专利名称：用于3d显示设备的背光的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于3D显示设备的背光，该背光包含平面光导，通过该光导光经内部反射被横向引导。
背景技术：
最近，三维(3D)图像显示的研究开发已经取得了迅速的进展。在所提出的各种构思中，许多都有赖于用户佩戴特殊的眼镜才能看到3D图像。然而佩戴眼镜对于用户来说是不方便的，而且这样的系统一次也只能让单一用户看到3D图像。因此出于提高性价比和方便用户的原因，研制出了无需用户佩戴眼镜的显示系统。这种显示系统被称为自动立体显示器。
自动立体显示器一般包含与视差提供装置相组合的常规显示面板，例如LCD(液晶显示器)面板，提供视差有必要确保用户的左眼和右眼能正确地接收到一对立体图像的其中一幅。提供该视差导致了用户可以看见3D图像。
为了让用户连续观察到3D图像，某些自动立体显示器需要装置来主动确定和跟踪用户相对显示面板的位置。因此这些显示系统还是只适合于单一的观众。然而，已经有一些用于提供立体显示的已知方法可以使多个观众同时观察到3D图像。实现多视图3D显示器的最简单方法是借助于遮障(barrier)结构。
普通的遮障型自动立体显示器包含背光、遮障和显示面板。遮障典型地设置在背光与显示面板之间。但是遮障也可以位于显示面板的前部。
遮障是一种不透明屏幕，其具有多个以规则间距隔开的平行狭缝。当背光被赋能时，其发射的光穿过遮障的狭缝传播，形成多条狭长的光源(或线光源)，从而照亮显示面板。
在能向用户显示一对立体图像(或两幅视图)的简单遮障型显示器中，显示面板的子像素的交替列被驱动，以分别显示左眼和右眼图像。子像素的周期为pd，而显示面板位于与遮障距离为c的位置上，使得每个线光源照亮一对子像素列。当用户在距显示面板距离为d的位置上观看遮障型自动立体显示器时，用户的左眼觉察到左眼图像而右眼觉察到右眼图像。
如果自动立体显示器包含两幅视图，则所显示的3D图像只能从一个视点(perspective)看到。为了从多个视点看到3D图像，需要更多的视图。线光源周期p1与视图数量m之间所要求的关系由方程式(1)给出p1=apda-pdm≈pdm...(1)]]>这里pd为子像素的周期，a为用户的位置上每幅视图之间所需的视差。观看距离d、视差a和遮障到面板的距离c由方程式(2)给出a≈dcpd...(2)]]>第二种制造自动立体显示器的方法是在显示面板前方采用圆柱状透镜。这些透镜将来自不同子像素列的光聚焦至不同的空间区域，从而使处于距显示面板正确距离上的用户看到3D图像。
遮障型显示器的主要缺点是光源产生的光只有有限数量穿过遮障并传播至显示面板。对于简单的立体视图，光源的光大约有一半损失掉。因此遮障结构的光效率非常低。对于具有m幅视图的多视图显示器，遮障只能使光源100/m％的光线透射。
透镜系统的主要缺点是难以将显示器与漫射器组合在一起，该散射器的用途是制造可切换的2D/3D显示器。如果漫射器处于显示面板与透镜片之间，则可以看出明暗图案。当漫射器位于透镜片的前方时，可感知的屏幕分辨率降低。
发明内容
按照本发明，提供了一种用于3D显示设备的背光，该背光包含平面光导，通过该光导，光经内部反射被横向引导，其中，该光导区域被设置为使在该光导内部传播的光线从该光导的一个面出射，从而形成多个线光源。
优选地，所述区域包含凹槽。更好的是，该凹槽内以折射率高于光导的材料填充。
优选地，该背光包含设置于每个凹槽开口处的圆柱状透镜。更好的是，该柱状透镜与填充凹槽的材料一体成型。
优选地，该材料为聚萘基丙烯酸甲酯。
优选地，该材料为复合材料。
优选地，该材料是双折射的。更优选的是，该材料在垂直于凹槽的偏振方向上的折射率基本上等于光导的折射率，而在平行于凹槽的偏振方向上的折射率大于光导的折射率。更优选的是，该材料为拉伸的聚合膜。更优选的是，该材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)。
优选地，所形成的填充凹槽的材料形成为在光导的上表面延展的层，该层的厚度相对于凹槽的周期很小。
优选地，凹槽的截面为V形。
优选地，光导由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
优选地，背光包含邻近于光导至少一个侧面设置的光源。更优选的是，该光源为LED或CCFL。
优选地，光导包含未构图的基板和微结构化箔片。
优选地，提供了一种3D显示设备，其包含按照本发明的背光和显示面板。更优选的是，光导的凹槽相对于显示面板的子像素列偏斜了一个角度。更优选的是，该3D显示设备包含设置于背光与显示面板之间的光漫射装置，其中该光漫射装置可在高散射模式与低散射模式之间进行切换。
以下参照附图，以举例方式描述本发明的实施例，其中图1为按照本发明的用于自动立体显示器的背光实施例的透视图；图2为图1的背光的剖面示意图；图3为图1的背光的局部剖面示意图，其表示光导中凹槽的尺寸和光线通过光导内传播的典型路径；图4表示按照本发明的背光的实施例，其中光导上的凹槽是偏斜的；
图5示出了图4的背光如何与显示面板进行组合；图6表示按照本发明的背光的实施例，其中凹槽是分段的和交错的；图7示出了按照本发明的背光的又一实施例，其具有不同的凹槽几何结构、附加的光学部件和在光导上附加的层；以及图8示出了本发明的一个实施例，其包含可切换漫射器，用于在2D模式与3D模式之间切换。
图9示出了按照本发明的背光的实施例，其包含层叠在未构图的基板之上的微结构箔片。
具体实施例方式
参见图1和2，按照本发明，用于自动立体显示器的背光5包含光源6和光导7。
光导7由光学透明材料片构成，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。优选地，光导7呈板状并且为矩形，包含两个构成光导的前后表面7f、7b的主面和四个侧面。在光导的前表面7f上提供多个平行的V截面凹槽8，以规则的间距隔开。光源6靠近光导的侧面7s设置。光源6可以是LED(发光二极管)或CCFL(冷阴极荧光灯)。
其折射率高于光导7的材料9，诸如聚甲基丙烯酸甲酯，设置于光导的前表面7f上并且填充凹槽8。在一个实施例中，材料9为层的形式，其与光导7共延并且安排为使得该层的后部填充光导前表面7f上的凹槽8，而该层的前表面为平行于光导前表面7f的平面。在这种情况下，光导前表面7f上方的该层厚度显著小于凹槽8的周期p1。这确保了由于全内反射而在该层上表面处反射的光直接返回光导7，而不会入射到凹槽8的其中一个上。
当光源6被赋能时，光经光导7的其中一个侧面7s进入光导7。借助于全内反射，进入光导7的光通常被约束在光导的后表面7b与材料层9的上表面之间。然而，在光入射到凹槽8上的情况下，其被反射以便以超过全内反射临界角的角度入射到材料层9的上表面，从而光被折射并穿出背光5。这样，光源6的光就从与凹槽8重合的位置处从光导7中出射，形成多个线光源。
参见图3，光导7的厚度为d1，位于光导前表面7f之上的材料层9的厚度为d2，凹槽8具有从光导前表面7f的总深度为h，而凹槽8的周期为p1。光导7的折射率为n1而材料9的折射率为n2。如果光导7由PMMA制成而材料9由聚萘基丙烯酸甲酯制成，则n1＝1.49，而n2＝1.63-1.64。
在另一实施例中，d2等于0。在这种情况下，仅在凹槽8内设置材料9，并且全内反射发生在光导的前后表面7f、7b之间。
n1与n2之差越大，则线光源强度越大而其角分布越窄。由于这些都是有益的特性，所以希望材料9具有实际上尽可能大的折射率。在本发明的一个实施例中，材料9为复合材料。该复合材料包含被组合在聚合粘合剂中的高折射率材料的纳米颗粒，例如TiO2或金刚石。在这种情况下，非散射合成物的折射率是纳米颗粒与粘合剂的平均值。
通过沿与第一光源6相对的光导7的侧面设置的第二光源，可以提高线光源的亮度。在这种设置下，位于光导7中部的线光源与位于光导7边缘的线光源输出一样多的光。
通过使凹槽8的宽度w和/或深度d作为沿光导7的位置的函数而分等级，可以使来自线光源的光均匀分布，以改变从每个凹槽8发射的光量。替换地，可以使光导7的厚度分等级，通过例如使光导7的中部比边缘更薄，从而使发射的光均匀分布。
参见图4，在本发明的另一实施例中，光导7上的凹槽8从平行于光导7的侧面偏斜一个角度θ。在这种情形下，线光源的有效水平周期变为P1→P1cosθ ...(3)这里，p1为垂直于凹槽8测得的周期。在这种布局下，产生了多个偏斜了角度θ的线光源。具有这种偏斜光源的背光可以与显示面板组合形成自动立体显示器，其中可以减小与多视图显示相关的不希望的视觉伪象，例如垂直条带。
在具有无偏斜线光源的多视图显示器的情况中，水平方向上的像素数量必须在不同的视图中进行划分。这意味着每个视图的图像分辨率在水平方向上而不是在垂直方向上会变差。例如对于800×600像素和9视图的显示器，每个视图的分辨率为89×600像素，这是极差的水平分辨率。然而，通过使线光源偏斜和相应地驱动显示面板，9视图的每一个可达到例如267×200像素的水平和垂直分辨率。
参见图5，彩色显示器具有9视图(即m＝9)和正方形像素。每个像素具有三个子像素(R、G和B)，线光源从子像素列偏斜了角度θ＝arctan(1/6)＝9.5°。相应的线光源周期由公式(4)给出p1=m2pdcosθ...(4)]]>这里pd为子像素的宽度(对于p1＝0.440mm的15″XGA显示器，pd＝0.297/3mm)。
参见图6，在另一实施例中，凹槽8被划分为段，而不是连续的，每段的长度等于显示面板上的子像素。分段的凹槽被对齐，以便它们平行于子像素列，但是在垂直于子像素列的方向上是交错的。
参见图7，有多种其它凹槽几何结构和材料参数可以用来取代上述简单的三角形凹槽。光导7的微凹槽结构上还可以增添诸如正透镜(a)或负透镜(b)之类的附加结构，它们的折射率可不同于光导7或者用于填充凹槽8的材料9。不同形状的凹槽8(c)、(d)，以及附加层(e)、(f)也是可行的。
参见图8，在本发明的又一实施例中，在背光5与显示面板10之间设置可切换的漫射器11。漫射器11可在低散射状态与高散射状态之间切换，在低散射状态下背光5的光不受影响地通过，在高散射状态下光在显示面板10的整个区域上被漫射，从而其可以用作常规的2D显示器。漫射器11可以被分段并且控制，使得显示3D图像的窗口可以在2D图像内显示，或者相反。
在光导7和填充凹槽8的材料9都是各向同性材料的情况下，离开背光5的光将是非偏振的。由于LCD要求偏振光，因此背光5的一半光将被浪费。在本发明的另一实施例中，凹槽8以双折射材料填充，其折射率取决于在其中传播的光的偏振方向。在本实施例中，采用了单轴材料，其在垂直于凹槽8方向上的折射率与光导7的相等，而在平行于凹槽8方向上的折射率大于光导7。在这种布局下，光导7内传播的光在垂直于凹槽8方向上的偏振分量将不再“看见(see)”凹槽8并且将被反射回光导7。相反，平行于凹槽8的偏振分量将看见光导7与材料9之间的折射率差异，从而导致其离开背光5。因此，偏振错误的光不可能离开背光5。实际上，由于光导5将具有缺陷，最初具有错误偏振方向的光分量将逐渐被旋转，直到其具有离开背光5所需的正确偏振方向为止。而且，光导7内传播的光所经历的许多内反射也使偏振方向旋转。在本实施例的变化例中，借助附加的双折射层使逐渐旋转偏振方向的过程得到加强。
通过拉伸填充凹槽8的材料9的膜，并将其热压入凹槽8，使该材料9具有双折射特性。例如由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)制成的经拉伸的聚合膜分别具有高达1.71和1.85的n2值。
参见图9，在本发明的又一实施例中，光导12包含未构图的基板13和层叠在基板13主面上的微结构化箔片14。箔片14与基板13共延并且为平行于基板13的平面。在箔片15的顶部上设置折射率大于光导12的材料15。光导12内传播的光的全内反射在箔片14上的微结构处受到阻碍，该微结构被安排为产生线光源。
在阅读这里的公开内容之后，对于本领域内的技术人员来说，其它的变化和修改都是显然的。这类变化和修改可能涉及到的等同替换或其它特征在自动立体显示器和元部件的设计、制造和使用中早已公知，并以替换这里所述特征或在这里所述特征基础上增添的方式加以应用。
权利要求
1.一种用于3D显示设备的背光(5)，该背光(5)包含平面光导(7)，通过该光导光经内部反射被横向引导，其中该光导(7)的区域被设置为引导在该光导(7)内传播的光从该光导(7)的面(7f)出射，从而形成多个线光源。
2.如权利要求1所述的背光，其中，所述区域包含凹槽(8)。
3.如权利要求2所述的背光，其中，所述凹槽(8)以折射率高于所述光导(7)的材料(9)填充。
4.如权利要求2或3所述的背光，包含设置于每个所述凹槽(8)开口中的圆柱状透镜。
5.如权利要求4所述的背光，其中，所述圆柱状透镜与填充所述凹槽(8)的材料(9)一体成型。
6.如权利要求3、4或5所述的背光，其中，所述材料(9)为聚萘基丙烯酸甲酯。
7.如权利要求3、4或5所述的背光，其中，所述材料(9)为复合材料。
8.如权利要求3所述的背光，其中，所述材料(9)是双折射的。
9.如权利要求8所述的背光，其中，所述材料(9)在垂直于所述凹槽(8)的偏振方向上的折射率基本上等于所述光导(7)的折射率，而在平行于所述凹槽(8)的偏振方向上的折射率大于所述光导(7)的折射率。
10.如权利要求8或9所述的背光，其中，所述材料(9)是拉伸的聚合膜。
11.如权利要求10所述的背光，其中，所述材料(9)为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)。
12.如权利要求3-11中任意一项所述的背光，其中，填充凹槽(8)的材料(9)形成作为在所述光导的上表面(7f)上延展的层，该层的厚度(d2)相对于所述凹槽(8)的周期(p1)很小。
13.如权利要求2-12中任意一项所述的背光，其中，所述凹槽(8)的截面为V形。
14.如前述权利要求中任意一项所述的背光，其中，所述光导(7)由聚甲基丙烯酸甲酯制成。
15.如前述权利要求中任意一项所述的背光，包含邻近于所述光导(7)的至少一个侧面(7s)设置的光源(6)。
16.如权利要求15所述的背光，所述光源(6)为LED或CCFL。
17.一种3D显示设备，包含如权利要求2-16中任意一项所述的背光(5)和显示面板。
18.如权利要求17所述的3D显示设备，其中，所述光导(7)的凹槽(8)相对于显示面板的子像素列偏斜了角度(θ)。
19.如权利要求17或18所述的3D显示设备，包含设置于所述背光(5)与显示面板(10)之间的光漫射装置(11)，其中，该光漫射装置(11)可在高散射模式与低散射模式之间进行切换。
20.如权利要求1所述的背光，其中，所述光导包含未构图的基板(13)和微结构化箔片(14)。
全文摘要
一种用于3D显示设备的背光(5)，该背光(5)包含平面光导(7)，通过该光导光经内部反射被横向引导。光导(7)提供有多个凹槽(8)，它们被配置为使在光导(7)内传播的光从光导(7)的一个面出射，从而形成多个线光源。
文档编号G02B6/00GK1856720SQ200480027946
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月23日 优先权日2003年9月27日
发明者M·P·C·M·克里恩, W·L·伊泽尔曼, S·T·德兹瓦特, H·J·科恩利森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司