专利名称：背景光和液晶显示器的制作方法
本申请是申请日为2001年8月7日、申请号为01125081.X、发明名称为“背景光和液晶显示器”的发明专利申请的分案申请。
背景技术：
本发明涉及一种为照射透射型液晶屏的背景光和一种具有这种背景光的液晶显示器。本发明尤其涉及一种只允许在特定观看角度范围内观看显示图象的背景光和液晶显示器。
现有技术的描述具有透射型液晶显示屏的液晶显示器的结构是一种采用背景光从后面照射液晶显示屏使得光透过液晶屏的每一个象素而产生所需要图像的结构。这种结构允许在没有环境光，例如在夜晚也能观看到图像。
为安装在车辆上的导航系统，安装在银行系统的自动取款机或其他等使用而设计的液晶显示器的结构是只允许从一个特定观看角度范围内的观看位置来观看显示的图像而在这观看角度范围以外的观看位置上就不能观看到显示的图像。这是因为，采用车载的液晶显示器，从其出射的光的出射角范围是有限的，一旦所显示的图像投射到轿车的挡风玻璃上，就会干扰驾驶员的视线而导致车祸。另一方面，用于ATM机上使用的液晶显示器，从其出射的光的出射角范围也是有限的，除了操作ATM机的人以外，任何其他人都不能观看到在液晶显示器上显示的信息。
图26示意了一种传统的液晶显示器的结构，该结构可以控制从显示器出射的光的出射角范围。液晶显示器1主要由液晶显示屏6和背景光7构成。背景光7有一个采用聚对苯二甲酸乙酯塑料制成的反射板4覆盖着的光导板3。沿着光导板3的相对两边，由支撑件支撑着光源2(图中没有示意)。光导板3的背面3b做成没有光泽的表面，所以从光源2发出的光就会入射到导光导板3上，并且通过其出射面3a以散射光出射。
上述的光导板3具有一个用于产生漫射光的漫射片20和一个用于遮蔽在预定角度范围内入射光的遮光百叶窗5。如图27所示，遮光百叶窗5具有透射光的光透射层5a，和吸收光的光吸收层5b，例如以50μm间隔排列在透明基板5c之间形成“三明治”结构。因此，入射到遮光百叶窗5的光，即在观察角θ范围内传播的这部分光被透射，而在观察角θ范围外传播的这部分光被遮蔽。
透射型液晶显示屏6设置在上述遮光百叶窗之上。在观察角θ范围内传播(见图27)并透过遮光百叶窗5的光照射在液晶屏6并透过其特定像素以产生图像。因此，可以从在预定方向范围内的观察位置上观看到图像。
然而，上述讨论的常规液晶显示器件1，例如它的观察角度的范围θ为90°，其表现的透射率如图29所示。在该图中，相对于遮光百叶窗5的入射角(°)取水平轴，而透射率(％)取垂直轴。正如该图所示，在入射角为0°时透射率最大，并且随着入射角的绝对值增加而透射率线性减小。
由于如图26中所示的背景光7的特性，从光导板上出射的光呈现出如图28中所示亮度分布，并在相对于遮光百叶窗5的入射角约为0°时可得到最高亮度。因此，透过遮光百叶窗5并照射在液晶屏的光呈现出如图30所示的亮度分布。
在图28中，相对于遮光百叶窗5的入射角以水平轴线表示，而相对于入射角为0°的亮度(100％)的相对亮度(％)以垂直轴线表示。在图30中，相对于遮光百叶窗5的出射角(0°)以水平轴线表示，相对于出射角为0°的亮度(100％)的相对亮度以垂直轴线表示。
正如图30所示，在出射角为0°时亮度最亮，并且随着出射角绝对值增加而亮度急剧下降。这样就会随着依据观察者的高度，坐位高度等等而产生的观察点变化而使液晶显示器件的可见度明显下降。
此外，在遮光百叶窗5生产中，在光透射层5a和光吸收层5b之间的间隔误差是难以避免的。因此，如图31所示，从箭头P1和P2所指的方向来观看液晶显示器件1，部分观察者的视线被箭头P2所指的光吸收层5b遮蔽。这样就会使观察者看到黑条纹，由此而降低了液晶显示器件1的可视性。
发明内容
本发明的目的是提供一种背景光和液晶显示器，它允许在减少可视性衰退的希望观察角度范围内观看到显示的图像。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种背景光，含有一个光源；一个用于将光源发出的光引导到一个预定方向的平板型光导板；一个面向光导板上而设置的用于根据入射角遮蔽从光导板出射的一部分光的遮光百叶窗；一个用于将入射在遮光百叶窗的光的亮度分布转换为预定亮度分布的转换器。这里，入射在遮光百叶窗的光的亮度分布是以从0°到+90°角度范围内以预定入射角的亮度和从0°到-90°角度范围内以预定入射角的亮度都高于入射角为0°的亮度的方式进行转换。
在这种结构中，从光源发出的光被光导板引导到遮光百叶窗。在光从光导板出射前或后，入射在遮光百叶窗上的光被转换器转换为具有预定的亮度分布。经过此转换的光在相对于入射角为0°的正和负两个方向都呈现最高亮度，在入射角为0°的位置上亮度低于最高亮度。
在上述讨论的背景光结构中，转换器可以由按预定间隔排列的棱镜组成。
根据本发明的另一个方面，提供一种背景光，含有一个光源；一个用于将从光源发出的光引导到预定方向的平板型光导板；一个面向光导板而设置的用于根据入射角遮挡从光导板出射的部分光的遮光百叶窗；一个用于将入射在遮光百叶窗的亮度分布转换为预定亮度分布的转换器。这里，转换器将入射在遮光百叶窗的光的平均入射方向从遮光百叶窗法向方向移开。
在这种结构中，从光源发射的光被光导板引导到遮光百叶窗。在光从光导板发射前和后，入射在遮光百叶窗上的光被转换器转换为具有预定的亮度分布。光从偏离遮光百叶窗法线方向的方向光入射在遮光百叶窗上。这里，入射的平均方向是指入射到遮光百叶窗的光的平均角度所指的方向。
在上述讨论的背景光结构中，转换器可以为锯齿形状部分的菲涅耳片。
在上述讨论的背景光结构中，入射到遮光百叶窗的光的亮度分布可以按这样的方式转换，即在以相对于平均入射角为正的方向的预定角度入射的亮度和在以相对于平均入射角为负的方向的预定角度入射的亮度都大于在平均角度入射的亮度。
在这种结构中，入射到遮光百叶窗的光在相对于平均入射角的正和负方向呈现着最高亮度，而以平均入射角的亮度低于最高的亮度。这里，入射的平均角度是指光能入射到遮光百叶窗的角度平均。
在上述讨论的背景光结构中，光源可以根据出射方向发射可变的光量。这种结构允许减少在所希望的角度范围以外从背景光出射的光量，从而有利于节省电功率。
根据本发明的另一个方面，提供一种液晶显示器，包括一种背景光，包括一个光源；一个用于将从光源发出的光引导到预定方向的平板型光导板；一个面向光导板设置的用于根据入射角遮挡从遮光百叶窗出射的部分光的遮光百叶窗；和一个用于将入射在遮光百叶窗的亮度分布转换为预定亮度分布的转换器；和一个透过从背景光出射的光而显示图像的液晶屏。这里，入射在遮光百叶窗的光的亮度分布是以从0°到+90°角度范围内以预定入射角的亮度和从0°到-90°角度范围内以预定入射角的亮度都高于入射角为0°的亮度的方式进行转换。
根据本发明的另一个方面，提供一种液晶显示器，包括一种背景光，包括一个光源；一个用于将从光源发出的光引导到预定方向的平板型光导板；一个面向光导板设置的用于根据入射角遮挡从遮光百叶窗出射的部分光的遮光百叶窗；和一个用于将入射在遮光百叶窗的亮度分布转换为预定亮度分布的转换器；和一个透过从背景光出射的光而显示图像的液晶屏。这里，转换器将入射到遮光百叶窗的光的入射平均方向从遮光百叶窗法线方向移开。
根据本发明的另一个方面，提供一种液晶显示器，包括一种背景光，包括一个光源；一个用于将从光源发出的光引导到预定方向的平板型光导板；一个面向光导板设置的用于根据入射角遮挡从遮光百叶窗出射的部分光的遮光百叶窗；和一个用于将入射在遮光百叶窗的亮度分布转换为预定亮度分布的转换器；和一个透过从背景光出射的光而显示图像的液晶屏。这里，转换器以这样的方式进行转换，即从遮光百叶窗出射的光呈现这样的亮度分布，假定在出射角为0°时亮度是X和在亮度为0.1X时出射角的绝对值是α，则以绝对值为α/2的入射角的亮度是0.55X或更高。
在这种结构中，从光源出射的光由光导板引导到遮光百叶窗。在光从光导板出射前和后，入射在遮光百叶窗上的光被转换器转换为具有预定的亮度分布。在入射角为0°时，遮光百叶窗的透射率最高，并且随着入射角的增加而线性减小直至它在观看角度范围的极限上变为基本上为0％。从以这种方法控制出射角的遮光百叶窗出射的光入射到液晶屏。这里，如果将观看的有效角度定义为在相对于遮光百叶窗出射角为0°时亮度为10％或更大的范围，则在对应于观看角度有效范围一半的角度范围内，亮度通过转换器被放大到入射角0°时的亮度的55％或更高。
附图简述以下参照附图结合较佳实施例的讨论可以对本发明的各种特性和优点更加清晰。
图1是显示本发明第一实施例的液晶显示器的结构图。
图2显示了第一实施例的液晶显示器遮光百叶窗的透射率。
图3显示了第一实施例液晶显示器的入射到遮光百叶窗上的光的理想亮度分布。
图4显示了第一实施例液晶显示器的从遮光百叶窗出射的光的理想亮度分布。
图5显示了第一实施例液晶显示器的入射到遮光百叶窗上的光的亮度分布。
图6显示了第一实施例液晶显示器中棱镜的垂直角度和峰值间隔之间的关系。
图7显示了当第一实施例液晶显示器中棱镜的垂直角度为45°时从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图8显示了当第一实施例液晶显示器中棱镜的垂直角度为90°时从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图9显示了第一实施例液晶显示器中棱镜的垂直角度为120°时从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图10显示了被装在车辆上的液晶显示器投射到车辆挡风玻璃上的图像的可视性和图像亮度之间的关系。
图11显示了第一实施例液晶显示器采用另一种棱镜时入射到遮光百叶窗的光的亮度分布。
图12显示了在图11所示的情形下当观看角度范围为90°时从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图13显示了在图11所示的情形下当观看角度范围为120°时从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图14图11显示了第一实施例的液晶显示器采用又一种棱镜时入射到遮光百叶窗的光的亮度分布。
图15显示了在图14所示的情形下当观看角度范围为120°时从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图16是显示本发明第二实施例的液晶显示器的结构图。
图17是显示本发明第三实施例的液晶显示器的结构图。
图18是第三实施例的液晶显示器的遮光百叶窗的详细剖面图。
图19是第三实施例的液晶显示器的菲涅耳片的详细剖面图。
图20显示了第三实施例液晶显示器的入射到遮光百叶窗的光的亮度分布。
图21显示了第三实施例的液晶显示器的遮光百叶窗的透射率。
图22显示了第三实施例的液晶显示器从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图23显示了第三实施例的液晶显示器在调整光量时入射到遮光百叶窗的光的亮度分布。
图24显示了第三实施例的液晶显示器在调整光量时从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图25说明了第三实施例的液晶显示器安装在车辆上时该如何使用。
图26显示了传统的液晶显示器的结构。
图27显示了传统的遮光百叶窗的结构。
图28显示了传统的液晶显示器的入射到遮光百叶窗的光的亮度分布。
图29显示了传统的液晶显示器的遮光百叶窗的透射率。
图30显示了传统的液晶显示器从遮光百叶窗出射的光的亮度分布。
图31说明了采用传统液晶显示器遮光百叶窗出现的不可避免的问题。
较佳实施例的描述以下将参照附图来讨论本发明的实施例。出于方便的缘故，在以下的讨论中，采同同样的数字来定义与图26所示传统例子中的相同部件。图1是本发明第一实施例的液晶显示器的剖面示意图。液晶显示器有液晶屏6和背景光7，采用压模制成的金属框16将两者固定在一起。
液晶屏6的液晶6c被密封在透明的基板6a和6b之间，其中透明的基板是由玻璃或类似材料制成并且是面对面的排列着，这种结构可以具有大量以矩阵结构排列的象素。偏振板9a和9b设置在液晶屏6的两面上，利用偏振平面可使入射液晶屏6的光和从液晶屏出射的光均匀。
背景光7固定在模铸塑料制成的底座13里，底座13采用双面粘结带12牢固地固定在液晶屏6上。在底座13的内部，设置了采用反射片4覆盖的光导板3。沿光导板的对面一边，采用支撑构件(未显示)支撑着光源2。光导板13是由聚丙烯树脂或类似材料和介质颗粒制成的基件构成，在基件中所含有的介质颗粒可使基件具有不同的反射率。反射板4是用厚度大于188μm的聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)薄片制成的。同样，反射板也可以采用银或类似的反射膜，或者利用偏振作用呈现出反射效果的反射膜。
于是，从光源入射到光导板3的光被颗粒介质折射到出射面3a，并且该光以大于临界角度的角度通过出射面3a从光导板3出射，形成散射光。出射光通过光导板的出射面散射，该出射面是采用磨沙或类似的方式做成的无光泽表面。在反射片4的另一面，设置一个热辐射板17。在底座13和玻璃框16上，制作了通气孔13a和16a，有利于热辐射板热的散热。
棱镜片8设置在光导板3的上面，它有多个按预定间隔排列的棱镜8a。棱镜片8可以使用一种市场上有销售的，例如，垂直角度为60°，65°或90°的，或顶点有弯曲表面的棱镜8a。棱镜8a的设置是按相对于液晶屏6象素设置的方向倾斜3°或大于3°来设置，以避免莫尔条纹。
在棱镜片8的上面设置了遮光百叶窗5，以遮蔽掉在预定角度范围内射入射的光。正如先前描述的如图27所示，遮光百叶窗有光透射层5a，用以透射光；有光吸收层5b，用以吸收光；它们以诸如50μm的间隔在透明基板5c之间呈三明治方式排列。于是，入射到蔽光百叶窗5的光当中，在可观看角度范围θ内的一部分光被透射，而在可观看角度范围θ外的一部分光被遮蔽。
遮光百叶窗5还有5a和5b层，它们都是以上述讨论的相同方式设置并且其设置方向是按相对于液晶屏6象素设置的方向倾斜3°或大于3°，以避免莫尔条纹。有棱镜8a的棱镜片8的设置方向和有层5a和5b的遮光百叶窗5的设置方向都是相对于液晶屏6的象素的设置方向，可以往相反的方向倾斜或在同一方向以不同的角度倾斜。
在观看角度范围θ内传播的光和通过遮光百叶窗透射的光照射在液晶屏6上，并且光透过液晶屏6的特定象素以产生图像。结果，这种透射型液晶显示器1就允许从预定方向范围内的观看点观看图像。参考数字15表示液晶显示器1的电路板，11表示用于驱动液晶屏6的驱动器，14表示将电路板15和驱动器11连在一起的印刷电路板。
图2显示了遮光百叶窗5的透射率与入射到遮光百叶窗的光的入射角之间的关系。在该图中，垂直坐标是透射率(％)，水平坐标是入射角(°)。在该图中，(a)，(b)和(c)分别表示遮光百叶窗在观看角度范围为±30°，±45°和±90°时的透射率。在0°的入射角时，遮光百叶窗5的透射率最高且随着入射角的绝对值的增加而线性减小。
例如，当具有如图2(b)所示意的特性的遮光百叶窗5被具有如图3所示的亮度分布的光照射时，其亮度与图2(b)所示的透射率的倒数呈比例(例如，当入射角为0°时光的亮度在最低的位置上)，而出射的光呈现的亮度分布出如图4所示±45°的亮度分布。
因此，只要在观看角度范围θ内，观看者就能够看到具有均匀亮度且与他所在的观看位置无关的图像。在图3中，入射角(°)以水平轴线表示，而入射光的相对亮度以垂直轴线表示，其中虚线表示渐进线。在图4中，与遮光百叶窗有关的出射角(°)以水平轴线表示，而出射光相对于0°出射角时其亮度的相对亮度(％)以垂直轴线表示。
通过适当地选择棱镜片8的棱镜8a的形状，就有可能使入射到遮光百叶窗的光的亮度分布近似于如图3所示的亮度分布。图5显示了入射到可改变棱镜8a垂直角度的遮光百叶窗5的光的亮度分布。在该图中，入射到遮光百叶窗5的光的入射角(°)以水平轴线表示，相对亮度(％)以垂直轴线表示。
对任一亮度分布曲线(A)，(B)和(C)，在0°的入射角附近，亮度最低。对亮度分布(A)而言，在从0°到-90°的入射角的范围内亮度最高的入射角αa和从0°到+90°的入射角的范围内亮度最高的入射角αb之间的角度差(以下将这角度称之为“峰值间隔”)是30°。在亮度分布(B)和亮度分布(C)的曲线中，峰值间隔分别为约60°和90°。
如图6所示，峰值间隔是随着棱镜8a的垂直角度变化的。在该图中，峰值间隔(°)以垂直轴线表示，棱镜8a的垂直角度(°)以水平轴线表示。呈现出分别具有垂直角度为20°，90°和120°的亮度分布(A)，(B)和(C)特性的棱镜8a是以50μm的间隔设置，并且它们的顶点被做成了半径为10μm或更小的点。棱镜8a的顶点也可以做成曲面或其它类似的表面。
图7至9显示了从遮光百叶窗出射的光的亮度分布，这时，遮光百叶窗分别具有图2中(A)，(B)和(C)所示的先前已讨论过的透射率并且分别以具有图5中(A)，(B)和(C)所示的亮度分布特性的光照射。在这些图中，出射角(°)以水平轴线表示，相对于0°入射角的亮度的相对亮度(％)以垂直轴线表示。
在图7中，(A-a)表示了当峰值间隔为30°以及观看角度范围θ为60°(±30°)时出射光的亮度分布。当出射角的绝对值超过30°时，相对亮度就下降到0％；然而，在出射角约为±15°的范围内，相对亮度在80％到100％的范围内。
对于车载使用的液晶显示器而言，如果它所显示的图像被投射到车辆的挡风玻璃上，就会引起驾驶过程中的车辆意外。图10示意了投射到挡风玻璃上的图像的可视性。在该图中，投射到挡风玻璃上的图像的亮度(cd/m2)以水平轴线表示，可视性以垂直轴线表示。
可视性是从多个观看者获得的数据中计算出的平均值，当他们容易识别出图像时就报出“1”，当需要费较大的努力才能识别出图像时就报出“0.5”以及当不能识别出图像时就报出“0”。如果假定0.5或更低的可视性会对驾驶产生一些不利的影响，那么，这样的图像的亮度是3.3cd/m2或更低些。一般来说，夜晚显示在液晶显示器1的图像亮度是30cd/m2，因此，投射到挡风玻璃上的图像的相对亮度降低到亮度的10％或更低，只要图像允许，这仍是可取的。
同样，以α表示相对亮度为10％时的出射角的绝对值，而±α表示观看角度的有效范围，那么，在(A-a)所示的情况下，α约等于24°。对观看角度的有效范围较窄的液晶显示器1来说，它在可视角度方面呈现出高的方向性。于是，当安装在车辆内时，液晶显示器1允许安装位置可有多种选择，只要能保证投射在挡风玻璃上图像的低亮度；当用于ATM机或类似用途时，液晶显示器1在阻挡偷看中使用是十分有效的。无论如何，液晶显示器1都要求观看者在观看角度较窄的范围内来观看。
恰恰相反，对观看角度有效范围较宽的液晶显示器1来说，它在可视角度方面呈现出较低的方向性，于是就允许观看者在较宽观看角度范围内的观看点来观看图像。然而，液晶显示器1只允许安装在车辆的较窄的位置范围内，并且在阻挡偷看中作为ATM或类似的应用也难以使用。出于这些原因，需要设计出能具有适当的观看角度范围的液晶显示器1来满足实际应用。
在液晶显示器的实际使用中，可以认为观看者的观看位置大多数是处于观看角度有效范围中心的一半以内，例如，在±α/2的范围内。这里，假定相对亮度随着出射角而线性降低，在出射角为±α/2时，相对亮度为55％。于是，如果在出射角为±α/2的相对亮度为55％或大于55％，那么，亮度随着观看点变化而变化要比传统结构更快。这有利于提高在经常使用范围中的可视性。
在(A-a)示意的情况中，当出射角的绝对值为α/2＝12°时，相对亮度约为90％。这就有可能实现液晶显示器1在与出射角有关的可视范围内呈现出高的方向性并减少在该范围内的亮度变化。
遮光百叶窗5的光透射层5a和光吸收层5b之间存在的间隔误差会引起黑线条(条纹)，要使得该黑线变得对增加的亮度不是很明显。于是，当观看者在观看具有如(A-a)所示的特性的液晶显示器1时，通过将观看者的视线从垂直于液晶屏6的方向(即对应于出射角为0°的方向)偏移，就有可能在一个宽的范围里使黑线不是很明显，这是因为在一个宽的范围里亮度是高的。
在图7中，(A-b)示意了在峰值间隔为30°以及观看角度范围θ为90°(±45°)时出射光的亮度分布。当出射角的绝对值超过30°和相对亮度下降到10％或更低时，在出射角约为±15°的范围内，相对亮度处于100％到110％的范围。观看角度的有效范围被确定为α≈28°，以及当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为105％。这就有可能使液晶显示器1在与出射角有关的可视范围内具有高的方向性并减少了该范围内的亮度变化。此外，也有可能会使得遮光百叶窗5的光透射层5a和光吸收层5b之间存在的间隔误差所引起黑线在宽的范围内变得不是很明显。
在图7中，(A-c)示意了在峰值间隔为30°以及观看角度范围θ为120°(±60°)时出射光的亮度分布。当出射角的绝对值超过30°和相对亮度下降到10％或更低时，在出射角约为±15°的范围内，相对亮度处于100％到120％的范围。观看角度的有效范围被确定为α≈30°，以及当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为120％。这就有可能使液晶显示器1在与出射角有关的可视范围内具有高的方向性并减少了该范围内的亮度变化。此外，也有可能会使得遮光百叶窗5的光透射层5a和光吸收层5b之间存在的间隔误差所引起黑线在宽的范围内变得不是很明显。
在图8中，(B-a)示意了在峰值间隔为60°以及观看角度范围θ为60°(±30°)时出射光的亮度分布。相对亮度在出射角为0°时最高，并随着出射角绝对值的增加而逐步单调下降，直到出射角绝对值超过30°时变为0％为止。因此，如图30中所示的出射光的亮度那样，如同传统结构中所看到的一样，亮度是随着出射角而急剧变化。然而，观看角度的有效范围可确定为α≈28°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为60％。这就降低了在经常使用的范围内观看者观看位置变化时亮度的变化，从而有助于获得比常规结构更好的可视性。
在图8中，(B-b)示意了在峰值间隔为60°以及观看角度范围θ为90°(±45°)时出射光的亮度分布。当出射角的绝对值超过45°时，相对亮度就下降到0％。在出射角约为±20°的范围内，相对亮度处于70％到100％的范围内；而在出射角约为±30°的范围内，相对亮度时处于50％到100％的范围内。
观看角度的有效范围可确定为α≈38°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为70％。因此，只要让观看角度的范围θ(＝90°)大于峰值间隔的范围(＝60°)，就有可能使液晶显示器1获得比(B-a)所示意的情形更小的亮度变化。此外，也有可能会使得遮光百叶窗5的光透射层5a和光吸收层5b之间存在的间隔误差所引起黑线在一个宽的范围内变得不是很明显。
在图8中，(B-c)示意了在峰值间隔为60°以及观看角度范围θ为120°(±60°)时出射光的亮度分布。当出射角的绝对值超过60°时，相对亮度就下降到0％。在出射角约为±30°的范围内，相对亮度处于80％到100％的范围内。观看角度的有效范围可确定为α≈39°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为85％。因此，只要让观看角度范围θ(＝120°)和峰值间隔(＝60°)之间有更大的差值，就有可能使液晶显示器1获得比(B-b)所示意的情形更小的亮度变化和在更宽的范围内不明显的黑线。
当液晶显示器1安装于车辆时，就要求尽可能安装在操作面板的上方，以减少在驾驶过程中观看者视线的移动，从而获得满意的可视性。然而，如果液晶显示器的观看角度有效范围大于±40°并且安装在某个高的位置上，那么，在出射角±40°以外传播的光所携载的图像就会投射到挡风玻璃上。要避免这种现象，就需要将液晶显示器1安装在操作面板的下方。
在(B-c)示意的情形中，遮光百叶窗5提供了120°的观看角度范围θ，因此，虽然在一个宽的范围内得到了高的亮度，但在出射角为±40°时相对亮度只有5％或更低。这就有可能将液晶显示器1安装在操作面板的上方，它可具有满意的可视性，大大降低了不需要的投射部分，大大减少了在亮度上的变化。
在图9中，(C-a)示意了在峰值间隔为90°以及观看角度范围θ为60°(±30°)时出射光的亮度分布。相对亮度在出射角为0°时最高，并随着出射角绝对值的增加而逐步单调下降，直到出射角绝对值超过30°时变为0％。因此，正如以上所讨论的(B-a)所示意的那样，亮度随着角度变化而急剧变化，但观看角度的有效范围可确定为α≈26°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为60％。这就降低了在经常使用的范围内在观看者观看位置的变化的同时在亮度方面的变化，这也有利于获得比常规结构更好的可视性。
在图9中，(C-b)示意了在峰值间隔为90°以及观看角度范围θ为90°(±45°)时出射光的亮度分布。相对亮度在出射角绝对值超过45°时降为0％。观看角度的有效范围可确定为α≈44°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为60％。因此，正如上面刚刚描述的情况那样，与传统结构相比可以降低亮度的变化。
此外，正如前面所述，当液晶显示器1安装于车辆时，这就要求将其设计成提供±40°观看角度范围从而使其可安装在某个高的位置上，要求观看者的视线很少移动，以及提供更好的可视性。象由(C-b)表示的情况中那样，让峰值间隔等于90°可导致出射角范围大于±40°，因此设定峰值间隔等于80°或更小是尤其好的。
在图9中，(C-c)示意了在峰值间隔为90°以及观看角度范围θ为120°(±60°)时出射光的亮度分布。当出射角的绝对值超过55°时，相对亮度就下降到0％。观看角度的有效范围可确定为α≈54°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为70％。因此，正如以上所讨论的情形那样，与传统的结构相比，这有可能降低在亮度方面的变化，从而，使得液晶显示器1能用于车载使用以外的应用。
图11示意了入射在采用其它形状的棱镜8a的遮光百叶窗上的光的亮度分布。在这幅图中，相对亮度(％)以垂直轴表示，入射角以水平轴线(°)表示。图中，B1示意了棱镜8a具有65°垂直角度并以50μm间隔设置的情形；B2示意了棱镜8a具有90°垂直角度且以50μm间隔设置，以及他们的顶点构成了半径为10μm的曲面的情形；B3示意了将棱镜8a形成具有周期为50μm的正弦波形状的情形。在这些情形中，峰值间隔分别为57°，65°和67°。
图12示意了从遮光百叶窗出射的的光的亮度分布，这时遮光百叶窗具有观看角度范围θ为90°(±45°)，正如图2中的(b)所示意的，并且被由(B1)，(B2)和(B3)所示意的亮度分布的光照射。在这幅图中，(B1-b)示意了入射光具有如(B1)所示意的亮度分布的情形；(B2-b)示意了入射光具有如(B2)所示意的亮度分布的情形；(B3-b)示意了入射光具有如(B3)所示意的亮度分布的情形。
在这些情形中的任一情形中，当出射角的绝对值超过45°时，相对亮度就下降到0％。在出射角约为±25°的范围内，相对的亮度为60％或大于60％。观看角度的有效范围可确定为α≈40°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为70％。于是，就有可能使液晶显示器1减少在亮度上的变化和在一个宽的范围内减少不明显的黑线。
图13示意了从遮光百叶窗出射的的光的亮度分布，这时遮光百叶窗具有的观看角度范围θ为120°(±60°)，正如图2中的(c)所示意的，并且被由(B1)，(B2)和(B3)所示意的亮度分布的光照射。在这幅图中，(B1-c)示意了入射光具有如(B1)所示意的亮度分布的情形；(B2-c)示意了入射光具有如(B2)所示意的亮度分布的情形；(B3-c)示意了入射光具有如(B3)所示意的亮度分布的情形。
在这些情形中的任意情形中，当出射角的绝对值超过60°时，相对亮度就下降到0％。在出射角约为±30°的范围内，相对的亮度为80％到100％。观看角度的有效范围可确定为α≈55°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为80％。于是，就有可能使液晶显示器1减少在亮度上的变化。
然而，具有观看角度的有效范围大于±40°的液晶显示器1并不适用于车载使用。只要设计遮光百叶窗具有120°或更大的观看角度范围θ，就可得到大于±40°的观看角度的有效范围，因而它也特别适用于观看角度为110°或较窄的范围θ使用。然而，如果观看角度范围θ是窄于30°的，那么，在亮度分布中的峰值(图5中的αa和αb)就会变得相互间十分接近，这就不可能在0°的入射角获得最低的亮度。所以，这更适用于观看角度为30°或大于30°的范围使用。
与先前讨论的图8中的(B-c)所示意的情形相比，在(B2-c)和(B3-c)示意的情形中，虽然，在观看角度的同样范围(120°)内峰值间隔是基本相同的，但是，观看角度的有效范围大于±40°，这就使得液晶显示器1不适合于车载使用。正因为如此，在(B-c)示意的情形中，棱镜8a的顶点做成了半径为10μm或小于10μm的点，因此入射在棱镜8a上的光以相同的方向出射。在(B2-c)和(B3-c)示意的情形中，棱镜8a的顶点做成了曲面，因此入射在其上的光以散射的方向出射。所以，将棱镜8a的顶点做成了半径为10μm或小于10μm的点是较好的方法。
图14示意了入射在具有另一种形状的棱镜8a的遮光百叶窗5上的光的亮度分布。在该图中，(B4)和(B5)示意了峰值间隔分别为30°和50°而亮度具有一个以上极大值的情形。
当遮光百叶窗观看角度范围为120°(±60°)并且以(B4)和(B5)所示的亮度分布的光照射时，从遮光百叶窗出射的光的亮度分布如图15所示。在该图中，(B4-c)示意了入射光具有如(B4)所示的亮度分布的情形，而(B5-c)示意了入射光具有如(B5)所示的亮度分布的情形。
在这两幅图中，当出射角的绝对值超过60°时，相对亮度就下降为0％。在出射角分别约为±20°和±25°的范围内，相对亮度为80％或大于80％。在(B4-c)示意的情形中，观看角度的有效范围可确定为α≈30°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为130％。在(B5-c)示意的情形中，观看角度的有效范围可确定为α≈34°，并且当出射角的绝对值为α/2时相对亮度约为100％或更大。于是，就有可能使液晶显示器1在经常使用的范围内减少在亮度上的变化和在一个宽的范围内使黑线不明显。
图16是本发明第二个实施例的液晶显示器的正视图。为了简便起见，与先前讨论的图1所示的第一实施例中相同部件将采用同样的参照数字来识别。光导板3在其后背面上形成有棱镜形状的凹坑3c。凹坑的形成使得在其顶点有一个钝角。从光源来的光入射在基本上平行于其出射面3a的光导板3上。随后，光从凹坑3c的斜面上反射，从而使从光导板3出射的光以相对于垂直出射面3a方向的倾斜方向传播。
于是，从光导板3出射的光在预定的角度范围内呈现出高的亮度，这时的角度是倾斜于光导板3法线的方向。这里，从光导板3出射的光被凹坑3c的倾斜表面反射，于是，光是以相同于凹坑3c排列的间隔出射的。因此，即使在相同的出射方向的情况下，出射光呈现出在相位上随着凹坑3c排列间隔的不均匀亮度。为了克服这问题，在光导板3和遮光百叶窗5之间设有漫射片10。
漫射片10由霾值(haze value)为40％的树脂制成，用于漫射从光导板3出射的光，从而以均匀的光入射到遮光百叶窗5。采用这种方式，就由可能将具有先前讨论的如图5所示亮度分布的光直接照射到遮光百叶窗5。这里，霾值H可用以下的方法来计算。假定光入射到漫射片10，而以入射在漫射片10上的相同方向透过漫射片10的这部分光具有亮度H1，而被漫射片10漫射的这部分光具有亮度H2。于是，霾值H由H＝H2/(H1+H2)式子给出。
也在该实施例中，如同第一实施例，通过适当地选择凹坑3c的形状，就有可能得到入射在遮光百叶窗5上的光的亮度分布，并且该亮度在入射角约为0°的附近最低。采用这种方式，有可能在预定的观看角度的有效范围内限制从遮光百叶窗出射的光。这就有可能使得液晶显示器1减小从遮光百叶窗出射的光在亮度上的变化，从而提供满意可视性。
图17是本发明第三个实施例的液晶显示器的正视图。为了简便起见，与先前讨论的图1和图16所示的第一和第二实施例中相同部件将采用同样的参照数字来识别。本实施例不同于第一实施例的地方仅仅是在遮光百叶窗23和棱镜片8之间设置了菲涅耳片22，以及遮光百叶窗23具有采用倾斜方式排列的光吸收层23b。
图18是遮光百叶窗23的详细的剖面图。遮光百叶窗23具有其光吸收层23b，它是这样形成的，即相对于遮光百叶窗23的法线方向倾斜β角度。于是，遮光百叶窗23对平行于光吸收层23b传播的光呈现出最高的透射率。
图19是菲涅耳片22的详细的剖面图。在菲涅耳片22的表面上有周期性的，锯齿状的菲涅耳部分22a。菲涅耳部分22a是由聚脂基硬化树脂制成的，并且是做在100μm厚PET薄膜制成的基件上的。在菲涅耳部分22a中，两个相邻牙齿之间交界部分做成为垂直于菲涅耳部分22a的表面。
图20示意了入射到遮光百叶窗23，即从菲涅耳部分22a出射的光的亮度分布。在该图中，相对于遮光百叶窗的入射角(°)以水平轴线表示，相对亮度(％)以垂直轴线表示。棱镜片8的棱镜8a的垂直角度为90°，并且从棱镜片8出射的光，如折线所示意的，呈现出与其法线方向对称的亮度分布，即与图5中(B)所示的相同的亮度分布。菲涅耳片22的倾斜表面相对于菲涅耳片22所具有的周期性，锯齿状模型的方向倾斜γ角度(见图19)。
如图20中(B′)所示意，入射到菲涅耳片22的光被折射，以至于从菲涅耳片22出射的光具有一个亮度分布，该亮度分布是关于菲涅耳片22法线方向非对称的，而是关于从法线方向移动约15°的方向基本对称。即，菲涅耳片22使入射到遮光百叶窗23的光的入射角平均值(以下将称之为“平均入射角”)从0°移向了-15°。
正是由于这个原因，遮光百叶窗23的光吸收层23b的入射角β(见图18)等于15°。因此，如图21所示，遮光百叶窗23在-15°入射角可具有最高的透射率。遮光百叶窗23也提供了120°的观看角度范围θ。在图21中，透射率(％)以垂直轴线表示，入射角(°)以水平轴线表示。
结果，从遮光百叶窗23出射的光具有如图22所示的亮度分布。在图22中，相对亮度(％)以垂直轴线表示，出射角(°)以水平轴线表示。在出射角-15°±40°的范围外，相对于最高亮度的相对亮度为5％或更低；而在出射角-15°±30°的范围内，相对于最高亮度的相对亮度为80％或更高。
采用这种方式，就有可能获得第一和第二实施例中的相同效果。当把本实施例的液晶显示器1安装于车辆或用于其它类似的应用时，不必将它安装在观看者视线的法线方向的位置上。即使液晶显示器1以不同的角度安装，只要采用了具有不同倾斜角度β和γ(见图18和19)的遮光百叶窗23和菲涅耳片22的液晶显示器1，就有可能确保在观看者的视线方向的预定角度范围内的高亮度。这有利于减少液晶显示器1在车辆或其它应用中的安装的限制，从而增加了安装方面的灵活性。
在第一至第三实施例中，光源2是由多个荧光灯组成。通过变化荧光灯的亮度，就有可能减少在所要求的出射方向范围以外从液晶显示器1出射的光的亮度。以下以第三实施例作为例子来讨论如何获得这样的效果。如图17所示先前已讨论过的那样，对光源2来说，以液晶显示屏6的法线方向沿着光导板3的两个相对边的每一边排列两个荧光灯2a和2b。
荧光灯2a和2b由一个变换器(没有显示)控制。这种变换器是单直流输入的双变压器型，这种结构允许通过改变可变电阻的操作来调整占空比。当从可变电阻来的输入信号是在预定的范围内时，所有的荧光灯2a和2b都以他们的最大发光值发光。
当从可变电阻输入的信号大于预定范围的上限时，离液晶显示屏6较远的荧光灯2b就以它最大发光值发光，而离液晶显示屏6较近的荧光灯2a就根据输入信号的大小以较小光量发光。当从可变电阻输入的信号小于预定范围的下限时，离液晶显示屏6较近的荧光灯2a就以它最大发光值发光，而离液晶显示屏6较远的荧光灯2b就根据输入信号的大小以较小光量发光。
图23显示了当调整从光源2发出的光量时入射到遮光百叶窗23的光的亮度分布。在该图中，入射角(°)以水平轴线表示，相对亮度(％)以垂直轴线表示。在图中，D1示意了靠近遮光百叶窗23的荧光灯2a以先前已讨论过的图20 B′所示的情形中所发出光量的50％来发光的情形；D2示意了荧光灯2a被关掉的情形。在这两种情形中，离遮光百叶窗23较远的荧光灯2b以其最大光量发光。
由于遮光百叶窗23具有先前已讨论的如图21所示的透射率，所以从遮光百叶窗23出射的光具有如图24所示的亮度分布。在该图中，D1′和D2′分别示意了入射光具有由D1和D2所示意的亮度分布的情形。在图中，出射角(°)以水平轴线表示，相对亮度(％)以垂直轴线表示。
在这两种情形中，在从0°到+20°的出射角的范围内，当所有的荧光灯2a和2b都以其最大值发光时，就能得到如图22所示情形的同样高的亮度。以这种方式，就有可能减少在从约0°到约+20°出射角范围以外的出射光的亮度。
例如，如图25所示，当液晶显示器1安装于车辆时，只要观看者保持着同样的状态，他和她典型地观看在以他和她所坐高度而确定的窄角度范围内出射的光。当液晶显示器1以预定的角度安装时，具有高的设定高度的观看者M1典型地观看从约0°到约+20°出射角范围内出射的光；具有平均设定高度的观看者M2典型地观看从约0°到约-20°出射角范围内出射的光；具有低的设定高度的观看者M3典型地观看从约-20°到约-40°出射角范围内出射的光。
因此，通过根据他们的设定高度来调整从荧光灯2a和2b所发出的光，观看者M1，M2和M3能够减少那些一般不适用于他们观看的光量，从而能节省液晶显示器1所消耗的电能。当多个观看者观看液晶显示器1时，就使荧光灯2a和2b以最大值发光，所以，所发出的光呈现出如先前已讨论过的图22所示的亮度分布。这可以使观看者能在一个较宽的范围内观看到清晰的图像，也能避免图像投射到挡风玻璃上。
在第一至第三的实施例中，液晶显示屏6也可以是被称为半透明-反射型的。半透明-反射型的液晶屏可以在有环境光时通过反射环境的光来显示图像，也可以在没有环境光时通过透射从背景光7发出的光来显示图像。
遮光百叶窗5或23可以设置在液晶屏6的或是前面或是后面。然而，当液晶屏6是采用半透明-反射型时，设置在液晶屏6出射面上的遮光百叶窗5或23比液晶屏6在环境光使用的效率要低。因此，在这种情况下，较好的方法是将遮光百叶窗5或23设置在液晶屏6和光导板3之间。
权利要求
1.一种背景光，其特征在于它包含光源；平板型光导板，用于将光源发出的光引导到一个预定方向；遮光百叶窗，面向光导板而设置，用于根据入射角来遮挡从光导板出射的一部分光；以及转换器，用于将入射到遮光百叶窗的光的亮度分布转换为预定的亮度分布；其中，转换器将入射到遮光百叶窗的光的平均入射角从遮光百叶窗法线方向移开。
2.如权利要求1的背景光其特征在于所述转换器具有矩齿形状部分的菲涅耳片。
3.如权利要求2的背景光其特征在于所述菲涅耳片由在聚对苯二甲酸乙酯薄膜上矩齿形状部分的聚酯基硬化树脂构件形成。
4.如权利要求1的背景光其特征在于入射到遮光百叶窗的光的亮度分布以这样的方式进行转换，即在相对于平均入射角的正方向预定入射角的亮度和在相对于平均入射角的负方向预定入射角的亮度都高于平均入射角的亮度。
5.如权利要求4的背景光其特征在于所述转换器具有以预定间隔排列的棱镜。
6.如权利要求1的背景光其特征在于所述遮光百叶窗具有倾斜设置的光吸收层。
7.如权利要求1的背景光其特征在于所述光源可根据出射方向发出可变的光量。
8.如权利要求7的背景光其特征在于所述光源是由多个荧光灯组成并配备一个变换器，通过调整占空比，可允许调整从特定荧光灯发出的光量。
9.一种液晶显示器，其特征在于它包含背景光，它包含光源；平板型光导板，用于将光源发出的光引导到一个预定方向；遮光百叶窗，面向光导板而设置，用于根据入射角来遮挡从光导板出射的一部分光；转换器，用于将入射到遮光百叶窗的光的亮度分布转换为预定的亮度分布；以及，液晶屏，通过透射从背景光出射的光而显示图像，其中，转换器将入射到遮光百叶窗的光的平均入射角从遮光百叶窗法线方向移开。
10.如权利要求9的液晶显示器其特征在于所述遮光百叶窗设置在液晶屏和光导板之间。
全文摘要
一种背景光和液晶显示器。背景光7包括光源2；平板形光导板3，用于将从光源2发出的光引导到预定的方向；遮光百叶窗5，面向光导板3而设置，用于根据入射角来遮挡从光导板3出射的部分光；以及棱镜片8，用于将入射到遮光百叶窗5的光的亮度分布转换为预定的亮度分布。由于棱镜片8的作用，入射到遮光百叶窗的光呈现出在入射角为0°时亮度最低的亮度分布。因此，背景光7和采用背景光的液晶显示器1，允许光在所希望的观看角度范围内出射，并且在上述范围内具有高的亮度，减少可视性的降低。
文档编号F21Y103/00GK1530712SQ20041003229
公开日2004年9月22日 申请日期2001年8月7日 优先权日2000年8月7日
发明者鳥原広志, 高橋伸行, 鵜飼健一, 一, 原 志, 行 申请人:夏普株式会社