專利名稱：具有增強(qiáng)的亮度和優(yōu)先視角的平面板彩色顯示器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及使用多個發(fā)光元件的圖像形成裝置，且更具體地涉及這樣的系統(tǒng)，其中這種發(fā)光元件陣列與用于增強(qiáng)優(yōu)先地在一個方向上的照明圖案的透鏡陣列相匹配。
典型地，表面發(fā)射發(fā)光二極管(LED)陣列是由如在紅-綠-藍(lán)(RGB)陣列中的不同結(jié)構(gòu)的二維陣列制造而成，其中每個單獨(dú)色LED像素是具有其中長度為寬度幾倍的有效面積的條形狀。這些LED的正常光學(xué)特性是所發(fā)射的輻射將是接近Lambertian的各向同性圖案。
照明各向同性分布，其不偏愛任何一個方向或方位超出另一個，可成為一些顯示器用途的理想布置。各向同性照明可能被需求的一個實例是在專業(yè)體育項目中的記分板，其中體育場內(nèi)的觀眾處于相對于記分板的各種位置---較高、較低、左側(cè)、右側(cè)及正前方等。
在觀看是可推斷的地方，如沿著高速公路的廣告牌，各向同性光分布是浪費(fèi)的，因為僅有在標(biāo)牌前面及略低于標(biāo)牌處的人將閱讀到標(biāo)牌上的信息。透鏡狀陣列，如菲涅耳透鏡已經(jīng)被用來將來自一般光源的光聚焦在一個特定方向。但是至今為止，沒有透鏡系統(tǒng)特別針對于LED或基于像素的系統(tǒng)。本系統(tǒng)適合于針對于這一不足之處。
附圖的簡要說明從參考所附附圖所進(jìn)行的對本發(fā)明優(yōu)選實施例的下述詳細(xì)說明中，本發(fā)明的目標(biāo)、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將變得更顯而易見。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例所構(gòu)成的光投射裝置的分解等距視圖。
圖2是圖1中裝置沿著線2-2所取的剖面?zhèn)纫晥D。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例所構(gòu)成的光投射顯示裝置的剖面?zhèn)纫晥D。
圖4A和4B示例出未得益于本發(fā)明的單個現(xiàn)有技術(shù)LED像素的所發(fā)射輻射圖。
圖5A和5B示例出圖3中的單個像素透鏡組件的所發(fā)射輻射圖，所述單個像素組件相對彼此被設(shè)置在第一位置上，用于優(yōu)先觀看正前方向上的像素輸出。
圖6A和6B示例出圖3中的單個像素透鏡組件的所發(fā)射輻射圖，所述單個像素組件相對彼此被設(shè)置在第二位置上，用于優(yōu)先向上觀看來自位于發(fā)光元件下面及右側(cè)位置的像素輸出。
圖7是像素透鏡陣列組件的示意性側(cè)視圖，所述像素透鏡陣列組件被設(shè)置用于非對稱分布來自圖3中LED陣列的照明。
圖8是圖7中三個單獨(dú)的像素透鏡組件的側(cè)視圖。
詳細(xì)說明在某些關(guān)鍵應(yīng)用中，通過在LED或其它基于像素的顯示器前面引入光導(dǎo)層，以為了優(yōu)選地使某一方向的亮度增加而超出其它方向，則光效率可以得到極大提高。
采用這種類型顯示器的一個重要應(yīng)用是在標(biāo)志中，其中觀看標(biāo)牌的觀察者在一個尺度(例如垂直平面)上被限定在窄小觀看范圍內(nèi)，而在正交尺度(水平平面)上維持成寬的視角。其中這可以被使用的典型現(xiàn)實實例是公路側(cè)的標(biāo)牌、公共場所內(nèi)的高架標(biāo)牌等。
圖1示出光投射顯示裝置10的第一實施例的分解視圖。圖2示出處在一個組裝條件下的相同部件。顯示器10包括具有基板14的發(fā)光層12，在所述基板上多個發(fā)光元件，如元件16被形成。本發(fā)明并不旨在被局限于LED技術(shù)，而還可采用本領(lǐng)域所公知的PLED、OLED和LCD顯示器或其它基于像素的顯示器技術(shù)。在所示的實施例中，元件16是被排成陣列的LED結(jié)構(gòu)的子像素，借此類似基本色的子像素元件以條圖案如紅條R1、綠條G1和藍(lán)條B1被設(shè)置在基板14上。第二組子像素條被示為R2、G2和B2。要理解為典型的LED顯示器具有大量這種條組，例如具有XGA分辨率的LED顯示器將具有768組條。來自三個條中每個條的相鄰子像素元件形成了RGB三元組18。在組18內(nèi)每個子像素的亮度可以被加以控制以形成具有可察覺出的所要求色的顯示器像素。LED像素由排和列(例如C1、C2...C5...Cn)來布置以形成可編址的顯示器單元。例如XGA顯示器將具有1024個這樣的列。
顯示器10還包括與發(fā)光層12相鄰的光導(dǎo)層20，其具有基本上與發(fā)光元件16配準(zhǔn)的光導(dǎo)元件如柱面透鏡22的陣列。在所示的實施例中，光導(dǎo)層20包括多個小透鏡結(jié)構(gòu)24，每個小透鏡結(jié)構(gòu)由具有長軸平行于且對準(zhǔn)于LED條R2、G2和B2長軸的三個柱面透鏡22組成。下面參考圖4A至6B，這種與發(fā)光元件組合的透鏡的優(yōu)點(diǎn)被更詳細(xì)地加以解釋。
透鏡22具有相對相應(yīng)的子像素元件16放置的平面表面，以及與所述子像素元件相隔開的對面的圓柱彎曲表面。小透鏡結(jié)構(gòu)24通過延伸經(jīng)過透鏡彎曲表面的間隔物25，與光導(dǎo)基板上相鄰的小透鏡結(jié)構(gòu)相分開。LED結(jié)構(gòu)組裝到光導(dǎo)層20是借助于連續(xù)的光粘合，并且利用在小透鏡板內(nèi)的模制特征用于LED到透鏡的精確對準(zhǔn)。為此，層12和20包括互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，在此是形成在光導(dǎo)層20上、被形成在發(fā)光層12上的間隙28所容納的凸緣16，其形成了用于相對層12來移位層20的對準(zhǔn)裝置。這些互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的位置可以被修改，以使當(dāng)層12經(jīng)由這些結(jié)構(gòu)被耦合到層20上時，光導(dǎo)層的透鏡可以相對于發(fā)光層相應(yīng)的子像素元件被偏移，從而將如下面所理解的那樣，將光引導(dǎo)在所要求的方向(向上或向下)。
當(dāng)光導(dǎo)層20的柱面透鏡22從發(fā)光層指向外時，光學(xué)積分器板30被耦合到光導(dǎo)層上。優(yōu)選地，光學(xué)積分器板30由玻璃構(gòu)成，且借助于具有折射率落在光導(dǎo)層20的折射率和板30的折射率之間折射率的光學(xué)粘接劑被粘附到層20上，以為了降低內(nèi)反射。該組件還可包括互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，如容納在形成在光學(xué)積分器板30內(nèi)相應(yīng)間隙內(nèi)的凸起27，以協(xié)助將板30固定到層20上。
本設(shè)計采用接近LED陣列前面而放置的柱面透鏡陣列。每個透鏡涉及一個單獨(dú)有色的像素LED結(jié)構(gòu)，且充當(dāng)所發(fā)射光的收集器。通過使用柱面透鏡，使透鏡的長軸與LED的長方向準(zhǔn)，則在包含長軸的平面里，從LED所發(fā)射的光沒有被聚焦，而在垂直于長軸的平面里所發(fā)射的光靠透鏡的曲率而聚焦。聚焦量取決于LED表面的幾何圖狀、柱面透鏡的形狀以及它與LED的間距。
具有1mm的典型特征尺寸及厚度1-2mm的光導(dǎo)層20由光度熱塑材料如丙烯酸或聚碳酸脂所構(gòu)造。光導(dǎo)層20還可以由模制玻璃來形成，且包含透鏡結(jié)構(gòu)及機(jī)械特征26，用于將透鏡定位且對準(zhǔn)到LED結(jié)構(gòu)。取決于材料的選擇、應(yīng)用所需要的總體尺寸、以及在特征位置和表面拋光所允許的公差，層20可以通過擠壓、壓縮模塑或噴射模塑而形成。
圖3示例出在32處的本發(fā)明可供選擇的實施例，在此光導(dǎo)層34相對于發(fā)光層36被倒置，以使層34柱面透鏡的彎曲表面朝向內(nèi)且直接與層36的子像素光射元件相對。可以理解，由于所述可供選擇實施例透鏡結(jié)構(gòu)的彎曲表面朝向內(nèi)且因而并未像所述第一實施例那樣被暴露于物理損壞，因此光學(xué)積分板，如在圖1和2中所示實施例的板30沒有必要。
為了改善由發(fā)光層12的有源部分和無源部分所照明的這些組件部分之間的顯示對比度，無源部分被涂上光吸收材料，如在本領(lǐng)域中所公知的黑色漆或其它材料。在附圖中所優(yōu)選的被涂渡區(qū)域被示為圖1-2中在發(fā)光層20和光學(xué)積分器板30之間、以及在31a、31b和31c處由虛線所示出的接合區(qū)域內(nèi)的發(fā)光層12和光導(dǎo)層20之間所形成的濃密著陰影的層29。
圖4A和4B示例出典型LED，如在發(fā)光層36內(nèi)所使用的一個LED的發(fā)光特性曲線。這些LED的正常光學(xué)特性是所發(fā)射的輻射將是接近lambertian的各向同性的圖案。圖4B中的圖形示出光的亮度是如何沿著寬視角(由虛線示出)沿著垂直尺度分布的。
圖5A和5B示例出在LED前面增添圓柱形或其它類型的會聚透鏡結(jié)構(gòu)是如何將光在向前方向聚焦的。如圖5B中圖形所示，所帶來的沿著垂直尺度的光分布在向前方向產(chǎn)生增加的亮度，但是具有較窄的最優(yōu)視角(由虛線所示)。
圖6A和6B示例出相對于LED垂直地位移或移位透鏡是如何改變最優(yōu)視角方向的。在圖6B的圖形中，最優(yōu)視角被向下位移(因而當(dāng)向上朝發(fā)光元件觀察時其為最佳)以使當(dāng)透鏡相對于其相應(yīng)發(fā)光元件被向下位移時亮度沿著軸I處于最優(yōu)。這與其中透鏡結(jié)構(gòu)被水平地與LED準(zhǔn)的圖5A和5B形因而導(dǎo)致沿著水平方向最大的亮度成對照。
對著觀察者的大角度的非常大的發(fā)光元件陣列可利用沿著陣列的一個尺度(例如垂直尺度)變化的照明圖案而構(gòu)成，以便于保持顯示器所有部件的遠(yuǎn)場照明圖案。這可以如圖7所示來實現(xiàn)，其中相鄰光導(dǎo)元件之間的間距略微小于相鄰發(fā)光元件之間的間距。從觀察者50的角度看，由發(fā)光元件34所形成的顯示器對著θ+Φ角。從觀察者的觀點(diǎn)來看，與發(fā)光像素元件的情況相比，通過減少透鏡中心之間的距離，根據(jù)本發(fā)明的實踐，標(biāo)牌的亮度可以被最大化。
這可與從觀察者角度將典型地不對著大視角的顯示如被照亮的街道標(biāo)牌相對照。在這種情況下，優(yōu)先地將從這樣標(biāo)牌的所有面積所發(fā)射的光導(dǎo)引在相同的總方向則更為有用，借此對于所有的透鏡-像素(或條)對，每個小透鏡結(jié)構(gòu)(如圖5A所示)離相應(yīng)像素元件的偏移量是相等的。然而在圖7的顯示器中，第一小透鏡結(jié)構(gòu)(例如在對110中)與RGB三元組的第一相應(yīng)組偏移這樣的量，此偏移量不同于第二小透鏡結(jié)構(gòu)(例如在對120中)相對于其相應(yīng)RGB三元組的偏移量。
在圖7和8中像素-透鏡對被示為位于110、120和130處。所述對110位于顯示器頂部附近，借此透鏡中心CL相對于像素中心Cp被向下移動。在朝向位于距離所述對110大約向下θ的點(diǎn)的方向上，透鏡相對于發(fā)光元件的這種移動或移位產(chǎn)生所述對110中像素的優(yōu)先視角。所述對130位于觀察者50的大約眼睛水平，因而理想地是最大亮度處于水平方向，在此透鏡和像素中心沒有偏移。所述對120位于所述對110和130之間的大約中途位置，因而光導(dǎo)元件和發(fā)光元件應(yīng)該被設(shè)置以使最大亮度在向下大約為1/2θ的方向上被傳輸。最后，所述對140位于顯示器的底部且低于觀察者50的眼睛水平。因此優(yōu)選地，透鏡中心相對于有關(guān)的像素中心較高，以將來自像素的光最大地導(dǎo)引在角φ處的向上方向上。
根據(jù)下述公式，通過光導(dǎo)元件從發(fā)光元件所透射的最優(yōu)視角是像素(或子像素)元件的高度h及微透鏡距離所述像素的間距t的因數(shù)視角＝2×arctan(h/2t)實際極限必須大于顯示器所期望的視角范圍，即由觀看顯示器頂部的最矮觀察者和觀看顯示器底部的最高觀察者所包括的角。本發(fā)明的另一效果是通過根據(jù)下述公式由取決于小透鏡材料透射率T、微透鏡的開放面積(高度)d、以及像素高度h的系數(shù)G來增加顯示器可感覺到的填充系數(shù)G＝T×d/h填充系數(shù)是由有源LED所覆蓋的總顯示器面積的百分率。當(dāng)前顯示器典型地具有在約0.25至0.50之間范圍內(nèi)的填充系數(shù)。光學(xué)增益效果的意義在于顯示器亮度擴(kuò)展到較大面積，從而有效地增加了填充系數(shù)，或者增強(qiáng)了顯示器的“空間平均的”的照度(亮度)?？臻g平均的照度是LED照度乘以填充系數(shù)。
本發(fā)明有幾個關(guān)鍵屬性。首先，柱面透鏡布置相對簡單地制作在塑料基板內(nèi)。其次，被定向成平行LED發(fā)射器長方向的圓柱形狀提供對照度和最大光學(xué)增益的有效控制。第三，通過將透鏡陣列相對于LED陣列的位置進(jìn)行移位，顯示器可利用定制的方向性照明圖案被加以制造。作為一個實例，如果小透鏡中心從像素中心向下被位移，則中央照明方向最大值(用于最優(yōu)觀察)將被向下定位。第四，小透鏡板可以被加以設(shè)計和制作以匹配于其它像素設(shè)計，從而具有子像素以圖1所示的不同圖案被布置的特色。最后，對著大角度于觀察者的非常大的陣列(如圖7中)可以利用沿著陣列一個尺度變化的照明圖案而構(gòu)成，以便于保持顯示器所有部件的遠(yuǎn)場照明圖案。這將具有優(yōu)化顯示器所有部件的照明均勻性。這可以通過生成具有略微小于顯示器有源元件間距的間距(透鏡之間的距離)的小透鏡結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)。優(yōu)選地，柱面透鏡結(jié)構(gòu)在LED的前面應(yīng)該接近即像素到像素間隔的1至3倍的數(shù)量級。在典型的當(dāng)前顯示器系統(tǒng)中，微透鏡將被放置在LED前面1.5至5mm的距離處。
通過在所優(yōu)選的實施例中對本發(fā)明的原理進(jìn)行說明和示例，應(yīng)該顯而易見的是本發(fā)明可以在布置和細(xì)節(jié)上進(jìn)行修改，而不偏離這樣的原理。因而，我們就屬于下述權(quán)利要求的實質(zhì)和范圍內(nèi)的所有修改和變化提出權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種光導(dǎo)裝置包括包括光導(dǎo)元件陣列的發(fā)光層；以及與所述發(fā)光層相鄰的光導(dǎo)層，所述光導(dǎo)層包括基本上與所述發(fā)光元件陣列配準(zhǔn)的光導(dǎo)元件陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述光導(dǎo)元件陣列包括多個柱面透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中每個所述柱面透鏡距離相應(yīng)發(fā)光元件為相應(yīng)發(fā)光元件和相鄰發(fā)光元件之間距離的1至3倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括用于相對于所述光導(dǎo)層移位所述發(fā)光層的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，所述用于移位的裝置包括在所述發(fā)光層上的互補(bǔ)模制特點(diǎn)，且所述光導(dǎo)層適合于將所述發(fā)光層與所述光導(dǎo)層對準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中所述發(fā)光元件被沿著基板設(shè)置以形成多個平行的條，且所述光導(dǎo)元件是柱面透鏡，每個透鏡具有平行于相應(yīng)條的長軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括在光導(dǎo)裝置的無源區(qū)域內(nèi)所形成的對比度增強(qiáng)的涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括與光導(dǎo)層相鄰的光學(xué)積分板。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，進(jìn)一步包括在光導(dǎo)層和光積分板之間的光學(xué)粘接劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述光學(xué)粘接劑具有落在光導(dǎo)層折射率和光學(xué)積分板的折射率之間的折射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中光導(dǎo)元件的中心偏離發(fā)光元件的中心。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中相鄰光導(dǎo)元件中心之間的距離不同于相鄰發(fā)光元件中心之間的距離。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中相鄰光導(dǎo)元件中心之間的距離小于相鄰發(fā)光元件之間的距離。
14.一種光導(dǎo)裝置包括具有RGB發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的LED陣列，所述RGB發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)沿著基板被縱向排列以形成多個RGB三元組；以及具有多個小透鏡結(jié)構(gòu)的小透鏡陣列，每一個小透鏡結(jié)構(gòu)與RGB三元組的對應(yīng)一個組相鄰放置，對于每個相應(yīng)的RGB三元組，所述小透鏡結(jié)構(gòu)包括相對所述相應(yīng)RGB三元組移位的多個柱面透鏡，所述柱面透鏡被縱向地平行于所述RGB發(fā)光二極管陣列而排列。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中每個所述小透鏡結(jié)構(gòu)偏離每個所述相應(yīng)的RGB三元組一個相等量。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中第一所述小透鏡結(jié)構(gòu)偏離所述RGB三元組的第一相應(yīng)組的量不同于第二所述小透鏡結(jié)構(gòu)與所述RGB三元組的所述第二相應(yīng)組之間的偏移量。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，進(jìn)一步包括在光導(dǎo)裝置的無源區(qū)域內(nèi)所形成的對比度增強(qiáng)的涂層。
18.用于將來自結(jié)合有多個發(fā)光像素像素的顯示器的光進(jìn)行導(dǎo)引的方法包括通過第一光導(dǎo)元件導(dǎo)引來自第一多個發(fā)光像素的光；以及通過第二光導(dǎo)元件導(dǎo)引來自第二多個發(fā)光像素的光。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，進(jìn)一步包括將來自第二光導(dǎo)元件的光導(dǎo)引在第一優(yōu)先方向上；將來自第二光導(dǎo)元件的光導(dǎo)引在不同于所述第一優(yōu)先方向的第二優(yōu)先方向上。
全文摘要
光導(dǎo)裝置包括具有沿著基板縱向排列以形成多個RGB三元組的RGB發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的LED陣列、以及具有相鄰RGB三元組的對應(yīng)一個組而放置的多個小透鏡結(jié)構(gòu)的小透鏡陣列。對于每個相應(yīng)RGB三元組，所述小透鏡結(jié)構(gòu)包括被移位到其相應(yīng)RGB三元組的多個柱面透鏡。所述柱面透鏡被縱向地平行于所述RGB發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)而排列。由于來自LED的光被優(yōu)先地導(dǎo)引在觀察者最喜歡的理想方向，所以這個設(shè)置導(dǎo)致更高的光學(xué)效率。
文檔編號G09F9/00GK1528021SQ01821616
公開日2004年9月8日 申請日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者R·孫達(dá)爾, R·莫利, D·塞利森, , R 孫達(dá)爾 申請人:英特爾公司