的母模。通常，通過(guò)在稱為輥的圓柱形坯上進(jìn)行金剛石車削來(lái)制造工具。輥的表面通常是硬銅，但是可以使用其它的材料。圍繞輥的外周以連續(xù)圖案的形式形成棱鏡結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，通過(guò)稱為螺紋切削的技術(shù)生產(chǎn)凹槽。在螺紋切削過(guò)程中，在輥上切割單個(gè)的連續(xù)的凹槽，與此同時(shí)，沿著與車削輥的方向垂直的方向移動(dòng)金剛石工具。如果要產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)具有恒定不變的節(jié)距，則以恒定不變的速度移動(dòng)該工具。典型的金剛石車床獨(dú)立地控制工具進(jìn)入輥中的深度、工具與輥所成的水平角度和垂直角度、以及工具的橫動(dòng)速度。
在本發(fā)明中，使用快速工具伺服(FTS)在金剛石工具的恒定不變的橫向運(yùn)動(dòng)上疊加往復(fù)運(yùn)動(dòng)。另外，如美國(guó)專利6,354,709中所教導(dǎo)的，還可使用FTS將金剛石工具移動(dòng)到不同的深度，以提供不同高度的棱鏡，該專利以引用方式并入本文。
權(quán)利要求
1.一種用于光選通裝置的背光源中的棱鏡膜，該光選通裝置具有像素陣列，其中，所述棱鏡具有蛇形形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，并且，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的棱鏡膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期選擇為基本上消除可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀是規(guī)則的、周期的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，并且，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的棱鏡膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期選擇為基本上消除可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的棱鏡膜，其中，所述像素由子像素構(gòu)成，并且，所述像素和所述子像素均具有寬度，所述平均幅度大于或者等于所述子像素寬度的約25％，并且，所述平均周期大于或者等于大約像素的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的棱鏡膜，其中，所述平均周期與所述平均幅度之比小于或者等于約12比1。
9.一種背光照明式顯示器，包括背光源；光選通裝置，其具有像素陣列；以及位于所述背光源和所述光選通裝置之間的膜，該膜在一側(cè)上具有棱鏡結(jié)構(gòu)，所述棱鏡結(jié)構(gòu)具有蛇形形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，并且，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的棱鏡膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期選擇為基本上消除可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀是規(guī)則的、周期的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，并且，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的棱鏡膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期選擇為基本上消除可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的棱鏡膜，其中，所述像素由子像素構(gòu)成，并且，所述像素和所述子像素均具有寬度，所述平均幅度大于或者等于子像素的寬度的約25％，并且，所述平均周期大于或者等于大約像素的寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的棱鏡膜，其中，所述平均周期與所述平均幅度之比小于或者等于約12比1。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的背光照明式顯示器，其中，所述棱鏡結(jié)構(gòu)位于所述膜的與所述光選通裝置相同的一側(cè)上。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的背光照明式顯示器，其中，所述顯示器包括位于所述背光源和所述光選通裝置之間的第二膜，該第二膜在一側(cè)上具有棱鏡結(jié)構(gòu)，其中，所述棱鏡結(jié)構(gòu)具有蛇形形狀，并且位于所述膜的與所述光選通裝置相同的一側(cè)上。
19.根據(jù)權(quán)利要求9所述的背光照明式顯示器，其中，所述背光源包括導(dǎo)光片，所述棱鏡結(jié)構(gòu)位于所述膜的與所述背光源相同的一側(cè)上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種與背光照明式顯示器一起使用的膜，其在一個(gè)表面上具有棱鏡結(jié)構(gòu)。該棱鏡結(jié)構(gòu)具有蛇形形狀，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見(jiàn)的莫阿干涉現(xiàn)象。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK101061397SQ200580039969
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2005年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者艾倫·B·坎貝爾 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司