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CN101019045B - 减小视差并保持亮度的光散射器 - Google Patents

减小视差并保持亮度的光散射器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光散射器，包括光散射元件(10)，每个光散射元件包括耦接于聚光器(14)和反向聚光器(16)之间的波导元件(12)。光散射器(44)可位于显示器(100)中的背光单元(102)和调制器(114)之间。从低分辨率成像背光单元(102)射向高分辨率光调制器(114)的光线的亮度可以被保持，从而，在显示器的优选视角范围内的各个观察方向上，无论观察者的观察方向如何改变，观察者都会感觉到显示的图像的亮度没有明显变化。

Description

减小视差并保持亮度的光散射器
技术领域
本发明涉及一种光学部件，更具体地，涉及一种显示器(例如计算机显示器、电视显示器等)的光学部件。该显示器可为LCD显示器。本发明可应用于高动态范围的显示器以及其它类型的显示器。
背景技术
在典型的高动态范围显示器中，背光单元在光调制器的内侧上产生相对较低分辨率的图像。该低分辨率图像被光调制器调制，从而产生相对较高分辨率的图像，该图像显示在光调制器的外侧上，以便观察者感知。该调制器可包括LCD。用于控制背光单元和光调制器的电信号可通过合适的已知类型的控制电路产生。例如，为了控制LCD光调制器，可使用与常规LCD计算机监视器中控制LCD调制器的控制电路类型相同的控制电路。高动态范围显示器的例子在2002年9月6日公开的国际专利申请WO 02/069030和2003年9月18曰公开的国际专利申请WO 03/077013中公开，它们在此引作参考。
背光单元中的多个光源可照亮光调制器中的每个像素。在背光单元和调制器之间保持相对较小的间距使得低分辨率图像中相邻像素能够相互平滑地融合。已知的图像补偿技术可用于消除图像模糊现象。
这些图像补偿技术的一个困难是：理想情况下从低分辨率图像的像素到相应的高分辨率图像的像素的光强(亮度)是相等的。另外，高分辨率图像像素的光强会随着观察者观察图像的方向而变化，这种状况是不理想的。获得这种亮度不变的一个常规方法是在显示器中使用具有朗伯输出分布(Lambertian output distribution)的光散射器(即，从光散射器外侧发出的光线的角分布关于光散射器的法线方向对称，并且独立于相应入射光线的方向)。这种光散射器消除了视差(由于观察者的位置改变，即，观察目标物的视线不同，引起的目标物方向上的显著改变)。因此，观察者不会看到不应观察到的显示层后的物体的图像。
不利的是，朗伯光散射器使显示器整体亮度减少大约一个数量级。这部分是因为散射器内光线的反向散射，而部分是因为散射器固有的在相对较大的立体角度范围内分布亮度(实际为π球面度，而优选的立体弧度不超过大约0.5球面度)的功能。
发明者认识到对于显示装置而言需要通过将入射光线限制在优选的视角范围内来保持显示器背光单元中的图像亮度，并且通过限制透射通过显示器传播的光线的角度分布对观察者观察显示器的方向的依赖性而减小视差。
附图说明
在非限制性的附图中：
图1是光散射元件的放大横截面侧视图。
图2是具有多个图1中的光散射元件的光散射片的部分放大横截面顶视图。
图3是图2中光散射片的部分放大正视图(放大程度高于图2)。
图4是具有类似图2中的光散射片的显示器的部分示意横截面图。
具体实施方式
下面的描述中，具体的细节描述便于更好地理解本发明。但是本发明可以不介由这些细节实现。在其他的实例中，为了避免不必要地混淆本发明，没有展示或详细说明公知元件。因此，说明和附图应被视为举例阐述，而非限制。
图1展示了单个光散射元件10。举例说明，在显示器中适用于将从背光单元入射到调制器上的光线发散的光散射器可包括在该光散射器上分布的多个光散射元件。该显示器可包括高动态显示器或其他类型的显示器，例如常规的LCD显示器。
光散射元件10包括柱形波导元件12，该波导元件12耦接于复合抛物面聚光器14和反向的复合抛物面聚光器(inverse compound parabolicconcentrator)16之间。波导元件12可由任意合适的材料形成，该材料的折射率与周围材料(例如空气)的折射率差异很大，使得光线在波导元件12内全反射。例如，波导元件12可由合适的透明或绝缘的材料形成，例如合适的光学透明玻璃或塑料。
复合抛物面聚光器14将入射光18、20、22会聚，并且将光线从复合抛物面聚光器14导向波导元件12。在入射光线18、20、22进入复合抛物面聚光器14之前，准直器(图1未示出)使光线18、20、22准直，从而，对空气介质来说，入射光线18、20、22处于理想的视角范围内，即，在箭头24指示的显示器的法线方向的大约25度角范围内。准直校正使得进入复合抛物面聚光器14的光量最大化，因而使得进入波导元件12的光量最大化。
复合抛物面聚光器14和反向复合抛物面聚光器16可由任意合适的材料形成，这些材料的折射率与周围材料(例如空气)的折射率差异很大，使得光线在它们的边界全反射。复合抛物面聚光器14和反向复合抛物面聚光器16各自可以由与波导元件12相同的材料构成。例如复合抛物面聚光器14和反向复合抛物面聚光器16可由合适的透明或绝缘的材料形成，例如合适的光学透明玻璃或塑料。在一些实施例中，复合抛物面聚光器14、反向复合抛物面聚光器16和波导元件12都由相同的材料构成。这样避免了在复合抛物面聚光器14、反向复合抛物面聚光器16和波导元件12的界面处反光。
在会聚光线26、28、30进入反向复合抛物面聚光器16之前，波导元件12使会聚光线26、28、30全反射并空间均化。在此处，空间均化意味着进入波导元件12中的光线的方向特征信息被消除。经过空间均化的光线32、34、36通过反向复合抛物面聚光器16(它可以是一复合抛物面准直器)从光散射元件10中导出。相应地，光线32、34、36以光线38、40、42的形式从光散射元件10中射出。反向复合抛物面聚光器16可将从光散射元件10射出的光线恢复到类似或相同于入射到光散射元件10的光线的准直水平。
复合抛物面聚光器是公知的含义明确的光学装置。例如，参见2000年的Journal of the Illuminating Engineering Society的78-82页中P.Kon等人的《棱镜光导中有效耦合大光源的结构(Structure for Efficiently Coupling LargeLight Sources in Prism Light Guides)》。波导元件12的直径被选择与聚光器14、16的直径相匹配，聚光器14、16分别与波导元件12相连。波导元件12的长度并不严格。优选的，波导元件12长度满足在光线经过波导元件时光线被全反射了一定的次数(例如2或更多，优选地3或更多，或者甚至10或更多)，从而获得上述的空间均化。这通常意味着波导元件12的长度至少是它的直径的两倍(如果波导元件12的横截面为圆形)或者它的最大横截面直径的两倍(如果波导元件12的横截面不是圆形)。
图2和3描述了具有多个光散射元件10的光散射片44的一部分。片44尽可能多地使从低分辨率图像发出的光线到达并有助于高分辨率图像相应像素的亮度，从而保持亮度。经过每个光散射元件10的光线被空间均化，片44同样充分地去掉了这些光线的入射角度的分布特征(在期望的25度准直角度内)。因此，在预期的视角范围内，基本与观察显示器的观察者的视角无关地使观看者感知到从低分辨率图像发出并形成高分辨率图像的光线的亮度比。这方便了应用任意合适的用于移除例如模糊现象等不利的现象的图像补偿技术。
图4展示了包括光散射片44的显示器100。显示器100包括背光单元102。在此描述的实施例中，背光单元102包括发光二极管(LED)阵列104。从LED 104发出的光经过准直器108。优选的，使用一种适于循环使用没有在经过准直器的角度范围内传播的光线的准直器108。经过准直的光线经过片44的波导元件12(未在图4中显示)并且射在光调制器114的像素112上。光调制器114可以是例如LCD面板或者其它透射类型的光调制器。
在所述的实施例中，控制器120包括图像数据处理器122和用于控制背光单元102的合适的电子接口124A以及用于控制光调制器114的电子接口124B，控制器120接收定义显示器100上待显示的图像的图像数据126并驱动背光单元102的发光元件(例如LED 104)以及光调制器114的像素，从而产生供观看的图像。控制器120可包括一合适的编程计算机，该计算机具有合适的软件/硬件接口，用于控制背光单元102和光调制器114，从而显示图像数据126所定义的图像。
通常，光散射元件10的直径都比它们所照明的高分辨率光调制器的像素直径小很多。高分辨率调制器的每个像素可以被经过多个光散射元件10的光线照亮。例如，光散射元件10可具有好几十微米的直径(例如在大约10微米到100或200微米之间)，而高分辨率调制器的每个像素可具有好几百微米的直径(例如超过100微米)。高分辨率调制器的单个像素可以被经过10或更多的光散射元件10的光线照亮。在一些实施例中，每个光散射元件10的大小相应于显示器的高分辨率图像中的一个像素的大小。
上文提及的部件(例如元件、部分、组件、装置、处理器、控制器、准直器、电路等等)，除非另外说明，提及的这些部件应当被理解为包括其等价物，即能够执行上述部件功能(即功能等同)的任意部件，包括执行本发明所述典型实施例中的功能但在结构上不同于所公开结构的部件。
依据上述公开，本领域的技术人员会明白，在不偏离本发明的精神的情况下，在本发明的实践中可以做出许多变动和修改。例如：
虽然上述描述涉及高动态范围显示器，但是本发明是针对一般性的应用，并且能够结合于任何直背光显示子系统中，例如液晶显示器(LCD)。这样的LCD可以是由独立光源组成的阵列(例如，美国加利福尼亚州SanJose市的Lumileds Lighting公司出售的红绿蓝Luxeon DCCTM发光二极管组成的光源阵列)进行背光照明的。
波导元件12和聚光器14、16的横截面不必为圆形，可以具有其它的横截面形状。例如：波导元件12的横截面可以是矩形或者是六边形；聚光器14、16可以是圆锥形。这些形状在光学效率方面要小于上文描述的形状，但是这些形状在一些需要更容易且更便宜地制造光散射器的应用中也是可用的。
光散射元件10不必以图3所示的方形网格排布，可以是其它所需的与显示片的像素或像素组的分布一致的布局(例如，随机分布、六角形、矩形网格等等)。
没有要求抛物面聚光器14与反向复合抛物面聚光器16的大小必须相等，虽然通常它们具有相等或相似的大小以便与波导元件12匹配。
替代光线全反射的结构，可通过在抛物面聚光器14、反向复合抛物面聚光器16和/或波导元件12的周围覆盖反射层或例如反射性金属这样的反射材料而制成抛物面聚光器14、反向复合抛物面聚光器16和/或波导元件12。在这样的实施例中，抛物面聚光器14、反向复合抛物面聚光器16和/或波导元件12可以是具有反射壁的中空结构。
虽然在上文中描述了一些实例特征和实施例，但是本领域的技术人员应当认识到可以进行修改、置换、添加和合并。而所附权利要求包括在它们限定范围内所有这样的修改、置换、添加和合并。
本申请要求于2004年7月27日申请的题名为“减小视差并保持亮度的光散射器”的美国申请No.60/591088的优先权。

Claims (22)

1.一种光散射片，包括在所述片的相对侧之间延伸的多个小光散射元件，每个光散射元件包括光耦合于复合抛物面聚光器和反向复合抛物面聚光器之间的波导元件，其中，波导元件具有的长度是它的最大横截面尺寸的两倍。
2.依据权利要求1的光散射片，其中，复合抛物面聚光器会聚入射光，使得从复合抛物面聚光器进入波导元件的光线量最大化。
3.依据权利要求2的光散射片，其中，所述光散射片包括在入射光进入复合抛物面聚光器之前准直入射光线的准直器。
4.依据权利要求3的光散射片，其中，准直器使入射光线的入射方向处于显示器法线方向的25度角的范围内。
5.依据权利要求3的光散射片，其中，波导元件使会聚光线不准直，并使不准直光光学耦合到反向复合抛物面聚光器中。
6.依据权利要求4的光散射片，其中，反向复合抛物面聚光器准直经过空间均化的光线，并且准直程度与经过准直器准直的入射光线的准直程度相同。
7.依据权利要求1到6中任一项的光散射片，其中，波导元件包括被空气包围着的光学透明绝缘材料。
8.依据权利要求1的光散射片，其中，所述光散射元件在该光散射片中布置成阵列并具有范围在10微米到200微米的直径。
9.一种显示器，它包括依据权利要求1到8中任意一个的光散射片，该光散射片位于背光单元和光调制器之间。
10.依据权利要求9的显示器，其中，所述显示器包括位于背光单元和光散射片之间的准直器。
11.依据权利要求10的显示器，其中，准直器使得入射在光散射片上的大部分光线的入射方向处于与光散射片的垂线成25度角的视角范围内。
12.依据权利要求9的显示器，其中，背光单元包括多个可独立控制的光源。
13.依据权利要求10的显示器，其中，背光单元包括多个可独立控制的光源。
14.依据权利要求11的显示器，其中，背光单元包括多个可独立控制的光源。
15.依据权利要求12的显示器，其中，可独立控制的光源包括发光二极管。
16.依据权利要求13的显示器，其中，可独立控制的光源包括发光二极管。
17.依据权利要求14的显示器，其中，可独立控制的光源包括发光二极管。
18.依据权利要求9到14中任一项的显示器，其中
调制器包括多个像素，并且每个像素具有可控透光性；并且
光散射片包括位于多个像素中每一个像素在光散射片上的投影区域内的多个光散射元件。
19.依据权利要求12、13、14、15、16或17的显示器，其中，所述显示器包括用于控制可独立控制的光源的光强的控制器，从而在调制器上提供由图像数据所限定的图像的低分辨率图。
20.依据权利要求19的显示器，其中，控制器用于控制调制器的像素，以显示比图像的低分辨率图分辨率更高的可视图像。
21.依据权利要求9的显示器，其中，光调制器的每个像素设置为被穿过十个或更多个光散射元件的光所照亮。
22.依据权利要求9的显示器，其中，每个光散射元件的大小相应于显示器的高分辨率图像中的一个像素的大小。
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