带有多个光学腔的显示装置制造方法
【专利摘要】本申请涉及带有多个光学腔的显示装置。一种显示器1201包括限定一个显示平面的光调制器1211的阵列、一个光导1204、以及前朝向和后朝向的反射表面(分别为1205和1209)。该光导1204包括多个几何光转向器1206，并且该光导至少50％的后表面平行于该显示平面。该后朝向反射表面1209平行于该显示平面并且包括多个孔1213。
【专利说明】带有多个光学腔的显示装置
[0001]分案申请的相关信息
[0002]本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2007年6月5日、申请号为200780020747.1、发明名称为“带有多个光学腔的显示装置”的发明专利申请案。
[0003]发明背景
[0004]用机械光调制器制成的显示器是对基于液晶技术的显示器的一个具有吸引力的替代。机械光调制器足够快速以显示具有良好视角和大范围的色彩和灰度的视频内容。机械光调制器已成功地应用于投射显示器中。采用机械光调制器的背光式显示器尚未展示出足够的有吸引力的亮度和低功率的组合。本领域存在对于结合了速度、亮度和低功率的属性的显示器的需要。
[0005]在共同拥有的于2005年9月2日递交的美国专利申请N0.11/218，690中(该专利申请全文通过引用结合在此)公开了用于改进包括孔阵列的显示器的光学效率的一种结构，通过形成这样的孔或透光区域作为一个本来是反射表面(称为“反射孔层”)的一部分。在与包括一个第二反射表面的背光耦接时，这种反射孔层形成一种光学腔，该光学腔允许不立即穿过这些孔的光线进行再循环。所描述的显示器具有在40 %至60 %范围内的光通量效率，虽然在该反射层中形成的孔具有低至8 %到20 %的面积比。
[0006]发明概沭
[0007]总而言之，本发明涉及一种显示器，它具有改进的光学腔以提供增强的光方向性和效率。一方面，本发明涉及的一种显示器包括带有多个光调制器的一个阵列、一个光导以及前朝向和后朝向的多个反射表面。该光导包括多个几何光转向中心，以从该背光提出光。这些转向中心的不同实施方案描述于美国专利号5，005，108,5, 202，950,5, 884，872、6，079，838,6, 174，064,6, 731，355,6, 827，456,7, 014，349 和 7，046，905 之中，这些专利全文通过引用结合在此。
[0008]在不同实施方案中，显示器还包括定位于该后朝向反射表面之后的一个转向膜和/或一个亮度增强膜。此外，在一个实施方案中，显示器包括一个光注入系统，该光注入系统包括一个灯和一种光准直器，该光准直器用于将由该灯输出的光的非随机部分引入光导以产生在一个预定角度范围内的准直光。准直光包括输入光的任何分布，其中在一个预定的角度范围内高于随机百分比的光朝被指向该反射孔层。美国专利号5，005，108、5，884，872、6，079，838和7，046，905中描述了适合用在显示器中的不同的光准直和注入技术，这些专利全文通过引用结合在此。
[0009]在一个实施方案中，这些光调制器是基于MEMS的光调制器，例如，快门，这些快门选择性地干扰穿过在后朝向反射层中的相应孔的光。在另一个实施方案中，这些快门是基于液体的快门，这些基于液体的快门使用一种被称为电润湿的机制可以选择性地干扰光。在另一个实施方案中，这些光调制器是液晶小室。该光调制器阵列限定一个显示器表面。该显示器面优选基本上呈平面形。
[0010]该光导包括前表面和后表面。在一个实施方案中，光导后表面的约50%至约95%之间的面积基本上平行于显不器表面。在一个具体的实施方案中，该光导至少50%的后表面的面积基本上平行于显示器表面。在另一个实施方案中，该光导的后表面的至少60%的面积基本上平行于显示器表面。在又另一个实施方案中，该光导的后表面的至少70%的面积基本上平行于显不器表面。在一个进一步的实施方案中，这种光导的后表面的至少80%的面积基本上平行于该显示器表面。在再另一个实施方案中，这种光导的后表面的至少80 %的面积基本上平行于显不器表面。
[0011]这些几何光转向器在此还被称为出光中心、出光结构和偏转器。这些转向器的功能是从光导向观看者引出光。在一个实施方案中，这些光转向器呈棱柱形。可替代地，这些光转向器呈圆形、曲线形、梯形、椭圆形。优选这些光转向器的表面是光滑的。这些光转向器能够引出光，其中，在一个预定的角度范围内高于随机百分比的光被导向反射孔层。
[0012]在某些实施方案中，这些光导向器具有朝向一个灯的前表面和背向该灯的后表面。到达前朝向反射表面上的转向器的前面的覆盖区的面积可能大于该转向器的后面的类似覆盖区的面积。可替代地，这些光转向器的前面和后面的覆盖区的面积相等。此外，该光导中的这些光转向器的填充密度可随着这些光转向器与该灯的距离而变化。
[0013]该后朝向反射层(在此也被称为反射孔层)包括多个孔并且被定位于该光导之前，即在该光导与所要到达的观看者之间。优选地该后朝向反射层定位在这些光调制器之后。在一个实施方案中，该后朝向反射层是由在该光导的前表面上的一种金属的淀积所形成。还可用一个电介质镜或用包括电介质和多个金属层的薄膜叠层来形成该后朝向反射层。该后朝向反射层优选以90 %至98 %范围内的反射率来将光镜面反射。
[0014]根据一种特征，该后朝向反射层优选定位于光调制器的阵列的附近。在一个实施方案中，该后朝向反射层定位于距该光调制器阵列0.5mm之内。在另一个实施方案中，多个光调制器的一个阵列形成在一个基底上，并且该后朝向反射层与该光调制器阵列之间的距离小于该基底的厚度。在另一个实施方案中，该后朝向反射层具有限定孔之间距离的一个间距，并且该后朝向反射层与该光调制器阵列之间的距离小于该间距。
[0015]根据另一特征，这些孔与该光调制器阵列中特定的光调制器相关联。这种关联可以是一对一、一对多、或多对一。每个孔允许一个光通量通过。对于任何一组孔与相关联的光调制器而言，这些光调制器基本上对通过该孔的整个光通量进行调制。更具体地说，在一个实施方案中，一个单一的光调制器基本上对通过一个单一的相关联的孔的全部光通量进行调制。在另一个实施方案中，一个单一光调制器基本上对通过多个相关联孔的光通量进行调制。在又另一个实施方案中，多个光调制器一起基本上对通过一个单一孔的所有光通量进行调制。
[0016]在一个实施方案中，该前朝向反射层(在此也称为背反射体或背反射表面)基本上平行于该显示器表面。即，它优选与该显示器表面成小于约10度的角。在一个实施方案中，该前朝向反射层平行于该显示器表面。在一个实现方式中，该前朝向反射层是淀积在该光导的后表面上的一种金属。该前朝向反射层还可用一个电介质镜或用包括电介质和多个金属层的薄膜叠层来形成。可替代地，该前朝向反射层通过一个气隙与该光导分离。在一个实施方案中，该前朝向反射层将光镜面反射。它优选具有在90%至98%范围内的反射率。
[0017]此类显示器将所发射的光集中在围绕垂直于该显示器平面的一个轴线(称为“显示器法线”)的一个角度范围内。例如，光可以如此集中，这样以围绕该显示器法线的一个有用的角度范围内的角度从该后朝向反射表面反射出并且朝向该前朝向反射层的高于一个随机百分比的光同样以围绕该显示器法线的有用角度范围内的角度被转向该反射孔层。在不同的实施方案中，该有用角度的范围是在距该显示器法线从约20度至约40度的范围内。例如，在一个实施方案中，该有用的角度范围包括在显示器法线的20度以内的角度。在另一个实施方案中，该有用的角度的范围包括显示器法线的30度以内的角度。在又另一个实施方案中，该有用的角度的范围包括显示器法线的40度以内的角度。
[0018]在一个实施方案中，至少50%以该有用角度范围内的一个角度反射离开后朝向反射表面的光同样以在该有用角度范围内的一个角度离开该光导。在另一个实施方案中，至少70%以该有用角度范围内的一个角度反射离开该后朝向反射表面的光同样以在该有用角度范围内的一个角度离开该光导。在又一个实施方案中，至少90%以该有用角度范围内的一个角度反射离开该后朝向反射表面的光同样以在该有用角度范围内的一个角度离开该光导。
[0019]在另一方面，本发明涉及利用改进的光学腔形成图像的一种方法。这种方法包括提供多个光调制器的一个阵列，该阵列限定一个显不表面，该显不表面在一个光学腔附近。该光学腔包括作为前表面的一个后朝向反射孔层、一个后表面、以及定位于该前表面与该后表面之间的一个光导。光被反射离开该后朝向反射孔层。该光的一部分被反射到围绕垂直于显示器表面的显示器轴线的有用角度范围内。这部分光具有一个初始总的光强度。然后，所反射的光被光腔的后表面转向。在围绕该显示器法线的有用角度范围内朝向该反射孔层被转向的光具有该初始强度的至少50%的强度。在一个实施方案中，在围绕该显示轴线的有用角度范围之内的被转向的光的强度是初始全部光强度的至少70%。在另一个实施方案中，在围绕该显示轴线的有用的角度范围之内被转向的光的强度是初始全部光强度的至少90%。在一个实施方案中，围绕法线的有用角度范围是围绕该法线约40度。在另一个实施方案中，围绕该法线的有用的角度范围是围绕该法线约30度。在又另一个实施方案中，围绕该法线的有用角度范围是围绕该法线约20度。
[0020]这种将以有用的角度接收的光以有用的角度转向的能力在此被称为锥形反射能力。更具体地说，将锥形反射能力定义为一个背光或照明系统接收在一个预定角度(相对于入射轴线进行测量)范围内的入射光锥并且然后沿着一个等效射出轴线重新发射或反射这种光的能力，其中以相同的预定角度范围绕着该射出轴线测量的该射出光的积分强度(或辐射功率)大于积分的入射光的一个限定的部分。该入射光锥优选照亮直径至少为2mm的一个背光的面积，并且该辐射功率优选是通过在一个类似的或更大的面积上积分的反射光来确定。
[0021]在一个方面，本申请包括一种显示器，该显示器包括多个光调制器的一个阵列，该阵列定义了一个显示表面。该显示器还包括一个光导，该光导具有前表面和后表面以及在其中形成的多个几何光转向器，其中该光导至少50%的后表面是基本上平行于该显不表面。该显示器还包括一个后朝向反射层，该后朝向反射层定位于该显示表面附近。该后朝向反射层包括在其中形成的多个孔，该多个孔中的每个孔与多个光调制器的所述阵列中的至少一个对应的光调制器相关联。通过每个孔的光通量由该至少一个对应的光调制器调制，而该后朝向反射层朝该光导反射未通过该多个孔的光。该显示器还包括一个前朝向反射层，该前朝向反射层定位于该光导的后表面附近。
[0022]该光调制器的阵列可包括多个基于MEMS的光调制器，这些光调制器用于选择性地允许光穿过在该后朝向反射层中的多个孔以便协助形成一个图像。该光导至少70%的后表面可基本上平行于该显示表面。该光导至少90%的后表面可基本上平行于该显示表面。该后朝向反射层可包括一个电介质镜。该后朝向反射层包括一个金属层。
[0023]该显示器可包括一个透明的低折射率电介质层，该透明的低折射率电介质层具有比该光导的折射率小的折射率并被设置在该后朝向反射层与该光导的前表面之间。该光导可包括至少第一层和第二层的一个复合体。该光导的第一层可包括玻璃与塑料中的一种。该光导的第二层可包括玻璃与塑料中的一种。该多个几何光转向器可包括基本上光滑的多个反射表面。
[0024]该显不器可包括一个光注入系统，该光注入系统包括一个灯和一种光准直器，该光准直器用于将由该灯输出的光的非随机部分引入该光导的在一个预定角度范围内的准直光之中。该显不器可包括一个棱镜转向膜，该棱镜转向膜定位于该光导与该后朝向反射层之间。该显示器可包括一个亮度增强膜，该亮度增强膜定位于该光导与该后朝向反射层之间。该显示器还可包括一个侧朝向反射层，该侧朝向反射层定位于该光导一侧的附近。
[0025]该多个几何光转向器可包括多个棱镜光转向器。这些棱镜光导向器可具有朝向一个灯的一个第一表面以及背向该灯的一个第二表面，其中投射到该前朝向反射表面上的该第一表面的覆盖区的面积大于投射到该前朝向反射表面上的该第二表面的覆盖区的面积。这些棱镜光导向器可具有朝向一个灯的一个第一表面和背向该灯的一个第二表面，其中投射到该前朝向反射表面上的该第一表面的覆盖区的面积大致上等于投射到该前朝向反射表面上的该第二表面的覆盖区的面积。
[0026]在垂直于该显示表面的轴线的40度之内从该后朝向反射层反射离开的光的至少70%可在该轴线的40度之内被转向返回该后朝向反射层。在垂直于该显示表面的轴线的30度之内从该后朝向反射层反射离开的光的至少70 %可在该轴线的30度之内被转向返回该后朝向反射层。在垂直于该显示表面的轴线的20度之内从该后朝向反射层反射离开的光的至少70%可在该轴线的20度之内被转向返回该后朝向反射层。
[0027]该光导中的该多个几何光偏转器的密度可作为距一个灯的距离的一个函数而变化。该光导中的该多个几何光偏转器的密度可作为这些几何光偏转器相对于该光的角度的一个函数而变化。该前朝向反射层与该显示表面所成的角度可小于约10度。该后朝向反射表面可定位于该显不表面的0.5mm之内。
[0028]该光调制器的阵列可具有一种光调制器间距，并且该后朝向反射表面与该显示表面之间的距离可小于该光调制器间距。该光调制器的阵列可形成在一个基底上，并且该后朝向反射层与该显示表面之间的距离可小于该基底的厚度。
[0029]在另一方面，本申请包括一种显示器，该显示器具有:多个光调制器；以及，一个光导，该光导耦联到该多个光调制器并具有前和后表面，并且多个几何光转向器形成于其中。该显示器还包括一个前朝向反射层，该前朝向反射层定位于该光导的后表面附近。该显示器还包括一个后朝向反射层，该后朝向反射层定位于该光导与该多个光调制器之间，包括在其中形成的多个孔。该多个孔中每一个对应的孔与该多个光调制器中至少一个对应的光调制器相关联。通过每个孔的光通量由该至少一个对应的光调制器调制，而该后朝向反射层朝该光导反射未通过该多个孔的光。
[0030]该多个孔中每一个对应的孔可与该多个光调制器中一个单个对应的光调制器相关联。该多个孔中每一个对应的孔可与该多个光调制器中多个对应的光调制器相关联。该多个孔中多个对应的孔可与一个单个对应的光调制器相关联。
[0031]该多个光调制器可包括多个基于MEMS的光调制器，用于选择性地允许光穿过在该后朝向反射层内的该多个孔中相关联的孔以协助形成一个图像。
[0032]附图简要说明
[0033]参考下面的附图，从本发明的详细描述中将更容易理解前面的论述:
[0034]图1A是一个显示装置的一个截面视图。
[0035]图1B是另一显示装置的一个截面视图。
[0036]图2A是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置的一个截面视图。
[0037]图2B是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置的一个截面视图。
[0038]图3A是用于锥形反射能力性能测量的示意性光学布局。
[0039]图3B展示了在本发明的不同实施方案中采用的背光的光输出强度随着立体角的变化。
[0040]4A和4B是在根据本发明的一个示例性实施方案的显示装置中使用的一个光导的多个部分连同它们的相关联的前朝向反射层的截面视图。
[0041]图5A至是在根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中使用的一个光导的多个部分连同它们的相关联的前朝向反射层的截面视图。
[0042]图6A至6D是在根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中使用的一个光导的多个部分连同它们的相关联的前朝向反射层的截面视图。
[0043]图7A是根据本发明的一个示例性实施方案的显示装置的一个截面视图。
[0044]图7B至7D是在根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中使用的一个光导的多个部分连同它们的相关联的前朝向反射层的截面视图。
[0045]图8A和SB是在根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中使用的一个光导的多个部分的截面视图。
[0046]图SC是在根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中使用的一个光导的等轴视图。
[0047]图9A至9C是在根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中使用的一个光导的多个部分连同它们的相关联的前朝向反射层的截面视图。
[0048]图10A、10B、10C和IOD是在根据本发明的一个不例性实施方案的一个显不器中使用的一个光导连同相关联的光注入系统的等轴视图。
[0049]图1lA和IlB在根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示器中使用的一个光导连同相关联的光注入系统的等轴视图。
[0050]图12是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中不同部件的一个组装图。
[0051]图13是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中不同部件的一个组装图。
[0052]图14是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中不同部件的一个组装图。
[0053]图15是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中不同部件的一个组装图。
[0054]图16是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中不同部件的一个组装图。
[0055]图17是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置的截面视图。
[0056]图18A和18B是在根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置中使用的一个光导的多个部分连同它们的相关联的前朝向反射层的截面视图。
[0057]图19是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置的截面视图。
[0058]图20是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置的截面视图。
[0059]图21是根据本发明的一个示例性实施方案的一个显示装置的截面视图。
_0] 某些示例性实施方案的详细i兑明
[0061]为了提供对本发明的全面了解，将对某些示例性实施方案进行说明，包括显示设备以及其多个组成部件。然而，本领域的普通技术人员将会理解，在此说明的装置可根据所致力的用途适当地进行改装和修改，并且在此说明的系统和方法可用在其他适当的用途中，并且这些添加和修改不会背离本发明的范围。
[0062]名称为“用于空间光调制的方法和装置”的美国专利申请N0.11/218，690说明了具有增加的光学效率的一种背光式显示器，该显示器依赖于多个快门组件和多个孔径的一个阵列。在一个给定像素上的快门组件用于将穿过相应的孔径的光学路径交替地打开或关闭。这些孔径形成为原本一种反射性表面中的透光区域，我们将其称为反射孔层。该显示器包括一个第二反射表面，它可形成为一个背光的一部分。
[0063]图1A中给出了在美国专利11/218,690中所说明的一个显示装置的图示。在该显示装置101中，将孔102限定在孔层104中，该层可用反射材料制成。这些孔可被快门106交替地打开或关闭，这些快门可与快门组件108中的机电致动器一起形成。这些快门构成在光调制基底109上。调制基底109定位于背光110的顶部上，该背光进而由灯112照明。可从于2005年10月14日递交的共同拥有的美国专利号11/251035中获知对用于打开和关闭这些快门的机械致动器的进一步说明，该专利通过引用结合在此。
[0064]如图1A所示的显示器可具有多个孔开口，这些孔开口包括一小部分(5%至25%)的可用像素。于是，在许多情况下，光的通量效率将以类似的方式受到限制，即该背光中的仅有5至25%的可用照明功率成为可供给观看者。然而，在用反射材料形成该孔层104并且这种背光也具有一个背反射表面114的情况下，这种背光就能够使最初并不穿过该孔到达观看者的光线再循环。在该图中将这种再循环的光的示例性光线展示为118。由于这些再循环的光线，所以一个更大部分的可用背光功率就最终能够到达观看者。表I示出了从带有不同部分的孔开口的背光系列以及来自其金属表面的反射效率计算出的效率结果。可实现高达75 %的通量效率。带有这种改进的通量的显示器在等效的灯功率下可向观看者传送更大的亮度，或者反之，可通过与现有技术相比在该背光中降低的功率传送相同的亮度。下面将利用具有反射性能或再循环性能的多个孔层的显示器称为反射孔显示器。[0065]
【权利要求】
1.一种显示装置，包括: 光导，所述光导具有前表面、后表面和至少两个侧表面；以及 多个镜面反射表面，其定位于邻近但不直接接触所述至少两个侧表面。
2.如权利要求1所述的显示装置，其中定位于邻近所述至少两个侧表面的所述多个镜面反射表面通过气隙与所述至少两个侧表面分隔开。
3.如权利要求2所述的显示装置，其中所述气隙的宽度介于约10微米至约0.5毫米之间。
4.如权利要求2所述的显示装置，其中所述气隙的宽度小于约10微米。
5.如权利要求1所述的显示装置，其中所述多个镜面反射表面的至少一个包括金属膜。
6.如权利要求1所述的显示装置，其包括定位于邻近所述光导的第三侧面的镜面反射表面。
7.如权利要求1所述的显示装置，其包括定位于邻近所述光导的后侧的镜面反射表面。
8.如权利要求7所述的显示装置，其包括后朝向镜面反射表面，所述后朝向镜面反射表面具有在其中形成的多个孔，这些孔定位于邻近所述光导的所述前表面。
9.如权利要求8所述的显示装置，其包括定位于邻近所述光导的基于MEMS的光调制器的阵列。
10.如权利要求1所述的显示装置，其中所述光导包括至少两个侧表面，所述显示器包括定位于邻近所述至少两个侧表面的多个反射性侧表面。
11.如权利要求10所述的显示装置，其中所述多个反射性侧表面包括多个镜面反射表面。
12.如权利要求10所述的显示装置，其中所述多个反射性侧表面包括多个漫反射表面。
13.如权利要求10所述的显示装置，其包括气隙，所述气隙在所述至少两个侧表面与对应的所述多个反射性侧表面之间。
14.如权利要求13所述的显示装置，其中所述多个反射性侧表面包括多个镜面反射表面。
15.如权利要求13所述的显示装置，其中所述多个反射性侧表面包括多个漫反射表面。
【文档编号】G02B6/00GK103698837SQ201310495533
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2007年6月5日 优先权日:2006年6月5日
【发明者】J·甘德西, N·W·哈古德, R·W·巴滕 申请人:皮克斯特隆尼斯有限公司