专利名称：用于改善显示器照度均匀度的增亮膜和基于薄膜的扩散片的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学显示器，更具体地涉及由背部光源直接照明的液晶显示器(LCD)， 例如可用于液晶监视器和液晶电视的液晶显示器。
背景技术：
一些显示系统是采用背投照明，例如液晶显示器(LCD)。该类显示器广泛地应用 于众多设备中，例如膝上型计算机、手持计算器、数字手表、电视机及类似物。一些背光型显 示器包括光源，其位于显示器的一侧；还有一个光导，用于将光从光源导向显示器面板的背 部。其他背光型显示器，例如一些液晶监视器和液晶电视(LCD-TV)，则是采用布置在显示器 面板后面的数个光源从后面直接照明。较大的显示器越来越多地采用后一种背光源构造， 这是因为要达到某个程度的显示亮度所需要的光能以显示器尺寸的平方进行增加，而沿着 显示器边缘放置的光源的实际可用区域仅随显示器尺寸线性增加。此外，一些显示器应用 (例如液晶电视)要求显示器足够亮，从而能够从比距其他显示器应用更远的距离观看显 示器。另外，液晶电视的视角要求通常与液晶监视器和手持装置有所不同。许多液晶监视器和液晶电视通常由大量冷阴极荧光灯(CCFL)从后面照明。这些 光源是线性的并且在显示器的整个宽度上延伸，其结果是利用由较暗区域分隔开的一系列 亮条纹照亮显示器的背面。这样的照度分布是不可取的，因此通常使用扩散板来使液晶显 示装置背面上的照度分布平滑。相比灯和液晶显示器面板之间的其他光管理元件，扩散板 通常相对较厚和较重。漫反射器用来在灯后将光线导向观察者，其中灯设置在反射器和扩散片之间。漫 反射器和扩散片之间的间距受扩散片发出的光线的所需亮度均勻度限制。如果间距过小， 则照度不够均勻，因此会影响观察者所看到的图像效果。这是因光线在灯之间均勻扩散所 需空间不足所导致。仍然需要减少对灯和液晶显示器面板之间的较重扩散板的依赖度。
发明内容
本发明的一个实施例涉及具有第一薄膜的光学装置，其中第一薄膜具有第一侧面 和第二侧面。当被第一侧面的光照射时，第一薄膜通过第一部分宽幅扩散的透射光和第二 部分窄幅扩散的透射光来表征。第二薄膜设置在第一薄膜的第二侧面。第二薄膜具有至少 一个使光线转向的自由表面。本发明的另一个实施例涉及具有第一薄膜的光学装置，其中第一薄膜具有第一侧 面和第二侧面。第一薄膜还具有介于0.5和3之间的漫射光密度。第二薄膜设置在靠近第一薄膜的第一侧面处，并且具有至少一个将透射过第一薄膜的光转向的自由光转向表面。本发明的另一个实施例涉及光学装置，该装置包括光漫射装置，该装置在被入射 光照射时形成第一宽幅扩散部分和第二窄幅扩散部分来漫射光。第一光转向装置将透射过 光漫射装置的至少一部分光转向。本发明的上述概括并不是对每个说明的实施例或本发明的每种实施作说明。下面 的附图以及具体实施方式
更具体地举例说明了这些实施例。
结合附图，并参考下文对本发明的各种实施方案的详细描述，可更加全面地理解 本发明，其中图1示意性地示出了使用根据本发明的原理的穿通扩散片的背光源液晶显示装 置；图2A示意性地示出了穿通扩散片和光转向膜的工作情况；图2B示意性地示出了光线在穿过穿通扩散片之后随角度变化的照度分布；图2C示出了光线在穿过若干个不同类型的扩散片之后测得的随角度变化的照度 分布；图3A-3C示意性地示出了根据本发明原理的穿通扩散片的不同实施例；图4A-4E示意性地示出了可用于本发明的实施例中的光转向层的不同实施例；图5示意性地示出了可用于本发明的实施例中的二维光转向层的实施例；图6A-6C示意性地示出了可用于本发明的实施例中的均勻度增强膜的不同实施 例；图7示出了不同组合的光控膜在两个灯上方测得的照度；图8A示意性地示出了实例1所用模型；图8B提供了实例1中散射参数Uir不同值的照度与位置的函数关系图；图8C提供了实例1中散射参数Uir不同值的照度均勻度与背光源腔体深度的函数 关系图；图9A示意性地示出了实例2所用模型；图9B提供了实例2中散射参数Uir不同值的照度均勻度与背光源腔体深度的函数 关系图；图IOA示意性地示出了实例3所用模型；图IOB提供了示出实例3中所用不同形状EUF的曲线图；图IOC提供了实例3中不同形状EUF的照度均勻度与背光源腔体深度的函数关系 图； 图1IA示意性地示出了实例4所用模型；图IlB示意性地示出了实例4所用二维光转向膜的实施例；图IlC提供了实例4中散射参数Uir不同值的照度均勻度与背光源腔体深度的函 数关系图；虽然本发明有各种修改形式和替代形式，但其细节在附图中以举例的方式示出并且将会作详细说明。但应明白，本发明不局限于所述的具体实施例。相反，本申请试图覆盖 落入由所附的权利要求书限定的本发明实质和范围中的全部修改、等同物和替换。
具体实施例方式本发明适用于显示器面板(例如液晶显示器)，尤其适用于直接从背后照明的液 晶显示器，例如液晶监视器和液晶电视机所使用的显示器。更具体地讲，本发明涉及对直接 照明式背光源所产生的、用于照明液晶显示器的光的控制。光控膜结构通常设置在背光源 和显示器面板本身之间。光控膜结构可以层合在一起或者可为自立式，其包括扩散片层和 至少一个具有将光转向的自由表面的其他薄膜。图1提供了直接照明式显示装置100的示例性实施例的示意性分解图。该显示装 置100可用于(例如)液晶监视器或液晶电视机。显示装置100基于液晶面板102的使 用，液晶面板102通常包括设置在面板基板(panel plate) 106之间的液晶层104。面板基 板106通常由玻璃制成，并且其内表面上可以包括电极结构和取向层，用以控制液晶层104 中液晶的取向。电极结构通常以这样的方式布置，该方式能限定液晶面板的像素，所述像素 是液晶层中可独立于邻近区域对液晶的取向进行控制的区域。一个或多个面板基板106还 可包括用于在显示的图像中附加颜色的滤色片。上吸收偏振器108被设置在液晶层104的上面，而下吸收偏振器110设置在液晶 层104的下面。在示例性实施例中，上、下吸收偏振器都位于液晶面板102的外部。吸收偏 振器108、110和液晶面板102联合控制背光源112发出的光透过显示器100到达观察者的 透射过程。例如，可将吸收偏振器108、110排列为其传输轴相互垂直。处于非活动状态的 液晶层104的像素可能不会更改所经过光的偏振。因此，穿过下吸收偏振器110的光被上 吸收偏振器108吸收。另一方面，当像素被激活时，穿过其中的光的偏振态被旋转，以使得 经下吸收偏振器110透射的至少一些光也从上吸收偏振器108中透射。选择性地激活(例 如通过控制器114)液晶层104的不同像素导致光线在某些所需位置处穿过显示器，从而形 成观察者可以看到的图像。该控制器可以包括(例如)计算机或接收并显示电视图像的电 视机控制器。可在上吸收偏振器108上面布置一个或多个可选层109，例如为显示器表面提 供机械和/或环境保护。在一个示例性实施例中，层109可包括吸收偏振器108上方的硬 质涂膜。应当理解，一些类型的液晶显示器的工作方式可以与上述方式不同。例如，吸收偏 振器可平行排列，并且在未激活状态下液晶面板可以使光的偏振态发生旋转。无论如何，这 种显示器的基本结构仍然与上述基本结构相似。背光源112包括多个光源116，光源116产生用来照明液晶面板102的光线。在液 晶电视或液晶监视器中所用的光源116通常为沿显示装置100的高度延伸的线性冷阴极荧 光管。但也可以使用其他类型的光源，例如白炽灯或弧光灯、发光二极管(LED)、平面荧光板 或外部荧光灯。这一光源列表并非意图限制或详尽列举，仅作为示例。背光源112可还包括反射器118，用于反射从光源116以远离液晶面板102的方向 向下传播的光。反射器118也可用于使光在显示装置100内进行循环，如下文所解释的那 样。反射器118可以是镜面反射器，或者是漫反射器。可用作反射器118的镜面反射器的 一个例子为可得自3M公司(St. Paul,Minnesota)的Vikuiti 增强镜面反射膜(ESR)。适于漫反射器的例子包括填充有漫反射颗粒(例如二氧化钛、硫酸钡、碳酸钙等)的聚合物， 例如PET、PC、PP、PS。包括微孔材料和含纤丝材料的漫反射器的其他实例在共同拥有的美 国专利申请专利公开2003/0118805A1中论述，该专利申请以引用的方式并入本文。光控膜结构120 (也可以称为光控制元件)设置在背光源112和液晶面板102之 间。光控膜影响来自背光源112的光的传播，从而改善显示装置100的工作。光控制元件 120包括穿通扩散层122，下文将对其详加描述。光控制元件120也可以包括反射偏振器124。光源116通常产生非偏振光，但由 于下吸收偏振器110只透射一种偏振态，因此光源116产生的光约有一半未透射过液晶层 104。然而，反射偏振器124可用于反射本来会被下吸收偏振器吸收的光，因此通过在反射 偏振器124和反射器118之间反射可以回收利用这部分光。反射偏振器124反射的至少一 些光可以消偏振，然后以某种偏振态返回反射偏振器124，在该偏振态下，这些光透射过反 射偏振器124和下吸收偏振器110，并到达液晶层104。通过这种方式，反射偏振器124可 用来增加光源116发出的光中到达液晶层104的部分，从而使显示装置100产生的图像更 加明亮。可以使用任何合适类型的反射偏振器，例如，多层光学薄膜(MOF)反射偏振器；诸 如连续相/分散相偏振器、线栅反射偏振器或胆留反射偏振器等漫反射偏振膜(DRPF)。MOF反射偏振器以及连续相/分散相反射偏振器均依靠至少两种材料(通常 为聚合物材料)之间的折射率差值来选择性地反射一种偏振状态的光，而透射正交偏振 状态的光。MOF反射偏振器的一些实例在共同拥有的美国专利No. 5，882，774中有所描 述，该专利以引用的方式并入本文。市售的MOF反射偏振器的例子包括具有漫射表面的 Vikuit DBEF-D200和DBEF-D440多层反射偏振器，该偏振器可得自3M公司(St. Paul, Minnesota)。可用于结合本发明使用的DRPF的例子包括有连续相/分散相的反射偏振器，例如 共同拥有的美国专利No. 5，825，543 (以引用的方式并入本文)中所描述的那些，还包括漫 反射多层偏振器，例如共同拥有的美国专利No. 5，867，316(也以引用的方式并入本文)中 所描述的那些。其他合适类型的DRPF在美国专利No. 5，751，388中有所描述。可用于结合本发明使用的线栅偏振器的一些例子包括美国专利No. 6，122，103中 描述的那些。线栅偏振器尤其可从Moxtek Inc. (Orem, Utah)商购获得。可结合用于本发明使用的胆甾偏振器的一些例子包括在(例如)美国专利 No. 5，793，456和美国专利申请公开No. 2002/0159019中所描述的那些。胆留偏振器常常在 输出侧设置有四分之一波长延迟层，使得透过胆留偏振器的光被转变为线性偏振光。在一些实施例中，反射偏振器124可以提供漫射，例如通过面向背光源112的漫射 表面提供。在其他实施例中，反射偏振器124可以具有增亮表面，用来增加穿过反射偏振器 124的光的增益。例如，反射偏振器124的上表面可以具有棱镜增亮表面或准直含珠扩散 片表面。下文将更详细地讨论增亮表面。在其他实施例中，反射偏振器可以在面向背光源 112的一侧具有漫射结构(例如漫射表面或空间)，在面向液晶面板102 —侧具有增亮结构 (例如棱镜表面或准直含珠扩散片表面)。在一些示例性实施例中可以提供偏振控制层126(例如在穿通扩散层122和反射 偏振器124之间)。偏振控制层126的例子包括四分之一波长延迟层和偏振旋转层(例如
8液晶偏振旋转层)。偏振控制层126可用于改变被反射偏振器124反射的光的偏振态，从而 增加透过反射偏振器124传播的循环光的比率。光控制元件120也可以包括增亮层128a。增亮层可以包括表面结构，该表面结构 能将偏轴光的方向重新导向为更接近显示器轴132的方向。这会增加穿过液晶层104的轴 上传播的光量，从而增加观察者所看到的图像的亮度。一个例子为棱镜增亮层，它具有多个 棱脊，能够通过折射和反射改变照明光的方向。可用于显示装置的棱镜增亮层的例子包括 得自3M公司(St. Paul, Minnesota)的Vikuiti BEFII和BEFIII系列棱镜膜，其中包括 BEFII90/24、BEFII90/50、BEFIIIM 90/50 和 BEFIIIT。棱镜增亮层通常通过在一个维度压缩光线的角度范围来提供光学增益。光控制层 结构120中也可能包含第二增亮层128b，其中棱镜增亮层设置为其棱镜结构方向与第一增 亮层128a的棱镜结构相互垂直。这种构造通过在两个维度压缩光线的角度范围来增加显 示装置的光学增益。在图示实施例中，增亮层128a和128b设置在背光源112和反射偏振 器124之间。在其他实施例中，增亮层128a和128b可以设置在反射偏振器124和液晶面 板102之间。光控制元件中不同的层可能是自立式的。在其他实施例中，光控制元件内的两个 或更多个层可以层合在一起，例如共同拥有的美国专利申请序列No. 10/966,610中所述的 情况，该专利以引用方式并入本文中。在其他示例性实施例中，光控制元件可包括两个由间 隙隔开的子组件，例如共同拥有的美国专利申请序列No. 10/965, 937中所述的情况，该专 利以引用方式并入本文中。通常，光源116和扩散层122之间的间距、相邻光源116之间的间距以及扩散片透 射率是在设计给定亮度和照明均勻度值的显示器时所考虑的重要因素。一般来讲，强扩散 片(即扩散更大一部分入射光的扩散片)会提高均勻度，但也会降低亮度，因为较高的扩散 水平伴随着较强的反扩散和损耗的同时增加。在正常扩散条件下，在整个屏幕上看到的亮度变化通过光源上方的最高亮度和光 源之间的最低亮度来表征。在光源116和扩散层122之间可以设置均勻度增强膜(EUF) 130， 用来降低显示面板102的照明不均勻度。EUF 130的任意一面(即面向光源116的一侧和 面向显示面板102的一侧)都可以为光转向表面。光转向表面由多个光转向元件形成，这 些元件使从EUF 130—侧穿透到另一侧的光线折射转向，来降低照明不均勻度。光转向元 件包括与EUF 130的平面不平行的EUF表面的一部分。EUF的不同实施例在美国专利申请 序列 No. 11/129，942、11/560，260、11/560，234、11/560，271 和 11/560，250 以及 PCT 专利申 请No. US2007/084645中有所描述，这些专利以引用方式并入本文中。图2A示意性地示出了穿通扩散片200的一个示例性实施例，以及具有使光转向的 自由表面210的第二薄膜202。穿通扩散片是用来扩散具有宽幅扩散特性的第一部分入射 光的扩散元件。剩余部分或者不扩散，或者只是窄幅扩散。图2A示意性地示出了这种情 况，图中示出了入射到穿通扩散片200上的光线204。透射光被宽幅扩散(实线206)或窄 幅扩散(虚线208)。图2B提供了示意性极坐标图，图中示出了作为极性角θ函数的透射光照度。照 度图由两部分构成。第一部分220为宽幅扩散图形。第一部分220的峰值高度为Iltlt5第 一部分的半高全宽(即最大高度一半处两点之间的宽度)为Sl。第二部分222为窄幅扩散图形。第二部分的峰值高度为第一部分的半高全宽(即最大高度一半处两点之间的 宽度)为S20应当注意，第二部分222的高度是在第一部分220不存在的情况下的第 二部分高度。该穿通扩散片的行为与显示器中使用的常规扩散片形成对比，常规扩散片只 透射一个漫射部分。比率Si/^可以大于3，可以大于5，在一些实施例中可以大于10。虽 然并不旨在限制，但在一些实施例中，第一部分内的光学功率的部分(例如按瓦特计)可以 为第二部分的光学功率的1至10倍，但不同部分内的相对功率也可以不在此范围内。在其 他实施例中，第一部分内的光学功率的部分可以为第二部分的光学功率的1至3倍。图2C示出了按扩散片的不同实施例的极性角测量的照度的实验测量值。在每种 情况下，都用准直的白光束照射漫射膜。锥光镜用来测量照度的极性角相关性。应该指出 的是，照度是按对数给出。表I列出了实验中使用的不同扩散片。表I 扩散片特件
权利要求
一种光学装置，包括具有第一侧面和第二侧面的第一薄膜，当被所述第一侧面的光线照射时，所述第一薄膜通过第一部分宽幅扩散的透射光和第二部分窄幅扩散的透射光来表征；以及设置在所述第一薄膜的所述第二侧面的第二薄膜，所述第二薄膜具有至少一个自由的光转向表面。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一部分的特征在于扩散的半角S1,所述第 二部分的特征在于扩散的半角s2，比率S1A2大于3。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述比率Sl/S2大于5。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述比率si/s2大于10。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一部分的光学功率除以所述第二部分的光 学功率的比率介于1和10之间。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在所述第一薄膜的所述第一侧面的第三薄 膜，所述第三薄膜具有至少一个使光线转向的自由表面。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述光转向表面将穿过所述第一薄膜的多于50% 的透射光反射回所述第一薄膜，其中所述透射光为同轴的入射光。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述光转向表面反射多于50%的以轴线为中心的 宽度S2的角锥范围内的入射光。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述光转向表面将至少一些所述透射光转向20° 以上。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一薄膜包括嵌入透明材料内的第一组漫 射颗粒，所述第一组漫射颗粒与扩散所述第一部分相关。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一薄膜还包括嵌入所述透明材料内的第 二组漫射颗粒，所述第二组漫射颗粒与所述第二部分相关。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一薄膜还包括与所述第二部分相关的漫 射表面。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二薄膜包括多个位于背离所述第一薄膜 的表面上的棱纹。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述棱纹中的至少一个为具有形成顶端的两个 扁平侧面的棱脊。
15.根据权利要求13所述的装置，其中第一棱纹具有第一高度，第二棱纹具有不同于 所述第一高度的第二高度。
16.根据权利要求13所述的装置，其中所述棱纹中的至少一个具有沿所述棱纹长度变 化的高度。
17.根据权利要求13所述的装置，其中所述棱纹中的至少一个具有小平面化的侧面。
18.根据权利要求13所述的装置，其中所述棱纹中的至少一个具有弯曲侧面。
19.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在邻近所述第一薄膜的所述第二侧面处 的反射偏振器。
20.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在所述第一薄膜的所述第一侧面处的反 射器，以及设置在所述反射器和所述第一薄膜之间的至少一个光源。
21.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在邻近所述第一薄膜的所述第二侧面处 的液晶显示器(LCD)面板，以及连接到所述液晶显示器面板的用于控制所述液晶显示器面 板显示的图像的控制器。
22.一种光学装置，包括第一薄膜，所述第一薄膜具有第一侧面和第二侧面以及介于0. 5和3之间的散射光密 度；以及第二薄膜，所述第二薄膜设置在邻近所述第一薄膜的所述第一侧面处，并且具有至少 一个将穿过所述第一薄膜的透射光转向的自由光转向表面。
23.根据权利要求22所述的装置，还包括设置在所述第一薄膜的所述第二侧面的第三 薄膜，所述第三薄膜具有至少一个使光线转向的自由表面。
24.根据权利要求22所述的装置，其中所述光转向表面将穿过所述第一薄膜的多于 50%的透射光反射回所述第一薄膜，其中所述透射光为同轴的入射光。
25.根据权利要求22所述的装置，其中所述光转向表面将至少一些所述透射光转向 20°以上。
26.根据权利要求22所述的装置，其中所述第一薄膜包括嵌入透明材料的第一组漫射 颗粒，所述第一组漫射颗粒与扩散透射光的第一部分相关。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述第一薄膜还包括嵌入所述透明材料的第二 组漫射颗粒，所述第二组漫射颗粒与透射光的第二部分相关，所述第二部分具有小于所述 第一部分的扩散半角的扩散半角。
28.根据权利要求26所述的装置，其中所述第一薄膜还包括漫射表面，所述漫射表面 与透射光的第二部分相关，所述第二部分具有小于所述第一部分的扩散半角的扩散半角。
29.根据权利要求22所述的装置，其中所述第二薄膜包括多个位于背离所述第一薄膜 的表面上的棱纹。
30.根据权利要求29所述的装置，其中所述棱纹中的至少一个为具有形成顶端的两个 扁平侧面的棱脊。
31.根据权利要求29所述的装置，其中第一棱纹具有第一高度，第二棱纹具有不同于 所述第一高度的第二高度。
32.根据权利要求29所述的装置，其中所述棱纹中的至少一个具有沿所述棱纹长度变 化的高度。
33.根据权利要求29所述的装置，其中所述棱纹中的至少一个具有小平面化的侧面。
34.根据权利要求29所述的装置，其中所述棱纹中的至少一个具有弯曲侧面。
35.根据权利要求22所述的装置，还包括设置在邻近所述第一薄膜的所述第二侧面处 的反射偏振器。
36.根据权利要求22所述的装置，还包括设置在邻近所述第一薄膜的所述第二侧面处 的液晶显示器(LCD)面板，以及连接到所述液晶显示器面板的用于控制所述液晶显示器面 板显示的图像的控制器。
37.一种光学装置，包括光漫射装置，所述光漫射装置通过在被入射光照射时形成第一宽幅扩散部分和第二窄 幅扩散部分来漫射光；以及第一光转向装置，所述第一光转向装置用于将穿过所述光漫射装置的透射光的至少一 部分转向。
38.根据权利要求37所述的装置，其中所述第一光转向装置还反射穿过所述光漫射装 置的一部分透射光。
39.根据权利要求37所述的装置，还包括第二光转向装置，所述第二光转向装置用于 使至少一部分光在入射到所述光漫射装置之前被转向。
全文摘要
本发明描述了一种具有第一薄膜(200)的光学装置，所述第一薄膜具有第一侧面和第二侧面。当被所述第一侧面的光(204)照射时，所述第一薄膜通过第一部分宽幅扩散的透射光(206)和第二部分窄幅扩散的透射光(208)来表征。第二薄膜(202)设置在所述第一薄膜的所述第二侧面。所述第二薄膜具有至少一个使光线转向的自由表面。在一些实施例中，所述第一薄膜具有介于0.5和3之间的散射光密度。所述装置可用于在诸如液晶显示器之类的显示器中的背光源中传播光线并使光线均匀。
文档编号G02B5/02GK101946206SQ200980105265
公开日2011年1月12日 申请日期2009年2月13日 优先权日2008年2月15日
发明者埃里克·W·纳尔逊, 布赖恩·G·克特, 斯蒂芬·J·埃茨科恩, 肯尼斯·A·爱泼斯坦, 马克·D·格尔森 申请人:3M创新有限公司