专利名称：带有金属化锥形波导的显示屏的制作方法
技术领域：
本发明涉及显示装置的领域，并且尤其涉及可以增大视角的特别用于液晶显示器(LCD)的屏幕。
背景技术：
已知的显示器例如有投影显示器、画外显示器以及直视显示器。例如Zimmerman等人的美国专利(US5,481,385)中所述。这些显示器用于很广范围的应用中，包括计算机终端、飞机座舱显示、自动仪表盘、电视以及提供文本、图表或视频信息的其它显示器。常规的直视显示器如液晶显示器有很多固有的缺陷。例如，在大视角(与显示器表面的法线方向有很大的角度)时，这些显示器有较低的对比度，并且当视角改变时，视觉色度也发生变化。
对于大多数显示器，重要的是操作者可以以各种偏轴角度观看显示屏。例如，在带有左右驾驶员座位的航空器(驾驶员/副驾驶员)中，驾驶员可能需要越过座舱查看副驾驶员的仪表显示。在这种情况下就希望有一种大的偏轴视角(＞60°)。有一种类型的显示器(如LCD)具有一个限定的偏轴度(＜20°)，除非提供外部补偿。
在Zimmerman的1996年1月2日颁发的美国专利(US5,481,385)中，观察屏放置在液晶显示器(LCD)和观看显示器的人之间。在现有技术中希望准直光束穿过LCD显示器以产生图象。这种准直光束具有相当低的散射角(大约5～10°)，这导致对显示器不利的偏轴观看。图1中展示了Zimmerman的观察屏，它包括多个在显示屏观察方的锥形光波导。观察屏包括多个设置在一个透明平面衬底12、如玻璃上的锥形波导11。每个锥形波导有一个穿过衬底12的光输入表面13(图1中未示出)，一个光输出表面14和锥形侧壁15。这些光波导由一种光聚合材料如丙烯酸制成。
图2表示通过这种锥形波导的内部光反射(即光路)。光线101在光输入表面13进入锥形波导11并通过数次从锥形侧壁反射而经锥形波导11传播。在第一次反射处，光线101的散射角从A增大到A+B，其中B是侧壁的锥形角。在第二次反射22处，散射角增大到A+2B。一般地，从锥形波导输出的光的散射角可以表示成A+(n*B)，此处n是光线101从锥形波导12出射之前从锥形侧壁反射的次数。注意，对于每一束光线101，入射角等于反射角。
由Zimmerman提出的透明波导按照与光缆相同的方式经内全反射(TIR)传播光束。TIR需要光的入射角小于由光学介质(如丙烯酸)的材料特性决定的临界值。图3表示多数光线101经Zimmerman提出的锥形波导传播到输出光扩展角31。在经过有限次数的反射之后，光线101的散射角将超过波导光学介质的临界入射角，并且光线将在锥形波导11的侧面点32处出射，而不是从锥形表面15反射。Zimmerman指出，希望通过用光吸收材料如碳黑填充波导之间的缝隙区域来吸收选出波导11的光线。
典型的锥形波导由一种光学介质如玻璃或光聚合材料如丙烯酸构成。Zimmerman提出了一种利用汞灯(Hg)或氙灯(Xe)发出的紫外光(UV)的光聚合法，该方法尤其适合于制造锥形波导。曝光夹层使用掩模/甲醇/PET/光聚合物/洁净的玻璃顶板。对曝光夹层显影并再用UV烘干固化。带有50微米的孔和5微米的线条的掩模制造200微米高并具有20微米宽的顶端(光输出表面积)的锥形。该锥形一般在160微米的深度处彼此熔合并具有12°的侧壁锥度。
光线101在光输入表面13处进入锥形波导11，并经光输出表面14出射。当光线101穿过光学介质12时，从侧壁15反射。光线101在入射扩展角的左右末端的几何形状如图所示。经过数次反射后，光线入射角超过光学材料的折射率，并且光线在32处如图所示地从波导逸出。这导致有限的输出光扩展角31。
已知的对Zimmerman原理的改进包括用折射率低于波导折射率的光学介质填充波导11之间的间隙区域。但是这种方法将导致观众观看时不希望有的外部光线的反射。航空电子设备显示器的有用特征包括环境光高反射、高透射以及关于显示器法线的非对称输出亮度分布。
发明内容
本发明在显示器观察方一侧上提供了一种锥形阵列以增大偏轴视角。本发明指出，金属反射涂层放置在锥形光波导的外部。另外，可以处理所得的金属锥体背离波导的表面以形成面对观众的黑色光吸收区。这种黑色区域在减少观众观看到的反射的方面很有用。
本发明典型的用途是与常规液晶显示器(LCD)一起使用的视角改善屏。这些LCD显示器一般输出准直光(扩展约5 °)。
非对称锥形光波导有助于促进更宽的水平-垂直视角分布。倾斜的锥体提供关于一根轴线(垂直)非对称的视角。金属涂覆的锥体提供较大的视角。
中空金属锥体是去除光聚合物的对前述原理的一种改型。最好将外涂层设置在内金属表面上以防止腐蚀/氧化。
本发明的直视显示装置展示了超越已知装置的几个优点。例如，本发明的装置具有一个非对称的视角，可以调节该视角以使液晶显示器的特性与航空器的交叉的座舱的观察要求相匹配。
通过下面参考附图的详细描述，对本发明将有更全面及更清晰的认识，其中图1表示显示器在面对观众一侧上有多个锥形波导的现有观察屏；图2表示从图1观察屏的锥形波导侧面上反射的光线的几何形状；图3表示光线经图1观察屏的锥形聚合波导的传播；图4表示根据本发明带有金属反射层的锥形聚合波导；以及图5表示根据本发明的实施例的锥形金属波导。
具体实施例方式
参见图4，图中示出了根据本发明的锥形波导40。有利的是，本发明对波导40的外表面增加了一个金属层43，尤其对入射光具有超过光学介质12折射率的扩展角的上部锥形区域增加了一个金属层43。例如利用化学气相沉积(CVD)把金属涂层设置在锥形的外部。当光线101从金属层43反射时，防止该光线在反射点42处如图所示地从波导40中逸出。根据本发明有利的是，金属化的锥形波导40产生较大的输出光扩展角41，该扩展角大于图3所示现有技术中非金属化锥形波导的扩展角。
本发明的另一实施例示于图5。在此优选实施例中，如同Zimmerman所提出的一样，例如利用酸冲洗除去光聚合物。所得锥形的内部用一个保护层如聚乙烯涂覆。光线101进入金属锥形中空波导50的基部，该基部设置在透明衬底上，如图1所示。光线101从中空锥体50的基部通过从锥形金属壁53反射而传播到中空锥形的顶部。进入此锥形的光线101的入射扩展角较小(约为5°)，并且光线的输出扩展角41显著增大，如同图4所示金属化锥形40那样。
接下来参见图6，图中示出了一部分金属锥体60阵列。每个金属锥体50的内表面用一层保护性透明膜61如聚乙烯涂覆。每个金属锥体的外表面用一层变黑的填隙层62如平坦的环氧漆或化学膜涂覆。在另一优选实施例中，锥体50之间的其余填隙空间63用光吸收材料如碳黑填充。
本发明的实施例还可以通过包括在锥形波导40基部或更优选在顶端(输出端)处的非对称散射而提供输出光线101的非对称亮度分布。这种非对称散射可以通过一个如物理光学公司提供的表面凹凸全息照相装置来实现。有利的是，非对称散射与体积散射(约50％)相比，产生较高的光透射率(约90％)。通过如图6所示的金属反射层的变黑的外层62或通过包含在锥形之间的填隙区域中的其它黑色材料，使得只在顶端布置将提供对环境光较强的排除。
本发明的其它实施例调节非对称形式的视角(光扩展角)，使得例如水平视角可以比垂直视角宽。视角的非对称性通过使用各种金属化的锥形波导形状来调节，包括但不限于带有圆形和椭圆形基部的直角(无倾斜)圆锥以及带有正方形、矩形、六边形、八边形基部的直角(无倾斜)棱锥。其它的实施例包括金属化锥形波导形状，该金属化锥形波导形状包含带有上述基部的倾斜圆锥及棱锥。
参见图7，图中示出了本发明用于航空电子设备显示器71的实施例。有利的是，带有各种锥角的金属化锥形可以关于观察区分布，使得可以给例如显示各种警示和提醒文本的航空电子设备显示器的中间部分提供较大的垂直向上视角，使得在飞行员夜视护目镜(NVG)下引导光束。航空显示器71如图所示，以飞行员的设计眼睛72定位和取向。在航空器座舱的设计中，预定向下看的视角73，使得飞行员在航空器的机头上有足够的能见度。本发明提供常规优先级信息74的显示区，具有有限的垂直视角，使得飞行员不会分散注意力去看航空器的外边，还提供高优先级信息75的显示区，具有扩展的垂直视角，使得飞行员可以被有效地警告。
本发明不限于本说明书中给出的实施例。在不脱离本发明实质范围的前提下，本领域的技术人员可以很容易地发现本发明的其它优点和改型，本发明的范围将由下面的权利要求限定。
权利要求
1.一种用于直视显示器的视角改善屏，其包括一产生光输出的图象显示装置；一透明衬底，该透明衬底设置在所述图象显示装置前面，并具有面对所述图象显示装置的第一表面和与第一表面相对的第二表面；多个锥形光波导，其设置在所述透明衬底的第二表面上，每个所述锥形光波导具有光输入表面，其与所述透明衬底的第二表面相邻；光输出表面，其远离所述光输入表面并具有小于所述光输入表面的表面积；以及锥形侧面，其连接在所述光输入表面和所述光输出表面之间并与所述光输入表面和所述光输出表面形成一闭合表面，并且具有接近所述光输出表面的上部和下部；其中从波导的光输出表面发出的光的角分布大于进入波导的光输入表面的光的角分布；以及金属反射层涂覆每个所述波导的每个锥形侧面的上部。
2. 如权利要求1所述的视角改善屏，其特征在于其还包括一非对称散射装置，该装置或者位于所述锥形光波导的光输入表面，或者位于所述锥形光波导的光输出表面。
3.如权利要求1所述的视角改善屏，其特征在于锥形波导形成为直角圆锥或直角棱锥的大致形状；以及所述锥形波导的光输入表面和光输出表面大致形成为选自圆形、椭圆形、正方形、矩形、六边形和八边形中的一种形状。
4.如权利要求1所述的视角改善屏，其特征在于锥形波导形成为倾斜圆锥或倾斜角棱锥的大致形状；以及所述锥形波导的光输入表面和光输出表面大致形成为选自固形、椭圆形、正方形、矩形、六边形和八边形中的一种形状。
5.一种用于直视显示器的视角改善屏，其包括一产生光输出的图象显示装置；一透明衬底，该透明衬底设置在所述图象显示装置前面，并具有面对所述图象显示装置的第一表面和与第一表面相对的第二表面；多个中空金属锥形波导，其设置在所述透明衬底的第二表面上，每个所述中空金属锥形波导具有敞开的基部，其与所述透明衬底的第二表面相邻；敞开的顶端，其远离所述敞开的基部并具有小于所述敞开的基部的表面积；金属反射锥形侧面，其连接在所述敞开的基部和所述敞开的顶端之间，并与所述敞开的基部和所述敞开的顶端形成内闭合表面和外闭合表面；其中从所述波导的敞开的顶端发出的光的角分布大于进入所述波导的敞开的基部的光的角分布。
6.如权利要求5所述的视角改善屏，其特征在于其还包括设置在所述中空金属锥形波导的内闭合表面上的保护性透明涂层；以及设置在所述中空金属锥形波导的外闭合表面上的变黑的光吸收涂层。
7.如权利要求5所述的视角改善屏，其特征在于中空金属锥形波导形成为直角圆锥或直角棱锥的大致形状；以及所述中空金属锥形波导的光输入表面和光输出表面大致形成为选自圆形、椭圆形、正方形、矩形、六边形和八边形中的一种形状。
8.一种航空电子设备显示器，其带有用于高优先级信息的预定显示区和用于标准优先级信息的预定区，该显示器包括(a)一带有直视发光表面的显示器；(b)放置在发光表面前面的所述显示器上的视角改善屏，其具有对应于所述显示器的高优先级信息显示区的高优先级表面区，并且具有对应于所述显示器表面的低优先级信息显示区的低优先级表面区；(c)多个锥形波导，其具有设置在视角改善屏的所述高优先级表面区以及视角改善屏的所述低优先级表面区上的不同侧壁锥角；其中(d)设置在所述视角改善屏的高优先级表面区上的所述锥形波导的侧壁锥角不同于设置在所述视角改善屏的低优先级表面区上的所述锥形波导的侧壁锥角。
9.如权利要求8所述的电子设备显示器，其特征在于所述锥形波导为金属化锥形波导。
10.如权利要求8所述的电子设备显示器，其特征在于所述锥形波导为中空金属锥形波导。
11.如权利要求8所述的电子设备显示器，其特征在于设置在所述视角改善屏的高优先级表面区上的所述锥形波导的侧壁锥角对高优先级信息产生较大的垂直视角。
全文摘要
一种用于增大显示器如液晶显示器的视角的观察屏，其具有金属化锥形波导(43)。
文档编号G02B5/08GK1505771SQ01819104
公开日2004年6月16日 申请日期2001年9月18日 优先权日2000年9月19日
发明者J·马诺, J 马诺, P·A·帕帕尼斯托尔, 帕帕尼斯托尔 申请人:霍尼韦尔国际公司