專利名稱：用于背光照明式顯示器的減少莫阿干涉現象的棱鏡片的制作方法
背景技術：
電子顯示器常常在背光源的前面使用光選通裝置，例如液晶顯示器(LED)。背光源可以僅僅作為位于光選通裝置的后面的發光元件，例如熒光管，或者可以具有更復雜的布置。常用的布置是使用與邊緣導光片相鄰地設置的發光元件，例如冷陰極熒光管(CCFT)或者一個或多個發光二極管(LED)，其中該邊緣導光片位于光選通裝置的后面。導光片在整個光選通裝置上傳導和分布光。
可以在光源或導光片和光選通裝置之間設置各種類型的光學膜。其例子包括具有背向光源的棱鏡的棱鏡膜、具有面向光源的棱鏡的棱鏡膜、擴散膜和反射偏振片。通過將來自背光源的光限制在比沒有該膜的情況下更窄的角度范圍內，在面向光選通裝置的一側上具有棱鏡的棱鏡膜提高顯示器的軸向亮度。具有面向背光源的棱鏡的棱鏡膜與特定類型的導光片一起使用，該導光片發射的光與法線成大角度(通常，70°以上)。這些棱鏡膜用來將光轉向法線。擴散片和反射偏振片正如其名字上的含義那樣工作。
當與具有規則的像素陣列的光選通裝置一起使用棱鏡膜時，一個已知的問題是莫阿干涉現象，這是由于線性棱鏡的規則圖案與光選通裝置中的像素行列相互作用而產生的。已經試圖通過下述各種方式來避免該問題布置棱鏡膜，使得棱鏡與像素行列成非零度或者90°的角度；或者選擇棱鏡尺寸，使得莫阿干涉的空間頻率與顯示器的空間頻率差別足夠大。
圖1是用于增強顯示器的視在亮度的膜；圖2是使用圖1的膜的顯示器；圖3是現有技術的莫阿干涉現象的示意展示；
圖4是根據本發明的膜的圖；圖5a至圖5f是根據本發明的各種膜的莫阿干涉現象的示意展示；圖6是根據本發明的膜的單個棱鏡的圖；以及圖7是根據本發明的另一可選的顯示器的示意性圖。
具體實施例方式
下面以液晶顯示器為例描述本發明，但是本領域的技術人員將會了解，本發明可用于選擇性地阻擋或者透射光的任何顯示器。這種顯示器稱為光選通裝置。圖1示出用于提高顯示器的軸向亮度的膜18。膜18具有第一表面20和第二表面22。第二表面22包括多個結構。一般來說，這些結構是三角形棱鏡，例如，棱鏡24，但是可以使用其它的形狀。棱鏡24具有峰26。試驗表明，如果峰26是尖角并且形成90°的角度，則增益(即，具有膜的背光源的軸向亮度與沒有膜的同一背光源的軸向亮度之比)最大，但是其它考慮事項可能導致用戶選擇圓角或者其它的角度。在棱鏡24和相鄰的棱鏡28之間的是谷30。與峰26的情況一樣，如果谷30是尖的，并且形成90°的角度，則膜18的增益最大，但是谷30可以是圓形的或者形成其它的角度。
棱鏡具有峰至峰的間距，稱為膜18的節距P。一般來說，節距應當是足夠小，以使這些棱鏡對觀看包括膜18的顯示器的用戶來說是不可見的，但是不能太小以致于衍射效應降低性能。商用的產品通常具有在約24μm和50μm之間的節距。
通常，第一表面20是光滑的表面。在上下文中，光滑的表面應該理解為是指表面20上的任何結構與膜18的表面22上的棱鏡(例如棱鏡24)的尺寸相比是小的。通常，為了幫助隱藏膜18后面的背光源的任何結構，表面20將是不光滑的表面。或者，該表面22可以具有其它的結構，例如用于減少從表面20的菲涅耳反射的蛾眼結構。
圖1示出四束示例光線。第一束光線36以掠射角即與法線成近似90°的角度進入表面20。當光線36穿過表面20時，它被向膜18的法線折射。達到結構表面22時，它將再次被折射。由于結構化表面22上的結構，該光線被折射，從而它再次與膜18的法線成更小的角度。光線38以非常靠近膜18的法線的角度進入光滑表面20。當它穿過表面20時也被折射，但是折射的程度較少。當該光線從表面22射出時，它就被再次折射，從而處于膜18法線的與其剛入射到表面20上時所處的一側相對的一側上。光線40以接近膜18的法線的角度或者以膜18法線的角度進入，被結構化表面22全內反射兩次，然后返回到背光源。光線42以與光線38相似的角度進入表面，但是其進入的位置使得該光線被結構化表面22上的棱鏡的一側全內反射，但不被第二側全內反射。結果，該光線與膜18的法線成大角度地射出。因為僅對沿著與其入射的一側形成高入射角的方向傳播的光線才發生這種反射，所以這些棱鏡對這種光線提供非常小的橫截面。另外，這些光線中的很多再次進入下一棱鏡，并且返回到顯示器中。
從該討論中可知，在沒有膜18的情況下，光與顯示器的軸線成大角度地從顯示器中射出，并且重定向到更靠近該軸線的方向。少量的光與軸成大角度地導出。因此，我們可以說，以大于預定角度的入射角穿過表面20進入膜18的光被導入比其進入的角度范圍更窄的角度范圍。以小于預定角度的入射角穿過表面20進入膜18的光將被反射回到背光源中。
向背光源反射回的光被散射，并且反射回膜18。一般而言，該光將形成與第一次不同的角度。然后，重復該過程，使得更多的光重定向到更窄的角度范圍內。膜18操作的關鍵方面是，膜18必須能夠反射以第一預定角度范圍入射在其上的光，并且通過而不是折射以第二預定角度范圍入射在其上的光，其中，第二角度范圍內的角度大于第一角度范圍內的角度，并且，第二角度范圍中的光被折射到比其進入的角度范圍更窄的角度范圍內。
圖2是使用兩個如圖1所示的膜的典型顯示器。雖然可以使用單個膜，但是大多數LCD顯示器使用兩個這樣的膜。
顯示器50包括外殼52，該外殼包封顯示器。光源56在外殼52的里面。通常，光源56是冷陰極熒光管。反射鏡54部分包圍光源56。反射鏡54可以是任何高反射材料。可用作反射鏡54的材料的例子是如美國專利5,882,774中所述的多層光學膜。導光片58與光源56光學耦合。導光片58可以是丙烯酸樹脂，或者任何其它高透明的材料。通常，導光片58具有絲網印刷在背向液晶的一側上的點圖案，從而有助于提取光，以照明LCD。從導光片58提取出的光穿過膜18a和18b。膜18b具有與膜18a上的結構相似的結構，但是在圖2中無法看見它們，因為它們與膜18a的結構垂直。使用兩個圖1的膜18的類型的膜的作用是，通過使原來在水平維度和垂直維度上以高的角度從顯示器中射出的光向更靠近顯示器的入口的角度移動，來提高增益。
光從膜18b中射出之后，穿過擴散片60。擴散片60幫助向用戶隱藏棱鏡和印刷在導光片上的點。穿過擴散片60之后，光穿過液晶顯示器62和保護蓋板64。
在現有技術中，膜18的棱鏡通常是線性棱鏡。線性棱鏡的問題是，它們傾向于與LCD顯示器中的線性像素行列產生莫阿干涉現象。圖3示出這種情況。在圖3中，諸如水平線70之類的水平線和諸如垂直線72之類的垂直線的陣列表示典型的LCD顯示器中的像素陣列。每個像素是正方形的，并且由三個水平排列的子像素構成一個紅色，一個綠色，一個藍色。因此，像素陣列的水平線是垂直線的三倍。覆蓋在該像素陣列上的是一系列的垂直線，例如線74，表示具有線性形貌的膜，例如膜18。諸如線74之類的線表示棱鏡的峰。當從約6米的距離觀看時，圖1將具有這樣視覺效應，即從約45厘米的距離(即，使用具有LCD顯示器的計算機的人們的典型的觀看距離)觀看具有諸如膜18之類的帶線性棱鏡的膜的典型LCD顯示器。當從該距離觀看圖3時，莫阿干涉的明暗條紋清楚可見。
圖4示出膜18的另一可選的形式。圖4的膜18包括彎曲的或者蛇形的棱鏡，例如棱鏡80。蛇形圖案可以是隨機的，或者如圖所示，是規則的和周期的。一般來說，規則的和周期的曲線造成的膜18增益的降低很少。
圖5a至圖5f是與圖3相似的圖，不同之處在于，表示棱鏡峰的線是蛇形的，而不是線性的。當從6米的距離觀看時，這些線中的大部分表現出不可辨別的莫阿干涉圖案。即使莫阿干涉圖案是可見的，但與線性棱鏡所產生的莫阿干涉圖案相比較，也是減少了。
圖6是圖5的膜18的單個棱鏡的俯視圖。不管蛇形圖案是隨機的還是規則的和周期的，蛇形曲線都具有平均幅度A和平均周期L。當圖案是規則的和周期的時，平均幅度和平均周期僅僅等于實際的幅度和周期。應該適當選擇平均幅度和平均周期，以使可見的莫阿干涉現象最少。一般來說，幅度應該大于子像素尺寸的約四分之一，并且該幅度應該至少約等于像素尺寸，周期與幅度之比不應當太大。試驗表明，高達12比1的周期與幅度之比在限制可見的莫阿干涉現象方面會是有效的，但是，較大的比值可能會消除可見的莫阿干涉現象。即使不能完全消除可見的莫阿干涉現象，蛇形棱鏡也傾向于減少可見的莫阿干涉現象。因此，具有蛇形圖案但是不滿足上述幅度和周期限制要求的棱鏡仍是有用的。
圖7是整體上表示為90的另一可選的顯示器的示意圖。顯示器90包括接收來自CCFT 94的光的導光片92。反射鏡96收集來自CCFT94的光，并且將它導入導光片92中。
導光片92是錐形的或者楔形的。當光沿著導光片92傳播時，由于導光片92的錐形的形狀，該光與導光片92的表面所成的角度隨著每次反射而改變。最終，光以小于全內反射的臨界角的角度入射在導光片92的一個表面上，并且射出。反射鏡97反射從導光片92的背側射出的光。從導光片92射出的光與導光片92的表面的法線成非常大角度地射出。棱鏡膜98捕獲該光，并且通過在棱鏡的小面上所發生的全內反射而改變該光的方向，使得該光沿著顯示器的軸線傳播。還提供了擴散片100和液晶面板102。
與圖2的顯示器的情況一樣，膜98的棱鏡會與液晶面板102的像素陣列產生莫阿干涉現象。通過使這些棱鏡具有蛇形圖案，可以減少或者消除莫阿干涉現象。關于選擇蛇形圖案的幅度和節距，對圖2的顯示器所考慮的事項同樣適用。
根據本發明的膜可以由任何透明的聚合物材料制成，例如聚碳酸酯或者丙烯酸樹脂。用于例如圖2所示的顯示器中的膜通常應該具有高的折射率。一般來說，1.72的折射率被認為是最佳的，但是，市售產品通常具有約1.585的折射率。用于圖7所示的類型的顯示器中的膜通常具有較低的折射率。根據本發明的膜可以由任何已知的方法制造，例如擠出或者澆鑄固化可UV固化的樹脂。
無論是通過擠出工藝，還是通過澆鑄固化工藝，都可以通過已知的金剛石車削技術制造用于制造根據本發明的膜的工具的母模。通常，通過在稱為輥的圓柱形坯上進行金剛石車削來制造工具。輥的表面通常是硬銅，但是可以使用其它的材料。圍繞輥的外周以連續圖案的形式形成棱鏡結構。在優選的實施例中，通過稱為螺紋切削的技術生產凹槽。在螺紋切削過程中，在輥上切割單個的連續的凹槽，與此同時，沿著與車削輥的方向垂直的方向移動金剛石工具。如果要產生的結構具有恒定不變的節距，則以恒定不變的速度移動該工具。典型的金剛石車床獨立地控制工具進入輥中的深度、工具與輥所成的水平角度和垂直角度、以及工具的橫動速度。
在本發明中，使用快速工具伺服(FTS)在金剛石工具的恒定不變的橫向運動上疊加往復運動。另外，如美國專利6,354,709中所教導的，還可使用FTS將金剛石工具移動到不同的深度，以提供不同高度的棱鏡，該專利以引用方式并入本文。
權利要求
1.一種用于光選通裝置的背光源中的棱鏡膜，該光選通裝置具有像素陣列，其中，所述棱鏡具有蛇形形狀。
2.根據權利要求1所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，并且，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見的莫阿干涉現象。
3.根據權利要求2所述的棱鏡膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期選擇為基本上消除可見的莫阿干涉現象。
4.根據權利要求1所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀是規則的、周期的。
5.根據權利要求4所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，并且，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見的莫阿干涉現象。
6.根據權利要求4所述的棱鏡膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期選擇為基本上消除可見的莫阿干涉現象。
7.根據權利要求2所述的棱鏡膜，其中，所述像素由子像素構成，并且，所述像素和所述子像素均具有寬度，所述平均幅度大于或者等于所述子像素寬度的約25％，并且，所述平均周期大于或者等于大約像素的寬度。
8.根據權利要求7所述的棱鏡膜，其中，所述平均周期與所述平均幅度之比小于或者等于約12比1。
9.一種背光照明式顯示器，包括背光源；光選通裝置，其具有像素陣列；以及位于所述背光源和所述光選通裝置之間的膜，該膜在一側上具有棱鏡結構，所述棱鏡結構具有蛇形形狀。
10.根據權利要求9所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，并且，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見的莫阿干涉現象。
11.根據權利要求10所述的棱鏡膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期選擇為基本上消除可見的莫阿干涉現象。
12.根據權利要求9所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀是規則的、周期的。
13.根據權利要求12所述的棱鏡膜，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，并且，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見的莫阿干涉現象。
14.根據權利要求12所述的棱鏡膜，其中，所述平均幅度和所述平均周期選擇為基本上消除可見的莫阿干涉現象。
15.根據權利要求10所述的棱鏡膜，其中，所述像素由子像素構成，并且，所述像素和所述子像素均具有寬度，所述平均幅度大于或者等于子像素的寬度的約25％，并且，所述平均周期大于或者等于大約像素的寬度。
16.根據權利要求15所述的棱鏡膜，其中，所述平均周期與所述平均幅度之比小于或者等于約12比1。
17.根據權利要求9所述的背光照明式顯示器，其中，所述棱鏡結構位于所述膜的與所述光選通裝置相同的一側上。
18.根據權利要求17所述的背光照明式顯示器，其中，所述顯示器包括位于所述背光源和所述光選通裝置之間的第二膜，該第二膜在一側上具有棱鏡結構，其中，所述棱鏡結構具有蛇形形狀，并且位于所述膜的與所述光選通裝置相同的一側上。
19.根據權利要求9所述的背光照明式顯示器，其中，所述背光源包括導光片，所述棱鏡結構位于所述膜的與所述背光源相同的一側上。
全文摘要
本發明公開一種與背光照明式顯示器一起使用的膜，其在一個表面上具有棱鏡結構。該棱鏡結構具有蛇形形狀，其中，所述蛇形形狀具有平均幅度和平均周期，所述平均幅度和所述平均周期選擇為減少可見的莫阿干涉現象。
文檔編號G02F1/1335GK101061397SQ200580039969
公開日2007年10月24日 申請日期2005年10月25日 優先權日2004年11月22日
發明者艾倫·B·坎貝爾 申請人:3M創新有限公司